专利名称：电镀方法
发明
背景技术：
领域本发明涉及一种电镀方法，尤其涉及将导电材料如铜(Cu)等填充到在基片如半导体晶片中形成的细互连图案(凹槽)中从而形成互连的方法。
背景技术：
近年来，突出的趋势是使用电阻率低且耐电迁移能力高的铜而非铝或铝合金作为在半导体基片上形成互连电路的材料。通常，通过将铜填充到基片表面上形成的细凹槽内来形成铜互连。形成这种铜互连的各种技术是已知的，包括CVD、溅射和电镀。依照任何现有技术，基本都在基片的整个表面上形成铜膜，随后通过化学机械抛光(CMP)来去除多余的铜。
图21A-21C按照基本处理步骤的次序说明了通过在基片表面上镀铜来制造具有铜互连的半导体设备的例子。如图21A所示，将绝缘膜2如二氧化硅膜或低k值介质材料的膜沉积在于半导体基片上形成的导电层1a上，在导电层1a中形成电子器件。通过光刻或蚀刻技术在绝缘膜2上形成用于互连的由连接孔3和沟槽4组成的细凹槽5。在绝缘膜2的整个表面上形成TaN等的阻挡层6。
接下来，如图21B所示，在半导体基片W的表面上镀铜以用铜填充半导体基片W上的凹槽(洞/孔)5，同时，在阻挡层6上沉积铜膜7。此后，通过进行化学机械抛光(CMP)去除绝缘膜2上的铜膜7和阻挡层6，以使填充到连接孔3和沟槽4内的铜表面互连，并使绝缘膜2的表面基本处于相同的平面上。如图21C所示，这就形成由铜膜7组成的嵌入式互连。
如图22所示，例如通过电镀法将铜膜7嵌入到在半导体基片W的表面内形成的细凹槽5中，广泛的做法是在镀铜之前，通过例如溅射(sputtering)或CVD在半导体基片W的表面中形成的阻挡层6的表面上形成籽晶层(seedlayer)8。籽晶层8的主要目的在于使其表面作为阴电极来为还原电镀液中的金属离子提供充足的电流，并使金属离子沉积为固态金属。
通常通过溅射、CVD等形成籽晶层8。目前，由于互连变得高度密集且更细，连接孔和通孔的纵横比也变得更高。例如，如图22所示，当在直径约为0.15微米，其纵横比约为6的凹槽(洞)5上形成例如铜的籽晶层8时，B1/A1比(sidecoverage)，即凹槽5内侧表面上籽晶层8的膜厚B1与基片W外表面上籽晶层8的膜厚A1的比值约为5～10％。而且，在这种情况下难以形成连续的籽晶层8。部分原因是由于溅射的铜原子粘附到了成膜(film formation)上。另外，目前的趋向是基片外表面上籽晶层8的膜厚A1薄至仅仅80～100nm，甚至仅仅40～60nm，因而，凹槽5内侧表面上籽晶层8的厚度B1也变得更薄。
通常，电镀液由硫酸铜，硫酸，氯及多种添加剂组成，并且是强酸性的。因此电镀液可以溶解铜的籽晶层8。因而，如图23所示，对在其表面上具有上述籽晶层8的基片W进行电镀中，通过基片W与电镀液接触而使籽晶层8被电镀液溶解。特别是，微孔或沟槽侧壁上的，尤其是接近微孔或沟槽底部部分处的籽晶层8被溶解掉，致使在这些部分处不导电并形成孔隙。
如图22所示，如果为了确保侧面覆盖而使基片外表面上籽晶层8的膜厚A1变大，那么凹槽5的实际纵横比也应该增加。此外，当铜嵌入时可能发生孔的开口阻塞，从而会在孔内形成空隙，导致生产率下降。
另一方面，如图24A所示，当基片W的表面上形成阻挡层6时，其中在表面上共存相对小的和大的细凹槽，例如窄的沟槽5a和宽的沟槽5b，如图24B所示，在该阻挡层6上形成籽晶层8，然后如图24C所示，通过镀铜将铜嵌入到沟槽5a、5b中，窄的沟槽5a上的镀层生长速度趋于提高，从而，即使当优化电镀液或电镀液中的添加剂时，铜镀膜7也可能增加，反之，在宽的沟槽5b中不能实现充分高水平的电镀，这导致铜不能充分嵌入。
关于这一点，可以考虑提高整个嵌入铜膜的厚度来防止嵌入不足。但是，当考虑后续CMP加工以使基片W的表面变平时，较厚的镀膜势必会增加抛光量，因此势必延长加工时间。提高CMP速度以避免加工时间延长会造成在CMP加工中宽沟槽5b内产生缺陷。
为了解决这些问题，即使当窄沟槽和宽沟槽在基片的表面上共存时，也必须使镀膜厚度尽可能的薄，并降低或消除镀膜中高出的部分和凹槽从而提高镀膜的平整度。但是目前，例如，当使用硫酸铜电镀浴(plating bath)进行电镀时，不可能只通过电镀液或添加剂的作用来同时降低高出的部分并减少凹槽。
发明内容
本发明是在考虑到现有技术的上述情况下作出的。因此，本发明的目的是提供一种电镀方法，即使当凹槽具有高的纵横比时，该方法也能在基片表面的凹槽内形成无缺陷的、完全嵌入的导电材料的互连；即使在基片表面同时存在窄的沟槽和宽的沟槽时，该方法也能增加镀膜的平整度，使后续CMP加工在较短时间内完成，同时防止在CMP加工中产生缺陷。
为达到上述目的，本发明提供一种电镀方法，包括在基片的表面与阳极间提供高电阻结构，所述表面与阴极连接；用电镀液填充基片与阳极间的空间，同时在阳极与阴极间施加电压；使镀膜在基片表面上生长，同时将流过阴极与阳极间的电流控制为恒定值。
这种方法可以防止为了进行电镀而在基片表面上提供的电镀液溶解籽晶层，因此能够使镀膜在籽晶层上生长以实现例如铜的嵌入。
在本发明的一个优选实施方案中，提供这样的电压以使平均阴极电流密度相对于基片表面为1～30mA/cm2的电流流动。
优选地，当电流在阴阳极之间开始流动后，施加电压100～2000毫秒。
本发明还提供另一种电镀方法，包括在基片的表面与阳极间提供高电阻结构，所述表面与阴极连接；用电镀液填充阴极与阳极间的空间；使镀膜在基片表面上生长，同时以逐步改变的恒定值的方式控制阴阳极间流动的电流。
用这种电镀方法能够在低电流下进行第一步电镀以强化基片上的籽晶层，再进行第二步电镀以使电镀膜在籽晶层上生长，从而实现例如铜的嵌入。即使甚至当凹槽具有高的纵横比时，这种分步的电镀也能够在基片表面的凹槽中形成导电材料如铜的无缺陷、完全嵌入的互连。
在本发明的一个优选实施方案中，逐步升高在阴阳极间流动的电流的值。
在本发明一个优选实施方案中，在成膜过程中将电镀液换为不同的电镀液。
在本发明一个优选实施方案中，在成膜过程中清洁基片的表面。
本发明还提供另一种电镀方法。包括在基片的表面与阳极间提供高电阻结构，所述表面与阴极连接；用电镀液填充基片与阳极间的空间；使镀膜在基片表面上生长，同时将流过阴极与阳极间的电流控制为恒定值；颠倒阴阳极间流动的电流的方向以蚀刻掉镀膜的表面；进而使镀膜在基片表面上生长，同时将阴阳极间流动的电流控制为恒定值。
根据这种方法，在电镀加工间蚀刻掉镀膜的表面以使镀膜平整，由此，可以提高最终镀膜的平整度。
在本发明的一个优选实施方案中，重复进行蚀刻镀膜表面的步骤和随后的镀膜生长步骤。
本发明还提供另外一种电镀方法，包括用电镀液填充基片表面与阳极间的空间，所述表面与阴极连接；同时在阳极与阴极间施加电压；使镀膜在基片表面上生长，同时将流过阴极与阳极间的电流控制为恒定值。
当与通过实施例说明本发明优选实施方案的附图结合时，从下面的描述中，本发明的上述及其它目的、特点和优点将会更明显。
图1是基片加工装置的整体平面图，该装置装配有实施本发明电镀方法的电镀装置；图2是图1所示电镀装置的平面图；图3是图1所示电镀装置的支架和电极部分的放大剖面图；图4是图1所示电镀装置的预涂/回收臂的正视图；图5是图1所示电镀装置的基片支架的平面图；图6是沿图5中B-B线的剖面图；图7是沿图5中C-C线的剖面图；图8是图1所示电镀装置的电极部分的平面图；图9是沿图8中D-D线的剖面图；图10是图1所示电镀装置的电极握臂部分的平面图；图11是说明电镀时图1所示电镀装置的电极头部及基片支架的示意剖面图。
图12是说明通过如图1所示的电镀装置实施时，控制方法(电镀方法)中电流与时间之间关系的图；图13是说明通过如图1所示的电镀装置实施时，另一控制方法(电镀方法)中电流与时间之间关系的图；图14是说明通过如图1所示的电镀装置实施时，另一控制方法(电镀方法)中电流与时间之间关系的图；图15是说明通过如图1所示的电镀装置实施时，另一控制方法(电镀方法)中电流与时间之间关系的图；图16是说明通过如图1所示的电镀装置实施时，另一控制方法(电镀方法)中电流与时间之间关系的图；图17A到17C是说明一系列的第一步电镀、中间蚀刻步骤及第二步电镀的图，该蚀刻步骤通过施加方向相反颠倒的电流实施；图18是说明另一种电镀装置的示意图；图19是另一种基片加工装置的整体平面图，该装置装配有用于实施本发明电镀方法的电镀装置；图20是说明通过图19所示基片加工装置实施时，基片加工过程的流程图；图21A到21C是说明按处理步骤次序，通过电镀形成铜互连的一个实施例的图；图22是说明在具有高纵横比的凹槽(孔)表面形成籽晶层的图；图23是说明如图22所示的籽晶层与电镀液接触时，其溶解问题的图，和图24A到24C是说明通过常规方法实施时，通过基片镀铜形成嵌入式互连的图。
具体实施例方式
下面将参考附图对本发明优选实施方案进行详细说明。下述实施方案涉及将本发明用于通过将铜嵌入在基片表面上形成的互联的细凹槽中而形成的铜的互连。
图1是为说明包含实施本发明电镀方法用电镀装置的基片加工装置的平面图。如图1所示，此基片加工装置具有一个矩形设施，其中放置两个装载/卸载装置10，用于放置多个基片W；两个电镀装置12，用于进行电镀处理；一个自动传送装置14，用来在装载/卸载装置10与电镀装置12之间传送基片W；及具有电镀液储槽16的电镀液供给设备18。
如图2所示，电镀设备12装备有用于进行电镀处理及附加操作的基片处理部件20，在基片处理部件20附近设置用于存储电镀液的电镀液盘22。还提供一个具有电极头28的电极握臂部分30，电极头28固定在可绕转动轴24摇摆的臂26的前端，并在基片处理部件20与电镀液盘22之间摇摆。而且，在基片处理部件20侧面设置了预涂/回收臂32，用于向基片喷射纯水或化学试剂如离子水以及气体等的固定喷嘴34。在本实施方案中，设置了三个固定喷嘴34，其中一个用于提供纯水。
如图3所示基片处理部件20，具有用于用其向上的表面(电镀表面)支撑基片W的基片支架36和位于基片支架36上方的电极部分38以围绕基片支架36的周围部分。而且，还提供围绕基片支架36周围的、用于防止在加工过程中使用的各种化学液体(试剂)分散的、底部基本为圆柱状的杯40以沿气缸(未标出)垂直移动。
基片支架36适合于通过气缸44在基片下传送位置A和上电镀位置B与位于这两个位置之间的预处理/清洗位置C之间适当上升和下降。基片支架36还适合于通过旋转马达和带子(未示出)与电极部分38一起以任意速度和任意加速度旋转。在面对自动传送装置14的电镀装置的侧面板中，面对基片传送位置A提供基片输入输出口(未示出)。当基片支架36上升到电镀位置B时，电极部分38(将在下面描述)上的密封元件90及阴极88与基片支架36支撑的基片W的周边部分接触。另一方面，杯40具有位于基片输入输出口下面的上端，当杯40上升时，杯40的上端到达位于靠近基片输入输出口的电极部分38上面的位置，如图3中虚线所示。
当未进行电镀时，电镀液盘22用于用电镀液使电极握臂部分30的高电阻结构110和阳极98(将在后面描述)变湿。将电镀液盘22的尺寸设置为可以容纳高电阻结构110，电镀液盘22具有电镀液供给口和电镀液排流口(未示出)。光敏元件连在电镀液盘22上，可以探测电镀液盘22中电镀液的满溢状况，即溢出或排出。
如下所述，在此实施方案中，电极握臂部分30可以通过垂直运动马达132和滚珠丝杠134作垂直运动，马达132是伺服马达，并且可以通过摇摆马达使其在电镀液盘22与基片处理部件20之间摇摆。还可使用到压制制动器(compressed actuator)。
如图4所示，将预涂/回收臂32连接到垂直支撑轴58的上端。预涂/回收臂32可以通过摇摆制动器60摇摆，并可以通过气缸(未示出)垂直运动。预涂/回收臂32在其自由端侧支撑用于排出预涂液体的预涂喷嘴64，并在靠其近端上支撑用于回收电镀液的电镀液回收喷嘴66。预涂喷嘴64与可通过气缸驱动的注射器相连，以，例如从预涂喷嘴64中间歇地排出预涂液体。电镀液回收喷嘴66与气缸泵或抽风机相连，以，例如由电镀液回收喷嘴66中抽取基片上的电镀液。
如图5至7所示，基片支架36具有盘状基片台68和安装在盘状基片台68周边、相互间隔的六个垂直支撑臂70以将基片W固定在支撑臂70各个上表面的水平面上。将定位盘72安装到支撑臂70中的一个臂的上端面上，以通过与基片的端面接触而使基片定位。将压指74可旋转地安装在与具有定位盘72的支撑臂70对面的支撑臂70的上端上，以在旋转时紧靠基片W的端面并将基片W压到定位盘72上。在剩余四个支撑臂70的上端可旋转地安装夹指76用以向下压基片W并夹紧基片W的周边。
压指74和夹指76各自的底端与挤压销(pressing pin)80的顶端耦合，通常挤压销80受螺旋弹簧的驱动而向下移动。当挤压销80向下移动时，压指74和夹指76向内径向旋转至关闭位置。在基片台68的下方设置支撑盘82用以啮合挤压销(opening pins)80的下端并将它们向上推。
当基片支架36位于图3所示的基片传送位置A时，通过支撑盘82啮合并向上推挤压销(opening pins)80，因此压指74和夹指76外向旋转并打开。当升高基片台68时，挤压销80由于螺旋弹簧78的弹性而下降，因此压指74和夹指76内向旋转并闭合。
如图8和9所示，电极部分38包含固定于安装在支撑盘82(见图7)周边上的垂直支撑柱84上端的环状结构86；与环状结构86的下表面相连并向内突出的多个阴极88，在本实施方案中是六个；安装在覆盖阴极88上表面的环状结构86的上表面上的环状密封元件90。密封元件90具有往下内倾斜的且壁逐渐变薄的内周边部分，并具有向下悬的内周端。
如图3所示，当基片支架36上升到电镀位置B时，向由基片支架36支撑的基片W的周边部分压阴极88，从而使电流通过基片W。同时，在压力下密封元件90的内圆周端部分与基片W的周边上表面接触从而以不透水的方式密封其接触部分。因此，阻止了供应到基片W上表面(电镀面)上的电镀液从基片W的边缘处泄漏，并防止了电镀液污染阴极88。
在本实施方案中，电极部分38不可垂直移动，但可以同基片支架36一起旋转。然而，当电极部分38下降时，可以这样排布电极部分38，使其可以垂直运动，并向基片W待电镀的表面压密封元件90。
如图10和11所示，电极握臂部分30上的电极头28包括外壳94，其通过滚珠轴承(球轴承)92同旋转臂26的自由端连接；和高电阻结构110，其靠近外壳94的底部开口。在外壳94下端有一个向内突出的部分94a，而高电阻结构110在顶部有法兰部分110a。法兰部分110a同向内突出的部分94a啮合，在它们之间插入垫片96。因此，用外壳94固定了高电阻结构110，而将空的电镀液室100限定在外壳94中。
高电阻结构110由多孔陶瓷如氧化铝、SiC、莫来石、氧化锆、氧化钛或堇青石组成，或由硬质多孔材料如聚丙烯或聚乙烯的烧坯，或由包含这些材料的复合材料组成。例如，在氧化铝基陶瓷的情况下，使用孔径为30～200微米的陶瓷。在SiC的情况下，使用的SiC孔径不超过30微米，孔隙率为20～95％，厚度约为1～20mm，优选为5～20mm，更优选为8～15mm。在此实施方案中，高电阻结构110由孔隙率为30％且平均孔径为100μm的氧化铝多孔陶瓷构成。多孔陶瓷板本身是绝缘体，但高电阻结构是通过使电镀液进入其复杂的内部并在其厚度方向上渗入很长的路径而形成的。
将具有高电阻的高电阻结构110设置在电镀液室100内。因此，籽晶层8(见图22)造成电阻的影响变成忽略不计的程度。因此，由于基片W表面电阻造成的基片表面电流密度的差别很小，并且提高了基片表面上镀膜的均匀性。
在电镀液室100中，设置阳极98，其靠近设置在阳极98上的电镀液导入管104的下表面。电镀液导入管104具有电镀液导入口104a，其与从电镀液供给装置18(见图1)延伸出的电镀液供给管102连接。在外壳94的上面板上提供电镀液排放端口94b与电镀液排放管106连接，该排放管106同电镀液室100相连。
对于电镀液导入管104，使用多种结构，因此可以使电镀液均匀供给到基片的电镀表面上。特别是，在沿管104长度方向的预定位置将与电镀液导入管104相连的大量细管112与管104连接。并且，在阳极98和高电阻结构110同细管112相适应的位置上提供小孔。细管112从小孔中向下伸出并到达高电阻结构110的下表面或其附近。
这样，从电镀液供给管102引入到电镀液导入管104的电镀液通过细管112，到达高电阻结构110的底部，通过高电阻结构110，并填充电镀液室100，由此使阳极98浸在电镀液中。通过对电镀液排放管106抽吸而使电镀液从电镀液排放管中排放。
为了抑制阳极泥形成，用含磷0.03～0.05％的铜(含磷的铜)制成阳极98。也可以使用不溶解材料来制备阳极98。
阴极88与电镀电源114的负极电连接，阳极98与电镀电源114的正极电连接。电镀电源114可以交替地改变电流的方向。
滚珠轴承92通过支撑件124同旋转臂26耦合。旋转臂26通过垂直运动马达132及滚珠丝杠134进行垂直移动，马达132是伺服马达。也可以通过使用压缩空气制动器来构成垂直移动机构。
当进行电镀时，基片支架36位于电镀位置B(见图3)。如图11所示，电极头28下降，直至基片支架36支撑的基片W与高电阻结构110之间的距离为例如，大约0.1～3mm。将电镀液从电镀液供给管102供应至基片W的上表面(电镀表面)，同时使电镀液充满高电阻结构110，并用该电镀液填充电镀液室100，从而对基片W的电镀表面进行电镀。
现在，将通过进一步参考图12来描述含上述电镀装置的基片处理装置的运转(操作)。
首先，通过自动传送装置14将待电镀的基片W从装载/卸载装置10中取出，以使待电镀的表面朝上的方式传送，通过侧板上限定的基片输入输出口，进入其中一个电镀装置12中。与此同时，基片支架36处于下传送位置A。当自动传送装置14的手柄到达基片台68正上方的位置后，自动传送装置14的手柄下降从而将基片W放置在支撑臂70上。然后，自动传送装置14的手柄通过基片输入输出口收回。
当自动传送装置14的手柄完全收回后，杯40上升。然后，基片支架36从基片传送位置A上升到预处理/清洗位置C。当基片支架36上升时，通过定位盘72及压指74确定放在支撑臂70上的基片W的位置，然后通过夹指76牢固地夹紧。
另一方面，现在电极握臂部分30的电极头28位于电镀液盘22上的正常位置(normal position)，高电阻结构110或阳极98位于电镀液盘22内。在杯40上升的同时，开始向电镀液盘22及电极头28供应电镀液。到电镀基片W步骤开始，供应新的电镀液，并抽空电镀液排放管106以置换高电阻结构110中的电镀液，并从高电阻结构110的电镀液中除去气泡。当杯40的上升运动完成时，侧面板上的基片输入输出口被杯40关闭，使侧面板内的气氛同侧面板外的气氛相互隔离。
当杯40上升时，开始预涂覆步骤。具体地说，已经接收了基片W的基片支架36开始旋转，预涂/回收臂32从收缩位置移动到面对基片W的位置。当基片支架36的旋转速度到达预定值时，安装在预涂/回收臂32顶端的预涂覆喷嘴64向基片W的电镀表面间歇地排放例如含有表面活性剂的预涂覆液体。与此同时，由于基片支架36旋转，预涂覆液体分布在整个基片W的电镀表面上。然后，预涂/回收臂32返回收缩位置，并升高基片支架36的旋转速度从而甩掉预涂覆液体并干燥基片W的电镀表面。
预涂覆步骤完成后，开始电镀步骤。首先，基片支架36停止旋转，或者将其旋转速度降低到进行电镀的预定旋转速度。在此状态下，将基片支架36升高到电镀位置B。然后，使基片W的周边与阴极88接触，当能够通过电流时，同时，向朝基片W周边的上表面压密封件90，这样以不透水的方式密封基片W的周边。
基于说明负载基片W的预涂覆步骤完成的信号，电极握臂部分30在水平方向旋转从而使电极头28从电镀液盘22上方的位置移动到电镀处理位置上方的位置。当电极头28到达此位置后，电极头28朝电极部分38下降。此时，高电阻结构110没有与基片W的电镀表面接触，但离基片W的电镀表面只有0.1-0.3毫米的近距离。当电极头28完成下降后，开始电镀过程。
特别是，如图12所示，电镀电源114的负极与阴极88相连，正极与阳极98相连，并在阴极88与阳极98之间施加恒定的电压，也就是进行恒压控制，同时将电镀液从电镀液供给管102供应至电极头28中，因此使电镀液供应至基片W的上表面(电镀表面)，同时使高电阻结构110充满电镀液，并用电镀液(t0-t1)填充电镀液室100。电压优选为使相对于基片W的表面平均阴极电流密度为1-30mA/cm2的电流流过。从电流开始在阴极88与阳极98之间流动的时刻起，施加电压的时间通常为100-2000毫秒，最好为300-1000毫秒。
根据此实施方案，认为电流开始在阴极88与阳极98之间流动的时刻是液体接触点。但是，例如，也可能先使微弱的直流电或交流电在阴极88与阳极98之间流动，通过检测电压的变化来确定液体接触点(liquid-contact point)。
通过进行恒压控制，即在阴极88与阳极98之间提供恒定的电压时提供电镀液，可以克服如图23所示现有技术中的籽晶层8溶解的缺点。因此，如图23所示，根据常规电镀方法，当基片W与电镀液接触时，基片W上的籽晶层8可以被电镀液溶解。特别是，微孔或凹槽侧壁上的，尤其是位于接近孔或凹槽底部上的籽晶层8会被溶解掉，这造成在这些部分不导电。可以通过本方法克服这种缺点，而且如图22所示，在凹槽5的整个表面上都存在籽晶层8的状态下可以开始电镀。
当电镀液填充结束后，在进行恒流控制，即在阴极88与阳极98之间施加恒定电流时，使镀膜在基片表面(籽晶层8)上生长。特别是，在初始阶段，施加小的恒定电流i1以使镀膜逐渐生长(t1-t2)，例如，此电流i1为约1～10mA/cm2，优选的是约3～7mA/cm2。当镀膜的厚度到达预定值，例如约0.05～0.5微米，优选的是0.1～0.2微米时，施加大的恒定电流i2(i2＞i1)以快速生长镀膜，从而实现铜嵌入，例如，电流i2为约10～40mA/cm2，优选的是约25mA/cm2。在电镀过程中，基片支架36根据需要以低速旋转。
因此，在第一步电镀中，用小电流强化了使用如上所述电镀液而避免被溶解的籽晶层8，并使镀膜在第二步电镀中生长，从而实现铜嵌入。即使当凹槽具有高的纵横比时，这种两步电镀也可以在基片表面的凹槽内形成无缺陷的、完全嵌入导电材料如铜的互连。
当电镀过程完成时，电极握臂部分30上升，然后旋转回电镀液盘22上方的位置，并下降到正常位置。之后，预涂/回收臂32从收缩位置移动到面对基片W的位置，并降低以通过电镀液回收喷嘴66回收基片W上剩余的电镀液。当回收剩余电镀液完成后，预涂/回收臂32返回到收缩位置，由固定喷嘴34提供纯水以向基片W的中心部分供应纯水来冲洗基片的电镀表面。同时，基片支架36以增加的速度旋转从而用纯水替换基片W表面上的电镀液。用这种方法洗涤基片W可以避免在基片支架36从电镀位置B下降的过程中飞溅的电镀液污染电极部分38上的阴极88。
当冲洗完成后，开始用水清洗的步骤。即基片支架36从电镀位置B下降到预处理/清洗位置C。然后，当由用于供给纯水的固定喷嘴34提供纯水时，基片支架36和电极部分38旋转从而用水进行清洗。同时，直接供应至电极部分38上的纯水或从基片W的表面上分散的纯水可以使密封元件90和阴极88随基片W也得到清洗。
当水洗步骤完成后，开始干燥步骤。即从固定喷嘴34停止供应纯水，基片支架36和电极部分38的旋转速度进一步升高以通过离心力去除基片W表面上的水并使基片W的表面干燥。密封元件90和阴极88也同时被干燥。干燥完成时，基片支架36和电极部分38停止旋转，基片支架36下降到基片传送位置A。因此，释放夹指76夹持的基片W，且刚好将基片W放在支撑臂70的上表面上。同时，杯40也下降。
现在，包括电镀步骤、伴随电镀步骤的预处理步骤、清洗步骤和干燥步骤的所有步骤都已完成。自动传送装置14的手柄从基片输入输出口中嵌入基片W之下的位置，升高手柄以从基片支架36上接收电镀基片W。然后，自动传送装置14将从基片支架36上接收到的电镀基片W送回到装载/卸载装置10的一个中。
图13显示了当通过该电镀设备进行时的另一种控制方法(电镀方法)。根据这种方法，电镀电源114的负极与阴极88连接，正极与阳极98连接，当电镀液通过电镀液供给管102供给到电极头28上时，在阴极88与阳极98之间施加电压(例如恒定的电压)，因此将电镀液供应到基片W的上表面(电镀表面)上，同时使高电阻结构110充满该电镀液，且用该电镀液填充电镀液室100(t0-t4)。
当电镀液填充完成之后，使镀膜在基片W的表面上生长，同时进行恒流控制，即在阴极88与阳极98之间施加恒定的电流。特别是，在初始阶段，施加小电流i3以使镀膜逐渐生长(t4-t5)，例如，此电流i3为约1～10mA/cm2，优选的是3～7mA/cm2。当镀膜的厚度达到预定值，例如约0.05～0.5微米，优选的是0.1～0.2微米时，转换电流(电压)以使阴极88变为阳极，阳极98变为阴极，并在阴极88与阳极98之间施加恒定的电流(-i4)以蚀刻掉镀膜的表面并使镀膜平整(t5～t6)。其后，转换电流(电压)以使阴极88变为阴极，阳极98变为阳极，并施加大的恒定电流i5(i5＞i3)以使镀膜快速生长，从而实现铜嵌入，例如，此电流i5为约10～40mA/cm2，优选的是约25mA/cm2。
通过这种方法蚀刻掉在电镀步骤间的镀膜表面以使镀膜平整，可以提高最终镀膜的平整度。就此而论，当在基片W的表面上形成阻挡层6，其中如图17A所示，相对小和相对大的细凹槽，例如窄的沟槽5a和宽的沟槽5b共存于该基片W的表面中，并在该阻挡层6上形成籽晶层8，然后进行电镀铜从而使镀膜生长以实现铜膜7的嵌入时，即使当用如上所述的电镀液而避免籽晶层8被溶解时，窄的凹槽5a上电镀的速度也会升高，从而可能造成铜膜7高出。根据本方法，如图17B中虚线所示，铜镀膜7的高出部分7a被蚀刻掉，镀膜进而在平整的铜膜7b上生长，最终形成铜膜7c。因此可以提高镀膜(铜膜7)的平整度。
图14显示了当通过该电镀设备进行时的再一种方法(电镀方法)。根据这种方法，电镀电源114的负极与阴极88和阳极98连接，即，实施恒压控制，同时使电镀液由电镀液供给管102供应到电极头28，因此电镀液供应到基片W的上表面(电镀表面)上，同时，使高电阻结构110充满该电镀液，并用该电镀液填充电镀液室100(t0-t8)。
当电镀液填充完成后，使镀膜在基片的表面(籽晶层8)上生长，同时实施恒流控制，即，在阴极88与阳极98之间施加恒定的电流。特别是，在初始阶段，施加小的恒定电流i6逐渐生长镀膜(t8-t9)，此电流低于在恒压控制时于阴极88与阳极98之间施加的电流，如，为约1～10mA/cm2，优选的是3～7mA/cm2。当镀膜的厚度达到预定值，如0.05～0.5微米，优选的是0.1～0.2微米时，施加大的恒定电流i6(i6＞i5)以使镀膜快速生长，从而实现铜嵌入，例如，此电流i6为约10～40mA/cm2，优选的是约25mA/cm2。在电镀过程中，基片支架36根据需要以低速旋转。
图15显示了当通过该电镀设备进行时的又一种控制方法(电镀方法)。根据这种方法，电镀电源114的负极与阴极88连接，正极与阳极98连接，并在阴极88与阳极98之间施加恒定的电压，即进行恒压控制，同时使电镀液由电镀液供给管102供应到电极头28中，因此将电镀液供应到基片W的上表面(电镀表面)上，同时使高电阻结构110充满该电镀液，并用电镀液填充电镀液室100(t0-t11)。
当电镀液填充完成后，使镀膜在基片的表面(籽晶层8)上生长，同时实施恒流控制，即，在阴极88与阳极98之间施加恒定的电流。特别是，在初始阶段，施加小电流i8以使镀膜缓慢生长(t11-t12)，此电流i8比在恒压控制时于阴极88与阳极98之间施加的电流高，例如为约1～10mA/cm2，优选的是3～7mA/cm2。当镀膜厚度达到预定值，例如约0.05～0.5微米，优选的是约0.1～0.2微米时，施加大电流i9(i9＞i8)以使镀膜快速生长，从而实现铜嵌入，例如，电流i9为约10～40mA/cm2，优选的是约25mA/cm2。在电镀过程中，基片支架36根据需要以低速旋转。
图16显示了当通过该电镀设备进行时的又一种控制方法(电镀方法)，这种方法通过使用两种不同组成的电镀液来实现铜嵌入。特别是，电镀电源114的负极与阴极88连接，正极与阳极98连接，并在阴极88与阳极98之间施加恒定的电压，也就是实现恒压控制，同时使电镀液由电镀液供给管102供应到电极头28中，因此电镀液供应到基片W的上表面(电镀表面)上，同时使高电阻结构110充满该电镀液，并用该电镀液填充电镀液室100(t0-t14)。
当电镀液填充完成后，使镀膜在基片表面(籽晶层8)上生长，同时实施恒流控制，即在阴极88与阳极98之间施加恒定的电流。特别是，在初始阶段，施加小电流i10以使镀膜缓慢生长(t14-t15)，例如，该电流i10约为3～7mA/cm2。
在电镀的初始阶段，使用适于嵌入细(窄)图案的电镀液。下面是这种电镀液组成的一个例子CuSO4·5H2O 200g/lH2SO450g/lHCl 60mg/l有机添加剂5ml/l当镀膜厚度达到预定值，例如约0.05～0.5微米，优选的是0.1～0.2微米时，电镀操作停止，除去电镀液，并，例如以上述方式用纯水清洁镀膜表面。
然后，施加大的恒定电流i11(i11＞i10)以使镀膜快速生长，从而实现铜嵌入，电流i11为约20～40mA/cm2，优选的是约25mA/cm2。
在电镀的后段，使用适于嵌入宽图案的电镀液，例如，含100～300g/l的硫酸铜，10～100g/l的硫酸。下面是这种电镀液的一个例子CuSO4·5H2O200g/lH2SO450g/lHCl 100mg/l有机添加剂 5ml/l图18显示了另一种用于实施本发明电镀方法的电镀设备。该电镀设备包括向上开口的圆柱形电镀槽602，用于存放电镀液600；可旋转的基片支架604，用于可分离地支撑基片W，如半导体晶片，其正面朝下，并使基片W位于接近电镀槽602的顶部开口位置；在电镀槽602中水平地设置平板状阳极606，当浸入到电镀液600内时其用作阳极。在基片W的表面上形成籽晶层作为阴极。阳极606可以包括，例如铜板或铜球的聚集体。
其中配有泵608的电镀液供给管610与电镀槽602的底部中心连接。而且，围绕电镀槽602设置电镀液接收器612。流入电镀液接收器612中的电镀液通过电镀液返回管614返回到泵608中。
在运行(操作)中，由基片支架604表面朝下支撑、且位于电镀槽602上部位置处的基片W旋转，并在阳极606与基片W的籽晶层(阴极)之间施加预定的电压，同时驱动泵608以将电镀液600引入到电镀槽602中，从而使电镀电流在阳极606与基片W的籽晶层之间流动，从而在基片W的下表面上形成铜电镀膜。在电镀过程中，从电镀槽602溢出的电镀液600被电镀液接收器612回收并循环。
在浸入电镀槽602内电镀液600中的阳极606与由基片支架604支撑的、且位于电镀槽602上部位置的基片W之间设置平板形的绝缘体632。在绝缘体632上的所需位置提供大量所需尺寸(直径)的通孔632b，以使电镀电流只能从通孔632b中通过，这能够使基片所需位置处的电镀铜膜较厚。
而且，使用具有此结构的电镀设备，通过采取与如上所述相同的控制，即使当凹槽具有较高的纵横比时，能够在基片表面的凹槽内形成无缺陷的、完全嵌入的导电材料互连。并且即使当基片表面同时存在窄的凹槽和宽的凹槽时，也可以提高基片上镀膜的平整度，并使随后的CMP加工在较短时间内实施，同时防止在CMP加工过程中产生凹陷。
图19显示了另一种装配有实施本发明电镀方法的电镀设备的基片处理设备的整体平面布置图。此基片处理装置(形成互连的装置)包括两个装载/卸载部件202，用于将基片载入和载出主机200。在主机200中设置热处理装置204，用于对基片上形成的镀膜进行热处理(退火)；斜蚀刻(bevel-etching)装置206，用于去除形成或粘附在基片周围部分的镀膜；两个清洁/干燥装置208，用于利用清洁液体，如化学试剂或纯水清洁基片表面，并旋转干燥清洁的基片；基片台210，用于临时放置基片；和两个电镀装置212。在主机200内还设置了可移动的第一自动传送装置214，用于在装载/卸载部件202与基片台210之间传送基片；以及可移动的第二自动传送装置216，用于在基片台210、热处理装置204、斜蚀刻装置206、清洁/干燥装置208与电镀装置212之间传送基片。根据本实施方案，电镀装置212具有与图1到图11所示的电镀装置相同的结构。
对主机200进行光屏蔽，因此可以在光屏蔽的条件下于主机200内进行下面的处理步骤，即，没有光如照明光照射到基片的互连上。这样可以防止由于光线照射到互连上而形成的潜在差异导致的互连如铜的侵蚀。
在主机200的旁边设置电镀液控制装置224，该装置包括电镀液槽220和电镀液分析器222，分析器222分析并控制电镀装置212中使用的电镀液的组分，并向电镀装置212中供应预设定组成的电镀液。电镀液分析器222包括有机材料分析部分，用于通过循环伏安法(CVS)或液相色谱等对有机材料进行分析；和无机材料分析部分，用于通过中和滴定、氧化还原滴定、极谱或电位滴定等对无机材料进行分析。反馈电镀液分析器222的分析结果，以调节电镀液槽220中电镀液的组分。电镀液控制装置224也可以设置在主机200中。
下面将描述通过该基片处理装置形成的铜互连的例子，如图20所示。
首先，制备基片W，该基片W具有在表面上形成的作为供电层的籽晶层8(见图17B)。并将装有基片的基片盒安装到装载/卸载部件202内。通过第一自动传送装置214将一个基片W从安装在装载/卸载部件202内的盒中取出，并将该基片送到主机200中，传送到基片台210上，放置并固定在基片台210上。通过第二自动传送装置216将固定在基片台210上的基片传送到其中一个电镀装置212中。
与上述实施方案一样，在电镀装置212中，首先对基片W的表面(电镀表面)进行预电镀处理如预涂覆。然后，例如，在如图13所示的电流/电压控制下对基片进行电镀。这样，铜电镀膜首先在基片W的表面上缓慢生长，然后蚀刻掉铜电镀膜的表面以使铜电镀膜变平，然后使铜电镀膜快速生长以实现铜嵌入。在处理过程中，通过电镀液分析器222对电镀液槽220中的电镀液的组成进行分析，并补充电镀液槽220内电镀液不足的成分，由此向电镀装置212提供恒定组成的电镀液。当电镀结束后，与上述实施方案一样，回收留在基片上的电镀液，清洗基片电镀表面，并用例如纯水清洁(水洗)基片的表面。通过第二自动传送装置216将清洁后的基片传送到斜蚀刻装置206中。
在斜蚀刻装置206中，使保持水平的基片旋转的同时，向基片上正面的中心部连续供应酸液，向正面周围部分连续或间歇地供应氧化剂溶液。酸液可以是任意无氧化性的酸如氢氟酸、盐酸、硫酸、柠檬酸、草酸等。氧化剂溶液的例子包括例如臭氧水、过氧化氢溶液、硝酸溶液、次氯酸钠和它们的混合物。形成或粘附在基片W周围部分(斜面部分)的铜等被氧化剂溶液迅速氧化，氧化产物被蚀刻，并通过供应到基片中心部分的并分散到整个基片表面上的酸液溶解掉。
在上述蚀刻加工的过程中，可以同时或交替向基片背面中心部分供应氧化剂溶液和二氧化硅膜用蚀刻剂，从而用氧化剂溶液将粘附在基片W背面上的、元素形式的铜等与基片上的硅一起氧化，并用蚀刻剂蚀刻掉氧化产物。
经过斜蚀刻的基片通过第二自动传送装置216传送到其中一个清洁/干燥装置208中，在那里用清洁液如化学试剂或纯水清洁基片的表面，然后旋转干燥。干燥后的基片通过第二自动传送装置216传送到热处理装置204中。
在热处理装置204中，对基片W表面上形成的铜膜7(见图21B)进行热处理(退火)，从而使形成互连的铜膜7结晶。例如，通过在400℃下加热基片几十秒到60秒来进行热处理(退火)。同时，如果需要的话，向热处理装置204中引入用于抑制氧化的气体，并使其沿基片表面流动以避免铜膜7的表面氧化。基片的加热温度通常为100～600℃，优选的是300～400℃。
热处理后的基片W通过第二自动传送装置216传送到基片台210并固定在基片台210上。然后通过第一自动传送装置214将基片台210上的基片传送到装载/卸载部件202的盒子中。
其后，通过诸如化学机械抛光(CMP)这样的方法将绝缘膜和阻挡层上形成的多余金属除去以使表面平整，从而形成由铜膜7组成的互连，如图21C所示。
尽管在此实施方案中使用铜作为互连金属，但也可以使用铜合金来替代。
下面的实施例说明通过本发明电镀方法在基片表面上镀铜。
在每个实施例中，使用两类基片具有直径为0.15～0.50微米且深度为0.8微米的孔的硅晶片(直径200mm)；具有宽度为0.12～1.0微米的凹槽的硅晶片(直径200mm)。通过PVD在这些基片的表面上形成籽晶层以产生导电性，随后通过使用硫酸铜电镀液进行镀铜。
实施例1使用具有如下组成的硫酸铜电镀液五水硫酸铜200g/l硫酸 50g/l
氯 60mg/l添加剂 适量使用Ebataronfil(Ebara-Udylite Co.，Ltd生产)作为添加剂。
对于每个上述基片，以下述方式进行电镀提前向基片施加0.4V的电压(电镀液与其接触时，基片表面处的电流密度为7mA/cm2)，并将电镀液填充在基片与阳极之间的空间内。填充电镀液后继续施加电压500毫秒。其后，将恒压控制瞬间改变为恒流控制，并施加7mA/cm2的恒定电流30秒来形成铜膜，然后施加25mA/cm2的恒定电流50秒来使铜膜进一步生长，从而在基片平面上沉积一层厚度约为500nm的铜膜。
实施例2使用与实施例1相同的基片和电镀液。对于每个基片，以下述方式进行电镀提前向基片施加1.0V的电压(电镀液与其接触时，基片表面处的电流密度为20mA/cm2)，并将电镀液填充在基片与阳极之间的空间内。填充电镀液后继续施加电压300毫秒。其后，将恒压控制瞬间改变为恒流控制，并施加10mA/cm2的恒定电流30秒来形成铜膜，然后施加20mA/cm2的恒定电流53秒来使铜膜进一步生长，从而在基片平面上沉积一层厚度约为500nm的铜膜。
实施例3使用与实施例1相同的基片和电镀液。对于每个基片，以下述方式进行电镀提前向基片施加0.7V的电压(电镀液与其接触时，基片表面处的电流密度为15mA/cm2)，并将电镀液填充在基片与阳极之间的空间内。填充电镀液后继续施加电压500毫秒。其后，将恒压控制瞬间改变为恒流控制，并施加7mA/cm2的恒定电流40秒来形成铜膜，然后进行20mA/cm2的反向电解4秒，然后施加25mA/cm2的恒定电流52秒来使铜膜进一步生长，从而在基片平面上沉积一层厚度约为500nm的铜膜。
对比例1使用与实施例1相同的基片和电镀液。对于每个基片，以下述方式进行电镀将电镀液填充在基片与阳极间的空间内而不在其间施加电压。填充电镀液后500毫秒，施加7mA/cm2的恒定电流30秒来形成铜膜，然后施加25mA/cm2的恒定电流50秒来进一步使铜膜生长，从而在基片平面上沉积一层厚度约为500nm的铜膜。
通过FIB(光束聚焦)方法将上述实施例1～3和对比例1中获得的具有铜镀膜的每个基片的孔或凹槽部分切断，并通过SEM(扫描电镜)观察切面。结果是，对于实施例1～3的基片，在具有微孔的基片中或具有细凹槽的基片中没有发现空洞。对比例1的基片与之相反，在微孔和细凹槽的底部发现了许多空洞。
如上文所述，即使当凹槽具有较高的纵横比，本发明也能够在基片表面的凹槽内形成无缺陷、完全嵌入的导电材料互连；并且，即使基片表面同时存在窄的凹槽和宽的凹槽，也可以提高基片镀膜的平整度；使随后的CMP加工在较短的时间内进行，同时防止在CMP过程中出现凹陷。
虽然详细说明并描述了本发明某些优选的实施方案，但应该了解的是可以在不背离附加权利要求的范围内对本发明进行各种变化和修改。
权利要求
1.一种电镀方法，包括在基片表面与阳极之间提供高电阻结构，所述基片表面与阴极连接；用电镀液填充基片与阳极间的空间，同时在阴极与阳极之间施加电压；使镀膜在基片的表面上生长，同时将阴极与阳极间流动的电流控制为恒定值。
2.根据权利要求1的电镀方法，其特征在于在电流于阴极与阳极之间开始流动后施加电压100-2000毫秒。
3.根据权利要求1的电镀方法，其特征在于这样施加上述电压以使平均阴极电流密度相对于基片表面为1～30mA/cm2的电流流动。
4.根据权利要求3的电镀方法，其特征在于在电流于阴极与阳极之间开始流动后施加电压100-2000毫秒。
5.一种电镀方法，包括在基片表面与阳极之间提供高电阻结构，所述基片表面与阴极连接；用电镀液填充基片与阳极间的空间；使镀膜在基片表面上生长，同时以逐步改变恒定值的方式控制在阳极与阴极间流动的电流。
6.根据权利要求5的电镀方法，其特征在于在成膜过程中将电镀液替换为不同的电镀液。
7.根据权利要求6的电镀方法，其特征在于在成膜过程中清洁基片的表面。
8.根据权利要求5的电镀方法，其特征在于逐步升高在阴极与阳极之间流动的电流的值。
9.根据权利要求8的电镀方法，其特征在于在成膜过程中将电镀液替换为不同的电镀液。
10.根据权利要求9的电镀方法，其特征在于在成膜过程中清洁基片的表面。
11.一种电镀方法，包括在基片表面与阳极之间提供高电阻结构，所述基片表面与阴极连接；用电镀液填充基片与阳极间的空间；使镀膜在基片的表面上生长，同时将阴极与阳极之间流动的电流控制为恒定值；颠倒在阴极与阳极之间流动的电流的方向，从而蚀刻掉镀膜的表面；进一步使镀膜在基片的表面上生长，同时将阴极与阳极之间流动的电流控制为恒定值。
12.根据权利要求11的电镀方法，其特征在于重复进行蚀刻镀膜表面的步骤和随后的镀膜生长步骤。
13.一种电镀方法，包括用电镀液填充基片表面与阳极间的空间，所述基片表面与阴极连接，同时在阴极与阳极之间施加电压；使镀膜在基片的表面上生长，同时将阴极与阳极间的电流控制为恒定值。
14.根据权利要求13的电镀方法，其特征在于在电流于阴极与阳极之间开始流动后施加电压100-2000毫秒。
15.根据权利要求13的电镀方法，其特征在于这样施加电压以使平均阴极电流密度相对于基片表面为1～30mA/cm2的电流流动。
16.根据权利要求15的电镀方法，其特征在于在电流于阴极与阳极之间开始流动后施加电压100-2000毫秒。
全文摘要
一种电镀方法，即使当凹槽具有高的纵横比时，此方法也可以在基片表面的凹槽内形成无缺陷、完全嵌入的导电材料互连。并且即使在基片表面同时存在窄的沟槽和宽的沟槽时，也可以提高基片镀膜的平整度。根据本发明的电镀方法包括在基片表面与阳极之间提供高电阻结构，所述表面与阴极连接；用电镀液填充基片与阳极间的空间，同时，在阴极和阳极之间施加电压；使镀膜在基片表面上生长，同时将阴极与阳极间流动的电流控制为恒定值。
文档编号H01L21/445GK1531028SQ20031012495
公开日2004年9月22日 申请日期2003年12月26日 优先权日2002年12月27日
发明者长井瑞树, 三岛浩二, 二, 之, 神田裕之 申请人:株式会社荏原制作所