用于受限区域平坦化的设备和方法

专利名称：用于受限区域平坦化的设备和方法
用于受限区域平坦化的设备和方法
背景技术：
半导体器件(如集成电路、存储单元等)的制造中，执行一系
列制造操作以在该半导体晶片上形成特征。这些半导体晶片包括具 有形成在硅基片上多层结构形式的集成电路器件。在基片层，形成 具有扩散区的晶体管器件。在后续的层中，将互连金属线图案化并 且电连接到该晶体管器件，以形成所需的集成电^各器件。并且，图 案化的导电层由介电材料与其他导电层绝缘。
在导电互连制造过程中，在晶片上沉积金属层。所沉积的金属 将比较大的区域(如沟槽区域)更快地填充该晶片上较小的特征(如 亚微米特征)中间的区域。因为这些较小的特征跨越相对较大的晶 片区域，应当i人识到这些较大的晶片区i或具有增大的地势 (topography )。这些增大地势区域需要连同这些减小地势区域的平 坦化而平坦化。同时发生的晶片的增大和减小地势区域的平坦化拔_ 出挑战。例如，为了实现晶片这些增大地势区域的平坦化，可能需 要延长的过抛光时间。然而，晶片这些减小地势区域暴露于延长的 过抛光时间会导致这些减小地势区域过多的材料去除，例如，会不 希望地暴露和/或损坏沉积的金属下面的阻挡层。

发明内容
在一个实施方式中，公开一种用于半导体晶片的受限区域平坦 化的临近头。该临近头包括限定为保持电解液的室。阴极设置在该 室内并暴露于该电解液。卩日离子交换隔膜设在该室的下部开口上，从而该阳离子交换隔膜的顶部表面直接暴露于保持在该室内的电 解液。该临近头还包^舌流体供应通道，限定为驱除流体到邻近该阳 离子交换隔膜下部表面的位置。另外，真空通道限定为在邻近该阳 离子交换隔膜下部表面的位置提供吸力，从而使从该流体供应通道 驱除的流体流过该阳离子交换隔膜的下部表面。
在另一实施方式中，乂>开一种用于半导体晶片的受限区域平坦
化的方法。该方法包括4喿作，用于将临近头i殳在半导体晶片顶部表 面上方并且邻近该表面，从而该临近头的阳离子交换隔膜面对该半 导体晶片的顶部表面。该方法还包括操作，用于将电解液设在该阳 离子交4奐隔月莫的顶部表面和阴才及之间。该方法进 一 步包4舌在该阳离 子交换隔膜底部表面和该半导体晶片的顶部表面之间流动去离子 水。然后，将偏置电压施加在该半导体晶片的顶部表面和该阴极之 间，从而从该半导体晶片的顶部表面释放的阳离子受到影响而穿过 该去离子水、该阳离子交换隔膜和该电解液到达该阴极。
在另 一实施方式中，7>开一种用于半导体晶片的受限区域平坦 化的临近头。该临近头包括室，限定为保持电解液。阴极设在该室 内并暴露于该电解液。P日离子交换隔膜设在该室的下部开口上并且 直接暴露于保持在该室内的电解液。该临近头进一 步包括流体供应 通道，限定为驱除流体到邻近该阳离子交换隔膜下部表面的位置。 以及，真空通道限定为在邻近该阳离子交换隔膜下部表面的位置提 供吸力，从而佳:乂人该流体供应通道驱除的流体流过该阳离子交换隔 膜的下部表面。另夕卜，电流测量装置，连4妄以测量流过该阳离子交 换隔膜的电流。该测得的电流^吏得能够4全测平坦化终点。
在另一实施方式中，公开一种4企测受限区域平坦化工艺中平坦 化终点的方法。该方法包括操作，用于将临近头设在半导体晶片顶 部表面上方并且邻近该表面，从而该临近头的阳离子交换隔膜面对 该半导体晶片的顶部表面。该方法还包括操作，用于将电解液设在该阳离子交换隔膜的顶部表面和阴极之间。该方法进一步包括在该 阳离子交换隔月莫底部表面和该半导体晶片的顶部表面之间流动去 离子水。然后，将偏置电压施加在该半导体晶片的顶部表面和该阴 极之间，从而从该半导体晶片的顶部表面释》文的阳离子受到影响而 穿过该去离子水、该阳离子交换隔膜和该电解液到达该阴极。该方 法进一步包括才喿作，用于监测通过该阳离子交换隔膜的电流量以枱， 测平坦化工艺的终点。该平坦化工艺的终点发生在，见察到监测电流 量稳定的时候。
在另一实施方式中，公开一种用于半导体晶片的受限区域平坦 化的临近头。该临近头包括室，限定为保持电解液。阴才及设在该室 内并暴露于该电解液。阳离子交换隔膜设在该室的下部开口上，从 而该阳离子交换隔膜的顶部表面直接暴露于保持在该室内的电解 液。该临近头还包4舌流体供应通道，限定为驱除流体到邻近该阳离 子交换隔膜下部表面的位置。 <吏从该流体供应通道驱除的流体流过 该阳离子交换隔膜的下部表面。
本发明的这些和其他特征将在下面结合附图、作为本发明示例 说明的具体描述中变得更加明显。


图l是说明其上沉积了铜层的基片的简化示意图2A是按照本发明一个实施方式、示出设在待平坦化的晶片上 方并且临近该晶片的临近头的纵剖图的图解；
图2B是按照本发明 一个实施方式、示出图2A的临近头的横剖
图；图2C是4安照本发明 一个实施方式、示出临近头外形^L图的图
解；
图2D是按照本发明一个实施方式、示出能使晶片受限区域平坦 化的临近头电抛光功能的图解；
图2E是按照本发明 一个实施方式、示出没有结合真空通道的临 近头的图解；
图3A-3C是按照本发明一个实施方式、示出受限区域平坦化工 艺期间晶片在临近头下方移动的一系列图解；
图4是按照本发明一个实施方式、示出受限区域平坦化工艺期 间、晶片和阴极之间的电流作为时间的函数的图表的图解；
图5是按照本发明一个实施方式、示出用于半导体晶片受限区 域平坦化的方法的流程图的图解。
具体实施例方式
在下面的描述中，阐述许多具体细节以^是供对本发明的彻底理 解。然而，只于于本4页i或4支术人员，显然，本发明可不利用这些具体 细节的一些或者全部而实施。在有的情况下，7>知的工艺步骤和/ 或结构没有i兌明，以避免不必要的混淆本发明。
在半导体晶片("晶片")上铜互连制造过程中，可以使用电镀 工艺将铜层沉积在种子/阻挡层上。电镀液中的成分为亚樣i米特征的 恰当填充做准备。然而，这些亚微米特征倾向于比大块区域和较大 的沟槽区域(即，大于l微米)镀得快。这些亚孩史米区域通常建立 在大的存储阵列中，如静态随机访问存^f渚器(SRAM)，并且可以跨越晶片大的区域。应当认识到，这导致晶片这些大的区域除了大的 沟槽区域需要平坦化之外还有额外的地势需要平坦化的。
图l是说明其上沉积了铜层的基片的简化示意图。使用电镀工
艺将铜层103沉积在i殳置晶片101之上的种子/阻挡层上(为了清楚而 未示)。如之前提到的，电镀液中的成分为亚纟效米特4正上的良好填 充做准备，如区域105中的亚微米沟槽，但是这些特征倾向于比大 块区域(bulk area)和沟槽区域107和109镀得更快。该基片地势中 的高区域或"台阶，，(由区域lll说明)形成在该亚微米沟槽区域105 之上。这些台阶也称作"超填充(superfill)"区域。该超填充区域 lll是由比场效应区i或108和沟槽区域107和109更厚的铜膜形成的。 该超填充区域lll必须连同该场效应区i或108和沟槽区i或107和109上 的;也势平坦4匕。
目前的平坦4b纟支术并不适于以有-文i也方式4空制该超i真充i也势， 即，平坦化技术对于图案密度和电路布图敏感。更具体地，化学机 械平坦化(CMP)工艺往往必须根据进入的晶片属性进行调节。所 以，为了适应晶片批次(lots)之间的变化，要对该CMP工艺(如 改变步骤时间、过抛光时间或终点算法)做出变化。以及，要对该 CMP工艺 <故这样的改变以适应在混合产品生产线的晶片上所遇到 的不同的图案密度和电路布图。
当试图在超填充区域的地势上#丸4亍单个的CMP工艺时，在#丸行 过抛光以从该超填充区域lll完全去除残余的铜时，过多的凹陷和腐 蚀会发生在沟槽区域107和109。另外，不仅要求该CMP工艺要去除 该超填充区域lll内过多的铜，还要求该CMP工艺以沿着该晶片等 高线的方式进行这个去除。该晶片的等高线是由该晶片的硅基片中 本身的波紋导致的。该波紋通常是总的厚度变化在0.2微米到0.5微 米量级。目前的CMP工艺不能适当地处理超填充区域地势和晶片等 高线，而同时有^:地平坦化该沟槽和场效应区域中的其他地势。此夕卜，该CMP工艺废水(通常是包含铜和固体废料的酸性或碱性化学 制剂)的耗材和废料处理的费用高。
本发明提供用于使用电镀平坦化执行晶片的受限区域平坦化 (CAP)的设备和方法，在废料流中由最少的化学废水。更具体地， 临近头用来与待平坦化的晶片建立闭环阴极半电池(半电池)关系。 图2A是4要照本发明 一个实施方式、示出待平坦化的晶片223上方并 且邻近该晶片的临近头200的纵剖图的图解。该临近头200结构包括 电解室结构215和外围结构217。形成该电解室结构215以4呆持其中 的电解液211。在各种不同的实施方式中，该电解液211可以是静止 的或循环的。去离子水供应通道227形成在是该电解室结构215相对 的内部之间并且靠近该临近头200的中心。真空通道225形成在该电 解室结构215的外部和该外围结构217之间。应当i人识到，该电解室 结构215和外围结构217可以有实际上任何具有足够机械强度以及 对接触材料足够的化学稳定性的材料形成。
图2B是按照本发明一个实施方式、示出图2A的该临近头200的 ;镜剖图的图解。该电解室结构215示为具有环形外形，该去离子水 供应通道227形成在环形外形电解室结构215的中间。该外围结构 217形成为以隔开的关系围绕该电解室结构215。所以，该外围结构 217也是环形外形。如所示，该真空通道225形成在该电解室结构215 和该外围结构217。应当认识到，该真空通道225围绕该电解室结构 215的周界。
根据图2A ，该电镀室215的底部是由单向阳离子交换隔膜221 形成。该隔力莫221起到将该电解液211包含在该电镀室215内的作用。 在一个实施方式中，该隔膜221限定为具有大约0.050英寸的厚度。 在运行中，通过该去离子水供应通道227提供去离子水209,如箭头 201标示的。供应的去离子水209在该临近头200和该晶片223之间、 流过该隔月莫221,并且向上通过该真空通道225，如箭头205标示的。在一个实施方式中，该隔膜221限定为具有在大约0.25英寸到大约2 英寸范围内的宽度。该隔膜221的宽度对应该去离子水从该供应通 道227到到达该真空通道225流过的线性距离。应当认识到，基本上 全部量的去离子水209通过该真空通道225返回，因此在该临近头 200和该晶片223之间形成去离子水209弯液面。去离子水弯液面的 外缘是由弯液面边界219形成。
阴极213设置在该电镀室215内。该阴极213电连接到偏置电压 源207。该晶片223暴露于该去离子水209的表面代表阳极，并且电 连接到偏置电压源208。该晶片(阳极)保持在相对于该阴极213正 的偏置电压。因此，正电子将被从该晶片223向该阴极213吸引。在 一个实施方式中，该晶片223和该阴极213之间的偏置电压保持在从 大约IOV到大约25V的范围内。
图2C是按照本发明 一个实施方式、示出该临近头200外形视图 的图解。该临近头200具有由长维度(LD)和短维度(SD)限定的 矩形外形。因此，该临近头200和该晶片223之间的去离子水209的 弯液面限定为具有基本上矩形的外形。在一个实施方式中，该该临 近头200的长维度(LD )超出该晶片223的直径，以及该短维度(SD ) 小于该晶片223的直径。所以， 一旦该临近头200在该短维度(SD) 的方向在该晶片223上方完全移动并且邻近该晶片上表面，该晶片 整个上表面将在该临近头200下方暴露于去离子水弯液面。
尽管在这里该临近头200描述为具有环形外形的电解室结构 215和对应环形外形的真空通道225,应当i人识到，该临近头200的 其他实施方式可包括其他几何构造的该电镀室215和真空通道225。 然而，不管该临近头200的具体几何构造，应当理解，应当控制该 去离子水以在该临近头200和晶片223之间建立的弯液面内流过隔 月莫221。在一个实施方式中该去离子水209以大约100mL/min到大约 2000mL/min范围内的速率在该隔膜221和该晶片223之间流动。图2D是按照本发明 一个实施方式、图解示出能使该晶片223受 限区域平坦化的临近头200电抛光功能。该隔膜221限定为包括形成 阳离子能够通过的通道网的功能基的聚合物基(matrix )。在一个实 施方式中，该隔膜221是由包括硫酸功能基的特富龙碱(base )形成。 通常，该隔膜221对于晶片并不是渗透的。然而，可以与阳离子一 起"拖着"水分子通过这些功能基的网。该隔膜221允许阳离子通
过功能基的网，同时阻止阴离子通过功能基的网。因此，该隔膜221 是单向阳离子交换隔膜。
在适当的偏置电压的影响下，阳离子将容易移动通过该隔膜 221 。所以，该隔膜221适合用在从该晶片223去除金属(例如铜) 的电镀平坦化工艺中。具体地，可使金属阳离子(例如01++阳离子) A人该晶片223 (即，阳才及)在施加在该晶片223和该阴才及213之间的 偏置电压影响下移动到该阴才及213。如图2D所示，该隔力莫221通过该 去离子水209与该晶片223分开。因此，该去离子水209提供用于该 金属阳离子(例如0/+阳离子)从该晶片223到该隔膜221传输的介 质。在到达该隔膜221时，该金属阳离子可穿过功能基的网而到达 该电解液211。在到达该电解液211时，该金属阳离子将行进到该阴 才及213和并且镀在该阴才及213上。
除了提供阳离子交换路径的网，该隔膜221内的这些功能基(例 如，该硫酸基)还用作调节该隔膜221附近该去离子水209的pH。受 到该隔膜221pH影响的去离子水209的区域代表关4建边界层233,如 图2D中虚线所标示。当该金属化地势229暴露于该关4建边界层233 时，该关键边界层233内的去离子水209的pH受到该隔膜221这些功 能基充分地影响以能够蚀刻该晶片223的顶部表面上的金属化地势 229。应当认识到，由该隔膜221施加在该关键边界层233内去离子 水209上的pH影响在距离该隔膜221—定距离内下降。所以，在该关键边界层233靠近该隔膜221的部分内蚀刻反应将以更快的速率发生。
在施加在该阴极213和该阳极(即，该晶片223表面上的金属化 地势)之间的偏置电压的影响下，在该关键边界层233内的蚀刻反 应中释放的金属阳离子(如Cu—)将结合2-3个水分子，被引导通过 该隔膜221和并且镀在该阴4及213。因此，该晶片223的金属化地势 229暴露于该隔膜221下层的该关键边界层将使该金属化地势229能 够平坦化。随着该晶片223在该临近头200及其隔膜221下方横向移 动，该晶片223表面上的较高地势特征将靠近该隔膜221，并因此将 以相对于该晶片223的表面上较低地势特征更高的速率蚀刻。因此， 该晶片223的表面上较高地势特征的更快速蚀刻使得该晶片223的 该金属化地势229能够以自上而下的方式平坦化。
为了使该金属化地势229能够暴露于该关键边界层233，需要将 该隔膜221带到足够靠近该晶片223。然而，如果4吏该隔膜过于靠近 该晶片223,该隔膜会被吸引到晶片223并且附着到该晶片223。该 隔膜221和该晶片223之间的直接接触是不希望的，因为该隔膜221 的这些功能基(例如，硫酸基)会过快地从该晶片223蚀刻该金属， 导致该接触区域脱水和该隔膜吸到该基片，产生对该晶片223的损 坏。另外，该隔膜221和该晶片223之间的物理接触会物理损坏该隔 膜221和/或晶片223。为了确保该隔膜221不会附着到该晶片223，该 隔膜221和该晶片223之间必须保持一个最小距离(Dmin )。
与保持该隔膜221和该晶片223之间最小距离(Dmin)的需要结 合，还必需将该晶片223的表面暴露于该关键边界层233。平坦化该 晶片223所要求的该关4建边界层233厚度可以在十或百樣史米的量级。 将该临近头200和该晶片223之间的物理间隔控制到零点几个微米 是完全不可行的。另外，因为蚀刻速率随着该隔膜221靠近该晶片 223而增力口 ，还必需控制隔膜221和该晶片223之间间隔距离的均勾性。因此，该隔膜221和该晶片223之间的间隔3巨离必需可适应整个 该晶片223的等高线变化，并且优选地自我限制(self-limiting )。
尽管有关于控制该临近头200和该晶片223之间物理间隔的限 制，该隔膜221的机械特性能使该晶片223以基本上均匀的方式暴露 于关键边界层233。更具体地，该临近头200可以设置为足够靠近该 晶片223到这种程度，即该隔膜221朝向该晶片223的挠曲将使得该 晶片223能暴露于该关4建边界层233,而不允许该隔膜221接触到晶 片223。该电解液211的压力(P)与该去离子水209在该隔膜221上 流过导致的伯努利效应相结合能够导致该隔膜朝向该晶片223挠曲 一段距离(d)。
该临近头200能够将该隔膜221和该晶片223之间的该去离子水 209弯液面保持在基本上固定的厚度。在一个实施方式中，该临近 头200和该晶片223之间的物理间隔控制在从大约是0.5mm到大约 2mm的范围内。如之前所讨i仑的，该去离子水209是乂人靠近该临近 头200中间的供应通道227传送并且流过该隔月荚221至靠近该临近头 200外缘的真空通道225。由去离子水209流过该隔膜221导致的伯努 利效应导致该隔膜221朝向该晶片223挠曲。由去离子7JC209流动导 致的隔膜221挠曲的量取决于该去离子水的流动速率。因此，该去 离子水209的流动速率可用来控制隔膜221挠曲距离(d)。该电解液 211压力(P)也可以影响该隔膜221挠曲距离(d)。
才安照前面所述，该临近头200和该晶片223之间的物理间隔可以 相对于该关4建边界层233厚度不精确的方式控制。那么，该电解液 211压力(P)和去离子水209流动速率可以调节以才是供乂十该隔月莫221 挠曲距离(d)的精细控制，从而精细地控制该隔膜221和该晶片223 之间的间隔距离。在一个实施方式中，该电解液211压力(P)保持 在从大约0psig到大约10psig的范围内。可以想象的是晶片223内固有的该等高线(即波紋)或超过该 关4建边界层233厚度。然而，该隔膜221的挠曲能力4吏得该隔膜221 能顺应该晶片223的等高线，从而在该隔膜221和该晶片223之间保 持均勻的间隔距离。换句话i兌，该隔膜221的挠曲性与由该电解液 211压力(P)和该去离子水209流动速率提供的控制相结合，4吏得 该隔膜221能够在该临近头200和晶片223相对4皮此移动时沿着该晶 片223的等高线。
图3A-3C按照本发明一个实施方式、示出在该受限区域平坦化 工艺期间该晶片223在该临近头200下方横向移动的 一 系列图解。因 此，图3 A-3C的实施方式将该临近头200描述为静止而该晶片223在 该临近头200的下方在方向301一黄向移动。然而，应当i人识到，本发 明并不限于具有静止的临近头200和移动的晶片223。在另 一实施方 式中，该晶片223可以是静止的以及和该临近头200可以移动。在又 一个实施方式中，该晶片223和该临近头200都可以相对;波此移动。
关于图3A-3C,应当注意该;也势特4正303是在^皮该隔月莫221下方 的关键边界层233占据的水平内。图3A表示该临近头200恰好在该地 势特征303横向移动通过该关4建边界层233之前的位置。图3B表示该 地势特征303在该P鬲膜221下方的关键边界层233内的临近头200位 置。图3C表示恰好在该地势特征303横向移动通过该关键边界层233 之后的该临近头200位置，/人而平坦化该地势特4正303。
当该金属阳离子在该偏置电压231/207的影响下从该地势特征 303穿过该隔膜221到达该阴极213时，该闭环阴极半电池(形成在 该晶片223表面的该金属化地势229和该电解211内的阴极213之间) 起到镀金属阳离子(例如，Cu++)的作用。该晶片223和该隔膜221 之间的距离由该去离子水209流动速率和电解液211压力(P)来控 制。该晶片223相对于该临近头200的相对速度设为提供所需要的平 坦化量。更具体地，该地势特征303暴露于该关4建边界层的持续时间与该蚀刻速率相结合确定该地势特征303在该临近头200下方的 横向移动(即，通过该关键边界层233)过程中有多少被去除。该 蚀刻速率是该关4建边界层233内该去离子水的pH和所施加的偏置电 压231/207的函数。应当理解该关键边界层233内去离子水的pH是由 该隔膜221的组份(即，由该隔膜221内的这些功能基)确定的。
该晶片223在该临近头200下横向移动过程中，该晶片223顶部 表面的金属化地势229电连接到一个或多个电极。在一个实施方式 中，两个电极用来接触该晶片223顶部表面上的金属化地势229。这 两个电才及的每个限定为可移动以与该晶片223电连4妄以及断开。应 当认识到这两个电才及移动以与该晶片223连4妄和断开可以许多方式 进4亍。例如，在一个实施方式中，这两个电才及可以在与该晶片223 对齐的平面中线性运动。在另一实施方式中，这两个电才及具有足够 细长的外形以及在与该晶片223共面布置中定^f立，以及可以寿争动的 方式^妄触该晶片223。
还应当那个i人识到，这两个电才及的外形可以许多方式形成。例 如，在一个实施方式中，这两个电极可以是基本上矩形外形。在另 一实施方式中，这两个电才及的每个可具有晶片4妄触边》彖，限定为沿 着该晶片223外围弯曲。在又一个实施方式中，这两个电极可以是C 形的。应当理解本实施方式的这两个电极是可独立控制的。
在本实施方式中，4吏该晶片223在该临近头200下方4黄向移动/人 而该临近头200的该长维度(LD)基本上垂直于这两个电极之间延 伸的虚拟线。随着该晶片223在该临近头200下方移动，控制离临近 头2004交远的电才及以电连4妄到该晶片223顶部表面上的金属化地势 229。并且，随着该晶片223在该临近头200下方移动，控制离该临 近头200專交近的电才及以与该晶片223顶部表面上的金属化地势229电 断开。这两个电极以上面描述的方式连接到该晶片223能使该晶片 223暴露于该关键边界层233的部分上的电流分布得到优化。另外，这两个电极以上面描述的方式连接到该晶片223使每个电极在去离 子水209弯液面在该晶片223上方才黄向移动时能够与该晶片断开。
尽管本发明按照使用单个临近头200来描述，应当理解其他实 施方式可使用多个临近头200。例如，如果需要增加该晶片223在该 临近头200下方的横向移动速率，可以背靠背设置多个临近头200以 能够充分平坦化。另外，另一个用来执行冲洗和干燥操作的临近头 可跟着该临近头200。此外，在一个实施方式中，由本发明的临近 头200提供的受限区域平坦化可用来获得保留在晶片223上的均勻 的(平坦的)金属层(例如Cu)。在一些实施方式中，这个均匀的 层可以在1 OOO埃到2000埃量级厚。其上具有均匀金属层的晶片223 可以通过单独的最终蚀刻工艺来处理以清除剩余金属所需的厚度。
应当认识到，由本发明的临近头200提供的受限区域平坦化工 艺不需要在该晶片223上施加机械压力/应力，而这是传统的化学机 才成平坦^匕(CMP)工艺中常用的。另外，应当i人识到，本发明中该 临近头200的隔膜221和该晶片223之间的间隔距离并不依赖于该隔 膜221和该晶片223之间的相对速度。而是，本发明中该隔膜221和 该晶片223之间的间隔距离是由该隔膜221和该晶片223之间去离子 水209的流动速度以及该隔膜221后面的该电解液211压力(P)来控 制。因此该边界层通常独立于该头-晶片相对速度而形成和保持，以 及之后去除速率可独立于边界层厚度控制由头相对该晶片的停留 时间4空制。
应当i/viK到，该边界层可通过迫4吏水通过该隔月莫而形成，而不 使用真空返回管来去除水(即，可以淹没该晶片而溢流收集在该处 理室的排水管中)。图2E是按照本发明一个实施方式、示出没有结 合真空通道的临近头200A的图解。之前关于图2A描述的临近头200 特征也包含在图2E的临近头200A中，除了真空返回通道225。在图2E的实施方式中，该去离子水209流过该隔月荑221以及该晶片223， 并且最终离开该晶片223边缘到达收集装置。
在该受限区i或平坦化工艺期间，如上面关于该临近头200所描 述的，卩日离子从该晶片223到阴极213的流动产生可测量的电流。因 此，这个电流从该晶片223 (阳极)流到该阴极213。电流测量装置 可连接在该晶片223和该阴极213之间以测量从该晶片223到该阴极 213的电流。应当iU只到， >夂人该晶片223到阴才及213的电流是该关键: 边界层233和该晶片223表面的金属化地势229之间有效接触面积的 函数。该有效接触面积表示该金属化地势229在该关键边界层233内 的面积。因此，该有^^矣触面积表述可/人其上去除金属阳离子(例 如Cu—)的该金属化地势229的面积。
随着去除该金属化地势229的4交高部分，即平坦化，在该受限 区域平坦化工艺期间，该有效^妄触面积增加，即该晶片在该关4建边 界层233内的晶片表面区域将增加。所以，随着去除该金属化地势 229的较高部分，该晶片223和该阴极213之间的金属阳离子流将增 加。这个增力口的金属阳离子流表示,人该晶片223流到阴才及213的电流 增加。最终，当该晶片变得平坦，该有效接触面积变成基本上恒定。 当该有效接触面积变成基本上恒定，从该晶片223到阴极213的金属 阳离子流变成基本上恒定，即，该晶片表面的每个部分对金属阳离 子流具有同等的贡献。所以，当该有效接触面积变成基本上恒定， 该晶片223和该阴极213之间的电流变成基本上恒定。因此，该晶片 223和该阴极213的电流趋平象征该晶片223被平坦化。因此，可以 监视该晶片223和该阴极213的电流以确定该平坦化工艺的终点。
图4是按照本发明 一 个实施方式、示出在该受限区域平坦化工 艺期间作为时间函数的该晶片223和该阴极213电流的图解。为了易 于讨^仑，该晶片223和该阴4及213之间流动的电流将净皮称为"电流"。 从该受限区域平坦化工艺开始，电流随着该晶片#皮平坦化而稳定增加。如上面所讨-论的，电流的稳定增加是由于随着该金属化地势229 的较高部分变得平坦，更多的金属化地势229暴露于该关4建边界层 233所导致的。
随着该金属4匕;也势2294妄近平坦状态，该电济u开始趋平。当该 晶片223变成基本上平的，该晶片表面的每个部分将以基本上同等 的方式暴露于该关键边界层233。因此，当该晶片223变成基本上平 的，该电流将趋平，如图4曲线上的位置401所示。该位置401表示 该受限区域平坦化工艺的终点。如果该受限区域平坦化工艺继续而 超过对应位置401的时间，该电流将保持基本上平的。然而，最终， 将从该晶片223去除足够的金属乂人而之前存在的金属化地势229下 方的非导电层将暴露出来。当暴露出非导电层时，该电流将下降， 如图4曲线上的位置403所示。因此，该位置403表示该受限区域平 Jt旦^f匕工艺的突石皮点(breakthrough point )。
在一个实施方式中，该受限区域平坦化工艺可以4争续到到达该 突破点。然而，在另一实施方式中，该受限区域平坦化工艺可以持
续到到达该平坦4b终点。因为以自上而下的方式去除该金属化i也势
229,通常期望当到达该平坦化终点时，在该晶片表面上保留平坦 化的金属层。当到达该受限区域平坦化工艺的平坦化终点时，该晶 片223会经受到单独的最终蚀刻工艺，例如，湿清洁蚀刻工艺或等 离子回蚀刻工艺，以均匀地去除该晶片表面上存在的剩余金属所要 求的厚度。
图5是按照本发明一个实施方式、示出用于半导体晶片的受限 区域平坦化的方法的流程图的图解。应当理解图5的方法倾向于佳_ 用关于图2A-4描述的该临近头200来执行。该方法包括操作501，用 于将临近头设置半导体晶片的顶部表面上方并且邻近该表面，从而 阳离子交换隔膜面对该半导体晶片的顶部表面。在操作503，将电 解液设置在该阳离子交换隔膜的顶部表面和阴极之间。执行操作505以在该阳离子交换隔膜的底部表面和该半导体晶片的顶部表面 之间流动去离子水。该方法进一步包括才喿作507，用于在该半导体 晶片的顶部表面和该阴极之间施加偏置电压，从而该半导体晶片的 顶部表面释;^文出的阳离子受到影响而穿过该去离子水、该阳离子交 换隔膜以及穿过该电解液到达该阴极。
在一个实施方式中，该去离子水的流动速率是可^空的/人而该阳 离子交换隔膜在伯努利力的作用下朝向该半导体晶片的顶部表面 挠曲而不4妄触该半导体晶片的顶部表面。该阳离子交换隔膜的挠曲 导致该去离子水的pH改变区域靠近该阳离子交换隔膜的底部表面 (即，该上述关4建边界层233)以及4妾触该晶片的顶部表面。应当 理解该去离子水的pH改变区域导致从该半导体晶片的顶部表面释 ;改出阳离子。
该方法进一步包括#:作509,用于扫描在该临近头下方的该半 导体晶片，从而以基本上均匀的自上而下的方式去除该半导体晶片 的顶部表面上存在的金属化地势。另夕卜，该方法可包括用于监测平 坦化终点的工艺。该平坦化终点监测工艺包括监测通过该阳离子交 换隔膜的电流量。该平坦化终点对应电流所监测的通过该阳离子交 换隔膜的电流量的趋平。应当理解通过该阳离子交换隔膜的电流量 通过测量该半导体晶片的顶部表面和该阴极之间的电流来监测。
尽管本发明依照多个实施方式描述，但是可以理解，本领域的 技术人员在阅读之前的说明书以及研究了附图之后将会实现各种 改变、增加、置换及其等同方式。所以，其意图是下面所附的权利 要求解释为包括所有这样的落入本发明主旨和范围内的改变、增 加、置换和等同物。
权利要求
1. 一种用于受限区域平坦化的临近头，包括室，限定为保持电解液；阴极，设在该室内并暴露于该电解液；阳离子交换隔膜，设置在该室的下部开口上，该阳离子交换隔膜顶部表面直接暴露于保持在该室内的电解液；流体供应通道，限定为驱除流体到邻近该阳离子交换隔膜下部表面的位置；以及真空通道，限定为在邻近该阳离子交换隔膜下部表面的位置提供吸力，从而使从该流体供应通道驱除的流体流过该阳离子交换隔膜的下部表面。
2. 如权利要求1所述的用于受限区域平坦化的临近头，其中该室 是环形外形，以及该流体供应通道限定在该室的中间，该真空 通道是环形外形并且限定为围绕该室。
3. 如权利要求1所述的用于受限区域平坦化的临近头，其中该阳 离子交换隔膜限定为能使阳离子流过该隔膜而阻止阴离子流 过该隔膜，同时提供大体积流体限制。
4. 如权利要求1所述的用于受限区域平坦化的临近头，其中该阳 离子交换隔膜限定为聚合物基，其包括形成阳离子可以穿过的 通道网的功能基。
5. 如权利要求1所述的用于受限区域平坦化的临近头，其中该阳 离子交换隔膜能够局部影响流过该阳离子交换隔膜的下部表 面的流体的pH,,人而在该阳离子交才奐隔I莫的下部表面下方形成关键边界层，当阳极材料暴露于该关键边界层时，该关键边 界层能够导致从该阳极材料释放出阳离子。
6. 如权利要求1所述的用于受限区域平坦化的临近头，其中该阳 离子交换隔膜限定为响应流体在该阳离子交换隔膜的下部表 面上的流动速率以及响应由该电解液施加在该阳离子交换隔 膜的顶部表面的压力而可控地挠曲。
7. —种半导体晶片的受限区域平坦化的方法，包括将临近头设在半导体晶片顶部表面上方并且邻近该表 面，从而该临近头的阳离子交换隔膜面对该半导体晶片的顶部 表面；将电解液i殳在该阳离子交换隔膜的顶部表面和阴极之间；在该阳离子交换隔膜底部表面和该半导体晶片的顶部表面之间:流动去离子7J^;和将偏置电压施加在该半导体晶片的顶部表面和该阴才及之 间，从而从该半导体晶片的顶部表面释放的阳离子受到影响而 穿过该去离子水、该阳离子交换隔膜和该电解液到达该阴极。
8. 如权利要求7所述的用于半导体晶片的受限区域平坦化的方 法，进一步包4舌控制该去离子水的流动速率，乂人而该阳离子交换隔膜在 伯努利力的影响下朝向该半导体晶片的顶部表面挠曲而不接 触该半导体晶片的顶部表面。
9. 如权利要求8所述的用于半导体晶片的受限区域平坦化的方 法，其中该阳离子交换隔膜的挠曲导致靠近该阳离子交换隔膜 的底部表面的该去离子水的pH改变区域接触该晶片的顶部表面，该去离子水的pH改变区域导致/人该半导体晶片的顶部表 面释》文出阳离子。
10. 如权利要求7所述的用于半导体晶片的受限区域平坦化的方 法，进一步包4舌扫描该临近头下方的半导体晶片，乂人而以基本上均勻；也 自上而下的方式去除该半导体晶片的顶部表面上存在的金属 化地势。
11. 一种用于受限区域平坦化的临近头，包括室，限定为^f呆持电解液；阴极，设在该室内并暴露于该电解液；阳离子交4奐隔力莫，^殳在该室的下部开口上并且直4妄暴露 于寸呆持在该室内的电解液；流体供应通道，限定为驱除流体到邻近该阳离子交换隔 膜下部表面的位置；真空通道，限定为在邻近该阳离子交换隔力莫下部表面的 位置提供吸力，从而使从该流体供应通道驱除的流体流过该阳 离子交换隔月莫的下部表面；以及电流测量装置，连接以测量流过该阳离子交换隔膜的电流。
12. 如权利要求11所述的用于受限区域平坦化的临近头，其中该 阳离子交换隔膜能够影响流过该阳离子交换隔膜的下部表面 的流体的pH,从而在该阳离子交换隔膜的下部表面下方形成 关键边界层，该关键边界层能够导致当阳极材料设置为暴露于 该关键边界层时从该阳极材料释放出阳离子。
13. 如权利要求12所述的用于受限区域平坦化的临近头，进一步 包括偏置电压源，连4妄在该阴才及和该阳才及材料之间，该偏置 电压源限定为可控的，从而从该阳极材料释放出的阳离子受到 影响而穿过该阳离子交换隔膜、穿过该电解液到达该阴极。
14. 如权利要求13所述的用于受限区域平坦化的临近头，其中该 阳离子通过该阳离子交换隔膜的移动表示由该电流测量装置 测量的电流量。
15. 如权利要求11所述的用于受限区域平坦化的临近头，其中该 临近头限定为设在半导体晶片顶部表面上方并且邻近该表面， /人而佳:/人该流体供应通道驱除的流体在该半导体晶片的顶部 表面和该阳离子交换隔膜的下部表面之间流动。
16. 如权利要求15所述的用于受限区域平坦化的临近头，其中该 阳离子交换隔膜限定为在朝向该半导体晶片的顶部表面的方 向可一空;也^i曲。
17. —种用于4全测受限区域平坦化工艺中平坦化终点的方法，包 括将临近头设在半导体晶片顶部表面上方并且邻近该表 面，从而该临近头的阳离子交换隔膜面对该半导体晶片的顶部表面；将电解液i殳在该阳离子交换隔月莫的顶部表面和阴才及之间；在该阳离子交换隔膜底部表面和该半导体晶片的顶部表 面之间;危动去离子 K;将偏置电压施加在该半导体晶片的顶部表面和该阴极之 间，从而从该半导体晶片的顶部表面释放的阳离子受到影响而穿过该去离子水、该阳离子交换隔膜和该电解液到达该阴极； 和监测通过该阳离子交换隔膜的电流量以监测平坦化工艺 的终,泉。
18. 如4又利要求17所述的用于才佥测受限区域平坦化工艺中平坦化 终点的方法，其中该平坦化工艺的终点对应所监测的通过该阳 离子交换隔膜的电流量的趋平。
19. 如权利要求17所述的用于检测受限区域平坦化工艺中平坦化 终点的方法，其中通过该阳离子交换隔膜的电流量是通过测量 该半导体晶片的顶部表面和该阴才及之间的电流来监测的。
20. 如权利要求17所述的用于检测受限区域平坦化工艺中平坦化 终点的方法，进一步包括扫描该临近头下方的半导体晶片，/人而存在于该半导体 晶片的顶部表面上的金属化地势以基本上均匀地自上而下的 方式去除。
21. —种用于受限区域平坦化的临近头，包括室，限定为保持电解液；阴才及，i殳在该室内并暴露于该电解液；阳离子交^:隔膜，没在该室的下部开口上，该阳离子交 换隔膜的顶部表面直接暴露于保持在该室内的电解液；以及流体供应通道，限定为驱除流体到邻近该阳离子交换隔 膜下部表面的位置，乂人而4吏从该流体供应通道驱除的流体流过 该阳离子交换隔月莫的下部表面。
全文摘要
提供用于执行半导体晶片的受限区域平坦化的临近头和相关使用方法。该临近头包括限定为保持电解液的室。阴极设置在该室内并暴露于该电解液。阳离子交换隔膜设在该室的下部开口上，从而该阳离子交换隔膜的顶部表面直接暴露于保持在该室内的电解液。该临近头还包括流体供应通道，限定为驱除流体到邻近该阳离子交换隔膜下部表面的位置。另外，真空通道限定为在邻近该阳离子交换隔膜下部表面的位置提供吸力，从而使从该流体供应通道驱除的流体在该阳离子交换隔膜的下部表面上流动。
文档编号B23H3/00GK101454105SQ200780019913
公开日2009年6月10日 申请日期2007年3月27日 优先权日2006年3月31日
发明者弗里茨·C·雷德克, 约翰·M·博伊德, 约翰·德拉里奥斯, 耶兹迪·多尔迪, 迈克尔·拉夫金 申请人:朗姆研究公司