CN102560587B - 电镀装置 - Google Patents

Abstract

一种电镀装置，包括：化学电镀槽，包括电镀池；阳极，设置在所述电镀池中；衬底固定装置，用于固定半导体晶圆，所述半导体晶圆待电镀面与所述阳极相对设置，所述阳极与所述半导体晶圆之间的距离沿中间区域向边缘区域依次增大；电源供应器，用于提供负极输出以及正极输出，所述负极输出连接半导体晶圆，所述正极输出连接阳极。本发明可以在半导体晶圆的中央区域及周围区域形成均匀的金属层或薄膜，最终改善电镀的质量。

Description

电镀装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种电镀装置。

背景技术

在制造集成电路(IC)半导体器件中，基板表面的平匀度相当关键，特别是元件的密度增加且尺寸缩小至次微米等级后。一般使用金属层作为IC中个别元件的连线，以介电层或绝缘层隔开金属线，并于介电层间形成沟槽、接触孔、接点等互连结构，以提供导电金属层间的电路通道。

现有技术中互连结构以采用铜或铜合金为主要材料，具体可采用下述方法沉积铜或铜合金的金属层或薄膜：物理气相沉积(PVD)方法、化学气相沉积(CVD)方法以及电镀法。其中，电镀法能够容易获得高纯度的金属层或薄膜，不仅金属层或薄膜的形成速度快，而且还能够比较容易地控制金属层或薄膜的厚度，因此电镀法已成为主流方法。一般铜电镀制程是将晶圆接触电镀液，并于正负电极间提供电位差以沉积金属至半导体基板表面。

电镀工艺需要采用电镀装置实现。根据电镀装置结构的不同，可以分为垂直式电镀装置和水平式电镀装置。以下以垂直式电镀装置为例进行说明。

图1为现有技术中一垂直式电镀装置的结构示意图。所述垂直式电镀装置100包括：旋转轴5和固定于旋转轴5上的衬底固定装置4。在电镀过程中，晶圆2固定在衬底基座3上，进而将衬底基座3固定在衬底固定装置4上，然后浸入包括电镀液的电镀池22中。整个电镀液的循环方向如箭头符号13所示，通过泵40提供连续性的循环电镀液，电镀液向上流向晶圆2，然后向外扩张横向流过晶圆2，如箭头符号14所示。电镀液的循环方向是自电镀池22溢流至电镀液储存槽20，如箭头符号10和11所示。电镀液流出储存槽20后，流经过滤器(图中未示出)后流回泵40，完成整个循环步骤，如箭头符号12所示。直流电源供应器(DC power supply)50提供负极输出以及正极输出，其中的负极电性连接至晶圆2，正极电性连接至电镀池22中的阳极1。在电镀过程中，电源供应器50将偏压施加到晶圆2，从而产生相对于阳极1为负的电压降，使得电荷流动自阳极1流向晶圆2。

图2为电镀装置的阳极与阴极间的电力线分布关系示意图。结合参考图2，半导体晶圆2通过衬底基座3固定于衬底固定装置(图2中未示出)上。电极接触环25通过多个接触引脚(contact pin)25a与半导体晶圆2电性接触。当施加偏压至阳极1与半导体晶圆(即阴极)2之间时，阳极和阴极间的电压降形成多条电力线Fc与Fe。Fc与Fe分别表示处于半导体晶圆(阴极)2的中央区域中的电力线与周围区域中的电力线。由于电极接触环25通过多个接触引脚25a与半导体晶圆2电性接触，在半导体晶圆2的周围区域靠近接触引脚25a处造成急剧的电压降，使得靠近接触引脚25a的电力线Fe的密度远比半导体晶圆(阴极)2中央区域的电力线Fc的密度高。然而，靠近接触引脚25a电力线Fe密度愈高，就导致电流密度愈高，并使得半导体晶圆2的周围区域的电镀层沉积厚度愈厚，进而导致在后续工艺中，诱发剥离与颗粒残留。在半导体晶圆上的导电层厚度不均匀，也容易使工艺进一步恶化，并且使电阻偏离量更高。

类似地，在现有技术的其他电镀装置中，也存在半导体晶圆的中央区域电镀层沉积厚度薄，周围区域电镀层沉积厚度厚的缺陷。尤其是当半导体晶圆的尺寸大于8寸之后，上述缺陷更加明显。

因此，如何保证电镀过程中沉积在半导体晶圆表面的金属厚度均匀性就成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种电镀装置，在电镀的过程中，可以在半导体晶圆的中央区域及周围区域形成均匀的金属层或薄膜，最终改善电镀的质量。

为解决上述问题，本发明提供了一种电镀装置，包括：

化学电镀槽，包括电镀池；

阳极，设置在所述电镀池中；

衬底固定装置，用于固定半导体晶圆，所述半导体晶圆待电镀面与所述阳极相对设置，所述阳极与所述半导体晶圆之间的距离沿中间区域向边缘区域依次增大；

电源供应器，用于提供负极输出以及正极输出，所述负极输出连接半导体晶圆，所述正极输出连接阳极。

可选地，所述阳极为惰性阳极。

可选地，所述阳极为网状结构。

可选地，所述阳极的边缘区域设置有挡板。

可选地，所述阳极为多层同心圆结构；所述电源供应器提供多个不同的正极输出，每层连接不同的正极输出。

可选地，所述正极输出对应的正极电压从所述同心圆结构的圆心向外依次减小。

可选地，所述阳极和所述半导体晶圆均竖直设置在所述电镀池中。

可选地，所述阳极水平设置在所述电镀池中，所述半导体晶圆水平地设置在所述阳极上方。

可选地，所述电镀装置还包括：阳极夹持件，所述阳极夹持件夹持阳极，使阳极处于弯曲状态，所述阳极与所述半导体晶圆待电镀面相对的面为弧面。

可选地，所述衬底固定装置夹持半导体晶圆，使半导体晶圆处于弯曲状态，所述半导体晶圆待电镀面为弧面。

可选地，所述电镀装置还包括：阳极夹持件，所述阳极夹持件夹持阳极，使阳极处于弯曲状态，所述阳极与所述半导体晶圆待电镀面相对的面为弧面；所述衬底固定装置夹持半导体晶圆，使半导体晶圆处于弯曲状态，所述半导体晶圆待电镀面为弧面；所述半导体晶圆与所述阳极相互背对弯曲。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：在电镀过程中，使阳极与半导体晶圆之间的距离沿中间区域向边缘区域依次增大，进而使阳极与半导体晶圆中间区域之间的电场强于阳极与半导体晶圆边缘区域之间的电场，以弥补边缘区域的电力线密度大于中央区域的电力线密度的缺陷，从而减小边缘区域和中央区域的电镀层沉积厚度差，保证了半导体晶圆沉积的金属层或薄膜的均匀性，最终提高了电镀的质量。

附图说明

图1为现有技术中一垂直式电镀装置的结构示意图；

图2为现有技术中电镀装置的阳极与阴极间的电力线分布关系示意图；

图3为本发明实施例一中电镀装置的结构示意图；

图4和图5为本发明实施例一中阳极的结构示意图；

图6为本发明实施例二中电镀装置的结构示意图；

图7为本发明实施例三中阳极的结构示意图；

图8为本发明实施例五中阳极和半导体晶圆的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，现有技术中在半导体晶圆上电镀金属层或薄膜时，由于阳极与阴极(即半导体晶圆)间的电力线分布不均匀，因此导致晶圆的中央区域电镀层沉积厚度薄，周围区域电镀层沉积厚度厚的缺陷。

针对上述缺陷，本发明提供了一种电镀装置，包括：

化学电镀槽，包括电镀池；

阳极，设置在所述电镀池中；

衬底固定装置，用于固定半导体晶圆，所述半导体晶圆待电镀面与所述阳极相对设置，所述阳极与所述半导体晶圆之间的距离沿中间区域向边缘区域依次增大；

电源供应器，用于提供负极输出以及正极输出，所述负极输出连接半导体晶圆，所述正极输出连接阳极。

本发明在电镀过程中，使阳极与半导体晶圆之间的距离沿中间区域向边缘区域依次增大，进而使阳极与半导体晶圆中间区域的电场强于阳极与半导体晶圆边缘区域的电场，以弥补边缘区域的电力线密度大于中央区域的电力线密度的缺陷，从而减小边缘区域和中央区域的电镀层沉积厚度差，保证了半导体晶圆沉积的金属层或薄膜的均匀性，最终提高了电镀的质量。

下面结合附图进行详细说明。

实施例一

参考图3所示，本实施例提供了一种电镀装置，包括：

化学电镀槽，包括电镀池110；

阳极120，设置在所述电镀池110中；

衬底固定装置130，用于固定半导体晶圆140，所述半导体晶圆140待电镀面与所述阳极120相对设置，所述阳极120与所述半导体晶圆140之间的距离沿中间区域向边缘区域依次增大；

电源供应器150，用于提供负极输出以及正极输出，所述负极输出连接半导体晶圆140，所述正极输出连接阳极120。

所述阳极120可以竖直设置在所述电镀池110中，从而通过电镀液的水平运动完成电镀过程，即电镀装置可以为水平式。所述阳极120也可以水平设置在所述电镀池110中，从而通过电镀液的垂直运动完成电镀过程，即所述电镀装置可以为垂直式。图3以水平式电镀装置为例进行说明，但其不限制本发明的保护范围。

其中，所述衬底固定装置130和电源供应器150的结构与作用均与现有技术相同，在此不再赘述。

其中，所述衬底固定装置130和阳极120可以分别通过电镀池110上方的挂钩(图中未示出)进行悬挂固定，也可以采用其他方式进行固定，其不限制本发明的保护范围。

所述阳极120可以为非惰性阳极。此时，当在半导体晶圆140上电镀铜时，则阳极120可以为铜板。此种情况下，阳极120参与氧化还原反应，通过阳极120的自身损耗以在半导体晶圆140上形成铜层。

所述阳极120还可以为惰性电极。此时，当在半导体晶圆140上电镀铜时，则阳极120的材料可以为石墨或铂，从而阳极只起传递电子的作用，不参与氧化还原反应，最终可以减少对阳极120的损耗。

本实施例中所述阳极120可以为网状结构，即所述阳极120上设置有多个通孔，所述通孔的形状可以为圆形或多边形等，从而使得电镀液能在半导体晶圆140(即阴极)和阳极120之间充分对流和扩散，可以避免浓差极化，有利于气体的逃逸，最终可以提高金属沉积的均匀性。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述阳极120上也可以不设置通孔，此时所述阳极120为厚度均匀的电极板。

为了实现阳极120与所述半导体晶圆140之间的距离沿中间区域向边缘区域依次增大，本实施例中所述阳极120与所述半导体晶圆140待电镀面相对的面可以为弧面。此时，虽然在电镀过程中，半导体晶圆140与阳极120之间的电力线密度沿中间区域向边缘区域依次增大，但是由于半导体晶圆140中间区域与阳极120中间区域之间的距离d1小于半导体晶圆140边缘区域与阳极120边缘区域之间的距离d2，因此可以使阳极120与半导体晶圆140中间区域之间的电场强于阳极120与半导体晶圆140边缘区域之间的电场，进而可以减小边缘区域和中间区域的电镀层沉积厚度差，保证了半导体晶圆沉积的金属层或薄膜的均匀性，最终提高了电镀的质量。

其中，所述阳极的弯曲程度与半导体晶圆140的尺寸、待沉积金属层或薄膜的厚度、电源供应器150提供的电压大小、阳极120的尺寸、半导体晶圆140与阳极120之间的距离等因素有关。

在第一个具体例子中，参考图3所示，可以直接将阳极120制作成剖面为弧面的结构。此时所述阳极120可以为弯曲圆形或弯曲多边形，其比较适合阳极120可塑性比较好且硬度比较大的情况，从而通过仅改变阳极120形状的方式来提高电镀均匀性，使得电镀装置的结构比较简单。

在第二个具体例子中，结合参考图4和图5所示，所述电镀装置还可以包括：阳极夹持件，用于使阳极120在电镀液中处于弯曲状态。所述阳极夹持件可以包括：多个支撑线160和一个支撑杆170，所述支撑线160的第一端固定在阳极120的边缘区域，第二端固定在支撑杆170上，所述支撑杆170的一端固定在所述阳极120的中心区域。各个支撑线160的第二端可以交汇于支撑杆170的同一位置，也可以交汇于支撑杆170的不同位置。所述阳极120可以为圆板形。为了使得阳极120处于弯曲状态，既可以通过调节支撑线160的长度实现，也可以通过调节支撑线160在支撑杆170上的固定位置实现，还可以同时调节支撑线160的长度和调节支撑线160在支撑杆170上的固定位置实现。所述支撑线160可以为导电线。

需要说明的是，本实施例还可以采用其他阳极夹持件以使阳极120在电镀液中处于剖面为弧面的状态，其不限制本发明的保护范围。

实施例二

与实施例一相比，结合参考图6所示，本实施例还可以在阳极120的边缘区域设置有挡板220，其余与实施例一相同，在此不再赘述。所述挡板220的材料可以为任意一种绝缘材料，从而所述挡板220可以减少阳极120与半导体晶圆140边缘区域之间的电力线。此时，所述阳极120的弯曲角度可以减小。

本实施例中所述挡板220为长方体，具体可以通过悬挂的方式进行固定。需要说明的是，在本发明的其他实施例中所述挡板220还可以为弯曲的弧状结构，其也可以采用粘贴在阳极120上的方式进行固定或者是其他方式进行固定。

本实施例在电镀过程中，不但使阳极120与半导体晶圆140之间的距离沿中间区域向边缘区域依次增大，以弥补边缘区域的电力线密度大于中央区域的电力线密度的缺陷，而且还可以通过挡板220减小边缘区域的电力线，从而可以进一步提高电镀沉积的均匀性。

实施例三

与实施例一相比，结合参考图7所示，本实施例在保持阳极120弯曲的前提下，所述阳极120可以为多层同心圆结构，此时，所述电源供应器150需要提供多个不同的正极输出，每个圆环连接不同的正极输出。优选地，所述正极输出对应的正极电压从所述同心圆结构的圆心向外依次减小。此时，所述阳极120的弯曲角度可以减小。

作为一个具体例子，结合参考图7所示，阳极120包括三个同心圆121、122和123，每个同心圆分别与电源供应器150的不同正极输出相连，同心圆121接收到的正极电压为V1，同心圆122接收到的正极电压为V2，同心圆123接收到的正极电压为V3，其中，V1＞V2＞V3。

本实施例在电镀过程中，不但使阳极120与半导体晶圆140之间的距离沿中间区域向边缘区域依次增大，以弥补边缘区域的电力线密度大于中央区域的电力线密度的缺陷；还为阳极120不同区域提供不同的正极电压，且中心区域的正极电压最大，边缘区域的正极电压最小，从而可以进一步提高电镀沉积的均匀性。

需要说明的是，本实施例还可以在阳极120的边缘区域设置有挡板(图中未示出)。

实施例四

为了实现阳极与所述半导体晶圆之间的距离沿中间区域向边缘区域依次增大，本实施例中可以通过衬底固定装置夹持半导体晶圆，使半导体晶圆处于弯曲状态，进而使所述半导体晶圆待电镀面为弧面，而阳极相对于半导体晶圆待电镀面保持为直面，从而达到与实施例一相同的效果。

此时，所述衬底固定装置的结构可以参考实施例一中的阳极夹持件，也可以采用其他结构，在此不再赘述。

需要说明的是，本实施例还可以在阳极的边缘区域设置挡板(参考实施例二)，或者是将阳极设置为同心圆结构(参考实施例三)。

实施例五

参考图8所示，本实施例可以结合实施例一和实施例四的结构，同时使阳极120相对于半导体晶圆140待电镀面为弧面且半导体晶圆140待电镀面为弧面，其中，半导体晶圆140与阳极120相互背对弯曲，以使半导体晶圆140与阳极120中间区域的距离d1小于半导体晶圆140与阳极边缘区域的距离d2。

此外，本实施例还可以在阳极的边缘区域设置挡板(参考实施例二)，或者是将阳极设置在同心圆结构(参考实施例三)，在此均不再赘述。

需要说明的是，以上实施例都是以水平式电镀装置为例，在本发明的其他实施例中，所述电镀装置还可以为垂直式，其不限制本发明的保护范围。此外，电镀装置中其他部件(如：泵、储存槽、旋转轴等)对于本领域的技术人员是熟知的，在此不再赘述。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种电镀装置，其特征在于，包括：

化学电镀槽，包括电镀池；

阳极，设置在所述电镀池中；

衬底固定装置，用于固定半导体晶圆，所述半导体晶圆待电镀面与所述阳极相对设置，所述阳极与所述半导体晶圆之间的距离沿中间区域向边缘区域依次增大；

电源供应器，用于提供负极输出以及正极输出，所述负极输出连接半导体晶圆，所述正极输出连接阳极；

阳极夹持件，所述阳极夹持件夹持阳极，使阳极处于弯曲状态，所述阳极与所述半导体晶圆待电镀面相对的面为弧面；

所述阳极夹持件包括多个支撑线和一个支撑杆，所述支撑线的第一端固定在所述阳极的边缘区域，第二端固定在所述支撑杆上，所述支撑杆的一端固定在所述阳极的中心区域。

2.如权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述阳极为惰性阳极。

3.如权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述阳极为网状结构。

4.如权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述阳极的边缘区域设置有挡板。

5.如权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述阳极为多层同心圆结构；所述电源供应器提供多个不同的正极输出，每层连接不同的正极输出。

6.如权利要求5所述的电镀装置，其特征在于，所述正极输出对应的正极电压从所述同心圆结构的圆心向外依次减小。

7.如权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述阳极和所述半导体晶圆均竖直设置在所述电镀池中。

8.如权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述阳极水平设置在所述电镀池中，所述半导体晶圆水平地设置在所述阳极上方。

9.如权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述衬底固定装置夹持半导体晶圆，使半导体晶圆处于弯曲状态，所述半导体晶圆待电镀面为弧面。

10.如权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，还包括：阳极夹持件，所述阳极夹持件夹持阳极，使阳极处于弯曲状态，所述阳极与所述半导体晶圆待电镀面相对的面为弧面；所述衬底固定装置夹持半导体晶圆，使半导体晶圆处于弯曲状态，所述半导体晶圆待电镀面为弧面；所述半导体晶圆与所述阳极相互背对弯曲。