集成电镀和平面化的方法及其设备技术

一种用于在衬底（１）上电镀金属层并平面化所述层的设备，通过电蚀刻和化学机械抛光（ＣＭＰ）进行所述平面化，所述设备包括：工作台（１０），用于支撑抛光衬垫（２０），并具有多个形成用于将电镀溶液施加到所述衬垫上的通道的孔（２１０）；　 　所述抛光衬垫（２０），具有顶表面，并具有多个与所述工作台中的孔（２１０）相应的穿通孔（２２０）；多个电镀阳极（２０１、２０２、２０３），设置在所述通道中并与所述电镀溶液接触；载体（１２），用于固定所述衬底与所述衬垫（２０） 的顶表面基本上平行，并用于将压在所述衬垫上的可变的机械力施加到所述衬底，所述载体相对于所述工作台旋转并包括电镀阴极；以及浆料施加器，用于在ＣＭＰ工艺期间在所述衬垫上施加抛光浆料，其中所述载体在电镀工艺期间施加第一大小的力，而 在电蚀刻工艺期间施加第二大小的力。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及半导体工艺，更具体地说，涉及用于在半导体晶片上电镀和平面化铜层的方法和设备。
技术介绍
在半导体器件制造中，金属层的淀积和选择性去除是重要的工艺。典型的半导体晶片具有几层在它表面上淀积或电镀的金属层，在添加另外的层之前抛光或蚀刻每个连续层。通常，在晶片表面上电镀铜是广泛熟练的工艺。通常在电镀铜(通常在晶片上制造铜的覆盖层)之后进行化学机械抛光(CMP)，以去除电镀层的不需要部分。当制造镶嵌结构时，CMP工艺也可用于电隔离镶嵌布线。图1A是用于在晶片上电镀铜的典型设备的示意图。晶片1通过密封接触33固定在阴极32上；阴极和晶片在电镀溶液的电解液30中旋转。电镀溶液流35通过设备抽吸以不断更新电解液；所述流的方向为环绕电镀阳极31并通过阳极中的孔。图1B示出了典型Cu电镀工艺的晶片特征。首先用阻挡/里衬层2覆盖在其中形成有凹槽3的半导体晶片1，以增强电镀金属层和晶片的粘结，并防止Cu扩散进半导体材料。然后在层2上淀积籽晶层4。用电镀铜层5填充凹槽并覆盖晶片表面。如图中所示，电镀层必须足够厚以确保凹槽被填充。在某些工艺条件下，最大厚度接近凹槽，如图1C所示。然后通过CMP除去称为“过载(过载)”的过剩厚度5a。通常除去晶片表面上的整个电镀层，以使铜金属只保留在凹槽3内；这可以这样来完成，通过在CMP设备中抛光晶片直到晶片的最初前表面1f被暴露。常规地，金属层的电镀和平面化用分立的设备完成。如上面提及的，典型晶片的处理需要几个不同的电镀步骤，而且在每一步之后进行平面化步骤。因此，典型晶片要用电镀和平面化设备处理多次。这种情况趋于限制制造工艺的产量，并相应的增加总的制造成本。题目为“Method of single step damascene process for deposition andglobal planarization”的美国专利No.6,004,880，提出使CMP设备适合同时进行电镀和抛光。然而，电镀和抛光经常需要不能在同一工艺中获得的不同的工艺条件(例如，在晶片表面上不同的机械力)。此外，如果包含研磨剂的抛光浆料与电解铜溶液结合，研磨剂颗粒可以被陷在电镀金属层中。题目为“Apparatus for electrochemical mechanical planarization”的美国专利No.5,911,619描述了一种抛光设备，其中电极接触晶片，从而可以结合CMP和电化学加工技术以提高平面化产量。该设备只用于平面化(即，从晶片表面除去材料)；晶片的电镀需要分立的设备。业界保持对这样的晶片处理设备的需求，该晶片处理设备集成了电镀和平面化设备的特征，从而可以在每种工艺的最优条件下，与CMP(尤其用于铜层)一起进行可选的电镀和电蚀刻工艺。
技术实现思路
本专利技术通过提供一种用于在衬底上电镀金属层并平面化该层的方法和设备，解决了上述需求。根据本专利技术的第一方面，该设备包括具有抛光衬垫的工作台；工作台和衬垫具有在其中形成用于将电镀溶液施加到衬垫上的通道的孔。多个电镀阳极设置在通道中并与电镀溶液接触。该设备还包括载体，用于固定衬底与衬垫的顶表面基本上平行，并用于将压在衬垫上的可变的机械力施加到衬底，所述载体相对于工作台旋转并包括电镀阴极。该设备还包括浆料施加器，用于在CMP工艺期间在衬垫上施加抛光浆料。载体在电镀工艺期间施加第一大小的力，而在电蚀刻工艺期间施加第二大小的力。在电镀工艺期间，第一大小的力优选是可变的，以保持在衬底和衬垫之间的预定间距。在用于双镶嵌结构的初始电镀工艺中，该间距应该在5μm和100μm之间。通道有利地以多个同轴阵列排列，每个通道在其中具有阳极，从而阳极以多个同轴阵列排列，每个阳极具有与阴极的分离的电连接。值得注意，当形成导线或过孔时，第一大小的力大于第二大小的力，以使在衬底和衬垫的顶表面之间的距离在电蚀刻工艺期间大于在电镀工艺期间。工作台和衬垫可以具有附加的孔阵列，以形成用于在CMP工艺期间施加抛光浆料的通道。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于在具有衬底载体和在其上设置有抛光衬垫的工作台的集成电镀/平面化设备中，在衬底上电镀金属层并平面化该层的方法。在该方法中，将衬底装载到载体上，并在衬垫上施加电镀溶液。然后使用电镀溶液将金属电镀到衬底上，同时将压在衬垫上的第一大小的机械力施加到衬底，以保持衬底和衬垫之间的第一间距。然后在衬垫上施加电蚀刻溶液，并电蚀刻衬底上的金属，同时将压在衬垫上的第二大小的机械力施加到衬底，以保持衬底和衬垫之间的第二间距。电镀和电蚀刻可以作为一个序列重复多次。该方法还包括通过使用抛光衬垫和在衬垫上施加的无研磨剂浆料的化学机械抛光(CMP)来抛光金属的步骤。工作台可以具有多个与其相连并以分离的同轴阵列排列的电镀阳极；在电镀步骤中，选择的矩阵可以与电压源相连，以控制在衬底上电镀的金属的厚度。可以使用电镀溶液进行电蚀刻；在本专利技术中，在阴极和阳极之间，电流在电镀期间按正向流动，而在电蚀刻期间按反向流动。附图说明图1A是用于在晶片上电镀金属的常规电镀设备的示意图。图1B和1C示出了对其已经进行了典型电镀工艺的半导体晶片。图1D是用于平面化晶片的常规CMP设备的示意图。图2是根据本专利技术的实施例，具有电镀阳极的分离同轴阵列的集成电镀和平面化设备的示意图。图3是详细视图，示出了根据本专利技术，在电镀工艺期间连续施加的电镀溶液。图4A是其中进行反向脉冲电蚀刻的图2的集成设备的示意图。图4B是其中通过促进在晶片上形成膜进行电蚀刻的图2的集成设备的示意图。图5是根据本专利技术实施例的集成电镀和平面化设备的示意图，其中在抛光衬垫的表面上施加CMP浆料和电镀溶液。图6是根据本专利技术的集成电镀和平面化工艺的简化流程图。具体实施例方式根据本专利技术，提供了允许在可选的步骤中的金属淀积(电镀)和金属去除(电蚀刻)之后进行CMP的设备，其中每个步骤具有分立的工艺条件，在一个室中并不需要从设备上除去晶片。将描述铜的电镀和去除以说明本专利技术。应该理解本专利技术并不限于在晶片上淀积的材料类型。本专利技术的实施例可以被理解为CMP设备的改造。在图1D中示意性地示出了常规CMP设备。晶片1向上固定在晶片载体12上，晶片载体12相对于在其上具有抛光衬垫20和抛光浆料的工作台10旋转。抛光速率部分由晶片1压在抛光衬垫20上的力决定。因此，晶片载体12是可调整的，以在抛光衬垫上提供可变的力。图2是本专利技术实施例的截面图。工作台10和抛光衬垫20具有在其中形成的孔210、220；该孔形成了用于在衬垫20的表面上施加电镀溶液的通道。电镀阳极201、202、203优选是导电材料的套管；将阳极电极浸入位于工作台10之下的容器200中的电镀溶液中，以通过套管抽吸电镀溶液。作为选择，当阳极由插入套管的导线构成时，套管可以是绝缘材料。在电镀工艺期间，通过孔220从容器200中抽吸电镀溶液，并由此将其施加到衬垫20的表面上。阳极优选以同轴阵列排列，并连接到开关器件260，开关器件260又连接到电镀电压源250。因此，可以切换电镀电流，以使(例如)电流只通过阳极203，然后是阳极202，接下来是阳极201。当将载体12(电镀阴极)上的晶片1与电镀溶液相接触时，完成了电镀电路。应该注意，在晶片相对于衬垫旋转时，将电镀溶液连本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：L·埃科诺米可斯，H·德利吉安尼，J·M·科特，H·J·格拉巴尔兹，B·陈，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：