CN1303124A - 形成半导体器件的方法 - Google Patents

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Abstract

将衬底(155)放入电镀槽(19,59)中,测量槽(19,59)中的电流,将膜(110)镀到半导体器件衬底(155)上。在一个实施例中,用位于槽(19,59)内的检测阵列(57)测量电流,用测量结果控制电镀沉积参数。在另一个实施例中,用检测阵列(57)测量电流,用也位于电镀槽(19,59)内的相应的控制阵列(53)控制电镀膜(110)(110)的特性。

Description

形成半导体器件的方法
本发明通常涉及一种在衬底上淀积膜的方法，特别是涉及在半导体器件衬底上电镀膜的方法。
作为一种在衬底上形成薄膜的方法，电镀在半导体制造中正变得越来越普遍。更具体地，电镀正成为形成导电薄膜的一种节约成本的方法，例如在半导体衬底上形成铜。图1包括电镀系统10各部分的横截面视图。电镀系统10包括室11，电镀液19，电镀液入口111以及电镀液出口113，杯12，环形取样器17，扩散器13，阳极14，阴极15以及与阴极15相连的衬底155。阴极15还包括转盘装置151和夹子153。在电镀系统10操作期间，电流流经阳极14(正电极)和阴极15(负电极)之间的电镀液，电镀液中的金属离子还原成沉积在衬底上的金属原子。在阳极上，发生氧化反应，用在阴极上被还原的金属离子来补充电镀液。
现在，在商业上还没有可行的方法来测量电镀液的电流密度。PH探针可测量电镀槽中的离子种类的浓度，然而，其无法测量电流密度。可在电镀液中手工操作测流探针，但是这种方法存在缺陷。首先，探针仅能测量电镀液中特定的单个位置。这些点仅能代表衬底的一小块区域。其次，在加工生产衬底时不能使用探针，以防干扰和冲击电镀沉积过程。因此，现有技术的方法仅能与非成品(假片[dummyl)晶片一起使用。最后，由于探针要不断地从电镀槽中移入和移出，因此粒子产生是有意义的。探针引进的粒子和污染物会产生降低电镀膜质量的诸多问题。
通过示例来描述本发明，但本发明不局限于附图中的内容，其中相同的参考符号表示相同的部分，其中：
图1包括现有技术电镀系统的横截面视图；
图2和3示出了通过环形线圈和平行带状线产生感应电流的基本概念；
图4包括含有环形线圈的扩散器的平面图；
图5包括含有检测阵列和控制阵列的另一个实施例的横截面图；
图6包括检测阵列的平面图，示出了环形线圈的蜂窝结构；
图7-9包括具有不同结构的平行带状线的图解；
图10-12包括在用于形成随后完成的器件的加工步骤过程中的半导体器件衬底的横截面图。
本领域的技术人员理解，为简明起见，图中所示的元件不必按比例示出。例如，图中一些元件的尺寸相对于其他元件可以夸大，以有助于理解本发明的实施例。
根据本发明的实施例，衬底表面暴露于电镀槽，在电镀槽内的至少一个第一位置上测量第一电流；将薄膜镀到衬底上。在一个实施例中，通过电镀液流过传感器单元并测量相应产生的信号来测量电流。在一个实施例中，传感器单元形成电镀系统的扩散板部分。在一个实施例中，响应由传感器单元测量的信号来调节加工参数例如槽流量和电镀系统阴极和阳极之间的偏置电位，从而影响电镀膜特性，例如薄膜厚度和薄膜均匀性。在另一个实施例中，用槽内的控制阵列控制电镀槽中的电流。控制阵列则可以用于响应传感器单元所测量的电流来控制电流。
现在参考附图更详细地描述本发明的实施例。根据一个实施例，电镀系统构造成检测和/或控制流过电镀液的电流。图2和3示出了本发明的实施例。图2包括具有磁芯22和绕磁芯22缠绕的引线24的环形线圈20。电流26经过环形线圈20，在引线24两端能检测电位。电位与通过环形线圈的电镀槽中的电流量成正比。图3包括另一个实施例，其中，用平行带状线30检测和/或控制流过电镀液的电流。平行带状线30包括第一电极32和第二电极38。当电流36在电极32和38之间流动时，在电极32和38两端检测电位34。电位与电极之间流动的电流36的量成正比。根据本发明的实施例，这些能包含在电镀系统中允许检测和/或控制阳极和阴极之间电流的两类检测和/或控制系统的例子是非限制性的。在另一个实施例中，能使用任何类型的适当的电流检测/控制电极或设备。
在一个特殊实施例中，图1中的扩散板13可以用图4所示的扩散板40来代替。根据一个实施例，扩散板40包括多个开口42和多个环形线圈44。如果用环形线圈44检测阳极和阴极之间的电流，则可以将环形线圈44定位成形成横跨扩散板40表面的阵列46。阵列46则可以定位成衬底155的主表面。以这种方式，阵列46能在对应衬底155各区域的不同位置取样电流密度。
或者，环形线圈44能位于扩散板内，以便用它们形成开口42。根据一个实施例，环形线圈44及其相应的引线包含在不与电镀液起化学反应的惰性材料。然后，沿着或在扩散板40的各部分内将引线路由选择到能形成测量线圈电位的一个或一些电连接点。
除了检测电流密度之外，扩散板还可以包括能用于控制通过扩散板40的电流密度量的环形线圈、平行带状线等。在该实施例中，能向环形线圈、平行带状线等的引线施加阻尼电位或电流，以控制(增大、减小或保持)流过各环形线圈、平行带状线等中任何一个的电流量。例如，这可以通过将电压电位加到环形线圈绕组(引线)上，从而在能阻碍电流且最终阻碍电镀槽溶液和电镀材料流过环形线圈的环形线圈内产生电场。通过响应检测阵列选择性地控制通过控制阵列内特定线圈的外加电压和电流，能控制允许通过任何给定线圈或线圈组的电镀槽电流量，从而改变阴极上的电流密度均匀性和衬底上的电镀材料的沉积。
图5包括本发明的另一个实施例，其中，扩散板51包括放置在扩散板51上(或内)的控制阵列53，检测阵列57位于控制阵列53和阴极55之间。在另一个实施例中，取代控制阵列位于检测阵列和阴极之间的是，检测阵列可以位于控制阵列和阴极(未示出)之间。电镀系统50的结构与图1所示的电镀系统不同，以示出本文实施例可以包含在各种电镀系统中。图5的电镀系统还包括电镀液出口52，阴极55的构造与图1所示的阴极15不同。在该特殊实施例中，转盘551包括将衬底155固定到转盘551上的环形夹子553。或者，包括那些没有转盘的其他电镀系统也能利用本发明的实施例来沉积薄膜。
根据本发明的实施例，图5的检测阵列57(或控制阵列53)可以构造成包括环形线圈矩阵，与图6所示相类似。根据该实施例，环形线圈62是六边形的且位于检测阵列(或扩散板51)内。在该特殊实施例中，环形线圈通过介电材料矩阵彼此隔离。线圈和介电材料的组合形成蜂窝形矩阵。尽管图6中所示为六边形，但可以使用其他形状，包括圆形、方形、八边形等。
控制阵列53和检测阵列57都可以包括能将其相应线圈固定在相对固定的位置上的刚性构件。根据一个实施例，控制阵列53安装在多孔陶瓷扩散板51上或内。与扩散板40不同，扩散板51没有沿扩散板的整个厚度延伸的孔。类似地，检测阵列57位于相对坚硬的惰性材料(例如聚氨基甲酸酯)内或上。在另一个实施例中，检测阵列可以附着但不与阴极55电连接。因此，尽管检测阵列能随转盘旋转，检测阵列和衬底之间的位置关系仍是固定的。
图7-9示出了另一个实施例，它包括平行带状线传感器单元。图7中，沿扩散板或其他支撑构件(未示出)内开口的四个边缘布置四条带状线，形成检测组件70。根据该实施例，检测组件70包括两个平行检测电极72和两个平行控制电极74。两个检测电极72彼此平行且与两个控制电极74垂直。图8示出了类似的结构，但检测电极72与控制电极74隔开。图9中，每个平行电极(检测和控制)的取向使得它们彼此平行。控制和检测电极通常装在惰性材料内，惰性材料例如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯，碳氟化合物例如聚四氟乙烯TM、硅铜或类似物。惰性包装降低了污染电镀液和从溶液将材料镀到线圈或电极上的可能性。
根据本发明的实施例，前面描述的设备结构用于在制作电子元件时在衬底上形成层。图10包括半导体器件衬底155的横截面图。正如在本说明书中所使用的，半导体器件衬底155是单晶半导体晶片、绝缘体上半导体晶片或其他用于形成半导体器件的衬底。在衬底155中形成场隔离区102和掺杂区104。栅极介电层106和栅电极108覆在衬底155和掺杂区104部分上。侧壁隔板109沿栅电极108的相对侧壁放置。在栅电极108、场隔离区102和掺杂区104上形成第一中间级介电(ILD)层112。在ILD层112内形成开口，使其中一个掺杂区104的一部分暴露出来，如图10所示。然后，将开口充以阻挡膜114和导电填充材料116，形成导电栓。
然后，在第一ILD层112和导电栓上形成第二ILD层118。第二ILD层118的图形适于形成将形成顺序互连的开口。在形成开口之后，形成阻挡膜117和导电籽晶(seed)膜119。典型地，阻挡膜117由耐火金属或耐火金属氮化物例如钽、氮化钽、钼、氮化钼、钛、氮化钛或类似物制成。导电籽晶膜119通常用类似于随后将镀到暴露的衬底表面上的那些材料形成。在该特殊实施例中，在暴露的衬底表面上镀铜，所以，籽晶膜119包括铜。在另一个实施例中，阻挡膜117和籽晶膜119的成分可根据所镀的材料类型和所形成结构的特定需要而有所不同。
然后，将铜膜110沉积在导电籽晶膜119上，如图11所示。铜膜110通常沉积成完全填充第二ILD层118内形成的开口中。使用任何一种配置有上述电镀检测和/或控制元件或其变形物的电镀系统将铜膜110镀到晶片上。
在电镀操作期间，阳极将电镀材料的源提供到籽晶膜119上。如果用除了铜以外或非铜的其他材料形成电镀材料，则阳极还包括那些材料。或者，在另一实施例中，可以通过循环回路提供适当的电镀材料来补充电镀液。
现在回到图5所示的设备，形成控制回路，在该回路中，检测阵列57映像溶液中不同位置上的电流密度，然后反馈给控制阵列53，从而控制相应位置上的电流密度。如果检测阵列所产生的映像检测到电流密度相对于其他区域太高或太低，则调节控制阵列中的各环形线圈、平行带状线等，增大或减小那些区域中的电流密度。通过这种方式，与现有技术的电镀系统相比，电流密度相对于衬底表面的均匀性以及相应的镀膜沉积厚度或均匀性得到控制和改善。根据一个实施例，检测阵列在往衬底上镀期间不断测量电流。或者，检测阵列能在将膜镀到衬底上期间间歇地测量电流采样。类似地，控制阵列能构造成响应检测阵列所提供的连续测量结果(即，控制在衬底上镀膜期间的电流随时间变化)，或者响应检测阵列所测量的周期性采样。
在另一个实施例中，检测和控制阵列能响应旋转的转盘和衬底检测和控制电流密度。例如，在一个特殊实施例中，如果籽晶层119的厚度横跨衬底变化，则籽晶层119更薄处的衬底区域内的镀覆速率可以更低，原因是在衬底表面上的电阻增大。当衬底旋转时，可以激活控制阵列的环形线圈、平行带状线、电极等以符合高电阻区域，使得镀覆速率在籽晶层119较薄的区域内增大，在籽晶层较厚的区域内减小。通过这种方式，控制阵列和检测阵列相对于衬底的旋转是静止的。它们通过随衬底薄膜厚度的相应变化同步增大或减小电流密度来响应衬底的旋转。在另一个实施例中，即使厚度不均匀也希望在一个位置上镀更多材料。例如，为了使中心-边缘不均匀性效果达到最小，在衬底边缘(或中心)选择性地供电来控制环形线圈、平行带状线、电极等是有利的，从而减少电流量和衬底边缘(或中心)上的相应沉积率。
或者，与电气操作相对，对控制阵列执行机械操作。例如，如果检测阵列正在衬底的一个部分上检测过量电镀，则用机械设备减少流过杯部分的电镀液量。在该特殊实施例中，减少到达衬底表面部分的离子量，这又减小了镀覆速率。根据本发明的实施例，能用机械和电气结构控制镀膜厚度和均匀性。
图12示出了基本完成的半导体器件的横截面。根据一个实施例，利用传统的化学机械平面化(CMP)工艺去除在ILD118内的开口中未被污染的部分铜膜110、导电籽晶层119和阻挡膜117，形成互连122。尽管示出了单嵌入互连，但也可以利用双嵌入互连工艺方法形成互连122。覆在互连122上面的是覆盖层120。通常，覆盖层120用包含氮化硅的材料形成。或者，覆盖材料可以用充分附着到铜互连上的任何材料形成并提供相邻层的铜扩散阻挡保护(未示出)。典型地，钝化和聚酰亚胺层是半导体器件的最上层。根据其他实施例，可以形成附加的互连结构和介电层，以便制作更复杂的半导体器件。
本文所述的实施例还用于问题检测，这在防止微加工和设备损坏方面特别有用。例如，检测阵列可以与衬底表面(电镀表面)平行定位并靠近它，以检测衬底表面是否与电镀液是平面的。通常，衬底表面的位置使得它沉入或基本与电镀液的最上表面是平面。这很重要，因为它允许电镀表面在基本不使衬底背面暴露于电镀液和不期望地电镀它的情况下接触电镀液。此外，如果打算被镀的衬底表面部分在电镀期间不连续接触电镀液，则操作材料能从衬底的这些区域除去镀层。无意中去除衬底镀层使电镀操作复杂化，原因是这能导致在槽中产生粒子和镀膜的不均匀性。因此，通过大致接近衬底定位检测阵列，能检测衬底表面部分何时不接触电镀液。此外，检测阵列能用于检测聚集在衬底表面上的气泡的出现。气泡是很成问题的，因为它们阻止在有气泡的区域内电镀。
在另一个实施例中，检测阵列能用作端点检测装置，用于清洁内部系统组件。例如，现在参考图1，在用电镀系统10对几个衬底进行电镀之后，电镀材料总是沉积在夹紧结构153上。定时地，该电镀材料需要去除。所以，根据一个实施例，通过去除夹紧结构153的材料镀层并到环形取样器17或其他baisable室组件上能清洁夹紧结构153。去除镀层持续到所有被镀的材料都从夹紧结构153上去除。当这出现时，检测阵列所检测的相应电镀槽电流测量大致为零(噪声水平)。当到达噪声水平时，夹紧结构153上的全部或几乎全部电镀材料已经被去除。在已经去除电镀材料之后，用清洁后的夹紧结构153能再次恢复衬底的电镀。
尽管以上针对半导体器件描述了很多实施例，但本文公开的实施例能用于各种其他衬底类型，包括印刷电路板或类似物。此外，合金和磁性材料也可以用本发明的实施例进行电镀。而且，尽管本文所述的实施例讨论了铜镀，但为了达到电镀目的，也可以使用其他材料，包括镍、铂、铬或类似物。此外，对于使用环形线圈结构的本文所述实施例，线圈铁心的直径通常大约为3mm。但是，随着技术的进步，本领域的技术人员认识到可以使用更小的环形线圈。而且，尽管本文所述实施例指的是用环形线圈和平行带状线测量电流密度，但本领域的技术人员认识到能用图示类型的设备检测和/或控制流过电镀液的电流。所以，本发明不受这些实施例的限制。
以上参考特定实施例描述了优点、其他好处以及问题解决方案。但是，优点、好处、问题解决方案和能带来任何优点、好处或解决方案的任何部件并不解释为任一权利要求的关键性的、必须的或必要特征或部分。正如本文所使用的，术语“包含”或其他变形不会覆盖唯一结论，使得包含一系列部件的工艺、方法、主题或设备不仅包括那些部件，而且包括未清楚列出或这种工艺、方法、主题或设备所固有的其他部件。

Claims (10)

1．一种将膜(110)镀到半导体器件衬底(155)上的方法，其特征在于：
将衬底(155)的表面暴露于电镀槽(19,59)；
使电镀液从电镀槽(19,59)流过传感器单元(20,30,44,62)；以及
测量由电镀液流过传感器单元(20,30,44,62)所产生的信号；以及
将膜(110)镀到半导体器件衬底(155)的表面上。
2．根据权利要求1的方法，其中，传感器单元(20,30,44,62)构成电镀槽(19,59)扩散板(40)的一部分。
3．根据权利要求1的方法，其特征还在于，对测量由电镀液流过传感器单元(20,30,44,62)所产生的信号作出响应，通过调节镀膜(110)的加工参数，影响半导体器件衬底(155)上的镀膜(110)特性。
4．根据权利要求1的方法，其特征还在于，对测量由电镀液流过传感器单元(20,30,44,62)所产生的信号作出响应，通过控制电流流过电镀槽(19,59)，影响半导体器件衬底(155)上的镀膜(110)特性。
5．一种将膜(110)镀到半导体器件衬底(155)上的方法，其特征在于：
将半导体器件衬底(155)的表面暴露于电镀槽(19,59)；
对流过电镀槽(19,59)的电流进行取样；其中取样电流出现在远离且在与电镀槽(19,59)相关联的阴极和阳极之间的一个位置；以及
将膜(110)镀到半导体器件衬底(155)上。
6．根据权利要求5的方法，其中，通过布置在电镀槽(19,59)内的传感器单元(40,57)阵列完成取样。
7．根据权利要求5的方法，其特征还在于，对在电镀槽(19,59)内流动的电流进行取样作出响应，通过控制电镀参数，影响将膜(110)镀到半导体器件衬底(155)上的特性。
8．根据权利要求7的方法，其中，在将膜(110)镀到半导体器件衬底(155)上期间间歇地进行取样。
9．根据权利要求7的方法，其中，控制电镀参数的特征还在于，控制流过电镀槽(19,59)中电流控制阵列的电流，
10．根据权利要求7的方法，其中，特征包括从薄膜厚度和均匀性组成的组中选择电镀特性。
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