[发明专利]工件表面电化学加工期间清除残存空气的方法

说明书

有关申请的交叉参照

本申请要求于2004年11月19日提交的美国专利临时申请第60/635,112号的优先权。

技术领域

本发明一般地涉及半导体集成电路技术。更具体地，本发明涉及一种对工件进行电处理或电化学加工的器件。

背景技术

诸如集成电路(IC)的常规半导体器件通常都包含有半导体基片，一般多为硅基片，和多层被绝缘材料层分隔开来的导电材料层。导电材料层，或称内连层，构成了集成电路的布线网络。布线网络中的每个导电体被绝缘层，也称夹层或层间介质(ILDs)与临近的导电体分隔开来。尽管目前存在有一种趋势，试图用低-k介质材料，例如有机、无机、旋压和CVD等取代IC结构中至少一些标准的密集二氧化硅材料，但二氧化硅仍是一种常用于硅集成电路中的介质材料。

习惯上，IC内连层是采用敷金属工艺向介质夹层中蚀刻的缝隙或空洞充填诸如铜的导电体而生成的。由于铜具有低电阻和良好的电迁移特性，铜已成为内连接应用中首选的导电体，敷铜的首选方法是电镀术。在集成电路中，多层内连网络相对基片表面横向展开，运用诸如空孔或接触的缝隙可使序贯层中生成的内连层实现电连接。在一个典型的内连加工过程中，首先在半导体基片上生成一层绝缘层，接下来实施图案形成和蚀刻工艺在绝缘层中生成缝隙或空洞，例如沟槽、通孔、衬垫等，然后进行电镀铜填满所有的缝隙。在这种电镀过程中，晶圆置于晶圆支架上，从电极的一个阴极电压施加在晶圆表面，晶圆表面和电极均被沉积电解液湿润。

一旦电镀结束后，实施材料清除的步骤，如化学机械抛光(CMP)工艺，从工件的顶部表面(也称场效应区)清除多余的铜层，也称作铜过载，仅使铜留在缝隙中。然后再进行另一次材料清除步骤，清除其它导电层，例如位于场效应区上的屏障/胶水层。这种方式的加工导致缝隙中的铜沉积不仅在物理上而且在电学上相互分隔开来。尤其对低-k介质材料而言，电化学抛光(电抛光)或电化学蚀刻工艺则是另一种重要的材料清除过程。进行电抛光时，一个阳极电压施加到电抛光电解液中相对阴极电极的晶圆表面，多余的导电体，例如铜过载就会在不与内连结构发生物理接触也不会对内连结构产生应力的情况下被清除，在晶圆表面实施电抛光时完全有可能使其表面与衬垫材料发生物理接触，这些工艺称作电化学机械抛光或蚀刻方法。

一种用于平面沉积和材料清除的工艺总称为电化学机械加工(ECMPR)，它包括电化学机械沉积(ECMD)过程和电化学机械抛光(ECMP)(也称作电化学机械蚀刻(ECME))。必须认识到，一般而言，由于ECMD和ECMP均包含有电化学过程和物理接触或机械作用于工件表面，这两种过程均称作电化学机械加工(ECMPR)。用于材料沉积和清除的所有电化学工艺也都可以称作“电处理”。

就ECMPR方法的一个方面而言，至少在部分电处理过程期间，也就是在工件表面与影响工件表面的器件(WSID)之间存在有物理接触或接近和相对运动时，需要使用WSID，例如掩模、衬垫或清扫器。在本发明受让人所拥有的所有如下专利和临时申请中均对各种平面沉积和平面蚀刻的方法和装置进行了介绍，即2001年1月23日发布的题名为“电化学机械沉积的方法和器件”的美国专利第6,176,992号，2000年12月18日提交的、于2003年3月18日发布的题名为“使用外部影响时在沉积于顶部表面的添加剂与工件空洞表面之间生成差异的电镀方法与装置” 的美国专利第6,534,116号，和2005年7月26日发布的题名为“控制工件预定部分上沉积的电镀方法与装置”的美国专利第6,951,551号。这些方法均可以将金属以平面的方式沉积到工件上的空洞部分中和空洞部分上，这些公开的专利整体引用在此作为参考。如果需要，它们还能在缝隙上生成无论尺寸大小如何但具有过量金属的新结构。

在ECMD方法中，工件表面被电解液湿润，相对于同样被电解液湿润的电极而言呈阴性。在ECMD期间，在清扫工件表面时工件表面与WSID之间发生相对运动的时候，晶圆表面被推向或十分接近WSID表面，反过来也是如此，鉴于上面引用的专利申请书中所介绍的这种清扫作用，就能实现平面沉积。

在ECMP方法中，工件表面被电抛光电解液或蚀刻溶液湿润，但施加的电压的极性出现颠倒，因此与电极比较，使得工件表面更加呈现出阳性，在将层从工件表面清除时，WSID就会接触表面。