[发明专利]化学电镀沉积装置及形成导电层结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学电镀沉积装置及利用其形成导电层结构的方法，特别涉及一种具有辅助阴极的化学电镀沉积装置及利用其在半导体晶圆上形成导电层结构的方法。

背景技术

传统集成电路中的内连线是以沟槽(trench)及通孔(via hole)的形式呈现的。尤其在深亚微米集成电路技术中，内连线沟槽及通孔是利用镶嵌(damascene)或双镶嵌(dual damascene)工艺形成的。逐步地，铜导线已取代铝导线成为现今超大型集成电路(ULSI)金属化工艺(metallization)的主流。化学电镀沉积(electrochemical deposition，ECD)金属铜已成为镶嵌或双镶嵌工艺的标准步骤，因其具有较大的晶粒(亦即具有较佳电子迁移阻抗)、较低的电阻率及较高的沉积速率。尤其是，电镀工艺特别适合于小尺寸的镶嵌式金属化工艺，这是因为其具有较佳的镀层成长速率控制能力及镀层优越的导电特性。

图1显示传统化学电镀电镀沉积装置100的示意图，其具有晶圆2，镶于衬底基座上。化学电镀反应装置100包括衬底固定装置3固定于旋转轴5上。在化学电镀过程中，晶圆2镶于衬底固定装置3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及11所示。电镀液流出储存槽20后，流经过滤器(未图示)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显示传统化学电镀电镀沉积装置的阳极与阴极间的电力线分布关系示意图。在图2中，半导体晶圆2镶于衬底固定装置3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(阴极)2之间时，阳极与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的电力线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，也容易使工艺异常进一步恶化，并且使电阻偏离量更高。

更有甚者，即使施以化学机械研磨(CMP)工艺进行平坦化，在半导体晶圆的周围区域仍有铜残留。因此，在电镀镀件表面形成平坦且厚度均匀的导电层，并且确保在其周边区域无残留是极为重要的。

发明内容

有鉴于此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明实施例提供一种具有辅助阴极的化学电镀沉积(ECP)装置，在电镀的过程中，在半导体晶圆的中央区域及周围区域形成均匀的电力线分布，以改善工艺效果及可靠度。

本发明提供一种化学电镀沉积装置，包括：化学电镀槽，其具有电镀液池，用以在衬底上沉积金属层；阳极与主要阴极，设置于电镀液池中，用以提供主要电场；衬底固定装置，用以固定半导体晶圆，且连接该主要阴极；以及辅助阴极，设置于该化学电镀槽外侧，以提供辅助电场，使得位于该衬底固定装置中央位置的电力线密度与位于其外围周边位置的电力线密度实质上相同。

上述化学电镀沉积装置中，该辅助阴极的位置可与该阳极的位置等高。

上述化学电镀沉积装置中，该辅助阴极的位置可与该主要阴极的位置等高。

上述化学电镀沉积装置中，该辅助阴极的位置的高度可介于该阳极的位置与该主要阴极的位置的高度之间。

上述化学电镀沉积装置中，该辅助阴极的材料可包括铜或不锈钢。

上述化学电镀沉积装置还可包括：第一电源供应器，配置于该阳极与该主要阴极之间；以及第二电源供应器，配置于该阳极与该辅助阴极之间。

上述化学电镀沉积装置中，该第一电源供应器可提供第一多阶函数电流，而该第二电源供应器可提供第二多阶函数电流。