[发明专利]电镀设备及方法

说明书

本发明一般地涉及一种电镀薄膜的方法和设备，更具体地涉及电镀金属膜以形成半导体器件中的内部连线。

由于半导体器件的特征是根据Moore定律持续收缩，如果仍然使用铝(Al)和SiO₂，那么对于0．18μm级器件，内部连线延迟比器件门延迟更大。为了减少内部连线延迟，铜和低k电介质是一种可能的解决方法。铜／低k内部连线与传统Al／SiO₂方法相比有几个优点，包括可显著减少内部连线延迟，同时还可减少所需金属层的数量、使能量耗散最小以及减少制造成本。铜提供更好的可靠性，其对电迁移的阻力比铝好得多。已经开发了许多用于淀积铜的技术，包括从传统的物理汽相淀积(PVD)和化学汽相淀积(CVD)技术到新的电镀方法。PVD铜淀积通常具有尖点问题，当用大纵横比填注小间隙(＜0．18μm)时导致产生空穴。CVD铜在淀积过程中有较多包含在膜内的杂质，需要高温退火排出杂质以获得低电阻率的铜膜。只有电镀铜能同时提供低电阻率和优良的间隙填注能力。另一个重要的因素是成本，电镀设备的成本分别是PVD或CVD设备成本的三分之二或一半。还有，在顺利生成器件时电镀铜时的低工艺温度(30-60℃)和低k电介质(聚合物、干凝胶和气凝胶)是有利的。

电镀铜已经在印制电路板、芯片组件的凸点电镀和磁头中应用了很多年。在常规的电镀机器中，晶片外围的电镀电流密度比晶片中心的更大。这导致晶片的外围比中心有更高的电镀速率。Grandia等的4304841号美国专利公开了为使基片获得均匀的电镀电流和电解液流而在基片和阳极之间放置扩散器。Mori的5443707号美国专利公开了通过缩小阳极的尺寸控制电镀电流。Tzanavaras的5421987号美国专利公开了具有多个喷嘴的旋转阳极以获得均匀和较高的电镀速率。Lowery的5670034号美国专利公开了在旋转晶片的前面布置横向往复式阳极来提高电镀厚度的均匀性。Ang的5820581号美国专利公开了由独立电源供电的取样环以控制晶片上电镀电流的分布。

所有的这些现有技术的方法在铜电镀之前都需要铜籽晶层。通常铜籽晶层在扩散膜的顶部。该铜籽晶层用物理蒸汽淀积(PVD)或化学蒸汽淀积(CVD)进行淀积。然而如前所述，PVD铜通常有有尖点问题，当用大纵横比填注小间隙(＜0．18μm)且有后续的铜电镀时会产生空穴。CVD铜在淀积过程中有较高包含在膜内的杂质率，需要高温退火排出杂质以获得低电阻率的铜籽晶层。当器件特征尺寸缩小时这种铜籽晶层会成为更严重的问题。而且铜籽晶层淀积增加额外的工艺，增加IC制造成本。

现有技术的另一不利之处是电镀电流和电解液流型是非独立控制的，或者只有电镀电流可控制。这限制工艺调整窗口，因为为了同时获得优良的间隙填注能力、厚度均匀性和电均匀性以及粒径和结构的均匀性，最佳电镀电流条件不一定与最佳电解液流条件同步。

现有技术的另一不利之处是电镀头或电镀系统臃肿且台面面积大，使用户的使用成本增加。

本发明的目的是提供一种新的在阻挡层上直接电镀金属膜的方法和设备，不需使用由除电镀外的工艺制造的籽晶层。

本发明的另一目的是提供一种新的把金属膜电镀到比现有技术中所使用的更薄的籽晶层上的方法和设备。

本发明的又一目的是提供一种新的在晶片上电镀厚度更均匀的薄膜的方法和设备。

本发明的另一目的是提供一种新的在晶片上电镀导电率更均匀的导电膜的方法和设备。

本发明的另一目的是提供一种新的其电镀薄膜结构、粒径、组织和取向性更均匀的薄膜的方法和设备。

本发明的另一目的是提供一种新的电镀薄膜的方法和设备，该电镀提高了晶片间隙填注能力。

本发明的另一目的是提供一种新的电镀金属膜的方法和设备，该金属膜用于集成电路IC芯片的内部连线。

本发明的另一目的是提供一种新的电镀薄膜的方法和设备，该方法和设备具有独立的电镀电流控制和电解液流型控制。

本发明的另一目的是提供一种新的用于金属镶嵌(damascene)工艺的电镀金属薄膜的方法和设备。

本发明的另一目的是提供一种新的电镀低杂质金属膜的方法和设备。

本发明的另一目的是提供一种新的电镀铜的方法和设备，该电镀薄膜的应力小且结合力大。

本发明的另一目的是提供一种新的电镀填充颗粒密度低的金属膜的方法和设备。

本发明的另一目的是提供一种新的台面面积小的电镀系统。

本发明的另一目的是提供一种新的使用成本低的电镀系统。