專利名稱：電拋光和電鍍方法
相關(guān)申請的交叉參考本申請要求以下較早申請的臨時申請的優(yōu)先權(quán)2002年4月12日申請的U.S.申請No.60/372,263，題目為“ENHANCING SURFACEROUGHNESS AFTER ELECTROPOLISHING”；2002年5月21日申請的No.60/382,133，題目為“METHOD FOR REDUCING RECESSIN COPPER ELECTROPOLISHING”；2002年6月8日申請的No.60/387,826，題目為“METHOD TO PLATE PLANAR EMTALFILM ON SEMICONDUCTOR WAFERS”；2002年7月24日申請的No.60/398,316，題目為“METHOD FOR REDUCING RECESSNON-UNIFORMITY ON PATTERNED TRENCH OR PAD AREA INELECTROPOLISHING PROCESS”，這里引入其全部內(nèi)容作為參考。
發(fā)明的背景1.領(lǐng)域本發(fā)明總體涉及半導(dǎo)體處理方法，特別涉及用于在半導(dǎo)體器件上電拋光和電鍍導(dǎo)電層的電拋光和電鍍方法。
2.現(xiàn)有技術(shù)說明使用許多不同的處理步驟在半導(dǎo)體晶片上產(chǎn)生晶體管和互連部件，制造或制備了半導(dǎo)體器件。要電連接與半導(dǎo)體晶片相關(guān)聯(lián)的晶體管端子，導(dǎo)電(例如，金屬)溝槽、通孔等形成在介質(zhì)材料中作為半導(dǎo)體器件的一部分。溝槽和通孔耦合晶體管、半導(dǎo)體器件的內(nèi)部電路以及半導(dǎo)體器件外部電路之間的電信號和功率。
形成互連部件期間，半導(dǎo)體晶片會經(jīng)受例如，掩模、蝕刻以及淀積工藝以形成半導(dǎo)體器件需要的電子電路。特別是，進(jìn)行多個掩模和蝕刻以在半導(dǎo)體晶片上的介質(zhì)層形成凹槽區(qū)的圖形，作為用于互連的溝槽和通孔?？梢赃M(jìn)行淀積工藝以在半導(dǎo)體晶片上淀積金屬層，由此在半導(dǎo)體晶片的溝槽和通孔以及非凹槽的區(qū)域中淀積金屬層。要隔離互連，例如構(gòu)圖的溝槽和通孔，需要除去半導(dǎo)體晶片的非凹槽區(qū)上淀積的金屬。
除去在半導(dǎo)體晶片上介質(zhì)層的非凹槽區(qū)上淀積的金屬膜的常規(guī)方法包括例如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。CMP方法廣泛地用在半導(dǎo)體工業(yè)中以拋光和平面化溝槽和通孔內(nèi)以及介質(zhì)層的非凹槽區(qū)上的金屬層，以便形成互連線路。
在CMP工藝中，晶片組件設(shè)置在CMP墊上，CMP墊位于臺板(platen)或坯料(web)上。晶片組件包括具有一層或多層的襯底和/或結(jié)構(gòu)，例如形成在介質(zhì)層中的互連元件。然后施加力以將晶片組件壓向CMP墊。CMP墊和襯底組件相向移動并相對移動，同時施加力以拋光和平面化晶片的表面。經(jīng)常稱做拋光漿料的拋光溶液分散在CMP墊上以幫助拋光。拋光漿料通常含有磨料并化學(xué)地反應(yīng)，以便選擇性地比其它材料(例如介質(zhì)材料)明顯快地從晶片上除去不需要的材料(例如金屬層)。
然而，由于涉及到較強(qiáng)的機(jī)械力，CMP法對下面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有幾個有害作用。例如，隨著互連的幾何尺寸發(fā)展到0.13微米及以下，如銅的導(dǎo)電材料和典型鑲嵌工藝中使用的低k膜的機(jī)械特性之間存在大的差異。例如，低k膜的楊氏模量比銅低大于10的數(shù)量級。因此，在CMP工藝中施加在介質(zhì)膜和銅上的較強(qiáng)機(jī)械力會在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上造成于應(yīng)力有關(guān)的缺陷，包括分層剝離、碟狀沉陷、腐蝕、膜剝離、劃痕等。
除去淀積在介質(zhì)層的非凹槽區(qū)上的金屬膜的另一方法包括電拋光。然而，由于電拋光的各向同性和較差的平面化效率，金屬膜形貌的表面需要平坦以防止凹陷等降低器件性能。
需要新的淀積和除去金屬層的處理技術(shù)。例如，可以使用電鍍或電拋光從晶片上淀積或除去金屬層。一般來說，在電鍍或電拋光工藝中，待鍍或拋光的那部分晶片浸在電解液內(nèi)，然后電荷施加到晶片。這些條件造成根據(jù)相對的電荷，銅淀積到晶片或從晶片上除去。
發(fā)明概述在本發(fā)明的一個方案中，提供一種在晶片上電鍍導(dǎo)電膜的實例性方法。一個示例性方法包括在具有凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上電鍍金屬層。方法包括第一密度的凹槽區(qū)上金屬層平坦之前在第一電流密度范圍內(nèi)電鍍。而且，凹槽區(qū)上的金屬層平坦之后在第二電流密度范圍內(nèi)電鍍，其中第二電流密度范圍大于第一電流密度范圍。在一個例子中，方法還包括在第二電流密度范圍內(nèi)電鍍直到第二密度的凹槽區(qū)之上的金屬層平坦，第二密度大于第一密度，此后在第三電流密度范圍內(nèi)電鍍。
通過考慮了下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說明可以更好低理解本發(fā)明。
附圖簡介

圖1A和1B示出了金屬電鍍和電拋光之后的互連結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2A-2C示出了示例性電鍍工藝期間金屬膜輪廓的剖面圖；圖3示出了隆起尺寸、平整劑濃度以及電鍍電流之間的示例性關(guān)系；圖4示出了具有和不具有平整劑的電鍍電流和隆起尺寸之間的關(guān)系；圖5A-5C示出了示例性的金屬電鍍工藝期間金屬膜輪廓的剖面圖；圖6A-6C示出了示例性的金屬電鍍工藝期間金屬膜輪廓的剖面圖；圖7A-7C示出了示例性的金屬電鍍工藝期間金屬膜輪廓的剖面圖；圖8A-8C示出了示例性的金屬電鍍工藝期間金屬膜輪廓的剖面圖；圖9示出了具有虛擬結(jié)構(gòu)的互連結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖10A和10B示出了示例性的金屬電鍍工藝期間金屬膜輪廓的剖面圖；圖11A和11B示出了示例性的金屬電鍍工藝期間金屬膜輪廓的剖面圖；圖12A-12C示出了示例性的金屬電鍍工藝期間金屬膜輪廓的剖面圖；圖13A-13H示出了示例性電鍍電流順序；圖14A-14C示出了多種示例性虛擬結(jié)構(gòu)的平面圖；圖15A-15C示出了多種示例性虛擬結(jié)構(gòu)的平面圖；圖16A-16C示出了多種示例性虛擬結(jié)構(gòu)的平面圖；圖17A-17C示出了多種示例性虛擬結(jié)構(gòu)的平面圖；圖18A和18B示出了示例性的金屬電鍍工藝期間金屬膜輪廓的剖面圖；圖19A-19F示出了雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的示例性電拋光工藝；圖20A-20D示出了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示例性電拋光工藝；圖21A-21D示出了在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成的不同晶粒尺寸的示例性金屬層；圖22A-22C示出了具有較大晶粒尺寸的銅層的多種示例性圖像；圖23A-23C示出了具有較大晶粒尺寸的銅層的多種示例性圖像；圖24示出了電拋光之后銅層的晶粒尺寸和表面粗糙度之間的關(guān)系曲線；圖25A-25D示出了金屬層晶粒尺寸相對于時間的變化；圖26示出了金屬層晶粒尺寸相對于時間的總的關(guān)系曲線；圖27示出了晶粒生長速率相對于退火溫度的總的關(guān)系曲線；圖28A示出了示例性的電拋光裝置；圖28B示出了電拋光晶片的示例性工藝；圖29A-29D示出了電拋光一部分晶片的示例性工藝；圖30A-30D示出了電拋光半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示例性工藝；圖30E示出了具有銅凹槽的示例性電拋光半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；圖31示出了用于電拋光法的示例性正向和反向脈沖波形；
圖32A-32F示出了包括正向和反向脈沖波形的示例性電拋光工藝；以及圖32G示出了具有正向和反向脈沖波形的示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
詳細(xì)說明為了更徹底地理解本發(fā)明，下面的說明陳述了大量的具體細(xì)節(jié)，例如具體的材料、參數(shù)等。然而，應(yīng)該知道說明書不是對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，相反是為了更好地說明示例性實施例。
I.電鍍平面金屬膜的方法根據(jù)一個方案，介紹了一種在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上電鍍平面的金屬膜的示例性方法。示例性電鍍方法包括電鍍金屬膜，增加了半導(dǎo)體晶片上形成的互連結(jié)構(gòu)的平面性，減少了隆起或過鍍覆和碟狀沉陷。介紹了多種示例性電鍍方法，通過組合使用化學(xué)試劑、電鍍工藝順序和/或在互連結(jié)構(gòu)內(nèi)填加虛擬結(jié)構(gòu)，在構(gòu)圖的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成改進(jìn)的平面金屬膜。
半導(dǎo)體工藝在鑲嵌工藝中通常使用銅，以在半導(dǎo)體器件中形成金屬互連。鑲嵌工藝將具有凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)的介質(zhì)材料構(gòu)圖稱對應(yīng)于所需互連的渠形溝槽和/或通孔。阻擋和籽晶層可以淀積在介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)上，隨后在阻擋和/或籽晶層上鍍銅。通常通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)拋掉非凹槽區(qū)上的銅。CMP包括化學(xué)(離子交換)和機(jī)械(應(yīng)力)工藝，以除去非凹槽區(qū)上的銅層，僅留下溝槽和/或通孔、即凹槽區(qū)中的銅。施加在拋光表面上的應(yīng)力會導(dǎo)致氧化物損失、腐蝕、金屬分層脫離以及介質(zhì)剝離。
為了獲得顯著的更高速性能，需要銅與低k介質(zhì)并優(yōu)選超低k介質(zhì)(k＜2.5)結(jié)合在一起。目前通常使用的低k介質(zhì)實施戰(zhàn)略正逐漸由氧化物(k＝4.0)遷移為氟化氧化物(k＝3.5)，然后為成功地具有3.0，2.6，2.2的更低k值的低k介質(zhì)，最后為小于2.0的k值。以上介紹的多步驟低k實施戰(zhàn)略高成本、高風(fēng)險并為IC制造商成功地制造器件增加了許多不確定性。由于每代低k介質(zhì)具有自身的機(jī)械特性和集成特性，因此當(dāng)由一代轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱淮鷷r，IC制造商需要開發(fā)新的CMP和其它相關(guān)的工藝。由于每代具有新的制造模式，因此工具和工藝的擴(kuò)充性、制造成品率以及器件可靠性變成主要考慮因素，IC制造商必須改變低k介質(zhì)材料和工藝。
減少對低k介質(zhì)結(jié)構(gòu)的機(jī)械損傷的示例性工藝包括電拋光。示例性電拋光工藝介紹在1999年7月2日申請的U.S.專利No.6,395,152中，題目為“METHODS AND APPARATUS FORELECTROPOLISHING METAL INTERCONNECTIONS ONSEMICONDUCTOR DEVICE”，這里引入整個內(nèi)容作為參考。然而，要改進(jìn)電拋光工藝，需要增加淀積的金屬膜的平面性。
在鑲嵌結(jié)構(gòu)上通過常規(guī)的鍍覆工藝鍍覆的銅膜104的示例性輪廓顯示在圖1A中。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括在晶片100上或預(yù)先形成的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)上形成的介質(zhì)層108。結(jié)構(gòu)還包括阻擋層106和現(xiàn)有技術(shù)中公知的其它材料。結(jié)構(gòu)包括對應(yīng)于由介質(zhì)層108分開的溝槽和/或通孔的凹槽區(qū)101r和非凹槽區(qū)101n的圖形。金屬或銅層104形成在填充凹槽區(qū)101r的結(jié)構(gòu)上并形成在非凹槽區(qū)101n上。下面的結(jié)構(gòu)通常導(dǎo)致位于介質(zhì)層108中結(jié)構(gòu)上銅層104的非平面的表面形貌。例如，非平面的形貌可以包括隆起102和凹槽110，總體分別對應(yīng)于下面致密間隔的凹槽區(qū)101r和寬開口凹槽區(qū)。電鍍工藝中的電鍍化學(xué)試劑會造成隆起102、凹槽110和其它非平面特征。
圖1B示出了電拋光工藝之后圖1A的結(jié)構(gòu)。金屬層104通常深拋光到非凹槽區(qū)的表面，以使凹槽區(qū)101r、即溝槽和通孔內(nèi)的金屬層104與相鄰的凹槽區(qū)101r隔離。如圖1B所示，隆起102會部分留在密集的圖形區(qū)域，由于電拋光的各向同性，電拋光之后凹槽區(qū)110所示的碟狀沉陷仍會保留。隆起和凹槽會降低形成器件的性能。例如，留在密集間隔的凹槽或通孔上的隆起會引起相鄰線之間的電短路，凹槽會造成形成的互連線的電導(dǎo)降低。平面的金屬層104可以減少隆起和凹槽并提高器件性能。
圖2A-2C示出了在介質(zhì)層208上電鍍銅層204不同時間的示例性電鍍工藝，介質(zhì)層208具有多個密集間隔的凹槽區(qū)210r和非凹槽區(qū)210n。一般來說，電鍍浴槽包括三種主要添加劑，例如促進(jìn)劑、抑制劑和平整劑(leverler)。促進(jìn)劑的主要功能是增強(qiáng)凹槽區(qū)內(nèi)的電鍍工藝；抑制劑的主要功能是抑制凹槽區(qū)肩部上的電鍍工藝；平整劑的主要功能是平整鍍膜的表面輪廓，主要平整隆起202。促進(jìn)劑和抑制劑的組合導(dǎo)致超填充或底部填充，如圖2A所示。更具體地，溝槽或凹槽區(qū)210r底部的電鍍速率顯著高于凹槽區(qū)210r頂部和肩部的電鍍速率。然而，當(dāng)溝槽或通孔被填滿時，溝槽區(qū)中的化學(xué)物質(zhì)將繼續(xù)增強(qiáng)電鍍速率，導(dǎo)致圖2B所示的隆起202，隨著時間的推移形成圖2C所示的隆起。
圖3示出了在增加電鍍電流394，392以及390的情況下平整劑濃度和相對隆起高度之間的關(guān)系(通常稱做“過電鍍負(fù)荷”)。該關(guān)系顯示出平整劑濃度充足，隆起尺寸減小，隨著平整劑濃度增加，電鍍電流增加，如曲線所示。
圖4進(jìn)一步示出了具有平整劑498和不具有平整劑496的電鍍電流和隆起尺寸之間的關(guān)系?？梢钥闯?，具有平整劑498的情況中，在大部分電鍍電流下隆起尺寸減小。然而，在大的電鍍電流下，盡管具有平整劑498，但是仍然存在隆起。而且，沒有平整劑496時，在所有的電流下，隆起尺寸都較大。
圖5A-5C示出了在較小的電鍍電流I1下示例性電鍍工藝期間，隨著時間金屬膜504的輪廓。示例性工藝包括在固定晶片的旋轉(zhuǎn)夾盤處導(dǎo)向電解液，但是應(yīng)該理解，可以使用如浸泡等的其它方法。旋轉(zhuǎn)夾盤以例如50-200rpm范圍內(nèi)的速度旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選125rpm?？梢栽谙旅娴氖纠怨に嚄l件下鍍平面的金屬膜504。
化學(xué)試劑電解液，如Enthone-OMI制造的ViaForm促進(jìn)劑1.5到2.5ml/升，優(yōu)選2ml/升抑制劑7到9ml/升，優(yōu)選8ml/升平整劑1.25到1.75ml/升，優(yōu)選1.5ml/升銅16到20克/升，優(yōu)選17.5克/升硫酸150到200克/升，優(yōu)選175克/升晶片的旋轉(zhuǎn)速度50到200rpm，優(yōu)選125rpm電流密度0.5到5m/cm2，優(yōu)選2m/cm2示例性工藝將銅層504鍍在介質(zhì)層508上，在t1處可以看出較快地填充了凹槽區(qū)510r和非凹槽區(qū)510n。在時間t2處，t2大于t1，其中填充了凹槽區(qū)510r，介質(zhì)層508的凹槽和非凹槽區(qū)510r和510n上的金屬層504較平坦。在時間t3處，其中t3大于t2，示例性工藝以恒定的速率持續(xù)到凹槽區(qū)510r和非凹槽區(qū)510n之上的板金屬層504，以在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生需要高度的平面金屬層504。
圖6A-6C示出了類似的電鍍工藝期間金屬膜的示例性輪廓，但是電鍍電流大于圖5A-5C的工藝。電鍍電流密度I2處于例如5m/cm2到30m/cm2的范圍內(nèi)。較大電鍍電流的示例性工藝在t2處凹槽區(qū)610r上產(chǎn)生隆起602。隆起602會一起生長在t3處形成較大的隆起602。
圖7A-7C示出了另一示例性金屬電鍍工藝期間金屬膜輪廓的示例性輪廓。如圖7A和7B所示，類似于圖5A-5C，在較小的電流I1下進(jìn)行電鍍工藝，直到工藝時間t2，產(chǎn)生金屬層704的無隆起輪廓。此后，電鍍電流增加到I2并電鍍到時間t3，如圖7C所示，直到需要厚度的金屬層704。示例性的兩步驟電鍍工藝可以獲得平面的金屬膜704。在該示例性工藝中，將電流增加到將形成隆起的水平之前，溝槽或通孔被完全鍍覆形成了平面的金屬膜704。例如，當(dāng)電流增加時，溝槽或通孔沒有被完全鍍覆，隨著電流增加，隆起會出現(xiàn)在凹槽區(qū)7010r上。圖8A-8C示出了填充凹槽區(qū)810r之前電鍍電流增加到I2的金屬鍍覆工藝期間的金屬膜輪廓。如圖8B所示，由于大的電鍍電流I2，產(chǎn)生了小的隆起802。隨著工藝在大的電鍍電流I2下持續(xù)地鍍銅膜，小的單獨的隆起生長成大的單個隆起802，如圖8C所示。應(yīng)該理解電流由t1到t2不需要恒定不變，和/或階梯形增加，但可以在時間t1到t2期間平滑增加。
再參考圖1A，示出了具有高密度小溝槽/通孔以及大尺寸溝槽和/或墊的結(jié)構(gòu)。由于與圖中左部所示的更窄致密間隔的凹槽區(qū)101r相比圖中右部所示的較大開口區(qū)包括溝槽和墊的凹槽區(qū)101r，因此電鍍輪廓包括以上介紹的碟狀沉陷110。在一個示例性電鍍方法中，可以在凹槽區(qū)911r內(nèi)，例如溝槽和/或墊區(qū)添加虛擬結(jié)構(gòu)980，如圖9所示。示例性虛擬結(jié)構(gòu)的詳細(xì)介紹可以參見2002年3月27日申請的U.S.專利申請No.10/108,614，題目為“ELECTROPLISHING METALLAYERS ON WAFERS HAVING TRENCHES OR VIAS WITHDUMMY STRUCTURES”，這里作為參考引入其全部內(nèi)容。
圖10A和10B示出了在恒定的電流下隨著時間的推移示例性電鍍工藝期間電鍍輪廓的剖面圖。此時，電鍍工藝使用較小的電流和平整劑，導(dǎo)致較密集的溝槽或通孔1010r之上平坦的輪廓。然而，虛擬結(jié)構(gòu)區(qū)1080具有更多待鍍區(qū)域，導(dǎo)致最終鍍覆輪廓的輕微蝶狀沉陷1020。以上介紹的隨后電拋光工藝之后，輕微蝶狀沉陷1020很可能保持最終的輪廓形狀。因此，需要有一種工藝能夠密集的溝槽1010r和具有虛擬結(jié)構(gòu)1080的大溝槽區(qū)上鍍覆平面膜。密集的溝槽或通孔1010r可以在0.035到0.5微米的范圍內(nèi)，溝槽之間的間距或通孔之間的間距在0.035到0.5微米的范圍內(nèi)。虛擬結(jié)構(gòu)1080的尺寸可以在0.05到2.0微米的范圍內(nèi)，間距在0.05到2.0微米的范圍內(nèi)，優(yōu)選0.5微米。通常，虛擬結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計得具有較小的尺寸和較大的間距，以使溝槽中的銅損耗最小。
圖11A和11B示出了包括隨著時間改變電流的示例性電鍍工藝期間電鍍輪廓的剖面圖。結(jié)構(gòu)包括以間距w1和w2形成的虛擬結(jié)構(gòu)1180，其中w1＝w2。以較低的電鍍電流I1鍍銅膜1104，直到填充了密集的凹槽區(qū)1110r，如圖11A所示。凹槽區(qū)1120形成在較寬的溝槽/墊區(qū)中。工藝?yán)^續(xù)以較高的電鍍電流I2鍍銅，其中I2＞I1，蝶狀沉陷1120開始生長隆起，以使隆起效應(yīng)抵消碟狀沉陷以鍍覆平坦的表面，如圖11B所示。由于使用較小的電鍍電流I1的工藝第一部分期間已填充了密集的溝槽或通孔，因此隆起沒有形成在密集的凹槽區(qū)1110r之上。兩個步驟的電鍍工藝導(dǎo)致密集的凹槽區(qū)1110r和其內(nèi)形成有虛擬結(jié)構(gòu)1180的大溝槽和/或墊區(qū)之上的金屬層1104更平坦的輪廓。
圖18A和18B示出了示例性虛擬結(jié)構(gòu)之上金屬膜輪廓的剖面圖。溝槽和/或墊的深度H與結(jié)構(gòu)之間的虛擬結(jié)構(gòu)間距或?qū)挾萕的比例可以改變以增加金屬膜的平面性。一般來說，溝槽和/或墊的深度與結(jié)構(gòu)之間的虛擬結(jié)構(gòu)間距的比例在0.3到2.0的范圍內(nèi)，優(yōu)選1。深溝槽將具有更大隆起1802的趨勢，如圖18B所示，將用于平衡用于寬間距虛擬結(jié)構(gòu)的蝶狀沉陷1180，而淺溝槽將具有較小隆起1802的趨勢，如圖18A所示。
圖12A-12C示出了隨時間改變電流的示例性電鍍工藝的電鍍輪廓剖面圖。除了虛擬結(jié)構(gòu)1280以間隔w1和間隔w2放置在大溝槽或墊1209，1211內(nèi)之外，其中w1＞w2，介質(zhì)層1208中的互連結(jié)構(gòu)類似于圖11A和11B。介紹示例性三個步驟的電鍍工藝以鍍覆平面的金屬膜1204，例如在密集間隔的凹槽區(qū)1210r和與虛擬結(jié)構(gòu)1280相鄰的寬溝槽區(qū)1209和1211上無隆起和無蝶狀沉陷。穿過時間t1和t2的示例性工藝類似于以上圖11A和11B中介紹的工藝，增加電流以在窄凹槽區(qū)1210r和窄間距w1之上產(chǎn)生平面的形貌。
在t2，間距w2仍然具有蝶狀沉陷1220，如圖12A所示。電流進(jìn)一步增加到I3以鍍覆w2之上的部分。特別是，工藝將電鍍電流由I2增加到I3以填充凹槽1220，并在t3期間內(nèi)繼續(xù)鍍覆結(jié)構(gòu)。由于凹槽區(qū)1210r和1209在時間t1和t2已預(yù)先填充了金屬層1204，因此在這些區(qū)域之上不會產(chǎn)生隆起。由于電鍍工藝增加電流到I3之前沒有完全填充溝槽1211，因此大的電鍍電流I3將在溝槽1211之上產(chǎn)生隆起，如圖12B所示?？梢愿鶕?jù)電鍍工藝、溝槽1211的尺寸等改變I3，以使產(chǎn)生的隆起充分抵消t1和t2期間形成的溝槽1211中的蝶狀沉陷。
圖13A-13H示出了可以用于獲取平面的金屬層多個示例性電鍍電流順序與時間的關(guān)系圖?？梢愿鶕?jù)溝槽和通孔的尺寸、間距和密度以及虛擬結(jié)構(gòu)的尺寸和間距，調(diào)節(jié)包括電流水平和時序的示例性電鍍電流順序。通常，控制電流順序與時間的關(guān)系以使電鍍期間的隆起和蝶狀沉陷效應(yīng)平衡或相互抵消，以產(chǎn)生平面的金屬層表面。電鍍電流可以隨時間的推移為圖13A所示的線性、圖13D-13H中所示的非線性即彎曲、或線性和非線性段的任何組合。而且，在圖13G和13H所示的時間期間，電流順序會降低。通常，電鍍電流開始于較小的電流并隨著電鍍工藝的繼續(xù)而變大。此外，電鍍電源可以為恒定電壓模式。在本示例性實施例中，以上介紹可以由電流改變?yōu)殡妷夯蛎}沖電源?？梢允褂枚喾N脈沖波形，例如雙級脈沖、改型的正弦波、單極性脈沖、脈沖倒置、脈沖上脈沖以及雙脈沖。示例性脈沖波形介紹在1999年7月2日申請的U.S.專利No.6,395,152中，題目為“METHODS ANDAPPARATUS FOR ELECTROPOLISHING METALINTERCONNECTIONS ON SEMICONDUCTOR DEVICE”，這里引入整個內(nèi)容作為參考。
圖14A-14C為多種示例性虛擬結(jié)構(gòu)的平面圖。虛擬結(jié)構(gòu)可以包括放置在溝槽或墊區(qū)域外的金屬栓塞1420，通常稱做開口區(qū)域或場區(qū)，如圖14A所示。備選地，介質(zhì)狹縫1430可以放置在大的溝槽和/或墊區(qū)1404內(nèi)，或者介質(zhì)點1450可以放置在大的溝槽和/或墊區(qū)1404內(nèi)，如圖14B和14C所示。
圖15A-15C為可以包含在較大通孔或凹槽區(qū)內(nèi)的附加示例性虛擬結(jié)構(gòu)。除了金屬栓塞柱1522相對金屬柱1520向下移動之外，圖15A中的金屬栓塞虛擬結(jié)構(gòu)類似于圖14A中所示。除了金屬栓塞1520和1522旋轉(zhuǎn)45度降低了金屬栓塞1520和1522的電感和電容之外，圖15B中的金屬栓塞虛擬結(jié)構(gòu)類似于圖15A中所示。除了介質(zhì)點1550旋轉(zhuǎn)45度并且各柱相對介質(zhì)點1550的相鄰柱下移之外，如圖15C所示放置在大溝槽和/或墊區(qū)1504內(nèi)的介質(zhì)點1550類似于圖14C中所示。可以根據(jù)特定的應(yīng)用等調(diào)節(jié)尺寸和間距。
圖16A-16C為附加的示例性虛擬結(jié)構(gòu)的平面圖。除了金屬栓塞柱1622以角度α偏移之外，圖16A中的金屬栓塞虛擬結(jié)構(gòu)類似于圖14A中所示。角度α可以在約5到85度的范圍內(nèi)，優(yōu)選約25度。除了介質(zhì)狹縫1630相互斷開以便增強(qiáng)銅溝槽和/或墊1604的導(dǎo)電性之外，圖16B所示的介質(zhì)狹縫1630類似于圖14B中所示的。除了介質(zhì)點1650旋轉(zhuǎn)45度之外，圖16B中所示的放置在大溝槽和/或墊區(qū)1604內(nèi)的介質(zhì)點1650旋轉(zhuǎn)45度。應(yīng)該理解介質(zhì)點1650的旋轉(zhuǎn)角度在0到90度的范圍內(nèi)，進(jìn)而該介質(zhì)點1650可以成形為方形、矩形、圓形等。
圖17A-17C為附加的示例性虛擬結(jié)構(gòu)的平面圖。除了金屬栓塞1722和1722旋轉(zhuǎn)約45度之外，圖17A中的金屬栓塞虛擬結(jié)構(gòu)1720和1722類似于圖14A中所示。金屬栓塞1722和1722可以在0和90度之間旋轉(zhuǎn)，并且可以在單個結(jié)構(gòu)內(nèi)旋轉(zhuǎn)各種度數(shù)。除了沿水平方向在類似的位置處介質(zhì)狹縫1730不連續(xù)之外，圖17B所示的介質(zhì)狹縫1730類似于圖16B中所示的。除了介質(zhì)點1750相對于介質(zhì)點1750的相鄰柱向下偏移之外，圖17C中所示的放置在大溝槽和/或墊區(qū)1704內(nèi)的介質(zhì)點1750類似于圖14C中所示。
雖然參考某些實施例、例子和應(yīng)用介紹了示例性電鍍工藝，但是對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說顯然可以做出多種修改和變化同時不脫離本發(fā)明。例如，可以單獨或與電鍍平面的金屬膜組合使用各種介紹的方法。
II.在電拋光中減少凹槽的方法根據(jù)另一方案，介紹電拋光工藝之后減少金屬溝槽或金屬墊中凹槽的示例性方法。使用這里介紹的方法和工藝，可以最小的凹槽和/或更好的平面性制造多層金屬互連結(jié)構(gòu)。在一個例子中，銅層形成在包括凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)的介質(zhì)結(jié)構(gòu)上。例如通過CMP工藝和/或電拋光工藝，銅層被平面化到非凹槽區(qū)之上的高度，在介質(zhì)結(jié)構(gòu)中具有虛擬結(jié)構(gòu)。平面化的銅層然后電拋光到非凹槽區(qū)高度之下的高度以形成凹槽。然后蝕刻結(jié)構(gòu)的非凹槽區(qū)以平面化具有非凹槽區(qū)的銅層或減少銅層的凹槽。
圖19A示出了在結(jié)構(gòu)上形成了銅層1902或其它合適的導(dǎo)電層之后的示例性雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。可以通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄐ纬呻p鑲嵌結(jié)構(gòu)。例如，可以使用如化學(xué)汽相淀積(CVD)、旋涂技術(shù)等形成第一介質(zhì)層1912。介質(zhì)層1912的厚度可以在約1000到5000的范圍內(nèi)，優(yōu)選約3000。如氮化硅或碳化硅(SiC)層的蝕刻終止層1910淀積在介質(zhì)層1912上。蝕刻終止層1910的厚度在約200到1000的范圍內(nèi)，優(yōu)選500。在一些例子中，省略了蝕刻終止層1910并且蝕刻時間停止在需要的水平以形成雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。通過使用例如CVD或旋涂技術(shù)在蝕刻終止層1910上淀積第二介質(zhì)層1908。第二介質(zhì)層1908的厚度可以在約1000到4000的范圍內(nèi)，優(yōu)選2000。硬掩模層或第二蝕刻終止層1906淀積在第二介質(zhì)層1908上。硬掩模層或蝕刻終止層1906可以由合適的材料制成，例如SiO、SiC、SiN等。通過本領(lǐng)域中公知的連續(xù)形成光掩模和蝕刻可以形成溝槽和通孔。例如，可以形成第一光掩模用于蝕刻溝槽，之后用第二光掩模蝕刻通孔。
蝕刻溝槽和通孔之后，通過CVD、物理汽相淀積(PVD)或原子層淀積淀積阻擋層1904。阻擋層1904的厚度可以在20到250的范圍內(nèi)，取決于溝槽尺寸和淀積技術(shù)。阻擋層1904可以包括任何合適的材料，例如鉭(Ta)、TaN、鈦(Ti)、TiN、TaSiN、鎢(W)、WN、WsiN等。淀積阻擋層1904之后，通過CVD、PVD或ALD可以在阻擋層1904上淀積銅籽晶層1904(圖中未示出)。例如通過CVD、PVD、電鍍、無電鍍技術(shù)等在銅籽晶層上淀積銅層1902。
從圖19A中可以看出，根據(jù)特定的淀積工藝，銅層1902可以包括對應(yīng)于溝槽和通孔區(qū)的凹槽區(qū)1916r。通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)足以除去凹槽的距離，包括用于無隆起電鍍技術(shù)等的介質(zhì)結(jié)構(gòu)凹槽內(nèi)的虛擬結(jié)構(gòu)，增加了銅層1902的平面性。平面化工藝之后的銅層1902顯示在圖19B中。使用CMP和電拋光組合的示例性平面化的方法介紹在2001年8月17日申請的U.S.申請No.60/313,086中，題目為METHODS TO PLANARIZE COPPER DAMASCENE STRUCTUREUSING A COMBINATION OF CMP AND ELECTROPOLISHING，這里作為參考引入整個內(nèi)容。
通過電拋光法由非凹槽區(qū)1916n拋光銅層1902以將銅與相鄰的溝槽和通孔(未示出)隔離。在一個示例性工藝中，銅層1902拋光到低于蝕刻終止層1906或非凹槽區(qū)1916n的高度之下的高度δh。凹槽δh允許穩(wěn)固的電拋光工藝并增加了除去非凹槽區(qū)1916上所有銅的可能性。δh可以在100到1500的范圍中，優(yōu)選500。示例性工藝介紹在例如1999年7月8日申請的PCT申請No.PCT/US99/15506，題目為METHODS AND APPARATUS FOR ELECTROPOLISHINGMETAL INTERCONNECTIONS ON SEMICONDUCTORDEVICES，這里作為參考引入整個內(nèi)容。當(dāng)另一介質(zhì)層、掩模層等淀積在結(jié)構(gòu)上時，銅層1902的凹槽導(dǎo)致平面性變差。例如，平面性變差會導(dǎo)致光刻工藝散焦等。
要減少非凹槽區(qū)1916r的高度，阻擋層1904以及一些情況中的部分硬掩模層1906通過等離子體蝕刻、濕蝕刻等蝕刻掉形成了圖1D所示的結(jié)構(gòu)的平面頂面。在一個例子中，蝕刻部分硬掩模層1906以使銅層的表面水平或高度與硬掩模層1906的剩余部分的表面共面。
通常，需要拋光銅層1902使δh小于阻擋層1904的厚度和硬掩模層1906厚度的總和。如果δh太大，當(dāng)從結(jié)構(gòu)的非凹槽區(qū)1916r蝕刻掉阻擋層1902時，將露出低介電常數(shù)k的介質(zhì)層1908。這導(dǎo)致介質(zhì)層1908例如被等離子體蝕刻蝕刻掉。通常，低k材料的等離子體蝕刻速率高于硬掩模層1906和銅層1902的。如果介質(zhì)層1908露出，那么蝕刻也會損傷或者增加了介質(zhì)層1908的k。
蝕刻工藝之后，聚合物層(未示出)可以形成在銅層1902和硬掩模層1906的表面上。通常，淀積附加層之前清潔聚合物層。例如通過適當(dāng)?shù)牡入x子體干灰化工藝或化學(xué)濕清潔工藝可以清潔聚合物。
如氮化硅或SiC的介質(zhì)層1926可以形成在銅層1902和硬掩模層1906上，如圖19E所示。介質(zhì)層1926的厚度可以在200和1000的范圍內(nèi)，優(yōu)選500。此外，鈍化層或類似物可以包含在結(jié)構(gòu)上。
如圖19F所示，可以在介質(zhì)層1926上重復(fù)圖19A中介紹的工藝。具體地，可以由蝕刻終止層1922和1926上形成的介質(zhì)層1920和介質(zhì)層1924形成附加的溝槽和通孔。此外，阻擋層1916可以形成在結(jié)構(gòu)上以及籽晶層(未示出)和銅層1914。進(jìn)行與圖19B-19E類似的工藝產(chǎn)生平面結(jié)構(gòu)。
圖20A-20D示出了電拋光工藝之后在金屬溝槽或金屬墊中減小凹槽的另一示例性方法。此時，結(jié)構(gòu)包括構(gòu)圖有凹槽區(qū)2016r和非凹槽區(qū)2016n的介質(zhì)層2012。凹槽區(qū)2016r還包括多層硬掩模層，多層硬掩模層例如包括下硬掩模層2006和上硬掩模層2007。在一個例子中，上硬掩模層2007作為蝕刻工藝的犧牲層，如下面將介紹的下硬掩模層2006作為蝕刻終止層。硬掩模層2006和2007由如SiO、SiC、SiN等的合適材料制成。阻擋/籽晶層2004和金屬層2002淀積在結(jié)構(gòu)上，填充了凹槽區(qū)2016r。
類似于圖19B和19C，金屬層2002被平面化和電拋光到低于非凹槽區(qū)2016n的高度以下的高度δh，如圖20B和20C所示。金屬層優(yōu)選蝕刻到基本上與下掩模2006同一平面的高度。可以將阻擋層2004和上硬掩模層2007選擇性地蝕刻掉到下硬掩模層2006，其中上硬掩模層2007作為犧牲層，下硬掩模層2006作為蝕刻終止層。例如，下硬掩模層2006和上硬掩模層2007的材料可以選擇以使等離子體蝕刻等除去上硬掩模層2007并停止在下硬掩模層2006。金屬層2002的所得表面和下硬掩模層2006基本上平行，如圖20D所示。
使用這里介紹的方法和工藝，可以以最小的凹槽和/或更好的平面性制備多層金屬，例如銅互連結(jié)構(gòu)。雖然參考一些實施例、例子和應(yīng)用介紹了減少銅電拋光中凹槽的示例性方法，但是對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說顯然可以預(yù)計多種修改和變化。例如，可以使用多種介質(zhì)材料和處理技術(shù)以平面化銅層、拋光金屬層等。
III.提高表面粗糙度在電拋光工藝中，金屬層的表面會粗糙造成半導(dǎo)體器件的性能變差。例如，電拋光之后的銅層表面可以具有達(dá)到幾百納米的表面粗糙度。增加表面粗糙度會造成平面化變差、表面腐蝕、成品率下降等。示例性的電鍍和拋光工藝的多個階段期間，可以控制金屬層的晶粒尺寸以提高器件性能和特性。特別是，電鍍工藝期間，可以使用如拋光劑、平整劑等的添加劑控制晶粒尺寸。而且，可以縮短電鍍工藝和拋光工藝之間的時間量以減小晶粒尺寸。此外，電拋光之后可以使用退火工藝增加晶粒尺寸以提高電特性。在半導(dǎo)體器件上電拋光金屬層和金屬互連例如介紹在2000年2月4日申請的U.S.專利申請No.09/497,894中，題目為METHODS AND APPARATUS FORELECTROPOLISHING METAL INTERCONNECTIONS ONSEMICONDUCTOR DEVICES，這里作為參考引入其全部內(nèi)容。
電拋光之后的表面粗糙度的量至少部分取決于待拋光的金屬層的微結(jié)構(gòu)。特別是，圖21A-21D示出了電拋光工藝之后的半導(dǎo)體晶片1000并且包括具有不同微結(jié)構(gòu)的金屬層。金屬層也可以形成在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或類似物的溝槽或通孔內(nèi)。通常，微結(jié)構(gòu)內(nèi)的晶粒尺寸影響了電拋光之后金屬層的表面粗糙度，是由于在晶粒邊界和晶粒表面處金屬層的除去和拋光速率會不同。而且，在不同晶粒面金屬層2102的拋光速率會不同。因此，如圖21A-21D所示，金屬層2102、2104、2106以及2108具有越來越大的晶粒尺寸，在金屬層中晶粒尺寸的基礎(chǔ)上可以改變電拋光之后的表面形貌。通常，晶粒尺寸越小，拋光的金屬層的表面粗糙度越低，如圖21A所示。類似地，晶粒尺寸越大，拋光的金屬層的表面粗糙度越高，如圖21D所示。
圖22A-22C示出了具有如幾微米的較大晶粒尺寸的銅層圖像。特別是，參考圖22A，示出了電拋光之后的銅層表面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。參考圖22B，示出了圖22A所示的相同位置處電拋光之后的銅層表面的聚焦離子束(FIB)。圖22A和22B所示的圖像表明銅層的表面粗糙度可以具有匹配銅層中晶粒圖形的圖形。此外，圖22C示出了電拋光之后的銅層表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像。根據(jù)該AFM圖像，銅層表面的平均粗糙度(Ra)為14nm，銅層表面的最大高度(Rmax)為113nm。
與圖22A-22C相反，圖23A-23C示出了具有如幾十納米的較小晶粒尺寸的銅層圖像。特別是，參考圖23A，示出了電拋光之后的銅層表面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。參考圖23B，示出了電拋光之后的銅層表面的SEM圖像。圖23A和23B所示的圖像表明如果電拋光之前銅層具有小的晶粒尺寸，那么電拋光之后銅層表面具有光滑的表面。此外，圖23C示出了電拋光之后的銅層表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像。根據(jù)該AFM圖像，銅層表面的平均粗糙度(Ra)為3.6nm，銅層表面的最大高度(Rmax)為30nm。
圖24示出了電拋光之后銅層的晶粒尺寸和表面粗糙度之間的關(guān)系，用于包含在電解液中的多種化學(xué)試劑。通常，電拋光之后的表面粗糙度隨金屬層的晶粒尺寸增加而增加。由此電拋光之后較小的晶粒尺寸導(dǎo)致更光滑和更平面的銅層表面形貌。因此，控制和減小晶粒尺寸可以降低銅層的表面粗糙度、提高平面化、表面腐蝕和成品率下降。
1.使用添加劑控制晶粒尺寸在控制和減小金屬層晶粒尺寸的示例性工藝中，可以在電解液中包含添加劑。電鍍工藝期間如拋光劑、促進(jìn)劑、抑制劑、平整劑等的添加劑可以單獨或組合使用以控制晶粒結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上金屬層的縫隙填充能力。特別是，如拋光劑、促進(jìn)劑、抑制劑、平整劑等的添加劑可以添加到鍍槽內(nèi)以控制晶粒尺寸和晶粒結(jié)構(gòu)。例如，可以使用由Enthone-OMI制造并且可以買到的ViaForm鍍槽以得到較小的晶粒尺寸，例如小于幾百埃的晶粒尺寸。ViaForm鍍槽包括促進(jìn)劑、抑制劑和平整劑。特別是，促進(jìn)劑具有約1.5ml/升到約2.5ml/升范圍內(nèi)的濃度，優(yōu)選約2ml/升。抑制劑具有約7ml/升到約9ml/升范圍內(nèi)的濃度，優(yōu)選約8ml/升。平整劑具有約1.25ml/升到約1.75ml/升范圍內(nèi)的濃度，優(yōu)選約1.5ml/升。雖然上面介紹了添加劑的特定濃度，但是應(yīng)該理解可以根據(jù)應(yīng)用改變添加劑的濃度。因此，根據(jù)特定的應(yīng)用和工藝，添加劑的濃度可以落在以上介紹的范圍之外。然后電拋光較小晶粒尺寸的金屬層以提高表面粗糙度。
2.縮短電鍍和電拋光之間的時間控制或減小金屬層晶粒尺寸的另一示例性工藝包括減少電鍍工藝和電拋光工藝之間的時間。通常，電鍍工藝之后，金屬層晶粒尺寸隨時間增加。圖25A-25D示出了在一定時間期間鍍在半導(dǎo)體晶片上的金屬層中的變化。參考圖25A，鍍到晶片上之后，金屬層2502可以具有幾納米數(shù)量級的小晶粒尺寸的微結(jié)構(gòu)。隨著時間，參考圖25B，金屬層2502中的晶粒可以生長到幾十納米數(shù)量級的尺寸。參考圖25C，金屬層2502中的晶?？梢噪S時間繼續(xù)生長到幾百納米數(shù)量級的尺寸。最后，參考圖25D，金屬層2502中的晶粒生長到幾微米數(shù)量級的尺寸。
圖26示出了電鍍之后的時間與金屬層晶粒尺寸之間的總體關(guān)系曲線圖。電鍍金屬層到半導(dǎo)體晶片或結(jié)構(gòu)上之后不久，金屬層晶粒尺寸由點A緩慢增長到B，其中點A處的晶粒尺寸小于100埃，點B處的晶粒尺寸小于1000埃。在點B和C之間，金屬層晶粒尺寸快速增大，其中點C處的晶粒尺寸小于10,000埃。然后，在點C和D之間，金屬層達(dá)到飽和階段，其中金屬層晶粒尺寸如果增加總體上會增加更緩慢。
在一個例子中，電鍍和電拋光金屬層以形成具有減小的晶粒尺寸的金屬層之間的時間小于約20小時，優(yōu)選小于約5小時。優(yōu)選該時間以使金屬層的晶粒尺寸不達(dá)到微米，更優(yōu)選亞微米或更小。
3.電拋光之后的退火控制金屬層晶粒尺寸的另一示例性工藝包括電拋光工藝之后加熱或退火金屬層。金屬層可以電鍍、電拋光，電拋光之后退火。退火期間，加熱金屬一段時間以允許金屬層的微結(jié)構(gòu)內(nèi)的晶粒通過通常稱做再結(jié)晶的工藝形成新的晶粒。這些新晶粒與退火之前的微結(jié)構(gòu)中的晶粒相比具有不同且較大的尺寸，退火可以增強(qiáng)金屬的電性能。而且，在一個例子中，電拋光工藝之前可以化學(xué)機(jī)械拋光金屬層。
圖27示出了晶粒生長速率與將銅鍍到不同厚度的籽晶層上的退火溫度之間的關(guān)系曲線圖。應(yīng)該注意圖27同樣勾劃出晶粒生長速率與用于不同金屬的退火溫度之間的總體關(guān)系。通常，晶粒生長速率隨退火溫度增加和薄膜的厚度降低而增加?？梢允褂眯∮?,500的籽晶層厚度，優(yōu)選約100。而且，隨著溫度增加，用于銅微結(jié)構(gòu)再結(jié)晶的時間減少。
在要提高表面平滑度的一個示例性工藝中，退火之前電拋光金屬層。特別是，可以選擇電拋光之前的工藝以在金屬層中選擇小的晶粒尺寸，以便降低表面粗糙度并增加電拋光之后的平面性。然后電拋光金屬層，此后使用適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟韧嘶鸾饘賹?，例?00℃和300℃之間的退火溫度，優(yōu)選150℃，以在金屬層內(nèi)形成更大的晶粒尺寸?？蛇x地，可以在足夠的時間周期退火金屬層。這些更大的晶粒尺寸可以提高半導(dǎo)體器件的通孔、栓塞、溝槽等的電性能。而且，如果電拋光之后退火金屬層，那么金屬層的表面保持平滑，同時可以提高金屬層的電性能。通過任何合適的方法可以加熱金屬層以退火溫度，例如用快速熱工藝的紅外源、烘箱等。
雖然參考一些實施例、例子和應(yīng)用介紹了提高表面粗糙度的示例性方法，但是對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說顯然可以預(yù)計多種修改和變化。
IV.減小不均勻和凹槽的方法根據(jù)一個方案，介紹了電拋光工藝之后在金屬溝槽或金屬墊中減小不均勻性的示例性方法。示例性方法包括施加交替的正向和反向脈沖以減少電荷累積并提高銅凹槽的不均勻性以及減少電流負(fù)載效應(yīng)。
圖28A示出了示例性的電拋光裝置，已介紹在1999年7月9日申請的U.S.專利No.6,395,152中，題目為METHODS ANDAPPARATUS FOR ELECTROPOLISHING METALINTERCONNECTIONS ON SEMICONDUCTOR DEVICES，這里作為參考引入其全部內(nèi)容，以及1999年1月15日申請的PCT申請No.PCT/US99/00964，題目為PLATING APPARATUS ANDMETHOD，這里作為參考引入其全部內(nèi)容。
如圖28A所示，晶片2802可以在它的中心軸周圍旋轉(zhuǎn)，并且還可以在x軸方向中平移，以使來自噴嘴2810的電解液2806到達(dá)與晶片2802的主表面相對的任何位置。噴嘴2810也可以移動并沿獨立于晶片2802的x軸平移。晶片2802上的電解液2806的軌跡線可以是螺旋曲線或其它合適的軌跡線以將電解液2806引向晶片2802的需要部分。電源2812可以在恒定電流DC、脈沖或RF模式或恒定電壓DC、脈沖或RF模式下工作，以提供金屬膜2804和噴嘴電極2808之間的電位差，以在晶片2802上電拋光金屬膜或銅膜2804。
如圖28B所示，當(dāng)除去包括溝槽和/或通孔的管芯2818區(qū)域上的金屬膜2804時，晶片2802上的銅膜不會完全覆蓋晶片2802。電解液2806指向晶片2802的不同部分，電解液2806的柱內(nèi)的銅區(qū)將改變。
圖29A-29D示出了電解液2906流接近管芯2918的更詳細(xì)工藝。如果電源在恒定電流下工作，那么由于電解液柱2906沒有達(dá)到管芯2918，因此圖29A中的電流密度降低。該部分期間，電流主要穿過形成在晶片上的、通常具有比金屬層低得多的電導(dǎo)率的阻擋層等。
如圖29B所示，當(dāng)電解液柱2906達(dá)到管芯2918時，管芯2918上部分電解液柱2906流中的電流密度增加到高值。管芯2918上的電流密度增加是由于銅的導(dǎo)電性好并且比例如Ti、TiN、Ta或TaN的通常阻擋層材料更容易被拋光。由于如圖29C和29D所示電解液柱2906流在管芯2918上完全移動，因此隨著電流在電解液柱2906流的整個截面區(qū)上擴(kuò)散，管芯2918上的拋光電流密度減小并達(dá)到基本上恒定的值。
圖30A-30D示出了示例性工藝的剖面圖。如圖30A所示，負(fù)電荷(電子)3080在電解液3006和阻擋層3005之間的界面上累積，是由于阻擋層3005很難拋光。當(dāng)電解液3006與銅溝槽3020相鄰時，聚集在電解液表面上的負(fù)電荷3080通過溝槽3020放電，由此增加了溝槽3020的拋光速率，如圖30B所示。
參考圖30C和30D，隨著電解液3006繼續(xù)在第二溝槽3022上移動，負(fù)表面電荷3080進(jìn)一步減少，使溝槽3024上的拋光速率低于溝槽3022上的，溝槽3022上的拋光速率低于溝槽3020上等等。由于電流密度的變化，拋光速率也相應(yīng)改變。參考圖30E，由于拋光速率變化，第一溝槽3020的銅凹槽大于第二溝槽3022的，第二溝槽3022上的銅凹槽大于第三溝槽3024的等等。銅凹槽使銅襯里的電導(dǎo)波動并降低了最終器件的性能。
在一個方案中，介紹了使用脈沖或交替的電流電壓使溝槽上的拋光速率最小化并減少或防止銅凹槽的示例性電拋光方法。在一個例子中，改變拋光速率與溝槽、脈沖頻率以及噴嘴的切向移動速度之間的關(guān)系以減小電拋光方法中的銅凹槽。
圖31示出了用于電拋光方法的示例性正向和反向脈沖波形。A到B的波形區(qū)為正向脈沖，C到D的波形區(qū)為反向脈沖。V1為正向脈沖電壓，V2為反向脈沖電壓。t0是脈沖周期，通常時間由A到E。正向脈沖寬度為t1，反向脈沖寬度為t2。百分?jǐn)?shù)中的占空比為t1/t0。
圖32A-圖32F示出了包括圖31的脈沖波形的示例性電拋光方法。圖32A示出了接近溝槽3220的電解液3206，并且脈沖波形在點“A”處和電壓V1。如圖所示，電解液3206與晶片表面之間的界面由負(fù)電荷3280填充。
圖32B示出了已移動了距離L1到與溝槽3220相鄰的位置處的電解液3206，脈沖波形在點“B”處。在該邊緣，脈沖波形移動到點“C”，即反向脈沖區(qū)和電壓V2。通過正電荷(離子)3282給點C處的電解液界面充入電荷，如圖32C所示。以此方式，在溝槽3220中較高導(dǎo)電性的金屬或銅層與較低導(dǎo)電性的阻擋層3205之間的界面處，電解液3206的電荷交替。
如圖32D所示，隨著電解液3206移動了距離L2穿過溝槽3220，脈沖波形移動到點“D”，V2，防止了高的拋光速率。當(dāng)電解液3206部分移動在第一銅溝槽3220上時，波形移動到點“E”和V1，以拋光溝槽3220中的銅。此時，負(fù)電荷3280在電解液3206與阻擋層3205之間的界面上聚集。
圖32F示出了脈沖波形移動到點“F”，電解液流移動了距離L3，在阻擋層和電解液的界面上聚集的負(fù)電荷3280在溝槽3220中的銅上放電，產(chǎn)生較高的拋光速率。如圖32G所示的過拋光區(qū)寬度w正比于正向脈沖寬度和噴嘴移動速度，即，w＝cVt1(1)其中c為常數(shù)，V時相對于晶片表面的噴嘴的切向速度或速度，t1為正向脈沖寬度(參見圖31)。
通常，較小的w減小了凹槽深度d。為了減小w，優(yōu)選較低的速度V和短正向脈沖寬度t1。為了具有短正向脈沖寬度，示例性方法包括減小占空比(t1/t0)或增加脈沖頻率。例如，占空比可以在20％到80％的范圍內(nèi)，優(yōu)選50％。頻率可以在100kHz到100MHz的范圍內(nèi)，優(yōu)選3MHz。速度可以在100mm/sec到2000mm/sec的范圍內(nèi)，優(yōu)選500mm/sec。
例如，通過將V＝500mm/sec，占空比＝50％，t1＝0.2E＝6秒(2.5MHz)代入方程(1)中，那么w＝c×500×0.2E-6＝c×0.1×10-6mm＝c×0.1微米其中w在0.1微米數(shù)量級范圍內(nèi)。
如前面在臨時申請U.S.序列號No.60/092,316中公開的，多種脈沖或可選的電流/電源可以用在示例性方法中，例如RF電源、三角波電源、或者可以將電解液1008和阻擋層改變?yōu)檎拓?fù)側(cè)的任何其它類型的電源。
雖然參考一些實施例、例子和應(yīng)用介紹了減少不均勻性和減小凹槽的示例性方法，但是對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說顯然可以不脫離本發(fā)明做出多種修改和變化。
提供以上詳細(xì)說明以介紹示例性實施例并且不是意在限定。對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出多種修改和變化。例如，可以單獨或組合使用多種工藝以提高器件制造和性能。因此，本發(fā)明由附帶的權(quán)利要求書限定并且不受這里的說明限制。
權(quán)利要求
1.一種在具有凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上電鍍金屬層的方法，包括在第一密度的凹槽區(qū)上金屬層平坦之前在第一電流密度范圍內(nèi)電鍍；以及凹槽區(qū)上的金屬層平坦之后在第二電流密度范圍內(nèi)電鍍，其中第二電流密度范圍大于第一電流密度范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一電流密度范圍在0.5m/cm2和5m/cm2之間，第二電流密度范圍在5m/cm2和30m/cm2之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中以恒定的電流密度進(jìn)行第一電流密度范圍內(nèi)的電鍍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中以增加的電流密度進(jìn)行第一電流密度范圍內(nèi)的電鍍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中第一電流密度線性增加。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中第一電流密度非線性增加。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一電流密度范圍內(nèi)的電鍍包括降低電流密度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中以恒定的電流密度進(jìn)行第二電流密度內(nèi)的電鍍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中以增加的電流密度進(jìn)行第二電流密度范圍內(nèi)的電鍍。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中第二電流密度非線性增加。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中以降低的電流密度進(jìn)行第二電流密度范圍內(nèi)的電鍍。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一密度的凹槽區(qū)包括尺寸在0.035到0.5微米且間距在0.035到0.5微米范圍內(nèi)的凹槽，具有虛擬結(jié)構(gòu)的大的凹槽的尺寸在0.05到2.0微米且間距在0.05到2.0微米范圍的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中在第一密度的區(qū)域上電鍍金屬層，直到第一密度的區(qū)域上的金屬層平坦，以及在第二密度的區(qū)域上電鍍，直到第一密度的區(qū)域和第二密度的區(qū)域上的金屬層平坦后，其中第二密度的區(qū)域大于第一密度的區(qū)域。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中第一密度的區(qū)域和第二密度區(qū)域上的金屬層平坦，在大于第二電流密度的第三電流密度下電鍍。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中用包括促進(jìn)劑、抑制劑和平整劑的電解液電鍍金屬層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中促進(jìn)劑的濃度在1.5ml/升到約2.5ml/升之間，抑制劑的濃度在7ml/升到9ml/升之間，平整劑的濃度在1.25ml/升到約1.75ml/升之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括用電解液中的添加劑控制金屬層的晶粒尺寸。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中添加劑包括拋光劑、促進(jìn)劑、抑制劑和平整劑中的至少一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括利用夾盤以50-200rpm的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括利用夾盤以125rpm的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
21.一種在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上電拋光的方法，包括電拋光凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)上形成的金屬層，其中金屬層被電拋光到小于非凹槽區(qū)的高度的一個高度，非凹槽區(qū)包括硬掩模層；以及除去至少部分硬掩模層，以使金屬層和非凹槽區(qū)的高度基本上平坦。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中僅除去了部分硬掩模層。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中硬掩模層形成在介質(zhì)層上。
24.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中硬掩模層包括犧牲層和蝕刻終止層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中金屬層被電拋光到基本上與包含在掩模層中的蝕刻終止層同一平面的高度。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中利用與包含在掩模層中的蝕刻終止層相比對犧牲層具有更高選擇性的蝕刻除去犧牲層。
27.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，還包括電拋光之前平面化形成在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的金屬層。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中通過化學(xué)機(jī)械拋光工藝平面化金屬層。
29.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包形成在凹槽區(qū)中的虛擬結(jié)構(gòu)以增加形成的金屬層的平面性。
30.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中蝕刻非凹槽區(qū)。
31.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中金屬層被電拋光到200到1000之間的高度，小于結(jié)構(gòu)的非凹槽區(qū)的高度。
32.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中金屬層被電拋光到500的高度，小于結(jié)構(gòu)的非凹槽區(qū)的高度。
33.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中除去的結(jié)構(gòu)的非凹槽區(qū)包括阻擋層和蝕刻終止層。
34.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中蝕刻時沒有蝕刻包含在結(jié)構(gòu)的非凹槽區(qū)中的介質(zhì)層。
35.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，還包括在所述結(jié)構(gòu)的金屬層和非凹槽區(qū)上淀積聚合物層。
36.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，還包括在所述結(jié)構(gòu)的金屬層和非凹槽區(qū)上淀積介質(zhì)層。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，還包括在介質(zhì)層上形成包括凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)的第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
38.一種在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成金屬層的方法，包括用電解液電鍍半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的金屬層；引入添加劑以控制電解液中金屬層的晶粒尺寸；以及在晶粒尺寸增加到一微米的時間之前電拋光金屬層。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中金屬層被鍍覆為小于200的晶粒尺寸。
40.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中添加劑包括拋光劑。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中添加劑包括促進(jìn)劑。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中添加劑在1.5ml/升到約2.5ml/升之間。
43.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中添加劑包括抑制劑。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中抑制劑在7ml/升到9ml/升之間。
45.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中添加劑包括平整劑。
46.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中平整劑在1.25ml/升到約1.75ml/升之間。
47.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中添加劑包括拋光劑、促進(jìn)劑、抑制劑和平整劑中的至少一種。
48.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，還包括電拋光金屬層，其中確定電鍍和電拋光之間的時間以進(jìn)一步控制金屬層的晶粒尺寸。
49.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，還包括在20小時的電鍍中電拋光金屬層。
50.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，還包括在5小時的電鍍中電拋光金屬層。
51.一種在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成金屬層的方法，包括在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上電鍍金屬層；電鍍金屬層之后電拋光半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的金屬層；以及電拋光之后退火金屬層，其中退火增加了金屬層的晶粒尺寸。
52.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，還包括在電鍍之后和電拋光金屬層之前化學(xué)機(jī)械拋光金屬層。
53.根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其中化學(xué)機(jī)械拋光使金屬層平面化。
54.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中金屬層包括銅。
55.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中金屬層鍍在厚度小于1500的金屬籽晶層上。
56.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中金屬層鍍在100厚的金屬籽晶層上。
57.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中退火包括用紅外源加熱金屬層。
58.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中退火包括用烘箱加熱金屬層。
59.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中退火包括在100℃和300℃之間加熱金屬層。
60.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中退火包括在約150℃加熱金屬層。
61.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中確定電鍍和電拋光之間的時間以控制金屬層的晶粒尺寸。
62.根據(jù)權(quán)利要求61的方法，其中時間少于20小時。
63.根據(jù)權(quán)利要求61的方法，其中時間少于5小時。
64.根據(jù)權(quán)利要求61的方法，其中確定所述時間以便在電拋光時獲得小于100的晶粒尺寸。
65.根據(jù)權(quán)利要求61的方法，其中確定所述時間以便在電拋光時獲得小于500的晶粒尺寸。
66.根據(jù)權(quán)利要求61的方法，其中確定所述時間以便在電拋光時獲得小于1000的晶粒尺寸。
67.一種在半導(dǎo)體晶片上電拋光金屬層的方法，包括將電解液流引向半導(dǎo)體晶片上的金屬層；使電解液流和半導(dǎo)體晶片彼此相對移動；以及在噴嘴和金屬層之間施加交替的正向和反向電壓，其中當(dāng)電解液流與第一電導(dǎo)率的金屬層和第二電導(dǎo)率的材料之間的界面相鄰時，在正向和反向電壓之間進(jìn)行第一轉(zhuǎn)換，以及第一電導(dǎo)率與第二電導(dǎo)率不同。
68.根據(jù)權(quán)利要求67的方法，還包括電解液流位于金屬層之上時，在正向和反向電壓之間進(jìn)行第二轉(zhuǎn)換。
69.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其中第一轉(zhuǎn)換和第二轉(zhuǎn)換減少了金屬層的過拋光。
70.根據(jù)權(quán)利要求67的方法，其中第二電導(dǎo)率的材料為阻擋層。
71.根據(jù)權(quán)利要求67的方法，其中金屬層包括銅，第二電導(dǎo)率的材料為阻擋層。
72.根據(jù)權(quán)利要求67的方法，其中第一電導(dǎo)率大于第二電導(dǎo)率。
73.根據(jù)權(quán)利要求67的方法，其中以100kHz和100MHz范圍中的頻率脈沖激發(fā)交替的正向和反向電壓。
74.根據(jù)權(quán)利要求67的方法，其中以約3MHz的頻率脈沖激發(fā)交替的正向和反向電壓。
75.根據(jù)權(quán)利要求67的方法，其中正向電壓脈沖周期在反向電壓脈沖的20和80百分比范圍之間。
76.根據(jù)權(quán)利要求67的方法，其中正向電壓脈沖周期約為反向電壓脈沖的50％。
77.根據(jù)權(quán)利要求67的方法，其中晶片和電解液流的相對速度在100mm/sec和2,000mm/sec之間。
78.根據(jù)權(quán)利要求67的方法，其中晶片和電解液流的相對速度在約500mm/sec。
全文摘要
在本發(fā)明的一個方案中，提供了示例性方法以在晶片上電鍍導(dǎo)電膜。方法包括第一密度的凹槽區(qū)上金屬層平坦之前在第一電流密度范圍內(nèi)在具有凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上電鍍金屬層，凹槽區(qū)上的金屬層平坦之后在第二電流密度范圍內(nèi)電鍍。第二電流密度范圍大于第一電流密度范圍。在一個例子中，方法還包括在第二電流密度范圍內(nèi)電鍍直到第二密度的凹槽區(qū)之上的金屬層平坦，第二密度大于第一密度，此后在第三電流密度范圍內(nèi)電鍍。
文檔編號H01L21/3205GK1685086SQ03808166
公開日2005年10月19日 申請日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月12日
發(fā)明者王暉, 王堅, 易培豪, 吳輝全 申請人:Acm研究公司