电镀装置、电镀方法和半导体器件的制造方法 本发明的交叉参考
本发明基于在先的2003年12月1日申请的日本专利申请No.2003-401773，并要求其优先权；其全部内容在这里引入作为参考。
【技术领域】
本发明涉及用于在衬底上电镀的电镀装置和电镀方法，以及半导体器件的制造方法。
背景技术
最近几年，要求提高半导体器件的工作速度，以实现器件的高集成密度和高功能。因此，连接到每个元件的布线更细并且是多层的。目前，对应于这种更细的多层布线，通过在层间绝缘膜上形成的过孔和布线沟槽中填充Cu，然后去掉多余的Cu来形成布线。
现在，从填充速度的观点出发，使用电解电镀方法填充Cu。但是，当半导体晶片(下文中称作‘晶片’)浸入电镀溶液中时，籽晶层可能溶解和/或在晶片要电镀的表面上留有气泡。希望抑制这些籽晶层的溶解和/或保留的气泡，因为它们会导致空洞的出现。
为了解决这些问题，采用将晶片浸入电镀溶液中，同时在晶片与阳极之间施加电压，并且倾斜晶片的方法。这里，当晶片浸入电镀溶液中时，施加与电镀时所加电压基本相同的电压。作为另一个方法，已知在晶片的附近放置基准电极，并且在晶片浸入电镀溶液的同时控制晶片的电位相对于基准电极为预定的电位(例如，参考美国专利No.6551483的说明书和美国专利No.6562204的说明书)。
但是，在前一种情况下，晶片倾斜浸入电镀溶液中的同时对其施加电压，从而在较早浸湿部分与稍后浸湿部分之间所形成的电镀膜的数量不同，由此，存在难以形成均匀的电镀膜的问题。在后一种情况下，基准电极放在晶片附近，从而在电镀时基准电极干扰电场，由此存在难以形成均匀电镀膜的问题。
【发明内容】
根据本发明的一个方面，提供一种电镀装置，包括：贮存电镀溶液的电镀溶液槽；在所述电镀溶液槽中固定其上形成籽晶层的衬底的固定器；放在所述电镀溶液槽中的第一阳极，该第一阳极由氧化-还原电位比构成籽晶层的金属的氧化-还原电位更高的阳极金属构成并且电连接到由所述固定器固定的衬底的籽晶层上；以及放在所述电镀溶液槽中的第二阳极，该第二阳极能够在其与由固定器固定的衬底的籽晶层之间施加电压。
根据本发明的另一个方面，提供一种电镀方法，包括：将第一阳极电连接到衬底的籽晶层，其中第一阳极放在电镀溶液中，并且由氧化-还原电位比构成籽晶层的金属的氧化-还原电位更高的阳极金属构成；在电镀溶液中浸湿衬底；以及通过在籽晶层与放在电镀溶液中的第二阳极之间施加电压电镀衬底。
根据本发明的再一个方面，提供一种半导体器件的制造方法，包括：在表面上具有凹陷部分的衬底上形成籽晶层，从而将该凹陷部分的一部分填充；将第一阳极电连接到籽晶层，其中第一阳极放在电镀溶液中，并且由氧化-还原电位比构成籽晶层的金属的氧化-还原电位更高的阳极金属构成；在电镀溶液中浸湿第一阳极电连接到其上的籽晶层的衬底；通过在籽晶层与放在电镀溶液中的第二阳极之间施加电压在籽晶层上形成电镀膜，从而填充凹陷部分；以及去除掉在凹陷部分中填充的电镀膜之外的电镀膜以及在凹陷部分中填充的籽晶层之外的籽晶层。
附图简介
图1是根据第一实施例的电镀装置的示意垂直剖面图。
图2是根据第一实施例的晶片的示意垂直剖面图。
图3示出了根据第一实施例的电镀工艺的流程图。
图4A到图4D示出了根据第一实施例的电镀装置的工作状态的示意图。
图5A和5B是根据第一实施例的晶片的示意垂直剖面图。
图6是根据第二实施例的电镀装置的示意垂直剖面图。
【具体实施方式】
(第一实施例)
下文中，介绍第一实施例。图1是根据本实施例的电镀装置的示意垂直剖面图，图2是根据本实施例的晶片的示意垂直剖面图。
如图1所示，电镀装置1由圆柱形的电镀溶液槽2等构成。电镀溶液槽2用来贮存主要成分是电解溶液的电镀溶液，例如，硫酸铜水溶液。
固定晶片W(衬底)的固定器3放在电镀溶液槽2的上方。固定器3以所谓面朝下的方式固定晶片W，从而使晶片W要电镀的表面朝下。
固定器3由用来在其中基本水平地容纳晶片W的固定器主体3A等构成。固定器主体3A的下表面敞开，从而使晶片W要电镀的表面将在电镀溶液中浸湿。
在固定器主体3A中，容纳具有如下结构的晶片W。晶片W包括层间绝缘膜101，如图2所示。层间绝缘膜101由低介电常数绝缘材料构成，例如，SiOF、SiOC、多孔二氧化硅等。层间绝缘膜101形成在具有半导体元件(未示出)等的半导体衬底上。在层间绝缘膜101中，形成作为凹陷部分的过孔101A和作为凹陷部分的布线沟槽101B。
在层间绝缘膜101上，形成用来抑制构成后面介绍的电镀膜104的金属扩散到层间绝缘膜101的阻挡金属层102。阻挡金属层102由导电材料构成。这种导电材料由，例如，金属，例如，Ta、Ti等，或金属氮化物，例如，TiN、TaN、WN等构成，具有比构成电镀膜104的金属更小的扩散系数.顺便提及，阻挡金属层102可以由这些金属或金属氮化物的多层材料形成。
在阻挡金属层102上形成籽晶层103，用来在晶片W中流过电流。籽晶层103由金属构成，例如Cu。
触头3B放在固定器主体3A的内表面上，与籽晶层103接触。触头3B附着在密封环3C上，密封环3C抑制电镀溶液与触头3B接触。通过将晶片W压在密封环3C上，从而封闭其开口，密封环3C弹性变形，从而密封环3C牢牢地固定到晶片W。因此，限制了电镀溶液与触头3B接触。
用来相对于电镀溶液的溶液表面倾斜晶片W并旋转晶片W的倾斜和旋转机构4附着在固定器3上。倾斜和旋转机构4相对于电镀溶液的溶液表面倾斜晶片W并旋转固定器3等等。
提升/下降晶片W的升/降机构(未示出)附着在固定器3上。升/降机构提升/下降固定器3等。通过启动升/降机构，提升/下降固定器3，从而晶片W浸入到电镀溶液中或从电镀溶液中拉出。
基本为盘形的阳极5(第二阳极)放在电镀溶液槽2的底部位置。触头3B和阳极5电连接到电源6，用来通过触头3B在籽晶层103和阳极5之间施加电压。
可电连接到籽晶层103的基本为条形的牺牲阳极7(第一阳极)放在由晶片W和在电镀溶液槽2中的阳极5所夹区域的外部。在本实施例中，牺牲阳极7放在电镀溶液槽2的侧壁附近。
牺牲阳极7由氧化-还原电位比构成籽晶层103的金属的氧化-还原电位更高的阳极金属构成。对于这种材料，例如，可以采用金属、金属氧化物、碳(C)等。具体的，例如，当籽晶层103由Cu构成时，牺牲阳极7可以由Zn、Ta、它们的氧化物、C等构成。所形成的牺牲阳极7与电镀溶液的接触面积小于晶片W与电镀溶液的接触面积。
隔断墙8放在电镀溶液槽2中。隔断墙8将晶片W浸湿并浸入的区域与放置牺牲阳极7的区域分开。隔断墙8防止将晶片W浸湿并浸入的区域中的电镀溶液与放置牺牲阳极7的区域中的电镀溶液混合，但是其构成为电连接两个区域。顺便提及，可以使用隔膜代替隔断墙8。
下文中，将介绍电镀装置1的工作状态。图3示出了根据本实施例的电镀工艺的流程图。图4A到图4D示出了根据本实施例的电镀装置1的工作状态的示意图，而图5A和5B是根据本实施例的晶片W的示意垂直剖面图。
如图4A所示，晶片W的籽晶层103与牺牲阳极7电连接，同时晶片W由固定器3固定(步骤1)。之后，启动倾斜和旋转机构4旋转晶片W并倾斜晶片W(步骤2)。
接着，启动升/降机构浸湿晶片W并将晶片W浸入电镀溶液中，如图4B所示(步骤3)。在将晶片W浸湿并浸入电镀溶液中之后，断开籽晶层103与牺牲阳极7之间的电连接，如图4C所示(步骤4)。
之后，启动电源6，从而在籽晶层103与阳极5之间施加电压，如图4D所示，然后电镀晶片W(步骤5)。如图5A所示，在形成预定厚度的电镀膜104之后，停止施加电压，从而停止电镀(步骤6)。最后，启动升/降机构，将晶片W拉出电镀溶液(步骤7)。
顺便提及，之后对晶片W进行热处理(退火)，从而籽晶层103和电镀膜104的晶体生长。由此，形成籽晶层103与电镀膜104组合的布线膜。接着，如图5B所示，通过例如化学机械抛光(CMP)分别去掉在层间绝缘膜101上的阻挡金属膜102和布线膜的多余部分，从而分别在过孔101A和布线沟槽101B中保留有阻挡金属膜102和布线膜。因此，在过孔101A和布线沟槽101B中形成布线105。
在本实施例中，由于将晶片W浸湿并浸入电镀溶液中的同时籽晶层103与牺牲阳极7处于电连接状态，所以可以防止由于籽晶层的溶解引起的空洞的出现，并且可以改善电镀膜104的膜厚度的表面的均匀性。即，当晶片W浸湿并浸入电镀溶液中的同时晶片W与牺牲阳极7处于电连接状态时，由于牺牲阳极由氧化-还原电位比构成籽晶层的金属的氧化-还原电位更高的阳极金属构成，所以在籽晶层103上发生还原反应，在牺牲阳极7上发生氧化反应。因此，能够抑制籽晶层103的溶解，从而能够防止空洞的出现。另一方面，在籽晶层103上发生还原反应，从而电镀籽晶层103。但是，与在晶片W浸湿并浸入电镀溶液中的同时在籽晶层103与阳极5之间施加与电镀时基本相同的电压的情况相比，可以减少在晶片W上电镀的量。通过使牺牲阳极7与电镀溶液的接触面积更小，能够进一步减少电镀的量。因此，防止了当晶片W浸湿并浸入电镀溶液中时在晶片W上电镀的量的不均匀性，从而能够改善在电镀膜104上的膜厚度的表面的均匀性。
在本实施例中，由于晶片W浸湿并浸入电镀溶液中的区域和放置牺牲阳极7的区域被隔断墙8分开，所以能够防止溶解的牺牲阳极7沉淀到晶片W上。即，当晶片W浸湿并浸入电镀溶液中，同时籽晶层103与牺牲阳极7处于电连接状态时，根据牺牲阳极7的构成材料，其可以溶解在电镀溶液中。这里，如果牺牲阳极7溶解，溶解的材料可能阻止电镀晶片W。与此相反，在本实施例中，晶片W浸湿并浸入电镀溶液中的区域和放置牺牲阳极7的区域被隔断墙8分开，因此，即使当牺牲阳极7溶解时，也能够避免阻止电镀晶片W。
在本实施例中，由于在籽晶层103与牺牲阳极7之间的电连接断开之后电镀晶片W，所以可以改善在电镀膜104上的膜厚度的表面的均匀性。即，当通过在籽晶层103与阳极5之间施加电压来电镀晶片W，而同时籽晶层103与牺牲阳极7处于电连接状态时，电场分布可能混乱。与此相反，在本实施例中，由于在籽晶层103与牺牲阳极7之间的电连接断开之后电镀晶片W，所以可以避免电场分布的混乱。因此，可以改善在电镀膜104上的膜厚度的表面的均匀性。
此外，在本实施例中，由于牺牲阳极7放在晶片W和阳极5所夹区域之外，所以当电镀晶片W时，电场分布几乎没有混乱。由此，可以改善在电镀膜104上的膜厚度的表面的均匀性。
(例子)
下文中，说明一个例子。在本例子中，观察到电镀的填充状态。
在本例子中，使用在上述第一实施例中介绍的电镀装置.使用主要成分为硫酸铜水溶液的电镀溶液，并且使用Zn构成的牺牲阳极。此外，使用如下形成的晶片。通过热氧化在Si衬底上形成100nm厚的氧化物膜，随后，通过使用化学汽相淀积(CVD)方法在氧化物膜上形成大约1μm厚的层间绝缘膜。此外，通过光刻工艺(PEP)和蚀刻在层间绝缘膜上形成0.09μm宽和300nm深的布线沟槽。之后，通过使用溅射方法在层间绝缘膜上形成由Ta构成的厚度为15nm的阻挡金属层，并在阻挡金属层上形成由Cu构成的厚度为80nm的籽晶层。顺便提及，这些膜厚度是在没有形成布线沟槽的层间绝缘膜的平面上测得的值。
使用上述电镀装置和晶片等以及与第一实施例所述相同的方法电镀晶片，从而镀层填充到布线沟槽的一半高度。此时观察在晶片中间和边缘部分镀层的填充状态。
顺便提及，作为与本例子相比较的比较例1，还观察在晶片浸入电镀溶液的同时在籽晶层和阳极之间没有施加电压时的晶片中间和边缘部分镀层的填充状态。此外，作为比较例2，还观察在晶片浸入电镀溶液的同时在籽晶层和阳极之间施加与电镀时基本相同的电压时的晶片中间和边缘部分镀层的填充状态。
介绍观察结果。表1和表2显示出根据本例子以及比较例1和2的观察结果。
[表1]
本例子 比较例1 比较例2
中间 半填充 半填充 半填充
边缘 半填充 半填充 全填充
[表2]
本例子 比较例1 比较例2
中间 无空洞 有空洞 无空洞
边缘 无空洞 有空洞 有空洞
如表1所示，镀层填充到根据比较例1的晶片的中间和边缘部分的布线沟槽的一半高度。但是，如表2所示，在根据比较例1的晶片的中间和边缘部分出现空洞。可以想到由于籽晶层的溶解而产生了空洞。
此外，如表1所示，镀层填充到根据比较例2的晶片的中间部分的布线沟槽的一半高度，但是，在晶片的边缘部分，布线沟槽被镀层填满。同时，如表2所示，在根据比较例2的晶片的边缘部分出现空洞。可以想到空洞不是由与籽晶层的溶解而产生的，而是由于在晶片浸入电镀溶液时没有在适当的填充条件下进行电镀。
与此相反，如表1所示，镀层填充到根据本例子的晶片的中间和边缘部分的布线沟槽的一半高度。此外，如表2所示，在根据本例子的晶片的中间和边缘部分没有出现空洞。
通过这些结果，验证了当晶片浸入电镀溶液中，同时籽晶层与牺牲阳极处于电连接状态时，比当籽晶层与牺牲阳极之间没有施加电压的状态下晶片浸入电镀溶液中时更不容易产生空洞，而且，可以比当晶片浸入电镀溶液中，同时在籽晶层与牺牲阳极之间施加电压时的情况提高电镀膜上的膜厚度的表面的均匀性。
(第二实施例)
下文中，介绍第二实施例。在本实施例中，说明使用碳形成的牺牲阳极的情况。图6示出了根据本实施例的电镀装置的示意垂直剖面图。
与第一实施例相同，牺牲阳极7放在电镀溶液槽2中。本实施例的牺牲阳极7由碳构成。这里，在使用由碳构成的牺牲阳极7的情况下，即使当晶片W浸入电镀溶液中，同时籽晶层103与牺牲阳极7处于电连接状态时，牺牲阳极7也几乎不溶解。因此，当使用由碳构成的牺牲阳极7时，可以去掉隔断墙8，如图6所示，因为溶解的牺牲阳极7不干扰晶片W的电镀。
本发明并不限于在上述实施例中介绍的内容，并且在不脱离本发明的精神的范围内可以适当改变结构、材料、每个部件的排列等。在上述实施例中，介绍了在晶片W电镀的同时晶片W相对于阳极5倾斜的情况，但是也可以在电镀晶片W的同时晶片W基本与阳极5平行。此外，在上述实施例中，以面朝下的方式固定晶片W，但是可以以所谓面朝上的方式固定晶片W，其中要电镀的晶片W面朝上。