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CN103590092A - 一种电化学抛光/电镀装置及方法 - Google Patents

一种电化学抛光/电镀装置及方法 Download PDF

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CN103590092A CN201210292690.3A CN201210292690A CN103590092A CN 103590092 A CN103590092 A CN 103590092A CN 201210292690 A CN201210292690 A CN 201210292690A CN 103590092 A CN103590092 A CN 103590092A
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Abstract

本发明公开了一种电化学抛光/电镀装置，包括：一夹具、一喷嘴、一电源、一切换电路及一运动控制器。本发明通过使用具有外电极及内电极的夹具进行电化学抛光/电镀，能够提高抛光/电镀速率，并且能够消除抛光/电镀工艺中晶圆边缘金属铜聚集现象，提高抛光/电镀工艺中晶圆边缘均匀性。本发明还公开了一种电化学抛光/电镀方法。

Description

一种电化学抛光/电镀装置及方法
技术领域
本发明涉及一种半导体器件加工装置及方法，尤其涉及一种电化学抛光/电镀装置及方法，更具体的，涉及一种用于电化学抛光/电镀的夹具及使用该夹具进行电化学抛光/电镀的方法。
背景技术
在半导体晶圆上使用多个不同的处理步骤制造晶体管和互连元件，其中，抛光和电镀工艺是形成互连元件过程中必不可少的步骤。此外，随着半导体器件特征尺寸越来越小，半导体器件中互连元件密度越来越高，为了形成高密度互连元件，在半导体工业中已逐步使用金属铜代替金属铝作为互连金属，因为金属铜具有更好的导电性。通常采用电镀工艺将金属铜沉积在晶圆上或者采用抛光工艺将晶圆上多余的金属铜去除。
常用的电化学抛光/电镀装置包括一夹具用于固持一晶圆、一喷嘴用于向固持在夹具上的晶圆喷射电解液、一马达用于驱动夹具相对喷嘴旋转、水平移动或上下移动及一电源用于向晶圆及电解液供电。在电化学抛光工艺中，电源的阳极与夹具电连接，通过夹具向晶圆表面的金属铜供电，电源的阴极与喷嘴电连接。而在电镀工艺中，电源的阳极与喷嘴电连接，电源的阴极与夹具电连接。由于在电化学抛光/电镀过程中，电源直接与具有单一电极的夹具电连接，因而使得晶圆上的电流密度分布不均匀，晶圆边缘的电流密度较高，金属铜很容易聚集在晶圆的边缘，所以在电化学抛光过程中，晶圆边缘处金属铜的去除率低于晶圆中心处金属铜的去除率，甚至会出现晶圆边缘处的金属铜不能完全被去除的现象；反之，在电镀过程中，晶圆上的电流密度不均匀性使得晶圆边缘的电镀速率高于晶圆中心处的电镀速率，因而导致电化学抛光/电镀均匀性较差，金属铜在晶圆表面分布不均匀，从而降低半导体器件的性能和良率。
发明内容
本发明的目的是提供一种电化学抛光/电镀装置，该装置能够提高抛光/电镀速率，并且能够消除抛光/电镀工艺中晶圆边缘金属铜聚集现象，提高抛光/电镀工艺中晶圆边缘均匀性。
为实现上述目的，本发明提供的一种电化学抛光/电镀装置，包括：一夹具，固持一晶圆，具有设置于所述夹具周边处的一外电极及一内电极，所述外电极与所述内电极之间电绝缘；一喷嘴，向固持在所述夹具上的晶圆喷射电解液；一电源，所述电源的一电极与所述喷嘴电连接；一切换电路，具有一活动接点、一第一固定接点及一第二固定接点，所述活动接点与所述电源的另一电极电连接，所述第一固定接点与所述夹具的内电极电连接，所述第二固定接点与所述夹具的外电极电连接，所述活动接点能够在与所述第一固定接点电性连接和与所述第二固定接点电性连接之间切换；及一运动控制器，控制所述夹具移动并检测所述夹具相对所述喷嘴移动的位置坐标，并将该位置坐标与一设定坐标值比较，根据比较结果发出控制指令控制所述活动接点与所述第一固定接点电性连接或与所述第二固定接点电性连接。
为实现上述目的，本发明提供的另一种电化学抛光/电镀装置，包括：一夹具，固持一晶圆，具有设置于所述夹具周边处的一外电极及一内电极，所述外电极与所述内电极之间电绝缘；一喷嘴，向固持在所述夹具上的晶圆喷射电解液；一电源，所述电源的一电极与所述喷嘴电连接，所述电源的另一电极与所述夹具的外电极电连接；一切换电路，具有一活动接点及一固定接点，所述活动接点与所述电源的另一电极电连接，所述固定接点与所述夹具的内电极电连接，所述活动接点能够在与所述固定接点电性连接和断开之间切换；及一运动控制器，控制所述夹具移动并检测所述夹具相对所述喷嘴移动的位置坐标，并将该位置坐标与一设定坐标值比较，根据比较结果发出控制指令控制所述活动接点与所述固定接点电性连接或断开。
本发明的另一目的是提供一种电化学抛光/电镀方法，包括如下步骤：
将一晶圆固持在一具有一外电极及一内电极的夹具上；
驱动夹具移动并实时检测夹具相对喷嘴移动的位置坐标，并将该位置坐标与一设定坐标值比较，根据比较结果控制夹具的内电极或外电极与电源电连接进行电化学抛光/电镀。
本发明的又一目的是提供一种电化学抛光/电镀方法，包括如下步骤：
将一晶圆固持在一具有一外电极及一内电极的夹具上并使夹具的外电极与电源的一电极电连接；
驱动夹具移动并实时检测夹具相对喷嘴移动的位置坐标，并将该位置坐标与一设定坐标值比较，根据比较结果控制夹具的内电极与电源的电极电连接或断开与电源的电极电连接。
综上所述，本发明一种电化学抛光/电镀装置及方法通过使用具有外电极及内电极的夹具进行电化学抛光/电镀，当抛光/电镀晶圆不同区域时，选择使用不同电极，能够降低电化学抛光/电镀回路的电阻，从而提高抛光/电镀速率，并且能够消除抛光/电镀工艺中晶圆边缘金属铜聚集现象，提高抛光/电镀工艺中晶圆边缘均匀性。
附图说明
图1是本发明一种电化学抛光/电镀装置中的夹具底部示意图。
图2是本发明一种电化学抛光/电镀装置的第一实施例的示意图。
图3是本发明一种电化学抛光/电镀装置的第一实施例的另一示意图。
图4是本发明一种电化学抛光/电镀装置的第二实施例的示意图。
图5是本发明一种电化学抛光/电镀装置的第二实施例的另一示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。
请参阅图1、图2及图3，为本发明一种电化学抛光/电镀装置的第一实施例的示意图。本发明一种电化学抛光/电镀装置包括一夹具10、一喷嘴20、一马达30、一电源40及一切换电路50。
所述夹具10底部的中心固持一晶圆W。所述夹具10的底部的周边处依次设置有一外电极11、一绝缘环12及一内电极13。所述外电极11、绝缘环12及内电极13为同心圆环且环绕着所述晶圆W。所述外电极11包围着所述绝缘环12和所述内电极13。所述绝缘环12设置在所述外电极11及所述内电极13之间。较佳的，所述外电极11与所述内电极13为导电金属圆环，所述夹具10为一真空夹具。
所述喷嘴20固设在所述夹具10底部的下方，向固持在所述夹具10底部上的晶圆W喷射电解液60从而对所述晶圆W进行抛光/电镀。
所述马达30设置在所述夹具10的顶部。所述马达30在一运动控制器（图中未示）的控制下驱动所述夹具10旋转、水平或上下移动。所述运动控制器实时检测所述夹具10相对所述喷嘴20移动的位置坐标并将该位置坐标与一设定坐标值比较，根据比较结果发出控制指令给一驱动电路（图中未示）。
所述电源40向所述晶圆W和电解液60提供电能。具体的，在电化学抛光过程中，所述电源40的阳极电连接所述切换电路50并通过所述切换电路50向所述晶圆W提供电能，所述电源40的阴极电连接所述喷嘴20并通过所述喷嘴20向电解液60提供电能；在电镀过程中，所述电源40的阳极电连接所述喷嘴20并通过所述喷嘴20向电解液60提供电能，所述电源40的阴极电连接所述切换电路50并通过所述切换电路50向所述晶圆W提供电能。
所述切换电路50具有一活动接点51、第一固定接点52及第二固定接点53。所述活动接点51与所述电源40的阳极（抛光时）或阴极（电镀时）电连接。所述第一固定接点52与所述夹具10的内电极13电连接。所述第二固定接点53与所述夹具10的外电极11电连接。所述切换电路50的活动接点51在所述驱动电路的控制下，能够在与所述第一固定接点52电性连接和与所述第二固定接点53电性连接之间切换。当所述活动接点51与所述第一固定接点52电性连接时，所述电源40与所述夹具10的内电极13电导通，使用所述内电极13向所述晶圆W提供电能进行电化学抛光/电镀。当所述活动接点51与所述第一固定接点52断开并与所述第二固定接点53电性连接时，所述电源40与所述夹具10的外电极11电导通，从而使用所述外电极11向所述晶圆W提供电能进行电化学抛光/电镀。较佳的，所述切换电路50是一继电器，所述驱动电路是继电器驱动电路。
使用本发明一种电化学抛光/电镀装置进行电化学抛光/电镀时，所述运动控制器控制所述马达30，所述马达30驱动所述夹具10相对所述喷嘴20移动，所述运动控制器实时检测所述夹具10相对所述喷嘴20移动的位置坐标并将该位置坐标与一设定坐标值比较，若当前位置坐标小于设定坐标值，即表明所述喷嘴20正对着所述晶圆W中心区域或靠近所述晶圆W中心区域，所述运动控制器发出第一控制指令，所述驱动电路接收所述运动控制器发出的第一控制指令后控制所述切换电路50的活动接点51，使所述活动接点51与所述第一固定接点52电性连接，接通所述电源40，所述夹具10的内电极13与所述电源40电导通，所述喷嘴20向所述晶圆W喷射电解液进行电化学抛光/电镀。若所述运动控制器检测到的夹具10的当前位置坐标大于或等于设定坐标值，即表明所述喷嘴20正对着所述晶圆W边缘区域，所述运动控制器发出第二控制指令，所述驱动电路接收所述运动控制器发出的第二控制指令后控制所述切换电路50的活动接点51，使所述活动接点51与所述第二固定接点53电性连接，接通所述电源40，所述夹具10的外电极11与所述电源40电导通，所述喷嘴20向所述晶圆W喷射电解液进行电化学抛光/电镀。当所述喷嘴20正对着所述晶圆W中心区域或靠近所述晶圆W中心区域时，使用所述夹具10的内电极13进行电化学抛光/电镀能够降低整个电化学抛光/电镀回路的电阻，从而提高电化学抛光/电镀速率。当所述喷嘴20正对着所述晶圆W边缘区域时，使用所述夹具10的外电极11进行电化学抛光/电镀能够消除抛光/电镀工艺中晶圆W边缘金属铜聚集现象，同时还能够提高抛光/电镀工艺中晶圆W边缘均匀性。
请参阅图4和图5，为本发明一种电化学抛光/电镀装置的第二实施例的示意图。与第一实施例相同的部分在此不再赘述。在本实施例中，所述夹具10的外电极11在电化学抛光/电镀过程中始终保持常闭状态，具体的，所述夹具10的外电极11直接与所述电源40电连接。本实施例中的切换电路70具有一活动接点71及一固定接点72。所述活动接点71与所述电源40的阳极（抛光时）或阴极（电镀时）电连接。所述固定接点72与所述夹具10的内电极13电连接。所述切换电路70的活动接点71在所述驱动电路的控制下，能够与所述固定接点72电性连接或断开。当所述活动接点71与所述固定接点72电性连接时，所述电源40与所述夹具10的内电极13电导通，所述内电极13与所述外电极11和所述电源40之间并联导通，从而同时使用所述内电极13及所述外电极11向所述晶圆W提供电能进行电化学抛光/电镀。当所述活动接点71与所述固定接点72断开时，仅使用所述外电极11向所述晶圆W提供电能进行电化学抛光/电镀。
使用本发明第二实施例所述的一种电化学抛光/电镀装置进行电化学抛光/电镀时，所述运动控制器控制所述马达30，所述马达30驱动所述夹具10相对所述喷嘴20移动，所述运动控制器实时检测所述夹具10相对所述喷嘴20移动的位置坐标并将该位置坐标与一设定坐标值比较，若当前位置坐标小于设定坐标值，即表明所述喷嘴20正对着所述晶圆W中心区域或靠近所述晶圆W中心区域，所述运动控制器发出第一控制指令，所述驱动电路接收所述运动控制器发出的第一控制指令后控制所述切换电路70的活动接点71，使所述活动接点71与所述固定接点72电性连接，接通所述电源40，所述夹具10的内电极13和外电极11均与所述电源40电导通，所述喷嘴20向所述晶圆W喷射电解液进行电化学抛光/电镀。若所述运动控制器检测到的夹具10的当前位置坐标大于或等于设定坐标值，即表明所述喷嘴20正对着所述晶圆W边缘区域，所述运动控制器发出第二控制指令，所述驱动电路接收所述运动控制器发出的第二控制指令后控制所述切换电路70的活动接点71，使所述活动接点71与所述固定接点72断开，接通所述电源40，仅所述夹具10的外电极11与所述电源40电导通，所述喷嘴20向所述晶圆W喷射电解液进行电化学抛光/电镀。当所述喷嘴20正对着所述晶圆W中心区域或靠近所述晶圆W中心区域时，同时使用所述夹具10的内电极13和外电极11进行电化学抛光/电镀能够进一步降低整个电化学抛光/电镀回路的电阻，从而提高电化学抛光/电镀速率。当所述喷嘴20正对着所述晶圆W边缘区域时，断开所述夹具10的内电极13与所述电源40的连接，仅使用所述夹具10的外电极11进行电化学抛光/电镀能够消除抛光/电镀工艺中晶圆W边缘金属铜聚集现象，同时还能够提高抛光/电镀工艺中晶圆W边缘均匀性。
本发明还提供一种电化学抛光/电镀方法，包括如下步骤：
将晶圆W固持在如实施例一所述的夹具10上；
驱动夹具10移动并实时检测夹具10相对喷嘴20移动的位置坐标；
将夹具10当前的位置坐标与设定坐标值比较并根据比较结果控制夹具10的内电极13或外电极11与电源40电连接进行电化学抛光/电镀。
本发明还提供一种电化学抛光/电镀方法，包括如下步骤：
将晶圆W固持在如实施例二所述的夹具10上并使夹具10的外电极11保持常闭状态；
驱动夹具10移动并实时检测夹具10相对喷嘴20移动的位置坐标；
将夹具10当前的位置坐标与设定坐标值比较并根据比较结果控制夹具10的内电极13与电源40电连接或断开与电源40电连接进行电化学抛光/电镀。
由上述可知，本发明一种电化学抛光/电镀装置及方法通过使用具有外电极11及内电极13的夹具10进行电化学抛光/电镀，当抛光/电镀晶圆W不同区域时，选择使用不同电极，能够降低电化学抛光/电镀回路的电阻，从而提高电化学抛光/电镀速率，并且能够消除抛光/电镀工艺中晶圆W边缘金属铜聚集现象，提高抛光/电镀工艺中晶圆W边缘均匀性。
综上所述，本发明一种电化学抛光/电镀装置及方法通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元件数目的改变或等效元件的代替等仍都应属于本发明的权利范围。

Claims (16)

1.一种电化学抛光/电镀装置，其特征在于，包括：
一夹具，固持一晶圆，具有设置于所述夹具周边处的一外电极及一内电极，所述外电极与所述内电极之间电绝缘；
一喷嘴，向固持在所述夹具上的晶圆喷射电解液；
一电源，所述电源的一电极与所述喷嘴电连接；
一切换电路，具有一活动接点、一第一固定接点及一第二固定接点，所述活动接点与所述电源的另一电极电连接，所述第一固定接点与所述夹具的内电极电连接，所述第二固定接点与所述夹具的外电极电连接，所述活动接点能够在与所述第一固定接点电性连接和与所述第二固定接点电性连接之间切换；及
一运动控制器，控制所述夹具移动并检测所述夹具相对所述喷嘴移动的位置坐标，并将该位置坐标与一设定坐标值比较，根据比较结果发出控制指令控制所述活动接点与所述第一固定接点电性连接或与所述第二固定接点电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种电化学抛光/电镀装置，其特征在于：所述夹具还具有一绝缘环，所述绝缘环设置在所述外电极及所述内电极之间。
3.根据权利要求2所述的一种电化学抛光/电镀装置，其特征在于：所述外电极、绝缘环及内电极为同心圆环且环绕着所述晶圆，所述外电极包围着所述绝缘环和所述内电极。
4.根据权利要求1所述的一种电化学抛光/电镀装置，其特征在于：所述夹具为一真空夹具。
5.根据权利要求1所述的一种电化学抛光/电镀装置，还进一步包括一马达，所述运动控制器控制所述马达，所述马达驱动所述夹具移动。
6.根据权利要求1所述的一种电化学抛光/电镀装置，还进一步包括一驱动电路，所述驱动电路接收所述运动控制器发出的控制指令后控制所述活动接点与所述第一固定接点电性连接或与所述第二固定接点电性连接。
7.根据权利要求6所述的一种电化学抛光/电镀装置，其特征在于：所述运动控制器检测的夹具的位置坐标小于设定坐标值时，所述运动控制器发出第一控制指令，所述驱动电路接收所述运动控制器发出的第一控制指令后控制所述切换电路的活动接点，使所述活动接点与所述第一固定接点电性连接，所述夹具的内电极与所述电源电导通。
8.根据权利要求6所述的一种电化学抛光/电镀装置，其特征在于：所述运动控制器检测的夹具的位置坐标大于或等于设定坐标值时，所述运动控制器发出第二控制指令，所述驱动电路接收所述运动控制器发出的第二控制指令后控制所述切换电路的活动接点，使所述活动接点与所述第二固定接点电性连接，所述夹具的外电极与所述电源电导通。
9.根据权利要求1所述的一种电化学抛光/电镀装置，其特征在于：所述切换电路为一继电器。
10.一种电化学抛光/电镀装置，其特征在于，包括：
一夹具，固持一晶圆，具有设置于所述夹具周边处的一外电极及一内电极，所述外电极与所述内电极之间电绝缘；
一喷嘴，向固持在所述夹具上的晶圆喷射电解液；
一电源，所述电源的一电极与所述喷嘴电连接，所述电源的另一电极与所述夹具的外电极电连接；
一切换电路，具有一活动接点及一固定接点，所述活动接点与所述电源的另一电极电连接，所述固定接点与所述夹具的内电极电连接，所述活动接点能够在与所述固定接点电性连接和断开之间切换；及
一运动控制器，控制所述夹具移动并检测所述夹具相对所述喷嘴移动的位置坐标，并将该位置坐标与一设定坐标值比较，根据比较结果发出控制指令控制所述活动接点与所述固定接点电性连接或断开。
11.根据权利要求10所述的一种电化学抛光/电镀装置，还进一步包括一驱动电路，所述驱动电路接收所述运动控制器发出的控制指令后控制所述活动接点与所述固定接点电性连接或断开。
12.根据权利要求11所述的一种电化学抛光/电镀装置，其特征在于：所述运动控制器检测的夹具的位置坐标小于设定坐标值时，所述运动控制器发出第一控制指令，所述驱动电路接收所述运动控制器发出的第一控制指令后控制所述切换电路的活动接点，使所述活动接点与所述固定接点电性连接，所述夹具的内电极与所述电源电导通。
13.根据权利要求12所述的一种电化学抛光/电镀装置，其特征在于：所述内电极与所述外电极和所述电源之间并联导通。
14.根据权利要求11所述的一种电化学抛光/电镀装置，其特征在于：所述运动控制器检测的夹具的位置坐标大于或等于设定坐标值时，所述运动控制器发出第二控制指令，所述驱动电路接收所述运动控制器发出的第二控制指令后控制所述切换电路的活动接点，使所述活动接点与所述固定接点断开。
15.一种使用权利要求1所述的电化学抛光/电镀装置进行电化学抛光/电镀方法，包括如下步骤：
将一晶圆固持在夹具上；
驱动夹具移动并实时检测夹具相对喷嘴移动的位置坐标，并将该位置坐标与一设定坐标值比较，根据比较结果控制夹具的内电极或外电极与电源电连接进行电化学抛光/电镀。
16.一种使用权利要求10所述的电化学抛光/电镀装置进行电化学抛光/电镀方法，包括如下步骤：
将一晶圆固持在夹具上并使夹具的外电极与电源的一电极电连接；
驱动夹具移动并实时检测夹具相对喷嘴移动的位置坐标，并将该位置坐标与一设定坐标值比较，根据比较结果控制夹具的内电极与电源的电极电连接或断开与电源的电极电连接。
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