[发明专利]利用不溶阳极进行硅晶片的铜金属化

说明书

本发明涉及一种铜镀敷衬底的方法和系统，特别涉及利用不溶阳极进行硅晶片的电解铜金属化的方法和系统。

制造例如高电路速度、高封装密度、低功耗计算机芯片等半导体集成电路(IC)器件的需求，要求成比例地减小超大规模集成(ULSI)和特大规模集成(VISI)结构的特征尺寸。使芯片尺寸更小，进而增大电路密度的这种趋势，要求互连结构小型化，但由于增大了互连电阻，以及与例如互连制造和电迁移有关的可靠性问题，会严重影响结构的整体性能。

目前，这种结构用铝和铝合金作为带有二氧化硅(SiO₂)作介质材料的硅晶片上的金属化。一般说，以通孔和沟槽的形状在SiO₂介质层中形成开口，然后将它们金属化形成互连。小型化的提高把开口减小到亚微米尺寸(例如，0.5微米和更小)。

然而，为实现器件的进一步小型化，提出了利用铜代替铝作为形成芯片中的连线和互连的金属。铜有比铝低的电阻，相同电阻下的铜线厚度会比铝线薄。因此，铜基互连将代表制造这些器件的未来趋势。

铜可以通过(例如无电和电解)镀敷、溅射、等离子体汽相淀积(PVD)、和化学汽相淀积(CVD)等工艺淀积于衬底上。一般认为，镀敷淀积是在器件上涂敷铜的最佳方法，是由于可以提供高淀积速率和降低设备成本。然而，镀敷方法必须满足半导体工业的严格要求。例如，铜淀积必须是均匀的，能够填充极小的器件沟槽和通孔。镀敷工艺还必须能够被控制为使镀敷失调最小或避免之，并且还必须与超净室的操作兼容。电子工业中，一般认为，由酸性铜槽淀积铜，是铜镀敷集成电路器件的首选方法。

一般说，铜电镀涉及通过利用自耗铜电极或不溶阳极的电解法，在表面上淀积铜层。在自耗电解电镀工艺中，镀敷操作期间消耗铜电极，镀敷操作中必须周期性地替换铜电极。在用不溶阳极镀敷时，镀敷过程中不消耗这些阳极，无需进行替换。下面介绍利用不溶阳极的铜电解电镀。

不管在衬底表面上淀积铜所用的方法是什么，杂质都会与铜一起淀积。在集成电路制造中，重要的是使电解液中不存在杂质颗粒，但这些杂质会因镀敷操作期间形成的残渣、不纯的化学试剂等而产生。在制造集成电路(IC)器件所用的所有工艺中，要求这些杂质最少，多数操作都要在超净室中进行。超净室是最基本的工作室，各种不同的工艺步骤都要在其中进行，且要利用过滤器和其它净化设备等，使其中的灰尘颗粒和其它杂质颗粒保持在低于某一水平。重要的是，制造集成电路器件所用的任何镀敷工艺要适于用在超净室中，并且工艺自身应使镀敷工艺固有的杂质问题最小。

考虑到现有技术的这些问题和缺点，本发明的目的是提供一种电镀衬底的改进方法和设备(系统)。

本发明的再一目的是提供一种在集成电路制造中利用不溶阳极进行硅晶片的铜镀敷的改进的电解方法和设备。

本发明又一目的是提供一种可以在超净室中进行镀敷的利用不溶阳极进行衬底的铜镀敷的改进的电解方法和设备，衬底包括硅晶片。

本发明还一目的是提供一种具有基本稳定态电解液的电解铜电镀工艺，其中淀积的镀敷特性保持恒定。

本发明又再一目的是提供用铜电镀的半导体和其它器件。

从以下介绍中，容易理解本发明的其它目的和优点。

申请人在这里介绍一种铜镀敷衬底的电解方法，所述衬底优选是硅晶片半导体衬底，该方法包括：

提供一种镀敷系统，包括铜镀敷设备，该设备包括一箱体，该箱体较好具有一个入口和一个出口，且容纳有铜电解液和要镀敷的作为阴极的衬底，以及隔开的不溶阳极；

较好是通过使电解液循环至箱体的入口，同时从箱体的出口排出铜电解液，由此搅拌箱体中的铜电解液，同时加电流，电镀阴极；

测量镀敷系统的至少一个操作参数；

在满足预定的操作参数时，从系统中排出部分电解液；

在电解液排出的同时或之后，给系统添加铜浓度高于所排出的电解液的铜浓度的含铜溶液，添加的量足以使系统中电解液的铜浓度增大到预定值，并保持系统中电解液的体积基本不变。

按本发明的另一方面，提供一种电解铜电镀优选为硅晶片半导体衬底的衬底的方法，该方法包括：提供一种镀敷系统，该系统包括：铜镀敷箱和电解液容纳箱，铜镀敷箱较好是圆筒形，较好在箱的下端有入口，在箱的上端有出口，箱中容纳铜电解液及作为阴极的衬底和间隔开的不溶阳极，阴极和阳极较好是水平的，入口和出口较好是定位成使电解液流在靠近阳极的地方进入镀敷箱，在靠近阴极的地方排出；