一种晶圆电镀装置及电镀方法与流程

本发明涉及半导体芯片制造技术领域，特别涉及一种晶圆电镀装置及电镀方法。

背景技术：

半导体集成电路和其他半导体器件的生产过程中需要在晶圆表面上制作多种金属层，从而达到电气互联等作用。电镀是制作这些金属层的关键工艺之一，晶圆电镀是将晶圆置于电镀液中，将电压负极施加到晶圆上预先制作好的薄金属层（种子层），将电压正极施加到可溶解或不可溶解的阳极上，通过电场作用使得镀液中的金属离子沉积到晶圆表面。

随着半导体技术的发展，越来越薄的种子层被应用于电镀工艺。然而，薄种子层的应用会导致在种子层上电镀金属层的均匀性产生问题。为了提高晶圆的利用率，电镀夹具的接电点通常都只与晶圆的最外边缘的种子层接触，晶圆中心的种子层与晶圆边缘的种子层存在电压差，且种子层越薄，压差越大。这可能会导致晶圆中心区域的电镀速率远小于晶圆边缘区域的电镀速率，使得晶圆边缘区域的镀膜厚度大于晶圆中心区域的镀膜厚度，从而影响工艺的均匀性。

进一步地，随着电镀过程的进行，种子层厚度被增加，从而导致晶圆中心与晶圆边缘之间的电阻不断变化，使得电镀速率的差异是动态变化的，这样就给问题的解决增加了更大的难度。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种晶圆电镀装置，通过将多个同心且互相绝缘隔离的环形金属分别作为内圈阳极及外圈阳极，内圈阳极通过内圈阳极开关与电镀电源电连接，外圈阳极通过外圈阳极开关与电镀电源电连接；通过内圈阳极开关及外圈阳极开关控制电镀过程中内圈阳极及外圈阳极通电时间的长短，从而实现晶圆电镀表面等效电场的均匀分布，解决了晶圆表面电场分布不均而影响电镀均匀性的问题。

为达到上述目的，本发明提出了一种晶圆电镀装置，包括盛装有电镀液的电镀容器，晶圆、阳极及电镀电源；所述晶圆与所述阳极浸没于所述电镀液中；所述晶圆通过所述电镀电源与所述阳极电连接，使得所述晶圆与所述阳极之间形成电镀电场；其中，所述阳极包括互相隔开的内圈阳极及外圈阳极，所述内圈阳极通过内圈阳极开关与所述电镀电源电连接，所述外圈阳极通过外圈阳极开关与所述电镀电源电连接；且所述电镀电源与所述外圈阳极的通电时间小于与所述内圈阳极的通电时间。

优选地，所述内圈阳极及所述外圈阳极均为与所述晶圆同心的环形金属，所述内圈阳极通过环形绝缘隔板与所述外圈阳极相隔离。

优选地，所述内圈阳极及所述外圈阳极的数量为一组或两组或两组以上。

优选地，所述内圈阳极开关及所述外圈阳极开关为手动开关或脉冲控制开关。

优选地，所述脉冲控制开关的脉冲信号频率可调。

另外，本发明还提供一种上述晶圆电镀装置的电镀方法，所述电镀方法包括：

s001:取多个同心且互相绝缘隔离的环形金属作为阳极；

s002：将电镀液盛装在电镀容器内，晶圆和阳极浸没于电镀液中，并用电镀电源分别连接晶圆及阳极，使得晶圆与阳极之间形成电镀电场；其中，电镀电源与晶圆的接触点为晶圆的边缘区域；

s003：启动旋转电机带动晶圆旋转。

优选地，所述步骤s002进一步包括：所述阳极包括内圈阳极及外圈阳极，所述内圈阳极通过内圈阳极开关与所述电镀电源电连接，所述外圈阳极通过外圈阳极开关与所述电镀电源电连接。

优选地，所述外圈阳极开关及所述内圈阳极开关为手动单控开关或脉冲控制开关。

优选地，所述脉冲控制开关的脉冲信号频率可调。

优选地，所述电镀方法进一步包括：s004：通过控制所述内圈阳极开关及所述外圈阳极开关的开启和闭合次数或时间使得所述电镀电源与所述外圈阳极的通电时间小于与所述内圈阳极的通电时间，从而实现晶圆电镀表面等效电场的均匀分布。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的晶圆电镀装置通过将多个同心且互相绝缘隔离的环形金属分别作为内圈阳极及外圈阳极，内圈阳极通过内圈阳极开关与电镀电源电连接，外圈阳极通过外圈阳极开关与电镀电源电连接；通过内圈阳极开关及外圈阳极开关控制电镀过程中内圈阳极及外圈阳极通电时间的长短，从而实现晶圆电镀表面等效电场的均匀分布，解决了晶圆表面电场分布不均而导致电镀镀膜均匀性的问题。另外，本发明的晶圆电镀装置还可以改变内圈阳极开关及外圈阳极开关的开启和闭合的频率，以及调整电镀电源的输出电流，即使晶圆表面种子层电阻在电镀过程中不断变化，也能实现晶圆表面电场的动态均匀分布，具有操作简单、均匀性好、电镀效率高等特点，有效地保证了电镀过程中晶圆表面不同点的镀膜速度及镀膜厚度具有一致性。

附图说明

图1为现有技术中晶圆电镀装置的结构示意图；

图2为现有技术中晶圆电镀装置的电气原理示意图；

图3为本发明晶圆电镀装置一实施例的结构示意图；

图4为本发明的电镀方法的流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1及图2，图1为现有技术的晶圆电镀装置的结构原理示意图，电镀液1盛装在电镀容器3内，晶圆2和阳极5浸没在电镀液1中，电镀电源6分别连接作为阴极的晶圆2和阳极5。为了提高晶圆2的利用率，现有技术中一般将晶圆2的边缘区域作为阴极电流的接触点，整个电路中的电气原理示意图如图2所示，由于作为导电层的种子层存在电阻，因此晶圆2的边缘区域与晶圆2的中心区域之间存在电阻ra，晶圆2的边缘区域a点与阳极5之间存在电阻rb，晶圆2的边缘区域另一点b点与阳极5存在电阻rd，晶圆2的中心区域c与阳极5之间存在电阻rc。若晶圆2与阳极5平行，理论上电阻rb、电阻rd、电阻rc是相同的，但是由于实际结构的误差及电镀液1各点流速、浓度等的差异，三者是有差别的。由于晶圆2上种子层的电阻ra分去了一部分电压，因此整个电场4靠近晶圆2边缘区域的地方比靠近晶圆2中心区域的地方密集。因此，电场4的不均匀分布造成晶圆2表面靠近边缘区域的地方比靠近中心区域的地方电镀沉积速度快，从而严重影响了电镀工艺的均匀性。

如图3所示，本发明提供一种晶圆电镀装置，包括盛装有电镀液101的电镀容器103，晶圆102、阳极105及电镀电源106；晶圆102与阳极105浸没于电镀液101中；晶圆102通过电镀电源106与阳极105电连接，使得晶圆102与阳极105之间形成电镀电场104；其中，阳极105包括互相隔开的内圈阳极105a及外圈阳极105b，内圈阳极105a通过内圈阳极开关107与电镀电源106电连接，外圈阳极105b通过外圈阳极开关108与电镀电源106电连接；且电镀电源106与外圈阳极105b的通电时间小于与内圈阳极105a的通电时间。

请继续参阅图3，在本发明中，内圈阳极105a及外圈阳极105b均为与晶圆102同心的环形金属，可选用可溶性金属，也可以选用非可溶性金属。其中，内圈阳极105a通过环形绝缘隔板109与外圈阳极105b相隔离，以保证电镀过程中内圈阳极105a与外圈阳极105b之间不产生互相干扰。其中，内圈阳极105a及外圈阳极105b的数量为一组或两组或两组以上。在本实施例中，内圈阳极105a及外圈阳极105b均为一组。

特别地，在本发明中，内圈阳极开关107及外圈阳极开关108为手动开关或脉冲控制开关，其中，脉冲控制开关的脉冲信号频率可调。

请一并参阅图3及图4，本发明还提供一种上述晶圆电镀装置的电镀方法，该电镀方法包括：

s001:取多个同心且互相绝缘隔离的环形金属作为阳极105；

s002：将电镀液101盛装在电镀容器103内，晶圆102和阳极105浸没于电镀液101中，并用电镀电源106分别连接晶圆102及阳极105，使得晶圆102与阳极105之间形成电镀电场104；其中，电镀电源106与晶圆102的接触点为晶圆102的边缘区域；在本步骤中，阳极105包括内圈阳极105a及外圈阳极105b，内圈阳极105a通过内圈阳极开关107与电镀电源106电连接，外圈阳极105b通过外圈阳极开关108与电镀电源106电连接；内圈阳极开关107及外圈阳极开关108为手动单控开关或脉冲控制开关，脉冲控制开关的脉冲信号频率可调；

s003：启动旋转电机m带动晶圆102旋转；在本步骤中，晶圆102通过旋转电机m带动旋转，保证了晶圆102边缘不同点a、b的电镀电场104均匀；

s004：通过控制内圈阳极开关107及外圈阳极开关108的开启和闭合次数或时间使得电镀电源106与外圈阳极105b的通电时间小于与内圈阳极105a的通电时间，从而实现晶圆102电镀表面等效电场的均匀分布；在本步骤中，内圈阳极开关107及外圈阳极开关108可选用手动开关，闭合内圈阳极开关107及外圈阳极开关108，晶圆102与阳极105之间形成电镀电场104；随着电镀过程的进行，晶圆102中心区域的电镀速率远小于晶圆102边缘区域的电镀速率，此时闭合内圈阳极开关107，打开外圈阳极开关108，使得电镀电源106与外圈阳极105b的通电时间小于与内圈阳极105a的通电时间，以实现晶圆2表面的等效电场均匀分布，从而保证晶圆102中心区域的镀膜厚度与晶圆102中心区域的镀膜厚度保持均衡。

在本步骤中，内圈阳极开关107及外圈阳极开关108也可选用脉冲控制开关，脉冲控制开关的脉冲信号频率可调，具体地，可控制脉冲信号通过占空比调整内圈阳极开关107及外圈阳极开关108开闭等效时间的长短，从而调整内圈阳极105a、外圈阳极105b与电镀电源106通电时间的长短，并与电镀过程中晶圆2种子层电阻的变化对应，使得晶圆2表面的等效电场保持动态均匀。另外，电镀电源6可以通过程序设定自由调整输出电流，调整时间与内圈阳极开关107及外圈阳极开关108的开闭同步或不同步。

本发明的晶圆电镀装置通过将多个同心且互相绝缘隔离的环形金属分别作为内圈阳极及外圈阳极，内圈阳极通过内圈阳极开关与电镀电源电连接，外圈阳极通过外圈阳极开关与电镀电源电连接；通过内圈阳极开关及外圈阳极开关控制电镀过程中内圈阳极及外圈阳极通电时间的长短，从而实现晶圆电镀表面等效电场的均匀分布，解决了晶圆表面电场分布不均而导致电镀镀膜均匀性的问题。另外，本发明的晶圆电镀装置还可以改变内圈阳极开关及外圈阳极开关的开启和闭合的频率，以及调整电镀电源的输出电流，即使晶圆表面种子层电阻在电镀过程中不断变化，也能实现晶圆表面电场的动态均匀分布，具有操作简单、均匀性好、电镀效率高等特点，有效地保证了电镀过程中晶圆表面不同点的镀膜速度及镀膜厚度具有一致性。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。