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，通过下凹状的隔膜将电镀容器内的电镀液分成上下导电率不同的上层电镀液及下层电镀液，使得晶圆表面边缘区域与阳极之间的外侧传输电阻大于晶圆表面中心区域与阳极之间的内侧传输电阻，进而解决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，包括电镀容器、晶圆、阳极、电镀电源、隔膜及下拉元件；所述隔膜置于所述电镀容器内，所述下拉元件拉紧所述隔膜，使所述隔膜呈下凹状；所述隔膜的上方盛装上层电镀液，所述隔膜的下方盛装下层电镀液；所述晶圆浸没于所述上层电镀液中，所述阳极浸没于所述下层电镀液中；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，所述上层电镀液的电导率大于所述下层电镀液的电导率。

优选地，所述隔膜为阳离子膜。

优选地，所述下拉元件为拉簧。

优选地，所述晶圆电镀装置进一步包括上层第一供应源、下层第二供应源、下层压力检测元件及下层压力调整装置，所述上层电镀液与所述上层第一供应源相连通，所述下层电镀液依次与所述下层第二供应源、所述下层压力检测元件及所述下层压力调整装置相连通。

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:将隔膜放置于电镀容器内，并在隔膜的上方盛装上层电镀液，在隔膜的下方盛装下层电镀液；同时，将所述隔膜与与下拉元件相连接；

s002：将所述上层电镀液与上层第一供应源相连通，将所述下层电镀液依次与下层第二供应源、下层压力检测元件及下层压力调整装置相连通；

s003：将晶圆浸没于所述上层电镀液中，将阳极浸没于所述下层电镀液中；

s004：用电镀电源分别连接晶圆及阳极，从而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；

优选地，所述隔膜为阳离子膜。

优选地，所述下拉元件为拉簧。

优选地，在步骤s001中，所述所述上层电镀液的电导率大于所述下层电镀液的电导率。

优选地，所述电镀方法进一步包括：

s005：启动旋转电机m带动晶圆402旋转。

优选地，所述电镀方法进一步包括：

s006：通过所述下层压力调整装置调整下层电镀液的压力，使得所述隔膜的下凹度发生改变。

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下拉元件将隔膜固定为下凹状，并将隔膜上层及隔膜下层的电镀液分成上下导电率不同的上层电镀液及下层电镀液，上层电镀液的电导率大于下层电镀液的电导率，使得晶圆表面边缘区域与阳极之间的外侧传输电阻大于晶圆表面中心区域与阳极之间的内侧传输电阻，并通过旋转电机带动晶圆旋转，从而实现了晶圆电镀表面电场的均匀分布，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，本发明通过下层压力调整装置调整下层电镀液的压力，使得隔膜的下凹度发生改变，进而调整晶圆表面边缘区域到阳极之间的外侧传输电阻与晶圆表面中心区域到阳极之间的内侧传输电阻的差值，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；以及

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，包括电镀容器103、晶圆102、阳极105、电镀电源106、隔膜107及下拉元件108；隔膜107置于电镀容器103内，下拉元件108拉紧隔膜107，使隔膜107呈下凹状；隔膜107的上方盛装上层电镀液101a，隔膜107的下方盛装下层电镀液101b；晶圆102浸没于上层电镀液101a中，阳极105浸没于下层电镀液101b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，上层电镀液101a的电导率大于下层电镀液101b的电导率。

在本发明中，隔膜107为阳离子膜，阳离子可通过隔膜107补充上层电镀液101a电镀过程中消耗的阳离子。下拉元件108为拉簧，也可以为其他弹性元件，用于拉紧隔膜107使其保持下凹状。

如图3及图4所示，晶圆电镀装置进一步包括上层第一供应源109、下层第二供应源110、下层压力检测元件111及下层压力调整装置112，上层电镀液101a与上层第一供应源109相连通，下层电镀液101b依次与下层第二供应源110、下层压力检测元件111及下层压力调整装置112相连通。在本发明中，上层电镀液101a是由上层第一供应源109独立提供的，下层电镀液401b是由下层第二供应源110独立提供，可以实现各个液体的充满、释放、更换、循环等。

另外，如图4所示，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:将隔膜107放置于电镀容器103内，并在隔膜107的上方盛装上层电镀液101a，在隔膜107的下方盛装下层电镀液101b；同时，将隔膜107与与下拉元件108相连接；其中，隔膜107为阳离子膜；下拉元件108为拉簧；上层电镀液101a的电导率大于下层电镀液101b的电导率。

s002：将上层电镀液101a与上层第一供应源109相连通，将下层电镀液101b依次与下层第二供应源110、下层压力检测元件111及下层压力调整装置112相连通；

s003：将晶圆102浸没于上层电镀液101a中，将阳极105浸没于下层电镀液101b中；

s004：用电镀电源106分别连接晶圆102及阳极105，从而使得晶圆102与阳极105之间形成电镀电场104；其中，电镀电源104与晶圆102的接触点为晶圆102的边缘区域；

s005：启动旋转电机m带动晶圆102旋转;

s006：通过下层压力调整装置112调整下层电镀液101b的压力，使得隔膜107的下凹度发生改变。

在本发明中，由于隔膜107呈下凹状，上层电镀液101a的电导率大于下层电镀液101b的电导率，使得晶圆102表面边缘区域与阳极105之间的外侧传输电阻大于晶圆102表面中心区域与阳极105之间的内侧传输电阻，并通过旋转电机m带动晶圆102旋转，这就削弱了电镀电场104边缘区域的强度，从而实现了晶圆102电镀表面电场的均匀分布，解决了晶圆102表面电场分布不均而导致电镀镀膜均匀性的问题。另外，为了达到更好的效果，本发明通过下层压力调整装置112调整下层电镀液101b的压力，使得隔膜107的下凹度发生改变，进而调整晶圆102表面边缘区域到阳极之间的外侧传输电阻与晶圆102表面中心区域到阳极之间的内侧传输电阻的差值，与晶圆102电镀过程中种子层电阻的变化相对应，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，

本发明的晶圆电镀装置通过下拉元件将隔膜固定为下凹状，并将隔膜上层及隔膜下层的电镀液分成上下导电率不同的上层电镀液及下层电镀液，上层电镀液的电导率大于下层电镀液的电导率，使得晶圆表面边缘区域与阳极之间的外侧传输电阻大于晶圆表面中心区域与阳极之间的内侧传输电阻，并通过旋转电机带动晶圆旋转，从而实现了晶圆电镀表面电场的均匀分布，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，本发明通过下层压力调整装置调整下层电镀液的压力，使得隔膜的下凹度发生改变，进而调整晶圆表面边缘区域到阳极之间的外侧传输电阻与晶圆表面中心区域到阳极之间的内侧传输电阻的差值，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。