电化学镀系统和工艺执行方法、形成半导体结构的方法技术方案

提供了电化学镀(ECP)系统。该ECP系统包括：ECP单元，该ECP单元包括用于ECP工艺的镀液；传感器，配置为随着ECP工艺的进行而原位测量镀液中的镀金属与电解质之间的界面电阻；镀液供应系统，与ECP单元流体连通，并且配置为向ECP单元供应镀液；以及控制系统，可操作地耦合到ECP单元、传感器和镀液供应系统。控制系统配置为将界面电阻与阈值电阻进行比较，并且响应于界面电阻低于阈值电阻而调节镀液的组分。本发明专利技术的实施例还涉及执行电化学镀工艺的方法、形成半导体结构的方法。

Electrochemical plating system, process execution method and method for forming semiconductor structure

【技术实现步骤摘要】
电化学镀系统和工艺执行方法、形成半导体结构的方法
本专利技术的实施例涉及电化学镀系统和工艺执行方法、形成半导体结构的方法。
技术介绍
集成电路包括许多器件，诸如晶体管、电容器、电阻器和二极管。最初相互隔离的这些器件通过布线互连在一起，以形成功能电路。这样的布线通过包括金属线和多个通孔的多个金属化层来完成，金属线提供横向电连接，通孔在两个相邻的堆叠的金属化层之间提供垂直电连接。金属线和通孔通常称为互连结构。互连结构越来越多地决定了先进集成电路的性能和密度的极限。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种电化学镀(ECP)系统，包括：电化学镀单元，所述电化学镀单元包括用于电化学镀工艺的镀液；传感器，配置为随着所述电化学镀工艺的进行而原位测量所述镀液中的镀金属与电解质之间的界面电阻；镀液供应系统，与所述电化学镀单元流体连通，并且配置为向所述电化学镀单元供应所述镀液；以及控制系统，可操作地耦合到所述电化学镀单元、所述传感器和所述镀液供应系统，所述控制系统配置为：将所述界面电阻与阈值电阻进行比较；以及响应于所述界面电阻低于所述阈值电阻而调节所述镀液的组分。本专利技术的另一实施例提供了一种用于执行电化学镀(ECP)工艺的方法，包括：使衬底的表面与包含要沉积的金属的离子的镀液接触；将所述金属电镀在所述衬底的表面上；随着所述电化学镀工艺的进行而原位监测所述镀液中的电镀金属与电解质之间的界面电阻；以及响应于所述界面电阻低于阈值电阻而调节所述镀液的组分，所述阈值电阻与所述衬底上方的金属化层的多条导线中具有最高线端密度的导线的子集相关联。本专利技术的又一实施例提供了一种形成半导体结构的方法，包括：在衬底上方的介电层中形成多个接触开口，所述多个接触开口包括位于所述衬底的第一区域中的多个第一接触开口和位于所述衬底的第二区域中的多个第二接触开口，所述多个第一接触开口在所述多个接触开口中具有最高线端密度；沿着所述多个接触开口的侧壁和底部以及在所述介电层上方形成阻挡层；在所述阻挡层上方形成晶种层；以及执行电化学镀(ECP)工艺以用导电层填充所述多个接触开口，其中，执行所述电化学镀工艺包括：随着所述电化学镀工艺的进行，原位监测镀液中的电镀金属和电解质的界面电阻；以及响应于所述界面电阻低于与所述最高线端密度相关联的阈值电阻而调节所述镀液的组分。附图说明当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本专利技术的各个方面。应该强调，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制并且仅用于说明的目的。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。图1是根据一些实施例的电化学镀(ECP)系统的平面图。图2是根据一些实施例的ECP系统中的ECP单元和传感器的示意图。图3是根据一些实施例的使用ECP系统的方法的流程图。图4是根据一些实施例的用于制造半导体结构的方法的流程图。图5A至图5D是在制造工艺的各个阶段期间的半导体结构的截面图。图6是根据一些实施例的用于控制ECP系统的操作的控制系统的图。具体实施方式以下公开内容提供了许多用于实现本专利技术的不同特征不同的实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实施例或实例以简化本专利技术。当然这些仅是实例而不旨在限制。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本专利技术在各个示例中可以重复参考数字和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等的空间关系术语，以描述如图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间关系术语旨在包括器件在使用或操作工艺中的不同方位。装置可以以其它方式定位(旋转90度或在其它方位)，并且在本文中使用的空间关系描述符可以同样地作相应地解释。铜和铜合金已广泛用于填充半导体衬底上的亚微米、高纵横比的部件。与诸如铝的其他金属相比，铜和铜合金具有较低的电阻率和较高的电迁移电阻。这些特性对于实现更高的电流密度和增大的器件速度至关重要。在制造包括铜的互连结构时，执行镶嵌技术(即，单镶嵌或双镶嵌)，其中首先在半导体衬底上方沉积介电层。然后图案化介电层以在其中形成接触开口，诸如沟槽和/或通孔。接下来，在介电层上方放置阻挡层，以防止随后施加的铜扩散到介电层中，随后进行晶种层的物理或化学气相沉积，以为后续的镀工艺提供导电性。随后用铜或铜合金填充接触开口，然后使用例如化学机械抛光(CMP)工艺平面化该铜或铜合金。在镶嵌工艺中沉积铜是通过电化学镀(ECP)工艺完成的。在电化学镀期间，半导体衬底被电偏置以用作阴极。将具有图案化的介电层的半导体衬底浸入包含铜离子的镀液中。铜离子在晶种层的表面被还原以形成电沉积的铜。ECP工艺将继续进行，直到用铜填充接触开口为止。除了铜盐形式的无机成分外，镀液包含有机添加剂，诸如抑制剂、促进剂和流平剂，以实现所需的沉积性能。有机添加剂的关键功能之一是确保ECP工艺从底部到顶部的方向填充接触开口，以避免形成会降低器件性能和可靠性的针孔或空隙。当以适当的浓度使用时，这些有机添加剂可通过加速接触开口底部的铜沉积并抑制接触开口的上部拐角上的铜沉积来实现无空隙金属填充。电路组件没有均匀地分布在半导体衬底上，因此跨越半导体衬底的金属化层中的金属线的密度不同。例如，在具有相对较高的器件密度的一个芯片区域中，由于较高的器件密度需要大量的电连接而存在密集的金属线，而在具有相对较低的器件密度的另一个芯片区域中，由于较低的器件密度需要较少数量的电连接，金属线的密度也较低。较高密度区域中的金属线具有较高的线端密度，而较低密度区域中的金属线具有较低的线端密度。线端密度会影响ECP工艺期间的金属的间隙填充行为。在镀期间，由于到半导体衬底的总镀电流是固定的，因此较低的线端密度区域中的局部电流密度高于较高的线端密度区域中的局部电流密度。较高的线端密度区域中的相对较低的电流密度导致相对缓慢的自下而上的增长率。当沉积诸如铜的金属时，如果自下而上的生长速度不够快，则趋于在较高的线端密度区域中的接触开口的入口处更容易积聚铜。“积聚”或“悬垂”阻碍了铜沉积的路径，并经常导致在较高的线端密度区域的接触开口中形成空隙。空隙通常会导致金属线的故障，并降低集成电路的可靠性。当电镀铜中的碳和铜的原子比大于5％时，已经观察到良好的(即，无空隙的)金属填充。然而，ECP操作的结果是有机添加剂随时间降解。随着有机添加剂的降解，镀界面处(即镀液中的镀金属与电解质之间的界面处)的电阻趋于降低，这导致铜镀速率的增加。随着镀表面处的电阻增加到一定值，在接触开口具有最高线端密度的区域中开始出现悬垂。然而，在一些方法中，不能实时捕获接触开口的入口处的电镀铜的悬垂。仅在使用ECP工艺处理了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学镀(ECP)系统，包括：/n电化学镀单元，所述电化学镀单元包括用于电化学镀工艺的镀液；/n传感器，配置为随着所述电化学镀工艺的进行而原位测量所述镀液中的镀金属与电解质之间的界面电阻；/n镀液供应系统，与所述电化学镀单元流体连通，并且配置为向所述电化学镀单元供应所述镀液；以及/n控制系统，可操作地耦合到所述电化学镀单元、所述传感器和所述镀液供应系统，所述控制系统配置为：/n将所述界面电阻与阈值电阻进行比较；以及/n响应于所述界面电阻低于所述阈值电阻而调节所述镀液的组分。/n

【技术特征摘要】
20181130 US 62/774,100;20191107 US 16/677,5631.一种电化学镀(ECP)系统，包括：
电化学镀单元，所述电化学镀单元包括用于电化学镀工艺的镀液；
传感器，配置为随着所述电化学镀工艺的进行而原位测量所述镀液中的镀金属与电解质之间的界面电阻；
镀液供应系统，与所述电化学镀单元流体连通，并且配置为向所述电化学镀单元供应所述镀液；以及
控制系统，可操作地耦合到所述电化学镀单元、所述传感器和所述镀液供应系统，所述控制系统配置为：
将所述界面电阻与阈值电阻进行比较；以及
响应于所述界面电阻低于所述阈值电阻而调节所述镀液的组分。


2.根据权利要求1所述的电化学镀系统，其中，所述传感器包括欧姆计或阻抗计。


3.根据权利要求1所述的电化学镀系统，其中，所述传感器包括适于部分地浸入所述镀液中的探针。


4.根据权利要求3所述的电化学镀系统，其中，所述探针包括布线，所述布线包括铜或镀在贵金属上的铜。


5.根据权利要求4所述的电化学镀系统，其中，所述贵金属包括铂、金、钯、铱或钌。


6.根据权利要求1所述的电化学镀系统，其中，所述镀液包括金属盐和有机添加剂，其中，所述控制系统配置为调节所述镀液中的至少一种所述有机添加剂的量。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：粘耀仁，张简旭珂，王廷君，李盈儒，彭郁仁，梁耀祥，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71