用于避免在电沉积中粒子聚集的方法和设备技术

本发明专利技术提出了用于去除在电沉积过程中采用的工件表面影响装置上形成的金属粒子或缩小其尺寸以及限制这些粒子在工件表面影响装置上的形成或生长速率的系统和方法。根据典型方法，工件表面影响装置（４００）偶尔设置成与涂覆有惰性材料的调整衬底接触，反转施加于电沉积系统的偏压。根据另一典型方法，利用机械接触构件例如刷子（２５０）调整工件表面影响装置（４００），例如通过用刷子（２５０）物理刷洗工件表面影响装置（４００）来进行工件表面影响装置（４００）的调整。根据另一典型方法，在电沉积过程中工件表面影响装置（４００）以不同方向旋转。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在电化学机械加工过程中用于从表面去除粒子并避免粒子聚集在表面上的方法和设备。
技术介绍
常规半导体器件一般包括半导体衬底(通常是硅衬底)和多个依次形成的介质中间层(例如二氧化硅)和由导电材料制成的导电路径或互连。通常在刻蚀到介质中间层中的沟槽中填充导电材料，从而形成互连。在集成电路中，互连网络的多个水平面相对于衬底表面横向延伸。可利用通路或接点电连接在不同层中形成的互连。可通过将导电材料沉积在包括这种部件的衬底之上，从而进行这种部件即通路开口、沟槽、焊盘或接点的导电材料填充工艺。由于铜和铜合金优异的电迁移和低电阻率特性，因此近年来它们作为互连材料备受关注。铜沉积的优选方法是电沉积。在制造过程中，在预先顺序涂覆有阻挡层和籽晶层的衬底之上沉积铜。阻挡层涂覆通路、沟槽以及介质层的表面以确保良好的粘接性，并且用作阻挡材料以防止铜经过介质绝缘层扩散到半导体器件中。作为典型，籽晶层形成导电材料基底，用于在随后的铜沉积过程中铜膜的生长。典型的阻挡材料一般包括钨、钽、钛、它们的合金和它们的氮化物。可利用各种方法进行沉积工艺。在将铜沉积在半导体晶片表面上的部件中之后，可采用刻蚀、电抛光(也称作电刻蚀)、电化学机械刻蚀(ECME)或化学机械抛光(CMP)步骤。这些方法除去表面场效应区的导电材料，从而仅在通路、沟槽和其它部件中留下导电材料。在常规电沉积技术中，以敷形的方式在晶片表面上涂覆铜。如图1-3所示，例如当采用常规镀覆技术用铜涂覆晶片表面的双大马士革结构时，产生了相当敷形的膜。图1-3表示在常规工艺中三个可能的阶段。在图1所示的第一阶段中，表示具有宽沟槽11、覆盖有阻挡层13的小通路12和铜籽晶层14的双大马士革结构。当在图2所示第二阶段中电镀铜膜时，铜15迅速填充小通路12，但以敷形的方式涂覆宽沟槽和表面。当继续进行沉积工艺时，在图3所示的第三阶段，宽沟槽也填充有铜，但得到大的台阶“ S”和厚表面铜层“t”。在材料去除步骤中，例如CMP步骤，表面上的厚铜存在昂贵并耗时的问题。可得到薄表面铜的技术担当重任，小或没有“S”台阶是备受关注的，这在图4中例示出。随着对于平面铜层沉积技术的发展，证实了克服常规电沉积技术的各种缺陷的重要性。例如，题为“Method and Apparatus forElectrochemical Mechanical Deposition”并为本申请的受让人所共同拥有的美国专利US6176992一方面描述了电化学机械沉积技术(ECMD)，该技术实现了导电材料向在衬底表面上的空腔中的沉积，并且在沉积导电材料的同时用衬垫抛光场效应区，从而尽可能减少在场效应区上的沉积，由此产生平面铜沉积。在另一方面，此申请描述了从工件的表面去除导电材料的电化学机械刻蚀(ECME)或电刻蚀或电抛光技术。题为“Plating Method and Apparatus that Creates aDifferential Between Additive Disposed on a Top Surface and aCavity Surface of a Workpiece Using an External Influence”并与本专利技术为相同受让人的美国专利申请No.09/740,701一方面描述了通过建立外部影响向衬底电镀导电材料的另一种ECMD方法和设备，例如使工件和掩模间相对运动，从而在工件的顶表面和腔室表面之间存在一段时间的添加剂差别。在保持这种差别的同时，在电极(在此情况是阳极)和衬底之间提供能量，使得腔室表面比顶表面更大程度的相对镀覆。这些ECMD方法能够以平面方式在工件上的腔室部分之中和之上沉积金属。某些方法甚至可以在腔室之中和之上提供具有过量金属的沉积层。在下文中，衬垫、掩模或清理件统称作工件表面影响装置(WSID)，在上述方法中，在至少一部分电沉积工艺过程中，当工件表面和WSID之间存在物理接触时，可以采用WSID。物理接触、抛光或外部影响通过相对于部件有效地减少顶表面上的生长速率而限制了金属的生长。在包含WSID紧接于金属表面(典型与金属表面接触)的工艺步骤中，小颗粒金属可附在WSID材料上。这些粒子存在的原因在于它们可能刚刚从衬底表面物理去除；或者由于镀液过滤性差，它们来自于镀液。一旦导电金属颗粒自身粘附在WSID上的位置，因为它们相对于电极变为阴极性的，所以会开始增长尺寸。此外，由于它们是导电性的，因此它们会被镀覆，由此增长尺寸。ECME方法也采用WSID，在使用这些方法时，WSID同样紧接于工件的金属表面，典型与金属表面相接触。在ECME过程中，逆转施于工件表面和电极之间的电压，使工件表面呈阳极性。由此从工件表面除去材料。如果在这种材料去除步骤中不采用WSID，即，如果在工件表面没有机械作用，该工艺恰好称作电化学刻蚀或抛光。应注意，一般来讲，由于ECMD和ECME工艺都包括电化学加工和机械作用，因此以下将两者都称作电化学机械加工(ECMPR)。除了导电粒子之外，还会有不导电粒子聚集在WSID材料上。不导电粒子可能来自于系统的其它部分，例如由于过滤差而来自镀液，或者由于在加工过程中的磨损而来自于WSID材料自身。在WSID的表面上或其附近存在这种粒子是不希望的，因为如果它们变得不受约束并跑到WSID和工件表面之间的界面，它们会在工件表面上引起刮痕、掺杂或其它缺陷，或者它们会确实引起WSID表面上的刮痕，特别是如果WSID具有非平面的表面轮廓的情况下。因此，在粒子接近于或接触工件表面的平面金属沉积技术中，尤其当粒子处于接触工件表面的WSID上的时候，为了增加产量和所采用的WSID的寿命，消除这些粒子或采用工艺步骤来限制它们的生长是至关重要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是去除在电化学机械加工(ECMPR)过程中所采用的衬垫、掩模、清理件或WSID上形成的粒子或减小这些粒子的尺寸。本专利技术的另一目的是限制在ECMPR过程中所采用的WSID上导电粒子形成或生长的速率。本专利技术的再一个目的是减少工件上的缺陷。通过偶然地构成在ECMPR过程中采用的WSID的条件，以单独或组合的形式在一个实施例中实现了本专利技术的上述目的。在一个实施例中，这包括在有修整衬底的情况下放置WSID，并施以偏压，此偏压将除去WSID上的导电粒子或减少导电粒子的尺寸。在另一个实施例中，利用机械接触构件例如刷子修整WSID，例如通过利用刷子物理地刷WSID，从而进行修整。在另一个实施例中，通过以不同方向旋转在电沉积过程中采用的WSID，或者通过以不同方向连续旋转衬底或工件，从而进行修整。正如以下进一步描述的那样，还可以结合上述和其它实施例。附图说明通过结合附图阅读对优选实施例的详细描述，本专利技术的这些和其它目的、特点和优点更易理解，其中图1-4描述了利用电沉积技术在半导体衬底上的金属电镀过程中的不同加工阶段；图5表示典型电化学机械加工系统的不同部分。图6描述典型的WSID；图7A描述能够根据本专利技术工作的典型WSID上的粒子的聚集；图7B描述在另一典型WSID上粒子的聚集；图7C描述在另外一个典型WSID上粒子的聚集； 图7D表示图7C所示的WSID的截面图；图7E表示在典型WSID的表面上粒子聚集；图7F表示在典型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括调整工件表面影响装置的加工方法，在采用溶液这种工件表面影响装置被用于在工件上进行的至少一种电化学机械加工的至少一部分的过程中，该方法包括：在电化学机械加工中采用溶液在工件上进行操作，在电化学机械加工过程中将工件表面影响装置设 置在所述工件附近一段时间，所述电化学机械加工还引起粒子在工件表面影响装置上的聚集；以及在进行另一电化学机械加工之前调整工件表面影响装置，该调整使得聚集粒子的数量减少或聚集粒子的尺寸减小。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2001-3-30 60/280,524;US 2001-10-17 09/982,5581.一种包括调整工件表面影响装置的加工方法，在采用溶液这种工件表面影响装置被用于在工件上进行的至少一种电化学机械加工的至少一部分的过程中，该方法包括在电化学机械加工中采用溶液在工件上进行操作，在电化学机械加工过程中将工件表面影响装置设置在所述工件附近一段时间，所述电化学机械加工还引起粒子在工件表面影响装置上的聚集；以及在进行另一电化学机械加工之前调整工件表面影响装置，该调整使得聚集粒子的数量减少或聚集粒子的尺寸减小。2.根据权利要求1的方法，进一步包括进行另一电化学机械加工的步骤。3.根据权利要求2的方法，其中此电化学机械加工是第一电化学机械沉积工艺，另一电化学机械加工是第二电化学机械沉积工艺。4.根据权利要求3的方法，其中在工件上进行第一电化学机械沉积工艺，并在与上述工件不同的另一工件上进行第二电化学机械沉积工艺。5.根据权利要求3的方法，其中在此工件上进行第一电化学机械沉积工艺，在此工件上进行第二电化学机械沉积工艺。6.根据权利要求2的方法，其中电化学机械加工是电化学机械沉积工艺，另一电化学机械加工是电化学机械刻蚀工艺。7.根据权利要求6的方法，其中在此工件上进行电化学机械沉积工艺，并在此工件上进行电化学机械刻蚀工艺。8.根据权利要求1的方法，其中电化学机械加工是电化学机械沉积工艺，在调整步骤中减少的粒子是导电粒子，这些导电粒子在电化学机械沉积工艺过程中形成并聚集、并且基本上由电化学机械沉积工艺中沉积的导电材料构成。9.根据权利要求1的方法，其中电化学机械加工是电化学机械刻蚀工艺，在调整步骤中减少的粒子是导电粒子，这些导电粒子在电化学机械刻蚀工艺过程中形成并聚集、并且基本上由电化学机械刻蚀工艺中去除的导电材料构成。10.根据权利要求1的方法，其中在调整步骤中减少的粒子是不导电粒子。11.根据权利要求1的方法，其中调整步骤包括在电极和调整构件之间施加电位差。12.根据权利要求11的方法，其中电化学机械加工是采用与上述电位差相反的另一种电位差的电化学机械沉积工艺，在调整步骤中减少的粒子是导电粒子，这些导电粒子在电化学机械沉积工艺过程中聚集并且基本上由电化学机械沉积工艺沉积的导电材料构成。13.根据权利要求11的方法，其中电化学机械加工是采用与上述电位差具有相同极性的另一电位差的电化学机械刻蚀工艺，在调整步骤中减少的粒子是导电粒子，这些导电粒子在电化学机械刻蚀工艺过程中聚集并且基本上由电化学机械刻蚀工艺去除的导电材料构成。14.根据权利要求11的方法，其中调整步骤进一步包括在工件表面影响装置和调整构件之间建立摩擦机械接触。15.根据权利要求14的方法，其中调整步骤相对于工件表面影响装置旋转调整构件。16.根据权利要求14的方法，其中调整步骤相对于工件表面影响装置在横向上移动调整构件。17.根据权利要求1的方法，其中调整步骤进一步包括在工件表面影响装置和调整构件之间建立摩擦机械接触。18.根据权利要求17的方法，其中调整步骤相对于工件表面影响装置旋转调整构件。19.根据权利要求17的方法，其中调整步骤相对于工件表面影响装置在横向上移动调整构件。20.根据权利要求2的方法，其中此电化学机械加工是多个电化学机械加工，另一电化学机械加工是另外的多个电化学机械加工。21.根据权利要求20的方法，其中多个电化学机械加工包括电化学机械沉积工艺和电化学机械刻蚀工艺。22.根据权利要求21的方法，其中另外的多个电化学机械加工包括另外的电化学机械沉积工艺和另外的电化学机械刻蚀工艺。23.根据权利要求20的方法，其中多个电化学机械加工包括第一电化学机械沉积工艺和电化学机械刻蚀工艺和第二电化学机械沉积工艺。24.根据权利要求23的方法，其中另外的多个电化学机械加工包括另外的第一电化学机械沉积工艺、另外的电化学机械刻蚀工艺和另外的第二电化学机械沉积工艺。25.根据权利要求1的方法，其中在电化学机械加工中采用溶液在工件上进行工作的步骤中，工件表面影响装置接触工件一段时间。26.根据权利要求1的方法，其中在电化学机械加工中采用溶液在工件上进行工作的步骤中，工件表面影响装置没有接触工件一段时间。27.根据权利要求1的方法，其中在工作步骤中，溶液流过在工件表面影响装置中形成的通道，在调整步骤中，减少在通道内形成的粒子。28.根据权利要求1的方法，其中在工作步骤中，溶液流过在工件表面影响装置中形成的通道，在调整步骤中，减少在通道内形成的与电化学机械加工有关的导电粒子。29.根据权利要求1的方法，其中在工作步骤中，溶液流过在工件表面影响装置中形成的通道，在调整步骤中，减少在通道内形成的与电化学机械沉积有关的导电粒子。30.根据权利要求1的方法，进一步包括步骤在完成工作步骤时，去掉接近于工件表面影响装置设置的工件；和使调整构件接近于工件表面影响装置，以便接着进行调整步骤。31.根据权利要求30的方法，其中去掉和取来步骤均采用支架，在工作步骤中支架支撑工件，在调整步骤中支架支撑调整构件。32.根据权利要求31的方法，其中调整步骤包括在电极和调整构件之间施加电位差。33.根据权利要求32的方法，其中电化学机械加工是采用与上述电位差相反的另一种电位差的电化学机械沉积工艺，在调整步骤中减少的粒子是导电粒子，这些导电粒子在电化学机械沉积工艺过程中聚集并且基本上由电化学机械沉积工艺沉积的导电材料构成。34.根据权利要求32的方法，其中电化学机械加工是采用与上述电位差具有相同极性的另一电位差的电化学机械刻蚀工艺，在调整步骤中减少的粒子是导电粒子，这些导电粒子在电化学机械刻蚀工艺过程中聚集并且基本上由电化学机械刻蚀工艺去除的导电材料构成。35.根据权利要求32的方法，其中调整步骤进一步包括在工件表面影响装置和调整构件之间建立摩擦机械接触。36.根据权利要求35的方法，其中建立摩擦机械接触的步骤利用作为部分调整构件的刷子来建立。37.根据权利要求35的方法，其中调整步骤相对于工件表面影响装置旋转调整构件。38.根据权利要求35的方法，其中调整步骤相对于工件表面影响装置在横向上移动调整构件。39.根据权利要求31的方法，其中调整步骤进一步包括在工件表面影响装置和调整构件之间建立摩擦机械接触。40.根据权利要求39的方法，其中调整步骤相对于工件表面影响装置旋转调整构件。41.根据权利要求39的方法，其中调整步骤相对于工件表面影响装置在横向上移动调整构件。42.一种加工设备，该加工设备包括在存在溶液的工件电化学机械加工过程中采用的一个工件表面影响装置上的粒子的去除，该设备包括用于在所述工件上进行电化学机械加工的电化学机械加工系统，它包括一个电极；适于支撑所述工件的一个支架；适于与所述工件电接触的一个端子；以及一个工件表面影响装置，其中所述电化学机械加工系统适于采用溶液在工件上进行操作，在电化学机械加工过程中所述工件表面影响装置被设置在所述工件附近一段时间，所述电化学机械加工还引起粒子在工件表面影响装置上的聚集；以及调整系统，用于调整工件表面影响装置并由此使得聚集粒子的数量减少或使得聚集粒子的尺寸减小。43.根据权利要求42的设备，其中调整系统安装到支架，并适于同时进行工件表面影响装置的调整和工件上的电化学机械加工。44.根据权利要求42的设备，其中调整系统包括上面有多个刷子的调整衬底，多个刷子适于机械接触工件表面影响装置。45.根据权利要求44的设备，其中在从支架去掉工件时将调整衬底安装到支架上。46.根据权利要求42的设备，其中调整系统包括在溶液中不会阳极化的调整导体层，调整导体层适于电连接到使聚集粒子的数量减少或使聚集粒子的尺寸减小的电位差。47.根据权利要求46的设备，其中在从支架去掉工件时将调整导体层固定到支架。48.根据权利要求42的设备，其中调整系统和电化学机械加工系统位于竖直构成的腔室系统的下腔室中，竖直构成的腔室系统还包括上腔室和可移动挡板，上腔室包括清洁工件的清洁系统，可移动挡板适于在采用上腔室时将下腔室与上腔室隔开。49.根据权利要求48的设备，其中调整系统包括安装到调整衬底的多个刷子和刷子移动组件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：布兰特M拜索，赛普利安乌左赫，胡马云塔里耶赫，
申请(专利权)人：纳托尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]