專利名稱：用于受限區(qū)域平坦化的設(shè)備和方法
用于受限區(qū)域平坦化的設(shè)備和方法本申請是申請?zhí)枮?00780019913. 6，申請日為2007年3月27日，發(fā)明名稱為“用 于受限區(qū)域平坦化的設(shè)備和方法”的申請的分案申請。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件(如集成電路、存儲單元等)的制造中，執(zhí)行一系列制造操作以在該半導(dǎo)體晶片上形成特征。這些半導(dǎo)體晶片包括具有形成在硅基片上多層結(jié)構(gòu)形式的集成電路 器件。在基片層，形成具有擴散區(qū)的晶體管器件。在后續(xù)的層中，將互連金屬線圖案化并且 電連接到該晶體管器件，以形成所需的集成電路器件。并且，圖案化的導(dǎo)電層由介電材料與 其他導(dǎo)電層絕緣。在導(dǎo)電互連制造過程中，在晶片上沉積金屬層。所沉積的金屬將比較大的區(qū)域 (如溝槽區(qū)域)更快地填充該晶片上較小的特征(如亞微米特征)中間的區(qū)域。因為這 些較小的特征跨越相對較大的晶片區(qū)域，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到這些較大的晶片區(qū)域具有增大的地勢 (topography) 0這些增大地勢區(qū)域需要連同這些減小地勢區(qū)域的平坦化而平坦化。同時發(fā) 生的晶片的增大和減小地勢區(qū)域的平坦化提出挑戰(zhàn)。例如，為了實現(xiàn)晶片這些增大地勢區(qū) 域的平坦化，可能需要延長的過拋光時間。然而，晶片這些減小地勢區(qū)域暴露于延長的過拋 光時間會導(dǎo)致這些減小地勢區(qū)域過多的材料去除，例如，會不希望地暴露和/或損壞沉積 的金屬下面的阻擋層。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施方式中，公開一種用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的臨近頭。該臨 近頭包括限定為保持電解液的室。陰極設(shè)置在該室內(nèi)并暴露于該電解液。陽離子交換隔膜 設(shè)在該室的下部開口上，從而該陽離子交換隔膜的頂部表面直接暴露于保持在該室內(nèi)的電 解液。該臨近頭還包括流體供應(yīng)通道，限定為驅(qū)除流體到鄰近該陽離子交換隔膜下部表面 的位置。另外，真空通道限定為在鄰近該陽離子交換隔膜下部表面的位置提供吸力，從而使 從該流體供應(yīng)通道驅(qū)除的流體流過該陽離子交換隔膜的下部表面。在另一實施方式中，公開一種用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的方法。該方法 包括操作，用于將臨近頭設(shè)在半導(dǎo)體晶片頂部表面上方并且鄰近該表面，從而該臨近頭的 陽離子交換隔膜面對該半導(dǎo)體晶片的頂部表面。該方法還包括操作，用于將電解液設(shè)在該 陽離子交換隔膜的頂部表面和陰極之間。該方法進一步包括在該陽離子交換隔膜底部表面 和該半導(dǎo)體晶片的頂部表面之間流動去離子水。然后，將偏置電壓施加在該半導(dǎo)體晶片的 頂部表面和該陰極之間，從而從該半導(dǎo)體晶片的頂部表面釋放的陽離子受到影響而穿過該 去離子水、該陽離子交換隔膜和該電解液到達該陰極。在另一實施方式中，公開一種用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的臨近頭。該臨 近頭包括室，限定為保持電解液。陰極設(shè)在該室內(nèi)并暴露于該電解液。陽離子交換隔膜設(shè) 在該室的下部開口上并且直接暴露于保持在該室內(nèi)的電解液。該臨近頭進一步包括流體供 應(yīng)通道，限定為驅(qū)除流體到鄰近該陽離子交換隔膜下部表面的位置。以及，真空通道限定為在鄰近該陽離子交換隔膜下部表面的位置提供吸力，從而使從該流體供應(yīng)通道驅(qū)除的流體 流過該陽離子交換隔膜的下部表面。另外，電流測量裝置，連接以測量流過該陽離子交換隔 膜的電流。該測得的電流使得能夠檢測平坦化終點。在另一實施方式中，公開一種檢測受限區(qū)域平坦化工藝中平坦化終點的方法。該 方法包括操作，用于將臨近頭設(shè)在半導(dǎo)體晶片頂部表面上方并且鄰近該表面，從而該臨近 頭的陽離子交換隔膜面對該半導(dǎo)體晶片的頂部表面。該方法還包括操作，用于將電解液設(shè) 在該陽離子交換隔膜的頂部表面和陰極之間。該方法進一步包括在該陽離子交換隔膜底部 表面和該半導(dǎo)體晶片的頂部表面之間流動去離子水。然后，將偏置電壓施加在該半導(dǎo)體晶 片的頂部表面和該陰極之間，從而從該半導(dǎo)體晶片的頂部表面釋放的陽離子受到影響而穿 過該去離子水、該陽離子交換隔膜和該電解液到達該陰極。該方法進一步包括操作，用于監(jiān) 測通過該陽離子交換隔膜的電流 量以檢測平坦化工藝的終點。該平坦化工藝的終點發(fā)生在 觀察到監(jiān)測電流量穩(wěn)定的時候。在另一實施方式中，公開一種用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的臨近頭。該臨 近頭包括室，限定為保持電解液。陰極設(shè)在該室內(nèi)并暴露于該電解液。陽離子交換隔膜設(shè) 在該室的下部開口上，從而該陽離子交換隔膜的頂部表面直接暴露于保持在該室內(nèi)的電解 液。該臨近頭還包括流體供應(yīng)通道，限定為驅(qū)除流體到鄰近該陽離子交換隔膜下部表面的 位置。使從該流體供應(yīng)通道驅(qū)除的流體流過該陽離子交換隔膜的下部表面。本發(fā)明的這些和其他特征將在下面結(jié)合附圖、作為本發(fā)明示例說明的具體描述中 變得更加明顯。


圖1是說明其上沉積了銅層的基片的簡化示意圖；圖2A是按照本發(fā)明一個實施方式、示出設(shè)在待平坦化的晶片上方并且臨近該晶 片的臨近頭的縱剖圖的圖解；圖2B是按照本發(fā)明一個實施方式、示出圖2A的臨近頭的橫剖圖；圖2C是按照本發(fā)明一個實施方式、示出臨近頭外形視圖的圖解；圖2D是按照本發(fā)明一個實施方式、示出能使晶片受限區(qū)域平坦化的臨近頭電拋 光功能的圖解；圖2E是按照本發(fā)明一個實施方式、示出沒有結(jié)合真空通道的臨近頭的圖解；圖3A-3C是按照本發(fā)明一個實施方式、示出受限區(qū)域平坦化工藝期間晶片在臨近 頭下方移動的一系列圖解；圖4是按照本發(fā)明一個實施方式、示出受限區(qū)域平坦化工藝期間、晶片和陰極之 間的電流作為時間的函數(shù)的圖表的圖解；圖5是按照本發(fā)明一個實施方式、示出用于半導(dǎo)體晶片受限區(qū)域平坦化的方法的 流程圖的圖解。
具體實施例方式在下面的描述中，闡述許多具體細(xì)節(jié)以提供對本發(fā)明的徹底理解。然而，對于本領(lǐng) 域技術(shù)人員，顯然，本發(fā)明可不利用這些具體細(xì)節(jié)的一些或者全部而實施。在有的情況下，公知的工藝步驟和/或結(jié)構(gòu)沒有說明，以避免不必要的混淆本發(fā)明。在半導(dǎo)體晶片(“晶片”)上銅互連制造過程中，可以使用電鍍工藝將銅層沉積在 種子/阻擋層上。電鍍液中的成分為亞微米特征的恰當(dāng)填充做準(zhǔn)備。然而，這些亞微米特 征傾向于比大塊區(qū)域和較大的溝槽區(qū)域(即，大于1微米)鍍得快。這些亞微米區(qū)域通常 建立在大的存儲陣列中，如靜態(tài)隨機訪問存儲器(SRAM)，并且可以跨越晶片大的區(qū)域。應(yīng)當(dāng) 認(rèn)識到，這導(dǎo)致晶片這些大的區(qū)域除了大的溝槽區(qū)域需要平坦化之外還有額外的地勢需要 平坦化的。圖1是說明其上沉積了銅層的基片的簡化示意圖。使用電鍍工藝將銅層103沉積 在設(shè)置晶片101之上的種子/阻擋層上(為了清楚而未示)。如之前提到的，電鍍液中的 成分為亞微米特征上的良好填充做準(zhǔn)備，如區(qū)域105中的亞微米溝槽，但是這些特征傾向 于比大塊區(qū)域(bulk area)和溝槽區(qū)域107和109鍍得更快。該基片地勢中的高區(qū)域或 “臺階”(由區(qū)域111說明)形成在該亞微米溝槽區(qū)域105之上。這些臺階也稱作“超填充 (superfill) ”區(qū)域。該超填充區(qū)域111是由比場效應(yīng)區(qū)域108和溝槽區(qū)域107和109更厚 的銅膜形成的。該超填充區(qū)域111必須連同該場效應(yīng)區(qū)域108和溝槽區(qū)域107和109上的 地勢平坦化。目前的平坦化技術(shù)并不適于以有效地方式控制該超填充地勢，S卩，平坦化技術(shù)對 于圖案密度和電路布圖敏感。更具體地，化學(xué)機械平坦化(CMP)工藝往往必須根據(jù)進入的 晶片屬性進行調(diào)節(jié)。所以，為了適應(yīng)晶片批次(lots)之間的變化，要對該CMP工藝(如改 變步驟時間、過拋光時間或終點算法)做出變化。以及，要對該CMP工藝做這樣的改變以適 應(yīng)在混合產(chǎn)品生產(chǎn)線的晶片上所遇到的不同的圖案密度和電路布圖。當(dāng)試圖在超填充區(qū)域的地勢上執(zhí)行單個的CMP工藝時，在執(zhí)行過拋光以從該超填 充區(qū)域111完全去除殘余的銅時，過多的凹陷和腐蝕會發(fā)生在溝槽區(qū)域107和109。另外， 不僅要求該CMP工藝要去除該超填充區(qū)域111內(nèi)過多的銅，還要求該CMP工藝以沿著該晶 片等高線的方式進行這個去除。該晶片的等高線是由該晶片的硅基片中本身的波紋導(dǎo)致 的。該波紋通常是總的厚度變化在0.2微米到0.5微米量級。目前的CMP工藝不能適當(dāng)?shù)?處理超填充區(qū)域地勢和晶片等高線，而同時有效地平坦化該溝槽和場效應(yīng)區(qū)域中的其他地 勢。此外，該CMP工藝廢水(通常是包含銅和固體廢料的酸性或堿性化學(xué)制劑)的耗材和 廢料處理的費用高。本發(fā)明提供用于使用電鍍平坦化執(zhí)行晶片的受限區(qū)域平坦化(CAP)的設(shè)備和方 法，在廢料流中由最少的化學(xué)廢水。更具體地，臨近頭用來與待平坦化的晶片建立閉環(huán)陰極 半電池(半電池)關(guān)系。圖2A是按照本發(fā)明一個實施方式、示出待平坦化的晶片223上方 并且鄰近該晶片的臨近頭200的縱剖圖的圖解。該臨近頭200結(jié)構(gòu)包括電解室結(jié)構(gòu)215和 外圍結(jié)構(gòu)217。形成該電解室結(jié)構(gòu)215以保持其中的電解液211。在各種不同的實施方式 中，該電解液211可以是靜止的或循環(huán)的。去離子水供應(yīng)通道227形成在是該電解室結(jié)構(gòu) 215相對的內(nèi)部之間并且靠近該臨近頭200的中心。真空通道225形成在該電解室結(jié)構(gòu)215 的外部和該外圍結(jié)構(gòu)217之間。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，該電解室結(jié)構(gòu)215和外圍結(jié)構(gòu)217可以有實 際上任何具有足夠機械強度以及對接觸材料足夠的化學(xué)穩(wěn)定性的材料形成。圖2B是按照本發(fā)明一個實施方式、示出圖2A的該臨近頭200的橫剖圖的圖解。 該電解室結(jié)構(gòu)215示為具有環(huán)形外形，該去離子水供應(yīng)通道227形成在環(huán)形外形電解室結(jié)構(gòu)215的中間。該外圍結(jié)構(gòu)217形成為以隔開的關(guān)系圍繞該電解室結(jié)構(gòu)215。所以，該外圍結(jié)構(gòu)217也是環(huán)形外形。如所示，該真空通道225形成在該電解室結(jié)構(gòu)215和該外圍結(jié)構(gòu) 217。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，該真空通道225圍繞該電解室結(jié)構(gòu)215的周界。根據(jù)圖2A，該電鍍室215的底部是由單向陽離子交換隔膜221形成。該隔膜221 起到將該電解液211包含在該電鍍室215內(nèi)的作用。在一個實施方式中，該隔膜221限定為 具有大約0. 050英寸的厚度。在運行中，通過該去離子水供應(yīng)通道227提供去離子水209， 如箭頭201標(biāo)示的。供應(yīng)的去離子水209在該臨近頭200和該晶片223之間、流過該隔膜 221，并且向上通過該真空通道225，如箭頭205標(biāo)示的。在一個實施方式中，該隔膜221限 定為具有在大約0.25英寸到大約2英寸范圍內(nèi)的寬度。該隔膜221的寬度對應(yīng)該去離子 水從該供應(yīng)通道227到到達該真空通道225流過的線性距離。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，基本上全部量 的去離子水209通過該真空通道225返回，因此在該臨近頭200和該晶片223之間形成去 離子水209彎液面。去離子水彎液面的外緣是由彎液面邊界219形成。陰極213設(shè)置在該電鍍室215內(nèi)。該陰極213電連接到偏置電壓源207。該晶片 223暴露于該去離子水209的表面代表陽極，并且電連接到偏置電壓源208。該晶片(陽 極)保持在相對于該陰極213正的偏置電壓。因此，正電子將被從該晶片223向該陰極213 吸引。在一個實施方式中，該晶片223和該陰極213之間的偏置電壓保持在從大約IOV到 大約25V的范圍內(nèi)。圖2C是按照本發(fā)明一個實施方式、示出該臨近頭200外形視圖的圖解。該臨近頭 200具有由長維度(LD)和短維度(SD)限定的矩形外形。因此，該臨近頭200和該晶片223 之間的去離子水209的彎液面限定為具有基本上矩形的外形。在一個實施方式中，該該臨 近頭200的長維度(LD)超出該晶片223的直徑，以及該短維度(SD)小于該晶片223的直 徑。所以，一旦該臨近頭200在該短維度(SD)的方向在該晶片223上方完全移動并且鄰近 該晶片上表面，該晶片整個上表面將在該臨近頭200下方暴露于去離子水彎液面。盡管在這里該臨近頭200描述為具有環(huán)形外形的電解室結(jié)構(gòu)215和對應(yīng)環(huán)形外形 的真空通道225，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，該臨近頭200的其他實施方式可包括其他幾何構(gòu)造的該電鍍 室215和真空通道225。然而，不管該臨近頭200的具體幾何構(gòu)造，應(yīng)當(dāng)理解，應(yīng)當(dāng)控制該去 離子水以在該臨近頭200和晶片223之間建立的彎液面內(nèi)流過隔膜221。在一個實施方式 中該去離子水209以大約100mL/min到大約2000mL/min范圍內(nèi)的速率在該隔膜221和該 晶片223之間流動。圖2D是按照本發(fā)明一個實施方式、圖解示出能使該晶片223受限區(qū)域平坦化的臨 近頭200電拋光功能。該隔膜221限定為包括形成陽離子能夠通過的通道網(wǎng)的功能基的聚 合物基(matrix)。在一個實施方式中，該隔膜221是由包括硫酸功能基的特富龍堿(base) 形成。通常，該隔膜221對于晶片并不是滲透的。然而，可以與陽離子一起“拖著”水分子 通過這些功能基的網(wǎng)。該隔膜221允許陽離子通過功能基的網(wǎng)，同時阻止陰離子通過功能 基的網(wǎng)。因此，該隔膜221是單向陽離子交換隔膜。在適當(dāng)?shù)钠秒妷旱挠绊懴?，陽離子將容易移動通過該隔膜221。所以，該隔膜 221適合用在從該晶片223去除金屬(例如銅)的電鍍平坦化工藝中。具體地，可使金屬陽 離子(例如Cu++陽離子)從該晶片223(即，陽極)在施加在該晶片223和該陰極213之間 的偏置電壓影響下移動到該陰極213。如圖2D所示，該隔膜221通過該去離子水209與該晶片223分開。因此，該去離子水209提供用于該金屬陽離子(例如Cu++陽離子)從該晶 片223到該隔膜221傳輸?shù)慕橘|(zhì)。在到達該隔膜221時，該金屬陽離子可穿過功能基的網(wǎng) 而到達該電解液211。在到達該電解液211時，該金屬陽離子將行進到該陰極213和并且鍍 在該陰極213上。除了提供陽離子交換路徑的網(wǎng)，該隔膜221內(nèi)的這些功能基(例如，該硫酸基)還 用作調(diào)節(jié)該隔膜221附近該去離子水209的pH。受到該隔膜221pH影響的去離子水209的 區(qū)域代表關(guān)鍵邊界層233，如圖2D中虛線所標(biāo)示。當(dāng)該金屬化地勢229暴露于該關(guān)鍵邊界 層233時，該關(guān)鍵邊界層233內(nèi)的去離子水209的pH受到該隔膜221這些功能基充分地影 響以能夠蝕刻該晶片223的頂部表面上的金屬化地勢229。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，由該隔膜221施加 在該關(guān)鍵邊界層233內(nèi)去離子水209上的pH影響在距離該隔膜221—定距離內(nèi)下降。所 以，在該關(guān)鍵邊界層233靠近該隔膜221的部分內(nèi)蝕刻反應(yīng)將以更快的速率發(fā)生。在施加在該陰極213和該陽極(即，該晶片223表面上的金屬化地勢)之間的 偏 置電壓的影響下，在該關(guān)鍵邊界層233內(nèi)的蝕刻反應(yīng)中釋放的金屬陽離子(如Cu++)將結(jié)合 2-3個水分子，被引導(dǎo)通過該隔膜221和并且鍍在該陰極213。因此，該晶片223的金屬化 地勢229暴露于該隔膜221下層的該關(guān)鍵邊界層將使該金屬化地勢229能夠平坦化。隨著 該晶片223在該臨近頭200及其隔膜221下方橫向移動，該晶片223表面上的較高地勢特 征將靠近該隔膜221，并因此將以相對于該晶片223的表面上較低地勢特征更高的速率蝕 亥IJ。因此，該晶片223的表面上較高地勢特征的更快速蝕刻使得該晶片223的該金屬化地 勢229能夠以自上而下的方式平坦化。為了使該金屬化地勢229能夠暴露于該關(guān)鍵邊界層233，需要將該隔膜221帶到足 夠靠近該晶片223。然而，如果使該隔膜過于靠近該晶片223，該隔膜會被吸引到晶片223 并且附著到該晶片223。該隔膜221和該晶片223之間的直接接觸是不希望的，因為該隔膜 221的這些功能基(例如，硫酸基)會過快地從該晶片223蝕刻該金屬，導(dǎo)致該接觸區(qū)域脫 水和該隔膜吸到該基片，產(chǎn)生對該晶片223的損壞。另外，該隔膜221和該晶片223之間的 物理接觸會物理損壞該隔膜221和/或晶片223。為了確保該隔膜221不會附著到該晶片 223，該隔膜221和該晶片223之間必須保持一個最小距離(Dmin)。與保持該隔膜221和該晶片223之間最小距離(Dmin)的需要結(jié)合，還必需將該晶片 223的表面暴露于該關(guān)鍵邊界層233。平坦化該晶片223所要求的該關(guān)鍵邊界層233厚度可 以在十或百微米的量級。將該臨近頭200和該晶片223之間的物理間隔控制到零點幾個微 米是完全不可行的。另外，因為蝕刻速率隨著該隔膜221靠近該晶片223而增加，還必需控 制隔膜221和該晶片223之間間隔距離的均勻性。因此，該隔膜221和該晶片223之間的間 隔距離必需可適應(yīng)整個該晶片223的等高線變化，并且優(yōu)選地自我限制(self-limiting)。盡管有關(guān)于控制該臨近頭200和該晶片223之間物理間隔的限制，該隔膜221的 機械特性能使該晶片223以基本上均勻的方式暴露于關(guān)鍵邊界層233。更具體地，該臨近 頭200可以設(shè)置為足夠靠近該晶片223到這種程度，即該隔膜221朝向該晶片223的撓曲 將使得該晶片223能暴露于該關(guān)鍵邊界層233，而不允許該隔膜221接觸到晶片223。該電 解液211的壓力(P)與該去離子水209在該隔膜221上流過導(dǎo)致的伯努利效應(yīng)相結(jié)合能夠 導(dǎo)致該隔膜朝向該晶片223撓曲一段距離(d)。該臨近頭200能夠?qū)⒃摳裟?21和該晶片223之間的該去離子水209彎液面保持在基本上固定的厚度。在一個實施方式中，該臨近頭200和該晶片223之間的物理間隔控制在從大約是0. 5mm到大約2mm的范圍內(nèi)。如之前所討論的，該去離子水209是從靠近該 臨近頭200中間的供應(yīng)通道227傳送并且流過該隔膜221至靠近該臨近頭200外緣的真空 通道225。由去離子水209流過該隔膜221導(dǎo)致的伯努利效應(yīng)導(dǎo)致該隔膜221朝向該晶片 223撓曲。由去離子水209流動導(dǎo)致的隔膜221撓曲的量取決于該去離子水的流動速率。 因此，該去離子水209的流動速率可用來控制隔膜221撓曲距離(d)。該電解液211壓力 (P)也可以影響該隔膜221撓曲距離⑷。按照前面所述，該臨近頭200和該晶片223之間的物理間隔可以相對于該關(guān)鍵邊 界層233厚度不精確的方式控制。那么，該電解液211壓力(P)和去離子水209流動速率 可以調(diào)節(jié)以提供對該隔膜221撓曲距離(d)的精細(xì)控制，從而精細(xì)地控制該隔膜221和該 晶片223之間的間隔距離。在一個實施方式中，該電解液211壓力(P)保持在從大約Opsig 到大約IOpsig的范圍內(nèi)?？梢韵胂蟮氖蔷?23內(nèi)固有的該等高線(即波紋)或超過該關(guān)鍵邊界層233厚 度。然而，該隔膜221的撓曲能力使得該隔膜221能順應(yīng)該晶片223的等高線，從而在該隔 膜221和該晶片223之間保持均勻的間隔距離。換句話說，該隔膜221的撓曲性與由該電 解液211壓力(P)和該去離子水209流動速率提供的控制相結(jié)合，使得該隔膜221能夠在 該臨近頭200和晶片223相對彼此移動時沿著該晶片223的等高線。圖3A-3C按照本發(fā)明一個實施方式、示出在該受限區(qū)域平坦化工藝期間該晶片 223在該臨近頭200下方橫向移動的一系列圖解。因此，圖3A-3C的實施方式將該臨近頭 200描述為靜止而該晶片223在該臨近頭200的下方在方向301橫向移動。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn) 識到，本發(fā)明并不限于具有靜止的臨近頭200和移動的晶片223。在另一實施方式中，該晶 片223可以是靜止的以及和該臨近頭200可以移動。在又一個實施方式中，該晶片223和 該臨近頭200都可以相對彼此移動。關(guān)于圖3A-3C，應(yīng)當(dāng)注意該地勢特征303是在被該隔膜221下方的關(guān)鍵邊界層233 占據(jù)的水平內(nèi)。圖3A表示該臨近頭200恰好在該地勢特征303橫向移動通過該關(guān)鍵邊界 層233之前的位置。圖3B表示該地勢特征303在該隔膜221下方的關(guān)鍵邊界層233內(nèi)的 臨近頭200位置。圖3C表示恰好在該地勢特征303橫向移動通過該關(guān)鍵邊界層233之后 的該臨近頭200位置，從而平坦化該地勢特征303。當(dāng)該金屬陽離子在該偏置電壓231/207的影響下從該地勢特征303穿過該隔膜 221到達該陰極213時，該閉環(huán)陰極半電池(形成在該晶片223表面的該金屬化地勢229 和該電解211內(nèi)的陰極213之間)起到鍍金屬陽離子(例如，Cu++)的作用。該晶片223和 該隔膜221之間的距離由該去離子水209流動速率和電解液211壓力(P)來控制。該晶片 223相對于該臨近頭200的相對速度設(shè)為提供所需要的平坦化量。更具體地，該地勢特征 303暴露于該關(guān)鍵邊界層的持續(xù)時間與該蝕刻速率相結(jié)合確定該地勢特征303在該臨近頭 200下方的橫向移動(即，通過該關(guān)鍵邊界層233)過程中有多少被去除。該蝕刻速率是該 關(guān)鍵邊界層233內(nèi)該去離子水的pH和所施加的偏置電壓231/207的函數(shù)。應(yīng)當(dāng)理解該關(guān)鍵 邊界層233內(nèi)去離子水的pH是由該隔膜221的組份(即，由該隔膜221內(nèi)的這些功能基) 確定的。該晶片223在該臨近頭200下橫向移動過程中，該晶片223頂部表面的金屬化地勢229電連接到一個或多個電極。在一個實施方式中，兩個電極用來接觸該晶片223頂部表面上的金屬化地勢229。這兩個電極的每個限定為可移動以與該晶片223電連接以及斷 開。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到這兩個電極移動以與該晶片223連接和斷開可以許多方式進行。例如，在 一個實施方式中，這兩個電極可以在與該晶片223對齊的平面中線性運動。在另一實施方 式中，這兩個電極具有足夠細(xì)長的外形以及在與該晶片223共面布置中定位，以及可以轉(zhuǎn) 動的方式接觸該晶片223。還應(yīng)當(dāng)那個認(rèn)識到，這兩個電極的外形可以許多方式形成。例如，在一個實施方式 中，這兩個電極可以是基本上矩形外形。在另一實施方式中，這兩個電極的每個可具有晶片 接觸邊緣，限定為沿著該晶片223外圍彎曲。在又一個實施方式中，這兩個電極可以是C形 的。應(yīng)當(dāng)理解本實施方式的這兩個電極是可獨立控制的。在本實施方式中，使該晶片223在該臨近頭200下方橫向移動從而該臨近頭200 的該長維度(LD)基本上垂直于這兩個電極之間延伸的虛擬線。隨著該晶片223在該臨近頭 200下方移動，控制離臨近頭200較遠(yuǎn)的電極以電連接到該晶片223頂部表面上的金屬化地 勢229。并且，隨著該晶片223在該臨近頭200下方移動，控制離該臨近頭200較近的電極 以與該晶片223頂部表面上的金屬化地勢229電斷開。這兩個電極以上面描述的方式連接 到該晶片223能使該晶片223暴露于該關(guān)鍵邊界層233的部分上的電流分布得到優(yōu)化。另 夕卜，這兩個電極以上面描述的方式連接到該晶片223使每個電極在去離子水209彎液面在 該晶片223上方橫向移動時能夠與該晶片斷開。盡管本發(fā)明按照使用單個臨近頭200來描述，應(yīng)當(dāng)理解其他實施方式可使用多個 臨近頭200。例如，如果需要增加該晶片223在該臨近頭200下方的橫向移動速率，可以背 靠背設(shè)置多個臨近頭200以能夠充分平坦化。另外，另一個用來執(zhí)行沖洗和干燥操作的臨 近頭可跟著該臨近頭200。此外，在一個實施方式中，由本發(fā)明的臨近頭200提供的受限區(qū) 域平坦化可用來獲得保留在晶片223上的均勻的(平坦的)金屬層(例如Cu)。在一些實 施方式中，這個均勻的層可以在1000埃到2000埃量級厚。其上具有均勻金屬層的晶片223 可以通過單獨的最終蝕刻工藝來處理以清除剩余金屬所需的厚度。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，由本發(fā)明的臨近頭200提供的受限區(qū)域平坦化工藝不需要在該晶片 223上施加機械壓力/應(yīng)力，而這是傳統(tǒng)的化學(xué)機械平坦化(CMP)工藝中常用的。另外，應(yīng) 當(dāng)認(rèn)識到，本發(fā)明中該臨近頭200的隔膜221和該晶片223之間的間隔距離并不依賴于該 隔膜221和該晶片223之間的相對速度。而是，本發(fā)明中該隔膜221和該晶片223之間的 間隔距離是由該隔膜221和該晶片223之間去離子水209的流動速度以及該隔膜221后面 的該電解液211壓力(P)來控制。因此該邊界層通常獨立于該頭-晶片相對速度而形成和 保持，以及之后去除速率可獨立于邊界層厚度控制由頭相對該晶片的停留時間控制。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，該邊界層可通過迫使水通過該隔膜而形成，而不使用真空返回管來 去除水(即，可以淹沒該晶片而溢流收集在該處理室的排水管中)。圖2E是按照本發(fā)明一 個實施方式、示出沒有結(jié)合真空通道的臨近頭200A的圖解。之前關(guān)于圖2A描述的臨近頭 200特征也包含在圖2E的臨近頭200A中，除了真空返回通道225。在圖2E的實施方式中， 該去離子水209流過該隔膜221以及該晶片223，并且最終離開該晶片223邊緣到達收集裝 置。在該受限區(qū)域平坦化工藝期間，如上面關(guān)于該臨近頭200所描述的，陽離子從該晶片223到陰極213的流動產(chǎn)生可測量的電流。因此，這個電流從該晶片223(陽極)流到 該陰極213。電流測量裝置可連接在該晶片223和該陰極213之間以測量從該晶片223到 該陰極213的電流。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，從該晶片223到陰極213的電流是該關(guān)鍵邊界層233和 該晶片223表面的金屬化地勢229之間有效接觸面積的函數(shù)。該有效接觸面積表示該金屬 化地勢229在該關(guān)鍵邊界層233內(nèi)的面積。因此，該有效接觸面積表述可從其上去除金屬 陽離子(例如Cu++)的該金屬化地勢229的面積。隨著去除該金屬化地勢229的較高部分，即平坦化，在該受限區(qū)域平坦化工藝期 間，該有效接觸面積增加，即該晶片在該關(guān)鍵邊界層233內(nèi)的晶片表面區(qū)域?qū)⒃黾印Ｋ裕?隨著去除該金屬化地勢229的較高部分，該晶片223和該陰極213之間的金屬陽離子流將 增加。這個增加的金屬陽離子流表示從該晶片223流到陰極213的電流增加。最終，當(dāng)該晶 片變得平坦，該有效接觸面積變成基本上恒定。當(dāng)該有效接觸面積變成基本上恒定，從該晶 片223到陰極213的金屬陽離子流變成基本上恒定，S卩，該晶片表面的每個部分對金屬陽離 子流具有同等的貢獻。所以，當(dāng)該有效接觸面積變成基本上恒定，該晶片223和該陰極213 之間的電流變成基本上恒定。因此，該晶片223和該陰極213的電流趨平象征該晶片22 3 被平坦化。因此，可以監(jiān)視該晶片223和該陰極213的電流以確定該平坦化工藝的終點。圖4是按照本發(fā)明一個實施方式、示出在該受限區(qū)域平坦化工藝期間作為時間函 數(shù)的該晶片223和該陰極213電流的圖解。為了易于討論，該晶片223和該陰極213之間 流動的電流將被稱為“電流”。從該受限區(qū)域平坦化工藝開始，電流隨著該晶片被平坦化而 穩(wěn)定增加。如上面所討論的，電流的穩(wěn)定增加是由于隨著該金屬化地勢229的較高部分變 得平坦，更多的金屬化地勢229暴露于該關(guān)鍵邊界層233所導(dǎo)致的。隨著該金屬化地勢229接近平坦?fàn)顟B(tài)，該電流開始趨平。當(dāng)該晶片223變成基本 上平的，該晶片表面的每個部分將以基本上同等的方式暴露于該關(guān)鍵邊界層233。因此，當(dāng) 該晶片223變成基本上平的，該電流將趨平，如圖4曲線上的位置401所示。該位置401表 示該受限區(qū)域平坦化工藝的終點。如果該受限區(qū)域平坦化工藝?yán)^續(xù)而超過對應(yīng)位置401的 時間，該電流將保持基本上平的。然而，最終，將從該晶片223去除足夠的金屬從而之前存 在的金屬化地勢229下方的非導(dǎo)電層將暴露出來。當(dāng)暴露出非導(dǎo)電層時，該電流將下降， 如圖4曲線上的位置403所示。因此，該位置403表示該受限區(qū)域平坦化工藝的突破點 (breakthrough point)0在一個實施方式中，該受限區(qū)域平坦化工藝可以持續(xù)到到達該突破點。然而，在另 一實施方式中，該受限區(qū)域平坦化工藝可以持續(xù)到到達該平坦化終點。因為以自上而下的 方式去除該金屬化地勢229，通常期望當(dāng)?shù)竭_該平坦化終點時，在該晶片表面上保留平坦化 的金屬層。當(dāng)?shù)竭_該受限區(qū)域平坦化工藝的平坦化終點時，該晶片223會經(jīng)受到單獨的最 終蝕刻工藝，例如，濕清潔蝕刻工藝或等離子回蝕刻工藝，以均勻地去除該晶片表面上存在 的剩余金屬所要求的厚度。圖5是按照本發(fā)明一個實施方式、示出用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的方法 的流程圖的圖解。應(yīng)當(dāng)理解圖5的方法傾向于使用關(guān)于圖2A-4描述的該臨近頭200來執(zhí) 行。該方法包括操作501，用于將臨近頭設(shè)置半導(dǎo)體晶片的頂部表面上方并且鄰近該表面， 從而陽離子交換隔膜面對該半導(dǎo)體晶片的頂部表面。在操作503，將電解液設(shè)置在該陽離子 交換隔膜的頂部表面和陰極之間。執(zhí)行操作505以在該陽離子交換隔膜的底部表面和該半導(dǎo)體晶片的頂部表面之間流動去離子水。該方法進一步包括操作507，用于在該半導(dǎo)體晶片 的頂部表面和該陰極之間施加偏置電壓，從而該半導(dǎo)體晶片的頂部表面釋放出的陽離子受 到影響而穿過該去離子水、該陽離子交換隔膜以及穿過該電解液到達該陰極。在一個實施方式中，該去離子水的流 動速率是可控的從而該陽離子交換隔膜在伯 努利力的作用下朝向該半導(dǎo)體晶片的頂部表面撓曲而不接觸該半導(dǎo)體晶片的頂部表面。該 陽離子交換隔膜的撓曲導(dǎo)致該去離子水的PH改變區(qū)域靠近該陽離子交換隔膜的底部表面 (即，該上述關(guān)鍵邊界層233)以及接觸該晶片的頂部表面。應(yīng)當(dāng)理解該去離子水的pH改變 區(qū)域?qū)е聫脑摪雽?dǎo)體晶片的頂部表面釋放出陽離子。該方法進一步包括操作509，用于掃描在該臨近頭下方的該半導(dǎo)體晶片，從而以基 本上均勻的自上而下的方式去除該半導(dǎo)體晶片的頂部表面上存在的金屬化地勢。另外，該 方法可包括用于監(jiān)測平坦化終點的工藝。該平坦化終點監(jiān)測工藝包括監(jiān)測通過該陽離子交 換隔膜的電流量。該平坦化終點對應(yīng)電流所監(jiān)測的通過該陽離子交換隔膜的電流量的趨 平。應(yīng)當(dāng)理解通過該陽離子交換隔膜的電流量通過測量該半導(dǎo)體晶片的頂部表面和該陰極 之間的電流來監(jiān)測。盡管本發(fā)明依照多個實施方式描述，但是可以理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀之 前的說明書以及研究了附圖之后將會實現(xiàn)各種改變、增加、置換及其等同方式。所以，其意 圖是下面所附的權(quán)利要求解釋為包括所有這樣的落入本發(fā)明主旨和范圍內(nèi)的改變、增加、 置換和等同物。
權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的方法，包括將臨近頭設(shè)在半導(dǎo)體晶片頂部表面上方并且鄰近該表面，從而該臨近頭的陽離子交換隔膜面對該半導(dǎo)體晶片的頂部表面；將電解液設(shè)在該陽離子交換隔膜的頂部表面和陰極之間；在該陽離子交換隔膜底部表面和該半導(dǎo)體晶片的頂部表面之間流動去離子水；和將偏置電壓施加在該半導(dǎo)體晶片的頂部表面和該陰極之間，從而從該半導(dǎo)體晶片的頂部表面釋放的陽離子受到影響而穿過該去離子水、該陽離子交換隔膜和該電解液到達該陰極。
2.如權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的方法，進一步包括控制該去離子水的流動速率，從而該陽離子交換隔膜在伯努利力的影響下朝向該半導(dǎo) 體晶片的頂部表面撓曲而不接觸該半導(dǎo)體晶片的頂部表面。
3.如權(quán)利要求2所述的用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的方法，其中該陽離子交換 隔膜的撓曲導(dǎo)致靠近該陽離子交換隔膜的底部表面的該去離子水的PH改變區(qū)域接觸該晶 片的頂部表面，該去離子水的PH改變區(qū)域?qū)е聫脑摪雽?dǎo)體晶片的頂部表面釋放出陽離子。
4.如權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的方法，進一步包括掃描該臨近頭下方的半導(dǎo)體晶片，從而以基本上均勻地自上而下的方式去除該半導(dǎo)體 晶片的頂部表面上存在的金屬化地勢。
5.如權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的方法，進一步包括 排出鄰近該陽離子交換隔膜的底部表面的第一位置處的去離子水；吸出鄰近該陽離子交換隔膜的底部表面的第二位置處的去離子水，從而去離子水溢出 該陽離子交換隔膜的底部表面。
6.如權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的方法，其中該陽離子交換 隔膜限定為使陽離子能夠流過該陽離子交換隔膜并且阻止陰離子流過該陽離子交換隔膜， 同時提供大塊流體限制。
7.如權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的方法，進一步包括控制該陽離子交換隔膜的頂部表面上的電解質(zhì)溶液的壓力，以便控制該陽離子交換隔 膜的撓性。
8.一種用于檢測受限區(qū)域平坦化工藝中平坦化終點的方法，包括將臨近頭設(shè)在半導(dǎo)體晶片頂部表面上方并且鄰近該表面，從而該臨近頭的陽離子交換 隔膜面對該半導(dǎo)體晶片的頂部表面；將電解液設(shè)在該陽離子交換隔膜的頂部表面和陰極之間； 在該陽離子交換隔膜底部表面和該半導(dǎo)體晶片的頂部表面之間流動去離子水； 將偏置電壓施加在該半導(dǎo)體晶片的頂部表面和該陰極之間，從而從該半導(dǎo)體晶片的頂 部表面釋放的陽離子受到影響而穿過該去離子水、該陽離子交換隔膜和該電解液到達該陰 極；和監(jiān)測通過該陽離子交換隔膜的電流量以監(jiān)測平坦化工藝的終點。
9.如權(quán)利要求8所述的用于檢測受限區(qū)域平坦化工藝中平坦化終點的方法，其中該平 坦化工藝的終點對應(yīng)所監(jiān)測的通過該陽離子交換隔膜的電流量的趨平。
10.如權(quán)利要求8所述的用于檢測受限區(qū)域平坦化工藝中平坦化終點的方法，其中通過該陽離子交換隔膜的電流量是通過測量該半導(dǎo)體晶片的頂部表面和該陰極之間的電流 來監(jiān)測的。
11.如權(quán)利要求8所述的用于檢測受限區(qū)域平坦化工藝中平坦化終點的方法，進一步 包括；掃描該臨近頭下方的半導(dǎo)體晶片，從而存在于該半導(dǎo)體晶片的頂部表面上的金屬化地 勢以基本上均勻地自上而下的方式去除。
12.如權(quán)利要求8所述的用于檢測受限區(qū)域平坦化工藝中平坦化終點的方法，進一步 包括控制該去離子水的流率，從而該陽離子交換隔膜在伯努利力的作用下向該半導(dǎo)體晶片 的頂部表面彎曲但不接觸該半導(dǎo)體晶片的頂部表面。
13.如權(quán)利要求12所述的用于檢測受限區(qū)域平坦化工藝中平坦化終點的方法，其中該 陽離子交換隔膜的彎曲使得鄰近該陽離子交換隔膜底部表面的去離子水PH改性區(qū)域與該 半導(dǎo)體晶片的頂部表面接觸，該去離子水的PH改性區(qū)域使得該陽離子從該半導(dǎo)體晶片的 頂部表面釋出。
14.如權(quán)利要求8所述的用于檢測受限區(qū)域平坦化工藝中平坦化終點的方法，進一步 包括排出鄰近該陽離子交換隔膜的底部表面的第一位置處的去離子水；吸出鄰近該陽離子交換隔膜的底部表面的第二位置處的去離子水，從而去離子水溢出 該陽離子交換隔膜的底部表面。
15.如權(quán)利要求8所述的用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的方法，其中該陽離子交 換隔膜限定為使陽離子能夠流過該陽離子交換隔膜并且阻止陰離子流過該陽離子交換隔 膜，同時提供大塊流體限制。
16.如權(quán)利要求8所述的用于半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的方法，進一步包括控制該陽離子交換隔膜的頂部表面上的電解質(zhì)溶液的壓力，以便控制該陽離子交換隔 膜的撓性。
全文摘要
提供用于執(zhí)行半導(dǎo)體晶片的受限區(qū)域平坦化的臨近頭和相關(guān)使用方法。該臨近頭包括限定為保持電解液的室。陰極設(shè)置在該室內(nèi)并暴露于該電解液。陽離子交換隔膜設(shè)在該室的下部開口上，從而該陽離子交換隔膜的頂部表面直接暴露于保持在該室內(nèi)的電解液。該臨近頭還包括流體供應(yīng)通道，限定為驅(qū)除流體到鄰近該陽離子交換隔膜下部表面的位置。另外，真空通道限定為在鄰近該陽離子交換隔膜下部表面的位置提供吸力，從而使從該流體供應(yīng)通道驅(qū)除的流體在該陽離子交換隔膜的下部表面上流動。
文檔編號H01L21/00GK101872721SQ201010190018
公開日2010年10月27日 申請日期2007年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者弗里茨·C·雷德克, 約翰·M·博伊德, 約翰·德拉里奧斯, 耶茲迪·多爾迪, 邁克爾·拉夫金 申請人:朗姆研究公司