[发明专利]合金镀敷系统中保护阳极免受钝化作用

说明书

相关申请的交叉引用

本申请在35U.S.C.§119(e)下要求于2012年6月5日递交的、发明名称为“METHOD OF PROTECTING ANODE FROM PASSIVATION IN ALLOY PLATING SYSTEMS WITH LARGE REDUCTION POTENTIAL DIFFERENCES”的美国临时专利申请No.61/655,930的利益，该申请以其全文且为所有目的通过引用合并于本文中。

技术领域

本发明总体上涉及电镀领域，更具体地涉及将同时电镀两种金属到衬底上的装置和方法。

背景技术

电化学沉积工艺在现代集成电路制造存在已久。在二十一世纪前几年从铝金属线到铜金属线的转移驱动了对于更精密的电沉积工艺和镀敷工具的需求。大部分精密化响应于在器件金属化层中极小电流载流线的需要而发展。这些铜线是通过利用通常称为“金属镶嵌”处理的方法将金属电镀到极薄的、高深宽比的沟槽和通孔中而形成的。

电化学沉积现在准备好填补了对通常所谓的晶片级封装（WLP）的精密封装和多芯片互连技术和硅通孔（TSV）电连接技术的商业需求。这些技术本身提出了极大的挑战。

例如，这些技术要求在比大多数金属镶嵌应用大得多的特征尺寸级上进行电镀。对于各种类型的封装特征（例如，TSV通芯片连接、再分配布线、扇出布线或倒装芯片柱），在当前技术中，电镀特征通常大于大约2微米并且高度和/或宽度通常为5-100微米（例如，柱可以为大约50微米）。对于诸如电力总线的一些片上结构，待电镀特征可大于100微米。WLP特征的深宽比通常为大约1:1（高比宽）或更低，而TSV结构能够具有极高的深宽比（例如，在大约10:1至20:1附近）。

假设要沉积相对大量的材料，镀敷速度也将WLP和TSV应用与金属镶嵌应用区分开。采用当前的大约2.5微米/分钟的铜沉积速率，并且使用3-5微米/分钟的焊料镀敷速率。未来，这些速率预期将分别增长至如3.5微米/分钟和6微米/分钟那样高。此外，独立于镀敷速率，必须在晶片上以及从一个晶片到下一个晶片以全局和局部均匀的方式进行镀敷。

此外，WLP特征的电化学沉积可涉及镀敷诸如分层组合的各种金属组合或铅、锡、铟、银、镍、金、钯和铜的合金。

当面临这些挑战中的每个挑战时，WLP电填充工艺必须与通常挑战较少且可能较不廉价的取放（例如，焊料球放置）或丝网印刷操作进行竞争。

发明内容

用于具有实质不同的标准电沉积电位的两种金属（例如，Sn-Ag合金的沉积）的连续同时电镀的装置包括：阳极室，其用于收容阳极电解液和活性阳极，所述阳极电解液包含较不贵重的第一金属（例如，锡）的离子，而不包含较贵重的第二金属（例如，银）的离子；阴极室，其用于收容阴极电解液和衬底，所述阴极电解液包含第一金属（例如，锡）的离子、较贵重的第二金属（例如，银）的离子；分隔结构，其位于所述阳极室和所述阴极室之间，其中所述分隔结构基本上防止较贵重金属从阴极电解液传递到所述阳极电解液；以及流体特征件和相关控制器，其与所述装置耦合且配置成执行连续的电镀，同时保持电镀槽部件的基本恒定的浓度以便延长使用周期。

本公开的一个方案涉及用于将第一金属和第二金属同时电镀到衬底上的装置。所述第二金属比所述第一金属较贵重；也就是，所述第二金属具有较大的正向电还原电位。作为示例，第一金属为锡并且第二金属为银。所述装置的特征可在于有以下特征：（a）阳极室，其用于收容阳极电解液和活性阳极（活性阳极包含第一金属）；（b）阴极室，其用于收容阴极电解液和衬底；（c）分隔结构，其位于所述阳极室和所述阴极室之间并且容许在电镀期间离子电流的通过；以及（d）吸气器，其包含固相吸气材料，当接触到第二金属的离子时所述吸气材料发生歧化反应。在一些实施例中，吸气器被定位成在电镀期间接触阳极电解液而不接触阴极电解液。在一些实施例中，所述吸气器被定位在距阴极室的第一距离处，所述活性阳极被定位在距所述阴极室的第二距离处，所述第一距离大于所述第二距离。在各种实现中，所述吸气器在结构上不同于所述活性阳极。

在一些示例中，所述分隔结构包括离子选择膜。例如，所述分隔结构可包括阳离子膜，所述阳离子膜被配置为允许质子、水和第一金属的离子在电镀期间从所述阳极电解液传送到所述阴极电解液。在一些设计中，所述装置另外包括与所述阴极室流体耦合的银离子源。所述活性阳极可由诸如低α相锡（low alpha tin）这样的锡构成。