[发明专利]用于半导体晶片的电化学沉积工艺

说明书

技术领域

本发明涉及用于电镀诸如半导体材料晶片的基板的处理器、系统和方法。更具体地，本发明提供对具有硅穿孔(through silicon vias,TSV)或类似特征结构的晶片特别有用的改良技术。

背景技术

诸如半导体装置的微电子装置通常是在基板或晶片上和/或基板或晶片中制造。在典型的制造工艺中，在电镀处理器中的晶片上形成一层或更多层金属或其它导电材料。处理器可具有容纳于容器或碗(bowl)中的电解质浴，在所述碗中具有一个或更多个阳极。可用头部中的转子固持晶片本身，所述头部可移动至碗中用于处理和可移动离开碗用于装卸。转子上的接触环一般具有很多接触指(contact finger)，这些接触指与晶片电接触。

许多先进的微电子装置具有硅穿孔(TSV)。TSV是一种通常完全穿过晶片或芯片(die)的垂直电气互连，所述晶片或芯片实际上可为硅或可不为硅。TSV用于产生三维电子结构和封装。使用TSV允许极高密度的集成电路。亦改良了互连的电气特性，因为TSV通常比替代互连更短。这导致装置操作更快和来自互连的不良电感或电容特性的影响减少。

TSV倾向于具有高深宽比，因为TSV基本上为在硅或其它基板材料中的孔中所形成的金属(通常为铜)的高窄微型柱(micro-scale column)。TSV可由自下而上电镀铜形成。实现TSV的适当填充在技术上具有挑战性的若干原因包括TSV的微型尺寸、高深宽比和其它因素。

历史上，用于电镀填充TSV的工艺和化学品已随电镀浴老化表现出罕见的不稳定性，这种情况直接影响微电子制造工艺。由于电镀浴通常仍在规定范围内失效，因此浴失效的原因尚未得到很好的理解。需要对电镀TSV特征结构的改良的技术和理解。

附图说明

在附图中，相同的元件符号在每一视图中表示相同的元件。

图1是针对新鲜电镀浴和失效电镀浴的计时电位测定(chronopotentiometric)测量(电压对时间)的数据的曲线图，以及使用这些浴电镀的晶片的对应X射线图像。

图2是针对具有不同于图1的曲线图的化学成分(chemical makeup)的浴的计时电位测定测量的数据的曲线图。

图3是类似于图2但使用注射有MPS的浴和电流递增输送(current ramping)的数据的曲线图。

图4A是针对新鲜电解质的对照浴的电压的曲线图。

图4B是针对约30分钟后失效的浴的电压的曲线图。

图4C是70小时空闲时间后恢复的浴的电压的曲线图。

图5A是针对新鲜浴对比10轮(run)后浴的电压的曲线图。

图5B是实验室规模(bench scale)计时电位测定法老化试验中的电压的曲线图。

图6A至图6F是如所描述处理的晶片上的TSV的X射线图像。

图6G是计时电位测定法老化试验中的电压的曲线图。

图7是计时电位测定法对比晶片旋转速度的曲线图。

图8A和图8B示出如所描述处理的晶片的X射线图像。

图9是计时电位测定法对比浴老化的曲线图。

图10是现有技术电解质与新电解质的对照表。

图11是在以上附图中所示的数据中反映的运行测试中使用的Raider M处理器的透视图。

图12是图11中所示的处理器的剖视图。

具体实施方式

I.浴失效的检测

A.浴失效的实验室规模检测

浴失效的检测在TSV电镀浴中一直是一项挑战。可由特征结构中的未填满(under fill)沉积、接缝空隙(seam void)和夹断空隙(pinch off void)界定浴失效。存在一种常见趋向，即新鲜浴功能良好，但随着继续还原性电镀(至0.45A Hr/L)，所述浴失效。

检测浴失效的传统方式是在工具中电镀晶片和使用聚焦离子束(focused ion beam,FIB)实现X射线成像/截面成像来检测空隙。然而，晶片成像的可用性通常受限。此为昂贵且费时的工艺。直到现在，尚不存在真正且实际的方法可用以检测浴失效。

如下文所描述，现已发明计时电位测定法用于检测浴失效。发明人现已确定，此失效的原因在于，随着电镀时间推移，浴变成加速剂(accelerator)占主导且损失抑制。这导致过孔或沟槽中的保形成长(conformal growth)和空隙。