[发明专利]具有远距离阴极电解液流体管理的电化学沉积设备

说明书

背景技术

本发明涉及用于包括半导体衬底的电镀的电化学沉积的方法和系统。

除其他工艺以外，电化学沉积用作将膜施加至各种结构和表面(例如施加至半导体晶片和硅工件或衬底)的制造技术。这样的膜可以包括锡银、镍、铜或其他金属层。电化学沉积包括将衬底定位在包括金属离子的溶液中，并且然后施加电流以使来自溶液的金属离子沉积在衬底上。通常，电流在两个电极之间(即在阴极和阳极之间)流动。在衬底用作阴极的情况下，金属可以沉积于其上。镀液可以包括一种或更多种金属离子类型、酸、螯合剂、络合剂以及有助于镀覆特定金属的若干其他类型的添加剂中的任意添加剂。除其他益处之外，这样的添加剂可以有助于实现粘附和均匀镀覆，并且减小膜应力。当镀覆发生时，来自镀液的金属被消耗，并且因此需要进行更换，以继续电化学沉积操作。

发明内容

用于电化学沉积的系统的重要特征在于，能够制造具有均匀性和可重复的特征(例如膜厚、组成以及相对于下面的工件轮廓的轮廓)的膜。电沉积系统可以使用在损耗时需要进行补给的原电解液(工艺电解液)。通过示例的方式，在锡银应用中，在损耗时可能需要锡盐溶液液体补给。这样的补给可能根据应用是昂贵的，并且为了检修和工艺再鉴定可能需要电沉积工具或子模块的足够的停机时间，这不利地影响了沉积工具的所有者的花费。

常规的电化学沉积工具包括含有工艺电解液(阴极电解液)的处理罐。然后可以将衬底或晶片下放至罐中。在一些构造中，在处理罐的侧壁上设置有阳极。这样的构造通常是限制的，原因是在处理罐中仅可以镀覆一个衬底。为了增加产率，常规的电化学沉积工具使用放置在阴极电解液流体的罐内的多个镀槽，每个镀槽包括阳极和密封阳极电解液流体室组合，以及在镀槽中的开口，用于使阴极电解液穿过槽且跨要被镀覆的衬底进行循环。通常，阴极电解液从在镀槽的底部处的开口跨垂直保持的晶片而流动。阴极电解液流体的流然后外溢在镀槽的顶部处的线型堰，返回到阴极电解液流体的处理罐中，以跨衬底重新流动。

然而，这样的具有溢流堰的常规构造具有一些缺点。一个缺点是需要许多泵。例如，镀槽通常被构造成同时镀覆两个衬底。在这样的构造中，晶片保持器在相对侧上保持衬底，并且然后被放置在镀槽中。然后该构造在镀槽的相对侧上需要阳极(每个衬底一个阳极)。具有两个阳极意味着必须使阳极电解液穿过镀槽中的两个单独的阳极电解液流体室而循环，以及必须使阴极电解液流体向上穿过每个镀槽而循环。因而，对于这样的构造，需要至少三个泵、泵送系统或循环路径和流量计。

在本文中公开的技术包括电化学沉积设备，其提供了简化的循环系统、用于更可靠和均匀的镀覆的更好的化学品管理以及用于更好的工具可用率的短的保养时间。所述技术包括:含有阳极电解液流体的处理罐；以及均具有阴极电解液流体隔室的一个或更多个镀槽，上述阴极电解液流体隔室具有连接至单独的或远距离的阴极电解液储液器的循环路径。阳极电解液不是工艺电解液，并且与需要不断补给金属离子和其他添加剂的阴极电解液流体相比基本上需要较少的保养。因而，利用如在本文中所公开的这样的构造，可以使用单个泵来使阴极电解液(经由歧管)流过一个或更多个镀槽。在处理罐中的阳极电解液流体可以经由流体扩散而固有地循环，或者在处理罐中可以有可选的流动机制。因而，利用外接的阴极电解液储液器(而不是使阴极电解液溢出堰至储液器中)，使阴极电解液流体——在流过镀槽之后——返回阴极电解液储液器。使阴极电解液储液器在远距离位置(例如，在与电化学沉积工具相邻的模块中，或在洁净室下方的辅助间中)能够实现更好的阴极电解液管理能力。其他益处包括：由于无需破坏的压力密封而更容易更换离子交换膜；以及能够使用不溶性阳极和构造阳极的灵活性，例如使用多区阳极。