[发明专利]使用阳离子渗透性阻挡层进行多成分焊料的电化学沉积的方法

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及微特征工件的电解处理和利用阳离子渗透性阻挡层的电解处理工艺。

背景技术

诸如半导体装置、成像器、显示器、薄膜头部、微机械、微机电系统(microelectromechanical systems；MEMS)和大的穿过晶片的通孔(large through-wafers via)之类的微特征装置通常是使用从工件沉积和/或蚀刻材料的数个机器在微特征工件上和/或中制造而成的。许多目前的微特征装置需要互连结构及其他非常小的亚微米尺寸特征(例如45纳米至250纳米)，所述互连结构及其他非常小的亚微米尺寸特征通过将材料沉积在小沟槽或孔内而形成。用于将材料沉积至小沟槽和/或通孔内的一个特别有用的工艺是电解处理，例如电镀。典型电解处理技术包括电镀工艺和蚀刻工艺，所述电镀工艺将铜、镍、铅、金、银、锡、铂及其他材料沉积在微特征工件上，所述蚀刻工艺从微特征工件表面移除金属。

在某些电镀或蚀刻工艺中，螯合剂或络合剂用以影响金属离子在微特征工件表面上沉积或从微特征工件表面上移除所处的电势。可存在于处理流体(processing fluid)中的其他成分包括能够影响电镀或电蚀刻工艺的结果的催化剂、抑制剂和匀平剂(leveler)。尽管这些类型的材料能正面影响电镀或电蚀刻工艺，但这些材料的使用并不是没有缺点。例如，这些成分有可能由于与电解工艺中所用的电极发生反应或其他相互作用而对电解工艺具有不良影响。

将金属沉积至狭窄的深沟槽或通孔内的另一困难是难以完全填充小特征而不在沉积金属中产生空隙或其他非均匀性。例如，当将金属沉积至具有45纳米至250纳米的特征尺寸的沟槽内时，可使用超薄种晶层，但必须小心确保沟槽中有充分的空余空间用于随后沉积的体金属。此外，因为沉积的种晶层的品质可能不均匀，因此超薄种晶层可能存在问题。例如，超薄种晶层可能具有空隙或其他不均匀的物理特性，所述空隙或物理特性能导致沉积在种晶层上的材料中的不均匀性。这些困难可通过以下方式克服：强化(enhance)种晶层或直接在阻挡层上形成种晶层以提供很适合将金属沉积在特征尺寸小的沟槽或孔内的适当种晶层。用于强化种晶层或直接在阻挡层上形成种晶层的一种技术是使用具有低电导率的处理溶液电镀材料。此种低电导率处理流体具有相对低的氢离子(H⁺)浓度，即相对高的pH值。用于使用低电导率处理流体形成适当种晶层的适合的电化学工艺在美国专利案第6,197,181号中公开，在此通过引用将所述美国专利案并入本文中。

使用低电导率/高pH值的处理流体在种晶层上电镀或将材料直接电镀到阻挡层上存在另外的困难。例如，当使用高pH值处理流体时，一般需要惰性阳极，因为高pH值趋向于钝化消耗性阳极。此种钝化可产生金属氢氧化物粒子和/或碎片，所述粒子和/或碎片能在微特征中产生缺陷。对惰性阳极的使用并非没有缺点。本发明者已注意到，当使用惰性阳极时，沉积材料的电阻率在经过相对少数目的电镀周期后明显提高。抵抗沉积材料的此电阻率增加的一种方式是频繁地更换处理流体；然而，此解决方案增加工艺的操作成本。

因此，现需要用于处理微特征工件的电解工艺，所述工艺降低由络合剂和/或其他添加剂的存在而产生的不良影响，且亦将诸如电阻率之类的沉积特性维持在所需范围內。

在晶片级包装(wafer level packaging；WLP)的电化学沉积(electrochemical deposition；ECD)中，接近共熔的锡-银(Sn-Ag)是目前用于无铅焊料凸块和铜柱覆盖(capping)的所选合金。在目前的镀锡银工艺中，将液态锡离子掺杂浓缩物添加至阴极电解液，以补充在沉积工艺中消耗的锡离子。然而，锡离子浓缩物趋向于远比固体锡更加昂贵，且由于浓缩物中的添加剂，导致对稳定性的控制降低，且阴极电解液使用寿命缩短。

因此，存在对一种电化学沉积方法的需要，所述方法用于将多于一种的金属例如多成分焊料镀在微特征工件上，所述方法使用比添加至阴极电解液的液态掺杂浓缩物更易于控制的主离子源。本公开案的实施例针对满足此需要及其他需要。

发明内容