[发明专利]具有用于电镀系统经分离阳极腔室压力调节的电解液环路及其用途

说明书

本申请是申请日为2011年3月21日，申请号为201110071633.8、发明名称为“具有用于电镀系统经分离阳极腔室压力调节的电解液环路”的发明专利申请的分案申请。

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2010年3月19日由发明人理查德·亚伯拉罕(Richard Abraham)申请的第61/315,679号美国临时专利申请案在35U.S.C.§119(e)下的权益。第61/315,679号美国临时专利申请案出于所有目的以全文引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及电镀系统，且更特定来说涉及电镀系统的经分离阳极腔室中的压力调节。

背景技术

本文提供的背景技术描述是用于大体上呈现本发明的情境。在此背景技术部分中描述工作的程度上，发明人的工作以及在申请时描述内容的可能原本无资格作为现有技术的方面不会明确地或隐含地被承认作为本发明的现有技术。

半导体装置的制造涉及导电材料在例如半导体晶片等衬底上的沉积。可通过在位于通孔或沟槽中的例如铜等金属品种层上电镀来沉积传导材料。

电镀也可用于穿硅通孔(TSV)，其为完全穿过半导体晶片的连接件。因为TSV通常尺寸较大且具有高纵横比，所以可能难以沉积铜。针对TSV的铜的CVD沉积通常需要复杂且相对昂贵的前驱体。PVD沉积往往会产生空穴且具有有限的阶梯覆盖。电镀是针对TSV沉积铜的优选方法。然而，由于TSV的大尺寸和高纵横比，电镀也存在难题。

TSV技术可用于3维(3D)封装和3D集成电路中。仅举例来说，3D封装可包含垂直堆叠的两个或两个以上集成电路(IC)。比对应的2D布局相比，3D封装往往占据较少空间且具有较短的通信距离。

晶片级封装(WLP)是一种电连接技术，其与TSV一样采用通常为若干微米尺度的较大特征。WLP结构的实例包含再分配布线、凸块和柱。电镀准备好用以延续下一代WLP技术。

镶嵌处理可用以形成用于集成电路(IC)的互连件。在典型的镶嵌工艺中，在衬底的电介质层中蚀刻沟槽和通孔的图案。接着将扩散障壁膜的薄层沉积到电介质层上。扩散障壁膜可包含例如钽(Ta)、氮化钽(TaN)、TaN/Ta双层等材料或其它合适材料。使用PVD、CVD或另一工艺在扩散障壁层上沉积铜品种层。随后，使用电镀用铜填充沟槽和通孔。最终，可对晶片的表面进行平面化以移除过量的铜。

电镀系统可包含电镀单元，其具有浸没在电解液中的阴极和阳极。电源的一个引线连接到包含铜品种层的阴极。电源的另一引线连接到阳极。

用于沉积铜的电解液的组成可变化，但通常包含硫酸、硫酸铜(例如，CuSO₄)、氯离子和/或有机添加剂的混合物。用于其它金属的沉积的电解液将具有其自身的特性组成。例如加速剂、抑制剂和/或平衡剂等有机添加剂可用以增强或抑制铜或其它金属的镀敷速率。

由所施加电压产生的电场以电化学方式减少阴极处的金属离子。因此，金属镀敷于品种层上。镀敷溶液的化学组成经选择以优化电镀的速率和均匀性。

在阳极和阴极处发生的过程并不总是相容的。因此，阳极和阴极电解液可具有相同或不同的化学组成。阳极和阴极可通过隔膜而分离为不同的区。仅举例来说，由于阳极的剥落或无机盐的沉淀，不可溶微粒可形成于阳极处。隔膜可用以阻挡不可溶微粒，这样可减少对金属沉积的干扰以及晶片的污染。隔膜还可用以将有机添加剂限制于镀敷单元的阴极部分。

隔膜允许镀敷单元的阳极与阴极区之间的离子流(电流)，同时阻挡较大微粒和某些非离子分子(例如有机添加剂)的移动。因此，隔膜在镀敷单元的阴极和阳极区中产生不同的环境。

可使用泵来将电解液抽吸到阳极腔室。可周期性地将新鲜电解液和/或去离子水引入到阳极液流，这样可在阳极腔室中的电解液与电镀单元的其余部分中的电解液之间引入瞬时压力差。这可致使隔膜向上偏转，其有时挟带隔膜附近的空气。具体来说，压力差可使得气泡截留于隔膜与支撑结构之间。另外还存在其它问题，比如截留的空气将阻挡电流流过隔膜的由空气占据的区，且进而增加通过隔膜的其它区的电流，从而引入镀敷不均匀性且显著缩短隔膜的寿命。此外，阴极与阳极区的分离产生了电渗效应，其中从阳极腔室到设备的阴极部分穿过隔膜的质子在同一方向上“拖曳”水分子，进而耗尽阳极液体积且增加阴极腔室中的体积。此效应称为电渗拖曳(electroosmotic drag)且是不合意的，因为其在两个腔室之间产生可导致隔膜损害和故障的压力梯度。