[发明专利]使用远程电流动态控制电镀均匀性的装置和方法

说明书

提供了使用远程电流动态控制电镀均匀性的装置和方法。在一个方面，用于在衬底上电镀金属同时控制电镀均匀性的装置包括：电镀室，其具有由膜分隔开的阳极电解液分室和阴极电解液分室；主阳极，其布置在阳极电解液分室中；离子阻性离子可渗透元件，其布置在膜和在阴极电解液分室中的衬底之间；和第二电极，其配置成贡献和/或转移电镀电流到衬底和/或从该衬底贡献和/或转移电镀电流，其中，第二电极被布置成使得贡献和/或转移的电镀电流不穿过分隔开阳极电解液分室和阴极电解液分室的膜，但穿过离子阻性离子可渗透元件。在一些实施方式中，第二电极是能在电镀期间被动态控制的方位角对称阳极(例如，围绕电镀室的外周的单独分室布置的环)。

本申请是申请日为2016年1月15日、中国专利申请号为201610027064.X、发明名称为“使用远程电流动态控制电镀均匀性的装置和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开一般涉及用于在半导体晶片上电镀金属层的方法和装置。更具体地，本文所描述的方法和装置用于控制电镀均匀性。

背景技术

在集成电路(IC)制造中从铝到铜的转变需要改变工艺“架构”(到镶嵌和双镶嵌)，以及全新成套的工艺技术。在制造铜镶嵌电路中使用的一个工艺步骤是“籽晶”或“触击(strike)”层的形成，然后将该层用作在其上电镀铜(“电填充”)的基底层。籽晶层运送电镀电流从晶片的边缘区域(其中制备电接触)到所有沟槽并经由横跨晶片表面定位的结构。籽晶膜通常是薄的导电铜层，但根据不同的应用可以使用其他的导电材料。通过阻挡层将籽晶膜与绝缘二氧化硅或其它电介质分离。籽晶层沉积工艺应产生具有良好的总体粘附力、优异的台阶梯覆盖性(更具体地，金属的保形和连续层应当沉积在嵌入式凹陷特征的侧壁上)、以及最小闭合或“颈缩”的顶部的嵌入式凹陷特征的层。

越来越小的特征和替代的加籽晶工艺的市场趋势驱动在越来越薄的籽晶层上进行高度均匀性的镀覆的能力的需要。在将来，可以预期，籽晶膜可简单地由可电镀的阻挡膜(例如钌)或非常薄的阻挡层和铜(例如，通过原子层沉积(ALD)或类似的工艺沉积的)的双层组成。这种膜呈现给工程师极端的终端效果的情况。例如，当均匀地驱动3安培总电流进入30欧姆每平方钌籽晶层(针对膜的可能值)时，在金属中所产生的中心到边缘(径向)的电压降将超过2伏。为了有效地镀覆大的表面积，电镀工具使与导电籽晶的电接触仅在晶片衬底的边缘区域中。在衬底的中心区域没有进行直接接触。因此，对于高电阻籽晶层，在层的边缘的电势显著大于在层的中心区域的电势。在没有阻抗和电压补偿的适当的手段的情况下，这种大的边缘到中心的电压降可能会导致非常不均匀的镀覆速率和不均匀的镀覆厚度分布，其主要特征在于在晶片边缘的较厚的镀覆。这种镀覆的非均匀性是径向的非均匀性，也就是，沿圆形晶片的半径的均匀性的变化。

需要减轻的另一种类型的非均匀性是方位角不均匀性。为清楚起见，我们使用极坐标定义方位角非均匀性为在离晶片中心固定的径向位置处的工件上的不同角位置处显示出的厚度变化，即，沿着在晶片的周长内的给定的圆或圆的一部分的非均匀性。这种类型的非均匀性可以存在于电镀应用中，并独立于径向的非均匀性，并且在一些应用中可能是需要加以控制的主要类型的非均匀性。它经常出现在通过抗蚀剂的电镀中，其中晶片的主要部分用光致抗蚀剂涂层或类似的电镀防止层掩蔽，以及特征或特征密度的掩蔽图案在晶片边缘附近在方位角上并不是均匀的。例如，在某些情况下，在靠近晶片的槽口处可以存在缺失图案特征的技术上需要的弦(chord)区域，以允许晶片编号或处理。缺失区域内部的径向和方位角可变的电镀速率可导致芯片管芯是不能工作的，因此，需要用于避免该情况的方法和装置。

如今，电化学沉积准备好填补通常被称为晶片级封装(WLP)和贯穿硅通孔(TSV)电气连接技术的先进的封装和多芯片互连技术的商业需要。这些技术提出了它们自身的非常显著的挑战。