[发明专利]利用离子阻性离子可穿透元件电镀金属的装置和方法

说明书

本发明涉及利用离子阻性离子可穿透元件电镀金属的装置和方法。在一个方面，一种用于利用改善的电镀均匀性在半导体衬底上电镀金属的装置包括：电镀室，其被配置成容纳电解液和阳极；衬底支架，其配置成保持所述半导体衬底；以及离子阻性离子可穿透元件，其包括基本上平坦的面对衬底的表面和相反的表面，其中所述元件在电镀期间使得离子流能朝向所述衬底流动，并且其中所述元件包括具有变化的局部电阻率的区域。在一个实施例中，元件的电阻率可通过改变元件的厚度而变化。在一些实施方式中，元件的厚度从元件的边缘沿径向方向到中心逐渐减小。所提供的装置和方法对于在WLP凹陷特征内电镀金属是特别有用的。

本申请是申请号为201610318396.3，申请日为2016年5月13日，申请人为朗姆研究公司，发明创造名称为“利用离子阻性离子可穿透元件电镀金属的装置和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开总体上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对于控制电镀均匀性是有用的。

背景技术

在半导体器件的制造中，导电材料(如铜)通常通过电镀到金属的籽晶层上来沉积，以填充在半导体晶片衬底上的一个或多个凹陷特征。电镀是用于在镶嵌处理期间沉积金属到晶片的通孔和沟槽的选择的方法，并且也用于晶片级封装(WLP)应用中，以形成在晶片衬底上的金属柱和金属线。电镀的另一种应用是填充穿透硅通孔(TSV)，其是在3D集成电路和3D封装中使用的相对较大的垂直电连接。

在一些电镀衬底中，在电镀(通常在镶嵌和TSV处理中)之前，籽晶层暴露在衬底的整个表面上，并在衬底的整体上进行金属的电沉积。在其它电镀衬底的过程中，籽晶层的一部分由非导电材料覆盖，例如由光致抗蚀剂覆盖，而籽晶层的另一部分被暴露。在具有部分被掩蔽的籽晶层的这样的衬底中，电镀仅在籽晶层的暴露部分进行，而籽晶层的被覆盖部分被保护以避免上面被电镀。在具有涂覆有图案化的光致抗蚀剂的籽晶层的衬底上电镀被称为穿过抗蚀剂电镀，并且通常在WLP应用中使用。

在电镀期间，电触点在晶片的周边的籽晶层(例如，铜籽晶层)上形成，并且晶片被电偏置以用作阴极。使晶片与电解液接触，电解液包含待镀的金属离子。电解液通常还包含向电解液提供足够的导电性的酸，并且也可以含有在衬底的不同的表面上调节电沉积速率的添加剂，其被称为促进剂、抑制剂、以及均化剂(leveler)。

在电镀过程中所遇到的一个问题是沿圆形半导体晶片的半径不均匀分布的电沉积的金属的厚度。这种类型的非均匀性被称为径向非均匀性。径向非均匀性会由于多种因素而出现，例如因终端效应(terminal effect)而出现，以及由于在衬底的表面的电解液流量的变化而出现。终端效应本身表现为边缘厚的电镀，因为在晶片的边缘的电触点附近的电位比在晶片的中心会是显著较高的，尤其是当使用薄电阻籽晶层时。

在电镀期间可能遇到的另一种类型的非均匀性是方位角非均匀性。为清楚起见，我们使用极坐标将方位角非均匀性定义为在相对于晶片中心的固定径向位置处在晶片上的不同角度位置显示的厚度变化，即，沿着晶片的周界内的给定的圆或圆的部分的非均匀性。这种类型的非均匀性可独立于径向的非均匀性存在于电镀应用中，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。其经常出现在穿过抗蚀剂电镀中，其中，晶片的主要部分被用光致抗蚀剂涂层或类似的防镀覆层掩蔽，并且特征的掩蔽图案或特征密度在晶片边缘附近在方位角上并不是均匀的。例如，在一些情况下，在靠近晶片的凹口处会存在缺失图案特征的、技术上所需要的弦形(chord)区域，以使得能对晶片进行编号或处理。

过度的径向和方位角非均匀性可导致非功能性的芯片。因此需要改善镀覆均匀性的方法和装置。

发明内容