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技术

本文描述用于利用第一处理流体与阳极来处理微特征工件来进行多成分焊料的电化学沉积的工艺和系统。使用第一处理流体、阳极、第二处理流体与阳离子渗透性阻挡层电解处理微特征工件。阳离子渗透性阻挡层将第一处理流体与第二处理流体分隔开，同时允许某些阳离子物种在这两个流体之间转移。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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（Ieveler)。 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。本专利技术者已注意到，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 内。 在晶片级包装（wafer level packaging ;WLP)的电化学沉积（electrochemical d印〇siti〇n;E⑶）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。
技术实现思路
本文描述的实施例涉及用于电解处理微特征工件以将材料沉积在微特征工件表 面或从微特征工件表面移除材料的工艺。本文描述的工艺能够产生在经过较多次数的电镀 周期之后表现出在所需范围内的特性（比如电阻率值）的沉积物。本文描述的实施例还涉 及降低由用以电解处理微特征工件的处理流体中存在的络合剂和/或其他添加剂而产生 的不良影响的工艺。在一些实施例中，所描述的工艺使用低电导率/高PH值处理流体，而 不会因为在与微特征工件接触的处理流体中存在金属氢氧化物粒子或碎片而导致在沉积 材料中形成缺陷。微特征工件处理者将发现，本文描述的某些工艺合乎需要，因为所述工艺 产生产率较高的可接受沉积产物，而无需成本昂贵地频繁更换处理流体。降低由处理流体 中络合剂和/或其他添加剂的存在而产生的不利影响亦可被本文描述的电解处理的使用 者视作是合乎需要的。 在一个实施例中，微特征工件表面接触第一处理流体，所述第一处理流体包括第 一处理流体物种，比如阳离子、阴离子和络合剂。相对电极接触第二处理流体，且电化学反 应发生在相对电极处。所述工艺有效地阻止非阳离子物种（例如阴离子物种）在第一处理 流体与第二处理流体之间的移动。在某些实施例中，第一处理流体能为低PH值处理流体， 第二处理流体能为高PH值处理流体，阳离子能为将沉积在微特征工件表面上的金属离子， 相对电极能可惰性电极。 在另一实施例中，微特征工件表面接触第一处理流体，所述第一处理流体包括将 沉积在微特征工件表面上的金属离子。此外，第一处理流体包括络合剂和与金属离子相对 的阴离子。惰性阳极接触第二处理流体，且在惰性阳极处产生氧化剂。所述工艺在第一处 理流体与第二处理流体之间使用阳离子渗透性阻挡层。所述阳离子渗透性阻挡层允许阳离 子（例如氢离子）通过第一处理流体到达第二处理流体。在此实施例中，第一处理流体中 的金属离子沉积在微电子工件表面上。在某些实施例中，第一处理流体和第二处理流体能 为高PH值处理流体。 在又一实施例中，微特征工件表面接触第一处理流体，所述第一处理流体包括将 沉积在微电子工件表面上的金属离子。在此实施例中，惰性阳极接触第二处理流体，所述的 第二处理流体包括缓冲剂与PH值调整剂，且阳离子渗透性阻挡层位于第一处理流体与第 二处理流体之间。 上文概述的工艺内能在用于电解处理微特征工件的系统中执行。所述系统包括腔 室，所述腔室具有用于接收第一处理流体的处理单元和用于接收第二处理流体的相对电极 单元。相对电极位于相对电极单元中，且阳离子渗透性阻挡层位于处理单元与相对电极单 元之间。所述系统亦包括络合剂源。所述腔室进一步包括与处理单元或相对电极单元流体 连通的金属离子源，及与处理单元流体连通的PH值调整剂源。 通过使用以上描述的工艺与以上描述的系统，诸如铜、镍、铅、金、银、锡、铂、钌、 铑、铱、锇、铼及钯之类的金属能沉积在微特征工件表面上。这些表面能采取种晶层或阻挡 层的形式。 以上描述的工艺实施例与系统能用于将材料电镀到微特征工件表面上，或用于从 微特征工件表面电蚀刻或除镀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于用第二处理流体中的相对电极电解处理作为第一处理流体中的工作电极的微特征工件的工艺，所述方法包括以下步骤：(a)使所述第一处理流体接触所述微特征工件的表面，所述第一处理流体包括第一金属阳离子；(b)使第二处理流体接触所述相对电极，所述第二处理流体包括第二金属阳离子且具有在约1至约3的范围内的pH值；(c)通过在所述第一处理流体与所述第二处理流体之间提供阳离子渗透性阻挡层来允许所述第二金属阳离子从所述第二处理流体向所述第一处理流体移动，但大体上阻止所述第一金属阳离子从所述第一处理流体向所述第二处理流体的移动，其中所述第二金属阳离子从所述第二处理流体向所述第一处理流体的主要质量传送是穿过所述阳离子渗透性阻挡层进行的；及(d)将所述第一金属阳离子与所述第二金属阳离子电解沉积在所述微特征工件的所述表面上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：马文·L·伯恩特，罗斯·古莎，
申请(专利权)人：应用材料公司，
类型：发明
国别省市：美国;US