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)。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】提供了。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)。【专利说明】
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。
技术介绍
在集成电路(1C)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30-50A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。 通常，产生TSV的工艺不严格地类似于镶嵌处理，但在不同的、较大尺寸比例下进 行，并利用较高的深宽比的凹陷特征。在TSV处理中，腔或凹陷首先被蚀刻到电介质层(如二 氧化硅层）中；然后凹陷特征的内表面和衬底的场区两者都被金属化有扩散阻挡层和/或粘 附(粘)层(例如钽、钛、钨化钛、氮化钛、氮化钽、钌、钴、镍、钨），和"可电镀籽晶层"（例如铜、 钌、镍、钴，其可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、ALD、或者无电镀工艺来沉 积）。接着，使用例如"自下而上"的铜电镀将金属化凹陷特征用金属填充。与此相反，通过抗 蚀剂的WLP特征的形成通常不同地进行。该工艺通常开始于可包括一些低深宽比的通孔或 焊盘的基本上平坦的衬底。基本上平坦的电介质衬底用粘合层覆盖，然后是籽晶层(通常通 过PVD沉积)覆盖。然后在籽晶层上沉积光致抗蚀剂层并图案化以产生没有电镀掩蔽光致抗 蚀剂的开放区域的图案，在开放区域中籽晶层被暴露。接着，金属被电镀到开放区域中以形 成柱、线、或在衬底上的另一个特征，它们在光致抗蚀剂剥离，并通过蚀刻去除籽晶层之后， 在衬底上留下各种电隔离凸起结构。 这两种技术(TSV和通过抗蚀剂的电镀)相比于镶嵌应用需要在显著较大尺寸规模 上电镀。根据不同的包装特征的类型和应用（例如，通过芯片连接TSV，互连再分配布线，或 芯片到板或芯片键合，如倒装芯片柱），在目前的技术中，电镀的特征的直径通常大于约2微 米，并且直径典型地是5-100微米(例如，柱的直径可以是约50微米）。对于某些芯片上的结 构，例如电源总线，待镀特征可大于100微米。通过抗蚀剂的WLP特征的深宽比典型地为约2: 1(高度与宽度)或更小，更典型地为1:1或更小，而TSV结构可具有非常高的深宽比（例如，在 约10:1或20:1左右）。 考虑到要沉积相对大量的材料，不仅特征尺寸而且电镀速度都使WLP和TSV应用与 镶嵌应用区分开来。对于许多WLP应用，敷镀必须以至少约2微米/分钟，典型地为至少约4微 米/分钟，而对于一些应用，为至少约7微米/分钟的速率填充特征。实际速率将根据被沉积 的特定的金属不同而变化。但在这些较高的电镀速率的制度下，在电解液中金属离子到电 镀表面的有效质量传输是非常重要的。较高的电镀速率相对于保持适当的特征形状，以及 控制管芯和晶片范围的厚度均匀性，提出许多挑战。 由可能需要在一个电镀工具中顺序地处理的不同衬底提出另一均匀性控制的挑 战。例如，两个不同的半导体处理中的晶片(每个针对不同的产品）可以在半导体晶片的边 缘区域附近具有显著不同的凹陷特征的径向分布，并因此将需要不同的补偿以实现针对两 者所需的均匀性。因此，需要能够顺序地处理不同衬底的具有优良的电镀均匀性和最小化 的电镀工具停机时间的电镀装置。
技术实现思路
本文描述了用于在衬底上电镀金属，同时控制电镀非均匀性(如径向非均匀性，方 位角不均匀性或两者）的方法和装置。本文描述的装置和方法可以用于在各种衬底上电镀， 所述衬底包括具有TSV或WLP凹陷特征的半导体晶片衬底。该装置和方法对于在不同的衬底 上连续电镀金属特别有用，因为该装置被设计为允许对径向和/或方位角的均匀性的控制， 并可以容纳衬底中大范围的差异而无需硬件的改变。因此，处理不同衬底的电镀工具的停 机时间可以大大减少。 在本专利技术的第一个方面，提供了一种用于在衬底上电镀金属的电镀装置，其中所 述装置包括：（a)电镀室，其配置成容纳电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于在衬底上电镀金属的电镀装置，所述装置包括：(a)电镀室，其配置成容纳电解液，所述电镀室包括阴极电解液分室和阳极电解液分室，其中所述阳极电解液分室和所述阴极电解液分室通过离子可渗透膜分隔开；(b)衬底支架，其配置成在电镀期间保持并旋转所述阴极电解液分室中的所述衬底；(c)主阳极，其布置在所述电镀室的所述阳极电解液分室中；(d)离子阻性离子可渗透元件，其布置在所述离子可渗透膜和所述衬底支架之间，其中，所述离子阻性离子可渗透元件适于在电镀期间提供通过所述元件的离子迁移；以及(e)第二电极，其配置成贡献和/或转移电镀电流到所述衬底和/或从所述衬底贡献和/或转移电镀电流，其中，所述第二电极被布置成使得所贡献和/或转移的所述电镀电流不穿过分隔开所述阳极电解液分室和所述阴极电解分室的所述离子可渗透膜，且其中所述第二电极被布置成使得穿过所述离子阻性离子可渗透元件贡献和/或转移电镀电流。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：布哈努丁·卡加伊瓦拉，布莱恩·L·巴卡柳，史蒂文·T·迈耶，蔡李鹏，亚伦·贝尔克，詹姆斯·艾萨克·福特纳，罗伯特·拉什，
申请(专利权)人：朗姆研究公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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