利用离子阻性离子可穿透元件电镀金属的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

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。
技术介绍
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。
技术实现思路
描述了用于在衬底上以改善的镀覆均匀性电镀金属的方法和装置。本文描述的装置和方法可以用于在各种衬底上电镀，并且在WLP处理期间对于穿过抗蚀剂电镀是特别有用的。所述装置和方法利用在电镀期间定位在衬底附近并且被配置为针对选定类型的非均匀性的离子阻性离子可穿透元件，该元件具有空间上特制的电阻率。例如由于终端效应导致的径向非均匀性，通过使用设置在紧邻晶片的离子阻性离子可穿透元件而减轻，其中所述元件在边缘比在中心更具电阻性。电阻率可以通过在空间上改变元件的厚度、元件的孔隙率、或厚度和孔隙率的组合而在空间上变化。在本专利技术的一个方面，提供了一种电镀装置，其中，该装置包括：(a)电镀室，其被配置成在电镀金属到半导体衬底上时容纳电解液和阳极；(b)衬底支架，其配置成在电镀期间保持所述半导体衬底，使得所述衬底的镀覆面与所述阳极分开；以及(c)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穿过所述元件朝向所述衬底流动，并且其中所述元件包括具有变化的局部电阻率的区域。在一些实施方式中，所述局部电阻率在所述具有变化的局部电阻率的区域是逐渐变化的。在一个实施例中，所述具有变化的局部电阻率的区域与所述元件是共同延伸的(即该区域是整个元件)，并且在该区域中的所述局部电阻率从所述元件的边缘沿径向到所述元件的中心减小。该实施方式对于减轻终端效应，特别在WLP特征内沉积金属时是特别有用的。在另一个实施例中，所述元件包括围绕所述变化的局部电阻率的所述区域的恒定的局部电阻率的区域，其中所述变化的局部电阻率的区域位于所述元件的中心部分，并且其中在所述变化的局部电阻率的区域中的所述局部电阻率从与所述恒定电阻率的区域的界面沿径向朝向所述元件的中心减小。该实施方式对于解决在穿过抗蚀剂电镀中遇到的由于在半导体衬底的中心的较厚的光致抗蚀剂层而产生的非均匀性是特别有用的。可以使用许多途径(approach)改变该元件的电阻率。在一种途径中，所述元件在所述具有变化的局部电阻率的区域中具有变化的厚度和恒定的孔隙率。厚度的变化是优选的但不必需是逐渐的。在另一种途径中，所述元件在所述具有变化的局部电阻率的区域中具有变化的孔隙率(优选逐渐变化的孔隙率)和恒定的厚度。也可以使用这些途径的组合。例如，在一些实施方式中，所述元件在所述具有变化的局部电阻率的区域中具有逐渐变化的孔隙率和逐渐变化的厚度两者。在一些实施方式中，所述元件具有多个通过离子阻性材料制成的并且将所述元件的所述面对衬底的表面与所述元件的所述相反的表面连接的非连通通道，其中所述元件使得所述电解液能够穿过所述通道朝向所述衬底运动。在一些实施方式中，所述具有变化的局部电阻率的区域具有所述非连通通道的逐渐变化的密度。在一些实施方式中，所述具有变化的局部电阻率的区域具有所述非连通通道的逐渐变化的直径。在一些实施方式中，所述具有变化的局部电阻率的区域具有所述非连通通道相对于由所述衬底的镀覆面限定的平面的逐渐变化的倾斜角。也可使用这些实施方式(变化的通道密度、
变化的通道直径、以及变化的倾斜角)的所有组合以提供变化的电阻率。在使用变化的厚度以获得变化的电阻率的一个特定的实施例中，所述具有变化的局部电阻率的区域与所述元件是共同延伸的，并且其中由于所述元件的厚度从所述元件的边缘到所述元件的中心逐渐减小，因此在该区域中的所述局部电阻率从所述元件的边缘沿径向到所述元件的中心逐渐减小。在该实施例的一些实施方式中，在沿径向截面观察时，所述元件的相反的表面是遵循二阶多项式函数的凸起的表面。在使用变化的厚度以获得变化的电阻率的另一个特定的实施例中，所述元件包括围绕所述具有变化的局部电阻率的区域的恒定厚度的区域，其中，所述具有变化的局部电阻率的区域位于元件的中心部分，并且其中在所述具有逐渐变化的局部电阻率的区域中所述元件的厚度从与所述恒定厚度的区域的界面沿径向朝向所述元件的中心减小。在其它实施方式中，其中使用变化的厚度以获得变化的电阻率，并且其中所述厚度的变化介于所述元件的最大厚度的约3-100％之间。在一些实施方式中，所述元件与所述半导体衬底基本上共同延伸，并具有介于约6000-12000个之间的用离子阻性材料制成的非连通通道。所述元件紧邻所述半导体衬底放置。通常，在电镀期间，所述元件的所述面对衬底的表面与所述半导体衬底的镀覆面通过约10mm或小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电镀装置，其包括：(a)电镀室，其被配置成在电镀金属到半导体衬底上时容纳电解液和阳极；(b)衬底支架，其被配置成在电镀期间保持所述半导体衬底，使得所述衬底的镀覆面与所述阳极分开；(c)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穿过所述元件朝向所述衬底流动，并且其中所述元件包括具有变化的局部电阻率的区域。

【技术特征摘要】
2015.05.14 US 14/712,5531.一种电镀装置，其包括：(a)电镀室，其被配置成在电镀金属到半导体衬底上时容纳电解液和阳极；(b)衬底支架，其被配置成在电镀期间保持所述半导体衬底，使得所述衬底的镀覆面与所述阳极分开；(c)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穿过所述元件朝向所述衬底流动，并且其中所述元件包括具有变化的局部电阻率的区域。2.根据权利要求1所述的电镀装置，其中所述局部电阻率在所述具有变化的局部电阻率的区域是逐渐变化的。3.根据权利要求1所述的电镀装置，其中所述具有变化的局部电阻率的区域与所述元件是共同延伸的，并且其中在所述区域中的所述局部电阻率从所述元件的边缘沿径向到所述元件的中心减小。4.根据权利要求1所述的电镀装置，其中所述元件包括围绕所述变化的局部电阻率的区域的恒定的局部电阻率的区域，其中所述逐渐变化的局部电阻率的区域位于所述元件的中心部...

【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，蔡李鹏，亚伦·贝尔克，罗伯特·拉什，史蒂文·T·迈耶，
申请(专利权)人：朗姆研究公司，
类型：发明
国别省市：美国;US