用于电镀期间的有效质量传递的电解液流体动力学的控制制造技术

本发明专利技术涉及用于电镀期间的有效质量传递的电解液流体动力学的控制，并描述了用于将一种或一种以上金属电镀到衬底上的设备和方法。实施例包含经配置以用于在镀敷期间的有效质量传递以获得高度均匀的镀敷层的电镀设备，和包含在镀敷期间的有效质量传递以获得高度均匀的镀敷层的方法。在特定实施例中，使用晶片表面处的撞击流与剪切流的组合来实现所述质量传递。

【技术实现步骤摘要】
用于电镀期间的有效质量传递的电解液流体动力学的控制相关申请案的交叉参考本申请案依据35U.S.C.§119(e)主张2010年7月2日申请的第61/361,333号美国临时专利申请案、2010年8月18日申请的第61/374,911号美国临时专利申请案和2010年10月21日申请的第61/405,608号美国临时专利申请案的优先权，以上美国临时专利申请案中的每一者以全文引用方式并入本文。
本专利技术涉及用于在电镀期间控制电解液液体动力学的方法和设备。更特定来说，本文描述的方法和设备尤其有用于将金属镀敷到半导体晶片衬底上。
技术介绍
在现代集成电路制造中，电化学沉积工艺已被广泛接受。在二十一世纪的早些年中从铝金属线向铜金属线的转变推动了对越来越复杂的电沉积工艺和镀敷工具的需要。大部分复杂性由于对装置金属化层中的越来越小的电流载运线的需要而进一步发展。这些铜线是通过在通常称为“镶嵌”处理的方法中将金属电镀到非常薄的高纵横比的沟槽和通孔中来形成。目前，电化学沉积随时准备用于满足对复杂的封装和多芯片互连技术的商业需要，所述技术一般称为晶片级封装(WLP)和穿硅通孔(TSV)电连接技术。这些技术存在其自身的非常大的挑战。所述技术需要比镶嵌应用显著更大的尺寸规模的电镀。取决于封装特征的类型和应用(例如，通过芯片连接的TSV、互连再分配布线、或芯片到板或芯片结合，例如倒装芯片柱)，在当前技术中，镀敷特征通常大于约2微米且通常为5到100微米(例如，柱可为约50微米)。对于例如电力母线等一些芯片上结构，待镀敷的特征可大于100微米。WLP特征的纵横比通常为约1∶1(高度比宽度)或更小，而TSV结构可具有非常高的纵横比(例如，在约20∶1的邻域中)。在待沉积的材料量相对大的情况下，不仅特征大小，而且镀敷速度也在WLP和TSV应用与镶嵌应用之间不同。对于许多WLP应用，镀敷必须以至少约2微米/分钟的速率填充特征，且通常以至少约4微米/分钟的速率填充特征，且对于一些应用以至少约7微米/分钟的速率来填充。在这些较高镀敷速率体系下，电解液中的金属离子向镀敷表面的有效质量传递是重要的。较高的镀敷速率相对于电沉积层的均匀性带来了挑战，即，必须以高度均匀方式来进行镀敷。对于各种WLP应用，镀敷必须径向沿着晶片表面展现最多约5％的半范围变化(称为晶片内均匀性，在裸片中在晶片直径上的多个位置处作为单个特征类型来测量)。类似同样的挑战性要求是具有不同大小(例如，特征直径)或特征密度(例如，阵列中部的隔离式或嵌入式特征)的各种特征的均匀沉积(厚度和形状)。此性能规范大体上称为裸片内不均匀性。裸片内不均匀性是作为如下指标来测量：如上所述的各种特征类型的局部可变性(例如，＜5％半范围)对给定晶片裸片内在晶片上所述特定裸片位置处(例如，半径中点、中心或边缘处)的平均特征高度或形状。最终的挑战性要求是对特征内形状的大体控制。线或柱可以凸出、平坦或凹入方式倾斜，其中平坦轮廓通常是(但并不总是)优选的。在满足这些挑战的同时，WLP应用必须与常规的成本较低的抓取与放置例行操作相竞争。再者，用于WLP应用的电化学沉积可能涉及镀敷各种非铜金属，例如铅、锡、银、镍、金及其各种合金，其中一些包含铜。
技术实现思路
本文描述用于将一种或一种以上金属电镀到衬底上的设备和方法。大体上描述其中衬底是半导体晶片的实施例；然而本专利技术不受此限制。实施例包含经配置以用于控制电解液流体动力学以用于镀敷期间的有效质量传递以获得高度均匀的镀敷层的电镀设备，和包含控制电解液流体动力学以用于在镀敷期间的有效质量传递以获得高度均匀的镀敷层的方法。在特定实施例中，使用晶片表面处的撞击流与剪切流的组合来实现所述质量传递。一个实施例是一种电镀设备，其包含：(a)镀敷腔室，其经配置以容纳电解液和阳极，同时将金属电镀到大体平面的衬底上；(b)衬底固持器，其经配置以固持所述大体平面的衬底以使得在电镀期间所述衬底的镀敷面与所述阳极分离；(c)流成形元件，其包括面对衬底的表面，所述面对衬底的表面在电镀期间大体上平行于所述衬底的镀敷面且与所述镀敷面分离，所述流成形元件包括具有穿过所述流成形元件制成的多个非连通通道的离子电阻性材料，其中所述非连通通道允许在电镀期间输送所述电解液通过所述流成形元件；以及(d)流转向器，其在所述流成形元件的所述面对衬底的表面上，所述流转向器包括部分沿着所述流成形元件的圆周且具有一个或一个以上间隙的壁结构，且在电镀期间界定所述流成形元件与所述大体平面的衬底之间的部分或“假”腔室。在一个实施例中，所述流成形元件是圆盘形的，且所述流转向器包含附接到或集成到所述流成形元件上的带槽环形间隔件。在一个实施例中，所述流转向器的所述壁结构具有单个间隙，且所述单个间隙占据约40度到约90度之间的弧。所述流转向器的所述壁结构的高度约在1mm到约5mm之间。在某些实施例中，所述流转向器经配置以使得在电镀期间所述壁结构的顶部表面距所述衬底固持器的底部表面在约0.1mm到0.5mm之间，且在电镀期间所述流成形元件的顶部表面距所述衬底固持器的所述底部表面在约1mm到5mm之间。下文更详细论述流成形元件中的通孔的数目和配置。所述孔在流成形元件上可成均匀和/或不均匀的图案。在某些实施例中，流成形元件称为“流成形板”。在某些实施例中，所述设备经配置以在所述衬底镀敷面的方向上且于在电镀期间产生退出所述流成形元件的孔的至少约10cm/s的平均流速的条件下使电解液流动。在某些实施例中，所述设备经配置以在产生越过所述衬底的所述镀敷面的中心点的至少3cm/s或更大的横向电解液速率的条件下操作。在某些实施例中，所述壁结构具有高于内部部分的外部部分。除了形成假腔室中的通风区的一个或一个以上间隙外，实施例还包含限制退出假腔室的电解液的流的特征。一个实施例是一种用于将金属电镀到衬底上的设备，所述设备包含：(a)镀敷腔室，其经配置以容纳电解液和阳极，同时将金属电镀到所述衬底上；(b)衬底固持器，其经配置以固持所述衬底以使得在电镀期间所述衬底的镀敷面与所述阳极分离，所述衬底固持器具有一个或一个以上电力触点，所述电力触点经布置以在电镀期间接触所述衬底的边缘且将电流提供到所述衬底；(c)流成形元件，其经成形且配置以在电镀期间定位于所述衬底与所述阳极之间，所述流成形元件具有在电镀期间大体上平行于所述衬底的所述镀敷面且与所述镀敷面分离约10毫米或更小距离的平坦表面，且所述流成形元件还具有多个孔以准许所述电解液朝向所述衬底的所述镀敷面流动；以及(d)用于使所述衬底和/或流成形元件旋转且同时在所述衬底镀敷面的方向上使电解液在电镀单元中流动的机构；以及(e)用于将剪切力施加于在所述衬底的所述镀敷面处流动的所述电解液的机构，其中所述设备经配置以用于在所述衬底镀敷面的方向上于在电镀期间产生退出所述流成形元件的所述孔的至少约10cm/s的平均流速的条件下使电解液流动，且用于在平行于所述衬底的所述镀敷面的方向上在产生越过所述衬底的所述镀敷面的中心点的至少约3cm/s的电解液速率下使电解液流动。下文更详细描述各种剪切力机构。一个实施例是一种在包括具有至少约2微米的宽度和/或深度的特征的衬底上电镀的方法，所述方法包含：(a)将所述衬底提供到镀敷腔本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种电镀设备，其包括：（ａ）镀敷腔室，其经配置以容纳电解液和阳极，同时将金属电镀到大体平面的衬底上；（ｂ）衬底固持器，其经配置以固持所述大体平面的衬底以使得在电镀期间将所述衬底的镀敷面与所述阳极分离；（ｃ）流成形元件，其包括面对衬底的表面，所述面对衬底的表面在电镀期间大体上平行于所述衬底的镀敷面且与所述镀敷面分离，所述流成形元件包括具有穿过所述流成形元件制成的多个非连通通道的离子电阻性材料，其中所述非连通通道允许在电镀期间输送所述电解液穿过所述流成形元件；以及（ｄ）流转向器，其在所述流成形元件的所述面对衬底的表面上，所述流转向器包括部分沿着所述流成形元件的圆周且具有一个或一个以上间隙的壁结构，且在电镀期间界定所述流成形元件与所述大体平面的衬底之间的假腔室。

【技术特征摘要】
2010.07.02 US 61/361,333;2010.08.18 US 61/374,911;1.一种电镀设备，其包括：(a)镀敷腔室，其经配置以容纳电解液和阳极，同时将金属电镀到平面的衬底上；(b)衬底固持器，其经配置以固持所述平面的衬底以使得在电镀期间将所述衬底的镀敷面与所述阳极分离；(c)流成形元件，其包括面对衬底的表面，所述面对衬底的表面在电镀期间平行于所述衬底的镀敷面且与所述镀敷面分离，所述流成形元件包括具有穿过所述流成形元件制成的多个非连通通道的离子电阻性材料，其中所述非连通通道允许在电镀期间输送所述电解液穿过所述流成形元件，以沿着垂直于所述衬底的电镀表面的方向，创造电解液的撞击流；以及(d)流转向器，其在所述流成形元件的所述面对衬底的表面上，所述流转向器包括部分沿着所述流成形元件的圆周且具有包含一个以上间隙的通风区的壁结构，其中所述通风区所对着的角度为20度到120度，且其中所述壁结构在电镀期间界定所述流成形元件与所述平面的衬底之间的假腔室，其中所述流转向器经配置以使所述电解液的撞击流转向以沿着平行于所述衬底的所述电镀表面且至少在所述衬底的中心处朝向所述流转向器的所述一个以上间隙的方向，借此创造横穿所述衬底的中心的横向电解液流。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述流成形元件是圆盘形的，且所述流转向器包括附接到所述流成形元件或集成到所述流成形元件上的带槽环形间隔件。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述流转向器的所述壁结构具有单个间隙，且所述单个间隙占据40度与90度之间的弧。4.根据权利要求1所述的设备，其中所述流转向器的所述壁结构的高度在1mm与5mm之间。5.根据权利要求1所述的设备，其中所述流转向器经配置以使得在电镀期间所述壁结构的顶部表面距所述衬底固持器的底部表面在0.1mm与0.5mm之间，且在电镀期间所述流成形元件的顶部表面距所述衬底固持器的所述底部表面在1mm与5mm之间。6.根据权利要求1所述的设备，其中所述离子电阻性材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯、聚砜和聚碳酸酯中的至少一者。7.根据权利要求1所述的设备，其中所述流成形元件的厚度在5mm与10mm之间。8.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个非连通通道相对于所述流成形元件的所述面对衬底的表面以90°的角度定向。9.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个非连通通道彼此平行。10.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个非连通通道中的至少一些通道彼此不平行。11.根据权利要求1所述的设备，其中所述流成形元件的所述面对衬底的表面在电镀期间与所述衬底的所述镀敷面分离10毫米或更小的距离。12.根据权利要求1所述的设备，其中所述流成形元件的所述面对衬底的表面在电镀期间与所述衬底的所述镀敷面分离5毫米或更小的距离。13.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备经配置以在所述衬底镀敷面的方向上且于在电镀期间产生退出所述流成形元件的孔的至少10cm/s的平均流速的条件下使电解液流动。14.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备经配置以在产生越过所述衬底的所述镀敷面的中心点的3cm/sec或更大的横向电解液速率的条件下操作。15.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个非连通通道经布置以避开平行于所述面对衬底的表面的并不会遇到所述多个非连通通道中的一者的长距离线性路径。16.根据权利要求15所述的设备，其中所述多个非连通通道经布置以避开平行于所述面对衬底的表面的并不会遇到所述多个非连通通道中的一者的10mm或更大的长距离线性路径。17.根据权利要求1所述的设备，其中所述壁结构具有高于内部部分的外部部分。18.根据权利要求17所述的设备，其中所述外部部分的高度在5m...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·T·迈尔，戴维·W·波特，
申请(专利权)人：诺发系统有限公司，
类型：发明
国别省市：US