本公开总体上涉及在半导体晶片上的金属层的电镀。更具体地，其涉及电镀装置中使用的有源阳极。
背景技术：
过去在集成电路(ic)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。在电镀期间，具有籽晶层的半导体晶片通常浸入含有铜离子的电解质中，并且被阴极(负极)偏置。阳极(例如活性铜阳极)被正偏置并且通常被定位成使得其直接面对晶片衬底的电镀表面。在镶嵌工艺中，衬底具有许多涂覆有导电籽晶层的凹陷特征，所述导电籽晶层电连接到衬底周边的电源。
当使用活性(可溶)铜阳极时，根据等式(1)在电镀期间溶解阳极。有源阳极可以用作电解液中的铜离子源。
cu-2e-→cu2+(1)
包含在电解液中的铜离子在阴极偏置的衬底处被还原，从而根据等式(2)电沉积铜。
cu2++2e-→cu(2)
电沉积工艺也可用于晶片级封装(wlp)应用中，以填充比典型镶嵌应用中的凹陷特征大的凹陷特征。在wlp应用中，通常使用贯穿抗蚀剂电镀工艺将金属电镀到凹陷特征中，其中衬底包括在电镀之前被暴露的非导电光致抗蚀剂材料和导电籽晶层(位于凹陷特征的底部部分处)。
这里提供的背景描述是出于一般地呈现本公开的背景的目的。目前指定的发明人的工作，在本背景技术部分中描述的范围，以及在提交时可能不具有其他资格作为现有技术的描述的各方面，既不明确也不暗示地被承认为针对本公开的现有技术。
技术实现要素：
在电镀期间，通常希望调整衬底边缘处的沉积的金属的量。在一些实施方案中，这通过提供除主阳极之外的第二阳极来实现，其中主阳极设置成使其直接面向衬底，而第二阳极沿外围设置，并且可以与主阳极分开控制。在一些实施方案中，第二阳极具有大致环形的形状，其内径大于衬底的直径。
在一个方面，提供了一种有源阳极，其中有源阳极(例如，铜阳极、钴阳极或镍阳极)具有：大致环形的主体，其具有内表面和外表面；以及从所述外表面向外延伸至少一个的突起，其中，所述大致环形的主体和至少一个突起的成分(composition)是相同的。这种阳极可以用作用于调整在衬底的边缘处的电镀的第二阳极。所述突起可以用作电源耦合片，其可以通过电缆电连接到向该阳极供电的电源。在一些实施方案中，该阳极(包括环形的主体和突起)由单件阳极级金属(例如，铜、钴或镍)加工而成，使得在该阳极主体中没有接缝。有利地，当环形的主体和突起都具有相同的成分时，并且当该阳极中不存在焊缝时，该阳极可以提供稳定的电镀环境而没有显著的电压波动。相反，如果不同成分的紧固件连接到该阳极的环形的主体上，或者如果该阳极包含接缝，则在接缝或紧固件附近会发生金属溶解增加，从而导致在这些位置处镀覆不均匀。
在一些实施方案中，有源阳极是单件式(single-piece)铜阳极。在一些实施方案中，单件式铜阳极包含铜(cu)和磷(p)。在一些实施方案中，单件式铜阳极包含至少约99.9重量％(±0.05重量％)的铜和按重量计介于约400ppm(±50ppm)和约650ppm(±50ppm)之间的磷。在一些实施方案中，铜阳极中的阳极级铜具有介于约150μm(±50μm)和约450μm(±50μm)之间的平均粒度。在其他实施方案中，其中钴是电沉积金属，阳极是单件式钴阳极。
在一些实施方案中，有源阳极的突起包括在突起的远端末端处的开口。该开口通常被配置用于安装适于连接到电源的电源连接器。该电源连接器沿垂直于由该阳极的环形部分限定的平面的方向插入开口中。在一些情况下，围绕开口的突起的远端末端是凹陷的。当电源连接器装配到开口中时，该凹陷允许电源连接器的头部抵靠所述突起。
可以基于衬底的尺寸来选择有源阳极的尺寸。在一些实施方案中(例如，当处理具有300mm直径的半导体晶片时)，有源阳极的大致环形的主体具有至少约317.5mm(±1mm)的内径和不大于约355.6mm(±1mm)的外径。在一个示例中，有源阳极的大致环形的主体的内径为约330mm(±5％)，外径为约352mm(±5％)。在所示实施方案中，突起的最大宽度介于约8mm和约10mm之间(例如，约9mm)。在该实施方案中，所述环形的主体和突起具有约10mm的最大厚度，而突起的长度介于约33mm和约37mm之间。除非另有说明，否则当提到尺寸时，术语“约”是指在所述尺寸值(1-50％)和所述尺寸值(1+50％)之间。
在一实施方案中，所述有源阳极是单件式铜阳极，其中所述单件式铜阳极的所述大致环形的主体具有至少约318mm的内径和不大于约355mm的外径。在该实现方式中，所述有源阳极的所述突起在所述突起的远端末端具有开口，其中限定所述大致环形的主体的环形物的中心与所述突起的所述远端末端的所述开口的中心之间的距离介于约197mm和约217mm之间。
在另一方面，提供了一种用于在衬底上电镀金属的电镀装置。在一些实施方案中，该装置包括：(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)第二阳极，其配置成提供电镀电流到所述衬底，其中，所述第二电极被布置成使得所提供的所述电流不穿过将所述阳极电解液分室和所述阴极电解分室分隔开的所述离子可渗透膜，且其中所述第二阳极被布置成使得提供穿过所述离子阻性离子可渗透元件的电镀电流，其中所述第二阳极包括：大致环形的主体，其具有内表面和外表面；和从所述外表面向外延伸的至少一个突起，其中所述有源阳极是铜阳极、钴阳极或镍阳极，并且其中所述第二阳极的所述大致环形的主体和所述至少一个突起的成分是相同的。所述第二阳极可以是如本文所述的单件式铜阳极、单件式钴阳极或单件式镍阳极。
在一些实施方案中，第二阳极位于围绕电镀室的周边的第二阳极室中。在一些实施方案中，所述阳极的突起经由金属连接器和电源线电连接到电源。金属连接器(金属耦合件)可以由任何合适的导电金属制成，例如由钛、不锈钢或铜制成。
在另一方面，提供了一种在阴极偏置的衬底上电镀金属的方法。该方法包括：(a)将衬底提供到电镀装置中，该电镀装置被配置用于在电镀期间旋转衬底，其中该装置包括：(i)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；(ii)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；(iii)主阳极，其布置在所述电镀室的所述阳极电解液分室中；(iv)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(v)第二阳极，其配置成提供电镀电流到所述衬底，其中，所述第二电极被布置成使得所提供和/或转移的所述电镀电流不穿过将所述阳极电解液分室和所述阴极电解分室分隔开的所述离子可渗透膜，且其中所述第二阳极被布置成使得提供穿过所述离子阻性离子可渗透元件的电镀电流，其中所述第二阳极包括：大致环形的主体，其具有内表面和外表面；和从所述外表面向外延伸的至少一个突起，其中所述有源阳极是铜阳极、钴阳极或镍阳极，并且其中所述第二阳极的所述大致环形的主体和所述至少一个突起的成分是相同的；以及(b)在旋转所述衬底的同时在所述衬底上电镀所述金属，同时向所述第二阳极和主阳极提供电力。
在一些实施方案中，本文描述的任何方法用于结合光刻设备处理一起使用。例如，这些方法可以进一步包括施加光致抗蚀剂到衬底；将光致抗蚀剂暴露于光；图案化光致抗蚀剂和转印图案到衬底；和从衬底选择性地去除光致抗蚀剂。在一些实施方案中，提供了一种系统，其中该系统包括本文所述的任何装置和步进机(stepper)。
本文所描述的装置还典型地包括控制器，该控制器包括用于执行本文所述的任何电镀方法的程序指令或内置逻辑程序。在另一个方面，提供了非暂时性计算机的机器可读介质以控制本文所提供的装置。所述机器可读介质包括代码，以执行本文所描述的任何方法。
具体而言，本实用新型的一些方面可以阐述如下：
1.一种有源阳极，其包括：
大致环形的主体，其具有内表面和外表面；以及
从所述外表面向外延伸的突起，其中所述有源阳极是铜阳极、钴阳极或镍阳极，并且其中所述大致环形的主体和所述突起的成分是相同的。
2.根据条款1所述的有源阳极，其中所述有源阳极是单件式铜阳极。
3.根据条款1所述的有源阳极，其中所述有源阳极是单件式铜阳极，其包含铜(cu)和磷(p)。
4.根据条款3所述的有源阳极，其中所述单件式铜阳极包含至少约99.9重量％的铜和按重量计介于约400ppm和约650ppm之间的磷。
5.根据条款1所述的有源阳极，其中所述有源阳极是单件式铜阳极，其中所述有源阳极中的铜具有介于约150μm和约450μm之间的平均粒度。
6.根据条款1所述的有源阳极，其中所述有源阳极是单件式钴阳极。
7.根据条款1所述的有源阳极，其中所述突起包括在所述突起的所述远端末端处的开口。
8.根据条款7所述的有源阳极，其中所述突起的围绕所述开口的所述远端末端是凹陷的。
9.根据条款1所述的有源阳极，其中所述有源阳极的所述大致环形的主体具有至少约317.5mm的内径和不大于约355.6mm的外径。
10.根据条款1所述的有源阳极，其中所述有源阳极的所述大致环形的主体具有约330mm的内径和约352mm的外径。
11.根据条款1所述的有源阳极，其中所述突起具有介于约8mm和约10mm之间的最大宽度。
12.根据条款1所述的有源阳极，其中所述突起具有约9mm的最大宽度。
13.根据条款1所述的有源阳极，其中所述环形的主体和所述突起具有约10mm的最大厚度。
14.根据条款1所述的有源阳极，其中所述突起的长度介于约33mm和约37mm之间。
15.根据条款1所述的有源阳极，其中所述有源阳极是单件式铜阳极，其中所述单件式铜阳极的所述大致环形的主体具有至少约318mm的内径和不大于约355mm的外径；其中所述突起在所述突起的远端末端具有开口，其中限定所述大致环形的主体的环形物的中心与所述突起的所述远端末端的所述开口的中心之间的距离介于约197mm和约217mm之间。
16.一种用于在衬底上电镀金属的电镀装置，该装置包括：
(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)第二阳极，其配置成提供电镀电流到所述衬底，其中，所述第二电极被布置成使得所提供的所述电流不穿过将所述阳极电解液分室和所述阴极电解分室分隔开的所述离子可渗透膜，且其中所述第二阳极被布置成使得提供穿过所述离子阻性离子可渗透元件的电镀电流，其中所述第二阳极包括：大致环形的主体，其具有内表面和外表面；和从所述外表面向外延伸的至少一个突起，其中所述有源阳极是铜阳极、钴阳极或镍阳极，并且其中所述第二阳极的所述大致环形的主体和所述至少一个突起的成分是相同的。
17.根据条款16所述的装置，其中所述二阳极是单件式铜阳极。
18.根据条款16所述的装置，其中所述二阳极是单件式钴阳极。
19.根据条款16所述的装置，其中所述第二阳极位于围绕所述电镀室的周边的第二阳极室中。
20.根据条款16所述的装置，其中所述阳极的所述至少一个突起经由金属耦合件和电源线电连接到电源。
下面将参照相关附图更加详细地描述本实用新型的这些和其它的特征和优点。
附图说明
图1a显示了根据本文提供的一实施方案的阳极的视图。
图1b显示了图1a中所示的阳极的顶视图。
图1c示出了图1a中所示的阳极的侧视图。
图2a是根据本实用新型提供的具有第一配置的电镀装置的示意性剖视图。
图2b是根据本实用新型提供的具有第二配置的电镀装置的示意性剖视图。
图3显示了根据本文提供的一实施方案的分段的离子阻性离子渗透元件的顶视图。
图4是根据本文提供的一实施方案的包括第二阳极的组件的一部分的示意性横截面图。
图5是一工具的示意性顶视图，该工具包括根据本文提供的一实施方案的电镀装置。
图6是一工具的示意性顶视图，该工具包括根据本文提供的另一实施方案的电镀装置。
具体实施方式
提供了一种用于在衬底周边调节电镀的阳极。所提供的阳极是第二阳极，其通常沿外围设置在电镀室中，并且与更居中设置的主阳极一起用于电镀。所提供的第二阳极被配置为至少在整个电镀时间的一部分期间被正偏置，并且向衬底提供电镀电流。如本文所使用的阳极在整个电镀过程中不需要被正偏置，并且在一些实施方案中，其在整个电镀时间的一部分期间保持不偏置。在一些实施方案中，阳极在电镀时间的一部分期间被正偏置，并且在电镀时间的另一部分期间被负偏置(用作窃电阴极)。在一些实施方案中，由第二阳极提供的电镀电流量在电镀过程中动态变化。虽然所提供的阳极通常被称为第二阳极，但其提供的电流不一定在电镀期间始终比主阳极提供的电流小。
所提供的第二阳极是有源阳极，其在电镀期间溶解并且可以用作被电镀到衬底上的金属离子源。例如，在铜的电沉积过程中，使用铜第二阳极。钴阳极用于电沉积钴，而镍阳极用于电沉积镍。在一些实施方案中，铜阳极包含至少95重量％，例如至少99重量％的铜，钴阳极包含至少95重量％，例如至少99重量％的钴，并且镍阳极包含至少95重量％的镍。例如至少99％重量的镍。例如，铜阳极可以由包含铜和磷的阳极级铜制成，其中铜的含量为至少约99.9重量％，并且磷的含量按重量计介于约400和约650ppm之间。在一些实施方案中，阳极级铜的特征还在于平均铜粒度为介于约150至约450μm之间。
在一优选实施方案中，所述第二阳极具有大致环形的主体，所述主体具有内表面和外表面以及从所述外表面延伸的至少一个突起，其中所述大致圆形主体和所述突起的成分是相同的。例如，环形主体和突起都可以由如上所述的阳极级铜制成。突起被配置用于与电源进行电连接，并且在许多实施例中在电镀期间基本上不溶解，因为其与电解质的接触可以被电介质盖限制或阻止。然而，即使当突起没有主动地用作电镀电流的来源，具有与环形部分相同的成分也是有利的，因为这种结构导致电压波动减小，并因此导致电镀均匀性改善。如果由不同金属制成的电荷耦合件通过紧固件直接连接到铜阳极环，则与电荷耦合件相邻的铜可以比阳极环上的其他位置的铜更快地溶解，导致铜的不均匀电沉积。因此，所示实施方案中的电荷耦合件作为从阳极环向外延伸的突起结合到阳极主体中。
此外，在一些实施方案中，阳极是单件式阳极。单件式阳极不包括任何接缝(例如焊缝)或紧固件，并且通常由单片金属加工而成。例如，单件式铜阳极可以由单片阳极级铜加工而成。已经发现，当使用无缝单片式阳极时，电镀电流的均匀性以及因此电镀的均匀性可以显著提高，因为接缝会导致电压波动。在一些实施方案中，单件式阳极由阳极级金属片加工而成，例如阳极级铜、阳极级钴或阳极级镍。
图1a-1c示出了示例性单件式阳极。图1a示出了单件式阳极100的视图，其中阳极包括大致环形的主体101和沿向外方向延伸的电荷耦合突起103。在所描绘的实施方案中，电荷耦合突起103在突起103的远端处具有开口105。该开口与阳极的环形部分内的开口位于相同的平面中，并且被配置为装配有电荷耦合连接器，该电荷耦合连接器可插入开口中并与电源电连接。在所示的实施方案中，突起103上的开口105被凹陷部分围绕，从而使得连接器的头部能搁置在突起103上。
图1b中示出了图1a中所示的单件式阳极的俯视图。阳极的环形主体101和电荷耦合突起103由单片金属加工而成，在环形主体101和电荷耦合突起103之间的接口107处没有接缝或紧固件。如图1b所示的单件式阳极100的尺寸包括内径d1、外径d2和电荷耦合突起的宽度w1。在所示实施方案中的电荷耦合突起上的凹部具有弧形边界，其特征在于直径d3，直径d3指的是从开口105的中心到弧形边界的距离的双倍。阳极100的内径d1和外径d2分别指环形主体101的内径和外径。电荷耦合突起的宽度w1指的是阳极的环形开口的平面中的突起的宽度。此外，图1b示出了l1，其是环形主体101的中心与电荷耦合突起103的远端处的开口105的中心之间的距离。
图1c显示了单件式阳极的侧视图。在该视图中，电荷耦合突起103的凹陷部分更清晰可见。在所示实施方案中，阳极100的环形主体101的厚度t1与突起103的邻近环形主体101的厚度相同。在突起的远端处，突起凹陷成较小的厚度t2。厚度t1和t2指的是在与由阳极的环形部分限定的开口的平面垂直的平面中的距离。
第二阳极的尺寸可以根据正在处理的衬底的尺寸而变化。在许多实施方案中，阳极的内径大于衬底的直径，阳极设置在电镀装置中，使得衬底在第二阳极上没有足迹(footprint)。所描述的阳极可用于各种半导体衬底上的电镀，所述半导体衬底包括直径为250mm、300mm或450mm的半导体晶片。
表1列出了可用于调整在300mm晶片衬底的边缘处的电镀的阳极的示例性尺寸。
表1.根据本文提供的一实施方案的阳极尺寸。
在一些实施方案中，阳极的环形主体的内径至少为317.5mm，且外径不大于355.6mm。在这些实施方案中，阳极的环形主体的宽度(与环形部分的开口在相同的平面中)小于约38mm。在一些实施方案中，突起的最大宽度在约8mm和约10mm之间。在一些实施方案中，阳极的环形主体和电荷耦合突起的最大厚度约为10mm。在一些实施方案中，限定大致环形主体的环的中心与突起的远端末端处的开口的中心之间的距离介于约197mm和约217mm之间，并且突起的长度介于约33和约37毫米之间。
所提供的阳极被配置为至少在整个电镀时间的一部分期间将电镀电流提供给衬底的周边，并且可以用于校正衬底边缘处的电镀不均匀性。
晶片衬底上的籽晶层将电流从晶片的边缘区域(通常进行电接触的位置)传送到位于整个晶片表面上的所有沟槽和通孔结构。因为在晶片的边缘处进行电接触，所以经常在晶片的边缘区域处比在晶片的中心处观察到较大厚度的电沉积铜。这被称为末端效应，并且是在电镀期间遇到的电镀不均匀性的一个示例。随着电镀的进行，末端效应变得不太明显。如果在电镀开始时，该装置被配置成减轻末端效应并减小衬底边缘处的电镀金属的厚度，随着电镀的进行，在衬底的边缘处(例如，使用本文提供的第二阳极)引入额外的电镀电流可能是有利的。
所提供的阳极可用于在具有凹陷特征的衬底上电镀金属，所述凹陷特征例如镶嵌特征(例如，尺寸为10-200nm的特征)、晶片级封装(wlp)特征和硅通孔(tsv)。wlp和tsv技术其本身面临着非常重大的挑战。
通常，产生tsv的工艺大致地类似于镶嵌处理，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、或者化学镀工艺来沉积)。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的凸起结构。
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、或芯片与板或芯片键合(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(高度比宽度)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应用来说，电镀必须以至少约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规模(scale)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。
本文提供了用于在衬底上电镀金属同时控制电镀层的均匀性(如径向均匀性)的方法和装置。所述方法还可用于在不同衬底(例如在表面上具有不同的图案或不同的凹陷特征分布的半导体晶片)上依次电镀金属。在一些实施方案中，所述方法使用远程定位的第二阳极控制在衬底上的电镀电流(离子电流)。
通常描述的实施方案中的衬底是半导体晶片；然而本实用新型并不受限于此。所提供装置和方法用于在tsv和wlp应用中电镀金属，但也可以用于多种其它的电镀工艺，包括在镶嵌特征中沉积铜或钴。可以使用提供的方法电镀的金属的示例包括，但不限于，铜、钴和镍。
在典型的电镀工艺中，半导体晶片衬底被放置到晶片支架上，所述半导体晶片衬底可以在其表面上具有一个或多个凹陷特征，并且它的可镀(工作)表面被浸入到容纳在电镀浴中的电解液中。晶片衬底被负偏置，使得它在电镀期间用作阴极。在电镀期间在负偏置的衬底的表面上减少包含在电解液中的可镀金属的离子(如上面列出的金属离子)，从而形成一电镀金属层。在电镀期间通常是旋转的晶片经历电场(电解液的离子电流场)，由于各种原因该电场会是不均匀的。这可能导致金属的不均匀沉积。非均匀性的一种类型是中心到边缘(或径向)非均匀性，其自身表现为在相同的方位角(角度)位置在晶片上在不同径向位置有不同厚度的电镀。径向非均匀性可源于末端效应，这是由于较大量的金属沉积在晶片衬底上的电触点附近。因为电触点在晶片的外周，围绕晶片的边缘制成，在金属籽晶层中的被称为“末端效应”的电流流动的阻力本身表现为在晶片衬底的边缘相比于衬底中心有较厚的电镀。可以减少由于末端效应而导致的径向非均匀性的方法之一是利用设置在所述衬底的邻近处的离子阻性离子可渗透元件，其中所述元件具有在离该元件的中心特定径向位置终止的离子可渗透(例如，多孔的)区域和超过选定的径向位置的离子不可渗透区域。由于该元件在这些区域是不可渗透的，因此这导致抑制流动通过所述元件的离子电流超过选定的半径。单独或组合使用的另一种方法是安置阻止或转移电镀电流从晶片衬底的边缘至较中心位置的环形屏蔽物。
然而，在许多情况下，不同的衬底(例如，在表面上具有不同的分布的凹陷特征的衬底)将在它们的表面上经历不同的分布的电镀电流，并且可需要不同的屏蔽件以减少非均匀性。例如，半导体晶片可以包括不可镀的并覆盖着光致抗蚀剂的外部区域，以及包含可镀凹陷特征的中央区域。不同的第二晶片可以在基本上整个晶片上具有可电镀的特征。当使用一个电镀工具顺序处理这样的不同的晶片时，会遇到径向非均匀性问题。如果该工具使用具有针对使第二晶片的电镀均匀化而优化的开口的环形屏蔽件，那么针对在第一晶片上的电镀使用同一工具将导致在围绕可镀特征的区域的外周附近厚边缘的电镀，这是由于不可镀的外部区域的存在导致在该区域电流聚集的缘故。为了补偿这种效应，当处理第一晶片时，应当使用具有较小直径的开口的环形屏蔽件。因此，当第一和第二晶片被依次处理时，具有不同直径的中心开口的屏蔽件需要被顺序使用，以便在常规方法中达到最佳的非均匀性。例如，当使用300mm的晶片时，可以使用具有直径为11.45英寸(290.8毫米)的内开口的屏蔽件用于处理“整个面露出的”第一晶片，而具有直径为10.80英寸(274.3毫米)的内开口的屏蔽件将非常适合用于处理在边缘处具有未图案化的光致抗蚀剂的区域的第二晶片。但是，屏蔽尺寸和屏蔽元件的这种变化是不期望的并且不是实际的，因为工具硬件的变化需要操作员显著的干预和相关的非生产工具的停机时间。因此，存在对能够处理不同的晶片而不需要人工干预(如屏蔽件改变或其它硬件修改)的装置的需要。更通常地，能用本文提供的装置和方法进行处理的不同的晶片包括具有不同电阻率的籽晶层、和不同分布的凹陷特征的晶片。在一些实施方案中，晶片之间的差异只影响径向均匀性。
在本文提供的实施方案中，被配置成提供电镀电流至晶片衬底的适当定位的第二阳极被用来调节电镀的均匀性。在一些实施方案中，阳极可以在总电镀时间的一部分期间被负偏置，并且用作窃电阴极，并且可以在电镀时间的另一部分期间被正偏置。阳极相对于电镀系统的其它部件的位置是重要的，这存在很多原因，包括制造复杂性和成本的最小化、可靠性的提高、以及组装和维护的便利性。示出了电镀装置的两个主要配置。配置说明了第二阳极如何可以被集成到包含通过膜分隔开的阳极电解液分室和阴极电解液分室的电镀系统。配置进一步说明第二电极如何可以与离子阻性离子可渗透元件集成，离子阻性离子可渗透元件例如位于衬底的附近的有沟的离子阻性板(cirp)。两种配置可以在可从lamresearchcorporation获得的sabre3dtm系统中实现。
电镀容器的阳极电解液部和阴极电解液部
在本文提供的装置的两种配置中，电镀装置包括配置成容纳电解液的电镀室，其中该电镀室通过离子可渗透膜分隔成阳极电解液分室和阴极电解液分室。主阳极被容纳在阳极电解液部分中，而衬底被浸入在跨越膜的阴极电解液部分的电解液中。阳极电解液(在阳极电解液分室中的电解液)和阴极电解液(在阴极电解液分室中的电解液)的组合物可以是相同的或不同的。
膜允许电镀槽的阳极电解液区域和阴极电解液区域之间的离子连通，同时防止在主阳极所产生的颗粒进入晶片附近并污染它。在一些实施方案中，膜是纳米多孔膜(包括但不限于，反渗透膜、阳离子或阴离子膜)，其能够基本上防止溶剂和溶解成分在压力梯度的影响下的物理运动，同时允许包含于电解液中的一种或多种带电物质经由离子迁移(响应于电场的施加的运动)而相对自由迁移。例如阳离子交换膜之类的离子交换膜特别适合于这些应用。这些膜通常由离子交联聚合物材料制成，诸如为本领域技术人员所公知的以适于阳离子交换的含有磺酸基的全氟化共聚物(如全氟磺酸(nafion))、磺化聚酰亚胺和其他材料。适当的nafion膜的所选示例包括从dupontdenemours公司获得的n324和n424膜。分隔阴极电解液和阳极电解液的膜可以对不同阳离子具有不同的选择性。例如，它可以允许质子以比金属离子(例如，铜离子)的通过速率更快的速率通过。
具有膜分离的阴极电解液分室和阳极电解液分室的电镀装置实现阴极电解液和阳极电解液的分离，并允许它们具有不同的组合物。例如，有机添加剂可以包含在阴极电解液中，而阳极电解液可以保持基本上无添加剂。并且，阳极电解液和阴极电解液可具有不同浓度的金属盐和酸，这是由于例如膜的离子选择性导致的。
在本文所说明的电镀装置的两种配置中，第二阳极被布置成使得由第二阳极提供的电镀电流不通过将电镀室的阳极电解液部分和阴极电解液部分分隔开的膜。
离子阻性离子可渗透元件
在本文中说明的装置的两种配置中，该装置包括位于电镀室的阴极电解液分室中的衬底的附近的离子阻性、离子可渗透元件。这允许电解液自由流动和输送通过该元件，但引入显著离子阻性到电镀系统中，并可以提高中心到边缘(径向)的均匀性。在一些实施方案中，离子阻性离子可渗透元件还用作基本上垂直于衬底(撞击流)的工作面的方向上离开该元件的电解液流的源，并且主要是用作流成形元件。在一些实施方案中，元件包括垂直于晶片衬底的可镀表面的通道或孔。在一些实施方案中，元件包括相对于晶片衬底的可镀表面成不是90度的角度的通道或孔。典型的离子阻性的离子可渗透元件是导致电镀槽系统的整个电压降80％或以上的原因。与此相反，离子阻性离子可渗透元件具有非常小的流体流阻力并对槽和辅助支撑管道网络系统的压降贡献很小。这是由于元件的大的外表表面积(例如，约12英寸的直径或700cm2)和中等的孔隙率与孔尺寸(例如，该元件可以具有由适当数量的钻出通道(也被称为孔或洞)产生的约1-5％的孔隙率，通道可具有约0.4至0.8毫米的直径。例如，对于20升/分钟流动通过具有4.5％的孔隙率和0.5英寸的厚度的多孔板(例如，包括9600个具有0.026英寸直径的钻孔的板)，计算的压降小于1英寸的水压(等于约0.036psi)。
通常，离子阻性离子可渗透元件可以包括形成在元件的主体内的互连通道的孔，但在许多实施方案中，它更优选地使用具有不在元件的主体内互连的通道的元件(例如，使用具有非互连的钻孔的板)。后一实施方案被称为有通道的离子阻性板(cirp)。所述cirp的两个特征具有特别的重要性：cirp相对于衬底很靠近的安置，以及在cirp中的通孔在空间上和离子方面彼此分离，并在cirp的主体内不形成互连的通道。这样的通孔将被称为1-d通孔，因为它们在一个维度上延伸，通常但不是必须地，垂直于衬底的电镀表面(在一些实施方案中，1-d孔相对于通常平行于cirp前表面的晶片成角度)。这些通孔不同于3-d多孔网络，其中所述通道在三维上延伸并形成互连的孔结构。cirp的一个示例是由离子阻性材料制成的盘状物，离子阻性材料如聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯(pvc)、聚碳酸酯、和类似物，具有约6000-12000个之间的1-d(一维)通孔。在许多实施方案中，盘状物与晶片(例如，当与300mm晶片一起使用时，有约300毫米的直径)基本上共同延伸，并且位于非常接近晶片处，例如，在晶片朝下的电镀装置中在晶片的正下方。优选地，晶片的电镀表面存在于最接近cirp表面的约10毫米内，更优选在约5毫米内。在本文将要描述的装置的第二配置中，cirp至少包括三个区段：配置成从主阳极传递电镀电流的内段、配置成从第二阳极传递电流的外段、和在所述内段和所述外段之间的死区，其将内段和外段彼此电隔离，并且不允许来自主阳极和第二阳极的电镀电流在它们进入cirp或cirp的主体内之前混合。
靠近衬底的阻性但离子可渗透元件的存在显著降低和补偿末端效应的影响并提高径向电镀均匀性。其通过充当流扩散歧管板，还同时提供在晶片表面上具有向上定向的电解液的基本上在空间上均匀的撞击流的能力。重要的是，如果相同的元件放置在离晶片较远处，则离子电流的均匀性和流提高变得明显不太显著或不存在。另外，由于一维(1-d)通孔不允许cirp内离子电流或流体运动的横向移动，所以在cirp内中心到边缘的电流和流运动被阻止，从而导致径向电镀均匀性的进一步提高。
cirp结构的另一个重要特征是通孔的直径或主要尺寸和它与cirp和衬底之间的距离的相关性。优选地，每个通孔(或多数的通孔)的直径应不超过从电镀衬底表面到cirp的最近表面的距离。因此，当cirp被放置在电镀晶片表面的约5毫米内时，通孔的直径或主要尺寸应不超过5毫米。
在一些实施方案中，离子阻性离子可渗透元件(例如，cirp)具有平行于衬底的电镀表面的顶面。在其他实施方案中，离子阻性离子可渗透元件的顶面是凹的或凸的。
该装置还配置成使得电镀流体反向通过离子阻性元件的流动基本上被阻止，即使当电镀流体以基本上平行于离子阻性离子可渗透元件的表面的方向被喷射时也如此。重要的是要注意，不可压缩流体(例如水)的运动涉及惯性和粘性力的各种等级的换算和平衡。考虑到流体动力navier-stokes方程以及流体流动行为由具有重要惯性项的张量(矢量)方程控制这一事实，可以理解，使电镀液能从下方的歧管流动并“向上”通过离子阻性离子可渗透元件而穿过该元件会是容易做到的(因为低压需要获得大量流)，但与此相反，平行于表面流动的流体在相同的静压下会具有传递通过多孔材料的非常小的倾向性和“高的阻性”。以直角方式将流体的运动方向从平行于表面的快速运动改变到垂直于表面的运动涉及流体的减速和流体中的能量的粘性耗散，并因此可以是高度不利的。在这种背景下，在本实用新型的其它实施方案中，离子阻性离子可渗透元件具有外围附属装置(例如，流体喷射器)，其用于以相对高的速度以平行于轴线的方向移动流体，所述轴线平行于晶片和cirp表面，所述cirp元件基本上防止流体移动通过元件、以及防止通过传递到元件、通过在元件下方和膜上方的歧管、然后往回通过在槽的交叉流出口侧的元件而转移到元件的通道的出口侧。换句话说，结合其孔尺寸、孔隙率和平行流速的离子阻性离子可渗透元件的存在，能防止这样的平行流的绕行的发生。不希望受任何特定模型或理论的限制，普遍认为高速流体在平行于离子阻性元件运动的方向上具有大量的惯性，将需要被减速并以直角转动进入元件的孔，因此，离子阻性元件主要充当防止流体改变方向并通过它的非常良好的阻挡物。本文所提供的电镀装置的两种配置的不同之处在于第二阳极相对于离子阻性离子可渗透元件的位置。根据本文提供的第一配置，本实用新型所述的第二阳极被布置成使得提供电镀电流到衬底，而没有传递提供的电流通过离子阻性离子可渗透元件(例如，cirp)和通过分隔开阳极电解液分室和阴极电解液分室的膜。这种配置主要用于控制径向均匀性，但可以另外具有对方位角均匀性的控制，例如，通过使用额外的方位角不对称的或分段的第三电极来实现。
电镀装置的第一配置的实施方案
图2示出了第一配置的电镀系统和第二阳极的示意图，所述第一配置采用在晶片非常附近的阻性元件和分离阳极电解液分室和阴极电解液分室的膜。这是电镀系统的一个示例，应该理解，该电镀系统能在所附权利要求的构思和范围内进行修改。例如，环形屏蔽件不需要存在于所有实施方案中，当所述屏蔽件存在时，所述屏蔽件可以被定位在cirp的下方、cirp的上方、或可以与cirp集成。
参看图2a，示出了电镀装置201的概略剖视图。电镀容器203容纳电镀溶液，电镀溶液通常包括金属离子源和酸。将晶片205浸入电镀溶液，并通过“翻盖式”保持夹具207保持，保持夹具207安装在可旋转轴209上，可旋转轴209允许翻盖207与晶片205一起双向旋转。主阳极211(其可以是惰性或可消耗阳极)设置在电镀浴203内的晶片下方，并通过膜213(优选离子选择性膜)与晶片区域分隔开。阳极膜下方的区域215通常被称为“阳极室”或“阳极电解液分室”，在此室中的电解液为“阳极电解液”。膜213上方的区域217被称为“阴极电解液分室”。离子选择性阳极膜213允许电镀槽的阳极和阴极区域之间的离子连通，同时防止在阳极产生的颗粒进入晶片的附近并污染它，和/或防止存在于阴极电解液中的不希望有的化学物质接触阳极211。
通过泵(未示出)连续提供电镀溶液至电镀浴203。在一些实施方案中，电镀溶液向上流动穿过膜213和紧靠晶片的附近定位的cirp219(或其它离子阻性离子可渗透元件)。在其他实施方案中，例如当膜213对电镀流体的流是基本上不可渗透时(例如纳米多孔介质，诸如阳离子膜)，电镀流体在膜213和cirp219之间例如在室的周边进入电镀室，然后流动通过cirp。在这种情况下，阳极室内的电镀流体可以流通，且压力可独立于cirp和阴极室进行调节。
容纳第二阳极100的第二阳极室221位于电镀容器203的外侧和晶片的外周。在某一些实施方案中，第二阳极室221通过具有由离子可渗透膜225覆盖的多个开口(膜支撑结构)的壁与电镀浴203分隔开。膜允许电镀槽和第二阳极室之间的离子连通，从而使电镀电流由第二阳极提供。该膜的孔隙率使得它不允许颗粒材料从第二阳极室221穿过到达电镀浴203从而导致晶片污染。用于允许第二阳极室和主电镀容器之间的流体连通和/或离子连通的其它机制在本实用新型的范围之内。实施例包括设计，其中膜(而不是不可透过的壁)在第二阴极室中的电镀溶液和主电镀容器中的电镀溶液之间提供了大部分阻挡。刚性框架可为在这样的实施方案中的膜提供支承。
另外，一个或多个屏蔽件，例如环形屏蔽件227可以布置在室内。屏蔽件通常是环状的电介质插入件，其用于成形电流分布和提高电镀的均匀性。当然，可以采用本技术领域的技术人员所公知的其他屏蔽件的设计和形状。
在一般情况下，屏蔽件可以采取任何形状，包括楔形、条形、圆形、椭圆形及其它几何形状的设计。环形插入件在它们的内径上还可以具有图案，从而提高屏蔽件的使电流通量以期望的样式成形的能力。屏蔽件的功能根据它们在电镀槽中的位置可能会有所不同。所述装置可包括任何静态屏蔽件，以及可变场成形元件。
两个直流电源(未示出)可以用来分别控制到晶片205、主阳极211和第二阳极100的电流流动。可替代地，具有多个可独立控制的电源插座的一个电源可用于提供不同电平的电流到晶片和到第二阳极。一个或多个电源被配置成使晶片205负偏置和使主阳极211和第二阳极100正偏置。该装置还包括控制器229，它允许调制提供给电镀槽的元件的电流和/或电位。控制器可包括指定需要施加于电镀槽的各种元件的电流和电压电平以及这些电平需要改变的时间的程序指令。例如，它可以包括用于提供功率到第二阳极以及任选地用于动态地改变电镀期间提供给第二阳极的功率的程序指令。
在所示的装置中箭头表示电镀电流。源自主阳极的电流被朝上引导，经过将阳极电解液分室和阴极电解液分室分离的膜和cirp。源自第二阳极的电流被引导从电镀容器的外周到中心，而不经过将阳极电解液分室和阴极电解液分室分离的膜和cirp。
上述装置配置是本实用新型的一个实施方案的说明。本领域技术人员将理解，可使用替代的电镀单元的配置，其包括适当布置的第二阳极。虽然屏蔽插入件具有改善电镀均匀性的用途，但在一些实施方案中可以不需要它们，或可采用替代的屏蔽配置。在所描述的配置中，电镀容器和主阳极与晶片衬底基本上共同延伸。在其他实施方案中，电镀容器和/或主阳极的直径可以比晶片衬底的直径小，例如，至少小约5％。
电镀装置的第二配置的示例
在本文中提供的装置的第二配置中，第二阳极被布置成使得被这样的阳极提供的电流不通过将阳极电解液分室和阴极电解液分室分隔开的膜，但通过离子阻性离子可渗透元件。电镀装置的第二配置示于图2b。在图2b所示的示意图中，第二阳极100被布置在围绕电镀容器203的外周的第二阳极室221中。第二阳极室与电镀容器的阴极电解液部分离子连通，使得第二阳极提供横向地穿过膜225然后通过cirp219垂直地朝向晶片的电镀电流。发现将第二阳极布置成使得电流通过离子阻性离子可渗透元件与改善的均匀性有关，尤其是与在晶片衬底的边缘附近的区域处的改善的均匀性有关。当第二阳极被布置成使得电流通过离子阻性离子可渗透元件时，离子阻性离子可渗透元件被构造成使得它包含至少三个不同的区域，其中，传递来自主阳极的电流的区域与传递来自第二阳极的电流的区域电隔离。在图3中示出了根据一些实施方案的这种离子阻性离子可渗透元件的俯视图。中央部分301通常与主阳极基本上共同延伸，并且是离子可渗透的(例如，包含穿过板的不相通的通道)；“死区”部分303包围中央部分301并用于防止内部离子可渗透部分301和外部离子可渗透部分305之间的流体连通。在一些实施方案中，“死区”部分是离子不可渗透的(即它不具有任何通孔或通孔被阻塞)。在一些实施方案中，“死区”w1的尺寸为介于约1毫米-4毫米之间。离子阻性离子可渗透元件的外部部分305是离子可渗透的。外部部分经由流体管道连接到在离子阻性离子可渗透元件的与面向晶片衬底的一侧相对的一侧上的第二阳极室。在此配置中，由于将电流电分离的“死区”部分的存在，来自主阳极和第二阳极的电流在离子阻性离子可渗透元件的下方和该元件的主体内不混合。图2b所示的装置的另一个特征是电镀容器和主阳极的减小的直径。例如，在一些实施方案中，电镀容器和主阳极的直径比晶片衬底的直径小约1-10％。在一些实施方案中，主阳极与分段cirp219的内部部分基本上共同延伸。
死区的存在与对防止来自主阳极和第二阳极的电流混合有需要相关联。在内部部分和外部部分相交的地方，离子阻性离子可渗透元件必须与第二阳极室和主阳极室的边界进行密封。这通过图2b中的死区231所示。虽然在离子阻性离子可渗透元件的下部防止内部部分的和外部部分的离子可渗透部分之间的电连通和流体连通是希望的，但在元件的上表面和晶片的正下方之间的间隙中，必须存在阴极内的离子连通和流体连通。由于需要隔离连通和在cirp离开衬底最远的下表面密封cirp219，因而产生死区。由于从cirp发出的离子通量的不连续径向源造成在晶片的在死区的正上方的区域中存在较小的电流，因此具有大的死区(例如，当死区的大小相比于cirp到晶片的距离是相同或较大时)的影响是晶片上的电流分布比所期望的会稍微更不均匀。为了校正这种缺陷，在一些实施方案中，缺失孔的“死区”区域只存在于所述离子可渗透离子阻性元件的下表面(即在最接近阳极的表面上)。
图4中示出了包括有源第二阳极的组件的一部分的横截面示意图。该配置可用于本文所述的任何装置中。有源阳极400包括在电镀期间暴露于电解液的部分401。包括电荷耦合突起403的另一部分被电介质插入件411覆盖，该电介质插入件411防止电荷耦合突起接触电解液并溶解。电介质插入件被成形为使得其填充电荷耦合突起403的远端上的凹陷的部分并且进一步覆盖钛配件415的头部413，钛配件415插入到电荷耦合突起的开口中。钛配件415的底部电连接到向第二阳极提供电力的电源(未示出)。在其他实施方案中，配件(将阳极连接到电源的金属耦合件)由其他合适的金属(包括但不限于不锈钢和铜)制成。
提供的装置的额外特征
在一些实施方案中，优选地，使具有第一或第二配置的装置配备有歧管，该歧管在晶片的表面附近提供电解液的横向流。这样的歧管对于在相对大的凹陷特征(例如wlp或tsv特征)中的电镀尤其有利。在这些实施方案中，装置可以包括布置在cirp和晶片之间的流成形元件，其中所述流成形元件提供基本上平行于晶片衬底的表面的横向流。例如流成形元件可以是引导横向流朝向板中的开口的ω形板。在一些实施方案中，电解液在基本上垂直于晶片的电镀表面的方向上进入cirp，并且在离开cirp之后，因为电解液的流由壁限定，诱导在基本上平行于该晶片的电镀表面的方向上的横向流。实现电解液的横向流在基本上平行于衬底的表面的方向上通过衬底的中央。在一些实施方案中，通过在基本上平行于衬底的表面的方向上以期望的角度位置(例如，基本上跨越开口)喷射阴极电解液进一步(或主要)诱导横向流。在一些实施方案中，喷射歧管横向地喷射阴极电解液进入cirp和衬底之间的狭窄的间隙中。
在一些实施方案中，在第二配置中，第二阳极室围绕电镀容器的外周布置，正好在分隔开电镀容器的阴极电解液分室和阳极电解液分室的膜的上方。在一些实施方案中，装置的保持该膜和限定第二阳极室的壁的部件是一个整体部件。
在一些实施方案中，第二阳极室221通过配置成输送合适的电解液到各自室中的一个或多个专用的灌注通道灌注。电解液的成分与电镀室的阴极电解液分室中的阴极电解液的成分可以相同或不同。在一些实施方案中，第二阳极室包括用于去除气泡的系统。
在一些实施方案中，可以加入用于额外控制方位角的均匀性的第三、单独地可控的电极。第三电极可结合装置的第一和第二配置两者一起使用。在第二配置中，第三电极优选布置成使得由第三电极转移和/或提供的电流穿过离子阻性离子可渗透元件，但不穿过分隔开阳极电解液分室和阴极电解液分室的膜。适当的第三电极包括方位角不对称和分段的阳极、阴极和既能用作阳极也能用作阴极的电极。
如上面提到的，无论是在装置的第一配置中还是第二配置中，第二阳极通过离子可渗透膜可以与衬底和阴极电解液分室分隔开。有源阳极和阴极电解液室之间的离子可渗透膜对于防止颗粒从第二阳极室向阴极室转移是有用的。在其他实施方案中，替代膜，电解液的高向外定向流可以用来防止颗粒到达衬底的表面上。电解液在其穿过泵，然后通过被配置成去除颗粒的过滤器后返回到电镀槽。
在一个方面，提供了用于在不同衬底上电镀金属的电镀方法，例如在具有不同的分布的凹陷特征的半导体晶片上电镀金属的电镀方法。通过提供衬底到具有第二电极的装置中(例如，具有本文所描述的第一或第二配置的装置)，开始工艺。然后，在提供功率到第二阳极时，在衬底上电镀金属。在电镀期间，衬底被负偏置和旋转。在一些实施方案中，在电镀期间提供给第二阳极的功率被动态地改变。电镀完成之后，在装置中提供第二个不同晶片。接着，在功率被提供给第二阳极时，将金属镀在第二晶片上。在一些实施方案中，在第二晶片上电镀期间提供给第二阳极的功率与提供给第一晶片上的功率不同，和/或与在第一晶片衬底上电镀不同，在电镀期间功率被动态调制。在一些实施方案中，仅在选定晶片的电镀期间提供功率给第二阳极。例如，在第一晶片的电镀期间，可能没有必要将功率施加给第二阳极，而在第二晶片上电镀期间，可以将功率施加到第二阳极上。
提供给第二阳极的功率的动态控制可具有多种形式。例如，在电镀期间提供给第二阳极的功率可以逐渐减小或增大。在其他实施方案中，在预定时间之后，例如，对应于电镀的预先确定的厚度，给第二阳极的功率可被关断或接通。最后，主阳极电流和第二阳极电流两者可以以固定的比率并一致地变化。
集成工具和控制器
本文公开的电沉积方法可以参考各种电镀工具装置来描述，并且可以在各种电镀工具装置的背景下使用。可根据本文的实施方案使用的电镀装置的一个示例是lamresearchsaber工具。电沉积(包括衬底浸渍)和本文公开的其他方法可以在形成更大电沉积装置的部件中进行。图5显示了示例性电沉积装置的顶视图的示意图。电沉积装置500可包括三个单独的电镀模块502、504和506。电沉积装置500还可包括配置用于各种处理操作的三个单独的模块512、514和516。例如，在一些实施方案中，模块512、514和516中的一个或多个可以是旋转冲洗干燥(srd)模块。在其他实施方案中，模块512、514和516中的一个或多个可以是后电填充模块(pem)，每个模块被配置为在衬底已由电镀模块502、504和506中的一个处理之后执行功能，例如边缘斜面去除、背面蚀刻和衬底的酸清洁。
电沉积装置500包括中央电沉积室524。中央电沉积室524是保存用作电镀模块502、504和506中的电镀液的化学溶液的室。电沉积装置500还包括配料系统526，配料系统526可以存储和输送用于电镀液的添加剂。化学稀释模块522可以存储和混合将被用作蚀刻剂的化学品。过滤和抽排单元528可以过滤用于中央电沉积室524的电镀液，并将其泵送至电镀模块。
系统控制器530提供用于操作电沉积装置500所需的电子和界面控件。系统控制器530(其可以包括一个或多个物理或逻辑控制器)控制电镀装置500的属性的部分或全部。系统控制器530通常包括一个或多个存储器设备和一个或多个处理器。该处理器可以包括中央处理单元(cpu)或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接件、步进电机控制器板、以及其它类似部件。用于实施如本文所述的适当的控制操作的指令可以在处理器上执行。这些指令可以存储在与系统控制器530相关联的存储器设备上或它们可以通过网络来提供。在某些实施方案中，系统控制器530执行系统控制软件。
在电沉积装置500中的系统控制软件可以包括用于控制以下参数的指令：定时、电解液组分的混合(包括一种或多种电解液组分的浓度)、入口压力、电镀池压力、电镀池温度、衬底温度、施加到衬底和任何其它电极的电流和电位、衬底位置、衬底的旋转以及通过电沉积装置500执行的特定处理的其它参数。系统控制逻辑还可以包括使用本文所述的第二阳极进行电镀的指令。例如，系统控制逻辑可以被配置为向主阳极和第二阳极提供特定的功率电平。系统控制逻辑可以以任何合适的方式配置。例如，可以编写各种处理工具组件子程序或控制对象以控制执行各种处理工具处理所必需的处理工具组件的操作。系统控制软件可以用任何合适的计算机可读编程语言编码。该逻辑还可以实现为可编程逻辑器件(例如，fpga)、asic或其他适当的载体中的硬件。
在一些实施方案中，系统控制逻辑包括用于控制上述各种参数的输入/输出控制(ioc)排序指令。例如，电镀过程的每个阶段可以包括用于由系统控制器530执行的一个或多个指令。用于设置浸渍处理阶段的处理条件的指令可以包括在相应的浸渍配方阶段中。在一些实施方案中，可以顺序地布置电镀配方阶段，使得用于电镀处理阶段的所有指令与该处理阶段同时执行。
在一些实施方案中，控制逻辑可以被分成各种组件，例如程序或程序段。用于此目的的逻辑组件的示例包括衬底定位组件、电解液组分控制组件、压力控制组件、加热器控制组件和电位/电流电源控制组件。
在一些实施方案中，可以有与系统控制器530相关联的用户界面。用户界面可以包括显示屏幕、装置和/或处理条件的图形软件显示器、和用户输入设备，用户输入设备诸如指针设备、键盘、触摸屏、麦克风等。
在一些实施方案中，由系统控制器530调整的参数可能涉及处理的条件。非限制性示例包括镀浴条件(温度、成分和流速)、衬底在不同阶段的位置(旋转速度、线性(垂直)速度、相对于水平面的角度)等。这些参数可以以配方的形式提供给用户，其可以利用该用户界面来输入。
用于监控处理的信号可以通过系统控制器530的模拟和/或数字输入连接件从各种处理工具传感器提供。用于控制处理的信号可以通过处理工具的模拟和数字输出连接件输出。可被监控的处理工具传感器的非限制性示例包括质量流量控制器、压力传感器(例如压力计)、热电偶、光学位置传感器等。经适当编程的反馈和控制算法可以与来自这些传感器的数据一起使用以维持处理条件。
传递(hand-off)工具540可以从诸如盒542或盒544之类的衬底盒选择衬底。盒542或544可以是前开式标准盒(foup)。foup是设计用来可靠且安全地将衬底保持在受控环境中并使得衬底能被移除以通过配备有适当的装载口和自动装卸系统的工具进行处理或测量的外壳。传递工具540可以使用真空附连件或一些其它附连机构保持衬底。
传递工具540可以与晶片装卸站532、盒542或544、传输站550或对准器548连接。传递工具546可以从传送站550获得衬底。传送站550可以是狭槽或位置，传递工具540和546可以往来于传送站550传送衬底而不通过对准器548。然而，在一些实施方案中，为了确保衬底适当地对准传递工具546以精确地传送到电镀模块，传递工具546可以使衬底与对准器548对准。传递工具546也可以将衬底传送到电镀模块502、504或506中的一个，或传送到被构造成用于各种处理操作的三个独立模块512、514和516中的一个。
根据上述方法的处理操作的示例可以如下进行：(1)在电镀模块504中将铜电沉积到衬底上以形成含铜结构；(2)在模块512中冲洗并在srd中干燥衬底；并且，(3)在模块514中执行边缘斜面去除。
被配置为使得衬底能顺序地通过电镀、漂洗、干燥和pem处理操作的高效循环的装置可用于在制造环境中使用的实现方式。为了实现这一点，模块512可以被配置成为旋转漂洗干燥机和边缘斜面去除室。利用这样的模块512，衬底将只需要在电镀模块504和模块512之间进行传送以进行镀铜和ebr操作。
在一些实现方式中，控制器(例如系统控制器530)是系统的一部分，该系统可以是上述实施例的一部分。这种系统可以包括半导体处理设备，该半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个处理室、用于处理的一个或多个平台和/或具体的处理组件(晶片基座、气流系统等)。这些系统可以与用于控制它们在处理半导体晶片或衬底之前、期间和之后的操作的电子器件一体化。电子器件可以称为“控制器”，该控制器可以控制一个或多个系统的各种元件或子部件。根据处理要求和/或系统的类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括控制处理气体输送、温度设置(例如，加热和/或冷却)、压强设置、真空设置、功率设置、射频(rf)产生器设置、rf匹配电路设置、频率设置、流速设置、流体输送设置、位置及操作设置、晶片转移进出工具和其它转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的装载锁。
广义而言，控制器可以定义为接收指令、发布指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等等的具有各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件的电子器件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(dsp)、定义为专用集成电路(asic)的芯片和/或一个或多个微处理器或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置的形式(或程序文件)传送到控制器的指令，该设置定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定过程的操作参数。在一些实施方案中，操作参数可以是由工艺工程师定义的用于在制备晶片的一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或管芯期间完成一个或多个处理步骤的配方(recipe)的一部分。
在一些实现方式中，控制器可以是与系统集成、耦合或者说是通过网络连接系统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦合。例如，控制器可以在“云端”或者是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，从而可以允许远程访问晶片处理。计算机可以启用对系统的远程访问以监控制造操作的当前进程，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的处理或者开始新的工艺。在一些实施例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供工艺配方，网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括允许输入或编程参数和/或设置的用户界面，该参数和/或设置然后从远程计算机传送到系统。在一些实施例中，控制器接收数据形式的指令，该指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以针对将要执行的工艺类型以及工具类型，控制器被配置成连接或控制该工具类型。因此，如上所述，控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而为分布式，这些分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本文所述的工艺和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的实施例可以是与结合以控制室上的工艺的一个或多个远程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的室上的一个或多个集成电路。
在非限制性的条件下，示例的系统可以包括等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转清洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(pvd)室或模块、化学气相沉积(cvd)室或模块、原子层沉积(ald)室或模块、原子层蚀刻(ale)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片的制备和/或制造中可以关联上或使用的任何其它的半导体处理系统。
如上所述，根据工具将要执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个其它的工具电路或模块、其它工具组件、组合工具、其它工具界面、相邻的工具、邻接工具、位于整个工厂中的工具、主机、另一个控制器、或者在将晶片的容器往来于半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口搬运的材料搬运中使用的工具通信。
电沉积装置600的替代实施方案在图6中示意性地示出。在该实施方案中，电沉积设备600具有成组的电镀单元607，每个电镀单元607包含成对或多个“二重”配置的电镀浴。除了电镀本身之外，电沉积装置600还可以执行各种其他电镀相关工艺和子步骤，诸如，例如旋转漂洗、旋转干燥、金属和硅湿法蚀刻、无电沉积、预润湿和预化学处理、还原、退火、光致抗蚀剂剥离和表面预活化。在图6中示意性地示出了电沉积装置600的俯视图，并且在图中仅露出单个层或“底板”，但是本领域普通技术人员容易理解这样的装置，例如，lamresearchsabretm3d工具可以具有两个或更多个上下“堆叠”的阶层，每个阶层可能具有相同或不同类型的处理站。
再次参照图6，将待电镀的衬底606通常通过前端装载foup601供给到电沉积装置600，并且在该示例中，通过前端机械手602从foup带到电沉积装置600的主衬底处理区域，该机械手可以将由主轴603沿多个维度驱动的衬底606从一个站缩回以及移动到另一个可访问站，在该示例中示出了两个前端可访问站604以及两个前端可访问站608。前端可访问站604和608可包括例如预处理站和旋转漂洗干燥(srd)站。利用自动(robot)轨道602a完成前端机械手602从一侧到另一侧的横向移动。每个衬底606可以由杯/锥组件(未示出)保持，该杯/锥组件由连接到马达(未示出)的主轴603驱动，并且马达可以附接到安装支架609上。在该示例中还示出了四“对”(“duets”)电镀单元607，总共八个电镀单元607。电镀单元607可用于为含铜结构电镀铜以及为焊接结构电镀焊接材料。系统控制器(未示出)可以耦合到电沉积装置600以控制电沉积装置600的一些或全部性能。该系统控制器可以被编程或以其他方式配置成根据本文前面描述的过程执行指令。
上述的装置/处理可以与光刻图案化工具或过程结合使用，例如，用于制备或制造半导体器件、显示器、led、光伏电池板等。通常，虽然不是必要地，这些工具/处理将在共同的制造设施中一起使用或操作。
膜的光刻图案化通常包括以下操作中的一些或所有，每个操作启用多个可行的工具：(1)使用旋涂或喷涂工具在工件(即，晶片)上涂覆光致抗蚀剂；(2)使用热板或加热炉或uv固化工具固化光致抗蚀剂；(3)使用例如晶片步进曝光机之类的工具使光致抗蚀剂暴露于可见光或紫外线或x-射线；(4)使抗蚀剂显影以便选择性地去除抗蚀剂并且从而使用例如湿式工作台之类的工具将其图案化；(5)通过使用干式或等离子体辅助蚀刻工具将抗蚀剂图案转印到下方的膜或工件上；并且(6)使用例如射频或微波等离子体抗蚀剂剥离器之类的工具去除抗蚀剂。
1.一种有源阳极，其包括：
环形的主体，其具有内表面和外表面；以及
从所述外表面向外延伸的突起，其中所述有源阳极是铜阳极、钴阳极或镍阳极，并且其中所述环形的主体和所述突起的成分是相同的。
2.根据权利要求1所述的有源阳极，其中所述有源阳极是单件式铜阳极。
3.根据权利要求1所述的有源阳极，其中所述有源阳极是单件式铜阳极，其包含铜和磷。
4.根据权利要求3所述的有源阳极，其中所述单件式铜阳极包含至少99.9重量％的铜和按重量计介于400ppm和650ppm之间的磷。
5.根据权利要求1所述的有源阳极，其中所述有源阳极是单件式铜阳极，其中所述有源阳极中的铜具有介于150μm和450μm之间的平均粒度。
6.根据权利要求1所述的有源阳极，其中所述有源阳极是单件式钴阳极。
7.根据权利要求1所述的有源阳极，其中所述突起包括在所述突起的远端末端处的开口。
8.根据权利要求7所述的有源阳极，其中所述突起的围绕所述开口的所述远端末端是凹陷的。
9.根据权利要求1所述的有源阳极，其中所述有源阳极的所述环形的主体具有至少317.5mm的内径和不大于355.6mm的外径。
10.根据权利要求1所述的有源阳极，其中所述有源阳极的所述环形的主体具有330mm的内径和352mm的外径。
11.根据权利要求1所述的有源阳极，其中所述突起具有介于8mm和10mm之间的最大宽度。
12.根据权利要求1所述的有源阳极，其中所述突起具有9mm的最大宽度。
13.根据权利要求1所述的有源阳极，其中所述环形的主体和所述突起具有10mm的最大厚度。
14.根据权利要求1所述的有源阳极，其中所述突起的长度介于33mm和37mm之间。
15.根据权利要求1所述的有源阳极，其中所述有源阳极是单件式铜阳极，其中所述单件式铜阳极的所述环形的主体具有至少318mm的内径和不大于355mm的外径；其中所述突起在所述突起的远端末端具有开口，其中限定所述环形的主体的环形物的中心与所述突起的所述远端末端的所述开口的中心之间的距离介于197mm和217mm之间。
16.一种用于在衬底上电镀金属的电镀装置，该装置包括：
(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)第二阳极，其配置成提供电镀电流到所述衬底，其中，所述第二阳极被布置成使得所提供的所述电流不穿过将所述阳极电解液分室和所述阴极电解分室分隔开的所述离子可渗透膜，且其中所述第二阳极被布置成使得提供穿过所述离子阻性离子可渗透元件的电镀电流，其中所述第二阳极包括：环形的主体，其具有内表面和外表面；和从所述外表面向外延伸的至少一个突起，其中所述第二阳极是铜阳极、钴阳极或镍阳极，并且其中所述第二阳极的所述环形的主体和所述至少一个突起的成分是相同的。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述二阳极是单件式铜阳极。
18.根据权利要求16所述的装置，其中所述二阳极是单件式钴阳极。
19.根据权利要求16所述的装置，其中所述第二阳极位于围绕所述电镀室的周边的第二阳极室中。
20.根据权利要求16所述的装置，其中所述阳极的所述至少一个突起经由金属耦合件和电源线电连接到电源。
技术总结