通過增強電解溶液混和來沉積平面金屬的陽極設計以及使用這種設計供應電解溶液的工藝的製作方法
2023-04-24 08:01:26
專利名稱：通過增強電解溶液混和來沉積平面金屬的陽極設計以及使用這種設計供應電解溶液的工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在一個基底上沉積、拋光或者電拋光金屬薄膜的裝置和方法，或者從該基底上去除這種金屬薄膜的裝置和方法。這種獨特的陽極組件特別適合在鑲嵌型互連和封裝結構上進行平面金屬沉積。
背景技術：
在多層集成電路的製造中，需要進行多道金屬和絕緣膜的沉積步驟繼之以通過光致抗蝕劑形成圖案及蝕刻或其他方法除去材料，在光刻法和蝕刻之後，所得到的晶片或者基底的表面不再是平面而是包含著通路、線條和溝道等特徵。往往，這些特徵都需要有專門的材料填充，例如金屬、電介質或者兩者都需要。在高性能應用中，晶片的構形表面需要進行平整以為工藝的下一步作準備，其中包括材料的沉積和一光刻步驟。最好是在光刻步驟之前基底的表面先弄平整，以便可以實現適當的調焦以及層與層之間的重疊或對齊。因此，在每次產生具有非平整表面的晶片的沉積步驟後，都需要一個表面平整化的步驟。
電沉積在IC製造業中被廣泛地應用以將例如銅等的高傳導性材料沉積在半導體晶片表面上的絕緣層中打開著的通道和溝道之中。
電沉積一般是在一個專門配置的電解液中在陰極進行的，該電解液中包括銅離子和其他能夠控制銅表層的組織、形態和電沉積性能的添加劑。在晶片表面的晶種層進行一個適當的電氣接觸，典型的配置是沿著晶片的圓周。一可被消耗的銅或惰性陽極板被置於電解液中。當一相對於陽極的陰極電勢被加到晶片表面上時，例如當一相對於陽極的負電壓被加到晶片表面時，在晶片表面上的銅的沉積就開始了。
由於銅平面沉積層的技術的發展，看到了克服傳統電沉積技術的種種缺陷的重要性。例如，題為「電化學機械電沉積的方法和裝置」的授予Talieh的美國專利6,176,992，該專利被本發明的受讓人所擁有，在一個方面描述了電化學機械沉積技術(ECMD)，當通過用一個片拋光場效應區來最小化場效應區的電沉積時，實現將導電材料沉積在底板表面的空穴中，因此就形成了平面的銅沉積。
題為「通過外部作用在加工件的空穴表面和設置在頂部表面的添加劑之間產生差別的電沉積方法和裝置」的美國專利申請系列號09/740,701，該申請也被本發明的受讓人所擁有，描述了通過產生一個外部作用來將導電材料電沉積到基底上的方法和裝置，所述外部作用是例如通過工件和掩模之間的移動，使得工件的頂表面和空穴表面之間的添加劑的差別保持一段時間。在保持此差別的情況下，功率被加到陽極和基底之間以使空穴表面產生相對來說比頂部表面大的電鍍。
題為「與晶片表面進行電接觸以獲得全面電沉積或電拋光的方法和裝置」的美國專利申請系列號09/735,546，此專利申請的申請日為2000年12曰14日，該專利申請在一個方面描述了全面電沉積和電拋光的技術。題為「在基底上以最小邊緣排除電沉積具有一致均勻的薄膜的方法和裝置的美國專利申請系列號09/760,757，申請日為2001年1曰17日，該申請在一個方面描述了在不損失電接觸的表面上的空間的情況下在半導體晶片表面上形成平坦導電層技術。
在以上這樣的工藝中，當在工件表面與衰耗片或者掩模之間有物理接觸時，至少在電沉積工藝的一部分可以使用一亮減片或者掩模。物理接觸和外部作用通過降低頂部表面的生長率影響金屬的生長而同時有效地使特徵內的生長率增加。
在使用可以溶解的陽極的金屬電沉積工藝中，必須最小化陽極的汙泥或微粒對沉積金屬的汙染。通常，在可溶陽極的周圍設置一個陽極袋來最小化此類汙染。在傳統的互連和封裝的銅電沉積方式中，如圖1所示，一個陽極袋或者過濾器150圍繞在陽極152周圍。在沉積池156中，陽極152與陰極154有一合適的間隔。可以為電解溶液160提供攪拌，再循環或者甚至過濾。在常規電沉積操作中，陽極汙泥出現堆積在陽極152和袋子150之間構成的陽極中。在銅電沉積中，過多的陽極汙泥影響了沉積在陰極154上的金屬的質量。具體地說是沉積金屬的均勻性由於電場分布的改變而變得較差。另外，由於陽極的極化現象使得電沉積電壓增加。銅離子不能快速通過汙泥層而滿足陰極的要求。此外，電沉積效率的損失可能導致氫在陰極析出外被鍍上或展開。為了工作正常進行，陽極152被從沉積池156中取出，並在重新放進之前清洗乾淨。
圖2中所示為一電沉積和平面化裝置例如本發明改進的陽極組件，可以在其中使用。載體頭10夾持一圓的半導體晶片16，同時提供了一根與晶片導電下表面連接的電導線7。該頭部可以繞第一軸10b旋轉。該頭部也可以在如圖2中所示的X和Y方向移動。還可以提供使頭部沿Z方向移動的裝置。
題為「電沉積和拋光用的工件載體頭」的美國未決專利申請系列號09/472,523的主題中揭示了一些用來保持晶片16的載體頭的實施例，該專利申請日為1999年12月27日，其中所公開的內容作為本發明的非實質性主題內容在此供參考。題為「用於電沉積及平面化一導電層的陽極組件」的未決美國專利申請系列號09/568,584的主題中揭示了一些可以使用於載體頭的帶有陽極袋的陽極組件的實施例，申請日為2000年5月11日，其中公開的內容作為本發明的非實質性主題內容也援引在供參考。
在圓形陽極組件9的頂部周圍橫跨晶片表面設置有一個衰耗片8。該衰耗片8可以具有在未決美國專利申請系列號09/511,278中作為主題的設計和結構，該未決專利申請的題目為「用於多種材料加工裝置的設計和結構」，專利的申請日期為2000年2月23日。其中公開的內容作為本發明的非實質性主題內容也援引在這裡供參考。題為「具有改進流體分布的設計和結構」的未決美國專利申請系列號09/621,969，申請於2000年7月21日，也涉及這種設計和結構。同樣，其中公開的內容作為本發明的非實質性主題內容也援引在此供參考。申請系列號09/621,969的揭露的內容也被合併在此作為非實質性主題內容的參考。
發明內容
下面將要介紹的陽極組件具有以可控制的速度在兩個方向上旋轉的能力，並且具有支持一衰耗片的機械強度。晶片表面可以用被控制的力推向該衰耗片。他們具有接受，容納，傳遞，分布加工流體的能力。這些組件還可以用在電沉積工藝中，同樣也可以用於電沉積和平面化工藝和ECMD工藝。這些組件甚至能用在CMP工具中。
本發明還提供了適應高質量金屬電沉積和超平薄膜沉積需要的改進的陽極設計和結構。這些改進了的陽極樣式和組件將在下面加以討論。
在本發明的的每個實施例中，所述通過它可以將溶液加到半導體基底表面上的陽極組件包括一個形成流體可在其中流動的內部殼體容積的殼體。每個組件還包括一個用於內部空間的擋板，通過此擋板，溶液可以從內部空間排向基底表面。一個過濾器，內部空間被該過濾器分割成一個第一室和一個第二室，該過濾器位於第一室和擋板之間。當溶液被供至表面時，流進第二室的溶液比流進第一室的溶液的速度高，並且流體(溶液)在第二室中混合。
殼體包括至少一個主流體通道，通過它溶液可以直接流進第二室，以及至少一個次流體通道，通過它溶液可以直接流進第一室。在一個實施例中，主流體通道和次流體通道彼此獨立。在另一個實施例中，次流體通道接進主流體通道，次流體通道可以使流過從流體通道的溶液的一部分流向第一室。
內部殼體容積的擋板是一個能夠蓋住此容積的平板。溶液可以流過的衰耗片位於此平板之上。
在第二室和擋板之間可以設置一個第二過濾器。第二過濾器的孔比第一過濾器的孔小。該過濾器把內部空間分割成第一室和第二室。
在發明的一個實施例中，設置了一個排管，通過它可以將汙泥從第一室排出。在一有所改變的結構中，還可以設置一個外部過濾器，用於預先過濾進入殼體中的溶液。在這種情況下，上述的殼體就是一個上部殼體，陽極組件還包括一個下部殼體，外部過濾器安裝在其上，用於接收至少上部空間中的一部分。在這種結構中，當下部殼體接收上部殼體的一部分時，在上下殼體之間就形成了一個流體導入室。
一個陽極，通常是一個可溶的陽極，是位於第一室中。還有，使用的溶液是一電解溶液，可用以在半導體基底的表面沉積一導電薄膜。
根據本發明的另一個方面，將溶液提供到容納在陽極組件中的半導體基底表面的工藝包括提供具有內部容積的殼體。這個容積被一個過濾器分割成第一室和位於第一室和其表面之間的第二室。溶液被提供到殼體時，分成兩路，一路直接進入第二室，另一路通過第一室進入第二室。流體在第二室中一起混合，然後溶液從殼體中被排向表面。
根據本發明的另一個方面，至少有一個孔可以用於除去在第一室中或者在第二室中，或者在該兩室中的氣泡。第一室中的至少一個孔和第二室中的至少一個孔能用於除去溶液的氣泡或者防止氣泡集聚在陽極組件中。通過法蘭之間的有控制的洩漏可以減少氣泡的聚積。
圖1是已有技術的導電材料的電沉積裝置；圖2是可以使用本發明的陽極組件的整體裝置的示意圖；圖3是根據本發明的陽極組件的剖面示意圖，其中使用了的第一陽極殼體實施例；圖4是可以用在陽極組件中的第二陽極殼體實施例的剖面示意圖；圖5是可以用在陽極組件中的第三陽極殼體實施例的剖面示意圖；圖6是與圖3類似，但是其中另外使用了預過濾裝置。
具體實施例方式
下面討論的每個陽極組件都特別適合於被用作一種可溶的即可消耗的陽極。然而，此陽極組件可以考慮用或者被用作惰性陽極，而且該陽極組件可以用在蝕刻的應用中和金屬沉積的應用中。
根據本發明，使用了配置在陽極殼體的多個位置的多個陽極過濾器。過濾器具有不同的孔徑。過濾器也可以疊層在兩個多孔片之間。圖3顯示了一個配置了多個過濾器及垂直配置的、主次流體傳送通道的陽極組件9。在這個陽極結構中，通過一個過濾器支架163，在陽極室設有一個主陽極過濾器162，並且將陽極164與陽極室的其餘部分隔開。例如，主陽極過濾器162可以由一層或者多層聚丙烯織物絨毛組成，或者使用聚乙烯，聚碸，親水PVDF，或者PFTE過濾器，過濾器的孔徑或過濾粒徑平均小於1微米。陽極過濾器162可以埋葬陽極164周圍產生的陽極汙泥。設置在離開主陽極過濾器162一段距離處該上陽極過濾器166的孔徑最好在30微米和0.1微米之間。上陽極過濾器166被固定在可有效地過濾和陰極互通的電解溶液或液體的位置。
在陽極殼體168中的一個空腔A分開主陽極過濾單元162，和上陽極或次陽極過濾器166。空腔或者室A可以稱作一中間過濾器混合室。在這個混合室A中，從下陽極室B出來的溶液與從至少一個主流體通道170出來的溶液互相混合。室A和B一起形成了一個內殼體容積，電解質溶液可以流入其中。這樣過濾器162將內殼體容積分割成下陽極室B和位於下陽極室和一個頂陽極板174之間的中間過濾器混和室A。在如圖14所示的實施例中，以及在如圖15-17所示的每一個實施例中，腔室A中的電解質溶液的混和和來自主流體通道的溶液較高的流速增強了銅離子或其他金屬離子從下陽極室B向混和室A的遷移。換句話說，此離子遷移的增強是因為混和室A中的混和以及電解質溶液流入混和室A的速度高於溶液流入陽極室B的速度。動態混和和遷移減少了下陽極室B和上中間過濾器間混和室A之間的銅離子濃度的差別，從而減少了由於電解池內離子濃度差較大而產生的電解池的極化。
主流體通道可以是一條垂直的通道用來供應電解質溶液或者用於流體的聯通，也可以合併入陽極室中。如圖14中所示，主流體通道和次流體通道都可以以孔穴的形式成形於電解池的壁中。主流體通道170直接將超過60％的溶液傳入過濾混和室A中。然後溶液被極細的上陽極過濾器166過濾，上陽極過濾器的中間平均孔徑一般小於10.0微米，最好介於0.02-0.5微米之間。被過濾的溶液然後通過上陽極頂板174中的通道172和衰耗片或衰耗片組件178中的通道176傳遞至陰極。上陽極頂板174形成了內殼體容積的擋板，並可用任何合適的方式如通過螺釘固定在一個位於陽極殼體上端部的凸緣175上。溶液可以通過頂板174中的通道172和衰耗片或衰耗片組件中的通道176從內殼體容積向半導體基底表面排出。O形密封環182可以置於陽極頂板174下側和凸緣175之間來防止電沉積液/電鍍平面化溶液的洩漏。O形密封環也可以省略以讓流體在凸緣之間有控制地洩漏。受控制的洩漏可用以去除混和室中的氣泡。陽極頂板174的結構可以基本上與前述未決美國專利申請09/568,584中所述的衰耗片支撐板22的結構相同，而衰耗片或衰耗片組件178的結構可以基本上與該未決專利申請中的衰耗片8的結構相同。
次流體通道180將電解質平衡傳到下陽極室B中或陽極164周圍空間B中。從下陽極室B中流出的溶液在進入中間過濾器混和室A中和其中的溶液混和之前被主陽極過濾器162所過濾。
在另一個電解池構造中，提供了又一個外部過濾器或者又一組外部過濾元件。圖6表示出了這樣一種電解池的構造，其中一個外部過濾器472置於上陽極殼體468之下。此外部或「中間碗形」過濾器472可以用於預先過濾從流體入口474流入的電解質溶液。圖6中的電解池結構還包括一個陽極464，它置於通過一個主陽極過濾器462中間與過濾混和室A分開的下陽極室B中。如圖3中實施例所示，主陽極過濾器462可以由一層或多層過濾器，或者一個微粒或孔徑大小介於1和5微米之間的濾筒組件組成。主陽極過濾器462可以埋葬掉陽極464周圍產生的汙泥。
一個上陽極過濾器(圖6中沒有示出)設置得離開主陽極過濾器462一段距離，被理解為是一個頂陽極板(圖6中未示出)安在上陽極碗或殼體468的凸緣475上，類似於圖3實施例中上陽極板174安裝在凸緣175上的方式，由此形成了中間過濾混和室A。
上陽極碗468包括構造和功能相同於圖3中所示的主流體通道170和次流體通道180的主流體通道470和次流體通道480。
如上所述，外部或室內碗過濾器472位於上陽極殼體468下面。外部過濾器可以通過例如一個適合的過濾器安裝件安在下陽極室或碗495上，在溶液流入室A和B內之前對其進行過濾。下陽極殼體或碗495含有一個通過如螺釘等物件連接在上陽極碗或殼體468上的凸緣475上。又一個O形密封環492可以置於凸緣475和497面對表面之間來提供密封功能。在所有其他方面，圖6中陽極結構與圖3中所示的相同。
圖5示出了一個陽極汙泥排管376組裝在另一個陽極結構中。陽極汙泥通過陽極汙泥排管的開口定期或必要時被排出。任何一個可實用的裝置都可以在例行的晶片或工件加工期間或任何適合的時間吸出或排空下陽極室B。這樣，就不用拆開陽極殼體368和取出主陽極過濾器362來清除汙泥或清洗陽極室B，而在已有技術的工藝操作中，拆開和取出清洗是不能避免的。在原處進行操作的陽極汙泥排管376免去了例行陽極保養操作，從而提高了電沉積池的利用。在原處清除泥渣同樣也延長了下陽極過濾器的壽命。
在所有其他方面，圖5的陽極結構與圖3所示的相同。
在其他的排列中，下陽極室B的二次流可以從主流體通道孔引出，如圖4中所示。在這裡，直徑小於主流體通道270的孔形成了次流體通道280，用於分隔或轉移主流體通道270中一部分流體至陽極264周圍的殼體268的下陽極室B中。在所有其他方面，圖15中陽極的結構與圖14中的相同。
除了上述的流體通道之外，如圖3和圖4所示，可以提供另外一個小孔(b)，或提供另外多個孔(未圖示)使電解質可以從下陽極室B洩漏到陽極殼體168，268，368或468外面。最好至少這些孔中一個可以用來去除在陽極上表面和主陽極過濾器之間被截留的氣泡。如圖3中所示，類似空氣洩放孔(a)可以設置在頂陽極板或陽極殼體的上壁。當沒有空氣口洩放孔時，可以使用一個排氣過濾件(未圖示)在溶液被傳送至電沉積池中之前排除溶液中的氣體。為了有效地去除氣泡，必須將過濾器162，262，166，462和362以相對水平方向1到30度之間的傾斜角度傾斜地設置，而空氣洩放孔則置於過濾器下面的最高區域。
在其他操作中，下陽極室B也可以按照需要被驅動來排除在主陽極過濾器162，262，362，或462下面被截留的大氣泡。溶液可以被排出，過濾和返回至蓄液池中。
一個類似的排放裝置可以裝在陽極殼體168，268，368或468的上部區域中。這種排放裝置可以用於排除室A中正好在上陽極過濾器下面的任何大的截留氣泡。
以上揭示的內容僅僅為了舉例說明本發明，本發明並不限於所舉的例子。由於對本技術領域中熟練人士，根據本發明所揭示的精神和實質性的內容，完全有可能對本發明所揭示的實施例做出種種的修改和變化，因此本發明應該包括在所附權利要求書及其等效物範圍之內的所有內容，正好在上陽極過濾器下面。
權利要求
1.一種可以將溶液提供至基底表面的陽極組件，所述組件包括一限定內部殼體容積的殼體，所述溶液可流入所述內部殼體容積，一用於內部殼體容積的擋板，通過所述擋板溶液可以從內部殼體容積排到基底表面，一過濾器，所述內部殼體容積被該過濾器分割成一個第一室和位於第一室和擋板之間的第二室，其特徵在於，在向所述表面供應溶液的過程中，流進所述第二室的溶液比流進所述第一室的溶液的速度高，所述諸流體在第二室中混合。
2.如權利要求1所述的陽極組件，其特徵在於，所述殼體包括至少一個主流體通道，通過所述主流體通道，溶液可以直接流進所述第二室，以及至少一個次流體通道，通過所述次流體通道，溶液可以直接流進所述第一室。
3.如權利要求2所述的陽極組件，其特徵在於，所述主流體通道和所述次流體通道彼此獨立。
4.如權利要求2所述的陽極組件，其特徵在於，所述次流體通道接進所述主流體通道。
5.如權利要求4所述的陽極組件，其特徵在於，所述次流體通道可以使流過所述主流體通道的一部分溶液流向所述第一室。
6.如權利要求1所述的陽極組件，其特徵在於，所述擋板是一個能夠蓋住所述內部殼體容積的平板。
7.如權利要求6所述的陽極組件，其特徵在於，還包括一個掩模，通過所述掩模，溶液可以在所述平板上流動
8.如權利要求1所述的陽極組件，其特徵在於，在所述第二室和所述擋板之間可以包括一個所述第二過濾器
9.如權利要求1所述的陽極組件，其特徵在於，所述底板包括一個半導體。
10.如權利要求1所述的陽極組件，其特徵在於，還包括一個排管，通過所述排管可以將汙泥從所述第一室除去。
11.如權利要求1所述的陽極組件，其特徵在於，還包括一個外部過濾器，用於在溶液進入所述殼體之前，預先對溶液進行過濾。
12.如權利要求11所述的陽極組件，其特徵在於，所述殼體是一個上部殼體，還包括一個下部殼體，所述外部過濾器設置在其上，用於接收至少部分所述上部殼體的容量。
13.如權利要求12所述的陽極組件，其特徵在於，當所述下部殼體接收至少部分所述上部殼體時，在所述上下殼體之間形成了一個流體導入室
14.如權利要求1所述的陽極組件，其特徵在於，還包括一個可被接收在所述第一室內的陽極。
15.如權利要求14所述的陽極組件，其特徵在於，所述陽極是一個可溶的陽極。
16.如權利要求1所述的陽極組件，其特徵在於，所述溶液是一種用它可以在所述半導體基底的表面上沉積一導電薄膜的溶液。
17.如權利要求1所述的陽極組件，其特徵在於，至少有一個孔用以去除所述第一室中的氣泡。
18.如權利要求1所述的陽極組件，其特徵在於，至少有一個孔用以去除所述第二室中的氣泡。
19.如權利要求1所述的陽極組件，其特徵在於，所述第一室中的至少一個孔和所述第二室中的至少一個孔用於除去溶液中的氣泡或者防止氣泡集聚在所述陽極組件中。
20.如權利要求19所述的陽極組件，其特徵在於，通過凸緣之間有控制的洩漏可以減少氣泡的聚積。
21.一種將溶液提供到容納在陽極組件中的半導體基底表面的工藝，包括提供一個殼體，所述殼體具有被一個過濾器分割成第一室和位於第一室和所述表面之間的第二室的內容積；將溶液提供到所述殼體中；將被提供給所述殼體的溶液分成兩路，一路直接進入所述第二室，另一路通過所述第一室進入所述第二室；在所述第二室中將兩路流體混合在一起；然後將溶液從所述殼體中排到所述表面。
22.如權利要求21所述的工藝過程，其特徵在於，所使用的溶液是一種電解質溶液，用它可以在半導體基底的表面上沉積一導電薄膜。
23.如權利要求21所述的工藝過程，其特徵在於，一陽極設置在所述第一室內。
24.如權利要求23所述的工藝過程，其特徵在於，所述陽極是一可溶的陽極。
25.如權利要求21所述的工藝過程，其特徵在於，至少有一個孔用於去除所述第一室中的氣泡。
26.如權利要求21所述的工藝過程，其特徵在於，至少有一個孔用於去除所述第二室中的氣泡。
27.如權利要求21所述的工藝過程，其特徵在於，所述第一室中的至少一個孔和所述第二室中的至少一個孔用於除去溶液中的氣泡或者防止氣泡集聚在所述陽極組件中。
28.如權利要求27所述的工藝過程，其特徵在於，通過凸緣之間的有控制的洩漏以減少氣泡的聚積。
29.如權利要求21所述的工藝過程，其特徵在於，所述基底包括一個半導體。
全文摘要
一種可以將溶液提供至基底表面的陽極組件(a)，該陽極組件(9)包括一形成內部殼體容積的殼體，流體可以流入該內部殼體容積中。一個用於該內部殼體容積的擋板，溶液可以通過擋板從內部殼體容積排到基底表面。一個過濾器(162)，內部殼體容積被該過濾器分隔成一個第一室和位於第一室和擋板之間的第二室。在向所述的表面供應溶液的過程中，流進第二室的溶液比流進第一室的溶液的速度高，諸流體在第二室中混合。
文檔編號H01L21/3213GK1529769SQ02811844
公開日2004年9月15日 申請日期2002年2月6日 優先權日2001年5月1日
發明者錫伯倫·E·尤左赫, 赫馬尤·泰蓮, 伯倫特·M·保索, M 保索, 泰蓮, 錫伯倫 E 尤左赫 申請人:紐儀器股份有限公司