專利名稱：用于電鍍的方法及設備的制作方法
技術(shù)領域：
背景技術(shù)：
在集成電路(IC)制作中從鋁到銅的過渡需要工藝“架構(gòu)”的變化(到鑲嵌及雙鑲嵌)以及一套全新的工藝技術(shù)。一個用于制作銅鑲嵌電路的工藝步驟是形成然后用作向其上電鍍(電填充)銅的基底層的“籽晶”或“沖擊”層。所述籽晶層將電鍍電流從晶片的邊緣區(qū)域(在那里進行電接觸)攜載到晶片表面上的所有溝槽及通孔結(jié)構(gòu)。籽晶膜通常是薄導電銅層。其通過勢壘層與絕緣二氧化硅或其它電介質(zhì)分離。也已研究使用為銅合金或其它金屬(例如釕或鉭)的薄籽晶層(其也可同時充當銅擴散勢壘層)。關(guān)于此些籽晶層的更多細節(jié)可見于2009年1月26日提出申請的標題為“擴散障壁層(Diffusion Barrier Layers)”的第12/359，997號美國專利申請案中，所述美國專利申請案以引用方式并入本文中。籽晶層沉積工藝應產(chǎn)生具有對嵌入特征的頂部的良好整體粘合、極好階梯覆蓋(更特定來說，保形/連續(xù)量金屬沉積到嵌入結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上)及最小封閉或“頸縮”的層。越來越小特征的市場趨勢及替代播種工藝推動對在越來越薄的播種晶片上以高度均勻性電鍍的能力的需要。將來，預期籽晶膜可簡單地由可電鍍勢壘膜(例如釕)、極薄勢壘與銅的雙層(例如通過原子層沉積(ALD)或類似工藝沉積的)或各種金屬的合金構(gòu)成。此些薄膜(一些具有先天大的比電阻)向工程師呈現(xiàn)極端終端效應情形。舉例來說，當將3安培總電流均勻地驅(qū)動到每平方30歐姆的釕籽晶層(30到50 A膜的可能值)中時，所述金屬中的所得中心到邊緣電壓降將超過2伏。為了有效地電鍍大的表面積，電鍍工具與僅在晶片襯底的邊緣區(qū)域中的導電籽晶進行電接觸。不與襯底的中心區(qū)域進行直接接觸。 因此，對于高電阻性籽晶層，層的邊緣處的電位顯著大于層的中心區(qū)域處的電位。在不使用電阻及電壓補償?shù)倪m當方法的情形下，此大的邊緣到中心電壓降可導致主要以晶片邊緣處的較厚電鍍?yōu)樘卣鞯臉O不均勻電鍍厚度分布。作為比較，電解質(zhì)溶液(水)的電壓降的熱動力極限僅為約1. 4V。

圖1是針對所述問題的近似等效電路的示意圖。為清晰起見，將其簡化成一維。籽晶層中的連續(xù)電阻由一組有限(在此情況下四個)并聯(lián)電路元件表示。膜內(nèi)電阻器元件Rf 表示從晶片上的外部徑向點到更靠近中心的徑向點的微分電阻。于邊緣處供應的總電流It 以由總路徑電阻相對于所有其它電阻按比例縮放的Ip I2等分布到各種表面元件。越靠近中心定位的電路因那些路徑的Rf的累積/添供電阻而具有越大的總電阻。在數(shù)學上，通過所述表面元件路徑中的任何一者的分數(shù)電流Fi為[000權(quán)利要求
1.一種用于向襯底上電鍍金屬的設備，所述設備包含(a)電鍍室，其經(jīng)配置以在向所述襯底上電鍍金屬時含有電解質(zhì)及陽極；(b)襯底固持器，其經(jīng)配置以固持所述襯底以使得所述襯底的電鍍面在電鍍期間定位于距所述陽極經(jīng)界定距離處，所述襯底固持器具有經(jīng)布置以在電鍍期間接觸所述襯底的邊緣且將電流提供到所述襯底的一個或一個以上電力觸點；(c)離子電阻性離子可滲透元件，其經(jīng)塑形及配置以在電鍍期間定位于所述襯底與所述陽極之間，所述離子電阻性離子可滲透元件具有在電鍍期間與所述襯底的電鍍面大致平行且與其分離約5毫米或小于5毫米的間隙的平坦表面；及(d)輔助陰極，其位于所述陽極與所述離子電阻性離子可滲透元件之間，且沿外圍經(jīng)定向以在電鍍期間給所述輔助陰極供應電流時對來自所述陽極的電流分布進行塑形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其中所述離子電阻性離子可滲透元件具有帶有多個穿孔的離子電阻性主體，所述多個穿孔制作于所述主體中以使得所述穿孔不在所述主體內(nèi)形成連通通道，其中所述穿孔允許經(jīng)由所述元件輸送離子，且其中大致所有穿孔均在所述元件的面向所述襯底的表面的所述表面上具有主尺寸或直徑不大于約5毫米的開口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其中所述離子電阻性離子可滲透元件為具有介于約 6，000個到12，000個之間的穿孔的圓盤。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其中所述離子電阻性離子可滲透元件具有約5%多孔或小于5%多孔的孔隙率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其進一步包含第二輔助陰極，所述第二輔助陰極在電鍍期間位于與所述襯底大致相同的平面中，且適于從所述襯底的邊緣區(qū)域分流一部分離子電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設備，其中所述第二輔助陰極位于所述襯底固持器的外圍及從所述離子電阻性離子可滲透元件與所述襯底固持器之間的外圍間隙徑向向外處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其中所述輔助陰極為具有裝納于所述電鍍室中的腔中的相關(guān)聯(lián)物理陰極的虛擬輔助陰極，其中所述腔與所述電鍍室離子連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其進一步包含第二離子電阻性離子可滲透元件，其中所述第二離子電阻性元件接近所述輔助陰極定位。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設備，其中所述第二離子電阻性離子可滲透元件具有帶有多個穿孔的離子電阻性主體，所述多個穿孔制作于所述主體中以使得所述穿孔不在所述主體內(nèi)形成連通通道，其中所述穿孔允許經(jīng)由所述元件輸送離子，且其中大致所有穿孔均在所述元件的面向所述電鍍室的內(nèi)部的表面上具有主尺寸或直徑不大于約10毫米的開口。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設備，其中所述第二離子電阻性離子可滲透元件具有約5% 多孔或小于5%多孔的孔隙率。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設備，其中所述第二離子電阻性離子可滲透元件的厚度小于約25mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其進一步包含控制電路，所述控制電路經(jīng)設計或配置而以如下方式控制遞送到所述輔助陰極的電力在已向所述襯底上電鍍經(jīng)界定量金屬之后產(chǎn)生來自所述陽極的更均勻電流分布。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設備，其進一步包含適于從所述襯底的邊緣區(qū)域分流一部分離子電流的第二輔助陰極，且其中所述控制電路經(jīng)設計或配置以隨著金屬沉積于所述襯底上而使遞送到所述輔助陰極及所述第二輔助陰極的電力各自以不同速率斜降。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其進一步包含控制電路，所述控制電路經(jīng)設計或配置而以如下方式控制遞送到所述輔助陰極的電力在電鍍經(jīng)界定時間周期之后在輔助陰極的位置處產(chǎn)生更均勻電流分布。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設備，其中所述控制電路經(jīng)設計或配置以隨著金屬沉積于所述襯底上而使供應到所述輔助陰極及第二輔助陰極的電力各自以不同速率斜降，其中供應所述第二輔助陰極從所述襯底的邊緣區(qū)域分流一部分離子電流。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設備，其中所述控制電路經(jīng)設計或配置以在所述襯底表面的薄層電阻達到約1歐姆/平方或小于1歐姆/平方之后不供應電流或大致不供應電流到所述輔助陰極。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設備，其中所述控制電路經(jīng)設計或配置以在向所述襯底上電鍍金屬達約5秒或小于5秒的周期之后不供應電流或大致不供應電流到所述輔助陰極。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設備，其中所述控制電路經(jīng)設計或配置以在電流電鍍開始時以至少約12的比率供應電流到所述輔助陰極及所述襯底。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設備，其中所述控制電路經(jīng)設計或配置以在電流電鍍開始時以至少約51的比率供應電流到所述輔助陰極及所述襯底。
20.一種向襯底上電鍍金屬層的方法，所述方法包含(a)將具有安置于其表面上的導電籽晶及/或勢壘層的襯底固持于電鍍設備的襯底固持器中，其中所述設備包含電鍍室及陽極；(b)將所述襯底的工作表面浸沒于電解質(zhì)溶液中且接近定位于所述工作表面與所述電鍍室中所含有的所述陽極之間的離子電阻性離子可滲透元件，所述離子電阻性離子可滲透元件具有與所述襯底的工作面平行且與其分離約5毫米或小于5毫米的間隙的平坦表面；(c)將電流供應到所述襯底以向所述籽晶及/或勢壘層上電鍍所述金屬層；及(d)將電流供應到位于所述陽極與所述離子電阻性離子可滲透元件之間的輔助陰極， 以由此對來自所述陽極的電流分布進行塑形。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述離子電阻性離子可滲透元件具有多個非連通穿孔且其中所述電解質(zhì)中的離子穿過所述穿孔。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中大致所有穿孔均在所述元件的面向工件的表面的表面上具有主尺寸或直徑不大于約5毫米的開口。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述離子電阻性離子可滲透元件為具有介于約 6，000個到12，000個之間的穿孔的圓盤。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述離子電阻性離子可滲透元件具有約5%多孔或小于約5%多孔的孔隙率。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述輔助陰極為具有裝納于所述電鍍室中的腔中的相關(guān)聯(lián)物理陰極的虛擬輔助陰極，其中所述腔與所述電鍍室離子連通。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其進一步包含動態(tài)地控制在電鍍期間供應到所述輔助陰極的電流量以計及所述襯底的所述工作表面處的不均勻電流分布的減小。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其進一步包含隨著金屬沉積于所述襯底上而使供應到所述輔助陰極及第二輔助陰極的電力各自以不同速率斜降，其中供應所述第二輔助陰極從所述襯底的邊緣區(qū)域分流一部分離子電流。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中在所述襯底表面的薄層電阻達到約1歐姆/平方或小于1歐姆/平方之后不供應電流或大致不供應電流到所述輔助陰極。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中在于(c)中電鍍至少約100埃的金屬之后不供應電流或大致不供應電流到所述輔助陰極。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中在于(c)中電鍍金屬達約5秒或小于5秒的周期之后不供應電流或大致不供應電流到所述輔助陰極。
31.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中當在(d)中最初將電流供應到所述輔助陰極時， 供應到所述輔助陰極與供應到所述襯底的電流的比率為至少約1 2。
32.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中當在(d)中最初將電流供應到所述輔助陰極時， 供應到所述輔助陰極與供應到所述襯底的電流的比率為至少約5 1。
33.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其進一步包含將電流供應到位于與所述襯底大致相同的平面中的第二輔助陰極且由此從所述襯底的邊緣區(qū)域分流一部分離子電流。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中所述第二輔助陰極位于所述襯底固持器的外圍及從所述離子電阻性離子可滲透元件與所述襯底固持器之間的外圍間隙徑向向外處。
35.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述電鍍室包含接近所述輔助陰極定位的第二離子電阻性離子可滲透元件。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述第二離子電阻性離子可滲透元件具有帶有多個穿孔的離子電阻性主體，所述多個穿孔制作于所述主體中以使得所述穿孔不在所述主體內(nèi)形成連通通道，其中所述穿孔允許經(jīng)由所述元件輸送離子，且其中大致所有穿孔均在所述元件的面向所述電鍍室的內(nèi)部的表面上具有主尺寸或直徑不大于約10毫米的開口。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述第二離子電阻性離子可滲透元件具有約 5%多孔或小于5%多孔的孔隙率。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述第二離子電阻性離子可滲透元件的厚度小于約25mm。
39.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中在于(c)中將電流供應到所述襯底之前所述襯底上的所述籽晶及/或勢壘層具有約10歐姆/平方或大于10歐姆/平方的薄層電阻。
全文摘要
一種用于向晶片的表面上電鍍金屬層的設備包括位于貼近所述晶片處的離子電阻性離子可滲透元件及位于陽極與所述離子電阻性離子可滲透元件之間的輔助陰極。所述離子電阻性離子可滲透元件用于調(diào)制所述晶片表面處的離子電流。所述輔助陰極經(jīng)配置以對來自所述陽極的電流分布進行塑形。所提供的配置有效地重新分布電鍍系統(tǒng)中的離子電流，從而允許電鍍均勻金屬層且減輕終端效應。
文檔編號C25D17/00GK102459717SQ201080032109
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者喬納森·里德, 何志安, 馮京賓, 史蒂文·邁爾, 塞莎賽義·瓦拉達拉揚 申請人:諾發(fā)系統(tǒng)有限公司