電化學(xué)沉積設(shè)備和用于控制其中的化學(xué)反應(yīng)的方法
【專利說明】電化學(xué)沉積設(shè)備和用于控制其中的化學(xué)反應(yīng)的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]根據(jù)37C.F.R.§ 1.78(a) (4)，本申請(qǐng)要求于2013年7月3日提交的共同未決的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/842801的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)全部?jī)?nèi)容通過引用明確并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本文所公開的實(shí)施例總體上涉及電化學(xué)沉積(ECD，electrochemicaldeposit1n)和金屬鍍覆。
【背景技術(shù)】
[0004]可靠的多層互連形成和金屬化對(duì)于下一代超大規(guī)模集成(ULSI，ultra largescale integrat1n)器件和先進(jìn)封裝的成功是極為重要的，其中包括電子器件的三維集成(3DI)以及緊密間距焊料凸點(diǎn)和微凸點(diǎn)技術(shù)二者。作為示例，對(duì)于將超大規(guī)模集成電路制造擴(kuò)展到7nm(納米)技術(shù)節(jié)點(diǎn)并且超越7nm(納米)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，設(shè)想到經(jīng)由觸點(diǎn)和線路以高縱橫比形成的雙鑲嵌銅(Cu)互連。另外，例如，直徑為1微米至30微米并且深度為10微米至250微米的金屬化的過娃通孔(TSV，through silicon via)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 3DI電子器件，同時(shí)針對(duì)先進(jìn)封裝來設(shè)想在緊密間距凸點(diǎn)(即間距小于300微米)或微凸點(diǎn)處的無鉛焊料的掩模圖案化沉積。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)，電鍍工藝或電化學(xué)沉積(EO)，electrochemical deposit1n)工藝以及其他工藝用作將包括金屬例如錫(Sn)、銀(Ag)、Sn-Ag合金、鎳(Ni)、銅(Cu)等的各種材料應(yīng)用于多種結(jié)構(gòu)和表面例如半導(dǎo)體工件或基底的制造技術(shù)。用于這種工藝的系統(tǒng)的重要特征是產(chǎn)生均勻且可重復(fù)的材料屬性例如厚度、組成、機(jī)械特性或電特性等的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]電化學(xué)沉積系統(tǒng)可以使用當(dāng)在鍍覆期間耗減時(shí)需要補(bǔ)給的包括(多種)成分例如金屬離子在內(nèi)的該主要電解質(zhì)(primary electrolyte)。例如，在錫銀應(yīng)用中，在耗減時(shí)可能需要對(duì)錫鹽溶液的液體補(bǔ)給。這樣的補(bǔ)給可能是昂貴的，并且可能基本上取決于應(yīng)用。此夕卜，補(bǔ)給可能需要電化學(xué)沉積工具或子模塊的較長(zhǎng)停機(jī)時(shí)間用于維護(hù)和工藝再鑒定，這可能對(duì)沉積設(shè)備的購(gòu)置成本產(chǎn)生不利影響。因此，期望的是用于補(bǔ)給電化學(xué)沉積工具中耗減的工藝電解質(zhì)的新的改進(jìn)方法和設(shè)備。
[0007]本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于電化學(xué)沉積(ECD)和電解質(zhì)補(bǔ)給的方法和設(shè)備。根據(jù)一種實(shí)施例，描述了一種電化學(xué)沉積系統(tǒng)。該電化學(xué)沉積系統(tǒng)包括:被布置在公共平臺(tái)上的一個(gè)或更多個(gè)電化學(xué)沉積模塊，其用于將一種或更多種金屬沉積在基底上；以及化學(xué)品管理系統(tǒng)，其被耦接至一個(gè)或更多個(gè)電化學(xué)沉積模塊?；瘜W(xué)品管理系統(tǒng)被配置成向一個(gè)或更多個(gè)電化學(xué)沉積模塊中的至少一個(gè)電化學(xué)沉積模塊提供用于沉積一種或更多種金屬的一種或更多種金屬成分?；瘜W(xué)品管理系統(tǒng)可以包括至少一個(gè)金屬富集槽和至少一個(gè)金屬濃縮物產(chǎn)生器槽。
[0008]此外，雖然本文中不同的特征、技術(shù)、配置等中的每一個(gè)可能在本公開的不同位置被討論，但是目的在于能夠?qū)⒏鳂?gòu)思彼此獨(dú)立地執(zhí)行或彼此組合地執(zhí)行。因此，可以以許多不同的方式來實(shí)施和觀察本發(fā)明。
[0009]注意，本
【發(fā)明內(nèi)容】
部分并不指定每個(gè)實(shí)施例和/或本公開或請(qǐng)求保護(hù)發(fā)明的遞增新穎方面。相反，本
【發(fā)明內(nèi)容】
僅提供了對(duì)不同實(shí)施例和新穎性優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的初步討論。對(duì)于本發(fā)明和實(shí)施例的額外的細(xì)節(jié)和/或可能的角度，讀者被引導(dǎo)到如下面進(jìn)一步討論的本公開的具體實(shí)施例以及相應(yīng)附圖。
【附圖說明】
[0010]參考與附圖結(jié)合考慮的以下詳細(xì)描述，對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例及其許多附帶優(yōu)點(diǎn)的更透徹理解將變得明顯。附圖不一定按比例繪制，而是將重點(diǎn)放在對(duì)特征、原理和概念進(jìn)行說明上。在附圖中:
[0011]圖1是根據(jù)實(shí)施例的示出定量給料方案(dosing scheme)的鍍覆槽的簡(jiǎn)化示意圖。
[0012]圖2A和圖2B是根據(jù)其他實(shí)施例的示出定量給料方案的鍍覆槽的簡(jiǎn)化示意圖。
[0013]圖3A和圖3B是根據(jù)另外的實(shí)施例的能夠用金屬富集槽操作的鍍覆槽的簡(jiǎn)化示意圖。
[0014]圖4是根據(jù)實(shí)施例的電化學(xué)沉積模塊和化學(xué)品管理系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。
[0015]圖5示出了根據(jù)實(shí)施例的金屬濃縮物產(chǎn)生器槽的簡(jiǎn)化示意流程圖。
[0016]圖6A是根據(jù)實(shí)施例的示出用于操作金屬濃縮物產(chǎn)生器的方法的流程圖。
[0017]圖6B是根據(jù)另一實(shí)施例的示出用于操作金屬濃縮物產(chǎn)生器的方法的流程圖。
[0018]圖7示出了根據(jù)實(shí)施例的金屬富集槽的簡(jiǎn)化示意流程圖。
[0019]圖8示出了根據(jù)另一實(shí)施例的金屬富集槽的簡(jiǎn)化示意流程圖。
[0020]圖9是根據(jù)又一實(shí)施例的水提取模塊的簡(jiǎn)化示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]在各種實(shí)施例中描述了包括電解質(zhì)補(bǔ)給的用于電化學(xué)沉積的方法和設(shè)備。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以在不具有一個(gè)或更多個(gè)具體細(xì)節(jié)的情況下或者用其他替代方案和/或附加方法、材料或部件來實(shí)踐各種實(shí)施例。在其他實(shí)例中，沒有詳細(xì)示出或描述公知的結(jié)構(gòu)、材料或操作，以避免使本發(fā)明的各種實(shí)施例的各方面模糊。同樣，為便于解釋，闡述了特定的數(shù)字、材料和配置，以便提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而，本發(fā)明可以在不具有特定細(xì)節(jié)的情況下來實(shí)踐。此外，應(yīng)當(dāng)理解，附圖中所示的各種實(shí)施例是說明性表示并且不一定按比例繪制。
[0022]在這個(gè)說明書中，對(duì)“一種實(shí)施例”或“實(shí)施例”的引用意味著與實(shí)施例結(jié)合描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)、材料或特性被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，但不表示它們?cè)诿恳环N實(shí)施例中都存在。因此，在整個(gè)說明書的各個(gè)地方出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一種實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”不一定指本發(fā)明的相同實(shí)施例。此外，在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中可以以任何合適的方式對(duì)特定的特征、結(jié)構(gòu)、材料或特性進(jìn)行組合?？梢园ǜ鞣N附加層和/或結(jié)構(gòu)，并且/或者可以在其他實(shí)施例中省略所描述的特征。
[0023]本文所用的“基底”通常是指根據(jù)本發(fā)明正在被處理的對(duì)象?；卓梢园ㄑb置特別是半導(dǎo)體或其他電子器件的任何材料部分或結(jié)構(gòu)，并且可以例如是基礎(chǔ)基底結(jié)構(gòu)，如在基礎(chǔ)基底結(jié)構(gòu)如薄膜上的或覆蓋基礎(chǔ)基底結(jié)構(gòu)如薄膜的半導(dǎo)體晶片或?qū)印Ｒ虼?，基底并不意在限于任何特定的圖案化的或無圖案的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、底層或覆蓋層，而是考慮到包括任何這樣的層或基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、以及層和/或基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的任意組合。以下描述可以引用特定類型的基底，但這只是為了說明的目的而并非限制。
[0024]如在上述部分中所描述的，公開了用于使用例如電化學(xué)沉積(ECD)用金屬在基底上或基底內(nèi)鍍覆基底或結(jié)構(gòu)的各種實(shí)施例。在電化學(xué)沉積期間，通過引入(多種)金屬離子并且使用在露出表面處的電流還原溶解的金屬離子在鍍覆槽中將金屬如錫(Sn)、銀(Ag)、鎳(Ni)、銅(Cu)以及它們的合金(例如錫銀合金)鍍覆在基底的暴露表面上以形成金屬膜。如上所述，耐用的鍍覆槽的重要特征是其能夠產(chǎn)生均勻且可重復(fù)的材料特性的能力。然而，電化學(xué)沉積系統(tǒng)在鍍覆期間耗減金屬離子，因此為了均勻且可重復(fù)的結(jié)果需要補(bǔ)給在工藝電解質(zhì)中耗減的金屬離子。
[0025]本文公開了有關(guān)在ECD系統(tǒng)中所使用的鍍覆槽和補(bǔ)給槽的許多實(shí)施例。相對(duì)于補(bǔ)給槽，一些實(shí)施例涉及濃縮物產(chǎn)生器槽，其中，使用平臺(tái)上或平臺(tái)外金屬濃縮物產(chǎn)生器槽來產(chǎn)生濃縮物狀態(tài)的含金屬的電解質(zhì)(即，金屬離子濃度大于用于處理的典型的金屬離子濃度)，該濃縮物狀態(tài)的含金屬的電解質(zhì)可以被存儲(chǔ)并且在操作期間用于向鍍覆槽定量給料。其他實(shí)施例涉及富集槽，其中，內(nèi)部(on-board)或外接(off-board)金屬富集槽對(duì)在電解質(zhì)儲(chǔ)器與鍍覆槽之間循環(huán)通過的電解質(zhì)進(jìn)行富集。
[0026]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，圖1是根據(jù)實(shí)施例的示出定量給料方案的鍍覆槽的簡(jiǎn)化示意圖。鍍覆槽可以用于對(duì)金屬執(zhí)行電化學(xué)沉積(ECD)，所述金屬用從各種金屬源定量給料的金屬來補(bǔ)給。作為示例，鍍覆槽可以包括單隔室鍍覆槽，即，公共電解質(zhì)接觸鍍覆槽陽(yáng)極和陰極。在單隔室鍍覆槽中的陽(yáng)極可以是可溶陽(yáng)極或不可溶陽(yáng)極，優(yōu)選地是不可溶陽(yáng)極?？梢詫⒁恍┒拷o料部件替換為控制模塊，如在本文所公開的各種實(shí)施例中描述的控制模塊。
[0027]在圖1中，鍍覆溶液包含在槽1003和儲(chǔ)器1020中，并且可以使用栗1011使鍍覆溶液經(jīng)由導(dǎo)管1012和導(dǎo)管1013再循環(huán)。利用定量給料陣列1006至1009中所示的溶液經(jīng)由定量給料來補(bǔ)給鍍覆溶液，并且經(jīng)由導(dǎo)管1005來輸送鍍覆溶液。單隔室ECD槽包括晶片1002(用作陰極)。通過非限制性的示例，晶片1002可以鍍覆有錫銀合金。與晶片1002相對(duì)的陽(yáng)極1001可以是惰性陽(yáng)極。定量給料的品種可以包括下述中的一些或全部:Sn濃縮溶液、Ag濃縮溶液、一種或更多種有機(jī)添加物、Ag錯(cuò)化物濃縮物、酸和水?？梢酝ㄟ^電源1004來控制通過ECD鍍覆槽的電流。
[0028]在SnAg的情況下，其中圖1中所示的金屬濃縮物1 (1006)為Sn濃縮物，可以經(jīng)由導(dǎo)管5081或儲(chǔ)器5080提供溶液1006作為圖5的金屬濃縮物產(chǎn)物。類似地，在相同的示例中，圖1中的進(jìn)料1007可以被替換為使用與導(dǎo)管1013串聯(lián)的圖7的Ag補(bǔ)給槽來提供。圖1示出了可選的水提取模塊1010，其可以基于圖9中所公開的膜蒸餾模塊。
[0029]圖2A和圖2B是根據(jù)其他實(shí)施例的示出定量給料方案的鍍覆槽的簡(jiǎn)化示意圖。鍍覆槽可以用于對(duì)金屬執(zhí)行電化學(xué)沉積(ECD)，所述金屬用從各種金屬源定量給料的金屬來補(bǔ)給。作為示例，鍍覆槽可以包括雙隔室鍍覆槽，也就是說，通過膜(陽(yáng)離子型或陰離子型的離子交換膜)使在鍍覆槽內(nèi)的陽(yáng)極電解液和陰極電解液分離。在單隔室鍍覆槽中的陽(yáng)極可以是可溶陽(yáng)極或不可溶陽(yáng)極，優(yōu)選地是可溶陽(yáng)極。請(qǐng)注意，可以將一些定量給料部件替換為控制模塊，如在本文所公開的各種實(shí)施例中描述的那些控制模塊。
[0030]圖2A是示出定量給料方案的雙隔室E⑶槽的簡(jiǎn)化示意圖。請(qǐng)注意，可以將一些定量給料部件替換為控制模塊，如在本公開中所描述的那些控制模塊。在本實(shí)施例中，當(dāng)金屬被沉積到作為陰極的晶片2009上時(shí)，陽(yáng)極2001經(jīng)歷電溶解。在隔室2002內(nèi)發(fā)生陽(yáng)極2001電溶解進(jìn)陽(yáng)極電解液中。在一些實(shí)施例中，根據(jù)特定鍍覆應(yīng)用(Cu、SnAg、Ni或其他金屬)，金屬離子穿過膜2011的輸送效率可能不是100%。不徹底的輸送