CN108531953A - 用于电镀的宽唇形密封件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电镀的宽唇形密封件。唇形密封件被设计用于电镀设备的唇形密封组件中，其中在电镀期间夹具接合半导体衬底并向半导体衬底供应电流。所述唇形密封件包括弹性体，所述弹性体具有被构造成接合所述唇形密封组件的杯状体的外部部分和被构造成接合所述半导体衬底的周边区域的内部部分。内部部分包括具有足以提供与半导体衬底的接触区域的径向宽度的突起，所述突起抑制电镀期间使用的电镀溶液中的酸的扩散。所述突起位于唇形密封件的内周边。

Description

用于电镀的宽唇形密封件
技术领域
本发明涉及用于集成电路的镶嵌互连的形成以及在集成电路制造期间使用的电镀设备。
背景技术
电镀是在集成电路(IC)制造中用于沉积一层或多层导电金属的常用技术。在一些制造过程中，它被用于在各种衬底特征之间沉积单或多级铜互连。电镀设备通常包括具有电解液池/浴槽的电镀槽和被设计成在电镀期间夹持半导体衬底的夹具。
在电镀设备的操作期间，将半导体衬底浸入电解液池中，使得衬底的一个表面暴露于电解液。采用与衬底表面建立的一个或多个电接触元件来驱动电流通过电镀槽并且从电解液中可用的金属离子将金属沉积到衬底表面上。典型地，电接触元件被用于形成衬底与充当电流源的母线之间的电连接。然而，在一些配置中，由电连接接触的衬底上的导电晶种层可能朝向衬底的边缘变得更薄，使得与衬底建立最佳电连接更加困难。
电镀中出现的另一个问题是电镀溶液的潜在腐蚀性。因此，在许多电镀设备中，在夹具和衬底的交界处使用唇形密封件，以防止电解液的泄漏和电解液与除了电镀槽的内部部分和指定用于电镀的衬底的侧面以外的电镀设备的元件的接触。
发明内容
本文公开了用于电镀夹具(electroplating clamshell)的唇形密封组件中的唇形密封件(lipseal)，所述电镀夹具在电镀期间接合半导体衬底并将电流提供给半导体衬底。所述唇形密封件包括弹性体，所述弹性体具有被构造成接合所述唇形密封组件的杯状体的外部部分和被构造成接合所述半导体衬底的周边区域的内部部分。所述内部部分包括具有足以抑制在电镀期间使用的电镀溶液中的酸的扩散的径向宽度的突起。所述突起包括完全围绕唇形密封件内周边延伸的环形边缘。
附图简要说明
图1示出了一种电镀设备，其中可以使用本文所述的唇形密封件来防止酸到达接触元件。
图2示出了可用于图1所示设备中的唇形密封组件的细节。
图3示出了图2所示的唇形密封组件的细节。
图4示出了图3所示的唇形密封组件的细节。
图5是唇形密封件区域中的酸浓度与唇形密封件宽度的关系图。
图6a-c是在电镀后铜晶种层的照片，其中图6a示出了在电镀干燥晶片之后的铜晶种层，图6b示出了使用0.028英寸宽的唇形密封件电镀湿晶片之后的严重腐蚀，以及图6c示出了使用0.034英寸宽的唇形密封件电镀湿晶片之后铜晶种层的轻微腐蚀。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所提出的概念的透彻理解。所提出的概念可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他实例中，众所周知的过程操作未被详细描述，以免不必要地混淆所描述的概念。虽然将结合具体实施方式描述一些概念，但应理解的是，这些实施方式并非旨在进行限制。
在图1中示出了示例性电镀设备，以便为本文公开的各种唇形密封件和接触元件实施方式提供一些背景。具体而言，图1表示用于电化学处理半导体晶片的晶片夹持和定位装置100的透视图。装置100包括晶片接合部件，其有时被称为“夹具式部件”或“夹具式组件”，或者仅仅是“夹具(clamshell)”。夹具组件包括杯状体101和锥体103。如随后的图中所示，杯状体101夹持晶片并且锥体103将晶片牢固地夹持在杯状体中。除此处具体描述的以外的其他杯状体和锥体设计都可以使用。一个共同的特征是杯状体和锥体，所述杯状体具有晶片所存在的内部区域，所述锥体将晶片压在杯状体上以将其夹持在适当位置。
在所描绘的实施方式中，夹具组件(其包括杯状体101和锥体103)由连接到顶板105的支柱104支撑。该组件(101、103、104和105)是由马达107通过连接到顶板105的主轴106驱动。马达107连接到安装支架(未示出)。主轴106将扭矩(从马达107)传递到夹具组件，使得在电镀期间旋转夹持在其中的晶片(在该图中未示出)。主轴106内的气缸(未示出)还提供用于使杯状体101与锥体103接合的垂直力。当夹具不接合时(未示出)，具有末端执行器臂的机器人可以将晶片插入杯状体101和锥体103之间。在插入晶片之后，锥体103与杯状体101接合，这使装置100内的晶片固定不动，从而在晶片的一侧(而不是另一侧)上的工作表面暴露以与电解质溶液接触。
在某些实施方式中，夹具组件包括喷射裙部109，其保护锥体103免受溅射电解液。在所描绘的实施方式中，喷射裙部109包括垂直环形套筒和圆形帽部分。间隔构件110保持喷射裙部109和锥体103之间的分离。
为了本讨论的目的，包括部件101-110的所述组件被统称为“晶片夹持器”(或“衬底夹持器”)111。但是，注意的是，“晶片夹持器”/“衬底夹持器”的概念通常延伸到接合晶片/衬底并允许其移动和定位的部件的各种组合和子组合。
可以将倾斜组件(未示出)连接至晶片夹持器，以允许晶片倾斜浸入(与平坦的水平浸入相反)电镀溶液。在一些实施方式中，使用驱动机构和板和枢轴接头的布置以沿着弧形路径(未示出)移动晶片夹持器111，并且因此使晶片夹持器111的近端(即，杯状体和锥体组件)倾斜。
此外，整个晶片夹持器111通过致动器垂直向上或向下升降，以(未示出)将晶片夹持器的所述近端浸入电镀溶液中。因此，双部件定位机构提供了沿垂直于电解液表面的轨迹的垂直运动和允许用于晶片(倾斜晶片浸入能力)的偏离水平方向(即平行于电解液表面)的倾斜运动。
注意的是，晶片夹持器111与具有电镀室117的电镀槽115一起使用，电镀室117容纳阳极室157和电镀溶液。所述室157容纳阳极119(例如铜阳极)并且可以包括被设计为在阳极隔室和阴极隔室中保持不同的电解液化学成分的膜或其他分隔器。在所描绘的实施方式中，采用扩散器153来引导电解液向上朝向均匀前部的旋转晶片。在某些实施方式中，流动扩散器是高阻抗虚拟阳极(HRVA)板，其由绝缘材料(例如塑料)的固体片制成，具有大量(例如4,000-15,000)的浅小孔(one dimensional small hole)(直径为0.01至0.050英寸)并连接到所述板上方的阴极室。孔的总横截面面积小于总投影面积的约5％，因此在电镀槽中引入大量的流动阻力，有助于改善所述系统的电镀均匀性。在公布的美国专利申请No.2010/0032310中提供了高阻抗虚拟阳极板和用于电化学处理半导体晶片的相应设备的附加描述，为了所有目的，其全部内容通过引用并入本文。电镀槽还可以包括用于控制和产生单独的电解液流动模式的单独的膜。在另一个实施方案中，采用膜来限定阳极室，阳极室包含基本上不含抑制剂、促进剂或其他有机电镀添加剂的电解液。
电镀槽115还可以包括用于使电解液循环通过电镀槽并且迎向正被电镀的工件的管道或管道接触件。例如，电镀槽115包括电解液入口管131，电解液入口管131通过阳极119中心的孔垂直延伸进入阳极腔157的中心。在其他实施方式中，所述电解槽包括将流体引入在所述室的外围壁处的所述扩散器/HRVA板下方的所述阴极室的电解液入口歧管(未示出)。在一些情况下，入口管131在膜153的两侧(阳极侧和阴极侧)包括出口喷嘴。该布置将电解液输送到阳极室和阴极室。在其他实施方式中，阳极室和阴极室由抗流动膜153隔开，并且每个室具有单独的电解液的单独的流动循环。如图1的实施方式所示，入口喷嘴155向膜153的阳极侧提供电解液。
另外，电镀槽115包括冲洗排放管道159和电镀溶液返回管道161，每个直接连接到电镀室117。而且，在正常操作期间冲洗喷嘴163输送去离子冲洗水以清洁晶片和/或杯状体。电镀溶液通常填充所述室117的大部分。为了减少飞溅和气泡的产生，所述室117包括用于电镀溶液返回的内堰165和用于冲洗水返回的外堰167。在所描绘的实施方式中，这些堰是电镀室117的壁中的周向垂直狭槽。
如上所述，电镀夹具通常包括唇形密封件和一个或多个接触元件以提供密封和电连接功能。唇形密封件可以由弹性体材料制成。唇形密封件与半导体衬底的表面形成密封并且将电解液排除在所述衬底的周边区域之外。在该周边区域中不会发生沉积，也不用于形成IC器件，即该周边区域不是工作表面的一部分。有时候，该区域也被称为边缘排除区域，因为电解液被排除在该区域之外。所述周边区域用于在处理期间支撑和密封衬底，以及用于与接触元件进行电连接。由于通常希望增加工作表面，所以周边区域需要尽可能小，同时保留上述功能。在某些实施方式中，所述周边区域距衬底边缘的距离为约0.5毫米至3毫米。
在安装过程中，唇形密封件和接触元件与所述夹具的其他部件组装在一起。本领域的普通技术人员会明白这种操作的困难，特别是在所述周边区域很小的时侯。由该夹具提供的整个开口与衬底的尺寸相当(例如，用于容纳200毫米晶片、300毫米晶片、450毫米晶片等的开口)。此外，衬底具有它们自己的尺寸公差(例如，根据SEMI规范，针对典型的300毫米晶片，为+/-0.2毫米)。特别困难的任务是弹性体唇形密封件和接触元件的对齐，因为两者都由相对柔性的材料制成。这两个组件需要有非常精确的相对位置。当唇形密封件和接触元件的密封边缘彼此间隔太远时，在夹具操作期间接触元件和衬底之间可能形成不充分的电连接或没有电连接。同时，当密封边缘的位置与接触元件过近时，接触元件可能会干扰密封并导致泄漏到所述周边区域。例如，传统的接触环通常由多个柔性“指状物”制成，这些“指状物”以类似弹簧的方式压在衬底上以建立电连接，如图2的夹具组件中所示(注意杯状体201、锥体203和唇形密封件212)。这些柔性指状物208不仅非常难于相对于唇形密封件212对齐，而且它们在安装过程中也很容易损坏，并且如果和当电解液进入所述周边区域时难以清洁。
如上所述，在电镀槽中，在晶片边缘周围对晶片进行电接触，并且在晶片的其余部分上进行电镀。然而，如果电镀溶液到达所述接触元件，则电镀溶液中的酸会腐蚀在接触区域中晶片上的金属晶种层，导致晶片周围不规则分布的电阻增加，并相应地降低电镀性能并增加晶片内的不均匀性。溶液中的金属离子也会析出到所述接触元件上，从而降低电镀效率。为了防止晶种腐蚀和在所述接触元件上的电镀，通过唇形密封件将进行接触的区域与电镀溶液分隔开。以前，人们认为，除非对唇形密封件有严重破坏(裂纹、撕裂等)，否则这足以将接触元件与电镀溶液彻底隔离。然而，最近的研究表明，当将湿晶片放置在唇形密封件上时(例如，如在Sabre 3D高级预处理工艺中)，在唇形密封件和晶片之间残留有薄水层，使得电镀溶液中的酸可以扩散通过以到达接触区域。在高温和/或长电镀时间下，这种扩散可能发生到足够的酸到达接触区域以引起金属晶种层腐蚀(晶种腐蚀)的程度。为了解决这个问题，设计了较宽的唇形密封件以增加酸必须扩散通过的距离，并相应地降低酸到达接触区域的速率。以这种方式，晶片边缘处的晶种腐蚀减少，并且电镀均匀性得到改善。
在电镀槽中，待电镀的晶片被夹持在杯状体中，这使得与在由唇形密封件封闭的区域中的晶片的边缘电接触，同时将晶片的其余部分暴露于电镀溶液。在电镀期间杯状体部分浸入电镀槽中的电镀溶液中。然而，如上所述，酸可以快速扩散穿过晶片和唇形密封件之间的液体膜，足以损坏接触区域中晶片上的金属晶种层。
根据一个实施方式，硬件设计改变已经被实施以增加唇形密封件的宽度(密封晶片的唇形密封件上的突起的宽度)以降低酸扩散通过晶片和唇形密封件之间的液体层的速率。唇形密封件的增加的宽度增加了扩散距离并且导致较少的酸到达接触区域并且因此较少地蚀刻金属晶种层。
可以通过增加唇形密封件的突起的外径或通过减小突起的内径来增大密封宽度。优选的实现方式是增加突起的外径，因为这不会减小可用于电镀的区域。
唇形密封件上的突起的形状可延伸以形成具有与先前设计类似形状的横截面的唇形密封件，其中所述突起在径向尺寸上简单地伸长。这是优选的实现方式。唇形密封件可以包括具有圆柱形壁的环形边缘形式的单个接触表面以及与晶片接触的平坦或倾斜的表面。
之前，用于Sabre 3D的唇形密封件设计并未阻止在与在过去的标准操作条件期间现有的(小于或等于35℃，小于或者等于每升酸140克)相比较高的温度或较高的电镀溶液酸浓度下显著的酸扩散到接触区域。较宽的唇形密封件的优点是可以在更苛刻的操作条件(例如35℃以上和/或比每升酸140g更高的酸浓度)下提供足够的密封。
在处理晶片时，当将湿晶片放置在唇形密封件上时，残留有薄水层，并且酸可以扩散穿过该层并到达接触区域并腐蚀晶片上的金属晶种层。为了避免这个问题，唇形密封件被构造成提供更长的酸扩散路径，并因此显著增加在接触区域中发生蚀刻所需的时间量。通过更宽的唇形密封件(更长的线性长度)可以实现更长的扩散路径。
通过唇形密封件的扩散可以被模拟为具有恒定源的1D扩散，其具有以下公式：其中z是唇形密封件的宽度，D是酸的扩散常数，t是时间，Cs是酸在源处的浓度，C是酸在z处的浓度，erfc是互补误差函数。因此，扩散长度可以通过知道给定条件下的C、Cs和z来估计，并且可以用来找出C与z和Cs的函数关系，并且可以预期保持近似恒定，只要时间、温度和扩散物质保持不变。
例如，考虑具有z＝0.020”和Cs＝180g/L硫酸的情况：在这些条件下，在1.5小时的电镀时间后估算C为约8-9克/升，得到且可用于估算其他唇形密封件宽度处的电镀后硫酸浓度，如图5所示的曲线图所示。在大约0.028英寸的唇形密封件宽度处，C达到1g/L(在1.5h内发生可忽略的腐蚀的近似水平)，并且之后迅速下降。优选的唇形密封件宽度为至少0.032英寸，更优选为至少约0.034英寸。
图3示出了安装在杯状体201上的唇形密封件212的一个实施方式，其中电接触元件208接合诸如晶片W的半导体衬底的下侧。如图4所示，唇形密封件212包括具有突起220的内部部分218和具有边缘232的外部部分230，所述突起220具有与晶片W的下侧接触的上表面220a，所述边缘232接合杯状体201中的凹槽201a。突起220沿轴向向上延伸并且具有足以抑制电镀溶液中的酸扩散到达电接触元件208和晶片W之间的接触点的宽度(径向地在突起的内圆柱形壁和外圆柱形壁之间测量)。为了处理300毫米直径的晶片，突起220的宽度可以是至少约0.032英寸，优选至少约0.034英寸。唇形密封件212优选地是完全由弹性体材料制成的整体件，其被构造成与杯状体201配合。因此，唇形密封件212是单独的可消耗部件，在需要时可容易地更换。
图6a-c是在不同条件下处理的晶片的外边缘的照片。图6a示出了在没有预润湿的情况下电镀的晶片，并且由于唇形密封件提供了防止酸扩散通过它的充分密封，所以晶片边缘处的铜晶种层不被腐蚀。在电镀过程中使用的电接触元件导致铜晶种层上出现划痕。图6b示出了在预润湿和不提供充分密封的0.028英寸宽的唇形密封件的情况下电镀的晶片。预润湿在晶片和唇形密封件之间形成了一层水膜，其允许酸扩散通过它并腐蚀晶片边缘处的铜晶种层。在图6b中，铜晶种层被严重腐蚀，并且仅可观察到厚的氧化铜(黑色)和钽阻挡层(银色)。图6c显示了在预先润湿和提供足够密封的0.034英寸宽的唇形密封件的情况下电镀的晶片。由于较宽的唇形密封件产生更长扩散路径，铜晶种层仅遭受轻微的腐蚀，因为可观察到铜晶种层并且铜晶种层的表面上的非常薄的氧化铜层在图像中产生轻微的变色。
在本说明书中，词语“约”通常结合数值来使用，以指示并非意在这种数值的数学精确度。因此，意图是在“约”与数值一起使用的情况下，针对该数值预期±10％的公差。
尽管在此示出和描述了本发明的说明性实施方式和应用，但是仍然可存在许多变化和修改，这些变化和修改仍然在本发明的构思、范围和精神之内，并且这些变化对于本领域的普通技术人员在其阅读本申请之后将变得明显。因此，本实施方式被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于在本文给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同物内进行修改。

Claims (7)

1.用于电镀夹具的唇形密封组件的唇形密封件，所述电镀夹具在电镀期间接合半导体衬底并将电流提供给半导体衬底，所述唇形密封件包括弹性体，所述弹性体具有被构造成接合所述唇形密封组件的杯状体的外部部分和被构造成接合半导体衬底的周边区域的内部部分，所述内部部分包括具有足以抑制在电镀期间使用的电镀溶液中的酸的扩散的径向宽度的突起，所述突起包括环形边缘，所述环形边缘完全围绕所述唇形密封件的内周边延伸。
2.根据权利要求1所述的唇形密封件，其中所述宽度是在所述突起的内壁与外壁之间，并且所述宽度为至少约0.032英寸。
3.根据权利要求2所述的唇形密封件，其中所述宽度为约0.034英寸。
4.根据权利要求1所述的唇形密封件，其中所述外部部分包括构造成被容纳在所述杯状体的凹部中的向下延伸的边缘。
5.根据权利要求1所述的唇形密封件，其中所述突起的内表面限定所述唇形密封件的内径。
6.使用根据权利要求1所述的唇形密封件电镀半导体衬底的方法，其包括将预湿半导体衬底支撑在电镀夹具中，使得所述唇形密封件的突起接触所述半导体衬底的外周边，以及使突起内侧的半导体衬底的暴露表面与电镀溶液接触。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述突起具有约0.034英寸的宽度。
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