CN111936675A - 具有惰性和活性阳极的电镀系统 - Google Patents

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黄璐丹
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Abstract

公开了用于控制用于衬底的电化学镀敷设备上的镀敷电解质浓度的方法和电镀系统。惰性阳极(或在需要时可以充当惰性阳极的辅助电极)控制一种或多种电解质成分的浓度。惰性阳极通过进行不产生金属离子的气体释放反应来平衡电镀工艺中电解液金属离子的产生和消耗速率。

Description

具有惰性和活性阳极的电镀系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年2月23日提交的名称为“ELECTROPLATING SYSTEM WITHINERT AND ACTIVE ANODES”的美国临时申请No.62/634,463的优先权的权益，其通过引用整体并入本文并且用于所有目的。
技术领域
本公开涉及电镀溶液浓度的控制，尤其涉及在电化学电镀设备上针对半导体衬底执行的这种控制。
背景技术
为了集成电路生产的金属化，电化学沉积工艺被广泛地使用在半导体工业中。一种这样的应用为铜(Cu)电化学沉积，此可包含将Cu线沉积到预先形成在介电层中的沟槽和/或通孔内。在该工艺中，通过利用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)，将薄的附着金属扩散阻挡膜预先沉积到表面上。然后，一般通过PVD沉积工艺，将铜的薄晶种层沉积在阻挡层的顶部上。接着，通过电化学沉积工艺，以Cu电化学地填充特征(通孔与沟槽)，在该电化学沉积工艺期间，铜阴离子被电化学地还原成铜金属。另一个应用是在相同或不同情况下沉积钴(Co)。
该背景技术部分是为了呈现本公开的背景的目的。在此背景技术部分以及在本说明书的其他部分中所呈现的范围内不能确定为现有技术的发明人的工作既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。
发明内容
在具有隔离的阳极电解液和阴极电解液部分以及在该阳极电解液部分中的活性阳极的电化学镀敷设备中，可以通过结合活性阳极使用惰性阳极来控制阴极电解液成分(例如，酸、阴离子、阳离子、添加剂等)的浓度。惰性阳极可以通过引发也不产生金属阳离子的氢离子产生反应来平衡电镀工艺中金属阳离子的产生和消耗速率。惰性阳极(相对于活性阳极)接收设备总阳极电流的一部分，使得(在活性阳极处)产生的金属阳离子和(在惰性阳极处)产生的氢离子处于所期望的比例。该比例可以基于在阴极(工件或衬底，例如半导体晶片)上的镀敷反应的电流效率。输送到惰性阳极的电流的比例可以以各种方式来控制，例如通过面对活性阳极和惰性阳极的表面区域的相对电解液、在阳极之间分配电流的电路和/或(相对于活性阳极)惰性阳极工作的时间的比例来控制。换句话说，尽管惰性阳极是可用的，但是它可能仅在有限的程度上被使用，通常至少部分地通过镀敷到阴极上的电流效率来确定。例如，惰性阳极只能在电镀运行的30％期间运行。
本公开的一个方面涉及一种在装置的制造期间将金属电镀到衬底上的方法。这种方法的特征可以在于以下操作：(a)将电镀溶液提供至电镀系统，所述电镀系统包括：(i)被配置为在将所述金属电镀到所述衬底上的同时保持所述衬底的阴极部分，(ii)包含所述金属的离子的电镀溶液，(iii)活性阳极，和(iv)惰性阳极；(b)提供总电流的用于将所述金属电镀到所述衬底上的第一部分至所述活性阳极上；以及(c)提供所述总电流的用于将所述金属电镀到所述衬底上的第二部分至所述惰性阳极上。在这些方法中，所述第一部分和所述第二部分可以分别近似于在所述衬底处的金属镀敷和一个或多个寄生反应的部分。此外，提供所述总电流的所述第一部分并提供所述总电流的所述第二部分使所述金属电镀到所述衬底上。
在某些实施方案中，所述金属是钴，并且其中，所述活性阳极包含钴。在某些实施方案中，所述一个或多个寄生反应包括氢离子还原。在某些实施方案中，所述电镀溶液包含钴离子、酸、硼酸根离子(borate ion)和有机镀敷添加剂。
本公开的一方面涉及一种在装置的制造期间将金属电镀到衬底上的系统。这种系统的特征可以在于以下元件：(a)电镀池，其包括阳极部分和阴极部分，并被配置为在将所述金属电镀到所述衬底上的同时将所述衬底保持在所述阴极部分中；(b)包含所述金属的活性阳极；(c)惰性阳极；和(d)控制器。在一些实现方式中，所述控制器包括指令，所述指令用于：(i)提供总电流的用于将所述金属电镀到所述衬底上的第一部分至所述活性阳极上；以及(ii)提供所述总电流的用于将所述金属电镀到所述衬底上的第二部分至所述惰性阳极上。所述第一部分和所述第二部分分别近似于在所述衬底处的金属镀敷和一个或多个寄生反应的部分。
在一些实施方案中，所述电镀池还包括离子转移分离器，所述离子转移分离器在所述阳极部分和所述阴极部分之间，并且被配置为提供用于所述阳极部分中的所述电镀溶液与所述阴极部分中的所述电镀溶液之间的离子连通的路径。所述离子转移分离器可以包含阳离子交换膜。在某些实施方案中，所述电镀池还包括一个或多个辅助电极室，所述一个或多个辅助电极室包括一个或多个辅助阴极。
在一些实施方案中，该装置可以是集成电路。在一些实施方案中，金属可以是铜和/或钴。
这些与其他特征以下将参考相关附图说明。
附图说明
现在将结合附图来说明示例性实施方案，其中：
图1为一示例性镀敷电解液或电镀溶液再循环和/或投配系统的示意图。
图2说明了电镀浴-侧与金属离子分配效应的关系，其例如显示金属离子选择性地移动通过半透膜。
图3A-3C显示了多个图表，其说明在未将补给或辅助的电镀溶液导入该系统的情况下的电镀浴浓度趋势。
图4A-4C显示了多个图表，其说明在投配酸以例如补充酸以及投配去离子(DI)水以控制钴离子浓度[Co2+]的情况下的电镀浴浓度趋势。
图5a和5b显示了具有惰性阳极和活性阳极的示例性系统，惰性阳极和活性阳极两者均位于电镀系统的阳极部分中。
图6a和6b示出了具有辅助阴极的示例性系统，该辅助阴极在电镀池操作的一部分期间用作惰性阳极。
图7a和7b示出了具有与辅助阴极结合使用的惰性阳极的示例性系统。
图8显示了示例性的电沉积设备的俯视示意图。
图9显示了替代的示例性的电沉积设备的俯视示意图。
图10显示了电镀池的横截面，其中惰性阳极和活性阳极均位于阳极室中。
具体实施方式
在下列说明中，为了提供对本实施方案的透彻理解而提出许多具体细节。所公开的实施方案可在不具有这些具体细节中的一些或所有的情况下实践。在其他情况下，为了避免使所公开的实施方案难以理解，没有详述公知的工艺操作。虽然所公开的实施方案将结合具体实施方案进行说明，但应理解并非意在限制所公开的实施方案。
引言与背景
对于电化学沉积工艺的性能而言，电镀系统中所使用的电镀溶液的组成与浓度的控制可能是重要的。一般而言，在给定电镀溶液中具有多种成分。例如，用于将铜沉积在晶片上的电镀溶液的组成可以是变化的，但可包含硫酸、铜盐(例如，CuSO4)、氯离子、以及有机添加剂的混合物。在钴沉积的情况下，电镀溶液的组成可包含硫酸、硼酸、钴盐(例如，CoSO4)和有机添加剂的混合物。选择电镀溶液的组成，以使在晶片的特征内部、或在晶片的场区(例如不具有形成在晶片上或内的特征的区域)内的电镀的速率与均匀度平衡。在电镀工艺期间，钴盐作为钴阳离子的来源，并且还对电镀溶液提供导电性：另外，在某些实施方案中，硫酸通过提供氢离子作为电荷载体以增强电镀溶液导电性。另外，有机添加剂(在该技术领域中一般被认为是促进剂、抑制剂、或/或平整剂)能够选择性地增强或抑制在不同的表面与晶片特征上的钴沉积的速率。硼酸可用于缓冲电镀溶液。
由于电镀期间在阳极所发生的化学工艺与在阴极所发生的化学工艺可能不兼容，所以可期望通过半透膜将电镀池的阳极区域与阴极区域隔开。例如，在操作期间，不溶性粒子可能会形成在阳极上。期望保护晶片免于这种不溶性粒子的影响，以避免这种粒子干扰在晶片上所执行的后续金属沉积工艺。另外，也可能期望将有机添加剂限制于镀槽的阴极部分，以防止这种添加剂接触阳极和/或与阳极反应。合适的隔膜可允许离子在镀槽的阳极区域与阴极区域之间流动，并且因此允许电流在镀槽的阳极区域与阴极区域之间流动，但仍将限制不必要的粒子和/或有机添加剂通过隔膜。因此，在电沉积期间，使用隔膜将可在装备有隔膜的镀槽的阴极区域与阳极区域中产生不同的化学环境。容纳在镀槽的阳极区域内的电解液可被称为“阳极电解液”。同样，容纳在镀槽的阴极区域内的电解液可被称为“阴极电解液”。
具有用于将阳极区域与阴极区域隔开的膜的电镀设备更详细地被描述在由Mayer等人所提出的名称为“Copper Electroplating Apparatus”的美国专利No.6,527,920，且其整体通过引用合并于本文。如上所述，这种隔膜允许电流在阳极区域与阴极区域之间流动，但可进一步设置成根据离子的类型而选择性地限制电流流动。即，将阴极电解液与阳极电解液隔开的膜可显示对于不同类型离子的选择性。例如，对于Cu或Co镀敷应用而言，隔膜可允许氢离子(H+)以比铜离子或钴离子(例如Cu2+、Cu+或Co2+)的通过速率更快的速率通过。根据膜的选择性，在例如Cu2+与H+浓度之间达到某摩尔比例之前，特定类型的离子的移动或电流更普遍地可主要由氢离子所载送。在达到该比例之后，铜离子与氢离子可开始成比例地携带电流跨过膜，使得电化学槽的阳极部分中的Cu2+与酸浓度稳定。因此，在铜离子与氢离子之间达到某摩尔比例之前，由于氢离子在这些条件下为主要电流载体，所以阳极电解液的酸成分可不断地被消耗。在阳极电解液的酸成分消耗的同时，铜盐的浓度被增加，尤其当使用含铜阳极的时候。由于在阳极中酸于一段时间内被消耗，所以上述效应(例如阳极电解液的酸的消耗伴随铜盐的相称增加)在该技术领域中可被称为发生在阳极室内部的“酸/金属离子分配效应”或“阳极室消耗效应”。
上述酸/金属分配程序也可能会不经意地对镀敷系统造成若干不期望有的副效应。若干的这种副效应被描述在Buckalew等人所提出的名称为“Control of ElectrolyteComposition in a Copper Electroplating Apparatus”的美国专利No.8,128,791(在本文称为‘791专利)中，其整体内容通过引用并入本文。不期望有的副效应包含从电镀溶液到阳极室内部的阳极表面上的过量盐的潜在结晶化或沉淀。另外，因为在该设备的阳极部分与阴极部分之间产生压力梯度所引起的电渗透效应(electro-osmotic effect)，所以水可能会渗漏越过膜，这最终会导致膜损坏与失效。美国专利No.8,128,791描述通过频繁地以镀敷电解液来补充阳极室而控制阳极电解液组成的方法。这种工艺在该技术领域中可被称为“放出与馈给”。用以代替放出与馈给，可将经稀释的电解液添加到镀槽的阳极室内。
上述酸与阳离子分配效应也可能会在电镀池的阴极侧产生不期望有的电镀溶液浓度波动，这会进而影响电镀工艺性能。以下说明几个示例。
除了分配效应外，电镀电流效率低下还可能导致系统阳极和阴极部分的浓度变化。电流效率定义为金属电镀(Me++e→Me)电流占阴极接收的总电流的百分比。效率低下程度是所使用的电化学的函数。铜通常以高电流效率(接近100％)镀敷在半导体衬底上，而钴通常以明显较低的电流效率(例如约50-90％)镀敷在这种衬底上。在钴镀敷工艺中，镀敷电流效率主要取决于衬底表面质子的可用性。由于在较低的镀敷电流密度下，很大一部分电流是由表面上的氢离子还原所携带的，因此镀敷电流的效率低下会在较低的电流密度下被放大。
详细地说，金属镀敷工艺中的电流效率代表了金属沉积(主要是Me++e→Me)和氢离子还原(H++e→H2)之间的竞争。每个反应的特征可在于还原电位。还原电位越正，则反应就越容易进行。考虑到三个相关的反应，标准还原电位为：Cu2++2e→Cu,0.337V；2H++2e→H2,0V；Co2++2e→Co,-0.28V。在铜沉积反应中，Cu沉积在热力学上优于氢离子还原，使得沉积反应的电流效率通常较高。然而，当以低于总沉积速率的速率提供铜离子时，电流效率会下降，总沉积速率取决于所施加的电流密度。在可能超过限制电流的高电流下，铜镀敷电流效率下降。在钴沉积工艺中，由于热力学上氢离子的还原优于钴沉积，因此当相对于总沉积速率缓慢供应氢离子时，镀敷钴的电流效率会提高。因此，在高镀敷电流下，特别是当使用相对较低的酸浓度的电解液时，钴电流效率可以提高。
在示例性的镀敷反应中，通过以下反应从阳极去除金属(例如，Co)：Co→Co2++2e。但是，在阴极表面，由于金属镀敷的镀敷电流效率低于100％，因此会同时发生两个反应：Co2++2e→Co和2H++2e→H2。每个反应消耗的电流量在镀敷工艺设置之间有所不同。从长期来看，对电镀浴电解液的(在阳极的去镀工艺和在阴极的电镀工艺的)净效应是：(1)金属离子浓度因为从阳极释放的金属离子比在阴极消耗的多而增大；(2)酸浓度因为酸仅在阴极被消耗而不被从阳极供应而下降；(3)硼酸浓度因为硼酸不主动参与反应而不变。这被说明于图3A-C中。注意，如果在阳极侧内发生酸金属离子分配效应并且通过膜的酸所携带的电荷量为显著的话，则可进一步使金属离子与酸浓度偏移。然而，在一些应用中，因为酸浓度比金属离子浓度要低得多，所以分配效应变得微不足道。
随着电镀电解液中酸的净消耗，通常在电镀系统中实现向电镀浴添加/投配酸。金属离子浓度也可以通过例如稀释电镀溶液来控制；在某些情况下，添加去离子水。由于投配酸和去离子水，都使硼酸浓度下降。这在图4A-C中示出。由于在金属电镀工艺中可能需要特定浓度的硼酸(在其他金属电镀溶液中具有类似功能的任何其他成分)，因此必须通过某种机制来提高其浓度。
控制电镀系统的阳极和阴极部分中的电镀溶液的组成的投配和类似模式可能是昂贵的。电镀溶液成分的高补给率会使电镀工艺变得非常昂贵。
在图1中说明了典型的电解液管理系统。如图所示，在电解液管理系统100中具有数个主要区段，例如阳极溶液回路132和/或阴极溶液回路118。一般而言，具有中央浴102，其提供电镀溶液至镀槽148与主阴极室122。中央浴102包含溶液再循环回路(在图1中未显示)。此外，在某些实施方案或配置中，该中央浴也可具有温度控制装置以及投配系统，例如用于添加剂投配、去离子水(DI)投配、以及其他活性浴成分投配的投配系统。另外，在一些实施方案中，中央浴102可装备有引导离开中央浴102的排放或溢流管线146，以在适当时机移除不必要的电镀溶液。此外，在具有分开的阳极部分与阴极部分的电镀设备(例如，镀槽148)中，该阳极部分(例如主阳极室126)可具有专用的再循环回路132、以及投配管线(在图1中未显示)、以及溢流和/或排放管线(未显示于图1中)。在这种配置中，主阴极室122可设置成接纳来自中央浴102的镀敷电解液、通过馈给管线112使电解液往镀槽148循环、以及通过槽和/或溢流排放管线142将溢流导引回到中央镀浴102。本领域技术人员应理解图1所示的配置是示例性的，并且在不背离本公开的范围的情况下，可存在许多其他合适的配置。
图1所示的电解液管理系统100将被使用来说明系统100的变形体，这些变形体是关于将辅助或补给的电解液供应至各系统100的构件，以调整在镀槽148的阴极侧或阳极侧的不期望有的电镀溶液浓度波动。一般而言，图1所示的系统100包含阴极溶液回路118与阳极溶液回路132，其在某些实施方案中可通过容纳在电镀溶液贮槽150内的浴102而互相流体连通。在系统100的正常操作期间，经由管线108，将在含酸溶液中具有限定的金属离子浓度的进给镀敷电解液(有时称为补充溶液)提供至系统100。各种调整点110(例如阀、压力和/或流量控制器)可安装在管线108和/或与其相似的其他管线上，以调整流过上面安装有调整点110的管线的流体流。同样，混合点112可接收来自进给管线108的流体流。混合点112也可根据需要而安装于整个系统100，以调整流过管线108等等的流体的输送与数量。
因此，进给镀敷电解液可流过调整点110而进入浴102，以在用以容纳浴102的贮槽150中累积。在某些实施方案中，有机添加剂经由管线104流入到浴102中。同样，去离子(DI)水可经由管线106流入到浴102中，以调整浴102的各种成分或原料的浓度等级。系统100的操作可包含通过管线116将浴102流体往镀槽148的阴极侧122泵送而累积于其中。在某些实施方案中，阴极128可至少部分地被浸入阴极侧122中，并且与可同样被浸入阳极侧126中的阳极130电连接，以完成电路134。另外，电流(或更准确地说是携带电流的电子)一般是从带负电的阳极130到带正电的阴极128。该电流驱动阴极侧或隔室122内的含酸溶液中的金属离子(例如钴离子，Co2+)的反应，以允许将这种金属电镀在如图2所示安置于镀槽148的阴极侧122内的晶片200上。
阴极侧122的溶液可根据需要而通过槽溢流或排放管线138泵送回到浴102。同样，阳极侧126的溶液也可根据需要而通过阳极排放管线142泵送到浴102。来自浴102的溢流可通过浴溢流或排放管线146(其可更一般地被称为浴投配与溢流控制回路144)间歇地泵送离开系统100。在某些实施方案中，该浴投配与溢流控制回路可包括再循环泵(未显示)、投配管线(未显示)、浴溢流管线146、以及温度控制设备和/或机构(未显示)。经由管线108供应补充溶液与从容纳主要电镀溶液或浴102的贮槽150倾卸电解液一起作为放出与馈给过程。
如先前所述，在将镀敷电解液供应至阴极侧122以在容纳于其内的晶片上执行电镀期间要考虑的一个因素为酸金属阴离子分配效应。这种效应可在铜电镀工艺中被观察到，并且可应用于其他相似的电镀系统。如图2所说明，在阳极上，例如显示为金属离子或Me+的Co或Cu离子因为直流电流穿过而通过氧化反应Cu4→Cu2++2e被去电镀(de-plated)进入到阳极溶液中。在阴极侧122，通过反应Cu2++2e→Cu，从溶液提取出Cu2+离子。相似地，在阳极侧126的整个膜124处，由于酸携带大部分电镀电流，所以已变为富有金属离子的阳极电解液随着时间推移而缓慢地将酸或H+离子消耗。在阴极侧122，由于当在容纳于其内的晶片200上进行电镀或电沉积时从溶液移除金属离子(例如，用于Cu电镀的铜离子)，流过隔膜(从阳极室到阴极室)的溶液富有酸。如所提及的，通过该膜的离子传递偏好氢离子而不偏好铜离子。因此，阴极侧122中的铜离子浓度将随着时间推移而下降，而在其中的酸浓度将增加。如在别处所述，可通过对阳极侧126和/或在许多配置中与阴极侧122流体连通的浴102上采用高电解液补充率而消除酸金属离子分配效应。然而，高补充率可能会不必要地浪费电镀溶液并且增加电镀设备的操作成本。
酸/金属离子分配效应可对具有相对低金属离子浓度(例如，约5g/l或更低)的电镀溶液具有实质影响。在这种溶液中，少至每升零点几克的浓度变化都可能会大大地影响溶液中的金属离子的整体浓度，并因此影响整体电镀性能。例如，如果目标铜离子浓度为约2g/l并且浓度漂移消耗阴极电解液约0.6g/l的铜，则浓度下降30％，而电镀性能可能因此遭受到显著的负面影响。
如上所述，在某些系统中，例如采用相对较低酸浓度(例如，约pH2-4)的那些系统中，分配效应可能是微不足道的。但是，某些这样的系统(例如某些钴镀敷系统)可能表现出低的金属镀敷效率。图4A-C示出了观察到的用钴进行的电镀的变化，其假设采用投配(dosing)来控制电镀溶液中酸和钴离子的浓度。如所提及的，镀钴电解溶液可以包括钴盐、硫酸、有机添加剂和硼酸作为缓冲溶液。
在镀敷设备上，有时期望具有辅助阴极，如由Reid等人所提出的美国专利No.8,308,931(名称为“Method and Apparatus for Electroplating”)以及由Mayer等人所提出的美国专利No.8,475,644(名称为“Method and Apparatus for Electroplating”)所公开的，这两个专利的整体内容通过引用并入本文。在电解液管理系统中补充辅助阴极或辅助阳极提供某些优点。辅助阴极通常被容纳在小隔离室内，以避免与主阴极(镀敷设备中的晶片衬底)接触，且其通常具有比主阴极(晶片衬底)小的尺寸。有时期望在辅助阴极室内具有不同的电解液浓度。例如，有时(相较于在主阴极的镀敷电解液中)优选在辅助阴极室内具有较高的阴离子浓度，使得能将较高的电流施加在辅助阴极上。
尽管本公开提出了钴和铜电镀的实例，但是本公开不限于这些镀敷应用。本文提出的实施方案和构思适用于金属镀敷电流效率小于100％的任何金属镀敷系统。具体的示例包括(与氢离子还原反应的相比)热力学电镀电位为负的那些。另外，所公开的实施方案和概念不仅适用于其中氢离子还原是与金属镀敷竞争的主要反应的镀敷反应，而且适用于其中发生寄生反应的任何镀敷应用。
定义
下列术语在整个本公开中被间歇地使用：
“衬底”——在本申请案中，术语“半导体晶片”、“晶片”、“衬底”、“晶片衬底”以及“经部分制造的集成电路”可交换地被使用。本领域技术人员应理解，术语“经部分制造的集成电路”可指在其上进行集成电路制造的多个阶段中的任一阶段期间的硅晶片。半导体装置工业中所使用的晶片或衬底一般具有200mm、或300mm、或450mm的直径。另外，术语“电解液”、“电镀浴”、“镀浴”、“浴”、“电镀溶液”、以及“镀溶液”可交换地被使用。下列详细说明内容假定在晶片上实现这些实施方案。然而，这些实施方案并非受限于此。工件可具有各种的形状、尺寸以及材料。除了半导体晶片以外，可利用所公开的实施方案的其他工件，包括例如印刷电路板、磁性记录介质、磁性记录传感器、镜(mirrors)、光学组件、微机械装置及类似物之类的各种物品。
“金属”——为了本公开的目的而期望镀敷到衬底或晶片上的材料(元素、化合物或合金)。示例包括铜、钴、锡、银、镍以及其任何一些的合金或组合。
“电镀池”——一般用于容纳彼此相对安置的阳极与阴极的槽。电镀(其发生在电镀池中的阴极上)是指使用电流来还原溶解的金属阳离子以使其在电极上形成薄的附着金属镀层的工艺。在某些实施方案中，电镀池具有两个隔室，一个用于容纳阳极，而另一个则用于容纳阴极。在某些实施方案中，阳极室与阴极室通过半透膜间隔开，该半透膜使得通过它的离子物质的浓度能选择性迁移。该膜可以为离子交换薄膜，例如阳离子交换膜。对于一些实现方式，NafionTM型号(例如Nafion 324)是合适的。
“阳极室”——电镀池内的一室，其被设计成容纳阳极。阳极室可包含用于保持阳极和/或对阳极提供一或多个电连接的支撑件。阳极室可通过半透膜而与阴极室隔开。阳极室内的电解液有时被称为阳极电解液。
“阴极室”——电镀池内的一室，其被设计成容纳阴极。通常在本公开的上下文中，阴极为衬底，例如晶片，如具有多个经部分制造的半导体装置的硅晶片。阴极室内的电解液有时被称为阴极电解液。
“电镀溶液(或电镀浴或镀敷电解液)”——通常在溶液中具有解离金属离子的液体，其具有例如酸或碱之类的导电性增强成分。溶解的阳离子与阴离子均匀地分散在溶剂中。这种溶液为电中性的。如果对这种溶液施加电位，则溶液的阳离子被吸引到电子丰富的电极，而阴离子被吸引到电子缺乏的电极。
“补充(make-up)溶液”——一种电镀溶液，其一般含有主要电镀溶液的全部或几乎全部成分。提供补充溶液至电镀溶液，以将溶液成分的浓度维持在期望范围内，以及选择补充溶液，以维持良好的电镀性能。使用这种方法是因为成分的浓度会在溶液漂移的过程中产生变化或者因如下所述的若干因素中的任一者而随着时间产生变化。补充溶液通常被提供作为放出与馈给系统中的“馈给”。通常，补充溶液中的成分的浓度与这些成分的目标浓度相似或相同。一些补充溶液不包含有机镀敷添加剂。
“再循环系统”——为后续再利用而将流体物质供应回到中央贮槽中。再循环系统可设置成有效地再利用电镀溶液，并且亦设置成按照期望来控制和/或维持溶液内的金属离子的浓度等级。再循环系统可包含与泵或其他用于驱动再循环的机构一起的管路或其他流体导管。
“目标浓度”——电镀溶液中的金属离子和/或其他成分的浓度水平，其用于实现期望电镀性能。在各种实施方案中，按目标浓度来提供补充溶液的成分。
“活性阳极”——其是一种阳极，当电流通过阳极时，该阳极将金属离子提供给电镀溶液。在电镀过程中向该溶液中提供钴离子的钴金属阳极是活性阳极的一个示例。在活性阳极上发生的电化学反应通常为Me→Me++e形式(假设阳极金属在溶液中产生价+1金属离子)。电镀期间会消耗活性阳极。
“惰性阳极”——其是一种阳极，当电流流过该阳极时，该阳极不向电镀溶液提供金属离子或其他材料。在许多系统中，铂阳极是惰性阳极。在惰性阳极上发生的电化学反应的一个示例是2H2O→4H++O2+4e。电镀期间不消耗惰性阳极。
以g/l所描述的浓度指每升溶液中所包含的成分的总质量(克)。例如，浓度10g/l的成分A意指在含有成分A的一升体积的溶液中存在10克的成分A。当以g/l具体指明离子(例如铜离子或钴离子)的浓度时，浓度值仅指每单位体积溶液中所含的离子(并非产生离子的盐或盐类)的质量。例如，2g/l的铜离子浓度相当于每升溶液(于其中溶有铜离子)中含有2g的铜离子。其并非指每升溶液中含有2克的铜盐(例如硫酸铜)，也不是指阴离子的质量。然而，当指酸(例如硫酸、甲烷磺酸或硼酸)的浓度时，浓度值则是指每单位体积中所含的全体酸(氢与阴离子)的质量。例如，具有10g/l硫酸的溶液相当于每升溶液中含有10克的H2SO4。
当具体指明浓度值时，“实质相同”意指在与所具体指明的目标值相差在+/-5％内。例如，与2g/l实质相同的浓度可在约1.9到2.1g/l的范围内。除非另有说明，否则当具体指明浓度值时，“明显偏离”、“明显不同”及其相似者意指较浓成分具有介于较不浓成分的浓度的约1.3倍与50倍之间的浓度。在一些情况中，成分在(a)辅助电镀溶液与(b)主要电镀溶液的目标浓度或补充溶液中的浓度差介于约5到50倍之间。例如，成分A在辅助电镀溶液中的浓度比在主要电镀溶液中大约5到50倍，反之亦然。在另一示例中，成分A在辅助电镀溶液中的浓度比在主要电镀溶液中大约5到20倍，反之亦然。在又一示例中，成分A在辅助电镀溶液中的浓度比在主要电镀溶液中大约15到30倍，反之亦然。
使用惰性阳极和活性阳极的电镀系统
如先前所述，镀敷电解液中的成分浓度漂移可能是普遍性的。尤其对具有分开的阳极部分与阴极部分的镀敷设备而言确实如此，但可能不一定限于此种设计。为了使阴极电解液与阳极电解液浓度皆维持于可接受的水平以确保可接受的电化学镀敷性能，控制电解液浓度的普遍方法是采用高电解液补充(例如“放出与馈给”)率。然而，如此做的话可能会明显增加运行镀敷工艺的操作成本，且有时会使镀敷工艺过于昂贵。此外，在一些情况下，单单高放出与馈给率的应用和/或使用可能不足以解决与电化学镀敷性能相关的问题。可被使用的第二种方法是对电解液中的各个与每种成分进行独立的投配。然而，如此做的话可能会使投配算法极为复杂。此外，对镀敷电解液的每一成分的投配将会对镀电解液中的所有其他成分产生稀释效应。因此，电镀设备最终会一直处于投配/计算状态。因此，一般要避免这种方法。
解决这些问题的一种方法是通过采用“互补型”辅助电镀溶液，并且从而明显降低补充率，同时使电镀溶液中的浓度漂移最小化。通过适当地设计辅助电解液，可将辅助电解液的使用量降至最低，以使辅助电解液的采用不对电镀设备的设定与运行造成实质额外的成本。该方法在2018年10月23日提交的PCT专利申请No.PCT/US2018/057105中进行了详细介绍，并命名了Zhian He等人作为发明人，其全部内容通过引用并入本文。可以任选地结合使用本文所述的惰性阳极的方法和系统来实现辅助电解液的使用。
本文所述的某些实施方案采用具有活性阳极和惰性阳极的电镀池。这些池以产生和/或消耗离子以匹配或接近工件阴极(例如半导体晶片)处的镀敷效率的方式操作(或配置为操作)活性阳极和惰性阳极。例如，可以操作活性阳极以产生金属离子，并且可以操作惰性阳极以产生氢离子。由活性阳极和惰性阳极分别产生的金属和氢离子的相对量可以与在工件上进行电镀期间消耗的这些离子的相对量匹配。可以通过在两个阳极之间分配总电流来控制活性阳极和惰性阳极以产生此结果。电流可以同时和/或在不同的时间传递到两个电极。
在多种实施方案中，以以下方式操作电镀池：(1)通过在除工件之外的电极表面上进行镀敷来从电镀溶液中去除金属离子，和/或(2)通过不向溶液中提供金属离子的电化学反应来向电镀溶液中添加氢离子。操作(1)降低了电镀溶液中金属离子的浓度，而操作(2)提高了电镀溶液中氢离子的浓度。在(1)中可以在其上镀敷金属的电极的示例包括辅助阴极(也可选地用于其他目的)和活性阳极。为了镀敷到活性阳极上，电镀池以某种相反的方式操作；即，在阳极上施加负电位，从而将其暂时转换为阴极。
本文公开的电镀系统采用具有电路的电源，该电路用于在惰性阳极和活性阳极之间分配电流。在一些实现方式中，两个阳极由两个不同的电源单元分别控制。在其他实现方式中，两个阳极由同一电源的两个单独的通道控制。在某些情况下，阳极由同一电源的同一通道顺序控制(分开或重叠，但时间不同)。无论电源如何配置，都可以使用控制器来控制输送到惰性阳极和活性阳极的阳极电流的相对量。相对量可以至少部分地由半导体衬底上的电镀反应的电流效率来确定。
在某些实施方案中，电镀系统被配置为将钴电镀到衬底上。在本文提出的实施方案中，钴电镀溶液可包含钴盐(例如硫酸钴)和酸(例如硫酸)、硼酸、有机添加剂和去离子水。这些成分的典型浓度范围包括约2-40(Co2+)g/l，约10-40g(H3BO3)/l(硼酸)，约0.01-0.1g酸(例如硫酸)和约20-400ppm有机镀敷添加剂。
通过使用惰性阳极，可以平衡金属离子的产生和消耗速率，以提供长期的电镀浴稳定性。以下三个示例进一步阐述了这些概念。
惰性阳极和活性阳极均位于电镀系统的阳极部分
如图5a所示，在诸如图1和2所述的镀敷设备之类的镀敷设备中提供惰性阳极。在该示例中，可以在阳极回路内部的任何地方提供惰性阳极。出于说明目的，在图5a中，惰性阳极位于活性阳极周围。其可以与主阴极机械隔离。其可以任选地电连接到活性阳极，具体取决于其是否与活性阳极同时使用。参见图10。单独使用时，该方法仅使用一部分阳极电流来产生氢离子。活性阳极和惰性阳极共同产生的金属离子和氢离子的比率比单独使用活性阳极时所产生的比率更接近于阴极的电流效率。在某些实施方案中，活性和惰性阳极产生的金属离子和氢离子的比率与这些离子在阴极处被消耗的比率基本相同。
在电镀工艺期间，当活性阳极通过反应Me→Me++e在电镀溶液中生成金属离子时，惰性阳极则使用总电流的一部分来驱动以下反应：2H2O→O2+4H++4e。在阴极侧，同时发生以下两个反应：Me++e→Me,和2H++2e→H2。通过适当地选择由惰性阳极使用的电流量，使其与阴极上的H2放出反应所消耗的电流量相匹配，可以调整金属离子的产生和消耗速率以使其匹配。因此，经过长的时期，金属离子浓度漂移很小或没有。
对于酸，如果将例如由2H2O→O2+4H++4e产生的酸释放到电镀溶液中，则酸的产生和消耗速率也将达到平衡。
存在一个潜在的问题，即酸产生反应还会产生气体(在这种情况下为O2)，这可能会通过将气体释放到阳极电解液和/或阴极电解液中而影响镀敷过程。在某些实施方案中，从溶液中排出这种气体和/或从系统中放出一部分电镀溶液，并通过投配过程补充酸。投配的酸的总量可以很小，并且不会引起金属离子或其他成分(例如硼酸)的浓度的明显浓度下降。替代地，可通过使用氧气控制系统将氧气从系统中除去，例如在2011年12月13日提交的美国专利No.9,816,913和2013年4月24日提交的美国专利No.9,816,196中所述的，它们各自通过引用而整体并入本文。
在阳极回路中采用惰性阳极的方法可以以在不同时间(不同时)激活活性阳极和惰性阳极的方式应用。例如，如果在晶片衬底上进行镀敷的电流效率>50％，则主阳极可用于大部分晶片镀敷；并且在此期间，电镀溶液所接收的金属离子多于所去除的金属离子，从而使金属离子浓度净增加。一旦金属离子浓度达到触发水平，就可以使用惰性阳极代替活性阳极。在该时间段期间，电镀溶液没有接收到金属离子，而是消耗在阴极上的金属离子。因此，在电镀溶液中存在金属离子的净损失。通过在活性阳极和惰性阳极之间进行交替，可以经过长的时期平衡金属离子的浓度。这在图5B中示出。
辅助阴极用作惰性阳极
这种方法的一个示例在图6A和图6b中示出。在这种方法中，惰性阳极位于阴极侧，并且仅在某些时间(通常是在保持器中不存在工件时)才作为阳极操作(通过电流)。在某些实施方案中，惰性阳极在衬底之间的时间(即，在从电镀溶液中移除一个衬底之后并且在将下一个顺序的衬底提供给电镀溶液之前)操作。在某些实施方案中，在镀敷工艺期间，惰性阳极为非活性的；即其不会参与电化学反应。因此，在镀敷工艺期间，阳极侧的金属离子产生速率大于阴极侧的金属离子消耗速率；即净添加金属离子到电镀液中。
在某些时间，通常是在衬底镀敷操作之外(例如，在镀敷后晶片搬运期间或在电镀池的空闲时间期间)，惰性阳极被打开，并且活性阳极被偏置以充当阴极。在惰性阳极处，发生反应2H2O→O2+4H++4e，该反应不会产生或消耗金属离子。在阳极侧(现在充当阴极)，发生反应Me++e→Me，使得该过程消耗电镀液中的金属离子。在活性阳极(其现在用作阴极)提供金属镀敷的高电流效率的条件下进行这种“反向”镀敷操作，上述反应会导致净金属离子消耗。反应也可能导致净氢离子产生。这些效应趋于平衡在先前的晶片镀敷步骤中净金属离子产生。注意，在较高的镀敷电流下操作活性阳极往往会为Me++e→Me反应产生高的电流效率。对于某些钴电镀溶液组合物，当电流在约1-2A(约1.5-3mA/cm2)的范围内时，电流效率达到80-90％；当电流在约4-6A(约5-9mA/cm2)的范围内时，电流效率接近100％。
在某些电镀工具(例如，可从加利福尼亚州弗里蒙特的Lam Research，Inc.获得的
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工具系列)中，包括一个或多个辅助阴极以帮助解决终端效应(即，辅助帮助改善衬底表面的电流均匀性，特别是衬底边缘的均匀性)。在某些实施方案中，辅助阴极包括贵金属涂层(例如，Pt)。这样的电极可以在这种方法中用作惰性阳极。具有一个或多个辅助阴极的电镀工具的示例在2006年8月16日提交的美国专利No.7,854,828；2012年4月3日提交的美国专利No.8,858,774；以及2015年6月9日提交的美国专利申请No.14/734,882中提供，其中的每一者都通过引用整体合并于此。
在电镀工具采用辅助阴极作为惰性阳极的实施方案中，在正常镀敷期间，一些金属可以被镀敷到辅助阴极上。然而，所公开的工艺在金属从辅助阴极上剥离(通过去镀工艺)之后仍将起作用，此外，将在辅助阴极表面上产生酸(2H2O→O2+4H++4e)。同时，在活性阳极表面(现在是阴极)上，金属离子通过反应Me++e→Me被消耗。因此，发生金属离子的净消耗。
惰性阳极与辅助阴极结合
图7A和图7B中示出了这种方法的示例。在这种方法中，同时使用了惰性阳极和辅助电极。在常规的衬底镀敷期间，惰性阳极和辅助阴极均处于非活动状态，并且不参与镀敷工艺。因此，在镀敷工艺期间，阳极侧的金属离子产生速率超过阴极侧的金属离子消耗速率，并且电镀溶液经历金属离子的净添加。在正常的衬底镀敷工艺之外(例如，在镀敷后的衬底搬运期间或在工具空闲时间期间)，打开惰性阳极，并偏置辅助阴极以充当阴极。在惰性阳极上，发生反应2H2O→O2+4H++4e，并且在电镀溶液中没有生成或消耗任何金属离子。在辅助阴极侧，发生反应Me++e→Me，该反应从电镀液中拉出金属离子。通过采用适当的电镀时间和电流(因此总库仑)，这种净金属离子消耗的补充工艺往往会平衡正常衬底镀敷工艺期间产生的净金属离子。经过长的时期，这两个工艺(正常的衬底镀敷和补充金属离子消耗)趋于稳定电镀液中的金属离子浓度。
设备
可根据在本文所述的实施方案而使用许多设备配置。一示例设备包含抓斗式夹具(clamshell fixture)，该抓斗式夹具将晶片的背侧密封而使其远离镀液，并且同时允许在晶片的正面上进行镀敷。抓斗式夹具可例如以下列方式来支撑晶片：经由放置在晶片的斜边(bevel)上方的密封件、或通过例如与应用在斜边附近的密封件结合的施加至晶片背面的真空。
抓斗式夹具应以允许晶片的电镀表面进行良好润湿的方式进入该浴。衬底润湿的质量受多个变量影响，所述变量包含但不限于抓斗旋转速度、竖直进入速度、以及抓斗相对于镀浴的表面的角度。这些变量及其效应在美国专利No.6,551,487中进一步说明，其通过引用合并于本文。在某些实现方式中，电极旋转速率介于约5-125RPM之间，竖直进入速度介于约5-300mm/s之间，以及抓斗相对于镀浴的表面的角度介于约1-10度之间。使特定应用的这些变量优化的其中一个目的为通过将空气从晶片表面完全移开而实现良好润湿。
本文公开的电沉积方法可以参考各种电镀工具设备来描述，并且可以在各种电镀工具设备的背景下使用。可根据本文的实施方案使用的电镀设备的一个示例是LamResearch Saber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设备的部件中进行。图8显示了示例性电沉积设备的顶视图的示意图。电沉积设备1400可包括三个单独的电镀模块1402、1404和1406。电沉积设备1400还可包括配置用于各种工艺操作的三个单独的模块1412、1414和1416。例如，在一些实施方案中，模块1412、1414和1416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1412、1414和1416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1402、1404和1406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。
电沉积设备1400包括中央电沉积室1424。中央电沉积室1424是保存用作电镀模块1402、1404和1406中的电镀液的化学溶液的室。电沉积设备1400还包括投配系统1426，投配系统1426可以存储和输送用于电镀液的添加剂。化学稀释模块1422可以存储和混合将被用作蚀刻剂的化学品。过滤和泵送单元1428可以过滤用于中央电沉积室1424的电镀液，并将其泵送至电镀模块。
系统控制器1430提供用于操作电沉积设备1400所需的电子和界面控件。系统控制器1430(其可以包括一个或多个物理或逻辑控制器)控制电镀设备1400的属性的部分或全部。系统控制器1430通常包括一个或多个存储器装置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1430相关联的存储器装置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1430执行系统控制软件。
在电沉积设备1400中的系统逻辑(例如控制软件)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设备1400执行的特定工艺的其它参数。系统控制逻辑也可包含用于在被定制以适于低铜浓度电解液的条件下进行电镀的指令。例如，系统控制逻辑可被配置成在由下而上(bottom-up)填充阶段期间提供相对低电流密度和/或在过载(overburden)阶段期间提供较高电流密度。控制逻辑也可被配置成在镀敷期间向晶片表面提供某些等级的质量传递。例如，控制逻辑可被配置成控制电解液的流动，以确保在电镀期间通向晶片的足够质量传递，使得衬底不会遭遇到铜消耗的情况。在某些实施方案中，控制逻辑可操作以在镀敷工艺的不同阶段提供不同等级的质量传递(例如，在由下而上填充阶段期间提供比在过载阶段期间更高的质量传递，或在由下而上填充阶段期间提供比在过载阶段期间更低的质量传递)。另外，系统控制逻辑可被配置成将一或多种电解液成分的浓度维持在本文所公开的任何范围内。举特定示例而言，系统控制逻辑可被设计或建构成将铜阳离子的浓度维持在约l-10g/l之间。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1430执行的一个或多个指令。用于设置浸渍工艺阶段的工艺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，使得用于电镀工艺阶段的所有指令与该工艺阶段同时执行。
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1430相关联的用户界面。用户界面可以包括显示屏幕、设备和/或工艺条件的图形软件显示器、和用户输入装置，用户输入装置诸如指针装置、键盘、触摸屏、麦克风等。
在一些实施方案中，由系统控制器930调整的参数可能涉及工艺的条件。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。
用于监控工艺的信号可以通过系统控制器1430的模拟和/或数字输入连接件从各种处理工具传感器提供。用于控制工艺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工艺条件。
在一实施方案中，这些指令可包含下列指令：将衬底插入晶片支架、使衬底倾斜、在浸渍期间对衬底施加偏置、以及在衬底上电沉积含铜结构。
传递(hand-off)工具1440可以从诸如盒1442或盒1444之类的衬底盒选择衬底。盒1442或1444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1440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1440可以与晶片装卸站1432、盒1442或1444、传送站1450或对准器1448连接。传递工具1446可以从传送站1450获得衬底。传送站1450可以是狭槽或位置，传递工具1440和1446可以往来于该狭槽或位置传送衬底而不通过对准器1448。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1446以精确地传送到电镀模块，传递工具1446可以使衬底与对准器1448对准。传递工具1446也可以将衬底传送到电镀模块1402、1404或1406中的一个，或传送到被构造成用于各种工艺操作的三个独立模块1412、1414和1416中的一个。
根据上述方法的工艺操作的示例可以如下进行：(1)在电镀模块1404中将铜电沉积到衬底上以形成含铜结构；(2)在模块1412中冲洗并在SRD中干燥衬底；并且，(3)在模块1414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工艺操作的高效循环的设备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1412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1412，衬底将只需要在电镀模块1404和模块1412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1430)是系统的一部分，该系统可以是上述实施方案的一部分。控制器可包含控制逻辑或软件，和/或可执行从另一源所提供的指令。这种系统可以包括半导体处理装置，该半导体处理装置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，包括控制工艺气体输送、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、控制本文所述的操作、启用清洁操作、启用端点测量、计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工艺步骤的配方(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工艺或者开始新的工艺。在一些实施方案中，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工艺步骤的参数。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，它们结合以控制室上的工艺。
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(cluster tool)、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。
电沉积设备1500的替代实施方案在图9中示意性地示出。在该实施方案中，电沉积设备1500具有成组的电镀池1507，每个电镀池1507包含成对或多个“二重”配置的电镀浴。除了电镀本身之外，电沉积设备1500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9中示意性地示出了电沉积设备1500的俯视图，并且在该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设备(例如，LamSabreTM 3D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9，将待电镀的衬底1506通常通过前端装载FOUP 1501供给到电沉积设备1500，并且在该示例中，通过前端机械手1502从FOUP带到电沉积设备1500的主衬底处理区域，该前端机械手1502可以将由主轴1503沿多个维度驱动的衬底1506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1004，还有两个前端可访问站1008。前端可访问站1504和1508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1502a完成前端机械手1502从一侧到另一侧的横向移动。每个衬底1506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1503驱动，并且马达可以附接到安装支架1509上。在该示例中还示出了四“对”(“duets”)电镀池1507，总共八个电镀池1507。电镀池1507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)可以耦合到电沉积设备1500以控制电沉积设备1500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。
上述的电镀设备/方法可以与光刻图案化工具或工艺结合使用，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，但不是必然地，这种工具/工艺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步骤中的一些或所有，每个步骤启用多个可行的工具：(1)使用旋涂或喷涂工具在工件(即，衬底)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。
当呈现数字范围时，这些范围内的端点不限于具有的有效位数比所使用的更大的精确值。除非另有说明，否则端点在符合本公开的任何目标的同时包括一些可变性。例如，端点可以被解释为包括在所述值的+/-10％之内的值。
应理解，在本文所述的配置和/或方法在本质上是示例性的，且这些具体实施方案或示例不应被视为具有限制意义，因为许多变化是可能的。在此所述的具体例程或方法可表示任何数量的处理策略中的一或多者。因此，所述的各种动作可以按所述顺序执行、以其他顺序执行、并行地执行、或在某些情况下被省略。同样地，上述工艺的顺序可被改变。
本公开的主题包括：在本文所述的各种工艺、系统和配置及其他特征、功能、动作、和/或特性的所有新颖和进步的组合与子组合、以及其任何和所有等同方案。

Claims (22)

1.一种在装置的制造期间将金属电镀到衬底上的方法，所述方法包括：
(a)将电镀溶液提供至电镀系统，所述电镀系统包括：
(i)被配置为在将所述金属电镀到所述衬底上的同时保持所述衬底的阴极部分，
(ii)包含所述金属的离子的电镀溶液，
(iii)活性阳极，和
(iv)惰性阳极；
(b)提供总电流的用于将所述金属电镀到所述衬底上的第一部分至所述活性阳极上；以及
(c)提供所述总电流的用于将所述金属电镀到所述衬底上的第二部分至所述惰性阳极上，
其中所述第一部分和所述第二部分分别近似于在所述衬底处的金属镀敷和一个或多个寄生反应的部分，以及
其中提供所述总电流的所述第一部分并提供所述总电流的所述第二部分使所述金属电镀到所述衬底上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属是钴，并且其中，所述活性阳极包含钴。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属是铜，并且其中，所述活性阳极包含铜。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中所述一个或多个寄生反应包括氢离子还原。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，将所述总电流的所述第二部分提供至所述惰性阳极上引起氢离子产生反应，该氢离子产生反应还不会产生金属阳离子。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电镀溶液包含钴离子、酸、硼酸根离子和有机镀敷添加剂。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电镀系统还包括离子转移分离器，所述离子转移分离器在所述阳极部分和所述阴极部分之间，并且被配置为提供用于所述阳极部分中的所述电镀溶液与所述阴极部分中的所述电镀溶液之间的离子连通的路径。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述离子转移分离器包含阳离子交换膜。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，同时提供所述总电流的所述第一部分和所述总电流的所述第二部分。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电镀池还包括一个或多个辅助电极室，每个所述辅助电极室均包含电极。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括在不将所述金属电镀到所述衬底上的同时，将所述总电流的所述第二部分中的至少一部分提供至所述一个或多个辅助电极室的所述电极。
12.一种在装置的制造期间将金属电镀到衬底上的系统，所述系统包括：
(a)电镀池，其包括阳极部分和阴极部分，并被配置为在将所述金属电镀到所述衬底上的同时将所述衬底保持在所述阴极部分中；
(b)包含所述金属的活性阳极；
(c)惰性阳极；和
(d)包括指令的控制器，所述指令用于：
(i)提供总电流的用于将所述金属电镀到所述衬底上的第一部分至所述活性阳极上；以及
(ii)提供所述总电流的用于将所述金属电镀到所述衬底上的第二部分至所述惰性阳极上，
其中所述第一部分和所述第二部分分别近似于在所述衬底处的金属镀敷和一个或多个寄生反应的部分。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述电镀池还包括离子转移分离器，所述离子转移分离器在所述阳极部分和所述阴极部分之间，并且被配置为提供用于所述阳极部分中的所述电镀溶液与所述阴极部分中的所述电镀溶液之间的离子连通的路径。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述离子转移分离器包含阳离子交换膜。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的系统，其中，所述电镀池还包括一个或多个辅助电极室。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述一个或多个辅助电极室包括一个或多个辅助阴极。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述控制器还包括用于在所述金属没有被电镀到所述衬底上的同时提供所述总电流的所述第二部分中的至少一部分至所述一个或多个辅助阴极的指令。
18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述金属是钴。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的系统，其中，所述金属是铜。
20.根据权利要求12-19中的任一项所述的系统，其中，所述控制器还包括用于同时提供所述总电流的所述第一部分和所述总电流的所述第二部分的指令。
21.一种在装置的制造期间将金属电镀到衬底上的方法，所述方法包括：
(a)将电镀溶液提供至电镀系统，所述电镀系统包括：
(i)被配置为在将所述金属电镀到所述衬底上的同时保持所述衬底的阴极部分，
(ii)包含所述金属的离子的电镀溶液，
(iii)活性阳极，和
(iv)惰性阳极；
(b)提供总电流的用于将所述金属电镀到所述衬底上的第一部分至所述活性阳极上；以及
(c)提供所述总电流的用于将所述金属电镀到所述衬底上的第二部分至所述惰性阳极上，
其中所述第一部分和所述第二部分近似于在所述衬底上的金属镀敷的镀敷电流效率，以及
其中提供所述总电流的所述第一部分并提供所述总电流的所述第二部分使所述金属电镀到所述衬底上。
22.一种在装置的制造期间将金属电镀到衬底上的系统，所述系统包括：
(a)电镀池，其包括阳极部分和阴极部分，并被配置为在将所述金属电镀到所述衬底上的同时将所述衬底保持在所述阴极部分中；
(b)包含所述金属的活性阳极；
(c)惰性阳极；和
(d)包括指令的控制器，所述指令用于：
(i)提供总电流的用于将所述金属电镀到所述衬底上的第一部分至所述活性阳极上；以及
(ii)提供所述总电流的用于将所述金属电镀到所述衬底上的第二部分至所述惰性阳极上，
其中所述第一部分和所述第二部分近似于在所述衬底处的金属镀敷的镀敷电流效率。
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