CN114514340A - 先进封装应用的差别对比镀覆 - Google Patents

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CN114514340A CN202080067446.XA CN202080067446A CN114514340A CN 114514340 A CN114514340 A CN 114514340A CN 202080067446 A CN202080067446 A CN 202080067446A CN 114514340 A CN114514340 A CN 114514340A
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CN
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electroplating
substrate
metal
solution
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斯蒂芬·J·巴尼克二世
雅各布·柯蒂斯·布里肯斯德费尔
凯拉什·文卡特拉曼
贾斯廷·奥伯斯特
蔡利鹏
布莱恩·L·巴卡柳
史蒂芬·T·迈耶
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Original Assignee
Lam Research Corp
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Abstract

提供将金属电镀至衬底上部分制成的电子装置的特征(具有实质上不同深度)中的方法。该方法包括将加速剂吸附至凹陷特征的底部中；在电镀溶液中通过自下向上填充机制部分地填充特征；使整平剂扩散至浅特征中，以相比于深特征而降低浅特征中的镀覆速率；以及将更多金属电镀至特征中，以使深特征中的金属高度近似于浅特征中的金属高度。

Description

先进封装应用的差别对比镀覆
通过引用并入
PCT申请表作为本申请的一部分与本说明书同时提交。如在同时提交的PCT申请表中所标识的本申请要求享有其权益或优先权的每个申请均通过引用全文并入本文且用于所有目的。
背景技术
用于晶片级封装应用中的电解溶液(如金属镀浴)通常被设计成：在可接受的沉积纯度下产生可接受的管芯内(within-die，WID)、晶片内(within-wafer，WIW)及特征内(within-feature，WIF)不均匀性。这种不均匀性通过控制用于镀浴的溶液中的金属及酸浓度，并选择施加至镀浴的添加剂包料，而在可接受电镀速率下产生。然而，不同特征深度可能导致显著的特征或柱不均匀性。在寻求镀浴化学过程优化以在可接受的电镀速率及纯度下实现理想WID、WIW及WIF不均匀性时，可能出现进一步的技术挑战。
在此包含的背景和上下文的描述仅针对整体呈现公开内容的上下文的目的而提供。本公开内容的许多呈现发明人的成果，且单纯由于如此成果在背景技术部分中描述或在本文其他位置呈现为上下文并不表示将认为其是现有技术。
发明内容
本文公开了电镀金属至具有显著不同深度的图案化衬底的凹陷特征中的方法及系统。在本文的实施方案的一方面中，其描述了电镀金属至衬底上的部分制成的电子装置的凹陷特征中的方法，所述方法包括：(a)将衬底的表面暴露于包含加速剂化合物的预加速溶液，其中所述衬底的所述表面包括在所述衬底的光致抗蚀剂层中的特征，且其中所述特征包括金属晶种层；(b)将所述衬底的至少所述表面浸入包含所述金属的离子、抑制剂和整平剂的电镀溶液，相对于所述衬底表面的较凹陷区域，所述整平剂的类型是降低所述衬底表面的较暴露区域的镀覆速率；(c)在所述衬底的所述表面浸入所述电镀溶液中时，将所述金属电镀至所述特征中，以部分地填充所述特征；以及(d)将所述衬底从所述电镀溶液移走。在一些实施方案中，在(a)中所述衬底的所述表面变成被所述加速剂化合物布满。在一些实施方案中，相对于所述衬底表面的较凹陷区域，所述整平剂通过以下方式降低所述衬底表面的较暴露区域的镀覆速率：相对于所述衬底表面的较凹陷区域，极化所述衬底表面的较暴露区域处的沉积；或相对于所述衬底表面的较凹陷区域，降低所述衬底表面的较暴露区域处所述加速剂化合物的去极化作用。在一些实施方案中，当由上往下观看所述衬底时，所述衬底上所述光致抗蚀剂层中的所述特征具有不同深度、不同负载、不同形状和/或不同关键尺寸、及其组合。
在多种实施方案中，所述整平剂通过在以下测试中产生电化学响应来进行表征：(i)使具有已知浓度的所述整平剂的测试溶液接触基本上被所述加速剂化合物布满的测试电极的金属表面；(ii)在具有所述已知浓度的所述整平剂的所述测试溶液中镀覆所述测试电极时，测量所述电化学响应；以及(iii)确定所述电化学响应具有至少阈值幅值。在多种实现方案中，所述测试溶液具有介于约0.1与约50ppm之间的已知浓度的整平剂。在多种实现方案中，所述测试溶液具有介于约1与约25ppm之间的已知浓度的整平剂。在多种实现方案中，所述测试电极为旋转盘电极。在一些实施方案中，所述金属为铜。在多种实施方案中，所述预加速溶液包括0.05至10g/L的在去离子水或弱酸中的加速剂化合物。
在一些实施方案中，所述加速剂化合物是巯基磺酸化合物或二巯基磺酸化合物。在多种实施方案中，所述加速剂化合物选自由巯基丙磺酸、二巯基丙磺酸、巯基乙磺酸、二巯基乙磺酸和双-(3-磺丙基)-二硫化物所组成的群组。在一些实施方案中，所述电镀溶液未包含加速剂或包含浓度小于约1ppm的加速剂。在一些实施方案中，所述电镀溶液中的所述整平剂选自由聚乙烯亚胺、聚酰胺基胺、二烷基胺、三烷基胺、芳烷基胺、三唑、咪唑、四唑、苯并咪唑、苯并三唑、哌啶、吗啉、哌嗪、吡啶、噁唑、苯并噁唑、嘧啶、喹啉、异喹啉和表卤代醇所组成的群组。
在多种实施方案中，所述电镀溶液中的所述抑制剂选自由聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚丙二醇和聚环氧丙烷所组成的群组。在一些实施方案中，将衬底的所述表面暴露于包含加速剂化合物的所述预加速溶液是在第一室中执行，且将所述金属电镀至所述特征中以部分地填充所述特征是在第二室中执行。在一些实施方案中，在将衬底的所述表面暴露于包含加速剂化合物的所述预加速溶液时，所述第一室是在低于大气压的压强下操作。在一些实施方案中，在(c)期间形成金属柱，其顶表面偏离共平面性小于(c)中所述电镀之前的所述特征的底表面。在一些实施方案中，在(c)所述电镀期间形成柱，其非均匀性小于(c)中所述电镀之前所述光致抗蚀剂层中的所述特征。
在一些实施方案中，所述方法还包括：在所述光致抗蚀剂层中的所述特征被完全填充之前，停止在(c)中电镀金属；将所述衬底的至少所述表面浸入包含所述金属的离子和添加剂组合物的第二电镀溶液中，所述添加剂组合物不同于(b)和(c)中所使用的电镀溶液中的组合物；以及在使所述特征接触第二电镀溶液时，将更多所述金属电镀至所述光致抗蚀剂层中的所述特征中，以进一步填充所述特征。在一些实施方案中，所述第二电镀溶液包括比在(b)和(c)中所使用的所述电镀溶液中所存在的整平剂和加速剂更大浓度的整平剂和加速剂。
在一些实施方案中，所述方法还包括：在所述光致抗蚀剂层中的所述特征被完全填充之前，停止在(c)中电镀所述金属；再次将衬底的所述表面暴露于所述预加速溶液，并使部分电镀有所述金属的所述衬底的所述表面变成基本上被布满所述加速剂化合物；以及使用第二电镀溶液，将额外金属电镀至所述光致抗蚀剂层中的所述特征中。在一些实施方案中，(c)中的所述电镀产生金属柱，其为晶片级封装的部件。在一些实施方案中，所述方法还包括在所述金属柱与锡银组合物之间形成触点。在多种实施方案中，所述衬底上的所述光致抗蚀剂层中的所述特征为孔，且其中操作(c)中电镀所述金属是在所述孔中形成金属柱。在多种实现方案中，所述孔的基底包含导电晶种层。
在一些实施方案中，所述光致抗蚀剂层中的所述特征具有至少约20至70μm的平均深度。在一些实施方案中，所述光致抗蚀剂层中的所述特征具有至少约5μm的平均深度。在一些实施方案中，所述光致抗蚀剂层中的所述特征具有最多约270μm的平均深度。在一些实施方案中，所述光致抗蚀剂层中的所述特征具有至少约10至100μm的平均宽度。在一些实施方案中，所述光致抗蚀剂层中的所述特征在最深特征与最浅特征之间具有至少约5微米的深度差。在一些实施方案中，所述光致抗蚀剂层中的最浅特征比所述光致抗蚀剂层中的最深特征短至少约5％。在一些实施方案中，所述光致抗蚀剂层中的最浅特征比所述光致抗蚀剂层中的最深特征短至少约10％。在一些实施方案中，所述光致抗蚀剂层中的至少一些所述特征具有介于约1:2与10:1之间的深宽比。
在多种实现方案中，在(c)中的电镀期间，最深特征在所述电镀溶液中具有厚度小于约50微米的质量传输边界层。在一些实施方案中，在(c)中的电镀期间，所述衬底表面附近的流体速度介于约0.1与1.0m/s之间，且所述流体流至少部分为层流。在一些实施方案中，在(c)中的电镀期间，整平剂扩散至浅特征快于扩散至深特征，从而相比于深特征，降低了浅特征中的电镀速率。在一些实现方案中，所述深特征中的至少一者比所述浅特征的至少一者深至少5％。
所公开的实施方案的这些及其他特征将于下参考相关附图来详细描述。
附图说明
图1示出了具有非平面特征填充的衬底。
图2示出了一示例性实施方案的操作的流程图。
图3A和3B示出了一示例性实施方案的说明。
图4示出了一示例性实施方案的操作的另一流程图。
图5示出了一示例性实施方案的操作的另一流程图。
图6示出了一示例性实施方案的操作的另一流程图。
图7A和7B示出了多种实施方案中可能存在的边界层情况的图。
图8-12是用于执行根据所公开的实施方案的方法的处理室的示例的示意图。
具体实施方式
背景及概要
本文提供了于晶片级封装(WLP)和其他应用中的半导体衬底上产生金属柱和/或凸块的可接受的特征不均匀性的方法及设备。如本领域技术人员通常所理解的，与将晶片切割成单个的电路(管芯)后再进行封装的传统方法相比，晶片级封装是指封装仍为晶片一部分时的集成电路(IC)的技术。
通过光刻掩模或光致抗蚀剂(PR)的电镀通常用来在先进半导体器件制造中(例如在WLP应用中)形成金属凸块和柱。采用贯穿掩模电镀(through-mask electroplating)的典型处理可包含下述处理操作。首先，以薄导电晶种层材料(如铜)涂覆衬底(如具有平坦暴露表面的半导体衬底)，该薄导电晶种层材料可通过任何合适的方法沉积，例如通过物理气相沉积法(PVD)沉积。接着，将非导电掩模层(如光致抗蚀剂)沉积于晶种层上，并进行图案化，以限定凹陷特征(如圆形或多边形孔洞)。该图案化步骤使位于每一凹陷特征底部的晶种层暴露。在图案化后，衬底的暴露表面包括场区域中非导电掩模的部分以及凹陷特征底部处的导电晶种层。
贯穿掩模电镀(或者，使用光致抗蚀剂时的贯穿抗蚀剂电镀)可包含，将衬底置于电镀设备中，以对衬底周缘的晶种层进行电接触。该设备容纳阳极和电解液，该电解液包含有待用于电镀的金属离子。对该衬底施加阴极偏置，并将其浸入电解溶液中，该电解溶液提供于衬底表面还原的金属离子，如下方程序所示，其中M为金属(如铜)，而n为还原期间转移的电子数：
Mn++ne-→M0
由于导电晶种层仅于凹陷特征的底部处暴露于电解溶液，故电化学沉积(例如，由贯穿掩模电镀处理所促进)仅发生于凹陷特征内，而未于场(如暴露于电解溶液的掩模或光致抗蚀剂的顶层)上发生。因此，贯穿掩模电镀可用于将金属至少部分地填充在掩模中的凹部中。最后，在电镀后，该掩模或光致抗蚀剂可通过传统的剥离方法移除，以使该衬底具有许多独立的金属凸块或柱。
通常期望凹陷特征内的沉积速率是均匀的，即在处理结束时，每一特征具有近似的沉积金属高度并因此是共平面的。然而，当凹陷特征具有显著不同的深度时，均匀的沉积速率可能就不是所期望的，因为在剥除掩模或PR后的金属凸块或柱高度将呈不均匀性和/或非平面。图1说明当凹陷特征具有显著不同的深度时可能出现的问题，例如，呈现至少约5％的变化的深度，例如介于约5％至约20％之间的变化的深度。WLP结构100具有定义出凹陷特征107和108的图案化PR105，其中例如特征107的深度可比特征108的深度小了约5％至约20％。结构100还具有晶种层103和层101。层101可以是例如厚度介于约2与20μm之间的聚酰亚胺层。层101可沉积为被图案化而后被固化的湿式旋涂膜。晶种层103(厚度可介于5与600nm之间)可以使用物理气相沉积(PVD)处理来沉积。
使用如上所述的常规处理，在电镀结构100之后形成结构110。形成柱117和118。由于每一凹陷特征107和108中的沉积速率近似，因此相对于衬底的高度差近似，使得柱117显著高于特征118。最后，结构120是剥除PR 105和晶种层103的暴露部分的结果。可以看出，柱117的高度保持显著高于柱118的高度。在某些情况下，此差异可能至少约1μm。对于WLP应用，不希望因不同柱高度而引起非均匀性。
共平面性可利用蚀刻处理(例如电化学蚀刻或抛光处理)来改善，以降低较高的柱的高度。在一些实施方案中，化学机械平坦化(CMP)处理用于回蚀柱，其可去除PR或掩模。取决于下游处理，可能需重新涂布掩模或PR，其可能既昂贵又耗时。可替代的蚀刻处理为电氧化法，其可用于去除镀覆金属以改善共平面性，而无需去除掩模或PR。如果下游处理使用相同的掩模或PR，则可能期望是这种方法。电氧化金属去除在(Thorkelsson等人的)美国专利申请No.16/040,407中进一步解释，其全部内容都通过引用并入此处。
用于获得改善均匀性的可替代处理是电镀处理，其在深特征中(或特征内的深处)电镀较快，而在浅特征中电镀较慢。这可通过谨慎控制沉积条件来实现，尤其是在限制整平剂进入特征(尤其是特征深处)的质量传输条件下使用电镀添加剂(如整平剂)。在某些实施方案中，这是通过将衬底的表面在暴露于电镀溶液之前暴露于预加速溶液中，并结合在电镀溶液中使用使加速剂去活性整平剂来实现。如下文参考图2和3A-B所述，用加速剂分子来预处理表面以使深特征与浅特征的金属沉积速率在开始时相对地高。但随着时间推移，在电镀期间，加速去活性整平剂将扩散至特征中，其先到达浅特征的底部。整平剂将去活性浅特征中的加速剂，减慢浅特征中的沉积速率，而深特征中的沉积速率仍较高。这使得深特征与浅特征之间有不同镀覆速率，从而使得较深特征能在整平剂扩散至该特征的底部并使沉积速率达到均衡之前填充至一定高度，使顶部相对于衬底的高度与浅特征相同。在一些实施方案中，本文所述的不同镀覆速率可与如上所述的电氧化法结合。
使用引起深特征与浅特征之间的不同镀覆速率的预加速溶液和电镀浴改善或至少平衡多种竞争性处理质量。例如，处理质量(如管芯内(WID)均匀性、特征内(WIF)均匀性、晶片内(WIW)均匀性、电镀速度和电镀纯度)可以各自或全部获得改善和/或优化。如本文所提及的，术语“非均匀性”和“均匀性”一般是指镀覆在衬底上的目标特征中的金属相对于衬底的高度的所观察到的变化。因此，改善非均匀性涉及降低至少一种处理质量(例如WID)的不希望有的变化。
术语
在该说明中，术语“半导体晶片”或“半导体衬底”或简称“衬底”是指本体内任一位置具有半导体材料的衬底，本领域技术人员应理解，半导体材料无需暴露。半导体衬底可包括形成于半导体材料上的一或多个介电和导电层。用于半导体器件工业中的晶片通常为圆形半导体衬底，其直径可以例如为200mm、300mm、或450mm。下文的详细说明描述了电化学镀覆，其也称为“电镀”(electroplating)或简称“镀覆”(plating)，以及镀于晶片上的材料的后续蚀刻。然而，本领域的技术人员应理解，可存在本文所述的合适的替代实现方式，且公开的电镀操作可于各种形状及尺寸的工件上进行，其中工件可由各种材料制成。除了半导体晶片外，可利用该公开的实现方式的其他工件包括各种对象，如印刷电路板(PCB)和/或其类似物。
本文所提供的方法及设备可用于产生金属的可接受的特征不均匀性，该金属被电沉积在形成于贯穿掩模或光致抗蚀剂(其被提供于半导体衬底上)内的凹陷特征中，例如金属以金属柱和/或凸块形式沉积。可使用的金属的示例包括：铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、锡(Sn)、及其各种合金。在某些实施方案中，所列金属的合金包括形成有例如贵金属(如金，Ag)的合金，其中贵金属为少量存在，如5原子％或更少。
本文所使用的术语“特征(feature)”可以指衬底上未填充、部分填充或完全填充的凹部。同样地，术语“贯穿掩模特征(through-mask features)”指形成于介电掩模层(如光致抗蚀剂(PR)层)中的未填充、部分填充或完全填充的凹陷特征。这样的贯穿掩模特征形成于导电晶种层上。因此，具有未填充或部分填充贯穿掩模特征的衬底可包括暴露的非连续金属层和暴露的介电层。在某些实施方案中，该暴露的非连续金属层可通过位于介电层下的额外导电层电气连接。在一些实施方案中，PR层中的特征由上往下看向衬底时可具有不同深度、不同负载、不同形状及其组合。在一些实施方案中，当从上方看时，衬底的一些特征可具有圆形、长方形或矩形形状。如本文中所讨论，深特征比浅特征具有更大深度，且深特征可比浅特征深至少约5％、10％、15％或20％。
尽管以下描述主要涉及半导体衬底，但这些方法也可以应用于具有各种不同材料和电特性的其他类型的衬底。另外，以下描述涉及图案化光致抗蚀剂，但所述的方法也可以与各种非导电图案化掩模中的任一者一起使用。
如本文所用的术语“抑制剂”可以指导致跨电解液-电极界面的电荷转移的电阻整体增加的化合物。尽管不希望受任何理论或作用机制约束，据信抑制剂(单独或与其他浴添加剂组合)为表面动力学的极化化合物(polarizing compound)，其导致跨越衬底-电解液界面的电压降显著增加。抑制剂可以既(1)相对于其中不存在抑制剂的区域，在其中存在抑制剂的区域增加衬底表面的局部极化，且(2)整体上增加衬底表面的极化。增加的极化(局部和/或整体上)对应于增加的电阻/阻抗，因而在特定施加的电位下有较慢的镀覆。
为了展现所期望的极化行为，抑制剂可能需要少量的卤化物，例如氯化物或溴化物(例如，约50ppm)。氯化物在镀覆处理期间亦未被显著地消耗，而是随着表面生长而停留在表面。卤化物可充当抑制剂分子与晶片表面之间的化学吸附桥。
在某些实施方案中，抑制剂未被电化学处理所消耗，而是在电镀期间随着表面生长而停留在表面处。在某些实施方案中，抑制剂并没有随着增加浓度或对流输送而在极化上呈现明显变化(增加)。抑制剂可能不会显著地掺入沉积膜中，尽管其可能随着时间推移而在浴中通过电解或化学分解而缓慢降解。
抑制剂通常为相对大的分子，其在许多情况下本质上是聚合物(如聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚乙二醇、聚丙二醇等)。抑制剂的其他示例包括，带有含硫(S)和/或含氮(N)官能基的聚氧化乙烯及聚氧化丙烯、聚氧化乙烯与聚氧化丙烯的嵌段聚合物等。这些抑制剂可具有直链结构或支链结构或这两种结构。一般来说，市售的抑制剂溶液中同时存在着多种分子量的抑制剂分子。部分由于抑制剂具有大尺寸，因而相较于其他镀浴成分，这些化合物扩散进入凹陷特征会相对较慢。
如本文所用的术语“加速剂”(尤其是铜镀覆加速剂)为被化学转化或可被化学转化为强力结合或附着于镀覆表面的物质的化合物。用加速剂预处理或在含有卤化物/抑制剂的溶液中已使被还原的加速剂前体分子反应并与其键合的表面，比暴露于抑制剂/卤化铜镀溶液且未用加速剂处理或不含加速剂的相同表面显著地较小极化。因此，加速剂倾向于局部降低与抑制剂的存在相关的极化效应，因而局部提高电沉积速率。下降的极化效应在吸附加速剂最浓的区域中最为明显(即，极化随着吸附的加速剂的局部表面浓度的增大而下降)。
镀覆表面上的加速剂分子倾向于“漂浮”或停留在表面附近，因此在电镀处理期间保持活性。虽然加速剂可能因镀覆反应而变得强力吸附至衬底表面上且一般在侧向上表面固定，但加速剂一般不会大量地掺入膜中。因此，在金属沉积时，加速剂保留在表面上。随着凹部被填充，在凹部内的表面上的局部加速剂浓度增加。相比于抑制剂，加速剂往往是较小分子，并表现出更快地扩散到凹陷特征中。
虽然不想受任何特定模型或理论约束，但我们推测加速剂与金属的键合非常强，且当键随着在其位置添加铜分子而断裂时，其会迅速与另一表面铜分子反应而不是脱附并且离开表面。因此，在没有任何外部作用从界面(例如通过化学或电化学蚀刻、表面磨损或与使加速剂去活性整平化合物反应)主动除去加速分子的情况下，低程度的极化维持相当长的时间(数十分钟)。
在某些实施方案中，加速剂分子为巯基-烃基磺酸，其中烃为甲基、丙基、丁基等。在某些实施方案中，加速剂分子为二巯基-烃基-磺酸，其中烃也是甲基、丙基、丁基等。示例性加速剂包括，但不限于，二巯基丙磺酸、二巯基乙磺酸、巯基丙磺酸、巯基乙磺酸、聚二硫二丙磺酸(SPS：bis-(3-sulfopropyl)disulfide)及其衍生物。
如本文所用的术语“整平剂”可以指使加速剂去活性整平剂。如同所有整平化合物，当存在时，其净效果是相对于较凹陷区域而降低表面的较暴露区域的镀覆速率。该结果与其不存在下将自然发生的情况相反：暴露区域因镀覆溶液中的化学迁移及暴露于电场作用下而将镀覆更快。使加速剂去活性整平剂通过干扰衬底表面暴露区域上的加速剂活性来促进整平。这可通过增加其上吸附有加速剂的表面的极化来实现，尤其是在含有抑制剂和卤化物的镀覆溶液中。在含有使加速剂去活性整平剂的镀覆溶液的作用下，含有加速剂的暴露区域的极化接近于抑制剂/以及卤化物存在下无加速剂的表面所呈现的极化。换言之，使加速剂去活性整平剂(单独或与其他浴添加剂组合)作用为抑制剂，以抵消加速剂的去极化作用，尤其是在衬底的暴露或稍微凹陷部分中。
整平剂的局部浓度在某种程度上决定于质量传输(mass transport)。因此，整平剂主要作用在具有相对容易到达的几何形状的表面结构上，例如从表面突出或在浅凹部中的区域。该作用使电沉积层的表面“平滑”。相信，在许多案例中，整平剂在衬底表面处以扩散极限速率或接近扩散极限速率的速率进行反应或消耗，因此随着时间推移连续供应整平剂通常有利于保持均匀的镀覆条件。
整平剂化合物通常根据其电化学功能及影响而归类为整平剂，且无需特定化学结构或配方。在某些实施方案中，整平剂通常含有一或多个氮原子，例如胺、亚酰胺或咪唑基团。在某些实施方案中，整平剂可替代地或额外地含有硫官能基。某些整平剂包括一或多个五元或六元环和/或共轭有机化合物衍生物。氮基团可形成环结构的一部分。在含胺整平剂中，胺可为伯铵烷基胺、仲铵烷基胺、叔铵烷基胺或季铵烷基胺。在一些案例中，胺是芳基胺或杂环胺。示例性含氮整平剂化合物包括，但不限于，二烷基胺、三烷基胺、芳基烷基胺、三唑类、咪唑、三唑、四唑、苯并咪唑、苯并三唑、哌啶、吗啉、哌嗪、吡啶、噁唑、苯并噁唑、嘧啶、喹啉及异喹啉。通常使用咪唑和吡啶。整平剂的其他示例包括健那绿B(Janus Green B)与普鲁士蓝(Prussian Blue)。一些整平剂包括乙氧基。例如，一些整平剂包括类似于聚乙二醇或聚氧化乙烯中的主链的主链，但其带有功能性插入链上的胺的片段(如健那绿B)。一些整平剂化合物包括环氧化物(epoxide)基团。环氧化物的示例包括，但不限于，环氧卤丙烷(epihalohydrins)(如环氧氯丙烷(epichlorohydrin)及环氧溴丙烷(epibromohydrin))及聚环氧化合物。有时使用聚环氧化合物，其具有两个或更多通过含醚键接合在一起的环氧基团。一些整平剂化合物为聚合物。聚合物整平剂化合物的示例包括，但不限于，聚乙烯亚胺、聚酰胺胺(polyamidoamines)、以及胺与各种环氧化氧(oxygen epoxide)或硫化物的反应产物。非聚合物整平剂的一个示例为6-巯基-己醇(6-mercapto-hexanol)。整平剂的另一示例为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
整平剂化合物在美国专利公开No.2009/0139873中进一步探讨并描述，其整体内容都通过引用合并于此。
处理流程
在贯穿抗蚀剂镀覆中，镀覆表面上的凹陷特征从特征的底部到顶部镀覆有金属。通常，铜从镀浴中电镀至PR涂覆硅晶片中所定义的特征内，以产生用于WLP应用的柱。选择由硫酸铜在镀浴中与例如硫酸溶液提供的铜，以提供可接受的镀覆性能，镀覆性能可在可接受的镀覆速率下通过WID、WIW和WIF测量。重要的是控制特征内的沉积速率，以实现均匀填充，避免在特征内加入空孔，并避免产生结节、粗糙或过度隆起或裙边。上述三种类型的添加剂有利于实现贯穿抗蚀剂填充，其共同作用于选择性地增加或减少衬底表面不同位置处的极化，或提供其他益处，例如增亮表面或细化晶粒结构。
在一些实施方案中，首先将衬底浸入或以其他方式接触预加速溶液，以将加速剂吸附至凹陷特征的底部处的晶种层中。在衬底涂有预加速溶液后，将其浸入含有例如高浓度抑制剂和低浓度整平剂的电镀溶液中。抑制剂和整平剂吸附至衬底表面上，以极化电沉积。
在镀覆的后期阶段，尤其是如果不同高度的特征继续以相同速率填充时，所得的柱的顶面将具有不同高度。整平剂可用于抵消该效应。在常规电镀处理中，整平剂的表面浓度在表面的暴露区域(即，不在凹陷特征内)为最大，且在此处对流最大。据信，整平剂(如果其为某种化学类型)在表面上或其附近的区域处(一般情况下在该处以大于沉积物上其他位置处的速率进行镀覆)取代加速剂、增加局部极化、并降低局部镀覆速率。换言之，在常规处理中，整平剂倾向于至少部分地减小或消除加速化合物在表面的暴露区域(尤其是在突出结构处)的影响。整平剂可通过作为扩散受限抑制化合物(其接着并入沉积金属中)来影响极化。在无整平剂下，特征会倾向于呈圆顶状或过度填充，并产生凸块。因此，整平剂有利于产生相对平坦的沉积物。
对于WLP电镀应用，整平剂可用于改善特征形状(降低WiF非均匀性，例如通过使特征圆顶平坦化)，或改善共平面性(降低管芯内凸块高度差异)。在本文所公开的某些实施方案中，使加速剂去活性整平剂用于在深特征与浅特征之间产生不同镀覆速率的条件下。在相对低的浓度下，整平剂向深特征的输送可能受到扩散限制，因为整平剂分子在扩散至特征深处区域之前很久就扩散至深特征的上部和中部。换言之，可控制局部电镀条件，使整平剂的质量通量在大多数特征的上部明显大于下部。这些效果导致浅特征和所有特征上部的电镀速率降低。深特征可能以快于浅特征的总速率进行镀覆，直到深特征被金属填充至PR或其他掩模的场区域附近为止。整平剂分子的质量传输的这种谨慎平衡使得深特征中顶部相对于金属沉积物的衬底的高度接近浅特征中顶部相对于金属沉积物的衬底的高度，尤其是在电镀处理结束时。
图2为示出了用于将金属镀覆至衬底凹陷特征中的相关操作示例的处理流程图。在操作200中，将衬底的表面浸入预加速溶液中。衬底具有图案化光致抗蚀剂(PR)，其特征具有不同几何特性，例如不同深度、不同形状和/或不同负载。在一些实施方案中，深特征的深度比浅特征的深度大至少5％。在特征的底部处是先前操作中沉积的金属晶种层。预加速溶液包括加速剂分子，其吸附于特征的底部上，并且附着至金属晶种层。将衬底的表面浸入预加速溶液中达到充分时间，以使每一特征的底部的加速剂饱和。精确的接触时间、所使用的加速化合物及其浓度可能足以实现饱和状态。在该饱和状态下，较高的加速剂剂量(较高浓度和/或暴露时间)一般将导致表面的电化学特性没有可测得的变化。
在操作210中，衬底的表面接着被浸入电镀溶液中。电镀溶液可包括本文所述的加速剂、抑制剂和整平剂。在一些实施方案中，电镀溶液包括较低浓度的整平剂(与常规WLP电镀浴相比)，使得在电镀期间，整平剂进入至少相对深的特征的深处的输送将受到扩散限制。相比于较深特征的底部，整平剂一般将更快地扩散至较浅特征的底部。
因此，如所预期的，在电镀期间，整平剂扩散至浅特征的底部。参见操作220。当整平剂到达浅特征的底部时，其使吸附至特征底部的加速剂去活性。去活性的机制可以改变，但一般是导致浅特征的底部表面的极化增加。增加极化进而降低镀覆速率。值得注意的是，在该阶段，整平剂尚未到达较深特征的底部。
随着镀覆继续进行，深特征的镀覆比浅特征快，整平剂已到达浅特征的底部，但还没有扩散至深特征的底部，并且没有使吸附至底部表面上的加速剂去活性。具有比浅特征(或至少特征的浅区)较低极化的深特征以较快速率进行镀覆。
最终，在电镀处理期间，整平剂扩散至深特征的底部和/或镀覆金属到达凹陷特征的中间至上层。在该范围中，整平剂分子在所有特征中与金属和吸附的加速剂相互作用，因而使加速剂去活性。值得注意的是，当整平剂到达深特征的底部时，深特征中所形成的金属柱顶部相对于衬底的高度(或标高)更接近浅特征中所形成的金属柱的顶部高度。换言之，特征的顶部接近共同平面。
在操作250中，电镀处理结束，且深特征与浅特征形成至目标高度。整平剂已至少部分地使加速剂去活性，并降低两种类型特征的镀覆速率。因此，各特征的镀覆速率相对一致。电镀可继续进行，直到金属柱达到目标高度为止。深特征中的金属柱高度可大于浅特征中的金属柱高度，但所有柱相对于衬底的高度将为近似的，以增加衬底的共平面性。
任选地，在操作260中，去除光致抗蚀剂(或掩模)。光致抗蚀剂可通过多种方法(例如灰化)来去除。去除光致抗蚀剂即产生具有多个金属特征(包括柱部)的衬底。
图3A和3B示出了进行处理(例如，图2所示的处理流程图所指示)的半导体衬底一部分的示意性截面图。如图3A左上图例300中所示，开始该处理，其中衬底的表面309被浸入含有加速剂分子302的预加速溶液中。表面309包括定义出浅特征307和深特征308的图案化PR305。特征307和特征308的底部包括金属晶种层303，例如铜层。在一些实施方案中，金属晶种层303至少部分地设置在层301(例如介电层，如氧化硅、或粘附层，如聚酰亚胺(PI))上。本领域技术人员应理解，层301可位于一或更多其他层(图中未示)上，其他层可包括半导体材料，例如硅(Si)、锗(Ge)、硅锗(SiGe)等。特征307与308之间的深度差异可能是由层301或引起不均一凹陷特征深度的任何层所导致。
在某些实施方案中，图3A所示的结构可通过为半导体衬底提供暴露支撑层301(例如，介电层)来制造。导电层(例如晶种层303)可通过任何合适方法(例如，物理气相沉积(PVD))沉积在暴露支撑层301上。PR层305接着可通过例如旋涂沉积在晶种层303上。PR层305可稍后通过光刻技术图案化，以定义出凹陷特征，例如浅特征307和深特征308。凹陷特征的尺寸可以根据应用而变化，且通常可具有约5-250μm的宽度和约1:2-15:1的深宽比。在某些实施方案中，在大尺寸(例如高度大于200μm)柱应用所要求的高镀覆速率下，要获得WID、WIW及WIF指标的可接受非均匀性可能特别困难。
在图例300中，将衬底暴露于预加速剂溶液中，使加速剂分子302吸附至金属晶种层303的暴露部分上并且可选地使其饱和。如图所示，加速剂分子未吸附于PR层305中。吸附的加速剂分子降低特征307和308的底表面的极化，从而提高了电镀速率。
在图例310中，将衬底的表面309浸入电镀溶液中。在某些实施方案中，在电镀期间，表面309可通过如图3A所示暴露并连接至电源(图中未示)的晶种层303来进行阴极偏置。可以将表面309置于与阳极相对的电镀槽中。此外，包围表面309的电解质溶液的接触表面包括待镀覆在例如晶种层303上的金属的离子。可将表面309浸入电解液中开始电镀，以至少部分地用金属填充凹陷特征307和308。
电镀溶液包含整平剂分子314和抑制剂分子316。抑制剂分子比整平剂分子多得多。抑制剂分子可快速扩散至深特征和浅特征两者中，但其因吸附的加速剂302而无法吸附或以其它方式与金属晶种层303相互作用。浓度低得多的整平剂分子不会以与抑制剂分子相同的速率扩散至特征中。由于吸附的加速剂分子，金属在特征307及308两者中的沉积速率是高的。整平剂分子和抑制剂分子在操作310中示于特征307和308外部，但为便于绘制，在其他操作中将仅示于特征内。
在图例320中，特征被部分地镀覆，从而分别在特征307和308中形成金属柱327和328。特征307和特征308两者中的镀覆速率近似，导致柱327与柱328的高度相同，但相对于衬底，柱327的顶部显著高于柱328的顶部，在一些实施方案中至少高出10％。
另外，在图例320中，整平剂分子已开始扩散至浅特征307的底部，从而与吸附在柱327表面中的加速剂分子相互作用并使其去活性。去活性加速剂分子增加了特征307的底部的极化。另外，去活性加速剂分子使抑制剂分子与表面相互作用，进一步增加极化。由于极化与镀覆速率成反比关系，因此浅特征307中的镀覆速率在操作320中开始降低。整平剂分子尚未到达深特征308的底部，因此特征308中的镀覆速率保持是高的。
在图例330中，镀覆继续在浅特征307和深特征308中进行。在特征307中，更多整平剂分子已扩散至特征307的底部，从而使加速剂分子完全去活性。抑制剂分子能够与特征307的底表面相互作用。这增加了特征307的底表面的极化，因而降低了镀覆速率。柱327已成长为柱337。
在特征308中，整平剂分子已开始扩散至特征308的底表面，从而使吸附至底表面中的加速剂分子去活性，并增加了底表面的极化。因此，特征308中的镀覆速率也正在降低，但仍高于特征307中的镀覆速率，从而使柱337顶部的高度“跟上”柱338顶部的高度。特征308中的柱338比特征307中的柱337厚，但柱338顶部相对于衬底的高度仍小于柱337顶部的高度。
在图3B的图例340中，整平剂分子已扩散至特征307和特征308的底表面并且使吸附在特征307及特征308底表面中的加速剂分子去活性。因此，抑制剂分子能够与浅特征307和深特征308两者的底表面相互作用并增加其极化。两特征的镀覆速率因整平剂分子与抑制剂分子在两特征中的相似作用而变得大致近似。此外，特征307已镀覆至形成金属柱347，而特征308已镀覆至形成金属柱348。在一些实施方案中，当整平剂分子已扩散至特征308的底部并且使吸附至特征308底表面中的加速剂去活性时，柱347与柱348的顶部相对于衬底的高度是近似的。
在图例350中，特征307和特征308以近似的速率进行镀覆，直到达到柱357与柱358的目标高度为止。由于整平剂以及抑制剂与特征307以及特征308的底表面的相互作用，沉积速率会显著减慢。
最后，在图例360中，将PR 305去除，留下柱357和358。PR305可通过各种操作来去除。在一些实施方案中，使用单独的处理室以去除PR。柱357和柱358具有不同高度，但其顶部相对于衬底具有相同高度，从而导致共平面表面。
图4-6示出了在深特征和浅特征或具有其他类型的变化的特征中进行镀覆的替代实施方案。图4-6中所述的一些操作可能类似于上文已描述的操作，并且可以按照类似方式执行。
在图4的处理图中，操作400-410和460分别基本上相似于如上所述的操作200-210及260。在操作420处，图4的处理图在操作420处不同于图2的处理图。关于如何使用整平剂而在深特征与浅特征之间产生不同镀覆速率方面，操作420则类似于操作220。然而，在图4的处理图中，在整平剂已完全使吸附至深特征的底部的加速剂去活性之前，特征被镀覆至目标高度。从整平剂先扩散至浅特征的底部的时刻开始，深特征将比浅特征具有更快的镀覆速率，直到达到镀覆的目标高度为止。这可能是增加产量的理想方式，因为一旦整平剂已使加速剂去活性，镀覆速度就下降，从而需要更多时间才能达到目标高度。通过选择整平剂浓度和操作条件以限制整平剂向深特征扩散并因而限制加速剂去活性和镀覆速率下降，深特征中的平均镀覆速率会最大化，从而提高产量。
在图5的处理图中，操作500-520和560基本上分别类似于如上所述的操作200-220和260。图5的处理图在操作550处不同于图2的处理图不同。在操作550中，将衬底浸入第二电镀溶液中。在一些实施方案中，操作550是在整平剂已使浅特征及深特征两者中的加速剂去活性之后发生。在一些实施方案中，操作550发生在深特征已镀覆至顶部与浅特征近似的高度之后，但在特征已完全填充之前。第二电镀溶液包括不同镀覆化学品，其不局限于不同类型的特征中对不同镀覆速率的需求。可根据镀覆物质、酸、加速剂、抑制剂、整平剂、对流、镀覆速率等调整化学组成，以提供除共平面性以外的其他改进(例如，光滑表面亮度(surface finish)、更高镀覆速率和/或低杂质程度)。例如，操作510中的电镀液可不含加速剂化合物、如本文所讨论的典型浓度的抑制剂、以及用于以与通向表面的通量速率成比例的方式增加极化的整平剂，其中其浓度被优化至降低浅特征与深特征之间的对比。然而，第二电镀溶液可以含有典型浓度的加速剂和抑制剂化合物，以及优化至控制沉积物纯度、特征形状等的整平剂化合物浓度。
在操作550中，使深特征和浅特征在第二电镀溶液中镀覆至目标高度。在一些实施方案中，衬底在第二电镀溶液中时的镀覆速率快于整平剂已使吸附至浅特征和深特征底表面中的加速剂去活性之后的第一电镀溶液中的镀覆速率。在一些实施方案中，操作520与550是在不同室(其可在同一电镀工具上)中执行。在其他实施方案中，两者镀覆操作均在同一室中执行，但不同镀液是在不同时间流入室中。
在图6的处理图中，操作600-660基本上分别类似于如上所述的操作200-260。图6的处理图与图2的处理图的不同之处在于，操作600-620可重复一或更多次。因此，在操作620中(其中整平剂已扩散至深特征的底部并使加速剂去活性)，不以较低速率(因整平剂和抑制剂所导致的较高极化)继续进行镀覆，可清洗衬底并将其浸入相同或另一预加速溶液中，以使加速剂吸附在凹陷特征的底表面上。重复操作610-620以继续提供衬底的深特征和浅特征之间的不同镀覆速率。
当沉积在深特征和浅特征中的金属的顶部在整平剂去活性深特征和浅特征的底表面之前呈非共平面时，这可能是理想的。一旦整平剂已使吸附至深特征底表面中的加速剂去活性时，浅特征和深特征的镀覆速率将近似，且将维持顶部的高度上的任何差异。通过重复加速剂的吸附以及深特征和浅特征的扩散受限的去活性，可进一步改善共平面性。
作用的质量传输机制
图7A和7B示出如本文所述整平剂输送至PR的凹陷特征中的基本特性。整平剂输送一般可由费克第一扩散定律(Fick’s First Law of Diffusion)建模：
Figure BDA0003565866080000181
在以上所示的等式1中，微分
Figure BDA0003565866080000182
表示每单位距离的整平剂浓度变化，DL为相对于特征内位置的恒定扩散系数或扩散率，JL为“扩散通量”，其量纲(dimension)为每单位面积每单位时间的物质(例如整平剂)的量。扩散通量可以例如mol m-2s-1之类的单位表示。
整平剂输送被描述于图7A所示的图中，其为距特征底部的距离(即高度)的函数。在距特征底部的距离δ处为本体溶液，其具有名义上均一的浓度。整平剂浓度发生变化的距离δ跨越边界层。随着本体溶液中整平剂浓度下降，特征底部附近的通量减少。此外，在整平剂使加速剂去活性期间，整平剂的表面浓度非常接近零。因此，置换反应相对于扩散过程非常快，且扩散过程是速率决定步骤。因此，跨边界层的浓度差可以在电镀处理中保持相对恒定。
整平剂输送还描述于图7B中，其中改变了本体溶液边界层，而本体溶液中的整平剂浓度保持相同。如所示且由费克定律的比值所理解的，边界层越大，通量越低。换言之，较浅特征(其具有薄边界层)中整平剂通量比在较深特征(其具有较厚边界层)中大。在一些实施方案中，边界层的厚度通过在电镀操作期间控制电解液的对流特性来控制。一般而言，特征处溶液的速度和/或扰动越高，边界层越薄，因而提高整平剂扩散至特征底部的通量。相反地，本体溶液的相对较低的局部速度和/或扰动因边界层较厚而减小整平剂的通量。
在一些实施方案中，特征的底部处的边界层可具有小于约50μm的厚度，或者介于约5至50μm之间的厚度。在一些实施方案中，溶液在衬底表面上方的速度可在介于约0.1与1.0m/s之间变化。溶液流也可以是层流或层流与扰流的组合。如流体动力学模型所预测的，特征内的流动循环可以在介于约0.1至1.0mm/sec之间变化。在一些实施方案中，边界层在浅特征中比深特征更薄，相比于深特征，其降低了浅特征中的电镀速率。
组合物
预加速溶液
本文所公开的用于对衬底的深凹陷特征和浅凹陷特征进行不同镀覆的实施方案涉及在电镀之前使加速剂吸附至凹陷特征的底表面中。吸附加速剂可通过在允许加速剂吸附至表面上的条件下使衬底与游离加速剂(或其他活化剂)接触来实现。这会涉及通过简单喷涂、浸入或旋涂技术在短时间内进行暴露。在一些实施方案中，加速剂将吸附至凹陷特征的底表面上的金属晶种层中，而不吸附或以最小吸附于被图案化以定义出凹陷特征的非导电PR或掩模层中。
可使用各种预加速溶液，以提供用于预加速处理的加速剂。用于镀铜的预加速溶液的示例为含有介于约0.05与10g/L之间的加速剂化合物的溶液。在一些实施方案中，加速剂化合物浓度可以为至少l0 ppm或至少10,000ppm。在一些实施方案中，预加速溶液可包含在去离子水中的巯基和/或二巯基烃基磺酸化合物。在一些实施方案中，预加速溶液可包含巯基丙磺酸、二巯基丙磺酸、巯基乙磺酸、二巯基乙磺酸和/或双-(3-磺丙基)-二硫化物。在一些实施方案中，加速剂吸附至凹陷特征和暴露的场区域中，并执行选择性去除步骤以从暴露的场区域中去除加速剂。在一些实施方案中，加速剂前体吸附至凹陷特征中，接着被处理以活化表面并减小极化。使加速剂吸附至衬底的凹陷特征中的技术和组合物可见于2008年11月11日公布的美国专利No.7,449,098(Mayer等人)，其相关部分特此通过引用并入。
电镀溶液
在一些实施方案中，电镀溶液可具有浓度水平为每升约85克(g/l)的铜离子(Cu)，其由例如硫酸铜(CuSO4)提供。一般而言，较高电镀速率以相应高的速率消耗铜，因此必须使用高铜浓度以实现高极限沉积或镀覆速率。电镀溶液也可以具有浓度为145g/l的酸，例如硫酸。高酸浓度增加第一电镀浴的导电率，其将减小WIW和WID的非均匀性。对于硫酸铜溶液与硫酸所制成的电镀浴而言，145g/l的酸是约45℃温度下100g/l铜离子不会导致铜形成硫酸铜晶体(从溶液沉淀出)的酸最高可接受浓度。在一些实施方案中，电镀的温度介于约25与35℃之间。在一些实施方案中，Cu比酸的比率(单位g/l:g/l)可以是至少约32:180，介于约50:100与40:140之间、或介于约60:80与55:150之间。在其他实施方案中，不同金属被镀覆至凹陷特征中。
可用于本文公开的实施方案中的电镀溶液除了金属离子和一或更多酸之外还含有抑制剂和整平剂分子。在一些实施方案中，电镀溶液还可以含有低浓度(例如小于约1ppm)的加速剂化合物。在一些实施方案中，在电镀液中具有加速剂抵消扩散受限整平剂往特征中迁移的作用。抑制剂一般(但不总是)是以“过量”浓度存在，其可能至少为100ppm。电镀溶液中的抑制剂示例包括聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚丙二醇和/或聚环氧丙烷。先前已吸附至凹陷特征中的加速剂抑制凹陷特征内的抑制剂与表面的相互作用。一旦整平剂使加速剂去活性，抑制剂就可吸附并减缓沉积。因此，在一些实施方案中，电镀溶液中整平剂的浓度和质量传输限制对镀覆速率有最大的影响。
整平剂可以低浓度或以在铜镀浴中小于几ppm(百万分之几)的浓度存在于溶液中。在一些实施方案中，整平剂浓度可介于约0.1与50ppm之间、介于约1与25ppm之间、或介于约5与25ppm之间。整平剂的浓度可根据所使用的特定化合物而改变。在一些实施方案中，存在足够低的整平剂浓度，以在整平剂使浅特征底部中的加速剂去活性时与在整平剂使深特征底部中的加速剂去活性时之间有相当长的时间延迟，例如，至少约1、5、10、15或20分钟。在一些实施方案中，存在于电镀溶液中的整平剂可包括：聚乙烯亚胺、聚酰胺基胺、二烷基胺、三烷基胺、芳烷基胺、三唑、咪唑、四唑、苯并咪唑、苯并三唑、哌啶、吗啉、哌嗪、吡啶、噁唑、苯并噁唑、嘧啶、喹啉、异喹啉和/或表卤代醇(epihalohydrins)。整平剂化合物在美国专利公开No.2009/0139873中进一步探讨并描述的，其整体内容通过引用并入此处。
在一些实施方案中，本文所使用的整平剂可通过其在测试中的电化学响应来识别。通过测量电化学响应(例如，伏安/极谱响应)并且根据成组的标准或模型对其进行表征，即可确定该化合物作为加速剂去活性剂的适用性。可采用多种技术来识别合适的整平剂化合物。在一些示例中，自动执行该关联。例如，模型可采取简单阈值电化学响应的形式，当超过时表示存在合适的整平剂。
可通过多种技术适当地测量并表征电化学响应(作为自变量)。用于测量电化学响应的两个基本举例法包括(1)以恒定电流进行镀覆并监测电极上的电位，以及(2)以恒定电位进行镀覆并且监测供应至电极的电流或电极上或溶液中的电流密度。在一些实施方案中，该技术包括作为旋转盘电极的电极。整平剂的电化学响应的测量和阈值的技术在美国专利No.9,309.604(Mayer等人)中进一步描述，其为了此类相关目的而在此并入。
在一些实施方案中，整平剂的电化学响应可通过如下处理测定：(1)获得由铜组成且无表面杂质的旋转盘表面，例如，通过从硫酸铜与硫酸的无添加剂溶液将铜镀至铂旋转盘电极上，(2)在(1)之后，用产生WLP填充处理中所用类型的加速剂来布满旋转盘电极的表面，例如，通过将表面暴露于新鲜制成的100ppm甲磺酸溶液(在水中，也含有1g/L硫酸溶液)中，(3)通过在施加阴极电位时识别镀液中合适使加速剂去活性整平剂的基线电化学响应，来校准测试，(4)重复步骤(1)中准备新鲜经预加速的旋转盘电极的处理，并在施加测试阴极电位时将其暴露于含有测试整平剂的溶液中，以及(5)确定测试整平剂是否引起基线电化学响应。还可通过执行一系列不同水平浓度的测试，并将未知响应关联至测试系列响应，来对响应进行校准，以测量溶液中整平剂的浓度。
设备
图8描绘了预湿室的实施方案，其配置为用于用预加速溶液布满结构。在非排他性实施方案中，润湿工具810可用于在镀覆之前用预加速溶液润湿半导体衬底。
润湿工具810包括室812、用于支撑衬底816(例如半导体晶片)的衬底基座814、以及用于旋转衬底基座814和衬底816的机构818。在一实施方案中，机构818能够以每分钟80至200转(rpm)的范围旋转衬底基座814和衬底816。但在其他实施方案中，可使用其他rpm值或范围。例如，可在范围低端使用40、30、20或更小的rpm值，且可在范围高端使用200、300、400或更高的rpm值。应注意的是，虽然本文可提供特定的RPM值和/或范围，但可使用任何合适的rpm值或范围。这样，本文所提供的具体值或范围仅为示例性的，不应解释为限制性的。
润湿工具810还包括润湿溶液分布系统820，其包含用于储存一或更多润湿溶液的一或更多润湿溶液槽822、用于测量并调整储存于槽822中的一或更多种润湿溶液pH的pH控制系统824、用于选择性地加热润湿溶液的加热器826、去离子(DI)水供应源828、三通阀830以及设置于室812内的喷嘴832。
保持在槽822中的润湿溶液可包括本文所述的预加速溶液以及以下一或更多者：(a)无机酸、(b)有机酸、(c)水中的溶解气体、(d)水中的溶解二氧化碳、(e)去离子水、(f)去离子水和除气水、(g)碳酸、(h)硫酸和(i)甲磺酸。
pH控制系统824被布置成监测保持于槽中的溶液的pH。在多种实施方案中，pH控制系统824可通过pH探针、导电率仪、密度仪或其组合来测量润湿溶液的组成。在多种实施方案中，至少一种润湿溶液的pH保持在2.0或更低。在其他实施方案中，一种润湿溶液可具有2.0或更低的pH，而第二润湿溶液具有2.0或更高的pH。润湿溶液的pH可通过pH控制系统824根据需要进行调整：如果要求降低pH，则注入酸；如果需要提高pH，则注入碱；如果需要提高或降低pH，则加入去离子水(其pH通常为略低于中性或7.0)；或者注入气体以提高或降低pH。例如，可使用二氧化碳气体以降低润湿溶液的pH。
加热器826可为能够加热保持在储存槽822中的一或更多种润湿溶液的任何类型加热器。在多种非排他性实施方案中，加热器826能够在20至50℃的温度范围内加热一或更多种润湿溶液。
三通阀830可以选择性地打开和关闭，以将保持在储存槽822中的一或更多种润湿溶液和/或去离子水从供应源828供应至喷嘴832。在可替代实施方案中，可控制阀830以同时将润湿溶液和去离子水两者供应至喷嘴832。
喷嘴832被描绘为位于室812的顶部，用于将润湿溶液和/或去离子水直接向下喷至衬底816的顶表面上。在其他实施方案中，喷嘴832可以设置于室812的侧壁上或附近，且/或可在室812内不同位置处提供多个喷嘴832(未示出)。无论喷嘴832的数量和/或位置如何，其目的是为了在基座818上旋转时将润湿溶液和/或去离子水供应至衬底816的顶表面上。在还有的其他非排他性实施方案中，喷嘴832可以每分钟0.6至2.4升的速度供应润湿溶液和/或去离子水。
润湿工具810还任选地包括真空泵834和阀836。当阀836打开且泵834运转时，即在室812内产生真空压力。在多种非排他性实施方案中，真空压强可以在25至100托(Torr)的范围内，且具有约70Torr的设定点。应理解的是，这些Torr值/范围仅是示例性的，且可使用其他值/范围。在还有的其他实施方案中，润湿工具810可以不包括真空泵834。在其示例中，室812保持在大气压或接近大气压。
润湿工具810进一步包括排放气体供应源838和阀840。当阀840打开时，来自供应源838的气体被排放至室812中。在多种实施方案中，该气体为氮、氩和/或大气。在还有的其他实施方案中，室812内的排放压强介于740至760Torr的范围内。
润湿工具810亦包括排出口842、排出阀844以及可选地再循环站846。当阀844打开时，室812中的润湿溶液和/或去离子水通过排出口842被移除。在任选的实施方案中，再循环站846可用于清洁并过滤排出的湿润溶液和/或去离子水，以便可重复使用。
系统控制器848用于在衬底816润湿之前、期间及之后控制润湿工具810的操作。根据多种实施方案，系统控制器848控制多种元件，例如pH控制系统824、加热器826、真空泵834以及阀830、836、840与844，以协调衬底816的润湿，如下更详细描述的。
系统控制器848通常包括用于储存系统控制软件或代码计算机的一或更多个非瞬时计算机可读介质装置以及用于执行代码的一或更多处理器。术语“非瞬时计算机可读介质”一般用于指称介质，例如主存储器、辅助存储器、可携式储存器，以及储存装置，如硬盘、闪存、磁盘驱动存储器、CD-ROM以及其他形式的永久存储器，并且不应被解释为涵盖瞬时的主体(如载波或信号)。处理器可包括CPU或计算机、多个CPU或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、马达控制器板等。
在某些实施方案中，运行或执行系统控制软件或代码的系统控制器848管理工具810的全部或至少大多数活动，包括如控制润湿操作的时序、流速、润湿溶液和/或去离子水的pH值和/或温度、处理室812内的压力水平、衬底816至室812中的引入以及从室812去除等等之类的活动。
系统控制器848还可包括用户接口(未示出)。用户接口可包括显示屏幕、指示工具810的操作参数和/或处理条件的图形软件显示器、以及允许人操作员与工具810连接的用户输入装置，例如指向装置、键盘、触控屏幕、麦克风等。
图9示出了其中可能发生电镀的电镀槽的示例。电镀设备通常包括一个或多个电镀槽，在其中对衬底(例如，晶片)进行处理。为保持清晰，图9仅示出了一个电镀槽。为了优化自下而上的电镀，将添加剂(例如，促进剂、抑制剂和整平剂)加入到电解液中；然而，具有添加剂的电解液会与阳极以不期望的方式发生反应。因此，电镀槽的阳极区和阴极区有时通过膜分离，使得可以在每个区域中使用不同组成的电镀液。在阴极区域内的电镀液被称为阴极电解液；而在阳极区内的电镀液被称为阳极电解液。可以使用多个工程设计以将阳极电解液和阴极电解液引入电镀设备。在本文讨论使用多种镀覆溶液的实施方案中，例如图5的处理图，一个电镀槽可用于一种镀覆溶液，而不同电镀槽用于不同电镀溶液。
参考图9，示出了根据一实施方案的电镀设备901的示意性横截面图。镀浴903包含电镀液(其具有本文提供的组合物)，其以液面905示出。该容器的阴极电解液部适于将衬底接收在阴极电解液内。将晶片907浸渍到电镀液中，并通过例如安装在可旋转主轴911上的“翻盖式”衬底保持器909保持，从而使得翻盖式衬底保持器909能与晶片907一起旋转。具有适合于与本发明一起使用的方面的翻盖式电镀设备的一般说明详细描述于授权给Patton等人的美国专利6,156,167以及授权给Reid等人的美国专利No.6,800,187中，这些文献通过引用将其全部内容并入本文中。
阳极913在镀浴903内被布置在晶片下方，并通过膜915(优选离子选择性膜)与晶片区分隔开。例如，可使用NafionTM阳离子交换膜(CEM)。阳极膜下面的区域通常被称为“阳极室”。离子选择性阳极膜915使得在电镀槽的阳极区和阴极区之间能离子连通，同时防止在阳极处产生的颗粒进入晶片附近位置并污染晶片。在电镀过程中重新分配电流流量并由此改善电镀均匀性方面，阳极膜也是有用的。在授权给Reid等人的美国专利6,126,798和6,569,299中提供了合适的阳极膜的详细描述，两者的全部内容都通过引用并入本文。例如阳离子交换膜之类的离子交换膜是特别适合于这些应用的。这些膜通常是由离聚物材料制成的，离聚物材料如含有磺酸基的全氟化共聚物(如NafionTM)、磺化聚酰亚胺类、和本领域技术人员公知的适合于阳离子交换的其它材料。选择的合适的NafionTM膜的示例包括可得自Dupont de Nemours Co.的N324和N424膜。
在电镀过程中，来自电镀液的离子被沉积在衬底上。金属离子必须扩散通过扩散边界层并进入TSV孔或其他特征。协助扩散的一种典型的方式是通过由泵917提供的电镀液的对流流动。另外，可以使用振动搅动或声波搅动构件，也可使用晶片旋转。例如，振动换能器908可以被附接到翻盖式衬底保持器909。
电镀液经由泵917连续被提供到镀浴903。通常，该电镀液向上流动穿过阳极膜915和扩散板919至晶片907的中心，然后沿径向向外并跨过晶片907。电镀液也可以从镀浴903的侧面被提供至该浴的阳极区域。电镀液然后溢出镀浴903到溢流储液器921中。电镀液然后被过滤(未示出)并返回到泵917，从而完成电镀液的再循环。在电镀槽的某些配置中，不同的电解液通过其中包含阳极的电镀槽的部分循环，同时谨慎地使用渗透膜或离子选择性膜防止与主要的电镀液混合。
参比电极931在单独的室933中位于镀液903的外部，该室通过从主镀浴903溢流而被补充。替代地，在一些实施方案中，参比电极尽可能靠近衬底表面定位，并且参比电极室经由毛细管或通过其它方法连接到晶片衬底的侧面或在晶片衬底的正下方。在一些优选的实施方案中，该设备还包括接触感测引线，该接触感测引线连接到该晶片周缘并被构造为感测在晶片周缘的金属籽晶层的电位，但不携带任何电流到晶片。
当以受控的电位进行电镀是合乎期望时，通常采用参比电极931。参比电极931可以是各种常用类型中的一种，例如，汞/硫酸汞电极、氯化银电极、饱和甘汞电极或铜金属电极。在一些实施方案中，除了所述参比电极外，还可以使用与晶片907直接接触的接触感测引线，以实现更精确的电位测量(未示出)。
直流电源935可以被用于控制流动至晶片907的电流。电源935具有通过一个或多个滑环、电刷和触点(未示出)电连接到晶片907的负输出引线939。电源935的正输出引线941电连接到位于镀浴903中的阳极913。电源935、参比电极931和接触感测引线(未示出)可以被连接到系统控制器947，从而使得尤其是能够调节提供给电镀槽的元件的电流和电位。例如，控制器可以允许在电位受控和电流受控的状态下电镀。该控制器可以包括程序指令，该程序指令指定需要被施加到电镀槽的各种元件的电流和电压电平以及需要改变这些电平的时间。当施加正向电流时，电源935向晶片907施加偏置以使其相对于阳极913具有负电位。这导致电流从阳极913流动至晶片907，且电化学还原反应(例如Cu2++2e-＝Cu0)发生在晶片表面(阴极)上，从而导致在晶片的表面上的导电层(例如铜)的沉积。惰性阳极914可以被安装在电镀浴903内的晶片907下面，并通过膜915与晶片区分离。
该设备还可以包括用于将电镀液的温度保持在特定水平的加热器945。电镀液可用于将热传递到镀浴中的其它元件。例如，当晶片907被装入到镀浴中时，加热器945和泵917可以接通，以使电镀液通过电镀设备901循环，直到在整个设备中的温度变得大致均匀为止。在一个实施方案中，加热器连接到系统控制器947。系统控制器947可以被连接到热电偶以接收在电镀设备内的电镀液温度的反馈并确定对于额外的加热的需求。
控制器通常会包括一个或多个存储器设备和一个或多个处理器。该处理器可以包括CPU或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、步进电机控制器板等等。在某些实施方案中，控制器控制电镀设备的所有活动。可以将包含根据本文的实施方案的用于控制过程操作的指令的非暂时性机器可读介质耦合到系统控制器上。
通常会存在与控制器947相关联的用户界面。用户界面可以包括显示屏幕、设备和/或处理条件的图形软件显示器和用户输入设备，诸如指针设备、键盘、触摸屏、麦克风等。用于控制电镀处理的计算机程序代码可以用任何常规的计算机可读编程语言写入，该计算机可读编程语言例如，汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran或其它。编译后的目标代码或脚本由处理器执行以执行在程序中识别的任务。可以根据本文的实施方案使用的镀覆设备的一个示例是Lam Research Sabre工具。可以在形成较大电沉积设备的部件中执行电沉积。
图10示出了示例性电沉积设备的俯视示意图。电沉积设备1000可以包括三个独立的电镀模块1002、1004和1006。电沉积设备1000还可以包括被配置用于各种处理操作的三个独立的模块1012、1014和1016。例如，在一些实施方案中，模块1012、1014和1016中的一个或多个可以是旋转漂洗干燥(SRD)模块。在其它实施方案中，模块1012、1014和1016中的一个或多个可以是后电填充模块(PEM)，每个被配置成在衬底已经通过电镀模块1002、1004和1006中的一个处理后，对衬底执行操作，诸如倒角边缘去除、背面蚀刻和酸清洁。
电沉积设备1000包括中央电沉积室1024。中央电沉积室1024是容纳用作电镀模块1002、1004和1006中的电镀液的化学溶液的室。电沉积设备1000还包括配料系统1026，配料系统1026可以存储和输送用于电镀液的添加剂。化学稀释模块1022可以存储和混合拟被用作蚀刻剂的化学品。过滤和抽排单元1028可以过滤中央电沉积室1024的电镀液，并将其泵送至电镀模块。
系统控制器1030提供操作电沉积设备1000所需的电子和界面控件。系统控制器1030(其可以包括一个或多个物理或逻辑控制器)控制电镀设备1000的属性的部分或全部。
用于监控处理的信号可以通过系统控制器1030的模拟和/或数字输入连接件从各种处理工具传感器提供。用于控制处理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实施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处理条件。
传递(hand-off)工具1040可以从诸如盒1042或盒1044之类的衬底盒选择衬底。盒1042或1044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1040可以使用真空附着件或一些其它附连机构保持衬底。
传递工具1040可以与晶片装卸站1032、盒1042或1044、传输站1050或对准器1048连接。传递工具1046可以从传送站1050获得衬底。传送站1050可以是狭槽或位置，传递工具1040和1046可以往来于传送站1050传送衬底而不通过对准器1048。然而，在一些实施方案中，为了确保在衬底适当地对准传递工具1046以精确地传送到电镀模块，传递工具1046可以使衬底与对准器1048对准。传递工具1046也可以将衬底传送到电镀模块1002、1004或1006中的一个，或传送到被构造成用于各种处理操作的三个独立模块1012、1014和1016中的一个。
根据上述方法的处理操作的示例可以如下进行：(1)将铜或另一种材料电沉积到电镀模块1004中的衬底上；(2)在模块1012的SRD中冲洗并干燥衬底；以及(3)在模块1014中执行边缘斜角去除。
被配置为使得衬底能顺序地通过电镀、漂洗、干燥和PEM处理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1012可以被配置成为旋转漂洗干燥机和倒角边缘移除室。利用这样的模块1012，衬底将只需要在电镀模块1004和模块1012之间进行传送以进行镀铜和EBR操作。在一些实施方案中，本文描述的方法将在包括电镀设备和步进器的系统中实现。
图11示意性示出了电沉积设备1100的一替代实施方案。在本实施方案中，电沉积设备1100具有成组的电镀槽1107，每个包含成对的或多个“二重”配置的电镀浴。除了电镀本身以外，电沉积设备1100还可以执行各种其它的电镀相关的处理和子步骤，诸如例如旋转漂洗、甩干、金属和硅润湿蚀刻、无电沉积、预润湿和预化学处理、还原、退火、电蚀刻和/或电抛光、光致抗蚀剂剥离以及用预加速剂溶液进行的表面预活化。在图11中，电沉积设备1100被示为示意性地自上而下看，只有单一的水平层或“底板”显露在图中，但本领域普通技术人员应当很容易地理解的是，这种设备，例如，Lam的SabreTM 3D工具可以具有上下“堆叠”的两个或多个水平层，每层可能具有相同或不同类型的处理站。
再次参见图11，拟被电镀的衬底1106通常通过前端装载FOUP1101供给到电沉积设备1100，并且在这个实施例中，经由前端机器手1102从FOUP带到电沉积设备1100的主衬底处理区域，前端机器手1102可以缩回并将由主轴1103在多个维度驱动的衬底1106从可访问站中的一个站移动到另一个站，在该实施例中，示出了两前端可访问站1104以及两前端可访问站1108。前端可访问站1104和1108可以包括例如预处理站和旋转漂洗干燥(SRD)站。从前端机器手1102的一侧到另一侧的横向运动利用机器手轨道1102a来实现。衬底1106中的每一个可以由通过连接到马达(未示出)的主轴1103驱动的杯状物/锥体组件(未示出)来保持，马达可以附着到安装托架1109上。在本实施例中还示出了四个“二重”的电镀槽1107，总共八个电镀槽1107。系统控制器(未示出)可以耦合到电沉积设备1100，以控制电沉积设备1100的属性中的部分或全部。系统控制器可被编程或以其它方式被配置成根据本文前面描述的处理来执行指令。
系统控制器
在一些实现方案中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述实施例的一部分。这种系统可以包括半导体处理设备，该半导体处理设备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处理，包括控制处理气体输送、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、控制操作、启用清洁操作、启用端点测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处理步骤的配方(recipe)的一部分。
在一些实现方案中，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处理或者开始新的处理。在一些实施例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供处理配方，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处理步骤的参数。应当理解，参数可以针对将要执行的处理类型以及工具类型，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，本文所述的处理和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的实施例可以是与结合以控制室上的处理的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。
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，取决于工具将要执行的一个或多个处理步骤，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、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。
图12描绘了一种电镀设备的简化横截面视图。设备包括电镀槽1201，其中衬底1202定位于衬底保持器1203中。衬底保持器1203通常被称为杯，并且其可以在其外围支撑衬底1202。阳极1204定位在电镀槽1201的底部附近。阳极1204通过由膜框架1206支撑的膜1205与衬底1202分离。膜框架1206有时被称为阳极室膜框架，因为其限定容纳阳极的阳极室的顶部。此外，阳极1204通过离子阻性元件1207与衬底1202分离。离子阻性元件1207包括开口，该开口允许电解液行进通过离子阻性元件1207以撞击在衬底1202上。前侧插入件1208定位在离子阻性元件1207上方，靠近衬底1202的外围。前侧插入件1208可以是环形的，并且在方位角上可以是不均匀的，如图所示。前侧插入件1208有时也称为横流限制环。
阳极室1212在膜1205下方，并且是在阳极1204所在的位置。离子阻性元件歧管1211在膜1205上方且在离子阻性元件1207下方。可以与冲洗槽1240连接的入口1216将阴极电解液输送至离子电阻元件歧管1211，并可以在电镀期间起到冲洗膜1205的作用。在该示例中，入口1216与冲洗槽1240由穿过阴极电解液入口1218的电解液供给。横流歧管1210在离子阻性元件1207上方且在衬底1202下方。横流歧管的高度被认为是在衬底1202和离子阻性元件1207的平面之间的距离(不包括离子阻性元件1207的上表面上的肋1215，如果肋存在的话)。在某些情况下，横流歧管的高度可能在约1mm至4mm之间，或者在约0.5mm至15mm之间。横流歧管1210在其侧面上由前侧插入件1208限定，前侧插入件1208用于将横流电解液容纳在横流歧管1210内。横流歧管1210的侧入口1213在方位角上与横流歧管1210的侧出口1214相对地设置。侧入口1213和侧出口1214可以至少部分地由前侧插入件1208形成。如在图12中的箭头所示，电解液从阴极电解液入口1218行进通过侧入口1213，进入横流歧管1210，并流出侧出口1214。此外，电解液可以行进通过一个或多个入口到达离子阻性元件歧管1211(例如冲洗槽1240的入口和/或其他入口)，进入离子阻性元件歧管1211，通过离子阻性元件1207中的开口，进入横流歧管1210，并从侧出口1214流出。电解液在通过侧出口1214之后，溢出堰壁1209。电解液可以被回收和再循环。
在某些实施方案中，离子阻性元件1207使得在衬底(阴极)附近的电流源近似于几乎恒定且均匀，并且因此可以被称为高电阻虚拟阳极(HRVA)或在某些情况下称为离子通道电阻元件(CIRP)。通常，将离子阻性元件1207相对于晶片紧邻放置。相反，与衬底有相同的紧邻程度的阳极将明显不大可能向晶片提供几乎恒定的电流，而将仅在阳极金属表面上支撑恒定的电位平面，从而使得在从阳极平面到端点(例如，到晶片上的外围接触点)的净电阻较小的情况下电流最大。因此，尽管将离子阻性元件1207称为高电阻虚拟阳极(HRVA)，但这并不意味着两者在电化学上是可互换的。在某些操作条件下，离子阻性元件1207将更紧邻虚拟均匀电流源，并且可能更好地描述为虚拟均匀电流源，而几乎恒定的电流从离子阻性元件1207的整个上平面提供。
离子阻性元件1207包含微尺寸(通常小于0.04”)通孔，所述通孔在空间上和离子上彼此隔离，并且在许多但不是所有的实现方式中不会在离子阻性元件的主体内形成互连通道。这样的通孔通常被称为非连通通孔。它们通常沿一维延伸，通常但不一定垂直于晶片的镀覆表面(在一些实施方案中，非连通孔相对于晶片成一定角度，该晶片通常平行于离子阻性元件的前表面)。通常，通孔彼此平行。通常，通孔以正方形阵列布置。其他时候，布局呈偏移螺旋图案形式。这些通孔与3-D多孔网络(其中的通道在三个维度上延伸并形成相互连接的孔结构)不同，因为通孔可重组平行于其中的表面的离子电流和(在某些情况下)流体流，并使电流和流体流向晶片表面的路径变直。然而，在某些实施方案中，具有互连的孔网络的这种多孔板可以用作离子阻性元件。当从板的顶表面到晶片的距离较小时(例如，间隙大约为晶片半径的大小的1/10，例如小于约5mm)，电流和流体流的发散都受到离子阻性元件通道局部限制、被赋予离子阻性元件通道并与离子阻性元件通道对齐。
一个示例性离子阻性元件1207是由固体、无孔的具有离子阻性和电阻性的介电材料制成的圆盘。该材料在使用的镀液中也是化学稳定的。在某些情况下，离子阻性元件1207由陶瓷材料(例如，氧化铝、氧化锡、氧化钛或金属氧化物的混合物)或塑性材料(例如，聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯等)制成，具有介于约6,000-12,000之间的不连通的通孔。在许多实施方案中，离子阻性元件1207与晶片基本上共延伸(例如，当与300mm晶片一起使用时，离子阻性元件1207具有约300mm的直径)，并且紧邻晶片(例如，在晶片面朝下的电镀设备中的晶片正下方)放置。优选地，晶片的经镀覆表面位于最接近的离子阻性元件表面的约10mm之内，更优选地在约5mm之内。为此，离子阻性元件1207的顶表面可以是平坦的或基本平坦的。离子阻性元件1207的顶表面和底表面两者通常都是平坦的或基本平坦的。然而，在许多实施方案中，离子阻性元件1207的顶表面包括一系列线性肋，如下文进一步描述的。
如上所述，板1207的总离子和流动阻力取决于板的厚度以及总孔隙率(可用于流过板的面积的比例)和孔的尺寸/直径。孔隙率较低的板将具有较高的撞击流速和离子电阻。比较具有相同孔隙率的板，具有较小直径的1-D孔(因而有更多数量的1-D孔)的板将使得在晶片上具有更微级均匀的电流分布，因为存在更多的单独电流源，其充当可以散布在同一间隙上的更多的点源，并且总压降也将更高(高粘性流阻)。
在一些情况下，离子阻性元件1207的约1-10％是离子电流可以通过的开口区域(如果没有其他元件阻塞开口，则是电解液可以通过的开口区域)。在特定实施方案中，约2-5％的离子阻性元件1207是开口区域。在特定示例中，离子阻性元件1207的开口区域为约3.2％，有效的总开口截面面积为约23cm2。在一些实施方案中，在离子阻性元件1207中形成的非连通孔具有约0.01至0.08英寸的直径。在某些情况下，孔的直径为约0.02至0.03英寸，或在约0.03-0.06英寸之间。在各种实施方案中，孔的直径最大为离子阻性元件1207与晶片之间的间隙距离的约0.2倍。这些孔的横截面通常是圆形的，但不是必须的。此外，为了简化构造，离子阻性元件1207中的所有孔可以具有相同的直径。然而，不必是这种情况，并且孔的单个尺寸和局部密度都可以在离子阻性元件的整个表面上变化，这具体取决于特定的要求。
图12所示的离子阻性元件1207包括延伸到页面内/延伸出页面的一系列线性肋1215。肋1215有时被称为突起。肋1215定位于离子阻性元件1207的顶表面上，并且在许多情况下其定位成使得其长度(例如，它们的最长尺寸)垂直于横流电解液的方向。在特定实施方案中，肋1215可以被定位成使得它们的长度平行于横流电解液的方向。肋1215影响横流歧管1210内的流体流动和电流分布。例如，电解液的横流主要被限制在肋1215的顶表面上方的区域，从而在该区域中产生高速率的电解液横流。在相邻的肋1215之间的区域中，通过离子阻性元件1207向上传送的电流在被传送到衬底表面之前被重新分配，变得更加均匀。
在图12中，横向流动的电解液的方向是从左到右(例如，从侧入口1213到侧出口1214)，并且肋1215被定位成使得它们的长度延伸到页面内/页面外。在某些实施方案中，肋1215的宽度(在图12中从左至右测量)可以在约0.5mm至1.5mm之间，或者可以在约0.25mm至10mm之间。肋1215的高度(在图12中按上下方向测量)可以在约1.5mm至3.0mm之间，或者在约0.25mm至7.0mm之间。肋1215的高度与宽度的高宽比(高度/宽度)可以在约5/1至2/1之间，或者在约7/1至1/7之间。肋1215的节距可以在约10mm至30mm之间，或者可以在约5mm至150mm之间。肋1215可以具有可变的长度(进/出在图12的页面的方向进行测量)，该可变的长度延伸跨越离子阻性元件1207的表面。肋1215的上表面与衬底1202的表面之间的距离可以是介于约1mm至4mm之间，或介于约0.5mm至15mm之间。肋1215可以设置在与衬底约共同延伸的区域上，如图12所示。离子阻性元件1207中的通道/开口可以定位在相邻的肋1215之间，或者它们可以延伸穿过肋1215(换句话说，肋1215可以被导通或可以不导通)。在一些其他实施方案中，离子阻性元件1207可以具有平坦的上表面(例如，不包括肋1215)。图12所示的包括在其上具有肋的离子阻性元件的电镀设备在名称为“ENHANCEMENT OF ELECTROLYTEHYDRODYNAMICS FOR EFFICIENT MASS TRANSFER DURING ELECTROPLATING,”的美国专利No.9,523,155中进一步讨论，其通过引用全文并入本文。
该设备可以包括特定应用所需的各种附加元件。在一些情况下，可以在横流歧管内靠近衬底的外围设置边缘流动元件。边缘流动元件的形状和位置可以被设置成促进在衬底的边缘附近的高度的电解液流动(例如，横流)。在某些实施方案中，边缘流动元件可以是环形或弧形的，并且可以是方位角上均匀的或不均匀的。边缘流动元件在2015年10月27日提交的名称为“EDGE FLOW ELEMENT FOR ELECTROPLATING APPARATUS”的美国专利申请No.14/924,124中进一步讨论，其通过引用全文并入本文。
在某些情况下，该设备可以包括用于临时密封横流歧管的密封构件。密封构件可以是环形或弧形的，并且可以被定位成靠近横流歧管的边缘。环形密封构件可密封整个横流歧管，而弧形密封构件可对横流歧管的一部分进行密封(在某些情况下，侧出口保持打开状态)。在电镀期间，密封构件可以重复地接合和分离，以密封和拆封横流歧管。可以通过移动衬底保持器、离子阻性元件、前侧插入件或设备的与密封构件接合的其他部分来接合和分离密封件。在以下美国专利申请中进一步讨论了密封构件和调节横流的方法：2016年8月1日提交的名称为“DYNAMIC MODULATION OF CROSS FLOW MANIFOLD DURINGELECTROPLATING”的美国专利申请No.15/225,716；和2016年5月20日提交名称为“DYNAMICMODULATION OF CROSS FLOW MANIFOLD DURING ELECTROPLATING”的美国专利申请No.15/161,081，所述专利文献中的每一个均通过引用全文并入本文。
在各种实施方案中，可提供一个或多个电解液射流以将额外的电解液输送到离子阻性元件上方。电解液射流可在接近衬底的外围或在更靠近衬底的中心的位置处或两者上输送电解液。电解液射流可在任何位置上取向，并且可以输送横流的电解液、撞击的电解液或其组合。电解液射流在2017年3月9日提交的名称为“ELECTROPLATING APPARATUS ANDMETHODS UTILIZING INDEPENDENT CONTROL OF IMPINGING ELECTROLYTE”的美国专利申请No.15/455,011中进一步描述，该专利申请通过引用全文并入本文。
应用
本文所述的处理可在制造具有多种尺寸特征(包括不同尺寸、关键尺寸、形状及布局密度的铜线、重布线(RDL)及柱)的各种包装互连件期间用于填充贯穿掩模特征。这样的柱可包括：微型柱、标准柱及整合高密度扇出(HDFO)及巨型柱。平均特征深度可显著地变化，例如，从约20至70μm或约50μm。在一些实施方案中，特征深度可为至少约5μm，例如对于RDL，或约270μm，例如巨型柱。特征宽度(或基本上为圆柱形特征的示例中的直径)可显著地变化，例如，从约5μm(RDL)至约200μm(巨型柱)。一些公开的方法对电镀较大特征(例如宽度约100-300μm的特征)可能特别有用。例如，可在制造具有宽度为200μm数量级的多个巨型柱的衬底期间使用该方法。在一些实施方案中，特征具有至少约10至约100μm的平均宽度。特征的深宽比可以变化，在一些实施方案中约1:2(高度比宽度)至2:1、约1:2至10:1、以及更大。一些公开的方法对高深宽比的特征特别有用，例如约4:1以及更大。另外，所提供的方法对含有不同尺寸特征的衬底是有用的。例如，衬底可含有具有第一宽度的第一特征及具有第二宽度的特征，第二宽度是第一宽度的至少约1.2倍，例如至少1.5倍、或至少2倍。鉴于这种衬底的金属厚度分布的可变性，具有独立特征和/或具不同宽度的特征的衬底明显受益于这些公开的方法。
对比于上述将晶片切成单个的电路(称为“管芯”)，接着对其封装的常规晶片制造处理，WLP涉及IC仍是晶片一部分时的封装。在WLP应用中经常是高度期望在柱(例如，其由金属所制成)的WID、WIW及WIF方面保持严格的均匀性，例如保持目标均匀性小于约1μm共平面性。
结论
在前文的描述中，阐述了若干具体细节，以对所呈现的实施方案提供透彻理解。可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践本文所公开的实施方案。在其他情况中，不再详细描述已知处理操作，以免不必要地使所公开的实施方案难以理解。
尽管已为了清楚理解的目的而详述了前述实施方案，但显而易见，可在所附权利要求的范围内实施某些变更及修改。应注意，实施本发明的实施方案的处理、系统以及设备有许多替代方式。因此，应将本发明的实施方案视为说明性的，而非限制性的，且这些实施方案不应受限于本说明书中所提及的细节。

Claims (37)

1.一种电镀金属至衬底的特征中的方法，所述衬底包括部分制成的电子装置，其具有在金属晶种层上的光致抗蚀剂层中的特征，所述方法包括：
(a)将衬底的表面暴露于包含加速剂化合物的预加速溶液；
(b)将所述衬底的至少所述表面浸入包含所述金属的离子、抑制剂和整平剂的电镀溶液，相对于所述衬底表面的较凹陷区域，所述整平剂的类型是降低所述衬底表面的较暴露区域的镀覆速率；
(c)在所述衬底的所述表面浸入所述电镀溶液中时，将所述金属电镀至所述特征中，以部分地填充所述特征；以及
(d)将所述衬底从所述电镀溶液移走，其中当由上往下观看所述衬底时，所述光致抗蚀剂层中的所述特征具有不同深度、不同负载、不同形状和/或不同关键尺寸、及其组合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在(a)中所述衬底的所述表面变成被所述加速剂化合物布满。
3.根据权利要求1所述的方法，其中相对于所述衬底表面的较凹陷区域，所述整平剂通过以下方式降低所述衬底表面的较暴露区域的镀覆速率：相对于所述衬底表面的较凹陷区域，极化所述衬底表面的较暴露区域处的沉积；或相对于所述衬底表面的较凹陷区域，降低所述衬底表面的较暴露区域处所述加速剂化合物的去极化作用。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述整平剂通过在以下测试中产生电化学响应来进行表征：
(i)使具有已知浓度的所述整平剂的测试溶液接触基本上被所述加速剂化合物布满的测试电极的金属表面；
(ii)在具有所述已知浓度的所述整平剂的所述测试溶液中镀覆所述测试电极时，测量所述电化学响应；以及
(iii)确定所述电化学响应具有至少阈值幅值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述测试溶液具有介于约0.1与约50ppm之间的已知浓度的整平剂。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述测试溶液具有介于约1与约25ppm之间的已知浓度的整平剂。
7.根据权利要求4所述的方法，其中所述测试电极为旋转盘电极。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属为铜。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述预加速溶液包括0.05至10g/L的在去离子水或弱酸中的加速剂化合物。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述加速剂化合物是巯基磺酸化合物或二巯基磺酸化合物。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述加速剂化合物选自由巯基丙磺酸、二巯基丙磺酸、巯基乙磺酸、二巯基乙磺酸和双-(3-磺丙基)-二硫化物所组成的群组。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述电镀溶液未包含加速剂或包含浓度小于约1ppm的加速剂。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述电镀溶液中的所述整平剂选自由聚乙烯亚胺、聚酰胺基胺、二烷基胺、三烷基胺、芳烷基胺、三唑、咪唑、四唑、苯并咪唑、苯并三唑、哌啶、吗啉、哌嗪、吡啶、噁唑、苯并噁唑、嘧啶、喹啉、异喹啉和表卤代醇所组成的群组。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述电镀溶液中的所述抑制剂选自由聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚丙二醇和聚环氧丙烷所组成的群组。
15.根据权利要求1所述的方法，其中将衬底的所述表面暴露于包含加速剂化合物的所述预加速溶液是在第一室中执行，且其中将所述金属电镀至所述特征中以部分地填充所述特征是在第二室中执行。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在将衬底的所述表面暴露于包含加速剂化合物的所述预加速溶液时，所述第一室是在低于大气压的压强下操作。
17.根据权利要求1所述的方法，其中在(c)期间形成金属柱，其顶表面偏离共平面性小于(c)中所述电镀之前的所述特征的底表面。
18.根据权利要求1所述的方法，其中在(c)所述电镀期间形成柱，其非均匀性小于(c)中所述电镀之前所述光致抗蚀剂层中的所述特征。
19.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
在所述光致抗蚀剂层中的所述特征被完全填充之前，停止在(c)中电镀金属；
将所述衬底的至少所述表面浸入包含所述金属的离子和添加剂组合物的第二电镀溶液中，所述添加剂组合物不同于(b)和(c)中所使用的电镀溶液中的组合物；以及
在使所述特征接触第二电镀溶液时，将更多所述金属电镀至所述光致抗蚀剂层中的所述特征中，以进一步填充所述特征。
20.根据权利要求19所述的方法，其中第二电镀溶液包括比在(b)和(c)中所使用的所述电镀溶液中所存在的整平剂和加速剂更大浓度的整平剂和加速剂。
21.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
在所述光致抗蚀剂层中的所述特征被完全填充之前，停止在(c)中电镀所述金属；
再次将衬底的所述表面暴露于所述预加速溶液，并使部分电镀有所述金属的所述衬底的所述表面变成基本上被布满所述加速剂化合物；以及
使用第二电镀溶液，将额外金属电镀至所述光致抗蚀剂层中的所述特征中。
22.根据权利要求1所述的方法，其中(c)中的所述电镀产生金属柱，其为晶片级封装的部件。
23.根据权利要求22所述的方法，其还包括在所述金属柱与锡银组合物之间形成触点。
24.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底上的所述光致抗蚀剂层中的所述特征为孔，且其中操作(c)中电镀所述金属是在所述孔中形成金属柱。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述孔的基底包含导电晶种层。
26.根据权利要求1所述的方法，其中所述光致抗蚀剂层中的所述特征具有至少约20至70μm的平均深度。
27.根据权利要求1所述的方法，其中所述光致抗蚀剂层中的所述特征具有至少约5μm的平均深度。
28.根据权利要求1所述的方法，其中所述光致抗蚀剂层中的所述特征具有最多约270μm的平均深度。
29.根据权利要求1所述的方法，其中所述光致抗蚀剂层中的所述特征具有至少约10至100μm的平均宽度。
30.根据权利要求1所述的方法，其中所述光致抗蚀剂层中的所述特征在最深特征与最浅特征之间具有至少约5微米的深度差。
31.根据权利要求1所述的方法，其中所述光致抗蚀剂层中的最浅特征比所述光致抗蚀剂层中的最深特征短至少约5％。
32.根据权利要求1所述的方法，其中所述光致抗蚀剂层中的最浅特征比所述光致抗蚀剂层中的最深特征短至少约10％。
33.根据权利要求1所述的方法，其中所述光致抗蚀剂层中的至少一些所述特征具有介于约1:2与10:1之间的深宽比。
34.根据权利要求1所述的方法，其中在(c)中的电镀期间，最深特征在所述电镀溶液中具有厚度小于约50微米的质量传输边界层。
35.根据权利要求1所述的方法，其中在(c)中的电镀期间，所述衬底表面附近的流体速度介于约0.1与1.0m/s之间，且所述流体流至少部分为层流。
36.根据权利要求1所述的方法，其中在(c)中的电镀期间，整平剂扩散至浅特征快于扩散至深特征，从而相比于深特征，降低了浅特征中的电镀速率。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述深特征中的至少一者比所述浅特征的至少一者深至少5％。
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