CN114630927A - 用于基底的化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对基底进行化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统、一种用于在工艺流体中对基底进行化学和/或电解表面处理的模块、一种用于金属沉积应用的电化学沉积系统或化学和/或电解表面处理模块的用途、以及一种用于对基底进行化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统的制造方法。所述电化学沉积系统包括阳极、阳极外壳和单一电解液。阳极外壳至少部分地围绕阳极延伸。阳极外壳包括膜。阳极和阳极外壳被放置在单一电解液中。单一电解液是电化学沉积系统的唯一电解液。

Description

用于基底的化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统

技术领域

本发明涉及一种用于对基底进行化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统、一种用于在工艺流体中对基底进行化学和/或电解表面处理的模块、一种用于金属沉积应用的电化学沉积系统或化学和/或电解表面处理模块的用途、以及这种电化学沉积系统的制造方法。本发明特别涉及到铜的电化学沉积。

背景技术

自20世纪90年代末采用以来，镀铜一直是实现先进集成的关键技术，具有更好的导电和导热性能。最初用于中央处理器(central processing units)，后来用于存储器，然后用于封装和MEMs应用。其成功的主要驱动力之一是开发和采用有机添加剂，使电镀得到更好的控制，并精确地以所需的方式和位置进行(例如，在所谓的通孔中从下往上)，并允许完整的、无空洞的填充，最终实现光滑的表面处理。随着特征尺寸的缩小，通孔深宽比(aspect ratios)的增加，化学成本的上升，以及基底制造产量的增加，人们不断需要开发一种方法，以减少工艺和设备的复杂性，减少工具的停机时间，并在相同的化学和工艺稳定性下降低拥有成本(如化学消耗)。

就电化学沉积化学而言，运行所述工艺的主要成本因素分为工艺时间内的消耗和空闲时间内的消耗。这里调查的因素是金属离子(即铜)和有机添加剂的浓度，它们都增加了工艺的大量成本。此外，随着不同装置的不断出现，电化学沉积工艺不断得到进一步发展，以支持更高的深宽比和更深的通孔，以及急剧缩小的特征尺寸来支持各种金属层水平。这也刺激了完成电化学沉积工艺所需的先进有机添加剂的进一步发展。有机添加剂的一个缺点是，在电化学沉积过程中，甚至在工具的空闲时间内，它们的消耗率相对较高，因为当它们暴露在电解沉积过程的某些副产品中，特别是在阳极或多个阳极周围，以及与高阳极电流直接接触时，它们会被分解。这导致浴槽(bath)寿命缩短，在许多情况下导致工艺不稳定，当然还有高的工艺拥有成本。由于与这些有机添加剂有关的成本很高，因此很快就在研究减少有机物消耗量的方法。对工艺结果的另一个主要缺点和危险来自于这样一个事实，即有机添加剂的分解通常是一个氧化过程，通常会导致气泡的形成(如二氧化碳气泡)，在工艺过程中，这些气泡会接近并接触到基底，并在电解沉积过程中造成重大干扰。因此，沉积的均匀性和沉积层的质量会受到很大影响。另外，在电解液中形成的气泡会阻碍甚至阻断电解液的流经所谓的电解液和电流分配系统，通过降低某些地方的沉积率，有时甚至提高其他地方的沉积率，再次导致重大的沉积均匀性挑战。

在现有技术中发现的一个解决方案是引入由离子专用膜隔开的双电解液系统。这允许使用不含有机添加剂的电解液在阳极周围循环，而在阳极发生大量不需要的降解。这种无添加剂的电解液主要负责保证从阳极穿过离子专用膜到阴极的连续电流。然而，这种设置的一个主要缺点是，质子可以穿过这层膜，并导致严重的沉积问题。因此，为了避免质子穿过膜而不是铜穿过膜而降低电镀效率，阳极电解液的pH值通常必须保持得更高，这就需要使用至少具有两种不同类型的电解液的多个化学槽，从而进一步增加了系统的成本和复杂性，使沉积系统的控制和维护非常具有挑战性。

此外，现有技术中的这种双电解液方案为反向脉冲电镀的应用增加了一个主要的缺点，而反向脉冲电镀是对不友好特征进行均匀电镀的一个有用功能。利用这种双电解液的方法进行反向脉冲电镀，将迫使质子浓度在两种电解液中达到平衡，并以此再次限制了电镀效率，而这本应由这种解决方案来解决。此外，电镀率受到离子选择膜对铜离子穿透的固有阻力的限制，这在大马士革或双大马士革电镀中可能不是一个主要的障碍，但在高速电镀(high speed plating)应用中，如晶圆级封装的铜重分布层和铜柱，则是非常有问题的。

US 2005/087439 A1披露了用于电化学处理微特征工件的腔室、系统和方法。一个电化学沉积腔室包括加工单元，所述加工单元包括第一流动系统，被配置为将第一工艺流体的流量输送到微特征工件。所述腔室还包括电极单元，所述电极单元具有电极和第二流动系统，所述系统被配置为至少在靠近电极的地方输送第二工艺流体的流量。腔室还包括加工单元和电极单元之间的无孔屏障，以分离第一和第二工艺流体。无孔屏障被配置为允许阳离子或阴离子在第一和第二工艺流体之间流过屏障。

发明内容

因此，可能需要提供一种改进的电化学沉积系统，用于基底的化学和/或电解表面处理，特别是比现有技术的系统更简单。

该问题通过本发明独立权利要求的主题得到了解决，其中进一步的实施方案被纳入从属权利要求中。应当指出的是，以下描述的本发明的各个方面也适用于用于基底的化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统、用于在工艺流体中对基底进行化学和/或电解表面处理的模块、用于金属沉积应用的电化学沉积系统或化学和/或电解表面处理模块的用途、以及用于基底的化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统的制造方法。

根据本发明，提出了一种用于基底的化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统。所述电化学沉积系统包括阳极、阳极外壳和单一电解液。

所述阳极外壳至少部分地围绕阳极延伸。阳极外壳包括膜。

阳极和阳极外壳被放置在单一电解液中。单一电解液是电化学沉积系统的唯一电解液。

只使用一种电解液可以简化分析技术、浴槽和系统维护，还可以消除购买、监测和丢弃不同电解液混合物的额外成本。此外，还可以避免使用化学性质明显不同的电解液的多个化学槽，这可以降低成本以及降低系统的复杂性。因此，提供了一个巧妙而简单的电化学沉积系统。

本公开实施例的电化学沉积系统可允许减少有机添加剂的消耗和相关成本。这一优势可以在保持最佳工艺条件和工艺稳定性的同时实现。本公开实施例的电化学沉积系统在空闲时间内可以没有有机添加剂的消耗，而在加工时间内有正常的消耗。术语“正常”可以理解为与传统系统相当，因为在加工过程中一定程度的添加剂消耗或多或少是不可避免的。

本公开实施例的电化学沉积系统尤其适用于高速电镀。高速电镀可以被理解为一种系统或方法，其中一个或两个高速板与一个或两个基底一起被浸入含有电解液和一个或几个阳极的电化学沉积槽。在这个充满电解液的槽中，电解液流(以及随之而来的电流分布)通过高速板被引向基底表面。

根据本发明的电化学沉积系统，也可以通过例如反向脉冲电镀的方式进行复杂特征的电镀，并且仍然具有良好的电镀效率。

基底可以包括导体板、半导体基底、薄膜基底、以及基本上是板状的、金属或金属化的工件或类似物。基底可以被固定在基底支架上。

电解液可以理解为提供电解液功能的液体。单一电解液是电化学沉积系统的唯一电解液。这意味着只有一种电解液，而不是两种或多种不同的电解液。这与现有技术的系统不同，后者使用两种不同的电解液。因此，可以只有一个化学循环系统，而不是像现有技术系统有两个独立的循环系统用于不同的电解液。

阳极可以理解为提供阳极功能的一个固态体或多个体。

阳极外壳可以被理解为容纳阳极的外壳。阳极外壳至少部分地围绕着阳极延伸。这可以理解为，阳极外壳形成围绕阳极的杯状容器。杯状容器包括(像一个杯子)侧壁、底壁和与底壁相对的顶部开口。

在横截面上，侧壁可以是平行的(像圆柱体)或向底部或顶部渐变(像圆锥体)。侧壁可以完全或至少部分地包围阳极。这意味着在俯视图中，侧壁可以是完整的360°圆或至少有一个中断的开放圆。360°圆也可以理解为描述的不是圆形，而是由角和直线所组成的正方形、长方形、梯形或其他本领域技术人员已知的可以支持所需的功能的形状。杯状容器顶部的开口可能至少部分地被膜覆盖，这意味着膜可以延伸到阳极外壳的开口上。阳极外壳可以包括(在俯视图中)环形的盖板元件，它可以减少开口的直径，从而减少膜的直径。阳极外壳可以进一步包括至少一个用于为阳极提供电气连接的通道，至少一个用于供应电解液的通道，至少一个作为排放例如气泡的通风管道的通道等。此外，盖板元件可以包括通道，作为排放例如气泡等的通风管道。盖板元件的通道可以通向阳极外壳的通道。

阳极和阳极外壳被放置在单一电解液中。这可以理解为，阳极和阳极外壳完全或至少部分地浸泡在电解液中，或通过例如喷涂等方式受到电解液的影响。

阳极外壳包括膜。术语“膜”可以理解为一种选择性的屏障，它允许某些部分(小分子、离子、其他小颗粒等)通过，但阻止或至少减少其他部分的通过。

阳极、阳极外壳和单一电解液被放置在电化学沉积槽或工艺腔室中。槽壁可以包括用于电解液、气体通风等的通道。槽可以被基底(例如在基底支架中)和/或分配体覆盖或封闭。

本发明可能涉及到铜的电化学沉积。本公开实施例的电化学沉积系统可以使铜的沉积取得非常好的效果，特别是铜大马士革沉积和铜双大马士革沉积。大马士革沉积将在下面进一步解释。本公开实施例的电化学沉积系统也可以实现铜的高速电镀。

在一个实施方案中，阳极是惰性的。术语“惰性”可以理解为没有化学反应性。惰性阳极的优点是不需要进行阳极更换维护，因为沉积材料可以直接作为溶液注入电解液中。此外，将液体沉积材料直接注入电解液以补充消耗的沉积材料的成本是适中的，与使用消耗性固体沉积材料作为可溶性阳极的成本相当。

阳极外壳可以部分或完全围绕阳极延伸。在一个实施方案中，阳极外壳被布置成分流器。分流器可以被理解为一个形状为引导流动的主体。分流器被配置为引导沉积过程中形成的气体远离待处理的基底。分流器因此可以处理电镀过程中在阳极形成的气泡，否则这将导致基底表面产生的气泡缺陷。换句话说，分流器被配置为将气泡重新定向到它们可以被排出而不会在基底上造成缺陷，从而保护基底，并因此实现更好的沉积均匀性和沉积层质量。

在一个实施方案中，膜相对于阳极是倾斜的。这可以理解为膜的表面与阳极的表面不平行。膜相对于阳极可以有5°到60°的角度，优选5°到45°，更优选5°到30°。倾斜可以通过将膜固定在不同高度的阳极外壳或盖板元件上，或者通过提供不同高度的阳极外壳或盖板元件的侧壁并将膜放在阳极外壳或盖板元件的顶部来实现。

在一个实施方案中，所述膜是双向液体渗透膜。这意味着所述膜可以允许某些分子或离子通过扩散通过，但会阻止或至少减少其他分子的通过。这种功能可以适用于两个方向，即从第一面到第二面、以及从第二面到第一面。所述膜旨在用于液体或潮湿的环境中。这里的膜对于化学物质来说是可渗透的，但是对于气泡之类的物质来说是不可渗透的。所述膜可以被理解为半渗透性的。双向液体渗透膜或外壳可以进一步减少有机添加剂的消耗和相关成本。在一个实施方案中，双向液体渗透膜是非离子型的。这可以理解为该膜适用于各种离子，因此不需要切换不同的操作模式。在一个实施方案中，双向液体渗透膜由聚合物制成，特别是由聚丙烯制成。此外，其他塑料材料也是可能的。

根据本发明公开实施例，还提出了一种在工艺流体中对基底进行化学和/或电解表面处理的模块。用于在工艺流体中对基底进行化学和/或电解表面处理的模块包括如上所述的电化学沉积系统和分配体。分配体被放置在电化学沉积系统的电解液中，包括一个到多个开口。

只使用单一的电解液可以减少系统的复杂性和成本。包括膜的阳极和阳极外壳可以减少有机添加剂的消耗和各自的成本。

所述模块可涉及铜的电化学沉积工艺，特别是电化学沉积铜大马士革和/或铜双大马士革工艺。“大马士革”是指对氧化硅等绝缘层进行图案化处理，以制造出暴露出底层导体的开放式沟槽或通孔。一层或多层铜被沉积在所述底层导体的顶部以进入所述绝缘层内的开放图案中，形成过度填充，从而使铜延伸到绝缘层的顶部上，然后被抛光或其他方法去除。绝缘层的沟槽或通孔内的铜没有被去除，而是成为新形成的图案化导体层。大马士革工艺通常在每个加工步骤中用铜形成并填充一种特征。双大马士革工艺通常在每个加工步骤中用铜一次形成并填充两个特征(如：通孔和沟槽)的铜。随着绝缘层的依次沉积和图案化以及铜的依次电沉积，可以形成多层互连结构。

在一个实施方案中，分配体为扩散板，被配置为相对于基底分配电流场。扩散板可以包括一个，最好是多个开口。这些开口可允许控制相对于基底表面的电流分布。扩散板可以是包括开口图案组成的板。

在另一个实施方案中，分配体是一个高速板，被配置为相对于基底分配电解液的流动，并相对于基底分配电流场。高速板可以包括一个，优选是多个开口或排出孔，以允许控制相对于基底表面的电流分布。高速板可以包括一个，优选是多个开口或喷射孔，能够控制相对于基底表面的电解液流分布。高速板可以是一个夹层或复合体，其中一部分具有排出孔，另一部分具有喷射孔。

根据本发明的公开实施例，还提出了一种电化学沉积系统或模块用于金属沉积应用的化学和/或电解表面处理的用途。使用本公开实施例的电化学沉积系统或模块可以降低复杂性和成本。

在一个实施方案中，金属沉积应用为铜沉积应用。在一个实施方案中，金属沉积应用是铜大马士革和/或铜双大马士革沉积应用。

根据本发明的公开实施例，还提出了一种用于对基底进行化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统的制造方法。所述制造方法包括以下步骤，但不必须按照这个顺序：

-设置阳极，

-在阳极周围至少部分地放置阳极外壳，以及

-将阳极和阳极外壳放置在单一电解液中，

其中，阳极外壳包括膜，并且所述单一电解液是所述电化学沉积方法的唯一电解液。

本发明公开实施例的电化学沉积系统的制造方法能够降低电化学沉积系统的复杂性和成本。

应理解，根据独立权利要求的系统、模块、用途和方法具有类似和/或相同的优选实施方案，特别是如从属权利要求中所定义的。应进一步理解，本发明的优选实施方案也可以是从属权利要求与各自独立权利要求的任何组合。

本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施方案中变得明显并得到阐明。

附图说明

下面将参照附图对本发明的示例性实施例进行描述：

图1示意性地和示例性地示出了电化学沉积系统和模块的一个实施例，用于根据本发明的公开实施例对基底进行化学和/或电解表面处理。

图2示意性地示出了电化学沉积系统的制造方法的一个实施例，所述系统用于对基底进行化学和/或电解表面处理。

具体实施方式

图1示意性地、示例性地示出了根据本发明对基底20进行化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统10的一个实施例。基底20被固定在基底支架上。电化学沉积系统10包括阳极11、阳极外壳12、和单一电解液13。所述电化学沉积系统10适用于铜的电化学沉积，特别是铜大马士革沉积和铜双大马士革沉积。

阳极11、阳极外壳12和单一电解液13被放置在电化学沉积槽24或工艺腔室中。槽24的壁包括用于电解液13的电解液通道17、用于气体通风的气体通道18和用于阳极11的电气连接通道21。槽24被分配体30和基底支架中的基底20覆盖或封闭。分配体30包括一个或多个开口21。所述槽24包括用于从分配体30流出的液体的再循环管路25。

电解液13是一种提供电解液13功能的液体。电解液13是电化学沉积系统10的唯一电解液13，电化学沉积系统10包括仅一个循环系统，用于所述电解液13。阳极11、阳极外壳12及其膜14均浸泡在电解液13中。

阳极11是提供阳极11功能的固态体。阳极11最好是惰性的，但也可以是非惰性、反应性或活性阳极。

阳极外壳12是容纳阳极11并围绕阳极11延伸的外壳。阳极外壳12为杯状容器，通过侧壁、底壁和与底壁相对的容器顶部的开口围绕着阳极11。

阳极外壳12包括为阳极11提供电气连接的通道21，为阳极外壳12提供电解液13的电解液通道22，以及用于排放例如气泡的通风通道23。通风通道23可以向下(如图1所示)，但也可以向上或向任何其他方向。

阳极外壳12包括盖板元件16，它缩小了开口的直径。盖板元件16包括通风管19，用于排放例如气泡等。盖板元件的通风管19可以通向阳极外壳12的通风通道23和沉积槽24的气体通道18。杯状容器顶部的开口被膜14所覆盖。

阳极外壳12包括膜14。膜14是一个选择性的屏障，它允许某些部分(小分子、离子、其他小颗粒等)通过，但阻止其他部分通过。膜14是一种非离子型特定双向液体渗透膜。这意味着膜14在这里对电解液13是可渗透的，但对气泡是不可渗透的。所述膜14是由聚丙烯制成的。

阳极外壳12和膜14形成分流器，它将沉积过程中形成的气体从待处理的基底20上引开。因此，分流器可以处理电镀过程中在阳极11形成的气泡，否则会导致基底表面产生的气泡缺陷。分流器将气泡重新导向通风管19，从而将气泡引到阳极外壳12之外和沉积槽24之外，而不会在基底20上造成缺陷。

膜14的表面相对于阳极11的表面是倾斜的。倾斜是通过将膜14固定在盖板元件16上实现的，而阳极外壳12的侧壁具有不同的高度，使得盖板元件16的侧壁处于不同高度。膜14位于盖板元件16的顶部。

图1还示意性地和示例性地示出了模块100的一个实施例，用于在工艺流体中对基底20进行化学和/或电解表面处理。所述模块100包括上述的电化学沉积系统10和分配体30。分配体30被放置在电化学沉积系统10的电解液13中，包括多个开口31。分配体30为高速板，它相对于基底20，分配电解液13的流量和电流场。

电解液13(用箭头标记)通过电解液通道17进入槽24，流经阳极外壳12中的电解液通道22，并流经阳极11。一部分电解液13流入盖板元件16中的通风管19，然后进入阳极外壳12中的通风通道23，然后在气体通道18的出口处离开阳极外壳12。另一部分电解液13穿过膜14，并通过分配体30的开口31流向基底20，然后在再循环管路25的出口处离开槽24。在阳极11处可以形成气泡(用点标记)，并从阳极11流入盖板元件16中的通风管19，然后进入阳极外壳12中的通风通道23，之后在气体通道18的出口处离开阳极外壳12，而不会损伤到基底20。

图2示意性地、示例性地示出了电化学沉积系统10的制造方法的一个实施例，所述系统用于对基底20进行化学和/或电解表面处理。所述制造方法包括以下步骤，但不必须按照这个顺序：

在步骤S1中，设置阳极11。

在步骤S2中，在阳极11周围至少部分地设置阳极外壳12。

在步骤S3中，将阳极11和阳极外壳12放置在单一电解液13中。

阳极外壳12包括膜14，单一电解液13是电化学沉积方法的唯一电解液。

需要指出的是，本发明的实施方案是参照不同的主题事项来描述的。特别是，一些实施例参照方法类型的权利要求进行描述，而其他实施例则参照装置类型的权利要求进行描述。然而，本领域的技术人员将从上述和以下描述中了解到，除非另有通知，否则除了属于一种主题的特征的任何组合外，与不同主题有关的特征之间的任何组合也被视为与本申请公开。然而，所有的特征都可以结合起来，提供比特征的简单叠加和更多的协同效应。

虽然本发明已在附图和前述描述中进行了详细说明和描述，但这种说明和描述应被视为说明性或示例性的，而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实施所要求的发明时，通过对附图、公开内容和从属权利要求的研究，可以理解并实现对公开的实施方案的其他变化。

在权利要求中，“包括”一词并不排除其他元素或步骤，而不定项“一个”或“一种”并不排除多个。处理器或其他单元可以实现权利要求中重新引用的几个项目的功能。仅仅是某些措施在相互不同的从属权利要求中被重新引用这一事实，并不表明这些措施的组合不能被用来发挥优势。权利要求中的任何参考标识都不应被理解为对保护范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于对基底(20)进行化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统(10)，包括：

-阳极(11)，

-阳极外壳(12)，以及

-单一电解液(13)；

其中，阳极外壳(12)至少部分地围绕着阳极(11)延伸，

其中，阳极外壳(12)包括膜(14)，

其中，阳极(11)和阳极外壳(12)被放置在单一电解液(13)中，以及

其中，单一电解液(13)是电化学沉积系统(10)的唯一电解液。

2.根据权利要求1所述的沉积系统(10)，其中阳极(11)是惰性的。

3.根据前述权利要求之一的沉积系统(10)，其中阳极外壳(12)被布置成围绕阳极(11)的分流器，用于引导沉积过程中形成的气体远离待处理的基底(20)。

4.根据前述权利要求之一的沉积系统(10)，其中膜(14)相对于阳极的表面是倾斜的。

5.根据前述权利要求之一的沉积系统(10)，其中阳极外壳(12)包括设置在阳极外壳(12)的开口中的盖板元件(16)，所述盖板元件减小了阳极外壳(12)的开口直径。

6.根据前述权利要求之一的沉积系统(10)，其中膜(14)是双向液体渗透膜。

7.根据前述权利要求的沉积系统(10)，其中双向液体渗透膜(14)是非离子型的。

8.根据权利要求6的沉积系统(10)，其中双向液体渗透膜(14)由聚丙烯制成。

9.一种用于在工艺流体中对基底(20)进行化学和/或电解表面处理的模块(100)，包括：

-根据上述权利要求之一的电化学沉积系统(10)，以及

-分配体(30)，

其中，分配体(30)被放置在电化学沉积系统(10)的电解液(13)中，并包括多个开口(31)。

10.根据权利要求9所述的模块(100)，其中分配体(30)为扩散板，被配置为相对于基底(20)分配电流场。

11.根据权利要求9所述的模块(100)，其中分配体(30)为高速板，被配置为相对于基底(20)分配电解液(13)的流动，并相对于基底(20)分配电流场。

12.一种根据前述权利要求之一的电化学沉积系统(10)或模块(100)用于金属沉积应用的化学和/或电解表面处理的用途。

13.根据前述权利要求的用途，其中所述金属沉积应用是铜沉积应用。

14.根据权利要求12或13的用途，其中金属沉积应用是双大马士革沉积应用。

15.一种用于对基底(20)进行化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统(10)的制造方法，包括以下步骤：

-设置阳极(11)，

-在阳极(11)周围至少部分地布置阳极外壳(12)，以及

-将阳极(11)和阳极外壳(12)放置在单一电解液(13)中，

其中，阳极外壳(12)包括膜(14)，而单一电解液(13)是所述电化学沉积方法的唯一电解液。

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