TW201107536A - Method and apparatus for electroplating - Google Patents

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Jingbin Feng
zhi-an He
Jonathan Reid
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Description

201107536 六、發明說明： 本申請案主張基於2009年6月9曰提出申請之第 12/481，503號美國專利申請案及2〇〇9年1〇月％日提出申請 之第12/606,030號美國專利申請案之優先權，上述美國專 利申請案全盤地且出於各種目的以引用方式併入本文中。 【先前技術】 在積體電路（1C)製作中從鋁到銅的過渡需要一在過程 「架構」方面之變化（至鑲嵌及雙重鑲嵌）以及一套全新的 過程技術。-個用於製作銅鎮嵌電路之過程步驟係形成一 隨後用作一往其上電鍍（電解填充）銅之基礎層《「晶種」 或「衝擊」層。該晶種層自晶圓之邊緣區域（在那裏進行 電接觸）至所有渠溝且經由位於晶圓表面之間的結構攜載 電鍍電流。晶種薄膜通常係一薄導電銅層。其由一障壁層 與絕緣二氧化石夕或另一介電質分離開。亦已研究使用係銅 或其他金屬（例如釕或组）之合金之薄晶種層（其亦可同時充 當銅擴散障壁層關於此等晶種層之更多細節可見於 2〇〇9年i月26日提出申請之標題為賺即⑹心如 之第I,2/359，"7號美國專利申請案，該專利申請案以引用 方式併入本文中。晶種層沈積過程應產生一具有對嵌入特 徵之頂。卩之較佳整體黏合、極佳階梯覆蓋（更特定而言， 沈積至-嵌入結構之側壁上之金屬之保形/連續量）及最小 閉合或「頸縮」之層。 越，越小特徵之市場趨勢及替代播種過程推動對一在越 來越薄的播種晶圓上以高均勻度電鍍之能力之需要。將 148863.doc 201107536 來，預期晶種薄膜可簡單地由一可電鍍障壁薄膜（例如 釕）、一極薄障壁及銅之一雙層（例如藉由一原子層沈積 (ALD)或類似過程沈積之）、各種金屬之一合金構成。此等 薄膜（有些具有固然大的比電阻）向工程師呈現一極端的終 端效應情形。舉例而言，當將一 3安培總電流均勻地驅動 至一 30歐姆每平方釕晶種層（一 3〇至5〇 A薄膜之一可能值） 中時’該金屬中之所得中心至邊緣電壓降將超過2伏。為 了有效地電鍍一大的表面積，電鍍工具與僅晶圓基板之邊 緣&域中之導電晶種進行電接觸不與基板之中心區域進行 直接接觸。因此，對於高電阻晶種層，電位在層之邊緣處 顯著大於在層之中心區域處。不使用電阻及電壓補償之適 當方法，此大的邊緣至中心電壓降可導致一主要特徵為晶 圓邊緣處之更厚電鍍之極端不均勻的電鍍厚度分佈。作為 比較，電解質溶液（水）之電壓降之熱動力極限僅為約 1.4 V。 圖1係一針對該問題之近似等效電路之一示意圖。為清 晰起見，其被簡化成一維。晶種層中之連續電阻由一組有 限（在此種情況下四個）並聯電路元件表示。薄膜内電阻器 元件Rf表示自晶圓上之一外部徑向點至—更居中的徑向點 之差動電阻。供應於邊緣處之總電流1分佈至由相對於所 有其他電阻之總路徑電阻按比例縮放之各個表面元件〗1工2 *等更居中之電路因彼等路徑之Rf之累積/添加電阻而具 有一更大的總電阻。在數學上，流過該等表面元件路徑中 之任何一者之分數電流Fi為 148863.doc __1__ __1__201107536 F. = H - + % + ZWi + z Π〒η i — 乙1 ⑴ 其中n為電路被分成之並聯路徑總數，丨（有時用作—下枳） 係指第i個並聯電流路徑（自邊緣終端），t係指總電路，工為 電流’ Rf為每一元件之間之金屬薄膜中之電阻（為了簡明 起見，構造為在每一毗鄰元件之間相同），Rct為局部電荷 傳送電阻’ Zw為局部擴散（或warberg)阻抗且Rel為電解質 電阻 &樣說來，I i為流過第i個表面元件通路之電流，且 It為通至晶圓之總電流。每一介面位置處之電荷傳送電阻 由一組與雙層電阻cdl並聯之電阻器Rct表示，但在穩態情 況下不影響電流分佈。由Warberg阻抗（符號及電解質 電阻（R e表示之擴散電阻顯示於一組皆與特定表面元件電 路串聯以賦予供電流橫移至陽極之若干並聯路徑中之一者 之並聯電路路徑中。實務中，、及zw係完全非線性的(視 電^、時間、濃度等而定），但此事實並不減弱用於比較 當前技術與本揭示内容在實現均勻電流分佈方面有多麼不 同之此杈型之效用。為達成一大致均勻電流分佈，分數電 抓應相同而不官元件位置⑴如何。當除薄膜電阻項心以 外之所有項皆相對小時，通至第i個元件之電流為 148863.doc 201107536 F = _i_ Ση\ , 厂 （2) 丄/ 方程式2具有一強i(位置）相關性且在無顯著電流分佈補 償效應起用作時產生。於另一極值中，當Rct、Zw、Re^ 此等項之總和大於Rf時，分數電流接近一均勻分佈；當此 等參數變大時方程式1之極限值為F=1/n，不依賴位置^ 提高電鍍不均勻度之典型方法憑藉⑴藉由使以銅絡合 劑或電荷傳送抑制劑（例如，電鍍抑制器及校平器，旨在 形成一大的法線至表面電壓降，從而使心相對於變小） 來增大Rct，（2)極高離子電解質電阻（經由Rei產生一類似效 應），（3)形成一顯著擴散電阻（Zw)，或（4)改變一電鍍電流 配方以使電壓降減小化，或控㈣量傳送速率以限制高介 面電壓降之區中之電流密度（參見，例如，美國專利 6，1 10,344、6’074,544 及 6，162 344，，其中每—者皆以引用 方式併入本文中）。 此等方法具有與材料之物理屬性及過程相關之大量限 制。藉由有機添加劑得到之典型表面極化無法形成超過約 0.5 V(其係一與例如上文所述必須補償之2 v晶種層電壓降 相比較相對小的值）之極化。此外，因—鍍浴之導電率係 於其離子濃度及pH，故降低導電率對電鍍速率及電鍍材料 之形態產生直接及消極影響。 因此需要一種用於往薄金屬播種晶圓（特定而言，異有 148863.doc 201107536 電鍍之改良技術 大直徑（例如300 mm)之晶圓）上均勻 【發明内容】 於-個態樣中，藉由提供利用—具有電解質可渗透氣孔 或孔之離子電阻元件之—電錢裝置及—用於均勾電鑛之方 法來應對此等需要。本文中所述之離子電阻離子可滲透元 件明顯改良薄電阻晶種層上之電鍍均勻度。其在與一經組 態以自陽極轉移或移除原本將傳遞至晶圓之邊緣區域之二 部分之電流之輔助陰極結合使用時特別有效。於某些實施 例中，該辅助陰極駐存於該電鍍裝置中之該離子電阻離子 可渗透it件與-陽極之間。於某些實施财，該輔助陰極 作為-虛陰極位於此位置中。本文中所述之離子電阻離子 可滲透元件在晶圓陰極附近呈現一均勾電流密度且因此充 當一虛陽極。因此，該離子電阻離子可滲透元件亦將稱作 高電阻虛陽極（HRVA)。 於某些實施例中，HRVA位於貼近晶圓處。於某些實施 例中，HRVA含有複數個彼此隔離且不在HRVA2本體内 形成互連通道之通孔。此等通孔將稱作丨_〇通孔，此乃因 其等沿-個維數延伸，it常，但未必，與晶圓之電鐘表面 正交。此等通孔不同於其中通道沿三個維數延伸且形成互 連氣孔結構之三維多孔網路。一 HRVA之一實例係一由一 具有約6,000至12,000之間個丨_〇通孔之離子電阻材料（例如 聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙稀（pvDF)、聚四氟 乙烯、聚砜及類似材料）製成之圓盤。於某些實施例中， 該HRVA係一其中該等氣孔中之至少一些氣孔互連且因此 148863.doc 201107536 允片電解質於其内部之一定二維或三維移動之多孔結構。 於許多實施例中，該圓盤與晶圓大致共擴展（例如，當用 於一 3〇〇 mm晶圓時具有一約300 mm之直徑）且駐存於貼近 aa圓處，例如，駐存於一晶圓面朝下電鍍裝置中之晶圓正 下方。於—些實施例中，該圓盤相對薄，例如介於約5與 5〇 mm厚之間。含於該HRVA之氣孔内之電鍍電解質允許 離子電流穿過該圓冑，但處於—與整個系統相比較顯著之 電壓降下。舉例而言，該HRVA中之電壓降可大於反電極 (陽極）與晶圓周邊邊緣之間的總電壓降的約50。/。，例如， 介於約55與95%之間。於某些實施例中，晶圓之電链表面 駐存處於最靠近HRVA表面之約1〇 mm内，且在一些實施 例中’處於約5 m m内。 於一用於往一基板上電鍍金屬之裝置之一實施例中，該 裝置包括一經組態以含有一電解質及一陽極同時往該基板 上電鍍金屬之電鍍室。一基板固持器經組態以固持該基板 以使得該基板之一電鍍面在電鍍期間定位於一距該陽極之 界定距離處，該基板固持器具有一個或多個經配置以在電 鍍期間接觸該基板之一邊緣並提供電流至該基板之電力觸 點。一離子電阻離子可滲透元件在電鍍期間定位於該基板 與該陽極之間，該離子電阻離子可滲透元件具有一在電鍍 期間與該基板之一電鍍面大致平行且與其分離開—約5毫 米或以下之間隙之平坦表面。於—些實施例中，該陽極可 位於一允許電流大致僅經由該離子電阻離子可滲透元件之 氣孔退出該室之電流限制及引導陽極室中，且一輔助陰極 148863.doc -10- 201107536 於該陽極與該離子電阻離子可渗透元件之n 定向以在電鍍期間向該輔助陰 /σ 11邊 之電流分佈。 和供應“時形塑自該陽極 於本發明之另一實施财，往-基板上電鑛-金屬層。 電鍍該金屬層包括：⑷將一具有一安置於其表面上 晶種及/或障壁層之基板固持於一電鑛裝置之—基板固持 益中’⑻將該基板之—工作表面浸沒於—電解質溶液中且 接近於-定位於該X作表面與含於該電鍍室中之陽極之門 的電離電阻離子可滲透元件4在—些實施财，該_ 可定位於一允許電流大致僅經由該離子電阻離子可滲透元 件之氣孔退出言亥室之電流限制及引導陽極^，該離 阻離子可渗透元件具有—與該基板之平行且與 其分離開-約5毫米或以下之間隙之平坦表面；⑷供應電 流至该基板以往該晶種及/或障壁層上電鍍該金屬層；及 (d)供應電流至一位於該陽極與該離子電阻離子可滲透元件 之間的輔助陰極以形塑自該陽極之電流分佈。 下文將參照附圖更詳細說明本發明之此等及其它特徵與 優點。 【實施方式】 先進技術要求往具有10歐姆每平方及更高（甚至2〇歐姆 每平方或40歐姆每平方或更高）之薄片電阻之晶圓上電鍍 金屬。此需要更加大膽的技術（即’除僅使用單獨一 HRVa 或單獨一漏失電極之外的技術）來補償終端效應。在電鐘 期間，金屬厚度及薄片電阻可在短時間裏下降幾個數量 148863.doc 201107536 ' 級，且因而需要能夠在一其中可存在一快速最初改變及稍 後一相對怪定薄片電阻之整個過程中在晶圓上均句地電鑛 之方法及裝置。本發明實施例應對由此等高電阻晶種層、 晶種電參數之快速動態變異及其帶來之極端終端效應所帶 來之挑戰。 本發明實施例涉及用於往一上面具有一晶種層之工件上 電鍍一大致均勻的金屬層之方法及裝置。於某些實施例 中，一電鑛單兀包括-貼近一工件之多孔HRVA及一漏失 電極（亦稱作一「辅助」陰極）兩者。該「漏失」電極位於 該HRVA與一陽極之間。在_些情況下可使用多個漏失 電極。漏失陰極可在沒有漏失陰極之情況下移除或轉移自 陽極發出的引向外周邊（包括晶圓之極邊緣）之一部分離子 電流，由此修改電流並實現一由晶圓所經歷之大大改進之 電抓毪度均勻度。然而，在一些情況下，使用本發明實施 例來形成一由晶圓經歷之不均勻電流密度也許係合意的。 舉例而5，形成一不均勻電流密度，從而在覆蓋沈積期間 產生不均勻金屬電鍍，以有助於化學機械拋光（CMP)、濕 化學蝕刻、電解拋光或機電拋光也許係合意的。 值得’主思的是，結合一貼近晶圓定位之多孔hrva使用 "亥輔助陰極&供遠适超過由此等元件個別地提供之優點之 優點且6亥兩者之組合以一協同方式工作。該輔助陰極定 位於該電鍍單元之陽極與HRVA之間。在一垂直定向單元 之情況下，該輔助陰極位於HRVA下方。於某些實施例 中’ δ玄辅助陰極通常呈環形或環狀形以對該工件之周邊區 148863.doc -12· 201107536 域處之電流密度分佈提供顯著影響。可藉由一小的hrva 至晶圓間隔及/或藉由限制電流在HRVA之本體中之流動來 突出此陰極之優點。 採用一輔助陰極來調變引向一晶圓（在例如一移動機械 屏敝或膜片上）之電流之優點之一在於可在該電鍍過程期 間快速地且動態地控制應用至該輔助陰極之電流位準以顧 及在沈積金屬時快速改變金屬薄片電阻。此有助於在該電 鍍過程之不同時間期間使電鍍不均勻度保持至一最小值。 舉例而a，當该層為薄時，應用至該輔助陰極之電流位準 可從咼位準開始，且隨後可隨著電鍍層之厚度增加及終端 效應之嚴重性減退而在電鍍期間（例如，在一幾秒之週期 内）逐漸地或遞增地減小。 一 HRVA及/或一第二輔助陰極（其靠近該工件定位）可影 響該工件之電鍍表面並藉由改變僅貼近於該工件之面之區 域中之電壓及電流分佈來再形塑一晶圓上之電流分佈。此 等元件不顯著影響電解質内或與該工件表面隔開一較大距 離（例如在該HRVA下方）之陽極處之電流分佈。因此，此 等措施（使用HRVA及/或如本文中所述位於晶圓或HRVAb 近之第二辅助陰極）對更靠近駐存於HRVa下方之陽極之電 流分佈幾乎沒有影響。在許多情況下，離子電流分佈在陽 極與HRVA之間的區域中幾乎保持恆定。 相對於不具有一 HRVA之組態，單獨該HRVA通常將改 進遠程徑向電流分佈（從不太均勻到更均勻）。然而，在不 具有一限於在一厚度/薄片電阻範圍内之應用之特定經向 148863.doc 201107536 氣孔圖案或一機械激活動態屏蔽變化之情況下，該徑向電 流分佈通常趨於為不完全均勻的、通常中心薄的。一定位 於HRVA上方及晶圓邊緣周邊之次輔助陰極可動態影響邊 緣電流分佈（通常限於一處於距邊緣約丨至3。爪内之區域）， 但不改變中心電鍍區域之電流分佈。對於一些應用，特別 疋溥片電阻非*大之情形，使用如本文中所述之hrva& / 或第二輔助陰極可能不足以完全克服終端效應。 也許有必要修改充分移離工件之位置處（即，在 更靠近陽極之位置處）之電解質内部之電流分佈以足夠 應對當使用極高電阻晶種或晶種/障壁組合層時之終端效 應。於本文中所述之某些實施例中，此係藉由將一輔助陰 極定位於一在HRVA下方且在工作與陽極之間的位置處來 實現。該輔助陰極經形塑及定向以修改hrva下方之一平 行於晶圓之平面中之電解質内之電流密度分佈，且以一減 小位於工件之邊緣區域下方且對應於工件之邊緣區域之平 面之區域中之電流密度及電流向量(流向)之方式位於距工 件之某一距離處。此類似於一置於一電鍍室令之一工件下 方^實體膜片或屏蔽之晶圓上效應。出於這個原因，本發 明實施例之輔助電極有時稱作「電子膜片」或 厂耵幻3」，此乃因一電子輔助電極用於實現一類似^一 放置於曰曰圓與陽極之間的電流路徑中之實體獏片之效果。 然而，在EIRIS之情況下，電流向量執道沿徑向向外移 位，而不是阻塞於更大半徑處且由一實體獏片向内推動並 擠歷。 I48863.doc 201107536 為詳細描述，- EIRIS與-實體膜片或屏蔽之間的一個 差異在於來自陽極之所有電流皆穿過該實體膜片，因為其 「勉強通過」膜片或屏蔽限制。電流在向上傳遞之前基本 ' 或完全由膜片屏蔽阻塞且自邊緣區域沿徑向向内重新選 4。因此，通常增加職開口之區域中之中心電流密度。 在EIRiS之情況下，並非自陽極發出之所有電流皆抵達晶 圓’因為有些邊緣電流通常徑向向外朝輔助電極方向轉 移。在輔助陰極上方，引向晶圓之電流密度向量之量值因 轉移而趨於減小’但在—位於職s上方之備電鐘 裝置之中心區域中之電流密度僅相對於非刪續形賴微 減小抑或不變。 其中輔助陰極發生作用之區域通常平行於基板表面且與 其分離開。通常，使辅助陰極位於相對#近HRVA之下表 面處以使得電流在抵達HRVA表面之前不具有藉以再分佈 至一更不均勻剖面之空間係合意的。HRVA與輔助陰極之 間的距離d -般應大致等於或小於正往其上電鑛金屬之晶 圓之半位Γ(即，d〜Sr)。輔助陰極亦應顯著高於陽極之平面 以使來自陽極之電流具有用以改變方向而無過大辅助陰極 • 電麼或電流之空間。 通节，應使位於陽極室令且低於晶圓及HRVA(當系統具 有HRVA時）之輔助陰極之距離保持小於晶圓直徑的約 50/。舉例而吕，對於一 300 mm晶圓，辅助陰極可低於晶 圓"於，0.75與6.5英寸之間且低kHRVA介於約〇 25與6英 寸之間與此相反，陽極相對於晶圓、HRVA(當採用時） 148863.doc -15- 201107536 及輔助陰極之位置係一在功能性能以及工程設計浪費之間 的折衷。典型地，陽極一般應在陽極室中且低於所有三個 此等元件。但當該電鍍裝置可能使陽極位於晶圓、HRVA 及輔助電極下方很遠處，例如，位於晶圓下方40英寸處 時，此一電鍍裝置（當可使其起作用時）將需要相當多的多 餘功率。 如已經提到，輔助陰極應相對靠近晶圓或HRVA之底表 面。作為另一實例，若輔助陰極位於晶圓下方39英寸處而 一陽極位於晶圓下方40英寸處（即，相當靠近陽極之平面 且遠離HRVA之底部），則大部分來自陽極之電流將去往 EIRIS，但留在電鍍裝置陽極室之下部區域中之電流在抵 達晶圓之前將有一大的距離要走。在此一距離上，電流到 其抵達HRVA及晶圓時往往會平衡回至一不同電流分佈， 以使晶圓處之均勻度將基本不受EIRIS之存在影響。另一 選擇係，若陽極距晶圓0.75英寸，低於HRVA 0.25英寸， 且大致平行於或甚至高於EIRIS，則電鍍裝置亦不會像在 陽極如上所述大致低於EIRIS時一樣工作，此乃因EIRIS不 會同樣有效地自該單元之更居中區域移除電流。因此，於 一些實施例中，最靠近晶圓之實體陽極（或虛陽極口）表面 之距離應低於最靠近晶圓之EIRIS電極（或虛EIRIS空腔口） 之平面至少晶圓直徑的約1/1 0。舉例而言，若EIRIS電極 最靠近點至一 300 mm晶圓之平面低於晶圓50 mm且低於 HRVA 25 mm，則陽極應低於彼平面至少約30 mm，或低 於晶圓共計80 mm(30 + 50 = 80)。 148863.doc -16- 201107536 電阻元件之結構 於某些實施例中，本文中所提供之離子電阻離子可滲透 元件係一具有一連續三維氣孔網路之微孔板或圓盤（例 如，由陶瓷或玻璃之燒結粒子製成之板）。具有三維氣孔 網路之多孔板具有經由其離子電流不僅可沿陽極之一般方 向垂直向上穿過圓盤至晶圓，而且可側向穿過圓盤至晶圓 (例如，從中心到圓盤之邊緣）之纏結氣孔。此等板之合適 設計之實例呈現於20〇5年1月2〇日提出申請之第11/〇4〇,359 號美國專利申請案中，該專利申請案以引用方式併入本文 中。 於其他實施例中，通孔提供於電阻元件中以在元件之本 體内形成彼此大致不連通之通道，由此使離子電流於元件 中之側向移動減小化。電流大致沿與電阻元件附近之最靠 近電鍍表面正交之向量方向以一係一維之方式流動。 具有1D通孔（亦稱作1D多孔HRVA)之離子電阻離子可滲 透元件通常係一由一具有複數個鑽製（或以其他方式製作） 透過其之孔之離子電阻材料製成之圓盤（亦可使用其他形 狀）。該等孔不在圓盤之本體内形成連通通道且通常沿一 與晶圓之表面大致正交之方向延伸穿過圓盤。各種離子電 阻材料可用於圓盤本體，包括但不限於聚碳酸酯、聚乙 烯、聚丙烯、聚偏說乙稀（PVDF)、聚四敗乙婦、聚碾及類 似材料。較佳地，圓盤材料耐在酸性電解質環境下之降 解’相對硬’且易於藉由機械加工來處理。 在一些情況下，HRVA係一離子電阻元件，其具有大量 148863.doc -17- 201107536 貼近工件之隔離且不連接之離子可滲透通孔（例如，一具 有允許離子通過之多個穿孔或氣孔之電阻圓盤），由此集 中或「淹沒」整體系統之電阻。當相對於晶圓薄片電阻足 夠電阻時，该元件可製成為近似一均勻分佈電流源。藉由 使工件保持罪近電阻元件表面，自元件之頂部至表面之離 子電阻大大小於自元件之頂部至工件邊緣之離子路徑電 阻，從而大致補償薄金屬薄膜中之薄片電阻並將大量電流 引導越過工件之中心。一些與使用貼近基板之離子電阻離 子可滲透元件相關聯之優點及細節詳細闡述於先前以引用 方式併入之第1 1/040,359號美國專利申請案中。 不官圓盤是否准許一維或多維電流流，其較佳與晶圓共 擴展，且因此具有一通常接近於正電鍍之晶圆之直徑之直 徑。因此，例如，圓盤直徑之範圍可介於約15〇爪爪與斗％ mm之間，其中約200 mm圓盤用於一2〇〇爪爪晶圓約3⑼ mm圓盤用於一 300 mm晶圓，且約45〇 mm圓盤用於 mm晶圓，依此類推。於其中晶圓^ 。於其中晶圓具有一大體圓形形狀但
148863.doc • 18- 201107536 時形成一小間隙（一介於hrva邊緣部分與晶圓邊緣或晶圓 固持杯之底部之間的周邊間隙）’且有助於將HRVA安裝於 室内，例如，安裝至一陽極室壁。於一些實施例中，不含 孔之HRVA邊緣之大小自HRVA之外邊緣至有孔之HRVA之 部分之邊緣介於約5 mm與約50 mm之間。 在一維HRVA之情況下，製作於圓盤中之通孔數應相對 大，但每一孔之直徑應相當小。通常，每一孔之直徑一般 應小於HRVA至晶圓間隙的約％。於一個實施例中，孔數 之範圍在約6,000與約12,000之間，每一孔（或至少95%的
孔）具有一不到約1.25 mm之直徑（或另一主尺寸）。HRVA 板201之一示意俯視圖顯示於圖2A中，其圖解說明一具有 大量顯示為黑點之小直徑開口之頂部HRVA表面。圖2B圖 解说明HR V A圓盤201之一截面圖，其示意性地圖解說明非 連通通孔。於此實施例中’通孔大致垂直於Hrva圓盤之 頂部及底部表面。HRVA圓盤之厚度之範圍在一些實施例 中介於約5 mm與約50 mm之間，例如介於約1〇 mm與約25 mm之間。 儘管圖2A中所示之HRVA具有一均勻通孔分佈，但在其 他實施例中’有利地使用一具有若干具有不均勻孔分佈， 或具有被阻塞以使得晶圓經歷不均勻孔分佈之孔之區域之 HRVA。此一分佈將更多電流永久地引向中心，因而較在 :用-均勻孔分佈之情況下更均勻地電鍍一高電阻薄膜。 :而：若使用-不均句孔分佈’則-極厚薄膜(即，具有 -薄片電阻）將趨於更不均句地電鍍。阻塞或遺漏孔可 148863.doc •19- 201107536 ❹向、方位角、或該兩個方向呈不均㈣。於— 例中，離子雷阳M HΑ 二貫施 一— 離子可滲透70件與晶圓及陽極表面大致平 订疋位，且該等-維通孔與日日日圓與陽極表面之間的方向平 於其他實施例中，至少—些孔允許修改其相對角 以改邊相對於元件厚度之孔長度，且由此修改 局部影響。 的 重=是此處應注意，—HRVA不同於其主要功能係分佈 解备流’而不是提供顯著電阻之所謂擴散器板。只要” 抓動係相對均勾的；2)晶圓固持器與擴散平面之間的間隙 ，夠大’及3)晶圓與陽極之間的間隔足夠大則在電鍍— 尚溥片電阻晶圓時一低電阻擴散器與晶圓之間的相對間隙 通常將僅對電流分佈具有—次要料。此外，—擴散器結 ,-位於該擴散器下方之輔助電極在達成均勻電流(尤其 是在高電阻晶圓上）方面不如一HRVA/輔助電極組合（如本 文中所述’及圖12中所比較’曲線12〇3對12()4)有效，此 乃因不存在該擴散器上方及下方之添加電壓降及分離。與 此相反’一HRVA顯著增加電鍍系統之電阻，如為提高電 鍍均勻度所需。 通常，對於300 mm系統，多孔電阻元件（即一 hrva) 結合使系統電阻增加至少〇·45歐姆，或至少〇6歐姆之適當 電解質係較佳的。？孔f阻元件應使系统電阻針對每_ cm之投影多孔元件面積增加至少約3〇〇 ,或較佳至少約 420歐姆cm2。所提供元件之高電阻係藉由提供—低但連續 連接之孔隙率來達成。重要的不僅僅是多孔電阻元件之孔 148863.doc -20- 201107536 隙率’還有一具有非常低的孔隙率之相對薄層之組合 HRVA特性，以便達成一可貼近晶圓表面定位之極高電阻 之緊湊區域。於某些實施例中，HRVA之厚度小於晶圓直 徑的約15%。與此相反，若使用一非—維、更低孔隙率、 更厚但仍更高電阻元件，則可使總系統電阻變為相同，但 電流轉移特性將不相同。一厚、相對低多孔元件内之電流 趨於在其向上流動時進入中心區域並沿徑向向外流動。極 尚電阻板趨於只允許電流向上朝晶圓方向流動。 在一維HRVA之情況下，藉由提供大量各自具有極小主 尺寸（或圓孔之直徑）之小通孔來防止電流沿徑向流動。舉 例而§ ，具有約6,000至12,〇〇〇之間個穿孔（其中每一穿孔 具有一不到約5 mm，例如，不到約4 mm，不到約3 mm或 不到約1 mm之直徑）之圓盤係合適之電阻元件。適合之圓 盤之孔隙率值之範圍通常從1到5°/。。此等圓盤使電鍍系統 之包阻增加約0.3至1_2歐姆或以上，視設計及電解質導電 率而定。與此相反，擴散器板通常具有構成一不超過為達 成一經由一顯著滞流電阻之大致均勻電解質流所需之大得 多的竽孔隙率（範圍從25到80百分比開放性空隙分數）之開 口，且一般對電鍍系統之電阻具有一小得多、通常微不足 道的整體影響。 於—個具體實例中，離子電阻離子可滲透元件（hrva) 係一具有約9,〇〇〇個各自具有一約〇 6 mm之直徑之獨特以隹 個別穿孔之圓盤《此實例中之圓盤具有一約3〇〇 mm之直徑 (與一 300 mm晶圓共擴展）、一約13瓜爪之厚度，且通常置 148863.doc •21· 201107536 於距晶圓表面從約2到5 mm處。 儘管一 HRVA(不同於一擴散器板）應始終具有顯著電阻 率，但在一些實施例中，該HRVA係如此組態以致其不使 系統總電阻增大超過約5歐姆。儘管可使用一更大系統缺 電阻，但此限制係因為過大電阻將需要使用增大之功率， 攸而導致對電鍵系統之不合需要的加熱。此外，因_此寊 際限制’如對可製造性（即，形成大量或過小直徑之孔）、 性能（較少孔導致個別孔電流「成像」）及一般過程效用之 損失（例如’無法電鍍較厚的薄膜而不浪費功率，熱量及 鍵浴降解）等，故約5歐姆係一可行HRVA限制。 一維電阻元件之另一重要參數係通孔直徑（或另一主尺 寸）對元件距晶圓之距離之比例。試驗發現且隨後藉由電 腦模型化驗證’此比例應大致為1或更小（例如，不到約 0.8，或不到約〇_25)。於一些實施例中，此比例為約〇」以 和:供最佳電鍍均勻度性能。換言之，通孔之直徑應等於或 小於自電阻HRVA元件至晶圓之距離。對比而言，若通孔 直徑大於晶圓至HRVA距離，則通孔可在其上方之電鍍層 上留下其個別電流影像或「足跡」，由此導致電鍍中之小 規模不均勻度。上述孔直徑值係指在接近於晶圓之 面上所量測之通孔開口之直徑。在許多實施例中， 之近端及遠端面兩者上之通孔直徑係相同的，但應理解， 孔亦可呈楔形。 晶圓處之電流分佈（及因而，電鍍均勻度）可取決於若干 因素，例如電鍍間隙（HRVA板至晶圓距離）、電解質流 148863.doc -22· 201107536 率、陽極室設計、電鍍溶液屬性及hrva上之孔分佈均句 度。關於孔分佈，一 HRVA板中之孔可設計為相同大小的 且實質上均勻地分佈。然而，在一些情況下，此一配置可 導致電鍍薄膜厚度中之一中心尖峰或陷落，或一波浪形 (波狀）圖案。特定而言，使用一在中心具有均勻孔分佈之 HRVA會產生在1 μΩ1電鍍層情況下為約2〇〇至3〇() a之中心 尖峰。 於一個實施例中，採用hrva之中心區域中之不均句1D 氣孔/孔分佈來防止中心尖峰。HRVA之中心區域由一圓形 區域界定於HRVA中心處，通常在距HRVA之中心約！英寸 半徑内，或在晶圓半徑之約15%内。對於尖峰減小有效之 不均勻通孔分佈可具有藉由以另一均勻圖案移位孔、添加 新孔及/或阻塞孔所達成之各種配置。各種不均勻中心孔 圖案可適用於避免電鍍不均勻度且闡述於2〇〇8年U月7日 提出申請且先前以引用方式併入之第12/291，356號美國專 利申請案中。 虛擬電極 兩種類型之電流源（或槽）電極應在一如本文中所述之電 鍍裝置中識別出：一虛擬電極及一實體電極。該兩種類型 之電極提供電流源（陽極）或電流槽（陰極）。 實體電極俗稱通常由一例如一金屬之導電材料（例如銅） 構成之電化學介面，其係其中在電解質介面處進行電化學 反應之固態（或在一些情況下在使用一例如水銀之導電液 體時之液體）貫體結構。一實體電極之一實例係一其中 148863.doc •23· 201107536 進行銅電解沈積或氧化之銅片。安置於一電鍍室之一電解 質内之此等實體導電陽極或陰極可具有各種尺寸且可根據 需要位於-電鍍室内的任何地方，在—如本文中所述之陽 極室内部或外部，在一電鍍基板或1111¥八板之上方、下方 或側面，視電極之類型及其所期望功能而定。儘管該實體 電極具有一有限大小（深度），但當該電極為非多孔的（例 如，呈一實心金屬；：{形式）時，實㈣極對反應電流分佈 之影響通常主要限於曝露至室内之電解質之電極之表面輪 廓0 一虛擬電極具有一位於一移離該虛擬電極之位置之位置 處之關聯實體電極。換言之，使該虛擬電極與其關聯實體 電極之位置分離開某一距離。然而’該虛擬電極與其關聯 實體電極離子導電連通。除其實體電極以外，一虛擬電極 還由一約束與該實體電極相關聯之電流及電流分佈之絕緣 或高電阻空腔結構界定。此結構通常與電鍍溶液接觸。在 不具有絕緣或高離子電阻結構之情況下，自實體電極之電 流分佈可在虛擬電極之位置處明顯更不均勻。一典型絕緣 結構係一除一通至電鍍室之一更大區域之開口或口（例 如，-通至該室之主要部分之開口 )以外沿各個方向環繞 實體電極之聚焦管或聚焦m等設計中之虛擬電極之 有效位置係虛擬電極之口（即，其中空腔或另一包容結構 通向電鍍容器之一更大區域（例如含有正電鍍之工件之區 域）之位置）。由絕緣結構中之空腔所界定之虛陰極之實例 顯示為圖3A中之元件347及348， 其中關聯實體陰極分別顯 148863.doc •24· 201107536 示為元件340及342。由一空腔及一高離子電阻結構形成之 虛陰極之貫例係顯示為圖3 A中之元件3 11且與陽極3 06相 關聯之高電阻虛陽極（HRVA)。其他虛陽極顯示於圖4及 2005年1月20曰提出申請之第丨1/〇4〇,359號美國專利申請案 中之關聯說明中，該美國專利申請案出於各種目的以引用 方式併入本文中》 通常，一虛擬電極可以三個元件為特徵：丨）一實體電 極；2)—含有離子導電電解質之介電外殼空腔，其約束離 子電流至或自實體電極流動之方式；及3)一個或多個空腔 口。如所指示，該介電外殼空腔結構基本允許約束、引導 及/或聚焦經由該（該等）虛擬電極空腔口傳送至該空腔或自 該空腔發出之電流。通常，關聯實體電極於虛擬電極空腔 中之位置允許實體電極影響大致移離電極之實體位置並換 位至虛擬電極之位置。 於某些實施例中，一虛擬電極空腔内之實體電極位於一 膜（例如一陽離子導電膜）後面或下方。此膜可起到限制實 體電極曝露於鍍液添加劑及/或防止產生於實體電極處之 粒子進入主電極室或行進至晶圓表面的作用。於一些實施 例中，虛擬電極空腔之口含有一高電阻多孔介電元件（一 所謂高電阻虛陽極或陰極板）。包括此一板大致增加其内 部之電壓降，且允許虛擬電極之口更貼近一均勻電流源， 而此在一些情況下可提高虛擬電極之徑向效果並在一更低 之總輔助電極.電流下形成一更均勻的晶圓電流。 不導電虛擬電極空腔結構（例如塑膠壁）引導所有或大致 148863.doc -25· 201107536 所有來自或去往裝設於虛擬電極空腔内部之實體電極之電 流以自虛擬電極空腔口發出或進入至虛擬電極空腔口中。 一導電實體電極之表面處之電位通常大致為單個恆定值。 此條件可（但未必）在虛擬空腔口處為近似的。應理解，未 必虛擬空腔口具有一往往在一實體電極位於其中之情況下 出現之虛陰極/陽極口位置處之相同電流分佈之所有屬 性’或產生-往往在-實體電極位於其中之情況下出現之 虛陰極/陽極口位置處之相同電流分佈 '然而，來自實體 必須流過該（該等）空腔口’且當適當地設 計電極、空腔、電阻元件及其他組件時，則可使跨虛擬電 極之電位及電流分佈兩者變成大致均勻。舉例而言，可修 改空腔之形狀以提高實體陰極上之電鑛之均勾度。虛擬電 極口區域通常(但未必)呈平面、環形或錐形的，但其他形 :無㈣可能的。出於許多目的’虛陰極口似乎產生類似 於-「真實」實體電極之效果，此乃因 =或流出-主單元元件(例如，主陽極室)之表二 ::雷：二腔口「表面」藉由以類似於在-實體電極位於 置處之情況下實體電極提供或消耗離子電 L式提供或'肖耗離子電流來影響電鍍條件。 具有-HRVA及-辅助陰極之電链系統、 /採用-貼近晶圓之電阻元件（即’—物〜、一輔助 丢極及一第二輔助陰極 , 電鍍哀置之例不顯示於圖3A至 3D中。圖3八係一電鍍裝置之一 回 ^ 括用於-晶圓及—輔助⑽… 圖。圖3B係-包 亩助哈極之電源之電鍍裝置之一概略載 148863.doc -26- 201107536
=。為清晰起見，圖财顯示一第二輔助陰極、一第二 =助電源或任何電解質流路徑。圖3c及圖電錄裝 置之進一步截面圖。圖3八至3D 中之截面圖係一電鍍裝置 之貫例，且應理解，可在隨附由上主 、申印專利範圍之精神及範疇 裝置。舉例而言，第二輔助陰極不需要出現 極雷艇Ζ例中。作為另一實例，該輔助電極可在分離陽 、至（sac)下$或係分離陽極電解質室之一邻八且 =其電流流過SAC室之陽離子膜而不是_單獨膜= 電流路徑。作為再一實例，呤 施例中。再㈣該_八不需要出現在所有實 參照圊3A至3D，圖中顯示一電鑛裝置3〇2之一截面圖。 f電鑛系統包含-含有一陽極室及—陰極室3〇9之電鍍 至喝極室包括兩個室··一「下部」陽極室，其包含立 中駐存陽極306之分離陽極電解質室（Sac)3〇4;及一上部 擴散室308(亦稱作一 HRVA室或一陰極電解質室）其由一 陽離子膜㈣與分離陽極電解質室分離開。該擴散室、含= 上文所述之-高電阻離子可滲透元件（即，Η·卯、及 一顯示處於一位準312之電解質溶液（有時稱作陰極電解 負）。分離陽極電解質室亦含有一既可係亦可不係擴散室 =同一類型之電解質之電解質溶液（有時稱作陽極電解 貝）〇 HRVA311位於貼近晶圓處（在1〇_内，較佳在^嶋内） 且充當一通至晶圓之高電阻離子電流源。該元件含有複數 個1D通孔且已詳細闡述於上文中。 148863.doc •27- 201107536 -晶圓314浸沒於該電解質溶液(即，該陽極電 中。於一些實施例中，晶圓固持器316係—抓鬥裝置，盆 經由裝設於一通常彈性「唇形密封件」後面之若干接觸;: 與晶圓之周邊接觸’該通常彈性「唇形密封件」用來密封 該抓鬥並使邊緣接職域及晶圓背面保持大致不含電解 質’並且避免任何至該等觸點上之電鍍。關於一且有適用 於本發明之態樣之抓鬥式電鑛裝置之大體上說明詳細閣述 於頒發給等人之美國專利6，156 167及頒發給㈤等 人之美國專利6，_，187中，上述美國專利皆出於各種目的 以引用方式併入本文中。 抓鬥係由兩個主塊構成。抓鬥之第一塊為圓錐體，其可 打開以允許插入並抽出晶圓。圓錐體亦對觸點及密封件施 加壓力。抓鬥之第二塊為晶圓固持杯。通常需要杯之底部 由一絕緣體製成（或塗佈有一絕緣體）以避免任何例如出現 在一放入一具有一側向變化電位之電解質中之金屬上之偶 聯腐触及電解沈積反應。然而’同時’杯底部需要在機械 上為強的。此乃因其需要為薄的以避免晶圓邊緣附近之電 解質流擾動同時足夠強以將杯向上壓靠在晶圓及圓錐體上 同時避免撓曲。因此，於一些實施例中，杯底部係塗佈有 一絕緣材料（例如玻璃或塑膠）之金屬。 陽離子膜310允許分離陽極電解質室與擴散室之間的離 子連通，同時防止產生於陽極處之粒子進入晶圓附近並污 染晶圓。陽離子膜亦適用於阻止非離子及陰離子物種（例 如鍍浴添加濟）流過該膜且降解於陽極表面處，且在一較 148863.doc •28· 201107536 小程度上適用於在電鍍過程期間再分佈電流流並由此提高 電鍍均勻度。對合適離子膜之詳細闡述提供於頒發給Reid 等人之美國專利6，126,798及6,569,299中，該兩個專利以引 用方式併入本文中。對合適陽離子膜之詳細闡述提供於 2008年12月17日提出申請之標題為Electroplating Apparatus With Vented Electrolyte Manifold之第 12/337,147 號美國專利申請案中，該專利申請案以引用方式併入本文 中。對合適陽離子膜之進一步詳細闡述提供於2008年12月 19日提出申請之標題為PLATING METHOD AND APPARATUS WITH MULTIPLE INTERNALLY IRRIGATED CHAMBERS之第61/139,178號美國專利申請案中，該專利 申請案以引用方式併入本文中。 電解質溶液由分離幫浦（未顯示）連續提供至分離陽極電 解質室及擴散室。對於分離陽極電解質室，電解質於下部 岐管320處進入該室且於322處退出。對於擴散室，電解質 於岐管330處進入該室且藉由溢出溢流壁334經由358退 出。 電鍍裝置302亦含有一辅助陰極347及一第二輔助陰極 348。於所繪示實施例中，辅助陰極347及第二輔助陰極 348為虛陰極。實體陰極340及342分別與輔助陰極347及第 二輔助陰極348相關聯。圖3A至3D中所示之所有實施例皆 包括虛陰極及關聯實體陰極。 於其他實施例中，該等虛陰極中之一者或兩者由實體陰 極替換，且實體陰極簡單地位於虛陰極之位置處。該電鍍 148863.doc • 29- 201107536 裝置以一類似於虚陰極或實體陰極（不具有虛陰極）之方式 執行。然而’如下文所述’使用虛陰極提供優點。 輔助陰極347位於HRVA下方。其定位於陽極室（即，擴 散室或密封陽極室）中。於圖3A至3D中所示之實施例中， 輔助陰極位於擴散室中之陽離子膜上方。於圖3八至3〇中 所示之實施例中’輔助陰極347包含裝設於—具有其自身 的電解質流電路及幫浦（未顯示）之室341中之實體陰極 340。於一些實施例中，輔助陰極之大小（即，虛陰極室之 開口之高度）為正電鍍之晶圓之半徑的約5至15%(於某些實 施例中，約10%)。於圖3A至3D中，電解質於35〇處進入輔 助陰極室341且於352處退出。輔助陰極室由一離子可滲透 膜344與擴散室308分離開。一剛性框架可對該膜提2支 撐。膜344允許擴散室308與輔助陰極室341之間的離子連 通，由此允許電流轉移至輔助陰極347。膜344之孔隙率係 如此以致其不允許顆粒材料自輔助陰極室34 室彻並產生晶圓污1於-些實施射，離子可渗= 344係一陽離子膜（例如全氟代磺酸酯），且該膜不產生一顯 著離子電阻（比較，例如，下文所述之元件349)。用於允許 輔助陰極室與陽極室之間的流體及/或離子連通之其他機 構屬於本發明之料内，包括上文所述之離子膜及陽離子 膜。實例包括其中除膜344以外—不可滲透壁提供陽極室 甲之電解質與輔助陰極室中之電解f之間的障壁之某一部 分之設計。 於一些實施例中，與輔助陰極347相關聯之實體陰極34〇 I48863.doc -30- 201107536 :位於辅助陰極室341内之環形金屬條帶。實體陰極 猎由例如一附接至一電極纜線（未顯示）之饋通連接器連接 至—電源370 ^構成實體陰極34〇及其表面之金屬較佳在電 鍍條件下係惰性的。關於可用作實體陰極之惰性金屬之實 例包括鈕、鎢、鈀或鉑、一鈀或鍍鉑金屬基板（例如鈦或 鎢或)、銀、鍍銀鈦及類似金屬。於一些實施例中，使 用正電鍍作為實體陰極材料之相同材料。舉例而言，在電 鍍銅時可使用一銅包含實體陰極。 輔助陰極室341及實體陰極34〇之尺寸可因對電鍍過程之 需要而異。於一些實施例中，實體陰極之寬度為正電鍍之 晶圓之半徑的約1〇至20%(在某些實施例中約15%)。於一 個實施例中，實體陰極係一金屬條帶，其具有一約〇丨至2 mm之厚度、一約〇 5至5 cm之寬度及一橫貫陽極室之外周 邊區域之長度。其他陰極組態之實施例包括圓形桿（〇形磁 % )、C形桿、具有一其中個別盤管界定一小圓且整體盤式 結構環繞辅助陰極或陽極室中之主電鍍容器之圓形組態之 盤管。 儘管不需要將輔助陰極室限制至一分數容積，但其通常 】於知極至’以具有一約為陽極室的1至20%且在一些實 施例中大約5%之容積。如上所述，使輔助陰極位於相對 罪近HRVA之下表面處，以使得電流在抵達晶圓表面之前 不具有藉以再分佈之空間通常係合意的。HRVA與輔助陰 極之間的距離d —般應約等於或小於正往其上電鍍金屬之 晶圓之半徑r(即，d〜Sr)。於其中不採用hrvA之實施例 148863.doc -31 - 201107536 中，晶圓與輔助陰極之間的距離d—般應約等於或小於正 在其上電鍍金屬之晶圓之半徑1>的丨3倍（即，。輔 助陰極亦應顯著高於陽極之平面以使來自陽極之電流具有 用以改變方向而無過大輔助陰極電壓或電流之空間。 於進一步實施例中，一高離子電阻多孔膜349(其在構造 上通常類似於HRVA本身之構造，但不需要特別小或眾多 孔）定位於輔助陰極室與陽極室之間。此一膜用來形塑至 電鍍單元之側之電流分佈，以使其更均勾。一用於此目的 之膜通常具有介於約⑽之間的孔隙率。其既可包括亦 可不包括小型一維孔。符合此功能之膜349之電阻通常與 正對著晶圓之刪八311之電阻相稱，並且使虛擬輔助電 極口處之電流更均句/-致。於某些實施例中’高離子電 阻多孔膜349不到約25 _厚，且較佳約12 5議厚。膜 1與10 mm之間。亦可使 3斗9中之實例性孔直徑大小介於約 用槽口或其他開口。 在-些情況下’當使用-位於—電錢裝置中之一電鑛3 板下方之輔助陰極時，不使用—HRVA 311也許係合^ 的。舉例而言’當晶圓之薄片電阻不大於約5歐姆每平2 時’可能要求此-不含HRVA之系統。於__些情況下，^ 獨該輔助陰極(較佳’但未必’結合一下文更詳細㈣ 位於陽極室及晶圓固持器之周邊上方之第二辅助崎 許能夠將由晶圓所經歷之電流密度之均勻度提高至一足兴 位準而不增加HRVA之成本及複雜度。 ‘ 第二輔助陰極348位於陽極室外部、贈八至晶圓間隙 148863.doc -32- 201107536 3 15之外部及周邊間隙3丨7之外部。如上所述，圖3 a至 中斤卞之貫把例中之第一輔助陰極係一虛陰極。類似於辅 助陰極之第二輔助陰極具有一關聯第二實體陰極342、一 室343且可含有其自身的電解質流環路、泵浦（未顯示）及陽 離子膜346 ’如圖3A至3D中所示。於圖3八至3D中，電解質 於354處進入至343且於356處退出。陽離子膜346允許第二 輔助陰極室與電鍍單元之間的離子連通，同時防止任何產 生於第二辅助陰極處之粒子進入至電鍍室中。關於第二辅 助陰極之進一步細節可參見先前以引用方式併入之2〇〇8年 11月7曰提出申請之第12/291，356號美國申請案中。 於一些實施例中，第二輔助陰極之第二實體陰極包括多 個段中該等段中之每一者皆可藉由一單獨電源或使用 個具有多個適於第二實體陰極之獨立功率段之通道之電 源來單獨地加電。此一分段式第二實體陰極特別適用於在 非圓形或不對稱晶圓（例如具有平坦區域之晶圓）上電鍍。 儘管現今相當罕見，但一些晶圓含有晶圓「平地」、一例 如用於對準之晶圓邊緣處之晶圓之切出弧。然而，通常， 一具有獨立加電段之分段式第二實體陰極可用於任一種類 之工件（對稱的或不對稱的）’因為其允許細調電鍍均勻 度特疋而5，一为段式第一貫體陰極可用於提供晶圓之 不同方位角位置處之電流校正。 由於晶圓平坦區域處之電流密度通常將不同於晶圓之圓 形區域處之電流密度，因此需要自晶圓平坦部分轉移一與 其他部分相比較不同之電流量。因此，於一個實施例中了 148863.doc -33- 201107536 第二實體陰極段與晶圓旋轉一致加電，以使得一第—位準 之電流供應至與晶圓平坦區域對準之段，同時一第二位準 之電流供應至與晶圓之圓形部分對準之第二實體陰極段。 第二實體陰極段可位於與晶圓相同之電鍍室中或—與主 電鍍室離子連通之不同電鍍室中之晶圓下方、同一位準或 上方。可使用該等段之任—配置，只要該等段與晶圓周圍 之不同方位角位置對準。段數可因對該過程之需要而異。 於些貫施例中，使用介於約2至1 〇個之間的段。 儘笞如上文所述一第二輔助陰極之一多段式第二實體陰 極特別適用於一貼近晶圓安置之1D HRVA，但此係一既可 獨立地使用亦可結合本文中所揭示之各種電鍍裝置㈣使 用之早獨貫施例。 用於電鍍裝置之電源 於某些實施例中’針對該工件及該__個或多個輔助陰極 提供-個或多個電源。在一些情況下，針對每一輔助陰極 及該工件提供一單獨電源’此實現對至每一陰極之功率傳 运之靈活及獨立控制於圖3中所繪示之實施财，使用 -個DC電源來控制至晶圓314、實體陰極34〇(與輔助陰極 34?相關聯）及至實體陰極W(與第二輔助陰極州相關聯） 之電流流。於圖3B中，為清晰起見，顯示僅兩個電源，一 個用於晶圓314且_個用於實體陰極州。電源⑽具有一 經由例如一個或多個滑環、電刷及/或觸點（未顯示）電連接 至晶圓114之負輸出引線362。電源則之正輸出引線364電 連接至-位於分離陽極室3〇4中之陽極3〇6。類似地，—電 148863.doc -34 - 201107536 源370具有—電連接至實體陰極340之負輸出引線372、及 -電連接至陽極3G6之正輸出引線374。另—選擇係、，一個 具有多個獨立可控電插座之電源可用於提供不同位準之電 . 流至該晶圓及該輔助陰極。電源360及370可連接至一控制 • 1 378 ’該控制器實現對提供至該電鑛裝置之晶圓及辅助 陰極之電流及電位之獨立控制。第二實體陰極（未顯Μ 圖3Β中）以-類似於實體陰極之方式連接至―電源（未顯 示）。 在使用期間，電源360及37〇分別加偏壓於晶圓314及實 體陰極340 ’以具有-相對於陽極3〇6之負電位。電源36〇 致使一電流自陽極3〇6流至晶圓314，從而往該晶圓上⑽ 金屬。電源370致使自陽極3〇6流至晶圓314之電流部分或 基本轉移至輔助陰極347。上文所述之電路亦可包括一個 或幾個將在不期望電流流之反轉時阻止此反轉之二極體 (未顯不）。可在電鑛期間出現—非合意之電流回饋，此乃 Ζ設定處於地電位下之陽極306係晶圓及辅助電路兩者之 共同凡件。—肖於第二幸甫助陰極之電源以一類似方式運 作。 關於輔助陰極及第二輔助陰極兩者之單獨電源，可動態 控制應用至該等陰極中之每一者之電流。當一晶圓電錢有 金屬時，薄片電阻減小且電流不均勻度降低，從而使輔助 丢在達成某金屬厚度之後成為多餘的。可動態控制應 用至辅助陰極之電流以顧及晶圓之薄片電阻之減小及通常 在不激活輔助電極之情況下產生之關聯更均勻電流分佈。 148863.doc I? -35- 201107536 於一些實施例中，在晶圓之薄片電阻降至一界定位準（例 如約1歐姆每平方或更低）之後，不供應電流至該輔助陰 才系〇 較佳電鍍均勻度可藉助一針對低於約歐姆每平方之薄 片電阻適當設計之HRVA來達成。因此，EIRIS電流可基本 上減小至此電阻值下方之零附近。更一般地說，若該電鍵 過程以一具有一 1〇〇歐姆或以上每平方之薄片電阻開始， 舉例而言’則一旦薄片電阻降至約2〇歐姆每平方以下，更 佳地或更廣泛地當電阻降至丨〇歐姆每平方以下時，可顯著 減小EIRIS電流。如上所述，£1幻8電流通常不需要處於低 於％歐姆每平方之值下。若正電鍍之薄膜為銅，則此等薄 片電阻大致對應於小於晶圓上之15 A(1〇〇歐姆每平方）、咒 Α(20歐姆每平方）、100 Α(1〇歐姆每平方）及5〇〇 Α(〇5歐姆 每平方）之鋼之厚度。 於更進-步實施例中，端視應用至晶圓之電流密度， 因此晶圓薄片電阻之減小速率，在往晶圓上電鑛金^達 例如-約20秒或以下之週期之設定期限，或在其他實施 中達一約5秒或以下之週期之後不供應電流或基本不供 電流至該輔助陰極。 可簡單地藉由關斷應用至每一陰極之電流來減小通至 輔助陰極及/或第二輔助陰極之電流。該電流亦可恨定 1_期《後單調地減小，或者另—選擇係從起始 電鑛過程或自此後不久之—時間開始單調地減小。摩用 第二輔助陰極之電流亦可以—由輔助陰極電流驅動之方 148863.doc 06- 201107536 加以動態控制且以某一方式通供。 呆万式遵擔（例如，ϋ到成比例地匹 配）輔助陰極電流。該等辅助電極電流中之—者或兩者可 係於總晶圓電流或者以一適當方式動態操縱至總晶圓電 流。應用至輔助(及/或第二輔助陰極)之電流亦可以一使用 -根據流過晶®、陽極或辅助陰極之電流計算出之演算法 及/或移離流過晶圓、陽極或輔助陰極之電流之時間（例 如，延遲直至達到一臨限觸發電流位準之起始)或自起始 電鑛以來之時間之方式來加以動態控制。應用至輔助陰極 及第二輔助陰極之電流不需要以相同方式或以相同速率減 小。亦可加脈衝於應用至晶圓、陽極、辅助及次電極中之 任何-者之電流。該脈衝可係具有對稱或不同期限之接通 及關斷時間之簡單電流接通/關斷脈衝。另一選擇係，可 使用不同量值及期限之電流正向及反向脈衝。對應用至一 個或多個輔助電極之電流之控制闡述於頒發給UzQh等人之 美國專利6，168,693中，該專利全盤地且出於各種目的以引 用方式併入本文中。 於-個實施例中，辅助及次陰極在一同軸三通拆分之後 沿其中之一者之線與一電阻器係在一起’該線來自用於同 時激勵該兩個陰極之單個電源。於其他實施例中，辅助陰 極及第二辅助陰極兩者之單獨電源經採用且實現該等陰極 中之每-者之不同時間之不同電流位準。於一具體實施例 中，當最初供應電流至該輔助陰極時，供應至該輔助陰極 與供應至該基板之電流之比例至少為約1:2(即總晶圓電 流的一半），且於-進-步具體實施例中至少為約5:1(即， 148863.doc -37- 201107536 總晶圓電流的五倍)。供應至第二輔助陰極之電流通常為 .供應至晶圓之電流的約1G%(即，1:1G)1二輔助陰極之 電流位準更詳細闡述於先前以引用方式併入之第 12/291，356號美國申請案中。 下面闡述-電解沈積過程之—個可能電流時間剖面之 一實例。當該電解沈積過程最初針對—綱麵晶圓開如 時，可供應-5 A電流至晶圓’可供應一 25八電流至輔助 陰極’且可供應一0.5 A電流至第二輔助陰極。在―5秒時 間週期流逝之後，使供應至輔助陰極之電流在下—個_ 時間週期裏以-線性方式自25安培斜降至〇 A，同時分^ 使怪定5 A電流及〇·5 A電流保持供應至晶圓及第二輔助陰 極。在合計20秒流逝之後，關斷（調零）通至次陰極之= 流。在此種情況下，在前5秒襄，自陽極供應3〇 5安培。 從5秒到15秒，來自陽極之電流自3〇5安培減小至、5安 培。在20秒之後，通至陽極之電流降至5安培且只剩下自 陽極至晶圓之電流。應理解，一給定情形之最佳剖面取決 於眾多因數’例如最初晶圓薄片電阻、電鍍薄膜比電阻、 鍍浴導電率、鍍浴添加劑影響、鍍浴之流動以及與實體單 元設計相關聯之其他因數，因此沒有一種電流-時間剖面 適用於所有情況。因此，最好以試驗方式來確定或以數學 方式（即，使用一電腦模型）來估計最佳電流_時間剖面。 控制器378結合電源360及37〇實現對提供至該電鍍裝置 之晶圓、辅助陰極及第二輔助陰極之電流及電位之獨立押 制。因此，控制器378能夠控制電源360及370以產生上文 148863.doc 38- 201107536 所述之電流剖面。然而，該控制器通常不能夠獨立地綠定 是否已滿足上述條件之-（例如，達到姆每平方或更 低之位準之薄片電阻），儘管可基於在任何給定時候經由 引線362傳遞至晶圓之已知總累積電荷量實施對薄片電阻 之估計。因此，該控制器可結合可確定是否已滿足一條件 之感測器使用。另-選擇係，該控制器可簡單地程式化有 晶圓、辅助陰極及第二輔助陰財之每一者之一單獨電流 與時間剖面。該控制器亦可量測供應至晶圓、辅助陰極及 苐二輔助陰極之電荷（庫侖=安培數*時間之積分），並將電 流-時間剖面基於此等資料。 控制器378可經組態以按照一在往基板上電鍍一界定金 屬量之後或在電鑛達-界定時間週期之後產生一自陽極之 更均勻電流分佈<方式來控制傳送至辅助陰極之電力。控 制器378亦可經組態以控制傳送至一適於自該基板之一邊 緣區域轉移一部分離子電流之第二辅助陰極之電力。 此外，控制器378可經組態以使傳送至輔助陰極及第二辅 助陰極之電力f返著金屬沈積於基板上而各自以不同速率斜 降。另外，控制器378可經組態以在基板表面之薄片電阻 達到約％歐姆/平方或以下或往基板上電鍍金屬達一約5秒 或以下之週期之後不供應電流或基本不供應電流至該輔助 陰極。 控制器378亦可經組態以控制供應至辅助陰極及基板之 電流位準。於一個實施例中，當電流電鍍開始時供應至輔 助陰極及基板之電流之比例至少為約1:2。於另一實施例 148863.doc 39· 201107536 中，當電流電鍍開始時供應至輔助陰極及基板之電流之比 例至少為約5:1。 實體屏蔽 圖4中圖解說明包含一離子電阻離子可滲透元件及一第 二輔助陰極之另一組態之近視圖。僅圖解說明晶圓3 14、 第二輔助陰極342及離子電阻元件3 11以保持清晰（即，排 除通常存在於HRVA 3 11下方之元件）。於此組態中，第二 輔助陰極位於靠近晶圓處，但第二輔助陰極之精確定位有 點靈活’特別是當晶圓及/或晶圓固持器與HRVA板之間的 間隙較小且藉由此等元件之位置組合形成一虛陰極空腔 時。離子電阻離子可滲透HRVA元件位於晶圓對面且相隔 一緊密距離d i平行於晶圓。於一個實施例中，此距離不到 約5 mm，或不到約3 mm。於一不同實施例中，該距離不 超過工件之圓形區域之直徑的約5%(更佳約2。/〇)。 一採用一離子電阻元件之組態之另一實施例顯示於圖5 中。儘管一主輔助陰極未繪示於圖4及圖5中，但應理解， 其可存在於HRVA下方之一位置處。於此實施例中，一靜 態絕緣屏蔽502駐存於該電阻元件之周長周圍以進一步提 南邊緣-中心電鍍均勻度。視需要，該組態亦包括一第二 輔助陰極342。該屏蔽可直接駐存於電阻元件3丨丨上或略高 於電阻元件3 11且可遮蔽該電阻元件之周邊上之通孔中之 一些通孔。一般而言，沿側向（x方向），此屏蔽可完全在該 電阻元件之周邊（在其周長外部），部分地在周邊（該屏蔽之 一部分在該周長外部且一部分在該周長内部，如所示）， 148863.doc •40· 201107536 或完全在該元件之外邊緣頂上（完全在該電阻元件之周長 内部）。垂直地（沿y方向），該屏蔽駐存於晶圓與電阻元件 之間，位於同一位準或以下。 當該屏蔽駐存於HRVA上方時，其可用於使周邊間隙變 小。此在使用一第二輔助陰極時特別有利。藉由使用不同 屏蔽及同一 HRVA，可獨立地調變周邊間隙對hrva_晶圓 間隙之相對大小。根據一些實施例，該屏蔽之一單獨功能 係遮蔽HRVA之-些孔，由此阻斷流過此等孔之電流。該 屏蔽可經組態（按其大小、位置、動態移動等等）以改變開 孔之數目及位置以便針對一特定應用來調諧電流剖面。有 利地，此等參數可藉由使用同一HRVA並選擇一適合於一 特定應用之屏蔽來加以調變，例如，形成一所期望周邊間 隙、阻斷孔之一所期望圖案等等。改變屏蔽之側向範圍或 其他尺寸實現對刪八系統之更靜態（厚薄膜）電鑛均句度 知縱並使獨特（通常昂貴）hrva設計及構造數最小 化’從而使得-個基本刪入組態可適於一廣泛之使用範 圍及電鍍办液(電鍍金屬、電鍍添加劑、鍍浴導電率等等） 及最初金屬化晶圓特性(晶種薄膜類型、成分及厚度)方面 之變化。儘管於—些實施例中該靜態屏蔽係-環（如圖5中 所圖解說明），但於其他實施例中該屏蔽可呈編竭翼是 狀’或具有另-方位角不對稱形狀。 另外其他屏蔽可在電鑛室内定位於HRVA與陽極之間 (例如’在晶圓面朝下备 A 月下糸統中之HRVA下方）。該等屏蔽通 吊係用於形塑電流剖面並提高電鑛之均勾度之環狀介電質 148863.doc 41 201107536 插入物’諸如頒發給BrGadbent之美國專利6，G27,63i中所 述之環狀介電質插人物’該美國專利全盤地且出於各種目 的以引用方式併入本文中。可採用熟習此項技術者已知之 其他屏蔽設計及形狀。 —般而言’該等屏蔽可呈現任—形狀，包括楔形、條 形、圓形、橢圓形及其他幾何設計之形狀。該等環形插入 物亦可在其内徑處具有圖案’該等圖案提高屏蔽以所期望 方式形塑電流通量之能力。該等屏蔽之功能可根據其在電 鍍單元中之位置而不同。本發明之裳置可包括該等靜態屏 蔽中之任何—者、以及諸如頒發給Mayer等人之美國專利 6,402,923及頒發給CGntQUni等人之美國專利7风㈣中所 述之可變場形塑元件，該兩個美國專利㈣地q用方式 併入本文中。於—些實施例中，可代替一刪s(以實現類 似於刪S之結果），或者另—選擇係，結合—刪s使用 放置於-HRVA下方之可變場形塑元件。本發明實施例之 一裝置亦可包括諸如頒發給人之美國專利 6,497,8G1中所述之分段陽極或諸如頒發給*⑽等人之美 國專利6,755,954及6,773, 571中所述之同心、陽極中之任何 一者’所有該等美國專利皆全盤地以引用方式併入本文 中。 上文所述之裝置組態係對本發明實施例之例示。熟習此 項技術者將瞭解，可使用包括適當定位之輔助陰極及第二 輔助陰極之替代電錢單元組態。儘管屏蔽插人物適用於提 高電鍍均勻度，但在一些實施例巾，可能不需要屏蔽插入 I48863.doc •42- 201107536 物’或者另-選擇係，可採用替代屏蔽組態。 四個不同電鍍系統組態之比較 圖6 Α至6D係包括一具古 曰士 昇有一具有一大體高薄片電阻（例 如，1歐姆每平方或更高，+ — & 一； 或在極咼電阻之情況下，10歐 姆每平方或更同）之日日種層之基板之四個不同電鍍裝置組 之截面示意&疋電位線（602)及電流流線（6G4)圖解 說明於截面示意圖上。亦顯示該等電鍍單元中之每一者中 之電流密度對徑向位置之代表關係曲線圖。 圖6A圖解說明-不包括一 HRVA、一輔助陰極或一第二 輔助陰極之電鐘裝置。電流密度結果代表對—呈此一組態 之m姆每平方晶圓之電链。如上文所解釋，因晶圓之中 心（c)處之高離子電流電阻及晶圓之邊緣（Rr及Ri)處之低電 阻，故離子電流密度在中心處為低且在邊緣處為高。此一 電流密度導致邊緣厚金屬沈積剖面。 圖6B圖解說明一包括—HRVA，但不包括一輔助陰極或 一第二輔助陰極之電鍍裝置。電流密度結果代表對一呈此 一組態之1歐姆每平方晶圓之電鍍。使用一 電流密 度基本對陽極-HRVA間隔及實體反電極大小不敏感，如下 文進一步闡述。如電流密度剖面中所示，使用一 hrva提 供一跨整個晶圓之均勻得多的電流密度。然而，該電流之 某一分數仍在HRVA邊緣處洩漏，從而再次產生一由虛線 外部之徑向區域中之電流之增加所指示之邊緣厚沈積剖 面。 圖6C圖解說明一包括一 HRVA，但不包括一辅助陰極或 148863.doc •43· 201107536 一第二輔助陰極之電鍍裝置（即，相同於圖6b)。然而，在 此圖中’電流密度結果係對一具有一例如10歐姆每平方或 更冋之電阻之晶種晶圓執行之代表電鑛。使用一 HRVA使 電流密度基本對陽極_HRVA間隔及實體反電極大小不敏 感’但電鍍均勻度較在該1歐姆每平方晶圓情況下差得 多。與在不採用HRVA之情況下相比較，使用一 HRVA提 供一跨整個晶圓之均勻得多的電流密度，但電鍍均勻度變 化仍很顯著。類似於圖6B，然而該電流之某一分數仍在 HRVA邊緣處洩漏，從而再次產生一由虛線外部之徑向區 域中之電流之進一步增加所指示之特別高接近邊緣厚度沈 積剖面。 圖6D圖解說明一包括一 HRVA、一輔助陰極及一第二輔 助陰極以對一具有一例如10歐姆每平方或更高之電阻之晶 種晶圓執行電鍍之電鍍裝置。電流密度剖面可藉由改變各 個元件（包括實體反電極及電鍍單元）之大小及各個元件（包 括HRVA、輔助陰極及第二輔助陰極）之位置來加以修改。 如上所述，亦可動態改變供應至晶圓、輔助陰極及第二辅 助陰極之電流《可控制HRVA之尺寸及供應至晶圓、輔助 陰極及第二輔助陰極之電流以產生一跨整個晶圓之均勻電 流密度（如電流密度關係曲線圖中所示），從而產生平扭金 屬沈積剖面，甚至當基板薄片電阻很高時（通常在最初幾 秒之沈積期間）。 應理解，不僅可針對其薄片電阻與在圖6A及圖佔中相 同（約1歐姆每平方或更低）之薄膜，而且可針對具有等於或 I48863.doc -44- 201107536 大於圖6C之薄膜之薄片電阻之薄片電阻（大於約1〇歐姆每 平方）之薄膜達成藉助圖6D之裝置獲得之結果。可藉由下 述事實來瞭解本發明之方法及裝置之一般效用：除對很高 電阻晶圓之均句電鑛之外，當不利用（激勵）圖仍之裝置之 輔助電極h，亦可獲得針對_相對低薄片電阻晶圓（不到 約1歐姆每平方）觀察到之均勻電流分佈，如可自圖6B之裝 置，或藉助來自圖6A之裝置之低薄片電阻(不到約〇 2歐姆 每平方）獲得。因此，圖印之褒置在對很高及很低薄片電 阻晶圓兩者之均勻電鍍方面具有—範圍之適用性且能夠對 可自圖6A或6B之裝置獲得之具有相對低薄片電阻之晶圓 以至少同樣好的均勻度電鍍。 陽極之定位及形狀 電洲·源之HRVA之情況下，實體（金 屬）陽極（電鐘室之一正值蔽 、 正偏壓構件）之定位也許相對不重要， 或用疋：如在邊系統中沒有一 hrva之情況下重要。因 此’儘管在—些實施例中實際陽極（-正偏壓電極）與晶圓 及電阻疋件對準且與晶圓 — 圓衣由相對戈*置’但在其他實施例 中，％極不與晶圓對準， 二, 因為其可相對於晶圓移位至側 ，放置於一單獨室中， 寸之尺寸⑽如，❹）^ T具有大致不同於晶圓之尺 且與晶圓對準H㈣^些實施财，陽極呈圓盤形 ^ ^ .、、實Μ列中，陽極可不對稱地定位。 於再其他貫施例中，傕用夕 夕個除極。於再其他實施例中， 陽極在广具有絕緣室壁 輔助虛陽極室内部遠離該室或外 148863.doc •45· 201107536 過程流實施例 配備有HRVA、-輔助陰極及一第二辅助陰極之裝 置中之一電链方法之一實例圖解說明於圖7之過程流程圖 中。於所繪示實施例中，該過程藉由將晶圓放置或接納至 該電鍍裝置之一晶圓固持器中始於一操作7〇丨中。可將該 晶圓相對於鍍浴中之電解質平面放置呈一水平定向或一傾 斜定向。 接下來’於-操作7G3巾’使晶gj與電解f接觸並將其 放置成水平且與HRVA平行，較佳處於HRVA之約5爪爪或 以下内，其中该距離係指浸沒於電解質中之底部晶圓表面 與接近HRVA表面之間的距離。在將晶圓定位於電解質中 之後（或在浸沒晶圓的同時於操作7〇5中，供應電流至晶 圓以往晶種/障壁層上電鍍金屬。藉由控制晶圓之電流^\ 或電位來提供此電流。可使用一參考電極來控制晶圓與參 考電極之間的電位，該參考電極較佳位於HRVA上方及晶 圓下方或側面之區域中。於操作7〇5中，亦供應電流（通 常，但不僅限於陰極電流）至輔助陰極及第二輔助陰極以 形塑自陽極之電流分佈以使得電流密度在晶圓表面處相對 平坦。與陰極電流相比較，來自該兩個電極中的任一個之 陽極電流將趨於對電鍍均勻度具有反效應，從而趨於增加 邊緣處或邊緣附近之電鍍量。晶圓、輔助陰極及第二輔助 陰極皆經由一個或多個電源（其各自具有一個或多個電源 通道）連接至一陽極。於一特定實施例中，此等中之每一 者皆個別地連接至位於一陽極室内之同一單陽極。於其他 I48863.doc 46- 201107536 實施例t，各個輔助陰極可連接至相同陽極_之一些陽 極、以及其他陰極或晶圓未連接至其之一些陽極。 於操作而令，動態㈣供應至晶圓、輔助陰極及第二 輔助陰極之電流。減少供應至輔助陰極及視需要第二輔助 陰極之電流以使得在滿足一條件之後不供應電流或基本不 供應電流至此等陰極《此等條件包括：例如，晶圓之薄片 電阻達到約丨歐姆每平方或更低、至少約1〇〇埃之金屬電鍍 至晶圓上、或-時間週期流逝，如上所述H，於操作 709令，往晶圓上電鍍金屬直到達到所期望金屬厚度為 止。 注意，於一些實施例中，該沈積可劃分成填充與覆蓋階 &通$，電/ylt·在覆蓋階段期間顯著增大，有時增大到約 5至1〇倍。舉例而言，若一3〇〇毫米晶圓在填充階段期間接 收約5 Α之電流，則其可在覆蓋階段期間接收約3〇至4〇 A。可在覆蓋沈積期間對供應至輔助陰極及第二輔助陰極 之電流進行進一步調節以有助於機電拋光。此等調節可包 括形成一由晶圓經歷之不均勻電流密度。 試發.结采 圖8A及圖8B顯示一電鍍有銅的具有一 5〇歐姆每平方之 最初薄片電阻之晶圓之後電鍍薄片電阻及所計算薄膜厚度 (使用已知薄膜厚度相關之比電阻及所量測薄片電阻）。線 801係電鍍薄膜之最終薄片電阻，且線803係根據本發明實 施例在一單元中處理之晶圓之最終所計算電鍍薄膜厚度， 該單元具有位於一陽極室中之一陽極内及上方之_高離子 148S63.doc -47· 201107536 電阻膜（HRVA)及一辅助電極兩者。所採用之hrva具有產 生一約5°/〇之總板孔隙率之約9000個別〇 〇26吋直徑1維孔。 該離子電阻離子可滲元件為12.7 mni厚且晶圓之前 表面定位於距HRVA頂表面3.5 111111處。一高度為20 mm且 厚度為約1 mm之環形£瓜18輔助電極定位於該陽極室之一 周邊空腔内部。上述實體電極裝設於其内之周邊虛擬電極 空腔具有一約10 mm之深度（外表面/背表面上之電極）、一 20 mm之平均尚度及限制自實體電極至連接至平行於晶圓 平面之陽極室之虛電極口之電流流之壁。虛電極「口」低 於HRVA底面1〇與30 mm之間。該陽極定位於低於hrva底 面11 5 mm之陽極室或空腔之底部處。 愿用於日日圓之總晶圓電流、電流密度、電荷及電錢時 分別為2安培、2.8 mA/cm2' 28庫命及14移、應用於輔 電極之電流為-值定1()A ’亦達14秒。如由該平坦、非 向相關薄月電阻及薄膜厚度可見，沈積一均句銅薄膜。 心厚度為約1 3 5 A且距谱絲 1 9 ς ^ — 八且距遺緣125 mm處之厚度為約125Α。 超過135麵之極邊緣處，薄片電阻趨於極低且當電流 HRVA之邊緣演漏抵達晶圓邊緣時厚度變為相當大。 而’在此測試中不採用-如上文所述位於晶圓周邊: 刪八上方之次陰極，且若採用其則將有效減小此❸ 電流，從而實現一首5曰圄 罝至^日®之邊緣之均勻電流分佈。 於-演示向此系統添加咖電極之價 中二吏晶圓、離子電阻離子可渗透-vA元件及各個 凡件貫體間隔之所有實體及過程參數保持㈣，但不激屬 I4S863.doc -48- 201107536 輔助電極（即，不應用電流）。曲線802及804係對應後電鍍 薄片二阻及所計算薄膜厚度，在此種情況下，顯示一跨整 個晶圓表面之極不均勻電鍍厚度。在此種情況下，中心厚 度為約45A且125 mm處之厚度超過15〇人。 在其中不採用輔助電極，或不結合一 HRVA採用輔助電 極，及/或存在其他不利處理條件（例如，各種電流密度、 4 士導電率之鍍浴屬性、或晶圓片晶圓電阻）之一些情況 下根本不在晶圓之中心進行電鍍且發現中心厚度幾乎為 $ ’或晶圓金屬甚至可在中心腐钱。此種現象可能與其中 %鍍（1)無法克服成核活化能或電位以開始該過程，或（^) 系如此小以致背景腐蝕集卡在那裏之非常大且未得到補償 的終端效應形成條件相關聯^ 、圖係除更小電阻1 〇歐姆每平方晶種薄膜以外類似 於圖8A關於—離子電阻離子可滲透HRVA元件對一HRVA 與EIRIS輔助陰極組合系統之比較。除如下文所提到以 外，此測試之實體配置及所應用電流類似於關於圖8所 Y曲線901係在對晶圓應用2 A電流且對輔助陰極應用4 安培，皆達14秒之情況下的結果。未對於對應於曲線9〇ι 之測試/采用次陰極。如對於曲線9〇1可見，類似於曲線 801 ’薄片電阻除向外至其中薄片電阻與一更厚薄膜相關 聯增大且無次陰極補償之超過約135mm之極邊緣以外沿著 半徑極平坦。曲線9〇2係—其中未使用或激勵聰s辅助陰 極(應用〇安培)，但在一〇 2 A之電流下激勵一第二輔助陰 極達14秒之比較試驗。曲線9〇2之薄片電阻在中心極高且 148863.doc •49- 201107536 在B曰圓之間不均句。因利用第二輔助陰極，故邊緣薄片電 阻不繼續減小。塞音^ U - ^ 實上’ >專片電阻貫際在邊緣處增大，此 乃因第—輔助陰極具有—小於0.2 A之制電流且該電 流應用達一更短時間將係最佳情形之事實。 圖10顯示一電鍍呈與參照圖8所述相同，但在此種情況 下具有且採用離子電阻離子可滲透HRVA元件、輔助及第 一輔助陰極之單元組態之5歐姆每平方pvD濺鍍銅播種晶 圓。最初薄片電阻剖面1001相當均勻。該晶圓在一銅鍍浴 中於2 A下電鍍達28秒。在前14秒期間，對輔助陰極應用 一4安培之電流並對次陰極應用一〇 2安培之電流。在後14 秒裏，不應用電流至輔助或次電極。如可見，達成一遍及 整個表面之約0.8歐姆每平方之最終薄片電阻。 數值模型化 為了更好地理解系統組件之互動，執行使用商業軟體 FlexPDETM之有限元件數值模型化來比較各種電鍍系統 (即，具有或不具有一離子電阻離子可滲透HRVA元件及具 有或不具有一輔助陰極）。用於該等模擬之HRVA物理屬性 相同於關於圖8所述。該模擬之網格及佈局顯示於圖i丄 中。晶圓1101位於HRVA 1103上方且與HRVA頂表面分離 開一間隙1104。該晶圓在晶圓表面1108外部固持於一絕緣 固持器中。第二輔助陰極實體電極1109在由晶圓固持器 1108與位於HRVA周邊之材料所形成之間隙外部，但在此 處呈現之模擬結果中之任一者中未受激勵。陽極1丨〇2駐存 於該單元之底部處。對於此模擬，陽極1102及含有實體輔 148863.doc -50- 201107536 助陰極1105之虛擬輔助陰極_皆駐存於一陽離子上部斑 下部室分離膜1107下方。由於此層(即，該膜)之比電阻接 近於電解質之比電阻（優於電解質之比電阻的十分之_) 且其如此薄(不到約〇·5 mm)，因此其存在不明顯改變系統 之總電阻或回應。然而’於實際操作中，膜上方之區域與 膜下方之區域t之電解質可不同，且該包含實現模型中之 區域之不同導電率。為了簡明起見，此處所示之資料使用 貫穿該單元相同之電解質導電率。亦即，晶圓至贿A間 隙中之導電率，在1MRVA孔中，及在該單元之其餘部分 中等於-典型鍍銅電解質（例如，1〇 g/L硫酸、4〇 g/L銅離 子電鍍溶液）之導電率，約6歐姆-1 m-i。 圖12顯示對-具有實體佈局且具有參照_所緣示及所 述之屬性之50A晶種晶圓上之最初電流密度之模擬之結 果。另外，將晶圓設定至一地電位（零伏），將陽極設定處 於50 V下，並將輔助實體電極上之電壓設定至18 V。曲線 1201係當單元不具有HRVA及輔助電極電流（電極移離系 統，但虛擬電極空腔繼續存在）時之模擬結果。電流密度 中心到邊緣不均勻。中心電流極低，且邊緣電流極高，在 中心與邊緣之間具有一單調過渡，在中心電流密度至12 $ mm處之電流密度之間具有一大於14倍的差異。曲線12〇2 具有添加至系統之HRVA，但沒有輔助電極。該曲線之形 狀大體類似於曲線1201，但中心電流明顯更高，且邊緣電 W低传多。125 mm處之電流此刻僅為中心電流密度之電流 的約3倍。儘管如此，對於此高薄片電阻薄片，此一結果 148863.doc -51 · 201107536 往往不能令人滿意。 曲線1 203顯示在激勵輔助陰極並自系統移除HRVA之情 況下所獲得之結果。均勻度相對於唯HRVA系統得到輕微 改進’但失去曲線之單調形狀。像在所有其他情況下一 樣’從中心到約40 mm，分佈相當平坦，但在此處，電流 密度高於在曲線1201中，且略高於在12〇2中。然而，在最 終相當快速地增大超過此半徑之前，曲線丨2〇3呈一具有一 自一約60 mm至1 1 〇 mm之半徑之大致恆定電流密度之第二 區域之雙平線區形狀。中心與12 5 mm之間的總電流密度差 大於2x，一相對於曲線12〇2稍微改進。此結果指示甚至在 亦不使用一 HRVA之情況下使用陽極上方之一輔助陰極室 之顯著益處。然而，呈雙峰的或具有一非單調多重平線區 分佈之電流分佈通常難以與後續金屬移除過程（例如， CMP)相匹配並由其來處理，因而以曲線形狀為代價之範 圍減小可能不如簡單地獲得一具有稱微更大範圍之相對平 穩單調剖面有利。 最後，曲線1204顯示採用一HRVA及一輔助電極兩者之 情形。與試驗資料-致’分佈從晶圓之中心到邊緣一直係 平坦的，變化不到3 %。 潜驗 應理解’本文中所述之實例及實施例僅旨在圖解鬧释 目的且將向熟習此項技術者建議鑒於其之各種修改或 二=為清楚起見已省去各種細節’但可實施各㈣ 代方案。因此’本發明實例應視為例示性的而非限制 148863.doc -52- 201107536 的，且本發明不僅限於本文中所給出之㈣，而是可在隨 附申請專利範圍之範嘴内加以修改。此外，應理解，本申 請案中所至現之許多特徵可單獨地以及以熟習此項技術者 將理解之彼此之任一合適組合形式實施。 【圖式簡單說明】 圖以係一繪示一用於在一薄晶種層上電錢之等效電路之 示意圖。 圖1B係一緣示一用於在有-具有3D多孔網路之離子電 阻離子可渗透元件之情況下在一薄晶種層上電鑛之等效電 路之示意圖 圖ic係一繪示一用於在有一具有⑴多孔網路之離子電 阻離子可渗透元件之情況下在一薄晶種層上電鍵之等效電 路之示意圖。 圖2八係一根據本文中所呈現之實施例具有複數個1Dit 孔之離子電阻元件之一俯視圖之一示意圖。 圖2B係根據本文中所呈現之實施例具有複數㈣通孔 之離子電阻元件之一截面圖之一示意圖。 圖3A至朗系強調一根據本文令所呈現之實施例之代表 性電鍍裝置之不同組件之截面示意圖。 圖4係一圖解說明一曰问 口解Μ日日®、-HRVA及—第二辅助陰極之 電鍍裝置之頂部部分之截面圖。 心係一圖解說明-晶圓、一 HRVA、一第二辅助陰極及 疋位於HRVA上方及HRVA之周邊上之固定屏蔽之電錢 裝置之頂部部分之截面圖。 I48863.doc •53· 201107536 圖6A至6D係四個+ $電鑛裝置組態之截面示意圖。電 流及電壓線圖解說明於該等截面示意圖上。圖中亦顯示該 等電鍍裝S中之每一纟《電流密度與徑向位置之代表關係 曲線圖。 圖7係根據本文中所呈現之一實施例併入一 HRVA、一 輔助陰極及-第二輔助陰極之電鐘裝置之流程圖。 圖8A至8B係顯示電鍍有銅之具有5〇歐姆每平方之最初 薄片電阻之晶圓之後電鍍薄片電阻及所計算薄膜厚度之關 係曲線圖。 圖9係一顯示電鍍有銅之具有1〇歐姆每平方之最初薄片 電阻之晶圓之後電鍍薄片電阻之關係曲線圖。 圖1 0係一顯不一使用所揭示本發明實施例電鍍之晶圓之 預電鍵薄片電阻與一後電鍍薄片電阻之關係曲線圖。 圖11係一用於本發明實施例之數值模擬之有限元件網 格。 圖12 —顯示電流密度與徑向位置之有限元件模型化之結 果之關係曲線圖。 【主要元件符號說明】 201 高電阻虛陽極板（圓盤） 302 電鍍裝置 304 分離陽極電解質室 306 陽極 308 上部擴散室 309 陰極室 148863.doc 201107536 310 陽離子膜 311 高電阻離子可滲透元件 312 位準 314 晶圓 315 HRVA至晶圓間隙 316 晶圓固持器 317 周邊間隙 320 岐管 322 岐管 330 岐管 334 溢流壁 340 實體陰極 341 室 342 關聯第二實體陰極 343 室 344 離子可滲透膜 346 陽離子膜 347 輔助陰極 348 第二輔助陰極 349 高離子電阻多孔膜 350 岐管 352 岐管 354 岐管 356 岐管 148863.doc -55- 201107536 358 岐管 360 電源 362 負輸出引線 364 正輸出引線 370 電源 372 負輸出引線 374 正輸出引線 378 控制器 502 靜態絕緣屏蔽 602 恆定電位線 604 電流流線 1001 最初薄片電阻剖面 1101 晶圓 1102 陽極 1103 尚電阻虛1¾極 1104 間隙 1105 實體輔助陰極 1106 虛擬輔助陰極 1107 下部室分離膜 1108 晶圓表面 1109 第二輔助陰極實體電極 148863.doc -56-

Claims (1)

  1. 201107536 七、申請專利範圍： 1. 一種用於電鑛金屬至_基板上之裝置，該裝置包含·· ⑷-電錢室，其經組態以在電鏟金屬至該基板上時包 含一電解質及一陽極； ㈨一基板固持器，其經組態以固持該基板以使得該基 板之f電鍍面在電鑛期間定位於距該陽極-界定距離 處’该基板固持器具有經配置以在電鍍期間接觸該基板 之邊緣並提供電流至該基板之一個或多個電力觸點； ⑷-離子電阻離子可滲透元件，其經形塑及組態以在 電鑛期間定位於該基板與該陽極之間，該離子電阻離子 可渗透7G件具有—在電鍍期間與該基板之—電鐘面實質 上平行且與其分離開一約5毫米或以下之間隙之平坦 面；及 — ()辅助陰極，其位於該陽極與該離子電阻離子可滲 透π件之間，且沿周邊定向以在電鍍期間給該辅助陰極 供應電流時形塑自該陽極之電流分佈。 2· U項1之裝置’其中該離子電阻離子可滲透元件具 有-有複數個穿孔之離子電阻本體，該複數個穿孔係 如此製作於該本體中以致該等穿孔不在該本體中形成連 通2道’其巾料穿孔允許將諸離子輸送通過該元件， 八貫負上所有穿孔皆在該元件面向該基板之表面之 表上八有不大於約5毫米之開口之一主尺寸或—直 徑。 如°月求項1之裝置’其中該離子電阻離子可滲透元件係 14SS63.doc 201107536 一具有約6,000至12,000之間個穿孔之圓盤。 4. 如請求項1之裝置，其中該離子電阻離子可滲透元件具 有一約5%多孔或以下之孔隙率。 5. 如請求項1之裝置，其進一步包含一第二輔助陰極該 第二輔助陰極在電解期間位於與該基板實質上相同之平 面中，且適於自該基板之一邊緣區域轉移—部分離子電 流。 6. 8. 士 β求項5之裝置，其中該第二輔助陰極位於該基板固 =器周邊且自該離子電阻離子可滲透元件與該基板固持 器之間的一周邊間隙徑向向外。 如請求項1之裝置，其中該輔助陰極係一具有一裝設於 該電鍍室中一空腔中之關聯實體陰極之虛擬輔助陰極， 其中該空腔與該電鍍室離子連通。 。月求項1之裝置’其進_步包含_第二離子電阻離子 可’> 透7G件’其中該第二離子電阻元件接近於該輔助陰 9.如咕求項8之裝置，其中該第二離子電阻離子可滲』 件具有一具有複數個穿孔之離子電阻本體，該複數1 =如此製作於該本體中以致該等穿孔不在該本體, 杜連通通道’其中該等穿孔允許輸送諸離子通過！ 牛’且其中實質上所有穿孔皆在該元件面 内部之表面上具有不大於⑽毫米之開口之一主尺: 一直獲- 1〇.如請求項8之裝置，其中 s亥第二離子電阻離子可滲透为 148863.doc 201107536 件具有一約5%多孔或以下之孔隙率。 η·如請求項8之裝置’其尹該第二離子電阻離子可渗透元 件不到約25 mm厚。 12. 士 μ 4項！之裝置，其進—纟包含一控制電路，該控制 電路經設計或組態以在已電鍍—界定量之金屬至該基板 上之後以產生一自該陽極之更均勻電流分佈<方式來控 制傳送至該輔助陰極之電力。 f长項12之裝置，其進一步包含一適於自該基板之一 邊緣區域轉移一部分離子電流之第二輔助陰⑮，且其中 該控制電路經設計或組態以隨著金屬沈積於該基板上而 使傳送至該輔助陰極及該第二輔助陰極之電力各自以不 同速率斜降。 彡。月求項1之裝置，其進一步包含一控制電路，該控制 電路經叹叶或組態以在電鍍一界定時間週期之後以在輔 助陰極位置處產生-更均勾電流分佈之方式來控制傳送 至該輔助陰極之電力。 15. 如請求項14之裝置，其中該控制電路經設計或組態以隨 著金屬沈積於該基板上而使供應至該辅助陰極及一第二 辅助陰極之電力各自以不同速率斜降，其令供應該第二 辅助陰極自該基板之-邊緣區域轉移—部分離子電流。 16. 如請求項14之裝置，其中該控制電路經設計或組態以在 該基板表面之薄片電阻達到約丨歐姆/平方或以下之後不 供應電流或實質上不供應電流至該輔助陰極。 17. 如印求項14之裝置，其中該控制電路經設計或組態以在 148863.doc 201107536 電鍍金屬^亥基板上達一約5秒或以下之週期之後不供 應電流或實質上不供應電流至該輔助陰極。 .如請求項14之袈置’其中該控制電路經設計或組態以在 電流電錢開始時按一至少約1:2之比例供應電流至該輔助 陰極及該基板。 19·如請求項14之裝置’其中該控制電路經設計或組態以在 電流電鑛開始時按一至少約5:1之比例供應電流至該輔助 陰極及該基板。 2〇· -種電錢-金屬層至一基板上之方法，該方法包含： ⑷將一具有—安置於其表面上之導電晶種及/或障壁 層之基板固持於—電鍍裝置之—基板固持器中，其中該 裝置包含一電鍍室及一陽極； ⑻將D亥基板之一工作表面浸沒於一電解質溶液中且接 近於-定位於該工作表面與包含於該電鍍室中之該陽極 之間的離子電阻離子可滲透元件，該離子電阻離子可渗 透兀件具有一與該基板之一工作面平行且與其分離開一 約5毫米或以下之間隙之平坦表面； (c)i、應電极至该基板以電鍍該金屬層至該晶種及，或 障壁層上；及 (句供應電流至一位於該陽極與該離子電阻離子可滲透 兀件之間的輔助陰極，以藉此形塑自該陽極之電流分 佈。 21. 士吻求項20之方法，其中該離子電阻離子可滲透元件具 有複數個非連通穿孔且其t該電解質中之諸離子穿過該 148863.doc 201107536 等穿孔。 22. 如請求項21之方法，其中實質上所有穿孔皆在該元件面 向該工件之表面之表面上具有不大於約5毫米之開口之 一主尺寸或一直徑。 23. 如請求項20之方法，其中該離子電阻離子可滲透元件係 一具有6,000至12,〇〇〇之間個穿孔之圓盤。 24. 如請求項20之方法，其中該離子電阻離子可滲透元件具 有一約5°/。多孔或以下之孔隙率。 25·如請求項20之方法，其中該辅助陰極係一具有一裝設於 該電鍍室中一空腔中之關聯實體陰極之虛擬輔助陰極， 其中該空腔與該電鍍室離子連通。 26.如請求項20之方法，其進一步包含在電鍍期間動態控制 供應至s亥輔助陰極之電流量以顧及該基板之該工作表面 處不均勻電流分佈之減小。 27_如請求項26之方法，其進一步包含隨著金屬沈積於該基 板上而使供應至該輔助陰極及該一第二輔助陰極之電力 各自以不同速率斜降，其中供應該第二輔助陰極自該基 板之一邊緣區域轉移一部分離子電流。 28·如請求項26之方法，其中在該基板表面之薄片電阻達到 約1歐姆/平方或以下之後不供應電流或實質上不供應電 流至該輔助陰極。 29. 如請求項26之方法，其中在（c)中電鍍至少約1〇〇埃之金 屬之後不供應電流或實質上不供應電流至該辅助陰極。 30. 如請求項26之方法，其中在（c)中電鍍金屬達—約5秒或 148863.doc 201107536 以下之週期之後不供應電流或實質上不供應電流至該輔 助陰極。 3 1 · 士》月求項20之方法，其中當在⑷中最初供應電流至該輔 助陰極時，供應至該輔助陰極與供應至該基板之電流之 比例為至少約1:2。 32. 如請求項2G之方法，其中當在⑷中最初供應電流至該輔 助陰極時，供應至該辅助陰極與供應至該基板之電流之 比例為至少約5 :1。 33. 如請求項20之方法，其進一步包含供應電流至一位於與 該基板實質上相同之平面中之第二輔助陰極並藉此自該 基板之一邊緣區域轉移一部分離子電流。 3 4 ·如明求項3 3之方法，其中該第二輔助陰極位於該基板固 持器周邊且自該離子電阻離子可滲透元件與該基板固持 器之間的一周邊間隙徑向向外。 3 5.如請求項20之方法，其中該電鍍室包含一接近於該輔助 陰極定位之第二離子電阻離子可滲透元件。 3 6.如請求項3 5之方法，其中該第二離子電阻離子可滲透元 件具有一具有複數個穿孔之離子電阻本體，該複數個穿 孔係如此製作於該本體中以致該等穿孔不在該本體内形 成連通通道’其中該等穿孔允許輸送離子通過該元件， 且其中實質上所有穿孔皆在該元件面向該電鍍室之内部 之表面上具有不超過約1〇毫米之開口之一主尺寸或一直 徑。 37_如請求項35之方法，其中該第二離子電阻離子可滲透元 148863.doc 201107536 件具有一約5%多孔或以下之孔隙率。 3 8.如請求項3 5之方法，其中該第二離子電阻離子可滲透元 件不到約25 mm厚。 39.如凊求項20之方法，其中在（c)中供應電流至該基板之前 s亥基板上之該晶種及/或障壁層具有一約1〇歐姆/平方或 更大之薄片電阻。 148863.doc
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