TW574432B - Electroplating apparatus and method using a compressible contact - Google Patents

Description

574432 五、發明說明（1) 發明領域 本發明相關於半導體處理，更特定於一在電阻性基質上 電鍍金屬及/或合金的裝置及方法。 發明背景 ’ 電鍍金屬在一基質上為半導體裝置製造的一個重要處理 . 。傳統的電鍍裝置，此技藝中已知的“喷泉鍍金”，概要 的顯示在圖1中。半導體晶圓1以接觸片3連接到陰極2，其 握住晶圓的邊緣並部份的遮蓋晶圓接近邊緣的正面。此晶 圓及可消耗的陽極4浸在一電鍍溶解液中。通常，在電鍍 溶解液中建立從陽極到陰極的液體的流動。一包含電壓源U V並載負電流I的電路（也概略顯示在圖1中）建立在陰極 與陽極間。另外，此陰極與晶圓相對陽極旋轉，來提供改 善的對晶Η表面的質ΐ輸送。 半導體產業中，不變的趨勢在降低晶圓上必須電鍍之形 狀的大小。這因而特定處理例如“雙波狀花紋”處理中需 要較薄的胚層。這降低的胚層厚度使得基質變得有更多阻 抗，而加上造成電鍍金屬在接近與晶圓接觸點的厚度更不 均勻。另外，晶圓間的厚度不均勻問題（也就是，晶圓上 不同位置上金屬沈澱率的差異）在需要薄鍍金沈澱時惡化 。過量的金屬’沈殿在晶圓場區域上且不在電鑛所希望的 形狀中，在接下來的處理中移除。電鍍處理中不均勻的增 加需要過量金屬沈澱的增加，導致較長及更多成本的後置 電鍍處理。

第7頁 574432 五、發明說明（2) 電鍍接觸的使用，覆蓋部份的晶圓正面，造成數個處理 問題。此電鍍接觸有金屬沈澱在其表面上，特定在暴露於 來自陽極的液體流動中的表面3 a。此晶圓被接觸點覆蓋的 面積沒有被電鍍，任何包含那些面積的晶片會損失掉。另 外，電流密度（及因此的金屬沈澱率）隨著晶圓位置而變 動；此電流密度通常在接近接觸點的晶圓邊緣上較高。這 因而使得過量金屬聚集在邊緣晶片上，如此這些晶片受損 於電氣短路，即使在晶圓其他地方的過量已經移除後。

將可察覺到此晶圓，如圖1所顯示接觸此陰極的，在此 電鍍電路中為一電阻性元件。特定的，晶圓表面上的胚層 (希望在其上電鍍的）的可描述為電阻網路，其中電流不 必要相等，如此電鍍電流密度在晶圓表面上不是均勻的。 當要電鍍的形狀大小以及胚層的厚度都減少，這個不均勻 會加重。增加電鍍接觸的數目可改善電流密度的均勻，但 是有上面所注意到的不希望效應。

其他的電鍍接觸形態在本技藝中為眾所皆知的。例如， 美國專利編號第1，739, 657號說明一電鍍裝置，其中一多 細孔材料，以電鍍解液浸泡，與陰極工作片接觸。美國專 利第5, 277, 785號說明用塑膠刷塗抹電鍍溶解液至工作片 表面。在這些參考中，任何時間只有部份的工作片有接觸 ，而工作片間電流密度不均勻的問題沒有提出。 仍需要一種電鍍裝置，其中避免使用傳統的晶圓邊緣電 鍍接觸，而此電鍍處理的均勻度獲得改善。特定的，有需 要電鍍接觸配置，其考慮到工作片的電阻特性，而其可以 574432 五、發明說明（3) 讓工作片的整個表面有電氣接觸。 發明概要 本發明提出上述的需求，藉由提供用來電鍍金屬在基質 (通常是半導體晶圓）上的電鍍裝置，其中金屬層（包含 胚層級電鍍金屬）中的電流密度更均勻的分布在晶圓上。 根據本發明，這可以藉由在晶圓與陽極間提供多細孔、可 壓縮構件做到。此可壓縮構件有一傳導表面實質覆蓋所有 要電鍍的基質表面，如此電鍍電流可藉之傳送到此基質。 因為壓縮構件多細孔，其吸收電鍍溶解液並傳送電鍍溶解 液到此基質。此要電鍍的基質表面通常包含一胚層；此壓 縮構件電氣接觸實質上所有的胚層。此傳導表面可以是聚 苯胺材料形成的。 可以維持基質與可壓縮構件間的分開距離；這個距離受 到控制（例如，藉由移動此壓縮構件）而可以讓此基質相 對於可壓縮構件的移動在電鍍操作期間同時維持與之的電 氣接觸。特定的，一薄層的電鍍溶解液可分開晶圓與此可 壓縮構件，如此晶圓可以相對此可壓縮構件的移動，而不 會損壞晶圓的結構。 此電鍍裝置可極佳的包含用來注入電鍍添加劑到可壓縮 構件的裝置。如下面更詳盡的解釋，此電鍍處理由利用電 鍍添加劑加以改善，其防止電鍍在晶圓的某些位置，根據 此可壓縮構件的傳導表面與該位置上此晶圓間的分開距 離。

574432 五、發明說明（4) 所希望的 溶解液可以 根據本發 之陰極電位 位。根據本 之電路中的 根據本發 可壓縮構件 複數個形成 根據本發 方法，利用 有傳導性表 步驟，此構 可壓縮構件 鍍溶解液從 此可壓 從此可 明之一 的陰極 發明另 被動元 明的額 為接觸 在其中 明的額 上述的 面覆蓋 件有多 經由傳 此可壓 構件 壓縮構觀點， ’而此 一觀點 件。 外觀點 此陽極 的孔來 外觀點 電鍍裝 在實質 細孔來 導性表 縮構件 有排氣孔來排出空翕， 件可靠的遞送到此晶圓 二，鑛裝置包含與基質 可壓縮構件的傳導表面 ，此可壓縮構件為載負 ，此電鍍裝置包含一陽 的被動電路元件。此陽 導引電錢溶解液至可壓 ，k供電錢金屬在基質 置。特疋的，這個方法 此基質全部表面的可壓 吸收電錢溶解液；將電 面傳送到基質表面；並 傳送到此基質。 如此電鍍 〇 電氣接觸 為陰極電 電鍍電流 極，而此 即可以有 縮構件。 表面上的 包含提供 縮構件之 鍛電流從 且讓此電 圖1概略說明—φ 圖示簡述 將晶圓固定在陰極電鍍電解槽的傳統配置，包含電鍍接觸 圖2概略說明 ，其中接觸晶 根據本發明第一具體實例的電鍍電解槽 晶圓。 曰曰W的海、綿體用來遞送電鍍溶解液及電流到此 圖2A為詳細圖一 圓表面形狀。 不顯示填滿電鍍溶解液並接近海綿體的曰曰

第10頁 574432 五、發明說明（6) 隙2 5 (也充滿雷μ 的相對運動)調整來允許曰曰曰圓1與*錦體21 表面21b間的電翁時极\持曰曰圓正表面1 f上胚層與海綿體21背 調整，藉由相斜a接觸。此海綿體可輕易的相對於晶圓做 此海4 % ^ t陽極組件向上或向下移動支撐23。 沾ί持與晶圓完全的電鍍接觸（在下面有更詳盡 的时細）同時與晶圓有一距離， 海綿體 轉時打滑在晶圓的表面lfJL。間㈣中的電鍍二= 描述為水壓層，其厚度取決於晶圓表面的形％。例如，如 圖2A中所示，充滿電鍍溶解液的晶圓中岛溝結構並因而 水壓層的局部厚部份2 6。 如在圖2中可以看到的，海綿體的表面2 lb為陰極電位， 其施加到晶圓表面i f上胚層的所有表面範圍。此晶圓與海 綿體的表面1 f及2 1 b可以分別視為電阻層及電活化接觸層 ，在電阻層有填滿電鍍溶解液的下陷及凹腔。因此，電子 有效的注入到胚層，所以電鍍有效的繼續進行。應注意到 這個配置，整個胚層接觸陰極電位的表面，相反於如圖1 配置中晶圓邊緣上選定的區域。 如上面指示的，很重要的海綿體（1)背表面21b的物質 可以載負DC (或AC )電流，而（2 )可以相對晶圓的移動 ，同時與之接觸，而不損壞胚層或電鍍層；後者的需求在 電鍍軟金屬例如銅時，特別嚴苛。一適當物質為由 Ormecon Chemie GmbH， Ammersbek 德國（zipperling Kessler & Co·子公司）生產的 ORMECON Incofilm G3 0 0 -D9。這個物質是塗覆薄層ORMECON的聚酯薄膜，一傳

第12頁 574432 五、發明說明（7) 導性的聚笨胺。ORMECON塗覆的傳導性為1 00倒數0hm-cm的 級次。可以察覺到，因為晶圓上胚層的整個表面範圍與此 物質電氣接觸，此物質必須支援的電流密度遠小於傳統電 鍍接觸載負的電流密度。圖2配置中的電流密度通常是 1 0 mA/cm2的級次，但可以是〇. 1 mA/cni2到大約1 50 mA/cm2 · 的範圍，取決於應用；例如，脈波電鍍處理通常有大於 _ 1 〇 〇 mA/cm2的電流密度。 海綿體可以排出氣泡也是很重要的。此海綿體可以是如 圖2所示的圓拱形，來增加未被晶圓覆蓋的表面積。此海 綿體也可以以孔或凹槽製造來引導空氣到海綿體的外緣， 其可以從之排出（例如，如圖3 A所示，在那裡直線的凹槽⑩ 3 1穿越海绵體的背表面）。替代的，此海綿體可以有輻射 方向的凹腔32，如圖3B所示。 海綿體2 1及晶圓1間的機構接觸可以用移動或彎曲海綿 體來控制。特定的，晶圓與海綿體間的距離可藉由機構的 向上或向下移動海綿體支撐2 3來控制。此海綿體也可以機 構的弯曲’例如藉由勒緊或放鬆圍繞海綿體2丨周圍或環繞 支樓23的環。此海綿體也可以做得以增加壓力或從陽極到 陰極電鍍溶解液的流動來彎曲。 特定的電鍍應用中，可企圖控制電流的分布及密度。這 可以藉由改變海棉體21的結構或組成來做到。例如，如圖 3C中概略顯示的，此海綿體可以二或多個有不同多孔程度 的區段33、34組成，或者此海綿體可以製造得讓它的多孔 程度連續的隨著輻射方向改變。一或多個額外的傳導層35

第13頁 574432 五、發明說明（8) 可以加至海綿體中來改變它在特定位置的電氣傳導性。此 電流密度可藉由在海綿體邊緣加入絕緣體3 6控制。 使用接觸晶圓正表面上整個胚層的海綿體也可以讓濃縮 的電鐘添加劑引入在晶圓表面上，如圖4中概略顯示。這 也參考為“利用點摻雜劑刺戳”。一泵4 1使得電鍍添加劑 — 從儲藏槽4 2經輸送管4 3流到一或多個注入點4 4並進入海綿 體2 1。此添加劑可以直接注入到海綿體主體，或替代的可 以送到嵌入海綿體的多孔管。 此電鍍添加劑可用來增強晶圓面積上希望有金屬位置的 電鍍率，並抑制在其他面積的電鍍。例如，圖2A顯示希望 電鍍的溝或介層區域，由場區域分開的。此在晶圓此溝/ 〇 介層區域的海綿體表面2 1 b與晶圓表面1 f間的水壓層比在 場區域中的厚。設計來抑制電鍍的電鍍添加劑將傾向在較 厚的區域2 6傳輸的較在較薄區域2 7的慢。這個傾向可藉由 以化學物質摻雜海綿體的表面2 1 b而進一步的加強，其抑 制在海綿體與晶圓更緊密接觸處，也就是在晶圓的場區域 ，的電鍍。 本發明的額外具體實例顧示在圖5中。在這個具體實例 中，海綿體21為陰極2與陽極4間的被動電路元件。如第一 具體實例中，此海綿體2 1維持與晶圓整個正表面的電氣接 觸並允許電鍍溶解液經由海綿體主體的擴散。在晶圓1與 海綿體2 1間的間隙5 0中之電鍍溶解液形成薄的水壓層，其 可以讓晶圓相對海綿體的旋轉。 這個具體實例結構的變化顯示在圖6中。在這個配置中

第14頁 574432 五、發明說明（9) ，晶圓1、陰極2、海綿 電鍍溶解液中的夾層結 體21的旋轉（一形成在 的）。此海綿體21最好 前述具體實例中的（。此 達海綿體及接著的晶圓 率可由變動（例如）海 轉速度來加以控制。電 上面參考圖4說明的。 使用可壓縮、電氣傳 均勻的（或受控制的分 而避免與傳統電鍍接觸 雖然本發明已利用特 前述說明之為數眾多替 的人而言是很明顯的。 發明及下面申請專利範 改變及變化。 體21及陽極4 一起固定在一浸泡在 構中。此陰極2與晶圓1可相對海錦 晶圓與海綿體間的水壓層，如前述 包含接觸晶圓的傳導聚苯胺層，如 陽極有多個小孔6 1來電鍍溶解液到 。此液體壓力及電鑛溶解液的流動 綿體物質、海綿體厚度或是晶圓旋 鍍添加劑也可以注入到海、綿體中如 導的電鍍接觸可允許電鍍溶解液以 布）電流密度遞送到晶圓正表面， 有關的問題。 定具體實例加以說明，不證自明的 代方案、改變及變化對熟習本技藝 因此，本發明企圖包含所有落入本 圍之範疇及精神的這種替代方案，

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Claims (1)

1. 574432 六、申請專利範圍

   1. 一種利用電鍍溶解液及電鍍電流來電鍍金屬在一基質 表面上的電鍍裝置，此裝置包含： 一可壓縮構件，其有傳導表面覆蓋在實質此基質所有 該表面上，並藉之傳送此電鍍電流到那裡，此構件有多細 孔以便吸收電鍍溶解液並傳送此電鍍溶解液到此基質。 2. 如申請專利範圍第1項的電鍍裝置，其中此基質的表 面包含一胚層在完成電鍍的表面上，而此可壓縮構件實質 上電氣接觸所有的胚層。

   3. 如申請專利範圍第1項的電鍍裝置，其中此電鍍裝置 包含一電氣接觸此基質並有陰極電位的陰極，而此可壓縮 構件的傳導表面為陰極電位。 4. 如申請專利範圍第1項的電鍍裝置，還包含控制此基 質與可壓縮構件間分開距離的裝置，來允許在電鍍動作期 間基質相對可壓縮構件的移動，並維持與之有電氣接觸。 5. 如申請專利範圍第1項的電鍍裝置，還包含裝置來注 入電鍍添加劑到此可壓縮構件中。 6. 如申請專利範圍第5項的電鍍裝置，其中此電鍍添加 劑抑制在基質一位置上的電鍍，根據此可壓縮構件與該位 置間的分開距離。 7. 如申請專利範圍第1項的電鍍裝置，其中此可壓縮構 件由排氣孔將空氣從之排出。 8. 如申請專利範圍第1項的電鍍裝置，其中此電鍍電流 是在一電氣電路中，而此可壓縮構件為該電路中一被動元 件0

   第17—頁 六、申請專利範園 9.如申請專利範圍第1項的電鍍 ' 匕含一陽極，而此可壓縮構件與、，其中此電鍍裝 1 〇 ·如申請專利範圍第9項的電鍍亟接觸。 ，個孔形成在其中來巧導電鏟溶解H ’其尹此陽極有複 Π.如申請專利範圍第〗項的電錢^到此可壓縮構件令。 係以聚苯胺物質形成。 ^置，其尹此傳導表面 12, 一種電鍍金屬在一基質上的 " 用電鍍溶解液及電鍍電流，此 ^二此要實行的電 提供一可塵縮構件其有傳導f包含步驟： 幾利 有該表面上，ϋ藉之傳送此 、=蓋在實質此基 細孔以便吸收電鍍溶解液； 机到那裡，此構件有多 將此電鍍溶解液從此可壓縮 夕 負的該表面；以及 、 牛經傳導表面傳送到美 可以讓電鍍溶解液從此可 、 二如申請專利範圍第1 2項的方法，i f送f此基質。 3 —胚層在完成電鍍的表面 ，、中此基質的表面包 氣接觸所有的胚層。 ’而此可壓縮構件實質上電 1 4 ·如申請專利範 電氣接觸此基質並有险極=的方法，還包含步驟來提供一 傳導表面為陰極電位^電位的陰極，而此可壓縮構件的 1 5 ·如申請專利範 基質與可壓縮構件=門;：方法，€包含步驟來控制此 期間基質相對可壓縮槿:離的裝置，來允許在電鍍動作 觸。 、、’冓件的移動，並維持與之有電氣接

   第18頁 574432 鍍 抑間 件。電元 一步 陽 電 劑置 構氣供動 用的 供 入 加位 縮空提被 利觸 提 注 添該 壓出來一 是接 來。 驟 鍍與 可排驟中 鍍極 驟件 步 電件 供之步路 電陽 步構 含 此構 提從含電 此此 含縮 包 中縮 中來包該 中與 包壓 還 其壓 其孔還為 其件 還可 ， ，可 ，氣，件 ，構 ，此 法 法此 法排法構 法縮 法到 方 方據 方供方縮 方壓 方液 的 的根 的提的壓 的可 的解 項 項， 項件項可 項此 項溶 12。16鍍12構12此12將20鍍 第中第電 第縮第中 第含 第電 圍件圍的 圍壓圍其 圍包 圍導 範構範上 範可範而 範還 範引 利縮利置 利在利，利並利來 專壓專位。專含專路 專， 專孔 圍請可請一離請包請電 請行 請個 S申到申質距申還申的 申實 申數 I如劑如基開如驟如流 如來 如複 主月 Ϊ6加7在分8·步9電。ο極。1中 、、1添1制的1的1鍍件2陽驟2極 六

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