TWI656246B - 電鍍用鹼前處理 - Google Patents

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Abstract

在電鍍之前，具有一或更多凹陷特徵部(像是穿透矽穿孔(TSV))的半導體晶圓藉由將晶圓與含有緩衝劑(例如硼酸鹽緩衝劑)且具有在約7與約13之間的前潤濕液體接觸而前處理。此前處理對於具有酸敏感含鎳種子層(例如NiB與NiP)的晶圓特別有助益。在與晶圓基板接觸前，前潤濕液體較宜受到脫氣。該前處理較宜在次大氣壓下進行以防止凹陷特徵部內的氣泡生成。在晶圓受到前處理後，自酸性電鍍溶液中將金屬(像是銅)電沉積以填充晶圓上的凹陷特徵部。所說明的前處理將種子層在電鍍期間的腐蝕降到最低並減少電鍍缺陷。

Description

電鍍用鹼前處理
此處所揭露的實施例是關於電鍍的前處理方法。更具體而言，實施例是關於積體電路製造的前潤濕方法，該前潤濕方法用於在電鍍導體材料至晶圓上以前處理半導體晶圓。
在積體電路製造中，像是銅的導體材料往往藉由電鍍而沉積至金屬種子層以在晶圓基板上填充一或更多凹陷特徵部。鑲嵌處理期間，電鍍是用於沉積金屬至晶圓的穿孔與溝槽內的選擇方法，並且也用於填充其為使用在3D積體電路與3D封裝中之相對大垂直電連接的直通矽穿孔(Through-Silicon Vias, TSVs)。
電鍍過程中會對種子層製作電性接點(通常在晶圓周邊)，且晶圓受電性偏壓而作為陰極。使該晶圓接觸於含有欲電鍍之金屬離子及可對電鍍溶液提供足夠導電性之酸的電鍍溶液。例如，一般用於銅之電沉積的電鍍溶液係含有硫酸銅與硫酸、或甲烷磺酸銅與甲烷磺酸的酸性溶液。電鍍溶液也含有可在基板的不同表面上調節電沉積速率的添加物，又稱為促進劑、抑制劑或均勻劑。這些電鍍溶液通常具有約低於1的pH值。電鍍通常進行足以用金屬填充凹陷特徵部的時間量。而後沉積在晶圓場區的多餘金屬藉由像是化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)的平坦化操作而移除。
電鍍過程中所面臨的問題之一，在於受填充凹陷特徵部內的空隙及缺陷生成，此空隙與缺陷生成係由種子層的損傷及/或於電鍍起始時在凹陷特徵部內之電解液成分的不平衡所導致。例如，某些種子層易受電鍍溶液的酸性環境影響而可能遭受腐蝕。這些酸敏感種子層包括像是NiB及NiP層的含鎳層。然而在許多應用中，含鎳種子層是優選的種子層，因為含鎳種子層可以用高度保形的方式以無電沉積法所沉積。此處說明的實施例提供在電鍍前用於處理具有酸敏感種子層之半導體晶圓的晶圓前處理方法及設備。所提供的方法能夠在不訴諸於無酸電鍍溶液的情況下，明顯減少對種子層的損傷並在酸敏感種子層上得到無空隙的電填充。
第一態樣中，說明在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法。該方法包括：設置在其表面上的至少一部份具有裸露含鎳層的晶圓基板；使晶圓基板接觸於前潤濕液體，該液體包括緩衝劑並具有範圍為約7與約13之間的pH值，以將晶圓基板的含鎳層前潤濕；接著使用酸性電鍍溶液將金屬(例如銅)電鍍到含鎳層上，其中電沉積的金屬至少部分填充一或更多凹陷特徵部。
某些實施例中，前潤濕液體的pH值在約9與約11之間(例如約在11)，且前潤濕液體包括硼酸鹽緩衝劑。某些實施例中，硼酸鹽的濃度在約10mM與約1 M之間(像是約在0.1 M)。可用於前處理的其他緩衝劑包括碳酸鹽緩衝劑與磷酸鹽緩衝劑。
前潤濕液體通常包括pH值調節劑，該pH值調節劑在某些實施例中選自由四烷基銨氫氧化物(tetraalkylammonium hydroxide)及鹼金屬氫氧化物(例如KOH)所組成的群組。某些實施例中，pH值調節劑包括氨。
某些實施例中，前潤濕液體進一步包括來自聚烯烴乙二醇(polyalkylene glycols)類別的化合物。某些實施例中，前潤濕液體包括硼酸鹽(例如約0.1M的濃度)、KOH、來自聚烯烴乙二醇類別的化合物，並具有約11的pH值。
某些實施例中，前潤濕液體在接觸晶圓基板前受到脫氣。某些實施例中，前潤濕腔室的壓力在基板與前潤濕液體接觸前降至次大氣壓力。可用諸多方法將前潤濕液體分配至晶圓上。某些實施例中係噴灑該液體至晶圓基板上。晶圓基板與前潤濕液體接觸時可處於實質上水平的方向。
某些實施例中，本方法用於填充晶圓基板上的一或更多TSV。某些實施例中，本方法更包括：將光阻塗布至晶圓基板上；將光阻曝光；將光阻圖案化並轉印圖案至工件上；以及選擇性地將光阻從工件上移除。
另一態樣中，係提供將金屬電鍍至包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板的含鎳層的設備。本設備包括：設置為將前潤濕液體分派至晶圓基板上的前潤濕腔室；設置為容納酸性電鍍溶液的電鍍容器，其中該設備係設置為從電鍍溶液中將金屬電沉積至晶圓基板的含鎳層上；以及具有程式指令及/或邏輯的控制器以用於實施一或更多此處所提供的方法。例如，控制器可包括指令及/或邏輯以用於：將晶圓基板與前潤濕液體接觸，該液體包括緩衝劑並具有範圍在約7與約13之間的pH值，以將晶圓基板的含鎳層前潤濕；以及使用酸性電鍍溶液將金屬電沉積至該含鎳層體上。
另一態樣中，則提供前潤濕液體，該液體含有硼酸鹽緩衝劑，該硼酸鹽緩衝劑包含：硼酸鹽、選自四烷基銨氫氧化物與鹼金屬氫氧化物所組成之群組的pH值調節劑、以及來自聚烯烴乙二醇類別的化合物，其中前潤濕液體的pH值在約8與約13之間。
另一態樣中，則提供含有程式指令的非暫態電腦機器可讀媒介。用於控制電鍍設備的程式指令包括用於進行上述說明方法中之任一者的程式碼。
本發明的這些與其他特徵和優點將參照圖式及以下的相關說明而更詳細地闡述。
在以下的說明中，本發明係根據某些特定設置與程序所呈現，以助於解釋本發明可如何實施。本發明不限於這些特定實施例。本發明之特定實施例的範例於所附圖式中說明。儘管本發明將偕同這些特定實施例說明，但應當瞭解到這並非意欲將本發明限制於此等特定實施例。相反地，係意欲涵蓋包括於附加專利申請範圍的範疇與等同範圍內的替代、改良及等效物。在以下說明中，列舉出諸多特定細節以提供本發明的完善理解。本發明可以在沒有部份或全部的這些特定細節下實施。在其他情況中，廣為習知的程序操作並未詳細說明以避免對本發明多餘的混淆。
本揭露書中，使用多種詞語描述半導體工件。例如將「晶圓」與「基板」交替使用。透過電化學反應將金屬沉積或電鍍至一導體表面的方法通常稱為電鍍或電填充。此應用中的含銅金屬稱為「銅」，該「銅」不受限地包含純銅金屬、摻有其他金屬的銅合金、以非金屬物種(像是使用於電填充操作期間的有機及無機化合物(例如：均勻劑、促進劑、抑制劑、表面活化試劑等))所礦染的銅金屬。如同可由熟悉本技術領域者所理解的，詞語「硼酸鹽」、「碳酸鹽」、「檸檬酸鹽」與「磷酸鹽」在本揭露書中係用於不受限地包括所對應的共軛酸。例如，「硼酸鹽緩衝劑」可包括硼酸鹽與硼酸兩者。
雖然主要將參照銅的電鍍來說明電填充程序，但應理解此處所提供的方法及相關設備配置可用於進行其他金屬與合金的電鍍，例如Au、Ag、Ni、Ru、Pd、Sn及Pb/Sn合金等等。電鍍電解液將含有所需金屬離子的來源(金屬鹽)，並通常含有用於增加電解液導電性的酸。
所說明的前處理程序可實施在任何類型的種子層(例如銅、鎳、釕、鎢等等)上，但是對酸敏感種子層特別有用。這些酸敏感種子層包括含鎳種子層，特別是那些由無電沉積法所沉積的種子層及/或具有除鎳以外之其他元素(例如：約1原子百分比或更多的另一元素)的種子層。這些含鎳層的範例為NiB層與NiP層，該分子式並非意味化學計量50%的Ni。某些實施例中，其他元素(例如NiB中的硼與NiP中的磷)的含量約在0.01~50原子百分比之間，像是約25原子百分比。可受惠於鹼前處理之酸敏感層的其他範例包括任何成分的極端薄層體(例如銅種子層)。
所提供的方法可使用於以任何種類之電解液進行電鍍前的前處理。在以pH值低於3(例如低於1)的強酸腐蝕性電鍍溶液電鍍前，此前處理的優勢特別明顯。
所提供的方法可用於填充各種凹陷特徵部，但對於填充TSV尤其有優勢，其中TSV係具有相對大尺寸及高深寬比的凹陷特徵部。TSV通常具有開口寬度約1 µm或更多(像是5 µm或更多)且深度約20 µm或更多(像是50 µm或更多及100 µm或更多) 之5:1或更高的深寬比，像是10:1或更高及甚至20:1或更高(例如達到約30:1)。TSV的範例包括5×50 µm及10×100 µm的特徵部。這樣大的凹陷特徵部在以酸敏感種子層塗布時尤其難以使用習知技術填充。
圖1說明電鍍溶液與具有凹陷特徵部的基板接觸後，電鍍溶液成分的分布模型。基板的剖面概要圖予以顯示。基板包括介電材料層101以及嵌置於該介電質的穿孔103。例如W/WN雙層體的保形擴散阻障層105位於介電層上。像是NiB或NiP層的保形種子層107位於阻障層105上並接觸電鍍溶液120。電鍍溶液包含金屬鹽、酸、促進劑與抑制劑。電鍍溶液與基板接觸之後，電鍍溶液的不同成分以不同速度移動至凹陷特徵部的底部。與其他成分相比，箭號121所代表的H+ 離子顯然更快移動至穿孔底部。比起質子，箭號123所代表的其他離子與促進劑的移動約慢了10倍，然而箭號125所代表的抑制劑分子甚至移動的更慢，約比質子慢100倍。因此與電鍍溶液接觸後，在凹陷部的底部會產生富含質子的不平衡環境而可能導致種子層的去極化及種子層表面的腐蝕。
未受鹼前處理的情況下，當具有酸敏感種子層的凹陷特徵部受到電填充時，往往在穿孔的底部形成空隙，如圖2所示。圖2顯示使用酸性電解液而以金屬填充凹陷特徵部之後的基板剖面圖，其中唯一的前處理係在降低的壓力下用已脫氣的去離子水前潤濕。如同所述，電沉積的金屬111填充凹陷特徵部，而空隙112形成在凹陷特徵部的底部部分。
能夠防止此等空隙形成的前處理方法以圖4所示的範例流程圖並藉由圖3A~3D所示之受處理基板的一系列剖面圖所說明。操作401中，係設置具有一或更多凹陷特徵部與含鎳種子層的晶圓基板。此等基板的範例剖面圖顯示於圖3A。圖3A顯示位於介電層101內的TSV 103。圖3A顯示含有一穿孔的基板部分。在許多實施方式中，該基板為含有數百或數百萬穿孔的半導體晶圓。
介電層101與擴散阻障層105(例如Ta、TaN、Ti、TiN、W、WN及其組合)一致，並具有沉積在阻障層105上的含鎳層107。含鎳種子層107與TSV的內壁保形一致，並亦存在於場區而覆蓋於擴散阻障層上。某些實施例中，含鎳種子層是藉由無電沉積法所沉積的NiB或NiP層。無電沉積法提供優於物理氣相沉積(PVD)的好處，因為無電沉積法可沉積出比PVD層體更為保形的層體。在鎳的無電沉積中，基板接觸於鎳鹽及還原試劑(例如低磷酸鹽、二烷基氨基硼烷或鈉硼氫化物)以形成含鎳層。根據還原試劑的本質形成NiB或NiP層。例如，含硼還原試劑的使用會提供NiB層，而低磷酸鹽或其他含磷還原試劑的使用則導致NiP層的生成。
具有裸露含鎳種子層的基板接著受到前處理，如圖4的操作403所示。基板接觸於前潤濕液體，其中該液體包含緩衝劑並具有在約7與約13之間的pH值，像是在約8與約12之間及像是在約9與約11之間。適當的緩衝劑範例包括硼酸鹽緩衝劑、碳酸鹽緩衝劑、檸檬酸鹽緩衝劑以及磷酸鹽緩衝劑。緩衝溶液通常也包含pH值調節劑。某些實施例中，pH值調節劑優選為非複合鹼。適當的非複合pH值調節劑包括鹼金屬氫氧化物(例如KOH、NaOH)以及四烷基銨氫氧化物(例如四甲基銨氫氧化物)。其他實施例中，pH值調節劑可具有複合性質。此等pH值調節劑包括氨與胺。「前潤濕液體為緩衝劑」是所提供之實施例的重要特徵，代表其pH值不會在與酸性電鍍溶液接觸之後立即變為酸性，而可在與電鍍溶液初始接觸後維持鹼性一段時間，從而提供無缺陷的電鍍。
某些實施例中，前潤濕液體也可包括對於基板前處理有所助益的其他化合物，像是潤濕試劑及界面活性劑(例如替代的或非替代的聚乙二醇，或者替代的或非替代的聚丙二醇)。此等合適的潤濕試劑範例為可自Moses Lake Industries，Moses Lake，WA取得的HSL-PT1。某些實施例中，前潤濕液體也可包括使用於電鍍液的添加物。在前處理過程中使用這些化合物可減輕關於這些添加物在電鍍起始時的緩慢擴散速度問題。
一實施例中，前潤濕液體可以是含有硼酸鹽、KOH以及來自聚烯烴乙二醇類別之化合物(例如替代的或非替代的聚乙二醇，或者替代的或非替代的聚丙二醇)的水溶液，其中該溶液具有在約9與約12之間(例如在約11)的pH值。某些實施例中，前潤濕液體包含濃度在約10mM與約1M之間的硼酸鹽(像是約0.1M的濃度)。可藉由任何適當的方法使前潤濕液體接觸於基板，像是藉由噴灑液體到基板上、將液體流動到基板上、將基板浸沒入該液體中等等。某些實施例中，「噴灑液體至旋轉中的基板」為優選。
前處理之後的基板剖面圖顯示於圖3B中。前潤濕液體的連續潤濕層108形成在基板上，從而對在凹陷部底部的、在凹陷部側壁的以及在場區的含鎳種子層提供鹼性緩衝環境。
接著在操作405中，使用酸性電鍍溶液將金屬電沉積到基板上。電沉積過程中，含鎳種子層受到負電偏壓而使晶圓基板作為陰極。使基板接觸於電鍍溶液，該電鍍溶液含有將予電鍍的金屬離子並優選地包含酸。電鍍溶液也可包含添加物。添加物的範例包括促進劑、抑制劑以及均勻劑。用於銅沉積的範例電鍍溶液包括銅鹽(例如硫酸銅)、酸(例如硫酸)、促進劑(例如雙-(3-磺基丙基)二硫化物，SPS)、氯離子與抑制劑。進行電鍍足以至少部分填充凹陷特徵部的時間。某些實施例中，凹陷特徵部為完全填充。圖3C所示的結構說明凹陷特徵部藉由電鍍而以銅111完全填充。在此圖中，未圖示出下方的含鎳種子層以保持清楚性。因為基板在接觸酸性電鍍溶液前已用鹼性緩衝溶液前處理，故未在已填充的凹陷特徵部內形成空隙。
接著在操作407中，自基板移除過剩的金屬。某些實施例中，接續使用例如化學機械研磨或濕式蝕刻技術等將電鍍過程中沉積於場區的多餘金屬移除。金屬移除後所得到的基板結構顯示於圖3D。在所述的實施例中，基板受到平坦化以移除電沉積的金屬及下方含鎳種子層。某些實施例中，接著以後續的平坦化操作來移除擴散阻障層。
某些實施例中，特別是處理具有寬度大於1微米之特徵部的基板時，須採取特殊步驟以防止氣泡形成在基板的特徵部內。這些實施例由圖5所示的前處理流程圖所說明。操作501中，前潤濕液體受到脫氣。某些實施例中，係進行脫氣以實質上自液體中移除氧與氮兩者。此等全面脫氣可藉由例如將前潤濕液體經過薄膜接觸式的脫氣器而進行。商業性可行的脫氣元件範例包括出自Membrana of Charlotte，NC的Liquid-CelTM以及出自Entegris of Chaska，Minnesota的pHasorTM。操作503中，在容置晶圓基板之前潤濕程序腔室內的壓力降至次大氣壓壓力。某些實施例中，壓力降至約10~100 Torr之間(像是約60 Torr)。操作505中，使已脫氣的前潤濕液體與置於前潤濕腔室中的基板接觸。例如，在已脫氣之前潤濕液體受噴灑或流動至該基板上的同時，該基板可予以旋轉。此操作的結果為形成連續的潤濕層，從而將後續電鍍過程中氣泡生成的可能性降至最低。接著在操作507中，前潤濕腔室的壓力增至大氣壓，接著將已受到前潤濕的基板傳送至電鍍腔室以接續將金屬電沉積至凹陷特徵部內。可在降低的壓力下與此處所提供之鹼性前潤濕溶液偕同使用的前潤濕設備及方法細節係說明在由Mayer等人所申請並公開於2010年12月23日、標題為「Wetting Pretreatment for Enhanced Damascene Metal Filling」的美國專利申請公開案第2010/0320609號，該美國專利申請公開案在此處全文併入作為參考文獻。
適於此處所說明之鹼前處理的前潤濕溶液可以用多種方法順序製備。圖6顯示製備具有硼酸鹽緩衝劑之前潤濕溶液的圖解方法。操作601中，提供處於水中(像是在去離子水中)之來自聚烯烴乙二醇類別的化合物溶液。接著在操作603中，添加硼酸至此溶液中。接著在操作605中，將pH值調節劑(例如KOH、NaOH、TMAH或NH3 )添加至此溶液中直到溶液的pH值達到所需值。所形成的溶液接著可選擇性地受到操作607中的脫氣。某些實施例中，前潤濕液體實質上由水、緩衝化合物(例如硼酸鹽、磷酸鹽、檸檬酸鹽、碳酸鹽或其組合)、來自聚烯烴乙二醇類別的化合物與pH值調節劑所組成，其中溶液的pH值調節至所需值。
此處所提供的方法可實施在設置為分派前潤濕液體至晶圓上的任何類型設備。某些實施例中，前處理在有別於電鍍腔室的獨立前潤濕腔室中進行。其他實施例中，前處理於電鍍之前在電鍍腔室中進行。
某些實施例中，基板在電鍍前於前潤濕腔室中受到前潤濕以避免氣泡陷入在凹陷特徵部內。前潤濕腔室的一實施例顯示於圖7。此實施例所示的前潤濕腔室設置為持續一段時間地噴灑或流動前潤濕液體至晶圓基板上。在圖7中，晶圓701於前潤濕腔室703中面朝上地以晶圓支架702支撐。某些實施例中，晶圓支架設置為在前潤濕程序期間將晶圓基板保持在實質上水平的方向。其他實施例中，晶圓支架設置為在前潤濕程序期間將晶圓基板保持在實質上垂直的方向。
一般的操作中，首先透過連接至真空系統(圖未示)的真空埠709對腔室703抽真空。這將腔室內的壓力降至次大氣壓。腔室內的大量空氣由真空系統移除後，將前潤濕液體自噴嘴705或其他機構分派至晶圓表面上。某些實施例中，前潤濕流體在接觸晶圓表面前受到脫氣以避免氣體在前潤濕流體進入真空環境時釋放。在前潤濕流體分派程序期間，晶圓可用馬達707旋轉以確保晶圓完全潤濕與暴露。某些實施例中，前潤濕液體首先接觸旋轉中之晶圓基板約3cm範圍內的晶圓基板中心。在前潤濕之後，晶圓用馬達707以低轉速旋轉移除挾帶的前潤濕流體而在晶圓表面上留下流體薄層。過量的前潤濕流體透過排出埠711排出並離開真空腔室。此晶圓接著傳送到例如Novellus蛤殼形抓斗單元的電鍍室，以便用藉由表面張力所保持在晶圓表面及其特徵部內的前潤濕流體薄層進行電鍍。前潤濕腔室通常也包括含有用於進行此處所說明之前潤濕程序之各態樣的程式指令及/或邏輯的控制器713。
某些實施例中，前潤濕腔室及電鍍腔室可包含於一模組中，該模組可包括控制器，該控制器具有：在完成前潤濕後，自前潤濕腔室將基板傳送至電鍍腔室的程式指令。
電鍍步驟在其中予以實施的設備說明於圖8。本設備包括基板(例如晶圓)在其內受到處理的一或更多電鍍單元。一電鍍室顯示於圖8以保有清楚性。為了使由底往上的電鍍最佳化，將添加物(例如促進劑與抑制劑)添加到電解液中；然而，具有添加物的電解液可能以不希望的方式而與陽極有所反應。因此，電鍍室的陽極與陰極區域有時會以薄膜隔離，使得不同成分的電鍍溶液可用於各個區域。在陰極區域的電鍍溶液稱為陰極電解液，而在陽極區域者為陽極電解液。可使用諸多工程設計將陽極電解液與陰極電解液引入電鍍設備中。
參照圖8，係顯示了根據一實施例之電鍍設備801的圖解式剖面圖。電鍍浴803容納有顯示在位準805的電鍍溶液(具有此處所提供的成分)。本容器中的陰極電解液部分係適於在陰極電解液中接收基板。晶圓807浸沒入電鍍溶液中，並由裝配於旋轉軸811之例如「蛤殼形抓斗」的支撐治具809所支撐，旋轉軸811使蛤殼形抓斗809得以與晶圓807一起旋轉。具有適於與本發明一起使用之態樣的蛤殼形抓斗型電鍍設備的通用說明係詳細描述於授予Patton等人的美國專利第8156167號、以及授予Ried等人的美國專利第6800187號，這些美國專利在此處為了所有目的而在此全文併入做為參考文獻。
陽極813設置在晶圓的下方、電鍍浴803的內部並以薄膜815(優選為離子選擇性薄膜)而與晶圓區域分離。例如可使用Nafion™的陽離子交換薄膜(cationic exchange membrane，CEM)。陽極薄膜下方的區域常被稱為「陽極腔室」。離子選擇性陽極薄膜815容許離子在電鍍室中的陽極與陰極區域之間流通，同時防止產生在陽極的粒子進入晶圓附近區域而將其汙染。陽極薄膜也有助於在電鍍程序期間重新分配電流流動並從而改善電鍍均勻性。適合的陽極薄膜詳細說明提供在授予Ried等人的美國專利第6126798號與第6569299號，此兩案為所有目的在此併入作為參考文獻。像是陽離子交換薄膜的離子交換薄膜特別適於這些應用。這些薄膜通常由離子聚合物材料製成，像是包含酸性硫酸基群組的全氟化共聚物(例如Nafion™)、磺酸鹽聚醯亞胺(sulfonated polymides)以及本領域具有技術能力者所周知之適於陽離子交換的其他材料。適當的Nafion™薄膜的選定範例包括自Dupont de Nemours Co.取得的N324與N424薄膜。
在電鍍期間，來自電鍍溶液的離子沉積在基板上。金屬離子必須擴散通過擴散邊界層而進入TSV穿孔。助於擴散的通常方式是透過由幫浦817所提供的電鍍溶液對流流動。此外，可使用震動攪拌或聲波攪動構件以及晶圓轉動。例如，震動轉換器808可裝附於晶圓夾具809。
電鍍溶液由幫浦817連續供給至電鍍浴803。通常，電鍍溶液向上流動通過陽極薄膜815及擴散板819到晶圓807的中心，接著快速向外流動並遍及晶圓807。電鍍溶液也可自電鍍浴803的側邊供給進入該浴的陽極區域。電鍍溶液接著從電鍍浴803中溢流至溢流貯存器821。電鍍溶液接著受到過濾(圖未示)並回到幫浦817而完成電鍍溶液的再循環。電鍍室的某些設置中，使一不同電解液流動穿過容納有陽極的電鍍室部分，但使用節制滲透膜或離子選擇性薄膜以防止與主要電鍍溶液混合。
參考電極831位於電鍍浴803外部、分離的腔室833中，該腔室由來自主電鍍浴803的溢流所盛滿。可選地，在某些實施例中參考電極盡可能地靠近基板放置，且參考電極腔室透過毛細管或另一方法而連接至晶圓基板的側邊或直接位於晶圓基板下。某些優選實施例中，設備更包括連接於晶圓周邊的接觸感應引線，這係設置為在晶圓周邊感應金屬種子層的電位而不運載任何電流至晶圓。
希望以受控制的電位電鍍時，通常會使用參考電極831。參考電極831可以是多種常用類型的其中一者，像是汞/汞硫酸鹽、銀氯酸鹽、飽和甘汞或銅金屬。除了參考電極之外，直接接觸晶圓807的接觸感應引線(圖未示)可在某些實施例中用於更為精準的電位量測。
直流(DC)電源供應器835可用於控制電流流向晶圓807。電源供應器835具有透過一或更多集電環、電刷與接點(圖未示)而電連接於晶圓807的負極輸出引線839。電源供應器的正極輸出引線841電連接於位在電鍍浴803內的陽極813。電源供應器835、參考電極831以及接觸感應引線(圖未示)可連接於系統控制器847，除了其他功能之外，該系統控制器使提供至電鍍室之元件的電流與電位得以調節。例如，控制器可使電鍍得以處於電位受控與電流受控的狀態。控制器可包括指定需施加於電鍍室之各元件的電流與電壓位準以及這些位準需予改變之時刻的程式指令。施加正向電流時，電源供應器835對晶圓807施加偏壓，使其具有相對於陽極813的負電位。這導致電流從陽極813流往晶圓807，且電化學還原反應(例如：Cu2+ + 2 e- = Cu0 )發生在晶圓表面(陰極)上，這在晶圓表面上導致電性導體層(例如銅)的沉積。惰性陽極814可設置在電鍍浴803內部、晶圓807的下方，並以薄膜815分離於晶圓區域。
本設備也可包括用於將電鍍溶液的溫度維持在特定位準的加熱器845。電鍍溶液可用於將熱傳遞至電鍍浴的其他元件。例如，晶圓807裝載進入電鍍浴時，可啟動加熱器845與幫浦817以將電鍍溶液流通貫穿電鍍設備801，直到本設備各處的溫度實質上變為均勻。一實施例中，加熱器連接於系統控制器847。系統控制器847可連接於熱電耦以接收電鍍設備內之電鍍溶液溫度的反饋並確認額外加熱的需求。
控制器通常包括一或更多記憶體元件及一或更多處理器。處理器可包括CPU或電腦、類比及/或數位輸入/輸出連結、步進馬達控制器板等等。某些實施例中，控制器控制電鍍設備及/或前潤濕腔室的所有作業。
例如，按照上述或在附加之申請專利範圍中所說明的方法，控制器可包括用於進行前處理及電鍍指令。包含用於控制按照本發明之程序操作指令的非暫態機器可讀媒介可耦接至系統控制器。
通常會有與控制器847相關的使用者介面。使用者介面可包括顯示螢幕、設備及/或程序條件的圖像軟體顯示器，以及像是指標裝置、鍵盤、觸控螢幕、麥克風等等的使用者輸入裝置。
用於控制電鍍程序的電腦程式碼可用任何習知的電腦可讀程式語言所撰寫，例如組合語言、C、C++、Pascal、Fortran或其他。已編譯的物件碼或腳本可由處理器執行以進行在程式中所界定的任務。
某些實施例中，此處所說明的方法將可實施於包含電鍍設備與步進器的系統。 實驗
範例1(對照組)。使用包含具有60 µm深與開口直徑6 µm之複數個穿孔的晶圓基板。基板具有用無電沉積法而沉積在WN/W擴散阻障雙層體上的NiB種子層。基板在次大氣壓力下用已脫氣的去離子水噴灑形成潤濕層。接著壓力增至大氣壓，且基板自前潤濕腔室傳送至電鍍單元，在電鍍單元內，使用含60 g/L之銅離子、60 g/L之H2 SO4 、50 ppm之氯化物離子以及MLI HSL-A/B/C之促進劑、抑制劑以及均勻劑(可自Moses Lake Industries，Moses Lake，WA取得)的酸性電鍍溶液將銅電沉積以填充凹陷特徵部。在受填充之穿孔的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像中觀察到空隙。在位在晶圓中心與中間部分之穿孔的穿孔底部觀察到空隙。位於晶圓邊緣的穿孔則未觀察到空隙。
範例2(對照組)。晶圓基板受到如範例1的處理，除了前潤濕液體為HSL-PT1，係包含有可自 Moses Lake Industries，Moses Lake，WA去得並源自聚烯烴乙二醇類別之化合物的混合物。在位在晶圓中心與中間部分之穿孔的穿孔底部觀察到空隙。位於晶圓邊緣的穿孔則未觀察到空隙。
範例3。晶圓基板受到如範例1的處理，除了前潤濕液體具有下列成分：HSL-PT1(可自Moses Lake Industries, Moses Lake, WA取得)的混合物、50mM的硼酸、以及用以維持pH值為9而添加至溶液的氨。未在受填充之穿孔的SEM影像中觀察到空隙。然而，在晶圓邊緣的穿孔具有比在晶圓中心的穿孔有更多沉積在受填充之穿孔頂部的銅。
範例4。晶圓基板受到如範例1的處理，除了前潤濕液體具有下列成分：HSL-PT1(可自Moses Lake Industries, Moses Lake, WA取得) 的混合物、50mM的硼酸、以及用以維持11之pH值而添加至溶液的KOH。未在受填充之穿孔的SEM影像中觀察到空隙。在受填充之穿孔頂部所沉積的銅總量明顯比範例3均勻許多。所有說明於範例中的溶液為水溶液。 其他可選實施例
儘管在諸多實施例中優選使用緩衝劑的前處理液體，但在其他可選的實施例中，未具有緩衝能力的強鹼溶液也可用於前處理。例如，某些實施例中，該溶液具有至少為9的pH值(像是至少約11)並包含pH值調節劑(例如，鹼金屬氫氧化物、四烷基銨氫氧化物)，並選擇性地包含源自聚乙二醇類別的化合物。這些可選實施例的一部分中，溶液實質上由水、如上所述的pH值調節劑、以及源自聚乙二醇類別的化合物組成。
101‧‧‧介電材料層
103‧‧‧穿孔(TSV)
105‧‧‧保形擴散阻障層
107‧‧‧保形種子層(含鎳層)
108‧‧‧潤濕層
111‧‧‧電沉積金屬(銅)
112‧‧‧空隙
120‧‧‧電鍍溶液
121‧‧‧箭號
123‧‧‧箭號
125‧‧‧箭號
401‧‧‧步驟
403‧‧‧步驟
405‧‧‧步驟
407‧‧‧步驟
501‧‧‧步驟
503‧‧‧步驟
505‧‧‧步驟
507‧‧‧步驟
601‧‧‧步驟
603‧‧‧步驟
605‧‧‧步驟
607‧‧‧步驟
701‧‧‧晶圓
702‧‧‧晶圓支架
703‧‧‧前潤濕腔室
705‧‧‧噴嘴
707‧‧‧馬達
709‧‧‧真空埠
711‧‧‧排出埠
801‧‧‧電鍍設備
805‧‧‧位準
807‧‧‧晶圓
808‧‧‧震動轉換器
809‧‧‧支撐治具(晶圓夾具)
811‧‧‧旋轉軸
813‧‧‧陽極
814‧‧‧惰性陽極
815‧‧‧薄膜
817‧‧‧幫浦
819‧‧‧擴散板
821‧‧‧貯存器
831‧‧‧參考電極
833‧‧‧腔室
835‧‧‧電源供應器
839‧‧‧陰極輸出引線
841‧‧‧正極輸出引線
845‧‧‧加熱器
847‧‧‧系統控制器
圖1是接觸於電鍍溶液之具有TSV晶圓基板的剖面概要代表圖，說明不同溶液成分移動至穿孔內的擴散相對速度。
圖2是未受鹼前處理之晶圓基板的剖面概要代表圖，說明以銅填充的TSV在穿孔底部具有空隙。
根據此處所呈現的實施例，圖3A-3D描述在TSV處理之各階段的半導體元件剖面概要代表圖。
根據此處所提供的實施例，圖4描述沉積方法的流程圖。
根據此處所提供的實施例，圖5描述前處理方法的流程圖。
根據此處所提供的實施例，圖6描述製備前潤濕溶液的方法流程圖。
圖7是此處所提供之適於分派前潤濕液體的前潤濕程序腔室簡化概要圖。
根據此處所提供的實施例，圖8係適於填充凹陷特徵部之電鍍設備的簡化概要圖。

Claims (18)

  1. 一種在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，該方法包括：(a)設置一晶圓基板，該晶圓基板之表面的至少一部份具有裸露的一含鎳層；(b)使該晶圓基板接觸於一前潤濕液體，該前潤濕液體包含一緩衝劑並具有範圍在約7與約13之間的pH值，以將該晶圓基板上的該含鎳層前潤濕，其中在前潤濕之後，該晶圓基板保留含緩衝劑的該前潤濕液體；以及(c)使用一酸性電鍍溶液將該金屬電沉積至經前潤濕的該含鎳層上，使得該酸性電鍍溶液接觸保留在該晶圓基板上的該前潤濕液體，其中該電沉積的金屬至少部分填充該一或更多凹陷特徵部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中該前潤濕液體包括硼酸鹽，並具有在約9與約11之間的pH值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中該前潤濕液體包括磷酸鹽。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中該前潤濕液體包括碳酸鹽。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中該前潤濕液體包含一pH值調節劑，該pH值調節劑選自：由四烷基銨氫氧化物與鹼金屬氫氧化物所組成的群組。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中該前潤濕液體包括一pH值調節劑，其中該pH值調節劑包括氨。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中該前潤濕液體包含來自聚烯烴乙二醇類別的化合物。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，更包含在該前潤濕液體接觸該晶圓基板前，將該前潤濕液體脫氣。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，更包含在該晶圓基板與該前潤濕液體接觸前，將一前潤濕程序腔室中的壓力降至次大氣壓壓力。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中該含鎳層為NiB層。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中該含鎳層為NiP層。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中在步驟(c)中所電沉積的該金屬為銅(Cu)。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中該一或更多凹陷特徵部為穿透矽通孔(TSV)。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中該前潤濕液體包含硼酸鹽、KOH與來自聚烯烴乙二醇類別的化合物，且具有11之pH值。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中將該晶圓基板接觸於該前潤濕液體包括將該前潤濕液體噴灑至該晶圓基板上。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中在接觸期間，該晶圓基板位於實質上水平的方向。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，其中該緩衝劑包含濃度在10mM與1M之間的硼酸鹽。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之在包含一或更多凹陷特徵部之晶圓基板上電鍍金屬的方法，更包含：將一光阻塗布至該晶圓基板上；將該光阻曝光；將該光阻圖案化並轉印該圖案至該晶圓基板；以及選擇性地從該晶圓基板上移除該光阻。
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