專利名稱：用于經改進工藝穩定性及性能的電沉積系統的配置及操作方法
技術領域：
本文中所揭示的實施例涉及金屬電鍍，特定來說，涉及金屬電鍍到晶片襯底上。
背景技術：
鑲嵌處理是用于在集成電路上形成金屬線的方法。由于所述方法相比于其它方法需要較少處理步驟且提供高合格率，因此經常使用所述方法。通常用銅填充集成電路的表 面上的在鑲嵌處理期間形成的導電路線。可借助使用電鍍溶液的電鍍工藝將銅沉積于所述導電路線中。

發明內容
本發明提供用于電鍍金屬的方法、設備及系統。根據各種實施方案，所述方法涉及減小電鍍溶液中的氧濃度、使晶片襯底與所述電鍍溶液接觸、將金屬電鍍到所述晶片襯底上及增加所述電鍍溶液的氧化強度。根據一項實施方案，一種將金屬電鍍到晶片襯底上的方法包含減小電鍍溶液的氧濃度，其中所述電鍍溶液包含約100PPM或小于100PPM的加速劑。在減小所述電鍍溶液的氧濃度之后，在電鍍池中使晶片襯底與所述電鍍溶液接觸。電鍍池中的電鍍溶液的氧濃度為約IPPM或小于1PPM。在電鍍池中，借助電鍍溶液將金屬電鍍到晶片襯底上。在電鍍之后，增加電鍍溶液的氧化強度。根據一項實施方案，一種用于電鍍金屬的設備包含電鍍池、脫氣裝置、氧化站及控制器。所述電鍍池經配置以保持電鍍溶液。所述脫氣裝置耦合到所述電鍍池且經配置以在電鍍溶液流動到所述電鍍池中之前從電鍍溶液移除氧氣。所述氧化站耦合到所述電鍍池，且所述氧化站經配置以在電鍍溶液從所述電鍍池中流出之后增加電鍍溶液的氧化強度。所述控制器包含用于進行一種工藝的程序指令，所述工藝包含以下操作使用脫氣裝置來減小電鍍溶液的氧濃度。所述電鍍溶液包含約100PPM或小于100PPM的加速劑。在脫氣之后，在電鍍池中使晶片襯底與電鍍溶液接觸。電鍍池中的電鍍溶液的氧濃度為約IPPM或小于IPPM0在電鍍池中，借助電鍍溶液將金屬電鍍到晶片襯底上。在電鍍之后，使用氧化站來增加電鍍溶液的氧化強度。根據一項實施方案，一種包括用于控制沉積設備的程序指令的非暫時計算機機器可讀媒體包含用于減小電鍍溶液的氧濃度的代碼。所述電鍍溶液可包含約100PPM或小于100PPM的加速劑。在減小所述電鍍溶液的氧濃度之后，在電鍍池中使晶片襯底與所述電鍍溶液接觸。電鍍池中的電鍍溶液的氧濃度為約IPPM或小于1PPM。在電鍍池中，借助電鍍溶液將金屬電鍍到晶片襯底上。在電鍍之后，增加電鍍溶液的氧化強度。下文在附圖及說明中陳述本說明書中所描述標的物的實施方案的這些及其它方面。


圖I展示將金屬電鍍到晶片襯底上的方法的實例。
圖2A展示經配置以執行本文中所揭示方法的設備的示意性圖解的實例。圖2B展示儲液槽的示意性圖解的實例。圖3展示電填充系統的示意性圖解的實例。
具體實施例方式一般來說，本文中所描述的實施方案提供用于控制電鍍溶液組合物的設備及方法。在以下詳細說明中，陳述眾多具體實施方案以提供對所揭示實施方案的透徹理解。然而，如所屬領域的技術人員將顯而易見，可在沒有這些特定細節的情況下或通過使用替代元件或工藝來實踐所揭示實施方案。在其它例項中，尚未詳細描述眾所周知的工藝、程序及組件以便不會不必要地使所揭示實施方案的各方面模糊不清。在本申請案中，術語“半導體晶片”、“晶片”、“襯底”、“晶片襯底”及“經部分制作的集成電路”可互換地使用。所屬領域的技術人員將理解，術語“經部分制作的集成電路”可以是指在其上制作集成電路的許多階段中的任一者期間的硅晶片。以下詳細說明假設，所揭示實施方案實施于晶片襯底上。然而，所揭示實施方案并不受如此限制。工件可具有各種形狀、大小及材料。除半導體晶片之外，可利用所揭示實施方案的其它工件還包含例如印刷電路板及類似物等各種物品。本文中所揭示的實施方案的各種方面涉及控制電鍍溶液中的氣體濃度及電鍍溶液的氧化強度的方法。此可通過在電鍍設備中的電鍍溶液流動路徑中的不同位置處所采用的單獨機構來實現。舉例來說，一種方法的實施方案可包含(a)在將電鍍溶液引入到電鍍池之前將所述電鍍溶液脫氣及(b)在所述電鍍池下游的位置處增加所述電鍍溶液的氧化強度。電鍍溶液的氧化強度可增加到促進或維持處于所要氧化狀態的電鍍添加劑(例如，加速劑的二硫化物形式)的形成的水平。將接觸晶片襯底以將金屬電鍍到晶片襯底上的電鍍溶液脫氣可減少對晶片襯底上的籽晶層的腐蝕且有助于溶解晶片襯底上的小氣泡。另外，電鍍溶液的脫氣可擾亂電鍍溶液中的添加劑(特別是加速劑)的氧化分解，借此減少添加劑使用且減少所述添加劑的有害副產物的形成，從而允許較長的電鍍溶液壽命。當將電鍍溶液脫氣與電鍍池具有分離的陽極室組合以使得還防止陽極上的添加劑氧化時，情況尤其如此。具有單獨陽極室的電鍍設備描述于第6，527，920號美國專利及第6，821，407號美國專利中，所述專利中的兩者均以引用方式并入本文中。然而，如果電鍍溶液維持在約O. Ippm到Ippm的氧濃度下，那么防止在電鍍期間于晶片襯底處減少的加速劑的正常氧化，如下文所描述。此迅速導致電鍍溶液的去極化及電鍍溶液的填充能力的損失。為克服此問題，且根據本文中所描述的各種實施方案，可在將金屬電鍍到晶片襯底上之后增加電鍍溶液的氧化強度。 引言 電鍍溶液可含有若干種添加劑，包含加速劑、抑制劑及整平劑。加速劑(替代地稱作光亮劑)是增加電鍍反應的速率的添加劑。加速劑是吸附在銅表面上且在給定所施加電壓下增加局部電流密度的分子。加速劑可含有懸垂硫原子，理解所述硫原子參與銅離子還原反應且因此強有力地影響銅膜的成核及表面生長。加速劑添加劑通常是巰基丙烷磺酸(MPS)、二巰基丙烷磺酸(DPS)或雙(3-磺丙基)二硫化物(SPS)的衍生物，但可使用其它化合物。沉積加速劑的非限制性實例包含以下各項2_巰基乙烷磺酸(MESA)、3-巰基-2-丙烷磺酸(MPSA)、二巰基丙酰磺酸(DMPSA)、二巰基乙烷磺酸(DMESA)、3_巰基丙酸、巰基丙酮酸鹽、3-巰基-2- 丁醇及I-硫代甘油。一些有用加速劑描述于(舉例來說)第5，252，196號美國專利中，所述專利以引用方式并入本文中。加速劑可從市面上購得，如來自希普利(Shipley)(馬薩諸塞州馬爾伯勒(Marlborough,MA))的Ultrafill A-2001或如來自樂思化學(Enthone Inc.)(康涅狄格州西黑文(West Haven, CT))的SC Primary,舉例來說。 抑制劑(替代地稱作載運劑)是往往在其吸附到銅表面上之后抑制電流的聚合物。抑制劑可從聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)、聚氧化乙烯或者其衍生物或共聚物得到。舉例來說，商用抑制劑包含來自希普利(馬薩諸塞州馬爾伯勒)的Ultrafill S-2001及來自樂思化學(康涅狄格州西黑文)的S200。整平劑通常是抑制其質量轉移速率最快速的位置處的電流的陽離子表面活性劑及染料。因此，電鍍溶液中存在整平劑用以減小優先吸收整平劑的突出表面或拐角處的膜生長速率。由于有差別質量轉移效應所致的整平劑的吸收差異可具有顯著效應。一些有用整平劑描述于(舉例來說)第5，252，196,4, 555，135及3，956，120號美國專利中，所述專利中的每一者均以引用方式并入本文中。整平劑可從市面上購得，舉例來說，如來自希普利(馬薩諸塞州馬爾伯勒)的Liberty或Ultrafill整平劑及來自樂思化學(康涅狄格州西黑文)的Booster 3。加速劑、抑制劑及整平劑進一步描述于第6，793，796號美國專利中，所述專利以引用方式并入本文中。舉例來說，可使用以下電鍍溶液來實施晶片襯底上的常規銅電鍍與空氣相平衡且因此可含有約8ppm到IOppm的經溶解氧氣及較大量的經溶解氮氣。此可導致至少三個不同問題。第一，當這些電鍍溶液穿過高壓泵以將所述電鍍溶液遞送到晶片襯底時，電鍍溶液經歷的壓力改變可導致從泵與晶片襯底之間的低壓地帶中的溶液中凝結出的氣泡。此類氣泡可通過落在晶片襯底表面上且粘附到所述晶片襯底表面或積累于位于晶片襯底下方的電鍍池元件中或所述電鍍池元件上且更改晶片襯底上的電場分布及所得經電鍍厚度分配而導致電鍍缺陷。第二，晶片襯底上的小特征內的銅籽晶層經常極薄且幾乎在地點上不連續。在成核開始之前在電鍍溶液中溶解籽晶層可導致籽晶層的缺乏及既定填充所述特征的經電鍍金屬中的后續空隙。可由于電鍍溶液中的氧氣可以約I納米/分鐘的速率氧化銅而發生籽晶層的溶解。第三，電鍍溶液中的添加劑可與氧氣反應以形成可使電鍍溶液性能降級或需要更頻繁的電鍍溶液補充或處理的副產物。舉例來說，知曉用于銅電鍍溶液中的加速劑添加劑(包含SPS、DPS、含相關巰基的物質、及這些化合物的副產物)對電鍍溶液中的氧濃度敏感。參見(舉例來說)Reid，J. D.的“酸銅亮光劑性質的HPLC研究(An HPLC Study of AcidCopper Brightener Properties) ”,印刷電路制作(1987年11月)第65到75頁,所述文獻以引用方式并入本文中。盡管不完全知曉副產物的形式，但最初添加到電鍍溶液的SPS可以還原反應在晶片襯底處轉換成其單體MPS。電鍍溶液中的氧氣或通過與陽極接觸而進行氧化可將MPS轉換回成SPS。SPS及MPS可在電鍍溶液中保持平衡。因此，在此方面，電鍍溶液中的一些氧氣可以是有用的。然而，MPS還可進一步在陽極處或通過空氣不可逆地氧化成不容易再轉換成SPS的物質(即，形成經氧化的巰基丙烷磺酸MPSO))。當這些物質開始形成時，加速劑添加劑的總使用可增加且電鍍溶液中的副產物的總體積可增加。由于副產物經常使電鍍溶液降級，因此處理電鍍溶液以移除副產物、或補充電鍍溶液可以是必需的。這些選項中的兩者的代價都很高。將銅電鍍溶液脫氣可有助于克服上文所陳述問題中的一些問題。舉例來說，關于第一個問題，當從電鍍溶液移除包含分子氧及分子氮的氣體以使得電鍍溶液不飽含空氣時，小氣泡將在電鍍溶液中自發地且較快速地溶解。當晶片襯底進入電鍍溶液時，電鍍溶液 可潤濕銅表面且通常替換所述表面上及晶片襯底上的特征中的空氣。然而，由于晶片襯底進入到電鍍溶液中可導致產生氣泡(其可粘附到晶片表面且通過防止電鍍而造成丟失金屬缺陷(凹點)，因此快速溶解電鍍溶液中的氣泡可以是有益的。飽和溶液中的空氣溶解速率可為約1.2X10_6克/平方厘米/秒(g/cm2-sec)，從而導致小氣泡的快速移除(例如，在約I秒內移除10微米級泡)。舉例來說，相比于尚未脫氣的電鍍溶液，當使用已脫氣的電鍍溶液時，觀察到銅籽晶表面上的凹點型缺陷的約4倍(4X)減少。關于第二個問題，通過將電鍍溶液脫氣來減小電鍍溶液中的氧濃度可導致比首先將晶片襯底浸入于電鍍溶液中時低的銅籽晶層的腐蝕速率。舉例來說，當將電鍍溶液中的氧濃度從約8ppm減小到O. 5ppm時，觀察到銅籽晶層腐蝕速率減小約50%。關于第三個問題，觀察到減小電鍍溶液中的氧濃度減少添加劑的使用且還減少添加劑副產物的形成。舉例來說，當將電鍍溶液脫氣以移除氧氣且將陽極與電鍍溶液隔離因此加速劑不接觸陽極時，觀察到電鍍溶液中的加速劑的穩定性改進約2倍。此歸因于擾亂MPS(例如，當SPS為加速劑時)不可逆地降級到正抑制的副產物。然而，如上文所陳述，減小電鍍溶液中的氧濃度可擾亂加速劑與構成加速劑的物質之間的平衡。舉例來說，對于含有SPS作為加速劑的電鍍溶液，將電鍍溶液脫氣擾亂在電鍍期間形成為SPS的MPS的再平衡，且電鍍溶液性能可快速惡化。更一般來說，一些有機二硫化物型加速劑可與電鍍溶液中的硫醇化合物保持平衡。如果電鍍溶液變得過度還原(因為在將電鍍溶液脫氧時所述電鍍溶液可過度還原)，那么所述平衡促成形成加速劑的較低氧化版本(例如，硫醇形式)。此提供不需要的電鍍條件(例如，電鍍溶液可變成過于極化)。因此，為解決第三個問題，在將電鍍溶液脫氣及將電鍍溶液抽吸到晶片襯底之前增加電鍍溶液的氧化強度(例如，通過將氧氣再引入到電鍍溶液)可允許SPS-MPS再平衡且允許穩定電鍍溶液極化及填充。舉例來說，正在電鍍池中的電鍍溶液可含有極低的氣體濃度(例如，至少低于飽和濃度)。在包含電鍍池的電鍍系統中的其它地方，電鍍溶液可具有使得電鍍溶液添加物(例如，加速劑)保持處于穩定活性狀態中的氧化強度。在電鍍池外部增加電鍍溶液的氧化強度可使平衡朝向加速劑的經促成形式變換。
總的來說，用于籽晶腐蝕防止及加速劑降級防止的電鍍溶液中的氧濃度可盡可能地接近于零。用于氣泡溶解的電鍍溶液中的所有經溶解氣體的濃度也可盡可能地接近于零。然而，由于MPS-SPS平衡及這些兩種分子的不同加速性質，因此電鍍溶液中的使加速劑對電鍍系統中的填充性能行為產生影響的氧濃度可為約Ippm氧氣或大于lppm。為解決這些沖突目標，可設計若干種方法及設備以使得晶片襯底經歷低氣體濃度而氧氣或其它氧化物質的時間平均濃度高于約lppm。因此，可維持產生晶片襯底上的特征的從底向上填充的電鍍溶液特性，同時改進電鍍溶液的穩定性(即，防止加速劑降級)。舉例來說，在一些實施方案中，可將脫氣器放置在電鍍池之前以使得與晶片襯底接觸的電鍍溶液具有介于約O. Ippm到Ippm的范圍內的氧濃度，但允許電鍍溶液與儲液槽中的空氣或氧化物質再平衡以使得所要MPS-SPS再轉換產生良好填充性能。所述方法及設備組合電鍍溶液條件，此避免晶片襯底中的特征的不良填充 同時將低氣體及/或氧濃度電鍍溶液提供到電鍍池。方法銅電鍍可采用以下電鍍溶液包含銅鹽(例如，硫酸銅(CuSO4))的電解質、用以增加電鍍溶液的導電率的酸及各種電鍍溶液添加劑。電鍍溶液添加劑通常以低濃度(約十億分之十(ppb)到IOOOppm)存在且影響表面電沉積反應。通常，添加劑包含加速劑、抑制劑、整平劑及鹵化物(氯離子及溴離子，舉例來說)，其各自在形成具有所要微觀及宏觀特性的銅膜中具有唯一且有益作用。在一些實施方案中，來自銅鹽的銅離子的濃度為約20克/升(g/L)到60g/L。在一些實施方案中，加速劑的濃度為約5ppm到IOOppm且整平劑的濃度為約2ppm到30ppm。在一些實施方案中，浴液(bath)包含約50ppm到500ppm的濃度的抑制劑。在一些實施方案中，電鍍溶液可進一步包含酸及氯離子。在一些實施方案中，酸的濃度為約5g/L到200g/L，且氯離子的濃度為約20g/L到80mg/L。在一些實施方案中，所述酸為硫酸。在一些其它實施方案中，所述酸為甲烷磺酸。在一些實施方案中，電鍍溶液可包含硫酸銅、硫酸、氯離子及有機添加劑。在這些實施方案中，電鍍溶液包含處于約O. 5g/L到80g/L、約5g/L到60g/L或約18g/L到55g/L的濃度的銅離子、及處于約O. I g/L到400g/L的濃度的硫酸。低酸電鍍溶液通常含有約5g/L到10g/L的硫酸。中酸及高酸電鍍溶液分別含有處于約50g/L到90g/L及150g/L到180g/L的濃度的硫酸。氯離子可以約lg/L到100mg/L的濃度范圍存在。在具體實施方案中，電鍍溶液為以商標DVF 200 (樂思化學)出售的電鍍溶液，其為給其添加加速劑、抑制劑、整平劑添加劑及50ppm氯離子的甲燒磺酸銅(copper methanesulfonate/methane sulfonic acid)電鍛溶液。圖I展示將金屬電鍍到晶片襯底上的方法的實例。在方法100的框102處開始，減小電鍍溶液中的氧濃度。舉例來說，可通過將電鍍溶液脫氣來減小電鍍溶液中的氧濃度。電鍍溶液中的氧濃度可歸因于大氣中的氧氣，且可為約8ppm到lOppm，此取決于大氣壓。在一些實施方案中，電鍍溶液是在臨近進入電鍍池之前被脫氣，且在一些實施方案中，電鍍溶液是正在電鍍池中時被脫氣。舉例來說，可通過使電鍍溶液流過脫氣器而將電鍍溶液脫氣。減小電鍍溶液中的氧濃度的另一方法包含鼓泡。鼓泡是一種涉及使化學惰性氣體作泡狀經過液體以從所述液體移除經溶解氣體的技術。舉例來說，可借助氦氣使電鍍溶液鼓泡以替換氧氣及氮氣或借助氮氣使其鼓泡以選擇性地替換氧氣。減小電鍍溶液中的氧濃度還可通過使用膜以使氣體飽和而非從所述溶液取出氣體或通過與選擇性氣體引入組合地在接近真空條件下操作處理工具來執行。對于各種脫氣技術的討論，參見2010年I月8日提出申請的第12/684，792號美國專利申請案，所述申請案以引用方式并入本文中。在框104處，在電鍍池中使晶片襯底與電鍍溶液接觸。在一些實施方案中，電鍍池中的電鍍溶液的氧濃度為約Ippm或小于lppm。舉例來說，電鍍池中的電鍍溶液的氧濃度可為約 O. Ippm 到 lppm。在框106處，在電鍍池中將金屬電鍍到晶片襯底上。可將可通過控制電流及/或電位而提供的電功率施加到晶片襯底以沉積金屬。
在框108處，增加電鍍溶液的氧化強度。可在電鍍池外部的位置處增加電鍍溶液的氧化強度。增加電鍍溶液的氧化強度補償在減小電鍍溶液中的氧濃度時在框102處對分子氧的耗盡。在一些實施方案中，增加電鍍溶液的氧化強度可儲液槽中或電鍍系統中的各種位置處執行。儲液槽在本文中還稱為氧化站。增加電鍍溶液的氧化強度的量可取決于電鍍溶液流率、用以將金屬電鍍到晶片襯底上的電鍍電流、及電鍍溶液體積。增加電鍍溶液的氧化強度可主動地或被動地執行。可用以增加氧化強度的氧化劑的實例包含氧氣、經純化氧氣、臭氧、過氧化氫、一氧化二氮及不干涉電鍍的各種其它常規氧化劑。所挑選的氧化劑可促進電鍍添加劑形成為其活性操作狀態或維持電鍍添加劑形成為其活性操作狀態。所挑選的氧化劑可適度地溶于電鍍溶液中。舉例來說，氧化劑的替代實例包含鹽或含有氧化陰離子或陽離子(例如，鐵離子(Fe(III))或鈰離子(Ce(IV)))的其它化合物。在一些實施方案中，增加電鍍溶液的氧化強度是被動地執行。在被動工藝中，電鍍溶液可暴露于空氣。可準許空氣中的氧氣擴散到電鍍溶液中且借此使所述溶液再充氧。舉例來說，儲液槽可使在(例如)周圍條件下與空氣接觸的電鍍溶液的量維持不變。來自空氣的氧氣或氮氣將在其駐存于儲液槽中時逐漸擴散到電鍍溶液中，從而被動地增加所述溶液的氧化強度。在一些實施方案中，在不期望將氮氣再引入到電鍍溶液中的情況下，通過將電鍍溶液暴露于氧氣、經純化氧氣或臭氧來將氧氣添加到電鍍溶液。在一些實施方案中，如通過將電鍍溶液暴露于一氧化二氮來將氧氣添加到電鍍溶液。舉例來說，儲液槽中的環境的氧濃度可為約2ppm到5ppm。在增加電鍍溶液的氧化強度之后，電鍍溶液中的氧氣的濃度可為約Ippm或大于lppm、或者約2ppm到5ppm。在一些其它實施方案中，增加電鍍溶液的氧化強度是主動地執行。主動工藝隱含增加電鍍溶液的氧化強度以比由被動工藝將經歷(即，使一定量的電鍍溶液與空氣或其它周圍條件接觸)快的速率發生。主動工藝可包含用以促進電鍍溶液的氧化強度的增加的機構。主動地增加電鍍溶液的氧化強度可在其中減小電鍍溶液中的氧濃度的點下游的儲液槽中或另一位置處執行。可由任一適當機構將氧化劑(包含空氣)引入到電鍍溶液中。舉例來說，如果氧化劑為氣體，那么可通過經由存在于儲液槽中或電鍍系統內的另一位置處的適當起泡機構使所述氣體作泡狀進入到電鍍溶液中來將其引入。在另一實例中，增加電鍍溶液的氧化強度可通過經由使電鍍溶液在虹吸材料、肋條或其它高表面面積結構上方經過而增加電鍍溶液的空氣或氣體接觸面積來實現。如果氧化劑為液體，那么可通過將所述液體添加到電鍍溶液來將其引入。
執行實驗以表征在借助相同電鍍溶液進行電鍍的經擴展周期(即，O小時到320小時)期間脫氣對電鍍溶液的填充性能、添加到電鍍溶液的添加劑的穩定性及電鍍溶液的極化一致性的影響。實驗展示，通過將電鍍溶液中的氧氣的濃度減小到2ppm，顯著改進添加到電鍍溶液的加速劑、抑制劑及整平劑添加劑的穩定性，稍微改進填充性能，電鍍溶液的極化程度更一致且保持比10mA/cm2下的500mV更具負性，且與具有來自周圍環境的氧濃度的電鍍溶液相比，減少副產物產生。執行另一實驗以表征在借助電鍍溶液進行的30小時電鍍之后保持于電鍍溶液中的填充性能、極化程度及加速劑濃度。此實驗借助具有不同氧濃度的數種電鍍溶液來執行。隨著氧濃度不斷改進的加速劑穩定性降低到極低水平(即，來自周圍環境的氧濃度降低到十億分之十的氧濃度(PPb))。同時，電鍍溶液的極化強度開始隨著下降到Ippm以下的氧濃度而降低。對于具有來自周圍環境的氧濃度的電鍍溶液而言 ，使填充性能略微降級。這是因為加速劑濃度(例如，SPS濃度)太低而不能達到最佳填充性能。對于Ippm及O. 5ppm氧濃度電鍍溶液而言，看到填充性能改進，這是因為電鍍溶液中的加速劑穩定性及因此其濃度保持較接近于開始水平。在甚至更低氧濃度(即，小于O. 5ppm)下，即使加速劑穩定性良好，也使填充性能劇烈降級。這是因為以下原因而發生MPS副產物以過高濃度穩定于浴液中，從而導致由于相比于SPS而言MPS為用于銅電鍍的較強有力催化劑而產生極化損失。設備通常，相關設備將包含電鍍池，其在電鍍期間采用電鍍溶液；及電鍍溶液循環回路，其在所述電鍍溶液不存在于所述電鍍池中時保持所述電鍍溶液且使其再循環。所述電鍍溶液循環回路還可包含其它元件，例如，過濾器、儲液槽、泵及/或脫氣器。圖2A展示經設計或配置以執行本文中所揭示方法的設備的示意性圖解的實例。設備200包含電鍍池205，其用于使用電鍍溶液將金屬電鍍到晶片襯底上；脫氣裝置210，其經配置以在將電鍍溶液遞送到所述電鍍池之前從電鍍溶液移脫氣體；及儲液槽215，其定位于電鍍池205與脫氣裝置210之間，所述儲液槽經配置以促進增加電鍍溶液的氧化強度。與設備200相關聯的箭頭指示電鍍溶液在所述設備中的流動。也就是說，當設備200處于操作中時，電鍍溶液可從儲液槽215流動到脫氣裝置210中、到達電鍍池205中且回到儲液槽215中。舉例來說，電鍍溶液可通過重力而從電鍍池205流動到儲液槽215。泵(例如，泵220)還可將電鍍溶液抽吸經過設備200的組件。電鍍溶液在進入電鍍池205之前經過過濾器230。設備200可進一步包含各種閥、真空泵、另外過濾器及其它硬件(未展示)。在電鍍溶液從電鍍溶液儲液槽215進入電鍍池205之前，電鍍溶液經過脫氣裝置210。脫氣裝置210可耦合到真空泵225以將電鍍溶液脫氣。脫氣裝置還可稱為脫氣器或接觸器。脫氣裝置210從電鍍溶液移除一種或一種以上經溶解氣體(例如，分子氧及分子氮兩者)。在一些實施方案中，所述脫氣裝置為膜接觸脫氣器。市面上可購得的脫氣裝置的實例包含來自Membrana公司(北卡羅來納州夏洛特(Charlotte, NC))的Liquid-Cel 及來自Entegris公司(明尼蘇達州查斯卡(Chaska,MN))的pHasor 。所述脫氣裝置可移除溶解于電鍍溶液中的氣體以達到由以下因素確定的程度舉例來說，電鍍溶液流率、所暴露面積及將真空施加到脫氣裝置所跨越的半透膜的性質及所施加真空的強度。用于脫氣器中的典型膜允許分子氣體的流動但不準許較大分子或溶液的流動(其不可潤濕所述膜)。儲液槽215可提供氧化劑到電鍍溶液的主動或被動引入。被動引入可包含(例如)將電鍍溶液暴露于空氣。主動引入可包含起泡器、高表面面積空氣接觸結構等的使用。圖2B展示儲液槽的示意性圖解的實例。儲液槽215含有電鍍溶液260。儲液槽215包含電鍍溶液入口端口 252、電鍍溶液排出端口 254、氣體入口端口 256及氣體排出端口 258。所述儲液槽可包含膜、纖維、肋條、線圈或其它高表面面積結構(未展示)。電鍍溶液260可在所述高表面面積結構上方流動以將電鍍溶液的大表面面積暴露于氣體。舉例來說，所述儲液槽中的結構可由塑料(例如，聚丙烯)或金屬制成。當電鍍溶液正在所述結構上方經過時，還使其與來自氣體入口端口 256的氣體流(例如，氧氣流或其它含氧氣的氣體流)接觸以促進電鍍溶液的再充氧。舉例來說，所述儲液槽的設計可采用通常在蒸發冷卻器中找到的特征。因此，電鍍設備200中的電鍍溶液可在電鍍池205中具有低氣體濃度(例如，在將所述電鍍溶液脫氣時)。然而，在所述電鍍池外部的位置處，電鍍溶液可正充分地氧化以將電鍍溶液的添加劑的平衡狀態推向優選狀態(例如，相對于硫醇，二硫化物為優選的。)。

在一些實施方案中，當設備200處于操作中時，氧濃度可在設備200內的不同位置或站處維持處于特定水平。舉例來說，可以使得在所述設備內的各利位置或階段處的電鍍溶液中的氧濃度屬于特定范圍內所借助的方式設計及操作所述設備。在一項實施例中，電鍍池中的分子氧的濃度維持處于約O. Ippm到Ippm的水平，在此情況下，電鍍池下游(例如，儲液槽中)的位置處的分子氧的濃度維持處于約2ppm到5ppm的水平。控制電鍍溶液中的氧氣的濃度的方法包含(1)將脫氣裝置或儲液槽定位于所述設備中的特定位置處，(2)在所述設備中的一個或一個以上位置處提供用于氧氣或氧化劑的引入的入口或投配端口，及/或(3)控制通過所述回路的電鍍溶液流的流體動力。關于最后的可能性，舉例來說，可以使得影響脫氣裝置中的所要脫氣水平的方式控制泵。在一些實施方案中，在設備200中的一個或一個以上(或者兩個或兩個以上)位置處監測氧氣(或者其它氧化劑或氣體)的濃度。在一個實例中，所述設備可在儲液槽、電鍍池及/或所述設備的電鍍溶液循環回路中的另一位置中包含氧氣監測器。舉例來說，可使用市面上可購得的氧氣探針(例如，由In-Situ公司(科羅拉多州科林斯堡(Ft.Collins,CO))制成的氧氣探針)來實現在線氧氣監測。在另一實例中，可采用手持式氧氣計量表，例如，市面上可購得的由YSI公司(俄亥俄州耶洛斯普林斯(Yellow Springs7OH))制成的計量表。所揭示實施方案的另一方面是一種配置有控制器以實現本文中所描述的方法的設備。適合設備包含用于實現根據所揭示實施方案的工藝操作的硬件及具有用于控制所述工藝操作的指令的系統控制器。所述控制器可作用于各種輸入，包含用戶輸入或來自(例如)所述設備中的一個或一個以上位置處的氧氣監測器的所感測輸入。響應于有關輸入，所述控制器執行控制指令以用于致使所述設備以特定方式操作。舉例來說，所述控制器可調整所述設備的抽吸、主動充氧或其它可控制特征的水平以調整或維持氧氣的濃度在儲液槽中處于特定經界定數值范圍且在電鍍池內處于不同經界定數值范圍。在這方面，舉例來說，所述控制器可經配置而以使得維持氧濃度在儲液槽中(或在再循環回路中的電鍍池下游的某一其它點處)處于約2ppm到5ppm的水平操作所述設備的泵。所述系統控制器通常將包含一個或一個以上存儲器裝置及經配置以執行所述指令以使得所述設備將執行根據所揭示實施方案的方法的一個或一個以上處理器。含有用于控制根據所揭示實施方案的工藝操作的指令的機器可讀媒體可耦合到所述系統控制器。圖3展示電填充系統300的示意性圖解的實例。電填充系統300包含三個單獨電填充模塊302、304及306。電填充系統300還包含三個單獨電填充后模塊(PEM) 312、314及316，其經配置以用于各種工藝操作。模塊312、314及316可為電填充后模塊(PEM)，其各自經配置以在晶片已由電填充模塊302、304及306處理之后執行例如晶片的邊緣斜角移除、背側蝕刻及酸清洗的功能電填充系統300包含中心電填充室324。中心電填充室324是保持用作電填充模塊中的電鍍溶液的化學溶液的室。電填充系統300還包含投配系統326，其可存儲及遞送用于電鍍溶液的化學添加劑。化學品稀釋模塊322可存儲及混合待用作(舉例來說)PEM中的蝕刻劑的化學品。過濾及抽吸單元328可過濾用于中心電填充室324的電鍍溶液且將其抽吸到所述電填充模塊。所述系統還包含一個或若干個脫氣裝置 及一個或若干個儲液槽(未展示)，如上文所描述。電鍍溶液可在將其抽吸到所述電鍍模塊之前經過所述脫氣裝置。電鍍溶液可在其從所述電鍍模塊中流出之后經過所述儲液槽。系統控制器330提供操作電填充系統300所需要的電子及接口控制。系統控制器330通常包含一個或一個以上存儲器裝置及經配置以執行指令以使得所述設備可執行根據本文中所描述的實施方案的方法的一個或一個以上處理器。含有用于控制根據本文中所描述實施方案的工藝操作的指令的機器可讀媒體可耦合到所述系統控制器。系統控制器330還可包含用于電填充系統300的電源。電鍍模塊及相關聯的組件的實例展示于2010年5月24日提出申請、標題為“用于在薄籽晶層上進行電鍍的脈沖序列(PULSE SEQUENCE FOR PLATING ON THIN SEEDLAYERS) ”的第12/786，329號美國專利申請案中，所述申請案以引用方式并入本文中。在操作中，手推工具340可從晶片卡匣(例如，卡匣342及卡匣344)選擇晶片。卡匣342或344可為前開口聯合莢形容器(FOUP)。FOUP是經設計以牢固地且安全地將晶片保持于受控環境中且允許移除所述晶片以用于由具備適當裝載端口及自動處置系統的工具處理或測量的外殼。手推工具340可使用真空附件或某一其它附加機構來保持所述晶片。手推工具340可與退火站332、卡匣342或344、轉移站350或對準器348介接。手推工具346可從轉移站350接近所述晶片。轉移站350可為手推工具340及346可在不通過對準器348的情況下來回傳遞晶片的狹槽或位置。然而，在一些實施方案中，為確保在手推工具346上適當地對準晶片以實現精確遞送到電填充模塊，手推工具346可借助對準器348對準所述晶片。手推工具346還可將晶片遞送到電填充模塊302、304或306中的一者或經配置以用于各種工藝操作的三個單獨模塊312、314及316中的一者。舉例來說，手推工具346可將晶片襯底遞送到電填充模塊302，在電填充模塊302處根據本文中所描述的實施方案將金屬(例如，銅)電鍍到晶片襯底上。在電鍍操作完成之后，手推工具346可從電填充模塊302移除晶片襯底且將其輸送到PEM(例如，PEM312)。PEM可清洗、漂洗及/或弄干所述晶片襯底。此后，手推工具346可將所述晶片襯底移動到PEM中的另一者(例如，PEM 314)。在那里，可通過由化學品稀釋模塊322所提供的蝕刻劑溶液將來自晶片襯底上的一些位置(例如，邊緣斜角區及背側)的不需要的金屬(例如，銅)蝕刻掉。模塊314還可清洗、漂洗及/或弄干所述晶片襯底。
在電填充模塊及/或PEM中的處理完成之后，手推工具346可從模塊取回所述晶片并將其返回到卡匣342或卡匣344。可在電填充系統300中或另一工具中完成電填充后退火。在一項實施方案中，在退火站332中的一者中完成電填充后退火。在一些其它實施方案中，可使用例如加熱爐等專用退火系統。接著可將所述卡匣提供到例如化學機械拋光系統的其它系統以用于進一步處理。適合半導體處理工具包含由加利福尼亞州圣何塞(San Jose, CA)的諾發系統公司(Novellus System)制造的Sabre系統及Sabre系統3D Lite、由加利福尼亞州圣克拉拉(Santa Clara, CA)的應用材料公司(Applied Material)制造的Slim池系統或由蒙大拿州卡利斯佩爾(Kalispell, MT)的Semitool公司制造的Raider工具。未來實施方案上文中所描述的設備/方法可與光刻圖案化工具或工藝結合使用，(舉例來說)以 制作或制造半導體裝置、顯示器、LED、光伏面板及類似物。通常，(盡管不必)此類工具/工藝將在一常見制作設施中一起使用或進行。對膜的光刻圖案化通常包括以下步驟中的一些或全部，每一步驟均借助若干個可能的工具來實現(I)使用旋涂或噴涂工具在工件(即，襯底)上施加光致抗蝕劑；(2)使用熱板或加熱爐或UV固化工具來固化光致抗蝕劑；(3)借助工具(例如，晶片步進器)來使所述光致抗蝕劑暴露于可見或UV或X射線光；(4)使所述抗蝕劑顯影以使用工具(例如，濕式蝕刻清洗臺)來選擇性地移除所述抗蝕劑并借此對其進行圖案化；(5)通過使用干式或等離子輔助蝕刻工具來將所述抗蝕劑圖案轉印到下伏膜或工件中 '及(6)使用工具(例如，RF或微波等離子抗蝕劑剝除液)來移除所述抗蝕劑。還應注意，存在實施所揭示方法及設備的許多替代方式。因此，打算將以上所附權利要求書解釋為包含所有此類變更、修改及置換及取代等效物，只要歸屬于所揭示實施方案的精神及范圍內即可。
權利要求
1.一種方法，其包括 (a)減小電鍍溶液的氧濃度，其中所述電鍍溶液包含約IOOPPM或小于100PPM的加速劑； (b)在操作(a)之后，在電鍍池中使晶片襯底與所述電鍍溶液接觸，其中所述電鍍池中的所述電鍍溶液的所述氧濃度為約IPPM或小于IPPM ； (C)在所述電鍍池中借助所述電鍍溶液將金屬電鍍到所述晶片襯底上；及 (d)在操作(C)之后，增加所述電鍍溶液的氧化強度。
2.根據權利要求I所述的方法，其進一步包括 重復操作(a)及(d)，其中所述電鍍溶液在執行操作(C)的同時流過所述電鍍池。
3.根據權利要求I所述的方法，其進一步包括 將所述電鍍溶液從電鍍儲液槽供應到所述電鍍池，其中所述電鍍儲液槽中的所述電鍍溶液的所述氧濃度大于約1PPM，且其中在從所述電鍍儲液槽供應所述電鍍溶液時執行減小所述電鍍溶液的所述氧濃度。
4.根據權利要求I所述的方法，其中所述金屬包含銅。
5.根據權利要求I所述的方法，其中所述電鍍溶液包含約20克/升到60克/升的濃度的銅離子。
6.根據權利要求I所述的方法，其中所述加速劑包含含巰基的物質。
7.根據權利要求I所述的方法，其中操作(d)包含將所述電鍍溶液暴露于含有氧化劑的氣體，且其中所述氣體選自由空氣、氧氣、臭氧及一氧化二氮組成的群組。
8.根據權利要求I所述的方法，其中操作(d)包含通過使含有氧化劑的氣體呈泡狀經過所述電鍍溶液來將所述電鍍溶液暴露于所述氣體，且其中所述氣體選自由空氣、氧氣、臭氧及一氧化二氮組成的所述群組。
9.根據權利要求I所述的方法，其中操作(d)包含將所述電鍍溶液暴露于含有氧化劑的氣體同時增加所述電鍍溶液的氣體接觸面積，其中所述氣體選自由空氣、氧氣、臭氧及一氧化二氮組成的所述群組。
10.根據權利要求I所述的方法，其中操作(d)將所述電鍍溶液的所述氧濃度增加到約IPPM或大于1PPM。
11.根據權利要求I所述的方法，其中操作(d)包含將含有氧化劑的液體混合到所述電鍍溶液中。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述液體包含過氧化氫。
13.根據權利要求I所述的方法，其中借助脫氣裝置執行操作(a)。
14.根據權利要求I所述的方法，其中通過使用氦氣或氮氣鼓泡所述電鍍溶液來執行操作(a)。
15.根據權利要求I所述的方法，其中操作(a)改進所述電鍍溶液的穩定性。
16.根據權利要求I所述的方法，其中操作(d)改進所述電鍍溶液的用于在所述晶片襯底上填充特征的填充特性。
17.根據權利要求I所述的方法，其進一步包括 將光致抗蝕劑施加到所述晶片襯底； 將所述光致抗蝕劑暴露于光；圖案化所述光致抗蝕劑且將所述圖案轉印到所述晶片襯底；及 從所述晶片襯底選擇性地移除所述光致抗蝕劑。
18.一種用于電鍍金屬的設備，其包括 (a)電鍍池，所述電鍍池經配置以保持電鍍溶液； (b)脫氣裝置，其耦合到所述電鍍池，所述脫氣裝置經配置以在所述電鍍溶液流動到所述電鍍池中之前從所述電鍍溶液移除氧氣；及 (C)氧化站，其耦合到所述電鍍池，所述氧化站經配置以在所述電鍍溶液從所述電鍍池中流出之后增加所述電鍍溶液的氧化強度；及 (d)控制器，其包括用于進行一種工藝的程序指令，所述工藝包括以下操作 (1)使用所述脫氣裝置來減小所述電鍍溶液的氧濃度，其中所述電鍍溶液包含約IOOPPM或小于100PPM的加速劑； (2)在操作(I)之后，在所述電鍍池中使晶片襯底與所述電鍍溶液接觸，其中所述電鍍池中的所述電鍍溶液的所述氧濃度為約IPPM或小于IPPM ； (3)在所述電鍍池中借助所述電鍍溶液將金屬電鍍到所述晶片襯底上；及 (4)在操作(3)之后，使用所述氧化站來增加所述電鍍溶液的所述氧化強度。
19.根據權利要求18所述的設備，其中所述脫氣裝置耦合到所述氧化站，且設備進一步包括 電解質流動回路，其經配置以使所述電鍍溶液循環經過所述設備。
20.根據權利要求18所述的設備，其中所述氧化站經配置以增加所述電鍍溶液的氣體接觸而積。
21.一種系統，其包括根據權利要求18所述的設備及步進器。
22.—種非暫時計算機機器可讀媒體，其包括用于控制設備的程序指令，所述指令包括用于進行以下操作的代碼 (a)減小電鍍溶液的氧濃度，其中所述電鍍溶液包含約100PPM或小于100PPM的加速劑； (b)在操作(a)之后，在電鍍池中使晶片襯底與所述電鍍溶液接觸，其中所述電鍍池中的所述電鍍溶液的所述氧濃度為約IPPM或小于IPPM ； (c)在所述電鍍池中借助所述電鍍溶液將金屬電鍍到所述晶片襯底上'及 (d)在操作(C)之后，增加所述電鍍溶液的氧化強度。
全文摘要
本發明為用于經改進工藝穩定性及性能的電沉積系統的配置及操作方法，描述用于借助具有低氧濃度的電鍍溶液將金屬電鍍到工件上的方法、系統及設備。在一個方面中，一種方法包含減小電鍍溶液的氧濃度。所述電鍍溶液包含約100PPM或小于100PPM的加速劑。在減小所述電鍍溶液的所述氧濃度之后，在電鍍池中使晶片襯底與所述電鍍溶液接觸。所述電鍍池中的所述電鍍溶液的所述氧濃度為約1PPM或小于1PPM。在所述電鍍池中借助所述電鍍溶液將金屬電鍍到所述晶片襯底上。在將所述金屬電鍍到所述晶片襯底上之后，增加所述電鍍溶液的氧化強度。
文檔編號C25D3/38GK102677139SQ201210005429
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月6日 優先權日2011年1月7日
發明者喬納森·D·里德, 古斯克·加內桑, 安德魯·麥克羅, 尚蒂納特·古恩加迪, 泰伊·斯珀林, 詹姆斯·E·鄧肯 申請人:諾發系統有限公司