用于半导体晶片的电化学沉积工艺制造技术

一种电镀晶片的方法基于电压变化来检测电镀浴失效。所述方法对电镀具有TSV特征结构的晶片有用。可监测电镀处理器的每个阳极的电压。电压急剧下降表示由诸如SPS的加速剂转换成其副产物MPS所导致的浴失效。通过电流脉冲输送或电流递增输送延迟或避免浴失效。一种改良的电镀浴具有极低酸浓度的阴极电解质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于电镀诸如半导体材料晶片的基板的处理器、系统和方法。更具体 地，本专利技术提供对具有娃穿孔（throughsilicon vias，TSV)或类似特征结构的晶片特别有 用的改良技术。
技术介绍
诸如半导体装置的微电子装置通常是在基板或晶片上和/或基板或晶片中制造。 在典型的制造工艺中，在电镀处理器中的晶片上形成一层或更多层金属或其它导电材料。 处理器可具有容纳于容器或碗（bowl)中的电解质浴，在所述碗中具有一个或更多个阳极。 可用头部中的转子固持晶片本身，所述头部可移动至碗中用于处理和可移动离开碗用于装 卸。转子上的接触环一般具有很多接触指（contactfinger)，这些接触指与晶片电接触。 许多先进的微电子装置具有硅穿孔（TSV)。TSV是一种通常完全穿过晶片或芯片 (die)的垂直电气互连，所述晶片或芯片实际上可为硅或可不为硅。TSV用于产生三维电子 结构和封装。使用TSV允许极高密度的集成电路。亦改良了互连的电气特性，因为TSV通 常比替代互连更短。这导致装置操作更快和来自互连的不良电感或电容特性的影响减少。 TSV倾向于具有高深宽比，因为TSV基本上为在硅或其它基板材料中的孔中所形 成的金属（通常为铜）的高窄微型柱（micro-scalecolumn)。TSV可由自下而上电镀铜形 成。实现TSV的适当填充在技术上具有挑战性的若干原因包括TSV的微型尺寸、高深宽比 和其它因素。 历史上，用于电镀填充TSV的工艺和化学品已随电镀浴老化表现出罕见的不稳定 性，这种情况直接影响微电子制造工艺。由于电镀浴通常仍在规定范围内失效，因此浴失效 的原因尚未得到很好的理解。需要对电镀TSV特征结构的改良的技术和理解。【附图说明】 在附图中，相同的元件符号在每一视图中表示相同的元件。 图1是针对新鲜电镀浴和失效电镀浴的计时电位测定（chronopotentiometric) 测量（电压对时间）的数据的曲线图，以及使用这些浴电镀的晶片的对应X射线图像。 图2是针对具有不同于图1的曲线图的化学成分（chemicalmakeup)的浴的计时 电位测定测量的数据的曲线图。 图3是类似于图2但使用注射有MPS的浴和电流递增输送（currentramping)的 数据的曲线图。 图4A是针对新鲜电解质的对照浴的电压的曲线图。 图4B是针对约30分钟后失效的浴的电压的曲线图。 图4C是70小时空闲时间后恢复的浴的电压的曲线图。 图5A是针对新鲜浴对比10轮（run)后浴的电压的曲线图。 图5B是实验室规模（benchscale)计时电位测定法老化试验中的电压的曲线图。 图6A至图6F是如所描述处理的晶片上的TSV的X射线图像。 图6G是计时电位测定法老化试验中的电压的曲线图。 图7是计时电位测定法对比晶片旋转速度的曲线图。 图8A和图8B示出如所描述处理的晶片的X射线图像。 图9是计时电位测定法对比浴老化的曲线图。 图10是现有技术电解质与新电解质的对照表。 图11是在以上附图中所示的数据中反映的运行测试中使用的RaiderM处理器的 透视图。 图12是图11中所示的处理器的剖视图。【具体实施方式】 I.洛失效的检测 A.洛失效的实验宰规樽检测 浴失效的检测在TSV电镀浴中一直是一项挑战。可由特征结构中的未填满（under fill)沉积、接缝空隙（seamvoid)和夹断空隙（pinchoffvoid)界定浴失效。存在一种 常见趋向，即新鲜浴功能良好，但随着继续还原性电镀（至0.45AHr/L)，所述浴失效。 检测浴失效的传统方式是在工具中电镀晶片和使用聚焦离子束（focusedion beam，FIB)实现X射线成像/截面成像来检测空隙。然而，晶片成像的可用性通常受限。此 为昂贵且费时的工艺。直到现在，尚不存在真正且实际的方法可用以检测浴失效。 如下文所描述，现已专利技术计时电位测定法用于检测浴失效。专利技术人现已确定，此失 效的原因在于，随着电镀时间推移，浴变成加速剂（accelerator)占主导且损失抑制。这导 致过孔或沟槽中的保形成长（conformalgrowth)和空隙。 可在台式（benchtop)电化学设置中或在工具或系统电平设置（levelsetup)中 实施此方法。 在一种形式的台式方法中，使用具有长时间尺度（3600秒）的计时电位测定测量 来检测浴失效。参照图1，一小时时间尺度允许将电镀步骤期间有机添加剂的吸附动力完全 计算在内。大体而言，在TSV中电镀持续10分钟至180分钟之间（例如，对于3x50至SO X150特征结构）。如图1所示，浸没在3600秒时最终电位约-240毫伏的Cu电镀Pt电极 后即亥1J，新鲜浴为尚抑制性的。 有机添加剂传统上被包括于电镀浴中以改良TSV电镀中的结果。在有氯离子 的情况下，抑制剂添加剂（通常为诸如PEG之类的高分子量聚烯烃乙二醇（polyalkene glycol))强有力地吸附于Cu阴极表面上以形成膜，所述膜急剧增加铜沉积的过电位 (over-potential)。加速剂添加剂对抗抑制剂的抑制效应以提供自底向上填充所需要的沟 槽和过孔内的加速沉积。已使用SPS(sodiumsulfopropyldisulfide,二硫丙烷磺酸钠） 作为加速剂。MPS(3-巯基丙磺酸）是SPS的已知副产物或分解产物。亦在TSV电镀中使用 诸如胺和杂环化合物之类的调平剂添加剂（leveleradditive)。调平剂亦为强抑制剂。 图1中的浴样本的计时电位测定测量显示抑制剂和调平剂快速吸附到电极表面， 接着由加速剂替代抑制剂和调平剂。随着连续还原性电镀（至多0. 347AHr/L)，浴变得比 新鲜浴抑制性小（减少约25毫伏）。此结果的原因在于SPS(加速剂）被还原成MPS或 Cu(I)硫醇盐，该物质促进Cu沉积。当浴老化至0.45AHr/L时，测试数据显示由加速剂取 代抑制剂和调平剂的速率增加，还显示竞争吸附或振荡行为（oscillationbehavior)。此 振荡行为与浴的失效直接相关。 图1图示OAmp Hr. /L时新鲜浴为抑制剂占高度主导和在随时间推移的还原性电 镀下抑制剂占主导变少。图1中的底部X射线图像来自处理器中在0.34Amp Hr./L时电镀 的晶片且显示无空隙。图1中的顶部X射线图像来自在0.45Amp Hr./L时电镀的晶片且在 接近过孔的顶部的浅灰色区域处显示出空隙。在约-110毫伏时，将已形成的Cu(I)硫醇盐 并入铜膜或从铜表面分离。随后浴又变成抑制剂占主导。台式测试中的电位振荡和失效模 式在工具尺度测试中被证实。 描述为不稳定性的根源的氧化硫醇-二硫化物关系的关键化学反应为： 2Cu(II)+2MPS_ -SPS2-+2Cu(I)+2H+ 4Cu(I) +SPS22Cu(I) (MPS2_) +2Cu(II) 4Cu(I) (MPS2 _)n+02+(4+4n)H+-4Cu(II) +4nMPS_+2H20 在实验台方法（benchmethod)中，从具有电解质总容积为约80L的处理器的浴中 获取200毫升的浴样本。使用三电极稳压器（potentiostat)传递恒定电流穿过样本，同时 监测随时间推移的电位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电镀晶片的方法，所述方法包括：将所述晶片放置成与具有加速剂、调平剂和抑制剂的电解质浴接触；从一个或更多个阳极通过所述电解质和通过所述晶片上的导电层传递电流；监测所述一个或更多个阳极的电压；从所述电压的变化检测所述浴的失效。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·K·加布雷格齐亚布泽尔，约翰·克洛克，查尔斯·沙尔博诺，尚德吕·坦比德吕雷，大卫·J·埃里克森，
申请(专利权)人：应用材料公司，
类型：发明
国别省市：美国;US