专利名称：用于经改进工艺稳定性及性能的电沉积系统的配置及操作方法
技术领域：
本文中所揭示的实施例涉及金属电镀，特定来说，涉及金属电镀到晶片衬底上。
背景技术：
镶嵌处理是用于在集成电路上形成金属线的方法。由于所述方法相比于其它方法需要较少处理步骤且提供高合格率，因此经常使用所述方法。通常用铜填充集成电路的表 面上的在镶嵌处理期间形成的导电路线。可借助使用电镀溶液的电镀工艺将铜沉积于所述导电路线中。
发明内容
本发明提供用于电镀金属的方法、设备及系统。根据各种实施方案，所述方法涉及减小电镀溶液中的氧浓度、使晶片衬底与所述电镀溶液接触、将金属电镀到所述晶片衬底上及增加所述电镀溶液的氧化强度。根据一项实施方案，一种将金属电镀到晶片衬底上的方法包含减小电镀溶液的氧浓度，其中所述电镀溶液包含约100PPM或小于100PPM的加速剂。在减小所述电镀溶液的氧浓度之后，在电镀池中使晶片衬底与所述电镀溶液接触。电镀池中的电镀溶液的氧浓度为约IPPM或小于1PPM。在电镀池中，借助电镀溶液将金属电镀到晶片衬底上。在电镀之后，增加电镀溶液的氧化强度。根据一项实施方案，一种用于电镀金属的设备包含电镀池、脱气装置、氧化站及控制器。所述电镀池经配置以保持电镀溶液。所述脱气装置耦合到所述电镀池且经配置以在电镀溶液流动到所述电镀池中之前从电镀溶液移除氧气。所述氧化站耦合到所述电镀池，且所述氧化站经配置以在电镀溶液从所述电镀池中流出之后增加电镀溶液的氧化强度。所述控制器包含用于进行一种工艺的程序指令，所述工艺包含以下操作使用脱气装置来减小电镀溶液的氧浓度。所述电镀溶液包含约100PPM或小于100PPM的加速剂。在脱气之后，在电镀池中使晶片衬底与电镀溶液接触。电镀池中的电镀溶液的氧浓度为约IPPM或小于IPPM0在电镀池中，借助电镀溶液将金属电镀到晶片衬底上。在电镀之后，使用氧化站来增加电镀溶液的氧化强度。根据一项实施方案，一种包括用于控制沉积设备的程序指令的非暂时计算机机器可读媒体包含用于减小电镀溶液的氧浓度的代码。所述电镀溶液可包含约100PPM或小于100PPM的加速剂。在减小所述电镀溶液的氧浓度之后，在电镀池中使晶片衬底与所述电镀溶液接触。电镀池中的电镀溶液的氧浓度为约IPPM或小于1PPM。在电镀池中，借助电镀溶液将金属电镀到晶片衬底上。在电镀之后，增加电镀溶液的氧化强度。下文在附图及说明中陈述本说明书中所描述标的物的实施方案的这些及其它方面。
图I展示将金属电镀到晶片衬底上的方法的实例。
图2A展示经配置以执行本文中所揭示方法的设备的示意性图解的实例。图2B展示储液槽的示意性图解的实例。图3展示电填充系统的示意性图解的实例。
具体实施例方式一般来说，本文中所描述的实施方案提供用于控制电镀溶液组合物的设备及方法。在以下详细说明中，陈述众多具体实施方案以提供对所揭示实施方案的透彻理解。然而，如所属领域的技术人员将显而易见，可在没有这些特定细节的情况下或通过使用替代元件或工艺来实践所揭示实施方案。在其它例项中，尚未详细描述众所周知的工艺、程序及组件以便不会不必要地使所揭示实施方案的各方面模糊不清。在本申请案中，术语“半导体晶片”、“晶片”、“衬底”、“晶片衬底”及“经部分制作的集成电路”可互换地使用。所属领域的技术人员将理解，术语“经部分制作的集成电路”可以是指在其上制作集成电路的许多阶段中的任一者期间的硅晶片。以下详细说明假设，所揭示实施方案实施于晶片衬底上。然而，所揭示实施方案并不受如此限制。工件可具有各种形状、大小及材料。除半导体晶片之外，可利用所揭示实施方案的其它工件还包含例如印刷电路板及类似物等各种物品。本文中所揭示的实施方案的各种方面涉及控制电镀溶液中的气体浓度及电镀溶液的氧化强度的方法。此可通过在电镀设备中的电镀溶液流动路径中的不同位置处所采用的单独机构来实现。举例来说，一种方法的实施方案可包含(a)在将电镀溶液引入到电镀池之前将所述电镀溶液脱气及(b)在所述电镀池下游的位置处增加所述电镀溶液的氧化强度。电镀溶液的氧化强度可增加到促进或维持处于所要氧化状态的电镀添加剂(例如，加速剂的二硫化物形式)的形成的水平。将接触晶片衬底以将金属电镀到晶片衬底上的电镀溶液脱气可减少对晶片衬底上的籽晶层的腐蚀且有助于溶解晶片衬底上的小气泡。另外，电镀溶液的脱气可扰乱电镀溶液中的添加剂(特别是加速剂)的氧化分解，借此减少添加剂使用且减少所述添加剂的有害副产物的形成，从而允许较长的电镀溶液寿命。当将电镀溶液脱气与电镀池具有分离的阳极室组合以使得还防止阳极上的添加剂氧化时，情况尤其如此。具有单独阳极室的电镀设备描述于第6，527，920号美国专利及第6，821，407号美国专利中，所述专利中的两者均以引用方式并入本文中。然而，如果电镀溶液维持在约O. Ippm到Ippm的氧浓度下，那么防止在电镀期间于晶片衬底处减少的加速剂的正常氧化，如下文所描述。此迅速导致电镀溶液的去极化及电镀溶液的填充能力的损失。为克服此问题，且根据本文中所描述的各种实施方案，可在将金属电镀到晶片衬底上之后增加电镀溶液的氧化强度。 引言 电镀溶液可含有若干种添加剂，包含加速剂、抑制剂及整平剂。加速剂(替代地称作光亮剂)是增加电镀反应的速率的添加剂。加速剂是吸附在铜表面上且在给定所施加电压下增加局部电流密度的分子。加速剂可含有悬垂硫原子，理解所述硫原子参与铜离子还原反应且因此强有力地影响铜膜的成核及表面生长。加速剂添加剂通常是巯基丙烷磺酸(MPS)、二巯基丙烷磺酸(DPS)或双(3-磺丙基)二硫化物(SPS)的衍生物，但可使用其它化合物。沉积加速剂的非限制性实例包含以下各项2_巯基乙烷磺酸(MESA)、3-巯基-2-丙烷磺酸(MPSA)、二巯基丙酰磺酸(DMPSA)、二巯基乙烷磺酸(DMESA)、3_巯基丙酸、巯基丙酮酸盐、3-巯基-2- 丁醇及I-硫代甘油。一些有用加速剂描述于(举例来说)第5，252，196号美国专利中，所述专利以引用方式并入本文中。加速剂可从市面上购得，如来自希普利(Shipley)(马萨诸塞州马尔伯勒(Marlborough,MA))的Ultrafill A-2001或如来自乐思化学(Enthone Inc.)(康涅狄格州西黑文(West Haven, CT))的SC Primary,举例来说。 抑制剂(替代地称作载运剂)是往往在其吸附到铜表面上之后抑制电流的聚合物。抑制剂可从聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)、聚氧化乙烯或者其衍生物或共聚物得到。举例来说，商用抑制剂包含来自希普利(马萨诸塞州马尔伯勒)的Ultrafill S-2001及来自乐思化学(康涅狄格州西黑文)的S200。整平剂通常是抑制其质量转移速率最快速的位置处的电流的阳离子表面活性剂及染料。因此，电镀溶液中存在整平剂用以减小优先吸收整平剂的突出表面或拐角处的膜生长速率。由于有差别质量转移效应所致的整平剂的吸收差异可具有显著效应。一些有用整平剂描述于(举例来说)第5，252，196,4, 555，135及3，956，120号美国专利中，所述专利中的每一者均以引用方式并入本文中。整平剂可从市面上购得，举例来说，如来自希普利(马萨诸塞州马尔伯勒)的Liberty或Ultrafill整平剂及来自乐思化学(康涅狄格州西黑文)的Booster 3。加速剂、抑制剂及整平剂进一步描述于第6，793，796号美国专利中，所述专利以引用方式并入本文中。举例来说，可使用以下电镀溶液来实施晶片衬底上的常规铜电镀与空气相平衡且因此可含有约8ppm到IOppm的经溶解氧气及较大量的经溶解氮气。此可导致至少三个不同问题。第一，当这些电镀溶液穿过高压泵以将所述电镀溶液递送到晶片衬底时，电镀溶液经历的压力改变可导致从泵与晶片衬底之间的低压地带中的溶液中凝结出的气泡。此类气泡可通过落在晶片衬底表面上且粘附到所述晶片衬底表面或积累于位于晶片衬底下方的电镀池元件中或所述电镀池元件上且更改晶片衬底上的电场分布及所得经电镀厚度分配而导致电镀缺陷。第二，晶片衬底上的小特征内的铜籽晶层经常极薄且几乎在地点上不连续。在成核开始之前在电镀溶液中溶解籽晶层可导致籽晶层的缺乏及既定填充所述特征的经电镀金属中的后续空隙。可由于电镀溶液中的氧气可以约I纳米/分钟的速率氧化铜而发生籽晶层的溶解。第三，电镀溶液中的添加剂可与氧气反应以形成可使电镀溶液性能降级或需要更频繁的电镀溶液补充或处理的副产物。举例来说，知晓用于铜电镀溶液中的加速剂添加剂(包含SPS、DPS、含相关巯基的物质、及这些化合物的副产物)对电镀溶液中的氧浓度敏感。参见(举例来说)Reid，J. D.的“酸铜亮光剂性质的HPLC研究(An HPLC Study of AcidCopper Brightener Properties) ”,印刷电路制作(1987年11月)第65到75页,所述文献以引用方式并入本文中。尽管不完全知晓副产物的形式，但最初添加到电镀溶液的SPS可以还原反应在晶片衬底处转换成其单体MPS。电镀溶液中的氧气或通过与阳极接触而进行氧化可将MPS转换回成SPS。SPS及MPS可在电镀溶液中保持平衡。因此，在此方面，电镀溶液中的一些氧气可以是有用的。然而，MPS还可进一步在阳极处或通过空气不可逆地氧化成不容易再转换成SPS的物质(即，形成经氧化的巯基丙烷磺酸MPSO))。当这些物质开始形成时，加速剂添加剂的总使用可增加且电镀溶液中的副产物的总体积可增加。由于副产物经常使电镀溶液降级，因此处理电镀溶液以移除副产物、或补充电镀溶液可以是必需的。这些选项中的两者的代价都很高。将铜电镀溶液脱气可有助于克服上文所陈述问题中的一些问题。举例来说，关于第一个问题，当从电镀溶液移除包含分子氧及分子氮的气体以使得电镀溶液不饱含空气时，小气泡将在电镀溶液中自发地且较快速地溶解。当晶片衬底进入电镀溶液时，电镀溶液 可润湿铜表面且通常替换所述表面上及晶片衬底上的特征中的空气。然而，由于晶片衬底进入到电镀溶液中可导致产生气泡(其可粘附到晶片表面且通过防止电镀而造成丢失金属缺陷(凹点)，因此快速溶解电镀溶液中的气泡可以是有益的。饱和溶液中的空气溶解速率可为约1.2X10_6克/平方厘米/秒(g/cm2-sec)，从而导致小气泡的快速移除(例如，在约I秒内移除10微米级泡)。举例来说，相比于尚未脱气的电镀溶液，当使用已脱气的电镀溶液时，观察到铜籽晶表面上的凹点型缺陷的约4倍(4X)减少。关于第二个问题，通过将电镀溶液脱气来减小电镀溶液中的氧浓度可导致比首先将晶片衬底浸入于电镀溶液中时低的铜籽晶层的腐蚀速率。举例来说，当将电镀溶液中的氧浓度从约8ppm减小到O. 5ppm时，观察到铜籽晶层腐蚀速率减小约50%。关于第三个问题，观察到减小电镀溶液中的氧浓度减少添加剂的使用且还减少添加剂副产物的形成。举例来说，当将电镀溶液脱气以移除氧气且将阳极与电镀溶液隔离因此加速剂不接触阳极时，观察到电镀溶液中的加速剂的稳定性改进约2倍。此归因于扰乱MPS(例如，当SPS为加速剂时)不可逆地降级到正抑制的副产物。然而，如上文所陈述，减小电镀溶液中的氧浓度可扰乱加速剂与构成加速剂的物质之间的平衡。举例来说，对于含有SPS作为加速剂的电镀溶液，将电镀溶液脱气扰乱在电镀期间形成为SPS的MPS的再平衡，且电镀溶液性能可快速恶化。更一般来说，一些有机二硫化物型加速剂可与电镀溶液中的硫醇化合物保持平衡。如果电镀溶液变得过度还原(因为在将电镀溶液脱氧时所述电镀溶液可过度还原)，那么所述平衡促成形成加速剂的较低氧化版本(例如，硫醇形式)。此提供不需要的电镀条件(例如，电镀溶液可变成过于极化)。因此，为解决第三个问题，在将电镀溶液脱气及将电镀溶液抽吸到晶片衬底之前增加电镀溶液的氧化强度(例如，通过将氧气再引入到电镀溶液)可允许SPS-MPS再平衡且允许稳定电镀溶液极化及填充。举例来说，正在电镀池中的电镀溶液可含有极低的气体浓度(例如，至少低于饱和浓度)。在包含电镀池的电镀系统中的其它地方，电镀溶液可具有使得电镀溶液添加物(例如，加速剂)保持处于稳定活性状态中的氧化强度。在电镀池外部增加电镀溶液的氧化强度可使平衡朝向加速剂的经促成形式变换。
总的来说，用于籽晶腐蚀防止及加速剂降级防止的电镀溶液中的氧浓度可尽可能地接近于零。用于气泡溶解的电镀溶液中的所有经溶解气体的浓度也可尽可能地接近于零。然而，由于MPS-SPS平衡及这些两种分子的不同加速性质，因此电镀溶液中的使加速剂对电镀系统中的填充性能行为产生影响的氧浓度可为约Ippm氧气或大于lppm。为解决这些冲突目标，可设计若干种方法及设备以使得晶片衬底经历低气体浓度而氧气或其它氧化物质的时间平均浓度高于约lppm。因此，可维持产生晶片衬底上的特征的从底向上填充的电镀溶液特性，同时改进电镀溶液的稳定性(即，防止加速剂降级)。举例来说，在一些实施方案中，可将脱气器放置在电镀池之前以使得与晶片衬底接触的电镀溶液具有介于约O. Ippm到Ippm的范围内的氧浓度，但允许电镀溶液与储液槽中的空气或氧化物质再平衡以使得所要MPS-SPS再转换产生良好填充性能。所述方法及设备组合电镀溶液条件，此避免晶片衬底中的特征的不良填充 同时将低气体及/或氧浓度电镀溶液提供到电镀池。方法铜电镀可采用以下电镀溶液包含铜盐(例如，硫酸铜(CuSO4))的电解质、用以增加电镀溶液的导电率的酸及各种电镀溶液添加剂。电镀溶液添加剂通常以低浓度(约十亿分之十(ppb)到IOOOppm)存在且影响表面电沉积反应。通常，添加剂包含加速剂、抑制剂、整平剂及卤化物(氯离子及溴离子，举例来说)，其各自在形成具有所要微观及宏观特性的铜膜中具有唯一且有益作用。在一些实施方案中，来自铜盐的铜离子的浓度为约20克/升(g/L)到60g/L。在一些实施方案中，加速剂的浓度为约5ppm到IOOppm且整平剂的浓度为约2ppm到30ppm。在一些实施方案中，浴液(bath)包含约50ppm到500ppm的浓度的抑制剂。在一些实施方案中，电镀溶液可进一步包含酸及氯离子。在一些实施方案中，酸的浓度为约5g/L到200g/L，且氯离子的浓度为约20g/L到80mg/L。在一些实施方案中，所述酸为硫酸。在一些其它实施方案中，所述酸为甲烷磺酸。在一些实施方案中，电镀溶液可包含硫酸铜、硫酸、氯离子及有机添加剂。在这些实施方案中，电镀溶液包含处于约O. 5g/L到80g/L、约5g/L到60g/L或约18g/L到55g/L的浓度的铜离子、及处于约O. I g/L到400g/L的浓度的硫酸。低酸电镀溶液通常含有约5g/L到10g/L的硫酸。中酸及高酸电镀溶液分别含有处于约50g/L到90g/L及150g/L到180g/L的浓度的硫酸。氯离子可以约lg/L到100mg/L的浓度范围存在。在具体实施方案中，电镀溶液为以商标DVF 200 (乐思化学)出售的电镀溶液，其为给其添加加速剂、抑制剂、整平剂添加剂及50ppm氯离子的甲烧磺酸铜(copper methanesulfonate/methane sulfonic acid)电锻溶液。图I展示将金属电镀到晶片衬底上的方法的实例。在方法100的框102处开始，减小电镀溶液中的氧浓度。举例来说，可通过将电镀溶液脱气来减小电镀溶液中的氧浓度。电镀溶液中的氧浓度可归因于大气中的氧气，且可为约8ppm到lOppm，此取决于大气压。在一些实施方案中，电镀溶液是在临近进入电镀池之前被脱气，且在一些实施方案中，电镀溶液是正在电镀池中时被脱气。举例来说，可通过使电镀溶液流过脱气器而将电镀溶液脱气。减小电镀溶液中的氧浓度的另一方法包含鼓泡。鼓泡是一种涉及使化学惰性气体作泡状经过液体以从所述液体移除经溶解气体的技术。举例来说，可借助氦气使电镀溶液鼓泡以替换氧气及氮气或借助氮气使其鼓泡以选择性地替换氧气。减小电镀溶液中的氧浓度还可通过使用膜以使气体饱和而非从所述溶液取出气体或通过与选择性气体引入组合地在接近真空条件下操作处理工具来执行。对于各种脱气技术的讨论，参见2010年I月8日提出申请的第12/684，792号美国专利申请案，所述申请案以引用方式并入本文中。在框104处，在电镀池中使晶片衬底与电镀溶液接触。在一些实施方案中，电镀池中的电镀溶液的氧浓度为约Ippm或小于lppm。举例来说，电镀池中的电镀溶液的氧浓度可为约 O. Ippm 到 lppm。在框106处，在电镀池中将金属电镀到晶片衬底上。可将可通过控制电流及/或电位而提供的电功率施加到晶片衬底以沉积金属。
在框108处，增加电镀溶液的氧化强度。可在电镀池外部的位置处增加电镀溶液的氧化强度。增加电镀溶液的氧化强度补偿在减小电镀溶液中的氧浓度时在框102处对分子氧的耗尽。在一些实施方案中，增加电镀溶液的氧化强度可储液槽中或电镀系统中的各种位置处执行。储液槽在本文中还称为氧化站。增加电镀溶液的氧化强度的量可取决于电镀溶液流率、用以将金属电镀到晶片衬底上的电镀电流、及电镀溶液体积。增加电镀溶液的氧化强度可主动地或被动地执行。可用以增加氧化强度的氧化剂的实例包含氧气、经纯化氧气、臭氧、过氧化氢、一氧化二氮及不干涉电镀的各种其它常规氧化剂。所挑选的氧化剂可促进电镀添加剂形成为其活性操作状态或维持电镀添加剂形成为其活性操作状态。所挑选的氧化剂可适度地溶于电镀溶液中。举例来说，氧化剂的替代实例包含盐或含有氧化阴离子或阳离子(例如，铁离子(Fe(III))或铈离子(Ce(IV)))的其它化合物。在一些实施方案中，增加电镀溶液的氧化强度是被动地执行。在被动工艺中，电镀溶液可暴露于空气。可准许空气中的氧气扩散到电镀溶液中且借此使所述溶液再充氧。举例来说，储液槽可使在(例如)周围条件下与空气接触的电镀溶液的量维持不变。来自空气的氧气或氮气将在其驻存于储液槽中时逐渐扩散到电镀溶液中，从而被动地增加所述溶液的氧化强度。在一些实施方案中，在不期望将氮气再引入到电镀溶液中的情况下，通过将电镀溶液暴露于氧气、经纯化氧气或臭氧来将氧气添加到电镀溶液。在一些实施方案中，如通过将电镀溶液暴露于一氧化二氮来将氧气添加到电镀溶液。举例来说，储液槽中的环境的氧浓度可为约2ppm到5ppm。在增加电镀溶液的氧化强度之后，电镀溶液中的氧气的浓度可为约Ippm或大于lppm、或者约2ppm到5ppm。在一些其它实施方案中，增加电镀溶液的氧化强度是主动地执行。主动工艺隐含增加电镀溶液的氧化强度以比由被动工艺将经历(即，使一定量的电镀溶液与空气或其它周围条件接触)快的速率发生。主动工艺可包含用以促进电镀溶液的氧化强度的增加的机构。主动地增加电镀溶液的氧化强度可在其中减小电镀溶液中的氧浓度的点下游的储液槽中或另一位置处执行。可由任一适当机构将氧化剂(包含空气)引入到电镀溶液中。举例来说，如果氧化剂为气体，那么可通过经由存在于储液槽中或电镀系统内的另一位置处的适当起泡机构使所述气体作泡状进入到电镀溶液中来将其引入。在另一实例中，增加电镀溶液的氧化强度可通过经由使电镀溶液在虹吸材料、肋条或其它高表面面积结构上方经过而增加电镀溶液的空气或气体接触面积来实现。如果氧化剂为液体，那么可通过将所述液体添加到电镀溶液来将其引入。
执行实验以表征在借助相同电镀溶液进行电镀的经扩展周期(即，O小时到320小时)期间脱气对电镀溶液的填充性能、添加到电镀溶液的添加剂的稳定性及电镀溶液的极化一致性的影响。实验展示，通过将电镀溶液中的氧气的浓度减小到2ppm，显著改进添加到电镀溶液的加速剂、抑制剂及整平剂添加剂的稳定性，稍微改进填充性能，电镀溶液的极化程度更一致且保持比10mA/cm2下的500mV更具负性，且与具有来自周围环境的氧浓度的电镀溶液相比，减少副产物产生。执行另一实验以表征在借助电镀溶液进行的30小时电镀之后保持于电镀溶液中的填充性能、极化程度及加速剂浓度。此实验借助具有不同氧浓度的数种电镀溶液来执行。随着氧浓度不断改进的加速剂稳定性降低到极低水平(即，来自周围环境的氧浓度降低到十亿分之十的氧浓度(PPb))。同时，电镀溶液的极化强度开始随着下降到Ippm以下的氧浓度而降低。对于具有来自周围环境的氧浓度的电镀溶液而言 ，使填充性能略微降级。这是因为加速剂浓度(例如，SPS浓度)太低而不能达到最佳填充性能。对于Ippm及O. 5ppm氧浓度电镀溶液而言，看到填充性能改进，这是因为电镀溶液中的加速剂稳定性及因此其浓度保持较接近于开始水平。在甚至更低氧浓度(即，小于O. 5ppm)下，即使加速剂稳定性良好，也使填充性能剧烈降级。这是因为以下原因而发生MPS副产物以过高浓度稳定于浴液中，从而导致由于相比于SPS而言MPS为用于铜电镀的较强有力催化剂而产生极化损失。设备通常，相关设备将包含电镀池，其在电镀期间采用电镀溶液；及电镀溶液循环回路，其在所述电镀溶液不存在于所述电镀池中时保持所述电镀溶液且使其再循环。所述电镀溶液循环回路还可包含其它元件，例如，过滤器、储液槽、泵及/或脱气器。图2A展示经设计或配置以执行本文中所揭示方法的设备的示意性图解的实例。设备200包含电镀池205，其用于使用电镀溶液将金属电镀到晶片衬底上；脱气装置210，其经配置以在将电镀溶液递送到所述电镀池之前从电镀溶液移脱气体；及储液槽215，其定位于电镀池205与脱气装置210之间，所述储液槽经配置以促进增加电镀溶液的氧化强度。与设备200相关联的箭头指示电镀溶液在所述设备中的流动。也就是说，当设备200处于操作中时，电镀溶液可从储液槽215流动到脱气装置210中、到达电镀池205中且回到储液槽215中。举例来说，电镀溶液可通过重力而从电镀池205流动到储液槽215。泵(例如，泵220)还可将电镀溶液抽吸经过设备200的组件。电镀溶液在进入电镀池205之前经过过滤器230。设备200可进一步包含各种阀、真空泵、另外过滤器及其它硬件(未展示)。在电镀溶液从电镀溶液储液槽215进入电镀池205之前，电镀溶液经过脱气装置210。脱气装置210可耦合到真空泵225以将电镀溶液脱气。脱气装置还可称为脱气器或接触器。脱气装置210从电镀溶液移除一种或一种以上经溶解气体(例如，分子氧及分子氮两者)。在一些实施方案中，所述脱气装置为膜接触脱气器。市面上可购得的脱气装置的实例包含来自Membrana公司(北卡罗来纳州夏洛特(Charlotte, NC))的Liquid-Cel 及来自Entegris公司(明尼苏达州查斯卡(Chaska,MN))的pHasor 。所述脱气装置可移除溶解于电镀溶液中的气体以达到由以下因素确定的程度举例来说，电镀溶液流率、所暴露面积及将真空施加到脱气装置所跨越的半透膜的性质及所施加真空的强度。用于脱气器中的典型膜允许分子气体的流动但不准许较大分子或溶液的流动(其不可润湿所述膜)。储液槽215可提供氧化剂到电镀溶液的主动或被动引入。被动引入可包含(例如)将电镀溶液暴露于空气。主动引入可包含起泡器、高表面面积空气接触结构等的使用。图2B展示储液槽的示意性图解的实例。储液槽215含有电镀溶液260。储液槽215包含电镀溶液入口端口 252、电镀溶液排出端口 254、气体入口端口 256及气体排出端口 258。所述储液槽可包含膜、纤维、肋条、线圈或其它高表面面积结构(未展示)。电镀溶液260可在所述高表面面积结构上方流动以将电镀溶液的大表面面积暴露于气体。举例来说，所述储液槽中的结构可由塑料(例如，聚丙烯)或金属制成。当电镀溶液正在所述结构上方经过时，还使其与来自气体入口端口 256的气体流(例如，氧气流或其它含氧气的气体流)接触以促进电镀溶液的再充氧。举例来说，所述储液槽的设计可采用通常在蒸发冷却器中找到的特征。因此，电镀设备200中的电镀溶液可在电镀池205中具有低气体浓度(例如，在将所述电镀溶液脱气时)。然而，在所述电镀池外部的位置处，电镀溶液可正充分地氧化以将电镀溶液的添加剂的平衡状态推向优选状态(例如，相对于硫醇，二硫化物为优选的。)。
在一些实施方案中，当设备200处于操作中时，氧浓度可在设备200内的不同位置或站处维持处于特定水平。举例来说，可以使得在所述设备内的各利位置或阶段处的电镀溶液中的氧浓度属于特定范围内所借助的方式设计及操作所述设备。在一项实施例中，电镀池中的分子氧的浓度维持处于约O. Ippm到Ippm的水平，在此情况下，电镀池下游(例如，储液槽中)的位置处的分子氧的浓度维持处于约2ppm到5ppm的水平。控制电镀溶液中的氧气的浓度的方法包含(1)将脱气装置或储液槽定位于所述设备中的特定位置处，(2)在所述设备中的一个或一个以上位置处提供用于氧气或氧化剂的引入的入口或投配端口，及/或(3)控制通过所述回路的电镀溶液流的流体动力。关于最后的可能性，举例来说，可以使得影响脱气装置中的所要脱气水平的方式控制泵。在一些实施方案中，在设备200中的一个或一个以上(或者两个或两个以上)位置处监测氧气(或者其它氧化剂或气体)的浓度。在一个实例中，所述设备可在储液槽、电镀池及/或所述设备的电镀溶液循环回路中的另一位置中包含氧气监测器。举例来说，可使用市面上可购得的氧气探针(例如，由In-Situ公司(科罗拉多州科林斯堡(Ft.Collins,CO))制成的氧气探针)来实现在线氧气监测。在另一实例中，可采用手持式氧气计量表，例如，市面上可购得的由YSI公司(俄亥俄州耶洛斯普林斯(Yellow Springs7OH))制成的计量表。所揭示实施方案的另一方面是一种配置有控制器以实现本文中所描述的方法的设备。适合设备包含用于实现根据所揭示实施方案的工艺操作的硬件及具有用于控制所述工艺操作的指令的系统控制器。所述控制器可作用于各种输入，包含用户输入或来自(例如)所述设备中的一个或一个以上位置处的氧气监测器的所感测输入。响应于有关输入，所述控制器执行控制指令以用于致使所述设备以特定方式操作。举例来说，所述控制器可调整所述设备的抽吸、主动充氧或其它可控制特征的水平以调整或维持氧气的浓度在储液槽中处于特定经界定数值范围且在电镀池内处于不同经界定数值范围。在这方面，举例来说，所述控制器可经配置而以使得维持氧浓度在储液槽中(或在再循环回路中的电镀池下游的某一其它点处)处于约2ppm到5ppm的水平操作所述设备的泵。所述系统控制器通常将包含一个或一个以上存储器装置及经配置以执行所述指令以使得所述设备将执行根据所揭示实施方案的方法的一个或一个以上处理器。含有用于控制根据所揭示实施方案的工艺操作的指令的机器可读媒体可耦合到所述系统控制器。图3展示电填充系统300的示意性图解的实例。电填充系统300包含三个单独电填充模块302、304及306。电填充系统300还包含三个单独电填充后模块(PEM) 312、314及316，其经配置以用于各种工艺操作。模块312、314及316可为电填充后模块(PEM)，其各自经配置以在晶片已由电填充模块302、304及306处理之后执行例如晶片的边缘斜角移除、背侧蚀刻及酸清洗的功能电填充系统300包含中心电填充室324。中心电填充室324是保持用作电填充模块中的电镀溶液的化学溶液的室。电填充系统300还包含投配系统326，其可存储及递送用于电镀溶液的化学添加剂。化学品稀释模块322可存储及混合待用作(举例来说)PEM中的蚀刻剂的化学品。过滤及抽吸单元328可过滤用于中心电填充室324的电镀溶液且将其抽吸到所述电填充模块。所述系统还包含一个或若干个脱气装置 及一个或若干个储液槽(未展示)，如上文所描述。电镀溶液可在将其抽吸到所述电镀模块之前经过所述脱气装置。电镀溶液可在其从所述电镀模块中流出之后经过所述储液槽。系统控制器330提供操作电填充系统300所需要的电子及接口控制。系统控制器330通常包含一个或一个以上存储器装置及经配置以执行指令以使得所述设备可执行根据本文中所描述的实施方案的方法的一个或一个以上处理器。含有用于控制根据本文中所描述实施方案的工艺操作的指令的机器可读媒体可耦合到所述系统控制器。系统控制器330还可包含用于电填充系统300的电源。电镀模块及相关联的组件的实例展示于2010年5月24日提出申请、标题为“用于在薄籽晶层上进行电镀的脉冲序列(PULSE SEQUENCE FOR PLATING ON THIN SEEDLAYERS) ”的第12/786，329号美国专利申请案中，所述申请案以引用方式并入本文中。在操作中，手推工具340可从晶片卡匣(例如，卡匣342及卡匣344)选择晶片。卡匣342或344可为前开口联合荚形容器(FOUP)。FOUP是经设计以牢固地且安全地将晶片保持于受控环境中且允许移除所述晶片以用于由具备适当装载端口及自动处置系统的工具处理或测量的外壳。手推工具340可使用真空附件或某一其它附加机构来保持所述晶片。手推工具340可与退火站332、卡匣342或344、转移站350或对准器348介接。手推工具346可从转移站350接近所述晶片。转移站350可为手推工具340及346可在不通过对准器348的情况下来回传递晶片的狭槽或位置。然而，在一些实施方案中，为确保在手推工具346上适当地对准晶片以实现精确递送到电填充模块，手推工具346可借助对准器348对准所述晶片。手推工具346还可将晶片递送到电填充模块302、304或306中的一者或经配置以用于各种工艺操作的三个单独模块312、314及316中的一者。举例来说，手推工具346可将晶片衬底递送到电填充模块302，在电填充模块302处根据本文中所描述的实施方案将金属(例如，铜)电镀到晶片衬底上。在电镀操作完成之后，手推工具346可从电填充模块302移除晶片衬底且将其输送到PEM(例如，PEM312)。PEM可清洗、漂洗及/或弄干所述晶片衬底。此后，手推工具346可将所述晶片衬底移动到PEM中的另一者(例如，PEM 314)。在那里，可通过由化学品稀释模块322所提供的蚀刻剂溶液将来自晶片衬底上的一些位置(例如，边缘斜角区及背侧)的不需要的金属(例如，铜)蚀刻掉。模块314还可清洗、漂洗及/或弄干所述晶片衬底。
在电填充模块及/或PEM中的处理完成之后，手推工具346可从模块取回所述晶片并将其返回到卡匣342或卡匣344。可在电填充系统300中或另一工具中完成电填充后退火。在一项实施方案中，在退火站332中的一者中完成电填充后退火。在一些其它实施方案中，可使用例如加热炉等专用退火系统。接着可将所述卡匣提供到例如化学机械抛光系统的其它系统以用于进一步处理。适合半导体处理工具包含由加利福尼亚州圣何塞(San Jose, CA)的诺发系统公司(Novellus System)制造的Sabre系统及Sabre系统3D Lite、由加利福尼亚州圣克拉拉(Santa Clara, CA)的应用材料公司(Applied Material)制造的Slim池系统或由蒙大拿州卡利斯佩尔(Kalispell, MT)的Semitool公司制造的Raider工具。未来实施方案上文中所描述的设备/方法可与光刻图案化工具或工艺结合使用，(举例来说)以 制作或制造半导体装置、显示器、LED、光伏面板及类似物。通常，(尽管不必)此类工具/工艺将在一常见制作设施中一起使用或进行。对膜的光刻图案化通常包括以下步骤中的一些或全部，每一步骤均借助若干个可能的工具来实现(I)使用旋涂或喷涂工具在工件(即，衬底)上施加光致抗蚀剂；(2)使用热板或加热炉或UV固化工具来固化光致抗蚀剂；(3)借助工具(例如，晶片步进器)来使所述光致抗蚀剂暴露于可见或UV或X射线光；(4)使所述抗蚀剂显影以使用工具(例如，湿式蚀刻清洗台)来选择性地移除所述抗蚀剂并借此对其进行图案化；(5)通过使用干式或等离子辅助蚀刻工具来将所述抗蚀剂图案转印到下伏膜或工件中 '及(6)使用工具(例如，RF或微波等离子抗蚀剂剥除液)来移除所述抗蚀剂。还应注意，存在实施所揭示方法及设备的许多替代方式。因此，打算将以上所附权利要求书解释为包含所有此类变更、修改及置换及取代等效物，只要归属于所揭示实施方案的精神及范围内即可。
权利要求
1.一种方法，其包括 (a)减小电镀溶液的氧浓度，其中所述电镀溶液包含约IOOPPM或小于100PPM的加速剂； (b)在操作(a)之后，在电镀池中使晶片衬底与所述电镀溶液接触，其中所述电镀池中的所述电镀溶液的所述氧浓度为约IPPM或小于IPPM ； (C)在所述电镀池中借助所述电镀溶液将金属电镀到所述晶片衬底上；及 (d)在操作(C)之后，增加所述电镀溶液的氧化强度。
2.根据权利要求I所述的方法，其进一步包括 重复操作(a)及(d)，其中所述电镀溶液在执行操作(C)的同时流过所述电镀池。
3.根据权利要求I所述的方法，其进一步包括 将所述电镀溶液从电镀储液槽供应到所述电镀池，其中所述电镀储液槽中的所述电镀溶液的所述氧浓度大于约1PPM，且其中在从所述电镀储液槽供应所述电镀溶液时执行减小所述电镀溶液的所述氧浓度。
4.根据权利要求I所述的方法，其中所述金属包含铜。
5.根据权利要求I所述的方法，其中所述电镀溶液包含约20克/升到60克/升的浓度的铜离子。
6.根据权利要求I所述的方法，其中所述加速剂包含含巯基的物质。
7.根据权利要求I所述的方法，其中操作(d)包含将所述电镀溶液暴露于含有氧化剂的气体，且其中所述气体选自由空气、氧气、臭氧及一氧化二氮组成的群组。
8.根据权利要求I所述的方法，其中操作(d)包含通过使含有氧化剂的气体呈泡状经过所述电镀溶液来将所述电镀溶液暴露于所述气体，且其中所述气体选自由空气、氧气、臭氧及一氧化二氮组成的所述群组。
9.根据权利要求I所述的方法，其中操作(d)包含将所述电镀溶液暴露于含有氧化剂的气体同时增加所述电镀溶液的气体接触面积，其中所述气体选自由空气、氧气、臭氧及一氧化二氮组成的所述群组。
10.根据权利要求I所述的方法，其中操作(d)将所述电镀溶液的所述氧浓度增加到约IPPM或大于1PPM。
11.根据权利要求I所述的方法，其中操作(d)包含将含有氧化剂的液体混合到所述电镀溶液中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述液体包含过氧化氢。
13.根据权利要求I所述的方法，其中借助脱气装置执行操作(a)。
14.根据权利要求I所述的方法，其中通过使用氦气或氮气鼓泡所述电镀溶液来执行操作(a)。
15.根据权利要求I所述的方法，其中操作(a)改进所述电镀溶液的稳定性。
16.根据权利要求I所述的方法，其中操作(d)改进所述电镀溶液的用于在所述晶片衬底上填充特征的填充特性。
17.根据权利要求I所述的方法，其进一步包括 将光致抗蚀剂施加到所述晶片衬底； 将所述光致抗蚀剂暴露于光；图案化所述光致抗蚀剂且将所述图案转印到所述晶片衬底；及 从所述晶片衬底选择性地移除所述光致抗蚀剂。
18.一种用于电镀金属的设备，其包括 (a)电镀池，所述电镀池经配置以保持电镀溶液； (b)脱气装置，其耦合到所述电镀池，所述脱气装置经配置以在所述电镀溶液流动到所述电镀池中之前从所述电镀溶液移除氧气；及 (C)氧化站，其耦合到所述电镀池，所述氧化站经配置以在所述电镀溶液从所述电镀池中流出之后增加所述电镀溶液的氧化强度；及 (d)控制器，其包括用于进行一种工艺的程序指令，所述工艺包括以下操作 (1)使用所述脱气装置来减小所述电镀溶液的氧浓度，其中所述电镀溶液包含约IOOPPM或小于100PPM的加速剂； (2)在操作(I)之后，在所述电镀池中使晶片衬底与所述电镀溶液接触，其中所述电镀池中的所述电镀溶液的所述氧浓度为约IPPM或小于IPPM ； (3)在所述电镀池中借助所述电镀溶液将金属电镀到所述晶片衬底上；及 (4)在操作(3)之后，使用所述氧化站来增加所述电镀溶液的所述氧化强度。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述脱气装置耦合到所述氧化站，且设备进一步包括 电解质流动回路，其经配置以使所述电镀溶液循环经过所述设备。
20.根据权利要求18所述的设备，其中所述氧化站经配置以增加所述电镀溶液的气体接触而积。
21.一种系统，其包括根据权利要求18所述的设备及步进器。
22.—种非暂时计算机机器可读媒体，其包括用于控制设备的程序指令，所述指令包括用于进行以下操作的代码 (a)减小电镀溶液的氧浓度，其中所述电镀溶液包含约100PPM或小于100PPM的加速剂； (b)在操作(a)之后，在电镀池中使晶片衬底与所述电镀溶液接触，其中所述电镀池中的所述电镀溶液的所述氧浓度为约IPPM或小于IPPM ； (c)在所述电镀池中借助所述电镀溶液将金属电镀到所述晶片衬底上'及 (d)在操作(C)之后，增加所述电镀溶液的氧化强度。
全文摘要
本发明为用于经改进工艺稳定性及性能的电沉积系统的配置及操作方法，描述用于借助具有低氧浓度的电镀溶液将金属电镀到工件上的方法、系统及设备。在一个方面中，一种方法包含减小电镀溶液的氧浓度。所述电镀溶液包含约100PPM或小于100PPM的加速剂。在减小所述电镀溶液的所述氧浓度之后，在电镀池中使晶片衬底与所述电镀溶液接触。所述电镀池中的所述电镀溶液的所述氧浓度为约1PPM或小于1PPM。在所述电镀池中借助所述电镀溶液将金属电镀到所述晶片衬底上。在将所述金属电镀到所述晶片衬底上之后，增加所述电镀溶液的氧化强度。
文档编号C25D3/38GK102677139SQ201210005429
公开日2012年9月19日 申请日期2012年1月6日 优先权日2011年1月7日
发明者乔纳森·D·里德, 古斯克·加内桑, 安德鲁·麦克罗, 尚蒂纳特·古恩加迪, 泰伊·斯珀林, 詹姆斯·E·邓肯 申请人:诺发系统有限公司