用于形成半导体特征结构的电化学组件的制作方法

本公开涉及衬底处理系统并且更具体地讲涉及提供半导体电互连件的电化学组件。

背景技术：

1、本文提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。

2、半导体互连件通常使用各种半导体工具形成，以实现半导体工艺的各个方面来沉积金属。此类半导体工具可包括金属沉积工具(例如，物理气相沉积(pvd)工具、化学气相沉积(cvd)工具或原子层沉积(ald)工具以提供晶种金属层和/或本体金属层)、光致抗蚀剂沉积工具(如旋涂机或干式光致抗蚀剂沉积工具)、光刻工具(如光刻工具)、光致抗蚀剂显影工具、去渣或灰化工具(如光致抗蚀剂去渣工具)、镀覆工具(例如，电镀工具)、光致抗蚀剂剥离工具和/或金属蚀刻工具(例如，湿法金属蚀刻工具)。

3、此类半导体工具可结合用于嵌入式处理(沉积金属的增材工艺)或贯穿抗蚀剂处理和金属化。嵌入式处理通常用于具有高深宽比贯穿硅通孔(tsv)以及等级大于3的互连件与小于0.5微米(μm)流体孔和线性互连件。贯穿抗蚀剂处理和金属化通常用于尺寸大于约1微米且小于约三层的封装互连件形成(重新分布层、铜柱凸块、受控塌陷芯片连接(c4)镀焊料凸块等)。

4、这些半导体工具和工艺中的每一者都使用若干辅助工艺和硬件(光致抗蚀剂应用、光刻、光致抗蚀剂显影、光致抗蚀剂剥离和清洁、化学机械抛光、湿法蚀刻)，此外还需要电镀期望的载流金属互连线/通孔。

5、嵌入式半导体工艺(包括硅通孔(tsv)的形成)可以在电介质膜(如低介电常数(k)二氧化硅(sio2)中形成凹腔。使用光刻工具在电介质膜中限定蚀刻区域以形成掩模(例如金属膜)。该步骤之后通常是用于对暴露表面进行pvd金属化的pvd工具，以用晶种层和阻挡层(通常为铜(cu)和钽(ta)、钛(ti)、氮化钛(tin)或氮化钽(tan))涂覆外表面和内表面。

6、pvd金属化通常具有高侧壁覆盖选择性，使得嵌入式结构的边缘壁，特别是结构底部处的边缘壁被充分覆盖，以允许完整的电连接和向上填充地电镀底部。然后，从“底部向上”电镀凹陷结构，并且可将金属蚀刻工具用于对表面进行化学机械抛光(cmp)，以留下位于一般表面下方的隔离线/通孔。

7、贯穿抗蚀剂处理和金属化用于形成凸块和/或线，该凸块和/或线在处理结束时，产生位于一般表面上方的互连结构。贯穿抗蚀剂处理和金属化通常涉及使用金属沉积工具在暴露表面接种(例如，在ta/上方覆盖cu/2000埃的pvd金属层)。然后，可使用光致抗蚀剂沉积工具来施加干光致抗蚀剂膜或湿光致抗蚀剂层(通过旋涂机，然后在旋涂机中干燥/固化光致抗蚀剂层)。光致抗蚀剂层可以是正色调或负色调(曝光区域在显影后被移除或保留)。然后，使用光刻工具在光刻步骤中将光致抗蚀剂曝光。接下来，采用光致抗蚀剂显影工具，通过浸入适用于特定类型和化学制剂的光致抗蚀剂的显影溶液中，选择性地去除光致抗蚀剂。显影后，可使用去浮渣工具去除残留在特征结构底部的残余光致抗蚀剂，这可以通过将晶片表面暴露于氧等离子体来去除(有时称为“去浮渣步骤”)。通常在该步骤中，氧端基取代了光致抗蚀剂表面的疏水性有机端基，使得有机光致抗蚀剂膜更加亲水。晶片然后具有向下到晶种层的一组光致抗蚀剂开口，并且将电镀工具用于电镀和填充这些开口以形成凸块、线、厚焊料膜(回流形成球)或在铜凸块顶部上形成较薄的焊料层以形成铜/焊料(例如铜/锡银)柱。

技术实现思路

1、本文的各种实施方案涉及用于电化学沉积的方法、装置和系统。本文所述的技术实现了金属特征结构的无光致抗蚀剂形成，显著简化了用于形成此类特征结构的工艺方案并且最小化了相关的资金和处理成本。在某些实施方案中，本文的技术采用沉积头(例如印刷头)来限定促进电化学沉积的电场。一些实施方案任选地采用流量分配头(fdh)来提供可被沉积的金属离子源。可使用系统和控制器，该系统和控制器可有助于将沉积头和/或fdh对准或定位在工件附近、在沉积头附近补充电解液、和/或控制沉积的特征结构(例如，印刷的特征结构)的尺寸和位置。

2、本公开的一些方面涉及可由以下特征结构表征的组件：(a)沉积头，其包括设置在沉积头的近侧表面上的阳极像素阵列，其中该阳极像素阵列包括多个惰性电极和多个控制装置，该控制装置被配置为向所述多个惰性电极中选定的一个或更多个惰性电极提供电流；(b)间隙测量系统，其包括一个或更多个传感元件，其中该间隙测量系统被配置为通过测量一个或更多个传感元件中的至少一个传感元件与工件的下面部分之间的区域的阻抗来测量该沉积头的近侧表面与工件表面之间的距离；以及(c)控制器，该控制器连接到沉积头并被配置为向所述阵列提供电流和/或电压或在工件和阵列之间提供电势差，从而形成由一个或更多个阳极像素限定的电场。

3、在一些实施方案中，该组件还包括对准系统，该对准系统包括：附接到沉积头的多个精细致动器元件，其中该精细致动器元件被配置成将沉积头的近侧表面定位在距工件表面第一间隙距离内和/或使沉积头的近侧表面位于平行于工件表面的平面上。在一些实施方案中，该对准系统被配置成控制沿五个轴的运动，该五个轴包括三个相互垂直的线性轴和两个旋转轴，该两个旋转轴被取向使得沉积头的平面度可相对于工件进行调整。在一些实施方案中，该对准系统被配置成通过一组以三角形布置的三个精细致动器元件或者以三角形布置的两个精细致动器元件与第三固定点来控制沿所述两个旋转轴的运动。

4、在某些实施方案中，一个或更多个传感元件中的至少一个传感元件设置在沉积头的近侧表面并电连接到电路以确定传感元件和工件表面之间的距离。在某些实施方案中，一个或更多个传感元件中的至少一个传感元件电耦合到供电电路和传感电路。在一些实施方式中，至少一个传感元件包括多个惰性电极中的一个惰性电极。

5、在一些实施方案中，控制器被配置为以提供沉积特征结构的方式供应电流和/或电压或供应电势差，并且其中沉积特征结构由单个阳极像素或多个阳极像素沉积。在一些情况下，控制器被配置为引起：向一组连续的阳极像素提供电流、电压或电势差以限定沉积特征结构的形状或尺寸。

6、在一些实施方案中，该组件还包括电耦合到多个惰性电极的供电电路，其中该供电电路被配置为施加第一电势和/或电流以使惰性电极用作相对于工件的阳极并施加第二电位和/或电流以使惰性电极用作相对于二次电极的阴极。在一些实施方式中，二次电极包括电镀到惰性电极上的金属。

7、在一些实施方案中，间隙测量系统被配置成通过将输入信号波施加到至少一个传感元件来测量介于至少一个传感元件和工件的下方部分之间的区域的阻抗。

8、输入信号波可以具有大约1毫伏至100毫伏的幅度。输入信号波可以具有约100khz至10mhz的频率。输入信号可具有约1mhz至10mhz的频率。

9、在某些实施方案中，控制器还被配置为使用从间隙测量系统测得的距离来保持沉积头的近侧表面与工件上的生长沉积特征结构的表面之间的距离。在某些实施方案中，控制器还被配置成保持沉积头的近侧表面和工件上的生长沉积特征结构的表面之间的恒定距离。在一些实施方式中，控制器和/或间隙测量系统采用将阻抗信息与沉积头的近侧表面和工件上的生长沉积特征结构的表面之间的距离相关联的经验模型。

10、在一些实施方案中，多个惰性电极凹陷在绝缘工件中的孔内，从而允许金属从二次电极电镀到多个惰性电极上并从所述多个惰性电极上退镀到工件上。在一些实施方式中，绝缘工件中的孔限制了电镀到所述多个惰性电极上的金属的位置。

11、本公开涉及将多个横向分离的特征结构电镀到工件上的方法。此类方法的特征在于以下操作：(a)将沉积头定位在第一位置处，并且当处于第一位置时，将金属电镀到沉积头的多个阳极像素的多个惰性电极上；(b)在(a)之前或之后，测量沉积头与工件或定位在工件位置处的另一衬底之间的间隙，其中测量该间隙包括确定间隙附近的电解液的阻抗；以及(c)通过使用从(b)测得的间隙，将沉积头定位在靠近工件的第二位置，并且当处于第二位置时，将金属从多个惰性电极电镀到工件上以至少部分地形成横向分离的特征结构。

12、在一些实施方案中，该方法还包括：(d)确定多个横向分离的特征结构尚未完全形成；以及(e)重复操作(a)、(b)和(c)。在一些实施方案中，该方法还包括：在将沉积头定位在所述第一位置之后，并且在将金属电镀到多个惰性电极上之前，在沉积头和工件之间递送电解液。

13、在一些实施方案中，该方法还包括将沉积物移动到靠近工件的第三位置并且将附加的多个特征结构电镀到工件上。在一些实施方案中，该方法还包括蚀刻工件上的导电晶种层的一部分。

14、在某些实施方案中，测量工件和沉积头之间的间隙包括在三个或更多个不在一条直线上的单独位置处测量间隙。在一些实施方式中，将沉积头定位在靠近所述工件的第二位置中包括修改沉积头的位置，使得工件和沉积头在平行平面上对准。

15、在某些实施方案中，将沉积头定位在靠近工件的第二位置中包括致动附接到沉积头的多个精细致动器元件中的一个或更多个精细致动器以将沉积头的近侧表面定位在距工件表面的第一间隙距离内和/或使沉积头的近侧表面位于平行于工件表面的平面上。在一些实施方式中，将沉积头定位在靠近工件的第二位置中包括控制沿五个轴中的一个或更多个轴的运动，所述五个轴包括三个相互垂直的线性轴和两个旋转轴。

16、本
技术实现要素：
部分的以下部分确定了本公开的某些替代方面。在第一个这样的方面，本公开涵盖了一种组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)，该组件包括：沉积头(例如，印刷头)，其包括至少一个设置在沉积头的近侧表面上的阳极；和流体分配头(fdh)。在一些实施方案中，沉积头至少部分地被fdh围绕或结合到fdh中，其中fdh包括与fdh的近侧表面流体连通的多个端口。在其他实施方案中，端口被配置成供应和/或移除至少一个阳极附近的电解液。

17、在第二方面，本公开涵盖一种组件，其包括：间隙测量系统，所述间隙测量系统包括一个或更多个传感元件(例如，本文所述的任一传感元件)。在一些实施方案中，间隙测量系统被配置成测量沉积头的近侧表面或fdh的近侧表面与工件表面之间的距离。

18、在第三方面，本公开包括一种组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)，所述组件包括：沉积头(例如，印刷头)，其包括阳极像素阵列；fdh被配置为环绕该阵列；以及间隙测量系统，其包括一个或更多个传感元件，其中该间隙测量系统被配置为测量沉积头的近侧表面或fdh的近侧表面与工件的表面之间的距离。在一些实施方案中，该阵列设置在沉积头的近侧表面上，其中每个阳极像素包括虚拟电极、有源电极或惰性电极。在其他实施方案中，fdh包括与fdh的近侧表面流体连通的多个端口，其中这些端口被配置为供应和/或移除阳极像素附近的电解液。

19、在第四方面，本发明包括一种组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)，包括：沉积头(例如，印刷头或本文所述的任一者)；fdh(例如，本文所述的任一者)，其被配置为围绕阵列；间隙测量系统(例如，本文所述的任一者)，其包括一个或更多个传感元件；和对准系统。在一些实施方案中，对准系统包括：多个直接或间接附接到沉积头的精细致动器元件；以及直接或间接附接到fdh的安装组件。在特定实施方案中，精细致动器元件被配置成将阵列定位在距工件表面的第一间隙距离内和/或使沉积头的近侧表面与工件表面共面。在其他实施方案中，安装组件包括用于将fdh竖直定位在距工件表面的第二间隙距离内的粗调致动器。

20、在第五方面，本发明包括一种提供沉积特征(例如印刷特征)的方法，该方法包括：接收工件，该工件包括设置在其表面上的晶种层，其中晶种层是导电的；将沉积头(例如印刷头或本文所述的任一者)定位在工件表面附近；通过配置成围绕沉积头的fdh将电解液递送到阳极像素；并且激活一个或更多个阳极像素，从而在第一位置提供沉积特征结构(例如印刷特征结构)。在一些实施方案中，沉积头包括多个阳极像素的阵列，并且fdh被配置为围绕该阵列。

21、在一些实施方案中，所述定位包括：确定沉积头的近侧表面与工件表面之间的距离；在第一间隙距离内将沉积头的近侧表面与工件的表面对准和/或使沉积头的近侧表面与工件的表面共面。在特定实施方案中，第一间隙距离与阵列的尺寸之比为0.1:1至1:0.5。在其他实施方案中，阵列的维度是两个阳极像素之间的距离或单个阳极像素的特征尺寸(例如，宽度、高度或直径)。

22、在一些实施例中，所述定位包括(例如，在所述对准之前)：将fdh的近侧表面竖直定位在距工件表面的第二间隙距离内。在特定实施方案中(例如，在所述递送期间)，第一间隙(沉积头的近侧表面与工件表面之间)小于第二间隙(fdh的近侧表面与工件表面之间)。

23、在一些实施方案中，所述递送包括：使电解液流过设置在fdh内的两个或更多个端口；并且通过设置在fdh内的一个或更多个端口去除电解液。

24、在一些实施例中，所述激活包括向阵列供应电流和/或电压或在工件与沉积头(或其阵列)之间供应电势差。在其他实施方案中，所述激活包括：向一个阳极像素或多个阳极像素供应电流、电压或电势差。在其他实施例中，所述供应包括向一组连续的阳极像素供应电流、电压或电势差以限定沉积特征结构(例如印刷特征结构)的形状或尺寸。

25、在一些实施例中，该方法还包括(例如，在所述激活之后)：将沉积头移动到工件表面上的第二位置；进一步通过fdh递送电解液至第二位置；并且进一步激活第二位置处的一个或更多个阳极像素，从而在第二位置处提供另外的沉积特征结构(例如，另外的印刷特征结构)。在特定实施方案中(例如，在所述激活和/或所述进一步激活之后)，该方法还包括：分别在第一位置和第二位置处蚀刻缺少沉积特征结构和另外的沉积特征结构的晶种层的一部分。

26、在本文的任一实施方案中，沉积头为印刷头。在其他实施方案中，组件是包括一个或更多个印刷头的印刷头组件。

27、在本文的任何实施方案中，阵列设置在沉积头的近侧表面上。

28、在本文的任何实施方案中，阳极或阳极像素包括虚拟电极、有源电极或惰性电极。

29、在本文的任何实施方案中，沉积头包括内部阳极、绝缘衬底和形成在内部阳极和绝缘衬底之间的内室；其中绝缘衬底包括多个孔；并且其中每个孔形成虚拟电极。

30、在本文的任何实施方案中，沉积头包括多个惰性电极和多个控制装置，所述控制装置被配置成向选定的阳极像素或选定的多个阳极像素供应电流。

31、在本文的任何实施方案中，沉积头和fdh可以直接或间接附接。

32、在本文的任何实施方案中，沉积头的近侧表面延伸超过fdh的近侧表面。

33、在本文的任何实施方案中，多个端口(例如，fdh的端口)围绕沉积头的外围。在一些实施方案中，该组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)还包括与每个端口相关联的阀，其中每个阀可被配置为通过与每个阀相关联的端口供应或去除压力或流量。

34、在本文的任何实施方案中，组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)还包括：多个沉积头(例如，多个印刷头)和多个流体分配头，其中每个fdh被配置成围绕一个沉积头。

35、在本文的任何实施方案中，该组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)还包括：多个沉积头(例如，多个印刷头)，其中fdh被配置为包围多个沉积头中的每一个沉积头。

36、在本文的任何实施方案中，组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)包括间隙测量系统。在一些实施方案中，间隙测量系统包括一个或更多个传感元件(例如，本文所述的任何传感元件)。在其他实施方案中，间隙测量系统被配置成测量沉积头的近侧表面或fdh的近侧表面与工件表面之间的距离。在其他实施方案中，fdh包括与fdh的近侧表面流体连通的多个端口，其中端口被配置为供应和/或移除阵列和/或阳极像素附近的电解液。

37、在本文的任何实施方案中，一个或更多个传感元件设置在沉积头的近侧表面上并且电连接到电路以确定传感元件和工件表面之间的距离。在一些实施方案中，传感元件包括多个阳极像素中的一个阳极像素。

38、在本文的任何实施方案中，组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)还包括对准系统。在一些实施方案中，对准系统包括：直接或间接附接到沉积头的多个精细致动器元件，其中精细致动器元件被配置成将阵列定位在距工件表面的第一间隙距离内和/或使沉积头的近侧表面与工件表面共面。在其他实施方案中，对准系统还包括：直接或间接附接到fdh的安装组件，其中该安装组件还包括用于将fdh竖直定位在距工件表面的第二间隙距离内的粗调致动器。

39、在本文的任何实施方案中，该组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)还包括：连接到沉积头(例如，印刷头)的控制器(例如，印刷头控制器)，其中该控制器被配置成引起：向阵列提供电流和/或电压或在工件和阵列之间提供电势差，从而形成由一个或更多个阳极像素限定的电场。在一些实施方案中，该供应提供沉积特征结构(例如，印刷特征结构)，其中沉积特征结构由单个阳极像素或由多个阳极像素沉积(例如，印刷)。在其他实施方案中，控制器被配置为引起：向一组连续的阳极像素提供电流、电压或电势差以限定沉积特征结构的形状或尺寸。

40、在本文的任何实施方案中，该组件还包括：连接到fdh的射流控制器，其中该射流控制器被配置成引起：电解液流入和/或流出多个端口，从而补充反应物并去除在阵列和工件之间形成的反应产物。