專利名稱：襯底上淀積材料層的工藝及電鍍系統的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及到在襯底上淀積涂層的工藝與系統，更確切地說是涉及到在襯底上電鍍含金屬的層的工藝和系統。
現今的半導體器件要求越來越高的工作電流密度，同時卻仍存在著電遷移或其它可靠性問題。銅正被研究來替代現今的鋁或鋁銅金屬化。在襯底上淀積銅的一種最有前景的方法是采用電鍍之類的涂敷方法。


圖1示出了現有技術電鍍系統10的剖面圖。系統10包含一個帶有出口部102的工作室11。此系統還包含帶有用來接收電鍍液的入口部112和擴散器13的一個槽12(容器)。陽極14位于槽12與擴散器13之間。此系統10還包含一個帶有轉盤151的蓋15，而夾銷152是系統10的陰極，通常由鍍鉑的鈦制成。在系統10的工作過程中，電鍍液19通過入口部112進入槽12，在陽極14的作用下流動，離子在此處從陽極14溶入電鍍液19。電鍍液19繼續向上流過擴散器13到達襯底20。電鍍液19最終漫過槽12的側壁，向下流入槽12的壁與工作室11的壁之間，且通過出口部102。陽極14和夾銷152被偏置以便對襯底20進行鍍敷。
在這種現有技術系統10的工作過程中，通常發生圖2所示的不均勻淀積。如圖2所示，半導體器件襯底20有一個可以是絕緣體、導體或絕緣體與導體的組合體的基底材料22，其上覆蓋有導電籽晶層24。電鍍材料26被鍍在籽晶層24上。注意襯底20被朝下安裝在系統10中。在圖2中，襯底已被向上轉使層26朝向圖2的頂部。如圖2所示，電鍍材料26的淀積通常在襯底20的邊緣附近更厚而中心附近更薄。這種不均勻淀積會引起問題，特別是若要對電鍍材料26進行化學機械拋光時問題更大。拋光清除材料時一般在襯底中心附近較快而在襯底邊緣附近較慢。襯底20邊緣附近的電鍍材料26較厚與邊緣附近較低的拋光速率相結合，加重了拋光之后電鍍材料26的不均勻性。在拋光過程中，由于不理想的拋光選擇性而清除了過多的下部基底材料22，或在襯底20的邊緣附近留下一圈殘余材料，其中二者都是不可取的。
在電鍍印刷電路板襯底的過程中，采用了限流陰極板(robberplate)，此限流陰極板被附著于電路板上，并借助于切去帶有限流陰極板的電路板部分而被破壞性地清除。
有必要建立一種系統，此系統應能更均勻地淀積且能夠在襯底中央附近鍍上比其邊緣稍多的材料以補償襯底中央附近常見的過度拋光。
本發明用舉例的方法來加以說明，且不局限于附圖，其中相同的參考號表示相同的元件圖1示出了現有技術電鍍系統的剖面圖；圖2示出了用現有技術方法在襯底上已鍍敷材料之后的半導體襯底部分的剖面圖；圖3示出了根據本發明實施例的電鍍系統的剖面圖；圖4示出了電鍍頭的俯視圖，說明了根據本發明實施例的襯底與夾銷之間的關系；圖5示出了用本發明實施例鍍敷材料之后的半導體器件襯底部分的剖面圖；以及圖6示出了根據本發明另一實施例的帶有陽極設計的電鍍系統的剖面圖。
熟練人員知道，各圖中的各個元件是為簡單和清晰而示出的而且沒有必要按比例繪出。例如，為了有助于加深對本發明各實施例的理解，圖中的某些元件的尺寸相對于其它元件進行了夸大。
一種新的電鍍系統和工藝使電鍍過程中半導體器件襯底表面上的電流密度更均勻，從而可得到導電材料的更均勻或被修整的淀積。電流密度修正器使襯底邊緣附近的電流密度減小，若不這樣則此處的鍍敷速率將最高。借助于減小襯底邊緣附近的電流密度，電鍍變得更為均勻或可以修整，以在襯底中央附近鍍敷稍多的材料。此系統還可修改，使夾銷結構上電流密度修正器的材料可被清除而無需拆卸蓋的任何部分或從系統移去弧形電流密度修正器。這種原位清洗減少了設備停機時間，提高了設備壽命并減少了顆粒數。
圖3示出了根據本發明實施例的電鍍系統30的剖面圖。系統30相似于系統10，但系統30包含帶有夾具部位362(陰極或第二電極)和弧形電流密度修正器部位364(第一裝置)的夾具結構36以及環形電流密度修正器37(根據實施例的不同而為第一裝置或第二裝置)。夾具結構36是導電的。系統30包含一個帶有出口部302的工作室31和一個帶有用來接收電鍍液的入口部312的槽32。在槽32中，擴散器33使通過槽32的電鍍液(離子液體)39更呈片流。陽極34(第一電極)位于槽32與擴散器33之間。陽極34通常包含將被鍍在半導體器件襯底20上的材料。
系統30還包含一個帶有轉盤351和夾具結構36的蓋35以及一個環形修正器37。轉盤351、擴散器33、槽32和工作室31包含諸如聚乙烯、碳氟化合物(即特氟隆TeflonTM)之類的不導電材料。這些材料降低了任何電流傳導或任何與電鍍液的不利反應的可能性。陽極14、夾具結構36和環形修正器37、諸如導電籽晶層24的襯底20上的任何導電層應該是與電鍍液39相接觸的僅有的導電材料。
圖4示出了用夾具結構36固定在轉盤351上的半導體器件襯底20的俯視圖。每個結構36包含一個夾具部位362和一個電流密度修正器部位364。夾具部位362和電流密度修正器部位364是導電的。部位364至少1mm寬且比位于襯底20與陽極34之間的部位362來說至少更向著陽極34延伸1mm。在這一具體實施例中，每個部位364的弧長在約5-50mm范圍內，通常為25mm。每個弧形修正器部位364的高度在約5-15mm范圍內，通常為10mm。每個部位364的厚度在約2-6mm范圍內。環形修正器37是導電的且其位置使結構36與環形修正器37之間有一個約為5-15mm的間隙。與部位364相似，修正器37進一步向陽極34延伸。修正器37的圓周大于部位362寬度之和。換言之，修正器37“寬于”部位362。
環形修正器37的高度通常在約5-25mm范圍內，而厚度在10-15μm范圍內。在一個實施例中，環形修正器37位于槽32頂部附近。環形修正器位于擴散器39與槽32頂部之間沿槽32的任何地方。通常，環形修正器37被附著于槽32。環形修正器37可以是連續環，也可沿槽32的壁分成段。在一個具體實施例中，結構36和環形修正器37二者都用與被電鍍到襯底20上的材料相同的材料制成以減小電鍍液39的沾污可能性。若要鍍銅，則結構36、環形修正器37和陽極34用銅制成。但在變通實施例中，也可用不同的材料。系統30的陰極(第二電極)包含夾具部位362。部位364和環形修正器37是系統30的不同類型的電流密度修正器，且與襯底20分開一段距離。
下面討論電鍍銅的一個具體例子。雖然給出了很多細節，但這些信息只是為了說明問題而不是限定本發明的范圍。在系統30的工作中，電鍍液39經由入口部312進入槽32。電鍍液包含銅(Cu)、硫酸銅(Cu2SO4)、硫酸(H2SO4)、諸如來自HCl的氯化物離子。電鍍液39流過陽極34，來自陽極34的離子在此處溶入電鍍液39。電鍍液39繼續向上渡過擴散器33到達襯底20。電鍍液39最終漫過槽32的壁，向下流到槽32的壁與工作室31的壁之間，并通過出口部302。
在工藝的第一部分，借助于在至少一部分陽極34上，具體地說(但不局限于)是直接面對襯底36的陽極34的部位上形成氧化銅類型的薄膜而對陽極34進行調整。調整之后，在半導體襯底接觸到電鍍液39之前，添加劑被加到電鍍液39中。
導電籽晶層制作在襯底20的主表面上(器件側)。在此例中，襯底20是一個圓形晶片。導電籽晶層24對襯底20上的鍍敷起促進作用。導電籽晶層24通常包含一個含有諸如鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭之類材料的難熔金屬。然后將帶有導電籽晶層24的襯底20安裝在轉盤351上并用結構36的夾具部位362固定就位。然后降低蓋35，使結構36的一部分和籽晶層24與電鍍液39相接觸。應注意保持襯底20的背側(未暴露)表面不要接觸到電鍍液39。
在電鍍過程中，對陽極34、結構36和環形修正器37加偏置以淀積電鍍材料層56。雖然陽極34、結構36和環形修正器37可取正的或負的偏壓極性或者電學上接地，但陽極44處于比結構36和環形修正器37更正的電位。在一個具體實施例中，環形修正器37和結構36二者都處于大致相同的電位。在另一實施例中，環形修正器37被置成使結構36上的電位處于陽極34電位與環形修正器37電位之間。偏置條件可在電鍍過程中保持基本恒定或隨時間變化(亦即，脈沖(方波)、鋸齒、正弦之類)。本說明書中所用的偏置不包含電浮置此元件，但可包含將系統元件之一置于地電位。
對于二個實施例，對結構36和環形修正器37進行偏置有助于降低邊緣處的電流密度，反過來又比之不采用電流密度修正器時降低了襯底20邊緣附近的電鍍速率。電鍍一直進行到形成了所需厚度的電鍍材料56。在一個實施例中，這一厚度通常在約6000-15000埃范圍內。與現有技術不同的是，此電鍍材料的厚度更均勻或如圖5所示在襯底20的中央可稍厚。注意在圖5中，已將襯底20倒轉過來使電鍍材料56朝著圖5的頂部。對電流密度修正器的電位進行了調節以獲得所希望的均勻度結果。層56可淀積成襯底中心點上以及離襯底邊緣10mm以內的點上的層56厚度之差不大于中心點上層56厚度的5％。在電鍍過程中，除了特別指出者外，工作參數都是本技術常規使用的。
不能用像現有技術電鍍過程中與印刷電路板相接觸的取樣器所做的那樣從襯底20破壞性地清除電流密度修正器。在襯底20以晶片形式存在的情況下，還必須執行后續加工。若電流密度修正器與襯底20相接觸并破壞性地被清除，則由于襯底20可能不具有大體圓的形狀而幾乎不可能執行后續的加工步驟。破裂的襯底可能產生顆粒，具有尖銳的邊緣，并在后續加工步驟中很可能進一步破碎，這就降低了成品率。
在電鍍之后再進行加工以形成大致完工的器件。這些步驟可包括對層56進行化學機械拋光、如有需要時制作額外的絕緣互連層以及在最上層的互連層上制作鈍化層。若層56被用于焊料凸塊，則層56在襯底中心點上的厚度在約40-160μm的范圍內且用腐蝕方法進行圖形化。
在完成電鍍之后，可電鍍不同的襯底，或可借助于清除至少一部分在襯底20上淀積電鍍層56時淀積在結構36上的鍍敷材料來清洗結構36。可用不同的方法來實現清洗。在一個實施例中，借助于將結構36偏置于比陽極34更正的電位，可進行此清洗。在另一實施例中，結構36被偏置于比環形修正器37更正的電位。在此具體實施例中，陽極34電浮置。若陽極34電浮置，則調節過程中陽極34上產生的薄膜在清洗加工過程中將基本上保持不受干擾。若不允許陽極34浮置，則薄膜必受影響從而需要調整。在清洗步驟之后，可加工額外的襯底。
系統30也可用來電鍍其它材料，包括金和鎳。此外，此系統還可用來淀積合金。例如在半導體器件中用作網格焊球陣列的導電凸塊。此導電凸塊通常包含一種鉛錫合金。鉛的氧化勢為+0．126V，而錫的氧化勢為+0．136。因此，錫比鉛更易被氧化。陽極34應包含更易氧化的金屬元素而不是其它金屬元素。否則，在電鍍襯底之后，陽極34可能成坑。在此具體例子中，陽極34應包含錫而不是鉛。電鍍液39將包含處于元素(還原)態和離子(氧化)態二者中的鉛和錫。可改變淀積參數(特別是電鍍液中的鉛和錫的濃度)以及陽極34、結構36與環形修正器37的偏置條件來修正合金的組成。此合金可具有基本均勻或緩變(不連續的或連續的)的組成。
在另一實施例中，系統30被用來在襯底20上淀積其它的電活性材料。在這一應用中，材料可能荷負電，因此，襯底20和結構36現變成陽極，原先的陽極34變成陰極。以這種方式，電鍍液39中的電流方向基本上反過來了。
本發明包括其它的實施例。在一個具體的實施例中，結構36被修改成夾具部位362和部位364是分立的部分。此時，部位364與夾具部位362以單獨元件的形式附著于轉盤。在其它的實施例中，部位364永久性地附著于夾具部位362，或者是可隨時從夾具部位取下的可移去部位。
在電鍍過程中，結構36可完全地或部分地浸入在電鍍液39中。一個或二個電流密度修正器的形狀應與襯底20的邊緣的形狀匹配。例如，部位364是弧形部位，且沿那些弧形部位364的內邊緣的所有點離襯底20都基本上距離相等。若襯底20是帶直邊的矩形，則弧形修正器部位當具有面向襯底20的內邊緣且基本上平行于襯底的相應的邊。
環形修改器37的變通設計也是可能的。在另一實施例中，環形修正器37延伸于槽32頂部以上。例如，環形修正器37可包含城堡形的邊緣，使電鍍液39可在城堡形邊之間流動而漫出槽32。以這種方式，電鍍液39不與環形修正器37的上部相接觸。當分段式環形修正器用于電鍍時，最可能采用這種形式。與前述實施例相似，環形修正器37的形狀通常應與槽32大致相同，后者通常與襯底20的形狀匹配。在圓形襯底20的情況下，環形修正器37和槽32具有圓的形狀。若襯底20是矩形的，則環形修正器37和槽32也具有矩形形狀。
在另一實施例中，只有環形修正器37部位是導電的。在一個具體實施例中，一段環形修正器37其上半部導電而環形修正器37的相鄰部位可能是下半部導電。在又一實施例中，所有的上部或所有的下部或者它們的任一組合是導電的。在任何情況下，環形修正器37的定位應使電鍍的均勻性最優化。
系統30可只用結構36或環形修正器37作為電流密度修正器而工作。采用二種電流密度修正器則可提高更好地控制電鍍過程中的電流密度的能力，因而可對襯底20上電鍍材料56的厚度變化進行更好的控制。
在再一實施例中，可修改陽極形狀以優化電流密度，使晶片表面上更均勻。如圖6所示，錐形陽極64有一個錐形的邊緣。這改變了襯底20附近的電流密度。顯然，其它的形狀也是可能。
在前述的說明中，已參照具體的實施例描述了本發明。但本技術領域的一般熟練人員知道，可作出各種修改和改變而不超越下列權利要求所確定的本發明的范圍。因此，本說明書及附圖被認為是示范性的而不是限制性的，且所有這些修改都包括在本發明的范圍之中。在權利要求中，方法與功能條款(若有的話)覆蓋了此處所述的執行所述功能的各種結構。此方法與功能條件還覆蓋執行所述功能的結構等效物和等效的結構。
權利要求
1．一種在襯底上淀積材料層(56)的工藝，它包含下列步驟將襯底(20)置入電鍍系統(30)中，此系統包含容器(32)；容器(32)中的第一電極(34)；電連接于襯底(20)的第二電極(36)；導體或電流密度修正器的第一裝置(364，37)，其中的第一裝置(364，37)與襯底(20)隔開一段距離，該裝置寬度大于第二電極(362)的寬度，且比第二電極(362)更向第一電極(34)延伸；離子液體(39)，其中的離子液體(39)接觸第一電極(34)、第二電極(362)、襯底(20)和第一裝置(364，37)；將第一電極(34)置于第一電位，第二電極(362)置于第二電位，第一裝置(364，37)置于第三電位，其中材料層(56)淀積在襯底(20)上，且第一電位不同于第二電位和第三電位；以及從電鍍系統(30)移去襯底(20)。
2．權利要求1的工藝，其中將第一電極(34)置于第一電位的步驟包含將第一電極(34)置于第一電位、第二電極(362)置于第二電位、第一裝置(364，37)置于第三電位的步驟，其中的第二和第三電位基本上為同一電位。
3．權利要求1的工藝，其中將第一電極(34)置于第一電位的步驟包含將第一電極(34)置于第一電位、第二電極(362)置于第二電位、第一裝置(37)置于第三電位的步驟，其中的第一、第二和第三電位各不相同；且第二電位在第一與第三電位之間。
4．權利要求1的工藝，其中置入襯底(20)的步驟包含對襯底(20)進行定位，該襯底的邊靠近于具有相似于此邊部分的形狀的第一裝置(364，37)。
5．權利要求1的工藝，其中將第一電極(34)置于第一電位的步驟包含產生一個隨時間周期性變化的脈沖電勢差。
6．權利要求1的工藝，其中的第一電極(34)的剖面形狀至少是局部錐形。
7．權利要求1的工藝，其中將第一電極(34)置于第一電位的步驟在更靠近襯底(20)中心的第一點上使層(56)淀積至第一厚度，而在更靠近襯底(20)邊緣的第二點上使層(56)淀積至不厚于第一厚度的第二厚度。
8．權利要求1的工藝，還包含至少清除一部分在將第一電極(34)置于第一電位的步驟中淀積在第二電極(362)上的材料層，其中第一裝置(37)被置于比第二電極(362)更低的電位。
9．權利要求1的工藝，還包含在將第一電極(34)置于第一電位的步驟中將襯底(20)和第一電極(34)彼此相對旋轉的步驟。
10．權利要求1的工藝，其中將第一電極(34)置于第一電位的步驟淀積包含第一金屬元素和不同于第一金屬元素的第二金屬元素的合金材料層(56)。
11．權利要求10的工藝，其中的置入步驟包含將襯底(20)置入電鍍系統，其中第一電極(34)含有第一金屬元素而不含有第二金屬元素；第一金屬元素的氧化勢高于第二金屬元素；離子液體(39)包含第二金屬元素的離子。
12．權利要求1的工藝，其中的襯底(20)包含半導體器件襯底(20)。
13．權利要求1的工藝，其中的第一裝置(37)具有環形形狀且附著于容器(32)。
14．權利要求13的工藝，其中的第一裝置被分段。
15．權利要求1的工藝，還包含在將第一電極(34)置于第一電位的步驟中，相對于第一電極(34)旋轉第一裝置(364)的步驟。
16．權利要求1的工藝，其中電鍍系統(30)還包含與襯底(20)和第一裝置(364)分隔開一段距離的第二裝置(37)；且此工藝還包含借助電浮置第一電極(34)并將第二電極(362)和第一裝置(364)置于第一電位而第二裝置(37)置于比第一電位低的第二電位，從而從第二電極(362)和第一裝置(364)清除至少一部分材料的步驟，其中該步驟在移去襯底的步驟之后執行。
全文摘要
電鍍系統(30)和工藝使襯底(20)表面上的電流密度在電鍍過程中更均勻,得到更均勻或經修整地淀積導電材料。電流密度修正器(364和37)降低了襯底(20)邊緣附近的電流密度,電鍍變得更為均勻或可被修整,使襯底(20)中心附近鍍敷稍多的材料。此系統還可加以修正,使電流密度修正器部位(364)上的材料可被清除而無需卸下蓋(35)的任何部分。減少了設備停機時間,提高了設備壽命并緩解了顆粒問題。
文檔編號C25D7/00GK1204702SQ98108369
公開日1999年1月13日 申請日期1998年5月13日 優先權日1997年5月14日
發明者辛迪·里德西瑪·辛普森, 馬修·T·赫里克, 格雷戈爾·S·埃瑟林頓, 詹姆斯·德里克·萊格 申請人:摩托羅拉公司