[发明专利]用金属电化学填充高纵横比的大型凹入特征的方法、水溶液电镀槽溶液、电镀设备以及系统

说明书

相关申请案的交叉引用

本申请案依据35USC 119(e)主张于2010年5月19日申请的提名威利(Willey)和迈尔(Mayer)为发明人并且名称为“使用具有双态抑制剂的电解质的穿硅通孔填充(Through Silicon Via Filling Using an Electrolyte With a Dual State Inhibitor)”的美国临时专利申请案第61/346,350号和于2011年2月03日申请的提名威利和迈尔为发明人并且名称为“使用具有双态抑制剂的电解质的穿硅通孔填充”的美国临时专利申请案第61/439,111号的优先权，所述专利申请案都以引用的方式并入本文中以达成所有目的。 

技术领域

本发明一般涉及用于将金属电沉积于具有凹入特征的衬底上的方法和设备，并且更具体涉及用于电镀铜以填充穿硅通孔(TSV)的方法和设备。 

背景技术

TSV是一种完全穿过硅晶片或晶粒的垂直电连接。TSV技术对制造3D封装和3D集成电路(IC)来说很重要。其通过内部线路使垂直排列的电子装置互连，显著地降低多芯片电子电路的复杂性和总尺寸。 

典型的TSV工艺包括形成TSV孔并且沉积保形扩散阻挡和导电种子层，接着用金属填充TSV孔。铜通常用作TSV填充中的导电金属，因为其支持在例如3D封装和3D集成电路等复杂集成和增加的装置速度下所经受的高电流密度。此外，铜具有优良热导率并且可以高纯状态获得。 

TSV孔通常具有高纵横比，使得将铜无空隙地沉积到这些结构中成为一项有挑战性的任务。CVD沉积铜需要复杂且昂贵的前体，而PVD沉积常常产生空隙和有限的阶梯覆盖率。电镀是一种更常用于将铜沉积到TSV结构中的方法；然而，由于TSV的尺寸大并且纵横比高，所以电镀也带来一组挑战。 

在典型的TSV电填充工艺中，对衬底加负电性偏压并且使其与包括硫酸铜作为铜离子源、用于控制电导率的硫酸、氯离子和若干被称为抑制剂(suppressor)、加速剂(accelerator)和平整剂(leveler)的有机添加剂的电镀液接触。然而，使用标准电解质 和添加剂常常导致电镀非常缓慢并且在TSV填充期间形成空隙。此外，TSV填充通常伴有大量的铜沉积在场区，随后需要通过化学机械抛光(CMP)或其它平坦化方法去除这些铜。此外，包括大量的铜沉积在TSV侧壁上的保形填充可产生缝隙。 

已经提出若干种方法自底向上(而非保形)填充TSV。颁予理查森(Richardson)等人的美国专利第7,670,950号描述使用包括促进铜更快地沉积在通孔底部而非通孔开口的聚合物有机添加剂(例如基于乙烯基吡啶的聚合物)的电解质填充TSV。理查森描述将铜沉积到TSV衬底上，同时控制施加于衬底的电流密度，并且实现填充90微米深的TSV花费约110分钟的填充时间。 

另一种方法描述于康多(Kondo)等人的名称为“利用铜电沉积的高速穿硅通孔填充(High Speed Through Silicon Via Filling by Copper Electrodeposition)”(电化学与固体快报(Electrochemical and Solid-State Letters)，13(5)D26-D28(2010))的文章中，其中TSV填充包括两组分：(a)在沉积前将铜沉积抑制剂(十八硫醇)印于衬底顶表面上以抑制铜沉积在场区，和(b)添加聚合物有机添加剂(磺化二烯丙基二甲基氯化铵共聚物)到电镀槽中。电镀也包括在每次电沉积前用氧气净化电镀槽，以使电镀液富含氧气。通过此方法，实现70微米深的TSV花费37分钟的填充时间。然而，此方法需要两个采用不同化合物的不同步骤，因此成本高。另外，在两步工艺中，衬底在这些工艺之间的停留时间的其它变量可引起产品的其它不良变化。 

虽然这些方法可解决一些与TSV填充有关的问题，但仍需要更快填充的方法与更稳固地控制填充工艺的质量的方法。 

发明内容