[发明专利]用于基底的化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统

说明书

本发明涉及一种用于对基底进行化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统、一种用于在工艺流体中对基底进行化学和/或电解表面处理的模块、一种用于金属沉积应用的电化学沉积系统或化学和/或电解表面处理模块的用途、以及一种用于对基底进行化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统的制造方法。所述电化学沉积系统包括阳极、阳极外壳和单一电解液。阳极外壳至少部分地围绕阳极延伸。阳极外壳包括膜。阳极和阳极外壳被放置在单一电解液中。单一电解液是电化学沉积系统的唯一电解液。

技术领域

本发明涉及一种用于对基底进行化学和/或电解表面处理的电化学沉积系统、一种用于在工艺流体中对基底进行化学和/或电解表面处理的模块、一种用于金属沉积应用的电化学沉积系统或化学和/或电解表面处理模块的用途、以及这种电化学沉积系统的制造方法。本发明特别涉及到铜的电化学沉积。

背景技术

自20世纪90年代末采用以来，镀铜一直是实现先进集成的关键技术，具有更好的导电和导热性能。最初用于中央处理器(central processing units)，后来用于存储器，然后用于封装和MEMs应用。其成功的主要驱动力之一是开发和采用有机添加剂，使电镀得到更好的控制，并精确地以所需的方式和位置进行(例如，在所谓的通孔中从下往上)，并允许完整的、无空洞的填充，最终实现光滑的表面处理。随着特征尺寸的缩小，通孔深宽比(aspect ratios)的增加，化学成本的上升，以及基底制造产量的增加，人们不断需要开发一种方法，以减少工艺和设备的复杂性，减少工具的停机时间，并在相同的化学和工艺稳定性下降低拥有成本(如化学消耗)。

就电化学沉积化学而言，运行所述工艺的主要成本因素分为工艺时间内的消耗和空闲时间内的消耗。这里调查的因素是金属离子(即铜)和有机添加剂的浓度，它们都增加了工艺的大量成本。此外，随着不同装置的不断出现，电化学沉积工艺不断得到进一步发展，以支持更高的深宽比和更深的通孔，以及急剧缩小的特征尺寸来支持各种金属层水平。这也刺激了完成电化学沉积工艺所需的先进有机添加剂的进一步发展。有机添加剂的一个缺点是，在电化学沉积过程中，甚至在工具的空闲时间内，它们的消耗率相对较高，因为当它们暴露在电解沉积过程的某些副产品中，特别是在阳极或多个阳极周围，以及与高阳极电流直接接触时，它们会被分解。这导致浴槽(bath)寿命缩短，在许多情况下导致工艺不稳定，当然还有高的工艺拥有成本。由于与这些有机添加剂有关的成本很高，因此很快就在研究减少有机物消耗量的方法。对工艺结果的另一个主要缺点和危险来自于这样一个事实，即有机添加剂的分解通常是一个氧化过程，通常会导致气泡的形成(如二氧化碳气泡)，在工艺过程中，这些气泡会接近并接触到基底，并在电解沉积过程中造成重大干扰。因此，沉积的均匀性和沉积层的质量会受到很大影响。另外，在电解液中形成的气泡会阻碍甚至阻断电解液的流经所谓的电解液和电流分配系统，通过降低某些地方的沉积率，有时甚至提高其他地方的沉积率，再次导致重大的沉积均匀性挑战。

在现有技术中发现的一个解决方案是引入由离子专用膜隔开的双电解液系统。这允许使用不含有机添加剂的电解液在阳极周围循环，而在阳极发生大量不需要的降解。这种无添加剂的电解液主要负责保证从阳极穿过离子专用膜到阴极的连续电流。然而，这种设置的一个主要缺点是，质子可以穿过这层膜，并导致严重的沉积问题。因此，为了避免质子穿过膜而不是铜穿过膜而降低电镀效率，阳极电解液的pH值通常必须保持得更高，这就需要使用至少具有两种不同类型的电解液的多个化学槽，从而进一步增加了系统的成本和复杂性，使沉积系统的控制和维护非常具有挑战性。

此外，现有技术中的这种双电解液方案为反向脉冲电镀的应用增加了一个主要的缺点，而反向脉冲电镀是对不友好特征进行均匀电镀的一个有用功能。利用这种双电解液的方法进行反向脉冲电镀，将迫使质子浓度在两种电解液中达到平衡，并以此再次限制了电镀效率，而这本应由这种解决方案来解决。此外，电镀率受到离子选择膜对铜离子穿透的固有阻力的限制，这在大马士革或双大马士革电镀中可能不是一个主要的障碍，但在高速电镀(high speed plating)应用中，如晶圆级封装的铜重分布层和铜柱，则是非常有问题的。