使用远程电流动态控制电镀均匀性的装置和方法

使用远程电流动态控制电镀均匀性的装置和方法
【专利摘要】提供了使用远程电流动态控制电镀均匀性的装置和方法。在一个方面，用于在衬底上电镀金属同时控制电镀均匀性的装置包括：电镀室，其具有由膜分隔开的阳极电解液分室和阴极电解液分室；主阳极，其布置在阳极电解液分室中；离子阻性离子可渗透元件，其布置在膜和在阴极电解液分室中的衬底之间；和第二电极，其配置成贡献和/或转移电镀电流到衬底和/或从该衬底贡献和/或转移电镀电流，其中，第二电极被布置成使得贡献和/或转移的电镀电流不穿过分隔开阳极电解液分室和阴极电解液分室的膜，但穿过离子阻性离子可渗透元件。在一些实施方式中，第二电极是能在电镀期间被动态控制的方位角对称阳极(例如，围绕电镀室的外周的单独分室布置的环)。
【专利说明】
使用远程电流动态控制电镀均匀性的装置和方法
技术领域
[0001] 本公开一般涉及用于在半导体晶片上电镀金属层的方法和装置。更具体地，本文 所描述的方法和装置用于控制电镀均匀性。
【背景技术】
[0002] 在集成电路(1C)制造中从铝到铜的转变需要改变工艺"架构"（到镶嵌和双镶嵌）， 以及全新成套的工艺技术。在制造铜镶嵌电路中使用的一个工艺步骤是"籽晶"或"触击 (strike)"层的形成，然后将该层用作在其上电镀铜（"电填充"）的基底层。籽晶层运送电镀 电流从晶片的边缘区域(其中制备电接触)到所有沟槽并经由横跨晶片表面定位的结构。籽 晶膜通常是薄的导电铜层，但根据不同的应用可以使用其他的导电材料。通过阻挡层将籽 晶膜与绝缘二氧化硅或其它电介质分离。籽晶层沉积工艺应产生具有良好的总体粘附力、 优异的台阶梯覆盖性(更具体地，金属的保形和连续层应当沉积在嵌入式凹陷特征的侧壁 上）、以及最小闭合或"颈缩"的顶部的嵌入式凹陷特征的层。
[0003] 越来越小的特征和替代的加籽晶工艺的市场趋势驱动在越来越薄的籽晶层上进 行高度均匀性的镀覆的能力的需要。在将来，可以预期，籽晶膜可简单地由可电镀的阻挡膜 (例如钌)或非常薄的阻挡层和铜(例如，通过原子层沉积(ALD)或类似的工艺沉积的）的双 层组成。这种膜呈现给工程师极端的终端效果的情况。例如，当均匀地驱动3安培总电流进 入30欧姆每平方钌籽晶层(针对30-50A膜的可能值)时，在金属中所产生的中心到边缘(径 向）的电压降将超过2伏。为了有效地镀覆大的表面积，电镀工具使与导电籽晶的电接触仅 在晶片衬底的边缘区域中。在衬底的中心区域没有进行直接接触。因此，对于高电阻籽晶 层，在层的边缘的电势显著大于在层的中心区域的电势。在没有阻抗和电压补偿的适当的 手段的情况下，这种大的边缘到中心的电压降可能会导致非常不均匀的镀覆速率和不均匀 的镀覆厚度分布，其主要特征在于在晶片边缘的较厚的镀覆。这种镀覆的非均匀性是径向 的非均匀性，也就是，沿圆形晶片的半径的均匀性的变化。
[0004] 需要减轻的另一种类型的非均匀性是方位角不均匀性。为清楚起见，我们使用极 坐标定义方位角非均匀性为在离晶片中心固定的径向位置处的工件上的不同角位置处显 示出的厚度变化，即，沿着在晶片的周长内的给定的圆或圆的一部分的非均匀性。这种类型 的非均匀性可以存在于电镀应用中，并独立于径向的非均匀性，并且在一些应用中可能是 需要加以控制的主要类型的非均匀性。它经常出现在通过抗蚀剂的电镀中，其中晶片的主 要部分用光致抗蚀剂涂层或类似的电镀防止层掩蔽，以及特征或特征密度的掩蔽图案在晶 片边缘附近在方位角上并不是均匀的。例如，在某些情况下，在靠近晶片的槽口处可以存在 缺失图案特征的技术上需要的弦(chord)区域，以允许晶片编号或处理。缺失区域内部的径 向和方位角可变的电镀速率可导致芯片管芯是不能工作的，因此，需要用于避免该情况的 方法和装置。
[0005] 如今，电化学沉积准备好填补通常被称为晶片级封装(WLP)和贯穿硅通孔(TSV)电 气连接技术的先进的封装和多芯片互连技术的商业需要。这些技术提出了它们自身的非常 显著的挑战。
[0006] 通常，产生TSV的工艺不严格地类似于镶嵌处理，但在不同的、较大尺寸比例下进 行，并利用较高的深宽比的凹陷特征。在TSV处理中，腔或凹陷首先被蚀刻到电介质层(如二 氧化硅层）中；然后凹陷特征的内表面和衬底的场区两者都被金属化有扩散阻挡层和/或粘 附(粘)层(例如钽、钛、钨化钛、氮化钛、氮化钽、钌、钴、镍、钨），和"可电镀籽晶层"（例如铜、 钌、镍、钴，其可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、ALD、或者无电镀工艺来沉 积）。接着，使用例如"自下而上"的铜电镀将金属化凹陷特征用金属填充。与此相反，通过抗 蚀剂的WLP特征的形成通常不同地进行。该工艺通常开始于可包括一些低深宽比的通孔或 焊盘的基本上平坦的衬底。基本上平坦的电介质衬底用粘合层覆盖，然后是籽晶层(通常通 过PVD沉积)覆盖。然后在籽晶层上沉积光致抗蚀剂层并图案化以产生没有电镀掩蔽光致抗 蚀剂的开放区域的图案，在开放区域中籽晶层被暴露。接着，金属被电镀到开放区域中以形 成柱、线、或在衬底上的另一个特征，它们在光致抗蚀剂剥离，并通过蚀刻去除籽晶层之后， 在衬底上留下各种电隔离凸起结构。
[0007] 这两种技术(TSV和通过抗蚀剂的电镀)相比于镶嵌应用需要在显著较大尺寸规模 上电镀。根据不同的包装特征的类型和应用（例如，通过芯片连接TSV，互连再分配布线，或 芯片到板或芯片键合，如倒装芯片柱），在目前的技术中，电镀的特征的直径通常大于约2微 米，并且直径典型地是5-100微米(例如，柱的直径可以是约50微米）。对于某些芯片上的结 构，例如电源总线，待镀特征可大于100微米。通过抗蚀剂的WLP特征的深宽比典型地为约2: 1(高度与宽度)或更小，更典型地为1:1或更小，而TSV结构可具有非常高的深宽比（例如，在 约10:1或20:1左右）。
[0008] 考虑到要沉积相对大量的材料，不仅特征尺寸而且电镀速度都使WLP和TSV应用与 镶嵌应用区分开来。对于许多WLP应用，敷镀必须以至少约2微米/分钟，典型地为至少约4微 米/分钟，而对于一些应用，为至少约7微米/分钟的速率填充特征。实际速率将根据被沉积 的特定的金属不同而变化。但在这些较高的电镀速率的制度下，在电解液中金属离子到电 镀表面的有效质量传输是非常重要的。较高的电镀速率相对于保持适当的特征形状，以及 控制管芯和晶片范围的厚度均匀性，提出许多挑战。
[0009] 由可能需要在一个电镀工具中顺序地处理的不同衬底提出另一均匀性控制的挑 战。例如，两个不同的半导体处理中的晶片(每个针对不同的产品）可以在半导体晶片的边 缘区域附近具有显著不同的凹陷特征的径向分布，并因此将需要不同的补偿以实现针对两 者所需的均匀性。因此，需要能够顺序地处理不同衬底的具有优良的电镀均匀性和最小化 的电镀工具停机时间的电镀装置。

【发明内容】

[0010] 本文描述了用于在衬底上电镀金属，同时控制电镀非均匀性(如径向非均匀性，方 位角不均匀性或两者）的方法和装置。本文描述的装置和方法可以用于在各种衬底上电镀， 所述衬底包括具有TSV或WLP凹陷特征的半导体晶片衬底。该装置和方法对于在不同的衬底 上连续电镀金属特别有用，因为该装置被设计为允许对径向和/或方位角的均匀性的控制， 并可以容纳衬底中大范围的差异而无需硬件的改变。因此，处理不同衬底的电镀工具的停 机时间可以大大减少。
[0011] 在本发明的第一个方面，提供了一种用于在衬底上电镀金属的电镀装置，其中所 述装置包括：（a)电镀室，其配置成容纳电解液(其包含金属离子并且通常包含酸），所述电 镀室包括阴极电解液分室和阳极电解液分室，其中所述阳极电解液分室和所述阴极电解液 分室通过离子可渗透膜分隔开(其中在一些实施方式中，所述膜允许金属离子在电驱动力 下从阳极电解液通过所述膜迀移到阴极电解液，但基本上阻止电解液流过所述膜和金属离 子对流输送穿过所述膜）；（b)衬底支架，其配置成在电镀期间保持并旋转所述阴极电解液 分室中的所述衬底；（c)主阳极，其布置在所述电镀室的所述阳极电解液分室中；（d)离子阻 性离子可渗透元件，其布置在所述离子可渗透膜和所述衬底支架之间，其中，所述离子阻性 离子可渗透元件适于在电镀期间提供离子迀移通过所述元件；以及(e)第二电极，其配置成 贡献和/或转移电镀电流(在本文中也称为离子电流)到所述衬底的大致外周和/或从所述 衬底的大致外周贡献和/或转移电镀电流，其中，所述第二电极被布置成使得所贡献和/或 转移的所述电镀电流不穿过分隔开所述阳极电解液分室和所述阴极电解分室的离子可渗 透膜，且其中所述第二电极布置成使得穿过所述离子阻性离子可渗透元件贡献和/或转移 电镀电流。
[0012] 在一些实施方式中，所述第二电极是被配置成贡献电镀电流到所述衬底的方位角 对称阳极。例如，所述第二阳极可具有大致环形的形状。所述第二阳极可以是惰性阳极或可 消耗(活性)阳极(例如，包含铜的可消耗阳极）。在一些实施方式中，所述第二阳极可被布置 在第二阳极分室中，第二阳极分室围绕所述电镀室的外周，其中，所述第二阳极分室可以通 过离子可渗透膜与所述阴极电解液分室分隔开。在其他实施方式中，不使用用于将第二阳 极与阴极电解液以及与所述衬底分隔开的膜。在一些实施方式中，所述装置包括用于灌溉 第二阳极分室中的第二阳极的一个或多个通道。在一些实施方式中，所述装置包括用于从 所述第二阳极分室收集并去除气泡的一个或多个通道。所述装置可以被配置成在电镀期间 动态地控制所述第二阳极。
[0013] 在一些实施方式中，所述装置被设计为使得主阳极的直径或宽度比所述衬底的电 镀表面的直径或宽度小。在该设计中，电镀室容纳所述主阳极的部分的直径或宽度可以比 所述衬底的电镀表面的直径或宽度小。
[0014] 在该装置的一些实施方式中，所述离子阻性离子可渗透元件包括至少三个部分： (a)外部的、离子可渗透部分；（b)中部的、离子不可渗透部分;和(c)内部的、离子可渗透部 分，其中所述装置被配置成从所述第二阳极贡献电镀电流通过所述外部的离子可渗透部 分，而不通过所述内部的离子可渗透部分。在一些实施方式中，所述离子阻性离子可渗透元 件的中部离子不可渗透部分被形成使得它在离子阻性离子可渗透的元件的最靠近衬底的 表面上比在元件的相对的表面上小。在一些实施方式中，离子阻性离子可渗透元件的中部 离子不可渗透部分在内部的通道和外部的通道之间形成，使得离子阻性离子可渗透元件的 面对衬底的表面上的通道开口沿着所述离子阻性离子可渗透元件的半径基本上均匀分布， 并且使得所述离子阻性离子可渗透元件与衬底相对的表面上的通道开口被分布成使得存 在大于在外部和中央部中的通道开口之间的平均最接近的距离的离子不可渗透部分，其 中，所述离子不可渗透部分对应于所述离子阻性离子可渗透元件的中部离子不可渗透部 分。
[0015]在沉积期间，所述离子阻性离子可渗透元件优选地布置在所述衬底的附近并通常 以10毫米或小于10毫米的间隙与所述衬底的电镀表面分隔开，在处理较小衬底(例如300mm 直径的晶片）的装置中优选具有较小的间隙（例如5mm或更小），在配置成处理较大的衬底 (例如，具有450mm直径或更大的晶片）的装置中较大的间隙是有效率的。典型地，衬底直径 与在衬底的可镀覆表面和离子阻性离子可渗透元件的最靠近表面之间的间隙的尺寸的无 量纲的比值应大于约30:1。在一些实施方式中，该装置还包括通向所述间隙的入口以用于 引入流入所述间隙的电解液，和通向所述间隙的出口以用于接收流动通过所述间隙的电解 液，其中，所述入口和所述出口被布置在所述衬底的电镀面的方位角相对的周边位置的邻 近处，并且其中，所述入口和出口适于在所述间隙中产生电解液的横向流。
[0016] 在一些实施方式(例如，当第二电极是配置成校正方位角不均匀性的方位角不对 称电极或分段电极时）中，所述装置还可以包括配置成额外地控制方位角均匀性的第三电 极，其中所述第三电极选自阳极、阴极和阳极-阴极，并且其中所述第三电极是方位角不对 称或多分段电极，其配置成贡献和/或转移电镀电流到衬底的在衬底的选定的方位角位置 的第一(方位角)部分，而不是到衬底的具有相同的平均弧长和相同的平均径向位置并位于 不同的方位角角度位置的第二部分。在一些实施方式中，第三电极被配置成穿过所述离子 阻性离子可渗透元件贡献和/或转移电镀电流到衬底和/或从衬底贡献和/或转移电镀电 流，其中所述第三电极被布置成使得贡献和/或转移的电镀电流不穿过分隔开所述阳极电 解液分室和阴极电解液分室的离子可渗透膜。在一些实施方式中，第二、第三电极是每个单 独供电和操作的，使得它们通过贡献(或转移）电流到离子阻性离子可渗透元件下方但在分 隔开阳极电解液和阴极电解液的膜的上方的两个不同的方位角区域而贡献(或转移）电镀 电流到衬底的两个不同的方位角区域。在一些实施方式中，第二和第三电极的组合可导致 其中在衬底的外周的基本上全部360度上电流被改变的配置，其中第二和第三电极每个控 制其方位角部分，从而导致在整个方位角位置上整体的校正。在其他实施方式中，第二和第 三电极的组合控制方位角不对称部分。例如，第二电极可以控制电镀电流超过180度，并且 第三电极可以控制电镀电流为不重叠50度(指方位角位置）。
[0017] 在一些实施方式中，第二电极是配置成在电镀期间相对于阳极和衬底负偏置并且 被配置成从衬底转移电流的阴极。
[0018] 在一些实施方式中，第二电极是被配置成在电镀期间负偏置或正偏置的阳极-阴 极。在一些实施方式中，在单个衬底的电镀期间，第二电极针对电镀时间的一部分用作第二 阳极和针对电镀时间的另一部分用作第二阴极。在其他实施方式中，第二阳极-阴极在第一 衬底上电镀期间可以用作阳极，而在第二个不同的衬底上的电镀期间可以作为阴极。
[0019] 在一些实施方式中，第二电极（阳极、阴极或阳极/阴极)通常是方位角对称的，并 且被配置成贡献和/或转移基本上相同量的电镀电流到衬底的具有相同的径向位置而不论 方位角位置的所有部分。在其他实施方式中，第二电极（阳极、阴极或阳极_阴极)被配置成 贡献和/或转移与到衬底的具有相同的平均弧长和相同的平均径向位置但位于不同的方位 角的角位置的第二部分的量不同的电镀电流到衬底的在衬底的选定的方位角位置的第一 部分。在一些实施方式中，这样的第二阳极、阴极或阳极-阴极是方位角不对称的（例如C 形）。在一些实施方式中，这样的第二电极被分段，并且这些段可以以与衬底的旋转、角位置 和时间配合的方式分别受控和供电。
[0020] 在一些实施方式中，该装置包括配置成阻止电镀电流的一个或多个方位角不对称 屏蔽件。在一些实施方式中，所述装置被配置成当晶片的所选择的方位角位置越过方位角 不对称屏蔽件时，以不同的速度旋转，从而导致方位角不均匀性的校正。在一些实施方式 (替代或附加于使用方位角不对称屏蔽件）中，所述离子阻性离子可渗透元件是方位角不对 称的，并且包括不允许电镀电流通过所述离子阻性离子可渗透元件的方位角不对称布置部 分。例如，大致圆形的元件可以包括具有阻塞的通道或根本没有通道的方位角不对称部分。
[0021] 在本发明的另一个方面，提供了一种在阴极偏置的衬底上电镀金属的方法，其中 所述方法包括：（a)提供所述衬底到配置成在电镀期间旋转所述衬底的电镀装置中，其中所 述装置包括：（i)电镀室，其配置成容纳电解液，所述电镀室包括阴极电解液分室和阳极电 解液分室，其中所述阳极电解液分室和所述阴极电解液分室由离子可渗透膜分隔开；（ii) 衬底支架，其配置成在电镀期间支持并旋转所述阴极电解液分室中的所述衬底；（iii)主阳 极，其布置在电镀室的所述阳极电解液分室中；（iv)离子阻性离子可渗透元件，其布置在所 述离子可渗透膜和所述衬底支架之间，其中，所述离子阻性离子可渗透元件适于在电镀期 间提供通过所述元件的离子迀移；以及(v)第二电极，其配置成贡献和/或转移电镀电流到 所述衬底上和/或从所述衬底贡献和/或转移电镀电流，其中，所述第二电极被布置成使得 所贡献和/或转移的电镀电流不穿过分隔开所述阳极电解液分室和所述阴极电解液分室的 所述离子可渗透膜，并且其中所述第二电极布置成使得穿过所述离子阻性离子可渗透元件 贡献和/或转移电镀电流；（b)在旋转所述衬底时，并在提供功率到所述第二电极和所述主 阳极时，在所述衬底上电镀所述金属。所述方法还可以包括:在不取代所述装置中的任何机 械屏蔽件的情况下，在所述衬底上电镀金属之后，在第二衬底上电镀金属，在所述第二衬底 的外部中具有与所述第一衬底不同的分布的凹陷特征。在电镀期间提供给第二电极的功率 可以被动态地变化(例如，增加、减少或脉冲）。在电镀期间使衬底旋转。
[0022] 在本发明的另一个方面，提供了一种用于在衬底上电镀金属的电镀装置，其中，该 装置包括：（a)电镀室，其配置成容纳电解液，所述电镀室包括阴极电解液分室和阳极电解 液分室，其中所述阳极电解液分室和所述阴极电解液分室通过离子可渗透膜分隔开；（b)衬 底支架，其配置成在电镀期间保持并旋转所述阴极电解液分室中的所述衬底；（c)主阳极， 其布置在所述电镀室的所述阳极电解液分室中；（d)离子阻性离子可渗透元件，其布置在所 述离子可渗透膜和所述衬底支架之间，其中，所述离子阻性离子可渗透元件适于在电镀期 间提供通过所述元件的离子迀移；以及(e)方位角对称第二电极，其配置成贡献电镀电流到 所述衬底，其中，所述第二电极被布置成使得所贡献的所述电镀电流不穿过分隔开所述阳 极电解液分室和所述阴极电解分室的所述离子可渗透膜，且其中所述第二电极被布置成使 得贡献电镀电流而不传递其通过所述离子阻性离子可渗透元件。
[0023] 在本发明的另一个方面，提供了一种在阴极偏置的衬底上电镀金属的方法，所述 方法包括：（a)提供所述衬底到配置成在电镀期间旋转所述衬底的电镀装置中，其中所述装 置包括：（i)电镀室，其配置成容纳电解液，所述电镀室包括阴极电解液分室和阳极电解液 分室，其中所述阳极电解液分室和所述阴极电解液分室由离子可渗透膜分隔开；（ii)衬底 支架，其配置成在电镀期间支持并旋转所述阴极电解液分室中的所述衬底；（iii)主阳极， 其布置在电镀室的所述阳极电解液分室中；（iv)离子阻性离子可渗透元件，其布置在所述 离子可渗透膜和所述衬底支架之间，其中，所述离子阻性离子可渗透元件适于在电镀期间 提供通过所述元件的离子迀移；以及(v)方位角对称第二电极，其配置成贡献电镀电流到所 述衬底上，其中，所述第二电极被布置成使得所贡献的电镀电流不穿过分隔开所述阳极电 解液分室和所述阴极电解液分室的所述离子可渗透膜，并且其中所述第二电极布置成使得 贡献电镀电流而不传输它通过所述离子阻性离子可渗透元件；（b)在旋转所述衬底时，并在 提供功率到所述第二电极和所述主阳极时，在所述衬底上电镀所述金属。所述方法还可以 包括:在不取代所述装置中的任何机械屏蔽件的情况下，在所述衬底上电镀金属之后，在第 二衬底上电镀金属，在所述第二衬底的外部中具有与所述第一衬底不同的分布的凹陷特 征。
[0024]在一些实施方式中，本文描述的任何方法用于结合光刻设备处理一起使用。例如， 该方法可以进一步包括施加光致抗蚀剂到衬底;将光致抗蚀剂暴露于光；图案化光致抗蚀 剂和转印图案到衬底;和从衬底选择性地去除光致抗蚀剂。在一些实施方式中，提供了一种 系统，其中该系统包括本文所述的任何装置和步进机(stepper)。
[0025] 本文所描述的装置还典型地包括控制器，该控制器包括用于执行本文所述的任何 电镀方法的程序指令或内置逻辑程序。
[0026] 在另一个方面，提供非暂时性计算机的机器可读介质以控制本文所提供的装置。 所述机器可读介质包括代码，以执行本文所描述的任何方法，例如包括下列项的方法：（a) 在提供功率给主阳极时，在衬底上电镀金属;和(b)在相同的装置中的第二、不同的衬底上 电镀金属而无需改变装置中的机械屏蔽件，其中（a)和(b)中的至少一个包括提供功率到第 二电极，以控制电镀均匀性。
[0027] 在本发明的另一个方面，系统和装置的功能通常是反的，即在衬底上执行电蚀刻 或电抛光操作时，晶片衬底被操作为阳极并被正偏置。在该装置中的反电极操作为阴极并 负偏置，并且可以是有源或惰性的（如溶解气体的）阴极。如上所述布置的第二或第三电极 在晶片处理过程中可以用作阳极、阴极或阳极和阴极两者。适于电解抛光或蚀刻的电解液 在电镀槽和反电极室被保持并循环，并通常是粘性的、低水含量的溶液，且可以包括与溶液 中阳极形成的金属离子形成配合物或溶解溶液中阳极形成的金属离子的溶剂。用于电蚀刻 和电解抛光的示例性或适当的电解液包括但不限于浓磷酸、浓羟基亚乙基二膦酸、浓硫酸， 以及它们的组合。
[0028] 下面参照相关附图将更加详细地描述本发明的这些和其它的特征和优点。
【附图说明】
[0029] 图1A-1B示出了可以在本文所提供的装置中处理的两个不同的晶片衬底的示意性 俯视图。
[0030]图2A是根据本发明提供的第一配置的电镀装置的示意性剖视图。
[0031] 图2B是根据本发明提供的第二配置的电镀装置的示意性剖视图。
[0032] 图3A示出了根据本发明提供的一个实施方式的分段的离子阻性离子可渗透元件 的俯视图。
[0033] 图3B示出了根据本发明提供的实施方式的分段的离子阻性离子可渗透的元件的 俯视图。
[0034]图3C是图3B中所示的离子阻性离子可渗透的元件的一部分的剖视图。
[0035]图3D示出了可以在本发明所提供的装置中使用的用于提供在晶片的表面上的电 解液的横向流动的组件的示意图。
[0036] 图3E示出了可以在本发明所提供的装置中使用的用于提供在晶片的表面上的电 解液的横向流动的组件的另一实施方式的示意图。
[0037] 图4是包括分隔开电镀室的阳极电解液和阴极电解液的部分的膜和将第二电极室 与电镀室的阴极电解液的部分分隔开的膜的组件的等距视图。
[0038] 图5提供根据本发明提供的实施方式的第二电极室的示意性剖视图。
[0039] 图6提供根据本发明提供的实施方式的示出气泡去除机构的第二电极室的示意性 剖视图。
[0040] 图7示出了由计算建模提供的显示在具有和不具有第二阳极的系统中的径向电镀 均匀性的曲线图。
[0041] 图8是根据本发明提供的实施方式中的一个实施方式的工艺的工艺流程图。
[0042] 图9是根据本发明的一些实施方式的具有方位角不对称定位的离子不可渗透部分 的方位角不对称离子阻性离子可渗透的元件的俯视图。
【具体实施方式】
[0043]本文提供了用于在衬底上电镀金属同时控制电镀层的均匀性(如径向均匀性、方 位角均匀性、或两者）的方法和装置。该方法特别有用于在不同衬底(例如在表面上具有不 同的图案或不同的凹陷特征分布的半导体晶片)上依次电镀金属。该方法使用远程定位的 第二电极控制在衬底上的电镀电流(离子电流）。
[0044]通常描述的实施方式中的衬底是半导体晶片;然而本发明并不受限于此。所提供 装置和方法用于在TSV和WLP应用中电镀金属，但也可以用于多种其它的电镀工艺，包括在 镶嵌特征中沉积铜。可以使用提供的方法电镀的金属的实施例包括，但不限于，铜、银、锡、 铟、铬、锡-铅组合物、锡-银组合物、镍、钴、镍和/或钴与彼此的合金、镍和/或钴与钨的合 金、锡-铜组合物、锡-银-铜组合物、金、钯、以及包括这些金属和组合物的各种合金。
[0045]在典型的电镀工艺中，半导体晶片衬底被放置到晶片支架上，所述半导体晶片衬 底可以在其表面上具有一个或多个凹陷特征，并且它的可镀(工作)表面被浸入到容纳在电 镀浴中的电解液中。晶片衬底被负偏置，使得它在电镀期间用作阴极。在电镀期间在负偏置 的衬底的表面上减少包含在电解液中的可镀金属的离子(如上面列出的金属离子），从而形 成一层电镀金属。在电镀期间通常是旋转的晶片经历电场（电解液的离子电流场），由于各 种原因该电场可以是不均匀的。这可能导致金属的不均匀沉积。非均匀性的一种类型是中 心到边缘(或径向）非均匀性，其自身表现为在相同的方位角（角度)位置在晶片上在不同径 向位置有不同厚度的电镀。径向非均匀性可源于最终效应，这是由于较大量的金属沉积在 晶片衬底上的电接触附近。因为电接触在晶片的外周，围绕晶片的边缘制成，在金属籽晶层 中的电流流动的阻力被称为"最终效应"，本身表现为在晶片衬底的边缘相比于衬底中心有 较厚的电镀。可以减少由于最终效应而导致的径向非均匀性的方法之一是利用设置在所述 衬底的邻近处的离子阻性离子可渗透元件，其中所述元件具有在离该元件的中心特定径向 位置终止的离子可渗透(例如，多孔的）区域和超过选定的径向位置的离子不可渗透区域。 由于该元件在那是不可渗透的，因此这导致抑制超过选定的半径的通过元件的离子电流的 流动。单独或组合使用的另一种方法是安置阻止或转移电镀电流从晶片衬底的边缘至较中 心位置的环形屏蔽物。
[0046] 然而，在许多情况下，不同的衬底(例如，在它们的表面上具有不同的分布的凹陷 特征的衬底)将在它们的表面上经历不同的分布的电镀电流，并且可需要不同的屏蔽件以 减少非均匀性。在图1A和1B中示意性地示出了具有不同分布的凹陷特征的两个半导体晶 片。在图1A中所示的晶片101具有不是可镀的并覆盖着光致抗蚀剂的外部区域103,以及包 含可镀凹陷特征的中央区域105。在图1B中示出了不同的晶片107。该晶片在基本上整个晶 片上具有可电镀的特征。当使用一个电镀工具顺序处理这样的不同的晶片时，会遇到径向 非均匀性问题。如果该工具使用具有对于使晶片107的电镀均匀化而优化的开口的环形屏 蔽件，那么针对在晶片101上电镀使用同一工具将导致在围绕区域105的外周附近厚边缘的 电镀，这是由于未电镀的外部区域103的存在导致在该区域105电流聚集的缘故。为了补偿 这种效应，当处理晶片101时，应当使用具有较小直径的开口的环形屏蔽件。因此，当晶片 101和107被依次处理时，具有不同直径的中心开口的屏蔽件需要被顺序使用，以便在常规 方法中达到最佳的非均匀性。例如，当使用300mm的晶片时，可以使用具有直径为11.45英寸 (290.8毫米）的内开口的屏蔽件用于处理"全面露出的"晶片107,而具有直径为10.80英寸 (274.3毫米)的内开口的屏蔽件将非常适合用于处理在边缘具有未图案化的光致抗蚀剂的 区域的晶片101。但是，屏蔽尺寸和屏蔽元件的这种变化是不期望和非实际的，因为工具硬 件的变化需要显著的操作员干预和相关的非生产工具的停机时间。因此，存在对能够处理 不同的晶片而不需要人工干预(如屏蔽件改变或其它硬件修改）的装置的需要。更一般地， 能用本文提供的装置和方法进行处理的不同的晶片包括具有不同直径、具有不同电阻率的 籽晶层、和不同分布的凹陷特征的晶片。在一些实施方式中，晶片之间的差异只影响径向均 匀性。在其他实施方式中，在晶片之间的图案布局中的差异只影响方位角的均匀性或方位 角均匀性和径向均匀性的组合。
[0047] 在本文提供的实施方式中，被配置成贡献和/或转移电镀电流至晶片衬底和/或从 晶片衬底贡献和/或传输电镀电流的适当定位的第二电极被用来调节电镀的均匀性。电极 相对于电镀系统的其它部件的位置具有高的重要性存在很多原因，包括制造复杂性和成本 的最小化，可靠性的提高，以及组装和维护的便利性。示出了电镀装置的两个主要配置。配 置说明了第二电极如何可以被集成到包含通过膜分隔开的阳极电解液分室和阴极电解液 分室的电镀系统。配置进一步说明第二电极如何可以与离子阻性离子可渗透元件集成，离 子阻性离子可渗透元件例如位于衬底的附近的有沟的离子阻性板(CIRP)。两种配置可以在 可从Lam Research Corporation获得的Sabre 3D?系统中实现。
[0048] 电镀容器的阳极电解液部和阴极电解液部
[0049] 在本文提供的装置的两种配置中，电镀装置包括配置成容纳电解液的电镀室，其 中该电镀室通过离子可渗透膜分隔成阳极电解液分室和阴极电解液分室。主阳极被容纳在 阳极电解液部中，而衬底被浸入在跨越膜的阴极电解液部的电解液中。阳极电解液(在阳极 电解液分室中的电解液)和阴极电解液(在阴极电解液分室中的电解液)的组合物可以是相 同的或不同的。
[0050] 膜允许电镀槽的阳极电解液分室和阴极电解液分室之间的离子连通，同时防止在 主阳极所产生的颗粒进入晶片附近并污染它。在一些实施方式中，膜是纳米多孔膜(包括但 不限于，反渗透膜、阳离子或阴离子膜），其能够基本上防止溶剂和溶解成分在压力梯度的 影响下的物理运动，同时允许经由离子迀移的包含于电解液中的一个或多个带电物质的相 对自由迀移（响应于电场的施加的运动）。在授权给Reid等人的美国专利6,126,798和6， 569,299中提供了适当的阳极膜的详细描述，这两个专利都通过引用并入本文用于所有目 的。例如阳离子交换膜之类的离子交换膜特别适合于这些应用。这些膜通常由离子交联聚 合物材料制成，诸如为本领域技术人员所公知的以适于阳离子交换的含有磺酸基的全氟化 共聚物(如全氟磺酸(Naf ion))、磺化聚酰亚胺和其他材料。适当的Naf ion膜的所选实施例 包括从Dupont de Nemours公司获得的N324和N424膜。分隔阴极电解液和阳极电解液的膜 可以对不同阳离子具有不同的选择性。例如，它可以允许质子以比金属离子(例如，铜离子） 的通过速率更快的速率通过。
[0051] 具有膜分离的阴极电解液分室和阳极电解液分室的电镀装置实现阴极电解液和 阳极电解液的分离，并允许它们具有不同的组合物。例如，有机添加剂可以包含在阴极电解 液中，而阳极电解液可以保持基本上无添加剂。并且，阳极电解液和阴极电解液可具有不同 浓度的金属盐和酸，例如，这是由于膜的离子选择性导致的。在授权给Mayer等人的美国专 利6,527,920中详细描述了具有膜的电镀装置，该专利通过引用并入本文用于所有目的。
[0052] 在本文所提供的电镀装置的两种配置中，第二电极被布置成使得由第二电极贡献 和/或转移的电镀电流不通过分隔开电镀室的阳极电解液部和阴极电解液部的膜。
[0053] 离子阻性离子可渗透元件
[0054]在本文中提供的装置的两种配置中，该装置包括位于电镀室的阴极电解液分室中 的衬底的附近的离子阻性、离子可渗透元件。这允许电解液自由流动和输送通过元件，但引 入显著离子阻性到电镀系统中，并可能提高中心到边缘(径向）的均匀性。在一些实施方式 中，离子阻性离子可渗透元件还用作基本上垂直于衬底(撞击流)的工作面的方向上离开元 件的电解液流的源，并且主要是用作流成形元件。在一些实施方式中，元件包括垂直于晶片 衬底的可镀表面的通道或孔。在一些实施方式中，元件包括相对于晶片衬底的可镀表面成 不是90度的角度的通道或孔。典型的离子阻性的离子可渗透元件是导致电镀槽系统的整个 电压降80%以上的原因。与此相反，离子阻性离子可渗透元件具有非常小的流体流阻力并 对槽和辅助支撑管道网络系统的压降贡献很小。这是由于元件的大的外表表面积(例如，约 12英寸的直径或700cm 2)和中等的孔隙率与孔尺寸(例如，该元件可以具有由适当数量的钻 出通道(也被称为孔或洞)产生的约1-5%的孔隙率，通道可具有约0.4至0.8毫米的直径。例 如，对于20升/分钟流动通过具有4.5%的孔隙率和0.5英寸的厚度的多孔板（例如，包括 9600个具有〇.〇26"直径的钻孔的板），计算的压降小于1英寸的水压（等于约0.036?81)。适 当的离子阻性离子可渗透元件中在例如2012年11月13日授权的美国专利No.8，308,931中 被详细描述，其全部内容通过引用并入本文。通常，离子阻性离子可渗透元件可以包括形成 元件的主体内的互连通道的孔，但在许多实施方式中，它更优选地使用具有不在元件的主 体内互连的通道的元件(例如，使用具有非互连的钻孔的板）。后一实施方式被称为有通道 的离子阻性板(CIRP)。所述CIRP的两个特征具有特别的重要性:CIRP相对于衬底很靠近的 安置，以及在CIRP中的通孔在空间上和离子方面彼此分离，并在CIRP的体内不形成互连的 通道的事实。这样的通孔将被称为1-D通孔，因为它们在一个维度上延伸，通常但不是必须， 垂直于衬底的镀表面(在某些实施方式中，1-D孔相对于通常平行于CIRP前表面的晶片成角 度）。这些通孔不同于三维多孔网络，其中所述通道在三维上延伸并形成互连孔结构。CIRP 的实施例是由离子阻性材料制成的盘状物，离子阻性材料如聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯 (PVDF)、聚四氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯、和类似物，具有约6000-12000之间个 1-D通孔。在许多实施方式中，盘状物与晶片(例如，当与300mm晶片一起使用时，有约300毫 的米直径)基本上共同延伸，并且位于紧密接近晶片处，例如，在晶片朝下的电镀装置中在 晶片的正下方。优选地，晶片的电镀表面存在于最接近CIRP表面的约10毫米内，更优选在约 5毫米内。在本文将要描述的装置的第二配置中，CIRP至少包括三个区段:配置成从主阳极 传递电镀电流的内段，配置成从第二电极传递电流的外段，和在所述内段和所述外段之间 的死区，其将内段和外段彼此电隔离，并且不允许来自主阳极和第二电极的电镀电流在它 们进入CIRP或CIRP的主体内之前混合。
[0055]靠近衬底的阻性但离子可渗透元件的存在显著降低和补偿最终效应的影响并提 高径向电镀均匀性。通过充当流扩散歧管板，它还同时提供在晶片表面上具有向上定向的 电解液的基本上在空间上均匀的撞击流的能力。重要的是，如果相同的元件放置在离晶片 较远处，则离子电流和流动的均匀性提高变得显著不太明显或不存在。另外，由于一维（1-D)通孔不允许CIRP内离子电流或流体运动的横向移动，所以在CIRP内中心到边缘的电流和 流运动被阻止，从而导致径向电镀均匀性的进一步提高。
[0056] CIRP结构的另一个重要特征是通孔的直径或主要尺寸和它与CIRP和衬底之间的 距离的相关性。优选地，每个通孔(或多数的通孔)的直径应不超过从电镀衬底表面到CIRP 的最近表面的距离。因此，当CIRP被放置在电镀晶片表面的约5毫米处内时，通孔的直径或 主要尺寸应不超过5毫米。
[0057]在一些实施方式中，离子阻性离子可渗透元件(例如，CIRP)具有平行于衬底的镀 表面的顶面。在其他实施方式中，离子阻性离子可渗透元件的顶面是凹的或凸的。
[0058]该装置还配置成使得电镀流体反向通过离子阻性元件的流动基本上被阻止，即使 当电镀流体以基本上平行于离子阻性离子可渗透元件的表面的方向被喷射时也如此。重要 的是要注意，不可压缩流体(例如水）的运动涉及惯性和粘性力的各种等级的换算和平衡。 考虑到流体动力Navi er-Stoke s方程以及流体流动行为由具有重要惯性项的张量(矢量)方 程控制这一事实，可以理解，使电镀液能从下方的歧管流动通过离子阻性离子可渗透元件 和"向上"通过它可以是容易做到的（因为低压需要获得大量流），但与此相反，平行于表面 流动的流体在相同的静压下会具有非常小的倾向性和"高的电阻"以传递通过多孔材料。以 直角将流体的运动方向从平行于表面的快速运动改变到垂直于表面的运动涉及流体的减 速和流体中的能量的粘性耗散，并因此可以是高度不利的。在这种背景下，在本发明的其它 实施方式中，离子阻性离子可渗透元件具有外围附属装置(例如，流体喷射器），其用于以相 对高的速度以平行于轴线的方向移动流体。所述轴线平行于晶片和CIRP表面，所述CIRP元 件基本上防止流体移动通过元件，并通过传递到元件、通过在元件下方和膜上方的歧管、然 后往回通过在槽的交叉流出口侧的元件，转换到元件的通道的出口侧。换句话说，结合其孔 径、孔隙率和平行流速的离子阻性离子可渗透元件的存在，能防止这样的平行流的绕行的 发生。不希望受任何特定模型或理论的限制，普遍认为高速流体在平行于离子阻性元件运 动的方向上具有大量的惯性，将需要被减速并以直角转动进入元件的孔，因此，离子阻性元 件主要充当防止流体改变方向并通过它的非常良好的阻挡物。本文所提供的电镀装置的两 种配置的不同之处在于第二电极相对于离子阻性离子可渗透元件的位置。根据本文提供的 第一配置，第二电极为方位角对称的阳极(例如，环），所述方位角对称的阳极被布置成使得 贡献电镀电流到衬底，而没有传递贡献的电流通过离子阻性离子可渗透元件(例如，CIRP)， 并通过分隔开阳极电解液分室和阴极电解液分室的膜。这种配置主要用于控制径向均匀 性，但可以另外具有对方位角均匀性的控制，例如，使用额外的方位角不对称的或分段的第 二电极。
[0059]电镀装置的第一配置的实施例
[0060]图2示出了第一配置的电镀系统的示意图，其采用在晶片附近的阻性元件、分离阳 极电解液分室和阴极电解液分室的膜两者，以及第二阳极。这是电镀系统的一个实施例，应 该理解，电镀系统能在所附权利要求的构思和范围内进行修改。例如，环形屏蔽件不需要存 在于所有实施方式中，当存在时，所述屏蔽件可以被定位在CIRP的下方、CIRP的上方、或可 以与CIRP集成。
[00611参看图2，示出了电镀装置201的概略剖视图。电镀容器203容纳电镀溶液，电镀溶 液通常包括金属离子源和酸。将晶片205浸入电镀溶液，并通过"翻盖式"保持夹具207保持， 保持夹具207安装在可旋转轴209上，可旋转轴209允许翻盖207与晶片205-起双向旋转。具 有适用于本发明的方面的翻盖式电镀的一般说明在授权给Patton等人的美国专利6,156， 167,以及授权给Reid等人的美国专利6，800,187中被详细描述，这些专利在之前通过引用 并入本文。主阳极211(其可以是惰性或可消耗阳极)设置在电镀浴203内的晶片下方，并通 过膜213(优选离子选择性膜)与晶片区域分隔开。阳极膜下方的区域215通常被称为"阳极 室"或"阳极电解液分室"，在此室中的电解液为"阳极电解液"。膜213上方的区域217被称为 "阴极电解液分室"。离子选择性阳极膜213允许电镀槽的阳极和阴极区域之间的离子连通， 同时防止在阳极产生的颗粒进入晶片的附近并污染它，和/或防止存在于阴极电解液电解 液中的不希望有的化学物质接触阳极211。
[0062] 通过栗(未示出）连续提供电镀溶液至电镀浴203。在一些实施方式中，电镀溶液向 上流动穿过膜213和位于晶片的紧密附近的CIRP 219(或其它离子阻性离子可渗透元件）。 在其他实施方式中，例如当膜213对电镀液的流是基本上不可渗透时(例如纳米多孔介质， 诸如阳离子膜），电镀流体在膜213和CIRP 219之间例如在室的周边进入电镀室，然后流动 通过CIRP。在这种情况下，阳极室内的电镀流体可以流通，压力可独立于CIRP和阴极室进行 调节。此单独调节例如在2013年12月的10日授权的美国专利No. 8,603,305以及2003年3月4 日授权的美国专利No. 6，527，920中得到描述，该两个专利其全部内容通过引用并入本文。 [0063]容纳第二阳极223的第二阳极室221位于电镀容器203的外侧和晶片的外周。在一 些实施方式中，第二阳极室221从通过具有由离子可渗透膜225覆盖的多个开口（膜支撑结 构）的壁与电镀浴203分隔开。膜允许电镀槽和第二阳极室之间的离子连通，从而使电镀电 流由第二阳极贡献。该膜的孔隙率使得它不允许颗粒材料从第二阳极室221穿过到电镀浴 203从而导致晶片污染。用于允许第二阳极室和主电镀容器之间的流体连通和/或离子连通 的其它机制在本发明的范围之内。实施例包括设计，其中膜，而不是不可透过的壁，在第二 阴极室中的电镀溶液和主镀容器中的电镀溶液之间提供了大部分阻挡。刚性框架可为在这 样的实施方式中的膜提供支承。
[0064]另外，一个或多个屏蔽件，例如环形屏蔽件227可以布置在室内。屏蔽件通常是环 状的电介质插入件，其用于成形电流分布和提高电镀的均勾性，例如那些授权给Broadbent 的美国专利6,027,631中描述的屏蔽件，其在此通过引用将其整体并入本文用于所有目的。 当然，可以采用本技术领域的技术人员所公知的其他屏蔽件的设计和形状。
[0065] 在一般情况下，屏蔽件可以采取任何形状，包括楔形、条形、圆形、椭圆形及其它几 何形状的设计。环形插入件在它们的内径上还可以具有图案，从而提高屏蔽件的使电流通 量以期望的样式成形的能力。屏蔽件的功能根据它们在电镀槽中的位置可能会有所不同。 本发明的装置可包括任何静态屏蔽件，以及例如在授权给Mayer等人的美国专利6,402,923 中描述的可变场塑形元件，或例如在授权给Woodruff等人的美国专利6，497，80，以及授权 给Mayer等人的美国专利6，7735，71中描述的分段阳极，其每一个全部内容通过引用并入本 文。
[0066] 两个直流电源（未示出）可以用来分别控制到晶片205、主阳极211和第二阳极223 的电流流动。可替代地，具有多个可独立控制的电源插座的一个电源可用于提供不同电平 的电流到晶片和到第二阳极。一个或多个电源被配置成使晶片205负偏置和使主阳极211和 第二阳极223正偏置。该装置还包括控制器229,它允许调制提供给电镀槽的元件的电流和/ 或电势。控制器可包括指定需要施加于电镀槽的各种元件的电流和电压电平以及这些电平 需要改变的时间的程序指令。例如，它可以包括用于提供功率到第二阳极以及任选地用于 动态地改变电镀期间提供给第二阳极的功率的程序指令。
[0067] 在所示的装置中箭头表示电镀电流。源自主阳极的电流被朝上引导，经过分离阳 极电解液分室和阴极电解液分室的膜和CIRP。源自第二阳极的电流被引导从电镀容器的外 周到中心，而不经过分离阳极电解液分室和阴极电解液分室的膜和CIRP。
[0068] 上述装置配置是本发明的一个实施方式的说明。本领域技术人员将理解，可使用 替代的电镀单元的配置，其包括适当布置的第二阴极。虽然屏蔽插入件具有改善电镀均匀 性的用途，但在一些实施方式中可以不需要它们，或可采用替代的屏蔽配置。在所描述的配 置中，电镀容器和主阳极与晶片衬底基本上共同延伸。在其他实施方式中，电镀容器和/或 主阳极的直径可以比晶片衬底的直径小，例如，至少小约5%。
[0069]电镀装置的第二配置的实施例
[0070]在本文中提供的装置的第二配置中，第二电极（阳极、阴极、或阳极-阴极)可以布 置成方位角对称或不对称，使得贡献的电流和/或通过这样的电极转移的电流不通过分隔 阳极电解液分室和阴极电解液分室的膜，但通过离子阻性离子可渗透元件。电镀装置的第 二配置示于图2B。这个具体实施例示出了具有方位角对称的环形第二阳极的装置。更一般 地，被布置成使得贡献的电流和/或由第二电极转移的电流通过离子阻性离子可渗透元件 的其它类型的第二电极在此配置的范围之内。例如，第二电极可以是配置成控制径向均匀 性的对称的阴极，或对称的阳极-阴极。在一些实施方式中，第二电极是方位角不对称阳极、 阴极或阳极-阴极，或配置成控制方位角的均匀性的分段阳极、阴极或阳极-阴极。在该配置 中可以使用的用于控制方位角的均匀性的电极和方法在于2014年10月14日授权的名称为 "Electroplating Apparatus for Tailored Uniformity Profile" 的Mayer等人的美国专 利No.8,858,774中被详细描述，其全部内容通过引用并入本文。这些电极，当放置在位置上 以便将它们贡献和/或转移的电流传递通过离子阻性离子可渗透元件时，可以有效地用于 调节在衬底上的方位角的均匀性。
[0071]再次参照图2B，该装置的第二配置通过具有方位角对称的环形第二阳极的装置示 出。在图2B所示的示意图中，第二阳极223被布置在围绕电镀容器203的外周的第二阳极室 221中。第二阳极室与电镀容器的阴极电解液部离子连通，使得第二阳极贡献横向地穿过膜 225然后通过CIRP 219垂直地朝向晶片的电镀电流。发现将第二电极布置成使得电流通过 离子阻性离子可渗透元件与改善的均匀性有关，尤其是与在晶片衬底的边缘附近的区域的 改善的均匀性有关。当第二电极被布置成使得电流通过离子阻性离子可渗透元件时，离子 阻性离子可渗透元件被构造成使得它包含至少三个不同的区域，其中，传递来自主阳极区 的电流的区域与传递来自第二电极的区域电隔离。在图3A中示出了根据一些实施方式的这 种离子阻性离子可渗透元件的俯视图。中央部分301通常与主阳极基本上共同延伸，并且是 离子是可渗透的（例如，包含穿过板的不相通的通道）；"死区"部分303包围中央部分301并 用于防止内部离子可渗透部分301和外部离子可渗透部分305之间的流体连通。在一些实施 方式中，"死区"部分是离子不可渗透的（即它不具有任何通孔或通孔被阻塞）。在一些实施 方式中，"死区"的尺寸为介于约1-4毫米之间。离子阻性离子可渗透元件的外部305是离子 可渗透的。外部经由流体管道连接到在离子阻性离子可渗透元件的与面向晶片衬底的一侧 相对的一侧上的第二电极室。在此配置中，由于将电流电分离的"死区"部分的存在，来自主 阳极和第二电极的电流在离子阻性离子可渗透元件的下方和该元件的体内不混合。图2B所 示的装置的另一个特征是电镀容器和主阳极的减小的直径。例如，在一些实施方式中，电镀 容器和主阳极的直径比晶片衬底的直径小约1-10%。在一些实施方式中，主阳极与分段 CIRP的内部基本上共同延伸。
[0072]死区的存在与防止来自主阳极和第二电极的电流的混合的需要相关联。在内部和 外部相交的地方，离子阻性离子可渗透元件必须与第二电极室和阳极室的边界进行密封。 这通过图2B中的死区231所示。虽然在离子阻性离子可渗透元件的下部防止内部的和外部 的离子可渗透的部分之间的电连通和流体连通是必要的，但在元件的上表面和晶片的正下 方之间的间隙中，根据需要，存在阴极内的离子连通和流体连通。由于需要各自的连通和在 CIRP离开衬底最远的下表面密封CIRP，因而产生死区。由于从CIRP发出的离子通量的不连 续径向源造成在晶片的在死区的正上方的区域中存在更小的电流，因此具有大的死区（例 如，当死区的大小相比于CIRP到晶片的距离是相同或较大时）的影响是晶片上的电流分布 比所期望的会稍微更不均匀。为了校正这种缺陷，在一些实施方式中，缺失孔穴的"死区"区 域只存在于所述离子可渗透离子阻性元件的下表面（即在最接近阳极的表面上）。本实施方 式可以参考图3A-3C来说明。在此实施方式中，CIRP的顶表面(最靠近衬底的表面)和CIRP的 底表面（即离开衬底最远的并与顶表面相对的表面)具有不同的空间分布的通道开口，其中 在顶表面上的死区被减小尺寸或消除，而在CIRP的底表面上存在死区。参照该特定的实施 方式，图3A示出了CIRP的底面的示意图，示出了中央区301、死区303和外部区305;图3B示出 了相同的CIRP的俯视图，其示出了在CIRP的顶表面上的均匀分布的通道开口，并且图3C示 出了CIRP区域304的剖视图，其包括CIRP的外部、死区和内部的一部分。如可以看到的，在本 实施方式中，在CIRP的底面的死区具有宽度D1，并且在顶部表面上要小得多或实质上不存 在。例如，在一些实施方式中，离子阻性离子可渗透元件的中部的、离子不可渗透部分在中 央部的通道与外部的通道之间形成，使得在离子阻性离子可渗透元件的朝向衬底的表面上 的通道开口沿着离子阻性离子可渗透元件的半径基本上均匀分布，并且使得在离子阻性离 子可渗透元件的与衬底相背离的表面上的通道开口被分布成使得离子不可渗透部大于在 外部和中央部中的通道开口之间的平均最近距离，其中所述离子不可渗透部分对应于离子 阻性离子可渗透元件的中间离子不可渗透部分。
[0073]通过具有以角度径向向内定向的成组的通道(CIRP的外部的内部周围）和以90度 的角定向的通道(在CIRP的外部的其他地方），其中CIRP的外部以离子连通的方式连接到第 二电极流动通路，可以实现这种配置。此外，在一些实施方式中，在CIRP的内部也可以存在 成组的以角度径向向外定向的通道（CIRP的内部的外部周围）和以90度的角定向的通道 (CIRP的内部的其他地方），其中，CIRP的内部以离子连通方式连接到主阳极流动通路。在某 些情况下，跨越整个CIRP在上表面上的通道密度可以是均匀的。因为成角度的通道对电流 流动的阻抗将大于法向定向的通道的阻抗，成角度的通道的直径可以比法向定向的通道的 直径适当地较大，以补偿由于较长的通道长度造成的另外的较大的阻抗。可替代地，通过使 成角度的孔的仅一部分(例如，在CIRP下表面和上表面)具有较大直径(孔的其余部分的直 径与标准无角度的孔的直径相同），可以使得这些孔的净阻抗相同。图3C中所示的剖视图示 出了其中CIRP的外部和内部在与死区的界面处具有成角度的通道的实施方式。CIRP的部分 包括顶面307(即最靠近衬底），和相对的底表面309。可以看出，在底表面上的死区311(通道 开口之间的间隙）比在上表面上的对应的间隙313显著更大。实际上，此实施方式示出了顶 表面上的基本上均匀分布的通道开口。CIRP包括在CIRP的外部中的以90度朝向CIRP表面定 向的多个通道317,和在外部与死区的界面上的被径向向内定向的多个通道315(使得在顶 面上的通道的开口相比于底表面上的相同的通道的开口更靠近CIRP的中央）。同样地，CIRP 的内部包括以90度朝向CIRP表面定向的多个沟道321，以及在内部与死区的界面上的被径 向向外定向的多个通道319(使得在顶面上的通道的开口相比于在底面上的相同的通道的 开口更远离CIRP的中央）<XIRP的外部以离子连通方式连接到第二电极，而CIRP的内部以离 子连通方式连接到阳极。值得注意的是，在一些实施方式中，在外部中在与死区（CIRP的中 间离子不可渗透的部分）的界面上的通道仅向内定向，但在内部中的通道可以保持法向（以 90度角)定向。在其他实施方式中，在内部中在与死区(CIRP的中间离子不可渗透部)的界面 上的通道仅向外定向，但在外部中的通道都可以法向定向。
[0074]提供的装置的额外特征
[0075]在一些实施方式中，优选地，使具有第一或第二配置的装置配备有歧管，歧管在晶 片的表面附近提供了电解液的横向流。这样的歧管对于在相对大的凹陷特征（例如WLP或 TSV特征）中的电镀尤其有利。在这些实施方式中，装置可以包括布置在CIRP和晶片之间的 流成形元件，其中所述流成形元件提供基本上平行于晶片衬底的表面的横向流。例如流成 形元件可以是引导横向流朝向板中的开口的Q形板。图3E中示出了这样的配置的剖面描 绘，其示出了电解液在基本上垂直于晶片的电镀表面的方向上进入CIRP306,并且在离开 CIRP之后，因为电解液的流由壁限定，诱导在基本上平行于该晶片的电镀表面的方向上的 横向流。实现在基本上平行于衬底的表面的方向上通过衬底的中央的电解液的横向流。在 一些实施方式中，通过在基本上平行于衬底的表面的方向上以期望的角度位置(例如，基本 上跨越开口）喷射阴极电解液进一步诱导横向流。该实施方式示于图3F，其中示出了喷射歧 管350，其横向地喷射阴极电解液进入CIRP和衬底之间的狭窄的间隙。在于2014年8月5日授 权的、名称为 "Control ofElectrolyte Hydrodynamics for Efficient Mass Transfer Control during Electroplating" 的、Mayer等人的美国专利No ? 8，795，480中，以及在于 2013年 11 月28日公开的、名称为"Cross Flow Manifold for Electroplating Apparatus" 的、Abraham等人的美国专利公开No. 2013/0313123中详细描述了可结合本文提供的实施方 式使用的用于提供在晶片表面的电解液的横向流的横向流歧管和流成形元件，所述专利的 全部内容通过引用并入本文。
[0076]在一些实施方式中，在第二配置中，第二电极室围绕电镀容器的外周布置，正好在 分隔开电镀容器的阴极电解液分室和阳极电解液分室的膜的上方。在一些实施方式中，保 持该膜和限定第二电极室的壁的装置的一部分是一个整体部件。在图4中示出了这个部件 的实施例，其示出了大致圆形的中央支承件413，中央支承件413上安装分离阴极电解液分 室和阳极电解液分室的膜。环绕圆形中央支承件413的外周和在其上方，存在由大致环形膜 支承件425分隔开的两个大致环形的腔421和441。外腔421是由通过安装到支承件425的离 子可渗透膜与流体导管441分隔开的第二电极室(未示出应覆盖从顶部描绘的部分的第二 电极和CIRP)。当CIRP放置在所描绘的部分上方时，并且由于在位于第二电极室/腔421内的 该环形电极上方的区域没有CIRP孔，该系统被配置成使得电镀电流从第二电极室421横向 流动穿过安装到支承件425的膜到流体导管441，然后向上通过与流体导管441位于相同半 径处的CIRP孔。根据第二电极是否充当阳极或阴极，电流将往来于晶片衬底流入或流出该 室。
[0077]在一些实施方式中，第二电极室521和/或流体室541(在第一或第二配置中）通过 配置成输送合适的电解液到各自室中的一个或多个专用的灌溉通道灌溉。电解液的组合物 与电镀室的阴极电解液分室中的阴极电解液的组合物可以相同或不同。图5示出了第二配 置的装置的一部分的横截面描绘，其示出了灌溉通道。在这些实施方式中，第二电极523具 有设置在第二电极室521内的环形体。第二电极室521与流体管道541通过安装至膜支承件 525上的离子可渗透膜分隔开。CIRP板519被放置在电镀装置上方，使得它覆盖第二电极室 521和流体管道541。然而，在此配置中CIRP的外部被阻塞，使得电流不能直接从第二电极室 521流入电镀容器的阴极电解液部中，而仅在通过流体导管541穿过膜才能如此。灌溉通道 531输送电解液至第二电极室521。当第二电极是阳极时，然后来自输送的电解液的离子可 以穿过通过支承件525安装的膜，通过流体管道541，并向上通过CIRP 519到衬底上。在一些 实施方式中，灌溉电解液的流被引导在第二电极上方，以便喷射在CIRP下可能积聚的气泡。
[0078] 在一些实施方式中，第二电极室包括用于去除气泡的系统。当第二电极是惰性第 二阳极时，这样的系统是特别有用的。包含用于去除气泡的系统的装置的一部分示于图6的 剖视图。元件与图5中所示的元件类似地被标记。可以预期，在装置的操作期间，气泡会在 CIRP的正下方积聚，并且将通过连接第二电极室621的顶部与电镀容器的外部上的接收气 泡端部的通道633去除。
[0079] 在一些实施方式中（特别是当第二电极是方位角不对称时），可以加入用于额外控 制方位角的均匀性的第三、单独地控制的电极。第三电极可结合装置的第一和第二配置两 者一起使用。在第二配置中，第三电极优选布置成使得由第三电极转移和/或贡献的电流穿 过离子阻性离子可渗透元件，但不穿过分隔开阳极电解液分室和阴极电解液分室的膜。适 当的第三电极包括方位角不对称和分段的阳极、阴极和阳极-阴极，如于2014年10月14日授 权的、名称为 "Electroplating Apparatus for Tailored Uniformity Profile" 的、属于 Mayer等人的美国专利No. 8，858，774中描述的那些，该专利先前通过参考并入本文。
[0080]如上面提到的，无论是在装置的第一和第二配置中，第二电极(例如，阳极、阴极， 或阳极_阴极)通过离子可渗透膜可以与衬底和阴极电解液分室分隔开。当使用惰性第二阳 极时，该膜能够防止气泡从第二阳极转移到衬底附近。例如，在利用惰性阳极的第二配置 中，膜防止在第二惰性阳极产生的气泡到达CIRP的约束第二电流的外周区域下方。在其他 实施方式中，不使用膜，而采用去除气泡的其它方法。例如，该装置可以被配置成提供电解 液在相对于气泡移动的方向上(例如，在朝向CIRP的周边和远离衬底的方向上）的强流。在 其他实施方式中，代替膜，装置可以包括将引导气泡远离CIRP和/或衬底的具有在惰性阳极 的附近的倾斜面的导向构件。当采用活性(可消耗的）第二阳极时，活性阳极和阴极电解液 室之间的离子可渗透膜对于防止颗粒从第二阳极室向阴极室转移是有用的。在其他实施方 式中，替代膜，电解液的高向外定向流可以用来防止颗粒到达衬底的表面上。电解液在其穿 过栗，然后通过被配置成去除颗粒的过滤器后返回到镀浴。
[0081 ]计算机模拟
[0082] 使用本文所提供的装置改善电镀的径向不均匀性通过计算模型进行了验证，并示 于图7,其示出了用于在不同的电镀装置中沉积的铜的计算的径向厚度轮廓。在计算模型 中，铜被电镀在具有300mm直径的、具有针对直径小于300mm的晶片优化的圆形屏蔽件的晶 片上。针对常规装置（曲线(a))，具有第一配置（曲线(b))的装置，以及具有第二配置（曲线 (c))的装置示出模拟结果，其中，在所有情况下，装置是装备有横流歧管的装置。
[0083] 常规装置包括通过离子选择性膜分离成阴极电解液分室和阳极电解液分室的电 镀室，设置在阳极电解液分室中的阳极，设置在阴极电解液分室中的CIRP，和位于所述CIRP 的下方的环形屏蔽件，其中该环形屏蔽件具有直径为274mm的内开口。阳极的直径和CIRP的 直径与晶片衬底的直径大致相同。常规装置的模型中没有使用第二阳极。示出了根据模型 的沿300毫米晶片的半径的电镀铜的厚度。从曲线(a)中可以看出，在常规装置中，在晶片半 径介于约115-150毫米之间的镀铜厚度由于过屏蔽而明显减小。
[0084] 在计算模型中使用的第一配置的装置与常规装置是相同的，但包括在第二阳极室 中的第二阳极，第二阳极室远程地围绕电镀室的外周布置并与电镀室的阴极电解液分室流 体连接，使得由第二阳极贡献的电流不会通过CIRP或分隔开电镀室的阳极电解液分室和阴 极电解液分室的膜。在常规装置的先前模型中，主阳极、CIRP、和环形屏蔽件的尺寸是相同 的。在电镀期间约5-15%的总功率被施加到第二阳极。可以从曲线（b)看出，与曲线(a)相 比，在约115-140毫米之间的径向位置的厚度均匀性明显改善，并且仅在靠近边缘区域 (140-150毫米)处，电镀的厚度在这个模型中增大。
[0085] 在此配置中使用的第二配置的装置与常规装置相同，但包括在第二阳极室中的第 二阳极，第二阳极室远程地布置在电镀室的外周周围并与电镀室的阴极电解液分室流体连 接，使得由第二阳极贡献的电流将穿过CIRP的外部。来自第二阳极的电流将不穿过分隔开 电镀室的阳极电解液部分和阴极电解液部分的膜。在这种配置中，未在模型中使用屏蔽衬 底的外周的环形屏蔽件，但容纳阳极的电镀室的尺寸减小到约274毫米，这类似于主阳极的 尺寸。此模型中的CIRP包含三个部分：内部，其被配置成传递来自主阳极的电流，具有约274 毫米的直径;死区，其具有约2mm宽度的环状物;和外部，其配置成传递来自第二阳极的电 流，具有约8mm宽度的环形。在电镀期间，5-15%的总功率被施加到第二阳极。可以从曲线 (c)看出，与曲线(a)和曲线(b)相比，厚度均匀性都显著改善。
[0086] 方法
[0087] 在本发明的一个方面，提供了用于在不同衬底上电镀金属的电镀方法，例如在具 有不同的分布的凹陷特征的半导体晶片上电镀金属的电镀方法。这些方法中的一种在图8 中所示的工艺流程图中示出。在801中通过提供衬底到具有第二电极的装置中（例如，具有 本文所描述的第一或第二配置的装置），开始工艺。在操作803中，在提供功率到第二阳极 时，在衬底上电镀金属。在电镀期间，衬底被负偏置和旋转。在一些实施方式中，在电镀期间 提供给第二阳极的功率被动态地改变。电镀完成之后，在805中在装置中提供第二个不同晶 片。接着，在操作807中，在功率被提供给第二阳极时，将金属镀在第二晶片上。在一些实施 方式中，在第二晶片上电镀期间提供给第二阳极的功率与提供给第一晶片上的功率不同， 和/或在电镀期间与在第一晶片衬底上电镀相比功率被不同地动态调制。在一些实施方式 中，仅在选定晶片的电镀期间提供功率给第二阳极。例如，在第一晶片的电镀期间，可能没 有必要将功率施加给第二阳极，而在第二晶片上电镀期间，可以将功率施加到第二阳极上。
[0088] 提供给第二阳极的功率的动态控制可具有多种形式。例如，在电镀期间提供给第 二阳极的功率可以逐渐减小或增大。在其他实施方式中，在预定时间之后，例如，对应于电 镀的预先确定的厚度，给第二阳极的功率可被关断或接通。最后，主阳极电流和第二阳极电 流两者可以以固定的比率并一致地变化。
[0089]应当理解，方法不限于使用第二阳极并且类似地可使用如本文所述任何第二电 极。在一些实施方式中，第二电极是方位角对称的，并且电镀导致基本上方位角对称分布的 离子电流。在其他实施方式中，第二电极是方位角不对称的，或者是分段的，并且方法被配 置成配合衬底旋转施加功率到第二电极(或分段电极的不同部分），以使得在衬底上选定的 方位角位置按需要接收或多或少的离子电流。
[0090] 在其他实施方式中，方位角不对称的第二电极(在第一或第二装置配置中）可以被 用来提供基本上方位角对称的电流改变，并且主要用于改变径向电镀均匀性。在这些方法 中，当功率被施加到方位角不对称的电极(例如，C形阳极)时，衬底通常以非常高的速度旋 转(例如，每分钟至少100转）的。在基本上恒定的高的旋转速度下，衬底将通常主要经历电 镀电流的方位角对称性的校正，即使当使用方位角不对称的第二电极时也是如此。
[0091] 方位角均匀性
[0092] 如先前已提到的，方位角均匀性可以使用方位角不对称的或分段的第二电极并通 过激励电极或它单独的段配合衬底的旋转进行调制。
[0093] 在一些实施方式中，方位角均匀性可以通过使用具有离子不可渗透方位角不对称 部分的方位角不对称屏蔽件或方位角不对称CIRP(例如，不具孔或封闭孔的部分)进行调 制。在一些实施方式中，当在晶片上的选定方位角位置在屏蔽件上方或CIRP的离子不可渗 透部分上方穿过时，衬底的旋转速度被改变(例如，衬底旋转较慢），由此导致选定的方位角 位置在屏蔽区中的停留时间增加。在2014年10月14日授权的、名称为"Electroplating Apparatus for Tailored Uniformity Profile"的，Mayer等人的美国专利No.8,858,774 中描述了方位角不对称屏蔽件和方位角不对称离子阻性离子可渗透元件的用途，所述专利 先前通过参考并入本文。
[0094] 方位角不对称CIRP的实施例的顶视图示于图9XIRP 901具有方位角不对称部 903,其中所述孔被堵塞或不存在。该实施方式可以在本文呈现的装置的第一和第二配置中 使用。当在第二配置中使用的，CIRP还将包括分隔开来自第二电极和主阳极的离子流的离 子不可渗透死区。
[0095] 控制器
[0096] 在一些实现方式中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述实施例的一部分。 这种系统可以包括半导体处理设备，包括一个或多个处理工具、一个或多个处理室、用于处 理的一个或多个平台和/或具体的处理组件（晶片基座、气流系统等）。这些系统可以与用于 控制它们在处理半导体晶片或衬底之前、期间和之后的操作的电子器件一体化。电子器件 可以称为"控制器"，该控制器可以控制一个或多个系统的各种元件或子部件。根据处理要 求和/或系统的类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括输送功率至主阳 极、第二电极和衬底的参数。具体地说，控制器可以提供用于施加功率的定时、施加的功率 的电平等的指示。
[0097] 宽泛地讲，控制器可以定义为接收指令、发布指令、控制操作、启用清洁操作、启用 端点测量等等的具有各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件的电子器件。集成电路可以包 括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的 芯片和/或一个或多个微处理器或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是 以各种单独设置的形式(或程序文件)通信到控制器的指令，该设置定义用于在半导体晶片 或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定过程的操作参数。在一些实施方式中，操作参 数可以是由工艺工程师定义的用于在制备晶片的一个或多个(种)层、电路和/或管芯期间 完成一个或多个处理步骤的配方(recipe)的一部分。
[0098] 在一些实现方式中，控制器可以是与系统集成、耦接或者说是通过网络连接到系 统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦接。例如，控制器可以在"云端"或者 是fab主机系统的全部或一部分，它们可以允许远程访问晶片处理。计算机可以启用对系统 的远程访问以监测制造操作的当前进程，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作 的趋势或性能标准，改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的处理或者开始新的 工艺。在一些实施例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供工艺配方，网 络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括允许输入或编程参数和/或设置的用 户界面，该参数和/或设置然后从远程计算机通信到系统。在一些实施例中，控制器接收数 据形式的指令，该指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个处理步骤的参数。应当 理解，参数可以针对将要执行的工艺类型以及工具类型，控制器被配置成连接或控制该工 具类型。因此，如上所述，控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而分布，这些 分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本文所述的工艺和控制)工 作。用于这些目的的分布式控制器的实施例可以是与结合以控制室内工艺的一个或多个远 程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的室上的一个或多个集成 电路。
[0099] 在非限制性的条件下，示例的系统可以包括等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模 块、旋转清洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气 相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层 蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片的制备和/或制 造中可以关联上或使用的任何其它的半导体处理系统。
[0100] 如上所述，根据工具将要执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个 其它的工具电路或模块、其它工具组件、组合工具、其它工具界面、相邻的工具、邻接工具、 位于整个工厂中的工具、主机、另一个控制器、或者在将晶片的容器往来于半导体制造工厂 中的工具位置和/或装载口搬运的材料搬运中使用的工具通信。
[0101] 替代的实施方式
[0102] 虽然参照电镀装置阐述了第二电极的使用，但在一些实施方式中，相同的构思可 以应用于电蚀刻和电解抛光装置。在这些装置中，阴极和阳极的极性与电镀装置相比是相 反的。例如，该电镀装置的主阳极用作电蚀刻装置的主阴极，而衬底是正偏置的，并且用作 主阳极。在这些实施方式中，提供了一种用于从衬底电化学去除金属的装置，其中该装置可 以用于处理不同衬底而无需改变装置硬件以容纳具有不同的径向分布的特征的单个的衬 底。在一些实施方式中，该装置可以依靠机械和电化学去除金属的组合，并且包括电蚀刻和 电解抛光装置。
[0103] 在一些实施方式中，提供了用于电化学去除在衬底上的金属的装置(例如，电蚀刻 或电解抛光装置），其中该装置包括：（a)配置成容纳电解液的室，所述室包括阴极电解液分 室和阳极电解液分室（阳极电解液分室指的是容纳正偏置的衬底的分室，正偏置的衬底用 作阳极），其中，所述阳极电解液分室和阴极电解液分室通过离子可渗透膜分隔开；（b)衬底 支架，其配置成在电镀期间支持在阳极电解液分室中的正偏置的衬底；（c)主阴极，其设置 在电镀室的阴极电解液分室中；（d)离子阻性离子可渗透元件，其布置在离子可渗透膜和衬 底支架之间，其中，在电镀期间所述离子阻性离子可渗透元件适于提供通过元件的离子迀 移;和(e)第二电极，其被配置成贡献和/或转移电镀电流到衬底和/或从衬底贡献和/或转 移电镀电流，其中，所述第二电极被布置成使得贡献和/或转移的电镀电流不穿过分隔开阳 极电解液分室和阴极电解液分室的离子可渗透膜，其中所述第二电极定位被布置成通过离 子阻性离子可渗透元件贡献和/或转移电镀电流。
[0104] 在本发明的另一个方面，提供了用于从阳极偏置的衬底电化学去除金属的方法， 其中所述方法包括：（a)提供衬底到配置成从衬底的表面电化学去除金属的装置，其中该装 置包括：（i)被配置成容纳电解液的室，该室包括阴极电解液分室和阳极电解液分室，其中 所述阳极电解液分室和阴极电解液分室通过离子可渗透膜分开；（ii)衬底支架，其配置成 在电化学去除金属期间保持阳极电解液分室中的衬底；（iii)主阴极，其设置在电镀室的阴 极电解液分室中；（iv)位于离子可渗透膜和衬底支架之间的离子阻性离子可渗透元件，其 中，所述离子阻性离子可渗透元件适于在电化学去除金属期间提供通过元件的离子迀移； 及(v)第二电极，其配置成贡献和/或转移离子电流到衬底和/或从衬底贡献和/或转移离子 电流，其中，所述第二电极被布置成使得贡献和/或转移的离子电流不穿过分隔开阳极电解 液分室和阴极电解液分室的离子可渗透膜，并且其中所述第二电极被布置成使得通过离子 阻性离子可渗透元件贡献和/或转移离子电流；（b)从正偏置的衬底电化学去除金属，同时 提供功率到第二电极和主阴极。该方法可以进一步包括在去除金属期间旋转衬底。
[0105]在本发明的另一个方面，提供了一种用于从正偏置的衬底电化学去除金属的装 置，其中该装置包括：（a)配置成容纳电解液的室，所述室包括阴极电解液分室和阳极电解 液分室，其中所述阳极电解液分室和阴极电解液分室通过离子可渗透膜分隔开；（b)衬底支 架，其配置成在电镀期间保持阳极电解液分室中的正偏置衬底；（c)主阴极，其设置在电镀 室的阳极电解液分室中；（d)离子阻性离子可渗透元件，其位于离子可渗透膜和衬底支架之 间，其中，所述离子阻性离子可渗透元件适于在电化学材料去除期间提供通过元件的离子 迀移;和(e)第二电极，其配置成贡献和/或转移离子电流至衬底和/或从该衬底贡献和/或 转移离子电流，其中，所述第二电极被布置成使得贡献和/或转移的离子电流不穿过分隔开 阳极电解液分室和阴极电解液分室的离子可渗透膜且不穿过离子阻性离子可渗透元件。在 一些实施方式中，根据此方面，第二电极是方位角对称的第二阴极。
[0106]在本发明的另一个方面，提供了从阳极偏置的衬底电化学去除金属的方法，其中 该方法包括：（a)提供衬底到配置成从阳极偏置的衬底电化学去除金属的装置中，其中所述 装置包括：（i)室，其配置成容纳电解液，该室包括阴极电解液分室和阳极电解液分室，其中 所述阳极电解液分室和阴极电解液分室通过离子可渗透膜分隔开；（ii)衬底支架，其配置 成在去除金属期间保持阳极电解液室中的衬底；（iii)主阴极，其位于室的阴极电解液分室 中；（iv)离子阻性离子可渗透元件，其位于离子可渗透膜和衬底支架之间，其中，在电化学 去除金属期间所述离子阻性离子可渗透元件适于提供通过元件的离子迀移;及(v)第二电 极，其配置成贡献和/或转移离子电流至衬底和/或从衬底贡献和/或转移离子电流，其中， 所述第二电极被布置成使得贡献和/或转移的离子电流不穿过分隔开阳极电解液分室和阴 极电解液分室的离子可渗透膜且不穿过离子阻性离子可渗透元件；（b)在提供功率到第二 电极和主阴极时，从正偏置衬底电化学去除金属。
【主权项】
1. 一种用于在衬底上电镀金属的电镀装置，所述装置包括： (a) 电镀室，其配置成容纳电解液，所述电镀室包括阴极电解液分室和阳极电解液分 室，其中所述阳极电解液分室和所述阴极电解液分室通过离子可渗透膜分隔开； (b) 衬底支架，其配置成在电镀期间保持并旋转所述阴极电解液分室中的所述衬底； (c) 主阳极，其布置在所述电镀室的所述阳极电解液分室中； (d) 离子阻性离子可渗透元件，其布置在所述离子可渗透膜和所述衬底支架之间，其 中，所述离子阻性离子可渗透元件适于在电镀期间提供通过所述元件的离子迀移；以及 (e) 第二电极，其配置成贡献和/或转移电镀电流到所述衬底和/或从所述衬底贡献和/ 或转移电镀电流，其中，所述第二电极被布置成使得所贡献和/或转移的所述电镀电流不穿 过分隔开所述阳极电解液分室和所述阴极电解分室的所述离子可渗透膜，且其中所述第二 电极被布置成使得穿过所述离子阻性离子可渗透元件贡献和/或转移电镀电流。2. 如权利要求1所述的装置，其中所述第二电极是被配置成贡献电镀电流到所述衬底 的方位角对称阳极。3. 如权利要求2所述的电镀装置，其中所述主阳极的直径或宽度比所述衬底的电镀表 面的直径或宽度小。4. 如权利要求2所述的电镀装置，其中所述电镀室容纳所述主阳极的部分的直径或宽 度比所述衬底的电镀表面的直径或宽度小。5. 如权利要求2所述的装置，其中所述第二阳极被布置在第二阳极分室中，所述第二阳 极分室围绕所述电镀室的外周。6. 如权利要求2所述的装置，其中所述第二阳极分室通过离子可渗透膜与所述阴极电 解液分室分隔开。7. 如权利要求2所述的装置，其中所述第二阳极是可消耗阳极。8. 如权利要求2所述的装置，其中所述第二阳极是包含铜的可消耗阳极。9. 如权利要求2所述的装置，其中所述第二阳极是惰性阳极。10. 如权利要求2所述的装置，其中所述离子阻性离子可渗透元件包括至少三个部分： (a)外部的、离子可渗透部分；（b)中部的、离子不可渗透部分;和(c)内部的、离子可渗透部 分，其中所述装置被配置成从所述第二阳极贡献电镀电流通过所述外部的、离子可渗透部 分，而不通过所述内部的离子可渗透部分。11. 如权利要求2所述的装置，其中所述离子阻性离子可渗透元件以10毫米或小于10毫 米的间隙与所述衬底的电镀表面分隔开。12. 如权利要求11所述的装置，其还包括通向所述间隙的入口以用于引导电解液流入 所述间隙，和通向所述间隙的出口以用于接收流动通过所述间隙的电解液，其中，所述入口 和所述出口被布置在所述衬底的电镀表面的方位角相对的外周位置的邻近处，并且其中， 所述入口和出口适于产生在所述间隙中的电解液的横向流。13. 如权利要求2所述的装置，其中所述第二阳极被布置在第二阳极分室中，并且其中 所述装置包括用于灌溉所述第二阳极分室中的第二阳极的一个或多个通道。14. 如权利要求2所述的装置，其中所述第二阳极被布置在第二阳极分室中，并且其中 所述装置包括用于从所述第二阳极分室收集和去除气泡的一个或多个通道。15. 如权利要求2所述的装置，其中所述离子阻性离子可渗透的元件是方位角不对称 的，并且包括不允许所述电镀电流通过所述离子阻性离子可渗透元件的方位角不对称地布 置的部分。16. 如权利要求10所述的装置，其中，所述离子阻性离子可渗透元件的所述中部的、离 子不可渗透部分在所述离子阻性离子可渗透元件的最接近于所述衬底的一侧相比于在所 述元件的相对侧有较小的表面。17. 如权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置成在电镀期间动态地控制所述第二 阳极。18. -种在阴极偏置的衬底上电镀金属的方法，所述方法包括： (a) 提供所述衬底到配置成在电镀期间旋转所述衬底的电镀装置中，其中所述装置包 括：（i)电镀室，其配置成容纳电解液，所述电镀室包括阴极电解液分室和阳极电解液分室， 其中所述阳极电解液分室和所述阴极电解液分室由离子可渗透膜分隔开；（ii)衬底支架， 其配置成在电镀期间支持并旋转所述阴极电解液分室中的所述衬底；（iii)主阳极，其布置 在所述电镀室的所述阳极电解液分室中；（iv)离子阻性离子可渗透元件，其布置在所述离 子可渗透膜和所述衬底支架之间，其中，所述离子阻性离子可渗透元件适于在电镀期间提 供通过所述元件的离子迀移；以及(v)第二电极，其配置成贡献和/或转移电镀电流到所述 衬底上和/或从所述衬底贡献和/或转移电镀电流，其中，所述第二电极被布置成使得所贡 献和/或转移的电镀电流不穿过分隔开所述阳极电解液分室和所述阴极电解液分室的所述 离子可渗透膜，并且其中所述第二电极布置成使得穿过所述离子阻性离子可渗透元件贡献 和/或转移电镀电流； (b) 在旋转所述衬底时，并在提供功率到所述第二电极和所述主阳极时，在所述衬底上 电镀所述金属。19. 如权利要求18所述的方法，其还包括： (c) 在不取代所述装置中的任何机械屏蔽件的情况下，在所述衬底上电镀金属之后，在 第二衬底上电镀金属，与所述第一衬底相比，在所述第二衬底的外部中具有不同分布的凹 陷特征。20. -种用于在衬底上电镀金属的电镀装置，所述装置包括： (a) 电镀室，其配置成容纳电解液，所述电镀室包含阴极电解液分室和阳极电解液分 室，其中所述阳极电解液分室和所述阴极电解液分室由离子可渗透膜分隔开； (b) 衬底支架，其配置成在电镀过程中保持并旋转所述阴极电解液分室中的所述衬底； (c) 主阳极，其布置在所述电镀室的所述阳极电解液分室中； (d) 离子阻性离子可渗透元件，其布置在所述离子可渗透膜和所述衬底支架之间，其 中，所述离子阻性离子可渗透元件适于在电镀期间提供通过所述元件的离子迀移；以及 (e) 方位角对称第二阳极，其配置成贡献电镀电流到所述衬底，其中所述第二阳极被布 置成使得所贡献的所述电镀电流不穿过分隔开所述阳极电解液分室和所述阴极电解液分 室的所述离子可渗透膜，并且其中所述第二阳极被布置成使得贡献电镀电流而不传递它通 过所述离子阻性离子可渗透元件。21. -种用于从阳极偏置的衬底电化学去除金属的装置，所述装置包括： (a)配置成容纳电解液的室，所述室包括阴极电解液分室和阳极电解液分室，其中所述 阳极电解液分室和所述阴极电解液分室通过离子可渗透膜分隔开； (b) 衬底支架，其配置成在电镀期间保持所述阳极电解液分室中的所述衬底； (c) 主阴极，其布置在所述室的所述阴极电解液分室中； (d) 离子阻性离子可渗透元件，其布置在所述离子可渗透膜和所述衬底支架之间，其 中，所述离子阻性离子可渗透元件适于在电化学金属去除期间提供通过所述元件的离子迀 移；以及 (e) 第二电极，其配置成贡献和/或转移离子电流到所述衬底和/或从所述衬底贡献和/ 或转移离子电流，其中，所述第二电极被布置成使得所贡献和/或转移的所述离子电流不穿 过分隔开所述阳极电解液分室和所述阴极电解液分室的所述离子可渗透膜，并且其中所述 第二电极被布置成使得通过所述离子阻性离子可渗透元件贡献和/或转移离子电流。
【文档编号】C25D17/06GK105821457SQ201610027064
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月15日
【发明人】布哈努丁·卡加伊瓦拉, 布莱恩·L·巴卡柳, 史蒂文·T·迈耶, 蔡李鹏, 亚伦·贝尔克, 詹姆斯·艾萨克·福特纳, 罗伯特·拉什
【申请人】朗姆研究公司