《用于半导体硅片上深孔均匀金属互连的方法与装置.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用于半导体硅片上深孔均匀金属互连的方法与装置.pdf（28页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103114319 A (43)申请公布日 2013.05.22 CN 103114319 A *CN103114319A* (21)申请号 201110365926.7 (22)申请日 2011.11.17 C25D 5/20(2006.01) C25D 7/12(2006.01) H01L 21/768(2006.01) (71)申请人 盛美半导体设备 ( 上海 ) 有限公司 地址 201203 上海市浦东新区张江高科技园 区蔡伦路 1690 号 4 幢 (72)发明人 王晖 马悦 何川 王希 (74)专利代理机构 上海专利商标事务所有限公 司 31100 代理人。
2、 陆嘉 (54) 发明名称 用于半导体硅片上深孔均匀金属互连的方法 与装置 (57) 摘要 揭示了一种用于以电解液金属化硅片的设 备。该设备包括 ： 一个浸入式腔体， 盛放金属盐电 解液 ； 至少一个电极与至少一个电源相连接 ； 一 个导电的硅片固持装置固持至少一片硅片， 将其 可导电的一面面向至少一个电极， 并且经固持装 置导电 ； 一个振动驱动装置， 以一定振幅与频率， 沿轴向振动硅片固持装置 ； 至少一个超声装置放 置于金属化设备中， 其工作频率与声强强度可控 ； 至少一个超声能量发生器， 与超声装置相连 ； 至 少一个金属盐电解液供给进口 ； 至少一个金属盐 电解液排放出口。本发明同时。
3、涉及一种用于半导 体硅片上深孔均匀金属互连的方法与装置。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 17 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书8页 附图17页 (10)申请公布号 CN 103114319 A CN 103114319 A *CN103114319A* 1/2 页 2 1. 一种电解液金属化硅片的设备包括 ： 一个盛放金属盐电解液的浸入式腔体 ； 至少一个电极与至少一个电源相连接 ； 一个导电的硅片固持装置， 固持至少一片硅片， 将其可导电的一面面向至少一个电极， 并且经固持装置导电 ； 一个振动驱动装置。
4、， 以一定振幅与频率， 沿轴向振动硅片固持装置 ； 至少一个超声装置， 其工作频率与强度可控 ； 至少一个超声能量发生器， 与超声装置相连 ； 至少一个金属盐电解液供给进口 ； 至少一个金属盐电解液排放出口。 2. 如权利要求 1 中所述的设备， 其中 振动固持装置振幅范围为 0.25 到 25mm， 频率范围为 0.01 到 0.5Hz ； 超声装置工作频率范围为 5KHz 到 5MHz， 超声强度范围为 0.1 到 3W/cm2 3. 如权利要求 1 中所述的设备， 包括 ： 一个旋转驱动装置沿与硅片表面垂直并通过硅片正中心的轴， 旋转硅片固持装置， 转 速范围为 10 到 300rpm 。
5、； 4. 如权利要求 1 中所述的设备， 其中 至少一个超声装置放置于金属化设备的侧壁 ； 5. 如权利要求 1 中所述的设备， 其中 至少一个超声装置放置于金属化设备中电极的后侧 ； 6. 一种电解液金属化硅片的方法包括 ： 在浸入式腔中引入金属盐电解液 ； 转移一片硅片到硅片固持装置， 该固持装置与硅片导电层电连通 ； 加载第一个小偏压在硅片上 ； 加载一个电流至电极 ； 将超声装置作用于硅片， 并振动硅片的固持装置 ； 关闭超声装置， 停止振动 ； 加载第二个小偏压在硅片上 ； 将硅片移出金属盐电解液。 7. 如权利要求 6 中所述的方法， 其中 第一个小偏压范围为 0.1 至 10V 。
6、； 电流为范围为 0.1 至 100A ； 超声工作频率范围为 5KHz 至 5MHz， 超声强度范围为 0.1 至 3W/cm2； 硅片振动振幅范围为 0.25 至 25mm， 频率为 0.01 至 0.5Hz ； 第二个偏压范围为 0.1V 至 5V。 8. 如权利要求 6 中所述的方法， 其中 旋转硅片并使硅片与电解液接触， 其中硅片转速范围为 10 至 300rpm ； 9. 如权利要求 6 中所述的方法， 其中金属盐电解液包括至少一种下列阴离子 ： Cu， Au， Ag， Pt， Ni， Sn， Co， Pd， Zn. 权 利 要 求 书 CN 103114319 A 2 2/2 页。
7、 3 10. 如权利要求 6 中所述的方法， 其中硅片上深孔尺寸为 0.5 至 50m 宽， 5 至 500m 深 11. 如权利要求 6 中所述的方法， 其中硅片固持装置以的速度振动， 其中 是超 声波的波长， t 是总的工艺时间， n 和 N 是整数 . 12. 如权利要求 6 中所述的方法， 其中电流为直流模式。 13. 如权利要求 6 中所述的方法， 其中电流为双脉冲模式， 脉冲周期范围为 5ms 至 2s。 14. 如权利要求 6 中所述的方法， 可使深孔附近的电解液搅动。 15. 如权利要求 6 中所述的方法， 可使深孔内部的电解液搅动。 16. 如权利要求 6 中所述的方法， 可。
8、提高深孔内外的反应物与副产物的物质交换率。 17. 如权利要求 6 中所述的方法， 可提高深孔内沉积膜的纯度。 18. 如权利要求 6 中所述的方法， 其中硅片表面附近重建的扩散层厚度为 0.1 至 10mm。 19. 如权利要求 6 中所述的方法， 其中金属沉积速率随极限电流密度提高而提高。 20. 如权利要求 6 中所述的方法， 其中硅片在工艺过程中接收的超声波声强是均匀的。 21. 如权利要求 6 中所述的方法， 其中形成的金属膜厚度均匀。 权 利 要 求 书 CN 103114319 A 3 1/8 页 4 用于半导体硅片上深孔均匀金属互连的方法与装置 技术领域 0001 本发明一般而。
9、言涉及一种电解液中在半导体硅片上进行金属互连的方法与装置。 更确切地说， 是将一种超声波或兆声波装置应用于一种金属互连装置， 从而实现在电解液 中超均匀沉积金属薄膜， 膜沉积速率与传统方法相比有显著提高。 背景技术 0002 在超大规模集成电路制造中， 采用在超薄的大抗阻籽晶层上电化学沉积一层金属 膜层来形成电导线路， 该沉积通常是在电解液环境中进行。 这种沉积工艺可填充通孔结构， 沟槽结构或两种结构的混合结构。当这些结构被填充时， 铜连续地沉积并在半导体晶片表 面上形成一层膜。最终形成的铜膜均匀度至关重要， 因为后续用来去除多余铜的工艺步骤 ( 通常是平坦化步骤 CMP) 要求铜膜有很高的均。
10、匀度， 从而使最终产出的器件与器件之间获 得相同的电性能。 0003 目前， 通过电解液进行金属互连也被应用于填充 TSV(Through Silicon Via 硅通 孔技术 )， 从而在 3-D 的晶圆和晶圆之间制作垂直导通。在 TSV 应用中， 孔口直径为数个微 米或更大， 孔深为数百微米， TSV 尺寸要比采用典型的双大马士革工艺的尺寸大几个数量 级。在如此高的纵宽比， 且深度接近于硅片自身厚度的孔中， 采用 TSV 技术形成金属互连成 为一个难题。用于典型双大马士革工艺的金属互连系统的沉积速率较低， 通常只有数千埃 每分钟， 无法满足 TSV 制造的效率。 0004 为实现深孔中无孔。
11、隙， 并且由底部至上的填孔， 在电解液中加入多种有机添加剂 来控制局部沉积速率。 在沉积过程中， 这些有机添加剂组分常常分解为副产物， 对金属互连 工艺产生不良影响。分解的产物聚集在电镀液中并且降低了填充的性能。如果这些产物作 为杂质结合到电镀膜中， 它们会成为孔穴的形核核心， 使得器件的可靠性失效。因此， 在沉 积工艺中， 需要提高深孔附近的化学交换速率， 加快新鲜活性成分的补充和分解后副产物 的移除。 0005 此外， 由于深孔具有高纵宽比， 电解液从孔口流过， 在孔内产生涡流。对流难以在 电解液流体与涡流内进行， 新鲜的化合物与分解后副产物在电解液主流体与孔隙底部的传 输主要以扩散方式进。
12、行。对于诸如 TSV 的深孔， 则具有更长的扩散路径， 进一步限制了化合 物交换。并且， 在 TSV 的长路径中缓慢的扩散过程阻碍了沉积速率的提高， 而生产制造常常 需要采用高沉积速率来降低成本。 0006 在由质量传递控制的电化学方法中， 最大沉积速率与极限电流密度相关， 在一定 电解液浓度条件下， 极限电流密度与扩散二重层厚度成反比。 扩散二重层厚度越低， 极限电 流密度越高， 沉积速率就可能越高。目前已揭示许多用于加强液体搅动从而降低扩散二得 层厚度的方法。 0007 US 专利 7,445,697 和 WIPO 专利 WO/2005/042804 揭示了一种加强液体搅动的方 法， 在硅。
13、片表面所需位置， 振动一系列称为剪切板的桨板。 它的权利要求阐述了通过该方法 可将扩散二重层厚度降至 10 微米。 说 明 书 CN 103114319 A 4 2/8 页 5 0008 另一种加强液体搅动的方法采用超声波搅拌， 该方法已被诸多专利所揭示， 如美 国专利 US 6,398,937 和 US 5,965,043。它常被应用于许多电化学金属互连工艺， 包括 印刷电路板 (PCB) 与晶圆制造。由于超声搅拌下进行铜金属互连对 TSV 的应用有很大 作用， 目前已被特别关注。(“超声搅拌对 SOI 三维集成中盲孔镀铜的作用” ， Chen， Q 等， Microelectronic E。
14、ngineering， Vol 87(3)， Pages 527-531， 2010) 0009 虽然超声波搅拌可在反应表面附近形成声流层， 并且产生局部气穴内破裂， 从而 能更进一步降低扩散二重层厚度， 但它并不能均匀对反应表面附近流体产生作用。根据声 波传播的性质， 它与其反射波的联合作用造成反应表面不同的位置具有不同的能量分配。 局部沉积速率不仅是超声频率的方程， 也直接与在该超声频率产生的能量有关。这种驻波 现象致使反应表面具有不同沉积速率。 一但高于气穴发生阈值能量， 气泡内破裂随机发生， 数量不定， 使整个工艺难以控制。 0010 现已有诸多研究将超声技术应用于电化学工艺， 从而促。
15、进物质传输。文献 “Transport Limited Currents Close to an Ultrasonic Horn Equivalent Flow Velocity Determination” ， B.G.Poilet et.al.in Journal of The Electrochemical Society， Vol.154(10)， pp.E131-E138， 2007 建立了极限电流与超声源的工作参数相互关 系。反应表面接收的声强 ( 能量 ) 对超声源与反应表面间距敏感。因此， 极限电流大小 随着该间距而变化。对沉积速度的均匀性而言， 这成为一个更大的挑战， 如美国。
16、专利 US 2008/0271995 和 US 2007/0170066 中所述。在实际硅片金属互连工艺中， 硅片旋转表面与 超声源表面不能完全平行， 这很大程度上是由于平面安装与旋转轴垂直对准的机械误差引 起， 也可能由硅片自身曲翘引起。因此， 在金属互连工艺中， 沉积膜的硅片内均匀度难以控 制。 0011 对于需要快速金属互连和高化学交换速率的工艺， 诸如 TSV 填孔， 采用超声金属 互连十分有利。超声金属互连与其它方法， 如高速旋转硅片或在硅片表面振动桨板等方法 相比， 大大减小了扩散二重层厚度， 因此可保证高沉积速率。同时， 由声流与气泡破裂所产 生的局部搅拌可在深孔内引起传质作用，。
17、 而非扩散， 从而在提高该区域的物质交换率。 0012 但是， 采用此方法需寻找一种可控制沉积均匀度的方案， 以运用于上述工艺中。 发明内容 0013 本发明涉及将至少一个超声装置应用于金属互连设备， 以达到在电解液中高均匀 度金属膜沉积， 膜层生长速率大大高于传统金属互连。本发明中， 半导体硅片由动力控制， 所以金属互连设备中的半导体硅片每转一圈， 其位置都可由程序设定或增或减。此方法保 证了硅片每个局部区域在一定工艺时间间隔中， 所接受到的总声能相同， 从而保证了沉积 膜快速生长的同时， 其沉积厚度均匀。 0014 由于气泡在硅片附近破裂产生的气穴效应， 使硅片表面电解液扩散层破坏， 并由。
18、 声流形成了另一层很薄的边界层， 由此可得到高速的沉积速率。声流的高流速可加强新鲜 化学药液与通孔、 沟槽内反应副产物的对流作用， 从而提高化合物交换率。同时， 它更有效 地防止分解副产物嵌入沉积膜层中， 也增强了填孔性能。 0015 本发明的一个示范性实施例为在电化学沉积工艺中周期性移动电镀硅片。 它保证 了硅片在某段累积时间内接受到的声能强度相同， 以提高沉积均匀度。 说 明 书 CN 103114319 A 5 3/8 页 6 0016 本发明的一个示范性实施例， 揭示了一种用电解液金属互连硅片的设备。该设备 包括 ： 一个盛放金属盐电解液的浸入式腔体 ； 至少一个电极， 与至少一个电源。
19、相连接 ； 一个 硅片固持装置， 固持至少一块硅片， 使硅片可导电的一面面向至少一个电极且经固持装置 导电 ； 一个振动的驱动装置， 以一定的振幅和频率振动硅片固持装置 ； 至少一个频率和强 度可控的超声装置， 安装于金属互连设备中 ； 至少一个超声能量激发器与超声装置相连 ； 至少一个金属盐电解液供应进口 ； 至少一个金属盐电解液排放出口。 0017 本发明的一个示范性实施例， 揭示了一种用电解液金属互连硅片的方法。该方法 包括 ： 将金属盐电解液流入浸入式腔体 ； 移动至少一片硅片到固持装置上， 使固持装置与 硅片表面导电层电性连通 ； 对硅片加载第一个偏压 ； 将硅片与电解液相接触 ； 。
20、对电极加载 电流 ； 将超声作用于硅片， 并振动硅片固持装置 ； 停止超声作用， 同时停止振动硅片固持装 置 ； 对硅片加载第二个偏压 ； 将硅片取出金属盐电解液。 附图说明 0018 图 1a-1c 显示用电解液金属互连硅片设备的一个示例。 0019 图 2a-2b 显示用电解液金属互连硅片设备的另一示例， 以及该设备中电解液分布 板。 0020 图 3 显示用电解液金属互连硅片设备的另一示例。 0021 图 4a-4b 显示用电解液金属互连硅片设备的另一示例， 以及该设备中阳极系统。 0022 图 5 显示用电解液金属互连硅片设备的另一示例。 0023 图 6 显示用电解液金属互连硅片设备。
21、的另一示例。 0024 图 7a-7c 显示用电解液金属互连硅片设备的另一示例。 0025 图 8 显示用电解液金属互连硅片设备的另一示例。 0026 图 9 显示用电解液金属互连硅片设备的另一示例。 0027 图 10 显示用电解液金属互连硅片设备的另一示例。 0028 图 11 显示在金属互连工艺中控制硅片移动的方法。 具体实施方式 0029 根 据 本 发 明 的 示 范 性 实 施 例， 超 声 装 置 可 被 用 于 专 利 US 6,391,166 和 WO/2009/055992 中描述的发明中。 0030 图 1a-1c 显示了基于本发明的用电解液金属互连硅片设备的一个示范性实。
22、施例。 该设备带有一个超声装置 1002。该设备通常包括一个浸入式腔体 1016， 盛放至少一种金 属盐电解液， 至少一个电极 1000， 与一个独立电源 1050 相连接 ； 一个导电的硅片固持装置 1006， 固持至少一块硅片 1004， 使硅片可导电的一面面向电极 1000 且经固持装置导电。金 属盐电解液从腔体底部流向顶部。 腔体中至少安置一个进口与一个出口， 用以电解液循环。 一个振动的驱动装置1010， 以0.25至25mm的振幅和0.01至0.5Hz的频率振动硅片固持装 置 1006， 使其在工艺过程中带动硅片 1004 沿垂直于设备底平面方向， 周期性上下移动。独 立的电源10。
23、50与至少一个电极1000相连接， 可按程序设定的波形， 以电压控制模式或电流 控制模式工作， 并可按时间需求在这两种模式之间切换。加载电流可以是 DC 模式或双脉冲 模式， 脉冲周期为5ms至2s。 超声装置1002固定在金属互连设备侧壁上， 产生频率为10KHz 说 明 书 CN 103114319 A 6 4/8 页 7 至 5MHz， 强度为 0.1 至 3W/cm2 的超声波。US 6,391,166 与 WO/2009/055992 中描述的电解 液金属互连设备示例可应用超声装置。 0031 图 2a 显示了基于本发明用电解液金属互连硅片设备的另一个示范性实施例。该 设备带有一个超。
24、声装置 1002。该设备通常包括一个浸入式腔体 1016， 盛放至少一种金属盐 电解液， 至少一个电极1000， 与一个独立电源1050相连接 ； 一个导电的硅片固持装置1006， 固持至少一块硅片 1004， 使硅片可导电的一面面向电极 1000 且经固持装置导电。金属盐 电解液从腔体底部流向顶部。腔体中至少安置一个进口与一个出口， 用以电解液循环。一 个振动的驱动装置 1010， 以 0.25 至 25mm 的振幅和 0.01 至 0.5Hz 的频率振动硅片固持装 置 1006， 使其在工艺过程中带动硅片 1004 沿垂直于设备底平面方向， 周期性上下移动。在 金属互连设备的阳极和硅片之间。
25、放置一块隔板1020， 使硅片1004表面的电场分布均匀。 图 2b 显示一个隔板 1020 的示例。独立的电源 1050 与至少一个电极 1000 相连接， 可按程序设 定的波形， 以电压控制模式或电流控制模式工作， 并可按时间需求在这两种模式之间切换。 加载电流可以是 DC 模式或双脉冲模式， 脉冲周期为 5ms 至 2s。超声装置 1002 固定在金属 互连设备侧壁上， 产生频率为 10KHz 至 5MHz， 强度为 0.1 至 3W/cm2 的超声波。 0032 图 3 显示了基于本发明的用电解液金属互连硅片设备的另一个示范性实施例。该 设备带有两个超声装置1002与1003。 该设备。
26、通常包括一个浸入式腔体1016， 盛放至少一种 金属盐电解液， 至少一个电极 1000， 与一个独立电源 1050 相连接 ； 一个导电的硅片固持装 置 1006， 固持至少一块硅片 1004， 使硅片可导电的一面面向电极 1000 且经固持装置导电。 金属盐电解液从腔体底部流向顶部。腔体中至少安置一个进口与一个出口， 用以电解液循 环。一个振动的驱动装置 1010， 以 0.25 至 25mm 的振幅和 0.01 至 0.5Hz 的频率振动硅片 固持装置 1006， 使其在工艺过程中带动硅片 1004 沿垂直于设备底平面方向， 周期性上下移 动。在金属互连设备的阳极和硅片之间放置一块隔板 1。
27、020， 使硅片 1004 表面的电场分布 均匀。独立的电源 1050 与至少一个电极 1000 相连接， 可按程序设定的波形， 以电压控制模 式或电流控制模式工作， 并可按时间需求在这两种模式之间切换。加载电流可以是 DC 模式 或双脉冲模式， 脉冲周期为 5ms 至 2s。超声装置 1002 与 1003 固定在金属互连设备的侧壁 上， 分处于隔板 1020 两侧， 产生频率为 10KHz 至 5MHz， 强度为 0.1 至 3W/cm2 的超声波。 0033 图 4a 显示了基于本发明的用电解液金属互连硅片设备的另一个示范性实施例。 该设备带有一个超声装置 1002。该设备通常包括一个浸。
28、入式腔体 1016， 盛放至少一种金 属盐电解液， 多个电极 1000A， 1000B， 1000C 和 1000D， 分别与独立电源 1050， 1052， 1054， 1056 相连接 ； 一个导电的硅片固持装置 1006， 固持至少一块硅片 1004， 使硅片可导电的一 面面向电极 1000A， 1000B， 1000C 和 1000D， 且经固持装置导电。图 4b 显示了多电极 1000A， 1000B， 1000C 和 1000D 的一个示例。金属盐电解液从腔体底部流向顶部。腔体中设置至少 一个进口与至少一个出口， 用以电解液循环。一个振动的驱动装置 1010， 以 0.25 至 2。
29、5mm 的振幅和 0.01 至 0.5Hz 的频率振动硅片固持装置 1006， 使其在工艺过程中带动硅片 1006 沿垂直于设备底平面方向， 周期性上下移动。在金属互连设备的阳极和硅片之间放置一块 隔板 1020， 使硅片 1004 表面的电场分布均匀。独立电源 1050， 1052， 1054， 1056 与多电极 1000A， 1000B， 1000C 和 1000D 相连接， 可按程序设定的波形， 以电压控制模式或电流控制模 式工作， 并可按时间需求在这两种模式之间切换。加载电流可以是 DC 模式或双脉冲模式， 脉冲周期为 5ms 至 2s。超声装置 1002 固定在金属互连设备侧壁上，。
30、 产生频率为 10KHz 至 说 明 书 CN 103114319 A 7 5/8 页 8 5MHz， 强度为 0.1 至 3W/cm2 的超声波。 0034 图 5 显示了基于本发明一示范性实施例的用电解液金属互连硅片设备的另一个 示例。该设备带有两个超声装置 1002 与 1003。该用电解液金属互连硅片设备通常包括一 个浸入式腔体 1016， 腔体由薄膜 1032 划分为一个阳极腔和一个阴极腔， 盛放金属盐阳极电 解液与阴极电解液。至少一个电极 1000， 与至少一个电源 1050 相连接 ； 一个导电的硅片固 持装置1006， 固持至少一块硅片1004， 使硅片可导电的一面面向至少一个。
31、电极1000且经固 持装置导电。金属盐电解液从腔体底部流向顶部。阳极腔内设有一个进口与一个出口， 配 合阳极电解液循环装置 1024， 循环阳极电解液。阴极腔内设有另一进口与出口， 配合阴极 电解液循环装置 1026， 循环阴极电解液。一个振动的驱动装置 1010， 以 0.25 至 25mm 的振 幅和 0.01 至 0.5Hz 的频率振动硅片固持装置 1006， 使其在工艺过程中带动硅片 1006 沿垂 直于设备底平面方向， 周期性上下移动。在金属互连设备的阳极和硅片之间放置一块隔板 1020， 使硅片 1004 表面的电场分布均匀。独立的电源 1050 与至少一个电极 1000 相连接，。
32、 可按程序设定的波形， 以电压控制模式或电流控制模式工作， 并可按时间需求在这两种模 式之间切换。 加载电流可以是DC模式或双脉冲模式， 脉冲周期为5ms至2s。 超声装置1002 与 1003 固定在金属互连设备的侧壁上， 分处于隔板 1020 两侧， 产生频率为 10KHz 至 5MHz， 强度为 0.1 至 3W/cm2 的超声波。 0035 图 6 显示了基于本发明一示范性实施例的用电解液金属互连硅片设备的另一个 示例。该设备带有一个超声装置 1002。该用电解液金属互连硅片设备通常包括一个盛放 金属盐电解液的浸入式腔体 1016， 多电极 1000A， 1000B， 1000C 和 。
33、1000D， 分别与独立电源 1050， 1052， 1054， 1056 相连接 ； 一个导电的硅片固持装置 1006， 固持至少一块硅片 1004， 使 硅片可导电的一面面向电极1000A， 1000B， 1000C和1000D， 且经固持装置导电。 图6b显示了 多电极 1000A， 1000B， 1000C 和 1000D 的一个示例。金属盐电解液从腔体底部流向顶部。腔 体中至少安置一个进口与一个出口， 用以电解液循环。硅片固持装置与多电极系统都连接 在一个振动驱动装置 1010 上， 振动驱动装置 1010 带动硅片固持装置 1006 与多电极系统以 0.25至25mm的振幅和0.0。
34、1至0.5Hz的频率振动， 使他们在工艺过程中带动硅片1004沿垂 直于设备底平面方向， 周期性上下移动。独立电源 1050， 1052， 1054， 1056 与多电极 1000A， 1000B， 1000C 和 1000D 相连接， 可按程序设定的波形， 以电压控制模式或电流控制模式工 作， 并可按时间需求在这两种模式之间切换。加载电流可以是 DC 模式或双脉冲模式， 脉冲 周期为 5ms 至 2s。超声装置 1002 固定在金属互连设备侧壁上， 产生频率为 10KHz 至 5MHz， 强度为 0.1 至 3W/cm2 的超声波。 0036 图 7a-7c 显示了基于本发明的用电解液金属互。
35、连硅片设备的另一个示范性实施 例。该设备带有一个超声装置 1002， 安置在设备的侧壁上。在工艺过程中， 硅片固持装置 1006 固持硅片 1004 沿垂直于设备侧壁平面的方向移动。 0037 图 8 显示了基于本发明的用电解液金属互连硅片设备的另一个示范性实施例。该 设备带有一个超声装置 1002， 安置在设备的阳极端， 并由 O 形圈 1022 与阳极隔离。在工艺 过程中， 硅片固持装置1006固持硅片1004沿垂直于设备侧壁平面的方向移动。 该设备通常 包括一个浸入式腔体 1016， 盛放至少一种金属盐电解液， 至少一个电极 1000， 与一个独立 电源 1050 相连接 ； 一个导电的。
36、硅片固持装置 1006， 固持至少一块硅片 1004， 使硅片可导电 的一面面向电极 1000 且经固持装置导电。金属盐电解液从腔体底部流向顶部。腔体中至 说 明 书 CN 103114319 A 8 6/8 页 9 少安置一个进口与一个出口， 用以电解液循环。一个振动的驱动装置 1010， 以 0.25 至 25mm 的振幅和 0.01 至 0.5Hz 的频率振动硅片固持装置 1006， 使其在工艺过程中带动硅片 1004 沿垂直于设备底平面方向， 周期性上下移动。独立的电源 1050 与至少一个电极 1000 相连 接， 可按程序设定的波形， 以电压控制模式或电流控制模式工作， 并可按时间。
37、需求在这两种 模式之间切换。加载电流可以是 DC 模式或双脉冲模式， 脉冲周期为 5ms 至 2s。超声装置 1002 产生频率为 10KHz 至 5MHz， 强度为 0.1 至 3W/cm2 的超声波。 0038 图 9 显示了基于本发明的用电解液金属互连硅片设备的另一个示示范性实施例。 该设备带有一个超声装置 1002， 安置在设备的阳极端， 并由 O 形圈 1022 与阳极隔离。在工 艺过程中， 硅片固持装置 1006 固持硅片 1004 沿垂直于设备侧壁平面的方向移动。该设备 通常包括一个浸入式腔体 1016， 盛放至少一种金属盐电解液， 至少一个电极 1000， 与一个 独立电源 1。
38、050 相连接 ； 一个导电的硅片固持装置 1006， 固持至少一块硅片 1004， 使硅片可 导电的一面面向电极 1000 且经固持装置导电 ； 一个旋转装置 1026， 使硅片 1004 在工艺过 程中旋转。金属盐电解液从腔体底部流向顶部。腔体中至少安置一个进口与一个出口， 用 以电解液循环。一个振动的驱动装置 1010， 以 0.25 至 25mm 的振幅和 0.01 至 0.5Hz 的频率 振动硅片固持装置 1006， 使其在工艺过程中带动硅片 1004 沿垂直于阳极平面方向， 周期性 上下移动。独立的电源 1050 与至少一个电极 1000 相连接， 可按程序设定的波形， 以电压控 。
39、制模式或电流控制模式工作， 并可按时间需求在这两种模式之间切换。加载电流可以是 DC 模式或双脉冲模式， 脉冲周期为 5ms 至 2s。超声装置 1002 产生频率为 10KHz 至 5MHz， 强度 为 0.1 至 3W/cm2 的超声波。 0039 图 10 显示了基于本发明的用电解液金属互连硅片设备的另一个示范性实施例。 该设备带有两个超声装置 1002 与 1003。该设备通常包括一个浸入式腔体 1016， 盛放至少 一种金属盐电解液， 两个电极 1000， 与一个独立电源 1050 相连接 ； 一个导电的硅片固持装 置1006， 同时固持两块硅片1004， 使硅片可导电的一面分别面向。
40、两个电极1000且经固持装 置导电。金属盐电解液从腔体底部流向顶部。腔体中至少安置一个进口与一个出口， 用以 电解液循环。一个振动的驱动装置 1010 与硅片固持装置 1006 相连接， 以 0.25 至 25mm 的 振幅和 0.01 至 0.5Hz 的频率振动硅片固持装置 1006， 使其在工艺过程中带动硅片 1004 沿 垂直于底平面方向， 周期性上下移动。超声装置 1002 与 1003 固定在金属化设备边上， 分别 对每块硅片 1004 产生频率为 10KHz 至 5MHz， 强度为 0.1 至 3W/cm2 的超声波。 0040 金属电化学沉积速率是由半导体硅片表面附近固 - 液界。
41、面的化合物传质速率控 制的。当沉积速率很高时， 电流密度十分接近于极限电流。根据菲克定律， 减小扩散边界层 厚度可提高传质速率。在传统的电镀腔体中， 可通过提高转盘转速来降低硅片表面的扩散 层厚度， 从来提高沉积速率。但是， 高转速在实际应用中受到了限制， 从而也限制了电沉积 速率， 因为在电镀工艺过程中， 液体腔体中高转速会引起涡流， 气泡与飞溅。超声装置可通 过声流减小扩散层厚度， 因此， 它无需提高硅片转速也可以提高沉积速率。 由声能引起的声 学边界层 a 可用来估算扩散层厚度。它是声频 f 和液体流速 v 的方程 ： 0041 0042 表 1 显示了低酸铜沉积工艺中， 带有超声装置与。
42、不带超声装置的硅片附近边界层 厚度。这里， 铜离子 Cu2+浓度为 0.0625mol/L， 酸浓度为 1.25E-03mol/L。 说 明 书 CN 103114319 A 9 7/8 页 10 0043 表 1 0044 0045 金属化设备中采用超声装置可以使硅片表面获得更小的边界层， 从而加速金属膜 沉积。并且提高超声的强度或频率可提高沉积速率。 0046 金属化设备中采用超声装置的另一优势是在对流作用受限的小尺寸中， 超声装置 可以提高化合物交换率。由于边界层极薄且流速很高， 超声装置产生的声流可以进入小尺 寸中的稳流区， 产生涡流的破坏， 使液体再次流动。并且， 局部流体流向在声波。
43、产生的气穴 附近是各向同性的， 这意味着硅片表面法向的流动也存在， 因此提高了结构内新鲜化合物 与副产物之间的对流， 进而提高了化合物交换率。薄边界层与气穴产生的对流作用均可使 结构内的电解液混合物保持新鲜， 尤其是有机添加剂分子， 以此提高沉积速率与从底至上 的填孔性能。同时， 这也防止了电化学反应产生的副产物的分解， 嵌入沉积膜中， 由此改善 了填孔性能与膜层的其它物理性能。 0047 但是， 超声能在硅片表面附近电解液中的分布是不均匀的。当超声能传播到电解 液时， 超声波强度呈周期性分布。由于超声波波长 周期性的分布， 在电解液中产生高能 点与低能点。不均匀的能量分布可导致硅片表面膜沉积。
44、速率不均匀。在本发明的一个示范 性实施例中， 振动的驱动装置 1010， 周期地振动硅片固持装置 1006， 由此保持硅片表面的 声强分布在一累积时间内相同。振动的振幅与频率可由振动驱动装置 1010 精确控制。每 次振动都保持硅片表面每处接收到同样的总声强至关重要。当硅片在整个工艺时间 t 内， 振动 N 次， 硅片在一次振动中移动距离 d 由振动振幅决定， 即为确保在移动过程中 声能经历了最小强度与最大强度。由此， 硅片固持装置的振动速度 v 应设为 ： 0048 n 1， 2， 3， .， N 1， 2， 3.， (5) 0049 其中， n 是从 1 开始的整数， N 是旋转圈数， 也。
45、是整数。 0050 如图 11 所示， 当硅片位置改变， 硅片同一区域的声强从 P1 到 P2 变化。当间距增 大了整整一个声波的半波长时， 强度从位置 P1 至位置 P11 也经历了一个完整的周期。周期 起点由设备中硅片区域的位置所决定。但是， 当硅片移动了一个全程距离时， 硅片上每 说 明 书 CN 103114319 A 10 8/8 页 11 个区域均可接收到整个周期的声强强度。 由此可保证每个硅片局部区域内接收到等量的声 强， 包括等量的平均声强强度和等量的最大、 最小声强强度。 这也进一步确保了在整个电化 学沉积工艺中得到均匀的沉积速率。 0051 采用超声装置的金属化设备所应用的。
46、工艺方法可设置如下 ： 0052 工艺流程 0053 步骤 1 ： 在所述设备中引入金属盐电解液 ； 0054 步骤 2 ： 转移一片硅片到硅片固持装置， 使硅片可导电的一面面向电解液， 该固持 装置具导电性， 与硅片导电层电连通 ； 0055 步骤 3 ： 给硅片加载一个最大为 10V 的小偏压 ； 0056 步骤 4 ： 将硅片置入电解液中， 硅片前表面与电解液完全接触 ； 0057 步骤 5 ： 加载电流至每个电极， 与电极相连的电源在预定的时间内可从电压模式 切换到电流模式 ； 0058 步骤 6 ： 维持电极的电流恒定， 电流范围在 0.1A 到 100A 内， 在另一个示范性实施 。
47、例中， 加载的电流为可调的双脉冲模式， 脉冲周期为 5ms 至 2s ； 0059 步骤7 ： 打开超声装置与振动硅片的固持装置， 超声装置的强度在0.1到3W/cm2范 围内， 频率设定在5KHz到5MHz范围内， 固持装置的振动振幅范围为0.01到0.25mm， 频率范 围为0.01到0.25Hz， 固持装置以均匀的速率振动， 其中是超声波的波长， t为整个 工艺时间， n 和 N 为整数 ； 0060 步骤 8 ： 关闭超声装置， 停止振动 ； 0061 步骤 9 ： 切换电源到一个小的偏压模式， 加载至硅片， 大小为 0.1V 至 0.5V ； 0062 步骤 10 ： 将硅片移出电解。
48、液 ； 0063 步骤 11 ： 停止电源， 清洗硅片表面残余电解液 ； 0064 本发明虽依照特定的示范性实施例， 举例， 应用来描述， 但其亦适用于不背离本发 明的其它各种修改与变化的技术。 说 明 书 CN 103114319 A 11 1/17 页 12 图 1A 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 12 2/17 页 13 图 1B 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 13 3/17 页 14 图 1C 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 14 4/17 页 15 图 2A 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 15 5/17 页。
49、 16 图 2B 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 16 6/17 页 17 图 3 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 17 7/17 页 18 图 4A 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 18 8/17 页 19 图 4B 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 19 9/17 页 20 图 5 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 20 10/17 页 21 图 6 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 21 11/17 页 22 图 7A 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 22 12/17 页 23 图 7B 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 23 13/17 页 24 图 7C 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 24 14/17 页 25 图 8 说 明 书 附 图 CN 103114319 A 25 15/17 页 26 图 9 说 明 书 附 图。