在半导电晶片上电沉积均匀厚度的金属层的制作方法

本发明总体上涉及电镀领域，并且更具体地涉及半导体晶片电镀领域，以及其中需要电镀的金属或金属合金的均匀层的其它应用。

背景技术：

电沉积是熟知的且广泛使用的技术。它通过由电流驱动的电化学作用引起金属或金属合金从溶液沉积到物品的表面上。电沉积通过使导电表面(称为衬底)接触一种或更多种金属盐的溶液并且使电流通过该溶液到达该表面被执行。衬底表面因此是电化学电池的阴极。来自溶液的金属阳离子在衬底表面被来自电流的电子还原使得还原的金属或金属合金沉积在该表面上。

在半导体制造中，半导体晶片的电镀已经变成例行程序。电镀程序包括：背面金属化，其中晶片的整个表面被电镀；和图案电镀，其中光阻剂被施加到晶片的表面并且仅仅光阻剂的选择的打开区域被电镀。图案电镀典型地用于产生凸起或柱子、电互连或者用于倒装芯片互连应用。通常沉积的金属包括铜、金和锡。在晶片的表面上，金属层需要是高度均匀的。高度均匀的层是具有小于10％、优选地小于5％的厚度变化系数的那些层。这需要在晶片表面上提供非常均匀的电流密度和非常均匀的溶液搅拌的电镀设备和程序。

技术实现要素：

提供一种用来将金属或金属合金电沉积在半导体晶片上的设备。该设备包括电镀槽，该电镀槽具有布置在其内的阳极。包括半导体晶片的阴极被布置成要被电镀的表面面向阳极且与阳极间隔开。电源提供阳极和阴极之间的电接触。与晶片的电接触通过导电环(该导电环被形成用来提供与晶片的边缘的连续接触)或通过电绝缘的导电环被实现，该电绝缘的导电环具有不绝缘的导电指状件，该指状件向内延伸以接触晶片的边缘，该晶片在直径上略微小于导电环。

该设备包括溶液喷射装置，该溶液喷射装置用来输送电镀溶液到要被电镀的半导体晶片的表面。该溶液喷射装置被布置在阳极和阴极之间。该溶液喷射装置包括至少一个空心的横杆，但它可以包括2、3、4、5或更多个空心的横杆。横杆或多个横杆形成有布置成行的一系列间隔开的孔，该成行的一系列间隔开的孔从横杆的一个端部或一个端部附近延伸到横杆的另一端部或另一端部附近。该溶液喷射装置也包括空心的支撑杆，该空心的支撑杆在其端部的一个附接到该空心的横杆的中间以形成“t形杆”，其中该支撑杆是t形杆的竖直部分并且该空心的横杆被布置在该支撑杆的顶部处或顶部上使得该横杆中的成行的一系列间隔开的孔指向该阴极。替代地，横杆可以以相同的方式在其端部的一个附接到支撑杆，形成“l形杆”，并且横杆中的成行的一系列间隔开的孔指向阴极。如果存在多于两个横杆，则支撑杆被附接使得横杆从居中布置的支撑杆向着电镀槽的内侧以直角辐射且延伸。

在这个实施例中，该组件包括用来绕其轴线推动溶液输送组件的装置。在优选实施例中，用来推动的装置包括空心的横杆中的至少一对侧孔，侧孔对的一个被形成且布置在横杆的一侧的端部附近并且侧孔对的另一个被形成且布置在横杆的相对侧的端部附近。在替代实施例中，用来绕其轴线推动溶液输送组件的装置包括分离的马达，该分离的马达在功能上与支撑杆连接并且绕其轴线旋转支撑杆，因此引起横杆旋转，以电镀溶液喷射要被电镀的半导电晶片的表面。

该设备也可以包括电镀溶液保持箱，该电镀溶液保持箱用来保持电镀溶液并且使电镀溶液循环进入和离开电镀槽，并且溶液喷射装置也可以包括泵，该泵用来将电镀溶液从电镀溶液保持箱泵送到溶液喷射装置中。

在优选实施例中，该溶液喷射装置绕中心轴线旋转，从而以重复且连续的方式用电镀溶液喷射要被电镀的该半导电晶片的表面。在替代实施例中，要被电镀的该半导电晶片绕中心轴线旋转使得该电镀溶液由静止的溶液喷射装置以重复且连续的方式喷射在该晶片上。与晶片的电接触通过随着晶片旋转的导电环或导电指状件被实现。在另一实施例中，晶片和溶液喷射装置可以绕中心轴线旋转。

附图说明

图1是本发明的设备的电镀槽部分的剖视侧视图。

图2是被布置在外部箱中并且连接到电镀电源和循环泵的图1中示出的设备的剖视侧视图。

图3是本发明的设备的阴极支架部分的展开的剖视侧视图。

图4a是包括下面描述的可选的阴极护罩的本发明的设备的顶视平面图。

图4b是图4a中示出的设备的剖视侧视图。

图5a-d是本发明的设备的溶液输送组件的横杆部分的各种实施例的顶视平面图。

具体实施方式

本发明是通过电沉积用来在半导体晶片衬底上形成均匀的多层金属或金属合金的设备和方法。如这里定义的均匀的层具有小于10％、并且优选地小于5％的厚度变化系数cv。

在本发明的一个实施例中，提供由电绝缘材料制成的电镀槽6。电镀槽是圆柱形形状的，具有打开的顶部和有中心开口9的底部。阳极4被布置在电镀槽的底部。阳极是圆形的并且具有略微小于电镀槽的内直径的直径。该阳极可以是由镀铂铌、镀铂钛或氧化铱组成的尺寸上稳定的不可溶电极，或者它可以是可溶电极，例如铜。为半导电晶片的电镀选择适当阳极在本领域技术人员的能力范围内。阳极4在其中心形成有孔。如图1中所示，它通过导线18、绝缘的阳极导电环40和钛螺钉42电连接到电源14的正端子。

在这里示出的实施例中，电镀槽被竖直地布置。如本领域技术人员将理解的，电镀槽也可以被水平地布置或者甚至倒置，但这将复杂化电镀槽的装载和卸载。

电镀槽应当具有略微小于半导电晶片的直径的直径。凸缘8安装到电镀槽的顶部。它提供周边壁架，晶片被布置在该周边壁架上。阴极导电环10电连接到电源的负端子。一系列导电弹簧指状件7通过螺钉9安装到阴极导电环10，并且电接触晶片2的边缘去除区域。然而，可以使用任何数量的导电指状件7，4-8个指状件是典型的。替代地，连续接触环可以用于接触晶片的边缘去除区域。有利的是，导电环10除了它接触导电指状件之处外是电绝缘的。

如这里示出的，阴极2(即，要被电镀的半导电晶片)被布置成其要被电镀的面面向阳极。在一个实施例中，阴极可以通过阴极支架8被保持在静止位置中，该阴极支架被布置在电镀槽6的边沿上。阴极支架也可以安装在靠近顶部的电镀槽的侧部上或在任何其它位置中，只要它能够将阴极保持在电镀槽的顶部处的其适当的静止位置中。阴极支架在图3中被详细示出。它包括支架自身8，该支架自身由非导电材料制成，最典型地由聚合物制成。支架8被固定到电镀槽侧壁的顶边缘并且容纳阴极导电环10，该阴极导电环由金属制造，典型地由不锈钢制造，并且导电弹簧指状件7通过螺钉9附接到该阴极导电环(如图4a中可以最佳地见到的)。橡胶垫片11将电镀槽的内部部分与阴极导电环10密封隔离，并且防止溶液接触阴极导电环。晶片2由圆盘34保持在适当位置，该圆盘通过保持夹子36以可分离的方式被固定到支架8，该保持夹子被旋转以保持或释放圆盘34以允许相对于电镀槽的晶片的装载和卸载。

电源可以是直流电源，或脉冲电源，或周期性脉冲逆变电源。它通过导线18连接到阳极并且通过导线12连接到阴极。

该设备还包括溶液喷射装置，该溶液喷射装置在一个实施例中包括溶液输送组件，该溶液输送组件由空心的管状支撑杆20和空心的管状横杆22组成(如图1中所示)。管状横杆在其中间安装到支撑杆的端部的一个并且与其垂直。在这个实施例中，该组件因此形成t形结构。支撑杆的另一端部(不附接到横杆的端部)形成用来配合到阳极中的孔和电镀槽的底部中的开口中的孔中并且延伸通过阳极中的孔和电镀槽的底部中的开口中的孔并且进入电镀槽歧管26，该电镀槽歧管居中地安装到电镀槽的外底部。它配合到轴承组件25中，该轴承组件使它能够绕其竖直轴线旋转。轴承组件25包括两个球轴承座圈，该球轴承座圈布置在支撑杆周围并且在歧管中(如图1中所示)。

支撑杆是空心的并且被称为且示出为管状的，但它不需要是圆形横截面的。任何空心形状将起作用，只要它执行将横杆维持在与阴极成间隔开的水平关系的其适当位置中的功能。

横杆22是空心的并且形成有一系列间隔开的溶液喷射孔24，该溶液喷射孔或多或少从横杆的一个端部延伸到横杆的另一端部。溶液喷射孔沿面向晶片的横杆的侧部并且以直的行被定位(如图5中所示)。横杆也形成有封闭端部。在封闭端部的每一个附近是至少一对横杆侧孔28。每一对横杆侧孔被布置在横杆上使得该对横杆侧孔跨骑顶孔，即，一对横杆侧孔中的一个横杆侧孔位于横杆的一侧上并且该对横杆侧孔中的另一横杆侧孔位于横杆的另一侧上。见图5。

如支撑杆，横杆22不需要是圆形横截面的(即，圆的)。它可以是矩形的、正方形的、三角形的、卵形的(将仍然允许它执行喷射要被电镀有电镀溶液的半导体晶片的表面的功能的任何形状)。溶液输送组件的高度使得横杆定位成与阴极紧密间隔开。横杆和阴极之间的距离应当在大约5到50mm的范围中。如示出的，横杆居中地安装在支撑杆上，因此当该组件旋转时，晶片与来自横杆的两个半部的流体接触。

这里示出的溶液输送组件是示例性的。不需要的是，支撑杆被安装到横杆的中间以形成t形结构(如图5a中所示)。它可以安装在端部以形成l形结构(如图5c中所示)。替代地，该组件可以包括支撑杆和三个横杆，该横杆在它们的端部的一个安装到支撑杆(如图5b中所示)，或者该组件可以包括支撑杆和直角或“x”构造的四个横杆(如图5d中所示)。

如图2中所示，电镀槽6以可移除的方式安装在电镀溶液保持箱1中。歧管26上的梯形螺纹27穿入接收端口17，该接收端口被固定到溶液保持箱1的底部。电镀槽歧管26将电镀槽固定在保持箱中并且也用作导管以便电镀溶液的流动。歧管26连接到泵32的出口33。泵32的入口31连接到电镀溶液保持箱。电镀溶液从电镀溶液保持箱1通过入口31被泵送入该泵。它通过出口33离开该泵并且通过歧管26进入电镀槽。在其打开顶部附近形成在电镀槽6的壁中的溶液离开孔30允许电镀溶液离开电镀槽并且返回溶液保持箱1。因此，当在操作中时，电镀溶液连续地流过该组件。

电镀溶液通过歧管26和溶液输送组件16从电镀溶液保持箱被分配到电镀槽。溶液从导管进入溶液输送组件16的支撑杆20，向上流入横杆22并且流出一系列间隔开的溶液离开孔24并且流到阴极上。溶液离开孔30需要被定位成尽可能靠近晶片表面以防止气体被俘获在晶片表面上或至少最小化被俘获的气体的量。流体也流出横杆22的端部中的端部孔28并且这迫使溶液输送组件16绕其竖直轴线旋转。这导致在电镀期间电镀溶液的连续地旋转的喷射冲击阴极表面。

在操作中，电镀溶液保持箱1中的电镀溶液通过歧管26和溶液输送组件16的支撑杆由泵32泵送到电镀槽6中。溶液从支撑杆的底部向上流入横杆22且通过溶液喷射孔24和端部孔28流出溶液输送组件进入电镀槽。当电镀槽6填充有流体时，流体通过电镀槽溶液离开孔30流出电镀槽并且流回到电镀溶液保持箱1中。流过横杆且流出横杆侧孔28的流体的力引起溶液输送组件绕其竖直轴线旋转，在流体离开横杆中的一系列孔时，这提供接触被电镀的静止的半导体晶片的电镀溶液的连续地旋转的喷射。替代地，溶液输送组件可以形成为没有横杆侧孔并且外部机械装置可以用于旋转溶液输送组件。

可选地，如图4a中所示，该组件包括辅助护罩37和/或旋转护罩36。该护罩的目的是在最小化厚度cv方面改善电镀性能。辅助护罩37由圆形的圆盘形环组成，该环可以在横杆上方或下方安装在电镀槽中。通过测试不同的宽度并且选择导致最小变化系数的宽度，可以实验地确定护罩的宽度。我们的实验已经显示，辅助护罩的宽度应当是大约1到大约2cm。三角形护罩36是平的饼形切片或三角形结构，它在其最锐角的端部附接到横杆22。在其中晶片是静止的且溶液喷射装置旋转的实施例中，三角形护罩随着横杆22旋转。

在替代实施例中，半导电晶片被保持在旋转的固定装置中并且溶液喷射装置是静止的。与晶片的电接触通过随着晶片旋转的导电环或指状件被实现。在这个实施例中，溶液喷射装置可以被布置成与旋转的晶片间隔开并且从泵出口被供应有流体，该泵出口可以被布置在该箱外部。

在另一替代实施例中，电镀室可以位于电镀溶液储器外部。在这个实施例中，在开口30离开电镀室的溶液由槽收集，该槽被固定到电镀室的外部和上周边。由这个槽收集的溶液通过管道连接到电镀溶液储器并且通过重力从该槽流到该储器。来自该储器的溶液可以通过泵和管道被供应到电镀室的入口。本发明可以被实施成电镀室位于溶液储器箱的内部或外部。