专利名称：电镀方法
技术领域：
本发明涉及一种电镀方法，更具体地，涉及在诸如半导体衬底等的、内部具有沿竖向贯通的多个通孔且能够用在半导体芯片等的所谓的三维封装中的衬底的制造中，用于将诸如铜的金属填充到导孔(via)中的电镀方法。
背景技术：
作为将半导体衬底的多层堆叠的层电连接的方法，已知有形成沿竖向贯通半导体衬底的由诸如铜的金属构成的通孔的技术。图IA至IC示出了用于生产内部具有由铜构成的通孔的衬底的示例性处理。首先，如图IA所示，例如通过光刻/蚀刻技术在诸如硅晶片的基底10中形成多个向上开口的导孔12，之后例如通过PVD在包括导孔12的内表面在内的基底10的整个表面上形成由诸如Ti (钛)的金属构成的阻挡层14，并且随后在阻挡层 14的表面上形成铜种籽层16，由此来制备衬底W。导孔12的直径“d”例如是2至50 μ m， 特别是10至20 μ m,导孔12的深度“h”例如是20至150 μ m。作为阻挡层14，除了 Ti，诸如Ta(钽)和W(钨)的其它金属或其氮化物也能够使用。接下来，在衬底W的表面上实施将铜种籽层16用作阴极的铜电镀，由此将电镀金属(铜)18填充到导孔12中，并且如图IB所示，使电镀金属18沉积在铜种籽层16的表面上。之后，如图IC所示，例如通过化学机械抛光(CMP)去除基底10上多余的铜种籽层 16和多余的电镀金属18。此外，将基底10的背表面侧抛光去除至例如图IC中双点划线所示的位置，由此暴露出填充在导孔12中的电镀金属18的底面。由此能够生产出内部具有沿竖向贯通的、由铜(电镀金属18)构成的通孔的衬底W。导孔12的纵横比、即深度直径比通常大，诸如8至10。另外，导孔12通常具有大尺寸。为了通过电镀将铜(电镀金属)完全填充到具有大纵横比和大尺寸的导孔12 中而不在所填充的金属中产生诸如空穴的缺陷，通常需要以允许电镀金属优先从导孔12 的底部生长的自下而上的方式进行电镀。这种自下而上的电镀通常通过使用包含各种添加剂的电镀液来实施，所述添加剂诸如是作为电镀促进剂的SPS ( 二硫二丙烷磺酸盐； bis (3-sulfopropyl) disulfide)、作为抑制剂的 PEG(聚乙二醇；polyethylene glycol)和作为整平剂的PEI (聚乙烯亚胺；polyethylene imine)。日本专利No. 3641372提出了一种电镀方法，该方法包括在4至20A/dm2的电流密度下使直流电流在种籽层和阳极之间通电0. 1至5秒来形成初始电镀膜，并且随后在0. 5 至5A/dm2的电流密度下使直流电流在种籽层和阳极之间通电来形成二次电镀膜。日本专利No. 3780302提出了一种电镀方法，该方法包括在5至ΙΟΑ/dm2的阴极电流密度下首次实施电镀10秒至5分钟，并且随后在0. 5至3A/dm2的阴极电流密度下实施电镀15至180分钟。日本专利特开No. 2003-318544提出了在阶梯式增大的电流密度下实施电镀。此外，日本专利特开No. 2005-97732提出了在衬底的电镀过程中在衬底和阳极之间施加脉冲电压或步进式改变的步进电压。当通过电镀将诸如铜的电镀金属填充到设置在衬底中的导孔内时，与衬底的外侧表面相比，电镀金属离子在导孔的底部或其附近可能不足。因此，电镀膜在导孔的底部趋于变薄。电镀液的金属离子浓度在沉积有电镀金属的衬底的表面附近降低。电镀液的金属离子浓度在导孔中降低得更多。特别是当导孔为具有大纵横比的深导孔时，在导孔底部，由于金属离子通过离子扩散供给不足而导致电镀液的金属离子浓度显著降低。因此，电镀膜在导孔的底部趋于变得相当薄。此外，为了通过在电镀液中使用添加剂来促使电镀金属自下而上的生长，如上所述，需要向导孔中供给足够量的金属离子。当在电镀过程中发生来自可溶性阳极的金属(金属离子)溶解在电镀液中时，阳极处的电流密度优选被保持在合适的范围内。这能够防止电镀液的添加剂成分的变质，并且能够在作为阴极的衬底的表面上稳定地形成膜质好的电镀金属(电镀膜)。另一方面，阳极处的电流密度需要被保持在低水平，以便防止在待填充到导孔中的电镀金属中形成空穴。因此，有时在阳极处不容易保持合适的电流密度。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而做出的。本发明的目的是提供一种电镀方法，该电镀方法能够使诸如铜的电镀金属牢固且有效地以自下而上的方式填充到深的高纵横比的导孔中，而不会在待填充的电镀金属中产生诸如空穴的缺陷。为了达到上述目的，本发明提供一种电镀方法，该电镀方法包括将具有阳极且在表面上形成有导孔的衬底浸没在电镀槽中的电镀液内，所述阳极被配置成与所述衬底的表面相对；并且使具有恒定电流值的电镀电流在所述衬底和所述阳极之间以反复进行所述电镀电流的供给和停止的方式间歇地流动，并且使得供给所述电镀电流的电流供给时间的比例随着电镀的推进而增大，由此将电镀金属填充到所述导孔中。根据该电镀方法，在衬底和阳极之间间歇地供给电镀电流，同时反复地进行电镀电流的供给和停止。在当电镀电流的供给停止时的电流停止时间中，利用由离子的浓度梯度引起的电镀液中的离子向衬底的扩散能够消除衬底附近电镀液的金属离子浓度的减小的情况、特别是导孔的底部金属离子的缺失情况。这能够促使电镀的自下而上的生长。此夕卜，根据该电镀方法，使具有恒定电流值的电镀电流以供给电镀电流的电流供给时间的比例随着电镀的推进而增大的方式在衬底和阳极之间间歇地流动。这使得在供给电镀电流的过程中阳极电流密度能够被保持在适当范围内，同时能够将平均电流密度控制在低水平以防止在待填充到导孔中的电镀金属内形成空穴，由此形成良好的埋孔电镀。在本发明的优选方面，使所述电镀电流的供给停止的电流停止时间随着电镀的推进而减小。随着电镀的推进而电镀金属逐渐填充到导孔中，每个导孔的未填充部分的深度逐渐减小，即，未填充部分的纵横比逐渐减小。相应地，通过随着电镀的推进，使将金属离子供给到例如导孔中的电流停止时间减小能够有效地进行电镀金属向导孔中的填充。在本发明的优选方面是，所述电流供给时间在整个电镀处理中是恒定的。在本发明的优选方面是，所述电流供给时间随着电镀的推进而增大。通过随着电镀的推进而增大电流供给时间也能够有效地进行电镀金属向导孔中的填充。在本发明的优选方面，使所述电镀电流的供给停止的电流停止时间在整个电镀处理中是恒定的。在本发明的优选方面，所述电流供给时间和使所述电镀电流的供给停止的电流停止时间的总和为电流供给节距，所述电流供给节距在整个电镀处理中是恒定的。为了防止电镀膜在电流停止时间过程中溶解，可以在电流停止时间中在衬底和阳极之间通过弱电流，以便将电镀膜的电位保持为低于其自然电位。本发明能够以自下而上的方式将诸如铜的电镀金属牢固且有效地填充到深的高纵横比的导孔中，而不会在待嵌入的电镀金属中产生诸如空穴的缺陷。
图IA至IC是以一系列处理步骤示出用于生产衬底的处理的图，所述衬底在内部具有竖向贯通衬底的由铜构成的通孔。图2是用于实施本发明的电镀方法的电镀设备的整体布置平面图。图3是设置在图2所示的电镀设备中的搬运机器人的示意图。图4是衬底架的俯视图。图5是图4所示的衬底架的剖视图，示出衬底通过衬底架保持和密封的状态。图6是图4所示的衬底架的局部放大剖视图，示出向由衬底架保持的衬底供电的状态。图7是设置在图2所示的电镀设备中的电镀装置的剖视示意图。图8是设置在图7所示的电镀设备中的搅拌桨(搅拌工具)的俯视图。
图9是沿着图8的A-A线的剖视图。图10是示出根据本发明的实施方式电镀电流在阳极和衬底之间流动的方式的图表。图11是示出根据本发明的另一实施方式电镀电流在阳极和衬底之间通过的方式的图表。
具体实施例方式下面将参照
本发明的优选实施方式。下面举例说明一种示例性的情况， 在该例中，如图IA所示，通过在诸如硅晶片的基底10的表面形成导孔12、在基底10的包括导孔12的表面在内的整个表面上形成阻挡层14、并随后在阻挡层14的表面上形成铜种籽层16而制备出衬底W，并且如图2B所示，在衬底W的表面实施电镀铜，以便将电镀金属 (铜)18填充到导孔12中。图2是用于实施本发明的电镀方法的电镀设备的整体布置平面图。该电镀设备被设计成以连续方式自动进行所有的电镀处理，包括衬底的预处理、电镀和电镀的后处理。安装有防护板的装置框架110的内部被隔板112分成电镀空间116和清洁空间114，电镀空间 116用于实施衬底的电镀处理和附着了电镀液的衬底的处理，清洁空间114用于实施其它处理，即，不直接涉及电镀液的处理。两个衬底架160(参照图幻平行布置，并且设置有用于将衬底附装到每个衬底架160上和将衬底从每个衬底架160上拆下的衬底附装/拆卸台162，该衬底附装/拆卸台162作为衬底传递区被设置在由将电镀空间116与清洁空间114 分开的隔板112隔开的隔板部上。在清洁空间114连接有安装了收纳衬底的衬底盒的装载 /卸载口 120。此外，装置框架110上设置有控制板121。在清洁空间114中，布置有用于使衬底的定向平面或凹口与预定方向对准的对准器122和对电镀后的衬底进行清洗并使该衬底高速旋转以使该衬底离心脱水的两个清洗/ 干燥装置124。此外，第一搬运机器人1 配置在这些处理装置、即对准器122和清洗/干燥装置124的大致中心处，由此在处理装置122、124、衬底附装/拆卸台162和安装在装载 /卸载口 120上的衬底盒之间搬运和传递衬底。配置在清洁空间114中的对准器122和清洗/干燥装置IM被设计成对处于水平状态的衬底进行保持和处理，在该水平状态下，衬底的前表面朝上。第一搬运机器人1 被设计成对处于水平状态的衬底进行搬运和传递，在该水平状态下，衬底的前表面朝上。在电镀空间116中，从隔板112开始依次配置有储料器164，用于存放或暂时存放衬底架160 ；预处理装置126，实施利用诸如纯水(DIW)等预处理液来清洗衬底的表面并利用预处理液润湿衬底表面来加强衬底表面的亲水性的预处理(预湿处理)；活化处理装置166，利用诸如硫酸或盐酸的无机酸溶液或诸如柠檬酸或草酸的有机酸溶液对例如形成在衬底表面上的种籽层上的具有高电阻的氧化膜进行蚀刻以去除氧化膜；第一水洗装置 168a，利用纯水对衬底表面进行清洗；电镀装置170，用于实施电镀；第二水洗装置168b ；以及吹干装置172，用于使电镀后的衬底脱水。两个第二搬运机器人17 和174b配置在这些装置的旁边，以便能够沿着轨道176运动。第二搬运机器人中的一个17 将衬底架160 在衬底附装/拆卸台162与储料器164之间搬运。第二搬运机器人中的另一个174b将衬底架160在储料器164、预处理装置126、活化处理装置166、第一水洗装置168a、电镀装置 170、第二水洗装置168b和吹干装置172之间搬运。如图3所示，第二搬运机器人17 和174b中的每一个具有沿竖直方向延伸的主体178和能够沿着主体178竖向运动并能够围绕其轴线旋转的臂180。臂180具有平行设置的两个衬底架保持部182，该衬底架保持部182对衬底架160可装拆地进行保持。衬底架160被设计成以使衬底的前表面暴露而衬底的周缘部密封的状态保持衬底W，并且能够将衬底W附装到衬底架160上和将衬底W从衬底架160上拆下。如图4至6所示，衬底架160包括平的呈矩形的固定支承构件M和环形的可动支承构件58，该环形可动支承构件58安装在固定支承构件M上并且能够通过铰接部56在固定支承构件讨上打开和关闭。环状密封填料60通过填料底座59安装在可动支承构件58 的固定支承构件M侧，其中，环状密封填料60具有底部开口的矩形截面且平行侧中的一侧长于另一侧，填料底座59例如由氯乙烯制成，用作加强构件且与紧固环62具有良好润滑。 紧固环62经由穿过沿着紧固环62的周向形成的多个长孔62a的螺栓64而被保持在固定支承构件M上，以便能够转动且不会从固定支承构件M上脱出。形状大致像倒置的字母L的爪66围绕可动支承构件58的外周以等间隔设置，并且安装在固定支承构件M上。多个凸起68以与这些爪66相等的间隔一体地形成在紧固环62的外表面上。稍长孔62b形成在紧固环62上的例如三个位置处，如图4所示，用于转动紧固环62。每个凸起68的顶面和每个爪66的底面沿转动方向在彼此相反的方向上成锥面。
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当可动支承构件58处于打开状态时，衬底W被插入并正确地定位在固定支承构件讨的中心。可动支承构件58通过铰接部56而关闭。随后，紧固环62沿顺时针方向转动， 直到凸起68滑动到形状大致像倒置的字母L的爪66下方，由此将可动支承构件58锁定于固定支承构件M上。通过沿逆时针方向转动紧固环62，凸起68从形状大致像倒置的字母 L的爪66下方滑出，由此将可动支承构件58从固定支承构件M上解锁。如图6所示，当可动支承构件58锁定在固定支承构件M上时，密封填料60的内侧的短腿与衬底W的表面压接触，而外侧的长腿与固定支承构件M的表面压接触，由此形成可靠密封。如图6所示，连接到外部电极(未示出)上的导体(电接触点)70配置在固定支承构件M上。导体70的边缘在衬底W的外侧暴露在固定支承构件M的表面上。凹陷部 71通过密封填料60形成在可动支承构件58内的面向导体70的暴露部分的位置处。金属电枢72容纳在每个凹陷部71中。每个金属电枢72具有底部开口的矩形截面。弹簧74将每个金属电枢72压抵在上固定支承构件M。通过这种结构，当可动支承构件58处于如上所述的锁定位置时，在弹簧74的压力下，导体70的暴露部分和金属电枢72的外侧腿之间电接触，而且金属电枢72的内侧腿和通过密封填料60而处于密封位置的衬底W之间电接触。这样，在衬底W处于密封状态时， 能够对衬底W进行供电。导体70的与金属电枢72接触的接触表面、金属电枢72的与导体70接触的接触表面以及金属电枢72的与衬底W接触的接触表面中的至少一个优选通过电镀而被诸如金或钼等金属覆盖。取而代之，导体70和金属电枢72可以由具有极好抗腐蚀性的不锈钢制成。可动支承构件58通过动作缸(未示出)和可动支承构件58本身的重量而打开和关闭。通孔5 形成在固定支承构件M中。当衬底架160安装在衬底附装/拆卸台162之一上时，动作缸设置在面向通孔Ma的位置处。通过这种结构，动作缸杆(未示出)伸展， 穿过通孔5 而向上推动可动支承构件58，由此可动支承构件58打开。通过缩回动作缸杆，可动支承构件58通过其本身重量而关闭。在该实施方式中，可动支承构件58通过转动紧固环62而锁定和解锁。锁定/解锁机构设置在顶棚侧。锁定/解锁机构具有配置在与衬底架160的孔62b对应的位置处的销，所述衬底架160设置在衬底附装/拆卸台162中的一个上且被定位在该衬底附装/拆卸台162的中央侧。在该状态中，当衬底附装/拆卸台162中的一个升起，销进入孔62b。 通过使销围绕紧固环62的轴向中心旋转而使紧固环62旋转。由于只设置一个锁定/解锁机构，所以在对设置在衬底附装/拆卸台162中的一个上的衬底架160中的一个进行锁定 (或解锁)之后，衬底附装/拆卸台162中的另一个水平滑动以对另一个衬底架160进行锁定(或解锁)。衬底架160设置有传感器，该传感器用于检查当衬底W装载到衬底架160上时衬底W与触点的电连接状态。来自传感器的信号输入到控制器单元(未示出)。储料器164、预处理装置126、活化处理装置166、水洗装置168a、168b和电镀装置 170被设计成与设置在每个衬底架160的两端处的向外伸出的部分160a对合，由此以衬底架160沿竖直方向悬置的状态支承衬底架160。预处理装置1 具有两个用于在内部保持预处理液的预处理槽127，所述预处理液诸如是具有ang/L以下的溶解氧浓度的纯水(去气 DIff)等。如图3所示，第二搬运机器人174b的保持着装载有竖直状态的衬底W的衬底架 160的臂180降低，以便与预处理槽127的上端对合，从而以悬置方式支承衬底架160。因此，预处理装置1 被设计成使得衬底架160与衬底W —起浸没在预处理槽127中的预处理液中，以实施预处理(预润湿处理)。活化处理装置166具有两个用于在内部保持化学液体的活化处理槽183。如图3所示，第二搬运机器人174b的保持着装载有竖直状态的衬底 W的衬底架160的臂180降低，以便与活化处理槽183的上端对合，从而以悬置方式支承衬底架160。因此，活化处理装置166被设计成使得衬底架160与衬底W—起浸没在活化处理槽183的化学液体中，以实施活化处理。类似地，水洗装置168a和168b具有分别在内部保持纯水的两个水洗槽18 和两个水洗槽184b，并且电镀装置170具有用于在内部保持电镀液的多个电镀槽186。水洗装置168a、168b和电镀装置170被设计成使得衬底架160与衬底W —起浸没在水洗槽18如、 184b的纯水中或者电镀槽186的电镀液中，以与如上所述相同的方式实施水洗或电镀。第二搬运机器人174b的保持着装载有竖直状态的衬底W的衬底架160的臂180降低，并且朝向安装在衬底架160上的衬底W喷射空气或惰性气体，以吹走附在衬底架160和衬底W上的液体而对衬底W进行脱水。因此，吹干装置172被设计成实施吹干处理。如图7所示，设置在电镀装置170中的每个电镀槽186被设计成在内部保持预定量的电镀液Q。衬底W被保持成前表面(待电镀表面)暴露而衬底的周缘部通过衬底架 160液密性密封的状态，且被以该状态沿竖直方向浸没在电镀液Q中。在本实施方式中，使用除铜离子、支持电解质和卤素离子之外还包含例如各种添加剂、诸如作为电镀促进剂的 SPS (二硫二丙烷磺酸盐(bis (3-sulfopropyl) disulfide))、作为抑制剂的PEG (聚乙二醇) 和作为整平剂的PEI (聚乙烯亚胺)的电镀液来作为电镀液Q。作为支持电解质，优选使用硫酸，作为卤素离子，优选使用氟离子。用于接收从电镀槽186的边缘溢出的电镀液Q的溢流槽200围绕着电镀槽186的上端而设置。设置有泵202的循环管路204的一端连接到溢流槽200的底部，并且该循环管路204的另一端连接到设置在电镀槽186的底部的电镀液供给入口 186a处。因此，溢流槽200中的电镀液Q通过泵202的驱动而返回到电镀槽186中。在循环管路204中，在泵 202的下游插装有用于控制电镀液Q的温度的恒温单元206和用于过滤出电镀液中含有的异物的过滤器208。内部具有大量电镀液流通孔的底板210安装在电镀槽186的底部。电镀槽186的内部由此被底板210分成上部衬底处理室214和下部电镀液分散室212。此外，向下竖直延伸的遮挡板216安装在底板210的下表面。根据该电镀装置170，电镀液Q通过泵202的驱动而被引入到电镀槽186的电镀液分散室212中，并穿过设置在底板210中的电镀液流通孔而流入到衬底处理室214中，与由衬底架160保持的衬底W的表面大致平行地竖向流动，并随后流入到溢流槽200中。具有与衬底W的形状对应的圆形形状的阳极220通过阳极架222保持，并且竖向设置在电镀槽186中。当电镀槽186中充满电镀液Q时，通过阳极架222保持的阳极220浸没在电镀槽186中的电镀液Q中，并且面向着通过衬底架160保持且配置在电镀槽186中的衬底W。在本实施方式中，阳极220由含有0.03至0.05% (重量百分比)的磷的铜(含磷铜)形成，以便抑制阳极泥的产生。另外，在电镀槽186中，用于调节电镀槽186中的电位分布的调节板2 配置在阳极220和衬底W之间且位于电镀槽186中的预定位置处。在本实施方式中，调节板2 包括筒形部分2 和矩形凸缘部分228，并且由作为介质材料的聚氯乙烯制成。筒形部分226 具有能够充分限制电场的扩展的开口尺寸和轴向长度。调节板224的凸缘部分228的下端到达底板210。在调节板2 和衬底W之间且位于电镀槽186中的预定位置处配置有作为搅拌工具的竖向延伸的搅拌桨232，该搅拌浆232平行于衬底W的表面往复运动，以搅拌衬底W和调节板2M之间的电镀液Q。通过在电镀过程中利用搅拌桨(搅拌工具)232搅拌电镀液 Q，足够量的铜离子能够被均勻地供给到衬底W的表面。如图8和9所示，搅拌桨232由具有3至5mm均勻厚度“t”的矩形板状构件构成，并且具有限定出竖向延伸的条状部232b的多个平行狭缝23加。搅拌桨232例如由诸如PVC、 PP和PTFE的树脂和具有特氟隆涂层的SUS或钛形成。优选地，至少搅拌桨232的接触电镀液的部分是电绝缘的。搅拌桨232的竖向长度L1和狭缝23 的竖向长度L2比衬底W的竖向尺寸大足够多。此外，搅拌桨232被设计成使得其横向长度H和其往复距离(行程)的总和比衬底W的横向尺寸大足够多。优选地，狭缝23 的宽度和数量被确定为使得每个条形部232b在具有必要刚度的范围内足够窄，以便狭缝23 之间的条形部232b能够有效地搅拌电镀液，而且电镀液能够有效地通过狭缝23加。电镀装置170设置有电镀电源250，在电镀过程中，该电镀电源250的正极经由导线连接到阳极220上且负极经由导线连接到衬底W的表面上。电镀电源250连接到控制部 252上，并且电镀装置170基于来自控制部252的信号而被控制。下面，对通过使用如图2所示的电镀设备进行衬底W的表面的电镀来将铜的电镀金属18填充到如图IB所示形成在基底10的表面中的导孔12内的一系列处理进行说明。首先，将衬底W以其前表面(待电镀表面)朝上的方式放置在衬底盒中，并且将衬底盒安装在装载/卸载口 120上。通过第一搬运机器人1 从安装在装载/卸载口 120上的衬底盒中取出一个衬底W，并且将该衬底W放置在对准器122上以将衬底W的定向平面或凹口与预定方向对准。另一方面，通过第二搬运机器人17 将已经存放在储料器164中的竖向状态的两个衬底架160取出并转动90°以使衬底架160变成水平状态，并且随后将所述两个衬底架160平行地放置在衬底附装/拆卸台162上。将定向平面或凹口与预定方向对准的衬底W搬运并装载到放置于衬底附装/拆卸台162上的衬底架160中，使得该衬底W的周缘部处于密封状态。通过第二搬运机器人 174b将已经装载有衬底W的两个衬底架160同时保持、提升并随后搬运到储料器164。使衬底架160转动90°而成为竖向状态并且降低，使得两个衬底架160以悬置方式保持(暂时存放)在储料器164中。上述操作以连续方式反复实施，以便衬底被顺序地装载到存放于储料器164中的衬底架160内，并且以悬置方式被顺序地保持(暂时存放)在储料器164 中的预定位置处。另一方面，通过第二搬运机器人174b将已经装载有衬底并被暂时存放在储料器 164中的两个衬底架160同时保持、提升并随后搬运至预处理装置126。将每个衬底浸没到预处理槽127中所保持的诸如纯水(DIW)的预处理液中，从而实施预处理(预润湿处理)。 通过使用真空除氧器或引入惰性气体将作为预处理液使用的纯水的溶解氧浓度优选地控制为ang/L以下。在使用硫酸铜电镀液的电镀中，通常实施电镀液的充气以稳定添加剂。如果不实施衬底的上述预处理，由于电镀液中溶解氧浓度高，所以在衬底浸没到电镀液中时无法将气泡从导孔完全排出，这会导致电镀的局部缺失。这个问题在本发明涉及对具有非常高的纵横比的导孔进行埋孔电镀时尤其严重。当利用上述去气纯水对衬底进行预处理时，残留在高纵横比的导孔中的气泡在纯水中溶解从而导孔变成由水完全润湿的状态。因此，当衬底浸没在电镀液中时，电镀液将容易地进入导孔，从而能够完成埋孔电镀而不存在电镀的局部缺失。接下来，将分别装载有衬底W的两个衬底架160以与上述相同的方式搬运到活化处理装置166，在该活化处理装置166中，将衬底W浸没到活化处理槽183中所保持的诸如硫酸或盐酸的无机酸溶液或者诸如柠檬酸或草酸的有机酸溶液中，以从种籽层的表面将具有高电阻的氧化膜蚀刻去除，由此暴露出清洁的金属表面。如上述预处理那样，可以使用纯水来控制在活化处理中所使用的酸溶液中的溶解氧溶度。在活化处理之后，将分别装载有衬底W的衬底架160以与上述相同的方式搬运到第一水洗装置168a，在该第一水洗装置 168a中，利用第一水洗槽18 中所保持的纯水来清洗衬底W的表面。在水洗之后，将分别装载有衬底W的两个衬底架160以与上述相同的方式搬运到电镀装置170的电镀槽186的上方。电镀槽186已经填充有预定量的具有预定成分的电镀液Q，电镀液通过循环系统而循环。关于待用于填充具有高纵横比的导孔的电镀液，电镀液的金属离子浓度应当尽可能低高，以便向导孔中充分地供给金属离子。在使用硫酸铜电镀液的情况下，其硫酸浓度可以是例如大约50g/L，硫酸铜(水合物)浓度为大约250g/L且 PH大约为1。在电镀过程中电镀液的温度通常可以为20至40°C。随后，将衬底架160降低，以使通过衬底架160保持的衬底W浸没在电镀槽186中的电镀液Q内。将每个衬底W配置在电镀液Q中的、面向由阳极架222保持的阳极220的位置处。接下来，将电镀电源250的正极连接到阳极220，并且将电镀电源250的负极连接到衬底W的铜种籽层16 (参照图1A)。通过控制部252控制电镀电源250，使得图10中所示的电镀电流在阳极220和铜种籽层16之间流动，由此将电镀金属(铜)18沉积在种籽层 16的表面上并且将电镀金属18填充到导孔12中。图10是示出根据本发明的实施方式使电镀电流在阳极220和铜种籽层16之间流动的方式的图表。在图10示出的实施方式中，连续地实施时间T1上的早期电镀、时间T2上的中期电镀和时间T3上的后期电镀，其中，电镀电流在阳极220和衬底W的铜种籽层16之间以不同的图形流动。具体地，在时间T1上的早期电镀中，电流供给节距(时间间隔)P1是电流供给时间 S1和电流停止时间C1的总和，该电流供给节距(时间间隔)Pi重复L1次(T1 = P1XL1)，其中，在电流供给时间S1中，持续供给电流值A1的电镀电流，在电流停止时间C1中，电镀电流的供给停止。在时间T2上的中期电镀中，电流供给节距(时间间隔)P2是电流供给时间& 和电流停止时间C2的总和，该电流供给节距(时间间隔)P2重复M1次(T2 = P2XM1)，其中，在电流供给时间S2中，持续供给电流值A1的电镀电流，在电流停止时间C2中，电镀电流的供给停止。在时间T3上的后期电镀中，电流供给节距(时间间隔)P3是电流供给时间&和电流停止时间C3的总和，该电流供给节距(时间间隔)P3重复N1次(T3 = P3XN1)，其中，在电流供给时间&中，持续供给电流值A1的电镀电流，在电流停止时间C3中，电镀电流的供
给停止。早期电镀中的电流供给时间S1、中期电镀中的电流供给时间&和后期电镀中的电流供给时间&被设置成相等(S1 = S2 = S3)。早期电镀中的电流停止时间C1、中期电镀中的电流停止时间C2和后期电镀中的电流停止时间C3被设置成使得电流停止时间C以这样的顺序(C1 > C2 > C3)阶梯式减小。相应地，电流供给节距P以下面的顺序阶梯式减小早期电镀中的电流供给节距P1、中期电镀中的电流供给节距P2和后期电镀中的电流供给节距 P3 (P1 > P2 > P3) O因此，通过在阳极220和衬底W的铜种籽层16之间间歇地供给电镀电流来实施电镀。在电镀电流供给停止时的电流停止时间中，能够利用由离子浓度梯度引起的电镀液中的离子向衬底W的扩散来消除衬底W附近的电镀液金属离子浓度的减小、特别是导孔12 的底部的金属离子的缺失。因此，足够量的金属离子能够供给到导孔12中。由此能够利用电镀液中的添加剂促使电镀的自下而上的生长并形成具有均勻膜厚的电镀金属(电镀膜)18。另外，根据本实施方式的电镀方法，在整个早期电镀、中期电镀和后期电镀中，在阳极220和铜种籽层16之间通过恒定电流值Al的电镀电流。包含在电镀液中的添加剂的消耗受到阳极电流密度的影响。在本实施方式中，在考虑添加剂的消耗将阳极220处的电流密度保持在适当范围内的同时，调节电流供给时间和电流停止时间之间的比例，由此将铜种籽层(阴极)16处的平均电流密度控制在低水平。由此能够防止在待填充到导孔12 中的电镀金属18中形成空穴，而且还能够进行良好的埋孔电镀。另一方面，在如日本专利特开No. 2003-318544中公开的以阶梯式增大电流密度的方法中，有必要将早期电镀中的电流密度设置在非常低的水平。这会导致阳极电流密度合适的范围偏离，引起电镀液中的添加剂的大量消耗。当将含有0.03至0.05% (重量百分比)磷的含磷铜用于阳极时，表面膜会在非常低的电流密度下从阳极剥离，导致产生阳极泥。阳极泥若附着到衬底上将导致诸如电镀异常增长的问题。因此，从这一点来说，也必须至少以特定水平的电流值供给电镀电流。但是，通过以阶梯式增大电流的方法很难满足这种要求。随着电镀的进展，电镀金属18被逐渐填充到导孔12中，每个导孔12的未填充部分的深度逐渐减小，即，未填充部分的纵横比逐渐减小。纵横比越低，埋孔电镀的、稳定的自下而上的生长越容易。因此，通过随着电镀的推进，并且响应于电镀金属填充到导孔12中的程度改变、即，每个导孔的未填充部分的纵横比的改变来减小用于将金属离子供给到导孔12中的电流停止时间，由此能够有效地进行电镀金属18向导孔12中的填充。在电镀过程中，搅拌桨232根据需要而平行于衬底W往复运动，以搅拌调节板224 和衬底W之间的电镀液Q。搅拌桨232平行于衬底表面往复运动，由此形成平行于衬底表面的电镀液的流动。电镀液在衬底表面上的流动速度能够明显大于电镀液在导孔中的流动速度(参照2009年第19届亚洲高级镀金属法会议第96-97页“Copper ElectroplatingProcess for Via Filling in 3D Packaging”和2009年第59届电子元件与技术会议第 648-653 页“Electroplating Copper Filling for 3D Packaging”)。因此,在电流停止时间中电镀液的蚀刻作用仅施加在衬底表面上，由此使得不必要的表面电镀膜能够溶解在电镀液中。另外，电镀液的金属浓度在衬底和电镀液之间的交接面处能够增大。这能够缩短电流停止时间。为了获得充分的搅拌效果，优选的是，使搅拌桨232以70至lOOcm/sec的平均运动速度往复运动。在特定例子中，搅拌桨232以250rpm的速度往复运动，以获得83cm/sec 的平均运动速度。搅拌桨232被设计成往复运动经过衬底。因此，通过利用搅拌桨232搅拌电镀液，能够使得在衬底表面上均勻地进行溶解和能够使得衬底和电镀液之间的交接面处的电镀液的金属离子浓度均勻。调节板2M调节电位分布，以使衬底表面上的电镀膜的厚度均勻。如果不使用调节板224，那么衬底的更靠近电接触点的外周部的电镀膜相对厚，而衬底的中心部的电镀膜相对薄。因此，恐怕在早期电镀阶段中的电流停止时间中，沉积在衬底的中心部的电镀连同下面的种籽层一起通过电镀液的蚀刻作用溶解在电镀液中。因此，在涉及电镀电流的重复供给和停止的电镀中，使用调节板来获得均勻的电位分布是重要的。在完成电镀之后，停止对阳极220和衬底W的铜种籽层16之间施加电压。之后， 通过第二搬运机器人174b再次保持分别装载有衬底W的两个衬底架160，并且将其从电镀槽186撤回。随后，将两个衬底架160搬运到第二水洗装置168b，在该第二水洗装置168b中，通过将衬底浸没到水洗槽184b中所保持的纯水内来清洁衬底的表面。之后，将分别装载有衬底的衬底架160以与上述相同的方式搬运到吹干装置172，在该吹干装置172，通过将空气或惰性气体吹到衬底架160上以去除衬底架160上的电镀液和水滴。之后，将分别装载有衬底的衬底架160返回到储料器164，并且将每个衬底架160以与上述相同的方式悬置并保持在储料器164中的预定位置处。第二搬运机器人174b顺序地重复上述操作以将分别装载有经过电镀的衬底的衬底架160顺序地返回到储料器164中的预定位置并且将衬底架160悬置在储料器164中。 另一方面，通过第二搬运机器人17 同时夹持已经返回到储料器164中的、装载有经过电镀的衬底的两个衬底架160，并且将以与上述相同的方式放置在衬底附装/拆卸台162上。配置在清洁空间114中的第一搬运机器人1 将放置在衬底附装/拆卸台162中的一个上的衬底架160中的衬底取出并且将该衬底搬运到清洗/干燥装置124中的一个。 在清洗/干燥装置1 中，对保持在前表面朝上的水平位置的衬底例如用纯水进行清洁，并随后通过高速转动来脱水干燥。之后，通过第一搬运机器人1 将衬底返回到安装在装载 /卸载口 120上的衬底盒，由此完成电镀操作过程。图11是示出根据本发明的另一种实施方式使电镀电流在阳极220和衬底W的铜种籽层16之间流动的方式的图表。在图11示出的实施方式中，连续地实施时间T4上的早期电镀、时间T5上的中期电镀和时间T6上的后期电镀，其中，电镀电流在阳极220和衬底W 的铜种籽层16之间以不同的图形流动。具体地，在时间T4上的早期电镀中，电流供给节距(时间间隔)&是电流供给时间 S4和电流停止时间C4的总和，该电流供给节距(时间间隔)P4重复L2次(T4 = P4XL2)，其中，在电流供给时间、中，持续供给电流值A2的电镀电流，在电流停止时间C4中，电镀电流的供给停止。在时间T5上的中期电镀中，电流供给节距(时间间隔)P5是电流供给时间& 和电流停止时间C5的总和，该电流供给节距(时间间隔)P5重复M2次(T5 = P5XM2)，其中， 在电流供给时间&中，持续供给电流值A2的电镀电流，在电流停止时间C5中，电镀电流的供给停止。在时间T6上的后期电镀中，电流供给节距(时间间隔)P6是电流供给时间&和电流停止时间C6的总和，该电流供给节距(时间间隔)P6重复N2次(T6 = P6XN2)，其中，在电流供给时间&中，持续供给电流值A2的电镀电流，在电流停止时间C6中，电镀电流的供给停止。早期电镀中的电流供给节距P4、中期电镀中的电流供给节距P5和后期电镀中的电流供给节距P6被设置成相等(P4 = P5 = P6)。早期电镀中的电流供给时间S4、中期电镀中的电流供给时间&和后期电镀中的电流供给时间&被设置成使得电流供给时间S以这样的顺序( <S5< S6)阶梯式增大。相应地，电流停止时间C以下面的顺序阶梯式减小早期电镀中的电流停止时间c4、中期电镀中的电流停止时间C5和后期电镀中的电流停止时间 Cg 〉C5〉C6) ο因此，根据本实施方式，衬底的电镀以随着电镀的进展、电流供给时间阶梯式增大且电流停止时间阶梯式减小的方式实施。这种电镀方式也能够以自下而上的方式将诸如铜的电镀金属牢固且有效地填充到深的高纵横比的导孔中，而不会在待填充的电镀金属中产生诸如空穴的缺陷。在上述实施方式中，连续地实施具有不同图形的电镀电流供给的三个电镀步骤， 艮口，早期电镀、中期电镀和后期电镀。但是，也可以连续地实施具有不同图形的电镀电流供给的两个电镀步骤，或者连续地实施具有不同图形的电镀电流供给的四个或更多个电镀步
马聚ο已经在实验上确认，在IASD的电流密度下将具有20msec的电流供给时间和 48msec的电流停止时间的第一电镀步骤实施20分钟，并且随后在IASD的电流密度下将具有40msec的电流供给时间和^msec的电流停止时间的第二电镀步骤实施20分钟，由此能够在40分钟内将电镀金属完全填充到直径为5 μ m且深度为50 μ m的导孔中。在图10示出的实施方式中，电流停止时间阶梯式减小，而电流供给时间恒定。在图11示出的实施方式中，电流供给时间阶梯式增大，而电流供给节距恒定。例如，可以替代图10示出的实施方式中的阶梯式减小，而是使电流停止时间逐渐减小。此外，可以替代图 11示出的实施方式中的阶梯式增大，而是逐渐增大电流供给时间。衬底的导孔密度、S卩，衬底的电镀面积中导孔总面积的比例至多为10%，并且通常不大于5%。衬底的导孔密度越高，供给到导孔中的金属离子的量越大，并且因此本发明获得的效率越高。在具有高纵横比的导孔中，侧壁的表面种籽层可能不完全或有缺陷，这对电镀是不利的，而且会导致缺陷电镀。对于以高密度具有高纵横比导孔的衬底来说，出现缺陷电镀的可能性高。当使用在初始电镀阶段用非常低的电流并且以阶梯式增大电流使得电镀膜包括缺陷种籽层部分增长的电镀方法在这种衬底上实施电镀以将电镀金属填充到具有缺陷种籽层部分的导孔中时，各种问题会如前所述地出现。与此相反，通过本发明的在电镀过程中使用恒定电流密度以使电镀液中的添加剂发挥目标效果的电镀方法能够避免这些问题。这里的表述“恒定电流密度”包括在大约士 10%范围内的变化。 虽然参照优选实施方式描述了本发明，但应当理解为，本发明并不限于上述实施方式，而是能够在如这里表达的本发明构思的范围内进行各种改变和变型。例如，在上述实施方式中，以使得电镀电流的供给和停止重复的方式使具有恒定电流值的电镀电流在衬底和阳极之间流动，并且使得供给电镀电流的电流供给时间的比例随着电镀的进展阶梯式增大，当然，可以在不会导致诸如添加剂的消耗和来自阳极的阳极泥产生的上述问题的范围内改变电镀过程中的电镀电流。
权利要求
1.一种电镀方法，包括将具有阳极且在表面上形成有导孔的衬底浸没在电镀槽中的电镀液内，所述阳极被配置成与所述衬底的表面相对；并且使具有恒定电流值的电镀电流在所述衬底和所述阳极之间以反复进行所述电镀电流的供给和停止的方式间歇地流动，并且使得供给所述电镀电流的电流供给时间的比例随着电镀的推进而增大，由此将电镀金属填充到所述导孔中。
2.根据权利要求1所述的电镀方法，其中，使所述电镀电流的供给停止的电流停止时间随着电镀的推进而减小。
3.根据权利要求1所述的电镀方法，其中，所述电流供给时间在整个电镀处理中是恒定的。
4.根据权利要求2所述的电镀方法，其中，所述电流供给时间在整个电镀处理中是恒定的。
5.根据权利要求1所述的电镀方法，其中，所述电流供给时间随着电镀的推进而增大。
6.根据权利要求5所述的电镀方法，其中，使所述电镀电流的供给停止的电流停止时间在整个电镀处理中是恒定的。
7.根据权利要求5所述的电镀方法，其中，所述电流供给时间和使所述电镀电流的供给停止的电流停止时间的总和为电流供给节距，所述电流供给节距在整个电镀处理中是恒定的。
全文摘要
本发明公开一种电镀方法，其能够以自下而上的方式将电镀金属牢固且有效地填充到深的高纵横比的导孔中，而不会在电镀金属中产生缺陷。该电镀方法包括将具有阳极且在表面上形成有导孔的衬底浸没在电镀槽中的电镀液内，所述阳极被配置成与所述衬底的表面相对；并且使具有恒定电流值的电镀电流在所述衬底和所述阳极之间以反复进行所述电镀电流的供给和停止的方式间歇地流动，并且使得供给所述电镀电流的电流供给时间的比例随着电镀的推进而增大，由此将电镀金属填充到所述导孔中。
文档编号C25D5/18GK102534714SQ20111044352
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月20日 优先权日2010年12月21日
发明者下山正, 安田慎吾, 栗山文夫, 玉理裕介, 长井瑞树 申请人:株式会社荏原制作所