金通硅掩模电镀的制作方法

金通硅掩模电镀
优先权主张
1.本技术要求于2019年2月14日申请的、名称为“gold through silicon mask plating”的美国临时专利申请no.62/805,604的优先权，其全部内容都通过引用合并于此。
技术领域
2.本公开内容整体上涉及金通硅掩模(tsm)电镀，特别是用于半导体制造中的衬底处理。


背景技术：

3.这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。
4.在微米级形成金属结构最常通过使用一个或多个预先图案化的牺牲掩模执行的电镀操作来完成。一种方法使用有机光致抗蚀剂掩模。这种方法通常被称为通抗蚀剂电镀。晶片级封装(wlp)行业的一些制造商广泛使用此类方法来形成铜(cu)和金(au)重分布层(rdl)，以及铜、镍(ni)和锡(sn)合金焊料的倒装芯片凸点互连，并进行金凸点技术。甚至更复杂的结构，例如在微机电系统(mems)应用中发现的结构，也利用了通抗蚀剂电镀技术。
5.在提供另一种选择的同时，具有au的tsm电镀也存在一些巨大的困难。au金属很容易在si掩模上虚假沉积，在通孔开口处更是如此。这种不希望有的在硅上的金沉积继续生长，通常在通孔入口处生长得更厚(intensely)，这可能会削弱所需的金通孔填充电镀图案。最终，通孔入口或通孔入口的至少一部分变得基本上封闭。这可能过早地不允许完全填充au通孔。这些有缺陷的部分填充通孔通俗地称为空隙，根据封闭的性质，这些空隙可以具有各种形状、大小和位置。


技术实现要素：

6.本公开内容试图解决上述困难中的至少一些。本公开内容提供了用于tsm电镀金(au)的示例方法。此处的tsm与通硅通孔(tsv)方法的区别在于，在tsm中，si通常是设置在金属籽晶层上方的牺牲层，因此沉积将仅发生在通孔中。然而，大量的金沉积仍然发生在si场上，通常在通孔入口处发生得更严重。这种虚假沉积是不期望有的，并且在某些情况下，通孔入口的关闭可能会中断au通孔填充过程。这种中断可能导致或留下有缺陷的结构或部分填充和/或空隙，以及高度不均匀的通孔填充。这些和其他问题在一些示例中通过循环沉积
‑
蚀刻处理工艺解决，在本文中也称为蚀刻辅助的金通硅掩模(eag
‑
tsm)。在一些示例中，该工艺寻求最大限度地减少si场电镀并保持通孔入口完整性，从而实现完整的通孔填充并消除封闭空隙，尤其是在高深宽比结构中。
7.因此，在一些示例中，一种蚀刻辅助的金(au)通硅掩模电镀(eag
‑
tsm)的方法包括：在衬底上提供籽晶层；在所述衬底上的所述籽晶层的至少一部分上提供硅掩模，所述硅
掩模包括待用au填充的一个或多个通孔；使有掩模的所述衬底经受至少一个处理循环，每个处理循环包括电镀au子步骤和蚀刻处理子步骤；以及重复所述至少一个处理循环，直到达到所选定的通孔填充厚度。
8.在一些示例中，通过蚀刻处理子步骤去除通过所述电镀子步骤沉积在通孔附近的残留au。在一些示例中，通孔填充效率基于通孔填充程度与残余au的程度的对比。
9.一些示例还包括基于在所述电镀子步骤中所述au电镀溶液的化学成分中包含三氧化硫(so3)来调节所述通孔填充效率。一些示例还包括基于在所述电镀子步骤中在所述au电镀溶液的化学成分中包含氰化物(cn)来调整所述通孔填充效率。
10.在一些示例中，所述蚀刻处理子步骤中的蚀刻剂包括摩尔比为6:1的i
‑
/i2。在一些示例中，所述蚀刻处理子步骤中的蚀刻剂包括摩尔比为1:3的王水。
11.在一些示例中，所述至少一个循环中的第一循环的循环时间等于所述至少一个循环中的第二循环的循环时间。在一些示例中，所述至少一个循环中的第一循环的循环时间不等于所述至少一个循环中的第二循环的循环时间。
12.在一些示例中，在使有掩模的所述衬底经受所述至少一个处理循环的第一时间段期间应用所述蚀刻处理子步骤的频率不同于在使有掩模的所述衬底经受所述至少一个处理循环的第二时间段期间应用所述蚀刻处理子步骤的频率。
13.在一些示例中，提供了一种用于蚀刻辅助的金(au)通硅掩模电镀(eag
‑
tsm)的方法的电镀系统。在一些示例中，所述电镀系统包括：阴极；阳极；原位衬底处理模块，其被配置为执行至少一个处理循环的交替子步骤，所述子步骤包括电镀au子步骤和蚀刻处理子步骤，所述处理模块由每个子步骤操作共用；机械手，其用于接收衬底或将所述衬底传送至所述处理模块，所述衬底包括籽晶层和位于所述衬底上的所述籽晶层的至少一部分上的硅掩模，所述硅掩模包括待通过所述电镀系统用au填充的一个或多个通孔；衬底保持器；以及蚀刻剂输送装置，其能操作以在所述蚀刻处理子步骤期间输送蚀刻剂。
14.在一些示例中，在电镀au子步骤期间，所述衬底保持器能操作以将所述衬底降低到所述处理模块中的电镀au溶液中，并且在所述电镀au子步骤之后将所述衬底从所述电镀溶液中取回。在一些示例中，当所述衬底保持器处于取回位置时，所述衬底保持器还能操作以在所述蚀刻处理子步骤期间将所述衬底保持在蚀刻剂的路径中。
15.在一些示例中，所述处理模块被配置为重复所述至少一个处理循环直到达到选定的通孔填充厚度。
16.在一些示例中，所述衬底保持器被配置为至少在所述蚀刻处理子步骤期间应用选定的衬底旋转速度。
附图说明
17.一些实施方案以举例而非限制的方式在附图中示出：
18.图1a
‑
1b是图示了涉及通硅掩模(tsm)和通硅通孔(tsv)技术的方法的示例方面的示意图。
19.图2a
‑
2f图示了根据一些示例的某些场沉积不规则性的示意图。
20.图3a
‑
3c描绘了一些示例性空隙缺陷的截面图。
21.图4图示了根据示例性实施方案的eag
‑
tsm方法中的示例操作。
22.图5a
‑
5c图示了由示例性eag
‑
tsm工艺创建的示例性形成物的方面。
23.图6示出了根据示例性实施方案的处理模块的截面图。
具体实施方式
24.下面的描述包括体现本发明的说明性实施方案的系统、方法和技术。在以下描述中，为了解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对示例实施方案的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的主题。
25.本专利文件的公开内容的一部分含有受版权保护的材料。版权所有者不反对由任何人对专利文件或专利公开内容进行传真复制，因为其出现在专利和商标局的专利档案或记录中，但在任何其他方面保留所有版权。以下声明适用于如下面所述以及在形成本文件的一部分的附图中的任何数据：lam research corporation，2019
‑
2020，保留所有权利
26.在寻求以非常小的规模形成金属结构时存在某些困难。如上所述，例如在微米级形成结构最常通过使用一个或多个预先图案化的牺牲掩模的电镀操作来完成。一种方法采用有机光致抗蚀剂掩模，并且通常称为通抗蚀剂电镀。wlp行业也广泛使用此类方法来形成cu和au rdl，cu、ni和sn合金焊料的倒装芯片凸点互连以及au凸点。甚至更复杂的结构，例如在mems应用中发现的结构，也使用了通抗蚀剂电镀技术。
27.在一些更专业的应用中，需要由金金属形成大的高深宽比(har)结构。大型har结构的尺寸范围可以为横向约2至50μm(微米)，高度为10至200μm。术语“通孔”在本文中用于指代待用金属填充的衬底或层中的空的空间，并且术语“通孔填充”在本文中用于指代这些通孔中的金属沉积。应注意，这种通孔的形状不一定是圆筒形，而是可以采用更复杂的形状。然而，如此大的har尺寸会阻止使用更传统的有机光致抗蚀剂掩模。另一种方法包括使用硅作为牺牲掩模。图1a
‑
1b描绘了涉及tsm和tsv技术的方法的示例性方面的相应示意图。tsm工艺与tsv工艺的明显区别在于集成方案和电镀沉积过程可能非常不同。
28.用au进行tsm电镀可能存在显著的困难。金金属很容易在硅掩模上虚假沉积，特别是在通孔开口处。图2b
‑
2f示出了当在图2a的有掩模的衬底上执行au tsm时有问题的场沉积形成物和与其相关的可能的问题的一些示例。这种不希望有的在si上的au沉积继续生长，有时在通孔入口处甚至会生长得更厚，这会干扰所需的au通孔填充电镀。最终，通孔入口或通孔入口的一部分基本上被封闭(例如参见图3c)，从而过早地完全中断了au通孔填充。这种有缺陷的部分填充通孔通俗地称为空隙，并且根据封闭的性质，它们可以具有各种形状、大小和位置。图3a
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3c描绘了这些缺陷(空隙)中的一些的示例。
29.转向寻求解决这些问题的示例，基于金的tsm的一种方法包括循环顺序电镀
‑
蚀刻处理方法，在此也称为蚀刻辅助的金tsm(eag
‑
tsm)。这种方法400中的示例操作在图4中示出。如图所示，方法400可以包括阶段或循环402(例如，eag循环
‑
1到eag循环
‑
n，如图所示)。在一些示例中，eag
‑
tsm方法400中的每个eag循环402可以包括电镀子步骤404和蚀刻处理子步骤406，直到达到期望的au填充厚度408。在每个蚀刻处理子步骤406期间，si场上的残留(不需要的)au被去除，从而为下一个电镀子步骤404留下干净的场(如图所示)。包括交替循环402的eag
‑
tsm方法400一旦实现了所需的au通孔填充408，就终止。
30.在一些示例中，在每个沉积子循环期间，au通孔填充效率被定义为通孔填充的程
度与不想要的硅场上金沉积的对比。示例性的填充效率可能受金化学成分(例如三氧化硫so3，与基于氰化物(cn)的金相反)、添加剂的存在和/或类型及其浓度、加工条件(例如，温度、电流密度波形、对流程度较小)，以及每个子循环的沉积时间的影响。沉积时间可能是一个因素，因为已经观察到在较长的沉积时间(例如，>2小时)下，虚假的硅场上金生长会加速。不希望受理论束缚，据信在发生大量成核后，au沉积速率更快，并且可用于反应的au表面积也逐渐变大。应注意到，虽然在一些示例中，硅上金沉积是自发的，但在最佳化学和工艺条件下，它仍然显著低于金通孔填充，即其具有有利的填充效率。因此，在进行蚀刻处理步骤以去除虚假si场沉积之前，可能已经进行了大量的au填充。优化电镀循环时间以防止过度镀硅，从而保持良好的金通孔填充特性，包括均匀性。
31.示例性的化学品选项可用于蚀刻虚假的硅场上金沉积。选项可以包括i
‑
/i2(通常摩尔比为6:1)和王水(硝酸和盐酸的配方混合物，通常摩尔比为1:3)，它们与si掩模兼容。可以优化蚀刻剂浓度、增强添加剂、温度和加工条件以产生所需的蚀刻速率。硅场上金的蚀刻可能以比金通孔填充高得多的速率发生。这可能是由于存在可能施加非常不同的传递物质条件的大的几何差异。该场很容易获得蚀刻剂分子的供应，而另一方面，由于扩散限制，通孔中蚀刻剂的供应总是受到限制。结果，硅场上金沉积物被有效去除，而金通孔填充产品的减少最小。
32.每个沉积和蚀刻处理子循环时间也可以单独优化。例如，在大约填充示例50μum通孔的前半部分时，可以观察到相对少量的场沉积。在较厚的通孔填充处，这些虚假的硅上金沉积往往更容易发生。在一些示例中，最佳eag
‑
tsm工艺通常是这样一种工艺，其中初始子沉积填充目标较大，随后在后期阶段进行更高频率的沉积
‑
蚀刻循环。
33.图5a图示了由示例eag
‑
tsm工艺500或上述方法400创建的示例性形成物的方面。如502和504所示，在交替系列的板和步骤操作500中的每个蚀刻处理循环之后，都很好地去除了虚假的硅场上金沉积物。可以调整工艺循环时间(尤其是在其最后阶段)以帮助最小化最终覆盖层，其定义为硅场上金的沉积量。具有轻微和无覆盖层的实例的各个截面图在图5b
‑
5c中示出。
34.一些进一步的示例包括从设备
‑
机器设计的角度实现eag
‑
tsm。示例性的实现设计可以根据以下类别进行分类：类别(i)异位蚀刻，或类别(ii)原位蚀刻。
35.类别(i)示例可以包括两个单独的处理模块中的沉积和蚀刻处理阶段，其中每个模块的主要功能仅针对各自的电镀和蚀刻处理工艺。在每个循环中，通常需要在电镀和蚀刻模块之间转移(通常由机械手协助)以这种方式处理的晶片。示例性的电镀槽可以包括被优化以产生高质量镀金的某些元件。类似地，蚀刻模块也可以针对高质量蚀刻处理进行优化。因此，例如，蚀刻处理模块可包括(a)分配技术或(b)采用浸没方法。在使用分配技术的选项(a)中，成组的喷嘴仅在处理期间将蚀刻剂液体输送到晶片表面。蚀刻剂流出物如果仍然足够有效，则可以回收以备后用。另一方面，选项(b)浸没方法将晶片浸没到蚀刻剂浴中。从流程和设计简单性的角度来看，这可能是一种有吸引力的方法。
36.在一些示例中，类别(ii)原位设计方法可以在同一工艺模块中组合沉积和蚀刻处理。这种模块600的示例在图6中描绘。在一些示例中，相同的模块(或电镀槽)600执行镀金步骤和蚀刻处理步骤。这些步骤可以连续地重复交替。在执行交替步骤(或循环)之前，一个步骤可以重复多次。因此，例如，两个电镀步骤之后是蚀刻步骤，然后一个电镀步骤之后是
三个蚀刻步骤，等等。许多变化是可能的。
37.如图所示，在电镀循环结束时，晶片保持器从图示的电镀溶液中移除(在右侧视图中)处理过的晶片。模块600内的一组或多组喷嘴(例如，如图所示)首先用水然后用蚀刻剂冲洗取回的晶片，以便为蚀刻处理步骤做准备。在一些示例中，在冲洗和蚀刻处理步骤期间应用高晶片旋转速度以帮助转移冲洗液和蚀刻处理流出物以免进入电镀槽浴。如图所示，还可以缩回或推进诸如活门之类的可移动屏障以进一步最小化电镀溶液浴的污染。
38.因此，在一些实施方案中，eag
‑
tsm循环电镀
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蚀刻处理被提供为组合工艺。示例会提供某些差异化的特征和好处。可以提供关联于封闭相关空隙缺陷的问题的解决方案。由于eag
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tsm工艺的缺陷抑制特性，一些示例可以成功部署以形成厚或高的通孔结构，并实现比传统电镀工艺更高的无缺陷性能水平。一些示例解决了与过度虚假硅场上金沉积相关的生产问题。示例性的eag
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tsm工艺可以在传统电镀工艺无法达到的水平上产生最小的硅上金沉积。一些示例性的eag
‑
tsm工艺有助于最小化甚至完全去除au覆盖层。一些示例使得能独立控制、调整和优化通孔填充沉积与硅场上金沉积的对比关系。
39.虽然已经参考具体示例性实施方案描述了实施方案，但是显然可以对这些实施方案进行各种修改和改变而不脱离本发明的更广泛的范围。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。形成其一部分的附图通过说明而非限制的方式示出了可以在其中实践该主题的特定实施方案。所说明的实施方案被足够详细地描述以使本领域技术人员能够实践本文公开的教导。其他实施方案可以被利用并从中导出，使得可以在不脱离本公开内容的范围的情况下进行结构和逻辑替换和改变。因此，本具体实施方式不应被理解为限制性的，并且各种实施方案的范围仅由所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同方案的全部范围限定。
40.本发明主题的这些实施方案在本文中可以单独地和/或共同地通过术语“发明”来指代，其仅仅是为了方便并且不打算自愿地将本技术的范围限制到任何单个发明或发明构思，如果事实上披露的不止一个的话。因此，虽然这里已经图示和描述了特定实施方案，但是应当理解，任何被计算以实现相同目的的布置都可以替代所示的特定实施方案。本公开内容旨在涵盖各种实施方案的任何和所有修改或变化。在阅读以上描述后，上述实施方案以及本文未具体描述的其他实施方案的组合对于本领域技术人员来说将是显而易见的。