CN104651893B - 用于电镀的碱预处理 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电镀的碱预处理。在电沉积之前，具有一个或多个凹陷特征(例如硅通孔(TSV))的半导体晶片通过使晶片与预先润湿液接触进行预处理，该预润湿液体包括缓冲剂(如硼酸盐缓冲剂)并具有介于约7和约13之间的pH值。该预处理对具有对酸敏感的含镍籽晶层(如NiB和NiP)的晶片是特别有用的。预润湿液体优选在与晶片衬底接触之前脱气。优选在低于大气压的压强下进行预处理，以防止在凹陷特征内的气泡形成。在对晶片进行预处理后，例如铜之类的金属从酸性电镀溶液被电沉积以填充晶片上的凹陷特征。所描述的预处理最小化在电镀期间籽晶层的腐蚀，并减少电镀缺陷。

Description

用于电镀的碱预处理
技术领域
本文所公开的实施方式涉及用于电镀的预处理方法。更具体地说，实施方式涉及用于在将导电材料电沉积到晶片上之前处理半导体晶片以供集成电路制造的预润湿方法。
背景技术
在集成电路制造中，诸如铜等导电材料通常是通过电镀而沉积到金属的籽晶层上以填充在晶片衬底上的一个或多个凹陷特征。电镀是在金属镶嵌处理期间用于沉积金属到晶片的通孔和沟槽中的选择方法，并且也被用于填充硅通孔(TSV)，硅通孔(TSV)是在3D集成电路和3D封装件中使用的相对较大的垂直电连接件。
在电镀期间，对籽晶层(典型地在晶片的周边)制造电触点，使晶片电偏置以用作阴极。使晶片与电镀溶液接触，该电镀溶液含有拟被电镀的金属的离子和向电镀溶液提供足够的导电性的酸。例如，对于电沉积铜的典型的电镀溶液是含有硫酸铜和硫酸或含有甲磺酸铜和甲磺酸的酸性溶液。电镀溶液也可含有添加剂，该添加剂已知为调节在衬底的不同表面上电沉积速率的促进剂、抑制剂和匀平剂。这些电镀溶液通常具有小于约1的pH值。电镀典型地执行足以用金属填充凹陷特征的时间量。然后，在平坦化操作中，例如通过化学机械抛光(CMP)去除沉积在晶片的场区域上的不需要的金属。
发明内容
在电镀过程中所遇到的问题之一是：在电镀开始时，由于对籽晶层的损坏和/或由于凹陷特征内的电解液组合物的失衡而导致的在被填充的凹陷特征中的空穴和缺陷的形成。例如，某些籽晶层对于电镀溶液的酸性环境是敏感的并可能会受到腐蚀。这些对酸敏感的籽晶层包括含镍层，如NiB和NiP层。然而，含镍籽晶层在许多应用中是优选的籽晶层，因为它们可以高保形的方式通过无电沉积进行沉积。本文所描述的实施方式提供了一种在电镀之前处理具有对酸敏感的籽晶层的半导体晶片的晶片预处理方法以及装置。所提供的方法能够显著减小对籽晶层的损坏，并使得在不必依赖无酸的电镀溶液的情况下能在对酸敏感的籽晶层上进行无空隙的电填充。
在第一方面中，描述了一种在包括一个或多个凹陷特征的晶片衬底上电镀金属的方法。所述方法包括：提供其表面的至少一部分上具有露出的含镍层的晶片衬底；使所述晶片衬底与预润湿液体接触，所述液体包含缓冲剂并具有范围在约7和约13之间的pH值以预润湿所述晶片衬底上的含镍层；并随后使用酸性电镀溶液将所述金属(例如铜)电沉积到所述含镍层上，其中电沉积的所述金属至少部分地填充所述一个或多个凹陷特征。
在一些实施方式中，预润湿液体的pH为在约9至约11之间，例如约11，并且预润湿液体包括硼酸盐缓冲剂。在一些实施方式中，所述硼酸盐的浓度为介于约10mM至约1M之间，例如0.1M左右，可用于预处理的其它缓冲剂包括碳酸盐缓冲剂和磷酸盐缓冲剂。
预润湿液体通常包括pH调节剂，该pH调节剂在某些实施方式中选自由四烷基铵氢氧化物和碱金属氢氧化物(例如KOH)组成的组中。在其它实施方式中，pH调节剂包括氨。
在一些实施方式中，所述预润湿液体还包含来自聚亚烷基二醇类的化合物。在一些实施方式中，所述预润湿液体包括硼酸盐(例如，浓度为约0.1M)、KOH和来自聚亚烷基二醇类的化合物，且具有约11的pH值。
在一些实施方式中，预润湿液体在接触晶片衬底之前脱气。在一些实施方式中，在使所述晶片衬底与所述预润湿液体接触之前将预润湿处理室内的压强减小至低于大气压的压强。预润湿液体可使用多种方法输送到晶片上。在一些实施方式中，液体被喷洒到晶片衬底上。晶片衬底当其接触所述预润湿液体时可以是在基本水平的方向上。
在一些实施方式中，该方法被用于填充晶片衬底上的一个或多个TSV。在一些实施方式中，所述方法进一步包括：施加光致抗蚀剂到所述晶片衬底；使所述光致抗蚀剂暴露于光；布图所述抗蚀剂并将图案转印至所述工件；以及从所述工件选择性地去除所述光致抗蚀剂。
在另一个方面，提供了一种用于电镀金属到包括一个或多个凹陷特征的晶片衬底上的含镍层上的装置，该装置包括：预润湿室，其被配置成用于输送预润湿液体到所述晶片衬底上；电镀容器，其被配置用于盛装酸性电镀溶液，其中，所述装置被配置用于从所述电镀溶液电沉积金属到所述晶片衬底上的所述含镍层；以及控制器，其具有用于实现本文所提供的一种或多种方法的程序指令和/或逻辑。例如，控制器可以包含用于下述操作的指令和/或逻辑：使所述晶片衬底与所述预润湿液体接触，所述液体包括缓冲剂并具有范围介于约7和约13之间的pH值以预润湿所述晶片衬底上的含镍层；以及使用所述酸性电镀溶液将所述金属电沉积到所述含镍层上。
在另一个方面，提供了一种预润湿液体，其中所述液体包括：硼酸盐缓冲剂，其含有硼酸盐；以及选自由四烷基铵氢氧化物和碱土金属氢氧化物所组成的组中的pH调节剂；以及来自所述聚亚烷基二醇类的化合物，其中，所述预润湿液体的pH值介于约8至约13之间。
在另一个方面，提供了一种包含程序指令的非临时性计算机机器可读介质。用于控制电镀装置的程序指令包括用于执行上述方法中的任何方法的代码。
本发明的这些和其它的特征和优点将参照随后的附图和相关的描述更加详细地阐述。
附图说明
图1是具有与电镀溶液接触的TSV的晶片衬底的横截面的示意图，示出了当不同的溶液组分移动到通孔中时，不同的溶液组分扩散的相对速率。
图2是在无碱性预处理的情况下进行处理的晶片衬底的横截面的示意图，其示出了在通孔的底部具有空隙的铜填充TSV。
图3A-3D展示了根据本文中所提供的实施方式，在TSV处理的不同阶段半导体器件横截面的示意图。
图4展示了用于根据本文所提供的实施方式的沉积方法的工艺流程图。
图5展示了根据本文所提供的实施方式的预处理方法的工艺流程图。
图6展示了根据本文所提供的实施方式的制备预润湿溶液的方法的工艺流程图。
图7是适合用于输送本文所提供的预润湿液体的预润湿处理室的简化示意图。
图8为根据本文所提供的实施方式的适合于填充凹陷特征的电镀装置的简化示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，根据某些具体的结构和工艺来介绍本发明，以帮助解释其可以如何实施。本发明并不局限于这些特定的实施方式。本发明的具体实施方式的实例示于附图中。虽然本发明将结合这些具体实施方式予以描述，但应当理解，这并不意味着使本发明局限于这些具体实施方式。相反，它旨在覆盖可以被包括在所附权利要求的范围和等同方案内的替换、修改和等同方案。在下面的描述中，许多具体细节被阐述，以便提供对本发明的透彻理解。本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的条件下实施。在其他实例中，公知的处理操作未被详细描述，以免不必要地使本发明变得难以理解。
使用本公开的各种术语来描述半导体工件。例如，“晶片”和“衬底”可以互换使用。通过电化学反应沉积或者电镀金属到导电表面的过程被统称为电镀或电填充。含铜金属在本申请中被称为“铜”，其包括但不限于，纯铜金属、具有其他金属的铜合金、以及掺杂有在电填充操作过程中所使用的诸如有机和无机化合物之类的非金属物质(例如，匀平剂、促进剂、抑制剂、表面活性剂，等等)的铜金属。用在本公开中的术语“硼酸盐”、“碳酸盐”、“柠檬酸盐”和“磷酸盐”不受限制地包括相应的共轭酸，本领域技术人员会理解这一点。例如，“硼酸盐缓冲剂”可包括硼酸盐和硼酸两者。
尽管电填充过程将主要参考铜的电镀进行描述，然而应该理解的是，本文提供的方法和相关的装置配置可以被用来执行诸如金、银、镍、钌、钯、锡、铅/锡合金等其它的金属和合金的电镀，电镀电解液将包括所需的金属离子(金属盐)源，并且通常地包含酸以提高电解液的导电性。
所述预处理过程可以在任何类型的籽晶层(例如，铜、镍、钌、钨等)上实施，但对于对酸敏感的籽晶层特别有用。这些对酸敏感的籽晶层包括含镍籽晶层，尤其是那些通过无电沉积而沉积的和/或具有除镍以外的其它元素(例如，约1％原子或更多的其它元素)的含镍籽晶层。这些含镍层的例子是NiB层和NiP层，其中，配方并不意味着50％的Ni的化学计量成分。在一些实施方式中，所述其它元素的含量(例如，NiB中的硼和NiP中的磷)在约0.01～50原子％之间，例如约25原子％。可从碱性预处理中获益的对酸敏感层的其他例子包括任何组成(如铜籽晶层)的超薄层。
所提供的方法可用于在用任何类型的电解液电镀前进行预处理。在用具有低于3(例如低于1)的pH值的强酸性和腐蚀性的电镀溶液电镀之前，预处理的好处是特别突出的。
所提供的方法可用于填充各种凹陷特征，但用于填充TSV是特别有利的，这些TSV是具有相对大的尺寸和高深宽比的凹陷特征。TSV典型地具有5：1和更大的深宽比，如10：1和更大，甚至20：1和更大(例如，达到约30：1)的深宽比，并且在开口的宽度为约1μm或更大，例如约5μm或更大，深度为约20μm或更大，例如50μm或更大，以及100μm或更大。TSV的实例包括5×50μm和10×100μm的特征。这样大的凹陷特征当用对酸敏感的籽晶层涂敷时是特别难以使用常规技术来填充的。
图1示出了在电镀溶液与具有凹陷特征的衬底接触时电镀溶液成分的分布的模型。示出了衬底的横截面示意图。衬底包括电介质材料层101和嵌在电介质中的通孔103。诸如W/WN双层之类的保形扩散阻挡层105位于电介质层上。诸如NiB或NiP层之类的保形籽晶层107位于阻挡层105的顶部上，并且被暴露于电镀溶液120。电镀溶液含有金属盐、酸、促进剂和抑制剂。当电镀溶液与衬底接触时，所述电镀溶液的不同组分以不同的速度行进到凹陷特征的底部。通过箭头121表示的H+离子以比其它成分明显更快地行进到通孔的底部。由箭头123表示的其它离子和加速剂比质子行进慢约10倍，而由箭头125表示的抑制剂分子行进速度更慢，比质子慢约100倍。其结果是，在与电镀溶液接触时，在凹陷的底部产生不平衡的质子富含的环境，可能导致籽晶层的去极化和籽晶层的表面上的腐蚀。
当具有对酸敏感的籽晶层的凹陷特征在没有进行碱性预处理的情况下被电填充时，空隙往往形成在通孔的底部，如图2所示。图2示出了使用酸性电解液用金属填充凹陷特征后衬底的横截面图，其中唯一的预处理是在减压条件下以经脱气的去离子水进行的预润湿。如图所示，电沉积的金属111填充凹陷的特征，并且空隙112形成在凹陷特征的底部。
可以防止这样的空隙形成的预处理方法通过图4中所示的示例性工艺流程图并通过图3A-3D中所示的承受加工的衬底的一系列横截面图示出。在操作401中，提供具有一个或多个凹陷特征以及含镍籽晶层的晶片衬底。这种衬底的一个示例的横截面图示于图3A中。图3A示出了位于电介质层101中的TSV 103。图3A示出了含有一个通孔的衬底的一部分。在许多实现方式中，衬底是包含数百个或甚至数百万通孔的半导体晶片。
电介质层101衬有扩散阻挡层105(例如，钽、氮化钽、钛、氮化钛、钨、氮化钨或其组合)，并具有沉积在阻挡层105上的含镍层107。含镍籽晶层107保形地内衬在TSV 103的内壁并且还位于扩散阻挡层的场区域上。在一些实施方式中，含镍籽晶层是通过无电沉积而沉积的NiB或NiP层。无电沉积优于物理气相沉积(PVD)，因为它沉积比PVD层更保形的层。在镍的无电沉积中，将衬底与镍盐以及还原剂(例如，连二磷酸盐、二烷基氨基硼烷或硼氢化钠)接触，以形成含镍层。根据还原剂的性质，形成NiB层或NiP层。例如，使用含硼还原剂提供NiB层，并且使用连二磷酸盐或其它含磷还原剂导致NiP层的形成。
然后对具有暴露的含镍籽晶层的衬底进行预处理，如在图4中的操作403所示。衬底与预润湿液体接触，其中所述液体含有缓冲剂并具有介于约7和约13之间的pH值，例如介于约8和约12之间的pH值，例如介于约9和约11之间的pH值。合适的缓冲剂的示例包括硼酸盐缓冲剂、碳酸盐缓冲剂、柠檬酸盐缓冲剂和磷酸盐缓冲剂。缓冲溶液通常还含有pH调节剂。在一些实施方式中，pH调节剂优选是非配位碱。合适的非配位pH调节剂包括碱金属氢氧化物(例如氢氧化钾，氢氧化钠)，和四烷基铵氢氧化物(例如，四甲铵氢氧化物)。在其它实施方式中，所述pH调节剂可具有配位性质。这样的pH调节剂包括氨和胺类。所提供的实施方式的显著特征是：所述预润湿液体是缓冲剂，这意味着在与酸性电镀溶液接触时，它的pH值不会立即变成酸性，而是在与电镀溶液初始接触后可保持碱性持续一段时间，从而能进行无缺陷电镀。
在一些实施方式中，预润湿液体也可包括对于衬底预处理有用的其它化合物，如润湿剂和表面活性剂(例如，经取代的或未经取代的聚乙二醇或经取代的或未经取代的聚丙二醇)。这样的合适的润湿剂的例子是HSL-PT1，可购自Moses Lake Industries(MosesLake,WA)。在一些实施方式中，预润湿液体也可以包含在电镀液中使用的添加剂。在预处理过程中使用这些化合物减轻了在电镀开始时与添加剂缓慢扩散速率相关联的问题。
在一实施方式中，预润湿液体是含有硼酸盐、氢氧化钾和来自聚亚烷基二醇类的化合物(例如，经取代的或未经取代的聚乙二醇或经取代的或未经取代的聚丙二醇)的水溶液，其中，所述溶液具有介于约9和约12之间的pH值，例如约11的pH值。在一些实施方式中，预润湿液体含有浓度介于约10mM和约1M之间的硼酸盐，例如浓度约0.1M的硼酸盐。可通过任何合适的方法使润湿液体与衬底接触，例如通过将液体喷洒到衬底上、使液体在衬底上流过、使衬底浸没到液体中等。在一些实施方式中，将液体喷洒到旋转的衬底上是优选的。
在图3B中示出了在预处理后的衬底的横截面图。在衬底上形成预润湿液体的连续润湿层108，从而同时在凹槽的底部、在凹部的侧壁上、以及在该场区域中提供用于含镍籽晶层的碱性缓冲环境。
接着，在操作405中，使用酸性电镀溶液将金属电沉积到衬底上。在电沉积中，向含镍籽晶层施加负偏置，使得晶片衬底用作阴极。使衬底与电镀溶液接触，该电镀溶液包含正在被电镀的金属离子，并且优选地包含酸。电镀溶液也可含有添加剂。添加剂的示例包括促进剂、抑制剂以及匀平剂。对于铜沉积的示例性电镀溶液包括铜盐(如硫酸铜)、酸(如硫酸)、加速剂(例如，双-(3-磺丙基)二硫化物，SPS)、氯离子和抑制剂。电镀进行足够长的时间，以至少部分地填充凹陷特征。在一些实施方式中，所述凹陷特征被完全填充。在图3C所示的结构中示出了通过电镀完全填充铜的凹陷特征111。底层的含镍籽晶层未在此图中示出，以保持清晰。因为衬底在与酸性电镀溶液接触之前用碱性缓冲溶液进行了预处理，所以在所填充的凹陷特征内部没有空隙形成。
接着，在操作407中，从衬底上除去多余的金属。在一些实施方式中，在电镀过程中沉积在场区域上的不需要的金属随后使用例如化学机械抛光或湿法蚀刻技术去除。这样的金属去除之后获得的衬底的结构如图3D所示。在图示的实施方式中，该衬底被平坦化以去除电沉积的金属以及下层的含镍籽晶层。在一些实施方式中，然后通过随后的平坦化操作去除扩散阻挡层。
在一些实施方式中，尤其当处理具有带有大于1μm的宽度的特征的衬底时，采取特别的步骤以防止在衬底上的特征内形成气泡。这些实施方式通过在图5中所示的预处理工艺流程图示出。在操作501中，对预润湿液体进行脱气。在一些实施方式中，进行脱气以基本上从液体除去氧气和氮气两者。例如，可以通过使预润湿液体流过隔膜接触脱气器执行这样的全面脱气。市售的脱气设备的例子包括Liquid-CelTM(来自Membrana of Charlotte,NC)和pHasorTM(来自Entegris of Chaska,Minnesota)。在操作503中，在容纳晶片衬底的预润湿处理室中的压强降低到低于大气压的压强。在一些实施方式中，将压强降低到介于约10至100托之间，如至约60托。在操作505中，使已脱气的预润湿液体与设在预润湿室中的衬底接触。例如，可以旋转衬底，同时使经脱气的预润湿液体喷洒至衬底或在衬底上流动。连续的润湿层因该操作而形成，从而在随后的电镀过程中，使气泡形成的概率最小化。接着，在操作507，在预润湿室中将压强升高到大气压，并且将预润湿的衬底转移到电镀室以便随后将金属电沉积到凹陷特征中。可以结合在本文中提供的碱性预润湿溶液一起使用的在减压下进行预润湿的装置和方法的细节在Mayer等人的、名称为“Wetting Pretreatment forEnhanced Damascene Metal Filling”的、于2010年12月23日公布的美国专利申请公布No.2010/0320609中有描述，该专利申请通过引用将其整体并入本文。
适用于本文所述的碱预处理的预润湿溶液可使用多种方法序列来制备。图6示出了用于制备含有硼酸盐缓冲剂的预润湿溶液的一个说明性方法。在操作601，提供来自聚亚烷基二醇类的化合物的水(如去离子水)溶液。接着，在操作603，将硼酸加入到该溶液中。接着，在操作605，将pH调节剂(如氢氧化钾、氢氧化钠、TMAH或NH3)加入到该溶液中，直到溶液的pH值达到所需的值。然后在操作607，所形成的溶液可以任选地脱气。在一些实施方式中，所述预润湿溶液基本上由水、缓冲化合物(例如，硼酸盐、磷酸盐、柠檬酸盐、碳酸盐或它们的组合)、来自聚亚烷基二醇类的化合物、以及pH调节剂组成，其中所述溶液的pH值被调节至所需的值。
本文提供的方法可以在被配置用于输送预润湿液体到晶片上的任何类型的装置中实施。在一些实施方式中，在不同于电镀室的单独的预润湿室中执行预处理。在其它实施方式中，在电镀室中，在电镀前进行预处理。
在一些实施方式中，在电镀前在预润湿室中将衬底预润湿，以避免气泡滞留在凹陷特征中。图7中示出了预润湿室的一种实施方式。在该实施方式中示出的预润湿室被配置用于使预润湿液体喷洒到晶片衬底上或在晶片衬底上流动持续一段时间。在图7中，在预润湿室703中用晶片支架702将晶片701保持成面朝上。在一些实施方式中，在预润湿过程中，晶片支架被配置成将晶片衬底保持在基本水平的方向上。在其它实施方式中，在预润湿过程中，晶片支架被配置成将晶片衬底保持在基本垂直的方向上。
在典型的操作中，首先通过连接到真空系统(未示出)的真空端口709将对室703进行抽真空。这将使室中的压强减少到低于大气压的压强。在通过真空将室中的气体的大部分去除后，从喷嘴705或其他机构将预润湿液体传送到晶片表面上。在一些实施方式中，预润湿流体在接触晶片表面之前脱气，以避免气体在预润湿流体进入真空环境时释放。在预润湿流体输送过程中，可以利用马达707使晶片旋转以确保晶片完全润湿和暴露。在一些实施方式中，所述预润湿液体首先在晶片衬底的中心约3cm的范围内接触旋转晶片衬底。在预润湿之后，利用马达707使晶片以低转速旋转以去除夹带的预润湿流体，但在晶片表面上留下流体薄层。多余的预润湿流体被排出，并通过端口711离开真空室。然后晶片被转移到电镀池(如Novellus蛤壳池)以便电镀有通过其表面上的以及其特征内的表面张力保持的预润湿流体薄层。预润湿室通常还会包括控制器713，该控制器713包括用于执行本文所描述的预润湿过程的各个方面的程序指令和/或逻辑。
在一些实施方式中，预润湿室和电镀室包含在一个模块中，该模块可包括具有程序指令的控制器，用于在预润湿已完成之后将衬底从预润湿室传送至电镀室。
图8示出了一种在其中执行电镀步骤的装置。该装置包括在其中处理衬底(例如晶片)的一个或多个电镀池。为保持清晰，图8示出了一个电镀池。为了优化自下而上的电镀，将添加剂(例如，促进剂和抑制剂)加入到电解液中；然而，具有添加剂的电解液会与阳极以不期望的方式发生反应。因此，电镀池的阳极区和阴极区有时通过隔膜分离，使得可以在每个区域中使用不同组合物的电镀溶液。在阴极区域内的电镀溶液被称为阴极电解液；并且在阳极区内的电镀溶液被称为阳极电解液。可以使用多个工程设计以将阳极电解液和阴极电解液引入电镀装置。
参考图8，示出了根据一个实施方式的电镀装置801的示意性横截面图。镀浴803包含电镀溶液(具有如本文所提供的组合物)，其以液面805示出。该容器的阴极液部适于在阴极液内接收衬底。晶片807浸入电镀溶液中，并通过例如安装在可旋转心轴811上的“蛤壳”保持夹具809保持，这使得蛤壳809能与晶片807一起旋转。具有适合于与本发明一起使用的方面的蛤壳式电镀装置的一般说明详细记载在授权给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，这些文献通过引用将其并入本文中以用于所有目的。
阳极813被布置在镀浴803内的晶片下方，并通过隔膜815(优选离子选择隔膜)与晶片区域分隔开。例如，可使用NafionTM阳离子交换隔膜(CEM)。阳极隔膜下面的区域通常被称为“阳极室”。离子选择性阳极隔膜815使得在电镀池的阳极区和阴极区之间能离子连通，同时防止在阳极处产生的颗粒进入晶片附近位置并污染晶片。在电镀过程中重新分配电流流动并由此改善电镀均匀性方面阳极隔膜也是有用的。在授权给Reid等人的美国专利6126798和6569299中提供了合适的阳极隔膜的详细描述，两者都通过引用基于所有目的并入本发明。例如阳离子交换隔膜之类的离子交换隔膜是特别适合于这些应用的。这些隔膜通常是由离聚物材料制成的，离聚物材料如含有磺酸基的全氟化共聚物(如NafionTM)、磺化聚酰亚胺类、和本领域技术人员公知的适合于阳离子交换的其他材料。选择的合适的NafionTM膜的实例包括可得自Dupont de Nemours Co.的N324和N424隔膜。
在电镀过程中，电镀溶液中的离子被沉积在衬底上。金属离子必须扩散通过扩散边界层并进入TSV孔。协助扩散的一种典型的方式是通过由泵817提供的电镀溶液的对流流动。另外，除晶片旋转之外，也可以使用振动搅动或声波搅动构件。例如，振动换能器808可以被附接到晶片卡盘809。
电镀溶液经由泵817连续提供到镀浴803。通常，该电镀溶液向上流动透过阳极隔膜815和扩散板819至晶片807的中心，然后沿径向向外并越过晶片807。电镀溶液也可以从镀浴803的侧面提供至浴的阳极区域。电镀溶液然后溢出镀浴803到溢流储液器821中。电镀溶液然后被过滤(未示出)并返回到泵817，从而完成电镀溶液的再循环。在电镀池的某些配置中，不同的电解液通过其中包含阳极的电镀池的部分循环，同时使用微渗透隔膜或离子选择性隔膜防止与主要电镀溶液混合。
参比电极831位于单独的室833中的镀浴803的外部，该室通过来自所述主镀浴803的溢流补充。可替代地，在一些实施方式中，参比电极定位为尽可能靠近衬底表面，并且参比电极室通过毛细管或通过其他方法连接到晶片衬底的侧面或直接位于晶片衬底之下。在一些优选的实施方式中，所述装置还包括接触感测引线，该接触感测引线连接到该晶片外周并被配置成感测在晶片的外周的所述金属籽晶层的电位，但不携带任何传导至晶片的电流。
参比电极831通常在期望有以受控的电位进行电镀时采用。参比电极831可以是各种常用的类型中的一种，例如汞/硫酸汞、氯化银、饱和甘汞、或铜金属。在一些实施方式中，除了所述参比电极外，可以使用与晶片807直接接触的接触感测引线，以实现更精确的电位测量(未示出)。
直流电源835可以被用于控制流动至晶片807的电流。电源835具有通过一个或多个滑环、电刷和触点(未示出)电连接到晶片807的负输出引线839。电源835的正输出引线841电连接到位于镀浴803中的阳极813。电源835、参比电极831和接触感测引线(未示出)可以被连接到系统控制器847，从而使得尤其是能够调节提供给电镀池的元件的电流和电位。例如，控制器可以允许在电位受控和电流受控的状态下电镀。该控制器可以包括程序指令，该程序指令指定需要被施加到电镀池的各种元件的电流和电压电平以及需要改变这些电平的时间。当施加正向电流时，电源835向晶片807施加偏置以使其相对于阳极813具有负电位。这导致电流从阳极813流动至晶片807。而电化学还原(例如Cu2++2e-＝Cu0)发生在晶片表面(阴极)，从而导致在晶片的表面上的导电层(例如铜)的沉积。惰性阳极814可以被安装在电镀浴803内的晶片807下面，并通过将隔膜815与晶片区域分离。
该装置还可以包括用于将电镀溶液的温度保持在特定水平的加热器845。电镀溶液可用于将热传递到镀浴中的其它元件。例如，当晶片807被装入到镀浴中时，加热器845和泵817可以接通，以使电镀溶液通过电镀装置801循环，直到在整个装置中的温度变得大致均匀为止。在一个实施方式中，加热器连接到系统控制器847。系统控制器847可以被连接到热电偶以接收在电镀装置内的电镀溶液温度的反馈并确定对于额外的加热的需求。
控制器通常包括一个或多个存储器设备和一个或多个处理器。该处理器可以包括CPU或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、步进电机控制器板等等。在某些实施方案中，控制器控制电镀装置和/或所述预湿腔室的所有活动。
例如，控制器可以包括用于按照上文或所附权利要求中描述的任何方法执行预处理和电镀的指令。包含用于控制根据本发明的工艺操作的指令的非临时性机器可读介质可被耦合到系统控制器。
通常将存在与控制器847相关联的用户界面。用户界面可以包括显示屏幕、设备和/或工艺条件的图形软件显示器和用户输入设备，诸如指针设备、键盘、触摸屏、麦克风等。
用于控制电镀工艺的计算机程序代码可以用任何常规的计算机可读编程语言写入该计算机可读编程语言,例如，汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran或其它。编译后的目标代码或脚本由所述处理器执行以执行在程序中识别的任务。
在一些实施例中，本文所描述的方法将在包括电镀装置和步进电机的系统中实现。
试验
实施例1(比较例)。使用包含多个具有60μm的深度和在开口处的6μm直径的通孔的晶片衬底。所述衬底具有通过无电沉积在WN/W的扩散阻挡双层上沉积的NiB籽晶层。在低于大气压的条件下，用经脱气的去离子水喷洒衬底以形成润湿层。然后将压强提高到大气压，并且将衬底从预润湿室转移到电镀池，其中使用酸性电镀溶液电沉积铜以填充凹陷特征，该酸性电镀溶液含有60g/L的铜离子、60g/L的H2SO4、50ppm的氯离子和MLI HSL-A/B/C促进剂、抑制剂和匀平剂(可从Moses Lake Industries(Moses Lake,WA)获得)。在所填充的通孔的扫描电子显微镜(SEM)图像中观察到空隙。对于位于晶片的中心和中间部分的通孔，在通孔底部观察到空隙。在位于晶片边缘的通孔中没有观察到空隙。
实施例2(比较例)。如在实施例1中那样处理晶片衬底，不同的是：预润湿液体是HSL-PT1，包含来自可从Moses Lake Industries(Moses Lake,WA)获得的聚亚烷基二醇类的化合物的混合物。对于位于晶片的中心和中间部分的通孔，在通孔底部观察到空隙。在位于晶片边缘的通孔中没有观察到空隙。
实施例3。如在实施例1中那样处理晶片衬底，不同的是预润湿液体具有如下组分：HSL-PT1的混合物(可从Moses Lake Industries(Moses Lake,WA)获得)、50mM硼酸和氨，其中氨被加入到溶液中，以维持pH值为9。在所有经填充的通孔的SEM中没有观察到空隙。然而，相比于在晶片中心的通孔，在晶片的边缘的通孔有较多的铜沉积在经填充的通孔的顶部。
实施例4。如在实施例1中那样处理晶片衬底，不同的是预润湿液体具有如下组分：HSL-PT1的混合物(可从Moses Lake Industries(Moses Lake,WA)获得)、50mM硼酸和KOH，其中KOH被加入到溶液中，以维持pH值为11。在所有所填充的通孔的SEM中没有观察到空隙。沉积在所填充的通孔的顶部上的铜的量比在实施例3中明显更加均匀。在这些实施例中描述的所有溶液是水溶液。
替代实施方式
尽管在许多实施方案中优选的是使用是缓冲剂的预处理溶液，但是在替代实施例中，不具有缓冲能力的高度碱性溶液也可用于预处理。例如，在一些实施方式中，溶液具有至少约9的pH值，例如至少约11，并且含有pH调节剂(例如，碱金属氢氧化物，四烷基铵氢氧化物)，以及任选地，来自聚亚烷基二醇类的化合物。在这些替代实施方式的一些中，该溶液基本上由水、如上面所描述的pH调节剂以及来自聚亚烷基二醇类的化合物组成。

Claims (18)

1.一种在包括一个或多个凹陷特征的晶片衬底上电镀金属的方法，所述方法包括：
(a)提供在表面的至少一部分上具有露出的含镍层的晶片衬底；
(b)使所述晶片衬底与预润湿液体接触，所述液体包含缓冲剂并具有范围在7和13之间的pH值，以预润湿所述晶片衬底上的含镍层，其中所述晶片衬底在预润湿后保持包含所述缓冲剂的预润湿液体；以及
(c)使用酸性电镀溶液将所述金属电沉积到预润湿的所述含镍层上使得所述酸性电镀液接触保持在所述晶片衬底上的所述预润湿液体，其中电沉积的所述金属至少部分地填充所述一个或多个凹陷特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预润湿液体包括硼酸盐并具有介于9至11之间的pH值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述预润湿液体包括磷酸盐。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预润湿液体包括碳酸盐。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述预润湿液体包括从由四烷基铵氢氧化物和碱金属氢氧化物组成的组中选择的pH调节剂。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述预润湿液体包含pH调节剂，其中所述pH调节剂包括氨。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述预润湿液体包含来自聚亚烷基二醇类的化合物。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使所述预润湿液体在接触所述晶片衬底之前脱气。
9.根据权利要求1所述的方法，其还包括在使所述晶片衬底与所述预润湿液体接触之前将预润湿处理室的压强减小至低于大气压的压强。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述含镍层是NiB层。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述含镍层是NiP层。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在(c)中电沉积的所述金属是铜。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个凹陷特征是硅通孔(TSV)。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预润湿液体包括硼酸盐、KOH和来自聚亚烷基二醇类的化合物，且具有11的pH值。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述接触包括将所述预润湿液体喷洒到所述晶片衬底上。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述晶片衬底在所述接触过程中定位在基本水平的方向。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述缓冲剂含有浓度介于10mM至1M之间的硼酸盐。
18.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
施加光致抗蚀剂到所述晶片衬底；
使所述光致抗蚀剂暴露于光；
图案化所述抗蚀剂并将所述图案转印至所述晶片衬底；
以及从所述晶片衬底选择性地去除所述光致抗蚀剂。
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