TW201841301A - 電鍍用寬唇形密封 - Google Patents

Abstract

一種設計成在電鍍設備的唇形密封組件中使用之唇形密封，其中，在電鍍期間一抓斗與半導體基板嚙合並供給電流至半導體基板。唇形密封包括彈性主體，該彈性主體具有配置成與唇形密封組件的杯嚙合的外部部分以及配置成與半導體基板的周邊區嚙合的內部部分。內部部分包括突起部，該突起部在徑向方向上具有一寬度，該寬度足以提供與半導體基板的一接觸區域，其抑制在電鍍期間使用之電鍍溶液中的酸的擴散。該突起部係位於唇形密封的內周邊。

Description

電鍍用寬唇形密封

本發明關於用於積體電路之鑲嵌互連線的形成，及在積體電路製造期間使用的電鍍設備。

電鍍為在積體電路（IC）製造中使用的一種常見技術，用以沉積一或多層導電金屬。在一些製造過程中，電鍍係用以在各種基板特徵部之間沉積單一或複數層銅互連線。用於電鍍的設備通常包括：一電鍍單元，其具有電解液的池/槽；及一抓斗，其設計成在電鍍期間固持半導體基板。

在電鍍設備的操作期間，半導體基板係浸沒入電解液池中，使得基板的一表面曝露於電解液。與基板表面建立的一或更多個電性接觸係用以驅動電流通過電鍍單元並由存在於電解液中的金屬離子將金屬沉積至基板表面上。通常，電性接觸元件係用以在基板與作為電流來源的匯流排（bus bar）之間形成電性連接。然而，在一些配置中，在由電性連接所接觸之基板上的導電性晶種層可能朝基板的邊緣逐漸變薄，造成其更難以與基板建立最佳電性連接。

電鍍中出現的另一問題為電鍍溶液之潛在腐蝕性質。因此，在許多電鍍設備中，為避免電解液滲漏、並避免電解液與除了電鍍單元之內部及指定用於電鍍之基板面以外的電鍍設備的元件接觸之目的，將唇形密封用於抓斗與基板的界面處。

此處揭露一種在電鍍抓斗的唇形密封組件中使用之唇形密封，在電鍍期間該電鍍抓斗與半導體基板嚙合並供給電流至半導體基板。唇形密封包含彈性主體，該彈性主體具有配置成與唇形密封組件的杯嚙合的外部部分以及配置成與半導體基板的周邊區嚙合的內部部分。內部部分包括突起部，該突起部在徑向方向上具有足以抑制在電鍍期間使用之電鍍溶液中的酸的擴散的一寬度。該突起部包含環形周緣，該環形周緣完全地圍繞唇形密封的內周邊延伸。

在以下的說明中，為了透徹理解本發明提出的概念，說明眾多具體細節。本發明提出的概念可以不具有某些或全部這些具體細節而實施。另一方面，未詳細說明眾所周知的製程操作以便不要不必要地模糊所描述的概念。雖然一些概念將結合具體的實施例加以描述，但可理解這些實施例係非意圖為限制性的。

範例電鍍設備係呈現於圖1中，以針對此處揭露的各種唇形密封及接觸元件實施例提供一些背景。具體而言，圖1呈現晶圓固持及定位設備100的透視圖，該設備100用於電化學地處理半導體晶圓。該設備100包括晶圓嚙合元件，其有時稱作「抓斗（clamshell）元件」或「抓斗組件」或簡稱「抓斗」。該抓斗組件包含杯101及錐體103。如隨後圖式所示，杯101固持晶圓且錐體103將晶圓緊固地夾於該杯中。除了此處具體描繪之杯及錐體設計以外，可使用其他的杯及錐體設計。共同特徵係具有晶圓駐留於其中之內部區的杯，及將晶圓抵著杯按壓以將晶圓固持於適當位置的錐體。

在所描繪的實施例中，抓斗組件（其包括杯101及錐體103）由撐桿104支撐，該撐桿104連接至頂板105。此組件（101、103、104及105）係由馬達107經由連接至頂板105的轉軸106來驅動。馬達107係附接至安裝托架（未顯示）。轉軸106傳送扭矩（來自馬達107）至抓斗組件，造成在電鍍期間固持於其中的晶圓（此圖中未顯示）旋轉。轉軸106之內的氣缸（未顯示）亦提供用於將杯101與錐體103嚙合的垂直力。當抓斗解開時（未顯示），具有末端執行器臂的機器人可將晶圓***於杯101和錐體103之間。在***晶圓之後，錐體103與杯101嚙合，其將晶圓固定在設備100之內，使在晶圓之一側上的工作表面保持曝露（但另一側並未曝露），以接觸電解液溶液。

在某些實施例中，抓斗組件包括防濺裙部109，該防濺裙部109保護錐體103免於飛濺的電解液。在所描繪的實施例中，防濺裙部109包括垂直周向套筒及圓形帽部分。間隔構件110維持在防濺裙部109和錐體103之間的間隔。

為討論之目的，包括元件101至110的組件統稱為「晶圓固持器」（或「基板固持器」）111。然而，應注意「晶圓固持器」/「基板固持器」的概念通常延伸至嚙合晶圓/基板及允許其移動及定位之元件的各種組合及次組合。

傾斜組件（未顯示）可連接至晶圓固持器以允許將晶圓斜角浸沒（而不是平坦水平浸沒）至電鍍溶液中。板及樞接接頭的驅動機構及配置係在一些實施例中使用，以沿著弧形路徑（未顯示）移動晶圓固持器111，及因而將晶圓固持器111的近端（即，杯及錐體組件）傾斜。

此外，整個晶圓固持器111係藉由致動器（未顯示）垂直地向上或向下升降以將晶圓固持器的近端浸沒入電鍍溶液中。因此，二元件式定位機構提供沿著與電解液表面垂直之軌跡的垂直移動、及允許自晶圓水平定向（亦即平行於電解液表面）偏離的傾斜移動（斜向晶圓浸沒能力）兩者。

應注意，晶圓固持器111係與電鍍單元115一起使用，該電鍍單元115具有容納陽極腔室157及電鍍溶液的電鍍腔室117。該陽極腔室157容納陽極119（例如，銅陽極），且可包括膜片或設計成將不同電解液化學品維持在陽極隔間及陰極隔間中的其他分離器。在所描繪的實施例中，擴散器153係用於以一致的前緣朝轉動的晶圓引導電解液向上。在某些實施例中，流量擴散器為高電阻虛擬陽極（HRVA）板，其係由一片固體絕緣材料（例如塑膠）製成，具有大量（例如4000-15000個）的一維小孔（直徑為0.01至0.050吋）且連接至板上方的陰極腔室。該等孔的總橫截面面積低於總投影面積的約5%，且因此將相當大的流動阻力引進電鍍單元，幫助改善系統的電鍍均勻性。高電阻虛擬陽極板及用於電化學地處理半導體晶圓之對應設備的額外描述係在美國專利公開案第2010/0032310號中提供，其內容係出於所有目的藉由參照而整體併入於此。電鍍單元亦可包括用於控制及產生分離電解液流動形式的分離膜片。在另一實施例中，膜片係用以界定陽極腔室，該陽極腔室含有實質上無抑制劑、加速劑或其他有機電鍍添加劑的電解液。

電鍍單元115亦可包括管道或管道接觸件，用於使電解液通過電鍍單元並與被電鍍的工件相抵而循環。例如，電鍍單元115包括通過陽極119之中心的孔而垂直延伸至陽極腔室157之中心的電解液入口管131。在其他實施例中，電鍍單元包括電解液入口歧管，該電解液入口歧管將流體於腔室的周邊壁（未顯示）處擴散器/HRVA板下方引入至陰極腔室內。在一些情況下，入口管131包括在膜片之兩側（陽極側及陰極側）上的出口噴嘴。此配置將電解液輸送至陽極腔室及陰極腔室兩者。在其他實施例中，陽極腔室及陰極腔室藉由流動阻力膜片來分離，且每一腔室具有獨立電解液之獨立流動循環。如圖1之實施例中所示，入口噴嘴155將電解液提供至膜片的陽極側。

此外，電鍍單元115包括潤洗排液管線159及電鍍溶液回流管線161，每一者直接連接至電鍍腔室117。此外，潤洗噴嘴163在正常操作期間輸送去離子的潤洗水以清潔晶圓及/或杯。電鍍溶液通常填充大部分的電鍍腔室117。為了緩和潑濺及氣泡的產生，電鍍腔室117包括用於電鍍溶液回流的內部堰165，及用於潤洗水回流的外部堰167。在所描繪的實施例中，該等堰為電鍍腔室117之壁中的周向垂直狹槽。

如上所述，電鍍抓斗通常包括唇形密封及一或多個接觸元件，以提供密封及電性連接功能。唇形密封可由彈性材料製成。唇形密封與半導體基板的表面形成密封，且排除電解液進入基板的周邊區。無沉積在此周邊區中發生，且其非用於形成IC裝置，亦即，該周邊區非為工作表面的一部分。有時，因為排除電解液進入此區域，故此區係亦稱為邊緣排除區。該周邊區用於在處理期間支撐及密封基板，以及用於形成與接觸元件的電性連接。由於通常期望增加工作表面，因此周邊區需儘可能小，且同時維持上述功能。在某些實施例中，周邊區與基板的邊緣之距離約在0.5毫米與3毫米之間。

在安裝期間，唇形密封及接觸元件係與抓斗的其他元件組裝在一起。所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解此操作的難度，特別是當周邊區較小時。由此抓斗提供的總開口係與基板的大小相當（例如，用於容納200毫米晶圓、300毫米晶圓、450毫米晶圓等等的開口）。此外，基板具有其本身的尺寸容差（例如，根據SEMI規格對於典型300毫米晶圓為+/- 0.2毫米）。特別困難的任務為對準彈性唇形密封及接觸元件，這是因為兩者係由相對可撓性的材料製成。此兩個元件需要具有非常精確的相對位置。當唇形密封的密封邊緣及接觸元件係定位成彼此相距過遠時，在抓斗的操作期間可能在接觸件和基板之間形成不充足的電性連接或無電性連接。同時，當密封邊緣係定位成太接近接觸件時，接觸件可能干擾密封且導致進入周邊區中的滲漏。例如，習知的接觸環常用多個可撓性的「指部」製成，其係以類彈簧動作按壓基板以建立電性連接，如圖2的抓斗組件（標註杯201、錐體203及唇形密封212）所示。這些可撓性指部208並不只是非常難以相對於唇形密封212對準，它們也容易在安裝期間受到損傷，以及如果電解液進入周邊區之中時難以清潔。

如以上所解釋，在電鍍單元中，圍繞晶圓邊緣而對晶圓形成電性接觸，並在晶圓的其餘部分執行電鍍。然而，如果電鍍溶液到達接觸件，電鍍溶液中的酸可能腐蝕接觸區域中晶圓上的金屬晶種層，導致增加的電阻不規則分佈於晶圓周圍，及相應地降低電鍍效能並增加晶圓之中的不均勻性。溶液中的金屬離子亦可能析出到接觸件上，降低電鍍效率。為了阻止晶種腐蝕及析出至接觸件上，於該處形成接觸的區域係藉由唇形密封來與電鍍溶液隔開。先前認為，除非對唇形密封有嚴重損壞（破裂、撕裂等等），否則這足以將接觸件與電鍍溶液完全隔離。然而，最近的調查顯示，當濕晶圓置放在唇形密封上時（例如，如在Sabre 3D進階預處理製程中），唇形密封與晶圓之間留有薄薄的水層，電鍍溶液中的酸可以通過該水層擴散到達接觸區域。在高溫及/或長時間電鍍的情況下，此擴散可能發生到有足夠的酸到達接觸區域而造成金屬晶種層的腐蝕之程度（晶種腐蝕）。為處理此問題，已經設計更寬的唇形密封以增加酸必須擴散越過的距離，並相應地減慢酸到達接觸區域的速率。以此方式，降低在晶圓的邊緣處的晶種腐蝕，並改善電鍍均勻性。

在電鍍單元中，待電鍍的晶圓係固持於杯中，該杯與晶圓的邊緣在由唇形密封圍起的區域中電性接觸，同時使晶圓的其餘部分暴露於電鍍溶液。在電鍍期間，該杯係部分地浸沒於電鍍單元中的電鍍溶液中。然而，如以上所解釋，酸可以足夠快地擴散越過晶圓與唇形密封之間的液體膜，而損壞在接觸區域中晶圓上的金屬晶種層。

根據實施例，已經實施硬體設計變更來增加唇形密封的寬度（在抵靠晶圓進行密封之脣形密封上之突起部的寬度），以降低通過晶圓與唇形密封之間的液體層的酸擴散速率。增加唇形密封的寬度之變更增加了擴散距離而造成較少的酸到達接觸區域，並因此對金屬晶種層有較少的蝕刻。

可藉由增加唇形密封的突起部的外徑或減少突起部的內徑來增加唇形密封的寬度。較佳的實施方式為增加突起部的外徑，因為這不會減少可用於電鍍的區域。

可延伸在唇形密封上的突起部的形狀以形成具有與先前設計類似形狀的橫截面的唇形密封，其中該突起部係在徑向尺寸上簡單地拉長。此為較佳的實施方式。唇形密封可包括以環形周緣為形式的單一接觸表面，該接觸表面帶有圓柱形壁及接觸晶圓之平坦的或有角度的表面。

先前，在過去的標準操作條件下（低於或等於35℃，低於或等於每升140克酸），Sabre 3D的唇形密封設計無法在比現今高的溫度或比現今高的電鍍溶液酸濃度下阻止可觀的酸擴散至接觸區域中。較寬的唇形密封的優點是可以在更嚴苛的操作條件下（如高於35℃及/或比每升140克酸更高的酸濃度）提供足夠的密封。

在處理晶圓中，當濕晶圓置放在唇形密封上時，留有薄薄的水層，而酸可通過該層擴散並到達接觸區域且腐蝕晶圓上的金屬晶種層。為避免此問題，唇形密封係配置成對酸提供較長的擴散路徑，並因此實質上增加在接觸區域中發生侵蝕所需的時間量。較長的擴散路徑可透過較寬的唇形密封（較長的線性長度）來達成。

通過唇形密封的擴散可模型化為具有常數來源的一維擴散，其具有公式： C/C_s = erfc(z/)，其中 z 為唇形密封的寬度，D 為酸的擴散常數，t 為時間，C_s 為在來源處的酸的濃度，C 為在 z 處的酸的濃度，及 erfc 為互補誤差函數。因此，（擴散長度）可通過知道給定狀況下的 C、C_s 及 z 來估計，並可用以尋找作為 z 及 C_s 之函數的C，且只要時間、溫度及擴散物種保持相同，可被預估為保持近乎常數。

例如，考慮 z = 0.020 英吋及 C_s = 180 克/升 硫酸的情況：在此等條件下，在1.5小時電鍍時間之後，C 係估計為大約8-9 克/升，得出≈ 0.014英吋，且可用以估計在其他唇形密封寬度下的電鍍後硫酸濃度，如在描繪於圖5中的圖表所顯示。C 在大約0.028英吋的唇形密封寬度下達到1 克/升（在1.5小時期間存在可忽略的腐蝕之近似位準），在那之後便急遽下降。較佳的唇形密封寬度為至少 0.032 英吋，且更佳地為至少約 0.034 英吋。

圖3顯示唇形密封212的實施例，該唇形密封212係安裝在具有電性接觸件208的杯201上，該電性接觸件208係與例如晶圓W之半導體基板的下側嚙合。如在圖4中所示，唇形密封212包括具有突起部220的內部部分218及具有周緣232的外部部分230，該突起部220具有與晶圓W的下側接觸的上表面220a，該周緣232與在杯201中的凹部201a嚙合。該突起部220軸向朝上延伸且具有足以抑制電鍍溶液中的酸擴散到達電性接觸件208與晶圓W之間的接觸點之一寬度（在突起部的內圓柱壁與外圓柱壁之間徑向測量）。對於處理300毫米直徑晶圓的情況，突起部220的寬度可為至少約0.032英吋，較佳地為至少約0.034英吋。唇形密封212較佳地係完全由彈性材料製成的整體件，其配置成與杯201配合。因此，唇形密封212為單獨的、可消耗的部分，當需要時可容易地更換。

圖6a-c為在不同情況下受到處理之晶圓的外邊緣的照片。圖6a顯示在沒有預濕的情況下受到電鍍之晶圓，而因為唇形密封提供適當的密封，其防止酸擴散通過唇形密封，所以在晶圓的邊緣處的銅晶種層不受到腐蝕。在銅晶種層上可見到抓痕，其係由在電鍍期間使用之電性接觸件造成。圖6b顯示在預濕及未提供適當密封之0.028英吋寬的唇形密封之情況下受到電鍍的晶圓。預濕在晶圓與唇形密封之間形成水膜，該水膜容許酸擴散通過其本身並腐蝕在晶圓的邊緣處的銅晶種層。在圖6b中，銅晶種層被嚴重地腐蝕，僅可見到厚的銅氧化物（黑色）及鉭阻障層（銀色）。圖6c顯示在預濕及提供適當密封之0.034英吋寬的唇形密封之情況下受到電鍍的晶圓。由於產生較長的擴散路徑之較寬的唇形密封，銅晶種層僅遭受輕微腐蝕，正如在圖像中銅晶種層為可見的，以及在銅晶種層的表面上的非常薄的銅氧化物層產生輕微的變色。

在此說明書中，「約」字通常和一數值共同使用，係指不意味該數值的數學精準度。因此，此意味使用「約」和一數值之處，應思及該數值±10%的允許誤差。

雖然本文呈現並描述本發明之例示性實施例與應用，但可能有許多變化與修改仍落入本發明之精神、範疇、概念內，且本技術領域中具有通常知識者在觀察本案之後這些變化將變得明顯。因此，本文之實施例應視為例示性（而非限制性），且本發明不限於本文中所給定的細節，而可在隨附申請專利範圍之範疇與等價態樣內被修改。

100‧‧‧設備

101‧‧‧杯

103‧‧‧錐體

104‧‧‧撐桿

105‧‧‧頂板

106‧‧‧轉軸

107‧‧‧馬達

109‧‧‧防濺裙部

110‧‧‧間隔構件

111‧‧‧晶圓固持器

115‧‧‧電鍍單元

117‧‧‧電鍍腔室

119‧‧‧陽極

131‧‧‧入口管

153‧‧‧擴散器

155‧‧‧入口噴嘴

157‧‧‧陽極腔室

159‧‧‧潤洗排液管線

161‧‧‧電鍍溶液回流管線

163‧‧‧潤洗噴嘴

165‧‧‧內部堰

167‧‧‧外部堰

201‧‧‧杯

201a‧‧‧凹部

203‧‧‧錐體

208‧‧‧可撓性指部/電性接觸件

212‧‧‧唇形密封

218‧‧‧內部部分

220‧‧‧突起部

220a‧‧‧上表面

230‧‧‧外部部分

232‧‧‧周緣

W‧‧‧晶圓

圖1顯示電鍍設備，其中如此處所述之唇形密封可用以防止酸到達接觸元件。

圖2顯示唇形密封組件的細節，該唇形密封可使用在顯示於圖1中的設備。

圖3顯示在圖2中顯示之唇形密封組件的細節。

圖4顯示在圖3中顯示之唇形密封組件的細節。

圖5為在唇形密封區域中的酸濃度相對於唇形密封寬度之圖表。

圖6a-c為在電鍍之後銅晶種層的照片，其中圖6a顯示在電鍍乾晶圓之後的銅晶種層，圖6b顯示使用0.028英吋寬的唇形密封在電鍍濕晶圓之後嚴重的腐蝕，以及圖6c顯示使用0.034英吋寬的唇形密封在電鍍濕晶圓之後銅晶種層的輕微腐蝕。

Claims (7)

1. 一種唇形密封，使用在一電鍍抓斗的一唇形密封組件中，在電鍍期間該電鍍抓斗與一半導體基板嚙合並供給電流至該半導體基板，該唇形密封包含一彈性主體，該彈性主體具有配置成與該唇形密封組件的一杯嚙合的一外部部分、以及配置成與該半導體基板的一周邊區嚙合的一內部部分，該內部部分包括一突起部，該突起部在徑向方向上具有足以抑制在該電鍍期間使用之一電鍍溶液中的酸的擴散的一寬度，該突起部包含一環形周緣，該環形周緣完全地圍繞該唇形密封的一內周邊而延伸。
2. 如申請專利範圍第1項之唇形密封，其中該寬度係在該突起部的內壁與外壁之間，且該寬度為至少約0.032英吋。
3. 如申請專利範圍第2項之唇形密封，其中該寬度為約0.034英吋。
4. 如申請專利範圍第1項之唇形密封，其中該外部部分包括向下延伸的一周緣，該周緣係配置成收容在該杯的一凹部中。
5. 如申請專利範圍第1項之唇形密封，其中該突起部的內表面定義該唇形密封的內直徑。
6. 一種半導體基板電鍍方法，使用申請專利範圍第1項的唇形密封來電鍍一半導體基板，該方法包含：在一電鍍抓斗中支撐一預濕的半導體基板，使得該唇形密封的該突起部接觸該半導體基板的外周邊，並且使較該突起部靠內側的該半導體基板的一暴露表面與一電鍍溶液接觸。
7. 如申請專利範圍第6項之半導體基板電鍍方法，其中該突起部具有約0.034英寸的一寬度。