掃碼添加微信，獲取更多半導(dǎo)體相關(guān)資料
引言
不同的電鍍系統(tǒng)在晶片上的性能會(huì)有很大的不同。特定電鍍系統(tǒng)的架構(gòu)可以從根本上提高——或限制——其可實(shí)現(xiàn)的性能。
限制的一個(gè)例子是簡(jiǎn)單的濕工作臺(tái)，它鍍到靜態(tài)晶片上。其結(jié)構(gòu)限制了其均勻性，晶片內(nèi)的均勻性不超過約10%。然而，當(dāng)今一些更先進(jìn)的電鍍系統(tǒng)是專門為提高晶片性能而設(shè)計(jì)的。這可以使他們更容易產(chǎn)生一流水平的一致性。
?
實(shí)驗(yàn)
電場(chǎng)分布圖：向反應(yīng)堆系統(tǒng)施加電勢(shì)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。該電場(chǎng)將陽(yáng)離子(反應(yīng)形成電鍍金屬的金屬離子)推向帶負(fù)電的晶片；同樣，它把電子拉向帶正電的陽(yáng)極。離子受到的力的大小與它與電極的接近程度和施加在電極上的電流直接相關(guān)。當(dāng)正離子(+)在陽(yáng)極(+)產(chǎn)生時(shí)，它們被陽(yáng)極排斥并被拉向晶片。
陽(yáng)極和陰極/晶片之間的這種近似現(xiàn)實(shí)在電鍍系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要。不完全平行于其陽(yáng)極的靜態(tài)晶片將由于機(jī)械接近而經(jīng)歷固有的線性不均勻性。這個(gè)錯(cuò)誤只能通過更緊密的機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)糾正。
靜態(tài)晶片系統(tǒng)會(huì)夸大這種缺陷，而旋轉(zhuǎn)圓盤系統(tǒng)會(huì)將這種不平等限制在徑向?qū)ΨQ上。換句話說(shuō)，這種不完美的平行性將被完全征服徑向考慮。這是簡(jiǎn)單的幾何圖形，用旋轉(zhuǎn)的晶片很容易克服。因此，晶片和陽(yáng)極之間的平行性是普遍重要的，因?yàn)閺囊粋?cè)到另一側(cè)的距離的百分比差異將導(dǎo)致場(chǎng)的大小的類似百分比差異，從而對(duì)于給定的半徑產(chǎn)生不同的電鍍速率。
?
晶片上的電流密度分布
圖1所示，帶有負(fù)電荷的晶片將陽(yáng)離子吸引向它。對(duì)于有限的陰極，電場(chǎng)在中心垂直于晶片表面延伸，朝向晶片邊緣的角度逐漸變化。由于電場(chǎng)是整個(gè)帶電表面的累積效應(yīng)，實(shí)際上，電場(chǎng)也最強(qiáng)地朝向晶片的中心。沒有考慮到質(zhì)量轉(zhuǎn)移、流體動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)器形狀或電鍍術(shù)語(yǔ)，電鍍將在中心處最快，并向晶片邊緣減少。這是電場(chǎng)的基本行為，與其他因素?zé)o關(guān)。正如我們將看到的，還有許多額外的考慮。
如前所述，電流密度驅(qū)動(dòng)沉積速率。因此，在整個(gè)晶片上產(chǎn)生均勻鍍膜的首要考慮是確保反應(yīng)器內(nèi)電場(chǎng)的均勻分布。
圖2示出了浸入電鍍電解液中的晶片的一部分，準(zhǔn)備在其上進(jìn)行電鍍。描繪了完整的電化學(xué)電池，包括電池電連接到晶片種子層的接觸點(diǎn)。種子層是將電流輸送到晶片所有區(qū)域所必需的。在圖像中，晶片被描繪成三個(gè)有意義的區(qū)域:晶片邊緣(電池在電源和晶片之間形成電接觸的地方)、中間半徑和晶片中心。
在晶片上每個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生的電流密度取決于每個(gè)位置特定的電壓和電阻，該電流密度必須彼此相同以實(shí)現(xiàn)均勻電鍍。如圖所示，晶片的邊緣比中間半徑更靠近電觸點(diǎn)，比中心更靠近電觸點(diǎn)。因此，晶片邊緣將經(jīng)歷通過籽晶的電阻，該電阻低于中間半徑處的電阻，該電阻低于晶片中心處的半徑。這是因?yàn)殡娏餍枰┻^種子從邊緣到中心移動(dòng)一段距離。
然而，在應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)電阻的實(shí)際差異非常小，實(shí)際上可以忽略不計(jì)，因?yàn)榈湫偷姆N子層足夠厚，其薄層電阻完全在“體薄層電阻”范圍內(nèi)。因此，為了產(chǎn)生有利于晶片上均勻電流密度的電場(chǎng)分布，有必要在晶片上的所有點(diǎn)產(chǎn)生相同的電壓。
圖2穿過晶片的電流分布
電場(chǎng)的累積效應(yīng)意味著簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作可以產(chǎn)生名義上均勻的電場(chǎng)。一個(gè)先進(jìn)的電鍍反應(yīng)器，如第四代從一類，可以設(shè)計(jì)為多種應(yīng)用提供最先進(jìn)的統(tǒng)一。為此，第四代反應(yīng)器采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)建模進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保反應(yīng)器內(nèi)晶片位置的場(chǎng)高度均勻分布(圖3)。電場(chǎng)在晶片上的均勻分布在晶片上產(chǎn)生均勻的電勢(shì)，在閉合電路的情況下，在晶片上產(chǎn)生均勻分布的電流。這定義了晶片上的均勻鍍層。
對(duì)電場(chǎng)的描述故意籠統(tǒng)，沒有考慮到非常重要的內(nèi)在和有意的操作，這些操作直接導(dǎo)致實(shí)際電鍍步驟的均勻性。這些關(guān)鍵細(xì)節(jié)將在本文后面的章節(jié)中介紹。
陽(yáng)離子可用性是確保金屬均勻沉積必須適當(dāng)處理的第二個(gè)因素。兩個(gè)最重要的考慮因素是:主體中的陽(yáng)離子濃度和擴(kuò)散層的陽(yáng)離子可用性。第一個(gè)是在浴液配方和維護(hù)領(lǐng)域，將簡(jiǎn)要介紹。第二種更直接地涉及均勻沉積，將在這里得到擴(kuò)展研究。
?
整體中的陽(yáng)離子濃度
半導(dǎo)體電鍍帶來(lái)了許多專門的和高度可靠的電鍍化學(xué)的發(fā)展。每種方法的一個(gè)基本要求是，化學(xué)混合物應(yīng)圍繞有效的陽(yáng)離子濃度和添加劑進(jìn)行開發(fā)，以確保在實(shí)際消耗速率和鍍液壽命期間的穩(wěn)定性。這種質(zhì)量可以從最先進(jìn)的半導(dǎo)體電鍍槽的主要供應(yīng)商那里獲得，本文將不詳細(xì)討論電鍍化學(xué)設(shè)計(jì)的龐大知識(shí)庫(kù)。然而，隨著越來(lái)越多的設(shè)備類型遷移到制造ap-
在半導(dǎo)體工業(yè)中，圍繞工業(yè)用途開發(fā)的電鍍電解液經(jīng)常在半導(dǎo)體行業(yè)中試用。適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器設(shè)計(jì)提供了從工業(yè)級(jí)電鍍化學(xué)產(chǎn)生半導(dǎo)體級(jí)結(jié)果的靈活性。
從已知良好的cat-離子濃度開始，支持高質(zhì)量金屬膜的有效鍍覆，下一個(gè)考慮是在一個(gè)可靠的窗口內(nèi)保持該整體濃度。該主題將在本系列第4部分中關(guān)于晶片間電鍍均勻性的章節(jié)中詳細(xì)介紹?，F(xiàn)在，只要說(shuō)必須保持陽(yáng)離子體積濃度就足夠了。
?
擴(kuò)散層的陽(yáng)離子可用性
如前所述，高質(zhì)量的金屬電鍍要求系統(tǒng)在貧電子條件下運(yùn)行，使得反應(yīng)速率受到電子通量速率(即電流)的限制，并由此受到電子通量速率的限制。同樣，按照這種思路，電子在沉積反應(yīng)中起著限制試劑的作用。
鑒于這種對(duì)電子供應(yīng)的實(shí)際看法，可以理解的是，對(duì)于同一組反應(yīng)，陽(yáng)離子充當(dāng)過量試劑。然而，考慮到整個(gè)晶片上條件變化的可能性，這種情況不能在所有位置都假設(shè)。事實(shí)上，如前一節(jié)所述，在給定電鍍?cè)〉奶囟舛确秶鷥?nèi)，陽(yáng)離子的供應(yīng)不足以確保在整個(gè)晶片表面和特定特征內(nèi)始終有充足的陽(yáng)離子供應(yīng)。
無(wú)法做出這種假設(shè)的原因是質(zhì)量傳遞，它只是指給定物質(zhì)從一個(gè)地方到另一個(gè)地方的運(yùn)動(dòng)。在目前的考慮中，質(zhì)量轉(zhuǎn)移將被嚴(yán)格地認(rèn)為是含水金屬陽(yáng)離子向晶片表面給定還原點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)檫@種考慮對(duì)鍍覆速率和均勻性至關(guān)重要。如本節(jié)所示，有幾個(gè)因素會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的傳質(zhì)速率。
從最簡(jiǎn)單的角度來(lái)看，電解質(zhì)本體中的良好混合是至關(guān)重要的，原因有很多，其中最重要的是保持電解質(zhì)的均勻性。由于這個(gè)原因，大多數(shù)半導(dǎo)體反應(yīng)器提供電解質(zhì)的主動(dòng)攪拌，重點(diǎn)是晶片表面的湍流。最典型的是，電解液從貯液器通過反應(yīng)器再循環(huán)，從而通過沉積在反應(yīng)器內(nèi)耗盡的小部分電解液由保持目標(biāo)濃度的充足供應(yīng)補(bǔ)充。如前所述，浴缸的維護(hù)將在本工作的第4部分中介紹。
盡管良好的混合對(duì)于將均勻的本體溶液保持在目標(biāo)濃度是必要的，但是由于在晶片上擴(kuò)散差異的可能性，良好的混合不足以精確控制晶片實(shí)際表面的陽(yáng)離子可用性。
?
擴(kuò)散層
當(dāng)粘性流體以一定速度流過一個(gè)表面時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)動(dòng)輪廓，由此速度從物體的誘導(dǎo)速度逐漸減小到相對(duì)于實(shí)際表面的零速度,被這種效應(yīng)減緩的流體層稱為邊界層。邊界層的厚度(速度因與表面相互作用而減慢的距離)取決于流體的速度及其湍流等因素。更高的速度和更多的米拉-納爾流產(chǎn)生更薄的邊界層。雖然層流有助于形成較薄的邊界層，但是當(dāng)層流對(duì)著表面流動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)，層流就會(huì)變得越湍流，如果在表面上遇到任何不規(guī)則，例如光致抗蝕劑圖案的不規(guī)則。湍流雖然會(huì)產(chǎn)生較厚的邊界層，但不太容易受到表面特征產(chǎn)生的渦流的影響。
為了有效電鍍，希望具有盡可能薄的邊界層，以盡可能靠近晶片表面提供大量濃度的陽(yáng)離子。然而，物理學(xué)表明，最終會(huì)有一個(gè)基本上停滯的一定厚度的層，陽(yáng)離子必須通過純粹的擴(kuò)散，這比對(duì)流和混合要慢得多。在電化學(xué)中，該層的定義術(shù)語(yǔ)是能斯特?cái)U(kuò)散層，它是“電極附近濃度(離子)不同于其在本體溶液中的值的區(qū)域。”
陽(yáng)離子必須從均勻體濃度區(qū)域穿過停滯擴(kuò)散層，到達(dá)實(shí)際晶片的表面，參與那里的陰極反應(yīng)。這種運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散，為了均勻沉積，陽(yáng)離子穿過擴(kuò)散層所需的時(shí)間很重要。為了這篇論文的目的和它對(duì)半導(dǎo)體晶片上電化學(xué)沉積的實(shí)際知識(shí)的關(guān)注，考慮給定陽(yáng)離子穿過擴(kuò)散層的“速度”在內(nèi)是恒定的就足夠了
受控電鍍工藝。換句話說(shuō)，特定組成的陽(yáng)離子以由其特定擴(kuò)散系數(shù)確定的設(shè)定速度穿過擴(kuò)散層。更簡(jiǎn)單地說(shuō)，給定陽(yáng)離子穿過擴(kuò)散層所需的總時(shí)間直接取決于擴(kuò)散層的厚度。
?
整體中的陽(yáng)離子濃度
半導(dǎo)體電鍍帶來(lái)了許多專門的和高度可靠的電鍍化學(xué)的發(fā)展。每種方法的一個(gè)基本要求是，化學(xué)混合物應(yīng)圍繞有效的陽(yáng)離子濃度和添加劑進(jìn)行開發(fā)，以確保在實(shí)際消耗速率和鍍液壽命期間的穩(wěn)定性。
在半導(dǎo)體工業(yè)中，圍繞工業(yè)用途開發(fā)的電鍍電解液經(jīng)常在半導(dǎo)體行業(yè)中試用。適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器設(shè)計(jì)提供了從工業(yè)級(jí)電鍍化學(xué)產(chǎn)生半導(dǎo)體級(jí)結(jié)果的靈活性。
從已知良好的cat-離子濃度開始，支持高質(zhì)量金屬膜的有效鍍覆，下一個(gè)考慮是在一個(gè)可靠的窗口內(nèi)保持該整體濃度。該主題將在本系列第4部分中關(guān)于晶片間電鍍均勻性的章節(jié)中詳細(xì)介紹。現(xiàn)在，只要說(shuō)必須保持陽(yáng)離子體積濃度就足夠了。
圖6電壓-電流密度關(guān)系
鍍上一層籽晶并進(jìn)行調(diào)整
●查看鍍膜的輪廓，將其與上面提供的圖像進(jìn)行比較，并進(jìn)行建議的更改。
●如果在距離邊緣約10毫米處觀察到厚度快速增加或快速減少，請(qǐng)執(zhí)行以下操作:
◆厚度的快速增加可能是由于屏蔽太少，無(wú)法抵消電流擁擠造成的。如果你的系統(tǒng)在反應(yīng)堆周圍有一個(gè)“屏蔽”特征，調(diào)整它更靠近晶片。如果屏蔽不可調(diào)整，您可能需要調(diào)整電鍍位置，使其更靠近屏蔽。如果你兩個(gè)都沒有調(diào)整，減少這種影響的選擇就很少了。
◆晶片外部10毫米的快速減小可能有兩個(gè)原因之一:1)浸沒時(shí)捕獲的氣泡。要糾正這一點(diǎn)，請(qǐng)參見上面的建議。2)屏蔽過多，無(wú)法抵消電流擁擠。要糾正這種情況，請(qǐng)調(diào)整屏蔽，使其遠(yuǎn)離晶圓或晶圓遠(yuǎn)離屏蔽。如果兩種調(diào)整都不可用，則此問題不容易糾正。