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引言
不同的電鍍系統(tǒng)在晶片上的性能會有很大的不同。特定電鍍系統(tǒng)的架構(gòu)可以從根本上提高——或限制——其可實現(xiàn)的性能。
限制的一個例子是簡單的濕工作臺，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)今一些更先進的電鍍系統(tǒng)是專門為提高晶片性能而設(shè)計的。這可以使他們更容易產(chǎn)生一流水平的一致性。
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實驗
電場分布圖：向反應(yīng)堆系統(tǒng)施加電勢會產(chǎn)生電場。該電場將陽離子(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(+)在陽極(+)產(chǎn)生時，它們被陽極排斥并被拉向晶片。
陽極和陰極/晶片之間的這種近似現(xiàn)實在電鍍系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要。不完全平行于其陽極的靜態(tài)晶片將由于機械接近而經(jīng)歷固有的線性不均勻性。這個錯誤只能通過更緊密的機械設(shè)計來糾正。
靜態(tài)晶片系統(tǒng)會夸大這種缺陷，而旋轉(zhuǎn)圓盤系統(tǒng)會將這種不平等限制在徑向?qū)ΨQ上。換句話說，這種不完美的平行性將被完全征服徑向考慮。這是簡單的幾何圖形，用旋轉(zhuǎn)的晶片很容易克服。因此，晶片和陽極之間的平行性是普遍重要的，因為從一側(cè)到另一側(cè)的距離的百分比差異將導(dǎo)致場的大小的類似百分比差異，從而對于給定的半徑產(chǎn)生不同的電鍍速率。
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晶片上的電流密度分布
圖1所示，帶有負(fù)電荷的晶片將陽離子吸引向它。對于有限的陰極，電場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。由于電場是整個帶電表面的累積效應(yīng)，實際上，電場也最強地朝向晶片的中心。沒有考慮到質(zhì)量轉(zhuǎn)移、流體動力學(xué)、反應(yīng)器形狀或電鍍術(shù)語，電鍍將在中心處最快，并向晶片邊緣減少。這是電場的基本行為，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)動沉積速率。因此，在整個晶片上產(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。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。
在晶片上每個點產(chǎn)生的電流密度取決于每個位置特定的電壓和電阻，該電流密度必須彼此相同以實現(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，比中心更靠近電觸點。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。這是因為電流需要穿過種子從邊緣到中心移動一段距離。
然而，在應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)電阻的實際差異非常小，實際上可以忽略不計，因為典型的種子層足夠厚，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分布，有必要在晶片上的所有點產(chǎn)生相同的電壓。
圖2穿過晶片的電流分布
電場的累積效應(yīng)意味著簡單的經(jīng)驗設(shè)計工作可以產(chǎn)生名義上均勻的電場。一個先進的電鍍反應(yīng)器，如第四代從一類，可以設(shè)計為多種應(yīng)用提供最先進的統(tǒng)一。為此，第四代反應(yīng)器采用計算流體動力學(xué)(CFD)建模進行設(shè)計，以確保反應(yīng)器內(nèi)晶片位置的場高度均勻分布(圖3)。電場在晶片上的均勻分布在晶片上產(chǎn)生均勻的電勢，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。
對電場的描述故意籠統(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)處理的第二個因素。兩個最重要的考慮因素是:主體中的陽離子濃度和擴散層的陽離子可用性。第一個是在浴液配方和維護領(lǐng)域，將簡要介紹。第二種更直接地涉及均勻沉積，將在這里得到擴展研究。
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整體中的陽離子濃度
半導(dǎo)體電鍍帶來了許多專門的和高度可靠的電鍍化學(xué)的發(fā)展。每種方法的一個基本要求是，化學(xué)混合物應(yīng)圍繞有效的陽離子濃度和添加劑進行開發(fā)，以確保在實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)計的龐大知識庫。然而，隨著越來越多的設(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)計提供了從工業(yè)級電鍍化學(xué)產(chǎn)生半導(dǎo)體級結(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，下一個考慮是在一個可靠的窗口內(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，只要說必須保持陽離子體積濃度就足夠了。
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擴散層的陽離子可用性
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。
鑒于這種對電子供應(yīng)的實際看法，可以理解的是，對于同一組反應(yīng)，陽離子充當(dāng)過量試劑。然而，考慮到整個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)。事實上，如前一節(jié)所述，在給定電鍍浴的特定濃度范圍內(nèi)，陽離子的供應(yīng)不足以確保在整個晶片表面和特定特征內(nèi)始終有充足的陽離子供應(yīng)。
無法做出這種假設(shè)的原因是質(zhì)量傳遞，它只是指給定物質(zhì)從一個地方到另一個地方的運動。在目前的考慮中，質(zhì)量轉(zhuǎn)移將被嚴(yán)格地認(rèn)為是含水金屬陽離子向晶片表面給定還原點的運動，因為這種考慮對鍍覆速率和均勻性至關(guān)重要。如本節(jié)所示，有幾個因素會影響整個系統(tǒng)的傳質(zhì)速率。
從最簡單的角度來看，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。由于這個原因，大多數(shù)半導(dǎo)體反應(yīng)器提供電解質(zhì)的主動攪拌，重點是晶片表面的湍流。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)補充。如前所述，浴缸的維護將在本工作的第4部分中介紹。
盡管良好的混合對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散差異的可能性，良好的混合不足以精確控制晶片實際表面的陽離子可用性。
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擴散層
當(dāng)粘性流體以一定速度流過一個表面時，它會產(chǎn)生一個運動輪廓，由此速度從物體的誘導(dǎo)速度逐漸減小到相對于實際表面的零速度,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)層流對著表面流動的時間越長，層流就會變得越湍流，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離子。然而，物理學(xué)表明，最終會有一個基本上停滯的一定厚度的層，陽離子必須通過純粹的擴散，這比對流和混合要慢得多。在電化學(xué)中，該層的定義術(shù)語是能斯特擴散層，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?！?/span>
陽離子必須從均勻體濃度區(qū)域穿過停滯擴散層，到達實際晶片的表面，參與那里的陰極反應(yīng)。這種運動稱為擴散，為了均勻沉積，陽離子穿過擴散層所需的時間很重要。為了這篇論文的目的和它對半導(dǎo)體晶片上電化學(xué)沉積的實際知識的關(guān)注，考慮給定陽離子穿過擴散層的“速度”在內(nèi)是恒定的就足夠了
受控電鍍工藝。換句話說，特定組成的陽離子以由其特定擴散系數(shù)確定的設(shè)定速度穿過擴散層。更簡單地說，給定陽離子穿過擴散層所需的總時間直接取決于擴散層的厚度。
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整體中的陽離子濃度
半導(dǎo)體電鍍帶來了許多專門的和高度可靠的電鍍化學(xué)的發(fā)展。每種方法的一個基本要求是，化學(xué)混合物應(yīng)圍繞有效的陽離子濃度和添加劑進行開發(fā)，以確保在實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)計提供了從工業(yè)級電鍍化學(xué)產(chǎn)生半導(dǎo)體級結(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，下一個考慮是在一個可靠的窗口內(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，只要說必須保持陽離子體積濃度就足夠了。
圖6電壓-電流密度關(guān)系
鍍上一層籽晶并進行調(diào)整
●查看鍍膜的輪廓，將其與上面提供的圖像進行比較，并進行建議的更改。
●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，請執(zhí)行以下操作:
◆厚度的快速增加可能是由于屏蔽太少，無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“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原因之一:1)浸沒時捕獲的氣泡。要糾正這一點，請參見上面的建議。2)屏蔽過多，無法抵消電流擁擠。要糾正這種情況，請調(diào)整屏蔽，使其遠離晶圓或晶圓遠離屏蔽。如果兩種調(diào)整都不可用，則此問題不容易糾正。