CN100577890C - 改善电镀薄膜均匀性的电镀方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，具体是关于电镀铜至半导体基板的开口与基板表面上的电镀方法，以提供具有均匀厚度的铜膜。将基板浸入具有促进剂的电镀液中，再电镀铜至基板与基板表面的开口。利用反向电流进行除镀步骤，于短时间内移除部分铜与过量累积的促进剂。先前电镀步骤所形成的较厚电镀铜将被除镀，使接着进行的再电镀步骤可得到均匀的上表面。本发明所述改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，可改良IC元件的品质、良率与生产率，且可显著的减少生产成本。

Description

改善电镀薄膜均匀性的电镀方法

技术领域

本发明是有关于电镀薄膜，更特别有关于半导体元件制程中铜为主金属层的电镀方法。

背景技术

在制造集成电路(以下简称IC)半导体元件中，基板表面的平匀度相当关键，特别是元件的密度增加且尺寸缩小至次微米等级。一般使用金属层作为IC中个别元件的连线，以介电层或绝缘层隔开金属线，并于介电层间形成沟槽、接触孔、接点等连线结构，以提供导电金属层间的电路通道。

前述的连线结构渐渐采用铜与铜为主的合金。与现有材料如铝和铝为主合金相较，铜金属具有较低电阻与较佳电迁移等特性。可用下述方法沉积铜与铜为主合金的金属层或薄膜：物理气相沉积(以下简称PVD)，化学气相沉积(以下简称CVD)，以及电镀法。主流为电镀法，因其较低廉且沉积速度最快。一般铜电镀制程是将晶圆接触电镀液，并于正负电极间提供电位差以沉积金属至半导体基板表面。此制程可还原并沉积电镀液的铜离子至半导体基板表面。

很难图案化与蚀刻的铜，一般是用在镶嵌或双镶嵌制程。镶嵌制程中，定义介电层的接触孔/沟槽后接着填入铜。铜不只填入开口，也会沉积在介电层表面其他部分(该部分稍后将被移除)，最后图案化与蚀刻开口的铜以形成IC元件中新的金属线层。

铜或铜为主合金的薄膜可以下述方式移除或平坦化：化学机械研磨(以下简称CMP)、等离子蚀刻、或湿式蚀刻。该制程的困难与否端视铜层厚度的均匀性。电镀制程会在介电层上形成厚度不均匀的铜金属层，特别是在介电层开口(接触孔/沟槽)上的区域。由于该区域的铜沉积加速度特别高，该区域的沉积铜厚度通常比其他部分要厚。

图1A至图1C显示具有接触孔/沟槽的介电层进行电镀制程所形成的不均匀厚度。图1A是IC半导体元件100于制造过程的剖面图。该介电基板102具有多个镶嵌接触孔/沟槽结构104。电镀铜为主的金属薄膜于接触孔/沟槽结构104以及介电层上，直到填满该镶嵌结构并于该介电基板102表面其他部分所沉积的铜薄膜具有足够厚度为止。图中黑点106的位置显示该沉积制程所使用的促进剂，其浓度较高的位置。值得注意的是，在电镀一开始时，该促进剂是均匀分布于介电基板102上以及开口如镶嵌接触孔/沟槽结构104。

图1B显示填满接触孔/沟槽结构104后，促进剂106的分布。在填满接触孔/沟槽结构104后，原来位于该开口内的促进剂106移动到开口上，造成开口结构的上表面浓度较其他上表面高。过量且不均匀的促进剂最后造成沉积铜为主薄膜108具有不均匀的厚度。图1C显示不均匀的铜为主的铜薄膜108。在介电基板120表面其他部分的铜薄膜108，具有均匀一致的厚度。然而在接触孔/沟槽结构104上的铜薄膜110则明显较其他部分的铜薄膜108厚。原因是该部分具有较浓的促进剂106如图1B所示。

除了上述具有开口结构的介电层具有微观的不均匀问题，宏观的整片晶圆基板一样具有铜层不均匀的问题。多种机具设备相关的因素将影响电镀化学物(如促进剂)分布均匀度，并造成晶圆边缘到中心的厚度不均。现有半导体晶圆的电镀制程，中心的沉积速度较边缘快，因此中心的铜金属层常较边缘厚。图2显示电镀厚度的相对关系。y轴为厚度，x轴为晶圆位置，显示中心的薄膜比边缘厚。

一般制造IC的流程中微观的铜层厚度不均匀，在介电层上无开口区域较小，开口结构较大；需依赖长时间且小心控制的金属平坦化/蚀刻才能得到平坦的铜金属层。该沉积与平坦化/蚀刻的方法将增加制程时间并浪费铜。这些都会增加IC制程的成本及周期，并连带降低产能。宏观的铜层厚度不均匀，可小心的调控机械制程参数如电镀时的晶圆旋转速率来解决。但不同的电镀制程参数不但更难监控，且增加薄膜组成的差异性。除了调整机械/制程参数，无法得到具有均匀一致厚度的铜膜。

因此需改良电镀方法，使电镀铜层在沉积时具有均匀一致厚度。

发明内容

本发明提供改良的电镀方法与制程，使电镀铜最后在半导体基板上具有平坦的上表面。

本发明提供一种改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，包括：提供一基板，该基板具有一表面及一自该基板表面向下延伸的开口；提供一促进剂于该表面；进行一电镀步骤，包括将该基板浸入一电镀液并将铜镀至该表面及该开口内直到铜填满该开口；当该电镀步骤填满铜于该开口后，进行一除镀步骤将部分铜与过量的该促进剂移除；以及进行一再电镀步骤，电镀铜于该基板，该铜具有平匀的上表面。

本发明所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，该促进剂是该电镀液的一成份，且提供该促进剂于该表面与该电镀步骤是同时进行。

本发明所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，该除镀步骤所进行的时间为约5秒。

本发明所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，该基板包括自该表面向下延伸的开口，其中过量的该促进剂累积于该开口上。

本发明所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，该除镀步骤移除该开口上方的铜，多于移除其他部分的铜。

本发明所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，该电镀步骤、该除镀步骤、该再电镀步骤均为同处步骤，其中该除镀步骤使用的电流与该电镀步骤与该再电镀步骤使用的电流反向。

本发明所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，该电镀步骤形成一不均匀铜层，而接续的该除镀步骤将该铜层均匀化。

本发明还提供一种改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，所述改善电镀薄膜均匀性的电镀方法包括：提供一基板于一电镀液中，该基板具有一表面及一自该基板表面向下延伸的开口；以及电镀铜至该基板的该表面及该开口，包括先以一顺向电流进行一电镀步骤直到铜填满该开口，接着同处以一反向电流进行一除镀步骤，接着同处以一顺向电流进行一再电镀步骤。

本发明所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，该反向电流进行的该除镀步骤进行3至12秒。

本发明所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，该电镀液更包括一促进剂，而该除镀步骤移除该表面上过量的该促进剂。

本发明所述改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，可改良IC元件的品质、良率与生产率。该改良将显著的减少生产成本，以提高类似技术与元件在价格上的竞争力，最终可达到改良元件表现的水准。

附图说明

图1A至图1C为现有IC元件于现有电镀制程的剖面示意图；

图2为现有电镀制程后，晶圆的位置与厚度的相对关系图；

图3A至图3D为本发明实施例的改良电镀制程的剖面示意图；

图4是本发明实施例中改良的电镀方法流程图。

具体实施方式

本发明改良的电镀方法与制程，包括同处(in-situ)除镀步骤，可移除过量的促进剂，以提供平匀的沉积铜薄膜。

图3A至图3D显示本发明实施例的流程示意图。图3A是IC半导体元件300其制程的剖面示意图。将具有多个镶嵌接触孔/沟槽结构304的介电基板302进行铜薄膜电镀步骤，于填满镶嵌结构304后，继续沉积至介电基板302上有足够厚度的金属薄膜为止。图中的黑点306指的是促进剂浓度较高的位置。促进剂可包含于电镀液中，组成包括双3-磺基丙基双硫化物(bis(3-sulfopropyl)disulfide)、巯基-丙烷磺酸(mercapto-propane-sulfonic acid)、以及硫脲(thiourea)。值得注意的是，在电镀一开始时，该促进剂306是均匀分布于介电层302上以及开口如镶嵌接触孔/沟槽结构304。

图3B显示以电镀填满接触孔/沟槽结构304后，促进剂306的分布。在填满接触孔/沟槽结构304后，原来位于该开口结构内的促进剂306移动到开口上，造成开口结构上表面的浓度较其他上表面高。现有方法中过量且不均匀的促进剂，最后造成铜薄膜308厚度不均匀。本发明改良的制程与方法是于镶嵌接触孔/沟槽结构304填满后，于开始大量沉积铜薄膜至介电基板302之前暂停。本发明实施例中，在填满接触孔/沟槽结构304，并电镀出一薄层铜薄膜308(如图3B)于介电基板302后，对铜薄膜308进行除镀步骤。本发明的除镀步骤是同处操作，使用的设备与硬件与电镀步骤相同。与电镀步骤的电流相反，同样的设备在预定时间内进行相反的电解反应。除镀步骤中该铜薄膜308将被移除直到除镀步骤停止。以移除铜薄膜308较厚的部分较佳。该反向电解亦移除铜薄膜308上不均匀的过量促进剂306，以移除接触孔/沟槽结构304上过浓的促进剂较佳。残余的促进剂306将平均分布至铜薄膜308的表面上，不再聚集于接触孔/沟槽结构304上。值得注意的是该除镀的关键步骤只需短时间如3-12秒，一般约5秒，比电镀铜薄膜的总时间还短。其他实施例可应用不同的除镀时间。

图3C显示除镀步骤完成后的剖面图。除镀后不论是接触孔/沟槽结构304或其他部分的铜薄膜308，均较除镀前略薄。残留的促进剂306均匀分布于铜薄膜308的表面上。

本发明更包括后续完成铜薄膜的再电镀，以得到IC元件所需的厚度。该再电镀步骤与除镀步骤一样重要。之前反向的电流将再一次反向回原来的状态，可再电镀铜至晶圆上。铜薄膜可根据不同元件的需要电镀至所需的厚度。本实施例中再电镀步骤将电镀3000-7000埃厚度的铜，但其他实施例可能需要不同的厚度。图3D显示再电镀步骤后，具有平匀厚度的铜薄膜308的IC元件剖视图。图3C的除镀步骤后残留于铜薄膜308表面的平均分布的促进剂306，将促进后续的铜电镀步骤以形成具有均匀厚度的铜薄膜。该平坦且均匀厚度的薄膜不论在接触孔/沟槽结构304上或其他区域与基板302相较均具有一样的高度。值得注意的是移除过量的不均匀促进剂306，可解决现有技术中微观和宏观的铜薄膜不均匀的问题。

图4为本发明一实施例制程方法的流程图。本发明方法的第一制程402为一电镀步骤，约停止于介电基板的镶嵌接触孔/沟槽结构填满时。接下来进行除镀步骤404，该除镀步骤历时一段预定时间。需事前了解元件与制程特性以决定该除镀时间，以最佳化电镀/除镀步骤结合的表现。在除镀步骤404后进行再电镀步骤406，将形成具有平坦且均匀厚度的铜薄膜，不论在接触孔/沟槽结构304上或其他部分均具有一样的厚度。三个接连步骤402、404、与406可视为单一电镀制程，该制程包括一电镀步骤、一同处除镀步骤、以及随后的再电镀步骤。

利用除镀步骤的电镀步骤可有效改良半导体基板表面的铜薄膜的平坦性以及厚度均匀性。该改良可应用于具有多重结构的基板的所有位置。该改良亦解决现有电镀制程中宏观与微观的均匀性问题。本发明完成的方法与制程并不需要特殊的制程或设备参数，并避免不一致且难控制的多组成电镀薄膜。本发明的制程与方法也不需要特殊与额外的平坦化/蚀刻制程，即可得到平坦的薄膜。

本发明的方法与制程可以现有的电镀设备或将来开发展的IC制造工具来操作完成，包括多种市售设备。本发明的方法与制程可定义为利用电镀设备进行的单一电镀制程，包括至少三种各别步骤如下：电镀、除镀以及再电镀。值得注意的是本发明的方法与制程可结合附加的平坦化改良与附加制程和元件技术，包括多重电镀、除镀、或上述步骤的结合。

本发明的方法与结构将改良IC元件的品质、良率与生产率。该改良将显著的减少生产成本，以提高类似技术与元件在价格上的竞争力，最终可达到改良元件表现的水准。

虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但该较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种更改和补充，因此本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。

附图中符号的简单说明如下：

100：半导体元件

102：介电基板

104：镶嵌接触孔/沟槽结构

106：促进剂，其浓度较高的位置

108：铜薄膜

110：104上的铜薄膜

300：半导体元件

302：介电基板

304：镶嵌接触孔/沟槽结构

306：促进剂，其浓度较高的位置

308：铜薄膜

Claims (10)

1.一种改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，所述改善电镀薄膜均匀性的电镀方法包括：

提供一基板，该基板具有一表面及一自该基板表面向下延伸的开口；

提供一促进剂于该表面；

进行一电镀步骤，包括将该基板浸入一电镀液并将铜镀至该表面及该开口内直到铜填满该开口；

当该电镀步骤填满铜于该开口后，进行一除镀步骤将部分铜与过量的该促进剂移除；以及

进行一再电镀步骤，电镀铜于该基板，该铜具有平匀的上表面。

2.根据权利要求1所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，其特征在于，该促进剂是该电镀液的一成份，且提供该促进剂于该表面与该电镀步骤是同时进行。

3.根据权利要求1所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，其特征在于，该除镀步骤所进行的时间为5秒。

4.根据权利要求1所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，其特征在于，该基板包括自该表面向下延伸的开口，其中过量的该促进剂累积于该开口上。

5.根据权利要求4所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，其特征在于，该除镀步骤移除该开口上方的铜，多于移除其他部分的铜。

6.根据权利要求1所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，其特征在于，该电镀步骤、该除镀步骤、该再电镀步骤均为同处步骤，其中该除镀步骤使用的电流与该电镀步骤与该再电镀步骤使用的电流反向。

7.根据权利要求1所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，其特征在于，该电镀步骤形成一不均匀铜层，而接续的该除镀步骤将该铜层均匀化。

8.一种改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，所述改善电镀薄膜均匀性的电镀方法包括：

提供一基板于一电镀液中，该基板具有一表面及一自该基板表面向下延伸的开口；以及

电镀铜至该基板的该表面及该开口，包括先以一顺向电流进行一电镀步骤直到铜填满该开口，接着同处以一反向电流进行一除镀步骤，接着同处以一顺向电流进行一再电镀步骤。

9.根据权利要求8所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，其特征在于，该反向电流进行的该除镀步骤进行3至12秒。

10.根据权利要求8所述的改善电镀薄膜均匀性的电镀方法，其特征在于，该电镀液更包括一促进剂，而该除镀步骤移除该表面上过量的该促进剂。

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