CN102443828A

CN102443828A - 一种在半导体硅片的通孔中进行电镀铜的方法

Info

Publication number: CN102443828A
Application number: CN2011102851118A
Authority: CN
Inventors: 周军
Original assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-09-23
Also published as: CN102443828B

Abstract

本发明提供一种对半导体硅片通孔电镀铜的方法，先进行电镀，在硅片表面和通孔的底部及侧壁上形成一层金属铜层，从而对半导体硅片中的通孔进行部分填充，之后对硅片进行清洗；对形成的金属铜层进行部分电解，使硅片表面和通孔侧壁上的金属铜层厚度变薄，并对硅片进行清洗，所述开口处减少的厚度多于通孔底部和侧壁减少的厚度；在已填充有金属铜层的通孔内再次进行电镀，以在已填充有金属铜层的通孔内填充另一层金属铜层，并对所形成的金属铜层再次进行部分电解；待通孔内填满金属铜后，清洗半导体硅片并进行退火处理。本发明提供的电解铜的方法可以改善铜电镀过程中通孔的形貌，提高铜电镀的工艺窗口，消除通孔中的孔隙，提高器件的可靠性。

Description

一种在半导体硅片的通孔中进行电镀铜的方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路及其制造技术领域，尤其涉及一种对半导体硅片通孔电镀铜的方法。

背景技术

随着集成电路的集成度不断提高，现有的集成度提高主要是采取减小最小特征尺寸，例如：最小特征尺寸为90纳米、最小特征尺寸为45纳米、最小特征尺寸为32纳米、最小特征尺寸为22纳米，这就使得在给定的区域能够集成更多的元件。另一方面，利用现代电子封装技术，如硅通孔（Through-Silicon-Via，TSV）技术，实现高密度的3D集成，成为了微电子电路（包括MEMS）系统级集成的重要技术途径。

无论是更小的特征尺寸，还是三维集成都需要面对越来越小的通孔、越来越高的深宽比，这给工艺技术带来了诸多的挑战。其中通孔的填充就是其中之一，填充技术可使用电镀、化学气相沉积、高分子涂布等方法。因为铜的电阻更小，而且铜的电镀更方便易行，目前主要使用的是铜的电镀。越来越小的通孔和越来越高的深宽比，使得在晶片的表面、通孔的侧壁和底部同时进行的铜的电镀的工艺窗口不断减小，经常会在其中形成孔隙，从而影响器件的可靠性。

中国专利CN101871110A披露了一种电镀铜方法，包括初始化、填洞和过量电镀三个阶段，其中初始化、填洞和过量电镀三个阶段的晶圆的转速范围都为10圈/分钟至14圈/分钟。填洞阶段包括两个步骤，第一步骤的电镀电流范围为6.5安培至7安培；第二步骤的电镀电流范围为13安培至14安培。

中国专利CN102154670A披露了电镀铜方法，用于对大尺寸、大深度的集成电路图形形成铜镀膜，该方法采用阶段性电镀工艺处理，在不同的电流密度、硅片旋转速度、电镀液流速以及硅片工艺位置条件下分阶段进行电镀工艺处理。

目前，通过常用淀积的金属铜工艺在通孔中填充金属铜都会存在一定空隙，这些空隙会对器件的运行和发展会产应一定影响，如能减少其中空隙将有利于半导体技术的发展。

发明内容

本发明目的在于提供一种在半导体硅片的通孔中进行电镀铜的方法，有效改善金属铜在电镀过程中通孔的外貌，提高铜的电镀的工艺窗口，消除通孔中的孔隙，提高器件的可靠性。

为了实现上述目的提供一种在半导体硅片的通孔中进行电镀铜的方法，包括以下顺序步骤：

步骤1，先进行电镀，在硅片表面和通孔的底部及侧壁上形成一层金属铜层，从而对半导体硅片中的通孔进行部分填充，之后对硅片进行清洗。

步骤2，对形成的金属铜层进行部分电解，使硅片表面和通孔侧壁上的金属铜层厚度变薄，并对硅片进行清洗，所述开口处减少的厚度多于通孔底部和侧壁减少的厚度。

步骤3，在已填充有金属铜层的通孔内再次进行电镀，以在已填充有金属铜层的通孔内填充另一层金属铜层，并对所形成的金属铜层再次进行部分电解。

步骤4，待通孔内填满金属铜后，清洗半导体硅片并进行退火处理。

在上述提供的方法中，其中重复步骤2过程一次以上。重复多次填充、清洗、电解、清洗过程可以使得填充到通孔内的金属铜不形成空隙，避免对器件产生不良影响。

在上述提供的方法中，其中镀用的电镀液中含有抑制剂、加速剂和平整剂，所述抑制剂的分子量大于加速剂的分子量。电解用的电解液中含有抑制剂、加速剂和平整剂，所述加速剂的分子量大于抑制剂的分子量。加速剂和抑制剂优选用有机物型的加速剂和抑制剂。

在上述提供的方法中，其中电镀过程中硅片表面的铜电镀速度慢于通孔内的铜电镀速度。通孔内铜电镀速度快于硅片表面的铜电镀速度，使得大部分的金属铜电镀到通孔之内。

在上述提供的方法中，其中电解过程中硅片表面的铜电解速度快于通孔内的铜电解速度。通孔内铜电度速度慢于硅片表面的铜电解速度，使得多数电镀在通孔内的金属铜保留在通孔内。

本发明中所使用的加速剂和抑制剂皆属于本技术领域公知常识，本技术领域人员根据实际操作情况而选用相应的加速剂和抑制剂。

在上述提供的方法中，其中所述退火温度控制在400℃以下。

在上述提供的方法中，其中所述退火时间控制在30分钟之内。

本发明提供的电解铜的方法可以改善铜电镀过程中通孔的形貌，提高铜电镀的工艺窗口，消除通孔中的孔隙，提高器件的可靠性。

具体实施方式

本发明提供一种对半导体硅片通孔电镀铜的方法，先进行电镀，在硅片表面和通孔的底部及侧壁上形成一层金属铜层，从而对半导体硅片中的通孔进行部分填充，之后对硅片进行清洗；对形成的金属铜层进行部分电解，使硅片表面和通孔侧壁上的金属铜层厚度变薄，并对硅片进行清洗，所述开口处减少的厚度多于通孔底部和侧壁减少的厚度；在已填充有金属铜层的通孔内再次进行电镀，以在已填充有金属铜层的通孔内填充另一层金属铜层，并对所形成的金属铜层再次进行部分电解；待通孔内填满金属铜后，清洗半导体硅片并进行退火处理。

在本发明中，第一次电镀是在通孔的底部及侧壁覆盖一层第一金属铜层，金属铜层同时还覆盖在硅片的表面上，第一金属铜层部分填充在通孔内壁及底部。在清洗硅片后，对之前形成的第一金属铜层进行部分电解。电解的主要目的是通孔开口处的金属铜层和硅片表面的金属铜层的厚度变薄，防止在通孔开口在通孔被金属铜填满之前被堵塞。通孔开口处所覆盖的金属铜层越来越厚，那么随着电镀到半导体硅板金属铜量的增加，通孔口将被金属铜层所堵住，填充的金属铜层中将会存在孔隙。采用循环电镀和电解的过程可以降低金属铜在通孔开口处的堆积，使得金属铜一层一层致密的填充到通孔之中，直至金属铜无孔隙的填满。

在本发明中电镀速度和电解速度起到关键性的作用。在电镀的时候，硅片表面的铜电镀速度将慢于通孔内的铜电镀速度。相反，在电解的时候，硅片表面的铜电解速度将快于通孔内的铜电解速度。

整个电镀过程是在电镀槽中完成的，半导体硅片作为阴极。电镀所用的电镀液中添加有抑制剂和加速剂等有机型添加剂。抑制剂的分子量要大于加速剂的分子量。由于抑制剂的分子量相比加速剂的要大些，其主要通过覆盖在铜表面的原子位置来抑制表面铜沉积，从而达到在硅片表面的电镀速度慢于通孔内电镀速度。相反，由于加速剂的分子量相比较小，可以通过抵消抑制剂的作用来加速通孔内的金属铜的沉积。在整个添加剂的作用下，硅片表面的铜电镀速度和通孔内的铜电镀速度可以得到控制。

整个电解过程是在电解槽中完成的，半导体硅片作为阳极。电解所用的电解液中添加有抑制剂、加速剂和平整剂等有机型添加剂。抑制剂的分子量要小于加速剂的分子量。由于加速剂的分子量相比抑制剂的要大些，通过抵消加速剂的作用来抑制通孔内铜的电解，而加速剂的分子较大，主要覆盖在硅片的表面上，加速剂导致沉积在硅片表面上的铜的电解过程得以促进和加快。在整个添加剂的作用下，硅片表面的铜电解速度和通孔内的铜电解速度可以得到控制。

下面通过实施例来进一步说明本发明，以便更好理解本发明创造的内容，但是下述实施例并不限制本发明的保护范围。

将表面设有通孔的半导体硅片在电镀槽内对通孔进行第一次金属铜部分填充，第一次填充结束后送入清洗槽内进行清洗。将清洗干净的半导体硅片放入电解槽内对通孔进行第一次金属铜层得部分电解，第一次部分电解结束后送入清洗槽内进行清洗。将清洗干净后的半导体硅片循环之前电镀、清洗、电解及清洗过程，循环次数为15次。在清洗槽内的清洗半导体硅片时候，需要将硅片表面的其他溶剂清洗干净，避免溶液的相互污染。交替进行电镀和电解使得通孔中填充的金属铜没有形成孔隙的可能，从而避免了通孔的出现。

之后当金属铜占满整个通孔后，把填充好的半导体硅片进行清洗，除去因电镀和电解而留下的其他物质。将清洗干净的半导体硅片放在350℃环境下退火3min。

本发明提供方法可以改善铜电镀过程中通孔的形貌，提高铜电镀的工艺窗口，消除通孔中的孔隙，提高器件的可靠性。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims

1.一种在半导体硅片的通孔中进行电镀铜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，先进行电镀，在硅片表面和通孔的底部及侧壁上形成一层金属铜层，从而对半导体硅片中的通孔进行部分填充，之后对硅片进行清洗；

步骤2，对形成的金属铜层进行部分电解，使硅片表面和通孔侧壁上的金属铜层厚度变薄，并对硅片进行清洗，所述开口处减少的厚度多于通孔底部和侧壁减少的厚度；

步骤3，在已填充有金属铜层的通孔内再次进行电镀，以在已填充有金属铜层的通孔内填充另一层金属铜层，并对所形成的金属铜层再次进行部分电解；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重复步骤2过程一次以上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电镀用的电镀液中含有抑制剂、加速剂和平整剂，所述抑制剂的分子量大于加速剂的分子量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解用的电解液中含有抑制剂、加速剂和平整剂，所述加速剂的分子量大于抑制剂的分子量。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述加速剂或抑制剂为有机物。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，电镀过程中硅片表面的铜电镀速度慢于通孔内的铜电镀速度。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，电解过程中硅片表面的铜电解速度快于通孔内的铜电解速度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火温度控制在400℃以下。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火时间控制在30分钟之内。