CN102443830A

CN102443830A - 一种改善电镀铜工艺的方法

Info

Publication number: CN102443830A
Application number: CN2011103079863A
Authority: CN
Inventors: 方精训; 苏亚青
Original assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2012-05-09

Abstract

本发明一种改善电镀铜工艺的方法，包括：电镀槽为多个独立的电镀槽模块，根据电镀工艺的要求，通过选择对其中一个或多个电镀槽模块进行组合，分布连续进行，以形成所需要的电镀工艺。通过发明一种改善电镀铜工艺的方法，有效的将传统的单一电镀槽工艺分为多个电镀槽模块，在每个电镀槽模块中可分别设置电镀条件、电镀液以及有机添加剂的成分和浓度，同时可选着其中一个或多个电镀槽模块进行组合，分布连续进行，从而使该电镀工艺适合更大的范围，并极大方便电镀工艺的调整和优化。

Description

一种改善电镀铜工艺的方法

技术领域

本发明涉及一种工艺方法，尤其涉及一种改善电镀铜工艺的方法。

背景技术

随着集成电路制造工艺的不断进步，芯片集成度的不断提高，铜已经取代铝成为超大规模集成电路制造中的主流互连技术。作为铝的替代物，铜导线可以提高芯片的集成度，提高器件密度，提高时钟频率以及降低降低功耗和成本。

因为对铜的刻蚀非常困难，铜互连一般采用如下的双大马士革嵌入式工艺:首先沉积一层薄的刻蚀终止层；接着在上面沉积一定厚度的绝缘层；然后进行相应的光刻、刻蚀工艺，形成出完整的通孔和沟槽；接着是溅射扩散阻挡层和铜种籽层。钛的作用是增强与铜的黏附性，种籽层是作为电镀时的导电层；之后就是铜互连线的电镀工艺；最后是退火和化学机械抛光，对铜镀层进行平坦化处理和清洗。重复上述工序，进而形成多层金属的叠加。

其中，电镀是完成铜互连线的主要工艺。集成电路的铜电镀工艺通常采用硫酸盐体系的电镀液，当电源加在铜（阳极）和硅片（阴极）上面时，溶液中产生电场并形成电流。根据法拉第电解定律，电镀槽里面阳极的铜失去电子转化成铜离子，铜离子在阴极的硅片表面得到电子转化为铜原子并沉积在硅片表面，每电镀一个铜原子便需要两个电子的消耗，因此通过对电流的控制和分配来达到对电镀铜膜的沉积的控制。在此电镀体系中铜离子在外加电场的作用下，由阳极向阴极定向移动并补充阴极附近的浓度损耗。电镀的主要目的是在硅片上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙和其它缺陷、分布均匀的铜。

为了得到一致性和均匀性比较好的铜膜，电镀铜工艺要求电镀整个硅片表面镀层及微小局部区域同时传输差异比较小的电流密度，由于集成电路特征尺寸的不断缩小，和沟槽深宽比的增大，沟槽的填充效果和镀层质量受很多因素影响，如：刻蚀后剖面、种籽的厚度、主盐浓度、pH值、电流参数、温度、有机添加剂（加速剂、抑制剂和平坦剂），等等，其中填充性能与添加剂的成份和浓度更是密切相关。

双大马士革结构的特殊要求导致添加剂对ECP工艺的影响在整个电镀过程的不同阶段可能有所不同。一般的过程是，先进行沟槽和孔洞的填充，再进行硅片表面的大面积铜沉积。一般认为此电镀体系中用到的三种有机添加剂分别在不同的阶段产生作用: 加速剂扩散速度比较快，可均匀的吸附在硅片的表面和沟槽中，它和铜的结合力比较大，密度过大的时候会在硅片表面取代抑制剂和铜结合；抑制剂通过氯离子在铜膜表面形成一层阻隔膜，来阻止铜的沉积；平整剂扩散的速度比较慢，沟槽填充的阶段它在沟槽中的浓度比较小，主要在大面积沉积阶段起作用。一种可能的机理是：首先进行的是均匀性填充，填充反应动力学受抑制剂控制。随着电镀的进行加速剂在沟槽的底部不断对抑制剂进行取代，分布的密度会越来较大，当加速剂达到临界浓度时，电镀开始从均匀性填充转变成由底部向上的填充，如图1所示，加速剂吸附在铜表面，降低电镀反应的电化学反应势，促进快速沉积反应。沟槽填充完成后，加速剂并不停止工作，继续促进铜的沉积，表面吸附的平坦剂有着对电流敏感的特性，会移动到电流大的区域，开始发挥作用，抑制铜的继续沉积，以减小表面的粗糙度。平坦剂通过在电流密度比较大的地方抑制铜的过度沉积从而获得较好的平坦化效果，保证了较小尺寸的图形在电镀填充结束后不会被过分沉积，有效地降低了镀层表面起伏。

此可见铜电镀过程中，对填充过程产生影响的主要是加速剂、抑制剂和氯离子，填充过程完成后对镀层表面粗糙度产生影响的主要是平坦剂。此三种添加剂在电镀铜中具有不同的角色，又相互影响，同样道理，其它工艺条件也会对电镀过程产生影响，且这种影响会随着电镀的不同阶段而变化。现有的铜电镀工艺一般会经过以下主要流程：

由圆片装载、电镀（单一电镀槽）、洗边、退火以及最后的圆片卸载。

辅佐以硅片对准，清洗，化学添加剂补给等其它模块。其中的电镀过程是在单一电镀槽内完成的。在此电镀过程中电镀液、有机添加剂成份和浓度及其它条件虽然会随着电化学反应过程有所消耗和波动，但通过监控和补液等手段，基本可视为固定不变。沟槽的填充效果和镀层质量是所有影响因素共同作用的结果，它们之间彼此竞争又相互关联。为实现无空洞高质量的电镀铜，除了改进添加剂的单个性能外，还需要确定几种添加剂比例及其它条件，使它们之间互相平衡，才能达到良好的综合性能，得到低电阻率、结构致密和表面粗糙度小的铜镀层。这给ECP工艺的优化带来很大挑战。

此外，版图图形特性对铜电镀后的形貌有很大影响，如图2所示，铜线越细密的区域生长得越厚的过电镀效应。这种效应对铜电镀后的铜的化学机械抛光工艺带来困难，应尽量消除。而现有的单一电镀槽的铜电镀工艺给改善这种现象造成很大障碍。

发明内容

发明公开了一种改善电镀铜工艺的方法。用以解决现有技术中对于铜电镀的工艺中，整个电镀在单一电镀槽中进行的，形成各工艺条件、电镀液以及添加剂之间相互制约，且不能根据电镀的不同阶段分布设置，给工艺优化带来困难。

为实现上述目的，发明采用的技术方案是：

一种改善电镀铜工艺的方法，工艺步骤包括：

步骤一，首先沉积一层刻蚀终止层；

步骤二，接着在刻蚀终止层表面沉积一层具有一定厚度的绝缘层；

步骤三，然后对绝缘层进行光刻以及刻蚀工艺，使在绝缘层中形成通孔和沟槽；

步骤四，接着使用物理气相沉积扩撒阻挡层以及在扩撒阻挡层上沉积金属铜，形成铜互连线；

步骤五，将形成铜互连线的器件放入电镀槽内进行铜互连线上表面进行电镀工艺；

步骤六，最后是使用退火和化学机械抛光，对经电镀工艺过的铜互连线上表面进行平坦化处理与清洗；

通过重复以上步骤一至步骤六的工序，形成多层金属叠加，其中，还包括：在所述步骤五中，所述电镀槽为多个独立的电镀槽模块，根据电镀工艺的要求，通过选择对其中一个或多个电镀槽模块进行组合，分布连续进行，以形成所需要的所述电镀工艺。

上述的工艺方法，其中，所述独立的电镀槽模块内分别具有调节，工艺条件、工艺参数、电镀液、有机添加剂成分以及有机添加剂浓度的设置。

上述的工艺方法，其中，所述工艺参数为主盐浓度、PH值、电流参数、温度、电镀转速、电镀槽溶液和更换速率。

上述的工艺方法，其中，所述电镀液为硫酸盐体系会或其他体系具有相同功能的电镀液。

上述的工艺方法，其中，所述独立的电镀槽模块的个数为2个至10个。

上述的工艺方法，其中，在使用电镀液时所用到的加速剂、抑制剂和平坦剂均为有命名的有机添加剂。

上述的工艺方法，其中，所述扩散阻挡层的材料为氮化硅。

上述的工艺方法，其中，所述绝缘层的材料为氧化硅或介电质。

本发明中一种改善电镀铜工艺的方法，采用了如上方案具有以下效果：

1、将传统的单一电镀槽工艺分为多个电镀槽模块，在每个电镀槽模块中可分别设置电镀条件、电镀液以及有机添加剂的成分和浓度；

2、同时可选着其中一个或多个电镀槽模块进行组合，分布连续进行，从而使该电镀工艺适合更大的范围，并极大方便电镀工艺的调整和优化。

附图说明

通过阅读参照如下附图对非限制性实施例所作的详细描述，发明的其它特征，目的和优点将会变得更明显。

图1A-1D为现有技术中电镀受加速剂、抑制剂和平坦剂共同影响的由底部向上填充过程的示意图；

图2为现有技术中版图对电镀后形貌影响的示意图；

图3为本发明一种改善电镀铜工艺的方法的示意图。

具体实施方式

为了使发明实现的技术手段、创造特征、达成目的和功效易于明白了解，下结合具体图示，进一步阐述本发明。

请参看3图所示，一种改善电镀铜工艺的方法，工艺步骤包括：

步骤一，首先沉积一层刻蚀终止层；

通过重复以上步骤一至步骤六的工序，形成多层金属叠加，其中，还包括：在步骤五中，电镀槽为多个独立的电镀槽模块，根据电镀工艺的要求，通过选择对其中一个或多个电镀槽模块进行组合，分布连续进行，以形成所需要的电镀工艺。

进一步的，独立的电镀槽模块内分别具有调节，工艺条件、工艺参数、电镀液、有机添加剂成分以及有机添加剂浓度的设置。

进一步的，工艺参数为主盐浓度、PH值、电流参数、温度、电镀转速、电镀槽溶液和更换速率。

进一步的，电镀液为硫酸盐体系会或其他体系具有相同功能的电镀液。

进一步的，独立的电镀槽模块的个数为2个至10个。

进一步的，在使用电镀液时所用到的加速剂、抑制剂和平坦剂均为有命名的有机添加剂。

进一步的，扩散阻挡层的材料为氮化硅。

进一步的，绝缘层的材料为氧化硅或介电质。

本发明的具体实施方式为，首先沉积一层刻蚀终止层，接着在刻蚀终止层表面沉积一层具有一定厚度的绝缘层，然后对绝缘层进行光刻以及刻蚀工艺，使在绝缘层中形成通孔和沟槽，接着使用物理气相沉积扩撒阻挡层以及在扩撒阻挡层上沉积金属铜，形成铜互连线，对铜互连线的上表面进行电镀工艺，根据电镀工艺的要求，在多个独立的电镀槽模块中，通过选择对其中一个或多个电镀槽模块进行组合，分布连续进行，所需要的电镀工艺的加工，最后是使用退火和化学机械抛光，对经电镀工艺过的铜互连线上表面进行平坦化处理与清洗，最后通过重复以上工序，形成多层金属叠加。从而使本电镀工艺方法适合更大的应用范围，并极大方便了电镀工艺的调整和优化。

综上所述，发明一种改善电镀铜工艺的方法，有效的将传统的单一电镀槽工艺分为多个电镀槽模块，在每个电镀槽模块中可分别设置电镀条件、电镀液以及有机添加剂的成分和浓度，同时可选着其中一个或多个电镀槽模块进行组合，分布连续进行，从而使该电镀工艺适合更大的范围，并极大方便电镀工艺的调整和优化。

以上对发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响发明的实质内容。

Claims

1.一种改善电镀铜工艺的方法，工艺步骤包括：

步骤一，首先沉积一层刻蚀终止层；

通过重复以上步骤一至步骤六的工序，形成多层金属叠加，其特征在于，还包括：在所述步骤五中，所述电镀槽为多个独立的电镀槽模块，根据电镀工艺的要求，通过选择对其中一个或多个电镀槽模块进行组合，分布连续进行，以形成所需要的所述电镀工艺。

2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述独立的电镀槽模块内分别具有调节，工艺条件、工艺参数、电镀液、有机添加剂成分以及有机添加剂浓度的设置。

3.根据权利要求2所述的工艺方法，其特征在于，所述工艺参数为主盐浓度、PH值、电流参数、温度、电镀转速、电镀槽溶液和更换速率。

4.根据权利要求2所述的工艺方法，其特征在于，所述电镀液为硫酸盐体系会或其他体系具有相同功能的电镀液。

5.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述独立的电镀槽模块的个数为2个至10个。

6.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，在使用电镀液时所用到的加速剂、抑制剂和平坦剂均为有命名的有机添加剂。

7.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述扩散阻挡层的材料为氮化硅。

8.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述绝缘层的材料为氧化硅或介电质。