CN103361694A - 一种用于3d铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法 - Google Patents

一种用于3d铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，包含步骤1：配制甲基磺酸铜体系电镀液；步骤2：通过电镀预处理对硅通孔技术的微孔进行润湿；步骤3：带电入槽，增加超小电流扩散步骤，使铜离子和添加剂在硅通孔技术的微孔表面和孔内部实现合理分布；步骤4：将硅通孔技术所在晶圆片与电源阴极连接，使晶圆电镀面完全浸泡在电镀溶液中，在阴极旋转或搅拌情况下进行分步电流法电镀，电镀条件为电流密度0.01-10A/dm2，温度15-30℃；步骤5：将晶圆用去离子水完全冲洗干净，甩干或吹干。本发明提供的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，填孔速度快，面铜薄，无空洞和裂缝风险，能实现深宽大于10∶1的高难孔型的完全填充。

Description

一种用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法
技术领域
本发明涉及一种适用于3D硅通孔技术的微孔镀铜分步的电镀方法，具体地，涉及一种用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法。
背景技术
硅通孔技术（TSV，Through -Silicon-Via）是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同，TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片运行速度和降低功耗。
由于铜电镀沉积工艺在半导体工艺技术中已被广泛认可，相信可以轻松地将这一工艺从铜镶嵌变革为通孔填充TSV。然而，尝试了许多传统镀铜系统后，效果都不尽如人意。接缝、空洞、电解液杂质等缺陷都影响了互连的可靠性能，因此需要一种性能卓越的新型的高纯化学品及电镀工艺的完美整合以便明显改善倒填充性能。     目前可商用的电镀添加剂在设计时通常包含三种有机部分：加速剂、抑制剂、整平剂（用于铜互连金属电镀的添加剂）。确保过孔（Via孔）填充成功的关键要素是工艺过程的稳健性以及速度的控制。健全的工艺过程特点是应用良好附着剂的无空洞填充，和能够担当随后化学机械抛光（CMP）工序所必需的最小超负荷。速度控制可以缩减这一技术的沉积时间。     侧壁的形状（圆锥侧壁比较容易实施电镀），阻挡层和种子层的连续性和附着性，特征尺寸良好的可润湿性（特别是高深宽比特征尺寸下），优化的工艺过程（添加剂及工艺条件），所有这些因素都有助于实现无空洞完全填充。     对于TSV应用，尺寸就意味着填充时间以及产能，最终会体现在拥有成本中。为了提高产能，降低拥有成本，要么缩短填充时间，要么减小特征尺寸，要么开发更快的工艺过程。     总之，在所有不同种类的3D技术中，采用TSV铜互联的垂直集成被认为是当前半导体业界中最先进的，也是最热门的课题之一。铜电镀沉积在TSV应用中是可行的，可用于广泛的特征尺寸中，通过采用适当的设计组合添加剂、工艺条件就能够实现可靠的无空洞TSV结构。
TSV电镀填铜工艺中，关键之处即在必须将铜无孔洞、无缝隙地完全电沉积在高深宽比的微孔中。电沉积时，如果铜在沟道两侧和底面以相同的沉积速率进行沉积，亦即等厚沉积(Conformal plating)，就很容易在沟道中心位置留下缝隙。但若沟道上部的沉积速率比其下部的沉积速率快，则难免在沟道中留下孔洞。只有当铜在沟道底部的沉积速率大于在沟道侧面的沉积速率时，才能保证铜在微沟道中的完全填充。这种完全填充方式一般被称为超等厚沉积(Super－conformal plating)，也叫Bottom-up填充。
如何通过适当的工艺控制达到超等厚沉积就成为高深宽比微孔填充的关键，从技术上讲，高深宽比微孔电镀效果取决于设备电镀能力、前处理条件、电镀药水的体系、微孔的尺寸分布、孔型分布、电镀参数等各方面。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高深宽比（10:1以上）TSV微孔的电镀填充工艺，实现bottom-up填充，降低裂缝（seam）或空洞（void）出现的可能性，且填孔速度快，面铜薄，降低后制程的成本，为3D-TSV封装量产提供技术保障。 
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其中，该方法包含：步骤1，配制甲基磺酸铜体系电镀液；步骤2，通过电镀预处理对硅通孔技术的微孔进行润湿；步骤3，带电入槽，增加超小电流扩散步骤，给以充分的扩散时间使铜离子和添加剂在硅通孔技术的微孔表面和孔内部实现合理的分布；步骤4，分步大电流电镀步骤也即正常的电镀过程，将硅通孔技术所在晶圆片与电源阴极连接，使晶圆电镀面完全浸泡在电镀溶液中，在阴极旋转或搅拌情况下进行分步电流法电镀。在扩散到位的基础上，通过控制电镀过程中的电流密度使添加剂按照预想的方式发挥作用，既能够使壁铜有一定的生长，又不改变添加剂的作用机理，实现bottom-up的填充。电镀条件为电流密度0.01-10A/dm2，温度15-30℃；优选电镀条件为电流密度范围为0.3-1.0A/dm2，温度20-25℃；步骤5，电镀结束后，将晶圆用去离子水完全冲洗干净，甩干或吹干。
上述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其中，步骤1所述的甲基磺酸铜体系电镀液包含：按质量体积比计30-130g/L的铜离子和5-50g/L的甲基磺酸，以及20-150mg/L的氯离子。
上述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其中，所述的电镀液还包含按质量体积比计1-30mg/L的加速剂，5-50mg/L的抑制剂和1-30mg/L的整平剂。在电场的作用下，加速剂、抑制剂和整平剂协同作用，充分发挥竞争机制，得到性能良好、高速沉积的TSV样片。
上述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其中，所述的加速剂包含聚二硫二丙烷磺酸钠、苯基二硫丙烷磺酸钠、3-硫-异硫脲丙磺酸钠盐、3-巯基-1-丙磺酸钠盐、硫醇基丙烷磺酸钠、异硫脲丙磺酸钠盐、二甲基-二硫甲酰胺磺酸钠、3-（苯并噻唑-2-硫代）-丙磺酸钠盐、甲基((-磺基丙基)二硫化物二钠盐、甲基((-磺基丙基)三硫化物二钠盐等含硫化合物中的一种或几种的组合。所述的加速剂起到加快低电位区镀速、光亮和细化晶粒的作用，可以和典型镀铜配方中如非离子表面活性剂，聚胺类化合物及其它硫基化合物结合使用。
上述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其中，所述的抑制剂包含分子量为2000-20000的聚环氧乙烷、聚乙二醇二甲醚、聚丙二醇、聚氧化丙二醇、巯基苯骈咪唑、苯骈三氮唑等共聚物中的一种或几种的组合。所述的抑制剂起到润湿和抑制高电位区镀层沉积的作用，同时起到晶粒细化的作用，在电场作用下能够抑制高电流密度区铜的沉积速率。
上述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其中，所述的整平剂包含硫脲类化合物、烷基吡啶类化合物、烟鲁绿B、脂肪醇烷氧基化物等聚胺类衍生物中的一种或几种的组合。所述的整平剂起到润湿整平的作用，并能够通过空间位阻或电化学作用阻碍镀层的沉积，起到辅助晶粒细化的作用，还可以在高速沉积条件下保证镀层的厚度均匀性良好。
上述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其中，步骤2所述的电镀预处理是指对硅通孔技术的微孔通过超声波、兆声波振荡或抽真空的其中一种或几种方法的组合进行电镀前的预处理。
上述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其中，所述的电镀方法适用于孔径为5-30μm，深度为30-300μm，纵横比大于10:1的微孔电镀填充。
上述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其中，所述的电镀的时间为60-70min。
本发明提供的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法具有以下优点：
该电镀填孔方法采用分步电流法进行电镀填充，根据孔型的变化及时调整电镀参数，可以实现bottom-up的填充；具有填孔速度超快，面铜薄的特点，无void和seam的风险，能实现深宽比大于10:1的高难孔型的完全填充；在时间上较传统的添加剂减少一倍，面铜也薄一倍，从而节约了TSV电镀时间及后制程CMP成本，极大地提高了生产效率。
本发明镀液配方简单，易于维护，并且不对环境产生有害化学品。
传统添加剂下的TSV电镀工艺，以孔径10μm，孔深100μm的孔型为例，填充时间大约在120min左右，而且稳定性差，存在void的风险，面铜厚度在6-10μm左右；用本发明的电镀填充工艺应用于同样的孔型（孔径10μm，孔深100μm），电镀时间在60min左右，完全bottom-up填充，面铜厚度在2-4μm左右，极大的缩短电镀填充时间和减少后续CMP工序的成本。
附图说明
图1为本发明的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术的微孔电镀填铜方法的电镀前孔型示意图。
图2为本发明的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术的微孔电镀填铜方法的电镀填充示意图。
图3为本发明的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术的微孔电镀填铜方法电镀后断面效果示意图。 
图4为本发明的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术的微孔电镀填铜方法的电镀后X射线检测效果示意图。 
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
如图1和图2所示，本发明提供的用于3D铜互连的高深宽比TSV微孔电镀填铜方法需要在图中所示的TSV孔内电镀填铜，采用的电源为高精密直流电镀电源。
本发明提供的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术的微孔电镀填铜方法，包含：
步骤1，配制甲基磺酸铜体系电镀液。该甲基磺酸铜体系电镀液包含：按质量体积比计30-130g/L的铜离子和5-50g/L的甲基磺酸，以及20-150mg/L的氯离子。
该电镀液还包含按质量体积比计1-30mg/L的加速剂，5-50mg/L的抑制剂和1-30mg/L的整平剂。
加速剂起到加快低电位区镀速、光亮和细化晶粒的作用，可以和典型镀铜配方中如非离子表面活性剂，聚胺类化合物及其它硫基化合物结合使用。该加速剂包含聚二硫二丙烷磺酸钠、苯基二硫丙烷磺酸钠、3-硫-异硫脲丙磺酸钠盐、3-巯基-1-丙磺酸钠盐、硫醇基丙烷磺酸钠、异硫脲丙磺酸钠盐、二甲基-二硫甲酰胺磺酸钠、3-（苯并噻唑-2-硫代）-丙磺酸钠盐、甲基((-磺基丙基)二硫化物二钠盐、甲基((-磺基丙基)三硫化物二钠盐等含硫化合物中的一种或几种的组合。
抑制剂起到润湿和抑制高电位区镀层沉积的作用，同时起到晶粒细化的作用，在电场作用下能够抑制高电流密度区铜的沉积速率。该抑制剂包含分子量为2000-20000的聚环氧乙烷、聚乙二醇二甲醚、聚丙二醇、聚氧化丙二醇、巯基苯骈咪唑、苯骈三氮唑等共聚物中的一种或几种的组合。
整平剂起到润湿整平的作用，并能够通过空间位阻或电化学作用阻碍镀层的沉积，起到辅助晶粒细化的作用，还可以在高速沉积条件下保证镀层的厚度均匀性良好。该整平剂包含硫脲类化合物、烷基吡啶类化合物、烟鲁绿B、脂肪醇烷氧基化物等聚胺类衍生物中的一种或几种的组合。
在电场的作用下，加速剂、抑制剂和整平剂协同作用，充分发挥竞争机制，得到性能良好、高速沉积的TSV样片。
配置电镀液的具体过程为：先配置包含30-130g/L的铜离子和5-50g/L的超纯甲基磺酸，以及20-150mg/L的氯离子的甲基磺酸铜基础镀液，再加入1-30ml/L的加速剂、5-50ml/L的抑制剂和1-30mg/L的整平剂，搅拌均匀。
步骤2，通过电镀预处理对TSV的微孔进行润湿。电镀预处理是指对TSV的微孔通过超声波、兆声波振荡或抽真空的其中一种或几种方法的组合进行电镀前的预处理。
步骤3，带电入槽，增加超小电流扩散步骤，给以充分的扩散时间使铜离子和添加剂在TSV的微孔表面和孔内部实现合理的分布。
步骤4，分步大电流电镀步骤也即正常的电镀过程，将TSV所在晶圆片与电源阴极连接，使晶圆电镀面完全浸泡在电镀溶液中，在阴极旋转或搅拌情况下进行分步电流法电镀。
在扩散到位的基础上，通过控制电镀过程中的电流密度使添加剂按照预想的方式发挥作用，既能够使壁铜有一定的生长，又不改变添加剂的作用机理，实现bottom-up的填充。
电镀条件为电流密度0.01-10A/dm2，温度15-30℃；优选电镀条件为电流密度范围为0.3-1.0A/dm2，温度20-25℃。
步骤5，电镀结束后，将晶圆用去离子水完全冲洗干净，甩干或吹干。
以上电镀方法适用于孔径为5-30μm，深度为30-300μm，纵横比大于10:1的微孔电镀填充。电镀的时间为60-70min。
本发明提供的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术的微孔电镀填铜方法，采用分步电镀法，可以根据不同添加剂的适应性，孔径大小，纵深比大小等因素，电流控制可以由小到大，再由大到小，或阶梯式增加或减少电流密度进行电镀。例如，分步电镀参数：0.01ASD 120s；0.1ASD 600s；0.4ASD 3000s，0.01ASD 120s；1.0 ASD 300s；0.7ASD 600s；0.5ASD 2400s；0.3ASD 1200s。ASD是电镀中电流密度的单位，1ASD=1安培/平方分米。
该方法可以实现bottom-up填充，具有填孔速度快，面铜薄的特点，无void和seam的风险，能实现深宽大于10:1的高难孔型的完全填充；在时间上较传统的添加剂减少一倍，面铜也薄一倍。
实施例一
以10×100μm孔型为例。
预处理条件：在真空度为0~0.2 托（torr）的条件下，抽真空5min，纯水浸泡1-10min。
甲基磺酸铜基础镀液配比：100g/L的Cu2+，30g/L的超纯甲基磺酸，以及30mg/L的Cl-。
添加剂配比为加速剂: 抑制剂: 整平剂=5:10:5。
实验条件： 温度=25 ℃，流量=15 L/min，阴极转速= 50 RPM。
电镀参数：0.01ASD 120s；0.1ASD 600s；0.4ASD 3000s。
结果：如图3所示，完全填充，无缺陷，面铜厚度＜3μm。
实施例二
以15×150μm孔型为例。
预处理条件：在真空度为0~0.2 torr的条件下，抽真空5min，纯水浸泡1-10min。
甲基磺酸铜基础镀液配比：90g/L的Cu2+，20g/L的超纯甲基磺酸，以及20mg/L的Cl-。
添加剂配比为加速剂:抑制剂:整平剂=3:10:7。
实验条件：温度=22-25 ℃，流量=15 L/min，转速=50 RPM。
电镀参数：0.01ASD 120s；1.0 ASD 300s；0.7ASD 600s；0.5ASD 2400s；0.7ASD 300s；0.3ASD 1200s。
结果：如图4所示，完全填充，无缺陷。
电镀后处理：将晶圆先用去离子水完全冲洗2min，吹干。
对实施例一和实施例二所得的电镀样片进行分析检测与评价：
1.断面分析：将电镀完成样片按照孔型分布情况切片，用专用环氧固化材料塑封，研磨抛光，金相显微镜或SEM下观察是否有电镀缺陷，结果参见图3。
2.无损伤探测：用X射线（X-ray）检测设备观察微孔的填充效果和电镀均匀性，结果参见图4。
本发明提供的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术的微孔电镀填铜方法，所制备的TSV样片外观平整，无void和seam缺陷，均匀性良好，满足要求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其特征在于，该方法包含：
步骤1，配制甲基磺酸铜体系电镀液；
步骤2，通过电镀预处理对硅通孔技术的微孔进行润湿；
步骤3，带电入槽，增加超小电流扩散步骤，使铜离子和添加剂在硅通孔技术的微孔表面和孔内部实现合理的分布；
步骤4，将硅通孔技术所在晶圆片与电源阴极连接，使晶圆电镀面完全浸泡在电镀溶液中，在阴极旋转或搅拌情况下进行分步电流法电镀，电镀条件为电流密度0.01-10A/dm2，温度15-30℃；
步骤5，电镀结束后，将晶圆用去离子水完全冲洗干净，甩干或吹干。
2. 如权利要求1所述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其特征在于，步骤1所述的甲基磺酸铜体系电镀液包含：按质量体积比计30-130g/L的铜离子和5-50g/L的甲基磺酸，以及20-150mg/L的氯离子。
3. 如权利要求2所述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其特征在于，所述的电镀液还包含按质量体积比计1-30mg/L的加速剂，5-50mg/L的抑制剂和1-30mg/L的整平剂。
4. 如权利要求3所述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其特征在于，所述的加速剂包含聚二硫二丙烷磺酸钠、苯基二硫丙烷磺酸钠、3-硫-异硫脲丙磺酸钠盐、3-巯基-1-丙磺酸钠盐、硫醇基丙烷磺酸钠、异硫脲丙磺酸钠盐、二甲基-二硫甲酰胺磺酸钠、3-（苯并噻唑-2-硫代）-丙磺酸钠盐、甲基((-磺基丙基)二硫化物二钠盐、甲基((-磺基丙基)三硫化物二钠盐的含硫化合物中的一种或几种的组合。
5. 如权利要求3所述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其特征在于，所述的抑制剂包含分子量为2000-20000的聚环氧乙烷、聚乙二醇二甲醚、聚丙二醇、聚氧化丙二醇、巯基苯骈咪唑、苯骈三氮唑的共聚物中的一种或几种的组合。
6. 如权利要求3所述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其特征在于，所述的整平剂包含硫脲类化合物、烷基吡啶类化合物、烟鲁绿B、脂肪醇烷氧基化物的聚胺类衍生物中的一种或几种的组合。
7. 如权利要求1所述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其特征在于，步骤2所述的电镀预处理是指对硅通孔技术的微孔通过超声波、兆声波振荡或抽真空的其中一种或几种方法的组合进行电镀前的预处理。
8. 如权利要求1~7中任意一项所述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其特征在于，所述的电镀方法适用于孔径为5-30μm，深度为30-300μm，纵横比大于10:1的微孔电镀填充。
9. 如权利要求8所述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其特征在于，所述电镀的时间为60-70min。
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