CN103484908A - Tsv电化学沉积铜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种TSV电化学沉积铜方法，包括步骤：将待镀含TSV的晶圆浸没在含铜盐的镀液内；在阴极和阳极之间通入保护电流；在预通保护电流的步骤之后，相隔一个时间间隔或者不经过时间间隔，通入电化学沉积电流，所述电化学沉积电流为周期性的脉冲电流，随着电化学沉积时间的推进，所述电化学沉积电流的脉冲幅值增大，所述电化学沉积电流的脉冲间隔时间缩短，脉冲占空比增大；在晶圆的TSV中完全填充铜以后，停止供给所述电化学沉积电流。电化学沉积电流优选采用分段阶梯式的脉冲电流。本发明能够以自下而上的方式将铜金属快速有效的填充到高深宽比的TSV中，而不会在电化学沉积后的铜中产生诸如空穴的缺陷。

Description

TSV电化学沉积铜方法
技术领域
本发明涉及微电子封装领域，尤其是一种硅通孔电化学沉积铜方法。
背景技术
目前，三维集成电路是当前研究和竞争的热点，由于三维硅通孔（TSVs, Through Silicon Vias）技术能提供更短的电连接通路、能拥有更多的信号通道、能代替效率低下的引线等优点，是提高器件性能的可行途径，故其成为三维集成电路核心技术之一。 
铜由于其导电、导热性能优越，被广泛应用于TSV互连中，电化学沉积铜是TSV填充的主要工艺，是TSV技术的重要一环。
随着TSV应用的范围越来越广泛，TSV的深宽比亦随之增加，导孔通常具有大尺寸，如直径（宽）可为2-50μm，深宽比可至20、30。为了能将铜能完全填充至高深宽比的TSV中而不在TSV内部产生诸如孔洞的缺陷，需让电化学沉积的铜以自下而上的生长方式填充TSV。在电化学沉积过程中使用的阳极通常为纯铜阳极或者含磷铜阳极，电镀用的铜盐通常为硫酸铜或者甲基磺酸铜。同时，这种自下而上的电化学沉积方法常在镀液中包含各种添加剂来实施，所述的添加剂诸如作为电化学沉积加速剂的含磺烷基磺酸、二硫代氨基甲酸衍生物和双硫有机酸，如SPS（二硫二丙烷酸钠，bis(3-sulfopropyl)disulfide）、作为抑制剂的烯烃氧化聚合物，如PEG（聚乙二醇，polyethylene glycol）、作为整平剂的大分子氮基-侧基聚合物，如PEI（聚乙烯亚胺，polyethylene imine）以及卤素离子Cl-。
在高深宽比的TSV填充过程中，如果工艺不恰当则会在TSV内部产生诸如孔洞的缺陷。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种TSV电化学沉积铜方法，该方法能够使铜牢固且有效地完全填充高深宽比的TSV中，而不会在待填充的铜金属中产生诸如空穴的缺陷。
本发明提供的TSV电化学沉积铜方法包括下述步骤：
S1.将待镀含TSV（已制作电化学沉积所需的种子层）的晶圆浸没在镀槽中含铜盐的镀液内，所述含TSV的晶圆作为阴极，另设有一个电极为阳极；所述阳极配置成与所述晶圆的表面相对。
S2.进行预通保护电流的步骤：在所述阴极（含种子层的TSV晶圆）和阳极之间通入保护电流；
S3.在预通保护电流的步骤之后，相隔一个时间间隔或者不经过时间间隔，进行电化学沉积的步骤：
在所述阴极和阳极之间通入电化学沉积电流，所述电化学沉积电流为周期性的脉冲电流，脉冲电流的单个脉冲持续时间与单个脉冲周期的比值为占空比；电化学沉积电流的脉冲幅值大于步骤S2中保护电流的幅值；
随着电化学沉积时间的推进，使得所述电化学沉积电流的脉冲幅值增大，所述电化学沉积电流的脉冲间隔时间缩短，脉冲占空比增大；以此将铜填充到TSV内。
S4.在晶圆的TSV中完全填充铜以后，停止供给所述电化学沉积电流。
根据该电化学沉积方法，为了防止在电化学沉积前，TSV内部的种子层被腐蚀，首先在阴极（含种子层的TSV晶圆）和阳极之间通入一小电流作为保护电流。在通过小电流后再通入电化学沉积电流。同时，在该小电流通入的过程中，可使镀液中的添加剂和铜离子能充分往TSV内扩散。
电化学沉积时的电流为间歇式的电化学沉积电流（脉冲电流），反复进行电流的供给和停止。当在电化学沉积电流供给停止时（即脉冲间隔时间内），利用由离子浓度梯度引起的镀液中的离子向硅通孔的扩散能够消除硅通孔内部镀液中金属铜离子浓度的减少的情况。这能够促使电化学沉积铜的自底向上的生长。
随着电化学沉积时间的推进，电化学沉积的铜逐渐填充到TSV中，TSV中未填充的部分的深度逐渐减小，亦即TSV未填充的部分深宽比逐渐减小，相应地在电化学沉积时间推进的过程中，使铜离子供给到TSV中的电流停止时间（即脉冲间隔时间）减小和电化学沉积的电流增大能够更有效地让金属铜向TSV中填充。
本发明的一个重要的优选方面在于电化学沉积电流采用分段阶梯式的脉冲电流，具体为：所述步骤S3.中进行电化学沉积的步骤分为多个阶段，在每个阶段中所述电化学沉积电流均包含一个或多个电流脉冲；后一个阶段与前一个阶段相比，所述电化学沉积电流的脉冲间隔时间缩短，所述电化学沉积电流的脉冲周期即电流供给节距缩短，而脉冲的幅值增大。分段阶梯式的脉冲电流在阴极（含种子层的TSV晶圆）和阳极间间歇地流动，使得电化学沉积的铜能自下而上、致密有效的填充到TSV中。
本发明的其它优选方面还有：
在电化学沉积步骤的所有阶段中所述电化学沉积电流的脉冲持续时间都相同；在各个单独的阶段中，所述电化学沉积电流的脉冲间隔时间相等，电流供给节距相等，电化学沉积电流的脉冲幅值相等。
在进行电化学沉积之前预通的保护电流范围为0.01-1 ASD（A/dm2），持续时间为0-10分钟。
在预通保护电流后和通入电化学沉积电流前的时间间隔为数分钟（不超过十分钟），或者没有时间间隔（即通入小电流过后直接通入脉冲电化学沉积电流）。
所述电化学沉积电流为矩形脉冲电流。
电化学沉积时的电化学沉积电流的脉冲幅值范围为0.1-10 ASD。
电化学沉积过程中所述电化学沉积电流的脉冲间隔时间为0-1分钟。所选时间大小取决于电化学沉积消耗的铜离子速率和从镀液本体扩散补充进来铜离子速率的大小，若铜离子扩散速率大于电化学沉积消耗速率，则脉冲间隔时间可设置为0。
在所述电化学沉积电流的脉冲间隔时间内，为了防止电镀上的铜膜在电流停止时间过程中溶解，可以在所述阴极和阳极之间通入弱电流，该弱电流的范围为0.005-0.8 ASD。
本发明能够以自下而上的方式将铜金属快速有效的填充到高深宽比的TSV中，而不会在电化学沉积后的铜中产生诸如空穴的缺陷。
附图说明
图1为本发明的电镀装置示意图。
图2为本发明的电化学沉积通入电流方式示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
进行电化学沉积的电镀装置如图1所示。在电化学沉积过程中使用的阳极通常为纯铜阳极或者含磷铜阳极，电镀用的铜盐通常为硫酸铜或者甲基磺酸铜。含TSV的晶圆作为阴极。将待镀含TSV的晶圆浸没在含铜盐的镀液内，所述阳极配置成与所述晶圆的表面相对。镀液中添加有诸如电化学沉积加速剂、抑制剂、整平剂等多种添加剂。
在图2所示的实施方式中，电化学沉积开始前，为防止TSV内部的种子层被镀液腐蚀，同时为让镀液中的添加剂和铜离子能充分往TSV内扩散，在T0时间内通入小电流I1作为保护电流，通入的小电流I1范围为0.01-1 ASD（A/dm2），通入的时间T0范围为0-10分钟。
在停止通入小电流I1后，间隔T1时间，开始通入电化学沉积电流，其中，时间T1可为一段时间（几分钟）或0（即通入小电流过后直接通入脉冲电化学沉积电流）。
电化学沉积可以分为多个阶段，连续地实施时间T2上的早期电化学沉积、时间T3上的中期电化学沉积和时间T4上的后期电化学沉积，其中电化学沉积电流在阴极（含种子层的TSV晶圆）和阳极之间以不同的电流图形进行电化学沉积。
在时间T2上的早期电化学沉积中，电流供给节距（电化学沉积电流的单个脉冲周期）D1是电流供给时间（即脉冲持续时间）B1和电流停止时间（即脉冲间隔时间）C1的和，该电流供给节距D1重复L1次（T2=D1×L1），其中在电流供给时间B1中，持续供给电流值I2的电化学沉积电流，在电流停止时间C1中，电化学沉积电流供给停止。
在时间T3上的中期电化学沉积中，电流供给节距（电化学沉积电流的单个脉冲周期）D2是电流供给时间（即脉冲持续时间）B2和电流停止时间（即脉冲间隔时间）C2的和，该电流供给节距D2重复L2次（T3=D2×L2），其中在电流供给时间B2中，持续供给电流值I3的电化学沉积电流，在电流停止时间C2中，电化学沉积电流的供给停止。
在时间T4上的后期电化学沉积中，电流供给节距（电化学沉积电流的单个脉冲周期）D3是电流供给时间（即脉冲持续时间）B3和电流停止时间（即脉冲间隔时间）C3的和，该电流供给节距D3重复L3次（T4=D3×L3），其中在电流供给时间B3中，持续供给电流值I4的电化学沉积电流，在电流停止时间C3中，电化学沉积电流的供给停止。
其中，电化学沉积过程中的脉冲间隔时间C1、C2和C3时间范围为：0-1分钟，且通常C3＜C2＜C1。特例是，若铜离子扩散速率大于电化学沉积消耗速率，则脉冲间隔时间C1、C2和C3都可设置为0。电化学沉积供给电流值（即脉冲幅值）I2、I3和I4范围为0.1-10 ASD，且I2＜I3＜I4。
在时间T2的早期电化学沉积、时间T3的中期电化学沉积和时间T4的后期电化学沉积上，电化学沉积电流供给时间（即脉冲持续时间）相等，B1=B2=B3。并且T2＞T3＞T4。
通过在电化学沉积过程中间歇地提供电化学沉积电流来实施电化学沉积，使得在电化学沉积电流供给停止时的电流停止时间中，能够利用由离子浓度梯度引起的镀液中离子向TSV内部扩散，以此来消除TSV内部镀液金属离子浓度的减少，特别是TSV底部金属离子的缺失。由此能够利用镀液中的添加剂促使电化学沉积的铜自下向上的生长，从而实现TSV的完全填充。
随着电化学沉积时间的推进，电化学沉积的铜逐渐填充到TSV中，TSV中未填充的部分的深度逐渐减小，亦即TSV未填充的部分深宽比逐渐减小，相应地在电化学沉积时间推进的过程中，使铜离子供给到TSV中的电流停止时间（即脉冲间隔时间）减小和电化学沉积的电流增大能够更有效地让金属铜向TSV中填充。
在上述的实施方式中，连续地实施具有不同图形的电化学沉积电流供给的三个阶段，即早期电化学沉积、中期电化学沉积和后期电化学沉积。但是，也可以连续地实施具有不同图形的电化学沉积电流供给的两个阶段，或者连续地实施具有不同图形的电化学沉积电流供给的四个或更多个阶段。

Claims (10)

1.一种TSV电化学沉积铜方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1.将待镀含TSV的晶圆浸没在含铜盐的镀液内，所述含TSV的晶圆作为阴极，另设有一个电极为阳极；
S2.进行预通保护电流的步骤：在所述阴极和阳极之间通入保护电流；
S3.在预通保护电流的步骤之后，相隔一个时间间隔或者不经过时间间隔，进行电化学沉积的步骤：
在所述阴极和阳极之间通入电化学沉积电流，所述电化学沉积电流为周期性的脉冲电流，脉冲电流的单个脉冲持续时间与单个脉冲周期的比值为占空比；电化学沉积电流的脉冲幅值大于步骤S2中保护电流的幅值；
随着电化学沉积时间的推进，所述电化学沉积电流的脉冲幅值增大，所述电化学沉积电流的脉冲间隔时间缩短，脉冲占空比增大；
S4.在晶圆的TSV中完全填充铜以后，停止供给所述电化学沉积电流。
2.如权利要求1所述的TSV电化学沉积铜方法，其特征在于：所述步骤S3.中进行电化学沉积的步骤分为多个阶段，在每个阶段中所述电化学沉积电流均包含一个或多个电流脉冲；
后一个阶段与前一个阶段相比，所述电化学沉积电流的脉冲间隔时间缩短，所述电化学沉积电流的脉冲周期即电流供给节距缩短，而脉冲的幅值增大。
3.如权利要求2所述的TSV电化学沉积铜方法，其特征在于：
在电化学沉积步骤的所有阶段中所述电化学沉积电流的脉冲持续时间都相同；
在各个单独的阶段中，所述电化学沉积电流的脉冲间隔时间相等，电流供给节距相等，电化学沉积电流的脉冲幅值相等。
4.如权利要求1所述的TSV电化学沉积铜方法，其特征在于：所述阳极配置成与所述晶圆的表面相对。
5.如权利要求1、2或3所述的TSV电化学沉积铜方法，其特征在于：在进行电化学沉积之前预通的保护电流范围为0.01-1 ASD，持续时间为0-10分钟。
6.如权利要求1、2或3所述的TSV电化学沉积铜方法，其特征在于：在预通保护电流后和通入电化学沉积电流前的时间间隔为不超过十分钟。
7.如权利要求1、2或3所述的TSV电化学沉积铜方法，其特征在于：所述电化学沉积电流为矩形脉冲电流。
8.如权利要求1、2或3所述的TSV电化学沉积铜方法，其特征在于：所述电化学沉积电流的脉冲幅值范围为0.1-10 ASD。
9.如权利要求1、2或3所述的TSV电化学沉积铜方法，其特征在于：电化学沉积过程中所述电化学沉积电流的脉冲间隔时间为0-1分钟。
10.如权利要求1、2或3所述的TSV电化学沉积铜方法，其特征在于：
在所述电化学沉积电流的脉冲间隔时间内，在所述阴极和阳极之间通入弱电流，该弱电流的范围为0.005-0.8 ASD。
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