CN104979276A - 一种半导体器件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体器件的制造方法，所述方法包括：提供等待超时晶圆，所述晶圆已形成有铜种子层；采用氢气和氮气对所述铜种子层进行还原处理；先采用大颗粒等离子气体刻蚀所述铜种子层，再采用小颗粒等离子气体对所述铜种子层表面进行修复。根据本发明的制造工艺通过对种子层表面刻蚀和氢气还原联合处理的方法，可实现TSV晶圆种子层等待超时后的再利用，减少器件报废的可能性，进而提高器件的性能和良品率。

Description

一种半导体器件的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体制造工艺，尤其涉及一种半导体器件的制造方法。
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，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。
在铜互连结构的制程中，需要先采用物理气相沉积（Physical VaporDeposition，简称PVD）进行常规的铜种子层的沉积。再将形成有铜种子层的晶圆，置入电镀设备的包含有铜离子的电镀液中，一般为硫酸铜等，然后将半导体器件接阴极，电镀液接阳极，并在阴极和阳极之间通电，在电场作用下，就形成了铜互连层。
需要注意的是，由于铜种子层是在高真空的反应腔内形成的，而铜互连层则是置入常压下的电镀设备中形成的，这样就需要将形成有铜种子层的晶圆从高真空的反应腔内取出，置入常压下的电镀设备中，但是由于TSV电化学镀（Electro-Chemical Plating，ECP)设备为单电镀槽，而且晶圆向电镀设备中的传输速度慢时间长，造成晶圆的排队等待时间过长（Over QueueTime）的问题很严重，从而影响器件的良率。如果晶圆排队等待时间过长，会使晶圆表面变的粗糙，影响后续金属层的电镀，种子层不能再起到种子的作用，以至于不得不将晶圆报废。
因此，为了解决上述技术问题，有必要提出一种新的制造方法。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种半导体器件的制造方法，包括下列步骤：提供等待超时晶圆，所述晶圆已形成有铜种子层；采用氢气和氮气对所述铜种子层进行还原处理；先采用大颗粒等离子气体刻蚀所述铜种子层，再采用小颗粒等离子气体对所述铜种子层表面进行修复。
进一步，所述还原处理在除气腔内进行。
进一步，所述大颗粒等离子气体为氩气。
进一步，所述小颗粒等离子气体为氦气。
进一步，在高偏压功率下沉积铜层，以使铜金属的晶向转向Cu〈111〉。
进一步，在所述铜种子层上电镀形成铜层。
进一步，所述还原处理的温度为200～300℃。
进一步，所述氢气和氮气的比例为3:97～4:96。
进一步，采用第二射频功率进行所述刻蚀。
进一步，采用第一射频功率进行所述修复。
进一步，所述高偏压的功率范围为800～1000W。
进一步，在所述铜种子层上电镀形成铜层之前还包括对所述铜种子层进行表面润湿的步骤。
综上所示，根据本发明的制造工艺通过对种子层表面刻蚀和氢气还原联合处理的方法，可实现TSV晶圆种子层等待超时后的再利用，减少器件报废的可能性，进而提高器件的性能和良品率。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1为根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤的流程图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的本发明的制造工艺。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
[示例性实施例]
下面将结合流程图对本发明进行更详细的描述，其中标示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以进行修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。
首先，执行步骤101，提供等待超时晶圆，所述晶圆已形成有铜种子层。
在铜互连结构的制程中，需要先采用物理气相沉积（Physical VaporDeposition，简称PVD）进行常规的铜种子层的沉积。采用现有技术形成所述铜种子层，在此不做赘述。
由于铜种子层是在高真空的反应腔内形成的，而铜互连层则是置入常压下的电镀设备中形成的，这样就需要将形成有铜种子层的晶圆从高真空的反应腔内取出，置入常压下的电镀设备中，但是由于TSV电化学镀（Electro-Chemical Plating，ECP)设备为单电镀槽，而且晶圆向电镀设备中的传输速度慢时间长，造成晶圆的排队等待时间过长（Over Queue Time）的问题很严重，从而影响器件的良率。如果晶圆排队等待时间过长，会使晶圆表面变的粗糙，影响后续金属层的电镀，铜种子层不能再起到种子的作用，以至于不得不将晶圆报废。
在进行下步工艺步骤之前，先将这些等待超时的晶圆进行初步评估，对于表面情况比较糟糕的晶圆可适当的加长处理制程的时间。
接着，执行步骤102，采用氢气和氮气对晶圆进行还原处理；
由于铜种子层在等待过程中，铜种子层很容易被空气中的氧气所氧化，形成氧化铜，所以先对所述铜种子层进行还原处理。此过程在PVD设备除气腔内进行，将待处理的晶圆放置于除气腔内，通入氢气和氮气对铜种子层进行还原处理，通过氧化还原反应将氧化铜还原为金属铜，处理温度为200～300℃，优选为250℃。氢气与氮气的比例为3:97～4:96。
接着，执行步骤103，先采用大颗粒等离子气体刻蚀铜种子层，再采用小颗粒等离子气体对铜种子层表面进行修复。
将待处理晶圆放置于PVD设备预清腔内，分两步对铜金属表面进行处理，第一步，采用大颗粒等离子气体对种子层表面失效的部分进行刻蚀，所述大颗粒等离子气体优选为氩气，利用氩气颗粒大的特点，快速去除铜种子层表面晶相中不利于后续制程的部分。采用第二射频功率进行所述刻蚀，功率范围为100～500W。第二步，采用小颗粒等离子气体对铜种子层表面进行修复，所述小颗粒等离子气体优选为氦气，主要利用氦气颗粒小的特点，以降低其表面粗糙度。采用第一射频功率进行所述修复，功率范围为500～10000W。
接着，执行步骤104，在高偏压功率下沉积铜层。
在PVD设备沉积腔内，在高偏压功率下沉积铜层，以使铜金属的晶向转向Cu〈111〉，所述高偏压的功率范围优选为800～1000W。由于铜（111）晶面抗电迁移的能力比铜（200）晶面好，因此铜（111）晶面更有利于互连。
接着，执行步骤105，对铜种子层进行表面润湿。
正式电镀（Plating）之前，通过晶圆浸入角度的控制使种子层被均匀润湿是非常重要的一步，它能消除浸入过程中产生的一些缺陷或是吸附在种子层便面上的微小气泡。铜电镀工艺产生的某些缺陷，特别是电镀刚开始几秒钟内形成的缺陷，在后续平坦化工艺中是不能（或很难）被磨掉的，最终会影响产品良品率。
经过上述步骤后，即可实现等待超时晶圆的再利用。
接下来，执行步骤106，进行电化学镀步骤，以在铜种子层上电镀形成铜层。
将形成有铜种子层的晶圆，置入电镀设备的包含有铜离子的电镀液中，一般为硫酸铜等，然后将半导体器件接阴极，电镀液接阳极，并在阴极和阳极之间通电，在电场作用下，就形成了铜层。此过程采用现有技术，在此不做赘述。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (12)

1.一种半导体器件的制造方法，包括：
提供等待超时晶圆，所述晶圆已形成有铜种子层；
采用氢气和氮气对所述铜种子层进行还原处理；
先采用大颗粒等离子气体刻蚀所述铜种子层，再采用小颗粒等离子气体对所述铜种子层表面进行修复。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述还原处理在除气腔内进行。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大颗粒等离子气体为氩气。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小颗粒等离子气体为氦气。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在高偏压功率下沉积铜层，以使铜金属的晶向转向Cu〈111〉。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述铜种子层上电镀形成铜层。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述还原处理的温度为200～300℃。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢气和氮气的比例为3:97～4:96。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用第二射频功率进行所述刻蚀。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用第一射频功率进行所述修复。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高偏压的功率范围为800～1000W。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述铜种子层上电镀形成铜层之前还包括对所述铜种子层进行表面润湿的步骤。
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