TWI304225B - Method and process for improved uniformity of electrochemical plating films produced in semiconductor device processing - Google Patents

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1304225 拿·背1修(更)正替換買 第94137450號專利說明書修正本 修正a期：97·ΰ·1ΰ - 九、發明說明： * 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於電鍍薄膜，更特別有關於半導體元 件製程中銅為主金屬層之電鍍方法。 【先前技術】 在製造積體電路（以下簡稱1C)半導體元件中，基板 表面的平勻度相當關鍵，特別是元件的密度增加且尺寸 ^ 縮小至次微米等級。一般使用金屬層做為1C中個別元件 之連線，以介電層或絕緣層隔開金屬線，並於介電層間 形成溝槽，接觸孔，接點等連線結構，以提供導電金屬 層間之電路通道。 前述之連線結構漸漸採用銅與銅為主之合金。與習 知材料如鋁和鋁為主合金相較，銅金屬具有較低電阻與 較佳電致遷移等特性。可用下述方法沉積銅與銅為主合 金之金屬層或薄膜：物理氣相沉積（以下簡稱PVD)，化 Φ 學氣相沉積（以下簡稱CVD)，以及電鍍法。主流為電鍍 法，因其較低廉且沉積速度最快。一般銅電鍍製程係將 晶圓接觸電鍍液，並於正負電極間提供電位差以沉積金 屬至半導體基板表面。此製程可還原並沉積電鍍液之銅 離子至半導體基板表面。 很難圖案化與蝕刻的銅，一般是用在鑲嵌或雙鑲嵌 製程。鑲嵌製程中，定義介電層之接觸孔/溝槽後接著填 入銅。銅不只填入開口，也會沉積在介電層表面其他部· 0503-A30926TWFl/hsuhuche 5 年月e修(f:)- 1304225 第94137450號專利說明書修正本 . 、 11 ~1^1ΕΓΗ^:"9Τ5ΓΠ 开Ϊ!: : : 皮移除)，最後圖案化與_開口的銅以 开V成1C 70件中新的金屬線層。 化.金之薄料町述方式移除或平坦 蚀到δ亥製私的困難鱼否遮满柄JS辰由 製程會在介^切之㈣性。電鐘 在介” η 口二’成尽度不均勻的銅金屬層，特別是 ΐ = ί :=，)上的區域。該區域的沉積銅 度特別高/' #要厚’㈣於該區域之銅沉積加速 所开二;：:广有接觸孔/溝槽之介電層進行電鐘製程 勾厚度。第1Α圖係1C半導體元件1。。於 介電基板102具有多個鎮嵌接觸 結構104以及介電广二至屬/她於接觸孔/溝槽 電基板H)2表面^滿_嵌結構並於該介 為正。圖中黑點Γ〇6 2 =積^銅薄膜具有足夠厚度 進劑，置頭不该沉積製程所使用之促 =L 辰度較向之位置。值得注意的是 係均勻分布於介電層102上以及開口: 域肷接觸孔/溝槽結構104。 仰 ⑽之第分糟結構m後，劑 •内之促進劑:觸:^ 上表面濃度較其他上表面高 =、、、。構之 後造成沉積銅為主薄膜1〇8 s 之促進劑最 潯肤108具有不均勻的厚度。第丨匸圖 0503 - A30926T WF1 /hsuhuch< i1· ^ 18 个月曰修(受)正替換頁 一-(\^τ ΤΤ. ι,ι II,, , 1304225 第94137450號專利說明書修正本 顯示不均句之銅為主薄膜1〇8。在介電7™^" 部份之銅薄膜108,具有均勻一 二 、面其他 /、、蚕嬙斗碰m J蚁之厚度。然而在接觸巩 ::卜原因是該部份具有較濃之促進㈣如第： 除二述具有開口結構之介電層具有 巨親的整片晶圓基板-樣具有銅層不均勻二 ^布^具^㈣之因素將影響電鑛化學物（如: 知丰導雕日二。又亚造成晶圓邊緣到中心的厚度不均。習 二广日日圓之_製程，中心之沉積速度 層常較邊緣厚。第2圖顯示電錢厚度 尊1 =。y轴為厚度，χ軸為晶圓位置，顯示中心之 溥腹比邊緣厚。 〜 ”上t二造二c之流程冲微觀的銅層厚度不均勻，在介 口區域較小，開口結構較大；需依賴長時間 ^小心控制的金屬平坦化編^才能得到平坦之銅全屬 ^該_與平域之料將增加製 ^ ，。這些都會增加1C製程的成本及周期，並連帶降^產 層厚度不均勻，可小心的調控機械製程參 丧數不作…Γ 編。但不同的電鍍製程 敕=: 且增加薄膜組成的差異性。除了調 正機械/_减，無法得到具有均t致厚度之銅膜。 勻-改良電鍍方法，使電鍍銅層在沉積時具有均 〇503-A30926TWFl/hsuhuche 7 y/, U — V. | 年月日修(憂)正.換1| Mil— II _____ I _ιπ nr· m . 一_ _ ·ι _·»»<· ·*^**··^*·*** · ••l- *«<> · IflL 日期：97.6.16 1304225 第94137450號專利說明書修正本 【發明内容】 本發明提供改良之電鍍方法與製程，使電鍍銅最後 在半導體基板上具有平坦之上表面。 首先將介電基板浸入電鍍液中，並沉積促進劑於具 有一^固或多個銀後結構之該介電基板上表面’沉積銅於 該介電基板之上表面與一個或多個鑲嵌結構内。填滿該 鑲I結構後進行除鍍步驟（deplating)以去除部份銅與過 • 量之促進劑，接著進行再電鍍製程可得到均勻之銅上表 面0 【實施方式】 本發明改良之電鍍方法與製程，包括同處（in-situ)除 鍍步驟，可移除過量的促進劑，以提供平勻之沉積銅薄 膜。 第3A-3D圖顯示本發明實施例之流程示意圖。第3A 圖係1C半導體元件300其製程之剖面示意圖。將具有多 個鑲嵌接觸孔/溝槽結構304之介電基板302進行銅薄膜 電鍍步驟，於填滿鑲嵌結構304後，繼續沉積至介電基 板302上有足夠厚度之金屬薄膜為止。圖中的黑點306 指的是促進劑濃度較高之位置。促進劑可包含於電鍍液 中，組成包括雙 3-石黃基丙基雙硫化物 (bis(3-sulfopropyl)disulfide)，硫醇基-丙基石黃酸 (mercapto-propane-sulfonic acid)，以及硫脲（thiourea)。值 05 03 - A3 0926T WF1 /hsuhuche 8 1304225 年月曰修(您正替換頁 第94137450號專利說明書修正本 止bl期.97.6.1¾- 得注意的是，在電鍍一開始時，該促進劑306係均勻分 布於介電基板302上以及開口如鑲嵌接觸孔/溝槽結構 304 ° 第3B圖顯示以電鍍填滿接觸孔/溝槽結構304後， 促進劑306之分布。在填滿接觸孔/溝槽結構304後，原 來位於該開口結構内之促進劑306移動到開口上，造成 開口結構上表面之濃度較其他上表面高。習知方法中過 量且不均勻之促進劑，最後造成銅薄膜308厚度不均勻。 • 本發明改良之製程與方法係於鑲嵌接觸孔/溝槽結構304 填滿後，於開始大量沉積銅薄膜至介電基板302之前暫 停。本發明實施例中，在填滿接觸孔/溝槽結構304，並 電鍍出一薄層銅薄膜308(如第3B圖）於介電基板302 後，對銅薄膜308進行除鍍步驟。本發明之除鍍步驟係 同處操作，使用之設備與硬體與電鍍步驟相同。與電鍍 步驟之電流相反，同樣的設備在預定時間内進行相反的， 電解反應。除鍍步驟中該銅薄膜308將被移除直到除鍍 ® 步驟停止。以移除銅薄膜3 0 8較厚之部份較佳。該反向 電解亦移除銅薄膜308上不均勻之過量促進劑306,以移 除接觸孔/溝槽結構304上過濃之促進劑較佳。殘餘之促 進劑306將平均分布至銅薄膜308之表面上，不再聚集 於接觸孔/溝槽結構304上。值得注意的是該除鍍之關鍵 步驟只需短時間如3-12秒，一般約5秒，比電鍍銅薄膜 之總時間還短。其他實施例可應用不同的除鍍時間。 第3C圖顯示除鍍步驟完成後之剖面圖。除鍍後不論 0503-A30926TWFl/hsuhuche 9 1304225 第94137450號專利說明書修正本 yr. 一 ί 乂） 修(受)正替換頁 IFETlfrgm 是接觸孔/溝槽結構304或其他部份之銅薄膜308，均較 除鍍前略薄。殘留之促進劑306均勻分布於銅薄膜308 之表面上。 本發明更包括後續完成銅薄膜之再電鍍，以得到1C 元件所需之厚度。該再電鍍步驟與除鍍步驟一樣重要。 之前反向的電流將再一次反向回原來的狀態，可再電鍍 銅至晶圓上。銅薄膜可根據不同元件的需要電鍍至所需 的厚度。本實施例中再電鍍步驟將電鍍3000-7000埃厚度 # 之銅，但其他實施例可能需要不同的厚度。第3D圖顯示 再電鍍步驟後，具有平勻厚度之銅薄膜308之1C元件剖 視圖。第3C圖之除鍍步驟後殘留於銅薄膜308表面之平 均分布的促進劑306,將促進後續之銅電鍍步驟以形成具 有均勻厚度之銅薄膜。該平坦且均勻厚度之薄膜不論在 接觸孔/溝槽結構304上或其他區域與基板302相較均具 有一樣的高度。值得注意的是移除過量之不均勻促進劑 306，可解決習知技藝中微觀和巨觀之銅薄膜不均勻的問 •題。 第4圖為本發明一實施例製程方法之流程圖。本發 明方法之第一製程402為一電鍍步驟，約停止於介電基 板之鑲傲接觸孔/溝槽結構填滿時。接下來進行除鍍步驟 404，該除鍍步驟歷時一段預定時間。需事前了解元件與 製程特性以決定該除鍍時間，以最佳化電鍍/除鍍步驟結 合之表現。在除鍍步驟404後進行再電鍍步驟406，將形 成具有平坦且均勻厚度之銅薄膜，不論在接觸孔/溝槽結 0503-A30926TWFl/hsuhuche 10 年月曰修(憂)正替換頁 节玄贯期97方价一一----- 1304225 第94137450號專利說明書修正本 構304上或其他部份均具有一樣的厚度。三個接連步驟 402，404，與406可視為單一電鍍製程，該製程包括一 電鍍步驟，一同處除鍍步驟，以及隨後之再電鍍步驟。 利用除鍍步驟之電鍍步驟可有效改良半導體基板表 面之銅薄膜之平坦性以及厚度均勻性。該改良可應用於 具有多重結構之基板的所有位置。该改良亦解決習知電 鍍製程中巨觀與微觀之均勻性問題。本發明完成之方法 與製程並不需要特殊的製程或設備參數，並避免不一致 且難控制的多組成電鍍薄膜。本發明之製程與方法也不 需要特殊與額外的平坦化/蝕刻製程，即可得到平坦的薄 膜。 本發明之方法與製程可以現有之電鍍設備或將來開 發展之1C製造工具來操作完成，包括多種市.售設備。本 發明之方法與製程可定義為利用電鍍設備進行之單一電 鍍製程，包括至少三種各別步驟如下··電鍍，除鍍以及 再電鍍。值得注意的是本發明之方法與製程可結合附加 的平坦化改良與附加製程和元件技術，高括多重電鍍， 除鍍，或上述步驟之結合。 本發明之方法與結構將改良1C元件的品質，良率與 生產率。該改良將顯著的減少生產成本，以提高類似技 術與元件在價格上的競爭力，最終可達到改良元件表現 的水準。 雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並 非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發 0503-A30926TWFl/hsuhuche 11

VL 1304225 第94137450號專利說明書修正本 Η Ε修(霞}正替換更丨 修正曰期：97.6.16 明之精神和範圍内，當可作任意之更動與潤飾，因此本 發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為 準。

0503-A30926TWFl/hsuhuche 12 严1· 督修便)正替換頁 一修-正日期:97:6· 16 1304225 第94137450號專利說明書修正本 【圖式簡單說明】 第1A-1C圖為習知1C元件於習知電鍍製程之剖面示 意圖。 第2圖為習知電鍍製程後，晶圓之位置與厚度之相 對關係圖。 第3A-3D圖為本發明實施例之改良電鍍製程之剖面 示意圖。 第4圖係本發明實施例中改良之電鍍方法流程圖。 參 【主要元件符號說明】 100〜半導體元件； 102〜介電基板； 104〜鑲嵌接觸孔/溝槽結構； 106〜促進劑，其濃度較高之位置； 108〜銅薄膜； 110〜104上之銅薄膜； • 300〜半導體元件； 302〜介電基板； 304〜鑲嵌接觸孔/溝槽結構； 306〜促進劑，其濃度較高之位置； 308〜銅薄膜。 0503-A30926TWFl/hsuhuche 13

Claims (1)

1. 年月曰修.(旬jE替換頁I --------」 1304225 第94137450號專利說明書修正本 十、申請專利範園： ]·一種改善電鍍薄臈均勻性之電鍍方法，包括： :供-介電基板，該介電基板具有—表面及一自該 基板表面向下延伸之開口 .； 提供一促進劑於該表面； 齡步驟，包括將縣板浸人―電鍍液並將 鐘至料面及侧^内直_填滿該開口· 當該Μ㈣填滿銅於該開口後’進行 將部份銅與過量之該促進劑移除；以1 …”驟 進行一再電鍍步驟，電鍍銅於該 有大致平勻之上表面。 $基板’该銅具 性之2電:申方’Γ?!圍第1項所述之改善電鍍薄膜均勻 电鍍方法，其中該促進劑係該電鍍 提供該促進劑於該表面與該電鑛步驟_時”，且 3. 如申請專利範圍第丨項所述之改盖二 性之電鑛方法，其中該除鍍步驟所進行之。時門又=均句 4. 如申請專利範圍第1項所述之改善電=5^。 之f錄方法’其中過量之該促進劑累積於；門口上 5. 如申請專利範圍第i項所述之改盖/二上。 性之電鍍方法，其中該除鍍步驟 ；1薄膜均勻 多於移除其他部份之銅。 U心上方之銅， 6·如申請專利範圍第1項所述之改盖干 性之電鑛方法，其中該電錢步驟，該除：：：薄膜均句 鑛步驟均為同處步驟，其中該除鍵步驟電 14 〇5〇3-A3〇926TWFl/hsuhuche 年月日修(更)正替換頁 止晴97.6.16-- Ϊ304225 第94⑽5〇號專利說明書修正本 電鑛步驟與該再電鑛步驟❹之電流反向_ 性之=專？圍第1項所述之改善電鐘薄膜均句 接辟之電鍍步驟形成-不均勾銅層，而 接績之该除鍍步驟將該銅層均勻化。 種改善電鍍薄膜均勻性之電鍍方法，包括： 表面板於一電錢液中，該介電基板具有- 自该"電基板表面向下延伸之開口；以及 電㈣至料電基板之絲面及糾口内 =向電流進行-電鑛步驟直到銅填滿該開口，接著 反：電流進行-轉驟，接著同處以-順向 I仃一再電鍍步驟。 性之9電=!專項所述之改善電鍍薄膜均^ 3-12秒’其中該反向電流進行之該_步驟進行 性之1 電 專利範圍第8項所述之改善電鍍薄膜均勻 鍍步驟^其中該_液更包括—促進劑，而該除 ’、、私除该表面上過量之該促進劑。 種改善電鑛薄膜均勻性之電鑛方法，包括. 介電基板，該介電基板具 該 Γ層具有-上表面以及多個自該上表面向^伸之;; 〇 進行一電鍍步驟至填滿銅於該開 移除㈣，進行-畴驟 〇5〇3.A3〇926TWFl/hsuhuche 15 !3〇4225 _ 第94i3745〇號專利說明書修正本 日修欧)正替換j 進行—再電鍍步驟， 疏羽涵一一 介電基板表面其他部份，形成__銅^開口上方與該 勻性利;=r述之改善_膜均 书緞液，该電鍍液更包 包土极/又 驟移除過量之該促進劑。 蜊’其中該除鍍步 J •如申凊專利範圍第1 2 勾性之電鍍方法，其中該1牛員:述之改善電鐘薄膜均 於該開口區域，累積過量之該促進劑 ^^ 而该除鍍步驟使兮代、#七、 布於該鋼層之上表面。 ϋχ I蜊之濃度均勻分 14·如申請專利範圍第 勻性之電鍍方法，其中斤述之改善電鍍薄膜均 15. 如申請專利範圍;歷時叫 勾性之電錢方法，其中該開口；善電鐘薄膜均 區，且該開口至少包括一、羞 之伸至—底部導電 16. 如申括溝槽與-接觸孔。 〜甲明專利乾圍第1 1 勻性之電鐘方法，其中該 、斤心之改善電鑛薄膜均 電鍍步驟為μ*驟與該電鍍步驟及該再 乂哪為同處步驟，其中 减騎 電流，與該電鐘步驟鱼再電梦牛=步驟包括應用一反向 1入如申請專二。鍍步驟應用之正向電流相反。 τ明寻利乾圍第】】 入 勻性之電鑛方法，其中 、斤述之改善電鑛薄膜均 该開口上方及該 Λ E 1步驟形成之該銅層，於 度。 ^絲表面其他部份均具有—致之高 18·如申睛專利範圍第 貢所述之改善電鍍薄膜均 〇5〇3^A3〇926T^l/hsuhuche 16 1304225 第94137450號專利說明書修正本 勻性之電鍍方法，其中該電鍍步驟更包括電鍍銅至該介 電基板表面其他部份。 如申請專利範圍第Π項所述之改善電鍍薄膜均 勻性之電鍍方法，其中該除鍍步驟移除開口上方之銅， 多於其他部份之銅。

   0503-A30926TWFl/hsuhuche 17 1304225 f 第94137450號專利說明書修正本 修正日期·· 97.6.16 that yields a copper film with a uniform top surface. 七、 指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第3C圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 300〜半導體元件； 302〜介電基板； 304〜鑲嵌接觸孔/溝槽結構； 306〜促進劑，其濃度較高之位置； 308〜銅薄膜。 八、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

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