專利名稱：一種在半導(dǎo)體硅片的通孔中進(jìn)行電鍍銅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路及其制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種對(duì)半導(dǎo)體硅片通孔電鍍銅的方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的集成度不斷提高，現(xiàn)有的集成度提高主要是采取減小最小特征尺寸，例如最小特征尺寸為90納米、最小特征尺寸為45納米、最小特征尺寸為32納米、最小特征尺寸為22納米，這就使得在給定的區(qū)域能夠集成更多的元件。另一方面，利用現(xiàn)代電子封裝技術(shù)，如硅通孔(Through-SiliCon-Via，TSV)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高密度的3D集成，成為了微電子電路(包括MEMS)系統(tǒng)級(jí)集成的重要技術(shù)途徑。無(wú)論是更小的特征尺寸，還是三維集成都需要面對(duì)越來(lái)越小的通孔、越來(lái)越高的深寬比，這給工藝技術(shù)帶來(lái)了諸多的挑戰(zhàn)。其中通孔的填充就是其中之一，填充技術(shù)可使用電鍍、化學(xué)氣相沉積、高分子涂布等方法。因?yàn)殂~的電阻更小，而且銅的電鍍更方便易行，目前主要使用的是銅的電鍍。越來(lái)越小的通孔和越來(lái)越高的深寬比，使得在晶片的表面、通孔的側(cè)壁和底部同時(shí)進(jìn)行的銅的電鍍的工藝窗口不斷減小，經(jīng)常會(huì)在其中形成孔隙，從而影響器件的可靠性。中國(guó)專利CNlO 18711IOA披露了一種電鍍銅方法，包括初始化、填洞和過(guò)量電鍍?nèi)齻€(gè)階段，其中初始化、填洞和過(guò)量電鍍?nèi)齻€(gè)階段的晶圓的轉(zhuǎn)速范圍都為10圈/分鐘至14圈 /分鐘。填洞階段包括兩個(gè)步驟，第一步驟的電鍍電流范圍為6. 5安培至7安培；第二步驟的電鍍電流范圍為13安培至14安培。中國(guó)專利CN1021M670A披露了電鍍銅方法，用于對(duì)大尺寸、大深度的集成電路圖形形成銅鍍膜，該方法采用階段性電鍍工藝處理，在不同的電流密度、硅片旋轉(zhuǎn)速度、電鍍液流速以及硅片工藝位置條件下分階段進(jìn)行電鍍工藝處理。目前，通過(guò)常用淀積的金屬銅工藝在通孔中填充金屬銅都會(huì)存在一定空隙，這些空隙會(huì)對(duì)器件的運(yùn)行和發(fā)展會(huì)產(chǎn)應(yīng)一定影響，如能減少其中空隙將有利于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種在半導(dǎo)體硅片的通孔中進(jìn)行電鍍銅的方法，有效改善金屬銅在電鍍過(guò)程中通孔的外貌，提高銅的電鍍的工藝窗口，消除通孔中的孔隙，提高器件的
可靠性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的提供一種在半導(dǎo)體硅片的通孔中進(jìn)行電鍍銅的方法，包括以下順序步驟
步驟1，先進(jìn)行電鍍，在硅片表面和通孔的底部及側(cè)壁上形成一層金屬銅層，從而對(duì)半導(dǎo)體硅片中的通孔進(jìn)行部分填充，之后對(duì)硅片進(jìn)行清洗。步驟2，對(duì)形成的金屬銅層進(jìn)行部分電解，使硅片表面和通孔側(cè)壁上的金屬銅層厚度變薄，并對(duì)硅片進(jìn)行清洗，所述開(kāi)口處減少的厚度多于通孔底部和側(cè)壁減少的厚度。步驟3，在已填充有金屬銅層的通孔內(nèi)再次進(jìn)行電鍍，以在已填充有金屬銅層的通孔內(nèi)填充另一層金屬銅層，并對(duì)所形成的金屬銅層再次進(jìn)行部分電解。步驟4，待通孔內(nèi)填滿金屬銅后，清洗半導(dǎo)體硅片并進(jìn)行退火處理。在上述提供的方法中，其中重復(fù)步驟2過(guò)程一次以上。重復(fù)多次填充、清洗、電解、 清洗過(guò)程可以使得填充到通孔內(nèi)的金屬銅不形成空隙，避免對(duì)器件產(chǎn)生不良影響。在上述提供的方法中，其中鍍用的電鍍液中含有抑制劑、加速劑和平整劑，所述抑制劑的分子量大于加速劑的分子量。電解用的電解液中含有抑制劑、加速劑和平整劑，所述加速劑的分子量大于抑制劑的分子量。加速劑和抑制劑優(yōu)選用有機(jī)物型的加速劑和抑制劑。在上述提供的方法中，其中電鍍過(guò)程中硅片表面的銅電鍍速度慢于通孔內(nèi)的銅電鍍速度。通孔內(nèi)銅電鍍速度快于硅片表面的銅電鍍速度，使得大部分的金屬銅電鍍到通孔之內(nèi)。在上述提供的方法中，其中電解過(guò)程中硅片表面的銅電解速度快于通孔內(nèi)的銅電解速度。通孔內(nèi)銅電度速度慢于硅片表面的銅電解速度，使得多數(shù)電鍍?cè)谕變?nèi)的金屬銅保留在通孔內(nèi)。本發(fā)明中所使用的加速劑和抑制劑皆屬于本技術(shù)領(lǐng)域公知常識(shí)，本技術(shù)領(lǐng)域人員根據(jù)實(shí)際操作情況而選用相應(yīng)的加速劑和抑制劑。在上述提供的方法中，其中所述退火溫度控制在400°C以下。在上述提供的方法中，其中所述退火時(shí)間控制在30分鐘之內(nèi)。本發(fā)明提供的電解銅的方法可以改善銅電鍍過(guò)程中通孔的形貌，提高銅電鍍的工藝窗口，消除通孔中的孔隙，提高器件的可靠性。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種對(duì)半導(dǎo)體硅片通孔電鍍銅的方法，先進(jìn)行電鍍，在硅片表面和通孔的底部及側(cè)壁上形成一層金屬銅層，從而對(duì)半導(dǎo)體硅片中的通孔進(jìn)行部分填充，之后對(duì)硅片進(jìn)行清洗；對(duì)形成的金屬銅層進(jìn)行部分電解，使硅片表面和通孔側(cè)壁上的金屬銅層厚度變薄，并對(duì)硅片進(jìn)行清洗，所述開(kāi)口處減少的厚度多于通孔底部和側(cè)壁減少的厚度；在已填充有金屬銅層的通孔內(nèi)再次進(jìn)行電鍍，以在已填充有金屬銅層的通孔內(nèi)填充另一層金屬銅層，并對(duì)所形成的金屬銅層再次進(jìn)行部分電解；待通孔內(nèi)填滿金屬銅后，清洗半導(dǎo)體硅片并進(jìn)行退火處理。在本發(fā)明中，第一次電鍍是在通孔的底部及側(cè)壁覆蓋一層第一金屬銅層，金屬銅層同時(shí)還覆蓋在硅片的表面上，第一金屬銅層部分填充在通孔內(nèi)壁及底部。在清洗硅片后， 對(duì)之前形成的第一金屬銅層進(jìn)行部分電解。電解的主要目的是通孔開(kāi)口處的金屬銅層和硅片表面的金屬銅層的厚度變薄，防止在通孔開(kāi)口在通孔被金屬銅填滿之前被堵塞。通孔開(kāi)口處所覆蓋的金屬銅層越來(lái)越厚，那么隨著電鍍到半導(dǎo)體硅板金屬銅量的增加，通孔口將被金屬銅層所堵住，填充的金屬銅層中將會(huì)存在孔隙。采用循環(huán)電鍍和電解的過(guò)程可以降低金屬銅在通孔開(kāi)口處的堆積，使得金屬銅一層一層致密的填充到通孔之中，直至金屬銅無(wú)孔隙的填滿。
在本發(fā)明中電鍍速度和電解速度起到關(guān)鍵性的作用。在電鍍的時(shí)候，硅片表面的銅電鍍速度將慢于通孔內(nèi)的銅電鍍速度。相反，在電解的時(shí)候，硅片表面的銅電解速度將快于通孔內(nèi)的銅電解速度。整個(gè)電鍍過(guò)程是在電鍍槽中完成的，半導(dǎo)體硅片作為陰極。電鍍所用的電鍍液中添加有抑制劑和加速劑等有機(jī)型添加劑。抑制劑的分子量要大于加速劑的分子量。由于抑制劑的分子量相比加速劑的要大些，其主要通過(guò)覆蓋在銅表面的原子位置來(lái)抑制表面銅沉積，從而達(dá)到在硅片表面的電鍍速度慢于通孔內(nèi)電鍍速度。相反，由于加速劑的分子量相比較小，可以通過(guò)抵消抑制劑的作用來(lái)加速通孔內(nèi)的金屬銅的沉積。在整個(gè)添加劑的作用下， 硅片表面的銅電鍍速度和通孔內(nèi)的銅電鍍速度可以得到控制。整個(gè)電解過(guò)程是在電解槽中完成的，半導(dǎo)體硅片作為陽(yáng)極。電解所用的電解液中添加有抑制劑、加速劑和平整劑等有機(jī)型添加劑。抑制劑的分子量要小于加速劑的分子量。 由于加速劑的分子量相比抑制劑的要大些，通過(guò)抵消加速劑的作用來(lái)抑制通孔內(nèi)銅的電解，而加速劑的分子較大，主要覆蓋在硅片的表面上，加速劑導(dǎo)致沉積在硅片表面上的銅的電解過(guò)程得以促進(jìn)和加快。在整個(gè)添加劑的作用下，硅片表面的銅電解速度和通孔內(nèi)的銅電解速度可以得到控制。下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，以便更好理解本發(fā)明創(chuàng)造的內(nèi)容，但是下述實(shí)施例并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。將表面設(shè)有通孔的半導(dǎo)體硅片在電鍍槽內(nèi)對(duì)通孔進(jìn)行第一次金屬銅部分填充，第一次填充結(jié)束后送入清洗槽內(nèi)進(jìn)行清洗。將清洗干凈的半導(dǎo)體硅片放入電解槽內(nèi)對(duì)通孔進(jìn)行第一次金屬銅層得部分電解，第一次部分電解結(jié)束后送入清洗槽內(nèi)進(jìn)行清洗。將清洗干凈后的半導(dǎo)體硅片循環(huán)之前電鍍、清洗、電解及清洗過(guò)程，循環(huán)次數(shù)為15次。在清洗槽內(nèi)的清洗半導(dǎo)體硅片時(shí)候，需要將硅片表面的其他溶劑清洗干凈，避免溶液的相互污染。交替進(jìn)行電鍍和電解使得通孔中填充的金屬銅沒(méi)有形成孔隙的可能，從而避免了通孔的出現(xiàn)。之后當(dāng)金屬銅占滿整個(gè)通孔后，把填充好的半導(dǎo)體硅片進(jìn)行清洗，除去因電鍍和電解而留下的其他物質(zhì)。將清洗干凈的半導(dǎo)體硅片放在350°C環(huán)境下退火:3min。本發(fā)明提供方法可以改善銅電鍍過(guò)程中通孔的形貌，提高銅電鍍的工藝窗口，消除通孔中的孔隙，提高器件的可靠性。以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實(shí)施例。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體硅片的通孔中進(jìn)行電鍍銅的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，先進(jìn)行電鍍，在硅片表面和通孔的底部及側(cè)壁上形成一層金屬銅層，從而對(duì)半導(dǎo)體硅片中的通孔進(jìn)行部分填充，之后對(duì)硅片進(jìn)行清洗；步驟2，對(duì)形成的金屬銅層進(jìn)行部分電解，使硅片表面和通孔側(cè)壁上的金屬銅層厚度變薄，并對(duì)硅片進(jìn)行清洗，所述開(kāi)口處減少的厚度多于通孔底部和側(cè)壁減少的厚度；步驟3，在已填充有金屬銅層的通孔內(nèi)再次進(jìn)行電鍍，以在已填充有金屬銅層的通孔內(nèi)填充另一層金屬銅層，并對(duì)所形成的金屬銅層再次進(jìn)行部分電解；步驟4，待通孔內(nèi)填滿金屬銅后，清洗半導(dǎo)體硅片并進(jìn)行退火處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，重復(fù)步驟2過(guò)程一次以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電鍍用的電鍍液中含有抑制劑、加速劑和平整劑，所述抑制劑的分子量大于加速劑的分子量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電解用的電解液中含有抑制劑、加速劑和平整劑，所述加速劑的分子量大于抑制劑的分子量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述加速劑或抑制劑為有機(jī)物。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，電鍍過(guò)程中硅片表面的銅電鍍速度慢于通孔內(nèi)的銅電鍍速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，電解過(guò)程中硅片表面的銅電解速度快于通孔內(nèi)的銅電解速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火溫度控制在400°C以下。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火時(shí)間控制在30分鐘之內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種對(duì)半導(dǎo)體硅片通孔電鍍銅的方法，先進(jìn)行電鍍，在硅片表面和通孔的底部及側(cè)壁上形成一層金屬銅層，從而對(duì)半導(dǎo)體硅片中的通孔進(jìn)行部分填充，之后對(duì)硅片進(jìn)行清洗；對(duì)形成的金屬銅層進(jìn)行部分電解，使硅片表面和通孔側(cè)壁上的金屬銅層厚度變薄，并對(duì)硅片進(jìn)行清洗，所述開(kāi)口處減少的厚度多于通孔底部和側(cè)壁減少的厚度；在已填充有金屬銅層的通孔內(nèi)再次進(jìn)行電鍍，以在已填充有金屬銅層的通孔內(nèi)填充另一層金屬銅層，并對(duì)所形成的金屬銅層再次進(jìn)行部分電解；待通孔內(nèi)填滿金屬銅后，清洗半導(dǎo)體硅片并進(jìn)行退火處理。本發(fā)明提供的電解銅的方法可以改善銅電鍍過(guò)程中通孔的形貌，提高銅電鍍的工藝窗口，消除通孔中的孔隙，提高器件的可靠性。
文檔編號(hào)C25D7/12GK102443828SQ20111028511
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者周軍 申請(qǐng)人:上海華力微電子有限公司