一種階段性電鍍工藝電鍍銅方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種階段性電鍍工藝電鍍銅方法，其特征在于，該方法采用階段性電鍍工藝和與該工藝相適應(yīng)的電鍍液進行處理。所述階段性電鍍工藝處理中的每個處理階段的工藝條件為：硅片工藝位置：2～10毫米，電流密度：0.2～8安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度：5～50轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速：4～20升/分鐘，時間：3～500秒。從而在保證高的填充速率的同時，有效地減小了大尺寸、大深度圖形相對于無圖形區(qū)域的臺階高度，在保證化學機械拋光工藝窗口的前提上，間接地減少了電鍍工藝所需的銅膜厚度，進而縮短了電鍍工藝時間和化學機械拋光工藝時間，并節(jié)約化學耗材的使用。
【專利說明】一種階段性電鍍工藝電鍍銅方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體工藝【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種階段性電鍍工藝電鍍銅方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著單個器件變得越來越小，集成電路的運行速度越來越快，傳統(tǒng)鋁制程已經(jīng)無法滿足要求，因此，銅互連技術(shù)發(fā)展成為主流的半導(dǎo)體集成電路互連技術(shù)，而銅電鍍工藝則勝過PVD、CVD等傳統(tǒng)成膜工藝，成為銅互連技術(shù)中制備銅膜的主要工藝。
[0003]同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)的概念升溫，射頻芯片逐漸成為市場的熱點。對于傳統(tǒng)CMOS工藝制備的芯片，其高頻性能較為一般，需要使用外加線圈電感的方式來提高器件的高頻性能。而銅互連電感可以實現(xiàn)高Q值、高穩(wěn)定性的射頻器件，因此是獲得高性能射頻芯片的有效途徑之一。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)的大馬士革電鍍工藝主要關(guān)注小尺寸圖形的無空洞填充效果，一般在相同的硅片工藝位置、硅片轉(zhuǎn)速和電鍍液流速上采用電流密度逐步升高的階梯式電鍍工藝，所述階梯式電鍍工藝主要包括以下幾個階段:
[0005]初始階段，電鍍的初始階段采用低電流密度，以獲得表面均勻的電鍍效果，修復(fù)銅種子層為高電流密度做準備；
[0006]第二階段，電鍍的第二階段采用較高電流密度，以獲得快速的自下而上的電鍍效果，快速填孔并保證無空洞無 縫隙；
[0007]最后階段，電鍍的最后階段采用高電流密度迅速加厚銅層，給化學機械拋光工藝提供工藝窗口。
[0008]但現(xiàn)有的階梯式電鍍工藝技術(shù)對于大尺寸(5~100微米)的圖形缺少控制，由于大尺寸圖形的電鍍銅沉積速率較慢，因此相對于無圖形區(qū)域的臺階高度增大。而對于化學機械拋光工藝而言，大尺寸圖形相對于無圖形區(qū)域的臺階高度決定了該區(qū)域的過拋量，臺階高度越大，過拋量也越大，因此必須增加銅層厚度來控制過拋量，從而滿足設(shè)計要求(圖形內(nèi)保留的銅層厚度達標)，這就增加了電鍍工藝和化學機械拋光工藝的負擔。
[0009]由于銅互連電感主要是大尺寸(I~50微米)、大深度(I~5微米)的圖形，需要幾微米厚的銅膜，因此將顯著地增加電鍍工藝和化學機械拋光工藝的負擔。
[0010]因此，有必要對現(xiàn)有的電鍍銅工藝進行改進。
[0011 ] CN102154670A公開了一種階段性電鍍銅工藝，但是其沒有對電解液對電鍍效果的影響進行研究，沒有提出一種適合上述電鍍方法的電鍍液。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種階段性電鍍工藝電鍍銅方法，以減少大尺寸、大深度集成電路圖形區(qū)域相對于無圖形區(qū)域的銅鍍層的臺階高度。
[0013]為解決上述問題，本發(fā)明提出一種電鍍銅方法，用于對大尺寸、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和與該工藝相適應(yīng)的電鍍液進行處理，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行電鍍工藝處理。
[0014]本發(fā)明的核心思想在于，提供一種電鍍銅方法，該方法通過采用階段性電鍍工藝和與該工藝相適應(yīng)的電鍍液進行處理，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行電鍍工藝處理，從而在保證高的填充速率的同時，有效地減小了大尺寸、大深度圖形相對于無圖形區(qū)域的臺階高度，在保證化學機械拋光工藝窗口的前提上，間接地減少了電鍍工藝所需的銅膜厚度，進而縮短了電鍍工藝時間和化學機械拋光工藝時間，并節(jié)約化學耗材的使用；并且，該工藝過程不影響銅鍍層的質(zhì)量，銅互連線的各項工藝性能達到指標。
[0015]以下對電鍍液和階段性電鍍工藝進行詳細說明:
[0016](1)電鍍液
[0017]所述電鍍液，包括:硫酸銅為50~200克/升，硫酸為50~220克/升，氯離子為10~150毫克/升，抑制劑為5~200毫克/升，加速劑為5~50毫克/升，整平劑為
0.5~20暈克/升,其余為去尚子水。
[0018]其中，所述硫酸銅含量優(yōu)選為50~100克/升。
[0019]所述硫酸含量優(yōu)選為150~220克/升。一般由硫酸濃度為95.0%~98.0%的分析純試劑配制。
[0020]所述氯離子含量優(yōu)選為20~80毫克/升。所述氯離子一般由鹽酸提供。
[0021]所述抑制劑所占的質(zhì)量百分含量為20~100暈克/升。
[0022]所述抑制劑包括十二烷基磺酸鈉等離子型表面活性劑、聚乙二醇、烷基酚聚氧乙烯醚(0P乳化劑)或脂肪醇聚氧乙烯醚類非離子表面活性劑，優(yōu)選為聚乙二醇，相應(yīng)分子量為 2000 ~8000。
[0023]所述加速劑優(yōu)選為10~30毫克/升，加速劑為含硫磺酸鹽類試劑，例如:醇硫基丙烷磺酸鈉、苯基聚二硫丙烷磺酸鈉、二甲基甲酰胺基磺酸鈉、噻唑啉基二硫代丙烷磺酸鈉和聚二硫二丙烷磺酸鈉等，其中，聚二硫二丙烷磺酸鈉為最佳選擇。
[0024]所述整平劑含量為0.5~10暈克/升。
[0025]所述整平劑為2-巰基苯駢咪唑、巰基咪唑丙磺酸鈉、四氫噻唑硫酮和亞乙基硫脲等，優(yōu)選為亞乙基硫服。
[0026]本發(fā)明所述集成電路銅布線的電沉積用電解液可采用本領(lǐng)域常用的方法制備，t匕如，首先將硫酸銅用總體積約1/2的40~50°C去離子水溶解，將濃硫酸在攪拌條件下慢慢加入到上述溶液中，加去離子水至體積并冷卻至室溫，按配比加入鹽酸和抑制劑攪拌，再按配比加入加速劑和整平劑攪拌均勻而成。
[0027]( 2 )階段性電鍍工藝
[0028]可選的，所述階段性電鍍工藝處理中的每個處理階段的工藝條件為:
[0029]硅片工藝位置:2~10毫米，電流密度:0.2~8安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:5~50轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:4~20升/分鐘，時間:3~500秒。
[0030]可選的，所述階段性電鍍工藝處理分包括兩個處理階段，分別為初始階段以及最終階段。
[0031]可選的，所述初始階段的硅片位置高于所述最終階段的硅片位置，所述初始階段的硅片旋轉(zhuǎn)速度低于所述最終階段的硅片旋轉(zhuǎn)速度，所述初始階段的電鍍液流速低于所述最終階段的電鍍液流速，所述初始階段的電流密度低于所述最終階段的電流密度。
[0032]可選的，所述初始階段的工藝條件具體為:
[0033]時間:10~50秒，電流密度:0.8~3安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:5~30轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:4~10升/分鐘，硅片工藝位置:5~10毫米。
[0034]可選的，所述最終階段的工藝條件具體為:
[0035]時間:30~500秒，電流密度:3~8安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:30~50轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:10~20升/分鐘，硅片工藝位置:2~5毫米。
[0036]可選的，所述階段性電鍍工藝處理還包括一過渡階段，所述過渡階段位于所述初始階段與所述最終階段之間，所述過渡階段的電流密度低于所述初始階段的電流密度，所述過渡階段的硅片位置、硅片旋轉(zhuǎn)速度以及電鍍液流速與所述最終階段的硅片位置、硅片旋轉(zhuǎn)速度以及電鍍液流速相同。
[0037]可選的，所述過渡階段的工藝條件具體為:
[0038]時間:3~10秒，電流密度:0.2~0.8安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:30~50轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:10~20升/分鐘，硅片工藝位置:2~5毫米。
[0039]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的電鍍銅方法通過采用階段性電鍍工藝和與該工藝相適應(yīng)的電鍍液進行處理，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行電鍍工藝處理，從而在保證高的填充速率的同時，有效地減小了大尺寸、大深度圖形相對于無圖形區(qū)域的臺階高度，在保證化學機械拋光工藝窗口的前提上，間接地減少了電鍍工藝所需的銅膜厚度，進而縮短了電鍍工藝時間和化學機械拋光工藝時間，并節(jié)約化學耗材的使用。
【具體實施方式】
[0040]為便于理解本發(fā)明，本發(fā)明列舉實施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實施例僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對本發(fā)明的具體限制。
[0041]實施例1
[0042]配制5000毫升電解液:將3000毫升去離子水加熱到40°C，加入342克硫酸銅，攪拌溶解后將875克濃硫酸慢慢加入到上述溶液中，加水至近5000毫升，對溶液持續(xù)攪拌并將其冷卻至室溫，加入300毫克鹽酸，400毫克聚乙二醇(MW6000)，75毫克聚二硫二丙烷磺酸鈉和25毫克亞乙基硫脲，最后加水補足5000毫升并攪拌均勻。
[0043]初始階段的工藝條件具體為:時間:10秒，電流密度:0.8安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:5轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:4升/分鐘，硅片工藝位置:5毫米。
[0044]過渡階段的工藝條件具體為:時間:3秒，電流密度:0.2安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:30轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:10升/分鐘，硅片工藝位置:2毫米。
[0045]最終階段的工藝條件具體為:時間:30秒，電流密度:3安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:30轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:10升/分鐘，硅片工藝位置:2毫米。
[0046]實施例2
[0047]制備過程基本同實施例1，不同的是，1000毫升電解液的組分及含量為:硫酸銅為50克，硫酸為150克，氯離子為10毫克，聚乙二醇(MW 8000)為20毫克，加速劑醇硫基丙烷磺酸鈉為30毫克，整平劑四氫噻唑硫酮為0.5毫克，其余為去離子水。
[0048]初始階段的工藝條件具體為:時間:50秒，電流密度:3安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:30轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:10升/分鐘，硅片工藝位置:10毫米。
[0049]過渡階段的工藝條件具體為:時間:10秒，電流密度:0.8安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:50轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:20升/分鐘，硅片工藝位置:5毫米。
[0050]最終階段的工藝條件具體為:時間:500秒，電流密度:8安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:50轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:20升/分鐘，硅片工藝位置:5毫米。
[0051]實施例3
[0052]制備過程基本同實施例1，不同的是，1000毫升電解液的組分及含量為:硫酸銅為200克，硫酸為50克，氯離子為20毫克，十二烷基磺酸鈉為100毫克，加速劑苯基聚二硫丙烷磺酸鈉為5毫克，整平劑亞乙基硫脲為I毫克，其余為去離子水。
[0053]初始階段的工藝條件具體為:時間:30秒，電流密度:1.9安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:18轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:7升/分鐘，硅片工藝位置:7毫米。
[0054]過渡階段的工藝條件具體為:時間:7秒，電流密度:0.5安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:40轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:15升/分鐘，硅片工藝位置:4毫米。
[0055]最終階段的工藝條件具體為:時間:265秒，電流密度:5.5安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:40轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:15升/分鐘，硅片工藝位置:3毫米。
[0056] 申請人:聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細工藝設(shè)備和工藝流程，但本發(fā)明并不局限于上述詳細工藝設(shè)備和工藝流程，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細工藝設(shè)備和工藝流程才能實施。所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進，對本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種階段性電鍍工藝電鍍銅方法，其特征在于，該方法采用階段性電鍍工藝和與該工藝相適應(yīng)的電鍍液進行處理，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行電鍍工藝處理； 所述電鍍液，包括:硫酸銅為50~200克/升，硫酸為50~220克/升，氯離子為10~150毫克/升，抑制劑為5~200毫克/升，加速劑為5~50毫克/升，整平劑為0.5~20毫克/升，其余為去離子水； 所述階段性電鍍工藝處理中的每個處理階段的工藝條件為:硅片工藝位置:2~10毫米，電流密度:0.2~8安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:5~50轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:4~20升/分鐘，時間:3~500秒。
2.如權(quán)利要求1所述的電鍍銅方法，其特征在于，所述階段性電鍍工藝處理分包括兩個處理階段，分別為初始階段以及最終階段。
3.如權(quán)利要求2所述的電鍍銅方法，其特征在于，所述初始階段的硅片位置高于所述最終階段的硅片位置，所述初始階段的硅片旋轉(zhuǎn)速度低于所述最終階段的硅片旋轉(zhuǎn)速度，所述初始階段的電鍍液流速低于所述最終階段的電鍍液流速，所述初始階段的電流密度低于所述最終階段的電流密度。
4.如權(quán)利要求3所述的電鍍銅方法，其特征在于，所述初始階段的工藝條件具體為: 時間:10~50秒，電流密度:0.8~3安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:5~30轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:4~10升/分鐘，硅片工藝位置:5~10毫米。
5.如權(quán)利要求3所述的電鍍銅方法，其特征在于，所述最終階段的工藝條件具體為: 時間:30~500秒，電流密度:3~8安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:30~50轉(zhuǎn)/分鐘，電鍍液流速:10~20升/分鐘，硅片工藝位置:2~5毫米。
6.如權(quán)利要求3所述的電鍍銅方法，其特征在于，所述階段性電鍍工藝處理還包括一過渡階段，所述過渡階段位于所述初始階段與所述最終階段之間，所述過渡階段的電流密度低于所述初始階段的電流密度，所述過渡階段的硅片位置、硅片旋轉(zhuǎn)速度以及電鍍液流速與所述最終階段的硅片位置、硅片旋轉(zhuǎn)速度以及電鍍液流速相同。
7.如權(quán)利要求6所述的電鍍銅方法，其特征在于，所述過渡階段的工藝條件具體為: 時間:3~10秒，電流密度:0.2~0.8安培/平方分米，硅片旋轉(zhuǎn)速度:30~50轉(zhuǎn)/ 分鐘，電鍍液流速:10~20升/分鐘，硅片工藝位置:2~5毫米。
【文檔編號】H01L21/288GK103806030SQ201210444570
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月8日
【發(fā)明者】林永峰 申請人:無錫新三洲特鋼有限公司