CN107502935A - 一种电镀铜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电镀铜的方法，适用于电镀设备在晶元的沟道中沉积铜电镀层，电镀铜的方法包括初始阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段及过量电镀阶段三个阶段；相比于现有技术，添加第三阶段和第四阶段，在初始阶段提高晶元转速范围且保持电镀电流范围不变，在第二阶段、第三阶段及第四阶段，保持晶元转速范围不变且逐段调高电镀电流范围，在过量电镀阶段保持晶元转速范围和电镀电流范围均不变。本发明的有益效果：简单且低成本化的工艺，最终满足在同型号电镀设备和同样的添加剂体系条件下，同时满足大尺寸沟道和小尺寸沟道的填充要求，避免在大尺寸沟道填充时出现空洞缺陷。

Description

一种电镀铜的方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种电镀铜的方法。
背景技术
为了在半导体晶片上形成铜配线，需要采用电镀铜工艺填充半导体晶片上形成的配线(LSI)图案的通路或沟道。
现有技术形成金属互连线(铜配线)的方法包括以下步骤：
步骤11、通过物理气相沉积(PVD)方法，在沟槽的底部和侧壁上、连接孔的底部和侧壁上，溅射形成阻挡层，例如由氮化钽(TaN)和钽(Ta)构成的叠层阻挡层。上述由TaN和Ta构成的叠层阻挡层，只是其中一种具体实施例，显然，还有多种形成阻挡层的实现方法。
步骤12，在阻挡层的表面，通过溅射的方法形成铜种子层(seed layer)。
步骤13，通过电化学电镀(Electrical Chemical Plating，ECP)的方法在铜种子层的表面形成铜电镀层：详细地，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(CuSO4)等，然后将晶圆接阴极，电镀液接阳极，并在阴极和阳极之间通电，在电场作用下，铜种子层的表面，即沟槽和连接孔的内部，就形成了铜电镀层。步骤14，对铜电镀层进行原位热处理。
在步骤13中，电镀铜所用的溶液中要加入添加剂，添加剂为有机物，在电镀过程中，有可能会被吸附到铜的内部，使得铜内部的晶格之间的空隙变大，用现有的电镀铜工艺，电镀好的晶圆所镀的铜内，便会出现许多空洞，当铜内部存在多个小空洞时，在研磨完成之后，留下的便是坑坑洼洼的表面，这会影响到产品导电方面的性能，最终会影响产品的良率。
而随着技术发展，大尺寸沟道和小尺寸沟道的铜电镀在铜电镀技术领域逐步分化，出现了各种型号的电镀设备来满足不同尺寸沟道的铜电镀需要。在同样的添加剂体系下，采用同样的电镀设备，当满足小尺寸沟道填充工艺的需求时(如图1所示)，在大尺寸沟道工艺中往往会出现空洞缺陷(如图2所示)，目前广泛应用的方法是针对大尺寸的沟道的铜电镀工艺中，另外使用一套添加剂体系，或者另外采用硅片通道(Through SiliconVias，TSV)结构的电镀设备。
因此，目前亟需一种简单且低成本化的工艺，最终满足在同型号电镀设备和同样的添加剂体系条件下，同时满足大尺寸沟道和小尺寸沟道的填充要求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种简单且低成本化的工艺，在同型号电镀设备和同样的添加剂体系条件下，同时满足大尺寸沟道和小尺寸沟道的填充要求的电镀铜的方法。
本发明采用如下技术方案：
一种电镀铜的方法，适用于电镀设备在晶元的沟道中沉积铜电镀层，所述电镀铜的方法包括初始阶段、第二阶段和过量电镀阶段三个阶段；所述初级阶段，所述电镀设备采用一第一转速范围及一第一电镀电流范围；
所述第二阶段，所述电镀设备采用所述第一转速范围及一第二电镀电流范围；
所述过量电镀阶段，所述电镀设备采用一第二转速范围及一第三电镀电流范围；将所述第一转速范围的最小值调整为原始值的2倍，将所述第一转速范围的最大值调整为原始值的3/2倍；
将所述第二电镀电流范围的最小值调整为原始值的5/8倍，将所述第二电镀电流范围的最大值调整为原始值的2/3倍；
在所述第二阶段和所述过量电镀阶段之间添加第三阶段和第四阶段；
所述第三阶段，所述电镀设备采用调整后的所述第一转速范围及一第四电镀电流范围，将所述第四电镀电流范围的最小值调整为所述第一电镀电流范围的最小值的10/3倍，将所述第四电镀电流范围的最大值调整为所述第一电镀电流范围的最大值的3倍；
所述第四阶段，所述电镀设备采用调整后的所述第一转速范围及一第五电镀电流范围，将所述第五电镀电流范围的最小值调整为所述第一电镀电流范围的最小值的20/3倍，将所述第五电镀电流范围的最大值调整为所述第一电镀电流范围的最大值的6倍。
优选的，利用电镀液于电镀设备在晶元的沟道中沉积铜电镀层，所述电镀液中包括添加剂，所述添加剂包括平整剂、抑制剂及加速剂。
优选的，所述初始阶段、所述第二阶段、所述第三阶段及所述第四阶段中，所述电镀设备采用的调整后的所述第一转速范围为90圈/分钟至120圈/分钟。
优选的，所述过量电镀阶段中，所述电镀设备采用的所述第二转速范围为10圈/分钟至20圈/分钟。
优选的，所述初始阶段中，所述电镀设备采用的所述第一电镀电流范围为3安培至5安培。
优选的，所述第二阶段中，所述电镀设备采用的调整后的所述第二电镀电流范围为8安培至12安培。
优选的，所述第三阶段中，所述电镀设备采用的所述第四电镀电流范围为10安培至15安培。
优选的，所述第四阶段中，所述电镀设备采用的所述第五电镀电流范围为20安培至30安培。
优选的，所述过量电镀阶段中，所述电镀设备采用的所述第三电镀电流范围为35安培至60安培。
本发明的有益效果：简单且低成本化的工艺，最终满足在同型号电镀设备和同样的添加剂体系条件下，同时满足大尺寸沟道和小尺寸沟道的填充要求，避免在大尺寸沟道填充时出现空洞缺陷。
附图说明
图1为现有技术中，小尺寸沟道的电镀铜工艺结果示意图；
图2为现有技术中，大尺寸沟道的电镀铜工艺结果示意图；
图3为现有技术中，大尺寸沟道的电镀铜工艺中初始阶段的示意图；
图4为现有技术中，大尺寸沟道的电镀铜工艺中第二阶段的示意图；
图5为现有技术中，大尺寸沟道的电镀铜工艺中过量电镀阶段的示意图；
图6为本发明的一种优选实施例中，大尺寸沟道的电镀铜工艺中初始阶段的示意图；
图7为本发明的一种优选实施例中，大尺寸沟道的电镀铜工艺中第二阶段的第一步骤的示意图；
图8为本发明的一种优选实施例中，大尺寸沟道的电镀铜工艺中第二阶段的第二步骤的示意图；
图9为本发明的一种优选实施例中，大尺寸沟道的电镀铜工艺中第二阶段的第三步骤的示意图；
图10为本发明的一种优选实施例中，大尺寸沟道的电镀铜工艺中过量电镀阶段的示意图；
图11为现有技术中，晶元进行电镀铜工艺及切割工艺后的示意图；
图12为本发明的一种优选实施例中，晶元进行电镀铜工艺及切割工艺后的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，下述技术方案，技术特征之间可以相互组合。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
在现有工艺中，在同样的电镀设备和同样的添加剂体系(L:平整剂、S:抑制剂、A:加速剂)下，如果能够满足小尺寸沟道的铜电镀工艺，那么在大尺寸沟道的铜电镀工艺中，如图3-5所示，最终会出现空洞缺陷。
电镀铜的方法，适用于电镀设备在晶元的沟道中沉积铜电镀层，现有技术中，上述电镀铜的方法包括初始阶段、第二阶段和过量电镀阶段三个阶段：
上述初级阶段，上述电镀设备采用一第一转速范围及一第一电镀电流范围，第一转速范围为45圈/分钟至80圈/分钟，第一电镀电流范围为3安培至5安培；
上述第二阶段，上述电镀设备采用上述第一转速范围及一第二电镀电流范围，第二电镀电流范围为8安培至12安培；
上述过量电镀阶段，上述电镀设备采用一第二转速范围及一第三电镀电流范围，第二转速范围为10圈/分钟至20圈/分钟，第三电镀电流范围为35安培至60安培。
如图6-10所示，本发明的一个具体的实施例中，一种电镀铜的方法，适用于在电镀设备中利用电镀液对晶元进行电镀铜处理以在晶元的沟道中沉积铜电镀层，上述电镀铜的方法包括上述初始阶段、上述第二阶段、第三阶段、第四阶段和上述过量电镀阶段三个阶段；
将上述第一转速范围的最小值调整为原始值的2倍，将上述第一转速范围的最大值调整为原始值的3/2倍；
将上述第二电镀电流范围的最小值调整为原始值的5/8倍，将上述第二电镀电流范围的最大值调整为原始值的2/3倍；
在上述第二阶段和上述过量电镀阶段之间添加第三阶段和第四阶段；
上述第三阶段，上述电镀设备采用调整后的上述第一转速范围及一第四电镀电流范围，将上述第四电镀电流范围的最小值调整为上述第一电镀电流范围的最小值的10/3倍，将上述第四电镀电流范围的最大值调整为上述第一电镀电流范围的最大值的3倍；
上述第四阶段，上述电镀设备采用调整后的上述第一转速范围及一第五电镀电流范围，将上述第五电镀电流范围的最小值调整为上述第一电镀电流范围的最小值的20/3倍，将上述第五电镀电流范围的最大值调整为上述第一电镀电流范围的最大值的6倍。
具体的，上述初始阶段、上述第二阶段、上述第三阶段及上述第四阶段中，上述电镀设备采用的调整后的上述第一转速范围为90圈/分钟至120圈/分钟；
上述过量电镀阶段中，上述电镀设备采用的上述第二转速范围为10圈/分钟至20圈/分钟；
上述初始阶段中，上述电镀设备采用的上述第一电镀电流范围为3安培至5安培；
上述第二阶段中，上述电镀设备采用的调整后的上述第二电镀电流范围为8安培至12安培；
上述第三阶段中，上述电镀设备采用的上述第四电镀电流范围为10安培至15安培；
上述第四阶段中，上述电镀设备采用的上述第五电镀电流范围为20安培至30安培；
上述过量电镀阶段中，上述电镀设备采用的上述第三电镀电流范围为35安培至60安培。在晶元上形成种子层后，将晶元放入电镀设备中；
在初始阶段，通过高转速低电镀电流短时间的方法，对种子层做一次修复，用以改善种子层工艺中种子的缺陷以及保护种子层不被电镀液侵蚀；
在第二阶段、第三阶段及第四阶段，通过继续维持高转速，逐步加大电镀电流并给予充分时间让抑制剂和加速剂到达沟道腰部和底部位置，防止腰部位置提前封口，分阶段完成沟道各个位置的铜填充；
在过量电镀阶段，在沟道都填充完毕后，减小转速，继续加大电镀电流，快速完成铜研磨工艺的缓冲层工艺，给化学-机械抛光工艺提供工艺窗口。
图11和图12分别为现有技术和本发明中，进行大尺寸沟道填充后的示意图，由图12可见，采用本发明的技术方案后能够避免产生孔洞，因此，本发明的技术方案采用简单且低成本化的工艺，最终满足在同型号电镀设备和同样的添加剂体系条件下，同时满足大尺寸沟道和小尺寸沟道的填充要求，避免在大尺寸沟道填充时出现空洞缺陷。
通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (9)

1.一种电镀铜的方法，适用于电镀设备在晶元的沟道中沉积铜电镀层，所述电镀铜的方法包括初始阶段、第二阶段和过量电镀阶段三个阶段；所述初级阶段，所述电镀设备采用一第一转速范围及一第一电镀电流范围；
所述第二阶段，所述电镀设备采用所述第一转速范围及一第二电镀电流范围；
所述过量电镀阶段，所述电镀设备采用一第二转速范围及一第三电镀电流范围；其特征在于，
将所述第一转速范围的最小值调整为原始值的2倍，将所述第一转速范围的最大值调整为原始值的3/2倍；
将所述第二电镀电流范围的最小值调整为原始值的5/8倍，将所述第二电镀电流范围的最大值调整为原始值的2/3倍；
在所述第二阶段和所述过量电镀阶段之间添加第三阶段和第四阶段；
所述第三阶段，所述电镀设备采用调整后的所述第一转速范围及一第四电镀电流范围，将所述第四电镀电流范围的最小值调整为所述第一电镀电流范围的最小值的10/3倍，将所述第四电镀电流范围的最大值调整为所述第一电镀电流范围的最大值的3倍；
所述第四阶段，所述电镀设备采用调整后的所述第一转速范围及一第五电镀电流范围，将所述第五电镀电流范围的最小值调整为所述第一电镀电流范围的最小值的20/3倍，将所述第五电镀电流范围的最大值调整为所述第一电镀电流范围的最大值的6倍。
2.根据权利要求1所述的电镀铜的方法，其特征在于，利用电镀液于电镀设备在晶元的沟道中沉积铜电镀层，所述电镀液中包括添加剂，所述添加剂包括平整剂、抑制剂及加速剂。
3.根据权利要求1所述的电镀铜的方法，其特征在于，所述初始阶段、所述第二阶段、所述第三阶段及所述第四阶段中，所述电镀设备采用的调整后的所述第一转速范围为90圈/分钟至120圈/分钟。
4.根据权利要求1所述的电镀铜的方法，其特征在于，所述过量电镀阶段中，所述电镀设备采用的所述第二转速范围为10圈/分钟至20圈/分钟。
5.根据权利要求1所述的电镀铜的方法，其特征在于，所述初始阶段中，所述电镀设备采用的所述第一电镀电流范围为3安培至5安培。
6.根据权利要求1所述的电镀铜的方法，其特征在于，所述第二阶段中，所述电镀设备采用的调整后的所述第二电镀电流范围为8安培至12安培。
7.根据权利要求1所述的电镀铜的方法，其特征在于，所述第三阶段中，所述电镀设备采用的所述第四电镀电流范围为10安培至15安培。
8.根据权利要求1所述的电镀铜的方法，其特征在于，所述第四阶段中，所述电镀设备采用的所述第五电镀电流范围为20安培至30安培。
9.根据权利要求1所述的电镀铜的方法，其特征在于，所述过量电镀阶段中，所述电镀设备采用的所述第三电镀电流范围为35安培至60安培。
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