採用脈衝電鍍銅方式實現銅互連的方法
2023-05-08 21:04:06 1
採用脈衝電鍍銅方式實現銅互連的方法
【專利摘要】本發明屬於銅互連結構【技術領域】，具體為一種採用脈衝電鍍銅方式實現銅互連的方法。本發明方法包括以下步驟：在半導體襯底上，使用等離子物理濺射法澱積介質層；使用物理濺射法濺射TaN作為擴散阻擋層，再濺射Ta作為粘附促進層；使用物理濺射法濺射銅籽晶層；將獲得銅籽晶層的襯底切片成小矩形片；將所述小矩形片作為陰極，高純度的銅棒作為陽極為進行脈衝電鍍銅。其優點在於降低濃差極化，提高陰極電流密度和電鍍效率，減少氫脆和鍍層孔隙，提高純度，改善鍍層物理性能，所得鍍層具有較好的防護性，能獲得緻密的低電阻率金屬沉積層，具有更低的電阻率，抗電遷移能力。
【專利說明】採用脈衝電鍍銅方式實現銅互連的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於銅互連結構【技術領域】，具體涉及一種採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互 連的方法。
【背景技術】
[0002]隨著晶片集成度的不斷提高，銅已經逐漸取代鋁成為超大規模集成電路互連中的 主流互連技術。在目前的晶片製造中，晶片的布線和互連幾乎全部是採用直流電鍍的方法 獲得銅鍍層。直流電鍍只有電流/電壓一個可變參數，脈衝電鍍則中有電流/電壓、脈寬、 脈間三個主要可變參數，而且還可以改變脈衝信號的波形。相比之下，脈衝電鍍對電鍍過程 有更強的控制能力。
[0003]關於脈衝電鍍的理論在上個世紀初就有人提出。近幾年來，國外陸續發表了一些 關於脈衝電鍍在集成電路銅互連應用中的研究。但是目前在國內，針對脈衝電鍍銅的研究 主要集中在冶金級電鍍和印刷電路板(PCB)布線方面，幾乎沒有關於脈衝電鍍應用於集成 電路銅互連的文獻報導。PCB中線路的特徵尺寸約為幾十微米，而晶片中銅互連的特徵尺寸 是I微米，因此對亞微米級厚度銅鍍層的性能決定了整個集成電路的性能。
【發明內容】
[0004]針對上述現有技術中存在的問題，本發明提供一種適用於超大規模集成電路生產 的採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法，以解決現有技術的不足。
[0005]本發明提供的採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法，具體步驟為:
步驟A.在半導體襯底上，使用等離子物理濺射法澱積厚度為80(T1000 nm的二氧化 娃，作為介質層；
步驟B.使用物理濺射法濺射厚度為1(T20 nm的TaN，作為擴散阻擋層；再濺射厚度為 10?20 nm的Ta，作為粘附促進層；
步驟C.使用物理濺射法濺射厚度為3(T100 nm的銅籽晶層；
步驟D.將獲得銅籽晶層的半導體襯底切片成小矩形片；
步驟E.將所述小矩形片作為陰極，包裹一層過濾膜的高純度的銅棒作為陽極，進行脈 衝電鍍銅。
[0006]進一步，本發明中，所述半導體襯底為單晶矽襯底或II1-V化合物襯底。
[0007]進一步，本發明中，所述小矩形片的尺寸為2.5 cmX I cm至10 cmX4 cm。
[0008]進一步，本發明中，進行脈衝電鍍銅時，在電解槽底部靠近陰極處放置一個磁力攪 拌子，轉速設定為300?500轉/分。
[0009]進一步，本發明中，進行脈衝電鍍銅時，脈衝的脈寬和脈間在2?10 ms，電流密度為 2?8 A/dm2，溫度為25?40 °C，電壓為30?50 V，pH值為8?10進行電鍍。
[0010]進一步，本發明中，進行脈衝電鍍銅時，電鍍液成分包括:Cu離子含量15?20 g/L、 H2SO4含量100?200 g/L、Cl離子含量30?50 mg/L，加速劑I?5 ml/L，抑制劑2?10 ml/L和整平劑3飛ml/L。
[0011]其中，所述加速劑、抑制劑、整平劑均為通常電鍍液的常用成分，例如可採用 Enthone公司的ViaForm系列產品。
[0012]本發明的作用和效果
根據本發明提供的採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法，脈衝電鍍銅所依據的電 化學原理是利用脈衝張馳增加陰極的活化極化，降低陰極的濃差極化，從而改善鍍層的物 理化學性能。在直流電鍍中，由於金屬離子趨近陰極不斷被沉積，因而不可避免地造成濃差 極化。而脈衝電鍍在電流導通時，接近陰極的金屬離子被充分地沉積；當電流關斷時，陰極 周圍的放電離子又重新恢復到初始濃度。這樣陰極表面擴散層內的金屬離子濃度就得到了 及時補充，擴散層周期間隙式形成，從而減薄了擴散層的實際厚度。如果使用短脈衝，則將 出現非常大的電流強度，這將使金屬離子處在直流電鍍實現不了的極高過電位下沉積，極 化程度加大，分散能力更好，從而改善鍍層性能，其作用和在電鍍液中加入添加劑的作用相 似。關斷時間的存在不僅對陰極附近濃度恢復有好處，而且還會產生一些對沉積層有利的 重結晶、吸脫附等現象。
[0013]本發明提供的採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法主要優點有:
(1)降低濃差極化，提高了陰極電流密度和電鍍效率；
(2)減少氫脆和鍍層孔隙，提高純度，改善鍍層物理性能；
(3)所得鍍層具有較好的防護性；
(4)能獲得緻密的低電阻率金屬沉積層；
(5)相比傳統鋁互連，銅互連具有更低的電阻率，抗電遷移能力；
(6)採用脈衝電鍍方法實現通互連，成本低於傳統PVD方法，且效率更高。具體表現為 小矩形片的尺寸可以進一步擴大到工業應用所需的尺寸，且能保證其電鍍的效果。而大尺 寸的應用意味著產量的上升和單位成本的下降。本發明涉及的電鍍效果優於一般電鍍效 果，體現在【專利附圖】
【附圖說明】的電阻率(圖2)、銅的晶向(圖3)、AFM測得的表面形貌(圖5)。這些效果 的提高得益於陰極的設計、電鍍液、Si02/TaN/Cu籽晶疊層以及脈衝設置這些因素的綜合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明提供的採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法流程圖。
[0015]圖2為本發明提供的採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法獲得電鍍銅的電 阻率與電流密度的關係。
[0016]圖3為本發明提供的採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法獲得電鍍銅的 Cu(200)晶向與(111)晶向強度之比。
[0017]圖4為本發明提供的採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法獲得電鍍銅的晶 粒大小。
[0018]圖5為本發明提供的採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法獲得電鍍銅的表 面形貌的三維AFM示意圖。
[0019]圖6為本發明提供的採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法獲得電鍍銅的表 面形貌的SEM示意圖。【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的描述。
[0021]實施例1
採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法如下:
步驟A.採用單晶矽襯底，先使用等離子物理濺射法(PECVD)澱積SOOnm的二氧化矽 SiO2作為介質層。
[0022]步驟B.使用物理派射法(Physical Vapor Deposition, PVD)派射 IOnm 的 TaN 作為擴散阻擋層、再濺射10 nm的Ta粘附促進層。
[0023]步驟C.使用物理派射法(Physical Vapor Deposition, PVD)派射30nm的銅籽 晶層，銅籽晶層為後面的脈衝電鍍提供了一個導電層。
[0024]步驟D.將獲得銅籽晶層的襯底切片成尺寸為2.5 cmX I cm小矩形片。
[0025]步驟E.將所述小矩形片作為陰極，包裹一層過濾膜的高純度的銅棒作為陽極為 進行脈衝電鍍銅，陽極銅棒外的過濾膜的作用是電鍍時阻止雜質進入銅鍍層，影響鍍層性 倉泛。
[0026]脈衝電鍍銅時，在電解槽底部靠近陰極處放置一個磁力攪拌子。電鍍時，置於電解 槽下面的磁力攪拌儀產生磁場，驅動攪拌子勻速轉動，轉速設定為300轉/分。
[0027]脈衝電鍍銅時，脈衝的脈寬和脈間在2 ms，電流密度為2 A/dm2，溫度為25 °C，電 壓為30V，pH值為8進行電鍍。
[0028]脈衝電鍍銅時，電鍍液成分包括:Ci離子含量15 g/L、H2SO4含量100g/L、Cl離 子含量30 mg/L，加速劑I ml/L，抑制劑2 ml/L和整平劑3ml/L。其中，加速劑、抑制劑、整 平劑採用Enthone公司的ViaForm系列產品。
[0029]實施例2
採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法如下:
步驟A.採用II1-V化合物襯底，先使用等離子物理濺射法澱積900 nm的二氧化矽作 為介質層。
[0030]步驟B.使用物理濺射法濺射15nm的TaN作為擴散阻擋層、再濺射15nm的Ta粘 附促進層。
[0031]步驟C.使用物理濺射法濺射65 nm的銅籽晶層，銅籽晶層為後面的脈衝電鍍提供 了一個導電層。
[0032]步驟D.將獲得銅籽晶層的襯底切片成尺寸為5 cmX2 cm小矩形片。
[0033]步驟E.將所述小矩形片作為陰極，包裹一層過濾膜的高純度的銅棒作為陽極為 進行脈衝電鍍銅，陽極銅棒外的過濾膜的作用是電鍍時阻止雜質進入銅鍍層，影響鍍層性 倉泛。
[0034]脈衝電鍍銅時，在電解槽底部靠近陰極處放置一個磁力攪拌子。電鍍時，置於電解 槽下面的磁力攪拌儀產生磁場，驅動攪拌子勻速轉動，轉速設定為400轉/分。
[0035]脈衝電鍍銅時，脈衝的脈寬和脈間在6 ms,電流密度為5 A/dm2，溫度為33 °C，電 壓為40 V, pH值為9進行電鍍。
[0036]脈衝電鍍銅時，電鍍液成分包括:Cu離子含量17g/L、H2SO4含量150g/L、Cl離子 含量40 mg/L，加速劑3 ml/L，抑制劑6 ml/L和整平劑4 ml/L。其中，加速劑、抑制劑、整平劑採用Enthone公司的ViaForm系列產品。
[0037]實施例3
採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法如下:
步驟A.採用單晶矽襯底，先使用等離子物理濺射法澱積1000 nm的二氧化矽作為介質層。
[0038]步驟B.使用物理濺射法濺射20 nm的TaN作為擴散阻擋層、再濺射20 nm的Ta 粘附促進層。
[0039]步驟C.使用物理濺射法濺射100 nm的銅籽晶層，銅籽晶層為後面的脈衝電鍍提 供了 一個導電層。
[0040]步驟D.將獲得銅籽晶層的襯底切片成尺寸為10 cmX4 cm小矩形片。
[0041]步驟E.將所述小矩形片作為陰極，包裹一層過濾膜的高純度的銅棒作為陽極為 進行脈衝電鍍銅，陽極銅棒外的過濾膜的作用是電鍍時阻止雜質進入銅鍍層，影響鍍層性 倉泛。
[0042]脈衝電鍍銅時，在電解槽底部靠近陰極處放置一個磁力攪拌子。電鍍時，置於電解 槽下面的磁力攪拌儀產生磁場，驅動攪拌子勻速轉動，轉速設定為500轉/分。
[0043]脈衝電鍍銅時，脈衝的脈寬和脈間在10 ms,電流密度為8 A/dm2，溫度為40 °C，電 壓為?50 V，pH值為10進行電鍍。
[0044]脈衝電鍍銅時，電鍍液成分包括:Cu離子含量20 g/L、H2SO4含量200 g/L、Cl離 子含量50 mg/L，加速劑5 ml/L，抑制劑10 ml/L和整平劑6 ml/L。其中，加速劑、抑制劑、 整平劑採用Enthone公司的ViaForm系列產品。
[0045]實驗測試
使用本發明提供的採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法獲得的電鍍銅進行如下 測試:
在完成脈衝電鍍後，在保證銅的厚度在I Pm的前提下，測量電阻率、X射線衍射譜 (X-Ray Diffraction, XRD)、掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)和 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)。
[0046]1、電鍍銅的電阻率與電流密度的關係，如圖2所示。
[0047]2、電鍍銅的Cu (200)晶向與(111)晶向強度之比，如圖3所示。
[0048]3、電鍍銅的晶粒大小測試結果，如圖4所示。
[0049]4、電鍍銅的表面形貌的三維AFM測試結果，如圖5所示。
[0050]5、電鍍銅的表面形貌的SEM測試結果，如圖6所示。
【權利要求】
1.一種採用脈衝電鍍銅方式實現銅互連的方法，其特徵在於具體步驟為:步驟A.在半導體襯底上，使用等離子物理濺射法澱積厚度為80(T1000 nm的二氧化娃，作為介質層；步驟B.使用物理濺射法濺射厚度為1(T20 nm的TaN，作為擴散阻擋層；再濺射厚度為 10~20 nm的Ta，作為粘附促進層；步驟C.使用物理濺射法濺射厚度為3(T100 nm的銅籽晶層；步驟D.將獲得銅籽晶層的半導體襯底切片成小矩形片；步驟E.將所述小矩形片作為陰極，包裹一層過濾膜的高純度的銅棒作為陽極，進行脈衝電鍍銅。
2.根據權利要求1所述的採用脈衝電鍍銅方式實現銅互連的方法，其特徵在於:所述半導體襯底為單晶矽襯底或II1-V化合物襯底。
3.根據權利要求1所述的採用脈衝電鍍銅的方式實現銅互連的方法，其特徵在於:所述小矩形片的尺寸為2.5 cmX I cm至10 cmX 4 cm。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的採用脈衝電鍍銅方式實現銅互連的方法，其特徵在於:進行脈衝電鍍銅時，在電解槽底部靠近陰極處放置一個磁力攪拌子，轉速設定為 300~500轉/分。
5.根據權利要求4所述的採用脈衝電鍍銅方式實現銅互連的方法，其特徵在於:進行脈衝電鍍銅時，脈衝的脈寬和脈間在2~10 ms,電流密度為2~8 A/dm2，溫度為25~40 °C，電壓為30~50 V，pH值為8~10進行電鍍。
6.根據權利要求4所述的採用脈衝電鍍銅方式實現銅互連的方法，其特徵在於:進行脈衝電鍍銅時，電鍍液成分中，Cu離子15~20 g/L，H2S04100^200 g/L，Cl離子30~50mg/ L，加速劑1~5ml/L，抑制劑2~10ml/L和整平劑3~6ml/L。
【文檔編號】C25D7/12GK103579101SQ201310540962
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月5日 優先權日:2013年11月5日
【發明者】盧紅亮, 謝章熠, 孫清清, 張衛 申請人:復旦大學