[发明专利]一种在半导体硅片的通孔中进行电镀铜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路及其制造技术领域，尤其涉及一种对半导体硅片通孔电镀铜的方法。

背景技术

随着集成电路的集成度不断提高，现有的集成度提高主要是采取减小最小特征尺寸，例如：最小特征尺寸为90纳米、最小特征尺寸为45纳米、最小特征尺寸为32纳米、最小特征尺寸为22纳米，这就使得在给定的区域能够集成更多的元件。另一方面，利用现代电子封装技术，如硅通孔（Through-Silicon-Via，TSV）技术，实现高密度的3D集成，成为了微电子电路（包括MEMS）系统级集成的重要技术途径。

无论是更小的特征尺寸，还是三维集成都需要面对越来越小的通孔、越来越高的深宽比，这给工艺技术带来了诸多的挑战。其中通孔的填充就是其中之一，填充技术可使用电镀、化学气相沉积、高分子涂布等方法。因为铜的电阻更小，而且铜的电镀更方便易行，目前主要使用的是铜的电镀。越来越小的通孔和越来越高的深宽比，使得在晶片的表面、通孔的侧壁和底部同时进行的铜的电镀的工艺窗口不断减小，经常会在其中形成孔隙，从而影响器件的可靠性。

中国专利CN101871110A披露了一种电镀铜方法，包括初始化、填洞和过量电镀三个阶段，其中初始化、填洞和过量电镀三个阶段的晶圆的转速范围都为10圈/分钟至14圈/分钟。填洞阶段包括两个步骤，第一步骤的电镀电流范围为6.5安培至7安培；第二步骤的电镀电流范围为13安培至14安培。

中国专利CN102154670A披露了电镀铜方法，用于对大尺寸、大深度的集成电路图形形成铜镀膜，该方法采用阶段性电镀工艺处理，在不同的电流密度、硅片旋转速度、电镀液流速以及硅片工艺位置条件下分阶段进行电镀工艺处理。

目前，通过常用淀积的金属铜工艺在通孔中填充金属铜都会存在一定空隙，这些空隙会对器件的运行和发展会产应一定影响，如能减少其中空隙将有利于半导体技术的发展。

发明内容

本发明目的在于提供一种在半导体硅片的通孔中进行电镀铜的方法，有效改善金属铜在电镀过程中通孔的外貌，提高铜的电镀的工艺窗口，消除通孔中的孔隙，提高器件的可靠性。

为了实现上述目的提供一种在半导体硅片的通孔中进行电镀铜的方法，包括以下顺序步骤：

步骤1，先进行电镀，在硅片表面和通孔的底部及侧壁上形成一层金属铜层，从而对半导体硅片中的通孔进行部分填充，之后对硅片进行清洗。

步骤2，对形成的金属铜层进行部分电解，使硅片表面和通孔侧壁上的金属铜层厚度变薄，并对硅片进行清洗，所述开口处减少的厚度多于通孔底部和侧壁减少的厚度。

步骤3，在已填充有金属铜层的通孔内再次进行电镀，以在已填充有金属铜层的通孔内填充另一层金属铜层，并对所形成的金属铜层再次进行部分电解。

步骤4，待通孔内填满金属铜后，清洗半导体硅片并进行退火处理。

在上述提供的方法中，其中重复步骤2过程一次以上。重复多次填充、清洗、电解、清洗过程可以使得填充到通孔内的金属铜不形成空隙，避免对器件产生不良影响。

在上述提供的方法中，其中镀用的电镀液中含有抑制剂、加速剂和平整剂，所述抑制剂的分子量大于加速剂的分子量。电解用的电解液中含有抑制剂、加速剂和平整剂，所述加速剂的分子量大于抑制剂的分子量。加速剂和抑制剂优选用有机物型的加速剂和抑制剂。

在上述提供的方法中，其中电镀过程中硅片表面的铜电镀速度慢于通孔内的铜电镀速度。通孔内铜电镀速度快于硅片表面的铜电镀速度，使得大部分的金属铜电镀到通孔之内。

在上述提供的方法中，其中电解过程中硅片表面的铜电解速度快于通孔内的铜电解速度。通孔内铜电度速度慢于硅片表面的铜电解速度，使得多数电镀在通孔内的金属铜保留在通孔内。

本发明中所使用的加速剂和抑制剂皆属于本技术领域公知常识，本技术领域人员根据实际操作情况而选用相应的加速剂和抑制剂。

在上述提供的方法中，其中所述退火温度控制在400℃以下。

在上述提供的方法中，其中所述退火时间控制在30分钟之内。

本发明提供的电解铜的方法可以改善铜电镀过程中通孔的形貌，提高铜电镀的工艺窗口，消除通孔中的孔隙，提高器件的可靠性。

具体实施方式