[发明专利]一种用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于3D硅通孔技术的微孔镀铜分步的电镀方法，具体地，涉及一种用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法。

背景技术

硅通孔技术（TSV，Through -Silicon-Via）是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同，TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片运行速度和降低功耗。

由于铜电镀沉积工艺在半导体工艺技术中已被广泛认可，相信可以轻松地将这一工艺从铜镶嵌变革为通孔填充TSV。然而，尝试了许多传统镀铜系统后，效果都不尽如人意。接缝、空洞、电解液杂质等缺陷都影响了互连的可靠性能，因此需要一种性能卓越的新型的高纯化学品及电镀工艺的完美整合以便明显改善倒填充性能。     目前可商用的电镀添加剂在设计时通常包含三种有机部分：加速剂、抑制剂、整平剂（用于铜互连金属电镀的添加剂）。确保过孔（Via孔）填充成功的关键要素是工艺过程的稳健性以及速度的控制。健全的工艺过程特点是应用良好附着剂的无空洞填充，和能够担当随后化学机械抛光（CMP）工序所必需的最小超负荷。速度控制可以缩减这一技术的沉积时间。     侧壁的形状（圆锥侧壁比较容易实施电镀），阻挡层和种子层的连续性和附着性，特征尺寸良好的可润湿性（特别是高深宽比特征尺寸下），优化的工艺过程（添加剂及工艺条件），所有这些因素都有助于实现无空洞完全填充。     对于TSV应用，尺寸就意味着填充时间以及产能，最终会体现在拥有成本中。为了提高产能，降低拥有成本，要么缩短填充时间，要么减小特征尺寸，要么开发更快的工艺过程。     总之，在所有不同种类的3D技术中，采用TSV铜互联的垂直集成被认为是当前半导体业界中最先进的，也是最热门的课题之一。铜电镀沉积在TSV应用中是可行的，可用于广泛的特征尺寸中，通过采用适当的设计组合添加剂、工艺条件就能够实现可靠的无空洞TSV结构。

TSV电镀填铜工艺中，关键之处即在必须将铜无孔洞、无缝隙地完全电沉积在高深宽比的微孔中。电沉积时，如果铜在沟道两侧和底面以相同的沉积速率进行沉积，亦即等厚沉积(Conformal plating)，就很容易在沟道中心位置留下缝隙。但若沟道上部的沉积速率比其下部的沉积速率快，则难免在沟道中留下孔洞。只有当铜在沟道底部的沉积速率大于在沟道侧面的沉积速率时，才能保证铜在微沟道中的完全填充。这种完全填充方式一般被称为超等厚沉积(Super－conformal plating)，也叫Bottom-up填充。

如何通过适当的工艺控制达到超等厚沉积就成为高深宽比微孔填充的关键，从技术上讲，高深宽比微孔电镀效果取决于设备电镀能力、前处理条件、电镀药水的体系、微孔的尺寸分布、孔型分布、电镀参数等各方面。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高深宽比（10:1以上）TSV微孔的电镀填充工艺，实现bottom-up填充，降低裂缝（seam）或空洞（void）出现的可能性，且填孔速度快，面铜薄，降低后制程的成本，为3D-TSV封装量产提供技术保障。 

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其中，该方法包含：步骤1，配制甲基磺酸铜体系电镀液；步骤2，通过电镀预处理对硅通孔技术的微孔进行润湿；步骤3，带电入槽，增加超小电流扩散步骤，给以充分的扩散时间使铜离子和添加剂在硅通孔技术的微孔表面和孔内部实现合理的分布；步骤4，分步大电流电镀步骤也即正常的电镀过程，将硅通孔技术所在晶圆片与电源阴极连接，使晶圆电镀面完全浸泡在电镀溶液中，在阴极旋转或搅拌情况下进行分步电流法电镀。在扩散到位的基础上，通过控制电镀过程中的电流密度使添加剂按照预想的方式发挥作用，既能够使壁铜有一定的生长，又不改变添加剂的作用机理，实现bottom-up的填充。电镀条件为电流密度0.01-10A/dm²，温度15-30℃；优选电镀条件为电流密度范围为0.3-1.0A/dm²，温度20-25℃；步骤5，电镀结束后，将晶圆用去离子水完全冲洗干净，甩干或吹干。

上述的用于3D铜互连高深宽比硅通孔技术微孔电镀填铜方法，其中，步骤1所述的甲基磺酸铜体系电镀液包含：按质量体积比计30-130g/L的铜离子和5-50g/L的甲基磺酸，以及20-150mg/L的氯离子。