一種脈沖電鍍方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于半導(dǎo)體互連工藝【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種脈沖電鍍方法及其應(yīng)用。本發(fā)明方法包括：若干個(gè)階段，每個(gè)階段包括若干個(gè)周期；每個(gè)周期為施加一個(gè)正向脈沖，再施加一個(gè)反向脈沖，反向脈沖的電流大于正向脈沖的電流，反向脈寬短于正向脈寬，反向脈間和正向脈間相同；其中，每個(gè)階段中的正向脈間和反向脈間不變；后一個(gè)階段的正向脈間短于前一個(gè)階段的正向脈間。其優(yōu)點(diǎn)在于反向的脈沖電流來加速離子濃度恢復(fù)，兩次脈沖之間的電流關(guān)斷時(shí)間提供一個(gè)弛豫時(shí)間，并且此周期中的退鍍過程也提高了鍍層表面平整性。本發(fā)明方法可用于金屬互連結(jié)構(gòu)的制備中。
【專利說明】—種脈沖電鍍方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體互連工藝【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種脈沖電鍍方法及其應(yīng)用，特別涉及一種將諸如銅、鎳、鋁的金屬填充到通孔的電鍍方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著超大規(guī)模集成電路中器件特征尺寸的進(jìn)一步縮小，互連線的RC延遲和電遷移引起的可靠性問題逐漸成為影響電路速度的主要矛盾。因此，尋找電阻率較低的導(dǎo)電材料和介電常數(shù)較低的介質(zhì)材料的研究成為深亞微米集成電路工藝的一大發(fā)展方向。
[0003]由于金屬在刻蝕過程中產(chǎn)生的氯化物不易揮發(fā)，所以采用一般的等離子體腐蝕不容易制備圖形?，F(xiàn)在國際上的布線技術(shù)路線都采用鑲嵌工藝，即先在介質(zhì)上刻好所需的溝槽，然后在其上生長一薄層擴(kuò)散阻擋層，再進(jìn)行填充，最后通過化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)，將上層多余的金屬和擴(kuò)散阻擋層去掉。因此，在深微米刻槽中淀積出空洞和裂縫較少的金屬填充技術(shù)是金屬鑲嵌工藝中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0004]目前，所研究的金屬的淀積技術(shù)中主要包括濺射法、化學(xué)氣相淀積法(CVD)及電鍍法等幾種。但濺射法臺階覆蓋性較差；CVD法淀積速率較慢，且費(fèi)用及雜質(zhì)含量均較高，而且當(dāng)槽寬小于0.4微米時(shí)，采用CVD法所淀積的金屬的抗電遷移性有明顯的下降。而電鍍技術(shù)則具有淀積速率快、費(fèi)用較低、淀積溫度較低(室溫即可)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為ULSI金屬互連線技術(shù)中金屬淀積技術(shù)的主流。
[0005]在目前的集成電路制造中，芯片的布線和互連幾乎全部是采用直流電鍍的方法獲得金屬鍍層，但是由于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，從而使電鍍層均勻性受到影響；而且隨著芯片尺寸越來越小，用于連接層間線路的通孔深寬比會越來越大，從而使這種效應(yīng)變得尤其嚴(yán)重，導(dǎo)致金屬內(nèi)產(chǎn)生大量缺陷和微空穴，嚴(yán)重時(shí)可能會導(dǎo)致通孔斷路，進(jìn)而影響芯片的性能及良率。
[0006]目前，關(guān)于脈沖電鍍在集成電路金屬互連線中的應(yīng)用研究越來越受到重視，脈沖電鍍金屬所依據(jù)的電化學(xué)原理是利用脈沖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(xué)性能。在脈沖電鍍在電流導(dǎo)通時(shí)，接近陰極的金屬離子被充分地沉積；當(dāng)電流關(guān)斷時(shí)，陰極周圍的放電離子又得到補(bǔ)充，這樣就極大的緩解了直流電鍍時(shí)陰極金屬離子濃度降低的問題。然而這種方法需要比較長的電流關(guān)斷時(shí)間，而且僅依靠離子濃度梯度來恢復(fù)離子濃度效率很低，造成電鍍時(shí)間很長、離子濃度恢復(fù)不穩(wěn)定，影響電鍍后鍍層的性能和效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種脈沖電鍍方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0008]本發(fā)明提供一種脈沖電鍍方法，包括:若干個(gè)階段，每個(gè)階段包括若干個(gè)周期；每個(gè)周期為施加一個(gè)正向脈沖，再施加一個(gè)反向脈沖，反向脈沖的電流大于正向脈沖的電流，反向脈寬短于正向脈寬，反向脈間和正向脈間相同；其中，每個(gè)階段中的正向脈間和反向脈間不變；后一個(gè)階段的正向脈間短于前一個(gè)階段的正向脈間。
[0009]進(jìn)一步，本發(fā)明提供一種脈沖電鍍方法，階段的數(shù)量為3-6個(gè)。
[0010]進(jìn)一步，本發(fā)明提供一種脈沖電鍍方法，每個(gè)階段包括的周期數(shù)量為10-30個(gè)。
[0011]進(jìn)一步，本發(fā)明提供一種脈沖電鍍方法，正向脈沖電流為3-50安培,負(fù)向脈沖電流為5-60安培。
[0012]進(jìn)一步，本發(fā)明提供一種脈沖電鍍方法，正向脈寬為5-30秒，反向脈寬為2-10秒。
[0013]進(jìn)一步，本發(fā)明提供一種脈沖電鍍方法，正向脈寬和反向脈寬之和:正向脈間為5:1-10:1。
[0014]另外，本發(fā)明提供一種脈沖電鍍方法，可以用于金屬互連結(jié)構(gòu)的制備中，其步驟為:
步驟A.在襯底上，沉積絕緣介質(zhì)層；
步驟B.光刻刻蝕形成互連的溝槽或者通孔； 步驟C.在溝槽或通孔內(nèi)沉積擴(kuò)散阻擋層；
步驟D.沉積桿晶層；
步驟E.采用上述的脈沖電鍍的方法進(jìn)行電鍍；
步驟F.采用化學(xué)機(jī)械拋光方式去除多余的物質(zhì)，獲得平整的晶片表面。
[0015]進(jìn)一步，本發(fā)明提供一種金屬互連結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟C中的擴(kuò)散阻擋層采用物理氣相淀積法或原子層淀積法制備。
[0016]發(fā)明的作用和效果
根據(jù)本發(fā)明提供的脈沖電鍍方法，脈沖電鍍金屬所依據(jù)的電化學(xué)原理是利用脈沖張馳來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(xué)性能。在正向脈沖電鍍在電流導(dǎo)通時(shí)，接近陰極的金屬離子被充分地沉積；當(dāng)電流關(guān)斷即正向脈間時(shí)，陰極周圍的放電離子又得到補(bǔ)充，再施加反向的脈沖電流來加速離子濃度恢復(fù)，兩次脈沖之間的電流關(guān)斷時(shí)間提供一個(gè)弛豫時(shí)間，并且此周期中的退鍍過程也提高了鍍層表面平整性。這樣就極大的緩解了直流電鍍時(shí)陰極金屬離子濃度降低的問題。反向脈沖的電流大于正向脈沖的電流，反向脈寬短于正向脈寬，不僅可以用來加速離子濃度的恢復(fù)，反向電流還可以用來退電鍍，以此去除鍍層中產(chǎn)生的一些微缺陷來提高鍍層的均勻性和致密性。正向脈間和負(fù)向脈間是為了促進(jìn)添加劑的再吸收，用以更好的完成高深寬比特征通孔內(nèi)的由下而上的沉積。
[0017]根據(jù)本發(fā)明提供的脈沖電鍍方法，因?yàn)楹笠粋€(gè)階段的正向脈間短于前一個(gè)階段的正向脈間。隨著電鍍的進(jìn)行，電鍍金屬逐漸的被由下而上的填充到通孔內(nèi)，每個(gè)通孔未填充部分的深度逐漸減小，即未填充部分的深寬比逐漸減小，而通孔深寬比越小，穩(wěn)定的自下而上生長則越容易，因此周期內(nèi)的電流關(guān)斷時(shí)間則可以適量減小，從而提高整個(gè)電鍍過程的效率。脈寬和脈間按照比例設(shè)定，可以根據(jù)具體需要的電鍍需要脈寬的時(shí)間，確定脈間的時(shí)間，有效地縮短電鍍時(shí)間，提高電鍍效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的金屬互連結(jié)構(gòu)的電鍍前的結(jié)構(gòu)示意圖。[0019]圖2為本發(fā)明的金屬互連結(jié)構(gòu)的電鍍后的結(jié)構(gòu)示意圖。[0020]圖3為本發(fā)明的金屬互連結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光后的結(jié)構(gòu)示意圖。[0021]圖4為實(shí)施例一的電鍍脈沖波形圖?！揪唧w實(shí)施方式】[0022]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。[0023]在附圖中，為了方便說明，放大和縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實(shí)際尺寸，相同的附圖標(biāo)記表示相同的組件，對其重復(fù)描述將省略。[0024]金屬互連結(jié)構(gòu)的方法具體如下:圖1為本發(fā)明的金屬互連結(jié)構(gòu)的電鍍前的結(jié)構(gòu)示意圖。[0025]如圖1所示，先在清洗好的半導(dǎo)體晶片襯底上淀積用于層間絕緣的介質(zhì)層101， 利用標(biāo)準(zhǔn)的光刻和刻蝕工藝形成互連結(jié)構(gòu)用的溝槽或通孔；接著在通孔內(nèi)沉積擴(kuò)散阻擋層 102，該擴(kuò)散阻擋層可通過物理氣相淀積(PVD)或原子層淀積(ALD)等方法完成，可以防止后續(xù)淀積的金屬擴(kuò)散到介質(zhì)層內(nèi)；然后是淀積一層非常薄的籽晶層103，該層薄膜存在的目的是為了提高下一步電鍍金屬在襯底表面的吸附能力，一些導(dǎo)電性良好的金屬如鎢、金、 鉬、錫等均可以使用。[0026]在籽晶層形成之后，對帶有溝槽或通孔的襯底進(jìn)行電鍍的操作，電鍍設(shè)備以連續(xù)方式自動(dòng)進(jìn)行所有的電鍍處理，包括襯底的預(yù)處理、電鍍和電鍍的后處理。[0027]將襯底接陰極浸沒在電鍍槽中的電鍍液之后，進(jìn)行金屬電鍍。[0028]金屬電鍍的一個(gè)周期為:A.首先是施加一個(gè)正向脈沖電流，正向脈沖電流優(yōu)選為3-50安培，持續(xù)時(shí)間，即正向脈寬優(yōu)選為5-30秒。[0029]B.之后是一段電流關(guān)斷時(shí)間即正向脈間。[0030]C.接著再施加一個(gè)略大于正向電流的反向脈沖電流，反向脈沖電流優(yōu)選為5-60 安培，持續(xù)時(shí)間即反向脈寬比之正向脈寬略短，優(yōu)選為2-10秒。[0031]D.最后再是一段電流關(guān)斷時(shí)間，即反向脈間，持續(xù)時(shí)間與正向脈間相同。[0032]若干個(gè)周期構(gòu)成一個(gè)階段，優(yōu)選為10-30個(gè)周期。其中，一個(gè)階段內(nèi)的正向脈間和反向脈間不變。[0033]整個(gè)電鍍過程，可以分為若干個(gè)階段，優(yōu)選為3-6個(gè)階段。其中，正向脈間和反向脈間在不同階段中逐漸縮短，即后一個(gè)階段的正向脈間(反向脈間)短于前一階段的正向脈間(反向脈間)。并且正向脈沖和反向脈沖持續(xù)時(shí)間之和:正向脈間(即反向脈間)為 5:1-10:1。[0034]整個(gè)電鍍中所有階段的正向脈沖的電流和持續(xù)時(shí)間、反向脈沖的電流和持續(xù)時(shí)間均不變。[0035]在整個(gè)電鍍過程中，脈沖電流間歇的在陽極和襯底之間流動(dòng)。正向脈沖電流進(jìn)行電鍍，一段時(shí)間后則會引起的襯底處金屬離子濃度的降低；反向電流則用來退電鍍，以此去除鍍層中產(chǎn)生的一些微缺陷來提高鍍層的均勻性和致密性，同時(shí)也加速補(bǔ)充了襯底處金屬離子的缺失；而脈間則是為了促進(jìn)添加劑的再吸收，用以更好的完成高深寬比特征通孔內(nèi)的由下而上的沉積 。隨著電鍍的進(jìn)行，電鍍金屬逐漸的被由下而上的填充到通孔內(nèi)，每個(gè)通孔未填充部分的深度逐漸減小，即未填充部分的深寬比逐漸減小，而通孔深寬比越小，穩(wěn)定的自下而上生長則越容易，因此，后一階段內(nèi)的脈間較前一階段周期內(nèi)的脈間則適量減小，從而提高整個(gè)電鍍過程的效率。
[0036]圖2為本發(fā)明的金屬互連結(jié)構(gòu)的電鍍后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]如圖2所示，電鍍完成后，溝槽或者通孔被電鍍金屬104填充。
[0038]圖3為本發(fā)明的金屬互連結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]如圖3所示，用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)平整化晶片表面，完成一層的互連結(jié)構(gòu)，為下一層互連結(jié)構(gòu)做準(zhǔn)備。
[0040]實(shí)施例1
圖4為實(shí)施例一的電鍍脈沖波形圖。
[0041]如圖4所示，本實(shí)施例為電鍍銅的過程，分為T1、T2、T3三個(gè)階段。
[0042]T1階段由10個(gè)周期構(gòu)成，T2階段由20個(gè)周期構(gòu)成，T3階段由30個(gè)周期構(gòu)成。
[0043]每個(gè)周期的步驟如下:
Α.首先是施加一正向脈沖電流，正向脈沖電流為3安培，正向脈寬為5秒。
[0044]B.之后是一段電流關(guān)斷時(shí)間即正向脈間。
[0045]C.接著再施加一略大于正向電流的反向脈沖電流，反向脈沖電流為5，反向脈寬比之正向脈寬略短，為2秒。
[0046]D.最后再是一段電流關(guān)斷時(shí)間，即反向脈間。
[0047]T1階段中所有周期的正向脈間和反向脈間為:(5秒+2秒)/5=1.4秒，即正向脈寬和反向脈寬之和:正向脈間(即反向脈間)為5:1。
[0048]T2階段中所有周期的正向脈間和反向脈間為:(5秒+2秒)/7=1秒，即正向脈寬和反向脈寬之和:正向脈間(即反向脈間)為7:1。
[0049]T3階段中所有周期的正向脈間和反向脈間為:(5秒+2秒)/10=0.7秒，即正向脈寬和反向脈寬之和:正向脈間(即反向脈間)為10:1。
[0050]不同階段中的正向脈間和反向脈間逐漸縮短，即后一個(gè)階段的正向脈間和反向脈間短于前一階段的正向脈間和反向脈間。
[0051]整個(gè)電鍍中所有階段的正向脈沖的電流和持續(xù)時(shí)間、反向脈沖的電流和持續(xù)時(shí)間均不變。
[0052]實(shí)施例2
本實(shí)施例為電鍍鎳的過程，分為6階段。
[0053]第一階段由12個(gè)周期構(gòu)成，第二階段由25個(gè)周期構(gòu)成，第三階段由18個(gè)周期構(gòu)成，第四階段由15個(gè)周期構(gòu)成，第五階段由22個(gè)周期構(gòu)成，第六階段由28個(gè)周期構(gòu)成，。
[0054]每個(gè)周期的步驟如下:
A.首先是施加一正向脈沖電流，正向脈沖電流為50安培，持續(xù)時(shí)間，即正向脈寬為30秒。
[0055]B.之后是一段電流關(guān)斷時(shí)間即正向脈間。
[0056]C.接著再施加一略大于正向電流的反向脈沖電流，反向脈沖電流為60，持續(xù)時(shí)間，即反向脈寬比之正向脈寬略短，為10秒。
[0057]D.最后再是一段電流關(guān)斷時(shí)間，即反向脈間。[0058]第一階段至第五階段中的每個(gè)周期的正向脈間，即反向脈間依次為:7秒、6.5秒、 5.5秒、5秒、4秒、3秒。[0059]該電鍍方法還可以應(yīng)用 于電鍍鋁等其他金屬。
【權(quán)利要求】
1.一種脈沖電鍍方法，其特征在于具體步驟為:分為若干個(gè)階段，每個(gè)階段包括若干個(gè)周期；每個(gè)所述周期為施加一個(gè)正向脈沖，再施加一個(gè)反向脈沖，反向脈沖的電流大于正向脈沖的電流，反向脈寬短于正向脈寬，反向脈間和正向脈間相同；其中，每個(gè)階段中的正向脈間和反向脈間不變；后一個(gè)階段的正向脈間短于前一個(gè)階段的正向脈間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電鍍方法，其特征在于:所述階段的數(shù)量為3-6個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電鍍方法，其特征在于:每個(gè)階段包括的周期數(shù)量為 10-30 個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電鍍方法，其特征在于:所述正向脈沖電流為3-50安培，所述負(fù)向脈沖電流為5-60安培。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電鍍方法，其特征在于:所述正向脈寬為5-30秒，所述反向脈寬為2-10秒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電鍍方法，其特征在于:所述正向脈寬和反向脈寬之和: 正向脈間為5:1-10:1。
7.一這種如權(quán)利要求1-6之一所述的脈沖電鍍方法在金屬互連結(jié)構(gòu)的制備中的應(yīng)用。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于，具體步驟為:步驟A.在襯底上，沉積絕緣介質(zhì)層；步驟B.光刻刻蝕形成互連的溝槽或者通孔；步驟C.在溝槽或通孔內(nèi)沉積擴(kuò)散阻擋層；步驟D.沉積桿晶層；步驟E.采用根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的脈沖電鍍的方法進(jìn)行電鍍；步驟F.采用化學(xué)機(jī)械拋光方式去除多余的物質(zhì)，獲得平整的晶片表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述 的應(yīng)用，其特征在于:所述步驟C中的擴(kuò)散阻擋層采用物理氣相淀積法或原子層淀積法制備。
【文檔編號】H01L21/768GK103603018SQ201310500309
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】盧紅亮, 朱尚斌, 孫清清, 丁士進(jìn), 張衛(wèi) 申請人:復(fù)旦大學(xué)