專利名稱：一種后端金屬化工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造電子器件的方法，具體地說，涉及在凹槽中填滿銅的后端金屬化工藝，其包括在凹槽表面上形成電鍍基底以進(jìn)行所述銅的后續(xù)電沉積的步驟。
然而，不利的是，當(dāng)這種方法應(yīng)用于具有很大的高寬比值的凹槽的晶片時(shí)，比如對(duì)于直徑小于0.18微米的凹槽來說長(zhǎng)寬比大于4，，會(huì)使電鍍基底層的質(zhì)量和完整性受到限制。電鍍基底層往往被證明是不夠厚或不夠均勻。這種厚度和均勻性的變化妨礙了在后續(xù)的電沉積過程中凹槽被銅完全填滿，因此在結(jié)構(gòu)中會(huì)留有無銅的空洞。
國(guó)際專利申請(qǐng)WO-A-99/47731涉及一種金屬鑲嵌工藝，其中構(gòu)成電鍍基底的初始銅晶種層通過使用專用堿性溶液的電極沉積反應(yīng)在后續(xù)步驟中加強(qiáng)。一旦達(dá)到預(yù)定的銅厚度，就進(jìn)行其它的電鍍步驟以填充產(chǎn)生的任何間隙。然而，這種已知工藝的不利之處在于不能用于具有常規(guī)厚度的初始銅晶種層，因?yàn)閷?duì)于比較大的晶片，在后續(xù)的加強(qiáng)步驟中會(huì)由于遇到高薄層電阻值而產(chǎn)生不均勻性問題。此外，這種已知的工藝必須有電接觸以實(shí)現(xiàn)所要求的表面改性，而且堿性電鍍液的使用會(huì)引起大的pH值變化，反過來會(huì)對(duì)各工藝步驟之間的清洗提出十分嚴(yán)格的不受歡迎的要求。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，提供了一種上述類型的后端金屬化工藝，其特點(diǎn)是，在電鍍基底形成之后，在所述銅的電沉積之前，將一種可吸引到未被電鍍基底覆蓋的凹槽表面區(qū)域中的改性劑加入凹槽中，從而對(duì)所述表面區(qū)域進(jìn)行改性以促進(jìn)該表面上銅的電沉積。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于，這種工藝可應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)厚度乃至更小厚度的銅晶種層，而且，表面改性不需要電接觸，并可以用酸性或中性的溶液來實(shí)現(xiàn)表面改性。這種工藝的優(yōu)越性還在于是受到自身制約的，比如，經(jīng)過一定的時(shí)間周期后，表面改性可以在設(shè)有凹槽的整個(gè)晶片實(shí)現(xiàn)均勻化。
所以本發(fā)明提供了一種比較簡(jiǎn)單的工藝，它不會(huì)引起大的pH值變化，而且可以使用已研制出來的現(xiàn)有溶液。比如，可以使用與現(xiàn)有金屬鑲嵌填充工藝中的標(biāo)準(zhǔn)酸性銅電鍍槽相同或類似的酸性銅電鍍槽。
所以應(yīng)當(dāng)知道，半導(dǎo)體晶片中的凹槽，如通孔和小孔，的側(cè)壁表面可以在銅晶種層已經(jīng)沉積之后進(jìn)行改性。這種改性有助于增進(jìn)后續(xù)的電鍍銅橫向生長(zhǎng)，直至通孔或小孔的所有側(cè)壁表面區(qū)域都被銅覆蓋，因此就可以接著進(jìn)行正常的電鍍銅生長(zhǎng)而不會(huì)出現(xiàn)上述帶來問題的空洞。應(yīng)用于未被銅晶種層覆蓋的側(cè)壁區(qū)域的工藝步驟當(dāng)然也可以應(yīng)用于已有銅晶種層的區(qū)域。
所述改性劑吸引在所述表面區(qū)域，可增強(qiáng)被改性表面的銅沉積電化學(xué)動(dòng)力學(xué)性能。這尤其具有優(yōu)越性，因?yàn)榭梢允广~的高橫向生長(zhǎng)速率得到增強(qiáng)。
同樣地，所述改性劑吸引到所述表面，能夠抵消電鍍槽中有機(jī)添加劑的作用，從而有助于防止所述表面鍍覆速率減小。這對(duì)于沒有銅晶種層的側(cè)壁表面區(qū)域上銅橫向生長(zhǎng)的增強(qiáng)具有優(yōu)越性。
所述改性劑中包含金屬納米微粒。所述金屬納米微粒是由鈀或鈀/錫合金中至少一種構(gòu)成。所述改性劑中包含功能硅烷，或含有氰化物基、胺基、或硫醇基的功能性。這些特征涉及到改性劑的優(yōu)選形式，這與應(yīng)用銅填充金屬鑲嵌工藝的基板層的標(biāo)準(zhǔn)成分有關(guān)。
所以可以認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明通過對(duì)凹槽側(cè)壁表面的改性來促進(jìn)電鍍銅的橫向生長(zhǎng)。這種橫向生長(zhǎng)在平行于晶片表面的方向形成比垂直于晶片表面方向更高的生長(zhǎng)速率，因此，在進(jìn)行正常的凹槽填充步驟之前可通過所述橫向生長(zhǎng)首先修補(bǔ)不足的銅晶種層。
所述電子器件最好是一種半導(dǎo)體器件，集成電路就更好。在本實(shí)施例中，凹槽位于已經(jīng)設(shè)有若干半導(dǎo)體元件如晶體管和二極管的半導(dǎo)體基板一側(cè)。如所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員知道的，集成電路通常包含3至6個(gè)互連層。本發(fā)明中的通孔位于這些互連層之間以及互連層和各晶體管觸點(diǎn)之間?；蛘?，所述電子器件可以是一種包含若干無源元件如任何薄膜晶體管的薄膜器件。
在電沉積銅之前，先通過濺射在包含凹槽12表面的晶片10暴露表面上沉積一層銅的晶種層14。然而，對(duì)于這種長(zhǎng)寬比值來說，這一工藝可能是不適宜的，因?yàn)榘疾蹅?cè)壁不能被完全覆蓋。這在

圖1A中用標(biāo)號(hào)為16的部分表示出來，凹槽12側(cè)壁表面上的這一部分沒有被銅晶種層14覆蓋。如果，如圖1B所示，進(jìn)行銅的電沉積將電鍍銅18填充到凹槽12中，那么應(yīng)當(dāng)知道在結(jié)構(gòu)中會(huì)留有空洞20，這被證明是十分有害的，應(yīng)該加以避免。
本發(fā)明的目的是要用一種比較簡(jiǎn)單和容易實(shí)現(xiàn)的方法來防止這種空洞的形成。
現(xiàn)在參見圖2A-2C，圖中示出了與圖1A和1B中相應(yīng)的基本晶片結(jié)構(gòu)。然而，重要的是工藝步驟是不同的，如圖2A所示，一種改性劑應(yīng)用到晶片上，使得至少對(duì)凹槽12側(cè)壁表面上的暴露面進(jìn)行改性。如圖2A中所示，還可以將改性劑應(yīng)用到銅晶種層的表面上，但這對(duì)本發(fā)明來說并不是必需的。不過，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到對(duì)因晶種層的質(zhì)量比較差而出現(xiàn)的暴露表面區(qū)域進(jìn)行改性是本發(fā)明的一個(gè)重要特征。
在所示實(shí)例中，實(shí)際上在引入銅晶種層之前先在凹槽12的側(cè)壁表面上形成鉭或氮化鉭(TaN)等的阻擋層，并根據(jù)所示出的本發(fā)明實(shí)施例對(duì)其進(jìn)行了改性。
可以認(rèn)識(shí)到，這種改性有助于增進(jìn)電鍍銅層在上述改性的阻擋層上的橫向生長(zhǎng)。
這種表面改性要求改性劑被吸引在暴露表面，如上面所提到的阻擋層暴露表面16上。此外，這種改性對(duì)于提高銅沉積的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)性能是十分有利的，因而可以在限制銅的成核超電勢(shì)的同時(shí)提高電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的速度。也就是說，在改性的阻擋層表面上的電流密度高于銅晶種層表面上的電流密度，因此，在金屬鑲嵌工藝中所普遍采用的恒定電流電鍍狀態(tài)下，電流會(huì)有利地向改性的阻擋層表面集中，從而實(shí)現(xiàn)上述所要求的橫向生長(zhǎng)。
在另一種可供選擇的工藝中，表面改性劑的作用建立在電鍍槽中通常能夠發(fā)現(xiàn)的有機(jī)添加劑混合物的基礎(chǔ)上，因?yàn)檫@種添加劑在給定電位下通過吸引在銅晶種層上減小銅鍍覆速率?？梢宰C明吸引在暴露表面22的表面改性劑比上述電鍍?cè)√砑觿┠芨訌?qiáng)烈地粘附到阻擋層材料上，因此鍍覆速率的減小只在銅晶種層上發(fā)生，從而導(dǎo)致所要求的暴露凹槽表面上的相對(duì)橫向生長(zhǎng)。所以在電鍍銅的初期階段，改性的凹槽暴露表面22可以提供無銅表面區(qū)域22上的初始銅生長(zhǎng)24，因此當(dāng)如圖2C中所示電鍍銅26完成時(shí)，可以防止或至少限制空洞的形成。
有利的是，所述改性劑中可以包含金屬納米微粒如鈀或鈀/錫合金，或者也可以包含具有適當(dāng)功能性的硅烷，如氰化物基、胺基或硫醇基的硅烷。因此，根據(jù)本發(fā)明的這一特征，可以使用帶有某一功能基團(tuán)如氰化物、胺、硫醇等以及三烷氧基團(tuán)的硅烷，這些功能基團(tuán)可確保硅烷適當(dāng)?shù)卣掣降交咨?。?dāng)然應(yīng)該認(rèn)識(shí)到這一類微粒并不限于硅烷，鈦酸酯等其它微粒也可以使用。
所以應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明提供了一種比較簡(jiǎn)單和適應(yīng)性強(qiáng)的能有效修補(bǔ)初始銅晶種層的工藝，尤其是可以使因?yàn)榇蟮拈L(zhǎng)寬比而暴露的凹槽側(cè)壁表面上具有足夠厚度的銅晶種層。
但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明并不受上述實(shí)例中細(xì)節(jié)的限制。比如，本工藝可以應(yīng)用到任何一種適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)中，而不管是不是包含通孔或小孔等，此外，表面改性劑的選擇并不限于上述種類，而是可以包括任何有助于吸引到凹槽暴露側(cè)壁表面以增進(jìn)那里銅初始生長(zhǎng)的適當(dāng)試劑。
權(quán)利要求
1. 一種用銅填滿凹槽(12)來制造電子器件的方法，包括在所述凹槽(12)表面上形成電鍍基底(14)以進(jìn)行所述銅的后續(xù)電沉積的步驟，其特征在于，在所述電鍍基底(14)形成之后，在所述銅的所述電沉積之前，將一種可吸引到未被所述電鍍基底(14)覆蓋的表面區(qū)域(16)的改性劑加入所述凹槽(12)中，從而對(duì)所述表面進(jìn)行改性以促進(jìn)所述表面的銅的電沉積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述改性劑吸引在所述表面區(qū)域(16)，可增強(qiáng)被改性表面(22)的銅沉積電化學(xué)動(dòng)力學(xué)性能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述改性劑吸引到所述表面(16)，能夠抵消電鍍槽中有機(jī)添加劑的作用，從而有助于防止所述表面(16)鍍覆速率減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述改性劑中包含金屬納米微粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述金屬納米微粒是由鈀或鈀/錫合金中至少一種構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述改性劑中包含功能硅烷。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述硅烷含有氰化物基、胺基、或硫醇基的功能性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用銅填滿凹槽的后端金屬化工藝，其包括在凹槽表面上形成電鍍基底以進(jìn)行銅的后續(xù)電沉積的步驟，其中，在電鍍基底形成后，在銅的電沉積之前，將一種可吸引到未被電鍍基底覆蓋的表面區(qū)域的改性劑加入凹槽中，從而對(duì)所述表面進(jìn)行改性以促進(jìn)該表面的銅的生長(zhǎng)，因此可以在鍍銅填充開始之前有效地修補(bǔ)初始電鍍基底。
文檔編號(hào)H05K3/38GK1460135SQ02801022
公開日2003年12月3日 申請(qǐng)日期2002年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月4日
發(fā)明者E·A·莫伊倫坎普, M·J·施雷弗斯 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司