[發明專利]用于半導體硅片上深孔均勻金屬互連的方法與裝置

有效

• 申請號: 201110365926.7
• 申請日: 2011-11-17
• 公開（公告）號: CN103114319A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 王暉;馬悅;何川;王希
• 申請（專利權）人: 盛美半導體設備(上海)有限公司
• 主分類號: C25D5/20
• 分類號: C25D5/20;C25D7/12;H01L21/768
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 陸嘉

技術領域

本發明一般而言涉及一種電解液中在半導體硅片上進行金屬互連的方法與裝置。更確切地說，是將一種超聲波或兆聲波裝置應用于一種金屬互連裝置，從而實現在電解液中超均勻沉積金屬薄膜，膜沉積速率與傳統方法相比有顯著提高。

背景技術

在超大規模集成電路制造中，采用在超薄的大抗阻籽晶層上電化學沉積一層金屬膜層來形成電導線路，該沉積通常是在電解液環境中進行。這種沉積工藝可填充通孔結構，溝槽結構或兩種結構的混合結構。當這些結構被填充時，銅連續地沉積并在半導體晶片表面上形成一層膜。最終形成的銅膜均勻度至關重要，因為后續用來去除多余銅的工藝步驟(通常是平坦化步驟CMP)要求銅膜有很高的均勻度，從而使最終產出的器件與器件之間獲得相同的電性能。

目前，通過電解液進行金屬互連也被應用于填充TSV(Through?Silicon?Via硅通孔技術)，從而在3-D的晶圓和晶圓之間制作垂直導通。在TSV應用中，孔口直徑為數個微米或更大，孔深為數百微米，TSV尺寸要比采用典型的雙大馬士革工藝的尺寸大幾個數量級。在如此高的縱寬比，且深度接近于硅片自身厚度的孔中，采用TSV技術形成金屬互連成為一個難題。用于典型雙大馬士革工藝的金屬互連系統的沉積速率較低，通常只有數千埃每分鐘，無法滿足TSV制造的效率。

為實現深孔中無孔隙，并且由底部至上的填孔，在電解液中加入多種有機添加劑來控制局部沉積速率。在沉積過程中，這些有機添加劑組分常常分解為副產物，對金屬互連工藝產生不良影響。分解的產物聚集在電鍍液中并且降低了填充的性能。如果這些產物作為雜質結合到電鍍膜中，它們會成為孔穴的形核核心，使得器件的可靠性失效。因此，在沉積工藝中，需要提高深孔附近的化學交換速率，加快新鮮活性成分的補充和分解后副產物的移除。

此外，由于深孔具有高縱寬比，電解液從孔口流過，在孔內產生渦流。對流難以在電解液流體與渦流內進行，新鮮的化合物與分解后副產物在電解液主流體與孔隙底部的傳輸主要以擴散方式進行。對于諸如TSV的深孔，則具有更長的擴散路徑，進一步限制了化合物交換。并且，在TSV的長路徑中緩慢的擴散過程阻礙了沉積速率的提高，而生產制造常常需要采用高沉積速率來降低成本。

在由質量傳遞控制的電化學方法中，最大沉積速率與極限電流密度相關，在一定電解液濃度條件下，極限電流密度與擴散二重層厚度成反比。擴散二重層厚度越低，極限電流密度越高，沉積速率就可能越高。目前已揭示許多用于加強液體攪動從而降低擴散二得層厚度的方法。

US專利7,445,697和WIPO專利WO/2005/042804揭示了一種加強液體攪動的方法，在硅片表面所需位置，振動一系列稱為剪切板的槳板。它的權利要求闡述了通過該方法可將擴散二重層厚度降至10微米。

另一種加強液體攪動的方法采用超聲波攪拌，該方法已被諸多專利所揭示，如美國專利US?6,398,937和US?5,965,043。它常被應用于許多電化學金屬互連工藝，包括印刷電路板(PCB)與晶圓制造。由于超聲攪拌下進行銅金屬互連對TSV的應用有很大作用，目前已被特別關注。(“超聲攪拌對SOI三維集成中盲孔鍍銅的作用”，Chen，Q等，Microelectronic?Engineering，Vol?87(3)，Pages?527-531，2010)

雖然超聲波攪拌可在反應表面附近形成聲流層，并且產生局部氣穴內破裂，從而能更進一步降低擴散二重層厚度，但它并不能均勻對反應表面附近流體產生作用。根據聲波傳播的性質，它與其反射波的聯合作用造成反應表面不同的位置具有不同的能量分配。局部沉積速率不僅是超聲頻率的方程，也直接與在該超聲頻率產生的能量有關。這種駐波現象致使反應表面具有不同沉積速率。一但高于氣穴發生閾值能量，氣泡內破裂隨機發生，數量不定，使整個工藝難以控制。