通過電鍍形成垂直器件的方法

專利名稱：通過電鍍形成垂直器件的方法
技術領域：
本發明涉及通過電鍍形成垂直器件，更具體地，涉及使用電鍍技術形 成垂直結構。
背景技術：
電鍍，也被稱為電沉積，已經廣泛用于半導體制造中的金屬化。電鍍
尤其用于形成深金屬過孔，這些深金屬過孔延伸穿過級間電介質(ILD) 層以連接不同金屬級中的金屬接觸。
一種常用于半導體制造工藝中的銅金屬化的常規電鍍方法被稱為鑲嵌 或超填充(superfilling )方法，如在名稱為"METHOD OF MAKING ELECTROPLATED INTERCONNECTION STURCTURES ON INTEGRATED CIRCUIT CHIPS"的美國專利No. 6,709,562中所^^開并 在此通過圖1A-1C進行示例。首先，形成才莫板結構(template structure )， 其包括J41100和級間電介質(ILD)層101，如圖IA所示。141100可 以由具有微弱導電性或幾乎沒有導電性的絕緣體或半導體形成。在ILD層 101中包括深過孔102，深過孔102可以通過/〉知的光刻和蝕刻技術容易地 形成。接著，在整個模板結構上沉積連續的金屬籽晶層103，如圖IB所示。 金屬籽晶層103同時覆蓋ILD層101的頂部表面和深過孔102的側壁和底 表面。金屬籽晶層103包括一個或多個接觸(未示出)，通過該接觸可以將 電鍍電流施加給金屬籽晶層103。然后通過使用特定的電鍍化學試劑進行 對模板結構的電鍍，其優先在ILD層101的深過孔102中沉積金屬104(即 在與在ILD層101的頂部表面上沉積金屬的速率相比顯著高的速率下在深 過孔102中沉積金屬104)，從而形成沒有孔隙的金屬布線結構，如圖1C所示。
上述超填充方法的優點在于用單種元素或者兩種以上不同元素的均質 合金填充過孔。然而，由于以下幾個原因，超填充方法不能用于形成沿其
縱軸具有變化組分的柱。首先，在該方法中的電鍍步驟同時在深過孔102 的底表面和側壁上進行。因此，超填充方法只能用于形成組分均勻的結構 (即貫穿整個結構包括相同金屬或金屬合金的結構)，而不能形成組分變化 的結構(沿縱向包括不同材料組分的交替層的結構)。此外，超填充方法需 要特定的電鍍化學試劑，其包含多種不同的添加劑，每種添加劑給金屬鍍
敷速率施加不同的影響，以綜合實現優先的金屬沉積a因此，超填充方法 到目前為止只用于鍍敷單種金屬例如銅，而不能用于鍍敷多種金屬的金屬 合金或交替層，因為具有與在特定的電鍍化學試劑中的不同添加劑將如何 影響不同金屬的鍍敷速率相關的不確定性。
另一種常用于形成金屬布線結構的常規電鍍方法被稱為掩模鍍敷
(plating through mask)方法，通過圖2A-2B進行示例。在該方法中，首 先在基板200的表面上沉積連續的金屬籽晶層203，接著在金屬籽晶層203 上沉積具有相對^f氐的導電性的光致抗蝕劑、電介質或摻雜半導體的級間層 201。接著，在級間層201中通過光刻和蝕刻形成深過孔202,如圖2A所 示。在隨后的電鍍期間，對金屬籽晶層203施加電鍍電流，以在深過孔202 的底表面上沉積金屬204，并逐漸填充深過孔202，從而形成垂直金屬布線 結構，如圖2B所示。
掩模鍍敷方法是自底向上(bottom-up)填充工藝，其不僅可以用于形 成包括單種金屬的金屬布線結構，而且可以用于形成包括金屬合金的結構。 此外，該方法可以用于形成組分變化的結構，沿該結構的縱軸包括不同材 料組分的交替層。
然而，常規掩模鍍敷或自底向上鍍敷工藝的一個主要缺點在于需要連 續的金屬籽晶層203。因為金屬籽晶層203在&板200的整個表面上連續 并連接所有的金屬布線結構，這些金屬布線不能相互獨立地起作用，因此 不能用于形成分隔的電子器件，除非有選擇地去除金屬籽晶層203。然而，因為金屬籽晶層203被夾在級間層201和基板200之間，在不破壞或損壞 級間層201和M 200的情況下幾乎不可能將其去除。
因此，持續需要用于形成垂直器件結構的改進方法。更重要地，需要 用于形成包括不同導電材料的合金或交替層的分隔的垂直器件結構的改進 方法。

發明內容
本發明采用分離的金屬接觸墊和金屬過孔，用于在電鍍步驟期間施加 電鍍電流。該分離的金屬接觸墊和金屬過孔保留作為最終器件的部分，并 因此允許形成包括不同導電材料的合金或不同導電材料的交替層的垂直導 電結構，而不需要將所有的垂直導電結構連接在一起，或者不會影響每個 垂直導電結構的獨立功能。由此，所得到的垂直導電結構可以容易地用于 形成分離的電子器件。
在一個方面，本發明涉及一種方法，其包括以下步驟 形成模板結構，所述模板結構包括141、位于所述M的頂部表面上 的分離的金屬接觸墊、覆蓋所述基板和所述金屬接觸墊的級間電介質 (ILD)層、以及穿過所述1LD層延伸到所述分離的金屬接觸墊上的金屬 過孔結構；
在所述才莫板結構中形成垂直過孔，其中所述垂直過孔穿過所述ILD層 延伸到所述分離的金屬接觸墊上；以及
通過電鍍在所述垂直過孔中形成垂直導電結構，其中通過所述金屬過 孔結構對所述ILD層下的所述分離的金屬接觸墊施加電鍍電流，來進行所 述電鍍。
優選但不是必需地，所述垂直導電結構包括一種或多種鐵磁性金屬。 更優選地，所述垂直導電結構包括不同鐵磁性金屬的交替層。可選地，所 述垂直導電結構可以包括導電聚合物或摻雜的半導體材料。
上述才莫板結構包括位于所述基板的上表面上的單個金屬接觸墊，并具 有延伸到金屬接觸墊的單個金屬過孔結構和單個垂直過孔，用于形成單個 垂直導電結構。更優選地，本發明的模板結構包括位于所述基板的上表面
6上的多個分離的金屬接觸墊，并具有延伸到金屬接觸墊的多個金屬過孔結 構和多個垂直過孔。由此，隨后可以通過電鍍在單個晶片或芯片中形成多 個垂直導電結構，而所得到的垂直導電結構不會相互互連。
在本發明的具體實施例中，模板結構還包括構圖的金屬層，所述構圖
的金屬層位于所述ILD層的上表面上并與所有的所述金屬過孔結構電連 接，從而可以通過所述構圖的金屬層和所述多個金屬過孔結構，對所述多 個分離的金屬接觸墊施加電鍍電流，來進行電鍍。
優選地，在形成所述垂直過孔之前，形成所述構圖的金屬層。更優選 地，通過首先在所述ILD層上沉積覆蓋(blanket)金屬層，并然后構圖所 i^葭蓋金屬層以形成多個開口，來形成所述構圖的金屬層，其中每個開口 與多個分離的金屬接觸墊中的一個垂直對準。
此外，在形成所述多個垂直過孔之前在所述構圖的金屬層上形成絕緣 層，以使隨后形成的垂直過孔延伸穿過所述絕緣層和所述ILD層。更優選 地，除了在處理單元即晶片或基板的邊緣區域之外，所述構圖的金屬層被 所述絕緣層完全覆蓋，以便在隨后的電鍍期間，通過所述邊緣區域將電鍍 電流施加到所述構圖的金屬層。在所述電鍍之后，從所述ILD層的上表面 去除所述構圖的金屬層和所述絕緣層，并可以在其上形成多個表面金屬接 觸，以提供到所述多個垂直導電結構的通路。
在另一個方面，本發明涉及一種器件結構，包括基&;金屬接觸墊， 其位于所述基板的頂部表面上；級間電介質(ILD)層，其覆蓋所述基板 和所述金屬接觸墊；金屬過孔結構，其穿過所述ILD層延伸到分離的金屬 接觸墊上；以及垂直導電結構，其穿過所述ILD層延伸到所述分離的金屬 接觸墊上。
通過下面的描述和所附的權利要求書，本發明的其他方面、特征和優 點將更加明顯。


圖1A-1C是示例用于形成深金屬過孔的常規超填充工藝的處理步驟 的截面圖。
7圖2A-2B是示例用于形成深金屬過孔的常規掩模鍍敷工藝的處理步驟 的截面圖。
圖3是根據本發明的一個實施例的兩個電子器件的截面圖，每個電子 器件包括功能單元、兩個輔助單元、位于功能單元的每個端部的金屬接觸 墊和位于不導電14l上的穿過ILD層延伸到金屬接觸墊的金屬過孔結構。 金屬過孔結構與金屬接觸墊一起提供到功能單元的通路。
圖4-10是示例根據本發明的一個實施例的用于形成圖3的器件結構的 示例性處理步驟的截面圖。
具體實施例方式
在下面的描述中，闡述了許多具體細節，例如具體的結構、成分、材 料、尺寸、處理步驟和技術，以提供對本發明的徹底理解。然而，本領域 的技術人員將意識到，只要不脫離本發明的精神，可以在沒有這些具體細 節的情況下，或者可以通過用已知的其等價物來替代特定的細節，實施本 發明。此外，沒有詳細描述本領域普通技術人員公知的標準結構或處理步 驟，以不使本發明晦澀。
應該理解，當某一要素例如層、區域或基板被稱為"在另一個要素上" 時，其可以直接在另一個要素上，或者還存在中間要素。相反，當某一要 素被稱為"直接在另一個要素上"時，不存在中間要素。也應該理解，當 某一要素被稱為"與另 一個要素連接或耦合"時，其可以與另一個要素直 接連接或耦合，或者還存在中間要素。相反，當某一要素被稱為"直接與 另一個要素直接連接或直接耦合"時，不存在中間要素。
這里〗吏用的術i吾"垂直"是指某一結構或器件位于J41^面上，且該 結構或器件的縱軸與M表面垂直。
這里使用的術語"金屬接觸"是指有限橫向延伸的金屬結構。與覆蓋 整個M表面或其主要部分的連續金屬層不同，金屬接觸僅在M表面的 在其上不形成隨后的器件結構的選定區域上延伸。金屬接觸可以通過構圖
連續的金屬層來形成。
這里使用的術語"分離的"是指相互隔離且其之間沒有重疊的結構。
8這里使用的術語"鐵磁性材料，，是指可以通過施加外部磁場被磁化且 在外部磁場除去之后呈現出剩余磁性的任何材料。
如上所述，本發明使用作為集成電路的現有元件的分離的金屬接觸墊 和金屬過孔結構，以在用于形成垂直導電結構的電鍍期間施加電鍍電流。 優選但不必需地，所得到的垂直導電結構包含不同導電材料(即金屬、導 電聚合物或摻雜半導體)的合金或者不同導電材料的交替層。本發明特別 地用于形成包括不同材料組分的交替鐵磁性層的鐵磁性結構。然而，本發 明的應用不限于鐵磁性結構，而是可以廣泛地延伸為包括需要垂直導電結 構的任何器件結構。
圖3示出了包含具有垂直導電結構305的兩個通常電子器件的器件結 構的截面圖。每個電子器件包括(l)垂直功能單元，即，垂直導電結構 305; (2)導電接觸302和304，其位于功能單元305的兩端；(3)金屬過 孔303，其延伸到底部導電接觸302上以提供到底部導電接觸302的通路； 以及(4)特定的輔助元件和相關電路306。輔助元件和電路306可以是讀 取和寫入元件，或者其他用于功能單元305的傳感和控制元件。
上述器件結構在不導電基板300上形成，ILD層301位于該不導電基 板300上。不導電M300包括任何合適的不導電材料，優選包括陶覺、 電介質、玻璃或聚合物材料，包括但不限于AU03、 Si02、 Si3N4和Hf02。 此外，不導電lj板300可以包括未摻雜的或輕摻雜的半導體材料，包括但 不限于Si、 SiC、 SiGe、 SiGeC、 Ge合金、GaAs、 InAs、 InP以及其他III-V 族或II-VI族化合物半導體。ILD層301可以包括任何合適的光致抗蝕劑 或電介質材料，例如Si02、 Si3N4、 Hf02和人1203。
才艮據本發明的一個實施例，圖3的器件結構可以通過如圖4-10所示例 的示例性處理步驟形成。
圖4示出了模板結構，其包括不導電基板300、 ILD層301、底部金 屬接觸302、金屬過孔303和輔助元件306 (可選)。這樣的模板結構可以 通過常規的半導體處理和金屬化技術容易地形成，在此不對其進行描述以 不使本發明晦澀。
接下來，如圖5所示，在ILD層301的頂部表面上沉積構圖的金屬層404。構圖的金屬層404與所有的金屬過孔303形成電接觸，并通過該金屬 過孔303，構圖的金屬層404與所有的底部金屬接觸302形成電接觸。可 以通過首先在ILD層301的整個頂部表面上沉積覆蓋金屬層(未示出)， 隨后構圖覆蓋金屬層(未示出)以形成多個開口 405，容易地形成構圖的 金屬層404。在構圖的金屬層404中的每個開口 405與底部金屬接觸302 中的一個對準，從而限定將要形成垂直導電結構305的位置。可以通過使 用任何常規的金屬構圖技術，例如平版印刷、回蝕刻、剝離等，容易地進 行對覆蓋金屬層(未示出)的構圖。
如圖6所示，然后在構圖的金屬層404上沉積絕緣材料層406，以覆 蓋除了邊緣區域407之外的整個層404。絕緣材料層406可以由與ILD層 301相同的絕緣材料形成，但通常由不同的絕緣材料形成。在半導體制造 工藝中，在同一晶片上同時制造多個器件。因此，邊緣區域407表示晶片 的邊緣區域。由此，在形成絕緣材料層406之后，構圖的金屬層404仍然 可以在邊緣區域407處形成通路(access ),構圖的金屬層404反過來通過 金屬過孔303提供了到達底部金屬接觸302的通道。
隨后，如圖7所示，執行構圖工藝(優選蝕刻工藝，例如反應離子刻 蝕)，以形成穿過絕緣層406和ILD層301的垂直過孔(或深過孔)408。 垂直過孔408的尺寸和形狀限定將要形成的垂直導電結構305的尺寸和形 狀。垂直過孔408可以是任何尺寸或形狀，依賴于最終器件的需求和制造 工藝的限制。優選地，每個如此形成的垂直過孔408具有約l微米到約1000 微米的深度以及約10nm到約1000nm的截面直徑。垂直過孔408可以具 有任何合適的截面形狀，包括但不限于圓形、方形、矩形、三角形、多 邊形、半圓形、橢圓形、環形等。依賴于絕緣層406和ILD層405包括相 同的或是不同的絕緣材料，蝕刻工藝可以包括單蝕刻步驟或多蝕刻步驟。
在蝕刻后，通過首先將上述結構浸入電鍍溶液并隨后通過接觸邊緣區 域407對構圖的金屬層404施加電鍍電流，進行電鍍。由此，電鍍電流通 過構圖的金屬層404和金屬過孔303傳送到位于ILD層301的底部表面處 的分離的金屬接觸墊302，從而導電材料305被沉積到分離的金屬接觸墊 302上并以自底向上的方式逐漸填充垂直過孔408。上述電鍍溶液可以包括用于沉積單種元素的單種鹽或用于沉積合金的不同元素的鹽。所產生的結
構305可以包括任何適合的導電材料，例如金屬、摻雜的半導體、導電聚 合物、或其合金，但優選包括金屬或金屬合金。金屬、摻雜的半導體和導 電聚合物的電鍍是本領域中公知的，因此在此不再詳細描述。
優選但不是必需地，電鍍溶液包括用于沉積鐵磁性金屬合金的兩種以 上的不同鐵磁性金屬的鹽。更優選地，可以通過施加具有高和低電勢脈沖 的脈沖電鍍電流進行電鍍，以沉積不同材料組分的交替鐵磁性層。
使電鍍步驟進行直到垂直過孔408完全被金屬填充，從而形成垂直導 電結構305,如圖8所示。垂直導電結構305的尺寸和形狀由垂直過孔408 限定。因此，垂直導電結構305也可以具有約l微米到約IOOO微米的深度 以及約10nm到約lOOOnm的截面直徑，其也可以具有任何合適的截面形 狀，包括但不限于圓形、方形、矩形、三角形、多邊形、半圓形、橢圓 形、環形等。
在電鍍之后，可以進行多步蝕刻和/或拋光步驟，以去除垂直導電結構 305的過生長部分、絕緣層406和構圖的金屬層404,并平面化具有金屬過 孔303和新形成的垂直導電結構305的ILD層301的再次暴露的上表面， 如圖9所示。
接著，在ILD層301的暴露的上表面上沉積構圖的絕緣層410，如圖 10所示。構圖的絕緣層410可以包括與ILD層301的材料相同或不同的 材料，并且其包括多個開口 411,通過開口411，垂直導電結構305和金屬 過孔303被露出。由此，可以在開口 411中形成表面金屬接觸304，以提 高到垂直導電結構305和金屬過孔303的通路，從而形成如圖3所示的完 整器件結構。
注意盡管圖3-10示例性地說明了根據本發明的具體實施例的示例性 器件結構和處理步驟，很明顯，本領域的技術人員可以容易地修改這些器 件結構和處理步驟以適應與上述描述一致的具體的應用要求。例如，盡管 如圖3-10所示的示例性器件結構中的每一個都包括單個ILD層、兩個分 離的金屬接觸墊和兩個垂直導電結構，容易理解的是本發明的器件結構可 以包括任何數量的ILD層、分離的金屬接觸墊和垂直導電結構。此外，本
ii發明的器件結構可以容易地用于形成任何這樣的半導體器件，所述半導體 器件需要具有至少 一個底部金屬接觸的垂直導電結構。
盡管在此參考具體的實施例、特征和方面描述了本發明，但是應該認 識到本發明并不限于此，而是可以在效用上延伸到其他的修改、變化、應 用和實施例，并且因此所有這些其他的修改、變化、應用和實施例也禍j人 為在本發明的精神和范圍內。
權利要求
1.一種方法，包括以下步驟形成模板結構，所述模板結構包括基板、位于所述基板的頂部表面上的分離的金屬接觸墊、覆蓋所述基板和所述金屬接觸墊的級間電介質(ILD)層、以及穿過所述ILD層延伸到所述分離的金屬接觸墊上的金屬過孔結構；在所述模板結構中形成垂直過孔，其中所述垂直過孔穿過所述ILD層延伸到所述分離的金屬接觸墊上；以及通過電鍍在所述垂直過孔中形成垂直導電結構，其中通過所述金屬過孔結構對所述分離的金屬接觸墊施加電鍍電流，來進行所述電鍍。
2. 根據權利要求l所述的方法，其中所述垂直導電結構包括一種或多 種4失磁性金屬。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中所述垂直導電結構包括不同鐵磁 性金屬的交替層。
4. 根據權利要求l所述的方法，其中所述模板結構包括多個分離的金 屬接觸墊，每個金屬接觸墊具有延伸到其的金屬過孔結構，并且其中在所 述ILD層中形成多個垂直過孔，用于隨后通過電鍍形成多個垂直導電結 構。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中所述模板結構還包括構圖的金屬 層，所述構圖的金屬層位于所述ILD層的上表面上并與所有的所述金屬過 孔結構電連接，從而在所述電鍍期間通過所述構圖的金屬層和所述金屬過 孔結構對所述多個分離的金屬接觸墊施加所述電鍍電流。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中在形成所述多個垂直過孔之前， 通過以下步驟形成所述構圖的金屬層 在所述ILD層的所述上表面上沉積覆蓋金屬層；以及 構圖所述覆蓋金屬層以在其中形成多個開口 ，每個開口與所述多個分 離的金屬接觸墊中的一個垂直對準。
7. 根據權利要求6所述的方法，還包括以下步驟在形成所述多個垂直過孔之前在所述構圖的金屬層上形成絕緣層，以使隨后形成的垂直過孔延伸穿過所迷絕緣層和所迷ILD層。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中除了邊緣區域之外，所述構圖的 金屬層被所述絕緣層完全覆蓋，并且其中在所述電鍍期間，通過所述邊緣 區域對所述構圖的金屬層施加所述電鍍電流。
9. 根據權利要求7所述的方法，還包括以下步驟 在所述電鍍和去除過生長的鍍敷材料之后，從所述ILD層的所述上表面去除所述構圖的金屬層和所述絕緣層。
10. 根據權利要求9所述的方法，還包括以下步驟 在去除所述構圖的金屬層和所述絕緣層之后在所迷ILD層的所述上表面上形成多個表面金屬接觸，以提供到所述多個垂直導電結構的通路。
11. 一種器件結構，包括分離的金屬接觸墊，其位于所述基 板的頂部表面上；級間電介質(ILD)層，其覆蓋所述基板和至少一個所 述金屬接觸墊；金屬過孔結構，其穿過所述ILD層延伸到所迷分離的金屬 接觸墊上；以及垂直導電結構，其穿過所述ILD層延伸到所述分離的金屬 接觸墊上。
12. 根據權利要求ll所述的器件結構，其中所述垂直導電結構包括一 種或多種鐵磁性金屬。
13. 根據權利要求12所述的器件結構，其中所述垂直導電結構包括不 同鐵磁性金屬的交替層。
14. 根據權利要求ll所述的器件結構，包括多個分離的金屬接觸墊， 每個金屬接觸墊具有延伸到其的金屬過孔結構和垂直導電結構。
15. 根據權利要求14所述的器件結構，還包括位于所述ILD層的上 表面上的多個表面金屬接觸，其中所述多個表面金屬接觸中的每一個與所 述多個垂直導電結構中的一個電連接。
全文摘要
本發明涉及一種用于通過電鍍形成垂直導電結構的方法。具體地，首先形成模板結構，該模板結構包括基板、位于基板表面上的分離的金屬接觸墊、在分離的金屬接觸墊和基板上的級間電介質(ILD)層、以及穿過ILD層延伸到分離的金屬接觸墊上的金屬過孔結構。接著，在模板結構中形成垂直過孔，該垂直過孔穿過ILD層延伸到分離的金屬接觸墊上。然后，通過電鍍在垂直過孔中形成垂直導電結構，其中通過金屬過孔結構將電鍍電流施加到分離的金屬接觸墊，來進行所述電鍍。優選地，模板結構包括多個分離的金屬接觸墊、多個金屬過孔結構和用于形成多個垂直導電結構的多個垂直過孔。
文檔編號H01H51/00GK101652826SQ200880001653
公開日2010年2月17日 申請日期2008年1月2日 優先權日2007年1月5日
發明者H·德利吉安尼, J·P·赫梅爾, L·T·羅曼基夫, M·B·羅思韋爾, 強 黃 申請人:國際商業機器公司