一種階段性電鍍工藝電鍍銅方法
【專利摘要】本發明涉及一種階段性電鍍工藝電鍍銅方法，其特征在于，該方法采用階段性電鍍工藝和與該工藝相適應的電鍍液進行處理。所述階段性電鍍工藝處理中的每個處理階段的工藝條件為：硅片工藝位置：2～10毫米，電流密度：0.2～8安培/平方分米，硅片旋轉速度：5～50轉/分鐘，電鍍液流速：4～20升/分鐘，時間：3～500秒。從而在保證高的填充速率的同時，有效地減小了大尺寸、大深度圖形相對于無圖形區域的臺階高度，在保證化學機械拋光工藝窗口的前提上，間接地減少了電鍍工藝所需的銅膜厚度，進而縮短了電鍍工藝時間和化學機械拋光工藝時間，并節約化學耗材的使用。
【專利說明】一種階段性電鍍工藝電鍍銅方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體工藝【技術領域】，尤其涉及一種階段性電鍍工藝電鍍銅方法。
【背景技術】
[0002]隨著單個器件變得越來越小，集成電路的運行速度越來越快，傳統鋁制程已經無法滿足要求，因此，銅互連技術發展成為主流的半導體集成電路互連技術，而銅電鍍工藝則勝過PVD、CVD等傳統成膜工藝，成為銅互連技術中制備銅膜的主要工藝。
[0003]同時，隨著物聯網的概念升溫，射頻芯片逐漸成為市場的熱點。對于傳統CMOS工藝制備的芯片，其高頻性能較為一般，需要使用外加線圈電感的方式來提高器件的高頻性能。而銅互連電感可以實現高Q值、高穩定性的射頻器件，因此是獲得高性能射頻芯片的有效途徑之一。
[0004]現有技術的大馬士革電鍍工藝主要關注小尺寸圖形的無空洞填充效果，一般在相同的硅片工藝位置、硅片轉速和電鍍液流速上采用電流密度逐步升高的階梯式電鍍工藝，所述階梯式電鍍工藝主要包括以下幾個階段:
[0005]初始階段，電鍍的初始階段采用低電流密度，以獲得表面均勻的電鍍效果，修復銅種子層為高電流密度做準備；
[0006]第二階段，電鍍的第二階段采用較高電流密度，以獲得快速的自下而上的電鍍效果，快速填孔并保證無空洞無 縫隙；
[0007]最后階段，電鍍的最后階段采用高電流密度迅速加厚銅層，給化學機械拋光工藝提供工藝窗口。
[0008]但現有的階梯式電鍍工藝技術對于大尺寸(5~100微米)的圖形缺少控制，由于大尺寸圖形的電鍍銅沉積速率較慢，因此相對于無圖形區域的臺階高度增大。而對于化學機械拋光工藝而言，大尺寸圖形相對于無圖形區域的臺階高度決定了該區域的過拋量，臺階高度越大，過拋量也越大，因此必須增加銅層厚度來控制過拋量，從而滿足設計要求(圖形內保留的銅層厚度達標)，這就增加了電鍍工藝和化學機械拋光工藝的負擔。
[0009]由于銅互連電感主要是大尺寸(I~50微米)、大深度(I~5微米)的圖形，需要幾微米厚的銅膜，因此將顯著地增加電鍍工藝和化學機械拋光工藝的負擔。
[0010]因此，有必要對現有的電鍍銅工藝進行改進。
[0011 ] CN102154670A公開了一種階段性電鍍銅工藝，但是其沒有對電解液對電鍍效果的影響進行研究，沒有提出一種適合上述電鍍方法的電鍍液。
【發明內容】
[0012]針對現有技術的不足，本發明的目的之一在于提供一種階段性電鍍工藝電鍍銅方法，以減少大尺寸、大深度集成電路圖形區域相對于無圖形區域的銅鍍層的臺階高度。
[0013]為解決上述問題，本發明提出一種電鍍銅方法，用于對大尺寸、大深度的集成電路圖形形成銅鍍膜，該方法采用階段性電鍍工藝和與該工藝相適應的電鍍液進行處理，在不同的電流密度、硅片旋轉速度、電鍍液流速以及硅片工藝位置條件下分階段進行電鍍工藝處理。
[0014]本發明的核心思想在于，提供一種電鍍銅方法，該方法通過采用階段性電鍍工藝和與該工藝相適應的電鍍液進行處理，在不同的電流密度、硅片旋轉速度、電鍍液流速以及硅片工藝位置條件下分階段進行電鍍工藝處理，從而在保證高的填充速率的同時，有效地減小了大尺寸、大深度圖形相對于無圖形區域的臺階高度，在保證化學機械拋光工藝窗口的前提上，間接地減少了電鍍工藝所需的銅膜厚度，進而縮短了電鍍工藝時間和化學機械拋光工藝時間，并節約化學耗材的使用；并且，該工藝過程不影響銅鍍層的質量，銅互連線的各項工藝性能達到指標。
[0015]以下對電鍍液和階段性電鍍工藝進行詳細說明:
[0016](1)電鍍液
[0017]所述電鍍液，包括:硫酸銅為50~200克/升，硫酸為50~220克/升，氯離子為10~150毫克/升，抑制劑為5~200毫克/升，加速劑為5~50毫克/升，整平劑為
0.5~20暈克/升,其余為去尚子水。
[0018]其中，所述硫酸銅含量優選為50~100克/升。
[0019]所述硫酸含量優選為150~220克/升。一般由硫酸濃度為95.0%~98.0%的分析純試劑配制。
[0020]所述氯離子含量優選為20~80毫克/升。所述氯離子一般由鹽酸提供。
[0021]所述抑制劑所占的質量百分含量為20~100暈克/升。
[0022]所述抑制劑包括十二烷基磺酸鈉等離子型表面活性劑、聚乙二醇、烷基酚聚氧乙烯醚(0P乳化劑)或脂肪醇聚氧乙烯醚類非離子表面活性劑，優選為聚乙二醇，相應分子量為 2000 ~8000。
[0023]所述加速劑優選為10~30毫克/升，加速劑為含硫磺酸鹽類試劑，例如:醇硫基丙烷磺酸鈉、苯基聚二硫丙烷磺酸鈉、二甲基甲酰胺基磺酸鈉、噻唑啉基二硫代丙烷磺酸鈉和聚二硫二丙烷磺酸鈉等，其中，聚二硫二丙烷磺酸鈉為最佳選擇。
[0024]所述整平劑含量為0.5~10暈克/升。
[0025]所述整平劑為2-巰基苯駢咪唑、巰基咪唑丙磺酸鈉、四氫噻唑硫酮和亞乙基硫脲等，優選為亞乙基硫服。
[0026]本發明所述集成電路銅布線的電沉積用電解液可采用本領域常用的方法制備，t匕如，首先將硫酸銅用總體積約1/2的40~50°C去離子水溶解，將濃硫酸在攪拌條件下慢慢加入到上述溶液中，加去離子水至體積并冷卻至室溫，按配比加入鹽酸和抑制劑攪拌，再按配比加入加速劑和整平劑攪拌均勻而成。
[0027]( 2 )階段性電鍍工藝
[0028]可選的，所述階段性電鍍工藝處理中的每個處理階段的工藝條件為:
[0029]硅片工藝位置:2~10毫米，電流密度:0.2~8安培/平方分米，硅片旋轉速度:5~50轉/分鐘，電鍍液流速:4~20升/分鐘，時間:3~500秒。
[0030]可選的，所述階段性電鍍工藝處理分包括兩個處理階段，分別為初始階段以及最終階段。
[0031]可選的，所述初始階段的硅片位置高于所述最終階段的硅片位置，所述初始階段的硅片旋轉速度低于所述最終階段的硅片旋轉速度，所述初始階段的電鍍液流速低于所述最終階段的電鍍液流速，所述初始階段的電流密度低于所述最終階段的電流密度。
[0032]可選的，所述初始階段的工藝條件具體為:
[0033]時間:10~50秒，電流密度:0.8~3安培/平方分米，硅片旋轉速度:5~30轉/分鐘，電鍍液流速:4~10升/分鐘，硅片工藝位置:5~10毫米。
[0034]可選的，所述最終階段的工藝條件具體為:
[0035]時間:30~500秒，電流密度:3~8安培/平方分米，硅片旋轉速度:30~50轉/分鐘，電鍍液流速:10~20升/分鐘，硅片工藝位置:2~5毫米。
[0036]可選的，所述階段性電鍍工藝處理還包括一過渡階段，所述過渡階段位于所述初始階段與所述最終階段之間，所述過渡階段的電流密度低于所述初始階段的電流密度，所述過渡階段的硅片位置、硅片旋轉速度以及電鍍液流速與所述最終階段的硅片位置、硅片旋轉速度以及電鍍液流速相同。
[0037]可選的，所述過渡階段的工藝條件具體為:
[0038]時間:3~10秒，電流密度:0.2~0.8安培/平方分米，硅片旋轉速度:30~50轉/分鐘，電鍍液流速:10~20升/分鐘，硅片工藝位置:2~5毫米。
[0039]與現有技術相比，本發明提供的電鍍銅方法通過采用階段性電鍍工藝和與該工藝相適應的電鍍液進行處理，在不同的電流密度、硅片旋轉速度、電鍍液流速以及硅片工藝位置條件下分階段進行電鍍工藝處理，從而在保證高的填充速率的同時，有效地減小了大尺寸、大深度圖形相對于無圖形區域的臺階高度，在保證化學機械拋光工藝窗口的前提上，間接地減少了電鍍工藝所需的銅膜厚度，進而縮短了電鍍工藝時間和化學機械拋光工藝時間，并節約化學耗材的使用。
【具體實施方式】
[0040]為便于理解本發明，本發明列舉實施例如下。本領域技術人員應該明了，所述實施例僅僅是幫助理解本發明，不應視為對本發明的具體限制。
[0041]實施例1
[0042]配制5000毫升電解液:將3000毫升去離子水加熱到40°C，加入342克硫酸銅，攪拌溶解后將875克濃硫酸慢慢加入到上述溶液中，加水至近5000毫升，對溶液持續攪拌并將其冷卻至室溫，加入300毫克鹽酸，400毫克聚乙二醇(MW6000)，75毫克聚二硫二丙烷磺酸鈉和25毫克亞乙基硫脲，最后加水補足5000毫升并攪拌均勻。
[0043]初始階段的工藝條件具體為:時間:10秒，電流密度:0.8安培/平方分米，硅片旋轉速度:5轉/分鐘，電鍍液流速:4升/分鐘，硅片工藝位置:5毫米。
[0044]過渡階段的工藝條件具體為:時間:3秒，電流密度:0.2安培/平方分米，硅片旋轉速度:30轉/分鐘，電鍍液流速:10升/分鐘，硅片工藝位置:2毫米。
[0045]最終階段的工藝條件具體為:時間:30秒，電流密度:3安培/平方分米，硅片旋轉速度:30轉/分鐘，電鍍液流速:10升/分鐘，硅片工藝位置:2毫米。
[0046]實施例2
[0047]制備過程基本同實施例1，不同的是，1000毫升電解液的組分及含量為:硫酸銅為50克，硫酸為150克，氯離子為10毫克，聚乙二醇(MW 8000)為20毫克，加速劑醇硫基丙烷磺酸鈉為30毫克，整平劑四氫噻唑硫酮為0.5毫克，其余為去離子水。
[0048]初始階段的工藝條件具體為:時間:50秒，電流密度:3安培/平方分米，硅片旋轉速度:30轉/分鐘，電鍍液流速:10升/分鐘，硅片工藝位置:10毫米。
[0049]過渡階段的工藝條件具體為:時間:10秒，電流密度:0.8安培/平方分米，硅片旋轉速度:50轉/分鐘，電鍍液流速:20升/分鐘，硅片工藝位置:5毫米。
[0050]最終階段的工藝條件具體為:時間:500秒，電流密度:8安培/平方分米，硅片旋轉速度:50轉/分鐘，電鍍液流速:20升/分鐘，硅片工藝位置:5毫米。
[0051]實施例3
[0052]制備過程基本同實施例1，不同的是，1000毫升電解液的組分及含量為:硫酸銅為200克，硫酸為50克，氯離子為20毫克，十二烷基磺酸鈉為100毫克，加速劑苯基聚二硫丙烷磺酸鈉為5毫克，整平劑亞乙基硫脲為I毫克，其余為去離子水。
[0053]初始階段的工藝條件具體為:時間:30秒，電流密度:1.9安培/平方分米，硅片旋轉速度:18轉/分鐘，電鍍液流速:7升/分鐘，硅片工藝位置:7毫米。
[0054]過渡階段的工藝條件具體為:時間:7秒，電流密度:0.5安培/平方分米，硅片旋轉速度:40轉/分鐘，電鍍液流速:15升/分鐘，硅片工藝位置:4毫米。
[0055]最終階段的工藝條件具體為:時間:265秒，電流密度:5.5安培/平方分米，硅片旋轉速度:40轉/分鐘，電鍍液流速:15升/分鐘，硅片工藝位置:3毫米。
[0056] 申請人:聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細工藝設備和工藝流程，但本發明并不局限于上述詳細工藝設備和工藝流程，即不意味著本發明必須依賴上述詳細工藝設備和工藝流程才能實施。所屬【技術領域】的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護范圍和公開范圍之內。
【權利要求】
1.一種階段性電鍍工藝電鍍銅方法，其特征在于，該方法采用階段性電鍍工藝和與該工藝相適應的電鍍液進行處理，在不同的電流密度、硅片旋轉速度、電鍍液流速以及硅片工藝位置條件下分階段進行電鍍工藝處理； 所述電鍍液，包括:硫酸銅為50~200克/升，硫酸為50~220克/升，氯離子為10~150毫克/升，抑制劑為5~200毫克/升，加速劑為5~50毫克/升，整平劑為0.5~20毫克/升，其余為去離子水； 所述階段性電鍍工藝處理中的每個處理階段的工藝條件為:硅片工藝位置:2~10毫米，電流密度:0.2~8安培/平方分米，硅片旋轉速度:5~50轉/分鐘，電鍍液流速:4~20升/分鐘，時間:3~500秒。
2.如權利要求1所述的電鍍銅方法，其特征在于，所述階段性電鍍工藝處理分包括兩個處理階段，分別為初始階段以及最終階段。
3.如權利要求2所述的電鍍銅方法，其特征在于，所述初始階段的硅片位置高于所述最終階段的硅片位置，所述初始階段的硅片旋轉速度低于所述最終階段的硅片旋轉速度，所述初始階段的電鍍液流速低于所述最終階段的電鍍液流速，所述初始階段的電流密度低于所述最終階段的電流密度。
4.如權利要求3所述的電鍍銅方法，其特征在于，所述初始階段的工藝條件具體為: 時間:10~50秒，電流密度:0.8~3安培/平方分米，硅片旋轉速度:5~30轉/分鐘，電鍍液流速:4~10升/分鐘，硅片工藝位置:5~10毫米。
5.如權利要求3所述的電鍍銅方法，其特征在于，所述最終階段的工藝條件具體為: 時間:30~500秒，電流密度:3~8安培/平方分米，硅片旋轉速度:30~50轉/分鐘，電鍍液流速:10~20升/分鐘，硅片工藝位置:2~5毫米。
6.如權利要求3所述的電鍍銅方法，其特征在于，所述階段性電鍍工藝處理還包括一過渡階段，所述過渡階段位于所述初始階段與所述最終階段之間，所述過渡階段的電流密度低于所述初始階段的電流密度，所述過渡階段的硅片位置、硅片旋轉速度以及電鍍液流速與所述最終階段的硅片位置、硅片旋轉速度以及電鍍液流速相同。
7.如權利要求6所述的電鍍銅方法，其特征在于，所述過渡階段的工藝條件具體為: 時間:3~10秒，電流密度:0.2~0.8安培/平方分米，硅片旋轉速度:30~50轉/ 分鐘，電鍍液流速:10~20升/分鐘，硅片工藝位置:2~5毫米。
【文檔編號】H01L21/288GK103806030SQ201210444570
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月8日 優先權日:2012年11月8日
【發明者】林永峰 申請人:無錫新三洲特鋼有限公司