一种脉冲电镀方法及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明属于半导体互连工艺【技术领域】，具体涉及一种脉冲电镀方法及其应用。本发明方法包括：若干个阶段，每个阶段包括若干个周期；每个周期为施加一个正向脉冲，再施加一个反向脉冲，反向脉冲的电流大于正向脉冲的电流，反向脉宽短于正向脉宽，反向脉间和正向脉间相同；其中，每个阶段中的正向脉间和反向脉间不变；后一个阶段的正向脉间短于前一个阶段的正向脉间。其优点在于反向的脉冲电流来加速离子浓度恢复，两次脉冲之间的电流关断时间提供一个弛豫时间，并且此周期中的退镀过程也提高了镀层表面平整性。本发明方法可用于金属互连结构的制备中。
【专利说明】—种脉冲电镀方法及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体互连工艺【技术领域】，具体涉及一种脉冲电镀方法及其应用，特别涉及一种将诸如铜、镍、铝的金属填充到通孔的电镀方法及其应用。
【背景技术】
[0002]随着超大规模集成电路中器件特征尺寸的进一步缩小，互连线的RC延迟和电迁移引起的可靠性问题逐渐成为影响电路速度的主要矛盾。因此，寻找电阻率较低的导电材料和介电常数较低的介质材料的研究成为深亚微米集成电路工艺的一大发展方向。
[0003]由于金属在刻蚀过程中产生的氯化物不易挥发，所以采用一般的等离子体腐蚀不容易制备图形。现在国际上的布线技术路线都采用镶嵌工艺，即先在介质上刻好所需的沟槽，然后在其上生长一薄层扩散阻挡层，再进行填充，最后通过化学机械抛光技术，将上层多余的金属和扩散阻挡层去掉。因此，在深微米刻槽中淀积出空洞和裂缝较少的金属填充技术是金属镶嵌工艺中的关键技术之一。
[0004]目前，所研究的金属的淀积技术中主要包括溅射法、化学气相淀积法(CVD)及电镀法等几种。但溅射法台阶覆盖性较差；CVD法淀积速率较慢，且费用及杂质含量均较高，而且当槽宽小于0.4微米时，采用CVD法所淀积的金属的抗电迁移性有明显的下降。而电镀技术则具有淀积速率快、费用较低、淀积温度较低(室温即可)等优点，使其成为ULSI金属互连线技术中金属淀积技术的主流。
[0005]在目前的集成电路制造中，芯片的布线和互连几乎全部是采用直流电镀的方法获得金属镀层，但是由于金属离子趋近阴极不断被沉积，因而不可避免地造成浓差极化，从而使电镀层均匀性受到影响；而且随着芯片尺寸越来越小，用于连接层间线路的通孔深宽比会越来越大，从而使这种效应变得尤其严重，导致金属内产生大量缺陷和微空穴，严重时可能会导致通孔断路，进而影响芯片的性能及良率。
[0006]目前，关于脉冲电镀在集成电路金属互连线中的应用研究越来越受到重视，脉冲电镀金属所依据的电化学原理是利用脉冲张驰增加阴极的活化极化，降低阴极的浓差极化，从而改善镀层的物理化学性能。在脉冲电镀在电流导通时，接近阴极的金属离子被充分地沉积；当电流关断时，阴极周围的放电离子又得到补充，这样就极大的缓解了直流电镀时阴极金属离子浓度降低的问题。然而这种方法需要比较长的电流关断时间，而且仅依靠离子浓度梯度来恢复离子浓度效率很低，造成电镀时间很长、离子浓度恢复不稳定，影响电镀后镀层的性能和效果。
【发明内容】
[0007]针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种脉冲电镀方法，以解决现有技术的不足。
[0008]本发明提供一种脉冲电镀方法，包括:若干个阶段，每个阶段包括若干个周期；每个周期为施加一个正向脉冲，再施加一个反向脉冲，反向脉冲的电流大于正向脉冲的电流，反向脉宽短于正向脉宽，反向脉间和正向脉间相同；其中，每个阶段中的正向脉间和反向脉间不变；后一个阶段的正向脉间短于前一个阶段的正向脉间。
[0009]进一步，本发明提供一种脉冲电镀方法，阶段的数量为3-6个。
[0010]进一步，本发明提供一种脉冲电镀方法，每个阶段包括的周期数量为10-30个。
[0011]进一步，本发明提供一种脉冲电镀方法，正向脉冲电流为3-50安培,负向脉冲电流为5-60安培。
[0012]进一步，本发明提供一种脉冲电镀方法，正向脉宽为5-30秒，反向脉宽为2-10秒。
[0013]进一步，本发明提供一种脉冲电镀方法，正向脉宽和反向脉宽之和:正向脉间为5:1-10:1。
[0014]另外，本发明提供一种脉冲电镀方法，可以用于金属互连结构的制备中，其步骤为:
步骤A.在衬底上，沉积绝缘介质层；
步骤B.光刻刻蚀形成互连的沟槽或者通孔； 步骤C.在沟槽或通孔内沉积扩散阻挡层；
步骤D.沉积杆晶层；
步骤E.采用上述的脉冲电镀的方法进行电镀；
步骤F.采用化学机械抛光方式去除多余的物质，获得平整的晶片表面。
[0015]进一步，本发明提供一种金属互连结构的制备方法，步骤C中的扩散阻挡层采用物理气相淀积法或原子层淀积法制备。
[0016]发明的作用和效果
根据本发明提供的脉冲电镀方法，脉冲电镀金属所依据的电化学原理是利用脉冲张驰来增加阴极的活化极化，降低阴极的浓差极化，从而改善镀层的物理化学性能。在正向脉冲电镀在电流导通时，接近阴极的金属离子被充分地沉积；当电流关断即正向脉间时，阴极周围的放电离子又得到补充，再施加反向的脉冲电流来加速离子浓度恢复，两次脉冲之间的电流关断时间提供一个弛豫时间，并且此周期中的退镀过程也提高了镀层表面平整性。这样就极大的缓解了直流电镀时阴极金属离子浓度降低的问题。反向脉冲的电流大于正向脉冲的电流，反向脉宽短于正向脉宽，不仅可以用来加速离子浓度的恢复，反向电流还可以用来退电镀，以此去除镀层中产生的一些微缺陷来提高镀层的均匀性和致密性。正向脉间和负向脉间是为了促进添加剂的再吸收，用以更好的完成高深宽比特征通孔内的由下而上的沉积。
[0017]根据本发明提供的脉冲电镀方法，因为后一个阶段的正向脉间短于前一个阶段的正向脉间。随着电镀的进行，电镀金属逐渐的被由下而上的填充到通孔内，每个通孔未填充部分的深度逐渐减小，即未填充部分的深宽比逐渐减小，而通孔深宽比越小，稳定的自下而上生长则越容易，因此周期内的电流关断时间则可以适量减小，从而提高整个电镀过程的效率。脉宽和脉间按照比例设定，可以根据具体需要的电镀需要脉宽的时间，确定脉间的时间，有效地缩短电镀时间，提高电镀效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的金属互连结构的电镀前的结构示意图。[0019]图2为本发明的金属互连结构的电镀后的结构示意图。[0020]图3为本发明的金属互连结构的化学机械抛光后的结构示意图。[0021]图4为实施例一的电镀脉冲波形图。【具体实施方式】[0022]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。[0023]在附图中，为了方便说明，放大和缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸，相同的附图标记表示相同的组件，对其重复描述将省略。[0024]金属互连结构的方法具体如下:图1为本发明的金属互连结构的电镀前的结构示意图。[0025]如图1所示，先在清洗好的半导体晶片衬底上淀积用于层间绝缘的介质层101， 利用标准的光刻和刻蚀工艺形成互连结构用的沟槽或通孔；接着在通孔内沉积扩散阻挡层 102，该扩散阻挡层可通过物理气相淀积(PVD)或原子层淀积(ALD)等方法完成，可以防止后续淀积的金属扩散到介质层内；然后是淀积一层非常薄的籽晶层103，该层薄膜存在的目的是为了提高下一步电镀金属在衬底表面的吸附能力，一些导电性良好的金属如钨、金、 钼、锡等均可以使用。[0026]在籽晶层形成之后，对带有沟槽或通孔的衬底进行电镀的操作，电镀设备以连续方式自动进行所有的电镀处理，包括衬底的预处理、电镀和电镀的后处理。[0027]将衬底接阴极浸没在电镀槽中的电镀液之后，进行金属电镀。[0028]金属电镀的一个周期为:A.首先是施加一个正向脉冲电流，正向脉冲电流优选为3-50安培，持续时间，即正向脉宽优选为5-30秒。[0029]B.之后是一段电流关断时间即正向脉间。[0030]C.接着再施加一个略大于正向电流的反向脉冲电流，反向脉冲电流优选为5-60 安培，持续时间即反向脉宽比之正向脉宽略短，优选为2-10秒。[0031]D.最后再是一段电流关断时间，即反向脉间，持续时间与正向脉间相同。[0032]若干个周期构成一个阶段，优选为10-30个周期。其中，一个阶段内的正向脉间和反向脉间不变。[0033]整个电镀过程，可以分为若干个阶段，优选为3-6个阶段。其中，正向脉间和反向脉间在不同阶段中逐渐缩短，即后一个阶段的正向脉间(反向脉间)短于前一阶段的正向脉间(反向脉间)。并且正向脉冲和反向脉冲持续时间之和:正向脉间(即反向脉间)为 5:1-10:1。[0034]整个电镀中所有阶段的正向脉冲的电流和持续时间、反向脉冲的电流和持续时间均不变。[0035]在整个电镀过程中，脉冲电流间歇的在阳极和衬底之间流动。正向脉冲电流进行电镀，一段时间后则会引起的衬底处金属离子浓度的降低；反向电流则用来退电镀，以此去除镀层中产生的一些微缺陷来提高镀层的均匀性和致密性，同时也加速补充了衬底处金属离子的缺失；而脉间则是为了促进添加剂的再吸收，用以更好的完成高深宽比特征通孔内的由下而上的沉积 。随着电镀的进行，电镀金属逐渐的被由下而上的填充到通孔内，每个通孔未填充部分的深度逐渐减小，即未填充部分的深宽比逐渐减小，而通孔深宽比越小，稳定的自下而上生长则越容易，因此，后一阶段内的脉间较前一阶段周期内的脉间则适量减小，从而提高整个电镀过程的效率。
[0036]图2为本发明的金属互连结构的电镀后的结构示意图。
[0037]如图2所示，电镀完成后，沟槽或者通孔被电镀金属104填充。
[0038]图3为本发明的金属互连结构的化学机械抛光后的结构示意图。
[0039]如图3所示，用化学机械抛光(CMP)技术平整化晶片表面，完成一层的互连结构，为下一层互连结构做准备。
[0040]实施例1
图4为实施例一的电镀脉冲波形图。
[0041]如图4所示，本实施例为电镀铜的过程，分为T1、T2、T3三个阶段。
[0042]T1阶段由10个周期构成，T2阶段由20个周期构成，T3阶段由30个周期构成。
[0043]每个周期的步骤如下:
Α.首先是施加一正向脉冲电流，正向脉冲电流为3安培，正向脉宽为5秒。
[0044]B.之后是一段电流关断时间即正向脉间。
[0045]C.接着再施加一略大于正向电流的反向脉冲电流，反向脉冲电流为5，反向脉宽比之正向脉宽略短，为2秒。
[0046]D.最后再是一段电流关断时间，即反向脉间。
[0047]T1阶段中所有周期的正向脉间和反向脉间为:(5秒+2秒)/5=1.4秒，即正向脉宽和反向脉宽之和:正向脉间(即反向脉间)为5:1。
[0048]T2阶段中所有周期的正向脉间和反向脉间为:(5秒+2秒)/7=1秒，即正向脉宽和反向脉宽之和:正向脉间(即反向脉间)为7:1。
[0049]T3阶段中所有周期的正向脉间和反向脉间为:(5秒+2秒)/10=0.7秒，即正向脉宽和反向脉宽之和:正向脉间(即反向脉间)为10:1。
[0050]不同阶段中的正向脉间和反向脉间逐渐缩短，即后一个阶段的正向脉间和反向脉间短于前一阶段的正向脉间和反向脉间。
[0051]整个电镀中所有阶段的正向脉冲的电流和持续时间、反向脉冲的电流和持续时间均不变。
[0052]实施例2
本实施例为电镀镍的过程，分为6阶段。
[0053]第一阶段由12个周期构成，第二阶段由25个周期构成，第三阶段由18个周期构成，第四阶段由15个周期构成，第五阶段由22个周期构成，第六阶段由28个周期构成，。
[0054]每个周期的步骤如下:
A.首先是施加一正向脉冲电流，正向脉冲电流为50安培，持续时间，即正向脉宽为30秒。
[0055]B.之后是一段电流关断时间即正向脉间。
[0056]C.接着再施加一略大于正向电流的反向脉冲电流，反向脉冲电流为60，持续时间，即反向脉宽比之正向脉宽略短，为10秒。
[0057]D.最后再是一段电流关断时间，即反向脉间。[0058]第一阶段至第五阶段中的每个周期的正向脉间，即反向脉间依次为:7秒、6.5秒、 5.5秒、5秒、4秒、3秒。[0059]该电镀方法还可以应用 于电镀铝等其他金属。
【权利要求】
1.一种脉冲电镀方法，其特征在于具体步骤为:分为若干个阶段，每个阶段包括若干个周期；每个所述周期为施加一个正向脉冲，再施加一个反向脉冲，反向脉冲的电流大于正向脉冲的电流，反向脉宽短于正向脉宽，反向脉间和正向脉间相同；其中，每个阶段中的正向脉间和反向脉间不变；后一个阶段的正向脉间短于前一个阶段的正向脉间。
2.根据权利要求1所述的脉冲电镀方法，其特征在于:所述阶段的数量为3-6个。
3.根据权利要求1所述的脉冲电镀方法，其特征在于:每个阶段包括的周期数量为 10-30 个。
4.根据权利要求1所述的脉冲电镀方法，其特征在于:所述正向脉冲电流为3-50安培，所述负向脉冲电流为5-60安培。
5.根据权利要求1所述的脉冲电镀方法，其特征在于:所述正向脉宽为5-30秒，所述反向脉宽为2-10秒。
6.根据权利要求1所述的脉冲电镀方法，其特征在于:所述正向脉宽和反向脉宽之和: 正向脉间为5:1-10:1。
7.一这种如权利要求1-6之一所述的脉冲电镀方法在金属互连结构的制备中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，具体步骤为:步骤A.在衬底上，沉积绝缘介质层；步骤B.光刻刻蚀形成互连的沟槽或者通孔；步骤C.在沟槽或通孔内沉积扩散阻挡层；步骤D.沉积杆晶层；步骤E.采用根据权利要求1至6中任意一项所述的脉冲电镀的方法进行电镀；步骤F.采用化学机械抛光方式去除多余的物质，获得平整的晶片表面。
9.根据权利要求8所述 的应用，其特征在于:所述步骤C中的扩散阻挡层采用物理气相淀积法或原子层淀积法制备。
【文档编号】H01L21/768GK103603018SQ201310500309
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】卢红亮, 朱尚斌, 孙清清, 丁士进, 张卫 申请人:复旦大学