电镀方法

专利名称：电镀方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种电镀方法。
背景技术：
传统工艺中，通常应用电镀工艺形成器件与外部电路间的互连金属层(如铜)。利 用传统工艺执行电镀操作的步骤包括，步骤11 :如图1所示，确定电镀层厚度并提供基底 IO，所述基底10表面形成有晶种层20 ;步骤12 :如图2所示，在所述晶种层20上形成电镀 层30。 为改善后续化学机械研磨(CMP)及晶片可接受性测试(WAT)和可靠性测试的效 果，通常，在形成电镀层30后，需执行退火操作。作为示例，执行所述退火操作的工艺条件 包括退火温度为200摄氏度，退火持续时间为90秒。 然而，实际生产发现，如图3、图4所示，经历上述退火操作后，在形成的互连金属
层(电镀层30)中，易存在孔洞(void)32，对于较厚(如，厚度超过3微米)的互连金属层，
尤其严重。如何减少所述孔洞的产生，成为本领域技术人员致力解决的主要问题。 为减少所述孔洞的产生，业内已进行了诸多尝试，如2007年2月7日公布的公开
号为"CN1909206A"的中国专利申请中提供了一种半导体元件中内连线结构的制造方法，通
过在内连线结构中具有一或多个应力释放层，以抵消导电材料所引起的应力并有助于防止
或减少产生拉回孔洞。以及，2008年1月30日公布的公开号为"CN101114607A"的中国专
利申请中提供了一种能避免铜双镶嵌结构在平坦化工艺时产生缺陷的方法，通过在完成铜
导线层沉积后，利用一等离子体对铜导线层进行表面前处理，再进行退火工艺，使经退火工
艺后的铜导线层应力倾向为压縮应力，以避免通常铜导线层因自身的张应力导致在平坦化
工艺可能产生的形态缺陷。 但是，应用上述方法减少所述孔洞的产生时，均需要在原有工艺中附加新技术，具 体地，对于前者，需要摸索所述应力释放层的形成工艺，以及，所述形成工艺与现行工艺的 整合程度；而对于后者，需要摸索所述表面前处理的具体操作，均需投入巨大的研发成本。

发明内容
本发明提供了 一种电镀方法，可在形成的电镀层中具有较少的孔洞。
本发明提供的一种电镀方法，包括 确定电镀层厚度并提供基底，所述基底表面形成有晶种层； 在所述晶种层上顺序执行形成至少两层电镀分层的操作及置于各形成所述电镀
分层的操作之后的退火操作，各所述电镀分层的厚度和等于所述电镀层厚度。 与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点 上述技术方案提供的电镀方法，通过将形成所述电镀层的步骤分解为形成至少两 层所述电镀分层的步骤，并在形成所述电镀分层的操作之后执行退火操作，可使经历所述 退火操作而在各所述电镀分层中增加的应力在形成各所述电镀分层的步骤间隔内被分步释放，可通过减少所述电镀层的应力，使所述电镀层具有较少的孔洞；此外，通过减小连续 形成的电镀层(即，各电镀分层)的厚度，可在经由退火操作后，所述电镀分层具有的孔洞 更易于到达各电镀分层表面，从而使所述孔洞有更大的可能被后续的电镀分层材料填充， 以进一步减少所述孔洞的产生。


图1-图2为说明现有技术中电镀操作流程的结构示意图； 图3为说明现有技术中存在孔洞的电镀层的结构示意图； 图4为说明现有技术中存在孔洞的电镀层的结构图片； 图5为说明本发明第一实施例的执行电镀操作的流程示意图； 图6_图7为说明本发明第一实施例的电镀操作流程的结构示意图； 图8为说明应用本发明优选实施例和应用现有技术后应力改善效果对比示意图； 图9为说明应用本发明优选实施例获得的电镀层的结构图片； 图10为说明应用本发明优选实施例和应用现有技术后电性效果对比示意图。
具体实施例方式
尽管下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施 例，应当理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。 因此，下列的描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛教导，而并不作为对本发明的 限制。 为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能 和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开 发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的 限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费 时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。 在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下列说明和权利要 求书本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非 精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。 如图5所示，作为本发明的第一实施例，执行电镀操作的步骤包括，步骤501 :确定 电镀层厚度并提供基底，所述基底表面形成有晶种层；步骤502 :在所述晶种层上顺序执行 形成至少两层电镀分层的操作及置于各形成所述电镀分层的操作之后的退火操作，各所述 电镀分层的厚度和等于所述电镀层厚度。 在本文件中，所述电镀层厚度意指为获得满足产品设计要求的电镀层厚度a而在 实际生产中预先形成的电镀层厚度b(b大于a)。具体地，若按照设计要求，产品中的某一电 镀层的厚度应为2微米，那么，实际制程中，为获得此厚度为2微米的电镀层，需预先形成厚 度大于2微米(如3微米)的电镀层，再通过研磨等后续步骤去除多余的电镀层，以获得满 足产品设计要求的电镀层。此时，所述电镀层厚度指的是上述大于2微米(如3微米)的 电镀层。 在衬底上定义器件有源区并完成浅沟槽隔离、继而形成栅极结构及源区和漏区后，进而沉积第一层间介质层(即金属前介质层，PMD)，继续在所述第一层间介质层内形成 第一层通孔(via)及沟槽(trench)，在形成覆盖所述通孔及沟槽的底壁和侧壁的晶种层 后，可形成基底100。可扩展地，在沉积第N-l层间介质层后，继续形成第N-l层通孔及沟 槽，在形成覆盖所述通孔及沟槽的底壁和侧壁的晶种层后，仍可形成基底100。显然，所述 层间介质层的数目N可为任意自然数，如1、3、5、7或9等，所述层间介质层的具体数目根据 产品要求确定。所述金属前介质层覆盖所述栅极结构及源区和漏区并填满位于所述栅极结 构间的线缝；所述栅极结构包含栅极、环绕栅极的侧墙及栅氧化层。所述栅极结构还可包含 覆盖所述栅极和侧墙的阻挡层。所述衬底包含但不限于包括元素的硅材料，例如单晶、多晶 或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以是绝缘体上硅(SOI)。形成的表面具有所述晶种层 120的所述基底100如图6所示。 在形成所述通孔和沟槽的步骤和形成所述晶种层的步骤之间，还包括形成覆盖 所述通孔和沟槽的底部和侧壁的粘接层。所述粘接层用以增强所述晶种层与所述通孔和沟 槽的底部和侧壁的接合程度，以减小由于接合效果不良而导致的接触电阻的增加。所述粘 接层可包括TaN/Ta或TiN/Ti的叠层结构。所述粘接层可利用化学气相沉积工艺获得。
所述晶种层可利用物理气相沉积(PVD)工艺形成。填充所述通孔和沟槽的互连材 料为金属铜时，所述晶种层为铜。实践中，所述晶种层用以在形成电镀层时作为带负电荷的 平板或阴极电连接到外电源，以承载由电镀溶液中的金属铜离子被还原而形成的金属铜原 子。 但是，实际生产发现，在上述晶种层上形成的电镀层中易形成孔洞。 本发明的发明人分析后认为，形成所述孔洞的原因在于传统技术中，在形成所述
晶种层后，连续地形成具有上述电镀层厚度的电镀层；此处，所述连续意指在形成具有上述
电镀层厚度的电镀层后，才进行退火操作，即使形成所述电镀层的操作是分步进行的，如，
在形成所述电镀层的过程中，电流是逐渐增加的；如此操作易导致由于执行所述退火操
作的电镀层太厚(如，超过l微米)，而且经历所述退火操作后，所述晶种层及电镀层中的晶
粒都将长大，导致应力增加(通常，应力增加后，将导致基底变形，即，基底四周与中心不在
一个平面上)，过大的应力将导致晶粒间的空隙增大，进而导致所述孔洞的产生。 由此，本发明的发明人提出，减小执行所述退火操作的电镀层的厚度，成为减少电
镀孔洞现象的发生的指导方向。 具体地，如图7所示，通过将形成所述电镀层的步骤分解为形成至少两层所述电 镀分层(图7中示出的仅为将所述电镀层140分解为两层电镀分层142和144时的示例) 的步骤，并在形成所述电镀分层的操作之后执行退火操作，可使经历所述退火操作而在各 所述电镀分层中增加的应力在形成各所述电镀分层的步骤间隔内被分步释放，可通过减少 所述电镀层的应力，使所述电镀层具有较少的孔洞。 实践中，在确定所需的电镀层厚度之后，根据工艺需要，将所述电镀层厚度分解为 至少两个电镀分层的厚度的和，顺序形成各所述电镀分层，在形成各所述电镀分层之后分 别执行退火操作，由于在相同的退火条件下，电镀层的应力变化与其厚度相关，执行任一所 述退火操作的电镀层的厚度变小，可使经历所述退火操作的电镀分层的应力减小，进而，使 电镀层的应力减小。 此外，由于在退火过程中，所述孔洞处于动态，且具有趋向能量更低的界面的特性，但进程缓慢，如果电镀层的厚度过厚，则在退火过程中，所述孔洞不足以到达所述电镀 层的表面，将只停留在所述电镀层的内部，造成缺陷；但如果形成的是电镀分层，其厚度较 薄，则可在经由退火操作后，所述孔洞更易于到达各电镀分层表面，从而使所述孔洞有更大 的可能被后续的电镀分层材料填充，以进一步减少所述孔洞的产生。 执行退火操作时可采用任何传统的工艺，如现行工艺中的工艺条件，包括退火温 度为200摄氏度，退火持续时间为90秒。 此外，由于执行所述退火操作的好处是可修整已形成的电镀分层，所述退火操作 持续时间的增加，利于上述修整效果的改进；但是，由于执行所述退火操作也将导致形成的 电镀分层内应力的增加，因此，通常，所述退火操作的持续时间不会太长，具体地，退火温度 为200摄氏度，退火持续时间可为90秒；然而，如前所述，本发明提供的技术方案中，由于经 历任一退火操作的电镀分层的厚度较小，各电镀分层的应力变化又与其厚度相关，使得执 行所述退火操作引起的电镀分层内应力的增加值减小，换言之，经历任一退火操作的各电 镀分层的厚度较小，可在延长退火持续时间后，仍可获得层内应力满足产品要求的电镀层。
由此，若现行工艺中的工艺条件，包括退火温度为200摄氏度，退火持续时间为 90秒；则作为本发明的其他实施例，形成任一电镀分层后，执行所述退火操作时，工艺参数 包括温度范围为150摄氏度-250摄氏度，如150摄氏度、200摄氏度或250摄氏度；持续 时间为120秒-200秒，如120秒、150秒或200秒。通过延长退火持续时间，可进一步改善 形成电镀层的性能，如平滑度、致密度等。 此外，传统工艺中包含的洗边操作(edge bevel remove, EBR，用以去除所述基底 边缘的电镀层材料)在本发明提供的技术方案中，被置于形成最后一层所述电镀分层及置 于其后的退火操作之间，无需在形成任一所述电镀分层及置于其后的退火操作之间均设置 洗边操作，可在减少电镀层中孔洞之余，对传统工艺的改动尽量小。 需说明的是，优选地，各所述电镀分层厚度相等；可使形成的各所述电镀分层的性 能趋于一致，继而，在经历退火操作时，对各电镀分层内孔洞的改进效果趋于一致。此时，各 所述电镀分层材料相同。本文件内，术语"相等"、"相同"均表示被比较的两者之间的差别 在比较条件下可被忽略，或者，由于所述差别所引起的工艺参数的变化被制程要求所允许。
作为示例，所述电镀层包含两个电镀分层时，两个所述电镀分层之间的厚度比可 为2/3-3/2 。这是因为，若两个所述电镀分层的厚度相差过大，对于较厚的电镀分层，按前述 分析，通过减小经历退火操作的电镀层的厚度以改善应力的效果被减弱，进而，将减弱孔洞 改善的效果。 作为示例，若确定的所述电镀层厚度为1.55微米，则两个所述电镀分层的厚度可 分别为0. 8微米和0. 75微米。 为验证上述技术方案对所述孔洞的改善效果，本发明的发明人对应用上述优选方 案与应用传统方案获得的执行电镀操作后的晶片进行了检测 应用传统方案执行电镀操作的工艺条件包括应用4. 5安培的电流电镀5. 5秒； 继而，应用6. 75安培的电流电镀45秒；再应用40. 5安培的电流电镀210秒；而后，执行洗 边操作；再在200摄氏度的条件下执行90秒退火操作； 应用上述优选方案执行电镀操作的工艺条件包括首先，形成第一 电镀分层，具体 地，应用4. 5安培的电流电镀5. 5秒；继而，应用6. 75安培的电流电镀45秒；再应用40. 5安培的电流电镀84秒；而后，在200摄氏度的条件下执行150秒退火操作；随后，形成第二 电镀分层，具体地，应用4. 5安培的电流电镀5. 5秒；继而，应用6. 75安培的电流电镀45 秒；再应用40. 5安培的电流电镀126秒；而后，执行洗边操作；再在200摄氏度的条件下执 行150秒退火操作。(此时，所述"第一"和"第二"表顺序) 由于，所述电镀层内应力的变化将导致承载所述电镀层的基底发生形变，因此，本 发明的发明人通过检测分别应用上述优选方案与应用传统方案执行电镀操作后基底的形 变，以验证应用本发明提供的技术方案后所述电镀层内应力的变化，及电镀层内孔洞缺陷 的改进效果。 如图8所示，结果表明，应用上述优选方案后，可使得晶片的形变由约500微米降 至约200微米，改善效果显著。应用上述优选方案获得的电镀层的结构图片如图9所示。
此外，本发明的发明人对应用上述优选方案与应用传统方案执行电镀操作时获得 的(已检测合格)晶片进行了晶片可接受性测试(WAT)，具体测试了填充后的通孔的接触电 阻(Rc)，如图IO所示，结果表明，与应用传统方案执行电镀操作时相比，应用上述优选方案 执行电镀操作后，填充后的通孔的接触电阻的变化可被忽略，即，应用上述技术方案改善所 述孔洞时，不会对晶片的电学性能产生不良影响。 需强调的是，未加说明的步骤均可采用传统的方法获得，且具体的工艺参数根据 产品要求及工艺条件确定。 尽管通过在此的实施例描述说明了本发明，和尽管已经足够详细地描述了实施 例，申请人不希望以任何方式将权利要求书的范围限制在这种细节上。对于本领域技术人 员来说另外的优势和改进是显而易见的。因此，在较宽范围的本发明不限于表示和描述的 特定细节、表达的设备和方法和说明性例子。因此，可以偏离这些细节而不脱离申请人总的 发明概念的精神和范围。
权利要求
一种电镀方法，其特征在于，包括确定电镀层厚度并提供基底，所述基底表面形成有晶种层；在所述晶种层上顺序执行形成至少两层电镀分层的操作及置于各形成所述电镀分层的操作之后的退火操作，各所述电镀分层的厚度和等于所述电镀层厚度。
2. 根据原权利要求1所述的电镀方法，其特征在于，执行所述退火操作时，工艺参数包 括温度范围为150摄氏度-250摄氏度；持续时间为120秒-200秒。
3. 根据原权利要求2所述的电镀方法，其特征在于在形成最后一层所述电镀分层及 置于其后的退火操作之间，还包括，执行洗边操作，以去除所述基底边缘的电镀层材料。
4. 根据原权利要求1所述的电镀方法，其特征在于各所述电镀分层材料相同。
5. 根据原权利要求4所述的电镀方法，其特征在于所述电镀层材料为铜。
6. 根据原权利要求1所述的电镀方法，其特征在于各所述电镀分层厚度相等。
7. 根据原权利要求l所述的电镀方法，其特征在于所述电镀层包含两个电镀分层时，两个所述电镀分层之间的厚度比为2/3-3/2。
8. 根据原权利要求1所述的电镀方法，其特征在于所述电镀层厚度大于1微米。
全文摘要
一种电镀方法，包括确定电镀层厚度并提供基底，所述基底表面形成有晶种层；在所述晶种层上顺序执行形成至少两层电镀分层的操作及置于各形成所述电镀分层的操作之后的退火操作，各所述电镀分层的厚度和等于所述电镀层厚度。可在形成的电镀层中具有较少的孔洞。
文档编号C25D7/12GK101736375SQ20081022717
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月24日 优先权日2008年11月24日
发明者康芸, 杨瑞鹏, 聂佳相 申请人:中芯国际集成电路制造(北京)有限公司