一种阶段性电镀工艺电镀铜方法
【专利摘要】本发明涉及一种阶段性电镀工艺电镀铜方法，其特征在于，该方法采用阶段性电镀工艺和与该工艺相适应的电镀液进行处理。所述阶段性电镀工艺处理中的每个处理阶段的工艺条件为：硅片工艺位置：2～10毫米，电流密度：0.2～8安培/平方分米，硅片旋转速度：5～50转/分钟，电镀液流速：4～20升/分钟，时间：3～500秒。从而在保证高的填充速率的同时，有效地减小了大尺寸、大深度图形相对于无图形区域的台阶高度，在保证化学机械抛光工艺窗口的前提上，间接地减少了电镀工艺所需的铜膜厚度，进而缩短了电镀工艺时间和化学机械抛光工艺时间，并节约化学耗材的使用。
【专利说明】一种阶段性电镀工艺电镀铜方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体工艺【技术领域】，尤其涉及一种阶段性电镀工艺电镀铜方法。
【背景技术】
[0002]随着单个器件变得越来越小，集成电路的运行速度越来越快，传统铝制程已经无法满足要求，因此，铜互连技术发展成为主流的半导体集成电路互连技术，而铜电镀工艺则胜过PVD、CVD等传统成膜工艺，成为铜互连技术中制备铜膜的主要工艺。
[0003]同时，随着物联网的概念升温，射频芯片逐渐成为市场的热点。对于传统CMOS工艺制备的芯片，其高频性能较为一般，需要使用外加线圈电感的方式来提高器件的高频性能。而铜互连电感可以实现高Q值、高稳定性的射频器件，因此是获得高性能射频芯片的有效途径之一。
[0004]现有技术的大马士革电镀工艺主要关注小尺寸图形的无空洞填充效果，一般在相同的硅片工艺位置、硅片转速和电镀液流速上采用电流密度逐步升高的阶梯式电镀工艺，所述阶梯式电镀工艺主要包括以下几个阶段:
[0005]初始阶段，电镀的初始阶段采用低电流密度，以获得表面均匀的电镀效果，修复铜种子层为高电流密度做准备；
[0006]第二阶段，电镀的第二阶段采用较高电流密度，以获得快速的自下而上的电镀效果，快速填孔并保证无空洞无 缝隙；
[0007]最后阶段，电镀的最后阶段采用高电流密度迅速加厚铜层，给化学机械抛光工艺提供工艺窗口。
[0008]但现有的阶梯式电镀工艺技术对于大尺寸(5~100微米)的图形缺少控制，由于大尺寸图形的电镀铜沉积速率较慢，因此相对于无图形区域的台阶高度增大。而对于化学机械抛光工艺而言，大尺寸图形相对于无图形区域的台阶高度决定了该区域的过抛量，台阶高度越大，过抛量也越大，因此必须增加铜层厚度来控制过抛量，从而满足设计要求(图形内保留的铜层厚度达标)，这就增加了电镀工艺和化学机械抛光工艺的负担。
[0009]由于铜互连电感主要是大尺寸(I~50微米)、大深度(I~5微米)的图形，需要几微米厚的铜膜，因此将显著地增加电镀工艺和化学机械抛光工艺的负担。
[0010]因此，有必要对现有的电镀铜工艺进行改进。
[0011 ] CN102154670A公开了一种阶段性电镀铜工艺，但是其没有对电解液对电镀效果的影响进行研究，没有提出一种适合上述电镀方法的电镀液。
【发明内容】
[0012]针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种阶段性电镀工艺电镀铜方法，以减少大尺寸、大深度集成电路图形区域相对于无图形区域的铜镀层的台阶高度。
[0013]为解决上述问题，本发明提出一种电镀铜方法，用于对大尺寸、大深度的集成电路图形形成铜镀膜，该方法采用阶段性电镀工艺和与该工艺相适应的电镀液进行处理，在不同的电流密度、硅片旋转速度、电镀液流速以及硅片工艺位置条件下分阶段进行电镀工艺处理。
[0014]本发明的核心思想在于，提供一种电镀铜方法，该方法通过采用阶段性电镀工艺和与该工艺相适应的电镀液进行处理，在不同的电流密度、硅片旋转速度、电镀液流速以及硅片工艺位置条件下分阶段进行电镀工艺处理，从而在保证高的填充速率的同时，有效地减小了大尺寸、大深度图形相对于无图形区域的台阶高度，在保证化学机械抛光工艺窗口的前提上，间接地减少了电镀工艺所需的铜膜厚度，进而缩短了电镀工艺时间和化学机械抛光工艺时间，并节约化学耗材的使用；并且，该工艺过程不影响铜镀层的质量，铜互连线的各项工艺性能达到指标。
[0015]以下对电镀液和阶段性电镀工艺进行详细说明:
[0016](1)电镀液
[0017]所述电镀液，包括:硫酸铜为50~200克/升，硫酸为50~220克/升，氯离子为10~150毫克/升，抑制剂为5~200毫克/升，加速剂为5~50毫克/升，整平剂为
0.5~20晕克/升,其余为去尚子水。
[0018]其中，所述硫酸铜含量优选为50~100克/升。
[0019]所述硫酸含量优选为150~220克/升。一般由硫酸浓度为95.0%~98.0%的分析纯试剂配制。
[0020]所述氯离子含量优选为20~80毫克/升。所述氯离子一般由盐酸提供。
[0021]所述抑制剂所占的质量百分含量为20~100晕克/升。
[0022]所述抑制剂包括十二烷基磺酸钠等离子型表面活性剂、聚乙二醇、烷基酚聚氧乙烯醚(0P乳化剂)或脂肪醇聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂，优选为聚乙二醇，相应分子量为 2000 ~8000。
[0023]所述加速剂优选为10~30毫克/升，加速剂为含硫磺酸盐类试剂，例如:醇硫基丙烷磺酸钠、苯基聚二硫丙烷磺酸钠、二甲基甲酰胺基磺酸钠、噻唑啉基二硫代丙烷磺酸钠和聚二硫二丙烷磺酸钠等，其中，聚二硫二丙烷磺酸钠为最佳选择。
[0024]所述整平剂含量为0.5~10晕克/升。
[0025]所述整平剂为2-巯基苯骈咪唑、巯基咪唑丙磺酸钠、四氢噻唑硫酮和亚乙基硫脲等，优选为亚乙基硫服。
[0026]本发明所述集成电路铜布线的电沉积用电解液可采用本领域常用的方法制备，t匕如，首先将硫酸铜用总体积约1/2的40~50°C去离子水溶解，将浓硫酸在搅拌条件下慢慢加入到上述溶液中，加去离子水至体积并冷却至室温，按配比加入盐酸和抑制剂搅拌，再按配比加入加速剂和整平剂搅拌均匀而成。
[0027]( 2 )阶段性电镀工艺
[0028]可选的，所述阶段性电镀工艺处理中的每个处理阶段的工艺条件为:
[0029]硅片工艺位置:2~10毫米，电流密度:0.2~8安培/平方分米，硅片旋转速度:5~50转/分钟，电镀液流速:4~20升/分钟，时间:3~500秒。
[0030]可选的，所述阶段性电镀工艺处理分包括两个处理阶段，分别为初始阶段以及最终阶段。
[0031]可选的，所述初始阶段的硅片位置高于所述最终阶段的硅片位置，所述初始阶段的硅片旋转速度低于所述最终阶段的硅片旋转速度，所述初始阶段的电镀液流速低于所述最终阶段的电镀液流速，所述初始阶段的电流密度低于所述最终阶段的电流密度。
[0032]可选的，所述初始阶段的工艺条件具体为:
[0033]时间:10~50秒，电流密度:0.8~3安培/平方分米，硅片旋转速度:5~30转/分钟，电镀液流速:4~10升/分钟，硅片工艺位置:5~10毫米。
[0034]可选的，所述最终阶段的工艺条件具体为:
[0035]时间:30~500秒，电流密度:3~8安培/平方分米，硅片旋转速度:30~50转/分钟，电镀液流速:10~20升/分钟，硅片工艺位置:2~5毫米。
[0036]可选的，所述阶段性电镀工艺处理还包括一过渡阶段，所述过渡阶段位于所述初始阶段与所述最终阶段之间，所述过渡阶段的电流密度低于所述初始阶段的电流密度，所述过渡阶段的硅片位置、硅片旋转速度以及电镀液流速与所述最终阶段的硅片位置、硅片旋转速度以及电镀液流速相同。
[0037]可选的，所述过渡阶段的工艺条件具体为:
[0038]时间:3~10秒，电流密度:0.2~0.8安培/平方分米，硅片旋转速度:30~50转/分钟，电镀液流速:10~20升/分钟，硅片工艺位置:2~5毫米。
[0039]与现有技术相比，本发明提供的电镀铜方法通过采用阶段性电镀工艺和与该工艺相适应的电镀液进行处理，在不同的电流密度、硅片旋转速度、电镀液流速以及硅片工艺位置条件下分阶段进行电镀工艺处理，从而在保证高的填充速率的同时，有效地减小了大尺寸、大深度图形相对于无图形区域的台阶高度，在保证化学机械抛光工艺窗口的前提上，间接地减少了电镀工艺所需的铜膜厚度，进而缩短了电镀工艺时间和化学机械抛光工艺时间，并节约化学耗材的使用。
【具体实施方式】
[0040]为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
[0041]实施例1
[0042]配制5000毫升电解液:将3000毫升去离子水加热到40°C，加入342克硫酸铜，搅拌溶解后将875克浓硫酸慢慢加入到上述溶液中，加水至近5000毫升，对溶液持续搅拌并将其冷却至室温，加入300毫克盐酸，400毫克聚乙二醇(MW6000)，75毫克聚二硫二丙烷磺酸钠和25毫克亚乙基硫脲，最后加水补足5000毫升并搅拌均匀。
[0043]初始阶段的工艺条件具体为:时间:10秒，电流密度:0.8安培/平方分米，硅片旋转速度:5转/分钟，电镀液流速:4升/分钟，硅片工艺位置:5毫米。
[0044]过渡阶段的工艺条件具体为:时间:3秒，电流密度:0.2安培/平方分米，硅片旋转速度:30转/分钟，电镀液流速:10升/分钟，硅片工艺位置:2毫米。
[0045]最终阶段的工艺条件具体为:时间:30秒，电流密度:3安培/平方分米，硅片旋转速度:30转/分钟，电镀液流速:10升/分钟，硅片工艺位置:2毫米。
[0046]实施例2
[0047]制备过程基本同实施例1，不同的是，1000毫升电解液的组分及含量为:硫酸铜为50克，硫酸为150克，氯离子为10毫克，聚乙二醇(MW 8000)为20毫克，加速剂醇硫基丙烷磺酸钠为30毫克，整平剂四氢噻唑硫酮为0.5毫克，其余为去离子水。
[0048]初始阶段的工艺条件具体为:时间:50秒，电流密度:3安培/平方分米，硅片旋转速度:30转/分钟，电镀液流速:10升/分钟，硅片工艺位置:10毫米。
[0049]过渡阶段的工艺条件具体为:时间:10秒，电流密度:0.8安培/平方分米，硅片旋转速度:50转/分钟，电镀液流速:20升/分钟，硅片工艺位置:5毫米。
[0050]最终阶段的工艺条件具体为:时间:500秒，电流密度:8安培/平方分米，硅片旋转速度:50转/分钟，电镀液流速:20升/分钟，硅片工艺位置:5毫米。
[0051]实施例3
[0052]制备过程基本同实施例1，不同的是，1000毫升电解液的组分及含量为:硫酸铜为200克，硫酸为50克，氯离子为20毫克，十二烷基磺酸钠为100毫克，加速剂苯基聚二硫丙烷磺酸钠为5毫克，整平剂亚乙基硫脲为I毫克，其余为去离子水。
[0053]初始阶段的工艺条件具体为:时间:30秒，电流密度:1.9安培/平方分米，硅片旋转速度:18转/分钟，电镀液流速:7升/分钟，硅片工艺位置:7毫米。
[0054]过渡阶段的工艺条件具体为:时间:7秒，电流密度:0.5安培/平方分米，硅片旋转速度:40转/分钟，电镀液流速:15升/分钟，硅片工艺位置:4毫米。
[0055]最终阶段的工艺条件具体为:时间:265秒，电流密度:5.5安培/平方分米，硅片旋转速度:40转/分钟，电镀液流速:15升/分钟，硅片工艺位置:3毫米。
[0056] 申请人:声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属【技术领域】的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
【权利要求】
1.一种阶段性电镀工艺电镀铜方法，其特征在于，该方法采用阶段性电镀工艺和与该工艺相适应的电镀液进行处理，在不同的电流密度、硅片旋转速度、电镀液流速以及硅片工艺位置条件下分阶段进行电镀工艺处理； 所述电镀液，包括:硫酸铜为50~200克/升，硫酸为50~220克/升，氯离子为10~150毫克/升，抑制剂为5~200毫克/升，加速剂为5~50毫克/升，整平剂为0.5~20毫克/升，其余为去离子水； 所述阶段性电镀工艺处理中的每个处理阶段的工艺条件为:硅片工艺位置:2~10毫米，电流密度:0.2~8安培/平方分米，硅片旋转速度:5~50转/分钟，电镀液流速:4~20升/分钟，时间:3~500秒。
2.如权利要求1所述的电镀铜方法，其特征在于，所述阶段性电镀工艺处理分包括两个处理阶段，分别为初始阶段以及最终阶段。
3.如权利要求2所述的电镀铜方法，其特征在于，所述初始阶段的硅片位置高于所述最终阶段的硅片位置，所述初始阶段的硅片旋转速度低于所述最终阶段的硅片旋转速度，所述初始阶段的电镀液流速低于所述最终阶段的电镀液流速，所述初始阶段的电流密度低于所述最终阶段的电流密度。
4.如权利要求3所述的电镀铜方法，其特征在于，所述初始阶段的工艺条件具体为: 时间:10~50秒，电流密度:0.8~3安培/平方分米，硅片旋转速度:5~30转/分钟，电镀液流速:4~10升/分钟，硅片工艺位置:5~10毫米。
5.如权利要求3所述的电镀铜方法，其特征在于，所述最终阶段的工艺条件具体为: 时间:30~500秒，电流密度:3~8安培/平方分米，硅片旋转速度:30~50转/分钟，电镀液流速:10~20升/分钟，硅片工艺位置:2~5毫米。
6.如权利要求3所述的电镀铜方法，其特征在于，所述阶段性电镀工艺处理还包括一过渡阶段，所述过渡阶段位于所述初始阶段与所述最终阶段之间，所述过渡阶段的电流密度低于所述初始阶段的电流密度，所述过渡阶段的硅片位置、硅片旋转速度以及电镀液流速与所述最终阶段的硅片位置、硅片旋转速度以及电镀液流速相同。
7.如权利要求6所述的电镀铜方法，其特征在于，所述过渡阶段的工艺条件具体为: 时间:3~10秒，电流密度:0.2~0.8安培/平方分米，硅片旋转速度:30~50转/ 分钟，电镀液流速:10~20升/分钟，硅片工艺位置:2~5毫米。
【文档编号】H01L21/288GK103806030SQ201210444570
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月8日 优先权日:2012年11月8日
【发明者】林永峰 申请人:无锡新三洲特钢有限公司