专利名称：电镀铜方法
技术领域：
本发明涉及半导体工艺技术领域，尤其涉及一种电镀铜方法。
背景技术：
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。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。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初始阶段，电镀的初始阶段采用低电流密度，以获得表面均勻的电镀效果，修复铜种子层为高电流密度做准备；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；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。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。由于铜互连电感主要是大尺寸(1 50微米)、大深度(1 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。因此，有必要对现有的电镀铜工艺进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电镀铜方法，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。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。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
3
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。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。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。可选的，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。可选的，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。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。可选的，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。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。
图1为本发明第一个实施例提供的电镀铜方法的各处理阶段的工艺参数的示意图；图2为本发明第二个实施例提供的电镀铜方法的各处理阶段的工艺参数的示意图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明提出的电镀铜方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，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，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。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。实施例1请参考图1，图1为本发明第一个实施例提供的电镀铜方法的各处理阶段的工艺参数的示意图，结合图1，本发明实施例提供的电镀铜方法，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。进一步地，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。进一步地，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。进一步地，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。下面对上述两个阶段分别进行具体说明所述初始阶段的工艺条件为高硅片工艺位置、中等电流密度、低硅片旋转速度、 低电镀液流速，如图1中的阶段一的各参数所示；由于相对于小尺寸图形而言，大尺寸、大深度的集成电路图形的PVD工艺的台阶覆盖能力本身就非常好，更厚的阻挡层和铜种子层拥有很好的连续性，因而与现有的大马士革技术相比，本发明实施例提供的电镀铜方法不需采用低电流密度的电镀工艺预处理，其初始阶段直接使用较高电流密度对铜种子层进行快速加厚，同时，低硅片旋转速度、低电镀液流速和高硅片工艺位置使硅片表面处于低传质状态，有利于电镀液在不同集成电路图形内的铜表面的扩散，从而在较高的电流密度下获得高质量的铜镀层。其中，所述初始阶段的工艺条件较佳地为时间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。所述最终阶段的工艺条件为低硅片工艺位置、高电流密度、高硅片旋转速度、高电镀液流速，如图1中的阶段三的各参数所示；所述最终阶段采用高电流密度，在高硅片旋转速度、高电镀液流速和低硅片工艺位置的高传质模式下，电镀液中的铜离子的扩散能力增强，这有助于铜离子向集成电路图形结构深处的纵向扩散，给高沉积速率下的铜离子损耗提供足够的补充，从而可维持大尺寸、大深度的集成电路图形内的高沉积速率，同时有助于添加剂在不同图形结构内的重新分布。在最终阶段中，电镀工艺将大尺寸、大深度的图形填满，并提供足够的铜厚度给化学机械抛光工艺。其中，所述最终阶段的工艺条件较佳地为时间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。需要说明的是，图1中的各参数的大小均为相对值，并且其中每个参数具有独立的刻度。实施例2请参考图2，图2为本发明第二个实施例提供的电镀铜方法的各处理阶段的工艺参数的示意图，结合图2，与上述第一个实施例不同的是，本发明第二个实施例提供的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。下面对上述三个阶段分别进行具体说明所述初始阶段的工艺条件为高硅片工艺位置、中等电流密度、低硅片旋转速度、 低电镀液流速，如图2中的阶段一的各参数所示；由于相对于小尺寸图形而言，大尺寸、大深度的集成电路图形的PVD工艺的台阶覆盖能力本身就非常好，更厚的阻挡层和铜种子层拥有很好的连续性，因而与现有的大马士革技术相比，本发明实施例提供的电镀铜方法不需采用低电流密度的电镀工艺预处理，其初始阶段直接使用较高电流密度对铜种子层进行快速加厚，同时，低硅片旋转速度、低电镀液流速和高硅片工艺位置使硅片表面处于低传质状态，有利于电镀液在不同集成电路图形内的铜表面的扩散，从而在较高的电流密度下获得高质量的铜镀层。其中，所述初始阶段的工艺条件较佳地为时间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。所述过渡阶段的工艺条件为低硅片工艺位置、低电流密度、高硅片旋转速度、高电镀液流速，如图2中的阶段二的各参数所示；所述过渡阶段为电镀工艺的过渡阶段，通过增加硅片旋转速度和电镀液流速，并降低硅片工艺位置，使硅片表面进入高传质的输运状态，由于对大尺寸、大深度的集成电路图形而言，各种添加剂能自由进入不同图形结构中并获得平衡，在高传质模式下，添加剂的扩散能力增强，有利于加速剂和整平剂的彼此竞争， 从而获得更好的整平效果；同时，该阶段使用低的电流密度，一方面可以保护铜表面不被电镀液腐蚀，另一方面有助于添加剂在不同图形结构内的重新分布。其中，所述过渡阶段的工艺条件较佳地为时间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。所述最终阶段的工艺条件为低硅片工艺位置、高电流密度、高硅片旋转速度、高电镀液流速，如图2中的阶段三的各参数所示；所述最终阶段采用高电流密度，在高硅片旋转速度、高电镀液流速和低硅片工艺位置的高传质模式下，电镀液中的铜离子的扩散能力增强，这有助于铜离子向集成电路图形结构深处的纵向扩散，给高沉积速率下的铜离子损耗提供足够的补充，从而可维持大尺寸、大深度的集成电路图形内的高沉积速率。在最终阶段中，电镀工艺将大尺寸、大深度的图形填满，并提供足够的铜厚度给化学机械抛光工艺。
其中，所述最终阶段的工艺条件较佳地为时间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。需要说明的是，图2中的各参数的大小均为相对值，并且其中每个参数具有独立的刻度。需要说明的是，本发明实施例中初始阶段的中等电流密度、过渡阶段的低电流密度、最终阶段的高电流密度，旨在表明各阶段电流密度在一个给定范围内的相对大小关系， 即在给定的范围内，初始阶段的电流密度大于过渡阶段的电流密度，但小于最终阶段的电流密度；其它工艺参数情况作类似说明。综上所述，本发明提供了一种电镀铜方法，该方法通过采用阶段性电镀工艺处理， 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。显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种电镀铜方法，用于对大尺寸、大深度的集成电路图形形成铜镀膜，其特征在于， 该方法采用阶段性电镀工艺处理，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。
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。
3.如权利要求2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。
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。
5.如权利要求4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。
6.如权利要求4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。
7.如权利要求4或6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。
8.如权利要求7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。
全文摘要
本发明公开了一种电镀铜方法，该方法通过采用阶段性电镀工艺处理，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。
文档编号C25D3/38GK102154670SQ20111006455
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者林宏 申请人:上海集成电路研发中心有限公司