用于电镀的碱预处理的制作方法
【技术领域】
[0001]本文所公开的实施方式涉及用于电镀的预处理方法。更具体地说，实施方式涉及用于在将导电材料电沉积到晶片上之前处理半导体晶片以供集成电路制造的预润湿方法。
【背景技术】
[0002]在集成电路制造中，诸如铜等导电材料通常是通过电镀而沉积到金属的籽晶层上以填充在晶片衬底上的一个或多个凹陷特征。电镀是在金属镶嵌处理期间用于沉积金属到晶片的通孔和沟槽中的选择方法，并且也被用于填充硅通孔(TSV)，硅通孔(TSV)是在3D集成电路和3D封装件中使用的相对较大的垂直电连接件。
[0003]在电镀期间，对籽晶层(典型地在晶片的周边)制造电触点，使晶片电偏置以用作阴极。使晶片与电镀溶液接触，该电镀溶液含有拟被电镀的金属的离子和向电镀溶液提供足够的导电性的酸。例如，对于电沉积铜的典型的电镀溶液是含有硫酸铜和硫酸或含有甲磺酸铜和甲磺酸的酸性溶液。电镀溶液也可含有添加剂，该添加剂已知为调节在衬底的不同表面上电沉积速率的促进剂、抑制剂和匀平剂。这些电镀溶液通常具有小于约I的pH值。电镀典型地执行足以用金属填充凹陷特征的时间量。然后，在平坦化操作中，例如通过化学机械抛光(CMP)去除沉积在晶片的场区域上的不需要的金属。
【发明内容】
[0004]在电镀过程中所遇到的问题之一是:在电镀开始时，由于对籽晶层的损坏和/或由于凹陷特征内的电解液组合物的失衡而导致的在被填充的凹陷特征中的空穴和缺陷的形成。例如，某些籽晶层对于电镀溶液的酸性环境是敏感的并可能会受到腐蚀。这些对酸敏感的籽晶层包括含镍层，如NiB和NiP层。然而，含镍籽晶层在许多应用中是优选的籽晶层，因为它们可以高保形的方式通过无电沉积进行沉积。本文所描述的实施方式提供了一种在电镀之前处理具有对酸敏感的籽晶层的半导体晶片的晶片预处理方法以及装置。所提供的方法能够显著减小对籽晶层的损坏，并使得在不必依赖无酸的电镀溶液的情况下能在对酸敏感的籽晶层上进行无空隙的电填充。
[0005]在第一方面中，描述了一种在包括一个或多个凹陷特征的晶片衬底上电镀金属的方法。所述方法包括:提供其表面的至少一部分上具有露出的含镍层的晶片衬底；使所述晶片衬底与预润湿液体接触，所述液体包含缓冲剂并具有范围在约7和约13之间的pH值以预润湿所述晶片衬底上的含镍层；并随后使用酸性电镀溶液将所述金属(例如铜)电沉积到所述含镍层上，其中电沉积的所述金属至少部分地填充所述一个或多个凹陷特征。
[0006]在一些实施方式中，预润湿液体的pH为在约9至约11之间，例如约11，并且预润湿液体包括硼酸盐缓冲剂。在一些实施方式中，所述硼酸盐的浓度为介于约1mM至约IM之间，例如0.1M左右，可用于预处理的其它缓冲剂包括碳酸盐缓冲剂和磷酸盐缓冲剂。
[0007]预润湿液体通常包括pH调节剂，该pH调节剂在某些实施方式中选自由四烷基铵氢氧化物和碱金属氢氧化物(例如KOH)组成的组中。在其它实施方式中，pH调节剂包括氨。
[0008]在一些实施方式中，所述预润湿液体还包含来自聚亚烷基二醇类的化合物。在一些实施方式中，所述预润湿液体包括硼酸盐(例如，浓度为约0.1Μ)、ΚΟΗ和来自聚亚烷基二醇类的化合物，且具有约11的pH值。
[0009]在一些实施方式中，预润湿液体在接触晶片衬底之前脱气。在一些实施方式中，在使所述晶片衬底与所述预润湿液体接触之前将预润湿处理室内的压强减小至低于大气压的压强。预润湿液体可使用多种方法输送到晶片上。在一些实施方式中，液体被喷洒到晶片衬底上。晶片衬底当其接触所述预润湿液体时可以是在基本水平的方向上。
[0010]在一些实施方式中，该方法被用于填充晶片衬底上的一个或多个TSV。在一些实施方式中，所述方法进一步包括:施加光致抗蚀剂到所述晶片衬底；使所述光致抗蚀剂暴露于光；布图所述抗蚀剂并将图案转印至所述工件；以及从所述工件选择性地去除所述光致抗蚀剂。
[0011]在另一个方面，提供了一种用于电镀金属到包括一个或多个凹陷特征的晶片衬底上的含镍层上的装置，该装置包括:预润湿室，其被配置成用于输送预润湿液体到所述晶片衬底上；电镀容器，其被配置用于盛装酸性电镀溶液，其中，所述装置被配置用于从所述电镀溶液电沉积金属到所述晶片衬底上的所述含镍层；以及控制器，其具有用于实现本文所提供的一种或多种方法的程序指令和/或逻辑。例如，控制器可以包含用于下述操作的指令和/或逻辑:使所述晶片衬底与所述预润湿液体接触，所述液体包括缓冲剂并具有范围介于约7和约13之间的pH值以预润湿所述晶片衬底上的含镍层；以及使用所述酸性电镀溶液将所述金属电沉积到所述含镍层上。
[0012]在另一个方面，提供了一种预润湿液体，其中所述液体包括:硼酸盐缓冲剂，其含有硼酸盐；以及选自由四烷基铵氢氧化物和碱土金属氢氧化物所组成的组中的PH调节剂；以及来自所述聚亚烷基二醇类的化合物，其中，所述预润湿液体的PH值介于约8至约13之间。
[0013]在另一个方面，提供了一种包含程序指令的非临时性计算机机器可读介质。用于控制电镀装置的程序指令包括用于执行上述方法中的任何方法的代码。
[0014]本发明的这些和其它的特征和优点将参照随后的附图和相关的描述更加详细地阐述。
【附图说明】
[0015]图1是具有与电镀溶液接触的TSV的晶片衬底的横截面的示意图，示出了当不同的溶液组分移动到通孔中时，不同的溶液组分扩散的相对速率。
[0016]图2是在无碱性预处理的情况下进行处理的晶片衬底的横截面的示意图，其示出了在通孔的底部具有空隙的铜填充TSV。
[0017]图3A-3D展示了根据本文中所提供的实施方式，在TSV处理的不同阶段半导体器件横截面的示意图。
[0018]图4展示了用于根据本文所提供的实施方式的沉积方法的工艺流程图。
[0019]图5展示了根据本文所提供的实施方式的预处理方法的工艺流程图。
[0020]图6展示了根据本文所提供的实施方式的制备预润湿溶液的方法的工艺流程图。
[0021]图7是适合用于输送本文所提供的预润湿液体的预润湿处理室的简化示意图。
[0022]图8为根据本文所提供的实施方式的适合于填充凹陷特征的电镀装置的简化示意图。
【具体实施方式】
[0023]在下面的描述中，根据某些具体的结构和工艺来介绍本发明，以帮助解释其可以如何实施。本发明并不局限于这些特定的实施方式。本发明的【具体实施方式】的实例示于附图中。虽然本发明将结合这些【具体实施方式】予以描述，但应当理解，这并不意味着使本发明局限于这些【具体实施方式】。相反，它旨在覆盖可以被包括在所附权利要求的范围和等同方案内的替换、修改和等同方案。在下面的描述中，许多具体细节被阐述，以便提供对本发明的透彻理解。本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的条件下实施。在其他实例中，公知的处理操作未被详细描述，以免不必要地使本发明变得难以理解。
[0024]使用本公开的各种术语来描述半导体工件。例如，“晶片”和“衬底”可以互换使用。通过电化学反应沉积或者电镀金属到导电表面的过程被统称为电镀或电填充。含铜金属在本申请中被称为“铜”，其包括但不限于，纯铜金属、具有其他金属的铜合金、以及掺杂有在电填充操作过程中所使用的诸如有机和无机化合物之类的非金属物质(例如，匀平剂、促进剂、抑制剂、表面活性剂，等等)的铜金属。用在本公开中的术语“硼酸盐”、“碳酸盐”、“柠檬酸盐”和“磷酸盐”不受限制地包括相应的共轭酸，本领域技术人员会理解这一点。例如，“硼酸盐缓冲剂”可包括硼酸盐和硼酸两者。
[0025]尽管电填充过程将主要参考铜的电镀进行描述，然而应该理解的是，本文提供的方法和相关的装置配置可以被用来执行诸如金、银、镍、钌、钯、锡、铅/锡合金等其它的金属和合金的电镀，电镀电解液将包括所需的金属离子(金属盐)源，并且通常地包含酸以提高电解液的导电性。
[0026]所述预处理过程可以在任何类型的籽晶层(例如，铜、镍、钌、钨等)上实施，但对于对酸敏感的籽晶层特别有用。这些对酸敏感的籽晶层包括含镍籽晶层，尤其是那些通过无电沉积而沉积的和/或具有除镍以外的其它元素(例如，约1%原子或更多的其它元素)的含镍籽晶层。这些含镍层的例子是NiB层和NiP层，其中，配方并不意味着50%的Ni的化学计量成分。在一些实施方式中，所述其它元素的含量(例如，NiB中的硼和NiP