专利名称：一种后端金属化工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制造电子器件的方法，具体地说，涉及在凹槽中填满铜的后端金属化工艺，其包括在凹槽表面上形成电镀基底以进行所述铜的后续电沉积的步骤。
然而，不利的是，当这种方法应用于具有很大的高宽比值的凹槽的晶片时，比如对于直径小于0.18微米的凹槽来说长宽比大于4，，会使电镀基底层的质量和完整性受到限制。电镀基底层往往被证明是不够厚或不够均匀。这种厚度和均匀性的变化妨碍了在后续的电沉积过程中凹槽被铜完全填满，因此在结构中会留有无铜的空洞。
国际专利申请WO-A-99/47731涉及一种金属镶嵌工艺，其中构成电镀基底的初始铜晶种层通过使用专用碱性溶液的电极沉积反应在后续步骤中加强。一旦达到预定的铜厚度，就进行其它的电镀步骤以填充产生的任何间隙。然而，这种已知工艺的不利之处在于不能用于具有常规厚度的初始铜晶种层，因为对于比较大的晶片，在后续的加强步骤中会由于遇到高薄层电阻值而产生不均匀性问题。此外，这种已知的工艺必须有电接触以实现所要求的表面改性，而且碱性电镀液的使用会引起大的pH值变化，反过来会对各工艺步骤之间的清洗提出十分严格的不受欢迎的要求。
根据本发明的一个特征，提供了一种上述类型的后端金属化工艺，其特点是，在电镀基底形成之后，在所述铜的电沉积之前，将一种可吸引到未被电镀基底覆盖的凹槽表面区域中的改性剂加入凹槽中，从而对所述表面区域进行改性以促进该表面上铜的电沉积。
本发明的优越性在于，这种工艺可应用于标准厚度乃至更小厚度的铜晶种层，而且，表面改性不需要电接触，并可以用酸性或中性的溶液来实现表面改性。这种工艺的优越性还在于是受到自身制约的，比如，经过一定的时间周期后，表面改性可以在设有凹槽的整个晶片实现均匀化。
所以本发明提供了一种比较简单的工艺，它不会引起大的pH值变化，而且可以使用已研制出来的现有溶液。比如，可以使用与现有金属镶嵌填充工艺中的标准酸性铜电镀槽相同或类似的酸性铜电镀槽。
所以应当知道，半导体晶片中的凹槽，如通孔和小孔，的侧壁表面可以在铜晶种层已经沉积之后进行改性。这种改性有助于增进后续的电镀铜横向生长，直至通孔或小孔的所有侧壁表面区域都被铜覆盖，因此就可以接着进行正常的电镀铜生长而不会出现上述带来问题的空洞。应用于未被铜晶种层覆盖的侧壁区域的工艺步骤当然也可以应用于已有铜晶种层的区域。
所述改性剂吸引在所述表面区域，可增强被改性表面的铜沉积电化学动力学性能。这尤其具有优越性，因为可以使铜的高横向生长速率得到增强。
同样地，所述改性剂吸引到所述表面，能够抵消电镀槽中有机添加剂的作用，从而有助于防止所述表面镀覆速率减小。这对于没有铜晶种层的侧壁表面区域上铜横向生长的增强具有优越性。
所述改性剂中包含金属纳米微粒。所述金属纳米微粒是由钯或钯/锡合金中至少一种构成。所述改性剂中包含功能硅烷，或含有氰化物基、胺基、或硫醇基的功能性。这些特征涉及到改性剂的优选形式，这与应用铜填充金属镶嵌工艺的基板层的标准成分有关。
所以可以认识到，本发明通过对凹槽侧壁表面的改性来促进电镀铜的横向生长。这种横向生长在平行于晶片表面的方向形成比垂直于晶片表面方向更高的生长速率，因此，在进行正常的凹槽填充步骤之前可通过所述横向生长首先修补不足的铜晶种层。
所述电子器件最好是一种半导体器件，集成电路就更好。在本实施例中，凹槽位于已经设有若干半导体元件如晶体管和二极管的半导体基板一侧。如所属技术领域的专业人员知道的，集成电路通常包含3至6个互连层。本发明中的通孔位于这些互连层之间以及互连层和各晶体管触点之间。或者，所述电子器件可以是一种包含若干无源元件如任何薄膜晶体管的薄膜器件。
在电沉积铜之前，先通过溅射在包含凹槽12表面的晶片10暴露表面上沉积一层铜的晶种层14。然而，对于这种长宽比值来说，这一工艺可能是不适宜的，因为凹槽侧壁不能被完全覆盖。这在
图1A中用标号为16的部分表示出来，凹槽12侧壁表面上的这一部分没有被铜晶种层14覆盖。如果，如图1B所示，进行铜的电沉积将电镀铜18填充到凹槽12中，那么应当知道在结构中会留有空洞20，这被证明是十分有害的，应该加以避免。
本发明的目的是要用一种比较简单和容易实现的方法来防止这种空洞的形成。
现在参见图2A-2C，图中示出了与图1A和1B中相应的基本晶片结构。然而，重要的是工艺步骤是不同的，如图2A所示，一种改性剂应用到晶片上，使得至少对凹槽12侧壁表面上的暴露面进行改性。如图2A中所示，还可以将改性剂应用到铜晶种层的表面上，但这对本发明来说并不是必需的。不过，应当认识到对因晶种层的质量比较差而出现的暴露表面区域进行改性是本发明的一个重要特征。
在所示实例中，实际上在引入铜晶种层之前先在凹槽12的侧壁表面上形成钽或氮化钽(TaN)等的阻挡层，并根据所示出的本发明实施例对其进行了改性。
可以认识到，这种改性有助于增进电镀铜层在上述改性的阻挡层上的横向生长。
这种表面改性要求改性剂被吸引在暴露表面，如上面所提到的阻挡层暴露表面16上。此外，这种改性对于提高铜沉积的电化学动力学性能是十分有利的，因而可以在限制铜的成核超电势的同时提高电子转移反应的速度。也就是说，在改性的阻挡层表面上的电流密度高于铜晶种层表面上的电流密度，因此，在金属镶嵌工艺中所普遍采用的恒定电流电镀状态下，电流会有利地向改性的阻挡层表面集中，从而实现上述所要求的横向生长。
在另一种可供选择的工艺中，表面改性剂的作用建立在电镀槽中通常能够发现的有机添加剂混合物的基础上，因为这种添加剂在给定电位下通过吸引在铜晶种层上减小铜镀覆速率。可以证明吸引在暴露表面22的表面改性剂比上述电镀浴添加剂能更加强烈地粘附到阻挡层材料上，因此镀覆速率的减小只在铜晶种层上发生，从而导致所要求的暴露凹槽表面上的相对横向生长。所以在电镀铜的初期阶段，改性的凹槽暴露表面22可以提供无铜表面区域22上的初始铜生长24，因此当如图2C中所示电镀铜26完成时，可以防止或至少限制空洞的形成。
有利的是，所述改性剂中可以包含金属纳米微粒如钯或钯/锡合金，或者也可以包含具有适当功能性的硅烷，如氰化物基、胺基或硫醇基的硅烷。因此，根据本发明的这一特征，可以使用带有某一功能基团如氰化物、胺、硫醇等以及三烷氧基团的硅烷，这些功能基团可确保硅烷适当地粘附到基底上。当然应该认识到这一类微粒并不限于硅烷，钛酸酯等其它微粒也可以使用。
所以应当认识到本发明提供了一种比较简单和适应性强的能有效修补初始铜晶种层的工艺，尤其是可以使因为大的长宽比而暴露的凹槽侧壁表面上具有足够厚度的铜晶种层。
但是应当认识到本发明并不受上述实例中细节的限制。比如，本工艺可以应用到任何一种适当的结构中，而不管是不是包含通孔或小孔等，此外，表面改性剂的选择并不限于上述种类，而是可以包括任何有助于吸引到凹槽暴露侧壁表面以增进那里铜初始生长的适当试剂。
权利要求
1. 一种用铜填满凹槽(12)来制造电子器件的方法，包括在所述凹槽(12)表面上形成电镀基底(14)以进行所述铜的后续电沉积的步骤，其特征在于，在所述电镀基底(14)形成之后，在所述铜的所述电沉积之前，将一种可吸引到未被所述电镀基底(14)覆盖的表面区域(16)的改性剂加入所述凹槽(12)中，从而对所述表面进行改性以促进所述表面的铜的电沉积。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述改性剂吸引在所述表面区域(16)，可增强被改性表面(22)的铜沉积电化学动力学性能。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述改性剂吸引到所述表面(16)，能够抵消电镀槽中有机添加剂的作用，从而有助于防止所述表面(16)镀覆速率减小。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的方法，其特征在于，所述改性剂中包含金属纳米微粒。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属纳米微粒是由钯或钯/锡合金中至少一种构成。
6.根据权利要求1至3中任何一项所述的方法，其特征在于，所述改性剂中包含功能硅烷。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述硅烷含有氰化物基、胺基、或硫醇基的功能性。
全文摘要
本发明公开了一种用铜填满凹槽的后端金属化工艺，其包括在凹槽表面上形成电镀基底以进行铜的后续电沉积的步骤，其中，在电镀基底形成后，在铜的电沉积之前，将一种可吸引到未被电镀基底覆盖的表面区域的改性剂加入凹槽中，从而对所述表面进行改性以促进该表面的铜的生长，因此可以在镀铜填充开始之前有效地修补初始电镀基底。
文档编号H05K3/38GK1460135SQ02801022
公开日2003年12月3日 申请日期2002年3月21日 优先权日2001年4月4日
发明者E·A·莫伊伦坎普, M·J·施雷弗斯 申请人:皇家菲利浦电子有限公司