用于将铜电沉积到硅通孔内的镍和钴衬垫的预处理制造技术

本发明专利技术涉及用于将铜电沉积到硅通孔内的镍和钴衬垫的预处理。在将铜电沉积到含镍和/或含钴籽晶层上之前，通过使所述籽晶层与预润湿液体接触而对半导体晶片进行预处理，所述预润湿液体包含浓度为至少约10克/升，优选至少约30克/升的铜离子，和电镀抑制剂，例如聚亚烷基二醇类化合物。这种预处理对于具有一个或多个大型凹陷特征(例如穿硅通孔(TSV))的晶片是特别有用的。预润湿液体优选在与晶片衬底接触前脱气。预处理优选在低于大气压的压强下进行以防止在特征中气泡的形成。在对晶片进行预处理后，从电镀溶液(例如酸性电镀溶液)电镀铜以填充晶片上的凹陷特征。所描述的预处理最小化电镀期间籽晶层的腐蚀，并减少电镀缺陷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术所公开的实施方式涉及用于电镀的预处理方法。更具体地，这些实施方式涉及在将导电材料电沉积到用于集成电路制造的半导体晶片上之前处理该晶片的预润湿方法。
技术介绍
在集成电路的制造中，导电材料(例如铜)通常通过电镀沉积到金属的籽晶层上以填充晶片衬底上的一个或多个凹陷特征。电镀是一种选择的用于在镶嵌处理期间沉积金属到晶片的通孔和沟槽内的方法，并且还用于填充穿硅通孔(TSV)，穿硅通孔(TSV)是在3D集成电路和3D封装中使用的相对较大的垂直电连接。在电镀期间，给所述籽晶层(通常在晶片的周边)制造电触点，且晶片通常电偏置以用作阴极。使晶片与电镀溶液接触，该溶液中包含待镀覆的金属离子以及通常包含向电镀溶液提供足够的导电性的酸。例如，用于电沉积铜的典型的电镀溶液是含有硫酸铜和硫酸或甲磺酸铜和甲磺酸的酸性溶液。铜电镀溶液也可含有有机添加剂，包含被称为促进剂、抑制剂、以及调节衬底的不同的表面上的电沉积速率的调匀剂的添加剂类。这些电镀溶液通常具有小于约1的pH值。电镀通常进行足以用金属将凹陷特征填充的时间量。然后，沉积在晶片的场区域上的不需要的金属在平坦化操作中被去除，例如通过化学机械抛光(CMP)去除。
技术实现思路
电镀过程中所遇到的一个问题是，由于籽晶层的损坏和/或由于在电镀开始在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
内的空隙和缺陷的形成。例如，某些籽晶层对电镀溶液的酸性环境敏感并可能受到腐蚀。这些对酸敏感的籽晶层包含含镍的层，诸如NiB和NiP层以及含钴层。然而，在许多应用中，含镍籽晶层是优选的籽晶层，因为它们可以通过无电沉积以高度共形方式沉积，该高度共形方式相比于通常用于沉积铜较不共形的物理气相沉积(PVD)是有利的。尽管铜也可通过无电沉积来沉积，但发现通过该方法沉积的铜对扩散阻挡层(例如W和/或WN扩散阻挡层)具有较差的粘合性，该扩散阻挡层作为衬底的衬垫并且在其上沉积籽晶层。相反，由电沉积形成的镍层对于这样的扩散阻挡层有良好的粘附性。镍层可以充当中间层，其既作为扩散阻挡层(防止铜扩散到硅和/或氧化硅内)，又作为粘结层，并作为提供充分的用于电镀的导电性到晶片表面的籽晶层。本文所讨论的镍层和钴层将被称为籽晶层(或衬垫层)，但应理解，除了在晶片表面为电镀提供所需的导电性外，它们还可以用于一个或多个附加功能。本文所讨论的镍层和钴层通常可利用各种方法(包含但不限于无电沉积)进行沉积。例如，含镍籽晶层可以通过PVD或化学气相沉积(CVD)工艺来沉积。在优选的实施方式中的一个中，镍层是用无电镀工艺利用含有硼烷还原剂(如二甲胺硼烷(DMAB)和镍盐的无电电镀溶液沉积的，从而导致含有硼的原子百分比至少为百分之一的镍籽晶层膜的形成。本文所描述的实施方式提供一种用于电镀之前处理具有含镍和/或含钴籽晶层的半导体晶片的晶片预处理方法和装置。所提供的方法能够显著减少对籽晶层的损坏，并使得对小型和大型凹陷特征(包含镶嵌凹陷特征和TSV)都能进行无空隙电填充。该方法对于电沉积来自酸性电镀液的铜之前预处理晶片是特别有用的，而且也可以用于在电沉积来自中性和碱性电镀液的铜之前预处理晶片。意外地发现，用在预处理液体中具有高浓度的铜(Cu2+)离子处理含镍层导致这些层的钝化以防腐蚀。电镀抑制剂(如聚亚烷基二醇类化合物)向预处理液体的添加与该钝化协同作用，并进一步降低在随后的电镀过程中空隙的形成。在本专利技术的第一个方面，提供了一种在包含一个或多个凹陷特征(例如TSV)的晶片衬底上电镀铜的方法。所述方法包含：(a)提供晶片衬底，在该晶片衬底的表面的至少一部分上具有暴露的含镍和/或暴露的含钴籽晶
层；(b)使所述晶片衬底与预润湿液体接触，以预润湿所述晶片衬底上的籽晶层，所述预润湿液体包含电镀抑制剂和浓度为至少约10克/升(例如至少约30克/升)的铜(Cu2+)离子；以及(c)电沉积铜到所述籽晶层上，其中所电沉积的铜至少部分地填充所述一个或多个凹陷特征。本文所提供的实施方式可以用于预处理含镍(例如，NiB和NiP)层和含钴层(例如，钴和钨的合金)。所述方法对于使用酸性电镀溶液电沉积铜之前预处理所述籽晶层是特别有用的。在一个优选的实施方式中，使衬底与预润湿液体接触的步骤可以使用含有电镀抑制剂和浓度为至少约10克/升的铜(Cu2+)离子的单一预润湿液体执行。在其它实施方案中，使衬底与预润湿液体接触的步骤可以包含两个子步骤：在第一子步骤中，衬底与含有浓度为至少约10克/升的铜离子的第一预润湿液体接触，而在第二步骤中，衬底与含有电镀抑制剂的第二预润湿液体接触，其中第一预润湿液体和第二预润湿液体的组成可以是不同的(例如，第一预润湿液体可以不含抑制剂；而第二预润湿液体可以不含铜离子)。在另一个实施方式中，这些子步骤的次序可以颠倒，即，在第一子步骤中，衬底可以由包含抑制剂的第一预润湿液体接触，接着在第二子步骤中，衬底由含有浓度为至少约10克/升的铜离子的第二预润湿液体接触。如上所述的用单个预润湿液体与用两个不同的预润湿液体的处理都落在使衬底与含有电镀抑制剂和浓度为至少约10克/升的铜(Cu2+)离子的预润湿液体接触的范围内。在一些实施方式中，使预润湿液体在与晶片接触之前脱气，并且所述预处理优选在低于大气压的压强下进行以消除在凹陷特征内形成气泡的可能性。所述预润湿液体优选包含相对高浓度的电镀抑制剂，例如，浓度为至少约50ppm的电镀抑制剂。电镀抑制器可以是例如聚亚烷基二醇类化合物。在一些实施方式中，所述抑制剂是含有氨基的聚亚烷基二醇类化合物。由于抑制剂是用于形成TSV和镶嵌结构的有效的铜电镀浴溶液中的共同部分，因此，在一些实施方式中，在预润湿液体中使用的抑制剂与在随后的铜电镀工艺电镀液中所使用的抑制剂是相同的化合物。在一些实施方式中，在预润湿液体中的电镀抑制剂的浓度等于或大于在电镀溶液中的电镀抑制剂的
浓度。通常，预润湿液体的pH可以是酸性的、中性的或碱性的。在一些实施方式中，预润湿液体的pH是酸性的。在一些实施方式中，pH值小于约2。预润湿液体可包含酸，如硫酸、甲磺酸及其混合物。优选选择在预处理液体和电镀溶液中铜离子的浓度，以使在预处理液体中铜离子的浓度等于或大于用于电镀铜的电镀溶液中的铜离子的浓度。除了电镀抑制剂和高浓度的铜离子外，所述预处理液体可以包含从由卤化物(例如，氯化物或溴化物)、电镀促进剂、电镀调匀剂以及它们的组合物组成的组中选择的一种或多种额外的添加剂。在一些实施方式中，用于电镀铜的预润湿液体和电镀溶液具有相同的组成。在一个实施例中，该方法涉及使含镍籽晶层与含有酸、浓度为至少约30g/L的铜离子、浓度为至少约50ppm的电镀抑制剂的预润湿液体接触，其中所述电镀抑制剂是聚亚烷基二醇类化合物。本文所提供的方法可以集成到涉及光刻图案化的工艺中。在一些实施方式中，所述方法还包含：将光致抗蚀剂施加到所述晶片衬底；使所述光致抗蚀剂曝露于光；图案化所述光致抗蚀剂并将所述图案转印到所述晶片衬底；以及从所述晶片衬底选择性地去除所述光致抗蚀剂。在本专利技术的另一方面，提供了一种用于在包含一个或多个凹陷特征的晶片衬底上的暴露的含镍籽晶层和/或暴露的含钴籽晶层上电镀铜的装置，所述装置包含：(a)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在包含一个或多个凹陷特征的晶片衬底上电镀铜的方法，所述方法包含：(a)提供晶片衬底，在该晶片衬底的表面的至少一部分上具有暴露的含镍和/或暴露的含钴籽晶层；(b)使所述晶片衬底与预润湿液体接触，以预润湿所述晶片衬底上的所述籽晶层，所述预润湿液体包含电镀抑制剂和浓度为至少约10克/升的铜(Cu2+)离子；以及(c)电沉积铜到所述籽晶层上，其中所电沉积的铜至少部分地填充所述一个或多个凹陷特征。

【技术特征摘要】
2015.03.04 US 14/638,7501.一种在包含一个或多个凹陷特征的晶片衬底上电镀铜的方法，所述方法包含：(a)提供晶片衬底，在该晶片衬底的表面的至少一部分上具有暴露的含镍和/或暴露的含钴籽晶层；(b)使所述晶片衬底与预润湿液体接触，以预润湿所述晶片衬底上的所述籽晶层，所述预润湿液体包含电镀抑制剂和浓度为至少约10克/升的铜(Cu2+)离子；以及(c)电沉积铜到所述籽晶层上，其中所电沉积的铜至少部分地填充所述一个或多个凹陷特征。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述籽晶层是含镍层。3.根据权利要求1所述的方法，其中(c)包含使用酸性电镀溶液电沉积铜到所述籽晶层上。4.根据权利要求1所述的方法，其中在(b)中在低于大气压的压强下，使所述晶片衬底与所述预润湿液体接触。5.根据权利要求2所述的方法，其中所述预润湿液体包含浓度为至少约30克/升的铜(Cu2+)离子。6.根据权利要求2所述的方法，其中所述电镀抑制剂的浓度为至少约50ppm。7.根据权利要求2所述的方法，其中所述电镀抑制剂是聚亚烷基二醇类化合物。8.根据权利要求2所述的方法，其中所述电镀抑制剂是含氨基的聚亚烷基二醇类化合物。9.根据权利要求2所述的方法，其中所述预润湿液体的pH值低于约2。10.根据权利要求2所述的方法，其进一步包含使所述预润湿液体在接触所述晶片衬底之前脱气。11.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述预润湿液体中的铜离子的浓度等于或大于在(c)中用于电镀铜的电镀溶液中的铜离子的浓度。12.根据权利要求2所述的方法，其中，所述预润湿液体与在(c)中用于电镀铜的电镀溶液具...

【专利技术属性】
技术研发人员：马修·S·托里姆，史蒂文·T·迈耶，
申请(专利权)人：朗姆研究公司，
类型：发明
国别省市：美国;US