微观特征中的种子层沉积制造技术

一种用于在工件的大致平坦表面内制造的微观孔特征的内表面进行电镀的方法及系统。该方法包括设置工件以具有屏障金属镀层，其大致在工件的平坦表面以及微观孔特征的内表面连续并均匀，其中通过大致表面反应限制处理来涂布屏障金属镀层。设置工件以在工件的平坦表面上具有厚金属层的镀层，其被锚定至屏障金属镀层，并且被布置以使得在整个工件上设置的微观特征具有大致均匀的导电性。在工件的周边为导电镀层设置电接触路径。将工件浸入化学浴，并且使得化学浴完全接触微观孔特征的内表面，化学浴包含适于电沉积的金属离子。在工件的周边施加电压，以使得金属离子电沉积至工件的全部表面上，全部表面包含在一个电沉积步骤中形成预定表面镀层的微观孔特征的内表面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术公开的实施例大致涉及用于流体处理工件的方法及设备，具体涉及用于在镀有高电阻率金属膜的工件的的微观凹入中沉积金属的方法及设备，更具体地涉及用于在贯通硅过孔(TSV)特征的内表面已经被涂布屏障金属之后利用铜来涂布该表面的方法及设备。
技术介绍
近来已经研发出贯通硅过孔(TSV)结构作为制造三维(3D)电子集成器件的方法。这些TSV结构必须在硅或其他衬底材料内的小孔内形成金属栓，其中典型孔尺寸具有约I至30微米的直径以及10至250微米的深度。为了制造TSV结构，首先在硅或衬底材料内蚀刻出孔，利用绝缘材料(例如，二氧化硅)来涂布孔，其随后被诸如钛、钽、或其氮化物(即氮化钛或氮化钽)的屏障材料覆盖，随后利用诸如铜的导电材料来填充孔。用于利用铜来填充TSV的常规方式是使用电镀，其利用各种方式中的一种来通过电镀优选地将铜沉积在所述孔底部，并且使得铜在过孔内部比硅衬底的平坦表面(或场)上沉积的更多，这就是公知的自下而上的铜镶嵌填充电镀处理方法。为了完成该常规方法，必须形成电镀种子层，以在其上生长电镀膜，通常种子层与电镀填充步骤材料是相同的材料，两者通常均为铜，并且常规通过物理汽相沉积(PVD)来形成铜电镀种子层。在较高高宽比TSV结构(相较于镶嵌结构)的情况下，使用PVD金属层的常规方法的难点在于物理汽相沉积金属在TSV孔的内表面上被镀上的极少，因此在那些区域内会形成不完整及不充足的屏障及种子金属层。因为PVD的弹道输运性质(ballistic transport nature),随着TSV的深度与直径比(即，高宽比)的增大，PVD的上述缺点更为明显，将在以下参考现有技术更详细地对此进行描述。为了实现三维IC制造的商业及可靠性的优点，制造具有较高深度对直径比的TSV孔是有利的，10或更高的高宽比更为有利。常规将金属层沉积在高高宽比TSV特征内的替代方法是原子层沉积(ALD)或化学汽相沉积(CVD)。ALD通过一系列表面限制反应一个原子层一个原子层地沉积金属膜，表面限制反应实际上不考虑表面的微观几何结构，因为提供了理论上理想的方式来涂布TSV内部特征以具有金属层，但是，ALD处理较缓慢，因此对于很多制造TSV应用而言在商业上不实用。CVD是公知的并且商业上可行的将TiN，TaN或W屏障金属沉积在高高宽比孔内的方式，但是，已经发现，因为金属有机前驱材料不稳定且价格昂贵，对于铜或其他种子层金属，其在商业上并不实用。诸如电化学沉积(ECD)以及无电金属沉积的常规湿式处理在商业化制造微观结构时也存在缺陷。在无电金属沉积的情况下，会因流体包含的反应物与催化剂在TSV内表面上发生反应而产生化学势。无电金属沉积要求一系列化学预处理，以在承载金属与种子金属反应物之间建立反应势(reactionpotential)，并且必须严格控制预处理的化学成份以及沉积化学浴，所有这些均会导致无电金属处理非常昂贵且难以操作。替代性的常规湿式处理方法，即常规E⑶，还存在其他导致不适用于制造的缺陷。例如，利用常规E⑶方式来将种子金属沉积在镀有高阻抗屏障金属(例如，具有10至lOOohms/square的阻抗的TiN)的衬底的TSV特征的内表面上的非常大的难点在于，随着电流从衬底周边流向衬底中心，在屏障金属内会出现较大的径向电压降，该较大的电压降会导致衬底的边缘与中心区域之间产生不希望的可用驱动电势的差异。在衬底的边缘形成至衬底的电接触，并且电路经由屏障金属而进入电化学浴而完成。随后高阻抗金属层导致从衬底的边缘至中心的较大的电压降。美国专利公开号2005/0199502以及美国申请号11/123，117提出了克服常规ECD的上述缺陷的常规方式，其中提供了一种方法，使得通过使用化学添加剂来从衬底边缘开始向衬底中心进行沉积，以阻止在铜种子金属上的进一步沉积，由此在使用沉积铜作为前导电层的同时，在屏障金属的未被覆盖区域上实现优选沉积。这种方法存在的潜在困难在于，要对适当范围内的化学添加剂浓度进行控制以在屏障金属与铜金属表面之间产生充分的核电势(nucleation potential)。因此，已经证实常规方法及设备并不足以制造TSV结构。附图说明除了其他优点，上述技术的优点还可通过结合附图参考以下详细描述来更好的理解。在图中，类似的参考标号被用来表示不同视图中相同的部分。附图并非依比例绘制，对特定部分进行了强调以说明本专利技术的原理。图1A-1C示出了在常规制造的不同阶段的微观特征的横截面视图；图2示出了标准化过电压，作为晶片或工件上的位置的函数；图3示出了本申请公开实施例的横截面视图；图4是本申请公开实施例的流程图；图5是适于在本申请公开实施例中使用的电镀处理单元的示意图；图6示出了在具有不同阻抗的TiN屏障上直接镀的Cu的阻抗情况，其中不仅难以控制整体均匀性，而且还总是存在中心与边缘差异，这在较高屏障阻抗位置尤其严重。图7是照片，示出了对裸屏障晶片上的镀Cu进行拉带测试(tape pull test)的结构，拉带测试在假定常规方式的中心至边缘过电势变化的情况下被应用以检测附着性(仅晶片的一部分可被优化实现良好的附着性，在此情况下仅是中心区域，或者晶片边缘区域，而非整个晶片)；图8(a)是照片，示出了不存在导电Cu PVD层而被填充的过孔(核未能达到过孔底部)，而图8 (b)是另一照片，示出了利用根据示例性实施例的系统及处理流程而被填充的过孔，在此情况下使用了根据本申请公开实施例而形成的导电Cu PVD层，并且其中可在整个过孔内观察到固体填充物，由此印证存在良好的Cu核。具体实施例方式尽管将参考图中所示的实施例来描述本专利技术，但应当理解，本专利技术可以实施例的各种替代形式来实现。此外，可以使用任何合适的尺寸、形状或类型的元件或材料。湿式处理是用于将反应物传送至TSV结构的内表面的可行方式，因为在此特征尺度的流体传送主要经由扩散，因此相较于PVD，很少受到高高宽比几何结构的限制。为了影响对TSV结构的湿式处理，希望提供一种用于使内部TSV结构完全湿润的方式，换言之，提供一种方式，用屏障金属/流体界面替换屏障金属/空气界面，并且由Keigler在美国专利申请号61/151，385中描述了此方法及设备的优选实施例，在此通过引用将其全部内容包含于本说明书中。在流体与内部TSV表面的所有元件完全接触之后，能够经由扩散传送将反应物传送至这些表面。此外，通过提供合适的电驱动电势，能够形成电化学反应，并且将流体内的反应物传送进入TSV内表面上的金属沉积层金属中。但是，如上所述，利用常规E⑶方式来将种子金属沉积在镀有高阻抗屏障金属(例如，具有10至lOOohms/square的阻抗的TiN)的衬底的TSV特征的内表面上的非常大的难点在于，随着电流从衬底周边流向衬底中心，在屏障金属内会出现较大的径向电压降。该较大的电压降会导致衬底的边缘与中心区域之间产生不希望的可用驱动电势的差异。如下所述，本申请公开的实施例克服了常规沉积方式的这些缺陷，以在TSV内表面上局部提供充足的电势，以实现合适的金属电沉积，以局部形成电镀种子层。如下所述，为了后续填充TSV结构，要使用的种子或导电层的希望特性是，该层被充分好地附着至衬底的平坦表面，以在TSV填充处理过程中承受于平坦表面上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，用于对在工件的大致平坦表面内制造的微观孔特征的内表面进行电镀的方法，所述方法包括：设置工件以具有屏障金属镀层，该屏障金属镀层在工件的所述平坦表面以及所述微观孔特征的所述内表面大致连续并均匀，其中通过大致表面反应限制处理来涂布所述屏障金属镀层；设置所述工件以在所述工件的所述平坦表面上具有厚金属层的镀层，该厚金属层被锚定至所述屏障金属镀层，并且被布置以使得在整个所述工件上设置的所述微观特征具有大致均匀的导电性；在所述工件的周边为导电镀层设置电接触路径；将所述工件浸入化学浴，并且使得所述化学浴完全接触所述微观孔特征的所述内表面，所述化学浴包含适于电沉积的金属离子；以及在所述工件的所述周边施加电压，以使得金属离子电沉积至所述工件的全部表面上，包括在一个电沉积步骤中形成预定表面镀层的所述微观孔特征的所述内表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·L·古德曼，亚瑟·柯格勒，约翰内斯·邱，刘震球，
申请(专利权)人：东京毅力科创尼克斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US