电镀铜的方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104120473 A (43)申请公布日 2014.10.29 CN 104120473 A (21)申请号 201310145100.9 (22)申请日 2013.04.24 C25D 7/12(2006.01) C25D 5/04(2006.01) H01L 21/768(2006.01) (71)申请人 中芯国际集成电路制造 （上海） 有限 公司 地址 201203 上海市浦东新区张江路 18 号 (72)发明人 李广宁 (74)专利代理机构 北京德琦知识产权代理有限 公司 11018 代理人 牛峥 王丽琴 (54) 发明名称 电镀铜的方法 (57) 摘要 本。

2、发明提供了一种电镀铜的方法， 应用于半 导体制造工序中， 将电镀铜过程分为三个阶段， 第 一电镀阶段中的晶圆转速均高于第二和第三电镀 阶段的晶圆转速， 且第三电镀阶段的晶圆转速高 于第二电镀阶段的晶圆转速。采用本发明能够提 高铜电镀层的性能。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104120473 A CN 104120473 A 1/1 页 2 1. 一种电镀铜的方法， 应用于半导体制造工序中， 其特征在于， 将电镀铜过程分为三个 。

3、阶段， 第一电镀阶段中的晶圆转速高于第二和第三电镀阶段的晶圆转速， 且第三电镀阶段 的晶圆转速高于第二电镀阶段的晶圆转速。 2. 如权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 在第一电镀阶段中， 晶圆的转速为 50 300rpm ； 在第二电镀阶段中， 晶圆的转速为 0 1rpm ； 在第三电镀阶段中， 晶圆的转速 5 30rpm。 3. 如权利要求 2 所述的方法， 其特征在于， 在第一电镀阶段中， 晶圆的转速为 124 126rpm ； 在第二电镀阶段中， 晶圆的转速为 0rpm ； 在第三电镀阶段中， 晶圆的转速 10 12rpm。 4. 如权利要求 1、 2 或 3 所述的方法， 其特征。

4、在于， 所述第一电镀阶段的时间为 10 15 秒。 5. 如权利要求 1、 2 或 3 所述的方法， 其特征在于， 所述第二电镀阶段的时间为 2 10 秒。 6. 如权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 所述电镀铜过程在测试晶圆上进行， 所述测 试晶圆上预先依次形成有氧化硅基底层、 阻挡层和铜种子层。 7. 如权利要求 6 所述的方法， 其特征在于， 该方法进一步包括 ： 将在电镀过程中形成的 铜电镀层进行原位热处理的步骤。 权 利 要 求 书 CN 104120473 A 2 1/4 页 3 电镀铜的方法 技术领域 0001 本发明涉及半导体器件制造技术， 特别涉及一种电镀铜的方法。 背。

5、景技术 0002 目前， 在半导体器件的后段 （back-end-of-line， BEOL） 工艺中， 可根据不同需要在 半导体衬底上生长多层金属互连层， 每层金属互连层包括金属互连线和绝缘层， 这就需要 对上述绝缘层制造沟槽 （trench） 和连接孔， 然后在上述沟槽和连接孔内填充金属， 填充的 金属即为金属互连线， 一般选用铜作为金属互连线材料。 0003 现有技术形成金属互连线的方法包括以下步骤 ： 0004 步骤 11、 通过物理气相沉积 （PVD） 方法， 在沟槽的底部和侧壁上、 连接孔的底部和 侧壁上， 溅射形成阻挡层， 例如由氮化钽 （TaN） 和钽 （Ta） 构成的叠层阻挡。

6、层。上述由 TaN 和 Ta 构成的叠层阻挡层， 只是其中一种具体实施例， 显然， 还有多种形成阻挡膜的实现方法。 0005 步骤 12， 在阻挡层的表面， 通过溅射的方法形成铜种子层 （seed layer） 。 0006 步骤 13， 通过电化学电镀 （Electrical Chemical Plating， ECP） 的方法在铜种子 层的表面形成铜电镀层。详细地， 如图 1 所示， 图 1 为电镀设备示意图。将形成有铜种子层 的晶圆， 置入电镀设备的包含有铜离子的电镀液中， 一般为硫酸铜 （CuSO4） 等， 然后将晶圆 接阴极， 电镀液接阳极， 并在阴极和阳极之间通电， 在电场作用下，。

7、 铜种子层的表面， 即沟槽 和连接孔的内部， 就形成了铜电镀层。 0007 步骤 14， 对铜电镀层进行原位热处理。 0008 现有技术步骤 13 中电镀过程通电之后， 晶圆的转速始终保持在 125 转每分钟 （rpm） ， 为了很好地控制铜电镀层的方块电阻 （Rs） 均匀性， 通过人工调整晶圆到电镀设备槽 底部的距离来改善， 距离越近， Rs 均匀性越高。但是由于硬件位置的设定， 这样调整的空间 并不大， 同时也需要避免调整过度， 对硬件可能造成的磨损伤害。 所以如何提高铜电镀层的 性能， 成为目前需要解决的问题。 发明内容 0009 有鉴于此， 本发明解决的技术问题是 ： 如何提高铜电镀层。

8、的性能。 0010 为解决上述技术问题， 本发明的技术方案具体是这样实现的 ： 0011 一种电镀铜的方法， 应用于半导体制造工序中， 将电镀铜过程分为三个阶段， 第一 电镀阶段中的晶圆转速高于第二和第三电镀阶段的晶圆转速， 且第三电镀阶段的晶圆转速 高于第二电镀阶段的晶圆转速。 0012 在第一电镀阶段中， 晶圆的转速为 50 300rpm ； 0013 在第二电镀阶段中， 晶圆的转速为 0 1rpm ； 0014 在第三电镀阶段中， 晶圆的转速 5 30rpm。 0015 在第一电镀阶段中， 晶圆的转速为 124 126rpm ； 0016 在第二电镀阶段中， 晶圆的转速为 0rpm ； 。

9、说 明 书 CN 104120473 A 3 2/4 页 4 0017 在第三电镀阶段中， 晶圆的转速 10 12rpm。 0018 所述第一电镀阶段的时间为 10 15 秒。 0019 所述第二电镀阶段的时间为 2 10 秒。 0020 所述电镀铜过程在测试晶圆上进行， 所述测试晶圆上预先依次形成有氧化硅基底 层、 阻挡层和铜种子层。 0021 该方法进一步包括 ： 将在电镀过程中形成的铜电镀层进行原位热处理的步骤。 0022 由上述的技术方案可见， 本发明实施例将电镀铜过程分为三个阶段进行， 第二和 第三阶段采用较低的晶圆转速， 保持电镀液与晶圆间溶液界面层的厚度较厚， 减少了铜电 镀层内。

10、杂质的含量， 从而有效提高铜电镀层方块电阻均匀性， 有效减小铜电镀层内应力， 有 效降低晶圆表面凹陷缺陷 （pitsdefect） 的数量， 最终达到提高铜电镀层性能的目的。 附图说明 0023 图 1 为电镀设备示意图。 0024 图 2 为本发明实施例提高铜电镀层性能的方法流程示意图。 具体实施方式 0025 为使本发明的目的、 技术方案、 及优点更加清楚明白， 以下参照附图并举实施例， 对本发明进一步详细说明。 0026 本发明利用示意图进行了详细描述， 在详述本发明实施例时， 为了便于说明， 表示 结构的示意图会不依一般比例作局部放大， 不应以此作为对本发明的限定， 此外， 在实际的 。

11、制作中， 应包含长度、 宽度及深度的三维空间尺寸。 0027 现有技术中所述的铜电镀层形成在产品晶圆上， 为了测试铜电镀层的性能， 本发 明实施例提高铜电镀层性能的方法， 一般在测试晶圆上进行， 流程示意图如图 2 所示， 其包 括以下步骤 ： 0028 步骤 21、 在测试晶圆上形成氧化硅基底层。 0029 其中， 氧化硅基底层采用化学气相沉积方法形成， 厚度为 8000 9000 埃。 0030 步骤 22、 在氧化硅基底层表面形成阻挡层。 0031 其中， 阻挡层采用物理气相沉积方法形成， 厚度为 200 300 埃， 可以为氮化钽 （TaN） 层或者钽 （Ta） 层， 或者 TaN 和。

12、 Ta 构成的叠层阻挡层。 0032 步骤 23、 在阻挡层的表面形成铜种子层。 0033 其中， 铜种子层通过物理气相沉积方法溅射形成， 厚度为 900 1000 埃。 0034 步骤 24、 通过 ECP 的方法分三个阶段在铜种子层表面形成铜电镀层。 0035 其中， 铜电镀层的厚度为 7000 8000 埃。具体形成方法为， 将形成有铜种子层的 晶圆， 置入电镀设备的包含有铜离子的电镀液中， 一般为硫酸铜等， 然后将晶圆接阴极， 电 镀液接阳极， 并在阴极和阳极之间通电， 在电场作用下， 铜种子层的表面， 就形成了铜电镀 层。 0036 本发明实施例铜电镀层分为三个阶段形成， 其中第一电。

13、镀阶段中的晶圆转速均远 高于第二和第三电镀阶段的晶圆转速， 且第三电镀阶段的晶圆转速略高于第二电镀阶段的 晶圆转速。具体地 ： 说 明 书 CN 104120473 A 4 3/4 页 5 0037 在第一电镀阶段中， 即通电电流的起始阶段， 电流为 0.5 2 安培， 使晶圆高速运 转， 晶圆的转速为 50 300 转每分钟 （rpm） ， 电镀时间为 10 15 秒 ； 该电镀阶段中， 优选 地， 晶圆的转速为 124 126rpm ； 0038 在第二电镀阶段中， 即通电电流的稳定阶段， 电流为 2 4 安培， 将晶圆的转速降 低为 0 1rpm， 电镀时间为 2 10 秒 ； 该电镀阶。

14、段中， 优选地， 晶圆的转速为 0rpm ； 0039 在第三电镀阶段中， 即大电流的正式电镀阶段， 电流为 15 20 安培， 采用晶圆的 转速为 5 30rpm， 由于该阶段为正式电镀阶段， 电镀层的厚度主要在该阶段形成， 所以该 阶段的电镀时间可以根据要形成的铜电镀层的厚度灵活调整。 该电镀阶段中， 优选地， 晶圆 的转速为 10 12rpm。 0040 本发明关键在于将电镀铜过程分为三个阶段进行， 且第二和第三阶段的晶圆转速 都比较低， 其中， 第二电镀阶段中将晶圆的转速降为 0rpm， 目的是为了在大电流的正式电镀 之前能够尽可能地增加溶液界面层的厚度以及晶圆与溶液界面层反应的时间和。

15、面积， 然后 在大电流电镀的第三阶段， 继续采用低转速 10 12rpm， 这样的话仍然保持了第二阶段相 对稳定的溶液界面层条件。 0041 下面详细说明溶液界面层的厚度与铜电镀层性能之间的关系。 0042 电镀时 CuSO4电镀液从电镀设备的底部进入电镀槽中， 充斥整个电镀槽 , 当电镀 液与晶圆接触时形成层流， 层流的存在导致了电镀液与晶圆间界面层的产生。 在界面层内， 有机添加剂 （Additives） 主要以扩散 （diffusion） 的方式运动。而晶圆的旋转速度会影响 晶圆与溶液界面层厚度的大小， 进而影响有机添加剂的扩散运动。 其中， 有机添加剂是在电 镀溶液中加入的， 如果铜电。

16、镀层中含有的有机添加剂越多， 则意味着铜电镀层中的杂质越 多。 0043 公式 ： =1.61-1/2r1/6D1/3， 其中， 为溶液界面层的厚度 ； 为晶圆的旋转速度 ； r 为粘性系数， 与电镀设备的结构有关 ； D 为扩散常数， 与电镀温度有关。 0044 根据上述公式可知， 在电镀温度 （影响 D） 及电镀设备结构 （影响 r） 一定的条件下， 晶圆在电镀过程中的旋转速度直接决定了溶液界面层的厚度。晶圆旋转速度越快， 溶液界 面层越薄 ； 反之， 晶圆旋转速度越小， 溶液界面层越厚， 有机添加剂越不容易扩散到晶圆的 表面， 参与晶圆表面反应被生长到晶圆表面的有机添加剂越少， 晶圆表面。

17、的杂质也就越少， 所以电阻率也就越小。 0045 另一方面， 对于内应力而言， 当晶圆的旋转速度越小时， 进入铜电镀晶格的有机杂 质越少， 有机杂质对晶格的运动有钉扎的作用。晶粒会在杂质钉扎的部位产生较大的内应 力， 杂质越多， 内应力越大， 最终从在宏观应力上表现出来， 即转速越高， 内应力越大， 转速 越低， 内应力越小。 0046 再者， 在高转速的情况下， 有较多的有机杂质进入晶格， 限制了晶粒的生长， 使得 热处理前， 高转速的电镀的晶粒较低转速的小。在后续的热处理 （anneal） 过程中， 晶粒会 慢慢张大， 互相吞并， 进行二次再结晶， 最终长大成为较大晶粒。 而在晶粒长大、 。

18、相互吞并的 阶段， 晶格的总体积减少， 从而会在某些区域会有空位 （Void） 的产生。初始晶粒越小， 生长 成大晶粒时， 产生的空位就会越多。在高温下， 内应力会推动空位在晶界聚集， 最终在晶圆 表面形成pits defect。 而在低转速的条件下， 晶界上杂质较少， 对晶界的钉扎作用也较少， 晶粒较大， 在后续的热处理过程中， 晶格总体积变化小， 留下的空位较少， 从而降低了 pits 说 明 书 CN 104120473 A 5 4/4 页 6 defect 的产生。 0047 所以， 在第二和第三电镀阶段， 采用较低的晶圆转速， 有效地提高了铜电镀层的性 能。 0048 步骤 25、 。

19、对铜电镀层进行原位热处理， 热处理温度约为 200 摄氏度。 0049 至此， 完成了本发明提高铜电镀层性能的方法。 0050 本发明优选实施例以第一电镀阶段中， 晶圆的转速为 125rpm ； 第二电镀阶段中， 晶圆的转速为 0rpm ； 第三电镀阶段中， 晶圆的转速为 12rpm 为例， 在测试晶圆上形成铜电镀 层后， 对晶圆进行电性测试， 并采用扫描电子显微镜观测表面缺陷的形态， 从而发现， 采用 本发明的电镀铜的方法， 铜电镀层的内应力显著下降， 由现有技术的 400 兆帕 （MPa） 下降为 340MPa ； 方块电阻均匀性明显提高， 由现有技术的 2.3 下降为 1.2， 均匀性越。

20、高， 该值越低 ； 而且扫描获得的 pits defect 数量也大大减少。另一方面， 通过本发明的方法， 已经大大提 高了铜电镀层的方块电阻均匀性， 所以在产品使用一段时间后， 在临近预防性保养 （PM） 之 前， 微调晶圆与电镀设备槽底部之间的距离， 就可以实现方块电阻均匀性的显著提高。 0051 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精 神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明保护的范围之内。 说 明 书 CN 104120473 A 6 1/2 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 104120473 A 7 2/2 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 104120473 A 8 。