[发明专利]用于半导体硅片上深孔均匀金属互连的方法与装置

说明书

技术领域

本发明一般而言涉及一种电解液中在半导体硅片上进行金属互连的方法与装置。更确切地说，是将一种超声波或兆声波装置应用于一种金属互连装置，从而实现在电解液中超均匀沉积金属薄膜，膜沉积速率与传统方法相比有显著提高。

背景技术

在超大规模集成电路制造中，采用在超薄的大抗阻籽晶层上电化学沉积一层金属膜层来形成电导线路，该沉积通常是在电解液环境中进行。这种沉积工艺可填充通孔结构，沟槽结构或两种结构的混合结构。当这些结构被填充时，铜连续地沉积并在半导体晶片表面上形成一层膜。最终形成的铜膜均匀度至关重要，因为后续用来去除多余铜的工艺步骤(通常是平坦化步骤CMP)要求铜膜有很高的均匀度，从而使最终产出的器件与器件之间获得相同的电性能。

目前，通过电解液进行金属互连也被应用于填充TSV(Through Silicon Via硅通孔技术)，从而在3-D的晶圆和晶圆之间制作垂直导通。在TSV应用中，孔口直径为数个微米或更大，孔深为数百微米，TSV尺寸要比采用典型的双大马士革工艺的尺寸大几个数量级。在如此高的纵宽比，且深度接近于硅片自身厚度的孔中，采用TSV技术形成金属互连成为一个难题。用于典型双大马士革工艺的金属互连系统的沉积速率较低，通常只有数千埃每分钟，无法满足TSV制造的效率。

为实现深孔中无孔隙，并且由底部至上的填孔，在电解液中加入多种有机添加剂来控制局部沉积速率。在沉积过程中，这些有机添加剂组分常常分解为副产物，对金属互连工艺产生不良影响。分解的产物聚集在电镀液中并且降低了填充的性能。如果这些产物作为杂质结合到电镀膜中，它们会成为孔穴的形核核心，使得器件的可靠性失效。因此，在沉积工艺中，需要提高深孔附近的化学交换速率，加快新鲜活性成分的补充和分解后副产物的移除。

此外，由于深孔具有高纵宽比，电解液从孔口流过，在孔内产生涡流。对流难以在电解液流体与涡流内进行，新鲜的化合物与分解后副产物在电解液主流体与孔隙底部的传输主要以扩散方式进行。对于诸如TSV的深孔，则具有更长的扩散路径，进一步限制了化合物交换。并且，在TSV的长路径中缓慢的扩散过程阻碍了沉积速率的提高，而生产制造常常需要采用高沉积速率来降低成本。

在由质量传递控制的电化学方法中，最大沉积速率与极限电流密度相关，在一定电解液浓度条件下，极限电流密度与扩散二重层厚度成反比。扩散二重层厚度越低，极限电流密度越高，沉积速率就可能越高。目前已揭示许多用于加强液体搅动从而降低扩散二得层厚度的方法。

US专利7,445,697和WIPO专利WO/2005/042804揭示了一种加强液体搅动的方法，在硅片表面所需位置，振动一系列称为剪切板的桨板。它的权利要求阐述了通过该方法可将扩散二重层厚度降至10微米。

另一种加强液体搅动的方法采用超声波搅拌，该方法已被诸多专利所揭示，如美国专利US 6,398,937和US 5,965,043。它常被应用于许多电化学金属互连工艺，包括印刷电路板(PCB)与晶圆制造。由于超声搅拌下进行铜金属互连对TSV的应用有很大作用，目前已被特别关注。(“超声搅拌对SOI三维集成中盲孔镀铜的作用”，Chen，Q等，Microelectronic Engineering，Vol 87(3)，Pages 527-531，2010)

虽然超声波搅拌可在反应表面附近形成声流层，并且产生局部气穴内破裂，从而能更进一步降低扩散二重层厚度，但它并不能均匀对反应表面附近流体产生作用。根据声波传播的性质，它与其反射波的联合作用造成反应表面不同的位置具有不同的能量分配。局部沉积速率不仅是超声频率的方程，也直接与在该超声频率产生的能量有关。这种驻波现象致使反应表面具有不同沉积速率。一但高于气穴发生阈值能量，气泡内破裂随机发生，数量不定，使整个工艺难以控制。