穿硅通孔填充工艺制造技术

本发明专利技术揭示一种半导体电镀工艺，其以实质上无空隙的方式将铜沉积到穿硅通孔中以完全填充所述穿硅通孔。所述穿硅通孔的直径可大于约３微米，且其深度可大于约２０微米。使用低铜浓度且高酸度的电镀溶液来将铜沉积到所述穿硅通孔中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体上涉及用于将铜沉积到晶片上的方法和设备，且更明确地说，涉及用 于将铜电镀到可互连堆叠式电子装置的具有相对较大的尺寸和高纵横比的穿硅通孔中的 方法和设备。
技术介绍
穿硅通孔(through-silicon via, TSV)是完全通过硅晶片或裸片的垂直电连接 件。TSV技术在建立3D封装和3D集成电路(IC)时是重要的。其经由内部布线提供对垂直 对准的电子装置的互连，这显著降低多芯片电子电路的复杂性和总尺寸。典型的TSV工艺包括形成TSV孔和沉积扩散势垒层与导电晶种层。接着将导电材 料电镀到TSV孔中。通常将铜用作导电材料，因为其支持复杂集成(例如3D封装和3D集 成电路)时所经受的高电流密度，以及增加的装置速度。此外，铜具有良好的导热性且可以 高纯态存在。TSV孔通常具有高纵横比，且将铜沉积到此类结构中可具有挑战性。对铜的CVD沉 积需要复杂且昂贵的前驱体，而PVD沉积通常引起空隙和有限的步阶覆盖。电镀是将铜沉 积到TSV结构中的较常用的方法；然而，电镀也由于TSV的大尺寸和高纵横比而提出一组挑 战。通常，TSV的电镀溶液包括作为铜离子的来源的硫酸铜、用于控制导电性的硫 酸、用于抑制物分子的成核作用的氯化铜，以及若干其它添加剂。使用标准铜镀槽，其具有 至少10克/升的硫酸和约40克/升的铜离子。高酸含量改进溶液的导电性，从而有助于 均勻地镀铜，但氢离子显著阻碍铜离子的迁移性(mobility)。因此，电镀TSV可耗费极长时 间。因此，需要用以在具有大尺寸和高纵横比的TSV孔中沉积导电金属的改进的方法 和设备。
技术实现思路
本专利技术提供用于在具有大尺寸和高纵横比的穿硅通孔(TSV)的孔中电镀铜的铜 电镀方法和相关联的设备。用于在所述TSV孔内部进行铜沉积的镀敷溶液可具有相对较低 的硫酸浓度和高铜离子浓度。TSV沉积工艺可受益于经由所述镀敷溶液且(具体来说)到 所述TSV孔的底部的较快的铜迁移。在某些实施例中，所述镀敷溶液可具有极少的氯离子 或实质上无氯离子。另外，可将所述溶液维持于约40°c与75°C之间的温度下以允许含铜盐 的较大溶解度，且借此进一步改进电镀溶液中铜离子的迁移性。以实质上无空隙的方式且在某些实施例中在小于约20分钟的时间内将铜电镀到所述TSV孔中。在某些实施例中，所述方法包括对直径为至少3微米且深度为至少20微米的TSV 进行镀敷。在特定实施例中，TSV的直径可在约3微米与100微米之间，且其深度可在约20 微米与200微米之间。所述TSV孔可具有在约5 1到10 1之间的纵横比。所述方法可包括使具有TSV孔的结构与镀敷溶液接触，所述镀敷溶液具有在约2 与6之间的pH以及浓度为至少约50克/升的铜离子。在更特定的实施例中，所述镀敷溶 液具有在约3与5之间的pH。在一个实施例中，所述溶液含有在约40克/升与200克/ 升之间的铜离子。在更特定的实施例中，铜离子在所述镀敷溶液中的浓度在约60克/升与 100克/升之间。所述铜离子的来源可为甲烷磺酸铜、硫酸铜、焦磷酸铜、丙烷磺酸铜，或其 组合。较高浓度的铜离子和较高PH水平增加铜迁移数(transference number)，其为铜离 子经由所述镀敷溶液到总沉积电流的贡献。在一个实施例中，镀槽中的铜离子具有至少约 0. 2的迁移数。在更特定的实施例中，所述铜离子具有至少约0. 4的迁移数。在一个实施例中，所述镀敷溶液包括氧化剂，所述氧化剂的浓度水平使得在未将 电流施加到晶片时，晶片场(wafer field)上的镀铜以在约200 A/分钟与3000 A/分钟之 间的速率氧化。所述氧化剂可为过氧化氢溶液，可将其作为30重量％的过氧化氢溶液以在 约0. 0025ml/L到50ml/L之间的范围内的量添加到所述镀敷溶液。在某些实施例中，可在 (例如)约lmg/L与20mg/L之间的浓度下将元素氧(elemental oxygen)用作氧化剂。在 特定实施例中，元素氧在镀敷溶液中的浓度可在约lmg/L与5mg/L之间。也可将铈离子或铁 离子用作氧化剂。在一个实施例中，处于不同氧化态中的铁离子(例如，Fe(II)和!^(111)) 的浓度处于平衡，且通过惰性阳极处的反应来维持此平衡。此外，所述镀敷溶液可包括还原 剂，所述还原剂在所述穿硅通孔中具有浓度梯度且影响铜的氧化。如所指示，可在高温下保存所述溶液；这改进铜盐的溶解度和铜离子迁移性。在 一个实施例中，所述镀敷溶液在将铜镀敷到所述穿硅通孔中的至少一部分时间内具有在约 40°C与75°C之间的温度。在更特定的实施例中，所述镀敷溶液具有在约50°C与70°C之间的 温度。同样如所指示，所述镀敷溶液可含有极少氯离子及不含氯离子。在一个实施例中，所 述镀敷溶液含有浓度不大于约50ppm的氯离子。在更特定的实施例中，氯离子的浓度可不 大于约lOppm。所述镀敷溶液也可实质上无氯离子。所述工艺条件的组合和TSV结构的几何形状可能致使TSV之间的场区(field region)上不存在铜的净沉积(或大体上无净沉积)。可接近地定位一些TSV孔，所述TSV 孔分开不大于约25微米的距离。镀敷工艺期间在镀敷表面上的电流密度可在约3mA/cm2与30mA/cm2之间。在特定 实施例中，镀敷工艺期间的所述电流密度可在约5mA/cm2与20mA/cm2之间。在一个实施例中，揭示一种用于沉积铜的半导体处理设备。所述设备包括一个或 一个以上电镀槽以及用于执行指令集的控制器。所述设备还可包括镀敷溶液的来源或供 应。在某些实施例中，所述镀敷溶液具有在约2与6之间的pH，以及浓度为至少约50克/ 升的铜离子。所述指令可包括使具有TSV孔的结构与所述镀敷溶液接触；以及在接触所述 结构的同时，以实质上无空隙的方式且在小于约20分钟的时间内将铜镀敷到穿硅通孔中， 以完全填充所述穿硅通孔。所述设备还可包括加热器和相关联的控制器接口，以用于在将 铜镀敷到所述TSV孔中的至少一部分时间内使所述镀敷溶液的温度维持在约40°C与75°C之间。将参看以下图式和相关联的描述来更详细地描述本专利技术的这些和其它特征以及 优点。附图说明图1为处于各处理阶段的穿硅通孔(TSV)的示意性表示，所述处理阶段以TSV孔 形成开始，之后为与扩散势垒层对直，接着进行电镀、薄化、形成焊料凸块，以及与另一 TSV 互连。图2为说明根据本专利技术的TSV处理的若干操作的工艺流程图。图3为根据本专利技术的实施例的电镀设备的示意性表示。图4为根据本专利技术的一个实施例的半导体处理设备的图形表示。图5A为对于典型电镀工艺条件的深度为200微米的TSV内部的铜离子的浓度分 布作为距TSV的底部的距离的函数的曲线。图5B为根据本专利技术的一个实施例的深度为200微米的TSV内部的铜离子的浓度 分布作为距TSV的底部的距离的函数的曲线。图6为根据本专利技术的一个实施例的在两个镀敷溶液温度下的深度为200微米的 TSV内部的两个电流密度分布作为距TSV的底部的距离的函数的曲线。图7为根据本专利技术的一个实施例的在贯穿电镀工艺的四个不同时间段内深度为 25微米的TSV孔内部的铜沉积的说明性表示。图8为展示使用18分钟的镀敷时间以铜对直径为10微米且深度为50微米的TSV 进行填充的比较说明。本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种镀敷穿硅通孔以连接至少两个集成电路的方法，其中所述穿硅通孔具有至少约３微米的直径和至少约２０微米的深度，所述方法包含：（ａ）使具有穿硅通孔的结构与镀敷溶液接触，所述镀敷溶液具有（ｉ）在约２与６之间的ｐＨ，以及（ｉｉ）浓度为至少约４０克／升的铜离子；以及（ｂ）在接触所述结构的同时，以实质上无空隙的方式且在小于约２０分钟的时间内将铜镀敷到所述穿硅通孔中以完全填充所述穿硅通孔。

【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：乔纳森·D·里德，
申请(专利权)人：诺发系统有限公司，
类型：发明
国别省市：US