[发明专利]穿硅通孔填充工艺有效
申请号: | 200980132002.3 | 申请日: | 2009-08-17 |
公开(公告)号: | CN102124551A | 公开(公告)日: | 2011-07-13 |
发明(设计)人: | 乔纳森·D·里德;凯蒂·昆·王;马克·J·威利 | 申请(专利权)人: | 诺发系统有限公司 |
主分类号: | H01L21/60 | 分类号: | H01L21/60;H01L23/48 |
代理公司: | 北京律盟知识产权代理有限责任公司 11287 | 代理人: | 沈锦华 |
地址: | 美国加利*** | 国省代码: | 美国;US |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 穿硅通孔 填充 工艺 | ||
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2008年8月18日申请的第12/193,644号美国专利申请案的优先权,所述美国专利申请案的揭示内容以引用的方式且出于全部目的而全文并入本文中。
技术领域
本发明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。
背景技术
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,从而有助于均匀地镀铜,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。
发明内容
本发明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℃与75℃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)上的镀铜以在约与之间的速率氧化。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1mg/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1mg/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Fe(III))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。
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