[发明专利]用于电沉积铜的工艺,在穿硅通孔(TSV)中的芯片间、芯片到晶片间和晶片间的互连

权利要求书

1.一种在硅衬底中的通孔中电沉积高纯度铜以形成穿硅通孔(TSV)的工艺，包括：

提供包括至少一个通孔的硅衬底，其中所述通孔包括内表面，该内表面具有范围从约1.5微米到约30微米的内部宽度尺寸、从约5微米到约450微米的深度以及至少为3∶1的深度∶宽度的深宽比；

可选择地，在所述通孔的内表面上形成介电层；

在所述通孔的内表面上方或当存在所述介电层时在所述介电层的上方形成阻挡层，其中所述阻挡层防止铜扩散到所述硅衬底中；

在所述阻挡层上方形成具有足够厚度的基础金属层，并覆盖所述通孔的内表面，以获得用于随后的铜的电解沉积的足够的导电率；

将所述硅衬底浸入电解镀铜系统中的电解池中，该系统连接有作为阴极的所述基础金属层，该系统还包括不能溶解的且尺寸不变的阳极以及铜金属源，其中所述电解池包括酸、铜离子源、亚铁离子和/或正铁离子源，以及用于控制所沉积的铜的物理机械特性的至少一种添加剂；以及

在所述不能溶解的且尺寸不变的阳极与所述基础金属层之间施加电压，使得电流在其间流动的时间足以电沉积高纯度铜来形成TSV，其中在所述池中建立Fe⁺²/Fe⁺³氧化还原系统，以通过从所述铜金属源溶解铜离子来提供将要被电沉积的额外的铜离子。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中所述施加对于电沉积所述高纯度铜以完全填充所述通孔是有效的。

3.根据权利要求1所述的工艺，其中所述施加对于电沉积所述高纯度铜以在所述通孔中形成足够厚度的铜涂层而能够用作TSV是有效的。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的工艺，其中所沉积的高纯度铜基本上没有内部应力，或者包含的内部应力的水平不会在随后的工艺中致使所述硅衬底弯曲。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的工艺，其中所沉积的铜基本上没有气孔，并且没有非铜的掺杂物。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的工艺，其中通过无电镀制工艺、物理沉积工艺、化学气相沉积工艺或等离子体增强化学气相沉积工艺的一个或多个在所述阻挡层上方形成所述基础金属层。

7.根据权利要求1-6中的任一项所述的工艺，其中所述基础金属层具有范围从约0.02微米到约0.5微米的厚度。

8.根据权利要求1-7中的任一项所述的工艺，其中所述基础金属层包含铜。

9.根据权利要求1-8中的任一项所述的工艺，其中所述阻挡层包含钽。

10.根据权利要求1-9中的任一项所述的工艺，其中所述介电层包含二氧化硅。

11.根据权利要求1-10中的任一项所述的工艺，其中在所述电解池中：

所述酸为浓度范围从约50g/l到约350g/l的硫酸，

所述铜离子源为浓度范围从约20g/l到约250g/l的五水硫酸铜，

所述亚铁离子和/或正铁离子源为浓度范围从约1g/l到约120g/l的七水合硫酸亚铁和/或九水合硫酸铁，以及

所述至少一个添加剂包括聚合含氧化合物、有机硫化合物、硫脲化合物和聚合二甲基苯基吡唑酮化合物的一个或更多个。

12.根据权利要求1-11中的任一项所述的工艺，其中以脉冲电流或脉冲电压形式施加所述电压。

13.根据权利要求12所述的工艺，其中以具有包括前向电流脉冲和反向电流脉冲的双极脉冲的反向脉冲形式施加所述电压。

14.根据权利要求13所述的工艺，其中所述反向电流脉冲的持续时间被调节为约1毫秒到约20毫秒。

15.根据权利要求13或14中的任一项所述的工艺，其中所述前向电流脉冲的持续时间被调节为约10毫秒到约200毫秒。

16.根据权利要求13到15中的任一项所述的工艺，其中工件表面处的所述前向电流脉冲的峰值电流密度被调节约15A/dm²的最大值。

17.根据权利要求13到16中的任一项所述的工艺，其中工件表面处的所述反向电流脉冲的峰值电流密度被调节为约60A/dm²的最大值。

18.根据权利要求13到17中的任一项所述的工艺，其中第一电流脉冲相对于第二电流脉冲偏移了约180°。