互连结构的制造方法技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种互连结构的制造方
法。
背景技术
随着半导体器件特征尺寸的逐渐减小，互连线的尺寸也不断减
小。在超大规模集成电路(ULSI)中，互连线的性能对器件的密度
和速度具有很重要的影响。
由于具有更高的电导率和更好的稳定性，铜已经取代铝成为超大
规模集成电路工艺中的主流互连材料。目前，在大马士革工艺中，利
用电镀(ECP)工艺在沟槽和通孔中填充铜，随后通过化学机械抛光
工艺对电镀的铜进行平坦化。然而，特征尺寸的持续减小使得ECP
工艺变得越来越困难。
如图1所示，在沟槽101和通孔102中电镀填充铜时，由于在沟
槽101的尖头部分的电流密度相对比较大，因此在尖头部分电镀铜的
速度很快，导致沟槽101的开口提前封闭，使得在沟槽101和通孔
102中电镀形成的铜具有空洞103(void)。这些空洞103可能会导
致互连结构的断路，使得电迁移失败，从而影响器件的性能。
另外，在印制电路板(PCB)的通孔中电镀金属形成互连结构时
同样会存在上述问题。
发明内容
本公开的一个实施例的目的在于避免互连结构中的空洞。
根据本公开的一个实施例，提供了一种互连结构的制造方法，所
述方法包括：提供衬底结构，所述衬底结构包括沟槽和通孔，所述沟槽
和通孔的表面形成有籽晶层；通过第一超声双脉冲电镀工艺溶解所述籽
晶层的表面部分，以增大所述沟槽的开口；通过第二超声双脉冲电镀工
艺在所述籽晶层表面电镀金属层；通过第三超声双脉冲电镀工艺溶解一
部分电镀的金属层；重复所述第二超声双脉冲电镀工艺和所述第三超声
双脉冲电镀工艺，在所述沟槽和通孔中填充电镀的金属层以形成互连结
构；其中在电镀工艺中引入超声波。
在一个实施方式中，通过第三超声双脉冲电镀工艺溶解电镀的金属
层的速度大于通过第一超声双脉冲电镀工艺溶解籽晶层的速度。
在一个实施方式中，所述第一超声双脉冲电镀工艺中：阳极脉冲与
阴极脉冲的脉冲宽度之比为20：1至1：1，或，阳极脉冲与阴极脉冲
的电流之比为0.8：1至1.2：0.8；或，阴极脉冲的电流密度为0.001至
5A/cm2；或，所述第一超声双脉冲电镀工艺进行的时间为1至10秒。
在一个实施方式中，所述第二超声双脉冲电镀工艺中：阳极脉冲与
阴极脉冲的脉冲宽度之比为1：15至1：30；或，阳极脉冲与阴极脉冲
的电流之比为1：1至1：10；或，阴极脉冲的电流密度为0.01至20A/cm2；
或，所述第二超声双脉冲电镀工艺进行的时间为1至600秒。
在一个实施方式中，所述第三超声双脉冲电镀工艺中：阳极脉冲与
阴极脉冲的脉冲宽度之比为20：1至1：1；或，阳极脉冲与阴极脉冲
的电流之比为10：1至1：1；或，阴极脉冲的电流密度为0.001至10
A/cm2；或，所述第三超声双脉冲电镀工艺进行的时间为1至1000秒。
在一个实施方式中，所述金属层包括铜、镍、银。
在一个实施方式中，超声双脉冲电镀工艺中的超声波的频率为
20000至50000HZ，超声波的功率为10-5000W。
在一个实施方式中，所述衬底结构还包括：衬底、位于所述衬底上
的阻挡层、以及位于所述阻挡层上的电介质层；所述电介质层和所述阻
挡层被刻蚀形成大马士革结构的沟槽和通孔。
在一个实施方式中，所述提供衬底结构的步骤包括：提供衬底；在
所述衬底上形成阻挡层；在所述阻挡层上形成电介质层；在所述电介质
层上形成图案化的硬掩模层，以定义通孔的形状；在所述硬掩模层上形
成图案化的光刻胶，以定义沟槽的形状；以所述图案化的光刻胶为掩模，
依此刻蚀所述硬掩模层和部分所述电介质层；去除所述光刻胶，并以图
案化的硬掩模层为掩模，依此刻蚀所述电介质层和所述阻挡层，在所述
电介质层中形成沟槽，在所述电介质层和所述阻挡层中形成通孔；在所
述沟槽和通孔的表面沉积籽晶层。
在一个实施方式中，所述方法还包括：对电镀的金属层进行平坦化。
根据本公开的另一个实施例，提供一种互连结构的制造方法，所
述方法包括：提供具有通孔的印制电路板PCB，所述通孔的表面形成
有籽晶层；通过第一超声双脉冲电镀工艺溶解所述籽晶层的表面部分，
以增大通孔的开口；通过第二超声双脉冲电镀工艺在所述籽晶层表面电
镀金属层；通过第三超声双脉冲电镀工艺溶解一部分电镀的金属层；重
复所述第二超声双脉冲电镀工艺和所述第三超声双脉冲电镀工艺，在所
述通孔中填充电镀的金属层以形成互连结构；其中在电镀工艺中引入超
声波。
在一个实施方式中，通过第三超声双脉冲电镀工艺溶解电镀的金属
层的速度大于通过第一超声双脉冲电镀工艺溶解籽晶层的速度。
在一个实施方式中，所述金属层包括铜、镍、银。
在一个实施方式中，超声双脉冲电镀工艺中的超声波的频率为
20000至50000HZ，超声波的功率为10-5000W。
根据本公开的一个实施例，首先通过第一超声双脉冲电镀工艺溶解
籽晶层的表面部分，在超声波的微射流和双脉冲电镀的协同作用下，使
得沟槽的开口变大，然后通过多步超声双脉冲电镀工艺在沟槽和通孔中
电镀金属层，在每一次电镀金属层后对电镀的金属层进行部分溶解，以
避免在电镀的过程中将沟槽的开口封死；通过超声波和多步双脉冲电镀
工艺的结合，避免了形成的互连结构中存在空洞。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开
的其它特征、方面及其优点将会变得清楚。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，其描述了本公开的示例性实施例，
并且连同说明书一起用于解释本发明的原理，在附图中：
图1示出了现有技术中形成铜互连结构具有空洞的示意截面图；
图2是根据本公开一个实施例的互连结构的制造方法的流程图；
图3A、图3B和图3C分别示出了根据本公开的一个实施例的第
一双脉冲电镀工艺、第二双脉冲电镀工艺和第三双脉冲电镀工艺的脉
冲波形；
图4A、图4B、图4C、图4D、图4E、图4F和图4G示出了根据
本公开的一个实施例的互连结构的制造工艺中的各个阶段；
图5A、图5B、图5C、图5D和图5E示出了根据本公开的一个实
施例的衬底结构的制造工艺中的各个阶段；
图6是根据本公开又一个实施例的互连结构的制造方法的流程
图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应理
解，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相
对布置、数字表达式和数值不应被理解为对本发明范围的限制。
此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺
寸并不必然按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以
相对于其他层有所夸大。
以下对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都不
作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和装置可能不作详
细讨论，但在适用这些技术、方法和装置情况下，这些技术、方法和
装置应当被视为本说明书的一部分。
应注意，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，
一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将
不需要对其进行进一步讨论。
本发明的发明人发现在形成互连结构的过程中，在沟槽中沉积的
籽晶层会具有突悬(overhang)，即在沟槽尖头部分处形成的籽晶层
会比较厚，这会使得沟槽的开口变小，从而影响后续的电镀工艺，使
得形成的互连结构中具有空洞。
图2是根据本公开一个实施例的互连结构的制造方法的流程图。
本实施例结合了多步双脉冲电镀工艺和超声波电镀工艺。如图2所示，
本实施例提供的互连结构的制造方法包括：
步骤202，提供衬底结构，该衬底结构包括沟槽(trench)和通孔
(via)，在沟槽和通孔的表面形成有籽晶层，在沟槽尖头部分形成的籽
晶层可能会有突悬。
其中，籽晶层的材料例如可以是铜、钴等。另外，在沟槽和通孔的
表面与籽晶层之间还可以形成有扩散阻挡层，扩散阻挡层可以是单层或
叠层结构。在一个实施例中，扩散阻挡层可以是钽(Ta)或由Ta和氮
化钽(TaN)组成的叠层。
步骤204，通过第一超声双脉冲电镀工艺溶解籽晶层的表面部分。
本步骤在超声波的微射流和双脉冲电镀的协同作用下，位于沟槽尖
头部分形成的籽晶层(即突悬)的溶解速度大于沟槽侧壁和沟槽顶部的
籽晶层的溶解速度，从而使得沟槽的开口变大，这会有利于后续的电镀
沉积。
步骤206，通过第二超声双脉冲电镀工艺在籽晶层表面电镀金属层。
对于超声双脉冲电镀工艺来说，施加阴极脉冲(正向脉冲)时，会
在籽晶层表面电镀金属层，例如铜、镍、银等金属层；施加阳极脉冲(反
向脉冲)时，会溶解一部分电镀的金属层。在第二超声双脉冲电镀工艺
中，可以通过调节阴极脉冲和阳极脉冲的参数，例如脉冲宽度、脉冲电
流等，使得在籽晶层表面电镀金属层的速度大于金属层溶解的速度，从
而在籽晶层表面电镀金属层。
在一个具体实施例中，可以采用CuSO4、Cu3(PO4)2作为电镀液，
此时电镀的金属层为铜。
步骤208，通过第三超声双脉冲电镀工艺溶解一部分电镀的金属层。
与上类似地，在第三超声双脉冲电镀工艺中，可以通过调节阴极脉
冲和阳极脉冲的参数，使得在籽晶层表面电镀金属层的速度小于金属层
溶解的速度，从而溶解一部分电镀金属层。通过第三超声双脉冲电镀工
艺，可以使得位于沟槽尖头部分的金属层的溶解速度大于沟槽侧壁和沟
槽顶部的金属层的溶解速度，以避免沟槽的开口被封死。
优选地，步骤208中通过第三超声双脉冲电镀工艺溶解电镀的金属
层的速度大于步骤204中通过第一超声双脉冲电镀工艺溶解籽晶层的
速度。
重复上述步骤206和步骤208，在沟槽和通孔中填充电镀的金属层
以形成互连结构。其中，在步骤206之后，判断沟槽和通孔的填充是否
满足要求，若是，则结束电镀工艺；若否，则继续重复执行步骤208和
步骤206。
在一个实施例中，上述超声双脉冲电镀工艺(包括第一、第二和第
三超声双脉冲电镀工艺)中的超声波的频率可以为20000至50000HZ，
超声波的功率可以为10-5000W。超声波的微射流(micro-jet)可以改
善电镀液中金属离子的分布，降低了浓差极化，使得电镀沉积的金属层
更加均匀。通过多步双脉冲电镀工艺与超声波的结合，首先通过第一超
声双脉冲电镀工艺溶解籽晶层的表面部分，在超声波的微射流和双脉冲
电镀的协同作用下，使得沟槽的开口变大，然后在每一次电镀金属层后
对电镀的金属层进行部分溶解，以避免沟槽的开口在电镀的过程中被封
死，从而避免在形成的互连结构中产生空洞。
上述实施例中，在重复步骤206和步骤208形成互连结构后，电镀
的金属层比较薄，作为一个非限制性示例，电镀的金属层可以为2000
埃。通常情况下，还需要在电镀的金属层的表面继续电镀，例如可以利
用直流脉冲继续电镀金属层，直至电镀的金属层的厚度满足要求，例如
达到7000埃。之后，可以利用化学机械抛光工艺对电镀的金属层进行
平坦化。
图3A-图3C分别示出了根据本公开的一个实施例的第一超声双脉
冲电镀工艺、第二超声双脉冲电镀工艺和第三超声双脉冲电镀工艺的脉
冲波形。
需要说明的是，虽然图3A-图3C中示出的脉冲波形均为长方形，
但这仅仅是示例性的，并不用于限制本公开的范围，在超声双脉冲电镀
工艺中采用的脉冲还可以为其他形状的脉冲，例如可以是三角形脉冲
等。
如图3A所示，第一超声双脉冲电镀工艺进行的时间可以为1至10
秒。
在第一超声双脉冲电镀工艺中，阳极脉冲与阴极脉冲的脉冲宽度之
比ta：tb可以为20：1至1：1，例如，10：1、5：1；阳极脉冲与阴极
脉冲的电流之比Ia：Ib可以为0.8：1至1.2：0.8，例如1：1；阴极脉冲
的电流密度可以为0.001至5A/cm2，例如，0.05A/cm2、0.5A/cm2、2
A/cm2。
如图3B所示，第二超声双脉冲电镀工艺进行的时间可以为1至600
秒。
在第二超声双脉冲电镀工艺中，阴极脉冲的电流密度可以为0.01
至20A/cm2，例如，0.5A/cm2、5A/cm2、10A/cm2；阳极脉冲的脉冲宽
度ta与阴极脉冲的脉冲宽度tb之比ta：tb可以为1：15至1：30，例如，
1：20；阳极脉冲电流Ia与阴极脉冲电流Ib的电流之比Ia：Ib可以为1：
1至1：10，例如，1：5。
如图3C所示，第三超声双脉冲电镀工艺进行的时间可以为1至
1000秒。
在第三超声双脉冲电镀工艺中，阴极脉冲的电流密度可以为0.001
至10A/cm2，例如，0.05A/cm2、0.5A/cm2、6A/cm2；阳极脉冲与阴极
脉冲的脉冲宽度之比ta：tb可以为20：1至1：1，例如，10：1、5：1；
阳极脉冲与阴极脉冲的电流之比Ia：Ib可以为10：1至1：1，例如3：
1、5：1。
应理解，上面给出的超声双脉冲电镀工艺条件仅仅是示例性的，本
领域技术人员根据本公开给出的互连结构的制造方法可以选择其他合
适的工艺条件。
下面结合图4A-图4G对本公开互连结构的制造方法进行详细说
明。
如图4A所示，提供衬底结构，该衬底结构包括：衬底401、位于
衬底401上的阻挡层402、以及位于阻挡层402上的电介质层403。其
中，电介质层403和阻挡层402被刻蚀形成大马士革结构的沟槽404和
通孔404，电介质层403的表面、沟槽404和通孔405的表面形成有籽
晶层506。其中，在沟槽404的尖头部分的籽晶层具有突悬，使得沟槽
404的开口减小。
可选地，在沟槽和通孔的表面与籽晶层之间还可以形成有扩散阻挡
层(图中未示出)，扩散阻挡层可以是单层或叠层结构。示例性地，扩
散阻挡层可以是钽(Ta)或由Ta和氮化钽(TaN)组成的叠层。
需要指出的是，这里示出的衬底结构可以通过多种方法来形成，例
如，先沟槽工艺(Trench First)或者先通孔工艺(via First)。本公开
提供了一种示例性的方法，稍后将详细说明。
如图4B所示，通过第一超声双脉冲电镀工艺溶解籽晶层406的表
面部分，以增大沟槽404的开口。
如图4C所示，通过第二超声双脉冲电镀工艺在籽晶层406表面电
镀金属层407。
如图4D所示，通过第三超声双脉冲电镀工艺溶解一部分电镀的金
属层407。通过第三超声双脉冲电镀工艺的溶解步骤，可以使得沟槽404
的开口变大。如果在第二超声双脉冲电镀工艺后沟槽404的开口被封
死，第三超声双脉冲电镀工艺可以使得被封死的沟槽404的开口重新打
开。
如图4E和4F所示，在重复第一超声双脉冲电镀工艺和第二超声
双脉冲电镀工艺之后，例如重复1-20次，在沟槽404和通孔405中填
充金属层406，形成双镶嵌的互连结构。
之后，可以对填充的金属层进行平坦化工艺，直至露出电介质层
403，如图4G所示。
需要指出，为了清楚起见，图4F和图4G中并未全部示出籽晶层
所形成的突悬。
通过本公开提供的互连结构的制造方法，参见图4A-图4G，可以
得到没有空洞的互连结构。在形成互连结构后，可以继续在互连结构上
形成电介质层，然后形成其他互连结构，在形成其他互连结构时同样可
以采用上面提供的方法。
本公开还提供了一种形成上述衬底结构的方法。下面结合图5A-5E
对衬底结构的制造方法进行说明。需要说明，图5A-5E中的附图标记
501-505与图4A-图4G中的附图标记401-405指示相同或类似的部件。
如图5A所示，提供衬底501，在衬底501上形成阻挡层502；在
阻挡层502上形成电介质层503。
这里，衬底501例如可以是硅衬底、绝缘体上硅衬底等其他半导体
衬底。衬底501中可以形成有栅极结构、浅沟槽隔离结构(图中未示出)
等。另外，衬底501中也可以形成有其他互连结构(图中未示出)。
阻挡层502可以是Ta和TaN组成的叠层，电介质层503优选为低
介电常数(k)材料，例如，多孔低k材料。
如图5B所示，在电介质层503上形成硬掩模层601，然后通过光
刻和刻蚀工艺在硬掩模层601中形成沟槽6011，形成图案化的硬掩模层
601，沟槽6011定义了之后形成的沟槽的形状。硬掩模层601的材料例
如可以是硅的氮化物(SixNy)，典型地，可以是氮化硅(SiN)。本公开
不限于此，可以选择其他合适的材料作为硬掩模层601。
如图5C所示，在硬掩模层601上形成图案化的光刻胶603，从而
定义出之后形成的通孔的形状。优选地，为了防止光的反射对图案化光
刻胶603的影响，可以在硬掩模层601上形成抗反射层602。
如图5D所示，以图案化的光刻胶603为掩模，依此刻蚀抗反射层
602(如果有的话)、硬掩模层601和电介质层503，形成开口604。需
要指出的是，开口604也可以向下延伸至阻挡层502；或者，开口604
也可以贯穿阻挡层502。
如图5E所示，去除光刻胶603和抗反射层602(如果有的话)，并
以图案化的硬掩模层601为掩模，依此刻蚀电介质层503和阻挡层502，
对应沟槽6011在电介质层503中形成沟槽504，对应开口604在电介质
层503和阻挡层502中形成通孔505。
之后，可以去除硬掩模层601，并通过物理气相沉积(PVD)在沟
槽和通孔的表面沉积籽晶层，从而形成如图4A所示的衬底结构。
本公开提供的超声双脉冲电镀工艺的方案也适用于对印制电路板
(PCB)的通孔进行电镀的工艺。
图6是根据本公开又一个实施例的互连结构的制造方法的流程
图。本实施例是对PCB板的通孔进行电镀时采用了双脉冲电镀工艺和
超声波电镀工艺，类似步骤的具体实现可以参照前面的描述。如图6所
示，本实施例提供的互连结构的制造方法包括：
步骤702，提供具有通孔的PCB，在通孔的表面形成有籽晶层。
其中，PCB上可以有多个通孔，通过在通孔中电镀金属层，可以
将双面PCB板的两面的导线连接起来，或者将多层PCB板的每一层连
接起来。
步骤704，通过第一超声双脉冲电镀工艺溶解籽晶层的表面部分。
本步骤在超声波的微射流和双脉冲电镀的协同作用下，使得位于沟
槽尖头部分的籽晶层(即突悬)的溶解速度大于沟槽侧壁和沟槽顶部的
籽晶层的溶解速度，从而使得沟槽的开口变大，这会有利于后续的电镀
沉积。
步骤706，通过第二超声双脉冲电镀工艺在籽晶层表面电镀金属层。
作为一个非限制性示例，金属层可以包括铜、镍、银等其他合适的
互连材料。
步骤708，通过第三超声双脉冲电镀工艺溶解一部分电镀的金属层。
优选地，步骤708中通过第三超声双脉冲电镀工艺溶解电镀的金属
层的速度大于步骤704中通过第一超声双脉冲电镀工艺溶解籽晶层的
速度。
重复步骤706和步骤708，在通孔中填充电镀的金属层以形成互连
结构。
与图2所示实施例类似地，本实施例中，在步骤704至步骤708的
电镀工艺中均引入超声波，在一个具体实施例中，超声波的频率可以为
20000至50000HZ，超声波的功率为10-5000W。超声波的微射流可以
改善电镀液中金属离子的分布，降低了浓差极化，使得电镀沉积的金属
层更加均匀。本实施例结合了多步双脉冲电镀工艺与超声波，在电镀金
属层之前，首先通过第一超声双脉冲电镀工艺溶解籽晶层的表面部分，
在超声波的微射流和第一超声双脉冲电镀的协同作用下，使得通孔的开
口变大；然后，在每一次电镀金属层后对电镀的金属层进行部分溶解，
以避免通孔的开口在电镀的过程中被封死，从而避免在形成的互连结构
中产生空洞。
至此，已经详细描述了根据本公开实施例的互连结构的制造方
法。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节，
本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的
技术方案。另外，本说明书公开所教导的各实施例可以自由组合。本
领域的技术人员应该理解，可以对上面说明的实施例进行多种修改而
不脱离如所附权利要求限定的本公开的精神和范围。