CN112135930A - 在非铜衬垫层上的铜电填充 - Google Patents

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乔纳森·大卫·里德
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Abstract

在非铜衬垫层上实现特征中的铜的无孔隙由下往上填充。非铜衬垫层具有比铜更高的电阻率。用于将铜镀覆于非铜衬垫层上的电镀溶液包含低铜浓度、高pH、有机添加剂以及作为铜络合剂的溴离子。高pH和溴离子不会干扰有机添加剂的活性。在一些实现方案中，铜离子浓度为介于约0.2g/L至约10g/L之间，硫酸浓度为介于约0.1g/L至约10g/L之间，并且溴离子的浓度为介于约20mg/L至约240mg/L之间。在一些实现方案中，电镀溶液还包含氯离子作为额外的铜络合剂，其浓度为介于约0.1mg/L至约100mg/L之间。

Description

在非铜衬垫层上的铜电填充
通过引用并入
PCT申请表作为本申请的一部分与本说明书同时提交。如在同时提交的PCT申请表中所标识的本申请要求享有其权益或优先权的每个申请均通过引用全文并入本文且用于所有目的。
背景技术
可利用镶嵌或双重镶嵌处理以实现集成电路(ICs)中的金属布线互联件的形成。通常，将沟槽或孔洞蚀刻至位于衬底上的介电材料(例如二氧化硅)中。可使孔洞或沟槽内衬有一或更多衬垫层和阻挡层。接着，可在孔洞或沟槽中沉积薄的铜层，其可用作铜晶种层。之后，可利用铜填充孔洞或沟槽。
常规的铜沉积通常以两个步骤进行。首先，利用PVD处理以在衬底上沉积铜晶种层。其次，将铜电镀于晶种层上以填充孔洞或沟槽。已开发出通过直接将铜电镀于阻挡层或衬垫层上而避免使用PVD以沉积铜晶种层的技术。然而，在直接将铜电镀于阻挡或衬垫层上的方面存在挑战。
这里提供的背景技术是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。
发明内容
本文提供了一种电镀铜至晶片的表面上的方法。所述方法包括：接收晶片，所述晶片在所述晶片的表面处具有多个特征和非铜衬垫层；以及使所述晶片的所述表面与电镀溶液接触。所述电镀溶液包含：铜离子，其在所述电镀溶液中的浓度为介于约0.2g/L至约10g/L之间；加速剂添加剂；抑制剂添加剂；以及溴离子，其中所述电镀溶液的pH大于约1.0。所述方法还包括：电镀铜至所述非铜衬垫层上，以利用铜填充所述多个特征。
在一些实现方案中，所述电镀溶液还包含：整平剂添加剂。在一些实现方案中，所述电镀溶液中的所述溴离子的浓度为介于约20mg/L至约240mg/L之间。在一些实现方案中，所述非铜衬垫层包含钴或钌。在一些实现方案中，所述电镀溶液还包含：硫酸，其在所述电镀溶液中浓度为介于约0.1g/L至约10g/L之间。在一些实现方案中，所述电镀溶液还包含：氯离子，其在所述电镀溶液中浓度为介于约1mg/L至约100mg/L之间。以铜填充的所述多个特征是无孔隙或实质上无孔隙的。在一些实现方案中，该方法还包含在使所述晶片的所述表面与所述电镀溶液接触之前或之后立即施加相对于Hg/HgSO4而介于约-400mV至约-2000mV之间的恒定电位至所述晶片。在一些实现方案中，所述方法还包含在电镀铜至所述非铜衬垫层上时，施加介于约0.2mA/cm2至约5mA/cm2之间的电流密度下的恒定电流至所述晶片。在一些实现方案中，所述电镀溶液被配置为在所述非铜衬垫层上导致阴极过电位，其足以防止所述非铜衬垫层溶解。电镀铜至该非铜衬垫层上是在没有沉积铜晶种层的情况下进行的。
另一方面涉及一种用于电镀铜至晶片的表面上的铜电镀溶液，所述晶片具有多个特征和非铜衬垫层。所述铜电镀溶液包含：铜离子，其在所述铜电镀溶液中的浓度为介于约0.2g/L至约5g/L之间；加速剂添加剂；抑制剂添加剂；溴离子，其在所述铜电镀溶液中的浓度为介于约20mg/L至约240mg/L之间；氯离子，其在所述铜电镀溶液中的浓度为介于约1mg/L至约100mg/L之间；以及硫酸，其在所述铜电镀溶液中浓度为介于约0.1g/L至约10g/L之间。
在一些实现方案中，所述铜电镀溶液还包含：整平剂添加剂。在一些实现方案中，所述抑制剂添加剂的浓度为介于约30ppm至约300ppm之间。在一些实现方案中，所述加速剂添加剂的浓度为介于约5ppm至约40ppm之间。在一些实现方案中，所述氯离子的浓度为介于约10mg/L至约80mg/L之间，且所述硫酸的浓度为介于约0.5g/L至约5g/L之间。在一些实现方案中，所述氯离子用作所述铜离子的第一络合剂，而所述溴离子用作所述铜离子的第二络合剂。
以下参照附图进一步描述这些及其他方面。
附图说明
图1显示了铜衬底上的铜成核的扫描式电子显微镜(SEM)图及钴衬底上的铜成核的SEM图。
图2显示了使用常规铜电镀溶液的钴衬底上的铜成核以及使用具有乙二胺四乙酸(EDTA)的铜电镀溶液的钴衬底上的铜成核的SEM图。
图3显示了使用常规铜电镀溶液的钴衬垫的特征中的铜填充、以及使用具有EDTA的常规铜电镀溶液的钴衬垫的特征中的铜填充的扫描透射电子显微镜(STEM)。
图4显示了针对三种不同电镀溶液而显示随着与晶片中心的距离而变化的电流密度的图表。
图5显示了使用不同铜离子浓度以及不同溴离子浓度的铜成核的SEM图。
图6显示了在不同pH值以及不同溴离子浓度情况下使用低铜电镀溶液的钴衬垫的特征中的铜填充的STEM图。
图7显示了随硫酸浓度而变化的电镀溶液电导率的图表。
图8A显示了使用常规铜电镀溶液的钴衬垫的特征中的铜填充的STEM图。
图8B显示了使用常规铜电镀溶液且溴离子作为络合剂的钴衬垫的特征中的铜填充的STEM图。
图8C显示了使用具有溴离子及降低的铜离子浓度的常规铜电镀溶液的钴衬垫的特征中的铜填充的STEM图。
图8D显示了使用具有溴离子、降低的铜离子浓度以及提高的pH的常规铜电镀溶液的钴衬垫的特征中的铜填充的STEM图。
图9根据一些实现方案显示了在非铜衬垫层上电镀铜的示例性方法的流程图。
图10根据一些实现方案显示了示例性电沉积设备的俯视示意图。
图11显示了另一示例性电沉积设备的俯视示意图。
具体实施方式
在本公开内容中，术语“半导体晶片”、“晶片”、“衬底”、“晶片衬底”以及“部分加工的集成电路”可互换地使用。本领域技术人员应理解：术语“部分加工的集成电路”可指在其上的集成电路制造的许多阶段中的任一阶段期间的硅晶片。用于半导体装置产业中的晶片或衬底通常具有200mm、或300mm或450mm的直径。另外，术语“电解液”、“镀覆浴”、“浴”、“镀覆溶液”以及“电镀溶液”可互换地使用。以下的详细说明假设在晶片上实现本公开内容。然而，实现方案并非如此受限。工件可为各种外形、尺寸以及材料。除了半导体晶片之外，可利用本公开内容的其他工件包含各种对象，例如印刷电路板等。
前言
用于将铜电镀至镶嵌互联件中的晶种层上的电解液或电镀溶液通常含有铜盐、酸、卤离子、加速剂、抑制剂以及整平剂。铜盐为用于沉积的铜来源。示例性铜盐包括但不限于硫酸铜、甲烷磺酸铜、焦磷酸铜、丙烷磺酸铜等。如本文所使用的，铜离子的浓度反映铜阳离子的浓度(每单位体积的质量)，而不包括与铜阳离子相关的任何阴离子的质量。酸通常用于控制电镀浴的电导率。示例性的酸包括但不限于硫酸及甲烷磺酸。如本文所使用的，酸的浓度反映整个酸分子的浓度(每单位体积的质量)，而非单独的氢阳离子的质量。卤离子可用作桥梁，以协助某些有机添加剂(例如加速剂、抑制剂和/或整平剂)吸附至衬底表面上，其促进常规的由下往上的填充机制，如下文所述。示例性的卤离子包括但不限于氯离子、溴离子、碘离子以及其组合。
有机添加剂对于达成期望的冶金、膜均匀性、缺陷控制以及填充性能会是重要的。通常，铜电镀溶液包含有机电镀浴添加剂，以促成在镶嵌特征中的受控的高质量凹部电填充。这样的添加剂通常包含抑制剂及加速剂，且可能包含整平剂。抑制剂的一个作用是抑制电镀并使镀覆衬底的表面极化增强。如本文所使用的，许多添加剂浓度是以百万分比(ppm)描述的。该单位相当于mg/L，其是为了判定在溶液中的添加剂浓度。电镀添加剂的讨论如下。
抑制剂
虽然不希望受限于任何理论或作用机制，但一般相信，抑制剂(单独或与其他浴添加剂的组合)为表面动力极化化合物，其可造成衬底-电解液界面各处的压降大幅增加，尤其是在与表面化学吸附卤化物(如氯化物或溴化物)组合存在时。卤化物可用作介于抑制剂分子与晶片表面之间的桥梁。
抑制剂(1)增加衬底表面存在有抑制剂的区域相对于无抑制剂的区域的表面极化；且(2)增加衬底表面的整体极化。增加的极化(局部和/或整体)对应于增加的电阻率/阻抗，因此使在特定施加电位下的电镀较慢。
相信，抑制剂不会被掺入沉积的膜中，但抑制剂可能会随着时间推移缓慢地减少。抑制剂通常为相对大的分子，且在许多情况中其本质上是聚合性的(如聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚乙二醇、聚丙二醇等)。抑制剂的其他示例包括具有含S-官能基和/或含N-官能基的聚环氧乙烷与聚环氧丙烷、聚环氧乙烷与聚环氧丙烷的嵌段聚合物等。抑制剂可具有线性链结构或分支结构。在市售的抑制剂溶液中常同时存在着具有各种分子量的抑制剂分子。部分由于抑制剂的大尺寸，这些化合物是以相对慢的速度扩散进入凹陷特征的。
加速剂
虽然不希望受限于任何理论或作用机制，但相信，加速剂(单独或与其他浴添加剂的组合)倾向于局部地降低与抑制剂存在相关的极化效应，由此局部地增加电沉积速率。在加速剂吸附最浓的区域中极化效应的降低最显著(亦即，极化的降低是加速剂吸附的局部表面浓度的函数)。示例性的加速剂包括但不限于二巯基丙烷磺酸、二巯基乙磺酸、巯基丙烷磺酸、巯基乙磺酸、二-(3-磺丙基)二硫化物(SPS)及其衍生物。虽然加速剂可变得强吸附至衬底表面且通常因电镀反应而变得不能横向表面移动，但加速剂通常不会被掺入到膜中。因此，当沉积金属时加速剂会留在表面上。当填充凹部时，凹部内的表面上的局部加速剂浓度增加。相比于抑制剂，加速剂倾向于是较小的分子且表现出较快速地扩散进入凹陷特征中。
整平剂
虽然不希望受限于任何理论或作用机制，但相信，整平剂(单独或与其他电镀浴添加剂的组合)用作抑制剂，以抵消与加速剂相关的去极化效应，尤其在场区域中及特征的侧壁处。整平剂可局部增加衬底的极化/表面电阻，由此在存在整平剂的区域中减慢局部电沉积反应。整平剂的局部浓度在某个程度上是由质量传输所决定的。因此，整平剂主要作用在具有从表面突出的几何特征的表面结构上。该作用使电沉积层的表面“平滑”。相信，整平剂在衬底表面处以等于或接近于扩散限制速率的速率进行反应或被消耗，因此整平剂的连续供给通常有利于随着时间的推移维持均匀的电镀状态。
整平剂化合物大致上基于其电化学功能与影响而归类为整平剂，且不需要特定的化学结构或配方。然而，整平剂通常包含一或多个氮、胺、酰亚胺或咪唑，且还可包含硫官能基。某些整平剂包含一或更多的五元与六元环和/或共轭有机化合物衍生物。氮基团可形成环结构的一部分。在含胺的整平剂中，胺类可为一级、二级、或三级烷基胺。此外，胺可以是芳基胺或杂环胺。胺的示例包括但不限于二烷基胺、三烷基胺、芳烷基胺、三唑、咪唑、三唑、四唑、苯并咪唑、苯并三唑、哌啶、吗啉、哌嗪、吡啶、恶唑、苯并恶唑、嘧啶、喹啉以及异喹啉。咪唑与吡啶可以是特别有用的。整平剂化合物还可包含乙醇基团。例如，整平剂可包含通用骨架(类似于如在聚乙二醇或聚环氧乙烷中所见的骨架)及功能性地安插至链上的胺的片段(如健那绿B(Janus Green B))。环氧化物的示例包括但不限于卤代环氧丙烷(如环氧氯丙烷与环氧溴丙烷)以及聚环氧化物化合物。具有二或更多环氧化物部分的聚环氧化物化合物可被特别地使用，该二或更多环氧化物部分是通过含醚键接合在一起的。某些整平剂化合物为聚合性的，而某些为非聚合性的。聚合性整平剂化合物的示例包括但不限于聚乙烯亚胺、聚酰胺胺以及胺与各种氧环氧化物或硫化物的反应产物。非聚合性整平剂的一示例是6-巯基-己醇。整平剂的另一示例是聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
由下往上的填充
在由下往上填充的机制中，电镀表面上的凹陷特征倾向于用金属从特征的底部至顶部以及从特征的侧壁往内朝向中央进行电镀。为了达到均匀填充并避免在特征中形成孔隙，控制特征内与场区域中的沉积速率是重要的。上述的三种添加物对于完成由下往上的填充是有利的，每一种添加剂作用而选择性地增加或减少在衬底表面处的极化。
在将衬底浸没至电解液中后，抑制剂吸附至衬底表面上，尤其是暴露区域(如场区域)中。在初始电镀阶段时，介于凹陷特征的顶部与底部之间的抑制剂浓度存在实质差异。此差异的存在是由于抑制剂分子的相对大尺寸及其对应的缓慢传输特性。经过此相同的初始电镀时间，相信加速剂在整个电镀表面(包含特征的底部与侧壁)上以实质上均匀的低浓度累积。由于加速剂比抑制剂更快速地扩散进入特征，因此特征内(尤其是特征底部处)的加速剂：抑制剂的初始比值是相对高的。特征内相对高的初始加速剂：抑制剂比值促进从特征底部向上以及从侧壁向内的更快速的电镀。同时，在场区域中的初始电镀速率因加速剂：抑制剂的较低比值而相对低。因此，在初始电镀阶段中，在特征内的电镀相对较快速地进行，而场区域中的电镀相对较缓慢地进行。
当电镀持续进行时，用金属填充特征，并且特征内的表面积减少。随着电镀持续进行，由于表面积减少且加速剂实质上留在表面上，因此特征内加速剂的局部表面浓度增加。该特征内的加速剂浓度增加能帮助维持有利于由下往上填充的差异化的电镀速率。
在电镀的较后阶段(尤其是过沉积阶段)中，加速剂可能非合乎期望地累积于某些区域中(例如经填充的特征上方)，导致局部非合乎期望地过快电镀。整平剂可用以抵消此效应。整平剂的表面浓度在对流最大的表面暴露区域(亦即，非凹陷特征内)最大。一般相信，以整平剂替代加速剂使得局部极化增加、且减少原本电镀速率大于其他位置的电镀速率的表面区域处的局部电镀速率。换言之，整平剂至少部分地倾向于减少或去除加速剂化合物在表面的暴露区域处(尤其系突出结构处)的影响。在没有整平剂的情况下，特征可能倾向于过度填充并产生突部。因此，在由下往上的填充电镀的后续阶段中，整平剂有利于产生相对平坦的沉积物。
以组合的方式使用抑制剂、加速剂及整平剂可使特征由下往上地填充而没有孔隙，且同时得到相对平坦的沉积表面。添加剂供货商通常将添加剂化合物的确切身份/组成当作商业秘密加以维护，因此与这些化合物的确切性质相关的信息无法为公众所知。
本文所公开的电镀溶液使有机添加剂的分布能够促进铜的无孔隙地由下往上填充。电镀溶液不会干扰有机添加剂的活性，因此可无孔隙且由下往上地填充特征。
在非铜层上电镀铜
本公开内容涉及在非铜层上电镀铜，以利用铜填充特征。在一些实现方案中，非铜层可包含导电性衬垫材料，例如钌(Ru)、钴(Co)、或其他合适的衬垫材料，其中非铜层为衬垫层。如本文所使用，非铜层也可称为“非铜晶种层”、“非铜晶种”、“非铜衬垫层”或“非铜衬垫”。导电性衬垫材料可以比铜更具电阻性。衬垫层可通过任何合适的沉积技术而进行沉积，合适的沉积技术例如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积或无电沉积(ELD)。可将衬垫层沉积于阻挡层上，该阻挡层用于防止铜扩散至下伏的绝缘材料中、或使该扩散最小化。阻挡层的示例包含钽(Ta)、钛(Ti)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)以及无氟钨(FFW)。
在铜层(例如铜晶种层)上电镀铜不像在非铜层上电镀铜一样存在许多挑战。通常，非铜层上的镀覆是通过两步骤处理而完成，其中，首先沉积铜晶种层，然后在铜晶种层上进行铜的本体电镀。在一些情况下，执行个别的沉积处理。例如通过PVD而将铜晶种层沉积于非铜层上，且通过在铜晶种层上的电镀而沉积本体铜。在一些情况下，在非铜层上的铜电镀中使用不同的电镀溶液，其中铜晶种层是利用第一电镀溶液而沉积的，而本体铜是利用第二电镀溶液而在铜晶种层上沉积的。凭借在非铜层上电镀铜的两步骤处理使得成本增加、使得处理时间增加、且使得由于亚保形铜晶种层而导致的夹止(pinch-off)的风险增加。随着镶嵌互联件的关键尺寸减小，亚保形或不均匀的铜晶种层覆盖变得更难处理。当亚保形或不均匀的铜晶种层存在时，可能在铜电填充期间引起不均匀的镀覆及缺陷。
本公开内容在非铜层或非铜晶种上进行铜电填充，而无需(i)沉积铜晶种层和(ii)在铜晶种层上执行本体铜电填充的离散操作。提供电解液或电镀溶液，其有效地使铜在非铜层上成核、实现在凹陷特征中的铜的无孔隙地由下往上填充、且实现铜在晶片表面各处的实质沉积均匀性。
在非铜层上的铜成核通常存在许多挑战。电流被施加至浸没于电解液中的衬底以促进成核，从而形成三维的铜“岛”或“晶粒”。铜岛持续成长，直到其聚结成连续铜膜为止。一般而言，在现有铜核上沉积铜在动力学上比生成新铜核是更有利的。因此，在非铜层上的铜成核在动力学上是不利的。非铜层上的铜成核在非铜层上产生稀疏的铜岛或晶粒，其导致不均匀的填充以及不良的附着。
图1显示了铜衬底上的铜成核的SEM图及钴衬底上的铜成核的SEM图。在图1中，铜衬底上的铜成核在动力学上是有利的，且导致比在钴衬底上更为连续的膜。相对地，钴衬底上的铜成核在动力学上是不利的，且导致在钴衬底上的稀疏晶粒。
在一些非铜层中，在没有足够的过电位的情况下可能发生非铜层溶解。大于非铜层溶解电位的电镀溶液过电位防止非铜层的溶解。电镀溶液可在给定电流密度下显示高过电位(强极化)，以使非铜晶种的溶解最小化。因此，在给定电流密度下，较高的过电位提供较佳的晶种保护。较佳的晶种保护特别有利于具有薄晶种(例如比约
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更薄)的小特征(例如<25nm的特征宽度)，否则其可能在镀覆期间溶解，导致填充缺陷。在非铜层包含不如铜贵重的金属的情况下，较高的过电位会是必要的。钴不如铜贵重且更易于溶解，而钌比铜贵重且不易于溶解。
较高的过电位不仅使晶种溶解的效应减小，且较高的过电位促进较佳的成核作用。具有较高过电位的电镀溶液提供较高的成核密度，其致使形成连续的铜薄膜，而非不连续的铜薄膜。
促进高成核密度的一种方法是使用导致更加极化的电极的溶液条件。可通过许多方法以实现增加的电极极化。一种这样的方法可涉及在电解液中使用某些络合剂，例如乙二胺四乙酸(EDTA)、次氮基三乙酸(NTA)、柠檬酸、谷氨酸等。络合剂通过静电交互作用而与铜离子结合，并形成可溶性络合物。在许多示例性中，络合剂被塑形以部分地包围经络合的铜离子并部分地屏蔽铜离子。虽然络合剂并非抑制剂，因为其主要通过在溶液中与铜形成络合物(而非通过吸附至衬底表面上)而起作用，然而络合剂确实通过使铜电沉积的过电位增加而提供类似抑制剂的功能。络合剂用于增加极化度、或将铜离子还原成金属所需的电位。较强的络合剂(如EDTA)协助使铜电沉积的极化增加，从而改善即使是在非铜层上的成核作用。
图2显示了使用常规铜电镀溶液的钴衬底上的铜成核以及使用具有EDTA的铜电镀溶液的钴衬底上的铜成核的SEM图。在图2中，使用无EDTA的常规铜电镀溶液的铜成核导致在整个钴衬底上的稀疏铜岛。相对地，使用具有EDTA的铜电镀溶液的铜成核导致在整个钴衬底上的实质改良铜成核。
虽然强络合剂可促进铜成核(即使系在非铜层上)，但这样的络合剂可能对填充造成不利影响。如上所述，包含加速剂、抑制剂、和/或整平剂的有机添加剂可被掺入电镀溶液中，以控制特征中的铜沉积速率。加速剂、抑制剂和/或整平剂的活性及浓度的控制用于实现无孔隙的由下往上填充。然而，许多络合剂会干扰有机添加剂活性，因此铜的电镀不会以由下往上的方式进行。在某些情况下，铜的电镀是较为保形的，而非由下往上的。在镶嵌镀覆的背景下，保形薄膜是非所期望的，因为其可能导致特征内含有缝/孔隙。
图3显示了使用常规铜电镀溶液的钴衬垫的特征中的铜填充以及使用具有EDTA的常规铜电镀溶液的钴衬垫的特征中的铜填充的STEM图。在图3中，使用无EDTA的铜电镀溶液导致钴衬垫的特征中的不良成核及不良填充。相对地，使用具有EDTA的铜电镀溶液导致经改善的成核，但填充变得保形而非由下往上，因为EDTA干扰有机添加剂活性。保形填充导致如图3中所示的缝/孔隙。
当电镀开始时，在衬底的边缘(衬底与电源连接之处)与其中心之间通常有显著的电位降。在初始镀覆阶段期间，电位的差异导致在边缘处较快的镀覆及在衬底中心处缓慢的镀覆。所得的膜通常为边缘厚而中心薄的，其意指在衬底上的不同区域之间可能存在显著的镀覆不均匀性。这被称为“终端效应(terminal effect)”。
当衬底包含非铜层时，终端效应可能更为明显。这是因为非铜层通常比铜层更具电阻性。尤其是，相比于衬底具有铜晶种层时，非铜晶种层可能导致输入的衬底的薄层电阻较高或实质上更高。在衬底更具电阻性的情况下，衬底的边缘与其中心之间的电位降可能更大。然而，可通过使用较低电导率的电镀浴而使终端效应的强度降低。电镀溶液中的较低电解液电导率导致衬底边缘与衬底中心之间较小的电位降。
图4显示了针对三种不同电镀溶液而显示随着与晶片中心的距离而变化的电流密度的图表。在衬底上所输送的电流分布可在浸没期间于衬底上提供相对均匀或不均匀的电流密度，从而造成在衬底各处的均匀或不均匀的铜电镀。电镀溶液的电导率可能影响输送至衬底的电流的分布。在图4中，使用较具导电性的溶液(例如60mS/cm)会产生随距离而变化的大的电流密度差异。电流密度在靠近衬底中心处是低的，而在靠近衬底与电源连接的处是高的。另一方面，使用较低导电性的溶液(例如0.6mS/cm)会产生微小的电流密度差异。因此，终端效应的强度随着电镀溶液的电导率的降低而减小。
本公开内容的电镀溶液解决了由成核、由下往上填充以及终端效应所带来的挑战。本公开内容的电镀溶液有效地成核，并在一或更多特征中于非铜层上进行铜的由下往上的填充，并同时减轻终端效应。
促进成核的方法中的一种是降低铜离子浓度。具有低铜离子浓度的电镀溶液可被称为低铜电解液。低浓度的铜离子被理解为意指低于约10g/L的铜离子的浓度。在一些实现方案中，低铜电解液在电镀溶液中具有低于约10g/L的铜离子浓度。低铜电解液的使用使得非铜层上的极化增加，并使电镀溶液的过电位增加。这可用于促进非铜层上的铜成核，并保护非铜层以避免溶解。本公开内容的电镀溶液可具有介于约0.2g/L至约10g/L之间、或介于约0.2g/L至约5g/L之间的铜离子浓度。
如上所述的促进成核的另一方法为使用络合剂。络合剂使电镀溶液的过电位增加。络合剂的示例包括EDTA、NTA、柠檬酸、谷氨酸以及卤离子(例如溴离子及氯离子)。然而，络合剂通常会干扰有机添加剂的活性，从而干扰由下往上的填充处理并导致如图3中所示的保形膜。
图5显示了使用不同铜离子浓度及不同溴离子浓度的铜成核的SEM图。在电镀溶液中铜离子浓度为2g/L且无溴离子的情况下，铜的成核是不良的。在电镀溶液中铜离子浓度降低为0.5g/L且无溴离子的情况下，铜的成核得到改善。在电镀溶液中铜离子浓度为2g/L且溴离子浓度为1mM的情况下，铜的成核也得到改善。因此，减低的铜离子浓度及溴离子的存在可改善铜的成核。
出人意料地，足以改善成核的溴离子浓度不会对铜的由下往上填充造成不利影响。尽管许多其他络合剂(例如EDTA)会干扰有机添加剂活性并导致保形沉积而非由下往上沉积，但作为络合剂的溴离子不会干扰有机添加剂活性。在一些实现方案中，本公开内容的电镀溶液包含在电镀溶液中浓度为约20mg/L至约240mg/L之间的溴离子。
在一些实现方案中，除了用作第一络合剂的溴离子之外，电镀溶液还包含第二络合剂。第二络合剂可进一步使铜电镀的镀覆表面的极化增加。例如，第二络合剂可包含氯离子。本公开内容的电镀溶液可包含在电镀溶液中浓度为约1mg/L至约100mg/L之间的氯离子。
图6显示在不同pH值及不同溴离子浓度情况下的使用低铜电镀溶液的钴衬垫的特征中的铜填充的STEM图。在没有溴离子的情况下，无论pH低或高，成核都是不良的。在电镀溶液中溴离子浓度为0.5mM的情况下，成核得到改善，且由下往上的填充在高酸浓度下是充分的。在电镀溶液中溴离子浓度为1mM的情况下，成核得到改善，且由下往上的填充在高酸浓度及低酸浓度下都是充分的。溴离子的添加改善成核，并维持无孔隙的由下往上填充(即使针对较高pH值的情况下)。这是在非铜层(例如钴)上所实现的。
降低电镀溶液的电导率的方法中的一种是降低酸浓度。换言之，较高的pH值与较低电导率的溶液相关联，且较低电导率的溶液会减轻终端效应。本公开内容的电镀溶液的pH等于或大于1.0、等于或大于1.5、或等于或大于2.0。在一些实现方案中，可通过调整电镀溶液中的硫酸浓度而控制pH。
图7显示了随硫酸浓度而变化的电镀溶液电导率的图表。电镀溶液包含0.5g/L的固定量的铜离子浓度，但硫酸浓度变化。随着硫酸浓度增加，电镀溶液的电导率线性地增加。因此，较低的酸浓度促成较低电导率的电镀溶液，其有助于减轻由终端效应所引起的晶片各处的均匀性问题。
然而，在典型的镶嵌镀覆中，通常不期望有高的pH，因为较高的pH值造成对有机添加剂活性的干扰，从而导致不良的由下往上的填充。参照图6中的STEM图，可观察到，针对0.5mM溴离子及0mM溴离子，降低的酸浓度导致不良的由下往上填充。正如所预期的，增加的pH值会干扰有机添加剂活性，如图6中所示。
出人意料地，增加的溴离子浓度与降低的酸浓度相结合并不会对由下往上填充造成不利影响。溴离子用以改善成核，并维持有效的由下往上填充，如图6中所示。即使酸浓度降低，仍维持经改善的成核及填充。在图6中，于10g/L硫酸、2.5g/L硫酸以及0.98g/L硫酸的条件下维持成核及由下往上填充。可观察到，降低的酸浓度及增加的溴离子浓度导致1mM溴离子的改良的由下往上填充。
本公开内容的电镀溶液可具有低的酸浓度。例如电镀溶液可具有介于约0.1g/L至约10g/L之间、或介于约0.5g/L至约5g/L之间的酸浓度。降低的酸浓度与较高的pH值相关联。本公开内容的电镀溶液可具有相对高的pH值，例如等于或大于约1.0的pH值。在一些实现方案中，本公开内容的电镀溶液包含酸，例如硫酸或甲烷磺酸。硫酸在电镀溶液中的浓度可为介于约0.1g/L至约10g/L之间、或介于约0.5g/L至约5g/L之间。
使用有机添加剂有可能在非铜层上实现良好的成核及由下往上的填充。用于在非铜层上电镀铜的许多常规技术避免掺入有机添加剂，因为高pH值和/或络合剂会干扰由下往上的填充。然而，本公开内容的电镀溶液使用常规有机添加剂以促进非铜层上的铜的成核及由下往上的填充。因此本公开内容的电镀溶液包含加速剂、抑制剂、整平剂或其组合。例如，电镀溶液可包含介于约10ppm至约500ppm之间的活性有机添加剂。在一些实现方案中，加速剂的浓度可等于或低于约100ppm、或介于约5ppm至约40ppm之间。在一些实现方案中，抑制剂的浓度可为介于约30ppm至约300ppm之间。在一些实现方案中，除了加速剂及抑制剂之外，电镀溶液还选用性地包含整平剂。
图8A-8D显示了低铜浓度、溴离子作为络合剂以及相对高的pH值对钴衬垫的特征中的铜填充的影响。钴作为非铜层的示例。图8A-8D显示特征中的铜成核及填充的渐进改善。
图8A显示了使用常规电镀溶液的钴衬垫的特征中的铜填充的STEM图。用于镶嵌互联件的常规电镀溶液可具有约10g/L铜离子或更高的铜浓度。没有如溴离子之类的络合剂、没有较低的铜浓度、且具有高酸度的情况下，在钴上的铜电镀结果是不良的成核及不良的填充。
图8B显示了使用常规电镀溶液且溴离子作为络合剂的钴衬垫的特征中的铜填充的STEM图。添加溴离子作为络合剂使得铜电镀的极化增加，以促进成核。如图2所示，显示出络合剂改善成核，但如图3所示，也显示出络合剂对填充造成不利影响。然而，如图6以及图8B所示，在电镀溶液中掺入溴离子以作为络合剂不仅改善铜成核，并且保持或甚至改善铜填充。
图8C显示了使用具有溴离子及降低的铜离子浓度的常规电镀溶液的钴衬垫的特征中的铜填充的STEM图。使铜离子浓度降低可进一步增加电镀溶液的过电位，以使镀覆表面上的极化增加。如图8C所示，这进一步改善非铜层上的铜成核而不牺牲填充。
图8D显示了使用具有溴离子、降低的铜离子浓度以及提高的pH的常规电镀溶液的钴衬垫的特征中的铜填充的STEM图。提高的pH或较低的酸浓度提供较低电导率的电镀溶液，以减轻终端效应，从而产生经改善的晶片各处的均匀性。然而，提高的pH因干扰有机添加剂活性而通常导致较差的填充。尽管如此，如图6及图8D所示，掺入溴离子作为络合剂并结合提高的pH，不仅改善铜成核，并且保持或甚至改善铜填充。
图9根据一些实现方案显示了在非铜衬垫层上电镀铜的示例性方法的流程图。可以不同顺序和/或以不同的、更少的、或额外的操作执行工艺900中的操作。
在工艺900的框910，接收具有多个特征的晶片。该晶片在该晶片的表面处包含非铜衬垫层。该晶片包含待通过电镀处理进行填充的特征。在一些实现方案中，特征可以是沟槽或通孔，其具有介于约5-100nm的宽度、或介于约25-100nm的宽度、或介于约10-20nm的宽度。沟槽、通孔以及其他凹部有时可称为“特征”。这些特征可以是镶嵌特征。目前，集成电路制造采用镶嵌、双重镶嵌、或相关技术以电镀铜至限定互联件路径的特征中。
在一些实现方案中，晶片包含阻挡层和/或衬垫层，以将铜的填充与绝缘材料分隔开。可将特征蚀刻进入绝缘材料中，且特征可内衬有阻挡层和/或衬垫层。阻挡层的示例性材料包含钽、钛、氮化钽、氮化钛以及无氟钨。衬垫层的示例性材料包含钴及钌。衬垫层是对阻挡材料及铜都具有良好黏附力、且通常具有大于铜的电阻率的非铜衬垫层。
在一些实现方案中，可在使晶片表面与电镀溶液接触之前对晶片进行处理。晶片处理可包含高温处理以对晶片表面进行调节并使其电阻降低。在一些实现方案中，晶片处理可包含使非铜衬垫层经受等离子体处理(例如氢等离子体处理)或混合气体退火(forming gas anneal)，以去除杂质、还原氧化物和/或使非铜衬垫层再结晶，以改善导电性及铜的成核。
在工艺900的框920，使晶片表面与电镀溶液接触，其中该电镀溶液包含：在该电镀溶液中浓度为介于约0.2g/L至约10g/L之间的铜离子、加速剂添加剂、抑制剂添加剂以及溴离子。该电镀溶液的pH大于约1.0。在一些实现方案中，该电镀溶液中的溴离子的浓度可以介于约20mg/L至约240mg/L之间。
该电镀溶液使用常规有机添加剂以实现非铜衬垫层上的铜的成核以及由下往上的填充。因此，电镀溶液包含加速剂添加剂以及抑制剂添加剂。在一些实现方案中，电镀溶液还包含整平剂添加剂。该电镀溶液还在没有铜晶种层的预先沉积(其利用单独的电解液或沉积处理(例如PVD))的情况下，实现非铜衬垫层上的铜的成核及由下往上的填充。由于非铜衬垫层具有低电导率，因此电镀溶液具有低电导率以减轻终端效应。电镀溶液可具有高pH，以具有低电导率，其中pH等于或大于约1.0、等于或大于约1.5、或等于或大于约2.0。在一些实现方案中，电镀溶液包含浓度介于约0.1g/L至约10g/L之间的硫酸或其他合适的酸。电镀溶液包含低浓度的铜离子，以在电镀期间使镀覆表面处的极化增加。因此，电镀溶液具有介于约0.2g/L至约10g/L之间、或介于约0.2g/L至约5g/L之间、或介于约0.2g/L至约3g/L之间的低浓度的铜离子。电镀溶液可包含铜盐，例如硫酸铜、甲烷磺酸铜、焦磷酸铜、丙烷磺酸铜、或七水硫酸铜。电镀溶液包含铜络合剂，其或者不干扰或者主动改善有机添加剂的活性。第一铜络合剂包含溴离子，其中电镀溶液中的溴离子的浓度可为介于约20mg/L至约240mg/L之间、或介于约30mg/L至约200mg/L之间、或介于约40mg/L至约160mg/L之间。在一些实现方案中，溴离子可由电镀溶液中的氢溴酸(HBr)产生。第一铜络合剂使得有机添加剂能保持其有效性，即使在高pH值下也如此。
在一些实现方案中，电镀溶液还包含第二铜络合剂。例如，第二铜络合剂可包含氯离子。电镀溶液中的氯离子的浓度可以介于约1mg/L至约100mg/L之间、介于约10mg/L至约80mg/L之间、或介于约20mg/L至约60mg/L之间。在一些实现方案中，氯离子可由电镀溶液中的氢氯酸(HCl)产生。第二铜络合剂用于在电镀期间进一步使镀覆表面的极化增加，以促进铜成核。
在工艺900的框930，将铜电镀至非铜衬垫层上，以利用铜填充多个特征。多个特征通过由下往上的填充进行填充。具体而言，铜是从特征的底部至顶部进行电镀的，并避免沿着特征侧壁及底部的保形沉积。多个特征中的铜填充可以是无孔隙/接缝的、或至少实质上是无孔隙/接缝的。
在多个特征中实现由下往上的铜填充可至少部分地取决于镀覆表面处的极化。镀覆表面处的极化可防止非铜衬垫层的溶解，并且可产生促进有机添加剂的活性的条件，以用于无孔隙的由下往上的填充。不受任何理论的限制，极化可使得更多加速剂分子能积聚于特征底部处。无孔隙的由下往上的填充至少部分地与如何控制晶片表面各处的电流密度相关联。因此，施加以驱动电镀的波形可能对填充机制产生影响。
将晶片浸入电镀溶液中的处理可涉及使晶片相对于水平面而倾斜。因此，晶片在浸入期间会具有前缘(leading edge)及后缘(trailing edge)。如果在浸入期间将恒定电流偏置施加至晶片，则前缘会经历非常高的电流密度，直到大部分或整个晶片被浸没为止。即使高电流密度不会损害晶片的前缘，在进入期间的较高电流密度也导致具有较高铜沉积速率的晶片前缘部分及晶片表面上的不均匀厚度。因此，晶片表面各处的电流密度的小心控制是有益的，尤其是在晶片进入期间。
恒电位晶片进入可用于协助控制浸入期间的晶片各处的电流密度。恒电位进入涉及在晶片进入电镀溶液中的整个过程期间施加恒定电位至晶片。可通过根据恒定电位而预先设定连接至晶片的电源而实现恒定电位的施加。恒电位控制可相对于参考电极(例如硫酸汞参考电极)而维持介于约-400mV至约-2000mV之间的恒定电位。在一些实现方案中，进入期间的恒电位控制使得在整个晶片表面上产生约1mA/cm2至约40mA/cm2的电流密度。在一些实现方案中，恒定电位的施加可发生于晶片进入期间和/或调节时段的期间。可在调节时段期间将调节步骤运用于晶片，以在特征中建立有机添加剂的正确分布。因此，调节步骤可在晶片进入期间提供正确控制的电流密度，并提供有机添加剂的正确分布。调节时段可用作电流或电位受控的镀覆时段。因此，恒电位控制可提供过电位，其在晶片浸入电镀溶液中时用作有用的调节步骤。在一些实现方案中，针对调节步骤，可使恒定电位的施加保持约0.5秒至约10秒之间的持续时间。调节步骤通常不超过10秒。在一些实现方案中，通过恒定电位的施加而调节晶片促进成核，而不会干扰有机添加剂的活性。
在一些实现方案中，当晶片浸入电镀溶液中时不施加恒定电位至晶片。换言之，当晶片浸入电镀溶液中时，在调节步骤期间不施加固定的电位。在不施加恒定电位的情况下，电压被设定至开路电压，其为无电流通过时相对于参考电极的电压。
在一些实现方案中，当晶片浸入电镀溶液中时，可将电流脉冲施加至晶片。这可发生于晶片被浸入电镀溶液时的调节步骤期间和/或晶片进入期间。电流脉冲可以是动电流(galvanodynamically)或动电位(potentiodynamically)控制的。电流脉冲可包含剥除电流或电位以去除所沉积的铜的突出区域。电流脉冲可以是相对高电流脉冲、低电流脉冲、或无电流脉冲。不希望受到作用的任何理论或机制的限制，相信，控制电流脉冲可用于通过重新分布吸附于晶片表面上的有机添加剂而改变晶片的初始铜成核。
在一些实现方案中，控制晶片表面各处的电流密度涉及动态地控制施加至晶片的电流。这可以称为动电流(galvanodynamic)控制。尤其是当通过倾斜浸没以将晶片浸没而使得晶片以微小角度进入电镀溶液时，浸入电镀溶液中的晶片的表面积在浸入过程中增加。提供随浸没面积而变化的电流控制的进入方法可提供比常规浸入方法更好的膜均匀度及形态控制。在一些实现方案中，电流密度可为介于约0.1mA/cm2至约500mA/cm2之间。
施加至晶片的波形在成核时期的期间可能与填充时期不同。成核时期描述铜成核发生于非铜衬垫层上的时期，而填充时期描述在成核时期之后的由下往上铜填充的时期。调节步骤代表电位或电流受控的镀覆步骤，其可与成核时期及填充时期中的一或两者重叠。然而，例如在调节步骤被设定于开路电压的情况下，不会使任何物质成核且不会与成核时期重叠。
在一些实现方案中，在成核时期及填充时期施加至晶片的波形是恒电流控制的。恒电流控制在晶片浸入电镀溶液中时将恒定电流输送至晶片。控制晶片表面各处的电流密度可涉及施加恒定电流至晶片。在一些实现方案中，使用DC电流。DC电流可提供在约0.2mA/cm2至约5mA/cm2之间的电流密度下的恒定电流。在成核时期及填充时期的期间，晶片的每分钟转数(RPM)可以介于约0至200之间。
在一些实现方案中，在成核时期和填充时期施加至晶片的波形是恒电位控制的。恒电位控制会比恒电流控制更有效地控制晶片表面处的能量的量。在一些实现方案中，恒电位控制在相对于参考电极(例如Hg2/Hg2SO4电极)而介于约-400mV至约-2000mV之间的特定设定点下施加恒定电位。
在晶片表面各处的电流密度控制涉及动电流或动电位控制的一些实现方案中，可在成核时期期间施加与填充时期不同的电流分布或电压分布。因此，电流或电位的逐步上升或下降可取决于电镀处于其早期阶段或其后期阶段而发生。在一些实现方案中，工艺900还包括在成核时期期间使电流或电位逐步上升或下降、以及在成核时期之后的填充时期期间使电流或电位逐步上升或下降。在一些实现方案中，以微小增量/步进使电流或电位逐步上升或下降。
用于电镀的设备
可根据在本文所述的实施方案而使用许多设备配置。一示例设备包含抓斗式夹具(clamshell fixture)，该抓斗式夹具将晶片的背侧密封而使其远离电镀液，并且同时允许在晶片的正面上进行镀敷。抓斗式夹具可例如以下列方式来支撑晶片：经由放置在晶片的斜边(bevel)上方的密封件、或通过例如与应用在斜边附近的密封件结合的施加至晶片背面的真空。
抓斗式夹具应以允许晶片的电镀表面进行良好润湿的方式进入该浴。衬底润湿的质量受多个变量影响，所述变量包含但不限于抓斗旋转速度、竖直进入速度、以及抓斗相对于镀浴的表面的角度。这些变量及其效应在美国专利No.6,551,487中进一步说明，其通过引用合并于本文。在某些实现方式中，电极旋转速率介于约5-125RPM之间，竖直进入速度介于约5-300mm/s之间，以及抓斗相对于镀浴的表面的角度介于约1-10度之间。使特定应用的这些变量优化的其中一个目的为通过将空气从晶片表面完全移开而实现良好润湿。
本文公开的电沉积方法可以参考各种电镀工具设备来描述，并且可以在各种电镀工具设备的背景下使用。可根据本文的实施方案使用的电镀设备的一个示例是LamResearch Saber工具。电沉积(包括衬底浸渍)和本文公开的其他方法可以在形成更大电沉积设备的部件中进行。图10显示了示例性电沉积设备的顶视图的示意图。电沉积设备1000可包括三个单独的电镀模块1002、1004和1006。电沉积设备1000还可包括配置用于各种工艺操作的三个单独的模块1012、1014和1016。例如，在一些实施方案中，模块1012、1014和1016中的一个或多个可以是旋转冲洗干燥(SRD)模块。在其他实施方案中，模块1012、1014和1016中的一个或多个可以是后电填充模块(PEM)，每个模块被配置为在衬底已由电镀模块1002、1004和1006中的一个处理之后执行功能，例如边缘斜面去除、背面蚀刻和衬底的酸清洁。
电沉积设备1000包括中央电沉积室1024。中央电沉积室1024是保存用作电镀模块1002、1004和1006中的电镀液的化学溶液的室。电沉积设备1000还包括投配系统1026，投配系统1026可以存储和输送用于电镀液的添加剂。化学稀释模块1022可以存储和混合将被用作蚀刻剂的化学品。过滤和泵送单元1028可以过滤用于中央电沉积室1024的电镀液，并将其泵送至电镀模块。
系统控制器1030提供用于操作电沉积设备1000所需的电子和界面控件。系统控制器1030(其可以包括一个或多个物理或逻辑控制器)控制电镀设备1000的属性的部分或全部。系统控制器1030通常包括一个或多个存储器装置和一个或多个处理器。该处理器可以包括中央处理单元(CPU)或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接件、步进电机控制器板、以及其它类似部件。用于实施如本文所述的适当的控制操作的指令可以在处理器上执行。这些指令可以存储在与系统控制器1030相关联的存储器装置上或它们可以通过网络来提供。在某些实施方案中，系统控制器1030执行系统控制软件。
在电沉积设备1000中的系统控制软件可以包括用于控制以下参数的指令：定时、电解液组分的混合(包括一种或多种电解液组分的浓度)、入口压力、电镀池压力、电镀池温度、衬底温度、施加到衬底和任何其它电极的电流和电位、衬底位置、衬底的旋转以及通过电沉积设备1000执行的特定工艺的其它参数。系统控制逻辑还可包含用于在被定制以适于低铜浓度电解液和与其相关的高过电位的条件下进行电镀的指令。例如，系统控制逻辑可被配置成在由下往上(bottom-up)的填充阶段期间提供相对低电流密度和/或在过载(overburden)阶段期间提供较高电流密度。控制逻辑也可被配置成在镀敷期间向晶片表面提供某些等级的质量传递。例如，控制逻辑可被配置成控制电解液的流动，以确保在电镀期间通向晶片的足够质量传递，使得衬底不会遭遇到铜消耗的情况。在某些实施方案中，控制逻辑可操作以在镀敷工艺的不同阶段提供不同等级的质量传递(例如，在由下往上填充阶段期间提供比在过载阶段期间更高的质量传递，或在由下往上填充阶段期间提供比在过载阶段期间更低的质量传递)。另外，系统控制逻辑可被配置成将一或多种电解液成分的浓度维持在本文所公开的任何范围内。举特定示例而言，系统控制逻辑可被设计或配置成将铜阳离子的浓度维持在约l-10g/L之间。系统控制逻辑可以以任何合适的方式配置。例如，可以编写各种处理工具组件子程序或控制对象以控制执行各种处理工具处理所必需的处理工具组件的操作。系统控制软件可以用任何合适的计算机可读编程语言编码。该逻辑还可以实现为可编程逻辑器件(例如，FPGA)、ASIC或其他适当的载体中的硬件。
在一些实施方案中，系统控制逻辑包括用于控制上述各种参数的输入/输出控制(IOC)排序指令。例如，电镀过程的每个阶段可以包括用于由系统控制器1030执行的一个或多个指令。用于设置浸渍工艺阶段的工艺条件的指令可以包括在相应的浸渍配方阶段中。在一些实施方案中，可以顺序地布置电镀配方阶段，使得用于电镀工艺阶段的所有指令与该工艺阶段同时执行。
在一些实施方案中，控制逻辑可以被分成各种组件，例如程序或程序段。用于此目的的逻辑组件的示例包括衬底定位组件、电解液组分控制组件、压力控制组件、加热器控制组件和电位/电流电源控制组件。
在一些实施方案中，可以有与系统控制器1030相关联的用户界面。用户界面可以包括显示屏幕、设备和/或工艺条件的图形软件显示器、和用户输入装置，用户输入装置诸如指针装置、键盘、触摸屏、麦克风等。
在一些实施方案中，由系统控制器930调整的参数可能涉及工艺的条件。非限制性示例包括镀浴条件(温度、成分和流速)、衬底在不同阶段的位置(旋转速度、线性(垂直)速度、相对于水平面的角度)等。这些参数可以以配方的形式提供给用户，其可以利用该用户界面来输入。
用于监控工艺的信号可以通过系统控制器1030的模拟和/或数字输入连接件从各种处理工具传感器提供。用于控制工艺的信号可以通过处理工具的模拟和数字输出连接件输出。可被监控的处理工具传感器的非限制性示例包括质量流量控制器、压力传感器(例如压力计)、热电偶、光学位置传感器等。经适当编程的反馈和控制算法可以与来自这些传感器的数据一起使用以维持工艺条件。
在一实施方案中，这些指令可包含下列指令：将衬底插入晶片支架、使衬底倾斜、在浸渍期间对衬底施加偏置、以及在衬底上电沉积含铜结构。
传递(hand-off)工具1040可以从诸如盒1042或盒1044之类的衬底盒中选择衬底。盒1042或1044可以是前开式标准盒(FOUP)。FOUP是设计用来可靠且安全地将衬底保持在受控环境中并使得衬底能被移除以通过配备有适当的装载口和自动装卸系统的工具进行处理或测量的外壳。传递工具1040可以使用真空附连件或一些其它附连机构保持衬底。
传递工具1040可以与晶片装卸站1032、盒1042或1044、传送站1050或对准器1048连接。传递工具1046可以从传送站1050获得衬底。传送站1050可以是狭槽或位置，传递工具1040和1046可以往来于该狭槽或位置传送衬底而不通过对准器1048。然而，在一些实施方案中，为了确保衬底适当地对准传递工具1046以精确地传送到电镀模块，传递工具1046可以使衬底与对准器1048对准。传递工具1046也可以将衬底传送到电镀模块1002、1004或1006中的一个，或传送到被构造成用于各种工艺操作的三个独立模块1012、1014和1016中的一个。
根据上述方法的工艺操作的示例可以如下进行：(1)在电镀模块1004中将铜电沉积到衬底上以形成含铜结构；(2)在模块1012中冲洗并在SRD中干燥衬底；并且，(3)在模块1014中执行边缘斜面去除。
被配置为使得衬底能顺序地通过电镀、漂洗、干燥和PEM工艺操作的高效循环的设备可用于在制造环境中使用的实现方式。为了实现这一点，模块1012可以被配置成为旋转漂洗干燥机和边缘斜面去除室。利用这样的模块1012，衬底将只需要在电镀模块1004和模块1012之间进行传送以进行镀铜和EBR操作。
在一些实现方式中，控制器(例如系统控制器1030)是系统的一部分，该系统可以是上述实施方案的一部分。这样的系统可以包括半导体处理装置，该半导体处理装置包括一个或多个处理工具、一个或多个处理室、用于处理的一个或多个平台和/或具体的处理组件(晶片基座、气流系统等)。这些系统可以与用于控制它们在处理半导体晶片或衬底之前、期间和之后的操作的电子器件一体化。电子器件可以称为“控制器”，该控制器可以控制一个或多个系统的各种元件或子部件。根据处理要求和/或系统的类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括控制工艺气体输送、温度设置(例如，加热和/或冷却)、压强设置、真空设置、功率设置、射频(RF)产生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流速设置、流体输送设置、位置及操作设置、晶片转移进出工具和其它转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的装载锁。
广义而言，控制器可以定义为接收指令、发布指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等等的具有各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件的电子器件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片和/或一个或多个执行程序指令(例如，软件)的微处理器或微控制器。程序指令可以是以各种单独设置的形式(或程序文件)传送到控制器的指令，该设置定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定过程的操作参数。在一些实施方案中，操作参数可以是由工艺工程师定义的用于在制备晶片的一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或管芯期间完成一个或多个工艺步骤的配方(recipe)的一部分。
在一些实现方式中，控制器可以是与系统集成、耦合或者说是通过网络连接系统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦合。例如，控制器可以在“云端”或者是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，从而可以允许远程访问晶片处理。计算机可以启用对系统的远程访问以监控制造操作的当前进程，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的工艺或者开始新的工艺。在一些实施方案中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供工艺配方，网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括允许输入或编程参数和/或设置的用户界面，该参数和/或设置然后从远程计算机传送到系统。在一些实施例中，控制器接收数据形式的指令，该指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个工艺步骤的参数。应当理解，参数可以针对将要执行的工艺类型以及工具类型，控制器被配置成连接或控制该工具类型。因此，如上所述，控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而为分布式，这些分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本文所述的工艺和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的一个示例可以是与一个或多个远程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的室上的一个或多个集成电路，它们结合以控制室上的工艺。
在非限制性的条件下，示例的系统可以包括等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转清洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片的制备和/或制造中可以关联上或使用的任何其它的半导体处理系统。
如上所述，根据工具将要执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个其它的工具电路或模块、其它工具组件、组合工具(cluster tool)、其它工具界面、相邻的工具、邻接工具、位于整个工厂中的工具、主机、另一个控制器、或者在将晶片的容器往来于半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口搬运的材料搬运中使用的工具通信。
电沉积设备1100的替代实施方案在图11中示意性地示出。在该实施方案中，电沉积设备1100具有成组的电镀池1107，每个电镀池1107包含成对或多个“二重”配置的电镀浴。除了电镀本身之外，电沉积设备1100还可以执行各种其他电镀相关工艺和子步骤，诸如，例如旋转漂洗、旋转干燥、金属和硅湿法蚀刻、无电沉积、预润湿和预化学处理、还原、退火、光致抗蚀剂剥离和表面预活化。在图11中示意性地示出了电沉积设备1100的俯视图，并且在该图中仅露出单个层或“底板”，但是本领域普通技术人员容易理解这样的设备(例如，Novellus SabreTM 3D工具)可以具有两个或更多个上下“堆叠”的阶层，每个阶层可能具有相同或不同类型的处理站。
再次参照图11，将待电镀的衬底1106通常通过前端装载FOUP1101供给到电沉积设备1100，并且在该示例中，通过前端机械手1102从FOUP带到电沉积设备1100的主衬底处理区域，该前端机械手1102可以将由主轴1103沿多个维度驱动的衬底1106从一个站缩回以及移动到另一个可访问站，在该示例中示出了两个前端可访问站1104，还有两个前端可访问站1108。前端可访问站1104和1108可包括例如预处理站和旋转漂洗干燥(SRD)站。利用自动(robot)轨道1102a完成前端机械手1102从一侧到另一侧的横向移动。每个衬底1106可以由杯/锥组件(未示出)保持，该杯/锥组件由连接到马达(未示出)的主轴1103驱动，并且马达可以附接到安装支架1109上。在该示例中还示出了四“对”(“duets”)电镀池1107，总共八个电镀池1107。电镀池1107可用于为含铜结构电镀铜以及为焊接结构电镀焊接材料。系统控制器(未示出)可以耦合到电沉积设备1100以控制电沉积设备1100的一些或全部性能。该系统控制器可以被编程或以其他方式配置成根据本文前面描述的过程执行指令。
本文所述的设备/方法可以与光刻图案化工具或工艺结合使用，例如，用于制备或制造半导体器件、显示器、LED、光伏电池板等。通常，但不是必然地，这种工具/工艺将在共同的制造设施中一起使用或操作。膜的光刻图案化通常包括以下操作中的一些或所有，每个操作启用多个可行的工具：(1)使用旋涂或喷涂工具在工件(即，晶片)上涂覆光致抗蚀剂；(2)使用热板或加热炉或UV固化工具固化光致抗蚀剂；(3)使用例如晶片步进曝光机之类的工具使光致抗蚀剂暴露于可见光或UV或x-射线；(4)使抗蚀剂显影以便选择性地去除抗蚀剂并且从而使用例如湿式工作台之类的工具将其图案化；(5)通过使用干式或等离子体辅助蚀刻工具将抗蚀剂图案转印到下方的膜或工件上；并且(6)使用例如射频或微波等离子体抗蚀剂剥离器之类的工具去除抗蚀剂。
结论
在以上的描述中，说明了大量的特定细节，以提供对所提出的实现方案的彻底理解。在没有这些特定细节中的一些或者全部的情况下即可实行所公开的实现方案。在其他示例性中，为了不使所公开的实现方案难以理解，常规的处理操作不会有详细描述。虽然所公开的实现方案与特定实现方案一同描述，但应理解，并非试图限制所公开的实现方案。
虽然上述实现方案已为了清楚理解的目的而以一些细节描述，但显然，某些改变和修饰可在所附权利要求的范围内实施。应注意，有许多替代方式执行本发明实现方案的处理、系统、和设备。因此，本发明的实现方案应被视为说明性而非限制性，且这些实现方案并不限于本文所提供的细节。

Claims (11)

1.一种电镀铜至晶片的表面上的方法，所述方法包括：
接收晶片，所述晶片在所述晶片的所述表面处具有多个特征和非铜衬垫层；以及
使所述晶片的所述表面与电镀溶液接触，其中所述电镀溶液包含：
铜离子，其在所述电镀溶液中的浓度为介于约0.2g/L至约10g/L之间；
加速剂添加剂；
抑制剂添加剂；和
溴离子，其中所述电镀溶液的pH大于约1.0；以及
电镀铜至所述非铜衬垫层上，以利用铜填充所述多个特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电镀溶液还包含：
整平剂添加剂。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电镀溶液中的所述溴离子的浓度为介于约20mg/L至约240mg/L之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述非铜衬垫层包含钴或钌。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述电镀溶液还包含：
硫酸，其在所述电镀溶液中浓度为介于约0.1g/L至约10g/L之间。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述电镀溶液还包含：
氯离子，其在所述电镀溶液中浓度为介于约1mg/L至约100mg/L之间。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述电镀溶液被配置为在所述非铜衬垫层上导致阴极过电位，其足以防止所述非铜衬垫层溶解。
8.一种用于电镀铜至晶片的表面上的铜电镀溶液，所述晶片具有多个特征和非铜衬垫层，其中所述铜电镀溶液包含：
铜离子，其在所述铜电镀溶液中的浓度为介于约0.2g/L至约5g/L之间；
加速剂添加剂；
抑制剂添加剂；
溴离子，其在所述铜电镀溶液中的浓度为介于约20mg/L至约240mg/L之间；
氯离子，其在所述铜电镀溶液中的浓度为介于约1mg/L至约100mg/L之间；以及
硫酸，其在所述铜电镀溶液中浓度为介于约0.1g/L至约10g/L之间。
9.根据权利要求8所述的铜电镀溶液，其中所述抑制剂添加剂的浓度为介于约30ppm至约300ppm之间。
10.根据权利要求8所述的铜电镀溶液，其中所述加速剂添加剂的浓度为介于约5ppm至约40ppm之间。
11.根据权利要求8-10所述的铜电镀溶液，其中所述氯离子的浓度为介于约10mg/L至约80mg/L之间，且其中所述硫酸的浓度为介于约0.5g/L至约5g/L之间。
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