CN1190521C - 铜电镀溶液及铜电镀方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铜电镀溶液及铜电镀方法，其可用来进行铜电镀，以填入一半导体基底上介电层内的介层窗中。此铜电镀溶液包括一含铜的电解质，一加速剂，以及作为抑制剂的乙二胺四乙酸(EDTA)。可改善铜电镀的填沟能力，避免介层窗内产生空隙。

Description

铜电镀溶液及铜电镀方法

技术领域

本发明涉及一种铜电镀溶液和一种铜电镀方法，特别涉及一种含有EDTA抑制剂的铜电镀溶液。

背景技术

在集成电路的技术上，为了提高组件的集成度以及数据传输速度，制造技术已由次微米(sub-micron)进入了四分之一微米(quarter-micron)甚或更细微尺寸的范围。然而，当线宽愈来愈小，铝导线已无法满足对速度的要求，因此，以具有高导电性、低电迁移(electromigration)的铜金属做为导线，以降低RC延迟(RC delay)为目前的趋势。

但是，铜金属无法以干蚀刻的方式来定义图案，因为铜金属与氯气电浆气体反应生成的氯化铜(CuCl₂)的沸点极高(约1500℃)，因此铜导线的制作需以镶嵌(damascene)制作过程来进行。双镶嵌(dual damascene)制作过程是指在介电层中形成内联机图案的沟槽(trench)和其下方的介层窗(via hole)后，然后以电镀法(electroplating)同时于其中填入铜金属。

图1a至1c显示使用传统铜电镀溶液在介层窗内电镀铜的制作过程剖面图。请参阅图1a，标号10代表一半导体基底，例如一硅晶片，其上可以形成任何所需的半导体组件(未显示)。在半导体基底10上有一介电层12，例如是以化学气相沉积法(CVD)而形成的氧化硅层，或是低介电常数的有机聚合物材料层。以光刻和蚀刻程序，在介电层12内形成一介层窗14，以供后续制作铜导线的用。

接着，使用铜电镀溶液进行铜电镀，以在介层窗14内填入铜。如图1b所示，在传统铜电镀溶液中，介层窗14的上方侧壁有较大传质空间，于是，在介层窗14的上方侧壁处，铜的沉积速率较快，在介层窗14的底部，铜的沉积速率较慢，因而造成图1b的铜层16的图形。随着电镀的进行，在铜尚未完全填满介层窗14之前，铜会将介层窗14的上方封住，使得铜无法再电镀进去介层窗14内。如此，会形成如图1c所示的铜层图形18，如狗骨头(dog-bone)状，并在介层窗14内产生空隙30。对于高深宽比(aspect ratio)的介层窗而言，亦即，非常深、非常窄的介层窗，这种填沟能力差的现象会更为严重。

发明内容

本发明的目的为解决上述问题而提供一种铜电镀溶液以及使用此铜电镀溶液的铜电镀方法，可改善铜电镀的填沟能力，避免介层窗内产生空隙。

为达成本发明的目的，本发明的铜电镀溶液包括：一含铜的电解质；一加速剂；以及乙二胺四乙酸(EDTA)，作为抑制剂，其中该铜电镀溶液为酸性。本发明的铜电镀溶液可用来进行铜电镀，以填入一半导体基底上的一介电层内的介层窗中。

本发明铜电镀的方法包括以下步骤：提供一半导体基底，此半导体基底上有一介电层，介电层内有一介层窗。接着，将半导体基底置入一铜电镀溶液中，施以电压，沉积一铜层在介层窗内。此铜电镀溶液包括一含铜的电解质；一加速剂；以及乙二胺四乙酸(EDTA)，作为抑制剂，其中该铜电镀溶液为酸性。

附图说明

图1a至1c为使用传统铜电镀溶液在介层窗内电镀铜的制作过程剖面图。

图2a至2c为使用本发明的铜电镀溶液在介层窗内电镀铜的制作过程剖面图。

图3为加速剂和EDTA抑制剂在介层窗内的吸附情形示意图。

图4为其上有阻障层和铜晶种层的介层窗。

标号的说明

10--半导体基底，

12--介电层，

14--介层窗，

16--铜层，

18--铜层，

30--空隙，

20--半导体基底，

22--介电层，

22a--介电层的上表面，

24--介层窗，

24a--介层窗的底部，

24b--介层窗的上侧壁，

24c--介层窗的下侧壁，

A--加速剂

E--EDTA抑制剂

26--铜层，

28--铜层，

52--阻障层，

54--铜晶种层54。

具体实施方式

图2a至2c显示使用本发明的铜电镀溶液在介层窗内电镀铜的制作过程剖面图。请参阅图2a，标号20代表一半导体基底，例如一硅晶片，其上可以形成任何所需的半导体组件(未显示)。在半导体基底20上有一介电层22，例如是以化学气相沉积法(CVD)而形成的氧化硅层，或是低介电常数材料，如FLARE，PAE-2，SILK等有机聚合物材料，或FSG，HSQ(hydrogen silsesquioxane)等非有机材料。接着，以光刻和蚀刻程序，在介电层22内形成一介层窗24，例如，具有双镶嵌结构的介层窗，以供后续制作铜导线的用。

接着，如图4所示，可在介电层22和介层窗24表面上形成一阻障层52和一铜晶种层54。阻障层52可选用研磨速率低于铜金属的材质，例如钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、或氮化钽(TaN)，以利后续研磨处理时作为研磨终止层之用，沉积方法可使用化学气相沉积法(CVD)或溅镀法。阻障层的厚度可为50至500之间。铜晶种层54可以溅镀法或离子化金属等离子体溅射法(IMP；ionized metal plasma)沉积，厚度可为500至5000之间。

接着，使用铜电镀溶液进行铜电镀，以在介层窗24内填入铜。本发明的铜电镀溶液包括一含铜的电解质、一加速剂、和乙二胺四乙酸(EDTA；ethylenediaminetetraacetic acid)抑制剂。含铜的电解质例如可为硫酸铜(CuSO₄)溶液，加速剂可为有机硫化合物。铜电镀溶液最好是酸性的，例如pH在3至7之间。加速剂的用量可为5至1000mg/l，EDTA抑制剂的用量可为20至120mg/l，以铜电镀溶液的总量为基准。

以下为了方便说明起见，阻障层52和铜晶种层54不再显示。请参阅图3，介电层22具有上表面22a，介层窗24具有底部24a、上侧壁24b、和下侧壁24c。本发明的特征在于，本发明铜电镀溶液的成份中含有加速剂(斜线圈圈，标示为A)和乙二胺四乙酸(EDTA；ethylenediaminetetraacetic acid)抑制剂(白色圈圈，标示为E)。乙二胺四乙酸(EDTA)具有四个羧酸基(-COOH)及两个胺基，在酸性溶液中，EDTA的胺基会质子化而强烈吸附在铜上以抑制铜电镀沉积，因而可作为铜电镀沉积的抑制剂。EDTA的分子巨大且扩散慢，因此，倾向于吸附在介层窗上侧壁24b和介电层上表面22a，可减缓在介层窗上侧壁24b和介电层上表面22a位置的铜电镀沉积速度。加速剂(如有机硫化合物)(A)则倾向于吸附在介层窗的底部24a和下侧壁24c，因而可增进在介层窗的底部24a和下侧壁24c处的铜电镀沉积速度，并且降低EDTA抑制剂在介层窗的底部24a和下侧壁24c处的吸附情形。

因此，在介层窗底部24a和下侧壁24c处，铜电镀沉积的速度会比介层窗上侧壁24b和介电层上表面22a处的速度来得快。结果，铜电镀的沉积情形会如图2b和2c所示的情形，由介层窗底部而往上填充，而先形成如图2b的铜层26，最后再填满介层窗24而形成图2c的铜层28。如此，不致于有像使用传统铜电镀溶液那样介层窗上方封住且有空隙的情况发生。

最后，可对铜层28进行平坦化处理，例如，化学机械研磨(CMP；chemicalmechanical polishing)。

综合以上，本发明使用加速剂和EDTA抑制剂作为铜电镀溶液的成份，加速剂倾向于吸附在介层窗的底部和下侧壁，EDTA抑制剂倾向于吸附在介层窗上侧壁和介电层上表面，因此，介层窗底部和下侧壁的铜电镀沉积速度会较快，而可完成从介层窗底部往上填充的铜电镀沉积，填沟能力良好，可避免介层窗上部封住而有空隙产生的情况。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作等效变化与修改，因此本发明的保护范围以权利要求为准。

Claims (17)

1.一种铜电镀溶液，其可用来进行铜电镀，以填入一半导体基底上的一介电层内的介层窗中，其特征在于，该铜电镀溶液包括：

一含铜的电解质；

一加速剂；以及

乙二胺四乙酸，作为抑制剂；

其中，该铜电镀溶液为酸性。

2.如权利要求1所述的铜电镀溶液，其特征在于，该含铜的电解质为硫酸铜溶液。

3.如权利要求1所述的铜电镀溶液，其特征在于，该加速剂为有机硫化合物。

4.如权利要求1所述的铜电镀溶液，其特征在于，该铜电镀溶液的pH值为3至7之间。

5.如权利要求1所述的铜电镀溶液，其特征在于，该介层窗具有双镶嵌结构。

6.如权利要求1所述的铜电镀溶液，其特征在于，该介电层具有上表面，该介层窗具有底部、上侧壁、和下侧壁，该加速剂倾向于吸附在介层窗的底部和下侧壁，而该抑制剂倾向于吸附在介层窗上侧壁和介电层上表面。

7.如权利要求1所述的铜电镀溶液，其特征在于，该加速剂的用量为5至1000mg/l，以铜电镀溶液的总量为基准。

8.如权利要求1所述的铜电镀溶液，其特征在于，该抑制剂的用量为20至120mg/l，以铜电镀溶液的总量为基准。

9.一种铜电镀的方法，其特征在于，包括：

提供一半导体基底，该半导体基底上有一介电层，该介电层内有一介层窗；

将该半导体基底置入一铜电镀溶液中，施以电压，沉积一铜层在该介层窗内，

其中该铜电镀溶液包括一含铜的电解质；一加速剂；以及乙二胺四乙酸，作为抑制剂，其中该铜电镀溶液为酸性。

10.如权利要求9所述的铜电镀的方法，其特征在于，该含铜的电解质为硫酸铜溶液。

11.如权利要求9所述的铜电镀的方法，其特征在于，该加速剂为有机硫化合物。

12.如权利要求9所述的铜电镀的方法，其特征在于，该铜电镀溶液的pH值为3至7之间。

13.如权利要求9所述的铜电镀的方法，其特征在于，该介层窗具有双镶嵌结构。

14.如权利要求9所述的铜电镀的方法，其特征在于，该介电层具有上表面，该介层窗具有底部、上侧壁、和下侧壁，该加速剂倾向于吸附在介层窗的底部和下侧壁，而该抑制剂倾向于吸附在介层窗上侧壁和介电层上表面。

15.如权利要求9所述的铜电镀的方法，其特征在于，该加速剂的用量为5至1000mg/l，以铜电镀溶液的总量为基准。

16.如权利要求9所述的铜电镀的方法，其特征在于，该抑制剂的用量为20至120mg/l，以铜电镀溶液的总量为基准。

17.如权利要求9所述的铜电镀的方法，其特征在于，还包括在沉积铜层之后，平坦化该铜层。

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