CN1636084A - 用于高深宽比特征结构的动态脉冲电镀 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种沉积一金属于一基材上的方法。该金属是藉由依序地施加一电解沉积脉冲，及一电解溶解脉冲至该基材上而加以沉积。在每一电解溶解脉冲后，下一电解溶解脉冲之前，提供有至少一零电压或电流的时间段，其也被称为“关闭时间”于诸脉冲之间。前两电解沉积脉冲较佳具有相同持续时间。随后，后续电解沉积脉冲的持续时间是逐渐地降低，以在高深宽比特征结构中，提供一无孔隙及无接缝的金属沉积。
Description
技术领域
本发明有关电化沉积一金属。
背景技术
次四分之一微米多层金属化是为下一代超大型集成电路(ULSI)的主要技术。于此技术重点的多层内连线需要平坦化形成于高深宽比孔径中的内连线特性，其包含接触、导孔、线路及其他特性。由这些内连线特性的可靠形成为对ULSI的成功是重要的并对增加个别基材及晶粒上的电路密度及品质也是相当重要的。
当电路密度增加时，导孔、接触及其他特性的宽度降低至低于250奈米，而当介电层的厚度保持不变时，造成特性的深宽比增加，即以高度为宽度所除加大。很多传统沉积处理具有困难的填充结构，即深宽比超出4∶1，更特别是当深宽比超出10∶1时。因此，有大量的努力是朝向形成无孔隙，奈米大小的具有高深宽比的特性，其中，该特性高对特性宽的比可以为4∶1或更高者。另外，当特性宽度降低时，装置电流保持不变或增加，这造成于特性中的电流密度的增加。
元素铝(Al)及其合金已经是于半导体制程中，用以形成线路及插塞的传统金属，因为铝具有低电阻率、其对二氧化硅(SiO2)的优良黏着力、其容易作出图案及其以高纯度形式取得的缘故。然而，铝具有较其他导电金属，例如铜较高的电阻率，并且，铝可以忍受迁移，造成于导体中形成孔隙。
铜及其合金具有较铝为低的电阻率并且相较于铝具有较高的电迁移电阻。这些特性对于于高阶集成度及增加装置速度所经历的高电流密度是重要的。铜同时具有良好导电率并可以于纯度状态下取得。因此，铜变成于半导体基材上，填充次四分之一微米高深宽比内连线特性的一选择金属。
虽然，有想要于半导体装置制作工艺中使用铜的需求，但用以沉积铜进入很高深宽比特征结构，例如4∶1具有0.35微米(或更低)宽度导孔的制造方法的选择是受到限制的。由于这些制作工艺限制，之前已于电路板上制造线路的电镀现在刚好被用以填充于半导体装置上的导孔及接触。
金属电镀是为已知的并可以藉由各种技术加以完成。一种典型方法大致包含沉积一阻障层于特性表面上；沉积一导体金属种层，较佳为铜于阻障层上；然后，电镀一导体金属于该种层上，以填充该结构/特性。沉积层及介电层可以被平坦化，例如藉由化学机械研磨(CMP)，以界定一导电内连线特性。
电镀或电化沉积是被提升为用于未来铜内连线需求的经济及可用的解决方法。图1为一喷注电镀机10的简化剖面图。一般而言，喷注电镀机10包含一电解液容器12，具有一顶开口、一基材夹具14安排于电解液容器12之上、一阳极16安排于电解液容器12的底部、及一接触环20接触基材22。多个凹槽是形成于基材夹具14的下表面。一真空泵(未示出)是连接至基材夹具14并与凹槽24相通，以建立一真空状况，其能于处理时，将基材22固定至基材夹具14上。接触环20包含多个金属或半金属接触销26，其是分布于基材22的周边部份，以界定一中心基材电镀表面。多个接触销26径向向内延伸于基材22的窄圆周部份上并于接触销26的尖端接触基材22的导电种层。一电源30是电气连接至阳极16及销26，以提供一电气偏压给基材22。基材22被定位于圆筒电解液容器12之上，并于单元10操作时，电解液电动并垂直碰撞于基材电镀表面上。
电镀制作工艺典型是藉由施加一定电流密度于整个基材电镀表面上加以执行。例如，一于约1至约60毫安培每平方公分(mA/cm2)间，例如约40毫安培每平方公分的定电流密度可以施加于整个基材电镀表面上，以于其上造成沉积。因为沉积速率是大致为所施加于基材电镀表面上的电流密度的函数，所以，电流密度是典型增加，例如大于40毫安培每平方公分，以提供较快沉积及增加的基材产量。
于现行电镀制作工艺中所遭遇的特定问题是这些电镀制作工艺未能提供无孔隙及无接缝的高深宽比结构。图2例示一于基材200上的高深宽比特征结构202的典型沉积结果，其中，结构202的嘴/开口206由于基材202的嘴/开口206的铜的过量沉积或突悬而闭合，即被称为″凸起″。已经观察到沉积金属210倾向于较结构202的嘴或开口206处为快，造成于结构202的嘴/开口206的凸起，并在结构202中留下孔隙204及接缝208。于电镀时，凸起是藉由增加电流密度而加速，藉以造成更大的孔隙。已经看出，由于晶粒与沉积成长的不配合，孔隙也形成于内连线特性中。再者，接缝208的出现可能造成于后续处理，例如基材回火时的孔隙的形成。
因此，有需要一种电化沉积一金属至基材上的高深宽比结构的方法，其提供无孔隙及无接缝的填充高深宽比结构的方式。
发明内容
本发明提供一种沉积一金属于一基材上的方法。该金属是藉由依序地施加一电解沉积脉冲，及一电解溶解脉冲至该基材上而加以沉积。在每一电解溶解脉冲后，下一电解溶解脉冲之前，提供有至少一零电压或电流的时间段，其也被称为″关闭时间″于诸脉冲之间。前两电解沉积脉冲较佳具有相同持续时间。随后，后续电解沉积脉冲的持续时间是逐渐地降低，以在高深宽比特征结构中，提供一无孔隙及无接缝的金属沉积。
本发明所揭示的内容可以藉由考虑以下的详细说明配合上附图加以迅速了解。
为进一步说明本发明之上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
附图说明
图1为适用于执行本发明的电镀的设备的代表图；
图2为一使用已有技术的高深宽比特征结构的典型沉积结果的剖面图；
图3为实施本发明的电气连接图；
图4为用以电镀沉积的不同波形；及
图5为加入本发明的金属化制作工艺流程。
具体实施方式
为了容易了解，于所有图中，相同标号代表同一元件。
本发明提供一用以电化沉积一金属于一基材上的方法，其造成于高深宽比结构中的无孔隙及无接缝金属沉积。该金属是藉由依序施加一电解沉积脉冲，随后施加一电解溶解脉冲至基材上加以沉积。于每一电解溶解脉冲后，下一电解沉积脉冲前，提供有至少一零电压或电流的时间段于脉冲之间，该时间段是被称为″关闭时间″。前两电解沉积脉冲应较佳具有相同持续时间。随后，后续电解沉积脉冲的持续时间是逐渐降低，以于高深宽比特征结构中，提供一无孔隙及无接缝的金属电镀。
本发明可以加入于例如于图5所示的金属化制作工艺流程中。图5的处理流程700例示于高深宽比特征结构中的金属化结构形成中的几个步骤。于步骤701中，一例如沟渠或导孔的高深宽比特征结构是形成于例如半导体晶片的基材上。沟渠或导孔可以藉由传统光刻及蚀刻技术加以形成于一先前已经沉积于晶片上的绝缘层中。于步骤703中，一阻障层是沉积于高深宽比特征结构内。一阻障层可以藉由化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)沉积，该阻障层可以防止于下层基材及后续沉积金属层间的不想要的扩散。或者，一黏着层可以于形成阻障层之前加以沉积(未示于图5中)。
于步骤705中，一金属种层然后可以藉由CVD或PVD沉积于阻障层上。此金属种层通常相当薄，及用以完成一执行于步骤707中的后续电化沉积(或电镀)。种层金属可以是与步骤707中所沉积的相同的金属，或者，例如金属氮化物的另一导电金属等等。例如，铜应用中，种层可以为铜。然而，适用以提升电镀的其他金属或导电材料也可以被使用。例如，贵金属或高导电金属，例如金、银、铂、钯、镍、铝、钨、锡或其合金也可以适用。当例如氮化钨的导电氮化物被使用时，氮化物层也可以被使用作为阻障层。
于步骤707时，电化电镀是使用电镀溶液加以执行，以沉积一金属层至一至少足以完全填满高深宽比特征结构的厚度。依据本发明的实施例，高深宽比特征结构是藉由使用调变波形的脉冲电镀技术，以一无孔隙及无接缝方式以金属加以填充。于本发明的一态样中，调变波形包含相反极性的电气脉冲，该电气脉冲有零电气脉冲的时间段，或″关闭时间″。于电镀波形中的关闭时间允许于电镀溶液中的各种化学物种再分布于高深宽比特征结构中，以完成想要的沉积轮廓。
金属是依序藉由施加一电解沉积脉冲，随后施加一电解溶解脉冲至基材上而加以沉积。在每一电解溶解脉冲后，于下一电解沉积脉冲前，提供有至少一零电压或电流的时间段于脉冲之间，其被称为″关闭时间″。前两电解沉积脉冲应较佳具有相同持续时间。随后，后续电解沉积脉冲的持续时间是被逐渐降低，以在高深宽比特征结构中，提供一无孔隙及无接缝金属沉积。
于金属层形成至一想要厚度后，执行一平坦化步骤709，以去除于高深宽比特征结构外的金属层部份，造成在晶片上的平坦化金属化结构。该平坦化可以例如藉由化学机械研磨(CMP)加以执行。
本发明较佳是使用一电化沉积单元，例如由美国加州圣塔卡拉的应用材料所购得的Millenia CuECP系统。一电化沉积系统的详细说明是提供于共同受让及申请于1999年4月8日发明名称为″电化沉积系统″的美国专利申请第09/289,074号中，该专利申请的有关内容一并引用于此。
本发明的实施例较佳是以一铜电镀液加以实施，该电镀液具有多种成份，包含铜电解液及添加剂，例如抑制剂及加速剂(也称为光亮剂)。该电镀化学物的详细说明，特别是电解液及添加剂的组成是提供于共同受让及共同申请于1999年2月5日的美国专利申请第09/245,780号中，该申请的发明名称为″用于改良孔径填充的电解沉积化学物″，也一并引用于此。
于此例示电镀液中，铜电解液提供予以沉积的金属离子，同时，抑制剂及加速剂控制沉积轮廓。例如，抑制剂吸收于晶片表面上，并禁止或降低铜于这些已吸收抑制剂的区域的沉积。光亮剂或加速剂与抑制剂分子竞争，用吸收地点，并加速于吸收光亮剂或加速剂的区域的铜成长。
于一实施例中，电解液包含硫酸铜、硫酸及氯化物离子。加速剂或催化剂包含硫化物，其强烈吸收于硫酸中的铜。抑制剂可以包含乙二醇为主，可以包含例如聚乙二醇(PEG)。抑制剂吸收铜并于氮化物离子中，形成一黏着膜。于具有吸收抑制剂区域中，铜沉积是被降低或抑制。抑制剂及加速剂的活动是取决于例如温度、pH及于电镀液中的氯化物浓度的各种参数，以及所有直接或间接影响这些添加剂平坦化的参数。
当基材与电镀液接触的同时，抑制剂及加速剂倾向于内藏于内连线结构(即导孔及沟渠)中的表面上。因为加速剂的分子尺寸是远小于抑制剂的分子尺寸，所以加速剂可以较抑制剂更快扩散经电解液。当金属沉积被接近于导孔或沟渠开口的加速剂所加强时，凸起可能发生，及金属离子被空乏于该导孔或沟渠内。依据本发明的实施例，于电镀波形中的关闭时间允许加速剂、抑制剂及金属离子的再分布，以及，确保金属沉积被完成，而没有凸起或孔隙形成。
对于高深宽比特征结构(例如导孔或沟渠)中的无孔隙沉积，较理想是要电镀被抑制于拓朴结构的顶部处，而于结构内被加速。这将提升一由下至上的成长条件，其中于高深宽比特征结构的底部中的沉积速率是大于朝向结的开口或侧壁者，造成″超级填充″沉积，其是为无孔隙或接缝。因此，金属层是沉积于导孔结构中，或大致一高深宽比特征结构中，以一由下向上成长方式进行。朝向导孔结构开口的突悬或过量沉积是被避免，及一在导孔结构中的无孔隙及无接缝金属沉积可以完成。
依据本发明的实施例，各种电气波形是用以作为脉冲电镀，及想要电镀结构，例如一超级填充轮廓可以藉由适当地调整各种电气脉冲加以完成。于高深宽比特征结构附近中的金属离子、添加剂或抑制剂的浓度梯度是为沉积及分解脉冲的流程及持续时间所影响。例如，可确信一沉积脉冲的持续时间控制于特性侧壁上的沉积，而分解脉冲建立额外金属离子，因此，这些在结构旁的离子的浓度梯度，藉由由结构顶端分解部份沉积金属，一电解分解脉冲(或逆向脉冲)允许足够时间，用以在高深宽比特征结构内的由下而上的成长，而没有孔隙或接缝形成。再者，沉积及分解速率可以藉由改变个别电气脉冲的振幅而加以控制。
发明人知道影响沉积及分解反应的催化效应需要以完成超级填充沉积。因此，需藉由于一电解沉积脉冲前及在一电解分解脉冲后，引入一关闭时间，加以促成加速剂的再吸收。典型地，再吸收加速剂所需的时间是取决于加速剂的体积溶液浓度，及关闭时间是依加速剂分子的扩散时间常数的数量级加以调整。
图3为一示意图，显示依据本发明的实施例的电镀系统的电气连接图。一电源302是连接至一电镀系统的两电极304(例如阳极)及306(例如阴极)。阴极306是电气接触一在基材430的电镀表面308上的种层310。电源302较佳包含一控制电路420，其切换于一定电流操作及一定电压操作之间。电源302的控制电路420同时也控制输出的极性。
电源302较佳也包含一开关电路422，其是可规划以产生各种的输出波形，例如一包含一定电压或电流输出的组合的输出波形持续一第一持续时间、一定电压或电流输出持续一第二持续时间、及一相对应于零电压或电流输出的″关闭时间″。本发明想出利用各种电源设计，其是能产生此等输出波形，并不限定于任一特定电源设计。
依据本发明的实施例，脉冲电镀是用以配合一″关闭时间″的提供，以控制于高深宽比结构附近的金属的电解沉积及电解分解。虽然本发明的讨论集中于在高深宽比特征结构的影响，但可以想出关闭时间也可以作用于基材的其他区域中的金属沉积及分解。于脉冲电镀中，电气脉冲-不论是电压或电流脉冲，均能以某些组合应用至基材430中。这些脉冲组合可以包含不同流程的不同极性的脉冲，以完成金属沉积或金属分解。此不同于直流电镀，其中一连续电压或电流是施加至该基材持续一时间段，作为金属沉积用。
图4例示一脉冲电镀波形，其具有不同极性的电流脉冲。于此例子中，电流脉冲511及513相当于电解沉积脉冲，其间于电解液中的铜离子是被加速朝向阴极306，造成铜电镀于基材430上。负电流脉冲521及523相当于电解溶解脉冲，于其间已经电镀于基材430上的铜被溶解，并被转换为电解液中的铜离子。藉由使用相反极性的电气脉冲的不同组合，铜的电镀可以以不同轮廓加以完成。为了完成于高深宽比结构例如导孔或沟渠中的超级填充，要于结构的底部具有较顶部有较高的电流密度。
一般而言，有三种脉冲电镀持续时间：1)电解沉积脉冲持续时间；2)电解溶解脉冲持续时间；及3)关闭时间。典型地，用于电解沉积及电解分解脉冲持续时间的特定选择是取决于予以填充的结果的深宽比而定，制作工艺最佳化可能涉及例如改变电解沉积脉冲持续时间对电解溶解脉冲持续时间比例。于每一电解沉积脉冲后，铜离子的浓度梯度是由于铜离子的消耗的缘故，而被建立于导孔内。已经发现，若铜离子分布及于电解溶解步骤中所产生的添加物的浓度梯度并未平衡，则可能发生凸起或形成孔隙。
因此，关闭时间的持续时间是被选择，以建立适当的浓度梯度，或于结构附近中的各种铜或添加剂物种的再分布。例如，关闭时间持续时间可以依据想要的物种的扩散时间常数的数量级加以选择。例如，于电镀液中的任一物种的扩散时间τ可以以τ＝h2/D加以近似，其中h代表导孔的深度及D代表物种的扩散率。于一实施例中，电镀是执行于具有深度约1.6微米的导孔上。以此实施例中所用的电镀液，添加剂的扩散率被认为是低于铜扩散率一数量级或两数量级。例如，对于1.6微米导孔，用于添加剂的扩散时间是被建立为约50毫秒(ms)。因此，一约100毫秒的关闭时间的持续时间可以选择于电镀波形中，以允许足够长时间给添加剂，以扩散并建立适当浓度分布，用以无孔隙及无接缝地填充导孔。
另外，因为物种的扩散率是为温度的函数，所以特定液温度可以影响关闭时间持续时间的选择。一般而言，因为催化剂或加速剂的分子大小是小于抑制剂者，所以催化剂的扩散是快于抑制剂者。
虽然于图4中所示的电气脉冲在脉冲持续时间内，具有一定振幅，但也可能使用具有随时间变化上升的振幅的电镀脉冲。另外，所有的电解沉积(或电解溶解)脉冲在一电镀波形内，也不必都有相同振幅。
一般而言，每一脉冲及关闭时间的持续时间可以彼此不同，并可以依据所沉积金属的特定想要轮廓或特性加以调整。例如，关闭时间的持续时间可以范围由约1毫秒至约500毫秒。一电解沉积(阴极)脉冲的脉冲持续时间可以范围由约500毫秒至约3000毫秒，而用于电解溶解脉冲(阳极)者可以范围由约1毫秒至约300毫秒。
于此所述的实施例中，前两电解沉积脉冲应较佳具有相同持续时间。随后，后续电解沉积脉冲的持续时间是逐渐降低，以于高深宽比特征结构中，提供一无孔隙及无接缝沉积。
脉冲持续时间是取决于结构的宽度及深宽比，及所用的电流密度而定。例如，一较小特性比(或较高深宽比)典型将需要一较低比例的电解沉积脉冲持续时间对电解溶解脉冲持续时间。电解沉积脉冲的振幅典型范围是由约0.5安培至约10安培，而电解溶解脉冲的振幅范围是由约3安培至约60安培。沉积及分解电流密度的大小是基于各种考虑加以决定，例如用以超级填充轮廓及处理产量的要求等等。
另外，关闭时间的使用可以配合直流电镀。例如，直流电解沉积脉冲其后加上个别的关闭持续时间也可以用以提供厚金属层。也可以使用于约1至约60毫安培每平方公分的直流电流密度。
例子
以下提供一依据本发明的一实施例的铜电镀于一基材上的例子，该基材具有高深宽比内连线特性。于电镀之前，一包含约250埃的氮化钽的阻障层是藉由物理气相沉积，使用熟悉本技术的人员已知的处理参数，而沉积于基材上。较佳地，阻障层是使用由美国加州圣塔卡拉的应用材料公司所购得的Vectra IMP室加以沉积。
具有厚度约2000埃的铜种层是使用例如物理气相沉积的已知处理参数形成于阻障层上。该基材然后是被传送至一电镀单元作铜电镀，该单元例如由应用材料公司购得的Millenia ECP系统。
于此实施例中，电解液包含0.85M硫酸铜、适当添加剂(抑制剂及加速剂)及于约60至约70ppm的氯化物离子，于约1.0的电解液pH值及于约15℃的温度。添加剂，即加速剂″X″及抑制剂″Y″是为纽约的Lea Ronal(或ShipleyRonal)所供给，并被称为已知SB添加剂的Electra plate X Rev1.0及Electraplate Y Rev 1.0。
电镀波形包含一具有振幅约3安培及持续时间约3秒的正电解沉积脉冲，及持续时间约100毫秒及振幅约25安培至约40安培，较佳是约30安培的负脉冲电解溶解脉冲，在电解溶解脉冲后，有约100毫秒的持续的关闭时间。约15至20循环(包含电解沉积、电解溶解及关闭时间的一流程)是用以完成1.6微米深的次0.25微米导孔的无孔隙填充。于第二循环后，每一后续循环的电解沉积脉冲较佳是被降低约5毫秒至约50毫秒，以提升在导孔内的由下向上成长。
另外，于溶解脉冲时的氢排出可能被捕陷于晶片的导孔内。因此，在溶解脉冲后，较佳想要加入关闭时间，其时间是足够地长，以允许氢由导孔中脱离。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
Claims (19)
1.一种电镀金属于一基材上的方法，该方法至少包含以下步骤：
(a)依序地施加两或更多循环至该基材上，该循环包含一电解沉积脉冲，其后跟随有一电解溶解脉冲，其中每一电解沉积脉冲具有一持续时间，及其中后续施加的每一循环的电解沉积脉冲的持续时间保持相同或被减少。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的每一循环均为一零电气脉冲的时间段所分隔。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的零电气脉冲的时间段是于1毫秒及500毫秒之间。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的每一电解沉积脉冲具有由0.5安培至10安培间的振幅。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的每一电解沉积脉冲具有一由500毫秒至3000毫秒间的持续时间。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的每一电解溶解脉冲具有由3安培至60安培间的振幅。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的电解溶解脉冲具有一由1毫秒至500毫秒间的持续时间。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的后续施加循环的电解沉积脉冲的持续时间是被减少5毫秒至约50毫秒。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤(a)是被执行于电镀液中的基材上，该电镀液包含具有一扩散时间常数大致等于零电气脉冲的时间段的化学物。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述的电镀液还包含铜离子。
11.一种将金属电镀于一具有沟渠的基材的方法，该方法至少包含步骤：
(a)依序施加两或更多循环至基材上，该循环包含一电解沉积脉冲，其后跟随一电解溶解脉冲，其中每一电解沉积脉冲具有一持续时间，及于后续施加循环的每一电解沉积脉冲的持续时间是保持相同或减少；及
(b)施加直流电流至基材上，以沉积一想要厚度的该金属至基材上。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于还包含提供一零电气脉冲的时间段以分隔开每一循环。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述的零电气脉冲的时间段是于1毫秒及500毫秒之间。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的每一电解沉积脉冲具有由0.5安培至10安培间的振幅。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的每一电解沉积脉冲具有一由500毫秒至3000毫秒间的持续时间。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的每一电解溶解脉冲具有由3安培至60安培间的振幅。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的电解溶解脉冲具有一由1毫秒至500毫秒间的持续时间。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的后续施加循环的电解沉积脉冲的持续时间是被减少5毫秒至50毫秒。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的步骤(a)是被执行于电镀液中的基材上，该电镀液包含具有一扩散时间常数等于零电气脉冲的时间段的化学物。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于所述的电镀液还包含铜离子。
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Effective date of abandoning: 20050706 |
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