KR102562159B1 - Electrodeposition of cobalt or copper alloys and their use in microelectronics - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코발트 또는 구리 상호 접속부를 제조하기 위한 공정에 관한 것으로, 상기 공정의 구현을 가능하게 하는 전해질에 관한 것이다. 4.0 미만의 pH를 갖는 전해질은 코발트 또는 구리 이온, 염화물 이온, 망간 또는 아연 이온 및 최대 2개의 저 분자량 유기 첨가제를 포함한다. 이들 첨가제 중 하나는 알파-하이드록시 카르복실산일 수 있다.The present invention relates to a process for manufacturing cobalt or copper interconnects, and to an electrolyte enabling implementation of the process. An electrolyte having a pH less than 4.0 contains cobalt or copper ions, chloride ions, manganese or zinc ions and up to two low molecular weight organic additives. One of these additives may be an alpha-hydroxy carboxylic acid.

Description

코발트 또는 구리 합금의 전착 및 마이크로일렉트로닉스에서의 사용Electrodeposition of cobalt or copper alloys and their use in microelectronics

본 발명은 전도성 표면 상에 코발트, 구리 및 이들의 혼합물로부터 선택된 제1 금속 및 망간, 아연 및 이들의 혼합물로부터 선택된 제2 금속의 합금의 전착(electrodeposition)을 위한 전해질 및 이들의 사용에 관한 것이다. 본 발명은 마찬가지로 이 전해질을 사용하고 집적 회로에서 전기 코발트 또는 구리 상호 접속부(interconnect)를 생성하는 데 사용될 수 있는 제조 공정에 관한 것이다. 본 발명은 마지막으로 제2 금속 층과 접촉하는 제1 금속 층을 포함하는 디바이스에 관한 것이다.The present invention relates to electrolytes and their use for the electrodeposition of an alloy of a first metal selected from cobalt, copper and mixtures thereof and a second metal selected from manganese, zinc and mixtures thereof onto a conductive surface. The invention likewise relates to a fabrication process that uses this electrolyte and can be used to create electrical cobalt or copper interconnects in integrated circuits. The present invention finally relates to a device comprising a first metal layer in contact with a second metal layer.

상호 접속부를 코발트로 충진하는 기존의 공정은 바텀업(bottom-up) 충진으로 불리는 것을 획득하기 위해 상호 보완적인 기능을 가진 억제제(suppressor) 및 촉진제(accelerator)를 포함하여 코발트 염 및 수많은 유기 첨가제를 포함하는 전해질을 사용한다. 특히 재료 공극(void)이 없는 양질의 코발트 덩어리를 수득하기 위해, 일반적으로 이러한 첨가제가 조합될 필요가 있다. 억제제는 코발트 표면에 흡착시키거나 코발트 이온과 착물을 형성함으로써, 공동(cavity)의 개구와 공동을 둘러싸고 있는 기판의 평평한 표면에 코발트의 증착(deposition)을 제어한다. 따라서 이 화합물은 공동 내부로 확산할 수 없는 중합체 또는 코발트 이온을 착화시키는 작용제와 같은 고 분자량 분자일 수 있다. 촉진제는 부분적으로 공동의 바닥으로 확산되며 이의 존재는 매우 깊은 공동에서 더욱 필요하다. 그것은 공동의 바닥과 또한 벽에서 코발트의 증착 속도를 증가시킨다. 바텀업 메커니즘을 통한 충진 방법은 중공 패턴(hollow pattern)의 바닥에서 그리고 벽에서 코발트 증착물이 동일한 속도로 성장하는 "등도포성(conformal)" 또는 "연속(continuous)"이라는 충진 방법과 대조된다.Existing processes for filling interconnects with cobalt use cobalt salts and numerous organic additives, including suppressors and accelerators with complementary functions, to achieve what is called bottom-up filling. Use an electrolyte containing In order to obtain a cobalt mass of good quality, especially free from material voids, it is usually necessary to combine these additives. The inhibitor controls the deposition of cobalt on the openings of the cavities and on the flat surface of the substrate surrounding the cavities by adsorbing on the cobalt surface or complexing with the cobalt ions. Thus, the compound may be a high molecular weight molecule such as a polymer that cannot diffuse into the cavity or an agent that complexes cobalt ions. The accelerator partially diffuses to the bottom of the cavity and its presence is more necessary in very deep cavities. It increases the rate of deposition of cobalt at the bottom of the cavity and also at the walls. Filling methods via a bottom-up mechanism contrast with filling methods called "conformal" or "continuous" where cobalt deposits grow at the same rate at the bottom and at the walls of a hollow pattern.

이들 전착조(electrodeposition bath) 및 이들의 사용은 궁극적으로 제조된 전자 디바이스의 양호한 작동을 제한하고 제조하기에 너무 비싸게 만드는 다수의 결점을 갖는다. 그 이유는 코발트의 충진 구멍(fill hole) 형성을 제한하기 위해 필요한 유기 첨가제로 오염된 코발트 상호 접속부를 생성하기 때문이다. 더욱이, 이러한 화학 재료는 너무 느리고 산업적 규모의 생산과 양립할 수 없는 충진 속도를 얻는다.These electrodeposition baths and their use have a number of drawbacks that ultimately limit the good operation of manufactured electronic devices and make them too expensive to manufacture. The reason for this is that it creates cobalt interconnects that are contaminated with organic additives needed to limit cobalt fill hole formation. Moreover, these chemicals obtain filling speeds that are too slow and incompatible with industrial scale production.

특허 출원 US 2015/0179579는 MOSFET 트랜지스터의 격자를 제조할 목적으로 상호 접속부에서, 보다 구체적으로 혼합 코발트/유전체 기판 상에서 코발트의 접착력을 향상시키기 위한 망간의 사용을 설명했다. 그러나, 설명된 공정에서 망간과 코발트는 2개의 연속적이고 독립적인 재료 증착 단계 동안 증착된다 : 기상 상태(vapour phase)에서 망간의 화학적 증착 단계와 뒤따르는 코발트의 전착 단계.Patent application US 2015/0179579 describes the use of manganese to improve the adhesion of cobalt in interconnects, more specifically on mixed cobalt/dielectric substrates, for the purpose of fabricating the lattice of a MOSFET transistor. However, in the described process manganese and cobalt are deposited during two successive and independent material deposition steps: a chemical deposition of manganese in the vapor phase followed by an electrodeposition of cobalt.

따라서, 향상된 성능을 특징으로 하는, 즉 극도로 감소된 불순물 함량을 갖는 코발트 증착물을 유도하는 전기 분해조(electrolysis bath)를 제공할 필요가 여전히 존재하며, 형성 속도가 충분히 높아서 전자 디바이스를 제조하는 데 유리하고 및/또는 코발트와 예를 들어, 이산화규소를 기반으로 하는 절연 기판 사이에 질화 탄탈륨과 같은 코발트 확산 장벽 재료 층의 두께 감소를 허용하거나 심지어는 증착을 방지할 수 있다.Accordingly, there is still a need to provide an electrolysis bath that leads to cobalt deposits that are characterized by improved performance, i.e., with an extremely reduced impurity content, and the rate of formation is high enough to be used for manufacturing electronic devices. It may advantageously and/or allow a thickness reduction or even prevent the deposition of a layer of cobalt diffusion barrier material, such as tantalum nitride, between cobalt and an insulating substrate based on, for example, silicon dioxide.

본 발명자들은 망간 II 이온 및 아연 II 이온으로부터 선택된 금속 이온 및 코발트 II 이온을 함유하는 pH가 1.8 내지 4.0인 용액이 이러한 목적을 달성할 수 있다는 것을 발견하였다.The inventors have found that a solution containing cobalt II ions and metal ions selected from manganese II ions and zinc II ions and having a pH of 1.8 to 4.0 can achieve this purpose.

등도포성 전착 공정에서 특히, 알파-하이드록시 카르복실산(alpha-hydroxy carboxylic acid)을 사용하여 pH 4 미만에서 코발트 합금을 증착시키는 가능성은 결코 제안된 적이 없으므로, 본 발명의 결과를 더욱 놀랍게 만든다. 게다가, 코발트를 증착하기 전에 화학적 또는 물리적 증착 단계를 수반하지 않고 망간 또는 아연을 기반으로 한 얇은 층을 형성할 가능성은 아직까지 제안된 적이 없다.The possibility of depositing cobalt alloys at a pH less than 4 using alpha-hydroxy carboxylic acids in an equidistant electrodeposition process, in particular, has never been suggested, making the results of the present invention all the more surprising. Moreover, the possibility of forming a thin layer based on manganese or zinc without involving a chemical or physical deposition step prior to depositing cobalt has not yet been suggested.

본 발명자들은 코발트 II 이온 대신에 구리 II 이온을 사용하여 동일한 결과를 얻을 수 있음을 발견하여, 본 발명은 향상된 성능을 특징으로 하는, 즉 불순물 함량이 극도로 감소된 구리 증착물의 생산을 가능하게 하고, 형성 속도가 충분히 높아서 전자 디바이스를 제조하는 데 유리하고 및/또는 구리와 예를 들어, 이산화규소를 기반으로 하는 절연 기판 사이에 질화 탄탈륨과 같은 코발트 확산 장벽 재료 층의 두께 감소를 허용하거나 심지어는 증착을 방지할 수 있다.The inventors have found that the same results can be achieved by using copper II ions instead of cobalt II ions, which allows the production of copper deposits characterized by improved performance, i.e., extremely reduced impurity content, and , the rate of formation is sufficiently high, which is advantageous for manufacturing electronic devices and/or allows a reduction in the thickness of a layer of cobalt diffusion barrier material, such as tantalum nitride, between copper and an insulating substrate, for example based on silicon dioxide, or even deposition can be prevented.

따라서, 본 발명은 코발트, 구리 및 이들의 혼합물로부터 선택된 제1 금속 및 망간, 아연 및 이들의 혼합물로부터 선택된 제2 금속의 합금의 전착용 전해질에 관한 것으로, 상기 전해질은 다음을 포함하는 수용액인 것을 특징으로 한다:Accordingly, the present invention relates to an electrolyte for electrodeposition of an alloy of a first metal selected from cobalt, copper and mixtures thereof and a second metal selected from manganese, zinc and mixtures thereof, wherein the electrolyte is an aqueous solution comprising Features:

- 1g/L 내지 5g/L의 질량 농도의 코발트 II 이온 또는 구리 II 이온,- cobalt II ions or copper II ions in a mass concentration of 1 g/L to 5 g/L,

- 1g/L 내지 10g/L의 질량 농도의 염화물 이온,- chloride ion in a mass concentration of 1 g/L to 10 g/L,

- 망간 II 이온 및 아연 II 이온으로부터 선택된 금속 이온으로서, 상기 금속 이온은 코발트 II 이온 또는 구리 II 이온의 질량 농도와 금속 이온의 질량 농도 간의 비율이 1/10 내지 25/1이 되도록 하는 질량 농도로 존재하는, 상기 금속 이온,- a metal ion selected from manganese II ion and zinc II ion, said metal ion in a mass concentration such that the ratio between the mass concentration of cobalt II ion or copper II ion and the mass concentration of metal ion is from 1/10 to 25/1. present, the metal ion,

- 1.8 내지 4.0 사이의 전해질에 대한 pH를 수득하기에 충분한 양의 유기산 또는 무기산, 및- an organic or inorganic acid in an amount sufficient to obtain a pH for the electrolyte between 1.8 and 4.0, and

- 중합체가 아닌 단지 하나 또는 최대 2개의 유기 첨가제, 상기 유기 첨가제, 상기 2개의 유기 첨가제 중 하나 또는 상기 2개의 유기 첨가제는 조성물에 존재하는 경우 유기산일 수 있고, 상기 유기 첨가제의 농도 또는 상기 2개의 유기 첨가제의 농도의 합은 5mg/L에서 200mg/L 사이이다.- only one or at most two organic additives that are not polymers, said organic additive, one of said two organic additives or said two organic additives, if present in the composition, may be an organic acid, the concentration of said organic additive or said two organic additives The sum of the concentrations of organic additives is between 5 mg/L and 200 mg/L.

코발트 II 이온(또는 구리 II 이온)의 질량 농도와 금속 이온의 질량 농도 간의 비율은 1/10, 1/5, 1/3, 1/2, 1/1, 2/1, 3/1, 5/1, 10/1, 15/1 및 20/1로 이루어진 군에서 선택된 값보다 높을 수 있다. 코발트 II 이온(또는 구리 II 이온)의 질량 농도와 금속 이온의 질량 농도 간의 비율은 1/5, 1/3, 1/2, 1/1, 2/1, 3/1, 5/1, 10/1, 15/1, 20/1 및 25/1로 이루어진 군에서 선택된 값보다 낮을 수 있다.The ratio between the mass concentration of cobalt II ions (or copper II ions) and the mass concentration of metal ions is 1/10, 1/5, 1/3, 1/2, 1/1, 2/1, 3/1, 5 may be higher than a value selected from the group consisting of /1, 10/1, 15/1, and 20/1. The ratio between the mass concentration of cobalt II ions (or copper II ions) and the mass concentration of metal ions is 1/5, 1/3, 1/2, 1/1, 2/1, 3/1, 5/1, 10 may be lower than a value selected from the group consisting of /1, 15/1, 20/1 and 25/1.

본 발명은 마찬가지로 공동을 코발트 또는 구리로 충진하는 방법에 관한 것으로, 상기 전해질을 사용하는 합금을 등도포성으로 증착시키는 제1 단계, 및 코발트 또는 구리 증착물을 제공하기 위해 합금을 어닐링하는 제2 단계를 포함한다.The present invention likewise relates to a method for filling a cavity with cobalt or copper, comprising the first step of iso-dispersively depositing an alloy using said electrolyte and the second step of annealing the alloy to provide a cobalt or copper deposit. include

본 발명의 전해질 및 방법은 산업적 애플리케이션과 양립 가능한 제조 시간 내에 고순도의 코발트 또는 구리의 연속 증착물에 대한 액세스를 제공한다.The electrolyte and method of the present invention provides access to continuous deposits of high purity cobalt or copper within manufacturing times compatible with industrial applications.

코발트 또는 구리 증착물의 장점은 본질적으로 3 가지 이유로 매우 순도가 높다는 것이다.The advantage of cobalt or copper deposits is that they are inherently very pure for three reasons.

종래 기술에서 추구하는 목적 중 하나는 전도성 금속이 충진해야 하는 중공을 관통하지 않고 기판의 평평한 표면에 특이적으로 흡착하는 억제제(표면 억제제)를 사용하여 공동 진입 시 금속 증착을 늦추는 것이다. 종래 기술에서 대량으로 사용되며 양질의 충진을 보장하기 위해 필요한 이러한 유기 첨가제는 코발트 또는 구리 증착물의 오염을 야기한다. 그러나, 본 발명의 전해질에 의해 사용되는 전착 공정은 등도포성이고 이러한 첨가제의 사용을 필요로 하지 않는 공동 충진 방법을 따른다.One of the objectives pursued in the prior art is to slow down metal deposition upon entry into the cavities by using inhibitors (surface inhibitors) that specifically adsorb onto the flat surface of the substrate without penetrating the cavities that the conductive metal is supposed to fill. These organic additives, which are used in large quantities in the prior art and are necessary to ensure good filling, cause contamination of cobalt or copper deposits. However, the electrodeposition process used by the electrolyte of the present invention follows a cavity filling method that is iso-dispersible and does not require the use of such additives.

따라서, 본 발명의 전해질 및 공정은 유기 분자의 농도, 고농도의 완충 물질(buffer substance)의 존재, 및 전착 동안에 수산화코발트 또는 수산화구리의 형성을 제한함으로써 코발트 또는 구리 증착물의 오염에 대한 상당한 제한을 가능하게 한다.Thus, the electrolyte and process of the present invention enable significant limitations on contamination of cobalt or copper deposits by limiting the concentration of organic molecules, the presence of high concentrations of buffer substances, and the formation of cobalt or copper hydroxide during electrodeposition. let it

더욱이, 본 발명의 전해질 및 공정은 매우 낮은 불순물 비율, 바람직하게는 1000ppm 미만의 원자를 갖는 코발트 또는 구리 상호 접속부에 대한 액세스를 제공하면서 동시에 더 큰 증착 속도로 형성된다.Furthermore, the electrolyte and process of the present invention provides access to cobalt or copper interconnects with very low impurity rates, preferably less than 1000 ppm atoms, while forming at greater deposition rates.

본 발명의 전해질 및 공정은 마지막으로 코발트와 망간의 합금, 코발트와 아연의 합금, 구리와 망간의 합금 또는 구리 및 아연의 합금을 어닐링함으로써 망간 또는 아연을 포함하는 얇은 층을 형성하는 것을 가능하게 하고, 이 합금은 전착에 의해 단일 단계로 증착된다.The electrolyte and process of the present invention make it possible to form thin layers comprising manganese or zinc by annealing an alloy of cobalt and manganese, an alloy of cobalt and zinc, an alloy of copper and manganese or an alloy of copper and zinc, and finally , this alloy is deposited in a single step by electrodeposition.

하나의 특정 실시예에서, 코발트-망간 또는 구리-망간 합금이 금속 재료로 만들어진 시드층(seed layer)의 표면 상에 증착되고, 이 층은 절연 재료를 덮는다. 그런 다음 합금에 열처리를 수행하여 코발트와 망간 또는 구리와 망간을 분리하고 한편으로는 코발트 또는 구리를 함유하는 층을 생성하고 다른 한편으로는 망간 층을 생성한다. 합금의 어닐링 동안, 합금 내에 분포된 망간 원자는 금속층과 절연 재료 사이의 계면으로 마이그레이션(migration)하여 금속층과 절연 재료 사이에 개재된 얇은 망간층을 형성한다. 그 결과 얇은 망간 층, 얇은 금속 층 및 코발트 또는 구리 증착물로 덮인 절연 기판 스택이 생성된다. 어닐링은 코발트 또는 구리 상호 접속부를 포함하는 전자 디바이스의 제조 수익성과 신뢰성을 향상시킨다.In one particular embodiment, a cobalt-manganese or copper-manganese alloy is deposited on the surface of a seed layer made of a metallic material, which layer covers the insulating material. The alloy is then subjected to a heat treatment to separate cobalt and manganese or copper and manganese and produce a layer containing cobalt or copper on the one hand and a manganese layer on the other hand. During annealing of the alloy, manganese atoms distributed in the alloy migrate to the interface between the metal layer and the insulating material to form a thin manganese layer interposed between the metal layer and the insulating material. The result is a stack of insulating substrates covered with a thin layer of manganese, a thin metal layer and deposits of cobalt or copper. Annealing improves manufacturing profitability and reliability of electronic devices containing cobalt or copper interconnects.

마지막으로, 본 발명의 방법은 코발트의 경우, 코발트와 이산화규소를 기반으로 하는 절연 기판 사이에서 질화 탄탈륨과 같은 코발트 확산 장벽 재료 층의 두께 감소 또는 심지어 비증착을 허용한다. 구리의 경우에도 동일한 결과가 얻어진다.Finally, the method of the present invention allows, in the case of cobalt, a thickness reduction or even non-deposition of a layer of cobalt diffusion barrier material, such as tantalum nitride, between the insulating substrate based on cobalt and silicon dioxide. The same result is obtained in the case of copper.

정의Justice

"전해질(electrolyte)"은 전착 공정에 사용되는 금속 코팅의 전구체(precursor)를 포함하는 액체를 의미한다."Electrolyte" means a liquid containing a precursor to a metal coating used in an electrodeposition process.

"연속 충진(continuous filling)"은 공극이 없는 코발트 덩어리 또는 구리 덩어리를 의미한다. 종래 기술에서, 패턴의 벽과 금속 증착물 사이의 코발트 또는 구리 증착물에서 재료의 구멍 또는 공극이 관찰될 수 있다 ("측벽 공극(sidewall void)"). 구멍이나 라인("이음매(seam)")의 형태로 패턴의 벽에서 동일한 거리에 위치된 관찰 가능한 공극도 있다. 이러한 공극은 증착물의 단면을 만들어 투과 또는 주사 전자 현미경으로 관찰되고 정량화될 수 있다. 본 발명의 연속 증착물은 바람직하게는 체적으로 10% 미만, 바람직하게는 체적으로 5% 이하의 평균 공극 백분율(average void percentage)을 갖는다. 충진될 구조 내의 공극 백분율의 측정은 50,000에서 350,000 사이의 배율에서 전자 현미경으로, 또는 TEM에 의해 수행될 수 있다."Continuous filling" means a cobalt mass or a copper mass without voids. In the prior art, holes or voids in the material may be observed in the cobalt or copper deposits between the walls of the pattern and the metal deposits ("sidewall voids"). There are also observable voids located equidistant from the walls of the pattern in the form of holes or lines ("seams"). These voids can be observed and quantified by transmission or scanning electron microscopy by making cross-sections of the deposit. The continuous deposits of the present invention preferably have an average void percentage of less than 10% by volume, preferably less than 5% by volume. Measurement of the percent voids in the structure to be filled can be performed with an electron microscope at a magnification between 50,000 and 350,000, or by TEM.

공동의 "평균 직경(average diameter)" 또는 "평균 폭(average width)"는 충진될 공동의 개구에서 측정된 치수를 나타낸다. 공동은 예를 들어, 테이퍼진 채널 또는 실린더 형태이다.The "average diameter" or "average width" of a cavity refers to the dimension measured at the opening of the cavity to be filled. The cavity is for example in the form of a tapered channel or cylinder.

"등도포성 충진(conformal filling)"은 코발트와 망간 합금, 코발트와 아연 합금, 구리와 망간 합금 또는 구리와 아연 합금의 증착물이 중공 패턴의 벽에 그리고 바닥에서 동일한 속도로 성장하는 충진 모드를 말한다. 이 충진 모드는 공동의 바닥에서 합금의 증착 속도가 더 높은 바닥에서 상부로의 충진("바텀업(bottom-up)" 충진)과 대조된다."Conformal filling" refers to a filling mode in which deposits of cobalt and manganese alloys, cobalt and zinc alloys, copper and manganese alloys, or copper and zinc alloys grow at the same rate on the walls and bottom of the hollow pattern. This filling mode contrasts with bottom-to-top filling ("bottom-up" filling) where the deposition rate of the alloy at the bottom of the cavity is higher.

본 발명은 코발트, 구리 및 이들의 혼합물로부터 선택된 제1 금속, 및 망간, 아연 및 이들의 혼합물로부터 선택된 제2 금속의 합금의 전착용 전해질에 관한 것으로, 상기 합금은 망간 및 아연으로부터 선택된 금속을 포함하고, 상기 전해질은 다음을 포함하는 수용액인 것에 특징이 있다 :The present invention relates to an electrolyte for electrodeposition of an alloy of a first metal selected from cobalt, copper, and mixtures thereof, and a second metal selected from manganese, zinc, and mixtures thereof, wherein the alloy comprises a metal selected from manganese and zinc. And, the electrolyte is characterized in that it is an aqueous solution containing:

- 1g/L 내지 5g/L의 질량 농도의 코발트 II 또는 구리 II 이온,- cobalt II or copper II ions in a mass concentration of 1 g/L to 5 g/L,

- 1g/L 내지 10g/L의 질량 농도의 염화물 이온,- chloride ion in a mass concentration of 1 g/L to 10 g/L,

- 망간 II 이온 및 아연 II 이온으로부터 선택된 금속 이온으로서, 상기 금속 이온은 코발트 II 이온 또는 구리 II 이온의 질량 농도와 금속 이온의 질량 농도 간의 비율이 1/10 내지 10/1이 되도록 하는 질량 농도로 존재하는, 상기 금속 이온,- a metal ion selected from manganese II ion and zinc II ion, said metal ion in a mass concentration such that the ratio between the mass concentration of cobalt II ion or copper II ion and the mass concentration of metal ion is between 1/10 and 10/1. present, the metal ion,

- 1.8 내지 4.0의 pH를 수득하기에 충분한 양의 유기산 또는 무기산, 및- an organic or inorganic acid in an amount sufficient to obtain a pH of 1.8 to 4.0, and

- 중합체가 아닌 단 하나 또는 최대 2개의 유기 첨가제로서, 2개의 첨가제 중 하나는 산일 수 있고, 이 산이 유기산일 때, 첨가제의 농도 또는 2개의 첨가제의 농도의 합은 5mg/L와 200mg/L 사이이다.- only one or at most two organic additives that are not polymers, one of the two additives being an acid, when this acid is an organic acid, the concentration of the additive or the sum of the concentrations of the two additives is between 5 mg/L and 200 mg/L am.

유기 첨가제는 바람직하게는 황-함유 첨가제(sulfur-containing additive)가 아니며, 이들 중 하나 이상 또는 둘 모두는 바람직하게는 알파-하이드록시 카르복실산이다. 전해질은 바람직하게는 단일 유기 첨가제를 포함한다.The organic additives are preferably not sulfur-containing additives, and one or both of them are preferably alpha-hydroxy carboxylic acids. The electrolyte preferably contains a single organic additive.

유기 첨가제 또는 첨가제들은 바람직하게는 250g/mol 미만, 바람직하게는 200g/mol 미만, 및 50g/mol 초과, 보다 바람직하게는 100g/mol 초과의 분자량(molecular mass)을 갖는다.The organic additive or additives preferably have a molecular mass of less than 250 g/mol, preferably less than 200 g/mol, and greater than 50 g/mol, more preferably greater than 100 g/mol.

첨가제의 농도 또는 2개의 첨가제의 농도의 합은 바람직하게는 5 mg/L 내지 200 mg/L이다. 이 실시예에서, 첨가제는 각각 황을 함유하지 않는 알파-하이드록시 카르복실산일 수 있다.The concentration of additives or the sum of the concentrations of two additives is preferably 5 mg/L to 200 mg/L. In this embodiment, the additives may each be a sulfur-free alpha-hydroxy carboxylic acid.

유기 첨가제 중 적어도 하나는 시트르산, 타르타르산(tartaric acid), 말산(malic acid), 만델산(mandelic acid), 말레산(maleic acid), 푸마르산(fumaric acid), 글리세르산, 오로트산(orotic acid), 말론산, L-알라닌(L alanine), 아세틸살리실산 및 살리실산으로부터 선택될 수 있다.At least one of the organic additives is citric acid, tartaric acid, malic acid, mandelic acid, maleic acid, fumaric acid, glyceric acid, orotic acid ), malonic acid, L-alanine, acetylsalicylic acid and salicylic acid.

코발트 II 또는 구리 II 이온의 질량 농도는 1g/L 내지 5g/L, 예를 들어 2g/L 내지 3g/L일 수 있다. 염화물 이온의 질량 농도는 1g/L 내지 10g/L일 수 있다.The mass concentration of cobalt II or copper II ions may be 1 g/L to 5 g/L, for example 2 g/L to 3 g/L. The mass concentration of chloride ion may be 1 g/L to 10 g/L.

고 산성 pH에서 비교적 고 농도의 코발트 또는 구리 이온은 염기성 또는 약산성 pH 및 더 낮은 코발트 또는 구리 이온 농도를 갖는 선행 기술의 전해조와 관련하여 다수의 이점을 갖는다.A relatively high concentration of cobalt or copper ions at a highly acidic pH has a number of advantages over prior art electrolyzers having basic or slightly acidic pHs and lower cobalt or copper ion concentrations.

그 이유는 본 발명자들이 증착물에서 코발트 또는 구리의 부식을 제한하기 위해 4 이상의 pH에서 작동할 필요가 없다는 것을 발견했기 때문이다. 코발트 이온 또는 구리 이온의 농도를 증가시키고, pH 값을 낮춤으로써, 수용액에 존재하는 이온의 농도를 실질적으로 증가시킴으로써 금속성 코발트 또는 구리를 안정화시키는 것이 가능한 것으로 보인다. 따라서, 본 발명자들은 선행 기술의 것보다 더 큰 증착 속도, 및 또한 어닐링 단계 후 증착물에서 코발트 또는 구리 입자(grain)의 큰 크기, 전형적으로 20nm 초과를 관찰되었다.The reason is that the inventors have discovered that it is not necessary to operate at a pH above 4 to limit the corrosion of cobalt or copper in the deposit. It appears possible to stabilize metallic cobalt or copper by increasing the concentration of cobalt ions or copper ions and lowering the pH value, thereby substantially increasing the concentration of ions present in the aqueous solution. Accordingly, the inventors have observed deposition rates greater than those of the prior art, and also large sizes of cobalt or copper grains, typically greater than 20 nm, in the deposit after the annealing step.

금속 이온은 망간 II 이온 및 아연 II 이온으로부터 선택된다. 이들의 질량 농도는 코발트 이온 또는 구리 이온의 질량 농도와 금속 이온의 질량 농도 간의 비율이 1/10 내지 25/1 또는 1/10 내지 10/1이 되도록 한다.The metal ion is selected from manganese II ion and zinc II ion. Their mass concentration is such that the ratio between the mass concentration of cobalt ions or copper ions and the mass concentration of metal ions is 1/10 to 25/1 or 1/10 to 10/1.

염화물 이온은 i) 염화 코발트 또는 염화 구리, 또는 염화 코발트 6수화물(cobalt chloride hexahydrate)과 같은 이들의 수화물 중 하나, 및 ii) 염화 망간 또는 염화 아연을 물에 용해시킴으로써 제공될 수 있다.Chloride ions can be provided by dissolving i) cobalt chloride or copper chloride, or one of their hydrates, such as cobalt chloride hexahydrate, and ii) manganese chloride or zinc chloride in water.

바람직하지 않은 현상인 코발트 또는 구리 증착물의 황 오염을 야기하는 황산염을 포함하는 염을 용해시켜 조성물을 수득하지 않는 것이 바람직하다.It is preferred that the composition not be obtained by dissolving salts comprising sulfates which cause sulfur contamination of cobalt or copper deposits, an undesirable phenomenon.

유기 첨가제 또는 첨가제들은 바람직하게는 황을 함유하지 않으며, 바람직하게는 알파-하이드록시 카르복실산 예를 들어, 화합물 시트르산, 타르타르산, 글리콜산, 젖산, 말산, 만델산, 말레산, 옥살산 및 2 하이드록시부티르산으로부터 선택된다.The organic additive or additives are preferably sulfur-free and are preferably selected from alpha-hydroxy carboxylic acids such as the compounds citric acid, tartaric acid, glycolic acid, lactic acid, malic acid, mandelic acid, maleic acid, oxalic acid and 2 hydroxy acids. hydroxybutyric acid.

전해질은 글리신 또는 에틸렌디아민과 같은 알파-하이드록시 카르복실산 이외의 유기 첨가제를 포함할 수 있다. 바텀업 충진 효과를 일으키지 않는 한 어떤 종류의 것일 수 있다. 실제로, 본 발명의 전해질은 바람직하게는 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌이민과 같은 표면 억제 중합체(surface suppressor polymer)가 없다.The electrolyte may contain organic additives other than alpha-hydroxy carboxylic acids such as glycine or ethylenediamine. It can be of any kind as long as it doesn't cause a bottom-up filling effect. Indeed, the electrolyte of the present invention is preferably free of surface suppressor polymers such as polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyvinylpyrrolidone or polyethyleneimine.

코발트 II 또는 구리 II 이온 및 금속 이온(망간 II 또는 아연 II)은 유리하게는 유리 형태(free form)로, 이는 특히 pH가 3 미만인 경우, 분극의 부재 또는 전도성 표면의 분극 동안에 이들이 유기 첨가제 또는 첨가제들과 착화되지 않음을 의미한다.The cobalt II or copper II ions and the metal ions (manganese II or zinc II) are advantageously in free form, since they are organic additives or additives in the absence of polarization or during polarization of the conductive surface, especially when the pH is less than 3. It means that it does not get along with the field.

상당한 양의 코발트 또는 구리 착물 또는 유기 분자와 다른 금속 착물을 갖지 않는 것에는 수많은 이점이 있다 : 이는 금속 증착물의 유기 오염을 감소시킬 수 있는데, 이는 조(bath) 내의 유기 분자 농도가 매우 낮을 수 있기 때문이다; 마찬가지로 코발트 또는 구리가 구조에 증착되는 기간 동안 용액을 불안정하게 만들 수 있는 pH의 제어할 수 없는 변화를 피할 수 있다. 또한, 코발트 또는 구리 이온은 착물에 의해 안정화되지 않고, 보다 쉽게 환원될 수 있으므로 코발트 또는 구리의 증착 속도가 더 빠르다. 마지막으로, 매우 고 농도의 코발트 또는 구리 이온은 공동의 전도성 표면을 부식으로부터 보호한다. 이 효과는 기판이 전착 동안에 전도성 표면 역할을 하는 매우 낮은 두께의 층(시드 층)으로 덮일 때를 결정한다.There are numerous advantages to not having significant amounts of cobalt or copper complexes or other metal complexes with organic molecules: it can reduce organic contamination of metal deposits, since the concentration of organic molecules in the bath can be very low. Because; Similarly, uncontrolled changes in pH that could destabilize the solution during the period during which cobalt or copper is deposited on the structure are avoided. Also, cobalt or copper ions are not stabilized by complexes and can be more easily reduced, so the deposition rate of cobalt or copper is faster. Finally, very high concentrations of cobalt or copper ions protect the conductive surfaces of the cavity from corrosion. This effect determines when the substrate is covered with a very low thickness layer (seed layer) that serves as a conductive surface during electrodeposition.

본 발명의 전해질은 유리하게는 단독으로 또는 조합하여 다음 특징 중 하나를 포함한다:The electrolyte of the present invention advantageously comprises one of the following features, alone or in combination:

- 패턴의 바닥에 코발트 또는 구리 성장 촉진제를 포함하지 않는다,- does not contain cobalt or copper growth promoters at the bottom of the pattern;

- 전해질은 전착 동안에 이 부위에 증착되는 코발트 또는 구리에 특이적으로 흡착함으로써 공동의 개구에서 기판의 평평한 부분 상에 코발트 또는 구리의 성장을 늦출 수 있는 유기 억제제 분자를 함유하지 않는다,- the electrolyte does not contain organic inhibitor molecules which can slow down the growth of cobalt or copper on the flat parts of the substrate at the openings of the cavities by adsorbing specifically to the cobalt or copper deposited in these areas during electrodeposition,

- 바텀업 충진 메커니즘을 발생시키는 첨가제의 조합, 특히 억제제와 촉진제의 조합, 또는 억제제, 촉진제 및 평활제(leveler)의 조합을 포함하지 않는다.- It does not contain a combination of additives that results in a bottom-up filling mechanism, in particular a combination of an inhibitor and an accelerator, or a combination of an inhibitor, an accelerator and a leveler.

- 중합체를 포함하지 않는다 - 중합체는 적어도 4개의 반복 단위를 갖는 분자를 의미한다,- does not contain a polymer - a polymer means a molecule having at least 4 repeating units,

- 황 함유 화합물을 포함하지 않는다.- Does not contain sulfur-containing compounds.

표면 억제제는 다음 화합물을 포함한다 : 카르복시메틸셀룰로오스, 노닐페놀 폴리글리콜 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 옥탄디올비스(폴리알킬렌 글리콜 에테르), 옥탄올 폴리알킬렌 글리콜 에테르, 올레산의 폴리글리콜 에스테르, 폴리에틸렌 글리콜-프로필렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌이민, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 폴리옥시프로필렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리비닐알코올, 스테아르산의 폴리글리콜 에스테르, 스테아릴 알코올의 폴리글리콜 에테르, 부틸 알코올-에틸렌 옥사이드-프로필렌 옥사이드 공중합체, 2-메르캅토-5-벤즈이미다졸술폰산, 2-메르캅토벤즈이미다졸.Surface inhibitors include the following compounds: carboxymethylcellulose, nonylphenol polyglycol ethers, polyethylene glycol dimethyl ether, octanediolbis (polyalkylene glycol ethers), octanol polyalkylene glycol ethers, polyglycol esters of oleic acid, polyethylene Glycols - Propylene glycol, polyethylene glycol, polyethyleneimine, polyethylene glycol dimethyl ether, polyoxypropylene glycol, polypropylene glycol, polyvinyl alcohol, polyglycol esters of stearic acid, polyglycol ethers of stearyl alcohol, butyl alcohol - ethylene oxide - Propylene oxide copolymer, 2-mercapto-5-benzimidazolesulfonic acid, 2-mercaptobenzimidazole.

촉진제는 일반적으로 황 원자를 포함하는 화합물, 예를 들어, N,N-디메틸디티오카르밤산의 3-술포프로필 에스테르, 3-메르캅토프로필술폰산의 3-술포프로필 에스테르, 3-술파닐-1-프로판 술포네이트, 3-메르캅토-1-프로판술폰산의 칼륨염과 디티오탄산 o-에틸 에스테르 s-에스테르의 에스테르, 비스술포프로필 디술피드, 3-(벤조티아졸릴-s-티오)프로필술폰산의 나트륨염, 피리디늄 프로필술포베타인, 1-나트륨 3-메르캅토프로판-1-술포네이트, N,N-디메틸디티오카르밤산의 3-술포에틸 에스테르, 3-메르캅토-에틸프로필술폰산의 3-술포에틸 에스테르, 3-메르캅토에틸술폰산의 나트륨 염, 피리디늄 에틸술포베타인 또는 티오우레아이다.The accelerator is usually a compound containing a sulfur atom, e.g., 3-sulfopropyl ester of N,N-dimethyldithiocarbamic acid, 3-sulfopropyl ester of 3-mercaptopropylsulfonic acid, 3-sulfanyl-1 -Propane sulfonate, potassium salt of 3-mercapto-1-propanesulfonic acid and ester of dithiocarbonic acid o-ethyl ester s-ester, bissulfopropyl disulfide, 3-(benzothiazolyl-s-thio)propylsulfonic acid Sodium salt of pyridinium propylsulfobetaine, 1-sodium 3-mercaptopropane-1-sulfonate, 3-sulfoethyl ester of N,N-dimethyldithiocarbamic acid, 3-mercapto-ethylpropylsulfonic acid 3-sulfoethyl ester, sodium salt of 3-mercaptoethylsulfonic acid, pyridinium ethylsulfobetaine or thiourea.

제1 실시예에서, 전해질의 pH는 바람직하게는 1.8 내지 4.0이다. 일 특정 실시예에서, pH는 2.0 내지 3.5, 또는 2.0 내지 2.4이다.In the first embodiment, the pH of the electrolyte is preferably 1.8 to 4.0. In one particular embodiment, the pH is between 2.0 and 3.5, or between 2.0 and 2.4.

조성물의 pH는 옵션으로 당업자에게 공지된 염기 또는 산으로 조정될 수 있다. 산은 유기 또는 무기일 수 있다. 염산과 같은 강 무기산을 사용하는 것이 바람직하다.The pH of the composition can optionally be adjusted with bases or acids known to those skilled in the art. Acids can be organic or inorganic. Preference is given to using strong mineral acids such as hydrochloric acid.

용매의 성질에는 원칙적으로 제한이 없지만(용액의 활성종을 충분히 용해시키고 전착을 방해하지 않는 한), 바람직하게는 물이다. 일 실시예에 따르면, 용매는 체적 기준으로 주로 물을 포함한다.The nature of the solvent is in principle not limited (as long as it sufficiently dissolves the active species in the solution and does not interfere with electrodeposition), but is preferably water. According to one embodiment, the solvent comprises primarily water by volume.

일 변형예에 따르면, 본 발명의 전해질은 1.8 내지 4.0, 예를 들어 2.0 내지 4.0의 pH를 가지며, 수용액 중에 코발트 II 또는 구리 II 이온, 망간 II 또는 아연 II의 금속 이온, 염화물 이온, 및 1.8 내지 3.5, 바람직하게는 2.0 내지 3.5, 더욱 바람직하게는 2.2 내지 3.0의 pKa를 갖는 5 내지 200 mg/L의 하나 이상의 화합물을 포함한다.According to one variant, the electrolyte of the present invention has a pH of 1.8 to 4.0, for example 2.0 to 4.0, in an aqueous solution containing cobalt II or copper II ions, manganese II or zinc II metal ions, chloride ions, and 1.8 to 4.0 pH. 5 to 200 mg/L of one or more compounds with a pKa of 3.5, preferably 2.0 to 3.5, more preferably 2.2 to 3.0.

화합물은 바람직하게는 250g/mol 미만, 바람직하게는 200g/mol 미만, 및 50g/mol 초과, 바람직하게는 100g/mol 초과의 분자량을 갖는다.The compound preferably has a molecular weight of less than 250 g/mol, preferably less than 200 g/mol, and greater than 50 g/mol, preferably greater than 100 g/mol.

특정 경우에, 1.8 내지 3.5의 pKa 값을 갖는 화합물은 제1 실시예에서 사용된 유기 첨가제 중 적어도 하나와 동일할 수 있다. 보다 구체적으로 시트르산, 타르타르산, 말산, 말레산 및 만델산으로부터 선택될 수 있다.In certain cases, the compound having a pKa value of 1.8 to 3.5 may be the same as at least one of the organic additives used in the first embodiment. More specifically, it may be selected from citric acid, tartaric acid, malic acid, maleic acid and mandelic acid.

또한 푸마르산(pKa = 3.03), 글리세르산(pKa = 3.52), 오로트산(pKa = 2.83), 말론산(pKa = 2.85), L-알라닌(pKa = 2.34), 인산(pKa = 2.15), 아세틸살리실산(pKa = 3.5) 및 살리실산(pKa = 2.98)로부터 선택될 수 있다.In addition, fumaric acid (pKa = 3.03), glyceric acid (pKa = 3.52), orotic acid (pKa = 2.83), malonic acid (pKa = 2.85), L-alanine (pKa = 2.34), phosphoric acid (pKa = 2.15), acetylsalicylic acid (pKa = 3.5) and salicylic acid (pKa = 2.98).

코발트 충진의 선행 기술 공정은 예를 들어, pH가 4 이상인 알칼리 전해질을 사용하는 반면 코발트에 고유한 매우 낮은 전류 밀도 및 억제제 화합물을 적용하므로 트렌치 내부의 pH는 충진 단계 전체에 걸쳐 4보다 크게 유지되어서 결과 생성된 코발트 증착물에서 코발트 수산화물의 실질적인 형성을 야기하고, 코발트 수산화물은 코발트 상호 접속부의 전도도를 감소시키고 집적 회로의 성능 수준을 감소시킨다.Prior art processes for cobalt filling, for example, use an alkaline electrolyte with a pH above 4 while applying very low current densities and inhibitor compounds that are unique to cobalt so that the pH inside the trench is maintained above 4 throughout the filling step so that Causes substantial formation of cobalt hydroxide in the resulting cobalt deposit, which reduces the conductivity of the cobalt interconnect and reduces the performance level of the integrated circuit.

본 발명의 전해질 및 본 발명의 공정은 특히 수산화 코발트의 형성을 상당히 제한하여 증착된 코발트에 미량으로만 존재하도록 함으로써, 이러한 문제를 해결하는 것을 목표로 한다. 이 문제에 대한 해결책은 1.8과 4.0 사이, 예를 들어, 2.0과 4.0 사이의 pH를 갖는 전해질을 사용하는 것을 포함하며, 여기에는 다음과 같은 특징 중 바람직하게는 하나 이상 또는 심지어 모두를 나타내는 첨가제가 첨가된다 :The electrolyte of the present invention and the process of the present invention aim to solve this problem, in particular by significantly limiting the formation of cobalt hydroxide so that it is only present in trace amounts in the deposited cobalt. A solution to this problem involves using an electrolyte having a pH between 1.8 and 4.0, for example between 2.0 and 4.0, wherein an additive exhibiting preferably one or more or even all of the following characteristics: is added:

- 전해질의 pH가 기판 분극 시간 내내 1.8 또는 2.0 초과 및 3.5 미만, 바람직하게는 2.5 미만의 값으로 유지되도록 하는 표면 상의 트렌치 내의 국소 완충 능력,- local buffering capacity in the trenches on the surface such that the pH of the electrolyte is maintained at a value above 1.8 or 2.0 and below 3.5, preferably below 2.5, throughout the time of substrate polarization;

- 첨가제가 개구에서 낮은 평균 직경 또는 낮은 평균 폭을 갖는 구조로 확산될 수 있도록 하는 저 분자량, 및- a low molecular weight that allows the additive to diffuse into structures with a low average diameter or low average width at the apertures, and

- 분극이 시작되기 전에 전해질에 존재하는 첨가제의 양이 구조의 공동으로 거의 완전히 확산되고 첨가제가 국소 완충 능력을 갖도록 하는 전해질의 매우 낮은 농도.- a very low concentration of electrolyte such that the amount of additive present in the electrolyte before polarization begins diffuses almost completely into the cavities of the structure and the additive has a local buffering capacity.

이러한 종류의 첨가제를 포함하는 전해질은 4.0 미만, 바람직하게는 3.0 미만의 값으로, 더 바람직하게는 2.0과 2.5 사이의 값으로 pH 증가에 대해 선택적인 제한 - 예를 들어, 기판의 평평한 표면이 아닌 구조의 공동에만 - 을 가능하게 한다. 따라서 첨가제는 국소적으로, 즉 공동에서만 그 효과를 발휘함으로써 완충제의 기능을 유리하게 수행할 수 있다. 1.8 내지 3.5 또는 2.0 내지 3.5의 pKa를 갖는 유기 첨가제 또는 화합물은 국소 완충제로 작용할 수 있으며, 그 효과는 공동에서만 관찰된다.Electrolytes comprising additives of this kind are selectively limited to increasing pH to a value less than 4.0, preferably less than 3.0, more preferably to a value between 2.0 and 2.5 - e.g. not on a flat surface of a substrate. Only in the cavities of the structure - makes it possible. Thus, the additive can advantageously perform the function of a buffer by exerting its effect locally, ie only in the cavity. Organic additives or compounds with a pKa of 1.8 to 3.5 or 2.0 to 3.5 can act as local buffers, the effect of which is observed only in the cavity.

제1 실시예에 따르면, 제1 금속은 코발트이고, 제2 금속은 망간이다. 제2 실시예에 따르면, 제1 금속은 코발트이고, 제2 금속은 아연이다. 제3 실시예에 따르면, 제1 금속은 구리이고, 제2 금속은 망간이다. 제4 실시예에 따르면, 제1 금속은 구리이고, 제2 금속은 아연이다.According to a first embodiment, the first metal is cobalt and the second metal is manganese. According to a second embodiment, the first metal is cobalt and the second metal is zinc. According to a third embodiment, the first metal is copper and the second metal is manganese. According to a fourth embodiment, the first metal is copper and the second metal is zinc.

예를 들어, 전해질은 다음을 포함하는 수용액이다:For example, an electrolyte is an aqueous solution comprising:

- 1g/L 내지 5g/L의 질량 농도의 코발트 II 이온,- cobalt II ions in a mass concentration of 1 g/L to 5 g/L,

- 1g/L 내지 5g/L의 질량 농도의 염화물 이온,- chloride ion in a mass concentration of 1 g/L to 5 g/L,

- 코발트 II 이온의 질량 농도와 아연 II 이온의 질량 농도 간의 비율이 15/1 내지 20/1이 되도록 하는 질량 농도에 있는 아연 II 이온,- zinc II ions in a mass concentration such that the ratio between the mass concentration of cobalt II ions and the mass concentration of zinc II ions is between 15/1 and 20/1,

- 2.0 내지 2.4의 pH를 수득하기에 충분한 양의 무기산, 및- mineral acids in an amount sufficient to obtain a pH of 2.0 to 2.4, and

- 농도가 10mg/L에서 20mg/L 사이인 단 하나의 유기 첨가제.- Only one organic additive with a concentration between 10 mg/L and 20 mg/L.

이 예에서, 유기 첨가제는 타르타르산일 수 있다.In this example, the organic additive may be tartaric acid.

본 발명은 마찬가지로 공동을 충진하기 위한 전기 화학 공정에 관한 것으로, 상기 공동은 15 nm 내지 100 nm의 개구에서 평균 폭 또는 평균 직경을 갖고 50 nm 내지 250 nm의 깊이를 가지며, 상기 공정은:The present invention likewise relates to an electrochemical process for filling cavities, said cavities having an average width or average diameter at an aperture of 15 nm to 100 nm and a depth of 50 nm to 250 nm, said process comprising:

- 상기 설명에 따라 상기 공동의 전도성 표면을 전해질과 접촉시키는 단계,- contacting the conductive surface of the cavity with an electrolyte according to the above description;

- 코발트, 구리 및 이들의 혼합물로부터 선택된 제1 금속과 망간, 아연 및 이들의 혼합물로부터 선택된 제2 금속의 합금의 증착에 의해 공동의 등도포성이고 완전한 충진을 수행하기에 충분한 시간 기간 동안 전도성 표면을 분극화하는 단계, 및- a conductive surface for a period of time sufficient to effect a uniform and complete filling of the cavities by deposition of an alloy of a first metal selected from cobalt, copper and mixtures thereof and a second metal selected from manganese, zinc and mixtures thereof; polarizing, and

- 분극 단계의 끝에서 수득된 합금의 증착물을 어닐링하는 단계로서, 상기 어닐링은 금속이 마이그레이션하여 제1 층 및 제2 층을 형성하게 하는 온도에서 수행되며, 상기 제1 층은 주로 금속을 함유하고, 상기 층은 0.5 및 2 nm의 두께를 갖고, 및 상기 제2 층은 본질적으로 코발트 또는 구리를 포함한다.- annealing the deposit of the alloy obtained at the end of the polarization step, said annealing being carried out at a temperature which causes the metal to migrate to form a first layer and a second layer, said first layer containing predominantly metal , the layer has a thickness of 0.5 and 2 nm, and the second layer essentially comprises cobalt or copper.

어닐링 단계는 또한 코발트 또는 구리의 결정화도(crystallinity)를 개선하고 증착물의 임의의 재료 공극을 억제할 수 있다.The annealing step can also improve the cobalt or copper crystallinity and suppress any material voids in the deposit.

하나의 특정 실시예에서, 전도성 표면은 1 내지 10 나노미터의 두께를 갖는 금속성 시드층의 제1 표면이고, 상기 시드층은 이산화규소를 포함하는 유전체 재료와 접촉하는 제2 표면을 갖는다. 금속성 시드층은 코발트, 구리, 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 루테늄, 니켈, 질화 티타늄 및 질화 탄탈륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속을 포함할 수 있다.In one specific embodiment, the conductive surface is a first surface of a metallic seed layer having a thickness of 1 to 10 nanometers, the seed layer having a second surface in contact with a dielectric material comprising silicon dioxide. The metallic seed layer may include a metal selected from the group consisting of cobalt, copper, tungsten, titanium, tantalum, ruthenium, nickel, titanium nitride and tantalum nitride.

하나의 특정 실시예에서, 시드층은 코발트 시드층이다. 본 발명의 공정은 1 또는 2개의 비-중합체성 유기 첨가제를 포함하거나, 1.8 내지 3.5, 바람직하게는 2.0 내지 3.5, 보다 바람직하게는 2.2 내지 3.0의 Ka를 갖는 5 mg/L 내지 200 mg/L의 하나 이상의 화합물을 포함하는 전술한 전해질 중 하나로 구현될 수 있다.In one particular embodiment, the seed layer is a cobalt seed layer. The process of the present invention comprises one or two non-polymeric organic additives, or 5 mg/L to 200 mg/L with a Ka of 1.8 to 3.5, preferably 2.0 to 3.5, more preferably 2.2 to 3.0. It can be implemented with one of the above-mentioned electrolytes comprising one or more compounds of

본 발명의 공정의 충진 단계가 구현되는 동안 내내, 공동 내부의 pH는 사용되는 전해질의 유형에 따라 유리하게는 3.5 미만, 또는 심지어 3.0 미만으로 유지된다.Throughout the implementation of the filling step of the process of the present invention, the pH inside the cavity is advantageously maintained below 3.5, or even below 3.0, depending on the type of electrolyte used.

공동은 다마신(damascene) 또는 이중 다마신 공정의 구현과 관련하여 설계될 수 있다. 공동은 특히 다음 단계의 구현에 의해 수득될 수 있다 :The cavity may be designed with respect to the implementation of a damascene or dual damascene process. The cavity can be obtained in particular by the implementation of the following steps:

- 구조를 실리콘 기판으로 에칭하는 단계,- etching the structure into the silicon substrate,

- 구조의 실리콘 표면 상에 실리콘 산화물 층을 형성하여 실리콘 산화물 표면을 제공하는 단계,- forming a silicon oxide layer on the silicon surface of the structure to provide a silicon oxide surface;

- 공동에 전도성 표면을 제공하기 위해 상기 실리콘 산화물 층 상에 금속 층을 증착하는 단계.- depositing a metal layer on the silicon oxide layer to provide a conductive surface to the cavity.

금속 층은 바람직하게는 1 nm 내지 10 nm의 두께를 갖는 금속성 시드 층이다. 이는 바람직하게는 실리콘과 접촉하는 실리콘 산화물 층 상에 증착된다. 금속은 코발트, 구리, 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 루테늄, 니켈, 티타늄 질화물 및 탄탈륨 질화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 화합물을 포함할 수 있다. 금속층은 바람직하게는 코발트층을 포함한다. 제1 실시예에서, 금속층은 코발트층으로 구성된다. 제2 실시예에서, 금속 층은 코발트 층 및 코발트 확산 장벽 특성을 갖는 재료 층을 포함한다. 금속 층은 당업자에게 공지된 임의의 적절한 방법에 의해 증착될 수 있다.The metal layer is preferably a metallic seed layer with a thickness of 1 nm to 10 nm. It is preferably deposited on a silicon oxide layer in contact with the silicon. The metal may include at least one compound selected from the group consisting of cobalt, copper, tungsten, titanium, tantalum, ruthenium, nickel, titanium nitride, and tantalum nitride. The metal layer preferably includes a cobalt layer. In the first embodiment, the metal layer is composed of a cobalt layer. In a second embodiment, the metal layer includes a cobalt layer and a material layer having cobalt diffusion barrier properties. The metal layer may be deposited by any suitable method known to those skilled in the art.

본 발명의 공정은 선행 기술의 "바텀업" 또는 "초 등도포성(super-conformal)" 공정과 대조되는 "등도포성(conformal)" 공정이다. 본 발명의 등도포성 충진 공정에서, 코발트 합금 또는 구리 합금 증착물은 충진될 중공 패턴의 바닥 및 벽에서 동일한 속도로 성장한다. 이 충진 모드는 코발트 합금의 증착 속도가 공동의 벽에서 보다 공동의 바닥에서 더 높은 선행 기술의 다른 공정과 대조된다.The process of the present invention is a "conformal" process as opposed to the "bottom up" or "super-conformal" processes of the prior art. In the isostatic filling process of the present invention, the cobalt alloy or copper alloy deposits grow at the same rate on the bottom and walls of the hollow pattern to be filled. This filling mode contrasts with other processes of the prior art where the deposition rate of the cobalt alloy is higher at the bottom of the cavity than at the walls of the cavity.

전착 단계의 마지막에 증착된 합금의 망간 함량 또는 아연 함량은 바람직하게는 0.5 원자% 내지 10 원자%, 예를 들어 1.0 원자% 내지 5.0 원자%, 또는 1.5 원자% 내지 2.5 원자%이다.The manganese content or zinc content of the alloy deposited at the end of the electrodeposition step is preferably between 0.5 atomic % and 10 atomic %, for example between 1.0 atomic % and 5.0 atomic %, or between 1.5 atomic % and 2.5 atomic %.

전기적 단계(electrical step)에서 사용되는 분극의 세기는 바람직하게는 2mA/㎠내지 50mA/㎠인 반면, 알칼리 전해질이 사용되는 선행 기술 공정에서는 일반적으로 0.2mA/㎠내지 1mA/㎠이다.The intensity of polarization used in the electrical step is preferably between 2 mA/cm 2 and 50 mA/cm 2 , whereas in prior art processes where alkaline electrolytes are used, it is typically between 0.2 mA/cm 2 and 1 mA/cm 2 .

본 발명의 공정의 전기적 단계는 단지 하나 또는 여러 개의 분극 단계를 포함할 수 있으며, 당업자는 그들의 일반 지식에 기초하여 변수를 선택하는 방법을 알 것이다.The electrical step of the process of the present invention may include only one or several polarization steps, and those skilled in the art will know how to select the parameters based on their general knowledge.

전기적 단계는 램프 모드(ramp mode), 갈바노-스태틱 모드(galvano-static mode) 및 갈바노-펄스 모드(galvano-pulsed mode)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 분극 모드를 사용하여 수행될 수 있다.The electrical step may be performed using at least one polarization mode selected from the group consisting of a ramp mode, a galvano-static mode and a galvano-pulsed mode. .

따라서, 전기적 단계는 갈바노-펄스 모드에서의 적어도 하나의 전착 단계 및 갈바노-스태틱 모드에서의 적어도 하나의 전착 단계를 포함할 수 있고, 갈바노-스태틱 모드에서의 전착 단계는 바람직하게는 갈바노-펄스 모드에서의 전착 단계에 이어진다.Thus, the electrical step may comprise at least one electrodeposition step in galvano-pulse mode and at least one electrodeposition step in galvano-static mode, the electrodeposition step in galvano-static mode preferably being galvano-static. This is followed by an electrodeposition step in no-pulse mode.

예를 들어, 전기적 단계는 갈바노-펄스 모드에서 캐소드의 분극화의 제1 단계, 바람직하게는 5 내지 50ms의 시간(Ton), 3mA/㎠ 내지 20mA/㎠, 예를 들어 12mA/㎠ 내지 16mA/㎠의 전류, 바람직하게는 50ms 내지 150ms의 시간(Toff) 동안 제로 분극을 교번하는 단계를 포함한다.For example, the electrical step is the first step of polarization of the cathode in galvano-pulse mode, preferably a time (T on ) of 5 to 50 ms, 3 mA/cm 2 to 20 mA/cm 2 , for example 12 mA/cm 2 to 16 mA /cm 2 of current, preferably between 50 ms and 150 ms of time (T off ) alternating zero polarization.

이 제1 단계에서, 기판은 분극 전 또는 분극 후에 전해질과 접촉될 수 있다. 공동과의 접촉은 바람직하게는 전압 인가 전에 수행되어 전해질과 접촉하게 되는 금속층의 부식을 제한한다.In this first step, the substrate may be contacted with an electrolyte either before polarization or after polarization. Contacting the cavity is preferably performed prior to application of the voltage to limit corrosion of the metal layer coming into contact with the electrolyte.

제2 단계에서, 캐소드는 3mA/㎠내지 50mA/㎠ 범위의 전류로 갈바노-스택틱 모드에서 분극화될 수 있다. 상기 2 단계는 바람직하게는 실질적으로 동일한 지속 시간이다.In a second step, the cathode may be polarized in galvano-static mode with a current ranging from 3 mA/cm2 to 50 mA/cm2. The two steps are preferably of substantially the same duration.

갈바노-스태틱 모드의 제2 단계는 자체적으로 두 단계를 포함할 수 있다 : 제1 단계에서, 전류는 3mA/㎠ 내지 8mA/㎠의 세기를 갖고, 제2 단계에서, 9 mA/㎠ 내지 50 mA/㎠ 세기를 갖는 전류가 인가된다.The second stage of the galvano-static mode may itself include two stages: in the first stage, the current has an intensity of 3 mA/cm 2 to 8 mA/cm 2 and in the second stage 9 mA/cm 2 to 50 A current having an intensity of mA/cm 2 is applied.

이 전기적 단계는 특히 전해질이 2.5와 3.5 사이의 Ph를 가질 때 사용될 수 있다.This electrical step can be used especially when the electrolyte has a pH between 2.5 and 3.5.

또 다른 예에서, 전기적 단계는 전류가 바람직하게는 전류가 0mA/㎠ 내지 15mA/㎠, 바람직하게는 0mA/㎠ 내지 10mA/㎠에 놓이는 램프 모드에서 캐소드의 분극화의 제1 단계를 포함하며, 10mA/㎠내지 50mA/㎠, 바람직하게는 8mA/㎠내지 20mA/㎠의 전류가 인가되는 갈바노-스태틱 모드의 단계가 이어진다. 이 전기적 단계는 특히 전해질이 2.0과 2.5 사이의 pH를 가질 때 사용될 수 있다.In another example, the electrical step comprises a first step of polarization of the cathode in a lamp mode where the current preferably lies between 0 mA/cm 2 and 15 mA/cm 2 , preferably between 0 mA/cm 2 and 10 mA/cm 2 , and /cm 2 to 50 mA/cm 2 , preferably 8 mA/cm 2 to 20 mA/cm 2 , followed by a step in galvano-static mode. This electrical step can be used especially when the electrolyte has a pH between 2.0 and 2.5.

전착 단계는 일반적으로 합금 증착물이 기판의 평평한 표면을 덮을 때 중지된다: 이 경우에, 증착물은 공동 내부의 재료와 공동이 비어 있는 기판 표면을 덮는 재료를 포함한다. 표면을 덮는 합금 층의 두께는 50 nm 내지 400 nm일 수 있고, 예를 들어 125 nm 내지 200 nm일 수 있다.The electrodeposition step is usually stopped when the alloy deposit covers the flat surface of the substrate: in this case, the deposit includes the material inside the cavities and the material covering the substrate surface where the cavities are empty. The thickness of the alloy layer covering the surface may be 50 nm to 400 nm, for example 125 nm to 200 nm.

코발트 합금 또는 구리 합금의 증착 속도는 0.1 nm/s 내지 3.0 nm/s, 바람직하게는 1.0 nm/s 내지 3.0 nm/s, 더욱 바람직하게는 1 nm/s 내지 2.5 nm/s이다.The deposition rate of the cobalt alloy or copper alloy is 0.1 nm/s to 3.0 nm/s, preferably 1.0 nm/s to 3.0 nm/s, more preferably 1 nm/s to 2.5 nm/s.

본 발명의 공정은 상기 기재된 바와 같이 충진의 마지막에 수득된 합금 증착물을 어닐링하는 단계를 포함한다.The process of the present invention includes annealing the obtained alloy deposit at the end of filling as described above.

이러한 어닐링 열처리는 50℃ 내지 550℃의 온도에서, 바람직하게는 환원 가스 예컨대, N2에 4%의 H2 하에서 수행될 수 있다.This annealing heat treatment may be performed at a temperature of 50° C. to 550° C., preferably under a reducing gas such as 4% H 2 in N 2 .

매우 낮은 백분율의 공극과 조합한 낮은 불순물 함량은 낮은 저항률을 갖는 코발트 증착물 또는 구리 증착물에 대한 액세스를 제공한다.The low impurity content combined with a very low percentage of voids provides access to cobalt deposits or copper deposits with low resistivities.

어닐링 단계 동안, 합금에 존재하는 망간 또는 아연 원자는 전도성 기판의 표면을 향해 마이그레이션하여 2개의 층이 형성된다 : 본질적으로 코발트 또는 구리를 포함하는 제1 층 및 본질적으로 망간 또는 아연을 포함하는 제2 층. "본질적으로(essentially)" 코발트를 포함하는 층은 최대 100% 코발트 및 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.8% 및 99.9%로 이루어진 군에서 선택된 최소량의 코발트를 포함하는 층일 수 있다. "본질적으로" 구리를 포함하는 층은 최대 100% 구리 및 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.8% 및 99.9%로 이루어진 군에서 선택된 최소량의 구리를 포함하는 층일 수 있다. "본질적으로" 망간을 포함하는 층은 최대 100%의 망간과 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.8% 및 99.9%로 이루어진 군에서 선택된 최소량의 망간을 포함하는 층일 수 있다. "본질적으로" 아연을 포함하는 층은 최대 100% 아연과 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.8% 및 99.9%로 이루어진 군에서 선택된 최소량의 아연을 포함하는 층일 수 있다. 이들 백분율은 원자%이고, 당업자에게 공지된 임의의 방법에 의해 측정될 수 있다.During the annealing step, the manganese or zinc atoms present in the alloy migrate towards the surface of the conducting substrate to form two layers: a first layer comprising essentially cobalt or copper and a second layer essentially comprising manganese or zinc. floor. A layer comprising "essentially" cobalt contains up to 100% cobalt and a minimum amount of cobalt selected from the group consisting of 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.8% and 99.9%. It may be a layer containing A layer comprising "essentially" copper is a layer comprising up to 100% copper and a minimum amount of copper selected from the group consisting of 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.8% and 99.9%. can A layer comprising “essentially” manganese contains up to 100% manganese and a minimum amount of manganese selected from the group consisting of 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.8% and 99.9%. can be layered. A layer containing “essentially” zinc is a layer containing up to 100% zinc and a minimum amount of zinc selected from the group consisting of 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.8% and 99.9%. can These percentages are atomic percent and can be determined by any method known to those skilled in the art.

일 실시예에서, 전도성 표면은 코발트 시드 층의 표면이며, 상기 층은 이산화규소를 포함하는 절연 기판을 덮는다. 이 실시예에서, 망간 또는 아연 원자는 제1 시드 층과 이산화규소를 포함하는 절연 기판 사이의 계면에 도달하기 위해 코발트 시드 층을 통해 어닐링 단계 동안 마이그레이션한다.In one embodiment, the conductive surface is a surface of a cobalt seed layer, which layer covers an insulating substrate comprising silicon dioxide. In this embodiment, manganese or zinc atoms migrate during the annealing step through the cobalt seed layer to reach the interface between the first seed layer and the insulating substrate comprising silicon dioxide.

본 발명의 전착 및 어닐링 공정에 의해 수득된 코발트 증착물 또는 구리 증착물의 총 불순물 함량은 1000ppm 원자 미만이며, 망간 또는 아연은 불순물로 간주되지 않는다. 불순물은 주로 산소를 포함하고, 그 다음으로 탄소와 질소를 포함한다. 총 탄소 및 질소 함량은 300ppm 미만이다. 코발트 또는 구리 증착물은 바람직하게는 연속적이다. 이는 바람직하게는 체적으로 또는 표면적으로 10% 미만, 바람직하게는 체적으로 또는 표면적으로 5% 이하의 평균 공극 백분율을 갖는다. 코발트 또는 구리 증착물의 공극 백분율은 전자 현미경 관찰에 의해 측정될 수 있으며, 이는 가장 적절한 것으로 보이는 방법을 선택하는 당업자에게 공지되어 있다. 이러한 방법 중 하나는 50,000에서 350,000 사이의 배율을 사용하는 주사 전자 현미경(SEM) 또는 투과 전자 현미경(TEM)일 수 있다. 공극 체적은 충진된 공동을 포함하는 기판의 하나 이상이 단면 상에서 관찰되는 공극 표면적을 측정함으로써 평가될 수 있다. 2개 이상의 단면에서 2개 이상의 표면적이 측정하는 경우, 공극 체적을 평가하기 위해 이들 표면적의 평균이 계산될 것이다.The total impurity content of cobalt deposits or copper deposits obtained by the electrodeposition and annealing process of the present invention is less than 1000 ppm atomic, and manganese or zinc are not considered impurities. Impurities mainly include oxygen, followed by carbon and nitrogen. The total carbon and nitrogen content is less than 300 ppm. Cobalt or copper deposits are preferably continuous. It preferably has an average void percentage of less than 10% by volume or surface area, preferably less than or equal to 5% by volume or surface area. The percent voids of cobalt or copper deposits can be determined by electron microscopy, and it is known to those skilled in the art to select the method that seems most appropriate. One such method may be scanning electron microscopy (SEM) or transmission electron microscopy (TEM) using magnifications between 50,000 and 350,000. Void volume can be evaluated by measuring the void surface area observed on a cross-section of at least one substrate containing filled cavities. If two or more surface areas are measured in two or more cross sections, an average of these surface areas will be calculated to estimate the void volume.

본질적으로 망간 또는 아연을 포함하는 층은 바람직하게는 평균 두께가 0.5 nm 내지 2 nm인 연속 층이다. "연속(continuous)"은 유전체 기판이 보이지 않게 층이 유전체 기판의 표면 전체를 덮는 것을 의미한다. 층의 두께는 바람직하게는 평균 두께에 대해 +/- 10%만큼 변한다.The layer comprising essentially manganese or zinc is preferably a continuous layer with an average thickness of 0.5 nm to 2 nm. “Continuous” means that the layer covers the entire surface of the dielectric substrate without the dielectric substrate being visible. The thickness of the layer preferably varies by +/- 10% relative to the average thickness.

공정은 기판의 표면에 존재하는 천연 금속 산화물을 환원시키기 위해 환원성 플라즈마(reductive plasma)에 의한 처리의 예비 단계를 포함할 수 있다. 플라즈마는 또한 트렌치의 표면에 작용하여 전도성 표면과 합금 사이의 계면 품질을 향상시킬 수 있다. 후속 전착 단계는 천연 산화물의 개질을 최소화하기 위해 플라즈마 처리 직후에 수행하는 것이 바람직하다.The process may include a preliminary step of treatment with a reductive plasma to reduce native metal oxides present on the surface of the substrate. Plasma can also act on the surface of the trench to improve the interface quality between the conductive surface and the alloy. The subsequent electrodeposition step is preferably performed immediately after the plasma treatment to minimize modification of the native oxide.

본 발명의 공정은 특별히 서로 다른 집적 레벨로 연결하는 비아 또는 표면을 따라 이어지는 트렌치와 같은 전도성 금속 상호 접속부의 제조 동안 반도체 디바이스의 제조에 애플리케이션을 발견했다.The process of the present invention finds application in the fabrication of semiconductor devices, especially during the fabrication of conductive metal interconnects such as vias connecting different levels of integration or trenches running along a surface.

마지막으로, 본 발명은 본질적으로 망간 또는 아연을 포함하는 층으로 덮이고 그와 접촉하는 유전체 재료 층을 포함하는 금속 상호 접속부를 구비한 반도체 디바이스에 관한 것으로, 상기 층은 코발트 또는 구리 층으로 덮인다.Finally, the present invention relates to a semiconductor device having a metal interconnect comprising a layer of dielectric material in contact with and covered with a layer comprising essentially manganese or zinc, said layer being covered with a layer of cobalt or copper.

본질적으로 망간 또는 아연을 포함하는 층과 코발트 또는 구리 층 사이에 금속 시드 층이 삽입될 수 있고, 이들 2개의 층 각각과 접촉할 수 있다.A metal seed layer may be inserted between the layer comprising essentially manganese or zinc and the layer of cobalt or copper and may be in contact with each of these two layers.

상호 접속부는 본질적으로 코발트 또는 구리로 구성되며 위에서 설명한 공정으로 수득될 수 있다. 이 경우에, 그것들은 공동을 충진하는 코발트 또는 구리 증착물에 해당한다. 상호 접속부들은 15nm와 100nm 사이의 평균 폭과 50nm와 250nm 사이의 평균 깊이를 가질 수 있다.The interconnects consist essentially of cobalt or copper and can be obtained by the process described above. In this case, they correspond to cobalt or copper deposits filling the cavities. The interconnects may have an average width between 15 nm and 100 nm and an average depth between 50 nm and 250 nm.

본질적으로 망간 또는 아연을 포함하는 층은 유리하게는 0.5 nm 내지 2 nm의 두께를 가지며, 이산화규소와 같은 유전체 재료와 접촉한다.The layer comprising essentially manganese or zinc advantageously has a thickness of 0.5 nm to 2 nm and is in contact with a dielectric material such as silicon dioxide.

본 설명은 또한 하나의 접착층 재료 및 금속 충진재를 포함하는 금속 상호 접속 구조를 형성하는 방법을 다루고 있으며, 상기 접착층 재료는 망간 또는 아연이고, 상기 금속 충진재는 코발트 또는 구리이며, 상기 접착층은 최대 2 단계로 형성되는데, 금속 충진재 및 접착층 재료를 포함하는 합금의 무전해 증착의 제1 단계, 접착층과 금속 충진재라는 2개의 분리된 영역을 형성하기 위해 접착층 재료와 금속 충진재의 분리를 유발하는 합금 증착물의 열 어닐링의 제2 단계. 이러한 방법은 기판의 유전체 층에 개구를 형성하는 단계, 개구는 전도성 표면을 노출시키고, 코발트 또는 구리인 제1 금속, 망간 또는 아연인 제2 금속을 포함하는 합금으로 개구를 무전해(electroless) 충진하는 단계 및 합금의 열 어닐링 단계를 포함한다. 이 실시예에 따르면, 방법은 개구를 합금으로 무전해 충진하기 전에 망간을 포함하는 접착층을 형성하는 단계를 포함하지 않는다.The present description also covers a method of forming a metal interconnection structure comprising an adhesive layer material and a metal filler, wherein the adhesive layer material is manganese or zinc, the metal filler is cobalt or copper, and the adhesive layer is formed in up to two steps. In the first step of the electroless deposition of an alloy comprising a metal filler and an adhesive layer material, the heat of the alloy deposit causes separation of the adhesive layer material and the metal filler to form two separate regions, the adhesive layer and the metal filler. Second step of annealing. The method comprises forming an opening in a dielectric layer of a substrate, the opening exposing a conductive surface, and electroless filling the opening with an alloy comprising a first metal that is cobalt or copper, and a second metal that is manganese or zinc. and thermal annealing of the alloy. According to this embodiment, the method does not include forming an adhesive layer comprising manganese prior to electrolessly filling the opening with the alloy.

전술한 전해질 및 공정에 관한 특징은 적절한 경우 본 발명의 반도체 디바이스에 적용될 수 있다.The electrolyte and process features described above can be applied to the semiconductor device of the present invention when appropriate.

예제 1: 코발트 시드 층을 포함하는 기판 상에 pH=2.2의 용액으로부터 코발트 및 아연 합금의 전착Example 1: Electrodeposition of a cobalt and zinc alloy from a solution at pH=2.2 on a substrate containing a cobalt seed layer.

코발트 시드층을 포함하는 평평한 기판 상에 코발트와 아연의 합금이 전착되었다. 타르타르산의 존재 하에 염화물 함유 코발트(II) 이온 염 및 염화물 함유 아연(II) 이온 염을 함유하는 pH 2.2의 조성물에 의해 증착이 일어난다.An alloy of cobalt and zinc was electrodeposited on a flat substrate containing a cobalt seed layer. Deposition takes place with a composition at pH 2.2 containing a chloride containing cobalt(II) ion salt and a chloride containing zinc(II) ion salt in the presence of tartaric acid.

A. - 재료 및 장비:A. - Materials and Equipment:

기판:Board:

이 예에서 사용된 기판은 4x4cm 실리콘 쿠폰으로 구성된다. 실리콘은 CVD에 의해 증착되고, 그 자체가 3nm 두께의 코발트 층으로 덮여진 3nm 두께의 탄탈륨 층과 접촉하는 실리콘 산화물로 덮여 있다. 측정된 기판 저항은 약 168ohm/square이다.The substrate used in this example consists of a 4x4 cm silicon coupon. Silicon is deposited by CVD and covered with silicon oxide in contact with a 3 nm thick layer of tantalum which itself is covered with a 3 nm thick layer of cobalt. The measured substrate resistance is about 168 ohm/square.

전착 용액:Electrodeposition solution:

이 용액의 Co2+ 농도는 CoCl2(H2O)6에서 수득된 2.35g/L이다. Zn2+ 농도는 ZnCl2에서 수득된 0.136g/L이다. 타르타르산은 15mg/L로 존재한다.The Co 2+ concentration of this solution is 2.35 g/L obtained from CoCl 2 (H 2 O) 6 . The Zn 2+ concentration is 0.136 g/L obtained from ZnCl 2 . Tartaric acid is present at 15 mg/L.

염산을 첨가하여 용액의 pH를 pH=2.2로 조정하였다.The pH of the solution was adjusted to pH=2.2 by adding hydrochloric acid.

장비:equipment:

이 예에서, 사용된 전해 증착 장비는 두 부분으로 구성되었다 : 시스템의 유체 역학을 제어하기 위해 유체 재순환 시스템이 구비된 전착 용액을 함유하는 셀과 사용된 쿠폰의 크기(4cm x 4cm)에 적절한 샘플 홀더가 구비된 회전 전극. 전해 증착 셀은 2개의 전극으로 구성되었다 :In this example, the electrolytic deposition equipment used consisted of two parts: a cell containing the electrodeposition solution, equipped with a fluid recirculation system to control the fluid dynamics of the system, and a sample appropriate to the size of the coupon used (4 cm x 4 cm). Rotating electrode with holder. The electrolytic deposition cell consisted of two electrodes:

- 코발트 애노드- Cobalt Anode

실리콘 쿠폰은 캐소드를 구성하는 위에서 설명한 층으로 코팅된다.A silicon coupon is coated with the layer described above constituting the cathode.

기준은 애노드에 연결된다.The reference is connected to the anode.

커넥터는 최대 20V 또는 2A를 공급하는 정전위기(potentiostat)에 전선으로 연결된 전극의 전기적 접촉을 가능하게 했다.The connectors allowed electrical contact of wired electrodes to a potentiostat that supplied up to 20V or 2A.

B. - 실험 프로토콜:B. - Experimental protocol:

예비 단계:Preliminary steps:

기판은 일반적으로 노후되거나 제대로 보관되지 않은 웨이퍼로 인해 천연 코발트 산화물 층이 너무 많은 경우에만 특수 처리가 필요하다. 이 보관은 일반적으로 질소 하에서 발생한다. 이 경우 순수한 수소 또는 질소에 4%의 수소를 함유하는 가스 혼합물과 같은 수소를 함유하는 플라즈마를 생성해야 한다.Substrates usually only require special handling when they have too many layers of native cobalt oxide, due to aging or poorly stored wafers. This storage usually takes place under nitrogen. In this case, it is necessary to create a plasma containing hydrogen, such as pure hydrogen or a gas mixture containing 4% hydrogen in nitrogen.

전기 공정:Electrical process:

공정은 다음과 같이 수행된다 : 캐소드는 50mA(또는 11mA/㎠) 내지 120mA(또는 26mA/㎠), 예를 들어 100mA(또는 22.1mA/㎠)의 전류 범위에서 연속 갈바닉 모드로 분극화되었다. 이 단계는 1시간 동안 60rpm의 회전으로 수행하였다. 전해질은 전압이 인가되기 전에 5초의 시간으로 기판과 접촉된다. 합금의 증착 속도는 3.3 nm/s이다. 다른 실시예에서, 캐소드는 캐소드 분극에서 5 내지 1000ms의 펄스 지속 시간과 두 캐소드 펄스 사이의 제로 분극에서 5 내지 1000ms 사이의 펄스 지속 시간으로, 80mA(또는 17.6mA/㎠) 내지 160mA(또는 35.2mA/㎠), 예를 들어 130mA(또는 28.6mA/㎠)의 전류 범위에서 갈바노 펄스 모드로 분극화되었다.The process was carried out as follows: the cathode was polarized in continuous galvanic mode in the current range of 50 mA (or 11 mA/cm 2 ) to 120 mA (or 26 mA/cm 2 ), for example 100 mA (or 22.1 mA/cm 2 ). This step was performed at 60 rpm rotation for 1 hour. The electrolyte is brought into contact with the substrate for a period of 5 seconds before voltage is applied. The deposition rate of the alloy is 3.3 nm/s. In another embodiment, the cathode can deliver between 80 mA (or 17.6 mA/cm 2 ) and 160 mA (or 35.2 mA) with a pulse duration between 5 and 1000 ms at cathodic polarization and between 5 and 1000 ms at zero polarization between the two cathode pulses. /cm 2 ), for example, 130 mA (or 28.6 mA/cm 2 ) was polarized in galvano pulse mode.

어닐링:Annealing:

어닐링은 400℃의 온도에서 수소 함유 분위기(질소에 4% 수소)에서 30분 동안 수행되어 아연이 SiO2와 코발트 사이의 계면으로 마이그레이션하도록 한다.Annealing is performed for 30 minutes in a hydrogen containing atmosphere (4% hydrogen in nitrogen) at a temperature of 400° C. to allow zinc to migrate to the interface between SiO 2 and cobalt.

C. - 수득된 결과:C. - Results Obtained:

주사 전자 현미경에 의한 프로파일 분석은 200 nm에 가까운 합금 두께를 보여준다. 이 두께는 어닐링 후 190nm로 약간 감소한다. 어닐링 전 XPS 분석은 합금에 2원자% 정도의 아연이 존재함을 보여준다. 어닐링 후 동일한 형태의 분석은 한편으로는 SiO2-코발트 계면과 가장 바깥쪽 표면을 향한 아연의 마이그레이션을 보여준다. 반면에 산소, 탄소 및 질소에 의한 총 오염은 원자 600ppm을 초과하지 않는다.Profile analysis by scanning electron microscopy shows an alloy thickness close to 200 nm. This thickness decreases slightly to 190 nm after annealing. XPS analysis before annealing shows that there is about 2 atomic percent zinc present in the alloy. The same type of analysis after annealing shows migration of zinc towards the SiO 2 -cobalt interface on the one hand and the outermost surface. On the other hand, total contamination by oxygen, carbon and nitrogen does not exceed 600 ppm atomically.

Claims (13)

제1 금속과 제2 금속의 합금의 전착(electrodeposition)용 전해질에 있어서, 상기 전해질은, 상기 제1 금속은 코발트이고 상기 제2 금속은 망간이거나 또는 상기 제1 금속은 구리이고 상기 제2 금속은 망간이거나 또는 상기 제1 금속은 구리이고 상기 제2 금속은 아연인 것을 특징으로 하고, 상기 전해질은 수용액이며, 상기 수용액은,
- 1g/L 내지 5g/L의 질량 농도의 코발트 II 이온 또는 구리 II 이온,
- 1g/L 내지 10g/L의 질량 농도의 염화물 이온,
- 망간 II 이온 및 아연 II 이온으로부터 선택된 금속 이온으로서, 상기 금속 이온은 코발트 II 이온 또는 구리 II 이온의 질량 농도와 금속 이온의 질량 농도 간의 비율이 1/10 내지 25/1이 되는 질량 농도로 존재하는, 상기 금속 이온,
- 1.8 내지 4.0 사이의 상기 전해질에 대한 pH를 수득하기에 충분한 양의 유기산 또는 무기산, 및
- 중합체(polymer)가 아닌 2개 이하의 유기 첨가제로서, 상기 2개 이하의 유기 첨가제 중 적어도 하나가 상기 수용액에서 상기 유기산으로 존재하고, 상기 2개의 유기 첨가제의 농도는 5mg/L에서 200mg/L 사이인, 상기 유기 첨가제;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해질.
An electrolyte for electrodeposition of an alloy of a first metal and a second metal, wherein the electrolyte is wherein the first metal is cobalt and the second metal is manganese or the first metal is copper and the second metal is manganese or wherein the first metal is copper and the second metal is zinc, the electrolyte is an aqueous solution, the aqueous solution comprising:
- cobalt II ions or copper II ions in a mass concentration of 1 g/L to 5 g/L,
- chloride ion in a mass concentration of 1 g/L to 10 g/L,
- a metal ion selected from manganese II ion and zinc II ion, said metal ion present in a mass concentration such that the ratio between the mass concentration of cobalt II ion or copper II ion and the mass concentration of metal ion is from 1/10 to 25/1 To, the metal ion,
- an organic or inorganic acid in an amount sufficient to obtain a pH for said electrolyte between 1.8 and 4.0, and
- at most two organic additives that are not polymers, wherein at least one of the at most two organic additives is present as the organic acid in the aqueous solution, and the concentration of the two organic additives is from 5 mg/L to 200 mg/L Saiin, the organic additive; characterized in that it comprises, the electrolyte.
제1항에 있어서, 상기 산은 강 무기산이고, 상기 전해질은 pKa가 1.8 내지 3.5인 유기 화합물로부터 선택된 단일 유기 첨가제를 함유하는 것을 특징으로 하는, 전해질.2. Electrolyte according to claim 1, characterized in that the acid is a strong inorganic acid and the electrolyte contains a single organic additive selected from organic compounds having a pKa between 1.8 and 3.5. 제2항에 있어서, 상기 2개 이하의 유기 첨가제 중 적어도 하나는 시트르산, 타르타르산, 말산, 만델산, 말레산, 푸마르산, 글리세르산, 오로트산, 말론산, L-알라닌, 아세틸살리실산 및 살리실산으로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는, 전해질.3. The method of claim 2, wherein at least one of the at most two organic additives is selected from citric acid, tartaric acid, malic acid, mandelic acid, maleic acid, fumaric acid, glyceric acid, orotic acid, malonic acid, L-alanine, acetylsalicylic acid and salicylic acid. Characterized in that selected from the group consisting of, electrolyte. 제1항에 있어서, 상기 pH는 2.0 내지 3.5인 것을 특징으로 하는, 전해질.The electrolyte according to claim 1, characterized in that the pH is 2.0 to 3.5. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속은 코발트이고, 상기 제2 금속은 망간인 것을 특징으로 하는, 전해질.The electrolyte according to claim 1, wherein the first metal is cobalt and the second metal is manganese. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 제1 금속은 구리이고, 상기 제2 금속은 망간인 것을 특징으로 하는, 전해질.The electrolyte according to claim 1, wherein the first metal is copper and the second metal is manganese. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속은 구리이고, 상기 제2 금속은 아연인 것을 특징으로 하는, 전해질.The electrolyte according to claim 1, characterized in that the first metal is copper and the second metal is zinc. 삭제delete 제3항에 있어서, 상기 유기 첨가제는 타르타르산인 것을 특징으로 하는, 전해질.4. The electrolyte according to claim 3, characterized in that the organic additive is tartaric acid. 공동(cavity)을 충진하기 위한 전기화학 공정에 있어서, 상기 공동은 15 nm 내지 100 nm의 개구에서의 평균 폭 또는 평균 직경 및 50 nm 내지 250 nm의 깊이를 갖고, 상기 공정은,
- 상기 공동의 전도성 표면을 전해질과 접촉시키는 단계로서, 상기 전해질은 수용액이고, 상기 수용액은,
a) 1g/L 내지 5g/L의 질량 농도의 코발트 II 이온 또는 구리 II 이온,
b) 1g/L 내지 10g/L의 질량 농도의 염화물 이온,
c) 망간 II 이온 및 아연 II 이온으로부터 선택된 금속 이온으로서, 상기 금속 이온은 코발트 II 이온 또는 구리 II 이온의 질량 농도와 금속 이온의 질량 농도 간의 비율이 1/10 내지 25/1이 되는 질량 농도로 존재하는, 상기 금속 이온,
d) 1.8 내지 4.0 사이의 상기 전해질에 대한 pH를 수득하기에 충분한 양의 유기산 또는 무기산, 및
e) 중합체(polymer)가 아닌 2개 이하의 유기 첨가제로서, 상기 2개 이하의 유기 첨가제 중 적어도 하나가 상기 수용액에서 상기 유기산으로 존재하고, 상기 2개의 유기 첨가제의 농도는 5mg/L에서 200mg/L 사이인, 상기 유기 첨가제;를 포함하는, 상기 접촉시키는 단계;
- 코발트, 구리 및 이들의 혼합물로부터 선택된 제1 금속과 망간, 아연 및 이들의 혼합물로부터 선택된 제2 금속의 합금의 증착에 의해 상기 공동의 등도포성(conformal)이고 완전한 충진을 수행하기에 충분한 시간 기간 동안 상기 전도성 표면을 분극화하는 단계, 및
- 상기 분극화(polarization) 단계의 끝에서 수득된 상기 합금의 증착물을 어닐링하는 단계(annealing)로서, 상기 어닐링은 상기 제2 금속이 마이그레이션(migration)하여 제1 층과 제2 층을 형성하도록 하는 온도에서 수행되고, 상기 제1 층은 제2 금속을 함유하고, 상기 전도성 표면과 접촉하고, 상기 제1 층은 0.5 nm 내지 2 nm의 두께를 갖고, 및 상기 제2 층은 코발트 또는 구리를 함유하고 상기 제1 층의 표면을 덮고, 상기 제2 층은 상기 전도성 표면과 접촉하지 않는, 상기 어닐링하는 단계를 포함하는, 공정.
An electrochemical process for filling a cavity, wherein the cavity has an average width or average diameter at the aperture of 15 nm to 100 nm and a depth of 50 nm to 250 nm, the process comprising:
- contacting the conductive surface of the cavity with an electrolyte, wherein the electrolyte is an aqueous solution, the aqueous solution comprising:
a) cobalt II ions or copper II ions at a mass concentration of 1 g/L to 5 g/L,
b) chloride ions at a mass concentration of 1 g/L to 10 g/L;
c) a metal ion selected from manganese II ion and zinc II ion, the metal ion being at a mass concentration such that the ratio between the mass concentration of cobalt II ion or copper II ion and the mass concentration of metal ion is from 1/10 to 25/1. present, the metal ion,
d) an organic or inorganic acid in an amount sufficient to obtain a pH for the electrolyte between 1.8 and 4.0, and
e) at most two organic additives that are not polymers, wherein at least one of the at most two organic additives is present as the organic acid in the aqueous solution, and the concentration of the two organic additives is from 5 mg/L to 200 mg/L between L, the organic additive;
- a period of time sufficient to effect a conformal and complete filling of the cavity by deposition of an alloy of a first metal selected from cobalt, copper and mixtures thereof and a second metal selected from manganese, zinc and mixtures thereof; polarizing the conductive surface during
- annealing the deposit of the alloy obtained at the end of the polarization step, the annealing being at a temperature at which the second metal migrates to form a first layer and a second layer. wherein the first layer contains a second metal and is in contact with the conductive surface, the first layer has a thickness of 0.5 nm to 2 nm, and the second layer contains cobalt or copper and annealing, wherein the annealing covers a surface of the first layer and the second layer is not in contact with the conductive surface.
제11항에 있어서, 상기 전도성 표면은 금속성 시드층(seed layer)의 제 1 표면이고, 상기 금속성 시드층은 상기 제 2 금속과 상이한 제 3 금속으로 구성되고, 상기 금속성 시드층은 1 나노미터 내지 10 나노미터의 두께를 갖고, 상기 금속성 시드 층은 이산화규소를 포함하는 유전체 재료와 접촉하는 제2 표면을 갖는 것을 특징으로 하는, 공정.12. The method of claim 11, wherein the conductive surface is a first surface of a metallic seed layer, the metallic seed layer comprised of a third metal different from the second metal, the metallic seed layer having a thickness of 1 nanometer to 1 nanometer. Having a thickness of 10 nanometers, characterized in that the metallic seed layer has a second surface in contact with a dielectric material comprising silicon dioxide. 제12항에 있어서, 상기 제3 금속은 코발트, 구리, 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 루테늄, 니켈, 질화 티타늄, 질화 탄탈륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는, 공정.13. The process of claim 12, wherein the third metal is selected from the group consisting of cobalt, copper, tungsten, titanium, tantalum, ruthenium, nickel, titanium nitride, tantalum nitride, and mixtures thereof.
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