TW201943896A - 在非銅襯墊層上的銅電填充 - Google Patents

在非銅襯墊層上的銅電填充

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Abstract

在非銅襯墊層上實現特徵部中之銅的無孔隙由下往上填充。非銅襯墊層具有比銅更高的電阻率。用以將銅鍍覆於非銅襯墊層上的電鍍溶液包含低銅濃度、高pH、有機添加劑、及作為銅錯合劑的溴離子。高pH及溴離子不會干擾有機添加劑的活性。在一些實施例中，銅離子濃度為介於約0.2 g/L至約10 g/L之間，硫酸濃度為介於約0.1 g/L至約10 g/L之間、且溴離子的濃度為介於約20 mg/L至約240 mg/L之間。在一些實施例中，電鍍溶液更包含氯離子以作為額外的銅錯合劑，其濃度為介於約0.1 mg/L至約100 mg/L之間。

Description

在非銅襯墊層上的銅電填充
本發明係關於在非銅襯墊層上的銅電填充。
可利用鑲嵌或雙重鑲嵌處理以實現積體電路(ICs)中之金屬佈線互連線形成。通常，將渠溝或孔洞蝕刻於位在基板上的介電材料(例如二氧化矽)中。可使孔洞或渠溝具有一或更多襯墊層及阻障層的襯墊。接著，可在孔洞或渠溝中沉積銅之薄層，其可用作銅晶種層。之後，可利用銅填充孔洞或渠溝。
習知的銅沉積通常以兩個步驟進行。首先，利用PVD處理以在基板上沉積銅晶種層。其此，將銅電鍍於晶種層上以填充孔洞或渠溝。已開發出藉由直接將銅電鍍於阻障或襯墊層上而避免使用PVD以沉積銅晶種層之技術。然而，在直接將銅電鍍於阻障或襯墊層上的方面存在挑戰。
此處所提供之先前技術說明係為了大體上介紹本發明之背景。在此先前技術章節中所敘述之範圍內之本案列名之發明人的成果、以及在申請時不適格作為先前技術之說明書的實施態樣，皆非有意地或暗示地被承認為對抗本發明之先前技術。
本文提供一種電鍍銅至晶圓之表面上的方法。該方法包含：接收一晶圓，該晶圓在該晶圓之表面處具有複數特徵部及非銅襯墊層；以及使該晶圓之該表面與電鍍溶液接觸。該電鍍溶液包含：在該電鍍溶液中濃度為介於約0.2 g/L至約10 g/L之間的銅離子、一加速劑添加劑、一抑制劑添加劑、以及溴離子。該方法更包含電鍍銅至該非銅襯墊層上，以利用銅填充該複數特徵部。
在一些實施例中，該電鍍溶液更包含一整平劑添加劑。在一些實施例中，該電鍍溶液中之該等溴離子的濃度為介於約20 mg/L至約240 mg/L之間。在一些實施例中，該非銅襯墊層包含鈷或釕。在一些實施例中，該電鍍溶液包含硫酸，其在該電鍍溶液中濃度為介於約0.1 g/L至約10 g/L之間。在一些實施例中，該電鍍溶液更包含氯離子，其在該電鍍溶液中濃度為介於約1 mg/L至約100 mg/L之間。以銅填充的該複數特徵部係無孔隙或實質上無孔隙的。在一些實施例中，該方法更包含在使該晶圓之該表面與該電鍍溶液接觸之前或之後立即施加相對於Hg/HgSO4而介於約-400mV至約-2000mV之間的恆定電位至該晶圓。在一些實施例中，該方法更包含在電鍍銅至該非銅襯墊層上時，施加介於約0.2 mA/cm2 至約5 mA/cm2 之間之電流密度下的恆定電流至該晶圓。在一些實施例中，該電鍍溶液係配置以在該非銅襯墊層上引致一陰極過電位，其足以防止該非銅襯墊層溶解。電鍍銅至該非銅襯墊層上之步驟係在沒有沉積銅晶種層之情況下發生。
另一態樣涉及一種用於電鍍銅至晶圓之表面上的銅電鍍溶液，該晶圓具有複數特徵部及非銅襯墊層。該銅電鍍溶液包含在該電鍍溶液中濃度為介於約0.2 g/L至約5 g/L之間的銅離子；一加速劑添加劑；一抑制劑添加劑；在該電鍍溶液中濃度為介於約20 mg/L至約240 mg/L之間的溴離子；在該電鍍溶液中濃度為介於約1 mg/L至約100 mg/L之間的氯離子；以及在該電鍍溶液中濃度為介於約0.1 g/L至約10 g/L之間的硫酸。
在一些實施例中，該銅電鍍溶液包含一整平劑添加劑。在一些實施例中，該抑制劑添加劑之濃度為介於約30 ppm至約300 ppm之間。在一些實施例中，該加速劑添加劑之濃度為介於約5 ppm至約40 ppm之間。在一些實施例中，該等氯離子的濃度為介於約10 mg/L至約80 mg/L之間，且該硫酸的濃度為介於約0.5 g/L至約5 g/L之間。在一些實施例中，該等氯離子用作該等銅離子的第一錯合劑，而該等溴離子用作該等銅離子的第二錯合劑。
以下參照圖式而進一步描述該等及其他實施態樣。
在本揭示內容中，用語「半導體晶圓」、「晶圓」、「基板」、「晶圓基板」、及「部分加工之積體電路」係可互換地使用。該領域中具通常知識者將會理解：用語「部分加工之積體電路」可指涉在其上的積體電路加工之許多階段之任一者期間的矽晶圓。用於半導體裝置產業中的晶圓或基板通常具有200 mm、或300 mm、或450 mm的直徑。再者，用語「電解液」、「鍍覆池」、「池」、「鍍覆溶液」、及「電鍍溶液」係可互換地使用。以下的詳細說明假設在晶圓上施行本揭示內容。然而，實施例並非如此受限。工件可為各種外形、尺寸、及材料。除了半導體晶圓之外，可利用本揭示內容的其他工件包含各種物件，例如印刷電路板等。
前言
用於將銅電鍍至鑲嵌互連線中之晶種層上的電解液或電鍍溶液通常含有銅鹽、酸、鹵離子、加速劑、抑制劑、及整平劑。銅鹽為用於沉積之銅來源。例示性銅鹽包含(但不限於)硫酸銅、甲磺酸銅、焦磷酸銅、丙磺酸銅等。如本文所使用，銅離子的濃度反映銅陽離子的濃度(每單位體積之質量)，而不包括與銅陽離子相關的任何陰離子之質量。酸通常用以控制電鍍浴的電導率。例示性之酸包含(但不限於)硫酸及甲磺酸。如本文所使用，酸的濃度反映整個酸分子的濃度(每單位體積之質量)，而非單獨的氫陽離子之質量。鹵離子可用作橋樑，以協助某些有機添加劑(例如加速劑、抑制劑、及/或整平劑)吸附至基板表面上，其促進習知的由下往上填充機制，如下所述。例示性鹵離子包含(但不限於)氯離子、溴離子、碘離子、及其組合。
有機添加劑對於達成期望之冶金、薄膜均勻性、缺陷控制、及填充性能可為重要的。通常，銅電鍍溶液包含有機電鍍浴添加劑，以促成在鑲嵌特徵部中之受控的高品質凹部電填充。此等添加劑通常包含抑制劑及加速劑，且可能包含整平劑。抑制劑的一個作用為抑制電鍍並使鍍覆表面之表面極化增加。如本文所使用，許多添加劑濃度係以百萬分點(ppm)記載。此單位相當於mg/L，其係為了判定在溶液中的添加劑濃度。電鍍添加劑之討論如下。
抑制劑
雖然不欲受限於任何理論或作用機制，但一般相信，抑制劑(單獨或與其他電鍍浴添加劑的組合)為表面動力極化化合物，其可造成基板-電解液界面各處的壓降大幅增加，尤其係在與表面化學吸附鹵化物(如氯化物或溴化物)共同存在時。鹵化物可用作介於抑制劑分子與晶圓表面之間的橋樑。
抑制劑具有下面兩種作用：(1)增加基板表面存在有抑制劑之區域相對於無抑制劑之區域的表面極化；及(2)增加基板表面的整體極化。增加的極化(局部及/或整體)係對應於增加的電阻率/阻抗，因此使在特定施加電位下的電鍍較慢。
一般相信，抑制劑不會被摻入沉積薄膜中，但抑制劑可能會隨著時間緩慢地減少。抑制劑通常為相對大的分子，且在許多情況中具有聚合物的本質(如聚環氧乙烷、聚環氧丙烷、聚乙二醇、聚丙二醇等)。抑制劑的其他範例包含具有含S-官能基及/或含N-官能基的聚環氧乙烷與聚環氧丙烷、聚環氧乙烷與聚環氧丙烷的嵌段聚合物等。抑制劑可具有線性鏈結構或分支結構。在市售的抑制劑溶液中常同時存在著具有各種分子量的抑制劑分子。部分由於抑制劑的大尺寸，該等化合物係以相對慢的速度擴散進入凹陷特徵部。
加速劑
雖然不欲受限於任何理論或作用機制，但一般相信，加速劑(單獨或與其他電鍍浴添加劑的組合)傾向局部地降低與抑制劑存在相關的極化效應，藉此局部地增加電沉積速率。在加速劑吸附最濃的區域中極化效應的降低最顯著(亦即，極化的降低為加速劑吸附之局部表面濃度的函數)。例示性的加速劑包含(但不限於)二巰基丙磺酸、二巰基乙磺酸、巰基丙磺酸、巰基乙磺酸、二-(3-磺丙基)二硫(SPS)、及其衍生物。雖然加速劑可變得強吸附至基板表面且通常因電鍍反應而變得橫向表面不可移動，但加速劑通常不會被摻入於薄膜中。因此，當沉積金屬時加速劑會留在表面上。當填充凹部時，凹部內之表面上的局部加速劑濃度增加。相較於抑制劑，加速劑傾向為較小的分子且表現出較快速地擴散進入凹陷特徵部中。
整平劑
雖然不欲受限於任何理論或作用機制，但一般相信，整平劑(單獨或與其他電鍍浴添加劑的組合)係用作抑制劑，以抵消與加速劑相關的去極化效應，尤其係在場域中及特徵部之側壁處。整平劑可局部增加基板的極化/表面阻抗，藉此於存在整平劑的區域中顯現出局部電沉積反應。整平劑的局部濃度在某個程度上係由質量傳輸所決定。因此，整平劑主要作用在具有幾何特徵自表面突離的表面結構上。此作用使電沉積層的表面「平滑」。一般相信，整平劑在基板表面處以等於或接近於擴散限制速率的一速率進行反應或被消耗，因此整平劑之連續供給通常有利於維持各時間點的均勻電鍍狀態。
整平劑化合物大致上基於其電化學功能與影響而歸類為整平劑，且不需要特定的化學結構或配方。然而，整平劑通常包含一或多個氮、胺、醯亞胺或咪唑，且亦可包含硫官能基。某些整平劑包含一或更多的五元與六元環及/或共軛有機化合物衍生物。氮基團可形成環結構的一部分。在含胺的整平劑中，胺類可為一級、二級、或三級烷基胺。再者，胺可為芳基胺或雜環胺。胺的範例包含(但不限於)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、嗎啉、哌嗪、吡啶、噁唑、苯并噁唑、嘧啶、喹啉、及異喹啉。咪唑與吡啶可為特別有用。整平劑化合物亦可包含乙醇基團。例如，整平劑可包含一通用骨幹(類似於如在聚乙二醇或聚環氧乙烷中所見的骨幹)及功能性地安插至鏈上的胺片段(如健那綠B (Janus Green B))。環氧化物的範例包含(但不限於)環氧鹵丙烷(如環氧氯丙烷與環氧溴丙烷)、及聚環氧化物化合物。具有二或更多環氧化物部分的聚環氧化物化合物可為特別使用，該兩或更多環氧化物部分係藉由含醚鍵聯接合在一起。某些整平劑化合物為聚合性的，而某些為非聚合性的。聚合性整平劑化合物的範例包含(但不限於)聚乙烯亞胺、聚醯胺胺、及一胺與各種氧環氧化物或硫化物的反應產物。非聚合性整平劑的一範例為6-巰基-己醇。整平劑的另一範例為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
由下往上之填充
在由下往上填充的機制中，電鍍表面上的凹陷特徵部傾向於受到金屬由特徵部之底部至上部、及自特徵部之側壁往內朝向中央的電鍍。為了達到均勻填充並避免在特徵部中形成孔隙，控制特徵部內與場域中的沉積速率係重要的。上述的三種添加物對於完成由下往上之填充係有利的，每一種添加劑作用而選擇性地增加或減少基板表面處的極化。
在將基板浸沒至電解液中後，抑制劑吸附至基板表面上，尤其係裸露區域(如場域)中。在初始電鍍階段時，介於凹陷特徵部之頂部與底部之間的抑制劑濃度存在實質差異。此差異存在係由於抑制劑分子的相對大尺寸及其對應的緩慢傳輸特性。經過此相同的初始電鍍時間，一般相信加速劑在整個電鍍表面(包含特徵部之底部與側壁)上以實質上均勻的低濃度累積。由於加速劑比抑制劑更快速地擴散進入特徵部，因此特徵部內(尤其係特徵部底部處)之加速劑：抑制劑的初始比值係相對地高。特徵部內相對高的初始加速劑：抑制劑比值促進從特徵部底部向上、及從側壁向內之更快速的電鍍。同時，在場域中的初始電鍍速率因加速劑：抑制劑的較低比值而相對地低。因此，在初始電鍍階段中，在特徵部內的電鍍相對較快速地進行，而場域中的電鍍相對較緩慢地進行。
當電鍍持續進行時，金屬填充特徵部且特徵部內的表面積減少。隨著電鍍持續進行，由於表面積減少且加速劑實質上留在表面上，因此特徵部內加速劑的局部表面濃度增加。此特徵部內之加速劑濃度增加能幫助維持有利於由下往上填充之差異化的電鍍速率。
在電鍍的較後階段(尤其係過沉積階段)中，加速劑可非所欲地累積於某些區域中(例如經填充之特徵部上方)，導致局部非所欲地過快電鍍。整平劑可用以抵消此效應。整平劑的表面濃度在對流最大的表面暴露區域(亦即，非凹陷特徵部內)最大。一般相信，以整平劑替代加速劑使得局部極化增加、且減少原本電鍍速率大於其他位置之電鍍速率之表面區域處的局部電鍍速率。換言之，整平劑至少部分地傾向於減少或移除加速劑化合物在表面之暴露區域處(尤其係突出結構處)的影響。在沒有整平劑之情況下，特徵部可能傾向於過度填充並產生一突部。因此，在由下往上填充電鍍的後續階段中，整平劑有利於產生相對平坦的沉積物。
以組合的方式使用抑制劑、加速劑及整平劑可使特徵部能在免於孔隙的情況下由下往上地填充，且同時得到相對平坦的沉積表面。添加劑供應商通常將添加劑化合物的確切身分/組成當作營業秘密加以維護，因此與該等化合物之確切本質相關的資訊無法為公眾所知。
本文所揭示之電鍍溶液使有機添加劑之分佈能夠促進銅的無孔隙由下往上填充。電鍍溶液不會干擾有機添加劑的活性，因此可無孔隙且由下往上地填充特徵部。
在非銅層上電鍍銅
本揭示內容係關於在非銅層上電鍍銅，以利用銅填充特徵部。在一些實施例中，非銅層可包含導電性襯墊材料，例如釕(Ru)、鈷(Co)、或其他合適的襯墊材料，其中非銅層為一襯墊層。如本文所使用，非銅層亦可稱為「非銅晶種層」、「非銅晶種」、「非銅襯墊層」、或「非銅襯墊」。導電性襯墊材料可比銅更具電阻性。襯墊層可透過任何合適的沉積技術而加以沉積，例如物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積、或無電沉積(ELD)。可將襯墊層沉積於一阻障層上，該阻障層用以防止銅擴散至下伏的絕緣材料中、或使其最小化。阻障層之範例包含鉭(Ta)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、及無氟鎢(FFW)。
在銅層(例如銅晶種層)上電鍍銅不像在非銅層上電鍍銅一般存在許多挑戰。通常，非銅層上之鍍覆係透過兩步驟處理而完成，其中，首先沉積銅晶種層，然後在銅晶種層上進行銅之本體電鍍。在一些情況下，執行個別的沉積處理。例如藉由PVD而將銅晶種層沉積於非銅層上，且藉由在銅晶種層上之電鍍而沉積本體銅。在一些情況下，在非銅層上之銅電鍍中使用不同的電鍍溶液，其中銅晶種層係利用第一電鍍溶液而沉積，而本體銅係利用第二電鍍溶液而在銅晶種層上沉積。憑藉在非銅層上電鍍銅之兩步驟處理使得成本增加、使得處理時間增加、且使得肇因於亞保形銅晶種層的夾止(pinch-off)之風險增加。隨著鑲嵌互連線的臨界尺寸減小，亞保形或不均勻的銅晶種層覆蓋變得更加棘手。當亞保形或不均勻的銅晶種層存在時，可能在銅電填充期間引起不均勻之鍍覆及缺陷。
本揭示內容在非銅層或非銅晶種上進行銅電填充，而無需(i)沉積銅晶種層及(ii)在銅晶種層上執行本體銅電填充之個別操作。提供電解液或電鍍溶液，其有效地使銅在非銅層上成核、達成在凹陷特徵部中之銅的無孔隙由下往上填充、且達成銅在晶圓表面各處之實質沉積均勻性。
在非銅層上之銅成核通常存在許多挑戰。電流被施加至浸沒於電解液中之基板以促進成核，從而形成三維的銅「島」或「晶粒」。銅島持續成長，直到其聚結成連續銅膜為止。一般而言，在現有銅核上沉積銅在動力學上係比生成新銅核更為有利的。因此，在非銅層上之銅成核在動力學上係不利的。非銅層上之銅成核在非銅層上產生稀疏的銅島或晶粒，其導致不均勻之填充及不良之附著。
圖1顯示銅基板上之銅成核的SEM圖及鈷基板上之銅成核的SEM圖。在圖1中，銅基板上之銅成核在動力學上係有利的，且引致比在鈷基板上更為連續的膜。相對地，鈷基板上之銅成核在動力學上係不利的，且導致在鈷基板上的稀疏晶粒。
在一些非銅層中，在沒有足夠的過電位之情況下可能發生非銅層溶解。大於非銅層溶解電位的電鍍溶液過電位防止非銅層之溶解。電鍍溶液可在一給定電流密度下顯現高過電位(強極化)，以使非銅晶種之溶解最小化。因此，在一給定電流密度下，較高的過電位提供較佳的晶種保護。較佳的晶種保護特別有利於具有薄晶種(例如比約100 Å更薄)之小特徵部(例如> 25 nm之特徵部寬度)，否則其可能在鍍覆期間溶解，導致填充缺陷。在非銅層包含比銅更不貴重(noble)之金屬的情況下，較高的過電位可為必要的。鈷比銅更不貴重且更易於溶解，而釕比銅更貴重且不易於溶解。
較高的過電位不僅使晶種溶解之效應減小，且較高的過電位促進較佳的成核作用。具有較高過電位的電鍍溶液提供較高的成核密度，其致使形成連續的銅薄膜，而非不連續的銅薄膜。
促進高成核密度的一種方法為使用引致更加極化之電極的溶液條件。可藉由許多方法以達成增加的電極極化。一種此等方法可涉及在電解液中使用某些錯合劑，例如乙二胺四乙酸(EDTA)、氨三乙酸(NTA)、檸檬酸、麩胺酸等。錯合劑透過靜電交互作用而與銅離子結合，並形成可溶性錯合物。在許多範例中，錯合劑被塑形以部分地包圍經錯合之銅離子並部分地屏蔽銅離子。雖然錯合劑並非抑制劑，因為其主要藉由在溶液中與銅形成錯合物(而非藉由吸附至基板表面上)而起作用，然而錯合劑確實藉由使銅電沉積之過電位增加而提供類似抑制劑之功能。錯合劑用以增加極化度、或將銅離子還原成金屬所需之電位。較強的錯合劑(如EDTA)協助使銅電沉積之極化增加，從而改善即使係在非銅層上的成核作用。
圖2顯示使用習知銅電鍍溶液的鈷基板上之銅成核、及使用具有EDTA之銅電鍍溶液的鈷基板上之銅成核的SEM圖。在圖2中，使用無EDTA之習知銅電鍍溶液的銅成核導致在整個鈷基板上的稀疏銅島。相對地，使用具有EDTA之銅電鍍溶液的銅成核導致在整個鈷基板上的實質改良銅成核。
雖然強錯合劑可促進銅成核(即使係在非銅層上)，但此等錯合劑可能對填充造成不利影響。如上所述，包含加速劑、抑制劑、及/或整平劑的有機添加劑可被摻入電鍍溶液中，俾控制特徵部中之銅沉積速率。加速劑、抑制劑、及/或整平劑的活性及濃度之控制用以實現無孔隙之由下往上填充。然而，許多錯合劑會干擾有機添加劑活性，因此銅之電鍍不會以由下往上之方式進行。在某些情況下，銅之電鍍係較為保形的，而非由下往上的。在鑲嵌鍍覆之背景下，保形薄膜為非所期望的，因為其可能導致特徵部內含有縫/孔隙。
圖3顯示使用習知銅電鍍溶液的鈷襯墊之特徵部中之銅填充、及使用具有EDTA之習知銅電鍍溶液的鈷襯墊之特徵部中之銅填充的STEM圖。在圖3中，使用無EDTA之銅電鍍溶液導致鈷襯墊之特徵部中的不良成核及不良填充。相對地，使用具有EDTA之銅電鍍溶液導致經改善之成核，但填充變得保形而非由下往上，因為EDTA干擾有機添加劑活性。保形填充導致如圖3中所示之縫/孔隙。
當電鍍開始時，在基板的邊緣(基板與電源連接之處)與其中心之間通常有顯著的電位降。在初始鍍覆階段期間，電位之差異導致在邊緣處較快的鍍覆及在基板中心處緩慢的鍍覆。所得之薄膜通常為邊緣厚而中心薄的，其意指在基板上的不同區域之間可能存在顯著的鍍覆不均勻性。此被稱為「終端效應(terminal effect)」。
當基板包含非銅層時，終端效應可能更為明顯。此係因為非銅層通常比銅層更具電阻性。尤其，相比於基板具有銅晶種層時，非銅晶種層可能導致輸入的基板之片電阻更高或實質上更高。在基板更具電阻性之情況下，基板的邊緣與其中心之間的電位降可能更大。然而，可藉由使用較低電導率的電鍍浴而使終端效應的強度降低。電鍍溶液中之較低電解液電導率引致基板邊緣與基板中心之間較小的電位降。
圖4針對三種不同電鍍溶液而顯示隨著與晶圓中心之距離而變化的電流密度之圖表。在基板上所輸送的電流分布可在浸沒期間於基板上提供相對均勻或不均勻的電流密度，從而造成在基板各處之均勻或不均勻的銅電鍍。電鍍溶液之電導率可能影響輸送至基板之電流的分布。在圖4中，使用較具導電性之溶液(例如60 mS/cm)而產生隨距離而變化的大的電流密度差異。電流密度在靠近基板中心處係低的，而在靠近基板與電源連接之處係高的。另一方面，使用較低導電性之溶液(例如0.6 mS/cm)而產生微小的電流密度差異。因此，終端效應的強度隨著電鍍溶液之電導率降低而減小。
本揭示內容之電鍍溶液解決了由成核、由下往上填充、及終端效應所帶來的挑戰。本揭示內容之電鍍溶液有效地成核，並在一或更多特徵部中於非銅層上進行銅之由下往上填充，並同時減輕終端效應。
促進成核之其中一種方法為降低銅離子濃度。具有低銅離子濃度之電鍍溶液可被稱為低銅電解液。低濃度之銅離子係理解為意指低於約10 g/L之銅離子的濃度。在一些實施例中，低銅電解液在電鍍溶液中具有低於約10 g/L之銅離子濃度。低銅電解液之使用使得非銅層上之極化增加，並使電鍍溶液之過電位增加。此可用以促進非銅層上之銅成核，並保護非銅層以免於溶解。本揭示內容之電鍍溶液可具有介於約0.2 g/L至約10 g/L之間、或介於約0.2 g/L至約5 g/L之間的銅離子濃度。
如上所述之促進成核的另一方法為使用錯合劑。錯合劑使電鍍溶液之過電位增加。錯合劑之範例包含EDTA、NTA、檸檬酸、麩胺酸、及鹵離子(例如溴離子及氯離子)。然而，錯合劑通常會干擾有機添加劑的活性，從而干擾由下往上填充處理並導致如圖3中所示之保形薄膜。
圖5顯示使用不同銅離子濃度及不同溴離子濃度的銅成核之SEM圖。在電鍍溶液中銅離子濃度為2 g/L且無溴離子之情況下，銅之成核係不良的。在電鍍溶液中銅離子濃度降低為0.5 g/L且無溴離子之情況下，銅之成核得到改善。在電鍍溶液中銅離子濃度為2 g/L且溴離子濃度為1mM之情況下，銅之成核亦得到改善。因此，減低的銅離子濃度及溴離子之存在可改善銅之成核。
出人意料地，足以改善成核的溴離子濃度不會對銅之由下往上填充造成不利影響。儘管許多其他錯合劑(例如EDTA)會干擾有機添加劑活性並導致保形沉積而非由下往上沉積，但作為錯合劑的溴離子不會干擾有機添加劑活性。在一些實施例中，本揭示內容之電鍍溶液包含在電鍍溶液中濃度為約20 mg/L至約240 mg/L之間的溴離子。
在一些實施例中，除了用作第一錯合劑的溴離子之外，電鍍溶液還包含第二錯合劑。第二錯合劑可進一步使銅電鍍之鍍覆表面的極化增加。例如，第二錯合劑可包含氯離子。本揭示內容之電鍍溶液可包含在電鍍溶液中濃度為約1 mg/L至約100 mg/L之間的氯離子。
圖6顯示在不同pH值及不同溴離子濃度情況下之使用低銅電鍍溶液的鈷襯墊之特徵部中之銅填充的STEM圖。在沒有溴離子之情況下，無論pH低或高，成核皆係不良的。在電鍍溶液中溴離子濃度為0.5 mM之情況下，成核得到改善，且由下往上之填充在高酸濃度下係充分的。在電鍍溶液中溴離子濃度為1 mM之情況下，成核得到改善，且由下往上之填充在高酸濃度及低酸濃度下皆係充分的。溴離子之添加改善成核，並維持無孔隙之由下往上填充(即使針對較高pH值之情況下)。此係在非銅層(例如鈷)上所達成的。
降低電鍍溶液的電導率之其中一種方法為降低酸濃度。換言之，較高的pH值與較低電導率的溶液相關聯，且較低電導率的溶液減輕終端效應。本揭示內容之電鍍溶液的pH係等於或大於1.0、等於或大於1.5、或等於或大於2.0。在一些實施例中，可藉由調整電鍍溶液中之硫酸濃度而控制pH。
圖7顯示隨硫酸濃度而變化的電鍍溶液電導率之圖表。電鍍溶液包含0.5 g/L的固定量之銅離子濃度，但硫酸濃度有所變化。隨著硫酸濃度增加，電鍍溶液的電導率線性地增加。因此，較低的酸濃度促成較低電導率的電鍍溶液，其有助於減輕由終端效應所引起的晶圓各處之均勻性問題。
然而，在典型的鑲嵌鍍覆中，通常不期望有高pH，因為較高的pH值造成對有機添加劑活性的干擾，導致不良的由下往上填充。參照圖6中之STEM圖，可觀察到，針對0.5 mM溴離子及0 mM溴離子，降低的酸濃度導致不良的由下往上填充。正如所料，增加的pH值干擾有機添加劑活性，如圖6中所示。
出人意料地，增加的溴離子濃度與降低的酸濃度相結合並不會對由下往上填充造成不利影響。溴離子用以改善成核，並維持有效的由下往上填充，如圖6中所示。即使酸濃度降低，仍維持經改善之成核及填充。在圖6中，於10 g/L硫酸、2.5 g/L硫酸、及0.98 g/L硫酸之條件下維持成核及由下往上填充。可觀察到，降低的酸濃度及增加的溴離子濃度引致1 mM溴離子之改良的由下往上填充。
本揭示內容之電鍍溶液可具有低的酸濃度。例如電鍍溶液可具有介於約0.1 g/L至約10 g/L之間、或介於約0.5 g/L至約5 g/L之間的酸濃度。降低的酸濃度與較高的pH值相關聯。本揭示內容之電鍍溶液可具有相對高的pH值，例如等於或大於約1.0的pH值。在一些實施例中，本揭示內容之電鍍溶液包含酸，例如硫酸或甲磺酸。硫酸在電鍍溶液中之濃度可為介於約0.1 g/L至約10 g/L之間、或介於約0.5 g/L至約5 g/L之間。
使用有機添加劑有可能在非銅層上達成良好的成核及由下往上填充。用於在非銅層上電鍍銅之許多習知技術避免摻入有機添加劑，因為高pH值及/或錯合劑會干擾由下往上填充。然而，本揭示內容之電鍍溶液使用習知有機添加劑以促進非銅層上的銅之成核及由下往上填充。因此本揭示內容之電鍍溶液包含加速劑、抑制劑、整平劑、或其組合。例如，電鍍溶液可包含介於約10 ppm至約500 ppm之間的活性有機添加劑。在一些實施例中，加速劑的濃度可等於或低於約100 ppm、或介於約5 ppm至約40 ppm之間。在一些實施例中，抑制劑的濃度可為介於約30 ppm至約300 ppm之間。在一些實施例中，除了加速劑及抑制劑之外，電鍍溶液還選用性地包含整平劑。
圖8A–8D顯示低銅濃度、溴離子作為錯合劑、及相對高pH值對鈷襯墊之特徵部中之銅填充的影響。鈷作為非銅層之範例。圖8A–8D顯示特徵部中之銅成核及填充的漸進改善。
圖8A顯示使用習知電鍍溶液的鈷襯墊之特徵部中之銅填充的STEM圖。用於鑲嵌互連線的習知電鍍溶液可具有約10 g/L銅離子或更高的銅濃度。沒有如溴離子之錯合劑、沒有較低之銅濃度、且具有高酸度的情況下，在鈷上之銅電鍍結果為不良之成核及不良之填充。
圖8B顯示使用習知電鍍溶液且溴離子作為錯合劑的鈷襯墊之特徵部中之銅填充的STEM圖。添加溴離子作為錯合劑使得銅電鍍之極化增加，以促進成核。如圖2所示，顯示出錯合劑改善成核，但如圖3所示，亦顯示出錯合劑對填充造成不利影響。然而，如圖6及圖8B所示，在電鍍溶液中摻入溴離子以作為錯合劑不僅改善銅成核，並且保持或甚至改善銅填充。
圖8C顯示使用具有溴離子及降低的銅離子濃度之習知電鍍溶液的鈷襯墊之特徵部中之銅填充的STEM圖。使銅離子濃度降低可進一步增加電鍍溶液之過電位，俾使鍍覆表面上之極化增加。如圖8C所示，此進一步改善非銅層上之銅成核而不犧牲填充。
圖8D顯示使用具有溴離子、降低的銅離子濃度、及提高的pH之習知電鍍溶液的鈷襯墊之特徵部中之銅填充的STEM圖。提高的pH或較低的酸濃度提供較低電導率的電鍍溶液，以減輕終端效應，從而產生經改善的晶圓各處之均勻性。然而，提高的pH因干擾有機添加劑活性而通常導致較差之填充。儘管如此，如圖6及圖8D所示，摻入溴離子作為錯合劑並結合提高的pH，不僅改善銅成核，並且保持或甚至改善銅填充。
在一些實施例中，圖9顯示在非銅襯墊層上電鍍銅之範例方法的流程圖。可以不同順序及/或以不同的、更少的、或額外的操作執行程序900中之操作。
在程序900的方塊910，接收具有複數特徵部的晶圓。該晶圓在該晶圓之表面處包含一非銅襯墊層。該晶圓包含待透過電鍍處理進行填充的特徵部。在一些實施例中，特徵部可為渠溝或穿孔，其具有介於約5–100 nm的寬度、或介於約25–100 nm的寬度、或介於約10–20 nm的寬度。渠溝、穿孔、及其他凹部有時可稱為「特徵部」。該等特徵部可為鑲嵌特徵部。目前，積體電路製造採用鑲嵌、雙重鑲嵌、或相關技術以電鍍銅至界定互連線路徑的特徵部中。
在一些實施例中，晶圓包含阻障層及/或襯墊層，以將銅之填充與絕緣材料分隔開。可將特徵部蝕刻進入絕緣材料中，且特徵部可具有阻障層及/或襯墊層之襯墊。阻障層之例示性材料包含鉭、鈦、氮化鉭、氮化鈦、及無氟鎢。襯墊層之例示性材料包含鈷及釕。襯墊層為對阻障材料及銅皆具有良好黏附力、且通常具有大於銅之電阻率的非銅襯墊層。
在一些實施例中，可在使晶圓表面與電鍍溶液接觸之前對晶圓進行處理。晶圓處理可包含高溫處理以對晶圓表面進行調節並使其電阻降低。在一些實施例中，晶圓處理可包含使非銅襯墊層受到電漿處理(例如氫電漿處理)或合成氣體退火(forming gas anneal)，以去除雜質、還原氧化物、及/或使非銅襯墊層再結晶，俾改善導電性及銅之成核。
在程序900的方塊920，使晶圓表面與電鍍溶液接觸，其中該電鍍溶液包含：在該電鍍溶液中濃度為介於約0.2 g/L至約10 g/L之間的銅離子、一加速劑添加劑、一抑制劑添加劑、以及溴離子。該電鍍溶液之pH大於約1.0。在一些實施例中，該電鍍溶液中之溴離子的濃度可為介於約20 mg/L至約240 mg/L之間。
該電鍍溶液使用習知有機添加劑以實現非銅襯墊層上的銅之成核及由下往上填充。因此，電鍍溶液包含加速劑添加劑及抑制劑添加劑。在一些實施例中，電鍍溶液亦包含整平劑添加劑。該電鍍溶液亦在沒有銅晶種層之預先沉積(其利用個別的電解液或沉積處理(例如PVD))的情況下，實現非銅襯墊層上的銅之成核及由下往上填充。由於非銅襯墊層具有低電導率，因此電鍍溶液具有低電導率以減輕終端效應。電鍍溶液可具有高pH，以具有低電導率，其中pH係等於或大於1.0、等於或大於1.5、或等於或大於2.0。在一些實施例中，電鍍溶液包含濃度介於約0.1 g/L至約10 g/L之間的硫酸或其他合適的酸。電鍍溶液包含低濃度的銅離子，以在電鍍期間使鍍覆表面處之極化增加。因此，電鍍溶液具有介於約0.2 g/L至約10 g/L之間、或介於約0.2 g/L至約5 g/L之間、或介於約0.2 g/L至約3 g/L之間之低濃度的銅離子。電鍍溶液可包含銅鹽，例如硫酸銅、甲磺酸銅、焦磷酸銅、丙磺酸銅、或七水硫酸銅。電鍍溶液包含銅錯合劑，其不干擾或主動改善有機添加劑的活性。第一銅錯合劑包含溴離子，其中電鍍溶液中之溴離子的濃度可為介於約20 mg/L至約240 mg/L之間、或介於約30 mg/L至約200 mg/L之間、或介於約40 mg/L至約160 mg/L之間。在一些實施例中，溴離子可由電鍍溶液中之氫溴酸(HBr)所產生。第一銅錯合劑允許有機添加劑保持其有效性，即使係在高pH值下。
在一些實施例中，電鍍溶液更包含第二銅錯合劑。例如，第二銅錯合劑可包含氯離子。電鍍溶液中之氯離子的濃度可為介於約1 mg/L至約100 mg/L之間、介於約10 mg/L至約80 mg/L之間、或介於約20 mg/L至約60 mg/L之間。在一些實施例中，氯離子可由電鍍溶液中之氫氯酸(HCl)所產生。第二銅錯合劑用以在電鍍期間進一步使鍍覆表面之極化增加，俾促進銅成核。
在程序900的方塊930，將銅電鍍至非銅襯墊層上，以利用銅填充複數特徵部。複數特徵部係透過由下往上填充而加以填充。具體而言，銅係從特徵部之底部至頂部而電鍍，並避免沿著特徵部側壁及底部的保形沉積。複數特徵部中之銅填充可為無孔隙/接縫的、或至少實質上無孔隙/接縫的。
在複數特徵部中實現由下往上之銅填充可至少部分地取決於鍍覆表面處之極化。鍍覆表面處之極化可防止非銅襯墊層之溶解，並且可產生促進有機添加劑之活性的條件，以用於無孔隙之由下往上填充。不受任何理論所限制，極化可允許更多加速劑分子積聚於特徵部底部處。無孔隙之由下往上填充至少部分地與如何控制晶圓表面各處之電流密度相關聯。因此，施加以驅動電鍍的波形可能對填充機制產生影響。
將晶圓浸入電鍍溶液中之處理可涉及使晶圓相對於水平面而傾斜。因此，晶圓在浸入期間會具有前緣(leading edge)及後緣(trailing edge)。若在浸入期間將恆定電流偏壓施加至晶圓，則前緣會經歷非常高的電流密度，直到大部份或整個晶圓被浸沒為止。即使高電流密度不會損害晶圓的前緣，在進入期間的較高電流密度導致具有較高銅沉積速率之晶圓前緣部分、及晶圓表面上之不均勻厚度。因此，晶圓表面各處之電流密度的審慎控制係有益的，尤其係在晶圓進入期間。
恆電位晶圓進入可用以協助控制浸入期間之晶圓各處的電流密度。恆電位進入涉及在進入電鍍溶液中的整個過程期間施加恆定電位至晶圓。可透過依據恆定電位而預先設定連接至晶圓的電源而達成恆定電位之施加。恆電位控制可相對於參考電極(例如硫酸汞參考電極)而維持介於約-400mV至約-2000mV之間的恆定電位。在一些實施例中，進入期間的恆電位控制在整個晶圓表面上產生約1 mA/cm2 制約40 mA/cm2 的電流密度。在一些實施例中，恆定電位之施加可發生於晶圓進入期間及/或調節時段的期間。可在調節時段期間將調節步驟運用於晶圓，以在特徵部中建立有機添加劑之正確分布。因此，調節步驟可在晶圓進入期間提供正確控制的電流密度，並提供有機添加劑之正確分布。調節時段可用作電流或電位受控的鍍覆時段。因此，恆電位控制可提供一過電位，其在晶圓浸入電鍍溶液中時用作有用的調節步驟。在一些實施例中，針對調節步驟，可使恆定電位之施加保持約0.5秒至約10秒之間的持續時間。調節步驟通常不超過10秒。在一些實施例中，藉由恆定電位之施加而調節晶圓促進成核，而不會干擾有機添加劑的活性。
在一些實施例中，當晶圓浸入電鍍溶液中時不施加恆定電位至晶圓。換言之，當晶圓浸入電鍍溶液中時，在調節步驟期間不施加固定的電位。在不施加恆定電位的情況下，電壓被設定至一開路電壓，其為無電流通過時相對於參考電極的電壓。
在一些實施例中，當晶圓浸入電鍍溶液中時，可將電流脈衝施加至晶圓。此可發生於晶圓被浸入電鍍溶液時的調節步驟期間及/或晶圓進入期間。電流脈衝可為動電流或動電位控制的。電流脈衝可包含剝除電流或電位以去除所沉積之銅的突出區域。電流脈衝可為相對高電流脈衝、低電流脈衝、或無電流脈衝。不希望受到作用之任何理論或機制的限制，一般相信，控制電流脈衝可用以透過重新分布吸附於晶圓表面上之有機添加劑而改變晶圓的初始銅成核。
在一些實施例中，控制晶圓表面各處的電流密度涉及動態地控制施加至晶圓的電流。此可稱為動電流控制。尤其係當藉由傾斜浸沒以將晶圓浸沒而使得晶圓以一微小角度進入電鍍溶液時，浸入電鍍溶液中之晶圓的表面積在浸入過程中增加。提供隨浸沒面積而變化之電流控制的進入方法可提供比習知浸入方法更佳的薄膜均勻度及形態控制。在一些實施例中，電流密度可為介於約0.1 mA/cm2 至約500 mA/cm2 之間。
施加至晶圓的波形在成核時期之期間可能與填充時期不同。成核時期描述銅成核發生於非銅襯墊層上的時期，而填充時期描述在成核時期之後的由下往上銅填充之時期。調節步驟代表電位或電流受控的鍍覆步驟，其可與成核時期及填充時期之其中一或兩者重疊。然而，例如在調節步驟被設定於一開路電壓之情況下，不會成核任何物質且不會與成核時期重疊。
在一些實施例中，在成核時期及填充時期施加至晶圓的波形係恆電流控制的。恆電流控制在晶圓浸入電鍍溶液中時將恆定電流輸送至晶圓。控制晶圓表面各處之電流密度可涉及施加恆定電流至晶圓。在一些實施例中，使用DC電流。DC電流可提供在約0.2 mA/cm2 至約5 mA/cm2 之間之電流密度下的恆定電流。在成核時期及填充時期的期間，晶圓之每分鐘轉數(RPM)可為介於約0至200之間。
在一些實施例中，在成核時期及填充時期施加至晶圓的波形係恆電位控制的。恆電位控制可比恆電流控制更有效地控制晶圓表面處之能量的量。在一些實施例中，恆電位控制在相對於參考電極(例如Hg2 /Hg2 SO4 電極)而介於約-400 mV至約-2000 mV之間之特定設定點下施加恆定電位。
在晶圓表面各處之電流密度控制涉及動電流或動電位控制的一些實施例中，可在成核時期期間施加與填充時期不同的電流分布或電壓分布。因此，電流或電位之逐步上升或下降可取決於電鍍處於其早期階段或其後期階段而發生。在一些實施例中，程序900更包含在成核時期期間使電流或電位逐步上升或下降、以及在成核時期之後的填充時期期間使電流或電位逐步上升或下降。在一些實施例中，以微小增量/步進使電流或電位逐步上升或下降。
電鍍之設備
可依據本文所述實施例而使用許多設備配置。一例示性設備包含蛤殼式夾具，其將晶圓背側密封以免於鍍覆溶液的影響，並同時允許鍍覆在晶圓面上進行。蛤殼式夾具可支撐晶圓，例如，經由設置於晶圓之斜角上的密封件，或藉由例如施加至晶圓背部的真空並結合施加於斜角附近的密封。
蛤殼式夾具應以允許晶圓鍍覆表面之良好潤濕的方式進入電鍍浴。基板潤濕的品質受到多種變數的影響，其包括(但不限於)蛤殼旋轉速度、垂直進入速度、及蛤殼相對於電鍍浴表面的角度。該等變數及其影響係在美國專利第6,551,487號中進一步討論，在此將其引入以供參照。在某些實施例中，電極旋轉速率係在約5-125 RPM之間，垂直進入速度係在約5-300 mm/s之間，且蛤殼相對於電鍍浴表面的角度係在約1-10度之間。針對特定應用而最佳化該等變數的目標之一為透過從晶圓表面完全地置換空氣而達成良好潤濕。
本文所揭示之電沉積方法可參照許多電鍍工具設備而加以描述，並且可在許多電鍍工具設備之背景下使用。依據本文實施例而可使用之電鍍設備的一範例為蘭姆研究公司的Sabre工具。可在形成較大電沉積設備之元件中執行電沉積(包含基板浸漬)及本文所揭示之其他方法。圖10顯示範例電沉積設備的概要俯視圖。電沉積設備1000可包括三個分離的電鍍模組1002、1004與1006。電沉積設備1000亦可包括設置用於各種處理操作的三個分離模組1012、1014與1016。例如，在某些實施例中，模組1012、1014與1016中的一或更多者可為旋轉潤濕乾燥(spin rinse drying，SRD)模組。其他實施例中，模組1012、1014與1016中的一或更多者可為電填充後模組(Post-electrofill module, PEM)，每一模組係設置為運行一功能，例如邊緣斜角移除、背側蝕刻、以及在基板由電鍍模組1002、1004與1006之其中一者處理後的基板酸性清潔。
電沉積設備1000包括中央電沉積腔室1024。中央電沉積腔室1024係容納化學溶液的腔室，其中該化學溶液在電鍍模組1002、1004與1006中用作電鍍溶液。電沉積設備1000亦包括可儲存及輸送用於電鍍溶液之添加物的給劑系統1026。化學稀釋模組1022可儲存並混合化學物以作為蝕刻劑。過濾及泵浦單元1028可過濾電鍍溶液以供中央電沉積腔室1024之用並將電鍍溶液泵入電鍍模組。
系統控制器1030提供電子控制與介面控制，其係操作電沉積模組1000所需。系統控制器1030(其可包括一或更多實體或邏輯控制器)控制電鍍設備1000的部分或全部性能。系統控制器1030通常包括一或更多記憶體裝置及一或更多處理器。處理器可包括中央處理單元(CPU)或電腦、類比及/或數位輸入/輸出連接件、步進馬達控制器板、等等。如本文所述之用以實行適當控制操作的指令可在處理器上加以執行。可將該等指令儲存於與系統控制器1030相關的記憶體裝置，或者可透過網路而提供該等指令。在某些實施例中，系統控制器1030執行系統控制軟體。
電沉積設備1000中之系統控制軟體可包含用於控制下列各者的指令：由電沉積設備1000所執行之特定處理的時序、電解液成分之混合(包括一或更多電解液成分之濃度)、入口壓力、鍍覆槽壓力、鍍覆槽溫度、基板溫度、施加至基板及任何其他電極的電流及電位、基板位置、基板轉動、及其他參數。系統控制邏輯亦可包含用於在以下情況下進行電鍍的指令：經設計為適合於低銅濃度電解液及與其相關之高過電位的情況。例如，系統控制邏輯可被配置以在由下往上填充階段期間提供相對低的電流密度、及/或在過載階段期間提供較高的電流密度。控制邏輯亦可被配置以在鍍覆期間提供一定程度的質量傳遞至晶圓表面。例如，控制邏輯可被配置以控制電解液流動，以確保在鍍覆期間足夠的質量傳遞至晶圓，俾使基板不會遭遇耗盡銅之情況。在某些實施例中，控制邏輯可操作以在鍍覆處理之不同階段時提供不同程度的質量傳遞(例如，在由下往上填充階段期間比過載階段期間更高的質量傳遞、或在由下往上填充階段期間比過載階段期間更低的質量傳遞)。此外，系統控制邏輯可被配置以將一或更多電解液成分之濃度維持於本文所揭示範圍之任一者之內。在一特定範例中，系統控制邏輯可被設計或配置以將銅陽離子之濃度維持於約1-10 g/L之間。可以任何合適的方式配置系統控制邏輯。例如，可將各種處理工具元件子程式或控制物件寫入，以控制實現各種處理工具之處理所必需的處理工具元件的操作。可以任何合適的電腦可讀程式語言來編碼系統控制軟體。該邏輯亦可實施為可程式邏輯裝置(例如FPGA)、ASIC、或其他適當載具中之硬體。
在一些實施例中，系統控制邏輯包含輸入/輸出控制定序指令，用以控制上述的各種參數。例如，電鍍處理之每一階段可包含用於由系統控制器1030執行的一或更多指令。用於設定浸沒處理階段之處理條件的指令可包含於相應的浸沒配方階段中。在一些實施例中，電鍍配方階段可為循序排列的，因此電鍍處理階段的所有指令係與該處理階段同時執行。
在一些實施例中，控制邏輯可被分成許多部分，例如程式或程式區段。用於此目的之邏輯部分的範例包含基板定位部分、電解液組成控制部分、壓力控制部分、加熱器控制部分、及電位/電流電源控制部分。
在一些實施例中，可能有關於系統控制器1030的使用者介面。該使用者介面可包含設備及/或製程條件的顯示螢幕、圖形軟體顯示器，以及使用者輸入裝置，諸如指向裝置、鍵盤、觸控螢幕、麥克風等。
在一些實施例中，系統控制器1030係與製程條件相關。非限制性範例包含在許多階段的電鍍浴條件(溫度、組成、及流率)、基板位置(旋轉速率、線性(垂直)速度、與水平面之角度)等。該等參數可以配方的形式提供給使用者，可利用使用者介面以將該配方輸入。
用於監視該處理的信號可藉由系統控制器1030從各處理工具感測器的類比及/或數位輸入連結所提供。用於控制該處理的信號可在處理工具的類比與數位輸出連結上輸出。可受到監視之處理工具感測器的非限定範例包括質量流控制器、壓力感測器(如流體壓力計)、熱電耦、光學位置感測器等。適當的程式化回饋與演算法控制可與來自這些感測器的數據一起使用以維持處理條件。
在一實施例中，該等指令可包含將基板嵌入一晶圓固持件、使晶圓傾斜、在浸沒期間使基板受偏壓、以及對基板上之含銅結構進行電鍍。
吊掛工具1040可從諸如卡匣1042或卡匣1044的基板匣中選取基板。卡匣1042或1044可為前開式晶圓傳送盒(front opening unified pods，FOUPs)。FOUP可為封閉體，此封閉體係設計為在受控環境下穩固並安全容置基板，並允許基板被配備有適當裝載埠與機器搬運系統的工具移開，以用於處理或量測。吊掛工具1040可使用真空附著或其他附著機構而固持基板。
吊掛工具1040可接合於晶圓搬運站1032、卡匣1042或1044、傳輸站1050或對準器1048。透過傳輸站1050，吊掛工具1046得以取用基板。傳輸站1050可為吊掛工具1040與1046可不經過對準器1048而傳遞基板來回的凹槽或位置。然而，在一些實施例中，為確保基板在吊掛工具1046上正確對準以精準地傳輸到電鍍模組，吊掛工具1046可利用對準器1048對準基板。吊掛工具1046亦可傳送基板至電鍍模組1002、1004或1006之其中一者，或至設置用於各種處理操作的三個分離模組1012、1014及1016之其中一者。
根據上述方法的處理操作範例可如下進行：(1) 在電鍍模組1004中將銅電沉積至基板上以形成含銅結構；(2) 在SRD模組1012中潤濕並乾燥基板；以及(3)在模組1014中執行邊緣斜角移除。
配置為在電鍍、潤濕、乾燥與PEM之連續處理操作的整個期間提供高效基板循環的設備可有益於在製造環境中所使用的實施方式。為達此目的，可將模組1012配置為旋轉潤濕乾燥及邊緣斜角移除(edge bevel removal, EBR)腔室。藉由此模組1012，基板僅需在電鍍模組1004與模組1012之間傳遞以用於銅電鍍及EBR操作。
在一些實施例中，控制器(例如，系統控制器1030)為系統的部分，該系統可為上述範例的部分。此類系統可包含半導體處理設備，含一或複數處理工具、一或複數腔室、用於處理的一或複數工作台、及/或特定處理元件(晶圓底座、氣流系統等)。該等系統可與電子裝置整合，以於半導體晶圓或基板之處理前、處理期間、及處理後控制其操作。可將該等電子裝置稱為「控制器」，其可控制一或複數系統的各種元件或子部件。依據處理之需求及/或系統之類型，可將控制器程式化以控制本文中所揭示之處理的任一者，包含處理氣體之輸送、溫度設定(如：加熱及/或冷卻)、壓力設定、真空設定、功率設定、射頻(RF)產生器設定、RF匹配電路設定、頻率設定、流動速率設定、流體輸送設定、位置及操作設定、進出工具及連接至特定系統或與特定系統介面接合的其他傳送工具及/或負載鎖之晶圓傳送。
廣泛而言，可將控制器定義為具有接收指令、發送指令、控制操作、允許清潔操作、允許端點量測等之各種積體電路、邏輯、記憶體、及/或軟體的電子設備。該積體電路可包含儲存程式指令的韌體形式之晶片、數位信號處理器(DSPs)、定義為特殊應用積體電路(ASICs)之晶片、及/或執行程式指令(如軟體)之一或更多的微處理器或微控制器。程式指令可為以各種個別設定(或程式檔案)之形式傳送到控制器的指令，其定義用以在半導體晶圓上、或針對半導體晶圓、或對系統執行特定處理的操作參數。在一些實施中，該等操作參數可為由製程工程師所定義之配方的部分，該配方係用以在基板之一或更多的膜層、材料、金屬、氧化物、矽、二氧化矽、表面、電路、及/或晶粒的製造期間，完成一或更多的處理步驟。
在一些實施例中，控制器可為電腦的部分或耦接至電腦，該電腦係與系統整合、耦接至系統、或透過網路連接至系統、或上述之組合。例如，控制器係可位於「雲端」、或為晶圓廠主機電腦系統的全部或部分，其可允許基板處理之遠端存取。該電腦能達成對該系統之遠端存取，以監視製造操作之目前進度、查看過去製造操作之歷史、查看來自多個製造操作之趨勢或性能指標，俾改變目前處理之參數，以設定處理步驟而接續目前的處理、或開始新的處理。在一些範例中，遠端電腦(如伺服器)可透過網路將處理配方提供給系統，該網路可包含區域網路或網際網路。該遠端電腦可包含可達成參數及/或設定之輸入或編程的使用者介面，該等參數或設定接著自該遠端電腦傳送至該系統。在一些範例中，控制器接收資料形式之指令，在一或更多的操作期間，其針對該待執行的處理步驟之各者而指定參數。應理解，該等參數可特定於待執行之處理的類型、及工具(控制器係配置成與該工具介面接合或控制該工具)的類型。因此，如上所述，控制器可分散，例如藉由包含一或更多的分離的控制器，其透過網路連接在一起並朝共同的目標而作業，例如本文中所敘述之處理及控制。用於此類目的之分開的控制器之範例可為腔室上之一或更多的積體電路，其與位於遠端(例如為平台等級、或為遠端電腦的部分)之一或更多的積體電路連通，其結合以控制該腔室上的處理。
範例系統可包含(但不限於)電漿蝕刻腔室或模組、沉積腔室或模組、旋轉沖洗腔室或模組、金屬電鍍腔室或模組、潔淨腔室或模組、斜邊蝕刻腔室或模組、物理氣相沉積(PVD)腔室或模組、化學氣相沉積(CVD)腔室或模組、原子層沉積(ALD)腔室或模組、原子層蝕刻(ALE)腔室或模組、離子植入腔室或模組、徑跡腔室或模組、及可與半導體晶圓之製造及/或生產有關或用於其中的任何其他半導體處理系統。
如上所述，依據將藉由工具執行之(複數)處理步驟，控制器可與半導體製造工廠中之下列一或更多者進行通訊：其他工具電路或模組、其他工具元件、群集工具、其他工具介面、鄰接之工具、鄰近之工具、遍布工廠的工具、主電腦、另一控制器、或材料運輸中所使用之工具，該材料運輸中所使用之工具將晶圓容器輸送往返於工具位置及/或裝載埠。
電沉積設備1100之另一實施例係概要地圖示於圖11中。在此實施例中，電沉積設備1100具有一套電鍍槽1107，其以成對或多個「二重」配置各自包含電鍍池。除了電鍍本身，電沉積設備1100可執行各種其他電鍍相關處理及子步驟，例如旋轉潤濕、旋轉乾燥、金屬及矽的濕式蝕刻、無電沉積、前潤濕及前化學處理、還原、退火、光阻剝除及表面前置活化。電沉積設備1100以俯視方式概要顯示於圖11，且在該圖中僅揭示單一階層或「樓層」，但其可易於由熟悉本技術領域者理解到：此等設備(例如Novellus SabreTM 3D 工具 )可具有二或更多互相層疊其上的階層，每一階層可能具有相同或不同類型的處理站。
再次參照圖11，此範例中，受到電鍍的基板1106通常可透過前端負載FOUP 1101而饋送至電沉積設備1100，並經由前端機器人1102從FOUP引領至電沉積設備1100的主要基板處理區域，前端機器人1102可縮回並以多維度移動由轉軸1103所驅動的基板1106從一站至另一可進入的站—此範例中顯示兩前端可取用的站1104以及亦為兩前端可取用的站1108。前端可取用的站1104及1108可包括例如前處理站及SRD站。前端機器人1102之「側邊至側邊」的橫向移動可利用機器人軌道1102a而達成。基板1106之各者可由連接至馬達(未圖示)之轉軸1103所驅動的杯形/錐形組件(未圖示)所固持，且馬達可裝附於固定托座1109。本範例亦顯示四個「二重」電鍍槽1107，共計為8個電鍍槽1107。電鍍槽1107可用於電鍍含銅結構的銅及電鍍焊料結構的焊料材料。系統控制器(未圖示)可耦接於電沉積設備1100以控制電沉積設備1100的部分或全部特性。可將系統控制器程式化或配置以執行依據先前本文所述之處理的指令集。
本文所述之設備/處理可與例如用於製造半導體元件、顯示器、LED、光伏面板等之微影圖案化工具或處理一起使用。一般而言，雖然並非必要，但此類工具/處理會在一共同的製造廠房中一起使用或進行。薄膜之微影圖案化通常包括下列操作之一些或全部，每一操作以幾個可能的工具而提供：(1) 使用旋塗式或噴塗式工具以在工作件(亦即，晶圓)上塗佈光阻；(2) 使用加熱板或加熱爐或UV固化工具以使光阻固化；(3) 以工具(例如，晶圓步進機)使光阻暴露至可見光或UV光或x射線光；(4) 使光阻顯影，以便使用工具(例如，濕式清洗台)選擇性地移除光阻及從而使其圖案化；(5) 使用乾式或電漿輔助蝕刻工具，將光阻圖案轉移至下方薄膜或工作件中；及 (6) 使用工具(例如，RF或微波電漿光阻剝除器)以移除光阻。
結論
在以上的敘述中，說明了大量的特定細節，以提供對所提出之實施方式的徹底理解。在毋須若干或全部此等特定細節之情況下即可實行所揭示之實施例。在其他範例中，為了不使所揭示之實施例晦澀難懂，習知的處理操作不會有詳細描述。雖然所揭示之實施例與特定實施例一同敘述，但應理解，並非試圖限制所揭示之實施例。
雖然上述實施例已為了清楚理解的目的而以一些細節描述，但顯然地，某些改變和修飾可在隨附申請專利範圍之範疇內實施。應注意，有許多替代方式執行本發明實施例的處理、系統、和設備。因此，本發明實施例係被視為說明性而非限制性，且該等實施例並不限於本文所提供之細節。
900‧‧‧程序
910‧‧‧操作
920‧‧‧操作
930‧‧‧操作
1000‧‧‧電沉積設備
1002‧‧‧電鍍模組
1004‧‧‧電鍍模組
1006‧‧‧電鍍模組
1012‧‧‧模組
1014‧‧‧模組
1016‧‧‧模組
1022‧‧‧化學稀釋模組
1024‧‧‧中央電沉積腔室
1026‧‧‧給劑系統
1028‧‧‧過濾及泵浦單元
1030‧‧‧系統控制器
1032‧‧‧晶圓搬運站
1040‧‧‧吊掛工具
1042‧‧‧卡匣
1044‧‧‧卡匣
1046‧‧‧吊掛工具
1048‧‧‧對準器
1050‧‧‧傳輸站
1100‧‧‧電沉積設備
1101‧‧‧前端負載FOUP
1102‧‧‧前端機器人
1102a‧‧‧機器人軌道
1103‧‧‧轉軸
1104‧‧‧前端可取用的站
1106‧‧‧基板
1107‧‧‧電鍍槽
1108‧‧‧前端可取用的站
1109‧‧‧固定托座
圖1顯示銅基板上之銅成核的掃描式電子顯微鏡(SEM)圖及鈷基板上之銅成核的SEM圖。
圖2顯示使用習知銅電鍍溶液的鈷基板上之銅成核、及使用具有乙二胺四乙酸(EDTA)之銅電鍍溶液的鈷基板上之銅成核的SEM圖。
圖3顯示使用習知銅電鍍溶液的鈷襯墊之特徵部中之銅填充、及使用具有EDTA之習知銅電鍍溶液的鈷襯墊之特徵部中之銅填充的掃描穿透式電子顯微鏡(STEM)圖。
圖4針對三種不同電鍍溶液而顯示隨著與晶圓中心之距離而變化的電流密度之圖表。
圖5顯示使用不同銅離子濃度及不同溴離子濃度的銅成核之SEM圖。
圖6顯示在不同pH值及不同溴離子濃度情況下之使用低銅電鍍溶液的鈷襯墊之特徵部中之銅填充的STEM圖。
圖7顯示隨硫酸濃度而變化的電鍍溶液電導率之圖表。
圖8A顯示使用習知銅電鍍溶液的鈷襯墊之特徵部中之銅填充的STEM圖。
圖8B顯示使用習知銅電鍍溶液且溴離子作為錯合劑的鈷襯墊之特徵部中之銅填充的STEM圖。
圖8C顯示使用具有溴離子及降低的銅離子濃度之習知銅電鍍溶液的鈷襯墊之特徵部中之銅填充的STEM圖。
圖8D顯示使用具有溴離子、降低的銅離子濃度、及提高的pH之習知銅電鍍溶液的鈷襯墊之特徵部中之銅填充的STEM圖。
依據一些實施例，圖9顯示在非銅襯墊層上電鍍銅之範例方法的流程圖。
依據一些實施例，圖10顯示範例電沉積設備的俯視示意圖。
圖11顯示另一範例電沉積設備的俯視示意圖。

Claims (23)

  1. 一種電鍍銅至晶圓之表面上的方法，該方法包含： 接收一晶圓，該晶圓在該晶圓之表面處具有複數特徵部及非銅襯墊層；以及 使該晶圓之該表面與電鍍溶液接觸，其中該電鍍溶液包含： 銅離子，其在該電鍍溶液中濃度為介於約0.2 g/L至約10 g/L之間； 一加速劑添加劑； 一抑制劑添加劑；及 溴離子，其中該電鍍溶液之pH大於約1.0；以及 電鍍銅至該非銅襯墊層上，以利用銅填充該複數特徵部。
  2. 如申請專利範圍第1項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，其中該電鍍溶液更包含： 一整平劑添加劑。
  3. 如申請專利範圍第1項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，其中該電鍍溶液中之該等溴離子的濃度為介於約20 mg/L至約240 mg/L之間。
  4. 如申請專利範圍第1項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，其中該非銅襯墊層包含鈷或釕。
  5. 如申請專利範圍第1項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，其中該電鍍溶液更包含： 硫酸，其在該電鍍溶液中濃度為介於約0.1 g/L至約10 g/L之間。
  6. 如申請專利範圍第1項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，其中該電鍍溶液更包含： 氯離子，其在該電鍍溶液中濃度為介於約1 mg/L至約100 mg/L之間。
  7. 如申請專利範圍第1項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，其中以銅填充的該複數特徵部係無孔隙或實質上無孔隙的。
  8. 如申請專利範圍第1-7項之任一項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，其中該電鍍溶液中之該等銅離子的濃度為介於約0.2 g/L至約5 g/L之間。
  9. 如申請專利範圍第1-7項之任一項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，更包含： 在使該晶圓之該表面與該電鍍溶液接觸之前施加、或在使該晶圓之該表面與該電鍍溶液接觸之後立即施加相對於Hg/HgSO4而介於約-400mV至約-2000mV之間的恆定電位至該晶圓。
  10. 如申請專利範圍第1-7項之任一項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，其中使該晶圓之該表面與該電鍍溶液接觸之步驟係在一開路電壓下發生。
  11. 如申請專利範圍第1-7項之任一項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，更包含： 在使該晶圓之該表面與該電鍍溶液接觸之前施加、或在使該晶圓之該表面與該電鍍溶液接觸之後立即施加一系列的動電流或動電位控制的電流脈衝。
  12. 如申請專利範圍第1-7項之任一項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，更包含： 在電鍍銅至該非銅襯墊層上時，施加介於約0.2 mA/cm2 至約5 mA/cm2 之間之電流密度下的恆定電流至該晶圓。
  13. 如申請專利範圍第1-7項之任一項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，更包含： 在電鍍銅至該非銅襯墊層上時，在約-400mV至約-2000mV之間之設定點下施加恆定電位至該晶圓。
  14. 如申請專利範圍第1-7項之任一項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，其中電鍍銅至該非銅襯墊層上之步驟包含： 在成核時期的期間使電流或電位逐步上升或下降；以及 在該成核時期之後的填充時期的期間使電流或電位逐步上升或下降。
  15. 如申請專利範圍第1-7項之任一項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，其中該電鍍溶液係配置以在該非銅襯墊層上引致一陰極過電位，其足以防止該非銅襯墊層溶解。
  16. 如申請專利範圍第1-7項之任一項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，其中電鍍銅至該非銅襯墊層上之步驟係在沒有沉積銅晶種層之情況下發生。
  17. 如申請專利範圍第1-7項之任一項之電鍍銅至晶圓之表面上的方法，更包含： 在使該晶圓之該表面與該電鍍溶液接觸之前，利用合成氣體退火(forming gas anneal)或電漿處理該晶圓，以去除雜質、還原氧化物、及/或使該晶圓之該表面上的該非銅襯墊層再結晶。
  18. 一種用於電鍍銅至晶圓之表面上的銅電鍍溶液，該晶圓具有複數特徵部及非銅襯墊層，其中該銅電鍍溶液包含： 銅離子，其在該銅電鍍溶液中濃度為介於約0.2 g/L至約5 g/L之間； 一加速劑添加劑； 一抑制劑添加劑； 溴離子，其在該銅電鍍溶液中濃度為介於約20 mg/L至約240 mg/L之間； 氯離子，其在該銅電鍍溶液中濃度為介於約1 mg/L至約100 mg/L之間；以及 硫酸，其在該銅電鍍溶液中濃度為介於約0.1 g/L至約10 g/L之間。
  19. 如申請專利範圍第18項之用於電鍍銅至晶圓之表面上的銅電鍍溶液，更包含： 一整平劑添加劑。
  20. 如申請專利範圍第18項之用於電鍍銅至晶圓之表面上的銅電鍍溶液，其中該抑制劑添加劑之濃度為介於約30 ppm至約300 ppm之間。
  21. 如申請專利範圍第18項之用於電鍍銅至晶圓之表面上的銅電鍍溶液，其中該加速劑添加劑之濃度為介於約5 ppm至約40 ppm之間。
  22. 如申請專利範圍第18-21項之任一項之用於電鍍銅至晶圓之表面上的銅電鍍溶液，其中該等氯離子的濃度為介於約10 mg/L至約80 mg/L之間，且其中該硫酸的濃度為介於約0.5 g/L至約5 g/L之間。
  23. 如申請專利範圍第18-21項之任一項之用於電鍍銅至晶圓之表面上的銅電鍍溶液，其中該等氯離子用作該等銅離子的第一錯合劑，而該等溴離子用作該等銅離子的第二錯合劑。
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