利用外部影响在工件的上表面和空腔表面放置的添加剂之间产生差别的电镀方法和设备技术

本发明专利技术涉及在衬底表面上以非常理想的方式电镀导电材料的方法和设备。本发明专利技术去除吸附于工件顶部的至少一种添加剂，多于去除放置在空腔部分上的至少一种添加剂，从而使得导电材料的电镀在添加剂完全重吸附至顶部之前发生，并导致空腔部分相对于顶部电镀更多。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及半导体电镀方法和设备。更具体地说，本专利技术针对一种方法和设备，它利用外部影响增强导电材料在工件空腔部分的电镀，在吸附于工件上表面上的添加剂和吸附于工件空腔部分中的添加剂之间产生差别。
技术介绍
制造多层集成电路(IC)需要许多步骤。这些步骤包括在半导体晶片或衬底上沉积导电和绝缘体材料，接着使用光敏抗蚀剂形成图案(photo-resist patterning)、刻蚀等方法全部或部分去除这些材料。在光刻，形成图案和刻蚀步骤之后，所形成的表面通常为非平面，因为它包含许多尺寸和形状不相同的空腔或特征区，例如过孔，线，槽，沟道，粘结焊盘等。在执行刻蚀和/或化学机械抛光(CMP)之类的附加处理步骤之前，通常使用高导电金属材料填充这些特征区。因此，在IC的不同层/部分之间形成低电阻内连结构。由于其低电阻和高电迁移阻性，铜(Cu)迅速成为IC内连的优选材料。电镀是在衬底表面上的特征区沉积Cu的最常见的方法之一。可以预见，有许多用于此行业的不同Cu电镀系统的设计方法。例如，Andricacos等人在1996年5月14日公布的No.5,516,412号U.S.专利，公开一种立式电解槽，设计为在扁平工件上电镀薄膜。另外，Koon在1999年11月16日公布的No.5,985,123号U.S.专利，也公开另一种立式电镀设备，它声称克服与不同衬底尺寸相关的非一致沉积问题。另外，Tamaki等人在1998年12月29日公布的No.5,853,559号U.S.专利，公开一种电镀设备，它使电镀电解液的损失最小化，并实现电解液的高效回收。在Cu电解过程中，使用特殊配制的电镀液或电解液。这种电镀液或电解液包含Cu离子和添加剂，以控制沉积材料的结构，形态，和电镀行为。需要添加剂以使沉积层光滑并稍有光泽。有许多种Cu电镀液配方，其中一些可以购得。这样一种配方包括作为铜源的硫酸铜(CuSO4)(见James Kelly等，Journal of theElectrochemical Society，vol.146，pages 2540-2545，(1999))，并包括水，硫酸(H2SO4)，和少量氯离子。众所周知，可以在Cu电镀液中添加其它化学物质，以获得所需的沉积材料性质。Cu电镀液中的添加剂可以分为几类，例如抑制剂(suppressors)，校平剂(levelers)，增亮剂(brighteners)，晶粒细化剂，湿润剂，去应力剂(stress-reducing agents)，加速剂等。在许多情况下，经常使用不同的分类描述这些添加剂的相似功能。目前，用于电应用，特别是IC制造中的溶液，包含由两种成分包组成的简单添加剂(例如，见Robert Mikkola和Linlin Chen，“Investigation of the Roles of theAdditive Components for Second Generation Copper ElectroplatingChemistries used for Advanced Interconnect Metallization”，Proceeding of the International Interconnect Technology Conference，pages 117-119，June 5-7，2000)。这些配方通常称为抑制剂和加速剂。抑制剂通常为按照聚乙二醇-PEG或聚丙二醇-PPG配方制成的聚合物，被认为在高电流密度区附着至衬底表面，从而形成高电阻膜并抑制材料在其上沉积。加速剂通常为有机二硫化物，它增强Cu在被吸附的衬底表面部分上的沉积。这两种添加剂的相互作用，和可能的氯离子决定Cu沉积物的性质。使用附图更全面地描述传统的电镀方法和设备。图1表示其上形成绝缘体2的衬底3的剖面透视图。使用传统的刻蚀技术，在绝缘体2和衬底3上形成特征区，例如一行过孔4a和宽槽4b。在此例子中，过孔4a窄而深；换句话说，它们具有高深宽比(即，它们的深度与宽度的比率大)。通常地，过孔4a的宽度为亚微米级。另一方面，槽4b通常较宽，深宽比较小。换句话说，槽4b的宽度可以是其深度的5至50倍或更大。图2a至图2c表示使用Cu填充特征区的传统方法。图2a表示图1中在其上配置各层的衬底3的剖面图。例如，此图表示衬底3和其上已经配置阻挡/粘合层或粘结层5和籽晶层6的绝缘体2。阻挡层5可以是钽，钽的氮化物，钛，钨，或TiW等，或在本领域通常使用的其它材料的组合。通常使用各种溅射方法，通过化学气相沉积(CVD)，或通过无电镀覆方法沉积阻挡层5。然后，在阻挡层5上沉积籽晶层6。籽晶层6材料可以是铜或铜替代物，可以使用各种溅射方法，CVD，或无电沉积或其组合，沉积在阻挡层5上。在图2b中，籽晶层6沉积之后，通常从合适的酸性或非酸性电镀液或电镀液配方中，在其上电镀导电材料7(例如铜层)。在此步骤的过程中，与Cu籽晶层6和/或阻挡层5电接触，以使可以应用与阳极对应的阴极(负)电压(未显示)。其后，使用如上所述的特定配方电镀液，在衬底表面上电镀Cu材料7。通过调整氯离子，抑制剂/抑止剂(inhibitor)，和加速剂之类的添加剂的数量，有可能获得生长于小特征区的自底向上的Cu膜。Cu材料7完全填充过孔4a，并通常在较大的槽4b中均匀分布，但是不完全填充槽4b，因为所使用的添加剂在较大的特征区中不起作用。例如人们相信，因为抑制剂/抑止剂分子附着在过孔4a的顶部而抑制材料在那里生长，发生过孔4a内自底向上的沉积。这些分子不能通过狭窄的开口有效地分散至过孔4a的底面。加速剂优先吸附在过孔4a的底面上，这导致在此区域的快速生长，导致如图2b所示的自底向上的生长和Cu沉积轮廓。如果没有适当的添加剂，Cu可以以同样的速度在过孔4a的垂直壁和底面上生长，从而导致裂缝和/或空腔之类的缺陷。抑制剂和加速剂添加剂在较大槽4b底面上的吸附特征不会与在衬底场效应区8的上表面上的吸附特征有任何不同。因此，槽4b底面的Cu厚度t1大致与场效应区8上的Cu厚度t2相同。可以预见，为了使用Cu材料7完全填充槽4b，需要进一步的电镀。图2c表示附加Cu电镀之后产生的结构。在这种情况下，场效应区8上的Cu厚度t3相当大，在槽4b中从场效应区8至Cu材料7的顶部有台阶s1。对IC应用而言，Cu材料7需要经受CMP或其它材料去除工艺，以去除场效应区8中的Cu材料7和阻挡层5，从而仅在特征区中留有Cu材料7。人们知道这种去除工艺成本非常高。因此，人们把更多的注意力集中在Cu电镀化学和电镀技术的开发上，以获得衬底上小特征区的自底向上的填充。这是必需的，因为，如上所述，缺乏自底向上的填充可以导致小特征区中的缺陷。作为这些开发努力的一部分，发现小特征区的填充行为可以不仅受溶液化学的影响，而且受用于电镀的电源类型影响。近来的研究认为可以优选使用脉冲或脉冲反转电镀方法在小过孔中沉积自由Cu(例如，Dubin等人1999年10月26日发布的第5,972,192号U.S.专利，和Gandikota等人，“Extension of CopperPlating to 0.13μm Nodes by Pulse-Modulated Plat本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电镀导电性工件上表面的方法，工件的导电性上表面包括顶部和空腔部分，此方法包括以下步骤：在工件的导电性上表面应用其中含有至少一种添加剂的电解液，添加剂的第一部分吸附于顶部，添加剂的第二部分吸附于空腔部分上；对顶部应用外部影 响，外部影响从工件的顶部去除之前吸附于顶部上添加剂的第一部分中的一部分；在添加剂完全重吸附至顶部之前，电镀导电性工件上表面，从而导致空腔部分相对于顶部更多的电镀。

【技术特征摘要】
US 2000-8-10 60/224,739;US 2000-12-18 09/740,701;U1.一种电镀导电性工件上表面的方法，工件的导电性上表面包括顶部和空腔部分，此方法包括以下步骤在工件的导电性上表面应用其中含有至少一种添加剂的电解液，添加剂的第一部分吸附于顶部，添加剂的第二部分吸附于空腔部分上；对顶部应用外部影响，外部影响从工件的顶部去除之前吸附于顶部上添加剂的第一部分中的一部分；在添加剂完全重吸附至顶部之前，电镀导电性工件上表面，从而导致空腔部分相对于顶部更多的电镀。2.按照权利要求1所定义的方法，其中应用外部影响的步骤，使用可移动掩模应用于导电性工件上表面，以物理清除吸附于顶部的添加剂的第一部分，从而在一段时间内降低吸附于顶部的添加剂的数量。3.按照权利要求2所定义的方法，其中应用外部影响的步骤中的可移动掩模与工件顶部物理接触。4.按照权利要求3所定义的方法，其中使用可移动掩模应用外部影响的步骤，导致之前已经受到外部影响的顶部的区域与可移动掩模的开口区域对准，以使在电镀步骤中在工件区域和阳极之间存在电镀电流。5.按照权利要求4所定义的方法，其中在电镀步骤中，在阳极和工件区域间的可移动掩模的开口区域中形成具有第一电流密度的电流脉冲，第一电流密度大于存在于被可移动掩模覆盖的工件另一区域的第二电流密度。6.按照权利要求5所定义的方法，其中在一段时间内，在阳极和工件的不同区域间形成多个电流脉冲。7.按照权利要求6所定义的方法，其中多个电流脉冲，加在一起，等于通过电源提供的DC电流。8.按照权利要求4所定义的方法，其中电镀步骤包括在电镀过程中提供DC电源的步骤。9.按照权利要求8所定义的方法，其中提供DC电源的步骤以电流受控模式操作，其中电镀电流基本上保持不变。10.按照权利要求8所定义的方法，其中提供DC电源的步骤以电压受控模式操作，其中电镀电压基本上保持不变。11.按照权利要求1所定义的方法，其中至少一种添加剂包括加速剂。12.按照权利要求11所定义的方法，其中在电镀步骤，在空腔部分上比在顶部上吸附更多的添加剂。13.按照权利要求12所定义的方法，其中电镀步骤仅在被去除的添加剂第一部分的一部分完全重吸附之前发生。14.按照权利要求12所定义的方法，其中应用外部影响和电镀的步骤被重复。15.按照权利要求1所定义的方法，其中至少一种添加剂包括多种添加剂，包括抑止剂和加速剂。16.按照权利要求15所定义的方法，其中应用外部影响的步骤去除加速剂的比例大于抑止剂的比例，因为抑止剂比加速剂具有更强的吸附特性。17.按照权利要求16所定义的方法，其中电镀步骤仅在被去除的加速剂完全重吸附至顶部之前发生。18.按照权利要求11所定义的方法，其中应用外部影响和电镀的步骤被重复。19.按照权利要求17所定义的方法，其中在应用外部影响的步骤之后，抑止剂在工件顶部的重吸附快于加速剂。20.按照权利要求19所定义的方法，其中电镀步骤在抑止剂重吸附之后且在被去除的加速剂完全重吸附至顶部之前发生。21.按照权利要求20所定义的方法，其中应用外部影响和电镀的步骤被重复。22.按照权利要求1所定义的方法，其中电镀步骤包括在电镀过程中提供脉冲电源的步骤。23.按照权利要求1所定义的方法，其中电镀步骤包括在电镀过程中提供DC电源的步骤。24.按照权利要求1所定义的方法，其中电镀步骤镀铜。25.按照权利要求1所定义的方法，其中电镀步骤镀铜合金。26.按照权利要求1所定义的方法，其中应用外部影响至顶部的步骤导致顶部和空腔部分之间的表面电阻差别。27.按照权利要求1所定义的方法，其中应用外部影响的步骤，使用掩模应用于工件的导电性上表面，掩模和工件之间的相对运动导致物理清除吸附于顶部的添加剂的第一部分，从而在一段时间内降低吸附于顶部的添加剂的数量。28.按照权利要求27所定义的方法，其中应用外部影响的步骤中可移动掩模与工件的顶部物理接触。29.按照权利要求27所定义的方法，其中使用可移动掩模应用外部影响的步骤，导致之前已经受到外部影响的顶部的区域与可移动掩模的开口区域对准，以使在电镀步骤中在工件区域和阳极之间存在电镀电流。30.按照权利要求1所定义的方法，还包括添加另一添加剂至电解液的步骤，此步骤辅助减弱添加剂和工件表面间的结合。31.一种电镀工件导电性上表面的方法，工件的导电性上表面包括顶部和空腔部分，此方法包括以下步骤在工件的导电性上表面，应用其中含有至少一种添加剂的电解液；对顶部应用外部影响，以产生一种效应，其中至少一种添加剂将增强空腔部分的电镀超过增强顶部的电镀；在保持应用外部影响所获得的效应的同时，电镀工件的导电性上表面。32.按照权利要求31所定义的方法，其中应用外部影响的步骤中的效应，是为了在吸附于顶部的至少一种添加剂的数量相对于空腔部分产生差别。33.按照权利要求31所定义的方法，其中应用外部影响的步骤，使用相对于工件可移动的掩模应用于工件的导电性上表面，以物理清除吸附于顶部的至少一种添加剂的第一部分，从而在一段时间内降低吸附于顶部的添加剂的第一部分的数量。34.按照权利要求33所定义的方法，其中应用外部影响的步骤中的掩模与工件顶部物理接触。35.按照权利要求33所定义的方法，其中使用掩模应用外部影响的步骤，导致之前已经受到外部影响的顶部的区域与可移动掩模的开口区域对准，以使在电镀步骤中在工件区域和阳极之间存在电镀电流。36.按照权利要求35所定义的方法，其中在电镀步骤中，在阳极和工件区域间的可移动掩模的开口区域中形成具有第一电流密度的电流脉冲，第一电流密度大于存在于被可移动掩模覆盖的工件另一区域的第二电流密度。37.按照权利要求36所定义的方法，其中在一段时间内，在阳极和工件的不同区域间形成多个电流脉冲。38.按照权利要求37所定义的方法，其中多个电流脉冲，加在一起，等于通过电源提供的DC电流。39.按照权利要求35所定义的方法，其中电镀步骤包括在电镀过程中提供DC电源的步骤。40.按照权利要求39所定义的方法，其中提供DC电源的步骤以电流受控模式操作，其中电镀电流基本上保持不变。41.按照权利要求39所定义的方法，其中提供DC电源的步骤以电压受控模式操作，其中电镀电压基本上保持不变。42.按照权利要求31所定义的方法，其中至少一种添加剂包括加速剂。43.按照权利要求42所定义的方法，其中在电镀步骤，在空腔部分上比在顶部上吸附更多的添加剂。44.按照权利要求43所定义的方法，其中电镀步骤在上述效应仍存在时发生。45.按照权利要求44所定义的方法，其中电镀步骤仅在上述效应仍存在时发生。46.按照权利要求34所定义的方法，其中应用外部影响的步骤中的效应，是为了在吸附于顶部的至少一种添加剂的数量相对于空腔部分产生差别。47.按照权利要求46所定义的方法，其中至少一种添加剂包括多种添加剂，包括抑止剂和加速剂。48.按照权利要求47所定义的方法，其中在应用外部影响的步骤之后，存在差别，因为抑止剂比加速剂具有更强的吸附特性。49.按照权利要求47所定义的方法，其中在应用外部影响的步骤之后，存在差别，因为抑止剂比加速剂具有更快的吸附动力学。50.按照权利要求44所定义的方法，其中应用外部影响和电镀的步骤被重复。51.按照权利要求31所定义的方法，其中应用外部影响的步骤中的效应，是为了在吸附于顶部的至少一种添加剂的数量相对于空腔部分产生差别。52.按照权利要求51所定义的方法，其中至少一种添加剂包括多种添加剂，包括抑止剂和加速剂。53.按照权利要求52所定义的方法，其中在应用外部影响的步骤之后，存在差别，因为抑止剂比加速剂具有更强的吸附特性。54.按照权利要求52所定义的方法，其中在应用外部影响的步骤之后，存在差别，因为抑止剂比加速剂具有更快的吸附动力学。55.按照权利要求31所定义的方法，其中应用外部影响和电镀的步骤被重复。56.按照权利要求31所定义的方法，其中应用外部影响的步骤使用一种掩模，并在掩模和工件间相对运动，导致物理清除吸附于顶部的至少一种添加剂的第一部分，从而在一段时间内降低吸附于顶部的添加剂的第一部分的数量。57.按照权利要求56所定义的方法，其中应用外部影响的步骤中的掩模与工件顶部物理接触。58.按照权利要求56所定义的方法，其中使用掩模应用外部影响的步骤，导致之前已经受到外部影响的顶部的区域与可移动掩模的开口区域对准，以使在电镀步骤中在工件区域和阳极之间存在电镀电流。59.按照权利要求57所定义的方法，其中应用外部影响的步骤中的效应，是为了在吸附于顶部的至少一种添加剂的数量相对于空腔部分产生差别。60.按照权利要求59所定义的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：布兰特巴索，
申请(专利权)人：ASM纳托尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]