[发明专利]电镀水溶液及其制备和使用方法

说明书

技术领域

本发明的实施方案涉及一种用于电镀铜的电镀水溶液、这样的电镀水溶液的制备方法以及将铜电镀到基材上的方法。

背景

铜基材料目前已取代铝基材料成为用于集成电路(IC)中的内部连线(interconnects)的首选材料。铜提供了比过去一直用于内部连线的主导材料的铝更低的电阻率和更高的抗电子迁移性。

集成电路中的内部连线正在成为决定系统性能和功耗的主要因素之一。例如，在许多当前可得的集成电路中的内部连线的总长度可达二十英里或更长。在这样的长度下，内部连线的电阻-电容(“RC”)时间延迟可以超过一个时钟周期并严重影响器件的性能。此外，由于内部连线的规模持续随晶体管尺寸的相应减少而急剧降低，内部连线RC时间延迟也增加。使用诸如铜的较低电阻率的材料降低了内部连线的RC时间延迟，增加了那些采用由铜基材料形成的内部连线的集成电路的速度。铜还具有大约2倍于铝的热导率的导热系数和约10到约100倍于铝的抗电子迁移性。

铜基的内部连线也在集成电路之外的其它应用中得到应用。例如，由于与集成电路的相同或相似的原因，太阳能电池、平板显示器以及许多其它类型的电子设备可受益于使用铜基内部连线。

由于采用物理气相沉积(“PVD”)和化学气相沉积(“CVD”)的铜的均匀沉积和无孔充填沟渠的困难以及其它小的特征，通常使用镶嵌(Damascene)工艺制造铜内部连线。在镶嵌工艺中，例如，在诸如碳掺杂氧化物的层间介电层中形成沟槽。介电层上覆盖着例如由氮化钽或氮化钛形成的阻挡层，以防止铜扩散到硅基材中并防止降低晶体管的性能。在阻挡层上形成晶种层，以促进铜在沟槽内的均匀沉积。将基材浸没在包括铜的电镀水溶液中。该基材作为电化学电池的阴极，其中电镀水溶液作为电解液，来自电镀水溶液中的铜在沟槽中响应施加在基材和阳极之间的电压而被电镀。然后，使用化学机械抛光(“CMP”)将沉积到沟槽之外的基材区域上的铜去除。

不管其中铜用作导电结构的具体的电子设备如何，重要的是铜的电镀过程足够快以能够处理大量的基材并有可接受的产率。此外，电镀水溶液的成本也是影响着使用铜的电子设备的总制造成本的另一个因素。这在必须可与其它潜在更具成本效率的能量产生技术在成本效率方面相竞争的太阳能电池的制备中是特别重要的。因此，期望铜电镀水溶液能以均匀的方式(即，高布散能力)和以高沉积率沉积铜。

许多电镀水溶液目前可用于电镀铜。例如，基于硫酸盐的电镀水溶液常用于电镀铜。一些碱性铜电镀水溶液具有高布散能力，但不折损沉积的膜的品质就不能迅速沉积铜。在高沉积速率下，铜可能会像树枝那样成长，而不是更均匀沉积的膜。此外，这样的碱性铜电镀水溶液中的碱金属元素(如钠和钾)能扩散到硅基材上，并且是能折损晶体管的性能的硅中的深层的杂质。氟硼酸盐电镀水溶液能用于铜的高速沉积。然而，氟硼酸盐电镀水溶液要比更传统的基于硫酸盐的溶液昂贵得多。此外，氟硼酸盐电镀水溶液可能会比用于电镀铜的许多其它电镀水溶液更加危险和难以处理。

因此，仍然需要能以高速率沉积高品质铜膜的用于电镀铜的电镀水溶液。

概述

在本发明的一个实施方案中，公开了一种电镀水溶液。所述电镀水溶液包括至少两种酸、铜、至少一种促进剂和至少两种抑制剂。所述至少一种促进剂提供了至少约2.0的促进强度，所述至少两种抑制剂总共提供至少约5.0的抑制强度。

在本发明的另一个实施方案中，公开了电镀的方法。使基材浸没在电镀水溶液中。该电镀水溶液包括至少两种酸、铜、至少一种促进剂和至少两种抑制剂。所述至少一种促进剂提供了至少约2.0的促进强度，所述至少两种抑制剂总共提供至少约5.0的抑制强度。来自电镀水溶液的铜的至少一部分被电镀在基材上。

在本发明的又一实施方案中，公开了电镀水溶液的制备方法。可以提供保持在第一温度下的电镀水溶液。该电镀水溶液包括至少两种酸和以低于第一温度下铜在所述至少两种酸中的溶解度极限的浓度存在的铜。将该电镀水溶液加热到高于所述第一温度的第二温度。当所述电镀水溶液处于第二温度时，从铜源引入额外的铜到所述电镀水溶液中，以使得所述电镀水溶液呈现至少约50克/升的铜浓度。

附图简述

附图说明了本发明的各个实施方案，其中相似的附图标记是指在附图中所示的不同的视图或实施方案中的相似的元件或特征。

图1A和图1B是根据本发明的各种方法可用于实施将铜电镀到基材上的实施方案的电镀系统的示意性的横断面图。

图2是说明了可用于从任何公开的电镀水溶液电镀铜的正向脉冲电流密度波形的一个实施例的图。