專利名稱：集成電路芯片上的電鍍互連結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到諸如集成電路(IC)芯片之類的電子器件上的互連布線，更確切地說是涉及到在通常用來生產(chǎn)光亮平整的低應力淀積物的含有添加劑的浴液中，進行銅電鍍而制得的無空洞和無縫隙的亞微米結構。
AlCu及其相關合金是用來制作諸如集成電路芯片之類的電子器件上的互連的可取合金。AlCu中的Cu含量通常在0.3-4％的范圍內(nèi)。
用Cu和Cu合金取代AlCu作為互連材料，在性能方面有優(yōu)點。由于Cu和某些銅合金的電阻率低于AlCu的電阻率而使性能得到改善；這樣就能夠采用更窄的線條并實現(xiàn)更高的布線密度。
整個半導體工業(yè)界已經(jīng)認識到了Cu金屬化的優(yōu)點。銅金屬化已經(jīng)是廣泛研究的課題，材料研究學會(MRS)會刊的整整二期登載了這方面的論文，MRS Bulletin，Vol.XVIII，No.6(1993年6月)專門討論這一課題的學術研究，而另一期，MRS Bulletin，Vol.XIX，No.8(1994年8月)專門討論這一課題的工業(yè)研究。Luther等人1993年在《IEEEVLSI多層互連會議論文集(1993年6月8-9日加州Santa Clara)》p.15中的論文“ULSI器件引線互連的平坦銅-聚酰亞胺尾端”，描述了具有四層金屬化的Cu芯片互連的制造。
諸如化學汽相淀積(CVD)和無電鍍之類的工藝是淀積Cu的通用方法。這二種淀積方法通常充其量也不過能生產(chǎn)共形淀積物，并由于光刻或反應離子刻蝕(RIE)不完善而在布線中不可避免地引起缺陷(空洞或縫隙)，特別是當溝槽具有頂部比底部窄的截面時，更是如此。Li等人的論文“ULSI結構中的銅基金屬化-第二部分Cu能夠成為芯片上的材料嗎？”(見MRS Bull.，XIX，15(1994))，描述了CVD的其它問題。在無電鍍中，雖然有成本低的優(yōu)點，但氫在金屬淀積過程中的放出引起爆炸和其它缺陷，這被認為是工業(yè)廣泛應用中的弱點。
1993年10月26日授權的J.Poris的美國專利5256274(‘274)描述了在半導體晶片上淀積銅、銀或金的電鍍工藝。在‘274的

圖1A中，用符號“良好”示出了其中心部分有裂縫的銅導體，而在圖1B中，用符號“差”示出了其中心部分有空洞的銅導體。電鍍浴液含有每加侖水12盎司的CuSO4、5H2O、10％體積的濃縮硫酸、50ppm的來自鹽酸的氯離子、以及0.4％體積的Technic Inc.公司(地址為P.O.Box 965，Providence，RI02901)提供的TECHNI-COPPER W添加劑。通過不起化學作用的掩模選擇性地淀積鍍層。
描述了一種低成本高可靠的用亞微米尺度的無空洞無縫隙導體在集成電路芯片中進行布線的Cu互連結構的制造工藝。此工藝包含在晶片上淀積絕緣材料；在絕緣材料中光刻確定和形成亞微米溝槽或孔，其中淀積導體以便最終形成引線或通孔；淀積用作引晶層或鍍敷基底的導電薄層；在含有添加劑的浴液中進行電鍍以淀積導體；以及對得到的結構進行整平或化學機械拋光，以便完成各個引線和/或通孔的電隔離。
本發(fā)明還提供了一種用來在電子器件上制造互連結構的工藝，它包含下列步驟在具有絕緣區(qū)和導電區(qū)的襯底上制作引晶層；在引晶層上制作圖形化的光刻膠層；在含有添加劑的浴液中，在未被圖形化光刻膠覆蓋的引晶層上電鍍導電材料；以及清除圖形化光刻膠。
本發(fā)明還提供了一種用來制造具有無空洞無縫隙導體的電子器件上的互連結構的工藝，它包含下列步驟在襯底上制作絕緣材料；光刻確定并制作其中要淀積互連導體材料的引線和/或通孔；制作用作鍍敷基底的導電層；在鍍敷基底上制作圖形化光刻膠層；在含有添加劑的浴液中進行電鍍以淀積導體材料；以及清除光刻膠。
本發(fā)明還提供了一種用來在電子器件上制造互連結構的工藝，它包含下列步驟在具有絕緣區(qū)和導電區(qū)的襯底上制作引晶層；在含有添加劑的浴液中，在引晶層上制作導電材料構成的覆蓋層；在覆蓋層上制作圖形化光刻膠層；清除未被圖形化光刻膠覆蓋處的導體材料；以及清除圖形化光刻膠。本發(fā)明還提供了一種用于電子器件上的互連中的導體，它包含通過電鍍方法用含有添加劑的浴液制作的含有少量選自C(重量比小于2％)、O(重量比小于1％)、N(重量比小于1％)、S(重量比小于1％)和Cl(重量比小于1％)的材料的Cu。
互連材料可以是在通常用來生產(chǎn)光亮平整的低應力淀積物的含有添加劑的浴液中電鍍得到的Cu。在這種浴液中電鍍Cu的速率，在空腔深處比其它地方更高。因此，這一電鍍工藝呈現(xiàn)獨一無二的極好的填充性能，導致任何其它方法無法得到的無空洞無縫隙淀積物。由這種方法電鍍的Cu制得的互連結構，具有很高的抗電遷移能力，電遷移激活能量等于或大于1.0eV。導體主要由Cu和少量的C(重量比小于2％)、O(重量比小于1％)、N(重量比小于1％)、S(重量比小于1％)和Cl(重量比小于1％)的原子和/或分子碎片組成。
高度抗電遷移的Cu，在含有添加劑的通常用來生產(chǎn)光亮可延展的低應力涂敷淀積物的電鍍液中被電鍍。
本發(fā)明的目的是電鍍諸如互連布線之類的Cu導體而不在導體中心留下縫隙或空洞。
本發(fā)明的另一目的是以基本上均勻的填充厚度來電鍍導體Cu，其中導體具有諸如小于1微米和大于10微米的寬度差異。導體深度對寬度之比可以等于或大于1。通孔深度對寬度之比可以超過1。
本發(fā)明的又一目的是借助于組合下列三個效應而降低集成電路的制造成本1)用電鍍方法進行Cu的覆蓋淀積、2)雙重鑲嵌制造(一種在單一覆蓋淀積步驟中制造二層金屬化的方法)、和3)用化學機械拋光之類的工藝整平上表面的能力。
結合附圖考慮本發(fā)明的下列詳細描述，本發(fā)明的這些和其它的特點、目的和優(yōu)點將變得明顯。
圖1-5是中間結構的剖面圖，示出了互連布線的制作。
圖6示出了用一個電鍍步驟制作的多層布線圖形。
圖7示出了部件中深處的淀積速率大于部件外面的淀積速率的淀積過程的早期階段。
圖8示出了部件內(nèi)部的淀積速率大于部件外面的淀積速率的淀積過程的后期階段。
圖9示出了部件內(nèi)部的淀積速率低于部件外面的淀積速率的淀積過程的早期階段。
圖10示出了部件內(nèi)部的淀積速率低于部件外面的淀積速率的淀積過程的后期階段。
圖11示出了部件內(nèi)外的淀積速率相同的淀積過程的早期階段。
圖12示出了部件內(nèi)外的淀積速率相同的淀積過程的后期階段。
圖13示出了鍍層分布順序的剖面圖。
圖14示出了用沒有添加劑的電鍍浴液電鍍的部件的剖面圖。
圖15示出了用具有添加劑的電鍍浴液電鍍的部件的剖面圖。
圖16示出了具有待要電鍍的亞微米空腔和寬空腔二者的襯底的剖面圖。
圖17是隨后在水浸型電鍍池中電鍍過的圖16襯底的剖面圖。
圖18是隨后在彎月型電鍍池(杯型電鍍池，其中使晶片表面與電解液的上表面即彎月面接觸)中電鍍過的圖16襯底的剖面圖。
圖19a-d是厚度為1微米的電鍍Cu膜的同一個區(qū)域的晶粒取向圖、晶粒對比圖、反極象圖和(111)極象圖。晶粒尺寸約為1.4微米，結晶織構是隨機的。
圖20a-d是厚度為1微米的PVD(物理汽相淀積的、磁控濺射淀積的)Cu膜的同一個區(qū)域的晶粒取向圖、晶粒對比圖、反極象圖和(111)極象圖。晶粒尺寸約為0.4微米，且此膜具有很強的(111)/(100)結晶織構。
圖21a和21b示出了電鍍Cu對CVD Cu膜(a)和對PVD Cu膜(b)的電阻隨時間(小時)的變化曲線的比較。電阻的變化與Cu引線中的電遷移損傷有關。顯然，電鍍Cu比CVD Cu或PVD Cu二者具有好得多的電遷移性能。電鍍Cu的激活能為1.1-1.3eV，而PVDCu的激活能明顯地小(0.7-0.8eV)。
圖22-26剖面圖示出了在平坦基底上的穿通掩模鍍層。
圖27-31剖面圖示出了在有凹槽的基底上的穿通掩模鍍層。
圖32-35剖面圖示出了隨之以圖形腐蝕的覆蓋鍍層。
鑲嵌鍍敷工藝是一種在整個晶片表面上進行鍍敷，隨之以整平工藝來隔離和確定圖形的工藝。借助于在整個已經(jīng)光刻確定的布線圖形上淀積鍍層而進行鍍敷。在鍍敷基底與絕緣體之間，淀積改善粘附性并防止導體/絕緣體相互作用和擴散的層。此工序的示意圖示于圖1-5中。被腐蝕/整平層(氮化硅)2和7包覆的絕緣層(氧化硅，聚合物)1被首先淀積在晶片8上；在包覆絕緣體上制作光刻膠圖形3并轉(zhuǎn)移到絕緣體；隨后淀積勢壘材料4和引晶層(Cu)5，且電鍍Cu6，使所有圖形被填充；用整平的方法使此結構成為圖5所示的最終形狀。如圖6所示，有可能在絕緣體上光刻確定多層圖形；在此節(jié)約成本的制造方法中，接著淀積同樣順序的層。
為了避免在Cu 6中形成空洞或縫隙，在部件中的下部即深部，電鍍速率應當比其它地方更高。圖7-12示出了這一點，其中描述了金屬淀積的三種可能情況。在圖7和8所示的第一種情況下，利用用電鍍浴液添加劑，部件11中的金屬淀積，比部件11外面的點12處更快，從而得到圖8所示的無空洞和無縫隙的淀積物(極好的填充)。部件內(nèi)部的擇優(yōu)淀積可能是由于添加劑在這些位置處的傳輸速率較低，反過來導致Cu淀積的局部速率增大。特別是在內(nèi)部角落處，添加劑的傳輸速率最低，因而銅的淀積速率最高。在圖9和10所示的第二種情況下，部件14中的金屬淀積比部件14外面的點15處更慢，從而由于部件14的下部點16中的淀積是來自淀積離子高度耗盡的浴液而得到空洞和高電阻率的引線或通孔。較高的離子耗盡程度引起電鍍浴液中的淀積反應的過電位局部提高。在圖11和12所示的第三種情況下，由于在液體電鍍浴液中不存在局部離子耗盡，而且由于失去了添加劑和其對部件內(nèi)部擇優(yōu)淀積的有利作用，部件17內(nèi)部和部件17外面的點18處的淀積速率到處都相等(共形填充)。雖然用共形填充能夠得到幾乎可接受的淀積物，但在高形狀比的引線和通孔中，Cu金屬6中的縫隙19是不可避免的。在凹下的分布中，共形填充是不可容許的，會導致空洞。顯然，具有圖7和8所示的極好的填充的鍍層是鑲嵌工藝所要求的和最佳的方法。在恰當配置的溶液中進行電鍍是實現(xiàn)圖7和8所示的淀積類型的最好的方法。極好的填充及其與Cu金屬化的關系是完全不清楚的；例如，在上述的Li等人的論文中，Li等人指出，電鍍Cu鍍層對通孔的填充能力是“相當差的”。
如圖13所示，利用電鍍浴液中的添加劑的極好的填充，即使光刻工藝在介質(zhì)層1中產(chǎn)生頂部比底部窄的圖形或空腔22，也有可能得到無空洞和無縫隙的引線和通孔。根據(jù)此處本發(fā)明的電鍍是一種實現(xiàn)無空洞和無縫隙的引線和通孔的最好的方法。諸如CVD之類的其它淀積方法充其量產(chǎn)生共形分布，不可避免地引起大量缺陷，特別是當存在這種光刻不完整性，亦即在介電質(zhì)1中的頂部比底部窄的圖形或空腔22，致使側(cè)壁23相對于頂表面26可能與垂直參考線24形成0-20度的角時，更是如此。
通常用來在粗糙的表面上生產(chǎn)平坦的淀積物的在含有添加劑的溶液中電鍍銅的方法，可以用來實現(xiàn)填充亞微米空腔所要求的極好的填充。一種適當?shù)奶砑觿┫到y(tǒng)是康涅狄克州紐黑文市的Enthone-OMI公司所售的稱為SelRex Cubath M系統(tǒng)。廠家將上述添加劑稱為MHy。另一種適當?shù)奶砑觿┫到y(tǒng)是紐約州Freeport市的LeaRonal公司所售的稱為Copper Gleam 2001的系統(tǒng)。廠家將此添加劑稱為Copper Gleam 2001載體、Copper Gleam 2001-HTL和Copper Gleam2001整平器。還有一種適當?shù)奶砑觿┫到y(tǒng)是賓州State Park市的Atotech USA公司所售的稱為Cupracid HS的系統(tǒng)。廠家將此系統(tǒng)中的添加劑稱為Cupracid拋光劑和Cupracid HS基本整平器。
在一些專利中描述了本發(fā)明中可加入到浴液中的具體添加劑的例子。1978年8月29日授權的已故H-G Creutz等人的題為“銅的電鍍”的美國專利4110176，描述了諸如聚鏈烷醇季銨鹽的電鍍浴液添加劑，它形成為反應副產(chǎn)品，以提供來自含水的酸性銅電鍍浴液的高度延展性的低應力且良好平整的銅淀積物，此處將此專利列為參考。
1983年3月15日授權的A.Watson的題為“含有拋光和整平添加劑的酸性銅電鍍浴液”的美國專利4376685，描述了諸如烷基化聚烯化亞胺的電鍍浴液添加劑，它形成為反應副產(chǎn)品，以提供用含水的酸性浴液形成光亮而平整的銅電鍍淀積物，此處將此專利列為參考。
1990年12月4日授權的W.Dahms的題為“用來電化學淀積光亮的無縫隙的銅涂層的含水酸性浴液及其使用方法”的美國專利4975159，描述了在含水的酸性浴液中加入一定量的包括至少一種取代的烷氧基化內(nèi)酰胺作為含酰胺原子團的化合物的有機添加劑組合，以便優(yōu)化淀積的銅的光澤度和延展性，此處將此專利列為參考。在美國專利4975159中，表I列出了大量可以加入到本發(fā)明的浴液中的烷氧基化內(nèi)酰胺。表II列出了大量具有可以加入到本發(fā)明的浴液中的諸如3-氫硫基丙烷-1-磺酸之類的水增溶原子團的含硫化合物。表III列出了可以加入到本發(fā)明的浴液中作為表面活化劑的諸如聚乙二醇之類的有機化合物。
1973年11月6日授權的H-G Creutz的題為“用酸性浴液電淀積銅”的美國專利3770598，描述了用來獲得可延展的光亮的銅的浴液，其中含有溶解的一定量的聚乙烯亞胺和烷基溶劑的反應產(chǎn)物拋光劑，以產(chǎn)生四價氮、至少帶有一個磺基的有機硫化物、和諸如聚丙二醇的聚醚化合物，此處將此專利列為參考。
1967年6月27日授權的H-G Creutz等人的題為“用酸性浴液電淀積銅”的美國專利3328273，描述了用來獲得光亮的低應力的具有良好平整性的淀積物的硫酸銅和氟硼酸鹽浴液，它包含化學式為XR1-(Sn)-R2-SO3H的有機硫化物，其中R1和R2相同或不相同，并且是含有1-6個碳原子的聚亞甲基原子團或炔原子團，X是氫或磺基，而n是2-5的整數(shù)，此處將此專利列為參考。這些浴液還可以含有聚醚化合物、具有鄰位硫原子的有機硫化物、和吩嗪染料。在美國專利3328273中，表I列出了大量可以加入到本發(fā)明的浴液中的聚硫化物化合物。表II列出了大量可以加入到本發(fā)明的浴液中的聚醚。
可以為了實現(xiàn)各種目的而將添加劑加入浴液。浴液可以包括銅鹽和礦物酸。為了在導體中引入包括相對于膜的厚度而言的大晶?；螂S機取向的晶粒的特定膜的微結構，可以包括添加劑。為了將含有選自C、O、N、S和Cl的原子的材料分子碎片引入到導體中，也可以將添加劑加入到浴液中，從而增強純銅上的抗電遷移能力。而且，為了在導體中引入包括相對于膜的厚度而言的大晶?；螂S機取向的晶粒的特定膜的微結構，可以將添加劑加入到浴液，從而增強未電鍍的Cu上的電遷移性能。
圖14示出了現(xiàn)有技術的含有0.3M硫酸銅和10％體積的硫酸的電鍍?nèi)芤旱目涨惶畛湫袨榈钠拭鎴D。在完全填充空腔之前突然終止電鍍，以便測量部件各個位置處的淀積物厚度從而確定填充類型?？梢姷玫搅薈u的共形淀積物30。但由加入了氯離子和MHy的同一個溶液得到的淀積物呈現(xiàn)圖15所示的極好的填充。部件中深處的淀積速率高于其它地方，從而由于部件內(nèi)部比部件外面電鍍速率更高而最終使圖15所示的Cu的淀積物36成為無空洞和無縫隙。產(chǎn)生極好的填充的MHy濃度在大約0.1-大約2.5％體積的范圍內(nèi)。氯離子濃度在10-300ppm范圍內(nèi)。
從含有0.1-0.4M的硫酸銅、10-20％體積的硫酸、10-300ppm的氯化物和0.1-1％體積的LeaRonal添加劑Copper Gleam 2001載體、0.1-1％體積的Copper Gleam 2001-HTL和0-1％體積的CopperGleam 2001整平器的溶液，得到了相似的極好的填充結果。最后，從含有上述范圍的硫酸銅、硫酸和氯化物以及0.5-3％體積的Atotech添加劑Cupracid拋光劑和0.01-0.5％體積的Cupracid HS基本整平器的溶液，得到了相似的極好的填充結果。
迄今所述的具有添加劑的電鍍工藝，當在諸如1994年5月17日授權的P.Andricacos等人的美國專利5516412、5312532和美國專利3652442中所述的葉片式電鍍池之類的常規(guī)電鍍池中執(zhí)行時，產(chǎn)生了亞微米的高形狀比圖形或空腔的極好的填充。但當工藝在襯底表面只與電解液的自由表面相接觸的電鍍池中，例如在1982年7月13日公布的授予S.Aigo的美國專利4339319(此處將其列為參考)中所述的杯狀電鍍池中執(zhí)行時，實現(xiàn)了下述的進一步好處。此好處是使可能存在于窄的(亞微米)部件或空腔中的范圍為1-100微米的寬空腔得到極好的填充。
在襯底被浸在電解液中的電鍍池中，1-100微米的寬部件將比寬度小于1微米例如約為0.1微米和以上的窄部件填充得更慢；因此，為了得到在頂部電鍍表面上的無凹坑的整平了的結構，寬部件需要更長的電鍍時間和更長的拋光時間。
與杯狀電鍍池相比，當襯底表面在電鍍過程中被保持在與電解液的彎月面相接觸的情況下電鍍時，諸如小于1微米和大于10微米的寬度如此極為不同的空腔，被迅速且均勻地以相同的速率填充。
電解液的彎月面是液柱的彎曲的上表面。彎曲的上表面可以是諸如毛細管引起的或由諸如上噴液體引起的液流造成的凸面。
圖16是襯底60的剖面圖，它可以具有其中制作有用于鑲嵌布線的表面部件或空腔62和63的諸如二氧化硅之類的上部介質(zhì)層61?？涨?2的寬度可小于1微米，而空腔63的寬度范圍可為1-100微米。襯里64可提供對介電質(zhì)61的粘附，并提供對隨后鍍敷的金屬的擴散勢壘。襯里64可以是導電的，以用作電鍍的鍍敷基底，或者可以加入額外的鍍敷基底層。
圖17是襯底60的剖面圖，它具有足以填充空腔62并填充在浸入式電鍍池中電鍍的寬的空腔63的金屬電淀積物66。在圖17中，寬部件63比窄部件即亞微米部件62填充得更慢。部件63上的上表面67相對于金屬66的平均高度有下沉68。
在圖17和18中，相似的參考號被用于對應于圖16和17的裝置的功能。
圖18是襯底60的剖面圖，它具有足以填充空腔62并填充在彎月型杯狀電鍍池中電鍍的寬的空腔63的可能是Cu的金屬電淀積物66。如圖18所示，襯底可以放置成與浴液表面接觸。浴液可以在浴液表面處流動。
在圖18中，寬部件63與窄部件62同樣快地填充。相對于金屬66的平均高度，部件63上的上表面69有很小的下沉。因此，描述了本發(fā)明的一種模式，其中在杯狀電鍍池中完成電鍍，從而獲得窄部件和寬部件均勻的極好的填充。相信彎月型電鍍的優(yōu)越性能是由空氣-液體表面處表面激活的添加劑分子的更高的濃度或者不同的取向造成的。雖然在引進襯底時，這些分子可能開始重新分布，但殘留的效應或許在幾分鐘的電鍍期間一直保持著。
圖16和17所示的電鍍Cu金屬66主要由Cu組成，并也可以含有少量C(小于2％重量)、O(小于1％重量)、N(小于1％重量)、S(小于1％重量)或Cl(小于1％重量)的原子和/或分子碎片。這些額外的組分顯然來源于添加劑的分解，并且隨后以分子碎片而不是原子的可能形式進入淀積物66。氯由于其激活添加劑作用中的復合作用而被相互吸附。結果，相信這些包絡物位于晶粒邊界中，并且在這樣做時，不影響電鍍的金屬的電阻率。對電鍍Cu的電阻率的測量確實得到了低于2μΩcm的數(shù)值。還相信，相同的分子由于位于Cu的晶粒邊界處，而使電鍍Cu的抗電遷移能力比用其它工藝淀積的純Cu好得多。
電鍍Cu的晶粒尺寸通常大于用其它Cu淀積方法產(chǎn)生的晶粒(見圖19a-d和20a-d)。圖19a-d分別是1微米厚的電鍍Cu膜的同一個區(qū)域的晶粒取向圖、晶粒對比圖、反極象圖和(111)極象圖。晶粒尺寸大約是1.4微米，而結晶織構是隨機的。圖20a-d分別是1微米厚的PVD Cu膜的同一個區(qū)域的晶粒取向圖、晶粒對比圖、反極象圖和(111)極象圖。晶粒尺寸大約是0.4微米，且此膜具有很強的(111)/(100)結晶織構。
電鍍Cu的結晶取向(也稱為織構)比非電鍍Cu膜的結晶取向明顯地更隨機(見圖19a-d和20a-d)。反極象圖或(111)極象圖中晶粒的均勻分布表明了這種隨機取向(見圖19a-d)。這明顯地不同于從非電鍍Cu膜看到的情況。例如，參見圖20a-d，其中在這種PVDCu膜中，有明顯的(100)和(111)織構。
正如用參照此處列為參考的MRS Bulletin，Vol.XVIII，No.6(1993年6月)和Vol.XIX，No.8(1994年8月)的方法所測得的那樣，電鍍Cu和純Cu的抗電遷移能力是激活能的函數(shù)。電鍍Cu的激活能等于或大于1.0eV。此外，圖21a和21b示出了電鍍膜對PVD膜的漂移速度的比較。顯然，電鍍Cu表現(xiàn)出電阻隨時間的小的變化，而PVD Cu膜的電阻劇烈地增大。電阻的變化與Cu引線中的電遷移損傷量有關。顯然，電鍍Cu比PVD Cu具有改進得多的電遷移性能。電鍍Cu的激活能是1.1-1.3eV，而PVD Cu的激活能明顯地小(0.7-0.8eV)。
本發(fā)明的意義超過了鑲嵌結構的實現(xiàn)。與含有C、O、N、S和Cl的原子和/或分子碎片的存在相關的提高了的抗電遷移能力，同樣有利于如圖22-26所示在平坦基底上用穿通掩模電鍍的方法、如圖22和27-31所示在凹下基底上用穿通掩模電鍍方法、或如圖22、23和32-35所示用覆蓋電鍍隨之以圖形化腐蝕的方法而制造的導體元件。
在平坦基底上的穿通掩模電鍍工藝示于圖22-26。圖22示出了絕緣層1。圖23示出了制作在絕緣層1上的引晶層(Cu)5?？梢园仓脛輭静牧?(未示出)作為絕緣層1和引晶層5之間的層。圖24示出了引晶層5上的已經(jīng)被圖形化了的光刻膠71。圖25示出了通過光刻膠71進行電鍍之后的Cu6。圖26示出了清除了光刻膠71和未被Cu6保護處的引晶層5的圖25的結構。圖26示出了圖形化引晶層5上的圖形化Cu層6。
在凹下基底上的穿通掩模電鍍工藝示于圖22和27-31。圖22示出了絕緣層1。圖27示出了制作在絕緣層1中的通道72。圖28示出了制作在絕緣層1上的引晶層(Cu)5。勢壘材料4(未示出)可以制作在引晶層(Cu)5下方。圖29示出了引晶層5上的已經(jīng)被圖形化了的光刻膠71。圖30示出了穿通掩?；蚬饪棠z71進行電鍍而淀積的通道72中和引晶層5上的Cu6。圖31示出了清除了光刻膠71和未被Cu6保護處的引晶層5的Cu6。要指出的是，本發(fā)明的電鍍工藝引起的極好的填充，使得有可能填充凹下的基底中的空腔或圖形而不留下空洞或縫隙。
圖形化腐蝕之前用來在絕緣層上制作圖形化引線的覆蓋電鍍的工藝示于圖22、23和32-35。圖22示出了絕緣層1。圖23示出了制作在絕緣層1上勢壘層4。引晶層(Cu)5制作在勢壘層4的上表面上。如圖32所示，Cu的覆蓋層76用電鍍方法制作在引晶層5上。如圖33所示，光刻膠層71制作在覆蓋層76上并被光刻圖形化。圖34示出了用腐蝕方法圖形化了的或用其它工藝清除了未被光刻膠71保護的部分的覆蓋層76。圖35示出了清除了光刻膠71的圖形化覆蓋層76。
在圖2-15和22-35中，相似的參考號被用于相應于早先圖中即圖1中的裝置的功能。
雖然已經(jīng)描述了制造電子器件上的互連結構的方法和具有由C、O、N、S和Cl的原子和/或分子碎片造成的抗電遷移能力的Cu導體，以及諸如相對于膜厚而言的大晶粒尺寸和隨機結晶取向之類的特定微結構圖形，但對本技術領域熟練人員來說，顯然可以作出各種修正和改變而不偏離本發(fā)明的廣闊范圍，本發(fā)明的范圍只受所附權利要求的范圍的限制。
權利要求
1.一種在電子器件上制造具有無空洞無縫隙的導體的互連結構的工藝，它包含下列步驟在襯底上制作絕緣材料，在所述絕緣材料中光刻確定并制作用于引線的凹槽和/或通孔，其中將淀積互連導體材料，在所述絕緣材料上制作導電層，用作電鍍基底，通過電鍍方法用含有添加劑的浴液淀積所述導體材料，以及整平得到的結構以完成各個引線和/或通孔的電隔離。
2.權利要求1的工藝，其中所述淀積步驟包括淀積Cu作為所述導體材料。
3.權利要求2的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便將規(guī)定的少量含有選自C(小于2％重量)、O(小于1％重量)、N(小于1％重量)、S(小于1％重量)、Cl(小于1％重量)的原子的原子和/或分子碎片引入到所述導體材料中。
4.權利要求2的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便在所述導體中引入具有相對于膜厚而言的大晶粒尺寸和/或隨機取向晶粒的特定膜微結構。
5.權利要求2的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便將含有選自C、O、N、S、Cl的原子的分子碎片引入到所述導體材料中，從而增強純Cu上的抗電遷移能力。
6.權利要求2的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便在所述導體中引入具有相對于膜厚而言的大晶粒尺寸和/或隨機取向晶粒的特定膜微結構，從而增強非電鍍Cu上的電遷移性能。
7.權利要求2的工藝還包括在含有通常用來在粗糙表面上生產(chǎn)光亮平整的淀積物的試劑的浴液中進行電鍍的步驟。
8.權利要求7的工藝，其中導體深度對寬度的比率等于或大于1。
9.權利要求7的工藝，其中通孔深度對寬度的比率超過1。
10.權利要求2的工藝還包括用含有通常用來淀積光亮、平整、可延展、和低應力的淀積物的添加劑的溶液進行電鍍的步驟。
11.權利要求10的工藝，其中導體深度對寬度的比率等于或大于1。
12.權利要求1的工藝，其中所述淀積步驟還包括使所述襯底的上表面與所述浴液的表面接觸的步驟。
13.權利要求12的工藝，其中所述淀積步驟還包括在所述浴液的所述表面上流動所述浴液的步驟。
14.權利要求1的工藝，其中所述淀積步驟還包括用杯狀電鍍池進行電鍍的步驟。
15.權利要求1的工藝還包括用電鍍?nèi)芤哼M行電鍍的步驟，此電鍍?nèi)芤汉秀~鹽、礦物酸和一個或更多個選自帶有水增溶原子團的有機硫化合物、可溶于浴液的高分子量含氧化合物、可溶于浴液的聚醚化合物、或也可能含有至少一個硫原子的可溶于浴液的有機氮化合物的添加劑。
16.權利要求15的工藝，其中所述電鍍?nèi)芤汉?0-300ppm的少量的氯離子。
17.權利要求15的工藝，其中所述Cu鹽是硫酸銅。
18.權利要求15的工藝，其中所述礦物酸是硫酸。
19.權利要求15的工藝，其中所述有機硫化合物至少帶有一個磺基。
20.權利要求15的工藝，其中所述有機硫化合物至少有二個鄰位硫原子。
21.權利要求20的工藝，其中所述有機硫化合物至少有二個鄰位硫原子，并帶有至少一個端磺基。
22.權利要求15的工藝，其中所述有機硫化合物選自氫硫基丙烷磺酸、氫硫基乙酸、氫硫基苯并噻唑-S-丙烷磺酸、和亞乙基二硫代二丙基磺酸、二硫代氨基甲酸、所述化合物的堿金屬鹽、和所述化合物的胺鹽。
23.權利要求15的工藝，其中所述有機硫化合物的化學式為X-R1-(Sn)-R2-SO3H，其中R原子團相同或不同，并含有至少一個碳原子，X選自氫和磺基，n是2-5的整數(shù)。
24.權利要求15的工藝，其中所述含氧化合物選自聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、聚丙二醇和羧甲基纖維素。
25.權利要求15的工藝，其中所述有機氮化合物選自吡啶、取代吡啶、酰胺、季銨鹽、亞胺、酞菁、取代酞菁、吩嗪和內(nèi)酰胺。
26.一種在電子器件上制造互連結構的工藝，它包含下列步驟在具有絕緣區(qū)和導電區(qū)的襯底上淀積引晶層，在所述引晶層上制作圖形化光刻膠層，用含有添加劑的浴液，在未被所述圖形化光刻膠覆蓋的所述引晶層上電鍍導體材料，以及清除所述圖形化光刻膠。
27.權利要求26的工藝，其中所述淀積步驟包括淀積Cu作為所述導體材料。
28.權利要求27的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便將少量含有選自C(小于2％重量)、O(小于1％重量)、N(小于1％重量)、S(小于1％重量)、Cl(小于1％重量)的原子的原子和/或分子碎片引入到所述導體材料中。
29.權利要求27的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便在所述導體中引入具有相對于膜厚而言的大晶粒尺寸和/或隨機取向晶粒的特定膜微結構。
30.權利要求27的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便將含有選自C、O、N、S、Cl的原子的分子碎片引入到所述導體材料中，從而增強純Cu上的抗電遷移能力。
31.權利要求27的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便在所述導體中引入具有相對于膜厚而言的大晶粒尺寸和/或隨機取向晶粒的特定膜微結構，從而增強非電鍍Cu上的電遷移性能。
32.權利要求27的工藝還包括在含有通常用來在粗糙表面上生產(chǎn)光滑平整的淀積物的試劑的浴液中進行電鍍的步驟。
33.權利要求32的工藝，其中導體深度對寬度的比率超過1。
34 權利要求32的工藝，其中通孔深度對寬度的比率超過1。
35.權利要求27的工藝還包括用含有通常用來淀積光亮、平整、可延展、或低應力淀積物的添加劑的溶液進行電鍍的步驟。
36.權利要求35的工藝，其中導體深度對寬度的比率超過1。
37.權利要求26的工藝，其中所述淀積步驟還包括使所述襯底的上表面與所述浴液的表面接觸的步驟。
38.權利要求37的工藝，其中所述淀積步驟還包括在所述浴液的所述表面上流動所述浴液的步驟。
39.權利要求26的工藝，其中所述淀積步驟還包括用杯狀電鍍池進行電鍍的步驟。
40.權利要求16的工藝還包括用電鍍?nèi)芤哼M行電鍍的步驟，此電鍍?nèi)芤汉秀~鹽、礦物酸和一個或更多個選自帶有水增溶原子團的有機硫化合物、可溶于浴液的高分子量含氧化合物、可溶于浴液的聚醚化合物、或也可能含有至少一個硫原子的可溶于浴液的有機氮化合物的添加劑。
41.權利要求40的工藝，其中所述電鍍?nèi)芤汉?0-300ppm的少量的氯離子。
42.權利要求40的工藝，其中所述Cu鹽是硫酸銅。
43.權利要求41的工藝，其中所述礦物酸是硫酸。
44.權利要求40的工藝，其中所述有機硫化合物至少帶有一個磺基。
45.權利要求40的工藝，其中所述有機硫化合物至少有二個鄰位的二價硫原子。
46.權利要求45的工藝，其中所述有機硫化合物至少有二個鄰位硫原子，并帶有至少一個端磺基。
47.權利要求40的工藝，其中所述有機硫化合物選自氫硫基丙烷磺酸、氫硫基乙酸、氫硫基苯并噻唑-S-丙烷磺酸、和亞乙基二硫代二丙基磺酸、二硫代氨基甲酸、所述化合物的堿金屬鹽、和所述化合物的胺鹽。
48.權利要求45的工藝，其中所述有機硫化合物的化學式為X-R1-(Sn)-R2-SO3H，其中R原子團相同或不同，并含有至少一個碳原子，X選自氫和磺基，n是2-5的整數(shù)。
49.權利要求40的工藝，其中所述含氧化合物選自聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、聚丙二醇和羧甲基纖維素。
50.權利要求40的工藝，其中所述有機氮化合物選自吡啶、取代吡啶、酰胺、季銨鹽、亞胺、酞菁、取代酞菁、吩嗪和內(nèi)酰胺。
51.一種在電子器件上制造具有無空洞無縫隙的導體的互連結構的工藝，它包含下列步驟在襯底上淀積絕緣材料，光刻確定并制作引線和/或通孔，其中將淀積互連導體材料，制作用作電鍍基底的導電層，在所述電鍍基底上制作圖形化光刻膠層，通過電鍍方法用含有添加劑的浴液淀積所述導體材料，以及清除所述圖形化光刻膠。
52.權利要求51的工藝，其中所述淀積步驟包括淀積Cu作為所述導體材料。
53.權利要求52的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便將少量含有選自C(小于2％重量)、O(小于1％重量)、N(小于1％重量)、S(小于1％重量)、Cl(小于1％重量)的原子的原子和/或分子碎片引入到所述導體材料中。
54.權利要求52的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便在所述導體中引入具有相對于膜厚而言的大晶粒尺寸和/或隨機取向晶粒的特定膜微結構。
55.權利要求52的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便將含有選自C、O、N、S、Cl的原子的分子碎片引入到所述導體材料中，從而增強純Cu上的抗電遷移能力。
56.權利要求52的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便在所述導體中引入具有相對于膜厚而言的大晶粒尺寸和/或隨機取向晶粒的特定膜微結構，從而增強非電鍍Cu上的電遷移性能。
57.權利要求52的工藝還包括用含有通常用來在粗糙表面上生產(chǎn)光滑平整的淀積物的試劑的浴液進行電鍍的步驟。
58.權利要求57的工藝，其中導體深度對寬度的比率超過1。
59.權利要求57的工藝，其中通孔深度對寬度的比率超過1。
60.權利要求52的工藝還包括用含有通常用來淀積光亮、平整、可延展、或低應力的淀積物的添加劑的溶液進行電鍍的步驟。
61.權利要求60的工藝，其中導體深度對寬度的比率超過1。
62.權利要求51的工藝，其中所述淀積步驟還包括使所述襯底的上表面與所述浴液的表面接觸的步驟。
63.權利要求62的工藝，其中所述淀積步驟還包括在所述浴液的所述表面上流動所述浴液的步驟。
64.權利要求51的工藝，其中所述淀積步驟還包括用杯狀電鍍池進行電鍍的步驟。
65.權利要求51的工藝還包括用電鍍?nèi)芤哼M行電鍍的步驟，此電鍍?nèi)芤汉秀~鹽、礦物酸和一個或更多個選自帶有水增溶原子團的有機硫化合物、可溶于浴液的高分子量含氧化合物、可溶于浴液的聚醚化合物、或也可能含有至少一個硫原子的可溶于浴液的有機氮化合物的添加劑。
66.權利要求65的工藝，其中所述電鍍?nèi)芤汉?0-300ppm的少量的氯離子。
67.權利要求65的工藝，其中所述Cu鹽是硫酸銅。
68.權利要求65的工藝，其中所述礦物酸是硫酸。
69.權利要求65的工藝，其中所述有機硫化合物至少帶有一個磺基。
70.權利要求65的工藝，其中所述有機硫化合物至少有二個鄰位二價硫原子。
71.權利要求70的工藝，其中所述有機硫化合物至少有二個鄰位硫原子，并帶有至少一個端磺基。
72.權利要求65的工藝，其中所述有機硫化合物選自氫硫基丙烷磺酸、氫硫基乙酸、氫硫基苯并噻唑-S-丙烷磺酸、和亞乙基二硫代二丙基磺酸、二硫代氨基甲酸、所述化合物的堿金屬鹽、和所述化合物的胺鹽。
73.權利要求65的工藝，其中所述有機硫化合物的化學式為X-R1-(Sn)-R2-SO3H，其中R原子團相同或不同，并含有至少一個碳原子，X選自氫和磺基，n是2-5的整數(shù)。
74.權利要求65的工藝，其中所述含氧化合物選自聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、聚丙二醇和羧甲基纖維素。
75.權利要求65的工藝，其中所述有機氮化合物選自吡啶、取代吡啶、酰胺、季銨鹽、亞胺、酞菁、取代酞菁、吩嗪和內(nèi)酰胺。
76.一種在電子器件上制造互連結構的工藝，它包含下列步驟在具有絕緣區(qū)和導電區(qū)的襯底上淀積引晶層，用含有添加劑的浴液在所述引晶層上制作導體材料覆蓋層，在所述覆蓋層上制作圖形化光刻膠層，清除未被所述圖形化光刻膠覆蓋處的所述導體材料，以及清除所述圖形化光刻膠。
77.權利要求76的工藝，其中所述淀積步驟包括淀積Cu作為所述導體材料。
78.權利要求77的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便將少量含有選自C(小于2％重量)、O(小于1％重量)、N(小于1％重量)、S(小于1％重量)、Cl(小于1％重量)的原子的原子和/或分子碎片引入到所述導體材料中。
79.權利要求77的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便在所述導體中引入具有相對于膜厚而言的大晶粒尺寸和/或隨機取向晶粒的特定膜微結構。
80.權利要求77的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便將含有選自C、O、N、S、Cl的原子的分子碎片引入到所述導體材料中，從而增強純Cu上的抗電遷移能力。
81.權利要求77的工藝還包括將添加劑加入到所述浴液中的步驟，以便在所述導體中引入具有相對于膜厚而言的大晶粒尺寸和/或隨機取向晶粒的特定膜微結構，從而增強非電鍍Cu上的電遷移性能。
82.權利要求77的工藝還包括用含有通常用來在粗糙表面上生產(chǎn)光滑平整的淀積物的試劑的浴液進行電鍍的步驟。
83.權利要求82的工藝，其中導體深度對寬度的比率超過1。
84.權利要求82的工藝，其中通孔深度對寬度的比率超過1。
85.權利要求77的工藝還包括用含有通常用來淀積光亮、平整、可延展、或低應力的淀積物的添加劑的溶液進行電鍍的步驟。
86.權利要求85的工藝，其中導體深度對寬度的比率超過1。
87.權利要求76的工藝，其中所述淀積步驟還包括使所述襯底的上表面與所述浴液的表面接觸的步驟。
88.權利要求87的工藝，其中所述淀積步驟還包括在所述浴液的所述表面處流動所述浴液的步驟。
89.權利要求76的工藝，其中所述淀積步驟還包括用杯狀電鍍池進行電鍍的步驟。
90.權利要求76的工藝還包括用電鍍?nèi)芤哼M行電鍍的步驟，此電鍍?nèi)芤汉秀~鹽、礦物酸和一個或更多個選自帶有水增溶原子團的有機硫化合物、可溶于浴液的高分子量含氧化合物、可溶于浴液的聚醚化合物、或也可能含有至少一個硫原子的可溶于浴液的有機氮化合物的添加劑。
91.權利要求90的工藝，其中所述電鍍?nèi)芤汉?0-300ppm的少量的氯離子。
92.權利要求90的工藝，其中所述Cu鹽是硫酸銅。
93.權利要求90的工藝，其中所述礦物酸是硫酸。
94.權利要求90的工藝，其中所述有機硫化合物至少帶有一個磺基。
95.權利要求90的工藝，其中所述有機硫化合物至少有二個鄰位二價硫原子。
96.權利要求95的工藝，其中所述有機硫化合物至少有二個鄰位硫原子，并帶有至少一個端磺基。
97.權利要求90的工藝，其中所述有機硫化合物選自氫硫基丙烷磺酸、氫硫基乙酸、氫硫基苯并噻唑-S-丙烷磺酸、和亞乙基二硫代二丙基磺酸、二硫代氨基甲酸、所述化合物的堿金屬鹽、和所述化合物的胺鹽。
98.權利要求90的工藝，其中所述有機硫化合物的化學式為X-R1-(Sn)-R2-SO3H，其中R原子團相同或不同，并含有至少一個碳原子，X選自氫和磺基，n是2-5的整數(shù)。
99.權利要求90的工藝，其中所述含氧化合物選自聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、聚丙二醇和羧甲基纖維素。
100.權利要求90的工藝，其中所述有機氮化合物選自吡啶、取代吡啶、酰胺、季銨鹽、亞胺、酞菁、取代酞菁、吩嗪和內(nèi)酰胺。
101.一種用于電子器件上的互連中的導體，它包含通過電鍍方法用含有添加劑的浴液制作的Cu，在所述Cu中，包括少量選自C(小于2％重量)、O(小于1％重量)、N(小于1％重量)、S(小于1％重量)、Cl(小于1％重量)的材料。
102.權利要求101的導體還具有相對于膜厚而言的大晶粒尺寸和/或隨機取向晶粒的特定膜微結構。
103.權利要求101的導體，其中所述少量材料包括原子和/或分子碎片。
104.權利要求101的導體，其中所述導體具有等于或大于1.0eV的電遷移激活能，還包括具有相對于膜厚而言的大晶粒尺寸和/或隨機取向晶粒的特定膜微結構，從而增強了非電鍍Cu上的電遷移性能。
105.一種用于電子器件上的互連中的導體，它包含具有基本上平坦的上表面并在其中具有凹槽圖形的介質(zhì)層，所述凹槽在所述上表面處的寬度小于1微米，用在含有添加劑的浴液中進行電鍍得到的連續(xù)金屬，填充所述凹槽，所述金屬包含銅。
106.權利要求105的導體，其中所述凹槽的深度對寬度的比率等于或大于1。
107.權利要求105的導體，其中所述凹槽在所述介質(zhì)層上的所述凹槽上具有導電層，以用作電鍍基底。
108.權利要求105的導體還包括所述凹槽中所述導電層與所述介質(zhì)層之間的金屬襯里。
全文摘要
描述了一種制造集成電路芯片的亞微米互連結構的工藝。借助于含有添加劑且通常用來淀積平整光亮的可延展的低應力Cu金屬的浴液電鍍Cu,得到了無空洞和無縫隙的導體。此方法極好地填充圖形而不留下空洞或縫隙的能力是獨一無二的且優(yōu)越于其它淀積方法。
文檔編號H01L23/52GK1242107SQ96180571
公開日2000年1月19日 申請日期1996年12月16日 優(yōu)先權日1996年12月16日
發(fā)明者派納約提斯·C·安德里卡可斯, 哈里克利亞·德里吉安尼, 約翰·O·杜可威克, 威爾瑪·J·霍爾凱斯, 塞普萊恩·E·尤佐, 黃洸漢, 胡朝坤, 丹尼爾·C·艾德爾斯坦恩, 肯尼思·P·羅得貝爾, 杰弗瑞·L·哈得 申請人:國際商業(yè)機器公司