[发明专利]对电镀添加剂的监视

说明书

相关申请案交叉参考

本申请案请求对在2009年8月3日提出申请且标题为“对电镀添加剂的监视(MONITORING OF ELECTROPLATING ADDITIVES)”的第12/462,354号美国专利申请案的优先权，所述申请案出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及集成电路制作领域，明确地说涉及测量和监视电镀溶液中的有机添加剂的浓度的系统和方法。

背景技术

集成电路通过众所周知的工艺和材料而形成于晶片上。这些工艺通常包含通过溅镀、金属有机分解、化学气相沉积、等离子气相沉积和其它技术来沉积薄膜层。通过各种众所周知的蚀刻技术和后续沉积步骤来处理这些层以提供完成的集成电路。

集成电路的重要组件为互连个别电路的布线或金属化层。常规金属沉积技术包含物理气相沉积(例如，溅镀和蒸发)和化学气相沉积技术。集成电路制造者还已开发了用以在半导体衬底上沉积主要导体膜的电解和无电极电镀技术。

布线层在传统上含有铝和多个与铝兼容的其它金属层。1997年左右，新的技术促进了从铝布线层到铜布线层的转变。此技术需要针对镶嵌的工艺架构和双镶嵌架构的对应改变以及新的工艺技术。

视电路架构的需要，通过最初在晶片中形成沟槽和其它嵌入式特征来产生铜镶嵌和双镶嵌电路。通过常规光刻工艺在不导电衬底(例如，氧化硅)中形成这些沟槽和嵌入式特征。通常，接下来沉积(例如)氮化硅或钽的阻挡层。接着，通过常规物理或气相沉积技术沉积初始籽晶或预镀层(例如，具有约5纳米(nm)到200nm的厚度的铜或钌层)。所述籽晶层用作用以传导用于电镀较厚膜的电流的基本层。较薄籽晶层优选地减小极小特征因来自所述籽晶层的金属的悬伸和封闭。所述籽晶层充当电镀池的初始阴极。晶片的电触点通常制作于其边缘处。

在电镀工艺中，一般期望尽可能均匀地控制所沉积金属的厚度轮廓。均匀轮廓在后续回蚀或抛光移除步骤中以及在通孔和沟槽的均匀无空隙填充中是有利的。现有技术电镀技术易于发生厚度不规则。促成这些不规则的因素包含电镀池的大小和形状、电解液耗尽效应、热边缘效应和端子效应。

常规电镀浴槽通常含有将与酸溶液中的相关联阴离子一起电镀的金属。通常使用溶解于硫酸的水溶液中的CuSO₄和氯化物来执行铜电镀。在DC电镀中，例如加速剂、抑制剂和整平剂等添加剂通常包含于电解电镀溶液中以通过增强化学反应、改善表面沉积、改善厚度均匀性和增强高纵横比特征的填充(以及其它方式)来改善电镀行为。硫酸提供电解液的高导电性，且氯离子增强添加剂性能。

经过所属领域的技术人员的设计选择，通常使用三种类型的电镀浴槽添加剂。抑制剂添加剂用以降低电流密度，且因此降低指定所施加电压下的晶片表面上的沉积速率。此允许晶片表面与高纵横比特征内部之间沉积速率不同，从而增强高纵横比特征的无空隙填充。典型的抑制剂为大分子(通常具有在约从2,000到6,000的范围内的平均分子量(MW))，其增加表面极化层并防止铜离子易于吸附到表面上。因此，抑制剂充当阻断剂。抑制剂致使表面的电阻相对于电镀浴槽极高。使抑制剂有效可需要痕量级的氯离子或其它离子。

加速剂添加剂在高纵横比特征内累积以相对于受抑制场增加局部电流密度且因此有助于无空隙填充。加速剂添加剂通常是加速电镀反应的催化剂。加速剂通常是通常含有硫的相当小分子(例如，300MW)，且所述加速剂无需为离子形式。加速剂吸附到表面上并增加电流的流动。加速剂可不以直接添加到电镀浴槽的物质的形式出现，而是以此些分子的分解产物出现。在任一情况下，加速剂的净效应为增加电流流动并在此些物质存在或通过化学分解而存在时加速反应。

存在用以改善总体沉积平面度和增加后续CMP处理的容易度的整平剂添加剂。整平剂的行为类似于抑制剂，但往往比抑制剂更具电化学活性(即，更易于以电化学方式进行转换)。在电镀期间通常消耗整平剂。整平剂往往抑制经历电镀的表面的凸起区域上的电镀，因此，往往使经电镀表面平坦。

在常规电镀溶液中，添加剂组份经设计以为沟槽和通孔的自底向上填充以及经填充特征上方的电镀的平面化提供理想特性。有机添加剂以通常以百万分率(ppm)测量的低浓度存在于电镀溶液中。必须严密控制有机添加剂的所述低浓度以实现所沉积金属的所要沉积行为和所要性质。