U. Cohen, G. Tzanavaras, Jets Technology, Santa Clara, Californi

Jet電化學沉積電鍍(electrochemical deposition plating)對於以無孔洞(void-free)填銅到非常高深寬比(aspect ratios)的狹縫口，已經展現出極好的能力。JECD促進快速電鍍，並在較高的速度下具有完全明亮的沉積物。額外的整平物(leveler)不需要添加劑和脈衝電鍍對於消除尖狀物、凸塊物或丘狀物。JECD同時也提供好的製程容忍度(process latitude)。在本文中我們建議一個增加抑制的模型，用來解釋JECD的機制和有利的效果。我們同時也報導一個創新的多重銅種晶層，結合至少一種PVD和一種CVD銅金屬層。

未來銅導線世代將會需要以無孔洞方式，填進具有高深寬比(?0：1)的極窄(?.10mm)和極深(?.0mm)的通孔和溝槽。由於電化學沉積(ECD)可以在合理的速度下，達成以無孔洞填進狹窄開口的能力，這也是現在經常被選擇用來作為填銅的技術。然而為了擴展ECD的技術，從現在0.18～0.25mm的最小填充開口，一直到未來需要低於0.10～0.13mm的開口，ECD和種晶層這兩種技術必須克服相當大的挑戰。
由於在開口頂端的角落具有高電場，而且區域電流密度(和電鍍速度)在頂端角落是較高的，導致頂端角落位置快速成長和縮口(pinching-off)。同時，電鍍期間在開口內具有相當多停滯的電解液，而其中包括大部份被消耗掉和補充不良的的電鍍離子在裡面。這個現象導致開口內的電鍍速率比外面慢。而消耗現象以開口底部較嚴重，接近頂端角落位置反而較不嚴重。電鍍離子的濃度梯度造成沿著開口深度產生濃度極化和電鍍速率降低現象。這些電鍍本身的問題，已經隨著開口的寬度減少和增加深寬比(AR)而日趨嚴重。
商品化的電鍍槽，例如酸性硫酸銅槽，包括專屬的表面活化明亮物或整平添加劑。這些有機化合物以官能化的硫或氮基團組成，吸附在沉積金屬表面的成長位置，因此可抑制或阻隔金屬的沉積速率。吸附與結合抑制作用會導致沉積金屬產生較小的顆粒，因此可生成較光滑明亮的沉積物。整平作用可從伸進擴散層的突出物，其尖端上面的高濃度抑制物得到，因此可抑制它們的成長。正如其結果，抑制現象和表面平坦處比起來，在突出物的地方是要強許多。
在許多相同的方式中，狹窄開口內有相當多的停滯電解液，在抑制處則是具有較差的補充功能，導致降低抑制效果和在開口內快速成長。比較開口內部時，抑制現象在開口頂端角落和頂部外在表面區域是較強烈的。相對整個區域而言，降低狹縫開口內部的抑制現象，會在該處加速電鍍速率，因此促進以無孔洞填充具有高深寬比的狹縫開口。
為了達到以無孔洞填入狹縫開口，抑制梯度有利效果必須克服原本就會形成孔洞的某些因素，例如，由圖三a)在頂端角落具有較高的電流密度，和圖三b)由於該處電鍍離子的濃度梯度，導致電鍍速率沿著開口深度減慢。
當開口變窄、深寬比更大時，無孔洞ECD填充變得更加難以控制。例如所使用的添加劑濃度範圍或電鍍速率，都會變為非常棘手，而且也很難控制製程容忍度。同時，電鍍速率通常是非常慢的，大約是0.3～0.4mm/min，因此必須限制住單晶圓電鍍模組的產出率。除此之外，被電鍍的晶圓由於它們表面的粗糙度，通常會造成灰暗或半灰暗色澤。這些粗糙度降低了化學機械研磨(CMP)步驟的保證。
此處我們所報導使用Jet ECD(JECD)作為無孔洞填銅的方法，提出傳統ECD製程的缺點。由幾個模型和模擬，已經藉由在出現添加劑的ECD下所進行超填充(superfilling)的現象提出解釋。在此我們建議一個增強抑制的模型，去解釋JECD在超填充機制的有利效果。

#P#傳統PVD和CVD種晶層的挑戰
傳統銅金屬種晶層，可藉由物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)技術長成，同時也遇到一些值得注意的缺點。儘管PVD的技術提供頂層區域足夠的銅金屬厚度，但是經常無法完全提供非常狹窄開口內的側邊階梯覆蓋(step coverage)。在開口側邊或底部的不連續階梯覆蓋會導致孔洞生成。
另一方面，儘管CVD技術在非常狹窄的開口內以覆蓋均勻(conformal)的種晶層提供足夠的階梯覆蓋，但是經常未能在開口上方外面區域提供足夠的厚度。適當的表面傳導，對在上方區域的充分厚銅種晶層而言是需要的。為了達到晶圓上的無孔洞填充製程，以及晶圓上良好的電鍍均勻度，優良的表面傳導性是必要的。為了降低開始電鍍步驟時沿著半徑出現的降電壓，銅種晶層在該區域上的厚度將達到至少1,000埃。然而，在該區域設計至少沉積1,000埃的種晶層時，在小於0.18mm開口用CVD或無電解技術，其頂端角落會產生縮口，因此未能留下足夠的空間給ECD步驟。

#P#Jet ECD
圖一顯示Jets Technology電鍍槽中的陽極/噴口組件。在電鍍時，晶圓是以很小的距離(約1吋)面對陽極/噴口組件。為了改善均勻度，晶圓或陽極/噴口組件必須旋轉。晶圓和陽極/噴口組件兩者同時浸泡在電解液中。晶圓位置可以擺成垂直或水平，而正面也可朝上或朝下。
Jets的影響在於引起晶圓表面極強烈的振動場面，也因此而有意義的降低擴散層的厚度。強烈的振動促進電鍍速率的提昇，而且沒有加劇沉積的發生。我們發現在沒有出現任何負面的效應下，我們能夠安全的增加電鍍速率到2.8mm/min (這個值大約高於典型電鍍速率0.35mm/min的8倍)。我們同時也觀察到增加電鍍速率會讓表面變為更光亮。

#F#圖一:Jets Technology電鍍槽內的陽極/發亮組件(美國專利5,421,987)。

在2.8mm/min這樣的速率下，晶圓開始出現完全的光亮度。然而出現此現象，也是種晶層的功能之一。
圖二顯示一個優於傳統ECD設備廠商的電鍍晶圓，經由原子力顯微鏡(AFM)測試軌跡結果的圖片。這段軌跡是描述一個從平坦區域到另一個0.35 / 0.35mm線寬/隔距的溝槽陣列的過渡狀態。晶圓被電鍍成為1.5mm的正常厚度。必須注意到在這過渡區域中，具有最大尖端(～520nm)和一個高階梯狀(～250nm)。

#F#圖二:以傳統電鍍工具所電鍍的晶圓AFM圖案，顯示大區域到0.35
mm的隔距和線寬過渡態。在邊界有突出物和一個補償值。

為了做一個比較，圖三a和三b顯示以不同電鍍速率，由JECD設備所電鍍的分開樣品圖片。儘管較低電鍍速率(圖三a)顯示在區域/陣列邊界具有一個140nm的落差，但在高速率(圖三b)下電鍍的樣品，則顯示出整個結果是無過度落差的現象。

#F#圖三:分開樣品的SEM照片，顯示電鍍樣品在 a)15mA/cm (0.35mm/min)和 b)120mA/cm (2.mm/min)，從大區域到溝槽陣列的過渡態。

JECD電鍍樣品的表面粗糙度同樣可以用電鍍速率來改善。AFM在低電流(15mA/cm2)下測試樣品的平均表面粗糙度(Ra)是11.2nm，高電流(120mA/cm2)下則僅是7.3nm。值得重視的是，JECD電鍍並不需要一個第三成份「整平」有機添加劑，或者為了消除一般常在ECD電鍍內發生的尖端和落差現象，需要使用複雜脈衝或週期性的逆向脈衝電鍍。一般而言，整平添加劑極其複雜，需要對電解槽進行分析和控制。它同時也會得到頂端中心孔洞和較大線寬的填充不良現象。特別是脈衝電鍍、週期性的逆向(PR)電鍍，都會減少產出率和進一步的複雜必要控制。它同時也會出現較大的凸塊、較粗糙的表面和對電鍍銅膜有較長的自退火(self-anneal)時間。

#P#電鍍抑制模型
圖四建議一個抑制模型以電鍍速率去解釋亮度的增加。在低電流密度(15mA/cm2)下，僅有一個小的抑制劑(DC15)在晶圓介面處。正如其結果一般，在成長突出物和平坦表面之間具有很小甚至是沒有抑制的區隔。由於在平坦介面之前具有較高濃度的電鍍離子。造成突出物(在超過臨界尺寸之後)能夠連續比平坦表面有更快的成長速率。這個會導致突出物的增幅作用和表面粗糙化。

#F#圖四:明亮化機制的抑制模型。當上部份對於相同電流密度下，所顯示抑制劑濃度圖案的示意圖時，則較低部份為顯示(中間)不同電流密度下的突出物。

在高電鍍速率下，高電流密度(105mA/cm2)下(平坦)晶圓介面的抑制劑引起大量的消耗(DeltaC105>> DeltaC15)。值得注意的是，由成長突出物的尖端可看出抑制劑比平坦表面區域具有更高的濃度。突出物延伸到擴散層是可藉由平坦介面之前具有較高濃度的抑制劑所阻止(或抑制)。換言之，當電流密度在平坦表面增加時，可看出抑制劑具有較深的消耗(或低濃度)，因此相對突出物而言，是在增強它的沉積速率。在較高的電流密度下對突出物的增強消耗，會導致產生更平滑和更明亮的沉積物。
通常會遇到地形所產生的凸塊，是由在開口之上，進入較大突起物的個別微小凸塊聚集所造成。在缺乏有效的整平化之下，由於在平坦區域之前，它們遇到具有較高濃度的電鍍離子，因此聚集的突起物會連續增加，並且比平坦區域成長還要快速。我們也發現可使用JECD來減少開口的寬度、減小微凸塊的尺寸，和從上開口到上隔距的經常局部偏移。這個發現駁斥任何「修正」效應，在填充開口上的電鍍速率和開口內的電鍍速率極相似，甚至已經被填充之後還是如此。當電流增加時，可降低或消除凸塊和突出物，因此整平化便成為更普遍的現象。
對於整平化最重要的因素(對於所給予的添加劑化學和它們的總濃度)是創造出高濃度的梯度跨過擴散層(DCinh/DX)。這可藉由增加電流密度(更大的DCinh)，或藉由Jets所產生的劇烈振動(更小的DX)達到。
對於狹溝槽或通孔(超填充)的無孔洞填充機制，或許可以在當突出物抑制逆向時被發現。為了讓頂端平坦表面(區域)比開口內有更好的抑制效果，因此較高濃度的抑制劑、Cinh，必須出現在大區域處而不是在開口內部。換言之，它們在大區域和開口之間必須要有大的DCinh。儘管Jets在平坦表面(區域)產生劇烈振動，但當溶液進入到狹縫開口時，事實上它們是不會移動的。正如其結果，Jets降低了相當大的擴散層厚度、DX，因此增加了供給到這個區域的抑制劑，它也依次的在此減慢電鍍速率。
同時，由於停滯現象和少量進入開口的溶液體積，造成該處電鍍消耗和抑制劑的減少。減少現象是建立在延著開口側壁(深度)的抑制劑濃度梯度，並且在底部造成最大的消耗量。也因此最大的電鍍速率是建立在開口底部，並且從