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KR20230146586A - Electrolyte and Cobalt Electrodeposition Method - Google Patents

Electrolyte and Cobalt Electrodeposition Method Download PDF

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KR20230146586A
KR20230146586A KR1020237031261A KR20237031261A KR20230146586A KR 20230146586 A KR20230146586 A KR 20230146586A KR 1020237031261 A KR1020237031261 A KR 1020237031261A KR 20237031261 A KR20237031261 A KR 20237031261A KR 20230146586 A KR20230146586 A KR 20230146586A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cobalt
electrolyte
deposition
acid
ppm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020237031261A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
헤르민 마리 버슨
미카일루 티암
도미니크 수어
예슬 김
셀린 파스칼 두소트
Original Assignee
맥더미드 엔쏜 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 맥더미드 엔쏜 인코포레이티드 filed Critical 맥더미드 엔쏜 인코포레이티드
Publication of KR20230146586A publication Critical patent/KR20230146586A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

본 발명은 코발트 상호연결부의 제조방법 및 이를 구현할 수 있는 전해질에 관한 것이다. pH 4.0 미만의 전해질은 코발트 이온, 염화물 이온, 및 알파-하이드록시 카르복실산 및 폴리에틸렌이민 또는 벤조트리아졸에서 선택된 아민을 포함하는 유기 첨가제를 포함한다.The present invention relates to a method for manufacturing cobalt interconnections and an electrolyte capable of implementing the same. The electrolyte below pH 4.0 includes cobalt ions, chloride ions, and organic additives including alpha-hydroxy carboxylic acids and amines selected from polyethyleneimine or benzotriazole.

Description

전해질 및 코발트 전착 방법Electrolyte and Cobalt Electrodeposition Method

본 발명은 전도성 표면의 코발트 전착에 관한 것이다. 더 정확하게는, 집적 회로에서 전기적 상호연결부를 제조하는 데 사용할 수 있는 전해질 및 코발트 전착 방법에 관한 것이다.The present invention relates to cobalt electrodeposition on conductive surfaces. More precisely, it relates to electrolytic and cobalt electrodeposition methods that can be used to fabricate electrical interconnections in integrated circuits.

선행기술Prior art

반도체 장치는 상이한 통합 수준과 두 가지 범주(장치 표면에서 실행되고 전자 부품을 연결하는 수십 나노미터 폭의 트렌치 및 상이한 수준을 연결하고 직경이 수백 나노미터 정도인 관통 비아)의 전도성 금속 상호연결부를 포함한다.Semiconductor devices contain conductive metal interconnects at different integration levels and in two categories: trenches tens of nanometers wide that run on the surface of the device and connect electronic components, and through vias that connect the different levels and are on the order of hundreds of nanometers in diameter. do.

상호연결부의 제조는 기판에 공동을 에칭하고, 공동 표면에 금속 시드층을 증착하여 전도성 금속으로 공동을 전기화학적으로 충전하는 후속 단계를 포함한다.Fabrication of the interconnect involves etching a cavity in the substrate and the subsequent steps of electrochemically filling the cavity with a conductive metal by depositing a metal seed layer on the cavity surface.

코발트로 상호연결부를 충전하는 종래의 방법은 코발트 염 및 수많은 유기 첨가제를 포함하는 전해질을 사용한다. 이 첨가제의 조합은 일반적으로 양질, 특히 물질 공극이 없고 우수한 전도성의 코발트 덩어리를 얻는 데 필요하다.Conventional methods for filling interconnects with cobalt use an electrolyte containing a cobalt salt and numerous organic additives. This combination of additives is necessary to obtain a cobalt mass of good quality in general, especially void-free material and good conductivity.

공동의 충전은 사용된 전해질의 조성에 따라 상향식 충전 또는 등각 충전이라는 두 가지 메커니즘을 따를 수 있다. 상향식 메커니즘에 의한 충전 방식은 중공 패턴의 바닥과 벽면에서 코발트 증착물이 동일한 속도로 성장하는 충전 방식과 반대이다.Charging of the cavity can follow two mechanisms, depending on the composition of the electrolyte used: bottom-up charging or conformal charging. The charging method by the bottom-up mechanism is the opposite of the charging method in which cobalt deposits grow at the same rate on the bottom and walls of the hollow pattern.

상향식 충전을 얻기 위해, 선행기술의 전해질은 억제제 및 촉진제를 포함한 여러 첨가제를 포함한다. 이러한 시스템은 충전 중에 코발트 증착물에 공극이 형성되는 것을 방지하고 공극 개구부가 조기에 폐쇄되는 것을 방지한다. 억제제는 공동의 상부 레벨, 벽면 및 공동이 열리는 기판의 평평한 표면에서 코발트의 증착을 제한하는 반면, 촉진제는 공동의 바닥에서 확산되어 코발트의 증착을 촉진한다. 공동의 바닥에서 코발트 증착 속도를 증가시킬 수 있기 때문에, 폭이 좁고 깊이가 큰 공동에는 촉진제의 존재가 더욱 필요하다.To achieve bottom-up charging, prior art electrolytes contain several additives, including inhibitors and accelerators. This system prevents voids from forming in the cobalt deposit during charging and prevents premature closure of void openings. The inhibitor limits the deposition of cobalt at the top level of the cavity, the walls and the flat surface of the substrate where the cavity opens, while the accelerator diffuses at the bottom of the cavity and promotes the deposition of cobalt. The presence of an accelerator is more necessary in narrow and deep cavities because it can increase the rate of cobalt deposition at the bottom of the cavity.

상향식 충전용으로 설계된 전착조는 제조된 전자 장치의 원활한 작동을 궁극적으로 제한하고 제조 비용이 너무 많이 드는 여러 단점을 갖는다. 이들은 실제로 충전 중에 코발트에 구멍이 형성되는 것을 제한하는 데 필요한 유기 첨가물로 오염된 코발트 상호연결부를 생성한다. 더욱이, 이 화학물질로 얻어진 충전 속도는 너무 느리고 산업 규모의 생산과 호환되지 않는다.Electrodeposition baths designed for bottom-up charging have several drawbacks that ultimately limit the smooth operation of the fabricated electronic devices and make them too expensive to manufacture. These actually create cobalt interconnects contaminated with organic additives needed to limit the formation of holes in the cobalt during charging. Moreover, the charging rates achieved with these chemicals are too slow and incompatible with industrial-scale production.

예를 들어, 출원 US 2016/0273117에서 전해질은 상향식 충전을 보장하기 위한 상보적 기능을 갖는 억제제 및 촉진제를 포함한 수많은 첨가제를 포함한다. 발명자들은 이 전해질로 증착된 코발트의 저항률이 매우 높으며 충전 중에 코발트에 구멍이 형성된다는 것을 발견하였다. 이것이 증착물을 제거하기 위해 증착물을 어닐링하는 것이 필요한 이유이다.For example, in application US 2016/0273117 the electrolyte contains numerous additives including inhibitors and accelerators with complementary functions to ensure upward charging. The inventors discovered that cobalt deposited with this electrolyte had a very high resistivity and that holes formed in the cobalt during charging. This is why it is necessary to anneal the deposits to remove them.

따라서, 특히 전도성과 관련하여 개선된 성능을 갖는 코발트 상호연결부를 유도하는 전해조를 제공할 필요가 있다. 이 목표를 얻기 위해서, 어닐링 단계가 없더라도 불순물 함량이 매우 낮고 물질 공극이 없는 코발트 증착물을 생성하는 것이 바람직하다. 코발트에 구멍이 형성되는 것을 방지하면서 충분히 높은 증착 속도에 도달하여 장치 제조에 수익성을 제공할 수 있는 전해질을 제안하는 것도 바람직하다.Accordingly, there is a need to provide an electrolyzer that leads to cobalt interconnects with improved performance, particularly with regard to conductivity. To achieve this goal, it is desirable to produce a cobalt deposit with very low impurity content and no material voids, even without an annealing step. It would also be desirable to propose an electrolyte that could reach sufficiently high deposition rates to make device fabrication profitable while preventing the formation of holes in the cobalt.

발명자들은 알파-하이드록시 카르복실산 및 폴리에틸렌이민 또는 벤조트리아졸과 같은 질소 화합물의 조합이 이 요구를 충족한다는 것을 발견하였다.The inventors have discovered that a combination of an alpha-hydroxy carboxylic acid and a nitrogen compound such as polyethyleneimine or benzotriazole meets this need.

알파-하이드록시 카르복실산은 확실히, 예를 들어 출원 WO 2019/179897에서와 같이, 코발트 증착을 위한 전기화학적 방법에 이미 사용되었지만, 이 방법은 증착물의 어닐링 부재 시 금속에 구멍이 남아 있는 단부에서 등각 충전 메커니즘을 뒤따른다.Alpha-hydroxy carboxylic acids have certainly already been used in electrochemical methods for cobalt deposition, as for example in application WO 2019/179897, but this method involves forming a conformal process at the ends leaving pores in the metal in the absence of annealing of the deposit. A charging mechanism follows.

따라서, 본 발명은 코발트 II, 염화물 이온, 알파-히드록시 카르복실산, 및 폴리에틸렌이민과 벤조트리아졸 중에서 선택된 첨가제를 포함하는, 1.8 내지 4.0으로 구성되는 pH의 전해질을 사용하는 공동의 상향식 충전에 의해 코발트 상호연결부를 생성하는 방법에 관한 것이다.Accordingly, the present invention relates to the bottom-up filling of cavities using an electrolyte with a pH comprised between 1.8 and 4.0, comprising cobalt II, chloride ions, alpha-hydroxy carboxylic acid, and additives selected from polyethyleneimine and benzotriazole. A method of creating a cobalt interconnect is provided.

더 정확하게는, 본 발명은 1 내지 5 g/L의 코발트 II 이온, 1 내지 10 g/L의 염화물 이온, 1.8 내지 4.0으로 구성되는 pH를 얻기에 충분한 양의 강산, 및 알파-하이드록시 카르복실산 및 이들의 혼합물로부터 선택된 적어도 하나의 제1 첨가제 및 폴리에틸렌이민 및 벤조트리아졸로부터 선택된 적어도 하나의 제2 첨가제를 포함하는 유기 첨가제를 포함하는 수용액 형태의 코발트 전착용 전해질에 관한 것이다.More precisely, the present invention relates to 1 to 5 g/L of cobalt II ions, 1 to 10 g/L of chloride ions, a strong acid in an amount sufficient to obtain a pH consisting of 1.8 to 4.0, and alpha-hydroxy carboxyl It relates to an electrolyte for cobalt electrodeposition in the form of an aqueous solution comprising an organic additive including at least one first additive selected from acids and mixtures thereof and at least one second additive selected from polyethyleneimine and benzotriazole.

본 발명의 전해질은 생산 지속기간이 선행기술보다 짧을 수 있는 고순도의 연속적인 코발트 증착물을 얻을 수 있게 해준다.The electrolyte of the present invention allows obtaining high purity, continuous cobalt deposits whose production duration can be shorter than that of the prior art.

실제로, 종래 방법의 충전 동역학은 구멍의 형성을 방지하기 위해 더 느려야 하며, 구멍이 형성될 때 방법은 어닐링 단계를 포함해야 한다. 더욱이, 이 방법은 코발트 전착의 두 가지 별개의 단계, 즉 상당히 느린 속도로 공동의 충전을 수행하는 단계 및 전체 기판 표면에 소위 "과부하 층"을 증착하기 위해 코발트 이온을 포함하는 제2 전해질을 사용하는 전착의 제2 단계를 포함할 수 있다.In practice, the filling kinetics of conventional methods must be slower to prevent the formation of holes, and the method must include an annealing step when holes are formed. Moreover, this method involves two distinct steps of cobalt electrodeposition: performing charging of the cavities at a fairly slow rate and using a second electrolyte containing cobalt ions to deposit a so-called “overload layer” over the entire substrate surface. It may include a second step of electrodeposition.

본 발명의 방법은 단일 전착 단계에서 공동의 충전 및 과부하 층의 증착을 수행하는 것을 가능하게 하는 이점이 있다. 이는 또한 과부하 층의 화학적 및 기계적 공격을 결합하는 연마 단계를 수행하기 전에 코발트 증착물을 어닐링하는 것을 방지하는 것을 가능하게 한다.The method of the invention has the advantage of making it possible to carry out the filling of the cavities and the deposition of the overburden layer in a single electrodeposition step. This also makes it possible to avoid annealing the cobalt deposit before performing the polishing step, which combines chemical and mechanical attack of the overburden layer.

또한, 본 발명의 맥락에서 생성된 코발트 증착물은 매우 낮은 양의 불순물, 바람직하게는 1000 원자ppm 미만을 갖는 상호연결부를 형성하는 이점을 갖는다.Additionally, the cobalt deposits produced in the context of the present invention have the advantage of forming interconnects with very low amounts of impurities, preferably less than 1000 atomic ppm.

"전해질"은 전착 방법에 사용되는 금속 코팅의 전구체를 포함하는 액체를 의미한다.“Electrolyte” means a liquid containing the precursor of a metal coating used in an electrodeposition process.

"연속 충전"이란 공극이 없는 코발트 덩어리를 의미한다. 선행기술에서, 공동 및 코발트 증착물의 벽면(측벽 공극)과 시임 형태로 공동의 벽으로부터 일정 거리에 위치한 구멍 사이의 코발트 증착물에서 재료 구멍 또는 공극이 관찰될 수 있다. 이 공극은 구조물의 단면을 만들어 투과 또는 주사 전자 현미경으로 관찰되고 정량화될 수 있다. 본 발명의 연속 증착물은 부피 기준으로 10% 미만, 바람직하게는 부피 기준으로 5% 이하의 평균 공극률을 갖는다. 충전될 구조물 내의 공극률은 50,000~350,000 배율의 주사 전자 현미경으로 측정될 수 있다.“Continuous charge” means a mass of cobalt without voids. In the prior art, material pores or voids can be observed in the cobalt deposit between the walls of the cavity and the cobalt deposit (side wall voids) and the pores located at a distance from the wall of the cavity in the form of a seam. These voids can be observed and quantified using transmission or scanning electron microscopy by creating a cross-section of the structure. The continuous deposit of the present invention has an average porosity of less than 10% by volume, preferably less than 5% by volume. The porosity within the structure to be filled can be measured with a scanning electron microscope at a magnification of 50,000 to 350,000.

공동의 "평균 직경" 또는 "평균 폭"은 충전될 공동의 개구부에서 측정된 치수를 의미한다. 공동은, 예를 들어, 원통형 또는 플레어형 채널 형태이다.“Average diameter” or “average width” of a cavity means the dimension measured at the opening of the cavity to be filled. The cavity is for example in the form of a cylindrical or flared channel.

도 1은 본 발명의 실시예 1의 시험 1의 방법에 따라 충전된 공동의 투과 전자 현미경 슬라이드이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 시험 3의 방법에 따라 충전된 공동의 주사 전자 현미경 슬라이드이다.
도 3은 선행기술의 전착법에 따라 충전된 공동의 주사 전자 현미경 슬라이드이다(비교예 4).
Figure 1 is a transmission electron microscope slide of a cavity filled according to the method of Test 1 of Example 1 of the present invention.
Figure 2 is a scanning electron microscope slide of a cavity filled according to the method of Test 3 of Example 1 of the present invention.
Figure 3 is a scanning electron microscope slide of a cavity filled according to a prior art electrodeposition method (Comparative Example 4).

제1 구현예에 따르면, 본 발명은, 전해질이 1 내지 5 g/L의 코발트 II 이온, 1 내지 10 g/L의 염화물 이온, 1.8 내지 4.0으로 구성되는 pH를 얻기에 충분한 양의 강산, 및 알파-하이드록시 카르복실산 및 이들의 혼합물로부터 선택된 적어도 하나의 제1 첨가제 및 폴리에틸렌이민 및 벤조트리아졸로부터 선택된 적어도 하나의 제2 첨가제를 포함하는 유기 첨가제를 포함하는 수용액인 것을 특징으로 하는 코발트 전착용 전해질에 관한 것이다.According to a first embodiment, the present invention provides an electrolyte comprising 1 to 5 g/L of cobalt II ions, 1 to 10 g/L of chloride ions, a strong acid in an amount sufficient to obtain a pH of 1.8 to 4.0, and A cobalt solution comprising an organic additive comprising at least one first additive selected from alpha-hydroxy carboxylic acids and mixtures thereof and at least one second additive selected from polyethyleneimine and benzotriazole. It's about wearing electrolytes.

코발트 II 이온의 질량 농도는 1 g/L 내지 5 g/L, 예를 들어 2 g/L 내지 3 g/L 범위일 수 있다. 염화물 이온의 질량 농도는 1 g/L 내지 10 g/L 범위일 수 있다.The mass concentration of cobalt II ions may range from 1 g/L to 5 g/L, for example from 2 g/L to 3 g/L. The mass concentration of chloride ions may range from 1 g/L to 10 g/L.

염화코발트 또는 염화코발트 6수화물과 같은 수화물 염 중 하나를 물에 용해시켜 염화물 이온을 도입할 수 있다.Chloride ions can be introduced by dissolving cobalt chloride or one of the hydrate salts, such as cobalt chloride hexahydrate, in water.

전해질은 바람직하게는 최대 두 가지의 유기 첨가제를 포함하며, 이들 첨가제는 제1 및 제2 첨가제이다.The electrolyte preferably contains at most two organic additives, these additives being the first and second additives.

전해질에 포함된 모든 유기 첨가제는 황이 없는 것이 바람직하다. 예를 들어, 알파-하이드록시 카르복실산은 바람직하게는 무황이다.All organic additives included in the electrolyte are preferably sulfur-free. For example, alpha-hydroxy carboxylic acids are preferably sulfur-free.

전해질은 임의의 황 화합물을 포함하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 황 화합물은 우리가 피하고자 하는 코발트 증착물의 황 오염을 생성하기 때문에, 조성물은 바람직하게는 황산코발트와 같은 코발트 염 또는 이의 수화물 중 하나를 용해시켜 얻어지지 않는다.It is preferred that the electrolyte does not contain any sulfur compounds. Additionally, the composition is preferably not obtained by dissolving cobalt salts, such as cobalt sulfate, or one of its hydrates, since sulfur compounds produce sulfur contamination of the cobalt deposits, which we wish to avoid.

전해질 내의 유기 첨가제의 총 농도는 바람직하게는 5 ppm 내지 50 ppm으로 구성된다.The total concentration of organic additives in the electrolyte preferably consists of 5 ppm to 50 ppm.

제1 첨가제의 농도는 바람직하게는 5 내지 200 ppm으로 구성되고, 제2 첨가제의 농도는 바람직하게는 1 내지 10 ppm으로 구성된다.The concentration of the first additive is preferably 5 to 200 ppm, and the concentration of the second additive is preferably 1 to 10 ppm.

제1 첨가제는, 예를 들어, 시트르산, 타르타르산, 말산, 만델산 및 글리세르산으로부터 선택된다.The first additive is selected from, for example, citric acid, tartaric acid, malic acid, mandelic acid and glyceric acid.

본 발명의 특정 구현예에서, 알파-히드록시 카르복실산은 타르타르산이다.In certain embodiments of the invention, the alpha-hydroxy carboxylic acid is tartaric acid.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 제2 아민 첨가제는 선형 또는 분지형 폴리(에틸렌이민) 단독중합체 또는 공중합체이다. 폴리(에틸렌이민)은 산의 형태로 존재하며, 아민 관능기의 일부 또는 전부가 양성자화된다.According to one embodiment of the invention, the secondary amine additive is a linear or branched poly(ethyleneimine) homopolymer or copolymer. Poly(ethyleneimine) exists in acid form, and some or all of the amine functional groups are protonated.

예를 들어, 500 g/mol 내지 25,000 g/mol로 구성된 수평균 분자량 Mn을 갖는 선형 폴리(에틸렌이민)이 선택될 것이다.For example, a linear poly(ethyleneimine) with a number average molecular weight Mn consisting of 500 g/mol to 25,000 g/mol would be selected.

1차 아민, 2차 아민 및 3차 아민 관능기를 포함하는 500 g/mol 내지 70,000 g/L로 구성된 수평균 분자량 Mn을 갖는 분지형 폴리(에틸렌이민)이 또한 선택될 수 있다.Branched poly(ethyleneimines) with a number average molecular weight Mn consisting of 500 g/mol to 70,000 g/L comprising primary amine, secondary amine and tertiary amine functionalities may also be selected.

따라서, 폴리(에틸렌이민)은, 예를 들어 500 g/mol 내지 700 g/mol로 구성된 수평균 분자량 Mn, 바람직하게는 700 g/mol에서 900 g/mol로 구성된 중량 평균 분자량 Mw을 갖는, CAS 번호 25987-06-8의 폴리(에틸렌이민)일 수 있다.Thus, the poly(ethyleneimine) has, for example, a number average molecular weight Mn consisting of 500 g/mol to 700 g/mol, preferably a weight average molecular weight Mw consisting of 700 g/mol to 900 g/mol. It may be poly(ethyleneimine) with number 25987-06-8.

이러한 폴리(에틸렌이민)은 Sigma-Aldrich company에서 판매하는 참조번호 408719로 존재한다.This poly(ethyleneimine) is sold by the Sigma-Aldrich company under reference number 408719.

폴리(에틸렌이민)은 또한, 예를 들어 500 내지 700 g/mol로 구성된 수평균 분자량 Mn을 갖는, CAS 번호 9002-98-6의 폴리(에틸렌이민)일 수 있다. 이러한 폴리(에틸렌이민)은 Polysciences, Inc.에서 판매하는 참조번호 02371로 존재한다.The poly(ethyleneimine) may also be, for example, poly(ethyleneimine) of CAS number 9002-98-6, with a number average molecular weight Mn consisting of 500 to 700 g/mol. This poly(ethyleneimine) is sold by Polysciences, Inc. under reference number 02371.

수평균 분자량 및 중량 평균 분자량은 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 또는 광산란(LS)과 같은 당업자에게 알려진 종래의 방법에 의해 서로 독립적으로 측정될 수 있다.Number average molecular weight and weight average molecular weight can be measured independently of each other by conventional methods known to those skilled in the art, such as gel permeation chromatography (GPC) or light scattering (LS).

본 발명의 일 구현예에 따르면, 아민은 벤조트리아졸이다.According to one embodiment of the present invention, the amine is benzotriazole.

전해질의 pH는 바람직하게는 1.8 내지 4.0으로 구성된다.The pH of the electrolyte is preferably comprised between 1.8 and 4.0.

특정 구현예에서, pH는 1.8과 2.6으로 구성된다.In certain embodiments, the pH consists of 1.8 and 2.6.

조성물의 pH는 당업자에게 알려진 염기 또는 산으로 선택적으로 조정될 수 있다. 사용되는 산은 염산일 수 있다. 전해질은, 예를 들어 붕산과 같은 완충 화합물을 함유하지 않을 수 있다. 바람직하게는, 전해질은 붕산을 포함하지 않는다.The pH of the composition can optionally be adjusted with bases or acids known to those skilled in the art. The acid used may be hydrochloric acid. The electrolyte may not contain buffering compounds, such as boric acid, for example. Preferably, the electrolyte does not contain boric acid.

(용액의 활성종을 충분히 용해시키고 전착을 방해하지 않는다면) 용매의 성질에 대해 원칙적으로 제한은 없지만, 전해질은 바람직하게는 물일 것이다. 일 구현예에 따르면, 용매는 대부분 부피 기준으로 물을 포함한다.There is no limitation in principle as to the nature of the solvent (provided it sufficiently dissolves the active species in the solution and does not interfere with electrodeposition), but the electrolyte will preferably be water. According to one embodiment, the solvent comprises mostly water by volume.

전해질의 전도도는 바람직하게는 2 mS/cm 내지 10 mS/cm로 구성된다.The conductivity of the electrolyte is preferably comprised between 2 mS/cm and 10 mS/cm.

본 발명은 또한 평평한 부분과 공동을 포함하는 전도성 표면이 제공된 기판에 상기 공동을 상향식으로 충전함으로써 증착하는 전기화학적 방법에 관한 것이며, 상기 방법은,The invention also relates to an electrochemical method for depositing a substrate provided with a conductive surface comprising flat portions and cavities by filling the cavities from the bottom up, the method comprising:

- 전도성 표면을 전술한 설명에 따른 전해질과 접촉시키는 단계,- contacting the conductive surface with an electrolyte according to the preceding description;

- 표면에 코발트 증착을 수행하기에 충분한 지속기간 동안 전도성 표면을 분극시키는 전기적 단계를 포함한다.- and an electrical step of polarizing the conductive surface for a period of time sufficient to effect cobalt deposition on the surface.

하나의 유리한 구현예에서, 지속기간은 50 nm 내지 400 nm 범위의 두께를 갖는 코발트 증착물에 의한 공동의 충전 및 전도성 표면의 평평한 부품의 코팅을 수행하기에 충분하다.In one advantageous embodiment, the duration is sufficient to effect coating of flat parts of the conductive surface and filling of the cavities with a cobalt deposit having a thickness ranging from 50 nm to 400 nm.

하나의 유리한 변형에서, 분극 단계의 종료 시에 얻어지는 코발트 증착물을 어닐링하는 단계를 수행할 필요가 없으므로, 분극 단계는 분극 단계의 종료 시에 얻어지는 코발트 증착물의 화학적 및 기계적 공격을 조합(기계화학적이라고도 함)하는 연마 단계가 즉시 뒤따른다. 따라서, 일 구현예에 따르면, 본 발명의 증착법은In one advantageous variant, there is no need to perform a step of annealing the cobalt deposits obtained at the end of the polarization step, so that the polarization step combines chemical and mechanical attack (also called mechanochemical) of the cobalt deposits obtained at the end of the polarization step. ) immediately follows the polishing step. Therefore, according to one embodiment, the deposition method of the present invention

- 전도성 표면을 전술한 설명에 따른 전해질과 접촉시키는 단계,- contacting the conductive surface with an electrolyte according to the preceding description;

- 공동을 충전하고 선택적으로 전도성 표면의 평평한 부분을 코팅하는 코발트 증착물을 형성하기에 충분한 지속기간 동안 전도성 표면과 전해질을 분극시키는 단계,- polarizing the conductive surface and the electrolyte for a period of time sufficient to form a cobalt deposit that fills the cavities and optionally coats flat portions of the conductive surface;

- 50℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서 증착물의 사전 어닐링 처리를 수행하지 않고, 코발트 증착물의 화학적 및 기계적 공격을 조합하는 연마 단계- A polishing step that combines chemical and mechanical attack on the cobalt deposit without performing a prior annealing treatment of the deposit at a temperature ranging from 50° C. to 500° C.

를 포함한다.Includes.

본 발명의 전해질 존재 하의 분극 단계는 평평한 표면을 커버하지 않고 공동을 충전하는 데 필요한 만큼 오랫동안 지속될 수 있다. 이 경우, 증착법은 본 발명의 전해질 이외의 전해질을 사용하여 제2 코발트 증착물이 형성되는 동안 제2 분극 단계를 포함할 수 있다.The polarization step in the presence of the electrolyte of the present invention can last as long as necessary to fill the cavity without covering a flat surface. In this case, the deposition method may include a second polarization step while the second cobalt deposit is formed using an electrolyte other than the electrolyte of the present invention.

대안적으로, 본 발명의 전해질 존재 하의 분극 단계는 공동을 충전하고 평평한 표면을 코팅하는 데 필요한 만큼 오랫동안 지속될 수 있으며, 평평한 표면 위의 코발트 증착물의 두께는 적어도 20 nm이다.Alternatively, the polarization step in the presence of the electrolyte of the present invention can be continued for as long as necessary to fill the cavities and coat the flat surface, with the thickness of the cobalt deposit on the flat surface being at least 20 nm.

평평한 표면을 코팅하는 코발트 증착물 부분(과부하 층이라고도 함)은 50 nm 내지 400 nm로 구성된 두께를 가질 수 있다. 전체 기판 표면에 걸쳐 일정한 두께를 갖는 것이 유리하다. 층은 또한 균질하고 반짝이며 컴팩트하다.The portion of the cobalt deposit that coats the flat surface (also referred to as the overburden layer) may have a thickness comprised between 50 nm and 400 nm. It is advantageous to have a consistent thickness across the entire substrate surface. The layer is also homogeneous, shiny and compact.

특정 조건 하에서, 본 발명의 방법은 선행기술의 "등각" 방법과 대조되는 소위 "상향식" 방법이다. 이 경우, 코발트 증착 속도는 벽면보다 공동의 바닥에서 더 높다.Under certain conditions, the method of the present invention is a so-called “bottom-up” method, in contrast to the “conformal” methods of the prior art. In this case, the cobalt deposition rate is higher at the bottom of the cavity than at the walls.

분극 단계의 종료 시에 얻어지는 코발트 증착물은 1000 원자ppm 미만의 불순물 함량을 갖는 것이 유리하다. 주된 불순물은 산소이고, 탄소와 질소가 뒤따른다. 총 탄소 및 질소 함량은 바람직하게는 300 ppm 미만이다.The cobalt deposit obtained at the end of the polarization step advantageously has an impurity content of less than 1000 atomic ppm. The main impurity is oxygen, followed by carbon and nitrogen. The total carbon and nitrogen content is preferably less than 300 ppm.

전착 단계의 종료 시에 얻어지는 코발트 증착물은 50℃ 내지 500℃, 바람직하게는 150℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서 열처리를 거치지 않으면서, 부피 또는 면적 기준으로 10% 미만, 바람직하게는 부피 또는 면적 기준으로 5% 이하의 공극률을 포함하는 점에서, 유리하게 연속적이다.The cobalt deposit obtained at the end of the electrodeposition step is less than 10% by volume or area, preferably by volume or area, without undergoing heat treatment at a temperature in the range of 50° C. to 500° C., preferably 150° C. to 500° C. It is advantageously continuous in that it contains a porosity of 5% or less.

코발트 증착물의 공극률은 당업자에게 알려진 전자 현미경 관찰로 측정될 수 있으며, 당업자는 가장 적절해 보이는 방법을 선택할 것이다. 이 방법 중 하나는 50,000 내지 350,000으로 구성된 배율을 사용하는 주사 전자 현미경(SEM) 또는 투과 전자 현미경(TEM)일 수 있다. 공극 부피는 충전된 공동을 포함하는 기판의 하나 이상의 단면에 걸쳐 관찰된 공극 면적을 측정하여 평가될 수 있다. 여러 단면에 걸쳐 여러 영역을 측정하는 경우, 이 영역의 평균을 계산하여 공극 부피를 평가한다.The porosity of the cobalt deposit can be measured by electron microscopy as is known to those skilled in the art, and the skilled person will select the method that seems most appropriate. One of these methods can be scanning electron microscopy (SEM) or transmission electron microscopy (TEM) using magnifications ranging from 50,000 to 350,000. Pore volume can be assessed by measuring the observed void area across one or more cross-sections of the substrate containing filled cavities. When measuring multiple areas across multiple cross sections, calculate the average of these areas to estimate the void volume.

매우 낮은 공극률과 조합된 낮은 불순물 함량은 저항률이 감소된 코발트 증착물을 얻을 수 있게 한다. 또한, 분극 단계의 종료 시에 얻어지는 코발트 증착물의 저항률은 50℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서 열처리를 거치지 않으면서 30 μΩ.cm 미만일 수 있다.Low impurity content combined with very low porosity makes it possible to obtain cobalt deposits with reduced resistivity. Additionally, the resistivity of the cobalt deposit obtained at the end of the polarization step may be less than 30 μΩ.cm without heat treatment at a temperature ranging from 50° C. to 500° C.

코발트 증착 속도는 0.1 nm/s 내지 3.0 nm/s, 바람직하게는 1.0 nm/s 내지 3.0 nm/s, 더 바람직하게는 1 nm/s 내지 2.5 nm/s일 수 있다.The cobalt deposition rate may be 0.1 nm/s to 3.0 nm/s, preferably 1.0 nm/s to 3.0 nm/s, more preferably 1 nm/s to 2.5 nm/s.

충전될 공동은 일련의 단계를 포함하는 당업자에게 알려진 다마신 또는 이중 다마신 방법에 따라 형성될 수 있으며, 방법은, - 실리콘 웨이퍼의 상부 부분에 트렌치를 에칭하는 단계; - 에칭된 표면에 일반적으로 실리콘 산화물로 구성된 절연 유전층을 증착하는 단계; - 코발트가 실리콘으로 이동하는 것을 방지하는 데 사용되는 장벽재료의 얇은 층을 증착하는 단계; - 선택적으로 시드층이라고 불리는 얇은 금속층을 증착하는 단계를 포함한다.The cavity to be filled can be formed according to the damascene or dual damascene method known to the person skilled in the art, comprising a series of steps: etching a trench in the upper part of the silicon wafer; - depositing on the etched surface an insulating dielectric layer, generally consisting of silicon oxide; - depositing a thin layer of barrier material used to prevent cobalt from migrating into the silicon; - optionally depositing a thin metal layer called a seed layer.

장벽층과 시드층은 일반적으로, 서로 독립적으로, 1 nm 내지 10 nm로 구성된 두께를 갖는다.The barrier layer and the seed layer generally, independently of each other, have a thickness comprised of 1 nm to 10 nm.

전해질과 접촉하는 전도성 표면은, 예를 들어 코발트, 구리, 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 루테늄, 니켈, 질화티타늄 및 질화탄탈륨으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 화합물을 포함하는 금속층의 표면이다.The conductive surface in contact with the electrolyte is, for example, the surface of a metal layer comprising at least one compound selected from the group consisting of cobalt, copper, tungsten, titanium, tantalum, ruthenium, nickel, titanium nitride and tantalum nitride.

기판의 전도성 표면은 1 nm 내지 6 nm로 구성된 두께의 질화탄탈륨 층을 포함하는 조립체의 표면이며, 그 자체로 커버되고, 전기적 단계 동안 코발트가 증착될 1 nm 내지 10 nm, 바람직하게는 2 nm 내지 5 nm로 구성된 금속 코발트 층과 접촉할 수 있다.The conductive surface of the substrate is the surface of the assembly comprising a layer of tantalum nitride with a thickness of 1 nm to 6 nm, covered with itself, and 1 nm to 10 nm, preferably 2 nm to 2 nm, onto which cobalt will be deposited during the electrical step. It can be contacted with a layer of metallic cobalt consisting of 5 nm.

따라서, 기판은 SiO2, 질화탄탈륨 및 코발트의 연속 증착으로 얻을 수 있다. 코발트는 화학기상증착(CVD) 또는 원자층 증착(ALD)을 통해 질화탄탈륨 상에 증착될 수 있다.Therefore, the substrate can be obtained by sequential deposition of SiO 2 , tantalum nitride, and cobalt. Cobalt can be deposited on tantalum nitride via chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD).

금속층 및 코발트 증착물을 포함하는 조립체의 저항률은 7 내지 10 ohm/cm 범위일 수 있다. 저항률은 바람직하게는 7.5 내지 8.5 ohm/cm로 구성된다.The resistivity of the assembly including the metal layer and cobalt deposit may range from 7 to 10 ohm/cm. The resistivity is preferably comprised between 7.5 and 8.5 ohm/cm.

본 발명의 방법에 따라 코발트로 충전되도록 설계된 공동은 바람직하게는 100 nm 미만, 바람직하게는 10 내지 50 nm로 구성된 개구부(즉, 기판 표면)에서의 폭을 갖는다. 깊이는 50 내지 250 nm 범위일 수 있다. 일 구현예에 따르면, 이들은 30 nm 내지 50 nm, 바람직하게는 35 nm 내지 45 nm로 구성된 폭, 및 125 nm 내지 175 nm로 구성된 깊이를 갖는다.Cavities designed to be filled with cobalt according to the method of the invention preferably have a width at the opening (i.e. at the substrate surface) of less than 100 nm, preferably between 10 and 50 nm. The depth may range from 50 to 250 nm. According to one embodiment, they have a width comprised between 30 nm and 50 nm, preferably between 35 nm and 45 nm, and a depth comprised between 125 nm and 175 nm.

전기적 단계에서 사용되는 분극의 강도는 바람직하게는 2 mA/cm2 내지 20 mA/cm2 범위이다. 코발트 증착 속도는 분극 전류의 강도가 8.5 mA/cm2 내지 18.5 mA/cm2 범위일 때 0.1 nm/s 내지 3.0 nm/s로 구성되며, 이는 이 전류 범위에서 훨씬 더 낮은 속도가 관찰되는 선행기술의 방법과 비교하여 매우 유리하다.The intensity of polarization used in the electrical step preferably ranges from 2 mA/cm 2 to 20 mA/cm 2 . Cobalt deposition rates range from 0.1 nm/s to 3.0 nm/s when the intensity of the polarization current ranges from 8.5 mA/cm 2 to 18.5 mA/cm 2 , compared to the prior art where much lower rates are observed in this current range. It is very advantageous compared to the method of.

본 발명의 방법의 전기적 분극 단계는 단일 또는 여러 상이한 분극 모드 단계를 포함할 수 있다.The electrical polarization step of the method of the present invention may comprise a single or several different polarization mode steps.

전도성 표면은 분극 전이나 분극 후에 전해질과 접촉될 수 있다. 전해질에 의한 표면 부식을 제한하기 위해, 전원을 공급하기 전에 공동과의 접촉을 완료하는 것이 바람직하다.The conductive surface may be in contact with the electrolyte before or after polarization. To limit surface corrosion by the electrolyte, it is desirable to complete contact with the cavity before applying power.

전기적 단계는 램프 모드, 정전류 모드 및 갈바노 펄스 모드로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 분극 모드를 사용하여 수행될 수 있다.The electrical step may be performed using at least one polarization mode selected from the group consisting of ramp mode, constant current mode, and galvano pulse mode.

예를 들어, 전기적 단계는 바람직하게는 10초 내지 100초로 구성된 지속기간 동안 0 mA/cm2 내지 10 mA/cm2의 전류 범위의 램프 모드에서 하나 이상의 캐소드 분극 단계를 포함한다.For example, the electrical step preferably comprises one or more cathode polarization steps in ramp mode with a current ranging from 0 mA/cm 2 to 10 mA/cm 2 for a duration consisting of 10 seconds to 100 seconds.

전기적 단계는 5 mA/cm2 내지 20 mA/cm2 범위의 전류를 이용하는 정전류 모드에서 하나 이상의 분극 단계를 포함할 수도 있다.The electrical step may include one or more polarization steps in constant current mode using currents ranging from 5 mA/cm 2 to 20 mA/cm 2 .

일 실시예에 따르면, 전기적 단계는 바람직하게는 0 mA/cm2 내지 10 mA/cm2 범위의 전류를 이용하는 램프 모드에서 캐소드를 분극하는 적어도 하나의 단계, 이어서 5 mA/cm2 내지 20 mA/cm2의 전류를 부과함으로써 정전류 모드의 단계를 포함한다.According to one embodiment, the electrical step preferably includes at least one step of polarizing the cathode in ramp mode using a current in the range of 0 mA/cm 2 to 10 mA/cm 2 , followed by 5 mA/cm 2 to 20 mA/cm 2 It involves the step of constant current mode by imposing a current of cm 2 .

본 발명의 방법은 전술된 충전 종료 시에 얻어지는 코발트 증착물을 어닐링하는 단계를 포함할 수 있지만, 유리하게는 이 단계를 갖지 않는다. 어닐링 열 처리는 일반적으로 350℃ 내지 550℃로 구성된, 예를 들어 약 450℃의 온도에서, 바람직하게는 N2 중의 4% H2와 같은 환원 가스 하에서 수행된다.The method of the invention may, but advantageously does not have, a step of annealing the cobalt deposit obtained at the end of the charge described above. The annealing heat treatment is generally carried out at a temperature comprised between 350° C. and 550° C., for example about 450° C., preferably under a reducing gas such as 4% H 2 in N 2 .

방법은 기판의 전도성 표면에 존재하는 자연 금속 산화물을 환원시키기 위해 환원 플라즈마로 처리하는 예비 단계를 포함할 수 있다. 플라즈마는 또한 트렌치 표면에 작용하여 시드층과 전착된 코발트 사이의 인터페이스 품질을 향상시킨다. 자연 산화물의 재형성을 최소화하기 위해 플라즈마 처리 직후에 전착 단계를 수행하는 것이 바람직하다.The method may include a preliminary step of treatment with a reducing plasma to reduce native metal oxides present on the conductive surface of the substrate. The plasma also acts on the trench surface to improve the quality of the interface between the seed layer and the electrodeposited cobalt. It is desirable to perform the electrodeposition step immediately after plasma treatment to minimize reformation of native oxide.

본 발명의 방법은 특히 표면에 연장된 트렌치 및 상이한 집적 레벨을 연결하는 비아와 같은 전도성 금속 상호연결부를 생성할 때 반도체 장치의 제조에 적용된다.The method of the present invention has particular application in the fabrication of semiconductor devices when creating conductive metal interconnects such as trenches extending on the surface and vias connecting different integration levels.

본 발명은 하기 실시예에 의해 추가로 예시된다.The invention is further illustrated by the following examples.

실시예 1: 알파-하이드록시 카르복실산과 폴리에틸렌이민을 포함하는 용액을 갖는 40 nm의 폭, 150 nm의 깊이의 구조물에 대한 pH=2.2에서의 전착Example 1: Electrodeposition at pH=2.2 on a 40 nm wide, 150 nm deep structure with a solution containing alpha-hydroxy carboxylic acid and polyethyleneimine.

트렌치는 코발트 시드층에 코발트를 전착하여 충전된다. 증착은 pH 2.2에서 이염화코발트, 알파-하이드록시 카르복실산 및 폴리에틸렌이민(PEI)을 포함하는 조성물을 사용하여 수행된다.The trench is filled by electrodepositing cobalt on the cobalt seed layer. Deposition is carried out using a composition comprising cobalt dichloride, alpha-hydroxy carboxylic acid and polyethyleneimine (PEI) at pH 2.2.

A. 재료 및 장비 A. Materials and Equipment

기판Board

이 예에 사용된 기판은 3.3 x 3.3 cm 크기의 트렌치 에칭된 실리콘 쿠폰으로 구성되었으며, 이 쿠폰은 산화 실리콘 층, 2 nm 두께의 TaN 층 및 3 nm 두께의 금속 코발트 층으로 연속적으로 코팅되었다. 기판의 저항률은 평방당 약 600 ohm이다. 충전될 공동의 폭은 개구부에서 40 nm이고 깊이는 150 nm이다.The substrate used in this example consisted of a trench-etched silicon coupon measuring 3.3 x 3.3 cm, which was successively coated with a layer of silicon oxide, a 2 nm thick layer of TaN, and a 3 nm thick layer of metallic cobalt. The resistivity of the substrate is approximately 600 ohm per square. The width of the cavity to be filled is 40 nm and the depth is 150 nm at the opening.

전착 용액:Electrodeposition solution:

이 용액에서, Co2+ 농도는 CoCl2(H2O)6에서 얻어진 2.3 g/L이다. 타르타르산은 15 ppm의 농도를 갖는다. PEI는 5 ppm의 농도를 갖는다. 용액의 pH는 염산을 첨가하여 2.2로 조정된다.In this solution, the Co 2+ concentration is 2.3 g/L, obtained in CoCl 2 (H 2 O) 6 . Tartaric acid has a concentration of 15 ppm. PEI has a concentration of 5 ppm. The pH of the solution is adjusted to 2.2 by adding hydrochloric acid.

장비:equipment:

이 예에서, 전해 증착 장비는 두 가지, 즉, 시스템의 유체 역학을 제어하기 위해 유체 재순환 시스템이 장착된 전착 용액 장비를 포함하도록 설계된 셀 및 사용된 쿠폰 크기(3.3 cm x 3.3 cm)에 맞게 조정된 샘플 홀더가 장착된 회전 전극 장비로 구성되어 사용된다. 전해 증착 셀은 2개의 전극, 즉,In this example, the electrolytic deposition equipment was designed to accommodate two components: a cell designed to contain an electrodeposition solution equipment equipped with a fluid recirculation system to control the hydrodynamics of the system, and tailored to the coupon size used (3.3 cm x 3.3 cm). It consists of a rotating electrode equipment equipped with a sample holder. The electrolytic deposition cell consists of two electrodes, viz.

- 코발트 애노드- cobalt anode

- 캐소드를 구성하는, 전술된 층으로 코팅된 구조화된 실리콘 쿠폰- Structured silicon coupon coated with the above-described layer, constituting the cathode

을 가졌다.had

- 기준은 애노드에 연결된다.- The reference is connected to the anode.

커넥터는 최대 20 V 또는 2 A를 제공하는 포탠시오스태트에 전선으로 연결된 전극의 전기적 접촉을 가능하게 했다.The connector allowed electrical contact of electrodes connected by wires to a potentiostat providing up to 20 V or 2 A.

B.B. 실험 프로토콜:Experimental Protocol:

전기적 방법:Electrical method:

상이한 전기적 방법을 적용하여 시험 1, 시험 2, 시험 3으로 명명한 세 가지의 시험이 수행된다. 세 가지 방법은 하기 단계 중에서 2개, 3개 또는 5개의 단계가 포함되었다.Three tests, named Test 1, Test 2, and Test 3, are performed by applying different electrical methods. The three methods included two, three, or five of the following steps.

a) "냉간 입력": 전착 용액을 전해 증착 셀에 붓는다. 상이한 전극을 제자리에 놓고 분극 없이 전착 용액에 접촉시킨다. 이어서 분극이 적용된다.a) “Cold Input”: Electrodeposition solution is poured into the electrolytic deposition cell. The different electrodes are placed in place and brought into contact with the electrodeposition solution without polarization. Polarization is then applied.

b) 제2 단계에서, 캐소드는 0 mA 내지 30 mA(또는 3.8 mA/cm2)의 전류 범위에서 갈바노역학적 램프 모드로 분극된다. 이 단계는 65 rpm의 회전으로 3초 동안 수행된다.b) In the second stage, the cathode is polarized in galvanodynamic ramp mode in the current range from 0 mA to 30 mA (or 3.8 mA/cm 2 ). This step is performed for 3 seconds with a rotation of 65 rpm.

c) 제3 단계에서, 캐소드는 30 mA(또는 3.8 mA/cm2) 내지 60 mA(또는 7.6 mA/cm2)의 전류 범위에서 갈바노역학적 램프 모드로 분극된다. 이 단계는 65 rpm의 회전으로 55초 동안 수행된다.c) In the third step, the cathode is polarized in galvanodynamic ramp mode in the current range from 30 mA (or 3.8 mA/cm 2 ) to 60 mA (or 7.6 mA/cm 2 ). This step is performed for 55 seconds with a rotation of 65 rpm.

d) 제4 단계에서, 캐소드는 60 mA(또는 7.6 mA/cm2) 내지 130 mA(16.5 mA/cm²)의 전류 범위, 예를 들어 60 mA(또는 3.8 mA/cm2) 내지 90 mA(11.4 mA/cm²)의 전류 범위에서 갈바노역학적 램프 모드로 분극된다. 이 단계는 65 rpm의 회전으로 7초 동안 수행된다.d) In the fourth stage, the cathode is subjected to a current ranging from 60 mA (or 7.6 mA/cm 2 ) to 130 mA (16.5 mA/cm²), for example from 60 mA (or 3.8 mA/cm 2 ) to 90 mA (11.4 mA). It is polarized in a galvanodynamic ramp mode in the current range of mA/cm²). This step is performed for 7 seconds with a rotation of 65 rpm.

e) 마지막 단계에서, 캐소드는 90 mA(11.4 mA/cm2) 내지 130 mA(16.5 mA/cm²), 예를 들어 90 mA(11.4 mA/cm²)의 전류 범위에서 정전류 모드로 분극된다. 이 단계는 65 rpm 또는 100 rpm의 회전으로 수행되며 40 내지 150초 동안 지속된다.e) In the final step, the cathode is polarized in constant current mode in the current range from 90 mA (11.4 mA/cm 2 ) to 130 mA (16.5 mA/cm²), for example 90 mA (11.4 mA/cm²). This step is performed at a rotation of 65 rpm or 100 rpm and lasts between 40 and 150 seconds.

제1 전기적 프로토콜(시험 1)은 세 가지 단계, 즉, 단계 a), 단계 b) 및 단계 c)를 포함하였다.The first electrical protocol (Test 1) included three steps: step a), step b) and step c).

제2 전기적 프로토콜(시험 2)은 다섯 가지 단계, 즉, 단계 a) 내지 단계 e)를 포함하였다. 단계 e) 동안, 캐소드는 100 rpm의 회전으로 40초 동안 90 mA(11.4 mA/cm²)에서 정전류 모드로 분극되었다.The second electrical protocol (Test 2) included five steps: steps a) through e). During step e), the cathode was polarized in constant current mode at 90 mA (11.4 mA/cm²) for 40 s with a rotation of 100 rpm.

제3 전기적 프로토콜(시험 3)은 두 가지 단계, 즉, 단계 a) 및 단계 e)를 포함하였다. 단계 e) 동안, 캐소드는 65 rpm의 회전으로 133초 동안 90 mA(11.4 mA/cm²)에서 정전류 모드로 분극되었다.The third electrical protocol (Test 3) included two steps: step a) and step e). During step e), the cathode was polarized in constant current mode at 90 mA (11.4 mA/cm²) for 133 seconds with a rotation of 65 rpm.

C.C. 얻어진 결과:Results obtained:

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 시험 1에서 얻어진 금속화 기판의 투과 전자 현미경(TEM)에 의한 분석은 상향식 증착 메커니즘을 반영하여 바닥부터 시작하여 트렌치의 부분적 충전을 나타낸다. 더욱이 구조물에는 구멍(시임 공극)이 없다.As can be seen in Figure 1, analysis by transmission electron microscopy (TEM) of the metallized substrate obtained in Test 1 shows partial filling of the trench starting from the bottom, reflecting a bottom-up deposition mechanism. Moreover, there are no holes (seam gaps) in the structure.

시험 2에서, 주사 전자 현미경(SEM)에 의한 분석은 양호한 코발트 결정핵 생성을 반영하는 트렌치 벽에 구멍(측벽 공극)이 없고 어닐링 없이 최적의 상향식 충전을 반영하는 구조물에 구멍(시임 공극)이 없는 충전을 나타낸다.In Test 2, analysis by scanning electron microscopy (SEM) showed that there were no holes (sidewall voids) in the trench walls, reflecting good cobalt seeding, and no holes (seam voids) in the structure, reflecting optimal bottom-up filling without annealing. Indicates charging.

도 2는 시험 3의 주사 전자 현미경(SEM) 분석 결과의 슬라이드를 보여주며, 이는 양호한 코발트 결정핵 생성을 반영하는 트렌치 벽에 구멍(측벽 공극)이 없고 어닐링 없이 최적의 상향식 충전을 반영하는 구조물에 구멍(시임 공극)이 없는 충전을 나타낸다.Figure 2 shows a slide of the scanning electron microscopy (SEM) analysis results from Trial 3, showing that there are no holes (sidewall voids) in the trench walls, reflecting good cobalt seeding, and in the structure reflecting optimal bottom-up filling without annealing. Indicates filling without holes (seam voids).

실시예 2: 알파-하이드록시 카르복실산 및 벤조트리아졸을 포함하는 용액을 갖는 40 nm의 폭 및 150 nm의 깊이의 구조물에 대한 pH=2.2에서의 전착Example 2: Electrodeposition at pH=2.2 on structures 40 nm wide and 150 nm deep with solutions containing alpha-hydroxy carboxylic acid and benzotriazole

실시예 1의 트렌치와 동일한 트렌치는 pH 2.2에서 이염화코발트, 알파-하이드록시 카르복실산 및 벤조트리아졸을 포함하는 조성물을 사용하여 충전된다.A trench identical to that of Example 1 was filled using a composition comprising cobalt dichloride, alpha-hydroxy carboxylic acid, and benzotriazole at pH 2.2.

A.A. 재료 및 장비materials and equipment

기판Board

사용된 기판은 실시예 1의 기판과 완전히 동일하다.The substrate used was exactly the same as that of Example 1.

전착 용액:Electrodeposition solution:

이 용액에서, Co2+ 농도는 CoCl2(H2O)6에서 얻어진 2.3 g/L이다. 타르타르산은 15 ppm의 농도를 갖는다. 벤조트리아졸은 10 ppm의 농도를 갖는다. 용액의 pH는 염산을 첨가하여 2.2로 조정된다.In this solution, the Co 2+ concentration is 2.3 g/L, obtained in CoCl 2 (H 2 O) 6 . Tartaric acid has a concentration of 15 ppm. Benzotriazole has a concentration of 10 ppm. The pH of the solution is adjusted to 2.2 by adding hydrochloric acid.

장비:equipment:

장비는 실시예 1의 장비와 동일하다.The equipment is the same as that of Example 1.

B.B. 실험 프로토콜:Experimental Protocol:

전기적 방법:Electrical method:

전기적 방법은 실시예 1의 시험 2의 전기적 방법과 동일하며 다섯 가지 단계, 즉, 단계 a) 내지 단계 e)로 구성된다.The electrical method is the same as that of Test 2 of Example 1 and consists of five steps, namely steps a) to steps e).

C.C. 얻어진 결과:Results obtained:

주사 전자 현미경(SEM)에 의한 분석은 양호한 코발트 결정핵 생성을 반영하는 트렌치 벽에 구멍(측벽 공극)이 없고 어닐링 없이 최적의 상향식 충전을 반영하는 구조물에 구멍(시임 공극)이 없는 충전을 나타낸다.Analysis by scanning electron microscopy (SEM) shows filling with no holes (sidewall voids) in the trench walls, reflecting good cobalt nucleation, and no holes (seam voids) in the structure, reflecting optimal bottom-up filling without annealing.

비교예 3: 단일 유기 첨가제인 알파-하이드록시 카르복실산을 갖는 40 nm의 폭 및 150 nm의 깊이의 구조물에 대한 pH=2.2에서의 전착Comparative Example 3: Electrodeposition at pH=2.2 on structures 40 nm wide and 150 nm deep with alpha-hydroxy carboxylic acid as the single organic additive.

실시예 1의 트렌치와 동일한 트렌치는 pH 2.2에서 이염화코발트 및 알파-하이드록시 카르복실산을 포함하는 조성물을 사용하여 충전된다.A trench identical to that of Example 1 was filled using a composition comprising cobalt dichloride and alpha-hydroxy carboxylic acid at pH 2.2.

A.A. 재료 및 장비materials and equipment

기판Board

사용된 기판은 실시예 1의 기판과 완전히 동일하다. 전착 용액: The substrate used was exactly the same as that of Example 1. Electrodeposition solution:

이 용액에서, Co2+ 농도는 CoCl2(H2O)6에서 얻어진 2.3 g/L이다. 타르타르산은 15 ppm의 농도를 갖는다. 용액의 pH는 염산을 첨가하여 2.2로 조정된다.In this solution, the Co 2+ concentration is 2.3 g/L, obtained in CoCl 2 (H 2 O) 6 . Tartaric acid has a concentration of 15 ppm. The pH of the solution is adjusted to 2.2 by adding hydrochloric acid.

장비:equipment:

장비는 실시예 1의 장비와 동일하다.The equipment is the same as that of Example 1.

B.B. 실험 프로토콜:Experimental Protocol:

전기적 방법은 실시예 1의 시험 2의 전기적 방법과 동일하며 다섯 가지 단계, 즉, 단계 a) 내지 단계 e)로 구성된다.The electrical method is the same as that of Test 2 of Example 1 and consists of five steps, namely steps a) to steps e).

C.C. 얻어진 결과:Results obtained:

주사 전자 현미경(SEM)에 의한 분석은 구조물에 구멍(시임 공극)을 포함하는 충전을 나타내며, 이 구멍은, 지퍼와 유사하게, 구조물을 하단에서 상단으로 폐쇄하는 것에 의한 성장을 반영하는 구멍을 제거할 수 있는 추가 어닐링 단계를 필요로 한다.Analysis by scanning electron microscopy (SEM) reveals fillings containing pores (seam voids) in the structure, which, similar to a zipper, eliminate cavities reflecting growth by closing the structure from bottom to top. It requires an additional annealing step.

비교예 4: 선행기술의 전해질을 갖는 40 nm의 폭 및 150 nm의 깊이의 구조물의 전착Comparative Example 4: Electrodeposition of structures 40 nm wide and 150 nm deep with prior art electrolytes

실시예 1의 트렌치와 동일한 트렌치에서 코발트의 전착은 pH 4에서 황산코발트, 붕산, 티오요소 및 폴리에틸렌이민(PEI)을 포함하는 출원 US 2016/0273117 A1의 교시에 따라 선행기술의 조성물을 사용하여 수행된다.Electrodeposition of cobalt in the same trench as that of Example 1 was carried out using a prior art composition according to the teachings of application US 2016/0273117 A1 comprising cobalt sulfate, boric acid, thiourea and polyethyleneimine (PEI) at pH 4. do.

A.A. 재료 및 장비materials and equipment

기판Board

사용된 기판은 실시예 1의 기판과 완전히 동일하다.The substrate used was exactly the same as that of Example 1.

전착 용액:Electrodeposition solution:

이 용액에서, Co2+ 농도는 CoSO4에서 얻어진 2 g/L이다. 붕산은 20 g/L의 농도를 갖는다. 티오요소는 150 ppm의 농도를 갖는다. PEI는 10 ppm의 농도를 갖는다. 용액의 pH는 염산을 첨가하여 4로 조정된다.In this solution, the Co 2+ concentration is 2 g/L, obtained in CoSO 4 . Boric acid has a concentration of 20 g/L. Thiourea has a concentration of 150 ppm. PEI has a concentration of 10 ppm. The pH of the solution is adjusted to 4 by adding hydrochloric acid.

장비:equipment:

장비는 실시예 1의 장비와 동일하다.The equipment is the same as that of Example 1.

B.B. 실험 프로토콜:Experimental Protocol:

본 방법은 실시예 1의 시험 3의 방법과 동일하며 두 가지 단계, 즉, 단계 a) 및 단계 e)로 구성된다.This method is identical to the method of Test 3 of Example 1 and consists of two steps, namely step a) and step e).

C.C. 얻어진 결과:Results obtained:

도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 주사 전자 현미경(SEM)에 의한 분석은 어닐링이 없는 비최적의 상향식 충전을 반영하는 구조물 결함(시임 공극)을 갖는 충전을 나타낸다.As can be seen in Figure 3, analysis by scanning electron microscopy (SEM) shows filling with structural defects (seam voids) reflecting non-optimal bottom-up filling without annealing.

동시에, 실시예 1의 시험 3에서 얻어진 필름과 본 실시예에서 얻어진 필름의 분석을 통해 저항률을 비교할 수 있었다. 결과는 하기 표 1에 보고되어 있다.At the same time, the resistivity could be compared through analysis of the film obtained in Test 3 of Example 1 and the film obtained in this Example. The results are reported in Table 1 below.

실시예 1의 시험 3에서 증착된 필름의 저항률은 비교예 4의 저항률보다 우수하여 산업 수준에서 더욱 바람직하다. 낮은 저항률은 불순물이 적은 더 나은 필름 품질과 동일한 의미이다.The resistivity of the film deposited in Test 3 of Example 1 was superior to that of Comparative Example 4, making it more desirable at the industrial level. Lower resistivity equates to better film quality with fewer impurities.

Claims (18)

코발트의 전착용 전해질로서, 전해질은 1 내지 5 g/L의 코발트 II 이온, 1 내지 10 g/L의 염화물 이온, 1.8 내지 4.0으로 구성되는 pH를 얻기에 충분한 양의 강산, 및 알파-하이드록시 카르복실산 및 이들의 혼합물로부터 선택된 적어도 하나의 제1 첨가제 및 폴리에틸렌이민 및 벤조트리아졸로부터 선택된 적어도 하나의 제2 첨가제를 포함하는 유기 첨가제를 포함하는 수용액인 것을 특징으로 하는, 코발트의 전착용 전해질.An electrolyte for electrodeposition of cobalt, the electrolyte comprising 1 to 5 g/L of cobalt II ions, 1 to 10 g/L of chloride ions, a strong acid in an amount sufficient to obtain a pH consisting of 1.8 to 4.0, and alpha-hydroxy An electrolyte for electrodeposition of cobalt, characterized in that it is an aqueous solution containing an organic additive including at least one first additive selected from carboxylic acids and mixtures thereof and at least one second additive selected from polyethyleneimine and benzotriazole. . 제1항에 있어서, 상기 전해질 중의 유기 첨가제의 총 농도는 5 ppm 내지 50 ppm으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전해질.Electrolyte according to claim 1, characterized in that the total concentration of organic additives in the electrolyte consists of 5 ppm to 50 ppm. 제1항에 있어서, 상기 제2 첨가제의 농도는 1 ppm 내지 10 ppm으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전해질.The electrolyte according to claim 1, wherein the concentration of the second additive is 1 ppm to 10 ppm. 제1항에 있어서, 전해질은 임의의 황 화합물을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 전해질.2. Electrolyte according to claim 1, characterized in that the electrolyte does not contain any sulfur compounds. 제1항에 있어서, pH는 1.8 내지 2.6으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전해질.The electrolyte according to claim 1, wherein the pH is comprised between 1.8 and 2.6. 제5항에 있어서, 상기 제1 첨가제는 시트르산, 타르타르산, 말산, 만델산 및 글리세르산으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전해질.The electrolyte according to claim 5, wherein the first additive is selected from citric acid, tartaric acid, malic acid, mandelic acid and glyceric acid. 제1항에 있어서, 전도도는 2 mS/cm 내지 10 mS/cm로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전해질.The electrolyte according to claim 1, characterized in that the conductivity consists of 2 mS/cm to 10 mS/cm. 제5항에 있어서, 전해질은 붕산을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 전해질.6. Electrolyte according to claim 5, characterized in that the electrolyte does not contain boric acid. 평평한 부분 및 공동을 포함하는 전도성 표면이 제공된 기판에 상기 공동을 상향식으로 충전함으로써 증착하는 전기화학적 방법으로서, 상기 방법은,
- 상기 전도성 표면을 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전해질과 접촉시키는 단계,
- 상기 표면에 코발트 증착을 수행하기에 충분한 지속기간 동안 상기 전도성 표면을 분극시키는 전기적 단계를 포함하는, 증착을 위한 전기화학적 방법.
An electrochemical method for deposition on a substrate provided with a conductive surface including flat portions and cavities by filling the cavities from the bottom up, the method comprising:
- contacting the conductive surface with an electrolyte according to any one of claims 1 to 8,
- An electrochemical method for deposition, comprising an electrical step of polarizing the conductive surface for a period of time sufficient to effect cobalt deposition on the surface.
제9항에 있어서, 상기 지속기간은
50 nm 내지 400 nm 범위의 두께를 갖는 코발트 증착물에 의한 상기 공동의 충전 및 상기 평평한 부품의 코팅을 수행하기에 충분한 것을 특징으로 하는, 코발트를 증착하는 전기화학적 방법.
The method of claim 9, wherein the duration is
An electrochemical method for depositing cobalt, characterized in that it is sufficient to effect filling of the cavity and coating of the flat part with a cobalt deposit having a thickness in the range from 50 nm to 400 nm.
제9항에 있어서, 상기 분극 단계는 상기 분극 단계의 종료 시에 얻어지는 코발트 증착물의 화학적 및 기계적 공격을 조합하는 연마 단계가 즉시 뒤따르는 것을 특징으로 하는, 코발트를 증착하는 전기화학적 방법.10. The electrochemical method of depositing cobalt according to claim 9, wherein the polarization step is immediately followed by a polishing step combining chemical and mechanical attack of the cobalt deposit obtained at the end of the polarization step. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공동은 개구부에서 100 nm 미만, 바람직하게는 10 내지 50 nm로 구성된 폭 및 50 nm 내지 250 nm로 구성된 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.Method according to claim 9 , wherein the cavity has a width at the opening of less than 100 nm, preferably between 10 and 50 nm, and a depth between 50 nm and 250 nm. . 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분극 단계의 종료 시에 얻어지는 상기 코발트 증착물은 1000 원자 ppm 미만의 불순물 함량을 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.13. Method according to any one of claims 9 to 12, wherein the cobalt deposit obtained at the end of the polarization step has an impurity content of less than 1000 atomic ppm. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전착 단계의 종료 시에 얻어지는 상기 코발트 증착물은 50℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서 열처리를 거치지 않으면서 부피 또는 면적 기준으로 10% 미만의 평균 기공율을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.14. The method of any one of claims 9 to 13, wherein the cobalt deposit obtained at the end of the electrodeposition step has an average density of less than 10% by volume or area without undergoing heat treatment at a temperature in the range of 50° C. to 500° C. A method, characterized in that it includes porosity. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분극 전류의 강도가 8.5 mA/cm2 내지 18.5 mA/cm2의 범위일 때, 상기 코발트 증착 속도는 0.1 nm/s 내지 3.0 nm/s로 구성되는 것을 특징으로 하는, 방법.15. The method of any one of claims 9 to 14, wherein when the intensity of the polarization current is in the range of 8.5 mA/cm 2 to 18.5 mA/cm 2 , the cobalt deposition rate is 0.1 nm/s to 3.0 nm/s. A method, characterized in that consisting of. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분극 단계의 종료 시에 얻어지는 상기 코발트 증착물의 저항률은 50℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서 열처리를 거치지 않으면서 30 μΩ.cm 미만인 것을 특징으로 하는, 방법.16. The method of any one of claims 9 to 15, wherein the resistivity of the cobalt deposit obtained at the end of the polarization step is less than 30 μΩ.cm without heat treatment at a temperature in the range of 50° C. to 500° C. How to. 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 SiO2, 질화탄탈럼 및 코발트의 연속적인 증착에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는, 방법.17. Method according to any one of claims 9 to 16, characterized in that the substrate is obtained by sequential deposition of SiO 2 , tantalum nitride and cobalt. 제17항에 있어서, 상기 코발트는 화학기상증착(CVD) 또는 원자층 증착(ALD)에 의해 질화탄탈륨 상에 증착되는 것을 특징으로 하는, 방법.18. The method of claim 17, wherein the cobalt is deposited on tantalum nitride by chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD).
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