CN104233423A - 电镀处理器的自动原位控制 - Google Patents

Abstract

在具有至少一个阳极和一个窃流电极的电镀处理器中，参考电极用于测量晶片边缘附近的电解质中的电压梯度。利用控制容积/电流平衡技术，电压梯度用于计算晶片表面的电流。测定总晶片电流流向晶片边缘区域的分率并与目标值相比。处理器控制器改变阳极和窃流电流的至少之一，以使实际边缘区域电流接近目标电流。

Description

电镀处理器的自动原位控制

技术领域

本申请涉及用于电化学处理具有微型装置的半导体材料晶片和类似工件或基板的腔室、系统和方法。

背景技术

诸如半导体装置之类的微电子装置通常是利用数种不同类型的机器在半导体材料晶片或工件上和/或在半导体材料晶片或工件中制造的。在典型的制造工艺中，一层或更多层诸如金属这样的导电材料形成于晶片上。晶片通常接着被蚀刻或抛光(polished)，以移除部分导电层而形成触点、导电线或其他部件。

随着微电子装置制作得越来越小，种晶层(seed layer)亦需制作得更薄。使用极薄种晶层时，在电镀工艺开始时的表面电阻可高达例如50欧姆/方(Ohm/sq)，然而晶片上的电镀膜或电镀层的最终表面电阻会小于0.02欧姆/方。利用传统的电镀机器时，这三个数量级的表面电阻变化将导致难以或无法一致提供均匀层和无空隙填充。

电镀处理器通常具有一个或更多个阳极和电流窃流电极(current thiefelectrode)，种晶层则为阴极。电极设定点(即各电极随时间提供的电流)是提前估计的并且需针对各种晶片和电解质浴的类型重新考虑。即使小心选择电极设定点，所得电镀层或电镀膜的品质和特征也可能因涉及大量变数而不尽理想。因此，需要改良的电镀机器和方法。

发明内容

在具有至少一个阳极和一个窃流电极的电镀处理器中，两个或更多个参考电极用于测量晶片边缘附近的电解质中的电压梯度。电压梯度用于计算晶片外部附近的电镀浴内径向朝外流动的电流。利用该控制容积/电流平衡技术的径向电流，测定总晶片电流流向晶片边缘区域的分率(fraction)并与目标值相比。处理器控制器改变阳极和窃流电流，以使实际边缘区域电流接近目标电流。

在一个方面中，只需两个参考电极。可先使用低窃流电流(以免有去除镀层的风险)。接着可依据感知的晶片表面电阻经由控制器自动调整通往电极的电流，正如计算的晶片电流所指示的那样。本发明也存在于所述元件的子组合中。

附图说明

在附图中，相同的元件符号表示各视图中的相同元件。

图1是电化学处理器的分解透视图。

图2是图1所示的容器组件的截面透视图。

图3是容器组件的放大截面图。

图4是图3所示的上杯(upper cup)的示意性截面透视图。

图5是在图1所示的处理器中邻近于晶片边缘的控制容积的示意图。

图6是在替代处理器中邻近于晶片边缘的控制容积的示意图。

图7是图6所示的控制容积的放大细节图。

图8是槽(slot)电流对径向电流的曲线图。

图9是额外窃流电极电流对估计径向电流的曲线图。

具体实施方式

一种控制系统和方法，允许依据处理器内的实时测量自动控制电镀处理器中一个或更多个阳极和电流窃流器的电极设定点。这减少了对设定点估计的依赖并提供了改良的电镀。

一个目的是测定晶片表面的电流，因为这是影响电镀膜的品质和均匀度的主要因素。若实时得知晶片表面的电流，则可依需求调整通往电极的电流而实现期望的结果。只测定通往晶片一部分(即边缘部分)的电流可足以适当控制反应器电流。

由于种晶层覆盖复杂的特征结构图案，故电镀图案化的铜镶嵌晶片在测定初始电极设定点方面提出了额外的挑战。因此，初始表面电阻是未知的。无法准确预测随着由下往上填充特征结构(诸如晶片上的沟槽或过孔)的表面电阻变化。本发明的方法通过经由计算的晶片电流而检测初始表面电阻克服了这些因素。接着控制器实时补偿电镀工艺期间的表面电阻变化。

现详细参照附图，图1至图4示出了代表性的电镀处理器。然而，本发明的概念实际上可应用到任何具有至少一个阳极和电流窃流电极的处理器。如图1所示，电化学处理器20具有头部30，头部设在容器组件50上方。容器组件50可支撑在盖板(deck plate)24上，盖板附接至支架38或其他结构。头部30可支撑在升降/旋转单元34上，升降/旋转单元34用于升降和倒置头部以将晶片10装载和卸载至头部，并且升降/旋转单元34用于降下头部30而与容器组件50啮合以进行处理。

现参照图2至图3，容器组件50可包括阳极杯52、下膜状物(membrane)支撑件54和与紧固件60保持在一起的上膜状物支撑件56。在阳极杯52内，第一阳极或内部阳极70设在内部阳极腔室110的底部附近。第二阳极或外部阳极72设在外部阳极腔室112的底部附近，外部阳极腔室围绕内部阳极电解质(anolyte)腔室110。阳极可被提供为自耗阳极材料，即铜丸(copper pellet)、球等。阳极腔室中的电解质称作阳极电解质。

如图2所示，内部阳极70与第一电引线或连接器130电连接，外部阳极72与分离的第二电引线或连接器132电连接。电流窃流电极206可围绕上杯76的上端。

现参照图3至图4，若有使用，则上杯76可被包含在上杯外壳58内或被上杯外壳58围绕。上杯外壳58附接至上杯76并且密封住上杯76。上杯76具有弯曲的顶表面124和中心贯通开口，中心贯通开口形成中心阴极腔室或内部阴极腔室120。所述腔室120由扩散器74内大致呈圆柱形的空间所界定，通往由上杯76的弯曲的顶表面124所界定的钟形或喇叭状空间。一系列同心环状槽从上杯76的弯曲的顶表面124向下延伸。形成于上杯76底部的外部阴极腔室78经由一系列管或其他通道与槽连接。阴极腔室中的电解质称作阴极电解质。

如图4所示，在一个实例中，八个圆周槽90、92、94、96、98、100、102、104从上杯76的弯曲的顶表面124向下延伸。槽很窄，故填充槽容积的液态电解质具有高电阻。槽宽通常介于1-5毫米(mm)之间或2-4mm之间。圆周槽通过垂直管104A、102A、100A和98A与外部阴极腔室或阴极电解质腔室78连接。在所示特定实例中，有18个管与各槽连接。管是主要的电阻来源。槽有助于使流过管的电流再分配(即扇出(fan out))而成均匀的轴对称来源，故当晶片旋转时，旋转晶片将经历均匀电流(而非要是晶片转过孔时的最大值和最小值)。槽被放置和宽度选择以适当分配外部阳极电流遍及晶片外部。

参照图5，控制容积210被选择在晶片10的边缘附近。控制容积210具有内圆周边界212和外圆周边界214、下边界216和上边界218。控制容积210和它的边界是数学概念，用以描述本发明的系统和方法。控制容积和边界不是物理元件。

就设计用于直径300mm的晶片的处理器而言，内边界212可位于距晶片中心100-130mm处。内部探头或参考电极202位于内边界212里面。外部探头或参考电极204位于内边界212外面，使得外部探头204在控制容积210内。探头202和204是诸如电线之类的真实物理元件。探头亦可被提供为电解质填充的毛细管而通往真实物理电极或电线。探头202和204可与控制器200电连接。探头202和204可与上杯的上表面齐平，以减少或避免改变处理器中的电解质和电流流动。

在使用中，探头测量电压梯度。内部探头和外部探头所测量的电压差用于利用欧姆定律V＝IR来计算(径向往外)流过内边界的电流，其中V是测量的电压差，R是在探头间距DD中的液态电解质的电阻，I是流过内边界的电流或径向电流通量I/径向入。DD越大，就给定径向电流测量的电压越高。根据晶片直径，通常DD可为10-60mm或以上，典型值为10-30mm。R依据测量的电解质电阻(或由制造商提供)和已知的探头间距DD而获知。在图5所示的实例中，内部探头202位于半径120mm(距晶片中心位置120mm)处，外部探头204在140mm处，故DD为约20mm。

通过外边界214流出控制容积210的电流I/径向出被设定成等于窃流电流，窃流电流例如经由与窃流电极206连接的安培计获知。虽然图5示出了晶片边缘径向往外延伸超出控制容积，但控制容积可选择性地被选择以使外边界214超出晶片边缘，如此使I/径向出与窃流电流相等，产生很少误差或无误差。

通过下边界216流入控制容积210的总电流I/垂直入等于流过槽102和104中的电解质的电流。上杯76由介电材料制成，故所有流过上杯的电流只需流向上杯中的电解质填充的槽。通过槽的电流是外部阳极电流、内部阳极电流和窃流电极电流的分率。若反应器内因高表面电阻或高窃流电极电流而产生大的径向电压梯度，则这些电压梯度将导致电流往内部槽(90、92、94、96)下方流动并往上回到外部槽(98、100、102、104)。流过槽的电流实际上可由探头所测量的径向电流准确测定。在图5中，流过槽102和104的电流是外部阳极电流和通过控制容积的内边界212的径向电流的函数。因此，就反应器内所用的任何电流(拨入(dialed-in)设定或未拨入)而言，由直线方程式准确预测通过槽102和104的外部阳极电流的分率，其中“x”值是从参考电极计算的测量电流。

总之，通过利用两个参考电极间的单一电压差来计算处理器中的径向电流，可准确测定横跨控制容积两侧的电流(212利用下述方程式2，218通过利用图8所示的曲线图)。来自两个探头的该相同的单一径向电流亦可用于测定“增益”，所述“增益”用以计算一组新电流以驱使晶片边缘电流达到目标。

如图9所示，所示“增益”可根据径向电流而从1变到8。由于适当的增益可变化很大，故使用适当值对快速到达晶片目标并保持目标是必要的。建模(modeling)显示，当反应器内所用电流已接近“拨入”电流时，适当的“增益”将最准确地遵循由径向电流的线性关系。故晶片电流越接近目标，算法越准确。

目标(在控制容积内通往晶片区域的总晶片电流的％)是大致等于控制容积内的晶片区域的量的值(即对平坦分布(profile)而言为26.5％)。然而，略微调整目标对径向电流适于补偿由只使用两个探头计算反应器径向电流所引起的小误差。控制算法中的所有未知数可表示成单一电流通量计算的函数。这些未知数为控制容积边界212和218、增益和晶片电流目标的％。因此，腔室内控制工艺所需的仪器可相对比较简单。

如图5所示，上槽探头220和下槽探头222可增设在槽104和槽102中，以检测槽中的电压变化，所述电压变化用于计算槽中的电流。

由于流入控制容积的电流必须等于流出控制容积的电流，因此I/径向入加上I/垂直入必须等于I/径向出加上I/垂直出。I/垂直出设定成在控制容积中的晶片表面的实际电流。I/垂直出由下列方程式1计算而得。

1]I/垂直出＝I/径向入+I/垂直入-I/径向出。

特别是当电镀到非常薄的种晶层上时，表面电阻变化很快，即在数毫秒的等级或量级内。晶片表面的电流或I/垂直出是表面电阻的函数(当电极电流恒定时)。因可即刻获知I/垂直出，控制器200可实时改变提供至阳极和窃流电极的电流，以获得改良的电镀结果，即便表面电阻快速变化亦然。可以快达每2.5毫秒的速度调整阳极和窃流电极电流。

图5以二维图示出控制容积210。虽然探头本质上是测量二维梯度，但处理器中的电流却是三维流动，因此数学建模建议使用两个探头来提供良好的准确度。就三维控制容积而言，可由下列方程式2估计径向流入控制容积的电流。2]I_径向＝K_浴(V2-V1/R2-R1)2πR_平均h_间隙，

其中K是浴电导率，h_间隙是在电流通量测量位置的垂直间隙或晶片的面朝下表面与上杯的顶表面之间的空间。电流通量测量位置大致在内部探头202与外部探头204间的中点(halfway)位置。或者，呈180度的复制参考电极对可用于更好地估计流过边界212的三维电流。环型参考电极亦可选择性地用于对电压差和通量作更好的三维估计。探头有效地位于单一电压差可准确计算径向外流电流的位置。

参照图2和图5，控制器200与探头202和204电连接，并且控制器200使用来自探头的输入来计算电压梯度。控制器接着计算上述I/垂直出。接着比较计算而得的I/垂直出和储存的目标值。二者之间的差异提供误差信号。控制器使用所述误差讯号来调整由阳极和窃流电极供应的电流。若I/垂直出太大，则控制器可增加窃流电流，以减小I/垂直出。

为简化控制，特别是在具有两个或更多个阳极的处理器中，处理器可这样设置使得通往外部阳极的电流对于所有表面电阻保持恒定，例如通过选择头部30的特定高度。接着，只需依据I/垂直出控制窃流电流比率。窃流电流比率是窃流电流与内部阳极电流的比率。仅调整窃流电流比率简化了对具有两个或更多个阳极的处理器的控制。

在一种形式中，方法可执行如下：

a.针对任何电流设定和晶片表面电阻，找寻探头位置处的电势。

b.利用探头之间测量的电压梯度，计算径向电流通量。

c.利用上述控制容积分析，测定通往晶片边缘的电流。

d.比较晶片边缘电流和目标边缘电流。

e.计算一组新电流以驱使晶片边缘电流达到目标。

图6和图7示出了将上述方法应用到具有单一阳极300、单一窃流电极206和扩散器302的一般电镀处理器，扩散器具有很高的电阻，故控制容积下边界的电流密度实质上是均匀的。

可调整边缘电流的目标值，以产生边缘为厚或薄的分布。凭经验调整目标可用于平坦化分布，以考虑到系统误差。例如，27.5％的目标电流可能产生较平坦的分布，而非26.75％。利用绝缘晶片(或裸露的硅晶片)使特定电流在内部阳极与窃流电极之间流动，可完成径向电流通量探头计算的校准。接着所有电流皆为径向而允许检查或设定所需因子(浴电导率、晶片至壁的间隙、探头径向距离)。自动原位控制可用于“写入”用于各种产品晶片的动态电流控制(DCC)配方(recipe)(即随时间来自各电极的瞬时电流)。记录的DCC配方可用于生产，故同一配方一直用于各晶片。可响应先前迭代而以“实时运算模式(on-the-fly)”计算校正“灵敏度”导数(即增益)，用以预测下一迭代的“灵敏度”。

所用术语“晶片”包括其他具有微电子、微机械和/或微光学装置的基板和工件。所述方法可用于具有一个或更多个阳极和单一窃流电极的处理器。所用术语“连接或电连接”包括有线连接和无线连接。

Claims (12)

1.一种电镀处理器，所述电镀处理器包括：

容器，所述容器用于容纳电解质；

至少一个阳极、窃流电极和场成形单元在所述容器中；

分隔的第一参考电极和第二参考电极，所述第一参考电极位于所述容器的中心位置与所述第二参考电极之间；以及

控制器，所述控制器与所述至少一个阳极、所述窃流电极和所述第一参考电极和所述第二参考电极电连接。

2.如权利要求1所述的处理器，其中所述第一参考电极和所述第二参考电极位于共同半径上，所述共同半径从所述中心位置径向朝外延伸。

3.如权利要求1所述的处理器，其中所述第一参考电极和所述第二参考电极位于所述场成形单元中或所述场成形单元上。

4.如权利要求1所述的处理器，其中所述场成形单元包括上杯，所述上杯具有弯曲的顶表面和多个圆周槽，并且至少一个圆周槽位于所述第一参考电极与所述第二参考电极之间。

5.如权利要求1所述的处理器，其中所述窃流电极包括环，所述环围绕所述容器的上边缘延伸，并且所述第二参考电极位于所述窃流电极与所述第一参考电极之间。

6.如权利要求2所述的处理器，其中所述容器具有半径R，所述第一参考电极位于距所述中心位置至少0.65R处。

7.如权利要求1所述的处理器，进一步包括可与所述容器啮合的头部，所述头部具有晶片保持位置，所述晶片保持位置用于将晶片保持在所述第二参考电极上方5-30mm处。

8.如权利要求1所述的处理器，其中所述第二参考电极在比所述第一参考电极高的垂直位置。

9.如权利要求4所述的处理器，进一步包括位于一个或更多个所述圆周槽中的补充参考电极。

10.一种控制电镀处理器的方法，所述电镀处理器具有至少一个阳极和窃流电极，所述方法包括：

测定电解质中的电压梯度，所述电解质邻近于晶片的边缘；

利用所述电压梯度测定流入电解质容积的径向电流，所述电解质邻近于所述晶片的所述边缘；

测定流出所述容积而至窃流电极的径向电流；

测定流入所述容积的垂直电流；

由流入所述容积的所述径向电流和流入所述容积的所述垂直电流的总和减去流向所述窃流电极的所述径向电流，以计算流向所述晶片表面的电流；

由目标值减去流向所述晶片表面的所述电流，以测定误差值；

利用所述误差值来控制流向所述阳极和所述窃流电极的至少之一的电流。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括依据流向所述晶片表面的所述电流来测定表面电阻。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述处理器具有内部阳极和外部阳极，所述晶片位于头部中，通过选择所述头部相对于所述电解质表面的特定高度，使来自所述外部阳极的电流对于所有表面电阻保持恒定，所述方法进一步包括控制窃流电流。