CN105448817B - 一种电化学抛光金属互连晶圆结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电化学抛光金属互连晶圆结构的方法，包括：步骤一，电化学抛光晶圆产品中的部分晶圆，获取抛光一合格晶圆所需的平均时间T0，

步骤二，测量晶圆产品中任一晶圆O的厚度前置D0，并与前值目标值D比对；步骤三，对晶圆O进行电化学抛光；步骤四，清洗晶圆O；步骤五，测量晶圆O的厚度后值D1；步骤六，判断晶圆O的厚度后值D1是否满足后值目标值D’的要求，将晶圆O返工或送入后续CMP模块；其中，抛光晶圆O所需的时间T＝T0+[(D0‑D)/(K*RR)]*60，RR为抛光速率，K为常系数，其中抛光速率RR随着抛光晶圆产品的批次数的增加而变缓，常系数K由晶圆产品的形貌决定。本发明的方法易于实行且效果明显，能够大幅度提高抛光晶圆产品的良率。

Description

一种电化学抛光金属互连晶圆结构的方法

技术领域

本发明涉及电化学抛光领域，更具体地说，涉及到一种电化学抛光晶圆的方法，尤其涉及一种无应力电化学抛光金属互连晶圆结构的进程控制算法。

背景技术

在集成电路抛光工艺过程中，有诸多技术手段可以采用，为本领域技术人员所熟知的通常包括：CMP(化学机械研磨)工艺或电化学抛光工艺。其中，存在一种独具特色的SFP(无应力电化学抛光)工艺，由于在其抛光过程中几乎不会在晶圆表面产生机械力以伤害晶圆，非常适宜于对金属膜层进行抛光，因而被部分追求高品质的厂家应用于经过电镀处理后的晶圆产品的抛光，尤其是应用于那些包含有钨塞或铜塞等金属互连结构的晶圆产品。

但上述无应力电化学抛光工艺在应用过程中产生了一个棘手的问题。利用该工艺对晶圆进行抛光，通常是采用控制抛光时间的方法来掌控抛光厚度的，即在测算出抛光速率RR(Removal Rate)、量得某一晶圆的厚度前值并给定后值目标值情况下，由目标值与前值之差比上抛光速率RR，理论上就可得抛光该晶圆所需的时间，按此求得的时间对晶圆进行抛光本应获得一片合格的晶圆。技术人员应当理解，工程上所使用的目标值，通常都是有上下限的，比如目标值是10mm，通常会有一个上下限范围，例如可以是10mm±0.5mm，即在9.5mm～10.5mm的范围内都是允许的，视为合格。而根据上述内容可知，这里所说的合格晶圆即是指晶圆经过抛光后的厚度后值恰好落入至后值目标值的上下限之间，但实际情况却事与愿违。实践当中发现，使用上述方法对晶圆进行抛光，会产生许多厚度后值不达标的晶圆，造成晶圆的返工重做或报废，浪费大量人力和财力。

经过上下求索，发明人找到了其中的症结所在，发现现有技术对抛光时间的预估存在严重的漏洞。

以抛光带有铜塞的晶圆产品为例，无应力电化学抛光的原理是利用电解反应，使晶圆表面的Cu与电解液(通常是酸和甘油)反应，从而去除晶圆表面多余的铜层，使晶圆厚度减薄至相应位置。现有技术预估抛光时间时，代入的抛光速率RR通常是一个定值，而实际上，随着反应的进行，抛光速率RR是持续改变的。

另一方面，可以参考本发明的附图1。图1中的(a)图为一测量用的标准晶圆，可以看到，其表面是平整的。在测试抛光速率RR时，所采用的方法是将图(a)中的标准晶圆由图(a)中的初始厚度抛光至如(c)图所示的某一后值目标值的厚度，由厚度之差除以抛光时间即可获得RR的值。而在实际抛光过程中，抛光设备所抛的晶圆产品通常是如(b)图所示的带有铜塞的晶圆，由于晶圆铜塞的形成过程需要先经历刻蚀工艺形成通孔，再通过电镀工艺长出铜层，表面往往呈凹凸起伏状，而非如测试晶圆一样平坦。这样就会导致一个后果：测量所得的抛光速率RR与实际抛光晶圆产品时的抛光速率RR存在出入，并不能直接等同。

在上述两方面原因的综合作用下，加之现有技术(ΔD)/RR的计算方法本身也不够严谨，抛光产出的良率较低也就不足为奇。

发明内容

有鉴于此，发明人针对上述技术问题给出了解决方案，通过探究和实验，找到了抛光速率RR的变化规律，并插入了常系数K对测量所得的抛光速率进行了修正，从而给出了一种全新的电化学抛光方法，对其中的时间参数进行了更加精确地控制。

为了达到上述目的，本发明提供了一种电化学抛光方法，具体方案如下：

一种电化学抛光金属互连晶圆结构的方法，由电解液对晶圆进行抛光，包括：

步骤一：电化学抛光晶圆产品中的部分晶圆，记录所述晶圆产品前N批次中所有厚 度后值满足后值目标值D’要求的合格晶圆的数目n，以及抛光第i个合格晶圆所消耗的时间 ti并求其总和获取抛光一合格晶圆所需的平均时间T0，所述

步骤二：测量所述晶圆产品中任一晶圆O的厚度前值D0，并与前值目标值D进行比对；

步骤三：对所述晶圆O进行电化学抛光；

步骤四：清洗所述晶圆O；

步骤五：测量所述晶圆O的厚度后值D1；

步骤六：判断所述晶圆O的厚度后值D1是否满足后值目标值D’的要求，将所述晶圆O返工重抛或送入后续CMP模块进行研磨处理；

在对所述晶圆O进行所述电化学抛光前，计算抛光该晶圆O所需时间T，其中：

T＝T0+[(D0-D)/(K*RR)]*60，RR为抛光速率，K为常系数，其中所述抛光速率RR随着抛光晶圆产品的批次数的增加而变缓，所述常系数K由所述晶圆产品的形貌决定。

进一步地，所述后值目标值D’的上限为D’+X，所述后值目标值D’的下限为D’-X。

进一步地，当所述晶圆O的厚度后值D1大于所述后值目标值D’的上限时，将晶圆O返工重抛；当所述晶圆O的厚度后值D1在所述后值目标值D’的上、下限之间时，将晶圆O送入后续CMP模块进行研磨处理；当所述晶圆O的厚度后值D1小于所述后值目标值D’的下限时，将晶圆O的厚度后值D1反馈给后续的CMP模块，并将晶圆O送入所述CMP模块进行研磨处理，CMP模块根据反馈的厚度后值D1而少抛，以消除之前过抛的影响。

进一步地，所述返工重抛的时间为T1，所述T1＝(D1-D’)/RR，所述T1的单位为s。

优选地，所述ti、T和T0的单位为s，所述D0和D的单位为

所述RR的单位为

进一步地，所述前N批次中的批次N≥20，所述每一批次的晶圆产品中包含25片晶圆。

进一步地，所述常系数K的范围为1.1≤K≤1.5。

进一步地，当所述晶圆产品的形貌较平整时，常系数K偏向于在1.1≤K≤1.3的范围内取值；当所述晶圆产品的形貌较凹凸起伏时，常系数K偏向于在1.3≤K≤1.5的范围内取值。

进一步地，所述抛光速率RR变缓的规律为每抛光M批次的晶圆产品所述抛光速率RR就减少

其中，所述M批次中M的范围为100≤M≤500，当M＞500时更换新的电解液。

进一步地，随着所述M的取值变大，相应的所述抛光速率RR的减少量也变大。

采用本发明所述的技术方案，尤其利用方案中的计算公式，相较现有技术能够通过更加精准、简洁的方式对抛光过程进行控制，取得了合格晶圆在待抛光晶圆产品中所占的体量及比例上的增长，从而大幅度提高了抛光晶圆产品的良率。

附图说明

图1是测试用晶圆和实际抛光的晶圆产品之间的对比图；

图2是本发明所述电化学抛光方法中涉及到的抛光设备及模块的示意图；

图3是本发明所述电化学抛光方法的步骤框图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式对本发明所提出的技术方案进行更加详尽的揭示，以使本领域技术人员获知其必要技术特征及相应的附加技术特征。

背景技术中已经介绍了本专利的发明人经过探究后所找到的技术问题的症结所在。下面将进一步结合附图1对本发明的原理进行阐述。

仍然以抛铜为例，为了计算出更加准确的抛光时间，有必要确定抛光速率RR变化的规律。考虑到电化学抛光过程中，随着电解反应的进行，晶圆表面的铜塞或金属铜膜将逐步转化为Cu²⁺进入电解液，导致溶液中的电解液中Cu²⁺浓度增加。Cu²⁺浓度的增加会对抛光速率RR产生影响，导致RR变慢，抛光速率RR整体上呈现出一种由高到低、逐渐递减的变化趋势。发明人通过实验也验证了这一规律。因此，在晶圆加工厂对上千批晶圆产品进行处理时，如果使用的电解液总量一定，那么在抛光前几十或几百批次时的抛光速率RR将很大，而抛光越后批次的晶圆产品时抛光速率RR将越小。所以，在预估抛光时间时，正确的做法应该是分段计算抛光速率RR，在较前批次中带入一个较大的RR值，而越往后RR的值应该越小，这样才能更加准确的通过控制抛光时间来提高晶圆产品的良率。

发明人通过实验总结出了抛光速率RR的选取与抛光批次M之间的关系。

例如，加工厂需要加工1000批次的晶圆产品，可以先将这些晶圆产品每M批次分为一组，M＝100，共10组，在抛光前100批次时，取一个RR值进行计算，认定该100批次内的RR为一个定值以简化计算；而在抛光第100～200批次时，由于电解液中Cu²⁺浓度增加而导致RR减小，所以需要取一个较小的抛光速率RR’，此时的RR’小于RR，例如可以在RR的基础上减少了

左右；在抛光第200～300批次时，取一个更小的RR”进行计算，默认地RR”在RR’的基础上又减少了

左右，也即在RR的基础上减少了

左右，依此类推。

当然的，M应该有一个范围，发明人经过实验得出，在准确度允许的情况下M宜取在100≤M≤500的范围内，M较小可以更精确，但如果M太小，例如M＜100，会导致分组太多而使计算过于频繁；M偏大，例如M＞500，一方面影响准确度，另一方面为了出于节省时间的考虑，超过500批次时可能会对电解液进行更换，以保证电解反应持续高效的进行。

又例如，加工厂需要加工2500批次的晶圆产品，可以先将这些晶圆产品每M批次分为一组，M＝500，共5组，在抛光前500批次时，取一个RR值进行计算，认定该500批次内的RR为一个定值以简化计算；而在抛光第500～1000批次时，由于电解液中Cu²⁺浓度增加而导致RR减小，所以需要取一个较小的抛光速率RR’，此时的RR’小于RR，由于一组的跨度比较大，因此RR’相对于RR减小的也较多，例如可以再RR的基础上减少了

左右；在抛光第1000～1500批次时，取一个更小的RR”进行计算，默认地RR”在RR’的基础上又减少了

左右，也即在RR的基础上减少了

左右，依此类推。

至于相邻两组之间的抛光速率的减少量ΔRR到底为多少，需要根据对不同晶圆产品进行实验获得，而具体的抛光速率RR的大小跟温度、气压等环境因素也有关系，同样需要视具体情况实验获得。但发明人大致确定了当100≤M≤500时，抛光速率减少量ΔRR的范围应该在

之间。且当批次M取值较小时，相邻两组之间的抛光速率的减少量ΔRR也越小，也即当M取值较小时，ΔRR＝RR-RR’＝RR’-RR”的值也越小；相反的，当M的取值较大时，ΔRR＝RR-RR’＝RR’-RR”的值也越大。

而进一步地，为了消除测试晶圆与实际加工的晶圆产品的形貌差异所造成的影响，发明人认为有必要在预估抛光时间时，对抛光速率RR插入一个常系数K进行修正，以消除影响。而插入K的依据具体如下：

如图1中(a)图所示的测试晶圆，将其抛光至(c)图所示的厚度时，各层所需要去除的铜膜面积均相同，其大小都等于晶圆的面积。而将图1中(b)图所示的晶圆产品抛光至(c)图所示的厚度时，各层所需要去除的铜膜面积有所不同，主要表现为位置越靠上的铜层由于起伏明显，而导致其需要去除的铜膜面积较小小；而在越往下的位置处铜层逐渐地趋于平坦，所需要去除的铜膜面积有所增大，但仍然小于晶圆的面积；直到抛光过程进行到将铜膜完全抛平，此后所需要去除的铜膜面积将不再改变，且等于晶圆的面积。也就是说，实际生产中在抛光一片晶圆时，开始阶段由于所需要抛光的面积较小，实际的抛光速率RR相对于测算出的抛光速率要快；之后，随着需要抛光的面积的增大，实际的抛光速率RR将有所减缓，但仍然大于测算出的抛光速率；最终，由于所需要抛光的面积不再改变且等于晶圆的面积，所以实际的抛光速率RR与测算出的抛光速率趋于一致。

正是由于实际的抛光速率RR存在着上述由大到小再到不变的过程，而计算所用到的RR是一个测量所得的定值，因此，将测量所得的RR代入计算时需要为之乘一个系数K，来消除实际抛光速率变化所带来的影响，且该系数K应当大于1。

发明人通过实验确定了K的合理范围应当在1.1≤K≤1.5之间。该常系数K的取值主要由晶圆产品的形貌决定。对于不同种类的晶圆产品，其形貌特征差异较大，有的较平坦，有的较起伏。而对于相同种类的晶圆产品，通常认为其形貌基本一致，所对应的K值也相同。工厂当中通常是将大批量的相同种类的晶圆产品放在一起进行处理的，所以经过实验选取到某一特定的K值后，再次对同种类晶圆产品进行抛光时即可直接套用。

当晶圆产品的形貌较平坦时，也即相对而言较为接近图1中(a)图所示的测试晶圆时，K值偏向于在1.1≤K≤1.5内取较小的值，所以该范围可进一步缩小至1.1≤K≤1.3；当晶圆产品的形貌较起伏时，K值偏向于在1.1≤K≤1.5内取较大的值，所以其范围应该在1.3≤K≤1.5之间。

经过上述对抛光速率RR分段取值并插入常系数K进行修正，再利用本发明所提供的公式进行计算，就能够很大程度上实现对抛光时间的精准控制，弥补现有技术的不足，从而获得理想的晶圆。

图2中展示了实施本发明方法所涉及到的一些设备和模块。图2中用于实施本发明方法的模块主要包括三部分，具体为晶圆测量模块201、电化学抛光及清洗模块202以及CMP模块203。其中，晶圆测量模块201用于测量晶圆的厚度前值以及厚度后值；电化学抛光及清洗模块202负责对晶圆进行电化学抛光，并将抛光完成后的晶圆进行清洗；CMP模块203主要用于后续研磨处理，只有符合要求的晶圆才会被送至CMP模块203中去。

具体实施时，例如总共需要加工2500批次的晶圆产品，一般情况下，每一批次内包含的晶圆数目为25片。那么可以先从2500批次中挑选出N批次进行抛光，其中N≥20，这是为了保证后续求得的抛光一合格晶圆所需的平均时间T0足够准确。

而求T0的方法是，记录前N批次晶圆产品中抛光每片晶圆所用的时间，并以厚度后值是否满足后值目标值D’为标准，从中剔除不合格的晶圆以及抛光不合格晶圆所消耗的时间，以消除不合格晶圆对T0的影响。这样就能够获知前N批次晶圆产品中合格晶圆的总数n，以及抛光第i个合格晶圆所消耗的时间t_i，那么抛光合格晶圆总共所用的时间就等于

对其求平均值即可得到抛光一合格晶圆所需的平均时间T0,

在得到了T0之后，例如我们要对这2500批次中的任意一片晶圆进行抛光，姑且将其定义为晶圆O，在抛光之前有必要将晶圆O送入晶圆测量模块201对其厚度前置D0进行测量，并与前置目标值D作一对比，根据公式T＝T0+[(D0-D)/(K*RR)]*60计算抛光晶圆O所需要的时间T，其中(D0-D)可正可负，RR和K值均根据具体产品测算得知，具体的选取规则已在原理部分作了说明；将晶圆O送入电化学抛光及清洗模块202中，按照计算所得结果对晶圆O进行电化学抛光，抛光时间为T秒；抛光结束后同样是在电化学抛光及清洗模块对晶圆O进行清洗；清洗完成后，将晶圆O送入晶圆测量模块201中测量晶圆O的厚度后值D1；判断晶圆O的厚度后值D1是否满足后值目标值D’的要求，即D1是否在[D’-X，D’+X]的上、下限之内：当D1＞D’+X时，也即少抛的情况，晶圆O将被送回电化学抛光及清洗模块202中重新抛光，当D’-X≤D1≤D’+X时，晶圆O被送至CMP模块203中进行化学机械研磨的后续工艺，当D1＜D’-X时，也即过抛的情况，将晶圆O的厚度后值D1通过系统反馈至CMP模块203，由CMP模块203进行研磨处理，不过由于晶圆O已经被过抛，所以CMP模块203会根据反馈的厚度后值D1的信息而少抛一点，以消除过抛的影响。

另外，对于返工重抛的晶圆O，重抛所需的时间可以简单的根据公式T1＝(D1-D’)/RR进行计算，T1的单位为秒(s)，这是因为重抛的晶圆由于其形貌近乎于表面平坦，相当于一片图1中(a)图所示的测试晶圆，所以不需要再用本发明方法中的复杂公式进行计算。

图3揭示了本发明具体实施方式的步骤框图。在该具体实施方式中，总共需要抛光1000批次的某种晶圆产品，并将该1000批次的晶圆产品平均分为10组，每M批次作为一组，M＝100。通过实验由测试晶圆根据(ΔD)/t的方法测算出电解液的抛光速率的值为

而每抛光M批次，RR将下降约

即

另外，根据实验结果以及晶圆的形貌判断其K＝1.3，由此可进行如下具体的实施方式：

步骤一：根据前N批次的抛光结果计算抛光一合格晶圆所需的平均时间T0，其中N ＝20，

步骤二：测量晶圆O的厚度前置D0，与前值目标值D作对比，并根据公式T＝T0+[(D0-D)/(K*RR)]*60计算抛光晶圆O所需的时间T；

步骤三：按求得的时间T对晶圆O进行电化学抛光；

步骤四：清洗晶圆O；

步骤五：测量晶圆O的厚度后值D1；

步骤六：判断晶圆O的厚度后值D1是否满足后值目标值D’的要求，将晶圆O返工重抛或送入CMP模块进行研磨。

上述具体实施方式中，每批次中含有25片晶圆，后值目标值D’具有上下限，D’的范围在[D’-X，D’+X]的区间内，且

其中时间ti、T和T0的单位均为秒(s)，厚度D0、D的单位均为埃

而抛光速率RR的单位为

在计算T时，RR的取值视晶圆O所处的批次而定。例如，其如果在前100批次以内，则以

代入计算；如果在100～200批次之间，则以

计算；如果是900～1000批次之间，则以

计算，依此类推。

进一步地，在步骤六中，如果出现少抛情况，即当D1＞D’+X时，晶圆O将被送回电化学抛光及清洗模块重新经历电化学抛光、清洗和后值测量过程，其重抛所需的时间T1＝(D1-D’)/RR，T1的单位为秒(s)；当D’-X≤D1≤D’+X，也即晶圆O合格时，晶圆O将被送至CMP模块中进行化学机械研磨；当D1＜D’-X，也即出现过抛情况时，将晶圆O的厚度后值D1反馈至CMP模块，由CMP模块进行化学机械研磨处理，且CMP模块在化学机械研磨时会根据反馈的厚度D1的信息少研磨一些，以消除过抛的影响。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和实质之内所做出的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电化学抛光金属互连晶圆结构的方法，由电解液对晶圆进行抛光，其特征在于，包括：

步骤一：电化学抛光晶圆产品中的部分晶圆，记录所述晶圆产品前N批次中所有厚度后值满足后值目标值D’要求的合格晶圆的数目n，以及抛光第i个合格晶圆所消耗的时间t_i并求其总和

获取抛光一合格晶圆所需的平均时间T0，所述

步骤二：测量所述晶圆产品中任一晶圆O的厚度前值D0，并与前值目标值D进行比对；

步骤三：对所述晶圆O进行电化学抛光；

步骤四：清洗所述晶圆O；

步骤五：测量所述晶圆O的厚度后值D1；

步骤六：判断所述晶圆O的厚度后值D1是否满足后值目标值D’的要求，将所述晶圆O返工重抛或送入后续CMP模块进行研磨处理；

在对所述晶圆O进行所述电化学抛光前，计算抛光该晶圆O所需时间T，其中：

T＝T0+[(D0-D)/(K*RR)]*60，RR为抛光速率，K为常系数，其中所述抛光速率RR随着抛光晶圆产品的批次数的增加而变缓，所述常系数K由所述晶圆产品的形貌决定，所述t_i、T和T0的单位为s，所述D0和D的单位为

所述RR的单位为

2.根据权利要求1所述的电化学抛光金属互连晶圆结构的方法，其特征在于，所述后值目标值D’具有上限与下限。

3.根据权利要求2所述的电化学抛光金属互连晶圆结构的方法，其特征在于，当所述晶圆O的厚度后值D1大于所述后值目标值D’的上限时，将晶圆O返工重抛；当所述晶圆O的厚度后值D1在所述后值目标值D’的上、下限之间时，将晶圆O送入后续CMP模块进行研磨处理；当所述晶圆O的厚度后值D1小于所述后值目标值D’的下限时，将晶圆O的厚度后值D1反馈给后续的CMP模块，并将晶圆O送入所述CMP模块进行研磨处理，CMP模块根据反馈的厚度后值D1而少抛，以消除之前过抛的影响。

4.根据权利要求1所述的电化学抛光金属互连晶圆结构的方法，其特征在于，所述返工重抛的时间为T1，所述T1＝(D1-D’)/RR，所述T1的单位为s。

5.根据权利要求1所述的电化学抛光金属互连晶圆结构的方法，其特征在于，所述前N批次中的批次N≥20，所述前N批次中每一批次的晶圆产品中包含25片晶圆。

6.根据权利要求1所述的电化学抛光金属互连晶圆结构的方法，其特征在于，所述常系数K的范围为1.1≤K≤1.5。

7.根据权利要求6所述的电化学抛光金属互连晶圆结构的方法，其特征在于，当所述晶圆产品的形貌较平整时，常系数K在1.1≤K≤1.3的范围内取值；当所述晶圆产品的形貌较凹凸起伏时，常系数K在1.3≤K≤1.5的范围内取值。

8.根据权利要求1所述的电化学抛光金属互连晶圆结构的方法，其特征在于，所述抛光速率RR变缓的规律为每抛光M批次的晶圆产品所述抛光速率RR就减少

其中，所述M批次中M的范围为100≤M≤500，当M＞500时更换新的电解液。

9.根据权利要求8所述的电化学抛光金属互连晶圆结构的方法，其特征在于，随着所述M的取值变大，相应的所述抛光速率RR的减少量也变大。

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