CN113311032A - Ecp填充监测设备及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种ECP填充监测设备及监测方法，监测设备包括参比电极、对电极以及复合工作电极；复合工作电极包括导电层及电介质层，导电层具有模拟槽孔，电介质层包覆导电层，且显露模拟槽孔的底部及侧壁；复合工作电极分别与参比电极及对电极并联，以对ECP填充模拟槽孔进行监测；进一步的还包括工作电极，以对ECP填充模拟槽孔所使用的电镀液进行监测。本发明在无需进行产品切片时，即可对ECP填充产品槽孔进行监测，还可对电镀液进行监测，从而可避免产品报废，缩短监测时间，以进行及时的预防维护措施，节约人力资源及物力资源。
Description
技术领域
本发明属于集成电路领域，涉及一种ECP填充监测设备及监测方法。
背景技术
在集成电路(IC)制造中，需要制备金属互连线，以进行电连接，如应用较为广泛的铜(Cu)金属互连线。但由于铜金属难以采用刻蚀的方法进行图形化，因此在集成电路制造中，拥有镶嵌工艺的电化学镀法(ECP)成为铜金属互连线的主要制备工艺。
随着集成电路的小型化、高集成度及高性能的发展，集成电路的特征尺寸(CD)不断缩小，即在集成电路制造中，光刻所能达到的最小线条宽度不断缩小，使得集成电路的功能越来越强、集成度和性能越来越高，因此，在集成电路制造中，对ECP填充金属的能力的要求越来越高。
在采用ECP填充金属时，由于特征尺寸的缩小，金属往往难以填满槽孔，从而会在槽孔中形成未被金属填充的空洞，而该空洞会造成金属电阻的增加，从而导致电信号传播的延迟。
目前，通常采用工艺失效分析法(Process Failure analysis，PFA)，如FIB、TEM、SEM等，对制备的产品中的金属形貌进行监测，以对制备的金属的填充效果进行监测。但在采用PFA进行监测时，需要对产品进行破坏性的切片操作，从而造成产品报废，且测量周期较长，导致测量结果滞后，不能及时反应制程情况，使得预防维护措施(PreventionMaintenance，PM)滞后，从而造成人力资源及物力资源的浪费。
因此，提供一种ECP填充监测设备及监测方法，以对ECP填充槽孔进行监测，实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种ECP填充监测设备及监测方法，用于解决现有技术中，在对ECP填充槽孔进行监测时，所面临的产品报废、预防维护措施滞后等一系列资源浪费的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种ECP填充监测设备，所述监测设备包括：
参比电极；
对电极；
复合工作电极，所述复合工作电极包括导电层及电介质层，所述导电层具有模拟槽孔，所述电介质层包覆所述导电层，且显露所述模拟槽孔的底部及侧壁；
所述复合工作电极分别与所述参比电极及对电极并联，以对ECP填充所述模拟槽孔进行监测。
可选地，所述参比电极包括AgCl参比电极；所述对电极包括Cu对电极；所述导电层包括Pt导电层。
可选地，所述电介质层的材料包括有机绝缘材料及电介质材料中的一种。
可选地，还包括工作电极，所述工作电极分别与所述参比电极及对电极并联，以对ECP填充所述模拟槽孔所使用的电镀液进行监测。
可选地，所述模拟槽孔包括纳米级模拟槽孔；所述纳米级模拟槽孔的宽度范围包括7纳米～45纳米。
本发明还提供一种ECP填充监测方法，包括以下步骤：
提供上述任一监测设备；
获得ECP填充所述模拟槽孔的理想电流值；
获得ECP填充所述模拟槽孔的实际电流值；
将所述实际电流值与所述理想电流值进行比对，以对ECP填充所述模拟槽孔进行监测。
可选地，所述实际电流值与所述理想电流值的比对包括实时比对。
可选地，电镀液包括含有氯离子及添加剂的硫酸铜溶液，所述添加剂包括加速剂、抑制剂及平整剂中的一种或组合。
可选地，监测所采用的电压的范围包括10mV/s～500mV/s；所述电压的精确度包括0.15mV/s。
可选地，当所述实际电流值小于所述理想电流值时，所述模拟槽孔中具有空洞，且所述空洞的含量与所述实际电流值及理想电流值的差值呈反比。
如上所述，本发明的ECP填充监测设备及监测方法，监测设备包括参比电极、对电极以及复合工作电极；复合工作电极包括导电层及电介质层，导电层具有模拟槽孔，电介质层包覆导电层，且显露模拟槽孔的底部及侧壁；复合工作电极分别与参比电极及对电极并联，以对ECP填充模拟槽孔进行监测；进一步的还包括工作电极，以对ECP填充模拟槽孔所使用的电镀液进行监测。本发明在无需进行产品切片时，即可对ECP填充产品槽孔进行监测，还可对电镀液进行监测，从而可避免产品报废，缩短监测时间，以进行及时的预防维护措施，节约人力资源及物力资源。
附图说明
图1显示为实施例一中的监测设备的结构示意图。
图2显示为图1中的C区域的放大结构示意图。
图3显示为实施例一中的监测方法的流程示意图。
图4显示为实施例二中的监测设备的结构示意图。
元件标号说明
100 复合工作电极
101 导电层
102 电介质层
103 模拟槽孔
200 参比电极
300 对电极
400 电镀液
A、B、C 区域
110 工作电极
120 复合工作电极
121 导电层
122 电介质层
210 参比电极
310 对电极
410 电镀液
A-1、A-2、B-1、B-2 区域
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
参阅图1及图2，本实施例提供一种ECP填充监测设备，所述监测设备包括复合工作电极100、参比电极200及对电极300。其中，所述复合工作电极100包括导电层101及电介质层102，所述导电层101具有模拟槽孔103，所述电介质层102包覆所述导电层101，且显露所述模拟槽孔103的底部及侧壁；所述复合工作电极100分别与所述参比电极200及对电极300并联，以对ECP填充所述模拟槽孔103进行监测。
具体的，所述模拟槽孔103与待ECP填充的产品中的产品槽孔具有相同的形貌，从而当所述产品槽孔与所述模拟槽孔103置于相同的ECP填充环境中进行ECP填充时，通过监测所述模拟槽孔103的ECP填充效果，即可反应所述产品槽孔的填充效果。在本实施例中，所述槽孔可理解为具有圆形、方形、梯形等形状的深孔或沟槽，具体形貌及个数，可根据待ECP填充的所述产品进行设置。
本实施例采用三电极测试体系，以提高测量准确性，即所述三电极包括所述复合工作电极100、参比电极200及对电极300。其中，所述复合工作电极100通过所述电介质层102显露具有导电性的所述模拟槽孔103，以通过ECP在所述模拟槽孔103中填充金属。由于所述复合工作电极100、参比电极200及对电极300通过电镀液400形成并联回路，即所述复合工作电极100与所述参比电极200之间形成A区域，所述复合工作电极100与所述对电极300之间形成B区域，因此A区域与B区域之间具有相同的电压U。根据U＝IR及R＝ρL/S，当在ECP填充所述模拟槽孔103时，若填充的金属具有空洞，则所述空洞的出现会使实际填充的金属的面积S小于理想状态下填满所述模拟槽孔103时的金属的面积，从而与理想填充状态相比，实际填充金属的电阻R将变大，从而在A区域的电压U保持不变的情况下，B区域的实际电流值I将会减小。根据该原理，通过对B区域中的实际电流值I的监测，即可获得所述模拟槽孔103中形成的金属是否具有空洞，即可反映当将所述产品槽孔与所述模拟槽孔103置于相同的ECP填充环境中时，获得所述产品槽孔的填充效果。
具体的，在实际应用中，当B区域的实际电流值I等于理想电流值I时，ECP填充的金属将填满所述模拟槽孔103，即所述产品槽孔被填满；当B区域的实际电流值I小于理想电流值I时，ECP填充的金属中具有所述空洞，即所述产品槽孔未被填满，具有所述空洞，且所述空洞的含量与所述实际电流值I及理想电流值I的差值呈反比。其中，理想电流值I的获得需要经过多次实验，从而建立一个与所述模拟槽孔103或所述产品槽孔所对应的理想电流值I的数据库。如可通过在相同的ECP填充环境下，包括相同的所述电镀液400及相同的电压U下，采用ECP填充所述模拟槽孔103，并记录电流值I，而后通过工艺失效分析法(ProcessFailure analysis，PFA)，如FIB、TEM、SEM等，对所述模拟槽孔103中ECP填充的金属的形貌进行监测，从而获得所述模拟槽孔103所对应的理想电流值I，并建立不同形貌的所述模拟槽孔103的所述理想电流值I的数据库。在进行对所述产品槽孔的实际监测时，将所述产品槽孔与所述模拟槽孔103置于相同的ECP填充环境中，在电压U相同的条件下，监测B区域的实际电流值I，当实际电流值I等于理想电流值I时，表明ECP填充的金属填满所述模拟槽孔103及所述产品槽孔，当B区域的实际电流值I小于理想电流值I时，表明ECP填充的金属中具有所述空洞，且所述空洞的含量与实际电流值I及理想电流值I的差值的大小呈反比，从而通过监测所述模拟槽孔103的填充效果，可反映所述产品槽孔的填充效果。因此，在无需对所述产品进行切片时，即可对ECP填充所述产品槽孔进行监测，从而可避免产品报废，缩短监测时间，以进行及时的预防维护措施，节约人力资源及物力资源。
作为示例，所述参比电极200包括AgCl参比电极；所述对电极300包括Cu对电极；所述复合工作电极100中的所述导电层101包括Pt导电层。
具体的，本实施例中，ECP填充的金属以Cu金属作为示例，但并非局限于此，根据需要也可用以填充其他金属，此处不作过分限制。其中，参阅图1所述电镀液400为形成所述Cu金属的电镀液；所述对电极300采用Cu对电极，以作为阳极，发生氧化反应，以使Cu金属转化为Cu离子；所述复合工作电极100中的所述Pt导电层作为阴极，发生还原反应，以使所述电镀液400中的所述Cu离子转化为Cu金属，从而Cu金属可沉积在所述模拟槽孔103中的所述Pt导电层上，所述Pt导电层相当于所述产品槽孔中的种子层，从而填充所述模拟槽孔103；且后续所述模拟槽孔103中所沉积的所述Cu金属也可通过电解的方式去除，从而所述复合工作电极100可重复使用，以降低成本。有关所述参比电极200、对电极300及复合工作电极100的材质的选择，可根据填充金属的种类进行选择，此处不作过分限制。
作为示例，所述电介质层102的材料包括有机绝缘材料及电介质材料中的一种。
具体的，通过所述电介质层102可包覆所述导电层101，并仅显露所述模拟槽孔103，从而可仅在所述模拟槽孔103中填充金属。其中，所述电介质层102的材料可采用有机绝缘材料，厚度范围可包括纳米级或微米级，如10微米～20微米等，具体厚度可根据需要进行选择，此处不作过分限制，如所述复合工作电极100可采用较为常用的漆包线，但并非局限于此，所述电介质层102的材料还可采用电介质材料，如玻璃、氧化硅等，此处不作过分限制。
作为示例，所述模拟槽孔103包括纳米级模拟槽孔；所述纳米级模拟槽孔的宽度范围包括7纳米～45纳米。
具体的，所述模拟槽孔103的宽度范围可包括7纳米、12纳米、14纳米、32纳米、45纳米等，但并非局限于此，还可包括其他纳米级及微米级的宽度。本实施例中，所述模拟槽孔103可理解为具有圆形、方形、梯形等形状的深孔或沟槽，具体形貌及个数此处不作限制。
参阅图3，本实施还提供一种ECP填充监测方法，包括以下步骤：
提供上述任一所述监测设备；
获得ECP填充所述模拟槽孔103的理想电流值I；
获得ECP填充所述模拟槽孔103的实际电流值I；
将所述实际电流值I与所述理想电流值I进行比对，以对ECP填充所述模拟槽孔103进行监测。
具体的，有关所述监测设备的结构，可参阅上述介绍，此处不再赘述。获得ECP填充所述模拟槽孔103的理想电流值I可通过多次实验，以获得ECP填满所述模拟槽孔103所对应的理想电流值I，该理想电流值I同样可反映所述产品沟槽的理想填充状态，从而建立一个有关理想电流值I的数据库。具体可将所述监测设备浸入所述电镀液400中，在电压U下，填充所述模拟槽孔103，记录区域B的电流值I，通过工艺失效分析法(Process Failureanalysis，PFA)，如FIB、TEM、SEM等，对所述模拟槽孔103中ECP填充的金属的形貌进行监测，从而获得所述模拟槽孔103在填满状态下的理想电流值I，上述操作可重复进行多次，直至获得理想电流值I，且根据不同的所述模拟槽孔103的形貌，可建立所述模拟沟槽103的理想电流值I的数据库，以作为对比参考。在后续实际应用中，可将待ECP填充的产品及对应的所述模拟沟槽103，在相同的ECP填充环境及相同的电压U下，ECP填充所述模拟槽孔103及所述产品沟槽，监测区域B的实际电流值I，当区域B的实际电流值I等于理想电流值I时，表明ECP填充的金属填满所述模拟槽孔103及所述产品沟槽；当区域B的实际电流值I小于理想电流值I时，表明ECP填充的金属中具有所述空洞，即所述模拟槽孔103及所述产品沟槽中具有所述空洞，且所述空洞的含量与实际电流值I及理想电流值I的差值的大小呈反比，从而通过监测所述模拟槽孔103的填充效果，可反映所述产品槽孔的填充效果。
本实施例通过所述ECP填充监测方法，在无需进行所述产品的切片操作时，即可对ECP填充的所述产品槽孔进行监测，从而可避免所述产品的报废，缩短监测时间，以进行及时的预防维护措施，节约人力资源及物力资源。
作为示例，所述实际电流值I与所述理想电流值I的比对包括实时比对。
具体的，通过记录理想电流值I的实时变化值，与获得的实际电流值I的实时变化值进行不对，即可实时的对ECP填充所述模拟槽孔103及所述产品沟槽进行实时监测，从而进一步的缩短监测时间，以进行及时的预防维护措施，节约人力资源及物力资源。
作为示例，所述电镀液400包括含有氯离子及添加剂的硫酸铜溶液；所述添加剂包括加速剂、抑制剂及平整剂中的一种或组合；监测所采用的电压U的范围包括10mV/s～500mV/s，如50mV/s、100mV/s、200mV/s、400mV/s等；所述电压U的精确度包括0.15mV/s。所述电镀液400的种类、所述电压U的具体取值及精度，可根据需要进行选择，此处不作过分限制。
实施例二
参阅图4，本实施例还提供一种ECP填充监测设备，本实施例与实施例一的不同之处主要在于还包括工作电极110，所述工作电极110与参比电极210、对电极310及复合工作电极120并联，以实现对ECP填充的监测及对电镀液410的监测。
具体的，所述监测设备包括所述工作电极110、参比电极210、对电极310及复合工作电极120，所述复合工作电极120包括导电层121及电介质层122，所述导电层121具有模拟槽孔，所述电介质层122包覆所述导电层121，且显露所述模拟槽孔的底部及侧壁；所述复合工作电极120分别与所述参比电极210及对电极310并联，以通过所述复合工作电极120、参比电极210及对电极310，对所述模拟槽孔中的ECP填充效果进行监测；以及通过所述工作电极110、参比电极210及对电极310，对电镀液410进行监测。
具体的，本实施例中，所述工作电极110、参比电极210及对电极310，通过所述电镀液410形成第一并联回路，即所述工作电极110与所述参比电极210之间形成A-1区域，所述工作电极110与所述对电极310之间形成B-1区域，且A-1区域与B-1区域之间具有相同的电压；所述复合工作电极120、所述参比电极210及对电极310，通过所述电镀液410形成第二并联回路，即所述复合工作电极120与所述参比电极210之间形成A-2区域，所述参比电极210与所述对电极310之间形成B-2区域，且A-2区域与B-2区域之间具有相同的电压；从而通过所述第一并联回路监测所述电镀液410，通过所述第二并联回路监测ECP填充金属的效果。
作为示例，通过所述第一并联回路监测所述电镀液410的步骤包括：
提供所述电镀液410的理想伏安图；
获得所述电镀液410的实际伏安图；
将所述实际伏安图与所述理想伏安图进行比对，以监测所述电镀液410。
具体的，通过由所述工作电极110、参比电极210及对电极310所形成的三电极，及由所述三电极与所述电镀液410之间所形成的所述第一并联回路，通过电化学测量法，测量电流信号，通过化学监测系统(Chemical monitoring system，CMS)对所述电镀液410中的各种有机和无机成分的浓度进行测量、通过高效液相色谱(High Performance LiquidChromatography，HPLC)监测所述电镀液410中的副产物，如碳(C)元素、硫(S)元素及氮(N)元素等，以反映所述电镀液410的情况，包括所述电镀液410的浓度、溶液老化、副产物、外来物及污染度等。其中，有关所述电镀液410的理想伏安图的获得，可通过多次测试，以记录在所述模拟沟槽中ECP填充理想的金属时，即在产品沟槽中ECP填充理想的金属时，所述电镀液410所对应的最佳理想组分，以形成所述电镀液410的理想伏安图；而后通过所述第一并联回路，可获得在实际应用时，所述电镀液410的实际伏安图，从而在将所述实际伏安图与所述理想伏安图进行比对时，即可监测所述电镀液410的状况。有关由所述复合工作电极120、参比电极210及对电极310所形成的三电极，及由所述三电极与所述电镀液410之间所形成的所述第二并联回路监测所述模拟槽孔的填充效果的原理及方法，可参阅实施例一，此处不再赘述。
综上所述，本发明的ECP填充监测设备及监测方法，监测设备包括参比电极、对电极以及复合工作电极；复合工作电极包括导电层及电介质层，导电层具有模拟槽孔，电介质层包覆导电层，且显露模拟槽孔的底部及侧壁；复合工作电极分别与参比电极及对电极并联，以对ECP填充模拟槽孔进行监测；进一步的还包括工作电极，以对ECP填充模拟槽孔所使用的电镀液进行监测。本发明在无需进行产品切片时，即可对ECP填充产品槽孔进行监测，还可对电镀液进行监测，从而可避免产品报废，缩短监测时间，以进行及时的预防维护措施，节约人力资源及物力资源。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种ECP填充监测设备，其特征在于，所述监测设备包括
参比电极；
对电极；
复合工作电极，所述复合工作电极包括导电层及电介质层，所述导电层具有模拟槽孔，所述电介质层包覆所述导电层，且显露所述模拟槽孔的底部及侧壁；
所述复合工作电极分别与所述参比电极及对电极并联，以对ECP填充所述模拟槽孔进行监测。
2.根据权利要求1所述的ECP填充监测设备，其特征在于：所述参比电极包括AgCl参比电极；所述对电极包括Cu对电极；所述导电层包括Pt导电层。
3.根据权利要求1所述的ECP填充监测设备，其特征在于：所述电介质层的材料包括有机绝缘材料及电介质材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的ECP填充监测设备，其特征在于：还包括工作电极，所述工作电极分别与所述参比电极及对电极并联，以对ECP填充所述模拟槽孔所使用的电镀液进行监测。
5.根据权利要求1所述的ECP填充监测设备，其特征在于：所述模拟槽孔包括纳米级模拟槽孔；所述纳米级模拟槽孔的宽度范围包括7纳米～45纳米。
6.一种ECP填充监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供权利要求1～5中任一所述监测设备；
获得ECP填充所述模拟槽孔的理想电流值；
获得ECP填充所述模拟槽孔的实际电流值；
将所述实际电流值与所述理想电流值进行比对，以对ECP填充所述模拟槽孔进行监测。
7.根据权利要求6所述的ECP填充监测方法，其特征在于：所述实际电流值与所述理想电流值的比对包括实时比对。
8.根据权利要求6所述的ECP填充监测方法，其特征在于：电镀液包括含有氯离子及添加剂的硫酸铜溶液，所述添加剂包括加速剂、抑制剂及平整剂中的一种或组合。
9.根据权利要求6所述的ECP填充监测方法，其特征在于：监测所采用的电压的范围包括10mV/s～500mV/s；所述电压的精确度包括0.15mV/s。
10.根据权利要求6所述的ECP填充监测方法，其特征在于：当所述实际电流值小于所述理想电流值时，所述模拟槽孔中具有空洞，且所述空洞的含量与所述实际电流值及理想电流值的差值呈反比。
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