TW201504480A - 電鍍處理器之自動原位控制 - Google Patents

Abstract

在具有至少一陽極和集電電極的電鍍處理器中，參考電極用於測量晶圓邊緣附近的電解質中的電壓梯度。利用控制容積/電流平衡技術，電壓梯度用於計算晶圓表面的電流。測定總晶圓電流流入晶圓邊緣區的分率並與目標值相比。處理器控制器改變陽極與集電電流的至少一者，使實際邊緣區電流來到目標電流。

Description

電鍍處理器之自動原位控制

本申請案係關於用於電化學處理具微尺度裝置的半導體材料晶圓與類似工件或基板的腔室、系統和方法。

諸如半導體裝置等微電子裝置通常係由數種不同類型的機器製造在半導體材料晶圓或工件上及/或內。在典型製造製程中，一或更多層導電材料(例如金屬)形成於晶圓上。晶圓通常接著經蝕刻或研磨，以移除部分導電層而形成觸點、導線或其他部件。

隨著微電子裝置製作得越來越小，晶種層亦需製作得更薄。使用極薄晶種層時，電鍍製程之初的表面電阻可高達如50歐姆/平方，反之晶圓上的電鍍膜或層的最終表面電阻會小於0.02歐姆/平方。利用習知電鍍機器時，此三個數量級的表面電阻變化將導致難以或無法一致提供均勻層及無孔隙填充。

電鍍處理器通常具有一或更多陽極電極和集流電極，晶種層則為陰極。電極設定點(即各電極隨時間提供的電流)乃提前估計且需就各種晶圓與電解質浴類型重新考 量。即使小心選擇電極設定點，所得電鍍層或膜的品質和特徵也可能因涉及大量變數而不盡理想。因此，需要改良式電鍍機器和方法。

在具有至少一陽極和集電電極的電鍍處理器中，二或更多參考電極用於測量晶圓邊緣附近的電解質中的電壓梯度。電壓梯度用於計算晶圓外部附近的電鍍浴內徑向朝外流動的電流。利用此控制容積/電流平衡技術的徑向電流，測定總晶圓電流流入晶圓邊緣區的分率並與目標值相比。處理器控制器改變陽極與集電電流，使實際邊緣區電流來到目標電流。

在一態樣中，只需兩個參考電極。可先使用低集電電流(以免有去除鍍層的風險)。接著可利用控制器，依據感知的晶圓表面電阻，自動調整往電極的電流，此如計算晶圓電流所指示。本發明亦存在所述元件子集。

10‧‧‧晶圓

20‧‧‧電化學處理器

24‧‧‧甲板板材

30‧‧‧具頭

34‧‧‧升降/旋轉單元

38‧‧‧支架

50‧‧‧容器組件

52‧‧‧陽極杯

54、56‧‧‧支撐件

58‧‧‧外殼

60‧‧‧扣件

70、72‧‧‧陽極

74‧‧‧擴散器

76‧‧‧上杯

78‧‧‧陰極腔室

90、92、94、96、98、100、102、104‧‧‧狹槽

98A、100A、102A、104A‧‧‧垂直管

110、112‧‧‧陽極腔室

120‧‧‧陰極腔室

124‧‧‧頂表面

130、132‧‧‧連接器

200‧‧‧控制器

202、204‧‧‧參考電極

206‧‧‧集電電極

210‧‧‧控制容積

212、214、216、218‧‧‧邊界

220、222‧‧‧探針

300‧‧‧陽極

302‧‧‧擴散器

圖中相同的元件符號代表各視圖的相同元件。

第1圖係電化學處理器的分解透視圖。

第2圖係第1圖所示容器組件的剖面透視圖。

第3圖係容器組件的放大剖面圖。

第4圖係第3圖所示上杯的剖面透視圖。

第5圖係在第1圖所示處理器中鄰接晶圓邊緣的控制容積示意圖。

第6圖係在替代處理器中鄰接晶圓邊緣的控制容積 示意圖。

第7圖係第6圖所示控制容積的放大細部圖。

第8圖係狹槽電流對徑向電流的曲線圖。

第9圖係額外集電電極電流對估計徑向電流的曲線圖。

控制系統和方法容許依據處理器內的即時測量，自動控制電鍍處理器中一或更多陽極和集電器的電極設定點。此可減少對設定點估計的依賴及提供改良式電鍍。

本發明的一目的係測定晶圓表面的電流，因為此係影響電鍍膜品質與均勻度的主要因子。若即時得知晶圓表面的電流，則可依需求調整往電極的電流而達成預定結果。只測定往晶圓某一部分(即邊緣部分)的電流已足以適當控制反應器電流。

由於晶種層覆蓋複雜的特徵結構圖案化，故電鍍圖案化銅鑲嵌晶圓將在測定初始電極設定點方面引起額外的挑戰。因此，初始表面電阻不得而知。是以無法準確預測隨著由下往上填充特徵結構(例如晶圓上的溝槽或通孔)的表面電阻變化。本發明方法利用計算晶圓電流而偵測初始表面電阻，藉以克服了該等因素。控制器接著即時補償電鍍製程期間的表面電阻變化。

現詳細參照圖式，第1圖至第4圖圖示代表性電鍍處理器。然本發明的概念實際上可應用到任何具有至少一陽極和集電電極的處理器。如第1圖所示，電化學處理器20具 有具頭30，具頭設在容器組件50上方。容器組件50可支撐在甲板板材24上，甲板板材附接至支架38或其他結構。具頭30可支撐在升降/旋轉單元34上，用於升降及倒置具頭，以將晶圓10裝載及卸載至具頭，及用於降下具頭30而與容器組件50嚙合，以進行處理。

現參照第2圖至第3圖，容器組件50包括陽極杯52、下膜狀物支撐件54和由扣件60扣在一起的上膜狀物支撐件56。在陽極杯52內，第一或內部陽極70設在內部陽極腔室110的底部附近。第二或外部陽極72設在外部陽極腔室112的底部附近，外部陽極腔室圍繞內部陽極電解質腔室110。陽極可提供做為自耗陽極材料，即銅丸、球等。陽極腔室中的電解質稱作陽極電解質。

如第2圖所示，內部陽極70電連接至第一電引線或連接器130，外部陽極72電連接至不同的第二電引線或連接器132。集電電極206可圍繞上杯76的上端。

現參照第3圖至第4圖，若有使用，則上杯76可收置在上杯外殼58內或被上杯外殼58圍繞。上杯外殼58附接且密封住上杯76。上杯76具有彎曲頂表面124和中心貫穿開口，中心貫穿開口構成中心或內部陰極腔室120。此腔室120由擴散器74內大致呈圓柱形的空間所界定，藉以通往由上杯76的彎曲頂表面124所界定的鐘形或喇叭狀空間。一連串同心環狀狹槽從上杯76的彎曲頂表面124向下延伸。形成於上杯76底部的外部陰極腔室78經由管陣列或其他通道連接至狹槽。陰極腔室中的電解質稱作陰極電解質。

如第4圖所示，在一實例中，八個周圍狹槽90、92、94、96、98、100、102、104從上杯76的彎曲頂表面124向下延伸。狹槽很窄，故填充狹槽容積的液態電解質具有高電阻。狹槽通常為1-5毫米(mm)或2-4mm寬。周圍狹槽由垂直管104A、102A、100A、98A連接至外部陰極或陰極電解質腔室78。在所示特定實例中，有18個管連接至各狹槽。管係主要的電阻來源。狹槽有助於使電流再分配(即扇出)流過管而成均勻的軸對稱來源，故當晶圓旋轉時，旋轉晶圓將經歷均勻電流(而非要是晶圓轉過孔洞時的最大值與最小值)。狹槽經放置及寬度選擇以適當分配外部陽極電流遍及晶圓外部。

參照第5圖，控制容積210係選擇在晶圓10的邊緣附近。控制容積210具有內圍邊界212與外圍邊界214、下邊界216和上邊界218。控制容積210和邊界係數學構念，用以描述本發明系統和方法。控制容積和邊界非物理元件。

就設計用於直徑300mm的晶圓的處理器而言，內邊界212位於離晶圓中心100-130mm處。內部探針或參考電極202設在內邊界212裡面。外部探針或參考電極204設在內邊界212外面，使得外部探針204在控制容積210內。探針202、204係真實物理元件，例如電線。探針亦可提供做為電解質填充毛細管而通往真實物理電極或電線。探針202、204可電連接至控制器200。探針202、204可與上杯的上表面齊平，以減少或避免改變處理器中的電解質和電流流動。

使用時，探針測量電壓梯度。內部與外部探針所測 量的電壓差用於利用歐姆定律V=IR來計算(徑向往外)流過內邊界的電流，其中V係測量電壓差，R係在探針間距DD內的液態電解質電阻，I係流過內邊界的電流或徑向電流通量I/徑向入。DD越大，就特定徑向電流測量的電壓越高。通常，視晶圓直徑而定，DD可為10-60mm或以上，一般為10-30mm。R可依據測量的電解質電阻(或製造商提供)與已知的探針間距DD獲知。在第5圖所示實例中，內部探針202位於半徑120mm(距晶圓中心位置120mm)處，外部探針204係在140mm，故DD為約20mm。

經由外邊界214流出控制容積210的電流I/徑向出設定成等於集電電流，集電電流例如可利用連接至集電電極206的安培計獲知。雖然第5圖係圖示晶圓邊緣徑向往外延伸超出控制容積，但控制容積可選擇性選擇使外邊界214超出晶圓邊緣，如此使I/徑向出與集電電流相等將產生很少或無誤差。

經由下邊界216流入控制容積210的總電流I/垂直入等於流過狹槽102、104內的電解質的電流。上杯76由介電材料製成，故所有流過上杯的電流只需流至上杯的電解質填充狹槽。通過狹槽的電流係外部陽極電流與內部陽極電流和集電電流的分率。若反應器內因高表面電阻或高集電電流而產生大徑向電壓梯度，則該等電壓梯度將導致電流往內部狹槽(90、92、94、96)下方流動並往上回到外部狹槽(98、100、102、104)。流過狹槽的電流實際上可由探針所測量的徑向電流準確測定。在第5圖中，流過狹槽102、104的電流 係外部陽極電流與通過控制容積內邊界212的徑向電流的函數。因此，就反應器內所用任何電流(撥入或未撥入)而言，可由直線方程式準確預測通過狹槽102、104的外部陽極電流分率，其中「x」值如同從參考電極計算的測量電流。

總之，利用二參考電極間的單一電壓差來計算處理器中的徑向電流，可準確測定橫越控制容積兩側的電流(212係利用下述方程式2，218係利用第8圖所示曲線圖)。此得自二探針的同一個單一徑向電流亦可用於測定「增益」，用以計算一組新電流而驅使晶圓邊緣電流達成目標。

如第9圖所示，所示「增益」可視徑向電流而從1變到8。由於適當增益可廣泛變化，故使用適當值為快速到達晶圓目標及保持目標所需。模型化顯示當反應器內所用電流已接近「撥入」電流時，適當「增益」將最準確依循自徑向電流的線性關係。故晶圓電流越近似目標，演算法越準確。

目標(在控制容積內通往晶圓區域的總晶圓電流的%)大致等於控制容積內的晶圓區域量值(即對平坦輪廓而言為26.5%)。然些微調整目標對徑向電流適於補償由只使用兩個探針計算反應器徑向電流所引起的小誤差。控制演算法中的所有未知數可表示成單一電流通量計算的函數。該等未知數係控制容積邊界212、218、增益和晶圓電流目標的%。因此，腔室內控制製程所需儀器相當簡單。

如第5圖所示，上、下狹槽探針220、222可增設在狹槽104和狹槽102中，以偵測狹槽內的電壓變化，電壓變化用於計算狹槽內的電流。

由於流入控制容積的電流必須等於流出控制容積的電流，因此I/徑向入加上I/垂直入必須等於I/徑向出加上I/垂直出。I/垂直出設定成在控制容積中晶圓表面的實際電流。I/垂直出係由下列方程式1計算而得。

1]I/垂直出=I/徑向入+I/垂直入-I/徑向出。

特別係當電鍍到非常薄的晶種層時，表面電阻變化很快，即在數毫秒的等級或量級內。晶圓表面的電流或I/垂直出係表面電阻的函數(當電極電流恆定時)。因可即刻獲知I/垂直出，控制器200可即時改變提供至陽極與集電電極的電流，以改善電鍍結果，即便表面電阻快速變化亦然。可以快達每2.5毫秒的速度調整陽極與集電電極電流。

第5圖係二維圖示控制容積210。雖然探針本質上係測量二維梯度，但處理器內的電流卻是三維流動，因此數學模型化建議使用兩個探針可提供良好的準確度。就三維控制容積而言，可由下列方程式2估計徑向流入控制容積的電流。

2]I_徑向=K_浴(V2-V1/R2-R1)2πR_平均h_間隙，其中K係浴導電度，h_間隙係在電流通量測量位置的垂直間隙或晶圓的面朝下表面與上杯的頂表面間的空間。電流通量測量位置大致在內部探針202與外部探針204間的中點位置。或者，呈180度的複製參考電極對可用於更好地估計流過邊界212的三維電流。環型參考電極亦可選擇性用於對電壓差和通量作更好的三維估計。探針有效地置於單一電壓差可準確計算徑向外流電流的位置。

參照第2圖及第5圖，控制器200電連接至探針202、204，並且使用出自探針的輸入來計算電壓梯度。控制器接著計算上述I/垂直出。接著比較計算而得的I/垂直出和儲存的目標值。二者差異提供誤差訊號。控制器使用誤差訊號來調整陽極與集電電極供應的電流。若I/垂直出太大，則控制器可提高集電電流，以降低I/垂直出。

為簡化控制，特別係在具有二或更多陽極的處理器中，處理器可建構使往外部陽極的電流在所有表面電阻下保持恆定，例如藉由選擇具頭30的特定高度。接著，只需依據I/垂直出，控制集電比率。集電比率係集電電流與內部陽極電流的比率。僅調整集電比率可簡化利用具二或更多陽極的處理器的控制。

在一形式中，方法可進行如下：

a. 就任何電流設定和晶圓表面電阻找尋探針位置的電場。

b. 利用探針間的測量電壓梯度，計算徑向電流通量。

c. 利用上述控制容積分析，測定通往晶圓邊緣的電流。

d. 比較晶圓邊緣電流和目標邊緣電流。

e. 計算一組新電流而驅使晶圓邊緣電流達成目標。

第6圖及第7圖圖示將上述方法應用到具有單一陽極300、單一集電電極206和擴散器302的一般電鍍處理器，擴散器具有很高的電阻，故控制容積下邊界的電流密度為實質均勻。

可調整邊緣電流的目標值，以產生邊緣為厚或薄的輪廓。憑經驗調整目標可用於平坦化輪廓，以計及系統誤差。 例如，27.5%的目標電流可能產生較平坦的輪廓，而非26.75%。利用絕緣晶圓(或裸矽晶圓)使特定電流在內部陽極與集電電極間流動，可完成徑向電流通量輪廓計算校準。所有電流接著皆為徑向而容許檢查或設定所需因子(浴導電度、晶圓至壁面間隙、探針徑向距離)。自動原位控制可用於「寫入」用於各種產品晶圓的動態電流控制(DCC)配方(即隨時間出自各電極的即刻電流)。記錄DCC配方可用於生產，故同一配方一直用於各晶圓。可響應先前迭代而以「即時運算模式」計算校正「靈敏度」導數(即增益)，用以預測下一迭代的「靈敏度」。

所用「晶圓」一詞包括其他具有微電子、微機械及/或微光學裝置的基板和工件。所述方法可用於具有一或更多陽極與單一集電電極的處理器。所用「連接或電連接」一詞包括有線和無線連接。

10‧‧‧晶圓

20‧‧‧電化學處理器

24‧‧‧甲板板材

30‧‧‧具頭

34‧‧‧升降/旋轉單元

38‧‧‧支架

50‧‧‧容器組件

Claims (12)

1. 一種電鍍處理器，包含：一容器，用於容納一電解質；至少一陽極、一集電器和一場成形元件於該容器中；分隔的一第一參考電極與一第二參考電極，該第一參考電極位於該容器的一中心位置與該第二參考電極之間；及一控制器，電連接至該至少一陽極、該集電器和該第一參考電極與該第二參考電極。
2. 如請求項1所述之處理器，其中該第一參考電極與該第二參考電極位於一共同半徑上，該共同半徑從該中心位置徑向朝外延伸。
3. 如請求項1所述之處理器，其中該第一電極與該第二電極置於該場成形單元內或上。
4. 如請求項1所述之處理器，其中該場成形單元包含一上杯，該上杯具有一彎曲頂表面和複數個周圍狹槽，且至少一周圍狹槽位於該第一參考電極與該第二參考電極之間。
5. 如請求項1所述之處理器，其中該集電電極包含一環，該環繞著該容器的一上緣延伸，且該第二參考電極位於該集電電極與該第一參考電極之間。
6. 如請求項2所述之處理器，其中該容器具有一半徑R，該第一電極位在距該中心位置至少65R處。
7. 如請求項1所述之處理器，進一步包含可與該容器嚙合的一具頭，該具頭具有一晶圓支托位置，用以將一晶圓支托在比該第二參考電極高5-30mm處。
8. 如請求項1所述之處理器，其中該第二參考電極係在比該第一參考電極高的一垂直位置。
9. 如請求項4所述之處理器，進一步包括位於一或更多該等周圍狹槽的多個補充參考電極。
10. 一種控制一電鍍處理器的方法，該電鍍處理器具有至少一陽極和一集電電極，該方法包含：測定一電解質中的一電壓梯度，該電解質鄰接一晶圓的一邊緣；利用該電壓梯度，測定流入一電解質容積的一徑向電流，該容積鄰接該晶圓的該邊緣；測定流出該容積而至一集電電極的一徑向電流；測定流入該容積的一垂直電流；由流入該容積的該徑向電流與流入該容積的該垂直電流的一總和減去流至該集電電極的該徑向電流，以計算流向一晶圓表面的一電流； 由一目標值減去流向該晶圓表面的該電流，以測定一誤差值；及利用該誤差值，控制流至該陽極與該集電電極的至少一者的一電流。
11. 如請求項10所述之方法，進一步包含依據流向該晶圓表面的該電流，測定一表面電阻。
12. 如請求項10所述之方法，其中該處理器具有一內部陽極和一外部陽極，該晶圓置於一具頭內，藉由選擇該具頭相對一電解質表面的一特定高度，使出自該外部陽極的一電流在所有表面電阻下保持恆定，及進一步包含控制該集電電流。