TWI695092B - 在恒壓模式下電化學拋光的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示了一種在恒壓模式下電化學抛光的方法，該方法包括：預設一個具有電流分佈的恒流配方，包括晶圓上具有不同半徑的多個位置以及為每個位置預設的電流；使用恒流配方抛光第一晶圓；在抛光過程中檢測並記錄每個位置的電壓；生成具有電壓分佈的恒壓配方，包括多個位置以及對應每個位置記錄的電壓；使用恒壓配方抛光第二晶圓。

Description

在恒壓模式下電化學抛光的方法
本發明關於電化學抛光，尤其關於一種在恒壓模式下電化學抛光的方法。
由於電化學抛光速度快，效果好，目前已廣泛應用於半導體工業，並在電化學抛光反應中選用恒流模式。在恒流模式下，電流恒定且穩定，這就表明恒定量的氫離子與圖案化的晶圓金屬層表面反應。當大量的銅層完全覆蓋圖案化的晶圓表面時，氫離子將會與整個晶圓上的銅層均勻反應直到大量的銅層被去除。由於餘留在圖案化溝槽內的銅以及阻擋層材料(鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、鈷、釕等)不與電解液反應，銅余留區域周圍的氫離子濃度大幅增長，導致凹陷以及銅線的表面特徵因不同的線密度和分佈而不同。
在恒流模式下，帶電的離子的數量恒定，與圖案化的晶圓表面特徵和結構無關。在微尺寸下，整個區域的去除率是均勻的，因此，由於銅線的非均勻分佈，恒流模式將造成不同特徵之間凹陷的差異。
本發明提出一種改善半導體金屬層平坦化工藝後的晶圓級全局凹陷和晶片尺度微觀凹陷的方法，該方法基於電化學抛光原理。
在一種具體實施方式中，提出在恒壓模式下電化學抛光的方法，包括：預設具有電流分佈的恒流配方，包括晶圓上具有不同半徑的多個位置以及為每個位置預設的電流；使用恒流配方抛光第一晶圓；在抛光過程中檢測並記錄每個位置的電壓；生成具有電壓分佈的恒壓配方，包括多個位置以及對應每個位置記錄的電壓；使用恒壓配方抛光第二晶圓。
在一種具體實施方式中，為位置預設的電流與位置的半徑成正比。
在一種具體實施方式中，第一晶圓包括裸晶圓和位於裸晶圓上的金屬層。
在一種具體實施方式中，第二晶圓包括具有多個圖案化溝槽或通孔的晶圓和位於晶圓上的金屬層，圖案化的溝槽或通孔由金屬層填滿。
本發明提出一種在恒壓模式下電化學抛光的方法，透過引入恒壓抛光的自動停止效應克服了現有技術的瓶頸。
101‧‧‧卡盤
102‧‧‧晶圓
103‧‧‧噴頭
104‧‧‧電源
105‧‧‧電解液
201‧‧‧芯片尺度
202‧‧‧單元
203‧‧‧區域尺度
401‧‧‧線
402‧‧‧空間
403‧‧‧第一銅層
404‧‧‧第二銅層
405‧‧‧阻擋層
406‧‧‧介質層
圖1是電化學抛光的典型裝置圖；圖2是晶圓上的抛光區域和晶片尺度的俯視圖；圖3是晶圓上的晶片尺度和圖形結構區域尺度的俯視圖；圖4是界定單元的俯視圖；圖5是圖4中的單元沿A-A的橫截面圖；圖6是圖4中的單元沿A-A的另一橫截面圖；圖7是圖4中的單元沿B-B的橫截面圖；圖8是在恒壓模式下的電化學抛光處理後的凹陷；圖9是本發明的方法的流程圖；圖10是本發明的方法中使用的電流錶；圖11是本發明的方法中使用的電壓表。
下面結合附圖詳細說明本發明。
如圖1所示一種電化學抛光的典型裝置，包括卡盤101、噴頭103和電源104，卡盤101和噴頭103都與電源104電連接。卡盤101在抛光過程中支撐並轉動晶圓102且被用作陽極，噴頭103向晶圓102表面噴灑帶電的電解液105且被用作陰極，以便金屬離子與帶電的電解液105反應並轉移到噴頭103。現有技術中，電源104為恒流電源，因此電化學抛光可以在恒流模式下進行。然而在本發明中，恒流電源被恒壓電源取代，電化學抛光在恒壓模式下進行。
在本發明的恒壓模式下，帶電離子的數量為變數，取決於整個抛光系統的電阻。為了解釋恒壓模式的功能，首先介紹抛光區域模型。抛光區域位於噴頭103的正上方，帶電的電解液由噴頭103向上噴出。
圖2所示為晶圓102上的抛光區域和晶片尺度的俯視圖。在這種模型中，抛光區域被分成多個晶片尺度201，每個晶片尺度201包括多個單元202，單元的大小取決於模型定義，可以趨向于納米級。由於帶電粒子被這些單元202共用，帶電離子的總量等於每個單元的帶電離子量的總和。因此，所有這些單元202可以被看作並聯，意味著電流由所有的單元202共用。
圖3所示為晶圓上的晶片尺度和圖形結構區域尺度的俯視圖。每個晶片尺度201上有多個圖形結構區域尺度203，單元202位於圖形結構區域尺度203內，單元202放大如圖3所示。進一步地，如圖4至圖7所示，給出了界定單元202的俯視圖和橫截面圖。
通常，電化學抛光系統的電阻包括裝置的電阻和帶電電解液的電阻，裝置的電阻可以被看作為定值，帶電電解液的電阻與抛光區域的大小有關。
抛光區域由多個單元202組成，所有的單元並聯連接。為了簡化抛光區域模型，忽略帶電電解液105的邊界效應，電流(也就是離子濃度)和帶電電解液105的液體電阻相同並均勻分佈在帶電電解液105中。此外，對於特定的單元202，單元202的電阻由單元202自身結構決 定。
如圖4至圖7所示為單元202的典型結構。單元202由抛光工藝前埋在金屬下面的線401和空間402組成，線401和空間402彼此間隔分佈。在一種具體實施方式中，金屬為銅。參考單元202沿A-A的橫截面圖，可以看到單元202從上到下包括第一銅層403、第二銅層404、阻擋層405和介質層406。第一銅層403在阻擋層405的上方，第二銅層404在線401內。圖6所示為單元202沿A-A的另一橫截面圖，圖中第一銅層403已經在抛光工藝中被去除。
基於先前的估計，單元202的電阻可以根據以下方程式獲得：R=ρ L/A=ρ L/(T*W) (1)
其中，ρ代表材料的電阻率；L代表長度，尤其是單元的邊長；A代表第一銅層403和阻擋層405的橫截面面積，等於T乘以W；T代表第一銅層403和阻擋層405的厚度；W代表單元的邊寬。
在某些情況下，如果單元202被定義為正方形，L等於W，那麽方程式(1)可以轉化為：R=ρ/T (2)
銅的電阻率遠小於阻擋層的電阻率，因此銅層的電阻要遠小於阻擋層405的電阻。此外，根據方程式(1)，第一銅層403和阻擋層405的電阻與橫截面積A成反比，也與方程式(2)所述的厚度T成反比。因此，隨著第一銅 層403在抛光工藝中被逐漸去除，抛光區域的電阻將會越來越高。這樣，如果恒壓模式被應用到電化學抛光中，電流將自動減小，透過這種方式，去除率將被很好的控制以達到一個良好的抛光效果。這種現象可以被定義為恒壓模式的自動停止效應。
圖8至圖11所示為本發明的一種具體實施方式，提出一種在恒壓模式下電化學抛光的方法，該方法包括：步驟901：預設一個具有電流分佈的恒流配方，包括晶圓上具有不同半徑的多個位置以及為每個位置預設的電流；步驟902：使用恒流配方抛光第一晶圓；步驟903：在抛光過程中檢測和記錄每個位置的電壓；步驟904：生成具有電壓分佈的恒壓配方，包括多個位置以及對應每個位置記錄的電壓；步驟905：使用恒壓配方抛光第二晶圓。
由於該方法採用了恒壓模式，因此獲得了好的抛光結果。如圖8所示為在恒壓模式下的電化學抛光處理後的凹陷，其中35μm和5μm代表了抛光區域內的不同線寬，C(中心)、M(中部)和E(邊緣)代表了被處理後的晶圓的不同位置。由於恒壓模式的自動停止效應，可以看出，在相同的位置，不同線寬之間的凹陷非常接近；在相同的線寬，不同位置之間的凹陷也非常接近。相反，如果在此方法中採用恒流模式，即使在相同的位置，不同線 寬之間的凹陷差異很大；在相同的線寬，不同位置之間的凹陷差異也很大。
如圖10所示，表1為應用在本發明所述方法中的恒流配方。可以看出，在該恒流配方中，每個位置都有相對應的電流值。進一步，圖11所示為生成的恒壓配方。根據表1，表2給出了每個位置相對應的電壓值。
表2僅適用於固定的工藝條件，這意味著工藝條件必須穩定，恒壓配方中的工藝條件與恒流配方中的工藝條件相同，所述工藝條件包括但不限於電解液流速、電解液溫度和晶圓的轉速。如果工藝條件的變化超過了指定範圍，應該根據步驟901至步驟903重新生成表2。
為了在本發明的電化學抛光完成後獲得均勻的去除形貌，為位置預設的電流與位置的半徑成正比。可選擇地，恒流配方在脈衝模式下操作，恒壓配方在脈衝模式下操作。結合脈衝模式，去除率可以被降低並且對晶圓的金屬表面粗糙度沒有任何不良影響。由於脈衝模式可以縮短抛光時間，而金屬表面粗糙度與抛光時間成反比，所以脈衝模式有助於改善晶圓的金屬表面粗糙度。
在一種具體實施方式中，第一晶圓包括裸晶圓和位於裸晶圓上的金屬層。金屬層可以是銅層、錫層、鎳層、銀層或金層。
在一種具體實施方式中，第二晶圓包括具有多個圖案化溝槽或通孔的晶圓和位於晶圓上的金屬層。圖案化的溝槽或通孔由金屬層填滿。金屬層為銅層、錫層、鎳 層、銀層或金層。
根據本發明可以制得相對均勻的銅線，因此可以優化凹陷差異。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
101‧‧‧卡盤
102‧‧‧晶圓
103‧‧‧噴頭
104‧‧‧電源
105‧‧‧電解液

Claims (10)

  1. 一種在恒壓模式下電化學抛光的方法，其特徵在於，包括：預設一個具有電流分佈的恒流配方，包括晶圓上具有不同半徑的多個位置以及為每個位置預設的電流；使用恒流配方抛光第一晶圓；在抛光過程中檢測並記錄每個位置的電壓；生成具有電壓分佈的恒壓配方，包括多個位置以及對應每個位置記錄的電壓；以及使用恒壓配方抛光第二晶圓。
  2. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，為位置預設的電流與位置的半徑成正比。
  3. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，第一晶圓包括：裸晶圓；及位於裸晶圓上的金屬層。
  4. 如請求項3所述的方法，其特徵在於，金屬層為銅層、錫層、鎳層、銀層或金層。
  5. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，第二晶圓包括：具有多個圖案化溝槽或通孔的晶圓；及位於晶圓上的金屬層，其中，圖案化溝槽或通孔被金屬層填滿。
  6. 如請求項5所述的方法，其特徵在於，金屬層為銅層、錫層、鎳層、銀層或金層。
  7. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，恒流配方在脈衝模式下操作。
  8. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，恒壓配方在脈衝模式下操作。
  9. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，恒壓配方的工藝條件與恒流配方的工藝條件相同。
  10. 如請求項9所述的方法，其特徵在於，工藝條件包括：電解液流速、電解液溫度和晶圓轉速。
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