在恒压模式下电化学抛光的方法

摘要

本发明揭示了一种在恒压模式下电化学抛光的方法，包括：预设一个具有电流分布的恒流配方，包括晶圆上具有不同半径的多个位置以及为每个位置预设的电流；使用恒流配方抛光第一晶圆；在抛光过程中检测并记录每个位置的电压；生成具有电压分布的恒压配方，包括多个位置以及对应每个位置记录的电压；使用恒压配方抛光第二晶圆。

说明书

技术领域

本发明涉及电化学抛光，尤其涉及一种在恒压模式下电化学抛光的方法。

背景技术

由于电化学抛光速度快，效果好，目前已广泛应用于半导体工业，并在电化学抛光反应中选用恒流模式。在恒流模式下，电流恒定且稳定，这就表明恒定量的氢离子与图案化的晶圆金属层表面反应。当大量的铜层完全覆盖图案化的晶圆表面时，氢离子将会与整个晶圆上的铜层均匀反应直到大量的铜层被去除。由于余留在图案化沟槽内的铜以及阻挡层材料(钽、氮化钽、钛、氮化钛、钴、钌等)不与电解液反应，铜余留区域周围的氢离子浓度大幅增长，导致凹陷以及铜线的表面特征因不同的线密度和分布而不同。

在恒流模式下，带电的离子的数量恒定，与图案化的晶圆表面特征和结构无关。在微尺寸下，整个区域的去除率是均匀的，因此，由于铜线的非均匀分布，恒流模式将造成不同特征之间凹陷的差异。

发明内容

本发明提出一种改善半导体金属层平坦化工艺后的晶圆级全局凹陷和芯片尺度微观凹陷的方法，该方法基于电化学抛光原理。

在一种具体实施方式中，提出在恒压模式下电化学抛光的方法，包括：预设具有电流分布的恒流配方，包括晶圆上具有不同半径的多个位置以及为每个位置预设的电流；使用恒流配方抛光第一晶圆；在抛光过程中检测并记录每个位置的电压；生成具有电压分布的恒压配方，包括多个位置以及对应每个位置记录的电压；使用恒压配方抛光第二晶圆。

在一种具体实施方式中，为位置预设的电流与位置的半径成正比。

在一种具体实施方式中，第一晶圆包括裸晶圆和位于裸晶圆上的金属层。

在一种具体实施方式中，第二晶圆包括具有多个图案化沟槽或通孔的晶圆和位于晶圆上的金属层，图案化的沟槽或通孔由金属层填满。

本发明提出一种在恒压模式下电化学抛光的方法，通过引入恒压抛光的自动停止效应克服了现有技术的瓶颈。

附图说明

图1是电化学抛光的典型装置图；

图2是晶圆上的抛光区域和芯片尺度的俯视图；

图3是晶圆上的芯片尺度和图形结构区域尺度的俯视图；

图4是界定单元的俯视图；

图5是图4中的单元沿A-A的横截面图；

图6是图4中的单元沿A-A的另一横截面图；

图7是图4中的单元沿B-B的横截面图；

图8是在恒压模式下的电化学抛光处理后的凹陷；

图9是本发明的方法的流程图；

图10是本发明的方法中使用的电流表；

图11是本发明的方法中使用的电压表

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。

如图1所示一种电化学抛光的典型装置，包括卡盘101、喷头103和电源104，卡盘101和喷头103都与电源104电连接。卡盘101在抛光过程中支撑并转动晶圆102且被用作阳极，喷头103向晶圆102表面喷洒带电的电解液105且被用作阴极，以便金属离子与带电的电解液105反应并转移到喷头103。现有技术中，电源104为恒流电源，因此电化学抛光可以在恒流模式下进行。然而在本发明中，恒流电源被恒压电源取代，电化学抛光在恒压模式下进行。

在本发明的恒压模式下，带电离子的数量为变量，取决于整个抛光系统的电阻。为了解释恒压模式的功能，首先介绍抛光区域模型。抛光区域位于喷头103的正上方，带电的电解液由喷头103向上喷出。

图2所示为晶圆102上的抛光区域和芯片尺度的俯视图。在这种模型中，抛光区域被分成多个芯片尺度201，每个芯片尺度201包括多个单元202，单元的大小取决于模型定义，可以趋向于纳米级。由于带电粒子被这些单元202共享，带电离子的总量等于每个单元的带电离子量的总和。因此，所有这些单元202可以被看作并联，意味着电流由所有的单元202共享。

图3所示为晶圆上的芯片尺度和图形结构区域尺度的俯视图。每个芯片尺度201上有多个图形结构区域尺度203，单元202位于图形结构区域尺度203内，单元202放大如图3所示。进一步地，如图4至图7所示，给出了界定单元202的俯视图和横截面图。

通常，电化学抛光系统的电阻包括装置的电阻和带电电解液的电阻，装置的电阻可以被看作为定值，带电电解液的电阻与抛光区域的大小有关。

抛光区域由多个单元202组成，所有的单元并联连接。为了简化抛光区域模型，忽略带电电解液105的边界效应，电流(也就是离子浓度)和带电电解液105的液体电阻相同并均匀分布在带电电解液105中。此外，对于特定的单元202，单元202的电阻由单元202自身结构决定。

如图4至图7所示为单元202的典型结构。单元202由抛光工艺前埋在金属下面的线401和空间402组成，线401和空间402彼此间隔分布。在一种具体实施方式中，金属为铜。参考单元202沿A-A的横截面图，可以看到单元202从上到下包括第一铜层403、第二铜层404、阻挡层405和介质层406。第一铜层403在阻挡层405的上方，第二铜层404在线401内。图6所示为单元202沿A-A的另一横截面图，图中第一铜层403已经在抛光工艺中被去除。

基于先前的估计，单元202的电阻可以根据以下方程式获得：

R＝ρL/A＝ρL/(T*W)(1)

其中，ρ代表材料的电阻率；L代表长度，尤其是单元的边长；A代表第一铜层403和阻挡层405的横截面面积，等于T乘以W；T代表第一铜层403和阻挡层405的厚度；W代表单元的边宽。

在某些情况下，如果单元202被定义为正方形，L等于W，那么方程式(1)可以转化为：

R＝ρ/T(2)

铜的电阻率远小于阻挡层的电阻率，因此铜层的电阻要远小于阻挡层405的电阻。此外，根据方程式(1)，第一铜层403和阻挡层405的电阻与横截面积A成反比，也与方程式(2)所述的厚度T成反比。因此，随着第一铜层403在抛光工艺中被逐渐去除，抛光区域的电阻将会越来越高。这样，如果恒压模式被应用到电化学抛光中，电流将自动减小，通过这种方式，去除率将被很好的控制以达到一个良好的抛光效果。这种现象可以被定义为恒压模式的自动停止效应。

图8至图11所示为本发明的一种具体实施方式，提出一种在恒压模式下电化学抛光的方法，该方法包括：

步骤901：预设一个具有电流分布的恒流配方，包括晶圆上具有不同半径的多个位置以及为每个位置预设的电流；

步骤902：使用恒流配方抛光第一晶圆；

步骤903：在抛光过程中检测和记录每个位置的电压；

步骤904：生成具有电压分布的恒压配方，包括多个位置以及对应每个位置记录的电压；

步骤905：使用恒压配方抛光第二晶圆。

由于该方法采用了恒压模式，因此获得了好的抛光结果。如图8所示为在恒压模式下的电化学抛光处理后的凹陷，其中35μm和5μm代表了抛光区域内的不同线宽，C(中心)、M(中部)和E(边缘)代表了被处理后的晶圆的不同位置。由于恒压模式的自动停止效应，可以看出，在相同的位置，不同线宽之间的凹陷非常接近；在相同的线宽，不同位置之间的凹陷也非常接近。相反，如果在此方法中采用恒流模式，即使在相同的位置，不同线宽之间的凹陷差异很大；在相同的线宽，不同位置之间的凹陷差异也很大。

如图10所示，表1为应用在本发明所述方法中的恒流配方。可以看出，在该恒流配方中，每个位置都有相对应的电流值。进一步，图11所示为生成的恒压配方。根据表1，表2给出了每个位置相对应的电压值。

表2仅适用于固定的工艺条件，这意味着工艺条件必须稳定，恒压配方中的工艺条件与恒流配方中的工艺条件相同，所述工艺条件包括但不限于电解液流速、电解液温度和晶圆的转速。如果工艺条件的变化超过了指定范围，应该根据步骤901至步骤903重新生成表2。

为了在本发明的电化学抛光完成后获得均匀的去除形貌，为位置预设的电流与位置的半径成正比。可选择地，恒流配方在脉冲模式下操作，恒压配方在脉冲模式下操作。结合脉冲模式，去除率可以被降低并且对晶圆的金属表面粗糙度没有任何不良影响。由于脉冲模式可以缩短抛光时间，而金属表面粗糙度与抛光时间成反比，所以脉冲模式有助于改善晶圆的金属表面粗糙度。

在一种具体实施方式中，第一晶圆包括裸晶圆和位于裸晶圆上的金属层。金属层可以是铜层、锡层、镍层、银层或金层。

在一种具体实施方式中，第二晶圆包括具有多个图案化沟槽或通孔的晶圆和位于晶圆上的金属层。图案化的沟槽或通孔由金属层填满。金属层为铜层、锡层、镍层、银层或金层。

根据本发明可以制得相对均匀的铜线，因此可以优化凹陷差异。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。