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铜电镀和钴化学镀沉积的监测

作者:Chenting Lin, Michael Pavlov, Eugene Shalyt 和 Peter Bratin, ECI Technology   2006-10-15   点击:805

,分解速度就会慢得多。绘制CVS输出与CVS循环数算法的关系曲线可测定出MPS的浓度,然后将获得的斜率与图2进行对比。图2是根据不同已知精确浓度制备好的MPS溶液而绘制的。从图中可以看出,斜率会随着MPS的浓度而发生改变。相反,当SPS的浓度发生变化时,同一个图中的斜率却不会改变。
抽干后再加入新的溶液是控制失效成份积累的一种有效手段。采用前文提到的技术对失效成份的浓度进行随时监测可进一步提高该手段的有效性。


  化学镀CoWP溶液中的还原剂分析

  如前所述,钴合金(多为CoWP形态)正在逐渐取代介质材料,用作金属镶嵌互连的包封层。最具代表性的CoWP化学沉积镀槽中所含的其它成份尤其包括:0.1 M氯化钴或硫酸钴、0.2 M次磷酸钠、0.03 M钨酸钠、0.5 M柠檬酸钠和0.5 M硼酸,其典型的pH值约为9,工作温度为85-95℃。由于化学镀工艺相当复杂,要想获得较好的沉积一致性就必须精确控制电镀槽的成份。至少必须做到每隔数小时对化学镀工艺的快速动态变化进行一次监测。虽然在实验室的工作台上可轻易地对单一成份溶液的成份进行独立分析,而直接对多种成份溶液进行独立分析却面临着实际

的挑战。

  图3示出了老化电镀槽在没有有效浓度控制情况下的趋势图。其中一些重要成份,如DMAB等,会随着沉积晶片的数量而显示出持续的浓度下降趋势。成份不同,其趋势和变化速度就都会有所不同。作者开发了众多的方法,可用于分析CoWP电镀槽中每一种重要成份的浓度,同时还能将其它成份的基本影响有效地隔离起来。


  还原剂是化学镀槽中最为重要的成份之一。化学镀槽中的金属离子不会像电镀时那样接收外部电路提供的电子,相反金属离子会还原,并通过接收还原剂释放的电子而沉积下来。化学镀CoWP沉积中使用的最典型的还原剂是次磷酸盐。在某些情况下,尤其是在不加入预钯活化步骤(例如活化溶液,如果使用还需要进行在线化学分析)而是直接沉积CoWP的情况下,就要添加DMAB作为附加的还原剂。在实验室中,对次磷酸盐的测量通常采用氧化还原滴定法在工作台面上完成。然而,这类氧化还原滴定的方法要使用浓酸,而且还需要将样品在暗处放置1小时,这样做即使可行,也会给半导体制造厂进行必要的在线分析带来诸多不便。


  化学镀溶液中的还原剂会影响到工作电极上的电镀速率,随着还原剂浓度的提高电镀速率会一味地增加(要注意,我们采用的是CVS,一种用来分析化学镀溶液成份的电镀技术)。将工作电极上的标准电镀速率用于测定溶液中对应的还原剂的浓度;根据已知还原剂浓度的溶液可建立校准曲线(图4)。然后将工艺槽中的溶液样品精确地稀释到空白的工作溶液中,之后将这种稀释好的溶液的CVS输出与校准曲线进行对比,以便测定出工艺槽中的还原剂的浓度。


  为了对次磷酸盐造成的影响与DMAB的作用加以区分,需要用一种能分解出DMAB而非次磷酸盐的专用试剂对镀槽样品加以处理,因此最终处理溶液的CVS输出只会给出次磷酸盐的浓度值。分析会对ppb水平较为敏感,而CoWP化学镀槽中的还原剂的典型浓度则会大大高于10 g/L。如此高的敏感度允许使用稀释溶液分析,这样就消除了同一化学镀溶液中其它镀槽成份带来的干扰。

  图5示出了从制造车间采集的次磷酸盐浓度的趋势图。利用前文所述技术获得的分析结果有助于制造车间的工程师在数据采集的最后阶段对浓度进行调整,使浓度更加接近目标值。


  对CoWP化学镀溶液中络合剂的监测

  对CoWP化学镀槽的在线监测中,另一个棘手的方面是确定柠檬酸的浓度。柠檬酸是CoWP无电解化学中最常用的络合剂。在实验操作中,柠檬酸的浓度主要通过测量它的酸度而获得,而这一测量不能在CoWP的缓冲碱溶液环境下进行。

  络合滴定法是另一项常用的实验方法,但它并不适用于CoWP化学镀溶液中的柠檬酸测量,这是因为它的络合能力在这类试剂中要相对弱一些。

  我们已经证明柠檬酸的浓度可以用一种非传统的方法进行精确的测量,这种方法需要加入氟化物作为电极,还要利用镧和氟的离子作为试剂。先把少量的氟离子(用作指示剂)滴加到样品溶液中,然后再用含有镧离子的溶液滴定。镧离子会与溶液中的柠檬酸完全反应并生成相当强的柠檬酸络合物。只有到达滴定终点,当溶液中柠檬酸耗尽的时候,镧离子才会同氟化物发生反应。此时,如果氟化物浓度开始减小的话,那么用来指示滴定终点的氟化离子选择性电极将会轻而易举地将其检测出来。根据所消耗的镧离子滴定液的量,我们就可以得到所反应(直到完全反应掉)的柠檬酸的量化信息。利用前文所述的方法对按照已知目标浓度制备好的溶液进行测量,根据验证结果,笔者可以得出结论:此方法的精确度大于1.5%。

  现行的综合无电解化学监测系统可获得的精确度比大多数的实际需求都要好一些。总而言之,CVS、 电位滴定法以及光谱分析技术都已

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