用于增強型鑲嵌金屬填充的潤濕預(yù)處理的設(shè)備的制造方法
【專利說明】用于増強型鑲嵌金屬填充的潤濕預(yù)處理的設(shè)備
[0001] 本申請是申請?zhí)枮?01080026847. 7、申請日為2010年6月16日、發(fā)明名稱為"用 于增強型鑲嵌金屬填充的潤濕預(yù)處理的設(shè)備"的中國發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002] 相關(guān)申請案的奪叉參考
[0003] 本申請案依據(jù)35U.S.C. § 119(e)主張2009年6月17日申請的第61/218, 024號、 2010年1月8日申請的第12/684, 787號和第12/684, 792號美國專利申請案的優(yōu)先權(quán)，以 上申請案以引用方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本文揭示的實施例涉及預(yù)潤濕設(shè)備設(shè)計和方法。更具體來說，實施例涉及用于在 用于集成電路制造的晶片上沉積導電材料之前預(yù)潤濕半導體晶片的預(yù)潤濕設(shè)備設(shè)計和方 法。
【背景技術(shù)】
[0005] 潤濕是通過液體與固體之間的粘合力以及液體中的內(nèi)聚力來控制的液體/固體 界面的性質(zhì)。液體與固體之間的粘合力致使液體在固體表面上擴散。液體中的內(nèi)聚力致使 液體與固體表面的接觸最少。液體對固體表面的潤濕在其中液體與固體表面相互作用的許 多工業(yè)工藝中是重要的。電鍍（陰極工藝），包含集成電路制造中的電鍍，是一種此類工業(yè) 工藝。潤濕在陽極工藝中也是重要的，包含電蝕刻和電拋光。
[0006] 舉例來說，在集成電路制造中，經(jīng)常通過電鍍將例如銅等導電材料沉積到金屬晶 種層上，所述金屬晶種層是通過物理氣相沉積（PVD)或化學氣相沉積（CVD)方法沉積到晶 片表面上。電鍍是用于在鑲嵌期間和在雙鑲嵌處理期間將金屬沉積到晶片的通孔和溝槽中 的選擇方法。
[0007] 鑲嵌處理是用于在集成電路（IC)上形成互連件的方法。其尤其適合于制造采用 銅作為導電材料的集成電路。鑲嵌處理涉及在形成于電介質(zhì)層（金屬間電介質(zhì)）中的溝槽 和通孔中形成嵌入金屬線。在典型的鑲嵌工藝中，在半導體晶片襯底的電介質(zhì)層中蝕刻溝 槽和通孔的圖案。通常，隨后通過PVD方法將例如鉭、氮化鉭或TaN/Ta雙層等粘著金屬擴散 勢皇膜的薄層沉積到晶片表面上，隨后在擴散勢皇層的頂部上沉積可電鍍金屬晶種層（例 如，銅、鎳、鈷、釕等）。隨后用銅電填充溝槽和通孔，且將晶片的表面平坦化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 在一個實施例中，揭示一種用于在以電解方式處理晶片襯底之前預(yù)潤濕所述晶片 襯底的設(shè)備。所述設(shè)備包含：脫氣器，其經(jīng)配置以用于在預(yù)潤濕之前從預(yù)潤濕流體移除一種 或一種以上溶解氣體；和處理腔室，其具有用于接納所述預(yù)潤濕流體的入口。所述處理腔室 經(jīng)配置以用于在低于大氣壓的壓力下以經(jīng)脫氣預(yù)潤濕流體來預(yù)潤濕所述晶片襯底。晶片固 持器定位于所述處理腔室內(nèi)且經(jīng)配置以在所述預(yù)潤濕過程期間固持所述晶片襯底。
[0009] 在另一實施例中，揭示一種用于在以電解方式處理晶片襯底之前預(yù)潤濕所述晶片 襯底的設(shè)備。所述設(shè)備包含處理腔室，其具有用于接納預(yù)潤濕流體的入口。所述處理腔室 經(jīng)配置以用于在預(yù)潤濕期間或之后在高于大氣壓的壓力下操作以促進氣泡的移除。晶片固 持器定位于所述處理腔室內(nèi)且經(jīng)配置以在所述預(yù)潤濕過程期間固持所述晶片襯底。
【附圖說明】
[0010] 圖1描繪氣泡溶解時間對特征大小的曲線圖。
[0011] 圖2描繪氣泡溶解時間對溶解氣體壓力的曲線圖。
[0012] 圖3描繪預(yù)潤濕設(shè)備的一個實施例的示意性布局。
[0013] 圖4描繪預(yù)潤濕腔室的實施例。
[0014] 圖5描繪預(yù)潤濕腔室的實施例的等距視圖。
[0015] 圖6描繪經(jīng)配置以用于冷凝預(yù)潤濕過程的預(yù)潤濕腔室的實施例。
[0016] 圖7描繪經(jīng)配置以用于浸沒預(yù)潤濕過程的預(yù)潤濕腔室的實施例。
[0017] 圖8描繪經(jīng)配置以用于浸沒預(yù)潤濕過程的預(yù)潤濕腔室的另一實施例。
[0018] 圖9描繪其中在鍍敷單元中執(zhí)行預(yù)潤濕過程的設(shè)備的實施例。
[0019] 圖10描繪電鍍系統(tǒng)的實施例。
[0020] 圖IIa和圖IIb是預(yù)潤濕過程的實施例的流程圖。
[0021] 圖12是用于在晶片襯底上電鍍金屬層的電鍍過程的實施例的流程圖。
[0022] 圖13描繪具有以預(yù)潤濕流體填充的特征的晶片襯底。
【具體實施方式】
[0023] 現(xiàn)在將參考具體實施例。附圖中說明具體實施例的實例。雖然將結(jié)合這些具體實 施例來描述本發(fā)明，但將了解，其既定不將本發(fā)明限于此些具體實施例。相反，其既定涵蓋 可包含在由所附權(quán)利要求書界定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的替代例、修改和均等物。在以 下描述中，陳述許多具體細節(jié)以便提供對本發(fā)明的詳盡理解?？稍跊]有這些具體細節(jié)中的 一些或全部的情況下實踐本發(fā)明。在其它實例中，未詳細描述眾所周知的過程操作，以免不 必要地混淆本發(fā)明。
[0024] 本文揭示用于晶片預(yù)潤濕、用于修改鍍敷期間的晶片進入和晶片處理的條件以及 預(yù)潤濕流體組合物的設(shè)備設(shè)計和方法。根據(jù)本文提供的實施例的預(yù)潤濕工藝可在電鍍腔室 中或在包含預(yù)潤濕臺和電鍍臺的模塊的單獨預(yù)潤濕臺中執(zhí)行。在一些實施例中，在單獨的 設(shè)備中執(zhí)行預(yù)潤濕和電鍍。
[0025] 襯底通常是具有駐留于其上的導電材料層（例如，包括銅或銅合金的晶種層）的 半導體晶片。在電鍍期間，形成到導電層的電連接，且對晶片襯底加負偏置，進而充當陰極。 使晶片與含有金屬鹽（例如，硫酸銅、烷基磺酸銅或鹽的混合物）的鍍敷溶液接觸，所述鍍 敷溶液在晶片陰極處還原，導致晶片上的金屬沉積。在許多實施例中，襯底含有一個或一 個以上凹入的特征（例如，通孔和/或溝槽），其需要通過電鍍工藝來填充。除了金屬鹽之 外，鍍敷溶液還可含有酸，且通常含有一種或一種以上添加劑，例如鹵化物（例如，氯化物、 溴化物等）、加速劑、平衡劑和抑制劑，用以調(diào)節(jié)襯底的各種表面上的電沉積速率。
[0026] 所揭示的工藝和相關(guān)聯(lián)的設(shè)備設(shè)計對于例如在新興的銅穿硅通孔（TSV)電填充 結(jié)構(gòu)中常見的較寬（例如，通常大于5ym)且較深（例如，通常大于IOym)的鑲嵌結(jié)構(gòu)（通 孔）的電填充是尤其適用且必要的。在以引用方式并入本文的2008年8月18日申請的第 12/193, 644號美國專利申請案中進一步描述穿硅通孔結(jié)構(gòu)。挾帶或另外駐留于表面上或特 征內(nèi)的氣泡將因為以非傳導氣體阻擋特征表面或因為產(chǎn)生對電流的自由通過的障礙而干 擾現(xiàn)場和特征鍍敷工藝。所揭示的工藝和相關(guān)聯(lián)設(shè)備設(shè)計實現(xiàn)了不含空穴的銅電填充。
[0027] TSV互連件的電鍍和電填充存在若干挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包含由于極大和/或極深的 結(jié)構(gòu)帶來的長鍍敷時間、由于晶種層與鍍敷電解質(zhì)溶液的腐蝕反應(yīng)且由于PVD沉積的晶種 層對下部側(cè)壁的覆蓋不足而帶來的側(cè)壁空穴的形成。此外，重要的是確保所有凹入的特征 的內(nèi)部均以液體填充，且在特征內(nèi)部存在阻止其中的鍍敷的挾帶氣體。還有利的是同時維 持較強的壁和現(xiàn)場鍍敷生長抑制，同時在特征的底部處選擇性地移除鍍敷阻力。
[0028] 本文描述的預(yù)潤濕設(shè)備設(shè)計和方法大體上是相對于電鍍（陰極工藝）金屬（尤其 是銅）來描述。然而，本文描述的預(yù)潤濕設(shè)備設(shè)計和方法大體上適用于所有電解工藝，包含 電蝕刻和電拋光，其均為陽極工藝。
[0029] 描述用于形成鍍敷工藝所需的不含液體填充氣泡的凹入特征的方法。此外，描述 使晶種層腐蝕最小且同時增加鍍敷速率的預(yù)潤濕流體的組合物。
[0030] 介紹
[0031] 根據(jù)亨利定律（Henry'slaw)，在氣泡與液體的界面處溶解氣體的濃度與氣泡內(nèi) 部壓力有關(guān)，亨利定律的一種形式可表達為：
[0032] Ci=XiHiPi (1)
[0033] 其中下標i表示在氣泡"內(nèi)"，Ci是溶解氣體分子在氣泡界面處處于液相的組分的 濃度（例如，氮氣、氧氣等，各自以摩爾/升為單位），Xi是所述組分在氣泡自身內(nèi)處于氣相 的摩爾分數(shù)，氏是亨利定律常數(shù)，且P1是氣泡內(nèi)的壓力。此方程式可針對氣體混合物中的氣 體的每一分子組分（例如，針對氧氣一個方程式、針對氮氣一個方程式等等）寫出。針對本 體溶液中的溶解氣體的濃度存在類似的表達，其中下標b例如用以指示溶液"本體"，其中P 等于Pb，表示氣相壓力將與本體中的物質(zhì)的濃度Cb平衡。忽略2維和3維分散效應(yīng)，且假 定氣體分子從氣泡氣相內(nèi)擴散到氣泡/液體表面沒有速率限制（使得氣泡界面處的溶解氣 體與氣泡內(nèi)的氣體濃度之間的平衡條件得以維持），可獲得針對從挾帶于特征內(nèi)的氣泡的 氣體溶解速率的有用近似，表達為：
[0034] R=dV/dt=DHUiPi -xbPb)/h(2)
[0035] 其中V是氣泡氣體體積，t是時間，D是氣體在溶液中的擴散系數(shù)，h是從挾帶氣泡 的頂部到邊界層厚度邊緣的距離，邊界層駐留在上部晶片平面上方的距離S處，且下標b 對應(yīng)于溶液的本體中在擴散邊界層界面處的條件。對于固定溫度下的給定化學系統(tǒng)（恒定 的亨利定律常數(shù)和擴散系數(shù)），兩個因數(shù)可導致相對快的氣泡溶解：1)較大的濃度差/驅(qū)動 力（XiP1 -XbPb);和2)短擴散距尚h。
[0036] 如果驅(qū)動力項（XiP1-XbPb)的值為零，那么擴散速率為零。大體上，此項非常小。 由于氣泡內(nèi)的氣體通常來自預(yù)潤濕工藝之前晶片中的通孔內(nèi)的空氣，且液體通常在預(yù)潤濕 工藝之前以同一空氣飽和，因此氣泡界面處和本體溶液中的摩爾分數(shù)將初始與空氣的摩爾 分數(shù)相同（例如，在氣泡中和在本體溶液中，針對氧氣X= 0.21)。因此，對于此情形且大體 上（即，除非采用其它機制來增強氣泡溶解），主要是氣泡內(nèi)壓力對氣泡外壓力的自然毛細 差異導致氣泡溶解。
[0037] 保持在小鑲嵌特征（例如，通孔）內(nèi)的挾帶氣體可展現(xiàn)極大的內(nèi)部壓力，原因在于 較強的內(nèi)部毛細力。總內(nèi)部毛細壓力與接觸角和表面張力成正比，且與氣泡的曲率半徑成 反比，
[0038] Pi=Pext+〇cos0/r(3)
[0039] 其中Pi是氣泡內(nèi)的總內(nèi)部壓力，P&是流體的外部壓力（通常約1個大氣壓），〇 是液體/氣體表面張力，0是固體/液體/氣體接觸角，且r是曲率半徑。應(yīng)注意，曲率 半徑1不會顯著不同于特征寬度，因此可常常用通孔的半徑替代作為氣泡的曲率半徑的近 似。在小通孔的情況下，總內(nèi)部壓力（且因此每一組分的分壓）可變得非常大，超過幾個大 氣壓或更多。這些較大內(nèi)部壓力隨后造成相對于溶液的本體的不平衡條件，且氣泡界面相 對于同一壓力下溶液本體中的溶解氣體量變得顯著過度飽和（即，氣泡界面處的溶解氣體 量超過液體中的氣體溶解度）。這滿足快速氣泡溶解的條件中的一者。對于小通孔，小擴散 距離"h"也有助于快速的溶解速率。
[0040] 相比之下，具有較大半徑氣泡的大通孔具有小的過量內(nèi)部壓力和大得多的擴散距 離。圖1中展示針對各種條件（即，溶解氣體的分壓、晶片的旋轉(zhuǎn)速率），隨著具有3:1縱橫 比（深度比寬度）的通孔的通孔深度而變的完全氣泡溶解的時間的計算/建模，其中通孔 初始50%填充有處于大氣壓力的氣體。針對圖1中所示的所有過程，〇 =60dyne/Cm(例 如，針對水的值），D= 1.9E-5cm2/sec(例如，針對水中的空氣的值），T= 20°C且Vi=通 孔的50%。
[0041] Vi是在1個大氣壓下氣泡的初始體積（S卩，每一通孔僅50%填充有用于產(chǎn)生這些 曲線的氣泡）。對于Prart= 〇. 2的情況，流體上的壓力仍是一個大氣壓，但液體的本體中溶 解氣體的分壓僅等效于與〇. 2個大氣氣體壓力平衡的分壓。此條件可例如通過如下方式實 現(xiàn)：通過以具有0. 2個大氣壓的壓力的經(jīng)脫氣流體沖洗表面而具有挾帶氣泡形式，同時流 體上的氣體的壓力為1個大氣壓。對于Prart= 3的情況，液體中溶解氣體的量等于與1個大 氣壓平衡的量，但液體和氣泡上的壓力等于3個大氣壓。此條件可例如通過以下方式實現(xiàn)： 通過以大氣壓飽和液體沖洗表面來具有挾帶氣泡形式，且隨后在所述3個大氣壓的通孔/ 液體/晶片上施加外部壓力。在此情況下，氣泡的大小立即收縮到其原始體積的1/3。
[0042] 將曲線A和F(未經(jīng)脫氣的預(yù)潤濕流體，其中氣體量等于與1個空氣大氣壓平衡的 量）與曲線B和C(經(jīng)脫氣到等于0. 2個大氣壓的分壓的預(yù)潤濕流體）進行比較，經(jīng)脫氣溶 液情況具有較少的氣泡溶解時間。曲線F和C在比較上類似，但邊界層厚度和溶解時間較 大，因為晶片是以較低速率旋轉(zhuǎn)（A和B中的12rpm對90rpm)。
[0043] 圖1的曲線A和F展示其中溶液以空氣飽和的通孔內(nèi)氣泡的溶解時間在0. 2ym 大小的通孔與50ym大小的通孔之間改變5個數(shù)量級以上。在小的亞微米特征中，氣泡不 穩(wěn)定且快速溶解，但在較大特征中，氣泡將持續(xù)極長的時間。舉例來說，計算表明以氣體完 全填充的直徑IUm且深度4ym的線結(jié)構(gòu)的相對大前端將在少于4秒內(nèi)使所述氣體完全溶 解。相比之下，IUm深的0. 25ym特征如此不穩(wěn)定而使得其將在少于0. 4秒內(nèi)溶解，且較小 的結(jié)構(gòu)基本上瞬時溶解。然而，兩個有利因數(shù)（即，高內(nèi)部壓力和短擴散距離）在大TSV尺 度結(jié)構(gòu)中喪失。相比之下，計算展示25ym寬、IOOym深的特征可花費2個小時來溶解。即 使此特征僅在其底部10%填充有氣體，但移除所述氣體仍將花費20分鐘或20分鐘以上。
[0044] 從預(yù)潤濕流體移除氣體減少了溶解挾帶氣泡的時間。在此情況下，驅(qū)動力的右邊 項（方程式2中的xbPb)因從溶液脫出氣體而減小，例如通過減小在處于部分真空下的脫氣 單元中暴露于預(yù)潤濕流體的氣體的分壓（即，通過驅(qū)動降低脫氣單元的氣體側(cè)中此乘積的 量值，將氣體驅(qū)出流體外）。挾帶氣泡中的氣體處于近似1個大氣壓力或更高（當存在顯著 毛細壓力時）。在氣泡界面處，氣體的濃度將與具有相同的1個或1個以上大氣壓力的氣體 近似平衡，但在溶液中，由于脫氣操作，濃度整體處于低得多的濃度。這產(chǎn)生顯著的濃度驅(qū) 動力和氣體在溶液中的亞飽和程度（化學"容量"）而實現(xiàn)氣泡的快速溶解。
[0045] 此程序首先可表現(xiàn)為較吸引人，但可經(jīng)受兩個限制。首先，對于較大深度通孔，氣 體的擴散距離仍可為顯著的限制因數(shù)。其次，由于溶液中的氣體量從不會小于零，因此溶解 度驅(qū)動力的量值限于不超過近似HxiP(P= 1個大氣壓）。將圖1的曲線B和C與A和F進 行比較，較大特征（例如50ym)的溶解速率與未經(jīng)脫氣氣體相比減少了一個以上數(shù)量級， 但溶解時間大體上仍不可接受地長（例如，至少5到10分鐘）。應(yīng)注意，較小特征的溶解速 率不受經(jīng)脫氣溶液的使用的顯著影響，因為與溶解氣體驅(qū)動力的1個大氣壓增加相比，較 大過量內(nèi)部氣泡壓力在過程中是主導的。
[0046] 圖2展示各種特征尺寸（90rpm旋轉(zhuǎn)、60dyne/cm下）的氣泡溶解時間，其中溶解氣 體的量是獨立參數(shù)。在每一情況下，氣泡初始為通孔大小的50%，且在流體和氣泡上存在1 個大氣壓的外部壓力，但溶解分壓隨著X軸而變而改變。為了清楚，在圖2中，溶解氣體的濃 度對應(yīng)于X軸上的溶解氣體壓力，其通過亨利定律而相關(guān)。這些分壓將例如根據(jù)X軸參數(shù) 的程度將接觸的流體脫氣來獲得。較小的深度較淺的特征中的氣泡更快地溶解，較大的內(nèi) 部毛細壓力輔助了其速率。由，減小較小特征的分壓對減少溶解時間具有的相對影響較小。 對于較大特征（例如，50ymX150ym)，存在將溶解氣體的分壓減少到飽和條件的30%到 40%以下的減小益處。在幾乎最小且最淺的特征中，溶解時間超過100秒。特征深度是所 有情況下的顯著限制因數(shù)，其中深特征具有較長的溶解時間。
[0047] 設(shè)備
[0048] 大體上，本文描述的設(shè)備設(shè)計和方法通過在以流體潤濕表面和特征之前首先從特 征內(nèi)移除氣體（主要是所有不可冷凝氣體（例如，氮氣和氧氣）），而避免了在晶片襯底上的 凹入特征（例如，通孔）內(nèi)形成氣泡。為實現(xiàn)此結(jié)果，將具有凹入特征的晶片置放于適合于 固持晶片且從晶片表面移除氣體的器皿（例如，真空器皿）中。除了器皿本身外，需要用于 移除氣體的機構(gòu)（例如，連接到例如泵等真空源的線路）和用于在維持真空條件時將液體 沉積到表面上的機構(gòu)。
[0049] 本文描述用于在鍍敷過程的起始之前或在其之后的短時間內(nèi)預(yù)潤濕晶片的各種 設(shè)備設(shè)計，其中避免了在表面中凹入的特征內(nèi)原本可能挾帶的氣泡和氣體。預(yù)潤濕設(shè)備的 實施例包含各種元件。通常，預(yù)潤濕設(shè)備包含預(yù)潤濕流體儲存和回流罐，包含液體混合裝置 和液位控制器和傳感器。在一些實施例中，設(shè)備包含預(yù)潤濕流體脫氣流動回路。在一些實 施例中，此脫氣流動回路包含循環(huán)泵、路由/分流閥、液體脫氣元件，以及液體脫氣元件與 系統(tǒng)真空泵（用以抽氣且施加真空到工具上的各種液體脫氣元件以及預(yù)潤濕腔室）之間的 連接。預(yù)潤濕設(shè)備還包含預(yù)潤濕腔室。在一些實施例中，預(yù)潤濕腔室包含用于進入腔室的 雙位置（打開/關(guān)閉）真空晶片進入門或蓋，和防止流體擊打上部壁或門且隨后從上部壁 或門下落到晶片表面上的組合式門或蓋和防濺板。在一些實施例中，在腔室內(nèi)是用于在腔 室內(nèi)支撐和旋轉(zhuǎn)晶片的晶片固持器。在一些實施例中，腔室包含圓頂空氣室加熱器，用以防 止腔室的壁上的液體冷凝，所述冷凝將原本駐留于晶片和真空晶片進入門上方且可能滴到 晶片上。預(yù)潤濕腔室通常包含用于預(yù)潤濕流體進入腔室且將預(yù)潤濕流體引導到旋轉(zhuǎn)晶片的 上部表面上的著陸點的進入口，和在腔室上用于抽吸和釋放真空的進入管線和腔室口，進 入管線含有微粒過濾裝置，且進入口含有經(jīng)配置以分散傳入的氣體流且最小化腔室流動紊 流的流量擴散器。在一些實施例中，腔室包含用于監(jiān)視空/就緒和溢流/過滿條件的液位 傳感器。預(yù)潤濕腔室通常還包含用于從腔室移除液體且將排放的流體引導回到儲存罐的排 放口。
[0050] 本文描述的實施例通過以下方式克服了挾帶氣泡的有害效應(yīng)，尤其是可在晶片中 的較大通孔或溝槽中形成的那些氣泡：（1)通過從晶片上方和從通孔內(nèi)移除大體上所有大 氣不可冷凝的氣體且隨后以預(yù)潤濕流體來預(yù)潤濕晶片，而完全避免預(yù)潤濕期間通孔中的挾 帶氣體；和/或（2)通過對流體施加較大的外部壓力進而通過在氣泡界面處產(chǎn)生較大過飽 和條件而驅(qū)使氣泡在流體中溶解，來顯著增加氣泡將溶解的速率。除了這些預(yù)處理和預(yù)鍍 敷措施之外，在一些實施例中，在維持于經(jīng)脫氣狀態(tài)的鍍敷溶液中執(zhí)行鍍敷，且在其它實施 例中，恰好在暴露于晶片表面之前在管線中對鍍敷溶液進行脫氣。
[0051] 在一些實施例中，可在電鍍單元內(nèi)執(zhí)行預(yù)潤濕，其中預(yù)潤濕流體具有與鍍敷溶液 相同的組合物。然而，出于多種原因（包含使鍍敷工藝與真空工藝組合的硬件復雜性），預(yù) 潤濕（包含真空特征回填預(yù)潤濕）經(jīng)常在與鍍敷單元不同的單元、子單元或模塊中執(zhí)行。當 在鍍敷單元的明顯不同的區(qū)域中或在與鍍敷單元明顯分離的模