用于增强型镶嵌金属填充的润湿预处理的设备的制作方法

专利名称：用于增强型镶嵌金属填充的润湿预处理的设备的制作方法
技术领域：
本文揭示的实施例涉及预润湿设备设计和方法。更具体来说，实施例涉及用于在用于集成电路制造的晶片上沉积导电材料之前预润湿半导体晶片的预润湿设备设计和方 法。
背景技术：
润湿是通过液体与固体之间的粘合力以及液体中的内聚力来控制的液体/固体界面的性质。液体与固体之间的粘合力致使液体在固体表面上扩散。液体中的内聚力致使液体与固体表面的接触最少。液体对固体表面的润湿在其中液体与固体表面相互作用的许多工业工艺中是重要的。电镀(阴极工艺)，包含集成电路制造中的电镀，是一种此类工业工艺。润湿在阳极工艺中也是重要的，包含电蚀刻和电抛光。举例来说，在集成电路制造中，经常通过电镀将例如铜等导电材料沉积到金属晶种层上，所述金属晶种层是通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)方法沉积到晶片表面上。电镀是用于在镶嵌期间和在双镶嵌处理期间将金属沉积到晶片的通孔和沟槽中的选择方法。镶嵌处理是用于在集成电路(IC)上形成互连件的方法。其尤其适合于制造采用铜作为导电材料的集成电路。镶嵌处理涉及在形成于电介质层(金属间电介质)中的沟槽和通孔中形成嵌入金属线。在典型的镶嵌工艺中，在半导体晶片衬底的电介质层中蚀刻沟槽和通孔的图案。通常，随后通过PVD方法将例如钽、氮化钽或TaN/Ta双层等粘着金属扩散势垒膜的薄层沉积到晶片表面上，随后在扩散势垒层的顶部上沉积可电镀金属晶种层(例如，铜、镍、钴、钌等)。随后用铜电填充沟槽和通孔，且将晶片的表面平坦化。

发明内容
在一个实施例中，揭示一种用于在以电解方式处理晶片衬底之前预润湿所述晶片衬底的设备。所述设备包含脱气器，其经配置以用于在预润湿之前从预润湿流体移除一种或一种以上溶解气体；和处理腔室，其具有用于接纳所述预润湿流体的入口。所述处理腔室经配置以用于在低于大气压的压力下以经脱气预润湿流体来预润湿所述晶片衬底。晶片固持器定位于所述处理腔室内且经配置以在所述预润湿过程期间固持所述晶片衬底。在另一实施例中，揭示一种用于在以电解方式处理晶片衬底之前预润湿所述晶片衬底的设备。所述设备包含处理腔室，其具有用于接纳预润湿流体的入口。所述处理腔室经配置以用于在预润湿期间或之后在高于大气压的压力下操作以促进气泡的移除。晶片固持器定位于所述处理腔室内且经配置以在所述预润湿过程期间固持所述晶片衬底。


图I描绘气泡溶解时间对特征大小的曲线图。图2描绘气泡溶解时间对溶解气体压力的曲线图。图3描绘预润湿设备的一个实施例的示意性布局。图4描绘预润湿腔室的实施例。图5描绘预润湿腔室的实施例的等距视图。图6描绘经配置以用于冷凝预润湿过程的预润湿腔室的实施例。图7描绘经配置以用于浸没预润湿过程的预润湿腔室的实施例。图8描绘经配置以用于浸没预润湿过程的预润湿腔室的另一实施例。图9描绘其中在镀敷单元中执行预润湿过程的设备的实施例。图10描绘电镀系统的实施例。图IIa和图IIb是预润湿过程的实施例的流程图。图12是用于在晶片衬底上电镀金属层的电镀过程的实施例的流程图。图13描绘具有以预润湿流体填充的特征的晶片衬底。
具体实施例方式现在将参考具体实施例。附图中说明具体实施例的实例。虽然将结合这些具体实施例来描述本发明，但将了解，其既定不将本发明限于此些具体实施例。相反，其既定涵盖可包含在由所附权利要求书界定的本发明的精神和范围内的替代例、修改和均等物。在以下描述中，陈述许多具体细节以便提供对本发明的详尽理解。可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践本发明。在其它实例中，未详细描述众所周知的过程操作，以免不必要地混淆本发明。本文揭示用于晶片预润湿、用于修改镀敷期间的晶片进入和晶片处理的条件以及预润湿流体组合物的设备设计和方法。根据本文提供的实施例的预润湿工艺可在电镀腔室中或在包含预润湿台和电镀台的模块的单独预润湿台中执行。在一些实施例中，在单独的设备中执行预润湿和电镀。衬底通常是具有驻留于其上的导电材料层(例如，包括铜或铜合金的晶种层)的半导体晶片。在电镀期间，形成到导电层的电连接，且对晶片衬底加负偏置，进而充当阴极。使晶片与含有金属盐(例如，硫酸铜、烷基磺酸铜或盐的混合物)的镀敷溶液接触，所述镀敷溶液在晶片阴极处还原，导致晶片上的金属沉积。在许多实施例中，衬底含有一个或一个以上凹入的特征(例如，通孔和/或沟槽)，其需要通过电镀工艺来填充。除了金属盐之夕卜，镀敷溶液还可含有酸，且通常含有一种或一种以上添加剂，例如卤化物(例如，氯化物、溴化物等)、加速剂、平衡剂和抑制剂，用以调节衬底的各种表面上的电沉积速率。所揭示的工艺和相关联的设备设计对于例如在新兴的铜穿硅通孔(TSV)电填充结构中常见的较宽(例如，通常大于5 μ m)且较深(例如，通常大于10 μ m)的镶嵌结构(通孔)的电填充是尤其适用且必要的。在以引用方式并入本文的2008年8月18日申请的第12/193，644号美国专利申请案中进一步描述穿硅通孔结构。挟带或另外驻留于表面上或特征内的气泡将因为以非传导气体阻挡特征表面或因为产生对电流的自由通过的障碍而干扰现场和特征镀敷工艺。所揭示的工艺和相关联设备设计实现了不含空穴的铜电填充。TSV互连件的电镀和电填充存在若干挑战。这些挑战包含由于极大和/或极深的结构带来的长镀敷时间、由于晶种层与镀敷电解质溶液的腐蚀反应且由于PVD沉积的晶种层对下部侧壁的覆盖不足而带来的侧壁空穴的形成。此外，重要的是确保所有凹入的特征的内部均以液体填充，且在特征内部存在阻止其中的镀敷的挟带气体。还有利的是同时维持较强的壁和现场镀敷生长抑制，同时在特征的底部处选择性地移除镀敷阻力。本文描述的预润湿设备设计和方法大体上是相对于电镀(阴极工艺)金属(尤其是铜)来描述。然而，本文描述的预润湿设备设计和方法大体上适用于所有电解工艺，包含电蚀刻和电抛光，其均为阳极工艺。描述用于形成镀敷工艺所需的不含液体填充气泡的凹入特征的方法。此外，描述使晶种层腐蚀最小且同时增加镀敷速率的预润湿流体的组合 物。介绍根据亨利定律(Henry' s law),在气泡与液体的界面处溶解气体的浓度与气泡内部压力有关，亨利定律的一种形式可表达为Ci = XiHiPi(I)其中下标i表示在气泡“内”，Ci是溶解气体分子在气泡界面处处于液相的组分的浓度(例如，氮气、氧气等，各自以摩尔/升为单位)，Xi是所述组分在气泡自身内处于气相的摩尔分数，Hi是亨利定律常数，且Pi是气泡内的压力。此方程式可针对气体混合物中的气体的每一分子组分(例如，针对氧气一个方程式、针对氮气一个方程式等等)写出。针对本体溶液中的溶解气体的浓度存在类似的表达，其中下标b例如用以指示溶液“本体”，其中P等于Pb，表示气相压力将与本体中的物质的浓度Cb平衡。忽略2维和3维分散效应，且假定气体分子从气泡气相内扩散到气泡/液体表面没有速率限制(使得气泡界面处的溶解气体与气泡内的气体浓度之间的平衡条件得以维持)，可获得针对从挟带于特征内的气泡的气体溶解速率的有用近似，表达为R = dV/dt = DH(XiPi-XbPb)A(2)其中V是气泡气体体积，t是时间，D是气体在溶液中的扩散系数，h是从挟带气泡的顶部到边界层厚度边缘的距离，边界层驻留在上部晶片平面上方的距离δ处，且下标b对应于溶液的本体中在扩散边界层界面处的条件。对于固定温度下的给定化学系统(恒定的亨利定律常数和扩散系数)，两个因数可导致相对快的气泡溶解1)较大的浓度差/驱动力(XiP1-XbPb);和2)短扩散距离h。如果驱动力项(XiP1-XbPb)的值为零，那么扩散速率为零。大体上，此项非常小。由于气泡内的气体通常来自预润湿工艺之前晶片中的通孔内的空气，且液体通常在预润湿工艺之前以同一空气饱和，因此气泡界面处和本体溶液中的摩尔分数将初始与空气的摩尔分数相同(例如，在气泡中和在本体溶液中，针对氧气X = 0.21)。因此，对于此情形且大体上(即，除非采用其它机制来增强气泡溶解)，主要是气泡内压力对气泡外压力的自然毛细差异导致气泡溶解。保持在小镶嵌特征(例如，通孔)内的挟带气体可展现极大的内部压力，原因在于较强的内部毛细力。总内部毛细压力与接触角和表面张力成正比，且与气泡的曲率半径成反比，Pi = Pext+ σ cos Θ /r(3)其中Pi是气泡内的总内部压力，Prait是流体的外部压力(通常约I个大气压)，σ是液体/气体表面张力，Θ是固体/液体/气体接触角，且r是曲率半径。应注意，曲率半径r不会显著不同于特征宽度，因此可常常用通孔的半径替代作为气泡的曲率半径的近似。在小通孔的情况下，总内部压力(且因此每一组分的分压)可变得非常大，超过几个大气压或更多。这些较大内部压力随后造成相对于溶液的本体的不平衡条件，且气泡界面相对于同一压力下溶液本体中的溶解气体量变得显著过度饱和(即，气泡界面处的溶解气体量超过液体中的气体溶解度)。这满足快速气泡溶解的条件中的一者。对于小通孔，小扩散距离“h”也有助于快速的溶解速率。相比之下，具有较大半径气泡的大通孔具有小的过量内部压力和大得多的扩散距
离。图I中展示针对各种条件(即，溶解气体的分压、晶片的旋转速率)，随着具有3 I纵横比(深度比宽度)的通孔的通孔深度而变的完全气泡溶解的时间的计算/建模，其中通孔初始50%填充有处于大气压力的气体。针对图I中所示的所有过程，σ = 60dyne/Cm(例如，针对水的值)，D= 1.9E-5cm2/sec (例如，针对水中的空气的值)，T = 20°C且Vi =通孔的50%。Vi是在I个大气压下气泡的初始体积(即，每一通孔仅50%填充有用于产生这些曲线的气泡)。对于Prart = O. 2的情况，流体上的压力仍是一个大气压，但液体的本体中溶解气体的分压仅等效于与O. 2个大气气体压力平衡的分压。此条件可例如通过如下方式实现通过以具有O. 2个大气压的压力的经脱气流体冲洗表面而具有挟带气泡形式，同时流体上的气体的压力为I个大气压。对于Prart = 3的情况，液体中溶解气体的量等于与I个大气压平衡的量，但液体和气泡上的压力等于3个大气压。此条件可例如通过以下方式实现通过以大气压饱和液体冲洗表面来具有挟带气泡形式，且随后在所述3个大气压的通孔/液体/晶片上施加外部压力。在此情况下，气泡的大小立即收缩到其原始体积的1/3。 将曲线A和F (未经脱气的预润湿流体，其中气体量等于与I个空气大气压平衡的量)与曲线B和C(经脱气到等于0.2个大气压的分压的预润湿流体)进行比较，经脱气溶液情况具有较少的气泡溶解时间。曲线F和C在比较上类似，但边界层厚度和溶解时间较大，因为晶片是以较低速率旋转(A和B中的12rpm对90rpm)。图I的曲线A和F展示其中溶液以空气饱和的通孔内气泡的溶解时间在0.2 μπι大小的通孔与50 μ m大小的通孔之间改变5个数量级以上。在小的亚微米特征中，气泡不稳定且快速溶解，但在较大特征中，气泡将持续极长的时间。举例来说，计算表明以气体完全填充的直径I μ m且深度4 μ m的线结构的相对大前端将在少于4秒内使所述气体完全溶解。相比之下，I μ m深的O. 25 μ m特征如此不稳定而使得其将在少于O. 4秒内溶解，且较小的结构基本上瞬时溶解。然而，两个有利因数(即，高内部压力和短扩散距离)在大TSV尺度结构中丧失。相比之下，计算展示25μπι宽、IOOym深的特征可花费2个小时来溶解。即使此特征仅在其底部10%填充有气体，但移除所述气体仍将花费20分钟或20分钟以上。从预润湿流体移除气体减少了溶解挟带气泡的时间。在此情况下，驱动力的右边项(方程式2中的XbPb)因从溶液脱出气体而减小，例如通过减小在处于部分真空下的脱气单元中暴露于预润湿流体的气体的分压(即，通过驱动降低脱气单元的气体侧中此乘积的量值，将气体驱出流体外)。挟带气泡中的气体处于近似I个大气压力或更高(当存在显著毛细压力时)。在气泡界面处，气体的浓度将与具有相同的I个或I个以上大气压力的气体近似平衡，但在溶液中，由于脱气操作，浓度整体处于低得多的浓度。这产生显著的浓度驱动力和气体在溶液中的亚饱和程度(化学“容量”)而实现气泡的快速溶解。此程序首先可表现为较吸引人，但可经受两个限制。首先，对于较大深度通孔，气体的扩散距离仍可为显著的限制因数。其次，由于溶液中的气体量从不会小于零，因此溶解度驱动力的量值限于不超过近似HxiP (P = I个大气压)。将图I的曲线B和C与A和F进行比较，较大特征(例如50μπι)的溶解速率与未经脱气气体相比减少了一个以上数量级，但溶解时间大体上仍不可接受地长(例如，至少5到10分钟)。应注意，较小特征的溶解速率不受经脱气溶液的使用的显著影响，因为与溶解气体驱动力的I个大气压增加相比，较大过量内部气泡压力在过程中是主导的。图2展示各种特征尺寸(90rpm旋转、60dyne/cm下)的气泡溶解时间,其中溶解气
体的量是独立参数。在每一情况下，气泡初始为通孔大小的50%，且在流体和气泡上存在I个大气压的外部压力，但溶解分压随着X轴而变而改变。为了清楚，在图2中，溶解气体的浓度对应于X轴上的溶解气体压力，其通过亨利定律而相关。这些分压将例如根据X轴参数的程度将接触的流体脱气来获得。较小的深度较浅的特征中的气泡更快地溶解，较大的内部毛细压力辅助了其速率。由，减小较小特征的分压对减少溶解时间具有的相对影响较小。对于较大特征(例如，50 μ m X 150 μ m)，存在将溶解气体的分压减少到饱和条件的30%到40%以下的减小益处。在几乎最小且最浅的特征中，溶解时间超过100秒。特征深度是所有情况下的显著限制因数，其中深特征具有较长的溶解时间。设备大体上，本文描述的设备设计和方法通过在以流体润湿表面和特征之前首先从特征内移除气体(主要是所有不可冷凝气体(例如，氮气和氧气))，而避免了在晶片衬底上的凹入特征(例如，通孔)内形成气泡。为实现此结果，将具有凹入特征的晶片置放于适合于固持晶片且从晶片表面移除气体的器皿(例如，真空器皿)中。除了器皿本身外，需要用于移除气体的机构(例如，连接到例如泵等真空源的线路)和用于在维持真空条件时将液体沉积到表面上的机构。本文描述用于在镀敷过程的起始之前或在其之后的短时间内预润湿晶片的各种设备设计，其中避免了在表面中凹入的特征内原本可能挟带的气泡和气体。预润湿设备的实施例包含各种元件。通常，预润湿设备包含预润湿流体储存和回流罐，包含液体混合装置和液位控制器和传感器。在一些实施例中，设备包含预润湿流体脱气流动回路。在一些实施例中，此脱气流动回路包含循环泵、路由/分流阀、液体脱气元件，以及液体脱气元件与系统真空泵(用以抽气且施加真空到工具上的各种液体脱气元件以及预润湿腔室)之间的连接。预润湿设备还包含预润湿腔室。在一些实施例中，预润湿腔室包含用于进入腔室的双位置(打开/关闭)真空晶片进入门或盖，和防止流体击打上部壁或门且随后从上部壁或门下落到晶片表面上的组合式门或盖和防溅板。在一些实施例中，在腔室内是用于在腔室内支撑和旋转晶片的晶片固持器。在一些实施例中，腔室包含圆顶空气室加热器，用以防止腔室的壁上的液体冷凝，所述冷凝将原本驻留于晶片和真空晶片进入门上方且可能滴到晶片上。预润湿腔室通常包含用于预润湿流体进入腔室且将预润湿流体引导到旋转晶片的上部表面上的着陆点的进入口，和在腔室上用于抽吸和释放真空的进入管线和腔室口，进入管线含有微粒过滤装置，且进入口含有经配置以分散传入的气体流且最小化腔室流动紊流的流量扩散器。在一些实施例中，腔室包含用于监视空/就绪和溢流/过满条件的液位传感器。预润湿腔室通常还包含用于从腔室移除液体且将排放的流体引导回到储存罐的排放口。本文描述的实施例通过以下方式克服了挟带气泡的有害效应，尤其是可在晶片中的较大通孔或沟槽中形成的那些气泡(I)通过从晶片上方和从通孔内移除大体上所有大气不可冷凝的气体且随后以预润湿流体来预润湿晶片，而完全避免预润湿期间通孔中的挟带气体；和/或(2)通过对流体施加较大的外部压力进而通过在气泡界面处产生较大过饱和条件而驱使气泡在流体中溶解，来显著增加气泡将溶解的速率。除了这些预处理和预镀敷措施之外，在一些实施例中，在维持于经脱气状态的镀敷溶液中执行镀敷，且在其它实施例中，恰好在暴露于晶片表面之前在管线中对镀敷溶液进行脱气。
在一些实施例中，可在电镀单元内执行预润湿，其中预润湿流体具有与镀敷溶液相同的组合物。然而，出于多种原因(包含使镀敷工艺与真空工艺组合的硬件复杂性)，预润湿(包含真空特征回填预润湿)经常在与镀敷单元不同的单元、子单元或模块中执行。当在镀敷单元的明显不同的区域中或在与镀敷单元明显分离的模块中而不是在镀敷溶液中执行真空下的预润湿时，可选择预润湿流体的组合物。预润湿流体可具有与随后用于镀敷晶片的流体相同或极为类似的组合物。预润湿流体可包含镀敷浴的所有元素(例如，相同的溶剂和相同的溶解金属离子、酸、阳离子、添加剂和卤化物，在与镀敷溶液中的浓度相同或极为类似的浓度下)。此预润湿流体可在一些实施例中起作用。或者，在其它实施例中，可使用极为不同于镀敷溶液的预润湿流体。举例来说，在一些实施例中，以下各项的预润湿流体可用作预润湿流体1)水，2)具有比镀敷溶液的金属离子浓度大体上更高的金属离子浓度的流体，3)具有较少的、不同组合的溶解卤化物或不具有溶解卤化物的流体，4)大体上不含镀敷添加剂中的一者、少数或全部的流体，或5)可水混合的溶剂。本文进一步描述此些预润湿流体。当选择预润湿流体组合物时应考虑若干因素，包含以下各项的可能性a)在起始镀敷之前腐蚀晶片衬底上的金属层山)抑制镀敷工艺(即，减缓或完全抑制特征金属填充过程)；c)预润湿流体到后续的预润湿流体再使用的损失；以及d)随着时间而更改(通过添加、稀释或浓缩)镀敷浴内的各种关键物质浓度。后一过程可更改镀敷浴中的金属离子浓度、卤化物浓度、有机添加剂等。这些效应可能很重要。此外，当使用具有与镀敷浴不同组合物的预润湿流体时，在未实现移除和恢复将添加到镀敷溶液的过量挟带预润湿流体的合适机构的情况下在同一模块中执行预润湿过程将大体上需要用于随着时间而减轻、监视和/或另外校正镀敷溶液改质的机构。另一方面，其中在允许此流体的分离和恢复的镀敷单元的单独处理台、模块、器皿或副器皿中执行预润湿操作可为有利的，因为其可避免此些问题。在此背景的情况下，且为了简化实施例的核心概念的描述，下文在单独的预润湿“台”和单独的“镀敷台”(其中晶片从前者传送到后者)的上下文中描述许多实施例。然而，虽然在一些情况下可能有利(例如，用于避免不相似的液体的混合或出于其它原因)，与预润湿材料、一般流体和镀敷处理顺序的特定选择相关的实施例方面既定不受此限制。图3描绘预润湿设备(即，腔室301和相关联硬件)的一个实施例的示意性布局。腔室301通过腔室中的出口且通过三向阀连接305连接到真空泵303。在三向阀的另一侧上是脱气回路306，其包含预润湿流体罐307、脱气装置309和用于围绕脱气回路循环预润湿流体的泵311。在另一实施例中，预润湿流体馈送管线和真空管线除了在腔室处之外均未连接，且各自具有其自身的阀(即，没有三向阀)。在替代实施例中，腔室具有用于接纳预润湿流体的入口和适于与真空泵连接的出口。如果期望通过泵而不是通过借助预润湿流体罐307与腔室301之间的压力差而被吸入腔室来将流体驱入腔室，那么泵311的位置可在脱气元件之后。在一些实施例中，通过使用真空泵(未图示)对预润湿流体保持罐307施加真空来清空保持罐中的区域内的气体，以便达到最少量的溶解气体。气体从预润湿流体中的移除速率也可通过增加流体对真空的暴露表面来增加,例如通过使流体在喷口中或通过喷柱从循环回路重新进入腔室。在图3所示的系统的实施例中，预润湿流体循环通过脱气装置309(例如，在一些实施例中，薄膜接触脱气器)以用于在预润湿之前从预润湿流体中移除一种或一种以上溶解气体(例如，02和队两者)。市售脱气装置的实例包含来自北卡罗来纳州夏洛特市的Membrana公司(Membrana of Charlotte,NC)的Liquid-Cel 和明尼苏达
州查斯卡市的 Entegri 公司(Entegris of Chaska, Minnesota)的 pHasor 。可用适当的量表(例如，市售的溶解氧气计(未图示))来监视溶解气体的量。在预润湿流体进入腔室301之前移除溶解气体可改善预润湿过程，如本文所描述。在将预润湿流体脱气之后，任选地，关闭脱气腔室309的真空侧与真空泵303之间的阀315 (这防止初始处于腔室中的气体变为溶解于经脱气的预润湿流体中；在一些实施例中，可针对这两个功能使用单独的泵)。不同于当使用类似于图3而配置的设备时存在的条件，如果在将预润湿流体暴露于真空下的晶片之前未将预润湿流体脱气，那么来自流体的溶解气体在流体进入腔室时可从流体中释放。这导致气泡在通孔内形成。虽然不希望受到特定模型或理论的限制，但通孔底部是负曲率的位置，且据信此位置尤其容易受到使气泡成核以及从预润湿流体中释放气体的影响。如果此情况发生，那么气泡将由含有溶解气体的预润湿流体形成，因为其以预润湿条件(例如，腔室中的真空)下的气体过饱和。如此形成的气泡可在预润湿过程之后保持在该处，这又可抑制该处的镀敷且导致相关联的缺陷。因此，在一些实施例中(包含图3所示的实施例)，在预润湿过程中使用的预润湿流体是经脱气的预润湿流体。在一些实施例中，经脱气的预润湿流体可为镀敷溶液，且本文描述的预润湿方法可在与镀敷腔室自身相同的腔室中执行。如果采用单独的预润湿腔室和设备，但预润湿流体未经脱气，那么可观察到间歇的且不可靠的填充结果。举例来说，当以预润湿流体填充晶片上的通孔(晶片处于真空下)而不首先将预润湿流体脱气时，已发现近似15%的通孔仍在其中具有空气气泡(如具有镀敷后空穴的同一百分比所指示，此表明其中有挟带气体气泡)。因此，在一些实施例中，在真空下(即，在低于大气压力下)且以经脱气流体执行预润湿是重要的。相比之下，在一些实施例中，与真空下(即，在低于大气压力下)的预润湿操作组合的经脱气预润湿流体的使用导致比单独采用真空下的预润湿时显著更少的特征空穴。在给出针对形成空穴的良好保护的具体实施例中，经脱气预润湿流体与真空下的预润湿的组合进一步与经脱气的镀敷溶液中的镀敷相组合。镀敷溶液可仅在初始镀敷阶段(例如，仅在镀敷过程的大约前10分钟内)脱气，或在整个镀敷过程中保持经脱气(例如，如果镀敷时间较长)。在这些条件下执行的实验产生不含空穴的通孔。
参见图3，在腔室301中的压力已达到低值(即，低于大气压力)，切换三向阀305到真空泵位置以连接到来自脱气回路306的管线，且设定脱气器回路的三向阀313以允许将流体引导到真空腔室301中。在一些实施例中，低于大气的压力大约等于在操作温度下预润湿流体的沸腾压力，其对于在环境温度下的水来说是大约20托。在其它实施例中，低于大气的压力是大约50托。在另外的实施例中，在预润湿晶片衬底时维持50托的压力。在替代实施例中，预润湿系统经配置以在腔室中的压力已减少到少于大约50托之后起始将预润湿流体引入到腔室中且引入到晶片衬底上。在其中预润湿流体罐307处于大气压力的实施例中，通过真空腔室与预润湿流体罐之间的压力差将液体吸入到腔室301中。预润湿流体润湿腔室301中的晶片的晶片表面的装置侧。针型阀317可用以计量进入腔室301的预润湿流体的流量。此处描述腔室301的实施例。在一些实施例中，腔室301是压力腔室，其经配置以施加外部压力以增加气泡溶解速率，如本文描述。在预润湿设备的另外实施例中，预润湿设备包含传送机构，其经配置以用于将晶片衬底从预润湿腔室
传送到电镀设备。在一些实施例中，在注射到预润湿腔室中之前将预润湿流体冷却(例如，对于水为o°c，或对于合适的电解液为-10°c )。在其它实施例中，脱气器经配置以用于将预润湿流体冷却到小于大约20°C的温度。用于冷却预润湿流体的方法的其它实例包含将流体传递经过预润湿流体保持罐中的热交换器或通过管线内冷却器(图3中均未展示)。冷却预润湿流体减少了预润湿流体的溶剂的部分蒸气气压，这允许例如将较大的真空施加到脱气装置。降低预润湿流体的温度也可有效地增加预润湿流体的表面张力和粘度，其往往使脱气装置“吹通”或“渗漏”的现象较为少见。渗漏可为当处理含有盐的预润湿流体时的尤其困难的问题，因为渗漏的含盐流体往往干燥且破坏脱气装置的孔。使用较低温度流体减少了含盐电解液蒸发且流动的趋势，从而避免了脱气装置故障的此已知来源。举例来说，水的蒸气压力(具有少量的盐)在-10°C下为大约2. 7托，在20°C下为大约17. 5托且在30°C下为大约32托。在20托真空(产生大约O. 5ppm溶解大气压气体)施加于脱气装置的情况下，30°C预润湿流体将差不多沸腾且在脱气装置的孔周围留下盐，且20°C预润湿流体将迅速蒸发。然而当使用-io°c预润湿流体时，极少有脱气装置成盐发生。因此，大体上，可以较低温度流体从脱气装置更有效地移除较多溶解气体。在一些实施例中，在对预润湿流体进行脱气时且在其进入处理腔室之前，将预润湿流体冷却到小于20°C的温度，例如0°C或0°C以下。而且，降低预润湿流体的温度减小了预润湿系统中的金属腐蚀速率。在预润湿设备的一些实施例中，以预润湿流体润湿晶片的表面，随后将外部压力施加到流体。首先使用适当机构使晶片表面与流体接触，通常将晶片浸没在预润湿流体中(本文描述)。在这些实施例中，预润湿腔室包含用于接纳预润湿流体的入口，且腔室经配置以在预润湿期间或之后在高于大气压力的压力下操作。外部压力对流体的施加促进了气泡的移除。在一些实施例中，预润湿流体经预调节以使得在表面的预润湿之前其大体上不仅不含氧气(例如，用以使晶片上的金属的腐蚀最少)而且不含所有溶解的不可冷凝气体，例如氮气和二氧化碳，从而加速凹入特征中的任何挟带气泡的溶解速率。在以引用方式并入本文的第6，021，791号和第6，146，468号美国专利中描述晶片对在半导体晶片的处理中使用的经脱氧处理流体的暴露。在将晶片浸没到预润湿流体中或以预润湿流体覆盖晶片之后，关闭且密封晶片周围的区(例如，压力腔室)，且将外部压力施加到腔室和流体。可以气压方式(例如，将高压气体引入到腔室中流体上方的区域中)或液压方式(例如，其中腔室大体上不含未溶解气体且使用液压活塞或其它合适装置来将外部压力施加到流体)来施加压力。在腔室中的压力增加时，气泡将从其原始大小变小。当使用气压(气体)压力来压缩挟带的气泡时，可能重要的是要避免将实质量的气体溶解到预润湿流体中，尤其是在气泡的附近的预润湿流体。在一些实施例中，使用停滞的、相对厚的流体层，例如大于Icm的厚度。在其它实施例中，通过长管将气压压力施加到腔室，所述长管具有对气体的溶解到达界面的实质阻力以使得接触流体的气体在相对小的表面区域上接触流体，且具有相对长的扩散路径从而限制在一时间周期中可在流体中溶解的气体量。然而，施加压力，对挟带气泡的溶解的驱动力将随着施加的压力增加而增加。对于不具有显著毛细压力效应的大气泡，对于溶解的驱动力将近似等于气泡中特定气体组分的初始摩尔分数和施加于腔室的压力与流体中溶解气体的初始分压的差的乘积。此后一个量将取决于对预润湿流体执行的脱气的程度而变化。
虽然可以气压方式或液压方式施加压力，但在并非浸没实施例而是以预润湿流体薄层覆盖晶片的预润湿实施例中，以气压方式施加的外部压力将潜在地允许气体快速地再溶解到(例如，经脱气)预润湿流体薄层中。在从外部加压气体源的气体摄取与从气泡进入流体的气体溶解之间存在竞争。因此，应使用相对厚的预润湿流体层来用于非浸没预润湿操作。而且，存在有限数目的实际机构用于将流体静力学压力施加到晶片上的预润湿流体薄层。用于此做法的一种可能机构是产生面向上的晶片和含有预润湿液体流体的杯。相比之下，对于预润湿流体厚层和浸没预润湿方法存在宽得多的容限。这是因为可通过纯流体静力学机构将压力传输到气泡，且替代地，气压压力的施加将不会快速地使具有气体的通孔中的气泡周围的预润湿流体再饱和，因为涉及到相对长的扩散距离。当施加压力时，在气泡中的气体分压超过预润湿流体中的压力时，气泡将开始溶解。最终，气泡将完全溶解，其总时间取决于例如其初始大小、施加的压力和气泡在特征内的原始深度等参数。在气泡已完全溶解之后，在压力释放之前应大体上允许经过一些时间，使得任何过量的溶解气体(超过在I个大气压下将可溶解的量)可整体地平衡到预润湿流体中。这避免了使特征内的气泡再成核的可能性。当遵循此程序时,将从特征移除气泡,且在过量外部压力释放后将不会再形成。参见图1，针对如上论述的气泡溶解速率而计算曲线D和E (在镀敷浴中分别为90rpm对12rpm),但在此情况下a)溶解中溶解的初始气体的量等于与I个大气压空气平衡的量(与条件A相同，S卩，接触流体未脱气)，和b)外部施加的压力为3个大气压。对于此情况，本体流体中的溶解气体的总压力等于I个大气压下的空气，且在气泡的界面处，与3个大气压的压力平衡。将图I中的情况A和F(未脱气且未加压)与情况B和C(脱气但未加压)与情况D和E(未脱气但加压)进行比较，流体的加压在实现最短的溶解时间方面表现为较好的方法。根据计算，使用先前经脱气的预润湿流体(O. 2个大气压)与3个大气压外部流体加压(图I中未图示的情况)将大体上带来针对较大特征(3-1 = 2个大气压驱动力对3-0 = 3个大气压驱动力)的脱气时间的另外50%的减少。然而，应注意，在此操作中使用经脱气流体存在潜在显著的增加优点,而不仅仅是气体移除时间的减少(其可例如通过简单地将压力增加到比如此情况下的4个大气压的压力来实现)。在外部对腔室施加的压力的释放之后，来自气泡的气体和来自外部源的气体中的一些(如果以气压方式驱动)将已溶解到预润湿流体中。如上文指示，除非等待平衡(可为相对慢的过程，花费若干分钟或更多)，否则存在在通孔内再成核且再形成气泡的趋势，因为在释放压力之后，流体(尤其是特征内的流体)仍可含有浓度超过在环境条件/压力下可溶解的量(即，超过将与一个大气压的压力平衡的量)的气体。相比之下，如果流体在外部施加压力的施加之前经脱气，那么可较大程度地消除此平衡时间，因为存在从气泡吸收气体的实质过量容量且进而避免气泡的再成核和沉淀。最终，取决于晶片的定向和气泡与内部通孔表面之间的表面张力，可能的是挟带气泡因外部压缩压力而收缩到显著小于通孔直径的大小将允许所述气泡使自身从壁脱离且随后由于其自身的浮力而上升到通孔嘴部外。一旦气泡已退出通孔，便可在没有气泡挟带于内部的可能性的情况下移除压力。在无限媒介(无壁效应)中上升的小于大约O. 5_的气泡的最终上升速率取决于其直径a、运动粘度V和雷诺数Re，且可展示为由下式近似给出
权利要求
1.一种用于在以电解方式处理晶片衬底之前预润湿所述晶片衬底的设备，所述设备包括 脱气器，其经配置以用于在预润湿之前从预润湿流体中移除一种或一种以上溶解气体； 处理腔室，其具有用于接纳所述预润湿流体的入口，其中所述处理腔室经配置以用于在低于大气压的压力下以经脱气预润湿流体来预润湿所述晶片衬底；以及 晶片固持器，其定位于所述处理腔室内且经配置以在所述预润湿过程期间固持所述晶片衬底。
2.根据权利要求I所述的设备，其中所述脱气器是薄膜接触器脱气器。
3.根据权利要求I所述的设备，其中所述脱气器经配置以用于将所述预润湿流体冷却到小于大约20°C的温度。
4.根据权利要求I所述的设备，其中所述处理腔室包含适于与真空泵连接的出口。
5.根据权利要求I所述的设备，其中所述设备经配置以用于将处于液体形式的所述预润湿流体递送到所述晶片衬底上。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述设备经配置以用于在一时间周期中将所述晶片衬底浸没到所述预润湿流体中。
7.根据权利要求5所述的设备，其中所述设备经配置以用于在一时间周期中将所述预润湿流体喷溅或流溅到所述晶片衬底上。
8.根据权利要求I所述的设备，其中所述晶片衬底具有至少一个凹入特征，其中所述设备经配置以用于以气态形式将所述预润湿流体递送到所述晶片衬底上，且其中所述预润湿流体大体上已移除所有不可冷凝的气体且随后冷凝以在所述晶片衬底上形成以预润湿流体填充所述凹入特征的液体膜。
9.根据权利要求I所述的设备，其中所述设备经配置以用于在所述晶片衬底的预润湿期间在所述处理腔室中维持小于大约50托的压力。
10.根据权利要求I所述的设备，其中所述设备经配置以在所述处理腔室中的所述压力已减少到小于大约50托之后起始将所述预润湿流体引入到所述处理腔室中和所述晶片衬底上。
11.根据权利要求I所述的设备，其中所述设备经配置以在所述处理腔室中的所述压力已减少到小于大约50托之后起始将所述晶片衬底浸没到所述预润湿流体中。
12.根据权利要求I所述的设备，其中所述晶片固持器经配置以在大体上水平定向上定位所述晶片衬底。
13.根据权利要求I所述的设备，其中所述晶片固持器经配置以在大体上垂直定向上定位所述晶片衬底。
14.根据权利要求I所述的设备，其中所述晶片固持器经配置以用于旋转所述晶片衬。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述处理腔室经配置以将所述预润湿流体递送到旋转的晶片衬底上。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述预润湿流体首先在所述晶片衬底的中心的大约3cm以内接触所述晶片衬底。
17.根据权利要求I所述的设备，其中所述处理腔室经配置以用于在所述经预润湿晶片衬底上电镀金属层。
18.根据权利要求I所述的设备，其中所述设备进一步包括传送机构，所述传送机构经配置以用于将所述晶片衬底从所述处理腔室传送到电镀设备。
19.根据权利要求I所述的设备，其中所述设备是模块中的台，所述模块进一步包括经配置以用于选自由电蚀刻或电抛光组成的群组的阳极工艺的台。
20.根据权利要求I所述的设备，其中所述设备是模块中的台，所述模块进一步包括经 配置以用金属电镀所述晶片衬底的电镀台。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述金属是铜。
22.根据权利要求20所述的设备，其中电镀台经配置以将所述晶片衬底浸没在所述电镀台中的经脱气镀敷电解液中。
23.根据权利要求22所述的设备，其中所述电镀台经配置以在将所述晶片衬底浸没在所述经脱气镀敷电解液中之前以阴极方式极化所述晶片衬底。
24.根据权利要求20所述的设备，其中所述模块包括传送机构，所述传送机构经配置以用于在少于大约I分钟内将所述晶片衬底从所述预润湿台传送到所述电镀台。
25.根据权利要求I所述的设备，其进一步包括控制器，所述控制器包括用于以下操作的程序指令 将所述处理腔室中的压力减少到低于大气压的压力；以及 随后在低于大气压的压力下使所述晶片衬底与所述预润湿流体接触以在所述晶片衬底上形成润湿层。
26.根据权利要求25所述的设备，其中所述程序指令进一步包括用于以下操作的指令 在低于大气压的压力下在向所述晶片衬底上的递送液体预润湿流体期间以第一旋转速率旋转所述晶片衬底，其中所述流体递送在大约10到120秒之间的时间中执行； 停止所述预润湿流体的所述递送； 在停止所述预润湿流体的所述递送之后，以第二旋转速率旋转所述晶片衬底以从所述晶片衬底上移除过量的表面挟带的预润湿流体。
27.根据权利要求26所述的设备，其中所述程序指令进一步包括用于以下操作的指令 在停止所述预润湿流体的所述递送之后且在所述过量的表面挟带的预润湿流体的移除之前将所述处理腔室中的所述压力增加到大气压力。
28.根据权利要求26所述的设备，其中所述程序指令进一步包括用于以下操作的指令 在所述过量的表面挟带的预润湿流体的移除之后将所述处理腔室中的所述压力增加到大气压力。
29.根据权利要求26所述的设备，其中所述第一旋转速率小于大约300rpm，且其中所述第二旋转速率为至少大约300rpm。
30.根据权利要求26所述的设备，其中所述第一旋转速率为大约IOOrpm或更小，且其中所述第二旋转速率为至少大约500rpm。
31.根据权利要求25所述的设备，其中所述设备经配置以用于通过选自由离心自旋、空气刀干燥和擦拭组成的群组的方法来从所述晶片衬底上移除过量的表面挟带的预润湿流体。
32.一种用于在以电解方式处理晶片衬底之前预润湿所述晶片衬底的设备，所述设备包括 处理腔室，其具有用于接纳预润湿流体的入口，其中所述处理腔室经配置以用于在预润湿期间或之后在高于大气压的压力下操作以促进气泡的移除；以及 晶片固持器，其定位于所述处理腔室内且经配置以在所述预润湿过程期间固持所述晶片衬底。
全文摘要
本发明揭示预润湿设备设计和方法。这些设备设计和方法用以在于晶片的表面上镀敷金属之前预润湿所述晶片。所揭示的预润湿流体的组合物防止所述晶片上的晶种层的腐蚀，且还改善所述晶片上的特征的填充速率。
文档编号H01L21/3205GK102804343SQ201080026847
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月16日 优先权日2009年6月17日
发明者史蒂文·T·迈尔, 戴维·W·波特, 马克·J·威利, 罗伯特·拉什 申请人:诺发系统有限公司