專利名稱：減少金屬腐蝕的電化學方法處理襯底的裝置與方法
技術領域：
本發明涉及集成電路制造的領域，更具體地，涉及在襯底上沉積金屬或從襯底移除金屬的各種制造步驟的過程中，以電化學方法處理襯底。
背景技術：
集成電路(IC)的多層互連技術中所使用的材料為薄膜導體及薄膜絕緣體。為了制造導電薄膜，已廣泛地以鋁和鋁合金結合作為絕緣體的二氧化硅(SiO2)一起使用。為了進一步提升器件性能，就IC的信號傳輸延遲及功率消耗而言，可結合低k介電材料的銅現在越來越普遍取代鋁和二氧化硅。此外，銅技術的應用會導致所需要的金屬化層數量的減少。在制造多層互連系統方面，電鍍和無電鍍覆形式的鍍覆(plating)及反向工藝，也稱為電拋光工藝，已成為廣泛使用的金屬沉積/移除技術。
為了獲得金屬層所要求的品質，典型是在電化學金屬鍍覆工藝中使用各種化學品。在襯底上鍍覆金屬所使用的許多電解液之中，無機酸作為鍍覆溶液的主要成分。硫酸或磷酸以各種濃度被廣泛地使用。不論所供應的硫酸和磷酸具有何種濃度，已知硫酸和磷酸會蝕刻銅。當半導體襯底上所形成的金屬區域處可輕易地得到氧時，會進一步提高蝕刻速率，如同在傳統的鍍覆工藝中由于周圍空氣含有的氧所導致的情形一樣。
由于氧、二氧化硫(可微量存在于環境中)及水(包含在以水稀釋的酸中)的存在，可能會發生在半導體襯底上所形成的金屬顯著程度的氧化及褪色。這種情況在后續輸送、儲存、沖洗和清洗動作(其所有動作都在潮濕條件下，換言之在促使銅氧化及褪色的條件下進行)的過程中，甚至會更惡化。而對于進行相當類似于電鍍的電拋光工藝(但其中的離子流為反向的)的含銅襯底也有相同的情形。
由于銅越來越普遍用于半導體制造，而且如上所述，由于曝露的銅表面具有容易和氧反應形成腐蝕及褪色的傾向，因此這種腐蝕及褪色并且可能會傾向于損害所得到表面的品質或是對于后續工藝步驟有不利的影響。有鑒于上述內容，在半導體襯底上鍍覆及電拋光銅顯然是完成的集成電路的可靠度的關鍵。
因此，存在著對于在不過度降低表面品質的情況下，形成和處理金屬層(特別是銅層)的裝置與方法的需求。

發明內容
本發明針對減少與鍍覆及/或電拋光含金屬襯底之前、之中和之后的暴露金屬表面接觸的氧及二氧化硫的量的方法與裝置。通過顯著降低在欲處理或欲以其它方法處理的襯底的整個表面上的氧及/或二氧化硫的分壓，可降低暴露金屬表面與這些反應性周圍成分發生化學反應的機率。
根據本發明的一個具體實例，電化學方法處理襯底的處理工具包括鍍覆反應器及包圍該鍍覆反應器的罩蓋，該罩蓋定義出含有內部氣氛的內體積。由此，配置該罩蓋以實質上避免與周圍大氣的氣體交換。
根據本發明的另一具體實例，電化學方法處理襯底的處理工具包括鍍覆反應器及供氣系統，該供氣系統用于將惰性氣流供給至該鍍覆反應器，以減少該鍍覆反應器中氧濃度及二氧化硫濃度的至少其中之一。
根據本發明的另一具體實例，電化學方法處理襯底的方法包括提供配置用以電化學方法處理襯底的處理工具。其次，形成圍繞該襯底的氣氛，其中該氣氛比圍繞該處理工具的周圍大氣具有較低的氧濃度。


參考下列說明并結合附圖可了解本發明，附圖中相同的參照數字等同于相同的組件，其中
圖1表示銅的電位與pH值坐標圖(Pourbaix diagram)；圖2a表示根據本發明一個說明性具體實例的電化學方法處理襯底的示意圖的簡化部分；圖2b概要地表示圖2a的處理工具的圖，該處理工具包括電化學方法處理襯底中所涉及的其它工藝站；圖2c表示根據本發明的具有再循環惰性氣體的處理工具的概要圖；及圖2d表示包括圖2a的處理工具的系統概要圖，該系統提供根據本發明另一說明具體實例的改進工藝控制。
盡管本發明可容許各種修飾及替代形式，但已利用圖式中的實例表示及本文詳細說明本發明的特定具體實例。然而應了解本文中特定具體實例的說明并不意欲用來將本發明限制在已揭示的特定形式上，但是相反地，其目的在于涵蓋落入如后附權利要求所界定的本發明的精神與范疇范圍內的所有修飾、等效及替代方案。
具體實施例方式
本發明的說明性具體實例敘述如下。為了清楚起見，并非全部實際實施的特征均見述于本說明書中。當然應了解在任何這類實際具體實例的開發中，必須做出許多特定實施上的決定以達到開發者的特定目標，例如遵守與系統有關和與商業有關的限制，這些限制會因實施方式而異。再者，應了解雖然這類開發的努力可能既復雜又費時，不過對于已經從本說明獲益的本領域技術人員而言，其可能是一項例行工作。
在下述中，參考圖1更詳細敘述銅鍍覆和電拋光中所涉及的化學。然而，除非在后附權利要求中已明確提出這類限制，否則不應將本發明視為限制在使用銅。
銅在空氣中氧化形成氧化銅已為人們所熟知。在二氧化碳(CO2)的存在下，銅可能會形成所謂的綠色碳酸銅。在二氧化硫(SO2)的存在下，銅可能會形成硫酸鹽，該二氧化硫可能存在于空氣中。因此，根據方程式1a得到的關系，襯底上的銅層最有可能經過各種氧化過程而產生作為化合物一部分的銅離子(Cu+或Cu++)。這些反應較佳地在氧和水的存在下發生，而氧和水通常也存在于周圍空氣中。
式1式1a式2式1表示在所謂的氧腐蝕中得到的化學反應。該方程式表示空氣中存在或水中溶解的氧會導致氧化過程。式1中所需要的電子被例如式1a的過程消耗，而銅則變成Cu2+。
圖1更清楚說明此種情形，其中描繪所謂的銅電位與pH值坐標圖。該電位與pH值坐標圖是將銅，其氧化物Cu2O和CuO及銅離子(Cu++)的電化學電位表示為pH值的函數。該圖顯示了代表Cu、Cu2O、CuO及Cu2+的四個分開區域。這些區域由表示相鄰區域化合物的平衡狀態的線所分開。該平衡可沿著該圖中的線而存在于兩種化合物之間，或是存在于分隔不同對化合物的線的交點四周的三種化合物之間。式1的氧還原的氧化還原電位也顯示在圖1的電位與pH值坐標圖中。在整個pH區域上，氧還原的氧化還原電位高于Cu2O和CuO形成為保護層的銅平衡時的氧化還原電位。因此，在氧的存在下，根據式1，取決于pH值，銅會氧化形成氧化銅(CuO)或銅離子(Cu++)。
式2說明另一個可能情形，該式的對應電化學電位也顯示在圖1的電位與pH值坐標圖中。式2的過程通常稱為氫腐蝕，通過將2H+還原為H2而發生。從電化學電位已知銅比氫更具有惰性。這項事實是由1圖的電位與pH值坐標圖中式2的氧化還原函數所表示。沿著整個pH區域，式2的氧化還原電位曲線位于元素銅的區域內部。
經證明銅的氧化過程較佳地在氧和水的存在下發生。
式3式3表示在二氧化硫(SO2)、水和氧的存在下生成苛性銅(caustic copper)。苛性銅在水中具有良好的溶解度。因此，根據式3的反應移除氧化銅(CuO)保護層可能會造成該銅層進一步的侵蝕。以類似的方式，在濕氣、氧和二氧化碳(CO2)的存在下可能會產生銅的碳酸鹽。
因此，在涉及處理具有曝露銅區域的襯底的工藝階段期間，使二氧化硫的量和/或氧的量和/或二氧化碳的量和/或濕氣的量減到最少在本發明中極為重要。特別是在電鍍/電拋光襯底中所涉及的工藝會持續地產生促使銅表面氧化的環境條件。
因此，本發明是以產生欲進行需要電化學處理的工藝程序的襯底所需的局部環境的概念為基礎，其中大量減少二氧化硫和/或氧和/或二氧化碳的量，由此使式3的平衡向氧化銅(左側)移動并按照式1、1a和2減少銅氧化。可利用將實質上惰性的氣體(例如氮、氬等)供給至所考慮的處理工具或至少供給至處理工具的相關部分，形成圍繞欲處理的襯底的實質上惰性的氣氛來達成。通過形成實質惰性氣氛，與周圍大氣相比，二氧化硫和/或氧和/或二氧化碳在整個襯底表面上的分壓顯著降低，并且降低暴露的金屬表面與這些反應性成分發生化學反應的機率。降低該分壓也可容許從處理液體(例如電解液，如超純水形態的水等)移除這些環境氣體至某種程度，在儲存和搬運該處理液體時，這些環境氣體可能已溶解在該處理液體中。
參考圖2a和2b，在此敘述本發明的說明性具體實例。在圖2a中，電化學方法處理襯底的處理工具200的部分包括鍍覆反應器210，該鍍覆反應器在本實例中可為包含可旋轉襯底夾具211和陽極213的電鍍反應器，該可旋轉襯底夾具211適用于容納及夾住襯底212，該陽極213具有形成其中用以在處理襯底212時導入電解液的入口214。此外，在陽極213和襯底夾具211之間可配置擴散組件215。在本具體實例中，電鍍反應器210代表所謂的噴泉式電鍍反應器。然而，使用特殊類型的電鍍反應器對于本發明并非必要，因此根據本發明可使用任何類型的鍍覆反應器，包括配置用以進行電拋光(即，反向電鍍工藝)的裝置。可配置鍍覆反應器210以定義出電鍍反應器210操作過程中包含惰性氣氛的內體積216，在傳統的設備中該惰性氣氛含有實質上對應于周圍大氣的氣體混合物。在一具體實例中，與傳統設備相反，電鍍反應器210包括配置將惰性氣體(例如氮、氬或稀有氣體等)供給至內體積216的供氣系統217。供氣系統217包括以其一端連接至惰性氣體來源220及以另一端連接至內體積216的第一供應管線218。此外，可提供第二供應管線219，其一端連接至內體積216及其另一端連接至排放源(未顯示)。第一及第二供應管線218、219雖然顯示為連接至電鍍反應器210的上端部及下端部，但也可用任何適當的方式加以配置，取決于處理工具200中用以將惰性氣體送入內體積216所使用的鍍覆反應器210的類型。
在操作過程中，惰性氣體(例如氮氣)可由惰性氣體來源220經由第一供應管線218供給至內體積216之中，在電鍍反應器210內部形成實質惰性氣氛，由此顯著減少二氧化硫和氧的量。應注意本文中所使用的“實質惰性氣氛”是用于敘述其氧濃度與周圍大氣(通常是無塵室中的大氣)的氧濃度偏離至少20％的氣氛，因此其最大氧濃度約為16％，較佳為低于5％，且更佳為低于1％。隨后，可將襯底212加載到電鍍反應器210中，并可通過襯底夾具211容納該襯底。根據處理工具200的類型，可使內體積216的內部實質惰性氣氛與周圍大氣接觸，以便進行某種程度量的氣體交換。
因此，在一個具體實例中，由供氣系統217產生某種程度量的超壓，由此形成從內體積216向開口(未顯示)的氣流，通過該氣流而將襯底212加載到襯底夾具211中。依此方式，使得從周圍大氣導入內體積216的氧和二氧化硫減到最少。通過形成連續氣流，可將某種程度量的超壓有利地保持在操作時并未配置使內體積216隔絕周圍大氣而充分密封的電鍍反應器210中。在將襯底212安置在襯底夾具211上之后，或許在關閉用于襯底傳送至襯底夾具211的開口之后，可操作供氣系統218，例如利用第二供應管線219使其吹洗內體積216，以進一步減少在將襯底212加載電鍍反應器210期間可能已導入的氧和二氧化硫的量。接著，開始運轉電鍍反應器210，其中與傳統設備相反，該電鍍工藝在實質惰性內部氣氛中進行，因此顯著地減短在欲鍍覆在襯底212上的銅表面處的腐蝕過程。
圖2b概要地表示具有連接至電鍍反應器210的附加處理模塊的處理工具200。在圖2b中，處理工具200還包括電鍍反應器210下游的沖洗站230以及沖洗站230下游的干燥站250。電鍍反應器210、沖洗站230以及干燥站250是由如箭頭261所示的配置以供襯底輸送的復數個襯底輸送模塊260所連接。處理工具200還包括定義出內體積202的罩蓋201。在一個具體實例中，配置罩蓋201以實質上防止與周圍大氣的氣體交換，而在另一具體實例中，罩蓋201的目的是顯著減少內體積202與周圍大氣的氣體交換。罩蓋201可包括在個別處理模塊與站之間形成某種程度分隔的復數個擋板203。
在一個具體實例中，如圖2b所描繪的，供氣系統217另外包括用于將惰性氣體供給到至少一部分的工藝站210、230、250及輸送模塊260的復數個供應管線204。在另一具體實例中，尤其是當罩蓋201隔絕周圍大氣而實質上完全密封內體積202時，可提供一個或多個排放管線(未顯示)以形成連續氣流。請注意圖2b所描繪的具體實例僅為說明用的態樣，在不脫離本發明范疇的情況下，可進行許多變化及修飾。例如，根據工藝站210、230、250及輸送模塊260的配置，可用許多方式改變擋板203的裝置、設計和排列。特別是，沖洗站230及干燥站250顯示為“開放”系統，而在另一具體實例中，這些站可包含處理室，該處理室可具有需要提供額外供應管線(例如供應管線218、219)的個別圍壁。此外，輸送模塊260可包含任何類型的晶片搬運裝置，因此可設計擋板203以便容許相鄰工藝站的裝載和卸載作業，同時減少相鄰站與模塊之間的氣體交換。在另一具體實例中，尤其是當沖洗站230及干燥站250分別包括具有圍壁的處理室時，可完全省略擋板203。
在操作過程中，將具有在參考圖2a所述條件下電鍍的銅表面的襯底212傳送至電鍍反應器210下游的處理模塊260。由于實質惰性氣氛是通過供應管線204形成在內體積202之中，因此實質上會防止先前已鍍覆銅的潮濕敏感表面與氧和/或二氧化硫接觸。特別是，襯底212典型包括完成鍍覆工藝時的電解液薄膜，而內體積202中的實質惰性氣氛在輸送至沖洗站230的過程中，可降低新鍍覆的銅表面的腐蝕機率。由于襯底212是在實質惰性氣氛中在沖洗站230及干燥站250中處理，沖洗站230及干燥站250包括在這些工藝站之間的輸送，所以在鍍覆后工藝中也會使銅的腐蝕減到最少。
應注意根據工藝需求，處理工具200可包括更多的模塊，如圖2b所示。例如，沖洗站230可代表處理含有精密金屬化層的襯底所需要的任何清洗站。此外，其它具體實例，尤其是涉及“濕式”處理襯底212的工藝站，可包括用以持續地減少對應局部氣氛的濕氣的排放管線，例如電鍍反應器210的第二供應管線219。
如圖2b所示的模塊結構，在不過度影響相鄰工藝站與模塊的氣氛的情況下，還允許分別進出工藝站和/或輸送模塊。例如處理工具200的模塊配置利用如第一和最后輸送模塊260，在不過度損害剩余內體積202中的惰性氣氛的情況下，可容許將襯底裝載至處理工具200或從該處理工具將襯底卸載。
圖2c概要地表示本發明地另一說明實例，其中處理工具200地供氣系統217包括配置用于從該惰性氣體中移除氧和/或二氧化硫的反應器221。反應器221可為任何類型的化學和/或物理反應器，該反應器包含例如可容許用本領域公知的方法移除氧和/或二氧化硫地催化劑。由于主要量的惰性氣體可重新制造和再利用，因此當處理工具200需要供應大量的惰性氣體或是供應相當昂貴的惰性氣體(例如氬或其它稀有氣體)時，此具體實例特別有利。當使用如圖2c所示的供氣系統217時，較佳地配置罩蓋201使泄漏至周圍大氣的惰性氣體減到最少。
圖2d概要地表示處理工具200的進一步變化。在圖2d中，處理工具200包括連接至控制單元270的復數個感測組件271，該控制單元依序有效連接至包含惰性氣體來源220地供氣系統217。感測組件271可包括壓力傳感器、氧濃度傳感器、二氧化硫濃度傳感器等。可將感測組件271提供給一個或多個工藝站210、230、250及輸送模塊260。可配置控制單元270以接收感測組件271的信號輸出并根據所接收地感測信號進行過程控制。例如供氣系統217可包括適當裝置以調整通過供應管線204或供應管線218和219的流體流動。對應裝置在本領域中是公知的，可包括閥件、泵、風扇等。
接著控制單元270可相應地調整一個或多個這些流動調整器件，以控制管線204、218、219中的流體流動，由此控制內體積202內部的氣氛。例如，在第一輸送模塊260處，例如將襯底加載到個別工藝站或將外部供應地襯底加載到處理工具200時，暫時增加流入電鍍反應器210的流體，可有利于有效減少擴散進入電鍍反應器210中的氧和/或二氧化硫。同樣也可控制在其它工藝站230、250及輸送模塊260中的實質惰性氣氛。此外，根據感測組件271所提供的測量結果控制該實質惰性氣氛，可將供給至處理工具200地惰性氣體的量減少至實際上所需要的量，因而節省資源。
因此，本發明有效提供能降低在電化學方法處理襯底(例如電鍍、電拋光等)所涉及的處理中銅腐蝕的機率，其中通過連續氣流和/或提供罩蓋形成圍繞該襯底的實質惰性氣氛，該罩蓋定義出含有實質惰性氣氛的內體積，該實質惰性氣氛在該處理工具的內部或至少在該處理工具的一部分的內部。與電化學方法處理襯底相關的其它處理，例如襯底的裝載、輸送、清洗、干燥及暫存，也最好在實質惰性氣氛內部進行。應注意可在個別處理工具中或是在配置用于實施兩個或更多工藝，或甚至是完整工藝程序的處理工具中來進行這些處理，本發明涵蓋任何類型的處理工具。
應注意雖然參考銅鍍覆來敘述本發明，但本發明的原理也可輕易地應用在電化學方法處理含有銅以外的金屬的襯底，其中實質惰性氣氛有利于提升工藝品質。
上述的特定具體實例僅作為說明之用，如本領域技術人員所顯而易見，本發明可用不同但卻等效的方式加以修飾及實施，而得到本文中所教示的效益。例如上述工藝步驟可用不同順序加以實施。此外，除了下列權利要求所述之外，本發明并不意圖限于本文中所示的架構或設計的細節。因此顯而易見以上所揭示的特定具體實例可加以改變或修飾，且這些變化全部均視為在本發明范疇與精神的范圍內。故本文所尋求的保護范圍如下列權利要求所闡述。
權利要求
1.一種電化學方法處理襯底的處理工具，包括鍍覆反應器(210)；及罩蓋(201)，該罩蓋包圍該鍍覆反應器(210)以定義出含有內部氣氛的內體積(202)，其中該罩蓋(201)用于實質上避免與周圍大氣的氣體交換。
2.如權利要求1的處理工具，還包括供氣系統(217)，用于將惰性氣體導入該內體積以便在其中形成實質惰性氣氛。
3.如權利要求1的處理工具，還包括至少一個輸送模塊(260)、襯底清洗站(230)、襯底干燥站(250)及化學品儲存槽，其中該罩蓋(201)用于至少部分包圍該至少一個輸送模塊、襯底清洗站、襯底干燥站及化學品儲存槽。
4.如權利要求1的處理工具，其中該內部氣氛包括氮氣及稀有氣體的至少其中之一。
5.如權利要求2的處理工具，其中該供氣系統(217)還包括反應器，其用于從供給至該反應器的氣體中移除氧和二氧化硫的至少其中之一。
6.如權利要求2的處理工具，其中該供氣系統(217)包括復數個入口管線(204)，以便將惰性氣體供給至該內體積內部的一個或多個指定位置。
7.如權利要求1的處理工具，其中該罩蓋(201)用于將該內體積分成復數個區間，其中相鄰體積區間之間的氣體交換被減少。
8.如權利要求2的處理工具，其中該供氣系統(217)用于在該鍍覆反應器中形成連續惰性氣流。
9.如權利要求1的處理工具，其中該處理工具還包括供氣系統(217)及控制單元(270)，該控制單元(270)有效連接至該供氣系統(217)，以控制該供氣系統(217)的操作，以便調整氧濃度、內體積中的壓力及通過該供氣系統(217)的氣體流速的至少其中之一。
10.一種電化學方法處理襯底(212)的方法，該方法包括提供配置用于電化學方法處理襯底(212)的處理工具(200)；及形成圍繞該襯底(212)的氣氛，其中該氣氛比圍繞該處理工具(200)的周圍大氣具有較低的氧濃度。
11.如權利要求10的方法，其中形成該氣氛包括將惰性氣體供給至該襯底。
12.如權利要求11的方法，其中該惰性氣體包括氮氣及稀有氣體的至少其中之一。
13.如權利要求10的方法，其中形成該氣氛包括通過提供能減少該氣氛與周圍大氣的氣體交換的罩蓋(201)定義出內體積。
14.如權利要求10的方法，其中還包括偵測該氣氛的壓力、氧濃度及二氧化硫濃度的至少其中之一。
15.如權利要求14的方法，還包括以該氣氛的壓力、氧濃度及二氧化硫濃度的至少其中之一的偵測為基準，控制該氣氛的形成。
全文摘要
本發明配置一種電化學方法處理襯底的處理工具(200)，以減少鄰近于該襯底(201)的氧濃度和/或二氧化硫濃度，以減少銅腐蝕。在一個具體實施例中，在包含鍍覆反應器的處理工具(200)內部，通過供給連續惰性氣流和/或提供能減少與周為大氣的氣體交換的罩蓋(201)，而形成實質惰性氣氛。在電化學方法處理襯底所涉及的其它工藝步驟的過程中，也可維持該實質惰性氣氛，該其它工藝步驟包括在個別工藝步驟之間的必要輸送步驟。
文檔編號C25D7/12GK1697893SQ03815021
公開日2005年11月16日 申請日期2003年6月24日 優先權日2002年6月28日
發明者A·普羅伊塞 申請人:先進微裝置公司