CN101547746B - 无电电镀方法及设备 - Google Patents

Abstract

提供一种无电电镀系统。该系统包括第一真空吸盘，用以支撑第一晶圆；以及第二真空吸盘，用以支撑第二晶圆，以使该第二晶圆的上表面与该第一晶圆的上表面相对。该系统还包括流体输送系统，被配置为将电镀液输送至该第一晶圆的上表面，其中响应该电镀液的输送，使该第二晶圆的上表面接近该第一晶圆的上表面，以使该电镀液接触两个上表面。还提供一种将无电电镀液施加至基板上的方法。

Description

无电电镀方法及设备

背景技术

无电电镀需要反应室环境与电镀液的严格控制。目前的无电电镀系统可施加电解质于旋转的晶圆上，或将晶圆浸入电解质流体的镀槽中。对于这些系统，超时电解质的控制是困难的。对于旋转的晶圆而言，当晶圆进行旋转时，会丧失均匀的流体施加量。对于镀槽系统而言，整个镀槽必须定期抛弃与置换。因此，相对于实际用于无电电镀的量，上述两种情况对于处理皆消耗相当大量的电解质溶液。这导致了明显的浪费，更不用说环绕在化学镀槽系统的控制问题。此外，控制电镀液所需的注意力以及化学镀槽的抛弃与置换的需要都会影响产能。

目前系统的另一个缺点是：电镀槽必须维持在升高的电镀温度。此升高的温度会导致某些添加物的劣化，例如还原剂，尤其是相对于沉积钴层的无电电镀技术来说。

以上述观点而言，需要一种无电电镀方法及系统，其具有最小浪费并且能够达到高产能。

发明内容

大体上说，通过提供一种使用最小量的电镀液而且不影响产能的用以进行基板无电电镀的方法及设备，本发明满足了这些需要。应当明白：本发明可通过许多方式实施，包括设备、方法和系统。下面对本发明的几个实施方式加以说明。

在一个实施方式中，提供一种无电电镀系统。该系统包含：第一真空吸盘，用以支撑第一晶圆；以及第二真空吸盘，用以支撑第二晶圆，以使该第二晶圆的上表面与该第一晶圆的上表面相对。该系统还包含流体输送系统，用以将电镀液输送至该第一晶圆的上表面，其中响应该电镀液的输送，使该第二晶圆的上表面接近该第一晶圆的上表面，以使该电镀液接触该两个上表面。

在另一个实施方式中，提供一种用以在基板上沉积膜层的无电电镀系统。该系统包含：第一真空吸盘，用以支撑第一晶圆；以及第二真空吸盘，用以支撑第二晶圆。该第二晶圆的上表面与该第一晶圆的上表面相对，并且该第一和第二真空吸盘能够加热对应的晶圆。该第二真空吸盘可将该第二晶圆的温度加热至高于引起电镀反应的温度。该系统还包含流体输送系统，用以将电镀液输送至该第一晶圆的上表面。响应该电镀液的输送，可透过耦合到该第一真空吸盘和该第二真空吸盘中的一个的驱动机构，使该第二晶圆的上表面接近该第一晶圆的上表面，以使该电镀液与该两个晶圆的上表面接触。

在再一个实施方式中，提供一种用以在半导体基板上进行无电电镀的方法。该方法开始于将第一及第二半导体基板装载在对应的第一和第二支撑结构上。该方法包含：将第一和第二支撑结构定向，从而使对应的暴露的半导体基板表面彼此相对；以及施加一电镀液于该第一半导体基板的暴露的表面。该方法还包含：使该第二半导体基板的暴露的表面与在该第一半导体基板的暴露的表面上的该电镀液接触；以及开始进行该电镀液与该两暴露的表面之间的电镀反应。然后使该等暴露的表面相互远离。

通过下面显示本发明原理的具体实施方式，结合附图，本发明的其他方面将变的更加明显。

附图说明

通过结合附图详细描述的具体实施方式，本发明将更容易理解，其中同类的参考标号代表同类的结构元件。

图1是依照本发明的一个实施方式的无电电镀技术的使用应用的简化示意图。

图2A至2D描绘了依照本发明的一个实施方式，增加产能并使消耗的电解质流体量降至最低的无电电镀解决方案。

图3是依照本发明的一个实施方式的无电电镀处理的温度与时间图。

图4显示依照本发明的一个实施方式，用以执行电镀技术以增加产能的方法操作的流程图。

具体实施方式

提供一种高产量的无电电镀系统。应当明白，尽管此处描述的是特定的电镀液，但本腔室可用于任何电镀液，而不限于上述特定的电镀液。然而，显然，对于本领域的技术人员来说，本发明可在没有某些或全部这些具体细节的情况下实施。在其它情况下，没有对熟知的操作进行详细说明，以免造成对本发明不必要的混淆。

在基板上钴的无电电镀需要反应室环境和电解质化学品或溶液两者的精确控制。目前的无电电镀系统是利用再循环化学镀槽，其可施加电解质于旋转的晶圆上，或者可使晶圆浸入其中。在这两种情况下，随时间对电解质温度进行控制是困难的。目前的技术是使用这样的系统，该系统一般在处理之前不会使用溶液中所有的有效反应物，并因此浪费电解质化学品。因此，由于昂贵的电解质化学品，所以包含的成本会增加。此外，为了发生反应，电镀处理需要维持在升高温度的电镀温度，这也导致电解质溶液中的关键添加物的劣化，例如在钴无电电镀化学品使用的还原剂。

此处所述的实施方式可使以下诸点成为可能：每一晶圆使用最小量的电解质、电解质化学品的关键成分的使用点混合、低温储存及输送电镀化学成分、以及增加产量。下面会详细说明，通过使待施加电镀液的晶圆表面彼此面对的方式，将晶圆装载于对应的加热真空吸盘上。也就是说，将晶圆的暴露的表面向下，而使其位于另一晶圆的向上暴露的表面的上方。然后在晶圆到达电镀温度之前，将流体施加在向上的晶圆上。也就是说，将晶圆加热至低于引发电镀反应的温度。在钴无电电镀液的情况下，该温度是低于约45℃。应当明白，施加的流体也就是用以进行无电电镀的电解质化学品。一旦将流体施加在向上的晶圆上之后，将晶圆移在一起，以在两个相对的晶圆表面之间形成窄间隙。这会迫使施加的流体在晶圆到达临界电镀温度之前填满间隙。在一个实施方式中，使用小于100微米的间隙，且用以填满两个晶圆间的该间隙所需的流体量小于10毫米。在另一个实施方式中，为了改善液体在间隙中的分布并为了使气泡的形成降至最低，可以对加热真空吸盘进行机械加工而获得微凸状弯曲，在间隙形成之后此凸状弯曲可使电解质完全覆盖两个晶圆的表面。该无电电镀液可以是任何合适的多成分市售配方，例如由Enthone Inc.of West Haven，Connecticut所提供的配方。

图1显示了依照本发明的一个实施方式的无电电镀技术的使用点应用的简化示意图。腔室100包含加热吸盘102，晶圆或基板106放置在该吸盘上。O型环104用以密封腔室100的底部区域，以防止来自晶圆106表面的任何电解质流体流落。此外，为了产生最小溢流，施加流体的量可被选择为稍微大于由晶圆直径与形成的间隙所包夹的体积。流体再循环回路110用以再循环不具有还原剂的电解质流体。在一个实施方式中，流体再循环回路110维持在升高的温度。在另一个典型实施方式中，该升高的温度高于约45℃，在再一个典型实施方式中，该温度介于约50℃到约60℃之间。流体再循环回路110供给输送管线112，该输送管线最终将流体输送至晶圆106的上表面。还原剂108在流体再循环回路110的下游的使用点上被添加到输送管线112内。应当理解：因为还原剂108是电解质溶液不稳定的主要原因，所以在使用点添加还原剂有助于使过程稳定。此外，因为通过输送管线112要添加到电解质溶液的还原剂的量相对较小，如果流体再循环回路被维持在升高的温度，该稀释丝毫不会影响流体的温度。包含还原剂108的电解质流体被输送到晶圆106的上表面，并且发生无电电镀反应而在晶圆106的上表面上覆盖薄膜。在一个实施方式中，该薄膜为钴基薄膜。在本实施方式中，再循环回路所再循环的部份电镀液可以是由0.1M的氯化钴或硫酸钴、0.2M的次磷酸钠、0.03M的钨酸钠、0.5M的柠檬酸钠、0.5M的硼酸以及少量的界面活性剂组合而成。在使用点添加的部份电镀液为二甲基胺硼烷(DMAB，dimethylamine borane)等还原剂。本领域的技术人员应当理解，其它电镀液(例如由Enthone Inc.所提供的)也可以包含在本文上面所列的实施方式中，作为示例而不意在限制。

图2A到2D显示了依照本发明的一个实施方式的增加产能并使消耗的电解质流体的量降至最低的无电电镀技术。真空吸盘A 120支撑晶圆A 124。真空吸盘B 122支撑晶圆B 126。在一个方式中，当每一个真空吸盘在垂直位置时，真空吸盘A 120和真空吸盘B122可装载对应的晶圆。然后，可将真空吸盘A反转并配置于真空吸盘B的上方，从而使晶圆A 124与晶圆B 126的表面彼此相对。对本领域的技术人员而言，显然，任何适合的真空吸盘都可以用来支撑对应的晶圆。而且，用以反转真空吸盘的结构可以是耦合至真空吸盘的受驱动支撑臂，其可在水平及垂直位置反转及移动真空吸盘。本领域的技术人员可以理解，耦合至支撑臂的马达可提供用以反转真空吸盘所需的移动，并提供水平及垂直的平移。在一个实施方式中，每一个真空吸盘均可耦合至支撑臂，且两个真空吸盘都是可移动的。或者，真空吸盘其中之一是可移动的。

此外，真空吸盘A 120及真空吸盘B 122可对由真空吸盘支撑的对应的晶圆进行加热。本领域的技术人员可以理解，可使用例如电阻加热等已知市售技术或其它已知技术对晶圆进行加热。图2B显示电解质流体施加至支撑在真空吸盘B 122上的晶圆B 126的上表面。如上所述，将晶圆B 126的温度加热至低于引起无电电镀反应的温度。因此，在晶圆B 126的上表面配置的电解质流体时无电电镀不会发生。此外，因为只有少量的电介质被施加到晶圆B 126的上表面，所以电解质128维持在室温。如图所示，还原剂130在使用点被添加至输送管线，该输送管线用以提供电解质流体至晶圆B126的上表面。当然，还原剂130可被加入到保持蓄积的电解质128中。在本实施方式中，可进一步降低此温度以防止电解质的劣化。应当理解，由于此处所述的实施方式只需要相对比较少量的电解质，所以当晶圆被预加热时，电解质流体的温度对温度的影响可忽略。

图2C显示了流体输送结构的移除和真空吸盘A的降低，以在晶圆A 124和晶圆B 126的对应表面之间限定窄间隙。或者，真空吸盘B与真空吸盘A两者可朝彼此移动。因为晶圆A与晶圆B之间的间隙减小，所以两个表面(即晶圆A 124的上表面以及晶圆B 126的上表面)都可与电镀液接触。间隙132包含电镀液于其中，且在本发明的一个实施方式中该间隙可以小于100微米。因此，薄弯月面会在晶圆A 124与晶圆B 126的对应表面之间形成。依照本发明的一个实施方式，用以形成间隙132中弯月面的液体量在200毫米晶圆上可以是2毫升，或者在300毫米晶圆上可以是4-5毫升。这些量可在对应晶圆表面上典型地提供小于1毫米的薄膜。在一个实施方式中，该反应可以是自我限制的(self-limiting)。也就是说，在整个反应期间该流体被消耗，从而不浪费电解质流体。换言之，全部量的钴都沉积在表面上，而且反应完成之后剩余流体(即空乏层)的浪费得以避免。应当理解，因为电镀液和晶圆B两者的温度都低于反应温度，所以依照本发明的一个实施方式，当与电镀液接触时，晶圆A可被保持在高于反应温度的温度。然后通过真空吸盘A 120与真空吸盘B122两者，通过对应的晶圆而对电镀液进行加热，以均匀地电镀对应的晶圆。图2D显示对应的真空吸盘120及122的分离。这里同样，本领域的技术人员可以理解，已知的机械结构和技术可完成该分离。在反应完成之后，将真空吸盘A 120和真空吸盘B 122分开，而且晶圆A 124上具有限定于其上的薄膜134。类似地，晶圆B 126上也有限定于其上的薄膜136。对应晶圆分开之后，在本发明的一个实施方式中，可通过细微喷洒(fine spray)或放入水槽中，对具有薄膜的表面进行冲洗或淬火。然后可将晶圆移开以进行进一步想要的处理。

图3显示了依照本发明的一个实施方式的无电电镀处理的温度与时间图。如图3所示，在时间t1，将晶圆A装载在对应的真空吸盘上，此晶圆为上晶圆。在时间t2，将晶圆B装载在对应的真空吸盘上。在此，晶圆B为下晶圆。在时间t3，将电解质溶液施加到晶圆B的上表面上。如图所示，在时间t3，晶圆A已达到反应电镀温度，也就是说对于钴电镀处理来说是45℃，然而，晶圆B尚未达到电镀温度。在时间t4，将晶圆A降下以在两个对应晶圆之间的小间隙中形成弯月面。这里同样，晶圆B仍未达到反应温度，但已经接近该温度，而且通过晶圆B与晶圆A经由弯月面的耦合，从而可以高效地达到该反应温度。电镀开始于时间t5，此时当对应温度已达到平衡并高于电镀温度时。一旦电镀反应完成之后，为进一步处理，将晶圆分开。

图4是依照本发明的一个实施方式，用以执行电镀技术以增加产能的方法操作的流程图。此方法开始于操作300，将第一及第二晶圆装载在对应的支撑结构上。在一个实施方式中，该支撑结构是上述的加热真空吸盘。然后此方法移至操作302，将该第一和第二晶圆定向，从而使对应的暴露的晶圆表面彼此相对。此处，如图2A-2D所示，可将一个晶圆吸盘在另一个晶圆吸盘上方反转。在一个实施方式中，真空吸盘在晶圆所座落的表面上可具有微凸状弯曲。这种凸状弯曲被施加在晶圆上以改善晶圆表面上方的电解质的分布并使气泡的形成降至最低。然后此方法前进至操作304，当第一晶圆的温度低于引起溶液与暴露的表面之间的电镀反应的温度时，将溶液施加至第一晶圆的暴露的表面。在一个实施方式中，此溶液是用以进行发生在升高温度的无电电镀反应的电解质溶液，例如钴电镀液。在另一个实施方式中，溶液可被施加在还原剂加入的使用点处，以增加此处理的稳定性。然后此方法进入操作306，移动第二晶圆的暴露的表面，以使其与配置于该第一晶圆的暴露表面上的溶液接触。应当理解，当此发生时，同时通过对应的真空吸盘对晶圆进行加热。在一个实施方式中，相对于如关于图3所讨论的下晶圆的温度，上晶圆的温度是升高的温度。一旦配置在两个晶圆的间隙中的电镀液温度高于临界电镀温度时，将会开始进行无电电镀。因此，在操作308中此反应发生在特定的时间周期。然后此方法移动至操作310，将第二晶圆从第一晶圆移开。或者，根据附加在对应的真空吸盘的传动装置，使两个晶圆相互远离。在操作312中，将该第一及第二晶圆进行冲洗或淬火，以移除任何剩余流体或污染物。然后此晶圆可用于在下游的进一步处理。如上所述，沉积在晶圆表面上的电解质溶液的量可以是自我限制的(self-limiting)。

虽然此处详细说明了本发明的一些实施方式，但本领域的技术人员应当理解，在不悖离本发明的精神及范围的情况下，可用许多其它特定形式实施本发明。因此，本发明的实施例和实施方式是用来说明而非限制，且本发明并不限于此处所提供的细节，而可以在随附的权利要求的范围内可对其进行修改及实施。

Claims (20)

1.一种无电电镀系统，包含：

第一真空吸盘，用以支撑第一晶圆；

第二真空吸盘，用以支撑第二晶圆，以使该第二晶圆的上表面与该第一晶圆的上表面相对；以及

流体输送系统，用以将电镀液输送至该第一晶圆的该上表面，其中响应该电镀液的输送，使该第二晶圆的上表面接近该第一晶圆的上表面，从而使该电镀液接触两个上表面。

2.根据权利要求1所述的系统，其中该第一和第二真空吸盘被配置为加热对应的晶圆。

3.根据权利要求1所述的系统，其中该流体输送系统在升高的温度下再循环该电镀液的一部分。

4.根据权利要求3所述的系统，其中该流体输送系统增加来自该再循环的回路下游的该电镀液的剩余部分，并且将该剩余部分的温度维持在低于该升高的温度上。

5.根据权利要求1所述的系统，其中将该第二晶圆的温度加热到高于引起电镀反应的温度，而该第一晶圆的温度低于该引起电镀反应的温度。

6.根据权利要求1所述的系统，其中该电镀液被配置为在该晶圆的上表面上沉积钴层，且其中该第一和该第二真空吸盘的上表面具有凸状弯曲。

7.一种用以在基板上沉积膜层的无电电镀系统，包含： 

第一真空吸盘，用以支撑第一晶圆；

第二真空吸盘，用以支撑第二晶圆，以使该第二晶圆的上表面与该第一晶圆的上表面相对，其中该第一和第二真空吸盘能够加热对应的晶圆，且该第二真空吸盘将该第二晶圆加热至高于引起电镀反应的温度；以及

流体输送系统，被配置为将电镀液输送至该第一晶圆的该上表面，其中响应该电镀液的输送，通过耦合至该第一或该第二真空吸盘其中之一的驱动机构，使该第二晶圆的上表面接近该第一晶圆的上表面，从而使该电镀液接触两个晶圆上表面。

8.根据权利要求7所述的系统，其中该流体输送系统再循环该电镀液的一部分，并维持该电镀液的该部分的温度。

9.根据权利要求8所述的系统，其中在将该电镀液输送至该第一晶圆的该上表面之前，该流体输送系统将该电镀液的剩余部分加至该电镀液的该部分。

10.根据权利要求9所述的系统，其中该电镀液的该剩余部分包括还原剂。

11.根据权利要求7所述的系统，其中该电镀液被配置为，在引起该电镀反应的该温度下，在该晶圆的上表面上沉积钴层。

12.根据权利要求7所述的系统，其中该驱动机构被配置为在该第一真空吸盘上方反转该第二真空吸盘，并使该第二真空吸盘朝该第一真空吸盘降下。

13.一种用以在半导体基板上进行无电电镀的方法，包含以下方法操作： 

将第一及第二半导体基板装载在对应的第一和第二支撑结构上；

将该第一和第二支撑结构定向，以使对应的暴露的半导体基板表面彼此相对；

将电镀液施加至该第一半导体基板的暴露表面；

使该第二半导体基板的暴露表面与该第一半导体基板的该暴露表面上的该电镀液接触；

开始进行该电镀液与两个暴露表面之间的电镀反应；以及

移动该暴露表面使其彼此远离。

14.根据权利要求13所述的方法，其中将电镀液施加至该第一半导体基板的暴露表面的该方法操作包括：

在施加该电镀液之前，将该第一半导体基板的该暴露表面的温度加热至低于引起电镀反应的温度。

15.根据权利要求13所述的方法，其中使该第二半导体基板的暴露表面与该第一半导体基板的该暴露表面上的该电镀液接触的该方法操作包括：

在使该第二半导体基板的该暴露表面与该电镀液接触之前，将该第一半导体基板的该暴露表面的温度加热至高于引起电镀反应的温度。

16.根据权利要求13所述的方法，其中开始进行该电镀液与该两个暴露表面之间的电镀反应的该方法操作包括：

通过从该第一和第二支撑结构施加热，将该电镀液加热至引起电镀反应的温度。 

17.根据权利要求13所述的方法，其中使该第二半导体基板的暴露表面与该第一半导体基板的该暴露表面上的该电镀液接触的该方法操作包括：

在该暴露的半导体基板表面之间定义约50μm至约1000μm之间的间隙。

18.根据权利要求13所述的方法，进一步包含：

冲洗该暴露表面；以及

干燥冲洗完的该表面。

19.根据权利要求13所述的方法，其中将电镀液施加至该第一半导体基板的暴露表面的该方法操作包括：

输送约2mL到约5mL的量的电镀液，其中该电镀液为钴基电镀液。

20.根据权利要求13所述的方法，其中将电镀液施加至该第一半导体基板的暴露表面的该方法操作包括：

在该电镀液的使用点，将该电镀液的还原剂部分添加至该电镀液的剩余部分，其中将该还原剂部分和该剩余部分的温度维持在低于引起电镀反应的温度。 

Images