CN105304521A - 一种半导体工艺当中在先浸润基板的装置和方法 - Google Patents

Abstract

电化学镀铜是目前集成电路制造工艺中铜互连线工艺必须的工艺之一。本发明涉及在镀铜之前，一种预先沾湿基板的装置和方法。该装置将所用到的润液预先转化为气相的物质形态，通入到工艺环境当中，待气相的润液在基板周围聚集到一定程度之后，通过改变工艺环境中的温度和气压等参数，使气相的润液逐步转变为液相并凝结至基板表面及深孔，为后续镀铜工艺的进行提供了有利的调节。本发明由此还提出了一种预先沾湿基板的方法。

Description

一种半导体工艺当中在先浸润基板的装置和方法

技术领域

本发明涉及对半导体基板进行工艺处理的技术领域，更具体地说，涉及一种电镀或化学沉积金属层前预先浸润基板的装置和方法。

背景技术

电化学镀铜是目前集成电路制造工艺中铜互连线工艺必须的工艺之一。目前传统的电镀铜工艺，为了达到均匀的镀铜效果，避免镀铜中产生空隙，在镀铜之前，有一步预湿润的步骤，主要采用完全浸没的方式或者采用单片晶圆上喷液体靠旋转的方式进行的。如中国专利(申请号为201220143505.X)中提供的装置及涉及到的方法，将药液直接喷射至基板表面进行预湿润。

不过，随着科技的发展，上述专利中提供的技术方案已经很难满足晶圆基板更高精度的工艺要求。现在最新出现的TSV三维封装技术，随着技术的发展通孔的直径越来越小，目前已经到2um的直径，随着直径进一步缩小单纯的直接浸没的方式和旋转方式会遇到一些挑战。主要是因为，单片旋转的浸润方式即是在高转速下，水膜的厚度在2um左右已经很接近TSV直径的尺寸，很容易在孔内的某一部位停住。造成孔底部的不完全湿润，在后面的镀铜时形成空洞。更不用说是直接浸没的方式。而且，这种液体形式的浸润仅仅能够使基板的表面得以沾湿，而绝大部分润液则不能到达基板的深孔内进行全面彻底的预湿润处理，使得预湿润效果大打折扣。

具体而言，请参见图1，其揭示了采用现有技术对半导体基板进行预先湿润的技术处理过程中，所存在的技术问题。

例如，当采用传统的预湿润机器对某一晶圆基板进行预湿润时，通常都是采用液态的水直接浸没或喷射晶圆。比较考究一点的，会采用雾化喷桶以水雾的形式将润湿剂喷洒至晶圆表面进行预湿润。但无论采用上述哪种方式，其所使用的润湿剂均是液相状态的，而且理所当然的，当润湿剂接触到基板表面后仍将保持液相的物质形态，在晶圆表面形成具有一定厚度的水膜101。这种水膜101的厚度通常在2μm左右，已经非常接近TSV技术中硅片深孔通道的半径尺寸。在图1中可以看到，由于在深孔通道102的两端都有可能集聚有水膜101，水膜101之间相互叠加，恰好将深孔通道102的通道口封死，而导致润湿剂并不能抵达深孔通道102的深处以及底端，无法完全预湿润基板。由此可知，传统的预湿润机器及方法对晶圆基板表面进行预湿润时，还是具有一定效果的，但如果想要达到更为理想的预湿润效果，使基板的深孔通道当中也得到润湿，就显得力不从心了。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种改进的技术方案，包括装置和方法，通过改变工艺环境内的参数来控制润湿剂在预浸润过程中的物质形态，以实现浸润基板的目的。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种用于预先沾湿基板的装置，包括：

腔室，所述腔室具有腔壁，所述腔壁隔离外界并且闭合构成工艺环境；

润湿剂供给设备，所述润湿剂供给设备向所述腔室输送至少具有一种分子的润湿剂；

气相发生装置，所述润湿剂通过该气相发生装置进入所述腔室，所述润湿剂通过该气相发生装置后将以气相的物质形态进入所述腔室；

气体均匀分布装置，所述气体均匀分布装置接收并喷出所述气相状态的润湿剂，所述气体均匀分布装置促进气相的润湿剂均匀扩散；

基板固持件，所述基板固持件承载并固定基板；

监测控制系统，所述监测控制系统至少监测并调节所述工艺环境中涉及到的温度和气压参数；

加热器和制冷器，所述加热器至少向所述腔壁、所述气体均匀分布装置和所述润湿剂供给设备输送热量以保证润湿剂以气相的形态进入腔室，所述制冷器从所述基板固持件上汲取热量；

压力控制装置，所述压力控制装置改变所述腔室内的气压。

优选地，在预先沾湿基板的过程中，所述腔壁的温度、所述润湿剂供给设备的温度和所述气体均匀分布装置的温度均高于所述基板固持件的温度，所述腔壁的温度和所述气体均匀分布装置的温度均高于所述基板的温度。

可选地，所述润湿剂供给设备提供润湿剂的方式包括蒸气激发的方式和冲入载气的方式。

优选地，所述润湿剂为H2O。

可选地，所述载气为氩气、氖气或氮气。

可选地，所述气相发生装置为气化器。

可选地，所述气体均匀分布装置为气体喷嘴。

优选地，所述基板固持件具有一个圆形的基板支撑盘。

进一步地，所述装置还包括：离子发生器，将混合的润湿剂全部转化为气相状态的同时使混合气体带电。

可选地，所述离子发生器搭载在气相发生装置上或者在气相发生装置之后单独设置。

在其中一个实施例中，所述气体均匀分布装置和基板固持件上分别加有极性相异的偏置电压，偏置电压的极性根据润湿剂的混合气体所带的电荷决定，以使混合气体在进入腔室后获得一个重力方向的电场力。

优选地，所述加热器分布于所述腔壁、所述润湿剂供给设备和所述气体均匀分布装置周围，所述加热器为电加热板。

进一步地，所述制冷器为通有冷却水的管路系统，所述制冷器分布于所述基板支撑盘的底部。

进一步地，所述监测控制系统包括传感器、控制器和计算机。

优选地，所述传感器包括集成在基板支撑盘内的温度传感器，用以监测基板的温度；安装在腔室以及润湿剂供给设备的传输管路中的温度传感器，用以监测相应位置的温度变化；安装在腔室内的压力传感器，用以感应腔室内的气压变化。

进一步地，所述监测控制系统监测和调节的参数还包括所述润湿剂供给设备供给润湿剂的流量、所述气体均匀分布装置的喷速以及所述腔室内润湿剂的浓度。

进一步地，该装置开设有排气口和排液口，所述压力控制装置安装在排气口的末端。

进一步地，所述压力控制装置包括抽气泵、蝶阀和压力传感器，其中蝶阀和压力传感器安装在所述排气口的末端，压力传感器用于感应附近的压力值，控制蝶阀的开关角度来调节和改变腔室内的气压值，抽气泵通过抽取气体的方式来控制腔室内的气压值，用于预湿润过程开始时对腔室进行抽真空，在预湿润过程结束时帮助排气。

本发明还揭示了一种预先沾湿基板的方法，包括步骤：

步骤1：基板放入工艺环境内；

步骤2：向工艺环境内输送润湿剂，调节工艺环境的温度和气压参数，控制润湿剂以气相状态扩散至所述基板的周围；

步骤3：改变工艺环境内的温度和气压参数，将气相状态的润湿剂逐步转化为液相状态的润湿剂；

步骤4：润湿过程完成后，取出基板。

优选地，步骤1中所述基板放入工艺环境后，所述工艺环境抽至真空。

进一步地，步骤2中所述润湿剂为蒸汽激发的纯净物或充有载气的混合物。

优选地，，步骤2-3中所述工艺环境内施加有竖直方向的电场。

进一步地，在取出基板之后，排出装置中的废气和废液。

本发明所揭示的装置和方法，不仅能够沾湿基板的表面，更能让润液抵达基板内的深孔位置，与同类装置和方法相比，达到了极佳的预湿润效果。

附图说明

图1是使用现有技术产生的水膜阻塞深孔的示意图；

图2是本发明所述装置第一实施例的结构示意图；

图3是本发明所述装置第二实施例的结构示意图；

图4是本发明所述方法的步骤框图；

图5是本发明具体实施方式中水的相图。

具体实施方式

下述结合附图对具体实施例及实施方式作出的进一步描述，能够帮助本领域技术人员全面、有效地了解本发明的实质内容，达到在知悉本发明专利内容的情况下重复实现所述技术方案的程度。

图2就是发明人针对上述技术问题，所开发提供的一种预先沾湿基板的装置的第一实施例。该装置包括一个密闭的长方体工艺腔室201，腔室201对应的六个面上对应有相互闭合的腔壁215。在腔室201的外部，设置有润湿剂供给设备202，该润湿剂供给设备202提供给的润湿剂是蒸汽化了的水，设备本身已经将大部分水分子加热转化为水蒸气的气体分子形式，而且设备自身带有管路，将润湿剂源源不断的输送至腔室201内。进一步地，润湿剂供给设备202供给蒸汽化的水的流量是可以控制。

在润湿剂进入腔室201之前，首先要通过一个气相发生装置，更具体地说，该气相发生装置是一款气化器203，例如可以是Horiba公司生产的MV-1000型号的气化器203。由润湿剂供给设备201输送过来的蒸汽化了的水在气化器203中得到进一步处理，确保通过气化器203进入腔室201的润湿剂全部为水蒸气形式的气体分子。通过气化器203进入腔室201的气体形态的润湿剂将由气体均匀分布装置进一步喷射和扩散至整个腔室201。这种气体均匀分布装置通常是若干气体喷嘴204，能够对整个腔室201内部进行淋浴式的气体喷洒，气体喷嘴204的喷射速率是可控的。在气体喷嘴204的下方，设置有基板固持件210，基板固持件210具有一个圆形的基板支撑盘207，用于放置和固定晶圆基板206。另外，基板支撑盘207内集成有温度传感器208，用于监测基板206的温度。同时，在腔室201以及润湿剂供给设备202的传输管路中，也安装有一些温度传感器，用于监测相应位置的温度变化。除此之外，腔室201内还装安装一些微型的压力传感器，用于感应腔室201内的气压变化。这些传感器都将被连接至装置的监测和控制系统，用于调控工艺过程中的微环境。在基板支撑盘207的底部接触连接有一制冷器209，制冷器209通过管路211循环的输入和排出冷却水，能够对基板支撑盘207进行冷却，由于热传递的作用，进而基板206也会因冷却而保持相对较低的温度，例如可以是25℃，有利于气相的润湿剂被喷洒至基板206后，逐渐的凝结为液态的水。与此相对的，该预先沾湿装置还具有一些加热器，更具体地说是一些加热板205，分布在腔壁215、润湿剂供给设备202和气体喷嘴204的周围，至少向它们三者提供热量，使之维持在一个相对较高的温度，例如可以是50℃，从而保证润湿剂以气相的形态进入腔室201，并在腔室201内除晶圆基板206的位置以外的各处尽可能的仍保持为气相状态。这样，热的润湿剂气体遇冷就会凝结成液体，从而润湿晶圆基板206。优选地，应该使腔壁215、润湿剂供给设备202和气体喷嘴204三者的温度均高于基板206的温度，这样有助于润湿剂尽可能的全部用于浸润基板206。另外地，并不一定要求腔壁215、润湿剂供给设备202和气体喷嘴204三者的温度相同。在腔室201的底部，设置有排气口213和排液口212。排气口213的末端安装有一个压力控制装置，该压力控制装置包括抽气泵214、蝶阀和压力传感器。蝶阀和传感器安装在抽气泵214上，压力传感器用于感应附近的压力值，而通过控制蝶阀的开关角度，能够调节和改变腔室201内的气压值。该抽气泵214通过抽取气体的方式来控制腔室201内的气压值，并用于预湿润过程开始时对腔室201进行抽真空，在预湿润过程结束时帮助排气。

图3是本发明所述装置的第二实施例的结构示意图。该实施例中的装置与图2中所示的装置在结构上十分相似，所不同的地方在于：在该装置中润湿剂供给设备202提供的润湿剂虽然仍然是H₂O，但并非为只包含水分子的纯净物，而是混入了氮气的混合物形态的润湿剂。氮气作为载气，带动小液滴形态的水一同进入气化器203，共同转变成只具有气相形态的混合润湿剂，进入腔室201对基板206进行润湿。所述载气也可用其他类型的惰性气体替代，例如可以是氖气。另外地，该实施例中所使用的气化器203还搭载有离子发生器，能够在将混合的润湿剂全部转化为气相状态的同时使混合气体带电。可选地，也可在气化器203之后单独设置一个离子发生器，而不一定必须将二者集合为一个整体。进一步地，腔室201内的气体喷嘴204位置处施加100V的偏置电压，在基板206的位置处接地，这样就在腔室201内形成了竖直方向的电场。上述偏置电压的极性需要根据润湿剂的混合气体所带的电荷决定，目的是使混合气体在进入腔体201后获得一个重力方向的电场力，以使润湿剂气体具有良好的方向性，尽快的接触到基板206，而不是缓慢地扩散至充满腔室201，能够使预湿润的处理过程更为高效。

图4是本发明所述方法的步骤框图。其中预先沾湿基板的装置主要包括四步：

Step1：基板放入工艺环境内；

Step2：向工艺环境内输送润湿剂，调节工艺环境的温度和气压参数，控制润湿剂以气相状态扩散至所述基板的周围；

Step3：改变工艺环境内的温度和气压参数，将气相状态的润湿剂逐步转化为液相状态的润湿剂；

Step4：润湿过程完成后，取出基板。

更具体地讲，本发明所采用的具体实施方式为：首先通过抽气泵214将腔室201内抽至真空，这样有助于润湿剂气体更容易地进入基板206的深孔通道102内，且工艺环境也将更加洁净，避免了在预湿润过程中置换深孔通道102内的空气的环节。其次，向腔室201内通入一定量的润湿剂，该润湿剂可以为单一纯净的水蒸气或者混有载气的混合物形式的润湿剂；润湿剂通过气化器203后以气相的形态存在于腔室201内，通入润湿剂的过程中，同时控制电加热板205和制冷器209开始工作，抽气泵214将腔室内的气压控制在P1，此时，维持腔室201内的温度在50℃左右，而基板206的温度在25℃左右，其中P1可以选择的范围在50mtorr～500mtorr，该过程需持续一段时间，尽可能确保润湿剂充分地与基板206接触；除此之外，在这一阶段可以根据工艺要求选择是否需要使润湿剂气体带电并施加偏置电压，以加快预湿润的进程。在确认润湿剂已经充分接触到基板206后，改变腔室201内的微环境，将腔室201内的气压调节至P2,其中P2的可选范围为1torr～700torr,但是应该保证P2＞P1，在该状态下持续一段时间，等待气相的润湿剂逐渐转变为液相，凝结在基板206的表面和深孔。预先沾湿基板的过程完成，取出基板206并排出装置中的废气和废液，预湿润结束。

在本发明的实施方式中，控制腔室201内的工艺环境可以参考水的三相图，图5给出了水的三相图，其中标出了具体实施方式中，P1和P2所处的位置，同时也可以判断润湿剂水在工艺进程中的物质形态。

应当注意到的是，公众或其他竞争对手基于上述所有而做出的各式变形，若付诸于商业，将因其未能脱离本发明技术方案的要旨及实质而受到侵权行为的追责。

Claims (23)

1.一种用于预先沾湿基板的装置，其特征在于，包括：

腔室，所述腔室具有腔壁，所述腔壁隔离外界并且闭合构成工艺环境；

润湿剂供给设备，所述润湿剂供给设备向所述腔室输送至少具有一种分子的润湿剂；

气相发生装置，所述润湿剂通过该气相发生装置进入所述腔室，所述润湿剂通过该气相发生装置后将以气相的物质形态进入所述腔室；

气体均匀分布装置，所述气体均匀分布装置接收并喷出所述气相状态的润湿剂，所述气体均匀分布装置促进气相的润湿剂均匀扩散；

基板固持件，所述基板固持件承载并固定基板；

监测控制系统，所述监测控制系统至少监测并调节所述工艺环境中涉及到的温度和气压参数；

加热器和制冷器，所述加热器至少向所述腔壁、所述气体均匀分布装置和所述润湿剂供给设备输送热量以保证润湿剂以气相的形态进入腔室，所述制冷器从所述基板固持件上汲取热量；

压力控制装置，所述压力控制装置改变所述腔室内的气压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在预先沾湿基板的过程中，所述腔壁的温度、所述润湿剂供给设备的温度和所述气体均匀分布装置的温度均高于所述基板固持件的温度，所述腔壁的温度和所述气体均匀分布装置的温度均高于所述基板的温度。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述润湿剂供给设备提供润湿剂的方式包括蒸气激发的方式和冲入载气的方式。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述润湿剂为H₂O。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述载气为氩气、氖气或氮气。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气相发生装置为气化器。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体均匀分布装置为气体喷嘴。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基板固持件具有一个圆形的基板支撑盘。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

离子发生器，将混合的润湿剂全部转化为气相状态的同时使混合气体带电。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述离子发生器搭载在气相发生装置上或者在气相发生装置之后单独设置。

11.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述气体均匀分布装置和基板固持件上分别加有极性相异的偏置电压，偏置电压的极性根据润湿剂的混合气体所带的电荷决定，以使混合气体在进入腔室后获得一个重力方向的电场力。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热器分布于所述腔壁、所述润湿剂供给设备和所述气体均匀分布装置周围，所述加热器为电加热板。

13.根据权利要求1或8所述的装置，其特征在于，所述制冷器为通有冷却水的管路系统，所述制冷器分布于所述基板支撑盘的底部。

14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述监测控制系统包括传感器、控制器和计算机。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述传感器包括集成在基板支撑盘内的温度传感器，用以监测基板的温度；安装在腔室以及润湿剂供给设备的传输管路中的温度传感器，用以监测相应位置的温度变化；安装在腔室内的压力传感器，用以感应腔室内的气压变化。

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述监测控制系统监测和调节的参数还包括所述润湿剂供给设备供给润湿剂的流量、所述气体均匀分布装置的喷速以及所述腔室内润湿剂的浓度。

17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置开设有排气口和排液口，所述压力控制装置安装在排气口的末端。

18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力控制装置包括抽气泵、蝶阀和压力传感器，其中蝶阀和压力传感器安装在所述排气口的末端，压力传感器用于感应附近的压力值，控制蝶阀的开关角度来调节和改变腔室内的气压值，抽气泵通过抽取气体的方式来控制腔室内的气压值，用于预湿润过程开始时对腔室进行抽真空，在预湿润过程结束时帮助排气。

19.一种预先沾湿基板的方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1：基板放入工艺环境内；

步骤2：向工艺环境内输送润湿剂，调节工艺环境的温度和气压参数，控制润湿剂以气相状态扩散至所述基板的周围；

步骤3：改变工艺环境内的温度和气压参数，将气相状态的润湿剂逐步转化为液相状态的润湿剂；

步骤4：润湿过程完成后，取出基板。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，步骤1中所述基板放入工艺环境后，所述工艺环境抽至真空。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，步骤2中所述润湿剂为蒸汽激发的纯净物或充有载气的混合物。

22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，步骤2-3中所述工艺环境内施加有竖直方向的电场。

23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，在取出基板之后，排出装置中的废气和废液。