CN1263106C

CN1263106C - 可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的系统与工艺流程

Info

Publication number: CN1263106C
Application number: CN 02160278
Authority: CN
Inventors: 林俊贤; 罗冠腾; 刘埃森; 林俞良
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2002-12-31
Filing date: 2002-12-31
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2022-12-31
Also published as: CN1514474A

Abstract

本发明是关于一种可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的系统与工艺流程，特别是有关于一种可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的超临界二氧化碳系统与工艺流程，依据本发明的系统包括：超临界二氧化碳装置以形成超临界二氧化碳流体；反应前处理装置用以添加助溶剂及用以提升该超临界二氧化碳流体温度；反应腔体于与预定温度及预定压力下提供半导体晶圆与超临界化二氧化碳流体反应；终点探测器与该反应腔体连接以探测半导体晶圆的反应终点；以及回收装置以收集来自该终点探测器及该超临界二氧化碳装置的流体。

Description

可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的系统与工艺流程

技术领域

本发明涉及一种可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的系统与工艺流程，特别是涉及一种可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的超临界二氧化碳系统与工艺流程。

背景技术

近年来，为配合元件尺寸缩小化的发展以及提高元件运行速度的需求，具有低电阻常数和高电子迁移阻抗的铜金属，已逐渐被用来作为金属内连线的材料，取代以往的铝金属。

金属铜本身具有许多先天上的优势，例如：(1)低电阻特性，其阻值为1.7μΩ-cm，而铝则为2.7μΩ-cm；(2)良好的抗电子迁移性，比铝高了四个数量级(order)；(3)良好的抗应力导致的空洞形成性质(stress-induced voidformation)等等，上述优点对于元件的特性有很大的帮助。虽然铜的某些物理性质对于应用在元件上具有很大的优势，但是它在一些化学反应的特性上却阻碍了铜在元件上的应用，因为铜在低温时便极易与许多元素反应。另外，由于铜金属容易受到腐蚀且极易氧化，而且铜无法像铝那样会形成自我保护氧化层，只要在含氧的环境下，铜膜就会持续不断的进行氧化作用，不仅会在铜线表面形成氧化物，也会出现在铜导线的内部，更严重影响到内连线金属的品质。

铜金属的嵌入式(damascene)内连线技术，可实现内连线的缩小化并且可减少RC时间延迟，同时也解决了金属铜蚀刻不易的问题。但是无论是单镶嵌或双镶嵌的铜工艺流程，在完成铜金属的沉积与填充后都需要进行平坦化工艺流程例如化学机械研磨工艺流程(CMP)，以将介电层上多余的铜金属去除。并于铜金属化学机械研磨后清洗工艺流程(Post Cu CMP Clean)中除去先前残留于半导体晶圆表面的研磨浆(slurry)及研磨掉的研磨砥粒。然而经处理过的半导体晶圆表面的介电层例如为低介电常数(low-K)材料仍会残留部分水气(moisture)，而裸露出的铜金属部分由于其化学特性，于含氧的环境下，就会进行氧化作用，进而于表面形成铜氧化物例如一氧化铜(CuO)及一氧化二铜(Cu₂O)等。因此在公知技术中，在铜工艺流程化学机械研磨后清理过程(Post Cu CMP Clean)后，均须进行一常压低温炉管工艺流程，于常压、150℃～350℃的炉管温度下，将氮气(N₂)与氢气(H₂)的混合气体连续地通入炉管机台以进行反应，利用氢原子将半导体晶圆表面的铜氧化物还原成铜金属并利用炉管环境温度逐出仍残留于晶圆上的水气，并于一短限制时间(Q-time)内，紧接着进行后续的工艺流程，以免先前半导体晶圆上铜的氧化物及残留的水气影响到产品的优良率。

此利用常压低温炉管机台以去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的工艺流程，存在如下缺点：

炉管机台升降温需较精密的控制，故工艺流程时间往往长达数小时之久。且由于炉管机台为批次操作(batch operation)，每次工艺流程产能(throughput)有限。且炉管机台是由一反应器装置、一气体传输装置、一排气装置及一工艺流程控制装置所组成，其整体组合将占据相当大的机台面积(foot print)，对于工厂产能设计会有所影响。此外，炉管机台是由数个装置所组成，机台整体耗电量较大，故产生的热能也较多，无形中增加了能源的开销。对于现有的8寸(200mm)晶圆厂而言，上述缺点尚可容忍；但对于12寸(300mm)晶圆厂，各工艺流程机台较8寸晶圆机台所需机台面积更大，故若能针对以上因素着手，开发出具有同样功效且具有高产能(high throughput)、较少机台面积(lessfoot print)及低能源成本(low energy cost)的机台将会是各晶圆厂所乐于见到的。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的就是提供一种可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的系统与工艺流程，特别是有关于一种可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的超临界二氧化碳系统与工艺流程。

为达上述目的，本发明提供了一种可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的超临界二氧化碳系统，该系统包含：

一种可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的系统，其特征在于，它包含：

一超临界二氧化碳装置，以提供超临界二氧化碳流体；

一反应前处理装置，以添加还原剂和表面活性剂于该超临界二氧化碳流体中及用以提升该添加有还原剂和表面活性剂的超临界二氧化碳流体温度；以及

一反应腔体，提供一半导体晶圆与该添加有还原剂和表面活性剂并已提升温度的超临界二氧化碳流体反应的空间，用以去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气。

在上述的系统中，所利用的超临界二氧化碳流体，是为二氧化碳流体在高于其临界温度(Tc＝31℃)及临界压力(Pc＝1000psia)下所形成的流体。其物理特性为低粘度、高扩散系数与低表面张力，并且其价格低廉、安全性高(不助燃且不自燃)。其密度方面，气态的二氧化碳密度为2kg/m³，而超临界二氧化碳流体的密度则为400-900kg/m³与液态水相当(密度为1000kg/m³)，其溶解度与密度(称为溶剂强度)类似于常见的有机溶剂，故可用来处理晶圆上的有机物质。然而超临界二氧化碳流体为一非极性液体，对于极性物质(例如为水)的溶解度较差，因此于本发明中添加表面活性剂(例如为醇类有机物、醛类有机物、烷类有机物或酮类有机物)于超临界二氧化碳流体中以改善反应流体对于极性物质(例如为水)的处理能力。另外本发明也于超临界二氧化碳流体中添加还原剂物质(例如为甲基胺及乙基胺)，以处理具有金属结构的半导体晶圆表面例如为半导体晶圆表面具有铜结构的铜氧化物，将之还原为铜金属。

在一种实施方式中，本发明的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的超临界二氧化碳的系统，包含：超临界二氧化碳装置以形成超临界二氧化碳流体；反应前处理装置用以添加助溶剂及用以提升该超临界二氧化碳流体温度；反应腔体于与预定温度及预定压力下提供半导体晶圆与超临界化二氧化碳流体反应；终点探测器与该反应腔体连接以探测半导体晶圆的反应终点；以及回收装置以收集来自该终点探测器及该超临界二氧化碳装置的流体。

本发明还提供了一种可去除半导体晶图表面铜氧化物及水气的工艺流程，其特征在于，包括：

提供一表面具有铜结构的半导体晶圆，该铜结构上具有一铜氧化物；

将该半导体晶圆传入一反应腔体；

导入添有还原剂和表面活性剂的超临界二氧化碳流体流过该半导体晶圆以去除半导体晶圆表面的铜氧化物及水气；以及

将该半导体晶圆传出该反应腔体。

本发明的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的工艺流程，是利用添有助溶剂(例如表面活性剂与还原剂)的超临界二氧化碳流体流过半导体晶圆，利用超临界二氧化碳流体的非极性特点以清洗有机杂质(例如为CMP研磨液中的有机溶剂)，另外更利用所添入的助溶剂(例如为还原剂与表面活性剂)的特性以处理半导体晶圆表面的铜金属氧化物并将其还原为铜金属及去除半导体晶圆表面所吸附无机物质(例如为水气)，最后完成此工艺流程。

下面，结合具体实施例及其附图，对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是依据本发明的超临界二氧化碳反应系统示意图。

具体实施方式

请参照图1，其为依据本发明的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的系统，包含四个主要装置：超临界二氧化碳装置10；反应前处理装置20；反应装置30；以及回收装置40。

首先介绍超临界二氧化碳装置10，二氧化碳气体来源110例如为二氧化碳气体钢瓶或为厂务端二氧化碳气体管线提供二氧化碳气体至超临界二氧化碳工作槽111，于此超临界二氧化碳工作槽111中将二氧化碳气体升温升压以超过二氧化碳的超临界温度(Tc＝31℃)与超临界压力(Pc＝1000psia)使二氧化碳气体超临界化进而提供超临界二氧化碳流体。接着经由一泵112例如为计量泵或质流控制器(MFC)将来自超临界二氧化碳工作槽111的超临界二氧化碳流体传输至反应前处理装置20。

于此反应前处理装置20中，由数个流体计量器212将数个助溶剂工作槽211中的各别的助溶剂例如为表面活性剂(例如为醇类有机物、醛类有机物、烷类有机物或酮类有机物)及还原剂(例如为甲基胺与乙基胺)添加入来自于超临界二氧化碳装置10的超临界二氧化碳流体内，并经由加热器210以提升此超临界二氧化碳流体至一预定温度，其范围为32℃～200℃，较佳温度为32℃～150℃，以构成此可清除晶圆表面水气及铜氧化物的反应流体(为一超临界反应流体)。上述所添加的较佳表面活性剂是选自于甲醛、甲醇、丙酮或已烷。而上述反应流体内的比例则约为助溶剂∶反应流体＝15～35∶1(流量比)，而此助溶剂内还原剂与表面活性剂所占的比例则约为还原剂∶表面活性剂＝0.2～5∶1(流量比)。

此添加有助溶剂的反应流体(超临界二氧化碳流体)接着进入反应装置30，其中反应腔体311可提供半导体晶圆与超临界化二氧化碳流体与一预定温度及一预定压力下反应，其预定温度为32℃～200℃，较佳温度为32℃～150℃；其预定压力为1050psia～5000psia，较佳压力为1050psia～3000psia。此反应腔体311内设置有一晶座312，可水平地放置单一完整半导体晶圆。最后由与反应腔体311连接的终点探测器313探测半导体晶圆反应终点并于工艺流程结束后传出半导体晶圆并继续下一片半导体晶圆的工艺流程。

反应腔体311中反应完的流体最后进入回收装置40，由分离槽413所收集，此分离槽也包含一冷却装置以将反应完的流体液气分离。此回收装置40还包括一冷却器411以收集来自于超临界二氧化碳装置10中超临界二氧化碳工作槽111中未被超临界化的二氧化碳气体并将其冷却液化并传输至一回收槽412。此回收槽412也与分离槽413连接以将液态二氧化碳传输至分离槽413而完成整个系统中废液收集的工作。此外，如图1所示，本系统中还包括数个与流体流动相关的控制阀(C.V.)，其种类例如为气动阀(air valve)、逆止阀(check valve)或电磁阀，实际应用依当时状况而定，故不于此图中限制其种类，任何熟悉此技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。

而依据本发明的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的工艺流程，包括：

提供一表面具有铜结构的半导体晶圆例如为具有铜金属沉积的半导体晶圆或为已完成铜金属化学机械研磨后清洗过程(Post Cu CMP Clean)的晶圆。将上述半导体晶圆水平地置于晶座312上后传入反应腔体311内。并于反应腔体311达到一预定温度与一预定压力后导入添加有助溶剂(例如为表面活性剂与还原剂)的反应流体(例如为超临界二氧化碳流体)流过该半导体晶圆以去除半导体晶圆表面的铜氧化物及水气，上述预定温度为32℃～200℃，较佳温度为32℃～150℃；预定压力为1050psia～5000psia，较佳压力为1050psia～3000psia。最后由终点探测器313确认工艺流程终点后将此半导体晶圆传出反应腔体311而完成此去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气工艺流程。

故依据本发明的可去除半导体晶图表面铜氧化物及水气的系统与工艺流程，具有以下特点：

1.可提供单一半导体晶圆工艺流程，工艺流程时间较公知技术中炉管工艺流程短，可进而提高系统产能(throughput)。

2.其机台构成装置简单，较公知技术的炉管机台电能消耗与机台生成热能少，具有节省能源的功效。

3.其机台构成装置占地面积(foot print)，较公知技术的炉管机台少很多，可节省厂房面积。

4.机台使用反应流体(例如为超临界二氧化碳流体)不自燃也不助燃，较公知技术炉管机台所使用的氩气安全性为高。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的系统，其特征在于，它包含：

一超临界二氧化碳装置，以提供超临界二氧化碳流体；

2.如权利要求1所述的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的系统，其特征在于，还包括：

一终点探测器，与该反应腔体连接以探测半导体晶圆的反应终点；以及

一回收装置，以收集来自该终点探测器及该超临界二氧化碳装置的流体。

3.如权利要求1所述的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的系统，其特征在于，所述的超临界二氧化碳装置，进一步包含；

一二氧化碳气体来源；

一超临界二氧化碳工作槽，与该二氧化碳气体来源连接以提供超临界二氧化碳流体；

一计量泵，用以传输来自该超临界二氧化碳工作槽的超临界二氧化碳流体。

4.如权利要求1所述的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的系统，其特征在于，所述的反应前处理装置是由数个助溶剂工作槽、数个流体计量器以及一加热器所组成。

5.如权利要求1所述的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的系统，其特征在于，所述的反应腔体内设置有一晶座，可水平地放置单一完整半导体晶圆。

6.一种可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的工艺流程，其特征在于，包括：

将该半导体晶圆传入一反应腔体；

将该半导体晶圆传出该反应腔体。

7.如权利要求6所述的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的工艺流程，其特征在于，所述的表面具有铜结构的半导体晶圆为具有铜金属沉积的半导体晶圆。

8.如权利要求6所述的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的工艺流程，其特征在于，所述的反应腔体还设置有一晶座，可水平地容纳一完整的半导体晶圆。

9.如权利要求6所述的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的工艺流程，其特征在于，所述的含还原剂和表面活性剂的超临界二氧化碳流体的流量比的比例为还原剂和表面活性剂∶超临界二氧化碳流体＝15～35∶1。

10.如权利要求6所述的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的工艺流程，其特征在于，所述的含还原剂和表面活性剂的超临界二氧化碳流体中还原剂与表面活性剂的流量比的比例为还原剂∶表面活性剂＝0.2～5∶1。

11.如权利要求6所述的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的工艺流程，其特征在于，所述的反应腔体反应温度为32℃～200℃。

12.如权利要求6所述的可去除半导体晶圆表面铜氧化物及水气的工艺流程，其特征在于，所述的反应腔体反应压力为1050psia～5000psia。