CN2701069Y - 可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统，其包括：超临界二氧化碳装置，提供超临界二氧化碳流体；反应前处理装置，添加助溶剂于所述超临界二氧化碳流体中及用以提升添加有助溶剂的超临界二氧化碳流体温度；反应腔体，提供一半导体晶片与添加有助溶剂并已提升温度的超临界化二氧化碳流体反应的空间，用以去除半导体晶片表面铜氧化物及水气。终点侦测器，与所述反应腔体连接以侦测半导体晶片的反应终点；以及回收装置，收集来自终点侦测器及超临界二氧化碳装置的流体。

Description

可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统

技术领域

本实用新型提供了一种可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统，特别是一种可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的超临界二氧化碳系统。

背景技术

近年来，为配合组件尺寸缩小化的发展以及提高组件操作速度的需求，具有低电阻常数和高电子迁移阻抗的铜金属，已逐渐被应用来作为金属内连线的材质，取代以往的铝金属工艺技术。

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 void formation)等等，上述优点对于组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组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组件上的应用，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，而且铜与铝不同，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，可达到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，在完成铜金属的沉积与填充后都需要进行平坦化工艺例如化学机械研磨工艺(CMP)，以将介电层上多余的铜金属去除。并在铜金属化学机械研磨后清洗工艺(Post Cu CMP Clean)中除去先前残留于半导体晶片表面的研磨浆(slurry)及研磨掉的研磨砥粒。然而经处理过的半导体晶片表面的介电层例如低介电常数(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，在含氧的环境下，就会进行氧化作用，进而在表面形成铜氧化物例如一氧化铜(CuO)及一氧化二铜(Cu₂O)等。因此在传统技术中，在铜工艺化学机械研磨后清理工艺(Post Cu CMP Clean)后，需要进行一常压低温炉管工艺，在常压、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片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片上的水气，并在一短限制时间(Q-time)内，紧接着进行后续的工艺，以免先前半导体晶片上铜的氧化物及残留的水气影响到产品的良率。

上述利用常压低温炉管机台以去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的工艺，具有以下缺点：

炉管机台升降温需较精密的控制，故工艺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)，每次工艺产能(throughput)有限。且炉管机台是由反应器装置、气体传输装置、排气装置及工艺控制装置所组成，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吋(200mm)晶片厂而言，上述缺点还可容忍；但对于12吋(300mm)晶片厂，各工艺机台比8吋晶片机台所需机台面积更大，上述缺点更加明显。因此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(highthroughput)、较少机台面积(less foot print)及低能源成本(low energycost)的机台将是各晶片厂所乐于见到的。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的就是提供一种可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统，特别是一种可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的超临界二氧化碳系统。

为达上述目的，本实用新型提供了一种可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统，其包括：

可提供超临界二氧化碳流体的超临界二氧化碳装置；

可向所述超临界二氧化碳流体中添加助溶剂及用以提升添加有助溶剂的超临界二氧化碳流体温度的反应前处理装置，与所述超临界二氧化碳装置的流体出口相连接；以及

入口与所述反应前处理装置的出口相连接的反应装置，其中设置有供半导体晶片与超临界化二氧化碳流体反应的反应腔体。

其中，所述反应腔体可以提供半导体晶片与添加有助溶剂并已提升温度的超临界化二氧化碳流体在预定温度及预定压力下反应的空间，用以去除半导体晶片表面铜氧化物及水气。

根据本实用新型的具体实施方案，本实用新型的可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统还可包括：与所述反应腔体连接以侦测半导体晶片的反应终点的终点侦测器；以及可收集来自终点侦测器及超临界二氧化碳装置的流体的回收装置，该回收装置分别与终点侦测器及超临界二氧化碳装置相连接。

其中，所述超临界二氧化碳装置更进一步包含：二氧化碳气体来源，例如可为二氧化碳气体钢瓶或气体制造厂的(厂务端)二氧化碳气体管线；与所述二氧化碳气体来源连接、以提供超临界二氧化碳流体的超临界二氧化碳工作槽；与所述超临界二氧化碳工作槽连接、用以传输来自超临界二氧化碳工作槽的超临界二氧化碳流体的计量泵。

所述反应前处理装置是由复数个助溶剂供应槽、复数个流体计量器(例如可为计量泵或质流控制器(MFC))以及一加热器所组成。

所述反应装置内设置有一晶座，可水平地放置单一完整半导体晶片。

本实用新型提供的可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的超临界二氧化碳系统，其所利用的超临界二氧化碳流体，是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，所以可用来处理晶片上的有机物质。然而超临界二氧化碳流体为非极性流体，对于极性物质(例如水)的溶解度较差，因此本实用新型中添加界面活性剂(例如醇类有机物、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(例如水)的处理能力。另外，本实用新型也可在超临界二氧化碳流体中添加还原剂物质(例如甲基胺及乙基胺)，以处理具有金属结构的半导体晶片表面例如半导体晶片表面具有铜结构的铜氧化物，将其还原为铜金属。

与传统装置及工艺相比，本实用新型的可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统，可提供单一半导体晶片工艺，工艺时间短，可进而提高系统产能(throughput)；机台构成装置简单，消耗热能少，具有节省能源的功效；机台构成装置占地面积(foot print)少，可节省厂房面积；机台使用反应流体(例如超临界二氧化碳流体)不自燃也不助燃，安全性高。

附图说明

图1为本实用新型的超临界二氧化碳反应系统示意图。

图中符号说明：

10超临界二氧化碳装置    110二氧化碳气体来源

111超临界二氧化碳工作槽 112泵            20反应前处理装置

210加热器               211助溶剂工作槽  212流体计量器

30反应装置              311反应腔体      312晶座

313终点侦测器           40回收装置       411冷却器

412回收槽               413分离槽        C.V.控制阀

具体实施方式

为让本实用新型的目的、特征和优点能更明显易懂，现配合附图并列举优选实施例详细说明如下：

请参照图1，为本实用新型的可去除半导体晶片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，在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临界温度(Tc＝31℃)与临界压力(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。

在反应前处理装置20中，由复数个流体计量器212将复数个助溶剂工作槽211中的各别的助溶剂例如界面活性剂(例如醇类有机物、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以提升超临界二氧化碳流体至一预定温度，其范围介于32℃-200℃，优选温度介于32℃-150℃，以构成可清除晶片表面水气及铜氧化物的反应流体(为一超临界反应流体)。上述所添加的界面活性剂优选选自于甲醛、甲醇、丙酮或己烷。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)，而助溶剂内还原剂与界面活性剂所占的比例则约为还原剂∶界面活性剂＝0.2-5∶1(流量比)。

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可提供半导体晶片与超临界化二氧化碳流体在一预定温度及预定压力下反应，其预定温度介于32℃-200℃，优选温度介于32℃-150℃；其预定压力介于1050psia-5000psia，优选压力介于1050psia-3000psia。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片。最后由与反应腔体311连接的终点侦测器313侦测半导体晶片反应终点并在工艺结束后传出半导体晶片并继续下一片半导体晶片的工艺。

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，该分离槽也包含一冷却装置以将反应完的流体液气分离。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。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，本系统中尚包括复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，故不在此图中限制其种类，任何熟习本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。

本实用新型的可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统，具有以下特点：

1.可提供单一半导体晶片工艺，工艺时间比传统技术中炉管工艺短，可进而提高系统产能(throughput)。

2.其机台构成装置简单，比传统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)，比传统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(例如超临界二氧化碳流体)不自燃也不助燃，比传统技术炉管机台所使用的氢气安全性高。

虽然本实用新型已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，可作各种的更动与润饰，本实用新型的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统，其特征在于，包括：

可提供超临界二氧化碳流体的超临界二氧化碳装置；

可向所述超临界二氧化碳流体中添加助溶剂及用以提升添加有助溶剂的超临界二氧化碳流体温度的反应前处理装置，与所述超临界二氧化碳装置的流体出口相连接；以及

入口与所述反应前处理装置的出口相连接的反应装置，其中设置有供半导体晶片与超临界化二氧化碳流体反应的反应腔体。

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

与所述反应腔体连接以侦测半导体晶片的反应终点的终点侦测器；以及

可收集来自终点侦测器及超临界二氧化碳装置的流体的回收装置，该回收装置分别与终点侦测器及超临界二氧化碳装置相连接。

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

二氧化碳气体来源；

与所述二氧化碳气体来源连接、以提供超临界二氧化碳流体的超临界二氧化碳工作槽；

与所述超临界二氧化碳工作槽连接、用以传输来自超临界二氧化碳工作槽的超临界二氧化碳流体的计量泵。

4.如权利要求3所述的可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统，其特征在于，所述二氧化碳气体来源为二氧化碳气体钢瓶或气体制造厂的二氧化碳气体管线。

5.如权利要求1所述的可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统，其特征在于，所述反应前处理装置是由与超临界二氧化碳装置相连接的复数个助溶剂供应槽、复数个流体计量器以及一加热器所组成。

6.如权利要求5所述的可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统，其特征在于，所述流体计量器为计量泵或质流控制器。

7.如权利要求1所述的可去除半导体晶片表面铜氧化物及水气的系统，其特征在于，所述反应装置内设置有一可水平地放置单一完整半导体晶片的晶座。