TWI385276B - 無電電鍍方法及設備 - Google Patents

Description

無電電鍍方法及設備

本發明係關於一種無電電鍍方法及設備，尤其係關於一種可提供使用最小量電鍍液並且不影響產能之用以進行基板無電電鍍的方法及設備。

無電電鍍需要反應室環境與電鍍液的嚴格控制。目前的無電電鍍系統可施加電解質於旋轉的晶圓上，或將晶圓浸入電解質液體的鍍槽中。對於這些系統，超時電解質的控制係困難的。對於旋轉的晶圓而言，當晶圓進行旋轉時，會喪失均勻的液體施加量。對於鍍槽系統而言，整個鍍槽必須定期拋棄與置換。因此，相較於實際用於無電電鍍的量，上述兩種情況對於處理皆消耗相當大量的電解質溶液。此導致明顯的浪費，更不用說環繞在化學鍍槽系統的控制問題。此外，控制電鍍液所需的費心以及化學鍍槽之拋棄與置換的需要均會影響產能。

伴隨目前系統的其他缺點為：電鍍槽必須維持在升高的電鍍溫度。此升高的溫度會導致某些添加物的劣化，例如還原劑，尤其係對沉積鈷層的無電電鍍技術。

以上述觀點而言，吾人需要一種無電電鍍方法及系統，其具有最小浪費且能夠達到高產能。

大體而言，本發明可藉由提供使用最小量電鍍液及不影響產能之用以進行基板無電電鍍的方法及設備，而符合這些需要。吾人應明白：本發明可用許多方式加以實施，其包含設備、方法及系統。以下說明本發明之數個發明實施例。

在一實施例中，提供一種無電電鍍系統。該系統包含：一第一真空吸盤，用以支撐一第一晶圓；以及一第二真空吸盤，用以支撐一第二晶圓，以使該第二晶圓的一上表面相對於該第一晶圓的一上表面。該系統亦包含：一液體輸送系統，用以將一電鍍液輸送至該第一晶圓的上表面，其中因應於該電鍍液的輸送，使該第二晶圓的上表面接近該第一晶圓的上表面，俾能使該電鍍液接觸該兩上表面。

在另一實施例中，提供一種用以沉積膜層於基板上的無電電鍍系統。該系統包含：一第一真空吸盤，用以支撐一第一晶圓；以及一第二真空吸盤，用以支撐一第二晶圓。該第二晶圓的上表面係相對於該第一晶圓的上表面，並且該第一與該第二真空吸盤可加熱對應的晶圓。該第二真空吸盤可將該第二晶圓的溫度加熱至高於引起電鍍反應的溫度。該系統更包含一液體輸送系統，其用以將一電鍍液輸送至該第一晶圓的上表面。對應該電鍍液的輸送，吾人可透過耦合至該第一真空吸盤或該第二真空吸盤的一驅動機構，而使該第二晶圓的上表面接近該第一晶圓的上表面，俾能使該電鍍液與該兩晶圓的上表面接觸。

在又另一實施例中，提供一種用以在半導體基板上進行無電電鍍的方法。該方法起始於將第一及第二半導體基板裝載於對應的第一及第二支撐結構上。該方法包含：將第一及第二支撐結構定向，俾能使對應的曝露半導體基板表面彼此相對；以及施加一電鍍液於該第一半導體基板的曝露表面。該方法亦包含：使該第二半導體基板的曝露表面與在該第一半導體基板之曝露表面上的該電鍍液接觸；以及開始進行該電鍍液與該兩曝露表面之間的電鍍反應。然後使該等曝露表面相互錯開。

本發明之其他實施樣態將從結合用以顯示本發明之原理示範的隨附圖式的下列詳細說明而更顯明白。

本發明係關於高產量的無電電鍍系統。吾人應明白雖然在此說明特定的電鍍液，但此腔室可用於任何電鍍液，而不受限於上述特定的電鍍液。然而，明顯地對於熟習本項技藝者而言，本發明可在沒有某些或全部這些特定敘述的情況下加以實行。在其他情況下，熟知的處理操作已不詳加說明，以免造成對本發明不必要的混淆。

在基板上鈷的無電電鍍需要反應室環境與電解質化學品或溶液兩者的精確控制。目前的無電電鍍系統係利用再循環化學鍍槽，此系統可施加電解質於旋轉的晶圓上，或可使晶圓浸入自身的鍍槽。於另一情況，超時電解質溫度的控制係困難的。目前的技術係利用傾向在處理之前不使用溶液中所有的有效反應物，並因此浪費電解質化學品的系統。因此，由於昂貴的電解質化學品，所以包含的成本會增加。此外，為了發生反應，電鍍處理需要維持在升高溫度的電鍍溫度，此亦導致電解質溶液中之關鍵添加物的劣化，例如使用於鈷無電電鍍化學品的還原劑。

在此所說明的實施例可使以下諸點成為可能：每一晶圓使用最小量的電解質、電解質化學品之關鍵成分的使用點混合、低溫儲存及輸送電鍍化學成分、以及增加產量。於下此將被更詳細說明，吾人利用使待施加電鍍液之晶圓表面彼此面對的方式，將晶圓裝載於對應的加熱真空吸盤。亦即，將一晶圓的曝露表面向下，而使其位於另一晶圓之向上曝露表面的上方。然後在晶圓到達電鍍溫度之前，將液體施加在面向上的晶圓上。亦即，吾人將晶圓加熱至低於引發電鍍反應的溫度。在鈷無電電鍍液的情況下，此溫度係低於約45℃。吾人應明白施加的液體即為用以進行無電電鍍的電解質化學品。一旦將液體施加在面向上的晶圓上之後，將晶圓一起移開以在兩相對之晶圓表面之間形成窄間隙。此會迫使施加的液體在晶圓到達臨界電鍍溫度之前填滿間隙。在一示範實施例中，使用小於100微米的間隙，以及用以填滿兩晶圓間之此間隙所需的液體量係小於10毫米。在另一實施例中，為了改善液體在間隙中的分佈以及為了使氣泡的形成降至最低，可對加熱真空吸盤進行機械加工而獲得微凸狀彎曲，在間隙形成之後此凸狀彎曲可使電解質完全覆蓋兩晶圓的表面。此無電電鍍液可以係任何合適的多成分市售配方，例如由Enthone Inc.of West Haven,Connecticut所提供的配方。

圖1係顯示依照本發明之一實施例之無電電鍍技術之使用點應用的簡化示意圖。腔室100包含加熱吸盤102，於此吸盤的上端放置晶圓或基板106。O型環104係用以密封腔室100的底部區域以防止來自晶圓106表面的任何電解質液體流落。此外，為了產生最小溢流，施加液體的量可被選擇為稍微大於由晶圓直徑與形成之間隙所包夾的體積。液體再循環迴路110係用以再循環不具有還原劑的電解質液體。在一實施例中，液體再循環迴路110係維持在升高的溫度。在另一示範實施例中此升高的溫度係高於約45℃，而在又另一示範實施例中此溫度係介於約50℃與約60℃之間。液體再循環迴路110供給輸送管線112，此輸送管線最終將液體輸送至晶圓106的上表面。吾人由液體再循環迴路110之下游的使用點將還原劑108添加至輸送管線112內。吾人應明白：因為還原劑係電解質溶液之不安定性的主要因素，所以在使用點添加還原劑有助於過程的安定化。此外，因為透過輸送管線112之待添加至電解質溶液之還原劑的量係相當小，假使液體再循環迴路被維持在升高的溫度時，稀釋將絲毫不影響液體的溫度。包含還原劑108的電解質液體被輸送至晶圓106的上表面，並且發生無電電鍍反應而在晶圓106的上表面上方配置薄膜。在一實施例中，此薄膜為鈷基薄膜。在本實施例中，再循環迴路所再循環的部份電鍍液可以係由0.1M的氯化鈷或硫酸鈷、0.2M的次磷酸鈉、0.03M的鎢酸鈉、0.5M的檸檬酸鈉、0.5M的硼酸、以及少量的界面活性劑所組合。在使用點所添加的部份電鍍液為例如二甲基胺硼烷(DMAB，dimethylamine borane)的還原劑。熟習本項技藝者應明白：其他電鍍液(例如由Enthone Inc.所提供)可混合在此所述之如上列作為示範且不限制之溶液成分的實施例。

圖2A至2D顯示依照本發明之一實施例之增加產能並使消耗之電解質液體量降至最低的無電電鍍技術。真空吸盤A 120支撐晶圓A 124。真空吸盤B 122支撐晶圓B 126。在一實施例中，當每一真空吸盤係在垂直位置時，真空吸盤A 120及真空吸盤B 122可裝載對應的晶圓。然後，吾人可將真空吸盤A反轉並配置於真空吸盤B的上方，俾能使晶圓A 124與晶圓B 126的表面彼此相對。熟習本項技藝者可明白：任何適合的真空吸盤可用以支撐對應的晶圓。再者，用以反轉真空吸盤的結構可以係耦合至真空吸盤的驅動支撐臂，其可在水平及垂直位置反轉及移動真空吸盤。熟習本項技藝者可明白：耦合至支撐臂的馬達可提供用以反轉真空吸盤之所需的移動，並提供水平及垂直的平移。在一實施例中，每一真空吸盤可耦合至支撐臂，以及兩真空吸盤係可移動式。或者，真空吸盤其中之一係可移動式。

此外，真空吸盤A 120及真空吸盤B 122可對藉由真空吸盤所支撐之對應的晶圓進行加熱。熟習本項技藝者可明白：吾人可透過例如電阻加熱的已知市售技術或其他已知技術而對晶圓進行加熱。圖2B顯示電解質液體施加至支撐於真空吸盤B 122上之晶圓B 126的上表面。如上所述，吾人將晶圓B 126的溫度加熱至低於引起無電電鍍反應的溫度。因此，無電電鍍不會在晶圓B 126之上表面所配置的電解質液體發生。此外，吾人將如施加至晶圓B 126之上表面所僅需之小量的電解質128維持在室溫。如同顯示，還原劑130在一使用點被添加至輸送管線，此輸送管線用以提供電解質液體至晶圓B 126的上表面。當然，還原劑130可加進保持蓄積的電解質128中。在本實施例中，可進一步降低此溫度以防止電解質的劣化。吾人應明白：由於在此所述之實施例只需相當小量的電解質，所以當晶圓被預加熱時，電解質液體的溫度可忽略對溫度的影響。

圖2C顯示液體輸送結構的移除與用以定義晶圓A 124與晶圓B 126之間之對應表面之真空吸盤A的降低。或者，真空吸盤B與真空吸盤A兩者可朝彼此而移動。因為降低晶圓A與晶圓B之間的間隙，所以兩表面(即晶圓A 124的上表面以及晶圓B 126的上表面)可與電鍍液接觸。間隙132包含電鍍液於其中，以及在本發明之一實施例中此間隙可以係小於100微米。因此，薄彎月面會形成在晶圓A 124與晶圓B 126的對應表面之間。用以形成間隙132中之彎月面的液體量依照本發明之一實施例可以係在200毫米晶圓上為2毫升，或在300毫米晶圓上為4－5毫升。這些量可在對應晶圓表面上典型地提供小於1毫米的薄膜。在一實施例中，此反應可以係自我限制(self－limiting)。亦即，在整個反應期間可消耗此液體，俾能不浪費電解質液體。換言之，吾人可將鈷總量沉積在表面上，並且可避免反應完成之後剩餘液體(即空乏層)的浪費。吾人應明白：因為電鍍液及晶圓B兩者的溫度係低於反應溫度，所以當依照本發明之一實施例，進行與電鍍液接觸時，可將晶圓A保持在高於反應溫度的溫度。然後透過真空吸盤A 120與真空吸盤B 122兩者、透過對應的晶圓而對電鍍液進行加熱，以均勻地電鍍對應的晶圓。圖2D顯示對應之真空吸盤120及122的分離。此外，熟習本項技藝者可明白：已知的機械結構及技術可達成此分離。在完成反應之後，吾人將真空吸盤A 120與真空吸盤B 122進行分離，並且晶圓A 124可獲得定義於其上的薄膜134。同樣地，晶圓B 126亦可獲得配置於其上的薄膜136。關於對應晶圓的分離，在本發明之一實施例中吾人可透過細微噴灑(fine spray)或放入水槽中，而對具有薄膜的表面進行沖洗或淬火。然後可為了進一步期望的處理而將晶圓移開。

圖3係顯示依照本發明之一實施例之無電電鍍處理的溫度與時間圖。如圖3所示，在時間t1，將晶圓A裝載於對應的真空吸盤上，此晶圓為上部晶圓。在時間t2，將晶圓B裝載於其對應的真空吸盤上。在此，晶圓B為下部晶圓。在時間t3，將電解質溶液施加於晶圓B的上表面。如在時間t3所示，晶圓A已達到反應電鍍溫度，即對於鈷電鍍處理的45℃，然而，晶圓B尚未達到電鍍溫度。在時間t4，將晶圓A降下以在兩對應晶圓之間的小間隙中形成彎月面。此外，晶圓B仍未達到反應溫度，但已接近此溫度，並且透過晶圓B與晶圓A經由彎月面的耦合而足以達到反應溫度。當對應溫度已達到平衡並高於電鍍溫度時，電鍍起始於時間t5。一旦電鍍反應完成之後，為進一步處理而將晶圓進行分離。

圖4顯示依照本發明之一實施例之用以執行電鍍技術以增加產能的方法操作流程圖。此方法起始於操作300，於其中將第一及第二晶圓裝載於對應的支撐結構上。在一實施例中，此支撐結構係如上述的加熱真空吸盤。然後此方法移至操作302，於其中將第一及第二晶圓定向，俾能使對應的曝露晶圓表面彼此相對。在此，可如同圖2A－2D所示，將位於另一晶圓吸盤上方的一晶圓吸盤反轉。在一實施例中，真空吸盤在晶圓所座落的表面上可具有微凸狀彎曲。此種凸狀彎曲對於晶圓可改善晶圓表面上方之電解質的分佈以及使氣泡的形成降至最低。然後此方法前進至操作304，於其中當第一晶圓的溫度低於引起溶液與曝露表面之間之電鍍反應的溫度時，將溶液施加至第一晶圓的曝露表面。在一實施例中，此溶液係用以進行發生在升高溫度之無電電鍍反應的電解質溶液，例如鈷電鍍液。於另一實施例中，在還原劑被加在一使用點處，溶液可被施加，以增加此處理的安定性。然後此方法進入操作306，於其中移動第二晶圓的曝露表面，而使其與配置於第一晶圓之曝露表面上的溶液接觸。吾人應明白：當此發生時，晶圓同時透過對應的真空吸盤進行加熱。在一實施例中，相對於如關於圖3所討論之下部晶圓的溫度，上部晶圓的溫度係升高的溫度。一旦配置在兩晶圓間之間隙中的電鍍液溫度係高於臨界電鍍溫度時，將會開始進行此無電電鍍。因此，在操作308中此反應發生在規定的時間週期。然後此方法移至操作310，於其中將第二晶圓從第一晶圓移開。或者，依照附加於對應之真空吸盤的傳動裝置，使兩晶圓相互移開。在操作312中，將第一及第二晶圓進行沖洗或淬火，以移除任何剩餘液體或污染物。然後此晶圓可用於在下游的進一步處理。如上所述，沉積在晶圓表面上之電解質溶液的量可以係自我限制(self－limiting)。

雖然在此說明本發明的一些實施例，但熟習本項技藝者應瞭解在沒有離開本發明之精神及範圍的情況下，可用許多其他特殊形式具體實施本發明。因此，本發明之範例及實施例係作為說明並非限制性，以及本發明並不受限於在此所提供的說明，而在隨附之申請專利範圍的範疇內當可對其進行修改及實施。

100．．．腔室

102．．．加熱吸盤

104．．．O型環

106．．．基板

108．．．還原劑

110．．．液體再循環迴路

112．．．輸送管線

120．．．真空吸盤A

122．．．晶圓A

124．．．真空吸盤B

126．．．晶圓B

128．．．電解質

130．．．還原劑

132．．．間隙

134．．．薄膜

136．．．薄膜

300．．．將第一及第二晶圓裝載於對應之支撐結構上的操作

302．．．將該第一及該第二晶圓定向，俾能使對應的曝露晶圓表面彼此相對的操作

304．．．當該第一晶圓的溫度低於引起一溶液與該曝露表面之間之電鍍反應的溫度時，將該溶液施加至該第一晶圓之曝露表面的操作

306．．．移動該第二晶圓的曝露表面，而使其與配置於該第一晶圓之曝露表面上之溶液接觸的操作

308．．．進行反應的操作

310．．．將該第二晶圓從該第一晶圓移開的操作

312．．．沖洗該第一及該第二晶圓的操作

將藉由結合隨附圖式以及用相同參考符號表示相同結構元件的下列詳細說明而輕易地瞭解本發明。

圖1係顯示依照本發明之一實施例之無電電鍍技術之使用點應用的簡化示意圖；圖2A至2D顯示依照本發明之一實施例之增加產能並使消耗之電解質液體量降至最低的無電電鍍技術；圖3係顯示依照本發明之一實施例之無電電鍍處理的溫度與時間圖；圖4顯示依照本發明之一實施例之用以執行電鍍技術以增加產能的方法操作流程圖。

300．．．將第一及第二晶圓裝載於對應之支撐結構上的操作

302．．．將該第一及該第二晶圓定向，俾能使對應的曝露晶圓表面彼此相對的操作

304．．．當該第一晶圓的溫度低於引起一溶液與該曝露表面之間之電鍍反應的溫度時，將該溶液施加至該第一晶圓之曝露表面的操作

306．．．移動該第二晶圓的曝露表面，而使其與配置於該第一晶圓之曝露表面上之溶液接觸的操作

308．．．進行反應的操作

310．．．將該第二晶圓從該第一晶圓移開的操作

312．．．沖洗該第一及該第二晶圓的操作

Claims (20)

1. 一種無電電鍍系統，包含：一第一真空吸盤，用以支撐一第一晶圓；一第二真空吸盤，用以支撐一第二晶圓，以使該第二晶圓的一上表面相對於該第一晶圓的一上表面；及一液體輸送系統，用以將一電鍍液輸送至該第一晶圓的上表面，其中因應於該電鍍液的輸送，使該第二晶圓的上表面接近該第一晶圓的上表面，俾能使該電鍍液接觸該兩上表面。
2. 如申請專利範圍第1項之無電電鍍系統，其中該第一真空吸盤及該第二真空吸盤用以加熱對應的該晶圓。
3. 如申請專利範圍第1項之無電電鍍系統，其中該液體輸送系統在一升高的溫度下再循環該電鍍液的一部份。
4. 如申請專利範圍第3項之無電電鍍系統，其中該液體輸送系統加上來自該再循環迴路下游之該電鍍液的一剩餘部份，並且將該剩餘部份的溫度維持在低於該升高的溫度。
5. 如申請專利範圍第1項之無電電鍍系統，其中將該第二晶圓的溫度加熱至高於引起電鍍反應的溫度，而該第一晶圓的溫度係低於該引起電鍍反應的溫度。
6. 如申請專利範圍第1項之無電電鍍系統，其中該電鍍液用以沉積一鈷層於該晶圓的上表面，並且其中該第一真空吸盤與該第二真空吸盤的上表面具有一凸狀彎曲。
7. 一種用以沉積膜層於基板上的無電電鍍系統，包含：一第一真空吸盤，用以支撐一第一晶圓；一第二真空吸盤，用以支撐一第二晶圓，以使該第二晶圓的一上表面相對於該第一晶圓的一上表面，其中該第一真空吸盤及該第二真空吸盤用以加熱對應的該晶圓，並且該第二真空吸盤將該第二晶圓的溫度加熱至高於引起電鍍反應的溫度；及一液體輸送系統，用以將一電鍍液輸送至該第一晶圓的上表面，其中因應於該電鍍液的輸送，透過耦合至該第一真空吸盤或該第二真空吸盤其中之一的一驅動機構，而使該第二晶圓的上表面接近該第一晶圓的上表面，俾能使該電鍍液接觸該兩晶圓的上表面。
8. 如申請專利範圍第7項之用以沉積膜層於基板上的無電電鍍系統，其中該液體輸送系統再循環該電鍍液的一部份，並維持該部份電鍍液的溫度。
9. 如申請專利範圍第8項之用以沉積膜層於基板上的無電電鍍系統，其中在將該電鍍液輸送至該第一晶圓的上表面之前，該液體輸送系統將該電鍍液的一剩餘部份加至該電鍍液的部份。
10. 如申請專利範圍第9項之用以沉積膜層於基板上的無電電鍍系統，其中該電鍍液的剩餘部份包含一還原劑。
11. 如申請專利範圍第7項之用以沉積膜層於基板上的無電電鍍系統，其中在該引起電鍍反應的溫度下，該電鍍液用以沉積一鈷層於該晶圓的上表面。
12. 如申請專利範圍第7項之用以沉積膜層於基板上的無電電鍍系統，其中該驅動機構用以反轉在該第一真空吸盤上方的該第二真空吸盤，並使該第二真空吸盤朝該第一真空吸盤降下。
13. 一種用以在半導體基板上進行無電電鍍的方法，包含下列操作方法：將第一及第二半導體基板裝載於對應的第一及第二支撐結構上；將該第一及該第二支撐結構定向，俾能使對應的曝露半導體基板表面彼此相對；將一電鍍液施加至該第一半導體基板的曝露表面；使該第二半導體基板的曝露表面與在該第一半導體基板的曝露表面上的該電鍍液接觸；開始進行該電鍍液與該兩曝露表面之間的電鍍反應；及移動該等曝露表面使其彼此錯開。
14. 如申請專利範圍第13項之用以在半導體基板上進行無電電鍍的方法，其中將一電鍍液施加至該第一半導體基板之曝露表面的該操作方法，包含：在施加該電鍍液之前，將該第一半導體基板之曝露表面的溫度加熱至低於引起電鍍反應的溫度。
15. 如申請專利範圍第13項之用以在半導體基板上進行無電電鍍的方法，其中使該第二半導體基板的曝露表面與在該第一半導體基板的曝露表面上之該電鍍液接觸的該操作方法，包含：在使該第二半導體基板的曝露表面接觸該電鍍液之前，將該第二半導體基板之曝露表面的溫度加熱至高於引起電鍍反應的溫度。
16. 如申請專利範圍第13項之用以在半導體基板上進行無電電鍍的方法，其中開始進行該電鍍液與該兩曝露表面之間的電鍍反應的該操作方法，包含：藉由從該第一支撐結構及該第二支撐結構施加熱，而將該電鍍液加熱至引起電鍍反應的溫度。
17. 如申請專利範圍第13項之用以在半導體基板上進行無電電鍍的方法，其中使該第二半導體基板的曝露表面與在該第一半導體基板的曝露表面上之該電鍍液接觸的該操作方法，包含：定義該曝露半導體基板表面之間的一間隙，使該間隙介於約50 μm與約1000 μm之間。
18. 如申請專利範圍第13項之用以在半導體基板上進行無電電鍍的方法，更包含：沖洗該曝露表面；及乾燥該沖洗的表面。
19. 如申請專利範圍第13項之用以在半導體基板上進行無電電鍍的方法，其中將一電鍍液施加至該第一半導體基板之曝露表面的該操作方法，包含：輸送介於約2 mL與約5 mL之間的一電鍍液量，其中該電鍍液為一鈷基電鍍液。
20. 如申請專利範圍第13項之用以在半導體基板上進行無電電鍍的方法，其中將一電鍍液施加至該第一半導體基板之曝露表面的該操作方法，包含：在該電鍍液之一使用點，將該電鍍液的一還原劑部份添加至該電鍍液的一剩餘部份，其中將該還原劑部份與該剩餘部份的溫度維持在低於引起電鍍反應的溫度。