TWI473663B - 晶圓濕式處理方法與設備 - Google Patents

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Description

晶圓濕式處理方法與設備
一般而言，本發明係關於用於處理例如半導體晶圓之晶圓形狀物件的表面的設備。
半導體晶圓經過不同的表面處理製程，例如蝕刻、清洗、拋光、和材料沉積。為了能夠進行這些製程，一單一的晶圓可相對於一個以上的處理流體噴嘴以連結於可旋轉載具的一夾頭加以支撐，舉例來說，如同美國專利第4,903,717號和第5,513,668號所述。
隨著在半導體晶圓上所製造的元件逐漸地微小化，在含氧氛圍中處理這些晶圓變得更為困難。舉例來說，當晶圓在對周圍空氣開放的製程站中接受濕式處理時，該空氣中的氧含量對晶圓正面上的銅造成不希望的腐蝕。具體而言，在先進後段製程(BEOL,back-end-of-line)技術中的液體分配的過程中，化學品中的溶氧導致銅和頂蓋層(cap layer)的氧化，導致因所產生的銅氧化物的溶解而增加的銅損失(copper loss)。側向材料損失對降低元件的效能尤其是嚴重。
在一開放環境中的一單晶圓旋轉工具上的處理過程中，來自空氣的氧氣可經由晶圓上的液態層擴散到晶圓表面，導致額外的銅氧化，且因此之額外的銅損失。在液態層很薄之處，例如晶圓的邊緣，這個效應更為顯著。這也出現在乾燥製程中的水痕(watermark)形成上。
由化學品中的溶氧所造成之銅氧化可藉由以例如氮之惰性氣體取代氧而加以避免。同樣地，藉由對在單晶圓旋轉工具上乾燥製程中的環境中的氧加以降低，能夠減緩水痕形成。
美國專利第6,807,974號描述針對上述目的的設有氣體注入部的腔室。然而，在由氣體注入部導入惰性氣體時，該專利所述的結構不容許處理或沖洗(rinsing)液體分配至晶圓上。此外，這個專利所描述的氣體注入部具有比所處理的晶圓更大的直徑，且形成用於密封內部腔室的一蓋子。
美國專利第6,273,104號描述用於處理基板的設備，其中具有稍微小於工作件之直徑的一垂直可移動的阻隔板向下分配氮至晶圓的表面上，且更設有用於分配用以沖洗該工作件的去離子水的中央噴嘴。由於該阻隔板以對該工作件同軸關係加以固定，氣體噴嘴和液體噴嘴的對該工作件的相對側向位置固定。
因此，存在對晶圓處理製程站的需求，要能夠控制其中的氣體氛圍，且容許對裝載於處理模組中的晶圓實施各種製程。
本發明提供在用於處理晶圓形狀物件的一設備中控制氛圍的一個新的方法，這是藉由提供一種方法和設備，其中將一氣體分配器配置於用於工作件的固持器之上且朝向該固持器，朝向工作件的該氣體分配器的面積實質上小於該工作件。相對於工作件的固持區域實質上較小的氣體分配器的尺寸容許氣體分配器被配置為相對於工作件以側向移動，以使該氣體分配器，在工作件是圓形晶圓的狀況，當由該氣體分配器分配氣體時，能夠徑向地移動而橫越晶圓表面。
該氣體分配器最好亦包含一液體導管，該液體導管終止於直接向下朝向固持器的一液體噴嘴，以使得在分配器之相對於固持器的側向移動期間或是在該分配器的移動已停止於一預定位置之後，液體和氣體可交替地及/或同時地由相同的分配器加以分配。
本案發明人意外地發現本案之方法和設備，在不需要使用一封閉的腔室，且相對於工作件相對小的分配器的面積的狀況下，有效地防止上述之氧的負面影響。
本發明其他的目的、特徵、和優點，經由閱讀以下的本發明的較佳實施例的詳細說明，並參考隨附圖式，將更為明白。
在圖1中，根據本發明的一設備以用於半導體晶圓的單晶圓濕式處理的處理模組中的一自旋夾頭5加以實施。該夾頭5設計成用以固持一半導體晶圓W。該種夾頭，可設計成如同美國專利第4,903,717號之根據白努利定律在一平衡的下伏的氣體流上在一所欲的方向固持一晶圓W，或可藉由嚙合晶圓的周圍邊緣的抓取指(gripping fingers)(未顯示)完全機械式地固持該晶圓。
雖然晶圓本身不屬於所請求之設備的一部分，這種夾頭係為了某些直徑的晶圓而設計，其中以300 mm為目前使用中最普遍的晶圓直徑。因此，晶圓直徑的規格確定夾頭的相關固持構件，例如超過300 mm直徑的平台，其中抓取銷(gripping pin)在其徑向最內位置形成接近300 mm直徑的圓。
一氣體分配器6係配置於液體分配器3的下端，且包含：一環形噴嘴12，該環形噴嘴12將氣體實質平行地導向晶圓W的表面；以及一噴淋頭篩(showerhead screen)15，其作為一垂直的氣體出口，將氣體垂直向下地導向朝著晶圓表面。
液體分配器3和氣體分配器6的組件係配置於一臂17之上，該臂17接著樞接地配置於處理模組。液體分配器3和氣體分配器6的組件可因此相對於夾頭5以及因此相對於放置在夾頭5上的晶圓W的表面而側向地移動。由於圍繞夾頭5的處理模組的結構可能需要舉起氣體分配器至該等結構之上以完全地將其轉離夾頭5，例如在夾頭之裝載或卸載時的狀況，該臂17最好亦垂直可移動。
關於圖2，可觀察到液體分配器3包含一液體導管4，其同軸地穿過氣體分配器6的中心，且終止於用於分配清洗液體(cleaning liquid)、蝕刻液體、及/或沖洗液體(rinsing liquid)至晶圓W的朝上表面的噴嘴16。
氣體分配器6包含氣體入口9，該氣體入口9用於連接至例如氮之惰性氣體源(未顯示)。這個實施例的氣體分配器設計成在相對於工作件的兩個方向輸出氣體：環形噴嘴12實質上平行於工作件表面地分配該惰性氣體。該氣體流的目的在於將靠近工作件的空氣從上方重新導向至處理模組的排氣裝置所在之側面，以避免來自環境中的氧到達晶圓W(或到達由液體噴嘴16所產生的晶圓W上的液體膜)。
噴淋頭篩15垂直向下地分配惰性氣體至晶圓表面，以建立降低氧或無氧的環境於液體接觸晶圓之處的晶圓表面的上方，以及建立降低氧或無氧的環境於來自噴嘴16的液體流穿過大氣之處，以使其無法在這個路徑上取得氧氣。雖然這些垂直定向的出口在本實施例中以噴淋頭篩15而加以實施，這些出口可以任何所欲數量的噴淋頭噴嘴群組而替代地加以實施。
氣體分配器6可為不同的形狀，例如橢圓形、圓形、或矩形。在本實施例中，氣體分配器6為圓形。
雖然未在圖式中描繪，縱使當開放於周圍大氣，此型態的處理模組典型地緊密地被收集層和排氣層所包圍，其用於回收被徑向向外地拋出旋轉中晶圓的液體以及安全地將氣體自處理模組排出。因此，水平尺寸與晶圓W幾乎相等或大於晶圓W的氣體分配器，在操作位置時，將不能相對於晶圓而側向移動。
在圖3中，「d」表示氣體分配器6和接受處理的晶圓W之間的垂直間距；「d1 」表示在平行於晶圓W表面的方向的氣體分配器6的寬度(或直徑)，且「d2 」表示晶圓W的直徑，在這個範例中為300 mm。因此，「d1 」遠小於「d2 」。具體而言，在平行於晶圓W方向的氣體分配器6的尺寸的選擇，係以使該氣體分配器的面積較佳在晶圓W的面積的5-50%的範圍，且更佳為該晶圓面積的10-30%。因此，對於300 mm晶圓和圓形的氣體分配器6，「d1 」的值最好在67-212 mm的範圍內，且更佳是在95-165 mm的範圍內。
根據本發明的設備與方法，經由氣體分配器6的氣體供給可獨立於經由噴嘴16所分配的處理液體而加以開啟。因此，例如在液體分配之前，藉由僅分配惰性氣體，經由氣體分配器6所供給的惰性氣體可用以取代在處理腔室中緊鄰晶圓的氧。或者是，惰性氣體和處理液體可同時加以分配，以在處理液體分配期間建立緊鄰著晶圓的惰性氣體氛圍。為了增進該效果，一額外的液體分配器可配置於氣體分配器上以用於沖洗(rinse)；然而，亦可能使用相同的分配器於處理液體和沖洗液體。
經由噴嘴12和噴淋頭篩15的惰性氣體之分配，也可藉由在氣體分配器6設置用於將出口任一或二者與入口9連通的適合的閥而獨立地加以控制。這因此產生以下各種可能的操作模式，其各自可在同時經由噴嘴16分配處理液體或沒有同時經由噴嘴16分配處理液體的狀態下加以執行：(1)氣體分配僅來自環形噴嘴；(2)氣體分配僅來自噴淋頭篩；(3)氣體分配同時來自環形噴嘴和噴淋頭篩。
目前操作模式(3)是較佳的。特別是，較佳的操作範圍為總N2 流量的1-50%之間係經由噴淋頭篩15加以分配，以及總N2 流量的50-99%之間係經由環形噴嘴12加以分配。總N2 流量較佳在1到1000lpm(每分鐘公升數)之間。
根據本方法的實施例的一典型製程順序包含以下步驟，其以所列次序加以執行：1)裝載晶圓至夾頭上且開始旋轉；2)移動分配器至晶圓上方的一定義的距離「d」；3)啟動N2 分配以降低在晶圓和分配器之間的氧含量；4)在持續N2 分配下啟動液體分配；5)沖洗；6)乾燥(藉由例如旋轉而執行，其可藉由惰性氣體所載送之異丙醇蒸氣加以輔助)，且當晶圓乾燥時停止N2 的分配；7)移動分配器至「停駐(park)」位置(沒有與晶圓重疊)；以及8)停止旋轉且卸載晶圓。
在上述的順序中，步驟3)可在步驟4)之前，或與步驟4)同時開始。在步驟5)(沖洗)期間，可持續N2 之分配。此外，步驟4)和5)，可依照待處理的工作件的性質之需要而重複數次。
如同在圖4所觀察到的，晶圓各處的銅蝕刻均勻度可顯著的增進，且在周圍區域(接近晶圓邊緣)的銅損失減少約50%。圖4中的y-軸為以厚度降低百分比所表示的蝕刻後的銅損失，而圖4中的x-軸為300 mm晶圓的直徑分布。圖4中的虛線展示沒有經由噴淋頭之惰性氣體的吹淨(purge)的銅損失百分比，而實線展示利用經由噴淋頭的惰性氣體的吹淨的銅損失。
本案發明人發現相對晶圓之側向移動氣體分配器的能力有助於增進蝕刻均勻度。此外，雖然氣體分配器的尺寸與工作件相比相對較小，仍不需要完全封閉的製程容器。
雖然本發明以其相關之不同的說明實施例加以描述，必須瞭解的是這些實施例不可作為對藉由隨附專利申請範圍的確實範圍與精神所賦予的保護的範圍加以限制的託辭。
3．．．液體分配器
4．．．液體導管
5．．．夾頭
6．．．氣體分配器
9．．．氣體入口
12．．．環形噴嘴
15．．．噴淋頭篩
16．．．噴嘴
17．．．臂
W．．．晶圓
d、d1、d2．．．間距
圖1為根據本發明的一實施例的設備的示意圖；
圖2為圖1的實施例中所使用的氣體分配器的垂直軸向橫剖面圖；
圖3類似於圖1，其中對所描繪設備的構件之間的一些尺寸關係加以強調；以及
圖4展示根據本發明的方法和設備的實施例所處理的300 mm晶圓中的銅損失百分比，並對照於由沒有利用根據本發明的氣體分配器所處理的晶圓所取得的結果。
3．．．液體分配器
5．．．夾頭
6．．．氣體分配器
12．．．環形噴嘴
15．．．噴淋頭篩
17．．．臂
W．．．晶圓

Claims (14)

  1. 一種用於處理晶圓形狀物件的設備，包含：一夾頭，其具有一平台，該平台具有用以固持一預定尺寸的晶圓形狀物件的尺寸；以及一氣體分配器，其配置成能夠置於該平台之上；該氣體分配器包含一氣體噴淋頭，其具有噴嘴，用於流注一惰性氣體至該平台之上；該氣體分配器與該平台重疊一面積，該面積為該預定尺寸的晶圓形狀物件之朝上表面的面積的5到50%；該氣體分配器能夠置於該平台之上的一預定操作距離，且當以該預定操作距離而置於該平台之上時，該氣體分配器相對於該平台為側向可移動；該氣體分配器包含：向下指向的複數氣體出口，用於向下朝向置於該平台上的晶圓形狀物件的主要表面分配惰性氣體。
  2. 如申請專利範圍第1項的用於處理晶圓形狀物件的設備，其中該氣體分配器更包含：一導管，其用於分配處理液體至一晶圓形狀物件上，該導管終止於由該氣體分配器朝該平台向下指向的一噴嘴。
  3. 如申請專利範圍第1項的用於處理晶圓形狀物件的設備，其中該氣體分配器包含：一環形噴嘴，用於實質上平行於置於該平台上的晶圓形狀物件的主要表面分配惰性氣體。
  4. 如申請專利範圍第1項的用於處理晶圓形狀物件的設備，其中該氣體分配器包含：一環形噴嘴，用於實質上平行於置於該平台上的晶圓形狀物件的主要表面分配惰性氣體。
  5. 如申請專利範圍第1項的用於處理晶圓形狀物件的設備，其中該夾頭和該氣體分配器係配置於對周圍環境氛圍未密封的一處理模組之中。
  6. 如申請專利範圍第1項的用於處理晶圓形狀物件的設備，更包含：運載該氣體分配器的一臂，該臂係樞轉地配置於該設備，用以達到該氣體分配器相對該平台的側向移動。
  7. 如申請專利範圍第6項的用於處理晶圓形狀物件的設備，其中該臂為垂直可移動，以在該夾頭的裝載或卸載期間舉起該氣體分配器。
  8. 如申請專利範圍第1項的用於處理晶圓形狀物件的設備，其中該夾頭和該氣體分配器為用於半導體晶圓的單晶圓濕式處理的處理模組的構件。
  9. 一種用於處理晶圓形狀物件的方法，包含：置放一晶圓形狀物件於一固持器之上；置放一氣體分配器於該晶圓形狀物件之上的一定義的操作距離；分配一惰性氣體於該晶圓形狀物件之上；以及在分配該惰性氣體之時，相對該晶圓形狀物件側向地移動該氣體分配器。
  10. 如申請專利範圍第9項的用於處理晶圓形狀物件的方法，其中該氣體分配器具有使該氣體分配器與該晶圓形狀物件重疊一面積的尺寸，該面積為該晶圓形狀物件的朝上表面的面積的5到50%。
  11. 如申請專利範圍第9項的用於處理晶圓形狀物件的方法，更包含：與該分配一惰性氣體到該晶圓形狀物件之上的同時分配一處理液體到該晶圓形狀物件之上。
  12. 如申請專利範圍第9項的用於處理晶圓形狀物件的方法，其中 該分配一惰性氣體於該晶圓形狀物件之上的步驟包含：經由一環形噴嘴，在實質上平行於該晶圓形狀物件的朝上表面的方向分配惰性氣體。
  13. 如申請專利範圍第9項的用於處理晶圓形狀物件的方法，其中該分配一惰性氣體於該晶圓形狀物件之上的步驟包含：經由複數向下指向之氣體出口分配惰性氣體，該等氣體出口用於向下朝向該晶圓形狀物件分配惰性氣體。
  14. 如申請專利範圍第9項的用於處理晶圓形狀物件的方法，其中該分配一惰性氣體於該晶圓形狀物件之上的步驟包含：經由一環形噴嘴在實質上平行於該晶圓形狀物件之朝上表面的方向分配惰性氣體；以及經由複數向下指向之氣體出口分配惰性氣體，該等氣體出口用於向下朝向該晶圓形狀物件分配惰性氣體。
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