[发明专利]电化学或化学沉积金属层前预浸润晶片表面的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及为用于电化学或化学沉积金属层前的晶片的表面浸润，更 具体地说，涉及预浸润晶片表面。

背景技术

超大规模集成(ULSI)电路中的先进互连结构部分是由电化学或化学 (也称为“electrolessly”)沉积方法制造，该电化学或化学沉积制程从一 或多种电解液中把金属材料，通常是铜，沉积在晶片表面。在沉积过程中， 首先把一干燥的晶片浸入一电解液溶液中或把一电解液喷洒在一干燥的晶 片上，但这样可能会遇到几个问题。其中一个严重的问题是晶片表面被电 解液不完全地浸润导致在没有被电解液接触到的地方无法沉积金属层。由 该种机制所引起的与浸润相关的缺陷通常表现为沉积膜的缺失以及在通孔 和沟槽内出现大的孔穴和未被填充的部分，而上述缺陷将会导致大量的器 件报废。

电解液和晶片之间不完全的浸润是一种表面物理现象，并且可能由许 多影响电解液和晶片的表面性质的工艺参数所导致。举几个例子，晶片表 面和含有各种类型有机添加剂的电解液之间的兼容性、晶片被电镀或化学 镀之前所接触到的环境、电解液的老化、在处理流程中当前工艺步骤和之 前的工艺步骤之间的等待时间，之前的工艺步骤可以是沉积一层薄的金属 层或研磨以使得金属和电介质部分暴露。该等待时间尤其重要，因为在这 段时间内晶片表面的氧化会极大地改变晶片的表面性质。

一种改善沉积铜的晶片表面浸润的方法是在电化学沉积设备上实施预 浸润步骤，如美国专利申请US 2004/0069644和US 2007/7223323所揭 示的。根据这种方法，晶片首先在使用去离子水(DIW)的旋转-润湿-干燥 (SRD)模块中进行预先浸润。要周旋转速率(RPM)和去离子水(DIW) 流速的组合来提高在晶片表面的水覆盖。预湿后，当它被浸入一电镀电解 液的时候，该晶片表面应当携带一薄的水层。对金属膜沉积设备添加预浸 润腔体增加了其整体规模并需要更大的空间来安装相应装置。

另一种实现所述预浸润层的方法是使用位于电镀处理模块内的内置去 离子水(DIW)喷嘴。采用这种方法，当晶片被固定在旋转晶片卡盘装置 中并面对着所述电解液的时候，DIW被喷射到晶片表面。离心力使得DIW 一直处于旋转晶片的表面上而不会掉入电解液中。美国专利申请 2006/7146994揭示了这样一种方法。这种方法不需要额外的空间，因而整 个设备的规模不变；然而，这种方法的稳定性不好，如果DIW喷嘴有微小 的偏移或晶片转速有所降低时就会导致DIW被注入电解液中。

这两种方法都有三个固有的问题：(1)在一个大产量的工厂中，每个晶 片带入电解液中的水层将最终导致电镀溶液的整体稀释，进而改变设定好 的工艺条件。(2)晶片带入电解液中的水层导致晶片表面区域的电解液局 部稀释，尤其是被DIW充斥的将要沉积金属层的通孔隙和沟槽。电解液的 局部稀释将造成在电镀后形成空洞和未填充的结构。以及(3)延长整个工 艺流程的时间，很好理解的是一般SRD处理会在晶片表面留下几微米厚的 水层无法被甩离，因为一薄层内的水流的粘性阻力太大(与其厚度的三次 方成反比)。水层的厚度只能通过蒸发而减少；然而，这就需要增加更多 的处理时间，整套设备的生产能力因而会受到影响。而且对每个晶片进行 恒定的蒸发处理是非常难实现的，因为在一半导体生产设备中机械手的运 动以及上升/下降的优先性对蒸发的条件和时间都会产生影响。

另一种方法是通过湿润增强剂，一般是一种表面活性剂或一组活性剂 用以降低电解液的表面张力，如美国专利申请2004/6776893所揭示的。 另一种预处理晶片表面的方法是在将晶片放置在电镀电解液中之前使用含 有这些湿润增强剂的液体在一个单独的模块里来预处理晶片表面。这种方 法增强了处理的复杂度且极大地增加了处理及监控的成本。随着晶片表面 结构尺寸持续减小，如上述三种方法所描述的，在纳米级的沟槽内用粘稠 的液体来置换的气体从而预浸润各种晶片表面的方法都面临着极大的挑 战。

发明内容

本发明是在进行金属沉积工艺前通过在整个晶片的前表面附加一液体 吸附层从而提高电解液和晶片表面在相互接触时的浸润。该预设置的液体 吸附层通过将处于(相对于晶片)提升的温度下的液体分子从蒸汽相中凝 结到晶片的表面形成。