[发明专利]电沉积系统

说明书

技术领域

本发明涉及在半导体工件上沉积金属层的系统，更具体地说，这个系 统用于从电解液中电沉积或化学沉积金属薄膜到半导体晶圆上，化学方法 刻蚀部分沉积膜，清洗沉积膜表面以及对沉积膜进行热处理。

背景技术

芯片间的互联由多层金属线实现，这些金属线包埋于位于逻辑器件或 存储器件晶体管电路上方的一种或多种绝缘材料中。随着超大规模集成电 路中线密度的增加，金属线互连图形的特征尺寸，如通孔和沟槽等，已经 降低到亚微米级，金属化程度也随之增加。而且，随着集成电路中互连引 线长度的增加，RC延迟也已经成为影响电路传输速度的最主要因素。铜 由于其较低的电阻率和较高的抗电迁移，被认为是金属互连引线的理想材 料。但是同时，它也面临着很多器件制造的挑战。

实现铜互连技术，最大的挑战在于通过大马士革工艺，或者通常是通 过加工成本可接受的双大马士革工艺，在整个半导体基材上，也就是在整 片晶圆上，对通孔和沟槽等结构实现无孔、无缝的均匀填充。

典型的电沉积系统通常由多个用于金属电沉积或化学沉积的电镀单元 和用于镀后清洗和边缘去除的清洗单元组成。

专利US6258220和专利US6527920揭示了这种电镀系统的例子。这 种系统包含一带有传送机械手的主框架，一与主框架相连的装载端口，多 个与主框架相连的电镀单元，多个与主框架相连的旋转-冲洗-干燥和边缘 去除腔，以及一和装载端口相连的快速热处理子系统。目前IC生产中所用 的电沉积系统的电镀单元、旋转-冲洗-干燥和边缘去除腔及其它可能附 加单元都处于同一平面上，这种设计占据了超净间的很大空间，才能满足 这种工艺系统对生产能力的要求。

因为这种系统用到的是一个二维的结构，它将所有的工艺单元都置于 一个平面上，当需要添加一些新的工艺单元时，系统占地面积增大，因而 限制了其实际可扩展性。此外，在上述电沉积系统中，还需要多个立于工 艺腔基底上的永久的重型支撑柱，用于支撑多个电镀单元上部装置，该装 置从机械手接收晶圆并将其送入电解液。这些支撑柱体积较大，因为它们 需要为它们所支撑的上部装置提供足够的稳定性和坚固性以便精确控制其 运动。这些支撑柱不仅占据了框架内部空间，而且限制了主框架传送机械 手，晶圆固持装置和电镀单元的可到达性，并给系统维护带来不便。

此外，随着晶圆图形中通孔和沟槽尺寸的减小，当由晶圆固持装置所 固持的晶圆浸入电解液时，晶圆上的结构很难被完全浸湿，从而导致沉积 金属膜结构上产生缺陷和空洞。一个润湿晶圆的典型方法如专利US  2004/0069644和US 2007/7223323所述，在电镀前将晶圆在一个另外 的旋转-冲洗-干燥单元中预润洗。另一个润湿晶圆的方法如专利US  2006/7146994所述，在晶圆送入电镀液之前，用一个附加的喷嘴向晶圆表 面上喷洒水。但是通过液体润洗进行预湿仍不能完全润湿非常细小的结构， 而且用来润洗的液体可能会在局部或很大范围内将电解液稀释，从而带来 新的问题。所以上述方法仍不能在不引入明显的工艺变化或制造成本增加 的情况下彻底解决不完全润湿的问题。

本发明是在上述背景下揭示的。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的是提供一种新型结构的电沉积系统，它 占地面积小，可以以更高的效率处理更大规模的晶圆，从而使生产能力得 到提高。

为实现上述目的，本发明的电沉积系统具有三维堆叠结构，包含用于 接收晶圆的工厂接口，带有主框架传送机械手的主框架，多个置于主框架 上方的晶圆固持装置，多个置于主框架上部的三维堆叠结构第一层的电镀 单元，多个置于主框架下部的三维堆叠结构第二层的清洗和边缘去除单元， 多个置于主框架和工厂接口相连部分的第一层，或者第二层，或者两层皆 有的热处理腔，多个置于主框架中的气相预湿模块，为电镀单元提供电镀 液和为清洗单元提供处理液的流体分配系统，为热处理腔提供气体混合物 的气体传输系统。主框架传送机械手在工厂接口，晶圆固持装置，清洗单 元和热处理单元之间传送晶圆。