专利名称：减少金属腐蚀的电化学方法处理衬底的装置与方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制造的领域，更具体地，涉及在衬底上沉积金属或从衬底移除金属的各种制造步骤的过程中，以电化学方法处理衬底。
背景技术：
集成电路(IC)的多层互连技术中所使用的材料为薄膜导体及薄膜绝缘体。为了制造导电薄膜，已广泛地以铝和铝合金结合作为绝缘体的二氧化硅(SiO2)一起使用。为了进一步提升器件性能，就IC的信号传输延迟及功率消耗而言，可结合低k介电材料的铜现在越来越普遍取代铝和二氧化硅。此外，铜技术的应用会导致所需要的金属化层数量的减少。在制造多层互连系统方面，电镀和无电镀覆形式的镀覆(plating)及反向工艺，也称为电抛光工艺，已成为广泛使用的金属沉积/移除技术。
为了获得金属层所要求的品质，典型是在电化学金属镀覆工艺中使用各种化学品。在衬底上镀覆金属所使用的许多电解液之中，无机酸作为镀覆溶液的主要成分。硫酸或磷酸以各种浓度被广泛地使用。不论所供应的硫酸和磷酸具有何种浓度，已知硫酸和磷酸会蚀刻铜。当半导体衬底上所形成的金属区域处可轻易地得到氧时，会进一步提高蚀刻速率，如同在传统的镀覆工艺中由于周围空气含有的氧所导致的情形一样。
由于氧、二氧化硫(可微量存在于环境中)及水(包含在以水稀释的酸中)的存在，可能会发生在半导体衬底上所形成的金属显著程度的氧化及褪色。这种情况在后续输送、储存、冲洗和清洗动作(其所有动作都在潮湿条件下，换言之在促使铜氧化及褪色的条件下进行)的过程中，甚至会更恶化。而对于进行相当类似于电镀的电抛光工艺(但其中的离子流为反向的)的含铜衬底也有相同的情形。
由于铜越来越普遍用于半导体制造，而且如上所述，由于曝露的铜表面具有容易和氧反应形成腐蚀及褪色的倾向，因此这种腐蚀及褪色并且可能会倾向于损害所得到表面的品质或是对于后续工艺步骤有不利的影响。有鉴于上述内容，在半导体衬底上镀覆及电抛光铜显然是完成的集成电路的可靠度的关键。
因此，存在着对于在不过度降低表面品质的情况下，形成和处理金属层(特别是铜层)的装置与方法的需求。
发明内容
本发明针对减少与镀覆及/或电抛光含金属衬底之前、之中和之后的暴露金属表面接触的氧及二氧化硫的量的方法与装置。通过显著降低在欲处理或欲以其它方法处理的衬底的整个表面上的氧及/或二氧化硫的分压，可降低暴露金属表面与这些反应性周围成分发生化学反应的机率。
根据本发明的一个具体实例，电化学方法处理衬底的处理工具包括镀覆反应器及包围该镀覆反应器的罩盖，该罩盖定义出含有内部气氛的内体积。由此，配置该罩盖以实质上避免与周围大气的气体交换。
根据本发明的另一具体实例，电化学方法处理衬底的处理工具包括镀覆反应器及供气系统，该供气系统用于将惰性气流供给至该镀覆反应器，以减少该镀覆反应器中氧浓度及二氧化硫浓度的至少其中之一。
根据本发明的另一具体实例，电化学方法处理衬底的方法包括提供配置用以电化学方法处理衬底的处理工具。其次，形成围绕该衬底的气氛，其中该气氛比围绕该处理工具的周围大气具有较低的氧浓度。
参考下列说明并结合附图可了解本发明，附图中相同的参照数字等同于相同的组件，其中
图1表示铜的电位与pH值坐标图(Pourbaix diagram)；图2a表示根据本发明一个说明性具体实例的电化学方法处理衬底的示意图的简化部分；图2b概要地表示图2a的处理工具的图，该处理工具包括电化学方法处理衬底中所涉及的其它工艺站；图2c表示根据本发明的具有再循环惰性气体的处理工具的概要图；及图2d表示包括图2a的处理工具的系统概要图，该系统提供根据本发明另一说明具体实例的改进工艺控制。
尽管本发明可容许各种修饰及替代形式，但已利用图式中的实例表示及本文详细说明本发明的特定具体实例。然而应了解本文中特定具体实例的说明并不意欲用来将本发明限制在已揭示的特定形式上，但是相反地，其目的在于涵盖落入如后附权利要求所界定的本发明的精神与范畴范围内的所有修饰、等效及替代方案。
具体实施例方式
本发明的说明性具体实例叙述如下。为了清楚起见，并非全部实际实施的特征均见述于本说明书中。当然应了解在任何这类实际具体实例的开发中，必须做出许多特定实施上的决定以达到开发者的特定目标，例如遵守与系统有关和与商业有关的限制，这些限制会因实施方式而异。再者，应了解虽然这类开发的努力可能既复杂又费时，不过对于已经从本说明获益的本领域技术人员而言，其可能是一项例行工作。
在下述中，参考图1更详细叙述铜镀覆和电抛光中所涉及的化学。然而，除非在后附权利要求中已明确提出这类限制，否则不应将本发明视为限制在使用铜。
铜在空气中氧化形成氧化铜已为人们所熟知。在二氧化碳(CO2)的存在下，铜可能会形成所谓的绿色碳酸铜。在二氧化硫(SO2)的存在下，铜可能会形成硫酸盐，该二氧化硫可能存在于空气中。因此，根据方程式1a得到的关系，衬底上的铜层最有可能经过各种氧化过程而产生作为化合物一部分的铜离子(Cu+或Cu++)。这些反应较佳地在氧和水的存在下发生，而氧和水通常也存在于周围空气中。
式1式1a式2式1表示在所谓的氧腐蚀中得到的化学反应。该方程式表示空气中存在或水中溶解的氧会导致氧化过程。式1中所需要的电子被例如式1a的过程消耗，而铜则变成Cu2+。
图1更清楚说明此种情形，其中描绘所谓的铜电位与pH值坐标图。该电位与pH值坐标图是将铜，其氧化物Cu2O和CuO及铜离子(Cu++)的电化学电位表示为pH值的函数。该图显示了代表Cu、Cu2O、CuO及Cu2+的四个分开区域。这些区域由表示相邻区域化合物的平衡状态的线所分开。该平衡可沿着该图中的线而存在于两种化合物之间，或是存在于分隔不同对化合物的线的交点四周的三种化合物之间。式1的氧还原的氧化还原电位也显示在图1的电位与pH值坐标图中。在整个pH区域上，氧还原的氧化还原电位高于Cu2O和CuO形成为保护层的铜平衡时的氧化还原电位。因此，在氧的存在下，根据式1，取决于pH值，铜会氧化形成氧化铜(CuO)或铜离子(Cu++)。
式2说明另一个可能情形，该式的对应电化学电位也显示在图1的电位与pH值坐标图中。式2的过程通常称为氢腐蚀，通过将2H+还原为H2而发生。从电化学电位已知铜比氢更具有惰性。这项事实是由1图的电位与pH值坐标图中式2的氧化还原函数所表示。沿着整个pH区域，式2的氧化还原电位曲线位于元素铜的区域内部。
经证明铜的氧化过程较佳地在氧和水的存在下发生。
式3式3表示在二氧化硫(SO2)、水和氧的存在下生成苛性铜(caustic copper)。苛性铜在水中具有良好的溶解度。因此，根据式3的反应移除氧化铜(CuO)保护层可能会造成该铜层进一步的侵蚀。以类似的方式，在湿气、氧和二氧化碳(CO2)的存在下可能会产生铜的碳酸盐。
因此，在涉及处理具有曝露铜区域的衬底的工艺阶段期间，使二氧化硫的量和/或氧的量和/或二氧化碳的量和/或湿气的量减到最少在本发明中极为重要。特别是在电镀/电抛光衬底中所涉及的工艺会持续地产生促使铜表面氧化的环境条件。
因此，本发明是以产生欲进行需要电化学处理的工艺程序的衬底所需的局部环境的概念为基础，其中大量减少二氧化硫和/或氧和/或二氧化碳的量，由此使式3的平衡向氧化铜(左侧)移动并按照式1、1a和2减少铜氧化。可利用将实质上惰性的气体(例如氮、氩等)供给至所考虑的处理工具或至少供给至处理工具的相关部分，形成围绕欲处理的衬底的实质上惰性的气氛来达成。通过形成实质惰性气氛，与周围大气相比，二氧化硫和/或氧和/或二氧化碳在整个衬底表面上的分压显著降低，并且降低暴露的金属表面与这些反应性成分发生化学反应的机率。降低该分压也可容许从处理液体(例如电解液，如超纯水形态的水等)移除这些环境气体至某种程度，在储存和搬运该处理液体时，这些环境气体可能已溶解在该处理液体中。
参考图2a和2b，在此叙述本发明的说明性具体实例。在图2a中，电化学方法处理衬底的处理工具200的部分包括镀覆反应器210，该镀覆反应器在本实例中可为包含可旋转衬底夹具211和阳极213的电镀反应器，该可旋转衬底夹具211适用于容纳及夹住衬底212，该阳极213具有形成其中用以在处理衬底212时导入电解液的入口214。此外，在阳极213和衬底夹具211之间可配置扩散组件215。在本具体实例中，电镀反应器210代表所谓的喷泉式电镀反应器。然而，使用特殊类型的电镀反应器对于本发明并非必要，因此根据本发明可使用任何类型的镀覆反应器，包括配置用以进行电抛光(即，反向电镀工艺)的装置。可配置镀覆反应器210以定义出电镀反应器210操作过程中包含惰性气氛的内体积216，在传统的设备中该惰性气氛含有实质上对应于周围大气的气体混合物。在一具体实例中，与传统设备相反，电镀反应器210包括配置将惰性气体(例如氮、氩或稀有气体等)供给至内体积216的供气系统217。供气系统217包括以其一端连接至惰性气体来源220及以另一端连接至内体积216的第一供应管线218。此外，可提供第二供应管线219，其一端连接至内体积216及其另一端连接至排放源(未显示)。第一及第二供应管线218、219虽然显示为连接至电镀反应器210的上端部及下端部，但也可用任何适当的方式加以配置，取决于处理工具200中用以将惰性气体送入内体积216所使用的镀覆反应器210的类型。
在操作过程中，惰性气体(例如氮气)可由惰性气体来源220经由第一供应管线218供给至内体积216之中，在电镀反应器210内部形成实质惰性气氛，由此显著减少二氧化硫和氧的量。应注意本文中所使用的“实质惰性气氛”是用于叙述其氧浓度与周围大气(通常是无尘室中的大气)的氧浓度偏离至少20％的气氛，因此其最大氧浓度约为16％，较佳为低于5％，且更佳为低于1％。随后，可将衬底212加载到电镀反应器210中，并可通过衬底夹具211容纳该衬底。根据处理工具200的类型，可使内体积216的内部实质惰性气氛与周围大气接触，以便进行某种程度量的气体交换。
因此，在一个具体实例中，由供气系统217产生某种程度量的超压，由此形成从内体积216向开口(未显示)的气流，通过该气流而将衬底212加载到衬底夹具211中。依此方式，使得从周围大气导入内体积216的氧和二氧化硫减到最少。通过形成连续气流，可将某种程度量的超压有利地保持在操作时并未配置使内体积216隔绝周围大气而充分密封的电镀反应器210中。在将衬底212安置在衬底夹具211上之后，或许在关闭用于衬底传送至衬底夹具211的开口之后，可操作供气系统218，例如利用第二供应管线219使其吹洗内体积216，以进一步减少在将衬底212加载电镀反应器210期间可能已导入的氧和二氧化硫的量。接着，开始运转电镀反应器210，其中与传统设备相反，该电镀工艺在实质惰性内部气氛中进行，因此显著地减短在欲镀覆在衬底212上的铜表面处的腐蚀过程。
图2b概要地表示具有连接至电镀反应器210的附加处理模块的处理工具200。在图2b中，处理工具200还包括电镀反应器210下游的冲洗站230以及冲洗站230下游的干燥站250。电镀反应器210、冲洗站230以及干燥站250是由如箭头261所示的配置以供衬底输送的复数个衬底输送模块260所连接。处理工具200还包括定义出内体积202的罩盖201。在一个具体实例中，配置罩盖201以实质上防止与周围大气的气体交换，而在另一具体实例中，罩盖201的目的是显著减少内体积202与周围大气的气体交换。罩盖201可包括在个别处理模块与站之间形成某种程度分隔的复数个挡板203。
在一个具体实例中，如图2b所描绘的，供气系统217另外包括用于将惰性气体供给到至少一部分的工艺站210、230、250及输送模块260的复数个供应管线204。在另一具体实例中，尤其是当罩盖201隔绝周围大气而实质上完全密封内体积202时，可提供一个或多个排放管线(未显示)以形成连续气流。请注意图2b所描绘的具体实例仅为说明用的态样，在不脱离本发明范畴的情况下，可进行许多变化及修饰。例如，根据工艺站210、230、250及输送模块260的配置，可用许多方式改变挡板203的装置、设计和排列。特别是，冲洗站230及干燥站250显示为“开放”系统，而在另一具体实例中，这些站可包含处理室，该处理室可具有需要提供额外供应管线(例如供应管线218、219)的个别围壁。此外，输送模块260可包含任何类型的晶片搬运装置，因此可设计挡板203以便容许相邻工艺站的装载和卸载作业，同时减少相邻站与模块之间的气体交换。在另一具体实例中，尤其是当冲洗站230及干燥站250分别包括具有围壁的处理室时，可完全省略挡板203。
在操作过程中，将具有在参考图2a所述条件下电镀的铜表面的衬底212传送至电镀反应器210下游的处理模块260。由于实质惰性气氛是通过供应管线204形成在内体积202之中，因此实质上会防止先前已镀覆铜的潮湿敏感表面与氧和/或二氧化硫接触。特别是，衬底212典型包括完成镀覆工艺时的电解液薄膜，而内体积202中的实质惰性气氛在输送至冲洗站230的过程中，可降低新镀覆的铜表面的腐蚀机率。由于衬底212是在实质惰性气氛中在冲洗站230及干燥站250中处理，冲洗站230及干燥站250包括在这些工艺站之间的输送，所以在镀覆后工艺中也会使铜的腐蚀减到最少。
应注意根据工艺需求，处理工具200可包括更多的模块，如图2b所示。例如，冲洗站230可代表处理含有精密金属化层的衬底所需要的任何清洗站。此外，其它具体实例，尤其是涉及“湿式”处理衬底212的工艺站，可包括用以持续地减少对应局部气氛的湿气的排放管线，例如电镀反应器210的第二供应管线219。
如图2b所示的模块结构，在不过度影响相邻工艺站与模块的气氛的情况下，还允许分别进出工艺站和/或输送模块。例如处理工具200的模块配置利用如第一和最后输送模块260，在不过度损害剩余内体积202中的惰性气氛的情况下，可容许将衬底装载至处理工具200或从该处理工具将衬底卸载。
图2c概要地表示本发明地另一说明实例，其中处理工具200地供气系统217包括配置用于从该惰性气体中移除氧和/或二氧化硫的反应器221。反应器221可为任何类型的化学和/或物理反应器，该反应器包含例如可容许用本领域公知的方法移除氧和/或二氧化硫地催化剂。由于主要量的惰性气体可重新制造和再利用，因此当处理工具200需要供应大量的惰性气体或是供应相当昂贵的惰性气体(例如氩或其它稀有气体)时，此具体实例特别有利。当使用如图2c所示的供气系统217时，较佳地配置罩盖201使泄漏至周围大气的惰性气体减到最少。
图2d概要地表示处理工具200的进一步变化。在图2d中，处理工具200包括连接至控制单元270的复数个感测组件271，该控制单元依序有效连接至包含惰性气体来源220地供气系统217。感测组件271可包括压力传感器、氧浓度传感器、二氧化硫浓度传感器等。可将感测组件271提供给一个或多个工艺站210、230、250及输送模块260。可配置控制单元270以接收感测组件271的信号输出并根据所接收地感测信号进行过程控制。例如供气系统217可包括适当装置以调整通过供应管线204或供应管线218和219的流体流动。对应装置在本领域中是公知的，可包括阀件、泵、风扇等。
接着控制单元270可相应地调整一个或多个这些流动调整器件，以控制管线204、218、219中的流体流动，由此控制内体积202内部的气氛。例如，在第一输送模块260处，例如将衬底加载到个别工艺站或将外部供应地衬底加载到处理工具200时，暂时增加流入电镀反应器210的流体，可有利于有效减少扩散进入电镀反应器210中的氧和/或二氧化硫。同样也可控制在其它工艺站230、250及输送模块260中的实质惰性气氛。此外，根据感测组件271所提供的测量结果控制该实质惰性气氛，可将供给至处理工具200地惰性气体的量减少至实际上所需要的量，因而节省资源。
因此，本发明有效提供能降低在电化学方法处理衬底(例如电镀、电抛光等)所涉及的处理中铜腐蚀的机率，其中通过连续气流和/或提供罩盖形成围绕该衬底的实质惰性气氛，该罩盖定义出含有实质惰性气氛的内体积，该实质惰性气氛在该处理工具的内部或至少在该处理工具的一部分的内部。与电化学方法处理衬底相关的其它处理，例如衬底的装载、输送、清洗、干燥及暂存，也最好在实质惰性气氛内部进行。应注意可在个别处理工具中或是在配置用于实施两个或更多工艺，或甚至是完整工艺程序的处理工具中来进行这些处理，本发明涵盖任何类型的处理工具。
应注意虽然参考铜镀覆来叙述本发明，但本发明的原理也可轻易地应用在电化学方法处理含有铜以外的金属的衬底，其中实质惰性气氛有利于提升工艺品质。
上述的特定具体实例仅作为说明之用，如本领域技术人员所显而易见，本发明可用不同但却等效的方式加以修饰及实施，而得到本文中所教示的效益。例如上述工艺步骤可用不同顺序加以实施。此外，除了下列权利要求所述之外，本发明并不意图限于本文中所示的架构或设计的细节。因此显而易见以上所揭示的特定具体实例可加以改变或修饰，且这些变化全部均视为在本发明范畴与精神的范围内。故本文所寻求的保护范围如下列权利要求所阐述。
权利要求
1.一种电化学方法处理衬底的处理工具，包括镀覆反应器(210)；及罩盖(201)，该罩盖包围该镀覆反应器(210)以定义出含有内部气氛的内体积(202)，其中该罩盖(201)用于实质上避免与周围大气的气体交换。
2.如权利要求1的处理工具，还包括供气系统(217)，用于将惰性气体导入该内体积以便在其中形成实质惰性气氛。
3.如权利要求1的处理工具，还包括至少一个输送模块(260)、衬底清洗站(230)、衬底干燥站(250)及化学品储存槽，其中该罩盖(201)用于至少部分包围该至少一个输送模块、衬底清洗站、衬底干燥站及化学品储存槽。
4.如权利要求1的处理工具，其中该内部气氛包括氮气及稀有气体的至少其中之一。
5.如权利要求2的处理工具，其中该供气系统(217)还包括反应器，其用于从供给至该反应器的气体中移除氧和二氧化硫的至少其中之一。
6.如权利要求2的处理工具，其中该供气系统(217)包括复数个入口管线(204)，以便将惰性气体供给至该内体积内部的一个或多个指定位置。
7.如权利要求1的处理工具，其中该罩盖(201)用于将该内体积分成复数个区间，其中相邻体积区间之间的气体交换被减少。
8.如权利要求2的处理工具，其中该供气系统(217)用于在该镀覆反应器中形成连续惰性气流。
9.如权利要求1的处理工具，其中该处理工具还包括供气系统(217)及控制单元(270)，该控制单元(270)有效连接至该供气系统(217)，以控制该供气系统(217)的操作，以便调整氧浓度、内体积中的压力及通过该供气系统(217)的气体流速的至少其中之一。
10.一种电化学方法处理衬底(212)的方法，该方法包括提供配置用于电化学方法处理衬底(212)的处理工具(200)；及形成围绕该衬底(212)的气氛，其中该气氛比围绕该处理工具(200)的周围大气具有较低的氧浓度。
11.如权利要求10的方法，其中形成该气氛包括将惰性气体供给至该衬底。
12.如权利要求11的方法，其中该惰性气体包括氮气及稀有气体的至少其中之一。
13.如权利要求10的方法，其中形成该气氛包括通过提供能减少该气氛与周围大气的气体交换的罩盖(201)定义出内体积。
14.如权利要求10的方法，其中还包括侦测该气氛的压力、氧浓度及二氧化硫浓度的至少其中之一。
15.如权利要求14的方法，还包括以该气氛的压力、氧浓度及二氧化硫浓度的至少其中之一的侦测为基准，控制该气氛的形成。
全文摘要
本发明配置一种电化学方法处理衬底的处理工具(200)，以减少邻近于该衬底(201)的氧浓度和/或二氧化硫浓度，以减少铜腐蚀。在一个具体实施例中，在包含镀覆反应器的处理工具(200)内部，通过供给连续惰性气流和/或提供能减少与周为大气的气体交换的罩盖(201)，而形成实质惰性气氛。在电化学方法处理衬底所涉及的其它工艺步骤的过程中，也可维持该实质惰性气氛，该其它工艺步骤包括在个别工艺步骤之间的必要输送步骤。
文档编号C25D7/12GK1697893SQ03815021
公开日2005年11月16日 申请日期2003年6月24日 优先权日2002年6月28日
发明者A·普罗伊塞 申请人:先进微装置公司