具有气体浓度衰减器的晶片入口端口的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]在许多半导体制造工艺中，在特定的制造步骤期间调整围绕衬底的大气是令人满意的。该大气控制步骤有助于最小化不想要的反应且有助于生成起作用的和可靠的设备。
[0002]在半导体设备的制造中使用的工艺之一是热退火，其涉及加热部分制造的集成电路到高温达一段时间。在镶嵌应用中，退火通常在铜的电化学沉积之后执行。通常在诸如于半惰性金属(例如，钌，钴等)上直接镀铜之类的其他电填充相关的工艺以及在电沉积之前从种子层移除氧化物之后，并且作为对非铜阻挡层的预处理来执行退火以改进镀层。
[0003]在某些应用中，当退火室中的氧气浓度被最小化时，退火过程是最成功的。最小化这个室中的氧气浓度的一个原因是避免形成不想要的氧化物(例如，氧化铜)，其可能会干扰计量读数。例如，在铜氧化物上进行的计量读数可能错误地暗示沉积铜中包含坑。这种类型的不准确的结果可能导致对衬底的不必要的破坏/处置，而其实际上是具有可接受的质量。要减少退火室中的氧气量的另一原因在于，在诸如于半惰性金属上直接铜沉积之类的一些高级工艺中，任何氧化物在铜上存在对该设备来说都可能是致命的。因此，存在对用于最小化退火室中的氧气浓度的方法/装置的需求。这可以更一般地陈述为对用于最小化处理室中特定气体的浓度的方法/装置的需求。
【发明内容】
[0004]本发明中的某些实施例涉及在将所研宄的气体最小化地引入到处理室的情况下，将衬底从外部环境传送到处理室中的方法。在一些情况下，处理室是退火室，且所研宄的气体是氧气。本发明中的其他实施例涉及一种具有薄入口缝隙的处理室，该薄入口缝隙用于最小化地将所研宄的气体引入到处理室。
[0005]在本发明中的实施例的一个方面中，提供了一种处理室。该处理室可以具有入口缝隙，该入口缝隙用于将薄衬底从外部环境传输到处理室的内部和/或从处理室的内部传输到外部环境，其中入口缝隙包括在衬底经过的平面上方的上部和在衬底经过的平面的下方的下部、以及与入口缝隙流体连通的多个腔，其中沿入口缝隙的上部和下部中的至少一个设置了至少三个腔。
[0006]在一些实施例中，入口缝隙具有在大约6-14_之间的最小高度。在这些或其他情况下，入口缝隙具有比衬底厚度大不到约6倍的最小高度。在一些情况下，衬底可以是450mm直径的半导体晶片。在其他情况下，衬底可以是200mm半导体晶片、300mm半导体晶片、或印刷电路板。还可以与其他类型的衬底一起使用本实施例。
[0007]在某些实现方案中，在配对的腔结构中设置了至少两个腔。可以在入口缝隙中设置排放罩，包括与入口缝隙流体连通的真空源。可以在排放罩中设置至少三个腔。在这些或其他情况下，可以在入口缝隙中、在不是排放罩的一部分的位置处设置至少三个腔。在某些情况下，两个或更多腔可以具有相同的尺寸。但是，这些腔也可以具有不同的尺寸，例如两个或更多腔可以具有不同的深度和/或宽度和/或形状。在一些实施例中，这些腔中的至少一个具有在约2-20mm之间的深度。腔的宽度也可以在约2_20mm之间。腔的深度:宽度的深宽比可以在约0.5-2之间，例如在约0.75-1之间。在一些实施例中，腔中的一个或多个具有基本上矩形的剖面。但是，一个或多个腔可以具有非矩形的剖面。在入口缝隙的上部或下部上的相邻腔之间的距离可以是至少约1cm。
[0008]入口缝隙的长度可以根据在处理室中所研宄的其他的期望浓度而变化。在一些实施例中，入口缝隙长度是至少约1.5cm长，例如在约1.5-10cm长之间、或在约3-7cm长之间。可以将该长度作为在外部环境和处理室之间的距离来测量。
[0009]处理室可以被配置成甚至在插入和移走衬底期间，也将分子氧的最大浓度维持在低于约50ppm。在一些实施例中，将分子氧的最大浓度维持在低于约lOppm、或甚至低于约Ippm0在各个实施例中，处理室是退火室。退火室可以包括冷却站和加热站。入口缝隙可以进一步包括具有至少第一位置和第二位置的门。第一位置可以对应于打开的位置，第二位置可以对应于关闭的位置，反之亦然。门可以包括当门处于第一位置中时与入口缝隙流体连通的腔。
[0010]在所公开的实施例的另一方面，提供了一种在将所研宄的气体最小化地引入到处理室的情况下，将衬底从外部环境插入到处理室中的方法。该方法可以包括将衬底从外部环境插入到处理室的入口缝隙中，其中入口缝隙包括在衬底经过的平面上方的上部、在衬底经过的平面的下方的下部、以及与入口缝隙流体连通的多个腔，其中在入口缝隙的上部和下部中的至少一个上设置了至少三个腔；以及将衬底传送通过入口缝隙并进入到处理室的处理容积中。
[0011 ] 该方法还可以包括当衬底被主动地传送通过在入口缝隙内或上的门时，打开该门，以及当没有发生这样的传送时，关闭该门。在一些情况下，该方法还包括在打开门时，以增大的气流使气体从处理室的处理容积流出，以及当关闭门时，以降低的气流使气体从处理容积流动。在一些情况下，气流速率在门打开或关闭时变化。在其他情况下，在打开门之前气流增大，然后将其维持在增大的流动速率直到关闭门之后。在一些实现方案中，与将衬底插入到处理室所使用的速率相比以较慢的速率将衬底从处理室移走。用于将衬底插入处理室和/或从处理室移走的速度可以相对较慢。例如，当衬底是450mm直径的晶片时，可以在至少约2秒的时间段中将衬底传送到处理室中，例如，在约2-10秒之间、或在约3-7秒之间、或在约3-5秒之间将衬底传送到处理室中。
[0012]本发明可以用于将所研宄的气体的最大浓度维持在非常低的水平。在一些情况下，所研宄的气体的气体最大浓度被维持在低于约350ppm、或低于约300ppm、或低于约lOOppm、或低于约lOppm、或低于约lppm。在某些实施例中，处理室是退火室，而所研宄的气体是氧气。
[0013]下文将参考所关联的附图描述这些和其他的特征。
【附图说明】
[0014]图1示出了可以用于实现所公开的实施例的多工具电镀装置的示意图。
[0015]图2A示出了具有单个配对的腔的衬底入口缝隙的剖面图。
[0016]图2B示出了具有三个配对的腔的衬底入口缝隙的剖面图。
[0017]图2C示出了不同的腔形状的剖面图。
[0018]图3示出了具有与单个配对的腔一起的表面真空的衬底入口缝隙的剖面图。
[0019]图4示出了针对一种对衬底退火的方法的流程图。
[0020]图5提供了根据多种所公开的实施例的一种退火室的剖面图。
[0021]图6和7示出了在门关闭(图6)以及门打开(图7)的情况下，在图5中示出的退火室的入口缝隙的特写图。
[0022]图8图示了在图5-7中示出的退火室的等距剖面图。
[0023]图9和10示出了在门关闭(图9)和门打开(图10)的情况下，如在图8中示出的退火室的等距图的特写版本。
[0024]图11示出了可以用于实现所公开的实施例的多工具电镀装置的可供替换的实施例。
[0025]图12A-12D示出了衬底入口缝隙的各种结构。
[0026]图13示出了当衬底被插入通过图12A-12D中示出的衬底入口缝隙时，针对氧气浓度随着时间推移而变化的建模结果。
[0027]图14A和14B图示了针对单个腔的情况(图14A)和多个腔的情况(图14B)在衬底入口缝隙中流线。
[0028]图15A和15B图示了针对单个配对的腔的情况(图15A)和多个配对的腔的情况(图15B)，在衬底入口缝隙中针对氧气浓度分布的建模结果。
【具体实施方式】
[0029]在该申请中，互换地使用术语“半导体晶片”、“晶片”、“衬底”、“晶片衬底”、以及“部分制造的集成电路”。一个本领域中的普通技术人员将理解，术语“部分制造的集成电路”可以指集成电路在硅晶片上制造的多个阶段中的任何一个阶段期间的硅晶片。在半导体设备工业中使用的晶片或衬底通常具有200mm、或300mm、或450mm的直径。随后的详细描述假定本发明是在晶片上实现的。但是，本发明不受限于此。工件可以是任何的形状、尺寸和材料。除了半导体晶片之外，可以利用本发明优点的其他的工件包括诸如印刷电路板等各种物品。
[0030]在随后的描述中，给出了许多具体细节以提供对所呈现的实施例的透彻理解。所公开的实施例可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他实例中，未详细地描述公知的工艺操作，以免不必要地混淆所公开的实施例。虽然将结合具体实施例来描述所公开的实施例，但是应用理解的是，其不意在限制所公开的实施例。虽然可能以诸如“左”和“右”或“上”和“下”等之类的相对描述的术语描述了某些实施例，但是，除了另有指定之外，否则这些术语用于方便理解而不意在进行限制。例如，虽然以上部和下部的术语描述了衬底入口缝隙，但是这些部件可以对应于下部和上部、左部和右部等。
[0031]一般而言，所公开的实施例设计用于减少在处理室中特定气体的浓度的方法和装置。虽然讨论中的大部分聚焦在最小化退火室中的氧气浓度，但是本发明不受限于此。本发明还可以用于减少其他气体的浓度以及在其他类型的处理室中。
[0032]经常地，执行退火以将较不稳定的材料转换成较稳定的材料。例如，在常规的镶嵌工艺中，经电化学沉积的铜具有相对较小的晶粒尺寸，沉积态(例如，在大约10-50nm之间的平均晶粒尺寸)。该较小的晶粒尺寸在热力学上是不稳定的，并且其将在形态上随着时间的推移而变化以形成较大的晶粒。如果部分制造的集成电路未被退火，则沉积态晶粒结构在几天的期间将自发地转换成在热力学上较稳定的晶粒尺寸。在热力学上稳定的晶粒尺寸(例如，在大约0.5-3倍的镀膜厚度之间的平均晶粒尺寸，其中膜厚度范围在0.25-3 ym之间)通常比沉积态晶粒尺寸大。
[0033]不稳定的较小的晶粒尺寸可以导致各种问题。首先，因为被沉积的材料的形态随着时间