对无电沉积的终点进行检测的装置和方法

专利名称：对无电沉积的终点进行检测的装置和方法
技术领域：
本发明一般地涉及在形成于衬底上的亚微米孔径上沉积导电材料的装置和方法。
背景技术：
可靠地生产亚微米的和更小的构件是用于下一代超大规模集成电路(VLSI)和甚大规模集成电路(ULSI)半导体器件的关键技术之一。但是，由于电路技术的界限受到压力，VLSI和ULSI技术中互连器件尺寸的减小已经对器件形成工艺的处理能力和持续均匀控制提出了额外的要求。在这些技术中位居中心的多级互连器件需要对复杂构件(例如单嵌入结构或双嵌入结构)以及大长宽比构件(例如过孔或其他互连器件)的精密处理。可靠地形成这些互连器件并可靠地将这些构件连接到其他器件上对于VLSI和ULSI的成功非常重要，对于增大单个衬底的电路密度和器件产量的持续努力也非常重要。
半导体处理通常包括将材料沉积到衬底上以及从衬底上去除(“刻蚀”)材料。通常的沉积处理包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、电镀以及无电镀。去除处理包括化学机械平面化(CMP)刻蚀以及其他。在衬底的处理和操作期间，衬底要经历各种结构和化学上的改变。示例性的改变包括沉积在衬底上的层的厚度、形成于衬底上的层的材料、表面形态、器件图样的改变等等。必须控制这些改变以使形成于衬底上的器件产生期望的电特性。例如在刻蚀的情形中，用终点检测方法来确定从衬底上去除所需数量材料的时间。更普遍地说，成功的处理需要确保正确的处理方案、控制处理进程(例如气流、温度、压力、电磁能量、持续时间等)等等。
目前铜及其合金已经成为亚微米互连技术中选择的材料，因为铜具有比铝更低的电阻率(1.7μΩ-cm，铝为3.1μΩ-cm)，更高的载流能力以及高得多的抗电子迁移能力。这些特性对于支持高集成度和提高器件速度所需的更高电流密度是重要的。铜可以通过各种技术沉积，例如PVD、CVD和电镀。
通常使用铜或者铜合金的器件构件是单嵌入或双嵌入处理。在嵌入处理中，在介质材料中刻蚀构件，随后用铜将其填充。在沉积铜之前，先在形成于介质层中的构件的表面上共形地沉积阻挡层。然后将铜沉积在阻挡层上方以及周围区域。由于材料层是顺序地沉积和去除的，整个衬底最上层的表面可能变得不平并需要平面化。对表面进行平面化或者对表面进行“抛光”是从衬底表面去除材料以形成基本上平坦的平面表面的过程。平面化有助于去除不需要的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面、结块材料、晶格破坏、划痕以及被污染的层或材料。平面化还有助于通过去除多余的沉积材料而在衬底上形成构件，所述多余的沉积材料是用于填充构件并提供平坦表面用于后续的金属化和处理。
化学机械平面化或化学机械抛光(CMP)是用于对衬底进行平面化的常用技术。CMP使用化学成分来选择性地从衬底去除材料，所述化学成分通常是研磨液或其他流体媒介。在传统的CMP技术中，衬底载具或抛光头安装在载具组件上并设置为与CMP装置中的抛光垫相接触。载具组件向衬底提供可控的压力以使衬底靠在抛光垫上。通过外部驱动力使抛光垫相对于衬底运动。CMP装置使衬底表面与抛光垫之间进行抛光或摩擦运动，同时撒播抛光成分或研磨液以产生化学行为和/或机械行为并因此从衬底表面去除材料。
在对衬底表面进行平面化之后，该表面通常包括暴露构件组成的阵列以及“被填充区域”，所述“被填充区域”包括将各构件彼此电隔离开的某些结构性的介质材料。暴露构件可能包含互连金属例如铜、铝或钨，以及阻挡材料例如钽、氮化钽、钛、氮化钛、钴、钌、钼等。
尽管铜已被选择为最常用的互连材料之一，但它也有几个缺点，由于它难以刻蚀，所以在暴露于大气中时趋向于形成稳定的氧化物层，并且在暴露于其他侵蚀性半导体制造环境中时可能形成各种腐蚀产物。形成稳定的氧化物层可能大大影响连接的可靠性。为了解决这个问题，已经采用了各种方法在互连材料上方沉积更不活泼的金属性层或覆盖层，以减小表面的氧化或暴露层随后遭到的侵袭。沉积覆盖层可以通过物理气相沉积(PVD)、分子束外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或无电沉积处理来进行。由于PVD、CVD、ALD和MBE会在整个衬底表面无差别、无选择性地沉积覆盖层材料，所以后续的抛光或形成图样以及刻蚀需要将暴露构件从电学上隔离开来。附加的抛光、形成图样以及刻蚀大大增加了器件形成工艺的复杂性。因此，无电沉积处理常常是优选的。
尽管无电沉积技术已经广泛用于在不导电的印刷线路板上方沉积导电金属，但无电沉积技术尚未大量用于在VLSI和ULSI半导体中形成互连器件。无电沉积包括自催化化学沉积处理，它无需施加电流以产生反应。无电沉积通常包括通过将衬底浸入池中或通过在衬底上喷射溶液而使衬底暴露于溶液中。微米工艺中通过无电或电镀技术沉积导电材料需要能够电子迁移的表面用于导电材料在表面上方产生成核现象。非金属表面和氧化的表面是不能参与电子迁移的表面的例子。包括钛、氮化钛、钽和/或氮化钽的阻挡层对于后来沉积的导电材料层的成核来说是很差的表面，因为这些阻挡层易于形成天然氧化物。
使用无电沉积处理带来的一个问题是表面污染或氧化对无电沉积处理开始或“起始”所花费的时间的影响。这个时间通常称为“起始时间”，强烈依赖于催化层流体或沉积流体与互连构件的表面发生反应的能力。一旦无电反应开始，沉积固定量材料的时间就是可预计的，并且通常落在比较有重复性的沉积率范围内。但是，由于如果无法知道处理的起始时间并且起始时间随着不同的衬底或衬底上不同的区域而变化，则难以知道何时能够在整个衬底表面沉积到期望的材料厚度。为了补偿这种工艺变化量，工程师们经常采用最坏情况下的处理时间以确保整个衬底表面或从一个衬底到另一个衬底上都沉积了期望数量的材料。使用最坏情况下的处理时间使沉积室的生产能力受到了损失，并且浪费了通常价格昂贵的无电沉积溶液。而且，整个衬底表面和/或衬底之间沉积的膜的厚度差别还会引起所形成的器件的处理速度(例如传送延迟)的差别。由电阻差别(即不同的厚度)造成的所形成的器件的速度差别可能对器件产量带来很大影响。
因此，需要一种改进的装置和方法，用于监视并检测无电沉积处理的终点。

发明内容
本发明的各方面提供了用于对无电沉积处理进行监视以确定无电处理步骤的终点的装置。该装置包括室、衬底支座、朝向衬底支座的电磁辐射源、检测从安装在衬底支座上的衬底的表面反射的电磁辐射强度的检测器，以及用于接收来自检测器的信号并控制无电沉积处理的控制器。
在本发明的另一个方面中，一种用于对无电沉积进行监视的装置包括室、衬底支座、朝向衬底支座的电磁辐射源、检测从衬底表面反射的电磁辐射强度的检测器，检测来自电磁辐射源的电磁辐射强度的第二检测器，以及用于接收来自检测器的信号并控制无电沉积处理的控制器。
在本发明的另一个方面中，一种用于对无电沉积进行监视的装置包括室、衬底支座、朝向衬底支座的包括一个或多个发光二极管的电磁辐射源、检测从安装在衬底支座上的衬底的表面反射的电磁辐射强度的检测器，以及用于接收来自检测器的信号并控制无电沉积处理的控制器。
在本发明的另一个方面中，一种用于对无电沉积进行监视的装置包括室、衬底支座、朝向衬底支座的电磁辐射源、检测从衬底表面反射的电磁辐射强度的检测器，用于接收来自检测器的信号而且用于控制无电沉积处理的控制器以及结合到控制器的存储器。存储器包括计算机可读介质，所述计算机可读介质具有包含于其中的计算机可读程序用于指导无电沉积系统的操作。计算机可读程序包括计算机指令，所述计算机指令被编码用于启动处理，对反射的电磁辐射的强度数据进行收集并将其存储在存储器中，将存储的数据与收集的数据进行比较，随后当收集的数据超过阈值时停止无电沉积处理。
本发明的各方面提供了一种对无电沉积处理进行控制的方法，该方法是通过下述步骤进行的将衬底置于无电沉积室中，从宽带光源将电磁辐射发射到衬底上，对反射离开衬底表面的一个或多个波长处的电磁辐射强度进行检测，对一个或多个波长处的电磁辐射强度进行监视以确定无电沉积处理的状态。
本发明的另一个方面提供了一种对无电沉积处理进行控制的方法，该方法是通过下述步骤进行的从宽带光源将电磁辐射发射到衬底上，对反射离开衬底表面的一个或多个波长处的电磁辐射强度进行检测，将第一时间收集到的所检测到的电磁辐射强度数据与第二时间收集到的所检测到的电磁辐射强度数据相比较，并且当第一时间检测到的电磁辐射与第二时间检测到的电磁辐射之间的差超过工艺值的时候改变处理步骤。
本发明的另一个方面提供了一种对无电沉积处理进行控制的方法，该方法是通过下述步骤进行的从宽带光源将电磁辐射发射到衬底上，对第一时间反射离开衬底表面的电磁辐射强度进行检测，对第二时间反射离开衬底表面的电磁辐射强度进行检测，用存储的第一时间的电磁辐射数据与第二时间数据计算强度的第一改变率，对第三时间反射离开衬底表面的电磁辐射强度进行检测，对第四时间反射离开衬底表面的电磁辐射强度进行检测，用存储的第三时间的电磁辐射数据与第四时间数据计算强度的第二改变率，将计算得到的第一时间的和第二时间的改变率进行比较，并且当第一时间的和第二时间的强度改变率之间的差等于工艺值的时候改变无电沉积处理。
本发明的另一个方面提供了一种对无电沉积处理进行控制的方法，该方法是通过下述步骤进行的从宽带光源将电磁辐射发射到衬底上，用第一检测器对来自宽带光源的一个或多个波长处的电磁辐射强度进行检测，用第二检测器对无电沉积处理期间反射离开衬底表面的一个或多个波长处的电磁辐射强度进行检测，计算第一检测器和第二检测器检测到的一个或多个波长处的电磁辐射强度差，并且对计算得到的一个或多个波长处的强度差随时间的变化进行监视以确定无电沉积处理的状态。
本发明的另一个方面提供了一种对无电沉积处理进行控制的方法，该方法是通过下述步骤进行的将无电沉积流体发送到无电沉积室中，将检测器浸入与衬底接触的无电沉积流体，通过从宽带光源发射电磁辐射并检测反射离开衬底表面的一个或多个波长处的电磁辐射强度而检测电磁辐射的强度，将第一时间检测到的电磁辐射强度与第二时间检测到的电磁辐射强度进行比较，当第一时间的电磁辐射强度与第二时间的电磁辐射强度之间的差等于工艺值的时候启动沉积定时器，以及在沉积定时器到达限定的一段时间之后改变处理步骤。
本发明的另一个方面提供了一种对无电沉积处理进行控制的方法，该方法是通过下述步骤进行的从宽带光源发射电磁辐射，对无电沉积处理期间在衬底表面上两个或更多位置处反射离开衬底表面的一个或多个波长的电磁辐射强度进行检测，将第一时间检测到的衬底表面上一个位置处的电磁辐射与第二时间的电磁辐射相比较，并且在第一时间与第二时间在衬底表面该位置处的电磁辐射之间的差超过工艺值的时候改变处理步骤。
本发明的另一个方面提供了一种对无电沉积处理进行控制的方法，该方法是通过下述步骤进行的从宽带光源发射电磁辐射，用检测器对反射离开衬底表面的电磁辐射强度进行检测，用检测器在整个衬底表面上扫描，通过对一段时间内一个或多个波长处监视到的强度求和并用求和的结果除以该段时间而计算出处理的平均状态，并且在计算得到的平均强度等于某个工艺值的时候改变处理步骤。
本发明的另一个方面提供了一种对无电沉积处理进行控制的方法，该方法是通过下述步骤进行的从宽带光源发射电磁辐射，对反射离开衬底表面的一个或多个波长处的电磁辐射强度进行检测，计算第一时间和第二时间每个检测到的波长处检测到的电磁辐射强度值的强度差，并对计算得到的差最大的波长处的电磁辐射强度进行监视以确定无电沉积处理的状态。
在本发明的另一个方面，一种对无电沉积进行监视的装置包括室、设置在室内的具有衬底接收表面的衬底支座、在表面上具有检测构件的衬底，其中该衬底设置在衬底支座的衬底接收表面上、朝向衬底表面的电磁辐射源、在无电沉积处理期间对从检测构件反射的电磁辐射强度进行检测的检测器以及用于接收来自检测器的信号并控制无电沉积处理的控制器。
本发明的另一个方面提供了一种对无电沉积处理进行控制的方法，该方法是通过下述步骤进行的将衬底置于无电沉积室中，从宽带光源将电磁辐射发射到衬底上的检测构件，在无电沉积处理步骤过程中用检测器对反射离开检测构件的一个或多个波长处的电磁辐射强度进行检测，以及对一个或多个波长处的电磁辐射强度进行监视以确定无电沉积处理的状态。
本发明的另一个方面提供了一种对无电沉积处理进行控制的方法，该方法是通过下述步骤进行的将衬底置于无电沉积室中，从宽带光源将电磁辐射发射到衬底上，在无电沉积处理开始时用检测器对反射离开衬底表面的一个或多个波长处的电磁辐射强度进行检测，在第二时间用检测器对反射离开衬底表面的一个或多个波长处的电磁辐射强度进行检测，以及当一个或多个波长处检测到的强度改变超过期望程度时改变处理步骤。


通过结合附图中所图示的本发明实施例，可以对上面简要概括的本发明进行更具体的描述，这样，就能够详细地了解实现上述本发明的构件、优点和目的的方式。
但是，应当注意，附图仅仅图示了本发明的典型实施例，因此不应被认为限定了本发明的范围，因为本发明可以采取其他等效的实施例。
图1A-1C示出了用本发明实施例处理的构件的示例性截面图。
图2A示出晶片检测系统实施例的示例性截面图。
图2B示出晶片检测系统实施例的示例性截面图。
图3A图示了发射传感器检测器测得的强度随波长变化的曲线图。
图3B图示了发射传感器检测器测得的强度随波长变化的曲线图。
图3C图示了对图3A和图3B所示的结果进行比较而得到的归一化信号的强度随波长变化的曲线图。
图3D图示了在一个波长处测得信号的强度随时间变化的曲线图。
图4图示了检测机构在衬底表面上的观察区域的示例性视图。
图5图示了本发明所用面朝上的无电处理室的示例性截面图。
图5A是示出本发明实施例的图5的特写视图。
图6A是衬底的俯视图，它图示了一种分布在整个衬底表面的可能的检测机构阵列。
图6B是衬底的俯视图，它图示了一种分布在整个衬底表面的可能的检测机构阵列。
图6C是衬底的俯视图，它图示了使用单一电磁辐射源的一种分布在整个衬底表面的可能的检测机构阵列。
图7示出了本发明所用的面朝下的无电处理室的示例性截面图。
图7A是示出了本发明实施例的图7的特写视图。
图8示出使用了衬底表面上的构件的晶片检测系统的实施例的示例性截面图。
图9A图示了当衬底10转动时，在第一时刻由检测器系统测得的强度随时间变化的曲线图。
图9B图示了当衬底10转动时，在第二时刻由图9A的检测器系统测得的强度随时间变化的曲线图。
具体实施例方式
图1A示出了衬底基底14的示意性截面图，衬底基底14形成于衬底10上并通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电化学沉积(ECP)、无电沉积或分子束外延(MBE)处理而填充。衬底10包含在工件上进行膜处理的任意工件。例如，衬底10可以是硅半导体衬底(或晶片)，或者形成于衬底上的其他材料层。介质层12沉积在整个衬底上。介质层12通常是氧化物、氧化硅、碳硅氧化物(carbon-silicon-oxide)、氟硅(fluoro-silicon)、多孔介质或其他合适的介质。对介质层12进行构图以提供构件16，例如过孔、沟槽、接触孔或线，延伸到衬底基底14的暴露表面部分。本领域技术人员还明白，本发明可以用于双嵌入工艺流程。用衬底10表示衬底基底14以及形成于衬底基底14上的其他材料层，例如介质层12以及其他后续沉积的材料层。
图1A示出填充构件16的一种方法，该方法包括在整个衬底基底14上沉积阻挡层20，然后通过沉积导电材料层26填充余下的孔径。导电材料层26的沉积可以通过无电沉积、ECP、PVD、CVD或无电沉积与其后的电镀、PVD或化学气相沉积的组合而进行。根据构件16的形状和尺寸，由于其他处理需求要求形成额外的层以填充构件16，所以填充构件16的处理可能比图1A-1C所示的更加复杂。形成于更加复杂的器件中的层的一个例子是阻挡层，籽晶层，催化层(如果是无电)，中间籽晶层和/或块状导电层。
图1B大致地示出接下来的主要处理步骤，该步骤包括对填充后的构件的顶部进行平面化，它可以通过例如化学机械抛光的处理来完成。平面化步骤还可以通过电化学平面化(ECMP)处理来完成，其中使用机械、化学和/或电化学行为以去除期望的材料。
由于导电材料层26的构件表面26a是用于将目前的金属层中的器件电连接到后续金属层的界面，所以界面上的氧化或污染可能影响其接触目前的金属层的能力并从而影响器件成品率，其中所述后续金属层位于目前的金属层顶上。因此需要如图1C所示的覆盖层28，它在后续处理中不受侵蚀或允许在构件表面26上形成厚的氧化物层。由于PVD、MBE、CVD和ALD沉积处理无差别并且不加选择地在整个衬底表面沉积覆盖层材料，所以需要后续的抛光或形成图样以及刻蚀来将暴露的器件/构件电学地隔离开。由于选择性沉积膜的能力，无电沉积处理经常是优选的。
在一种实施例中，覆盖层28是单一的无电沉积层(未示出)。覆盖层28可以通过沉积钴或钴合金而形成于衬底表面的导电部分上。例如，有用的钴合金包括钴-钨合金、钴-磷合金、钴-锡合金、钴-硼合金以及例如钴-钨-磷(CoWP)、钴-钨-硼(CoWB)和钴-钨-磷-硼(CoWPB)的合金。此实施例中的覆盖层28可以沉积到约150埃或更小的厚度，例如约100埃到约200埃之间。
在另一实施例中，覆盖层28可以有两个或更多沉积层组成，例如催化层29和导电覆盖层30。首先沉积很薄的催化层29以提高导电覆盖层30到导电材料层26和阻挡层20的附着力。在一种实施例中，通过无电沉积处理来沉积催化层29以提高到构件16中除了阻挡层20之外的所有层的附着力。可以通过在衬底表面的导电部分上沉积一种或更多贵金属而在其上形成催化层。通常提供的催化层溶液可使贵金属沉积到厚度约50埃()或更小，例如约10埃或更小。贵金属可以是钯、铂、金、银、铱、铼、钌、锇或它们的任意组合。贵金属优选为钯。
接下来通过选择性无电沉积处理在暴露的催化层29上沉积导电覆盖层30。导电覆盖层30优选地包括钴或钴合金。例如，有用的钴合金包括钴-钨合金、钴-磷合金、钴-锡合金、钴-硼合金以及例如钴-钨-磷、钴-钨-硼和钴-钨-磷-硼的合金。导电覆盖层还可以包括其他金属和金属合金，例如镍、锡、钛、钽、钨、钼、铂、铁、铌、钯、镍钴合金、掺杂钴、掺杂镍合金、镍铁合金以及它们的组合。导电覆盖层可以沉积到约150埃或更小的厚度，例如约100埃到约200埃之间。沉积覆盖层的方法和装置在2002年10月30日提交的题为“Post Rinse To Improve Selective DepositionOf Electroless Cobalt on Copper For ULSI Application”共同待决的美国专利申请No.10/284,855[AMAT 7081]中有更加完整的说明，在与此处的权利要求各方面和公开内容不矛盾的情况下，通过引用而将该文献结合至本申请中。通过引用而结合的无电沉积处理步骤大致包括下列处理步骤预漂洗、起始层沉积、漂洗步骤、覆盖层沉积以及覆盖层沉积后清洁处理。预漂洗步骤设计为去除衬底表面上的金属氧化物或其他污染物。此处所用的“衬底表面”指用作后续处理操作的基础的金属层，例如，它可以包含互连构件(构件16)的任何部分，例如插座、过孔、触点、线、导线等等，以及一个或更多非导体材料(介质层12)，例如硅、掺杂硅、锗、砷化镓、玻璃以及蓝宝石。预漂洗处理可以使用酸性溶液去除/刻蚀衬底表面的顶部(例如约10埃到约50埃)，其中酸性溶液优选为约25℃下重量比0.5％的HF，1M的硝酸和平衡去离子水(balance D1 water)。预漂洗处理还包括去离子水漂洗步骤以去除任何残余的预漂洗溶液、任何被刻蚀的材料和微粒以及之前的预漂洗步骤中可能形成的任何副产品。在预漂洗处理之后，通过选择性地在衬底表面的暴露导电材料上沉积约50埃或更少的贵金属例如钯而在衬底表面上沉积起始层。在一个方面，起始层是从包含至少一种贵金属盐和至少一种酸的无电溶液沉积的。起始层无电溶液内贵金属盐的浓度应当在约百万分之80(ppm)到约300ppm之间。示例性的贵金属盐包括氯化钯(PdCl2)、硫酸钯(PdSO4)、氯化铵钯(palladiumammonium chloride)或其组合。漂洗处理使用漂洗剂例如去离子水，对衬底表面进行漂洗以去除用于形成起始层中的任何溶液。接下来通过选择性无电沉积处理在暴露的起始层上沉积钝化层。优选地，钝化层包括用钴无电溶液沉积的钴或钴合金，所述钴无电溶液包含20g/L的硫酸钴、50g/L的柠檬酸钠、20g/L的次磷酸钠以及足够量的氢氧化钾以提供约为10的pH值。在钝化层沉积之后，可以对衬底表面进行清洁，通过使用沉积后清洁处理去除多余的钝化材料部分。沉积后清洁溶液可包括例如硫酸和去离子水的溶液。
在另一种实施例中，用于无电催化层29和覆盖层30沉积处理的化学物质是由制造商，例如康涅狄格州West Haven的Enthone，Inc提供的。所用的通常的催化层29沉积的化学物质的一个实例是Enthone Inc提供的E-CoWP活性剂763-45(钯(Pd))。使用E-CoWP活性剂763-45化学物质的示例性催化层沉积处理是一种25秒的室温沉积处理，它将沉积约30埃的钯。在用E-CoWP活性剂763-45化学物质沉积催化层29之后，用沉积后漂洗剂(例如螯合漂洗5×)来使催化层活化以便沉积后续的覆盖层30。接下来将ENCAP CoWP763-38A和ENCAP CoWP763-39B覆盖层30化学物质按照制造商的建议比例混合，然后用于在活化了的催化层29上沉积约150埃的CoWP覆盖层。使用两组分ENCAP CoWP763-38A和CoWP763-39B化学物质的示例性覆盖层沉积处理是一种45秒和75摄氏度的沉积处理，它沉积约150埃的CoWP。
在另一种实施例中，用来自Enthone Inc.的自初始化覆盖层化学物质来覆盖构件表面26a。通常的沉积化学物质的一个示例是由Enthone Inc.提供的两部分CAPB764-75A和CAPB764-75B化学物质。将两部分CAPB764-75A和CAPB764-75B化学物质混合到制造商建议的比例，沉积约150埃的CoWB覆盖层。使用两组分CAPB764-75A和CAPB764-75B化学物质的一种示例性工艺是45秒和65摄氏度的沉积处理，它沉积150埃的CoWB膜。在沉积覆盖层之前，用Enthone提供的预清洁溶液CAPB清洁剂从构件表面26a去除任何氧化物并使其为后续的沉积做好准备。
催化层的无电沉积方法和/或导电材料层的无电沉积方法可以在任何适于使衬底接触处理溶液的室内进行，例如无电沉积室、电镀室等等。在一种实施例中，可以在同一个室内沉积催化层和导电材料层。在另一种实施例中，在不同的室内沉积催化层和导电材料层。在一个方面，在不同的室内沉积催化层和导电材料层减少了产生的微粒，所述微粒可能由于催化层溶液与导电层溶液的反应而形成并沉积于室构件上。
使用无电沉积处理带来的一个问题是即使是少量的表面污染或氧化对无电沉积处理“起始”或开始沉积材料所花费的时间的影响。无电沉积处理起始所花费的时间，或者说起始时间，可能随着不同的衬底或衬底上不同的区域而变化。起始时间的变化使得难以知道在任意给定的时刻已经沉积了多少材料或者何时能够沉积期望数量的材料。如上所述，起始时间的变化可能浪费非常昂贵的(多种)沉积溶液，引起整个衬底上以及不同衬底间器件性能的变化，并可能降低无电沉积室的衬底产量。此外，为了用无电沉积室获得高产量(每小时的衬底数)，沉积薄膜的处理时间可能很短，例如约10秒，因而对于生产具有一致器件特性的器件来说，需要对无电沉积处理进行监视和控制可能是关键的。在某些情况下，将暴露于一种或多种无电沉积化学物质组分的时间延长将使一个或多个暴露的衬底表面受到明显侵蚀。因此，在本发明的一个方面，重要的是找到一种方法，使表面暴露于一个或多个无电沉积化学物质构件的时间最短以防止产生明显侵蚀。
因此，本发明的一个目的是开发一种对衬底表面上沉积了期望厚度的材料的时刻进行监视和/或检测的方法。本发明一般可用于检测并监视由于构件表面26a的某些物理特性的改变或期望材料的沉积而产生的改变。室控制器对收集到的数据进行监视、存储和处理的能力可以减小不同衬底间的差异以及减小浪费的昂贵沉积化学品的数量。本发明另一个可能的目的是一种检测并提供关于整个衬底表面上沉积层厚度的数据的方法，所述整个衬底表面上沉积层的厚度作为时间的函数。
图2A示出本发明的一种实施例，它使用检测机构60对无电沉积处理的状态作为时间函数进行监视和反馈。为了达到这个目的，检测机构60安装在无电沉积室中并设置为可以对无电沉积处理(例如催化层沉积处理、导电覆盖层沉积处理、预漂洗步骤、漂洗步骤或后导电覆盖层清洁处理步骤)期间构件表面26的光学特性变化进行监视。在本发明的一种实施例中，从宽带光源68发射的电磁辐射必须经过沉积流体，从衬底10的表面上的构件反射离开，穿过沉积流体168，然后由检测系统55收集。光源和检测器置于沉积流体168表面上方带来的一个问题是从宽带光源58发射的光可能反射离开流体表面并由检测系统55收集，从而在检测器处给出错误的高强度读数。由来自流体表面的反射(即反射64)和其他外部辐射来源引起的干涉通常被认为噪声。在试图对噪声相对于所传送信号的数量进行量化时，经常使用一个称为信噪比的量。信噪比越大，越容易将真实信号从出现在检测系统中的不希望的噪声中分离出来，从而在收集到的数据中所得到置信度越高。
如上所述，衬底10的表面包括填充后的构件的顶面以及介质材料12，其中所述顶面包含导电层和阻挡层。由宽带光源58投射到衬底10表面上的光通常仅从暴露的金属表面反射而不从介质层反射。对于当前的技术状态，据信平面化步骤之后，衬底表面上暴露的金属表面通常占衬底总表面积的约50％(即构件密度)。为了使检测器系统55收集到的辐射密度最大，检测器的视角θ3优选为与从衬底表面反射的辐射相符。期望的视角θ3可能取决于反射光的表面条件，该条件可能受例如表面粗糙度(影响镜面反射或漫反射)、材料折射率以及表面在辐射波长处的吸收特性的影响。期望的视角θ3大小通常设定为等于入射角θ1和反射角θ2。
图2A示出检测机构一种实施例的示例性截面图，所述检测机构是开发来对沉积膜的终点和/或生长进行监视和检测的。检测机构60包括宽带光源58、光源控制器14l、检测器系统55、检测器控制器142以及系统控制器140。检测机构60通常置于离开衬底10一段距离处，使检测器系统55可以收集和测量由宽带光源58发射并从衬底10的表面反射的不同波长处的辐射强度。在一种实施例中，宽带光源58主要包含外壳57、光发射源50和光学聚焦装置52。在另一种实施例中，宽带光源58包含光发射源50和外壳57。外壳57包围光发射源50并使发射的光能够经过单一开口57a，以减小可能影响检测器信噪比的杂散光数量。外壳57还用作容纳并发射由光发射源50所产生的辐射的黑体。光学聚焦装置52可以是透镜或者其他器件，向着衬底10表面上的观察区域68，对从光发射源50发射的电磁辐射进行准直、聚焦和/或引导。在一种实施例中，来自宽带光源58的电磁辐射由光缆(未示出)收集并传输到观察区域68，从而使宽带光源58可以置于与光投射到衬底表面上的点离开一段距离的位置处。
图4示出平面化处理之后衬底10的俯视图以阐明包含构件表面26a和视场表面12a的观察区域68。观察区域68，也就是辐射投射到衬底表面上的区域，是可以进行调整以提供期望的粒度来确定衬底表面状态的工艺变量。由于用减小后的面积对整个结果进行平均，所以，使用较小的观察区域时接收到的信号的差异可能大于使用较大的观察区域时得到的差异。在一种实施例中，观察区域可以与衬底的整个表面积一样大。在另一种实施例中，观察区域可以小至直径约为1到2毫米。在另一种实施例中，优选的观察区域直径为约2到约50微米(μm)。被反射的辐射即信号在特定波长处与工艺参数改变、到新处理阶段的转变或者不同衬底表面特性之间差别(例如构件密度、暴露的材料等等)的相关性，可以通过在进行期望的沉积过程之前用一个或多个测试工件对强度信号随沉积膜的生长进行表征来完成。
光发射源50是发射跨越从约200纳米(nm)到约800nm的波长范围宽辐射谱的电磁辐射源。可能的电磁辐射源(宽带光源)的示例可以是钨丝灯、激光二极管、氙灯、汞弧灯、金属卤化物灯、碳弧灯、氖灯、硫灯或它们的组合。在一种实施例中，可以用一个或多个发光二极管(LED)作为电磁辐射源。因为发光二极管可以发出很窄波长范围的强光，并且一旦损坏可以相对便宜地进行更换，所以它们具有超过其他设计的某些优点。使用一个或多个LED还可以减小检测系统的复杂性，因为它无需使用分光计、单色仪、衍射光栅、光学滤波器或其他的类似部件。
光源控制器141控制光发射源50的输出强度并向主系统控制器140发出输出信号。在一种实施例中，采用光源控制器141作为可以从宽带(多波长)光发射源50产生单一谱线的单色仪。在这个实施例中，光源控制器141设计为使它可以通过主系统控制器140发送的命令而作为时间的函数扫过从宽带光发射源发射的波长范围。用光源控制器141作为单色仪使得可以将不同波长作为时间的函数进行扫描，以监视和控制无电处理。
检测器系统55包括电磁辐射检测器56、检测器外壳53、光学聚焦装置54以及检测器控制器142。外壳53包围宽带光源58并优选地使从其发射的光以及从衬底10反射的光可以由电磁辐射检测器56收集。电磁辐射检测器56是设置为测量跨越一个或多个波长的电磁辐射强度的检测器。电磁辐射检测器56可以从下列种类的传感器中选择，例如光伏的、光电导的、光电导结型、光电发射二极管、光电倍增管、热电堆、辐射热测定器、热释电传感器或其他类似的检测器。在一种实施例中，用来自瑞典Solna的Hamamatsu Photonics Norden AB或华盛顿州Everett的PLCMultipoint Inc.的光电导检测器来检测电磁辐射的宽光谱。
在本发明的一种实施例中，将一个或多个光学滤波器(未示出)增加到检测器系统55中，位于衬底表面与电磁辐射检测器56之间。增加的(多个)光学滤波器选择为使得只有特定的期望波长可以传送到电磁辐射检测器56。这种实施例有助于减小照射到检测器的能量，它可以帮助提高所检测的辐射的信噪比。(多个)光学滤波器可以是从例如马萨诸塞州Westford的Barr Associates，Inc或新罕布什尔州Salem的AndoverCorporation购买的带通滤波器、窄带滤波器、光学边带滤波器、陷波滤波器或宽带滤波器。在本发明的另一方面中，可以将光学滤波器增加到宽带光源58以限制投射到衬底表面上并由检测器系统55检测到的波长。
图5A示出本发明一种实施例的截面图，它可以通过将可透射的物体90浸入沉积流体而减小来自沉积流体表面的反射光的影响。在这个实施例中，宽带光源58和检测器系统55安装在可透射的物体90上。将可透射的物体90结合到系统中以减小由反射离开流体表面的辐射造成的噪声。尽管可透射的物体90具有可以将所发射的辐射进行反射的固体/液体界面，但如果使可透射的物体90与沉积流体168之间的折射率差别最小，则反射的辐射量也可以最小。
在本发明的另一种实施例中，穿过沉积流体投射的辐射波长不影响沉积处理(例如流体中的光敏构件等等)。同样，通常优选为使发射的波长不被流体中的构件吸收并因此影响检测到的信号的信噪比。
如图2A所示，光学聚焦装置54可以是透镜或其他器件，对通过开口53a的电磁辐射进行收集、聚焦和/或导向。在一种实施例中，用光缆(未示出)来收集从衬底表面反射的光并将其发送到位于离开衬底表面一段距离的检测器56。在一种实施例中，光缆(未示出)包含光学聚焦装置，用于收集反射的电磁辐射。在另一种实施例中，光缆(未示出)置于光学聚焦装置54与检测器56之间，从而使光学聚焦装置可以收集到最大的辐射量并使检测器和任何相关的电子构件可以位于远离衬底处理区域的位置处。检测器控制器142通常用于对检测器56的输出进行感测并将输出信号发送到主系统控制器140。
图2B图示了检测机构60的一种实施例，其中采用检测器系统55形成分光计192。分光计用于收集来自宽带光源58的辐射，将辐射分成离散的波长，并检测每个离散的波长处的辐射强度。分光计通常包括输入狭缝190、衍射光栅191(或光学棱镜)、衍射光栅控制器195以及检测器阵列193以收集输入的辐射。衍射光栅控制器195使检测器控制器142可以调整衍射光栅的位置以控制由检测器阵列193中分立的检测器194a-194c检测到的每个波长的强度。在一种实施例中，分光计用于对整个所发射的辐射波长范围作为时间的函数进行扫描，以监视并控制无电处理。
在另一种实施例中，将发射传感器70结合到检测系统60中以便可以测量宽带光源58的输出并将其与检测系统55收集到的被反射的辐射进行比较，以增强对反射的辐射强度改变的检测能力。发射传感器70对整个波长范围的辐射强度进行感测并将其发送到系统控制器140。对从宽带光源58发射的辐射的测量可以通过使用光缆74来实现，所述光缆74收集来自光源的辐射并将其发送给发射传感器检测器71。在一种实施例中，发射传感器检测器71耦合到单色仪以收集各离散波长处的强度。在另一种实施例中，发射传感器70可以是分光计。
在发射传感器70的另一种实施例中，光缆74收集从宽带光源58发射的辐射并将收集到的辐射发送到检测系统55。在这种实施例中，光缆74接收并传送的光以及检测系统55的光学聚焦装置54收集到的辐射由检测器56用机械驱动的狭缝(未示出)进行选择性的感测，所述狭缝用于选择待检测的辐射源。在这种实施例中，由光源控制器141或系统控制器140控制的机械驱动狭缝首先使光缆74接收并传送的辐射强度照射到检测系统55而防止检测系统55感测光学聚焦装置54收集到的辐射。在从光缆74收集到一个或多个波长处的强度数据之后，机械驱动的狭缝移动到第二位置。机械驱动的狭缝的第二位置使光学聚焦装置54收集的信号可以由检测系统55感测而防止检测系统55感测来自光缆74的辐射。两种不同信号的测量顺序可以根据需要而改变以增强检测过程。在另一种实施例中，光缆74收集到的辐射和光学聚焦装置54收集到的光，通过被驱动狭缝由分光计192进行选择性感测，所述狭缝用于选择待检测的辐射源。
图3A示出发射传感器检测器71检测到的信号强度(即信号的幅值)作为波长的函数的示例。图3B示出检测器56检测到的信号强度作为波长的函数的示例。图3C示出对发射传感器检测器71感测的输入值与检测器56感测的信号的强度值进行相除的效果，称作归一化信号。通过使发射传感器检测器71和检测器56接收到的信号强度进行相除，系统控制器140可以生成每个波长处的归一化信号。在一种实施例中，系统控制器140设计为收集并保存来自不同传感器的输入数据，对输入数据进行对比以获得归一化信号，然后根据归一化信号数据采取措施(例如继续监视处理、停止处理、将数据保存到文件等等)。在另一种实施例中，系统控制器140对一个时刻一个或多个波长处的归一化数据与某个第二时刻的归一化数据进行比较，以确定是否应当采取措施。在另一种实施例中，系统控制器140使用在t1时刻由检测器56收集到的强度随波长的变化数据以及在t2时刻由检测器56收集到的强度随波长的变化数据来确定是否应当由于一个或多个规定波长处的强度改变(或者强度没有改变)而采取某些措施。在另一种实施例中，用t2时刻由检测器56收集到的强度随波长的变化数据减去在t1时刻由检测器56收集到的强度随波长变化的数据，以放大一个或多个波长处从t1时刻到t2时刻的变化量。
控制器140通常设计为便于控制整个系统并使之自动化，它通常可以包括中央处理单元(CPU)146、存储器144以及支持电路(即I/O)148。CPU 146可以是工业装置中所用的任何形式的计算机处理器之一，它用于控制各种室工艺和部件(例如检测器、马达、流体传送部件等等)并监视系统和室工艺(例如室温度、处理时间、检测器信号等等)。存储器144连接到CPU 146，并且可以是易于获得的存储器中的一种或多种，例如随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或任何其他形式的数据存储装置，可以是本地的也可以是远程的。可以在存储器144内对软件指令和数据进行编码和存储以给CPU 146提供指令。支持电路148也连接到CPU 146用于以传统方式支持处理器。支持电路148可以包括缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路、子系统等等。控制器140可读的程序(或计算机指令)确定可以在衬底上进行何种工作。程序优选为控制器140可读的软件并包括至少产生下列内容的代码，所述内容包括衬底位置信息、来自检测器56和发射传感器70的谱、强度和波长随衬底位置变化的信息、归一化信号数据、作为时间函数的强度和波长数据、校准信息以及它们的任意组合。
控制器140将检测到的一个或多个波长处的辐射强度进行比较以确定无电沉积处理步骤的状态并按需要根据程序指令改变无电沉积处理步骤。术语“无电沉积处理步骤”通常被用来表示包括无电沉积处理的各个步骤或阶段，这些步骤或阶段可能包括例如催化层沉积处理、导电覆盖层沉积处理、预漂洗步骤、漂洗步骤、后覆盖层或清洁处理步骤。术语“改变无电沉积处理步骤”用于表示一般地描述控制器140采取的措施，所述措施用于确保无电沉积处理步骤按照要求来进行。控制器140或用户通常可能完成的用于改变无电沉积处理步骤的措施可能包括，例如，漂洗衬底表面，继续监视检测到的强度，干燥衬底表面，启动工艺定时器，终止无电沉积处理步骤，警告用户，在控制器的存储器特定区域中存储一个或多个波长处的强度和其他处理数据，或者等待监视的无电沉积处理变量到达某个用户限定的处理值然后采取某种措施。如上所述，通过使用单色仪或分光计，可以挑选出某个具体时刻衬底表面的特定区域上产生的特定波长处的强度，并将其与第二时刻同一波长处衬底表面上同一区域测得的强度数据相比较。对于应当监视哪个波长以检测中间处理步骤的起始、终止或者无点沉积处理的终点的选择，取决于无电处理的类型(例如催化层沉积、覆盖层沉积等等)、沉积膜的厚度和/或衬底10上存在的材料类型(例如介质层材料、介质层厚度、阻挡材料、导电层材料、籽晶层材料等等)。
在一种实施例中，控制器140用于监视从衬底表面反射的辐射强度作为时间函数的改变率。采用这种方法，控制器可以通过增加或者减小一个或多个波长处反射的辐射强度的变化率来检测无电沉积处理转变到不同阶段，例如过程的开始(例如起始)和终止。图3D图示了对于单一辐射波长或多个波长的平均，来自检测器55的测得信号的强度作为时间函数的典型曲线图。可以通过计算在任意时刻强度随时间变化的曲线斜率来得到强度改变率。即使测得的强度改变率与沉积率之间的关系在整个处理中可能不是恒定的，一个或多个波长处的强度改变率也能与无电沉积率直接相关。强度改变率与沉积率之间的关系可能取决于例如沉积的材料类型(例如覆盖层材料(钴、钴-钨-磷等等)、催化层材料等等)、表面粗糙度的改变、构件表面26a上的污染或者流体中特定组分的浓度。由于与其他处理监视技术(例如电阻测量、涡流、脉冲分析(metapulse)技术等等)相比，强度测量涉及衬底表面的光学特性而不必涉及沉积膜的厚度，所以需要不同无电沉积处理的处理构件步骤将测得的强度信号与实际的沉积处理状态相互联系起来。在本发明的另一个方面，强度信号的加速度或减速度(例如沉积率的改变)，即强度信号改变率作为时间函数的改变率，可以用作感测沉积处理正在加速还是正在减速的有利条件，以表示沉积处理到特定阶段的转变(例如起始等等)。
在本发明的另一个方面，投射的电磁辐射包含被沉积流体中的成分吸收的波长。在这个实施例中，某些被吸收的波长可以用于通过检测到的辐射强度的增大或减小来检测无电沉积流体成分的浓度改变。在本发明的另一实施例中，对与沉积流体中正在被沉积的成分相互作用(例如吸收、反射等等)的波长之间、以及反射离开构件表面26a的波长之间进行比较。在这个实施例中，利用与沉积流体相关的(多个)波长的强度改变可以监视正在被沉积的成分的浓度变化。这种技术将系统用于用两个工艺变量监视无电膜的沉积，所述两个工艺变量中一个不受衬底表面光学特性改变的影响，并且共同使用时可以帮助对每种技术所获得的结果进行验证。
如上所述，表面污染或氧化对无电沉积处理“起始”或开始沉积材料所花费的时间有影响。一旦无电反应已经起始，沉积限定量材料的时间就是可预计的并且通常落入比较有重复性的时间范围。因此，在一种实施例中，检测机构60用于感测无电沉积处理的“起始”以便控制器可以启动定时器，所述定时器使处理可以进行到经过限定的时间段从而到达终点为止。定时器在处理停止之前总计的时间量取决于工艺条件(例如处理温度、沉积成分的浓度、构件表面26a在沉积之前的状态、流体搅拌等等)和沉积材料的厚度，并优选为用户定义的。用户定义的处理时间长短可以从使用类似工艺条件和沉积厚度运转的另一衬底收集到的数据产生。在这种模式中，在检测机构感测反应起始之后，检测机构可以监视剩余的沉积处理，也可以不监视。这种实施例对于处理结束时信号较弱或信噪比随着接近处理终点而增加的处理可能是重要的。
在一种实施例中，检测机构60用于感测起始处理的启动，然后定时器被启动，然后通过使用控制器140、流体源128和喷嘴123，在经过预定的时间段之后对衬底10的表面进行漂洗。这种实施例在构件表面26a或导电材料层26表面由于暴露于沉积流体的时间延长而受到侵蚀的情况下是重要的。构件表面26a或导电材料层26的表面可能影响后续形成的半导体器件的电特性。
可能带来的一个问题是当介质厚度相当小和/或电磁辐射的波长被介质材料透射而不是吸收(介质材料通常对于＞300nm透明)时，检测器系统55收集到的某些反射可能由衬底表面下方的反射层产生。通过仔细选择不透过介质层的所发射和检测到的波长以及使用信号归一化技术可以避免来自非顶面的表面的反射。
室部件图5示出有助于如上所述沉积催化层和/或导电材料层的室160的一种实施例的示例性截面图。当然，室160也可以设置为沉积除了催化层和导电材料层之外的其他层。这里，在与此处的权利要求各方面和公开内容不矛盾的情况下，2002年1月1日提交的题为“Electroless DepositionApparatus”的美国专利申请No.10/059,572[AMAT 5840.03]中说明的无电沉积催化层和金属层的装置通过引用而结合至本发明中。室160包括处理隔间150，处理隔间150包括顶部152、侧壁154和底部156。衬底支座162设置在室160中大致中心的位置处，包括用于将衬底10支撑在面向上方的位置的衬底接收表面164。室160还包括夹紧环166，它设置为夹持衬底10靠在衬底接收表面164上。在一个方面，夹紧环166改善了衬底10与被加热的衬底支座162之间的热传递。通常衬底支座162可以用外部电源以及嵌入衬底支座162中的一个或多个电阻构件加热。在另一方面，夹紧环166在衬底支座162转动期间夹持衬底。在另一个方面，在处理期间，夹紧环166的厚度用于在衬底10的表面上形成沉积流体168的池子。
室160还包括穿过其壁而形成的槽108或开口以提供机器人(未示出)将衬底10发送到室160和从室160取回衬底10所用的通道。或者，衬底支座162可通过处理隔间的顶部152将衬底10升高以提供进出室160的通道。室160还包括排放口127以收集和排出室160中用过的流体。
抬升组件116可以设置在衬底支座162下方并结合到抬升销118以便通过衬底支座162中的孔120升高和降低抬升销118。抬升销118将衬底10升高到衬底支座162的衬底接收表面164上和从其上降低。还可以采用抬升组件来将夹紧环166接合到衬底10的表面或从其上分开以便在一种情况下可以将衬底夹持到衬底支座162的表面上，而在另一种情况下使衬底10可以从室160传送。
马达122可以结合到衬底支座162以转动衬底支座162使衬底10旋转。在一种实施例中，抬升销118可以设置在衬底支座162下方的较低位置以使衬底支座162可以独立于抬升销118转动。在另一种实施例中，抬升销118可以随着衬底支座162转动。
衬底支座162可以被加热以将衬底10加热到期望的温度。衬底支座162的衬底接收表面164的大小可以设定为基本上容纳衬底10的背面以对衬底10提供均匀的加热。对衬底进行均匀的加热是对衬底进行一致处理的重要因素，特别是对于沉积率是温度的函数的沉积处理。
流体输入端(例如喷嘴123)可以设置在室160中以向衬底10的表面发送流体，例如化学处理溶液、去离子水和/或酸性溶液。喷嘴123可以设置在衬底10中心的上方以向衬底10的中心发送流体，也可以设置在任何位置。分配臂122可以是围绕可转动支撑构件121可动的，所述可转动支撑构件121用于使分配臂122和喷嘴123向着或者背离衬底中心10进行枢转和回旋。
可以将单一的或多个流体源128a-f(统称为“流体源”)结合到喷嘴123。阀门129可以结合到流体源128与喷嘴123之间以提供多种不同类型的流体。流体源128可以提供(例如并取决于特定的处理)去离子水、酸性或碱性溶液、盐溶液、催化层溶液(例如贵金属/IV族金属溶液(例如钯和锡溶液)、半贵金属/IV族金属溶液(例如钴和锡溶液)、贵金属溶液、半贵金属溶液、IV族金属溶液)、导电覆盖层溶液(例如钴(Co)、钴-钨-磷(CoWP)等等)、还原剂溶液以及它们的组合。化学处理溶液优选为根据被处理的每个衬底10的需要而进行混合。
阀门129还可以用于使得可以将定量的流体分配到衬底10以使化学浪费最少，因为某些化学处理溶液的购买和处置可能非常昂贵。
在一种采用了转动的衬底支座162的实施例中，衬底支座162的转速可以根据正在进行的具体处理(例如沉积、漂洗、干燥)而变化。在沉积的情况下，可以使衬底支座162以比较低的速度转动(例如取决于流体的粘度而在约10RPM到约500RPM之间)，以便依靠流体的惯性而将流体散布到衬底10的整个表面。在漂洗的情况下，可以使衬底支座162以相对中等的速度转动(例如在约100RMP到约500RPM之间)。在干燥的情况下，可以使衬底支座162以比较快的速度转动(例如在约500RPM到约2000RPM之间)以对衬底10进行旋转干燥。在一种实施例中，分配臂122在分配流体期间可以移动以提高流体对衬底10的覆盖程度。优选地，衬底支座162在从喷嘴123分配流体期间转动以便增加系统的生产能力。
衬底支座162可以包括结合到真空源125的真空端口124，所述真空端口124向衬底背面提供真空以将衬底10真空卡到衬底支座162。可以在衬底支座162上形成与真空端口124连通的真空槽126，以向整个衬底10背面提供更加均匀的真空压力。在一个方面，真空吸盘改善了衬底10与衬底支座162之间的热传递。此外，真空卡具在衬底支座162转动期间夹持衬底10。
衬底支座162可以包括陶瓷材料(例如氧化铝Al2O3或碳化硅(SiC)、涂敷有TEFLONTM的金属(例如铝或不锈钢)、聚合物材料或其他合适的材料。衬底支座162还可以包括嵌入的受热构件，特别是对于包括陶瓷材料或聚合物材料的衬底支座。
图5A示出一种实施例，其中至少有一个检测机构60，包括宽带光源58、检测系统55和可透射的物体90。可透射的物体90浸入沉积流体168的池中，所述池形成于衬底的表面上方，从而使从宽带光源58发射的辐射可以穿过可透射的物体90，穿过流体，反射离开衬底表面，穿过流体和可透射的物体90，并由检测系统55收集。可透射的物体90可以由例如蓝宝石、石英、塑料材料或任何其他对于所发射的辐射光学透明的介质制成。在一种实施例中，可透射的物体90被分割成两个单独的部分(未示出)，使得检测系统55在一个部分中而宽带光源58在另一个部分中。在这种实施例中，两个部分排列为使得从衬底表面反射的来自宽带光源58的辐射由检测系统55收集。这种实施例有助于减小与沉积流体168接触的器件的质量和尺寸，从而减小检测系统60引起的对于沉积处理的任何可能的不利影响。
在本发明的一种实施例中，多个检测机构60以期望的布局设置在衬底10的整个表面上以收集期望的信息。图6A到图6B图示了多个检测机构60在衬底10的整个表面上分布以获得与无电沉积处理有关的更多信息的示例性布局。多个检测机构60所获得的信息是在每个分布的检测器的观察区域68中收集到的。在另一种实施例中，检测机构60可以包括一群接收器和一个宽带光源58。图6C图示了耦合到光学信号复用器200的多个检测器系统55和光缆78a-e，所述复用器200与宽带光源58相连。复用器200设置为收集从宽带光源58发射的辐射，然后将分布的信号发送到衬底表面。在一种实施例中，复用器200接收来自单色仪76的光学数据，所述单色仪76使单一的光源可以有效地将一个或多个波长处的信号发送到多个检查站。
由于在处理器件经常转动衬底10以提高无电沉积处理的效果，它产生的一些复杂情况导致了本发明的几个不同实施例。在一种实施例中，传感器安装到室150，从而在转动的衬底从一个或多个检测机构60下方通过期间是静止的。在此情况下，检测机构60收集到的信息倾向于将强度结果在相对于衬底转动中心的径向位置上取平均。在这个实施例中，检测机构60的径向位置可以设置在衬底的转动中心、衬底的外边缘或它们之间的某个位置。在这个实施例中，在一个径向位置处(例如中心、边缘等等)收集到的处理数据可以与在另一个径向位置处收集到的数据进行比较，以便更好地对沉积处理结果中的任何径向变化进行量化。
在另一种实施例中，可以通过用安装到马达122的编码器(未示出)监视衬底的角位置来将衬底表面上的区域在一个时刻与另一个时刻进行对比，从而对其每次通过检测机构时在同一个角位置处测得的强度结果进行对比。
在一种实施例中，检测机构安装到一个臂上，所述臂安装到室150并可以在试图以某种预定模式(例如直线型、放射型等等)扫描衬底表面时相对于衬底表面运动。通过使用一个或多个位置传感器(未示出)、检测机构和控制器140，在检测器通过预定点上方时可以在衬底表面上任意点处收集与处理状态相关的信息。扫描衬底表面还可以提供整个衬底表面沉积处理的平均状态，这是通过在整个扫描期间对一个或多个波长处的强度值求和并将强度之和除以完成扫描所花费的时间而完成的。
在另一种实施例中，检测机构60设计为随着衬底转动并安装到转动构件，例如夹紧环166或抬升组件(如果它随着衬底转动)，以使检测机构可以监视转动的衬底表面上固定位置处表面状态的改变。在此实施例中，除了例如检测器控制器142和光源控制器141之外的所有检测机构构件都可以结合到一个或多个转动的室构件。光源控制器141和检测器控制器142连接到检测机构构件可以通过本领域通常称为汇流环的转动的电馈通来实现。
在一种实施例中，对同一衬底进行一连串的覆盖扫描以提供衬底的形貌图。形貌图通过有效地图示整个衬底的改变而增强了对处理的监视。例如，具有均匀的光滑表面的衬底通常在颜色差异方面几乎没有改变。图示了色彩变化的衬底形貌图可能与衬底厚度的改变和/或无电处理步骤的均匀度有关。
面朝下的部件图7图示了用于沉积催化层和/或导电材料层的室170的另一种实施例的示例性截面图。室170包括具有衬底接收表面174的衬底保持器172，所述衬底接收表面174适于将衬底10夹持在面朝下的位置。可以加热衬底保持器172以将衬底10加热到期望的温度。衬底保持器172的衬底接收表面174的尺寸可以设定为基本容纳衬底10的背面以对衬底10提供均匀的加热。衬底保持器172还包括结合到真空源183的真空端口173以向衬底10的背面提供真空以将衬底10真空卡到衬底保持器172。衬底保持器172还可以包括真空密封181和液体密封182以防流体顺着衬底10背面流动并进入真空端口173。室170还包括具有流体输入端例如流体端口177的钵体176。流体端口177可以结合到流体源178a-c、流体回路179a-c和/或气体源180。在一种实施例中，可以采用流体废料排出口184收集处理过程中用过的流体。
衬底保持器172还可结合到用于升高或降低衬底保持器172的衬底保持器组件171。在一种实施例中，衬底保持器组件可以用于将衬底10浸入凹坑或池中。在另一种实施例中，衬底保持器组件可以用于在衬底10与钵体176之间提供间隙。流体源178用于经过流体端口177提供流体，用流体层填充衬底10与钵体176之间的间隙。在一种实施例中，流体用安装在钵体176上并连接到流体源178a-c的喷雾器或雾化喷嘴(未示出)喷洒到衬底10的表面上。衬底保持器组件可以用于转动衬底保持器172以向流体层提供搅拌。
钵体176还可以包括加热器以将流体层加热到期望的温度。在用流体层处理完毕之后，流体回路179a-c用于通过排出口或流体端口177将流体收回，以便对流体进行再生用于在处理其他衬底时重新使用。气体源180用于向衬底10的表面提供气体例如氮气以便干燥衬底10。衬底保持器组件还可以用于转动衬底保持器172以对衬底10进行旋转干燥。室170还可以包括可伸缩环175以夹持衬底用于将其传送到室170或从室170传送。例如，可伸缩环可以包括两个部分环(即每个都形如“c”)。两个部分环可以一起移动以便支撑衬底10。两个部分环可以移动分开以使衬底保持器172可以降低贴近钵体176。
图7A示出一种实施例，其中包含宽带光源58、检测器55和可透射的物体90的至少一个检测机构60安装到钵体176。可透射的物体90适于安装到钵体176中的区域，该区域使其可以在位于处理位置(如图7和图7A中所示)时观察衬底10的表面。此实施例中的检测机构60用某些紧固机构(例如螺钉、螺栓、粘合剂等等)安装到钵体并用o形密封圈185密封以防流体从钵体176泄漏。在处理期间，可透射的物体90浸入通过流体源178a-c发送到室的处理流体中。在这种结构中，从宽带光源58投射的辐射通过可透射的物体90，通过处理流体，反射离开衬底表面，通过处理流体和可透射的物体90返回，并最终由检测器55收集。在一种实施例中，多个检测机构60以期望的布局设置在衬底的整个表面上以收集期望的信息。某些可用于使多个检测机构60收集到的信息最多的典型布局的示例与图6A到图6B中所示的类似。在一种实施例中，包括一群接收器和一个光源的检测机构60的方案与上述图6C中所示的实施例类似，适用于面朝下的处理结构。如上所述，对于上述面朝上的和面朝下的所有实施例，通常都在处理期间转动衬底10以提高无电沉积处理的效果。
图2-7的室可以用于对200mm衬底、300mm衬底或任何尺寸衬底的处理。已示出的室用于单衬底处理。但是，这些室可以用于批处理。这些室可以用于一次性使用流体，也可以用于对流体进行再循环，所述再循环的流体重复用于若干个衬底，之后被抛弃。例如，在一种实施例中，适于对流体进行再循环的室包括对特定流体进行选择性转移以便在处理过程中重复使用的排出口。如果室用于流体的再循环，则应当对流体线进行漂洗以防止沉积和阻塞。尽管已经说明了具有特定构件和构件的室的实施例，应当理解，室可能具有来自不同实施例的构件和构件的组合。
检测构件图8图示了本发明的一个方面，其中将多个检测构件250增加到衬底表面以增强检测系统69检测和监视无电沉积处理的能力。在此实施例中，检测构件250通常包括衬底表面上的一个或多个区域，所述区域由与构件表面26a相同的金属材料制成。检测构件250可以增加到半导体衬底表面上常见的“光刻标记”、器件中的无源构件或“划线”中。可以想象，检测构件250可以是任何形状(例如圆形、卵形、矩形等等)并且可能覆盖衬底表面上主要尺寸介于约100纳米到约100微米长之间的区域。在另一种实施例中，检测构件250由单独的更小检测构件250的阵列限定，所述单独的更小检测构件250具有相同尺寸并分开一段与所投射的辐射的期望波长成比例的间距(用“X”示出)。检测构件250的阵列的尺寸和间距选择为使得被反射的辐射在一个或多个波长处形成相长或相消干涉。在此实施例中，(多个)无电沉积膜的生长改变了衬底表面上的检测构件250阵列的物理尺寸和间距，从而改变了形成相长和相消干涉的波长。形成相长和相消干涉的反射波长的改变以及不同波长处的强度改变使检测系统可以检测到沉积膜的生长。为了减小杂散光对信噪比的任何影响，检测器系统60和衬底表面上的观察区域68可能需要覆盖或屏蔽掉任何外界光源。也可以将狭缝、窄孔径(开口53)增加到检测器系统55以控制检测器收集到的辐射量，增强检测处理并提高信噪比。
在另一种实施例中，衬底10相对于检测器系统60运动，使得检测器250的一个或多个阵列(或单一的检测器250)以固定时间间隔通过检测系统60的观察区域68。通过了解检测构件通过观察区域的时间间隔并监视检测系统60收集到的辐射强度，控制器可以感测从不同的检测构件250阵列表面反射的辐射强度改变。当强度从第一时间(示于图9A)对第二时间(示于图9B)的改变达到某个用户限定的工艺或程序设定值时，就找到了沉积处理的终点。图9A图示了典型的强度随时间变化曲线的示例，它是在沉积处理早期某个时间检测构件250每次通过观察区域68时由检测系统60检测、由系统控制器140监视到的。图9B图示了典型的强度随时间变化曲线的示例，它是在沉积处理开始后某个时间检测构件250每次通过观察区域68时由检测系统60检测、由系统控制器140监视到的。将图9A和图9B所示的图示数据进行对比，系统控制器140可以注意到处理期间两个不同时间处信号强度的增加(第一强度数据260＜第二强度数据261)并根据用户限定的包含于系统控制器140中的规则作出反应。
尽管前述内容针对的是本发明的实施例，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以设计出本发明其他的和另外的实施例，本发明的范围由权利要求来确定。
权利要求
1.一种用于对无电沉积处理进行监视的装置，包括室；设置在所述室中的衬底支座，所述衬底支座具有衬底接收表面；朝向所述衬底接收表面的电磁辐射源；检测器，所述检测器在无电沉积处理期间检测从安装在所述衬底接收表面上的衬底反射的电磁辐射的强度；以及控制器，所述控制器用于接收来自所述检测器的信号并对所述无电沉积处理进行控制。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电磁辐射源发射波长在约200纳米到约800纳米之间的电磁辐射。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电磁辐射源包括一个或多个发光二极管。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述检测器包括两个或多个检测器。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括驱动机构以使所述衬底支座相对于所述检测器运动。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括第二驱动机构以使所述检测器相对于所述衬底支座运动。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述检测器是分光计。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括光缆，所述光缆接收从所述电磁辐射源收集的电磁辐射；机械狭缝，所述机械狭缝使被反射的电磁辐射或来自所述光缆的电磁辐射可以通到所述检测器；以及控制器，所述控制器通过使用对所述机械狭缝进行定位的机械驱动器而对被反射的电磁辐射或来自所述光缆的电磁辐射向所述检测器的传送进行选择性的控制。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括第二检测器，所述第二检测器检测来自所述电磁辐射源的电磁辐射的强度；以及控制器，所述控制器用于接收来自所述检测器的信号和来自所述第二检测器的信号并对所述无电沉积处理进行控制。
10.根据权利要求1所述的装置，还包括结合到所述控制器的存储器，所述存储器包括计算机可读介质，所述计算机可读介质具有包含于其中的计算机可读程序，用于指导所述无电沉积系统的操作，所述计算机可读程序包括计算机指令，所述计算机指令控制所述无电沉积系统进行i)启动处理；ii)在所述无电沉积处理期间对反射的电磁辐射的强度数据进行收集并存储在所述存储器中；iii)随后，将存储的数据与收集的数据进行比较；iv)当收集的数据超过阈值时停止所述无电沉积处理。
11.根据权利要求1所述的装置，还包括衬底，所述衬底在表面上具有检测构件，其中所述衬底设置在所述衬底支座的所述衬底接收表面上；电磁辐射源，所述电磁辐射源朝向所述衬底的所述表面；检测器，所述检测器在无电沉积处理期间对从所述检测构件反射的电磁辐射的强度进行检测；以及控制器，所述控制器用于接收来自所述检测器的信号并控制所述无电沉积处理。
12.一种对无电沉积处理进行控制的方法，包括将衬底定位在无电沉积室中；从宽带光源发射电磁辐射到所述衬底上；在无电沉积处理步骤过程中，用检测器对反射离开衬底表面的一个或多个波长处的电磁辐射的强度进行检测；以及对所述一个或多个波长处的电磁辐射的强度进行监视以确定所述无电沉积处理的状态。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在检测所述电磁辐射的强度的同时转动所述衬底。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括使所述检测器相对于所述衬底运动。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述一个或多个波长在约200纳米到约800纳米之间。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括在检测所述电磁辐射的强度之前，将所述检测器浸入与所述衬底相接触的无电沉积流体中。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括当监视到的所述电磁辐射的强度超过工艺值的时候对所述无电沉积处理步骤进行改变。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括当在第一时间监视到的所述电磁辐射强度与第二时间监视到的所述电磁辐射强度之间的差等于工艺值的时候启动沉积定时器；并且在所述沉积定时器到达限定的一段时间后对处理步骤进行改变。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括在无电沉积处理步骤过程中，用所述检测器对反射离开所述衬底表面上的检测构件的一个或多个波长处的电磁辐射的强度进行检测；以及对反射离开所述检测构件的所述一个或多个波长处的电磁辐射的强度进行监视以确定所述无电沉积处理的状态。
全文摘要
本发明公开了一种对无电沉积处理进行控制的装置和方法，所述控制是通过如下方式进行的将电磁辐射导向衬底表面并检测衬底表面的构件上反射离开的一个或多个波长处的电磁辐射强度改变。在一种实施例中，在衬底相对于检测机构运动的同时对检测到的无电沉积处理步骤的终点进行衡量。在另一种实施例中，用多个检测点监视整个衬底表面的沉积处理状态。在一种实施例中，检测机构浸入衬底上的无电沉积流体中。在一种实施例中，用控制器使用存储的工艺值、对不同时刻收集到的数据的比较以及各种计算所得的时变数据来对无电沉积处理进行监视、存储和/或控制。
文档编号H01L21/66GK1853004SQ200480027059
公开日2006年10月25日 申请日期2004年9月17日 优先权日2003年9月19日
发明者阿拉库玛·山姆戈萨卓姆, 曼欧彻尔·比郎, 伊恩·A·帕查姆, 瑟戈伊·洛帕汀 申请人:应用材料公司