在襯底上形成鈷互連的製作方法

2023-10-11 07:29:09 1

本發明的技術領域是用於電化學處理微尺度(micro-scale)工件、晶片或襯底的系統與方法。

背景技術：

微電子器件(諸如微尺度電子器件、機電器件或光學器件)一般被製造在工件或襯底(諸如矽晶片)之上和/或之中。在典型的製造工藝中，晶片被放置在含金屬離子的電解質中。金屬的毯覆層或圖案化層藉助使電流通過電解質並且通過襯底上的晶種層而被鍍覆到襯底上。襯底接著在後續的程序中被清潔、被蝕刻和/或被退火，以形成器件、接點或導線。

目前，大多數微電子器件是被製造在被鍍覆有銅的襯底上。儘管銅具有高導電率，它一般需要阻擋層(諸如氮化鉭(tan))以避免銅擴散到襯底內。隨著特徵結構變得更小，所需要的用於銅的阻擋層佔據相對更大的體積，這是因為無論特徵結構尺寸為何，必須維持最小的阻擋層厚度，以避免銅擴散。此外，始終如一地獲得對於日益減小的特徵結構的無孔隙(void-free)銅填充漸漸變得困難。

一種被建議用以克服這些技術挑戰的方式是以不需要阻擋層的金屬(諸如鈷)來取代銅。儘管鈷具有比銅更高的電阻(resistance)(鈷的電阻是6μohm-cm，銅的電阻是2μohm-cm)，鈷可以不需要阻擋層，這是因為它不會擴散到矽或電介質內。使用鈷，而不使用銅，亦可以有助於克服承載有電荷的電子的分散所造成的增加的銅電阻率(resistivity)以及導線的截面積的減小。然而，相對於目前可用的銅工藝，現有的用於此目的鍍覆鈷的系統與方法是不利的。因此，需要改善的用以製造微電子器件的系統與方法。

技術實現要素：

一種晶片電鍍系統具有至少一個第一電鍍腔室，所述第一電鍍腔室具有含鈷離子的第一電解質且適於以第一沉積速率電鍍鈷膜到晶片上。第二電鍍腔室具有含鈷離子的第二電解質且適於以第二沉積速率電鍍鈷膜到所述晶片上，所述第二沉積速率比所述第一沉積速率大。所述第一電鍍腔室與第二電鍍腔室處於處理系統的圍壁內。機械手在所述第一電鍍腔室與第二電鍍腔室之間移動晶片。一種具有單一鍍覆腔室的系統亦可被使用。

附圖說明

圖1是處理設備的平面示意圖。

圖2是流程圖，分成兩頁，顯示可使用圖1的設備執行的工藝。

圖3是替代性處理設備的平面示意圖。

圖4是另一替代性處理設備的平面示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，處理系統20在圍壁22內具有多個處理設備、腔室或站。在典型的結構中，停靠站(dockingstation)26被設置在圍壁的前端處。盛放晶片60的容器24在停靠站處停靠並拆去密封。裝載機械手36將晶片60從停靠的容器24移動到圍壁22中的一個或多個站。一個或多個等離子體或熱處理腔室30、退火腔室34、晶片清潔腔室40、緩慢鍍鈷腔室44與快速鍍鈷腔室可被使用。在圖上展示的實例中，顯示了兩個晶片清潔腔室40、四個緩慢鍍鈷腔室44與兩個快速鍍鈷腔室48。這些腔室可以是模塊化單元，這些模塊化單元為了維護或維修能夠被單獨替換出系統20外。工藝機械手52將晶片60在這些腔室之間移動。可以提供堆疊架形式的緩衝站56，以使晶片從裝載機械手36移交到工藝機械手52更便利，反之亦然。

在圖1的實例中，四個緩慢鍍鈷腔室44與兩個快速鍍鈷腔室48使鈷互連的大量生產能夠實現。如圖2所示，圖1的系統20可從步驟102開始執行對晶片的處理，其中晶片容器24被裝載或停靠在系統20處或系統20上。容器24中的晶片60具有導電晶種層。在步驟104，裝載機械手36從晶片容器24移除晶片60。若晶片容器24被系統20的圍壁22密封，晶片60可以總是被維持在受控制的環境中。這個受控制的環境可以是低氧環境，以避免晶種層或晶片60其他表面的氧化。

若晶片60具有凹槽(一般用以指示晶體取向(crystalorientation))，則在步驟106，晶片可在對準站28被稍微地旋轉以對準凹槽。可選地，裝載機械手36接著將晶片60從對準站28(若有使用)移動到等離子體腔室30，以提供熱或等離子體預處理步驟而減少或去除晶種層的氧化。在晶片60被送到系統20之前，此步驟可以可選地在上遊裝備中執行。凹槽對準步驟和此步驟可被省略。

裝載機械手36接著將晶片移交給工藝機械手52，晶片一般被暫時地放置在架子或緩衝站56上。在步驟110，工藝機械手52移動晶片60到緩慢鍍鈷腔室44的其中一個腔室。這些腔室44可具有溼式接觸環(即，不會緊靠晶片表面產生不透液體的密封的接觸環)。溼式接觸環容許鈷在晶種層上於晶片60邊緣外的沉積。在步驟112，鈷在緩慢鍍鈷腔室44內被電鍍到晶片60的晶種層上。此鍍覆步驟112被有意設計成緩慢工藝，這個工藝可被優化用於填充具有高電阻晶種層的晶片中的極小特徵結構。步驟112持續直到特徵結構被充滿鍍覆鈷。

在特徵結構被填充之後，晶片接著在步驟114被移動到清潔腔室40，以移除在步驟112的緩慢鍍鈷工藝中任何留在晶片上的電解質。在步驟116，晶片60可被移動到退火腔室34以退火，從而改善鍍覆鈷膜的性質與被填充的特徵結構中鍍覆鈷的間隙填充效能。

如圖2中從步驟116返回到步驟112的虛線所示，可以使用多個循環的緩慢鍍鈷，每個循環部分地填充晶片的特徵結構，並且每個緩慢鍍鈷步驟112之後進行退火步驟116。在使用步驟112來填充特徵結構一次或多次之後，晶片60可以可選地在步驟114再次被清潔，並且接著被工藝機械手52移動到快速鍍鈷腔室48的其中一個腔室，其中在步驟118，鈷過度負載層(overburdenlayerofcobalt)被施加到晶片60上。該過度負載層作為後續的化學機械拋光(chemicalmechanicalplanarization)或cmp步驟的犧牲層。

快速鍍鈷腔室48可使用溼式接觸環或乾式接觸環。典型地，快速鍍鈷腔室48也使用不同於緩慢鍍鈷腔室44中電解質的電解質。乾式接觸環指的是具有將電解質密封而使電解質與接觸環的電接點或指隔離的密封件的接觸環。快速鍍鈷腔室48可以以比緩慢鍍鈷腔室快的速率沉積鈷膜，倍數是2或5至20倍。

晶片60接著可選地在步驟120被清洗且被乾燥，和/或在步驟122被斜面蝕刻(beveletched)或被背側清潔，有或沒有接下來在步驟124的退火。在步驟126，晶片60被返回到晶片容器24。晶片容器24接著經由工廠自動化設施被移動到後續的系統以進行下遊處理。

可使用算法來控制緩慢鍍鈷腔室44與快速鍍鈷腔室48中的鍍覆步驟，使得能夠同時使用多個緩慢腔室與快速腔室而並行地處理多個晶片，以使得晶片生產量滿足達到大量生產的需求。緩慢鍍覆步驟112與快速鍍覆步驟118的使用製造了基本上具有單一鈷鍍膜及過度負載層的晶片，所述鈷鍍膜填充晶片上的圖案，在所述鍍膜和晶種層之間沒有可探測的界面。

圖3顯示替代性系統70，所述替代性系統70包括清洗/乾燥和/或斜面蝕刻腔室72、兩個晶片清潔腔室40與總共五個緩慢鍍鈷與快速鍍鈷腔室。依賴特定應用，在此結構中，可以有四或三個緩慢鍍鈷腔室以及一或兩個快速鍍鈷腔室。

圖4顯示替代性小型系統(compactsystem)80，所述小型系統80具有單一緩慢鍍鈷腔室44與單一額外腔室40，所述單一額外腔室40用以通過旋轉清洗和乾燥晶片來清潔晶片，並且可選地亦提供斜面蝕刻工藝。此小型系統可與另一類似的小型系統配對，其中所述另一類似的小型系統具有單一快速鍍鈷腔室48與單一額外腔室40，所述單一額外腔室40用以清潔晶片和/或斜面蝕刻晶片。在第一系統80中處理之後，晶片被移動到第二系統中以完成鍍覆工藝。一些具有緩慢鍍鈷腔室44的小型系統80可與具有快速鍍鈷腔室的單一系統80匹配和運作。

各種已知的電化學沉積或鍍覆腔室可被用作緩慢鍍鈷腔室44與快速鍍鈷腔室48，諸如美國專利案號8,496,790中所描述的鍍覆腔室。如在此所使用的那樣，用語晶片包括其上形成有微電子或其他微尺度器件的任何襯底。

鈷的電阻性是銅的數倍。含鈷晶種層與接觸環的接點銷(contactpin)之間的電阻可以因此比銅的高得多。若接點銷被暴露於空氣，焦耳加熱(jouleheating)會使晶種層燃燒，造成缺陷。可使用溼式接觸環(不具有密封件)來避免此效應，其中接點銷與整個晶種層被浸在電解質中，這大幅地抵銷焦耳加熱。所以，為了鍍覆更高電阻的晶種層(諸如具有例如大於50、100或200ohms/square(歐姆/□)(且高達例如1000或5000ohms/square)的電阻的鈷晶種層或鎳晶種層)，可以例如在緩慢鍍覆腔室中有利地使用溼式接觸環。在起始鍍覆之後，當金屬層電阻更小，在快速鍍覆腔室中鍍覆時，可使用乾式鍍覆環。