帶有溫控卡盤的無電沉積方法和設備的製作方法
2023-04-28 04:36:16
專利名稱：帶有溫控卡盤的無電沉積方法和設備的製作方法
背景技術：
發明領域本發明涉及半導體製造領域，具體涉及在半導體襯底上無電沉積材料的設備和方法。更具體地說，本發明涉及使用溫度控制卡盤的無電沉積，用卡盤固定襯底，從溶液中在襯底上施加沉積物形成金屬薄膜。
相關技術說明製造半導體器件，具體是在半導體襯底上層壓有各種金屬和非金屬層的多層結構的集成電路時，通常要在襯底或其他預沉積層上施加好幾層金屬層。這些層可能具有複雜的平面形貌，因為這些層會構成成千個獨立器件，組成集成電路或所謂的「晶片」。新式晶片中金屬層或介電層的厚度為幾十埃到幾分之一微米。
已知半導體器件中集成電路所用的金屬薄膜起到電流導體的作用。而且人們知道用於集成電路的金屬互相連接通路中的信號流密度會達到極高值，產生與導體薄膜質量空間轉移相關的電遷移等現象。因此，沉積金屬薄膜的特點和性質(薄膜厚度均勻性，低電阻等)決定了集成電路以及作為整體的半導體器件的性能和質量。
考慮到上述情況，用於集成電路的金屬薄膜應當滿足與金屬沉積過程相關的非常嚴格的技術要求，以及上述過程的可重複性與可控制性。
微電子製造業使用各種金屬來形成集成電路。這些金屬包括鋁，鎳，鎢，鉑，銅，鈷，以及導電化合物合金，例如矽化物，焊錫等。還知道可以施加例如化學蒸氣沉積(CVD)，物理蒸氣沉積(PVD)，電鍍和無電鍍等各種技術方法，在襯底上施加塗膜。在這些技術中，電鍍和無電鍍即無電鍍沉積是最經濟和最有希望提高沉積薄膜特性的方法。因此，電鍍和無電鍍技術成功地替代了其他技術。
電鍍和無電鍍可以被用來沉積連續金屬層和有圖案的金屬層。用於微電子製造工業中，在半導體晶片上沉積金屬的一種方法被稱為「金屬鑲嵌」方法。在該方法中，是在工件上形成通常被稱為「通路」的孔穴，溝槽和/或其它凹陷，然後在其中充填以銅等金屬。在金屬鑲嵌方法中，在介電材料中蝕刻了通路和溝槽的晶片上先提供金屬晶種層。用來在隨後的金屬電鍍步驟中傳導電流。如果使用銅等金屬，則晶種層位於Ti，TiN等阻擋層材料上。晶種層是非常薄的金屬層，可以通過一種或多種方法施加。例如，可以採用物理蒸氣沉積或化學蒸氣沉積方法形成厚度是1000埃左右的金屬晶種層。可以優選用銅，金，鎳，鈀或其它金屬形成晶種層。在其上面形成晶種層的表面可以包括通路，溝槽或其它凹陷的器件形貌部位。
然後在晶種層上電鍍形成連續的金屬層。鍍覆形成連續的覆蓋層，提供填充溝槽和通路並延伸超出這些形貌部位一定高度的金屬層。這種連續層的厚度通常是5000到15000埃左右(0.5-1.5微米)。
在半導體晶片上電鍍了連續層之後，除去超出通路，溝槽或其它凹陷範圍之外的多餘金屬材料。除去金屬，為的是在半導體集成電路中形成金屬層圖案。可以採用化學機械平整化方法除去多餘的電鍍材料。化學機械平整化方法是使用化學清除劑，或者化學清除劑與磨料的組合作用，研磨並拋光暴露的金屬表面，除去電鍍步驟中所施加不需要部分的金屬層。
電鍍方法的缺點與半導體晶片電鍍中所用反應器設計相關。對晶片周圍的晶種層使用有限量的分立電觸點(例如8個觸點)，通常會在觸點附近產生比晶片其它部分更高的電流密度。晶片上電流分布的不均勻導致電鍍金屬材料的不均勻沉積。可以在晶片觸點附近，提供其它接觸晶種層的導電元件進行的電流採樣，可以使這種不均勻性最小。但是這種採樣技術會增加電鍍設備的複雜性，並提高維護要求。
要電鍍上去的特定金屬也會使電鍍過程複雜化。例如，某些金屬的電鍍通常要求使用電阻較高的晶種層。結果是，使用通常數目的晶片電觸點(例如8個分立觸點)可能無法為晶片上的電鍍金屬層提供足夠的均勻性。通路和溝槽等形貌部位尺寸的減小也要求更薄的層，因而具有更高的電阻，這就轉而產生從晶片邊緣到中央部分的高電勢降，就會顯著降低中央區域的沉積速率。
除了上述討論的問題之外，還存在其它涉及電鍍反應器的問題。隨著器件尺寸的縮小，對加工環境的控制要求有所提高。這包括對影響電鍍過程的汙染物的控制。容易產生這些汙染物的反應器的運動部件，必須受到嚴格隔離。
另外，現有的電鍍反應器通常很難維護和/或重新設計用於不同的電鍍過程。要將電鍍反應器設計適合於大規模製造，就必須克服這些缺點。
與銅電鍍沉積相關的一個缺點是，在微電子工件上小的(小於0.1微米)形貌部位電鍍的銅沉積會與高長寬比通路和溝槽側壁的貼合不起來，會在形成的相互和接部位栓塞(通路)中產生空隙。這通常是因為PVD或CVD沉積的銅晶種層不貼合而造成的。結果是晶種層的厚度不足，難以傳送電流到高長寬比形貌部位的底部。
在微電子工件上沉積銅另一種可用的方法稱為「無電」鍍，是指不使用外部電源，在催化性表面上從溶液中沉積金屬。例如可以將該方法作為製備用於傳統電鍍的塑料製品的預備步驟。清潔和腐蝕完成之後，將塑料表面浸入溶液中，就地反應沉澱鈀等催化金屬。具體是先將塑料置於酸性氯化亞錫溶液中，然後置於氯化鈀溶液中；鈀被錫還原到其催化性金屬態。製造催化性表面的另一種方法是，將塑料製品浸入鈀的膠體溶液中，然後浸入促進劑溶液中。然後可以採用無電方法，對經過以上處理的塑料製品進行鍍鎳或鍍銅，形成傳導表面，然後可採用傳統電鍍方法鍍覆其它金屬。
與電鍍方法一起，無電方法在製造半導體器件中也有廣泛施加。
與電鍍方法相比，無電鍍即無電沉積是一種選擇性過程，實施該方法時可以使用非常薄的晶種，也可以根本不使用晶種。由於無電方法中不使用外部電源，從而不存在分立觸點的問題，無電沉積就能形成更為均勻的塗層。可以使用簡單而不昂貴的設備，進行無電沉積，實現高長寬比溝槽的充填。
以下是現有的幾種在半導體器件製造中進行無電沉積的方法和設備。
例如，於1996年公布的J.Calvert等人的美國專利5500315中公開了一種無電金屬鍍-催化劑系統，克服了以往系統的許多缺點。該發明一方面提供了一種包括以下步驟的方法提供具有一個或多個能與無電沉積催化劑結合的化學基團的襯底，至少一部分化學基團與襯底發生化學鍵合；使襯底與無電金屬鍍催化劑接觸；使襯底與無電金屬鍍溶液接觸，在襯底上形成金屬沉積物。所述化學基團可以與襯底共價鍵合。該發明另一方面提出了一種包括以下步驟的選擇性無電金屬化方法選擇性改性襯底對無電金屬化催化劑的活性；使襯底與無電金屬化催化劑接觸；使襯底與無電金屬化溶液接觸，在襯底上形成選擇性的無電沉積物。對襯底活性進行改性，可以是對襯底上的催化劑結合基團或其前體進行異構化，光裂解或其它轉化等的選擇性處理。與以往的選擇性鍍覆技術相比，這種直接改性方法能更直接而方便地實現選擇性鍍覆。特別是，上述專利提供了不使用光刻膠或吸附型含錫鍍覆催化劑的選擇性無電沉積方法。
雖然以上方法提供了襯底結合基團的選擇性分布，並且有一些使用不同溶液溫度的實施方式，但是該發明並沒有說明通過控制溶液或襯底支架的溫度，來優化無電沉積過程的方法。而且，上述發明僅涉及方法，而沒有描述無電沉積的設備。
於2001年授予D.Woodruff等人的美國專利6309524在其一個實施方式中，公開了一種在工件表面上鍍覆金屬的通用電鍍/無電鍍反應器。這種用來鍍覆工件的組合設備包括採用無電沉積方法鍍覆工件的第一處理腔，採用電鍍方法鍍覆工件的第二處理腔。使用程序控制的自動傳送裝置，將工件傳送到進行無電沉積的第一處理腔，然後將其傳送到進行電鍍的第二處理腔。
要注意的是，在使用液槽時，特別是對無電沉積過程而言，存在一個常見問題，即在將晶片從一個液槽傳送到另一個液槽時，會有雜質顆粒或汙染物沉積在晶片的襯底表面上。另一個常見問題是，(從液槽到液槽的)傳送過程中，晶片的襯底表面暴露在空氣中，會因為電解液揮發導致表面中深而窄的溝槽或小(接觸)孔穴未被潤溼。又一個常見問題是，暴露於空氣中會導致催化性表面發生氧化，使催化活性變差，因而金屬沉積物的質量變差。在使用銅等容易在空氣中被氧化的材料時，這個問題就變得更突出。要形成亞微米厚的高質量金屬沉積物，最好使用單個液槽或處理腔並使過程每個步驟中需要的不同液體流過該處理腔，而不要在多個處理腔之間傳送晶片，從而避免使晶片暴露於空氣中。而且，該專利也忽略了溶液和襯底的溫度控制等重要問題。
於1998年公布的Y.Shacham-Diamand等人的美國專利5830805中描述的系統解決了以上問題。該專利公開了一種使用封閉式處理腔，用一種以上的液體處理晶片時，晶片仍保留在該處理腔中，進行無電沉積加工的設備和方法。該發明適用於包括沉積，蝕刻，清潔，衝洗，和/或乾燥等製造過程。上述專利一個優選設備實施方式中所用的處理腔是一種能容納一塊或多塊晶片的封閉式容器。一個分配系統將第一液體引入處理腔，對晶片進行處理，完成之後從處理腔中排出該液體。然後分配系統將另一種液體引入處理腔，對晶片進行處理，完成之後從處理腔中排出該液體。繼續進行該過程，直到完成製造過程。該發明中所用的多種液體取決於進行的過程，包括DI水，N2，用於衝吹的以及含有還原劑，絡合劑或pH調節劑的電解質溶液。
液體通過一個入口進入密封的處理腔，通過一個出口離開處理腔。液體進入處理腔時，在晶片上分散成均勻液流的形式。一個循環系統使液體流過處理腔，然後通過溫度控制系統，化學物質濃度監控系統，泵吸系統和過濾系統，再循環返回到處理腔。
其它部件包括旋轉固定的管狀晶片罩殼，晶片被固定在罩殼表面的任一面或兩面上；將晶片固定在該罩殼的內表面上時固定於管狀罩殼內的內核；使液體在晶片上均勻分散的分散設備。處理腔可以具有加熱器和溫度控制系統。但是，該處理腔是一種敞開腔，不能用於壓力控制的沉積過程。另外，此敞開腔無法為溶液避免沾汙提供足夠的防護。
上述已知的一些無電方法儘管有其一些優點，但一個主要參數是工作化學溶液的溫度。人們知道，無電過程中的沉積速度取決於溫度的指數函數。例如，在「無電鎳鍍」，Finishing Publications Ltd.，1991的一篇文章(第39頁)中，W.Riedel指出，溫度是影響沉積速率的最重要參數，對於Ni-P無電過程，液槽溫度每升高10度，則沉積速率增加一倍。
而且，對晶片表面上金屬互連部位的一個主要要求是電阻率低。銅是第二種最符合此要求的選擇。但是由於PVD Cu晶種與ECD[電鍍銅沉積]Cu之間的界面中存在著各種添加劑，與薄得多的無電沉積Cu層相比，電阻的增加是不成比例的。S.Lopatin在AMC，2001中報告了這種現象。
Y.Lantasov等人在「微電子工程」，50期(2000)，第441-407頁，圖2中也指出，ELD Cu的電阻率在很大程度上取決於沉積條件，溫度較高時，就能獲得低電阻率的材料。
但是高溫時的無電沉積已知會形成非常不均勻的沉積層。這是由於局部溫度波動造成的。溫度越高，則波動越大。要在大體積液槽中穩定高溫，就要使用複雜的溫度控制系統和溫度保持系統(密封，熱絕緣等)。從而增加設備和維護成本。
由於以上原因，半導體設備的製造商優選使用在室溫下進行的無電過程。通過使用多站式沉積設備，在一系列處理腔中同時加工一定數量的襯底，以此來補償沉積的低速度(參見2001年公布的DE.Woodruff等人的美國專利6322677)。這種設備要求的製造空間大，還要求使用大體積的溶液。而且，還需要用於對溶液製備，儲存和後處理的額外空間，從而造成環境問題。
現有無電沉積設備的另一個常見缺點是沉積速度低，這主要取決於沉積材料的種類，即使在最佳條件下也不超過100納米/分，通常低得多。例如CoWP的沉積速度在5到10納米/分的範圍內。
在2002年3月22日提交的早先美國專利申請103015中，本申請人基本上解決了與上述電鍍和無電沉積方法與設備有關的問題。更具體地說，以上專利申請中描述的設備中具有一個可被密封的封閉腔，能承受高壓和高溫。腔中裝有一個能繞垂直軸旋轉的襯底支架，還有一個位於襯底支架中的邊緣鉗夾裝置。此沉積腔具有若干個供應不同處理液例如沉積溶液來用於衝洗的DI水等的入口，，還具有供應壓力氣體的入口。該設備中還有處理液體和氣體的儲槽，以及溶液加熱器和控制腔內溫度與壓力的控制系統。加熱器可以位於工作腔外部或者內置於襯底支架中，或者同時使用這兩種加熱器。在壓力和略低於溶液沸點的溫度下進行沉積，實現均勻沉積。從上方通過腔蓋中的噴頭，或者通過腔的底部輸入溶液。衝洗用的溶液或其它輔助溶液則通過值於襯底上方且平行於襯底的徑向可移動化學物質分配臂輸入。
美國專利申請103015的設備，通過位於沉積腔外部加熱進入該腔溶液的加熱器，或者位於沉積腔腔蓋中的加熱器，對整個工作溶液進行均勻加熱。主要想法是使整個工作溶液保持均勻溫度。總的來說，可以調整溫度，但是應一直保持恆定，並處於較高水平(例如80到90℃)。不過，雖然工作溶液溫度的升高會顯著提高沉積過程的產率，但是由於高溫會導致溶液迅速熱分解，所以該過程要求不斷更換工作溶液。溶液的不斷更換應當以高流量實現，而這將提高製造成本。
工作溶液長時間保持高溫所造成的不利影響可以如下解釋無電沉積是鈷，鎢等金屬離子在催化活性表面上被還原劑(例如次磷酸根陰離子)氧化所釋放的電子還原的過程。還原劑的氧化被襯底催化，在最為廣泛接受的模型中，可以假設還原劑釋放的電荷通過襯底被轉移給金屬離子，從而在襯底表面上形成金屬原子。
以上過程的簡化綜合化學反應由下式表述H2PO2-+H2O+CO++＝CO0+H++H2PO3還原劑被處理部件上金屬的沉積，被高溫水解反應(特別是在加熱元件的熱點部位上)，被沉積工具硬體所產生顆粒的催化氧化反應，和被還原劑與工具結構中所用聚合物的活性組分(例如烯鍵，羧基等)的反應所消耗。
在足夠高的汙染物顆粒濃度情況下和/或在溶液沸點的溫度，組合物會自發而完全地被上述顆粒(和缺陷)表面上的金屬還原反應分解。一形成少量金屬原子，就會立刻成為溶液進一步連續分解所需要的新成核部位。
在2002年5月2日公開的國際專利申請WO 02/34962(以下稱為國際申請)中描述了一種無電設備，通過使用帶加熱裝置的襯底支架，部分解決了工作溶液熱分解的問題。該設備中的襯底支架具有一個襯底卡盤，在處理腔中進行沉積時，能在襯底的處理表面面朝下位置鉗夾著襯底。
上述國際申請中設備的主要缺點是，襯底的處理表面向下。已知在溶液靜態條件下或在溶液低速流動的過程中，上述的襯底取向會導致氣泡積聚在處理表面上。氣泡會破壞均勻沉積的條件。為了解決這個問題，該國際申請的設備中使用了具有一個彎曲底面的沉積腔，引導工作溶液以特定路徑流過襯底的向下表面。但是，即使工作溶液流在襯底的邊緣表面上產生一定的動態條件，仍然會有一定量的滯止點保留在襯底中央部分上。該局部區域會積聚氣泡。而且，襯底表面上的流速差會導致溫度分布的不均勻。換言之，該國際申請的設備無法提供均勻的無電沉積。
為了解決氣泡積聚和溶液在卡盤中央滯止的問題，上述一種設備中使用了一個複雜的運動系統，使旋轉卡盤作搖擺運動。這種複雜系統使設備和產品更昂貴，而且使過程變得很難控制。
發明概述本發明的一個目的是提供一種無電沉積高均勻性薄膜的方法和設備，此時襯底要處理沉積的表面朝上。另一個目的是提供在靜態條件或工作溶液流速較低情況下，不會形成滯止區域的均勻無電沉積設備和方法。另一個目的是提供因為使用了大體積較低溫度的工作溶液和使用了溫控襯底支架，而不會使工作溶液熱分解的，在襯底上均勻沉積金屬的設備和方法。另一個目的是提供不使用複雜的襯底運動裝置，進行無氣泡沉積的設備和方法。
本發明的另一個目的是提供對襯底和/或整個工作溶液的溫度進行優化控制的無電沉積方法。
本發明的方法在於無電沉積金屬，半導體或電介體等塗覆材料，是在較低溫度的工作溶液中進行，同時通過襯底卡盤中的加熱器控制襯底溫度的升高，對其進行補償。工作溶液溫度的下降避免了因為溫度升高而常會發生的溶液分解，並減少氣泡的形成。由於襯底處理表面朝上，所以進一步避免了氣泡在襯底表面的積聚。該設備的其它單元，即具有供應各種處理液的入口和供應壓力氣體的入口的可封閉腔，處理液體和氣體的儲槽，溶液加熱器和控制腔內溫度與壓力的控制系統等，都與前述的本申請人提出的早先專利申請中所公開的設備中相同。
附圖簡要說明
圖1是按照本發明一個實施方式製造的無電鍍設備的示意圖。
圖2是被固定在邊緣鉗夾裝置中的襯底W的頂視圖。
圖3是具有電加熱器的襯底支架和內置在襯底支架體中的循環液體冷卻器的示意圖。
圖4是該設備溫度和壓力控制系統的框圖。
圖5是帶有循環液體冷卻器的Peltier型襯底溫度控制單元的垂直截面圖。
本發明優選實施方式如圖1所示，本發明無電鍍設備20的罩殼21中包括一個無電鍍腔22(以下稱為「腔22」)，它能用上方腔蓋24密封。在封閉狀態下，腔22能承受高壓，在腔蓋，腔，接口，投料器，裝配件等連接部件之間具有合適的密封(未示出)。更具體地說，腔22中的壓力可以超過常壓2個大氣壓，或低至0.1個大氣壓。
腔22可以由化學穩定材料製成，或者其內表面塗覆以這種材料，在高溫高壓下，能承受設備20操作過程中所用侵蝕性溶液的作用。這些材料例如是特氟隆，各種陶瓷，或類似物。
腔22中中有個襯底支架26，能在腔22內繞軸28旋轉，軸28與襯底支架26的下面30相連。軸28密封地穿過腔底32，其外端剛性地支撐著齒輪34。馬達36通過位於其從輸出軸上的另一個齒輪38驅動齒輪34轉動。齒輪34和38通過同步皮帶40相連。
襯底支架26是盤狀的，其上部具有一個邊緣鉗夾裝置44，用來鉗夾，固定並支撐位於邊緣鉗夾裝置44上表面上的襯底W。
軸28具有一個中央通孔48。杆50密封並滑動地通過孔48插入腔22。杆50的上端剛性地連接於邊緣鉗夾裝置44的底部，同時，杆50的下端通過軸承(未示出)連接於延伸至設備20外面的橫梁或板條52。板條52與線性驅動裝置54相連，在圖1所示的實施方式中，該驅動裝置是一對氣缸56和58，它們的活塞杆56a和58a分別與板條52剛性連接。
罩殼21具有個晶片裝載口60，通過門機構62能實現裝載口的開啟或關閉。腔蓋24抬起時，裝載口60打開，晶片W通過裝載口被裝入襯底支架26中，例如使用一個自動機械臂(未示出)裝入，該自動機械臂裝在設備20的外側，機械臂的位置與裝載口60對準。
圖1中所示的控制和輔助器件排列在設備20的周圍。這些器件只是舉例性的，其種類和特徵取決於設備的特定目的和功能。
在圖1所示的實施方式中，輔助系統包括一組裝溶液和氣體儲槽。數字64代表主要沉積溶液供應槽。數字75b代表向工作腔22供應流體的管道。流體包括液體或氣體，用三通閥77c(圖1)控制流體供應，該三通閥被切換至第一位置時，用泵91從儲槽64，通過溫度控制單元88，過濾器92和管道80，向工作腔22供應工作溶液，該三通閥被切換至第二位置時，從水槽80a′通過管道80a供水，或者從氣槽80b′通過管道80b供氣。在圖1中，數字88a代表控制器。
該設備還包括第二壓縮空氣供應管線78，例如用來供應氣態氮至腔22內部或者用來從腔22中迅速排出氣體進行乾燥。上述沉積溶液管線80與儲槽64相連，從襯底W上方，向腔22內供應沉積溶液。數字79代表測量腔22內氣體壓力的傳感器。
數字66a，66b，66c等代表用來儲存無電沉積所需的各種化學試劑，以及衝洗溶液，包括用於最終衝洗的去離子水等輔助化學物質供應槽。數字68a，68b，68c等代表使儲槽66a，66b，66c與罩殼21內部以及腔22內部的連接開啟和關閉的電磁閥。
溶液從腔22的內部，通過溶液回流管線86回到循環儲槽64。通過輔助溫度控制單元88實現對溶液溫度的控制，使用裝在溶液回流管線86中的溫度傳感器90，不斷測量溶液的溫度。
本發明設備20中的另一個重要部件是圖2中所示的化學物質分配臂94，圖2是固定在邊緣鉗夾裝置44中的襯底W的頂視圖。化學物質分配臂94通常位於腔22的外面，例如位於圖2中虛線表示的位置94′處。為此，化學物質分配臂94的外端與使臂94繞軸95作搖擺運動的旋轉驅動裝置(未示出)相連，以使從虛線所示位置到實線所示位置進行搖擺。
有一些儲槽中可以裝有可供應至襯底W處理表面S(圖2)上的潤溼液體，襯底W被固定在卡盤26中，其表面S朝向管道80和化學物質分配臂94。襯底的處理表面朝上能夠防止氣泡在處理表面上積聚。本發明襯底支架的結構還能防止在靜態條件或在工作溶液流速較低情況下形成滯止區域。
潤溼液體可以是同樣的沉積用的工作溶液，或者是潤溼性高的特定液體，相對參與沉積的試劑和物質為中性，可以是水或醇。
腔底32剛性地支撐著向上打開的杯狀蓋架25。蓋架25的上邊緣27(圖1)也成斜角，與蓋的邊緣23匹配，形成由腔蓋24和杯狀蓋架25限定的封閉空間。腔蓋24向下移動時，邊緣23擱在邊緣27上。
腔蓋24滑動並密封地安裝在形成於腔22上部的導向開口74中。可以使用氣壓缸76以機械方式移動腔蓋。考慮到腔蓋24的移動性，可以用軟管或其它軟性管道對腔蓋進行水力和氣動連接。
腔22還具有另一根沉積溶液供應管線81，從儲槽64開始直到腔24的底部32，用來通過泵93從卡盤26下方向腔24供應沉積溶液。在某些情況下必須使用這種供應管線，更方便地在襯底W的表面上施加沉積溶液。
圖3是具有電加熱器的襯底支架和位於襯底支架體中的循環液體冷卻器的垂直截面圖。如圖3中所示，加熱-冷卻單元84位於襯底支架體26中，能夠進行加熱或冷卻。通過與旋轉軸28上的集電環85a，85b電接觸的滑動電觸點84a，84b向加熱器83供電(圖1)，通過導體85c和85d與加熱器83a相連。
數字87代表冷卻單元，也位於卡盤26中，能夠在技術過程需要時迅速冷卻卡盤。冷卻單元87可以是一種螺旋形管道，其中流動著去離子水或類似冷卻介質。這時，冷卻單元可以與冷卻劑儲槽(未示出)相連。使用在儲槽(未示出)和冷卻單元87之間管線中安裝的泵(未示出)，能夠使冷卻劑進行循環。用於在儲槽和冷卻單元87之間收集和分配冷卻劑的多支管97包括分別通過密封器件97c和97d與軸28相連的固定部件97a和旋轉部件97b。
圖4是設備20中溫度和壓力控制系統96的示意框圖。系統96包括將卡盤加熱器83，冷卻劑泵89a，溶液加熱器88，溶液供應泵91等執行單元與卡盤26中的熱電偶84′(圖3)，用來測量儲槽中冷卻劑溫度的熱電偶89』(未示出)，用來測量工作腔22中工作溶液溫度的熱電偶90(圖1)和壓力規99(圖1)等各個傳感器和測量器件相互連接的控制器98。該控制器通過獨立電源84″，88″，89a″和91″(圖4)控制各個執行單元(加熱器，泵等)的工作。
圖5是本發明另一個實施方式中卡盤加熱/冷卻單元183的示意圖。該單元183也位於襯底支撐卡盤126中，起加熱或冷卻作用。如此圖所示，卡盤126具有內置在卡盤126中的Peltier型冷卻-加熱器127，包括兩個半導體盤組成的部件，其工作原理是，電流以一個方向流動時產生熱，而以相反方向流動時則吸收熱。使用切換器129改變半導體盤上的極性能夠改變電流方向。卡盤加熱/冷卻單元183的其它部件，即旋轉部件之間的電流轉換器等，與圖3中所示器件83的相同。
使用Peltier型加熱-冷卻器127不僅能加熱卡盤126的工作表面，因而能加熱襯底W，還能迅速冷卻支架表，因而能冷卻襯底W，這對於實現本發明基於從低溫溶液沉積金屬以及使用能迅速冷卻的卡盤表面的方法是很關鍵的。
本發明設備的工作在位於本發明設備20(圖1)中襯底W的表面上無電沉積預定的薄膜塗層時，抬升設備20的腔蓋24，手動或利用自動機械臂(未示出)通過裝載口60將襯底W置於襯底支架26的邊緣鉗夾裝置44上，該自動機械臂可以位於設備20附近或者是該設備的一部分。利用鉗夾裝置44將襯底夾緊到位後，通過化學物質分配臂94(圖2)供應溶液。完成該步驟之後，放下腔蓋24，使腔蓋24的邊緣23擱在蓋架25的邊緣27上。利用裝置76實現腔蓋24的關閉。關閉了門62之後，密封整個腔22。邊緣鉗夾裝置44下降進入到盤狀襯底支架26中。使用氣壓缸56和58實現邊緣鉗夾裝置44的下降。
襯底支架26和位於其中支撐襯底W的邊緣鉗夾裝置44，利用馬達36通過同步皮帶40和獨立齒輪34與38驅動襯底W旋轉。同時，通過管道75b，81或70(圖1)向腔22選擇性地供應一種或多種沉積溶液。先使襯底表面均勻潤溼，然後使一種或多種溶液在腔22內均勻分配。
在典型的工作模式中，以16℃到95℃的溫度向腔22供應溶液。
用加熱器(83，127)加熱襯底時，向工作腔22供應的溶液溫度較低，能防止溶液發生熱分解。可以從主儲槽64或輔助儲槽66a，66b，66c等，通過化學物質分配臂94，以要求的順序供應各種溶液。供應室溫的溶液能夠降低溶液循環的速度，從而提高溶液的使用壽命。結果是降低每個處理晶片的製造成本。
為了從溶液中有效沉積金屬，位於襯底支架26上的襯底W的表面溫度應當保持在16℃到120℃的範圍內。通過試驗方法確定溶液和襯底表面的實際最佳溫度。例如，沉積鈷的溶液溫度應當在50℃到120℃的範圍內。如果溶液溫度超過上述範圍，則將矽襯底保持在16℃到140℃的溫度範圍內能夠產生最好的結果。
需要的話，可以利用泵93從主溶液儲槽64通過管線81在腔底32向腔24供應沉積溶液。
如上所述，按照本發明的方法，優選以較低溫度的溶液進行沉積過程。但是如果需要的話，可以用加熱器88對溶液進行加熱，通過向腔22供應N2等中性氣體，能夠提高腔22內的壓力。所有操作都是在控制器98(圖4)的控制下進行的。
事實上，沉積過程是在由腔蓋24和蓋架25限定的附加封閉空間29(圖1)中進行的。在操作過程中，具有邊緣鉗夾裝置44的襯底支架26和其中的晶片W位於上述封閉空間中。
完成沉積操作之後，切斷泵91供應的溶液，溶液回流至儲槽64，控制器98(圖4)通過其電源84″，88″等向各個執行器件(加熱器，泵等)發出指令，使這些器件工作。這時，控制器98發出適當的指令，關閉某些電磁閥，打開其它閥，並驅動其它適當裝置，這些都是本領域中已知的。
本發明方法和設備的一個主要優點是，使用配備了圖3和5中所示加熱器和冷卻器的溫控襯底支架。這樣就能更靈活地控制沉積過程的溫度，並拓寬該設備的技術能力。例如，在某些過程中，可能需要對襯底進行非常迅速的冷卻，從而立刻終止沉積過程。
在圖3中所示具有襯底支架的設備的操作過程中，卡盤26以及襯底W的表面S在圖4中所示溫度和壓力控制單元96的控制下，被電加熱器83加熱至要求的溫度。通過與旋轉軸28上的集電環85a，85b電接觸的滑動電觸點84a，84b，向加熱器83供電，旋轉軸28通過導體85c和85d與加熱器83相連。
需要快速冷卻加熱器83時，通過卡盤26中的冷卻單元87實現，冷卻單元87是螺旋形管道形式的，用來輸送去離子水等冷卻介質。使用位於儲槽89和冷卻單元87之間管線中的泵89a，實現冷卻劑的循環。
在圖5中所示的組合式Peltier型冷卻/加熱器中，能夠使用同一器件對襯底支撐卡盤126進行加熱或冷卻。使用切換器129改變半導體盤上的極性，從而變換電流方向。使用Peltier型加熱-冷卻器127不僅能夠加熱卡盤126的工作表面，從而加熱襯底W，還能迅速冷卻支架表面和襯底W，這對實現基於從低溫溶液和能被快速冷卻的加熱卡盤表面沉積金屬的本發明是非常關鍵的。
因此，本發明的設備和方法基於室溫的工作溶液以及加熱的襯底卡盤的使用。注意到上述溫度控制循環能夠與溶液的更換，溶液濃度的變化，溶液溫度的變化等組合。該方法和設備能被用於各種要求進行無電沉積的技術過程中。本發明方法中重要且不可缺少的是，調節和保持沉積溶液溫度與襯底溫度之間的差值為某一預定值。
而且，在本發明提供的無電沉積方法和設備中，襯底要處理的表面朝上，就能進行均勻沉積，而不會在靜態條件或工作溶液流速較低的情況下形成滯止區域，使用較低溫度的大體積工作溶液以及溫控的襯底支架使工作溶液不發生熱分解，無需複雜的襯底運動裝置就能進行無氣泡沉積。本發明方法的特徵是對襯底溫度和/或整個工作溶液的溫度進行優化控制。
已經參考一些具體實施方式
對本發明進行了說明，上述內容僅是舉例，而不是對本發明實際應用的限制。因此能夠對技術過程，構造，材料，形狀及其部件進行變化和改進，只要這些變化和改進不超出權利要求的範圍即可。例如，可以在升高的壓力下進行該過程，利用抑制氣體釋放的高壓過程優點。可以在襯底和溶液溫度不同於說明書中給出值的條件下進行該過程。
權利要求
1.一種在無電沉積設備的工作腔中，將所述薄膜形式的材料從處於沉積溫度的沉積溶液中無電沉積到處於襯底溫度下的襯底的至少一面上的方法，包括向所述設備提供配備有襯底冷卻器和襯底加熱器的襯底支架；將襯底置於襯底支架上，此時襯底的至少一個面朝上；向所述設備中供應沉積溶液；至少使用襯底冷卻器和襯底加熱器，將沉積溶液和襯底之間的溫度差調節至預定值；使沉積溶液和襯底之間的溫度差保持在該預定值；進行無電沉積；所述薄膜達到預定厚度後，終止無電沉積。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於沉積溶液溫度低於襯底溫度。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於沉積溶液溫度選自16℃到120℃的範圍，襯底溫度選自16℃到140℃的範圍。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於進一步包括向工作腔供應壓力受控的氣體的步驟。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於沉積溶液溫度低於襯底溫度。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於沉積溶液溫度選自16℃到120℃的範圍，襯底溫度選自16℃到140℃的範圍。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於襯底冷卻器和襯底加熱器是同一個單元，能選擇性地發揮作為加熱器或冷卻器的功能。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於沉積溶液溫度低於襯底溫度。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於沉積溶液溫度選自16℃到120℃的範圍，襯底溫度選自16℃到140℃的範圍。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於沉積溶液以室溫供應至工作腔，襯底支架溫度超過室溫。
11.如權利要求1所述的方法，其特徵在於供應沉積溶液至設備的過程從潤溼襯底的至少一個面開始。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於沉積溶液溫度低於襯底溫度。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於沉積溶液溫度選自16℃到120℃的範圍，襯底溫度選自16℃到140℃的範圍。
14.如權利要求11所述的方法，其特徵在於進一步包括供應壓力受控的氣體至工作腔的步驟。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於沉積溶液溫度低於襯底溫度。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於沉積溶液溫度選自16℃到120℃的範圍，襯底溫度選自16℃到140℃的範圍。
17.如權利要求11所述的方法，其特徵在於襯底冷卻器和襯底加熱器是同一個單元，能選擇性地發揮加熱器或冷卻器的功能。
18.如權利要求17所述的方法，其特徵在於沉積溶液溫度低於襯底溫度。
19.一種用來在襯底的至少一個面上，從沉積溶液中無電沉積薄膜形式材料的設備，包括具有內室和可移動腔蓋的工作腔，所述可移動腔蓋具有朝向內室的內面；位於工作腔中的襯底支架，該襯底支架位於移動腔蓋下方，具有襯底鉗夾裝置，能將襯底鉗夾並壓緊在襯底支架中，此時襯底的至少一個面朝向可移動腔蓋；至少一個溶液供應裝置，能將至少一種沉積溶液供應至工作腔內；襯底溫度控制裝置，包括裝在襯底支架中的至少一個加熱單元和至少一個冷卻單元；至少一個沉積溶液供應裝置，能將沉積溶液供應至襯底的至少一個面上。
20.如權利要求19所述的設備，其特徵在於設備進一步包括氣體供應裝置，能將壓力氣體供應至工作腔中。
21.如權利要求20所述的設備，其特徵在於裝在襯底支架中的至少一個加熱單元和至少一個冷卻單元是同一個單元，能選擇性地發揮加熱器或冷卻器的功能。
22.如權利要求21所述的設備，其特徵在於該同一個單元是Peltier型加熱-冷卻器。
23.如權利要求20所述的設備，其特徵在於加熱單元是電加熱單元，冷卻單元是其中流動著冷卻介質的管道。
全文摘要
無電沉積金屬，半導體或電介體塗覆材料的方法，在較低溫度的工作溶液中進行，通過襯底上的升高溫度進行補償，襯底溫度由襯底卡盤中的加熱器控制。工作溶液溫度的降低能夠防止溶液發生熱分解，並減少高溫下常會發生的氣泡形成。由於襯底的處理表面朝上，從而進一步避免氣泡在襯底表面上的積聚。襯底支架配備有襯底加熱器和襯底冷卻器，能夠對襯底表面進行交替的快速加熱或冷卻。
文檔編號H01L21/67GK1965105SQ03821840
公開日2007年5月16日 申請日期2003年8月26日 優先權日2003年8月26日
發明者I·C·艾瓦諾夫, J·W·張, A·科利克斯 申請人:布魯29有限公司