针对镀覆操作改善衬底的可湿性

优先权主张

本申请主张于2018年4月30日申请的美国临时专利申请序列No.62/664,938的优先权，其全部公开内容都通过引用合并于此。

技术领域

本文所公开的主题涉及处理多种类型的衬底(如硅晶片或其他元素或化合物晶片、或通常所指的“晶片”)，其因镀覆前经过其他工艺步骤而有不好的可湿性。具体地说，所公开的主题改善衬底浸入镀浴期间的润湿，并改善衬底上进行电化学镀覆工艺期间的性能。

背景技术

电化学沉积工艺通常是用于集成电路的金属化。在多种工艺中，沉积工艺包含沉积金属线至已预先形成于先前形成的介电层中的沟槽及通孔中。在该依赖性工艺中，通常是利用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)工艺，将薄的黏附金属扩散阻挡膜预沉积至表面上。取决于目标金属膜，后续金属晶种层将沉积于阻挡膜的顶部上。接着，通过电化学沉积工艺，用目标金属电化学式填充特征(通孔和沟槽)。

然而，电化学沉积至衬底上的性能受到许多因素的影响。例如，镀浴组成物(包含无机成分浓度及添加剂浓度两者)在确保无空洞的间隙填充中具有重要的作用。衬底进入镀覆溶液中的方式(例如，阴极/衬底完全浸入镀覆溶液所需的时间、阴极/衬底进入溶液的角度、浸入期间阴极/衬底的转速等)以及施加至衬底的电流和电压可能在衬底各处的间隙填充质量和间隙填充均匀性中起着重要的作用。

本领域技术人员已知多种关于阴极/衬底初始浸入镀覆溶液中的方面。起着重要的作用中的一方面是进入期间镀浴对衬底的可湿性。举例而言，在未适当润湿的情况下，气泡可能黏附至衬底表面某些区域处，而之后受气泡影响的区域的电沉积会因电不连续性而难以达成。最终结果是在这些区域漏镀。与此不良可湿性相关的缺陷通常称为“缺漏金属”缺陷。该缺漏金属缺陷经常对衬底上含有主动组件的区域产生“致命缺陷”。例如，图1A及1B显示现有技术方法下因衬底润湿不良而导致的典型缺陷图。图1A及1B中较暗的区域表示高面积浓度的缺陷。图2A至2C以逐渐缩小的视野(FOV)来显示衬底表面上因润湿不良而导致的典型缺陷形状。图2A显示约98μm的FOV下的缺陷，图2B显示约11.25μm的FOV下的缺陷，而图2C显示约3μm的FOV下的缺陷。

如上所述，于电化学电镀工艺中，通常通过利用例如物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)技术将薄的黏附金属扩散阻挡膜预沉积至表面上。取决于目标金属膜，可接着在阻挡膜的顶部沉积金属晶种层。通常，从阻挡层及晶种层沉积至衬底上的时间到衬底即将进行电化学沉积的时间的期间产生了时间差(Δt，称为“等候时间”)。在等候时间的期间，衬底的表面状况预期会随时间而改变。最被广为注意到的表面变化之一是衬底上的金属层氧化。表面金属的氧化会增加晶种层的薄层电阻，进而因更强的终端效应(terminaleffect)而导致更加难以均匀地镀覆于晶种层上。氧化物层改变了晶种层上添加剂吸附行为并且可能导致多种镀覆问题。氧化物层亦改变了衬底浸入期间的润湿行为。氧化物若在镀覆之前未还原成金属，便会溶解至镀浴中，其随后可能引起晶种层损耗及本领域技术人员已知的其他问题。此外，金属晶种层的氧化在整个衬底上通常是不均匀的。所以，非均匀性通常对于等待时间有强依赖性。因此，等待期间的衬底氧化会引起镀覆工艺性能的变化，且氧化通常对镀覆工艺有害。

为了消除或降低等待时间的影响并确保工艺性能，已在半导体及相关产业中采用多种方法来解决晶种层氧化问题。其一种方法是在形成晶种之后且镀覆之前将衬底容置于环境受控的前开式晶片传送盒(FOUP)中。在此示例中，FOUP通常填充有氮(N

图3A显示了现有技术的方法300，其用于减少镀覆设备上的氧化，后接多种沉积、清洁以及后退火操作。方法300显示进入的晶种衬底于FOUP中的操作，该FOUP包括N

现在参考图3B，用于解决晶种层氧化问题的现有技术的第二方法310是在升高的温度下于氢(H

图3C显示了现有技术用于解决晶种层氧化问题的第三种方法330。该第三种方法300用氢(H)自由基，在基于H

然而，在一些应用中，已观察到上述用于防止氧化或将已形成的金属氧化物还原成金属的现有技术方法及工艺可能在后续镀覆工艺中引发其他问题。例如，已发现将衬底长时间容置于N

本节所述的信息是为了向本领域技术人员呈现下述主题的脉络而提供，且其不应被认定为已承认的现有技术。

附图说明

图1A及1B显示现有技术因衬底润湿不佳而导致的典型缺陷图；

图2A至2C以不同视野(FOV)显示现有技术因润湿处理不佳而在衬底表面上导致的典型缺陷形状；

图3A至3C显示现有技术中已用来减少镀覆设备上氧化的多种方法示例，其之后进行多种沉积、清洁及后退火操作；

图4A至4D显示根据本文中公开的多种实施方案以用于减少或消除氧化并增加镀覆设备上可湿性的多种技术的示例，该多种技术的示例中的至少一些后接多种沉积、清洁及后退火操作；

图5显示应用本文中公开的多种实施方案中的一或更多者的典型结果缺陷图示例；

图6A显示在真空/大气转换模块中对衬底进行环境控制的示例性实施方案；

图6B显示在停留站模块中对衬底进行环境控制的示例性实施方案；

图7A为现有技术程序的说明，其中衬底表面先前吸附的H

图7B显示H

具体实施方案

现将参考附图中的不同附图所示的若干概括及具体实施方案，以详细描述所公开的主题。于下文描述中，阐述了许多具体细节以对所公开的主题提供透彻的理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可在没有这些具体细节中的一些或全部下实施所公开的主题。在其他情况下，不再详细描述公知的工艺步骤或结构，以免使所公开的主题难以理解。

本文包含的公开的主题描述了多种改善衬底可湿性的实施方案。然而，如上所述，已发现现有技术的多种衬底进入方法对衬底可湿性的改进有限。因此，这些现有技术工艺仅部分地改善因润湿不佳而引起的漏镀缺陷问题。

如本文所公开的，通过在实质上紧接后续电化学镀覆工艺前“湿化”衬底的表面(参见以下如图7B所述的吸附机制及随附的冗述)，即可更充分地解决衬底可湿性问题。在阅读和理解本文提供的公开内容时，本领域技术人员将知悉，本文公开的多种实施方案与现有技术的预湿法不同。

例如，对于某些电化学镀覆应用而言，衬底不能完全润湿。否则，衬底上的特征可能通过预湿过程而被去离子(DI)水填充。接着特征内的后续电化学镀覆工艺会因为DI水占据(例如填充或部分填充)一些或所有特征而被影响。下述公开的主题有助于产生均匀或实质上均匀的湿化表面，以在镀覆期间有良好的润湿行为，而不以过量的DI填充特征，因而改善可湿性且不降低后续镀覆工艺的性能。

在多种实施方案中，公开了镀覆工艺前衬底表面的自然湿化工艺。一般而言，自然湿化涉及利用镀覆工具的环境中的水分来润湿衬底的表面。自然湿化可通过下述方式来实施，例如在镀槽之前的镀覆设备中或镀槽本身中的多种位置进行镀覆之前(例如，实质上紧接于镀覆之前)，将“等待步骤”引入处理程序中。等待步骤中的时间段取决于许多因素，例如使得衬底例如是亲水或疏水的衬底(包括已在其上形成的任何膜)的本质、“等待体积(waiting volume)”的相对湿度、及本领域技术人员已知或可知的其他因素。一旦知悉这些因素，本领域技术人员便可接着基于热力学及化学吸附原理，来确定等待步骤的时间段(以及其他因素，例如H

例如，在自然湿化中，衬底可于将衬底放置于镀槽内之前在机械臂的末端执行器上等待；于其他处理程序(如预退火、在H

在多种实施方案中，还公开了于镀覆工艺之前对衬底表面进行加速/受控湿化。通常，对于加速/受控湿化的实施方案，衬底可暴露于受控环境。

例如，由于湿化工艺取决于镀覆设备内部的相对湿度、金属表面被环境中O

例如，现参考图4A，其显示减少或消除氧化且同时或实质上同时增加镀覆设备中衬底的可湿性的方法400的示例性实施方案。方法400示出了操作401，其中进入的晶种衬底(其上形成有金属晶种层的衬底)是在实质上无氧、调控DI湿化FOUP环境中，其中FOUP包括N

调控DI湿化FOUP环境是指例如具有约20％至约100％的受控相对湿度(RH)范围的环境。基于如上游工艺、工艺要求、工具可用性、所期望的衬底生产率及多种其他因素的因素，衬底可于多种时间保持在此环境中。因此，对于给定工艺，处于调控DI湿化FOUP环境中的时间可从几秒至若干小时长。因此，给出的RH范围及时间仅是举例，且可针对特定工艺显著变化。此外，如上所述，在本文所述的多种实施方案中，本领域技术人员应认识到，衬底可处于除了FOUP外的多种环境中(例如，衬底环境)。因此，仅提供FOUP内的环境作为可产生所述环境的示例。

继续参考图4A，在操作403，接着将衬底转移至镀槽，以进行电化学沉积。完成电化学沉积后，接着在操作405将衬底转移至镀覆后室，用于待清洁和干燥的衬底。在后续操作407中，衬底随后转移至退火室，以进行后退火工艺。在多种实例中，后退火工艺可包括在约30℃至约400℃的范围内对衬底进行退火约30秒至约600秒，冷却时间为约30秒至约600秒。然而，这些时间及温度仅提供作为示例，且对特定工艺而言，时间及温度两者都可显著变化。一旦完成所示的所有操作，衬底接着于操作409移回FOUP。

于图4B中，其显示减少或消除氧化且同时或基本上同时增加镀覆设备中衬底的可湿性的方法410的另一示例性实施方案。方法410示出操作411，其中进入的晶种衬底位于FOUP中，其中FOUP包括基于N

在图4C中，显示减少或消除氧化且同时或实质上同时增加镀覆设备中衬底的可湿性的方法430的另一示例性实施方案。方法430示出了操作431，其中进入的晶种衬底位于FOUP中。在一些实施方案中，FOUP不一定包括基于N

现参考图4D，显示了减少或消除氧化且同时或实质上同时增加镀覆设备中衬底的可湿性的方法450的另一示例性实施方案。该方法450示出了操作451，其中进入的晶种衬底位于FOUP中。在一些实施方案中，FOUP不一定包括基于N

在完成电化学沉积后，衬底接着于操作459转移至镀覆后室，以进行清洁和干燥。在后续操作461中，衬底接着转移至退火室，以进行后退火工艺。该后退火工艺可与参考图4A所给出的参数相同或相似。一旦完成所示的所有操作，随后于操作463将衬底移回FOUP。

图5显示了应用本文公开的一或更多种实施方案后的典型结果缺陷图示例(例如，上述公开方法参考图4A至图4D的示例性实施方案)。相较于图1A及1B显示了现有技术方法下因衬底润湿不良而导致的典型缺陷图，本领域技术人员将容易察知因应用本文公开的多种实施方案中的一或更多种而导致的缺陷显著减少。图1A及1B两者中衬底的缺陷图中的各者是在相同的缺陷度(例如，相同的灵敏度)下利用与图5的结果缺陷图相同或相似类型的度量工具拍摄而成。

图6A显示了在真空/大气转换模块中对衬底进行环境控制的示例性实施方案。同时参考图4D，图6A的额外示例性方法600包含操作601，其中衬底被转移至入站真空/大气转换模块。衬底接着在操作603转移至预处理室。在多种实施方案中，预处理室可包括如上所述的真空下的H

在操作603，在预处理室的停留之后，衬底在操作605被转移至出站真空/大气转换模块。该衬底在出站真空/大气转换模块中保持一段时间，以从预处理室的真空条件转换至接近大气压。

在操作455的湿化步骤的至少一部分发生于出站真空/大气转换模块中。例如，在特定示例性实施方案中，将水(H

继续进行该具体示例性实施方案，H

在操作605中的出站真空/大气转换模块中的停留时间之后，衬底在操作457中转移回到镀槽。当阅读并理解所公开的主题时，本领域技术人员将知道入站和出站真空/大气转换模块可以是相同的模块，其根据衬底是否移进或移出预处理室而提高或降低真空及相应减小或增加大气压力。

图6B显示对停留站模块中衬底进行环境控制的示例性实施方案。同时再次参考图4D，图6B的额外示例性方法610包含操作611，其中衬底被转移至入站真空/大气转换模块。该衬底接着在操作613转移至预处理室。在多种实施方案中，如上所述，预处理室可包括如上所述的真空下的H

在操作613于预处理室中停留之后，使衬底于操作615转移至出站真空/大气转换模块。衬底于出站真空/大气转换模块中保持一段时间，以从预处理室的真空条件转换至接近大气压。在出站真空/大气转换模块中短暂停留之后，在操作617将衬底转移至停留站。

操作455中的湿化步骤的至少一部分发生于停留站中。例如，在特定示例性实施方案中，将加湿N

在操作617的停留站中的停留时间之后，衬底在操作457移回镀槽。当阅读并理解所公开的主题时，本领域技术人员将知道入站及出站真空/大气转换模块可以是相同的模块，其分别根据衬底是否移进预处理室或移出停留站而提高或降低真空及相应减小或增加大气压力。

虽然图6A及6B的额外工艺已参考图4D加以描述，但本领域技术人员应理解这些工艺也可应用至图4C的方法。此外，图6A及6B的额外工艺可包括分开的独立程序。

现参考图7A，其为现有技术程序700的说明，其中衬底表面先前吸附的H

相较于图7A，图7B显示如果金属晶种膜层715未完全还原，H

因此，基于本文所示及所述多种实施方案中所公开的主题，已发现衬底的可湿性在电化学镀覆工艺期间与衬底表面上的氧化物(例如，金属氧化物)有关。所以，通常会预期有最少表面氧化物的晶种衬底比有一或更多表面氧化物层的晶种衬底呈现良好的可湿性。因此，预期N

又，本领域技术人员在阅读并理解本文提供的公开内容时，将知晓本文所公开的湿化处理步骤明显不同于已于别处在现有技术讨论的预湿处理步骤的操作或蒸发液体冷凝至衬底上的操作。如本文所述，预湿处理或来自冷凝的过量水将影响特征内的后续镀覆性能。因此，现有技术的这些操作将不能有效地运作于本公开中所讨论的应用。所以，所公开的主题是用水蒸气吸附(呈气相)来湿化衬底，这可通过例如金属氢氧化物单层或多层来促进湿化，以达到可湿性的改善，同时避免如现有技术中已实施的可能腐蚀晶种的冷凝。金属氢氧化物单层或多层也可促进金属膜表面上的水吸附。

整体而言，现有技术中电化学镀覆工艺的浸入步骤期间已在改善衬底可湿性方面作了很大的努力，其重点在于(1)优化浸入移动速度及旋转(通常称为“进入轮廓(entryprofile)”)；以及(2)降低镀液的表面张力。虽然已发现这两种方法在一定程度上改善了可湿性，但这些方法对镀覆设备上的镀覆硬件构成了限制，并降低了大批量制造环境所需的工艺裕度(process margin)。

因此，所公开的主题对可湿性问题提供了实质改善，该可湿性问题在一些应用中不能通过改变镀浴性质或通过改变衬底的进入轮廓来完全解决。

利用本文公开的任何实施方案，本领域技术人员在阅读并理解所提供的公开内容及实施方案时，将认识到经由考虑例如相对湿度、分压、温度等，通过控制热力学方程式来判定在衬底表面上的气相水蒸气吸附。可修饰改变一或更多参数，以控制例如给定装置类型的整体缺陷性能参数，以增加良率和装置性能(例如，参见图5的缺陷图，并与现有技术方法相关的图1A和1B的缺陷图比较)。

以上叙述包含具体说明所公开主题的说明性实例、装置、系统及方法。在说明书中，为了解释目的，阐述许多具体细节，以助于理解所公开主题的多种实施方案。然而，对于本领域技术人员将显而易见，可在没有这些具体细节下实施所公开主题的多种实施方案。此外，不再详细示出公知的结构、材料及技术，以免使多个说明的实施方案难以理解。

如文中所使用的，术语“或”可理解为包含或排外的意义。此外，本领域技术人员在阅读并理解所提供的公开内容后将能够了解其他实施方案。另外，在阅读并理解本文提供的公开内容时，本领域技术人员将容易理解，本文提供的技术和实例的多种组合可全部以多种组合应用。

虽然各个实施方案是分开讨论的，但这些单独实施方案的用意不应被视为独立技术或设计。如上所述，多种部分中的每一者可以是相互关联的，且各自可单独使用或与本文讨论的其他微粒物质传感器校正系统实施方案组合使用。例如，虽然已描述了方法、操作和工艺的多种实施方案，但这些方法、操作及工艺可单独使用或以多种组合使用。因此，可通过多种重复的镀覆工艺或在镀覆操作的不同阶段进行超过一个类型的湿化操作。本领域技术人员在阅读并理解本文提供的公开内容时，将进一步知道本文所讨论的多种金属晶种膜可包括但不限于例如钴(Co)、铜(Cu)以及钨(W)。

因此，对本领域技术人员而言，在阅读并理解本文提供的公开内容时将可轻易进行许多修改及变化。除了本文所列举的之外，本公开内容的范围内的功能上等同的方法及装置对于本领域技术人员将从前文描述显而易见。一些实施方案的部分及特征可包括在其他实施方案中，或者取代其他实施方案的部分及特征。这些修改及变化旨在落入随附权利要求的范围内。因此，本发明应仅受随附权利要求的术语及这些权利要求所赋予的等同方案的全部范围所限制。还应当理解，本文使用的术语仅为了描述特定实施方案的目的，而非用于限制。

本发明的摘要是为了使读者快速确定技术公开内容的本质而提供。摘要是在其不用于解释或限制权利要求的理解下提交。另外，在前述实施方案中，可看出可为了简化本发明的目的，将多种特征一起组合于单一实施方案中。本发明的方法不应被解释为限制权利要求。因此，以下权利要求在此并入具体实施方式中，且每个权利要求各自作为单独实施方案。