專利名稱：可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型提供了一種可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，特別是一種可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的超臨界二氧化碳系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，為配合組件尺寸縮小化的發(fā)展以及提高組件操作速度的需求，具有低電阻常數(shù)和高電子遷移阻抗的銅金屬，已逐漸被應(yīng)用來作為金屬內(nèi)連線的材質(zhì)，取代以往的鋁金屬工藝技術(shù)。
金屬銅本身具有許多先天上的優(yōu)勢，例如(1)低電阻特性，其阻值為1.7μΩ-cm，而鋁則為2.7μΩ-cm；(2)良好的抗電子遷移性，比鋁高了四個數(shù)量級(order)；(3)良好的抗應(yīng)力導(dǎo)致的空洞形成性質(zhì)(stress-induced void formation)等等，上述優(yōu)點對于組件的特性有很大的幫助。雖然銅的某些物理性質(zhì)對于應(yīng)用在組件上具有很大的優(yōu)勢，但是它在一些化學(xué)反應(yīng)的特性上卻阻礙了銅在組件上的應(yīng)用，因為銅在低溫時便極易與許多元素反應(yīng)。另外，由于銅金屬容易受到腐蝕且極易氧化，而且銅與鋁不同，會形成自我保護氧化層，只要在含氧的環(huán)境下，銅膜就會持續(xù)不斷的進行氧化作用，不僅會在銅線表面形成氧化物，也會出現(xiàn)在銅導(dǎo)線的內(nèi)部，更嚴重影響到內(nèi)連線金屬的品質(zhì)。
銅金屬的嵌入式(damascene)內(nèi)連線技術(shù)，可達到內(nèi)連線的縮小化并且可減少RC時間延遲，同時也解決了金屬銅蝕刻不易的問題。但是無論是單鑲嵌或雙鑲嵌的銅工藝，在完成銅金屬的沉積與填充后都需要進行平坦化工藝例如化學(xué)機械研磨工藝(CMP)，以將介電層上多余的銅金屬去除。并在銅金屬化學(xué)機械研磨后清洗工藝(Post Cu CMP Clean)中除去先前殘留于半導(dǎo)體晶片表面的研磨漿(slurry)及研磨掉的研磨砥粒。然而經(jīng)處理過的半導(dǎo)體晶片表面的介電層例如低介電常數(shù)(low-K)材料仍會殘留部分水氣(moisture)，而裸露出的銅金屬部分由于其化學(xué)特性，在含氧的環(huán)境下，就會進行氧化作用，進而在表面形成銅氧化物例如一氧化銅(CuO)及一氧化二銅(Cu2O)等。因此在傳統(tǒng)技術(shù)中，在銅工藝化學(xué)機械研磨后清理工藝(Post Cu CMP Clean)后，需要進行一常壓低溫爐管工藝，在常壓、150℃-350℃的爐管溫度下，將氮氣(N2)與氫氣(H2)的混合氣體連續(xù)地通入爐管機臺以進行反應(yīng)，利用氫原子將半導(dǎo)體晶片表面的銅氧化物還原成銅金屬并利用爐管環(huán)境溫度逐出仍殘留于晶片上的水氣，并在一短限制時間(Q-time)內(nèi)，緊接著進行后續(xù)的工藝，以免先前半導(dǎo)體晶片上銅的氧化物及殘留的水氣影響到產(chǎn)品的良率。
上述利用常壓低溫爐管機臺以去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的工藝，具有以下缺點爐管機臺升降溫需較精密的控制，故工藝時間往往長達數(shù)小時之久。且由于爐管機臺為批次操作(batch operation)，每次工藝產(chǎn)能(throughput)有限。且爐管機臺是由反應(yīng)器裝置、氣體傳輸裝置、排氣裝置及工藝控制裝置所組成，其整體組合將占據(jù)相當(dāng)大的機臺面積(foot print)，對于工廠產(chǎn)能設(shè)計會有所影響。此外，爐管機臺是由數(shù)個裝置所組成，機臺整體耗電量較大，故產(chǎn)生的熱能也較多，無形中增加了能源的開銷。對于現(xiàn)有的8吋(200mm)晶片廠而言，上述缺點還可容忍；但對于12吋(300mm)晶片廠，各工藝機臺比8吋晶片機臺所需機臺面積更大，上述缺點更加明顯。因此若能針對以上因素著手，開發(fā)出具有同樣功效且具有高產(chǎn)能(highthroughput)、較少機臺面積(less foot print)及低能源成本(low energycost)的機臺將是各晶片廠所樂于見到的。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本實用新型的主要目的就是提供一種可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，特別是一種可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的超臨界二氧化碳系統(tǒng)。
為達上述目的，本實用新型提供了一種可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，其包括可提供超臨界二氧化碳流體的超臨界二氧化碳裝置；可向所述超臨界二氧化碳流體中添加助溶劑及用以提升添加有助溶劑的超臨界二氧化碳流體溫度的反應(yīng)前處理裝置，與所述超臨界二氧化碳裝置的流體出口相連接；以及入口與所述反應(yīng)前處理裝置的出口相連接的反應(yīng)裝置，其中設(shè)置有供半導(dǎo)體晶片與超臨界化二氧化碳流體反應(yīng)的反應(yīng)腔體。
其中，所述反應(yīng)腔體可以提供半導(dǎo)體晶片與添加有助溶劑并已提升溫度的超臨界化二氧化碳流體在預(yù)定溫度及預(yù)定壓力下反應(yīng)的空間，用以去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣。
根據(jù)本實用新型的具體實施方案，本實用新型的可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)還可包括與所述反應(yīng)腔體連接以偵測半導(dǎo)體晶片的反應(yīng)終點的終點偵測器；以及可收集來自終點偵測器及超臨界二氧化碳裝置的流體的回收裝置，該回收裝置分別與終點偵測器及超臨界二氧化碳裝置相連接。
其中，所述超臨界二氧化碳裝置更進一步包含二氧化碳氣體來源，例如可為二氧化碳氣體鋼瓶或氣體制造廠的(廠務(wù)端)二氧化碳氣體管線；與所述二氧化碳氣體來源連接、以提供超臨界二氧化碳流體的超臨界二氧化碳工作槽；與所述超臨界二氧化碳工作槽連接、用以傳輸來自超臨界二氧化碳工作槽的超臨界二氧化碳流體的計量泵。
所述反應(yīng)前處理裝置是由復(fù)數(shù)個助溶劑供應(yīng)槽、復(fù)數(shù)個流體計量器(例如可為計量泵或質(zhì)流控制器(MFC))以及一加熱器所組成。
所述反應(yīng)裝置內(nèi)設(shè)置有一晶座，可水平地放置單一完整半導(dǎo)體晶片。
本實用新型提供的可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的超臨界二氧化碳系統(tǒng)，其所利用的超臨界二氧化碳流體，是二氧化碳流體在高于其臨界溫度(Tc＝31℃)及臨界壓力(Pc＝1000psia)下所形成的流體。其物理特性為低粘度、高擴散系數(shù)與低表面張力，并且其價格低廉、安全性高(不助燃且不自燃)。其密度方面，氣態(tài)的二氧化碳密度為2kg/m3，而超臨界二氧化碳流體的密度則為400-900kg/m3與液態(tài)水相當(dāng)(密度為1000kg/m3)，其溶解度與密度(稱為溶劑強度)類似于常見的有機溶劑，所以可用來處理晶片上的有機物質(zhì)。然而超臨界二氧化碳流體為非極性流體，對于極性物質(zhì)(例如水)的溶解度較差，因此本實用新型中添加界面活性劑(例如醇類有機物、醛類有機物、烷類有機物或酮類有機物)于超臨界二氧化碳流體中以改善反應(yīng)流體對于極性物質(zhì)(例如水)的處理能力。另外，本實用新型也可在超臨界二氧化碳流體中添加還原劑物質(zhì)(例如甲基胺及乙基胺)，以處理具有金屬結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體晶片表面例如半導(dǎo)體晶片表面具有銅結(jié)構(gòu)的銅氧化物，將其還原為銅金屬。
與傳統(tǒng)裝置及工藝相比，本實用新型的可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，可提供單一半導(dǎo)體晶片工藝，工藝時間短，可進而提高系統(tǒng)產(chǎn)能(throughput)；機臺構(gòu)成裝置簡單，消耗熱能少，具有節(jié)省能源的功效；機臺構(gòu)成裝置占地面積(foot print)少，可節(jié)省廠房面積；機臺使用反應(yīng)流體(例如超臨界二氧化碳流體)不自燃也不助燃，安全性高。


圖1為本實用新型的超臨界二氧化碳反應(yīng)系統(tǒng)示意圖。
圖中符號說明10超臨界二氧化碳裝置110二氧化碳氣體來源111超臨界二氧化碳工作槽 112泵20反應(yīng)前處理裝置210加熱器 211助溶劑工作槽 212流體計量器30反應(yīng)裝置 311反應(yīng)腔體 312晶座313終點偵測器 40回收裝置 411冷卻器412回收槽 413分離槽C.V.控制閥具體實施方式
為讓本實用新型的目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，現(xiàn)配合附圖并列舉優(yōu)選實施例詳細說明如下請參照圖1，為本實用新型的可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，包含四個主要裝置超臨界二氧化碳裝置10；反應(yīng)前處理裝置20；反應(yīng)裝置30；以及回收裝置40。
首先介紹超臨界二氧化碳裝置10，二氧化碳氣體來源110例如為二氧化碳氣體鋼瓶或為廠務(wù)端二氧化碳氣體管線提供二氧化碳氣體至超臨界二氧化碳工作槽111，在超臨界二氧化碳工作槽111中將二氧化碳氣體升溫升壓以超過二氧化碳的臨界溫度(Tc＝31℃)與臨界壓力(Pc＝1000psia)使二氧化碳氣體超臨界化進而提供超臨界二氧化碳流體。接著經(jīng)由一泵112例如計量泵或質(zhì)流控制器(MFC)將來自超臨界二氧化碳工作槽111的超臨界二氧化碳流體傳輸至反應(yīng)前處理裝置20。
在反應(yīng)前處理裝置20中，由復(fù)數(shù)個流體計量器212將復(fù)數(shù)個助溶劑工作槽211中的各別的助溶劑例如界面活性劑(例如醇類有機物、醛類有機物、烷類有機物或酮類有機物)及還原劑(例如為甲基胺與乙基胺)添加入來自于超臨界二氧化碳裝置10的超臨界二氧化碳流體內(nèi)，并經(jīng)由加熱器210以提升超臨界二氧化碳流體至一預(yù)定溫度，其范圍介于32℃-200℃，優(yōu)選溫度介于32℃-150℃，以構(gòu)成可清除晶片表面水氣及銅氧化物的反應(yīng)流體(為一超臨界反應(yīng)流體)。上述所添加的界面活性劑優(yōu)選選自于甲醛、甲醇、丙酮或己烷。而上述反應(yīng)流體內(nèi)的比例則約為助溶劑∶反應(yīng)流體＝15-35∶1(流量比)，而助溶劑內(nèi)還原劑與界面活性劑所占的比例則約為還原劑∶界面活性劑＝0.2-5∶1(流量比)。
添加有助溶劑的反應(yīng)流體(超臨界二氧化碳流體)接著進入反應(yīng)裝置30，其中反應(yīng)腔體311可提供半導(dǎo)體晶片與超臨界化二氧化碳流體在一預(yù)定溫度及預(yù)定壓力下反應(yīng)，其預(yù)定溫度介于32℃-200℃，優(yōu)選溫度介于32℃-150℃；其預(yù)定壓力介于1050psia-5000psia，優(yōu)選壓力介于1050psia-3000psia。反應(yīng)腔體311內(nèi)設(shè)置有一晶座312，可水平地放置單一完整半導(dǎo)體晶片。最后由與反應(yīng)腔體311連接的終點偵測器313偵測半導(dǎo)體晶片反應(yīng)終點并在工藝結(jié)束后傳出半導(dǎo)體晶片并繼續(xù)下一片半導(dǎo)體晶片的工藝。
反應(yīng)腔體311中反應(yīng)完的流體最后進入回收裝置40，由分離槽413所收集，該分離槽也包含一冷卻裝置以將反應(yīng)完的流體液氣分離。回收裝置40還包括一冷卻器411以收集來自于超臨界二氧化碳裝置10中超臨界二氧化碳工作槽111中未被超臨界化的二氧化碳氣體并將其冷卻液化并傳輸至一回收槽412。回收槽412也與分離槽413連接以將液態(tài)二氧化碳傳輸至分離槽413而完成整個系統(tǒng)中廢液收集的工作。此外，如圖1所示，本系統(tǒng)中尚包括復(fù)數(shù)個與流體流動相關(guān)的控制閥(C.V.)，其種類例如為氣動閥(air valve)、逆止閥(check valve)或電磁閥，實際應(yīng)用依當(dāng)時狀況而定，故不在此圖中限制其種類，任何熟習(xí)本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍內(nèi)，可作各種的更動與潤飾。
本實用新型的可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，具有以下特點1.可提供單一半導(dǎo)體晶片工藝，工藝時間比傳統(tǒng)技術(shù)中爐管工藝短，可進而提高系統(tǒng)產(chǎn)能(throughput)。
2.其機臺構(gòu)成裝置簡單，比傳統(tǒng)技術(shù)的爐管機臺電能消耗與機臺生成熱能少，具有節(jié)省能源的功效。
3.其機臺構(gòu)成裝置占地面積(foot print)，比傳統(tǒng)技術(shù)的爐管機臺少很多，可節(jié)省廠房面積。
4.機臺使用反應(yīng)流體(例如超臨界二氧化碳流體)不自燃也不助燃，比傳統(tǒng)技術(shù)爐管機臺所使用的氫氣安全性高。
雖然本實用新型已以優(yōu)選實施例揭露如上，然其并非用以限定本實用新型，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍內(nèi)，可作各種的更動與潤飾，本實用新型的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求書為準。
權(quán)利要求1.一種可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，其特征在于，包括可提供超臨界二氧化碳流體的超臨界二氧化碳裝置；可向所述超臨界二氧化碳流體中添加助溶劑及用以提升添加有助溶劑的超臨界二氧化碳流體溫度的反應(yīng)前處理裝置，與所述超臨界二氧化碳裝置的流體出口相連接；以及入口與所述反應(yīng)前處理裝置的出口相連接的反應(yīng)裝置，其中設(shè)置有供半導(dǎo)體晶片與超臨界化二氧化碳流體反應(yīng)的反應(yīng)腔體。
2.如權(quán)利要求1所述的可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述反應(yīng)腔體連接以偵測半導(dǎo)體晶片的反應(yīng)終點的終點偵測器；以及可收集來自終點偵測器及超臨界二氧化碳裝置的流體的回收裝置，該回收裝置分別與終點偵測器及超臨界二氧化碳裝置相連接。
3.如權(quán)利要求1所述的可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，其特征在于，所述超臨界二氧化碳裝置更進一步包含二氧化碳氣體來源；與所述二氧化碳氣體來源連接、以提供超臨界二氧化碳流體的超臨界二氧化碳工作槽；與所述超臨界二氧化碳工作槽連接、用以傳輸來自超臨界二氧化碳工作槽的超臨界二氧化碳流體的計量泵。
4.如權(quán)利要求3所述的可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，其特征在于，所述二氧化碳氣體來源為二氧化碳氣體鋼瓶或氣體制造廠的二氧化碳氣體管線。
5.如權(quán)利要求1所述的可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，其特征在于，所述反應(yīng)前處理裝置是由與超臨界二氧化碳裝置相連接的復(fù)數(shù)個助溶劑供應(yīng)槽、復(fù)數(shù)個流體計量器以及一加熱器所組成。
6.如權(quán)利要求5所述的可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，其特征在于，所述流體計量器為計量泵或質(zhì)流控制器。
7.如權(quán)利要求1所述的可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，其特征在于，所述反應(yīng)裝置內(nèi)設(shè)置有一可水平地放置單一完整半導(dǎo)體晶片的晶座。
專利摘要本實用新型提供了一種可去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣的系統(tǒng)，其包括超臨界二氧化碳裝置，提供超臨界二氧化碳流體；反應(yīng)前處理裝置，添加助溶劑于所述超臨界二氧化碳流體中及用以提升添加有助溶劑的超臨界二氧化碳流體溫度；反應(yīng)腔體，提供一半導(dǎo)體晶片與添加有助溶劑并已提升溫度的超臨界化二氧化碳流體反應(yīng)的空間，用以去除半導(dǎo)體晶片表面銅氧化物及水氣。終點偵測器，與所述反應(yīng)腔體連接以偵測半導(dǎo)體晶片的反應(yīng)終點；以及回收裝置，收集來自終點偵測器及超臨界二氧化碳裝置的流體。
文檔編號H01L21/768GK2701069SQ200420050779
公開日2005年5月18日 申請日期2004年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月19日
發(fā)明者林俊賢, 羅冠騰, 劉埃森, 林俞良 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司