專利名稱：用于濺射和再濺射的自離子化及電感耦合等離子體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般關(guān)于濺射和再濺射。更為具體地，本發(fā)明關(guān)于半導(dǎo)體集成電路形成中 材料的濺射沉積和沉積材料的再濺射。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體集成電路通常包括多層金屬(metallization)以在大量有源半導(dǎo)體器件 之間提供電連接。高級集成電路，特別是用于微處理器的那些，可以包括五層或更多金屬 層。在過去，鋁為受歡迎的金屬層材料，但是已經(jīng)開發(fā)銅作為高級集成電路的金屬層。在圖1的剖面圖中示出了典型的金屬層。下層110包括導(dǎo)電部件112。如果下 層Iio為諸如二氧化硅或其它絕緣材料的下層電介質(zhì)層，導(dǎo)電部件112可以為下層銅金屬 層，且上層金屬層的垂直部分稱之為通路(via)，因為其互連兩個金屬層。如果下層110 為硅層，導(dǎo)電部件112可以為摻雜硅區(qū)，且形成在孔中的上層金屬的垂直部分稱之為觸點 (contact)，因為它電接觸硅。上層電介質(zhì)層114沉積在下層電介質(zhì)層110和下層金屬層 112上。還可以有包括線形和溝槽的其它孔形。同樣，在雙金屬鑲嵌(dual damascene)和 相似的互連結(jié)構(gòu)中，如下所述，孔具有復(fù)雜的形狀。在一些應(yīng)用中，孔不可以穿過電介質(zhì)層 延伸。下述討論僅提到通路孔，但是，在大多數(shù)情況中，該討論同樣適用于其它類型的孔，其 中只有幾個本領(lǐng)域公知的修改孔。常規(guī)地，電介質(zhì)為通過利用四乙基正硅酸鹽(TEOS)作為前體的等離子體增強化 學(xué)氣相沉積形成的二氧化硅。然而，可以考慮其它成分的低k材料和沉積技術(shù)。一些在開 發(fā)的低k電介質(zhì)可以描繪為硅酸鹽，諸如氟化硅酸鹽玻璃。此后，僅直接描述硅酸鹽(氧化 物)電介質(zhì)，但可以設(shè)想使用其它電介質(zhì)成分。在硅酸鹽電介質(zhì)的情況中，通常使用氟基等離子體蝕刻工藝在上層電介質(zhì)層114 中蝕刻通路孔。在高級集成電路中，通路孔的寬度可以為0. 18μπι或更小。電介質(zhì)層114的 厚度通常至少為0.7 μ m，并且有時為其兩倍，以使孔的縱橫比為4 1或更大。建議6 1 或更大的縱橫比。此外，在大多數(shù)情況中，通路孔應(yīng)該具有垂直輪廓(profile)。
在孔的底面和側(cè)面以及電介質(zhì)層114上沉積襯里層(liner layer) 116。襯里層 116可以執(zhí)行幾個功能。其可以用作電介質(zhì)與金屬層之間的粘合層(adhesion layer)，因 為金屬膜易于從氧化物上剝離。其還可以用作防止在氧化物基電介質(zhì)與金屬之間互擴散的 阻擋層。其還可以用作籽晶和形核層，以促進(jìn)均勻粘接和生長以及金屬沉積填充孔的可能 的低溫回流和使分離的籽晶層的均勻生長形核?？梢猿练e一層或多層襯里層，其中一層可 以主要用作阻擋層而其它層主要用作粘合劑、籽晶或形核層。例如，然后在襯里層116上沉積諸如銅的導(dǎo)電金屬互連層118以填充孔并覆蓋電介質(zhì)層114的頂部。通過選擇蝕刻金屬層118的平面部分，將常規(guī)鋁金屬形成水平互連圖 形。然而，稱為雙金屬鑲嵌的用于銅金屬的技術(shù)在電介質(zhì)層114中使孔形成為兩個連接部 分，第一為穿過電介質(zhì)底部的狹窄通路而第二為在表面部分中與通路互連的較寬溝槽。在 金屬沉積之后，進(jìn)行化學(xué)機械拋光(CMP)，該化學(xué)機械拋光除去暴露在電介質(zhì)氧化物上的較 軟的銅，但到較硬的氧化物時，即停止。結(jié)果，相似于最近的下層的導(dǎo)電部件112的上層的 多個填充銅的溝槽彼此隔離。填充銅的溝槽用作在填充銅的通路之間的水平互連。雙金屬 鑲嵌工藝與CMP的結(jié)合消除了蝕刻銅的需要。已經(jīng)開發(fā)出幾種用于雙金屬鑲嵌和其它具有 相似制造需要的金屬結(jié)構(gòu)的層結(jié)構(gòu)和蝕刻序列。諸如出現(xiàn)在雙金屬鑲嵌中的襯里和填充通路孔以及相似的高縱橫比結(jié)構(gòu)，隨著它 們的縱橫比的不斷增加，呈現(xiàn)出持續(xù)的挑戰(zhàn)。4 1的縱橫比比較普遍，并且此值會進(jìn)一步 增大。這里使用的縱橫比定義為孔的深度與孔的最窄處寬度的比值，孔的最窄處通常接近 其頂表面。0. 18 μ m通路寬度比較普遍，并且該值會進(jìn)一步降低。對于形成在氧化物電介質(zhì) 中的高級銅互連，阻擋層的形成易于與形核和籽晶層清楚地分離開。擴散阻擋層可以由鉭/ 氮化鉭(Ta/TaN)、鎢/氮化鎢(W/WN)或鈦/氮化鈦(Ti/TiN)或其它結(jié)構(gòu)的雙層形成。通 常阻擋層的厚度為10至50nm。對于銅互連，已發(fā)現(xiàn)沉積一層或更多銅層以實現(xiàn)形核和籽晶 功能十分有利。通過常規(guī)物理氣相沉積(PVD)的襯里層或金屬的沉積，還稱之為濺射，較快。DC磁 控管濺射反應(yīng)器具有由要濺射沉積的金屬組成的且由DC電源向其提供電力的靶。磁控管 在靶的背面附近被掃描且將其磁場投射到臨近靶的反應(yīng)器部分，以增加那里等離子體的密 度，由此增加濺射速率。然而，常規(guī)DC濺射(與要介紹的其它類型濺射相比較將其稱之為 PVD)主要濺射中性原子。一般PVD中的離子密度通常小于109cm_3。PVD還易于將原子濺 射呈寬角分布(wide angulardistribution)，通常關(guān)于靶的法線呈余弦關(guān)系。這種寬分布 (widedistribution)會不利于填充深且窄的通路孔122，以至如圖2中示出那樣，其中已經(jīng) 沉積阻擋層124。大量的角外濺射顆粒(off-angle sputter particle)可以引起層126優(yōu) 先沉積在孔122的上拐角(upper corner)周圍并形成伸出(overhangs) 128。大的伸出可 以進(jìn)一步地限制進(jìn)入孔122并引起孔122的側(cè)壁130和底部132的不充分覆蓋。而且，伸 出128在填充孔之前架橋(bridge)孔122并在孔122內(nèi)的金屬中產(chǎn)生空隙134。一旦形成 空隙134，通常很難通過將金屬加熱接近其熔點來將其回流(reflow)。即使小的空隙也可 以引起可靠性問題。如果計劃諸如通過電鍍進(jìn)行第二金屬沉積步驟，架橋的伸出會使隨后 的沉積更困難。一種改善伸出問題的方法是長投擲(long-throw)濺射，其中將濺射靶與要被濺 射涂覆的晶片或其它襯底間隔相對較遠(yuǎn)。例如，靶至晶片的間隔可以是晶片直徑的至少50%，優(yōu)選大于90%，且更優(yōu)選大于140%。結(jié)果，濺射分布的角外部分優(yōu)先射向室壁，但是角中央部分仍然基本上射向晶片。截角分布(truncated angular distribution)會引起 更多部分濺射顆粒深射入孔122中，并且減小伸出128的程度。通過在靶與晶片之間定位 準(zhǔn)直儀(collimator)來實現(xiàn)相似的效果。因為準(zhǔn)直儀具有大量的高縱橫比的孔，角外濺 射顆粒易于轟擊準(zhǔn)直儀的側(cè)壁，角中央的顆粒易于穿過。長投擲靶和準(zhǔn)直儀通常都減小到 達(dá)晶片的濺射顆粒的流量并且因此易于減小濺射沉積速率。隨著投擲加長或隨著使準(zhǔn)直 (collimation)更嚴(yán)于適應(yīng)增加縱橫比的通路孔，這種減小可以變得更為顯著。而且可以限制增加長投擲濺射的長度。通常在PVD濺射中使用的幾毫托的氬壓力 下，隨著靶至晶片間隔的增加，氬分散濺射顆粒的可能性更大。因此，可以減少向前顆粒的 幾何選擇(geometric selection)。長投擲和準(zhǔn)直的另一問題是減小的金屬流量，減小的金 屬流量可導(dǎo)致更長的沉積周期，這將不但會減少產(chǎn)量，而且還會增加濺射期間的晶片經(jīng)歷 的最高溫度。此外，長投擲濺射可以減小伸出并提供在側(cè)壁中間和上部的良好覆蓋，但是較 低的側(cè)壁和底部覆蓋可能不那么令人滿意。用于深孔襯里和填充的另一技術(shù)是稱之為離子化金屬電鍍(IMP)的濺射工藝中， 利用高密度等離子體(HDP)的濺射。一般的高密度等離子體是指除等離子體鞘之外的整 個等離子體的平均等離子體密度為至少IO11CnT3,并優(yōu)選至少為1012cm_3。在IMP沉積中，例 如，通過將RF電源電耦合至等離子體，該等離子體來自來自纏繞在靶與晶片之間的等離子 體源區(qū)周圍的電線圈，在遠(yuǎn)離晶片的區(qū)中形成分離的等離子體源區(qū)。以這種方式產(chǎn)生的等 離子體稱為電感耦合等離子體(inductively coupled plasma, I CP) 具有此結(jié)構(gòu)的HDP 室來自美國加利福尼亞州的Santa Clara的應(yīng)用材料有限公司的商用HDP PVD反應(yīng)室?？?以利用其它HDP濺射反應(yīng)室。較高的功率不僅離子化氬工作氣體，還顯著增加濺射原子的 電離分?jǐn)?shù)(ionization fraction)，即產(chǎn)生金屬離子。晶片或者自充電至負(fù)電勢或為RF 偏置以控制其DC電勢。隨著金屬離子接近負(fù)偏置晶片，金屬離子被加速穿過等離子體鞘 (plasmasheath)。結(jié)果，它們的角分布在向前方向中變得更尖，以至于它們被深深地吸入到 通路孔中。在IMP濺射中伸出幾乎成為問題，且底部覆蓋和底部側(cè)壁覆蓋相對較高。通常在諸如30毫托或更高的較高壓力下執(zhí)行利用遠(yuǎn)程等離子體源的IMP濺射。 較高的壓力和高密度等離子體可以產(chǎn)生非常大的氬離子數(shù)量，該氬離子被加速穿過等離子 體鞘至要被濺射沉積的表面。將氬離子的能量隨著熱量直接進(jìn)入要形成的膜中而損耗掉。 在IMP中經(jīng)歷的高溫下，即使在50至75°C那樣低的溫度下，銅也可以與氮化鉭和其它阻擋 材料反浸潤(dewet)。此外，氬易于植入形成中的膜。IMP可以沉積如在圖3的剖視圖中的 136示出的銅膜，該銅膜具有粗糙或不連續(xù)的表面形態(tài)。如果這樣，這種膜不會促進(jìn)孔填充， 特別是當(dāng)襯里用作電鍍的電極時。沉積金屬的另一種技術(shù)是持續(xù)(sustained)自濺射(SSS)，如由Fu等人在1997年 5月8日提交的美國專利申請序號No. 08/854008中以及由Fu在1999年8月12日提交的 美國專利No. 6183614B1、序號No. 09/373097描述的，這里并入它們的全部以作參考。例如， 在鄰近銅靶的足夠高的等離子體密度下，產(chǎn)生足夠高密度的銅離子以至銅離子以超出一的 收益(yield over unity)再濺射銅靶。然后氬工作氣體的供給可以被消除或至少減小到很 低的壓力而銅等離子體持續(xù)。鋁被認(rèn)為不容易受SSS的影響。一些其它材料，諸如鈀(Pd)、 鉬(Pt)、銀(Ag)和金(Au)也可以經(jīng)受SSS。
通過銅的持續(xù)自濺射沉積的銅或其它金屬具有大量優(yōu)點。SSS中的濺射速率趨向于高速率。存在可以通過等離子體鞘并朝向偏壓晶片被加速的高銅離子分?jǐn)?shù)，這樣增加了 濺射流(sputter flux)的方向性。室壓可以非常低，其通常由背側(cè)的冷卻氣體的漏出量 (leakage)限制，由此減小晶片由氬離子加熱且減少由氬引起的金屬顆粒的分散。已經(jīng)開發(fā)出促進(jìn)持續(xù)自濺射的技術(shù)和反應(yīng)室結(jié)構(gòu)。已經(jīng)觀察到，盡管受益于這些 相同的技術(shù)和結(jié)構(gòu)，但是由于低于一的再濺射產(chǎn)量，可能由于產(chǎn)生部分自離子化的等離子 體(SIP)的部分自濺射，一些濺射材料不經(jīng)受SSS。此外，即使可獲得沒有任何氬工作氣體 的SSS，但通常以低而有限的氬壓力濺射銅是有利的。因此，SIP濺射是用于更多包括減小 的或零工作氣體壓力的一般濺射工藝首選的術(shù)語，因此SSS是SIP的一種。在1999年10月 8日由Fu等人提交的美國專利6290825和由Chiang等人提交的美國專利申請09/414614 中已經(jīng)描述了 SIP濺射，這里并入它們的全部以作參考。SIP濺射使用各種相當(dāng)常規(guī)的電容耦合磁控管濺射反應(yīng)器的變形以產(chǎn)生鄰近靶的 高密度等離子體(HDP)，以將等離子體延伸并且將金屬離子導(dǎo)向晶片。將相對高量的DC功 率施加到靶上，例如，20至40千瓦用于為200mm晶片設(shè)計的室。而且，磁控管具有相對小面 積以便于將靶功率集中在磁控管的較小面積，因此增加施加于臨近磁控管的HDP區(qū)域的功 率密度。將小面積磁控管設(shè)置在靶中央的一側(cè)并將其關(guān)于中央旋轉(zhuǎn)，以提供更均勻的濺射 和沉積。在一種SIP濺射類型中，磁控管具有不平衡的磁極，通常一種磁極性的強外部磁 極包圍另一種磁極性的較弱內(nèi)部磁極。從較強磁極發(fā)出的磁場線可以分解成臨近靶面 (target face)的常規(guī)水平磁場和向晶片延伸的垂直磁場。垂直磁場線朝向接近晶片傳播 等離子體并將金屬離子導(dǎo)向晶片。而且，接近于室壁的垂直磁場線用以阻止電子從等離子 體到接地屏蔽的擴散。減少的電子損失特別有效地增加等離子體密度并穿過處理間隔傳播 等離子體。在不使用RF電感線圈的情況下完成SIP濺射。小HDP區(qū)域足夠離子化相當(dāng)部分 的金屬離子，估計在10至25%之間，這有效地將涂層濺射到深孔中。特別是在高離子化部 分，離子化的濺射金屬原子轟擊回靶并進(jìn)一步濺射金屬原子。結(jié)果，在沒有等離子體的破壞 的情況下可以減小氬工作壓力。因此，晶片的氬加熱問題較小，且有減小金屬離子與氬原子 碰撞的可能，這將不但減小離子密度而且可隨機化金屬離子濺射圖形。用于SIP濺射中的不平衡磁控管的另一優(yōu)點是來自較強的外部環(huán)形磁極的磁場 朝向晶片遠(yuǎn)遠(yuǎn)地投射到等離子體處理區(qū)域中。該投射場具有在等離子體處理區(qū)域的較大程 度上支撐強等離子體并將離子化濺射顆粒導(dǎo)向晶片的優(yōu)點。Wei Wang在2000年7月10日 提交的美國專利申請序號為No. 09/612861中公開了纏繞在等離子體處理區(qū)域的主要部分 周圍的同軸電磁線圈的使用，以產(chǎn)生從靶延伸向晶片的磁場分量。磁線圈在將SIP濺射結(jié) 合在長投擲濺射反應(yīng)器中非常有效，即，因為輔助磁場支撐等離子體且進(jìn)一步導(dǎo)向離子化 濺射顆粒而在靶與晶片之間具有較大間隔的一種反應(yīng)器。Lai在美國專利5593551中公開 了一種靠近靶的較小線圈。然而，SIP濺射仍要改善。它的一個基本問題是在最優(yōu)化磁場結(jié)構(gòu)中可利用的有 限數(shù)目的變量。磁控管應(yīng)該小以便于最大化靶的功率密度，而靶需要均勻的被濺射。磁場 應(yīng)該具有臨近靶的強水平分量以最大化那里的電子俘獲(electron trapping)。磁場的某些分量應(yīng)該從靶朝向晶片投射，以引導(dǎo)離子化的濺射顆粒。Wang的同軸磁線圈僅解決了其中部分問題。在由Lai的美國專利5593551中公開的水平布置永久磁體解決此效應(yīng)的效果 也很差。還可以通過利用金屬-有機前體的化學(xué)氣相沉積(CVD)來沉積金屬，諸如可從 Schumacher獲得混合有附加的添加劑的商品名為CupraSelect命名的商用Cu_HFAC_VTMS 金屬-有機前體。本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的熱CVD工藝可以使用該前體，但是也可以用等 離子體增強CVD(PECVD)也可以。即使在高縱橫比的孔中，CVD處理能夠沉積近似保形膜 (conformal film)。例如，通過CVD沉積的膜作為薄籽晶層，然后PVD或其它技術(shù)用于最后 的孔填充。然而，通常觀察到CVD銅籽晶層粗糙。粗糙可以使其不能用作籽晶層，并且尤其 是，可削弱其作為回流層(reflow layer)促進(jìn)銅深深沉積在孔中之后的低溫回流的作用。 同樣，粗糙表明會需要50nm數(shù)量級的較厚CVD銅層來可靠地涂覆連續(xù)的籽晶層。對于現(xiàn)在 考慮的較窄的通路孔來說，特定厚度的CVD籽晶層可以幾乎填滿該孔。然而，通過CVD執(zhí)行 的完全填充會遭受中央縫隙，這可影響器件的可靠性。另一種結(jié)合技術(shù)使用IMP沉積薄銅形核層，有時稱之為閃(flash)沉積，并在IMP 層上沉積較后的CVD銅籽晶層。然而，如圖3中示出，IMP層136可能粗糙，且CVD層容易 保形地跟隨著粗糙的襯底。因此，在IMP層上的CVD層也容易粗糙。電化學(xué)鍍(ECP)是另一種正在開發(fā)的銅沉積技術(shù)。在該方法中，將晶片浸入在銅 電解槽中。將晶片相對于槽電偏置，且在通常的保形工藝中，銅電化學(xué)沉積在晶片上。還可 以利用無電鍍技術(shù)。電鍍及其相關(guān)工藝是有利的，因為它們可以在大氣壓下用簡單的設(shè)備 執(zhí)行，沉積速率高，且液體處理與隨后的化學(xué)機械拋光相容。然而，電鍍影響其自身的需要。籽晶和粘合層通常設(shè)置在諸如Ta/TaN的阻擋層頂 部，以使電鍍的銅形核并將起粘結(jié)到阻擋材料上。而且，環(huán)繞通路孔122的一般絕緣結(jié)構(gòu)需 要在電介質(zhì)層114和通路孔122之間形成的電鍍電極。鉭和其它阻擋材料一般為相對較弱 的電導(dǎo)體，且面對通路孔122(包含銅電解質(zhì))的阻擋層124的通常的氮化物亞層對于在電 鍍中需要的長橫向電流路徑的導(dǎo)電性甚至更弱。因此，通常沉積良導(dǎo)電性的籽晶層和粘合 層以促進(jìn)電鍍有效地填充通路孔的底部。沉積在阻擋層124上的銅籽晶層一般用作電鍍電極。然而，優(yōu)選連續(xù)、平滑且均 勻的膜。否則，電鍍電流會僅流向由銅覆蓋的區(qū)域或優(yōu)選流向由較厚的銅覆蓋的區(qū)域。沉 積銅籽晶層表現(xiàn)出其自身的困難。IMP沉積的籽晶層在高縱橫比的孔中提供良好的底部覆 蓋(coverage)，但是其側(cè)壁覆蓋小以至最終的薄膜粗糙或不連續(xù)。CVD沉積的薄籽晶也很 粗糙。較厚的CVD籽晶層或IMP銅上的CVD銅需要過厚的籽晶層以獲得需要的連續(xù)性。同 樣，電鍍電極首先在整個孔的側(cè)壁上操作以便獲得期望的高側(cè)壁覆蓋。長投擲提供充分的 側(cè)壁覆蓋，但是底部覆蓋不夠充分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例涉及通過在一個室中結(jié)合長投擲濺射、自離子化等離子體 (SIP)濺射、電感耦合等離子體(ICP)再濺射和線圈濺射來沉積諸如鉭/氮化鉭的襯里材 料。長投擲濺射的特征為靶至襯底的距離與襯底直徑的較高比率。長投擲SIP濺射促進(jìn)離 子化和中性沉積材料成分的深孔涂覆。ICP再濺射可以減小深孔的底部覆蓋層的厚度以減小接觸電阻。在ICP再濺射期間，ICP線圈濺射可以沉積保護(hù)層，特別是在諸如臨近不需要 通過再濺射減薄的孔開口的區(qū)域。本發(fā)明的另一實施例涉及通過在一個室中結(jié)合長投擲濺射、自離子化等離子體 (SIP)濺射和SIP再濺射來濺射沉積諸如銅的互連材料。再次，長投擲SIP濺射促進(jìn)離子 化和中性銅成分的深孔涂覆。SIP再濺射可以重新分布沉積以促進(jìn)深孔的良好底部拐角覆蓋。
SIP易于通過低于5毫托、優(yōu)選低于2毫托且更優(yōu)選低于1毫托的低壓來促進(jìn)。特 別是在這些低壓下，SIP易于通過具有相對小面積的磁控管促進(jìn)，由此增加靶的功率密度， 并通過具有不對稱磁體的磁控管，導(dǎo)致磁場還朝向襯底穿透?？梢允褂眠@樣的工藝來沉積 籽晶層，以促進(jìn)在沉積層之后的形核或引晶(seeding)，形成窄而深的貫穿電介質(zhì)層的通路 或觸點特別有用。通過電化學(xué)鍍(ECP)沉積另一層。在另一實施例中，通過化學(xué)氣相沉積 (CVD)來沉積另一層。一個實施例包括在設(shè)置于接近晶片的室周圍并具有第一垂直磁極性的磁控管濺 射反應(yīng)器中的輔助磁體陣列。磁體可以是永久性磁體或具有沿室中心軸的線圈軸的電磁體 陣列。在一個實施例中，具有第一磁極性的強外部磁極的可旋轉(zhuǎn)的磁控管包圍相反極 性的弱磁極。輔助磁體優(yōu)選位于接近晶片的處理間隔的一半位置處，以將磁場的不平衡 (unbalanced)部分從外部磁極拉向晶片?？梢苑侄嗖酱龠M(jìn)SIP室中的再濺射，其中在一個實施例中，在沉積期間增加對晶 片施偏壓。選擇地，在沉積期間可以降低到靶的功率以重新分布到通路和其它孔的底部拐 角的沉積。如下討論本發(fā)明的其它方面。因此應(yīng)該理解，前述僅為本發(fā)明的一些實施例和方 面的簡要說明。下面將介紹本發(fā)明的另外的實施例和方面。還應(yīng)該理解，可以在不脫離本 發(fā)明的精神和范圍下對公開的實施例作出大量的改變。因此前述概述不意味著限制本發(fā)明 的范圍。更恰當(dāng)?shù)?，本發(fā)明的范圍僅由附屬的權(quán)利要求和其等同物來決定。


圖1是在現(xiàn)有技術(shù)中實施的由覆蓋電介質(zhì)層頂部的金屬化填充的通路的剖面圖。圖2是金屬化填充通路期間的通路的剖面圖，該金屬化伸出并封閉了該通路孔。圖3是具有通過離子化金屬電鍍沉積的粗糙籽晶層的通路的剖面圖。圖4是本發(fā)明實施例可用的濺射室的示意圖。圖5是圖4的濺射室的各部分的電互連的示意6-9B是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的通路襯里和金屬化以及用于通路襯里和金屬 化的形成工藝的剖視圖。圖10是包括本發(fā)明的輔助磁體陣列的濺射反應(yīng)器的示意性剖視圖。圖11是圖10的濺射反應(yīng)器的頂部磁控管的仰視圖。圖12是支撐輔助磁體陣列的組件的實施例的正視圖。圖13是在其中輔助磁體陣列包括電磁體陣列的濺射反應(yīng)器的示意性剖視圖。圖14A和14B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的通路籽晶層和該通路籽晶層的形成工藝的剖視圖。圖15是本發(fā)明可用的另一濺射室的示意圖。圖16是詳述靶、屏蔽、絕緣體和靶0-環(huán)的圖15的部分的分解圖。圖17是示出浮置屏蔽的長度與用于支撐等離子體的最小壓力之間的關(guān)系的圖表。圖18是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的通路金屬化的剖視圖。圖19與20是描繪對于兩個不同的磁控管和不同的操作條件，穿過晶片的離子流流量的曲線圖。圖21是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的通路金屬化的剖視圖。圖22是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的通路金屬化的剖視圖。圖23是減小晶片加熱的等離子體點火順序(plasma ignitionsequence)的流程 圖。圖24是按照根據(jù)本發(fā)明另一實施例的工藝形成的通路金屬化的剖視圖。圖25是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的濺射室的示意圖。圖26是圖25的濺射室的各部分的電互連(electricalinterconnection)的示意 圖。圖27是在其上實施本發(fā)明的集成處理工具(integrated processingtool)的示 意圖。
具體實施例方式在DC磁控管濺射反應(yīng)器中的側(cè)壁和底部覆蓋的分布適合于制造諸如在電介質(zhì)層 中的孔或通路中具有期望外形輪廓的襯里層的金屬層。濺射沉積進(jìn)入高縱橫比通路中的 SIP膜可以具有良好的上側(cè)壁覆蓋且不易于產(chǎn)生伸出。如果需要，可以通過通路底部的ICP 再濺射來減薄或消除底部覆蓋。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，可以在反應(yīng)器中獲得兩類濺射的 優(yōu)點，該反應(yīng)器結(jié)合可以在分離步驟中的SIP和ICP等離子體產(chǎn)生技術(shù)的選擇方面，此類反 應(yīng)器的一個例子在圖4中總稱為150。另外，可以保護(hù)襯里層側(cè)壁的上部免于通過濺射位于 室內(nèi)的ICP線圈151再濺射以將線圈材料沉積到襯底上。反應(yīng)器150還可以用于利用SIP和ICP、優(yōu)選二者結(jié)合、但二者擇一，交替產(chǎn)生的等 離子體的濺射沉積金屬層，諸如阻擋層或襯里層。在DC磁控管濺射反應(yīng)器中的離子化與中 性原子流量可以適合于在電介質(zhì)層中的孔或通路中產(chǎn)生涂層。如前所述，濺射沉積在高縱 橫比的孔中的SIP膜具有有利的上側(cè)壁覆蓋且不易于產(chǎn)生伸出。另一方面，ICP產(chǎn)生的等 離子體可以增加金屬離子化以便于濺射沉積到這種孔中的膜可以具有良好的底部和底部 拐角覆蓋。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在諸如反應(yīng)器150的反應(yīng)器中可以獲得兩種濺射類型 的優(yōu)點，在該反應(yīng)器中結(jié)合兩種沉積技術(shù)的選擇方面。另外，如果需要，線圈材料也可以被 濺射對沉積層作出貢獻(xiàn)。在2002 年 7 月 25 日提交的未決 U. S.申請序號 No. 10/202778 (attorney docket No. 4044)中描述用于形成襯里、阻擋層和其它層的反應(yīng)器150和各種工藝，并將其全部并 入下文以作參考。如那里所描述的，示出的實施例的反應(yīng)器150為基于來自加利福尼亞州 的圣克拉拉的應(yīng)用材料有限公司的可利用的Endura PVD反應(yīng)器改造(modification)的DC磁控管型反應(yīng)器。該反應(yīng)器包括通常為金屬且電接地、通過靶隔離器154與至少具有由要在晶片158上濺射沉積的材料組成的表面部分的PVD靶156密封的真空室152。雖然靶的 濺射表面在附圖中描繪為平坦的，應(yīng)該意識到靶濺射表面可以具有包括拱狀和圓柱狀的各 種形狀。晶片可以為包括150、200、300和450mm的不同尺寸。示出的反應(yīng)器150能夠以長 投擲模式自離子化濺射(SIP)。該SIP模式可以用于一個實施例中，在該實施例中覆蓋主要 針對孔的側(cè)壁。SIP模式還可以用于獲得良好的底部覆蓋。反應(yīng)器150還具有RF線圈151，該線圈將RF能量電感耦合進(jìn)入反應(yīng)器的內(nèi)部。由 線圈151提供的RF能量將諸如氬的前體氣體離子化以保持等離子體利用離子化的氬將沉 積層再濺射到薄底部覆蓋，或以離子化濺射的沉積材料以改善底部覆蓋。在一個實施例中， 不是在諸如通常用于高密度IMP工藝的20-60毫托(mTorr)的較高壓力下保持等離子體， 該壓力優(yōu)選保持在相對較低的壓力下，例如，諸如用于氮化鉭沉積的1毫托或用于鉭沉積 的2.5毫托。然而，取決于應(yīng)用，在0.1至40毫托范圍內(nèi)的壓力是合適的。結(jié)果，認(rèn)為在反 應(yīng)器150內(nèi)的離子化速率相當(dāng)?shù)氐陀谝话愕母呙芏菼MP工藝的離子化速率。該等離子體可 以用于再濺射沉積層或離子化濺射的沉積材料、或兩者。此外，可以濺射線圈151自身，以 在沉積到晶片上的材料的再濺射期間，在晶片上向那些不期望減薄沉積材料的區(qū)域提供保 護(hù)涂層，或另外提供附加的沉積材料。在一個實施例中，認(rèn)為在多步工藝中可以獲得良好的上側(cè)壁覆蓋和底部拐角覆 蓋，其中在一個步驟中，對線圈施加很少的RF功率或不施加。這樣，在一個步驟中，濺射靶 的沉積材料的離子化主要作為自離子化(self-ionization)的結(jié)果發(fā)生。結(jié)果，認(rèn)為可以 獲得良好的上側(cè)壁覆蓋。在第二步驟中并且優(yōu)選在相同的室中，可以向線圈151施加RF功 率而向靶施加低功率或不施加功率。在該實施例中，幾乎很少或沒有材料從靶156上濺射 而前體氣體的離子化會主要作為通過線圈151電感耦合的RF能量的結(jié)果發(fā)生。ICP等離 子體可以通過蝕刻或再濺射來直接減薄或消除底部覆蓋以減小孔底部的阻擋層的電阻。另 夕卜，可以濺射線圈151以在不期望減薄的地方沉積保護(hù)材料。在一個實施例中，壓力保持較 低以便于等離子體的密度較低以減小來自線圈的濺射沉積材料的離子化。結(jié)果，濺射線圈 材料可以主要保持為中性以便于主要沉積在上側(cè)壁上，以保護(hù)那些部分不被減薄。因為示出的反應(yīng)器150能夠自離子化濺射，沉積材料可以離子化，作為不僅通過 RF線圈151還通過靶156自身的濺射來保持的等離子體的結(jié)果。當(dāng)期望沉積良好底部覆蓋 的層時，認(rèn)為結(jié)合的SIP和ICP離子化工藝為良好的底部和底部拐角覆蓋提供充足的離子 化材料。然而，還認(rèn)為由RF線圈151提供的低壓等離子體的較低的離子化速率使足夠的中 性濺射材料能保持非離子化以便于沉積在上側(cè)壁。這樣，認(rèn)為離子化沉積材料的組合源可 以提供良好的上側(cè)壁覆蓋以及良好的底部和底部拐角覆蓋，如下面更為詳細(xì)的解釋。在選擇的實施例中，認(rèn)為可以在多步工藝中獲得良好的上側(cè)壁覆蓋、底部覆蓋和 底部拐角覆蓋，在該工藝中，在一個步驟，幾乎很少或沒有RF功率施加到線圈。這樣，在一 個步驟中，沉積材料的離子化會主要作為自離子化的結(jié)果發(fā)生。結(jié)果，認(rèn)為可以獲得良好的 上側(cè)壁覆蓋。在第二步驟中并且優(yōu)選在相同的室中，RF功率施加到線圈151。另外，在一個 實施例中，充分升高壓力以便于保持高密度等離子體。結(jié)果，認(rèn)為在第二步驟中可以獲得良 好的底部以及底部拐角覆蓋。晶片夾具160將晶片158夾持在基座電極(pedestal electrode) 162上。可以提供阻抗加熱器、制冷槽(refrigerant channel)和在基座162中的熱傳遞氣體腔(thermal transfer gas cavity)以使基座的溫度能被控制在小于_40攝氏度的溫度，由此使晶片溫 度被相似地控制。為獲得具有部分中性流的較深孔涂層，可以增大靶156與晶片158之間的距離以便以長投擲模式操作。使用時，靶至襯底的間距一般大于襯底直徑的一半。在示出的實施 例中，其優(yōu)選大于晶片直徑的90% (例如，190mm的間隔用于200mm的晶片，以及290mm的 間隔用于300mm的晶片)，但是認(rèn)為包括大于100%和大于140%的大于襯底直徑的80%的 間距也是合適的。對于許多應(yīng)用，認(rèn)為50至IOOOmm的靶至晶片間距是合適的。在常規(guī)濺 射中的長投擲減小濺射沉積速率，但離子化的濺射顆粒不遭受這種大量的減少。通過第二電介質(zhì)屏蔽隔離體168分離的暗區(qū)屏蔽(darkspaceshield) 164和室屏 蔽(chamber shield) 166保持在室152內(nèi)以保護(hù)室壁152不受濺射材料的影響。在示出的 實施例中，暗區(qū)屏蔽164和室屏蔽166接地。然而，在一些實施例中，屏蔽可以浮置或偏壓 至非接地電平。室屏蔽166還充當(dāng)相對于陰極靶156的陽極接地平面，由此電容性支撐等 離子體。如果允許暗區(qū)屏蔽電浮置，一些電子會沉積在暗區(qū)屏蔽164上以至于負(fù)電荷在那 里累積(build up)。認(rèn)為負(fù)電勢不僅可以排斥進(jìn)一步的電子沉積，而且如果需要，將電子限 定在主要的等離子體區(qū)域，這樣減小了電子損失，維持低壓濺射，并增加等離子體的密度。通過多個線圈支座(standoff) 180在屏蔽164上支撐線圈151，線圈支座將線圈 151與支撐屏蔽164電絕緣。另外，支座180具有曲折(labyrinthine passage)的通道，該 通道允許導(dǎo)電材料從靶110到線圈支座180上重復(fù)沉積導(dǎo)電材料，同時防止沉積材料從線 圈151到屏蔽164的全部導(dǎo)電路徑形成，該導(dǎo)電路徑會將線圈151短路到屏蔽164(其通常 接地)。為了能夠?qū)⒕€圈用作電路路徑，RF功率通過真空室壁并通過屏蔽164穿至線圈 151的端部。真空引線(feedthroughs)(未示出)延伸穿過真空室壁以提供來自發(fā)生器的 RF電流，該發(fā)生器優(yōu)選位于真空壓力室的外部。通過引線支座182穿過屏蔽164向線圈151 施加RF功率(圖5)，引線像線圈支座180那樣，具有曲折通道，以防止可能將線圈151短路 到屏蔽164的從線圈151到屏蔽164的沉積材料的路徑形成。等離子體暗區(qū)屏蔽164通常為圓柱形。等離子體室屏蔽166通常為碗形且包括一 般的圓柱形、垂直取向的壁190，支座180和182連接于該壁190以絕緣支撐線圈151。圖5示出的實施例的等離子體產(chǎn)生設(shè)備的電連接示意圖。為了吸引由等離子體產(chǎn) 生的離子，優(yōu)選通過例如在1-40千瓦(kw)的DC功率下的可變的DC電源200對靶156加負(fù) 偏壓。電源200將靶156負(fù)偏壓至相對于室屏蔽166大約-400至-600VDC以點火并維持 等離子體。通常使用1與5千瓦之間的靶功率來點火等離子體而大于10千瓦的功率優(yōu)選 用于這里描述的SIP濺射。例如，可以使用24千瓦的靶功率來通過SIP濺射沉積氮化鉭， 并且可以使用20千瓦的靶功率來通過SIP濺射沉積鉭。在ICP再濺射期間，靶功率可以減 小至100-200瓦，例如，為保持等離子體的均勻性。選擇地，如果期望在ICP再濺射期間靶 濺射，靶功率可以保持在較高的水平，或者如果需要，可以將其完全關(guān)掉?？梢栽试S基座162及晶片158電浮置，但是負(fù)DC自偏壓仍然在其上存在。選擇 地，可以通過在_30vDC下的電源202對基座162施加負(fù)偏壓，來對襯底158施加負(fù)偏壓以 將離子化的沉積材料吸引至襯底。其它實施例可以將RF偏壓施加到基座162，以進(jìn)一步控制存在于其上的負(fù)DC偏壓。例如，偏壓電源202可以為在13. 56MHz下工作的RF電源。其提供在10瓦至5千瓦范圍內(nèi)的RF功率，例如，對于在SIP沉積中的200mm晶片更為優(yōu)選地 在150至300瓦(W)的范圍。線圈151的一端通過引線支座182穿過屏蔽166絕緣耦合至諸如放大器以及匹配 網(wǎng)絡(luò)204的輸出的RF電源。匹配網(wǎng)絡(luò)204的輸入耦合于RF發(fā)生器206，該發(fā)生器為了此實 施例的ICP等離子體產(chǎn)生提供近似在1或1. 5千瓦的RF功率。例如，優(yōu)選用于氮化鉭沉積 的功率為1. 5千瓦和用于鉭沉積的功率為1千瓦。優(yōu)選范圍為50瓦至10千瓦。在SIP沉 積期間，如果需要，可以關(guān)掉線圈的RF功率。選擇地，如果需要，在SIP沉積期間可以供給 RF功率。線圈151的另一端也通過相似的引線支座182穿過屏蔽166絕緣地耦合至地線， 優(yōu)選地穿過為可變電容器的阻塞電容器(blockingcapacitor)208，以將DC偏壓維持在線 圈151上?？梢酝ㄟ^耦合至線圈151的DC電源209控制線圈151上的DC偏壓及因此線圈 濺射速率，如在美國專利No. 6375810中描述的。用于ICP等離子體產(chǎn)生和線圈濺射的適合 的DC功率范圍包括50瓦至10千瓦。在線圈濺射期間優(yōu)選的值為500瓦。如果需要，在 SIP沉積期間，可以關(guān)掉到線圈151的DC功率。當(dāng)然，上述功率電平可以根據(jù)特定的應(yīng)用而改變。可以編程基于計算機的控制器 224以控制根據(jù)特定應(yīng)用的各種電源的功率電平(power level)、電壓、電流和頻率。RF線圈151可以較低地定位在室中以便于濺射自線圈的材料轟擊晶片時具有 低入射角。結(jié)果，線圈材料優(yōu)先沉積在孔的上拐角以便于當(dāng)孔的底部通過ICP等離子體 再濺射時保護(hù)孔的那些部分。在示出的實施例中，優(yōu)選，當(dāng)線圈的主要功能為產(chǎn)生等離子 體以再濺射晶片和在再濺射期間提供保護(hù)涂層時，將線圈定位在比離鈀更接近晶片的位 置。對于許多應(yīng)用，認(rèn)為0至500mm的線圈至晶片的間距是合適的。然而意識到，實際的 位置會根據(jù)特定的應(yīng)用而改變。在這些應(yīng)用中，其中線圈的主要功能是產(chǎn)生等離子體以 離子化沉積材料，可以將線圈更接近于靶定位。同樣，在1996年7月10日提交的題目為 SputteringCoil for Generating a Plasma的并且轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人的美國專利 No. 6368469 (Attorney Docket 1390-CIP/PVD/DV)中更為詳細(xì)地闡述，還可以將RF線圈定 位成以改善由濺射的線圈材料沉積的層的均勻性。另外，線圈可以具有以螺旋或螺線方式 形成的多匝或具有如單匝的少匝數(shù)以減小復(fù)雜性和降低成本并方便清潔。各種線圈支撐支座和引線支座可以用于絕緣支撐線圈。因為特別是在與SSS、SIP 和ICP相關(guān)的包括高電壓的高功率電平下的濺射，電介質(zhì)隔離體(dieelctric islator)通 常分離不同的被偏置的部分。結(jié)果，可期望保護(hù)這種隔離體不被金屬沉積。支座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)選為曲折(labyrinth)的，如在2000年2月29日提交的題目為 "COIL AND COIL SUPPORT FOR GENERATING APLASMA”的由本申請的轉(zhuǎn)讓給本申請受讓人的 未決申請序號為No. 09/515880中更為詳細(xì)的描述。線圈151和直接暴露于等離子體中的 支座的那些部分優(yōu)選由與要沉積的材料相同的材料制成。因此，如果要沉積的材料由鉭制 成，則支座的外部優(yōu)選也由鉭制成。為了促進(jìn)沉積材料的粘結(jié)，通過噴丸(bead blasting) 處理暴露的金屬表面，噴丸將減少來自沉積材料的顆粒脫落。除了鉭之外，線圈和靶可以由 包括銅(Cu)、鋁(Al)和鎢(W)的各種沉積材料制成。曲折(labyrinth)的尺寸程度應(yīng)該能 阻止從線圈到屏蔽的完全導(dǎo)電路徑的形成。隨著導(dǎo)電的沉積材料沉積在線圈和支座上，會形成這種導(dǎo)電路徑。應(yīng)該認(rèn)識到，根據(jù)特定的應(yīng)用，曲折通道的其它尺寸、形狀和數(shù)量也是允許的。影響曲折設(shè)計的因素包括要沉積材料的類型和在支座需要被清洗或替換之前期望 的沉積量。適合的引線支座可以以相似的方式構(gòu)造，除了 RF功率將施加到穿過支座延伸的 螺栓或其它導(dǎo)電部件的情況外。線圈151可以具有重疊但間隔開的端部。在該布置中，每一端的引線支座182可以 在平行于真空室靶156與襯底夾具162之間的等離子體室中心軸的方向上疊置，如圖4中 所示。結(jié)果，從線圈一端到線圈另一端的RF路徑可以相似地重疊并因此避免了晶片上的間 隙。認(rèn)為這種重疊布置可以提高等離子體產(chǎn)生、離子化和沉積的均勻性，如在1998年3月 16日提交的轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人的未決申請序號為No. 09/039695中描述的那樣。支撐支座180分布在線圈其余部分的周圍以提供適合的支撐。在示出的實施例 中，每一個線圈具有三個在各自線圈的外面呈90度分開分布的轂部件(hub member)504。 應(yīng)該意識到支座的數(shù)量和間距可以根據(jù)特定的應(yīng)用而改變。示出的實施例的線圈151各自由2個形成單匝線圈的大功率(heavy duty)噴丸 處理過的1/4英寸厚鉭或銅帶制成的。然而，可以利用其它高導(dǎo)電材料和形狀。例如，線圈 的厚度可以減小至1/16英寸而寬度增加至2英寸。同樣，特別是如果期望水冷卻，可以利 用中空的管。適合的RF發(fā)生器和匹配電路為本領(lǐng)域公知的組件。例如，具有頻率搜索與匹配電 路和天線相匹配的最佳頻率的能力的諸如ENI Genesis系列的RF發(fā)生器是適合的。用于 產(chǎn)生RF功率到線圈的發(fā)生器的頻率優(yōu)選為2MHz，但是預(yù)期范圍可在其它A. C.頻率，諸如， 例如IMHz至200MHz，和非RF頻率下變化。這些組件還可以通過可編程控制器224控制。參考圖4，室屏蔽166的較低的圓柱部分296繼續(xù)向下至支撐晶片158的底座162 的頂部后面的阱(well)。室屏蔽166然后繼續(xù)徑向向內(nèi)進(jìn)入碗狀部分302并垂直向上進(jìn)入 最里面的圓柱部分151到近似于晶片158的高度但在底座162外部沿徑向間隔開。屏蔽164、166 —般由不銹鋼構(gòu)成，且它們的內(nèi)側(cè)可以被噴丸或被變粗糙，以促進(jìn) 濺射沉積在其上的材料的粘結(jié)。然而，在某點上，在延長的濺射期間，沉積材料堆積至更加 有可能剝落的厚度，產(chǎn)生有害的顆粒。在到達(dá)該點之前，應(yīng)該清洗或更為可能地用新的屏蔽 替換該屏蔽。然而，在大多數(shù)維護(hù)周期(maintenance cycle)中，不需要替換更昂貴的隔離 體154、168。而且，維護(hù)周期由屏蔽的剝落而非隔離體的電短路來決定。氣體源314通過質(zhì)量流量控制器316向室152供給濺射工作氣體，一般為化學(xué)不 活潑惰性氣體氬?？梢允构ぷ鳉怏w進(jìn)入室的頂部，或如示出的，在其底部，每種形式都具有 一個或多個通過屏蔽室屏蔽166的底部或通過室屏蔽166、晶片夾具160和底座162之間的 間隙318穿透孔徑的入口管。通過寬泵口 322連接到室152的真空泵系統(tǒng)320保持在低壓 下。雖然基礎(chǔ)壓力可以保持在大約10-7托或更低，在常規(guī)濺射中，工作氣體的壓力一般保 持在大約1與1000毫托之間，而在SIP濺射中低于大約5毫托。基于計算機控制器224控 制包括DC靶電源200、偏壓電源202和質(zhì)量流量控制器316的反應(yīng)器。為了提供有效的濺射，磁控管330定位在靶156的背面。其具有通過磁軛 (magnetic yoke) 336連結(jié)和支撐的相反的磁體332、334。磁體產(chǎn)生臨近室152內(nèi)的磁控管 330的磁場。磁場俘獲電子，并且為了電中性，還增加離子密度以形成高密度等離子體區(qū)域 338。磁控管330通常通過馬達(dá)驅(qū)動軸342關(guān)于靶156的中央340旋轉(zhuǎn)，以在靶156的濺射中獲得完全覆蓋。為了獲得充足的離子化密度的高密度等離子體338以獲得持續(xù)的自濺 射，可以使輸送到臨近磁控管330的區(qū)域的功率密度高。這可以通過增加從DC電源200的 輸送得功率電平、通過減小磁控管330的例如三角形或跑道(racetrack)形狀的面積來獲 得，如由Fu和Chiang在上述引用的專利中描述的。以其近似與靶中央340 —致的頂(tip) 旋轉(zhuǎn)的60度三角形磁控管任何時候僅覆蓋靶的大約1/6。在能夠進(jìn)行SIP濺射的商用反應(yīng) 器中，1/4覆蓋為優(yōu)選的最大值。為了減小電子損失，通過內(nèi)部磁體332和磁極面表示的內(nèi)部磁極應(yīng)該沒有顯著的 孔徑并且由連續(xù)的由外部磁體334和磁極面表示的外部磁極包圍。而且，為了將離子化濺 射顆粒導(dǎo)向晶片158，外部磁極應(yīng)該比內(nèi)部磁極產(chǎn)生更高的磁通量。延伸的磁場線俘獲電子 且因此將等離子體更拉近晶片158。磁通量的比率應(yīng)該為至少150%且優(yōu)選大于200%。Fu 的三角形磁控管的兩個實施例具有25個外部磁體和6或10個相同強度但不同極性的內(nèi)部 磁體。雖然結(jié)合平坦的靶表面來描繪，但是應(yīng)意識到各種不平衡的磁控管會與各種靶形狀 一起使用以產(chǎn)生自離子化等離子體。磁體具有除三角形之外的其它形狀，包括圓形和其它 形狀。當(dāng)將氬導(dǎo)入室中時，在靶156與室屏蔽166之間的DC電壓差將氬點火成為等離子 體，且?guī)д姾傻臍咫x子被吸引到帶負(fù)電荷的靶156。離子在足夠的能量下轟擊靶156并從 靶156上產(chǎn)生要濺射的靶原子或原子團(tuán)。一些靶顆粒轟擊晶片158并將顆粒沉積在其上， 由此形成靶材料膜。在金屬氮化物的反應(yīng)濺射中，還將來自源343的氮氣引入室中，且氮與 濺射的金屬原子反應(yīng)以在晶片158上形成金屬氮化物。圖6_9b示出根據(jù)本發(fā)明的另一方面的襯里層形成的連續(xù)剖視圖。參考圖6，層間 電介質(zhì)345 (例如二氧化硅)沉積在互連348 (圖9b)的第一金屬層(例如第一銅層347a) 上。然后在層間電介質(zhì)345中蝕刻通路349以暴露第一銅層347a。可以利用CVD、PVD、電 鍍或其它類似公知的金屬沉積技術(shù)來沉積第一金屬層，且第一金屬層經(jīng)由觸點，穿過電介 質(zhì)層，連接到形成在下面的半導(dǎo)體晶片的器件。如果將第一銅層347a暴露于氧氣，諸如當(dāng) 晶片從蝕刻室中移走，在該蝕刻室中，蝕刻覆蓋第一銅層的氧化物以產(chǎn)生用于制造第一銅 層與第二種要被沉積金屬層之間的通路的孔，可以很容易地在其上形成絕緣/高阻抗的氧 化銅層347a’。因此，為了減小銅互連348的阻抗，會除去通路349內(nèi)的任何氧化銅層347a’ 和任何處理剩余物。在除去氧化銅層347a’之前，阻擋層351可以沉積(例如，在圖4的濺射室152內(nèi)) 在層間電介質(zhì)345上和暴露的第一銅層347a上。優(yōu)選包括鉭、氮化鉭、氮化鈦、鎢或氮化鎢 的阻擋層351阻止隨后沉積的銅層混入層間電介質(zhì)345中并使層間電介質(zhì)降級(degrade) (如前所述)。如果，例如，濺射室152構(gòu)造成用于氮化鉭層的沉積，采用鉭靶156。一般地，氬氣 和氮氣都通過氣體入口 360 (可以使用多個入口，每一種氣體一個入口 )流入濺射室152，同 時功率信號經(jīng)由DC電源200施加到靶156。選擇地，功率信號還可以經(jīng)由第一 RF電源206 施加到線圈151。在穩(wěn)定狀態(tài)處理期間，氮可以與鉭靶156反應(yīng)以在鉭靶156上形成氮化物 膜，以便從其上濺射氮化鉭。另外，還會從靶上濺射未被氮化的鉭原子，這種鉭原子可以與 氮在飛行中或在由底座162支撐的晶片(未示出)上結(jié)合形成氮化鉭。在操作中，將可操作地耦合到排放出口的節(jié)流閥放置在中間位置以便于在將處理氣體引入室之前，將沉積室152保持在大約1X10—8托的期望的低真空度。為了在濺射室 152內(nèi)開始處理，氬氣和氮氣的混合物經(jīng)由氣體入口 360流入濺射室152中。將DC功率通 過DC電源200施加到鉭靶156 (同時氣體混合物繼續(xù)經(jīng)由氣體入口 360流入濺射室152并 經(jīng)泵37從其中抽出)。施加到靶156的DC功率使氬/氮氣體混合物形成SIP等離子體并 產(chǎn)生氬和氮離子，這些粒子被吸引到靶156并轟擊靶156使靶材料(例如鉭和氮化鉭)從 其上發(fā)射出(eject)。發(fā)射出的靶材料傳播至由底座162支撐的晶片158并沉積在其上。 根據(jù)SIP工藝，由不平衡的磁控管產(chǎn)生的等離子體離子化部分濺射的鉭和氮化鉭。通過調(diào) 節(jié)施加到襯底支撐底座162的RF功率信號，可以在襯底支撐底座162與等離子體之間產(chǎn)生 負(fù)偏壓。襯底支撐底座162與等離子體之間的負(fù)偏壓使鉭離子、氮化鉭離子和氬離子朝向 底座162和支撐在其上的任何晶片加速。因此，中性和離子化的氮化鉭可以沉積在晶片上， 根據(jù)SIP濺射提供良好的側(cè)壁和上側(cè)壁覆蓋。另外，特別是如果RF功率選擇施加到ICP線 圈，可以通過氬離子濺射蝕刻晶片，同時來自靶156的氮化鉭材料沉積在晶片上(即，同時 沉積/濺射蝕刻)。在阻擋層351沉積之后，如果期望減薄或消除底部，可以如圖7中所示通過氬等離 子體濺射蝕刻或再濺射在通路349底部的阻擋層351和其下的氧化銅層347a’ (以及任何 處理剩余物)。主要通過向ICP線圈施加RF功率優(yōu)選在該步驟中產(chǎn)生氬等離子體。值得注 意的是，在該實施例中的濺射室152(圖4)內(nèi)的濺射蝕刻期間，施加到靶156的功率優(yōu)選除 掉或減小至低電平(例如100或200瓦)以便于抑制或阻止來自靶156的顯著沉積。低靶 功率電平，而不是沒有靶功率，可以提供更均勻的等離子體并且是目前優(yōu)選的。ICP氬離子通過電場(例如經(jīng)由圖4的第二 RF電源41向襯底支撐底座162施加 的RF信號，其使自偏壓在底座上形成)朝向阻擋層351加速，轟擊阻擋層351，且取決于動 量轉(zhuǎn)移，從通路孔徑的底部濺射阻擋層材料，并沿著涂覆通路349側(cè)壁的阻擋層351的部分 將其再分布。將氬離子在基本垂直于襯底的方向上吸引至襯底。結(jié)果，幾乎沒有通路側(cè)壁 的濺射發(fā)生，而發(fā)生充分的通路底部的濺射。為了促進(jìn)再濺射，例如，施加到底座和晶片的 偏壓可以為400瓦。再濺射工藝參數(shù)的特定值可以根據(jù)特定的工藝而改變。未決或公布的申請 08/768058、09/126890、09/449202、09/846581、09/490026 和 09/704161 描述了再濺射工 藝，這里并入其全部以作參考。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，ICP線圈151可以由諸如鉭的襯里材料以與靶156相同 的方式形成并被濺射以在晶片上沉積氮化鉭同時再濺射通路底部。由于在再濺射工藝期間 相對低的壓力，從線圈151上濺射的沉積材料的離子化速率相對較低。因此，沉積到晶片上 的濺射材料主要為中性材料。另外，將線圈151相對較低地放置在室中，包圍并臨近晶片。結(jié)果，從線圈151上濺射的材料的軌道(trajectory)易于具有相對較小的入射 角。因此，從線圈151上濺射的材料易于沉積在晶片上表面上并在晶片中的孔或通路的開 口周圍的層364中，而非深深地沉積在晶片孔中。來自線圈151的沉積材料可以用于提供 免受再濺射的保護(hù)程度，以便通過主要在孔底部的再濺射來減薄阻擋層，而不是在側(cè)壁上 和孔口周圍，在這些區(qū)域，可能不期望減薄阻擋層。一旦已經(jīng)從通路底部濺射蝕刻阻擋層351，氬離子轟擊氧化銅層347a’，且濺射該 氧化層以再分布來自通路底部的氧化銅層材料，濺射材料的一些或全部沿著涂覆通路349側(cè)壁的阻擋層351部分沉積。銅原子347a”也涂覆沉積在通路349側(cè)壁上的阻擋層351和 364。然而，因為原始沉積的阻擋層351與從通路底部再分布到通路側(cè)壁的那些為銅原子 347a”的擴散阻擋層，銅原子347a”在阻擋層351內(nèi)基本上固定且被阻止不能到達(dá)層間電 介質(zhì)層345。因此沉積在側(cè)壁上的銅原子347a’通常不會如以前那樣產(chǎn)生通路至通路漏電 流，它們被再分布到?jīng)]有涂覆的側(cè)壁。此后，在相同的室152或具有SIP和ICP能力的相似的室中，在先前的阻擋層351 上可以沉積諸如鉭的第二材料的第二襯里層371。鉭襯里層在下層氮化鉭阻擋層與隨后沉 積的諸如銅的導(dǎo)體金屬互連層之間提供良好的粘結(jié)。然而，在一些應(yīng)用中，優(yōu)選在籽晶層或 填充孔之前可以僅沉積阻擋層或僅沉積襯里層?？梢砸耘c第一襯里層351相同的方式沉積第二襯里層371。即，可以在第一 SIP步 驟中沉積鉭襯里層371，在該步驟中主要通過靶磁控管330產(chǎn)生等離子體。然而，不允許氮 氣進(jìn)入以便于沉積鉭而非氮化鉭。按照SIP濺射，可以獲得良好的側(cè)壁和上側(cè)壁覆蓋。如 果需要，可以減小或不需要到ICP線圈151的RF功率。在鉭襯里層371沉積之后，如果需要底部減薄或消除，可以通過氬等離子體以與 襯里層351底部相同的方式濺射蝕刻或再濺射其下的通路349底部的襯里層371的部分 (和任何的處理剩余物)，如圖9a中所示。優(yōu)選主要通過向ICP線圈施加RF功率以在該步 驟中產(chǎn)生氬等離子體。再次，值得注意的是在濺射室152 (圖4)內(nèi)的濺射-蝕刻期間，優(yōu)選 將施加到靶156的功率去除或減小至低電平(例如500瓦)以便于抑制或阻止在第二襯 里層的底部覆蓋減薄或消除期間來自靶156的顯著沉積。另外，優(yōu)選濺射線圈151沉積襯 里材料374，同時氬等離子體再濺射該層底部以保護(hù)襯里側(cè)壁和上部，在底部部分再濺射期 間，基本上不被減薄。在上述實施例中，通路側(cè)壁上的靶材料的SIP沉積主要發(fā)生在第一步驟中，而通 路底部的ICP再濺射和線圈151材料的ICP沉積主要發(fā)生在后續(xù)步驟中。應(yīng)該意識到，如果 需要，靶材料和線圈材料在通路349側(cè)壁上的沉積會同時發(fā)生。還應(yīng)意識到，如果需要，在 通路349底部的沉積材料的ICP濺射-蝕刻會與靶和線圈材料在側(cè)壁上的沉積同時發(fā)生。 通過調(diào)節(jié)施加到線圈151、靶156和底座162的功率信號利用圖4的室152可以實現(xiàn)同時沉 積/濺射-蝕刻。因為線圈151可以用于保持等離子體，所以等離子體可以濺射晶片，在該 晶片上具有相對較低的偏壓(小于需要維持等離子體的偏壓)。一旦到達(dá)濺射閾值，對于特 定晶片的偏壓，施加到線圈151的RF功率(“RF線圈功率”)相比較于施加到靶156的DC 功率(“DC靶功率”)的比率影響濺射-蝕刻與沉積之間的關(guān)系。例如，RF DC功率比率 越高，由于增加的離子化以及隨后增加的到晶片的離子轟擊流量，會發(fā)生越多的濺射-蝕 刻。增加晶片的偏壓(例如增加施加到支撐底座162的RF功率)會增加引入離子的能量， 這將會增加濺射產(chǎn)量和蝕刻率。例如，增加施加到底座162的RF信號的電壓電平，增加了 入射在晶片上的離子能量，同時增加施加到底座162的RF信號的占空比(duty cycle)增 加入射離子的數(shù)量。因此，可以調(diào)節(jié)晶片偏壓的電壓電平和占空比來控制濺射率。另外，保持DC靶功 率低會減少可用于沉積的阻擋材料的數(shù)量。零DC靶功率會導(dǎo)致僅濺射-蝕刻。與高RF線 圈功率和晶片偏壓耦合的低DC靶功率會導(dǎo)致同時發(fā)生通路側(cè)壁沉積和通路底部濺射。因 此，該工藝適合于正在討論的材料和幾何形狀。對于200mm晶片上的一般3 1的縱橫比，利用鉭或氮化鉭作為阻擋材料，500瓦至1千瓦的DC靶功率，在2至3千瓦或更大的RF線圈功率下，持續(xù)施加的250瓦至400瓦或更大的晶片偏壓(例如100%的占空比)，會導(dǎo)致 阻擋層沉積在晶片側(cè)壁上而從通路底部除去材料。DC靶功率越低，沉積在側(cè)壁上的材料越 少。DC靶功率越高，需要更大的RF線圈功率和/或晶片偏壓功率來濺射通路的底部。例 如，在線圈151上的2千瓦RF線圈功率電平和在底座162上的具有100%占空比的250瓦 RF晶片功率電平可以用于同時沉積/濺射_蝕刻?？梢云谕谕瑫r沉積/濺射_蝕刻期間 初始(例如，幾秒鐘或更多，取決于在討論的特定幾何形狀/材料)沒有施加晶片偏壓，以 允許充足的通路側(cè)壁覆蓋來防止來自通路底部的材料濺射-蝕刻引起的側(cè)壁污染。例如，在通路349的同時沉積/濺射-蝕刻期間，初時沒有施加晶片偏壓會促進(jìn)在 層間電介質(zhì)345的側(cè)壁上的初始阻擋層的形成，該阻擋層抑制濺射的銅原子在沉積/濺射 蝕刻的剩余物操作期間污染層間電介質(zhì)345。選擇地，可以在相同的室內(nèi)或通過在第一處理 室內(nèi)沉積阻擋層351，而在分離的第二處理室(例如諸如應(yīng)用材料有限公司的PrecleanII 室的濺射_蝕刻室)內(nèi)濺射蝕刻阻擋層351和氧化銅層347a’，連續(xù)完成沉積/濺射-蝕 刻。在第二襯里層371沉積且底部覆蓋減薄之后，沉積第二金屬層347b (圖9b)以形 成同互連348。如圖9b所示，第二銅層347可以作為涂層或作為銅插塞347b’沉積在第二 襯里層371之上和在每一通路底部暴露的第一銅層347a的部分。銅層347b可以包括銅籽 晶層。因為第一和第二銅層347a、347b直接接觸，而不是通過阻擋層351或第二襯里層371 接觸，銅互連348的阻抗可以較低，同樣通路至通路漏電流也可以。然而，應(yīng)意識到，在一些 應(yīng)用中，期望在通路底部留下襯里層、或阻擋層或二者的涂層。如果互連由不同于襯里層的的導(dǎo)電金屬形成，可以在具有不同導(dǎo)電金屬靶的濺射 室中沉積互連層。濺射室可以為SIP型或ICP型。然而，目前，銅籽晶層的沉積優(yōu)選在下面 關(guān)于圖10描述的類型的室中。可以通過在其它類型的室和設(shè)備的包括CVD和電化學(xué)鍍的 其它方法來沉積金屬互連。可以通過如在圖10的示意性剖視圖中示出的另一種等離子體濺射反應(yīng)器410中 沉積銅籽晶層。在2001年11月14日提交的未決申請序號為No. 09/993543中描述了反應(yīng) 器410和各種用于形成籽晶和其它層的工藝，現(xiàn)將其全部并入以作參考。如其中所述，真空 室412包括電接地的一般為圓柱形的側(cè)壁414。一般地，未示出的接地可替換屏蔽位于側(cè) 壁414內(nèi)部以保護(hù)它們不被濺射涂覆，但是它們除了保持真空外還充當(dāng)室側(cè)壁。將由金屬 構(gòu)成的要被濺射的濺射靶416通過電隔離體418密封于室412。底座電極422支撐要被濺 射涂覆的晶片424平行面對靶416。處理間隔限定在屏蔽內(nèi)部的靶416與晶片424之間。從氣體供給426通過質(zhì)量流量控制器428將濺射工作氣體，優(yōu)選氬，計量供給 (meter)室中。未示出的真空泵壓系統(tǒng)將室412的內(nèi)部保持在一般為10_8托或更低的非常 低的基礎(chǔ)壓力下。在等離子體點火期間，按產(chǎn)生近似5毫托室壓的量來供給氬壓力，但是如 后面將闡釋的，其后該壓力降低。DC電源434將把416負(fù)偏壓至近似-600VDC，使氬工作氣 體被激活成為包含電子和正氬離子(Ar+)的等離子體。正氬離子被吸引到負(fù)偏壓的靶416 并從靶上濺射金屬原子。本發(fā)明特別有利于SIP濺射，其中小的嵌套磁控管436支撐在位于靶416后面的 未示出的背板上。室412和靶416通常關(guān)于中央軸438圓形對稱。SIP磁控管436包括第一垂直磁極性的內(nèi)部磁體磁極440和相反的第二垂直磁極性的環(huán)繞的外部磁體磁極442。 兩個磁極均由磁軛444支撐并與其磁耦合。軛444固定于支撐在沿著中央軸438延伸的旋 轉(zhuǎn)軸448上的旋轉(zhuǎn)臂446。連接于軸448的馬達(dá)450使磁控管436關(guān)于中央軸438旋轉(zhuǎn)。在不平衡的磁控管中，外部磁極442具有集中在其面積上的大于由內(nèi)部磁極440產(chǎn)生的磁通量的總的磁通量，優(yōu)選具有至少150%的磁強度比率。相反的磁極440、442在 室412內(nèi)部產(chǎn)生磁場，該磁場一般為具有平行并接近于靶416表面的強分量以在其處產(chǎn)生 高密度等離子體，由此增加濺射速率并增加濺射金屬原子的離子化部分。因為外部磁極442 磁性強于內(nèi)部磁極440，來自外部磁極442的磁場部分在其循環(huán)回外部電極442后面以完成 磁路之前向底座422遠(yuǎn)投射。例如，具有13. 56MHz頻率的RF電源454連接至底座電極422，以在晶片424上產(chǎn) 生負(fù)的自偏壓。偏壓吸引帶正電荷的金屬原子穿過相鄰等離子體的鞘，由此涂覆晶片中諸 如層間通路的高縱橫比的孔的側(cè)面和底部。在SIP濺射中，磁控管很小且具有高磁強度且向靶施加高DC功率，以便于在靶416 附近，等離子體密度上升至大約IOltlCmA在該等離子體密度下，大量的濺射原子被離子化 成為帶正電荷的金屬離子。金屬離子的密度足夠高以至它們中的大量離子被吸引回靶，以 進(jìn)一步濺射金屬離子。結(jié)果，金屬離子可以至少部分替換在濺射工藝中作為有效工作物種 的氬離子。即，可以減小氬壓力。減小壓力具有減小金屬離子散射和去電離的優(yōu)點。對于 銅濺射，在一些條件下，在稱為持續(xù)自濺射(SSS)的工藝中，一旦等離子體點火，能夠完全 消除氬工作氣體。對于鋁或鎢濺射，SSS是可能的，但是可以從在常規(guī)濺射中使用的壓力基 本上減小氬壓力，例如至小于1毫托。在本發(fā)明的一個實施例中，永久磁體462的輔助陣列460設(shè)置在室側(cè)壁414的周 圍，且通常設(shè)置在朝向晶片424的處理間隔的一半位置處。在該實施例中輔助磁體462具有 與嵌套磁控管436的外部磁極442相同的第一垂直磁極性，以便于將磁場的不平衡部分從 外部磁極442拉下(draw down) 0在下面詳細(xì)描述的實施例中，有八個永久磁體，但是分布 在中央軸438周圍的四個或更多數(shù)量的磁體會提供相似的良好結(jié)果?？梢詫⑤o助磁體462 放置在室側(cè)壁414的內(nèi)部，但是優(yōu)選在該薄側(cè)壁屏蔽的外部以增加它們在處理區(qū)域中的有 效強度。然而，放置在側(cè)壁414外部優(yōu)選用于全部處理結(jié)果。輔助磁體陣列通常關(guān)于中央軸438對稱設(shè)置以產(chǎn)生圓形對稱磁場。另一方面，雖 然嵌套磁控管436具有關(guān)于中央軸438非對稱設(shè)置的磁場分布，當(dāng)其關(guān)于整個旋轉(zhuǎn)時間平 均時，它就變得對稱。有許多種形式的嵌套瓷控管436。最簡單的但不優(yōu)選的形式具有由圓 形環(huán)狀的外部磁極442包圍的紐扣中央磁極(button center pole)440,以便其磁場關(guān)于從 室軸438平移的軸對稱且嵌套磁控管的軸關(guān)于室軸438旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選的嵌套磁控管具有三角 形形狀，如圖11的仰視圖中示出的，具有在中央軸438附近的頂點和在靶416周邊附近的 底。該形狀特別有利，因為該磁場的時間平均比圓形嵌套磁控管的更均勻。由圖10的虛線示出在旋轉(zhuǎn)周期期間的特定時刻下的有效磁場。半環(huán)形磁場Bm提 供接近于并平行于靶416面的強水平分量，由此增加等離子體的密度、濺射速率和濺射顆 粒的離子化部分。輔助磁場BA1、BA2為來自輔助磁體陣列460的磁場和來自嵌套磁控管436 的磁場的不平衡部分的總和。在遠(yuǎn)離于嵌套磁控管的室的另一側(cè)上，來自嵌套磁控管436 磁場的不平衡部分的分量Bai占主要地位，但其不從遠(yuǎn)處伸向晶片424。然而，在嵌套磁控管436的一側(cè)上的室側(cè)壁414附近，輔助磁體462強耦合于外部磁極442，導(dǎo)致遠(yuǎn)投射向晶片424的磁場分量BA2。在示出的平面外，磁場分量是兩個分量Ba1、Ba2的組合。由于輔助磁體442的磁極性與強外部磁極442的一致，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在接近于并沿 著室側(cè)壁414的大致長度產(chǎn)生強垂直磁場的結(jié)果，該室側(cè)壁414在掠過其周圍的嵌套磁控 管436下方的區(qū)域中。結(jié)果，在臨近要被最強烈濺射的靶416的區(qū)域的室412的外側(cè)，存在 強垂直磁場。這種發(fā)射磁場(projecting field)對延伸等離子體區(qū)域并且將離子化的顆 粒導(dǎo)向晶片424非常有效。通過使用兩個半圓形磁體載體470可以實現(xiàn)，其中一個載體在圖12中以正視圖方 式示出。每個載體包括四個面向其內(nèi)部并使其大小適合接收各自的包括一個磁體462的 磁體組件474的凹槽(recess) 472。磁體組件474包括弧形上夾具部件476和下夾具部件 478，當(dāng)兩個螺桿480將兩個夾具部件476、478緊固在一起時，它們將圓柱形磁體462接收 在凹槽中。載體470和夾具部件476、478由諸如鋁的非磁性材料形成。下夾具部件478具 有適合凹槽472的長度但是上夾具部件476具有延伸出凹槽472的端部，且在其中鉆通兩 個穿通孔482。兩個螺桿484穿過各自的穿通孔以使螺桿484能固定在磁體載體470中的 有內(nèi)螺紋的孔486中。兩個如此組裝的半圓形磁體載體470放置在環(huán)繞室壁414的環(huán)中并 通過常規(guī)的固定裝置固定它。該結(jié)構(gòu)將磁體462直接臨近室壁414的外部放置。在Wei Wang的電磁線圈內(nèi)產(chǎn)生的螺線管磁場比由永磁體的環(huán)形陣列產(chǎn)生的外圍 耦極子磁場在反映器室的直徑范圍內(nèi)實際上更均勻。然而，如圖13的剖視圖中示出，通過 用環(huán)繞在室壁外圍布置的電磁線圈490的環(huán)形陣列來替換永磁體462，能夠產(chǎn)生相似形狀 的耦極子磁場。線圈490通常關(guān)于各自平行于中央軸438的軸被纏繞成螺旋線型并被供電 以產(chǎn)生與室內(nèi)部的耦極子磁場一致的磁場。這種設(shè)計具有能夠快速調(diào)節(jié)輔助磁場強度以及 磁場極性的優(yōu)點。該發(fā)明已經(jīng)應(yīng)用于銅的SIP濺射。雖然常規(guī)的SIP反應(yīng)器濺射具有通過表面電阻 測量確定的9%的不均勻性的銅膜，認(rèn)為可以最優(yōu)化輔助磁控管以在某些實施例中產(chǎn)生僅
的不均勻性。通過在一些應(yīng)用中減小沉積速率可以實現(xiàn)均勻性的改善，對于在深孔中的 薄銅籽晶層的沉積，這可以通過在一些應(yīng)用中的改進(jìn)工藝控制獲得。雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明在SIP濺射反應(yīng)器中的使用，可以有利地將輔助永磁 體應(yīng)用于其它靶和功率結(jié)構(gòu)，諸如美國專利6251242的SIP反應(yīng)器的拱環(huán)靶、美國專利 6179973 或 Klawuhn 等人在 2000 年 7 月 /8 月的 J. Vac. Sci Technology 上發(fā)表的“ Ionized Physical-vapor DepositionUsing a Hollow-cathode Magnetron Source for Advanced Metallization”中的空心-陰極靶、美國專利6045547的電感耦合IMP反應(yīng)器或自離子濺 射(SIS)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用例如在由Wada等人在IEEE 2000上發(fā)表的“Cu Dual Damascene Process for 0. 13micrometer TechnologyGeneration using Self Ion Sputtering(SIS) with Ion Reflector”中描述的離子反應(yīng)器控制到襯底的離子流。也可以使用其它磁控管 結(jié)構(gòu)，諸如平衡磁控管(balanced magnetron)和固定磁控管。此外，輔助磁體的極性可以平 行或反平行于頂部磁控管的外部磁極的磁極性?？梢詾R射其它材料，包括鋁(Al)、鉭(Ta)、 鈦(Ti)、鈷(Co)、鎢(W)等以及這些金屬中的一些難熔金屬的氮化物。因此輔助磁體陣列提供用于磁控管濺射的磁場的額外控制。然而，為了獲得具有 部分中性流(netral flux)的更深孔的涂層，期望增加靶416與晶片424之間的距離，即，為了以長投擲方式操作。如上面關(guān)于圖4的室所討論的，在長投擲中，靶至襯底的間距一般大于襯底直徑的一半。當(dāng)用于SIP銅籽晶沉積時，對于200mm晶片，其優(yōu)選大于晶片直徑的 140% (例如290mm的間距)，對于300mm晶片，大于130% (例如400mm間距)，但是認(rèn)為 包括大于襯底直徑的90%和大于100%的大于80%的間距也是適合的。對于許多應(yīng)用，認(rèn) 為50至IOOOmm的靶至晶片間距是適合的。在常規(guī)濺射中的長投擲減小了濺射沉積速率， 但是離子化的濺射顆粒不會遭受這么大的減小。通過圖4的室和圖10的室制造的結(jié)構(gòu)的一個實施例為在圖14a的截面中示出的 通路。在促進(jìn)SIP和ICP的條件下，通過圖10的室在圖4的室中在襯里層上形成的通路孔 494中沉積籽晶銅層492，該襯里層可以包括一層或多層阻擋層和襯里層，諸如前述的TaN 阻擋層351、364和Ta襯里層371、374。SIP銅層492可以沉積至，例如50至300nm或更為 優(yōu)選的80至200nm的覆層厚度(blanket thickness)。SIP銅籽晶層492優(yōu)選在通路側(cè)壁 上具有2至20nm范圍內(nèi)的厚度，更為優(yōu)選地在7至15nm。考慮到窄孔，對于某些應(yīng)用，超 過50nm的側(cè)壁厚度不是最理想的。在一些應(yīng)用中通過將底座溫度降低至低于0攝氏度且 優(yōu)選低于-40攝氏度來改善膜的質(zhì)量。在這種應(yīng)用中，快速SIP沉積是有利的。如果，例如，將濺射室410構(gòu)造成用于銅層的沉積，采用銅靶416。在操作中，操作 耦合于室排氣口的節(jié)流閥放置在中間位置以便于在工藝氣體引入室之前將沉積室410保 持在大約IX 10_8托的期望的低真空度下。為了開始在濺射室410內(nèi)處理，氬氣經(jīng)由氣體入 口 428流入濺射室410。為了在長投擲SIP室中沉積銅籽晶，優(yōu)選非常低的壓力，諸如0-2 毫托。在示出的實施例中，0.2毫托的壓力合適。通過DC電源434向銅靶416施加DC功率 (同時氣體混合物通過氣體入口 360繼續(xù)流入濺射室410且經(jīng)由適合的泵從其中泵壓出)。 對于銅靶，施加到靶416的功率范圍對于200mm的晶片在20-60千瓦的范圍內(nèi)。在一個例 子中，電源434可以在-600VDC下向銅靶416施加38千瓦功率。對于諸如300mm的較大晶 片，預(yù)測到諸如56千瓦的較大值是適合的。根據(jù)特定的應(yīng)用，也可以使用其它值。施加到靶416的DC功率使氬形成SIP等離子體并產(chǎn)生氬離子，氬離子被吸引到并 轟擊靶416，使靶材料(例如銅)從其中射出。射出的靶材料傳播至并沉積在由底座422支 撐的晶片424上。根據(jù)SIP工藝，由不平衡磁控管產(chǎn)生的等離子體離子化部分濺射的銅。通 過調(diào)節(jié)施加到襯底支撐底座422的RF功率信號，可以在襯底支撐底座422與等離子體之間 產(chǎn)生負(fù)偏壓。對于銅籽晶沉積，施加到底座422的功率可以在0-1200瓦的范圍內(nèi)。在一個例子 中，對于200mm的晶片，RF電源454可以向底座422施加300瓦功率。對于諸如300mm的 較大晶片，預(yù)測較大的值是適合的。根據(jù)特定的應(yīng)用，可以使用其它值。在襯底支撐底座422與等離子體之間的負(fù)偏壓使銅離子和氬離子朝向底座422和 支撐在其上的任意晶片加速。因此，根據(jù)SIP濺射，中性的和離子化的銅都可以沉積在晶片 上提供良好的底部、側(cè)壁和上側(cè)壁覆蓋。另外，可以通過氬離子濺射蝕刻晶片，同時來自靶 416的銅材料沉積在晶片上(即同時沉積/濺射蝕刻)。如果希望底部再分布，在籽晶層492沉積之后或期間，可以通過氬等離子體濺射 蝕刻或再濺射通路494底部496的籽晶層492的部分，如圖14B中所示?？梢栽俜植嫉撞?496以增加銅籽晶層的底部拐角區(qū)域498的覆蓋厚度，如圖14B中所示。在許多應(yīng)用中，優(yōu) 選銅籽晶層底部496不完全被除去以提供遍及通路的充分籽晶層覆蓋。
優(yōu)選在該再濺射步驟中通過向靶以及底座施加功率產(chǎn)生氬等離子體作為SIP等 離子體。經(jīng)由電場(例如經(jīng)由圖10的第二 RF電源454施加到襯底支撐底座422的RF信 號，該信號產(chǎn)生負(fù)的自偏壓以形成在底座上)，SIP氬離子被朝向籽晶層492加速，轟擊籽晶 層492，并根據(jù)動量轉(zhuǎn)移，從通路孔的底部濺射籽晶層材料并將其沿著覆蓋通路349底部拐 角的籽晶層492的部分498再分布。氬離子在基本上垂直于襯底的方向上被吸引到襯底上。結(jié)果，幾乎不發(fā)生通路側(cè) 壁的濺射，而主要發(fā)生通路底部的濺射。值得注意的是，在該實施例中的濺射室410(圖10) 內(nèi)的銅籽晶層的再濺射期間，施加到底座422的功率可以增加至較高值，諸如600-1200瓦， 或例如900瓦，以促進(jìn)銅籽晶層底部的再分布。這樣在該例子中，底座功率從低于600瓦 (例如300瓦)的水平上升至大于600瓦(例如900瓦)的水平以提高再濺射的再分布效果。
在另一實例中，施加到靶416的功率可以減小至較低值，諸如30千瓦以下或例如 28千瓦，以便于抑制從靶416的沉積以促進(jìn)銅籽晶層底部的再分布。低靶功率電平而不是 無靶功率，可以提供更均勻的等離子體且這在為了籽晶層底部再分布而減小靶功率的那些 實施例中，目前是優(yōu)選的。因此，在該實例中，靶功率從高于30000(例如38千瓦)的電平 降至低于30000瓦(例如28千瓦)的電平以提高再濺射。在又一實例中，執(zhí)行銅籽晶層底部的再濺射，同時在整個銅籽晶層進(jìn)行沉積以便 于在籽晶層沉積期間靶和底座功率電平保持相對不變(諸如分別為38千瓦和300瓦)。在 另一實施例中，靶功率減小可以替換或者結(jié)合底座功率增加以促進(jìn)籽晶層底部再濺射。再濺射工藝參數(shù)的特定值可以根據(jù)特定應(yīng)用而變化。未決或公布申請08/768058、 09/126890,09/449202,09/846581,09/490026 和 09/704161 描述了再溉射工藝，這里將其 全部并入以作參考。SIP銅籽晶層492具有良好的底部和側(cè)壁覆蓋以及提高的底部拐角覆蓋。在銅籽 晶層492沉積之后，如圖1，優(yōu)選利用籽晶層492作為一個電鍍電極，通過電化學(xué)鍍，用銅層 18填充孔。選擇地，SIP銅籽晶層492的平滑結(jié)構(gòu)還促進(jìn)回流(reflow)或通過標(biāo)準(zhǔn)濺射或 物理氣相沉積(PVD)的銅的較高溫度的沉積。圖4和10的室利用離子化的和中性的原子流。如美國專利No. 6398929 (attorney docket No. 3920)中描述的，這里將其全部并入以作參考，在DC磁控管濺射反應(yīng)器中的離 子化和中性原子流之間的分布可以適合于在電介質(zhì)層中的孔中產(chǎn)生有利的層?？梢酝ㄟ^其 自身或結(jié)合通過在濺射的銅形核層上通過化學(xué)氣相沉積(CVD)沉積的銅籽晶層來使用這 種層。銅襯里層作為電鍍銅的薄籽晶層特別有用?，F(xiàn)有技術(shù)的DC磁控管濺射反應(yīng)器已經(jīng)涉及常規(guī)的工作氣體濺射或持續(xù)自濺射。 兩種方法強調(diào)不同的濺射類型。在另一方面，優(yōu)選用于銅襯里的反應(yīng)器結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)的多 個方面來控制在離子化銅原子和中子之間的分布。在圖15的示意性剖視圖中示出這種反 應(yīng)器550的實例。圖4、10和13的反應(yīng)器可以利用圖15的反應(yīng)器的這些方面，圖15的反 應(yīng)器也基于來自加利福尼亞州圣克拉拉市的應(yīng)用材料有限公司的提供的Endura PVD反應(yīng) 器的變形(modification)。反應(yīng)器550包括真空室552，真空室552通常由金屬構(gòu)成且電 接地、通過靶隔離體554密封于PVD靶556，靶556具有至少要被濺射沉積到晶片558上的 材料構(gòu)成的表面部分，在這種情況中為銅或銅合金。合金元素一般占小于5wt%，如果另外形成合適的阻擋層，可以使用近純銅。晶片夾具560將晶片558夾持在底座電極562上。在底座562中的未示出的電阻加熱器、制冷溝道和熱傳遞氣體腔使底座溫度能被控制在小 于-40攝氏度的溫度，由此使晶片溫度能被相似地控制。通過第二電介質(zhì)屏蔽隔離體568分離的浮置屏蔽564和接地屏蔽566容納在室 552中以保護(hù)室壁552不受濺射材料影響。接地屏蔽566還充當(dāng)相對于陰極靶556的陽極 接地層平面，由此電容性支撐等離子體。一些電子沉積在浮置屏蔽564上，這樣負(fù)電荷在那 堆積。負(fù)電勢不僅進(jìn)一步抵制電子沉積，還將電子限定在主等離子體區(qū)域中，這樣減小電子 損失，維持低壓濺射且增加等離子體密度。在圖16的分解示意圖中示出靶和屏蔽的細(xì)節(jié)。靶556包括鋁或鈦靶背襯板570， 其與銅靶部分572焊接或擴散焊接在一起。背襯板570的凸起(flange) 573放置在上面且 其通過聚合靶0-環(huán)574真空密封至靶隔離體554，靶隔離體優(yōu)選由諸如氧化鋁的陶瓷構(gòu)成。 靶隔離體554放置在上面，且其與背襯板570通過適配器0-環(huán)575密封至室552，其實質(zhì)上 可以為密封至室主體的鋁適配器。金屬夾具環(huán)576在其內(nèi)半徑側(cè)上具有向上伸展的環(huán)形邊 (rim) 577 0未示出的螺栓將金屬夾具環(huán)576固定于室552的向內(nèi)延伸的凸緣(ledge)578 并將接收接地屏蔽566的凸起579。由此，接地屏蔽566機械且電連接于接地室552。屏蔽隔離體568放置在夾具環(huán)576上且可以由諸如氧化鋁的陶瓷材料加工。其緊 密但與較小寬度相比具有近似于165mm的相對較大的高度以在反應(yīng)器溫度循環(huán)期間提供 強度。屏蔽隔離體568較低的部分具有適合于夾具環(huán)576的環(huán)形邊的內(nèi)部環(huán)形凹槽。邊 577不僅充當(dāng)相對于夾具環(huán)576屏蔽隔離體568的中央內(nèi)部直徑還充當(dāng)防止在陶瓷屏蔽隔 離體568與金屬環(huán)夾具576之間的滑動表面580產(chǎn)生的任何顆粒到達(dá)主處理區(qū)的阻擋層。浮置屏蔽564的凸起581自由放置在屏蔽隔離體568上，并且在其向下延伸進(jìn)形 成在屏蔽隔離體568的上面外部拐角的環(huán)形凹槽的外部上具有突出部(tab)或邊582。由 此，突出部582相對于在屏蔽隔離體568外徑的靶556處于浮置屏蔽564的中央。屏蔽突 出部582與屏蔽隔離體568通過窄間隙分離，該窄間隙足夠小以對準(zhǔn)等離子體暗區(qū)又足夠 大以防止屏蔽隔離體568堵塞，而浮置屏蔽581放置在突出部582的內(nèi)側(cè)和上面的滑動接 觸區(qū)域583中的屏蔽隔離體568上。窄溝道584形成在浮置屏蔽564的頭585與靶556之間。其具有大約2mm的寬度 以充當(dāng)?shù)入x子體暗區(qū)。窄溝道584繼續(xù)在路徑中延伸，甚至比示出更向內(nèi)，過向下投射背襯 板凸起574的脊(ridge) 586至屏蔽頭585與靶隔離體554之間的上背襯間隙584a。這些 元件的結(jié)構(gòu)和它們的特性相似于由Tang等人在1998年10月30日提交的美國專利申請 09/191253中公開的結(jié)構(gòu)和特征。上背襯間隙584a在室溫下具有大約1. 5mm的寬度。當(dāng) 屏蔽元件被溫度循環(huán)時，他們易于變形。具有小于鄰近靶556的窄溝道584的寬度的上背 襯間隙584a足以保持窄溝道584中的等離子體暗區(qū)。背襯間隙584a繼續(xù)向下至屏蔽隔離 體568與內(nèi)側(cè)和外側(cè)上的室主體552上的環(huán)夾具576之間的下背襯間隙584b。下背襯間 隙584b用作收集在陶瓷屏蔽隔離體568與夾具環(huán)576以及浮置屏蔽564之間的滑動表面 580,583產(chǎn)生的陶瓷顆粒的腔體。屏蔽環(huán)隔離體568另外包括在其上內(nèi)部拐角上的淺凹槽 以收集來自其徑向向內(nèi)的側(cè)面上的滑動表面583的陶瓷顆粒。浮置屏蔽564包括寬的上圓柱部分588，該上圓柱部分從突起581向下延伸并連接 于其下端穿過過渡部分592至較窄的下圓柱部分590。相似地，接地屏蔽566具有其外側(cè)的且比浮置屏蔽564的上圓柱部分588寬的較寬的上圓柱部分594。接地上圓柱部分594在其上端部上連接于接地屏蔽突起580而在其下端通過過渡部分598連接至窄的下圓柱部分 596，過渡部分598近似沿室的徑向延伸。接地下圓柱部分596安裝在外面且因此比浮置下 圓柱部分590寬，但通過大約3mm的徑向間隔，其小于浮置上圓柱部分564。兩個過渡部分 592、598都垂直或水平偏移。由此在浮置與接地屏蔽564、566之間形成曲折窄溝道600，在 接地下圓柱部分596與浮置上圓柱部分564之間的偏移確保不離開兩個垂直溝道部分之間 的視線。溝道600的一個目的是電隔離兩個屏蔽564、566同時保護(hù)夾具環(huán)576和屏蔽隔離 體568不受銅沉積。屏蔽564、566的下圓柱部分590、596之間的溝道600的下部具有4 1或更大的 縱橫比，優(yōu)選為8 1或更大。溝道600的下部具有0. 25cm的寬度和2. 5cm的長度，且優(yōu) 選范圍在0. 25至0. 3cm與2至3cm。由此，滲透溝道600的任何銅離子和散射的銅原子很 可能必須從屏蔽反彈幾次且至少在它們發(fā)現(xiàn)它們進(jìn)一步朝向夾具環(huán)576和屏蔽隔離體568 的路之前被上接地圓柱部分594停止。任意一次反彈很可能導(dǎo)致離子被屏蔽吸收。在兩個 過渡部分592、598之間的溝道600中的兩個相鄰90度轉(zhuǎn)彎或彎曲還將屏蔽隔離體568與 銅等離子體隔離。采用60度彎曲或45度彎曲可以獲得相似但減弱的效果，但是更為有效 的90度彎曲更容易形成于屏蔽材料中。90度轉(zhuǎn)彎還遮蔽夾具環(huán)576和屏蔽隔離體568免 受銅顆粒的直接輻射。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)銅優(yōu)先在浮置過渡部分592的底部水平表面上和在一個90 度轉(zhuǎn)彎的短部的垂直上接地圓柱部分594上沉積。同樣，在接地屏蔽566的水平過渡部分 598上的處理期間，回旋溝道600收集由屏蔽隔離體568產(chǎn)生的陶瓷顆粒。很可能這樣收集 的顆粒通過也在那收集的銅粘貼(pasted)。返回圖15的大視圖，接地屏蔽566的下圓柱部分596繼續(xù)向下至恰好在支撐晶片 558的底座562的后面。接地屏蔽566然后繼續(xù)徑向向內(nèi)至碗狀部分602且在最內(nèi)側(cè)的圓 柱部分604中垂直向上以近似于晶片558的高度，但與底座562的徑向外側(cè)間隔開。屏蔽564、566 —般由不銹鋼構(gòu)成。且它們的內(nèi)側(cè)可以被噴丸處理或另外使其變粗 糙以促進(jìn)濺射沉積在其上的銅的粘合。然而，在某一點，在延長的濺射期間，銅堆積至很可 能剝落的厚度，產(chǎn)生有害的顆粒。在到達(dá)該點之前，應(yīng)該清洗屏蔽或更為可能地用新屏蔽替 換。然而，在多數(shù)維護(hù)周期中，不需要替換較昂貴的隔離體554、568。而且，由屏蔽的剝落而 不由隔離體的電短路來決定維護(hù)周期。如上所述，浮置屏蔽564堆積一些電子電荷并建立起負(fù)電勢。由此抑制進(jìn)一步到 浮置屏蔽564的電子損失并由此限定等離子體更加接近靶556。Ding等人已經(jīng)在美國專利 5736021中公開了具有某些相似結(jié)構(gòu)的相似效果。然而，圖16的浮置屏蔽564具有下圓柱 部分590，該部分590比Ding等人的相應(yīng)部分更加遠(yuǎn)離靶556延伸，由此將等離子體限定 在更大的體積內(nèi)。然而，浮置屏蔽564將接地屏蔽566與靶556電屏蔽，以便于其不會延伸 離靶556太遠(yuǎn)。如果太長，則很難轟擊等離子體，但是如果太短，會增加電子損失以至于不 能在低壓下維持等離子體，且等離子體密度下降。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)最優(yōu)化的長度，在該長度，如圖 16中所示，浮置屏蔽566的底部頂點606與靶556的面間隔開6cm，浮置屏蔽566的總軸向 長度為7. 6cm。對于最小的壓力測試三種不同的浮置屏蔽，在該壓力下保持銅濺射。對于1 千瓦和18千瓦的靶功率，結(jié)果在圖17中示出。橫坐標(biāo)表示總屏蔽長度，在屏蔽頂點606與 靶556之間的間隔小于1. 6cm。間隔優(yōu)選的范圍為5至7cm，但是長度為6. 6至8. 6cm。將屏蔽場度延伸至10cm，只略微減小了最小壓力，但是增加了轟擊等離子體的難度。再次參考圖15，可選擇的DC電源610相對于接地屏蔽566將靶556負(fù)偏壓至大約-400至-600VDC，以點火并保持等離子體。在1與5千瓦之間的靶功率一般用于點火等 離子體而大于10千瓦的功率優(yōu)選用于這里描述的SIP濺射。通常，底座562且因此晶片 558被置于電浮置，而負(fù)的DC自偏壓仍然出現(xiàn)在其上。另一方面，一些設(shè)計使用可控的電 源612來向底座562施加DC或RF偏壓以進(jìn)一步控制在其上出現(xiàn)的負(fù)DC偏壓。在該測試 的結(jié)構(gòu)中，偏壓電源612為在13. 56MHz下工作的RF電源。可以使用高達(dá)600瓦的RF功率 供給，對于200mm的晶片優(yōu)選范圍為350至550瓦。氣體源614通過質(zhì)量流量控制器616向室552供給濺射工作氣體，一般為化學(xué)不 活潑惰性氣體氬。可以將工作氣體引入室的頂部，或如示出的，在其底部，任意一個具有一 個或多個通過接地屏蔽566或通過接地屏蔽566、晶片夾具560和底座562之間的間隙618 穿透孔的入口管。通過寬泵壓口 622連接于室552的真空泵系統(tǒng)620將室保持在低壓下。 雖然底部壓力可以保持在大約10_7托或更低，工作氣體的壓力在常規(guī)濺射期間一般保持在 大約1與1000毫托之間，而在SIP濺射中低于大于5毫托?；谟嬎銠C的控制器624控制 包括DC靶電源610、偏壓電源612和質(zhì)量流量控制器616的反應(yīng)器。為了提供有效的濺射，磁控管630定位在靶556的背面。連接于磁軛636并由其 支撐的極性相反的磁體632、634。在室552內(nèi)磁體產(chǎn)生臨近磁控管630的磁場。磁場俘獲 電子，而對于電荷中性，離子密度也增加以形成高密度等離子體區(qū)638。通常通過馬達(dá)驅(qū)動 軸642關(guān)于靶556的中心640旋轉(zhuǎn)磁控管630，以在靶556濺射中獲得完全覆蓋。為了獲 得充足離子密度的高密度等離子體638以允許銅的持續(xù)自濺射，必須使傳送到臨近磁控管 630的區(qū)域的功率密度高。這可以通過增加從DC電源610的傳送的功率電平并通過減小磁 控管630的面積例如三角形或跑道形面積來獲得，如Fu在上述引用的專利中描述的那樣。 一個以其近似與靶中心640重合的頂點旋轉(zhuǎn)的三角形磁控管601，在任何時候僅覆蓋靶的 大約1/6。1/4的覆蓋在能夠SIP濺射的商用反應(yīng)器中為優(yōu)選的最大值。為了減少電子損失，通過內(nèi)部磁體632和未示出的磁極面表現(xiàn)的內(nèi)部磁極應(yīng)該沒 有顯著的孔且由通過外部磁體634和未示出的磁極面表示的連續(xù)的外部磁極包圍。而且， 為了將離子化的濺射顆粒導(dǎo)向晶片558，外部磁極必須比內(nèi)部磁極產(chǎn)生更高的磁通量。延 伸的磁場線俘獲電子且因此將等離子體延伸到更接近于晶片558。磁通量比應(yīng)該至少為 150%且優(yōu)選大于200%。Fu的三角形磁控管具有25個外部磁體和6或10個相同強度但 極性相反的內(nèi)部磁體。當(dāng)將氬引入室中時，在靶556與接地屏蔽566之間的DC電壓差將氬點火成為等離 子體，且?guī)д姾傻臍咫x子被吸引到帶負(fù)電荷的靶556。離子在足夠的能量下轟擊靶556并 產(chǎn)生要從靶556上濺射的靶原子或原子團(tuán)。一些靶顆粒轟擊晶片558并由此沉積在其上， 由此形成靶材料膜。在金屬氮化物的反應(yīng)濺射中，還另外將氮氣引入室中，且氮與濺射的金 屬原子反應(yīng)以在晶片558上形成金屬氮化物。示出的室能夠自離子化濺射銅，包括持續(xù)自濺射。在這種情況中，在已經(jīng)點火 等離子體之后，在SSS的情況中可以停止氬供給，而銅離子具有足夠高的密度以大于一 (unity)的收益再濺射銅靶?？蛇x擇地，可以繼續(xù)供給一些氬，但是在減小的流速和室壓力 且或許以足夠的靶功率密度支撐純持續(xù)自濺射，但是仍然有顯著的但減小的自濺射的分?jǐn)?shù)(fraction)。如果氬壓力增加至顯著地大于5毫托，氬會從銅離子除去能量，這樣將減少自濺射。晶片偏壓吸引離子化的銅顆粒部分深深地進(jìn)入孔中。然而，為了獲得部分中性流的較深孔涂層，期望增加靶556與晶片558之間的距 離，即在長投擲方式下操作。在長投擲中，靶至襯底間隔一般大于襯底直徑的一半。使用時， 優(yōu)選大于晶片直徑的90%，但是認(rèn)為包括大于100%和140%的大于襯底直徑的80%的間 隔也是可以適用的。在實施例的實例中提及的投擲是針對200mm的晶片。在常規(guī)濺射中的 長投擲減小濺射沉積速率，但是離子化的濺射顆粒不遭受這樣大的減少。在常規(guī)(氬基)濺射與持續(xù)自濺射(SSS)之間的受控制的劃分允許在中性和離子 化濺射顆粒之間的分布控制。這種控制特別有利于在高縱橫比通路孔中的銅籽晶層的濺 射沉積。濺射原子的電離分?jǐn)?shù)(ionization fraction)的控制稱之為自離子化等離子體 (SIP)濺射。由本發(fā)明制造的結(jié)構(gòu)的一個實施例為在圖18中的剖視圖中示出的通路。例如利 用圖15的長投擲濺射反應(yīng)器，且在促進(jìn)SIP的條件下，在阻擋層24上的通路孔22中沉積籽 晶銅層650。例如可以沉積SIP銅層650至50至300nm或更優(yōu)選80至200nm的覆層厚度。 SIP銅籽晶層650在通路側(cè)壁上優(yōu)選具有2至20nm范圍的厚度，更優(yōu)選7至15nm?？紤]到 窄孔，側(cè)壁厚度不應(yīng)該超過50nm。通過將底座的溫度降低至小于0攝氏度且優(yōu)選小于_40 攝氏度來改善膜的質(zhì)量，以便于通過快速SIP沉積提供的冷卻變得重要。SIP銅籽晶層650具有良好的底部覆蓋以及提高的側(cè)壁覆蓋。已經(jīng)在實驗上觀察 到比直接在阻擋層24上沉積的IMP或CVD更平滑。在沉積銅籽晶層650之后，用銅層118 填充孔，如圖1中，優(yōu)選通過利用籽晶層650作為一個電鍍電極的電化學(xué)鍍。然而，SIP銅籽 晶層650的平滑結(jié)構(gòu)還促進(jìn)通過標(biāo)準(zhǔn)濺射或物理氣相沉積(PVD)的銅的回流或高溫沉積。在諸如將籽晶層SIP沉積在1. 2 μ m氧化物的0. 20 μ m寬的通路孔中進(jìn)行幾個試 驗，采用290mm的靶至襯底間隔，小于0. 1毫托的室壓力(表示SSS模式)和用601三角形 磁控管施加的14千瓦的DC功率，在氧化物的頂部上產(chǎn)生0. 2 μ m的銅覆層厚度的沉積在通 路底部上產(chǎn)生18nm而在通路側(cè)壁上產(chǎn)生大于12nm的銅覆層厚度。一般為30s和更短的沉 積時間。當(dāng)靶功率增加至18千瓦，底部覆蓋增加至37nm，在側(cè)壁厚度中沒有有顯著的變化。 較高功率下的較高的底部覆蓋表明較高的電離分?jǐn)?shù)。對于這兩種情況，觀察到沉積的銅膜 比IMP或CVD銅更光滑。與不大于0. 2 μ m/min的IMP沉積速率相比，SIP沉積，相對較快，在0. 5至1. 0 μ m/ min之間?？斐练e速率導(dǎo)致短沉積周期，同時，不存在氬離子加熱，顯著地減小熱預(yù)算。認(rèn)為 低溫SIP沉積產(chǎn)生非常平滑的銅籽晶層。使用290mm的投擲與Fu利用十個內(nèi)部磁體和二十五個外部磁體的標(biāo)準(zhǔn)三角形磁 控管。在各種條件下，測量離子流量作為離靶中心的半徑的函數(shù)。在圖19的圖中描繪了該 結(jié)果。對于16千瓦的靶功率和0毫托的室壓測量曲線660。對于18千瓦的靶功率和0、0. 2 與1毫托的室壓分別測量曲線662、664、666。與小于109cm_3的常規(guī)的磁控管和濺射反應(yīng)器 相比，這些電流相應(yīng)于在IO11與IO12CnT3之間的離子密度。還是用零壓力條件來測量銅電離 分?jǐn)?shù)?？臻g相關(guān)性與在大約DC靶功率的直接相關(guān)性的10%與20%之間改變的電離分?jǐn)?shù)近 似相同。相對較低的電離分?jǐn)?shù)表明沒有長投擲的SIP具有中性銅流量的大分?jǐn)?shù)，其具有常 規(guī)PVD的不利的深填充特性。結(jié)果表明，由于增加的離子化，為獲得更好的臺階覆蓋(st印coverage)，優(yōu)選在較高功率下操作。 然后重復(fù)測試，F(xiàn)u磁控管中的內(nèi)部磁體的數(shù)量減小至6。即，第二磁控管在磁通量中具有改善的均勻性，這促進(jìn)了朝向晶片的均勻濺射的離子通量(ion flux)。結(jié)果描繪在 圖20中。曲線668顯示對于12千瓦靶功率和0毫托壓力的離子流通量；曲線670顯示對 于18千瓦離子流通量。對于14千瓦和16千瓦的曲線居中。因此，改造的磁控管產(chǎn)生穿過 晶片的更均勻的離子流，這再次取決于具有優(yōu)選較高功率的靶功率。10%至20%的相對低的電離分?jǐn)?shù)表明中性銅的實際通量相當(dāng)于IMP的90%至 100%。同時，晶片偏壓將銅離子深深地導(dǎo)向孔中，與銅中性一樣實現(xiàn)長投擲。使用一組測試來確定投擲和在濺射顆粒分布上的室壓力的結(jié)合效果。在零室壓 下，140mm的投擲產(chǎn)生大于45度的分布，190mm的投擲，大約35度；290mm的投擲，大約25 度。對于190mm的投擲，壓力是可變的。中央分布保持在大約0、0. 5和1毫托。然而，低電 平末端被推至幾乎101的最高壓力，表明有一些顆粒被散射。這些結(jié)果表明在5毫托下獲 得可接受的結(jié)果，但優(yōu)選的范圍為小于2毫托，更為優(yōu)選的范圍為小于1毫托，且最為優(yōu)選 的范圍為0. 2毫托和更小。同樣，如期望的那樣，長投擲分布最好。在高縱橫比的孔中沉積的SIP膜具有良好的上側(cè)壁覆蓋且不易出現(xiàn)伸出物。另一 方面，在這種孔中沉積的IMP膜具有較好的底部和底部拐角覆蓋，但側(cè)壁膜易于具有較差 的覆蓋并且粗糙?？梢酝ㄟ^利用兩步銅籽晶濺射沉積來結(jié)合這兩類濺射的優(yōu)點。在第一步 驟中，在產(chǎn)生高密度等離子體的IMP反應(yīng)器中沉積銅，例如通過使用RF電感電源。示例的 沉積條件為20至60毫托的壓力、1至3千瓦的RF線圈功率、1至2千瓦的DC靶功率和150 瓦的偏壓功率。第一步驟提供良好的盡管粗糙的底部和底部側(cè)壁覆蓋。在第二且優(yōu)選隨后 的步驟中，在上面描述的類型的SIP反應(yīng)器中沉積銅，產(chǎn)生更小角度的銅離子化。示例性沉 積條件為1托的壓力、18至24千瓦的DC靶功率和500瓦的偏壓功率。第二步驟提供良好 平滑的上側(cè)壁覆蓋且還使已經(jīng)沉積的IMP層平滑。對于兩個步驟的覆層沉積厚度優(yōu)選對于 IMP沉積為50至lOOnm，對于SIP層為100至200nm。覆層厚度可以為30 70至70 30 的比率。可選擇地，可以在IMP層之前沉積SIP層。在通過兩步工藝濺射沉積銅籽晶層之 后，例如通過電鍍填充孔的剩余部分。對于很窄的高縱橫比的通路，SIP側(cè)壁覆蓋可能是問題。正在研發(fā)對于0. 13μπι的 通路或更小的技術(shù)。在大約IOOnm的覆層厚度下，側(cè)壁覆蓋變得不連續(xù)。如圖21的剖視圖 中示出，不利的幾何圖形會使SIP銅膜680形成為包括在通孔側(cè)壁30上的空隙或其它缺陷 682的不連續(xù)的膜。缺陷682缺乏銅或以至不能局部充當(dāng)電鍍陰極的薄銅層。然而，SIP銅 膜680與缺陷682平滑分開且形核良好。在這些有挑戰(zhàn)性的幾何形狀中，在SIP銅形核膜 680上沉積銅CVD籽晶層684是有利的。因為通過化學(xué)氣相沉積來沉積，其通常保形且由 SIP銅膜680良好形核。CVD籽晶層684修補缺陷682并為后面的銅電鍍提供連續(xù)的、不粗 糙的籽晶層以完成孔22的填充。可以在用于銅沉積的CVD室中，諸如來自應(yīng)用材料有限公 司的利用前述熱處理的CuxZ室，沉積CVD層。進(jìn)行試驗，其中在選擇的SIP銅形核層和IMP形核層上沉積20nm的CVD銅。與 SIP結(jié)合產(chǎn)生相對平滑的CVD籽晶層，而與IMP結(jié)合在CVD層產(chǎn)生可達(dá)到不連續(xù)程度的更粗 糙的表面。CVD層684可以沉積至例如5至20nm范圍內(nèi)的厚度。然后通過其它方法用銅來填充孔的剩余部分。通過CVD銅在SIP銅的形核層的頂部上產(chǎn)生的非常平滑的籽晶層，通過電鍍或常規(guī)PVD技術(shù)在正在研發(fā)的窄通路中提供有效的銅孔填充。特別對于電鍍，平滑的 銅形核與籽晶層提供連續(xù)的且?guī)缀蹙鶆虻挠糜谙螂婂児に嚬╇姷碾姌O。在具有非常高的縱橫比的通路或其它孔的填充中，免除電鍍和替換是有利的，如 圖22的剖視圖中示出的，在SIP銅形核層680上沉積足夠厚的CVD銅層688以完全填充通 路。CVD填充的優(yōu)點是消除分離電鍍步驟的需要。同樣，電鍍需要很難在低于0. 13μπι的孔 寬下控制的流體流。本發(fā)明的該實施例的雙層銅的優(yōu)點是允許以相對較低的熱預(yù)算進(jìn)行銅沉積。鉭在 較高的熱預(yù)算下易于與氧化物反潤濕。IMP具有許多用于深孔填充的相同覆蓋優(yōu)點，但是 IMP易于在更高的溫度下操作因為它產(chǎn)生高能氬離子的高通量，氬離子將它們的能量消耗 在要沉積的層中。而且，IMP總是將一些氬植入沉積的膜中。相反，在相對較高的速率下，沉 積相對較薄的SIP層，并且因為不存在氬，SIP工藝不固有地?zé)?。同樣，SIP沉積速率比IMP 更快，以便任何熱沉積都更短，至因子的1/2。通過SIP等離子體的涼點火還減小熱預(yù)算。涼等離子體點火和處理工序在圖23 的流程圖中示出。在晶片已經(jīng)通過負(fù)載鎖閥(load lockvalve)插入進(jìn)濺射反應(yīng)器中之后， 負(fù)載鎖閥關(guān)閉，且在步驟690中，平衡氣體壓力。氬室壓力上升至用于點火的壓力，一般在2 與大約5至10毫托之間，且將氬背側(cè)冷卻氣體供給大約在5至10托的背側(cè)壓力下的晶片 的背部。在步驟692中，用低電平靶功率點火氬，一般在1至5千瓦的范圍內(nèi)。在探測到等 離子體點火后，在步驟694中，室壓快速下降，例如超過3s，靶功率保持在低電平。如果計 劃持續(xù)自濺射，關(guān)閉室氬供給，但是等離子體繼續(xù)在SSS模式下。對于自離子化的等離子體 濺射，減小氬供給。背側(cè)冷卻氣體繼續(xù)供給。一旦減小氬壓力，在步驟696中，靶功率快速 上升至預(yù)期的濺射電平，例如10至24千瓦，或?qū)τ谶x擇SIP或SSS濺射的200mm的晶片更 大。通過同時減小壓力并上升功率能夠合并步驟694、696。在步驟698中，繼續(xù)在選擇的電 平下對靶施加功率一定時間長度，該時間長度為濺射沉積選擇厚度的材料所需要的時間長 度。該點火工序比利用點火的預(yù)期濺射功率電平更涼。如果在期望的用于濺射沉積的較高 功率電平下繼續(xù)，較高的氬壓力促進(jìn)點火但是會有害地影響濺射的中性粒子。在較低的點 火功率下，由于在減小功率下的低沉積速率，沉積的銅非常少。同樣，底座冷卻保持通過點 火工藝?yán)鋮s的襯底。本發(fā)明的設(shè)備和工藝的許多特征可以應(yīng)用于不包含長投擲的濺射中。雖然本發(fā)明目前對銅級間金屬化和阻擋層以及襯里層的沉積特別由用，本發(fā)明的 不同方面可應(yīng)用于濺射其它材料并為了其它目的。如在2002年7月25日提交的未決申請序號為No. 10/202778 (Attorney Docket No. 4044)中描述的，這里將其全部并入以作參考，可以在相似于室152(圖4)的產(chǎn)生SIP和 ICP等離子體的濺射室中沉積互連層。如果在諸如室152的室中沉積，靶156將由沉積材料 形成，例如銅。另外，特別是如果期望線圈濺射用于互連金屬沉積的一些或全部，ICP線圈 151也可以由相同的沉積材料形成。如前所述，示出的室152能夠包括持續(xù)自濺射的銅自離子化濺射。在這種情況中， 在已經(jīng)點火等離子體之后，在SSS的情況中關(guān)閉氬供給，且銅離子具有足夠的高密度以大 于1的收益再濺射銅靶?？蛇x擇地，可以繼續(xù)供給一些氬離子，但是在減小的流速和室壓下且或許具有不足以支撐純持續(xù)自濺射的靶功率密度，然而具有顯著而減小的自濺射分?jǐn)?shù)。如果氬壓力顯著增加至5毫托之上，氬會從銅離子上去除能量，由此減小自濺射。晶片偏壓 將銅顆粒的電離的部分深深地吸進(jìn)孔中。然而，為了使用部分中性通量獲得較深孔涂層，期望增加靶156與晶片158之間的 距離，即為了在上述長投擲模式中操作。在自離子化等離子體(SIP)濺射、電感耦合等離子 體(ICP)濺射和持續(xù)自濺射(SSS)中的受控劃分允許控制中性與離子化濺射顆粒之間的分 布。這種控制特別有利于在高縱橫比的通路孔中的銅籽晶層的濺射沉積。通過混合自離子 化等離子體(SIP)濺射和電感耦合等離子體(ICP)濺射可以獲得濺射的電離分?jǐn)?shù)的控制。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的一個實施例是圖24中的剖視圖中示出的通路。例如利用圖 4中示出的長投擲濺射反應(yīng)器類型并在促進(jìn)合并SIP和ICP和/或選擇SIP和ICP 二者中 的一個的條件下，在通路孔702中的襯里層704(其可以包括一層或多層阻擋層和襯里層， 諸如前述的TaN阻擋層和Ta襯里層)上沉積銅籽晶層700。這里，反應(yīng)器會具有靶，該靶包 括銅或其它籽晶層沉積材料。例如，可以將SIP-ICP銅層700沉積至50至300nm或更優(yōu)選 的80至200nm的覆層厚度。SIP-ICP銅籽晶層700在通路側(cè)壁上優(yōu)選具有2至20nm范圍 的厚度，更優(yōu)選為7至15nm。對于窄孔，側(cè)壁厚度不應(yīng)該超過50nm。通過降底座的溫度降 低至小于0攝氏度且優(yōu)選小于-40攝氏度來改善膜質(zhì)量，以便于由快速SIP沉積提供的冷 卻變得重要。認(rèn)為SIP-ICP銅籽晶層700具有良好的底部覆蓋和提高的側(cè)壁覆蓋。如下面的詳 述，可以在分離的步驟中或在初始沉積期間再濺射銅籽晶層700以再分布銅沉積材料來增 加在通路的內(nèi)側(cè)底部拐角覆蓋，同時通常在通路底部的中央部分留下較薄的覆蓋。在沉積 銅籽晶層700之后(如果需要，且再分布)，優(yōu)選通過電化學(xué)鍍利用籽晶層700作為一個電 鍍電極，用相似于圖14b的銅層347b’的銅層填充孔。然而，SIP-ICP銅籽晶層700的平滑 結(jié)構(gòu)還促進(jìn)通過標(biāo)準(zhǔn)濺射或物理氣相沉積(PVD)的銅的回流或高溫沉積。在一個實施例中，可以在一個步驟中結(jié)合SIP和ICP沉積技術(shù)的選擇方面的工藝 中，形成SIP-ICP層，該步驟在這里通常稱之為SIP-ICP步驟。另外，根據(jù)選擇實施例的反 應(yīng)器715，除線圈151之外，還具有第二線圈716，如圖25中所示。以與線圈151相同的方 式，線圈716的一端通過引線支座181穿過暗區(qū)屏蔽164’電感耦合至放大器和匹配網(wǎng)絡(luò) 717的輸出(圖26)。匹配網(wǎng)絡(luò)717的輸入耦合至RF發(fā)生器718。線圈716的另一端通過 引線支座182穿過屏蔽164’經(jīng)由級間耦合電容器719電感耦合至地線，以將DC偏壓提供 在線圈716上。可以通過分離的DC源721來控制DC偏壓。在ICP或合并的SIP-ICP步驟中，例如，在1_3千瓦且2MHz的頻率下，向RF線圈 151與716的一個或兩個施加RF能量。線圈151和716被施加功率時，將RF能量電感耦合 至反應(yīng)器的內(nèi)部。通過線圈提供的RF能量離子化諸如氬的前體氣體以在相對較高的壓力 下保持等離子體來離子化濺射的沉積材料。然而，勝于在相對較高的壓力下保持等離子體， 一般對于高密度IMP工藝的諸如20-60毫托，壓力優(yōu)選保持在充分低的壓力，例如，諸如2 毫托。結(jié)果，認(rèn)為在反應(yīng)器150內(nèi)的離子化速率基本上低于一般高密度IMP工藝的離子化 速率。而且，如上面討論的，示出的反應(yīng)器150還能夠在長投擲模式下自離子化濺射。結(jié) 果，沉積材料可以不僅被離子化作為通過RF線圈保持的低壓等離子體的結(jié)果，還可以作為通過靶的DC磁控管濺射自產(chǎn)生的等離子體的結(jié)果。認(rèn)為合并的SIP和ICP離子化工藝可以提供用于良好底部拐角覆蓋的充足的離子化材料。然而，還認(rèn)為通過RF線圈151和716 提供的低壓等離子體的較低的離子化速率使充足的中性濺射材料能保持非離子化，以便于 通過反應(yīng)器的長投擲能力沉積在上側(cè)壁上。因此，認(rèn)為離子化沉積材料的合并的SIP和ICP 源可以提供良好的上側(cè)壁覆蓋以及良好的底部與底部拐角覆蓋。在另一實施例中，可以交 替改變到線圈151和716的功率以便于在第一步驟中，相對于到下線圈151的功率，消除或 減小到上線圈716的功率。在該步驟中，電感耦合等離子體的中心從靶偏移開并接近于襯 底。這種布置可以減小臨近靶產(chǎn)生的自離子化等離子體與通過一個或多個線圈保持的電感 耦合等離子體之間的相互作用。結(jié)果，可以保持較高比例的中性濺射材料。在第二步驟中，可以將功率反向，以便相對于施加到上線圈716的功率消除或減 小到下線圈151的功率。在該步驟中，電感耦合等離子體的中心可以朝向靶偏移并離開襯 底。這種布置可以增加離子化濺射材料的比例。在另一實施例中，在兩步或多步中形成該層，其中在一步中，這里一般稱之為SIP 步驟，很少或沒有RF功率被施加到任意一個線圈。另外，將壓力保持在相對較低的水平，例 如5毫托，更為優(yōu)選的低于2毫托，例如諸如在1毫托。而且，施加到靶的功率會相對較高， 例如，諸如在18-24千瓦DC的范圍內(nèi)。例如在500瓦的功率電平下，還向襯底支撐體施加 偏壓。在這些條件下，認(rèn)為沉積材料的離子化會主要作為自離子化等離子體(SIP)的結(jié)果 發(fā)生。結(jié)合長投擲模式的反應(yīng)器布置，認(rèn)為可以獲得具有低伸出(low overhang)的良好上 側(cè)壁覆蓋。例如，在該初始步驟中沉積的層部分可以在1000-2000埃范圍內(nèi)。在第二步驟中，這里一般稱之為ICP步驟，且優(yōu)選的在同一室中，向線圈151與716 中的一個或兩個施加RF功率。另外，在一個實施例中，壓力充分上升以便于保持高密度等 離子體。例如，壓力可以上升至20-60毫托，施加到線圈的RF功率上升至1-3千瓦的范圍 內(nèi)，施加到靶的DC功率減小至1-2千瓦且到襯底支撐體的偏壓減小至150瓦。在這些條件 下，認(rèn)為沉積材料的離子化會主要作為高密度ICP的結(jié)果發(fā)生。結(jié)果在第二步驟中可以獲 得良好的底部以及底部拐角覆蓋。功率可以同時或交替地施加到兩個線圈上，如上所述。在通過合并SIP和ICP的工藝濺射沉積銅籽晶層之后，通過相同或另一工藝來填 充孔的剩余部分。例如通過電鍍或CVD來填充孔的剩余部。應(yīng)該意識到SIP和ICP步驟的順序可以顛倒且在SIP步驟中一些RF功率可以施 加到一個或多個線圈上，以及在ICP步驟中引入自離子化。另外，可以在一個或多個步驟中 引入持續(xù)自濺射(SSS)。因此，可以根據(jù)特定的應(yīng)用改變包括壓力、功率和靶至晶片距離的 工藝參數(shù)，以獲得期望的結(jié)果。如前所述，在線圈151和516中可以獨立或一起操作。在一個實施例中，線圈一起 操作，其中施加到一個線圈的RF信號關(guān)于施加到另一線圈的RF信號相位偏移以便于產(chǎn)生 螺旋波。例如，可以通過波長的折射來相偏移RF信號，如在美國專利No. 6264812中所述。本發(fā)明的一個實施例包括優(yōu)選在集成多室工具中實踐的集成工藝，諸如在圖27 的平臺示意圖中示出的Endura 5500平臺。T印man等人在美國專利5186718中對該平臺進(jìn) 行功能性描述。將已經(jīng)在電介質(zhì)層蝕刻有通路孔或其它結(jié)構(gòu)的晶片通過兩個獨立的負(fù)載鎖定室 (load lock chamber) 732,734裝載進(jìn)和移出系統(tǒng)，負(fù)載鎖定室732、734構(gòu)造成將晶片從晶片盒送進(jìn)和移出各自負(fù)載鎖定室的系統(tǒng)。在將晶片盒裝在進(jìn)負(fù)載定鎖室732、734之后，將室抽真空至適當(dāng)?shù)偷膲毫Γ?，?0_3至10_4托的范圍內(nèi)，且在負(fù)載鎖定室與第一晶片傳 送室736之間的狹縫閥被打開。其后第一晶片傳送室736的壓力保持在低壓。裝載進(jìn)第一 傳送室736的第一機械手738將晶片從盒傳送至兩個排氣/定向室740、742中的一個，且 然后至第一等離子體預(yù)清洗室744，其中氫或氬等離子體清洗晶片表面。如果要沉積CVD阻 擋層，第一機械手738然后將晶片傳送至CVD阻擋層室746。在CVD阻擋層沉積之后，機械 手738將晶片傳送進(jìn)過渡室748，第二機械手750從那里將其傳送至第二傳送室752。狹縫 閥將室744、746、748與第一傳送室分離以便隔離處理和壓力水平。第二機械手750選擇地將晶片傳送至環(huán)繞周邊布置的反應(yīng)室或從反應(yīng)室傳送出。 第一 IMP濺射室754可用于沉積銅。相似于上面描述的室410的SIP濺射室756可用于 SIP銅籽晶或形核層的沉積。該室在上述的一個步驟或多個步驟的工藝中結(jié)合用于底部和 側(cè)壁覆蓋的SIP和用于改善底部拐角覆蓋的再濺射。同樣，至少部分阻擋層，例如，Ta/TaN， 通過SIP濺射和線圈濺射以及ICP再濺射來沉積，且因此SIP-ICP濺射室760用于濺射難 熔的金屬，可能在反應(yīng)的氮等離子體中。相同的SIP-ICP室760用于沉積難熔金屬及其氮 化物。CVD室758用于銅形核、籽晶或襯里層的沉積或完成孔的填充或二者。通過狹縫閥對 第二傳送室752選擇地打開室754、756、758、760的每一個。使用不同的結(jié)構(gòu)是可能的。例 如，IMP室754可以由第二 CVD銅室替代，特別是如果CVD用于完成孔填充。在低壓處理之后，第二機械手750將晶片傳送至立即放置的熱處理室762，如果在 前的處理是熱的或為需要金屬化退火的快速熱處理(RTP)室，該室762可以為冷卻室。在熱 處理之后，第一機械手將晶片收回并將其傳送回負(fù)載鎖定室732、734中的一個中的盒中。 當(dāng)然，能夠采用其它結(jié)構(gòu)，根據(jù)集成工藝的步驟來實踐本發(fā)明。通過在控制總線772上操作的基于計算機的控制器770來控制整個系統(tǒng)以與同每 個室相關(guān)的子控制器通信。通過可讀介質(zhì)774從控制器770中讀取工藝配方，諸如可插入 在控制器770的或在通信線路(communication link) 776上的軟磁盤或⑶-ROM。本發(fā)明的許多設(shè)備和工藝的特征可以應(yīng)用于不包括長投擲的濺射。雖然本發(fā) 明目前對于鉭以及氮化鉭襯里層沉積和銅級間(inter-level)金屬化特別有用，本發(fā)明 的不同方面可以應(yīng)用于濺射其它材料和其它目的。2001年8月30日提交的臨時申請 No. 60/316137涉及濺射和再濺射技術(shù)，這里將其全部并入以作參考。當(dāng)然，應(yīng)該理解本發(fā)明在其各個方面中的修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見 的，一些只需要通過學(xué)習(xí)就是顯而易見的，另一些為常規(guī)的機械和工藝設(shè)計。也可能是其它 實施例，它們的特定設(shè)計取決于特定的應(yīng)用。同樣地，本發(fā)明的范圍不應(yīng)該由這里描述的特 定實施例來限制而應(yīng)該僅由附屬的權(quán)利要求及其等同物來限定。
權(quán)利要求
一種在孔中形成互連的方法，所述孔具有至少3∶1的縱橫比并在襯底的電介質(zhì)層中形成，該方法包括在真空室中，利用設(shè)置在靶一側(cè)上的磁控管，濺射所述靶，所述真空室具有環(huán)繞中央軸布置的側(cè)壁；將離子向由底座支撐的襯底投射，所述底座與沿所述中央軸的所述靶相對，其中所述靶與所述底座通過大于所述襯底直徑的50％的投擲距離間隔開，所述投射利用至少部分設(shè)置在所述處理空間的周圍的具有沿所述中央軸的第一磁極性的輔助磁體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括，在第一電平下對所述襯底施加偏壓，以將靶材料 濺射沉積在所述孔中，和在高于所述第一電平的第二電平下，對所述襯底施加偏壓，以再濺 射沉積在所述孔中的材料的底部部分，優(yōu)選地其中所述偏壓第一電平小于600瓦而所述偏 壓第二電平大于600瓦；或者還包括，在第一電平下向所述靶施加功率，以將靶材料濺射沉 積在所述孔中，并在低于所述第一電平的第二電平下，向所述靶施加功率，以再濺射沉積在 所述孔中的材料的底部部分，優(yōu)選地其中所述第一靶功率電平大于30000瓦而所述第二靶 功率電平小于30000瓦。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述投擲距離大于所述襯底的所述直徑的100%。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述投擲距離大于所述襯底的所述直徑的140%。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述室具有關(guān)于所述軸大體對稱的第一導(dǎo)電屏蔽， 并且所述第一導(dǎo)電屏蔽設(shè)置在所述室內(nèi)，且其中所述輔助磁體設(shè)置成關(guān)于所述軸大體對 稱；或者其中所述輔助磁體不在穿過朝向所述靶的所述處理空間的一半的平面中延伸。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括，在所述濺射的至少第一部分期間，將所述室內(nèi)的 壓力控制在不大于2毫托的壓力。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括，產(chǎn)生包含離子的自離子化等離子體，以利用磁控 管離子化從所述靶上濺射的沉積材料，優(yōu)選地還包括在第一電平下對所述襯底施加偏壓， 以將離子化的沉積材料吸引到所述襯底中的孔中，所述孔具有至少3 1的高對寬縱橫比， 以在所述孔的每一個中形成沉積材料層，其中所述層具有底部部分、側(cè)壁部分和在所述底 部部分與所述側(cè)壁部分之間的拐角部分，且在第二步驟中，在高于所述第一電平的第二電 平下，對所述襯底施加偏壓，以吸引離子從所述層的所述底部部分上，再濺射沉積材料至至 少所述拐角部分，更優(yōu)選地其中在第一電平下，對所述襯底加偏壓，包括，在低于600瓦的 電平下向所述底座施加功率，且其中在第二電平下對所述襯底加偏壓包括在高于600瓦的 電平下向所述底座施加功率；或者優(yōu)選地還包括對所述襯底施加偏壓，同時在第一電平下 濺射所述靶，以將離子化的沉積材料吸引至所述襯底中的孔中，所述孔具有至少3 1的高 對寬縱橫比，以在所述孔的每一個中形成沉積材料層，其中所述層具有底部部分、側(cè)壁部分 和在所述底部部分與所述側(cè)壁部分之間的拐角部分，且在第二步驟中，對所述襯底施加偏 壓，同時在低于所述第一電平的第二電平下濺射所述靶，以吸引離子從所述層的所述底部 部分上再濺射沉積材料至至少所述拐角部分，更優(yōu)選地，其中在所述第一電平下所述濺射 所述靶，包括在超過30千瓦的電平下向所述靶施加功率，并且其中在所述第二電平下所述 濺射所述靶，包括在低于30千瓦的電平下向所述靶施加功率。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述靶材料包括銅。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括，關(guān)于所述中央軸旋轉(zhuǎn)磁控管，優(yōu)選地，其中所述磁控管包括具有沿著所述中央軸的第二磁極性的內(nèi)部磁極和圍繞所述內(nèi)部磁極且具有沿 著所述中央軸與所述第一磁極性相反的第三磁極性的外部磁極，更優(yōu)選地其中所述內(nèi)部磁 極完全遠(yuǎn)離所述中央軸放置，和更優(yōu)選地其中所述第一極性與所述第三磁極性一致，甚至 更優(yōu)選地其中所述外部磁極的總磁場強度為所述內(nèi)部磁極的至少150%。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述輔助磁體包括永磁體。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述輔助磁體包括電磁體。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括，關(guān)于所述靶的背面旋轉(zhuǎn)磁控管，所述磁控管具 有不大于所述靶的1/4面積的面積，并且包括由磁極性相反的外部磁極包圍的一種磁極性 的內(nèi)部磁極，所述外部磁極的磁通量比所述內(nèi)部磁極的所述磁通量大至少50%，以產(chǎn)生臨 近所述靶的自離子化等離子體。
13.一種等離子體濺射反應(yīng)器，包括真空室，具有圍繞中央軸布置的側(cè)壁；底座，用于將襯底支撐在所述真空室中；濺射靶，沿所述中央軸與所述底座相對定位，處理空間，其在所述底座、所述靶與所述 側(cè)壁之間的區(qū)域中形成，其中所述靶與所述底座通過大于所述襯底直徑的50%的投擲距離 間隔開；磁控管，其定位在與所述處理空間相對的所述靶的一側(cè)上；和輔助磁體，其至少部分設(shè)置在所述處理空間的周圍并具有沿著所述中央軸的第一磁極性。
14.如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，其中所述投擲距離大于所述襯底的所述直徑的 100%。
15.如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，其中所述投擲距離大于所述襯底的所述直徑的 140%。
16.如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，還包括，關(guān)于所述軸大體對稱的并設(shè)置在所述室內(nèi) 的第一導(dǎo)電屏蔽，其中所述輔助磁體設(shè)置成關(guān)于所述軸大體對稱，優(yōu)選地其中所述輔助磁 體不在穿過朝向所述靶的所述處理空間一半的平面中延伸。
17.如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，還包括，連接到所述室的壓力泵和適合于控制所述 壓力泵且在濺射所述靶的至少第一部分期間將所述室中的壓力控制在不大于2毫托的控 制器。
18.如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，其中所述磁控管臨近所述靶定位并且適合于產(chǎn)生包 括定位離子的等離子體以離子化從所述靶上濺射的沉積材料；或者其中所述磁控管可關(guān)于 所述中央軸旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選地其中所述磁控管包括具有沿著所述中央軸的第二磁極性的內(nèi)部磁 極和包圍所述內(nèi)部磁極并具有沿著所述中央軸與所述第一磁極性相反的第三磁極性的外 部磁極，更優(yōu)選地其中所述第一極性與所述第三磁極性一致，甚至更優(yōu)選地其中所述外部 磁極的總磁場強度至少為所述內(nèi)部磁極的150%，或者更優(yōu)選地其中所述內(nèi)部磁極完全遠(yuǎn) 離所述中央軸放置。
19.如權(quán)利要求18所述的反應(yīng)器，還包括，連接至所述底座的偏壓源，和適合于控制所 述偏壓源的控制器，在第一步驟中，在第一電平下對所述襯底施加偏壓，以將離子化的沉積 材料吸引至所述襯底中的所述孔中，以在所述孔的每一個中形成沉積材料層，其中所述層具有底部部分、側(cè)壁部分和在所述底部部分與所述側(cè)壁部分之間的拐角部分，且在第二步 驟中，在高于所述第一電平的第二電平下，對所述襯底施加偏壓以吸引離子從所述層的所 述底部部分上再濺射沉積材料至至少所述拐角部分。
20.如權(quán)利要求19所述的反應(yīng)器，其中所述偏壓第一電平低于600瓦且其中所述偏壓 第二電平高于600瓦。
21.如權(quán)利要求18所述的反應(yīng)器，還包括，適合于向所述靶施加功率的電源，連接至所 述底座的偏壓源以及適合于控制所述靶電源和所述偏壓源的控制器，對襯底施加偏壓，同 時在第一電平下濺射所述靶，以將離子化的沉積材料吸引至所述襯底中的所述孔中，以在 所述孔的每一個中形成沉積材料層，其中所述層具有底部部分、側(cè)壁部分和在所述底部部 分與所述側(cè)壁部分之間的拐角部分，且在第二步驟中，對所述襯底施加偏壓，同時在低于所 述第一電平的第二電平下，濺射所述靶，以吸引離子從所述層的所述底部部分上再濺射沉 積材料至至少所述拐角部分。
22.如權(quán)利要求21所述的反應(yīng)器，其中當(dāng)在所述第一電平下濺射所述靶時，所述電源 在超過1千瓦的電平下向所述靶施加功率，且其中當(dāng)在第二電平下濺射所述靶時，所述電 源在低于1千瓦的電平下向所述靶施加功率。
23.如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，其中所述靶材料包括銅。
24.如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，其中所述輔助磁體包括永磁體。
25.如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，其中所述輔助磁體包括電磁體。
全文摘要
公開一種磁控管濺射反應(yīng)器(410)及其使用方法，其中促進(jìn)SIP濺射和ICP濺射。公開在另一室(412)中，沿著磁控管濺射反應(yīng)器從靶朝向晶片一側(cè)上的側(cè)壁(414)定位的輔助磁體陣列。磁控管(436)優(yōu)選為具有包圍第二磁極性的較弱內(nèi)部磁極(440)的第一磁極的較強外部磁極(442)的小磁控管，所有的磁極在軛(444)尚且關(guān)于室的軸(438)利用旋轉(zhuǎn)裝置(446、448、450)旋轉(zhuǎn)。輔助磁體(462)優(yōu)選具有第一磁極性以將不平衡的磁場(460)拉向晶片(424)，晶片在供有功率(454)的底座(422)上。通過閥(428)供給氬(426)。靶(416)供有功率(434)。
文檔編號C23C14/34GK101847598SQ201010163430
公開日2010年9月29日 申請日期2002年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月14日
發(fā)明者A·孫達(dá)拉簡, D·C·呂本, F·陳, J·C·福斯特, J·傅, M·A·米勒, P·丁, P·戈帕爾拉亞, R·C·莫斯利, R·陶, S·倫加拉簡, X·唐, Z·徐 申請人:應(yīng)用材料有限公司