專利名稱：具有在晶片表面的各向同性離子速度分布的源的物理氣相沉積方法
具有在晶片表面的各向同性離子速度分布的源的物理氣相
沉積方法
背景技術(shù)：
等離子體增強(qiáng)物理氣相沉積(PECVD)工藝用于沉積諸如銅之類的金屬膜到半導(dǎo) 體晶片上，以形成電性互連。在例如氬之類的載氣存在的情況下，高D.C.功率級(jí)被施加到 晶片上方的銅靶材。等離子體源功率可以經(jīng)由圍繞腔室的環(huán)形天線而施加。為了沉積金屬 到高深寬比開(kāi)口的側(cè)壁和底壁上，PECVD工藝通常依賴于角度分布很窄的離子速度。一個(gè) 問(wèn)題是相對(duì)于沉積在底壁上的量，如何沉積足夠的材料到側(cè)壁上。另一問(wèn)題是避免由于開(kāi) 口的頂部邊緣附近的較快沉積而導(dǎo)致的開(kāi)口夾斷(pinch-off)。隨著特征尺寸微型化的進(jìn) 展，典型開(kāi)口的深寬比(深度/寬度)已有所提高，微電子的特征尺寸現(xiàn)已減小到約22納 米。微型化的程度越高，對(duì)于各個(gè)開(kāi)口的底壁或底部上給定的沉積厚度，在側(cè)壁上實(shí)現(xiàn)最小 沉積厚度已變得更加困難。通過(guò)持續(xù)增加晶片至濺射靶材距離以及持續(xù)降低的腔室壓力， 例如小于lmT(來(lái)避免由碰撞引起的速度分布變寬)，來(lái)進(jìn)一步窄化離子速度角度分布，增 加了典型開(kāi)口的深寬比。這樣做會(huì)引起以下問(wèn)題，在晶片邊緣附近的薄膜特征中觀察到對(duì) 于非常小的特征尺寸，由于滿足縮小的特征尺寸所需的較大的晶片至靶材間隔，每個(gè)高深 寬比開(kāi)口的側(cè)壁的一部分被靶材的大部分遮蔽。這種遮蔽效應(yīng)(shadowing effect)在晶 片邊緣附近最為明顯，使得很難在側(cè)壁的被遮蔽部分上達(dá)到最小沉積厚度，如果該最小沉 積厚度不是不可能達(dá)到的話。隨著進(jìn)一步的微型化，似乎會(huì)需要進(jìn)一步降低腔室壓力(例 如，低于lmT)和進(jìn)一步增大晶片至濺射靶材的間隔，這樣會(huì)加重以上問(wèn)題。補(bǔ)充側(cè)壁沉積厚度所采用的一種技術(shù)是在每個(gè)開(kāi)口的底壁上沉積過(guò)量的金屬 (例如，Cu)，隨后將此過(guò)量的沉積再濺射(re-sputter)到開(kāi)口的側(cè)壁上。這種技術(shù)沒(méi)有完 全解決遮蔽問(wèn)題，而且表現(xiàn)出工藝中的額外步驟以及對(duì)生產(chǎn)率的限制。相關(guān)問(wèn)題是必須以高D. C.功率級(jí)(例如，千瓦的范圍內(nèi))來(lái)驅(qū)動(dòng)濺射靶材(例如， 銅)，以保證足夠的離子流動(dòng)至晶片。這樣的高D.C.功率級(jí)快速地消耗靶材(促使成本上 升)，并產(chǎn)生非常高的沉積速率，以致整個(gè)工藝在短于5秒的時(shí)間內(nèi)完成。該時(shí)間大約是RF 源功率阻抗匹配使隨后的等離子體點(diǎn)火達(dá)到平衡所需時(shí)間的40%，因此在使阻抗匹配和所 輸送的功率穩(wěn)定之前，大約進(jìn)行了 40%的工藝。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種在反應(yīng)器腔室中的工件上進(jìn)行物理氣相沉積的方法。該方法包括提 供包含金屬元素和具有面對(duì)工件的表面的靶材，并建立小于所述工件的直徑的靶材至工件 的間隔。將載氣引入腔室中，并保持腔室中的氣體壓力在閾值壓力以上，在該閾值壓力平均 自由程小于所述間隔的5%。將來(lái)自VHF產(chǎn)生器的RF等離子體源功率施加給所述靶材，以 在所述靶材周圍產(chǎn)生電容耦合等離子體，所述VHF產(chǎn)生器具有超過(guò)30MHz的頻率。該方法 還包括通過(guò)提供在所述VHF產(chǎn)生器的頻率下經(jīng)所述工件的第一 VHF接地返回路徑，使所述 等離子體越過(guò)所述間隔延伸至所述工件。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
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為了能夠具體地理解本發(fā)明的上述特征，將參看附圖中示出的實(shí)施方式對(duì)上文所 簡(jiǎn)要概括的本發(fā)明進(jìn)行更具體的描述。然而應(yīng)當(dāng)注意到，為了不會(huì)模糊本發(fā)明的重點(diǎn)，本文 沒(méi)有對(duì)某些公知的工藝進(jìn)行討論。

圖1是根據(jù)第一方面的等離子體反應(yīng)器的示圖。圖2是圖1的反應(yīng)器中所得到的在晶片表面的離子的隨機(jī)或近似各向同性的速度 分布的示圖。圖3是表示圖2的分布中的角速度的示圖。圖4是表示根據(jù)一實(shí)施方式的方法的方框圖。圖5是根據(jù)第二方面的等離子體反應(yīng)器的示圖。圖6A和6B表示圖1或圖5的反應(yīng)器中的可變接地返回阻抗元件的替代實(shí)施方式。為了便于理解，在可能的情況下用相同的參考數(shù)字表示附圖中共有的相同部件。 應(yīng)當(dāng)理解一個(gè)實(shí)施方式的部件和特征可以有益地合并到其它實(shí)施方式中，而不需要額外的 敘述。然而應(yīng)注意到，附圖僅示出了本發(fā)明的典型實(shí)施方式，由于本發(fā)明還允許其它等同效 果的實(shí)施方式，因此附圖并不被認(rèn)為是對(duì)發(fā)明范圍的限制。詳細(xì)描述在一實(shí)施方式中，PEPVD工藝在25nm及小于25nm(例如，18nm)的特征尺寸下提供 完全的均勻側(cè)壁覆蓋，而沒(méi)有由遮蔽導(dǎo)致的不均勻性。本實(shí)施例的PEPVD工藝是采用施加 在濺射靶材上的VHF等離子體源功率來(lái)在該靶材周圍產(chǎn)生電容耦合RE等離子體而進(jìn)行的。 該工藝還在濺射靶材上采用很低的(或者不采用)D.C.功率。使用靶材上的低D.C.功率 級(jí)，工藝可在整個(gè)時(shí)間周期進(jìn)行，該時(shí)間周期比阻抗匹配元件的穩(wěn)定時(shí)間要長(zhǎng)，并且足夠長(zhǎng) 以便于良好的工藝控制和腔室匹配。這些優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)使用高腔室壓力以至少降低乃至完全 消除從金屬靶材到晶片的中性物定向性(neutral directionality)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果實(shí)際上 剩余的沉積是由源自晶片上方的平均自由程的真空間隔所散發(fā)出的中性物完成的，則特征 將被完全夾斷。然而，RF功率保持等離子體中的金屬離子相當(dāng)大的密度，使它們能夠有效地 通過(guò)電場(chǎng)而吸引到晶片?？梢酝ㄟ^(guò)來(lái)自頂部(靶材)的VHF等離子體源的剩余RF場(chǎng)，或者通 過(guò)直接施加到晶片的小RF偏置功率來(lái)得到電場(chǎng)。這然后產(chǎn)生垂直為主的離子速度分布和 一些用于側(cè)壁覆蓋的正交(水平)速度分量。其結(jié)果是各個(gè)高深寬比開(kāi)口的側(cè)壁和底壁由 來(lái)自靶材的濺射材料共形地覆蓋(conformally covered)?？傃灾刺峁┝私咏飨蛲?的中性物速度分布和包括大的垂直分量和相對(duì)較小的非垂直或水平分量的離子速度分布。 通過(guò)將腔室保持在非常高的壓力下(例如，100mT)以確保離子碰撞平均自由程來(lái)實(shí)現(xiàn)在晶 片表面上的各向同性中性物速度分布和稍微變寬但仍是垂直為主的離子速度分布，該離子 碰撞平均自由程是晶片至濺射靶材間隔的l/20th。在晶片附近的濺射離子的高通量是通過(guò) 以下實(shí)現(xiàn)的(1)使晶片至濺射靶材間隔最小化為晶片直徑的分?jǐn)?shù)，(2)在濺射靶材周圍產(chǎn) 生VHF電容耦合等離子體(如上文所述)，以及(3)將電容耦合等離子體向下延伸到晶片。 通過(guò)提供經(jīng)晶片的吸引VHF接地返回路徑，等離子體向下延伸到晶片。通過(guò)降低(或者，可 能的話消除)施加到濺射靶材的D.C.功率來(lái)擴(kuò)展工藝窗口，以使靶材消耗率降低并且使工 藝較少不連續(xù)(lessabrupt)。通過(guò)施加VHF功率給靶材和通過(guò)減小晶片至濺射靶材間隔而 在靶材周圍產(chǎn)生高密度等離子體，可以實(shí)現(xiàn)D.C.靶材電壓的降低而不會(huì)損失必要濺射。通過(guò)在晶片表面上方的等離子體鞘選擇性地促成(favoring)所需的濺射靶材離子(例如，銅離子)，來(lái)抑制不宜發(fā)生的載氣離子(例如，氬離子)的離子轟擊。該選擇是 通過(guò)將晶片偏置電壓保持在上限閾值電壓(upper thresholdvoltage)(例如，300伏特) 以下而做出的，在該上限閾值電壓以上，載氣(例如，氬)離子與晶片上的薄膜結(jié)構(gòu)相互作 用或者損壞該薄膜結(jié)構(gòu)。然而，晶片偏置電壓應(yīng)保持在下限閾值電壓(lower threshold voltage)(例如，10-50伏特)以上，在該下限閾值電壓以上，濺射靶材材料(例如，銅)的 離子沉積在晶片表面上。通過(guò)對(duì)分別經(jīng)(a)晶片和(b)腔室側(cè)壁的VHF源功率的VHF接地 返回路徑阻抗進(jìn)行差動(dòng)調(diào)節(jié)(differential control)來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的晶片低偏置電壓。經(jīng) 側(cè)壁的VHF接地返回路徑阻抗的減小傾向于降低晶片偏置電壓。通過(guò)獨(dú)立可變的阻抗元件 控制分別經(jīng)側(cè)壁和晶片的接地返回路徑阻抗來(lái)提供該調(diào)節(jié)。還通過(guò)如下方式使晶片偏置電壓最小化施加到靶材的VHF源功率在晶片上產(chǎn)生 適度的正偏置電壓，而沒(méi)有施加任何其它的RF功率。可以通過(guò)給晶片提供小量的任選低頻 (LF)RF偏置功率而抵消掉該晶片的正偏置電壓。該LF偏置功率趨向于在晶片上產(chǎn)生負(fù)偏 置電壓，使得該負(fù)向作用可以被VHF源功率的正向作用調(diào)節(jié)或平衡，從而產(chǎn)生晶片凈偏置 電壓，該晶片凈偏置電壓在需要的情況下接近于0，或者如所需的一般小。具體而言，晶片偏 置電壓降低至剛好在如上文所提到的載氣離子轟擊偏置閾值之下。上述工藝已經(jīng)參考用于沉積銅的PEPVD工藝討論如上。然而，該工藝可以用于沉 積除銅之外的很寬范圍的材料。例如，濺射靶材可以是用于金屬靶材材料(例如，鈦、鎢或 錫)的PEPVD沉積的鈦、鎢、錫(或其它適合的金屬材料或合金)。此外，金屬(例如，鈦) 靶材可以與氮工藝氣體一起使用，以沉積氮化鈦或其它金屬氮化物，載氣(氬)用于等離子 體點(diǎn)火，并隨后由用于金屬(鈦)氮化物沉積的氮?dú)馓鎿Q載氣。參考圖1，根據(jù)第一實(shí)施方式的PEPVD反應(yīng)器包括真空室100，該真空室100由圓 柱形側(cè)壁102、頂板(ceiling) 104和底板(floor) 106限定，腔室包含以面對(duì)頂板104的方 式支撐晶片110的晶片支撐件108。金屬濺射靶材112被支撐在頂板104的內(nèi)表面上。真 空泵114將腔室100內(nèi)的壓力維持在所需的低于大氣壓值(sub-atmospheric value) 0現(xiàn) 有技術(shù)中公知類型的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式磁鐵組件(magnet assembly)或“磁控管” 116在濺射靶材 112正上方疊置在頂板104上。工藝氣體供應(yīng)器118通過(guò)氣體注入裝置120將例如氬之類 的載氣供應(yīng)到腔室100中，該氣體注入裝置120可以是氣體注入噴嘴，噴嘴陣列或者氣體分 配環(huán)。晶片支撐件108可以包含靜電夾盤，該靜電夾盤包括接地的導(dǎo)電基座108-1、具有 晶片支撐面108-5的上覆電介質(zhì)圓盤(dielectric puck) 108_3、以及位于圓盤108-3內(nèi)且 通過(guò)電介質(zhì)圓盤108-3的薄膜108-9與晶片支撐面分離的電極或?qū)щ娋W(wǎng)108-7。D.C.電源122通過(guò)磁控管116中的中心孔116-1與靶材112的中心連接。具有 VHF頻率的RF等離子體源功率產(chǎn)生器124經(jīng)由VHF阻抗匹配126通過(guò)磁控管中心孔116-1 耦接至靶材112的中心。D. C.夾緊電源128與夾盤電極108-7連接。在操作時(shí)，VHF功率產(chǎn)生器124提供約4kW的等離子體源功率，以在靶材112維持 最初由載氣離子組成的電容耦合等離子體。該等離子體濺射靶材112，以產(chǎn)生自由靶材原子 (例如，銅)，這些原子在等離子體中離子化，磁控管116磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)幫助分配靶材112的消 耗，并促進(jìn)靶材112附近的離子化。反應(yīng)器包括能使靶材112附近產(chǎn)生的等離子體到達(dá)晶 片110的特征。根據(jù)此特征，通過(guò)提供經(jīng)晶片110(例如，經(jīng)由晶片支撐件108)的吸引VHF接地返回路徑，使得由來(lái)自產(chǎn)生器124的電容耦合VHF功率在靶材112周圍形成的等離子 體向下延伸至晶片110。為此目的，可變阻抗元件130耦接在電極108-7與接地之間。除了 此處連接之外，電極108-7與接地絕緣，因此阻抗元件130僅在電極108-7與接地之間提供 連接。在一實(shí)施中，可變阻抗元件130由串聯(lián)的如電容器這樣的電抗132與可變的并聯(lián)電 抗134、136組成，在并聯(lián)電抗中，電抗134可以是可變電容器，電抗136可以是可變感應(yīng)器。 將電抗132、134、136選擇為在VHF產(chǎn)生器124的頻率下提供阻抗，其允許電流在該頻率下 從電極108-7流至接地。能使等離子體從靶材延伸至晶片的另一特征是減小晶片110與靶材112之間的間 隔。晶片至靶材的間隔被減小到小于晶片直徑的距離，或者是晶片直徑的分?jǐn)?shù)。例如，間隔 可以是晶片直徑的l/5th。對(duì)于300mm的晶片直徑，晶片至靶材的間隔可以是60mm。泵114被設(shè)置為提供高腔室壓力(例如，50_200mT)。腔室壓力足夠高，以使平均 自由程小于晶片至靶材間隔長(zhǎng)度的l/20th。靶材112與晶片110之間的空間是空的，即沒(méi) 有其它裝置，以確保通過(guò)在中性物從靶材112運(yùn)動(dòng)到晶片110的過(guò)程中的大量碰撞，使中性 物的角速度分布最大地分散。等離子體中的中性物速度的最終角度在晶片表面分布得很廣 (接近均勻分布)，該分布在從0° (垂直于晶片表面)一直到接近90° (平行于晶片表 面)的半球角度范圍內(nèi)。由于晶片偏置電壓帶來(lái)的吸引，離子具有均勻性稍差的角度分布， 該分布在垂直方向達(dá)到峰值。圖2是離子數(shù)分布與圖3所示的離子軌道錐的方向的關(guān)系的 簡(jiǎn)示圖，示出了垂直方向上的峰值。通過(guò)離子在晶片至靶材間隔中經(jīng)歷的主要與中性物發(fā) 生的大量碰撞，該峰值已從高差異(例如，0.8)加寬至某一差異(例如，0.2)。這些碰撞與 電場(chǎng)抗衡，以減小圍繞垂直方向的離子速度分布的尖峰，并提供非垂直(例如，水平)離子 速度的小分量。離子角度軌跡分布的此種加寬與中性物速度的近似各向同性的角度分布相 結(jié)合。這一結(jié)合改善了沉積膜的均勻性或共形性(conformality)。由于相對(duì)小的晶片至靶 材間隔所伴生的在晶片表面的離子速度的加寬的角度分布，金屬以非常高的共形性和均勻 的厚度沉積在晶片表面中的高深寬比開(kāi)口的內(nèi)表面上。在靶材112周圍所產(chǎn)生的電容耦合等離子體包含來(lái)自載氣的離子(例如，氬離子) 和來(lái)自靶材的離子(例如，銅離子)。銅離子需要晶片上的相對(duì)低的等離子體偏置電壓， 以沉積在晶片表面上，該偏置電壓一般約等于或小于50伏特。氬離子比銅離子更不穩(wěn)定 (volatile)，在低鞘層電壓下，氬離子趨向于與晶片表面上的特征發(fā)生彈性碰撞，然后分散 開(kāi)，而不會(huì)對(duì)該特征造成損害。在稍高的偏置電壓電平下(例如，300伏特)，氬離子與晶片 上的薄膜特征發(fā)生非彈性碰撞，從而損害該薄膜特征。因此，可以通過(guò)將晶片偏置電壓限制 在例如約50伏特或50伏特以下，而達(dá)到理想的結(jié)果。問(wèn)題是如何將晶片偏置電壓限制在 這樣的低電平。用于限制晶片偏置電壓的第一個(gè)特征是使選定的一部分等離子體離子遠(yuǎn)離晶片 110而轉(zhuǎn)向腔室側(cè)壁102 (由金屬形成)。該特征采用與夾盤電極180-7耦接的可變VHF接 地返回阻抗元件130，此外還采用與側(cè)壁102耦接的第二可變VHF接地返回阻抗元件140。 側(cè)壁可變VHF阻抗元件140具有類似于元件130的結(jié)構(gòu)，包括(在一實(shí)施中)串聯(lián)的電容 器142、可變的并聯(lián)電容器144和可變感應(yīng)器146。側(cè)壁可變阻抗元件140連接在側(cè)壁102 和接地之間，除了此連接處以外，側(cè)壁102與接地絕緣。該兩個(gè)元件130、140的阻抗是獨(dú)立 可調(diào)的，并確定晶片110與側(cè)壁102之間的等離子體電流分配(apportionment)。實(shí)施對(duì)元件130、140的阻抗的調(diào)整以將晶片偏置電壓降低至低電平，并精確地選擇該電平。例如，可 以通過(guò)提高由夾盤電極阻抗元件130所呈現(xiàn)的在VHF源功率產(chǎn)生器頻率下的電阻(使得經(jīng) 晶片110的VHF接地返回路徑較小吸引)，同時(shí)減小由腔室側(cè)壁阻抗元件140所呈現(xiàn)的在 VHF源功率產(chǎn)生器頻率下的電阻(使得經(jīng)側(cè)壁102的VHF接地返回路徑較大吸引)，而實(shí)現(xiàn) 晶片偏置電壓的降低。對(duì)于給定的等離子體電流分配，VHF源功率頻率下的該兩個(gè)阻抗元 件130、140的相對(duì)阻抗取決于晶片110和導(dǎo)電側(cè)壁102的相對(duì)面積。為了減小通過(guò)兩個(gè)可變阻抗元件130、140中選擇的一個(gè)的電導(dǎo)率，可以將阻抗選 擇為或者在VHF產(chǎn)生器124的頻率下表現(xiàn)為非常高的電阻或開(kāi)路，或者在VHF產(chǎn)生器頻率 的諧波下(例如，2nd、3rf、4th諧波)表現(xiàn)為非常低的電阻或短路。利用增加的所關(guān)心的各個(gè) 諧波的另外的可調(diào)諧振電路，可以在阻抗元件130、140中任一者或兩者中實(shí)現(xiàn)在諧波頻率 下的這種特性。這可以通過(guò)為阻抗元件130、140增加更多的可變電抗以達(dá)到所需的濾波 或通頻帶特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，參見(jiàn)圖6A，可變阻抗元件130可以進(jìn)一步包括可變諧振電路 130-1、130-2、130-3，它們可被調(diào)諧以分別在第二、第三和第四諧波下提供選定的阻抗。參 見(jiàn)圖6B，可變阻抗元件140可以進(jìn)一步包括可變諧振電路140-1、140-2、140-3，它們可被調(diào) 諧以分別在第二、第三和第四諧波下提供選定的阻抗。用于限制晶片偏置電壓的第二個(gè)特征利用施加到靶材112的VHF源功率的趨向 性(tendency)，以在晶片110上產(chǎn)生適度的正偏置電壓(沒(méi)有施加任何其它的RF功率)。 該第二特征涉及將任選的低頻RF偏置功率產(chǎn)生器150通過(guò)阻抗匹配155耦接到夾盤電極 108-7。隨著來(lái)自產(chǎn)生器150的RF偏置功率從0上升，在來(lái)自VHF產(chǎn)生器124的VHF源功 率的影響下最初為正值的晶片偏置電壓向下偏移，并在某一點(diǎn)越過(guò)零點(diǎn)變?yōu)樨?fù)值。通過(guò)將 偏置功率產(chǎn)生器150的輸出功率級(jí)慎重調(diào)整到小的功率級(jí)(例如，約0. lkW)，可以將晶片偏 置電壓設(shè)定至非常小的值(例如，小于50伏特)。由于VHF源功率產(chǎn)生器124提供用于在靶材112附近產(chǎn)生等離子體離子的等離子 體源功率，因此D.C.功率源122不是僅有的用于等離子體產(chǎn)生的功率源。由于減小的晶片 至靶材間隔降低了靶材112和晶片110之間的等離子體密度的損耗，因而進(jìn)一步減少了對(duì) D. C.功率源122的需求。因此，D. C.電源122的D. C.功率級(jí)可以從傳統(tǒng)功率級(jí)(例如， 35-40kff)減低至2kW。該特征降低了靶材112的濺射率，從而減少了靶材的消耗、操作的成 本和整個(gè)系統(tǒng)上的熱負(fù)荷。此外，還降低了晶片110上的沉積率。在較高的D.C.功率級(jí) 下(例如，38kW)，沉積速率非常高，因此典型的銅膜沉積厚度的沉積時(shí)間必須被限制為約5 秒，其中最初2秒用于等離子體點(diǎn)火之后的阻抗匹配126達(dá)到平衡或穩(wěn)定態(tài)。在新的(降 低的)D.C.功率級(jí)下(幾kW或更低)，沉積時(shí)間可以是30秒的量級(jí)，從而在處理時(shí)間的很 高比例的時(shí)間內(nèi)，阻抗匹配126都是穩(wěn)定的。在高深寬比開(kāi)口的內(nèi)表面上的金屬涂覆的均勻度的提高，增加了其上可以操作反 應(yīng)器的工藝窗口。在現(xiàn)有技術(shù)中，在高深寬比開(kāi)口的內(nèi)表面上的金屬沉積是非常不均勻的， 其僅能允許晶片與晶片之間性能上很小的變化和非常窄的工藝窗口，在該工藝窗口中可以 在高深寬比開(kāi)口的所有內(nèi)側(cè)面上實(shí)現(xiàn)適當(dāng)(adequate)的金屬涂覆。另外，在高深寬比開(kāi)口 的側(cè)壁上厚度的不足沉積需要進(jìn)行沉積之后的第二步驟，即再濺射步驟，在該步驟中沉積 在開(kāi)口的底壁或底面上的過(guò)量的材料被轉(zhuǎn)移到側(cè)壁上。再濺射步驟通常需要在高深寬比開(kāi) 口的底壁上沉積過(guò)量的厚度。在本實(shí)施方式中，開(kāi)口的底壁和側(cè)壁上沉積均勻性的改善消除了對(duì)再濺射的需求和對(duì)開(kāi)口的底面上的過(guò)量厚度的需求。這提高了生產(chǎn)率并減少了在經(jīng) 由高深寬比開(kāi)口的底壁打開(kāi)一過(guò)孔(via)的情況下所需要移除的材料量。在圖1的實(shí)施方式中，施加到腔室的總功率相對(duì)于傳統(tǒng)PEPVD工藝有所降低，如下 表中可見(jiàn)(表I)。表 I
權(quán)利要求
一種在反應(yīng)器腔室中的工件上進(jìn)行物理氣相沉積的方法，包括提供包含金屬元素和具有面對(duì)工件的表面的靶材，并建立小于所述工件的直徑的靶材至工件的間隔；將載氣引入腔室中，并保持腔室中的氣體壓力在閾值壓力以上，在該閾值壓力平均自由程小于所述間隔的5％；將來(lái)自VHF產(chǎn)生器的RF等離子體源功率施加給所述靶材，以在所述靶材周圍產(chǎn)生電容耦合等離子體，所述VHF產(chǎn)生器具有超過(guò)30MHz的頻率；以及通過(guò)提供在所述VHF產(chǎn)生器的頻率下經(jīng)所述工件的第一VHF接地返回路徑，使所述等離子體越過(guò)所述間隔延伸至所述工件。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述建立間隔包括將間隔設(shè)定為所述工件直徑的分 數(shù)的距離。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述分?jǐn)?shù)不超過(guò)1/5。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述工件的直徑約為300mm，所述間隔約為60mm，所 述氣體壓力約為IOOmT。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括相對(duì)所述腔室中的等離子體限制所述工件上的偏 置電壓在對(duì)應(yīng)于所述載氣的離子轟擊閾值電壓的上限閾值電壓以下。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，還包括保持所述偏置電壓在對(duì)應(yīng)于所述金屬元素的沉積 閾值電壓的下限閾值電壓以上。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述限制所述工件上的偏置電壓包括提供經(jīng)腔室側(cè) 壁的第二 VHF接地返回路徑，并且在所述第一和第二接地返回路徑的所述VHF頻率下分配 電阻。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述分配包括調(diào)整在所述第一和第二VHF接地返回 路徑的至少一個(gè)中的可變電抗元件。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述調(diào)整包括在所述第一和第二VHF接地返回路徑 的其中一個(gè)中提供在所述VHF頻率下對(duì)應(yīng)于開(kāi)路的阻抗。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述調(diào)整包括在所述第一和第二VHF接地返回路徑 的其中一個(gè)中提供在所述VHF頻率的各個(gè)諧波下對(duì)應(yīng)于各個(gè)短路的阻抗。
11.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述限制所述工件上的偏置電壓包括將低頻RF等 離子體偏置功率產(chǎn)生器耦合到所述工件，并且調(diào)整來(lái)自所述RF偏置功率產(chǎn)生器的RF偏置 功率級(jí)，以降低所述工件上的凈偏置電壓。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)整RF偏置功率級(jí)包括提高所述RF偏置功 率級(jí)，以降低所述工件上的所述偏置電壓。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述工件上的所述偏置電壓包括正電壓部分和負(fù) 電壓部分，所述正電壓部分歸因于施加給所述靶材的所述VHF源功率，所述負(fù)電壓部分是 由所述RF偏置功率級(jí)決定的，所述調(diào)整包括用所述負(fù)電壓部分抵消掉所述正電壓部分。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括施加D.C.功率到所述靶材。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述靶材周圍產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)式磁控管磁場(chǎng)。
16.一種在反應(yīng)器腔室中的工件上執(zhí)行物理氣相沉積的方法，包括提供包含金屬元素和具有面對(duì)工件的表面的靶材，并建立小于所述工件的直徑的分?jǐn)?shù) 的靶材至工件的間隔；將載氣引入腔室中；提高所述腔室中的氣體壓力，直至在所述工件的表面建立速度的隨機(jī)角度分布；將來(lái)自VHF產(chǎn)生器的RF等離子體源功率施加給所述靶材，以在所述靶材周圍產(chǎn)生電容 耦合等離子體，所述VHF產(chǎn)生器具有超過(guò)30MHz的頻率；通過(guò)提供在所述VHF產(chǎn)生器的頻率下經(jīng)所述工件的第一 VHF接地返回路徑，使所述等 離子體跨越所述間隔延伸至所述工件；以及使所述間隔的空間中沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)元件。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述隨機(jī)分布在跨越相對(duì)于所述工件平面的垂直 方向和水平方向的整個(gè)角度范圍內(nèi)具有小于50%的差異。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將相對(duì)于所述腔室中的等離子體限制所述工件 上的偏置電壓在對(duì)應(yīng)于所述載氣的離子轟擊閾值電壓的上限閾值電壓以下。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述限制所述工件上的偏置電壓包括提供經(jīng)腔室 側(cè)壁的第二 VHF接地返回路徑，并且在所述第一和第二接地返回路徑的所述VHF頻率下分 配電阻。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述限制所述工件上的偏置電壓包括將低頻RF等 離子體偏置功率產(chǎn)生器耦合至所述工件，并通過(guò)提高來(lái)自所述RF偏置功率產(chǎn)生器的RF偏 置功率級(jí)來(lái)抵消掉所述工件的正偏置電壓，以降低所述工件的凈偏置電壓。
全文摘要
在工件上的材料的等離子體增強(qiáng)物理氣相沉積中，金屬靶材跨越小于工件直徑的靶材至工件的間隔面對(duì)著工件。載氣被引入到腔室中，腔室中的氣體壓力保持在閾值壓力以上，在該閾值壓力平均自由程小于所述間隔的5％。來(lái)自VHF產(chǎn)生器的RF等離子體源功率被施加給靶材，以在所述靶材周圍產(chǎn)生電容耦合等離子體，所述VHF產(chǎn)生器具有超過(guò)30MHz的頻率。通過(guò)提供在VHF產(chǎn)生器的頻率下經(jīng)所述工件的第一VHF接地返回路徑，使等離子體越過(guò)所述間隔延伸至工件。
文檔編號(hào)H01L21/203GK101960561SQ200980107144
公開(kāi)日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
發(fā)明者丹尼爾·J·霍夫曼, 卡爾·M·布朗, 約翰·皮比通, 英·魯 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料股份有限公司