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

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
技術領域：
本發明一般關于濺射和再濺射。更為具體地，本發明關于半導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：
半導體集成電路通常包括多層金屬(metallization)以在大量有源半導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，但是已經開發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包括導電部件112。如果下層110為諸如二氧化硅或其它絕緣材料的下層電介質層，導電部件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，導電部件112可以為摻雜硅區，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。上層電介質層114沉積在下層電介質層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)和相似的互連結構中，如下所述，孔具有復雜的形狀。在一些應用中，孔不可以穿過電介質層延伸。下述討論僅提到通路孔，但是，在大多數情況中，該討論同樣適用于其它類型的孔，其中只有幾個本領域公知的修改孔。
常規地，電介質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。一些在開發的低k電介質可以描繪為硅酸鹽，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，但可以設想使用其它電介質成分。
在硅酸鹽電介質的情況中，通常使用氟基等離子體蝕刻工藝在上層電介質層114中蝕刻通路孔。在高級集成電路中，通路孔的寬度可以為0.18μm或更小。電介質層114的厚度通常至少為0.7μm，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，在大多數情況中，通路孔應該具有垂直輪廓(profile)。
在孔的底面和側面以及電介質層114上沉積襯里層(liner layer)116。襯里層116可以執行幾個功能。其可以用作電介質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。可以沉積一層或多層襯里層，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上沉積諸如銅的導電金屬互連層118以填充孔并覆蓋電介質層114的頂部。通過選擇蝕刻金屬層118的平面部分，將常規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在電介質層114中使孔形成為兩個連接部分，第一為穿過電介質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，進行化學機械拋光(CMP)，該化學機械拋光除去暴露在電介質氧化物上的較軟的銅，但到較硬的氧化物時，即停止。結果，相似于最近的下層的導電部件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的結合消除了蝕刻銅的需要。已經開發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構的層結構和蝕刻序列。
諸如出現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構，隨著它們的縱橫比的不斷增加，呈現出持續的挑戰。4∶1的縱橫比比較普遍，并且此值會進一步增大。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。0.18μm通路寬度比較普遍，并且該值會進一步降低。對于形成在氧化物電介質中的高級銅互連，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)或其它結構的雙層形成。通常阻擋層的厚度為10至50nm。對于銅互連，已發現沉積一層或更多銅層以實現形核和籽晶功能十分有利。
通過常規物理氣相沉積(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)，通常關于靶的法線呈余弦關系。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。大的伸出可以進一步地限制進入孔122并引起孔122的側壁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內的金屬中產生空隙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。例如，靶至晶片的間隔可以是晶片直徑的至少50％，優選大于90％，且更優選大于140％。結果，濺射分布的角外部分優先射向室壁，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直儀(collimator)來實現相似的效果。因為準直儀具有大量的高縱橫比的孔，角外濺射顆粒易于轟擊準直儀的側壁，角中央的顆粒易于穿過。長投擲靶和準直儀通常都減小到達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直(collimation)更嚴于適應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)。長投擲和準直的另一問題是減小的金屬流量，減小的金屬流量可導致更長的沉積周期，這將不但會減少產量，而且還會增加濺射期間的晶片經歷的最高溫度。此外，長投擲濺射可以減小伸出并提供在側壁中間和上部的良好覆蓋，但是較低的側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1011cm-3，并優選至少為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周圍的電線圈，在遠離晶片的區中形成分離的等離子體源區。以這種方式產生的等離子體稱為電感耦合等離子體(inductively coupled plasma，ICP)。具有此結構的HDP室來自美國加利福尼亞州的Santa Clara的應用材料有限公司的商用HDP PVD反應室。可以利用其它HDP濺射反應室。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數(ionization fraction)，即產生金屬離子。晶片或者自充電至負電勢或為RF偏置以控制其DC電勢。隨著金屬離子接近負偏置晶片，金屬離子被加速穿過等離子體鞘(plasmasheath)。結果，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行利用遠程等離子體源的IMP濺射。較高的壓力和高密度等離子體可以產生非常大的氬離子數量，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入要形成的膜中而損耗掉。在IMP中經歷的高溫下，即使在50至75℃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的表面形態。如果這樣，這種膜不會促進孔填充，特別是當襯里用作電鍍的電極時。
沉積金屬的另一種技術是持續(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。鋁被認為不容易受SSS的影響。一些其它材料，諸如鈀(Pd)、鉑(Pt)、銀(Ag)和金(Au)也可以經受SSS。
通過銅的持續自濺射沉積的銅或其它金屬具有大量優點。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數，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。
已經開發出促進持續自濺射的技術和反應室結構。已經觀察到，盡管受益于這些相同的技術和結構，但是由于低于一的再濺射產量，可能由于產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濺射使用各種相當常規的電容耦合磁控管濺射反應器的變形以產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區域的功率密度。將小面積磁控管設置在靶中央的一側并將其關于中央旋轉，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部磁極。從較強磁極發出的磁場線可以分解成臨近靶面(target face)的常規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區域足夠離子化相當部分的金屬離子，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一步濺射金屬原子。結果，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點是來自較強的外部環形磁極的磁場朝向晶片遠遠地投射到等離子體處理區域中。該投射場具有在等離子體處理區域的較大程度上支撐強等離子體并將離子化濺射顆粒導向晶片的優點。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域的主要部分周圍的同軸電磁線圈的使用，以產生從靶延伸向晶片的磁場分量。磁線圈在將SIP濺射結合在長投擲濺射反應器中非常有效，即，因為輔助磁場支撐等離子體且進一步導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化磁場結構中可利用的有限數目的變量。磁控管應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)。磁場的某些分量應該從靶朝向晶片投射，以引導離子化的濺射顆粒。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的效果也很差。
還可以通過利用金屬-有機前體的化學氣相沉積(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。本領域技術人員公知的熱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數量級的較厚CVD銅層來可靠地涂覆連續的籽晶層。對于現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。
另一種結合技術使用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。
電化學鍍(ECP)是另一種正在開發的銅沉積技術。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，銅電化學沉積在晶片上。還可以利用無電鍍技術。電鍍及其相關工藝是有利的，因為它們可以在大氣壓下用簡單的設備執行，沉積速率高，且液體處理與隨后的化學機械拋光相容。
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到阻擋材料上。而且，環繞通路孔122的一般絕緣結構需要在電介質層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體，且面對通路孔122(包含銅電解質)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電性甚至更弱。因此，通常沉積良導電性的籽晶層和粘合層以促進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，優選連續、平滑且均勻的膜。否則，電鍍電流會僅流向由銅覆蓋的區域或優選流向由較厚的銅覆蓋的區域。沉積銅籽晶層表現出其自身的困難。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)，但是其側壁覆蓋小以至最終的薄膜粗糙或不連續。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性。同樣，電鍍電極首先在整個孔的側壁上操作以便獲得期望的高側壁覆蓋。長投擲提供充分的側壁覆蓋，但是底部覆蓋不夠充分。

發明內容
本發明的一個實施例涉及通過在一個室中結合長投擲濺射、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域。
本發明的另一實施例涉及通過在一個室中結合長投擲濺射、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深孔的良好底部拐角覆蓋。
SIP易于通過低于5毫托、優選低于2毫托且更優選低于1毫托的低壓來促進。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，由此增加靶的功率密度，并通過具有不對稱磁體的磁控管，導致磁場還朝向襯底穿透。可以使用這樣的工藝來沉積籽晶層，以促進在沉積層之后的形核或引晶(seeding)，形成窄而深的貫穿電介質層的通路或觸點特別有用。通過電化學鍍(ECP)沉積另一層。在另一實施例中，通過化學氣相沉積(CVD)來沉積另一層。
一個實施例包括在設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的磁控管包圍相反極性的弱磁極。輔助磁體優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。
可以分多步促進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。
如下討論本發明的其它方面。因此應該理解，前述僅為本發明的一些實施例和方面的簡要說明。下面將介紹本發明的另外的實施例和方面。還應該理解，可以在不脫離本發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明的范圍。更恰當地，本發明的范圍僅由附屬的權利要求和其等同物來決定。


圖1是在現有技術中實施的由覆蓋電介質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是根據本發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是包括本發明的輔助磁體陣列的濺射反應器的示意性剖視圖。
圖11是圖10的濺射反應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器的示意性剖視圖。
圖14A和14B是根據本發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O-環的圖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系的圖表。
圖18是根據本發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是根據本發明另一實施例的通路金屬化的剖視圖。
圖22是根據本發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是按照根據本發明另一實施例的工藝形成的通路金屬化的剖視圖。
圖25是根據本發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磁控管濺射反應器中的側壁和底部覆蓋的分布適合于制造諸如在電介質層中的孔或通路中具有期望外形輪廓的襯里層的金屬層。濺射沉積進入高縱橫比通路中的SIP膜可以具有良好的上側壁覆蓋且不易于產生伸出。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。根據本發明的一個方面，可以在反應器中獲得兩類濺射的優點，該反應器結合可以在分離步驟中的SIP和ICP等離子體產生技術的選擇方面，此類反應器的一個例子在圖4中總稱為150。另外，可以保護襯里層側壁的上部免于通過濺射位于室內的ICP線圈151再濺射以將線圈材料沉積到襯底上。
反應器150還可以用于利用SIP和ICP、優選二者結合、但二者擇一，交替產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磁控管濺射反應器中的離子化與中性原子流量可以適合于在電介質層中的孔或通路中產生涂層。如前所述，濺射沉積在高縱橫比的孔中的SIP膜具有有利的上側壁覆蓋且不易于產生伸出。另一方面，ICP產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。根據本發明的另一方面，在諸如反應器150的反應器中可以獲得兩種濺射類型的優點，在該反應器中結合兩種沉積技術的選擇方面。另外，如果需要，線圈材料也可以被濺射對沉積層作出貢獻。
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器150為基于來自加利福尼亞州的圣克拉拉的應用材料有限公司的可利用的Endura PVD反應器改造(modification)的DC磁控管型反應器。該反應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壁。SIP模式還可以用于獲得良好的底部覆蓋。
反應器150還具有RF線圈151，該線圈將RF能量電感耦合進入反應器的內部。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，取決于應用，在0.1至40毫托范圍內的壓力是合適的。結果，認為在反應器150內的離子化速率相當地低于一般的高密度IMP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域提供保護涂層，或另外提供附加的沉積材料。
在一個實施例中，認為在多步工藝中可以獲得良好的上側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)的結果發生。結果，認為可以獲得良好的上側壁覆蓋。在第二步驟中并且優選在相同的室中，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能量的結果發生。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。另外，可以濺射線圈151以在不期望減薄的地方沉積保護材料。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壁上，以保護那些部分不被減薄。
因為示出的反應器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果。當期望沉積良好底部覆蓋的層時，認為結合的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壁。這樣，認為離子化沉積材料的組合源可以提供良好的上側壁覆蓋以及良好的底部和底部拐角覆蓋，如下面更為詳細的解釋。
在選擇的實施例中，認為可以在多步工藝中獲得良好的上側壁覆蓋、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果發生。結果，認為可以獲得良好的上側壁覆蓋。在第二步驟中并且優選在相同的室中，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。結果，認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。對于許多應用，認為50至1000mm的靶至晶片間距是合適的。在常規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。
通過第二電介質屏蔽隔離體168分離的暗區屏蔽(darkspaceshield)164和室屏蔽(chamber shield)166保持在室152內以保護室壁152不受濺射材料的影響。在示出的實施例中，暗區屏蔽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。如果允許暗區屏蔽電浮置，一些電子會沉積在暗區屏蔽164上以至于負電荷在那里累積(build up)。認為負電勢不僅可以排斥進一步的電子沉積，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，該通道允許導電材料從靶110到線圈支座180上重復沉積導電材料，同時防止沉積材料從線圈151到屏蔽164的全部導電路徑形成，該導電路徑會將線圈151短路到屏蔽164(其通常接地)。
為了能夠將線圈用作電路路徑，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生器的RF電流，該發生器優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生設備的電連接示意圖。為了吸引由等離子體產生的離子，優選通過例如在1-40千瓦(kw)的DC功率下的可變的DC電源200對靶156加負偏壓。電源200將靶156負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，可以將其完全關掉。
可以允許基座162及晶片158電浮置，但是負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施加負偏壓，來對襯底158施加負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，以進一步控制存在于其上的負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5千瓦范圍內的RF功率，例如，對于在SIP沉積中的200mm晶片更為優選地在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絡204的輸出的RF電源。匹配網絡204的輸入耦合于RF發生器206，該發生器為了此實施例的ICP等離子體產生提供近似在1或1.5千瓦的RF功率。例如，優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。優選范圍為50瓦至10千瓦。在SIP沉積期間，如果需要，可以關掉線圈的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。可以通過耦合至線圈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。在線圈濺射期間優選的值為500瓦。如果需要，在SIP沉積期間，可以關掉到線圈151的DC功率。
當然，上述功率電平可以根據特定的應用而改變。可以編程基于計算機的控制器224以控制根據特定應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。結果，線圈材料優先沉積在孔的上拐角以便于當孔的底部通過ICP等離子體再濺射時保護孔的那些部分。在示出的實施例中，優選，當線圈的主要功能為產生等離子體以再濺射晶片和在再濺射期間提供保護涂層時，將線圈定位在比離鈀更接近晶片的位置。對于許多應用，認為0至500mm的線圈至晶片的間距是合適的。然而意識到，實際的位置會根據特定的應用而改變。在這些應用中，其中線圈的主要功能是產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以減小復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相關的包括高電壓的高功率電平下的濺射，電介質隔離體(dieelctric islator)通常分離不同的被偏置的部分。結果，可期望保護這種隔離體不被金屬沉積。
支座的內部結構優選為曲折(labyrinth)的，如在2000年2月29日提交的題目為“COIL AND COIL SUPPORT FOR GENERATING APLASMA”的由本申請的轉讓給本申請受讓人的未決申請序號為No.09/515880中更為詳細的描述。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，則支座的外部優選也由鉭制成。為了促進沉積材料的粘結，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)的尺寸程度應該能阻止從線圈到屏蔽的完全導電路徑的形成。隨著導電的沉積材料沉積在線圈和支座上，會形成這種導電路徑。應該認識到，根據特定的應用，曲折通道的其它尺寸、形狀和數量也是允許的。影響曲折設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造，除了RF功率將施加到穿過支座延伸的螺栓或其它導電部件的情況外。
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。認為這種重疊布置可以提高等離子體產生、離子化和沉積的均勻性，如在1998年3月16日提交的轉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。應該意識到支座的數量和間距可以根據特定的應用而改變。
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發生器和匹配電路為本領域公知的組件。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發生器是適合的。用于產生RF功率到線圈的發生器的頻率優選為2MHz，但是預期范圍可在其它A.C.頻率，諸如，例如1MHz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然后繼續徑向向內進入碗狀部分302并垂直向上進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、166一般由不銹鋼構成，且它們的內側可以被噴丸或被變粗糙，以促進濺射沉積在其上的材料的粘結。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，產生有害的顆粒。在到達該點之前，應該清洗或更為可能地用新的屏蔽替換該屏蔽。然而，在大多數維護周期(maintenance cycle)中，不需要替換更昂貴的隔離體154、168。而且，維護周期由屏蔽的剝落而非隔離體的電短路來決定。
氣體源314通過質量流量控制器316向室152供給濺射工作氣體，一般為化學不活潑惰性氣體氬。可以使工作氣體進入室的頂部，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320保持在低壓下。雖然基礎壓力可以保持在大約10-7托或更低，在常規濺射中，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和質量流量控制器316的反應器。
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連結和支撐的相反的磁體332、334。磁體產生臨近室152內的磁控管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域338。磁控管330通常通過馬達驅動軸342關于靶156的中央340旋轉，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以獲得持續的自濺射，可以使輸送到臨近磁控管330的區域的功率密度高。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340一致的頂(tip)旋轉的60度三角形磁控管任何時候僅覆蓋靶的大約1/6。在能夠進行SIP濺射的商用反應器中，1/4覆蓋為優選的最大值。
為了減小電子損失，通過內部磁體332和磁極面表示的內部磁極應該沒有顯著的孔徑并且由連續的由外部磁體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向晶片158，外部磁極應該比內部磁極產生更高的磁通量。延伸的磁場線俘獲電子且因此將等離子體更拉近晶片158。磁通量的比率應該為至少150％且優選大于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部磁體。雖然結合平坦的靶表面來描繪，但是應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。
當將氬導入室中時，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，且帶正電荷的氬離子被吸引到帶負電荷的靶156。離子在足夠的能量下轟擊靶156并從靶156上產生要濺射的靶原子或原子團。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以在晶片158上形成金屬氮化物。
圖6-9b示出根據本發明的另一方面的襯里層形成的連續剖視圖。參考圖6，層間電介質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來沉積第一金屬層，且第一金屬層經由觸點，穿過電介質層，連接到形成在下面的半導體晶片的器件。如果將第一銅層347a暴露于氧氣，諸如當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)在層間電介質345上和暴露的第一銅層347a上。優選包括鉭、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345中并使層間電介質降級(degrade)(如前所述)。
如果，例如，濺射室152構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，同時功率信號經由DC電源200施加到靶156。選擇地，功率信號還可以經由第一RF電源206施加到線圈151。在穩定狀態處理期間，氮可以與鉭靶156反應以在鉭靶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)上結合形成氮化鉭。
在操作中，將可操作地耦合到排放出口的節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1×10-8托的期望的低真空度。為了在濺射室152內開始處理，氬氣和氮氣的混合物經由氣體入口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經由氣體入口360流入濺射室152并經泵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)從其上發射出(eject)。發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SIP工藝，由不平衡的磁控管產生的等離子體離子化部分濺射的鉭和氮化鉭。通過調節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與等離子體之間產生負偏壓。襯底支撐底座162與等離子體之間的負偏壓使鉭離子、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SIP濺射提供良好的側壁和上側壁覆蓋。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功率優選在該步驟中產生氬等離子體。值得注意的是，在該實施例中的濺射室152(圖4)內的濺射蝕刻期間，施加到靶156的功率優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選的。
ICP氬離子通過電場(例如經由圖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。結果，幾乎沒有通路側壁的濺射發生，而發生充分的通路底部的濺射。為了促進再濺射，例如，施加到底座和晶片的偏壓可以為400瓦。
再濺射工藝參數的特定值可以根據特定的工藝而改變。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。
根據本發明的另一方面，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，而不是在側壁上和孔口周圍，在這些區域，可能不期望減薄阻擋層。
一旦已經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側壁的阻擋層351部分沉積。銅原子347a”也涂覆沉積在通路349側壁上的阻擋層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內基本上固定且被阻止不能到達層間電介質層345。因此沉積在側壁上的銅原子347a’通常不會如以前那樣產生通路至通路漏電流，它們被再分布到沒有涂覆的側壁。
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體金屬互連層之間提供良好的粘結。然而，在一些應用中，優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。
可以以與第一襯里層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產生等離子體。然而，不允許氮氣進入以便于沉積鉭而非氮化鉭。按照SIP濺射，可以獲得良好的側壁和上側壁覆蓋。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。優選主要通過向ICP線圈施加RF功率以在該步驟中產生氬等離子體。再次，值得注意的是在濺射室152(圖4)內的濺射-蝕刻期間，優選將施加到靶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襯里側壁和上部，在底部部分再濺射期間，基本上不被減薄。
在上述實施例中，通路側壁上的靶材料的SIP沉積主要發生在第一步驟中，而通路底部的ICP再濺射和線圈151材料的ICP沉積主要發生在后續步驟中。應該意識到，如果需要，靶材料和線圈材料在通路349側壁上的沉積會同時發生。還應意識到，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壁上的沉積同時發生。通過調節施加到線圈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)增加入射離子的數量。
因此，可以調節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量。零DC靶功率會導致僅濺射-蝕刻。與高RF線圈功率和晶片偏壓耦合的低DC靶功率會導致同時發生通路側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)，會導致阻擋層沉積在晶片側壁上而從通路底部除去材料。DC靶功率越低，沉積在側壁上的材料越少。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。可以期望在同時沉積/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壁覆蓋來防止來自通路底部的材料濺射-蝕刻引起的側壁污染。
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在層間電介質345的側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345。選擇地，可以在相同的室內或通過在第一處理室內沉積阻擋層351，而在分離的第二處理室(例如諸如應用材料有限公司的PrecleanII室的濺射-蝕刻室)內濺射蝕刻阻擋層351和氧化銅層347a’，連續完成沉積/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，應意識到，在一些應用中，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電金屬形成，可以在具有不同導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，銅籽晶層的沉積優選在下面關于圖10描述的類型的室中。可以通過在其它類型的室和設備的包括CVD和電化學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中描述了反應器410和各種用于形成籽晶和其它層的工藝，現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壁414。一般地，未示出的接地可替換屏蔽位于側壁414內部以保護它們不被濺射涂覆，但是它們除了保持真空外還充當室側壁。將由金屬構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部的靶416與晶片424之間。
從氣體供給426通過質量流量控制器428將濺射工作氣體，優選氬，計量供給(meter)室中。未示出的真空泵壓系統將室412的內部保持在一般為10-8托或更低的非常低的基礎壓力下。在等離子體點火期間，按產生近似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偏壓的靶416并從靶上濺射金屬原子。
本發明特別有利于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部磁體磁極440和相反的第二垂直磁極性的環繞的外部磁體磁極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延伸的旋轉軸448上的旋轉臂446。連接于軸448的馬達450使磁控管436關于中央軸438旋轉。
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部磁極440產生的磁通量的總的磁通量，優選具有至少150％的磁強度比率。相反的磁極440、442在室412內部產生磁場，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磁性強于內部磁極440，來自外部磁極442的磁場部分在其循環回外部電極442后面以完成磁路之前向底座422遠投射。
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上產生負的自偏壓。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1010cm-3。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，以進一步濺射金屬離子。結果，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點。對于銅濺射，在一些條件下，在稱為持續自濺射(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。
在本發明的一個實施例中，永久磁體462的輔助陣列460設置在室側壁414的周圍，且通常設置在朝向晶片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)。在下面詳細描述的實施例中，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量的磁體會提供相似的良好結果。可以將輔助磁體462放置在室側壁414的內部，但是優選在該薄側壁屏蔽的外部以增加它們在處理區域中的有效強度。然而，放置在側壁414外部優選用于全部處理結果。
輔助磁體陣列通常關于中央軸438對稱設置以產生圓形對稱磁場。另一方面，雖然嵌套磁控管436具有關于中央軸438非對稱設置的磁場分布，當其關于整個旋轉時間平均時，它就變得對稱。有許多種形式的嵌套瓷控管436。最簡單的但不優選的形式具有由圓形環狀的外部磁極442包圍的紐扣中央磁極(button center pole)440，以便其磁場關于從室軸438平移的軸對稱且嵌套磁控管的軸關于室軸438旋轉。優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的虛線示出在旋轉周期期間的特定時刻下的有效磁場。半環形磁場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。在遠離于嵌套磁控管的室的另一側上，來自嵌套磁控管436磁場的不平衡部分的分量BA1占主要地位，但其不從遠處伸向晶片424。然而，在嵌套磁控管436的一側上的室側壁414附近，輔助磁體462強耦合于外部磁極442，導致遠投射向晶片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，該結構導致在接近于并沿著室側壁414的大致長度產生強垂直磁場的結果，該室側壁414在掠過其周圍的嵌套磁控管436下方的區域中。結果，在臨近要被最強烈濺射的靶416的區域的室412的外側，存在強垂直磁場。這種發射磁場(projecting field)對延伸等離子體區域并且將離子化的顆粒導向晶片424非常有效。
通過使用兩個半圓形磁體載體470可以實現，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放置在環繞室壁414的環中并通過常規的固定裝置固定它。該結構將磁體462直接臨近室壁414的外部放置。
在Wei Wang的電磁線圈內產生的螺線管磁場比由永磁體的環形陣列產生的外圍耦極子磁場在反映器室的直徑范圍內實際上更均勻。然而，如圖13的剖視圖中示出，通過用環繞在室壁外圍布置的電磁線圈490的環形陣列來替換永磁體462，能夠產生相似形狀的耦極子磁場。線圈490通常關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生與室內部的耦極子磁場一致的磁場。這種設計具有能夠快速調節輔助磁場強度以及磁場極性的優點。
該發明已經應用于銅的SIP濺射。雖然常規的SIP反應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，認為可以最優化輔助磁控管以在某些實施例中產生僅1％的不均勻性。通過在一些應用中減小沉積速率可以實現均勻性的改善，對于在深孔中的薄銅籽晶層的沉積，這可以通過在一些應用中的改進工藝控制獲得。
雖然已經描述了本發明在SIP濺射反應器中的使用，可以有利地將輔助永磁體應用于其它靶和功率結構，諸如美國專利6251242的SIP反應器的拱環靶、美國專利6179973或Klawuhn等人在2000年7月/8月的J.Vac.Sci Technology上發表的“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反應器或自離子濺射(SIS)系統，該系統利用例如在由Wada等人在IEEE 2000上發表的“Cu Dual Damascene Process for 0.13 micrometer TechnologyGeneration using SelfIon Sputtering(SIS)with Ion Reflector”中描述的離子反應器控制到襯底的離子流。也可以使用其它磁控管結構，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。可以濺射其它材料，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。當用于SIP銅籽晶沉積時，對于200mm晶片，其優選大于晶片直徑的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。對于許多應用，認為50至1000mm的靶至晶片間距是適合的。在常規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的室制造的結構的一個實施例為在圖14a的截面中示出的通路。在促進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或更為優選的80至200nm的覆層厚度(blanket thickness)。SIP銅籽晶層492優選在通路側壁上具有2至20nm范圍內的厚度，更為優選地在7至15nm。考慮到窄孔，對于某些應用，超過50nm的側壁厚度不是最理想的。在一些應用中通過將底座溫度降低至低于0攝氏度且優選低于-40攝氏度來改善膜的質量。在這種應用中，快速SIP沉積是有利的。
如果，例如，將濺射室410構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1×10-8托的期望的低真空度下。為了開始在濺射室410內處理，氬氣經由氣體入口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繼續流入濺射室410且經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。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，預測到諸如56千瓦的較大值是適合的。根據特定的應用，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SIP工藝，由不平衡磁控管產生的等離子體離子化部分濺射的銅。通過調節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與等離子體之間產生負偏壓。
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。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，預測較大的值是適合的。根據特定的應用，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、側壁和上側壁覆蓋。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。可以再分布底部496以增加銅籽晶層的底部拐角區域498的覆蓋厚度，如圖14B中所示。在許多應用中，優選銅籽晶層底部496不完全被除去以提供遍及通路的充分籽晶層覆蓋。
優選在該再濺射步驟中通過向靶以及底座施加功率產生氬等離子體作為SIP等離子體。經由電場(例如經由圖10的第二RF電源454施加到襯底支撐底座422的RF信號，該信號產生負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，并根據動量轉移，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。結果，幾乎不發生通路側壁的濺射，而主要發生通路底部的濺射。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，執行銅籽晶層底部的再濺射，同時在整個銅籽晶層進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合底座功率增加以促進籽晶層底部再濺射。
再濺射工藝參數的特定值可以根據特定應用而變化。未決或公布申請08/768058、09/126890、09/449202、09/846581、09/490026和09/704161描述了再濺射工藝，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，優選利用籽晶層492作為一個電鍍電極，通過電化學鍍，用銅層18填充孔。選擇地，SIP銅籽晶層492的平滑結構還促進回流(reflow)或通過標準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層中的孔中產生有利的層。可以通過其自身或結合通過在濺射的銅形核層上通過化學氣相沉積(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。
現有技術的DC磁控管濺射反應器已經涉及常規的工作氣體濺射或持續自濺射。兩種方法強調不同的濺射類型。在另一方面，優選用于銅襯里的反應器結合現有技術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器550的實例。圖4、10和13的反應器可以利用圖15的反應器的這些方面，圖15的反應器也基于來自加利福尼亞州圣克拉拉市的應用材料有限公司的提供的Endura PVD反應器的變形(modification)。反應器550包括真空室552，真空室552通常由金屬構成且電接地、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中以保護室壁552不受濺射材料影響。接地屏蔽566還充當相對于陰極靶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，這樣負電荷在那堆積。負電勢不僅進一步抵制電子沉積，還將電子限定在主等離子體區域中，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節。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O-環574真空密封至靶隔離體554，靶隔離體優選由諸如氧化鋁的陶瓷構成。靶隔離體554放置在上面，且其與背襯板570通過適配器O-環575密封至室552，其實質上可以為密封至室主體的鋁適配器。金屬夾具環576在其內半徑側上具有向上伸展的環形邊(rim)577。未示出的螺栓將金屬夾具環576固定于室552的向內延伸的凸緣(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器溫度循環期間提供強度。屏蔽隔離體568較低的部分具有適合于夾具環576的環形邊的內部環形凹槽。邊577不僅充當相對于夾具環576屏蔽隔離體568的中央內部直徑還充當防止在陶瓷屏蔽隔離體568與金屬環夾具576之間的滑動表面580產生的任何顆粒到達主處理區的阻擋層。
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形成在屏蔽隔離體568的上面外部拐角的環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等離子體暗區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的內側和上面的滑動接觸區域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的寬度以充當等離子體暗區。窄溝道584繼續在路徑中延伸，甚至比示出更向內，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。這些元件的結構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中公開的結構和特征。上背襯間隙584a在室溫下具有大約1.5mm的寬度。當屏蔽元件被溫度循環時，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。背襯間隙584a繼續向下至屏蔽隔離體568與內側和外側上的室主體552上的環夾具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576以及浮置屏蔽564之間的滑動表面580、583產生的陶瓷顆粒的腔體。屏蔽環隔離體568另外包括在其上內部拐角上的淺凹槽以收集來自其徑向向內的側面上的滑動表面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同時保護夾具環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現它們進一步朝向夾具環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度轉彎還遮蔽夾具環576和屏蔽隔離體568免受銅顆粒的直接輻射。已經發現銅優先在浮置過渡部分592的底部水平表面上和在一個90度轉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然后繼續徑向向內至碗狀部分602且在最內側的圓柱部分604中垂直向上以近似于晶片558的高度，但與底座562的徑向外側間隔開。
屏蔽564、566一般由不銹鋼構成。且它們的內側可以被噴丸處理或另外使其變粗糙以促進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，產生有害的顆粒。在到達該點之前，應該清洗屏蔽或更為可能地用新屏蔽替換。然而，在多數維護周期中，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周期。
如上所述，浮置屏蔽564堆積一些電子電荷并建立起負電勢。由此抑制進一步到浮置屏蔽564的電子損失并由此限定等離子體更加接近靶556。Ding等人已經在美國專利5736021中公開了具有某些相似結構的相似效果。然而，圖16的浮置屏蔽564具有下圓柱部分590，該部分590比Ding等人的相應部分更加遠離靶556延伸，由此將等離子體限定在更大的體積內。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。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。已經發現最優化的長度，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，結果在圖17中示出。橫坐標表示總屏蔽長度，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，而負的DC自偏壓仍然出現在其上。另一方面，一些設計使用可控的電源612來向底座562施加DC或RF偏壓以進一步控制在其上出現的負DC偏壓。在該測試的結構中，偏壓電源612為在13.56MHz下工作的RF電源。可以使用高達600瓦的RF功率供給，對于200mm的晶片優選范圍為350至550瓦。
氣體源614通過質量流量控制器616向室552供給濺射工作氣體，一般為化學不活潑惰性氣體氬。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。基于計算機的控制器624控制包括DC靶電源610、偏壓電源612和質量流量控制器616的反應器。
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內磁體產生臨近磁控管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638。通常通過馬達驅動軸642關于靶556的中心640旋轉磁控管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以允許銅的持續自濺射，必須使傳送到臨近磁控管630的區域的功率密度高。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濺射的商用反應器中為優選的最大值。
為了減少電子損失，通過內部磁體632和未示出的磁極面表現的內部磁極應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的外部磁極包圍。而且，為了將離子化的濺射顆粒導向晶片558，外部磁極必須比內部磁極產生更高的磁通量。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。磁通量比應該至少為150％且優選大于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部磁體。
當將氬引入室中時，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，且帶正電荷的氬離子被吸引到帶負電荷的靶556。離子在足夠的能量下轟擊靶556并產生要從靶556上濺射的靶原子或原子團。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，包括持續自濺射。在這種情況中，在已經點火等離子體之后，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。可選擇地，可以繼續供給一些氬，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自濺射，但是仍然有顯著的但減小的自濺射的分數(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，優選大于晶片直徑的90％，但是認為包括大于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(氬基)濺射與持續自濺射(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。濺射原子的電離分數(ionization fraction)的控制稱之為自離子化等離子體(SIP)濺射。
由本發明制造的結構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的長投擲濺射反應器，且在促進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或更優選80至200nm的覆層厚度。SIP銅籽晶層650在通路側壁上優選具有2至20nm范圍的厚度，更優選7至15nm。考慮到窄孔，側壁厚度不應該超過50nm。通過將底座的溫度降低至小于0攝氏度且優選小于-40攝氏度來改善膜的質量，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壁覆蓋。已經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，優選通過利用籽晶層650作為一個電鍍電極的電化學鍍。然而，SIP銅籽晶層650的平滑結構還促進通過標準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1.2μm氧化物的0.20μm寬的通路孔中進行幾個試驗，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生0.2μm的銅覆層厚度的沉積在通路底部上產生18nm而在通路側壁上產生大于12nm的銅覆層厚度。一般為30s和更短的沉積時間。當靶功率增加至18千瓦，底部覆蓋增加至37nm，在側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數。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0.2μm/min的IMP沉積速率相比，SIP沉積，相對較快，在0.5至1.0μm/min之間。快沉積速率導致短沉積周期，同時，不存在氬離子加熱，顯著地減小熱預算。認為低溫SIP沉積產生非常平滑的銅籽晶層。
使用290mm的投擲與Fu利用十個內部磁體和二十五個外部磁體的標準三角形磁控管。在各種條件下，測量離子流量作為離靶中心的半徑的函數。在圖19的圖中描繪了該結果。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的常規的磁控管和濺射反應器相比，這些電流相應于在1011與1012cm-3之間的離子密度。還是用零壓力條件來測量銅電離分數。空間相關性與在大約DC靶功率的直接相關性的10％與20％之間改變的電離分數近似相同。相對較低的電離分數表明沒有長投擲的SIP具有中性銅流量的大分數，其具有常規PVD的不利的深填充特性。結果表明，由于增加的離子化，為獲得更好的臺階覆蓋(step coverage)，優選在較高功率下操作。
然后重復測試，Fu磁控管中的內部磁體的數量減小至6。即，第二磁控管在磁通量中具有改善的均勻性，這促進了朝向晶片的均勻濺射的離子通量(ion flux)。結果描繪在圖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，改造的磁控管產生穿過晶片的更均勻的離子流，這再次取決于具有優選較高功率的靶功率。
10％至20％的相對低的電離分數表明中性銅的實際通量相當于IMP的90％至100％。同時，晶片偏壓將銅離子深深地導向孔中，與銅中性一樣實現長投擲。
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合效果。在零室壓下，140mm的投擲產生大于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。這些結果表明在5毫托下獲得可接受的結果，但優選的范圍為小于2毫托，更為優選的范圍為小于1毫托，且最為優選的范圍為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膜具有良好的上側壁覆蓋且不易出現伸出物。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，但側壁膜易于具有較差的覆蓋并且粗糙。可以通過利用兩步銅籽晶濺射沉積來結合這兩類濺射的優點。在第一步驟中，在產生高密度等離子體的IMP反應器中沉積銅，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壁覆蓋。在第二且優選隨后的步驟中，在上面描述的類型的SIP反應器中沉積銅，產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壁覆蓋且還使已經沉積的IMP層平滑。對于兩個步驟的覆層沉積厚度優選對于IMP沉積為50至100nm，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側壁覆蓋可能是問題。正在研發對于0.13μm的通路或更小的技術。在大約100nm的覆層厚度下，側壁覆蓋變得不連續。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壁30上的空隙或其它缺陷682的不連續的膜。缺陷682缺乏銅或以至不能局部充當電鍍陰極的薄銅層。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，諸如來自應用材料有限公司的利用前述熱處理的CuxZ室，沉積CVD層。
進行試驗，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結合產生相對平滑的CVD籽晶層，而與IMP結合在CVD層產生可達到不連續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生的非常平滑的籽晶層，通過電鍍或常規PVD技術在正在研發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的且幾乎均勻的用于向電鍍工藝供電的電極。
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0.13μm的孔寬下控制的流體流。
本發明的該實施例的雙層銅的優點是允許以相對較低的熱預算進行銅沉積。鉭在較高的熱預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點，但是IMP易于在更高的溫度下操作因為它產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工藝不固有地熱。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。在晶片已經通過負載鎖閥(load lockvalve)插入進濺射反應器中之后，負載鎖閥關閉，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，且將氬背側冷卻氣體供給大約在5至10托的背側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。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。如果計劃持續自濺射，關閉室氬供給，但是等離子體繼續在SSS模式下。對于自離子化的等離子體濺射，減小氬供給。背側冷卻氣體繼續供給。一旦減小氬壓力，在步驟696中，靶功率快速上升至預期的濺射電平，例如10至24千瓦，或對于選擇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，較高的氬壓力促進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冷卻的襯底。
本發明的設備和工藝的許多特征可以應用于不包含長投擲的濺射中。
雖然本發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，本發明的不同方面可應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能夠包括持續自濺射的銅自離子化濺射。在這種情況中，在已經點火等離子體之后，在SSS的情況中關閉氬供給，且銅離子具有足夠的高密度以大于1的收益再濺射銅靶。可選擇地，可以繼續供給一些氬離子，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自濺射的靶功率密度，然而具有顯著而減小的自濺射分數。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數的控制。
根據本發明的結構的一個實施例是圖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器類型并在促進合并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或更優選的80至200nm的覆層厚度。SIP-ICP銅籽晶層700在通路側壁上優選具有2至20nm范圍的厚度，更優選為7至15nm。對于窄孔，側壁厚度不應該超過50nm。通過降底座的溫度降低至小于0攝氏度且優選小于-40攝氏度來改善膜質量，以便于由快速SIP沉積提供的冷卻變得重要。
認為SIP-ICP銅籽晶層700具有良好的底部覆蓋和提高的側壁覆蓋。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側底部拐角覆蓋，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)，優選通過電化學鍍利用籽晶層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的平滑結構還促進通過標準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合SIP和ICP沉積技術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，根據選擇實施例的反應器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穿過暗區屏蔽164’電感耦合至放大器和匹配網絡717的輸出(圖26)。匹配網絡717的輸入耦合至RF發生器718。線圈716的另一端通過引線支座182穿過屏蔽164’經由級間耦合電容器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器的內部。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，壓力優選保持在充分低的壓力，例如，諸如2毫托。結果，認為在反應器150內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，示出的反應器150還能夠在長投擲模式下自離子化濺射。結果，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果，還可以作為通過靶的DC磁控管濺射自產生的等離子體的結果。認為合并的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，以便于通過反應器的長投擲能力沉積在上側壁上。因此，認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。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)的結果發生。結合長投擲模式的反應器布置，認為可以獲得具有低伸出(low overhang)的良好上側壁覆蓋。例如，在該初始步驟中沉積的層部分可以在1000-2000埃范圍內。
在第二步驟中，這里一般稱之為ICP步驟，且優選的在同一室中，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，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，認為沉積材料的離子化會主要作為高密度ICP的結果發生。結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自濺射(SSS)。因此，可以根據特定的應用改變包括壓力、功率和靶至晶片距離的工藝參數，以獲得期望的結果。
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信號關于施加到另一線圈的RF信號相位偏移以便于產生螺旋波。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。
本發明的一個實施例包括優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。Tepman等人在美國專利5186718中對該平臺進行功能性描述。
將已經在電介質層蝕刻有通路孔或其它結構的晶片通過兩個獨立的負載鎖定室(load lock chamber)732、734裝載進和移出系統，負載鎖定室732、734構造成將晶片從晶片盒送進和移出各自負載鎖定室的系統。在將晶片盒裝在進負載定鎖室732、734之后，將室抽真空至適當低的壓力，例如，在10-3至10-4托的范圍內，且在負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繞周邊布置的反應室或從反應室傳送出。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合用于底部和側壁覆蓋的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。使用不同的結構是可能的。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載鎖定室732、734中的一個中的盒中。當然，能夠采用其它結構，根據集成工藝的步驟來實踐本發明。
通過在控制總線772上操作的基于計算機的控制器770來控制整個系統以與同每個室相關的子控制器通信。通過可讀介質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CD-ROM。
本發明的許多設備和工藝的特征可以應用于不包括長投擲的濺射。雖然本發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，本發明的不同方面可以應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，這里將其全部并入以作參考。
當然，應該理解本發明在其各個方面中的修改對于本領域技術人員是顯而易見的，一些只需要通過學習就是顯而易見的，另一些為常規的機械和工藝設計。也可能是其它實施例，它們的特定設計取決于特定的應用。同樣地，本發明的范圍不應該由這里描述的特定實施例來限制而應該僅由附屬的權利要求及其等同物來限定。
權利要求
1.一種將金屬沉積在孔中的方法，所述孔具有至少4∶1的縱橫比并在襯底的電介質層中形成，該方法包括在室中的電感耦合等離子體中，將包括金屬的沉積材料濺射沉積到所述孔中；和在室中的自離子化等離子體中，將包括金屬的沉積材料濺射沉積到所述孔中。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括用金屬填充所述孔。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述填充包括電鍍。
4.如權利要求1所述的方法，其中在自離子化等離子體中的所述濺射沉積在電感耦合等離子體中的所述濺射沉積之前。
5.如權利要求1所述的方法，其中在自離子化等離子體中的所述濺射沉積和在電感耦合等離子體中的所述濺射沉積在同一室中進行。
6.如權利要求4所述的方法，其中在電感耦合等離子體中的所述濺射沉積還包括在所述電感耦合等離子體中再濺射在所述自離子化等離子體中沉積的沉積材料。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述再濺射包括除去沉積在所述孔底部上的沉積材料。
8.如權利要求1所述的方法，其中在自離子化等離子體中的所述濺射沉積沉積包括鉭和氮化鉭中的至少一種的沉積材料。
9.如權利要求1所述的方法，其中在自離子化等離子體中的所述濺射沉積沉積包括銅的沉積材料。
10.如權利要求1所述的方法，其中在電感耦合等離子體中的所述濺射沉積沉積包括鉭和氮化鉭中的至少一種的沉積材料。
11.如權利要求1所述的方法，其中在電感耦合等離子體中的所述濺射沉積沉積包括銅的沉積材料。
12.如權利要求1所述的方法，其中在電感耦合等離子體中的所述濺射沉積至少部分利用將線圈內部RF電感耦合至含有所述電感耦合等離子體的室，以形成所述電感耦合等離子體。
13.一種用于將金屬沉積在孔中的工具，所述孔具有至少4∶1的縱橫比并且在襯底的電介質層中形成，所述工具包括轉移室；IMP濺射室，其耦合于所述轉移室并且適合于在所述IMP濺射室中形成電感耦合等離子體，并且適合在所述電感耦合等離子體中將包括金屬的沉積材料濺射沉積在所述孔中；和SIP室，其耦合于所述轉移室并且適合于在所述SIP室中形成自離子化等離子體，并且適合在所述自離子化等離子體中將包括金屬的沉積材料沉積在所述孔中。
14.如權利要求13所述的工具，其中所述SIP室具有圍繞中央軸布置的側壁；用于在所述SIP室中支撐所述襯底的底座；沿著所述中央軸與所述底座相對定位的濺射靶，在所述底座、所述靶和所述側壁之間形成的處理間隔；定位在與所述處理間隔相對的所述靶的一側上的磁控管；和設置成至少部分圍繞所述處理間隔的具有沿著所述中央軸的第一磁極性的輔助磁體。
15.如權利要求14所述的工具，其中所述靶與所述底座通過大于襯底直徑50％的投擲距離間隔開。
16.如權利要求13所述的工具，其中所述IMP室具有適合于支撐所述襯底并對其加偏壓的底座，并且所述工具包括適合于控制所述底座對所述襯底施加偏壓以將所述電感耦合等離子體的離子吸引至再濺射沉積材料的控制器。
17.如權利要求16所述的工具，其中所述再濺射包括除去沉積在所述孔底部上的沉積材料。
18.如權利要求13所述的工具，其中所述SIP室具有包括鉭的濺射靶。
19.如權利要求13所述的工具，其中所述SIP室具有包括銅的濺射靶。
20.如權利要求13所述的工具，其中所述IMP室具有包括鉭的濺射靶。
21.如權利要求13所述的工具，其中所述IMP室具有包括銅的濺射靶。
22.如權利要求13所述的工具，其中所述IMP室具有適合于將RF能量電感耦合至所述電感耦合等離子體的內部RF線圈。
23.一種在孔中形成互連的方法，所述孔具有至少4∶1的縱橫比且在襯底的電介質層中形成，該方法包括在室中的自離子化等離子體中，將阻擋層濺射沉積在所述孔中；在室中的電感耦合等離子體中，再濺射所述阻擋層的底部部分，以除去所述阻擋層底部部分的至少一部分；在室中的自離子化等離子體中將襯里層濺射沉積在所述孔中的所述阻擋層上；在室中的電感耦合等離子體中，再濺射所述襯里層的底部部分，以除去所述襯里層底部部分的至少一部分；在室中的自離子化等離子體中，將籽晶層濺射沉積在所述孔中；和在室中的自離子化等離子體中，再濺射所述籽晶層的底部部分，以再分布所述籽晶層底部部分的至少一部分。
24.如權利要求23所述的方法，還包括，在再濺射所述籽晶層之后，將導電金屬填充進所述孔中。
25.如權利要求24所述的方法，其中所述填充包括電鍍。
26.如權利要求23所述的方法，其中在自離子化等離子體中的所述濺射沉積阻擋層和襯里層與在電感耦合等離子體中的所述再濺射阻擋層和襯里層的底部部分在同一室中進行。
27.如權利要求23所述的方法，其中在自離子化等離子體中的所述濺射沉積籽晶層與在自離子化等離子體中的所述再濺射籽晶層的底部部分在同一室中進行。
28.如權利要求23所述的方法，其中在自離子化等離子體中的所述濺射沉積阻擋層沉積包括氮化鉭的沉積材料。
29.如權利要求23所述的方法，其中在自離子化等離子體中的所述濺射沉積籽晶層沉積包括銅的沉積材料。
30.如權利要求23所述的方法，其中在電感耦合等離子體中的所述再濺射至少部分利用將線圈內部RF電感耦合至含有所述電感耦合等離子體的室，以形成所述電感耦合等離子體。
31.如權利要求23所述的方法，其中在自離子化等離子體中的所述再濺射至少部分利用輔助磁體，所述輔助磁體至少部分設置在靶與室中的襯底支撐底座之間的處理空間的周圍，所述室具有中央軸，其中所述磁體具有沿所述中央軸的第一磁極性。
32.如權利要求27所述的方法，其中在自離子化等離子體中的所述濺射沉積籽晶層包括在第一電平下對所述襯底施加偏壓，并且在自離子化等離子體中的所述再濺射籽晶層的底部部分包括在高于所述第一電平的第二電平下對所述襯底施加偏壓。
33.如權利要求27所述的方法，其中在自離子化等離子體中的所述濺射沉積籽晶層，包括在第一電平下向靶施加功率，而在自離子化等離子體中的所述再濺射籽晶層的底部部分，包括在低于所述第一電平的第二電平下向靶施加功率。
34.一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層中形成，該方法包括在真空室中，利用設置在靶一側上的磁控管，濺射所述靶，所述真空室具有環繞中央軸布置的側壁；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。
35.如權利要求34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。
36.如權利要求35所述的方法，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。
37.如權利要求34所述的方法，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。
38.如權利要求37所述的方法，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。
39.如權利要求34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80％。
40.如權利要求34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90％。
41.如權利要求34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％。
42.如權利要求34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％。
43.如權利要求34所述的方法，其中所述室具有關于所述軸大體對稱的第一導電屏蔽，并且所述第一導電屏蔽設置在所述室內，且其中所述輔助磁體設置成關于所述軸大體對稱。
44.如權利要求34所述的方法，還包括，在所述濺射的至少第一部分期間，將所述室內的壓力控制在不大于2毫托的壓力。
45.如權利要求34所述的方法，還包括，產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。
46.如權利要求45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、側壁部分和在所述底部部分與所述側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。
47.如權利要求45所述的方法，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。
48.如權利要求45所述的方法，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、側壁部分和在所述底部部分與所述側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。
49.如權利要求48所述的方法，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。
50.如權利要求34所述的方法，其中所述靶材料包括銅。
51.如權利要求34所述的方法，還包括，關于所述中央軸旋轉磁控管。
52.如權利要求51所述的方法，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部磁極和圍繞所述內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。
53.如權利要求52所述的方法，其中所述外部磁極的總磁通量為所述內部磁極的至少150％。
54.如權利要求52所述的方法，其中所述第一極性與所述第三磁極性一致。
55.如權利要求54所述的方法，其中所述外部磁極的總磁場強度為所述內部磁極的至少150％。
56.如權利要求52所述的方法，其中所述內部磁極完全遠離所述中央軸放置。
57.如權利要求34所述的方法，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。
58.如權利要求34所述的方法，其中所述輔助磁體包括永磁體。
59.如權利要求34所述的方法，其中所述輔助磁體包括電磁體。
60.如權利要求34所述的方法，還包括，關于所述靶的背面旋轉磁控管，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部磁極，所述外部磁極的磁通量比所述內部磁極的所述磁通量大至少50％，以產生臨近所述靶的自離子化等離子體。
61.一種等離子體濺射反應器，包括真空室，具有圍繞中央軸布置的側壁；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、所述靶與所述側壁之間的區域中形成，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上；和輔助磁體，其至少部分設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。
62.如權利要求61所述的反應器，其中所述投擲距離大于所述襯底的所述直徑的80％。
63.如權利要求61所述的反應器，其中所述投擲距離大于所述襯底的所述直徑的90％。
64.如權利要求61所述的反應器，其中所述投擲距離大于所述襯底的所述直徑的100％。
65.如權利要求61所述的反應器，其中所述投擲距離大于所述襯底的所述直徑的140％。
66.如權利要求61所述的反應器，還包括，關于所述軸大體對稱的并設置在所述室內的第一導電屏蔽，其中所述輔助磁體設置成關于所述軸大體對稱。
67.如權利要求61所述的反應器，還包括，耦合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。
68.如權利要求61所述的反應器，其中所述磁控管臨近所述靶定位并且適合于產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。
69.如權利要求68所述的反應器，還包括，耦合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、側壁部分和在所述底部部分與所述側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。
70.如權利要求69所述的反應器，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。
71.如權利要求68所述的反應器，還包括，適合于向所述靶施加功率的電源，耦合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、側壁部分和在所述底部部分與所述側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。
72.如權利要求71所述的反應器，其中當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。
73.如權利要求61所述的反應器，其中所述靶材料包括銅。
74.如權利要求61所述的等離子體濺射反應器，其中所述磁控管可關于所述中央軸旋轉。
75.如權利要求74所述的等離子體濺射反應器，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部磁極和包圍所述內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。
76.如權利要求75所述的反應器，其中所述外部磁極的總磁通量至少為所述內部磁極的150％。
77.如權利要求75所述的反應器，其中所述第一極性與所述第三磁極性一致。
78.如權利要求77所述的反應器，其中所述外部磁極的總磁場強度至少為所述內部磁極的150％。
79.如權利要求75所述的反應器，其中所述內部磁極完全遠離所述中央軸放置。
80.如權利要求61所述的反應器，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。
81.如權利要求61所述的反應器，其中所述輔助磁體包括永磁體。
82.如權利要求61所述的反應器，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器(410)及其使用方法，其中促進SIP濺射和ICP濺射。公開在另一室(412)中，沿著磁控管濺射反應器從靶朝向晶片一側上的側壁(414)定位的輔助磁體陣列。磁控管(436)優選為具有包圍第二磁極性的較弱內部磁極(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)尚且關于室的軸(438)利用旋轉裝置(446、448、450)旋轉。輔助磁體(462)優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H01L21/70GK1656243SQ02827101
公開日2005年8月17日 申請日期2002年11月14日 優先權日2001年11月14日
發明者P·丁, R·陶, Z·徐, D·C·呂本, S·倫加拉簡, M·A·米勒, A·孫達拉簡, X·唐, J·C·福斯特, J·傅, R·C·莫斯利, F·陳, P·戈帕爾拉亞 申請人:應用材料有限公司