CN106415785B - 用于改良的金属离子过滤的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于改良的离子过滤的方法和设备的实施方式。在一些实施方式中，基板处理腔室包括：腔室主体和腔室盖，腔室盖安置在腔室主体上，界定腔室主体内于盖下方的处理区域；准直器，安置在处理区域中；电源，耦接至准直器；以及第一组磁体，所述第一组磁体在腔室主体周围安置在准直器上方，和第二组磁体，所述第二组磁体在腔室主体周围安置在准直器下方，所述两组磁体一起产生导引磁场，所述导引磁场大体上垂直于准直器。

Description

用于改良的金属离子过滤的方法和设备
技术领域
本公开内容的实施方式一般涉及用于半导体制造系统中的基板处理腔室。
背景技术
可靠地生产亚微米和更小特征是用于半导体装置的下一代特大规模集成电路(very large scale integration；VLSI)和超大规模集成电路(ultra large scaleintegration；ULSI)的关键技术。然而，随着电路技术的小型化迫在眉睫，VLSI和ULSI技术中互连装置的缩小尺寸已经对处理能力提出了额外的的需求。作为VLSI和ULSI技术的核心，多级互连需要对诸如通孔和其它互连装置的高深宽比特征进行精确处理。
随着下一代装置的电路密度增大，诸如通孔、沟槽、触点、栅极结构和其它特征的互连装置的宽度和所述互连装置之间的介电材料的宽度降至45纳米和32纳米或更小尺寸。然而，介电层厚度大体上仍为恒定的，从而使得特征的深度与宽度的深宽比增大。
也被称作物理气相沉积(PVD)的溅射是在集成电路中形成金属特征的方法。溅射在基板上沉积材料层。诸如靶材的源材料被经电场强力加速的离子轰击以从靶材中喷射材料，然后所述材料沉积在基板上。
在物理气相沉积工艺中，快速移动的离子击打靶材，从而将粒子驱离靶材表面。粒子可经由电荷转移机制与入射离子相互作用而带电。或者，粒子可经由与空间中存在的任何电场相互作用而带电，或粒子可保持不带电。沉积一般在场区域上和沟槽侧壁顶部附近更快地发生。在沉积期间，喷射的粒子可在各个方向行进，而非在大体垂直于基板表面的方向行进，造成在沟槽的隅角上形成悬伸结构。安置在沟槽或其它开口的相对侧上的悬伸结构可长合在一起，导致过早闭合，且由此阻止沟槽或开口的完全充填和形成孔或空隙。在沉积导电材料以形成装置的导电路径时，此种孔或空隙不利地严重减弱所形成特征的电导率。此外，下一代装置中较高深宽比的沟槽和通孔甚至更难以在不产生空隙的情况下进行充填。
将到达基板表面的离子占比或离子密度控制在某一范围内可改良金属层沉积工艺期间的底部和侧壁覆盖率。在一个实例中，被驱离靶材的粒子可被离子化并在施加于基板的电偏压下加速。所产生的狭窄角通量分配在沟槽的早期闭合之前激励粒子向下行进至沟槽内。相信，通过增大基板表面附近的离子占比/离子密度，可促使离子轨迹更加垂直于基板。在加速离子接近基板表面时，自加速离子承载的动量可向下到达沟槽内的更深处，此处所述离子在电偏压的影响下向沟槽侧壁偏转。尽管如此，更深地渗透至沟槽内降低了侧壁顶部附近的悬伸效应。然而，随着沟槽的深宽比变得更高和基板尺寸变得更大，更难以向下到达沟槽底部，且也更难以跨越基板表面均匀地沉积材料。因此，PVD处理仍然是克服悬伸管理的问题的挑战。
因此，发明人已提供改良的方法和设备以用于在对底部和侧壁具有优良管理的情况下形成包含金属的层。
发明内容
本发明提供用于改良的离子过滤的方法和设备的实施方式。在一些实施方式中，基板处理腔室包括：腔室主体和腔室盖，腔室盖安置在腔室主体上，界定腔室主体内于盖下方的处理区域；准直器，所述准直器安置在处理区域中；电源，所述电源耦接至准直器；和第一组磁体，所述第一组磁体在腔室主体周围安置在准直器上方，和第二组磁体，所述第二组磁体在腔室主体周围安置在准直器下方，所述两组磁体一起产生导引磁场，所述导引磁场大体上垂直于准直器。
在一些实施方式中，基板处理腔室包括：腔室主体和腔室盖，腔室盖安置在腔室主体上，界定腔室主体内于盖下方的处理区域；靶材，所述靶材安置在腔室盖下方；准直器，所述准直器安置在处理区域中于盖之下；直流电源，所述直流电源耦接至准直器；和第一组磁体，所述第一组磁体在腔室主体周围安置在准直器上方，和第二组磁体，所述第二组磁体在腔室主体周围安置在准直器下方，所述两组磁体一起产生导引磁场，所述导引磁场大体上垂直于准直器。
在一些实施方式中，在基板上沉积金属层的方法包括：将气体混合物供应至处理腔室中；施加射频或直流电源功率以自气体混合物形成等离子体，以自安置在处理腔室中的靶材溅射源材料；向安置在处理腔室中的准直器施加直流偏压功率；产生大体上垂直于准直器的导引磁场；和在基板上沉积源材料。
本公开内容的其它和进一步实施方式描述如下。
附图说明
可通过参照在附图中绘示的本公开内容的示例性实施方式来理解本公开内容的实施方式、以上所简要概述的内容和下文中更详细论述的内容。然而，附图仅示出本公开内容的典型实施方式，并因此将不被视作对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可允许其它等效的实施方式。
图1绘示了依据本公开内容的一些实施方式的处理腔室的示意性截面图。
图2绘示了依据本公开内容的一些实施方式的准直器的俯视图。
图3绘示了依据本公开内容的一些实施方式的施加至图2中准直器的电压，所述电压经绘制为随时间而变化。
图4绘示了依据本公开内容的一些实施方式的在处理腔室中产生的磁场。
图5绘示了依据本公开内容的一些实施方式的在处理腔室中产生的磁场。
图6A-图6B绘示了依据本公开内容的一些实施方式的在金属层沉积工艺的制造期间基板的截面图。
图7绘示了依据本公开内容的一些实施方式的在基板上沉积金属层的方法的流程图。
为便于理解，已尽可能使用相同参考数字以指定附图中共通的相同元件。附图并非按比例绘制，且可为清晰明确起见而加以简化。一个实施方式的元件和特征可被有利地整合于其它实施方式中，而无需赘述。
具体实施方式
本发明提供用于改良的金属离子过滤的方法和设备的实施方式。在一些实施方式中，本发明的设备可有利地控制离子/中性粒子过滤效应，以便在物理气相沉积工艺期间有效控制离子轨迹行为并协助从底部向上充填能力。例如，本公开内容的实施方式通过利用离子过滤而增强的金属离子化和在离子和中性粒子到达基板位准之前对所述两者的通量角度分配的改良控制，可在对底部和侧壁具有优良管理的情况下促进在形成于基板上的特征内沉积材料。如下文中更详细的描述，可通过几何准直和电准直而有利地实现金属离子过滤。尽管几何准直对中性粒子和离子有效，但电准直仅对金属离子有效(借助来自直流偏压和强磁场排列的帮助)。更高的金属离子化(由于准直器的更少损失)和/或狭窄的离子角扩展有利地产生更好的沉积覆盖率。在一些实施方式中，偏压准直器也可用以控制等离子体电位。
图1示出了根据本公开内容的一些实施方式的物理气相沉积(PVD)腔室100(例如溅射处理腔室)，所述腔室具有适合于溅射沉积材料的双极准直器(准直器118)。可经调适以得益于本公开内容的PVD腔室的实例包括
Figure BDA0001161222040000051
Plus和SIP
Figure BDA0001161222040000052
PVD处理腔室，所述两者可自美国加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司购得。可自其它制造商处购得的处理腔室也可经调适以执行本文所述的实施方式。
PVD腔室100具有上侧壁102、下侧壁103和盖部分104，上述三者界定主体105，所述主体包围PVD腔室100的内部体积106。适配器板107可安置于上侧壁102与下侧壁103之间。诸如基板支撑件108的基板支撑件安置于PVD腔室100的内部体积106中。基板传送口109形成于下侧壁103中以用于将基板移送进出内部体积106。
在一些实施方式中，PVD腔室100包括溅射腔室，也被称作物理气相沉积(PVD)腔室，所述溅射腔室能够在诸如基板101的基板上沉积例如钛、氧化铝、铝、氮氧化铝、铜、钽、氮化钽、氮氧化钽、氮氧化钛、钨或氮化钨。
气源110耦接至PVD腔室100以将处理气体供应至内部体积106中。在一些实施方式中，处理气体可包括惰性气体、非反应性气体和反应性气体(如若需要)。可由气源110提供的处理气体的实例包括但不限于氩气(Ar)、氦(He)、氖气(Ne)、氮气(N2)、氧气(O2)和水蒸气H2O，以及其它处理气体。
泵送装置112耦接至PVD腔室100以与内部体积106形成连通，以控制内部体积106的压力。在一些实施方式中，PVD腔室100的压力位准可维持在约1托或更低。在另一个实施方式中，PVD腔室100的压力位准可维持在约500毫托或更低。在又一个实施方式中，PVD腔室100的压力位准可维持在约1毫托和约300毫托。
盖部分104可支撑溅射源114，诸如靶材。在一些实施方式中，溅射源114可利用包含以下各材料的材料制造而成，或在一些实施方式中可利用大体上由以下各材料组成的材料制造而成：钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、铝(Al)、上述各金属的合金、上述各金属的组合或类似物。例如，在一些实施方式中，溅射源114可利用选自由以下各材料组成的群的一种或多种材料制造而成：铝(Al)、钴(Co)、铬(Cr)、镍(Ni)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、上述各金属的合金、上述各金属的组合，以及类似物。在一些实施方式中，溅射源114可利用钛(Ti)、钽(Ta)或铝(Al)制造而成。
溅射源114可耦接至源组件116，所述源组件包括电源117(例如电源)以用于溅射源114。电源117可提供射频源功率或直流电源功率。在一些实施方式中，提供射频和直流电源功率两者。包括磁体组的磁控管组件119可耦接邻近至溅射源114，所述磁控管组件在处理期间增强从溅射源114高效溅射材料。磁控管组件的实例包括电磁线性磁控管、蛇形磁控管、螺旋形磁控管、双趾状磁控管、矩形化螺旋形磁控管等等。
在一些实施方式中，第一组磁体194可在腔室主体周围安置于准直器上方，例如在适配器板107与上侧壁102之间以协助为被驱离溅射源114的金属离子产生电子场。此外，第二组磁体196可在腔室主体周围安置于准直器下方，例如在盖部分104邻近处以协助产生电场以从溅射源114驱离材料。安置于PVD腔室100周围的磁体的数目、尺寸和强度可经选择以改良等离子体解离和溅射效率。例如，在一些实施方式中，第一组磁体194在靶材表面处可具有约500至约3000高斯的总强度。在一些实施方式中，第二组磁体196可具有约0至约300高斯的总强度，此强度在距离靶材表面约7英寸处(例如下方)测得。在一些实施方式中，由第一组磁体194和第二组磁体196产生的导引磁场可具有约10至约300高斯的总强度，此强度在距离靶材表面约7英寸处(例如下方)测得。第一组磁体194的个别磁体可为永久磁体、电磁体(例如电磁线圈)或上述各磁体的组合。第二组磁体196的个别磁体可为永久磁体、电磁体(例如电磁线圈)或上述各磁体的组合。导引磁场的总体磁场强度和磁控管组件的不平衡比(例如外部磁极的总表面积/内部磁极的总表面积)可经优化以产生所需的等离子体密度并增强等离子体扩散。例如，通常，增大不平衡比(例如增大至约2-5或以上)增大等离子体功率密度，从而增进金属离子通量的产生。
在一些实施方式中，额外的射频电源180也可经由基板支撑件108耦接至PVD腔室100，以在溅射源114与基板支撑件108之间提供偏压功率。在一些实施方式中，射频电源180可具有约400Hz与约60MHz之间的频率，如约13.56MHz。
准直器118可在内部体积106中定位于溅射源114与基板支撑件108之间。准直器118可处于双极性模式以便控制离子穿过准直器118的方向。可控制的直流电流(directcurrent；DC)或交流电流准直器电源190可耦接至准直器118，以向准直器118提供交替脉冲正电压或负电压，以便在双极性模式下控制准直器118(例如双极性电源)。关于双极准直器118的细节将在下文中通过参照图2-3进一步讨论。在一些实施方式中，准直器电源190是直流电源。在一些实施方式中，准直器电源190是双极性脉冲直流电源。
屏蔽管120可邻近于准直器118和盖部分104的内部。准直器118包括多个孔以在内部体积106内导引气体和/或材料通量。准直器118可机械耦接和电耦接至屏蔽管120。在一些实施方式中，准直器118通过诸如焊接工艺而机械耦接至屏蔽管120，从而使得准直器118与屏蔽管120成为一体。在另一各实施方式中，准直器118可在PVD腔室100内电浮动。在另一个实施方式中，准直器118可耦接至电源和/或电耦接至PVD腔室100的主体105的盖部分104。
屏蔽管120可包括管状主体121，所述管状主体具有形成于管状主体121上表面中的凹槽122。凹槽122提供与准直器118的下表面相配合的界面。屏蔽管120的管状主体121可包括肩部区域123，所述肩部区域具有一内径，所述内径小于管状主体121其余部分的内径。在一些实施方式中，管状主体121的内表面沿锥形表面124向肩部区域123的内表面径向地向内过渡。屏蔽环126可在PVD腔室100中经安置临近屏蔽管120并处于屏蔽管120与适配器板107中间。屏蔽环126可至少部分地安置于由屏蔽管120的肩部区域123的相对侧与适配器板107的内部侧壁形成的凹槽128中。
在一个方面中，屏蔽环126包括轴向凸出的环形侧壁127，所述侧壁包括一内径，所述内径大于屏蔽管120的肩部区域123的外径。径向凸缘130自环形侧壁127延伸。径向凸缘130可相对于屏蔽环126的环形侧壁127的内径表面以某一角度而形成，所述角度大于约九十度(90°)。径向凸缘130包括形成于径向凸缘130下表面上的凸出物132。凸出物132可为自径向凸缘130表面在大体上平行于屏蔽环126的环形侧壁127的内径表面的定向上延伸的环形脊。凸出物132一般经调适以与形成于边缘环136中的凹陷凸缘134配合，所述边缘环136安置于基板支撑件108上。凹陷凸缘134可为形成于边缘环136中的环形沟槽。凸出物132与凹陷凸缘134的接合使屏蔽环126相对于基板支撑件108的纵轴而定中心。基板101(示出为被支撑在升降销140上)通过在基板支撑件108与机械叶片(未图示)之间进行坐标定位校准来相对于基板支撑件108的纵轴定中心。由此，基板101可在PVD腔室100内的中心处，且屏蔽环126可在处理期间围绕基板101径向地定中心。
在操作中，承载基板101的机械叶片(未图示)贯穿基板传送口109延伸。可降低基板支撑件108以允许基板101被移送至自基板支撑件108伸出的升降销140。基板支撑件108和/或升降销140的升举和降低可由耦接至基板支撑件108的驱动器142控制。基板101可降至基板支撑件108的基板接收表面144上。在基板101定位在基板支撑件108的基板接收表面144上的情况下，可在基板101上执行溅射沉积。在处理期间，边缘环136可与基板101电绝缘。因此，基板接收表面144可包括一高度，所述高度大于边缘环136与基板101相邻的部分的高度，以便阻止基板101接触边缘环136。在溅射沉积期间，可利用安置于基板支撑件108中的热控制通道146来控制基板101的温度。
在溅射沉积的后，基板101可通过利用升降销140而升高至与基板支撑件108相间隔的位置。升高的位置可紧邻屏蔽环126和邻近于适配器板107的反射器环148中的一个或两个。适配器板107包括耦接至适配器板107的一个或多个灯150，所述灯位于反射器环148的下表面与适配器板107的凹面152中间的位置。灯150提供具有可见光波长或近可见光波长的光能和/或辐射能，如在红外线(infra-red；IR)和/或紫外线(ultraviolet；UV)光谱中的波长。来自灯150的能量向基板101背侧(即下表面)径向地向内聚焦，以加热基板101和在基板101上沉积的材料。环绕基板101的腔室部件上的反射表面用以使能量向基板101背侧聚焦和远离其它腔室部件，所述能量在所述其它腔室部件处将损失和/或不被利用。在加热期间，适配器板107可耦接至冷却剂源154以控制适配器板207的温度。
在将基板101控制至预定温度之后，基板101降至基板支撑件108的基板接收表面144上的位置。基板101可通过利用基板支撑件108中的热控制通道146经由传导而快速冷却。基板101的温度可以数秒至约1分钟的时间自第一温度向下缓降至第二温度。可将基板101经由基板传送口109从PVD腔室100中移除，以便进行进一步处理。基板101可维持在预定温度范围中，诸如低于约250℃。
控制器198耦接至PVD腔室100。控制器198包括中央处理单元(CPU)160、内存158和支持电路162。控制器198用以控制处理顺序，从而调节自气源110进入PVD腔室100中的气流并控制溅射源114的离子轰击。CPU 160可具有可用于工业环境中的任何形式的通用计算机处理器。软件程序可储存在内存158中，诸如随机存取内存、只读存储器、软盘或硬盘驱动，或其它形式的数字储存器。支持电路162以常规方式耦接至CPU 160且可包括高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源和类似物。软件程序在由CPU 160执行时将CPU转变至特定用途计算机(控制器)198，所述特定用途计算机控制PVD腔室100以便依据本公开内容执行处理。软件程序也可由第二控制器(未图示)储存和/或执行，所述第二控制器定位于PVD腔室100的远离处。
在处理期间，材料从溅射源114被溅射，并在基板101的表面上沉积。溅射源114和基板支撑件108相对于彼此而由电源117或射频电源180偏压，以维持利用气源110所供应的处理气体而形成的等离子体。施加至准直器118的直流脉冲偏压功率也协助控制穿过准直器118的离子与中性粒子的比，由此增强沟槽侧壁和底部的填满能力。来自等离子体的离子向溅射源114加速行进并击打溅射源114，从而使得靶材材料被驱离溅射源114。被驱离的靶材材料和处理气体在基板101上形成具有预定组成的层。
图2绘示了耦接至准直器电源190的准直器118的顶视图，所述准直器电源可安置于图1的PVD腔室100中。准直器118大体为蜂巢状结构，所述结构具有六角形壁226，所述壁以紧密装填的排列分隔六角形孔244。可提供额外的壁242以将蜂巢状结构连接至准直器118的大体圆柱形主体206。六角形孔244的深宽比可定义为孔244的深度(等于准直器长度)除以孔244的宽度246。在一些实施方式中，壁226的厚度在约0.06英寸与约0.18英寸之间。在一些实施方式中，壁226的厚度在约0.12英寸与约0.15英寸之间。在一些实施方式中，准直器118包含一材料，所述材料选自铝、铜和不锈钢。
准直器118的蜂巢状结构可用作集成通量优化器210以优化离子穿过准直器118时的流径、离子占比和离子轨迹行为。在一些实施方式中，邻近于屏蔽部分892的六角形壁226具有倒角250和半径。准直器118的屏蔽部分892可协助将准直器118安装至PVD腔室100内。
在一些实施方式中，准直器118可由一整块铝进行机械加工而成。准直器118可视情况被涂覆或阳极化。或者，准直器118可由与处理环境兼容的其它材料制成，且也可包含一个或多个区段。或者，屏蔽部分892和集成通量优化器210形成为单独工件，并通过使用诸如焊接的适合附接手段耦接在一起。
准直器118用作过滤器，用以捕获从来自溅射源114的材料中以超过选定角度的角度(相对于基板101近似垂直)发射的离子和中性粒子。准直器118可具有跨越准直器118宽度的深宽比变化，以允许例如从来自溅射源114的材料的中心或外围区域发射的不同百分数的离子穿过准直器118。因此，调整和控制沉积在基板101外围区域和中心区域上的离子的数目和离子的到达角度。因此，材料可更均匀地溅射跨越基板101的表面沉积。此外，材料也可更均匀地沉积在深宽比较高的特征的底部和侧壁上，尤其是位于基板101外围附近的深宽比较高的通孔和沟槽。
在一些实施方式中，耦接至准直器118的准直器电源190可以脉冲或交替方式向准直器118供应电压功率，以协助在基板101上的局部沉积。准直器电源190经配置以向准直器118提供负电压和/或正电压脉冲，以便在单极性或双极性模式下控制准直器118。在一些实施方式中，经控制在双极性模式下的准直器118可控制和捕获离子，以便产生穿过准直器118的离子与中性粒子的不同比率。在不希望受理论约束的情况下，对于没有强导引磁场的情况而言，发明人相信施加至准直器118的正电压脉冲可将等离子体中的电子吸引向基板表面，而施加至准直器118的负电压脉冲可将等离子体中的电子推向靶材。因此，通过对准直器118施加脉冲交替正电压和负电压，可更有效地控制穿过准直器118的离子与中性粒子的定向。
图3绘示了在向准直器118施加直流功率时，根据准直器118检测到的电压信号302。如自准直器电源190供应至准直器118的电压可经控制为脉冲模式，如图3中所示，以将交替的正电压310和负电压312脉冲施加至准直器118。正电压脉冲310和负电压脉冲312可分别具有预定脉宽304、308(例如脉冲时间)和脉波振幅306、314(例如脉冲电压值)。脉冲调变(例如脉宽和脉波振幅)经控制以实现预定的沉积轮廓。例如，在更多定向离子加速向基板表面行进以增强从底部向上充填能力的实施方式中，可向正电压供应更长的脉宽(例如更久的脉冲时间)，以协助在沟槽底部上的沉积。相比之下，在无定向离子沉积在沟壕侧壁上或用以溅射蚀刻沟槽隅角处的沉积物的实施方式中，可向负电压供应更长的脉宽(例如更久的脉冲时间)，以增强侧壁沉积管理。供应至准直器118的电压也可处于连续模式下。
在一些实施方式中，来自准直器电源190的直流偏压功率脉冲在约400Hz与约60MHz的间的偏压频率下可具有约5％(例如5％工作和95％关闭)至约70％(例如70％工作和30％关闭)之间的工作循环，诸如约5％与约50％之间，如约15％与约45％之间。或者，脉冲至准直器118的直流偏压功率的循环可由所执行的预定数目的时段来控制。例如，直流偏压功率可以自约每1毫秒至约每100毫秒的频率执行脉冲。在一些实施方式中，直流偏压功率可控制在约1kW与约10kW之间。
图4绘示了穿过准直器118的离子所产生的行进方向。如图4中可见，离子的行进方向并非完全地垂直于基板101。为进一步校正行进方向和由此改良在沟槽底部上的沉积，第二组磁体196产生大体上垂直于准直器118的导引磁场。强导引磁场提供对电子的束缚，且因此穿过准直器118的离子的行进方向变得更为垂直于基板101，如图5所示，此举有利地减少了准直器118的壁的金属离子损失。
在一些实施方式中，来自用于本发明绘示的PVD腔室100中的溅射源114的材料是金属(诸如铜合金)，所述金属经配置以将金属层(如铜层)沉积至形成于在基板101上安置的绝缘材料604中的开口602中，如图6A所示。在沉积期间，向PVD腔室100中供应气体混合物，以利用具有较高从底部向上充填能力的溅射材料在形成于基板101上的开口602内形成金属层606(如铜层)。在一些实施方式中，气体混合物可包括反应性气体、非反应性气体、惰性气体等等。反应性和非反应性气体的实例包括但不限于O2、N2、N2O、NO2、NH3和H2O等等。惰性气体的实例包括但不限于氩(Ar)、氖(Ne)、氦(He)、氙(Xe)和氪(Kr)等等。在本发明绘示的一个特定实施方式中，供应至处理腔室中的气体混合物包括至少一种含氮气体和/或惰性气体。由含铜合金制成的金属合金靶材可用作溅射源114的源材料以进行溅射工艺。如本发明所述的含铜(Cu)靶材仅以说明为目的，且不应被视作限制本公开内容的范围。此外，可用作溅射源114的金属或金属合金靶材可由来自由以下各材料组成的群中的材料制成：铝(Al)、钴(Co)、铬(Cr)、镍(Ni)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、上述各金属的合金、上述各金属的组合等等。
在将气体混合物供应至PVD腔室100中以用于处理之后，将高压功率供应至溅射源114(例如Cu靶材)以自溅射源114以铜离子的形式溅射金属Cu源材料，如Cu2+。在溅射源114与基板支撑件108之间施加的偏压功率在PVD腔室100中维持由气体混合物形成的等离子体。供应至准直器118的直流偏压脉冲功率可协助控制离子占比、离子比率和延伸向基板表面的离子轨迹路径。主要来自气体混合物的离子轰击溅射源114中的材料并将材料从溅射源114中溅射出。气体混合物和/或其它工艺参数在溅射沉积工艺期间可变化，由此产生沉积金属层606的梯度，所述层的薄膜特性针对不同的薄膜质量需求而控制。
在一些实施方式中，可在约400kHz与约60MHz之间的频率下供应约500瓦特与约25千瓦之间的射频源功率。可在13.56MHz或2MHz的频率下向基板支撑件供应高达约3000瓦特的射频偏压功率。在一些实施方式中，可在约400kHz与约60MHz之间的频率下向气体混合物供应约100瓦特与约3000瓦特之间的射频源功率。在某些情况下，双频或三频可用以调变离子能。可在脉冲模式下向准直器施加约1千瓦与约10千瓦之间的直流偏压功率。或者，可在连续模式下向准直器施加直流偏压功率。
在供应气体混合物和脉冲射频偏压功率模式以执行沉积工艺的同时，也可控制多个工艺参数。处理腔室的压力可控制在约0.5毫托与约500毫托的间，如约1毫托与约100毫托的间，例如约20毫托。基板温度可控制在约-40℃与约450℃的间。
在沉积工艺之后，诸如铜层的金属层606可在对侧壁和底部沉积进行优良管理的情况下共形地沉积在开口602中，如图6B中所示。可执行沉积工艺直到在绝缘材料604层中界定的开口602已由金属层606全部填满，所述金属层606由假想线608示出。
图7绘示了依据本公开内容的一些实施方式的在基板上沉积材料的方法700的流程图。在步骤705中，将气体混合物供应至处理腔室。在步骤710中，将射频源功率施加于气体混合物以形成等离子体以将源材料从安置在处理腔室中的靶材中溅射出。在步骤715中，为控制从源中发射的金属离子的行进方向，将直流偏压功率施加于安置在处理腔室中的准直器。在步骤720中，产生大体上垂直于准直器的导引磁场以进一步控制金属离子的行进方向。在步骤725中，溅射源材料沉积在基板上。
因此，本发明已提供将双极准直器安置在物理气相沉积腔室中的设备和使用所述设备的方法。通过在物理气相沉积腔室中利用双极准直器和导引磁场，可获得对离子/中性粒子过滤效应的有效控制，以便在物理气相沉积工艺期间有效地控制离子轨迹行为和协助从底部向上充填能力。
尽管前述内容是针对本公开内容的实施方式，但可在不脱离本公开内容的基本范围的情况下设计本公开内容的其它和进一步的实施方式。

Claims (13)

1.一种基板处理腔室，包括：
腔室主体和安置在所述腔室主体上的腔室盖，所述腔室盖在所述腔室主体内于所述腔室盖之下界定处理区域；
靶材，所述靶材安置于所述腔室盖下；
准直器，所述准直器安置在所述处理区域中；
电源，所述电源耦接至所述准直器；和
第一组磁体，所述第一组磁体在所述腔室主体周围安置在所述准直器上方，其中所述第一组磁体在所述靶材表面处具有500至3000高斯的总强度，和一第二组磁体，所述第二组磁体在所述腔室主体周围安置在所述准直器下方，所述第一组磁体与所述第二组磁体共同产生导引磁场，所述导引磁场垂直于所述准直器。
2.如权利要求1所述的基板处理腔室，其中所述电源是直流电源或射频电源中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的基板处理腔室，其中所述电源是双极性电源。
4.如权利要求1所述的基板处理腔室，其中所述电源是双极性脉冲直流电源。
5.如权利要求1所述的基板处理腔室，其中所述准直器经配置在双极性模式下。
6.如权利要求1-5中任一项所述的基板处理腔室，其中所述靶材由铝、钛、钽、钨、铬、镍、铜、钴、上述各金属的合金或上述各金属的组合制成。
7.如权利要求1-5中任一项所述的基板处理腔室，进一步包括：
磁控管组件，所述磁控管组件安置在所述腔室盖上方。
8.如权利要求1-5中任一项所述的基板处理腔室，进一步包括：
射频偏压功率，所述射频偏压功率耦接至基板支撑件，所述支撑件安置在所述腔室主体中。
9.如权利要求8所述的基板处理腔室，其中所述导引磁场垂直于所述基板支撑件。
10.如权利要求1-5中任一项所述的基板处理腔室，其中所述第二组磁体包含多个电磁线圈。
11.一种在基板上沉积材料的方法，所述方法包括以下步骤：
将气体混合物供应至处理腔室中；
施加射频或直流电源功率以利用所述气体混合物形成等离子体，以自靶材溅射源材料，所述靶材安置在所述处理腔室中；
向准直器施加直流偏压功率，所述准直器安置在所述处理腔室中；
产生导引磁场，所述导引磁场垂直于所述准直器，其中通过以下步骤产生所述导引磁场：提供第一组磁体，所述第一组磁体在所述处理腔室周围安置在所述准直器上方，和第二组磁体，所述第二组磁体在所述处理腔室周围安置在所述准直器下方，所述第一组磁体与所述第二组磁体共同产生所述导引磁场，其中所述第一组磁体在所述靶材表面处具有500至3000高斯的总强度；和
将所述源材料沉积至所述基板上。
12.如权利要求11所述的方法，其中向所述准直器施加所述直流偏压功率的步骤进一步包括以下步骤：
交替地向所述准直器脉冲施加正电压和负电压。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述第一组磁体或所述第二组磁体的至少之一包括多个电磁线圈。
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