CN1656243A - 用于溅射和再溅射的自离子化及电感耦合等离子体 - Google Patents

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Abstract

公开一种磁控管溅射反应器(410)及其使用方法，其中促进SIP溅射和ICP溅射。公开在另一室(412)中，沿着磁控管溅射反应器从靶朝向晶片一侧上的侧壁(414)定位的辅助磁体阵列。磁控管(436)优选为具有包围第二磁极性的较弱内部磁极(440)的第一磁极的较强外部磁极(442)的小磁控管，所有的磁极在轭(444)尚且关于室的轴(438)利用旋转装置(446、448、450)旋转。辅助磁体(462)优选具有第一磁极性以将不平衡的磁场(460)拉向晶片(424)，晶片在供有功率(454)的底座(422)上。通过阀(428)供给氩(426)。靶(416)供有功率(434)。

Description

用于溅射和再溅射的自离子化及电感耦合等离子体
相关申请
该申请为2000年10月10日提交的未决申请序号No.09/685978、1999年10月8日提交的申请序号No.09/414614(授权号为U.S.专利No.6398929)的分案申请的部分申请的连续申请；为2002年7月25日提交的未决申请序号No.10/202778(该申请要求2001年8月30日提交的临时申请60/316137和2001年12月21日提交的60/342608的优先权)的部分申请的连续申请；并且为2001年11月14日提交的未决申请序号No.09/993543的部分申请的连续申请，将这些申请的全部并入以作参考。
技术领域
本发明一般关于溅射和再溅射。更为具体地，本发明关于半导体集成电路形成中材料的溅射沉积和沉积材料的再溅射。
背景技术
半导体集成电路通常包括多层金属(metallization)以在大量有源半导体器件之间提供电连接。高级集成电路，特别是用于微处理器的那些，可以包括五层或更多金属层。在过去，铝为受欢迎的金属层材料，但是已经开发铜作为高级集成电路的金属层。
在图1的剖面图中示出了典型的金属层。下层110包括导电部件112。如果下层110为诸如二氧化硅或其它绝缘材料的下层电介质层，导电部件112可以为下层铜金属层，且上层金属层的垂直部分称之为通路(via)，因为其互连两个金属层。如果下层110为硅层，导电部件112可以为掺杂硅区，且形成在孔中的上层金属的垂直部分称之为触点(contact)，因为它电接触硅。上层电介质层114沉积在下层电介质层110和下层金属层112上。还可以有包括线形和沟槽的其它孔形。同样，在双金属镶嵌(dual damascene)和相似的互连结构中，如下所述，孔具有复杂的形状。在一些应用中，孔不可以穿过电介质层延伸。下述讨论仅提到通路孔，但是，在大多数情况中，该讨论同样适用于其它类型的孔，其中只有几个本领域公知的修改孔。
常规地，电介质为通过利用四乙基正硅酸盐(TEOS)作为前体的等离子体增强化学气相沉积形成的二氧化硅。然而，可以考虑其它成分的低k材料和沉积技术。一些在开发的低k电介质可以描绘为硅酸盐，诸如氟化硅酸盐玻璃。此后，仅直接描述硅酸盐(氧化物)电介质，但可以设想使用其它电介质成分。
在硅酸盐电介质的情况中，通常使用氟基等离子体蚀刻工艺在上层电介质层114中蚀刻通路孔。在高级集成电路中，通路孔的宽度可以为0.18μm或更小。电介质层114的厚度通常至少为0.7μm，并且有时为其两倍，以使孔的纵横比为4∶1或更大。建议6∶1或更大的纵横比。此外，在大多数情况中，通路孔应该具有垂直轮廓(profile)。
在孔的底面和侧面以及电介质层114上沉积衬里层(liner layer)116。衬里层116可以执行几个功能。其可以用作电介质与金属层之间的粘合层(adhesion layer)，因为金属膜易于从氧化物上剥离。其还可以用作防止在氧化物基电介质与金属之间互扩散的阻挡层。其还可以用作籽晶和形核层，以促进均匀粘接和生长以及金属沉积填充孔的可能的低温回流和使分离的籽晶层的均匀生长形核。可以沉积一层或多层衬里层，其中一层可以主要用作阻挡层而其它层主要用作粘合剂、籽晶或形核层。
例如，然后在衬里层116上沉积诸如铜的导电金属互连层118以填充孔并覆盖电介质层114的顶部。通过选择蚀刻金属层118的平面部分，将常规铝金属形成水平互连图形。然而，称为双金属镶嵌的用于铜金属的技术在电介质层114中使孔形成为两个连接部分，第一为穿过电介质底部的狭窄通路而第二为在表面部分中与通路互连的较宽沟槽。在金属沉积之后，进行化学机械抛光(CMP)，该化学机械抛光除去暴露在电介质氧化物上的较软的铜，但到较硬的氧化物时，即停止。结果，相似于最近的下层的导电部件112的上层的多个填充铜的沟槽彼此隔离。填充铜的沟槽用作在填充铜的通路之间的水平互连。双金属镶嵌工艺与CMP的结合消除了蚀刻铜的需要。已经开发出几种用于双金属镶嵌和其它具有相似制造需要的金属结构的层结构和蚀刻序列。
诸如出现在双金属镶嵌中的衬里和填充通路孔以及相似的高纵横比结构，随着它们的纵横比的不断增加，呈现出持续的挑战。4∶1的纵横比比较普遍，并且此值会进一步增大。这里使用的纵横比定义为孔的深度与孔的最窄处宽度的比值，孔的最窄处通常接近其顶表面。0.18μm通路宽度比较普遍，并且该值会进一步降低。对于形成在氧化物电介质中的高级铜互连，阻挡层的形成易于与形核和籽晶层清楚地分离开。扩散阻挡层可以由钽/氮化钽(Ta/TaN)、钨/氮化钨(W/WN)或钛/氮化钛(Ti/TiN)或其它结构的双层形成。通常阻挡层的厚度为10至50nm。对于铜互连，已发现沉积一层或更多铜层以实现形核和籽晶功能十分有利。
通过常规物理气相沉积(PVD)的衬里层或金属的沉积，还称之为溅射，较快。DC磁控管溅射反应器具有由要溅射沉积的金属组成的且由DC电源向其提供电力的靶。磁控管在靶的背面附近被扫描且将其磁场投射到临近靶的反应器部分，以增加那里等离子体的密度，由此增加溅射速率。然而，常规DC溅射(与要介绍的其它类型溅射相比较将其称之为PVD)主要溅射中性原子。一般PVD中的离子密度通常小于109cm-3。PVD还易于将原子溅射呈宽角分布(wide angulardistribution)，通常关于靶的法线呈余弦关系。这种宽分布(widedistribution)会不利于填充深且窄的通路孔122，以至如图2中示出那样，其中已经沉积阻挡层124。大量的角外溅射颗粒(off-angle sputter particle)可以引起层126优先沉积在孔122的上拐角(upper corner)周围并形成伸出(overhangs)128。大的伸出可以进一步地限制进入孔122并引起孔122的侧壁130和底部132的不充分覆盖。而且，伸出128在填充孔之前架桥(bridge)孔122并在孔122内的金属中产生空隙134。一旦形成空隙134，通常很难通过将金属加热接近其熔点来将其回流(reflow)。即使小的空隙也可以引起可靠性问题。如果计划诸如通过电镀进行第二金属沉积步骤，架桥的伸出会使随后的沉积更困难。
一种改善伸出问题的方法是长投掷(long-throw)溅射，其中将溅射靶与要被溅射涂覆的晶片或其它衬底间隔相对较远。例如，靶至晶片的间隔可以是晶片直径的至少50％，优选大于90％，且更优选大于140％。结果，溅射分布的角外部分优先射向室壁，但是角中央部分仍然基本上射向晶片。截角分布(truncated angular distribution)会引起更多部分溅射颗粒深射入孔122中，并且减小伸出128的程度。通过在靶与晶片之间定位准直仪(collimator)来实现相似的效果。因为准直仪具有大量的高纵横比的孔，角外溅射颗粒易于轰击准直仪的侧壁，角中央的颗粒易于穿过。长投掷靶和准直仪通常都减小到达晶片的溅射颗粒的流量并且因此易于减小溅射沉积速率。随着投掷加长或随着使准直(collimation)更严于适应增加纵横比的通路孔，这种减小可以变得更为显著。
而且可以限制增加长投掷溅射的长度。通常在PVD溅射中使用的几毫托的氩压力下，随着靶至晶片间隔的增加，氩分散溅射颗粒的可能性更大。因此，可以减少向前颗粒的几何选择(geometric selection)。长投掷和准直的另一问题是减小的金属流量，减小的金属流量可导致更长的沉积周期，这将不但会减少产量，而且还会增加溅射期间的晶片经历的最高温度。此外，长投掷溅射可以减小伸出并提供在侧壁中间和上部的良好覆盖，但是较低的侧壁和底部覆盖可能不那么令人满意。
用于深孔衬里和填充的另一技术是称之为离子化金属电镀(IMP)的溅射工艺中，利用高密度等离子体(HDP)的溅射。一般的高密度等离子体是指除等离子体鞘之外的整个等离子体的平均等离子体密度为至少1011cm-3，并优选至少为1012cm-3。在IMP沉积中，例如，通过将RF电源电耦合至等离子体，该等离子体来自来自缠绕在靶与晶片之间的等离子体源区周围的电线圈，在远离晶片的区中形成分离的等离子体源区。以这种方式产生的等离子体称为电感耦合等离子体(inductively coupled plasma，ICP)。具有此结构的HDP室来自美国加利福尼亚州的Santa Clara的应用材料有限公司的商用HDP PVD反应室。可以利用其它HDP溅射反应室。较高的功率不仅离子化氩工作气体，还显著增加溅射原子的电离分数(ionization fraction)，即产生金属离子。晶片或者自充电至负电势或为RF偏置以控制其DC电势。随着金属离子接近负偏置晶片，金属离子被加速穿过等离子体鞘(plasmasheath)。结果，它们的角分布在向前方向中变得更尖，以至于它们被深深地吸入到通路孔中。在IMP溅射中伸出几乎成为问题，且底部覆盖和底部侧壁覆盖相对较高。
通常在诸如30毫托或更高的较高压力下执行利用远程等离子体源的IMP溅射。较高的压力和高密度等离子体可以产生非常大的氩离子数量，该氩离子被加速穿过等离子体鞘至要被溅射沉积的表面。将氩离子的能量随着热量直接进入要形成的膜中而损耗掉。在IMP中经历的高温下，即使在50至75℃那样低的温度下，铜也可以与氮化钽和其它阻挡材料反浸润(dewet)。此外，氩易于植入形成中的膜。IMP可以沉积如在图3的剖视图中的136示出的铜膜，该铜膜具有粗糙或不连续的表面形态。如果这样，这种膜不会促进孔填充，特别是当衬里用作电镀的电极时。
沉积金属的另一种技术是持续(sustained)自溅射(SSS)，如由Fu等人在1997年5月8日提交的美国专利申请序号No.08/854008中以及由Fu在1999年8月12日提交的美国专利No.6183614B1、序号No.09/373097描述的，这里并入它们的全部以作参考。例如，在邻近铜靶的足够高的等离子体密度下，产生足够高密度的铜离子以至铜离子以超出一的收益(yield over unity)再溅射铜靶。然后氩工作气体的供给可以被消除或至少减小到很低的压力而铜等离子体持续。铝被认为不容易受SSS的影响。一些其它材料，诸如钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)和金(Au)也可以经受SSS。
通过铜的持续自溅射沉积的铜或其它金属具有大量优点。SSS中的溅射速率趋向于高速率。存在可以通过等离子体鞘并朝向偏压晶片被加速的高铜离子分数，这样增加了溅射流(sputter flux)的方向性。室压可以非常低，其通常由背侧的冷却气体的漏出量(leakage)限制，由此减小晶片由氩离子加热且减少由氩引起的金属颗粒的分散。
已经开发出促进持续自溅射的技术和反应室结构。已经观察到，尽管受益于这些相同的技术和结构，但是由于低于一的再溅射产量，可能由于产生部分自离子化的等离子体(SIP)的部分自溅射，一些溅射材料不经受SSS。此外，即使可获得没有任何氩工作气体的SSS，但通常以低而有限的氩压力溅射铜是有利的。因此，SIP溅射是用于更多包括减小的或零工作气体压力的一般溅射工艺首选的术语，因此SSS是SIP的一种。在1999年10月8日由Fu等人提交的美国专利6290825和由Chiang等人提交的美国专利申请09/414614中已经描述了SIP溅射，这里并入它们的全部以作参考。
SIP溅射使用各种相当常规的电容耦合磁控管溅射反应器的变形以产生邻近靶的高密度等离子体(HDP)，以将等离子体延伸并且将金属离子导向晶片。将相对高量的DC功率施加到靶上，例如，20至40千瓦用于为200mm晶片设计的室。而且，磁控管具有相对小面积以便于将靶功率集中在磁控管的较小面积，因此增加施加于临近磁控管的HDP区域的功率密度。将小面积磁控管设置在靶中央的一侧并将其关于中央旋转，以提供更均匀的溅射和沉积。
在一种SIP溅射类型中，磁控管具有不平衡的磁极，通常一种磁极性的强外部磁极包围另一种磁极性的较弱内部磁极。从较强磁极发出的磁场线可以分解成临近靶面(target face)的常规水平磁场和向晶片延伸的垂直磁场。垂直磁场线朝向接近晶片传播等离子体并将金属离子导向晶片。而且，接近于室壁的垂直磁场线用以阻止电子从等离子体到接地屏蔽的扩散。减少的电子损失特别有效地增加等离子体密度并穿过处理间隔传播等离子体。
在不使用RF电感线圈的情况下完成SIP溅射。小HDP区域足够离子化相当部分的金属离子，估计在10至25％之间，这有效地将涂层溅射到深孔中。特别是在高离子化部分，离子化的溅射金属原子轰击回靶并进一步溅射金属原子。结果，在没有等离子体的破坏的情况下可以减小氩工作压力。因此，晶片的氩加热问题较小，且有减小金属离子与氩原子碰撞的可能，这将不但减小离子密度而且可随机化金属离子溅射图形。
用于SIP溅射中的不平衡磁控管的另一优点是来自较强的外部环形磁极的磁场朝向晶片远远地投射到等离子体处理区域中。该投射场具有在等离子体处理区域的较大程度上支撑强等离子体并将离子化溅射颗粒导向晶片的优点。Wei Wang在2000年7月10日提交的美国专利申请序号为No.09/612861中公开了缠绕在等离子体处理区域的主要部分周围的同轴电磁线圈的使用，以产生从靶延伸向晶片的磁场分量。磁线圈在将SIP溅射结合在长投掷溅射反应器中非常有效，即，因为辅助磁场支撑等离子体且进一步导向离子化溅射颗粒而在靶与晶片之间具有较大间隔的一种反应器。Lai在美国专利5593551中公开了一种靠近靶的较小线圈。
然而，SIP溅射仍要改善。它的一个基本问题是在最优化磁场结构中可利用的有限数目的变量。磁控管应该小以便于最大化靶的功率密度，而靶需要均匀的被溅射。磁场应该具有临近靶的强水平分量以最大化那里的电子俘获(electron trapping)。磁场的某些分量应该从靶朝向晶片投射，以引导离子化的溅射颗粒。Wang的同轴磁线圈仅解决了其中部分问题。在由Lai的美国专利5593551中公开的水平布置永久磁体解决此效应的效果也很差。
还可以通过利用金属-有机前体的化学气相沉积(CVD)来沉积金属，诸如可从Schumacher获得混合有附加的添加剂的商品名为CupraSelect命名的商用Cu-HFAC-VTMS金属-有机前体。本领域技术人员公知的热CVD工艺可以使用该前体，但是也可以用等离子体增强CVD(PECVD)也可以。即使在高纵横比的孔中，CVD处理能够沉积近似保形膜(conformal film)。例如，通过CVD沉积的膜作为薄籽晶层，然后PVD或其它技术用于最后的孔填充。然而，通常观察到CVD铜籽晶层粗糙。粗糙可以使其不能用作籽晶层，并且尤其是，可削弱其作为回流层(reflow layer)促进铜深深沉积在孔中之后的低温回流的作用。同样，粗糙表明会需要50nm数量级的较厚CVD铜层来可靠地涂覆连续的籽晶层。对于现在考虑的较窄的通路孔来说，特定厚度的CVD籽晶层可以几乎填满该孔。然而，通过CVD执行的完全填充会遭受中央缝隙，这可影响器件的可靠性。
另一种结合技术使用IMP沉积薄铜形核层，有时称之为闪(flash)沉积，并在IMP层上沉积较后的CVD铜籽晶层。然而，如图3中示出，IMP层136可能粗糙，且CVD层容易保形地跟随着粗糙的衬底。因此，在IMP层上的CVD层也容易粗糙。
电化学镀(ECP)是另一种正在开发的铜沉积技术。在该方法中，将晶片浸入在铜电解槽中。将晶片相对于槽电偏置，且在通常的保形工艺中，铜电化学沉积在晶片上。还可以利用无电镀技术。电镀及其相关工艺是有利的，因为它们可以在大气压下用简单的设备执行，沉积速率高，且液体处理与随后的化学机械抛光相容。
然而，电镀影响其自身的需要。籽晶和粘合层通常设置在诸如Ta/TaN的阻挡层顶部，以使电镀的铜形核并将起粘结到阻挡材料上。而且，环绕通路孔122的一般绝缘结构需要在电介质层114和通路孔122之间形成的电镀电极。钽和其它阻挡材料一般为相对较弱的电导体，且面对通路孔122(包含铜电解质)的阻挡层124的通常的氮化物亚层对于在电镀中需要的长横向电流路径的导电性甚至更弱。因此，通常沉积良导电性的籽晶层和粘合层以促进电镀有效地填充通路孔的底部。
沉积在阻挡层124上的铜籽晶层一般用作电镀电极。然而，优选连续、平滑且均匀的膜。否则，电镀电流会仅流向由铜覆盖的区域或优选流向由较厚的铜覆盖的区域。沉积铜籽晶层表现出其自身的困难。IMP沉积的籽晶层在高纵横比的孔中提供良好的底部覆盖(coverage)，但是其侧壁覆盖小以至最终的薄膜粗糙或不连续。CVD沉积的薄籽晶也很粗糙。较厚的CVD籽晶层或IMP铜上的CVD铜需要过厚的籽晶层以获得需要的连续性。同样，电镀电极首先在整个孔的侧壁上操作以便获得期望的高侧壁覆盖。长投掷提供充分的侧壁覆盖，但是底部覆盖不够充分。
发明内容
本发明的一个实施例涉及通过在一个室中结合长投掷溅射、自离子化等离子体(SIP)溅射、电感耦合等离子体(ICP)再溅射和线圈溅射来沉积诸如钽/氮化钽的衬里材料。长投掷溅射的特征为靶至衬底的距离与衬底直径的较高比率。长投掷SIP溅射促进离子化和中性沉积材料成分的深孔涂覆。ICP再溅射可以减小深孔的底部覆盖层的厚度以减小接触电阻。在ICP再溅射期间，ICP线圈溅射可以沉积保护层，特别是在诸如临近不需要通过再溅射减薄的孔开口的区域。
本发明的另一实施例涉及通过在一个室中结合长投掷溅射、自离子化等离子体(SIP)溅射和SIP再溅射来溅射沉积诸如铜的互连材料。再次，长投掷SIP溅射促进离子化和中性铜成分的深孔涂覆。SIP再溅射可以重新分布沉积以促进深孔的良好底部拐角覆盖。
SIP易于通过低于5毫托、优选低于2毫托且更优选低于1毫托的低压来促进。特别是在这些低压下，SIP易于通过具有相对小面积的磁控管促进，由此增加靶的功率密度，并通过具有不对称磁体的磁控管，导致磁场还朝向衬底穿透。可以使用这样的工艺来沉积籽晶层，以促进在沉积层之后的形核或引晶(seeding)，形成窄而深的贯穿电介质层的通路或触点特别有用。通过电化学镀(ECP)沉积另一层。在另一实施例中，通过化学气相沉积(CVD)来沉积另一层。
一个实施例包括在设置于接近晶片的室周围并具有第一垂直磁极性的磁控管溅射反应器中的辅助磁体阵列。磁体可以是永久性磁体或具有沿室中心轴的线圈轴的电磁体阵列。
在一个实施例中，具有第一磁极性的强外部磁极的可旋转的磁控管包围相反极性的弱磁极。辅助磁体优选位于接近晶片的处理间隔的一半位置处，以将磁场的不平衡(unbalanced)部分从外部磁极拉向晶片。
可以分多步促进SIP室中的再溅射，其中在一个实施例中，在沉积期间增加对晶片施偏压。选择地，在沉积期间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积。
如下讨论本发明的其它方面。因此应该理解，前述仅为本发明的一些实施例和方面的简要说明。下面将介绍本发明的另外的实施例和方面。还应该理解，可以在不脱离本发明的精神和范围下对公开的实施例作出大量的改变。因此前述概述不意味着限制本发明的范围。更恰当地，本发明的范围仅由附属的权利要求和其等同物来决定。
附图说明
图1是在现有技术中实施的由覆盖电介质层顶部的金属化填充的通路的剖面图。
图2是金属化填充通路期间的通路的剖面图，该金属化伸出并封闭了该通路孔。
图3是具有通过离子化金属电镀沉积的粗糙籽晶层的通路的剖面图。
图4是本发明实施例可用的溅射室的示意图。
图5是图4的溅射室的各部分的电互连的示意图
图6-9B是根据本发明一个实施例的通路衬里和金属化以及用于通路衬里和金属化的形成工艺的剖视图。
图10是包括本发明的辅助磁体阵列的溅射反应器的示意性剖视图。
图11是图10的溅射反应器的顶部磁控管的仰视图。
图12是支撑辅助磁体阵列的组件的实施例的正视图。
图13是在其中辅助磁体阵列包括电磁体阵列的溅射反应器的示意性剖视图。
图14A和14B是根据本发明的一个实施例的通路籽晶层和该通路籽晶层的形成工艺的剖视图。
图15是本发明可用的另一溅射室的示意图。
图16是详述靶、屏蔽、绝缘体和靶O-环的图15的部分的分解图。
图17是示出浮置屏蔽的长度与用于支撑等离子体的最小压力之间的关系的图表。
图18是根据本发明另一实施例的通路金属化的剖视图。
图19与20是描绘对于两个不同的磁控管和不同的操作条件，穿过晶片的离子流流量的曲线图。
图21是根据本发明另一实施例的通路金属化的剖视图。
图22是根据本发明另一实施例的通路金属化的剖视图。
图23是减小晶片加热的等离子体点火顺序(plasma ignitionsequence)的流程图。
图24是按照根据本发明另一实施例的工艺形成的通路金属化的剖视图。
图25是根据本发明的另一实施例的溅射室的示意图。
图26是图25的溅射室的各部分的电互连(electricalinterconnection)的示意图。
图27是在其上实施本发明的集成处理工具(integrated processingtool)的示意图。
具体实施方式
在DC磁控管溅射反应器中的侧壁和底部覆盖的分布适合于制造诸如在电介质层中的孔或通路中具有期望外形轮廓的衬里层的金属层。溅射沉积进入高纵横比通路中的SIP膜可以具有良好的上侧壁覆盖且不易于产生伸出。如果需要，可以通过通路底部的ICP再溅射来减薄或消除底部覆盖。根据本发明的一个方面，可以在反应器中获得两类溅射的优点，该反应器结合可以在分离步骤中的SIP和ICP等离子体产生技术的选择方面，此类反应器的一个例子在图4中总称为150。另外，可以保护衬里层侧壁的上部免于通过溅射位于室内的ICP线圈151再溅射以将线圈材料沉积到衬底上。
反应器150还可以用于利用SIP和ICP、优选二者结合、但二者择一，交替产生的等离子体的溅射沉积金属层，诸如阻挡层或衬里层。在DC磁控管溅射反应器中的离子化与中性原子流量可以适合于在电介质层中的孔或通路中产生涂层。如前所述，溅射沉积在高纵横比的孔中的SIP膜具有有利的上侧壁覆盖且不易于产生伸出。另一方面，ICP产生的等离子体可以增加金属离子化以便于溅射沉积到这种孔中的膜可以具有良好的底部和底部拐角覆盖。根据本发明的另一方面，在诸如反应器150的反应器中可以获得两种溅射类型的优点，在该反应器中结合两种沉积技术的选择方面。另外，如果需要，线圈材料也可以被溅射对沉积层作出贡献。
在2002年7月25日提交的未决U.S.申请序号No.10/202778(attorney docket No.4044)中描述用于形成衬里、阻挡层和其它层的反应器150和各种工艺，并将其全部并入下文以作参考。如那里所描述的，示出的实施例的反应器150为基于来自加利福尼亚州的圣克拉拉的应用材料有限公司的可利用的Endura PVD反应器改造(modification)的DC磁控管型反应器。该反应器包括通常为金属且电接地、通过靶隔离器154与至少具有由要在晶片158上溅射沉积的材料组成的表面部分的PVD靶156密封的真空室152。虽然靶的溅射表面在附图中描绘为平坦的，应该意识到靶溅射表面可以具有包括拱状和圆柱状的各种形状。晶片可以为包括150、200、300和450mm的不同尺寸。示出的反应器150能够以长投掷模式自离子化溅射(SIP)。该SIP模式可以用于一个实施例中，在该实施例中覆盖主要针对孔的侧壁。SIP模式还可以用于获得良好的底部覆盖。
反应器150还具有RF线圈151，该线圈将RF能量电感耦合进入反应器的内部。由线圈151提供的RF能量将诸如氩的前体气体离子化以保持等离子体利用离子化的氩将沉积层再溅射到薄底部覆盖，或以离子化溅射的沉积材料以改善底部覆盖。在一个实施例中，不是在诸如通常用于高密度IMP工艺的20-60毫托(mTorr)的较高压力下保持等离子体，该压力优选保持在相对较低的压力下，例如，诸如用于氮化钽沉积的1毫托或用于钽沉积的2.5毫托。然而，取决于应用，在0.1至40毫托范围内的压力是合适的。结果，认为在反应器150内的离子化速率相当地低于一般的高密度IMP工艺的离子化速率。该等离子体可以用于再溅射沉积层或离子化溅射的沉积材料、或两者。此外，可以溅射线圈151自身，以在沉积到晶片上的材料的再溅射期间，在晶片上向那些不期望减薄沉积材料的区域提供保护涂层，或另外提供附加的沉积材料。
在一个实施例中，认为在多步工艺中可以获得良好的上侧壁覆盖和底部拐角覆盖，其中在一个步骤中，对线圈施加很少的RF功率或不施加。这样，在一个步骤中，溅射靶的沉积材料的离子化主要作为自离子化(self-ionization)的结果发生。结果，认为可以获得良好的上侧壁覆盖。在第二步骤中并且优选在相同的室中，可以向线圈151施加RF功率而向靶施加低功率或不施加功率。在该实施例中，几乎很少或没有材料从靶156上溅射而前体气体的离子化会主要作为通过线圈151电感耦合的RF能量的结果发生。ICP等离子体可以通过蚀刻或再溅射来直接减薄或消除底部覆盖以减小孔底部的阻挡层的电阻。另外，可以溅射线圈151以在不期望减薄的地方沉积保护材料。在一个实施例中，压力保持较低以便于等离子体的密度较低以减小来自线圈的溅射沉积材料的离子化。结果，溅射线圈材料可以主要保持为中性以便于主要沉积在上侧壁上，以保护那些部分不被减薄。
因为示出的反应器150能够自离子化溅射，沉积材料可以离子化，作为不仅通过RF线圈151还通过靶156自身的溅射来保持的等离子体的结果。当期望沉积良好底部覆盖的层时，认为结合的SIP和ICP离子化工艺为良好的底部和底部拐角覆盖提供充足的离子化材料。然而，还认为由RF线圈151提供的低压等离子体的较低的离子化速率使足够的中性溅射材料能保持非离子化以便于沉积在上侧壁。这样，认为离子化沉积材料的组合源可以提供良好的上侧壁覆盖以及良好的底部和底部拐角覆盖，如下面更为详细的解释。
在选择的实施例中，认为可以在多步工艺中获得良好的上侧壁覆盖、底部覆盖和底部拐角覆盖，在该工艺中，在一个步骤，几乎很少或没有RF功率施加到线圈。这样，在一个步骤中，沉积材料的离子化会主要作为自离子化的结果发生。结果，认为可以获得良好的上侧壁覆盖。在第二步骤中并且优选在相同的室中，RF功率施加到线圈151。另外，在一个实施例中，充分升高压力以便于保持高密度等离子体。结果，认为在第二步骤中可以获得良好的底部以及底部拐角覆盖。
晶片夹具160将晶片158夹持在基座电极(pedestal electrode)162上。可以提供阻抗加热器、制冷槽(refrigerant channel)和在基座162中的热传递气体腔(thermal transfer gas cavity)以使基座的温度能被控制在小于-40摄氏度的温度，由此使晶片温度被相似地控制。
为获得具有部分中性流的较深孔涂层，可以增大靶156与晶片158之间的距离以便以长投掷模式操作。使用时，靶至衬底的间距一般大于衬底直径的一半。在示出的实施例中，其优选大于晶片直径的90％(例如，190mm的间隔用于200mm的晶片，以及290mm的间隔用于300mm的晶片)，但是认为包括大于100％和大于140％的大于衬底直径的80％的间距也是合适的。对于许多应用，认为50至1000mm的靶至晶片间距是合适的。在常规溅射中的长投掷减小溅射沉积速率，但离子化的溅射颗粒不遭受这种大量的减少。
通过第二电介质屏蔽隔离体168分离的暗区屏蔽(darkspaceshield)164和室屏蔽(chamber shield)166保持在室152内以保护室壁152不受溅射材料的影响。在示出的实施例中，暗区屏蔽164和室屏蔽166接地。然而，在一些实施例中，屏蔽可以浮置或偏压至非接地电平。室屏蔽166还充当相对于阴极靶156的阳极接地平面，由此电容性支撑等离子体。如果允许暗区屏蔽电浮置，一些电子会沉积在暗区屏蔽164上以至于负电荷在那里累积(build up)。认为负电势不仅可以排斥进一步的电子沉积，而且如果需要，将电子限定在主要的等离子体区域，这样减小了电子损失，维持低压溅射，并增加等离子体的密度。
通过多个线圈支座(standoff)180在屏蔽164上支撑线圈151，线圈支座将线圈151与支撑屏蔽164电绝缘。另外，支座180具有曲折(labyrinthine passage)的通道，该通道允许导电材料从靶110到线圈支座180上重复沉积导电材料，同时防止沉积材料从线圈151到屏蔽164的全部导电路径形成，该导电路径会将线圈151短路到屏蔽164(其通常接地)。
为了能够将线圈用作电路路径，RF功率通过真空室壁并通过屏蔽164穿至线圈151的端部。真空引线(feedthroughs)(未示出)延伸穿过真空室壁以提供来自发生器的RF电流，该发生器优选位于真空压力室的外部。通过引线支座182穿过屏蔽164向线圈151施加RF功率(图5)，引线像线圈支座180那样，具有曲折通道，以防止可能将线圈151短路到屏蔽164的从线圈151到屏蔽164的沉积材料的路径形成。
等离子体暗区屏蔽164通常为圆柱形。等离子体室屏蔽166通常为碗形且包括一般的圆柱形、垂直取向的壁190，支座180和182连接于该壁190以绝缘支撑线圈151。
图5示出的实施例的等离子体产生设备的电连接示意图。为了吸引由等离子体产生的离子，优选通过例如在1-40千瓦(kw)的DC功率下的可变的DC电源200对靶156加负偏压。电源200将靶156负偏压至相对于室屏蔽166大约-400至-600VDC以点火并维持等离子体。通常使用1与5千瓦之间的靶功率来点火等离子体而大于10千瓦的功率优选用于这里描述的SIP溅射。例如，可以使用24千瓦的靶功率来通过SIP溅射沉积氮化钽，并且可以使用20千瓦的靶功率来通过SIP溅射沉积钽。在ICP再溅射期间，靶功率可以减小至100-200瓦，例如，为保持等离子体的均匀性。选择地，如果期望在ICP再溅射期间靶溅射，靶功率可以保持在较高的水平，或者如果需要，可以将其完全关掉。
可以允许基座162及晶片158电浮置，但是负DC自偏压仍然在其上存在。选择地，可以通过在-30vDC下的电源202对基座162施加负偏压，来对衬底158施加负偏压以将离子化的沉积材料吸引至衬底。其它实施例可以将RF偏压施加到基座162，以进一步控制存在于其上的负DC偏压。例如，偏压电源202可以为在13.56MHz下工作的RF电源。其提供在10瓦至5千瓦范围内的RF功率，例如，对于在SIP沉积中的200mm晶片更为优选地在150至300瓦(W)的范围。
线圈151的一端通过引线支座182穿过屏蔽166绝缘耦合至诸如放大器以及匹配网络204的输出的RF电源。匹配网络204的输入耦合于RF发生器206，该发生器为了此实施例的ICP等离子体产生提供近似在1或1.5千瓦的RF功率。例如，优选用于氮化钽沉积的功率为1.5千瓦和用于钽沉积的功率为1千瓦。优选范围为50瓦至10千瓦。在SIP沉积期间，如果需要，可以关掉线圈的RF功率。选择地，如果需要，在SIP沉积期间可以供给RF功率。
线圈151的另一端也通过相似的引线支座182穿过屏蔽166绝缘地耦合至地线，优选地穿过为可变电容器的阻塞电容器(blockingcapacitor)208，以将DC偏压维持在线圈151上。可以通过耦合至线圈151的DC电源209控制线圈151上的DC偏压及因此线圈溅射速率，如在美国专利No.6375810中描述的。用于ICP等离子体产生和线圈溅射的适合的DC功率范围包括50瓦至10千瓦。在线圈溅射期间优选的值为500瓦。如果需要，在SIP沉积期间，可以关掉到线圈151的DC功率。
当然，上述功率电平可以根据特定的应用而改变。可以编程基于计算机的控制器224以控制根据特定应用的各种电源的功率电平(power level)、电压、电流和频率。
RF线圈151可以较低地定位在室中以便于溅射自线圈的材料轰击晶片时具有低入射角。结果，线圈材料优先沉积在孔的上拐角以便于当孔的底部通过ICP等离子体再溅射时保护孔的那些部分。在示出的实施例中，优选，当线圈的主要功能为产生等离子体以再溅射晶片和在再溅射期间提供保护涂层时，将线圈定位在比离钯更接近晶片的位置。对于许多应用，认为0至500mm的线圈至晶片的间距是合适的。然而意识到，实际的位置会根据特定的应用而改变。在这些应用中，其中线圈的主要功能是产生等离子体以离子化沉积材料，可以将线圈更接近于靶定位。同样，在1996年7月10日提交的题目为SputteringCoil for Generating a Plasma的并且转让给本申请的受让人的美国专利No.6368469(Attorney Docket 1390-CIP/PVD/DV)中更为详细地阐述，还可以将RF线圈定位成以改善由溅射的线圈材料沉积的层的均匀性。另外，线圈可以具有以螺旋或螺线方式形成的多匝或具有如单匝的少匝数以减小复杂性和降低成本并方便清洁。
各种线圈支撑支座和引线支座可以用于绝缘支撑线圈。因为特别是在与SSS、SIP和ICP相关的包括高电压的高功率电平下的溅射，电介质隔离体(dieelctric islator)通常分离不同的被偏置的部分。结果，可期望保护这种隔离体不被金属沉积。
支座的内部结构优选为曲折(labyrinth)的，如在2000年2月29日提交的题目为“COIL AND COIL SUPPORT FOR GENERATING APLASMA”的由本申请的转让给本申请受让人的未决申请序号为No.09/515880中更为详细的描述。线圈151和直接暴露于等离子体中的支座的那些部分优选由与要沉积的材料相同的材料制成。因此，如果要沉积的材料由钽制成，则支座的外部优选也由钽制成。为了促进沉积材料的粘结，通过喷丸(bead blasting)处理暴露的金属表面，喷丸将减少来自沉积材料的颗粒脱落。除了钽之外，线圈和靶可以由包括铜(Cu)、铝(Al)和钨(W)的各种沉积材料制成。曲折(labyrinth)的尺寸程度应该能阻止从线圈到屏蔽的完全导电路径的形成。随着导电的沉积材料沉积在线圈和支座上，会形成这种导电路径。应该认识到，根据特定的应用，曲折通道的其它尺寸、形状和数量也是允许的。影响曲折设计的因素包括要沉积材料的类型和在支座需要被清洗或替换之前期望的沉积量。适合的引线支座可以以相似的方式构造，除了RF功率将施加到穿过支座延伸的螺栓或其它导电部件的情况外。
线圈151可以具有重叠但间隔开的端部。在该布置中，每一端的引线支座182可以在平行于真空室靶156与衬底夹具162之间的等离子体室中心轴的方向上叠置，如图4中所示。结果，从线圈一端到线圈另一端的RF路径可以相似地重叠并因此避免了晶片上的间隙。认为这种重叠布置可以提高等离子体产生、离子化和沉积的均匀性，如在1998年3月16日提交的转让给本申请的受让人的未决申请序号为No.09/039695中描述的那样。
支撑支座180分布在线圈其余部分的周围以提供适合的支撑。在示出的实施例中，每一个线圈具有三个在各自线圈的外面呈90度分开分布的毂部件(hub member)504。应该意识到支座的数量和间距可以根据特定的应用而改变。
示出的实施例的线圈151各自由2个形成单匝线圈的大功率(heavy duty)喷丸处理过的1/4英寸厚钽或铜带制成的。然而，可以利用其它高导电材料和形状。例如，线圈的厚度可以减小至1/16英寸而宽度增加至2英寸。同样，特别是如果期望水冷却，可以利用中空的管。
适合的RF发生器和匹配电路为本领域公知的组件。例如，具有频率搜索与匹配电路和天线相匹配的最佳频率的能力的诸如ENI Genesis系列的RF发生器是适合的。用于产生RF功率到线圈的发生器的频率优选为2MHz，但是预期范围可在其它A.C.频率，诸如，例如1MHz至200MHz，和非RF频率下变化。这些组件还可以通过可编程控制器224控制。
参考图4，室屏蔽166的较低的圆柱部分296继续向下至支撑晶片158的底座162的顶部后面的阱(well)。室屏蔽166然后继续径向向内进入碗状部分302并垂直向上进入最里面的圆柱部分151到近似于晶片158的高度但在底座162外部沿径向间隔开。
屏蔽164、166一般由不锈钢构成，且它们的内侧可以被喷丸或被变粗糙，以促进溅射沉积在其上的材料的粘结。然而，在某点上，在延长的溅射期间，沉积材料堆积至更加有可能剥落的厚度，产生有害的颗粒。在到达该点之前，应该清洗或更为可能地用新的屏蔽替换该屏蔽。然而，在大多数维护周期(maintenance cycle)中，不需要替换更昂贵的隔离体154、168。而且，维护周期由屏蔽的剥落而非隔离体的电短路来决定。
气体源314通过质量流量控制器316向室152供给溅射工作气体，一般为化学不活泼惰性气体氩。可以使工作气体进入室的顶部，或如示出的，在其底部，每种形式都具有一个或多个通过屏蔽室屏蔽166的底部或通过室屏蔽166、晶片夹具160和底座162之间的间隙318穿透孔径的入口管。通过宽泵口322连接到室152的真空泵系统320保持在低压下。虽然基础压力可以保持在大约10-7托或更低，在常规溅射中，工作气体的压力一般保持在大约1与1000毫托之间，而在SIP溅射中低于大约5毫托。基于计算机控制器224控制包括DC靶电源200、偏压电源202和质量流量控制器316的反应器。
为了提供有效的溅射，磁控管330定位在靶156的背面。其具有通过磁轭(magnetic yoke)336连结和支撑的相反的磁体332、334。磁体产生临近室152内的磁控管330的磁场。磁场俘获电子，并且为了电中性，还增加离子密度以形成高密度等离子体区域338。磁控管330通常通过马达驱动轴342关于靶156的中央340旋转，以在靶156的溅射中获得完全覆盖。为了获得充足的离子化密度的高密度等离子体338以获得持续的自溅射，可以使输送到临近磁控管330的区域的功率密度高。这可以通过增加从DC电源200的输送得功率电平、通过减小磁控管330的例如三角形或跑道(racetrack)形状的面积来获得，如由Fu和Chiang在上述引用的专利中描述的。以其近似与靶中央340一致的顶(tip)旋转的60度三角形磁控管任何时候仅覆盖靶的大约1/6。在能够进行SIP溅射的商用反应器中，1/4覆盖为优选的最大值。
为了减小电子损失，通过内部磁体332和磁极面表示的内部磁极应该没有显著的孔径并且由连续的由外部磁体334和磁极面表示的外部磁极包围。而且，为了将离子化溅射颗粒导向晶片158，外部磁极应该比内部磁极产生更高的磁通量。延伸的磁场线俘获电子且因此将等离子体更拉近晶片158。磁通量的比率应该为至少150％且优选大于200％。Fu的三角形磁控管的两个实施例具有25个外部磁体和6或10个相同强度但不同极性的内部磁体。虽然结合平坦的靶表面来描绘，但是应意识到各种不平衡的磁控管会与各种靶形状一起使用以产生自离子化等离子体。磁体具有除三角形之外的其它形状，包括圆形和其它形状。
当将氩导入室中时，在靶156与室屏蔽166之间的DC电压差将氩点火成为等离子体，且带正电荷的氩离子被吸引到带负电荷的靶156。离子在足够的能量下轰击靶156并从靶156上产生要溅射的靶原子或原子团。一些靶颗粒轰击晶片158并将颗粒沉积在其上，由此形成靶材料膜。在金属氮化物的反应溅射中，还将来自源343的氮气引入室中，且氮与溅射的金属原子反应以在晶片158上形成金属氮化物。
图6-9b示出根据本发明的另一方面的衬里层形成的连续剖视图。参考图6，层间电介质345(例如二氧化硅)沉积在互连348(图9b)的第一金属层(例如第一铜层347a)上。然后在层间电介质345中蚀刻通路349以暴露第一铜层347a。可以利用CVD、PVD、电镀或其它类似公知的金属沉积技术来沉积第一金属层，且第一金属层经由触点，穿过电介质层，连接到形成在下面的半导体晶片的器件。如果将第一铜层347a暴露于氧气，诸如当晶片从蚀刻室中移走，在该蚀刻室中，蚀刻覆盖第一铜层的氧化物以产生用于制造第一铜层与第二种要被沉积金属层之间的通路的孔，可以很容易地在其上形成绝缘/高阻抗的氧化铜层347a’。因此，为了减小铜互连348的阻抗，会除去通路349内的任何氧化铜层347a’和任何处理剩余物。
在除去氧化铜层347a’之前，阻挡层351可以沉积(例如，在图4的溅射室152内)在层间电介质345上和暴露的第一铜层347a上。优选包括钽、氮化钽、氮化钛、钨或氮化钨的阻挡层351阻止随后沉积的铜层混入层间电介质345中并使层间电介质降级(degrade)(如前所述)。
如果，例如，溅射室152构造成用于氮化钽层的沉积，采用钽靶156。一般地，氩气和氮气都通过气体入口360(可以使用多个入口，每一种气体一个入口)流入溅射室152，同时功率信号经由DC电源200施加到靶156。选择地，功率信号还可以经由第一RF电源206施加到线圈151。在稳定状态处理期间，氮可以与钽靶156反应以在钽靶156上形成氮化物膜，以便从其上溅射氮化钽。另外，还会从靶上溅射未被氮化的钽原子，这种钽原子可以与氮在飞行中或在由底座162支撑的晶片(未示出)上结合形成氮化钽。
在操作中，将可操作地耦合到排放出口的节流阀放置在中间位置以便于在将处理气体引入室之前，将沉积室152保持在大约1×10-8托的期望的低真空度。为了在溅射室152内开始处理，氩气和氮气的混合物经由气体入口360流入溅射室152中。将DC功率通过DC电源200施加到钽靶156(同时气体混合物继续经由气体入口360流入溅射室152并经泵37从其中抽出)。施加到靶156的DC功率使氩/氮气体混合物形成SIP等离子体并产生氩和氮离子，这些粒子被吸引到靶156并轰击靶156使靶材料(例如钽和氮化钽)从其上发射出(eject)。发射出的靶材料传播至由底座162支撑的晶片158并沉积在其上。根据SIP工艺，由不平衡的磁控管产生的等离子体离子化部分溅射的钽和氮化钽。通过调节施加到衬底支撑底座162的RF功率信号，可以在衬底支撑底座162与等离子体之间产生负偏压。衬底支撑底座162与等离子体之间的负偏压使钽离子、氮化钽离子和氩离子朝向底座162和支撑在其上的任何晶片加速。因此，中性和离子化的氮化钽可以沉积在晶片上，根据SIP溅射提供良好的侧壁和上侧壁覆盖。另外，特别是如果RF功率选择施加到ICP线圈，可以通过氩离子溅射蚀刻晶片，同时来自靶156的氮化钽材料沉积在晶片上(即，同时沉积/溅射蚀刻)。
在阻挡层351沉积之后，如果期望减薄或消除底部，可以如图7中所示通过氩等离子体溅射蚀刻或再溅射在通路349底部的阻挡层351和其下的氧化铜层347a’(以及任何处理剩余物)。主要通过向ICP线圈施加RF功率优选在该步骤中产生氩等离子体。值得注意的是，在该实施例中的溅射室152(图4)内的溅射蚀刻期间，施加到靶156的功率优选除掉或减小至低电平(例如100或200瓦)以便于抑制或阻止来自靶156的显著沉积。低靶功率电平，而不是没有靶功率，可以提供更均匀的等离子体并且是目前优选的。
ICP氩离子通过电场(例如经由图4的第二RF电源41向衬底支撑底座162施加的RF信号，其使自偏压在底座上形成)朝向阻挡层351加速，轰击阻挡层351，且取决于动量转移，从通路孔径的底部溅射阻挡层材料，并沿着涂覆通路349侧壁的阻挡层351的部分将其再分布。将氩离子在基本垂直于衬底的方向上吸引至衬底。结果，几乎没有通路侧壁的溅射发生，而发生充分的通路底部的溅射。为了促进再溅射，例如，施加到底座和晶片的偏压可以为400瓦。
再溅射工艺参数的特定值可以根据特定的工艺而改变。未决或公布的申请08/768058、09/126890、09/449202、09/846581、09/490026和09/704161描述了再溅射工艺，这里并入其全部以作参考。
根据本发明的另一方面，ICP线圈151可以由诸如钽的衬里材料以与靶156相同的方式形成并被溅射以在晶片上沉积氮化钽同时再溅射通路底部。由于在再溅射工艺期间相对低的压力，从线圈151上溅射的沉积材料的离子化速率相对较低。因此，沉积到晶片上的溅射材料主要为中性材料。另外，将线圈151相对较低地放置在室中，包围并临近晶片。
结果，从线圈151上溅射的材料的轨道(trajectory)易于具有相对较小的入射角。因此，从线圈151上溅射的材料易于沉积在晶片上表面上并在晶片中的孔或通路的开口周围的层364中，而非深深地沉积在晶片孔中。来自线圈151的沉积材料可以用于提供免受再溅射的保护程度，以便通过主要在孔底部的再溅射来减薄阻挡层，而不是在侧壁上和孔口周围，在这些区域，可能不期望减薄阻挡层。
一旦已经从通路底部溅射蚀刻阻挡层351，氩离子轰击氧化铜层347a’，且溅射该氧化层以再分布来自通路底部的氧化铜层材料，溅射材料的一些或全部沿着涂覆通路349侧壁的阻挡层351部分沉积。铜原子347a”也涂覆沉积在通路349侧壁上的阻挡层351和364。然而，因为原始沉积的阻挡层351与从通路底部再分布到通路侧壁的那些为铜原子347a”的扩散阻挡层，铜原子347a”在阻挡层351内基本上固定且被阻止不能到达层间电介质层345。因此沉积在侧壁上的铜原子347a’通常不会如以前那样产生通路至通路漏电流，它们被再分布到没有涂覆的侧壁。
此后，在相同的室152或具有SIP和ICP能力的相似的室中，在先前的阻挡层351上可以沉积诸如钽的第二材料的第二衬里层371。钽衬里层在下层氮化钽阻挡层与随后沉积的诸如铜的导体金属互连层之间提供良好的粘结。然而，在一些应用中，优选在籽晶层或填充孔之前可以仅沉积阻挡层或仅沉积衬里层。
可以以与第一衬里层351相同的方式沉积第二衬里层371。即，可以在第一SIP步骤中沉积钽衬里层371，在该步骤中主要通过靶磁控管330产生等离子体。然而，不允许氮气进入以便于沉积钽而非氮化钽。按照SIP溅射，可以获得良好的侧壁和上侧壁覆盖。如果需要，可以减小或不需要到ICP线圈151的RF功率。
在钽衬里层371沉积之后，如果需要底部减薄或消除，可以通过氩等离子体以与衬里层351底部相同的方式溅射蚀刻或再溅射其下的通路349底部的衬里层371的部分(和任何的处理剩余物)，如图9a中所示。优选主要通过向ICP线圈施加RF功率以在该步骤中产生氩等离子体。再次，值得注意的是在溅射室152(图4)内的溅射-蚀刻期间，优选将施加到靶156的功率去除或减小至低电平(例如500瓦)以便于抑制或阻止在第二衬里层的底部覆盖减薄或消除期间来自靶156的显著沉积。另外，优选溅射线圈151沉积衬里材料374，同时氩等离子体再溅射该层底部以保护衬里侧壁和上部，在底部部分再溅射期间，基本上不被减薄。
在上述实施例中，通路侧壁上的靶材料的SIP沉积主要发生在第一步骤中，而通路底部的ICP再溅射和线圈151材料的ICP沉积主要发生在后续步骤中。应该意识到，如果需要，靶材料和线圈材料在通路349侧壁上的沉积会同时发生。还应意识到，如果需要，在通路349底部的沉积材料的ICP溅射-蚀刻会与靶和线圈材料在侧壁上的沉积同时发生。通过调节施加到线圈151、靶156和底座162的功率信号利用图4的室152可以实现同时沉积/溅射-蚀刻。因为线圈151可以用于保持等离子体，所以等离子体可以溅射晶片，在该晶片上具有相对较低的偏压(小于需要维持等离子体的偏压)。一旦到达溅射阈值，对于特定晶片的偏压，施加到线圈151的RF功率(“RF线圈功率”)相比较于施加到靶156的DC功率(“DC靶功率”)的比率影响溅射-蚀刻与沉积之间的关系。例如，RF∶DC功率比率越高，由于增加的离子化以及随后增加的到晶片的离子轰击流量，会发生越多的溅射-蚀刻。增加晶片的偏压(例如增加施加到支撑底座162的RF功率)会增加引入离子的能量，这将会增加溅射产量和蚀刻率。例如，增加施加到底座162的RF信号的电压电平，增加了入射在晶片上的离子能量，同时增加施加到底座162的RF信号的占空比(duty cycle)增加入射离子的数量。
因此，可以调节晶片偏压的电压电平和占空比来控制溅射率。另外，保持DC靶功率低会减少可用于沉积的阻挡材料的数量。零DC靶功率会导致仅溅射-蚀刻。与高RF线圈功率和晶片偏压耦合的低DC靶功率会导致同时发生通路侧壁沉积和通路底部溅射。因此，该工艺适合于正在讨论的材料和几何形状。对于200mm晶片上的一般3∶1的纵横比，利用钽或氮化钽作为阻挡材料，500瓦至1千瓦的DC靶功率，在2至3千瓦或更大的RF线圈功率下，持续施加的250瓦至400瓦或更大的晶片偏压(例如100％的占空比)，会导致阻挡层沉积在晶片侧壁上而从通路底部除去材料。DC靶功率越低，沉积在侧壁上的材料越少。DC靶功率越高，需要更大的RF线圈功率和/或晶片偏压功率来溅射通路的底部。例如，在线圈151上的2千瓦RF线圈功率电平和在底座162上的具有100％占空比的250瓦RF晶片功率电平可以用于同时沉积/溅射-蚀刻。可以期望在同时沉积/溅射-蚀刻期间初始(例如，几秒钟或更多，取决于在讨论的特定几何形状/材料)没有施加晶片偏压，以允许充足的通路侧壁覆盖来防止来自通路底部的材料溅射-蚀刻引起的侧壁污染。
例如，在通路349的同时沉积/溅射-蚀刻期间，初时没有施加晶片偏压会促进在层间电介质345的侧壁上的初始阻挡层的形成，该阻挡层抑制溅射的铜原子在沉积/溅射蚀刻的剩余物操作期间污染层间电介质345。选择地，可以在相同的室内或通过在第一处理室内沉积阻挡层351，而在分离的第二处理室(例如诸如应用材料有限公司的PrecleanII室的溅射-蚀刻室)内溅射蚀刻阻挡层351和氧化铜层347a’，连续完成沉积/溅射-蚀刻。
在第二衬里层371沉积且底部覆盖减薄之后，沉积第二金属层347b(图9b)以形成同互连348。如图9b所示，第二铜层347可以作为涂层或作为铜插塞347b’沉积在第二衬里层371之上和在每一通路底部暴露的第一铜层347a的部分。铜层347b可以包括铜籽晶层。因为第一和第二铜层347a、347b直接接触，而不是通过阻挡层351或第二衬里层371接触，铜互连348的阻抗可以较低，同样通路至通路漏电流也可以。然而，应意识到，在一些应用中，期望在通路底部留下衬里层、或阻挡层或二者的涂层。
如果互连由不同于衬里层的的导电金属形成，可以在具有不同导电金属靶的溅射室中沉积互连层。溅射室可以为SIP型或ICP型。然而，目前，铜籽晶层的沉积优选在下面关于图10描述的类型的室中。可以通过在其它类型的室和设备的包括CVD和电化学镀的其它方法来沉积金属互连。
可以通过如在图10的示意性剖视图中示出的另一种等离子体溅射反应器410中沉积铜籽晶层。在2001年11月14日提交的未决申请序号为No.09/993543中描述了反应器410和各种用于形成籽晶和其它层的工艺，现将其全部并入以作参考。如其中所述，真空室412包括电接地的一般为圆柱形的侧壁414。一般地，未示出的接地可替换屏蔽位于侧壁414内部以保护它们不被溅射涂覆，但是它们除了保持真空外还充当室侧壁。将由金属构成的要被溅射的溅射靶416通过电隔离体418密封于室412。底座电极422支撑要被溅射涂覆的晶片424平行面对靶416。处理间隔限定在屏蔽内部的靶416与晶片424之间。
从气体供给426通过质量流量控制器428将溅射工作气体，优选氩，计量供给(meter)室中。未示出的真空泵压系统将室412的内部保持在一般为10-8托或更低的非常低的基础压力下。在等离子体点火期间，按产生近似5毫托室压的量来供给氩压力，但是如后面将阐释的，其后该压力降低。DC电源434将把416负偏压至近似-600VDC，使氩工作气体被激活成为包含电子和正氩离子(Ar+)的等离子体。正氩离子被吸引到负偏压的靶416并从靶上溅射金属原子。
本发明特别有利于SIP溅射，其中小的嵌套磁控管436支撑在位于靶416后面的未示出的背板上。室412和靶416通常关于中央轴438圆形对称。SIP磁控管436包括第一垂直磁极性的内部磁体磁极440和相反的第二垂直磁极性的环绕的外部磁体磁极442。两个磁极均由磁轭444支撑并与其磁耦合。轭444固定于支撑在沿着中央轴438延伸的旋转轴448上的旋转臂446。连接于轴448的马达450使磁控管436关于中央轴438旋转。
在不平衡的磁控管中，外部磁极442具有集中在其面积上的大于由内部磁极440产生的磁通量的总的磁通量，优选具有至少150％的磁强度比率。相反的磁极440、442在室412内部产生磁场，该磁场一般为具有平行并接近于靶416表面的强分量以在其处产生高密度等离子体，由此增加溅射速率并增加溅射金属原子的离子化部分。因为外部磁极442磁性强于内部磁极440，来自外部磁极442的磁场部分在其循环回外部电极442后面以完成磁路之前向底座422远投射。
例如，具有13.56MHz频率的RF电源454连接至底座电极422，以在晶片424上产生负的自偏压。偏压吸引带正电荷的金属原子穿过相邻等离子体的鞘，由此涂覆晶片中诸如层间通路的高纵横比的孔的侧面和底部。
在SIP溅射中，磁控管很小且具有高磁强度且向靶施加高DC功率，以便于在靶416附近，等离子体密度上升至大约1010cm-3。在该等离子体密度下，大量的溅射原子被离子化成为带正电荷的金属离子。金属离子的密度足够高以至它们中的大量离子被吸引回靶，以进一步溅射金属离子。结果，金属离子可以至少部分替换在溅射工艺中作为有效工作物种的氩离子。即，可以减小氩压力。减小压力具有减小金属离子散射和去电离的优点。对于铜溅射，在一些条件下，在称为持续自溅射(SSS)的工艺中，一旦等离子体点火，能够完全消除氩工作气体。对于铝或钨溅射，SSS是可能的，但是可以从在常规溅射中使用的压力基本上减小氩压力，例如至小于1毫托。
在本发明的一个实施例中，永久磁体462的辅助阵列460设置在室侧壁414的周围，且通常设置在朝向晶片424的处理间隔的一半位置处。在该实施例中辅助磁体462具有与嵌套磁控管436的外部磁极442相同的第一垂直磁极性，以便于将磁场的不平衡部分从外部磁极442拉下(draw down)。在下面详细描述的实施例中，有八个永久磁体，但是分布在中央轴438周围的四个或更多数量的磁体会提供相似的良好结果。可以将辅助磁体462放置在室侧壁414的内部，但是优选在该薄侧壁屏蔽的外部以增加它们在处理区域中的有效强度。然而，放置在侧壁414外部优选用于全部处理结果。
辅助磁体阵列通常关于中央轴438对称设置以产生圆形对称磁场。另一方面，虽然嵌套磁控管436具有关于中央轴438非对称设置的磁场分布，当其关于整个旋转时间平均时，它就变得对称。有许多种形式的嵌套瓷控管436。最简单的但不优选的形式具有由圆形环状的外部磁极442包围的纽扣中央磁极(button center pole)440，以便其磁场关于从室轴438平移的轴对称且嵌套磁控管的轴关于室轴438旋转。优选的嵌套磁控管具有三角形形状，如图11的仰视图中示出的，具有在中央轴438附近的顶点和在靶416周边附近的底。该形状特别有利，因为该磁场的时间平均比圆形嵌套磁控管的更均匀。
由图10的虚线示出在旋转周期期间的特定时刻下的有效磁场。半环形磁场BM提供接近于并平行于靶416面的强水平分量，由此增加等离子体的密度、溅射速率和溅射颗粒的离子化部分。辅助磁场BA1、BA2为来自辅助磁体阵列460的磁场和来自嵌套磁控管436的磁场的不平衡部分的总和。在远离于嵌套磁控管的室的另一侧上，来自嵌套磁控管436磁场的不平衡部分的分量BA1占主要地位，但其不从远处伸向晶片424。然而，在嵌套磁控管436的一侧上的室侧壁414附近，辅助磁体462强耦合于外部磁极442，导致远投射向晶片424的磁场分量BA2。在示出的平面外，磁场分量是两个分量BA1、BA2的组合。
由于辅助磁体442的磁极性与强外部磁极442的一致，该结构导致在接近于并沿着室侧壁414的大致长度产生强垂直磁场的结果，该室侧壁414在掠过其周围的嵌套磁控管436下方的区域中。结果，在临近要被最强烈溅射的靶416的区域的室412的外侧，存在强垂直磁场。这种发射磁场(projecting field)对延伸等离子体区域并且将离子化的颗粒导向晶片424非常有效。
通过使用两个半圆形磁体载体470可以实现，其中一个载体在图12中以正视图方式示出。每个载体包括四个面向其内部并使其大小适合接收各自的包括一个磁体462的磁体组件474的凹槽(recess)472。磁体组件474包括弧形上夹具部件476和下夹具部件478，当两个螺杆480将两个夹具部件476、478紧固在一起时，它们将圆柱形磁体462接收在凹槽中。载体470和夹具部件476、478由诸如铝的非磁性材料形成。下夹具部件478具有适合凹槽472的长度但是上夹具部件476具有延伸出凹槽472的端部，且在其中钻通两个穿通孔482。两个螺杆484穿过各自的穿通孔以使螺杆484能固定在磁体载体470中的有内螺纹的孔486中。两个如此组装的半圆形磁体载体470放置在环绕室壁414的环中并通过常规的固定装置固定它。该结构将磁体462直接临近室壁414的外部放置。
在Wei Wang的电磁线圈内产生的螺线管磁场比由永磁体的环形阵列产生的外围耦极子磁场在反映器室的直径范围内实际上更均匀。然而，如图13的剖视图中示出，通过用环绕在室壁外围布置的电磁线圈490的环形阵列来替换永磁体462，能够产生相似形状的耦极子磁场。线圈490通常关于各自平行于中央轴438的轴被缠绕成螺旋线型并被供电以产生与室内部的耦极子磁场一致的磁场。这种设计具有能够快速调节辅助磁场强度以及磁场极性的优点。
该发明已经应用于铜的SIP溅射。虽然常规的SIP反应器溅射具有通过表面电阻测量确定的9％的不均匀性的铜膜，认为可以最优化辅助磁控管以在某些实施例中产生仅1％的不均匀性。通过在一些应用中减小沉积速率可以实现均匀性的改善，对于在深孔中的薄铜籽晶层的沉积，这可以通过在一些应用中的改进工艺控制获得。
虽然已经描述了本发明在SIP溅射反应器中的使用，可以有利地将辅助永磁体应用于其它靶和功率结构，诸如美国专利6251242的SIP反应器的拱环靶、美国专利6179973或Klawuhn等人在2000年7月/8月的J.Vac.Sci Technology上发表的“Ionized Physical-vapor DepositionUsing a Hollow-cathode Magnetron Source for Advanced Metallization”中的空心-阴极靶、美国专利6045547的电感耦合IMP反应器或自离子溅射(SIS)系统，该系统利用例如在由Wada等人在IEEE 2000上发表的“Cu Dual Damascene Process for 0.13 micrometer TechnologyGeneration using SelfIon Sputtering(SIS)with Ion Reflector”中描述的离子反应器控制到衬底的离子流。也可以使用其它磁控管结构，诸如平衡磁控管(balanced magnetron)和固定磁控管。此外，辅助磁体的极性可以平行或反平行于顶部磁控管的外部磁极的磁极性。可以溅射其它材料，包括铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、钴(Co)、钨(W)等以及这些金属中的一些难熔金属的氮化物。
因此辅助磁体阵列提供用于磁控管溅射的磁场的额外控制。然而，为了获得具有部分中性流(netral flux)的更深孔的涂层，期望增加靶416与晶片424之间的距离，即，为了以长投掷方式操作。如上面关于图4的室所讨论的，在长投掷中，靶至衬底的间距一般大于衬底直径的一半。当用于SIP铜籽晶沉积时，对于200mm晶片，其优选大于晶片直径的140％(例如290mm的间距)，对于300mm晶片，大于130％(例如400mm间距)，但是认为包括大于衬底直径的90％和大于100％的大于80％的间距也是适合的。对于许多应用，认为50至1000mm的靶至晶片间距是适合的。在常规溅射中的长投掷减小了溅射沉积速率，但是离子化的溅射颗粒不会遭受这么大的减小。
通过图4的室和图10的室制造的结构的一个实施例为在图14a的截面中示出的通路。在促进SIP和ICP的条件下，通过图10的室在图4的室中在衬里层上形成的通路孔494中沉积籽晶铜层492，该衬里层可以包括一层或多层阻挡层和衬里层，诸如前述的TaN阻挡层351、364和Ta衬里层371、374。SIP铜层492可以沉积至，例如50至300nm或更为优选的80至200nm的覆层厚度(blanket thickness)。SIP铜籽晶层492优选在通路侧壁上具有2至20nm范围内的厚度，更为优选地在7至15nm。考虑到窄孔，对于某些应用，超过50nm的侧壁厚度不是最理想的。在一些应用中通过将底座温度降低至低于0摄氏度且优选低于-40摄氏度来改善膜的质量。在这种应用中，快速SIP沉积是有利的。
如果，例如，将溅射室410构造成用于铜层的沉积，采用铜靶416。在操作中，操作耦合于室排气口的节流阀放置在中间位置以便于在工艺气体引入室之前将沉积室410保持在大约1×10-8托的期望的低真空度下。为了开始在溅射室410内处理，氩气经由气体入口428流入溅射室410。为了在长投掷SIP室中沉积铜籽晶，优选非常低的压力，诸如0-2毫托。在示出的实施例中，0.2毫托的压力合适。通过DC电源434向铜靶416施加DC功率(同时气体混合物通过气体入口360继续流入溅射室410且经由适合的泵从其中泵压出)。对于铜靶，施加到靶416的功率范围对于200mm的晶片在20-60千瓦的范围内。在一个例子中，电源434可以在-600VDC下向铜靶416施加38千瓦功率。对于诸如300mm的较大晶片，预测到诸如56千瓦的较大值是适合的。根据特定的应用，也可以使用其它值。
施加到靶416的DC功率使氩形成SIP等离子体并产生氩离子，氩离子被吸引到并轰击靶416，使靶材料(例如铜)从其中射出。射出的靶材料传播至并沉积在由底座422支撑的晶片424上。根据SIP工艺，由不平衡磁控管产生的等离子体离子化部分溅射的铜。通过调节施加到衬底支撑底座422的RF功率信号，可以在衬底支撑底座422与等离子体之间产生负偏压。
对于铜籽晶沉积，施加到底座422的功率可以在0-1200瓦的范围内。在一个例子中，对于200mm的晶片，RF电源454可以向底座422施加300瓦功率。对于诸如300mm的较大晶片，预测较大的值是适合的。根据特定的应用，可以使用其它值。
在衬底支撑底座422与等离子体之间的负偏压使铜离子和氩离子朝向底座422和支撑在其上的任意晶片加速。因此，根据SIP溅射，中性的和离子化的铜都可以沉积在晶片上提供良好的底部、侧壁和上侧壁覆盖。另外，可以通过氩离子溅射蚀刻晶片，同时来自靶416的铜材料沉积在晶片上(即同时沉积/溅射蚀刻)。
如果希望底部再分布，在籽晶层492沉积之后或期间，可以通过氩等离子体溅射蚀刻或再溅射通路494底部496的籽晶层492的部分，如图14B中所示。可以再分布底部496以增加铜籽晶层的底部拐角区域498的覆盖厚度，如图14B中所示。在许多应用中，优选铜籽晶层底部496不完全被除去以提供遍及通路的充分籽晶层覆盖。
优选在该再溅射步骤中通过向靶以及底座施加功率产生氩等离子体作为SIP等离子体。经由电场(例如经由图10的第二RF电源454施加到衬底支撑底座422的RF信号，该信号产生负的自偏压以形成在底座上)，SIP氩离子被朝向籽晶层492加速，轰击籽晶层492，并根据动量转移，从通路孔的底部溅射籽晶层材料并将其沿着覆盖通路349底部拐角的籽晶层492的部分498再分布。
氩离子在基本上垂直于衬底的方向上被吸引到衬底上。结果，几乎不发生通路侧壁的溅射，而主要发生通路底部的溅射。值得注意的是，在该实施例中的溅射室410(图10)内的铜籽晶层的再溅射期间，施加到底座422的功率可以增加至较高值，诸如600-1200瓦，或例如900瓦，以促进铜籽晶层底部的再分布。这样在该例子中，底座功率从低于600瓦(例如300瓦)的水平上升至大于600瓦(例如900瓦)的水平以提高再溅射的再分布效果。
在另一实例中，施加到靶416的功率可以减小至较低值，诸如30千瓦以下或例如28千瓦，以便于抑制从靶416的沉积以促进铜籽晶层底部的再分布。低靶功率电平而不是无靶功率，可以提供更均匀的等离子体且这在为了籽晶层底部再分布而减小靶功率的那些实施例中，目前是优选的。因此，在该实例中，靶功率从高于30000(例如38千瓦)的电平降至低于30000瓦(例如28千瓦)的电平以提高再溅射。
在又一实例中，执行铜籽晶层底部的再溅射，同时在整个铜籽晶层进行沉积以便于在籽晶层沉积期间靶和底座功率电平保持相对不变(诸如分别为38千瓦和300瓦)。在另一实施例中，靶功率减小可以替换或者结合底座功率增加以促进籽晶层底部再溅射。
再溅射工艺参数的特定值可以根据特定应用而变化。未决或公布申请08/768058、09/126890、09/449202、09/846581、09/490026和09/704161描述了再溅射工艺，这里将其全部并入以作参考。
SIP铜籽晶层492具有良好的底部和侧壁覆盖以及提高的底部拐角覆盖。在铜籽晶层492沉积之后，如图1，优选利用籽晶层492作为一个电镀电极，通过电化学镀，用铜层18填充孔。选择地，SIP铜籽晶层492的平滑结构还促进回流(reflow)或通过标准溅射或物理气相沉积(PVD)的铜的较高温度的沉积。
图4和10的室利用离子化的和中性的原子流。如美国专利No.6398929(attorney docket No.3920)中描述的，这里将其全部并入以作参考，在DC磁控管溅射反应器中的离子化和中性原子流之间的分布可以适合于在电介质层中的孔中产生有利的层。可以通过其自身或结合通过在溅射的铜形核层上通过化学气相沉积(CVD)沉积的铜籽晶层来使用这种层。铜衬里层作为电镀铜的薄籽晶层特别有用。
现有技术的DC磁控管溅射反应器已经涉及常规的工作气体溅射或持续自溅射。两种方法强调不同的溅射类型。在另一方面，优选用于铜衬里的反应器结合现有技术的多个方面来控制在离子化铜原子和中子之间的分布。在图15的示意性剖视图中示出这种反应器550的实例。图4、10和13的反应器可以利用图15的反应器的这些方面，图15的反应器也基于来自加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料有限公司的提供的Endura PVD反应器的变形(modification)。反应器550包括真空室552，真空室552通常由金属构成且电接地、通过靶隔离体554密封于PVD靶556，靶556具有至少要被溅射沉积到晶片558上的材料构成的表面部分，在这种情况中为铜或铜合金。合金元素一般占小于5wt％，如果另外形成合适的阻挡层，可以使用近纯铜。晶片夹具560将晶片558夹持在底座电极562上。在底座562中的未示出的电阻加热器、制冷沟道和热传递气体腔使底座温度能被控制在小于-40摄氏度的温度，由此使晶片温度能被相似地控制。
通过第二电介质屏蔽隔离体568分离的浮置屏蔽564和接地屏蔽566容纳在室552中以保护室壁552不受溅射材料影响。接地屏蔽566还充当相对于阴极靶556的阳极接地层平面，由此电容性支撑等离子体。一些电子沉积在浮置屏蔽564上，这样负电荷在那堆积。负电势不仅进一步抵制电子沉积，还将电子限定在主等离子体区域中，这样减小电子损失，维持低压溅射且增加等离子体密度。
在图16的分解示意图中示出靶和屏蔽的细节。靶556包括铝或钛靶背衬板570，其与铜靶部分572焊接或扩散焊接在一起。背衬板570的凸起(flange)573放置在上面且其通过聚合靶O-环574真空密封至靶隔离体554，靶隔离体优选由诸如氧化铝的陶瓷构成。靶隔离体554放置在上面，且其与背衬板570通过适配器O-环575密封至室552，其实质上可以为密封至室主体的铝适配器。金属夹具环576在其内半径侧上具有向上伸展的环形边(rim)577。未示出的螺栓将金属夹具环576固定于室552的向内延伸的凸缘(ledge)578并将接收接地屏蔽566的凸起579。由此，接地屏蔽566机械且电连接于接地室552。
屏蔽隔离体568放置在夹具环576上且可以由诸如氧化铝的陶瓷材料加工。其紧密但与较小宽度相比具有近似于165mm的相对较大的高度以在反应器温度循环期间提供强度。屏蔽隔离体568较低的部分具有适合于夹具环576的环形边的内部环形凹槽。边577不仅充当相对于夹具环576屏蔽隔离体568的中央内部直径还充当防止在陶瓷屏蔽隔离体568与金属环夹具576之间的滑动表面580产生的任何颗粒到达主处理区的阻挡层。
浮置屏蔽564的凸起581自由放置在屏蔽隔离体568上，并且在其向下延伸进形成在屏蔽隔离体568的上面外部拐角的环形凹槽的外部上具有突出部(tab)或边582。由此，突出部582相对于在屏蔽隔离体568外径的靶556处于浮置屏蔽564的中央。屏蔽突出部582与屏蔽隔离体568通过窄间隙分离，该窄间隙足够小以对准等离子体暗区又足够大以防止屏蔽隔离体568堵塞，而浮置屏蔽581放置在突出部582的内侧和上面的滑动接触区域583中的屏蔽隔离体568上。
窄沟道584形成在浮置屏蔽564的头585与靶556之间。其具有大约2mm的宽度以充当等离子体暗区。窄沟道584继续在路径中延伸，甚至比示出更向内，过向下投射背衬板凸起574的脊(ridge)586至屏蔽头585与靶隔离体554之间的上背衬间隙584a。这些元件的结构和它们的特性相似于由Tang等人在1998年10月30日提交的美国专利申请09/191253中公开的结构和特征。上背衬间隙584a在室温下具有大约1.5mm的宽度。当屏蔽元件被温度循环时，他们易于变形。具有小于邻近靶556的窄沟道584的宽度的上背衬间隙584a足以保持窄沟道584中的等离子体暗区。背衬间隙584a继续向下至屏蔽隔离体568与内侧和外侧上的室主体552上的环夹具576之间的下背衬间隙584b。下背衬间隙584b用作收集在陶瓷屏蔽隔离体568与夹具环576以及浮置屏蔽564之间的滑动表面580、583产生的陶瓷颗粒的腔体。屏蔽环隔离体568另外包括在其上内部拐角上的浅凹槽以收集来自其径向向内的侧面上的滑动表面583的陶瓷颗粒。
浮置屏蔽564包括宽的上圆柱部分588，该上圆柱部分从突起581向下延伸并连接于其下端穿过过渡部分592至较窄的下圆柱部分590。相似地，接地屏蔽566具有其外侧的且比浮置屏蔽564的上圆柱部分588宽的较宽的上圆柱部分594。接地上圆柱部分594在其上端部上连接于接地屏蔽突起580而在其下端通过过渡部分598连接至窄的下圆柱部分596，过渡部分598近似沿室的径向延伸。接地下圆柱部分596安装在外面且因此比浮置下圆柱部分590宽，但通过大约3mm的径向间隔，其小于浮置上圆柱部分564。两个过渡部分592、598都垂直或水平偏移。由此在浮置与接地屏蔽564、566之间形成曲折窄沟道600，在接地下圆柱部分596与浮置上圆柱部分564之间的偏移确保不离开两个垂直沟道部分之间的视线。沟道600的一个目的是电隔离两个屏蔽564、566同时保护夹具环576和屏蔽隔离体568不受铜沉积。
屏蔽564、566的下圆柱部分590、596之间的沟道600的下部具有4∶1或更大的纵横比，优选为8∶1或更大。沟道600的下部具有0.25cm的宽度和2.5cm的长度，且优选范围在0.25至0.3cm与2至3cm。由此，渗透沟道600的任何铜离子和散射的铜原子很可能必须从屏蔽反弹几次且至少在它们发现它们进一步朝向夹具环576和屏蔽隔离体568的路之前被上接地圆柱部分594停止。任意一次反弹很可能导致离子被屏蔽吸收。在两个过渡部分592、598之间的沟道600中的两个相邻90度转弯或弯曲还将屏蔽隔离体568与铜等离子体隔离。采用60度弯曲或45度弯曲可以获得相似但减弱的效果，但是更为有效的90度弯曲更容易形成于屏蔽材料中。90度转弯还遮蔽夹具环576和屏蔽隔离体568免受铜颗粒的直接辐射。已经发现铜优先在浮置过渡部分592的底部水平表面上和在一个90度转弯的短部的垂直上接地圆柱部分594上沉积。同样，在接地屏蔽566的水平过渡部分598上的处理期间，回旋沟道600收集由屏蔽隔离体568产生的陶瓷颗粒。很可能这样收集的颗粒通过也在那收集的铜粘贴(pasted)。
返回图15的大视图，接地屏蔽566的下圆柱部分596继续向下至恰好在支撑晶片558的底座562的后面。接地屏蔽566然后继续径向向内至碗状部分602且在最内侧的圆柱部分604中垂直向上以近似于晶片558的高度，但与底座562的径向外侧间隔开。
屏蔽564、566一般由不锈钢构成。且它们的内侧可以被喷丸处理或另外使其变粗糙以促进溅射沉积在其上的铜的粘合。然而，在某一点，在延长的溅射期间，铜堆积至很可能剥落的厚度，产生有害的颗粒。在到达该点之前，应该清洗屏蔽或更为可能地用新屏蔽替换。然而，在多数维护周期中，不需要替换较昂贵的隔离体554、568。而且，由屏蔽的剥落而不由隔离体的电短路来决定维护周期。
如上所述，浮置屏蔽564堆积一些电子电荷并建立起负电势。由此抑制进一步到浮置屏蔽564的电子损失并由此限定等离子体更加接近靶556。Ding等人已经在美国专利5736021中公开了具有某些相似结构的相似效果。然而，图16的浮置屏蔽564具有下圆柱部分590，该部分590比Ding等人的相应部分更加远离靶556延伸，由此将等离子体限定在更大的体积内。然而，浮置屏蔽564将接地屏蔽566与靶556电屏蔽，以便于其不会延伸离靶556太远。如果太长，则很难轰击等离子体，但是如果太短，会增加电子损失以至于不能在低压下维持等离子体，且等离子体密度下降。已经发现最优化的长度，在该长度，如图16中所示，浮置屏蔽566的底部顶点606与靶556的面间隔开6cm，浮置屏蔽566的总轴向长度为7.6cm。对于最小的压力测试三种不同的浮置屏蔽，在该压力下保持铜溅射。对于1千瓦和18千瓦的靶功率，结果在图17中示出。横坐标表示总屏蔽长度，在屏蔽顶点606与靶556之间的间隔小于1.6cm。间隔优选的范围为5至7cm，但是长度为6.6至8.6cm。将屏蔽场度延伸至10cm，只略微减小了最小压力，但是增加了轰击等离子体的难度。
再次参考图15，可选择的DC电源610相对于接地屏蔽566将靶556负偏压至大约-400至-600VDC，以点火并保持等离子体。在1与5千瓦之间的靶功率一般用于点火等离子体而大于10千瓦的功率优选用于这里描述的SIP溅射。通常，底座562且因此晶片558被置于电浮置，而负的DC自偏压仍然出现在其上。另一方面，一些设计使用可控的电源612来向底座562施加DC或RF偏压以进一步控制在其上出现的负DC偏压。在该测试的结构中，偏压电源612为在13.56MHz下工作的RF电源。可以使用高达600瓦的RF功率供给，对于200mm的晶片优选范围为350至550瓦。
气体源614通过质量流量控制器616向室552供给溅射工作气体，一般为化学不活泼惰性气体氩。可以将工作气体引入室的顶部，或如示出的，在其底部，任意一个具有一个或多个通过接地屏蔽566或通过接地屏蔽566、晶片夹具560和底座562之间的间隙618穿透孔的入口管。通过宽泵压口622连接于室552的真空泵系统620将室保持在低压下。虽然底部压力可以保持在大约10-7托或更低，工作气体的压力在常规溅射期间一般保持在大约1与1000毫托之间，而在SIP溅射中低于大于5毫托。基于计算机的控制器624控制包括DC靶电源610、偏压电源612和质量流量控制器616的反应器。
为了提供有效的溅射，磁控管630定位在靶556的背面。连接于磁轭636并由其支撑的极性相反的磁体632、634。在室552内磁体产生临近磁控管630的磁场。磁场俘获电子，而对于电荷中性，离子密度也增加以形成高密度等离子体区638。通常通过马达驱动轴642关于靶556的中心640旋转磁控管630，以在靶556溅射中获得完全覆盖。为了获得充足离子密度的高密度等离子体638以允许铜的持续自溅射，必须使传送到临近磁控管630的区域的功率密度高。这可以通过增加从DC电源610的传送的功率电平并通过减小磁控管630的面积例如三角形或跑道形面积来获得，如Fu在上述引用的专利中描述的那样。一个以其近似与靶中心640重合的顶点旋转的三角形磁控管601，在任何时候仅覆盖靶的大约1/6。1/4的覆盖在能够SIP溅射的商用反应器中为优选的最大值。
为了减少电子损失，通过内部磁体632和未示出的磁极面表现的内部磁极应该没有显著的孔且由通过外部磁体634和未示出的磁极面表示的连续的外部磁极包围。而且，为了将离子化的溅射颗粒导向晶片558，外部磁极必须比内部磁极产生更高的磁通量。延伸的磁场线俘获电子且因此将等离子体延伸到更接近于晶片558。磁通量比应该至少为150％且优选大于200％。Fu的三角形磁控管具有25个外部磁体和6或10个相同强度但极性相反的内部磁体。
当将氩引入室中时，在靶556与接地屏蔽566之间的DC电压差将氩点火成为等离子体，且带正电荷的氩离子被吸引到带负电荷的靶556。离子在足够的能量下轰击靶556并产生要从靶556上溅射的靶原子或原子团。一些靶颗粒轰击晶片558并由此沉积在其上，由此形成靶材料膜。在金属氮化物的反应溅射中，还另外将氮气引入室中，且氮与溅射的金属原子反应以在晶片558上形成金属氮化物。
示出的室能够自离子化溅射铜，包括持续自溅射。在这种情况中，在已经点火等离子体之后，在SSS的情况中可以停止氩供给，而铜离子具有足够高的密度以大于一(unity)的收益再溅射铜靶。可选择地，可以继续供给一些氩，但是在减小的流速和室压力且或许以足够的靶功率密度支撑纯持续自溅射，但是仍然有显著的但减小的自溅射的分数(fraction)。如果氩压力增加至显著地大于5毫托，氩会从铜离子除去能量，这样将减少自溅射。晶片偏压吸引离子化的铜颗粒部分深深地进入孔中。
然而，为了获得部分中性流的较深孔涂层，期望增加靶556与晶片558之间的距离，即在长投掷方式下操作。在长投掷中，靶至衬底间隔一般大于衬底直径的一半。使用时，优选大于晶片直径的90％，但是认为包括大于100％和140％的大于衬底直径的80％的间隔也是可以适用的。在实施例的实例中提及的投掷是针对200mm的晶片。在常规溅射中的长投掷减小溅射沉积速率，但是离子化的溅射颗粒不遭受这样大的减少。
在常规(氩基)溅射与持续自溅射(SSS)之间的受控制的划分允许在中性和离子化溅射颗粒之间的分布控制。这种控制特别有利于在高纵横比通路孔中的铜籽晶层的溅射沉积。溅射原子的电离分数(ionization fraction)的控制称之为自离子化等离子体(SIP)溅射。
由本发明制造的结构的一个实施例为在图18中的剖视图中示出的通路。例如利用图15的长投掷溅射反应器，且在促进SIP的条件下，在阻挡层24上的通路孔22中沉积籽晶铜层650。例如可以沉积SIP铜层650至50至300nm或更优选80至200nm的覆层厚度。SIP铜籽晶层650在通路侧壁上优选具有2至20nm范围的厚度，更优选7至15nm。考虑到窄孔，侧壁厚度不应该超过50nm。通过将底座的温度降低至小于0摄氏度且优选小于-40摄氏度来改善膜的质量，以便于通过快速SIP沉积提供的冷却变得重要。
SIP铜籽晶层650具有良好的底部覆盖以及提高的侧壁覆盖。已经在实验上观察到比直接在阻挡层24上沉积的IMP或CVD更平滑。在沉积铜籽晶层650之后，用铜层118填充孔，如图1中，优选通过利用籽晶层650作为一个电镀电极的电化学镀。然而，SIP铜籽晶层650的平滑结构还促进通过标准溅射或物理气相沉积(PVD)的铜的回流或高温沉积。
在诸如将籽晶层SIP沉积在1.2μm氧化物的0.20μm宽的通路孔中进行几个试验，采用290mm的靶至衬底间隔，小于0.1毫托的室压力(表示SSS模式)和用601三角形磁控管施加的14千瓦的DC功率，在氧化物的顶部上产生0.2μm的铜覆层厚度的沉积在通路底部上产生18nm而在通路侧壁上产生大于12nm的铜覆层厚度。一般为30s和更短的沉积时间。当靶功率增加至18千瓦，底部覆盖增加至37nm，在侧壁厚度中没有有显著的变化。较高功率下的较高的底部覆盖表明较高的电离分数。对于这两种情况，观察到沉积的铜膜比IMP或CVD铜更光滑。
与不大于0.2μm/min的IMP沉积速率相比，SIP沉积，相对较快，在0.5至1.0μm/min之间。快沉积速率导致短沉积周期，同时，不存在氩离子加热，显著地减小热预算。认为低温SIP沉积产生非常平滑的铜籽晶层。
使用290mm的投掷与Fu利用十个内部磁体和二十五个外部磁体的标准三角形磁控管。在各种条件下，测量离子流量作为离靶中心的半径的函数。在图19的图中描绘了该结果。对于16千瓦的靶功率和0毫托的室压测量曲线660。对于18千瓦的靶功率和0、0.2与1毫托的室压分别测量曲线662、664、666。与小于109cm-3的常规的磁控管和溅射反应器相比，这些电流相应于在1011与1012cm-3之间的离子密度。还是用零压力条件来测量铜电离分数。空间相关性与在大约DC靶功率的直接相关性的10％与20％之间改变的电离分数近似相同。相对较低的电离分数表明没有长投掷的SIP具有中性铜流量的大分数，其具有常规PVD的不利的深填充特性。结果表明，由于增加的离子化，为获得更好的台阶覆盖(step coverage)，优选在较高功率下操作。
然后重复测试，Fu磁控管中的内部磁体的数量减小至6。即，第二磁控管在磁通量中具有改善的均匀性，这促进了朝向晶片的均匀溅射的离子通量(ion flux)。结果描绘在图20中。曲线668显示对于12千瓦靶功率和0毫托压力的离子流通量；曲线670显示对于18千瓦离子流通量。对于14千瓦和16千瓦的曲线居中。因此，改造的磁控管产生穿过晶片的更均匀的离子流，这再次取决于具有优选较高功率的靶功率。
10％至20％的相对低的电离分数表明中性铜的实际通量相当于IMP的90％至100％。同时，晶片偏压将铜离子深深地导向孔中，与铜中性一样实现长投掷。
使用一组测试来确定投掷和在溅射颗粒分布上的室压力的结合效果。在零室压下，140mm的投掷产生大于45度的分布，190mm的投掷，大约35度；290mm的投掷，大约25度。对于190mm的投掷，压力是可变的。中央分布保持在大约0、0.5和1毫托。然而，低电平末端被推至几乎101的最高压力，表明有一些颗粒被散射。这些结果表明在5毫托下获得可接受的结果，但优选的范围为小于2毫托，更为优选的范围为小于1毫托，且最为优选的范围为0.2毫托和更小。同样，如期望的那样，长投掷分布最好。
在高纵横比的孔中沉积的SIP膜具有良好的上侧壁覆盖且不易出现伸出物。另一方面，在这种孔中沉积的IMP膜具有较好的底部和底部拐角覆盖，但侧壁膜易于具有较差的覆盖并且粗糙。可以通过利用两步铜籽晶溅射沉积来结合这两类溅射的优点。在第一步骤中，在产生高密度等离子体的IMP反应器中沉积铜，例如通过使用RF电感电源。示例的沉积条件为20至60毫托的压力、1至3千瓦的RF线圈功率、1至2千瓦的DC靶功率和150瓦的偏压功率。第一步骤提供良好的尽管粗糙的底部和底部侧壁覆盖。在第二且优选随后的步骤中，在上面描述的类型的SIP反应器中沉积铜，产生更小角度的铜离子化。示例性沉积条件为1托的压力、18至24千瓦的DC靶功率和500瓦的偏压功率。第二步骤提供良好平滑的上侧壁覆盖且还使已经沉积的IMP层平滑。对于两个步骤的覆层沉积厚度优选对于IMP沉积为50至100nm，对于SIP层为100至200nm。覆层厚度可以为30∶70至70∶30的比率。可选择地，可以在IMP层之前沉积SIP层。在通过两步工艺溅射沉积铜籽晶层之后，例如通过电镀填充孔的剩余部分。
对于很窄的高纵横比的通路，SIP侧壁覆盖可能是问题。正在研发对于0.13μm的通路或更小的技术。在大约100nm的覆层厚度下，侧壁覆盖变得不连续。如图21的剖视图中示出，不利的几何图形会使SIP铜膜680形成为包括在通孔侧壁30上的空隙或其它缺陷682的不连续的膜。缺陷682缺乏铜或以至不能局部充当电镀阴极的薄铜层。然而，SIP铜膜680与缺陷682平滑分开且形核良好。在这些有挑战性的几何形状中，在SIP铜形核膜680上沉积铜CVD籽晶层684是有利的。因为通过化学气相沉积来沉积，其通常保形且由SIP铜膜680良好形核。CVD籽晶层684修补缺陷682并为后面的铜电镀提供连续的、不粗糙的籽晶层以完成孔22的填充。可以在用于铜沉积的CVD室中，诸如来自应用材料有限公司的利用前述热处理的CuxZ室，沉积CVD层。
进行试验，其中在选择的SIP铜形核层和IMP形核层上沉积20nm的CVD铜。与SIP结合产生相对平滑的CVD籽晶层，而与IMP结合在CVD层产生可达到不连续程度的更粗糙的表面。
CVD层684可以沉积至例如5至20nm范围内的厚度。然后通过其它方法用铜来填充孔的剩余部分。通过CVD铜在SIP铜的形核层的顶部上产生的非常平滑的籽晶层，通过电镀或常规PVD技术在正在研发的窄通路中提供有效的铜孔填充。特别对于电镀，平滑的铜形核与籽晶层提供连续的且几乎均匀的用于向电镀工艺供电的电极。
在具有非常高的纵横比的通路或其它孔的填充中，免除电镀和替换是有利的，如图22的剖视图中示出的，在SIP铜形核层680上沉积足够厚的CVD铜层688以完全填充通路。CVD填充的优点是消除分离电镀步骤的需要。同样，电镀需要很难在低于0.13μm的孔宽下控制的流体流。
本发明的该实施例的双层铜的优点是允许以相对较低的热预算进行铜沉积。钽在较高的热预算下易于与氧化物反润湿。IMP具有许多用于深孔填充的相同覆盖优点，但是IMP易于在更高的温度下操作因为它产生高能氩离子的高通量，氩离子将它们的能量消耗在要沉积的层中。而且，IMP总是将一些氩植入沉积的膜中。相反，在相对较高的速率下，沉积相对较薄的SIP层，并且因为不存在氩，SIP工艺不固有地热。同样，SIP沉积速率比IMP更快，以便任何热沉积都更短，至因子的1/2。
通过SIP等离子体的凉点火还减小热预算。凉等离子体点火和处理工序在图23的流程图中示出。在晶片已经通过负载锁阀(load lockvalve)插入进溅射反应器中之后，负载锁阀关闭，且在步骤690中，平衡气体压力。氩室压力上升至用于点火的压力，一般在2与大约5至10毫托之间，且将氩背侧冷却气体供给大约在5至10托的背侧压力下的晶片的背部。在步骤692中，用低电平靶功率点火氩，一般在1至5千瓦的范围内。在探测到等离子体点火后，在步骤694中，室压快速下降，例如超过3s，靶功率保持在低电平。如果计划持续自溅射，关闭室氩供给，但是等离子体继续在SSS模式下。对于自离子化的等离子体溅射，减小氩供给。背侧冷却气体继续供给。一旦减小氩压力，在步骤696中，靶功率快速上升至预期的溅射电平，例如10至24千瓦，或对于选择SIP或SSS溅射的200mm的晶片更大。通过同时减小压力并上升功率能够合并步骤694、696。在步骤698中，继续在选择的电平下对靶施加功率一定时间长度，该时间长度为溅射沉积选择厚度的材料所需要的时间长度。该点火工序比利用点火的预期溅射功率电平更凉。如果在期望的用于溅射沉积的较高功率电平下继续，较高的氩压力促进点火但是会有害地影响溅射的中性粒子。在较低的点火功率下，由于在减小功率下的低沉积速率，沉积的铜非常少。同样，底座冷却保持通过点火工艺冷却的衬底。
本发明的设备和工艺的许多特征可以应用于不包含长投掷的溅射中。
虽然本发明目前对铜级间金属化和阻挡层以及衬里层的沉积特别由用，本发明的不同方面可应用于溅射其它材料并为了其它目的。
如在2002年7月25日提交的未决申请序号为No.10/202778(Attorney Docket No.4044)中描述的，这里将其全部并入以作参考，可以在相似于室152(图4)的产生SIP和ICP等离子体的溅射室中沉积互连层。如果在诸如室152的室中沉积，靶156将由沉积材料形成，例如铜。另外，特别是如果期望线圈溅射用于互连金属沉积的一些或全部，ICP线圈151也可以由相同的沉积材料形成。
如前所述，示出的室152能够包括持续自溅射的铜自离子化溅射。在这种情况中，在已经点火等离子体之后，在SSS的情况中关闭氩供给，且铜离子具有足够的高密度以大于1的收益再溅射铜靶。可选择地，可以继续供给一些氩离子，但是在减小的流速和室压下且或许具有不足以支撑纯持续自溅射的靶功率密度，然而具有显著而减小的自溅射分数。如果氩压力显著增加至5毫托之上，氩会从铜离子上去除能量，由此减小自溅射。晶片偏压将铜颗粒的电离的部分深深地吸进孔中。
然而，为了使用部分中性通量获得较深孔涂层，期望增加靶156与晶片158之间的距离，即为了在上述长投掷模式中操作。在自离子化等离子体(SIP)溅射、电感耦合等离子体(ICP)溅射和持续自溅射(SSS)中的受控划分允许控制中性与离子化溅射颗粒之间的分布。这种控制特别有利于在高纵横比的通路孔中的铜籽晶层的溅射沉积。通过混合自离子化等离子体(SIP)溅射和电感耦合等离子体(ICP)溅射可以获得溅射的电离分数的控制。
根据本发明的结构的一个实施例是图24中的剖视图中示出的通路。例如利用图4中示出的长投掷溅射反应器类型并在促进合并SIP和ICP和/或选择SIP和ICP二者中的一个的条件下，在通路孔702中的衬里层704(其可以包括一层或多层阻挡层和衬里层，诸如前述的TaN阻挡层和Ta衬里层)上沉积铜籽晶层700。这里，反应器会具有靶，该靶包括铜或其它籽晶层沉积材料。例如，可以将SIP-ICP铜层700沉积至50至300nm或更优选的80至200nm的覆层厚度。SIP-ICP铜籽晶层700在通路侧壁上优选具有2至20nm范围的厚度，更优选为7至15nm。对于窄孔，侧壁厚度不应该超过50nm。通过降底座的温度降低至小于0摄氏度且优选小于-40摄氏度来改善膜质量，以便于由快速SIP沉积提供的冷却变得重要。
认为SIP-ICP铜籽晶层700具有良好的底部覆盖和提高的侧壁覆盖。如下面的详述，可以在分离的步骤中或在初始沉积期间再溅射铜籽晶层700以再分布铜沉积材料来增加在通路的内侧底部拐角覆盖，同时通常在通路底部的中央部分留下较薄的覆盖。在沉积铜籽晶层700之后(如果需要，且再分布)，优选通过电化学镀利用籽晶层700作为一个电镀电极，用相似于图14b的铜层347b’的铜层填充孔。然而，SIP-ICP铜籽晶层700的平滑结构还促进通过标准溅射或物理气相沉积(PVD)的铜的回流或高温沉积。
在一个实施例中，可以在一个步骤中结合SIP和ICP沉积技术的选择方面的工艺中，形成SIP-ICP层，该步骤在这里通常称之为SIP-ICP步骤。另外，根据选择实施例的反应器715，除线圈151之外，还具有第二线圈716，如图25中所示。以与线圈151相同的方式，线圈716的一端通过引线支座181穿过暗区屏蔽164’电感耦合至放大器和匹配网络717的输出(图26)。匹配网络717的输入耦合至RF发生器718。线圈716的另一端通过引线支座182穿过屏蔽164’经由级间耦合电容器719电感耦合至地线，以将DC偏压提供在线圈716上。可以通过分离的DC源721来控制DC偏压。
在ICP或合并的SIP-ICP步骤中，例如，在1-3千瓦且2MHz的频率下，向RF线圈151与716的一个或两个施加RF能量。线圈151和716被施加功率时，将RF能量电感耦合至反应器的内部。通过线圈提供的RF能量离子化诸如氩的前体气体以在相对较高的压力下保持等离子体来离子化溅射的沉积材料。然而，胜于在相对较高的压力下保持等离子体，一般对于高密度IMP工艺的诸如20-60毫托，压力优选保持在充分低的压力，例如，诸如2毫托。结果，认为在反应器150内的离子化速率基本上低于一般高密度IMP工艺的离子化速率。
而且，如上面讨论的，示出的反应器150还能够在长投掷模式下自离子化溅射。结果，沉积材料可以不仅被离子化作为通过RF线圈保持的低压等离子体的结果，还可以作为通过靶的DC磁控管溅射自产生的等离子体的结果。认为合并的SIP和ICP离子化工艺可以提供用于良好底部拐角覆盖的充足的离子化材料。然而，还认为通过RF线圈151和716提供的低压等离子体的较低的离子化速率使充足的中性溅射材料能保持非离子化，以便于通过反应器的长投掷能力沉积在上侧壁上。因此，认为离子化沉积材料的合并的SIP和ICP源可以提供良好的上侧壁覆盖以及良好的底部与底部拐角覆盖。在另一实施例中，可以交替改变到线圈151和716的功率以便于在第一步骤中，相对于到下线圈151的功率，消除或减小到上线圈716的功率。在该步骤中，电感耦合等离子体的中心从靶偏移开并接近于衬底。这种布置可以减小临近靶产生的自离子化等离子体与通过一个或多个线圈保持的电感耦合等离子体之间的相互作用。结果，可以保持较高比例的中性溅射材料。
在第二步骤中，可以将功率反向，以便相对于施加到上线圈716的功率消除或减小到下线圈151的功率。在该步骤中，电感耦合等离子体的中心可以朝向靶偏移并离开衬底。这种布置可以增加离子化溅射材料的比例。
在另一实施例中，在两步或多步中形成该层，其中在一步中，这里一般称之为SIP步骤，很少或没有RF功率被施加到任意一个线圈。另外，将压力保持在相对较低的水平，例如5毫托，更为优选的低于2毫托，例如诸如在1毫托。而且，施加到靶的功率会相对较高，例如，诸如在18-24千瓦DC的范围内。例如在500瓦的功率电平下，还向衬底支撑体施加偏压。在这些条件下，认为沉积材料的离子化会主要作为自离子化等离子体(SIP)的结果发生。结合长投掷模式的反应器布置，认为可以获得具有低伸出(low overhang)的良好上侧壁覆盖。例如，在该初始步骤中沉积的层部分可以在1000-2000埃范围内。
在第二步骤中，这里一般称之为ICP步骤，且优选的在同一室中，向线圈151与716中的一个或两个施加RF功率。另外，在一个实施例中，压力充分上升以便于保持高密度等离子体。例如，压力可以上升至20-60毫托，施加到线圈的RF功率上升至1-3千瓦的范围内，施加到靶的DC功率减小至1-2千瓦且到衬底支撑体的偏压减小至150瓦。在这些条件下，认为沉积材料的离子化会主要作为高密度ICP的结果发生。结果在第二步骤中可以获得良好的底部以及底部拐角覆盖。功率可以同时或交替地施加到两个线圈上，如上所述。
在通过合并SIP和ICP的工艺溅射沉积铜籽晶层之后，通过相同或另一工艺来填充孔的剩余部分。例如通过电镀或CVD来填充孔的剩余部。
应该意识到SIP和ICP步骤的顺序可以颠倒且在SIP步骤中一些RF功率可以施加到一个或多个线圈上，以及在ICP步骤中引入自离子化。另外，可以在一个或多个步骤中引入持续自溅射(SSS)。因此，可以根据特定的应用改变包括压力、功率和靶至晶片距离的工艺参数，以获得期望的结果。
如前所述，在线圈151和516中可以独立或一起操作。在一个实施例中，线圈一起操作，其中施加到一个线圈的RF信号关于施加到另一线圈的RF信号相位偏移以便于产生螺旋波。例如，可以通过波长的折射来相偏移RF信号，如在美国专利No.6264812中所述。
本发明的一个实施例包括优选在集成多室工具中实践的集成工艺，诸如在图27的平台示意图中示出的Endura 5500平台。Tepman等人在美国专利5186718中对该平台进行功能性描述。
将已经在电介质层蚀刻有通路孔或其它结构的晶片通过两个独立的负载锁定室(load lock chamber)732、734装载进和移出系统，负载锁定室732、734构造成将晶片从晶片盒送进和移出各自负载锁定室的系统。在将晶片盒装在进负载定锁室732、734之后，将室抽真空至适当低的压力，例如，在10-3至10-4托的范围内，且在负载锁定室与第一晶片传送室736之间的狭缝阀被打开。其后第一晶片传送室736的压力保持在低压。装载进第一传送室736的第一机械手738将晶片从盒传送至两个排气/定向室740、742中的一个，且然后至第一等离子体预清洗室744，其中氢或氩等离子体清洗晶片表面。如果要沉积CVD阻挡层，第一机械手738然后将晶片传送至CVD阻挡层室746。在CVD阻挡层沉积之后，机械手738将晶片传送进过渡室748，第二机械手750从那里将其传送至第二传送室752。狭缝阀将室744、746、748与第一传送室分离以便隔离处理和压力水平。
第二机械手750选择地将晶片传送至环绕周边布置的反应室或从反应室传送出。第一IMP溅射室754可用于沉积铜。相似于上面描述的室410的SIP溅射室756可用于SIP铜籽晶或形核层的沉积。该室在上述的一个步骤或多个步骤的工艺中结合用于底部和侧壁覆盖的SIP和用于改善底部拐角覆盖的再溅射。同样，至少部分阻挡层，例如，Ta/TaN，通过SIP溅射和线圈溅射以及ICP再溅射来沉积，且因此SIP-ICP溅射室760用于溅射难熔的金属，可能在反应的氮等离子体中。相同的SIP-ICP室760用于沉积难熔金属及其氮化物。CVD室758用于铜形核、籽晶或衬里层的沉积或完成孔的填充或二者。通过狭缝阀对第二传送室752选择地打开室754、756、758、760的每一个。使用不同的结构是可能的。例如，IMP室754可以由第二CVD铜室替代，特别是如果CVD用于完成孔填充。
在低压处理之后，第二机械手750将晶片传送至立即放置的热处理室762，如果在前的处理是热的或为需要金属化退火的快速热处理(RTP)室，该室762可以为冷却室。在热处理之后，第一机械手将晶片收回并将其传送回负载锁定室732、734中的一个中的盒中。当然，能够采用其它结构，根据集成工艺的步骤来实践本发明。
通过在控制总线772上操作的基于计算机的控制器770来控制整个系统以与同每个室相关的子控制器通信。通过可读介质774从控制器770中读取工艺配方，诸如可插入在控制器770的或在通信线路(communication link)776上的软磁盘或CD-ROM。
本发明的许多设备和工艺的特征可以应用于不包括长投掷的溅射。虽然本发明目前对于钽以及氮化钽衬里层沉积和铜级间(inter-level)金属化特别有用，本发明的不同方面可以应用于溅射其它材料和其它目的。2001年8月30日提交的临时申请No.60/316137涉及溅射和再溅射技术，这里将其全部并入以作参考。
当然，应该理解本发明在其各个方面中的修改对于本领域技术人员是显而易见的，一些只需要通过学习就是显而易见的，另一些为常规的机械和工艺设计。也可能是其它实施例，它们的特定设计取决于特定的应用。同样地，本发明的范围不应该由这里描述的特定实施例来限制而应该仅由附属的权利要求及其等同物来限定。

Claims (82)

1、一种将金属沉积在孔中的方法，所述孔具有至少4∶1的纵横比并在衬底的电介质层中形成，该方法包括：
在室中的电感耦合等离子体中，将包括金属的沉积材料溅射沉积到所述孔中；和
在室中的自离子化等离子体中，将包括金属的沉积材料溅射沉积到所述孔中。
2、如权利要求1所述的方法，进一步包括用金属填充所述孔。
3、如权利要求2所述的方法，其中所述填充包括电镀。
4、如权利要求1所述的方法，其中在自离子化等离子体中的所述溅射沉积在电感耦合等离子体中的所述溅射沉积之前。
5、如权利要求1所述的方法，其中在自离子化等离子体中的所述溅射沉积和在电感耦合等离子体中的所述溅射沉积在同一室中进行。
6、如权利要求4所述的方法，其中在电感耦合等离子体中的所述溅射沉积还包括在所述电感耦合等离子体中再溅射在所述自离子化等离子体中沉积的沉积材料。
7、如权利要求6所述的方法，其中所述再溅射包括除去沉积在所述孔底部上的沉积材料。
8、如权利要求1所述的方法，其中在自离子化等离子体中的所述溅射沉积沉积包括钽和氮化钽中的至少一种的沉积材料。
9、如权利要求1所述的方法，其中在自离子化等离子体中的所述溅射沉积沉积包括铜的沉积材料。
10、如权利要求1所述的方法，其中在电感耦合等离子体中的所述溅射沉积沉积包括钽和氮化钽中的至少一种的沉积材料。
11、如权利要求1所述的方法，其中在电感耦合等离子体中的所述溅射沉积沉积包括铜的沉积材料。
12、如权利要求1所述的方法，其中在电感耦合等离子体中的所述溅射沉积至少部分利用将线圈内部RF电感耦合至含有所述电感耦合等离子体的室，以形成所述电感耦合等离子体。
13、一种用于将金属沉积在孔中的工具，所述孔具有至少4∶1的纵横比并且在衬底的电介质层中形成，所述工具包括：
转移室；
IMP溅射室，其耦合于所述转移室并且适合于在所述IMP溅射室中形成电感耦合等离子体，并且适合在所述电感耦合等离子体中将包括金属的沉积材料溅射沉积在所述孔中；和
SIP室，其耦合于所述转移室并且适合于在所述SIP室中形成自离子化等离子体，并且适合在所述自离子化等离子体中将包括金属的沉积材料沉积在所述孔中。
14、如权利要求13所述的工具，其中所述SIP室具有围绕中央轴布置的侧壁；
用于在所述SIP室中支撑所述衬底的底座；
沿着所述中央轴与所述底座相对定位的溅射靶，在所述底座、所述靶和所述侧壁之间形成的处理间隔；
定位在与所述处理间隔相对的所述靶的一侧上的磁控管；和
设置成至少部分围绕所述处理间隔的具有沿着所述中央轴的第一磁极性的辅助磁体。
15、如权利要求14所述的工具，其中所述靶与所述底座通过大于衬底直径50％的投掷距离间隔开。
16、如权利要求13所述的工具，其中所述IMP室具有适合于支撑所述衬底并对其加偏压的底座，并且所述工具包括适合于控制所述底座对所述衬底施加偏压以将所述电感耦合等离子体的离子吸引至再溅射沉积材料的控制器。
17、如权利要求16所述的工具，其中所述再溅射包括除去沉积在所述孔底部上的沉积材料。
18、如权利要求13所述的工具，其中所述SIP室具有包括钽的溅射靶。
19、如权利要求13所述的工具，其中所述SIP室具有包括铜的溅射靶。
20、如权利要求13所述的工具，其中所述IMP室具有包括钽的溅射靶。
21、如权利要求13所述的工具，其中所述IMP室具有包括铜的溅射靶。
22、如权利要求13所述的工具，其中所述IMP室具有适合于将RF能量电感耦合至所述电感耦合等离子体的内部RF线圈。
23、一种在孔中形成互连的方法，所述孔具有至少4∶1的纵横比且在衬底的电介质层中形成，该方法包括：
在室中的自离子化等离子体中，将阻挡层溅射沉积在所述孔中；
在室中的电感耦合等离子体中，再溅射所述阻挡层的底部部分，以除去所述阻挡层底部部分的至少一部分；
在室中的自离子化等离子体中将衬里层溅射沉积在所述孔中的所述阻挡层上；
在室中的电感耦合等离子体中，再溅射所述衬里层的底部部分，以除去所述衬里层底部部分的至少一部分；
在室中的自离子化等离子体中，将籽晶层溅射沉积在所述孔中；和
在室中的自离子化等离子体中，再溅射所述籽晶层的底部部分，以再分布所述籽晶层底部部分的至少一部分。
24、如权利要求23所述的方法，还包括，在再溅射所述籽晶层之后，将导电金属填充进所述孔中。
25、如权利要求24所述的方法，其中所述填充包括电镀。
26、如权利要求23所述的方法，其中在自离子化等离子体中的所述溅射沉积阻挡层和衬里层与在电感耦合等离子体中的所述再溅射阻挡层和衬里层的底部部分在同一室中进行。
27、如权利要求23所述的方法，其中在自离子化等离子体中的所述溅射沉积籽晶层与在自离子化等离子体中的所述再溅射籽晶层的底部部分在同一室中进行。
28、如权利要求23所述的方法，其中在自离子化等离子体中的所述溅射沉积阻挡层沉积包括氮化钽的沉积材料。
29、如权利要求23所述的方法，其中在自离子化等离子体中的所述溅射沉积籽晶层沉积包括铜的沉积材料。
30、如权利要求23所述的方法，其中在电感耦合等离子体中的所述再溅射至少部分利用将线圈内部RF电感耦合至含有所述电感耦合等离子体的室，以形成所述电感耦合等离子体。
31、如权利要求23所述的方法，其中在自离子化等离子体中的所述再溅射至少部分利用辅助磁体，所述辅助磁体至少部分设置在靶与室中的衬底支撑底座之间的处理空间的周围，所述室具有中央轴，其中所述磁体具有沿所述中央轴的第一磁极性。
32、如权利要求27所述的方法，其中在自离子化等离子体中的所述溅射沉积籽晶层包括在第一电平下对所述衬底施加偏压，并且在自离子化等离子体中的所述再溅射籽晶层的底部部分包括在高于所述第一电平的第二电平下对所述衬底施加偏压。
33、如权利要求27所述的方法，其中在自离子化等离子体中的所述溅射沉积籽晶层，包括在第一电平下向靶施加功率，而在自离子化等离子体中的所述再溅射籽晶层的底部部分，包括在低于所述第一电平的第二电平下向靶施加功率。
34、一种在孔中形成互连的方法，所述孔具有至少3∶1的纵横比并在衬底的电介质层中形成，该方法包括：
在真空室中，利用设置在靶一侧上的磁控管，溅射所述靶，所述真空室具有环绕中央轴布置的侧壁；
将离子向由底座支撑的衬底投射，所述底座与沿所述中央轴的所述靶相对，其中所述靶与所述底座通过大于所述衬底直径的50％的投掷距离间隔开，所述投射利用至少部分设置在所述处理空间的周围的具有沿所述中央轴的第一磁极性的辅助磁体。
35、如权利要求34所述的方法，还包括，在第一电平下对所述衬底施加偏压，以将靶材料溅射沉积在所述孔中，和在高于所述第一电平的第二电平下，对所述衬底施加偏压，以再溅射沉积在所述孔中的材料的底部部分。
36、如权利要求35所述的方法，其中所述偏压第一电平小于600瓦而所述偏压第二电平大于600瓦。
37、如权利要求34所述的方法，还包括，在第一电平下向所述靶施加功率，以将靶材料溅射沉积在所述孔中，并在低于所述第一电平的第二电平下，向所述靶施加功率，以再溅射沉积在所述孔中的材料的底部部分。
38、如权利要求37所述的方法，其中所述第一靶功率电平大于30000瓦而所述第二靶功率电平小于30000瓦。
39、如权利要求34所述的方法，其中所述投掷距离大于所述衬底的所述直径的80％。
40、如权利要求34所述的方法，其中所述投掷距离大于所述衬底的所述直径的90％。
41、如权利要求34所述的方法，其中所述投掷距离大于所述衬底的所述直径的100％。
42、如权利要求34所述的方法，其中所述投掷距离大于所述衬底的所述直径的140％。
43、如权利要求34所述的方法，其中所述室具有关于所述轴大体对称的第一导电屏蔽，并且所述第一导电屏蔽设置在所述室内，且其中所述辅助磁体设置成关于所述轴大体对称。
44、如权利要求34所述的方法，还包括，在所述溅射的至少第一部分期间，将所述室内的压力控制在不大于2毫托的压力。
45、如权利要求34所述的方法，还包括，产生包含离子的自离子化等离子体，以利用磁控管离子化从所述靶上溅射的沉积材料。
46、如权利要求45所述的方法，还包括在第一电平下对所述衬底施加偏压，以将离子化的沉积材料吸引到所述衬底中的孔中，所述孔具有至少3∶1的高对宽纵横比，以在所述孔的每一个中形成沉积材料层，其中所述层具有底部部分、侧壁部分和在所述底部部分与所述侧壁部分之间的拐角部分，且在第二步骤中，在高于所述第一电平的第二电平下，对所述衬底施加偏压，以吸引离子从所述层的所述底部部分上，再溅射沉积材料至至少所述拐角部分。
47、如权利要求45所述的方法，其中在第一电平下，对所述衬底加偏压，包括，在低于600瓦的电平下向所述底座施加功率，且其中在第二电平下对所述衬底加偏压包括在高于600瓦的电平下向所述底座施加功率。
48、如权利要求45所述的方法，还包括，对所述衬底施加偏压，同时在第一电平下溅射所述靶，以将离子化的沉积材料吸引至所述衬底中的孔中，所述孔具有至少3∶1的高对宽纵横比，以在所述孔的每一个中形成沉积材料层，其中所述层具有底部部分、侧壁部分和在所述底部部分与所述侧壁部分之间的拐角部分，且在第二步骤中，对所述衬底施加偏压，同时在低于所述第一电平的第二电平下溅射所述靶，以吸引离子从所述层的所述底部部分上再溅射沉积材料至至少所述拐角部分。
49、如权利要求48所述的方法，其中在所述第一电平下所述溅射所述靶，包括在超过30千瓦的电平下向所述靶施加功率，并且其中在所述第二电平下所述溅射所述靶，包括在低于30千瓦的电平下向所述靶施加功率。
50、如权利要求34所述的方法，其中所述靶材料包括铜。
51、如权利要求34所述的方法，还包括，关于所述中央轴旋转磁控管。
52、如权利要求51所述的方法，其中所述磁控管包括具有沿着所述中央轴的第二磁极性的内部磁极和围绕所述内部磁极且具有沿着所述中央轴与所述第一磁极性相反的第三磁极性的外部磁极。
53、如权利要求52所述的方法，其中所述外部磁极的总磁通量为所述内部磁极的至少150％。
54、如权利要求52所述的方法，其中所述第一极性与所述第三磁极性一致。
55、如权利要求54所述的方法，其中所述外部磁极的总磁场强度为所述内部磁极的至少150％。
56、如权利要求52所述的方法，其中所述内部磁极完全远离所述中央轴放置。
57、如权利要求34所述的方法，其中所述辅助磁体不在穿过朝向所述靶的所述处理空间的一半的平面中延伸。
58、如权利要求34所述的方法，其中所述辅助磁体包括永磁体。
59、如权利要求34所述的方法，其中所述辅助磁体包括电磁体。
60、如权利要求34所述的方法，还包括，关于所述靶的背面旋转磁控管，所述磁控管具有不大于所述靶的1/4面积的面积，并且包括由磁极性相反的外部磁极包围的一种磁极性的内部磁极，所述外部磁极的磁通量比所述内部磁极的所述磁通量大至少50％，以产生临近所述靶的自离子化等离子体。
61、一种等离子体溅射反应器，包括：
真空室，具有围绕中央轴布置的侧壁；
底座，用于将衬底支撑在所述真空室中；
溅射靶，沿所述中央轴与所述底座相对定位，处理空间，其在所述底座、所述靶与所述侧壁之间的区域中形成，其中所述靶与所述底座通过大于所述衬底直径的50％的投掷距离间隔开；
磁控管，其定位在与所述处理空间相对的所述靶的一侧上；和
辅助磁体，其至少部分设置在所述处理空间的周围并具有沿着所述中央轴的第一磁极性。
62、如权利要求61所述的反应器，其中所述投掷距离大于所述衬底的所述直径的80％。
63、如权利要求61所述的反应器，其中所述投掷距离大于所述衬底的所述直径的90％。
64、如权利要求61所述的反应器，其中所述投掷距离大于所述衬底的所述直径的100％。
65、如权利要求61所述的反应器，其中所述投掷距离大于所述衬底的所述直径的140％。
66、如权利要求61所述的反应器，还包括，关于所述轴大体对称的并设置在所述室内的第一导电屏蔽，其中所述辅助磁体设置成关于所述轴大体对称。
67、如权利要求61所述的反应器，还包括，耦合到所述室的压力泵和适合于控制所述压力泵且在溅射所述靶的至少第一部分期间将所述室中的压力控制在不大于2毫托的控制器。
68、如权利要求61所述的反应器，其中所述磁控管临近所述靶定位并且适合于产生包括定位离子的等离子体以离子化从所述靶上溅射的沉积材料。
69、如权利要求68所述的反应器，还包括，耦合至所述底座的偏压源，和适合于控制所述偏压源的控制器，在第一步骤中，在第一电平下对所述衬底施加偏压，以将离子化的沉积材料吸引至所述衬底中的所述孔中，以在所述孔的每一个中形成沉积材料层，其中所述层具有底部部分、侧壁部分和在所述底部部分与所述侧壁部分之间的拐角部分，且在第二步骤中，在高于所述第一电平的第二电平下，对所述衬底施加偏压以吸引离子从所述层的所述底部部分上再溅射沉积材料至至少所述拐角部分。
70、如权利要求69所述的反应器，其中所述偏压第一电平低于600瓦且其中所述偏压第二电平高于600瓦。
71、如权利要求68所述的反应器，还包括，适合于向所述靶施加功率的电源，耦合至所述底座的偏压源以及适合于控制所述靶电源和所述偏压源的控制器，对衬底施加偏压，同时在第一电平下溅射所述靶，以将离子化的沉积材料吸引至所述衬底中的所述孔中，以在所述孔的每一个中形成沉积材料层，其中所述层具有底部部分、侧壁部分和在所述底部部分与所述侧壁部分之间的拐角部分，且在第二步骤中，对所述衬底施加偏压，同时在低于所述第一电平的第二电平下，溅射所述靶，以吸引离子从所述层的所述底部部分上再溅射沉积材料至至少所述拐角部分。
72、如权利要求71所述的反应器，其中当在所述第一电平下溅射所述靶时，所述电源在超过1千瓦的电平下向所述靶施加功率，且其中当在第二电平下溅射所述靶时，所述电源在低于1千瓦的电平下向所述靶施加功率。
73、如权利要求61所述的反应器，其中所述靶材料包括铜。
74、如权利要求61所述的等离子体溅射反应器，其中所述磁控管可关于所述中央轴旋转。
75、如权利要求74所述的等离子体溅射反应器，其中所述磁控管包括具有沿着所述中央轴的第二磁极性的内部磁极和包围所述内部磁极并具有沿着所述中央轴与所述第一磁极性相反的第三磁极性的外部磁极。
76、如权利要求75所述的反应器，其中所述外部磁极的总磁通量至少为所述内部磁极的150％。
77、如权利要求75所述的反应器，其中所述第一极性与所述第三磁极性一致。
78、如权利要求77所述的反应器，其中所述外部磁极的总磁场强度至少为所述内部磁极的150％。
79、如权利要求75所述的反应器，其中所述内部磁极完全远离所述中央轴放置。
80、如权利要求61所述的反应器，其中所述辅助磁体不在穿过朝向所述靶的所述处理空间一半的平面中延伸。
81、如权利要求61所述的反应器，其中所述辅助磁体包括永磁体。
82、如权利要求61所述的反应器，其中所述辅助磁体包括电磁体。
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