CN1950538A - 可变式四磁控管阵列，特别适用于多步骤工艺以在溅射反应器中形成金属阻挡层 - Google Patents

可变式四磁控管阵列，特别适用于多步骤工艺以在溅射反应器中形成金属阻挡层 Download PDF

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Abstract

一种溅射反应室(70)及在该反应室进行的多重步骤工艺。四重电磁体矩形阵列(72)与该反应室的轴线同轴，且最好设置在该反应室内的RF线圈(46)的后方。可分别控制线圈电流以产生不同的磁场分布，例如在溅射沉积模式与溅射蚀刻模式之间的不同磁场分布，其中在溅射沉积模式当中，对溅射靶材(38)施以电能而将靶材材料溅射在晶片(32)上，而在溅射蚀刻模式当中，RF线圈可支持氩气电镀等离子体。对靶材材料的RF线圈而言，线圈可接受DC偏压，线圈阵列则可当作磁控管。在上述等离子体溅射反应室内进行的多重步骤工艺可包含在不同条件下从靶材溅射沉积阻挡层材料，以及衬底的氩溅射蚀刻。首先，以高靶材功率和晶片偏压以溅射沉积一TaN/Ta或其它耐火金属阻挡层。并在更高的晶片偏压下进行氩蚀刻。快闪步骤在较低的靶材功率和晶片偏压下进行。

Description

可变式四磁控管阵列，特别适用于多步骤工艺以在溅射反应器中形成金属阻 挡层
技术领域
本发明为大体关于衬底的等离子体工艺。本发明特别是关于射频(RF)线圈及辅助磁体，例如溅射反应器所使用的电磁体(electromagnet)，且特别是多步骤阻挡层工艺中所使用的电磁体。
背景技术
在半导体集成电路制造过程中，溅射工艺(或称作物理气相沉积(PVD))用来沉积许多不同的金属层及相关材料层。在严苛的应用领域中，薄型阻挡层通常会溅射在窄孔的壁面和底部，其中窄孔已经过蚀刻且通常会穿过不同层之间的介电层，而最常见的介电层由氧化硅或类似的氧化材料所构成。随后会以金属来填充孔洞的剩余部分，而在穿透介电层的垂直方向上于通孔(via)内形成电性连接，或沿水平方向而于介电层的表面上形成沟槽内的互连结构。阻挡层能防止金属与氧化介电质之间的扩散作用，进而避免氧使金属导电性变差，同时避免金属降低介电质的阻抗。
在先进的集成电路中，由于铜具有高导电率和低电子迁移率，使其已逐渐被采用做为金属化材料。目前在铜金属工艺中已提出多种不同的阻挡层材料。最常见的阻挡层(barrier)材料以钽(tantalum)为主的材料，其存在的形式通常为氮化钽/钽(TaN/Ta)双层结构，而其中的TaN能提供与氧化物之间的附着，Ta层则能为沉积于其上的铜提供湿性层。图1中以剖面绘示的磁控管溅射反应器(magnetron sputter reactor)10能有效地将Ta和TaN等薄膜溅射到高深宽比的孔内，并可进一步以等离子体清除的方式来清理基板，以及选择性地蚀刻已沉积的部分钽薄膜。反应器10包含有大致依据中央轴14呈对称配置的真空反应室12。真空泵系统14会针对反应室12进行抽气而达到约10-6Torr的超低压力。然而，透过质流控制器20连接到反应室的气体源18会供应做为溅射反应气体的氩气。反应室12内的氩气压力通常会维持在低度milliTorr的范围。当沉积氮化钽时，另一气体源22会透过另一质流控制器24而将氮气送入反应室。
基座(pedestal)30相对于中央轴14配置，并可支承将要接受溅射处理的晶片32或其它衬底。图中未示出的夹环或静电吸盘可用来将晶片32固定在基座30上。具导电性而做为电极的射频(RF)电源34经由电容式耦合电路36连接到基座30。当等离子体存在时，接受RF偏压的基座30会产生负向直流偏压(DC bias)，而此偏压能有效吸引等离子体当中的正离子并使其加速。电性接地的护罩36可保护反应室壁面及基座30的侧面，使其免于受到溅射沉积。靶材38面对基座30设置，并透过绝缘体40而与反应室12真空密封。至少靶材38的正面由将要沉积在晶片32上的金属材料所构成，在此为钽金属。
DC电源42会施加电性偏压至靶材38，而使其相对于接地的护罩36成为负电压，以致使氩气放电而产生等离子体，藉此将带正电的氩离子吸引到负向偏压的靶材38，进而从靶材38溅射出钽；此时，有某些钽会落在晶片32上，并在其上沉积一层钽靶材。在溅射过程中，反应中的氮气会另外从氮气源18进入到反应室12内，而与溅射当中的钽产生反应，进而将氮化钽层沉积在晶片32上。
反应器10另设有感应线圈46。在较佳实施例中，感应线圈46恰好在接地的护罩26内部包覆中央轴14一整圈，并位于基座30上方约与靶材38的距离的三分之一。线圈46可架设在接地的护罩26上，或设于另一个与其电性绝缘的内管护罩上。另有一导线穿过护罩26的侧壁及反应室12，藉以提供电源给线圈46。在较佳实施例中，线圈46由与靶材38相同的阻挡材料所构成。RF电源48会将RF电流送到线圈46，并在反应室内感应出轴向RF磁场而产生方位RF电场。此方位RF电场能以非常有效的方式将电源耦合于等离子体并提高其密度。当靶材电源关闭且溅射反应器正被用于利用氩离子来蚀刻晶片32或做其它用途时，感应耦合的RF电源可当作主等离子体电源。感应耦合的RF电源另可用于提高等离子体扩展到靶材38的密度。
在此可采用较宽且由钽组成的线圈46，而在适当情况下当作次要溅射靶材。
在靶材38后方设置磁控管50，可大幅提高靶材溅射率以及溅射原子的离子化比率。在较佳实施例中，磁控管50为小型、坚固且非平衡的磁控管。小型化与强度能提高离子化比率，而非平衡性则可将磁场投射在处理区内并产生至少两种功效：将溅射的离子导引到晶片，以及降低等离子体在壁面上的损耗。此种磁控管设有沿着中央轴方向具有其中一种极性的内磁极52，以及环绕内磁极52四周具有相反极性的外磁极54。位在靶材38前方且在内磁极52与外磁极54之间散布的磁场会形成一个高密度等离子体区56。由于此区域邻近于靶材46的前方，因而能大幅提高溅射率。非平衡的磁控管50表示：外磁极54的总磁性强度(亦即磁通量在其面积上的积分)远大于内磁极的总磁性强度；例如大于两倍或两倍以上。非平衡磁场会从靶材38朝向晶片32投射而使等离子体扩展，并将溅射出来的离子导引到晶片32，同时减少等离子体扩散到侧壁。磁控管40通常会相对于中央轴14形成非对称的三角形，但马达60会驱动沿着中央轴14延伸且固定至支承磁极52和54的平板66的转动轴62，使得磁控管40可绕着中央轴40旋转，而在方位角方向上产生时间均化磁场，以提供更均匀的靶材溅射型态。若磁极52和54系由个别相对的柱状永久磁铁所构成，则平板66最好由磁性材料(例如磁化软性不锈钢)构成来当作磁轭(magnetic yoke)。磁控管系统为公知技术，其径向位置可在溅射工艺与反应室清理等不同阶段之间变动；关于磁控管系统的细节，可参考Gung等人于2004年9月23日提出申请的美国专利申请案第10/949,635号。在此以参照方式并入该案的完整内容。
将钽溅射到高深宽比的孔洞时，必须仔细控制溅射工艺条件，以平衡整个晶片上的沉积均匀度，同时使Ta与TaN两者均能达到良好的侧壁覆盖率，而不会蚀刻到顶部平面。在较佳实施例中，通孔的底部未被覆盖，藉以提供各层之间的铜接点，但沟槽底部仍须有镀层。在溅射工艺中有三种活性物种，即中性钽Ta0、钽离子Ta+及氩离子Ar+。当晶片未施以偏压时，此等物种在晶片上的通量分布分别绘示于图2、图3和图4中标记为A、B和C。如图所示分布，由于晶片与中小尺寸的靶材之间的有限间隔所引发的几何效应，以及等离子体离子倾向于扩散到磁场低的中央区域的缘故，使得中央处的通量较高，边缘处的通量则较低。在没有对晶片施加偏压的情况下，图5所示Ta的总沉积分布为两个钽分布的总和A+B。藉由形成磁控管而使接近靶材边缘处能得到较大的通量，即可在某种程度上压制中央的尖峰。然而，此种方法将会导致溅射的钽通量在朝向晶片中心处会有较大的水平速度分量。径向粒子非对称性会导致接受溅射的孔洞的相反侧壁之间的不对称。或者，晶片偏压可用于改善径向沉积的均匀度。具体而言，晶片偏压可经过最优化，而使氩离子对正在沉积的钽进行部分蚀刻。由于氩的分布同样会集中在中央地带，因此钽的蚀刻亦是在中央处为最强。如图5所示的分布，最优化的总钽沉积量为A+B-αC的总和，其中α由偏压量决定。虽然不是完全均匀的分布，但在中心地带的沉积量已减少到几乎等于边缘处的沉积量的程度。若进一步提高晶片的偏压，则图7所示的最终得到的分布显示：边缘处的沉积量远高于中央地带的沉积量，而此情况比图6所示分布来得差。
偏压最优化本身存在工艺范围相对较窄的困难度。即使是最优化工艺条件的微小变化量，亦可能会在总钽沉积量上造成巨大的变化。在侧壁覆盖范围、底部移除以及只有部分的毯覆式蚀刻(blanket etching)等方面，必须进行类似的平衡处理。以往，此平衡处理主要由靶材功率、偏压功率及线圈功率等变化量达成。更为仔细控制的变量将可简化最优化工艺，并有可能提供较宽广的处理范围。
目前，辅助磁体阵列已用于控制溅射条件。永久性磁体已经过证实能够改善不具备RF线圈的简易DC磁控管溅射反应器的架构的调和性。然而，最优化工艺仍然很困难，因为磁化量不容易被改变。目前亦有提出利用螺线管线圈的方式。虽然驱动螺线管线圈的DC电源比较容易改变，但其仍然只额外提供一种控制机制。此外，螺线管线圈会引发在反应室外部形成杂散磁场的问题。相较于其它溅射反应器或仰赖磁场经过严密控制的反应器，丛组机台(clustertool)上的溅射反应器经常采取紧密间隔的配置。因此，必须避免相互之间的影响。一般性的原则为：在距离反应器中心约20英时(50厘米)处，杂散磁场不应超过1高斯(gauss)(相当于约1/2高斯的地磁)。此距离大致相当于cluster机台上的邻近反应器的位置。对处理300mm晶片的反应器而言，此低度杂散场是非常严格的规格要求。
电磁体已应用于溅射反应器上，例如发明人Wang的美国专利第6,352,629号以及发明人Wang等人的美国专利第6,730,196号所揭示的技术内容。Gung等人已于美国专利申请案第10/608,306号中揭示半径大致相同且用于溅射反应器的两个同轴电磁体；该申请案与本案的专利权受让人相同。
随着集成电路上的特征结构持续缩小，而且不同层体的深度和厚度亦不断地缩减，利用高能溅射离子来覆盖侧壁及移除高深宽比的通孔的底部阻挡层已经不是一种理想的处理方式，因为利用高能溅射离子可能会造成破坏效果。然而，仍需要选择性沉积和移除工艺。
晶片输送和反应室的真空处理会增加额外的成本。有鉴于此，希望能减少获得所想要的结构所需要的反应器数量。在若干不同的模式当中利用溅射反应器为公知技术，例如在不同的工艺步骤当中改变晶片偏压和离子化比率。此外，亦可在沉积完阻挡层金属之后，以氩来溅射晶片而移除突悬(overhang)或底部阻挡层。以往在公知技术中，反应室未针对多重操作模式进行最优化处理。当会希望能在不同的步骤中提供不同的磁场聚集效果(magnetic focusing)。
另一个考虑在于：在高等应用方面，其中包括钽和铜两种沉积以及某些耐火金属(refractory metal)的沉积等应用，不同的工艺使用类似的溅射反应器。甚至在沉积钽阻挡层时，不同的生产线会针对不同的设计来进行最优化处理，而且对同一个制造者而言，集成电路设计亦会随着时间演变。因此，为了得到商业上的益处，希望能制造一种可弹性运用的溅射反应器，其足以让工艺最优化处理更易进行，并能满足不同的沉积步骤和材料的需求。
发明内容
一种等离子体溅射反应器，其包含电磁线圈阵列，且该阵列沿该反应器的轴线排列。上述线圈电磁体至少其中二者具有不同的半径。在较佳实施例中，上述阵列包含三个电磁体，较佳者包含以矩形阵列排列的四个电磁体。
本发明亦包含一种多重步骤沉积工艺，其中在不同步骤当中，电磁体被供以不同的能量而产生不同的磁场分布。上述电磁体阵列应用于具备激发等离子体的射频(RF)线圈的溅射反应器，且该阵列大致设置于该RF线圈的后方。上述RF线圈亦可施以直流(DC)偏压来增强溅射效果。本发明的多重步骤工艺包含提供不同的RF线圈功率。
数个独立的电源或电流开关电路会选择性地将不同比例的电流施加到阵列中的不同线圈。如此，溅射反应器可在不同模式当中进行操作。确切而言，在某一个模式中，一线圈电流分布会将材料从靶材溅射到衬底上；而在另一个模式当中，另一个线圈电流分布则会溅射蚀刻基板，例如以氩离子来蚀刻基板。
本发明亦有助于减少超过溅射反应器外部而可能影响到其它反应器的杂散磁场。借着线圈之间的磁核(magnetic core)以及内线圈与外线圈之间呈反向旋转的线圈电流的特定比值，即可提高磁场阻挡的效果。
四重(quadruple)电磁线圈阵列可卷绕在滚动条(winding spool)上。首先以两内线圈之间的非磁性径向分隔片(separator)卷绕此两内线圈。管状轴向延伸的分隔片会滑过该些内线圈外部，且该分隔片包含另一个非磁性径向分隔片。外部的两线圈会卷绕在管状分隔片上。在某些实施例中，管状分隔片较佳以磁性物质构成，因此能降低反应室外部的杂散磁场，并降低在反应室内部形成指定磁场强度所需要的电流。
多重线圈阵列可透过经由螺旋冷却线圈循环的水或其它冷却剂来加以冷却，其中该螺旋线圈系固定在至少与两个电磁线圈进行热传导之处，例如在电磁线圈的径向外部区域上。金属线圈分隔片有助于从径向外部冷却线圈将热传递到内部线圈。
在上述溅射反应器中所实施的阻挡层的多重步骤沉积工艺可包含一个蚀刻步骤。一上述多重步骤工艺的实施例包含由耐火金属(例如钽)构成的阻挡层及其氮化物的溅射沉积，其中该工艺对靶材施以高能的情况下进行，以促进溅射离子化；并以晶片的强偏压来提高离子能量和方向性(directionality)，进而在通孔内提供较高的侧壁覆盖率以及较低的底部覆盖率。溅射氮化物时的能量高于溅射耐火金属时的能量，以得到较低的氮化物底部覆盖率(可能为零)，并可进一步清理位于下方的接点。另以最低的靶材功率及较高的线圈RF功率来进行氩蚀刻步骤。另会进行耐火金属的快闪溅射沉积(flash sputter deposition)而产生高中性溅射通量，以确保场覆盖率。
附图说明
图1为现有技术钽溅射反应器的剖面图。
图2至图4分别为图1所示反应器内沿着晶片直径的中性钽、钽离子和氩离子的通量分布示意图。
图5至图7分别为图1所示反应器内在无偏压、最优化偏压和过度偏压时沿着晶片直径的沉积分布示意图。
图8为本发明的溅射反应器的剖面图，其中该溅射反应器具有四重电磁体阵列。
图9至图12分别为在不同模式下操作四重电磁体阵列所得到的磁场分布投影图。
图13和图14为两种四重电磁体阵列的实施例的剖面图。
图15和图16分别为从反应室转接器(adapter)顶部和底部看到的立体图，该反应室转接器包括电磁体线圈的四重阵列以及冷却线圈。
图17为图15和图16所示转接器的剖面图。
图18为图15至图17所示电磁体阵列和转接器的分解剖面图。
图19为图15至图17所示冷却线圈的立体图。
图20为电性连接至电磁体阵列所使用的电性端子板(electrical terminalboard)的平面图。
图21为离心双位磁控管的立体图。
图22为磁控管在靶材上的两个位置的平面图。
图23为利用本发明所得到的双镶嵌内衬结构的剖面图。
图24为本发明的多重步骤沉积和蚀刻工艺的流程图。
具体实施方式
本发明其中之一技术方案关于最好以阵列方式排列的多重螺线管线圈或电磁体，其在根据本发明实施的溅射和蚀刻工艺的多重步骤中，能以弹性方式使溅射反应室内的磁场得以修改为合适的磁场。图8所示等离子体反应器70包含四重电磁体阵列72，其大致位于RF线圈46的后方。四重电磁体阵列72包含四个螺线管线圈74、76、78和80，并以大致相对于反应器70的中央轴14呈圆形对称方式盘绕。在较佳实施例中，线圈74、76、78和80排列成沿中央轴延伸的二维阵列。在此采用以下特定用语：顶内磁体(TIM)74、顶外磁体(TOM)76、底内磁体(BIM)78及底外磁体(BOM)80。线圈74、76、78和80可分别施以电能，例如藉由个别的可变DC电流源82、84、86和88来施以电能，且最好使用双极性DC供应器。图中未绘示的对应接地线路或返回路径系连接到多重盘绕线圈74、76、78和80的其它端点。然而，在大部分情况下，并非所有的线圈74、76、78和80均需要连接到共享接地或共享电位；换言之，仍有其它接线方式。所有的线圈74、76、78、80均至少有一个(最好有两个)连接端，并可从反应室组件的外部轻易地连接到该连接端，而能够连接到个别的电源或其它电流路径，同时能够轻易地重新安排此等连接线路，藉以大幅提高在开发过程中或不同的应用当中对于反应室的运用弹性。在生产过程中，若有需要为反应器70而改变工艺，则可减少电源82、84、86、88的数目，而仍维持选择分别提供电能给四个不同的线圈74、76、78、80的功能，且最好以选择的极性来提供电能。此外，一旦建立起一般化的工艺，即可使用目前的分流器(splitter)和结合器(combiner)以及线圈的串联(平行和反平行)。
特别是在开发工艺的过程当中，较有利的方式为将四个线圈74、76、78、80的八条导线连接到连接板上个别的连接端；关于此技术特点，以下将会参照图20予以详细解说。连接板上的其它连接端则连接到一或数个电源82、84、86、88。操作人员可以手动方式利用选定的连接端组之间的跨接线(jumper cable)来重新设计连接方式，而不需要拆解线圈阵列72或溅射反应室70。此外，亦可在不同的设计架构当中使用电子控制开关。
DC电源49亦连接到RF线圈46，并将DC电压施加到DC线圈46，而以更佳的方式控制其溅射效果。图中所示并联的线圈RF电源48和线圈DC电源49仅为功能性表示，其可采用串联或耦合方式，并可利用滤波电路来选择使用RF和DC电源，例如运用与RF电源48串联的电容电路以及与DC电源49串联的电感电路。单独一个线圈电源可以设计用于两种功率。
控制器89具有内存89(例如磁盘)，其可加载达到所要的晶片32内结构的工艺条件。因此，控制器89可控制工艺控制单元，例如真空系统16、处理气体流量控制器20和24、晶片偏压电源34、靶材电源42、RF和DC线圈电源48和49、用于控制磁控管的旋转速率及其位置的磁控管马达60，以及四个电磁体电流供应器82、84、86、88等。
相对于中央轴的半径为a的理想电流回路，在传导电流为I0时所形成的磁场向量分布为公知的。请参考：Schill，Jr.et al，“General Relation for the VectorMagnetic Field of a Circular Current Loop：A Closer Look，”IEEE Transactions onMagnetics，vol.39，no.2，March 2003。在距离线圈中央轴半径r处且相对于线圈的轴向位置z0的距离z处的径向磁场Br(r，z)及轴向磁场Bz(r，z)分别为：
B r ( r , z ) = μ 0 I 0 2 π z - z 0 r [ ( r + a ) 2 + ( z - z 0 ) 2 ] 1 2
[ K ( k ) - 2 a r k 2 E ( k ) + - r 2 + a 2 + ( z - z 0 ) 2 π ( r + a ) 2 + ( z - z 0 ) 2 Π ( k , - k 2 , π 2 ) ]
以及
B z ( r , z ) = μ 0 I 0 4 π ar [ K ( k ) - 2 a r k 2 E ( k ) + - r 2 + a 2 + ( z - z 0 ) 2 2 r 2 ( 1 - k 2 2 ) Π ( k , - k 2 , π 2 ) ] .
在以上方程序中，K(k)和E(k)分别为第一类和第二类全椭圆积分函数(completeelliptic integral function)，∏(k，n，π/2)则为第三类全椭圆积分函数，其定义如下：
Π ( κ , n , π 2 ) = ∫ 0 π 2 dφ ( 1 + n sin 2 φ ) ( 1 - κ 2 sin 2 φ ) 1 2
其中
k 2 = 4 ar ( r + a ) 2 + ( z - z 0 ) 2 .
假设所有的线圈均对称于同一中央轴，则全部四个线圈均有相同的关系式，且各线圈位于个别的半径ai及zi高度，并带有个别的电流Ii，而总磁场则为四个线圈的贡献的总和。在如图8所示矩形电磁体阵列72中，仅有两个半径和两个高度，因此有四种组合可定义出四种线圈，而一旦线圈阵列制作完成之后(最好为单一结构)，此等设计尺寸即不易变更。然而，可以很容易地分别改变四种电流，而在修改磁场分布方面有更大的自由度。
然而，某种更进一步的理论可在决定最优化电流值方面提供某种指导原则。在溅射反应器内，控制离子通量(溅射金属离子及反应气体)的能力会决定晶片上薄膜的均匀性，其中包括厚度、侧壁和底部覆盖率、电阻率及冶金物相等。溅射反应器的操作基于反应室内的等离子体会阻挡除了电场鞘区(plasmasheath region)以外的大部分电场，并且基于改变离子通量的有效方式取决于磁场的型态，而此型态则由下列连续方程式决定。
Figure A20058001359000161
其中L和R分别代表解离率和再结合率；其中
             J＝ρv-Dn
为离子通量密度；
             ρ＝qn
为电荷密度；
D = D 0 1 + ω 2 τ 2
为扩散常数，n则为数量密度。
由于离子和中性粒子的行进速度非常快，因此旋转中的DC磁控管可视为是静止不动，而其稳定状态可以下式表示：
由于在扩散常数D中，回旋频率与垂直磁场有关，亦即：
ω = q B ⊥ m ,
因此稳定态的连续方程式不仅和磁场强度有关，而且与磁场强度之梯度有关。
电磁体阵列可提供一种更直接的方法：通过在晶片边缘附近形成无扇区(magnetic null)而将离子化溅射离子和氩离子吸引到晶片边缘。无扇区可当作离子汲区，并可在该区内提供高等离子体密度。
图9示出四个电磁线圈所产生的磁场分布的第一实施例。该电磁线圈仅提供电能给单独一对水平的线圈，例如外部下线圈80及内部下线圈78，但亦可由上方的线圈74、76替代或额外附加。此操作模式称为内部/外部模式。在此模式中，每一个有182圈的线圈均承载约19安培(A)的电流。如图所示，两线圈78、80施以方向相反的电流，以便建立反向的磁场循环，且总磁场的磁性等同于内部下线圈78的极性。然而，若流入外部线圈80的电流大于流入内部线圈78的电流，则会在接近晶片32边缘的两线圈78、80所在平面上形成环状无扇区90。无扇区90的径向位置取决于反并行线圈电流的相对值。无扇区90会在晶片边缘附近形成一个高等离子体密度区，而能避免沿着无扇区90径向向外的离子扩散到中央轴附近的低磁场区。此种磁场结构在溅射沉积阶段非常有用。另一方面，若流入外部线圈的电流小于内部下线圈78内的反旋转电流，则在外部会形成一个较大的无扇区，而此区有阻挡磁场的用途。
藉由提供与朝向内部附近的线圈74、78相反且较小的电流而将电能施加到外部线圈76、80，可以大幅降低上/下模式中的杂散磁场；例如，内部线圈74、78的电流为15A，外部线圈76、80的电流为7.5A。特别是在反应室外部，来自于外部线圈76、80的磁场会与来自于较强的内部线圈74、78的磁场发生干扰并导致磁场大幅抵减。在选择相对电流大小时，需要考虑到不同线圈的各种可能的绕线匝数，以产生所需要的磁场分布。
在图10所示的第二实施例中，只有单独一对垂直的线圈(例如内部上部线圈74及内部下线圈78)会施以电能。另如图所示，流入两线圈74、78的电流方向相反。此操作模式称为顶部/底部模式。即使两个反平行的电流彼此相等，在中央轴上的弱磁场区仍会形成一个无扇区。然而，线圈74和线圈78其中之一的较大电流(例如顶部线圈74内的较大电流)会在远离中央轴14且接近靶材边缘处形成一个环状无扇区92。在电流之间增加的不平衡会迫使无扇区92在径向上更接近护罩36，而在轴向上则更接近电流较强的线圈。
具有本领域技术人员当能了解，四个线圈74、76、78、80均可施以类似于上述两种实施例的差分电流(differential current)。内部线圈和外部线圈可供以差分电流，上部和下部线圈亦可同时供以差分电流，以控制一个或数个无扇区。在另一实施例中，内部和外部线圈或上部和下部线圈可以类似方式由另一组提供电能，而产生如图9或图10所示的实施方式。
图11所示的第三实施例为在操作图8所示反应器70的蚀刻阶段，以不同方式利用同一个线圈。在此蚀刻阶段，靶材不会被施加很高的电能，但RF电能会施加到RF线圈46。当RF线圈46与下方的内部线圈78位在相同轴向时，只有内部线圈会被施加较高的电能而在平行于RF线圈46的内环面上形成强磁场来限制住等离子体。在此不需要提供电能给其它线圈74、76、78。然而，少量的反旋电流可施加到底部的外部线圈78。主要优点之一在于第二个磁场可抵销主要磁场—尤其是外部线圈80的径向外的磁场，进而降低从溅射反应器射出的杂散磁场。若线圈组件72位在RF线圈46后方的中央，则上部线圈74、76可供以在大小与极性上均与对应的下部线圈78、80相同的电流。
如图12所示的第四实施例类似于图11所示的第三实施例，但提供如同提供到下部线圈78、80的极性相同的电流到上部线圈74、76。当RF线圈46的高度约等于电磁体74、76、78、80的阵列72的高度时，此架构特别有效用。
如图13所示的剖面图，借着将由数圈绝缘导线组成的四个线圈74、76、78、80盘绕或以其它方式固定在环形分隔片100上，即可形成四重线圈组件72，其中该分隔片100由非磁性体所构成，例如聚合物、塑料，或如铝和某些不锈钢等非磁性体。分隔片100包含两个将内部线圈74、78与外部线圈76、80分隔开的垂直臂102、104，以及两个将上部线圈74、76与下部线圈78、80分隔开的水平臂106、108，以便让磁场能够如同在自由空间当中一样在各线圈之间通过。各臂102、104、106、108可为各自独立的臂体。分隔片100大致相对于中央轴14呈圆形对称，并由从真空反应室12的侧壁向外延伸的置架所支承。
线圈可卷绕在滚动条上。对应于内部水平臂106的矩形圈体固定在滚动条上。两内部线圈74、78系由臂体106分隔的个别导线予以缠绕，且两导线的两端均在轴线端向外延伸。若有需要，可利用环氧树脂或其它黏着剂来灌注(pot)卷绕的导线。完成第一次卷绕之后，对应于垂直臂102、104的管体会滑过卷绕的内部线圈74、78，或者管状区段可组装于内部线圈的四周。管体可由外部水平臂108形成；或者，另一个矩形圈体滑过或组装于管体。利用黏着剂或焊接方式均可提供坚固的环状分隔片100。随后两外部线圈76、80经过卷绕，而在完成卷绕和灌注处理后，即可使用两对导线端。然后从滚动条上移开环状组件72。若有需要，可将机械结构连接到组件72来提供保护效果及连接方式。
如图14所示剖面图，经过修改且具备磁核的四重线圈组件120包含环状分隔片122。分隔片122具有由磁性材料(例如Type 410不锈钢)构成的管状核124。举例而言，管壁厚度约为0.55英时(1.4厘米)，且较佳的厚度范围介于0.75至3厘米。臂体106、108可为非磁性材料，但在本发明的各式实施例中，至少有某些实施例不需用到臂体106、108。水平臂的厚度约为0.25英时(0.635厘米)，且较佳的厚度范围介于0.3至1.2厘米。图中绘示结构的整体大小约3英时，宽度约1.75英时(其范围约大于或小于两倍)。
电磁体阵列的另一实施例仅包含两个由管状磁性或非磁性间隔物124分隔的线圈74、76。在另一实施例中，臂体106、108亦可以磁性材料构成。磁性水平臂106、108似乎不会严重影响反应室内的磁场分布，而塑料或铝质水平臂则可提供令人满意的效能。
此外，磁核124不会对反应室内部的磁场形状造成很大的影响。已观察到：在某些模式中，线圈电流可以大幅降低而在反应室内产生类似的磁场大小，其似乎是由磁核124内的映像线圈电流所导致。磁核124在减低由反应室散出的杂散磁场方面有特别的效用。
在较佳实施例中，如图15所示上方侧视图和图16所示下方侧视图，电磁线圈阵列与转接器130整合在一起。图1所示溅射反应器10当中经常会使用转接器，而在靶材38下方及基座30的上方构成反应室12的一部分。反应器12的下部比较复杂，其中包括真空泵口、气体供应口，以及用于将晶片32送出和送出反应室12的间缝阀(slit valve)。靶材38与基座30之间的反应器10活动范围(throw)可藉由改变转接器的不同长度来加以调整，而不需要重新设计和制造整个反应室。图15和图16所示转接器130包含沿中央轴14设置的铝质转接器主体132，其具有由O形环沟槽134所形成的上表面132以及位在向外延伸的凸缘内且大致为平坦的下表面136，其中O形环沟槽134用于封住图1所示绝缘体40，且该凸缘由固定在反应室12下部的类似形状部件的O形环所支承及密封。接近上表面的壁缘(ledge)140可支承反应室护罩26并使其电性接地。两端口142、144经过机械加工而穿过反应室主体142，以容纳送往RF线圈46的RF电源和接地线的电子真空馈入(feedthrough)，其由护罩26支承，但与护罩26绝缘。
转接器130(亦示于图17的剖面图)包含电磁体线圈阵列150；图18进一步示出分解剖面图。线圈经过多重步骤处理而直接卷绕在转接器130上。首先，三个沿水平延伸的盘状顶部、内中部及底间隔物152、154、156会环绕在转接器凸缘138上方的转接器主体内而形成环状沟槽。在较佳实施例中，间隔物152、154、156由塑料制成，例如电性绝缘且具机械刚性的G10材料。在此实施例中的间隔物均为非磁性材料。间隔物152、154、156可为配接于面向外部的沟槽的区段。顶部内线圈158和底部内线圈160个别以薄绝缘涂层所覆盖的方形铜磁体导线(例如13AWG)卷绕在间隔物152、154、156之间形成的空间内。在卷绕之前，个别的启始导线(未绘示)会先以机械和电子方式固定在两个线圈滚动条的启始端点。启始导线为具塑料盖的多绞电性缆线，其长度足以从线圈阵列150延伸到远处。在卷绕过程中会持续施加环氧树脂，以便将磁体导线固定妥当。两个内线圈158、160完成卷绕之后，两端导线会被固定在两个线圈滚动条的终端，并同样从线圈阵列150延伸到远处。卷绕完成的线圈158、160会进一步环绕而配置在定位。
垂直延伸的管状间隔物162会环绕在两个内线圈158、160露出的表面上以及内部中间隔物154之上，其中管状间隔物162可由管状区段组成，并且盘状外部中间隔物164会环绕在管状间隔物162，且位在大致为平坦的内部中间隔物154，但可容纳从内线圈158、160而来的导线。外部中间隔物164从底部和底部间隔物152、156的外径沿径向向外延伸。在较佳实施例中，管状间隔物162由能增加导热性的铝制成，而外部中间隔物164则可由G10制成。顶部外线圈166和底部外线圈168随后分别从磁体导线卷绕在外部中间隔物164与顶部和底部间隔物152、156之间所形成的空间内。上述卷绕过程遵循两个内线圈158、160的卷绕过程，且个别的启始和终点导线均连接到外线圈166、168，并从线圈阵列150延伸出去。线圈158、160、166、168均可有七层卷线，但在较佳实施例中，底部线圈160、168的匝数约为顶部线圈158、166的匝数的两倍。已发现，当上部线圈158、166的匝数多于下部线圈160、168的匝数时，例如分别有182匝和228匝—亦即大于至少50％，可以获得较佳的磁场分布及冷却结果。
在较佳实施例中，虽然线圈位在反应室壁面的外部，但仍可将其设置在真空反应室的内部而使其较接近处理区。
因此，本发明能提供较大的弹性来操作较复杂的溅射工艺及其它等离子体处理设备，且在特定操作模式及不同模式之间的转换方面均可提供此操作上的弹性。
如图19所示的水冷却线圈170包含三个突出矩形铝管172的螺旋绕线，并具备由其径向向外延伸的内部流体冷却通道。两个铝质水管174、176焊接在铝质管174的两端，其包含通往管172的内部的水口178，以及用来将线圈170固定在转接器并将供水线路固定在水管174、176上的螺孔(未绘示)。矩形管174预先经过弯曲处理而包覆在圆轴上，其中该圆轴的直径等于图17和图18所示线圈阵列的外径。螺线冷却线圈170的弹性足以让其能够延伸并滑过位在图16和图17所示转接器130底部的凸缘138的上方，同时在冷却线圈结构174、178透过拖架180而装设在转接器主体132上时，能够紧密地配接在电磁线圈阵列150的外部，且冷却线圈170会环绕在电磁线圈阵列150的外部。
在操作当中，冷水、其它冷却液体或冷却剂会经由水口178供应到水管174、176或从水管排出，藉以通过水冷线圈进行循环并冷却电磁线圈。冷却线圈170的优点在于其为单一线圈及冷却系统而同时可冷却数个电磁线圈。管状冷却及电磁线圈的局部平面结构可促进更有效率的冷却效果。铝或其它金属管状间隔物162能促进沿径向排列的线圈之间的热交换效果。利用冷却线圈的多匝设计可以冷却较大范围的面积，并可增加热传递量。然而，电磁体阵列亦可搭配使用其它冷却线圈结构，其中包括阵列内具有冷却信道的线圈结构。
如图15所示，终端区块拖架190以螺丝锁附于转接器主体132，其包含四个终端区块192，并分别连结四个电磁线圈158、160、166、168。如图20的立体图所示，每一个终端区块192均包含四个将终端区块固定在拖架190(进而固定在转接器主体132)的螺帽194，且另包含两个具有两个螺孔200的终端长条部196、198，以供有柄螺丝(lug screw)接合。其中一个有柄螺丝部分地将一个线圈的启始导线锁附在一个终端长条部194，另一个有柄螺丝则部分地将同一个线圈的终端导线连接到同一个区块192的另一个终端长条部194。图中示出顶部内磁体线圈等的启始和终端导线的八个接点TIM+、TIM-等的位置。四个终端区块192上的其余八个螺孔200可让其它有柄螺丝或其它部件将外部电缆或连接线电性连接到四个电磁线圈的八个启始和终端接点。即使当终端长条部196、198装设在图8所示反应器内并且被冷却线圈170覆盖时，从转接器130的外部仍可轻易地取用终端长条部196、198，因而能够很容易地为四个电磁线圈设计电性连接架构。举例而言，线圈可以串联在一起而具有共享的接地点、可让其极性反转，或可选择卸除伺服功能而不需要拆解反应器70或电磁线圈阵列150。
本发明的另一项技术特点在于利用两个同心但相互间隔的线圈，且此两线圈分别传递互反的电流。如上所述，非磁性间隔物或磁性核心均可插入线圈之间。在较佳实施例中，为了提升冷却效果，间隔物由如铝等金属制成。
虽然矩形的线圈阵列较佳，但四个线圈亦可形成为平行四边形或其它四边形的阵列。三角形的线圈阵列亦可提供本发明的多项优点。虽然线圈卷绕在反应室壁面的外部较为有益，但线圈亦可形成于真空反应室的内部。
四重电磁体阵列72及RF线圈46亦可在磁控管与靶材之间以不同间距加以组合；关于此项技术特点，可参照Hong等人于2004年9月16日提出申请的美国专利申请案第10/942,273号在说明书的发明背景当中的说明；在此参照并入本申请的完整内容。
在较佳实施例中，四重电磁体阵列72及RF线圈46可与磁控管50结合，且磁控管50可在靶材38上沿径向移动而让靶材能被清理—此为其中一项理由。Subramani等人已在2004年3月24日提出申请的美国专利临时申请第60/555,992号当中揭露该移动式磁控管。Gung等人已在2004年9月23日提出申请的美国专利申请案第10/949,635号当中揭露更为一般化的机制和工艺；在此参照并入本申请的完整内容。Subramani等人的径向移动式磁控管包含双位离心枢轴磁控管组件210。如图21所示，磁控管组件210可取决于单一旋转方向上的转速而在两个回转半径之间进行切换。磁控管组件210包含一个拖架212，其固定在绕着反应器的中央轴60转动的旋转驱动杆62。拖架210其中一臂的终端以可旋转的方式透过枢轴机构216来支承在其下方的枢轴板214，其可让枢轴板214绕着枢轴218转动。枢轴板214可支承背板220，其由铁磁性材料构成而形成磁控管50的轭铁(yoke)。在结构目的上，由于背板220和枢轴板214会一起绕着枢轴218转动，因此背板220可视为枢轴板214的一部分。轴瓦(或称轴衬，bushing)222固定在转轴14与枢轴机构216之间的拖架212上，另一个224则固定在背板220上的托台(mount)225。弹簧226的两端连接到两个轴瓦222、224。第一尼龙止部230旋入托架212一侧上的枢轴板84，第二尼龙止部232则旋入托架212另一侧上的背板220。每一个止部230、232均包含金属旋扭，并具有螺丝穿孔以及管状柔软而具弹性的尼龙套管配接于其外侧，以缓冲突然接触托架212时造成撞击和震动。弹簧226会偏向背板220一侧，且第二止部232朝向托架212而使磁控管偏向转轴60。然而，朝向内侧的转动会受到紧邻托架212并与其接合的第二止部232的限制。另一方面，驱动杆62的转动会对沉重的磁控管50及相关配件施加很大的离心力，并沿径向向外将背板220连同远离托架82的第二止部232推挤离开转轴60。然而，朝向外侧的转动会受到紧邻托架82并与其接合的第一止部230的限制。转速会决定向内的弹力及向外的离心力何者较大。装设在背板220上的磁性发射器236能让紧密装设在旋转磁控管50上方反应器的磁性侦测器判断磁控管50是在内部还是外部位置。
如图22下方平面视图所示的弧状磁控管240(亦称作LDR磁控管)为磁控管50的较佳实施例。实线所示为弧状磁控管240处于其在靶材38的可用区域背侧的外部位置；虚线则示出其绕着枢轴218转动时的内部位置。弧形磁控管240包含带状外磁极部件242以及由间隔246分隔的封闭弧形内磁极部件244。两杆件242、244内的孔洞248会抓取转轴14上极性相反的各组圆柱形磁体，且图中示出外磁极242的总磁性强度远大于内磁极244的总磁性强度。
RF线圈46、四重电磁体阵列72、选择性偏压基座电极30及双位置磁控管等的组合可得到具弹性运用的多重步骤工艺，该工艺能有效形成如图23所示剖面图的双镶嵌内衬结构250中的铜金属化阻挡结构。下部介电层252的上表面形成有铜接点254。上部介电层256沉积在下部介电层252的上方，双镶嵌孔洞258则会经过蚀刻而穿过上层介电层256。介电层252、256通常以氧化硅之类的材料所构成，并简称为氧化层。目前已密集开发低介电常数(low-k)的介电质，其中会沉积氧化物或使用替代性材料。双镶嵌孔洞258包含窄通孔260及位在上层介电层256的上半部的宽沟槽262，其中窄通孔260形成于铜接触层254上方的上层介电层256的下半部。最后，通孔260及沟槽262会填充铜金属而做为ECP工艺当中的上层金属化，以使两者接触铜接触层254而提供两金属层之间的垂直互连，并透过上层金属层内的沟槽262而进一步提供水平互连。铜接触层254通常形成于下方介电层252的对应沟槽内。
重要的是，填充到通孔260及沟槽262的铜必须附着在氧化物上而不会扩散到氧化物内部。此外，后续沉积到双镶嵌孔洞258的铜层会附着在下层上。因此，内衬沉积在双镶嵌孔洞258内，但极希望能改变双镶嵌孔洞258内以及上层介电层256的顶部场区264之不同部分的沉积。
对铜金属层而言，典型的内衬包含氮化钽(TaN)层266及位于上方的钽(Ta)层268。TaN层266可轻易地附着在氧化物上而形成一个有效的扩散阻挡层。因此，必须在沟槽262的侧壁和底层上以及通孔260的侧壁上形成一层连续层。TaN层266不需延伸到场区268，因为场区264上方的任何铜金属均会在后续的化学机械研磨(CMP)步骤当中被移除。然而，氮化钽属不良导体，因此应该予以移除或在通孔260的底部留下最薄的厚度。钽层268可良好地附着于TaN层266，铜金属则可良好地附着于钽金属而有效地促使铜金属的成核(nucleate)过程，但铜金属与氮化钽之间不会有良好的附着。因此，在沟槽262的侧壁和底层上以及通孔260r的侧壁上所形成的钽层268应为连续层。钽具中度导电性，因此钽层268可覆盖通孔260的底部，否则在通孔260的底部最好不要有钽层268。然而，钽层268应覆盖场区264，以至少为其上的铜晶种层形成一个成核区及附着层，而做为后续利用化学电镀(ECP)来填充双镶嵌孔洞258时的电极和电镀电流路径。
图24为多重步骤Ta/TaN内衬工艺的流程图。表一所列为在反应室内处理300mm晶片时的精确工艺条件的实施例，表中示出的数值仅为举例说明。由于在工艺条件当中未主动控制压力，因此表中示出的压力仅为大约值。
表一
  TaN   Ta   Etch   Flash
  时间(s)   4   8.5   14   5
  直流功率(kW)   15   15   0.5   5
  偏压功率(kW)   0.8   0.4   1   0.4
  RF线圈功率(kW)   0   0   1.25   0
  直流线圈功率(kW)   0   0   0.5   0
  顶内磁体电流(A)   12   12   0   12
  顶外磁体电流(A)   0   0   0   0
  底内磁体电流(A)   -4.1   -4.1   19   -4.1
  底外磁体电流(A)   0   0   -19   0
  Ar(sccm)   4   4   10   4
  N2(sccm)   18   0   0   0
  磁体位置   外   外   内   外
  压力(mTorr)   0.5   0.9   0.9   0.9
在步骤280，当晶片32被置入图8的反应室70后，TaN会产生反应而溅射沉积在晶片上，此时的工艺条件可产生高离子化率的钽离子及高晶片偏压，而使得大部分的钽溅射通量具有高能量及高度非均向性，进而将激发态的Ta+离子吸引到通孔的深处。因此会存在TaN及此材料的二次溅射的混合溅射沉积。N2/Ar的比率大于流入反应室的反应气体与溅射气体其中之一会产生反应而将TaN溅射沉积在晶片上。从通孔底部由激发态Ta+离子所溅射的TaN能改善通孔内的侧壁覆盖率，并缩减TaN层在底部的厚度。从沟槽底部及场区的重新溅射不会非常有效，特别是因为沟槽底部及场区会收到相当多的中性钽(亦即未经离子化的Ta0)通量。透过高靶材功率以及图22所示的强而小的LDR磁控管即可获得高钽离子化率，其中LDR磁控管位在晶片外部上方的外部位置。靶材功率范围在300mm晶片的垂直法在线约10至40kW，但对该反应室及其它工艺数值而言，15kW似乎能达到最优化的重新溅射效果。在进行TaN沉积过程中，只有两个轴向相隔的内部电磁体74、78会供以相反的功率而形成如图10所示的反向磁场。此磁场会限制反应室内的等离子体和离子通量离开反应室侧壁36，进而获得提升离子通量的径向均匀度的效果。两个磁场线圈的磁场几乎相等，而表一所列线圈电流的差值则会反映出两个线圈在匝数上的差异。
在步骤282中，钽会被溅射沉积留在反应室70内的晶片32上。在执行此步骤之前会停止供应氮气而让钽沉积成其元素形式。钽溅射通量的特征为在小型LDR磁控管当中维持高靶材偏压所维持的高方向性，但会由于晶片偏压降低而使能量下降。能量下降会降低通孔底部、沟槽底部以及场区的二次溅射效果。
在步骤284中，晶片32会留在同一个反应室70内，而接受主要由RF线圈提供的RF功率产生等离子体溅射的氩离子的溅射蚀刻。RF功率约1至3kW，且在功率较高时，氩离子的密度会随之提高。蚀刻率的最大值约在1.5至2kW时出现。最优化的RF功率似乎为1.25kW。通入反应室的氩气流量会增加，且RF线圈会将其激发成等离子体。施加在晶片上的偏压功率会增加而强烈吸引氩离子，使其蚀刻通孔的底部来移除所有的TaN，并移除至少一部分的Ta。在此可降低晶片偏压功率，但在低于500W时，蚀刻率会趋近于零。靶材功率和直流(DC)线圈功率可经过调整而得到最优化的沟槽/通孔选择率及均匀度。一般而言，蚀刻步骤当中的靶材功率会比两溅射沉积步骤280、282当中所采用的靶材功率的10％还要低。从通孔底部由氩离子进行二次溅射的钽会改善侧壁覆盖率。若已完全移除通孔底部的钽金属，则随后可利用氩溅射蚀刻来清除下方的铜金属254，而此铜金属可能在晶片32被置入溅射反应室70之前即已氧化或透过其它方式而被污染。虽然沟槽底部及场区内露出的钽也会被蚀刻，但在步骤282中沉积于该区域的钽层会比较厚，因为在该步骤当中的中性TaO部分的缘故，以及在蚀刻掉沟槽底部和场区上的钽层之前即已先从通孔底部蚀刻掉钽金属。由于高晶片偏压的缘故，使得极少出现侧壁蚀刻的情形。然而，在沟槽之内部和外部角落仍存在钽层被蚀刻穿过(穿孔)的潜在问题。
借着同时进行轻微且大部分为中性钽的溅射沉积可避免发生穿孔现象。钽金属靶材和RF线圈(由钽本身所组成)两者均由较低的负向直流功率施以偏压。为了促进线圈进行DC溅射，两个径向相隔的底部电磁体78、80会被施以相反的功率，而产生如图11所示的磁场分布。此磁场分布可在线圈46的内表面上形成水平磁场而成为增加线圈溅射效果的磁控管。外部电磁线圈80所产生的相等且大致相反的磁场可避免在反应室外部或反应室处理区的中央部分形成螺线状强磁场，而此强磁场会干扰氩离子的传输过程。
在溅射蚀刻步骤284当中，磁控管会被移到其内部位置。在此位置，靶材中央会被清理，特别是清理在溅射沉积TaN的步骤280当中沉积在其上的所有氮化物。此外，由于溅射蚀刻步骤284当中的少量钽溅射通量大部分为中性的钽，因此使磁控管位在如图22所示沿其径向延伸的内部位置会比较有效用。然而，除了同样会清理靶材的溅射蚀刻步骤以外，在此建议定期进行不同的靶材清理步骤，例如在处理完100片晶片之后进行清理步骤。接地的溅射挡板(未示出)处于关闭状态，以保护基座免于受到靶材的影响。随后，靶材以磁控管依序在其外部和内部位置的方式进行溅射。靶材被施以强偏压并在如外部位置进行较长时间(例如10秒钟)的溅射，而在如内部位置进行时间较短(例如1秒钟)的溅射。
移动磁控管时，在此建议关闭等离子体，例如藉由关闭提供到靶材的DC功率或关闭提供给线圈的RF功率，然后再经由改变磁控管的转速来移动磁控管。接着再重新产生等离子体，通常是利用比后续处理步骤更高的氩气流量以及更高的靶材或线圈功率。表一所列工艺参数并不包括产生等离子体之前的功率跃升期间，而此技术是公知的。
在步骤286中，钽会以较低的钽离子化率而被溅射沉积在快闪层(flashlayer)。快闪步骤可确保在场区、沟槽底部及其角落得到连续的钽层268。除了靶材功率降低至少两倍之外，沉积条件大致和主要的钽沉积步骤相同，因而降低钽离子化率。因此，钽通量将更趋中性且更具均向性，进而确保较高的场区覆盖率以及可接受的沟槽底部覆盖率。在较佳实施例中，当进行Ta快闪步骤286时，磁控管位在其外部位置。
在完成图24所示内衬步骤并形成图23所示内衬结构时，晶片会被移出钽溅射反应室。在典型实施例中，共形薄铜晶种层会被溅射在留下来的Ta层268上以及在通孔260之底部露出的铜接触层254上。随后在ECP工艺会将铜金属填入并填满通孔260及沟槽262。在此需了解的是，铜晶种层与ECP充填两者当中的铜金属可包含至多10wt％的其它元素。留在沟槽262上方的过多ECP铜将会藉由化学机械研磨(CMP)予以清除。
本发明的多种技术方案并不限定于图中所示的钽溅射反应器或在此解说的Ta/TaN内衬工艺。其它溅射反应器和其它靶材组成物均可于透过实施本发明而得益，例如采用如钛、钨和钌等其它耐火金属。此外，其它等离子体处理反应器可运用本发明的磁性操控及等离子体和离子禁闭技术特点。此类反应器包括如溅射蚀刻机和等离子体化学气相沉积(CVD)反应器等等离子体蚀刻反应器。
本发明的反应器可提供极大的运用弹性与高效能，其亦容许进行复杂的多重步骤工艺，例如集成电路之未来世代所期待上述形成于小型通孔内的Ta(N)阻挡层。

Claims (49)

1.一种由可分别控制的电磁线圈组成的阵列，其设于一等离子体处理反应器内，该等离子体处理反应器具有一个设在垂直于真空反应室中央轴的平面上的衬底支座，所述电磁线圈根据该中央轴排列，且其中至少两线圈配置在与该中央轴相距不同半径处。
2.根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，具有呈矩形排列的四线圈。
3.根据权利要求2所述的阵列，其特征在于，所述线圈中位置较接近该衬底支座的两线圈的匝数至少比所述线圈中位置较远离该衬底支座的径向对应的两线圈的匝数多50％。
4.根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，还包含一磁核，设置在该至少两线圈之间。
5.根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，该反应器包含一溅射靶材，该靶材沿着该中央轴设置在该衬底支座的对立侧。
6.根据权利要求5所述的阵列，其特征在于，其被纳入一转接器中以形成位在该靶材与该衬底支座间的该反应室的一部分。
7.根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，更包含一多绕线冷却线圈，且该多绕线冷却线圈与该至少两线圈热接触。
8.根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，该至少两线圈中的电流绕着该中央轴呈相反方向循环。
9.根据权利要求8所述的阵列，其特征在于，该电流的大小为根据能够减少该反应室外部的杂散场来选定。
10.一种电磁线圈阵列，其固定在一组件中且具备能在该组件的外部取用的所有所述线圈的两端。
11.根据权利要求10所述的阵列，其特征在于，所述电磁线圈通过黏着剂固定在该组件中。
12.根据权利要求10所述的阵列，其特征在于，其包含所述电磁线圈的四个线圈，该四个线圈排列成矩形阵列并环绕一轴线。
13.根据权利要求12所述的阵列，其特征在于，一磁核分隔所述电磁线圈的径向内部线圈与所述电磁线圈的径向外部线圈。
14.一种四重阵列，其包含一组件中的四电磁线圈，所述电磁线圈沿一轴呈矩形图案排列，且配置在一等离子体反应器的壁面外部和四周。
15.根据权利要求14所述的阵列，其特征在于，更包含一磁核，其设置于所述电磁线圈的径向内部线圈与所述电磁线圈的径向外部线圈之间。
16.根据权利要求15所述的阵列，其特征在于，所有所述线圈在该组件内彼此分隔，以在其间形成磁场。
17.根据权利要求14所述的阵列，其特征在于，更包含一单独的螺旋环绕流体冷却线圈，且其与该四电磁线圈热接触。
18.根据权利要求14所述的阵列，其特征在于，其中所有所述线圈在该组件内彼此分隔，以在其间形成磁场。
19.根据权利要求14所述的阵列，其特征在于，更包含一转接器环绕所述电磁线圈，并设置构成所述离子体反应器的一真空反应室的一部分。
20.一种等离子体处理反应器，包含：
一反应室主体，依据一中央轴呈大致对称的安排；
一支座，用以于该反应器内支承一衬底，且该衬底的正面将要接受等离子体处理；以及
一阵列，由多个环绕在该反应室主体的电磁体所构成，其中所述电磁体至少与该中央轴相距两半径，并位在该正面上方的一轴向距离处，且至少某些电磁体独立施以电能。
21.根据权利要求20所述的反应器，其特征在于，该阵列包含三个排列成三角形的所述电磁体。
22.根据权利要求20所述的反应器，其特征在于，该阵列包含四个排列成矩形的所述电磁体。
23.根据权利要求24所述的反应器，其特征在于，更包含一端点结构，该结构包含可取用及可重新设置的八电性连结，其位在该四个电磁体的相反两端。
24.根据权利要求22所述的反应器，其特征在于，更包含：
一溅射靶材，固定在该反应室，并根据该中央轴来配置。
25.根据权利要求24所述的反应器，其特征在于，更包含一射频(RF)线圈，并设置该射频线圈使其重迭于沿着该中央轴的阵列。
26.根据权利要求21所述的反应器，其特征在于，更包含：
一溅射靶材，固定在该反应室，并根据该中央轴来配置。
27.根据权利要求26所述的反应器，其特征在于，更包含一射频(RF)线圈，且设置该射频线圈使其重迭于沿着该中央轴的阵列。
28.一转接器及电磁体组件，包含：
一转接器主体，大致相对于一中央轴排列，并与一等离子体处理反应室配接成真空密封，且该中央轴垂直于一将接受处理的衬底的一表面；以及
多个电磁线圈，在与该中央轴相距至少两半径处环绕在该转接器主体的外部，且各电磁线圈具有两个可由所述线圈外部取用的导线端。
29.根据权利要求28所述的组件，其特征在于，其包含所述电磁线圈的四线圈，并相对于该中央轴排列成矩形。
30.根据权利要求28所述的组件，其特征在于，更包含一管状分隔片，设置于所述电磁线圈的两内部线圈与所述电磁线圈的两外部线圈之间。
31.根据权利要求28所述的组件，其特征在于，更包含一流体冷却通道，形成于配置在该中央轴四周的主体内，且该流体冷却通道的径向外侧与该四电磁体中至少两者接触，
32.根据权利要求30所述的组件，其特征在于，其中该主体包含铝。
33.根据权利要求30所述的组件，其特征在于，其中该主体包含一螺线环绕的矩形部件，且在该部件内形成有该冷却通道。
34.一种操作等离子体反应器的方法，所述离子体反应器包含一设置于中央轴附近的反应室、一用于支承将要接受处理的衬底的衬底支座，以及一在该反应室附近由多个电磁线圈所构成并环绕该中央轴的阵列，该方法包含下列步骤：
第一步骤包含将共旋电流通入所述线圈中至少两线圈，以处理该衬底；以及
第二步骤包含将反旋电流通入所述至少两线圈，以处理该衬底。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，其中该反应器为一溅射反应室，该溅射反应室包含一溅射靶材，该靶材设置在该衬底支座的对立侧，且所述线圈轴向设置在该靶材与该衬底支座之间。
36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，其中至少一步骤包含将该靶材的材料溅射沉积在该衬底上。
37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，其中该阵列包含四个排列成矩形阵列的线圈。
38.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，其中第三步骤包含将互呈反向旋转的电流通入所述线圈的上部和下部线圈，且第四步骤包含将互呈反向旋转的电流通入所述线圈的内部和外部线圈。
39.一种利用磁控管溅射反应器进行的多重步骤工艺，该磁控管溅射反应器包含一设于中央轴四周的反应室、一靶材、至少一环绕该中央轴的电磁线圈、一设于该中央轴附近的RF线圈以及一用于支承该靶材对面的衬底的偏压基座，该工艺包含：在该多重步骤工艺的不同步骤间改变(1)施加在该靶材的DC功率、(2)施加在该所述磁线圈的电流、(3)施加在该RF线圈的RF功率，以及(4)施加在该基座电极的偏压功率。
40.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，其中所述步骤中之一步骤包含：以施加在该靶材的DC功率来激发一等离子体，以将该靶材材料溅射在该衬底上，且其中所述步骤中的另一步骤包含：激发一藉由施加在该RF线圈的RF功率所产生的氩等离子体，以蚀刻该衬底。
41.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，其中该靶材包含钽。
42.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，其中该反应器更包含一磁控管，该磁控管可绕着该中央轴旋转，且该多重步骤工艺更包含在所述不同步骤之间改变该磁控管相距于该中央轴的径向位置。
43.一种在溅射反应室内实施的方法，用于在衬底介电层内形成的通孔内沉积一阻挡层，其中该衬底置于该反应室内的基座电极上，且该基座电极位于由耐火金属构成的靶材的对面，该方法包含依序执行下列步骤：
(a)一氮化物沉积步骤，包含：
将一第一DC功率施加到该靶材，以激发一等离子体来溅射该靶材；
将一第一RF功率施加到该基座电极；
将电能施加到于两轴向位置上环绕该轴的两个第一电磁线圈，以产生反向磁场；以及
将氮气通入该反应室，以在该衬底上形成该耐火金属的氮化物；
(b)一耐火金属沉积步骤，包含：
将一第二DC功率施加到该靶材，以激发一等离子体来溅射该靶材；
将一第二RF功率施加到该基座电极；
将电能施加到该两个第一电磁线圈，以产生反向磁场；以及
基本上停止将氮气通入该反应室；以及
(c)蚀刻步骤，包含：
将氩气通入该反应室；
将RF功率施加到该RF线圈，而将该氩气激发为一等离子体；
将电能施加到于两径向位置上环绕该轴的两个第二电磁线圈，以产生反向磁场；以及
将一第三RF功率施加到该基座电极。
44.根据权利要求43所述的方法，其特征在于，包含一后续步骤：
(d)快闪沉积步骤，包含：
将低于该第一和第二DC功率的一DC功率施加到该靶材，以溅射该靶材，
将电能施加到该两个第一电磁线圈，以产生反向磁场；以及
将低于该第一、第二和第三RF功率的一第四RF功率施加到该基座电极。
45.根据权利要求43所述的方法，其特征在于，施加到该基座电极的第二RF功率低于该第一和第三RF功率。
46.根据权利要求43所述的方法，其特征在于，其中该蚀刻步骤包含将比该第一和第二DC功率低10％的一DC功率施加到该靶材。
47.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，该蚀刻步骤包含施加DC功率到该RF电极。
48.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，该耐火金属包含钽。
49.根据权利要求43所述的方法，其特征在于，该氮化物及耐火金属沉积步骤包含在一第一半径处绕着该中央轴旋转一磁控管，以优先溅射该靶材的外部，且其中该蚀刻步骤包含在小于该第一半径的一第二半径处绕着该中央轴旋转该磁控管。
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