具有在晶片表面的各向同性离子速度分布的源的物理气相沉积方法

背景技术

等离子体增强物理气相沉积(PECVD)工艺用于沉积诸如铜之类的金属膜到半导体晶片上，以形成电性互连。在例如氩之类的载气存在的情况下，高D.C.功率级被施加到晶片上方的铜靶材。等离子体源功率可以经由围绕腔室的环形天线而施加。为了沉积金属到高深宽比开口的侧壁和底壁上，PECVD工艺通常依赖于角度分布很窄的离子速度。一个问题是相对于沉积在底壁上的量，如何沉积足够的材料到侧壁上。另一问题是避免由于开口的顶部边缘附近的较快沉积而导致的开口夹断(pinch-off)。随着特征尺寸微型化的进展，典型开口的深宽比(深度/宽度)已有所提高，微电子的特征尺寸现已减小到约22纳米。微型化的程度越高，对于各个开口的底壁或底部上给定的沉积厚度，在侧壁上实现最小沉积厚度已变得更加困难。通过持续增加晶片至溅射靶材距离以及持续降低的腔室压力，例如小于1mT(来避免由碰撞引起的速度分布变宽)，来进一步窄化离子速度角度分布，增加了典型开口的深宽比。这样做会引起以下问题，在晶片边缘附近的薄膜特征中观察到：对于非常小的特征尺寸，由于满足缩小的特征尺寸所需的较大的晶片至靶材间隔，每个高深宽比开口的侧壁的一部分被靶材的大部分遮蔽。这种遮蔽效应(shadowing effect)在晶片边缘附近最为明显，使得很难在侧壁的被遮蔽部分上达到最小沉积厚度，如果该最小沉积厚度不是不可能达到的话。随着进一步的微型化，似乎会需要进一步降低腔室压力(例如，低于1mT)和进一步增大晶片至溅射靶材的间隔，这样会加重以上问题。

补充侧壁沉积厚度所采用的一种技术是在每个开口的底壁上沉积过量的金属(例如，Cu)，随后将此过量的沉积再溅射(re-sputter)到开口的侧壁上。这种技术没有完全解决遮蔽问题，而且表现出工艺中的额外步骤以及对生产率的限制。

相关问题是必须以高D.C.功率级(例如，千瓦的范围内)来驱动溅射靶材(例如，铜)，以保证足够的离子流动至晶片。这样的高D.C.功率级快速地消耗靶材(促使成本上升)，并产生非常高的沉积速率，以致整个工艺在短于5秒的时间内完成。该时间大约是RF源功率阻抗匹配使随后的等离子体点火达到平衡所需时间的40％，因此在使阻抗匹配和所输送的功率稳定之前，大约进行了40％的工艺。

发明内容

提供了一种在反应器腔室中的工件上进行物理气相沉积的方法。该方法包括：提供包含金属元素和具有面对工件的表面的靶材，并建立小于所述工件的直径的靶材至工件的间隔。将载气引入腔室中，并保持腔室中的气体压力在阈值压力以上，在该阈值压力平均自由程小于所述间隔的5％。将来自VHF产生器的RF等离子体源功率施加给所述靶材，以在所述靶材周围产生电容耦合等离子体，所述VHF产生器具有超过30MHz的频率。该方法还包括通过提供在所述VHF产生器的频率下经所述工件的第一VHF接地返回路径，使所述等离子体越过所述间隔延伸至所述工件。

附图简要说明

为了能够具体地理解本发明的上述特征，将参看附图中示出的实施方式对上文所简要概括的本发明进行更具体的描述。然而应当注意到，为了不会模糊本发明的重点，本文没有对某些公知的工艺进行讨论。

图1是根据第一方面的等离子体反应器的示图。

图2是图1的反应器中所得到的在晶片表面的离子的随机或近似各向同性的速度分布的示图。

图3是表示图2的分布中的角速度的示图。

图4是表示根据一实施方式的方法的方框图。

图5是根据第二方面的等离子体反应器的示图。

图6A和6B表示图1或图5的反应器中的可变接地返回阻抗元件的替代实施方式。

为了便于理解，在可能的情况下用相同的参考数字表示附图中共有的相同部件。应当理解一个实施方式的部件和特征可以有益地合并到其它实施方式中，而不需要额外的叙述。然而应注意到，附图仅示出了本发明的典型实施方式，由于本发明还允许其它等同效果的实施方式，因此附图并不被认为是对发明范围的限制。

详细描述

在一实施方式中，PEPVD工艺在25nm及小于25nm(例如，18nm)的特征尺寸下提供完全的均匀侧壁覆盖，而没有由遮蔽导致的不均匀性。本实施例的PEPVD工艺是采用施加在溅射靶材上的VHF等离子体源功率来在该靶材周围产生电容耦合RE等离子体而进行的。该工艺还在溅射靶材上采用很低的(或者不采用)D.C.功率。使用靶材上的低D.C.功率级，工艺可在整个时间周期进行，该时间周期比阻抗匹配元件的稳定时间要长，并且足够长以便于良好的工艺控制和腔室匹配。这些优点是通过使用高腔室压力以至少降低乃至完全消除从金属靶材到晶片的中性物定向性(neutral directionality)来实现的。如果实际上剩余的沉积是由源自晶片上方的平均自由程的真空间隔所散发出的中性物完成的，则特征将被完全夹断。然而，RF功率保持等离子体中的金属离子相当大的密度，使它们能够有效地通过电场而吸引到晶片。可以通过来自顶部(靶材)的VHF等离子体源的剩余RF场，或者通过直接施加到晶片的小RF偏置功率来得到电场。这然后产生垂直为主的离子速度分布和一些用于侧壁覆盖的正交(水平)速度分量。其结果是各个高深宽比开口的侧壁和底壁由来自靶材的溅射材料共形地覆盖(conformally covered)。总言之，源提供了接近各向同性的中性物速度分布和包括大的垂直分量和相对较小的非垂直或水平分量的离子速度分布。通过将腔室保持在非常高的压力下(例如，100mT)以确保离子碰撞平均自由程来实现在晶片表面上的各向同性中性物速度分布和稍微变宽但仍是垂直为主的离子速度分布，该离子碰撞平均自由程是晶片至溅射靶材间隔的1/20^th。在晶片附近的溅射离子的高通量是通过以下实现的：(1)使晶片至溅射靶材间隔最小化为晶片直径的分数，(2)在溅射靶材周围产生VHF电容耦合等离子体(如上文所述)，以及(3)将电容耦合等离子体向下延伸到晶片。通过提供经晶片的吸引VHF接地返回路径，等离子体向下延伸到晶片。通过降低(或者，可能的话消除)施加到溅射靶材的D.C.功率来扩展工艺窗口，以使靶材消耗率降低并且使工艺较少不连续(lessabrupt)。通过施加VHF功率给靶材和通过减小晶片至溅射靶材间隔而在靶材周围产生高密度等离子体，可以实现D.C.靶材电压的降低而不会损失必要溅射。

通过在晶片表面上方的等离子体鞘选择性地促成(favoring)所需的溅射靶材离子(例如，铜离子)，来抑制不宜发生的载气离子(例如，氩离子)的离子轰击。该选择是通过将晶片偏置电压保持在上限阈值电压(upper thresholdvoltage)(例如，300伏特)以下而做出的，在该上限阈值电压以上，载气(例如，氩)离子与晶片上的薄膜结构相互作用或者损坏该薄膜结构。然而，晶片偏置电压应保持在下限阈值电压(lower threshold voltage)(例如，10-50伏特)以上，在该下限阈值电压以上，溅射靶材材料(例如，铜)的离子沉积在晶片表面上。通过对分别经(a)晶片和(b)腔室侧壁的VHF源功率的VHF接地返回路径阻抗进行差动调节(differential control)来实现这样的晶片低偏置电压。经侧壁的VHF接地返回路径阻抗的减小倾向于降低晶片偏置电压。通过独立可变的阻抗元件控制分别经侧壁和晶片的接地返回路径阻抗来提供该调节。

还通过如下方式使晶片偏置电压最小化：施加到靶材的VHF源功率在晶片上产生适度的正偏置电压，而没有施加任何其它的RF功率。可以通过给晶片提供小量的任选低频(LF)RF偏置功率而抵消掉该晶片的正偏置电压。该LF偏置功率趋向于在晶片上产生负偏置电压，使得该负向作用可以被VHF源功率的正向作用调节或平衡，从而产生晶片净偏置电压，该晶片净偏置电压在需要的情况下接近于0，或者如所需的一般小。具体而言，晶片偏置电压降低至刚好在如上文所提到的载气离子轰击偏置阈值之下。

上述工艺已经参考用于沉积铜的PEPVD工艺讨论如上。然而，该工艺可以用于沉积除铜之外的很宽范围的材料。例如，溅射靶材可以是用于金属靶材材料(例如，钛、钨或锡)的PEPVD沉积的钛、钨、锡(或其它适合的金属材料或合金)。此外，金属(例如，钛)靶材可以与氮工艺气体一起使用，以沉积氮化钛或其它金属氮化物，载气(氩)用于等离子体点火，并随后由用于金属(钛)氮化物沉积的氮气替换载气。

参考图1，根据第一实施方式的PEPVD反应器包括真空室100，该真空室100由圆柱形侧壁102、顶板(ceiling)104和底板(floor)106限定，腔室包含以面对顶板104的方式支撑晶片110的晶片支撑件108。金属溅射靶材112被支撑在顶板104的内表面上。真空泵114将腔室100内的压力维持在所需的低于大气压值(sub-atmospheric value)。现有技术中公知类型的传统旋转式磁铁组件(magnet assembly)或“磁控管”116在溅射靶材112正上方叠置在顶板104上。工艺气体供应器118通过气体注入装置120将例如氩之类的载气供应到腔室100中，该气体注入装置120可以是气体注入喷嘴，喷嘴阵列或者气体分配环。

晶片支撑件108可以包含静电夹盘，该静电夹盘包括接地的导电基座108-1、具有晶片支撑面108-5的上覆电介质圆盘(dielectric puck)108-3、以及位于圆盘108-3内且通过电介质圆盘108-3的薄膜108-9与晶片支撑面分离的电极或导电网108-7。

D.C.电源122通过磁控管116中的中心孔116-1与靶材112的中心连接。具有VHF频率的RF等离子体源功率产生器124经由VHF阻抗匹配126通过磁控管中心孔116-1耦接至靶材112的中心。D.C.夹紧电源128与夹盘电极108-7连接。

在操作时，VHF功率产生器124提供约4kW的等离子体源功率，以在靶材112维持最初由载气离子组成的电容耦合等离子体。该等离子体溅射靶材112，以产生自由靶材原子(例如，铜)，这些原子在等离子体中离子化，磁控管116磁场的旋转帮助分配靶材112的消耗，并促进靶材112附近的离子化。反应器包括能使靶材112附近产生的等离子体到达晶片110的特征。根据此特征，通过提供经晶片110(例如，经由晶片支撑件108)的吸引VHF接地返回路径，使得由来自产生器124的电容耦合VHF功率在靶材112周围形成的等离子体向下延伸至晶片110。为此目的，可变阻抗元件130耦接在电极108-7与接地之间。除了此处连接之外，电极108-7与接地绝缘，因此阻抗元件130仅在电极108-7与接地之间提供连接。在一实施中，可变阻抗元件130由串联的如电容器这样的电抗132与可变的并联电抗134、136组成，在并联电抗中，电抗134可以是可变电容器，电抗136可以是可变感应器。将电抗132、134、136选择为在VHF产生器124的频率下提供阻抗，其允许电流在该频率下从电极108-7流至接地。

能使等离子体从靶材延伸至晶片的另一特征是减小晶片110与靶材112之间的间隔。晶片至靶材的间隔被减小到小于晶片直径的距离，或者是晶片直径的分数。例如，间隔可以是晶片直径的1/5^th。对于300mm的晶片直径，晶片至靶材的间隔可以是60mm。

泵114被设置为提供高腔室压力(例如，50-200mT)。腔室压力足够高，以使平均自由程小于晶片至靶材间隔长度的1/20^th。靶材112与晶片110之间的空间是空的，即没有其它装置，以确保通过在中性物从靶材112运动到晶片110的过程中的大量碰撞，使中性物的角速度分布最大地分散。等离子体中的中性物速度的最终角度在晶片表面分布得很广(接近均匀分布)，该分布在从0°(垂直于晶片表面)一直到接近90°(平行于晶片表面)的半球角度范围内。由于晶片偏置电压带来的吸引，离子具有均匀性稍差的角度分布，该分布在垂直方向达到峰值。图2是离子数分布与图3所示的离子轨道锥的方向的关系的简示图，示出了垂直方向上的峰值。通过离子在晶片至靶材间隔中经历的主要与中性物发生的大量碰撞，该峰值已从高差异(例如，0.8)加宽至某一差异(例如，0.2)。这些碰撞与电场抗衡，以减小围绕垂直方向的离子速度分布的尖峰，并提供非垂直(例如，水平)离子速度的小分量。离子角度轨迹分布的此种加宽与中性物速度的近似各向同性的角度分布相结合。这一结合改善了沉积膜的均匀性或共形性(conformality)。由于相对小的晶片至靶材间隔所伴生的在晶片表面的离子速度的加宽的角度分布，金属以非常高的共形性和均匀的厚度沉积在晶片表面中的高深宽比开口的内表面上。

在靶材112周围所产生的电容耦合等离子体包含来自载气的离子(例如，氩离子)和来自靶材的离子(例如，铜离子)。铜离子需要晶片上的相对低的等离子体偏置电压，以沉积在晶片表面上，该偏置电压一般约等于或小于50伏特。氩离子比铜离子更不稳定(volatile)，在低鞘层电压下，氩离子趋向于与晶片表面上的特征发生弹性碰撞，然后分散开，而不会对该特征造成损害。在稍高的偏置电压电平下(例如，300伏特)，氩离子与晶片上的薄膜特征发生非弹性碰撞，从而损害该薄膜特征。因此，可以通过将晶片偏置电压限制在例如约50伏特或50伏特以下，而达到理想的结果。问题是如何将晶片偏置电压限制在这样的低电平。

用于限制晶片偏置电压的第一个特征是：使选定的一部分等离子体离子远离晶片110而转向腔室侧壁102(由金属形成)。该特征采用与夹盘电极180-7耦接的可变VHF接地返回阻抗元件130，此外还采用与侧壁102耦接的第二可变VHF接地返回阻抗元件140。侧壁可变VHF阻抗元件140具有类似于元件130的结构，包括(在一实施中)串联的电容器142、可变的并联电容器144和可变感应器146。侧壁可变阻抗元件140连接在侧壁102和接地之间，除了此连接处以外，侧壁102与接地绝缘。该两个元件130、140的阻抗是独立可调的，并确定晶片110与侧壁102之间的等离子体电流分配(apportionment)。实施对元件130、140的阻抗的调整以将晶片偏置电压降低至低电平，并精确地选择该电平。例如，可以通过提高由夹盘电极阻抗元件130所呈现的在VHF源功率产生器频率下的电阻(使得经晶片110的VHF接地返回路径较小吸引)，同时减小由腔室侧壁阻抗元件140所呈现的在VHF源功率产生器频率下的电阻(使得经侧壁102的VHF接地返回路径较大吸引)，而实现晶片偏置电压的降低。对于给定的等离子体电流分配，VHF源功率频率下的该两个阻抗元件130、140的相对阻抗取决于晶片110和导电侧壁102的相对面积。

为了减小通过两个可变阻抗元件130、140中选择的一个的电导率，可以将阻抗选择为或者在VHF产生器124的频率下表现为非常高的电阻或开路，或者在VHF产生器频率的谐波下(例如，2^nd、3^rd、4^th谐波)表现为非常低的电阻或短路。利用增加的所关心的各个谐波的另外的可调谐振电路，可以在阻抗元件130、140中任一者或两者中实现在谐波频率下的这种特性。这可以通过为阻抗元件130、140增加更多的可变电抗以达到所需的滤波或通频带特性来实现。例如，参见图6A，可变阻抗元件130可以进一步包括可变谐振电路130-1、130-2、130-3，它们可被调谐以分别在第二、第三和第四谐波下提供选定的阻抗。参见图6B，可变阻抗元件140可以进一步包括可变谐振电路140-1、140-2、140-3，它们可被调谐以分别在第二、第三和第四谐波下提供选定的阻抗。

用于限制晶片偏置电压的第二个特征利用施加到靶材112的VHF源功率的趋向性(tendency)，以在晶片110上产生适度的正偏置电压(没有施加任何其它的RF功率)。该第二特征涉及将任选的低频RF偏置功率产生器150通过阻抗匹配155耦接到夹盘电极108-7。随着来自产生器150的RF偏置功率从0上升，在来自VHF产生器124的VHF源功率的影响下最初为正值的晶片偏置电压向下偏移，并在某一点越过零点变为负值。通过将偏置功率产生器150的输出功率级慎重调整到小的功率级(例如，约0.1kW)，可以将晶片偏置电压设定至非常小的值(例如，小于50伏特)。

由于VHF源功率产生器124提供用于在靶材112附近产生等离子体离子的等离子体源功率，因此D.C.功率源122不是仅有的用于等离子体产生的功率源。由于减小的晶片至靶材间隔降低了靶材112和晶片110之间的等离子体密度的损耗，因而进一步减少了对D.C.功率源122的需求。因此，D.C.电源122的D.C.功率级可以从传统功率级(例如，35-40kW)减低至2kW。该特征降低了靶材112的溅射率，从而减少了靶材的消耗、操作的成本和整个系统上的热负荷。此外，还降低了晶片110上的沉积率。在较高的D.C.功率级下(例如，38kW)，沉积速率非常高，因此典型的铜膜沉积厚度的沉积时间必须被限制为约5秒，其中最初2秒用于等离子体点火之后的阻抗匹配126达到平衡或稳定态。在新的(降低的)D.C.功率级下(几kW或更低)，沉积时间可以是30秒的量级，从而在处理时间的很高比例的时间内，阻抗匹配126都是稳定的。

在高深宽比开口的内表面上的金属涂覆的均匀度的提高，增加了其上可以操作反应器的工艺窗口。在现有技术中，在高深宽比开口的内表面上的金属沉积是非常不均匀的，其仅能允许晶片与晶片之间性能上很小的变化和非常窄的工艺窗口，在该工艺窗口中可以在高深宽比开口的所有内侧面上实现适当(adequate)的金属涂覆。另外，在高深宽比开口的侧壁上厚度的不足沉积需要进行沉积之后的第二步骤，即再溅射步骤，在该步骤中沉积在开口的底壁或底面上的过量的材料被转移到侧壁上。再溅射步骤通常需要在高深宽比开口的底壁上沉积过量的厚度。在本实施方式中，开口的底壁和侧壁上沉积均匀性的改善消除了对再溅射的需求和对开口的底面上的过量厚度的需求。这提高了生产率并减少了在经由高深宽比开口的底壁打开一过孔(via)的情况下所需要移除的材料量。

在图1的实施方式中，施加到腔室的总功率相对于传统PEPVD工艺有所降低，如下表中可见(表I)。

表I

所公开的工艺克服了在高深宽比开口中用于金属沉积的PECVD工艺期间的遮蔽问题。该开口可以具有22纳米数量级的直径并具有7∶1的深宽比(深度∶宽度)。在本发明之前，由于遮蔽效应，PECVD金属沉积在300mm晶片边缘附近的这种开口中显现出显著的非均匀性。相应于高度不均匀的侧壁沉积，沉积在开口侧壁的径向内侧和外侧上的金属之间的比率高达50∶1。在上文所公开的工艺中，该比率改善至接近1∶1，即均匀的侧壁沉积。

图4表示根据一方面的方法。提供具有一材料(例如铜)的靶材，该材料需要用以沉积的低晶片偏置电压(例如，10-50伏特)(图4的方框410)。将诸如氩的载气引入到腔室中，引入的载气在低晶片偏置电压下不倾向于产生离子轰击损害(方框412)。通过利用靶材作为电极来电容耦合VHF源功率，在靶材周围产生等离子体(方框414)。通过提供经晶片的VHF接地返回路径(方框416)，和通过建立窄的晶片至靶材间隔(方框418)，等离子体向下延伸至晶片。将腔室压力保持在足够高的值(例如，100mT)，以保证小于晶片至靶材间隔的1/20^th的离子平均自由程长度(方框420)，从而在晶片表面创建随机或接近各向同性的离子速度分布(方框422)。通过在第一阻抗下的经晶片的接地返回路径和第二阻抗下的经腔室侧壁的接地返回路径之间分配等离子体，将晶片偏置电压最小化(方框424)。通过用LF偏置功率产生器感生的负偏置电压抵消VHF源功率感生的正偏置电压，使晶片偏置电压进一步地最小化(方框426)。执行方框424和426的步骤以将晶片偏置电压保持在阈值以下，在该阈值载气离子可造成离子轰击损害，但是晶片偏置电压还应保持高于必要的阈值以沉积靶材材料。

图5表示对图1实施方式的修改，其中省略了溅射靶材D.C.电源122，且不存在任选的RF偏置功率产生器150和匹配155。在图5的实施方式中，晶片至靶材间隔足够小，并且VHF源功率产生器124具有足够高的输出功率级，以在经晶片110的VHF返回路径的吸引下，在靶材112周围提供对于靶材上的期望溅射率和晶片上的期望沉积速率所必需的等离子体离子密度。在靶材上没有D.C.功率的情况下，靶材消耗更慢，系统上的热负荷更低，并且工艺窗口更宽。

尽管前文所述涉及本发明的实施方式，但是在不脱离本发明的基本范围的前提下，可以设计出本发明其它和另外的实施方式，并且本申请的范围由随后的权利要求所确定。