專利名稱：等離子體處理的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于薄膜沉積的方法和裝置，更具體而言，本發(fā)明涉及用于在襯底上的大高寬比特征結(jié)構(gòu)中的保形薄膜沉積的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在用于集成電路(IC)的層間和層內(nèi)連線的半導(dǎo)體襯底上的大高寬比(HAR)過孔和接觸以及溝槽的金屬化中，阻擋層和晶種層的沉積一般要求具有足夠的側(cè)壁和底部覆蓋度以產(chǎn)生所需的阻擋或晶種性質(zhì)。例如，通常希望使阻擋層盡可能地薄，以便使其電阻最小化；然而，一定不能犧牲其阻擋性質(zhì)。另外，例如，阻擋層必須是保形的和連續(xù)的而不能有空洞，以便防止晶種層材料擴(kuò)散到介電層和其他層中，以防止可靠性問題。當(dāng)薄膜的最大和最小厚度之間的差在某個(gè)可接受的工藝限度內(nèi)時(shí)，該薄膜是保形的。當(dāng)最大和最小膜厚之間的比值較小時(shí)，保形性較好。
對(duì)于HAR特征結(jié)構(gòu)的金屬化，離子化物理氣相沉積(iPVD)已用在半導(dǎo)體處理中，并且其已被考慮擴(kuò)展到亞微米技術(shù)。離子化PVD提供了在過孔和溝槽結(jié)構(gòu)中良好的側(cè)壁和底部覆蓋度；然而，隨著幾何尺寸的收縮和過孔尺寸低于約100納米，沉積需求變得更加嚴(yán)格。即使特征結(jié)構(gòu)開口(或頂部)處的小懸臂(overhang)也被認(rèn)為是對(duì)足夠的特征結(jié)構(gòu)覆蓋度的嚴(yán)重威脅。此外，懸臂的產(chǎn)生也被認(rèn)為對(duì)特征結(jié)構(gòu)的形狀敏感，并且該效應(yīng)對(duì)工藝的總產(chǎn)率有影響。
通常，互連制作中薄層的保形沉積利用當(dāng)前的傳統(tǒng)處理變得非常困難的，因而，產(chǎn)生了非常差的階梯覆蓋度，階梯覆蓋度有時(shí)被定量地定義為特征結(jié)構(gòu)側(cè)壁覆蓋厚度對(duì)特征結(jié)構(gòu)在其下延伸的襯底開闊區(qū)域或水平表面中的覆蓋厚度的比值，該比值越高(接近1)，就越好。例如，金屬層(用作粘附、阻擋和/或晶種層)的物理氣相沉積(PVD)(如濺射)需要在溝槽和/或接觸過孔的所有表面上有至少約5nm(納米)的覆蓋，從而在大高寬比特征結(jié)構(gòu)中進(jìn)行的金屬PVD需要更多的沉積在襯底頂面上，以產(chǎn)生過孔底部的充分覆蓋。用于雙鑲嵌方案的典型的現(xiàn)有技術(shù)溝槽和接觸結(jié)構(gòu)需要在襯底20的水平平坦開闊區(qū)域27上有約50nm的PVD金屬膜21，如圖12A所示，以便使5nm的金屬24到達(dá)接觸過孔23的底部和側(cè)壁。由于PVD技術(shù)的方向性，沉積趨向于更快地積累在溝槽和/或過孔的上部拐角25處(與底部26相比)。作為沉積材料快速建立在結(jié)構(gòu)的上表面上的結(jié)果(其占據(jù)了大部分的導(dǎo)線寬度)，這些建立的拐角隨后遮住了對(duì)特征結(jié)構(gòu)的下部的沉積。
在采用iPVD的當(dāng)前IC互連技術(shù)中(見Rossnagel，“Directional andiPVD for microelectronics applications”，J.Vac.Sci.Technol.B16(5)，2585-2608，1998)，若干種方法已包括順序或原位沉積和蝕刻工藝以消除懸臂(見美國(guó)專利No.6,100,200，4,999,096，和6,274,008以及美國(guó)專利申請(qǐng)2003/0034244)。然而，發(fā)明人觀察到，傳統(tǒng)的工藝條件仍然導(dǎo)致了某些不希望出現(xiàn)的效果，其可以包括懸臂和過孔的封閉、金屬層的不連續(xù)性、低沉積速率和產(chǎn)量限制。在某些方法中，可能需要獨(dú)立的沉積和蝕刻系統(tǒng)，這涉及襯底轉(zhuǎn)移問題，由于未受保護(hù)的內(nèi)部線圈而可能發(fā)生污染，并且不均勻的等離子體生成和隨之而來的不均勻的蝕刻僅僅只是當(dāng)前實(shí)踐所面臨的一些額外問題。而且，發(fā)明人還觀察到，只考慮襯底表面處的重濺射效應(yīng)沒有完全防止懸臂的建立。
用于過孔和溝槽的金屬化的其他技術(shù)例如包括開發(fā)用于某些金屬和金屬氮化物的化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝，相比于PVD工藝，CVD工藝可以表現(xiàn)出改進(jìn)的階梯覆蓋度，然而，即使是CVD工藝也趨向于在雙鑲嵌接觸過孔的底部沉積比結(jié)構(gòu)的上表面和側(cè)壁少得多的材料。因而，盡管在某種程度上相對(duì)于PVD有了改進(jìn)，但是雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的CVD階梯覆蓋在大多數(shù)當(dāng)前已知的低溫CVD技術(shù)下仍然是不平坦的。提出用于金屬互連的保形覆蓋的更新的方法包括原子層沉積(ALD)(見美國(guó)專利No.6,699,783)。通常，ALD包括交替的反應(yīng)物階段循環(huán)，其中每個(gè)階段都有自限制效應(yīng)。然而，ALD工藝有前驅(qū)體在高壓和室溫下的可用性的問題。
總的來說，發(fā)明人觀察到，當(dāng)前的金屬化技術(shù)不能消除特征結(jié)構(gòu)的懸臂，因此，最終將不能提供足夠的HAR特征結(jié)構(gòu)的覆蓋度以用于日益先進(jìn)的IC。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是減少或消除上述問題中的任何一個(gè)或全部。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種沉積材料的方法以改進(jìn)大高寬比(HAR)特征結(jié)構(gòu)內(nèi)的覆蓋特性。
根據(jù)本發(fā)明的原理，描述了一種用于在襯底上的大高寬比特征結(jié)構(gòu)中形成薄膜的沉積系統(tǒng)，包括處理室；耦合到處理室并且被配置為支撐襯底的襯底夾持器；耦合到處理室并且被配置為在處理室內(nèi)形成等離子體的等離子體源；以及耦合到處理室并且被配置為將金屬引入到處理室的金屬源，其中等離子體源和金屬源被配置為在襯底上方產(chǎn)生小于1的金屬密度和等離子體密度之間的比值。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種在襯底上的大高寬比特征結(jié)構(gòu)中沉積薄金屬膜的方法包括在沉積系統(tǒng)中的襯底夾持器上放置襯底；利用等離子體源在沉積系統(tǒng)內(nèi)形成具有某一等離子體密度的等離子體；利用金屬源在沉積系統(tǒng)內(nèi)引入具有某一金屬密度的金屬；在襯底上方建立金屬密度對(duì)等離子體密度的比值，所述比值約等于或小于1；以及在襯底上的特征結(jié)構(gòu)內(nèi)執(zhí)行保形沉積。
盡管本發(fā)明主要針對(duì)金屬的沉積，但是應(yīng)當(dāng)預(yù)期到，其可以應(yīng)用于其他涂覆材料的膜沉積，這些其他涂覆材料的性能有利地響應(yīng)于本發(fā)明的原理。例如，可以相信，本發(fā)明尤其可用于金屬的電離電勢(shì)小于背景處理氣體的電離電勢(shì)的情況下的金屬沉積。因此，電離電勢(shì)小于背景氣體的電離電勢(shì)的涂覆材料應(yīng)當(dāng)受益于本發(fā)明的原理的應(yīng)用。在處理氣體例如是氬的情況下，可以預(yù)料到電離電勢(shì)小于氬的電離電勢(shì)的涂覆材料尤其將受益于本發(fā)明。利用具有較高電離電勢(shì)的背景氣體應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⒈景l(fā)明擴(kuò)展到更多材料。本發(fā)明到其他材料的擴(kuò)展可以分析地或經(jīng)驗(yàn)地確定。
在附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的沉積系統(tǒng)的示意圖；圖2圖示了與襯底的上表面平行的坐標(biāo)系統(tǒng)；圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的沉積系統(tǒng)的示意圖；圖3B圖示了在圖3A中所示的沉積系統(tǒng)的頂視圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的沉積系統(tǒng)的示意圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的沉積系統(tǒng)的示意圖；圖6表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于在大高寬比特征結(jié)構(gòu)中執(zhí)行金屬的保形沉積的方法；圖7表示在高密度等離子體中金屬和背景氣體離子的示例性離子化比例；圖8A圖示了從特征結(jié)構(gòu)的內(nèi)部點(diǎn)處的視角；圖8B表示高寬比為2.25的三維特征結(jié)構(gòu)內(nèi)部的金屬的歸一化中性粒子通量的示例性表面圖；圖8C表示高寬比為8的三維特征結(jié)構(gòu)內(nèi)部的金屬的歸一化中性粒子通量的示例性表面圖；圖9A提供了在平面內(nèi)的離子激勵(lì)的納米量級(jí)沉積中對(duì)沉積速率和覆蓋度有貢獻(xiàn)的沉積機(jī)制和工藝的示意性圖示；圖9B提供了在特征結(jié)構(gòu)內(nèi)的離子激勵(lì)的納米量級(jí)沉積中對(duì)沉積速率和覆蓋度有貢獻(xiàn)的沉積機(jī)制和工藝的示意性圖示；圖10A表示在第一工藝條件下特征結(jié)構(gòu)的側(cè)壁比底部的覆蓋度和特征結(jié)構(gòu)的底部比開闊區(qū)的覆蓋度；圖10B表示在第二工藝條件下特征結(jié)構(gòu)的側(cè)壁比底部的覆蓋度和特征結(jié)構(gòu)的底部比開闊區(qū)的覆蓋度；圖10C表示在第三工藝條件下特征結(jié)構(gòu)的側(cè)壁比底部的覆蓋度和特征結(jié)構(gòu)的底部比開闊區(qū)的覆蓋度；圖10D表示在第四工藝條件下特征結(jié)構(gòu)的側(cè)壁比底部的覆蓋度和特征結(jié)構(gòu)的底部比開闊區(qū)的覆蓋度；
圖10E表示在第五工藝條件下特征結(jié)構(gòu)的側(cè)壁比底部的覆蓋度和特征結(jié)構(gòu)的底部比開闊區(qū)的覆蓋度；圖10F表示在第六工藝條件下特征結(jié)構(gòu)的側(cè)壁比底部的覆蓋度和特征結(jié)構(gòu)的底部比開闊區(qū)的覆蓋度；圖10G表示在第七工藝條件下特征結(jié)構(gòu)的側(cè)壁比底部的覆蓋度和特征結(jié)構(gòu)的底部比開闊區(qū)的覆蓋度；圖10H表示在第八工藝條件下特征結(jié)構(gòu)的側(cè)壁比底部的覆蓋度和特征結(jié)構(gòu)的底部比開闊區(qū)的覆蓋度；圖11圖示了將覆蓋度表示為金屬密度的函數(shù)的示例性工藝窗口；圖12A是具有根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法沉積的阻擋層的接觸過孔的截面圖；以及圖12B是具有根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置的某些實(shí)施例沉積的阻擋層的接觸過孔的截面圖。
具體實(shí)施例方式
在下面的描述中，為了幫助對(duì)本發(fā)明的完全理解和出于說明而非限制的目的，給出了特定細(xì)節(jié)，如沉積系統(tǒng)的具體幾何形狀以及等離子體源和分布式金屬源的各種形狀。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明也可以在脫離這些特定細(xì)節(jié)的其他實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。
但是，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，在描述中除了說明了常用概念的創(chuàng)造性特征以外，還包含了作為創(chuàng)造性特征的特征。
例如，本公開文件的創(chuàng)造性方面包括提供一種用于在襯底上的大高寬比特征結(jié)構(gòu)中形成薄膜的沉積系統(tǒng)和方法，其中等離子體源耦合到處理室，并且被配置為在處理室中形成大于1012e/cm3(每立方厘米的電子數(shù))的高密度等離子體，金屬源耦合到處理室，并且被配置為將金屬引入到處理室，其中金屬原子和金屬離子的總密度小于等離子體密度。
作為另一個(gè)示例，本公開文件的創(chuàng)造性方面包括提供一種用于在襯底上的大高寬比特征結(jié)構(gòu)中形成薄膜的沉積系統(tǒng)和方法，其中等離子體源和金屬源耦合到處理室，并且被配置為在處理室中形成等離子體，其中所述處理室具有在整個(gè)襯底表面和襯底表面附近小于等離子體密度的金屬密度。作為又一示例，創(chuàng)造性方面包括提供一種用于在襯底上的大高寬比特征結(jié)構(gòu)中形成薄膜的沉積系統(tǒng)和方法，其中等離子體源和金屬源耦合到處理室，并且被配置為在處理室中形成等離子體，其中所述處理室具有在整個(gè)襯底表面和襯底表面附近小于等離子體密度的金屬密度，并且總金屬密度對(duì)等離子體密度的比值在整個(gè)襯底表面相對(duì)均勻。
作為包含上述特征以及其他創(chuàng)造性方面的又一示例，可以提供一種用于在襯底上的大高寬比特征結(jié)構(gòu)中形成薄膜的沉積系統(tǒng)和方法，其使用等離子體源和金屬源，等離子體源耦合到處理室，并且被配置為形成大于1012e/cm3的高密度等離子體，金屬源耦合到處理室，并且被配置為將金屬引入到處理室，其中金屬原子和金屬離子的總密度對(duì)等離子體密度的比值在0.1和1.0之間，并且在整個(gè)襯底表面和襯底表面附近基本是均勻的。作為又一示例，還包括附加的創(chuàng)造性方面，即提供了一種用于在襯底上的大高寬比特征結(jié)構(gòu)中形成薄膜的沉積系統(tǒng)和方法，其使用等離子體源和金屬源，等離子體源耦合到處理室，并且被配置為形成大于1012e/cm3的高密度等離子體，金屬源耦合到處理室，并且被配置為將金屬引入到處理室，其中金屬原子和金屬離子的總密度對(duì)等離子體密度的比值在0.1和1.0之間，并且在貫穿從襯底表面向等離子體延伸(并且包括等離子體鞘、等離子體鞘和近鞘、等離子體鞘和近鞘以及至少某些近鞘內(nèi)的等離子體，或者包括襯底直徑的大約1/4的厚度)的空間中在整個(gè)襯底表面和襯底表而附近基本是均勻的。
在下面所述的各種實(shí)施例的描述中以及在所附權(quán)利要求中包含了其他示例。
利用本發(fā)明的某些實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)的示例在圖12B中示出，圖12B示出了在具有大高寬比(例如7∶1)特征結(jié)構(gòu)(如65nm寬的過孔32)的襯底30上沉積膜31的結(jié)果。膜31可以例如在襯底的平坦開闊區(qū)33上以及在襯底30上的特征結(jié)構(gòu)32的側(cè)壁34和底部35上具有5nm±1.25nm的厚度。
為了改進(jìn)尤其是在大高寬比特征結(jié)構(gòu)中的沉積特性，本發(fā)明改進(jìn)了一種沉積系統(tǒng)和操作方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)暴露襯底表面本地的化學(xué)運(yùn)輸?shù)母倪M(jìn)。暴露的襯底表面被暴露于材料沉積步驟，這些步驟的組合用來改變暴露襯底表面的材料成分和/或地形。例如，沉積系統(tǒng)可被認(rèn)為是采用了離子激勵(lì)的保形納米量級(jí)沉積。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，描述了一種用于薄膜的保形沉積的系統(tǒng)。該沉積系統(tǒng)提供了用于大高寬比(HAR)特征結(jié)構(gòu)中的高度均勻特征結(jié)構(gòu)覆蓋的條件。在沉積系統(tǒng)內(nèi)，等離子體源產(chǎn)生高密度等離子體(即，其中電子密度，ne，＞1012cm-3)。另外，在沉積系統(tǒng)內(nèi)，金屬源產(chǎn)生金屬吸附原子。等離子體的形成和金屬吸附原子的生成以這樣的方式執(zhí)行維持小于或等于1的金屬密度(包括中性金屬原子的密度和金屬離子的密度)對(duì)等離子體密度(或電子密度，或離子密度)的恒定比值(例如，nmetal/ne＝const≤1)。發(fā)明人觀察到，滿足該條件執(zhí)行沉積以相同沉積速率提供了整個(gè)襯底上的平坦開闊區(qū)表面和特征結(jié)構(gòu)內(nèi)部表面的保形覆蓋。另外，沉積例如在整個(gè)襯底表面上以表面動(dòng)力學(xué)模式進(jìn)行，并且對(duì)特征結(jié)構(gòu)側(cè)壁處增加的速率有貢獻(xiàn)。
現(xiàn)在參考圖1，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的沉積系統(tǒng)100。沉積系統(tǒng)100包括處理室110和耦合到處理室110并被配置為支撐襯底114的襯底夾持器112。另外，沉積系統(tǒng)100包括耦合到處理室110并被配置為在處理室110內(nèi)的處理空間140中形成等離子體的等離子體源120。另外，沉積系統(tǒng)100包括耦合到處理室110并被配置為將金屬吸附原子引入到處理室110內(nèi)的處理空間140的金屬源130。沉積系統(tǒng)100還可以包括耦合到處理室110并被配置為將例如稀有氣體的惰性氣體引入到處理室110內(nèi)的處理空間140的氣體注入系統(tǒng)160。可選地，沉積系統(tǒng)100還可以包括耦合到處理室110、襯底夾持器112、等離子體源120和金屬源130的控制系統(tǒng)150，其中其可被配置為根據(jù)例如處理工藝執(zhí)行操作、調(diào)節(jié)、監(jiān)視或控制沉積系統(tǒng)100中的至少一種操作。
等離子體的形成和金屬吸附原子的生成以這樣一種方式執(zhí)行金屬密度對(duì)等離子體密度(或電子密度或離子密度)的比值維持小于或等于1(例如，nmetal/ne≤1)。例如，該比值可以針對(duì)空間中并且與襯底114的表面間隔開的至少一點(diǎn)被維持小于或等于1。滿足這一條件將導(dǎo)致這樣一種密度分布，該密度分布將允許實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的至少某些優(yōu)點(diǎn)。或者，可以維持在襯底114的整個(gè)表面上小于或等于1的比值的空間分布?；蛘撸梢跃S持在襯底114的整個(gè)表面上小于或等于1的該比值的空間分布，并且其可以在襯底114的整個(gè)表面上維持基本均勻，或者在±25％內(nèi)?；蛘撸梢跃S持在襯底114的整個(gè)表面上小于或等于1的該比值的空間分布，并且其可以在襯底114的整個(gè)上表面上維持基本恒定(例如，nmetal/ne≈const≤1)。例如，金屬吸附原子密度的空間分布可由函數(shù)f(x，y)表示，并且等離子體密度的空間分布可由函數(shù)g(x，y)表示，其中x和y表示與襯底114的上表面平行的兩維直線坐標(biāo)系統(tǒng)(見圖2)。函數(shù)f(x，y)可以在襯底114的整個(gè)上表面上是基本恒定的，并且函數(shù)g(x，y)可以在襯底114的整個(gè)上表面上是基本恒定的，其中在空間中的任何點(diǎn)(x，y)處的f(x，y)對(duì)g(x，y)的比值小于或等于1?；蛘?，函數(shù)f(x，y)在襯底114的整個(gè)上表面上不是均勻的，并且函數(shù)g(x，y)在襯底114的整個(gè)上表面上不是均勻的；然而，f(x，y)和g(x，y)是類似的函數(shù)，并且在空間中的任何位置(x，y)處的f(x，y)對(duì)g(x，y)的比值小于或等于1。例如，函數(shù)的相似性可以表征為函數(shù)f(x，y)和g(x，y)的數(shù)學(xué)相似性(即，形狀、曲率等)?；蛘?，作為時(shí)間的函數(shù)，該比值可以維持基本不變。
參考圖1，等離子體源120可以包括耦合到電源(如射頻(RF)發(fā)生器)的電極、或者耦合到電源的線圈天線，如螺旋線圈或耦合到RF發(fā)生器的其他天線。例如，等離子體源120可以包括電容耦合等離子體(CCP)源、或電感耦合等離子體(ICP)源、或其組合。另外，例如，子ICP源和大氣ICP源生成電子密度約為ne≈(1-4)×1014cm-3、電子溫度從約～0.2eV到約0.6eV且金屬吸附原子100％離子化的等離子體?；蛘撸入x子體源120可以包括能夠產(chǎn)生大面積等離子體的源，如具有低電子溫度和電子密度約為ne≈1.2×1012cm-3以及以上的電子束源，以及那些能夠基于表面波、螺旋波產(chǎn)生高密度偏平等離子體的源，或者電子回旋共振(ECR)等離子體源。
金屬源130可以例如圍繞處理室110的周長(zhǎng)分布，金屬吸附原子從金屬源130進(jìn)入處理空間140。例如，金屬標(biāo)靶可用作金屬源。標(biāo)靶可以利用直流(DC)或交流(AC)偏置以通過濺射工藝生成金屬吸附原子?；蛘?，可以使用其他金屬源，如磁電管。例如，可以采用脈沖激光沉積、高能脈沖磁控濺射、等離子體輔助濺射技術(shù)等。另外，例如，金屬源130可以包括多個(gè)金屬源。這多個(gè)金屬源可以耦合到電源。或者，每個(gè)金屬源可以獨(dú)立耦合到單獨(dú)的電源?；蛘?，功率可以利用一個(gè)或多個(gè)電源交替地、順序地耦合到這多個(gè)金屬源。
襯底夾持器112可以包括電極，AC功率(如RF功率)或DC功率通過該電極耦合到襯底114。例如，襯底夾持器112可以經(jīng)由從RF發(fā)生器通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到襯底夾持器112的RF功率電偏置在某一RF電壓。RF偏置可用來加熱電子以形成并維持等離子體?；蛘?，RF偏置可用來影響入射在襯底的上表面上的離子能量。RF偏置的一般頻率可以從0.1MHz到100MHz。用于等離子體處理的RF系統(tǒng)是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的?；蛘?，RF功率以多個(gè)頻率被施加到襯底夾持器的電極。此外，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可用來通過減少反射功率提高到處理室中的等離子體的RF功率傳輸。匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?例如，L型、π型、T型等)和自動(dòng)控制方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。
另外，襯底夾持器112可以包括靜電夾緊系統(tǒng)(或機(jī)械夾緊系統(tǒng))以將襯底114電(或機(jī)械)夾緊到襯底夾持器112。此外，襯底夾持器112例如還可以包括具有再循環(huán)冷卻劑流的冷卻系統(tǒng)，該再循環(huán)冷卻劑流接收來自襯底夾持器112的熱，并將熱傳到熱交換器系統(tǒng)(未示出)，或者在加熱時(shí)傳送來自熱交換器系統(tǒng)的熱。而且，傳熱氣體可以例如經(jīng)由背面氣體系統(tǒng)被傳遞到襯底114的背面，以提高襯底114和襯底夾持器112之間的氣體間隙熱導(dǎo)。例如，被提供到襯底112背面的傳熱氣體可以包括惰性氣體(如氦、氬、氙、氪)、處理氣體或其他氣體(如氧氣、氮?dú)饣驓錃?。該系統(tǒng)可用在當(dāng)需要對(duì)襯底進(jìn)行溫度控制以升高或降低溫度時(shí)。例如，背面氣體系統(tǒng)可以包括多區(qū)氣體分布系統(tǒng)，如兩區(qū)(中心一邊緣)系統(tǒng)，其中背面氣體間隙壓強(qiáng)可以在襯底114的中心和邊緣之間獨(dú)立變化。在其他實(shí)施例中，加熱/冷卻元件(如電阻加熱元件)或熱電加熱器/冷卻器可被包括在襯底夾持器112以及處理室110的室壁內(nèi)。
此外，控制系統(tǒng)150可以包括微處理器、存儲(chǔ)器和能夠生成控制電壓的數(shù)字I/O端口，該控制電壓足以與沉積系統(tǒng)100通信并激活到沉積系統(tǒng)100的輸入，以及監(jiān)視來自沉積系統(tǒng)100的輸出。而且，控制系統(tǒng)150可以耦合到處理室110、等離子體源120、分布式金屬源130、氣體注入系統(tǒng)160和真空泵系統(tǒng)(未示出)并可以與之交換信息。例如，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序可用于根據(jù)處理工藝激活到沉積系統(tǒng)100的前述組件的輸入以執(zhí)行沉積工藝?？刂葡到y(tǒng)150的一個(gè)示例包括可以從Texas，Austin的DellCorporation得到的DELL PRECISION WORKSTATION 610TM。
現(xiàn)在參考圖3A和3B，圖3A和3B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一個(gè)沉積系統(tǒng)200。沉積系統(tǒng)200包括與圖1中描述的沉積系統(tǒng)100相似的元件。然而，沉積系統(tǒng)200包括提供在兩個(gè)或更多個(gè)位置處的兩個(gè)或更多個(gè)等離子體源，以提供均勻和可控的等離子體密度分布，該分布足以使金屬吸附原子均勻地離子化。例如，沉積系統(tǒng)200包括第一等離子體源220和第二等離子體源222，第一等離子體源220耦合到處理室210的下部部分并包圍該部分，并被配置為在處理空間240中形成等離子體，第二等離子體源222耦合到處理室210的上部部分并包圍該部分，并被配置為在處理空間240中形成等離子體。
另外，沉積系統(tǒng)200包括耦合到處理室210并被配置為將金屬吸附原子引入到處理室210內(nèi)的處理空間240的分布式金屬源230。分布式金屬源230的位置可以如圖3A和圖3B所示。
如圖3A所示，沉積系統(tǒng)200還可以包括緩沖設(shè)備270。例如，處理室210的一部分不包含分布式金屬源或等離子體源，但是其構(gòu)成了緩沖表面以補(bǔ)償襯底上的不同處理速率。緩沖表面270可以包括凸起、平面或凹進(jìn)形狀中的至少一種，并且其可以由導(dǎo)電材料制作，如鋁、不銹鋼等。緩沖設(shè)備270的目的可以例如是補(bǔ)充處理空間240中金屬吸附原子的徑向分布。由于表面反應(yīng)對(duì)表面溫度是敏感的，因此緩沖表面(緩沖設(shè)備270)可以包含溫度控制元件，如冷卻和/或加熱設(shè)備，以控制其表面溫度。另外，例如，緩沖設(shè)備270可以連接到DC或AC電源。另外，緩沖設(shè)備270可以包含磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，該磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)利用永磁體或電磁體生成靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的磁場(chǎng)。另外，緩沖設(shè)備270可以是可平移的。例如，緩沖設(shè)備270可以沿垂直于襯底214的方向平移，以改變緩沖設(shè)備270和襯底214之間的間距。
襯底系統(tǒng)200還可以包括耦合到處理室210并被配置為將諸如稀有氣體的惰性氣體引入到處理室210內(nèi)的處理空間240的氣體注入系統(tǒng)260?？蛇x地，襯底系統(tǒng)200還可以包括耦合到處理室210、襯底夾持器212、第一等離子體源220、第二等離子體源222和分布式金屬源230的控制器250，其中其可被配置為根據(jù)例如處理工藝執(zhí)行操作、調(diào)節(jié)、監(jiān)視或控制沉積系統(tǒng)200中的至少一種操作。
現(xiàn)在參考圖4，圖4示出了對(duì)應(yīng)于本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)沉積系統(tǒng)300。沉積系統(tǒng)300包括提供在兩個(gè)或更多個(gè)位置處的兩個(gè)或更多個(gè)等離子體源，以提供均勻和可控的等離子體密度分布，該分布足以使金屬吸附原子均勻地離子化。例如，沉積系統(tǒng)300包括第一等離子體源320和第二等離子體源322，第一等離子體源320耦合到處理室310的下部部分并包圍該部分，并被配置為在處理空間340中形成等離子體，第二等離子體源322耦合到處理室310并定位在處理室310上方，并被配置為在處理空間340中形成等離子體。另外，沉積系統(tǒng)300包括耦合到處理室310并被配置為將金屬吸附原子引入到處理室310內(nèi)的處理空間340的分布式金屬源330。沉積系統(tǒng)300還可以包括耦合到處理室310并被配置為將諸如稀有氣體的惰性氣體引入到處理室310內(nèi)的處理空間340的氣體注入系統(tǒng)360?？蛇x地，襯底系統(tǒng)300還可以包括耦合到處理室310、襯底夾持器312、等離子體源320和322以及分布式金屬源330的控制器350，其中其可被配置為根據(jù)例如處理工藝執(zhí)行操作、調(diào)節(jié)、監(jiān)視或控制沉積系統(tǒng)300中的至少一種操作。沉積系統(tǒng)300還可以包括如上所述的緩沖設(shè)備370。
另外，例如，圖5圖示了具有用于控制沉積系統(tǒng)400的控制系統(tǒng)410的沉積系統(tǒng)400的布局?？刂葡到y(tǒng)410包括用于設(shè)置工藝參數(shù)和硬件參數(shù)的用戶界面420和被配置為根據(jù)設(shè)置參數(shù)操作沉積系統(tǒng)的主控制器422?？刂葡到y(tǒng)410還包括被配置為操作壓強(qiáng)控制系統(tǒng)432、氣體流量控制系統(tǒng)434和氣體供應(yīng)系統(tǒng)438以及泵系統(tǒng)436的第一子控制器430。另外，控制系統(tǒng)410包括被配置為操作等離子體源功率發(fā)生器和控制系統(tǒng)442和沉積系統(tǒng)冷卻和加熱系統(tǒng)444的第二子控制器440，以及被配置為操作分布式金屬源DC功率發(fā)生器和控制系統(tǒng)448的第三子控制器446。等離子體源功率發(fā)生器和控制系統(tǒng)442和分布式金屬源DC功率發(fā)生器和控制系統(tǒng)448耦合到處理室465，并被配置為分別操作具有一個(gè)或多個(gè)等離子體生成元件471、472的等離子體源470和具有一個(gè)或多個(gè)金屬源481、482、483的分布式金屬源480。第四子控制器450被配置為操作襯底處置系統(tǒng)452，第五子控制器454被配置為操作夾持和解夾持系統(tǒng)456，第六子控制器458被配置為操作襯底夾持器功率發(fā)生器和控制系統(tǒng)460。此外，具有一個(gè)或多個(gè)傳感器和儀器的診斷系統(tǒng)490可以耦合到處理室465、等離子體源470和分布式金屬源480，并被配置為向用戶界面420提供操作數(shù)據(jù)。
如圖5所示，主控制器422可以相對(duì)于沉積系統(tǒng)400位于本地，或者其可以遠(yuǎn)離沉積系統(tǒng)400。例如，控制器422可以利用直接連接、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)中的至少一種與沉積系統(tǒng)400交換數(shù)據(jù)?？刂破?22可以耦合到例如在客戶位置(即，器件制造商等)處的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，或者其可以耦合到例如在供應(yīng)商位置(即，設(shè)備制造商)處的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。另外，例如，控制器422可以耦合到互聯(lián)網(wǎng)。此外，另一個(gè)計(jì)算機(jī)(即，控制器、服務(wù)器等)可以例如訪問控制器422以經(jīng)由直接連接、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)中的至少一種交換數(shù)據(jù)。
在圖1到5所述的沉積系統(tǒng)中，分布式金屬源可以從標(biāo)靶產(chǎn)生金屬蒸氣通量，標(biāo)靶被在高于典型的濺射壓強(qiáng)的氣體壓強(qiáng)(一般＞30mTorr)下加熱。本發(fā)明的創(chuàng)造性實(shí)施例在離子激勵(lì)納米量級(jí)沉積中采用了所述的金屬對(duì)等離子體比值，其中，該沉積在真空處理室中使用了熱化的等離子體或金屬蒸氣。合適的ICP源在大體積中產(chǎn)生高密度等離子體和有效的金屬離子化。金屬離子向襯底表面擴(kuò)散，并且通過鞘前和鞘中的電壓梯度(等離子體電勢(shì)和晶片電勢(shì)之間的電勢(shì)差)被加速。在高金屬離子通量比例但是相對(duì)較低的總金屬密度的條件下，表面覆蓋可以以在表面動(dòng)力學(xué)模式進(jìn)行。由于平坦開闊區(qū)(flat field)處的表面碰撞，重新組合后的金屬離子返回到本體等離子體。在特征結(jié)構(gòu)內(nèi)，側(cè)壁對(duì)由于背景氣體(如氬)的彭寧(Penning)激發(fā)和金屬離子與背景氣體的電荷交換而逃離特征結(jié)構(gòu)的底部的金屬提供了捕捉效應(yīng)。在這些條件下，從本體等離子體基于離子的沉積速率大于在特征結(jié)構(gòu)的底部處的中性粒子生成速率，并且中性粒子生成速率大于從本體等離子體通過中性粒子的沉積速率；即，保形性大于CB/FF≥1(B＝特征結(jié)構(gòu)底部，F(xiàn)F＝平坦開闊區(qū)；即，CB/FF表示在特征結(jié)構(gòu)底部處的沉積速率對(duì)平坦開闊區(qū)處的沉積速率的比值)。當(dāng)從底部反射和重新濺射出的金屬小于通過表面反應(yīng)在壁處消耗的金屬量時(shí)，CSW/B≥1(SW＝特征結(jié)構(gòu)側(cè)壁)。
現(xiàn)在參考圖6，圖6描述了在大高寬比特征結(jié)構(gòu)中沉積薄膜的方法。該方法包括流程圖500，流程圖500開始于510，在510中，在沉積系統(tǒng)中沉積襯底。例如，該沉積系統(tǒng)可以包括上述圖1至5中的任何一種沉積系統(tǒng)。
在520中，利用一個(gè)或多個(gè)等離子體源在沉積系統(tǒng)中形成等離子體。可以通過引入背景氣體(如惰性氣體)并將足以進(jìn)行電離的功率耦合到氣體來形成等離子體。
在530中，金屬被從一個(gè)或多個(gè)金屬源引入到沉積系統(tǒng)。
在540中，建立用于在襯底上沉積金屬的工藝，其中金屬密度對(duì)等離子體密度的比值基本等于或小于1。例如，用于實(shí)現(xiàn)該比值的工藝條件在下面更詳細(xì)地描述。
在550中，利用在沉積系統(tǒng)中形成的工藝條件執(zhí)行襯底上金屬的保形沉積。
在一個(gè)示例中，確定用于實(shí)現(xiàn)保形覆蓋的工藝界限或工藝窗口(更具體而言，特定的金屬對(duì)等離子體密度比和其分布)的方法可以產(chǎn)生于初始的原理仿真，或者實(shí)驗(yàn)，或這兩者。如上所述，在襯底上沉積金屬膜，其中在存在背景氣體(如稀有氣體)的條件下形成金屬蒸氣，如銅、鋁、鉭、鈦等，在這期間多次的碰撞通過基元反應(yīng)產(chǎn)生了能量上的多組分等離子體環(huán)境。在金屬-氣體等離子體(如金屬-氬等離子體)中，可以存在五種原子組分，其包括不同的能量狀態(tài)并且性質(zhì)不同。例如，產(chǎn)生這些粒子的主要碰撞是電子與本體等離子體中的母體氣體原子碰撞(1)(電子撞擊激發(fā))(2)(電子撞擊離子化)電子與本體等離子體中的金屬原子碰撞(3)(電子撞擊激發(fā))(4)(電子撞擊離子化)M(g)+e-→M+(g)+2e-金屬與本體等離子體中的母體氣體原子碰撞(5)(氬的彭寧激發(fā))(6)(電荷交換)(7)(金屬的彭寧離子化)在低密度等離子體(ne＜1010cm-3)中，彭寧離子化(見公式7)負(fù)責(zé)大多數(shù)金屬-離子化碰撞。在高密度等離子體(ne＞1011cm-3)中，主要的金屬離子化途徑是電子撞擊離子化(見公式3)。本體等離子體中的帶電粒子的主要損耗途徑是向壁的雙極擴(kuò)散和由此導(dǎo)致的在壁表面處的重組合。離子化的金屬構(gòu)成了氬等離子體中的全部離子密度的一定的比例。當(dāng)金屬蒸氣密度可與母體氬密度相當(dāng)時(shí)，該比例由電子溫度和這兩種組分的電離電勢(shì)(例如，Ei(Cu)≈7.724eV，Ei(Ar)≈15.755eV)確定。由于對(duì)于金屬密度nM＜ne，在給定電子溫度下，金屬的電離電勢(shì)小于氬的電離電勢(shì)(其他用于互連的實(shí)用金屬與銅相比具有相當(dāng)?shù)碾婋x電勢(shì)，例如，Ei(Ta)≈7.88eV，Ei(Al)≈5.984eV，Ei(Ti)≈6.82eV等)，因此相比于nM＞ne的情形，可以離子化更大比例的金屬。
例如，圖7表示對(duì)于銅-氬等離子體由全局動(dòng)力學(xué)模型得到的結(jié)果。例如，圖7中表示的結(jié)果反映了本體高密度等離子體中金屬和氬離子的離子化比例(p～65mTorr，ne～1.6×1012cm-3，Te～1.75eV)以及對(duì)于浮動(dòng)襯底處的體金屬密度到表面的金屬離子通量比例。虛線(1)示出了當(dāng)超過等離子體密度(2)時(shí)金屬(Cu)離子密度的減少。模型輸出是基于上述的動(dòng)力學(xué)過程(公式(1)至(7))以及關(guān)于等離子體密度和電子溫度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的。為了將金屬離子密度轉(zhuǎn)換為表面處的金屬離子通量，考慮通過等離子體鞘前和鞘電勢(shì)差Vplasma-Vbias引起的對(duì)Bohm速度的離子加速的情形。例如，偏置的增大可以增加到表面的金屬離子通量。中性金屬的通量不受加速電壓梯度的影響。該結(jié)果導(dǎo)致到襯底的離子化金屬通量的比例(3)大于等離子體中離子化金屬(4)的比例。
金屬沉積發(fā)生在襯底表面(或任何其他表面)處的等離子體鞘內(nèi)，其中發(fā)生電子密度的耗盡(ne→0)。另外，在鞘內(nèi)沒有電子撞擊碰撞發(fā)生，這是因?yàn)槔缭?0到100mTorr的壓強(qiáng)下，離子-中性粒子平均自由程(1-3mm)大于鞘的寬度(<Li-n>≥1mm＞＞dsheath≈30-100μm)，從而鞘可被認(rèn)為是無碰撞的。而且，特征結(jié)構(gòu)內(nèi)的中性粒子通量明顯減小，這是由于從特征結(jié)構(gòu)表面上的某點(diǎn)看非常小的視角造成的(見圖8)。在這些條件下，在表面處的離子激勵(lì)碰撞在金屬運(yùn)輸中扮演了重要角色。表面的存在在碰撞中扮演了第三主體的角色，并且為表面處的碰撞粒子之間的能量傳送提供了有利的條件。在動(dòng)力學(xué)模型中，假定下面的表面碰撞可以對(duì)沉積速率有貢獻(xiàn)(8)(氬的彭寧激發(fā))(9)(電荷交換)
(10)(金屬的彭寧離子化)
另外，還考慮到中性金屬原子的直接沉積、加速的金屬離子、來自表面的反射金屬離子和襯底表面的重濺射。
(11)(離子沉積機(jī)制) 在動(dòng)力學(xué)模型中考慮的全部機(jī)制在圖9A和9B中示意性地示出。動(dòng)力學(xué)模型的解提供了涉及金屬密度(nM)、等離子體密度(ne)和上述表面碰撞的特定速率常數(shù)的平坦開闊區(qū)表面(D.R.FF)、底部(D.R.B)和側(cè)壁(D.R.SW)表面上的沉積速率(12)D.R.FF(ne，nM)≈B1nM+K1nenM-Y(_，E)ne+B3nenMnAr-K2nenMnAr-K3ne2nMnAr(13)D.R.B(ne，nM)≈Θ(H)B1nM+K1nenM[1-R(_B)]-Y(_，E)ne++Θ(H)2B3nenMnAr-Θ(H)K2nenMnAr-Θ(H)K3ne2nMnAr(14) +(1+14AR)Θ(z)2B3nenMnAr+14ARΘ(z)K3ne2nMnAr]]>其中右手側(cè)的第一項(xiàng)(具有B1)描述了由于中性金屬引起的沉積速率，第二項(xiàng)(具有K1)描述了由于離子化金屬引起的沉積速率，第三項(xiàng)(具有Y(_，E))描述了由于重濺射率引起的沉積速率，第四項(xiàng)(具有B3)描述了由于金屬的彭寧離子化引起的沉積速率，第五項(xiàng)(具有K2)描述了氬的彭寧激發(fā)，第六項(xiàng)(具有K3)描述了金屬和氬之間的電荷交換，R(_B)表示反射系數(shù)，nAr表示背景氣體本體密度，Θ(H)表示特征結(jié)構(gòu)底部處的中性粒子通量比例，Θ(z)表示過孔側(cè)壁處的中性粒子通量比例，AR是特征結(jié)構(gòu)的高寬比。
另外，特征結(jié)構(gòu)內(nèi)部的主要金屬運(yùn)輸是具有高表面碰撞頻率的分子模式。在使用條件下，表面碰撞頻率可與本體等離子體碰撞頻率相當(dāng)。此外，特征結(jié)構(gòu)內(nèi)部的中性金屬的直接沉積可以取決于特征結(jié)構(gòu)內(nèi)部的位置。
底部比平坦開闊區(qū)的覆蓋度CB/FF＝DB(ne，nM)/DFF(ne，nM)和側(cè)壁比底部的覆蓋度CSW/B＝DSW(ne，nM)/DB(ne，nM)的分析在表1和表2中示出。在金屬密度減小(nM＜ne)的情況下，表面反應(yīng)預(yù)示了特征結(jié)構(gòu)的保形覆蓋CSW/B(ne，nM)≈1，而不會(huì)有懸臂產(chǎn)生。保形覆蓋可以在金屬密度nM滿足條件nMcritical<nM<ne,]]>并且等離子體密度ne滿足關(guān)系ne(1)≤ne≤ne(2)時(shí)實(shí)現(xiàn)。這里，nMcritical(Ub，ne，nAr，B1，B3，K1，K2，K3，R(_B))是表面速率常數(shù)、反射系數(shù)、等離子體密度和氬背景壓強(qiáng)的復(fù)合函數(shù)，并且其可以取決于沉積的實(shí)際金屬的物理性質(zhì)。具體而言，其可以對(duì)工藝參數(shù)(如襯底處的偏置)是敏感的，作為結(jié)果，其使得nMcritical→ne.]]>等離子體密度可以由類似的參數(shù)以復(fù)合的方式確定，包括以特征結(jié)構(gòu)的高寬比作為參數(shù)。該模型的最重要結(jié)論是對(duì)于金屬密度和等離子體密度存在間隔或工藝窗口，其中CB/FF≈1并且CSW/B≈1。
從基于等離子體中的金屬比例和向襯底施加的偏置電壓的工藝角度看，對(duì)于大高寬比特征結(jié)構(gòu)的保形覆蓋可以確定出若干個(gè)工藝窗口(見圖10A至10H)。例如，圖10A至10H表示如下的在不同工藝參數(shù)下特征結(jié)構(gòu)的側(cè)壁比底部的覆蓋度(圖示了沒有表面碰撞的動(dòng)力學(xué)模型，還圖示了具有表面碰撞的動(dòng)力學(xué)模型)和特征結(jié)構(gòu)的底部比平坦開闊區(qū)的覆蓋度(圖示了沒有表面碰撞的動(dòng)力學(xué)模型，還圖示了具有表面碰撞的動(dòng)力學(xué)模型)，即(10A)沒有襯底偏置，低金屬密度；(10B)襯底偏置對(duì)應(yīng)于5％的重濺射率，低金屬密度；(10C)襯底偏置對(duì)應(yīng)于10％的重濺射率(相對(duì)于沉積速率)，低金屬密度；(10D)襯底偏置對(duì)應(yīng)于15％的重濺射率，低金屬密度；(10E)襯底偏置對(duì)應(yīng)于25％的重濺射率，金屬密度可與等離子體密度相當(dāng)；(10F)襯底偏置對(duì)應(yīng)于50％的重濺射率，金屬密度可與等離子體密度相當(dāng)；(10G)襯底偏置對(duì)應(yīng)于75％的重濺射率，金屬密度可與等離子體密度相當(dāng)；和(10H)襯底偏置對(duì)應(yīng)于100％的重濺射率，金屬密度可與等離子體密度相當(dāng)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，用于保形覆蓋的工藝窗口包括低偏置功率(對(duì)襯底)和nM＜0.1ne或優(yōu)選地nM≤nM，critical＜ne(以各種偏置條件在圖10A、B、C、D中示出)。在該工藝窗口內(nèi)，CSW/B→1，并且即使當(dāng)CSW/B≥1時(shí)，偏置功率的適度增加(重濺射率的增加)也可以增大從保形到過保形的側(cè)壁比底部的覆蓋度?？偟恼f來，沉積速率是相對(duì)較低的，并且其可以通過增大本體等離子體中的等離子體密度來增大，即，ne→1013cm-3以及更高。底部比平坦開闊區(qū)的覆蓋度很低，CB/FF＜0.2，并且不產(chǎn)生懸臂。
表1根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，用于保形覆蓋的工藝窗口包括中等偏置功率(對(duì)襯底)和0.1≤|nM-nene|≤1]]>或優(yōu)選地nM,criticalne≤|nM-nene|≤1]]>(以各種偏置條件在圖10E、F、G中示出)。在該工藝窗口內(nèi)，CSW/B≤1，并且其相當(dāng)于CSW/B≈CB/FF。沉積速率是合理的。CSW/B和CB/FF都可由金屬源生成速率控制。工藝窗口對(duì)于較低偏置較大，而在較高偏置條件下收縮。懸臂形成速率仍然相對(duì)較低。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，用于保形覆蓋的工藝窗口包括高偏置功率(對(duì)襯底)和nM≥ne(以各種偏置條件在圖10G、H中示出)。在所述金屬密度量級(jí)上，該工藝窗口類似于低偏置功率的第一工藝窗口。
表2該區(qū)域可應(yīng)用于增強(qiáng)底部覆蓋而不影響側(cè)壁覆蓋的應(yīng)用。其還可以與操作在低偏置功率工藝窗口下的工藝相繼使用，以便在不產(chǎn)生懸臂結(jié)構(gòu)情況下將優(yōu)化的側(cè)壁比底部的覆蓋度與增強(qiáng)的底部比平坦開闊區(qū)的覆蓋度相結(jié)合。在該工藝窗口中保形性CSW/B→0。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，用于保形覆蓋的工藝窗口包括nM＞ne(或者在nM＞＞ne時(shí)更為有效)，其特征在于由于增加的沉積速率而引起的懸臂形成。該工藝窗口由當(dāng)前的PVD和iPVD工藝所使用；然而，由于懸臂，其沒有為大高寬比特征結(jié)構(gòu)提供好的覆蓋度。
在另一個(gè)實(shí)施例中，選擇工藝條件，使得等離子體密度足夠高以允許合理的沉積速率，并且滿足條件ne＞nM，例如，ne≈1012→1013cm-3甚至更高。例如，大約ne→1013cm-3的等離子體密度可以為納米量級(jí)沉積提供足夠的沉積速率～10-100nm/min。
另外，分布式金屬源可以傳遞滿足條件nM＜ne的優(yōu)化的金屬量，該金屬在襯底上方的任意位置處被高度離子化，并且減少甚至消除了零星撞擊和懸臂的形成。分布式金屬源可以提供更高的離子化，因而，通過幾何尺寸和操作提供更高的均勻性(小的金屬源較少地耦合到等離子體源)。
另外，另一種工藝條件包括nmetal/ne＝const≤1和nM≥nMcritical.]]>維持整個(gè)襯底上方金屬密度對(duì)等離子體密度的恒定比值可以提供用于保形覆蓋模式內(nèi)的表面反應(yīng)的條件，從而可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)襯底上的特征結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的均勻覆蓋。
根據(jù)上述動(dòng)力學(xué)模型的結(jié)果，一種用于最優(yōu)特征結(jié)構(gòu)覆蓋的工藝方案可以包括從第一(低偏置功率)和第三工藝窗口中提取的條件。例如，可以通過低金屬源生成，并將襯底偏置從無偏置狀況改變?yōu)橹械绕脿顩r(例如，使偏置功率脈沖化)來提供該工藝方案。對(duì)于密度為若干1012cm-3、壓強(qiáng)從30到100mTorr的典型的ICP等離子體(使用離子化金屬進(jìn)行300mm晶片的金屬化)，≤1011cm-3的金屬密度(例如，這可以通過從DC電源傳送到標(biāo)靶的1-4kW來實(shí)現(xiàn))可被認(rèn)為是足夠低的以操作在表面碰撞模式中，例如在第一或第三工藝窗口內(nèi)。在這些條件下，襯底偏置在工藝期間可以具有兩個(gè)水平，這兩個(gè)水平都落在從無偏置襯底夾持器到其水平對(duì)應(yīng)于在小于無偏置沉積速率的20％的平坦開闊區(qū)處的凈沉積速率的偏置襯底夾持器的范圍內(nèi)。例如，襯底偏置功率的范圍可以從0W到幾百W。
另一種工藝方案包括操作在中等偏置條件下(即，第二工藝窗口，中等偏置功率)，并且金屬源生成被預(yù)設(shè)為遵守條件nM,criticalne≤|nM-nene|≤1,]]>或者換句話說，金屬密度接近于等離子體密度的范圍。例如，平坦開闊區(qū)處的凈沉積速率處于無偏置條件下的沉積速率的50％到80％的范圍內(nèi)(例如，襯底偏置功率范圍從約300W到800W)。另外，例如，提供給標(biāo)靶的DC功率可以范圍從約2到6kW，以便生成可與等離子體密度相當(dāng)?shù)目偨饘倜芏取?br>
盡管上面只詳細(xì)描述了本發(fā)明的某些示例性實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)容易地意識(shí)到，可以在示例性實(shí)施例中進(jìn)行許多修改，而不實(shí)質(zhì)上脫離本發(fā)明的新穎教導(dǎo)和優(yōu)點(diǎn)。因此，所有這些修改都應(yīng)當(dāng)被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于在襯底上的大高寬比特征結(jié)構(gòu)中形成薄膜的沉積系統(tǒng)，包括處理室；耦合到所述處理室并且被配置為支撐所述襯底的襯底夾持器；耦合到所述處理室并且被配置為在所述處理室內(nèi)形成等離子體的等離子體源；以及耦合到所述處理室并且被配置為將金屬引入到所述處理室的金屬源，其中所述等離子體源和所述金屬源被配置為在所述襯底上方產(chǎn)生小于1的金屬密度和等離子體密度之間的比值。
2.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，還包括耦合到所述處理室并且被配置為引入惰性氣體的氣體注入系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求2所述的沉積系統(tǒng)，其中所述惰性氣體包括稀有氣體。
4.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述等離子體密度由電子密度或離子密度表征。
5.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述比值在所述襯底的整個(gè)所述表面上是基本均勻的。
6.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述比值作為時(shí)間的函數(shù)變化。
7.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述襯底上方的所述等離子體密度的空間分布由f(x，y)表示，所述金屬密度的空間分布由g(x，y)表示，并且x和y表示與所述襯底的所述表面平行的兩維直線坐標(biāo)系統(tǒng)，其中所述函數(shù)g(x，y)是與所述函數(shù)f(x，y)基本相似的函數(shù)。
8.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述等離子體源包括一個(gè)或多個(gè)等離子體生成元件。
9.如權(quán)利要求8所述的沉積系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)等離子體生成元件選自由以下元件構(gòu)成的組合電容耦合等離子體生成元件、電感耦合等離子體生成元件、螺旋波等離子體生成元件、電子回旋共振等離子體生成元件和表面波等離子體生成元件。
10.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述等離子體源包括電極或螺旋線圈中的至少一種或這兩者。
11.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述等離子體源被配置為產(chǎn)生高密度等離子體。
12.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述等離子體源被配置為產(chǎn)生超過1012cm-3的等離子體密度。
13.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述等離子體源包括第一等離子體生成元件和第二等離子體生成元件，其中所述第一生成元件和所述第二生成元件耦合到所述處理室以執(zhí)行調(diào)節(jié)或控制所述襯底上方的所述等離子體密度的空間分布中的至少一種操作。
14.如權(quán)利要求13所述的沉積系統(tǒng)，其中所述第一等離子體生成元件耦合到所述處理室的下部部分的外圍，并且所述第二等離子體生成元件耦合到所述處理室的上部部分的外圍。
15.如權(quán)利要求13所述的沉積系統(tǒng)，其中所述第一等離子體生成元件耦合到所述處理室的下部部分的外圍，并且所述第二等離子體生成元件耦合到所述處理室的上表面。
16.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述金屬源包括被配置為執(zhí)行調(diào)節(jié)或控制所述襯底上方的所述金屬密度的空間分布中的至少一種操作的分布式金屬源。
17.如權(quán)利要求16所述的沉積系統(tǒng)，其中所述分布式金屬源包括圍繞所述處理室的外圍布置的一個(gè)或多個(gè)金屬標(biāo)靶。
18.如權(quán)利要求16所述的沉積系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)金屬標(biāo)靶耦合到直流(DC)電源。
19.如權(quán)利要求16所述的沉積系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)金屬標(biāo)靶包括耦合到電源的多個(gè)標(biāo)靶，所述電源被配置為交替地、順序地給所述多個(gè)標(biāo)靶中的每一個(gè)加電。
20.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述金屬源包括耦合到直流(DC)電源的金屬標(biāo)靶。
21.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述金屬源包括鋁、銅、鉭或鈦中的至少一種的源。
22.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，還包括耦合到所述處理室并且被配置為調(diào)節(jié)所述處理室中的所述襯底上方的所述金屬密度或所述等離子體密度中的至少一種的緩沖設(shè)備。
23.如權(quán)利要求22所述的沉積系統(tǒng)，其中所述緩沖設(shè)備耦合到所述處理室的上表面。
24.如權(quán)利要求22所述的沉積系統(tǒng)，其中所述緩沖設(shè)備包括扁平、凸起或凹進(jìn)形狀中的至少一種。
25.如權(quán)利要求22所述的沉積系統(tǒng)，其中所述緩沖設(shè)備利用直流(DC)或交流(AC)電源中的至少一種被電偏置。
26.如權(quán)利要求22所述的沉積系統(tǒng)，還包括耦合到所述緩沖設(shè)備并且被配置為調(diào)節(jié)所述處理室中的所述襯底上方的所述金屬密度或所述等離子體密度中的至少一種的磁體系統(tǒng)。
27.如權(quán)利要求26所述的沉積系統(tǒng)，其中所述磁體系統(tǒng)包括永磁體陣列或電磁體中的至少一種。
28.如權(quán)利要求26所述的沉積系統(tǒng)，其中所述磁體系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)磁體系統(tǒng)或固定磁體系統(tǒng)中的至少一種。
29.如權(quán)利要求22所述的沉積系統(tǒng)，其中所述緩沖設(shè)備是可平移的。
30.如權(quán)利要求29所述的沉積系統(tǒng)，其中所述緩沖設(shè)備沿基本垂直于所述襯底的方向平移。
31.如權(quán)利要求22所述的沉積系統(tǒng)，其中所述緩沖設(shè)備耦合到冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)或這兩者。
32.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，還包括耦合到所述處理室并且被配置為調(diào)節(jié)所述處理室中的所述襯底上方的所述金屬密度或所述等離子體密度中的至少一種的磁體系統(tǒng)。
33.如權(quán)利要求32所述的沉積系統(tǒng)，其中所述磁體系統(tǒng)包括永磁體陣列或電磁體中的至少一種。
34.如權(quán)利要求32所述的沉積系統(tǒng)，其中所述磁體系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)磁體系統(tǒng)或固定磁體系統(tǒng)中的至少一種。
35.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述襯底夾持器被配置為電偏置所述襯底。
36.如權(quán)利要求35所述的沉積系統(tǒng)，其中所述襯底夾持器耦合到射頻(RF)發(fā)生器。
37.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，還包括耦合到所述處理室、所述襯底夾持器、所述等離子體源和所述金屬源的控制系統(tǒng)，其被配置為執(zhí)行調(diào)節(jié)、監(jiān)視或控制所述沉積系統(tǒng)中的至少一種操作。
38.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述處理室被配置為產(chǎn)生范圍從約1mTorr到100mTorr的壓強(qiáng)，所述等離子體源被配置為產(chǎn)生約等于或超過1012cm-3的所述等離子體密度，所述金屬源耦合到直流(DC)電源并且被配置為利用約1到4kW的DC功率產(chǎn)生約等于或小于1012cm-3的所述金屬密度，所述襯底夾持器耦合到射頻(RF)發(fā)生器并且被配置為利用約0到1000W的RF功率偏置所述襯底。
39.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述處理室被配置為產(chǎn)生范圍從約1mTorr到100mTorr的壓強(qiáng)，所述金屬源耦合到直流(DC)電源并且被配置為利用約2到6kW的DC功率產(chǎn)生約等于由所述等離子體源產(chǎn)生的所述等離子體密度的所述金屬密度，所述襯底夾持器耦合到射頻(RF)發(fā)生器并且被配置為利用約300到800W的RF功率偏置所述襯底。
40.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述處理室被配置為產(chǎn)生范圍從約1mTorr到100mTorr的壓強(qiáng)，所述金屬源耦合到直流(DC)電源并且被配置為利用約1到6kW的DC功率產(chǎn)生約等于由所述等離子體源產(chǎn)生的所述等離子體密度的所述金屬密度，所述襯底夾持器耦合到射頻(RF)發(fā)生器并且被配置為利用約0到1000W的RF功率偏置所述襯底。
41.一種在襯底上的大高寬比特征結(jié)構(gòu)中沉積薄金屬膜的方法，包括在沉積系統(tǒng)中的襯底夾持器上放置所述襯底；利用等離子體源在所述沉積系統(tǒng)內(nèi)形成具有某一等離子體密度的等離子體；利用金屬源在所述沉積系統(tǒng)內(nèi)引入具有某一金屬密度的金屬；在所述襯底上方建立所述金屬密度對(duì)所述等離子體密度的比值，所述比值約等于或小于1；以及在所述襯底上的所述特征結(jié)構(gòu)內(nèi)執(zhí)行具有±25％的均勻性的保形沉積。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其中所述建立所述比值包括利用所述等離子體源調(diào)節(jié)所述等離子體密度。
43.如權(quán)利要求41所述的方法，其中所述建立所述比值包括利用所述金屬源調(diào)節(jié)所述金屬密度。
44.如權(quán)利要求41所述的方法，其中所述在所述襯底上方建立所述比值包括在所述襯底上方局部地建立所述比值。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其中所述在所述襯底上方局部地建立所述比值包括以臨時(shí)方式建立所述比值。
46.如權(quán)利要求41所述的方法，其中所述在所述襯底上方建立所述比值包括以臨時(shí)方式建立所述比值。
47.如權(quán)利要求41所述的方法，其中所述保形沉積的沉積包括沉積在所述襯底上的最大厚度小于所述特征結(jié)構(gòu)的寬度的一半的膜。
48.如權(quán)利要求47所述的方法，其中所述保形沉積的沉積包括沉積在所述襯底上的最大厚度小于約所述特征結(jié)構(gòu)的寬度的1/10的膜。
49.一種在襯底上的大高寬比特征結(jié)構(gòu)中沉積薄膜的方法，包括在沉積系統(tǒng)中的襯底夾持器上放置所述襯底；向所述沉積系統(tǒng)提供具有涂覆材料電離電勢(shì)的涂覆材料的涂覆材料源；向所述沉積系統(tǒng)中引入具有大于所述涂覆材料電離電勢(shì)的電離電勢(shì)的處理氣體；利用等離子體源以所述處理氣體在所述沉積系統(tǒng)內(nèi)形成具有某一等離子體密度的等離子體；利用所述涂覆材料源在所述沉積系統(tǒng)內(nèi)引入具有某一涂覆材料密度的涂覆材料；在所述襯底上方建立所述涂覆材料密度對(duì)所述等離子體密度的比值，所述比值不大于1；以及在所述襯底上的所述特征結(jié)構(gòu)內(nèi)執(zhí)行具有±25％的均勻性的所述涂覆材料的保形沉積。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述比值在所述襯底的整個(gè)所述表面上是基本均勻的。
51.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述等離子體源被配置為產(chǎn)生超過1012cm-3的等離子體密度。
52.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述保形沉積的沉積包括沉積在所述襯底上的最大厚度小于所述特征結(jié)構(gòu)的寬度的一半的膜。
53.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述保形沉積的沉積包括沉積在所述襯底上的最大厚度小于約所述特征結(jié)構(gòu)的寬度的1/10的膜。
54.一種用于在襯底上的大高寬比特征結(jié)構(gòu)中形成薄膜的沉積系統(tǒng)，包括用于執(zhí)行權(quán)利要求49的方法的裝置。
55.如權(quán)利要求54所述的沉積系統(tǒng)，其中所述用于執(zhí)行所述方法的裝置包括處理室；耦合到所述處理室并且被配置為支撐所述襯底的襯底夾持器；耦合到所述處理室并且被配置為在所述處理室內(nèi)形成等離子體的等離子體源；以及耦合到所述處理室并且被配置為將所述涂覆材料引入到所述處理室的所述涂覆材料的源。
全文摘要
描述了一種沉積系統(tǒng)(100)及其操作方法，該沉積系統(tǒng)和方法用于利用高密度等離子體在大高寬比特征結(jié)構(gòu)中沉積保形金屬或其他具有類似響應(yīng)性的涂覆材料膜。沉積系統(tǒng)包括分別用于形成等離子體和將金屬蒸氣引入到沉積系統(tǒng)(100)的等離子體源(120)和分布式金屬源(130)。沉積系統(tǒng)被配置為形成具有某一等離子體密度的等離子體并生成具有某一金屬密度的金屬蒸氣，其中襯底附近的金屬密度對(duì)等離子體密度的比值小于或等于1。該比值應(yīng)當(dāng)至少存在于距離襯底(114)的表面為大約20％的襯底直徑的距離內(nèi)。希望獲得在所述襯底的整個(gè)表面基本具有± 25％的均勻性的比值。該比值對(duì)于超過10
文檔編號(hào)C23C14/04GK1957104SQ200580016941
公開日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月26日
發(fā)明者喬則夫·布卡 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社