摘要：一種基于高功率密度概念的新型pvd濺射源大大地增加了金屬離子所占的比例，因而提高了cu金屬化的階梯覆蓋能力和空隙填充能力。通過超薄種子層（300？）的pvd工藝，我們已經(jīng)在目前能達到的最前端結(jié)構(gòu)（深寬比4：1的55納米渠溝和深寬比4：1的0.1微米接觸孔）中成功地實現(xiàn)了化學電鍍（ecp）空隙填充。基于90納米節(jié)點技術的測試結(jié)構(gòu)（包括參數(shù)和應力遷移）的電性能測試結(jié)果等于或優(yōu)于當前的種子層工藝。這種新型濺射源有望能夠延長集成電路工業(yè)中pvd的工作壽命。

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　　由于pvd具有很好的靈活性和高性價比，它仍是當今集成電路工業(yè)中金屬淀積的一種候選方法。當每個技術節(jié)點中的特征長度變得越來越小的時候，pvd技術的擴展性受到越來越多的挑戰(zhàn)。特別值得關注的是階梯覆蓋的擴展性，因為阻擋層和種子層兩者的階梯覆蓋是控制cu填充性能以及最終總的互聯(lián)可靠性的關鍵。對于65納米及其以后的工藝技術，挑戰(zhàn)尤為顯著。當前生產(chǎn)中使用的幾種pvd技術包括：離子化金屬等離子體(imp)，自離子化等離子體(sip)，和空心陰極磁控管(hcm)。在特征尺寸減小后這些方法都難以達到充分的階梯覆蓋，其中一個基本問題就是離子化率。因為階梯覆蓋能力很大程度上取決于淀積過程中cu離子所占的比例，所以如果不提高離子化率就不可能進一步提高階梯覆蓋能力。

　　動機
　　采用適當?shù)拇盆F設計和功率級別，cu等離子體可以不需要任何工藝氣體而自保持。這使得測量cu離子化率相對較簡單，即測量晶片上方cu+離子的流量并與淀積速率相比較。我們在不同的磁鐵和直流功率下測量了cu離子化率，并發(fā)現(xiàn)在所研究的范圍內(nèi)不同磁鐵的cu離子化率正比于直流功率的大小，如圖1(a)所示。不同的磁鐵有不同的斜率。
　　在相同的直流功率下2號磁鐵的離子化率是1號磁鐵的兩倍。但是如果我們畫出離子化率與功率密度(定義為單位磁鐵濺射槽面積的直流濺射功率)的關系，如圖1(b)，可以清楚地看出離子化率正比于功率密度，兩個磁鐵的所有數(shù)據(jù)都落在同一條線上。也就是說功率密度是控制離子化率的關鍵參數(shù)。
　　更高的離子化率意味著等離子體中飛出的cu原子流更多地被離子化，因而更多的cu原子到達晶片形成淀積的種子層。高離子化率的兩個主要優(yōu)點就是更充分的階梯覆蓋和更高的膜厚均勻度。圖2展示了雙嵌入式刻結(jié)構(gòu)上兩種不同離子化率pvd工藝的階梯覆蓋的透射電鏡(tem)圖像。兩幅tem圖像都展示了300mm晶片邊緣上的結(jié)果。圖2(a)中淀積薄膜的cu離子化率小于10%，產(chǎn)生的底部覆蓋只有9%。不過當cu離子化率提高到65%時，底部的覆蓋率增加到64%，如圖2(b)所示�？梢院芮宄乜闯鲭x子化率越高底部覆蓋越充分，而底部覆蓋是pvd工藝擴展性和小尺寸空隙填充的關鍵參數(shù)之一。側(cè)壁不對稱性也有顯著地改善，從圖2(a)中所示的5:1改進到圖2(b)中所示的小于2:1。此外，因為有更多cu+或離子化金屬流到達晶片，晶片可以更有效控制入射流的方向并使其重新濺射到各種結(jié)構(gòu)的底部。這能明顯地改進階梯覆蓋和空隙填充能力，并提高測試中的電性能。同時，可以使用邊磁鐵來控制離子流的形狀使其能夠均勻地分布到晶片上，以形成很高的膜厚均勻度。使用這種技術，膜厚均勻度可以從7%(精度1s)改進到小于1%(精度1s)。
　　良好階梯覆蓋就是要達到更充分的空隙填充。圖3展示了在同樣工藝條件下低離子化率源和高離子化率源的種子層空隙填充的比較。在圖3(a)中可以明顯地看到深寬比7:1的0.14微米接觸孔中低離子化率源因為缺少充分的底部覆蓋導致了大的底部漏洞。相反，高離子化率源成功地填充了接觸孔，如圖3(b)所示。
　　上面的結(jié)果證實了高離子化率源能夠提供更好的階梯覆蓋和空隙填充，同時使用邊磁體可以達到提高膜厚均勻度的效果。

　

　新型pvd源的開發(fā)
　　因為高離子化率是獲得更好的階梯覆蓋和膜厚均勻度的關鍵，磁鐵的設計就成為重點。除了高離子化率，還有其他一些是實際中需要考慮的，例如等離子體穩(wěn)定性、靶電壓漲落、非平衡率、磁鐵最大旋轉(zhuǎn)速率和靶厚度等等。因為磁鐵比較小，這里有兩個主要的要求:全表面靶侵蝕和靶利用率。對于傳統(tǒng)的pvd源，磁鐵是安裝在電動機的軸上，并以固定的半徑旋轉(zhuǎn)。在這樣情況下，不可能用這樣一個小磁鐵得到全表面的侵蝕。除了沒有全表面侵蝕，小磁體本身因為覆蓋靶的面積小也沒有很好的靶利用率。為了解決這個問題，我們開發(fā)了一個新穎的衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)源，這樣小磁體能夠覆蓋整個靶表面，靶利用率提高到40%以上。
　　在以前的工作中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)磁鐵到靶的距離是獲得恒定的離子化率和淀積速率的關鍵參數(shù)之一。在這個新型源的開發(fā)中，另外一個獨特性能是能夠通