一种等离子气相沉积方法 技术领域 本发明涉及以一定方式在工件中的凹槽内等离子气相沉积金属的方法， 以实现将 凹槽底部的金属再溅射 (re-sputtering) 至侧壁上。
背景技术 使用离子化金属的溅射技术是公知的， 其涉及高功率非平衡磁控管放电源。利用 通过向晶片基座施加 RF 功率所引起的 DC 偏压使金属离子被吸引至在工件 ( 例如半导体晶 片 ) 中形成的凹槽的底部。这在凹槽中产生改良的底部和侧壁覆盖率。已知可通过将已沉 积在底部的金属再溅射至凹槽侧壁的较下部分和中间部分来实现进一步的改进。 为实现再 溅射， 需要 50-500 伏的 DC 偏压。DC 偏压越高则再溅射越强， 并且会提高侧壁的覆盖率。
虽然如此， 目前的结果并不是对于所有的用途都令人满意。
发明内容 从一方面， 本发明涉及通过用溅射气体溅射金属靶以一定方式将金属等离子气相 沉积到工件中的凹槽内的方法， 从而实现将凹槽底部的金属再溅射至侧壁， 其特征在于溅 射气体是 Ar 和 He 的混合物， 这时 He ∶ Ar 的比值是至少约 10 ∶ 1。
所述比值优选为约 20 ∶ 1。
Ar 的流量小于 10sccm 且 He 的流量大于 100sccm。因此， 例如 He 的流量可为约 140sccm 且 Ar 的流量可为约 7sccm。
在任何上述情况下， 所述金属可为铜。
在另外的实施方案中， 该方法的特征可在于 He 和 Ar 的混合物使得靶电流密度至 2 少为约 0.035A/cm ， 且优选为约 0.037A/cm2。
尽管上文对本发明进行了定义， 然而应理解的是， 本发明包括上文或下面的说明 所述特征的任何发明组合。
附图说明 可以按多种方式实施本发明， 现在将通过实施例并参照附图来描述具体的实施方 案， 在附图中 ：
图 1 是 DC 磁控离子化沉积溅射系统的剖视图 ；
图 2 是显示二次电子发射与入射到 Mo 靶和 W 靶上的离子的气体类型和轰击能量 的关系的图表。该图表摘自 Glow Discharge Processes， Chapmen， Wileyand Sons 1980 ；
图 3 示出了通过将 He 添加到 Ar 溅射工艺中靶电流和电压随各流量的变化 ；
图 4 显示了对于标准 Ar 工艺在 5 ∶ 1 沟槽结构中的侧壁覆盖率 ；
图 5 显示了关于优化的 He/Ar 工艺与图 4 的等效视图 ；
图 6 是具有减小的 He 流量的 He/Ar 工艺的等效视图 ；
图 6(a)、 (b)、 (c) 分别显示了 He/Ar 流量对沉积速率 ( 比例系数 )、 应力和晶片内
不均匀性的影响 ； 和
图 7 是采用另一 He 配比时与图 5 的等效视图。 具体实施方式
在非平衡 DC 磁控管离子化溅射沉积系统中， 通过金属和气体原子与靶表面产生 的二次电子的碰撞实现金属和气体的离子化。 二次电子通过提供至靶表面的负偏压而被加 速并获得高能量， 典型为 200-1000eV。这些高能量的二次电子与金属和气体的原子或分子 碰撞并产生离子。因此， 如果能够增加从靶发射的二次电子数量， 那么离子化分数 ( 即任何 物质的离子与中性物质的比率 ) 也将增加。
从图 2 可看出各种溅射气体的二次电子特征随所用的溅射气体而变化。因而， 与 较重的气体如 Ar 和 Kr 相比， He 和 Ne 具有较高水平的二次电子发射。因此申请人认为采 用 He 或 Ne 代替 Ar 进行溅射可能会导致更多的二次电子从靶发射出并由此具有更大的离 子化分数。
申请人已经通过如下方式研究了这种效果 ： 使用铜靶， 逐渐引入增加水平的 He 流 量并降低 Ar 流量， 将看到随着 He 增加和 Ar 降低， 由于在靶表面形成二次电子从而电流增 加。发现低水平 Ar 的存在对维持膜的密度品质是必要的。
实验 然后申请人采用图 1 的设备利用下表 1 所示的工艺条件进行了实验。 表1参数 DC 功率 (kW) 上线圈 (A) 下线圈 (A) Ar(sccm) He(sccm) 压力 (mT) RF 偏压功率 (W) 台板 DC 偏压 (V) 标准工艺 16 15 7 100 0 5.97 335 245 He/Ar 工艺 16 15 10.5 7 140 5.02 500 275该表比较了在图 1 的设备中运行的仅引入 Ar 的标准工艺和 Ar 流量为 7sccm 同时 He 流量为 140sccm 的 He/Ar 工艺。第一工艺所得的覆盖率如图 4 所示， 同时在图 5 中示出 了第二工艺的覆盖率。所得的台阶覆盖率汇总在下表 2 中。
将看到， 与仅有 Ar 的工艺数值相比， He/Ar 工艺在侧壁覆盖率方面显示出 5％的绝
对值增加， 30％的比例增加。
从表 1 可看出， 与仅有 Ar 的 ( 标准 ) 工艺相比， He/Ar 工艺的台板 DC 偏压仅仅增 加 30V(12％ )， 然而施加到台板的 RF 功率增加了 165W(50％ )。这表明 He/Ar 工艺具有较 高的离子化水平， 因为等离子体中的正离子将趋于减小在台板上获得的负 DC 偏压。
在图 6 中进行了相同的工艺， 但是这次 He 流量为 75sccm 并且结果汇总在下表 3 中。
表2 表3
由该表将看出， 与 140He/7Ar 工艺和仅有 Ar 的工艺两者相比较， 减小 He 流量导致 侧壁覆盖率减小。这是因为在本实验中由于较低的 He 流量导致在等离子体中产生的二次 电子减少。
实验已显示 ： 需要小于 10sccm 的 Ar 以维持等离子体和允许 Cu 靶溅射的发生。相 反地需要 He 流量大于 100sccm 以帮助维持等离子体和提供额外的二次电子以增强该结构 底部的溅射效果， 从而因此提高侧壁覆盖率。
在进一步的实验中， 监测了沉积速率应力和晶片内不均匀度随流量的变化， 并且 结果分别显示在图 6A-C 中。将看到， 尽管沉积速率随着 He 的加入而下降， 但 7Ar/140He 工 艺的沉积速率对于生产目的仍然足够高。这种结合具有特别好的应力值和合意的均匀性。 将认识到减小的膜应力有助于防止 Cu 膜从下方材料上剥离。
图 7 示出了减小的 He 流量和增加的 Ar 流量， 并且如下表 4 所示台阶覆盖率再次 减小。
表2 表4
因此总之可以看出， 通过使 He 流量高于约 100sccm 和使 Ar 流量低于约 10sccm 能 够实现显著的改进。因为上述原因， 7Ar/140He 导致特别优选的工艺。事实上， 通常可更适宜地提及气体分压， 因为气体分压在所实现的性能方面而言 相对地保持相对不变， 而从腔室到腔室的实际流量可能变化。下述表 5 列出了对于实验流 量的等效分压。
表5
Ar 流量 (sccm) 100 7 7 25
He 流量 (sccm) 0 140 75 75总压力 (mT) 6.0 6.2 3.5 4.7Ar 分压 (mT) 6.0 0.3 0.3 1.2He 分压 (mT) 0.0 5.9 3.2 3.5这些实验中采用的金属为铜。本发明的工艺对于钛、 钽、 金或钌相似。