一种ｉＰＶＤ设备（２０）通过在真空室（３０）内循环执行沉积和蚀刻模式，将材料（１０）沉积到半导体基片（２１）上高形状比的亚微米结构（１１）中。这些模式工作在不同的功率和压力参数下。例如大于５０ｍＴｏｒｒ的压力用于从靶上溅射材料，而小于几ｍＴｏｒｒ的压力例如用于蚀刻。蚀刻时对基片的偏压功率要高一个数量级，蚀刻时产生几百伏偏压而沉积时仅有几十伏。交替执行的蚀刻模式去除基片上结构突出边缘的沉积材料，去除结构底部（１５）一些沉积材料，将去除的沉积材料重新溅射到结构的侧壁（１６）上。基片（２１）在沉积和蚀刻过程中冷却，特别是蚀刻过程中冷却到明显低于０℃。ＲＦ能量耦合到室（３０）内形成高密度等离子体，沉积期间耦合的ＲＦ功率明显高于蚀刻期间的。基片（２１）在蚀刻过程比在沉积过程更靠近等离子体源。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体晶片上通过和线槽结构的金属化。更具体地，本专利技术涉及硅片上高形状比通过和线槽结构的金属化，其中利用离子溅射材料形成阻挡层和种子层。
技术介绍
对于半导体晶片高形状比通孔和线槽的金属化，需要阻挡层和种子层具有好的侧壁和底面覆盖。阻挡层在不牺牲阻挡性能的条件下应尽可能的薄。阻挡层必须薄，因为其电阻与沟道结构的电阻迭加在一起，必须达到最小。阻挡层需要保持形状并且连续，用以防止种子层材料扩散到介电层以及其它层中，从而防止与可靠性有关的问题。这需要很好地控制阻挡层的厚度并且特别是在沟道结构的底部达到最小程度。沟道结构底部的厚的阻挡层，会对互连金属化物质的电阻明显增加不希望的电阻。高的接触电阻导致差的IC性能。在阻挡层沉积期间，在沟道结构入口的顶边缘，由于较厚的材料堆积在此而形成突出。这种突出干扰种子层在侧壁和沟道结构底部上的沉积。在种子层沉积期间，必须防止种子层材料本身形成突出。种子层必须是连续的并且对侧壁和沟道结构底部有好的覆盖。这对于阻挡层和种子层沉积后的电镀步骤是关键的。沟道结构入口被突出闭合将导致差的侧壁覆盖、差的电镀填充和低的装置产量。电离PVD沉积用于先进IC晶片的阻挡层和种子层金属化。电离PVD使通过和线槽结构形成好的侧壁和底部覆盖。但是，随着几何收缩以及通孔尺寸小于0.15微米，电离沉积的需求变得更迫切。因此，非常需要电离PVD工艺，使底部和侧壁覆盖很好平衡并使突出最小。连续沉积和蚀刻工艺先前已经提出了。在美国专利6100200中，VanBuskirk等人给出了一种连续执行的加热沉积和蚀刻工艺，对通过或线槽结构提供保形覆盖。但是，他们提出的沉积和蚀刻工艺在300-600℃的高基片温度下，通常是500-450℃。不幸的是，当前半导体工艺中所用的新型现代低K电介质需要温度＜200℃。Cu种子层的沉积需要＜0℃，通常是-20℃到-50℃，用以防止铜聚合。Van Buskirk等人给出的温度将导致Cu种子层的全部聚合、通过和线槽结构的突出和闭合，出现大岛状的Cu和不连续的Cu层。VanBuskirk等人还给出低功率溅射，通常小于1kW，特别是小于0.5kW。这严重影响了工艺的沉积速率和产量。并且，Van Buskirk等人提出了在一个单独真空系统中，通过在专门的沉积和蚀刻组件之间输送晶片，执行连续沉积和蚀刻步骤；或者在一个单独的真空系统中使用多面沉积和反应离子蚀刻组件。另外，Van Buskirk等人建议上述可以在独立的沉积和蚀刻系统中进行。晶片从一个蚀刻室输送到另一个沉积室，或者在相同组件中从一个蚀刻站输送到另一个沉积站，具有工艺成本高和工艺质量问题的缺点。通过将晶片从一个室输送到另一个室或者在相同室内从一个站输送到另一个站，导致生产量降低，从而工艺成本高。有些工艺对输送期间气体分子或其它污染物的吸附敏感，这损坏正在建造的装置的质量和可靠性。Van Buskirk等人的另一项建议是在独立系统中执行沉积和蚀刻步骤，在步骤之间将暴露在空气中，这对于大多数现代阻挡层/种子层金属化工艺是完全不能接受的。Van Buskirk等人也没有给出沉积步骤中任何的基片选择。在美国专利4999096中，Nikel等人给出在相同室中进行连续沉积和蚀刻时用于溅射的方法和设备。Nikel等人对靶和基片施加负电压，执行薄膜沉积和反溅射。他们在处理模块内部、靶与基片之间提供一个RF线圈，在蚀刻步骤产生等离子体。这种结构的明显不足在于，内部线圈是一个污染源，因为处理空间中存在的高能离子和中子也将线圈的材料去除，即蚀刻，并污染基片上沉积或蚀刻的薄膜，这在本领域内是公知的。在其它先前技术中，线圈由与沉积的材料相同的材料制成的，但这对工艺产生过高的成本和硬件的难度。并不是每种沉积材料都能制成线圈，大多数情况下成本成为阻碍因素。并且，Nikel等人的建议将导致不均匀等离子体的产生以及基片的不均匀蚀刻。在连续蚀刻和沉积工艺中关键是两个步骤在整个晶片上均匀进行，从而在工艺结束后得到均匀处理的晶片。Nikel等人严格地提出并强调低压沉积和蚀刻工艺，防止杂质进入沉积的薄膜中。这是通过在蚀刻和沉积过程中在低压下产生等离子体实现的，例如10-3torr或更低。在蚀刻过程，内线圈需要RF供电完成放电，这与他们希望防止基片的污染是相反的，现在却成了基片的污染源。Nikel等人严格地提出并限制他们的专利技术在低压下(10-3torr或更低)操作。美国专利6274008提出一个集成的铜填充工艺，其中同时执行清洁-沉积步骤。此专利技术在铜种子层沉积之前使用铜离子清洁和/或蚀刻沟道结构的底部。
技术实现思路
根据本专利技术原理，提供一种工艺和设备，其中使用连续沉积和蚀刻步骤解决上述问题。本专利技术的工艺包括首先沉积一薄层金属，例如钽(Ta)、氮化钽(TaN)或铜(Cu)，接着，优选地，在沉积停止后执行离子蚀刻步骤，优选地是通过电离的气体，如氩气(Ar)。蚀刻步骤在晶片顶面和沟道结构底部的场区上去除的材料，比沉积过程沉积的材料少。这样，在此工艺循环结束时有净沉积产生。沉积/蚀刻循环可以重复所需的次数，直到达到所需的结果。通过平衡沉积和蚀刻时间、速率和其它沉积和蚀刻参数，可以消除突出的生长或使其最小化。突出和底部沉积被蚀刻并且至少部分重新分配到侧壁上。在根据本专利技术一个实施例的工艺中，材料沉积在小的、具有高形状比特征的晶片上，例如直径为0.15微米或更小的孔或沟道结构，其形状比从3或5到15或更高的。沉积使用电离物理气相沉积(iPVD)工艺和设备，它们具有如美国专利5287435、6080287、6197165、6132564、5948215和5800688以及PCT申请PCT/US00/31756所述的特征，至少是部分根据它们。所有这些在此引用作为参考文献。本专利技术的一个实施例利用图1所示美国专利6287435和PCT申请PCT/US00/31756详细描述的电离PVD设备的独特优点。这种设备特别适合连续沉积和蚀刻工艺。连续沉积和蚀刻工艺可以在同一个工艺室中应用到基片上，而不必去除真空或将晶片从一个室输送到另一个室。设备的结构允许从电离PVD沉积模式快速切换到蚀刻模型，或者从蚀刻模式切换到电离PVD沉积模式。设备的结构还允许即时优化沉积模式中的电离PVD沉积工艺控制参数和蚀刻模式中的蚀刻工艺控制参数。这些优点使得晶片产量高，并使晶片具有优异的沟道结构金属化和随后的电镀填充操作。本专利技术除了基片温度低外，还具有高的DC靶功率，例如8～19kW，通常为11kW。高的功率不但使工艺的产量高，而且优化电离和金属物质的电离沉积，例如Cu或Ta。本专利技术通过在同一室中原位的连续蚀刻和沉积步骤，得到高的产量并没有Van Buskirk等人的工艺中出现的界面层，由此本专利技术解决了先前技术的问题。本专利技术的处理组件的结构适应宽范围的压力，在高晶片产量水平下得到保形的通过和线槽覆盖。本专利技术没有Nikel等人的低压限制，并利用设备能力提供对工艺的溅射和蚀刻步骤优化的处理压力。并且，先前技术没有对每个步骤提供优化的源—基片距离的沉积—蚀刻循环，用以增大最终薄膜的均匀性。美国专利6247008没有提供连续蚀刻和沉积方案，并限制金属离子作为清洁元素。从本专利技术图示实施例的详细描述中，本专利技术的上本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种ｉＰＶＤ工艺，包括：在一ｉＰＶＤ设备的室内将一基片密封，并且不打开室执行ｉＰＶＤ工艺，通过操作设备工作在沉积模式下，接着工作在蚀刻模式下，然后再工作在另一个沉积模式下，在基片上具有高形状比亚微米结构的表面上沉积导电层，这些模式的 改变是通过控制设备工作的功率和压力参数，这些参数在沉积模式和在蚀刻模式下是不同的。
【技术特征摘要】
US 2001-5-4 60/288,9521.一种iPVD工艺，包括在一iPVD设备的室内将一基片密封，并且不打开室执行iPVD工艺，通过操作设备工作在沉积模式下，接着工作在蚀刻模式下，然后再工作在另一个沉积模式下，在基片上具有高形状比亚微米结构的表面上沉积导电层，这些模式的改变是通过控制设备工作的功率和压力参数，这些参数在沉积模式和在蚀刻模式下是不同的。2.如权利要求1所述的方法，用于在具有直径0.15微米直径或更小以及形状比为3或更大的半导体结构上沉积涂层，其中执行iPVD工艺包括在室内形成高密度等离子体并产生离子，用于将材料沉积到基片上以及用于蚀刻基片；操作设备工作在沉积模式下，其中压力至少约50mTorr，同时将材料从靶上溅射到高密度等离子体中以便将材料电离，并将电离的材料以垂直于基片的高度方向性沉积到基片上；操作设备工作在蚀刻模式下，其中压力小于约10mTorr，基片的偏压大小明显超过100V，不从基片上溅射基本物质。3.如权利要求2所述的方法，还包括操作设备工作在沉积模式，并对基片施加偏压，其中所述偏压的大小明显小于蚀刻模式对基片施加的偏压。4.一种具有控制器的iPVD处理设备，控制器是可编程的，从而根据权利要求2所述的方法操作设备。5.如权利要求1所述的方法，还包括当从沉积模式切换到蚀刻模式时，增大对基片的偏压功率，通过等离子体中的气体离子，使沉积材料的蚀刻模式过程中对基片产生净的蚀刻作用；以及当从蚀刻模式切换到沉积模式时，减小对基片的偏压功率，从等离子体中吸引电离的材料，在基片上形成净的材料涂层。6.如权利要求4所述的方法，其中蚀刻模式的基片偏压功率比沉积模式的基片偏压功率高至少约一个数量级大小。7.如权利要求1所述的方法，其中蚀刻模式执行时是通过使用等离子体中的离子溅射，溅射的参数产生如下一组效果中选择的至少一种效果，所述组主要包括至少部分去除基片结构上的突出边缘的沉积材料；至少部分去除结构底部的沉积材料；以及将沉积的材料从基片上重新溅射到结构的侧壁。8.如权利要求6所述的方法，其中蚀刻模式执行时是通过使用等离子体中的离子溅射，溅射的参数产生所述效果中的至少两种。9.如权利要求6所述的方法，其中蚀刻模式执行时是通过使用等离子体中的离子溅射，溅射的参数产生所有三种所述效果。10.如权利要求1所述的方法，还包括在沉积和蚀刻期间冷却基片。11.如权利要求1所述的方法，还包括在蚀刻期间将基片冷却到明显低于0℃。12.如权利要求1所述的方法，还包括在沉积期间打开溅射靶的DC电源，并在蚀刻期间基本关闭。13.如权利要求1所述的方...
【专利技术属性】
技术研发人员：图鲁尔雅萨尔，格林雷诺兹，弗兰克切里奥，布鲁斯吉托曼，迈克尔格拉佩豪斯，罗德尼罗比森，
申请(专利权)人：东京毅力科创株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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