專利名稱：金屬膜的薄膜沉積方法和薄膜沉積裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在諸如半導(dǎo)體晶片等的被處理物體的表面中形成的凹 部的表面上有效沉積金屬膜的薄膜沉積方法和薄膜沉積裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)制造半導(dǎo)體器件時(shí)，通常，對(duì)半導(dǎo)體晶片反復(fù)施以各種處理， 例如薄膜沉積處理和圖案蝕刻處理等，從而制造所需器件?？紤]到最 近對(duì)半導(dǎo)體器件的更高集成程度和進(jìn)一步小型化的要求，其線寬和/或 其孔徑己經(jīng)越來(lái)越小。順應(yīng)這種更小的尺寸，電阻必須更小。因此， 傾向于使用銅作為布線材料和/或嵌入材料，因?yàn)殂~具有較小的電阻率并且廉價(jià)(參見(jiàn)JP-A-2000-77365)。當(dāng)使用銅作為布線材料和/或嵌入 材料時(shí)，考慮到銅材料與其下層之間的粘合性，使用鉭金屬(Ta)膜 或氮化鉭(TaN)薄膜作為阻擋層。為了形成這種阻擋層，首先在等離子濺射裝置中在晶片表面上形 成氮化鉭薄膜(下文也稱作"TaN薄膜")或鉭薄膜(下文也稱作"Ta 薄膜")作為基底層。然后，在相同的等離子濺射裝置中，形成另一鉭 薄膜(當(dāng)基底層是Ta薄膜時(shí)，改變薄膜沉積條件)。由此，形成阻擋 層。此后，在阻擋層表面上形成由銅膜構(gòu)成的薄晶種膜，并將整個(gè)晶 片表面鍍銅以填充凹部。在下層布線層和上層布線層之間夾有絕緣膜的方式堆疊的情況 下，下層布線層和上層布線層以下列方式電連接。首先，在下層布線 層上形成絕緣層。然后，在絕緣層中形成連通孔，例如透孔(viahole) 和通孔(throughhole)，以在連通孔底部上露出下層布線層。此后，用 上層布線層的材料填充連通孔，并同時(shí)沉積上層布線層。如上所述， 由于根據(jù)對(duì)小型化的需求要使線寬變窄并減小孔徑，所以必須采取措 施降低上層布線層和下層布線層之間的連接結(jié)構(gòu)中的電阻。作為該措 施的一個(gè)實(shí)例，可以形成通孔以使其底部"嵌入"到下層布線層的預(yù)
定厚度，從而降低要"嵌入"通孔底部的嵌入材料與下層布線層之間 的接觸電阻。這種結(jié)構(gòu)被稱作所謂的"穿通結(jié)構(gòu)"。形成這種結(jié)構(gòu)的方 法被稱作所謂的"穿通處理"。參照?qǐng)D12A至12C和圖13A至13E描述了穿通處理的一個(gè)實(shí)例。 圖12A至12C顯示了半導(dǎo)體晶片中形成的尚未填充的連通孔。圖12A 是連通孔尚未填充的半導(dǎo)體晶片的平面圖。圖12B是沿圖12A中所示 的線段A-A截取的半導(dǎo)體晶片的截面圖。圖12C是圖12A中所示的半 導(dǎo)體晶片的透視圖。圖13A至13E是解釋連通孔的填充步驟的圖。如圖12A至12C中所示，半導(dǎo)體晶片W例如由硅基板構(gòu)成。由銅 制成的下層布線層102和由二氧化硅膜構(gòu)成的絕緣層104以此順序堆 疊在硅基板表面上。在絕緣層104表面中形成凹部105。凹部105具有 用以形成上層布線層的預(yù)定寬度的布線槽，即溝槽106。在溝槽106 的底部，部分形成穿透絕緣層104到達(dá)下層布線層102的連通孔108。 連通孔108將起到透孔或通孔的作用。連通孔108的直徑Ll相當(dāng)小， 例如，在大約60納米至大約200納米之間。溝槽106的寬度L2為， 例如，在大約60納米至大約1000納米之間。為了填充連通孔108和溝槽106，如圖13A中所示，首先通過(guò)等 離子濺射，例如在包括溝槽106內(nèi)的表面和連通孔108內(nèi)的表面在內(nèi) 的晶片W整個(gè)表面上形成金屬膜阻擋層110，用以改進(jìn)晶片表面與基 底層之間的粘合性，和用以防止銅擴(kuò)散和遷移到絕緣層104中。作為 阻擋層110，主要使用包括氮化鉭薄膜(TaN薄膜)和鉭薄膜(Ta薄 膜)的兩層結(jié)構(gòu)，或包括在不同的(變化的)沉積條件下沉積的兩層 鉭薄膜的兩層結(jié)構(gòu)。然后，如圖13B中所示，通過(guò)使用Ar氣體作為惰性氣體的等離子 蝕刻，刮削在連通孔108的底部上形成的一部分阻擋層110。進(jìn)一步蝕 刻作為阻擋層IIO基底的下層布線層102，以便形成具有預(yù)定深度的刮 削(scraped)凹部112。由此，如圖13C中所示，在包括刮削凹部112內(nèi)表面、連通孔108 內(nèi)表面和溝槽106內(nèi)表面在內(nèi)的整個(gè)表面上，通過(guò)例如濺射形成非常 薄的電鍍晶種膜114。使用銅(Cu)膜作為晶種膜114，因?yàn)槔缭陔S 后步驟中進(jìn)行鍍銅。
然后，如圖13D中所示，由晶種膜114作為起點(diǎn)進(jìn)行電鍍，從而 使刮削凹部112、連通孔108和溝槽106分別被上層布線層116的材料 填滿。如上所述，例如使用銅作為上層布線層116的材料。下面，如圖13E中所示，通過(guò)研磨或類似方法去除上面的多余金 屬材料，由此形成電連接到下層布線層102上的上層布線層116。由于在溝槽106底部中設(shè)置有諸如通孔或透孔等的連通孔108，所 以凹部105具有兩層階梯的形狀的橫截面。凹部105的這種形狀被稱 作所謂的"雙嵌入式(DualDamascen)結(jié)構(gòu)"。在圖13B中所示的等離子蝕刻步驟中，通過(guò)在位置P1所示的角上 蝕刻而散開(kāi)的阻擋層的粒子以特定方向性在某一方向上在預(yù)定角度范 圍內(nèi)散開(kāi)。當(dāng)線寬和槽寬比較寬時(shí)，這種特征不產(chǎn)生嚴(yán)重問(wèn)題。但是， 由于槽寬小至大約100納米的程度，如上所述，由于該特征而在某一 方向上散開(kāi)的粒子有可能附著到相對(duì)的壁表面上以在相對(duì)的壁表面上 形成沉積突起物118。當(dāng)形成沉積突起物118時(shí)，在圖13C中戶A示的后 繼等離子濺射步驟中，沉積突起物118產(chǎn)生陰影，沉積突起物118的 陰影引起所謂的遮蔽(shadowing)現(xiàn)象，因?yàn)闉R射的粒子具有高方向 性。也就是說(shuō)，晶種膜114由于沉積突起物118而不附著到陰影(shadow)部分120上。當(dāng)留有其上沒(méi)有附著晶種膜114的部分時(shí)， 如圖13D中所示，在該部分上不合需要地產(chǎn)生了空隙122。圖14A和14B是用于對(duì)寬度L2彼此不同的凹部105 (溝槽106) 進(jìn)行比較的圖。實(shí)際上，可以如圖14A和14B中所示地在半導(dǎo)體晶片 W的表面中形成具有不同寬度L2的各種凹部5。在這種情況下，如圖 14A和14B中所示，當(dāng)溝槽106的縱橫比不同時(shí)，從連通孔108的底 部向上看的角度9 1和0 2可以彼此不同(0 1< 0 2)，即使連通孔108 的縱橫比相同(其直徑L1相同)。因此，作為凹部105中的最底層而 沉積在連通孔108底部上的阻擋層110的厚度H1和H2可能彼此不同。 由于阻擋層110的厚度Hl和H2的不同，通過(guò)刮削阻擋層110而形成 的刮削凹部112的深度可能彼此不同。發(fā)明內(nèi)容考慮到前述情況，作出本發(fā)明以有效解決這些問(wèn)題。本發(fā)明的目
的是提供用于在被處理的物體表面中形成的凹部表面上形成金屬膜的 薄膜沉積方法和薄膜沉積裝置，其無(wú)論凹部的寬度如何都能夠?qū)疾?的底部刮削到相同深度，從而始終形成具有相同深度的刮削凹部，并 且能夠在凹部和刮削凹部的內(nèi)部沉積具有合適狀態(tài)的金屬膜。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過(guò)等離子濺射處理來(lái)沉積金屬膜 時(shí)，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)處理?xiàng)l件，例如偏壓、施加到金屬耙上的直流電功 率和用于產(chǎn)生等離子體的電功率，以控制來(lái)自該金屬靶所產(chǎn)生金屬粒 子中的中性原子與金屬粒子離子之間的比率，可以在半導(dǎo)體晶片的整 個(gè)表面上有效沉積優(yōu)選金屬膜。基于該發(fā)現(xiàn)，作出了本發(fā)明。本發(fā)明是金屬膜的薄膜沉積方法，包括以下步驟將表面上形成 有凹部的被處理的物體放在處理容器中的載置臺(tái)上；抽空處理容器以 在其中產(chǎn)生真空；借助來(lái)自惰性氣體的等離子體而形成的等離子體，在抽空的處理容器中將金屬靶離子化，以產(chǎn)生包括金屬離子的金屬粒 子；通過(guò)對(duì)放在載置臺(tái)上的被處理的物體施加偏壓電功率，將等離子 體和金屬粒子引到(吸引到)被處理的物體，刮削凹部的底部以形成 刮削凹部，并在包括凹部?jī)?nèi)和刮削凹部?jī)?nèi)的表面在內(nèi)的被處理的物體 的整個(gè)表面上沉積金屬膜。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)通過(guò)僅在凹部底部的選擇性刮削以形成刮削凹部表面上形成金屬^來(lái)沉積諸如^擋層等的金屬層時(shí)，無(wú)論凹部的寬度 如何，始終可以形成具有相同深度的刮削凹部。由此，可以在被處理 的物體的整個(gè)表面上沉積電阻顯著優(yōu)異的優(yōu)選金屬膜。例如，沉積金屬膜的步驟優(yōu)選地包括第一薄膜沉積步驟，其中 設(shè)定條件以使金屬膜在除凹部以外的被處理的物體表面上的薄膜沉積 量基本等于惰性氣體(基于惰性氣體)的等離子體的蝕刻量；以及第 二薄膜沉積步驟，其中設(shè)定條件以使金屬膜在除凹部以外的被處理的 物體表面上的薄膜沉積量略大于惰性氣體(基于惰性氣體)的等離子 體的蝕刻量?？商娲?，沉積金屬膜的步驟優(yōu)選地包括第一薄膜沉積步驟， 其中設(shè)定條件以使金屬膜在除凹部以外的被處理的物體表面上的薄膜^:積量基本等于惰性氣體的等離子體的蝕刻量；以及輔助薄膜沉積步
驟，其中設(shè)定條件以便在除凹部以外的被處理的物體表面不被惰性氣 體的等離子體蝕刻的范圍內(nèi)，吸引盡可能多的金屬粒子?？商娲兀练e金屬膜的步驟優(yōu)選地包括第二薄膜沉積步驟，其 中設(shè)定條件以使金屬膜在除凹部以外的被處理的物體表面上的薄膜沉 積量略大于惰性氣體的等離子體的蝕刻量。此外，例如，通過(guò)至少控制用于產(chǎn)生等離子體的電功率、施加到 金屬靶上的直流電功率和偏壓電功率中的一項(xiàng)或多項(xiàng)，設(shè)定沉積金屬 膜的步驟的條件。在這種情況下，優(yōu)選的是，將用于產(chǎn)生等離子體的電功率控制在500~6000瓦特的范圍內(nèi)，將直流電功率控制在100 12000瓦特范圍內(nèi)； 并將偏壓電功率控制在100~2000瓦特范圍內(nèi)。此外，優(yōu)選地，在沉積金屬膜的步驟之前進(jìn)行形成基底膜的基底 膜形成步驟。在這種情況下，優(yōu)選地，形成包括基底膜和金屬膜的具有兩層結(jié) 構(gòu)的阻擋層。在這種情況下，例如，基底膜是TaN薄膜，金屬膜是Ta薄膜?？?替代地，基底膜是Ta薄膜，金屬膜是在與基底膜不同的薄膜沉積條件 下沉積的另一Ta薄膜。另外，例如，凹部具有起到透孔或通孔作用的連通孔，由此凹部 具有兩層階梯的形狀。可替代地，凹部是充當(dāng)透孔或通孔的連通孔。此外，本發(fā)明是薄膜沉積裝置，包括能夠抽空以在其中產(chǎn)生真 空的處理容器；位于該處理容器中的載置臺(tái)，用于在其上放置被處理 的物體，在該被處理的物體表面上形成有凹部；用于將至少包括惰性 氣體的預(yù)定氣體引入處理容器的氣體引入單元；借助用于產(chǎn)生等離子 體的電功率，在處理容器中產(chǎn)生惰性氣體等離子體的等離子體發(fā)生源； 金屬靶，對(duì)其施加直流電功率，該金屬耙被置于處理容器中，并被等 離子體離子化；用于向載置臺(tái)供應(yīng)預(yù)定偏壓電功率的偏壓電源；和用 于至少控制偏壓電源，從而通過(guò)刮削被處理的物體中的凹部的底部來(lái) 至少形成刮削凹部，和在包括凹部?jī)?nèi)和刮削凹部?jī)?nèi)的表面在內(nèi)的被處 理的物休的整個(gè)表面上形成金屬膜的裝置控制單元。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)通過(guò)選擇性地僅刮削凹部底部來(lái)形成刮削凹部和
通過(guò)在包括凹部?jī)?nèi)和刮削凹部?jī)?nèi)的表面在內(nèi)的被處理的物體的整個(gè)表 面上形成金屬膜來(lái)沉積諸如阻擋層等的金屬層時(shí)，無(wú)論凹部的寬度如 何，始終可以形成具有相同深度的刮削凹部。由此，例如可以在被處 理的物體的整個(gè)表面上沉積電阻顯著優(yōu)異的優(yōu)選的金屬膜。例如，裝置控制單元以至少控制偏壓電源以進(jìn)行如下第一薄膜沉 積步驟和第二薄膜沉積步驟，在第一薄膜沉積步驟中，設(shè)定條件以使 金屬膜在除凹部以外的被處理的物體表面上的薄膜沉積量基本等于惰 性氣體的等離子體的蝕刻量，在第二薄膜沉積步驟中，設(shè)定條件以使 金屬膜在除凹部以外的被處理的物體表面上的薄膜沉積量略大于惰性 氣體的等離子體的蝕刻量?？商娲?，裝置控制單元至少控制偏壓電源以進(jìn)行如下第一薄膜 沉積步驟和輔助薄膜沉積步驟，在第一薄膜沉積步驟中，設(shè)定條件以 使金屬膜在除凹部以外的被處理的物體表面上的薄膜沉積量基本等于 惰性氣體的等離子體的蝕刻量，在輔助薄膜沉積步驟中，設(shè)定條件以 在除凹部以外的被處理的物體表面不被惰性氣體的等離子體蝕刻的范 圍內(nèi)吸引盡可能多的金屬粒子?？商娲兀b置控制單元至少控制偏壓電源以進(jìn)行第二薄膜沉積 步驟，在第二薄膜沉積步驟中，設(shè)定條件以使金屬膜在除凹部以外的 被處理的物體表面上的薄膜沉積量略大于惰性氣體的等離子體的蝕刻里O另外，優(yōu)選的是，裝置控制單元至少控制用于生成等離子體的電 功率、施加到金屬耙上的直流電功率和偏壓電功率中的一項(xiàng)'或多項(xiàng)。此外，本發(fā)明是存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序以使計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制薄膜沉積裝 置的控制方法的存儲(chǔ)介質(zhì)，薄膜沉積裝置包括能夠抽空以在其中產(chǎn) 生真空的處理容器；位于該處理容器中的載置臺(tái)，用于在其上放置被 處理的物體，在該物體表面上形成有凹部；用于將至少包括惰性氣體 的預(yù)定氣體引入處理容器的氣體引入單元；借助用于生成等離子體的 電功率，在處理容器中產(chǎn)生惰性氣體等離子體的等離子體發(fā)生源；金 屬靶，對(duì)其施加直流電功率，該金屬靶被置于處理容器中，并被等離 子體離子化；用于向載置臺(tái)供應(yīng)預(yù)定偏壓電功率的偏壓電源；其中該 控制方法至少控制偏壓電源以通過(guò)刮削被處理的物體中的凹部的底部 來(lái)至少形成刮削凹部，和在包括凹部?jī)?nèi)和刮削凹部?jī)?nèi)的表面在內(nèi)的被 處理的物體的整個(gè)表面上形成金屬膜。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的薄膜沉積裝置的示意性截面圖; 圖2是顯示濺射蝕刻的角度依賴性的圖；圖3是顯示偏壓電功率與晶片上表面上的薄膜沉積量之間的關(guān)系 的圖；圖4A至4G顯示了用于解釋根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的方法的流 程圖；圖5A至5F顯示了用于解釋根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的方法的流 程圖；圖6A是顯示通過(guò)傳統(tǒng)方法形成的刮削凹部的電子顯微圖，圖6B 是顯示通過(guò)本發(fā)明的方法形成的刮削凹部的電子顯微圖；圖7是顯示凹部(包括連通孔)的縱橫比和在凹部底部上的銅蝕 刻速率之間的關(guān)系的圖；圖8是刮削凹部的放大截面圖；圖9是顯示Ta薄膜和Cu材料的蝕刻速率對(duì)于偏壓電功率的依賴 性的實(shí)例的圖；圖10A至10F顯示了用于解釋根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的方法的 流程圖；圖11A至11G顯示了用于解釋根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的方法的 流程圖；圖12A至12C是顯示在半導(dǎo)體晶片中形成的連通孔的圖，連通孔 尚未被填充；圖13A至13E是用于解釋連通孔的填充步驟的圖；以及 圖14A和14B是用于比較寬度彼此不同的凹部(溝槽)的圖。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的薄膜沉積裝置的示意性截面圖。
本發(fā)明的薄膜沉積裝置是ICP(電感耦合等離子體)型等離子濺射裝置。 如圖1中所示，薄膜沉積裝置32包括由例如鋁制成的圓柱形處理容器 34。該處理容器34接地。在處理容器34的底部36中設(shè)置出口 38。出 口 38經(jīng)由節(jié)流閥40連接到真空泵42上，由此可以抽空處理容器34 的內(nèi)部以在其中產(chǎn)生真空。在處理容器34內(nèi)放置由例如鋁制成的圓盤(pán)狀載置臺(tái)44。在載置臺(tái) 44的上表面上放置靜電卡盤(pán)46?？梢愿鶕?jù)需要對(duì)靜電卡盤(pán)46施加用 于吸引的直流電壓。由此，可以將作為被處理的物體的半導(dǎo)體晶片W 吸引和保持在靜電卡盤(pán)46上。載置臺(tái)44用從載置臺(tái)44下表面的中部 向下伸出的支柱48支撐。穿過(guò)處理容器34的底部36的支柱48的下 部可以通過(guò)升降裝置(未顯示)上下運(yùn)動(dòng)。由此，載置臺(tái)44本身可以 垂直運(yùn)動(dòng)。圍繞支柱48設(shè)置可伸長(zhǎng)的金屬波紋管50。金屬波紋管50的上端 密封連接到載置臺(tái)44的下表面上，金屬波紋管50的下端密封地接合 到底部36的上表面。由此，載置臺(tái)44可以垂直運(yùn)動(dòng)，而處理容器34 的內(nèi)部可以保持密封。載置臺(tái)44配備有冷卻晶片W的冷媒所流經(jīng)的 冷媒循環(huán)通路52。經(jīng)由支柱48中的通道(未顯示)供應(yīng)和排出冷媒。多個(gè)，例如三個(gè)支承銷54 (顯示了兩個(gè)支承銷54)從處理容器34 的下表面36向上突起。在載置臺(tái)44中形成與支承銷54分別對(duì)應(yīng)的銷 插孔56。由此，當(dāng)載置臺(tái)44下降時(shí)，晶片W可以落在穿過(guò)銷插孔56 的支承銷54的上端上。因此，晶片W可以在支承銷54和未顯示的從 外部進(jìn)入的傳送臂(transfer arm)之間傳送。在處理容器34的下方側(cè) 壁中設(shè)置能夠打開(kāi)和封閉以使傳送臂進(jìn)入處理容器34的門(mén)閥58。經(jīng)由布線60連接到載置臺(tái)44上的靜電卡盤(pán)46上的是由能夠產(chǎn)生 例如13.56 MHz射頻的射頻電源構(gòu)成的偏壓電源62。由此，可以向載 置臺(tái)44施加預(yù)定偏壓電功率。偏壓電源62可以根據(jù)需要控制其輸出 的偏壓電功率。在處理容器34的頂部，通過(guò)密封部件66，例如O-環(huán)，密封安裝 由諸如氮化鋁等的介電材料構(gòu)成的并且可透過(guò)射頻的透過(guò)板64。通過(guò) 從作為等離子氣體的Ar氣體生成等離子體來(lái)產(chǎn)生等離子體的等離子體 發(fā)生源70被布置在透過(guò)板64的與處理容器34中的處理空間68相反 的一側(cè)上。具體而言，等離子體發(fā)生源70包括位于透過(guò)板64附近的 感應(yīng)線圈部分72，和連接到感應(yīng)線圈72上的用于產(chǎn)生例如13.56MHz 的射頻以產(chǎn)生(生成)等離子體的射頻電源74。由此，射頻可以通過(guò) 透過(guò)板64被引入處理空間68。可以根據(jù)需要控制從射頻電源74輸出 的等離子電功率。可以使用另一惰性氣體來(lái)代替Ar，例如使用He和 Ne作為等離子氣體。將由例如鋁制成的擋板76直接布置于透過(guò)板64下方，以使引入 處理空間68的射頻擴(kuò)散。在擋板76下方放置例如圍繞處理空間68的 上側(cè)部的具有向內(nèi)傾斜的截面的環(huán)形(截頂圓錐殼形)金屬靶78。將 可變直流電源80連接到金屬靶78上。可以根據(jù)需要控制從可變直流 電源80輸出的直流電功率。金屬靶78由例如鉭金屬和/或銅制成。這 些金屬作為金屬原子或金屬原子團(tuán)被等離子體中的Ar離子濺射，同時(shí) 在金屬通過(guò)等離子體時(shí)將大量的這些金屬離子化。在金屬靶78下方設(shè)置由例如鋁制成的圓柱形保護(hù)蓋82以圍繞處 理空間68。保護(hù)蓋82接地。保護(hù)蓋82的底部向內(nèi)彎曲以接近載置臺(tái) 44的側(cè)部。在處理容器34的底部36中設(shè)置氣體入口 84作為將所需氣 體引入處理容器34的氣體引入單元。從氣體入口 84通過(guò)包括氣體流 速控制器、閥等的氣體控制單元86來(lái)供應(yīng)諸如Ar氣體等的等離子氣體，和諸如N2氣體等的另一所需氣體。薄膜沉積裝置32的各個(gè)元件連接到由例如計(jì)算機(jī)構(gòu)成的裝置控制 單元88上以受到裝置控制單元88的控制。更具體地，裝置控制單元 88控制偏壓電源62、用于產(chǎn)生等離子體的射頻電源74、可變直流電源 80、氣體控制單元86、節(jié)流閥40、真空泵42等等的操作。特別地， 當(dāng)沉積金屬膜時(shí)，進(jìn)行下列控制。首先，真空泵42在裝置控制單元88的控制下運(yùn)行以抽空處理容 器34。然后，將Ar氣體供入抽空的處理容器34，同時(shí)運(yùn)行氣體控制 單元86。此外，控制節(jié)流閥40以使處理容器34的內(nèi)部保持預(yù)定真空 程度。此后，經(jīng)由可變直流電源80對(duì)金屬靶78施加直流電功率，并 經(jīng)由射頻電源74向感應(yīng)線圈部分72施加射頻電功率(等離子電功率)。另一方面，裝置控制單元88向偏壓電源62發(fā)出向載置臺(tái)44施加 預(yù)定偏壓電功率的命令。在已經(jīng)如上所述控制的處理容器34中，通過(guò)
已經(jīng)施加到感應(yīng)線圈部分72上以產(chǎn)生氬離子的等離子電功率，來(lái)產(chǎn)生 氬等離子體。氬離子碰撞金屬靶78,由此濺射金屬靶78以釋放出金屬 粒子。作為金屬粒子從金屬靶78釋放出來(lái)的多數(shù)金屬原子和/或金屬原 子團(tuán)在穿過(guò)等離子體時(shí)被離子化。金屬粒子(金屬原子和/或金屬原子 團(tuán))向下散開(kāi)，其中離子化的金屬離子和電中性金屬原子混在一起。 隨后，金屬離子特別地受到施加到載置臺(tái)44上的偏壓電功率吸引并作 為對(duì)晶片W具有高方向性的金屬離子沉積在晶片W上。如下所述，裝置控制單元88能夠通過(guò)對(duì)偏壓電源62發(fā)送例如輸 出大電功率的命令，來(lái)使等離子體中的Ar離子被吸向載置臺(tái)44。因此， 可以同吋進(jìn)行薄膜沉積和濺射蝕刻。通過(guò)裝置控制單元88根據(jù)預(yù)先制定的程序來(lái)控制該裝置的各個(gè)元 件，以便在預(yù)定條件下進(jìn)行沉積金屬膜的步驟。將包括各種控制操作 命令的程序存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)90，例如軟盤(pán)(注冊(cè)商標(biāo))(FD)、光盤(pán)(注 冊(cè)商標(biāo))(CD)、和閃存中。根據(jù)該程序，控制各個(gè)元件以便在預(yù)定條 件下進(jìn)行沉積金屬膜的步驟。接著，下面描述通過(guò)如上構(gòu)造的薄膜沉積裝置32進(jìn)行的本發(fā)明的 薄膜沉積方法。圖2是顯示濺射蝕刻的角度依賴性的圖。圖3是顯示偏壓電功率 與在晶片上表面上的薄膜沉積量之間的關(guān)系的圖。圖4A至4G顯示了 用于解釋根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的方法的流程圖。本發(fā)明的特征在于，當(dāng)在一系列薄膜沉積處理的某個(gè)步驟中借助 等離子體通過(guò)濺射薄膜沉積處理形成金屬膜時(shí)，適當(dāng)?shù)乜刂破珘弘姽?率、直流電功率、等離子電功率等的值，從而同時(shí)通過(guò)金屬離子的吸 引進(jìn)行薄膜沉積和通過(guò)等離子氣體(Ar離子)進(jìn)行濺射蝕刻，并從而 設(shè)定可以刮削半導(dǎo)體晶片中形成的凹部中的最底層的底部的狀態(tài)，從 而刮削凹部中的最底層的底部以形成刮削凹部，并在凹部和刮削凹部 的表面上沉積金屬膜。具體而言，設(shè)定此步驟中偏壓電功率的值，以 使得在晶片的朝向金屬靶78的表面上，即圖1中所示的晶片的上表面 上，通過(guò)金屬離子的吸引進(jìn)行的薄膜沉積的速率和通過(guò)等離子氣體 (Ar+)進(jìn)行的濺射蝕刻的蝕刻速率基本彼此相等。
下面更詳細(xì)描述這一點(diǎn)。首先，在不考慮薄膜沉積量的情況下，研究通過(guò)等離子氣體進(jìn)行 濺射蝕刻的蝕刻速率的特性。被濺射的表面的角度與其蝕刻速率之間的關(guān)系顯示在圖2中。被濺射的表面的角度是通過(guò)被濺射表面的法線 和濺射氣體(Ar離子Arf)的入射方向(圖1中的向下方向)確定 的角度。例如，在晶片上表面處和在凹部5的底部處，角度為"0度" (參見(jiàn)圖12)，并且在凹部的側(cè)壁處，角度為"卯度"。從圖2中可以清楚地看到，晶片上表而(被濺射表面的角度=0 度)被濺射至一定程度，而凹部的側(cè)壁(被濺射表面的角度=卯度) 很少被濺射蝕刻。同時(shí)，凹部的開(kāi)孔的拐角部分(被濺射表面的角度 =大約40度至大約80度)被濺射蝕刻至顯著程度。在如圖1中所示由ICP型濺射裝置構(gòu)成的薄膜沉積裝置中，對(duì)晶 片W施加的偏壓電功率與晶片上表面(而非凹部的側(cè)壁)上沉積的薄 膜沉積量之間的關(guān)系顯示在圖3中。也就是說(shuō)，使用某一等離子電功 率和某一直流電功率(被施加到金屬靶78上的)，當(dāng)偏壓電功率不是 很大時(shí)，可以通過(guò)在此后吸引金屬離子和中性金屬原子來(lái)獲得大的薄 膜沉積量，但當(dāng)偏壓電功率增加時(shí)，晶片表面趨于被作為等離子氣體 的氬離子濺射得越來(lái)越多，偏壓電功率使該等離子氣體加速(參見(jiàn)圖 2)，由此先前沉積的金屬膜被蝕刻。自然地，隨著偏壓電功率的增加， 這種蝕刻作用變強(qiáng)。由此，當(dāng)通過(guò)在其后吸引金屬離子和中性金屬原 子而產(chǎn)生的薄膜沉積的速率和通過(guò)等離子氣體的離子進(jìn)行濺射蝕刻的 蝕刻速率彼此相等吋，薄膜沉積和蝕刻相抵，由此在晶片上表面上的 薄膜沉積量為"零"。在圖3中，這種狀況的條件對(duì)應(yīng)于位置XI (偏 壓電功率350W)。圖3中用實(shí)線表示的偏壓電功率和薄膜沉積量應(yīng) 該僅被視為實(shí)例。通過(guò)控制等離子電功率和直流電功率，可以如圖3 中的兩個(gè)點(diǎn)劃虛線所示地改變特性曲線。在這種類型的濺射裝置中， 一般操作條件的值通常包括在區(qū)域A1 中。也就是說(shuō)，在該區(qū)域中，可以在偏壓電功率不是很大的情況下提 高薄膜沉積量(薄膜沉積速率)。換言之，在該區(qū)域中，當(dāng)薄膜沉積量 與在偏壓電功率為零(沒(méi)有被惰性氣體的等離子體蝕刻)的情況下基 本相同時(shí)，吸引的金屬離子量最大，即吸引最大量的金屬粒子。由此，
在此區(qū)域中，甚至可以在一定程度上在凹部的底部上沉積薄膜。另一方面，在根據(jù)本發(fā)明形成金屬膜的步驟中，所選值在通過(guò)被 吸引的金屬離子以及中性金屬原子進(jìn)行的薄膜沉積和通過(guò)等離子氣體進(jìn)行的濺射蝕刻同時(shí)發(fā)生的區(qū)域中。更特別地，所選值在區(qū)域A2中， 在該區(qū)域中，在晶片上表面上，通過(guò)被吸引的金屬離子以及中性金屬 原子產(chǎn)生的薄膜沉積速率和通過(guò)等離子氣體產(chǎn)生的濺射蝕刻速率基本 彼此相等。在此，"基本相等"不僅包括晶片上表面上的薄膜沉積量為 "零"的情況，還包括沉積的薄膜厚度與在區(qū)域Al的條件下沉積的薄 膜厚度相比小至3/10的情況。在理解上述現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，下面更詳細(xì)地描述本方法。 首先，將晶片W經(jīng)由處理容器34的門(mén)閥58裝入能夠被抽空的處 理容器34中，同時(shí)載置臺(tái)44靜止于被降下的位置。使晶片W支撐在 支承銷54上。然后，使載置臺(tái)44從這種狀態(tài)開(kāi)始上升，從而將晶片 W搬送到載置臺(tái)44的上表面。通過(guò)靜電卡盤(pán)46將晶片W吸在載置臺(tái) 44的上表面上。在晶片W被置于載置臺(tái)44上并被固定地吸在其上時(shí)，開(kāi)始薄膜 沉積處理。在裝入載晶片W之前，已經(jīng)在先前的步驟中在晶片W上 表面上形成了凹部5 (參見(jiàn)圖4A)，這與參照?qǐng)D12B描述的處理類似。 也就是說(shuō)，在由Cii制成的下層布線層2上形成絕緣層4，并在絕緣層 4中形成凹部5。凹部5具有用于形成上層布線層的具有預(yù)定寬度的布 線槽，即溝槽6。在溝槽6的底部的一部分中，形成連通孔8，連通孔 8穿透絕緣層4到達(dá)下層布線層2。由此，凹部5整體上具有兩層階梯 的形狀。連通孔8起到透孔和通孔的作用。在處理容器34內(nèi)部被抽空至預(yù)定氣壓后，對(duì)等離子體發(fā)生源70 的感應(yīng)線圈部分72施加等離子電功率，并從偏壓電源62對(duì)載置臺(tái)44 的靜電卡盤(pán)46施加預(yù)定偏壓電功率。此外，從可變直流電源80對(duì)金 屬靶78施加預(yù)定直流電功率。然后，薄膜沉積處理開(kāi)始。在此實(shí)施例 中，使用鉭作為金屬靶78。具體而言，如圖4B中所示，首先進(jìn)行形成基底膜10A的基底膜 形成步驟。為了形成TaN薄膜，從氣體入口84向處理容器34供應(yīng)等 離子氣體，例如Ar氣體、N2氣體，作為氮化氣體。由此，如圖4B中
所示，不僅在晶片W的上表面上，還在凹部5的側(cè)壁和底表面上基本 均勻地形成TaN薄膜作為基底膜IOA。在此步驟中偏壓電功率的值在 圖3中所示的區(qū)域Al內(nèi)，這與傳統(tǒng)的普通薄膜沉積條件相同。具體而 言，偏壓電功率為大約100W (瓦特)。在如上所述完成基底膜10A的形成后，進(jìn)行金屬膜形成步驟以形 成Ta薄膜作為金屬膜，該步驟是本發(fā)明的特征。也就是說(shuō)，在金屬膜 形成步驟中，提高偏壓電功率以使用圖3中所示的區(qū)域A2中的條件。 此實(shí)施例中的金屬膜形成步驟包括第一薄膜沉積步驟，在該步驟中 設(shè)定條件以使在除凹部5以外的晶片W表面上通過(guò)金屬粒子沉積的薄 膜量與通過(guò)惰性氣體的等離子體蝕刻的量基本彼此相等；和第二薄膜 沉積步驟，在該步驟中設(shè)定條件以使在除凹部5以外的晶片W表面上， 通過(guò)金屬粒子沉積的薄膜量略大于被惰性氣體的等離子體蝕刻的量。首先，在第一薄膜沉積步驟中，在圖3中所示的位置X1處設(shè)定偏 壓電功率以使晶片上表面上的薄膜沉積量為"零"。具體而言，此步驟 中的偏壓電功率為350W。此時(shí)，停止從氣體入口 84供應(yīng)N2氣體，并 僅供應(yīng)Ar氣體。由此，如圖4C中所示，刮削凹部5中的最底層的底 部(相當(dāng)于連通孔8)，即，刮削由Cu制成的布線層2的上表面，從 而在其中形成刮削凹部12。同時(shí)，在其它表面，即晶片W的上表面和 晶片W的中心的階段狀的表面上幾乎不形成薄膜。其原因如下。也就是說(shuō)，如上所述通過(guò)將偏壓電功率值設(shè)定在區(qū) 域A2內(nèi)，更特別地設(shè)置在圖3中所示的位置XI處，在晶片W的上 表面上，通過(guò)被吸引的金屬離子以及中性金屬原子進(jìn)行的薄膜沉積的 速率和通過(guò)等離子氣體(AH")進(jìn)行的濺射蝕刻的蝕刻速率變得彼此基 本相等。由此，金屬膜的薄膜沉積量幾乎變?yōu)榱?。相反，由于在凹? 的連通孔8的底部上，蝕刻速率大于薄膜沉積速率，所以連通孔8的 底部被刮削。如下參照晶片單位面積在原子水平上描述這些情況。<晶片上表面> i:Ta+5:Ta+=2:Ar+<連通孔8的底部>在此，Ta是指中性金屬原子，Ta+是指金屬離子。Ta原子和Ta+離 子對(duì)金屬膜的沉積都有貢獻(xiàn)。另一方面，Ar+是指對(duì)蝕刻有貢獻(xiàn)的Ar 離子。Ta原子和Ta+離子均充分到達(dá)晶片上表面，并且Ar+離子也充分 到達(dá)此處。結(jié)果，薄膜沉積量變成"零"(抵消)。另一方面，由于連通孔8的直徑相當(dāng)小，分別具有高方向性的丁3+ 離子和Ar+離子可以到達(dá)連通孔8的底部，但是方向性差的作為中性金 屬原子的Ta原子難以到達(dá)此處。結(jié)果，連通孔8的底部被刮削的量與 不能到達(dá)此處的Ta原子的量相等，另外，不能到達(dá)此處的Ta原子對(duì) 薄膜沉積會(huì)有貢獻(xiàn)?？梢酝ㄟ^(guò)改變第一薄膜沉積步驟的處理持續(xù)時(shí)間， 來(lái)控制連通孔8的底部的刮削量。為了簡(jiǎn)化描述，假設(shè)一個(gè)Ta或一個(gè) Ta+通過(guò)一個(gè)Ar+的碰撞而從沉積膜上飛出(被蝕刻)。在第一薄膜沉積步驟完成后，繼續(xù)進(jìn)行第二薄膜沉積步驟。在第 二薄膜沉積步驟中，在區(qū)域A2屮與位置X1不同的位置，例如在位置 A3，設(shè)定偏壓電功率，從而以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于偏壓電功率值被設(shè)定在區(qū)域A1 中時(shí)的薄膜沉積速率的薄膜沉積速率來(lái)形成微小厚度的金屬膜。由此， 如圖4D中所示，Ta膜10B作為金屬膜被沉積在除連通孔8以外的底 部的整個(gè)晶片表面上，即，凹部5內(nèi)的表面(包括連通孔8的側(cè)表面)。 在這種情況下，在連通孔8的底部上，蝕刻速率也大于薄膜沉積速率， 其原因如上所述，沒(méi)有Ta膜附著到其上，且連通孔8的底部進(jìn)一步被 刮削。由此，刮削凹部12的凹陷形狀被進(jìn)一步擴(kuò)大。也就是說(shuō)，在晶 片上表面上，"2Ta+STa+:2Ar+"，而在連通孔8的底部，"STa+〈 2Ar+"。底部上的蝕刻速率小于第一薄膜沉積步驟的蝕刻速率，因?yàn)?對(duì)薄膜沉積有貢獻(xiàn)的金屬粒子的量被設(shè)定為大于濺射離子的量，從而 在晶片上表面上略微沉積薄膜。如上所述，關(guān)于形成刮削凹部的步驟，在晶片表面上的薄膜沉積 量和濺射蝕刻量在第一薄膜沉積步驟中彼此相等。由此，即使在圖4C 中所示的處理完成之后，圖4B中所示的基底膜10A的厚度保持不變。 因此，無(wú)論刮削凹部的孔的深度如何，圖4B中所示的基底膜10A的 厚度為，在晶片表面上例如3.5納米，和在連通孔8的底部上例如1.0 納米。這些值是優(yōu)選值以提供極薄的薄膜，即，優(yōu)選的是不超過(guò)10納 米，更優(yōu)選的是不超過(guò)5納米。相反，在形成刮削凹部的傳統(tǒng)步驟中，圖13A中所示的阻擋層110
的厚度取決于刮削凹部的孔的深度。當(dāng)刮削凹部的深度為大約50納米 時(shí)，阻擋層110必須在晶片表面上具有大約60納米的厚度。這是因?yàn)椋?在圖13B中所示的Ar蝕刻處理中，晶片表面是同時(shí)被蝕刻的。當(dāng)在晶 片表面上形成厚度60納米的阻擋層時(shí)，不可避免地在連通孔底部上形 P戈厚度大約10納米至20納米的阻擋層。在這種情況下，在蝕刻步驟 中(參見(jiàn)圖13B),最初不形成刮削凹部，而是僅蝕刻阻擋層。如下所 述，當(dāng)形成刮削凹部時(shí)，這引起由銅制成的下層布線層2的蝕刻速率 的降低。在此實(shí)施例中，設(shè)定處理?xiàng)l件以使整個(gè)第一薄膜沉積步驟和第二 薄膜沉積步驟中晶片表面上的薄膜沉積量基本為零。由此，不可能在 凹部的側(cè)表面上產(chǎn)生沉積突起物18，己經(jīng)參照?qǐng)D13B描述了這種狀況。 此外，由于可以在連通孔底部上獲得非常薄的基底膜，所以此實(shí)施例 中的刮削凹部12的深度可以在晶片平面內(nèi)達(dá)到基本均一，無(wú)論每一凹 部的寬度L2如何。如上所述，通過(guò)形成由Ta薄膜制成的金屬膜IOB，形成阻擋層10， 在阻擋層10中堆疊有TaN薄膜和Ta薄膜。然后，將晶片W裝入薄膜 沉積裝置中，該薄膜沉積裝置除了其金屬靶不是由鉭制成而是由銅制 成的以外，具有與圖l所示的薄膜沉積裝置相同的結(jié)構(gòu)。在此裝置中， 等離子電功率的值被設(shè)定在圖3中所示的區(qū)域A1中。然后，在與傳統(tǒng) 條件相同的條件下，如圖4E中所示，不僅在晶片上表面上還在凹部5 的側(cè)壁和底部上形成由銅制成的薄晶種膜14。帶有^^金屬靶的薄膜沉積裝置優(yōu)選地經(jīng)由能夠被抽空的轉(zhuǎn)移室連 接到設(shè)置有鉭金屬靶的薄膜沉積裝置。在這種情況下，半導(dǎo)體晶片W 可以在真空環(huán)境中在薄膜沉積裝置之間轉(zhuǎn)移，而不會(huì)暴露于大氣中。在己經(jīng)形成晶種膜14后，將晶片W從薄膜沉積裝置中取出，然 后施以通常的電鍍處理。由此，如圖4F中所示，凹部5完全被布線層 16的銅材茅斗填滿，隨后，如圖4G中所示，通過(guò)研磨去除晶片上表面上的不必要部分。 由此，上層布線層16的形成完成。如上所述，在此實(shí)施例中，通過(guò)適當(dāng)選擇諸如阻擋膜等的金屬膜 被沉積時(shí)的處理?xiàng)l件，可以在被處理的物體(晶片W)的整個(gè)表面上
(包括凹部5內(nèi)的表面)形成金屬膜，同時(shí)僅選擇性地刮削凹部5的 最底層的底部。特別地，無(wú)論凹部5的寬度如何，底部都可以被刮削 至相同深度，由此可以始終形成具有相同深度的刮削凹部。對(duì)金屬膜形成步驟(第一和第二薄膜沉積步驟)設(shè)定的條件，艮P， 能夠?qū)崿F(xiàn)圖3中所示的區(qū)域A2中的狀況的設(shè)定條件，如下。等離子電功率500-6000W直流電功率100~12000W偏壓電功率100-2000 W實(shí)際上，如上所述，通過(guò)適當(dāng)設(shè)定這三個(gè)條件，實(shí)現(xiàn)區(qū)域A2中的 設(shè)定條件(操作點(diǎn))。當(dāng)條件被設(shè)定在A2以外的區(qū)域中時(shí)，不可能充 分形成刮削凹部12,因此不能形成所謂的穿通結(jié)構(gòu)。其它處理?xiàng)l件如下。也就是說(shuō)，Ar氣體的流速為大約50 sccm至 大約1000 sccm，處理壓力為大約0.001 Torr (0.1 Pa)至大約0.1 Toit (13.3 Pa)。至于形成基底膜的步驟，已經(jīng)描述了形成TaN薄膜作為基底膜 IOA。但是，代替它的是，可以形成Ta薄膜作為基底膜IOA。在這種 情況下，由于在充當(dāng)基底膜10A的Ta薄胰上形成Ta薄膜IOB，阻擋 層10具有兩層結(jié)構(gòu)，其中在不同薄膜沉積條件下沉積的兩層Ta薄膜 堆疊在一起。在上述實(shí)施例中，在圖4C中所示的步驟中，盡管操作點(diǎn)被設(shè)定在 圖3所示的位置X1，以形成刮削凹部12而不沉積Ta薄膜，但本發(fā)明 不限于此。例如，第二實(shí)施例也是可行的，在第二實(shí)施例中，省略圖 4A至4G的流程圖中圖4C中所示的步驟，由此圖4B中所示的步驟直 接前進(jìn)到圖4D中所示的步驟，以形成刮削凹部12并同時(shí)沉積Ta薄膜 IOB。也就是說(shuō)，在第二實(shí)施例中，圖4D中所示的第二薄膜沉積步驟 在圖4B中所示的步驟完成后立即進(jìn)行，而不進(jìn)行圖4C中所示的第一 薄膜沉積步驟。圖5A至5F顯示了用于解釋根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的方法的流 程圖。在圖5A至5F中，與圖4A至4G中所示相同的元件用相同的附 圖標(biāo)記表示。圖5A和5B分別對(duì)應(yīng)于圖4A和4B。圖5C至5F分別對(duì) 應(yīng)于圖4D至4G。在此實(shí)施例中，圖5B中所示的TaN薄膜沉積步驟 直接前進(jìn)到圖5C中所示的第二薄膜沉積步驟，而不進(jìn)行第一薄膜沉積 步驟。在此情況下，由于不執(zhí)行第一薄膜沉積步驟，刮削凹部12的深 度降低。但是，由于省略了第一薄膜沉積步驟，處理持續(xù)時(shí)間可以被 縮短。對(duì)根據(jù)本發(fā)明的方法和傳統(tǒng)方法形成的刮削凹部進(jìn)行評(píng)價(jià)。下面 描述評(píng)價(jià)結(jié)果。圖6A是顯示通過(guò)傳統(tǒng)方法形成的刮削凹部的電子顯微圖，圖6B 是顯示通過(guò)本發(fā)明方法形成的刮削凹部的電子顯微圖。為了便于理解， 分別在電子顯微圖上添加了示意圖。在此，不評(píng)價(jià)兩層階梯的凹部而 是評(píng)價(jià)單層階梯的凹部。在如圖6A中所示的傳統(tǒng)方法的情況下，在凹部5的上方開(kāi)孔中形 成了不合需要的沉積突起物18。另一方面，在如圖6B中所示的本發(fā) 明的方法的情況下，經(jīng)證實(shí)，在凹部5的上方開(kāi)孔中沒(méi)有形成沉積突 起物18,并且可以形成處于良好狀態(tài)的刮削凹部12。接下來(lái)，對(duì)在凹部5的底部形成的刮削凹部12的縱橫比的依賴性 進(jìn)行評(píng)價(jià)。下面描述評(píng)價(jià)結(jié)果。圖7是顯示凹部(包括連通孔)的縱橫比和凹部底部上的銅蝕刻 速率之間的關(guān)系的圖。在該試驗(yàn)中，不評(píng)價(jià)兩層階梯狀的凹部而是評(píng) 價(jià)單層階梯狀的凹部。在圖7中，符號(hào)A顯示了根據(jù)傳統(tǒng)方法的關(guān)系 圖，符號(hào)B顯示了根據(jù)本發(fā)明方法的關(guān)系圖。具體而言，在根據(jù)傳統(tǒng)方法的試驗(yàn)中，在具有各種縱橫比的多個(gè) 凹部的晶片表面上，阻擋層被等離子濺射大約60納米，然后進(jìn)行Ar 蝕刻預(yù)定的持續(xù)時(shí)間。測(cè)量由此形成的刮削凹部的深度，以獲得銅蝕 刻速率。同時(shí)，在根據(jù)本發(fā)明的方法的試驗(yàn)中，在具有各種縱橫比的 多個(gè)凹部的晶片表面上，基底膜被等離子濺射大約4納米，且第一薄 膜沉積步驟(參見(jiàn)圖4C)——該步驟是本發(fā)明的特征~~iS行的持續(xù) 時(shí)間與傳統(tǒng)方法相同。測(cè)量由此形成的刮削凹部的深度，以獲得銅蝕 刻速率。如圖7中清楚地顯示的，在特性A和B中，當(dāng)縱橫比小B寸，與較 大的縱橫比相比，在凹部底部上沉積較大量的薄膜。這樣，銅蝕刻速 率降低。在符號(hào)A所示的傳統(tǒng)方法的情況下，可以理解的是，銅蝕刻
速率隨著縱橫比的升高而改變。換言之，刮削凹部12的深度隨著縱橫 比的變化而改變，這并不是優(yōu)選的。另一方面，在特性B所示的本發(fā) 明的情況下，可以理解，盡管在縱橫比不大于2時(shí)銅蝕刻速率的變化 很大，但當(dāng)縱橫比不小于2時(shí)，銅蝕刻速率基本恒定。普通凹部5具有不小于2的縱橫比。因此，根據(jù)本發(fā)明，經(jīng)證實(shí)， 可以獲得優(yōu)選結(jié)果，因?yàn)闊o(wú)論縱橫比如何，都可以使刮削凹部12的深 度基本均一。由于刮削凹部12的深度不受凹部5的陰影的影響，所以 無(wú)論每個(gè)凹部的寬度如何，都可以可靠地形成具有相同深度的刮削凹 部。在上述實(shí)施例中，盡管在圖4D中所示的步驟中形成Ta薄膜IOB， 隨后在圖4E中所示的步驟中形成晶種膜14，但本發(fā)明不限于此。例如， 可以在上述步驟之間插入通過(guò)諸如Ar氣體的惰性氣體進(jìn)行的蝕刻步 驟，由此改進(jìn)刮削凹部12的截面形狀。圖8顯示了改進(jìn)的橫截面積的 一個(gè)實(shí)例。圖8是刮削凹部12的放大截面圖。在圖8所示的該實(shí)例中， 在圖4D中所示的形成Ta薄膜10B的步驟后，進(jìn)行使用Ar氣體的等 離子蝕刻步驟，以進(jìn)一步擴(kuò)大刮削凹部12的底部，以使刮削凹部12 具有倒置梯形的截面形狀。由此，凹部12和其中填充的材料之間的接 觸面積和粘合程度得到了改進(jìn)，由此降低了它們之間的接觸電阻。在 這種情況下，必須僅刮削作為布線層2的Cu材料，而不刮削Ta薄膜 IOB。這種操作可以通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓電功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖9是顯示Ta薄膜和Cu材料的蝕刻速率對(duì)偏壓電功率的依賴性 的一個(gè)實(shí)例的圖。從圖9中可以看到，當(dāng)偏壓電功率變得不小于40瓦 特時(shí)，Qi材料的蝕刻開(kāi)始，并且當(dāng)偏壓電功率變得不小于100瓦特時(shí)， Ta薄膜的蝕刻開(kāi)始。由此，在如圖9中所示的情況下，可以證實(shí)，通 過(guò)將偏壓電功率值設(shè)定在區(qū)域Y內(nèi)，僅選擇性地蝕刻Cu材料，而不 刮削Ta薄膜，其中在區(qū)域Y中，偏壓電功率的范圍是從40瓦特至100 瓦特。圖9中所示的特性直線可以根據(jù)等離子電功率的值等在左右方 向移動(dòng)，區(qū)域Y可以據(jù)此在左右方向移動(dòng)。可以釆用以下方式作為第三實(shí)施例。也就是說(shuō)，盡管在第一實(shí)施 例中，圖4C中所示的第一薄膜沉積步驟和圖4D中所示的第二薄膜沉 積步驟依序進(jìn)行，在第三實(shí)施例中，在圖4C中所示的第一薄膜沉積步
驟后立即進(jìn)行圖4E中所示的步驟，而不進(jìn)行圖4D中所示的第二薄膜 沉積步驟。圖IOA至10F顯示了用于解釋本發(fā)明的第三實(shí)施例中的方法的流 程圖。在圖10A至10F中，與圖4A至4G中所示相同的元件用相同的 附圖標(biāo)記表示。圖10A至10C分別對(duì)應(yīng)于圖4A至4C。圖10D至10F 分別對(duì)應(yīng)于圖4E至4G。在此實(shí)施例中，由于圖10C中所示的第一薄膜沉積步驟后直接前 進(jìn)到圖IOD中所示的形成晶種膜14的步驟，所以阻擋層10看上去是 由單層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，其包括由TaN薄膜構(gòu)成的基底層IOA。但是，在 圖IO( 中所示的步驟中，實(shí)際上在溝槽6的側(cè)壁上和/或在連通孔8的 側(cè)壁上沉積的是非常薄的Ta膜(未顯示)。這是因?yàn)?，如圖2中所示， 盡管側(cè)壁幾乎不被濺射蝕刻，但Ta"Ta+沉積在側(cè)壁上，盡管其量非常 微小。因此，在此實(shí)施例中，阻擋層10具有兩層結(jié)構(gòu)，包括由TaN薄 膜構(gòu)成的基底膜10和在基底膜10上部分地微量地形成的Ta薄膜(未 顯示)。因此，當(dāng)在隨后步驟中在阻擋層10上形成由Cu制成的晶種膜 14時(shí)，可以保持阻擋層10與晶種膜14之間的緊密接觸(高粘合性)。在此實(shí)施例中，由于省略了圖4D中所示的第二薄膜沉積步驟，可 以縮短處理持續(xù)時(shí)間。在第三實(shí)施例中，盡管使用TaN薄膜作為基底膜IOA，但本發(fā)明 不限于此?？商娲兀梢允褂肨a薄膜作為基底膜10A，其也充當(dāng)阻 擋層IO。在這種情況下，阻擋層10具有Ta薄膜的單層結(jié)構(gòu)。當(dāng)在隨 后步驟中在由Ta薄膜構(gòu)成的阻擋層10上形成由Cu制成的晶種膜14 時(shí)，可以保持阻擋層10與晶種膜14之間的緊密接觸。另外，可以使用下列方式作為第四實(shí)施例。也就是說(shuō)，在第一實(shí) 施例中，在圖4D中所示的第二薄膜沉積步驟中，設(shè)定條件以通過(guò)將偏 壓電功率值設(shè)定在圖3中所示的區(qū)域A3內(nèi)，使通過(guò)金屬粒子產(chǎn)生的薄 膜沉積量略大于被惰性氣體的等離子體蝕刻的量。但是，在第四實(shí)施 例中，進(jìn)行輔助薄膜沉積步驟，在該步驟中設(shè)定條件，以通過(guò)將偏壓 電功率值設(shè)定在區(qū)域Al內(nèi)，在基本不被惰性氣體的等離子體蝕刻的范 圍內(nèi)吸引盡可能多的金屬離子。圖IIA至IIG顯示了用于解釋本發(fā)明的第四實(shí)施例中的方法的流程圖。應(yīng)注意，由于區(qū)域A1中的薄膜沉積速率明顯大于另一區(qū)域，所以 輔助薄膜沉積步驟優(yōu)選地進(jìn)行非常短的時(shí)間，以盡可能降低要沉積的 Ta薄膜的膜厚。由于在區(qū)域A1內(nèi)的條件下的Ta薄膜沉積，不僅在晶 片的上表面和凹部的側(cè)表面上，還在刮削凹部12的底部上沉積了少量 Ta薄膜10B。在這種情況下，設(shè)定該步驟的處理持續(xù)時(shí)間，以使沉積 在刮削凹部12底部上的薄膜的膜厚H2通常為大約1納米，或最大不 大于3納米。其原因在于，為了在降低其電阻的同時(shí)保持Ta薄膜與下 層之間的緊密接觸，降低電阻大于銅的Ta薄膜的厚度。在圖11D中所示的輔助薄膜沉積步驟中，由于使用圖3中所示的 區(qū)域A1作為操作點(diǎn)，所以使用的偏壓較低，從而抑制離子的吸引。由 此，不濺射晶片表面，由此防止晶片被濺射損壞。如上所述，由于刮削凹部12的底部上的Ta薄膜的膜厚H2為大約 l納米(最大大約3納米)，所以可以限制對(duì)該部分上的電阻的反面作 用，并幾乎不會(huì)降低Ta薄膜與下方Cu層之間的粘合性，以保持它們 之間的緊密接觸。換言之，由于Ta薄膜的厚度H2非常薄，可以改進(jìn) 與基底銅布線層2的粘合性，同時(shí)可以限制該部分的電阻。在各個(gè)實(shí)施例中，在凹部5的一部分中形成連通孔8。也就是說(shuō)， 已經(jīng)描述了兩層階梯形狀的凹部5。但是，本發(fā)明不限于此。例如，本 發(fā)明可用于單層階梯狀的凹部，其中凹部5本身充當(dāng)連通孔8，諸如通 孔和透孔。此外，無(wú)需特別說(shuō)明，各個(gè)實(shí)施例中的上述數(shù)值僅作為例子，本 發(fā)明不限于此。此外，在上述各個(gè)實(shí)施例中，盡管作為阻擋層/晶種層 的分層結(jié)構(gòu)，已經(jīng)描述了 TaN/Ta/Cu和Ta/Ta/Cu的分層結(jié)構(gòu)，本發(fā)明 不限于這種類型的分層結(jié)構(gòu)。例如，本發(fā)明自然可應(yīng)用于TiN/Ti/Cu分 層結(jié)構(gòu)、TaN/Ru/Cu分層結(jié)構(gòu)、Ti/Cu分層結(jié)構(gòu)，和TiN/Ti/Ru、 Ti/Ru、 TaN/Ru和TaN/Ta/Ru的其它分層結(jié)構(gòu)。射頻電源的頻率不限于13.56 MHz，諸如27.0 MHz的其它頻率也 是可行的。用于等離子體的惰性氣體不限于Ar氣體，也可以是其它惰 性氣體，諸如，He和Ne。此外，己經(jīng)作為被處理的物體的實(shí)例描述了半導(dǎo)體晶片。但是，
本發(fā)明不限于此，本發(fā)明還適用于LCD基板、玻璃基板、陶瓷基板等 等。
權(quán)利要求
1.一種金屬膜的薄膜沉積方法，包括以下步驟將其表面上形成有凹部的被處理的物體放置在處理容器中的載置臺(tái)上；抽空所述處理容器以在其中產(chǎn)生真空；借助通過(guò)從惰性氣體生成等離子體而形成的等離子體，在抽空的處理容器中將金屬靶離子化以產(chǎn)生包括金屬離子的金屬粒子；以及通過(guò)對(duì)放置在所述載置臺(tái)上的所述被處理的物體施加偏壓電功率，將等離子體和金屬粒子吸向所述被處理的物體，刮削所述凹部的底部以形成刮削凹部，并在包括所述凹部?jī)?nèi)和所述刮削凹部?jī)?nèi)的表面在內(nèi)的所述被處理的物體的整個(gè)表面上沉積金屬膜。
2. 如權(quán)利要求1所述的金屬膜的薄膜沉積方法，其中 所述沉積金屬膜的步驟包括第一薄膜沉積步驟，在該步驟中，設(shè)定條件以使金屬膜在除所述 凹部以外的所述被處理的物體表面上的薄膜沉積量實(shí)質(zhì)上等于惰性氣 體等離子體的蝕刻量；以及第二薄膜沉積步驟，在該步驟中，設(shè)定條件以使金屬膜在除所述 凹部以外的所述被處理的物體表面上的薄膜沉積量略大于惰性氣體等 離子體的蝕刻量。
3. 如權(quán)利要求1所述的金屬膜的薄膜沉積方法，其中 所述沉積金屬膜的步驟包括第一薄膜沉積步驟，在該步驟中，設(shè)定條件以使金屬膜在除所述 凹部以外的所述被處理的物體表面上的薄膜沉積量實(shí)質(zhì)上等于惰性氣 體等離子體的蝕刻量；以及輔助薄膜沉積步驟，在該步驟中，設(shè)定條件以在除所述凹部以外 的所述被處理的物體的表面不被惰性氣體等離子體蝕刻的范圍內(nèi)吸引 盡可能多的金屬粒子。
4.如權(quán)利耍求1所述的金屬膜的薄膜沉積方法，其中所述沉積金屬膜的步驟包括第二薄膜沉積步驟，在該步驟中，設(shè)定條件以使金屬膜在除所述 等i子體的蝕刻量。
5.如權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的金屬膜的薄膜沉積方法，其中通過(guò)控制用于制造等離子體的電功率、施加到金屬靶上的直流電 功率和偏壓電功率中的至少一項(xiàng)或多項(xiàng)，來(lái)設(shè)定所述沉積金屬膜的步 驟的條件。
6. 如權(quán)利要求5所述的薄膜沉積方法，其中將用于制造等離子體的電功率控制在500-6000瓦特的范圍內(nèi)； 將直流電功率控制在100 12000瓦特的范圍內(nèi)；并且 將偏壓電功率控制在100~2000瓦特的范圍內(nèi)。
7. 如權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的薄膜沉積方法，其中 在所述沉積金屬膜的步驟之前進(jìn)行形成基底膜的基底膜形成步驟。
8. 如權(quán)利要求7所述的薄膜沉積方法，其中 形成包括基底膜和金屬膜的兩層結(jié)構(gòu)的阻擋層。
9. 如權(quán)利要求8所述的薄膜沉積方法，其中 基底膜是TaN薄膜，金屬膜是Ta薄膜。
10. 如權(quán)利要求8所述的薄膜沉積方法，其中基底膜是Ta薄膜，金屬膜是在與基底膜不同的薄膜沉積條件下沉 積的另一Ta薄膜。
11. 如權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的薄膜沉積方法，其中 所述凹部具有起到透孔或通孔作用的連通孔，由此所述凹部具有 兩層階梯的形狀。
12. 如權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的薄膜沉積方法，其中 所述凹部是起到透孔或通孔作用的連通孔。
13. —種薄膜沉積裝置，包括 能夠被抽空以在其中產(chǎn)生真空的處理容器；被布置于所述處理容器中的載置臺(tái)，用于在其上放置被處理的物 體，所述被處理的物體的表面形成有凹部；用于將至少包括惰性氣體的預(yù)定氣體引入所述處理容器的氣體引 入單元；借助用于生成等離子體的電功率，在所述處理容器中產(chǎn)生惰性氣 體等離子體的等離子體發(fā)生源；金屬靶，對(duì)其施加直流電功率，所述金屬靶被布置于所述處理容 器中，并被等離子體離子化；用于向所述載置臺(tái)供應(yīng)預(yù)定偏壓電功率的偏壓電源；以及用于至少控制偏壓電源，以通過(guò)刮削所述被處理的物體中的所述 凹部的底部來(lái)至少形成刮削凹部，和在包括所述凹部?jī)?nèi)和所述刮削凹 部?jī)?nèi)的表面在內(nèi)的所述被處理的物體的整個(gè)表面上形成金屬膜的裝置 控制單元。
14. 如權(quán)利要求13所述的金屬膜的薄膜沉積裝置，其中 所述裝置控制單元至少控制偏壓電源以進(jìn)行第一薄膜沉積步驟和第二薄膜沉積步驟，在所述第一薄膜沉積步驟中，設(shè)定條件以使金屬 膜在除所述凹部以外的所述被處理的物體的表面上的薄膜沉積量實(shí)質(zhì) 上等于惰性氣體等離子體的蝕刻量，在所述第二薄膜沉積步驟中，設(shè) 定條件以使金屬膜在除所述凹部以外的所述被處理的物體的表面上的 薄膜沉積量略大于惰性氣體等離子體的蝕刻量。
15. 如權(quán)利要求13所述的金屬膜的薄膜沉積裝置，其中 所述裝置控制單元至少控制偏壓電源以進(jìn)行第一薄膜沉積步驟和 輔助薄膜沉積步驟，在所述第一薄膜沉積步驟中，設(shè)定條件以使金屬 膜在除所述凹部以外的所述被處理的物體的表面上的薄膜沉積量實(shí)質(zhì) 上等于惰性氣體等離子體的蝕刻量，在所述輔助薄膜沉積步驟中，設(shè) 定條件以在除所述凹部以外的所述被處理的物體的表面不被惰性氣體 等離子體蝕刻的范圍內(nèi)吸引盡可能多的金屬粒子。
16. 如權(quán)利要求13所述的金屬膜的薄膜沉積裝置，其中 所述裝置控制單元至少控制偏壓電源以進(jìn)行第二薄膜沉積步驟，在所述第二薄膜沉積步驟中，設(shè)定條件以使金屬膜在除所述凹部以外 的所述被處理的物體的袞面上的薄膜沉積量略大于惰性氣體等離子體 的蝕刻量。
17. 如權(quán)利要求13至16中的任一項(xiàng)所述的金屬膜的薄膜沉積裝 置，其中所述裝置控制單元至少控制用于制造等離子體的電功率、施加到 金屬靶上的直流電功率和偏壓電功率中的一項(xiàng)或多項(xiàng)。
18. —種存儲(chǔ)使計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制薄膜沉積裝置的控制方法的計(jì)算 機(jī)程序的存儲(chǔ)介質(zhì)，所述薄膜沉積裝置包括能夠被抽空以在其中產(chǎn)生真空的處理容器；被布置于所述處理容器中的載置臺(tái)，用于在其上放置被處理的物 體，所述被處理的物體的表面中形成有凹部；用于將至少包括惰性氣體的預(yù)定氣體引入所述處理容器的氣體引 入單元；借助用于制造等離子體的電功率，在所述處理容器中產(chǎn)生惰性氣 體等離子體的等離子體發(fā)生源；金屬靶，對(duì)其施加直流電功率，所述金屬靶被布置于所述處理容 器中，并被等離子體離子化；以及用于向所述載置臺(tái)供應(yīng)預(yù)定偏壓電功率的偏壓電源；其中，所述控制方法至少控制偏壓電源以通過(guò)刮削所述被處理的 物體中的所述凹部的底部來(lái)至少形成刮削凹部，和在包括所述凹部?jī)?nèi) 和所述刮削凹部?jī)?nèi)的表面在內(nèi)的所述被處理的物體的整個(gè)表面上形成 金屬膜。
全文摘要
本發(fā)明是金屬膜的薄膜沉積方法，包括以下步驟將表面上形成有凹部的被處理的物體放置在處理容器中的載置臺(tái)上；抽空處理容器以在其中產(chǎn)生真空；借助于從惰性氣體生成等離子體而形成的等離子體，在抽空的處理容器中將金屬靶離子化，以產(chǎn)生包括金屬離子的金屬粒子；通過(guò)對(duì)放置在載置臺(tái)上的被處理的物體施加偏壓電功率，將等離子體和金屬粒子吸向被處理的物體，刮削凹部的底部以形成刮削凹部，并在包括凹部?jī)?nèi)和刮削凹部?jī)?nèi)的表面在內(nèi)的被處理的物體的整個(gè)表面上沉積金屬膜。
文檔編號(hào)H01L21/285GK101213642SQ20068002357
公開(kāi)日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月28日
發(fā)明者佐久間隆, 橫山敦, 水澤寧, 池田太郎, 波多野達(dá)夫 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社