[发明专利]具有可施加至靶材的射频电源的物理气相沉积等离子体反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种物理气相沉积反应器，尤其涉及一种具有可施加到靶材的 射频电源的物理气相沉积等离子体反应器。

背景技术

近来随着集成电路设计技术的进步，位于半导体晶体管上方的多层互连结 构现今已有多达六层至十层的互连层。绝缘层将连续的导体层分开。导体互连 层可具有完全不同的导体图案，以及导体互连层之间彼此连接且经由垂直延伸 穿过绝缘层的通孔而在不同位置连接到晶体管层。本发明涉及通孔(via)的形 成。

为了减少集成电路中的电阻功率损耗，互连层与通孔通常运用铝而近来运 用铜作为主要的导体。绝缘层为二氧化硅，不过近来除了二氧化硅之外，已增 加使用了其他具有低介电常数的介电材料。因为铜容易随时间扩散通过绝缘层 从而造成电路短路，所以在集成电路内铜材料与介电材料的界面之间设置一层 可阻挡铜扩散的阻挡层。阻挡层通常包含：与绝缘层接触的下层的氮化钽或氮 化钛层、上层纯(或接近纯质)钽或钛层，以及最后在纯钽(或钛)层上方的 铜种晶层。若导体为铜金属时，则钽为较佳选择。该铜导体沉积在铜种晶层上。 这样的阻挡层可避免铜原子迁移或扩散进入介电材料中。与铜相比较，钽与氮 化钽(或钛与氮化钛)层属于不良导体。利用物理气相沉积以形成阻挡层与铜 导体。其他沉积工艺可运用在金属填充阶段(铜沉积)，例如化学气相沉积、 等离子体增强型化学气相沉积或电镀。

在水平互连层之间形成垂直延伸的通孔将会产生以下问题。利用刻蚀孔洞 穿过上层水平绝缘(二氧化硅)层，以暴露出在下层水平互连层中的部分的铜 导体，而形成每个垂直的通孔开口。通过通孔可连接至金属暴露的部分。在铜 导体形成于通孔内之前，阻挡层必须沉积在通孔的内表面上，以避免铜原子如 上述般的迁移。覆盖着通孔所有内表面的阻挡层覆盖所述下层铜导体的暴露部 分。因为阻挡层为较差导体，必须选择性地将下层铜导体上的阻挡层去除(在 一刻蚀工艺中)，而不会由通孔的其他内表面处去除阻挡层。在去除步骤中需 要中止物理气相沉积工艺以将晶片置于刻蚀腔室中进而进行在下层铜表面上 选择性去除阻挡层的工艺。晶片接着会返回物理气相沉积反应室中以形成铜导 体。

因选择性去除阻挡层所产生的步骤中断需要较高的生产成本并浪费工艺 时间。近来已发展出一种两用(dual purpose)反应器，所述两用反应器能够进行 阻挡层的物理气相沉积以及在阻挡层形成步骤后选择性去除阻挡层，而不需从 反应器中去除晶片。因此，可大幅节省生产成本与生产时间。利用在物理气相 沉积腔室中接近晶片处提供一个单独的线圈(coil)即可完成上述技术特征。在 阻挡层形成之后，线圈用于形成感应耦合等离子体(inductively coupled  plasma)，所述感应耦合等离子体可选择性地由水平表面(即，由下层铜导体 形成的底面)上溅射阻挡层。通过将射频(RF)偏压功率施加到晶片上，达到主 要为垂直的离子速度分布，如此可达到该选择性溅射(后文称为“再溅射” (re-sputtering))。虽然这两用反应器可相当好地运行，但却必须承担额外的费 用。例如，因为阻挡层沉积步骤包括溅射金属靶材，因而会将金属沉积在所有 反应器腔室的内表面上，而再溅射线圈必须位于腔室内，使得不会有金属化的 表面来遮蔽线圈或防止来自再溅射线圈的射频功率感应耦合到等离子体中。为 了避免工艺污染，再溅射线圈由纯钽金属所形成，这会增加成本。线圈在使用 寿命期间遭受非常大的温度变动而必须定期地更换。射频功率必须经过反应器 腔室的真空密封以及经过周期性完全充满金属蒸气的环境，而耦接到再溅射线 圈上。因此，必须运用可承受金属沉积的射频馈通(feedthrough)线，所述射频 馈通线的外表面的结构可避免沉积材料的过度累积与剥落，且所述射频馈通线 可在使用寿命期间承受宽广的温度漂移。

另外已知的两用反应器是运用一外部线圈，所述外部线圈位于顶板中未受 金属溅射靶材阻隔的部分上方。但是问题在于，金属气相沉积工艺会使顶板涂 覆一层金属因而阻隔来自线圈天线的感应耦合。另一个较严重的问题在于由线 圈所产生的射频等离子体会从靶材产生出高比例的金属离子，使得无法将晶片 偏压调整至不影响(去最优化)来自靶材的金属离子/蒸气通量下能选择性刻 蚀水平表面的最佳情况。因此，金属沉积工艺与再溅射工艺必须在不同时间下 进行。