专利名称：偏压溅射薄膜成形方法及偏压溅射薄膜成形设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用偏压溅射方法的薄膜成形方法及薄膜成形设备，更具体地说，涉及一种薄膜成形方法，这种方法用来在形成于半导体基片表面上的接触孔、通孔和布线槽的侧壁和底部上形成具有基本上均匀厚度的阻挡层、或在电解电镀薄膜成形中使用的籽晶层(seed layer)。
背景技术：
在半导体工业中，按比例缩小正在进行，而形成在基片上的孔或布线槽的长宽比(深度/孔直径或槽宽度)趋向于越来越大。一般说来，在利用铜的半导体布线中，需要在这种孔或槽的内表面(侧壁或底部)上形成厚度为几十至几百埃的阻挡层或用于电解电镀的的籽晶层。特别是对阻挡层而言，由于使用具有大电阻的导电材料，理想状况是在孔和槽内壁整个表面上形成可以保持防扩散作用的最小厚度的阻挡层。此外，考虑到费用和工艺稳定性，对溅射薄膜成形方法而言这种需要特别强烈。
在此以前，在溅射薄膜成形方法中，偏压溅射方法已经被认为是改进基片表面不规则区域覆盖度的手段。这是一种方法，其中DC电源或RF电源被施加于靶材与基片电极，而偏压被应用于放置在基片电极上的基片表面，以形成薄膜。
作为这种类型的偏压溅射方法，举例说来，已知的有在专利参考文件1和专利参考文件2中公开的方法。这些方法的构成包括在基片处产生偏压，通过反向溅射作用防止孔开口处悬突(overhang)的形成和产生，在孔的内壁部分形成均匀厚度的薄膜，并再溅射沉积在孔底部上的薄膜成形材料，使材料粘附在侧壁部分上。
上述孔和布线槽具有高长宽比和细小而复杂的形状，并当其上形成阻挡层时，需要在包含通孔和布线槽的内壁与底部的整个基片表面上形成一层极薄的覆膜，以获得可靠的防扩散作用。
根据本发明人的研究，尽管在上述现有技术中仅使用固定基片偏压的薄膜成形对具有长宽比约为5或更小的孔与布线槽的衬底是有效的，如果此长宽比更大，再溅射颗粒沉积的位置被集中在通孔与槽中侧壁部分上的某限定区域。换句话说，人们发现难以使薄膜厚度沿通孔与槽的整个内壁表面均匀，因为通过再溅射颗粒在侧壁部分形成的覆膜具有一定的薄膜厚度分布。具体说来，人们发现形成不同膜厚分布的薄膜，这是由基片偏压的大小、来自靶材的溅射颗粒的垂直部分的数量、所形成悬突的尺寸等造成的。
此外，作为改进涂层性质的措施，已知有一种偏压控制方法，其通过在薄膜成形的初期增加偏压密度，在薄膜成形的终期减小偏压密度实现，如专利参考文件3所述。因此，这种方法试图改进上述接触孔和布线槽的侧壁部分的涂层性质。但是，在这种情况下，人们发现这种方法不能应用于半导体工艺，因为在薄膜成形初期偏压密度增加，下层被所生成的高能离子轰击，导致较大的损坏。
专利参考文件1日本专利申请特许公开8-264487/1996(页5-10，图2和3)专利参考文件2日本专利2602276(页4-6，图1和3)专利参考文件3日本专利2711503(页2-3，图1)考虑到上述问题，本发明的目标是对于高长宽比的接触孔、通孔、布线槽等的内壁表面提供一种形成具有良好覆层性质的薄膜的方法和设备。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种偏压溅射薄膜成形方法，以通过应用阴极电压与基片偏压的双电压形成薄膜，其中在其上仅应用双电压中的阴极电压的状态下形成不规则部分的基片上形成薄膜，并在改变基片偏压的同时执行溅射薄膜成形，以使形成在不规则部分侧壁与底部上表面的薄膜厚度实质上均匀。
这里，在薄膜成形初期为什么仅应用阴极电压的原因是为了防止当从初始阶段应用基片偏压时下层的破坏或恶化。
因此，最好在偏压溅射的初始阶段所应用的基片电压较低。但是，如果在薄膜成形初始阶段要获得足够膜厚的条件下形成薄膜，就不需要以较低的基片偏压开始。
当利用偏压溅射薄膜成形方法在具有例如接触孔的不规则部分的基片表面上形成薄膜时，在通孔侧壁与底部表面上的薄膜厚度分布趋向于与所应用基片偏压的密度相关联。这种关联在侧壁表面的高度方向显著，和在通孔底表面上显著。因此，一定有可以消除侧壁表面高度方向的涂层厚度差的偏压函数(基片偏压、应用时间等为变量)，并且通过利用这种函数控制基片偏压的增加和减小，可以消除不规则部分侧壁表面的高度方向的覆膜厚度差，膜可以是均匀的。
类似地，一定有可以消除通孔底部表面上基片中心侧和边缘侧间的覆膜厚度差的偏压函数，并且通过控制基片偏压的增加和减小，可以消除不规则部分底部表面上形成的覆膜厚度差。
此外，不仅通过分别消除侧壁部分的高度方向和底部表面上的薄膜厚度不均匀性，而且通过适当选择各上述偏压函数，可以同时消除侧壁表面与底部表面的薄膜厚度差。
因此，即使涂层表面具有细小而复杂的不规则部分，也可以在基片整个表面上形成均匀厚度的覆膜。
当改变基片偏压的同时如此执行偏压溅射薄膜成形时，进入基片的溅射颗粒数量也可以通过改变阴极电压控制。并且，通过选择最适宜的条件组合，可以获得具有极好涂层性质的薄膜，其中其均匀性被进一步改进。
在这种情况下，通过使来自靶材的溅射颗粒实质上垂直地进入，可以防止在诸如通孔之类的开口处产生的悬突的形成，并且相当大数量的沉积薄膜可以被固定在不规则部分的底部上。因此，如果利用底部上的沉积薄膜作为薄膜成形源执行偏压溅射薄膜成形，可以保证侧壁上薄膜成形而不损坏下层，并且允许上述均匀薄膜成形的偏压函数的选择范围将变宽。
举例说来，通过将靶材与基片间的距离设定为大于所使用晶片直径的距离，并使用其中溅射颗粒的平均自由程长于此距离的真空度执行溅射薄膜成形，可以实现上述溅射颗粒的实质上垂直进入。尽管有在基片与靶材间插入准直仪(collimator)的情况，这种方法必须慎重使用，因为准直仪本身可能被溅射或者可能变成灰尘源。
由于所形成的覆膜具有良好的涂层性质，特别是在不规则部分(侧壁表面和底部表面)的内表面上实质上均匀薄膜厚度分布，其可以有效地用作铜布线的阻挡层或电解电镀薄膜成形的籽晶层。
因此，当形成用作具有保持防扩散功能的最小厚度的阻挡层的薄膜时，可以有效利用使用电阻低于铝的铜布线的优势。当薄膜用作电解电镀的籽晶层时，可以形成均匀电镀膜，并且可以抑制布线中空隙的产生。
为了执行上述偏压溅射薄膜成形，偏压溅射薄膜成形设备装备有至基片电极的可变输出的AC或DC电源，和组成的控制系统；在控制系统中，先将阴极电压设定为预定电压，当基片与靶材被分开预定距离时的基片偏压值和对应于此基片偏压值的各表面上薄膜的厚度分布被储存作参考数据；从参考数据中选择当在各表面上执行薄膜成形时使薄膜厚度实质上均匀的基片偏压值，以使偏压函数使用其作为变量；并且通过此函数控制电源的输出。
这里使用的术语“偏压函数”不仅仅意味着一个数学函数，并且意味着基片偏压值与对应于此基片偏压值的各表面上薄膜厚度分布被储存作参考数据以产生数据库，并适当改变基片偏压以相应地改正薄膜厚度。偏压函数也包括偏压溅射薄膜成形过程中在适当的时间周期内使基片偏压为“零”。
此外，不用说，在这种偏压溅射薄膜成形过程中通过适当地改变阴极电压和控制溅射颗粒的进入数量可以获得较好的涂层性质。换句话说，偏压溅射薄膜成形设备还拥有与阴极相对的可变输出电源，并且在通过根据上述偏压函数控制基片电源输出执行偏压溅射薄膜成形中，控制系统也控制阴极电源的输出。由于阴极电压的改变，可以获得具有极好涂层性质的薄膜，其中其均匀性被进一步改进。
图1是本发明的溅射薄膜成形设备的示意剖面图；图2(a)至(c)表示各种形状由阻挡层金属覆盖的接触孔；图3表示悬突、台阶覆盖度(step coverage)和基片偏压施加电功率间的相关性；图4(a)为表示基片上接触孔位置的顶视图，图4(b)为表示基片上接触孔的示意剖面图，而图4(c)表示最小侧覆盖度高度与基片偏压施加电功率间的相关性；图5(a)表示位于基片边缘部分的接触孔的示意剖面图，而图5(b)表示侧壁各位置处侧覆盖度与基片偏压施加电功率间的相关性；图6(a)为表示基片上两个接触孔位置的顶视图，而图6(b)表示在实施方式1和比较实施方式1中覆盖度分布范围；和图7表示在实施方式2和比较实施方式2中孔的侧壁部分上高度方向的Ta薄膜厚度分布。
标号说明1薄膜成形室2排气口3溅射气体入口6靶材7基片8阴极电源9基片偏压电源
10控制系统20接触孔21侧壁部分22开口部分23底部部分具体实施方式
图1为表示用于实施本发明的偏压溅射薄膜成形方法的溅射薄膜成形设备的示意剖面图。薄膜成形室1的构造如下，拥有连接至真空排气系统(未显示)的排气口2和在其侧壁上的溅射气体入口、安装在其中的溅射阴极4和基片台5、和互相面对的放置在溅射阴极4上的Ta靶材6与放置在基片台5上的硅基片7。靶材6与基片7间的距离等于或大于基片7的直径(200mm)。
此外，溅射阴极4被连接至设备外部的阴极电源8，基片台5被连接至设备外部的AC或DC电源9，并且电源9被连接至用以控制基片偏压的控制系统10。在阴极4上方刚离开设备的位置上安装通过电动机11旋转驱动的卡具11a，并且在溅射薄膜成形过程中，安装在卡具11a上的磁体12a与13a(为N极或S极)和12b与13b(为S极或N极)旋转以执行磁控管(magnetron)溅射薄膜成形。连接基片台5与电源9的连接部件14具有通过绝缘体15伸入薄膜成形室1结构。
半导体基片7在形成在基片表面上的绝缘膜中拥有如图所示2细小凹入形状的接触孔20，用来使用导电材料布线。为了防止诸如铜之类的布线材料扩散进 SiO2绝缘膜，诸如Ta、TaN、TiN和WN(阻挡层金属或防扩散薄膜)之类具有相对高电阻的导电材料被用作涂层，以防止半导体性能的损坏。
要求这种阻挡层金属保持良好的涂层精度，即薄而均匀的薄膜厚度，并且涂覆接触孔整个内表面。可以使用图1所示的薄膜成形设备，利用偏压溅射方法在接触孔的内壁部分形成由Ta构成的阻挡层金属薄膜。
在使用偏压溅射方法中，基片偏压，即从电源9通过图1中的连接部件14应用于基片台5的电功率显著影响上述覆膜的形成。举例说来，当基片偏压不足时，形成在接触孔20的侧壁部分21上的覆膜趋向于具有小于要求的厚度，如图2(a)所示；而当基片偏压过量时，经常在通孔20的开口部分22处形成称作悬突的突起，如图2(b)所示。尽管在图1所示的设备中通过增加靶材6与基片7间的距离以增加撞击至基片表面的溅射颗粒垂直分量，此悬突的形成被阻止至一定程度，但是由于基片偏压因素也起作用，为了获得如图2(c)所示的理想阻挡层金属形状，仔细地调节基片偏压很重要。
现在，如果将在图2中侧壁部分21上形成的覆膜厚度d3与在基片表面上形成的覆膜厚度d1的比率定义为侧覆盖度；将在底部部分23上形成的覆膜厚度d4与薄膜厚度d1的比率定义为台阶覆盖度；并将开口部分22的特征薄膜厚度d2与薄膜厚度d1的比率定义为悬突；这些比率所代表的覆膜特征值趋向于与基片偏压的密度显著相关。
图3中的图表显示其一示例。这里，使用RF电源作为产生偏压的电源，并且图表中纵坐标指示悬突与阶覆盖度的值。当基片偏压功率为0W时，即，在通常的溅射薄膜成形中，悬突与台阶覆盖度的值很小，并且因此覆盖性能不可靠。当基片偏压功率增加时，台阶覆盖度增加，因而覆盖性能被改善；但是，由于悬突也增加，仅简单增加基片偏压功率不能获得图2(c)所示的理想形状。
图4表示对上述偏压与覆膜厚度间的相关性的进一步详细检验。图4(a)和(b)分别为位于基片7边缘侧的接触孔20的顶视图和剖视图。观测最小侧覆盖度部分，即在侧壁部分的薄膜厚度分布中最小膜厚的位置，距离底部部分23的高度d5，与基片偏压功率间的相关性，如图4(c)所示。从图4(c)可知随着基片偏压功率的增加，最小侧覆盖度的高度d5向开口部分22移动。
此外，图5表示对基片偏压功率与覆膜厚度间相关性的另一检验的结果。在图5(a)中，沿位于基片边缘侧的接触孔20中的基片边缘侧的侧壁部分，在开口部分22的附近的一位置、给定最小侧覆盖度的一位置、和在底部部分23的附近的一位置被分别标示为50a、50b和50c。沿位于基片中心侧的接触孔20中的侧壁部分，在开口部分22的附近的一位置、给定最小侧覆盖度的一位置、和在底部部分23的附近的一位置被分别标示为51a、51b和51c。侧覆盖度与这些侧壁部分位置50a、50b、50c、51a、51b和51c中的基片偏压功率之间的关系表示在图5(b)中。根据图5(b)观测侧覆盖度与侧壁部分的上述位置中的基片偏压功率之间的相关性。因此，可知在各位置整体薄膜厚度随着基片偏压功率的增加而增加；并且在100和250W间的功率范围内，在基片上边缘侧与中心侧的接触孔中的侧壁部分的侧覆盖度数值实际上彼此接近。也可知侧覆盖度值实质上在优选的150和200W间的功率范围内适合。
通过图4和5的详细检验，可知在侧壁部分高度方向的覆膜厚度差，沿基片中心侧与基片边缘侧的侧壁部分的覆膜厚度差，即薄膜厚度的非对称差与基片偏压功率相关，并且因此可以通过控制基片偏压功率消除薄膜厚度差。
在本发明中，如以下实施例所示，作为控制基片偏压功率的方法，一种调制技术，即首先在给定条件下获得接触孔中的薄膜厚度分布以准备数据库。接下来，利用数据库应用适于消除各位置薄膜厚度差的基片偏压功率，以实现消除上述覆膜厚度差。
在本发明的实施方式中，尽管涂层的目标是接触孔，不用说本发明并不限于此，而且如果涂层目标具有由基片上的不规则部分形成的侧壁部分，可以应用于通孔、布线槽或简单台阶形状。
实施例利用图1的薄膜成形设备，在基片7的接触孔表面上形成由Ta单体金属构成的阻挡层金属薄膜。
实施例1在这种情况下，在偏压溅射薄膜成形过程中应用的RF基片偏压功率连续可变，具有在0和350W间的范围内变化的所需电功率。因此，形成阻挡层金属薄膜，并观测位于基片中心部分和基片边缘侧的两接触孔(参考图(6))。此时，通过形成在没有不规则体部分表面上的薄膜厚度，标准化形成在各接触孔侧壁部分和底部部分上的阻挡层金属薄膜的厚度分布，并在图6(b)中表示为覆盖度值(侧覆盖度和阶覆盖度)。
比较实施例1除应用固定至200W的RF基片偏压功率外，以如实施例1相同的方法形成阻挡层金属薄膜。薄膜厚度分布表示为图6(b)中的覆盖度数值。
从实施例1和比较实施例1中，可知通过控制上述基片偏压功率，可以大大降低覆盖度的分散度。因此，由于可以使形成在接触孔的侧壁部分和底部部分上的覆膜厚度沿整个晶片均匀，可以改进布线的掩蔽稳定性和布线材料的防扩散作用。
实施例2测量在与实施例1相同的条件下形成的由Ta单体金属构成的阻挡层金属薄膜在侧壁部分高度方向(从接触孔底部至开口附近)的厚度，并且获得如图7所示的结果。
比较实施例2测量当不应用RF基片偏压功率(RF 0W)条件下执行常规溅射薄膜成形时，和当RF基片偏压功率被固定至300W(RF 300W)时形成的Ta阻挡层金属薄膜在侧壁部分高度方向的厚度，并且获得如图7所示的结果。
当对比实施例2与比较实施例2时，当RF功率为0W时未观测到底部方向的覆盖度整体不足或覆盖度的损坏，当RF功率为300W时也未观测到在接近开口部分的范围内的悬突增长，并且可知可以使侧壁部分的涂层的厚度均匀。
按照本发明的偏压溅射薄膜成形方法，如从上述说明中明显可知的那样，由于基片偏压功率被增加或降低，以消除在侧壁部分的高度方向或在凹入部分底部表面上产生的覆膜厚度差，当使用偏压溅射薄膜成形方法在基片的不规则部分的侧壁部分或底部表面上形成覆膜时，可以形成具有均匀厚度的覆膜。因此，可以形成具有良好薄膜厚度分布的覆膜，并且当这种覆膜被用作电镀阻挡层或籽晶层时，可以改进产品质量。
权利要求
1.一种偏压溅射薄膜成形方法，用来通过应用阴极电压与基片偏压的双电压形成薄膜，其中在其上仅应用所述双电压中的阴极电压的状态下形成不规则部分的基片上形成薄膜，并在改变所述基片偏压的同时执行溅射薄膜成形，以使形成在所述不规则部分侧壁与底部表面上的所述薄膜厚度实质上均匀。
2.如权利要求1的偏压溅射薄膜成形方法，其中在执行所述偏压溅射薄膜成形中改变所述基片偏压的同时，也改变所述阴极电压。
3.如权利要求1或2的偏压溅射薄膜成形方法，其中来自靶材的溅射颗粒实质上垂直进入所述基片。
4.如权利要求1至3任一项的偏压溅射薄膜成形方法，其中所述薄膜被用作阻挡层或电解电镀的籽晶层。
5.一种偏压溅射薄膜成形设备，包括与基片电极相对的可变输出的AC电源或DC电源和控制系统，其中所述控制系统首先使阴极电压设定为预定电压，当基片与靶材被分开预定距离时的基片偏压值和对应于所述基片偏压值的各所述表面上薄膜的厚度分布储存为参考数据储存，并且当形成各所述表面时，通过从所述参考数据中选择使所述薄膜厚度实质上均匀的基片偏压值产生的偏压函数，控制所述电源的输出。
6.如权利要求5的偏压溅射薄膜成形设备，其中所述设备还包括与所述阴极相对的可变输出的电源，其中在通过根据所述偏压函数控制所述基片电源输出执行的所述偏压溅射薄膜成形中，所述控制系统也通过控制所述阴极电源的输出改变阴极电压。
全文摘要
本发明提供一种可以在接触孔、通孔和布线槽之类复杂形状的细小涂层表面中，特别是对于其侧壁部分形成具有良好厚度分布的覆膜的偏压溅射薄膜成形方法及薄膜成形设备。在含有溅射气体入口3和真空排气口2的真空室1中，用于基片台5的可变输出电源9与控制系统10连接至提供有分别固定彼此相对的靶材6和基片7的溅射阴极4和基片台5的偏压溅射薄膜成形设备。当阴极电压被首先设定为预定电压和基片与靶材被分开预定距离时的基片偏压值；和对应于此基片偏压值的各表面上薄膜的厚度分布被作为参考数据储存在控制系统10中。从参考数据中选择在各表面薄膜成形中使薄膜厚度实质上均匀的基片偏压值，以构成使用其作为变量的偏压函数，并通过此函数控制电源的输出。
文档编号C23C14/35GK1514471SQ0315814
公开日2004年7月21日 申请日期2003年9月12日 优先权日2002年9月13日
发明者李命久, 冈村吉宏, 富泽和之, 丰田聪, 五户成史, 之, 史, 宏 申请人:爱发科股份有限公司