专利名称：使用hipims的反应溅射的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及反应溅射方法及设备，并且更具体地涉及用于建立合适的溅射 速率并且使在靶与阳极或者设备的其他部分之间所经历的电孤放电最少的方法及设备。
背景技术：
反应磁控溅射通常被用于从金属靶制造氮化物或者氧化物层。其中反应电磁管 溅射可以被采用的应用的例子包括用于磨损保护目的的硬涂层的制造；用于滤波的光 涂层和减反射涂层的制造；以及电子产业中的扩散势垒层及绝缘层的制造。然而，根据 常规的溅射沉积工艺所产生的这样的层常常包括对于在其中所述层要被采用的特定应用 不是最优的特性，诸如硬度、密度、气孔含量。脉冲溅射工艺已经被建议作为用于改进这些层的这样的特性的一种尝试。根据 最近的发展，具有非常高的功率的且以非常短的脉冲形式的的脉冲等离子体已经产生大 于90%的高金属蒸汽离子化，所述脉冲举例来说诸如具有0.5与10%之间的低占空比以 及高达若干兆瓦的功率水平的脉冲。这样的沉积工艺通常被称作高功率脉冲磁控溅射 (High Power Impulse Magnetron Sputtering) ( "HIPIMS")(通常也被称作高功率脉冲磁 控溅射(High Power Pulsed Magnetron Sputtering)，或者 “HPPMS”)。除了改进的层 特性以外，由于离子化的金属可以通过电场被加速的事实，HIPIMS也允许进入三维部件 (3-dimensional feature)中的定向溅射(directional sputtering)。这个特征对于半导体应用 通常是最有利的。半导体芯片使持续不变的开发面向提高的性能，同时还针对减小它们的尺寸。 这些更小的芯片所强加的物理限制限制了形成在单个层上的集成电路(IC)中的功率耗 散，并且用于产生这样的芯片的工艺技术正在逼近形成小而合适的电路的能力上的极 限。因此，由于在进一步增加单个层上的横向的器件密度方面潜在的加工问题(例如， 线搭接技术)，未来的IC可以在多个层叠的衬底上形成，产生层叠的IC而不是进一步增 加横向的器件密度。这种3D集成可以被应用于计算机可读存储器、光电应用、MEMS、 传感器、IC上的成像器(above IC imager)、显示器以及其他应用。层叠的IC包括被提供给多个衬底的电路系统，该多个衬底在它们的平坦表面上 垂直地被层叠。硅通孔("TSV")在层叠的衬底上被形成以在被提供给被层叠的衬底 中的每一个的电路系统之间建立电连接。当前的技术通过例如激光钻孔或者干蚀刻槽或 者列(column)而在衬底中形成这些TSV。所述槽接着在随后的金属化之前被涂布以绝缘 层。在用金属填充所述槽或者列之后，衬底被接地使得金属连接被暴露在所述衬底的平 坦表面处，该平坦表面与至少部分地被去除以形成所述槽或者列的平坦表面相对。接着将被暴露在衬底的一个或者两个平坦表面处的所产生的TSV接触部与被提供给将形成层 叠的IC的多个衬底中的另一衬底的对应的接触部对齐以在所述层叠的衬底被耦合在一起 时在它们之间建立电连接。然而，为了提供小而合适的接触部使对于所述IC所述衬底的 可用面积最大，TSV理想地具有至少10 1或者至少20 1的深宽比以适应未来的器 件。反应溅射方法已经被用于溅射沉积金属。然而，在氮化物的沉积期间，在某 些金属的溅射期间添加氮化物可能导致导电层的形成，像例如TiN或者TaN。纯金属 的溅射(没有反应气体或者没有微量的反应气体存在)常常被描述为在“金属模式”中 进行溅射沉积，与所谓的“反应模式”相反，所述“反应模式”包括反应气体。滞后 (hysteresis)，即在其他方面一致的工艺特性下取决于从金属模式还是从反应模式进入特 定的溅射状态沉积速率(以及靶电压)的差别，其在添加氮气时通常较小。不导电的氧化 物以及诸如Si3N4的不导电的氮化物的沉积通常提出更大的挑战，由于在添加氧气或者 氮气时靶和屏蔽体以明显的滞后一起充电。在用氧气作为反应气体的反应模式中，Si02 或者Al2O3的沉积速率惊人地更低，通常比在金属模式中被沉积时低不止五倍。相似的 但是不那么明显的速率减小在用氮气作为反应气体的反应模式中也可看到，诸如举例来 说当沉积Si3N4时。当将现有技术的HIPIMS电源应用于像从靶Al得到Al2O3的反应氧化工艺时，马 上将发现对于合理的功率水平可以观察到可观的电弧放电。电孤放电指示阴极(靶)与 阳极或者真空处理系统的电接地之间的短路的产生，这由绝缘层在所述真空系统的部分 (靶本身、屏蔽体…)上的构建引起，由于这些部分的绝缘性质，它们在所述阴极和阳极 之间充当分压器(电容器原理)。在使用完全氧化(毒化的)靶的反应模式中，在20微 秒(即，20 X 10_6秒)与200微秒(即，200 X 10_6秒)之间的HIPIMS脉冲的脉冲长度太 长以至于不允许绝缘靶表面的放电发生。使用HIPIMS的完全反应(毒化或者氧化)模 式中的溅射产生低的溅射速率。因此，在本领域中需要一种用于将绝缘层涂敷于具有高的深宽比的TSV的方法 及设备。这样的方法及设备可以提供高的方向性以允许具有最少气孔的高密度绝缘层， 并且能有利于以最少的电孤放电溅射沉积具有有限的导电性的靶材料。
发明内容
根据一个方面，本申请涉及用于将绝缘层溅射沉积到形成在衬底中并且具有高 的深宽比的腔体的表面的溅射设备。所述设备包括限定大体上封闭的室的外壳，以及被 暴露于所述室的内部用于在溅射沉积期间支撑处于所述室内的恰当位置的衬底的底座。 磁体组件提供紧邻至少部分地由要被包括在要被沉积到所述腔体的表面上的绝缘层中的 材料形成的靶的表面的磁场。电源通过要被保持在所述磁场内的等离子体中迅速的电压 增加在阴极和阳极之间建立高功率电脉冲，其中所述电脉冲的平均功率为至少0.1千瓦。 以及包括用于控制所述溅射设备的操作参数以大体上在金属模式与反应模式之间的过渡 模式中进行所述绝缘层的溅射沉积的控制器。根据另一个方面，本申请涉及将绝缘层溅射沉积到形成在衬底中并且具有高的 深宽比的腔体的表面上的方法。所述方法包括在由外壳限定的大体上封闭的室中提供至少部分地由要被包括在所述绝缘层中的材料形成的靶以及所述衬底，并且在所述大体上 封闭的室内点燃等离子体。磁场应当紧邻所述靶的表面被提供以至少部分地包含紧邻所 述靶的所述表面的所述等离子体。电压脉冲波形的前沿应当被迅速地增加以在阴极和阳 极之间重复地建立高功率电脉冲。所述电脉冲的平均功率为至少0.1千瓦。上述发明内容提供了简化的发明内容以提供对在本文中所论述的系统和/或方法 的一些方面的基本理解。这部分发明内容不是对在本文中所论述的系统和/或方法的广义 概述。其不是旨在标识重要的/关键的要素(element)或者勾画这样的系统和/或方法的范 围。其唯一的目的是以简化的形式提供一些概念作为之后所提供的更详细的描述的序言。
本发明可以在某些部分以及部分的布置中采用物理形式，其实施例将在本说明 书中更详细地被描述并且在附图中被示出，所述附图形成本说明书的部分并且其中图1示出用于将导电材料溅射沉积到槽的大体上垂直的侧壁上的HIPIMS溅射设 备的示意性实施例，其中所述溅射反应器的一部分已经被去掉；图2是示出建立与HIPIMS脉冲同步的高频信号的实施例的时序图；图3示出在包括持续大约60微秒的脉冲的电脉冲期间不同的DC脉冲功率水平 的DC电流的示意性例子；图4示出作为时间的函数由被施加于支撑导电材料被溅射在其上的衬底的底座 的高频信号产生的自偏置电压波形，所述高频信号在HIPIMS脉冲期间被施加于所述底 座；图5A-5C示出在以恒定的电脉冲电压以及恒定的反应气体流动速率使用HIPIMS 的反应溅射期间作为电脉冲持续时间的函数的电脉冲的平均以及峰值电流；图6A-6C示出在对于不同的反应气体流动速率以恒定的电脉冲电压使用HIPIMS 的反应溅射期间作为电脉冲持续时间的电脉冲的函数的平均以及峰值电流；图7示出过渡模式溅射的大体上透明的Al2O3绝缘层的HIPIMS放电电流曲线 图；图8示出对于不同的参数组，HIPIMS放电电流的示波器轨迹；图9示出形成在衬底中的槽以及根据本发明的一方面被沉积的绝缘层的SEM照 片；图10是槽的示意图，标识了应当根据本发明的一方面被提供以绝缘层的槽的各 个表面；图11示出在图10中被标识的具有绝缘层的表面的覆盖率曲线；图12示出用于产生高频信号以偏置低阻抗HIPIMS放电的RF电源的阻抗匹配网 络的例子；以及图13是在使用图12所示的阻抗匹配网络所实现的改进的阻抗匹配的情况下的电 流以及高频电压轨迹的曲线图。
具体实施例方式某些术语仅为方便起见在本文中被使用并且不应当被看做对本发明的限制。在本文中所使用的相对性语言参考附图最佳地被理解，在附图中相同的标号被用于标识相 同的或者相似的项目。另外，在附图中，某些特征可以在一定程度上以示意图的形式被 示出。还应当注意后面跟着多个构件的短语“至少一个”(如果在本文中被使用的话) 在本文中意思是所述构件中的一个或者不止一个所述构件的组合。举例来说，短语“第 一配件(widget)以及第二配件中的至少一个”在本申请中意思是所述第一配件、所述 第二配件或者所述第一配件和所述第二配件。类似地，“第一配件、第二配件以及第 三配件中的至少一个”在本申请中意思是所述第一配件、所述第二配件、所述第三配 件、所述第一配件和所述第二配件、所述第一配件和所述第三配件、所述第二配件和所 述第三配件或者所述第一配件和所述第二配件和所述第三配件。本申请涉及高功率脉冲磁控溅射(“HIPIMS” )溅射设备10以及用于磁性增强 地溅射来自靶12的导电材料，将所述来自靶12的材料与反应气体反应以形成绝缘材料， 并且将所述绝缘材料沉积在形成在半导体衬底18中的槽16的大体上垂直的侧壁14上以 形成绝缘层15(图9)。这样的溅射设备10的示意性布置在图1中被示出，并且包括反应 器外壳20，该反应器外壳20限定其中将发生绝缘层15到半导体衬底18上的HIPIMS溅 射沉积的大体上封闭的室24。尽管在本文中被描述为将绝缘层15沉积在形成在半导体衬 底18中的槽的表面上，本技术方案可以被用于将绝缘层15沉积在任何类型的衬底的任何 表面上。所述表面可以可选地包括槽或者形成在所述衬底中的其他类型的腔体的大体上 垂直的侧壁。另外，所述衬底可以由任何对于特定的应用合适的材料制成。然而，为清 楚地描述本发明，并且为了简要起见，在金属填充TSV之前绝缘层在TSV的形成期间到 槽的侧壁表面上的沉积将在下文中详细地被描述。用导电材料举例来说诸如金属或者金属合金制成的底座28被暴露于并且可选地 至少部分地延伸到所述室24中以支撑处于所述室内的恰当位置用于溅射沉积操作的半导 体衬底18。在图1中被示出为搁在底座28上的半导体衬底18是大体上平坦的晶圆，其 在所述室内具有顶部平坦表面32以及搁的底座上的底部平坦表面34。形成在半导体衬底 18中的一个或者多个槽16可以在顶部平坦表面32处开口并且由所述底部平坦表面34闭 合以形成具有如图1所示的大体上U形的截面的槽16，其沿纵深维度D至少部分地延伸 到半导体衬底18中。所述槽16的侧壁限定了所述槽16在半导体衬底18的顶部平坦表 面32与底部平坦表面34之间的内部周界。每个侧壁可以相对于所述槽的宽度W延伸到 半导体衬底18中的合适的深度D以给予所述槽至少为10 1的通常被称作深宽比的值。 所述槽的其他实施例可以可选地具有至少20 1的深宽比。深宽比在本文中被表示为所 述槽的纵深与所述槽16的宽度的比。包括多个永磁体37的磁体组件36或者其他合适的磁场发生器被设置以产生紧邻 所述靶的暴露表面40的磁场38，所述靶至少部分地由导电材料形成，该导电材料如下文 所述将与反应气体反应以形成将形成要被沉积到所述槽16的内部表面上的绝缘层15的绝 缘材料。由磁体组件36产生的磁场38在被称作限制区域的地方将等离子体42局限在靶 12的暴露表面40附近或者可选地局限在其上。另外，磁场38也充当电子陷阱，改变从 靶12射出的次级电子的无偏的轨迹以使限制区域内的惰性溅射气体将被离子化的可能性 最大。
所述惰性溅射气体举例来说典型地是诸如氩气的惰性气体，其从气体供应48被 供应并且通过可操作地连接到控制器58的质量流量控制器52被定量供应到所述室中。所 述溅射气体流过形成在所述外壳中的进气口 54。所述室中的气压通过真空泵系统(未示 出)来保持，该真空泵系统可操作地被连接为与所述室成流体连通。尽管所述室具有大 约10_8托的标准气压，对于典型的溅射操作而不涉及完全维持的自溅射，所述室的气压 可以被保持在从大约0.1毫托到大约5毫托的范围内，包括其中的任何子范围。
除了所述惰性溅射气体以外，可以与从靶12被射出的原子反应的反应气体从被 提供给所述气体供应48的反应气体罐被馈送到所述室24中。合适的反应气体的例子举 例来说包括例如氧气和氮气，尽管任何其他合适的反应气体被认为在本技术方案的范围 内。根据一个实施例，所述靶可以射出铝原子，并且从铝原子与反应气体之间的反应产 生的绝缘材料为Al2O3，其可以作为绝缘层15被沉积。其他合适的绝缘材料的例子包括 但不限于Si3N4以及SiO2。通过使氩气或者其他溅射气体流到所述室中并且通过用跨越接地的阳极57和 负偏置的阴极的电连接到靶12的DC电源56选择性地建立DC电压将所述气体点燃 成等离子体而启动(initiate)等离子体42，所述阴极包括根据本实施例的靶12。尽管 更高的DC电压被需要用于启动，在从大约-400到700VDC范围内的靶DC电压，诸 如-500VDC、-600VDC或者从大约-350VDC到大约_5kVDC范围中的任何其他合适的 电压，包括该范围内的所有电压，可以保持所述等离子体42存在于所述限制区域内。即 使在来自DC电源56的DC电压被终止之后，带电的粒子保持在所述室24中并且有助于 衰减的DC电压持续数十微秒，在来自DC电源56的DC电压的终止之后产生残炽效应。 控制器58也可操作地耦合到DC电源56以控制该DC电源56的输出，如在本文中所描述 的那样。一旦等离子体42已经被启动，氩气或者其他溅射气体的供应也可以从在等离子 体42被启动的时候存在的流动速率减小，或者可选地在来自控制器58的方向下一起被中 断。用于在所述绝缘层15的HIPIMS溅射沉积期间释放(discharge)高功率、低占空比电 脉冲的DC电源的激活以及终止也可以受控制器58控制。举例来说，控制器58可以可选地重复地并且迅速地在每个脉冲的前沿提升由 DC电源56施加的DC电压以提供具有至少0.1千瓦的平均功率的电脉冲。典型地，根据 HIPIMS溅射沉积的电脉冲将具有在从大约1千瓦到大约5千瓦的范围内的平均功率，但 是可以包括从大约0.1千瓦上至大约7千瓦的任何高的平均功率。典型的是大约30千瓦 到大约300千瓦的峰值脉冲功率，并且更高的峰值功率是有可能的，包括大约1兆瓦的峰 值功率可以由每个电脉冲产生。以这样的功率水平，大约lkW/cm2或者更大的高功率密度级别可以被施加在具 有短持续时间的电脉冲中，该短持续时间可以是至少10微秒，但是更典型地将是大约40 微秒到大约200微秒。占空比(工作时间(time on)/空闲时间(time off)的比例)将会较 低，诸如小于或者等于大约10%，但是也可以是从大约2%到大约10%的任何占空比。可变RF功率源62或者其他合适地交变的功率源被电连接到底座28以在HIPIMS 溅射操作期间将高频信号施加于所述底座并且产生紧邻在底座28上被支撑的半导体衬底 18的自偏置场。该自偏置场有效地使在垂直于半导体衬底18的方向上使从靶12被射出 的材料的离子加速，从而促进产生的绝缘材料沿所述槽的侧壁的较低部分以及所述槽12的底部的沉积，尽管所述槽具有至少10 1的深宽比并且根据可替换的实施例，至少为 20 1。所述自偏置电压可以通过可变由RF电源62产生并且被传递到底座28的高频信 号的功率选择性地被控制。对于在本文中所论述的示意性的实施例，所述高频信号的功 率可以被调整为从大约300瓦到大约3000瓦的范围内的任何值，包括任何子范围及其中 的值。与DC电源56以及流量控制器52相似，可变RF电源62可以由控制器58控制 以满足被执行的所希望的HIPIMS溅射过程的需要。对于图1所示的实施例，所述控制器 包括用于将来自所述可变RF电源62的高频信号的频率调整为根据示意性的实施例的从大 约1兆赫兹到大约70兆赫兹的范围内的任何频率，包括任何子范围及其中的值，以及其 他示意性的实施例的从大约1兆赫兹到大约50兆赫兹的范围内的任何频率(包括任何子 范围以及其中的值)的频率调节器64。根据还有其他的示意性实施例，靶频率可以被调 整为大约13.56兆赫兹，并且对于任何靶频率，频率调节器64可以在对于特定的HIPIMS 溅射应用合适的容差内调整所述高频信号的频率。举例来说，频率调节器64可以将所述 高频信号的频率调整到所述靶频率的大约士5%或者任何其他合适的容差内。然而，为了 简要及清楚起见，将在下文中描述使用大约13.56兆赫兹的靶频率的士5%内的高频信号 的溅射过程。除了频率以外，控制器58也可以控制被施加于底座28的高频信号的持续时间或 者占空比。举例来说，控制器58可以将高频信号的占空比调整为更大的值，但是可选地 不明显大于来自DC电源的DC电压的脉冲的占空比。根据其他实施例，控制器58可以 可选地保持向底座28供应高频信号，至少只要DC电压的对应的电脉冲被施加于靶12， 并且可选地仅在所述DC电源终止跨越靶12和阳极的DC电压之后中断或者至少减小被施 加于底座28的高频信号的功率，如将在下文中进一步详细描述的那样。根据还有其他的实施例，控制器58可以在来自所述DC电源的DC电压的电脉冲 的启动之前启动所述高频信号向底座28的传送，在来自DC电源56的DC电压的电脉冲 的持续时间内或者可选地在超过其的时间内保持所述高频信号向所述底座的传输，并且 在来自DC电源56的DC电压的电脉冲的终止之后中断所述高频信号向底座28的传送。 这样的实施例在图2的时序图中被示出，其中所述高频信号工作/空闲由线HF标识并且 所述电脉冲的工作/空闲被标识为线VDe。因此，所述高频信号被称为包围或者与来自 DC电源56的电脉冲同步。阻抗匹配网络66(图1)可操作地连接到并且可选地集成在控制器58内。该阻 抗匹配网络66调整可变RF电源62的输出阻抗以大致匹配所述可变RF电源62向其供应 高频信号的负载的输入阻抗。以这样的方式匹配所述阻抗使功率传输最大并且使由所述 RF电源62看到的从所述负载被反射的功率最小。阻抗匹配网络66可以可选地是可变的 或者是固定的，并且可操作用于在来自所述DC电源的最大DC电流在电脉冲期间出现的 大致同时建立自偏置场的最大电压。自偏置场的最大电压与来自所述电源56的电脉冲的最大DC电流的大致同时出 现可以从图3和4看到。图3示出在包括持续大约60微秒的脉冲的脉冲循环期间不同的 DC脉冲功率水平的DC电流的示意性例子。图4示出对于相同的功率水平由可变RF电 源62产生的在半导体衬底18处的自偏置场的自偏置电压的对应的反应的示意性例子。如可以在图3中所看到的那样，在每个独立的功率水平轨迹处电脉冲的最大DC电流对于这 个特定的脉冲在所述DC电压的施加之后大致60微秒(即沿横坐标6.0E-05)处出现。类 似地，图4揭示了对于每个脉冲水平轨迹最大的自偏置电压在靶脉冲期间也在DC电压脉 冲跨阳极57和靶12的施加之后大致60微秒(在其合理的接近范围内)处出现。因此， 所述最大DC电流以及最大自偏置电压对于每个脉冲可以大体上同时出现。在本文中所描述的HIPIMS溅射沉积大体上在“金属模式”与“反应模式”之 间的被称作“过渡模式”的模式中被执行。在缺少或者大体上不存在反应气体(或者过 量的反应气体)的情况下溅射沉积纯金属常常被描述为溅射过程的“金属模式”。几乎 所有被引入所述室24中的反应气体(如果存在的话)通过与来自靶12的溅射粒子反应而 被消耗。相反地，在所谓的“反应模式”中，溅射沉积在反应气体以比临界量更大的量 存在于所述室24内的情况下发生。在达到反应气体的临界量时，可以观察到所述室24 中的反应气体的分压(partial pressure)的跳变。根据过渡模式的HIPIMS溅射沉积以金属 模式和反应模式之间的条件发生。从金属模式变化到反应模式，或者反过来，也可以通过将反应气体进入大体上 封闭的室24中的流动速率以及用于HIPIMS溅射沉积的电脉冲的电压保持在大体上恒定 的值来实现。代替改变进入所述室24中的反应气体的流动速率，来自DC电源56的电 脉冲的持续时间可以被调整。如图5A的例子所示，电脉冲的平均放电电流以及峰值电 流被绘制成电脉冲的持续时间的函数。以被固定于大约600伏的电脉冲的电压以及大约 6sccm的反应气体(在当前的示例中为O2)流动速率，在产生的3安与4安之间的平均电 流处为大约140微秒的脉冲宽度。相对长的脉冲持续时间使得反应气体的很大一部分与 从所述靶被射出的粒子反应，并且因此，这样的脉冲持续时间对应于金属模式。当所述电脉冲的持续时间被缩短时，平均电流下降直到其达到刚好超过1安的 局部最小值，对应于大约50微秒的脉冲长度。进一步缩短电脉冲的持续时间超过对应于 局部最小值的时间的长度在由DC电源56产生的电脉冲的平均放电电流中产生跳变，指 示到反应模式的过渡。平均放电电流的迅速跳变可以被归因于随例如铝靶材料接近完全 氧化，与金属铝的次级电子发射系数相比经氧化的铝的更高的次级电子发射系数。过渡 模式中的HIPIMS溅射沉积在电脉冲的持续时间在对应于指示金属模式的平均放电电流的 电脉冲的时间的长度与对应于指示反应模式的平均放电电流的电脉冲的时间的长度之间 持续时发生。更典型的，对应于过渡模式中的HIPIMS溅射沉积的脉冲的持续时间将与 对应于金属模式与反应模式之间的平均放电电流的局部最小值的电脉冲的持续时间大体 上相似。对于图5B所示的例子，在过渡模式中执行HIPIMS溅射沉淀的电脉冲的持续时 间(由圈77指示)被选择为稍微小于50微秒，但是在50微秒的合理的近程内。由于电 脉冲的持续时间被选择为稍微小于50微秒，HIPIMS溅射沉积将在过渡模式中被执行， 但是可以可选地表现为与金属模式相比更接近于反应模式。根据其他实施例，控制器58可以可选地改变电脉冲的频率而不是电脉冲的持续 时间以在过渡模式中执行HIPIMS溅射沉积。在脉冲的持续时间保持相同的情况下，可 以通过控制器58的频率调节器64来改变频率以建立所希望的电脉冲的平均放电电流而在 金属模式与反应模式之间的过渡模式中进行绝缘层15的沉积。根据诸如准备半导体衬底18用于敏感电子器件的制造的一些实施例中，极短暂的HIPIMS电脉冲可能潜在地引起对半导体衬底18的破坏。为使这样的破坏最小，可以 可选地在绝缘层15的HIPIMS溅射沉积之前把介电层沉积到所述槽16的表面上(在不同 于所述室24的独立的沉积室中)。该介电层应当具有足够的厚度来保护半导体衬底18在 HIPIMS溅射沉积期间免受由来自电脉冲的辐射引起的破坏。该介电层可以通过不用HF 偏置的常规DC脉冲磁控溅射、HF磁控溅射、PECVD、原子层沉积(“ALD")或者任 何其他合适的沉积工艺来产生。因此，当绝缘层15根据在本文中所描述的过渡模式中的 HIPIMS溅射沉积被沉积时，其将通过介电层与所述槽16的表面分开。无论在绝缘层15的HIPIMS溅射沉积之前是否沉积所述介电层，具有绝缘层15 的槽12可以被涂布或者被填充以导电材料。作为另一个可选的步骤，例如为产生硅穿 孔，半导体衬底18的底部平坦表面34的至少一部分可以通过例如研磨、抛光或其他合适 的工艺被去除。去除半导体衬底18的底部平坦表面34的部分使所述槽16内的导电材料 暴露于半导体衬底18的新形成的底部平坦表面34，允许半导体衬底18与另一个半导体衬 底层叠。衬底之间的电通信可以通过将处于半导体衬底18的底部平坦表面34的被暴露 的接触部与其他半导体衬底的对齐而建立，从而形成IC可以被形成在其上的半导体衬底 的层叠布置。实验根据HIPIMS溅射沉积方法并且利用上文所描述的设备的沉积试验被执行。 Al2O3在单衬底真空处理系统中通过HIPIMS反应地被溅射在200毫米硅衬底上，其中 旋转的磁体阵列被提供在靶12的下方，所述单衬底真空处理系统举例来说诸如由OC Oerlikon BalzersAG所生产的Oerlikon集群工具。沉积参数在下面的表1中被示出。对于一组恒定的电脉冲电压以及反应气体(氧气)流动速率，HIPIMS电脉冲长 度从大约200微秒的最大值被调整，其中由于处于50赫兹频率的10%的高的电脉冲占空 比，HIPIMS溅射沉积在金属模式中被执行。在这个模式中被沉积的膜包括具有高的铝含 量的Al2O3混合物，并且具有浅褐色但是或多或少透明。从这个起点开始，HIPIMS电脉 冲长度增量地被减小并且电脉冲的平均放电电流被记录。当减小占空比时，平均放电电 流向下降低到局部最小值。越过这个最小值，电流再次增加，指示到反应模式的过渡。 增加的电流-以及因此被沉积的功率(deposited power)-是由于经氧化的铝与金属铝比较 更高的次级电子发射系数。在这种过渡区域中，差不多像在金属模式中所经历的那样， 经历透明的Al2O3绝缘层和高的沉积速率。进一步降低的电脉冲持续时间使得靶变得大 体上完全被氧化并且沉积速率急剧地被减小。在图5A-5C中呈现的曲线图示出对于不同 组固定的氧气流动和电脉冲电压作为HIPIMS电脉冲长度的函数的平均电流和峰值电流。表 权利要求
1.一种用于将绝缘层溅射沉积到形成在衬底中并且具有高的深宽比的腔体的表面上 的溅射设备，所述设备包括外壳，所述外壳限定大体上封闭的室；底座，所述底座被暴露于所述室的内部用于在溅射沉积期间支撑处于所述室内的恰 当位置的衬底；磁体组件，所述磁体组件用于提供紧邻至少部分地由要被包括在要被沉积到所述腔 体的表面上的绝缘层中的材料形成的靶的表面的磁场；电源，所述电源用于通过要被保持在所述磁场内的等离子体中迅速的电压增加在阴 极和阳极之间建立高功率电脉冲，其中所述电脉冲的平均功率为至少0.1千瓦；以及控制器，所述控制器用于控制所述溅射设备的操作参数以大体上在金属模式与反应 模式之间的过渡模式中进行所述绝缘层的溅射沉积。
2.如权利要求1所述的溅射设备，其还包括用于控制反应溅射气体进入所述大体上封 闭的室中的流动速率的可变速率流量控制器，其中由所述控制器控制的用于在所述过渡 模式中进行所述溅射沉积的操作参数是所述反应溅射气体的流动速率。
3.如权利要求2所述的溅射设备，其中从由氧气和氮气构成的集合中选择所述反应溅 射气体。
4.如前述权利要求中任意一项所述的溅射设备，其中从由硅和铝构成的集合中选择 要被包括在所述绝缘层中的所述靶的材料。
5.如前述权利要求中任意一项所述的溅射设备，其中所述电脉冲的电压在所述绝缘 层的溅射沉积期间被保持为大体上恒定。
6.如前述权利要求中任意一项所述的溅射设备，其中由所述控制器控制的用于大体 上在所述过渡模式中进行所述绝缘层的溅射沉积的操作参数是所述电脉冲的持续时间。
7.如前述权利要求中任意一项所述的溅射设备，其中所述电脉冲的持续时间由所述 控制器控制，并且所述电脉冲的电压以及反应气体进入所述大体上封闭的室中的流动速 率中的至少一个被保持在大体上恒定的值。
8.如前述权利要求中任意一项所述的溅射设备，其中由所述控制器控制的用于大体 上在所述过渡模式中进行所述绝缘层的溅射沉积的操作参数是所述电脉冲的频率。
9.如权利要求8所述的溅射设备，其中所述电脉冲的频率由所述控制器控制，并且所 述电脉冲的电压以及反应气体进入所述大体上封闭的室中的流动速率中的至少一个被保 持在大体上恒定的值。
10.如前述权利要求中任意一项所述的溅射设备，其还包括电连接到所述底座的可变 功率源，所述可变功率源用于将高频信号施加于用于支撑所述衬底的底座以产生紧邻所 述衬底的自偏置场。
11.如权利要求10所述的溅射设备，其还包括阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络用于 匹配被供应以由所述可变功率源产生的高频信号的负载的阻抗以随所述绝缘层的阻抗增 加而维持增加的电压。
12.如权利要求11所述的溅射设备，其中所述阻抗匹配网络与由建立所述高功率电脉 冲的电源传递的最大放电电流大致同步地建立最大自偏置电压。
13.如前述权利要求中任意一项所述的溅射设备，其中在所述过渡模式中被沉积的绝缘层的特定沉积速率为至少2.5人/k\Vs。
14.如前述权利要求中任意一项所述的溅射设备，其中在所述过渡模式中被沉积的绝 缘层的特定沉积速率在大约2.5A/kWs到大约4.2 ii/k\Vs的范围内。
15.—种将绝缘层溅射沉积到形成在衬底中并且具有高的深宽比的腔体的表面上的方 法，所述方法包括在由外壳定义的大体上封闭的室中提供至少部分地由要被包括在所述绝缘层中的材 料形成的靶以及所述衬底；在所述大体上封闭的室内点燃等离子体；提供紧邻所述靶的表面的磁场以至少部分地包含紧邻所述靶的所述表面的所述等离 子体；迅速地增加电压以在阴极和阳极之间重复地建立高功率电脉冲，其中所述电脉冲的 平均功率为至少0.1千瓦；控制操作参数以大体上在金属模式与反应模式之间的过渡模式中促进所述绝缘层的 溅射沉积；并且使来自所述靶的材料与所述大体上封闭的室内的反应气体反应以形成绝缘材料并且 将所述绝缘材料沉积到所述腔体的表面上。
16.如权利要求15所述的方法，其进一步包括在将所述绝缘材料溅射沉积到所述腔体 的表面上之前将介电层沉积到所述腔体的表面上，其中所述介电层将所述绝缘层与所述 腔体的表面分开。
17.如权利要求15或者权利要求16所述的方法，其中控制所述操作参数以大体上在 所述过渡模式中促进所述绝缘层的溅射沉积包括控制所述电脉冲的持续时间以使所述电 脉冲的平均放电电流大体上最小。
18.如权利要求15至17中任意一项所述的方法，其还包括将所述电脉冲的电压以及 反应气体进入所述大体上封闭的室中的流动速率中的至少一个保持在大体上恒定的值。
19.如权利要求15至18中任意一项所述的方法，其中控制所述操作参数以大体上在 所述过渡模式中促进所述绝缘层的溅射沉积包括控制所述电脉冲的频率。
20.如权利要求15至19中任意一项所述的方法，其还包括将所述电脉冲的电压以及 反应气体进入所述大体上封闭的室中的流动速率中的至少一个保持在大体上恒定的值。
21.如权利要求15至20中任意一项所述的方法，其还包括将高频信号施加于用于支 撑在所述大体上封闭的室内的衬底的支撑物以紧邻所述衬底产生自偏置场。
22.如权利要求21所述的方法，其还包括匹配被供应以由可变功率源产生的高频信号 的负载的阻抗以随所述绝缘层的阻抗增加而维持增加的电压。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述阻抗匹配网络与由建立所述高功率电脉冲的 电源传递的最大放电电流大致同步地建立最大自偏置电压。
全文摘要
本发明提供了用于将绝缘层溅射沉积到形成在衬底中并且具有高的深宽比的腔体的表面上的方法及设备。至少部分地由要被包括在所述绝缘层中的材料形成的靶以及所述衬底被提供在由外壳限定的大体上封闭的室中。等离子体在所述大体上封闭的室内被点燃并且磁场紧邻所述靶的表面被提供以至少部分地紧邻所述靶的所述表面包含所述等离子体。电压迅速地被增加以在阴极和阳极之间重复地建立高功率电脉冲。所述电脉冲的平均功率为至少0.1千瓦，并且可以可选地大得多。所述溅射沉积的操作参数被控制以促进所述绝缘层在金属模式与反应模式之间的过渡模式中的溅射沉积。
文档编号C23C14/34GK102027563SQ200880126469
公开日2011年4月20日 申请日期2008年12月5日 优先权日2007年12月7日
发明者J·韦查特, M·埃尔加扎利, S·卡德莱克 申请人:Oc欧瑞康巴尔斯公司