由于PVD具有很好的灵活性和高性价比，它仍是当今集成电路工业中金属淀积的一种候选方法。当每个技术节点中的特征长度变得越来越小的时候，PVD技术的扩展性受到越来越多的挑战。特别值得关注的是阶梯覆盖的扩展性，因为阻挡层和种子层两者的阶梯覆盖是控制Cu填充性能以及终总的互联可靠性的关键。对于65纳米及其以后的工艺技术，挑战尤为显著。当前生产中使用的几种PVD技术包括：离子化金属等离子体(IMP)，自离子化等离子体(SIP)，和空心阴极磁控管(HCM)。在特征尺寸减小后这些方法都难以达到充分的阶梯覆盖，其中一个基本问题就是离子化率。因为阶梯覆盖能力很大程度上取决于淀积过程中Cu离子所占的比例，所以如果不提高离子化率就不可能进一步提高阶梯覆盖能力。
动机
采用适当的磁铁设计和功率级别，Cu等离子体可以不需要任何工艺气体而自保持。这使得测量Cu离子化率相对较简单，即测量晶片上方Cu+离子的流量并与淀积速率相比较。我们在不同的磁铁和直流功率下测量了Cu离子化率，并发现在所研究的范围内不同磁铁的Cu离子化率正比于直流功率的大小，如(a)所示。不同的磁铁有不同的斜率。
在相同的直流功率下2号磁铁的离子化率是1号磁铁的两倍。但是如果我们画出离子化率与功率密度(定义为单位磁铁溅射槽面积的直流溅射功率)的关系，如(b)，可以清楚地看出离子化率正比于功率密度，两个磁铁的所有数据都落在同一条线上。也就是说功率密度是控制离子化率的关键参数。
更高的离子化率意味着等离子体中飞出的Cu原子流更多地被离子化，因而更多的Cu原子到达晶片形成淀积的种子层。高离子化率的两个主要优点就是更充分的阶梯覆盖和更高的膜厚均匀度。展示了双嵌入式刻结构上两种不同离子化率PVD工艺的阶梯覆盖的透射电镜(TEM)图像。两幅TEM图像都展示了300mm晶片边缘上的结果。(a)中淀积薄膜的Cu离子化率小于10%，产生的底部覆盖只有9%。不过当Cu离子化率提高到65%时，底部的覆盖率增加到64%，如(b)所示。可以很清楚地看出离子化率越高底部覆盖越充分，而底部覆盖是PVD工艺扩展性和小尺寸空隙填充的关键参数之一。侧壁不对称性也有显著地改善，从(a)中所示的5:1改进到(b)中所示的小于2:1。此外，因为有更多Cu+或离子化金属流到达晶片，晶片可以更有效控制入射流的方向并使其重新溅射到各种结构的底部。这能明显地改进阶梯覆盖和空隙填充能力，并提高测试中的电性能。同时，可以使用边磁铁来控制离子流的形状使其能够均匀地分布到晶片上，以形成很高的膜厚均匀度。使用这种技术，膜厚均匀度可以从7%(1s)改进到小于1%(1s)。
良好阶梯覆盖就是要达到更充分的空隙填充。展示了在同样工艺条件下低离子化率源和高离子化率源的种子层空隙填充的比较。在(a)中可以明显地看到深宽比7:1的0.14微米接触孔中低离子化率源因为缺少充分的底部覆盖导致了大的底部漏洞。相反，高离子化率源成功地填充了接触孔，如(b)所示。
上面的结果证实了高离子化率源能够提供更好的阶梯覆盖和空隙填充，同时使用边磁体可以达到提高膜厚均匀度的效果。
新型PVD源的开发
因为高离子化率是获得更好的阶梯覆盖和膜厚均匀度的关键，磁铁的设计就成为重点。除了高离子化率，还有其他一些是实际中需要考虑的，例如等离子体稳定性、靶电压涨落、非平衡率、磁铁旋转速率和靶厚度等等。因为磁铁比较小，这里有两个主要的要求:全表面靶侵蚀和靶利用率。对于传统的PVD源，磁铁是安装在电动机的轴上，并以固定的半径旋转。在这样情况下，不可能用这样一个小磁铁得到全表面的侵蚀。除了没有全表面侵蚀，小磁体本身因为覆盖靶的面积小也没有很好的靶利用率。为了解决这个问题，我们开发了一个新颖的卫星旋转源，这样小磁体能够覆盖整个靶表面，靶利用率提高到40%以上。
在以前的工作中，已经发现磁铁到靶的距离是获得恒定的离子化率和淀积速率的关键参数之一。在这个新型源的开发中，另外一个独特性能是能够通过软件垂直的移动磁控管。源磁铁可以在不必中断真空环境甚至不用打开源的条件下朝远离靶的方向移动。磁铁靶间距的调节实际上是工艺中的另一个重要的旋钮。磁铁可以根据靶的寿命逐渐向远离靶的方向移动。这个特性大大增加了工艺稳定性。
工艺表征和讨论
在这部分中，我们给出了新开发腔的各个方面的表征。淀积速率和均匀度是显而易见的。因为腔的功率只有38kW，淀积速率相比以前150 /sec的速率大为减小，约为90 /sec。膜厚均匀度小于2%(1s)。阶梯覆盖是需要表征的关键结果之一。显示了300 Cu种子层在晶片中心(左)和边缘(右)深宽比3.5:1的0.7纳米渠沟的阶梯覆盖。可以看出阶梯覆盖是非常保形的。而且突出部分非常小，底部覆盖率超过50%。
关于空隙填充，我们也证明了新的Cu工艺能够用于45纳米技术节点。展示了在深宽比4:1的55纳米渠沟中空隙填充结果的聚焦离子束(FBI)截面图。采用解决方案(BKＭ)的ECP工艺，我们在晶片的中心和边缘达到了完全的填充。在深宽比4:1的０.1微米接触孔中空隙填充工艺的效果通过厚度分别为300仯 400伜 500伒闹肿硬憷幢碚鳌６杂谌植煌暮穸龋肿硬愣荚谧盍煜鹊慕峁股洗锏搅送耆目障短畛洌缤 6所示。
高离子化率种子层的电性能测试结果非常鼓舞人心。电性能测试是基于缩小临界尺寸90纳米技术节点的测试结构(包括参数和应力迁移)，测试结果等于或优于当前的种子层工艺。测试结构在双嵌入式铜/低介电常数结构的第二金属层上的，测试是在应用材料公司Maydan技术中心进行的。
种子层采用低离子化率工艺和新的高离子化率Cu种子层工艺来淀积。种子层的厚度为300仯 500伜 700仭Ｗ璧膊悴捎肞VD TaN/Ta双层工艺。
对于不同的种子层劈裂，5米长的comb-serpents 上的970万个接触孔的链式产量，连续性以及泄漏产量并没有显著差别。开尔文通过电阻和应力迁移(SM)性能给出了有趣的见解。0.14微米的开尔文通过电阻对于两种类型的种子层随着种子层厚度增加而减小。另外，新的Cu种子层工艺在相同的种子层厚度情况下通过电阻要小10%。这是因为新的Cu种子层工艺有更高的离子化率，因此在相同的种子层厚度的情况下相对于低离子化率有更多的Cu离子轰击到接触孔的底部。可以相信Cu离子轰击阻挡层能够改进阻挡层/种子层的界面并帮助降低通过电阻。对于两种类型的种子层，增加种子层的厚度都是另外一种增多轰击阻挡层离子的途径。这就是为什么膜厚度增加后通过电阻降低，为什么新型的源能够在相同膜厚度的情况下产生更低的通过电阻。
靶预烧结果
靶预烧是通过靶寿命来表征硬件和工艺稳定性的典型方法。在预烧研究中，监测了一些关键的参数，包括粒子性能、淀积速率、系统空间一致性、阶梯覆盖和空隙填充能力。因为Cu种子层有更好的全表面侵蚀，粒子性能更好。在靶的寿命期间，平均而言机械粒子(大于0.12微米)和膜内粒子(大于0.2微米)的和每个晶片小于10个。新的Cu源的性能的一个有趣的方面是其淀积速率和系统空间一致性和靶寿命的关系，如所示。采用恰当的空间补偿，淀积速率和一致性在2400千瓦时的靶寿命期间都可以保持不变，等于生产的晶片上的2000微米厚的Cu膜。
在靶预烧期间，阶梯覆盖和空隙填充的数据也被收集。和前面的结果类似，阶梯覆盖在靶寿命期间通过空间补偿非常稳定，结果没有在这里显示出来。在靶寿命期间空隙填充也被测试了。显示了0.14微米×1.2微米的接触孔中采用ECP BKM工艺在靶寿命早中晚期的FIB结果。在靶寿命的各个阶段，模具的中心和边缘都被填充了。
结论
基于高功率密度概念和其他一些独特的机械构想，一种新型的溅射源显著地提高了Cu离子化率，因而改进了阶梯覆盖和ECP空隙填充。采用新型源淀积的种子层已经成功地在的深宽比4:1的55纳米渠沟和深宽比4:1的0.1微米接触孔中实现了良好的ECP空隙填充。结果表明新型源可以用于45纳米技术节点。工艺稳定性可以被显著地改进，包括淀积速率、膜厚均匀度和偏置电压的稳定性。同时，高离子化率的工艺通过淀积膜时的轰击效应提供了更好的界面粘接和电性能，提高了工艺可靠性。基于90纳米技术节点(包括参数和应力迁移)测试结构的电性能测试结果等于或优于当前的种子层工艺。同时，新的Cu工艺能够在晶片上淀积2000微米的Cu膜。
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