專利名稱：高功率磁控濺射對(duì)穿硅通孔金屬化的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請大致上涉及改進(jìn)的高功率、脈沖磁控濺射方法和系統(tǒng)，更具體地涉及包括 高頻率信號(hào)的同步輸送以生成最大自偏置電壓的高功率脈沖磁控濺射方法和系統(tǒng)，該最大 自偏置電壓在DC電壓脈沖期間與最大DC電流大致上同時(shí)發(fā)生。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體芯片面臨以增加由芯片支撐的電路的性能而同時(shí)減小芯片的整體物理尺 寸為目標(biāo)的不斷發(fā)展。像在集成電路(“IC”)中的功率耗散和用于在越來越小的尺度上制 造IC的工藝技術(shù)等物理限制最近鼓勵(lì)垂直堆疊多個(gè)芯片代替進(jìn)一步增加橫向器件密度以 提高性能。例如，現(xiàn)有的引線接合(wire bonding)技術(shù)在橫向尺寸上多緊密地間隔的電路 元件可以在半導(dǎo)體芯片上形成并且使用該技術(shù)電連接在一起方面受到限制。為允許這樣的 器件的進(jìn)一步擴(kuò)展，半導(dǎo)體芯片可以擴(kuò)大以容納附加的電路元件，但這導(dǎo)致半導(dǎo)體芯片的 整體尺寸的擴(kuò)大而不是在尺寸上減小。代替使半導(dǎo)體芯片在橫向尺寸上更大，兩個(gè)或更多大致上平面的半導(dǎo)體芯片或?qū)?可以垂直堆疊(即它們的平面配合在一起)以提供半導(dǎo)體芯片上要求的面積以支持附加的 電路元件。所謂的垂直堆疊半導(dǎo)體芯片的3D集成可以在多種不同的獲得最大器件密度的 應(yīng)用中使用，這些應(yīng)用例如計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、電光器件、微機(jī)電(“MEMS”)器件、傳感器、上述 的IC成像器、顯示器以及其他的技術(shù)。垂直堆疊的半導(dǎo)體芯片制造成包括穿硅通孔(“TSV”)以建立垂直堆疊的半導(dǎo)體 芯片之間的電連接，并且可包括其他高長寬比的結(jié)構(gòu)。TSV是在半導(dǎo)體芯片中的高長寬比的 孔，它們鍍有金屬或其他適合的導(dǎo)體以電連接電路元件的兩層或多層。傳統(tǒng)上TSV通過向 半導(dǎo)體芯片襯底的頂表面中激光打孔或干法刻蝕孔穴而形成，并且所述的孔穴的內(nèi)部周邊 然后鍍有金屬或其他適合的導(dǎo)體。襯底的底表面然后被研磨直到孔穴內(nèi)的金屬暴露在待堆 疊的半導(dǎo)體的底表面。為了使在半導(dǎo)體芯片的底表面暴露的每個(gè)TSV的表面積最小化并且對(duì)期望的應(yīng) 用使用可管理的襯底厚度，每個(gè)TSV典型地具有至少10 1的長寬比，并且將來可能20 1 或更高。這樣高的長寬比使得使用常規(guī)的沉積技術(shù)難以有效地在襯底中形成的孔穴的內(nèi)部 周邊一致性地鍍層。因此，在本領(lǐng)域中需要有用于在半導(dǎo)體芯片襯底中形成TSV用于電連接多個(gè)半導(dǎo) 體芯片的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個(gè)方面，本申請涉及磁增強(qiáng)濺射導(dǎo)電材料到槽的內(nèi)表面上的方法，槽包括 在半導(dǎo)體襯底中形成的大致上垂直的側(cè)壁和至少10 1的長寬比并且其由底座支撐。該 方法包括提供與至少部分由將濺射到槽的內(nèi)表面上的導(dǎo)電材料形成的靶的表面相鄰的磁 場；和在陽極和陰極之間采用多個(gè)脈沖施加DC電壓，其中陰極包括靶。高頻信號(hào)施加到支 撐半導(dǎo)體襯底的底座以產(chǎn)生與所述半導(dǎo)體襯底相鄰的自偏置場。高頻信號(hào)作為脈沖施加到 底座，脈沖具有從大約1MHz到大約70MHz范圍(包括在其中的任何子范圍)內(nèi)的頻率和延 續(xù)超過陽極和陰極之間的電壓脈沖終止的持續(xù)時(shí)間。在陽極和陰極之間施加的DC電壓的 每個(gè)脈沖期間，該方法還包括濺射來自靶的導(dǎo)電材料到在半導(dǎo)體襯底中形成的槽的大致 上垂直的側(cè)壁上。根據(jù)另一個(gè)方面，本申請涉及制造包括共同支撐集成電路的多個(gè)半導(dǎo)體襯底的堆 疊設(shè)置的方法。該方法包括在第一半導(dǎo)體襯底中形成槽，該槽包括在第一半導(dǎo)體襯底的平 面頂表面的開口和大致上垂直的側(cè)壁，其尺寸化以提供具有至少10 1的長寬比的槽。包 括槽的第一半導(dǎo)體襯底在濺射反應(yīng)器內(nèi)由底座支撐，并且導(dǎo)電材料濺射到槽的內(nèi)側(cè)壁上。 根據(jù)下面方法實(shí)施濺射，該方法包括提供與至少部分由將被濺射到槽的內(nèi)表面上的導(dǎo)電材 料形成的靶的表面相鄰的磁場，和在陽極和陰極之間采用多個(gè)脈沖施加DC電壓，其中陰極 包括靶。高頻信號(hào)施加到支撐第一半導(dǎo)體襯底的底座以產(chǎn)生與所述第一半導(dǎo)體襯底相鄰的 自偏置場。高頻信號(hào)采用在從大約1MHz到大約70MHz范圍(包括在其中的任何子范圍) 內(nèi)的頻率的脈沖施加到底座，每個(gè)脈沖具有延續(xù)超過陽極和陰極之間的DC電壓脈沖終止 的持續(xù)時(shí)間。在陽極和陰極之間施加的電壓的每個(gè)脈沖期間，導(dǎo)電材料從靶濺射到在半導(dǎo) 體襯底中形成的槽的大致上垂直的側(cè)壁上。在濺射導(dǎo)電材料到槽的內(nèi)側(cè)壁上后，與半導(dǎo)體 襯底的底平面相鄰的半導(dǎo)體材料的至少一部分被移除以在半導(dǎo)體襯底的底平面至少部分 暴露側(cè)壁上的導(dǎo)電材料。根據(jù)更另一個(gè)方面，本申請涉及用于磁增強(qiáng)濺射導(dǎo)電材料到在半導(dǎo)體襯底中形成 的槽的內(nèi)表面上的濺射裝置，該槽包括大致上垂直的側(cè)壁和至少10 1的長寬比。該系統(tǒng) 包括限定大致上封閉的腔(在其中發(fā)生濺射)的外殼，和延伸進(jìn)所述腔用于在濺射期間支 撐半導(dǎo)體襯底在所述腔內(nèi)的適合位置的底座。磁體組件建立與至少部分由將被濺射到槽的 內(nèi)表面上的導(dǎo)電材料形成的靶的表面相鄰的磁場。提供DC電壓源用于在陽極和陰極之間 施加DC電壓為多個(gè)脈沖，其中陰極包括靶?？勺兊碾娫磁c底座電連接用于施加高頻信號(hào)到 用于支撐半導(dǎo)體襯底的底座以產(chǎn)生與所述半導(dǎo)體襯底相鄰的自偏置場?？刂破骺刂瓶勺冸?源以產(chǎn)生在從大約1MHz到大約70MHz范圍(包括在其中的任何子范圍)內(nèi)的頻率的高頻 信號(hào)的脈沖，并且施加高頻信號(hào)到底座長達(dá)持續(xù)延續(xù)超過陽極和陰極之間的DC電壓脈沖 終止的持續(xù)時(shí)間。上文的發(fā)明內(nèi)容呈現(xiàn)簡化的發(fā)明內(nèi)容以便提供本文論述的系統(tǒng)和/或方法的一 些方面的基本理解。該發(fā)明內(nèi)容不是本文論述的系統(tǒng)和/或方法的廣泛綜述。這不是用來 確認(rèn)關(guān)鍵/重要元件或描述這樣的系統(tǒng)和/或方法的范圍。它的唯一目的是以簡化的形式 呈現(xiàn)一些概念作為稍后呈現(xiàn)的更詳細(xì)說明的序言。


本發(fā)明在某些部件或部件設(shè)置上可采用實(shí)體形式，其實(shí)施例將在本說明書中更詳 細(xì)地描述并且在構(gòu)成本文的一部分的附圖中圖示，并且其中圖1示出用于濺射沉積導(dǎo)電材料到槽的大致上垂直的側(cè)壁上的濺射裝置的說明 性實(shí)施例，其中去掉了濺射反應(yīng)器的一部分；圖2示出濺射導(dǎo)電材料到槽的大致上垂直的側(cè)壁上的脈沖循環(huán)的時(shí)序圖的說明 性實(shí)施例；圖3示出DC電壓的HIPIMS脈沖的放電電流波形(作為時(shí)間的函數(shù))，該脈沖具有 大約60微秒的持續(xù)時(shí)間；圖4示出由施加到支撐襯底的底座的高頻信號(hào)產(chǎn)生的自偏置電壓波形(作為時(shí)間 的函數(shù))，導(dǎo)電材料濺射在襯底上，所述高頻信號(hào)在HIPIMS脈沖期間施加到底座；圖5是在用3000倍的放大率查看的Si半導(dǎo)體襯底中形成的和由根據(jù)本發(fā)明的方 面的HIPIMS方法和裝置涂覆的槽的掃描電子顯微鏡(“SEM”)照片；圖6是SEM照片，其示出在放大大約32，920倍的Si半導(dǎo)體襯底中形成的并且具 有大約10 1的長寬比的槽的頂部，其中頂部由根據(jù)本發(fā)明的方面的HIPIMS方法和裝置 涂覆；圖7是SEM照片，其示出放大約180，000倍的參照圖6描述的槽的底部，其中底部 由根據(jù)本發(fā)明的方面的HIPIMS方法和裝置涂覆；圖8A是具有大約8，040倍的放大率的SEM照片，其示出與根據(jù)常規(guī)的氣相沉積工 藝在半導(dǎo)體襯底中形成的槽的頂部相鄰沉積的Ta層的橫截面；圖8B是具有大約8，070倍的放大率的SEM照片，其示出與根據(jù)HIPIMS方法和裝 置(根據(jù)本發(fā)明的方面)在半導(dǎo)體襯底中形成的槽的頂部相鄰沉積的Ta層的橫截面；圖8C是具有大約20，080倍的放大率的SEM照片，其示出與根據(jù)常規(guī)氣相沉積工 藝在半導(dǎo)體襯底中形成的槽的底部相鄰沉積的Ta層的橫截面；以及圖8D是具有大約20，080倍的放大率的SEM照片，其示出與根據(jù)HIPIMS方法和裝 置(根據(jù)本發(fā)明的方面)在半導(dǎo)體襯底中形成的槽的底部相鄰沉積的Ta層的橫截面。
具體實(shí)施例方式本文中某些術(shù)語僅僅為了方便而使用并且不看作對(duì)本發(fā)明的限制。本文使用的相 關(guān)語言參照附圖最好地理解，其中相似的數(shù)字用于確認(rèn)相似的或類似的項(xiàng)目。此外，在附圖 中，某些特征可采用某種示意的形式示出。還要注意在本文中后面跟著多個(gè)元件的短語“至少一個(gè)”(如果在本文中使用) 意思是那些元件中的一個(gè)，或那些元件中一個(gè)以上元件的組合。例如，短語“第一配件 (widget)和第二配件中的至少一個(gè)”在本申請中意思是第一配件、第二配件或第一配件和 第二配件。同樣，“第一配件、第二配件和第三配件中的至少一個(gè)”在本申請中意思是第一 配件、第二配件、第三配件、第一配件和第二配件、第一配件和第三配件、第二配件和第三配 件，或第一配件和第二配件和第三配件。本申請涉及用于磁增強(qiáng)濺射來自靶12的導(dǎo)電材料到在半導(dǎo)體襯底18中形成的槽 16的大致上垂直的側(cè)壁14上的濺射裝置10和方法。這樣的濺射裝置10的說明性設(shè)置在圖1中示出，并且包括限定大致上封閉的腔24的反應(yīng)器外殼20，導(dǎo)電材料濺射沉積到半導(dǎo) 體襯底18上將在腔24中發(fā)生。用例如金屬或金屬合金等導(dǎo)電材料制造的底座28例如暴 露于腔24，并且可選地至少部分延伸進(jìn)入腔24以支撐半導(dǎo)體襯底在腔24內(nèi)的適合的位置 用于濺射沉積操作。在圖1中示出的半導(dǎo)體襯底18是大致上平面的晶圓，其具有頂平面32和擱在腔 24內(nèi)的底座28上的底平面34。在半導(dǎo)體襯底18中形成的槽16可以在頂平面32打開并 且由底平面34封閉以形成具有如在圖1中示出的一般LJ形的橫截面的槽16，其沿著深度 D尺寸至少部分延伸進(jìn)入半導(dǎo)體襯底18。側(cè)壁14限定半導(dǎo)體襯底18的頂平面32和底平 面34之間的槽16的內(nèi)部周邊。每個(gè)側(cè)壁可以相對(duì)于槽16的寬度W延伸到半導(dǎo)體襯底中 的適當(dāng)?shù)纳疃菵以給予槽16至少10 1的通常稱為長寬比的長寬比。槽16的其他實(shí)施 例可以可選地具有至少20 1的長寬比。長寬比在本文中表達(dá)為槽16的深度與槽16的 寬度的比率。包括多個(gè)永磁體37或其他適合的磁場38發(fā)生器的磁體組件36放置成產(chǎn)生與靶 12的暴露表面40相鄰的磁場38，靶12至少部分由將濺射沉積到槽16的內(nèi)表面(例如側(cè) 壁1414)上的導(dǎo)電材料形成。由磁體組件36產(chǎn)生的磁場38限制等離子體42靠近或可選 地在靶12的暴露表面40 (其中稱為限制區(qū)域)上。此外，磁場38也起電子陷阱的作用，其 改變從靶12射出的二次電子的無偏軌跡以最大化限制區(qū)域內(nèi)的濺射氣體將被電離的可能 性。典型地是例如氬等惰性氣體的濺射氣體，由氣體源48供應(yīng)并且通過質(zhì)量流量控 制器58 52 52計(jì)量至腔24內(nèi)，其操作式地連接到控制器58 58。濺射氣體流過外殼20中 形成的進(jìn)氣口 54。腔24內(nèi)的壓強(qiáng)由真空泵系統(tǒng)(未示出)維持，真空泵系統(tǒng)采用流動(dòng)連通 方式與腔24操作式地連接。盡管腔24具有大約10_8托的標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)，典型的濺射操作不涉 及完整的持續(xù)自濺射，腔24的壓強(qiáng)可以維持在從大約0. 1毫托到大約5毫托的范圍內(nèi)，該 范圍包括其中的任何子范圍。等離子體42通過使氬或其他濺射氣體流入腔24內(nèi)并且通過用跨接接地陽極57 和負(fù)偏置的陰極電連接到靶12的DC電源56選擇性地建立DC電壓而將該濺射氣體激發(fā)為 等離子體42而引發(fā)，所述陰極包括靶12。盡管引發(fā)需要較高的DC電壓，大約-400到-700Vdc 的靶DC電壓在限制區(qū)域內(nèi)維持等離子體42的存在。甚至在來自DC電源56的DC電壓終 止后，帶電粒子余留在腔24中并且有助于衰減的DC電壓持續(xù)幾十微秒，從而導(dǎo)致在來自DC 電源56的DC電壓終止后的余輝效應(yīng)(afterglow effect)?？刂破?8也操作式地耦合于 DC電源56以控制如本文描述的DC電源56的輸出。一旦等離子體42被引發(fā)，氬的供應(yīng)也 可從當(dāng)?shù)入x子體42引發(fā)時(shí)存在的流率降低，或可選地在控制器58的管理下完全停止。DC 電源56的激活和終止可變RF電源62或其他適合的交流電源電連接到底座28以施加高頻信號(hào)到底座 28并且在濺射操作期間產(chǎn)生與支撐在底座28上的半導(dǎo)體襯底18相鄰的DC自偏置場。DC 自偏置場對(duì)在垂直于晶圓24的方向上加速從靶12射出的導(dǎo)電材料的離子是有效的，從而 促進(jìn)導(dǎo)電材料濺射到具有高的長寬比、例如至少10 1的長寬比(并且根據(jù)備選的實(shí)施 例，至少20 1)的槽16的側(cè)壁14上，。DC自偏置的自偏置電壓可以通過變化由可變RF 電源62產(chǎn)生并且輸送到底座28的高頻信號(hào)的功率而選擇性地控制。對(duì)于本文論述的說明性的實(shí)施例，高頻信號(hào)的功率可以調(diào)節(jié)到在從大約300瓦到大約3000瓦范圍內(nèi)的任何值， 該范圍包括在其中的任何子范圍。與DC電源56和流量控制器5852類似，可變RF電源62可以由控制器58控制以 滿足正實(shí)施的期望的濺射工藝的需要。對(duì)于在圖1中示出的實(shí)施例，控制器58包括用于調(diào) 節(jié)來自可變RF電源62的高頻信號(hào)的頻率到從大約1MHz到大約70MHz的范圍(其包括在 其中的任何子范圍)內(nèi)(對(duì)于其他備選實(shí)施例是從大約1MHz到大約50MHz，其包括其中的 任何子范圍)的任何頻率的頻率調(diào)諧器64。根據(jù)又其他的說明性實(shí)施例，靶頻率可以調(diào)節(jié) 到大約13. 56MHz，并且對(duì)于靶頻率中任何頻率，頻率調(diào)諧器64可以在特定濺射應(yīng)用的適合 容限內(nèi)調(diào)節(jié)高頻信號(hào)的頻率。例如，頻率調(diào)諧器64可以將高頻信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)到靶頻率的 士5%內(nèi)，或靶頻率的任何其他適合的容限內(nèi)。然而，為了簡潔和清晰，濺射工藝將在下文使 用在大約13. 56MHz的靶頻率的士5%內(nèi)的高頻信號(hào)描述。除頻率外，控制器58還可以控制施加到底座28的高頻信號(hào)的脈沖的持續(xù)時(shí)間或 占空比。例如，控制器58可以調(diào)節(jié)高頻信號(hào)的占空比到大于但是可選地不顯著大于來自DC 電源56的DC電壓的脈沖的占空比的值。根據(jù)其他實(shí)施例，控制器58可以可選地維持對(duì)底 座28的高頻信號(hào)的供應(yīng)至少與正供應(yīng)到靶12的DC電壓的脈沖一樣長，并且可選地如下文 進(jìn)一步詳細(xì)描述的僅在由DC電源56的跨接靶12和陽極57的DC電壓終止之后停止或至 少減小施加到底座28的高頻信號(hào)的功率。根據(jù)又其他的實(shí)施例，控制器58可以在來自DC 電源56的DC電壓的脈沖的引發(fā)之前引發(fā)高頻信號(hào)傳輸?shù)降鬃?8，維持高頻信號(hào)到底座28 的傳輸長達(dá)來自DC電源56的DC電壓的脈沖的持續(xù)時(shí)間和可選地超過來自DC電源56的 DC電壓的脈沖的終止，并且在來自DC電源56的DC電壓的脈沖終止之后停止到底座28的 高頻信號(hào)的傳輸。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)66操作式地連接到并且可選地集成到控制器58內(nèi)。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) 66調(diào)節(jié)可變RF電源62的輸出阻抗以近似匹配可變RF電源62向其供應(yīng)高頻信號(hào)的負(fù)載的 輸入阻抗。以這樣的方式匹配阻抗使功率傳遞最大化并且使從負(fù)載的反射功率最小化。阻 抗匹配網(wǎng)絡(luò)66可以可選地是可變的或固定的，并且可操作以與最大DC電流由DC電源56 在DC脈沖期間輸出時(shí)近似同時(shí)地建立DC自偏置場的最大電壓(如下文詳細(xì)描述)。磁增強(qiáng)濺射導(dǎo)電材料到在由底座28支撐的半導(dǎo)體襯底18中形成的槽16的內(nèi)表 面(例如側(cè)壁14)上的方法的說明性實(shí)施例可以參照在圖2中示出的脈沖循環(huán)的時(shí)序圖 理解。如上文論述的，建立與靶12的暴露表面40相鄰的磁場38，靶12也是至少部分由將 濺射到槽16的內(nèi)表面上的導(dǎo)電材料形成。磁場38可以是由永磁體37建立的永久磁場38， 或選擇性地用電磁體建立，并且起將濺射期間存在的等離子體42限制在限制區(qū)域內(nèi)的作 用。氬氣或任何其他適合的濺射氣體通過由控制器58操作的流量控制器5852引入腔24 以建立正執(zhí)行的特定濺射應(yīng)用的期望壓強(qiáng)。在區(qū)域A中，DC電壓最初沒有由電源56跨接陽極57和靶12建立，并且高頻信號(hào) 最初不輸送到底座28。在沒有跨接陽極57和靶12的DC電源并且沒有高頻信號(hào)輸送到底 座28的情況下，有極少(如果有的話)的在腔24內(nèi)激發(fā)的等離子體42，并且任何這樣的等 離子體42是具有相對(duì)高的阻抗的低密度等離子體42。在跨接陽極57和靶12來自DC電源 56的DC電壓的脈沖建立之前，高頻信號(hào)從可變RF電源62到支撐半導(dǎo)體襯底18的底座28 的輸送在時(shí)間、引發(fā)。在圖2中的波形HF描繪來自可變RF電源62的高頻信號(hào)的功率。高頻信號(hào)到襯底的輸送產(chǎn)生自偏置場，其具有與所述半導(dǎo)體襯底18相鄰的自偏置電壓。對(duì) 于本方法的說明性實(shí)施例的說明，當(dāng)高頻信號(hào)輸送到底座28時(shí)它具有大約13. 56MHz的頻率。在、后，在、(沿在圖2中的橫坐標(biāo)示為0秒)跨接陽極57和靶12施加來自電 源56的DC電壓的脈沖以在腔24內(nèi)激發(fā)等離子體42。由DC電源56供應(yīng)的DC電壓在圖2 中描繪為波形VDCO在圖2中時(shí)間、標(biāo)記脈沖循環(huán)的周期A的結(jié)束，并且是周期B的開始。通過在時(shí)間、建立的來自DC電源56的DC電壓的脈沖，由DC電源56供應(yīng)的DC 電流從此刻隨著時(shí)間逐漸增加(這至少部分由于增加的等離子體42密度引起，因此使等離 子體42的阻抗下降)直到在時(shí)間t2 (其標(biāo)記周期B的結(jié)束)它達(dá)到它的最大值。DC電流 的最大值可以可選地達(dá)到DC電源56的電流產(chǎn)生能力，在這時(shí)DC電流穩(wěn)定下來(如在周期 C中示出的)，并且不繼續(xù)從在時(shí)間、它的初始值增力口。增加的DC電流由在圖2中的波形 IDC描繪，并且總負(fù)載(DC電壓脈沖由DC電源跨接其來施加)的可變等離子體42阻抗部分 由波形\描繪?？傌?fù)載的可變等離子體42阻抗部分還由可變RF電源62看到并且由可變 RF電源62向其供應(yīng)高頻信號(hào)。DC電流一般與由DC電源56看到的減小的總負(fù)載阻抗成反比例增加，其作為腔24 內(nèi)的等離子體42密度的函數(shù)變化。可能影響由DC電源56、可變RF電源62或二者看到的 阻抗的其他因素包括但不是必須限于DC電源56和可變RF電源62的輸出阻抗、用于電連 接DC電源56和可變RF電源62到它們各自的負(fù)載的電連接器的阻抗、靶12和腔24尺寸、 靶12的材料和在腔24中的壓強(qiáng)。在圖2的脈沖循環(huán)的整個(gè)周期C期間供應(yīng)來自DC電源56的DC電壓脈沖和來自 可變RF電源62的高頻信號(hào)二者，直到在時(shí)間t3，來自DC電源56的DC電壓停止跨接陽極 57和靶12施加。同樣，從時(shí)間t2到時(shí)間t3，DC電流和等離子體42阻抗保持大體上不變且 分別在它們的最大和最小值。在時(shí)間、和時(shí)間t3之間施加的DC電壓的脈沖可以具有對(duì)于正執(zhí)行的特定濺射的 任何適合的持續(xù)時(shí)間。盡管在圖2中示為具有大約130微秒的持續(xù)時(shí)間，其他實(shí)施例可以 包括持續(xù)小于100微秒的DC電壓的脈沖。其他實(shí)施例可選地包括DC電壓脈沖持續(xù)時(shí)間， 其比對(duì)于DC電流達(dá)到它的最大值要求的在圖2中的時(shí)間、和時(shí)間t2之間的時(shí)間段要短， 在該情況下DC電流和等離子體42阻抗在DC電壓脈沖期間沒有穩(wěn)定下來。此外，DC電壓 脈沖可以在陽極57和靶12之間重復(fù)施加，且具有在從大約0.5%到大約10%的范圍內(nèi)的 占空比，該范圍包括在其中的任何和所有子范圍。在時(shí)間t3，來自DC電源的DC電壓脈沖停止，因此DC電流從它的最大值逐漸減小 并且接近時(shí)間、時(shí)跨接陽極57和靶12的DC電壓脈沖施加之前存在的DC電流。然而，在 時(shí)間t3，當(dāng)DC電壓停止時(shí)，高頻信號(hào)仍然從可變RF電源62輸送到底座28。由于高頻信號(hào) 到底座28的傳輸在DC電壓脈沖施加之前開始，在DC電壓脈沖施加期間繼續(xù)，并且在DC電 壓脈沖停止后結(jié)束，就是說高頻信號(hào)大致上同時(shí)輸送到底座28長達(dá)跨接陽極57和靶12施 加的DC電壓脈沖的整個(gè)持續(xù)時(shí)間。也就是說，高頻信號(hào)的輸送完全重疊了跨接陽極57和 靶12的DC電壓脈沖的施力卩，在DC電壓脈沖的施加已經(jīng)停止后繼續(xù)輸送到底座28，從而控 制器58具有高頻信號(hào)的與DC電壓脈沖的施加同步的輸送。多個(gè)DC電壓脈沖用在從大約0. 5%到大約10%的范圍(其包括在其中的任何和所有子范圍)內(nèi)的占空比重復(fù)施加在陽極57和靶12之間。對(duì)于這樣的實(shí)施例，每個(gè)DC電 壓脈沖可以完全被輸送到底座28的高頻信號(hào)脈沖所重疊。從而，高頻信號(hào)將采用具有在從 大約2%到大約12%的范圍內(nèi)的占空比的脈沖重復(fù)輸送到底座28上，該脈沖足夠在DC電 壓脈沖的施加之前開始高頻信號(hào)到底座28的輸送并且在DC電壓脈沖移除后停止高頻信號(hào) 的輸送。例如，如果多個(gè)DC電壓脈沖用5%的占空比施加，那么高頻信號(hào)可以用大約7%的 占空比施加。當(dāng)DC電壓脈沖跨接陽極57和靶12施加時(shí)的時(shí)間段可以可選地與高頻信號(hào) 正輸送到底座28期間的時(shí)間段中央同步(即每個(gè)時(shí)段的中點(diǎn)近似同時(shí)發(fā)生)。從而，高頻 信號(hào)的初始輸送和DC電壓脈沖的隨后施加之間過去的時(shí)間量大約與DC電壓脈沖的移除和 高頻信號(hào)到底座28的輸送的隨后終止之間過去的時(shí)間量發(fā)生的相同。如之前提到的，余輝效應(yīng)允許DC電流逐漸減小到它的下一個(gè)DC脈沖的起始值。 在來自DC電源56的DC電壓終止后，帶電粒子余留在腔24中并且有助于在其中的衰減DC 電壓持續(xù)幾十微秒而不依賴于之前由DC電源56供應(yīng)的DC電壓。在時(shí)間t4，DC電流和等 離子體42阻抗大致上回到它們的初始的無偏值并且大體上保持不變直到在適合的時(shí)間段 (其取決于為特定的濺射應(yīng)用選擇的占空比)后隨后施加DC電壓脈沖。向?yàn)R射裝置10提供的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)66貫穿多個(gè)脈沖循環(huán)中的每個(gè)匹配由可變 RF電源62供應(yīng)的或“看到”的負(fù)載的可變阻抗。在電壓脈沖施加在陽極57和陰極之間期 間，匹配負(fù)載的可變阻抗(其與升高和降低的等離子體42阻抗成比例地變化)使最大自偏 置電壓與最大DC電流近似同時(shí)發(fā)生。并且為了最小化不同脈沖循環(huán)的等離子體42阻抗中 的變化的影響，控制器58的頻率調(diào)諧器64可以根據(jù)需要改變高頻信號(hào)的頻率以使可變RF 電源62能夠?qū)γ總€(gè)脈沖循環(huán)將高頻信號(hào)供應(yīng)到大致上類似的負(fù)載阻抗。圖3示出在包括持續(xù)大約60微秒的脈沖的脈沖循環(huán)期間不同DC脈沖功率水平的 DC電流的說明性示例。圖4示出在由相同的功率水平的可變RF電源62在半導(dǎo)體襯底18 產(chǎn)生的自偏置場的自偏置電壓的相應(yīng)反應(yīng)的說明性示例。如在圖3中可以看到的，對(duì)于每 個(gè)單獨(dú)的功率水平跡線的最大DC電流在該特定的脈沖循環(huán)的DC電壓施加后大約60微秒 (即沿著橫坐標(biāo)6.0E-05)出現(xiàn)。類似地，圖4顯示對(duì)于每個(gè)功率水平跡線的最大自偏置電 壓也在本脈沖循環(huán)期間跨接陽極57和靶12的DC電壓脈沖施加后大約60微秒(在其合理 靠近之內(nèi))出現(xiàn)。從而，對(duì)于各個(gè)功率水平的每個(gè)脈沖循環(huán)，最大DC電流和最大自偏置電 壓大致上同時(shí)出現(xiàn)。由于DC電壓脈沖施加在陽極57和靶12之間，從靶12射出的導(dǎo)電材料的原子沉 積到在半導(dǎo)體襯底18中形成的槽16的大致上垂直的側(cè)壁14上，可選地除半導(dǎo)體襯底18 的其他表面之外的地方。作為另一個(gè)可選步驟，為了形成穿硅通孔，例如，半導(dǎo)體襯底18的 底平面34的至少一部分可以通過例如研磨、拋光或其他適合的工藝去除。去除半導(dǎo)體襯底 18的底平面的部分將濺射沉積到垂直側(cè)壁14上的導(dǎo)電材料暴露于半導(dǎo)體襯底18的被修改 的底平面34。在這時(shí)，暴露的導(dǎo)電材料可以電連接到在或靠近半導(dǎo)體襯底18的頂平面32和底 平面34 二者印刷的電路元件，并且半導(dǎo)體襯底18可選地與另一個(gè)類似的半導(dǎo)體襯底18垂 直組裝(即配合平面)。例如，至少部分暴露在半導(dǎo)體襯底18的底平面34的導(dǎo)電材料可以 與向第二半導(dǎo)體襯底18提供的電接觸對(duì)準(zhǔn)并且與其連接以形成堆疊設(shè)置。實(shí)驗(yàn)示例
根據(jù)HIPIMS沉積方法和系統(tǒng)(根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例)的沉積工藝使用RF高頻信號(hào) 和低阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)66進(jìn)行以沉積鉭(Ta)到在硅(Si)半導(dǎo)體襯底中形成的槽的暴露表面 上。通過本領(lǐng)域內(nèi)已知的硅深刻蝕工藝(“DSE”)在Si半導(dǎo)體襯底中蝕刻深槽以提供大致 上垂直的側(cè)壁和大約10 1的長寬比。HIPIMS沉積的結(jié)果在圖5-7中示出，其顯示大于 25%的槽的底部覆蓋率。如在圖6中示出的沉積到槽的頂部上的層具有約1060nm的厚度， 并且如在圖7中示出的沉積到槽的底部上的層具有約263nm的厚度。與常規(guī)沉積技術(shù)(其 在類似的工藝條件下產(chǎn)生大約15%或更低的底部覆蓋率)相比，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方 法和系統(tǒng)提供可取的改進(jìn)。HIPIMS方法和裝置的實(shí)驗(yàn)示例的沉積速率是大約1. 5nm/s。此外，根據(jù)本方法由具有低的占空比的脈沖高頻信號(hào)引起的預(yù)電離有助于用相對(duì) 于在短的占空比的長空閑時(shí)間期間沒有具有低的占空比的脈沖高頻信號(hào)情況下維持合適 的等離子體需要的能量減少的施加的能量維持穩(wěn)定等離子體。通過此，襯底的回濺射(導(dǎo) 致沉積速率降低)以及襯底的帶電和加熱最小化。在3D封裝中使用本HIPIMS方法和裝置 (本文中也稱為堆疊)具有和常規(guī)PVD相比提供非常致密的層的優(yōu)勢。例如，在圖8A中具有大約8，040倍的放大率的SEM照片示出根據(jù)常規(guī)氣相沉積工 藝與在半導(dǎo)體襯底中形成的槽的頂部相鄰的沉積的Ta層的橫截面。注意十分明顯的垂直 取向的柱狀晶延伸通過Ta層。根據(jù)常規(guī)氣相沉積工藝施加RF高頻信號(hào)到襯底而產(chǎn)生大約 2. 5nm/s的沉積速率來沉積該Ta層。相比之下，圖8B示出具有大約8，070倍的放大率的SEM照片，其顯示根據(jù)HIPIMS 方法和裝置(根據(jù)本發(fā)明的方面)與在半導(dǎo)體襯底中形成的類似槽的頂部相鄰的沉積的 Ta層的橫截面，該方法和裝置產(chǎn)生大約1. 3nm/s的沉積速率。注意延伸通過Ta層的垂直取 向的柱狀晶具有較高的密度并且不明顯得多。從而，由本HIPIMS方法和裝置產(chǎn)生的孔比由 常規(guī)氣相沉積方法和裝置產(chǎn)生的孔少。具有最少的孔的由例如Ti或Ta形成的阻擋層的高 密度在制造期間最小化例如Cu進(jìn)入下面器件中的擴(kuò)散。由于由本HIPIMS方法和裝置產(chǎn)生 的這樣的阻擋層的高密度，期望將Cu進(jìn)入下面器件中的擴(kuò)散最小化到可取的低水平所需 要的這樣的阻擋層的厚度可以小于類似地最小化Cu擴(kuò)散所需要的由常規(guī)氣相沉積技術(shù)產(chǎn) 生的阻擋層的厚度。圖8C和8D提供本方法和裝置的沉積結(jié)果相對(duì)于在類似的沉積氣氛條件下常規(guī)氣 相沉積結(jié)果的類似的比較。圖8C是具有大約20，080倍的放大率的SEM照片，其示出根據(jù) 常規(guī)氣相沉積工藝與在半導(dǎo)體襯底中形成的槽的底部相鄰沉積的Ta層的橫截面。常規(guī)氣 相沉積的沉積速率是大約2. 5nm/s。相比之下，圖8D是具有大約20，080倍的放大率的SEM照片，其示出在類似的條件 下根據(jù)HIPIMS方法和裝置(根據(jù)本發(fā)明的方面)在半導(dǎo)體襯底中形成的與在圖8C中示出 的類似的槽的底部相鄰沉積的Ta層的橫截面。如可以看到的，延伸通過用本方法和裝置沉 積的Ta層的垂直取向的柱狀晶比在常規(guī)沉積的Ta層中的那些柱狀晶具有更高的密度并且 不明顯得多。而且，由本HIPIMS方法和裝置產(chǎn)生的孔比由常規(guī)氣相沉積方法和裝置產(chǎn)生的 孔少，允許例如更薄的阻擋層沉積以適當(dāng)?shù)刈钚』鏑u進(jìn)入下面器件中的擴(kuò)散。在圖8D 中示出的Ta層的沉積速率大約是1. 3nm/s。說明性實(shí)施例已經(jīng)在上文中描述。上文的裝置和方法可包含變化和修改而不偏離 本發(fā)明的一般范圍對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員是明顯的。意在包括在本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這樣
12的修改和改動(dòng)。此外，就術(shù)語“包含”在詳細(xì)說明或權(quán)利要求中使用來說，這樣的術(shù)語采用 與術(shù)語“包括”的當(dāng)“包括”作為權(quán)利要求中的過渡詞采用時(shí)所解釋的方式(類似的方式意 為包括在內(nèi)的。
權(quán)利要求
一種磁增強(qiáng)濺射導(dǎo)電材料到槽的內(nèi)表面上的方法，所述槽在由底座支撐的半導(dǎo)體襯底中形成并且包括大致上垂直的側(cè)壁和至少10∶1的長寬比，所述方法包括提供與至少部分由將濺射到所述槽的內(nèi)表面上的導(dǎo)電材料形成的靶的表面相鄰的磁場；在陽極和陰極之間采用多個(gè)脈沖施加DC電壓，其中所述陰極包括所述靶；高頻信號(hào)施加到支撐所述半導(dǎo)體襯底的所述底座以產(chǎn)生與所述半導(dǎo)體襯底相鄰的自偏置場，所述高頻信號(hào)采用從大約1MHz到大約70MHz范圍內(nèi)的頻率施加到所述底座并且具有延續(xù)超過所述陽極和所述陰極之間的脈沖的終止的持續(xù)時(shí)間；以及在所述陽極和所述陰極之間施加的所述DC電壓的每個(gè)脈沖期間，沉積來自所述靶的導(dǎo)電材料到在所述半導(dǎo)體襯底中形成的所述槽的所述大致上垂直的側(cè)壁上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括匹配被供應(yīng)所述高頻信號(hào)的負(fù)載的阻抗以使最大 自偏置電壓與最大DC電流在所述陽極和所述陰極之間施加的所述電壓脈沖期間近似同時(shí) 出現(xiàn)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述高頻信號(hào)具有從大約300瓦到大約3，000 瓦范圍內(nèi)的功率。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其中施加所述高頻信號(hào)的步驟包括在所述陽極和所述陰極之間施加所述DC電壓的每個(gè)脈沖之前引發(fā)所述高頻信號(hào)； 在所述DC電壓在所述陽極和所述陰極之間施加時(shí)維持所述高頻信號(hào)并且在所述陽極 和陰極之間的所述DC電壓脈沖終止后維持長達(dá)一段時(shí)間；以及僅在所述陽極和所述陰極之間的所述DC電壓脈沖終止后的一段時(shí)間期滿后終止所述 高頻信號(hào)。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述DC電壓以從大約0.5 %到大約10 % 范圍內(nèi)的占空比重復(fù)施加并且具有所述范圍內(nèi)的占空比。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述高頻信號(hào)具有大約13.56MHz的頻率。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，所述高頻信號(hào)具有從大約IMHz到大約50MHz 范圍內(nèi)的頻率。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，還包括調(diào)諧所述高頻信號(hào)的所述頻率以最小 化由負(fù)載反射回到所述高頻信號(hào)的源的功率。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述頻率調(diào)諧到在13.56MHz的百分之五(5% )內(nèi)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其中調(diào)諧所述頻率在所述高頻信號(hào)施加到所述底座 后開始。
11.一種制造共同地支撐集成電路的多個(gè)所述半導(dǎo)體襯底18的堆疊設(shè)置的方法，所述 方法包括在第一半導(dǎo)體襯底中形成槽，所述槽包括在所述第一半導(dǎo)體襯底的頂部的開口和大致 上垂直的側(cè)壁，所述槽包括至少10 1的長寬比； 用底座支撐包括所述槽的所述第一半導(dǎo)體襯底； 濺射導(dǎo)電材料到所述槽的內(nèi)側(cè)壁上，其根據(jù)以下方法，所述方法包括 提供與至少部分由將被濺射到所述槽的內(nèi)表面上的所述導(dǎo)電材料形成的靶的表面相鄰的磁場；在陽極和陰極之間采用多個(gè)脈沖施加DC電壓，其中所述陰極包括所述靶； 高頻信號(hào)施加到支撐所述第一半導(dǎo)體襯底的所述底座以產(chǎn)生與所述第一半導(dǎo)體襯底 相鄰的自偏置場，所述高頻信號(hào)采用在從大約IMHz到大約70MHz范圍內(nèi)的頻率施加到所述 底座，并且具有延續(xù)超過所述陽極和所述陰極之間的所述DC電壓脈沖終止的持續(xù)時(shí)間；以 及在所述陽極和所述陰極之間施加的所述電壓的每個(gè)脈沖期間，沉積來自所述靶的導(dǎo)電 材料到在所述半導(dǎo)體襯底中形成的所述槽的所述大致上垂直的側(cè)壁上；以及濺射沉積所述導(dǎo)電材料到所述槽的內(nèi)側(cè)壁上后，移除與所述半導(dǎo)體襯底的底平面相鄰 的半導(dǎo)體材料的一部分以在所述半導(dǎo)體襯底的底平面處至少部分暴露所述側(cè)壁上的導(dǎo)電 材料。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括將至少部分暴露在所述至少一個(gè)半導(dǎo)體襯底的底平面的導(dǎo)電材料與向第二半導(dǎo)體襯 底提供的電接觸對(duì)準(zhǔn)；以及電連接所述電接觸和所述至少部分暴露在所述第一半導(dǎo)體襯底的底平面的導(dǎo)電材料 以形成所述堆疊設(shè)置。
13.一種用于磁增強(qiáng)濺射導(dǎo)電材料到在半導(dǎo)體襯底中形成的槽的內(nèi)表面上的濺射裝 置，所述槽包括大致上垂直的側(cè)壁和至少10 1的長寬比，所述系統(tǒng)包括限定大致上封閉的腔的外殼；暴露于所述腔以用于在濺射期間支撐所述半導(dǎo)體襯底在所述腔內(nèi)的適合位置的底座；用于提供與至少部分由將濺射到所述槽的內(nèi)表面上的所述導(dǎo)電材料形成的靶的表面 相鄰的磁場的磁體組件；用于在陽極和陰極之間采用多個(gè)脈沖施加DC電壓的DC電源，其中所述陰極包括所述靶；電連接到所述底座用于施加高頻信號(hào)到用于支撐所述半導(dǎo)體襯底的所述底座以產(chǎn)生 與所述半導(dǎo)體襯底相鄰的自偏置場的可變電源；以及控制器，其用于控制所述可變電源以產(chǎn)生在從大約IMHz到大約70MHz范圍內(nèi)的頻率的 所述高頻信號(hào)并且施加所述高頻信號(hào)到所述底座長達(dá)一段延續(xù)超過所述陽極和所述陰極 之間的所述DC電壓脈沖終止的持續(xù)時(shí)間。
14.如權(quán)利要求13所述的濺射裝置，還包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，其用于匹配被供應(yīng)由所述 可變電源產(chǎn)生的所述高頻信號(hào)的負(fù)載的阻抗以與由DC電源在所述陽極和所述陰極之間施 加的所述電壓脈沖期間輸送的最大DC電流近似同時(shí)地建立最大自偏置電壓。
15.如權(quán)利要求13或14所述的濺射裝置，其中所述高頻信號(hào)具有大約300瓦到大約 3,000瓦范圍內(nèi)的功率。
16.如權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)所述的濺射裝置，其中所述控制器控制所述DC電壓的 操作以采用落入大約0.5%到大約10%的范圍內(nèi)的占空比重復(fù)施加所述DC電壓。
17.如權(quán)利要求13-16中任一項(xiàng)所述的濺射裝置，其中所述控制器還調(diào)諧所述高頻信 號(hào)的所述頻率以最小化由負(fù)載反射回到所述可變電源的功率。
18.如權(quán)利要求17所述的濺射裝置，其中所述頻率調(diào)諧到在13.56MHz的百分之五 (5% )內(nèi)。
19.如權(quán)利要求18或17所述的濺射裝置，其中所述控制器在所述高頻信號(hào)施加到所述 底座之后并且響應(yīng)于被供應(yīng)所述高頻信號(hào)的負(fù)載來調(diào)諧所述頻率。
全文摘要
磁增強(qiáng)濺射導(dǎo)電材料到在本文中描述的槽的內(nèi)表面上的方法包括提供與至少部分由導(dǎo)電材料形成的靶相鄰的磁場，以及在陽極和靶之間作為多個(gè)脈沖施加DC電壓。高頻信號(hào)施加到支撐半導(dǎo)體襯底的底座以產(chǎn)生與半導(dǎo)體襯底相鄰的自偏置場。在與施加電壓脈沖期間的時(shí)段重疊的時(shí)間段期間，高頻信號(hào)采用脈沖施加到底座。高頻信號(hào)施加的時(shí)間段包括延續(xù)超過在陽極和靶之間施加DC電壓脈沖終止的持續(xù)時(shí)間。在每個(gè)DC電壓脈沖期間，導(dǎo)電材料濺射沉積到在半導(dǎo)體襯底中形成的槽的側(cè)壁上。
文檔編號(hào)H01L21/768GK101896636SQ200880113829
公開日2010年11月24日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者J·韋查爾特, S·卡德萊克 申請人:Oc歐瑞康巴爾斯公司