摘要：在特征尺寸减小的情况下，最具挑战性的问题之一就是如何在小通孔和互连线中实现保形的阶梯覆盖。在溅射系统中可以通过物理校准仪、离子化金属等离子体或自离子化等离子体来实现良好校准的原子束，不过这样方法的系统成本很高。我们仅通过调节铜溅镀靶中晶粒的尺寸就实现了优异的原子束校准。对于不同的晶粒尺寸，我们测量了淀积产出率和相应的阶梯覆盖。

　　金属和合金作为溅射靶材在微电子中有很多的应用，包括接触、通孔、互连线、防止铜扩散的阻挡层和铜电镀前的铜种子层［1］。其中最具挑战性的问题之一就是如何在小通孔和互连线中实现保形的阶梯覆盖。
　　目前已经发展了多种方法来获得校准的原子束，包括在靶和衬底之间放置一个物理校准仪以屏蔽掉偏离垂线的原子束［2,3］，增加靶和衬底的间距使得只淀积接近垂线的原子束，以及使用增强离子化的电感耦和等离子体或离子化金属等离子体（IMP）把离子化原子直接引导到一个电压偏置的衬底上［4-6］。最近，自离子化等离子体（SIP）已经和增大靶衬底间距联合在一起用于增强校准［7,8］。不过，所有这些方法都需要大量成本高昂的系统修改。这样复杂的系统在工艺中也需要更多控制参数，并且系统维护更频繁。因此，人们一直在寻找简单和低成本的方法来提供需要的保形覆盖。
　　良好的阶梯覆盖是和良好校准的溅射束有关，不好的校准会导致较差的阶梯覆盖。在本文的工作中，所需的原子束校准是通过调节合金微结构来实现的，尤其是靶的晶粒尺寸。物理原理是基于这样的事实：从凹进的晶粒边界溅射出来的原子比从平坦晶粒表面溅射出来的更加聚焦，类似于在手电筒中，尽管有多次光反射，但是从凹面杯中发出的是聚焦的光束。
　　校准原子束的比例可以通过引入更多晶粒边界凹槽或改进晶粒尺寸来提高。一种检查校准度的方法是测量淀积产出率，也就是晶片上单位能量（kW-h）的淀积质量。偏离垂线的原子束比例越高，淀积在晶片上的材料就越少。另一个方法当然是检查阶梯覆盖。本文的工作给出了采用这两种方法的实验数据，并证明了晶粒尺寸对原子束校准的影响。
　　我们还进行了原子力显微镜（AFM）的检查，结果表明原子束的校准主要是由于靶老化后形成的具有聚焦能力的晶粒边界凹槽所导致的。最佳的的聚焦能力是由能够产生最高的边界良好凹槽线密度的晶粒尺寸来决定。我们给出了制造这种靶的不同方法。

　　实验
　　我们制备了不同晶粒尺寸的溅射靶来研究晶粒尺寸对淀积产出率和阶梯覆盖的影响。靶材是Honeywell 6N级铜和三种铜合金，每种合金分别含有0.5个原子百分比的铝（at.％Al）、银和钛。晶粒尺寸通过ASTM E112标准测试方法中描述的直线截取技术来测量。在四种铜合金中，6N铜显示出最粗糙的晶粒（30-120微米），靶表面上大于100微米的晶粒占据了非常大的比例。大量的孪晶表征6N铜和Cu-0.5at.%Al合金的微结构。CuAl和CuAg的平均晶粒尺寸在30到40微米之间，CuTi的平均尺寸是60微米（图1）。
　　其他的铜靶包括6N级的APX和ECAE铜，晶粒尺寸分别是50和17微米。APX和ECAE是工艺名称。比较小的晶粒是采用Honeywell拥有专利权的等通道角挤推（ECAE）方法生产的。这两种失效靶用于评估晶粒尺寸对靶腐蚀的影响。

　　第三组靶包括两种不同的基底合金：3N5级钽和含5个原子百分比锆的5N5级钛，晶粒尺寸分别为50和10微米（图2）。表1总结了各种合金、它们的晶粒尺寸、工艺条件和检查的项目。
　　铜、钽和钛锆靶是在Applied Materials公司的Endura IMP设备（表面直径13.578英寸）中制备的。铜薄膜是在一个P5500 Endura IMP腔中在没有开启RF线圈或底座偏置电源的情况下淀积的。这样的特殊安排是为了获得溅射原子的真实分布情况，排除线圈和底座偏置电场的离子化效应。靶和衬底的间距是140毫米。在58sccm的氩流量下，工艺腔的压强在20毫托的范围内。基腔压强一般在10-6帕（大于10-8托）的范围内。所有的淀积都是在环境温度下在200毫米的晶片上进行。我们测量淀积前后晶片的重量以确定淀积薄膜的重量。淀积产出率由通过计算单位输入能量的膜重来得到。所有的比较性淀积都使用具有同样老化程度（15千瓦时）的靶，以使得靶腐蚀的影响相同。
　　对于APX和ECAE铜靶，腐蚀表面用AFM进行了检验以评估溅射中形成的腐蚀凹槽。
　　钽和钛锆靶中晶粒尺寸对阶梯覆盖的影响，通过先在55毫米靶衬底间距下在常规的Widebody Endura腔中用反应PVD淀积一层氮化物薄膜来检验。淀积是在环境温度下进行，4kW功率，4毫托腔压，不同流量计控制下55sccm的氩气流量和75sccm的氮气流量。另外，钽薄膜的淀积条件是：IMP腔靶衬底间距为140毫米，4kW直流功率，2.5kW射频和400W偏置功率以增强离子化和阶梯覆盖。氮化物薄膜在200℃通过20毫托的氩（28sccm）和氮气（28sccm）混合气的反应溅射来制备。阶梯覆盖的检验是通过扫描电镜（SEM）观察不同尺寸的通孔来进行。

　　结果
　　铜合金的淀积产出率通过测量晶片上的膜重量来确定，淀积功率以1kW的增量从2kW变到6kW。在功率由2kW到6kW的过程中，通过不断缩短淀积时间，从1800到600秒，使每片晶片都获得约为1.2 g重的铜薄膜。淀积相当厚的薄膜是为了保证淀积产出率的精度。图3总结了四种铜合金的淀积产出率。它们的淀积产出率开始随着功率的增加而增大，在4kW后趋向稳定。一个显著的发现是，具有更细晶粒的Cu-Ti、Cu-Ag和Cu-Al靶的产出率在整个功率范围内都比具有大晶粒尺寸的6N铜靶的要大4-8%。这清楚地显示了晶粒尺寸和淀积产出率间的关联。

　　通过AFM观察在靶使用过程中形成的晶粒边界凹槽，可以检查腐蚀铜靶的表面轮廓。我们从失效的APX和ECAE铜靶切片得到AFM显微图。晶粒尺寸为50微米的APX靶的腐蚀凹槽平均宽度约为7微米。这说明如果晶粒尺寸小于这个7微米的宽度，腐蚀凹槽将会重叠。在一个晶粒尺寸17微米的ECAE铜靶中，形成的是约10微米的弹坑而不是腐蚀凹槽。弹坑的直径约为晶粒尺寸的一半，这表明弹坑可能是在三个晶粒边界交界的地方形成的，这个地方原子堆叠最疏松，因而腐蚀程度被认为是最高。重要的推论是，如果晶粒尺寸小于10微米，形成边界良好的凹槽或弹坑将会很困难。

　　最后，在第三组中，对具有不同晶粒尺寸的两种合金—钽和Ti-5at.%Zr的性能进行了比较。因为溅射产出率会随着靶元素的原子质量而变化，所以只检验了两种合金的阶梯覆盖。钽和钛锆的氮化物薄膜都是在Widebody腔中55毫米靶衬底间距下淀积的。另外，在RF和偏置电源开启的情况下，在IMP腔中140毫米靶衬底间距下淀积了一层TaN薄膜，以了解偏置电场和离子化对淀积的影响。
　　图5比较了TaN和TiZrN薄膜的阶梯覆盖能力。比较侧壁覆盖与淀积薄膜总厚度的比可以看出，晶粒尺寸更小的TiZr靶有明显的更好的阶梯覆盖。在图6中，在Widebody腔中采用常规直流溅射淀积的TiZrN膜的阶梯覆盖与在IMP腔中采用离子化金属等离子体淀积的TaN膜的阶梯覆盖进行了比较。很明显，晶粒尺寸更小的TiZr靶相比IMP钽有着更好的阶梯覆盖，这表明即使没有离子化金属等离子体和偏置电场的帮助，仅通过控制晶粒尺寸就可以实现更好的阶梯覆盖。

　　讨论
　　到这里，我们已经给出了几个例子来证明晶粒尺寸对淀积产出率和阶梯覆盖的影响。一个普遍观点是这里存在一个最佳的晶粒尺寸，能够产生最高的淀积产出率和最好的阶梯覆盖。AFM的研究显示淀积产出率的提高主要是由于晶粒边界凹槽的聚焦能力。既然从凹陷的晶粒边界溅射出来原子更加聚焦，那么凹槽的深度和宽度会被认为是决定聚焦能力的重要参数。AFM结果显示在老化铜靶中的凹槽宽度在7微米的范围内（图4）。因而，在晶粒尺寸小于这个宽度的合金中可能不会形成边界良好的凹槽。
　　根据基于ZBL阻塞模型的SRIM蒙特卡罗模拟9,500eV Ar+的溅射产出率，即一个轰击氩离子溅射出的原子数，对于铜是2.5，铝是0.75，钛是0.65，银是2.4。因此，合金铜靶的淀积产出率的提升不可能是次要合金元素所导致的。如果是这样，那么溅射产出率可能会减小。
　　第二个重要的因素是凹槽线密度，这个因素反过来由晶粒尺寸来决定。晶粒尺寸越大，凹槽线密度越低因而有效聚焦能力越低。另一方面，晶粒尺寸过小的靶中不会形成良好边界的凹槽，因为那时腐蚀凹槽开始重叠。因此，这里有一个最佳的晶粒尺寸，能够产生最高的淀积产出率。根据实验结果，最佳晶粒尺寸似乎在10-50微米的范围内。

　　一个值得注意的发现是：没有物理校准仪的帮助，也不安装昂贵的设备，例如IMP和SIP系统，仅通过优化晶粒尺寸就可以使得靶具有自校准的能力。事实上，在普通溅射腔中使用小晶粒尺寸的Ti-5at.%Zr靶，在没有离子化金属等离子体的帮助和偏置衬底的情况下，就实现了优良的阶梯覆盖（图6）。
　　自校准靶不仅改进了淀积产出率和阶梯覆盖，而且延长了靶和辅助设备的寿命，因为减少了到侧壁的材料损失，靶的使用更加有效。在一个能精细调节晶粒的靶中，原子束校准是通过微观的晶粒边界凹槽来帮助实现的，因此宏观的腐蚀凹槽对原子束校准的影响更小。这样，在直流磁控溅射系统中，为了校正沿旋转磁体轨迹形成的腐蚀凹槽对聚焦的影响而做的靶衬底间距调节，可以只需要更少的次数。此外，精细调节晶粒的靶允许使用现有系统，避免了向IMP或SIP系统的昂贵升级，为设备所有者节省了极大的开支。传统PVD系统的另一个优点是工艺参数简单，不需要像IMP工艺那样要对线圈和衬底偏置电源进行额外的控制。
　　最后，我们给出制造精细晶粒靶的可能的方法。晶粒尺寸的控制传统上是通过选择合适的热机械处理（TMT）来完成的，也就是冷轧和/或热轧后热激发再结晶，最近是通过使用ECAE方法中的剪切形变时发生的动态再结晶来完成的。其他方法包括溶质导致的晶粒细化并结合适当的TMT，与同在TiZr合金中的那样，或者在冷硬模子上进行弧喷溅或连续喷溅急冷。后一种方法可以被用于制备有精细柱状晶粒和大量晶粒边界的靶。通过高功率PVD或高通量电化学电镀的快速淀积可以实现，例如，铜靶所需要的晶粒尺寸和取向。

　　结论
　　当关键尺寸不断减小时，微电子的应用对于校准原子束的需求也在不断增加。为了满足这个要求，已经开发了带有物理校准仪、离子化IMP和自离子化设备的溅射系统。在本文的工作中，我们展示了聚焦的原子束可以仅通过调节溅射靶的晶粒尺寸来实现。这个新的方法基于的事实是：从凹陷晶粒边界溅射出来的原子更加聚焦并直接撞击到衬底上。不同晶粒尺寸的靶的聚焦能力是通过测量淀积产出率和检查不同通孔的阶梯覆盖情况来评估的。AFM的检查显示铜靶的晶粒边界凹槽平均宽度约为7微米，而且当晶粒尺寸小于凹槽宽度时，不会形成具有良好边界的凹槽。当晶粒尺寸过大时，凹槽线密度降低，因而聚焦能力降低。在考虑这些因素之后，最佳的晶粒尺寸在10-50微米的范围里面。不过，还是需要进一步的系统淀积研究和理论建模来确定最佳晶粒尺寸的准确标准。需要强调的是，所有的淀积产出率研究都必须使用老化程度相同的靶，因为靶腐蚀形成的凹槽中的再淀积使得淀积产出率对于腐蚀凹槽的深度非常敏感。
　　因为聚焦原子束中偏离垂线的束更少，淀积产出率和阶梯覆盖得到了改进，靶和护罩的寿命也得到延长。本文的工作证明，仅通过采用最佳晶粒尺寸的靶就可以实现比IMP更优异的阶梯覆盖性能。这避免了系统升级节省了大笔开支。最后，提出了制造晶粒尺寸受控的靶的不同方法，包括冷硬模子上进行弧喷溅或连续喷溅急冷。这确实是一个挑战，但将开辟制造靶的新道路。