随着工艺尺寸的减小，金属连线中的电流密度不断增大，响应时间不断缩短，传统铝布线已达到工艺极限。工艺尺寸小于130纳米后，铜工艺布线被用于生产逻辑电路。与铝工艺相比，铜工艺的特点主要是：刻蚀先于金属沉积，低k介电层材料的运用，纯金属铜布线。铜布线的过程包括阻挡层（barrier）与种子层（seed）的沉积和铜的电镀。目前，阻挡层/种子层的沉积主要是利用PVD（物理气相沉积）工艺。
　　目前已有美国、台湾、新加坡、中国等地的芯片制造商将90nm、65nm的铜工艺用于晶片生产或研发。在铜工艺中，阻挡层与种子层沉积的过程将遇到如何实现填充，减少线电阻和接触电阻，提高可靠性，减少成本等问题。
　　铜工艺阻挡层与种子层沉积设备含有三种工艺腔，如图1所示，预清腔（Pre-lean）可以用氩气溅射和反应溅射的方法清除前程的残余，阻挡层沉积腔用于沉积氮化钽和钽作为阻挡层，种子层沉积腔用于沉积铜种子层。

　　阻挡层沉积腔
　　阻挡层沉积腔运用DDEF（氮化钽沉积＋钽沉积＋刻蚀＋再覆盖）的工艺，在通孔（Via）和沟槽（Trench）表面覆盖上氮化钽和钽的组合层，用于阻挡铜向介电层的扩散。非晶态的氮化钽可以和含氟的介电层接触，且与介电层之间具有较好的粘附性。钽与铜具有较好的粘附性，以钽为基底沉积的铜具有有利于阻止EM（电迁移）的晶面取向，同时α相的钽具有较低的电阻率，有利于降低线电阻。（图2）

　　沉积均匀性
　　在双大马士革结构中，尽量少的通孔底部沉积可以降低接触电阻，均匀的通孔底部沉积也可以减小接触电阻值的分布，而沉积均匀性和刻蚀均匀性最终决定了通孔底部沉积性能。
　　为了满足工艺尺寸减少对均匀性提出的更高要求，阻挡层沉积腔在磁体设计上做了两个改善：使用LDR magnet（低沉积速率磁铁）可以将钽和氮化钽的沉积速率控制在5埃/秒到15埃/秒，更好的控制沉积均匀性;使用可控的电磁体作为腔壁磁体，在沉积和刻蚀时分别控制腔内磁场和电浆分布，同时得到较好的沉积均匀度和刻蚀均匀度。

　　通孔内沉积
　　好的通孔沉积需达到足够的侧壁沉积并尽量减少通孔底部接触电阻，而要通过普通的沉积方法来达到这样的效果是很困难的。过去单纯提高电浆离子化浓度的SIP（自电离电浆）沉积方法得到的是较多的底部沉积，而侧壁沉积却很少。改善这种沉积的方法就是利用反溅射（Re-sputter），反溅射可以实现通孔内薄膜沉积厚度的重新分布。通孔底部沉积的阻挡层材料被反溅射到通孔侧壁，这样就可以得到更薄的底部沉积和更厚的侧壁沉积了。
　　通孔内沉积首先是决定于靶材粒子的离子浓度，靶材上直流电能量和腔体内气压将影响离子浓度，通常，增加靶材上的直流能量可以得到较高的离子浓度。低沉积速率磁铁可以提高靶材粒子的电离率，增加阻挡层通孔内沉积。
　　得到较多的离子化靶材粒子后，晶片背面的高频交流电所产生的负偏压也将影响通孔内沉积，因为负偏压可以增加离子态粒子运动的方向性。在较高的偏压下，离子态粒子的能量将导致通孔底部的反溅射，降低通孔底部沉积厚度。反溅射比例是衡量反溅射效果的重要参数，更高的反溅射比例将意味着更多通孔底部的靶材被溅射的通孔侧壁。

　　大马士革结构沉积
　　在大马士革结构中，运用DDEF工艺（氮化钽沉积＋钽沉积＋刻蚀＋再覆盖）可以将两层铜线连接处的阻挡层材料溅射到侧壁，以降低两层铜线间的Rc接触电阻。阻挡层沉积腔的沉积速率和刻蚀速率对于沟槽和通孔具有选择性，设置合适的沉积和刻蚀窗口，可以在保护沟槽不被破坏的同时减少通孔底部沉积。
　　通过前面提到的靶材沉积和反溅射，在沉积过程完成后，结构的不同位置沉积了厚度不同的阻挡层材料，阻挡层在结构顶部和沟槽的沉积厚度将多于通孔底部，即沟槽的沉积速率大于通孔底部的沉积速率。
　　在刻蚀的过程中，靶材的刻蚀是通过氩离子轰击实现的。高频的交流能量在靠近晶片的地方产生氩气电浆，晶片背面的偏压吸引氩离子轰击已经沉积在结构中的阻挡层材料，阻挡层材料将被溅射到大马士革结构的侧壁或腔壁上。晶片背面偏压决定了离子轰击的能量，对刻蚀速度的影响最大。
　　在刻蚀的过程中，靶材上通有直流电，所以同时也存在靶材的继续沉积。但靶材上加的直流能量较小，被轰击下来的绝大部分是不带电荷的靶材粒子，这些靶材粒子在结构顶部和沟槽表面的沉积将多于通孔底部。而偏压产生的刻蚀作用对结构的各部分是相近的，这样在刻蚀过程中通孔底部由于离子沉积较少，就将产生更大的净刻蚀速率。通孔底部较小的沉积速率和较大的净刻蚀速率最终达到了降低通孔底部沉积且沟槽不被破坏的效果。
　　在沉积的过程中，直流能量可以调节离子浓度，晶片背面高频偏压可以调节离子轰击能量，实现了阻挡层在结构不同位置有不同的沉积速率。在刻蚀的过程中，直流能量和晶片背面高频偏压可以相互独立的控制沉积速率和刻蚀速率，实现在沟槽表面和通孔底部不同的净刻蚀速率。沉积时间、刻蚀时间、直流能量和晶片背面高频偏压都是可调的参数，在合适的窗口内，将可以在不同结构内得到很好的阻挡层沉积（图3）。

　　种子层沉积腔
　　沉积阻挡层之后，晶片在种子沉积腔中沉积一层较薄的铜种子层，使随后的铜电镀工艺得以实现。种子层沉积的通孔内沉积的厚度和对称性是实现间隙填充的关键因素。通过改善磁体设计，种子层沉积腔提高了通孔内沉积比例，降低了不对称性，增加了靶材使用率，节约了耗材成本。

　　SIP的改进
　　种子层沉积腔运用的是SIP的工艺。在PVD工艺中，靶材电压随靶材能量变化的规律被称为电浆特性。如图4所示，在铜溅射工艺中，电浆特性可以分成三个区域：在第一个区域中，出现了一些靶材粒子的电离，但它还不足以影响电浆，在不同气的状况下，电浆还不能维持;在第二个区域中，靶材的电离开始影响到电浆，铜粒子的流量较大，有一些铜离子回到靶材表面轰击出更多的铜粒子，即靶材的电离已足以维持自电离电浆，随着靶材所加能量的增加，电压减小;在第三个区域，铜粒子成为电浆中的主要成分，其铜粒子增加的效益趋于饱和。在不通气的情况下，电浆也可以维持，随着能量的增加，电压减小。自电离电浆工艺就工作在第三个区域中，有较高的铜离子浓度。铜离子浓度的增加，有利于通孔内沉积和沉积均匀性的增加。
　　靶材上的直流能量和靶材背面磁体面积的比例称为能量密度，能量密度越高，离子轰击靶材表面的速度越快，得到铜离子的比例就越高。在维持直流能量不变的情况下，要提高能量密度就需减小磁体的面积。

　　双自由度磁体设计
　　普通的PVD腔的磁体都是围绕靶材中心轴做简单的圆周运动，而磁体经过的地方，是电浆轰击靶材密度最高的地方，所以靶材的耗用就是在磁体运动轨迹所对应的圆周。为了得到更高的能量密度，铜种子层沉积腔的磁体设计越来越小，这样就导致磁体运动轨迹所能覆盖的面积越来越小，降低了靶材的使用寿命。解决这个问题的方法就是改变磁体的运动轨迹，扩大磁体的运动范围。Applied Materials的EnCoreII Cu沉积腔使用了双自由度磁体设计，第二轴心围绕靶材中心的第一轴心做圆周运动，磁体围绕第二中心做圆周运动。这样就扩大了磁体在靶材平面的运动范围，实现靶材全表面的均匀耗用。图5为靶材耗用的轮廓图。

　　磁体间隔补偿
　　磁体间隔是指靶材和靶材背面磁体之间间隔的距离，在普通的PVD腔中，这个间隔在整个靶材使用的周期中是保存不变的。这样，随着靶材的耗用，磁体到靶材表面的距离就将越来越小，靶材表面的磁场强度随之变化，而这将使腔体内电浆特性发生变化。如果没有磁体间隔补偿，铜种子层沉积腔在不同靶材用量的电浆特性如图6所示。为了得到和保持较高的靶材离子浓度，沉积工艺需保持在拐点的右边，在这个阶段，电压随着能量的增加而增加。对于刚刚使用的靶材，拐点出现在15到20千瓦。随着靶材的耗用，平均电压将下降且拐点向更高能量方向漂移。在靶材使用到2800千瓦时，拐点将出现在能量输出的最大极限。在同一个靶材使用周期内，电浆特性的改变将导致靶材粒子离子化率、沉积速率和沉积均匀度的变化，影响工艺的稳定性。但有了磁体间隔补偿后，随着靶材的耗用，磁体间隔将逐渐加大，而磁体到靶材表面的距离将保持不变，这样电浆特性将在一个较小的范围内变化，在整个靶材耗用的周期里，沉积速率的变化保持在2%以内，沉积不均匀度小于3%。