HiPIMS金屬填充工藝——納米孔洞超填充&Cu vs Co

點睛：

采用HiPIMS技術結合偏壓，Cu離子分數(shù)約50%，可實現(xiàn)納米孔洞完美填充。DCMS因中性原子方向發(fā)散無法填充；Co雖放電功率更高，但離子到達基片分數(shù)僅34%，填充效果遠遜于Cu。再濺射與再沉積是超填充的關鍵機理。

引言：

傳統(tǒng)DCMS因濺射原子角度分布寬，無法均勻填充高深寬比納米孔洞（易產(chǎn)生“夾斷”）。HiPIMS可產(chǎn)生高離化率金屬離子，通過電場引導離子垂直入射，能否實現(xiàn)無空洞填充？Cu和Co兩種互連金屬在HiPIMS中的填充行為有何差異？

解析：

瑞典烏普薩拉大學工程科學系的Jablonka Lukas等采用HiPIMS技術，以“High power impulse magnetron sputtering metal filling”為題發(fā)表在《Journal of Physics D: Applied Physics》上，其工藝參數(shù)如下：

1）基體：SiO2/Si；2）預處理：RCA清洗+HF刻蝕+熱氧化；3）靶材：Cu或Co，直徑50mm，厚3mm；4）工作氣體：Ar，60sccm，Cu:0.5Pa，Co:1Pa；5）電源參數(shù)：脈寬50μs，頻率Cu:100Hz，Co:60Hz，平均功率Cu:50W，Co:130W，峰值功率密度Cu:510W/cm2，Co:2200W/cm2；6）基片偏壓：同步脈沖偏壓，離子能量50-400eV；7）沉積過程：基片靜止，靶基距8cm，沉積時間7-20min；8）對比工藝：DCMS（相同平均功率，無偏壓）。

圖1 Cu填充截面（傾斜20°）——(a)DCMS和(b-d)HiPIMS

圖1a為DCMS沉積結果：頂部沉積厚，孔洞底部金屬極少，出現(xiàn)典型的“夾斷”現(xiàn)象。圖1b-d為HiPIMS：50eV時，離子方向性改善，底部沉積增加；200eV時，頂部沉積速率降至DCMS的50%以下，底部填充更均勻；400eV時，頂部凈沉積速率因再濺射趨近零，而底部仍穩(wěn)定沉積，實現(xiàn)完美無空洞填充。Cu在200eV時自濺射產(chǎn)額已達1.0。

圖2 Co填充截面（傾斜20°）(a)DCMS和HiPIMS(b-d)

Co的填充效果明顯差于Cu。DCMS（圖2a）幾乎無底部沉積。HiPIMS中，即使離子能量提高到400eV（圖2b-d），孔洞底部沉積仍很薄，且開口處出現(xiàn)明顯的“懸垂”結構。盡管Co放電峰值功率密度（2200W/cm2）遠高于Cu（510W/cm2），但填充性能反而不如Cu。這表明高功率并不直接等同于高離子通量到達基片。

圖3 頂部與底部沉積速率隨離子能量的變化

DCMS時，Cu和Co的底部沉積速率均接近零。HiPIMS下，Cu在50eV時底部沉積速率Db已達1.5nm/min，隨能量增加Db穩(wěn)定在2nm/min，而頂部沉積速率Dt從7nm/min降至0.5nm/min。Co的Db大僅0.8nm/min。利用公式η = (1 - D/D?)/Y估算離子金屬分數(shù)：Cu為50%，Co僅為34%。盡管Co放電功率更高，但離子到達基片的分數(shù)更低，歸因于Co靶所需強磁場導致離子回吸嚴重。

結論與延伸：

1. HiPIMS vs DCMS：DCMS因中性原子方向發(fā)散，無法填充納米孔洞；HiPIMS通過高離化率金屬離子結合偏壓引導垂直入射，實現(xiàn)高深寬比結構的無空洞填充。

2. Cu vs Co：Co雖放電功率更高，但離子到達基片的分數(shù)更低，填充性能差；主要原因是Co靶所需強磁場導致離子回吸嚴重，優(yōu)化磁控管磁場設計是提高離子通量的關鍵。

3. 填充機理：高能離子（>200eV）引發(fā)顯著再濺射，優(yōu)先去除孔口過量沉積，材料再沉積至孔底，形成自下而上的“超填充”效應；再沉積而非單純方向性是實現(xiàn)完美填充的主因。

論文DOI：10.1088/1361-6463/ab28e2