HiPIMS金属填充工艺——纳米孔洞超填充&Cu vs Co

点睛：

采用HiPIMS技术结合偏压，Cu离子分数约50%，可实现纳米孔洞完美填充。DCMS因中性原子方向发散无法填充；Co虽放电功率更高，但离子到达基片分数仅34%，填充效果远逊于Cu。再溅射与再沉积是超填充的关键机理。

引言：

传统DCMS因溅射原子角度分布宽，无法均匀填充高深宽比纳米孔洞（易产生“夹断”）。HiPIMS可产生高离化率金属离子，通过电场引导离子垂直入射，能否实现无空洞填充？Cu和Co两种互连金属在HiPIMS中的填充行为有何差异？

解析：

瑞典乌普萨拉大学工程科学系的Jablonka Lukas等采用HiPIMS技术，以“High power impulse magnetron sputtering metal filling”为题发表在《Journal of Physics D: Applied Physics》上，其工艺参数如下：

1）基体：SiO2/Si；2）预处理：RCA清洗+HF刻蚀+热氧化；3）靶材：Cu或Co，直径50mm，厚3mm；4）工作气体：Ar，60sccm，Cu:0.5Pa，Co:1Pa；5）电源参数：脉宽50μs，频率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）基片偏压：同步脉冲偏压，离子能量50-400eV；7）沉积过程：基片静止，靶基距8cm，沉积时间7-20min；8）对比工艺：DCMS（相同平均功率，无偏压）。

图1 Cu填充截面（倾斜20°）——(a)DCMS和(b-d)HiPIMS

图1a为DCMS沉积结果：顶部沉积厚，孔洞底部金属极少，出现典型的“夹断”现象。图1b-d为HiPIMS：50eV时，离子方向性改善，底部沉积增加；200eV时，顶部沉积速率降至DCMS的50%以下，底部填充更均匀；400eV时，顶部净沉积速率因再溅射趋近零，而底部仍稳定沉积，实现完美无空洞填充。Cu在200eV时自溅射产额已达1.0。

图2 Co填充截面（倾斜20°）(a)DCMS和HiPIMS(b-d)

Co的填充效果明显差于Cu。DCMS（图2a）几乎无底部沉积。HiPIMS中，即使离子能量提高到400eV（图2b-d），孔洞底部沉积仍很薄，且开口处出现明显的“悬垂”结构。尽管Co放电峰值功率密度（2200W/cm²）远高于Cu（510W/cm²），但填充性能反而不如Cu。这表明高功率并不直接等同于高离子通量到达基片。

图3 顶部与底部沉积速率随离子能量的变化

DCMS时，Cu和Co的底部沉积速率均接近零。HiPIMS下，Cu在50eV时底部沉积速率Db已达1.5nm/min，随能量增加Db稳定在2nm/min，而顶部沉积速率Dt从7nm/min降至0.5nm/min。Co的Db大仅0.8nm/min。利用公式η = (1 - D/D₀)/Y估算离子金属分数：Cu为50%，Co仅为34%。尽管Co放电功率更高，但离子到达基片的分数更低，归因于Co靶所需强磁场导致离子回吸严重。

结论与延伸：

1. HiPIMS vs DCMS：DCMS因中性原子方向发散，无法填充纳米孔洞；HiPIMS通过高离化率金属离子结合偏压引导垂直入射，实现高深宽比结构的无空洞填充。

2. Cu vs Co：Co虽放电功率更高，但离子到达基片的分数更低，填充性能差；主要原因是Co靶所需强磁场导致离子回吸严重，优化磁控管磁场设计是提高离子通量的关键。

3. 填充机理：高能离子（>200eV）引发显著再溅射，优先去除孔口过量沉积，材料再沉积至孔底，形成自下而上的“超填充”效应；再沉积而非单纯方向性是实现完美填充的主因。

论文DOI：10.1088/1361-6463/ab28e2