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CN111066139B - 来自次氧化物的自对准结构 - Google Patents

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CN111066139B CN201880057132.4A CN201880057132A CN111066139B CN 111066139 B CN111066139 B CN 111066139B CN 201880057132 A CN201880057132 A CN 201880057132A CN 111066139 B CN111066139 B CN 111066139B
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Abstract

描述产生自对准结构的方法。所述方法包括：在基板特征中形成金属次氧化物膜，以及氧化所述次氧化物膜以形成自对准结构，所述自对准结构包括金属氧化物。在一些实施例中，可沉积金属膜，并接着处理金属膜以形成金属次氧化物膜。在一些实施例中，可重复沉积和处理金属膜以形成金属次氧化物膜的工艺，直到在基板特征内形成预定深度的金属次氧化物膜为止。

Description

来自次氧化物的自对准结构
技术领域
本公开内容总体上涉及沉积和处理薄膜的方法。具体而言，本公开内容涉及用于产生自对准结构的工艺。
背景技术
可通过对间隙填充金属膜进行氧化来形成自对准金属氧化物柱体。通过ALD在孔洞或沟槽的结构上沉积金属，并接着氧化所沉积的金属来形成金属氧化物，并在氧化期间的体积膨胀将柱体推出孔洞或沟槽。柱体为自下而上的，仅从金属选择性地生长。
然而，因为金属的快速体积膨胀，使用此工艺形成金属氧化物柱存在一些挑战。首先，应力的快速变化有时会导致固有结构的降解。当CD为小时，这有时会导致高柱的弯曲。第二，体积的快速变化有时会导致金属氧化物柱体与基板的间的粘附问题。第三，残留的未氧化的金属通常保留在沟槽的底部处。
本领域需要产生自对准柱和结构的替代方法。更具体而言，本领域需要能提供较慢的形成速率的产生自对准柱和结构的替代方法。
发明内容
本公开内容的一个或多个实施例涉及一种产生自对准结构的方法。所述方法包括：提供基板，所述基板具有基板表面，所述基板表面具有至少一个特征。特征从表面延伸进入基板一距离并具有侧壁和底部。在基板表面上且在至少一个特征中形成金属次氧化物膜。从至少一个特征外侧的基板表面去除金属次氧化物膜。氧化金属次氧化物膜，以形成从特征膨胀的金属氧化物的自对准结构。金属次氧化物膜具有平均金属氧化态，所述平均金属氧化态在大于0至小于金属氧化物的平均氧化态的范围内。
本公开内容的额外实施例涉及一种产生自对准结构的方法。所述方法包括：提供基板，所述基板具有基板表面，所述基板表面具有至少一个特征。特征从基板表面延伸进入基板一距离并具有侧壁和底部。在基板表面上并在特征中形成金属膜。处理金属膜以在基板表面上且在特征中形成金属次氧化物膜。从特征外侧的基板表面去除金属次氧化物膜。氧化金属次氧化物膜，以形成从特征膨胀的金属氧化物的自对准结构。金属次氧化物膜具有平均金属氧化态，所述平均金属氧化态在大于0至小于金属氧化物的平均金属氧化态的范围内。
本公开内容的进一步实施例涉及一种产生自对准结构的方法。所述方法包括：提供基板，所述基板具有基板表面，所述基板表面具有至少一个特征。特征从基板表面延伸进入基板一距离并具有侧壁和底部。在基板表面上形成金属膜，所述金属膜部分地填充特征。处理金属膜以形成金属次氧化物膜。重复金属膜的形成和处理，直到填充特征的预订体积为止。从特征外侧的基板表面去除金属次氧化物膜。氧化金属次氧化物膜，以形成从特征膨胀的金属氧化物的自对准结构。金属次氧化物膜具有平均金属氧化态，所述平均金属氧化态在大于0至小于金属氧化物的平均金属氧化态的范围内。
附图说明
通过参照实施例，所述实施例的一部分示于附图中，可获得对在本文中简要总结的本公开内容的更具体的说明，以此方式本公开内容的上述的特征可被详细理解。然而，将注意到附图仅示出本公开内容的典型实施例，且因而不被当作限制本公开内容的范围，因为本公开内容可允许其他等效的实施例。
图1示出根据本公开内容的一个或多个实施例的基板特征的剖面视图；以及
图2A至图2C示出根据本公开内容的一个或多个实施例的自对准结构形成工艺的剖面示意图。
图3A至图3D示出根据本公开内容的一个或多个实施例的自对准结构形成工艺的剖面示意图。
图4A至图4D示出根据本公开内容的一个或多个实施例的自对准结构形成工艺的剖面示意图。
具体实施方式
在描述本公开内容的数个示例性实施例之前，将理解到本公开内容并不局限于接下来的说明书中所阐述的架构或工艺步骤的细节。本公开内容能为其他实施例并且可以各种方式实践或实施。
如本文中使用的“基板”指称任何基板或形成在基板上的材料表面，在其上在制造处理期间执行膜处理。例如，在其上可执行处理的基板表面包括材料，诸如硅、氧化硅、应变硅、绝缘体上硅(SOI)、碳掺杂氧化硅、非晶硅、掺杂硅、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石、以及其他材料，诸如金属、金属氮化物、金属合金、以及其他传导材料，这取决于应用。基板包括但不限于半导体晶片。基板可暴露于预处理工艺以抛光、蚀刻、还原、氧化、羟基化、退火、UV固化、电子束固化和/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身表面上的膜处理，在本公开内容中，公开的任何膜处理步骤也可执行在形成于基板上的下方层上，如之后更详细地公开，且术语“基板表面”意指包括如文中所指示的此下方层。因此例如，在膜/层或部分膜/层已经被沉积在基板表面上时，新沉积的膜/层的暴露表面成为基板表面。
本公开内容的一个或多个实施例涉及了用于沉积金属次氧化物膜的方法，金属次氧化物膜用于任何共形的、非共形的和/或低深宽比至高深宽比间隙/沟槽/孔隙填充应用。本公开内容的实施例有利地提供在小尺寸的高深宽比(AR)结构中沉积膜(例如，金属次氧化物膜)的方法。本公开内容的一些实施例有利地提供氧化金属次氧化物膜以产生自对准结构的方法。
本公开内容的一个或多个实施例提供了用于产生自对准结构的方法，其中以更慢的速度产生自对准结构。不受理论束缚，较慢的形成速率提供金属次氧化物膜的较小体积膨胀，并且提供能表现出对基板更好的粘附性和自对准结构的较少的降解的结构。
图1示出具有特征110的基板100的部分剖面视图。为了说明的目的，附图示出具有单一特征的基板；然而，本领域技术人员将理解到，可有超过一个特征。特征110的形状可为任何合适形状，包括但不限于，沟槽和圆柱通孔。在特定实施例中，特征110是沟槽。在此使用上，用语“特征”意味任何有意的表面不规则性。特征的合适例子包括但不限于具有顶部、两个侧壁和底部的沟槽、具有顶部和从表面向上延伸的两个侧壁的尖峰、以及具有从带有开放底部的表面向下延伸的侧壁的通孔。特征或沟槽可具有任何合适的深宽比(特征的深度比特征的宽度的比例)。在一些实施例中，此深宽比为大于或等于约5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1或40:1。
基板100具有顶表面120。至少一个特征110在顶表面120中形成开口。特征110从顶表面120延伸深度D至底表面112。特征110具有第一侧壁114和第二侧壁116，第一侧壁114和第二侧壁116界定特征110的宽度W。由侧壁和底部形成的开放区域也称作间隙。
金属氧化物柱体可形成于特征中作为自对准结构。可使用金属次氧化物膜填充沟槽。在填充沟槽之后，通过化学机械平坦化(CMP)工艺去除累赘物(over-burden)(即，沉积在沟槽外侧的基板的顶表面上的金属次氧化物)，以分隔金属次氧化物衬里。可用氧化气氛将得到的金属次氧化物衬里退火，以形成金属氧化物柱体。
请参见图2A至图2C，基板200被提供用于处理。基板200类似于图1所示的基板100。在此使用上，术语“被提供”意味此基板被放置进入位置或环境，以用于进一步处理。图2A中所示的基板200具有第一表面材料250和第二表面材料260。第一表面材料250和第二表面材料260可为基板200上的相同或不同的表面材料。形成特征210，其中底部212为第一表面250，且侧壁214、216和顶表面220为第二表面材料260。
膜230形成在顶表面220和特征210的壁及底部上。膜230可为通过任何合适的工艺形成的任何合适的膜，所述任何合适的工艺包括但不限于：化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、等离子体增强原子层沉积和/或物理气相沉积。在一些实施例中，通过原子层沉积或等离子体增强原子层沉积来形成膜230。
在一些实施例中，膜230共形地形成在至少一个特征210上。如本文中使用的，术语“共形的(conformal)”或“共形地(conformally)”指称粘附于暴露表面并均匀地覆盖暴露表面的层，所述层的厚度相对于膜的平均厚度具有少于1％的变化。例如，厚的膜可具有小于的厚度变化。此厚度和变化包括凹部的边缘、角落、侧边和底部。例如，本公开内容的各种实施例中通过ALD所沉积的共形层可在复杂表面上的沉积区域之上提供基本上均匀厚度的覆盖。
在一些实施例中，将膜230沉积至在约至约的范围内、或在约至约的范围内的厚度。在一个或多个实施例中，将膜230沉积至约的厚度，并且基本上无接缝形成在膜中。在特征210被膜填充之前，膜的厚度在特征210的顶部上封闭，而形成接缝。在一些实施例中，基板表面具有膜，所述膜在至少一个特征的侧壁之间具有接缝。在此使用上，术语“在……之间”意指在接缝与特征的侧壁之间的接缝的任一侧上存在一些膜。接缝不限于正好在侧壁的中心。
在一些实施例中，膜230是连续的膜。如本文中所使用的，术语“连续的”指称覆盖整个暴露表面的层，而没有显现出在沉积层下方的材料的间隙或裸露点(bare spot)。连续的层可能具有间隙或裸露点，所述间隙或裸露点的表面积小于膜的总表面积的约1％。
在一些实施例中，以在特征210内基本上无缝的方式来形成膜230。在一些实施例中，可在特征210的宽度内形成接缝。接缝可为形成在特征210的壁214、216之间的任何间隙、空间或孔隙。
膜230可为任何合适的材料，其具有的氧化态(oxidation state)小于全氧化物(full oxide)的氧化态。在一些实施例中，膜230为金属次氧化物膜。
如在本文中所使用的，次氧化物为任何金属络合物，其中所述金属的氧化态大于0且小于所述金属处于其完全氧化形式的氧化态(即，最高氧化态)。例如，氧化钨可以以数种形式存在，也就是，W2O3、WO2或WO3。在此例中，W2O3和WO2两者可被认为是次氧化物，因为他们分别对应于+3和+4的氧化态，而WO3具有+6的氧化态。本领域技术人员将认识到，次氧化物不需要含有氧。在一些实施例中，合适的次氧化物可以含有氧、硼、氮、碳、锗或硅中的一者或多者。换句话说，在一些实施例中，合适的金属次氧化物可包括：金属氧化物、金属氮化物、金属硼化物、金属碳化物、金属锗化物、金属硅化物或上述的组合(即，金属氮氧化物)。在一些实施例中，金属次氧化物基本上由金属氮化物组成。
本领域技术人员将理解到，金属次氧化物膜可具有非化学计量数量(non-stoichiometric amount)的原子。例如，被称为WN的膜可具有不同量的钨与氮。此WN膜可为，例如，90原子％的钨。使用WN来描述氮化钨膜意指此膜包括钨原子和氮原子，并且不应将此膜限制于特定组成。在一些实施例中，膜基本上是由指定的原子所构成。例如，基本上由WN构成的膜意指此膜的组成为大于或等于约95％、98％或99％的钨原子和氮原子。在一些实施例中，膜230包括钨。在一个或多个实施例中，膜230包括钛。
在图2B中，从顶表面220去除膜230，以使得膜230完全包含在特征210内。可通过任何合适的蚀刻工艺去除膜230。在一些实施例中，通过化学机械平坦化(CMP)工艺去除膜230。
在一些实施例中，基本上所有的膜230都形成在特征210内。在此使用上，术语“基本上所有的(substantially all)”意指以重量计大于或等于约95％、98％或99％的膜形成于特征210内。
在一些实施例中，选择性地将膜230沉积在特征210内，且不沉积在基板的顶表面220上。在这些实施例中，可处理基板200，使基板200从图1流向图2B而不会呈现图2A的样子。可选择第一表面材料250以及第二表面材料260的组成，以允许膜230相对于另一个表面选择性沉积在一个表面上。
在一些实施例中，所述方法包括：选择性地将膜230沉积在沟槽内达高度H，高度H小于或等于特征210的深度。在一个实施例中，膜230填充沟槽的容积的至少10％。在其他实施例中，膜130填充沟槽的容积的至少15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或100％。在一些实施例中，沉积在特征210中的膜230具有高度H，而高度H小于或等于特征210的深度的约98％、95％、90％、80％、70％、60％或50％。
如图2C所示，处理方法进一步包括：处理膜230，以使膜材料体积膨胀而提供膨胀膜240。膨胀膜240延伸超出基板的顶表面220。膨胀膜240包括金属氧化物。膨胀膜240形成自对准结构。
膜230具有的平均金属氧化态在大于0至小于膨胀膜240的平均金属氧化态的范围内。在一些实施例中，膜230具有的金属比氧化物比率小于或等于膨胀膜240的金属比氧化物比率的约80％。在一些实施例中，膨胀膜240基本上正交于基板的顶表面220。
适用于金属膜或金属次氧化物膜中的金属包括但不限于：具有大于2、大于2.25或大于2.5的Pilling-Bedworth比率的金属。Pilling-Bedworth比率指的是金属氧化物的基本单元的体积与形成所述氧化物的相应金属的基本单元的体积的比率。Pilling-Bedworth比率定义为V氧化物/V金属，其中V为体积。为了确定金属氧化物的Pilling-Bedworth比率，V氧化物等于金属氧化物的分子量乘以金属的密度，且V金属等于每分子氧化物的金属原子数乘以金属的原子量乘以氧化物的密度。此类膜的示例包括Co、Mo、W、Ta、Ti、Ru、Rh、Cu、Fe、Mn、V、Nb、Hf、Zr、Y、Al、Sn、Cr、Os、U和/或La中的一者或多者。在一些实施例中，金属选自由Co、Fe、Mn、Nb、Os、Ta、U和V所组成的群组。在一些实施例中，金属的Pilling-Bedworth比率大于2、大于2.25或大于2.5。在一些实施例中，金属选自由Mo、Os和V所组成的群组。在一些具体的实施例中，金属包括钨。在一些特定的实施例中，金属排除钨。
膜230可为任何合适的材料，包括但不限于包括Co、Cr、Fe、Mn、Nb、Os、Ta、U、W以及V的材料。在一些实施例中，金属次氧化物膜的金属为钨。
在一些实施例中，膨胀的金属膜包括WO3。在一些实施例中，膜230具有小于或等于约1:2.8的钨比氧比率。在一些实施例中，膨胀膜240具有大于或等于约1:2.85的钨比氧比率。
膜230的膨胀可在约10％至约1000％的范围内，或在约50％至约800％的范围内，或在约100％至约700％的范围内。在一些实施例中，膜230膨胀的量大于或等于约150％、200％、250％、300％或350％。在一些实施例中，膜230膨胀的量在约300％至约400％的范围内。在一个或多个实施例中，处理膜导致膜体积增加至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、150％、200％、250％、300％、350％或400％。当以膜230填充多个特征时，可形成多个膨胀膜240，以提供自对准结构。在一些实施例中，这些自对准结构可作为图案(pattern)而无需使用掩模。
在一个实施例中，处理膜230包括：将膜暴露于氧化环境。在处理初始膜包括将初始膜暴露于氧化环境的实施例中，膨胀膜240可包括选自由CoO、Fe2O3、Fe3O4、MnO2、Mn2O3、Mn3O4、MoO3、Nb2O5、Ta2O5、OsO2、UO2和V2O5所组成的群组中的材料。
在一些实施例中，处理膜130包括：将初始膜暴露于氧化剂，所述氧化剂包括以下项中的一者或多者：O2、O3、N2O、H2O、H2O2、CO、CO2、NH3、N2/Ar、N2/He或N2/Ar/He。在一些实施例中，氧化条件包括热氧化、等离子体增强氧化、远程等离子体氧化、微波和射频(例如，ICP、CCP)。
取决于例如膜的组成和膨胀剂，可在任何合适的温度下处理膜230。在一些实施例中，膜膨胀发生在约25℃至约1100℃的范围内的温度下。在一些实施例中，膨胀发生在大于或等于约250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃或550℃的温度下。
在一些实施例中，处理膜230发生在小于或等于约450℃、或400℃、或350℃、或300℃、或250℃或200℃的温度下。在一些实施例中，膜230包括钨，并在约150℃至约200℃的范围内的温度下形成。
如图2C所示，在膨胀期间，特征形状的保真度(fidelity)维持在特征的顶部上，以使得膜230从特征210笔直向上生长。在此使用上，“笔直向上(straight up)”意指膨胀膜240的侧面与特征210的侧壁214、216基本上共面。表面与侧壁214共面，其中在侧壁214与表面接合处形成的角度为±10°。在这方面，若侧壁垂直于顶表面的话，那么从特征“笔直向上”延伸的膨胀膜可以被描述为正交于基板的顶表面。
金属氧化物柱体可形成于特征中作为自对准结构。可使用金属膜填充沟槽。可处理金属膜以形成金属次氧化物膜。通过化学机械平坦化(CMP)工艺去除任何累赘物(即，沉积在沟槽外侧的基板的顶部上或沉积在基板的顶表面上方的金属或金属次氧化物)，以分隔金属次氧化物衬里。可用氧化气氛将得到的金属次氧化物衬里退火，以形成金属氧化物柱体。
请参见图3A至图3D，提供基板200用于处理。基板200类似于图1所示的基板100。在此使用上，术语“被提供”意指此基板被放置进入位置或环境，以用于进一步处理。图3A中所示的基板200具有第一表面材料250以及第二表面材料260。第一表面材料250以及第二表面材料260可为基板200上的相同或不同的表面材料。形成特征210，其中底部212为第一表面材料250，并且侧壁214、216和顶表面220为第二表面材料260。
金属膜225形成在顶表面220和特征210的壁及底部上。金属膜225可为通过任何合适的工艺形成的任何合适的膜，包括但不限于：化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、等离子体增强原子层沉积和/或物理气相沉积。在一些实施例中，通过原子层沉积或等离子体增强原子层沉积来形成金属膜225。
在一些实施例中，金属膜225共形地形成在至少一个特征210上。如本文中所使用的，术语“共形的”或“共形地”指称粘附于暴露表面并均匀地覆盖暴露表面的层，所述层的厚度相对于膜的平均厚度具有少于1％的变化。例如，厚的膜可具有小于的厚度变化。此厚度和变化包括凹部的边缘、角落、侧边和底部。例如，本公开内容的各种实施例中通过ALD所沉积的共形层可在复杂表面上的沉积区域之上提供基本上均匀厚度的覆盖。
在一些实施例中，将金属膜225沉积至在约至约的范围内、或在约至约的范围内的厚度。在一个或多个实施例中，将金属膜225沉积至约的厚度，且基本上无接缝形成在膜中。在特征210被膜填充之前，膜的厚度在特征210的顶部上封闭，而形成接缝。在一些实施例中，基板表面具有膜，所述膜在至少一个特征的侧壁之间具有接缝。在此使用上，术语“在……的间”意指在接缝与特征的侧壁之间的接缝的任一侧上存在一些膜。接缝不限于正好在侧壁的中心。
在一些实施例中，金属膜225是连续的膜。当使用在本文中，术语“连续的”指称覆盖整个暴露表面的层，而没有显现出在沉积层下方的材料的间隙或裸露点。连续的层可能具有间隙或裸露点，所述间隙或裸露点的表面积小于膜的总表面积的约1％。
在一些实施例中，以在特征210内基本上无缝的方式来形成金属膜225。在一些实施例中，可在特征210的宽度内形成接缝。接缝可为形成在特征210的壁214、216之间的任何间隙、空间或孔隙。
金属膜225可为任何合适的含金属膜，其具有+0的平均氧化态。在一些实施例中，膜225基本上由金属原子组成。
请参见图3B，金属膜225被部分地氧化以形成膜230。与参见图2A至图2C所描述的方法一样，膜230可为任何合适的材料，其氧化态小于全氧化物的氧化态。在一些实施例中，膜230为金属次氧化物膜。将金属膜225转化为膜230的氧化反应可为增加金属膜225中存在的金属原子的氧化态的任何反应。合适的反应包括但不限于：氧化反应、硼化反应、氮化反应、硅化反应或锗化反应。本领域技术人员将理解到，也可使用其他工艺和反应来处理金属膜225，以形成膜230。无论选择何种处理，所形成的膜230的氧化态都小于完全氧化形式的金属的氧化态。
在一些实施例中，通过暴露于氧化剂或氧化条件，使金属膜225膨胀。氧化剂可为任何合适的氧化剂，包括但不限于：O2、O3、N2O、H2O、H2O2、CO、CO2、NH3、N2/Ar、N2/He、N2/Ar/He和上述项的组合。在一些实施例中，氧化条件包括热氧化、等离子体增强氧化、远程等离子体氧化、微波和射频(例如，ICP、CCP)。
在一些实施例中，通过暴露于氮化剂或氮化条件以将金属转化为金属氮化物膜，而使金属膜225膨胀。氮化剂可为任何合适的氮化剂，包括但不限于：氨、联氨、NO2、N2/Ar等离子体、N2/He等离子体、N2/Ar/He等离子体以及上述项的组合。在一些实施例中，氮化条件包括热氮化、等离子体增强氮化、远程等离子体氮化、微波和射频(例如，ICP、CCP)。
在一些实施例中，通过暴露于硅化剂或硅化条件以将金属转化为金属硅化物膜，而使金属膜225膨胀。硅化剂可为任何合适的硅化剂，包括但不限于：硅烷、二硅烷、三硅烷、四硅烷、五硅烷、六硅烷、三甲基硅烷、具有三甲基硅烷基取代基的化合物以及上述项的组合。在一些实施例中，硅化条件包括热硅化、等离子体增强硅化、远程等离子体硅化、微波和射频(例如，ICP、CCP)。
在一些实施例中，通过暴露于锗试剂或锗化条件以将金属转化为金属锗化物膜，而使金属膜225膨胀。锗化剂可为任何合适的锗化剂，包括但不限于：锗烷、二锗烷、三锗烷、四锗烷、五锗烷、六锗烷、三甲基锗、具有三甲基锗烷基(trimethylgermanyl)取代基的化合物以及上述项的组合。在一些实施例中，锗化条件包括热锗化、等离子体增强锗化、远程等离子体锗化、微波和射频(例如，ICP、CCP)。
取决于例如金属膜的组成和期望的处理，可在任何合适的温度下处理金属膜225。在一些实施例中，金属膜处理发生在约25℃至约1100℃的范围中的温度下。在一些实施例中，处理发生在大于或等于约250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃或550℃的温度下。
在图3C中，从顶表面220去除膜230，使得膜230完全包含在特征210内。可通过任何合适的蚀刻工艺去除膜230。在一些实施例中，通过化学机械平坦化(CMP)工艺来去除膜230。
在一些实施例中，基本上所有的金属膜225都形成在特征210内。在此使用上，术语“基本上所有的”意指以重量计大于或等于约95％、98％或99％的膜形成在特征210内。
在一些实施例中，选择性地将金属膜225沉积在特征210内，且不沉积在基板的顶表面220上。在这些实施例中，可处理基板200，使金属膜225可被沉积和处理，以形成完全在特征210内的膜230。基板可从图1流向图3C而不会呈现图3A或图3B的样子。可选择第一表面材料250和第二表面材料260的组成，以允许金属膜225相对于另一个表面选择性沉积在一个表面上。
在一些实施例中，所述方法包括：选择性地将金属膜225沉积在沟槽内达高度H，高度H小于或等于特征210的深度。在一个实施例中，金属膜225填充沟槽的容积的至少10％。在其他实施例中，膜130填充沟槽的容积的至少15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或100％。在一些实施例中，沉积在特征210中的金属膜225具有高度H，而高度H小于或等于特征210的深度的约98％、95％、90％、80％、70％、60％或50％。
如图3D所示，处理方法进一步包括：处理膜230，以使膜材料体积膨胀而提供膨胀膜240。膨胀膜240延伸超出基板的顶表面220。膨胀膜240包括金属氧化物。膨胀膜240形成自对准结构。在所有其他方面，如图3D所示的处理膜230以形成膨胀膜240类似于针对图2C在上文描述的工艺。
金属氧化物柱体可形成于特征中作为自对准结构。可使用金属膜作为沟槽的衬里。可处理金属膜以形成金属次氧化物膜作为沟槽的衬里。可重复地沉积并处理金属膜，直到以金属次氧化物膜填充沟槽至预定深度为止。通过化学机械平坦化(CMP)工艺去除任何累赘物(即，沉积在沟槽外侧的基板的顶部上或沉积在基板的顶表面上方的金属或金属次氧化物)，以分隔金属次氧化物衬里。可用氧化气氛将得到的金属次氧化物衬里退火，以形成金属氧化物柱体。
请参见图4A至图4D，提供基板200用于处理。基板200类似于图1所示的基板100。在此使用上，术语“被提供”意指此基板被放置进入位置或环境，以用于进一步处理。图3A中所示的基板200具有第一表面材料250以及第二表面材料260。第一表面材料250以及第二表面材料260可为基板200上的相同或不同的表面材料。形成特征210，其中底部212为第一表面材料250，并且侧壁214、216和顶表面220为第二表面材料260。
金属膜225形成在顶表面220和特征210的壁及底部上。金属膜225可为通过任何合适的工艺形成的任何合适的膜，包括但不限于：化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、等离子体增强原子层沉积和/或物理气相沉积。在一些实施例中，通过原子层沉积或等离子体增强原子层沉积来形成金属膜225。
在一些实施例中，金属膜225共形地形成在至少一个特征210上。如本文中所使用的，术语“共形的”或“共形地”指称粘附于暴露表面并均匀地覆盖暴露表面的层，所述层的厚度相对于膜的平均厚度具有少于1％的变化。例如，厚的膜可具有小于的厚度变化。此厚度和变化包括凹部的边缘、角落、侧边和底部。例如，本公开内容的各种实施例中通过ALD所沉积的共形层可在复杂表面上的沉积区域之上提供基本上均匀厚度的覆盖。
在一些实施例中，将金属膜225沉积至在约至约的范围内、或在约至约的范围内的厚度。在一个或多个实施例中，将金属膜225沉积至约的厚度，且基本上无接缝形成在膜中。在特征210被膜填充之前，膜的厚度在特征210的顶部上封闭，而形成接缝。在一些实施例中，基板表面具有膜，所述膜在至少一个特征的侧壁之间具有接缝。在此使用上，术语“在……之间」意指在接缝与特征的侧壁之间的接缝的任一侧上存在一些膜。接缝不限于正好在侧壁的中心。
在一些实施例中，金属膜225是连续的膜。如在本文中使用的，术语“连续的”指称覆盖整个暴露表面的层，而没有显现出在沉积层下方的材料的间隙或裸露点。连续的层可能具有间隙或裸露点，所述间隙或裸露点的表面积小于膜的总表面积的约1％。
在一些实施例中，以在特征210内基本上无缝的方式来形成金属膜225。在一些实施例中，可在特征210的宽度内形成接缝。接缝可为形成在特征210的壁214、216的间的任何间隙、空间或孔隙。
金属膜225可为任何合适的含金属膜，其具有+0的平均氧化态。在一些实施例中，膜225基本上由金属原子组成。
请参见图4B，金属膜225被部分地氧化以形成膜230。与参照图2A至图2C所描述的方法一样，膜230可为任何合适的材料，其氧化态小于全氧化物的氧化态。在一些实施例中，膜230为金属次氧化物膜。将金属膜225转化为膜230的氧化反应可为增加金属膜225中存在的金属原子的氧化态的任何反应。合适的反应包括但不限于：氧化反应、硼化反应、氮化反应、硅化反应或者锗化反应。本领域中技术人员将理解到，也可使用其他工艺和反应来处理金属膜225，以形成膜230。无论选择何种处理，所形成的膜230的氧化态都小于完全氧化形式的金属的氧化态。
针对图4A和图4B所阐述的工艺包括沉积金属膜225的层，并接着处理所沉积的金属膜，以形成次氧化物膜230。可重复此工艺，直到以次氧化物膜填充特征210至预定深度为止，如图4C所绘示。在一些实施例中，沉积在基板220的顶表面上的膜的深度可随着每个沉积及处理循环而增加。
在图4D中，从顶表面220去除膜230，使得膜230完全包含在特征210内。可通过任何合适的蚀刻工艺去除膜230。在一些实施例中，通过化学机械平坦化(CMP)工艺去除膜230。
在一些实施例中，基本上所有的金属膜225都形成在特征210内。在此使用上，术语“基本上所有的”意指以重量计大于或等于约95％、98％或99％的膜形成在特征210内。
在一些实施例中，选择性地将金属膜225沉积在特征210内，且不沉积在基板的顶表面220上。在这些实施例中，可处理基板200，使金属膜225可被沉积和处理，以形成完全在特征210内的膜230。基板可从图1流向图4D而不会呈现图4A、图4B或图4C的样子。可选择第一表面材料250以及第二表面材料260的组成，以允许金属膜225相对于另一个表面选择性沉积在一个表面上。
在一些实施例中，所述方法包括：选择性地将金属膜225沉积在沟槽内，接着处理沟槽内的金属膜225以形成膜230。可重复此沉积和处理工艺，直到形成具有高度H的膜230为止，高度H小于或等于特征210的深度。在一个实施例中，在重复的沉积和处理循环之后，膜230填充沟槽的容积的至少10％。在其他实施例中，膜230填充沟槽的容积的至少15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或100％。在一些实施例中，在重复的沉积和处理循环之后，形成于特征210中的膜230具有的高度H小于或等于特征210的深度的约98％、95％、90％、80％、70％、60％或50％。
尽管未示出，但处理方法可进一步包括：处理膜230以使膜材料体积膨胀而提供膨胀膜240，类似于图或2C图3D中描绘的工艺。膨胀膜240延伸超出基板的顶表面220。膨胀膜240包括金属氧化物。膨胀膜240形成自对准结构。在所有其他方面，处理膜230以形成膨胀膜240类似于针对图2C在上文描述的工艺。
一些实施例包括任选的处理工艺。此处理工艺处理膜230，以改进膜的一些参数。在一些实施例中，处理工艺包括将膜退火。在一些实施例中，可通过在使用于沉积和/或氧化的相同工艺腔室中的原位退火来进行处理。合适的退火工艺包括但不限于：快速热处理(RTP)或快速热退火(RTA)、尖波退火(spike anneal)、或UV固化、或电子束固化和/或激光退火。退火温度可在约500℃至900℃的范围内。在退火期间，环境的组成可包括H2、Ar、He、N2、NH3、SiH4等中的一者或多者。退火期间的压力可在约100毫托(mTorr)至约1atm的范围内。
根据一个或多个实施例，在形成层230或膨胀层240之前和/或之后，基板经受处理。可在相同腔室中或者在一个或多个分开的处理腔室中进行此处理。在一些实施例中，基板从第一腔室移动至分开的第二腔室，以进行进一步处理。基板可直接从第一腔室移动至分开的处理腔室，或者可从第一腔室移动至一个或多个传递腔室，并且接着移动至分开的处理腔室。因此，处理设备可以包括与传递站连通的多个腔室。此种设备可称为“群集工具”或“群集系统”等。
通常，群集工具是包括多个腔室的模块系统，所述多个腔室执行各种功能，包括基板中心找寻和定位、除气、退火、沉积和/或蚀刻。根据一个或多个实施例，群集工具包括至少第一腔室和中央传递腔室。中央传递腔室可容纳机器人，所述机器人可在处理腔室与装载锁定腔室之间与之中运送基板。传递腔室通常维持在真空状态，并且提供中间阶段用于将基板从一个腔室运送至另一个腔室和/或运送至定位在群集工具的前端处的装载锁定腔室。可供本发明采用的两种广为人知的群集工具为和两者可由加州圣克拉拉的应用材料公司获得。然而，腔室的确切布置和组合可变化，以用于执行本文所述工艺的特定步骤。可使用的其他处理腔室包括但不限于：循环层沉积(CLD)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、蚀刻、预清洁、化学清洁、诸如RTP之类的热处理、等离子体氮化、除气、定位、羟基化以及其他基板工艺。通过在群集工具的腔室中执行工艺，可避免大气杂质对基板的表面污染，而不用在沉积后续膜之前氧化。
根据一个或多个实施例，基板持续地处于真空或“装载锁定(load lock)”条件下，且当从一个腔室移动至下一个腔室时不暴露于周围空气。传递腔室因此处于真空下且被“泵回(pump down)”至真空压力下。惰性气体可存在于处理腔室或传递腔室中。在一些实施例中，惰性气体用于作为净化气体以移除一些或所有的反应物。根据一个或多个实施例，净化气体在沉积腔室的出口处注入，以防止反应物从沉积腔室移动至传递腔室和/或额外的处理腔室。因此，惰性气体的流动于腔室的出口处形成帘幕。
基板可在单个基板沉积腔室中处理，其中单个基板被加载、处理并且在另一基板被处理之前被卸载。也可以类似于输送带系统的连续方式来处理基板，其中多个基板单独地被加载到腔室的第一部分中、移动通过腔室并且从腔室的第二部分卸载。腔室与相关的输送带系统的形态可形成直线路径或弯曲路径。此外，处理腔室可为旋转转盘，其中多个基板绕中央轴移动，并且在穿过旋转转盘路径时暴露于沉积、蚀刻、退火、清洗等工艺。
在处理期间，可加热或冷却基板。此加热或冷却可通过任何合适方式而达成，包括但不限于：改变基板支撑件的温度，以及使加热或冷却的气体流至基板表面。在一些实施例中，基板支撑件包括加热器/冷却器，加热器/冷却器可被控制以传导地改变基板温度。在一个或多个实施例中，所利用的气体(无论是反应性气体或惰性气体)可被加热或冷却，以局部地改变基板温度。在一些实施例中，加热器/冷却器被定位在腔室内邻近于基板表面，以对流地改变基板温度。
基板在处理期间也可为固定或旋转的。旋转基板可连续地旋转或分段地旋转。例如，基板可在整个工艺期间旋转，或基板可在暴露于不同反应性气体或净化气体之间小量地旋转。在处理期间旋转基板(无论连续地或分段地)可通过最小化(例如)气体流动几何中的局部变动的效应，来有助于产生更均匀的沉积或蚀刻。
尽管工艺可称为氧化，本领域技术人员将理解到，本公开内容不限于氧化反应来使膜膨胀。使用氧化反应来描述多个实施例仅是为了方便，且不限制本公开内容的范围。
本说明书中的参照“一个实施例(one embodiment)”、“一些实施例”、“一个或多个实施例”或“一实施例(an embodiment)”意指关于此实施例所述的特定的特征、结构、材料、或特性被包括在本公开内容的至少一个实施例中。因此，在本说明书中的各种地方出现的词语，诸如“在一个或多个实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例(oneembodiment)中”或“在一实施例(an embodiment)中”并不一定指称本公开内容的相同的实施例。此外，特定的特征、结构、材料、或特性可以以任何合适方式被组合在一个或多个实施例中。
尽管已参照特定实施例描述本文中的本公开内容，但将理解到这些实施例仅阐明了本公开内容的原理和应用。在不背离本公开内容的精神和范围的情况下可对本公开内容的方法和设备进行各种修改和变化，这对于本领域技术人员而言为明显的。因此，本公开内容包括在所附权利要求的范围内的修改和变化及其等效者。

Claims (20)

1.一种产生金属氧化物的自对准结构的方法，所述方法包括：
提供基板，所述基板具有基板表面，所述基板表面具有形成于所述基板表面中的至少一个特征，所述至少一个特征从所述基板表面延伸进入所述基板一距离并且具有侧壁和底部；
在所述基板表面上并且在所述至少一个特征中形成金属次氧化物膜；
从所述至少一个特征的外侧的所述基板表面去除所述金属次氧化物膜；以及
氧化所述金属次氧化物膜，以形成从所述至少一个特征膨胀的金属氧化物的自对准结构，所述金属次氧化物膜具有平均金属氧化态，所述平均金属氧化态在大于0至小于所述金属氧化物的平均金属氧化态的范围内。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述金属次氧化物膜具有小于或等于所述金属氧化物的平均金属氧化态的约80％的平均金属氧化态。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述自对准结构基本上正交于所述基板表面。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述金属次氧化物膜包括：金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物或金属硅化物中的一者或多者。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述金属次氧化物膜基本上由金属氮化物组成。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述金属氧化物的金属是钨。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述金属氧化物是WO3。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述金属次氧化物膜具有小于或等于约1:2.8的钨比氧比率。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述自对准结构具有大于或等于约1:2.85的钨比氧比率。
10.一种产生金属氧化物的自对准结构的方法，所述方法包括：
提供基板，所述基板具有基板表面，所述基板表面具有形成于所述基板表面中的至少一个特征，所述至少一个特征从所述基板表面延伸进入所述基板一距离并具有侧壁和底部；
在所述基板表面上并且在所述至少一个特征中形成金属膜；
处理所述金属膜，以在所述基板表面上并且在所述至少一个特征中形成金属次氧化物膜；
从所述至少一个特征的外侧的所述基板表面去除所述金属次氧化物膜；以及
氧化所述金属次氧化物膜，以形成从所述至少一个特征膨胀的金属氧化物的自对准结构，所述金属次氧化物膜具有平均金属氧化态，所述平均金属氧化态在大于0至小于所述金属氧化物的平均金属氧化态的范围内。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述金属次氧化物膜具有小于或等于所述金属氧化物的平均金属氧化态的约80％的平均金属氧化态。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述自对准结构基本上正交于所述基板表面。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述金属次氧化物膜基本上由金属氮化物组成。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述金属氧化物的金属是钨。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述金属氧化物是WO3。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述金属次氧化物膜具有小于或等于约1:2.8的钨比氧比率。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述自对准结构具有大于或等于约1:2.85的钨比氧比率。
18.如权利要求10所述的方法，其中在处理所述金属膜以形成所述金属次氧化物膜之前，所述金属膜填充所述至少一个特征。
19.如权利要求10所述的方法，其中所述金属膜部分地填充所述至少一个特征，所述金属膜经处理以形成金属次氧化物膜，并且所述方法进一步包括：重复所述金属膜的形成和所述金属膜的处理，以形成所述金属次氧化物膜，直到所述金属次氧化物膜填充所述至少一个特征为止。
20.一种产生金属氧化物的自对准结构的方法，所述方法包括：
(A)提供基板，所述基板具有基板表面，所述基板表面具有形成于所述基板表面中的至少一个特征，所述至少一个特征从所述基板表面延伸进入所述基板一距离并且具有侧壁和底部；
(B)在所述基板表面上形成金属膜，所述金属膜部分地填充所述至少一个特征；
(C)处理所述金属膜，以形成金属次氧化物膜；
(D)重复(B)以及(C)，直到已填充所述至少一个特征的预定容积为止；
(E)从所述至少一个特征的外侧的所述基板表面去除所述金属次氧化物膜；以及
(F)氧化所述金属次氧化物膜，以形成从所述至少一个特征膨胀的金属氧化物的自对准结构，所述金属次氧化物膜具有平均金属氧化态，所述平均金属氧化态在大于0至小于所述金属氧化物的平均金属氧化态的范围内。
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