TWI760481B - 用於氧化鎢柱形成之簡化製程流程的鎢選擇性沉積 - Google Patents
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Abstract
描述包括沉積膜材料以在基板表面中之溝槽中形成初始膜的方法。處理膜以使膜膨脹而增長超出基板表面。
Description
本揭露內容大致關於沉積與處理薄膜的方法。明確地說,揭露內容關於填充基板中之溝槽的製程。
半導體產業正快速開發電晶體尺寸越來越小的晶片,以獲得更大的單位面積功能性。隨著元件尺寸持續縮小,元件之間的間隙/空間也在不斷縮小,這增加了將元件彼此物理隔離的難度。在通常為不規則形狀的高品質介電材料的元件之間的高深寬比溝槽/空間/間隙中填充正在成為以包括間隙填充、硬遮罩與間隔物應用的現有方法的實施的越來越大的挑戰。選擇性沉積方法通常包括沉積遮罩材料於基板上並圖案化遮罩材料以形成圖案化的遮罩。在遮罩的圖案化後,可接著透過圖案化的遮罩暴露基板的區域。可自基板移除圖案化的遮罩以暴露基板的未植入區域並可在基板的選擇區域上選擇性沉積材料。
本領域需要具有較小臨界尺寸的晶片設計的新方法。此外,對於硬遮罩與間隔物應用以及形成圖案化膜於基板的方法持續需要高品質的金屬氧化物膜。
揭露內容的一個或多個實施例關於包括提供具有至少一個溝槽的基板表面的處理方法。至少一個溝槽從基板表面延伸至底面的深度並且具有由第一側壁和第二側壁界定的寬度。選擇性地沉積膜材料以實質上僅在溝槽中形成膜。膜具有膜材料體積並包括選自Co、Cr、Fe、Mn、Nb、Os、Ta、U、W、V所構成之群組的材料。處理膜以膨脹膜材料體積而提供延伸超出基板表面的膨脹膜。
揭露內容的額外實施例關於包括提供具有至少一個溝槽的基板表面的處理方法。至少一個溝槽從基板表面延伸至底面的深度並且具有由第一側壁和第二側壁界定的寬度。選擇性地沉積膜材料以在溝槽中而不在基板表面上形成具有膜材料體積的初始膜。膜材料具有大於2的Pilling-Bedworth比例且包括選自Co、Cr、Fe、Mn、Nb、Os、Ta、U、W、V所構成之群組的材料。處理初始膜以形成選自Co、Cr、Fe、Mn、Nb、Os、Ta、U、W、V所構成之群組的金屬的氮化物,而膨脹膜材料體積以提供延伸超出基板表面的膨脹膜。
揭露內容的進一步實施例關於包括提供具有至少一個溝槽的基板表面的處理方法。至少一個溝槽從基板表面延伸至底面的深度並且具有由第一側壁和第二側壁界定的寬度。選擇性地沉積膜材料以在溝槽中而不在基板表面上形成具有膜材料體積的初始膜。膜材料具有大於2的Pilling-Bedworth比例且包括選自Co、Cr、Fe、Mn、Nb、Os、Ta、U、V所構成之群組的材料。處理初始膜以形成選自Co、Cr、Fe、Mn、Nb、Os、Ta、U、V所構成之群組的金屬的氧化物,而膨脹膜材料體積以提供延伸超出基板表面的膨脹膜。
在描述揭露內容的多個示範性實施例之前,應理解揭露內容不限於下方描述中提出的構造或製程步驟的細節。揭露內容能夠具有其他實施例並且能夠以多種方式來實踐或執行。
本文所用之「基板」指的是在製造製程過程中在其上進行膜處理的任何基板或形成在基板上的材料表面。舉例而言,在其上進行處理的基板表面包括的材料諸如矽、氧化矽、應變矽、絕緣體上矽(SOI)、摻雜碳的氧化矽、非晶矽、摻雜矽、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石與任何其他材料,諸如金屬、金屬氮化物、金屬合金與其他傳導材料,取決於應用。基板包括(不限於)半導體晶圓。基板可暴露至預處理製程以研磨、蝕刻、還原、氧化、羥化、退火、UV固化、電子束固化與/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身的表面上的膜處理以外,如下面更詳細地揭露,在本揭露內容中所揭露的膜處理步驟的任何一個也可以在基板上形成的底層上執行,而詞彙「基板表面」意圖包括如上下文所指的底層。因此舉例而言,當膜/層或部分膜/層已經沉積至基板表面上時,新沉積膜/層的暴露表面變成基板表面。
揭露內容的一個或多個實施例關於用於任何共形、非共形與/或低至高深寬比間隙/溝槽/孔隙填充應用的沉積金屬氧化物膜的方法。揭露內容的實施例有利地提供在具有小尺寸的高深寬比(AR)結構中沉積膜(例如,金屬氧化物膜)的方法。揭露內容的某些實施例有利地提供填充間隙而不在間隙中形成接縫的方法。揭露內容的一個或多個實施例有利地提供形成自對準通孔的方法。
氧化鎢柱可以在特徵中形成用於自對準圖案化應用。共形鎢ALD膜可被用來填充溝槽。在填充溝槽後,藉由化學機械研磨(CMP)製程移除過載(即,沉積在溝槽外部的基板的頂部上的鎢)以分隔鎢線。可用氧化氛圍退火得到的鎢線以形成氧化鎢柱。此方法的一個缺點是要使用濕製程(CMP)化學機械研磨來移除過載。這降低產率並使得缺陷控制更加困難。
圖1圖示具有特徵110的基板100的部分橫剖面圖。出於說明目的,圖式顯示具有單一特徵的基板;然而,熟悉技術人士將理解可具有超過一個特徵。特徵110的形狀可為任何適當形狀,包括(但不限於)溝槽與圓柱形通孔。在特定實施例中,特徵110為溝槽。就此而言,詞彙「特徵」意指任何有意的表面不規則性。特徵的適當實施例包括(但不限於)具有頂部、兩個側壁與底部的溝槽、具有頂部與兩個自表面向上延伸的側壁的峰部、具有自表面向下延伸的側壁且具有開放底部的通孔。特徵或溝槽可具有任何適當深寬比(特徵的深度比上特徵的寬度的比例)。在某些實施例中,深寬比大於或等於約5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1。
基板100具有頂表面120。至少一個特徵110在頂表面120中形成開口。特徵110自頂表面120延伸至深度D而至底面112。特徵110具有界定特徵110的寬度W的第一側壁114與第二側壁116。由側壁與底部形成的開放區域亦稱為間隙。
參照圖2A至2C,提供基板100用於處理。就此而言,詞彙「提供」是指將基板置於進一步處理的位置或環境中。圖2A中描繪的基板100具有第一表面150與第二表面160。第一表面150與第二表面160為基板100上的不同表面材料。以底部112為第一表面150而側壁114、116與頂表面120為第二表面來形成特徵110。
在圖2B中,膜130相對於第二表面160選擇性地形成於第一表面150上。膜130可為任何適當製程形成的任何適當膜,適當製程包括(但不限於)化學氣相沉積、電漿輔助化學氣相沉積、原子層沉積、電漿輔助原子層沉積與/或物理氣相沉積。在某些實施例中,藉由原子層沉積或電漿輔助原子層沉積來形成膜130。
第一表面150與第二表面160的材料可經選擇以允許相對於其他表面在一表面上的膜130的選擇性沉積。在圖示實施例中,膜130形成於第一表面150上而非第二表面160上。然而,熟悉技術人士將理解膜可選擇性地形成於第二表面上而非第一表面上。
根據所示的實施例,處理方法包括在溝槽中選擇性地沉積膜130至小於或等於特徵110的深度D的高度H。膜可為任何適當材料,包括(但不限於) Co、Cr、Fe、Mn、Nb、Os、Ta、U、W、V。
處理方法進一步包括處理膜130以膨脹膜材料體積而提供如圖2C中所示的膨脹膜140。膨脹膜140延伸超出基板表面120。
在一個實施例中,膜130填充溝槽的體積的至少10%。在其他實施例中,膜130填充溝槽的體積的至少15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%。在某些實施例中,特徵110中沉積的膜130的高度H小於或等於特徵110的深度D的約98%、95%、90%、80%、70%、60%、50%。
在所示的實施例中,膜自第一側壁114延伸至第二側壁。在一個或多個實施例中,處理膜造成膜體積增加至少10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、150%、200%、250%、300%、350%、400%。當以膜130填充複數個特徵110(未圖示)時,可形成複數個柱145以提供圖案且不使用遮罩。
在一個實施例中,處理膜130包括暴露膜至氧化環境。在處理初始膜包括暴露初始膜至氧化環境的實施例中,膨脹膜140包括選自CoO、Fe2
O3
、Fe3
O4
、MnO2
、Mn2
O3
、Mn3
O4
、MoO3
、Nb2
O5
、Ta2
O5
、OsO2
、UO2
、V2
O5
所構成之群組的材料。
在某些實施例中,處理膜130包括暴露初始膜至氮化環境。在暴露初始膜至氮化環境的實施例中,膜材料選自Cr、Mo、Os所構成之群組。在上述實施例中,膨脹膜包括選自CrN2
、MoN2
、OsN2
所構成之群組的材料。
在某些實施例中,處理膜130包括暴露初始膜至氧化劑與/或氮化劑,氧化劑包括O2
、O3
、N2
O、H2
O、H2
O2
、CO、CO2
、NH3
、N2
/Ar、N2
/He、N2
/Ar/He的一者或多者,氮化劑包括氨、聯胺、NO2
、氮電漿的一者或多者。
在某些實施例中,處理初始膜發生在低於或等於約450℃、400℃、350℃、300℃、250℃、200℃的溫度下。在某些實施例中,膜130為在約150℃至約200℃範圍中的溫度下形成的鎢膜。
在某些實施例中,膜130為金屬膜或含金屬膜。適當金屬膜包括(但不限於) Pilling-Bedworth比例大於2、大於2.25、大於2.5的金屬。Pilling-Bedworth比例指的是金屬氧化物或金屬氮化物的基本晶格的體積比上與氧化物或氮化物形成相對應的金屬的基本晶格的體積的比例。Pilling-Bedworth比例界定成V氧化物
/V金屬
或V氮化物
/V金屬
,其中V為體積。為了確定金屬氧化物的Pilling-Bedworth比例,V氧化物
等於金屬氧化物的分子質量乘以金屬的密度,而V金屬
等於每一個氧化物分子的金屬的原子數乘以金屬的原子質量乘以氧化物的密度。為了確定金屬氮化物的Pilling-Bedworth比例,V氮化物
等於金屬氮化物的分子質量乘以金屬的密度,而V金屬
等於每一個氮化物分子的金屬的原子數乘以金屬的原子質量乘以氮化物的密度。上述膜的實施例包括Co、Mo、W、Ta、Ti、Ru、Rh、Cu、Fe、Mn、V、Nb、Hf、Zr、Y、Al、Sn、Cr、Os、U與/或La的一者或多者。在某些實施例中,金屬選自Co、Fe、Mn、Nb、Os、Ta、U、V所構成之群組。在某些實施例中,金屬的Pilling-Bedworth比例大於2.5且選自Mo、Os、V所構成之群組。在某些特定實施例中,金屬膜包括鎢。在某些特定實施例中,金屬膜排除鎢。適當含金屬膜包括金屬衍生物膜。適當金屬衍生物膜包括(但不限於)氮化物、硼化物、碳化物、氮氧化物、氧硼化物、氧碳化物、碳氮化物、硼碳化物、硼氮化物、硼碳氮化物、硼氧碳氮化物、氧碳氮化物、硼氧碳化物與硼氧氮化物。熟悉技術人士將理解沉積的金屬膜可在金屬膜中具有非化學計量的原子數量。舉例而言,標示為WN的膜可具有不同數量的鎢與氮。舉例而言,WN膜可為90原子%鎢。使用WN來描述鎢氮化物膜意味著膜包括鎢和氮原子,並且不應被視為將膜限制到特定組成。在某些實施例中,膜基本上由指定的原子組成。舉例而言,基本上由WN組成的膜意味著膜的組成為大於或等於約95%、98%、99%的鎢與氮原子。在某些實施例中,膜130包括鎢。在某些實施例中,膜130基本上由鎢所組成。在一個或多個實施例中,膜包括鈦。在某些實施例中,膜基本上由鈦或氮化鈦所組成。
在某些實施例中,膜130實質上無縫地形成在特徵110中。在某些實施例中,接縫可形成在特徵110的寬度W中。接縫可為形成在特徵110的壁114、116之間的任何間隙、空間或孔隙。
在某些實施例中,實質上所有的膜130形成在特徵110中。就這一點而言,詞彙「實質上所有」是指載重量基礎上大於或等於約95%、98%、99%的膜形成於特徵110中。若膜130形成於頂表面120上,可藉由任何適當蝕刻製程自頂表面120移除膜130。
接著可膨脹膜130以造成體積膨脹來填充特徵並允許膜130自特徵延伸。如圖2C中所示,膨脹膜造成原始膜130的體積膨脹以填充特徵。膜130的膨脹可在約10%至約1000%的範圍中或在約50%至約800%的範圍中或在約100%至約700%的範圍中。在某些實施例中,膜130膨脹的量大於或等於約150%、200%、250%、300%、350%。在某些實施例中,膜130膨脹的量在約300%至約400%的範圍中。
在某些實施例中,藉由暴露至矽化劑或矽化條件以轉換金屬或含金屬膜至金屬矽化物膜來膨脹膜130。矽化劑可為任何適當的矽化劑,包括(但不限於)矽烷、二矽烷、三矽烷、四矽烷、五矽烷、六矽烷、三甲基矽烷、具有三甲基矽基取代基的化合物與上述之組合。在某些實施例中,矽化條件包括熱矽化、電漿輔助矽化、遠端電漿矽化、微波與射頻(諸如,ICP、CCP)。
在某些實施例中,藉由暴露至鍺劑或鍺化條件以轉換金屬或含金屬膜至金屬鍺化物膜來膨脹膜130。鍺化劑可為任何適當的鍺化劑,包括(但不限於)鍺烷、二鍺烷、三鍺烷、四鍺烷、五鍺烷、六鍺烷、三甲基鍺、具有三甲基鍺基取代基的化合物與上述之組合。在某些實施例中,鍺化條件包括熱鍺化、電漿輔助鍺化、遠端電漿鍺化、微波與射頻(諸如,ICP、CCP)。
如圖2C中所示,膨脹過程中,保持特徵形狀的保真度於特徵的頂部上,使得膜130從特徵110直線向上生長。就這一點而言,「直線向上」意味著膨脹膜140的側面與特徵110的側壁114,116實質上共面。在側壁114與表面的接合處形成的角度為±10°時表面與側壁114共面。
在某些實施例中,在膨脹前以摻雜劑摻雜膜130。可以在形成膜130的同時或者與膜沉積依序地在單獨的製程中將摻雜劑併入膜130中。舉例而言,可在相同製程腔室或不同製程腔室中以單獨的製程發生沉積膜130接著藉由以摻雜劑摻雜膜130。在某些實施例中,在單一製程中伴隨著摻雜發生膜130的沉積。舉例而言,可將膜前驅物與摻雜劑共同流入處理腔室中以形成膜130。
某些實施例包括選擇性處理製程。處理製程處理膜130以改善膜的某些參數。在某些實施例中,處理製程包括退火膜。在某些實施例中,可藉由在用於沉積與/或還原的相同製程腔室中原位退火來執行處理。適當退火製程包括(但不限於)快速熱處理(RTP)或快速熱退火(RTA)、尖波退火、UV固化、或電子束固化與/或雷射退火。退火溫度可在約500℃至900℃的範圍中。退火過程中環境的組成可包括H2
、Ar、He、N2
、NH3
、SiH4
等等的一者或多者。退火過程的壓力可在約100毫托至約1大氣壓的範圍中。
根據一個或多個實施例,基板在形成層之前與/或之後接受處理。可在相同腔室或在一個或多個單獨處理腔室中執行此處理。在某些實施例中,將基板自第一腔室移動至單獨第二腔室以進行進一步處理。基板可自第一腔室直接移動至單獨處理腔室,或者基板可自第一腔室移動至一個或多個移送腔室,並接著移動至單獨處理腔室。因此,處理設備可包括與移送站連通的多個腔室。此類設備可被稱為「群集工具」或「群集系統」等等。
一般而言,群集工具為包括多個腔室的模組系統,多個腔室執行多個功能,包括基板中心發現與定向、除氣、退火、沉積與/或蝕刻。根據一個或多個實施例,群集工具包括至少一第一腔室與中央移送腔室。中央移送腔室可容納機器人,機器人可以在處理腔室和裝載閘腔室之間穿梭基板。移送腔室通常維持在真空條件下,並提供中間平臺以由一個腔室穿梭基板至另一個腔室與/或位於群集工具的前端的裝載閘腔室。可適用於本發明的兩個習知群集工具為Centura®
與Endura®
,兩者皆可自Applied Materails, Inc. (Santa Clara, Calif)取得。然而,為了執行本文所述的製程的特定步驟,可以改變腔室的確切佈置和組合。可用的其他製程腔室包括(但不限於)循環層沉積(CLD)、原子層沉積(ALD)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、蝕刻、預清洗、化學清洗、熱處理(例如,RTP)、電漿氮化、除氣、定向、羥化與其他基板製程。藉由在群集工具上腔室中執行製程,在沉積後續的膜之前,可以避免基板與大氣雜質的表面污染物沒有氧化。
根據一個或多個實施例,基板持續處於真空或「裝載閘」條件下,且在由一個腔室移動至下一個腔室時未暴露至周遭空氣。移送腔室因此處於真空下並在真空壓力下「抽空」。惰性氣體可存在於處理腔室或移送腔室中。在某些實施例中,惰性氣體用來作為淨化氣體以移除某些或全部的反應物。根據一個或多個實施例,在沉積腔室的出口處注射淨化氣體以避免反應物自沉積腔室移動至移送腔室與/或額外的處理腔室。因此,惰性氣體的流動在腔室的出口處形成氣簾。
可在單一基板沉積腔室中處理基板,其中在處理另一個基板之前裝載、處理與卸載單一基板。亦可用相似於輸送系統的連續方式處理基板,其中多個基板各自地裝載至腔室的第一部分中、移動通過腔室並自腔室的第二部分卸載。腔室的形狀與相關輸送系統可形成直線路徑或彎曲路徑。此外,處理腔室可為旋轉料架,其中多個基板圍繞中央軸移動並透過旋轉料架路徑暴露至沉積、蝕刻、退火、清洗等製程。
處理過程中,可加熱或冷卻基板。可藉由任何適當手段來達成上述加熱或冷卻,適當手段包括(但不限於)改變基板支撐件的溫度與流動加熱或冷卻氣體至基板表面。在某些實施例中,基板支撐件包括加熱器/冷卻器,加熱器/冷卻器可經控制以傳導地改變基板溫度。在一個或多個實施例中,可加熱或冷卻應用的氣體(反性氣體或惰性氣體任一者)以局部地改變基板溫度。在某些實施例中,加熱器/冷卻器配置在腔室中且鄰近基板表面以對流性地改變基板溫度。
可在處理過程中固定或旋轉基板。旋轉基板可連續或分步地旋轉。舉例而言,基板可在整個製程中旋轉,或者基板可在暴露至不同的反應性氣體或淨化氣體之間少量地旋轉。在處理過程中旋轉(持續或分步任一者)基板藉由最小化例如氣流幾何形狀中的局部變化的影響而有助於產生更均勻的沉積或蝕刻。
此說明書通篇中提及「一個實施例」、「某些實施例」、「一個或多個實施例」或「實施例」意謂著結合該實施例描述的特定特徵、結構、材料或特性包括在揭露內容的至少一個實施例中。因此,此說明書通篇中多個地方出現的諸如「在一個或多個實施例」、「在某些實施例中」、「在一個實施例中」、「在實施例中」的詞組並非必然指的是揭露內容的相同實施例。再者,可用任何適當方式組合一個或多個實施例中的特定特徵、結構、材料或特性。
雖然已經參照特定實施例描述本文的揭露內容,但可理解這些實施例僅僅是本揭露內容的原理和應用的說明。熟悉技術人士清楚得知可在不悖離揭露內容的精神與範圍的情況下對本揭露內容的方法與設備進行多個修飾與變化。因此,意圖是本揭露內容包括所附申請專利範圍及其等效物的範圍中的修飾與變化。
100‧‧‧基板110‧‧‧特徵112‧‧‧底面114‧‧‧第一側壁116‧‧‧第二側壁120‧‧‧頂表面130‧‧‧膜140‧‧‧膨脹膜145‧‧‧柱150‧‧‧第一表面160‧‧‧第二表面D‧‧‧深度H‧‧‧深度W‧‧‧寬度
為了可詳細地理解本揭露內容的上方記載特徵,可藉由參照實施例(某些描繪於附圖中)而取得揭露內容更特定的描述內容(簡短概述於上)。然而,值得注意的是附圖僅描繪此揭露內容的典型實施例並因此不被視為限制範圍,因為此揭露內容可允許其他等效性實施例。
圖1圖示根據揭露內容的一個或多個實施例的基板特徵的橫剖面圖;及
圖2A至2C圖示根據揭露內容的一個或多個實施例的間隙填充製程的橫剖面圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100‧‧‧基板
120‧‧‧頂表面
140‧‧‧膨脹膜
145‧‧‧柱
150‧‧‧第一表面
160‧‧‧第二表面
H‧‧‧深度
Claims (9)
- 一種膜處理方法,包括以下步驟:提供一具有至少一個溝槽的基板表面,該至少一個溝槽自該基板表面延伸一深度至一底面,該至少一個溝槽具有一由一第一側壁與一第二側壁所界定的寬度;選擇性沉積一膜材料以實質上僅在該溝槽中形成一膜,該膜具有一膜材料體積且包括一選自Cr、Mo、Os所構成之群組的材料,其中該膜的一高度小於或等於該溝槽的該深度的約98%;及處理該膜以膨脹該膜材料體積好提供一延伸超出該基板表面的膨脹膜,其中該膜材料體積增加至少100%。
- 如請求項1所述之方法,其中處理該膜之步驟包括暴露該膜至一氮化環境。
- 如請求項1所述之方法,其中該膨脹膜包括一選自CrN2、MoN2、OsN2所構成之群組的材料。
- 如請求項1所述之方法,其中處理該膜之步驟包括暴露該膜至一氧化劑與/或一氮化劑,該氧化劑包括O2、O3、N2O、H2O、H2O2、CO、CO2、NH3、N2/Ar、N2/He、N2/Ar/He的一者或多者,而該氮化劑包括氨、聯胺、NO2、氮電漿的一者或多者。
- 如請求項1所述之方法,其中處理該膜發生在一小於或等於約400℃的溫度下。
- 如請求項5所述之方法,其中處理該膜發生在一小於或等於約350℃的溫度下。
- 如請求項6所述之方法,其中處理該膜發生在一小於或等於約300℃的溫度下。
- 一種膜處理方法,包括以下步驟:提供一具有至少一個溝槽的基板表面,該至少一個溝槽自該基板表面延伸一深度至一底面,該至少一個溝槽具有一由一第一側壁與一第二側壁所界定的寬度;選擇性沉積一膜材料以在該溝槽中而不在該基板表面上形成一具有一膜材料體積的初始膜,該膜材料的一Pilling-Bedworth比例大於2,且該膜材料包括一選自Cr、Mo、Os所構成之群組的材料,其中該膜的一高度小於或等於該溝槽的該深度的約98%;及處理該初始膜以形成一選自Cr、Mo、Os所構成之群組的一金屬的氮化物,以膨脹該膜材料體積好提供一延伸超出該基板表面的膨脹膜,其中該膜材料體積增加至少100%。
- 如請求項8所述之方法,其中該膨脹膜包括一選自CrN2、MoN2、OsN2所構成之群組的材料。
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