用于無孔隙鈷間隙填充的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】 本發(fā)明總體上設(shè)及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，具體設(shè)及無空隙鉆間隙填充的方法。
【背景技術(shù)】
[0001] 半導(dǎo)體設(shè)備制造經(jīng)常設(shè)及含鶴材料的沉積，W用于相鄰的金屬層之間的水平互 連、通孔、W及娃襯底上的第一金屬層與設(shè)備之間的觸點(diǎn)。在常規(guī)沉積處理中，通過將襯底 暴露至含鶴前體和還原劑中，鶴在化學(xué)氣相沉積（CVD)處理中沉積。
[0002] 然而，隨著設(shè)備縮小，特征變得更窄并且深寬比顯著增加，導(dǎo)致在沉積鶴中存在各 種挑戰(zhàn)。結(jié)果，謀求替代的材料來填充特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本文提供的是沉積鉆膜的方法。一個(gè)方面設(shè)及一種處理半導(dǎo)體襯底的方法，其包 括：(a)提供具有一個(gè)或一個(gè)W上的特征的襯底，每個(gè)特征包括特征開口；化）在特征開口 或者其附近的一個(gè)或一個(gè)W上的特征的表面選擇性抑制鉆核化，使得每個(gè)特征中有差分抑 審IJ輪廓；化及（C)依據(jù)差分抑制輪廓在特征中沉積鉆。方法可W在低于約400°C的溫度下 執(zhí)行。
[0004] 在一些實(shí)施例中，方法還包含在選擇性抑制鉆核化之前，在特征上沉積阻擋層。在 一些實(shí)施例中，阻擋層從如下群組中選擇：氮化鐵、氮化鶴和氮化鉆。 陽〇化]在一些實(shí)施例中，方法還包含：在選擇性抑制鉆核化之前，將襯底暴露至含鉆前體 來部分填充一個(gè)或一個(gè)W上的特征。
[0006] 在一些實(shí)施例中，含鉆前體從如下物質(zhì)中選擇：二幾基環(huán)戊二締鉆、幾基鉆、各 種脈基鉆（cobalt amidinate)前體、二氮雜二締鉆復(fù)合物、脈基鉆/脈基鉆（cobalt guanidinate)前體和其組合。
[0007] 在各種實(shí)施例中，特征開口或者其附近的特征的表面包含特征側(cè)壁的頂部約10 % 至約50%。在一些實(shí)施例中，選擇性抑制鉆核化還包含將襯底暴露至從含氮?dú)怏w產(chǎn)生的等 離子體。襯底可W暴露至從含氮?dú)怏w產(chǎn)生的等離子體的時(shí)間小于約300秒。在一些實(shí)施例 中，等離子體是方向性的。
[0008] 在多種實(shí)施例中，特征包含內(nèi)凹的輪廓。在一些實(shí)施例中，在（C)中沉積鉆包含將 襯底暴露至含鉆前體和還原劑。在一些實(shí)施例中，（C)由化學(xué)氣相沉積執(zhí)行。特征開口可 W小于約SXnm且特征包含至少約為1. 5 :1的深寬比。
[0009] 另一個(gè)方面設(shè)及一種處理半導(dǎo)體襯底的方法，包括：(a)提供包含特征的襯底，所 述特征具有一個(gè)或一個(gè)W上的特征，每個(gè)特征包括特征開口； (b)將襯底暴露至含鉆前體 來部分填充特征；（C)將襯底暴露至含氮?dú)怏w和等離子體；（d)可選地重復(fù)化）與（C) ; W及 (e)依據(jù)差分抑制輪廓在特征中沉積鉆。在一些實(shí)施例中，方法在低于約400°C的溫度下執(zhí) 行。
[0010] 在一些實(shí)施例中，含鉆前體從如下物質(zhì)中選擇：二幾基環(huán)戊二締鉆、幾基鉆、各種 脈基鉆前體、二氮雜二締鉆復(fù)合物、脈基鉆/脈基鉆前體和其組合。
[0011] 在各種實(shí)施例中，特征開口或者其附近的特征的表面包含特征側(cè)壁的頂部約10 % 至約50%。
[0012] 另一個(gè)方面設(shè)及一種用于處理半導(dǎo)體襯底的裝置，其包括：一個(gè)或一個(gè)W上的處 理室；一個(gè)或一個(gè)W上的氣體入口，其通向處理室內(nèi)，與流動(dòng)控制硬件關(guān)聯(lián)；方向性等離子 體產(chǎn)生器；W及控制器，具有至少一個(gè)處理器和存儲(chǔ)器，使得至少一個(gè)處理器和存儲(chǔ)器可通 信地彼此連接，至少一個(gè)處理器至少可操作地與流動(dòng)控制硬件和等離子體產(chǎn)生器連接，并 且存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用于W下操作的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令：（a)將含鉆前體和還原劑導(dǎo)入至室，化） 點(diǎn)燃等離子體并將含氮?dú)怏w導(dǎo)入至室，（C)可選地重復(fù)（a)與化）；W及（d)將含鉆前體和 還原劑導(dǎo)入至室來形成鉆膜，其中襯底包括具有內(nèi)凹輪廓的特征。在一些實(shí)施例中，等離子 體功率在約50W和約5000W之間。
[0013] 下文參考附圖進(jìn)一步說明運(yùn)些和其他方面。
【附圖說明】
[0014] 圖IA - IC是填充到特征中的鉆的示意圖。
[0015] 圖2是繪出依據(jù)公開的實(shí)施例的方法的處理流程圖。
[0016] 圖3A - 3G是依據(jù)公開的實(shí)施例填充有鉆的特征的示意圖。
[0017] 圖4A - 4H是依據(jù)公開的實(shí)施例填充有鉆的特征的示意圖。
[0018] 圖5是依據(jù)公開的實(shí)施例的適于沉積和/或等離子體處理工藝的處理室的示意 圖。
[0019] 圖6是依據(jù)公開的實(shí)施例的適于沉積處理的處理裝置的示意圖。
[0020] 圖7和8是繪出依據(jù)公開的實(shí)施例的來自沉積鉆的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的繪圖。
[0021] 圖9A是填充有鉆的特征的沈M圖像。 陽02引圖9B是依據(jù)公開的實(shí)施例的填充有鉆的特征的SEM圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 在下面的說明中，記載了大量具體細(xì)節(jié)W提供對呈現(xiàn)的實(shí)施例的徹底理解。公開 的實(shí)施例可W在沒有運(yùn)些具體細(xì)節(jié)中的一些或者所有的情況下付諸實(shí)踐。在其他實(shí)例中， 沒有具體說明周知處理操作，W免不必要地模糊公開的實(shí)施例。盡管將結(jié)合具體實(shí)施例來 說明公開的實(shí)施例，但要理解的是運(yùn)不意圖限制公開的實(shí)施例。
[0024] 在半導(dǎo)體制造中，特征可W填充有導(dǎo)電材料。例如，鶴經(jīng)常填充在特征中來形成觸 點(diǎn)（諸如在前端制程（FEOL)應(yīng)用中）。
[00對然而，隨著設(shè)備縮小，深寬比增加，并且更小的特征被用于形成觸點(diǎn)。在很多應(yīng)用 中，替代的導(dǎo)電材料（諸如鉆）可W被用于形成觸點(diǎn)或者填充特征。
[00%] 常規(guī)的半導(dǎo)體制造中的鉆沉積包含電鍛。在鉆電鍛中，一些厚度的金屬首先沉積 在特征中，使得金屬充分導(dǎo)電，運(yùn)許可電流在電鍛處理中允許特征中金屬的生長。運(yùn)樣的晶 種層可W具有某一最大電阻。濕基鉆特征填充處理（諸如電鍛）典型地設(shè)及在與晶種層的 沉積工具不同的工具中的特征填充，運(yùn)增加了處理的復(fù)雜性和制造成本。
[0027] 鉆還可W由原子層沉積（ALD)或者化學(xué)氣相沉積（CVD)來沉積。在常規(guī)ALD或者 CVD中，由于特征輪廓，孔隙可能形成在特征中。圖IA是襯底102中運(yùn)樣的特征100的示例 的不意圖。襯底可W是娃晶片（例如20〇-mm晶片、30〇-mm晶片、45〇-mm晶片），包含上面沉 積有一個(gè)或一個(gè)W上的材料層（諸如電介質(zhì)材料、導(dǎo)電材料、或者半導(dǎo)電材料）的晶片。特 征可W通過窄和/或內(nèi)凹的開口、特征內(nèi)的收縮、W及高深寬比中的一個(gè)或一個(gè)W上表征。 在一些實(shí)施例中，特征100可W具有的深寬比為至少約2 :1，至少約10 :1，至少約15 :1，至 少約20 :1或更高。特征孔105還可W具有少于約19皿的開口附近（例如開口直徑或者線 寬、或者開口寬度、或者關(guān)鍵尺寸）的尺寸，另外已知特征寬度少于IX皿。特征100能夠被 稱作未填充的特征或者僅僅稱作特征。該特征和任何特征通過穿過特征的長度延伸的軸線 部分地表征，其包括具有垂直軸線的垂直取向的特征、W及具有水平軸線的水平取向的特 征。
[0028] 如圖所示，襯底102包含特征100,其具有比特征的底的寬度窄的特征開口 110。圖 IA中的特征100包含內(nèi)凹的輪廓。內(nèi)凹的輪廓是如下輪廓：從底部、封閉端、或者特征的內(nèi) 部到特征開口變窄。根據(jù)多種實(shí)施例，輪廓可W逐步變窄和/或在特征開口處包含突出部。 圖IA所示的內(nèi)凹的圖案可W在圖案化和/或由于先前的膜沉積（諸如擴(kuò)散阻擋的沉積） 中的非共形膜階梯覆蓋導(dǎo)致的突出部期間，由非對稱蝕刻動(dòng)能產(chǎn)生。在各種示例中，特征可 W在特征的頂部的開口處具有比特征的底的寬度小的寬度。圖IB是共形沉積到特征100 中的阻擋層104的示意圖。在沉積了阻擋層104之后，由ALD或者CVD進(jìn)行的鉆的常規(guī)沉 積在特征100中形成共形鉆膜。圖IC是由常規(guī)ALD或者CVD方法填充有鉆106的特征100 的示意圖。由于共形階梯覆蓋，鉆膜106在內(nèi)凹的圖案入口中具有夾斷，并導(dǎo)致在特征100 的圖案內(nèi)形成孔隙160。鉆夾斷甚至可W在鉆間隙填充之前發(fā)生在內(nèi)凹的圖案中，因而，關(guān) 閉特征100并形成孔隙160。孔隙是特征中剩余未填充的區(qū)域。例如當(dāng)沉積的材料在特征 內(nèi)形成夾點(diǎn)時(shí)，孔隙能夠形成，并封堵特征內(nèi)未填充的空間，防止反應(yīng)物進(jìn)入和沉積。特征 中形成孔隙經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)備故障。
[0029] 本文提供的是在小和大特征（包含具有大深寬比的特征）中由純化處理執(zhí)行的、 沉積無孔隙鉆的方法。本文說明的方法適用于狹窄圖案的襯底，其具有可W從之前的膜沉 積或者蝕刻發(fā)生的內(nèi)凹構(gòu)造和/或突出部。該方法設(shè)及使用處理來在鉆表面的一些方面選 擇性抑制鉆膜生長，W對于經(jīng)處理和未經(jīng)處理的鉆表面基于鉆膜生長動(dòng)能，將鉆膜生長輪 廓成形。經(jīng)處理的表面展現(xiàn)出更長的核化延遲，其允許在自下而上的填充處理中從未經(jīng)處 理的表面生長。運(yùn)樣的方法可W適用于前端制程（FEOL)處理中的金屬柵極的制造/觸點(diǎn) 填充、W及后端制程度E0L)處理中的通孔/線填充?？傮w而言，本文說明的沉積技術(shù)會(huì)導(dǎo) 致無孔隙鉆填充的特征。
[0030] 方法包含使用單個(gè)處理、或者使用多個(gè)周期的處理來填充特征。單個(gè)處理方法可 W用于較小的特征，諸如該特征具有小于約SXnm或者小于約IXnm(例如小于約19nm)寬 的數(shù)量級的開口。在各種實(shí)施例中，單個(gè)處理方法被用于在特征中沉積鉆，該特征具有至少 約1. 5 :1或該比例W上，或者約10 :1或該比例W上的深寬比。多個(gè)處理方法可W用于較大 的特征，諸如具有的開口為大于約2 X nm、3 X nm、或者4 Xnm的數(shù)量級。在多個(gè)處理中，每個(gè) 周期減小特征的剩余開口，直至最后的周期。參照附圖公開了實(shí)施例。
[0031] 圖2是用于依據(jù)公開的實(shí)施例來執(zhí)行方法的處理流程圖的操作。在操作202中， 提供了具有要填充的特征的襯底。襯底可W是娃襯底或者另一個(gè)適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體襯底。襯底 可W包含超過一個(gè)的特征，并可W包含特征的圖案，該圖案具有各種尺寸的特征或者一個(gè) 尺寸的特征。對于該說明的目的而言，在填充單個(gè)特征的上下文中討論了圖2,但應(yīng)該理解 的是還可W類似地填充各種尺寸的特征。特征可W是上述特征中的任何一些。
[0032] 圖3A提供了襯底302中小特征300的示例。小特征300包含在小特征300的頂 部30化處的比小特征300的底300a窄的窄特征開口 310。
[0033] 在操作204a中，阻擋膜或者阻擋層可選地沉積在襯底上。在各種實(shí)施例中，阻擋 膜被共形地沉積。阻擋膜可W是氮化鶴（WN)、氮化鐵（TiN)、或者任何其他適當(dāng)?shù)淖钃跄さ?薄層。阻擋膜的額外的示例包含鶴（W)、鐵（Ti)、粗（Ta)、氮化粗（TaN)、氮化鉆（CoN)和釘 (Ru)。在各種實(shí)施例