[发明专利]用于增强自底向上特征填充的原子层蚀刻

说明书

技术领域

本发明总体上涉及半导体领域，更具体地涉及用于增强自底向上特征填充的原子层蚀刻。

背景技术

半导体制造工艺通常涉及金属沉积到特征(例如通孔或沟槽)内以形成触点或互连件。然而，随着器件的缩小，特征变得更小且更难以填充，特别是在高级的逻辑和存储器的应用中。已经提出了新的填充材料和技术。用于在半导体衬底上制备要利用这些材料/技术中的一些填充的特征的当前技术是湿法清洁。湿法清洁的一个问题是，通常不是如所希望的那样，仅在特征开口周围的场或特征开口的颈部区域中进行选择性蚀刻。一般的湿法蚀刻/清洁化学物质也从特征结构的底部去除沉积的金属或催化沉积籽晶膜，从而导致自底向上填充的失败。并且从场和颈部部分或不完全地去除金属或催化剂层会导致早期夹止和空隙形成。

发明内容

本公开描述了原子层蚀刻(ALE)，以使得能够有效地填充半导体和其他衬底上的小特征结构，例如源极/漏极的触点、栅极的触点和通孔。在特定实施方式中，使用通过无电沉积(ELD)(特别是钴(Co)ELD)进行的自底向上填充。本公开还适用于其他ELD填充材料，例如Co合金、Cu、Cu合金、Ni、Ni合金和钌。

特别地，使用定向ALE，由此ALE操作中的至少一个是定向的，例如通过在去除操作中使用惰性高能离子而成为定向的。在ELD操作之前应用ALE以打开特征的顶部，且当由于先前的沉积操作(例如诸如TiN沉积之类的阻挡层和如Co PVD、Cu PVD、或Ru PVD之类的籽晶层的沉积操作)而在特征开口处具有严重的悬垂(overhang)或夹止(pinch-off)时是特别但并不唯一适用的，并且优选还除去在场上的任何残留的金属或催化剂层以避免在场上引发ELD。

在多种实施方式中，ALE涉及：(a)将位于室内的衬底暴露于含卤素的气体以使衬底的表面改性，(b)将衬底暴露于活化气体和活化源(例如，等离子体)以蚀刻衬底上的一个或多个层。反应性材料与含卤素的气体和衬底上的一层或多层的材料两者都反应而形成挥发性物质以除去所期望的材料。在多种实施方式中，改性操作可以用硅和卤素物质进行，包括用SiH_aX_b进行，其中X是卤素，包括Cl、F、Br和I，a+b＝4，并且改性操作还可以包括单独的物质，单独的物质包括卤素、氢或卤化或氢化的物质中的一种或多种，如H₂、HCl、Cl₂、HF、HBr、HBF、BF₂、BCl₃、BBr₃、BI₃、F₂、BF₃、Br₂和/或I₂中的一种或多种。进行改性操作，使得要蚀刻的表面材料的改性对于实质的沉积(substantial deposition)是有利的。可以进行该定向ALE，使得在待填充的特征的底部，用于使表面改性的物质是亚饱和的(sub-saturated)，例如通过限制该工艺操作的时间来实现。基本竖直的特征侧壁在活化操作期间基本上不受高能离子(energetic ion)的影响。以这种方式，特征的顶部/开口和围绕特征的场相对于特征的侧壁和底部被选择性地/优先地蚀刻，使得通过交替的ALE和ELD操作，实现自底向上填充。

另一个方面涉及一种用于处理半导体衬底的装置，该装置包括：处理室，其包括喷头和衬底支撑件，等离子体发生器，以及具有至少一个处理器和存储器的控制器，其中，所述至少一个处理器和所述存储器彼此通信地连接，所述至少一个处理器至少操作性地与流量控制硬件连接，并且所述存储器存储用于下述操作的机器可读指令：(a)通过以下操作从半导体衬底上的特征的颈部区域和相邻场区域中的至少一个定向蚀刻所沉积的材料：(i)通过使所述所沉积的材料暴露于含卤素的气体使所述所沉积的材料的表面改性；以及(ii)使经改性的所述表面暴露于活化气体以选择性地蚀刻经改性的所述所沉积的材料；以及(b)通过自底向上填充沉积技术在所述特征中沉积金属。

所述衬底支撑件可以包括偏置，并且所述存储器还可以存储用于在(a)期间设定偏置功率的机器可读指令。在一些实施方式中，所述存储器还存储用于在(ii)期间点燃等离子体的机器可读指令。

在一些实施方式中，所述存储器还存储用于循环重复(ii)和(iii)的机器可读指令。在一些实施方式中，所述存储器还存储用于在执行(ii)和(iii)后重复(i)的机器可读指令。

具体而言，在本发明的一些方面可以阐述如下：