[发明专利]通过原子层沉积形成平滑和共形的钴膜的方法和装置

说明书

本发明涉及通过原子层沉积形成平滑和共形的钴膜的方法和装置。本发明提供了在特征中沉积钴的原子层沉积(ALD)方法。该方法涉及ALD循环过程中的两步表面处理，一步涉及共反应气体与被吸附的钴前体的反应，另一步涉及钴表面上的生长抑制反应物气体。生长抑制反应物气体显著降低钴的生长速率，生成高度共形的钴膜。所描述的ALD工艺通过单独的表面处理和低的工艺温度实现膜成核、台阶覆盖率和形态学方面的改进的可控性。这些方法适用于各种特征填充应用，包括适用于前端制程(FEOL)处理中的金属栅极的制造/触点填充、以及后端制程(BEOL)处理中的通孔/线填充。

技术领域

本发明总体上涉及半导体领域，具体涉及通过原子层沉积形成平滑和共形的钴膜的方法和装置。

背景技术

半导体设备制造经常涉及含钨材料的沉积，以用于相邻的金属层之间的水平互连、通孔、以及硅衬底上的第一金属层与设备之间的触点。在常规沉积处理中，通过将衬底暴露至含钨前体和还原剂中，钨在化学气相沉积(CVD)处理中沉积。

然而，随着设备缩小，特征变得更窄并且深宽比显著增加，导致在沉积钨中存在各种挑战。结果，谋求替代的材料来填充特征。由于钴的低电子平均自由程和良好的电迁移性能，钴被认为是有前途的候选者。然而，目前的钴沉积工艺存在各种挑战，包括特征中的非共形沉积，这可能导致特征入口处的突出端和特征底部上的覆盖不足中的一者或两者。非共形沉积会导致特征中的空洞。

发明内容

本发明提供了钴膜的原子层沉积(ALD)的方法及相关装置。本发明公开的主题的一个方面涉及一种在特征中沉积钴的方法。该方法涉及：提供具有一个或多个特征的衬底，每个特征具有特征开口；以及执行用以沉积与所述一个或多个特征共形的钴层的多个循环。每个循环包括：将所述特征暴露于钴前体剂料以在所述一个或多个特征上形成被吸附的钴前体层；将所述被吸附的钴前体层暴露于共反应物剂料以使所述共反应物与所述一个或多个特征上的所述被吸附的钴前体层反应；以及将所述特征暴露于所述共反应物和含氮钴生长抑制剂的混合物剂料。

在一些实施方式中，将所述被吸附的钴前体暴露于所述共反应物剂料以使所述共反应物与所述一个或多个特征上的所述被吸附的钴前体层反应在将所述特征暴露于所述共反应物和所述含氮钴生长抑制剂的所述混合物剂料之前进行。

在一些实施方式中，将所述被吸附的钴前体暴露于所述共反应物剂料以使所述共反应物与所述一个或多个特征上的所述被吸附的钴前体层反应在将所述特征暴露于所述共反应物和所述含氮钴生长抑制剂的所述混合物剂料之后进行。

在一些实施方式中，所述钴前体具有根据(I)的结构：

其中R¹是C₁-C₈-烷基，R²是C₁-C₈烷基，x是0、1或者2；并且y是0或者1。

在一些实施方式中，所述钴前体具有根据(II)的结构

在一些实施方式中，所述钴前体选自二羰基环戊二烯钴、羰基钴、脒基钴前体、二氮杂二烯钴复合物和脒基钴/胍基钴前体。

根据多种实施方式，在所述多个循环期间的所述衬底温度保持在不超过150℃的温度，在不超过100℃的温度，或者在不超过90℃的温度。

在一些实施方式中，所述钴层被沉积在阻挡层上。

在一些实施方式中，所述共反应物是氢(H₂)。在一些实施方式中，所述共反应物是氢(H₂)，并且所述含氮钴抑制剂是氨(NH₃)。在一些实施方式中，所述NH₃的体积为介于所述混合物的体积的0.5％至20％之间，或者介于所述混合物的体积的0.5％至5％之间。