TW202204055A - 用於選擇性間隙填充之低溫電漿預清潔 - Google Patents

用於選擇性間隙填充之低溫電漿預清潔 Download PDF

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Abstract

茲描述用於預清潔基板之方法，所述基板具有金屬及介電質表面。將包含冷卻特徵之基座的溫度設定為小於或等於100 ºC，其中基板位在所述基座上。使基板暴露於電漿處理，以從包括金屬底部、介電質側壁及/或介電質場之基板的特徵去除化學殘留物及/或雜質，及/或修復介電質側壁及/或介電質場中之表面缺陷。電漿處理可為氧電漿，舉例而言，直接氧電漿。亦描述用於實施所述方法之處理工具及電腦可讀取媒體。

Description

用於選擇性間隙填充之低溫電漿預清潔
大體而言，本揭示內容之實施例涉及填充半導體中之間隙之方法。具體而言，本揭示內容之實施例涉及用於預清潔基板之方法，以改善金屬沉積選擇性。
互連金屬化廣泛用於邏輯和記憶體元件。通常將襯底膜和後續塊狀沉積的CVD/PVD膜用於通孔/溝槽間隙填充應用。然而，隨著特徵尺寸縮減，通孔/溝槽結構變得更小，且襯底膜的體積比增加，而難以實現無缺陷且低電阻率之金屬間隙填充。
選擇性沉積製程利用沉積期間一種表面材料相對於另一種表面材料之養成差異(incubation difference)。可利用此養成延遲來實現由下而上之間隙填充，而無縫隙/空洞和襯底膜。然而，有許多挑戰阻礙了此技術之更廣泛應用。舉例而言，通孔底部和介電質表面上的雜質可降低金屬表面相對於介電質場上之選擇性金屬生長之選擇性。利用加熱的電漿（如，H2 電漿或O2 電漿）來清潔表面污染物（如，氧、碳、氟、氯）之現有製程可導致不隱定的晶圓溫度，且使晶圓的溫度在30 ºC至100 ºC之數量級上增加。反之，後續處理和沉積製程之金屬氧化和挑戰也在增加。
一般而言，有效率地清潔金屬表面同時仍維持場上無生長或最小生長是防止廣泛使用之主要挑戰。並且，具有不同蝕刻殘留物或污染物之不同表面結構可能需要不同的預清潔製程來實現選擇性生長。
因此，本案所屬技術領域中持續需要改善的方法及設備來預清潔基板表面以進行選擇性沉積。
本揭示內容之一或多個實施例涉及預清潔之方法。包含表面結構之基板位於基座上，所述表面結構具有金屬底部、介電質側壁及介電質場(field of dielectric)，所述基座包含冷卻特徵。將基座的溫度設定為小於或等於100 ºC。使基板暴露於電漿處理以從金屬底部、介電質側壁及/或介電質場去除化學殘留物及/或雜質，及/或修復介電質側壁及/或介電質場中之表面缺陷。
本揭示內容之額外實施例涉及預清潔基板之方法，所述基板包含表面結構，所述表面結構具有金屬底部、介電質側壁及介電質場。將基板安置於製程腔室中之基座上，所述基座包含射頻(RF)能力及冷卻特徵。將基座的溫度設定為小於或等於100 ºC。將基板暴露於製程腔室中之電漿處理，以從金屬底部、介電質側壁及/或介電質場去除化學殘留物及/或雜質，及/或修復介電質側壁及/或介電質場中之表面缺陷，其中電漿處理包含氫電漿及氧電漿。
本揭示內容之進一步實施例涉及包括指令之非暫態電腦可讀取媒體，當製程腔室的控制器執行指令時，導致製程腔室執行以下操作：將基板安置於第一製程腔室中之基座上，基座包含冷卻特徵；使基板在第一製程腔室中暴露於電漿處理；將基座的溫度設定為小於或等於100 ºC。
在描述本揭示內容的數個示例性實施例之前，應瞭解到本揭示內容不受限於下面說明書中所闡述的建置或處理程序的細節。本揭示內容能夠具有其他實施例，並能夠被由各種方式實作或執行。
如在此說明書及隨附申請專利範圍中所使用，術語「基板(substrate)」指的是表面，或表面的部分，其中製程在所述表面或表面的部分上進行。本案所屬技術領域中具通常知識者亦將理解的是，除非上下文另有明確指示，否則參照基板可僅指基板的一部分。此外，對沉積在基板上之參照可指裸基板和具有在其上沉積或形成的一或多個膜或特徵之基板二者。
如本文所用，「基板」指的是任何基板或形成於基板上之材料表面，在製造製程期間，在所述基板或形成於基板上之材料表面上進行膜處理。舉例而言，取決於應用，於上面可進行處理之基板表面可包括：諸如矽、氧化矽、應變矽、絕緣體上矽(SOI)、經碳摻雜的氧化矽、非晶矽、經摻雜的矽、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石等材料，及任何其他材料(如金屬、金屬氮化物、金屬合金及其它導電材料)。基板可包括，但不限於，半導體晶圓。可將基板暴露於預處理製程，以研磨、蝕刻、還原、氧化、羥基化、退火、UV硬化、電子束硬化及/或烘烤基板表面。除了在基板本身的表面上直接進行膜處理之外，在本揭示內容中，也可在形成於基板上的下方層(underlayer)上進行本文所揭示的任何膜處理程序（如下文更詳細地揭示），且術語「基板表面」欲包括前後文所指的此類下方層。因此，舉例而言，當膜/層或部分膜/層已被沉積至基板表面上，新沉積之膜/層的暴露表面便成為基板表面。
為了更寬廣的範圍之結構類型及選擇性窗(selectivity window)，本揭示內容之一或多個實施例有利地提供用於預清潔基板之方法。一些實施例有利地以低溫電漿基座提供低溫處理，低溫電漿基座可在電漿存在下之預清潔期間在室溫至零下溫度下提供穩定的溫度窗。使用本文之製程可有利地改善介電質選擇性並維持雜質去除能力，同時抑制金屬氧化（非首選）。其後，改善金屬沉積之選擇性。在一或多個實施例中，在任何氧電漿（特別是直接氧電漿）存在下，在低溫預清潔後，可改善鎢(W)沉積之選擇性。
本揭示內容之一些實施例提供了用於在接點或通孔底部選擇性金屬沉積製程之方法，這需要清潔的表面以在養成最小化的情況下開始。在一些實施例中，去除化學殘留物及/或雜質，包括，但不限於：金屬氧化物/金屬氮化物/金屬碳化物等等可能會阻礙選擇性沉積製程並導致顯著養成延遲者。一些實施例可有效地清潔金屬污染物，同時保持對選擇性製程而言較佳的接點/通孔結構。
本揭示內容之製程使用冷卻的基座。基座包含冷卻特徵，冷卻特徵使得電漿產生的熱量能夠被消散，使得基板的溫度保持穩定並低於期望溫度。在一或多個實施例中，基座的冷卻特徵可為熱交換通道（未圖解），熱交換流體通過熱交換通道以控制基板的溫度。範例熱交換流體為乙二醇或水。在一或多個實施例中，基座包含射頻(RF)能力。
在一或多個實施例中，將基座的溫度設定為小於或等於100 ºC，包括大於或等於-20 ºC至小於或等於85 ºC、小於或等於60 ºC、小於或等於40 ºC、小於或等於35 ºC，及其間的所有值和子範圍。在一或多個實施例中，冷卻的基座具有射頻(RF)能力。於製程期間，使基板暴露於電漿處理，以從金屬底部、介電質側壁及/或介電質場去除化學殘留物及/或雜質，及/或修復介電質側壁及/或介電質場中之表面缺陷。在一或多個實施例中，電漿處理包含氧電漿。在一或多個實施例中，氧電漿為直接電漿。在一或多個實施例中，電漿處理進一步包含氫電漿，舉例而言，直接氫電漿。
在示範的非限制性實施例，清潔製程序列包含：(1) 將製程腔室中之有射頻(RF)能力之基座的溫度設定並維持在-20 ºC至100 ºC的範圍內；(2) 在製程腔室中進行基板之直接電漿處理，其中電漿包含氫。氫電漿是用於將主要金屬污染物- 即，金屬氧化物及金屬氮化物還原成純金屬；以及(3) 在製程腔室中進行基板之直接電漿處理，其中電漿包含氧。在此步驟中，氧化製程可將殘留的金屬氮化物轉化為氧化物，而氧化物可在下個步驟中被還原成純金屬，及/或氧化可能在初始氫電漿製程期間已被損壞之側壁和頂場(top field)介電材料（氧化物及氮化物）。在一些實施例中，氧化製程以強氧化修復介電質表面，維持對選擇性金屬沉積之高選擇性。氧處理也可減少碳/有機系殘留物之污染。在氧電漿暴露期間，對基板施加在大於或等於0瓦與小於或等於1000瓦之間的偏壓，包括其間的所有值和範圍，包括大於或等於200瓦且小於或等於600瓦。此製程之一個優點為高功率和低溫O2 處理提供了強的介電質恢復和弱的金屬氧化。
在一或多個實施例中，將冷卻的基座上之基板暴露於電漿處理可處理或清潔基板。在一或多個實施例中，基板包含至少一個特徵。所述至少一個特徵可包含本案所屬技術領域中具通常知識者所知的任何特徵，包括，但不限於溝槽、通孔(via)或峰部。在將基板暴露於遠端電漿及/或直接電漿處理以處理或清潔基板之實施例中，處理或清潔去除例如，來自先前處理及/或原生氧化物之一或多種殘留物。
實驗顯示，無論溫度，強的介電質恢復發生在高功率下（如，低溫氧電漿處理期間之200瓦至600瓦）。實驗亦顯示，無論功率，弱的金屬氧化發生在低溫下（如，氧電漿處理期間之100 ºC、60 ºC或35 ºC）。
第1圖繪示根據一或多個實施例使用之接觸結構。第1圖中繪示之基板100包括以第一材料102及第二材料104為界之結構130。在圖解之實施例中，包含底部132及側部134之結構130為通孔或溝槽。結構在底部132上以第一材料102為界，且在側部134上以第二材料104為界，第二材料104與第一材料102相異。一些實施例之第一材料102包含金屬110，金屬110形成結構的金屬底部115。金屬110可為任何合適的金屬，包括，但不限於，鎢(W)、鈷(Co)及/或釕(Ru)。在一些實施例中，第一材料102及結構130的底部132包含非金屬。合適的非金屬包括，但不限於：金屬氮化物（如，氮化鈦(TiN)）、金屬矽化物（如，矽化鈦(TiSi)）或矽(Si)。如此說明書和隨附申請專利範圍所用，除非下標另有指明，否則化學式為元素識別之表示且無意暗示任何特定的化學計量比例。舉例而言，氮化鈦(TiN)膜可為鈦及氮原子之任何合適組合，且不限於單一關係。
在一些實施例中，第二材料104包含介電質120。由介電質120的側壁122形成結構130的側壁134。第二材料104的頂表面106亦稱為場(field)。在一些實施例中，第二材料104包含介電質120，介電質120具有側壁122及場124。介電質120可為任何合適的材料，包括，但不限於，氧化矽(SiO)、二氧化矽(SiO2 )、氮化矽(SiN)、氮氧化矽(SiON)、氮化鋁(AlN)、氧化鋁(AlO)或高k介電材料。在一些實施例中，第二材料104包含硬遮罩材料（如，碳(C)）。
第2圖繪示根據一或多個實施例之用於在選擇性沉積前預清潔基板之方法200。一些實施例之表面污染物包含以下一或多者：氧、氮、碳或鹵素（如，氟、氯、溴或碘）。在一些實施例中，污染物包含有機化合物。
於操作202，視情況將基板置放在製程腔室中之基座上。於操作204，將包含冷卻特徵之基座冷卻。基座的一或多個實施例包括射頻(RF)能力。將基座的溫度保持在100 ºC以下，包括小於或等於85 ºC、60 ºC及35 ºC。於操作206，使基板暴露於電漿處理。電漿處理包括氧電漿，舉例而言，直接氧電漿。視情況，電漿處理進一步包含氫電漿，舉例而言，直接氫電漿。
在一或多個實施例中，在暴露於氧電漿期間，可將基板維持在以下範圍的溫度下：-20 ºC至100 ºC。
在一些實施例中，氧電漿為電容耦合式電漿(CCP)。在一些實施例中，氧(O2 )電漿為高密度、高能量電漿。在一些實施例中，低能量電漿具有大於或等於100瓦至小於或等於600瓦之功率。
在一些實施例中，氧電漿具有以下範圍內之壓力：1托耳至30托耳。
在一些實施例中，氫(H2 )電漿為電容耦合式電漿(CCP)。在一些實施例中，H2 電漿為低能量電漿。
在一或多個實施例中，氫電漿具有以下範圍內之壓力：1托耳至30托耳。
於操作206後，可接著進一步處理基板以用於選擇性金屬沉積。在一或多個實施例中，於清潔製程後，使基板暴露於至少一種金屬前驅物，以於基板上選擇性地形成金屬膜。在一或多個實施例中，方法進一步包含：使基板暴露於至少一種前驅物，以透過電漿增進化學氣相沉積(PECVD)製程或電漿增進原子層沉積製程(PEALD)而在基板上沉積膜。可使用本案所屬技術領域中具有通常知識者所知的任何合適前驅物以於基板上形成膜。
在一些實施例中，第2圖中繪示之預清潔方法有效地清潔殘留物並增進後續沉積製程之選擇性。
可使用各種硬體佈置來實現方法200。在一些實施例中，對表面清潔而言，可應用一個或兩個腔室來實現多重製程。腔室可用於不同氣體種類之O2 /H2 電漿處理。在一些實施例中，在一個腔室中進行H2 及O2 處理。
本揭示內容之額外實施例涉及用於執行本文描述的方法之處理系統。
通常，群集工具是模組化系統，包含執行各種功能的多個腔室，所述功能包括：基板定心及定向、脫氣、退火、沉積及/或蝕刻。根據一或多個實施例，群集工具包括至少一第一腔室與中央移送腔室。中央移送腔室可容置機器人，所述機器人可在處理腔室與裝載閘腔室之間傳送基板。通常將移送腔室維持在真空條件下，並提供中間階段(intermediate stage)，用於將基板從一個腔室傳送至另一腔室，及/或傳送至位在叢集工具的前端之裝載閘腔室。可適用於本揭示內容的兩種已熟知的叢集工具為Centura®和Endura®，兩者均可獲自美國加州聖塔克拉拉市的應用材料公司。然而，可為了進行本文所描述之製程的特定步驟，來改變腔室的實際設置與組合。可使用的其他處理腔室包括，但不限於，循環層沈積(CLD)、原子層沈積(ALD)、化學氣相沈積(CVD)、物理氣相沈積(PVD)、蝕刻、預清潔、化學清潔、熱處理(如RTP)、電漿氮化、脫氣、定向、羥基化以及其他基板製程。透過在叢集工具上的腔室中執行製程，不需要在沉積後續膜之前之氧化，即可避免基板受到氣氛雜質(atmospheric impurities)之表面污染。
可將至少一個控制器耦接至第一腔室及中央移送腔室中之一或二者。在一些實施例中，有超過一個控制器連接至個別腔室或站，且主控制處理器耦接到各個單獨的處理器以控制系統。控制器可以是任何形式的通用電腦處理器、微控制器、微處理器等中之一者，其可用在工業設定中以控制各個腔室及子處理器。
至少一個控制器可具有處理器、耦接處理器之記憶體、耦接處理器之輸入/輸出裝置，及輔助電路，以在不同電子部件之間進行通信。記憶體可包括暫態記憶體（例如，隨機存取記憶體）與非暫態記憶體（例如，儲存器）中的一或多個。
處理器的記憶體或電腦可讀媒體可以是一或多個易取得的記憶體，例如隨機存取記憶體（RAM）、唯讀記憶體（ROM）、軟碟、硬碟，或任何其他形式的本端或遠端的數位儲存器。記憶體可保留指令集，可由處理器952操作所述指令集，以控制系統的參數和部件。輔助電路耦接至處理器，以利用習知方式支援處理器。電路可包括如快取記憶體、電源、時脈電路、輸入/輸出電路系統、子系統等。
通常可將製程儲存在記憶體中作為軟體常式，當由處理器執行所述軟體常式時，可致使製程腔室執行本揭示內容之製程。亦可由位在受處理器控制之硬體的遠端之第二處理器(未示出)儲存及/或執行所述軟體常式。也可在硬體中執行本揭示內容的一些或全部方法。由此，可將製程實現為軟體並使用電腦系統來執行、被實現為硬體（如，專用積體電路或其他類型的硬體實作），或被實現為軟體和硬體的組合。當由處理器執行時，軟體常式將通用電腦轉換成控制腔室操作以執行處理之專用電腦（控制器）。
在一些實施例中，控制器具有一或多種配置以執行單獨的製程或子製程以執行所述方法。控制器可連接到中間部件並經配置以操作中間部件，以執行所述方法之功能。舉例而言，控制器可連接到並經配置以控制氣體閥、致動器、馬達、狹縫閥，真空控制等中之一或多者。
一些實施例的控制器具有選自以下者之一或多種配置：在複數個製程腔室與計量站之間的機器人上移動基板之配置；從系統裝載及/或卸載基板之配置；在中央移送站與製程腔室之間移動基板之配置。
一或多個實施例涉及包括指令之非暫態電腦可讀取媒體，當製程腔室的控制器執行指令時，導致製程腔室執行以下操作：將基板安置於第一製程腔室中之基座上，基座包含冷卻特徵；使基板在第一製程腔室中暴露於電漿處理；將基座的溫度設定為小於或等於100 ºC。在一或多個實施例中，非暫態電腦可讀取媒體包括指令，當製程腔室的控制器執行指令時，導致製程腔室執行以下操作：使基板暴露於至少一種前驅物，以於基板上形成膜。
在整個說明書中對「一個實施例」、「某些實施例」、「一或多個實施例」或「一實施例」之參照意味著結合該實施例描述之具體特徵、結構、材料或特性包括在本揭示內容之至少一個實施例中。因此，在本說明書中各處出現諸如「在一或多個實施例中」、「在某些實施例中」、「在一個實施例中」或「在一實施例中」的詞語，不一定指本揭示內容的相同實施例。此外，在一或多個實施例中，具體特徵、結構、材料或特性可以任何方式組合。
儘管已參照特定實施例描述本文之揭示內容，但本案所屬技術領域中具通常知識者將可瞭解這些實施例僅是對本揭示內容之原理和應用的解說。在本揭示內容所屬技術領域中具有通常知識者將明瞭到，可對本揭示內容的方法與設備進行各種修改與變化，而不脫離本揭示內容的精神與範圍。因此，本揭示內容欲包括隨附申請專利範圍及其均等者之範疇內的修飾和變化。
100:基板 102:第一材料 104:第二材料 106:頂表面 110:金屬 115:金屬底部 120:介電質 122:側壁 124:場 130:結構 132:底部 134:側壁 200:方法 202,204,206:操作
因此，可詳細理解本揭示內容之上述特徵之方式，即可參照實施例更具體描述上文簡要概述之本揭示內容，其中一些實施例圖示於隨附圖式中。然而，應注意的是，附圖僅顯示出此揭示內容之典型實施例，並且因此不應被認為是對其範圍的限制，因為本案可允許其他等效實施例。
第1圖顯示根據本揭示內容之一或多個實施例的基板結構之示意性代表圖；以及
第2圖繪示根據本揭示內容之一或多個實施例的方法之流程圖。
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
200:方法
202,204,206:操作

Claims (20)

  1. 一種預清潔之方法，該方法包含以下步驟： 使一基座上之一基板暴露於一電漿處理，該基板包含一表面結構，該表面結構具有一金屬底部、介電質側壁及一介電質場(field of dielectric)，以從該金屬底部、該等介電質側壁及/或該介電質場去除化學殘留物及/或雜質，及/或修復該等介電質側壁及/或該介電質場中之表面缺陷；以及 將包含一冷卻特徵之該基座的一溫度設定為小於或等於100 ºC。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該基座包含射頻(RF)能力(radio frequency (RF) capability)。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該電漿處理包含一氧電漿。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該氧電漿係一直接電漿(direct plasma)。
  5. 如請求項3所述之方法，其中該電漿處理進一步包含一氫電漿。
  6. 如請求項1所述之方法，其中於電漿暴露期間，將大於或等於0瓦且小於或等於1000瓦的範圍內之一偏壓施加至該基板。
  7. 如請求項1所述之方法，其中於該電漿暴露期間，將該基座維持在大於或等於-20 ºC至小於或等於100 ºC的範圍內之溫度下。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該介電質包含以下一或多者：氮化矽(SiN)、氧化矽(SiO)、氮氧化矽(SiON)或一高k介電質，且該金屬包含以下一或多者：鎢(W)、鈷(Co)或釕(Ru)。
  9. 一種處理方法，包含以下步驟： 將一製程腔室中之一基座的一溫度設定為小於或等於100 ºC，該基座包含射頻(RF)能力及一冷卻特徵； 使一基座上之一基板暴露於該製程腔室中之一電漿處理，該基板包含一表面結構，該表面結構具有一金屬底部、介電質側壁及一介電質場，以從該金屬底部、該等介電質側壁及/或該介電質場去除化學殘留物及/或雜質，及/或修復該等介電質側壁及/或該介電質場中之表面缺陷，其中該電漿處理包含一氧電漿；以及 使該基板暴露於該金屬的至少一種前驅物，以於該基板上選擇性地形成一金屬膜。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該氧電漿係一直接電漿。
  11. 如請求項9所述之方法，其中於該電漿暴露期間，將大於或等於0瓦且小於或等於1000瓦的範圍內之一偏壓施加至該基板。
  12. 如請求項9所述之方法，其中於該電漿暴露期間，將該基座維持在大於或等於-20 ºC至小於或等於100 ºC的範圍內之溫度下。
  13. 如請求項9所述之方法，其中該介電質包含以下一或多者：氮化矽(SiN)、氧化矽(SiO)、氮氧化矽(SiON)或一高k介電質，且該金屬包含以下一或多者：鎢(W)、鈷(Co)或釕(Ru)。
  14. 一種非暫態(non-transitory)電腦可讀取媒體，包括指令，當該等指令被一製程腔室的一控制器執行時，導致該製程腔室執行以下操作： 使一第一製程腔室中之包含一冷卻特徵之一基座上之一基板在該第一製程腔室中暴露於一電漿處理；以及 將該基座的一溫度設定為小於或等於100 ºC。
  15. 如請求項14所述之非暫態電腦可讀取媒體，其中該基座包含射頻(RF)能力。
  16. 如請求項14所述之非暫態電腦可讀取媒體，進一步包括指令，當該等指令被一製程腔室的一控制器執行時，導致該製程腔室執行以下操作：使該基板暴露於一氧電漿。
  17. 如請求項16所述之非暫態電腦可讀取媒體，其中該氧電漿係一直接電漿。
  18. 如請求項14所述之非暫態電腦可讀取媒體，進一步包括指令，當該等指令被一製程腔室的一控制器執行時，導致該製程腔室執行以下操作：於該電漿暴露期間，將大於或等於0瓦且小於或等於1000瓦的範圍內之一偏壓施加至該基板。
  19. 如請求項14所述之非暫態電腦可讀取媒體，進一步包括指令，當該等指令被一製程腔室的一控制器執行時，導致該製程腔室執行以下操作：於該電漿暴露期間，將該基座維持在大於或等於-20 ºC至小於100 ºC的範圍內之溫度下。
  20. 如請求項14所述之非暫態電腦可讀取媒體，其中該介電質包含以下一或多者：氮化矽(SiN)、氧化矽(SiO)、氮氧化矽(SiON)或一高k介電質，且該金屬包含以下一或多者：鎢(W)、鈷(Co)或釕(Ru)。
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