实现无缝钴间隙填充的方法技术

本文提供用于在半导体装置的特征结构界定中沉积金属层的方法。在一个实施方式中，提供用于沉积金属层以形成半导体装置的方法。所述方法包括执行循环金属沉积工艺以在基板上沉积金属层和将设置在基板上的金属层退火。循环金属沉积工艺包括将基板暴露于沉积前驱物气体混合物以在基板上沉积金属层的一部分；将金属层的所述部分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺；和重复将基板暴露于沉积前驱物气体混合物的步骤和将金属层的所述部分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺的步骤，直至达到金属层的预定厚度。

Method for realizing seamless cobalt gap filling

A method for depositing a metal layer in a defined structure of a semiconductor device is provided. In one embodiment, a method for depositing a metal layer to form a semiconductor device is provided. The method includes performing a cyclic metal deposition process to deposit a metal layer on a substrate and annealing the metal layer disposed on the substrate. Circular metal deposition process includes exposing a substrate to deposit the precursor gas mixture to a portion of the metal layer is deposited on the substrate; the metal layer is exposed to the plasma treatment process or hydrogen annealing process; and repeated exposure to the substrate deposition precursor gas mixture steps and the metal layer the exposed parts of the plasma process or hydrogen annealing step, until it reaches a predetermined thickness of the metal layer.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开内容的实施方式大体涉及半导体制造工艺领域，更具体地，涉及用于在半导体装置的特征结构中沉积含金属层的方法。
技术介绍
集成电路可包括形成于基板(例如半导体晶片)上的一百万个以上的微电子场效应晶体管(例如互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应晶体管)，且集成电路可协作以在电路内执行多种功能。可靠地生产亚半微米(sub-halfmicron)和更小的特征结构是用于半导体装置的下一代超大规模集成电路(VLSI)和超大规模集成电路(ULSI)的关键技术之一。然而，随着集成电路技术的极限的推进，VLSI和ULSI技术中的互连的缩小尺寸已对处理能力具有了额外需求。栅极图案的可靠的形成对于集成电路的成功和对于提高电路密度和提高单个基板及芯片(die)的品质的持续努力而言十分重要。因为特征结构尺寸已变得更小，对较高深宽比(定义为特征结构的深度与特征结构的宽度之间的比例)的需求已稳定地增至20:1和甚至更高。当将金属层沉积至几何形状较小(例如深宽比约为20:1或更小的几何形状)的特征结构界定(featuredefinition)中时，可能发生多种问题。例如，在过孔的临界尺寸小于50nm或深宽比大于10:1时，通过使用传统的PVD工艺所沉积的金属层常遭遇以下问题：不良的阶梯覆盖、悬垂和在过孔或沟槽内形成空隙。在过孔或沟槽的底部和侧壁上的不充分的沉积亦可导致沉积不连续性，从而导致装置短路或不良的互连形成。此外，金属层可能对下层材料层具有不良粘附，导致金属层从基板和随后的导电金属层上剥落。随着晶体管密度的增大和随后的金属层截面的缩小，通过使用现有的低电阻率钨(W)集成方案来满足接触电阻需求已变得相当困难。高电阻率粘附(例如B2H6成核)和阻挡层(例如TiN)在钨集成方案中的必需性导致接触电阻增大，从而使其成为小于22纳米的技术节点的不理想的选项。因此，需要用于在高深宽比的特征结构中形成接触金属层的改良方法。
技术实现思路
本公开内容的实施方式大体涉及半导体制造工艺领域，更具体地，涉及用于在半导体装置的结构中沉积金属层的方法。在一个实施方式中，提供一种用于沉积金属层以形成半导体装置的方法。所述方法包括执行循环金属沉积工艺以在形成于基板中的特征结构界定中沉积金属层，所述步骤包括：将基板暴露于沉积前驱物气体混合物以在特征结构界定中沉积金属层的一部分；将所述金属层的所述部分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺；重复将基板暴露于沉积前驱物气体混合物的步骤和将所述金属层的所述部分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺的步骤，直至达到金属层的预定厚度，和将所述金属层退火。在另一实施方式中，提供一种用于沉积金属层以形成半导体装置的方法。所述方法包括：执行阻挡层沉积工艺以在形成于基板中的特征结构界定中沉积阻挡层；执行润湿层沉积以在阻挡层上沉积润湿层；执行循环金属沉积工艺以在润湿层上沉积金属层，所述循环金属沉积工艺包括将基板暴露于沉积前驱物气体混合物以在特征结构界定中沉积金属层的一部分，将所述金属层的所述部分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺，重复将基板暴露于沉积前驱物气体混合物的步骤和将所述金属层的所述部分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺的步骤，直至达到金属层的预定厚度，和将所述金属层退火。在又一实施方式中，一种用于沉积金属层以形成半导体装置的方法，所述方法包括执行阻挡层沉积工艺以在形成于基板中的特征结构界定中沉积阻挡层，执行润湿层沉积工艺以在阻挡层上沉积润湿层，在润湿层上执行退火工艺，通过将润湿层暴露于沉积前驱物气体混合物以沉积金属层的一部分来执行金属沉积工艺以在润湿层上沉积金属层，将所述金属层的所述部分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺，和将所述金属层退火。附图说明可参照各实施方式(一些实施方式描绘于附图中)来详细理解本公开内容的上述特征以及以上简要概述的有关各实施方式的更具体的描述。然而，应注意，附图仅图示本公开内容的典型实施方式，因此将不被视作限制本公开内容的范围，因为本公开内容可允许其他同等有效的实施方式。图1绘示适用于执行本文所述的实施方式的金属沉积处理腔室的一个实施方式的截面图；图2绘示说明性多腔室处理系统的示意性俯视图，所述多腔室处理系统中结合有图1中的金属沉积处理腔室；图3绘示根据本文所述的某些实施方式在半导体装置中形成金属层的流程图；图4A-4E绘示根据本公开内容的一个实施方式的半导体装置在金属层制造工艺的形成期间的截面图；和图5绘示根据本文所述的某些实施方式用于在半导体装置中形成金属层的循环沉积工艺的流程图；图6绘示根据本文所述的某些实施方式在半导体装置中形成金属层的流程图；图7A-7E绘示根据本文所述的某些实施方式的半导体装置在金属层工艺的形成期间的截面图；图8绘示根据本文所述的某些实施方式在半导体装置中形成金属层的流程图；图9绘示基板的截面图，所述基板包含用作保形栅极(conformalgateelectrode)并根据本文所述的某些实施方式所沉积的金属层；和图10绘示CMOS结构的截面图，所述CMOS结构具有根据本文所述的某些实施方式形成的NMOS和PMOS方面。为了便于理解，在可能的情况下已使用相同的元件符号来标示各图式中共有的相同元件。预期一个实施方式的元件和特征结构可在无需进一步详述的情况下以有利方式并入其他实施方式。然而，应注意，附图仅图示本公开内容的示例性实施方式，且因此将不被视作限制本公开内容的范围，因为本公开内容可允许其他同等有效的实施方式。具体实施方式晶体管密度的增大与先进CMOS晶体管的缩小的技术节点(≤11nm)相结合已导致在半导体制造期间所用的导电金属层的截面尺寸缩小。这种金属导电层的实例包括金属接触填充、金属栅极填充和互连填充。用于这些应用的极窄截面尺寸(<20nm)需要金属填充技术而无需较厚的(>2nm)高电阻率阻挡层。利用CVD钴工艺的间隙填充方法为间隙填充提供可能的低接触电阻(Rc)单材料解决方案。要求CVD钴膜具有保形阶梯覆盖和低粗糙度。本文所述的某些实施方式展示出用以在不形成接缝(seam)的情况下填充半导体装置的导电层孔或沟槽的工艺。在一些实施方式中，发现钴膜的纯度掌控钴无缝填充。可通过工艺温度、工艺气体、循环等离子体处理(H2、N2等等)和沉积后退火条件(在Ar或H2或两者的组合中)来控制CVD钴膜中的碳、氮和氧杂质的原子百分比。CVD钴膜的再流动(re-flow)特性可通过经由上述工艺变量来控制杂质的原子百分比而调节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于沉积金属层以形成半导体装置的方法，所述方法包括以下步骤：执行循环金属沉积工艺以在形成于基板中的特征结构界定中沉积金属层，包括以下步骤：将所述基板暴露于沉积前驱物气体混合物以在所述特征结构界定中沉积所述金属层的一部分；将所述金属层的所述部分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺；重复将所述基板暴露于沉积前驱物气体混合物的所述步骤和将所述金属层的所述部分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺的所述步骤，直至达到所述金属层的预定厚度；和将所述金属层退火。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.27 US 61/883,4801.一种用于沉积金属层以形成半导体装置的方法，所述方法包括以下步骤：
执行循环金属沉积工艺以在形成于基板中的特征结构界定中沉积金属层，包括以下步
骤：
将所述基板暴露于沉积前驱物气体混合物以在所述特征结构界定中沉积所述金属层
的一部分；
将所述金属层的所述部分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺；
重复将所述基板暴露于沉积前驱物气体混合物的所述步骤和将所述金属层的所述部
分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺的所述步骤，直至达到所述金属层的预定厚度；
和
将所述金属层退火。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述基板至少包括高k介电层，所述特征结构界定形
成在所述高k介电层中，其中所述金属层填充在形成于所述高k介电层中的所述特征结构界
定中。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述氢退火工艺包括在为所述金属层提供热能的同
时供应气体混合物，所述气体混合物包括惰性气体和氢气(H2)中的至少一者。
4.如权利要求3所述的方法，其中在同一处理腔室中原位执行将所述基板暴露于沉积
前驱物气体混合物以在所述特征结构界定中沉积所述金属层的一部分的所述步骤和将所
述金属层的所述部分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺的所述步骤。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述氢退火工艺是在从约300摄氏度与约500摄氏度
之间的温度，利用从约5托至约60托的氢压且以从约1000sccm与约30000sccm之间的氢流量
执行的氢净化工艺。
6.如权利要求1所述的方法，其中同时执行将所述基板暴露于沉积前驱物气体混合物
以在所述特征结构界定中沉积所述金属层的一部分的所述步骤和将所述金属层的所述部
分暴露于等离子体处理工艺或氢退火工艺的所述步骤。
7.如权利要求1所述的方法，其中将所述金属层的所述部分暴露于等离子体处理工艺
的所述步骤包括供应选自氢气(H2)、氮气(N2)、氨气(NH3)和它们的组合中的气体以降低所
述金属层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：布尚·N·左普，阿夫耶里诺斯·V·杰拉托斯，博·郑，雷雨，傅新宇，斯里尼瓦斯·甘迪科塔，柳尚澔，马修·亚伯拉罕，
申请(专利权)人：应用材料公司，
类型：发明
国别省市：美国;US