氧化硅的拓扑选择性膜形成的方法技术

一种用于在衬底上形成的阶梯上形成氧化硅膜的方法，其包含：(a)通过预先选择初始氮化硅膜的目标部分，参照初始氮化硅膜的非目标部分，选择性地沉积或去除或重整产生最终氧化硅膜来设计最终氧化硅膜的拓扑结构；和(b)根据工艺(a)中设计的拓扑结构在阶梯的表面上形成初始氮化硅膜和最终氧化硅膜，其中初始氮化硅膜使用含卤素的含硅前体通过ALD来沉积，并且通过氧化初始氮化硅膜将初始氮化硅膜转化为最终氧化硅膜，而不进一步沉积膜，其中初始氮化硅膜中的Si

【技术实现步骤摘要】
氧化硅的拓扑选择性膜形成的方法


[0001]本专利技术大体上涉及一种在衬底上形成的具有顶面、侧壁和底面的阶梯上形成氧化硅膜的方法，特别是氧化硅的拓扑选择性膜形成的方法。

技术介绍

[0002]原子层沉积(ALD)方法，包括等离子体增强原子层沉积(PEALD)方法，作为在具有图案化表面的衬底上形成保形膜的方法被广泛用于半导体制造工艺中。在一些半导体制造工艺中，对已经形成为保形膜一次的膜进行干法蚀刻或其他干法修整工艺，以便各向异性地去除膜的一个或多个部分以用于特定应用。在这种情况下，膜形成工艺和蚀刻工艺必然分两个步骤进行。
[0003]然而，在对薄膜进行蚀刻时，薄膜、底层膜和掩膜材料的蚀刻选择性，即薄膜、底层膜和掩膜材料之间的抗蚀刻性存在一定程度的差异始终是一个问题，并且例如对底层膜的不利影响(例如，穿透离子能量使底层膜的质量下降，沟槽的临界尺寸(CD)下降)是不可避免的。
[0004]如果膜形成本身可以通过各向异性沉积和/或各向异性重整工艺控制膜的拓扑结构，则不需要干法蚀刻或其他干法修整工艺，从而消除干法蚀刻对底层膜的不利影响，减少工艺步骤的数目，并提高产量。然而，控制氧化硅膜的拓扑结构是非常困难的，因为在膜沉积工艺中，氧化是相当各向异性地发生的。
[0005]作为这种控制膜拓扑结构的技术，众所周知，首先在一定条件下将SiN膜沉积在衬底的图案化表面上，使图案的水平部分和竖直部分的湿法蚀刻速率不同，然后进行湿法蚀刻，从而选择性地仅留下图案的侧壁部分或图案的水平部分(如例如美国专利公开号2017/0243734中所公开，其公开内容在适用于本文公开的某些实施例时以全文引用的方式并入本文中)。该技术可被称为SiN的拓扑选择性膜形成(“TS-SiN”)。在上文中，由于使用湿法蚀刻而非干法蚀刻来选择性地仅去除图案的竖直或水平部分，故可以相对于底层膜设置图案的高湿法蚀刻选择性，并实现不需要考虑蚀刻的均匀性的优点。在TS-SiN中，高湿法蚀刻选择性可通过提高RF功率获得；然而，这样的条件不适用于在SiO膜上赋予类似的高湿法蚀刻选择性。因此，虽然半导体工业中对SiO的拓扑选择性膜形成(“TS-SiO”)有着高的需求，但尚未成功实现TS-SiO。
[0006]对与相关技术有关的问题和解决方案的任何论述都已经仅出于向本专利技术提供背景的目的而包括于本公开中，并且不应被视为承认所述论述中的任一项或全部在创作本专利技术时都是已知的。

技术实现思路

[0007]在一些实施例中，通过首先将SiN膜选择性地沉积在衬底的阶梯中所沉积的SiO膜的水平表面上，在衬底的阶梯中形成拓扑选择性SiO(TS-SiO)膜，其中水平表面(阶梯的顶面和底面)主要是通过将SiO膜暴露于具有相对高离子能量的含NH3或N2/H2的等离子体中，
由各向异性等离子体进行选择性处理(该表面处理可称为“温育”或“表面氮化”)，随后使用含卤素的前体主要选择性地在阶梯的水平表面上对SiN膜进行PEALD(该沉积工艺可称为“氮化”)，其中吸附在衬底表面的前体被氮化，其中前体中的卤素通过交换反应(例如Si-Cl
→
Si-N)用氮化气体中的氮替换，从而形成SiN的单层。作为第二工艺，通过氧化处理(该处理可称为“氧化(oxidization/oxidation)”)将沉积的SiN膜转化为SiO膜，从而使所得膜的主要成分是SiO，由于在将膜转化为SiO膜时可以重复进行各向异性的氮化处理，因此所得膜可以仅在竖直方向上生长或主要在竖直方向上生长，从而可以实现各向异性的PEALD。
[0008]各向异性氮化或选择性氮化是通过各向异性或选择性温育或表面氮化来实现的，其各向异性现象是由于含氮等离子体的各向异性离子的入射。为了处理SiO表面，需要超过一定水平的离子能量，因此，各向异性表面处理可以基本上仅在或主要在暴露于离子能量的SiO膜的一部分实现，从而在表面引入-NH端基。另一方面，当氧化SiN膜时，可以在没有离子能量辅助的情况下通过等离子体容易地进行氧化，即氧化处理可以在图案化结构上均匀地完成。
[0009]当图案化结构具有高纵横比和窄开口的沟槽时，注入沟槽内部的离子数量比辐射到顶面的离子数量少。因此，与顶面相比，沟槽内部不会发生氮化。通过利用上述现象，当图案具有窄开口时，可以选择性地并且主要仅在顶面形成SiO膜。适合于上述操作的纵横比和开口尺寸的可工作范围根据沉积条件如沉积压力和RF功率而变化。
[0010]在沉积SiN膜的底层SiO膜的表面上，通过各向异性或选择性温育或表面氮化形成-NH端基。作为沉积SiN膜的前体，可以使用任何能够吸附在具有暴露的Si-NH表面的底层SiO膜上但几乎不吸附在Si-O表面上的前体，例如SiCl4、Si2Cl6等。
[0011]在通过氧化处理将SiN膜转化为SiO膜后，根据需要，可以使用例如dHF对图案化结构进行湿法蚀刻，以便可以去除任何作为残余物残留在侧壁上的SiO膜，从而形成完整的TS-SiO膜。虽然原则上SiN膜仅沉积在顶面，但沉积SiN膜的前体的表面选择性，即选择性地沉积在Si-NH表面而不是Si-O表面上，可能并不完美。在这种情况下，SiN膜可能会稍微沉积在侧壁上，由于氧化是各向异性发生的，所以会转化为SiO膜。通过对图案化结构进行湿法蚀刻，可以去除侧壁上残留的SiO膜。应注意，参照热氧化物膜的湿法蚀刻速率为1，SiO膜的湿法蚀刻速率为约2.2，与位置无关，即SiO膜的顶部部分的湿法蚀刻速率、SiO膜的侧壁部分的湿法蚀刻速率和SiO膜的底部部分的湿法蚀刻速率基本上或大部分相等。因此，虽然湿法蚀刻不仅蚀刻SiO膜的侧壁部分，而且蚀刻SiO膜的顶部部分，但由于SiO膜的顶部部分主要或基本上比其侧壁部分厚，因此可以获得完整的TS-SiO膜。
[0012]在一些实施例中，用于沉积SiN膜的前体不含碳，并且最终的氧化硅膜不含碳，据此可以避免包括从SiN膜迁移到SiN膜和底层膜之间的界面的碳在内的杂质的分散。在将SiN膜转化为SiO膜后，可以形成同样不含碳的SiO膜。通过形成无碳的SiO膜，可以避免任何由SiO膜迁移的杂质如碳通过SiO膜与底层膜之间的界面进入底层膜而导致底层膜质量下降。
[0013]一些实施例的特征在于使用含卤素的无机无碳前体以及无碳反应剂。常规上，当使用含卤素的前体时，借助反应剂进行沉积，该反应剂是含氮的烃(直链或环状)，例如吡啶，其中氮通过交换反应(例如)替换吸附在衬底上的前体中与硅(例如Cl-Si)键合的卤素，从而形成由SiN材料构成的膜。然而，由于反应剂化合物中含有烃，因此膜中残留一
些碳的可能性是不可忽视的。另外，在某些情况下，前体含有烃。通过使用含卤素的无机无碳前体和无碳反应剂，可以通过PEALD沉积无碳SiN膜，然后进行转化工艺，其中SiN膜通过氧化处理转化为SiO膜。
[0014]当重复上述工艺以形成具有所需厚度的SiO膜时，如果无碳前体在SiO表面上的吸附不足，导致每循环生长(GPC)降低和/或阶梯覆盖率降低，则在沉积SiN膜的工艺之前(即在馈送本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于在衬底上形成的具有顶面、侧壁和底面的阶梯上形成氧化硅膜的方法，其包含以下工艺：(a)设计最终氧化硅膜的拓扑结构，所述最终氧化硅膜是保形膜或具有低保形性的膜，通过预先选择初始氮化硅膜的目标部分，参照所述初始氮化硅膜的非目标部分，选择性地沉积或去除或重整产生所述最终氧化硅膜而在所述阶梯上形成，所述选择性沉积的目标部分是在所述阶梯的所述顶面和底面形成的所述初始氮化硅膜的顶部/底部部分，所述选择性去除或重整的目标部分是在所述阶梯的所述侧壁上形成的所述初始氮化硅膜的侧壁部分；以及(b)根据工艺(a)中设计的拓扑结构在所述阶梯的表面上形成所述初始氮化硅膜和所述最终氧化硅膜，其中所述初始氮化硅膜使用含卤素的含硅前体通过原子层沉积(ALD)来沉积，并且所述初始氮化硅膜通过氧化所述初始氮化硅膜而转化为所述最终氧化硅膜，而不进一步沉积膜，其中所述初始氮化硅膜中的Si-N键转化为Si-O键。2.根据权利要求1所述的方法，其中工艺(b)中使用的前体不含碳，并且所述最终氧化硅膜不含碳。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述初始氮化硅膜的形成和所述初始氮化硅膜的氧化在工艺(b)中在同一反应空间中连续进行。4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述初始氮化硅膜的形成之后，在所述初始氮化硅膜的氧化之前对所述反应空间进行吹扫，并且所述初始氮化硅膜的氧化是在引入氧化气体的所述反应空间中进行的等离子体氧化，所述氧化气体是选自由O2、O3、CO2、N2O和H2O组成的组中的至少一种气体。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述初始氮化硅膜由多个单层构成，并且在工艺(b)中，所述初始氮化硅膜的氧化在所述初始氮化硅膜的ALD的每个单层沉积循环之后或在所述初始氮化硅膜的ALD的每多个单层沉积循环之后进行。6.根据权利要求1所述的方法，其中工艺(a)中预先选择的目标部分是所述选择性沉积的目标部分，其中工艺(b)包含：(ci)在所述衬底上的所述阶梯的表面上沉积氧化硅膜；(cii)将所述衬底与两个电极平行地放置在所述两个电极之间，以主要在所述阶梯的所述顶面和底面而不是在所述阶梯的所述侧壁上对所述氧化硅膜的表面进行氮化的方式，使用在所述两个电极之间施加RF功率产生的含氮氢等离子体对所述氧化硅膜的表面进行各向异性氮化，从而在所述氧化硅膜的表面上引入-NH端基；(ciii)使用所述前体和由在所述两个电极之间施加RF功率产生的等离子体激发的氮化气体，通过ALD在所述经过表面处理的氧化硅膜上沉积所述初始氮化硅膜的至少一部分并与所述经过表面处理的氧化硅膜接触；(civ)使用激发的氧化气体对所述初始氮化硅膜的所述至少一部分进行氧化，以获得所述最终氧化硅膜的至少一部分，而不进一步沉积膜，其中所述初始氮化硅膜中的Si-N键转化为Si-O键；以及(cv)根据需要，重复工艺(cii)和(civ)，直到获得具有所需厚度的所述最终氧化硅膜。7.根据权利要求6所述的方法，其中工艺(cii)中的所述含氮氢等离子体使用N2和H2的混合物、NH3、其它N
x
H
y
生成，其中x和y为整数，或使用前述两种或更多种的混合物生成。
8.根据权利要求6所述的方法，其中工艺(ci)中的所述氧化硅膜通过ALD或CVD沉积。9.根据权利要求1所述的方法，其中工艺(a)中预先选择的所述目标部分是所述选择性去除的目标部分，其中工艺(b)包含：(di)使用所述前体和由在两个电极之间施加RF功率产生的等离子体激发的反应气体，通过ALD在所述衬底上的所述阶梯的表面上沉积所述初始氮化硅膜的至少一部分，所述衬底与两个电极平行地放置在所述两个电极之间，其中在ALD的每个单层沉积循环中，RF功率以每单位面积所述衬底0.14W/cm2至1.41W/cm2施加五秒或更短的时间，从而使所述目标部分比所述非目标部分在进行湿法蚀刻时具有更低的耐化学性；...

【专利技术属性】
技术研发人员：深泽笃毅，优财津，陈珮嘉，
申请(专利权)人：ASMIP私人控股有限公司，
类型：发明
国别省市：