CN115772657A - 拓扑选择性沉积方法和使用该方法形成的结构 - Google Patents

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Abstract

公开了一种拓扑选择性沉积方法。示例性方法包括在衬底表面上的间隙或特征上沉积第一层材料，在第一层材料上沉积第二层材料，以及选择性地去除第一层材料。

Description

拓扑选择性沉积方法和使用该方法形成的结构
技术领域
本公开总体涉及包括在衬底表面上选择性形成材料的方法。更具体地，本公开涉及形成包括拓扑选择性沉积材料的结构的方法。
背景技术
在器件比如半导体器件的形成过程中，通常希望在衬底表面上形成图案化特征。通常，为了形成图案化特征，沉积一层材料(例如氮化硅)，然后使用例如光刻法对沉积层进行图案化，然后蚀刻膜以形成包括该材料的特征。
随着器件特征的尺寸不断减小，图案化和蚀刻氮化硅和其他材料层以形成所需尺寸的特征变得越来越困难。并且，光刻和蚀刻步骤会增加与器件制造相关的成本，并增加器件制造所需的时间。此外，在某些情况下，可能希望形成拓扑选择性地覆盖在特征上的材料。例如，在各种应用中，可能希望形成用作蚀刻停止层的拓扑选择性材料。在这种情况下，典型的沉积、图案化和蚀刻技术可能不适合，特别是当特征的尺寸持续减小时。
因此，需要用于材料的拓扑选择性形成的改进方法。
发明内容
本公开的各种实施例涉及拓扑选择性沉积方法、使用该方法形成的结构以及用于执行该方法的***。虽然下文更详细地讨论了本公开的各种实施例解决现有方法和结构的缺点的方式，但总体而言，本公开的实施例提供了拓扑选择性方法的改进方法，其包括沉积第一层材料、沉积第二层材料和选择性蚀刻第一层材料，使得在选择性蚀刻步骤之后第二层材料的部分保留在拓扑选择性表面上。
根据本公开的至少一个实施例，一种拓扑选择性沉积方法包括：提供衬底，该衬底包括在衬底表面上的图案化结构，该图案化结构包括间隙，该间隙包括近侧表面、远侧表面和侧壁；在图案化结构上沉积第一层材料，从而在近侧表面、远侧表面和侧壁上保形地形成第一层；沉积覆盖在第一层材料上的第二层材料，其中第二层材料相对于侧壁选择性地形成在近侧表面和远侧表面中的至少一个上；以及相对于第二层材料选择性地蚀刻第一层材料，从而形成包括拓扑选择性沉积材料的特征。根据本公开的示例，方法的多个步骤在单个反应室中进行(例如在相同的反应空间中)。例如，沉积第一层材料、沉积第二层和选择性蚀刻的步骤中的两个或更多个可以在同一反应室内进行。沉积第一层的步骤和/或沉积第二层的步骤可以包括循环沉积过程，比如等离子体增强循环沉积过程。根据本公开的进一步示例，方法可以另外包括处理第二层材料的步骤。示例性处理步骤可以包括氧化、氮化和碳化第二层材料中的一个或多个。在一些情况下，第二层包括碳。根据又一示例，第二层材料可以形成为覆盖在近侧表面和远侧表面中的一个或多个上的封闭层，并且可以包括侧壁上的针孔和/或孤岛。因此，以下中的一个或多个：(1)相对于第二层中覆盖在近侧表面和远侧表面中的一个或多个上的针孔数量，第二层中覆盖在侧壁上的针孔数量可以更多，和/或(2)第二层可以在侧壁上形成岛状物以及覆盖在近侧表面和远侧表面中的一个或多个上的连续层。根据另外示例，用于形成第一层材料的(例如硅)前体和用于形成第二层材料的前体是相同的。根据进一步示例，用于形成第一层材料的(例如氧化)反应物和用于形成第二层材料的(例如氮化和/或碳化)反应物是不同的。
根据本公开的进一步示例，拓扑选择性沉积方法包括：在反应室内提供衬底，该衬底包括在衬底表面上的图案化结构，该图案化结构包括间隙，该间隙包括近侧表面、远侧表面和侧壁；在反应室内，在图案化结构上沉积第一层材料，从而在近侧表面、远侧表面和侧壁上保形地形成第一层；在反应室内沉积覆盖在第一层材料上的第二层材料，其中覆盖在近侧表面、远侧表面和侧壁上的第二层材料的保形性(例如厚度)小于覆盖在近侧表面、远侧表面和侧壁上的第一层材料的保形性；以及在反应室内相对于第二层选择性地蚀刻第一层材料。用于沉积第一层材料、第二层材料和选择性蚀刻第一层材料的示例性(例如循环和/或等离子体增强循环)过程、前体和反应物可以如上文和本文别处所述。
根据本文所述的各种方法，覆盖在侧壁上的第二层的(例如湿法)蚀刻速率高于覆盖在近侧表面和/或远侧表面上的第二层的蚀刻速率(例如高10、25、50％或更多)。另外或可替代地，覆盖在侧壁上的第二层的成分和/或密度与覆盖在近侧表面和/或远侧表面上的第二层的成分和/或密度不同。成分和/或密度的差异可能源于例如在沉积过程中各个表面上不同类型的离子和/或自由基轰击。成分、密度或连续性的差异会导致各个表面上蚀刻速率的差异。
根据本公开的另外实施例，一种结构包括拓扑选择性沉积的材料。可以使用本文所述的方法沉积拓扑选择性材料。
根据本公开的进一步示例，提供了一种***。该***可配置成执行本文所述的方法和/或形成本文所述的结构。
为了总结本发明和相对于现有技术实现的优点，这里已经描述了本发明的某些目的和优点。当然，应该理解，根据任何特定实施例，不一定可以实现所有这些目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，可以实现或优化本文教导或建议的一个优点或一组优点的方式来实施或执行说明性示例，而不必实现本文教导或建议的其他目的或优点。从下面参考附图对某些实施例的详细描述中，这些和其他实施例对于本领域技术人员来说将变得显而易见，本发明不限于所公开的任何特定实施例。
附图说明
当结合以下说明性附图考虑时，通过参考详细描述和权利要求，可以获得对本公开的示例性实施例的更完整的理解。
图1示出了根据本公开的至少一个实施例的拓扑选择性沉积方法。
图2示出了适用于图1所示方法的时序。
图3-7示出了根据本公开的示例的结构。
图8示出了根据本公开另外示例的***。
图9-11示出了根据本公开的示例形成的结构的扫描电子透射图像。
应当理解，附图中的元件是为了简单和清楚而示出的，并不一定是按比例绘制的。例如，图中的一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大，以有助于提高对本公开的所示实施例的理解。
具体实施方式
尽管下面公开了某些实施例和示例，但本领域技术人员将理解，本发明延伸超过具体公开的实施例和/或本发明的用途及其明显的修改和等同物。因此，意图是所公开的本发明的范围不应被下面描述的具体公开的实施例所限制。
本公开总体涉及拓扑选择性沉积方法、使用该方法形成的结构以及可用于执行该方法和/或形成该结构的***。如下文更详细描述，示例性方法可用于形成适于形成电子器件的器件结构。例如，示例性方法可用于形成包括适合用作例如蚀刻停止层的拓扑选择性沉积材料的特征。除非另有说明，否则本公开的示例不必限于这些应用。
在本公开中，气体可以包括在常温常压下为气体的材料、蒸发的固体和/或蒸发的液体，并且可以由单一气体或气体混合物构成，这取决于情况。除了处理气体之外的气体，例如不经过气体分配组件(比如喷淋头、其他气体分配装置等)而引入的气体，可以用于例如密封反应空间，并且可以包括密封气体，比如稀有气体或其他惰性气体。术语“惰性气体”指的是在相当程度上不参与化学反应的气体。在某些情况下，稀有气体可以是反应物。在某些情况下，术语前体和反应物可以互换使用。
如本文所用，术语“衬底”可指可用于形成或可在其上形成器件、电路或膜的任何一种或多种底层材料。衬底可以包括块状材料，比如硅(例如单晶硅)、其他IV族材料，比如锗，或者化合物半导体材料，比如GaAs，并且可以包括覆盖在块状材料之上或之下的一个或多个层。此外，衬底可以包括各种结构，比如在衬底层的至少一部分内或上形成的凹槽、线条等。
如本文所用，术语循环沉积可以指将前体/反应物顺序引入反应室以在衬底上沉积层，并且包括诸如原子层沉积和循环化学气相沉积的处理技术。
如本文所用，术语原子层沉积(ALD)，特别是等离子体增强ALD可以指一种气相沉积过程，其中在处理室中进行沉积循环，通常是多个连续的沉积循环。通常，在每个循环期间，前体被化学吸附到沉积表面(例如表面上的活性位点)，形成不容易与附加前体反应的单层或亚单层材料(即自限制反应)。此后，在一些情况下，可以随后将反应物或使用该反应物形成的活性物质引入处理室，用于转化化学吸附的前体或与其反应，以在沉积表面上形成期望的材料。此外，在每个循环期间也可以利用吹扫步骤，以在化学吸附的前体转化之后，从处理室去除过量的前体和/或从处理室去除过量的反应物和/或反应副产物。如本文所用，术语原子层沉积也意味着包括由相关术语指定的过程，比如化学气相原子层沉积、原子层外延(ALE)、分子束外延(MBE)、气体源MBE或有机金属MBE以及当用前体/反应性气体和吹扫(例如惰性)气体的交替脉冲执行时的化学束外延。
如本文所用，术语循环化学气相沉积可以指其中衬底顺序暴露于两种或更多种挥发性前体的任何过程，所述挥发性前体在衬底上反应和/或分解以产生期望的沉积。等离子体增强的循环化学气相沉积可以指在沉积过程中将反应物和前体中的一种或多种暴露于等离子体(例如远程等离子体、直接等离子体或间接等离子体)的任何过程。在这些情况下，循环可以包括脉冲反应物、前体和/或等离子体功率中的一种或多种。
在一些实施例中，膜指的是在垂直于厚度方向的方向上延伸以覆盖整个目标或相关表面的层，或者仅仅是覆盖目标或相关表面的层。在一些实施例中，层是指在表面上形成的具有一定厚度的结构，或者膜或非膜结构的同义词。一层可以是连续的，也可以是不连续的。膜或层可以由具有某些特性的离散的单个膜或层或者多个膜或层构成，并且相邻膜或层之间的边界可以是或可以不是清晰的，并且可以是或可以不是基于物理、化学和/或任何其他特性、形成过程或顺序和/或相邻膜或层的功能或目的而建立的。术语膜和层可以互换使用。
如本文所用，术语保形或保形性可以指覆盖在特征(比如间隙)上的层的特性的均匀性。特性可包括例如膜厚度、膜密度、膜的(例如湿法)蚀刻速率、连续性(例如连续膜或非连续膜)、膜成分等。如果某个特征或区域上的特性变化小于25％、10％、5％、2％或1％，则认为膜是保形的。
在本公开中，连续可以指不破坏真空、不作为时间线中断、没有任何材料介入步骤、不改变处理条件、紧接其后、作为下一步骤、或者在除了一些实施例中的两个结构之外的两个结构之间没有介入离散的物理或化学结构中的一个或多个。例如，在一种方法的两个或更多个步骤和/或沉积循环中，可以连续供应反应物和/或稀有气体。
如本文所用，术语吹扫可以指在其他(例如反应物前体)气体的脉冲之间和/或等离子体功率脉冲之后，向反应器室提供惰性或基本惰性气体的过程。例如，可以在前体脉冲和反应物脉冲之间提供吹扫，从而避免或至少减少前体和反应物之间的气相相互作用。应当理解，吹扫可以在时间或空间或这两者上进行。例如，在时间吹扫的情况下，可以使用吹扫步骤，例如以向反应器室提供第一前体、向反应器室提供吹扫气体和向反应器室提供第二前体的时间顺序，其中其上沉积层的衬底不移动。在空间吹扫的情况下，吹扫步骤可以采取将衬底从供应第一前体的第一位置通过吹扫气帘移动到供应第二前体的第二位置的形式。在一些情况下，未被等离子体激发的反应物可用于吹扫反应器室。
如本文所用，氧化硅是指包括硅和氧的材料。氧化硅可以由分子式SiO2表示。在一些情况下，氧化硅可以不包括化学计量的氧化硅。在一些情况下，氧化硅可以包括其他元素，比如碳、氮、氢等。
如本文所用，氮化硅是指包括硅和氮的材料。氮化硅可以由分子式Si3N4表示。在一些情况下，氮化硅可以不包括化学计量的氮化硅。在一些情况下，氮化硅可以包括其他元素，比如碳、氢等。
碳氮化硅(SiCN)可以指包括硅、碳和氮的材料。如本文所用，除非另有说明，SiCN不旨在限制、约束或限定键合或化学状态，例如膜中的Si、C、N和/或任何其他元素的氧化状态。在一些实施例中，除了Si、C和N之外，SiCN薄膜还可以包括一种或多种元素，比如H。在一些实施例中，SiCN膜可以包括Si-C键和/或Si-N键。在一些实施例中，除了Si-C和/或Si-N键之外，SiCN膜可以包括Si-H键。在一些实施例中，SiCN膜可以包括基于原子从约0％到约50％的碳。在一些实施例中，SiCN膜可以包括基于原子从约0.1％至约40％、从约0.5％至约30％、从约1％至约30％或者从约5％至约20％的碳。在一些实施例中，SiCN膜可以包括基于原子从约0.1％到约70％的氮。
在一些实施例中，SiCN膜可以包括基于原子从约10％到约70％、从约15％到约50％或者从约20％到约40％的氮。在一些实施例中，SiCN膜可以包括基于原子从约0.1％到约50％的硅。在一些实施例中，SiCN膜可以包括基于原子从约10％到约50％、从约15％到约40％或者从约20％到约35％的硅。
在一些实施例中，SiCN膜可以包括基于原子从约0.1％至约40％、从约0.5％至约30％、从约1％至约30％或者从约5％至约20％的氢。在一些实施例中，SiCN膜可以不包含氧。
碳氧化硅(SiOC)可以指包括硅、氧和碳的材料。如本文所用，除非另有说明，否则SiOC不旨在限制、约束或限定键合或化学状态，例如膜中Si、O、C和/或任何其他元素的氧化态。在一些实施例中，SiOC薄膜可包含除Si、O和C之外的一种或多种元素，比如H或N。在一些实施例中，SiOC膜可包含Si-C键和/或Si-O键。在一些实施例中，SiOC膜可以包括Si-C键和Si-O键，并且可以不包括Si-N键。在一些实施例中，除了Si-C和/或Si-O键之外，SiOC膜可以包括Si-H键。在一些实施例中，SiOC膜可包含比Si-C键更多的Si-O键，例如Si-O键与Si-C键的比例可为约1:10至约10:1。在一些实施例中，SiOC膜可包含基于原子从约0％至约50％的碳。在一些实施例中，SiOC膜可包含基于原子从约0.1％至约40％、从约0.5％至约30％、从约1％至约30％或者从约5％至约20％的碳。在一些实施例中，SiOC膜可包含基于原子从约0.1％至约70％的氧。在一些实施例中，SiOC膜可包含基于原子从约10％至约70％、从约15％至约50％或者从约20％至约40％的氧。在一些实施例中，SiOC膜可包含基于原子从约0.1％至约50％的硅。在一些实施例中，SiOC膜可包含基于原子从约10％至约50％、从约15％至约40％或者从约20％至约35％的硅。在一些实施例中，SiOC膜可包含基于原子从约0.1％至约40％、从约0.5％至约30％、从约1％至约30％或者从约5％至约20％的氢。在一些实施例中，SiOC膜可以不包含氮。在一些其他实施例中，SiOC膜可以包含基于原子从约0％至约40％的氮(原子％)。作为特定示例，SiOC膜可以是或包括包含SiOCN的层，比如SiOCNH。
如本文所用，术语重叠可以指在时间上和反应室内的重合。例如，关于气体脉冲周期，比如前体脉冲周期和反应物脉冲周期，当来自相应脉冲周期的气体在反应室内或提供给反应室一段时间时，两个或更多个气体脉冲周期可以重叠。
在本公开中，变量的任何两个数字可以构成该变量的可行范围，并且所指出的任何范围可以包括或不包括端点。此外，所指出的变量的任何值(不管它们是否用“约”表示)可以指精确值或近似值，并且包括等同物，并且在一些实施例中可以指平均值、中间值、代表性值、多数值等。此外，在本公开中，术语“包括”、“由...构成”和“具有”在一些实施例中可以独立地指“通常或广义地包括”、“包含”、“基本由...构成”或“由...构成”。根据本公开的各方面，术语的任何定义的含义不一定排除术语的普通和习惯含义。
现在转向附图，图1示出了根据本公开的至少一个实施例的拓扑选择性沉积方法100。方法100包括以下步骤：提供衬底(步骤102)，沉积第一层材料(步骤104)，沉积第二层材料(步骤106)，以及相对于第二层材料选择性地蚀刻第一层材料(步骤108)。方法100还包括可选的处理步骤(110)。图2示出了适用于方法100的步骤104和106的时序。
在步骤102期间，将衬底提供到例如反应器的反应室中。根据本公开的示例，反应室可以形成循环沉积反应器的一部分，比如原子层沉积(ALD)反应器，特别是等离子体增强ALD(PEALD)反应器。方法100的各个步骤可以在单个反应室内进行，或者可以在多个反应室中进行，比如组合工具的反应室。可选地，包括反应室的反应器可以设置有加热器，以通过升高衬底、反应室壁和/或反应物/前体中的一个或多个的温度来激活反应。
图3示出了在步骤102中提供的示例性衬底302。如图所示，衬底302包括衬底302的表面306上的图案化结构304。图案化结构包括间隙306，其包括近侧表面308、远侧表面310和侧壁312。间隙306可以形成为例如线或突起之间的通孔等。因此，在一些情况下，侧壁310可以跨越间隙，而在其他情况下，间隙可以包括多个侧壁。
在步骤102期间，衬底可以达到步骤104所需的温度和压力。举例来说，反应室内的温度(例如衬底或衬底支撑件的温度)可介于约25℃和约300℃或者约300℃和约600℃之间。反应室内的压力可以为约0.1至约10托或者约10至约760托。
在步骤104期间，第一层材料402沉积在图案化结构上，从而在近侧表面308、远侧表面310和侧壁312上保形地形成第一层402。图4示出了包括覆盖在间隙306上保形地形成的第一层402的结构。
第一层402可以是或包括例如氧化物或氮化物，比如氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化钛、其他金属氧化物/氮化物或其他材料，比如非晶硅、多晶硅、有机层(无定形碳、光致抗蚀剂)。在一些情况下，第一层402包括准金属、后过渡金属和/或过渡金属—例如这些材料的氧化物或氮化物。
沉积第一层材料步骤104可以包括第一循环过程，其包括向反应室(例如在步骤102中使用的反应室)提供第一前体和第一反应物。示例性第一前体包括准金属(例如硅)和金属中的一种或多种。例如，前体可以包括金属前体、硅前体或两者。示例性硅前体可以选自氨基硅烷、卤代硅烷、硅烷(例如甲硅烷、乙硅烷、丙硅烷)和卤化硅。氨基硅烷和卤代硅烷包括但不限于Si2Cl6、SiCl2H2、SiI2H2、双二乙基氨基硅烷、双二甲基氨基硅烷、六乙基氨基二硅烷、四乙基氨基硅烷、叔丁基氨基硅烷、双叔丁基氨基硅烷、三甲基甲硅烷基二乙胺、三甲基甲硅烷基二乙胺和双二甲基氨基二甲基硅烷。示例性卤化硅包括四碘化硅(SiI4)、四溴化硅(SiBr4)、四氯化硅(SiCl4)、六氯二硅烷(Si2Cl6)、六碘二硅烷(Si2I6)、八碘三硅烷(Si3I8)。示例性金属前体可以包括Ti,W,Ta,Mn,Hf,Al,Zn,Sn和/或Ru中的一种或多种。例如，氧化钛的前体可以是选自钛醇盐和烷基氨基钛的至少一种化合物，包括Ti(OR)4，其中R独立地是CxHy(x＝0、1、2、3、4或5，y＝2x+1)，并且每个R可以不同(例如Ti(OCH3)2(OC2H5)(OC3H7))；Ti(NR2)4，其中R独立地是CxHy(x＝0、1、2、3、4或5，y＝2x+1)，并且每个R可以不同(例如Ti(N(CH3)(C2H5))4)。氧化钛以外的金属氧化物的前体也可以选自任何合适的化合物。示例性第一反应物包括氧反应物(例如O2,O3,H2O和H2O2中的一种或多种)、NH3、N2H2、H2等及其混合物。第一反应物可以是热和/或等离子体活化的。
作为特定示例，步骤104包括等离子体增强循环沉积(例如等离子体增强ALD(PEALD))过程。根据本公开的示例，第一前体和第一反应物中的至少一个暴露于等离子体以形成第一受激物质。
参考图2，用于沉积第一层材料402的等离子体增强循环沉积过程202可以包括以稀有气体脉冲208向反应室提供稀有气体(例如氩气)，以第一反应物脉冲210向反应室提供第一反应物，以一个或多个第一前体脉冲212、214向反应室提供第一前体，以及以一个或多个第一等离子体功率脉冲216、218提供等离子体功率。第一层材料沉积循环228可以包括第一反应物脉冲210、第一前体脉冲212和第一等离子体功率脉冲216。如本文所用，脉冲意味着气体(例如前体、反应物、稀有气体和/或载气)流向反应室的周期和/或施加功率(例如产生等离子体的功率)的周期。所示脉冲的高度和/或宽度不一定表示脉冲的特定量或持续时间。
稀有气体脉冲208可以连续通过一个或多个沉积循环228和/或步骤104/202和/或步骤104和106。稀有气体的流量可以在约10sccm和10000sccm之间。
第一反应物脉冲210可以连续通过一个或多个沉积循环228和/或步骤104/202和/或步骤104和106。第一反应物的流量可以在约10sccm和10000sccm之间。
第一前体脉冲212、214的持续时间可以在约0.05到约5秒的范围内。第一反应物的流量可以在约10sccm和10000sccm之间。
一个或多个第一等离子体功率周期216、218的持续时间可以大于0且小于0.5秒。在第一等离子体功率周期216、218期间的等离子体功率可以是约50W/300mm晶片到约500W/300mm晶片。
在步骤104之后，可以吹扫反应室。在吹扫步骤期间，可以通过惰性气体、真空压力从反应室中排出前体和/或反应物，和/或可以将衬底移至另一个处理区域/反应室。参考图2，顺序部分206可以用于稳定气体和吹扫反应室。如图所示，在顺序部分206期间，稀有气体可以继续流动，同时停止前体和反应物的流动。
再次回到图1，步骤106包括沉积覆盖在第一层材料402上的第二层材料502(如图5所示)。步骤106包括以非保形方式沉积覆盖在间隙306上的第二层材料502，使得例如第二层502相对于侧壁312选择性地形成在近侧表面308和远侧表面310中的至少一个上。在这种情况下，如图所示，选择性形成意味着相对于侧壁312，层502的厚度在近侧表面308和远侧表面310上更大。在一些情况下，覆盖在近侧表面308和远侧表面310上的层502的厚度相对于侧壁312厚10％、25％、50％或更多。另外或可替代地，相对于在近侧表面308和远侧表面310上形成的层502的连续性，覆盖在侧壁312上的层502的连续性可以较小。例如，层502可以包括覆盖在侧壁312上的针孔或材料岛，并且连续覆盖在近侧表面308和远侧表面310上。连续性的差异可以通过操纵沉积过程条件和/或通过相对于侧壁312选择性地处理近侧表面308和远侧表面310上的层502来获得，例如通过使用定向离子或自由基轰击。此外，覆盖在侧壁312上的层502的成分和/或密度可以不同于形成在近侧表面308和远侧表面310上的层502的成分和/或密度。例如，相对于近侧表面308和远侧表面310上的层502的密度，覆盖在侧壁312上的层502的密度可以更低。
第二层502可以是或包括例如氮化物、碳化物、碳氧化物、碳氮化物或碳氮氧化物，比如氮化硅、SiCN、SiC、SiOCN、SiN、TiN、氧化铝、氮化铝、AlCN、TiCN等。在某些情况下，第二层是非晶硅或非晶碳。在某些情况下，第二层502包括以下中的一种或多种：半导体或准金属，比如硅；后过渡金属，比如铝；以及过渡金属，比如钛；比如任何这些材料的氮化物、碳化物、碳氧化物或碳氮化物。
类似于步骤104，步骤106可以包括等离子体增强循环沉积(例如PEALD)过程。根据本公开的示例，在步骤106期间，第二前体和第二反应物(例如稀有气体)中的至少一个暴露于等离子体以形成第二受激物质。
参考图2，沉积第二层材料502的等离子体增强循环沉积过程204可以包括以稀有气体脉冲208向反应室提供惰性气体，可选地以第二反应物脉冲219提供第二反应物，以一个或多个第二前体脉冲220、222向反应室提供第二前体，以及以一个或多个第二等离子体功率脉冲224、226提供等离子体功率。第二层材料沉积循环230可以包括(可选地)第二反应物脉冲219、第二前体脉冲220和第二等离子体功率脉冲224。
沉积第二层材料步骤106可以包括第二循环过程，其包括向反应室(例如在步骤104中使用的反应室)提供第二前体和第二反应物(例如稀有气体)。示例性第二前体包括准金属(例如硅)和金属中的一种或多种，并且可以是或包括任何上述第一前体。在一些情况下，第一前体和第二前体是或包括相同的(例如硅)前体。作为特定示例，第一和第二前体可以是或包括硅烷，比如硅烷、乙硅烷和/或丙硅烷。第二反应物可以是或包括例如含氮反应物，比如N2、N2和H2的组合、NH3、N2H2和肼衍生物，比如C1-C4烷基取代的肼衍生物，其中每个官能团取代基独立选择，以及H2。烷基-肼的非限制性示例实施例可以包括叔丁基肼(C4H9N2H3)、甲基肼(CH3NHNH2)和二甲基肼((CH3)2N2NH2)中的至少一种。
根据本公开的示例，第二反应物不同于第一反应物。在一些情况下，稀有气体比如氦和/或氩可以充当或者是第二反应物。在这种情况下，第二反应物可用于从其形成等离子体和反应性物质。步骤104和106可以使用相同的反应室或分开的反应室。在步骤104和106使用不同反应室的实施例中，衬底可以从第一反应室转移到第二反应室，而不暴露于环境大气。用于步骤104和106的半导体处理设备可以包括组合工具，该组合工具包括两个或更多个反应室并且还可以包括转移室，衬底可以通过该转移室在第一反应室和第二反应室之间传送。在一些实施例中，转移室内的环境是受控的，即温度、压力和环境气体可被控制，使得衬底不暴露于环境大气。在步骤106之后，可以吹扫反应室。
第二反应物脉冲219、第二前体脉冲220、222和第二功率脉冲224、226的流量可以与上面结合沉积过程202描述的流量相同或相似。
在步骤108期间，相对于第二层材料选择性地蚀刻或去除第一层材料，从而在图案化结构304的近侧和远侧表面上形成包括拓扑选择性沉积材料603、605的特征602，如图6所示。在这种情况下，选择性蚀刻意味着第一层材料的蚀刻速率比第二层材料的蚀刻速率高，例如高10、25、50、75、90％或更多。选择性蚀刻可以在步骤104和/或步骤106期间使用的相同反应室或另一反应室中进行，比如相同组合工具的另一反应室，或使用湿法蚀刻过程。在该阶段，拓扑选择性沉积的材料603可以包括来自第一层材料402的第一材料604和来自第二层材料502的第二材料606，并且拓扑选择性沉积的材料605可以包括来自第一层材料402的第一材料610和来自第二层材料502的第二材料612。
在步骤108期间，可以使用任何合适的选择性蚀刻过程。举例来说，蚀刻可以包括提供干蚀刻剂，比如NF3、HCl、TMAH、APM、HF等，以形成受激物质(例如使用直接、间接和/或远程等离子体)，并将衬底暴露于受激物质。另外或可替代地，在步骤108期间，可以使用湿蚀刻剂，比如氢氧化四甲铵(TMAH)的水溶液或氨和过氧化氢混合物(APM)。
如图1所示，方法100可以可选地包括处理步骤110。处理步骤110可用于例如氧化、氮化和/或碳化材料604和/或606，以形成结构700，如图7所示。举例来说，可处理(例如氧化、氮化和/或碳化)材料604和/或606以形成材料702、704。处理步骤110可以包括等离子体增强过程，并且可以在任何步骤104-108期间使用的相同反应室中进行。
结构700包括近侧表面308上的材料702和远侧表面310上的材料704，并且侧壁312上基本没有或没有材料。举例来说，材料702、704可以包括氧化硅、氮化硅、SiCN、TiN、AlO、AlN、非晶硅、多晶硅、TiO及其组合等。
图9-11示出了根据本公开的示例形成的结构的扫描电子透射图像。图9示出了包括第一层材料的结构900，该第一层材料包括氧化硅902和选择性地形成在其上的薄层SiCN904(用画线示出)。图10示出了暴露于蚀刻过程(例如暴露于0.5％HF溶液200秒)之后的结构1000。图11示出了蚀刻过程(例如暴露于0.5％HF溶液225秒)之后的结构1100。如图10和11所示，结构1000和1100包括拓扑选择性形成的材料1002、1004、1102和1104，很少或没有材料保留在结构1000、1100的侧壁上。
本文还描述了一种半导体处理设备或***。该***包括反应室。反应室包括布置成用于支撑衬底的衬底支撑件。衬底包括一个或多个间隙特征。该***还包括加热器，该加热器构造和布置成加热反应室中的衬底。该***还包括等离子体模块。等离子体模块包括射频功率源，该射频功率源构造和布置成在反应室中产生等离子体。该***还包括一个或多个材料前体源，比如一个或多个硅前体源，其通过一个或多个前体阀与反应室流体连接。该***还包括控制器。该控制器配置用于使该设备执行这里描述的方法。
可选地，该***配置用于通过载气向反应室提供材料前体。合适的载气包括稀有气体。换句话说，在一些实施例中，该***包括气体注射***，该气体注射***包括前体输送***，该前体输送***采用载气将材料前体运送到一个或多个反应室。
目前提供的方法可以在任何合适的设备中执行，包括在图8所示的***的实施例中，图8是可用于本文描述的示例性方法的实施例中的等离子体增强原子层沉积(PEALD)设备800的示意图。在该图中，通过在反应室3的内部11(反应区)中提供一对平行且彼此面对的导电平板电极2、4，从电源25向一侧施加RF功率(例如13.56MHz和/或27MHz或在100KHz和2GHz之间)，并将另一侧12电接地，可以在电极之间产生等离子体。当然，在一些实施例中，***800可配置成间歇地产生等离子体。例如，在向反应室提供前体的步骤期间，或者在随后的处理步骤之间的吹扫期间，半导体处理设备可能不需要产生等离子体，并且在这些步骤或吹扫期间，不需要向任何一个电极施加RF功率。温度调节器可以设置在下平台2中，即下电极2中。衬底1被放置在其上，并且其温度可被设置在期望的温度或温度范围。上电极4也可以用作喷淋板，并且诸如等离子体气体、反应物气体和/或稀释气体(如果有的话)以及前体气体的各种气体可以分别通过第一气体管线21和第二气体管线22并通过喷淋板4引入到反应室3中。此外，在反应室3中，提供了具有排气管线17的圆形导管13，反应室3的内部11中的气体通过该导管排出。此外，转移室5设置在反应室3下方，并且设置有气体密封管线24，以将密封气体经由转移室5的内部16引入反应室3的内部11，其中设置有用于分离反应区和转移区的分隔板14。注意，该图中省略了闸阀，通过该闸阀可以将晶片转移到转移室5中或从其转移出。转移室还设置有排气管线6。在一些实施例中，材料的沉积和蚀刻和/或处理在同一反应空间中进行，使得所有步骤都可以在不需要排空反应室、抽空反应室或将衬底暴露于大气中的中间步骤的情况下进行。
上述公开的示例实施例不限制本发明的范围，因为这些实施例仅仅是本发明的实施例的示例，本发明的范围由所附权利要求及其法律等同物来限定。任何等同的实施例都在本发明的范围内。实际上，除了在此示出和描述的那些之外，本公开的各种修改比如所描述的元件的可替换的有用组合对于本领域技术人员来说从描述中会变得显而易见。这种修改和实施例也旨在落入所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种拓扑选择性沉积方法，包括以下步骤：
提供衬底，该衬底包括在衬底表面上的图案化结构，该图案化结构包括间隙，该间隙包括近侧表面、远侧表面和侧壁；
在图案化结构上沉积第一层材料，从而在近侧表面、远侧表面和侧壁上保形地形成第一层；
沉积覆盖在第一层材料上的第二层材料，其中第二层材料相对于侧壁选择性地形成在近侧表面和远侧表面中的至少一个上；以及
相对于第二层材料选择性地蚀刻第一层材料，从而形成包括拓扑选择性沉积材料的特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，沉积所述第二层和选择性蚀刻的步骤在同一反应室内进行。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，沉积所述第一层材料的步骤在所述同一反应室内进行。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，沉积所述第一层材料的步骤包括第一循环过程，该第一循环过程包括向反应室提供第一前体，并且其中沉积所述第二层材料的步骤包括第二循环过程，该第二循环过程包括向反应室提供第一前体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一循环过程包括向所述反应室提供第一反应物和/或由其形成的受激物质，所述第二循环过程包括向反应室提供第二反应物和/或由其形成的受激物质，其中第二反应物不同于第一反应物。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述第一层材料和第二层材料包含准金属、后过渡金属和过渡金属中的一种或多种。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述第一层材料和第二层材料包含硅。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述第一层材料包含氧化物或氮化物，并且其中，所述第二层材料包含碳或氮。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，还包括处理所述拓扑选择性沉积材料的步骤，其中处理步骤包括氧化、氮化和碳化所述第二层材料中的一个或多个。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，所述第二层材料包括SiCN。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，所述选择性蚀刻的步骤包括将NF3、HCl和HF中的一种或多种引入所述反应室。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中，以下中的一个或多个：(1)相对于所述第二层中覆盖在所述近侧表面和远侧表面中的一个或多个上的针孔数量，第二层中覆盖在所述侧壁上的针孔数量更多，和(2)第二层在侧壁上形成岛状物以及覆盖在近侧表面和远侧表面中的一个或多个上的连续层。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中，所述第一层材料使用第一等离子体增强ALD过程形成，并且其中，所述第二层材料使用第二等离子体增强ALD过程形成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一等离子体增强ALD过程包括：
以第一前体脉冲提供第一前体；以及
以第一反应物脉冲提供第一反应物，
其中，第一前体和第一反应物中的至少一个暴露于等离子体以形成第一受激物质；并且
其中，所述第二等离子体增强ALD过程包括：
以第二前体脉冲提供第二前体；以及
以第二反应物脉冲提供第二反应物，
其中，第二前体和第二反应物中的至少一个暴露于等离子体以形成第二受激物质。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一前体包括硅前体，并且其中，所述第一前体和第二前体包括相同的前体。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述第一反应物包括氧反应物，所述氧反应物包括选自由O2、O3、H2O和H2O2构成的列表的气体，并且其中，所述第二反应物包括至少一种稀有气体。
17.一种拓扑选择性沉积方法，包括以下步骤：
在反应室内提供衬底，该衬底包括在衬底表面上的图案化结构，该图案化结构包括间隙，该间隙包括近侧表面、远侧表面和侧壁；
在反应室内，在图案化结构上沉积第一层材料，从而在近侧表面、远侧表面和侧壁上保形地形成第一层；
在反应室内，沉积覆盖在反应室内的第一层材料上的第二层材料，其中覆盖在近侧表面、远侧表面和侧壁上的第二层的保形性小于覆盖在近侧表面、远侧表面和侧壁上的第一层材料的保形性；以及
在反应室内相对于第二层选择性地蚀刻第一层材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，沉积所述第一层材料的步骤包括第一过程，其包括向反应室提供第一反应物，并且其中沉积所述第二层材料的步骤包括第二过程，其包括向反应室提供第二反应物。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一过程包括循环沉积过程。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述第二过程包括循环沉积过程。
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