金属硅化物的选择性沉积和选择性氧化物移除

技术领域

本公开内容的实施方式大体涉及金属硅化物沉积和选择性原生(native)氧化硅蚀刻的方法。

背景技术

材料在纳米级装置上的精确定位对于控制下一代纳米电子的原子尺度特性至关重要。对于半导体制造，利用具有优异保形性和化学计量的材料的详细定位用于满足成本、产率和产量的需求。随着金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield effect transistor；MOSFET)的沟道长度不断缩小，需要克服源于自上而下(top-down)工艺的约束性，诸如反应离子蚀刻的损伤和三维(three-dimension；3D)表面上结构对准的结构复杂性。

最近，随着MOSFET装置在三维结构(FinFET)中的制造，人们对保持保形膜品质的同时的纳米级区域选择性沉积越来越感兴趣。区域选择性沉积的一种方法是结合原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)工艺使用自组装单层(self-assembled monolayer；SAM)作为钝化层。钝化层阻挡或消除对ALD前驱物具有反应性的表面官能基团，从而可获得选择性；然而，SAM方法仍然利用钝化层的选择性沉积。此外，在选择性沉积之后，选择性地移除钝化层，此迫使产生了额外的工艺复杂性和产量的降低。

此外，为了实现进阶(advanced)选择性区域沉积，要移除原生氧化物材料，以暴露下层的材料，以用于在其上进行选择性沉积。然而，在进阶节点，原生氧化物移除变得越来越复杂，并且当基板上存在除了原生氧化物材料之外的其他氧化物材料时，选择性变得困难。

因此，本领域需要的是用于选择性材料沉积和选择性氧化物移除的改进方法。

发明内容

在一个实施方式中，提供了一种基板处理方法。所述方法包括将具有含硅表面的基板加热到第一温度，将基板暴露于包含氢的等离子体，将基板暴露于第一剂量的MoF

在另一个实施方式中，提供了一种基板处理方法。所述方法包括将基板定位在具有腔室壁的反应腔室中的加热器上，将加热器上的基板加热到第一温度，将腔室壁保持在低于第一温度的第二温度，并将基板的含硅表面暴露于氢气。将基板暴露于第一剂量的MoF

在又一实施方式中，提供了一种基板处理方法。所述方法包括将基板加热到第一温度，将基板的含硅表面暴露于含氢等离子体，将基板暴露于第一剂量的MoF

附图说明

专利或申请文件包含至少一幅彩色绘图。本专利或专利申请公开的彩色附图副本将在请求及支付必要的费用后由专利局提供。

为了详细理解本公开内容的上述特征的方式，可参照实施方式对以上简要概述的本公开内容进行更具体的描述，其中一些实施方式在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了示例性实施方式，因此不被认为是对其范围的限制，可允许其他同等有效的实施方式。

图1A示出了根据本文所述一实施方式的硅基板上MoSi

图1B示出了根据本文所述一实施方式的氮氧化硅基板上MoSi

图2A示出了根据本文所述一实施方式的硅基板上硅和Mo的XPS氧化态数据。

图2B示出了根据本文所述一实施方式的硅基板上硅和Mo的XPS氧化态数据。

图3A示出了根据本文所述一实施方式，在ALD处理之前，存在于不同基板类型上的各种元素的XPS化学组成数据。

图3B示出了根据本文所述一实施方式，在5次ALD循环之后，存在于不同基板类型上的各种元素的XPS化学组成数据。

图3C示出了根据本文所述一实施方式，在额外ALD循环之后，存在于不同基板类型上的各种元素的XPS化学组成数据。

图4A示出了根据本文所述一实施方式，在ALD处理之前，存在于不同基板类型上的各种元素的XPS化学组成数据。

图4B示出了根据本文所述一实施方式，在5次ALD循环之后，存在于不同基板类型上的各种元素的XPS化学组成数据。

图4C示出了根据本文所述一实施方式的在退火工艺之后图4B的基板的XPS化学组成数据。

图5A示出了根据本文所述一实施方式的氩溅射后MoSi

图5B示出了根据本文所述一实施方式的MoSi

图5C示出了根据本文所述一实施方式的代表MoSi

图6A示出了根据本文所述一实施方式的氩溅射后MoSi

图6B示出了根据本文所述一实施方式的MoSi

图6C示出了根据本文所述一实施方式的图6B的MoSi

图6D示出了根据本文所述一实施方式的代表MoSi

图7是根据本文所述一实施方式的优先于存在于基板上的其他材料而选择性沉积在硅上的MoSi

图8是示出根据本文所述一实施方式的将原生氧化硅选择性蚀刻成主体氧化硅的图表。

图9是根据本文所述一实施方式的接触结构的一部分的截面示意图。

为了便于理解，尽可能使用相同的元件符号来标识附图中相同的元件。可设想，一个实施方式的元件和特征可有利地结合到其他实施方式中，而无需进一步叙述。

具体实施方式

本文描述的实施方式包括利用ALD前驱物的基板依赖反应性进行区域选择性沉积的方法。更具体而言，本公开内容的实施方式涉及通过使用MoF

在约120℃的温度下，通过使用MoF

X射线光电子光谱法(XPS)显示，MoF

根据本文描述的实施方式，在包含三维纳米级SiO

实验

各种基板类型被用于此处描述的MoSi

将基板切成12mm×3mm的块，用丙酮、甲醇和去离子化(deionized；DI)H

亦设想可利用基于等离子体的原生氧化物移除工艺。例如，NF

图8是曲线图800，示出了在等离子体处理期间随时间变化的原生氧化硅和主体氧化硅厚度的选择性蚀刻速率。数据802代表当暴露于NF

在一个实施方式中，用于选择性地将原生氧化硅选择性蚀刻成主体氧化硅的等离子体在处理腔室中原位形成。或者，在输送到处理腔室之前，例如通过远程等离子体源远程形成用于选择性地将原生氧化硅选择性蚀刻到主体氧化硅的等离子体。用于形成等离子体的前驱物包括NF

在一个实施方式中，NF

在时间806处，等离子体被激发，并且原生氧化硅804发生厚度减小，此由原生氧化硅材料的厚度减小来示出。在一个实施方式中，等离子体工艺执行时长少于一分钟，例如少于40秒，诸如在约15秒与约30秒之间。在等离子体暴露的第一分钟或更短时间内，原生氧化硅804被蚀刻，而主体氧化硅实质上没有发生厚度减小，此表明比起主体氧化硅，更优先移除原生氧化硅的高度选择性。亦可设想，原生氧化物移除工艺对氮化硅材料也是选择性的，使得原生氧化硅优先于氮化硅被移除。

选择性移除原生氧化硅后对基板的原子力显微镜分析显示，暴露的硅表面(移除了原生氧化硅的地方)显示出亚埃的表面粗糙度。此种粗糙度符合移除原生氧化物后没有或实质上未蚀刻下层硅材料，因为硅材料的蚀刻预期会使表面变粗糙。

在某些实施方式中，在执行选择性原生氧化物移除工艺之后，残留材料，如(NH

图9是根据本文所述一实施方式的其上形成有接触结构910的基板900的截面示意图。基板900包括硅材料膜902和形成在硅材料膜902上的主体氧化硅材料904。接触结构910形成在硅材料膜902的表面906上。在选择性移除原生氧化物之前，表面906上形成有原生氧化物薄膜。利用上述实施方式，从表面906移除原生氧化物，而实质上不改变或移除主体氧化硅904或下层的硅膜材料902。

形成在表面906上的接触结构910包括栅极916，其由栅极氧化物914、间隔件918和封盖920界定。在一个实施方式中，栅极916是含金属材料。间隔件918和封盖920包括含氮化物的材料，诸如氮化硅材料。在形成接触结构910之前或之后，利用此处描述的选择性原生氧化物移除工艺，能够实现表面906的准备以进行随后的金属沉积。在相邻接触结构910之间形成的通道912中的金属沉积从表面906向封盖920延伸。通过从表面906选择性地移除原生氧化物，提高了对下层的硅材料膜902的金属粘附力。

在移除原生氧化物后，使用高纯度N

首先在超高真空腔室中于120℃退火基板，并使用XPS测定基板的化学组成。将基板原位转移到基础压力为约5.0×10

在ALD循环期间，使用恒定的N

MoF

在沉积循环之后，将基板原位转移至超高真空腔室进行XPS及STM分析。对于XPS测量，X射线是由Al Kα阳极(1486.7电子伏)产生的。XPS数据是使用恒定能量分析仪(constant analyzer-energy；CAE)获得的，步长(step width)为0.1eV，通能(passenergy)为50eV。将XPS检测器定位在与基板法线成60°的位置(与基板表面成30°的出射角)，检测器接收角为7°。使用Casa XPS v.2.3程序用各自的相对灵敏度系数校正每个峰面积后，分析XPS光谱。此项工作中的所有化学组成皆标准化为所有组分的总和。扫描隧道显微镜是在-1.8V的基板偏压和200pA的恒定电流下进行的。

为了研究主体膜的元素组成，结合XPS进行氩离子溅射。采用5kV的透镜电压，在6.0x10

结果

图1A显示了在120℃下连续给送MoF

在HF清洁后，所有硅都处于0氧化态，含9％的O及12％C的污染物。相信污染由基板转移到真空过程中的偶然碳氢化合物吸附引起的。HF(水溶液)用于消除硅上的原生氧化物，使得硅表面以氢封端。应当注意，图1中的硅2p数据表示硅的总量，而硅(0)数据表示氧化态为0的硅的量。

在120℃下5.4MegaL的MoF

Si

图1B说明了上文针对图1A所述的同一MoF

图2A和图2B示出了HF清洁的硅基板的Si 2p及Mo 3d的XPS光谱，以比较每个实验操作中的氧化态。图2A示出了顺序给送MoF

在首次给送5.4MegaL的MoF

MoF

硅基板上的MoSi

将三个基板一起装载在单个基板保持器上，以确保其暴露在相同的沉积条件下。硅及SiO

在120℃下，在MoF

图案化基板上的沉积选择性符合本文所述实施方式的三个方面：(1)MoSi

即使在图1和图2中描述的ALD饱和实验中能够在硅上沉积单层MoSi

1：

MoF

2：

2MoF

为了形成MoSi

图4A-4C示出了沉积后退火在HF清洁Si、SiO

图4A示出了HF清洁后的SiON表面，所述表面主要由SiN

利用原位STM及离位(ex-situ)原子力显微镜(atomic force microscopy；AFM)，研究了硅及SiO

在120℃下进行5次ALD循环，随后进行原位550℃退火之后，将另一个MoSi

在120℃下给送5次ALD循环，随后进行原位550℃退火3分钟，以确认通过对基板表面上的晶核进行计数来执行的选择性之后，SiO

亦进行了深度剖面研究，以确定MoSi

图5A中所示的XPS数据来自于在120℃下使用MoF

连续溅射循环后，硅的量增加，Mo的量减少。此外，Si

图5B示出了对应于图5A的每次XPS测量的Si 2p的原始XPS光谱。在第四次溅射循环后，99.2eV处的硅峰增加并加宽到更高的键合能。相比之下，在每个溅射循环之后，Mo峰的能量对应于Mo

底部界面的亚化学计量氧化物不影响沉积及膜品质，此表明MoSi

为了理解额外的Si

图6A-6D示出了MoSi

图6A示出了在干式清洁的基板上进行每次操作后的一系列深度剖面XPS。在6次Si

在移除表面氧化物污染后，对于进行了额外Si

在一个实施方式中，使用气动阀在6秒钟的持续时间内将4.2MegaL的Si

使用四点探针测量法测量MoSi

ρ＝ktR

其中k是常数，t是厚度，且R

在图案化基板上进行截面TEM研究，以确认MoSi

亚化学计量MoSi

一项深度剖面XPS研究显示，主体MoSi

约1.2纳米/循环的MoSi

尽管上文针对本公开内容的实施方式，但是在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，可设计本公开内容的其他及进一步的实施方式，并且本公开内容的范围由所附权利要求书确定。