使用转盘式批沉积反应器沉积钴层的方法和设备与流程

本公开的实施方式总体涉及基板处理方法和基板处理设备，并且更具体地涉及用于将钴沉积在基板上的方法和设备。

背景技术：

发明人观察到，钴的化学气相沉积(CVD)可用作用于诸如形成集成电路中的金属互连件的应用的金属沉积技术。CVD钴可以沉积在薄层中的开口(诸如通孔或沟槽)内，并且接着在约250摄氏度至约450摄氏度下退火以将杂质(诸如碳、氢和氧)驱除。沉积步骤和退火步骤可重复数次以用钴填充开口。然而，常规CVD腔室可能没有退火能力，从而需要基板离开沉积腔室进行退火，并且接着返回CVD腔室进行另外沉积。因此，在用钴填充开口前执行的若干沉积步骤和退火步骤将会耗费较长的时间段，从而导致工艺的产量低而成本高。

因此，发明人已提供用于将钴层沉积在形成于基板上的特征结构中的改良的方法和设备。

技术实现要素：

本文中提供了用于将钴层沉积在形成于基板上的特征结构中的方法和设备。在一些实施方式中，一种将钴层沉积在基板上的方法包括：(a)将基板提供至可在两个处理位置之间旋转的基板支撑件；(b)在第一处理位置处将基板暴露于含钴的前体，以将钴层沉积在基板上，其中位于第一处理位置处的基板处于第一温度；(c)将基板旋转到第二处理位置；以及(d)在第二处理位置处使基板退火以将污染物从钴层中去除，其中位于第二处理位置处的基板处于第二温度，第二温度大于第一温度。

在一些实施方式中，一种基板处理腔室包括：腔室主体，所述腔室主体具有处理容积；可旋转基板支撑件，所述可旋转基板支撑件设置在腔室主体内，其中所述基板支撑件被配置成使布置成平面阵列的一或多个基板在第一处理位置和第二处理位置之间旋转，其中第一处理位置和第二处理位置是独立热控制的；喷淋头，所述喷淋头与可旋转基板支撑件相对地设置，所述喷淋头被配置成在第一处理位置处将一或多个基板暴露于含钴的前体；以及热源，所述热源设置在基板支撑件内，所述热源被配置成在第二处理位置处加热一或多个基板。

以下论述本公开的其他实施方式以及变型。

附图说明

可参考附图中描绘的本公开的说明性的实施方式来理解本公开的以上简要概述并在以下更详细描述的实施方式。然而，附图仅说明了本公开的典型实施方式，并且因此不应视为对范围的限制，因为本公开可允许其他等效实施方式。

图1描绘根据本公开的一些实施方式的在基板上沉积钴层的方法。

图2A-2D描绘根据本公开的一些实施方式的用钴来填充特征结构的各阶段。

图3描绘根据本公开的一些实施方式的适于执行将钴沉积在形成于基板上的特征结构中的方法的工艺腔室。

图4描绘根据本公开的一些实施方式的适于执行将钴沉积在形成于基板上的特征结构中的方法的基板支撑件的顶视图。

图5描绘根据本公开的一些实施方式的适于执行将钴沉积在形成于基板上的特征结构中的方法的基板支撑件的侧视图。

图6描绘根据本公开的一些实施方式的适于执行将钴沉积在形成于基板上的特征结构中的方法的喷淋头的底视图。

为了促进理解，已尽可能使用相同元件符号指定各图所共有的相同元件。附图未按比例绘制，并且为了清楚起见，可以简化绘制。一个实施方式的要素和特征可有利地并入其他实施方式，而不进一步地叙述。

具体实施方式

本文中提供了用于将钴沉积在形成于基板上的特征结构中的方法和设备。根据本公开的实施方式，将钴沉积在薄层中的开口内，并且接着退火以将杂质驱除。本文中描述的本发明的方法和设备有利地将沉积工艺和退火工艺组合在单个腔室中，以便改进循环时间并且提高产量。本文中描述的本发明的方法可以用于集成电路中的金属互连件的形成以及其他合适应用，包括以改进循环时间和提高产量沉积钴填充层。

图1是根据本公开的一些实施方式的用于沉积钴的方法100的流程图。以下针对如图2A-2B描绘的用钴填充特征结构的各阶段来描述方法100。

方法在102处通过将一或多个基板提供至可旋转基板支撑件开始。基板支撑件可在两个处理位置之间旋转。在一些实施方式中，基板支撑件可使一或多个基板在第一处理位置与第二处理位置之间旋转，在第一处理位置处，钴层沉积到一或多个基板上，在第二处理位置处，钴层被退火以将污染物去除。

例如，在一些实施方式中，基板支撑件是图3、图4和图5中描绘的基板支撑件308。图3描绘可用于实践如本文论述的本公开的实施方式的那种示例性的设备300的示意图。图3中描绘的设备300包括工艺腔室302，所述工艺腔室具有基板支撑件308，所述基板支撑件设置在工艺腔室中，以便在处理过程中将一或多个基板支撑在其上。在图3中，示出两个基板200A和200B。然而，在本公开中，有时，将基板总称为一或多个基板200。

图4描绘具有一或多个基板设置在其上的基板支撑件308的顶视图。在一些实施方式中，基板支撑件308可以支撑在2至6个之间的基板。例如，图4描绘具有布置成平面阵列的四个基板200A、200B、200C和200D的基板支撑件，其中两个基板200A、200C在第一处理位置402A和402B处，并且两个基板200B、200D在第二处理位置404A和404B处。因此，例如，基板支撑件为平面阵列中的多个单一基板提供支撑，其中每个单一基板位于单独处理位置。如图4所示，多个处理位置可就相同工艺(例如，例如用于沉积的两个第一处理位置和例如用于退火的两个第二处理位置)进行配置。在一些实施方式中，位于每个处理位置处的工艺可以同时发生(例如，钴沉积可发生在两个第一处理位置处，而退火则在两个第二处理位置处发生)。

在一些实施方式中，基板支撑件在偶数个的单独处理位置处为偶数个的单一基板提供支撑，其中半数处理位置被配置成用于沉积，并且半数处理位置被配置成用于退火。在一些实施方式中，基板支撑件在偶数个的单独处理位置处为偶数个的单一基板提供支撑，其中所有处理位置被配置成既用于沉积也用于退火，并且可取决于需要选择适当工艺。因此，每个处理位置可独立地进行热控制，使得可以对温度和沉积位置(例如，第一温度)同时进行控制，同时提供在沉积位置使用的温度(例如，大于第一温度的第二温度)。

图5描绘基板支撑件308的侧视图。在一些实施方式中，基板支撑件308可以绕基板支撑件308的中心406沿顺时针或逆时针方向旋转。在一些实施方式中，基板支撑件308可以包括将一或多个基板200保持或支撑在基板支撑件308的表面上的机构，诸如静电卡盘、真空卡盘、基板保持夹具等等(未示出)。

如图2A所绘，一或多个基板200包括第一表面202，所述第一表面具有形成在一或多个基板200的第一表面202中的特征结构204。特征结构204包括开口220，所述开口是形成在一或多个基板200的第一表面202中，并且朝向一或多个基板200的相对第二表面延伸到一或多个基板200中。例如，一或多个基板200可以包含硅(Si)、氧化硅(SiO₂)等等中的一或多种。另外，一或多个基板200可以包括另外的材料层，或者可具有形成在其中或其上的一或多个完整或部分完整的结构。

开口220可为任何合适开口，例如通孔、沟槽、双镶嵌式结构等等。在一些实施方式中，特征结构204可以具有约3:1至约15:1的高宽比。可通过使用任何合适蚀刻工艺蚀刻一或多个基板200来形成开口220。开口220由一或多个侧壁206和底部208限定。

在一些实施方式中，在如以下在106所述那样沉积钴材前，使第一层212形成在第一表面202、底部208和侧壁206上。在一些实施方式中，第一层212可为氧化物材料，诸如氧化硅(SiO₂)等等。可使用任何合适工艺腔室(例如，化学气相沉积(CVD)腔室)通过任何合适氧化工艺使氧化物材料沉积或生长。可将氧化物材料用作在基板与随后将沉积在开口220中的含钴层之间的电阻挡层和/或物理阻挡层，和/或可将氧化物材料用作用于在以下所论述的沉积工艺期间进行附着的比基板原生表面更好的表面。在一些实施方式中，第一层212可包括沉积在氧化物层上的阻挡材料。在一些实施方式中，并不存在氧化物层，并且阻挡材料可为形成在特征结构204的第一表面202、底部208和侧壁206上的第一层212。阻挡材料可以用于与上述氧化物材料类似的目的。在一些实施方式中，阻挡材料可以包括钛(Ti)、钽(Ta)、以及钛、钽的氧化物或氮化物等等中的至少一种。阻挡材料可通过任何合适方法(诸如通过CVD或PVD)来沉积。

接着，在104，如图2B所绘，将一或多个基板200暴露于含钴的前体210，以将钴层214沉积在一或多个基板200上和特征结构204内。将位于第一处理位置处的每个基板(例如如图4所示基板200A、200C)暴露于含钴的前体210。位于第一处理位置处的每个基板处于适于钴层的沉积的第一温度，例如约100摄氏度至约400摄氏度的温度。在一些实施方式中，如图5所绘，将位于第一处理位置处的基板200A暴露于含钴的前体210，同时将惰性气体502(诸如氮气(N₂))的气流提供至第二处理位置，以便防止含钴前体气体散入第二处理位置并将钴层沉积在第二处理位置处的基板200B、200D上。

可使用任何合适喷淋头314将含钴的前体210和惰性气体提供至工艺腔室302。喷淋头314可以具有各种构造，诸如将气体提供至工艺腔室的一个区或多个区。在一些实施方式中，如图6所示，喷淋头314可具有对应于基板支撑件308的第一处理位置402A-402B和第二处理位置404A-404B的多个区。例如，如图6所示，喷淋头314可以具有第一区602A和602B与第二区604A和604B，第一区602A和602B例如可以将含钴的前体210供应到第一处理位置402A和402B，第二区604A和604B例如可以将惰性气体供应到第二处理位置404A和404B，以便防止含钴的前体气体散入第二处理位置。

在一些实施方式中，一或多个基板200被暴露于处于约750sccm至约1000sccm的流速下的含钴的前体210。在一些实施方式中，合适钴前体可以包括羰基钴络合物、脒化钴化合物、二茂钴化合物、二烯基钴络合物、亚硝酰基钴络合物、它们的衍生物、它们的络合物、它们等离子体或它们组合。在一些实施方式中，可使用六羰基二钴乙酰基化合物来形成钴层。六羰基二钴乙酰基化合物可以具有化学式(CO)₆CO₂(RC≡CR')，其中R和R'独立选自氢、甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、叔丁基、戊基、苯甲基、芳基、它们的异构物、它们的衍生物或它们组合。在一个实例中，六羰基二钴丁基乙炔(CCTBA，(CO)₆CO₂(HC≡CtBu))是钴前体。其他六羰基二钴乙酰基化合物实例包括六羰基二钴甲基丁基乙炔((CO)₆CO₂(MeC≡CtBu))、六羰基二钴苯基乙炔((CO)₆CO₂(HC≡CPh))、六羰基甲基苯基乙炔((CO)₆CO₂(MeC≡CPh))、六羰基二钴甲基乙炔((CO)₆CO₂(HC≡CMe))、六羰基二钴二甲基乙炔((CO)₆CO₂(MeC≡CMe))、它们的衍生物、它们的络合物或它们组合。其他示例性的羰基钴络合物包括环戊二烯基钴双(羰基)(CpCo(CO)₂)、三羰基烯丙基钴((CO)₃Co(CH₂CH＝CH₂))或它们的衍生物、它们的络合物或它们组合。在一些实施方式中，方法可进一步包括使反应气体(诸如氢(H₂))随前体气体一起流动。用于形成以上论述的钴层的一般处理条件包括维持工艺腔室压力处于约15Torr至约25Torr。

在一些实施方式中，钴层214可经由等离子体辅助沉积工艺(诸如等离子体增强化学气相沉积工艺或热化学气相沉积工艺)来形成。在一些实施方式中，例如，一或多个基板200可暴露于处于等离子体状态下的含钴的前体210。等离子体可通过耦合足够能量(例如来自电源的射频(RF)能量)以点燃钴前体来形成等离子体而形成。在一些实施方式中，电源可说明性地以合适频率(诸如约13.56MHz)提供约400瓦特的功率。等离子体促成前体的分解，从而导致材料在一或多个基板200上沉积，以便形成钴层214。

接着，在106，将具有钴层沉积在其上的基板旋转到第二处理位置。如图4所绘，具有钴层沉积在其上的基板200A、200C被旋转到第二处理位置404，而基板200B、200D旋转到第一处理位置402，从而具有如上在104所述的钴层。

接着，在108，并且如图2C所绘，使一或多个基板200退火216以将污染物从钴层中去除。位于第二处理位置处的每个基板(例如，如图4所示基板200B、200D)退火。一或多个基板200在约150摄氏度至约500摄氏度的温度下退火。在一些实施方式中，每个基板被退火达约50秒至约150秒。在一些实施方式中，在退火后，一或多个基板200可冷却到适于钴沉积的温度。一或多个基板200可以在第二处理位置处冷却、可旋转到第一处理位置以及在钴沉积之前冷却，或它们的组合。

基板支撑件308可包括用于控制基板温度的机构，诸如用于加热基板和/或冷却基板的加热和/或冷却装置。例如，在一些实施方式中，诸如图5所绘，可使用嵌入基板支撑件中的热控制装置510来加热和/或冷却一或多个基板200。热控制装置510可包括对应于基板支撑件上的将设置单独基板的位置的多个区。或者，可以提供多个热控制装置，其中在每个位置处设有一个热控制装置510。

在一些实施方式中，热控制装置510是加热器504。加热器504可为用于加热工艺腔室部件的任何类型的加热器。例如，在一些实施方式中，加热器可以包括耦接到一或多个电源(例如，电阻式加热器)的一或多个电阻元件。在基板支撑件在每个处理位置处包括多个区或多个加热器的实施方式中，通向全部多个区或多个加热器的功率可以不同速率针对多个区或多个加热器中的每个施加。除了提供对应于每个基板的在基板支撑件上的位置的单独热控制区或区域之外，在一些实施方式中，可利用多个电阻元件来在基板支撑件内的对应于单个基板的区域内提供单独的加热区。例如，在一些实施方式中，基板支撑件可以包括两个加热器，从而形成两个加热区，即中心或内加热区和边缘或外加热区，其中每个区的温度是独立可控的。或者，在一些实施方式中，一或多个基板200可由灯头加热，所述灯头相对于基板支撑件308设置在适于加热一或多个基板200的位置。灯头产生辐射，辐射导向一或多个基板200的顶表面。替代或组合地，灯头可配置成诸如通过设置在基板支撑件的下方或通过将辐射导向至一或多个基板200的底表面来加热一或多个基板200的底表面。可将灯分成多个区。所述区可由控制器单独调整，以便允许对基板支撑件的不同区域的受控辐射加热。在一些实施方式中，热控制装置510可以包括换热器506，换热器506例如具有使冷却剂流过其中以例如在退火工艺后将热量从受热基板中去除的通道。

在一些实施方式中，热控制装置510包括由上述实施方式的组合提供的加热能力和冷却能力。例如，加热可由加热器504(例如，电阻加热元件或加热灯)提供，并且冷却可由换热器506(例如，用于冷却剂流动的冷却通道)提供。因此，可有利地在相同的基板支撑件上以不同温度来同时处理设置在基板支撑件上的单独基板的温度。此外，多个基板可同时被支撑，并且它们温度在基板支撑件在处理位置间旋转时快速重复性地增大和减小，以便提供用于沉积工艺和退火工艺的温度，而不需要从基板支撑件中去除基板，直到工艺完成并且膜(例如，钴膜)沉积到预定最终厚度。

例如，如图2D所示，104-108可以重复，直到开口被钴材所填充，或者直到沉积钴层已经达到最终厚度，例如适于半导体制造工艺的任何厚度。另外，当开口204已用钴材填充时，可将开口220填充至高于基板的上表面的水平，和/或可将沉积材料(例如，来自钴材)保留在一或多个基板200的上表面上。因此，随后可使用技术(诸如用酸溶液进行湿法清洁、化学或电化学机械抛光等等)将过量沉积材料从上表面去除，使得开口220用沉积钴材填充至达到大致与上表面齐平的水平。

返回图3，设备300可以包括控制器350和工艺腔室302，所述工艺腔室具有排放系统320，所述排放系统用于将过量工艺气体、处理的副产物等等从工艺腔室302的内部容积305去除。示例性的工艺腔室可以包括可购自加利福尼亚州圣克拉拉市应用材料公司(Applied Materials,Inc.of Santa Clara,California)的被配置成用于化学气相沉积(CVD)的若干工艺腔室中的任何工艺腔室。可类似地使用来自其他制造商的其他合适工艺腔室。此类工艺腔室可为独立工艺腔室或组合工具(诸如同样可购自美国加利福尼亚州圣克拉拉市应用材料公司的或系列工艺工具)的部分。

工艺腔室302具有内部容积305，所述内部容积包括处理容积304。处理容积304可以例如限定在基板支撑件308与一或多个气体入口之间，所述基板支撑件设置在工艺腔室302内，用以在处理过程中将一或多个基板200支撑在基板支撑件308之上，所述气体入口诸如是设置在各个位置的喷淋头314和/或喷嘴。在一些实施方式中，基板支撑件308可以包括将一或多个基板200保持或支撑在基板支撑件308的表面上的机构，诸如静电卡盘、真空卡盘、基板保持夹具等等(未示出)。在一些实施方式中，基板支撑件308可以包括用于控制基板温度和/或用于控制邻近基板表面的物质通量和/或离子能量的机构。

例如，在一些实施方式中，基板支撑件308可以包括RF偏压电极340。RF偏压电极340可通过一或多个相应匹配网络(所示匹配网络336)耦接到一或多个偏压电源(所示一个偏压电源338)。一或多个偏压电源能够在约2MHz至约60MHz的频率(诸如约2MHz或约13.56MHz或约60MHz)下产生高达1200W的RF能量。在一些实施方式中，可提供两个偏压电源来用于在约2MHz和约13.56MHz的相应频率下通过相应匹配网络将RF电源耦接到RF偏压电极340。至少一个偏压电源可以提供连续功率或脉冲功率。在一些实施方式中，偏压电源可替代地为DC源或脉冲DC源。

一或多个基板200可以经由工艺腔室302的壁中的开口312进入工艺腔室302。开口312可以经由狭缝阀318或者经由用于选择性地提供通过开口312进入腔室的内部的通道的其他机构选择性地密封。基板支撑件308可耦接到升降机构334，所述升降机构可以控制基板支撑件308的位置介于适于经由开口312来将基板传送进出腔室的下部位置(如图所示)与适于进行处理的可选上部位置之间。可对工艺位置进行选择，以最大化特定工艺的工艺均匀性。当在至少一个升高处理位置中时，基板支撑件308可设置在开口312上方，以便提供对称处理区域。

一或多个气体入口(例如，喷淋头314)可耦接到气体供应316，用于通过质量流控制器317将一或多种工艺气体提供到工艺腔室302的处理容积304中。另外，可提供一或多个阀319以控制一或多种工艺气体流量。质量流控制器317和一或多个阀319可单独地或组合地用来在给定流速下以恒定流速或脉冲方式(如上所述)来提供工艺气体。

虽然在图3中示出喷淋头314，但是可以提供另外或替代的气体入口，诸如设置在工艺腔室302的顶板中或侧壁上或适于向工艺腔室302提供气体的其他位置(诸如工艺腔室基座、基板支撑件的周边等等)处的喷嘴或入口。

设备300可以利用电容耦合RF能量进行等离子体处理。例如，工艺腔室302可以具有由介电材料制成的顶板342和可至少部分地导电以提供RF电极(或者可以提供单独RF电极)的喷淋头314。喷淋头314(或其他RF电极)可通过一或多个相应匹配网络(所示匹配网络346)耦接到一或多个RF电源(所示一个RF电源348)。一或多个等离子体源能够在约2MHz和/或约13.56MHz或高频率(诸如27MHz和/或60MHz)下产生高达约3000W(或者在一些实施方式中，高达约5000W)的RF能量。排放系统320一般包括抽送气室324和一或多个导管，所述一或多个导管将抽送气室324耦接到工艺腔室302的内部容积305(一般为处理容积304)。

真空泵328可经由抽送端口326耦接到抽送气室324，用于经由一或多个排放端口(所示两个排放端口322)从工艺腔室302中抽出排放气体。真空泵328可流体耦接到排放出口332，用于将排气输送到适当排气处理设备。可将阀330(诸如闸阀等等)设置在抽送气室324中，以有利于结合真空泵328的操作来对排放气体流速进行控制。虽然示出的是z轴运动式(z-motion)闸阀，但是可以利用用于控制排气气流的任何合适的工艺相容的阀。

为有利于如上所述控制工艺腔室302，控制器350可为可用于用来控制各种腔室和子处理器的工业装置的任何形式通用计算机处理器中的一种。CPU 352的存储器或计算机可读媒体356可为容易获得的存储器中的一或多种，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或任何其他形式数字存储装置(无论本地还是远程)。支持电路354耦接到CPU 352，以便以常规的方式来支持处理器。这些电路包括高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路和子系统等等。

本文中公开的本发明的方法一般可以作为软件程序358存储在存储器356中，当通过CPU 352执行软件程序358时，致使工艺腔室302执行本公开的工艺。软件程序358还可通过远离由CPU 352控制的硬件的第二CPU(未示出)存储和/或执行。本公开的方法的一些或全部也可在硬件中执行。因此，本公开的实施方式可以软件实现并且使用计算机系统执行，可以作为例如应用程序专用集成电路或其他类型硬件实现方式的硬件实现，或以软件和硬件的组合实现。软件程序358可以在一或多个基板200定位在基板支撑件308上后执行。软件程序358在通过CPU 352执行时，将通用计算机变换成控制腔室操作的专用计算机(控制器)350，使得本文中公开的方法得以执行。

可以使用其他半导体基板处理系统来实践本公开，其中在不背离本公开的精神的情况下，处理参数可由本领域技术人员通过利用本文中公开的教导内容来调整以实现可接受的特性。

尽管上述内容针对本公开的实施方式，但是也可在不背离本公开的基本范围的情况下设计本公开的其他和进一步实施方式。