后侧沉积装置和应用

文档序号:9368224阅读:328来源:国知局
后侧沉积装置和应用
【技术领域】 本发明总体上涉及半导体处理领域,更具体地涉及后侧沉积装置和应用。
【背景技术】
[0001] 半导体设备制造经常涉及层堆叠在下伏的晶片衬底上的沉积。典型地,待形成的 大多数沉积和其他处理发生在晶片的前表面上。在创建沉积层时,它们可能会在晶片中引 入应力。这种应力能够导致晶片弯曲,这是不期望的。当弯曲显著时,其可能有害地影响后 续的处理步骤。
[0002] 在半导体设备制造器件出现的另一问题是在后沉积处理期间在晶片的后侧上颗 粒的产生。这些颗粒可能在晶片中造成局部应力反应,这在光刻操作中尤其成为问题。
[0003] 因此,需要改进的方法和装置,以克服与晶片应力和在晶片后侧上出现颗粒相关 的问题。

【发明内容】

[0004] 本发明的某些实施方式涉及用于在衬底的后侧沉积膜的方法和装置。这样的后侧 沉积可以在不接触衬底前侧上的活性区域的情况下发生,由此防止对于衬底前侧的损害。 后侧沉积在克服归因于在晶片前侧上沉积材料所造成的应力的情况下是有用的。进一步 地,后侧沉积对于在衬底后侧上形成牺牲层是有用的,这将有益于减少后侧颗粒效应。否则 这样的后侧颗粒可能在例如光刻操作等敏感处理中带来问题。
[0005] 在本发明的实施方式的一个方面,提供了用于在衬底的后侧上沉积膜的方法,该 方法包括提供包含前侧和后侧的衬底给沉积反应器,所述衬底的所述前侧包含活性区域, 所述活性区域包含前侧沉积材料;将所述衬底固定在所述沉积反应器内,使得位于所述衬 底的所述前侧的所述活性区域不会接触到所述沉积反应器的任意部分;以及将所述膜沉积 在所述衬底的所述后侧上而不在所述衬底的所述前侧上沉积膜。
[0006] 在一些实施方式中,将所述衬底固定在所述沉积反应器内包括将所述衬底加载到 所述沉积反应器内的支撑结构之内或者之上,其中加载所述衬底以使得在所述晶片的所述 前侧上的所述活性区域暴露于前侧间隔并且所述晶片的所述后侧基本暴露于沉积区域。该 方法还包括使惰性气体流过所述前侧间隔。这样的惰性气体有助于将沉积化学物质保持在 前侧间隔之外,由此防止在所述晶片的前侧上沉积。在多种情况下,沉积在所述衬底的后侧 上的所述膜为电介质膜。可沉积的所述电介质膜的实施例包括但不限于硅氧化物和硅氮化 物。
[0007] 在某些情况下,所述前侧沉积材料会使得所述衬底弯曲。在所述衬底的所述后侧 上沉积所述膜可以包括将所述膜沉积到足以使所述晶片的所述弯曲减小到约150ym或者 更小的弯曲高度的厚度。在这些或其他情况下,在衬底的后侧上沉积膜还可以包括使所述 膜沉积到一厚度,该厚度足以将晶片中的应力大小减小到约150MPa或以下。例如,沉积在 所述晶片的所述后侧上的所述膜的厚度可以小于约2ym,并且该厚度可以小于所述前侧沉 积材料的厚度。
[0008] 在某些实施方式中,沉积在所述衬底的所述后侧上的膜为牺牲层。该牺牲层可以 在后续的处理步骤中去除。在一个实施方式中,该方法进一步包括在所述衬底的所述后侧 上沉积所述膜之后,通过由蚀刻、沉积、离子注入、等离子体清洁以及湿式清洁所构成的组 中的一个或者多个处理对所述衬底的所述前侧进一步处理;以及去除所述膜,其中,进一步 处理所述衬底的所述前侧致使在所述膜上形成颗粒;以及去除所述膜,其中去除所述膜也 去除所述膜上的所述颗粒。该方法可以进一步包括在去除所述膜之后在所述衬底上执行光 刻。
[0009] 在另一实施方式中,该方法进一步包括:在所述衬底的所述后侧上沉积所述膜之 前,通过由蚀刻、沉积、离子注入、等离子体清洁以及湿式清洁所构成的组中的一个或者多 个处理对所述衬底的所述前侧进一步处理,其中,处理所述衬底的所述前侧致使在所述衬 底的所述后侧上形成颗粒;其中,执行在所述衬底的所述后侧上沉积所述膜,使得在所述衬 底的所述后侧上的所述颗粒由所述膜覆盖;当所述膜出现在所述衬底的所述后侧上时执行 光刻;以及在执行光刻之后从所述衬底的所述后侧去除所述膜。
[0010] 在所公开的实施方式的另一方面,提供了一种用于在衬底的后侧上沉积膜的装 置,该装置包括:反应室;反应室内的衬底支撑机构,其配置成将所述衬底支撑在其周边或 者在其周边附近,使得所述衬底的所述前侧上的活性区域不会接触到所述沉积反应器的任 意部分,并且使得所述衬底的所述后侧基本暴露;沉积区域,其通过现有的所述衬底的底侧 被限定在一侧;前侧间隔,其通过现有的所述衬底的前侧被限定在一侧;顶侧进口,其用于 提供气体到所述前侧间隔;以及沉积区域进口,其用于提供气体到所述沉积区域。
[0011] 该装置可以进一步包括控制器,该控制器包括用于在所述衬底的所述后侧上沉积 所述膜而不在所述衬底的前侧上沉积膜的指令。例如,该控制器可以具有使一种或者多种 反应物气体流动通过沉积区域进口并且使惰性气体流动通过顶侧进口的指令。该控制器还 可以具有通过移动衬底支撑机构和/或衬底支撑机构之上的表面来控制前侧间隔的高度 的指令。在这些或其他情况下,反应器的一个或者多个部分可以是可移动的,从而使得所述 前侧间隔的高度和/或所述沉积区域的高度可以改变。
[0012] 在一些情况下,所述衬底支撑机构可以包括支撑环。在其他情况下,多个销状物可 以用作衬底支撑机构。
[0013] 在所公开的实施方式的另一方面,提供了一种多工具式半导体处理装置,其包括: 前侧模块,其用于在衬底的前侧上沉积材料;后侧模块,其用于在所述衬底的后侧上沉积材 料而基本不会接触到所述衬底的所述前侧上的活性区域,其中所述后侧模块配置成输送气 相反应物;以及控制器,其包括用于在所述前侧模块内在所述衬底的所述前侧上沉积材料 的指令、用于输送所述衬底到所述后侧模块的指令、以及在所述衬底的所述后侧上沉积材 料而不会同时在所述衬底的所述前侧上沉积膜的指令。所述多工具式装置还进一步包括用 于蚀刻衬底的蚀刻模块。
[0014] 这些和其他特征将参考相关附图在下面进行叙述。
【附图说明】
[0015] 图IA示出了用于在晶片后侧上沉积膜的方法的流程图。
[0016] 图IB描述了根据某些实施方式的具有前侧应力补偿层的衬底的剖视图。
[0017] 图2A示意了在其上具有沉积材料堆叠的弯曲的晶片。
[0018] 图2B不意了在晶片后侧上沉积材料层之后的图2A中所不晶片。
[0019] 图3A和3B描述了根据使用牺牲后侧层的某些实施方式在制造期间位于不同时点 的半导体衬底的一部分的剖视图。
[0020] 图4A示出了可用于根据某些实施方式在晶片后侧上沉积材料的反应室的简单视 图。
[0021] 图4B示出了图4A中所示的后侧沉积装置的一部分的封闭视图。
[0022] 图5描述了可用于根据某些实施方式在晶片的前侧上沉积材料的反应室的简化 剖视图。
[0023] 图6示意了可用于某些实施方式中的蚀刻室的简化剖视图。
[0024] 图7描绘了可用于某些实施方式中的剥离/去除室的简化剖视图。
[0025] 图8示出了根据特定实施例可用于在晶片的前侧和后侧上沉积材料以及蚀刻晶 片的多工具式装置的俯视图。
【具体实施方式】
[0026] 在本申请中,术语"半导体晶片","晶片","衬底","晶片衬底"以及"部分制造的集 成电路"是可交换地使用的。本领域的技术人员将理解,术语"部分制造的集成电路"可以 指在其上的集成电路制造的多个阶段中的任意一个阶段期间的硅晶片。在半导体设备行业 中使用的晶片或者衬底典型地具有200mm或者300mm的直径,但本行业正在逐渐采纳450mm 的直径的衬底。这里的说明使用术语"前"和"后"来描述晶片衬底的不同侧。要理解,前 侧是绝大多数沉积和处理发生的一侧,并且是制作半导体设备本身的一侧。后侧是晶体的 相对侧,其在制造期间通常经历最少处理或者无处理。
[0027] 除非有其他限定,本公开中提到的流率和功率电平是适用于在300mm衬底上进行 处理。本领域的普通技术人员将理解,这些流率和功率电平可以根据其他尺寸的衬底需要 进行调整。下文的详细说明假设本发明是在晶片上实现的。然而,本发明并不限于此。工 件可以是各种形状,各种尺寸和材料的。除了半导体晶片之外,可以利用本发明的其他工件 还包括各种物件,例如印刷电路板等。
[0028] 在下面的叙述中,将叙述多个具体细节以提供对所公开实施方式的全面理解。所 公开的实施方式可以在没有这些具体细节的一些或者全部的情况下实施。在其他实施例 中,已知的处理操作没有详细叙述以免不必要地模糊所公开的实施方式。在所公开的实施 方式结合【具体实施方式】进行叙述时,要理解,这并非意图限制所公开的实施方式。 方法
[0029] 如上所述,在晶片衬底前侧上的材料沉积可以导致晶片中的应力和弯曲问题。这 些问题特别可能出现在大量材料堆叠沉积的地方,例如在3D-NAND设备的背景下。晶片弯 曲可以引起后续处理步骤中的复杂情况。例如,如果弯曲过大则晶片不能被正确地夹持。此 外,特定处理步骤(例如光刻)是非常精确的,如果晶片在处理时不是相当平坦的,则会造 成不良结果。
[0030] 克服应力和弯曲问题的一种技术是在晶片的后侧沉积膜。该后侧膜对来自前侧沉 积的应力产生反作用以产生中性应力(或者大致中性的压力,例如小于约+/-150MPa)晶 片,该晶片显示无弯曲(或者大致无弯曲,例如小于约150ym的弯曲)。如果在前侧所沉 积的膜是拉伸的,那么后侧膜应当也是拉伸的,以平衡总的应力。同样地,如果前侧膜是压 缩的,那么后侧膜应当也是压缩的。后侧膜可以通过多种反应机制(例如,化学气相沉积 (CVD),等离子体增强化学气相沉积(PECVD),原子层沉积(ALD),等离子体增强原子层沉积 (PEALD),低压化学气相沉积(LPCVD)等等)进行沉积。在各种情况下,使用等离子体增强 化学气相沉积,因为在这种反应类型下实现高沉积率。
[0031] 特定沉积参数可以调节以生成具有理想应力水平的后侧膜。这些沉积参数之一是 所沉积的后侧膜的厚度。较厚的膜在晶片中引入较大的应力,而较薄的膜(相同组成并且 在相同条件下沉积)在晶片中引入较小的应力。因此,为了最小化在形成后侧层上所消耗 的材料量,该层可以在促进形成高应力膜的条件下相对薄地沉积。
[0032] 可调整以影响由后侧(或者前侧)膜所引入应力的其他参数包括生成等离子体的 功率(例如,RF功率)、等离子体的RF频率、等离子体的暴露时间、衬底和反应室的温度、反 应室内的压强、惰性气体的流动、反应物的组成等等。本段内容涉及在不同沉积条件下在硅 氮化物膜中可见的改变。当用于生成等离子体的RF功率的高频(HF,例如约13. 5MHz)分量 增大时,膜的拉伸应力响应增强,并且压缩应力响应显示大致无变化。HFRF频率示例可以 介于约13. 56-60MHZ之间。HFRF功率示例可以介于每站约0-2500瓦特之间。当用于生成 等离子体的RF功率的低频(LF,例如约356kHz)分量增加时,膜的拉伸应力响应减小,并且 膜的压缩应力响应增大。LFRF频率示例可以介于约200KHz-4MHz之间。LF功率示例可以 介于每站约0-2500瓦特之间。在不同情况下,LF+HF功率一起可以介于每站约0-2500瓦 特之间。当等离子体暴露时间和/或占空比增加时,应力响应可以如上所示地改变,具体取 决于所使用的频率以及所涉及的膜应力类型。示例性的暴露时间取决于所进行的频率沉积 的类型。例如,等离子体增强化学气相沉积涉及以相对长的时间周期暴露于等离子体,而等 离子体增强原子层沉积涉及以短得多的时间周期反复暴露于等离子体。当衬底的温度在沉 积期间升高时,膜的拉伸应力响应和压缩应力响应增强。衬底和室的温度示例也取决于衬 底处理,但可以是介于约20-400°C之间。当反应室内的压强在沉积期间增大时,膜的拉伸应 力响应增大,并且膜的压缩应力响应减小。室压强的示例介于约1-4托之间。当在沉积期 间输送到反应室的惰性气体流增加时,拉伸应力响应显示无变化,并且压缩应力响应增强。 针对惰性气体的流率示例可以介于约l〇〇-5〇〇〇sCCm之间。可影响膜应力的另一参数是电 极间隔。由于电极间隔影响可对膜上密度产生影响的晶片上的E区,因此电极间隔是重要 的。当电极间隔增大时,在拉伸应力响应方面无响应,而压缩应力响应减小。电极间隔示例 可以是介于约5-30mmm。与后侧沉积管理的其他反应参数将会进一步在以下进行讨论。
[0033] 可能影响膜中的应力程度的另一变量是膜的含氢量,其能够由NH3或者其他含氢 反应物的流量控制。以上讨论的一个或者多个变量也可以直接地或者间接地影响膜的含氢 量。具有较低含氢量的膜显示更中性的应力水平。用于改变由前侧沉积所诱发的应力的一 种技术手段是形成具有较低含氢量的膜(在晶片前侧)。然而,膜的含氢量还对膜的介电常 数具有显著影响。因此,只存在一个窄窗,在该窄窗中,含氢量可以改变而维持理想的介电 常数。后侧沉积克服了与可用于沉积前侧材料的小的处理窗相关的问题。
[0034] 如所提到的,沉积材料的堆叠尤其可能导致晶片应力和弯曲。可造成这些问题的 一个堆叠示例是具有氧化物和氮化物的交替层(例如,硅氧化物/硅氮化物/硅氧化物/ 硅氮化物,等等)。可能导致弯曲的另一堆叠示例包括氧化物和多晶硅的交替层(例如,硅 氧化物/多晶硅/硅氧化物/多晶硅,等等)。可能成为问题的堆叠材料的其他示例包括 (但不限于)钨和氮化钛。堆叠中的材料可以是通过化学气相沉积技术(例如,等离子体增 强化学气相沉积(PECVD),低压化学气相沉积(LPCVD),金属有机化学气相沉积(MOCVD),原 子层沉积(ALD),等离子体增强原子层沉积(PEALD))沉积,或者通过直接的金属沉积(DMD) 等沉积。这些示例并非意指是限制性的。无论何时,当由于在晶片前侧上出现的材料而诱 发晶片应力和/或弯曲时,特定的所公开实施方式可能是适用的。
[0035] 前侧堆叠可以被沉积成任意数量的层以及任意厚度。在一个典型的实施例中,堆 叠包括介于约32-72层之间,并且具有介于
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