在基板间隙中形成氧化物牺牲衬层的氧气sacvd方法

专利名称：在基板间隙中形成氧化物牺牲衬层的氧气sacvd方法
在基板间隙中形成氧化物牺牲衬层的氧气SACVD方法本申请要求根据35USC 119(e)的规定以2007年6月15日提交的发明名称为“在基板间隙中形成氧化物牺牲衬层的氧气SACVD方法”(OxygenSACVD To Form Sacrifical Oxide Liners In Substrate Gaps)的美国暂时申请No. 60/944，303为其优先权，其全文内容在此引入以供参考。
背景技术：
随着半导体集成电路芯片的组件密度和功能性持续增加，需要新的解决方案来形成甚至更小尺寸(scale)的这些组件。惯用的光刻技术(photolithography)已成功地用于形成小至65nm尺寸的组件图案。不过，随着规模更进一步的缩小(例如，次45nm尺寸)， 因物理限制对光刻技术的分辨率构成挑战。光刻(lithography)系统的分辨率可由雷利方程式(Rayleigh Equation) [R = ^(λ/ΝΑ)]来描述，其中Ic1为比系常数，对于单一暴露其具有0.25的限制值、λ为所用光的波长、及NA为所用透镜的数值孔径(numerical aperture)。这些变量各自影响光刻图案化技术的光学分辨率。举例来说，借助于增加NA、减少波长λ、及/或减少Ic1，分辨率将获得改善且光刻图案化可达到更小尺寸。不过，在调整各变量以改善分辨率上仍存在有许多挑战。举例来说，增加数值孔径NA的值将需要新的高指数(index)浸润液及光学材料。 不过，具有所需光学性质及较高折射率的新材料的发展已证明其是具挑战性的。由于可由惯用的准分子激光技术获得的较低(亦即，较深)的紫外线波长正在测试中，故减少波长λ也会遭遇技术挑战。虽然针对IOOnm尺寸缩小化(scaling)的M8nm 接线已成功地实施，且针对尺寸缩小化至65nm及某些45nm的组件的193nm接线已显示是成功的，然而移动至较低的准分子波长同样是困难的。举例来说，试图发展用于157nm准分子接线的光刻技术到目前为止仍未成功。挑战包含光学材料有限的可得性(亦即，结晶氟化钙(CaF2)透镜)，和缺少具有足够高的透射及折射率的浸润液。此外，即使可满足这些挑战，由193nm至157nm的波长减少不够大到显著改善在157nm的光刻技术的分辨率。可产生比当前的193nm技术短10至15倍的光波长(例如，13. 5nm)的极短紫外线 (EUV)系统的发展也正在进行中。这些系统将需要以真空及完全反射透镜取代浸润液及常规透镜，因为大部分的材料将吸收那些短波长。目前，这些EUV系统的发展才正要开始，预期新的掩模、光源、及光刻剂的基本架构的发展需要花费数年的时间。增加分辨率的另一可能性是经双重图案化方法来降低雷利方程式的Ic1值。一已知为光刻(lithography)双重图案化的双重图案化技术包含将一具有等于或小于0. 25的Ic1 值的芯片图案划分为二个或多个具有大于0. 25的Ic1值的分开的掩模图案。在光刻剂涂布图案化的硬质掩模之前，第一掩模图案可被暴露并被蚀刻为硬质掩模薄膜。在光刻剂被暴露及被蚀刻之前，将第二掩模与蚀刻的图案对准。双重图案化一蚀刻版画允许在表面上形成的组件结构具有小于由雷利方程式定义的分辨率限制的尺寸。虽然光刻双重图案化允诺将当前的193nm光刻微影技术的基本架构延伸至较小尺寸，其也引起显著的技术挑战。这些挑战包含的困难在于以所需的准确度达到掩模图案之间的图案对图案的重迭。也有用多个掩模图案化所需的光刻剂沉积数量增加、图案化、及蚀刻步骤而导致的某些效率损失。因此，在集成电路芯片的制造中，存在对降低组件尺寸及增加组件密度的附加技术的需要。

发明内容
现描述本发明的包含形成和去除氧化物牺牲层的方法的实施例。该方法可包括在基板上形成阶梯(st印)，其中该阶梯具有顶部及侧壁。该方法也可包括通过分子氧及四乙氧基硅烷(TE0Q的化学气相沉积而在阶梯周围形成该氧化物牺牲层，其中该氧化物层在该阶梯的顶部和侧壁上形成。该方法也可包含去除该氧化物层和该阶梯的顶部部分；去除该基板的通过去除该阶梯而暴露出的部分，以形成蚀刻基板；以及从该蚀刻基板上去除该整个氧化物牺牲层。 本发明的实施例还包括在光刻过程中弓I入氧化物牺牲层的方法。该方法可包括在基板上形成第一和第二光刻剂层，和图案化该第二光刻剂层以形成一阶梯，且该阶梯具有顶部及侧壁。该方法还可包括通过分子氧及TEOS化学气相沉积而在该阶梯周围形成氧化物牺牲层，其中该氧化物层形成在该阶梯的顶部及侧壁。额外的步骤可包括去除该氧化物层和该阶梯的顶部部分；去除该第一光刻剂层通过去除该阶梯而暴露出的部分；以及去除通过去除该第一光刻剂层的一部分而暴露出的下方基板的部分，以在基板中形成蚀刻间隙。该方法还可同样包括从该蚀刻基板中去除该整个氧化物牺牲层。本发明的实施例也包括在半导体间隙形成过程中引入氧化物牺牲层的方法。该方法可包括以下步骤在基板上形成光刻剂层，和图案化该光刻剂层以形成阶梯结构。该方法还可进一步包括通过分子氧和TEOS的化学气相沉积而在该阶梯周围形成氧化物牺牲层。 该方法可更进一步包括去除该氧化物层的顶部部分，以在该阶梯结构相对的侧壁上形成未连接的第一和第二氧化物结构；去除介于这些氧化物结构间的该阶梯结构；以及去除未被该氧化物结构覆盖的下方基板的部分，以在该基板中形成蚀刻间隙。该氧化物结构可从该蚀刻基板中去除。在下面描述中将部分提出其他实施例及特征，而本领域普通技术人员一旦查阅本说明书就可觉得这些特征部分是显而易见的，或通过实施本发明也可明白上述特征。本发明的特征和优点可通过在本说明书中描述的手段、组合、和方法而了解和获得。

可通过参考本说明书的其他部分和附图而对本发明的本质和优点作进一步的了解，其中在整个附图中用相同的标记数来代表相同或类似的部件。在一些情况下，子标记与标记数结合并跟随一连字符(hyphen)，用来表示多个类似部件之一。当用没有具体指明现存子标记的标记数做标记时，其意味着代表所有这类多个类似部件。图1是表示根据本发明的示范性的方法沉积速率与压力之间关系的图；图2是表示由根据本发明实施例的方法形成的介电薄膜的傅立叶转换红外光谱学(FTIR)曲线的图；和图3A-3G是示意性剖面图，其表示根据本发明实施例的示范性的双重图案化方法。实施方式下面描述使用SACVD的氧化硅牺牲薄膜的沉积过程。沉积过程包括在高总压(例如，约100托Torr或更高)及中温(例如，约300°C至约500°C )下，使沉积基板暴露在硅前驱物(例如，TEOQ和分子氧的混合物下，以在基板表面上形成共形(conformal)薄膜。 使用分子氧代替臭氧作为氧前驱物可改善氧化物沉积物与含碳光刻剂材料(例如，由加州圣克拉拉的应用材料公司所制造的先进图案化薄膜(APF))的兼容性。具有良好共形性(conformality)和质量的氧化物牺牲薄膜可通过在中温(例如，< 600°C或400°C至450°C )下用TEOS和仏经SACVD方法来形成。使用TEOS和仏的常规SACVD方法已用来在高于600°C的沉积温度下形成氧化物薄膜，而在较低温度下形成的薄膜常遭受不可预知的共形性及质量的影响。本人已发现在约IOOTorr或更大(例如， 500Torr)的压力下TEOS和仏可在小于约600°C的沉积温度下沉积成具有良好共形性和质量的氧化物薄膜。在约100 A /分钟至约600 A /分钟(例如，约550人/分钟)的沉积速率下，薄膜可具有约100人至约600人的厚度。所沉积的薄膜在高纵横比(aspect ratio) 间隙中具有优良的共形性、和适合于有效蚀刻并去除氧化物牺牲层的湿式蚀刻速率比例 (WERI )。图1是表示根据本发明的示范性方法的沉积速率与压力之间关系的图。如图1所示，代表在约540°C处理温度下的沉积速率的曲线从约200Τοπ·的压力值处开始平滑倾斜， 而代表在约400°C处理温度下的沉积速率的曲线可在约400Τοπ·的压力值处开始快速增加。因此，依靠基板的表面形貌(topography)可在约600°C或更低的温度下产生牺牲薄膜所需的沉积速率和/或共形性。图2是表示由根据本发明实施例的方法形成的介电薄膜的傅立叶转换红外光谱学(FTIR)曲线的图。如图2所示，FTIR曲线的峰值出现在波数约llOOknT1)的附近。峰值代表形成介电薄膜的硅-氧键并表明介电薄膜为氧化物薄膜。在其它应用中，这些薄膜可在间隔物(spacer)双重图案化光刻技术中用做间隔物牺牲结构。在间隔物双重图案化中，牺牲氧化物在图案化的光刻剂结构周围形成共形薄膜。该薄膜接着被部分蚀刻以“打开”那些覆盖光刻剂结构的顶部部分。光刻剂材料接着被去除以便留下在下部基板上定义图案的氧化物牺牲结构。基板未被氧化物覆盖的部分可接着被蚀刻以形成基板中的间隙图案。牺牲氧化物可接着从蚀刻基板中去除。在附图中图解性地说明使用低大气压氧化物光刻优化器(Sub-atmospheric Oxide Litho Optimizer ； S0L0)沉积牺牲氧化物的示范性的间隔物双重图案化技术。S0L0沉积物称为ACE沉积物。由于氧化物牺牲薄膜可用&取代臭氧(O3)来沉积，沉积过程与下部的由含碳材料制成的层及结构兼容。这些含碳材料可包括非晶碳薄膜，例如，高级图案化薄膜(APF)， 在下列文献中描述了其被用在双重图案化方案中Liu等人的发明名称为“制造场效晶体管的栅极结构的方法(METHOD FORFABRICATING A GATE STRUCTURE OF A FIELD EFFECT TRANSISTOR)，，的美国专利No. 6，924，191 ；和Liu等人的发明名称为“将非晶碳(APF)用于不同蚀刻和光刻一体化方案的技术(TECHNIQUES FOR THE USE 0FAM0RPH0US CARBON (APF) FOR VARIOUS ETCH AND LITHOINTEGRATION SCHEMA ” 的美国专利 No. 7，064，078 ；就所有目的而言，两专利的完整内容在此引入以供参考。此外，在下面的文献中描述了包含低温臭氧沉积过程的双重图案化技术Chandrasekaran等人的与本申请同日提交的发明名称为“用于图案加载用途的低温 SACVD 方法(LOW TEMPERATURESACVD PROCESSES FOR PATTERN LOADING APPLICATIONS)”的美国暂时专利申请；就所有目的而言，其完整内容在此引入以
供参考。示范件的沉积方法示范性的沉积方法包括低大气压化学气相沉积(SACVD)方法、大气压化学气相沉积(APCVD)方法、或其它CVD方法。沉积方法可包括将含硅前驱物(例如，硅烷、有机硅烷、 或有机硅氧烷前驱物，例如，四乙氧基硅烷(TEOS)、三甲基硅烷、四甲基硅烷、二甲基硅烷、 二乙基硅烷、四甲基环四硅氧烷等)和分子氧(O2)引入到沉积室中、和使其进行化学反应以在沉积基板上沉积氧化硅牺牲薄膜。SACVD方法也可包括将惰性气体和/或载气引入到沉积室中。载气携带硅前驱物和/或氧到沉积室中，而惰性气体帮助该室保持一特定压力。上述两种类型的气体可包括氦气、氩气、和/或氮气(N2)等。可控制反应前驱物和载气/惰性气体的流速以在沉积室中提供适当的气体分压。 举例来说，在将TEOS和分子氧用作含硅前驱物的沉积中，TEOS可以约4000mgm的速率流动、 分子氧可以约30slm的速率流动、氦气可以约klm的速率流动、氮气可以约klm的速率流动、且来自例如RP的额外的氮气(N2)可以约500slm的速率流动。沉积基板与喷气头面板 (前驱物由此进入沉积室)的间隔可为约250至约325密尔(mil)。使用惰性气体/载气和沉积前驱物(例如，TEOS及O2)的组合物可将沉积室的压力设定在约IOOTorr至约760Torr的范围内。示范性的压力包括约300Torr、400Torr、 500Torr、600Torr 等。如上文所述，使用TEOS和分子氧来沉积牺牲氧化物可以在中温下(例如，约300°C 至约500°C ；约400°C至约450°C等)实施。实例包括在约400°C至约450°C的温度下沉积氧化物牺牲薄膜直到薄膜达到约100 A至约600 A的厚度。可调整压力、温度、和前驱物流动状态，以便使薄膜以约1人/分钟至约600 A /分钟(例如，约100 A /分钟至约600 A /分钟；约550 A/分钟等)的速率沉积。在实施例中，H2O可加到反应前驱物中以如期望地增加氧化物牺牲薄膜的沉积速率和/或如期望地扩大该方法范围(process window)至甚至更低的温度。举例来说，可使氧化物牺牲薄膜的沉积速率加倍(例如，约1，200人/分钟)。在^gle等人的发明名称为“在TEOS/臭氧化学气相沉积期间加大使用TEOS以使间隙填充改善的方法(METHOD USING TEOS RAMP-UPDURING TE0S/0Z0NE CVD FOR IMPROVED GAPFILL) ”的美国专利No. 6，905，940中描述了 SACVD介电质沉积(尤其是SACVD沉积)的额外细节；就所有目的而言，其完整内容在此引入以供参考。图3A至图3G是示意性横剖面图，其表示根据本发明实施例的示范性的双重图案化方法。在图3A中，高级图案化薄膜(APF) 310，例如，非晶含碳层，形成在基板300上方。 蚀刻终止层320，例如，氮化物层、氮氧化物层、或其它介电层，可形成在APF 310上方。图案化的APF 330和盖层340，例如，氮化物层，形成在蚀刻终止层320上方。在实施例中，通过使用光刻方法和蚀刻方法图案化APF层和盖层可形成图案化的APF 330及盖层340。牺牲层350经基本共形可在图案化的APF 330及盖层340上方形成。可通过，例如，S0L0沉积方法或ACE沉积方法形成牺牲层350。在实施例中，APF 330可具有一定宽度“d”，且牺牲层350在APF 330的侧壁上可具有厚度“d”。在实施例中，宽度“d”可为约32nm或更小。
在图;3B中，用蚀刻方法355可去除部分牺牲层350及盖层340 (如图3A所示)，以在APF 330的侧壁上形成牺牲间隔物350a，并露出APF 330的顶部。蚀刻终止层320可保护APF 310免受蚀刻方法355导致的损坏。部分牺牲层350及盖层340可通过单一方法或
多重方法来去除。在图3C中，用蚀刻方法360基本去除APF 330 (如图所示)，且基本上不损坏牺牲间隔物350a和蚀刻终止层320。蚀刻方法360可为任何干式及/或湿式方法，其可如期望地去除APF 330。在实施例中，蚀刻方法360可称为APF蚀刻方法。在第3D图中，蚀刻制程365可藉由使用牺牲间隔物350a作为一硬质掩模而去除一部分的蚀刻终止层320 (示于第3C图)，并暴露出一部分APF 310的表面及剩余的蚀刻终止层320a。蚀刻制程365可为任何干式及/或湿式蚀刻制程，其可如期望地去除部分的蚀刻终止层320而不实质损坏APF 310。在图3E中，用蚀刻方法370可通过将牺牲间隔物350a用作硬质掩模而去除部分 APF层310 (如图3D所示)，并露出部分基板300表面和剩余的APF层310a。蚀刻方法370 可为任何干式和/或湿式蚀刻方法，其可如期望地去除部分APF层310。在图3F中，用蚀刻方法375通过将牺牲间隔物350a用作硬质掩模可去除部分基板300 (如图3E所示)至预定深度。蚀刻方法375可为任何干式和/或湿式蚀刻方法，其可如期望地去除部分基板 300。在图3G中，用蚀刻方法380可基本去除牺牲间隔物350a、蚀刻终止层320a、和APF 层310a。蚀刻方法380可为单一或多重去除步骤，其用于去除牺牲间隔物350a、蚀刻终止层320a、和APF层310a。再次参考图3A，在APF 330和APF 330的侧壁上的牺牲层350具有宽度“d”。宽度“d”基本为图3G所示的沟槽385和接线390的宽度。如果沟槽385的宽度为，例如，约32nm或更小，在图3A至图3G中所示的示范性方法可用于形成窄沟槽385，并代替常规光刻和蚀刻方法以形成窄图案。如此可如期望地避免常规光刻和蚀刻方法用于形成窄图案所引起的问题。必须清楚在提供数值范围的情况下，除非上下文以其它方式清楚地说明，否则介于该范围的上下限之间的各个介于中间的值，至下限单位的十分之一，也为本发明具体揭示的范围。介于任何所述值或中间值之间的位于所述范围内的各较小范围和位于该所述范围内的任何其它所述值或中间值也包括在本发明的范围内。这些较小范围的上下限可独立地被包括在该范围中或排除在该范围外，且在上下限之一、二者都不被包括在或被包含在较小范围中的各范围也被包含在本发明的范围内，它们属于任何在所述范围中的具体被排除的上下限值。在所述范围包括该上下限值之一或二者的情况下、排除那些被包含在内的上下限值之一或二者的范围也被包括在本发明中。此处(说明书)和所附权利要求书范围中所用的单数形式“一”、“及”、和“该”也包括多个指示对象，除非上下文以其它方式清楚地说明。因此，例如，提及“一方法”可包括多个此类方法，且所述“该层”可包括所述一层或多层和那些本领域普通技术人员所熟知的其它等同物，及其它相似物等。同样，用语“包含”、“包括”当被用在本说明书和所附权利要求书范围中时，其用于具体限定所述特征、数量、部件、或步骤的存在，但并非将一个或多个其它特征、数量、部件、 步骤、或群组的存在或附加排除在外。
权利要求
1.一种形成和去除氧化物牺牲层的方法，该方法包括 在基板上形成阶梯(step)，其中该阶梯具有顶部和侧壁；通过分子氧和含硅前驱物的化学气相沉积在该阶梯周围形成该氧化物牺牲层，其中该氧化物牺牲层形成在该阶梯的顶部和侧壁上；去除该氧化物牺牲层和该阶梯的顶部部分，同时留下该氧化物牺牲层的剩余部分，该剩余部分包括至少部分上述侧壁；去除通过去除该阶梯而暴露出的该基板的部分，以形成蚀刻基板；以及从该蚀刻基板中去除该氧化物牺牲层的该剩余部分。
2.如权利要求1所述的方法，其中该阶梯包括光刻剂材料。
3.如权利要求2所述的方法，其中该光刻剂材料包括含碳化合物。
4.如权利要求2所述的方法，其中该光刻剂材料包括非晶碳薄膜。
5.如权利要求1所述的方法，其中该含硅前驱物包括有机硅烷或有机硅氧烷化合物。
6.如权利要求1所述的方法，其中该含硅前驱物包括四乙氧基硅烷(TEOS)。
7.如权利要求1所述的方法，其中在该氧化物牺牲层形成期间，该基板被加热至约 600°C或更低的温度。
8.如权利要求1所述的方法，其中在该氧化物牺牲层形成期间，沉积室中总压力为约 100托(Torr)或更高。
9.如权利要求1所述的方法，其中该氧化物牺牲层在沉积时的厚度为约200人 约600 A。
10.如权利要求ι所述的方法，其中该氧化物牺牲层以约200人/分钟 约800人/分钟的速率沉积。
11.如权利要求1所述的方法，其中在该氧化物牺牲层形成期间，该含硅前驱物的流速为约4000mgm，而该分子氧的流速为约30slm。
12.如权利要求1所述的方法，其中使用氟蚀刻剂通过干式化学蚀刻法去除该氧化物牺牲层。
13.如权利要求1所述的方法，其中在缺乏臭氧的情况下完成该氧化物牺牲层的形成过程。
14.一种在光刻(photolithography)过程中引入氧化物牺牲层的方法，该方法包括 在基板上形成第一光刻剂层和第二光刻剂层；图案化该第二光刻剂层以形成阶梯，该阶梯具有顶部和侧壁； 通过分子和TEOS的化学气相沉积在该阶梯周围形成该氧化物牺牲层，其中该氧化物牺牲层形成在该阶梯的顶部和上述侧壁上；去除该氧化物牺牲层和该阶梯的顶部部分，同时留下该氧化物牺牲层的剩余部分； 去除该第一光刻剂层通过去除该阶梯而暴露出的部分；去除通过去除该第一光刻剂层的上述部分而暴露出的该下方基板的部分，以在该基板中形成蚀刻间隙；以及从该蚀刻基板中去除该氧化物牺牲层的该剩余部分。
15.如权利要求14所述的方法，其中该第一光刻剂层和该第二光刻剂层包括碳。
16.如权利要求14所述的方法，其中该第一光刻剂层和该第二光刻剂层包括高级图案化薄膜(Advanced Pattering Film)。
17.如权利要求14所述的方法，其中蚀刻至该基板中的该间隙的宽度为约40nm或更
18.如权利要求14所述的方法，其中蚀刻至该基板中的该间隙的宽度为约32nm或更
19.如权利要求14所述的方法，其中蚀刻至该基板中的该间隙的宽度为约40nm 约 22nm。
20.如权利要求14所述的方法，其中在该氧化物牺牲层沉积期间，总压力为至少500托 (Torr) ο
21.如权利要求14所述的方法，其中在该氧化物牺牲层沉积期间，该基板系被加热至约400°C 约450°C的温度。
22.如权利要求14所述的方法，其中该氧化物牺牲层在沉积时的厚度为约200人 约600 A0
23.如权利要求14的所述之方法，其中该氧化物牺牲层以约200人/分钟 约400A /分钟的速率沉积。
24.如权利要求14所述的方法，其中在缺乏臭氧的情况下完成该氧化物牺牲层的形成过程。
25.如权利要求14所述的方法，其中该方法进一步包括在该第一光刻剂层和该第二光刻剂层间形成蚀刻终止层且其平行于该下方基板，其中部分该氧化物牺牲层形成在该蚀刻终止层上；去除部分未被上方的该氧化物牺牲层保护的该蚀刻终止层；以及去除该第一光刻剂层通过去除该蚀刻终止层而暴露出的部分。
26.如权利要求25所述的方法，其中该蚀刻终止层包括氮化硅。
27.一种在半导体间隙形成过程中引入氧化物牺牲层的方法，该方法包括 在基板上形成光刻剂层；图案化该光刻剂层以形成阶梯结构；通过分子氧和TEOS的化学气相沉积在该阶梯结构周围形成该氧化物牺牲层； 去除该氧化物牺牲层的顶部部分，以在该阶梯结构的相对侧壁上形成未连接的第一氧化物结构和第二氧化物结构；去除介于该第一氧化物结构和该第二氧化物结构之间的该阶梯结构； 去除未被该第一氧化物结构和该第二氧化物结构覆盖的该下方基板部分，以在该基板中形成蚀刻间隙；以及从该蚀刻基板中去除该第一氧化物结构和该第二氧化物结构。
28.如权利要求27所述的方法，其中该蚀刻间隙宽度为约40nm 20nm间。
29.如权利要求27所述的方法，其中在该氧化物牺牲层沉积期间，总压力为至少500托 (Torr) ο
全文摘要
本发明描述了一种形成和去除氧化物牺牲层的方法。该方法包括在基板上形成阶梯，其中该阶梯具有顶部和侧壁。该方法也可包括通过分子氧和四乙氧基硅烷(TEOS)的化学气相沉积而在阶梯周围形成该氧化物牺牲层，其中该氧化物层形成在该阶梯的顶部和侧壁上。该方法也可包括去除该氧化物层和该阶梯的顶部部分；去除该基板通过去除该阶梯而暴露出的部分，以形成蚀刻基板；以及从该蚀刻基板中去除整个该氧化物牺牲层。
文档编号H01L21/311GK102203921SQ200880018449
公开日2011年9月28日 申请日期2008年6月5日 优先权日2007年6月15日
发明者凯达尔·萨普尔, 尼汀·K·英格尔, 萨沙·J·奎斯金, 袁正, 郑义 申请人:应用材料股份有限公司