在图案化结构上的定向沉积的制作方法
本发明总体上涉及半导体领域，并且更具体地，涉及在图案化结构上的定向沉积。
背景技术：
在3d-nand和dram的缩放中，高达64对的onon/opop被用于通道孔。蚀刻这些高深宽比孔中的关键挑战之一是蚀刻期间的掩模损失。典型的掩模选择比在蚀刻选择比的5-8倍的范围内，这导致需要在0.5至2微米的范围内的掩模高度，具体取决于孔的深度。较高的掩模增大了孔的深宽比，从而增大了蚀刻的难度。用于蚀刻这些高深宽比孔的逐渐增大的等离子体密度和离子能量降低了在蚀刻期间通过非选择性沉积碳氟基化合物的聚合物来减慢掩模腐蚀的常规实践的效率。
技术实现要素：
本发明提供了用于在图案化结构上定向沉积的方法和装置。在一些实施方案中，所述方法涉及执行多循环定向沉积工艺以在图案化结构上沉积掩模构建材料。每个循环可以包括(i)通过等离子体增强化学气相沉积(pecvd)工艺在图案化结构上沉积第一材料，以及(ii)等离子体处理第一材料以改善方向性。
根据多种实施方式，第一材料可以是基于硅的材料、基于碳的材料、基于硼的材料或其组合。在一些实施方式中，第一材料包括硅、碳、硼、磷、砷和硫中的两种或更多种。在一些实施方式中，第一材料是含金属材料。在一些实施方式中，等离子体处理包括将第一材料暴露于基于氮的等离子体、基于氧的等离子体、基于氢的等离子体、基于烃的等离子体、基于氩的等离子体、基于氦的等离子体、或其组合。
在一些实施方式中，该方法包括蚀刻由图案化结构掩蔽的层。该图案化结构可以包括具有特征顶部和特征侧壁的凸起特征。在这样的实施方式中，处理第一材料可以包括将第一材料从特征侧壁重新沉积到特征顶部。
在一些实施方式中，每个循环包括使第一材料反应以形成第二材料。在一些实施方式中，每个循环包括改变第一材料的材料性质。例如，改变第一材料的材料性质可以包括等离子体处理、暴露于紫外线辐射、或热退火中的一种或多种。
在一些实施方式中，通过pecvd工艺沉积包括将含硅前体、含碳前体、含硼前体或含金属前体引入等离子体反应器中。在一些实施方式中，通过pecvd工艺沉积包括引入选自硅烷、卤化硅烷、有机硅烷或氨基硅烷中的含硅前体。
在一些实施方式中，通过pecvd工艺沉积包括引入含硅前体，所述含硅前体选自甲基硅烷、乙基硅烷、异丙基硅烷、叔丁基硅烷、二甲基硅烷、二乙基硅烷、二叔丁基硅烷、烯丙基硅烷、仲丁基硅烷、叔己基硅烷(thexylsilane)、异戊基硅烷、叔丁基二硅烷、二叔丁基二硅烷、四氯硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、一氯硅烷、氯代烯丙基硅烷、氯甲基硅烷、二氯甲基硅烷、氯二甲基硅烷、氯乙基硅烷、叔丁基氯硅烷、二叔丁基氯硅烷、氯异丙基硅烷、氯仲丁基硅烷、叔丁基二甲基氯硅烷、叔己基二甲基氯硅烷，单氨基硅烷、二氨基硅烷、三氨基硅烷、四氨基硅烷、叔丁基氨基硅烷、甲基氨基硅烷、叔丁基硅烷胺、双(叔丁基氨基)硅烷或甲硅烷基氨基甲酸叔丁酯(tert-butylsilylcarbamate)。
在一些实施方式中，通过pecvd工艺沉积包括引入选自甲烷(ch4)、乙炔(c2h2)、乙烯(c2h4)、丙烯(c3h6)、丁烷(c4h10)、环己烷(c6h12)、苯(c6h6)和甲苯(c7h8)中的含碳前体。
在一些实施方式中，通过pecvd工艺沉积包括引入选自硼烷(bh3)、乙硼烷(b2h6)和三硼烷(b3h7)中的含硼前体。
在一些实施方式中，通过pecvd工艺沉积包括引入选自五(二甲基酰氨基)钽、三甲基铝、四乙氧基钛、四-二甲基酰氨基钛、四(乙基甲基酰胺)铪、双(环戊二烯基)锰和双(正丙基环戊二烯基)镁中的含金属前体。
在一些实施方式中，pecvd工艺和等离子体处理操作中的一者或两者使用感应耦合等离子体、或电容耦合等离子体、或微波等离子体。在一些实施方式中，pecvd工艺和等离子体处理操作中的一者或两者使用直接等离子体、或远程等离子体、或其组合。在一些实施方式中，pecvd工艺和等离子体处理操作中的一者或两者是离子辅助工艺、或自由基辅助工艺、或其组合。
还提供了用于执行本文公开的方法的装置。该装置可以包括一个或多个处理室，例如感应耦合蚀刻室或电容耦合蚀刻室，以及具有用于执行该方法的机器可读指令的控制器。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种方法，其包括：
执行多循环定向沉积工艺以在图案化结构上沉积掩模构建材料，其中每个循环包括：
i)通过等离子体增强化学气相沉积(pecvd)工艺在所述图案化结构上沉积第一材料，以及
ii)等离子体处理所述第一材料以改善方向性。
2.根据条款1所述的方法，其中所述第一材料是基于硅的材料、基于碳的材料、基于硼的材料或其组合。
3.根据条款1所述的方法，其中所述第一材料包括硅、碳、硼、磷、砷和硫中的两种或更多种。
4.根据条款1所述的方法，其中所述第一材料是含金属材料。
5.根据条款1所述的方法，其中(ii)包括将所述第一材料暴露于基于氮的等离子体、基于氧的等离子体、基于氢的等离子体、基于烃的等离子体、基于氩的等离子体、基于氦的等离子体、或其组合。
6.根据条款1所述的方法，其中(ii)包括将所述第一材料暴露于由含氢化合物产生的等离子体。
7.根据条款5所述的方法，其中所述含氢化合物是h2、ch4、nh3、c2h2和n2h2中的一种。
8.根据条款1所述的方法，其还包括蚀刻由所述图案化结构掩蔽的层。
9.根据条款1所述的方法，其中所述图案化结构包括具有特征顶部和特征侧壁的凸起特征。
10.根据条款9所述的方法，其中处理所述第一材料包括将所述第一材料从所述特征侧壁重新沉积到所述特征顶部。
11.根据条款1所述的方法，其中每个循环还包括使所述第一材料反应以形成第二材料。
12.根据条款1所述的方法，其中每个循环还包括改变所述第一材料的材料性质。
13.根据条款12所述的方法，其中所述改变所述第一材料的材料性质包括等离子体处理、暴露于紫外线辐射或热退火中的一种或多种。
14.根据条款1所述的方法，其中通过所述pecvd工艺沉积包括将含硅前体、含碳前体、含硼前体或含金属前体引入等离子体反应器。
15.根据条款14所述的方法，其中通过所述pecvd工艺沉积包括引入选自硅烷、卤化硅烷、有机硅烷或氨基硅烷中的含硅前体。
16.根据条款14所述的方法，其中通过所述pecvd工艺沉积包括引入含硅前体，所述含硅前体选自甲基硅烷、乙基硅烷、异丙基硅烷、叔丁基硅烷、二甲基硅烷、二乙基硅烷、二叔丁基硅烷、烯丙基硅烷、仲丁基硅烷、叔己基硅烷、异戊基硅烷、叔丁基二硅烷、二叔丁基二硅烷、四氯硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、一氯硅烷、氯代烯丙基硅烷、氯甲基硅烷、二氯甲基硅烷、氯二甲基硅烷、氯乙基硅烷、叔丁基氯硅烷、二叔丁基氯硅烷、氯异丙基硅烷、氯仲丁基硅烷、叔丁基二甲基氯硅烷、叔己基二甲基氯硅烷，单氨基硅烷、二氨基硅烷、三氨基硅烷、四氨基硅烷、叔丁基氨基硅烷、甲基氨基硅烷、叔丁基硅烷胺、双(叔丁基氨基)硅烷或甲硅烷基氨基甲酸叔丁酯。
17.根据条款14所述的方法，其中通过所述pecvd工艺沉积包括引入选自甲烷(ch4)、乙炔(c2h2)、乙烯(c2h4)、丙烯(c3h6)、丁烷(c4h10)、环己烷c6h12)、苯(c6h6)和甲苯(c7h8)中的含碳前体。
18.根据条款14所述的方法，其中通过所述pecvd工艺沉积包括引入选自硼烷(bh3)、乙硼烷(b2h6)和三硼烷(b3h7)中的含硼前体。
19.根据条款14所述的方法，其中通过所述pecvd工艺沉积包括引入选自五(二甲基酰氨基)钽、三甲基铝、四乙氧基钛、四-二甲基酰氨基钛、四(乙基甲基酰胺)铪、双(环戊二烯基)锰和双(正丙基环戊二烯基)镁中的含金属前体。
20.根据条款1所述的方法，其中所述pecvd工艺和所述等离子体处理操作中的一者或者两者使用感应耦合等离子体、或电容耦合等离子体或微波等离子体。
21.根据条款1所述的方法，其中所述pecvd工艺和所述等离子体处理操作中的一者或两者使用直接等离子体、或远程等离子体、或其组合。
22.根据条款1所述的方法，其中所述pecvd工艺和所述等离子体处理操作中的一者或两者是离子辅助工艺、或自由基辅助工艺、或其组合。
23.一种装置，其包括：
室，其被构造成保持衬底；
与所述室集成或连接到所述室的等离子体产生器；以及
控制器，其包括用于执行多循环定向沉积工艺以在图案化结构上沉积掩模构建材料的指令，其中所述指令包括：
i)用于通过等离子体增强化学气相沉积(pecvd)工艺在所述图案化结构上沉积第一材料的指令，以及
ii)用于等离子体处理所述第一材料以改善方向性的指令。
下面参考附图进一步描述这些和其他方面。
附图说明
图1示出了包括在硬掩模上的定向沉积的集成工艺的示例的操作。
图2示出了在高深宽比特征上定向沉积的方法的示例中的某些操作。
图3a-3d示出了在定向沉积工艺期间的三个高深宽比图案化硬掩模特征的示意性示例。
图4示出了在高深宽比特征上定向沉积的方法的示例中的某些操作。
图5和图6是用于执行根据所公开的实施方式所述的方法的工艺室的示例的示意图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对所呈现的实施方式的透彻理解。可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践所公开的实施方式。在其他情况下，没有详细描述公知的工艺操作以免不必要地使所公开的实施方式难以理解。虽然将结合具体实施方式描述所公开的实施方式，但是应当理解，其并不意在限制所公开的实施方式。
在半导体加工中，掩蔽方法用于图案化和蚀刻衬底。蚀刻期间的掩模损耗(也称为掩模侵蚀)是蚀刻高深宽比特征(例如孔和沟槽)中的关键挑战。本文提供涉及在掩模上或在衬底图案上沉积膜的方法。沉积可以是衬底选择性的(使得膜相对于衬底具有高蚀刻选择性)和图案选择性的(使得膜定向沉积在图案上并且复制图案)。沉积的材料被称为掩模构建材料。在一些实施方式中，在与执行蚀刻的室相同的室中执行沉积，也称为原位沉积。在一些实施方式中，沉积可以在通过传送室连接到主蚀刻室的单独的室(例如，pecvd室或不同的蚀刻室)中执行。应当注意，尽管描述主要涉及在图案化的硬掩模上的沉积，但是本文公开的方法包括在任何图案化的结构上的定向沉积以复制结构图案。
可以在蚀刻工艺期间之前或在蚀刻工艺期间的选定间隔执行掩模构建材料的沉积。图1示出了包括在硬掩模上的定向沉积的集成工艺的示例的操作。在图1中，在10处，在待蚀刻的材料101上形成硬掩模105和光致抗蚀剂109。硬掩模105可以是任何适当的材料，包括有机或无机硬掩模。有机硬掩模的示例包括掺杂或未掺杂的无定形碳(也称为可灰化硬掩模或ahm)和有机硅氧烷材料。无机硬掩模材料的示例包括多晶硅和非晶硅(poly-si，a-si)、氧化硅(sio)、氮化硅(sin)、氮氧化硅(sion)、碳氮化硅(sicn)、氮化钛(tin)、钨(w)和在特征蚀刻之后可以选择性去除的其他金属。硬掩模可以是掺杂的，示例是硼掺杂的ahm。在一些实施方式中，硬掩模可以是金属硬掩模(mhm)，其示例包括金属(例如铝(al)、金属氮化物(例如tin和氮化钽(tan)、钨(w)和金属氧化物(例如氧化铝(al2o3))。在一些实施方式中，硬掩模可以是陶瓷硬掩模(chm)。
然后，该工艺进行光致抗蚀剂显影(20)和硬掩模打开(30)以暴露待蚀刻的材料。在图1的示例中，在蚀刻材料101之前，将掩模构建材料111定向沉积在硬掩模105上以增大硬掩模105的图案化特征的深宽比。参见操作40。这使得随后的蚀刻能进行更长时间以提供更深的蚀刻。然后蚀刻材料101。参见操作50。在图1的示例中，在蚀刻期间完全去除掩模构建材料111。然而，在一些实施方式中，其中一些可以保留。在操作50，如果蚀刻完成，则可以通过适当的工艺去除硬掩模105。然而，在一些实施方式中，可以在50之后执行掩模构建材料的图案上定向沉积(anon-patterndirectionaldeposition)，以在继续蚀刻工艺之前增大硬掩模的图案化特征的深宽比。被腐蚀的掩模材料可以用相同或相似的材料或不同的材料恢复并根据需要恢复到相同或不同的轮廓。
图2示出了在高深宽比特征上定向沉积的方法中的某些操作。如上所述，定向沉积可以在蚀刻工艺之前或在蚀刻工艺的中间在蚀刻室中进行，以增大覆盖待蚀刻材料的掩模的深宽比。
在图2中，通过等离子体增强化学气相沉积(pecvd)工艺将掩模构建材料沉积在高深宽比特征上。见框201。掩模构建材料通常不同于掩模材料，可以通过pecvd沉积，并且对待蚀刻的材料具有至少一些蚀刻选择性。因此，掩模构建材料将取决于待蚀刻的材料和待使用的蚀刻化学过程。通常，掩模构建材料是介电材料。示例包括含硅膜和含碳膜及其组合。
为了促进定向沉积，在一些实施方式中，沉积化学品可以包括具有高粘着系数和低迁移率的分子。粘着系数是在相同时间段期间粘附于表面的吸附分子的数量与撞击表面的分子的总数的比率。粘着系数取决于尺寸(大分子具有较高粘着系数)和表面上吸附的倾向性。
迁移率是指分子的表面和气体扩散速率。在一些实施方式中，可以使用包括聚合物链的沉积化学品。这种链可以在pecvd工艺期间在等离子体中形成。例如，可以将带有氢(h2)的氯硅烷引入到室中。等离子体可以被激励，产生自由基(用a*表示)和离子，随后的反应产生氯化聚硅烷。
等离子体反应的示例包括：
h2+e-→2h*+e-
sicl4+e-→sicl3+cl*+e-
sicl4+h*→sicl3*+hcl
sicl4+2h*→hsicl3+hcl
sicl3*+2h*→sicl2*+hcl+h*,
或→hsicl2*+cl*+h*,
或→hsicl3+h*,
或→h2sicl*+2cl*,
n(sicl2*)+msicl3*→si2cl6+…→si3cl8+…→sincl2n+2
n(hsicl*)+mh2sicl*→h2si2cl4+→hxsincl2n+2-x
还在表面上发生的类似反应使得沉积过程更复杂。
氯化聚硅烷可以是大簇。氯硅烷和氯化聚硅烷都具有高粘着系数和低迁移率，这有助于提供图案上的定向沉积。下面进一步讨论其他示例性沉积化学过程。在框201之后，沉积在高深宽比特征上的掩模构建材料可以被定向沉积，沉积的材料在特征的顶部比沿着侧壁和在特征底部更厚。图3a示出了框201之后的高深宽比图案化硬掩模特征的示意性示例。在图3a的示例中，图案化硬掩模特征303被示出为覆盖待蚀刻的材料309。图案化硬掩模特征303可以被表征为具有特征顶部305和侧壁307。图案化硬掩模特征303形成高深宽比孔313，其可以是例如接触孔或沟槽。孔313的底部311可以被称为特征底部。
在一些实施方式中，在pecvd沉积期间将偏置电压施加到晶片。这可以增大等离子体中各种物质的粘着系数。例如，偏置电压可以增大氯硅烷离子基团的粘着系数。
在含硅前体和稀释气体的气体混合物中产生的等离子体301用于在硬掩模上沉积硅膜。示例性的等离子体物质包括sihyclx*自由基302、h*原子308和氯化聚硅烷306。氯化氢(hcl)物质304作为副产物产生。含硅物质在图案化硬掩模特征303上沉积硅构建材料312。在图3a的示例中，沉积是定向的，因为在特征顶部305上比在侧壁上307和底部311上沉积了较多的构建材料312。构建材料312的厚度随着特征的深度增大而减小。
回到图2，然后处理所沉积的掩模构建材料以增强方向性。见框203。增强方向性可以增大掩模构建材料的深宽比。在一些实施方式中，掩模构建材料在图案化硬掩模的侧壁上不超过几纳米厚。方向性还可以用顶部:底部台阶覆盖率或顶部:侧壁台阶覆盖率来表征。在图3d中，例如，320表示顶部厚度，322表示底部厚度，而324表示侧壁厚度。台阶覆盖率是两个厚度的比率，例如，顶部:底部台阶覆盖率或顶部:侧壁台阶覆盖率。在测量侧壁厚度时，可以使用特征深度的中点处的厚度。在一些实施方式中，处理操作增大了顶部:底部台阶覆盖率或顶部:侧壁台阶覆盖率。在一些实施方式中，框203还修改沉积材料的材料性质(例如，密度、化学成分或蚀刻电阻率)。
操作203可以包括将掩模构建材料暴露于具有高迁移率并且可以蚀刻掩模构建材料的等离子体物质。等离子体物质可以相对于待蚀刻的材料和/或相对于该硬掩模选择性地化学蚀刻掩模构建材料。在一些实施方式中，该化学蚀刻的反应产物作为构建材料再沉积在图案化硬掩模特征的上部上。
在一些实施方式中，使用基于氢的等离子体。基于氢的等离子体是一种等离子体，在该等离子体中，氢物质(主要是h自由基)是主要处理物质并且在一些实施方式中可以是主要蚀刻物质。在一些实施方式中，基于氢的等离子体可以由基本上由h2组成的气体形成。在一些实施方式中，一种或多种惰性气体可以与h2一起存在。一种基于氢的等离子体可以选择性地蚀刻硅而不蚀刻氧化物。
在一些实施方式中，将包括下述中的一种或多种的等离子体产生气体引入等离子体产生器以产生等离子体物质。在一些实施方式中，该等离子体产生气体包括一种或多种含氢等离子体。这种气体的示例包括h2、ch4、nh3、c2h2和n2h2。所得等离子体可以是基于氢的等离子体。
在一些实施方式中，可以使用基于氮的等离子体、基于氧的等离子体、基于烃的等离子体，基于氩的等离子体或基于氦的等离子体。在基于氮的等离子体中，主要处理物质是氮，在基于氧的等离子体中，主要处理物质是氧等等。在一些实施方式中，这些可以是用于涉及蚀刻的处理的主要蚀刻物质。
图3b示出了在框203之后的高深宽比图案化硬掩模特征的示意性示例。处理等离子体321可以包括例如ar离子、si离子、h*原子、n离子和cl*原子中的一种或多种。从等离子体或从单独的uv源产生的紫外光也可以在室中。
在图3b中，处理等离子体包括h*原子308、n离子309和ar离子310。这些可以深入到孔313中并且从特征的侧壁307和底部311蚀刻构建材料312。一些被蚀刻的构建材料可以重新沉积在特征的顶部305处。各种产品物质315可以形成并导致再沉积或作为副产品离开。产品物质的示例可包括siclxhy物质、sixhy和nxhy物质。以这种方式，相比于朝向侧壁和底部而言，改善了掩模构建材料朝向图案化硬掩模特征的顶部的方向性。回到图2，框201和203可以重复一次或多次以获得期望的深宽比。框201可以执行时间仅仅长到足以在特征的侧壁和底部沉积仅仅薄层的掩模构建材料，使得其可以在框203中被去除。每个循环的示例性的顶部厚度可以在
图4示出了在高深宽比特征上定向沉积的方法中的某些操作。如上所述，定向沉积可以在蚀刻工艺之前或在蚀刻工艺的中间在蚀刻室中发生，以增加覆盖待蚀刻的材料的掩模的深宽比。图4中描述的工艺类似于相对于图2描述的工艺，其中操作201和203如上所述执行。然而，在图4的示例中，在处理沉积的材料以增大图案选择比之后，掩模构建材料可以发生反应以增大蚀刻选择比。参见框204。在一个示例中，硅掩模构建材料可暴露于含碳气体以形成碳化硅。这对于形成针对氧化物具有高蚀刻选择性的掩模构建材料是特别有用的。在其他示例中，硅掩模构建材料可以暴露于含氮气体以形成氮化硅。
在一些实施方式中，图4中的操作204可以在操作203之前执行，使得掩模构建材料在所述处理过程之前反应以形成另一种材料。在一些实施方式中，操作204可以仅在操作203和204的多个循环之后执行。例如，操作204可以在操作205之后执行。
在一些实施方式中，可以在图2中的操作203或图4中的操作204之后执行可选的致密化操作。如果执行，致密化操作可以涉及例如热退火、暴露于紫外辐射、或等离子体致密化处理。在一些实施方式中，可以在图2或图4中的操作205之后执行可选的致密化操作。在一些实施方式中，操作203和204可以使用适当的化学物质同时执行。
在沉积和处理期间，调整工艺条件以提供没有夹断的非共形沉积。夹断(pinch-off)指的是相邻特征一起生长以夹断特征之间的区域。如根据实验结果在下面进一步讨论的，可以调整各种工艺条件以在pecvd沉积期间提供定向沉积，以及在处理操作期间提供改善的方向性和竖直侧壁。循环(而不是连续pecvd)并使用处理操作已经显示出在一些实施方式中有助于良好限定的高深宽比的构建材料特征。在pecvd沉积期间的偏置电压也可增加非共形性并减少夹断。沉积期间的停留时间(流速)和等离子体功率也影响非共形性和夹断。在处理操作期间添加添加剂气体可以帮助防止蚀刻在特征顶部的先前沉积的材料。在处理期间的等离子体功率和暴露时间也可以被调整以限制对硬掩模壁和底部的蚀刻。
虽然上述讨论集中于沉积基于硅的掩模构建材料，但是可以使用其他材料，例如碳膜。在沉积硅时，可以使用任何适当的含硅前体，包括硅烷(例如sih4)、聚硅烷(h3si-(sih2)n-sih3)(其中n>1)、有机硅烷、卤代硅烷和氨基硅烷。可以使用有机硅烷，如甲基硅烷、乙基硅烷、异丙基硅烷、叔丁基硅烷、二甲基硅烷、二乙基硅烷、二叔丁基硅烷、烯丙基硅烷、仲丁基硅烷、叔己基硅烷、异戊基硅烷、叔丁基二硅烷、二叔丁基二硅烷等。卤化硅烷含有至少一个卤素基团并且可以含有或可以不含有氢和/或碳基团。卤代硅烷的示例是碘代硅烷、溴代硅烷、氯代硅烷和氟代硅烷。具体的氯硅烷是四氯硅烷(sicl4)、三氯硅烷(hsicl3)、二氯硅烷(h2sicl2)、单氯硅烷(clsih3)、氯烯丙基硅烷、氯甲基硅烷、二氯甲基硅烷、氯二甲基硅烷、氯乙基硅烷、叔丁基氯硅烷、二叔丁基氯硅烷、氯异丙基硅烷、氯仲丁基硅烷、叔丁基二甲基氯硅烷、叔丁基二甲基氯硅烷等。氨基硅烷包括与硅原子键合的至少一个氮原子，但也可以含有氢、氧、卤素和碳。氨基硅烷的示例是单氨基硅烷、二氨基硅烷、三氨基硅烷和四氨基硅烷(分别为h3si(nh2)4、h2si(nh2)2、hsi(nh2)3和si(nh2)4)，以及经取代的单氨基硅烷、二氨基硅烷、三氨基硅烷和四氨基硅烷，例如叔丁基氨基硅烷、甲基氨基硅烷、叔丁基硅烷胺、双(叔丁基氨基)硅烷(sih2(nhc(ch3)3)2(btbas))、甲硅烷基氨基甲酸叔丁酯、sih(ch3)-(n(ch3)2)2、sihcl-(n(ch3)2)2、(si(ch3)2nh)3等。
沉积膜通常是无定形的，膜组成将取决于所使用的特定前体和共反应物，有机硅烷导致a-sic:h膜，而氨基硅烷将导致a-sin:h或a-sicn:h膜。
在沉积碳膜中，可以使用任何合适的含碳前体。在一些实施方式中，可以使用式为cxhy的烃前体，其中x为介于2和10之间的整数，而y为介于2和24之间的整数。示例包括甲烷(ch4)、乙炔(c2h2)、乙烯(c2h4)、丙烯(c3h6)、丁烷(c4h10)、环己烷(c6h12)、苯(c6h6)和甲苯(c7h8)。
在一些实施方式中，所述构建材料可以是掺杂的或包括诸如硼或磷之类的材料。附加的掺杂剂包括砷、硫和硒。以这种方式，可以改善对下伏膜的蚀刻选择性。例如，对于掺杂的电介质(特别是基于二氧化硅的电介质)，工艺气体可以包括掺杂剂前体，例如含硼气体、含磷气体、含碳气体或其混合物。在一具体实施方案中，气体包含一种或多种含硼反应物和一种或多种含磷反应物，并且介电膜包括磷掺杂的和硼掺杂的氧化硅玻璃(bpsg)。合适的硼前体气体和磷前体气体的示例包括硼烷(bh3)、乙硼烷(b2h6)和三硼烷(b3h7)以及磷化氢(ph3)。含砷气体、含硫气体和含硒气体的示例包括硒化氢(h2se)，砷化氢(ash3)和硫化氢(h2s)。
如果电介质将包含氮氧化物(例如，氮氧化硅)，则沉积气体可以包括含氮反应物，例如n2、nh3、no、n2o及其混合物。所沉积的膜的示例包括被硼掺杂的硅、硼化硅、硼化硅碳等。
也可以沉积含金属的膜。可以形成的含金属膜的示例包括铝、钛、铪、钽、钨、锰、镁、锶等的氧化物和氮化物，以及元素金属膜。示例性的前体可包括金属烷基胺、金属醇盐、金属烷基酰胺、金属卤化物、金属β-二酮酸盐、金属羰基化合物、有机金属化合物等。合适的含金属前体将包括被期望并入膜中的金属。例如，可以通过使五(二甲基酰氨基)钽与氨或另一种作为辅助反应物的还原剂反应来沉积含钽层。可使用的含金属前体的其他示例包括三甲基铝、四乙氧基钛、四-二甲基-酰氨基钛、四(乙基甲基酰胺)铪、双(环戊二烯基)锰和双(正丙基环戊二烯基)镁等。
除氢以外，处理化学物质的示例包括含氮的处理化学物质、含氧的处理化学物质、含碳的处理化学物质和含卤素的处理化学物质以及惰性气体。
在一些实施方式中，可以组合框203和204。例如，操作可以包括将所沉积的材料暴露于含氢化合物，例如ch4、nh3、h2se、h2s、ash3或ph3，以同时处理所沉积的材料以及使所沉积的材料反应。
装置
在一些实施方式中，在蚀刻装置中执行定向沉积。例如，上述方法可以在感应耦合等离子体蚀刻装置中或电容耦合等离子体蚀刻装置中执行。
图5根据本文的某些实施方式示意性地示出了感应耦合等离子体蚀刻装置500的横截面图。由加利福尼亚州弗里蒙特的朗姆研究公司(lamresearchcorp.)生产的kiyotm反应器是可用于实施本文所描述的技术的合适的反应器的一个示例。所述感应耦合等离子体蚀刻装置500包括在结构上由室壁501和窗511限定的总处理室。室壁501可以由不锈钢或铝制成。窗511可以由石英或其他介电材料制成。任选的内部等离子体栅格550将总蚀刻室分为上副室502和下副室503。在大多数实施方式中，等离子体栅格550可以被移除，从而利用由副室502和503制成的室空间。卡盘517定位在下副室503中在底部内表面附近。卡盘517被配置成接收和保持在其上执行蚀刻工艺的半导体晶片519。卡盘517可以是当晶片519存在时用于支撑晶片519的静电卡盘。在一些实施方式中，边缘环(未示出)围绕卡盘517，并具有大致与晶片519(当晶片存在于卡盘517上方时)的顶表面在同一平面的上表面。卡盘517还包括用于夹紧和放松晶片的静电电极。可设置过滤器和dc钳位功率源(未示出)用于此目的。也可以提供其他的控制系统以用于提升晶片519使其离开卡盘517。卡盘517可以用rf功率源523充电。rf功率源523通过连接件527被连接到匹配电路521。匹配电路521通过连接件525连接到卡盘517。以这种方式，rf功率源523被连接到卡盘517上。
线圈533位于窗511的上方。线圈533由导电材料制成，并包括至少一整匝。在图5中所示的示例性线圈533包括三匝。线圈533的横截面用符号示出，并且具有“x”的线圈533旋转地延伸到页面内，而具有“●”的线圈533从页面旋转地延伸出来。rf功率源541被配置为提供rf功率至线圈533。一般地，rf功率源541通过连接件545被连接到匹配电路539。匹配电路539通过连接件543连接到线圈533。以这种方式，rf功率源541被连接到线圈533。可选的法拉第屏蔽件549被定位在线圈533和窗511之间。法拉第屏蔽件549以相对于线圈533隔开的关系被保持。法拉第屏蔽件549被设置在窗511的正上方。线圈533、法拉第屏蔽件549和窗511各自被配置为基本上彼此平行。法拉第屏蔽件可以防止金属或其他物质沉积在等离子体室的介电窗上
工艺气体可以通过位于上室的主注入端口560和/或通过侧注入端口570供给，有时称作stg。在操作的等离子体处理过程中，通过使用封闭环控制的流量限制装置例如节流阀(未示出)或钟摆阀(未示出)，真空泵(例如，一级或两级干式机械泵和/或涡轮分子泵540)可用于将工艺气体从处理室524抽出并维持处理室500内的压力。
在装置的操作过程中，一种或多种反应物气体可通过注入端口560和/或570供给。在某些实施方式中，气体可以仅通过主注入端口560供给，或者仅通过侧注入端口570供给。在一些情况下，注入端口可以由喷头替代。法拉第屏蔽件549和/或任选的栅格550可以包括使工艺气体能输送至室的内部通道和孔。法拉第屏蔽件549和任选的栅格550中的一者或两者可以作为用于输送工艺气体的喷头。
射频功率从rf功率源541供给到线圈533以使rf电流流过线圈533。流过线圈533的rf电流产生围绕线圈533的电磁场。电磁场产生在上副室502内的感应电流。在蚀刻工艺期间，所生成的各种离子和自由基与晶片519的物理和化学相互作用选择性地蚀刻晶片上的特征。
如果使用等离子体栅格使得存在上副室502和下副室503二者，则感应电流作用于存在于上副室502中的气体上以在上副室502中产生电子-离子等离子体。任选的内部等离子体栅格550限制下副室503中的热电子的量。在一些实施方式中，设计和操作所述装置使得存在于下副室503中的等离子体是离子-离子等离子体。
上部的电子-离子等离子体和下部的离子-离子等离子体二者都可包含阳离子和阴离子，尽管离子-离子等离子体将具有更大的阴离子:阳离子的比率。挥发性的蚀刻的副产物可通过端口522从下副室503去除。
本发明所公开的卡盘517可在约30℃至约250℃之间的升高的温度范围内操作。该温度将取决于蚀刻工艺操作和具体配方。在一些实施方式中，室501还可在介于约1毫托和约95毫托之间的范围内的压强下操作。在某些实施方式中，压强可以是较高的，如上所公开的。
室501可以在设施(未示出)安装于洁净室或制造厂中时耦合到设施上。设施包括管道，管道提供处理气体、真空、温度控制和环境微粒控制。这些设施当安装在目标制造厂时耦合在室501上。此外，室501可耦合到传送室，从而允许使用典型的自动化由机械手进出室501传送半导体晶片。
在一些实施方式中，系统控制器530(其可以包括一个或多个物理的或逻辑的控制器)控制蚀刻室的一些或所有操作。控制器在下文进一步描述。
图6是根据多种实施方式的电容耦合等离子体蚀刻装置的示例的示意图。等离子体蚀刻室600包括上电极602和下电极604，在上电极602和下电极604之间可产生等离子体。上面具有图案化的硬掩膜并如上所述的衬底699可以被放置在下电极604上并可以通过静电卡盘(esc)固定在适当的位置。也可以采用其它夹持机构。等离子体蚀刻室600可以包括等离子体约束环606，其将等离子体维持在衬底上方并远离室壁。可以采用其他等离子体约束结构，例如作为充当内壁的护罩。在一些实施方式中，等离子体蚀刻室可以不包括任何这样的等离子体约束结构。
在图6的实施例中，等离子体蚀刻室600包括两个rf源，连接到上电极602的rf源610和连接到下电极604的rf源612。rf源610和612中的每一个可以包括任何适当的频率的一个或多个源，适当的频率包括2mhz、13.56mhz、27mhz和60mhz。气体可以从一个或多个气体源614、616和618被引入室。例如，气体源614可包括如上所述的沉积气体和蚀刻气体。气体可以通过入口620被引入到室，过量气体和反应副产物经由排放泵622排出。
可以采用的等离子体蚀刻室的一个例子是从美国加州弗里蒙特的lamresearchcorp.可购得的
回到图6，控制器530被连接到rf源610和612以及与气体源614、616和618相关联的阀，以及排放泵622。在一些实施方式中，控制器530控制等离子体蚀刻室600的所有活动。
控制器530的下述讨论可以根据情况应用于图5和图6中的控制器530。控制器530可以执行在大容量存储装置中存储的、加载到存储器装置的、并在处理器上执行的控制软件。替代地，控制逻辑可被硬编码在控制器530中。替代地，控制逻辑可被硬编码在控制器530中。专用集成电路、可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列，或fpga)等可以用于这些目的。在下面的讨论中以及在图6中的控制器的讨论中，无论在哪里使用“软件”或“代码”，在它的位置就可使用功能上相当的硬编码逻辑。
控制软件可以包括用于控制以下室操作条件中的任何一个或多个的应用定时和/或大小的指令：气体的混合物和/或组成、室压强、室温度、晶片温度/晶片支撑件温度、施加到晶片的偏置、施加到线圈或其它等离子体产生部件的频率和功率、晶片位置、晶片移动速度以及由工具执行的特定过程的其它参数。控制软件可以以任何合适的方式配置。例如，可以编写各种处理工具部件子程序或控制对象以控制执行各种处理工具处理所需的处理工具部件的操作。控制软件可以以任何合适的计算可读编程语言来编码。
在一些实施方式中，控制软件可包括用于控制上述各种参数的输入/输出控制(ioc)测序指令。在一些实施方式中可以采用存储在与控制器530相关联的大容量存储装置和/或存储器设备上的其他计算机软件和/或程序。用于此目的的程序或程序的部分的例子包括工艺气体控制程序、压强控制程序以及rf源控制程序。
工艺气体控制程序可包括用于控制气体组成(例如，如本文所述的沉积气体和处理气体)和流速以及任选用于在蚀刻之前使气体流入室以稳定室中的压强的代码。压强控制程序可包括用于通过调节例如在室的排放系统中的节流阀，流入室中的气体等来控制室中的压强的代码。rf源控制程序可包括用于根据本发明的实施方式设置施加至电极的rf功率电平的代码。
在一些实施方式中，可以存在与系统控制器530相关联的用户界面。用户界面可以包括显示屏、装置和/或工艺条件的图形软件显示器、以及诸如定点设备、键盘、触摸屏、麦克风等用户输入设备。
在一些实施方式中，由系统控制器530调节的参数会涉及工艺条件。非限制性实例包括工艺气体组成和流速、温度、压力、等离子体条件(例如rf偏置功率电平)、压强、温度等。这些参数可以以配方的形式提供给用户，配方可以利用所述用户界面输入。
用于监控处理的信号可以通过系统控制器530的模拟和/或数字输入连接从各种处理工具传感器提供。用于控制处理的信号可以通过等离子体蚀刻室的模拟和数字输出连接件输出。可被监测的传感器的非限制性实例包括质量流量控制器、压强传感器(例如压强计)、热电偶、等等。经适当编程的反馈和控制算法可以与来自这些传感器的数据一起使用，以保持工艺条件。
系统控制器530可以提供用于执行上述定向沉积工艺和随后的蚀刻工艺的程序指令。所述程序指令可以控制多种工艺参数，如rf偏置功率电平、压强、温度等。所述指令可以控制这些参数以根据本发明所描述的多种实施方式定向沉积掩模构建膜。
控制器530将通常包括一个或多个存储器设备和被配置成执行指令的一个或多个处理器以使该装置将执行根据本发明所公开的实施方式的方法。例如，如上所述，包含用于控制根据本发明所公开的实施方式的工艺操作的指令的机器可读介质可以耦合到控制器530。
在一些实现方式中，控制器530可以是系统控制器的一部分或形成系统控制器的一部分，该系统控制器是系统的一部分，该系统可以是上述实例的一部分。这种系统可以包括半导体处理设备，该半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个处理室、用于处理的一个或多个平台和/或专用的处理组件(晶片基座、气流系统等)。这些系统可以与用于控制它们在处理半导体晶片或衬底之前、期间和之后的操作的电子器件一体化。电子器件可以称为“控制器”，该控制器可以控制一个或多个系统的各种部件或子部件。根据处理条件和/或系统的类型，系统控制器可以被编程以控制本发明所公开的任何工艺，包括控制工艺气体输送、温度设置(例如，加热和/或冷却)、压强设置、真空设置、功率设置、射频(rf)产生器设置、rf匹配电路设置、频率设置、流速设置、流体输送设置、位置及操作设置、晶片转移进出工具和其他转移工具和/或与专用系统连接或通过接口连接的装载锁。
宽泛地讲，系统控制器可以定义为具有接收指令、发布指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件的电子器件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(dsp)、定义为专用集成电路(asic)的芯片和/或一个或多个微处理器或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式传送到系统控制器的指令，该设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定处理的操作参数。在一些实施方式中，操作参数可以是由工艺工程师定义的用于在制备晶片的一个或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或管芯期间完成一个或多个处理步骤的配方(recipe)的一部分。
在一些实现方式中，系统控制器可以是与系统集成、耦接或者说是通过网络连接系统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦接。例如，系统控制器可以在“云端”或者是可以允许远程访问晶片处理的晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分。计算机可以启用对系统的远程访问以监测制造操作的当前进程，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的处理或者开始新的工艺。在一些实例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供工艺配方，网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括允许输入或编程参数和/或设置的用户界面，该参数和/或设置然后从远程计算机传输到系统。在一些实例中，系统控制器接收数据形式的指令，该指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以针对将要执行的工艺类型以及工具类型，系统控制器被配置成连接或控制该工具类型。因此，如上所述，系统控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而分布，这些分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本发明所提供的工艺和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的实例可以是与一个或多个远程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的室上的一个或多个集成电路，它们结合以控制室内工艺。
在一些实施方式中，pecvd沉积可采用远程的自由基辅助的等离子体或微波等离子体。这种沉积可以在配置有远程等离子体产生器或微波等离子体产生器的蚀刻室中进行，或者可以在真空下连接到蚀刻室的沉积室中进行。类似地，在一些实施方式中，可以使用远程的自由基辅助的等离子体或微波等离子体来执行处理操作。
示例性的工艺参数给出如下。示例性压强范围为5mt至1000mt，并且在一些实施方式中，介于40mt至100mt之间。在处理操作中，示例性的压强可以在5mt至300mt的范围内。
用于感应耦合等离子体源(例如，可从加利福尼亚州弗里蒙特的lamresearch获得的变压器耦合等离子体(tcp)源)的示例性等离子体功率为10w至1200w，20w至500w或50w至300w。用于沉积操作的示例性等离子体功率范围为20w至200w。用于处理操作的示例性等离子体功率范围为20w至1200w。
示例性偏置电压范围从0v到-500v，0到-80v，例如-50v。偏置电压也可以用幅度表示，例如0到500v，0到80v，或0至50v。沉积步骤的示例性流速为1sccm至2000sccm，1至300sccm或100sccm。在处理步骤的示例性流速范围为1至2000sccm，1至500sccm或300sccm。示例性衬底温度范围为40℃至250℃或60℃至120℃。在一些实施方式中，沉积和处理暴露时间可以为0.5s至20s，或3s至10s，或4s至6s，其中以多循环工艺的处理时间为例。在一些示例中，进行10至100个循环。
实验
提供以下实施例以进一步说明各种实施方式的方面。提供这些实施例是为了举例说明和更清楚地说明一些方面，而不是限制性的。
感应耦合蚀刻反应器用于在硬掩模上沉积a-si构建材料以在有处理的情况下和没有处理的情况下进行连续和循环的沉积。沉积工艺气体是sicl4/h2，基于h2的等离子体用作处理步骤。压强在20mt和120mt之间变化。
对于连续pecvd，构建材料在40mt下沉积60秒(s)和120秒(s)，而在60mt下沉积75s。在120s/40mt和75s/40mt下观察到掩模构建材料的夹断。沉积是非共形的。对于没有处理的循环pecvd，在40mt下的20个循环的3s(60s)和40个循环的3s(120s)以及在60mt下的25个循环的3s(75s)下沉积构建材料。对于60mt的情况观察到夹断。沉积是非共形的。该120s/40mt的结果(无夹断)与连续cvd的120s/40mt的结果的比较表明，循环有助于良好限定的高深宽比特征。对于具有等离子体处理的循环pecvd，以在40mt下20个循环的3s沉积+5s处理和40个循环的3s沉积+5s处理以及在60mt下25s个循环的3s沉积+5s处理来沉积构建材料。沉积是非共形的。未观察到夹断，表明处理有利于在宽压强范围内沉积高深宽比特征。
通过使用感应耦合蚀刻反应器以使用多个沉积-处理循环在sio2硬掩模上沉积a-si构建材料。沉积工艺气体为sicl4/h2，等离子体功率为50w，而压强为60mt。处理工艺气体为具有少量(约5体积％)n2的h2，等离子体功率为300w，并且在衬底上没有偏压。执行25个沉积-处理循环。改变偏置电压以进行沉积，结果如下：
利用感应耦合蚀刻反应器以使用多个沉积/处理循环在硬掩模上沉积a-si构建材料。改变sicl4/h2流速。对于较长停留时间(较低流速)，观察到夹断。不受特定理论的约束，相信较长的siclx物质停留时间导致夹断。h自由基清除cl在等离子体中的反应。h自由基和离子消除悬垂(overhang)和夹断，从而提供有效的顶部掩模蚀刻和竖直侧壁轮廓。
利用感应耦合蚀刻反应器以使用多个沉积/处理循环将a-si构建材料沉积在硬掩模上。改变沉积步骤期间的等离子体功率。用较高的功率实现较高的非共形性。不受特定理论的限制，相信，具有高粘着系数的siclx自由基的浓度和防止悬垂和夹断的h自由基的浓度增大了。
利用感应耦合蚀刻反应器以使用多个沉积/处理循环在硬掩模上沉积a-si构建材料。改变处理步骤期间的气体组成。使用100％的h2导致颈缩的轮廓。不受特定理论的约束，相信h2等离子体使已经沉积的a-si膜具有较低的反应性，从而降低粘着系数。沉积的膜被蚀刻并从沟槽底部重新沉积到顶部。通过添加添加剂气体(5体积％n2或5体积％ch4)观察到更竖直的轮廓。观察到在沟槽底部的更厚的沉积。
利用感应耦合蚀刻反应器以使用多个沉积/处理循环在硬掩模上沉积a-si构建材料。改变处理步骤期间的等离子体功率。处理气体为100％的h2。使用0w，50w，100w，200w和300w的功率。300w导致颈缩轮廓。降低功率导致更竖直的侧壁以及更厚的沟槽和侧壁沉积，而0w导致夹断。
利用感应耦合蚀刻反应器以使用多个沉积/处理循环在硬掩模上沉积含si构建材料。改变处理步骤期间的暴露时间。使用1s，2s，3s和5s。5s导致颈缩轮廓。减少暴露时间导致更竖直的侧壁以及更厚的沟槽和侧壁沉积。
结论
虽然上述实施方式已经在一些细节为了清楚理解的目的进行了描述，但显而易见的是，某些变化和修改可在所附权利要求的范围内实施。应当注意，存在实现这些实施方式的处理、系统和装置的许多替代方式。因此，本实施方式应被认为是说明性的而不是限制性的，并且实施方式并不被受限于本发明给出的细节。
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