用于沉积阻挡层以防止光致抗蚀剂中毒的衬底处理方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年7月1日提交的美国临时申请no.62/357,619的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

本公开涉及衬底处理方法，更具体地涉及用于在氮化物层上沉积阻挡层以防止光致抗蚀剂层中毒的衬底处理方法。

背景技术：

这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的描述的各方面中描述的范围内的当前指定的发明人的工作既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。

衬底处理系统可以用于在诸如半导体晶片之类的衬底上沉积、蚀刻或处理膜。衬底处理系统通常包括处理室、气体分配装置(诸如喷头之类)和衬底支撑件。在处理期间，衬底被布置在衬底支撑件上。可以将不同的气体混合物引入到处理室中，并且在一些处理中可以使用热或射频(rf)等离子体来激活化学反应。

在衬底处理期间，光致抗蚀剂层可用于将下伏层进行图案化。例如，如图1所示，衬底30可以包括沉积在一个或多个下伏层40上的诸如氮化硅(sin)或碳氮化硅(sicn)之类的氮化物层36。光致抗蚀剂层34可以沉积在氮化物层36上以图案化氮化物层36。然而，来自氮化物层36的含氮基团会扩散到光致抗蚀剂层34中并使光致抗蚀剂层34中毒。

在一些工艺中，可以在氮化物层36的顶部上形成薄的氧化物层，以防止含氮基团扩散到光致抗蚀剂层34中。可以通过将氮化物层36暴露于氧化性等离子体来沉积薄氧化物层。然而，这种方法通常通过消耗氮化物而形成薄氧化物层。在一些工艺中，由于这些工艺的较严格的材料损耗要求，因而氮化物的损失可能是不可接受的。

技术实现要素：

一种用于沉积阻挡层的方法包括：a)将包含氮化物层的衬底布置在处理室中；b)将所述处理室中的工艺温度设定到预定的工艺温度范围；c)将所述处理室中的工艺压强设定到预定的工艺压强范围；d)提供包括有机硅烷前体物质的气体和蒸气中的至少一种；以及e)在所述氮化物层上沉积阻挡层。所述阻挡层减少所述氮化物层中的扩散到随后沉积在所述氮化物层上的光致抗蚀剂层中的含氮基团。在其他特征中，所述有机硅烷物质包括一个或多个sich3官能团。所述有机硅烷物质具有通式rnsixm，其中r包括一个或多个有机官能团，而x包括与所述衬底的表面上的-oh或-h活性位点反应的一个或多个可水解的官能团。所述一个或多个可水解的官能团选自伯胺基、仲胺基、叔胺基、烷氧基(-or)、酰氧基(-o(co)r)、和卤素原子。

在其他特征中，所述方法包括在e)之前在所述氮化物层上执行等离子体预处理。

在其他特征中，所述方法包括在e)之后在所述阻挡层上执行等离子体后处理。

在其他特征中，所述方法包括：f)在所述阻挡层上沉积光致抗蚀剂层。在其他特征中，所述方法包括在e)之后且在f)之前在所述阻挡层上执行等离子体后处理工艺。在其他特征中，所述有机硅烷物质与sioh和sih悬挂键键合。在其他特征中，所述有机硅烷物质选自二甲基氨基三甲基硅烷(dmatms)、二(仲-丁基氨基)硅烷(dsbas)和双(叔-丁基氨基)硅烷(btbas)。

在其他特征中，所述预定的工艺温度范围为200℃至400℃。所述预定的工艺温度范围为260℃至300℃。所述预定的工艺压强范围为300毫托至5托。所述预定的工艺压强范围为1托(torr)至2托。所述阻挡层具有至100埃的厚度。所述阻挡层具有10埃至20埃的厚度。

在其他特征中，d)还包括提供选自分子氢、分子氮、氩、氦和惰性气体的载气。所述氮化物层选自氮化硅和碳氮化硅。

在其他特征中，执行所述等离子体预处理包括将所述氮化物层暴露于包含氢的等离子体工艺气体。

在其他特征中，所述氢包含所述等离子体工艺气体中的4％至100％。

具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：

1.一种用于沉积阻挡层的方法，其包括：

a)将包含氮化物层的衬底布置在处理室中；

b)将所述处理室中的工艺温度设定到预定的工艺温度范围；

c)将所述处理室中的工艺压强设定到预定的工艺压强范围；

d)提供包括有机硅烷前体物质的气体和蒸气中的至少一种；以及

e)在所述氮化物层上沉积阻挡层，

其中所述阻挡层减少所述氮化物层中的扩散到随后沉积在所述氮化物层上的光致抗蚀剂层中的含氮基团。

2.根据条款1所述的方法，其中所述有机硅烷物质包括一个或多个sich3官能团。

3.根据条款1所述的方法，其中所述有机硅烷物质具有通式rnsixm，其中r包括一个或多个有机官能团，而x包括与所述衬底的表面上的-oh或-h活性位点反应的一个或多个可水解的官能团。

4.根据条款3所述的方法，其中所述一个或多个可水解的官能团选自伯胺基、仲胺基、叔胺基、烷氧基(-or)、酰氧基(-o(co)r)、和卤素原子。

5.根据条款1所述的方法，其还包括在e)之前在所述氮化物层上执行等离子体预处理。

6.根据条款1所述的方法，其还包括在e)之后在所述阻挡层上执行等离子体后处理。

7.根据条款1所述的方法，其还包括：f)在所述阻挡层上沉积光致抗蚀剂层。

8.根据条款7所述的方法，其还包括在e)之后且在f)之前在所述阻挡层上执行等离子体后处理工艺。

9.根据条款1所述的方法，其中所述有机硅烷物质与sioh和sih悬挂键键合。

10.根据条款1所述的方法，其中所述有机硅烷物质选自二甲基氨基三甲基硅烷(dmatms)、二(仲-丁基氨基)硅烷(dsbas)和双(叔-丁基氨基)硅烷(btbas)。

11.根据条款1所述的方法，其中所述预定的工艺温度范围为200℃至400℃。

12.根据条款1所述的方法，其中所述预定的工艺温度范围为260℃至300℃。

13.根据条款1所述的方法，其中所述预定的工艺压强范围为300毫托至5托。

14.根据条款1所述的方法，其中所述预定的工艺压强范围为1托至2托。

15.根据条款1所述的方法，其中所述阻挡层具有5埃至100埃的厚度。

16.根据条款1所述的方法，其中所述阻挡层具有10埃至20埃的厚度。

17.根据条款1所述的方法，其中d)还包括提供选自分子氢、分子氮、氩、氦和惰性气体的载气。

18.根据条款1所述的方法，其中所述氮化物层选自氮化硅和碳氮化硅。

19.根据条款5所述的方法，其中执行所述等离子体预处理包括将所述氮化物层暴露于包含氢的等离子体工艺气体。

20.根据条款19所述的方法，其中所述氢包含所述等离子体工艺气体中的4％至100％。

根据详细描述、权利要求和附图，本公开内容的适用性的进一步范围将变得显而易见。详细描述和具体实施例仅用于说明的目的，并非意在限制本公开的范围。

附图说明

根据详细描述和附图，本发明将被更充分地理解，其中：

图1是根据现有技术的包括氮化物层和光致抗蚀剂层的衬底的示例的侧视截面图；

图2是根据本公开的包括氮化物层和光致抗蚀剂层的衬底的示例的侧视截面图；

图3是根据本公开的用于沉积阻挡层的方法的示例的流程图；

图4是根据本公开的在沉积阻挡层之前执行的预处理方法的示例的流程图；

图5是根据本公开的用于沉积阻挡层的方法的示例的流程图；

图6是根据本公开的在阻挡层沉积之后执行的后处理方法的示例的流程图；以及

图7是用于预处理、阻挡层的沉积和/或后处理的衬底处理室的示例的示意图。

在附图中，附图标记可以被重新使用以标识相似和/或相同的元件。

具体实施方式

本公开涉及在沉积光致抗蚀剂层之前在包括氮化物层的衬底上沉积阻挡层的方法。阻挡层防止光致抗蚀剂层的氮中毒。形成的阻挡层不会减损氮化物层，并且将有助于满足较严格的工艺的材料损耗要求。

在一些示例中，通过氮化物层表面与气态或蒸气状态的前体的化学反应来修饰氮化物层，从而形成阻挡层。在一些示例中，前体包括有机硅烷或类似类型的分子，所述类似类型的分子能够与氮化物层的表面形成稳定的化学键并且不消耗氮化物。

通过所述反应形成的阻挡层对于光致抗蚀剂中毒物质是稳定的、共形的、邻接的且不可渗透的。在一些示例中，阻挡层包括与氮化物层的表面结合的相互连接的有机硅烷单层。氮化物层表面上的阻挡层的存在不太可能在后续处理中产生问题。在光致抗蚀剂灰化或剥离过程中，有机硅烷层转化为氧化物，氧化物通过湿式清洁工艺溶解。对氮化物层而言，净结果将为零损耗。

现在参见图2，衬底50包括沉积在一个或多个下伏层58上的氮化物层56。阻挡层54沉积在氮化物层56上。光致抗蚀剂层52沉积在阻挡层54上。在一些示例中，氮化物层56包括氮化硅(sin)、碳氮化硅(sicn)或其他氮化物膜。

现在参考图3，示出了用于沉积阻挡层的方法80。在82处，执行氮化物层的任选的预处理。在沉积氮化物层之后，在氮化物层上形成本征(native)氧化物层，并在其表面产生氮氧化硅(sion)。结合层通常难以与sion结合。预处理工艺可用于产生改善与阻挡层结合的sioh或sih悬挂键。

在84处，在氮化物层上沉积阻挡层。在一些示例中，使用有机硅烷前体气体沉积阻挡层。在其他示例中，使用蒸气沉积阻挡层。可以通过将载气输送到包括液体有机硅烷前体的安瓿来提供蒸气。安瓿可以加热或不加热。有机硅烷前体蒸气由载气载运到处理室。

在一些示例中，有机硅烷前体包括一个或多个sich3官能团。在一些示例中，有机硅烷前体具有附着于sioh和/或sih悬挂键的能力。有机硅烷前体具有通式rnsixm，其中r包括一个或多个有机官能团，x包括与衬底表面上的-oh或-h活性位点反应的一个或多个可水解的官能团。可水解的官能团的示例包括以下的：胺基(伯胺、仲胺或叔胺)、烷氧基(-or)、酰氧基(-o(co)r)或卤原子。在一些示例中，有机硅烷前体包括二甲基氨基三甲基硅烷(dmatms)、二(仲丁基氨基)硅烷(dsbas)和双(叔-丁基氨基)硅烷(btbas)，但可以使用其他有机硅烷前体。

在86，执行阻挡层的任选的后处理。在88处，在阻挡层上沉积光致抗蚀剂层，以便随后图案化氮化物层和/或下伏层。后处理工艺有助于使阻挡层与随后沉积的光致抗蚀剂层兼容。

现在参考图4，预处理方法110可以在沉积阻挡层之前进行。在114处，衬底被布置在等离子体处理室中。在一些示例中，等离子体处理室包括下游等离子体处理室。在118处，在等离子体处理室中将工艺温度和压强设定为预定值。在124处，将等离子体工艺气体供给到处理室。在126处，等离子体被激励并被保持在处理室中持续预定的预处理时间段。在128处，在预定的预处理时间段之后，将等离子体熄灭。

在一些示例中，预处理工艺可以采用氢基等离子体，但可以使用其他等离子体工艺气体。在一些示例中，等离子体工艺气体包括混合气体(96％的氮气和4％的氢气的混合物)。在其他示例中，等离子体工艺气体包括浓度在4％和100％之间的分子氢。在其他示例中，等离子体工艺气体包括分子氢气体(浓度在4％和100％之间)和分子氮和/或氦。在一些示例中，等离子体工艺气体是无氧的。

在一些示例中，rf功率在1kw至10kw的范围内。在一些示例中，rf功率在4kw至5kw的范围内。在一些示例中，rf功率为4.5kw。在一些示例中，等离子体工艺气体的流速在1升/分钟至20升/分钟的范围内。在一些示例中，流速为8升/分钟至12升/分钟。在一些示例中，等离子体工艺气体的流速为10升/分钟。在一些示例中，工艺压强在300毫托至5托的范围内。在一些示例中，工艺压强在1托至2托的范围内。在一些示例中，工艺压强为1.5托。在一些示例中，工艺温度在200℃至400℃的范围内。在一些示例中，预定的预处理时间段在1秒至60秒的范围内。

现在参考图5，示出了用于沉积阻挡层的方法150。阻挡层在没有等离子体的情况下热沉积。在154处，衬底被布置在处理室中。在156，在等离子体处理室中将工艺温度和压强设定为预定值。在158，将包含有机硅烷物质的工艺气体或蒸气供应到处理室。在一些示例中，还提供诸如氩(ar)、分子氮(n2)、氦(he)和/或惰性气体之类的载气。

在一些示例中，有机硅烷前体包括一个或多个sich3官能团。在一些示例中，有机硅烷前体具有附着于sioh和/或sih悬挂键的能力。有机硅烷前体具有通式rnsixm，其中r包括一个或多个有机官能团，x包括与衬底表面上的-oh或-h活性位点反应的一个或多个可水解的官能团。可水解的官能团的示例包括以下的：胺基(伯胺、仲胺或叔胺)、烷氧基(-or)、酰氧基(-o(co)r)或卤原子。在一些示例中，有机硅烷前体包括二甲基氨基三甲基硅烷(dmatms)，二(仲-丁基氨基)硅烷(dsbas)和双(叔-丁基氨基)硅烷(btbas)，但可以使用其他有机硅烷前体。

在一些示例中，有机硅烷前体气体以每分钟0.5g至10g的速度供应。在其他示例中，以每分钟2g的速度供给有机硅烷前体气体。在预定的沉积时间段期间供给有机硅烷前体气体。

在一些示例中，工艺压强在300毫托至5托的范围内。在一些示例中，工艺压强在1托至2托的范围内。在一些示例中，工艺压强为1.5托。在一些示例中，工艺温度在200℃至400℃的范围内。在一些示例中，工艺温度在260℃至300℃的范围内。在一些示例中，工艺温度为285℃。在一些示例中，处理时间段在30秒至600秒的范围内。在一些示例中，处理时间段为100秒至140秒。在一些示例中，处理时间段为120秒。在一些示例中，阻挡层被沉积到厚度为至100埃。在其他示例中，阻挡层被沉积到厚度为10埃至20埃。

现在参考图6，可以在沉积阻挡层之后执行后处理方法200。在204处，将衬底布置在等离子体处理室中。在一些示例中，等离子体处理室包括下游等离子体处理室。在208，将等离子体处理室中的工艺温度和压强设定为预定值。在212处，将等离子体工艺气体供给到处理室。在216处，在处理室中激励等离子体持续预定的后处理时间段。在220，在预定的后处理时间段后，将等离子体熄灭。

在一些示例中，后处理工艺可以采用氢基等离子体，但可以使用其他等离子体工艺气体。在一些示例中，等离子体工艺气体包括混合气体(96％的氮气和4％的氢气的混合物)。在其他示例中，等离子体工艺气体包括氢(浓度在4％和100％之间)和分子氮和/或氦。在一些示例中，等离子体工艺气体是无氧的或小百分比的氧(例如小于5％)。等离子体工艺气体中的氧气量可用于调节可用于调节阻挡层相对于光致抗蚀剂层的相容性的疏水或亲水特性。

在一些示例中，rf功率在1kw至10kw的范围内。在一些示例中，rf功率在4kw和5kw的范围内。在一些示例中，rf功率为约4.5kw。在一些示例中，等离子体工艺气体的流速在1升/分钟至20升/分钟的范围内。在一些示例中，流速在8升/分钟至12升/分钟的范围内。在一些示例中，等离子体工艺气体的流速为10升/分钟。在一些示例中，工艺压强在300毫托至5托的范围内。在一些示例中，工艺压强在1托至2托的范围内。在一些示例中，工艺压强为1.5托。在一些示例中，工艺温度在200℃至400℃的范围内。

现在参考图7，示出了用于预处理、阻挡层的沉积和/或后处理的衬底处理室300的示例。尽管示出了特定处理室，但是也可以使用其他类型的处理室。衬底处理室300包括室306和诸如喷头310之类的气体分配装置。喷头310限定充气室312，并且包括包括多个分配通孔的面板314。喷头310相对于布置在衬底支撑件330(诸如基座、静电卡盘(esc)或其他衬底支撑件)上的衬底328基本均匀地分配工艺气体。

气体输送系统340包括一个或多个气体源342、一个或多个阀344、一个或多个质量流量控制器348和歧管350。气体输送系统340将清扫气体和工艺气体输送到喷头310。rf发生器354包括在预处理和后处理过程中提供rf功率的rf源358和匹配电感线圈364的阻抗的匹配电路362。

控制器370被配置为控制气体输送系统340、rf发生器354、温度和压强。此外，控制器370可以包括和/或控制温度控制器374，温度控制器374用于使用通常标识为378的加热器、流体通道、热电装置等控制衬底支撑件330的温度。泵380和可选的阀382可用于从室306排出反应物和/或控制室306内的压强。在一些示例中，泵380可以是涡轮分子泵。如能理解的，预处理、沉积和后处理可以在相同的处理室中或者在不同的处理室中执行。

前面的描述本质上仅仅是说明性的，并且决不意图限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，尽管本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应当如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，其他修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时地)执行。此外，虽然每个实施方式在上面被描述为具有某些特征，但是关于本公开的任何实施方式描述的那些特征中的任何一个或多个可以在任何其他实施方式的特征中实现和/或与任何其他实施方式的特征组合，即使该组合没有明确描述。换句话说，所描述的实施方式不是相互排斥的，并且一个或多个实施方式彼此的置换保持在本公开的范围内。

使用包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“邻近”、“在...之上”、“在...上方”、“在…下方”和“设置”的各种术语来描述元件之间(例如，在模块、电路元件、半导体层等之间)的空间和功能关系。除非明确地描述为“直接的”，否则当在上述公开中描述的第一和第二元件之间的关系时，该关系可以是其中在第一和第二元件之间不存在其他中间元件的直接关系，但是也可以是其中在第一和第二元件之间(在空间上或功能上)存在一个或多个中间元件的间接关系。如本文所使用的，短语“a、b和c中的至少一个”应当被解释为意味着使用非排他性逻辑或(or)的逻辑(a或b或c)，并且不应被解释为表示“a中的至少一个，b中的至少一个和c中的至少一个”。

在一些实现方式中，控制器是系统的一部分，所述系统可以是上述示例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，所述半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定处理部件(晶片基座、气流系统等)。这些系统可以与用于在半导体晶片或衬底的处理之前、期间和之后控制其操作的电子器件集成。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种部件或子部件。根据处理要求和/或系统类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何处理，包括处理气体的输送、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)发生器设置、rf匹配电路设置、频率设置、流速设置、流体输送设置、位置和操作设置、晶片输送进出工具以及其他输送工具和/或连接到特定系统或与特定系统接口的装载锁。

广义地说，控制器可以定义为具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件的电子设备。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)、限定为专用集成电路(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个的设置(或程序文件)的形式传送到控制器的指令，所述单个的设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片上或为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配方的一部分，以在一个或多个层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯的制备过程中完成一个或多个处理步骤。

在一些实现方式中，控制器可以是计算机的一部分或耦合到计算机，所述计算机与系统集成、耦合到系统、以其他方式联网到系统或这些的组合。例如，该控制器可以在“云”中，或在晶片厂(fab)主机计算机系统的全部或部分中，其使得能够对晶片处理进行远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监控制备操作的目前进展，研究过去的制备操作的历史，从多个制备操作来研究趋势或性能标准，改变当前处理的参数，设置当前处理之后的处理步骤，或开始新的处理。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供工艺配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户接口，然后将所述参数和/或设置从远程计算机传送到系统。在一些示例中，控制器以数据的形式接收指令，所述指令指定在一个或多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，对于要执行的处理的类型和与控制器接口或由控制器控制的工具的类型，参数可以是特定的。因此，如上所述，控制器可以是分布式的，例如通过包括一个或多个联网在一起并朝着共同目的(例如，本文所述的处理和控制)而工作的离散控制器。用于这种目的的分布式控制器的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)定位的一个或多个集成电路通讯的室上的一个或多个集成电路，它们结合以控制在室上的处理。

示例系统可以包括但不限于，等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(pvd)室或模块、化学气相沉积(cvd)室或模块、原子层沉积(ald)室或模块、原子层蚀刻(ale)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及可以与半导体晶片的制备和/或制造相关联或可以在半导体晶片的制备和/或制造中使用的任何其他半导体处理系统。

如上所述，根据将由工具执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个其它工具电路或模块、其他工具部件、群集工具、其它工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器、或在半导体制造工厂中将晶片容器往返工具位置和/或装载端口输送的材料运输中使用的工具通信。