旋涂沉积金属氧化物的方法与流程

本申请要求于2016年1月28日提交的题为“旋涂沉积金属氧化物的方法(Methods of Spin-on Deposition of Metal Oxides)”的美国临时专利申请第62/288,253号的权益，其通过引用整体并入本文。

背景技术：

本文的技术涉及半导体晶片的缩放(scaling)和图案化。

微影(lithographic)工艺中收缩线宽的方法以前涉及使用较大NA(numerical aperture，数值孔径)的光学器件、较短的曝光波长或除空气之外的界面介质(例如，水浸)。随着常规微影工艺的分辨率接近理论极限，制造商已经开始转向双重图案化(DP)方法以克服光学极限。

在材料处理方法(例如，光刻)中，创建图案化层包括向基底的上表面施加辐射敏感材料例如光致抗蚀剂的薄层。该辐射敏感材料被转换成浮雕图案，所述浮雕图案可以用作将图案转移至基底上的下层中的蚀刻掩模。辐射敏感材料的图案化通常涉及使用例如光刻系统使光化辐射穿过中间掩模(和相关的光学器件)暴露在辐射敏感材料上。然后可以在该曝光之后根据所使用的显影溶剂去除辐射敏感材料的被辐射区域(如在正性光致抗蚀剂的情况下)或未被辐射区域(如在负性抗蚀剂的情况下)。该掩模层可以包括多个子层。

用于将辐射或光的图案暴露在基底上的常规微影技术具有限制所暴露的特征的尺寸以及限制所暴露的特征之间的节距或间隔的各种挑战。减轻暴露限制的一种常规技术是：使用双重图案化方法以允许以比当前用常规微影技术可以实现的更小的节距对较小的特征进行图案化。

技术实现要素：

为了保持节距缩放，N7(节点7)以上的后段制程(back end of line，BEOL)沟槽图案化必须实现亚36nm的节距图案化。虽然使这种相对小的节距图案化可能是有挑战性的，但是其可以通过多种方法来实现，包括EUV 13.5nm微影、自对准双重图案化(SADP)、193nm自对准四重图案化(SAQP)或通过定向自组装(DSA)。一种在沟槽图案化过程中有用的技术是区域选择性阻挡工艺，其中相对较长的线被切割成链或进行线端切割等以形成最终期望的沟槽布局。随着节距变小，这种阻挡图案的叠加要求超出了微影工具的能力。这是在BEOL制造中继续进行节距缩放所要克服的主要挑战。

自对准阻挡(self-aligned blocking，SAB)技术可以使得能够克服以较小节点进行的图案化挑战。SAB的构思是将难控制的叠加要求交换为具有更易控制的蚀刻选择性挑战的阻挡图案的叠加。例如，多线层由不同材料的交替线形成。这些材料的不同之处在于可以选择性地蚀刻这些材料中的一者或更多者而不蚀刻其余材料。当在该多线层上形成蚀刻掩模并且该蚀刻掩模具有相对较大的露出来自多线层的多条材料线的开口时，调整给定的蚀刻工艺从而以这些材料中的一者为目标意味着蚀刻掩模开口实质上进一步变窄，使得蚀刻掩模开口与多线层(其中至少一种材料被去除)的组合有效地创建用于将图案转移至下层中的组合的亚分辨率蚀刻掩模。如果与旋涂金属硬掩模(MHM)材料一起使用，则这样的图案化可以特别有用。

本文的技术提供了用于沉积旋涂金属材料的方法以创建金属硬掩模(MHM)结构。这包括有效旋涂沉积TiOx、ZrOx、SnOx、HFOx、TaOx等。这样的材料可有助于提供蚀刻耐性的差异，其被称为提供多线层的不同“颜色”。通过使旋涂金属硬掩模(MHM)能够与多线层一起使用，在给定图案上实现了多种颜色分解，这实现了基于狭缝的或自对准阻挡的策略。本文的技术包括确定填充给定浮雕图案中的特定开口的填充材料，改变表面能值使得液体形式的填充材料与侧壁表面之间的界面的接触角值能够实现无间隙填充。

当然，为了清楚起见，已经提出了对如本文中描述的不同步骤的讨论顺序。通常，这些步骤可以以任意合适的顺序进行。此外，虽然本文中不同特征、技术、配置等各自可以在本公开的不同位置进行讨论，但是其旨在可以彼此独立地或彼此组合地执行每种构思。因此，本发明可以以许多不同的方式实施和考虑。

注意，该发明内容部分没有详细说明本公开或要求保护的发明的每个实施方案和/或增加的新方面。相反，该发明内容仅提供了不同实施方案和相对于常规技术的对应的新颖之处的初步讨论。对于本发明和实施方案的另外细节和/或可能的观点，读者参考如下进一步讨论的本公开的具体实施方式部分和相应的附图。

附图说明

参照结合附图考虑的以下具体实施方式，本发明的多个实施方案及其许多附带优点的更全面的理解将容易变得明显。附图未必按比例绘制，而是着重于示出特征、原理和概念上。

图1是示出根据本文公开的实施方案的工艺流程的示例性基底部分(substrate segment)的截面示意图。

图2是示出根据本文公开的实施方案的表面改变的示例性基底部分的截面示意图。

图3是示出根据本文公开的实施方案的工艺流程的示例性基底部分的截面示意图。

图4是示出填充材料中的空隙的基底部分的放大图像。

图5是示出根据本文的技术的无空隙填充的基底部分的放大图像。

具体实施方式

本文的技术提供了用于沉积旋涂金属材料的方法以创建金属硬掩模(MHM)结构。这包括有效旋涂沉积TiOx、ZrOx、SnOx、HFOx、TaOx等。这样的材料可有助于提供蚀刻耐性的差异，其被称为提供多线层的不同“颜色”。通过使旋涂金属硬掩模(MHM)能够与多线层一起使用，在给定图案上实现多种颜色分解，这实现了基于狭缝的或自对准阻挡的策略。

在该旋涂金属氧化物(MeOx)集成期间的挑战是间隙填充。在纵横比达到5:1至6:1的SAQP图案中填充亚18nm空间的间隙是相当有挑战性的。然而，本文的技术解决了先进节点窄节距后段制程(BEOL)沟槽图案化中的一些挑战。

本文的技术解决了旋涂MeOx材料的间隙填充问题。通过使其中沉积有MeOx材料的溶剂体系的表面能与沟槽/开口侧壁和/或底(floor)的表面能相匹配，实现了沟槽的无空隙填充。本文的技术包括数种方法，通过这些方法可以改善侧壁和/或底的表面能。这样的方法包括表面处理，例如用包含氧、氮、氢和氟的气体进行的蚀刻后处理。另一种处理包括用稀氢氟酸(dHF)、过氧化硫(sulphuric peroxide，SPN)等进行的蚀刻后湿式清洗。另一种处理包括在涂布/显影系统中用溶剂如异丙醇、去离子水、四甲基氢氧化铵(TMAH)、六甲基二硅氮烷(HMDS)等进行的预施加处理。另一种选项是例如通过原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、直流叠加等来形成共形膜。

旋涂MeOx(金属氧化物)材料的不当的空隙填充性能的一个原因是沟槽表面(和/或底表面)与旋涂MeOx系统的表面能之间不匹配。例如，如果旋涂MeOx材料是亲水性的并且如果沟槽(包括侧壁和底)的表面是疏水性的，则亲水性材料将不会完全润湿沟槽，因此在烘烤过程期间将产生空隙。

如本文所公开的，仔细匹配表面能能够实现旋涂MeOx材料的无空隙间隙填充。存在许多替代的实施方案。一些包括在任意等离子体蚀刻室或其他处理室中使用单一气体或气体混合物的蚀刻后处理，使用特定化学制剂的蚀刻后湿式清洗，以及在轨道工具(涂布/显影工具)中使用特定溶剂的预施加处理。因此，本文的技术能够实现数种旋涂MeOx材料的无空隙和无缺陷间隙填充。例如，这样的填充技术能够实现5nm BEOL沟槽图案化的自对准阻挡(SAB)集成。

图4示出了常规技术的间隙填充问题的实例。图4是具有由金属氧化物材料207填充的开口的基底部分的放大图像。然而，应注意金属氧化物材料207的沉积在由金属氧化物填充的开口底部产生空隙211。

本文的技术包括用于在基底上沉积材料的方法。接收或以其他方式提供具有浮雕图案的基底。浮雕图案限定了露出下层的开口。浮雕图案提供了限定开口的侧壁表面。下层提供了限定开口的底表面。换言之，浮雕图案具有延伸至下层的沟槽或孔或其他开口。这些沟槽或开口具有侧表面和底部表面。浮雕图案提供了侧表面，而下层的顶表面用作给定孔或沟槽的底表面或底部表面。在一些实施方案中，浮雕图案可以限定临界尺寸小于40纳米的开口。

侧壁表面具有第一表面能值，而底表面具有第二表面能值。每种材料或表面的这些表面能值可以根据所使用的特定材料而不同或相同。图1示出了限定开口的示例性基底部分。注意，该基底部分包括浮雕图案150和下层135。浮雕图案150包括两种不同材料的线。字母“A”和“B”出现在这些材料之上。字母“C”出现在浮雕图案中的开口之上。作为非限制性实例，用字母C表示的开口可以是待填充含金属的材料的沟槽。

确定或以其他方式选择填充材料，以通过经由旋涂沉积而沉积在基底上来填充限定的开口。填充材料可以包括金属氧化物或其他含金属的材料。

执行表面能改变处理。表面能改变处理改变了第一表面能值和第二表面能值中的至少一者，使得液体形式的填充材料与侧壁表面或底表面之间的界面的接触角值小于60度。因此，这样的表面能改变处理可以以侧壁表面、底表面或二者为目标。根据所选择的能量改变处理的类型，液体形式的填充材料与侧壁表面之间的界面的接触角值可以小于60度或小于30度或小于20度。

执行能量改变处理可以包括改变第二表面能值使得根据所执行的改变处理的类型，液体形式的填充材料与底表面之间的界面的接触角值小于60度、或小于30度、或小于20度。

本文的技术提供了用于改变待填充的表面的表面能的数种替代处理。一种示例性处理是在等离子体处理系统内将基底暴露于等离子体产物。图2示出了这样的示例性处理。可以在基底的工作表面上形成等离子体172使得等离子体产物与基底表面反应或以其他方式轰击基底表面以改变表面能。等离子体产物的各向同性流有益于对侧壁表面进行改变。

在另一个实施方案中，可以在浮雕图案上沉积基于液体的改性剂，所述改性剂可以与表面反应或以其他方式改变表面。这样的基于液体的处理可以包括执行蚀刻后湿式清洗。用基于浮雕图案材料和下层材料而选择的特定清洗化学品，可以对基底同时进行清洗和改变。

替代的改变技术包括例如通过原子层沉积、化学气相沉积、直流叠加或其组合在浮雕图案上沉积共形膜。

注意，可以执行一个或更多个改变处理。在一些制造技术中，第一改变处理可用于对侧壁表面进行改变，而第二改变处理用于对底表面进行改变。此外，根据需要，可以执行两个或更多个处理以对给定的表面进行改变。在已经执行一个或更多个改变处理之后，通过旋涂沉积将填充材料(其可以是含金属的)沉积在基底上。执行该沉积使得填充材料填充所限定的开口，并且填充材料与侧壁表面和底表面接触。在针对给定的填充材料对表面能调整的情况下，这样的沉积导致无空隙填充。图3示出了在填充操作之后和在去除填充材料的任何覆盖层(多余表层，overburden)的任选的平坦化步骤之后的基底部分的示例性结果。

作为特定的非限制性实例，在基底上沉积基于丙醇(一种醇)的低温钛氧化物(TiOx)溶剂体系。在沉积该金属氧化物之前，执行氧化蚀刻后处理以及用异丙醇进行的洗涤。如图5所示，结果是金属氧化物的无空隙填充。

在前面的描述中，已经阐述了具体的细节，例如处理系统的特定几何结构和其中使用的各种部件和过程的描述。然而，应理解，本文的技术可以在偏离这些具体细节的其他实施方案中实施，并且这些细节是出于说明而不是限制的目的。已经参照附图描述了本文公开的实施方案。类似地，出于说明的目的，已经阐述了具体的数字、材料和配置以提供透彻的理解。然而，实施方案可以在没有这些具体细节的情况下实施。具有基本上相同的功能构造的部件由相同的附图标记表示，因此可以省略任何冗余的描述。

各种技术已经被描述为多个分立的操作以帮助理解各种实施方案。描述的顺序不应被解释为暗示这些操作必须是依赖顺序的。实际上，这些操作无需以呈现的顺序进行。所描述的操作可以以与所述实施方案不同的顺序进行。在另外的实施方案中可以进行各种附加的操作和/或可以省略所描述的操作。

如本文使用的“基底”或“目标基底”通常是指根据本发明处理的对象。基底可以包括器件(特别是半导体或其他电子器件)的任何材料部分或结构，并且可以例如为基础基底结构(如半导体晶片、中间掩模)或者基础基底结构上或覆盖基础基底结构的层，例如薄膜。因此，基底不限于任何特定的基底结构、下层或上覆层、图案化或未图案化的，而是相反地，预期包括任何这样的层或基底结构以及层和/或基底结构的任意组合。本说明书可以参照特定类型的基底，但这仅用于说明的目的。

本领域技术人员还将理解，可以对上述技术的操作做出许多改变，同时仍实现本发明的相同目的。这样的改变旨在被本公开的范围所覆盖。因此，本发明的实施方案的前述描述并不旨在限制。相反，在以下权利要求中呈现了对本发明的实施方案的任何限制。