原位反面膜图案化的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年4月3日提交的美国临时申请no.62/651,900的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。

本公开涉及一种在半导体晶片上形成半导体设备的方法。

背景技术：

在半导体设备的形成中，使用图案化的掩模来蚀刻特征。图案化的掩模可以由光致抗蚀剂材料形成。

技术实现要素：

为了实现前述目的并且根据本公开的目的，提供了一种用于蚀刻具有特征的掩模下方的堆叠件中的特征的方法。填充层沉积在掩模上，其中该填充层填充掩模的特征。回蚀填充层以暴露掩模。相对于填充层选择性地去除掩模。使用填充层作为掩模来蚀刻堆叠件。

本发明的这些特征和其它特征将在下面在本发明的详细描述中并结合以下附图进行更详细的描述。

附图说明

在附图中以示例而非限制的方式示出了本公开，并且附图中相同的附图标记表示相似的元件，其中：

图1是实施方案的高级流程图。

图2a-f是根据一实施方案处理的堆叠件的透视图。

图3a-e是根据另一实施方案处理的堆叠件的剖视图。

图4是可以在一个实施方案中使用的蚀刻室的示意图。

图5是可用于实施一实施方案的计算机系统的示意图。

具体实施方案

现在将参考附图中所示的几个优选实施方案来详细描述本发明。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的彻底理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他情况下，未详细描述公知的工艺步骤和/或结构，以免不必要地使本发明不清楚。

蚀刻和原子层钝化(alp)工艺可以用于将来自诸如极紫外光致抗蚀剂(euvpr)之类的光致抗蚀剂(pr)掩模的图案转变为硬掩模图案。通过这样做，可以实现图案化改进。整个工艺可以在具有执行原子层沉积(ald)的能力的处理室中完成。可选地，该工艺可以在多个处理室中进行。

实施方案可用于改善掩模特征的规格，例如关键尺寸均匀度(cdu)、整体(完整晶片)关键尺寸均匀度(gcdu)、线宽粗糙度(lwr)、线边缘粗糙度(ler)、局部关键尺寸均匀度(lcdu)、长轴与短轴的比率(major/minor)和短轴与长轴的比率(minor/major)。

一实施方案用于根据以下工艺来蚀刻堆叠件中的下层，所述下层在底部抗反射涂层(barc)下面，底部抗反射涂层(barc)在光致抗蚀剂下面。1)工艺预处理(ppt)处理光致抗蚀剂，以提高光致抗蚀剂(pr)的刚度。2)等离子蚀刻处理改善pr高度并修改特征cd。3)竖直蚀刻barc层的暴露部分用来暴露非碳基底层。4)氧化物ald用于完全封装pr并填充特征。5)回蚀ald氧化物以暴露pr。6)剥去pr，以露出最终的反转/倒转图案。最终的氧化物掩模是所需的图案，现在从起始的pr掩模图案中获得结构规格。

如果直接用pr得到所需的图案，则所得的结构规格将具有较低的质量。当前方法的pr掩模的主要缺点是相似特征图案之间的高可变性。利用该实施方案的掩模反转，可以改善特征与特征之间的可变性。另一个好处是，氧化物掩模可用于以比pr掩模更高的选择性蚀刻下层。另外，与相同图案的pr掩模相比，最终的氧化物掩模导致更好的形状。

为了便于理解，图1是一实施方案的高级流程图。在堆叠件上提供具有特征的掩模(步骤104)。图2a是堆叠件200的透视图。堆叠件包括衬底202，下层204在衬底202上。在该实施方案中，介电抗反射涂层(darc)层208是下层204上的非碳基层。darc层208形成堆叠件200的附加层。barc层212在darc层208之上。具有特征220的掩模216在barc层212之上。在该实施方案中，掩模216是pr掩模euvpr。在该实施方案中，掩模216形成多个圆筒孔形状的特征220。

为了增加用于后续蚀刻步骤的材料刚度，对掩模216进行处理(步骤108)。在该实施方案中，处理是第一预工艺处理(ppt)。孔的进入的掩模图案比柱的倒置图案具有更好的规格，但是仍然非常柔软并且需要材料处理以防止后续的蚀刻步骤去除过多的光致抗蚀剂。在一实施方案中，在处理室中提供2毫托(mtorr)至80毫托的低压。使处理气体氢氟碳化合物(cxhyfz)流入处理室并形成等离子体，以提高pr结构性能。气体添加物用于提高刚性。气体添加物可以包括氧气(o2)、二氧化硫(so2)、羰基硫化物(cos)、氟甲烷(ch3f)、二氟甲烷(ch2f2)、三氟甲烷(chf3)、四氟化碳(cf4)、氮气(n2)、氩气(ar)、氦气(he)、氯气(cl2)、溴化氢(hbr)和氪气(kr)中的一种或多种。该工艺运行5到60秒，以最大化pr的刚性。等离子体强度和温度控制的其他修改使得能相对于要处理的pr材料进行谨慎的工艺调整。

在该实施方案中，处理掩模(步骤108)还包括后续pr整形步骤。后续的pr整形步骤用于填充初始掩模结构中的空隙并在随后的沉积之前形成所需的cd。在该实施方案中，室受到2mtorr至80mtorr范围内的低压的作用。使cxhyfz的处理工艺气体流入处理室。添加cos、n2、ar、he、kr和甲烷(ch4)中的一种或多种的附加气体，以控制竖直和横向沉积速率。使气体形成等离子体。空隙填充能力也通过适当的化学物质比控制来控制。等离子体用50-1000瓦的低功率输出进行控制。该工艺改善了特征220的形状和均匀性。

由于该实施方案具有碳基barc层212，因此barc层212的未被掩模216遮盖的部分被蚀刻掉，以扩展特征220。蚀刻暴露的碳基barc层212以增加硅基填充层的黏附性。在该实施方案中，为了蚀刻barc层212，使气体cxhyfz在低压下流入处理室。添加气体添加物以改善选择性，以便相对于掩模216选择性地蚀刻barc层212而不会损坏下层。气体添加物可以是以下的一种或多种：o2、so2、cos、ch3f、ch2f2、chf3、cf4、n2、ar、he、cl2、hbr和kr。图2b是在已经蚀刻barc层212之后的堆叠件的透视图。已回蚀barc层212以暴露darc层208的一部分。此工艺提供了相对于掩模216蚀刻barc层212的高选择性。

在蚀刻barc层212之后，沉积填充层(步骤112)以完全填充特征220并封装堆叠件200的表面。在该实施方案中，通过提供ald来沉积填充层(步骤112)，该填充层是高度保形的，并覆盖掩模216，且完全填充特征220。在该实施方案中，ald材料可以是任何一层或者多层含硅膜(例如，sixoy、sixny、sixoynz)，其对诸如金属和金属氧化物(例如tin、wxoy)之类的pr剥离去除物具有高选择性。控制填充层的性质以对掩模216和下层具有高选择性。

在一实施方案中，为了提供ald，使液态含硅前体汽化并将其以蒸汽形式输送，以给堆叠件200配料至饱和，从而在堆叠件上形成前体层。在该实例中，前体具有一般类型c(x)h(y)n(z)o(a)si(b)的组成。在一些实施方案中，前体具有以下组成中的一种：n,n,n',n',n”,n”-六甲基硅烷三胺(c6h19n3si、c8h22n2si)、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(c9h23no3si)和四(异丙氧基)硅烷(c12h28o4si)。在该示例中，前体的提供是无等离子体的。该前体具有硅官能团，该硅官能团在堆叠件200上形成单层，因为该前体不附着至另一前体上。

一旦给堆叠件200投配前体，就停止前体蒸气的输送。然后提供清扫步骤以清扫掉残留在室中的过量前体。然后将前体转化。在一实施方案中，这通过使堆叠件200经受闪蒸工艺来实现。闪蒸工艺包括提供闪蒸气体氧气(o2)。在此示例中，在13.56mhz下提供了500到3000瓦的功率，以将闪蒸气体转化为等离子体。提供20mtorr至100mtorr的压强。该闪蒸工艺被称为“o2闪蒸”操作，因为在其期间输送功率的时间相对较快，例如在约0.5秒和约4秒之间。o2闪蒸操作使用含硅前体的单层在堆叠件200上形成氧化硅单层。然后可以重复该循环。

该实施方案中的ald在其他实施方案中可以使用任何数量的润湿剂。该工艺可以在与之前的蚀刻步骤相同的处理室中进行，也可以在独立的沉积/蚀刻室中进行。图2c是在已经沉积填充层224之后的堆叠件的透视图。填充层224不仅覆盖掩模216，而且用氧化硅(sio2)完全填充特征220。根据ald配方参数，填充层224可以进一步改变掩模216的结构。填充层224的沉积(步骤112)可以去除掩模216的底部或提供cd调整。

一旦掩模216被封装，则掩模216需要被暴露以去除。结果，回蚀填充层224(步骤116)。在该实施方案中，填充层224的回蚀(步骤116)是平坦化的形式。填充层224的回蚀(步骤116)必须具有防止填充层224的轮廓退化所需的高选择性。相对于掩模216的1∶1或更大的选择比将导致低填充层224的退化。在一实施方案中，使包含cxhyfz和附加气体(o2、so2、cos、ch3f、ch2f2、chf3、cf4、n2、ar、he、cl2、hbr和kr中的至少一种)的回蚀气体流入该处理室中。由回蚀气体形成等离子体。图2d是在已经回蚀填充层224之后的堆叠件的透视图。可以在蚀刻步骤中用参数控制氧化物膜的性质。

在掩模216的暴露完成之后，下一步骤是用蚀刻去除掩模(步骤120)，该蚀刻相对于填充层224选择性地蚀刻掩模216。在低压下将掩模蚀刻气体o2提供至处理室。可以添加附加气体以改善残留物去除。附加气体包括cos,so2、cf4、n2、ar、he、cl2、hbr和kr中的至少一种。图2e是在去除掩模216之后的堆叠件200的透视图。

在去除掩模216的情况下，由剩余的填充层224形成的柱准备用作用于蚀刻darc层208和下层204的掩模，以提供期望的图案。填充层224形成柱状图案掩模。使用填充层224作为掩模来蚀刻堆叠件200(步骤124)。在该实施方案中，可以使用基于卤素的等离子体来蚀刻堆叠件200(步骤124)。

图2f是在已经使用填充层224作为掩模来蚀刻darc层208和下层204之后的堆叠件200的透视图(步骤124)。可以将darc层208或填充层224或另一下伏层用作硬掩模，以蚀刻下层204。

在该实施方案中，填充层224形成柱。对于其中光致抗蚀剂掩模形成柱的常规工艺，已经发现在下伏层中得到的柱具有缺陷和差的cd均匀性。通过代之以在光致抗蚀剂掩模中形成孔的图案，然后形成ald氧化物柱，所得柱具有更少的缺陷和改善的cd均匀性。使用常规光致抗蚀剂掩模的常规蚀刻工艺产生了3.7nmgcdu。一个实施方案导致在硬掩模下层蚀刻后的3.2nmgcdu。

在该实施方案中，掩模216相对薄，平均厚度不超过50nm。在一实施方案中，掩模216的平均厚度在20nm至50nm之间，包括20nm和50nm。在另一实施方案中，掩模216的平均厚度在20nm至30nm之间，包括20nm和30nm。使用平均厚度，因为在这样小的厚度下，厚度相对于总厚度的变化是显著的。对于euvpr，掩模216的厚度可以与平均值相差约15nm。因此，具有至少20nm的平均厚度和大约15nm的变化意味着掩模在任何位置都不会小于5nm。掩模216的平均厚度的上限由填充特征220所需的时间设定。如果掩模216太厚，则填充特征220将花费太多时间。

在说明书和权利要求书中，填充特征220意味着特征220被完全填充。为了完全填充特征220，在特征220内，将填充层224沉积至具有至少掩模216的平均厚度的厚度。更优选地，填充层224将特征220填充至具有大于掩模216的最厚部分的厚度。

使用薄掩模216的要求和能力使得能使用更高分辨率的掩模216。较厚的掩模216降低分辨率并增加诸如弯曲(wiggling)和下垂之类的失真。在该实施方案中，孔的宽度在20nm至50nm的范围内。

这种填充不同于间隔物沉积工艺中的沉积。在间隔物沉积工艺中，形成保形层。掩模之间的特征的底部处的间隔物层的厚度小于掩模的厚度。因此，间隔层不填充如说明书和权利要求书中所定义的特征。在间隔物工艺中，将位于特征底部的间隔物材料蚀刻掉以形成间隔物。因此，在间隔物的形成中，不希望在特征的底部使间隔物材料的厚度与掩模一样厚。另外，间隔物工艺需要形成竖直间隔物。结果，掩模将比50nm厚，以便形成竖直间隔物。另外，在间隔物工艺中，在特征内，形成两个或更多个侧壁。在每个孔中形成两个或更多个侧壁的侧壁间隔物工艺与各个实施方案不同，在各个实施方案中，仅由每个特征孔形成一个柱。

图3a是在另一实施方案中处理的堆叠件300的示意性截面图。堆叠件300包括衬底304。下层308可以是衬底304上方的一层或多层。在下层308上方形成掩模312(步骤104)。掩模312包括具有长度延伸到页面中的线以及在这些线之间的特征316。特征316和线形成具有多个沟槽的沟槽图案。处理掩模312(步骤108)以改善掩模312的线性并减少掩模312的下垂和弯曲。在该实施方案中，掩模312是碳基掩模312。

将填充层沉积在掩模312上，以完全填充特征316(步骤112)。ald或等离子体增强化学气相沉积(pecvd)用于沉积填充层。在该示例中，填充层是含硅材料，例如基于氧化硅(sio2)的材料。图3b是在已经沉积填充层320(步骤112)之后的堆叠件300的示意性截面图。

回蚀填充层320(步骤116)以暴露掩模312。图3c是在已经回蚀填充层320之后(步骤116)的堆叠件300的示意性截面图。去除掩模312(步骤120)。图3d是在去除掩模312(步骤120)之后的堆叠件300的示意性截面图。填充层320形成壁图案掩模。使用填充层320作为掩模来蚀刻下层308(步骤124)。图3e是在已经蚀刻了下层308(步骤124)之后的堆叠件300的示意性截面图。所得的堆叠件在掩模312具有特征316或孔的区域下方提供了下层308的壁或线。掩模312的每个特征316仅用于形成一个壁。这将不同于双重图案化工艺。在双重图案化工艺中，侧壁用于在每个特征下提供两个或更多个壁。在其他实施方案中，代替圆柱形孔或沟槽，掩模312中的特征可以具有其他形状，以便形成具有其他形状的填充层。在该实施方案中，填充层320随后被去除。

图4示意性地示出了根据本发明的一个实施方案的可用于处理堆叠件200的等离子体处理系统400的一个示例。等离子体处理系统400包括等离子体反应器402，该等离子体反应器402具有由室壁462包围的等离子体处理室404。由匹配网络408调谐的等离子体功率源406向位于功率窗口412附近的tcp线圈410提供功率，以通过提供感应耦合的功率在等离子体处理室404中产生等离子体414。tcp线圈(上功率源)410可以被配置为在等离子体处理室404内产生均匀的扩散外形。例如，tcp线圈410可以被配置为在等离子体414中产生环形功率分布。设置功率窗412以使tcp线圈410与等离子体处理室404分开，同时使能量能从tcp线圈410传递至等离子体处理室404。由匹配网络418调谐的晶片偏置电压功率源416向电极420提供功率，以便在堆叠件200上设置偏置电压。电极420为堆叠件200提供卡盘，其中电极420用作静电卡盘。衬底温度控制器466可控制地连接到珀耳帖加热器/冷却器468。控制器424为等离子体电源406、衬底温度控制器466和晶片偏置电压电源416设置点。

等离子体功率源406和晶片偏置电压功率源416可以被配置为以特定的射频工作，例如以13.56mhz、27mhz、2mhz、1mhz、400khz或它们的组合工作。等离子体功率源406和晶片偏置电压功率源416可以适当地确定大小以提供一定范围的功率，以实现期望的处理性能。例如，在本发明的一实施方案中，等离子体功率源406可以提供50到5000瓦范围内的功率，并且晶片偏置电压功率源416可以提供在20到2000v范围内的偏置电压。另外，tcp线圈410和/或电极420可以包括两个或更多个子线圈或子电极，所述子线圈或子电极可以由单个功率源提供功率或由多个功率源提供功率。

如图4所示，等离子体处理系统400还包括气体源430。气体源430将气体或远程等离子体提供给喷嘴形式的进给件436。工艺气体和副产物通过压强控制阀442和泵444被从等离子体处理室404中去除。压强控制阀442和泵444还用于维持等离子体处理室404内的特定压强。气体源430通过控制器424控制。可使用加利福尼亚州弗里蒙特市朗姆研究公司(lamresearchcorp.)的来实施一个实施方案。

图5是示出了计算机系统500的高级框图，该计算机系统500适于实现在实施方案中使用的控制器424。计算机系统可以具有多种物理形式，其范围从集成电路、印刷电路板以及小型手持设备到巨型超级计算机。计算机系统500包括一个或者多个处理器502，并且进一步可以包括电子显示装置504(用于显示图形、文本以及其他数据)、主存储器506(例如，随机存储器(ram))、存储设备508(例如，硬盘驱动器)、可移动存储设备510(例如，光盘驱动器)、用户接口设备512(例如，键盘、触摸屏、小键盘、鼠标或者其他定位装置等)以及通信接口514(例如，无线网络接口)。通信接口514使得软件和数据能通过链路在计算机系统500和外部设备之间传输。系统还可以包括通信基础设施516(例如，通信总线、交叉杆(cross-overbar)、或者网络)，前述的设备/模块被连接于该通信基础设施516。

经由通信接口514传输的信息可以是能通过通信链路由通信接口514接收的信号的形式，所述信号是例如电子的、电磁的、光的、或者其他的信号，所述通信链路携带信号并且可以是使用电线或电缆、光纤、电话线、蜂窝电话链路、射频链路、和/或其他通信通道实现的通信链路。利用这样的通信接口，可预期，一个或者多个处理器502可以自网络接收信息或者可以在实施上述方法步骤的过程中向网络输出信息。另外，方法实施方案可以仅在处理器上执行或者可以与远程处理器结合在诸如因特网之类的网络上执行，所述远程处理器共享部分处理。

术语“非暂态计算机可读介质”一般用来指诸如主存储器、辅助存储器、移动存储装置、以及存储设备(例如硬盘、闪存、硬盘驱动存储器、cd-rom以及其他形式的永久性存储器)之类的介质，并且不得被解释为涵盖诸如载波或者信号之类的暂时性的标的物。计算机代码的示例包括机器代码，例如由编译器产生的机器代码，以及包括使用解释器由计算机执行的更高级代码的文件。计算机可读介质还可以是通过体现在载波中的计算机数据信号传输并且表示为可由处理器执行的指令序列的计算机代码。

虽然已经根据几个优选实施方案描述了本发明，但是存在落在本发明的范围内的改变、修改、置换和各种替代等同方案。还应当注意，存在实现本发明的方法和装置的许多替代方式。因此，以下所附权利要求旨在被解释为包括落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改变、修改、置换和各种替代等同方案。