在衬底上形成结构的方法与流程

本公开大体上涉及用于制造电子装置的方法和系统。更具体地说，本公开涉及用于在衬底上形成结构的方法。

背景技术：

随着半导体装置的尺寸变得越来越小的趋势，出现了不同的图案化技术。这些技术包含间隔物界定的四重图案化、极紫外光刻(EUV)以及EUV与间隔物界定的双重图案化的组合。另外，定向自组装(DSA)也已经被视为未来光刻应用的一种选择。DSA涉及使用嵌段共聚物界定用于自组装的图案。所使用的嵌段共聚物可包含聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚苯乙烯或聚(苯乙烯-嵌段-甲基丙烯酸甲酯)(PS-b-PMMA)。其它嵌段共聚物可包含新兴的“高χ(high-Chi)”聚合物，这些聚合物有可能实现小尺寸。

上文所描述的图案化技术可利用安置于衬底上的至少一种聚合物抗蚀剂以实现对衬底的高分辨率图案化。为了满足高分辨率和线边缘粗糙度两方面的要求，聚合物抗蚀剂通常可以是薄层。然而，此类薄聚合物抗蚀剂可能具有若干缺点。确切地说，高分辨率聚合物抗蚀剂可能具有低耐蚀刻性。这种低耐蚀刻性使得图案化抗蚀剂向底层转印变得困难。当进一步按比例缩小半导体装置的尺寸需要先进高分辨率聚合物抗蚀剂具有甚至更低的耐蚀刻性和蚀刻选择性时，低耐蚀刻性的问题会变得严重。另外，高分辨率聚合物抗蚀剂还可能在获得的图案中产生高边缘粗糙度。

因此，将聚合物抗蚀剂的图案转印至硬掩模上可能是有利的。硬掩模是在半导体加工中使用的代替具有较高耐蚀刻性和蚀刻选择性的聚合物或其它有机“软”抗蚀剂材料作为蚀刻掩模的材料。因此，可能需要具有先进特性的硬掩模系统。

技术实现要素：

根据本发明的至少一个实施例，提供一种在衬底上形成结构的方法。所述方法包括：

在反应腔室中向所述衬底提供硬掩模材料；以及

在一个或多个渗透循环期间，用渗透材料渗透所述硬掩模材料。所述循环可包括：

a)将第一前驱体提供至在所述反应腔室中的所述衬底上的所述硬掩模材料上，保持第一时间段T1；

b)从所述反应腔室中移除所述第一前驱体的一部分，保持第二时间段T2；以及

c)将第二前驱体提供至在所述衬底上的所述硬掩模材料上，保持第三时间段T3，使所述第一和第二前驱体彼此反应，在所述硬掩模材料中形成所述渗透材料。

出于概述本发明和所实现的优于现有技术的优势的目的，上文中描述了本发明的某些目标和优势。当然，应理解，未必所有此类目标或优势都可以根据本发明的任何特定实施例实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，本发明可以按实现或优化如本文中所传授或提出的一种优势或一组优势，但不必实现如本文中可能传授或提出的其它目标或优势的方式来实施或进行。

所有这些实施例都意图在本文中所公开的本发明的范围内。由以下参照附图的某些实施例的详细描述，本领域的技术人员将对这些和其它实施例变得显而易见，本发明不限于所公开的任何特定实施例。

附图说明

下文将参照某些实施例的图式来描述本文中所公开的本发明的这些和其它特征、方面和优势，所述实施例意图说明而不是限制本发明。

图1是根据本发明至少一个实施例的流程图。

图2示出根据本公开的各种示例性实施例的示例性系统。

图3示出根据本公开的各种示例性实施例的额外示例性系统。

应了解，图中的元件是出于简单和清晰的目的而说明，且未必按比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸可能相对于其它元件放大，以有助于增进对本公开所说明的实施例的理解。

具体实施方式

尽管下文公开了某些实施例和实例，但本领域的技术人员将理解，本发明扩展超出了本发明具体公开的实施例和/或用途以及其显而易见的修改和等效物。因此，预期所公开的本发明的范围不应受下文所描述的特定所公开的实施例限制。

根据本发明的实施例涉及硬掩模与膜渗透程序的组合。这种硬掩模与渗透程序的组合可以明显改变硬掩模的特性(例如蚀刻速率或甚至是图案化特征的宽度的LER)。

图1示出了根据本发明的至少一个实施例的方法100。方法100包含将衬底提供至反应腔室中的第一步骤110，所述衬底在该衬底的顶部上具有至少一种硬掩模材料。

硬掩模材料可以是多孔的。孔隙率可以通过测量硬掩模材料中的空隙空间占硬掩模材料总体积的分数来测量并且可以具有在0与1之间的值。如果空隙空间相对于所述总体积的分数大于0.1、大于0.2或甚至大于0.3，则所述硬掩模材料可以被限定为多孔的。

硬掩模材料可以例如包括旋涂玻璃或旋涂碳层、氮化硅层、抗反射涂料或非晶碳膜。旋涂玻璃或旋涂碳层可通过在衬底上旋涂玻璃或碳层来提供，由此提供硬掩模材料。另外，所述硬掩模材料可以包括SiCOH或SiOC。

在一个实施例中，可以在硬掩模材料上提供图案化层并且可以在硬掩模材料中蚀刻所述图案化层的图案，产生图案化的硬掩模。随后，可以移除所述图案化层并且所述图案化的硬掩模可以被用于进一步加工。这可以通过施加耐蚀刻性较高的硬掩模来缓解高分辨率硬掩模材料可能具有低耐蚀刻性的问题。硬掩模可以被进一步加工以改善图案化的硬掩模的线边缘粗糙度或线宽。在所述硬掩模与所述图案化层之间可以存在中间层。

在一个实施例中，可以通过在硬掩模材料的顶部上提供抗蚀剂(例如光致抗蚀剂)层；并用(光学)光刻设备使所述抗蚀剂层图案化，由此在所述硬掩模材料上提供图案化层。所述光致抗蚀剂层可以具有低耐蚀刻性并且通过将所述抗蚀剂层中的图案转印至所述硬掩模上，可以改善图案的耐蚀刻性。

可以对抗蚀剂层进行退火。退火步骤的目的可以是使抗蚀剂中的水分或其它污染物脱气、使抗蚀剂硬化或选择性烧掉衬底表面的部分抗蚀剂。

在一个实施例中，可以通过在硬掩模材料上具有嵌段共聚物膜并促进嵌段共聚物膜的定向自组装以形成图案化层，在所述硬掩模材料的顶部上提供图案化层。所述嵌段共聚物膜可以具有低耐蚀刻性并且通过将所述共聚物中的图案转印至所述硬掩模上，可以改善图案的耐蚀刻性。必要时，可以在硬掩模材料与嵌段共聚物层之间提供中间图案化层，以引导嵌段共聚物膜。

在对嵌段共聚物膜执行自组装退火以便在获得的图案中实现低缺陷密度的实施例中，退火程序的程序参数，如时间、温度以及周围条件和压力至关重要。可能需要较长退火时间来获得低缺陷密度。退火可以在范围介于100℃与400℃之间、优选地介于200℃与300℃之间的温度下，并且最优选地在250℃下进行约60分钟。取决于所希望的退火量，其它温度和持续时间也是可能的。然而，自组装退火的温度不应升得过高，否则聚合物可能开始分解。

进行退火的周围环境可以包括氮气、氩气、氦气、氢气、氧气、臭氧、水蒸气、溶剂蒸气或这些气体的混合物。退火周围环境的压力可以是在超高真空至大气压或甚至高于大气压的范围内的任何压力。

根据本发明的一个实施例，退火程序可以在单晶片热板上进行。根据本发明的另一实施例，分批反应器可以被证明对需要较长退火时间的程序有益。分批反应器可以固持在2与250个之间的衬底，优选地在5与150个之间的衬底，或最优选地约100个衬底。例如，可以操作包括两个或更多个反应腔室的集群工具以使得一个反应腔室，优选地一个分批反应器可以被用于退火程序。由此可以通过一种具成本效益的方式执行约1-2小时的较长退火。

方法100可以包括第二步骤120，在该步骤中，可以在一个或多个渗透循环期间，用渗透材料渗透硬掩模材料。每个渗透循环可以包括以下步骤：

步骤120a，将第一前驱体提供至在反应腔室中的衬底上的硬掩模材料上，保持第一时间段T1；

步骤120b，移除第一前驱体的一部分，保持第二时间段T2；以及

步骤120c，将第二前驱体提供至在衬底上的硬掩模材料上，保持第三时间段T3，使所述第一和第二前驱体彼此反应，形成所述渗透材料，使得所述硬掩模材料增强。

任选地，渗透循环可以具有步骤120d，在该步骤中，可以移除第二前驱体的一部分，保持第四时间段T4。渗透工序可以重复N次，其中N是在1至60之间，优选地在3至20之间并且最优选在5至12之间。可以进行渗透120以使得形成金属或电介质的前驱体可以渗透硬掩模材料。在渗透期间，所述前驱体优选地是气体。

任选地，渗透材料如金属或电介质也可以沉积于硬掩模的整个体积上。这可以例如在硬掩模图案化的情况下完成，以使图案更宽且更耐蚀刻。

也使得在硬掩模的顶部上渗透/沉积自对准双重图案化掩模层成为可能。在移除原始硬掩模层之后，可以使用所述双重图案化掩模层进行进一步图案转印。

移除所述第一和/或第二前驱体可以通过以下方式实现：将所述第一或第二前驱体从反应腔室泵出，替代地或另外地，通过在反应腔室中提供吹扫气体以吹扫掉所述第一和/或第二前驱体。

在步骤120a中，可以提供第一前驱体，保持在1至20000秒之间、优选地在20至6000秒之间、更优选地在50与4000秒之间并且最优选在100与2000秒之间的第一时间段T1。以此方式，确保硬掩模材料中第一前驱体的深度渗透。

在步骤120b中，可以移除第一前驱体的一部分，保持在1至20000之间、优选地在20至6000之间、更优选地在50与4000之间并且最优选在100与2000之间的第二时间段T2。

步骤120中的方法可以通过在沉积/渗透系统200(图2)、300(图3)中执行。沉积系统可以是扩散炉、化学气相沉积系统、原子层沉积系统或专用的连续渗透合成系统。所述方法可以包括将反应器腔室加热至在20与450℃之间、优选地在50与150℃之间、更优选地在60与110℃之间并且最优选在65与95℃之间的温度。

现转而参看图2，示出了用于渗透至少一部分硬掩模材料的系统200。系统200可以包括反应器202，所述反应器还可以包括第一反应腔室203、衬底固持器204和气体分配系统206。系统200还可以包括气体前驱体输送系统201，所述气体前驱体输送系统还可以包括第一前驱体源207；第二前驱体源208；载气或吹扫气体源210；以及插入源207、208、210、216与反应器202之间的阀211、212和214。

反应腔室203可以是独立反应腔室或集群工具的一部分。另外，反应腔室203可以专用于如本文所描述的渗透程序，或反应腔室203可以用于其它程序，例如用于膜沉积、移除至少一个聚合物层的一部分以及一个或多个额外层的沉积和/或蚀刻加工。例如，反应腔室203可以包括通常用于化学气相沉积(CVD)和/或原子层沉积(ALD)加工的反应腔室，并且还可以包括直接等离子体和/或远程等离子体设备。

此外，反应腔室203可以在真空或接近大气压下操作。作为一个实例，反应腔室203可以包括适合于通过将第一前驱体和第二前驱体连续地脉冲输送到至少一个衬底上来进行膜的ALD沉积的反应腔室，所述膜被配置成能够将至少所述第一前驱体渗透至硬掩模材料中。适合于系统200的示例性ALD反应腔室描述于美国专利第8,152,922号中，其内容特此以引用的方式并入本文中，达到这些内容不与本公开冲突的程度。

衬底固持器204可以被配置成用于在加工期间将至少一个上方安置有硬掩模层的衬底，如衬底216固持在适当位置。另外或替代地，衬底固持器204在加工期间可以被加热(例如通过加热元件205加热)、冷却或处于周围加工温度下。在一些实施例中，加热元件205可以被配置成用于在至少一个衬底216上执行退火步骤。

尽管气体分配系统206是以框形式示出，但气体分配系统206可能相对较复杂并且被设计成用于在将气体混合物分配至反应腔室203的其余部分之前混合来自第一前驱体源207、第二前驱体源208的蒸气(气体)和来自气体源210的吹扫气体。此外，气体分配系统206可以被配置成用于向半导体表面提供竖直(如所示)或水平的气流。示例性气体分配系统描述于美国专利第8,152,922号中。

第一前驱体源207可以是适合于渗透程序的含金属材料的液体、固体或气体源。如果第一前驱体源207是液体或固体，则源材料可以在进入反应腔室203之前被气化。

第二前驱体源208可以是适合于渗透程序中的含材料的液体、固体或气体源。如果第二前驱体源208是液体或固体，则源材料可以在进入反应腔室203之前被气化。

第一前驱体和第二前驱体可以一起用于沉积和/或渗透硬掩模。例如，在一些实施例中，系统200可以被配置成用于在硬掩模上和/或其中沉积和/或渗透氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、碳氮化硅(SiCN)、碳化硅(SiC)、碳化钛(TIC)、氮化铝(AlN)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钨(W)、钴(Co)、氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化锆(ZrO2)或氧化铪(HfO2)。

吹扫气体源210可以包含适合于吹扫第一前驱体源207和/或第二前驱体源208的任何适合气体。载气或吹扫气体源210还可以包含适合于在沉积和/或渗透程序之前、之后或期间吹扫反应腔室203的任何气体。根据本公开的示例性实施例，吹扫气体可以是氮气、氩气、氦气或其组合。

如图2中所示，源207、208和210通过阀211、212和214与反应腔室203流体连通，所述阀可用于控制对应的源材料使用供应管线219、220和222向反应腔室203的流动、混合和分配。

在本公开的额外实施例中，参照图3示出了用于沉积和/或渗透硬掩模的系统300。系统300可以类似于系统200，但可以包括反应器302，所述反应器还可以包括第一反应腔室203A和第二反应腔室203B。尽管图3示出包括两个反应腔室的反应器302，但应了解，在一些实施例中，反应器302可以包括多个反应腔室，如前文所描述，其中每个反应腔室包括衬底固持器204和气体分配系统206。衬底固持器可以被构造用于固持单一衬底、2至25个衬底(微型批料)或26至200个衬底(全批料)。系统300还可以包括第一前驱体源207、第二前驱体源208、载气或吹扫气体源210以及插入源207、208、210与反应器302之间的阀211、212和214。

系统300还可以包括转移系统304，所述转移系统被用于将衬底，例如半导体从第一反应腔室203A和第二反应腔室203B转移至系统外部。在一些实施例中，反应腔室203A和203B可专用于如本文所描述的渗透程序，或反应腔室203A和203B也可用于其它程序，例如用于层沉积和/或蚀刻程序。例如，反应腔室203A和203B可以包括通常用于如本文所描述的化学气相沉积(CVD)、渗透和/或原子层沉积过程的反应腔室。在额外实施例中，系统300可以包括用于执行额外的指定程序如沉积和蚀刻程序的额外反应腔室。

如图3中所示，源207和208通过阀211和212与反应器302流体连通，所述阀可用于控制对应的源材料使用供应管线219和220、共用前驱体输送系统201的所有部分向反应器腔室203A和203B的流动、混合和分配。所述方法包括将衬底提供至每个反应腔室中以及用共用前驱体输送系统201将所述第一和/或第二前驱体提供至所述至少两个反应腔室中。

所述系统可以包括共用前驱体移除系统226(例如真空泵)。所述方法还可以包括用共用移除系统226从所述至少两个反应腔室移除所述第一或第二前驱体。

所述系统可以包括共用吹扫系统210、214、222。所述方法可以包括通过用共用吹扫系统提供吹扫气体，自所述至少两个反应腔室移除所述第一或第二前驱体。

在一个实施例中，图2中的系统200的反应腔室被构造和布置成用于容纳图1中的单一衬底21，并且可以提供第一前驱体，保持在1至20000秒之间、优选地在20至4000秒之间、更优选地在30与1000秒之间的第一时间段T1。

在另一实施例中，所述系统的反应腔室被构造和布置成用于容纳2至25个衬底并且可以提供第一前驱体，保持在1至16000秒之间、优选地在20与7000之间并且最优选在30与1500秒之间的时间段T1。

在另一实施例中，所述反应腔室被构造和布置成用于容纳26至200个衬底，并且可以提供第一前驱体，保持在1至20000秒之间、优选地在100至10000秒之间、更优选地在200与6000秒之间并且最优选在300与4000秒之间的时间段T1。

在用渗透材料渗透图案化硬掩模材料之前，可能有利的是，在介于20与600℃之间、优选地在介于50与150℃之间并且最优选在介于70与100℃之间的温度下，吹扫反应腔室1至3000秒，优选地120至1200秒，以增进释气。

在步骤120a中，可用鼓泡器提供第一前驱体，保持第一时间段T1，所述鼓泡器提供非连续第一前驱体流，其具有0.1至100秒、优选地1至3秒的第一前驱体混合吹扫气体脉冲与0.1至20秒、优选地0.3至1秒的吹扫气体脉冲交替。

在将第一前驱体提供至反应腔室之前，可以在反应腔室压力下，将所述前驱体加热至在室温与沸腾温度之间、优选地在20与450℃之间、更优选地在30与80℃之间并且甚至更优选地在35与60℃之间的温度。

渗透系统可配备有温度控制系统，该温度控制系统包括控制器、加热器和温度传感器，用以将反应腔室中的温度控制在介于20与450℃之间、优选地在50与150℃之间、更优选地在60与110℃之间并且最优选在65与95℃之间的温度。反应器腔室可以被加热至在20与450℃之间、优选地在50与150℃之间、更优选地在60与110℃之间并且最优选在65与95℃之间的温度。反应器腔室中的所有表面、排气管线和阀可以被加热至在20与450℃之间、优选地在50与150℃之间、更优选地在60与110℃之间并且最优选在65与95℃之间的温度，以避免至少一种前驱体在所述系统中冷凝。

沉积系统可配备有压力控制系统，该压力控制系统包括控制器、泵和吹扫气体或第一前驱体供应源，用以控制反应腔室中的压力。所述腔室中的压力可以被控制在0.001与1000托之间、优选地在1与400托之间、更优选地在5与100托之间并且最优选在10与50托之间的值。

渗透材料可以包括金属。第一前驱体可以是选自由三甲基铝(TMA)、三乙基铝(TEA)和二甲基氢化铝(DMAH)组成的组的烷基铝化合物，并且渗透材料包括铝作为金属。

所述第一或第二前驱体可以包括氯化钛(IV)(TiCl4)、氯化钽(V)(TaCl5)、氯化铌(NbCl5)。第二前驱体可以是氧化剂。氧化剂选自包括水、臭氧、过氧化氢、氨和肼的组。

对于渗透锆或铪，Zr或Hf前驱体可以包括金属有机前驱体、有机金属前驱体或卤化物前驱体。在一些实施例中，所述前驱体是卤化物。在一些其它实施例中，所述前驱体是Hf或Zr的烷基胺化合物，如TEMAZ或TEMAH。

在第二步骤120中沉积的金属或电介质可以包括氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、碳氧化硅(SiOC)、碳氮化硅(SiCN)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)、氮化钽(TaN)、钨(W)、钴(Co)、氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化锆(ZrO2)或氧化铪(HfO2)。

为了执行选择性沉积，可以使用前驱体以获得金属，如使用三甲基铝(TMA)和水(H2O)形成氧化铝(Al2O3、AlO)。第二步骤120中的渗透和/或沉积可以在范围介于20与300℃之间的温度下进行，其中对于形成氧化铝，优选的温度范围是65-95℃。第二步骤120期间的温度可以低于前一阶段期间的温度，因此可能需要冷却步骤将250℃的示例退火或释气温度变成70至100℃的第二步骤130温度。可选退火或释气程序的温度可比第二步骤120的温度高至少25℃，优选地比第二步骤120的温度高25-300℃，或更优选地比第二步骤120的温度高100-250℃。

步骤120a可以包括供应第一前驱体，如TMA，持续范围从1秒至20000秒、优选地在20至6000秒之间、更优选地在50与4000秒之间并且最优选在100与2000秒之间的时间段T1。接着，步骤120b还可以包括移除和/或吹扫在介于1秒至20000秒之间、优选地在20至6000秒之间、更优选地在50与4000秒之间并且最优选在100与2000秒之间的第二时间段T2。

接着，步骤120c可以包括供应第二前驱体，如水，持续范围从1至10000秒、优选地6至800秒、更优选地10至100秒的时间段T3。接着，第二步骤120d可以包括第二次移除/吹扫，持续范围从1至10000秒、优选地6至800秒的第四时间段T4。

此外，可以视需要重复第二步骤120，以获得金属或电介质的充分渗透。

根据本发明的至少一个实施例，第二步骤120的渗透可在可选退火步骤之前进行。在这种情况下，金属或电介质膜可先渗透硬掩模材料，然后可以进行退火程序。在本发明的至少一个实施例中，可选退火步骤和第二步骤120的渗透是在无任何周围空气暴露的情况下进行。不暴露于周围空气将避免暴露于相当大量的氧气或水。暴露于周围空气可能不利地影响硬掩模材料的渗透，所述渗透可能受潜在地吸收水影响。如果硬掩模材料吸收水，则可能导致非所需材料的沉积。

根据一个实施例，渗透材料包括由第一前驱体和第二前驱体制造的金属碳化物，所述第一前驱体是优选地来自由氯化钛(IV)(TiCl4)、氯化钽(V)(TaCl5)和氯化铌(NbCl5)组成的组的金属卤化物，所述第二前驱体是优选地选自由以下组成的组的铝或硼烃化合物：三甲基铝(TMA)、三乙基铝(TEA)和二甲基氢化铝(DMAH)二甲基乙胺铝烷(DMEAA)、三甲基胺铝烷(TEAA)、N-甲基吡咯烷铝烷(MPA)、三异丁基铝(TIBA)、三叔丁基铝(TTBA)三甲基硼和三乙基硼。

所显示和描述的特定实施方案是对本发明和其最佳模式的说明，而无意以任何方式限制各方面和实施方案的范围。事实上，为简洁起见，所述系统的常规制造、连接、准备和其它功能方面可能未详细描述。此外，各种图中所示的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理耦接。许多替代的或附加的功能关系或物理连接可能存在于实际的系统中，和/或在一些实施例中可能不存在。

应理解，本文所述的配置和/或方法本质上是示例性的，并且这些具体实施例或实例不应被视为限制性的，因为许多变化是可能的。本文所述的具体例程或方法可表示多种加工策略中的一个或多个。因此，所说明的各种动作可以按照所说明的顺序、其它顺序执行或者在一些情况下可以省略。

本公开的主题包含本文所公开的各种程序、系统和配置以及其它特征、功能、动作和/或特性以及其任何和所有等效物的所有新颖并且非显而易见的组合和子组合。