CN112771646A - 在硬掩模膜上的ALD SiO2沉积中的碳损失的最小化 - Google Patents

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Abstract

一种在衬底表面上限定薄膜层的方法包含通过第一等离子体而使衬底表面暴露于第一前体，以使第一前体能够被衬底表面吸收。通过第二等离子体而将不同于第一前体的第二前体施加至衬底表面。第二前体是二氧化碳前体，其释放足够的氧自由基以与第一前体进行反应，从而在衬底表面上形成氧化物膜层。

Description

在硬掩模膜上的ALD SiO2沉积中的碳损失的最小化
技术领域
所呈现的实施方案涉及半导体衬底处理，具体而言，涉及衬底的低温ALD沉积。
背景技术
有许多类型的膜沉积处理，其常用于半导体制造领域中，以限定不同类型的特征。用于在衬底上产生薄膜的一些示例性沉积处理包含化学气相沉积(CVD-例如等离子体增强CVD)、物理气相沉积(PVD)以及原子层沉积(ALD)。
在PVD处理中，处于液体形式的纯的源材料被转化为气相前体并输送至处理室。高功率电力、激光烧蚀是用于以受控方式将液体前体转化为气相前体的技术中的一些。当被施加至衬底时，气相前体在衬底表面上凝结而产生期望的层。在整个PVD处理中没有化学反应发生。
在CVD处理中，使源材料与用作载体的挥发性前体混合。将混合物以气相注入至处理室(在其中接收衬底)中以在衬底上沉积膜。该混合物的反应物与衬底表面进行反应，从而导致膜沉积。
ALD处理是CVD的子类。ALD是循环处理，其通过将已知的 CVD处理分成自饱和沉积循环的迭代序列而执行。所得到的膜是高度保形的、平滑的、且具有优异的物理性质。与反应气体同时被施加至室中的CVD 不同，ALD的反应气体(即，前体)被顺序地引入以使气体能够与衬底表面进行反应，而不是彼此进行反应。ALD处理涉及一系列的脉冲化和清除步骤，在这些步骤中，通过交替地使前体、反应性气体一次一种地脉冲化进入处理室、并在每一脉冲之间利用惰性气体进行清除而使层形成。例如，在第一脉冲化步骤期间，第一前体以气体形式被引入，其被吸收(或吸附)在衬底的表面上，该衬底被接纳在处理室中。在此之后进行清除步骤，其中利用惰性气体清除处理室中的第一前体。后续的脉冲化步骤包含将第二前体以等离子体形式引入，其与被吸附的前体进行反应而形成期望材料(例如，氧化物膜(SiO2) 层)的单层。进行第二清除步骤以将第二前体和任何副产物从处理室中去除。通过调节脉冲和清除的序列，由ALD所产生的膜通过重复切换两种或更多种前体/反应性气体在衬底上的循序流动而一次一个原子层地沉积。
由于气体切换技术的限制以及在气体切换之间将处理室清除所需的时间，因此典型的ALD处理的产能受到限制。为了满足行业的更高的产能需求，创造了多重图案化技术。多重图案化的最早形式为“节距分割”，其涉及将图案分成两个或三个部分，以常规方式对这些部分中的每个部分进行处理并在最终层将这些部分结合。此方法的主要问题为特征与特征的定位误差。为了克服该问题，发展出了不同形式的多重图案化(即，双重图案化)。在双重图案化中，在相同层上进行独立图案的暴露和蚀刻序列以限定子图案。所得到的图案为经蚀刻的子图案的组合体。通过使这些子图案交织，可以增大图案密度。随着对次原子节距的需求增加，改善多重图案化的可靠良率变得至关重要，并且双重图案化方法似乎提供了可行且有前景的选择。
本发明的各种实施方案就是在该背景下产生的。
发明内容
本公开内容的实施方案包含可用于限定特征的沉积处理。所限定的特征被转移至半导体衬底。在一些实施方案中，双重图案化技术用于在衬底上限定特征并使特征图案密度增大。应注意，本发明的特征并不限于双重图案化技术，而是可被扩展至可用于产生将图案转移至衬底中的掩模的任何沉积处理。
随着装置尺寸持续缩小，可接受的碳损失以及由这种碳损失所造成的衬底上特征轮廓变得越来越令人关注，特别是对于维持在衬底表面上形成的特征的关键尺寸。许多实施方案集中在使用二氧化碳(CO2)气体作为氧化气体，以在图案化于衬底表面上的硬掩模上执行二氧化硅(SiO2)的低温原子层沉积(ALD)。CO2是在等离子体中相对难以分解的稳定化合物。通过施加高频射频功率，低浓度的反应性氧自由基从二氧化碳气体被释放至等离子体中，以使氧自由基能够在衬底表面饱和，而不会消耗硬掩模层中的碳。CO2等离子体中的较低浓度的反应性氧自由基确保硬掩模层的关键尺寸被实质上保留。更重要的是，所得到的蚀刻轮廓是高度平坦的，其在标准ALD处理中是难以实现的。
通过第一等离子体将第一前体供应至处理室(衬底被接纳于其中)，以使第一前体能够被衬底表面所吸收。接着，将第二前体(其中二氧化碳(CO2)与惰性气体(例如氩)共同流动)供应至处理室，并且激发高频射频(HF- RF)功率以产生第二等离子体，其被用于在衬底表面(第一前体被吸收于其上) 饱和，以限定氧化物膜层。重复进行施加第一前体然后施加第二前体的处理，其导致对于ALD处理固有的逐步原子层生长。由于CO2等离子体中的反应性氧自由基的浓度较低，因此在硬掩模层上所观察到的碳消耗程度小许多，同时在衬底表面上的衬底中心和边缘处都观察到实质上均匀且高度平坦的蚀刻轮廓。
多种实施方案提供了在限定于衬底表面上的硬掩模特征上沉积薄膜(如SiO2膜)的简单且易于实现的方法，并且相比于常规的沉积处理，掩模层的特征轮廓损失明显较小。二氧化碳(CO2)(其在本文所述的各种实施方案中用作活性氧化剂)是可以广泛获得的廉价气体，其在安全处理方面构成极小挑战。使用CO2作为氧化剂的额外益处是：无需配置新的处理室或将现有的处理室重新配置以适应氧化化学品的变化，因为用于ALD处理的现有的处理室可有效地使用于各种实施方案的实现中。
在一实现方案中，公开了一种在衬底上沉积膜的方法，该衬底被接纳在处理室中。该方法包含通过第一等离子体以处理衬底，以使衬底的表面及图案化于其上的旋涂硬掩模(SOH)暴露于第一前体。第一前体被部分地吸收在暴露表面上，从而在暴露表面上形成硅-氢键，暴露表面包含衬底的表面以及SOH的表面。在衬底表面上图案化的SOH具有初始图案。该方法还包含通过第二等离子体来处理衬底，以使衬底的表面和SOH的表面暴露于第二前体。第二前体不同于第一前体，且包含二氧化碳气体与惰性气体的混合物。该处理使得氧自由基被释放，并与在衬底的表面和SOH的表面上形成的硅-氢键进行反应。氧自由基与硅-氢键进行反应以形成氧化物膜层，而没有实质上消耗SOH的初始图案的表面厚度。
在一些实现方案中，重复以下操作多次以使氧化物膜层在衬底的表面和SOH的初始图案的表面上生长至氧化物厚度：利用第一前体处理衬底，然后利用第二前体处理该衬底。重复使用第一和第二前体进行的处理以遵循原子层沉积处理。
在一些实现方案中，氧化物膜层的氧化物厚度相当于初始图案中的SOH的厚度，并且是基于初始图案中的SOH的节距。
在一些实现方案中，执行定向蚀刻以选择性地蚀刻氧化物膜层，以使SOH的初始图案的顶部及衬底的表面暴露。在该定向蚀刻操作之后，执行灰化操作以移除SOH的初始图案，从而从氧化物膜层中留下氧化物侧壁。这些氧化物侧壁限定自对准双重图案。
在一些实现方案中，在利用第一前体处理衬底之后执行清除操作，以便从处理室中清除任何未被吸收的第一前体。该清除操作是在利用第二前体处理衬底之前执行。
在一些实现方案中，在使衬底的表面和SOH的表面暴露于第二前体持续预定时段之后，执行清除操作，以从处理室中清除第二前体和任何副产物。
在另一实现方案中，公开了一种在衬底上沉积膜的方法，该衬底被接纳在处理室中。该方法包含通过第一等离子体处理衬底，以使该衬底的表面以及图案化于其上的旋涂硬掩模(SOH)的表面暴露于氨基硅烷前体，以使氨基硅烷前体能够被部分吸收在暴露表面上，从而在这些暴露表面上形成硅-氢键，这些暴露表面包含该衬底的表面以及该SOH的表面。图案化于衬底表面上的该SOH具有初始图案。该方法还包含通过第二等离子体处理该衬底，以使该衬底的表面以及该SOH的表面暴露于第二前体。该第二前体包含二氧化碳气体与氩气的混合物。该处理步骤使得自该二氧化碳气体释出的氧自由基与形成于该衬底的表面以及该SOH的表面上的硅-氢键进行反应，从而在该衬底的表面以及该SOH的表面上形成氧化物膜层。该氧化物膜层是在实质上不会消耗该SOH的初始图案的表面厚度的情况下形成的。
在一些实现方案中，该SOH是碳基SOH。
在一些实现方案中，通过以下方式将第二前体引入至处理室中：将该第二前体中的二氧化碳的流率调整为介于约500sccm和约每分钟 3000标准立方公分(sccm)之间，且将该第二前体的惰性气体的流率调整为介于约5000sccm和约20,000sccm之间。
使用弱氧化剂(例如二氧化碳气体)的一个优点为使碳基SOH的消耗最小化，以保持初始图案的关键尺寸。二氧化碳是可广泛获得的廉价气体，其在安全处理方面构成极小挑战。无需重新设计处理室，且无需开发新硬件以处理二氧化碳前体，因为现有处理室可用于处理二氧化碳前体。由于第二前体等离子体中的反应性氧自由基的浓度较低，因此在初始图案上所观察到的碳消耗程度小许多。这造成在整个衬底表面上的高度平坦的蚀刻轮廓，这是在常规ALD处理中难以实现的结果。此外，沉积循环时间类似于常规ALD处理，因此不会对产能造成不利影响。以下将讨论这些以及其他优点，且本领域技术人员通过阅读说明书、附图以及权利要求，将会理解该等优点。
附图说明
图1显示了在一实现方案中，在衬底处理系统内所限定的处理区域的竖直剖面图，该衬底处理系统被配置成在衬底上执行沉积处理以在其上形成膜。
图2A-2D显示了限定在衬底上的旋涂硬掩模(SOH)的轮廓，其显示了因使用常规氧化剂而造成的显著SOH损失。
图3A-3D显示了根据一实现方案，使用CO2作为氧化剂所产生的限定于衬底上的特征的轮廓。
图4显示了在一实现方案中，径向扫描以获得因SOH损失而造成的特征表面轮廓。
图5显示了根据一实现方案的图表，其显示了对应于从晶片中心开始的不同扫描点的不同标绘线，以显示基于ALD处理中所使用的氧化剂的SOH损失。
图6A显示了根据一实施方案，用于在衬底表面上限定薄氧化物膜层的方法的操作。
图6B显示了根据另一实现方案，用于在衬底表面上限定薄氧化物膜层的方法的操作。
图7显示了根据一实现方案，用于控制系统的控制模块。
具体实施方式
为了提供对本发明的特征的彻底理解，在以下的描述中，说明了大量的特定细节。然而对于本领域技术人员而言，显而易见的是，可以在没有这些特定细节中的一些或全部的情况下实践本发明。在其他的示例中，为了不使本发明难以理解，没有详细描述常规的工艺操作。
本公开内容的各种实施方案提供了改良的原子层沉积处理的细节，该改良原子层沉积处理用于在被接纳于处理室内的衬底的表面上沉积薄膜。在本文所述的一些实现方案中，本发明特征是在用于限定衬底上的特征的双重图案化技术内实现。本文所述的发明特征并不限于沉积处理或特定图案化技术，而是可被扩展至其他处理或图案化技术，包括三重图案化、节距分割等，其中从衬底表面上形成的特征消耗碳受到关注。
多种实施方案集中在使用二氧化碳作为氧化气体，以在限定初始图案的碳基旋涂硬掩模(SOH)上执行氧化物膜层(例如二氧化硅(SiO2))的低温原子层沉积(ALD)。常规沉积处理使用强氧化剂，例如氧化亚氮或氧。在等离子体中，由于键结弱，因此氧化亚氮容易解离成氮和高反应性氧自由基。与氧化亚氮相比，氧具有稍微更强的键。氧在等离子体中也容易分解而释放高反应性氧自由基。所释放的反应性氧自由基有助于在衬底表面饱和而形成氧化物膜层(例如SiO2膜层)。虽然具有较大量的自由基型氧物质(在ALD SiO2沉积中的共反应物)有助于有效地在衬底表面饱和，但公知的是，等离子体中的高浓度的反应性氧自由基也消耗限定衬底上的初始图案的碳基硬掩模中的碳(经由燃烧反应)。这些硬掩模被用于将特征转移至衬底上，且碳消耗影响由这些硬掩模所形成的初始图案的关键尺寸。随着装置尺寸持续缩小，可容许的碳损失(由氧蚀刻引起)以及这样的碳损失所造成的衬底上特征轮廓变得越来越受到关注，特别是对于维持在衬底表面上形成的特征的关键尺寸。
在用于沉积处理中的第二前体中使用二氧化碳作为主要氧化剂，使得低浓度的反应性氧自由基被释放至等离子体中，以在衬底表面饱和。二氧化碳(CO2)与惰性气体(例如氩)共同流动，且点燃高频射频(HF-RF)等离子体，以使氧自由基从CO2释放至等离子体中。所释放的氧自由基与沉积于表面上的第一前体层进行反应，以限定逐步的原子层生长，其是ALD处理所固有的。由于CO2等离子体中的反应性氧自由基的浓度较低，因此在硬掩模层上所发现的碳消耗程度小许多，同时在衬底表面各处(包含衬底中心及衬底边缘)观察到实质上均匀且高度平坦的特征轮廓。
通过各种实施方案而实现的优点之一是：其提供在限定于衬底表面上的碳基硬掩模特征上沉积薄膜(如SiO2膜)的简单且易于实现的方法，且相较于常规的沉积处理，掩模层的特征轮廓损失明显较小。另一优点是：二氧化碳(CO2)(其在本文所述的各种实施方案中用作活性氧化剂)是弱氧化剂，其是在安全处理方面构成极小挑战的可广泛获得的廉价气体。使用CO2作为氧化剂的额外益处是：无需配置新的处理室或将现有的处理室重新配置以适应氧化剂化学品的变化，因为用于ALD处理的现有的处理室可有效地使用于各种实施方案的实现中。通过阅读说明书、附图以及权利要求，本领域技术人员将会理解其他优点。
多种实施方案可以在单站处理室以及多站处理室中实施。多站处理室可包含两个或更多个站，其中这些站按线性构造、圆形构造、或按任何几何构造设置，且在其中设置有旋转或移动机构。在一些实施方案中，多站处理室可包含4个站，其中每一站按圆形构造设置，且在中心位置处设置有旋转机构。基座或衬底支撑表面设置在各个站中，以用于支撑衬底。每一基座被设置在处理室的下室主体中，且每一基座可包含载送环。下室主体包含外壁和内壁以隔离四个站的基座中的每个基座。接地板设置在内壁上方，且附着于外壁上。接地板具有用于各个站的中心开口及工艺开口。在中心位置处的中心开口被配置成容纳旋转机构的至少一部分。在各个站的工艺开口具有比载送环的直径更大的直径。对于施加至处理室的射频功率，经由对称围绕各个站的各个工艺开口的接地板而提供RF接地回路。
在一配置方式中，处理室可包含支架叉(每个站一个)，以将设置于这些站中的每个站的相应基座周围的载送环抬升。在处理室包含四个站的特定配置方式中，支架叉可同时将四个载送环中的每一个(以及设置于其上的任何衬底)抬升，且旋转机构可用于将所有的载送环和衬底旋转至下一站 (例如，以进行额外或不同的处理)。在一配置方式中，室具有装载和卸除站，此时一次装载一个衬底，或者室可包含并行装载和卸除站，其中一次装载和卸除两个或更多个衬底。
应理解，本文的实施方案可以许多方式实现，例如以工艺、设备、系统、装置或方法。一些实施方案描述如下。
图1显示了一实现方案中的衬底处理系统100，其用于处理衬底103。该系统包含处理室，其具有限定下室部分101的室壁101a及限定上室部分102的室壁102a。下室部分101容纳基座204，该基座204提供支撑表面，以在处理室中接收衬底103以进行处理时支撑衬底103。应注意，图1 中所示的实施方案为单站处理室。下室部分包含升降/旋转机构(例如支架叉 (未图示))以沿着竖直轴而抬升设置于基座204周围的承载环、并沿着水平轴而转动升降机构，且包含用于操作系统100的不同部件的设施和控制装置(未图示)，其包括用于操作升降机构的控制装置、用于供应功率至系统的不同部件的控制装置等。
上室部分102容纳喷头112。喷头112设置于基座204的衬底支撑表面上方，以限定两者之间的处理区域234。喷头112包含用于供应气态前体和/或等离子体至处理区域234的多个喷嘴112a。在一实施方案中，在喷头112正上方的是等离子体室104，该等离子体室104被配置成接收气体化学物以及产生等离子体。等离子体室104连接至气体源，例如气体化学物的贮存器(161)。在等离子体室104内设置扩散器106形式的气流分配容器。扩散器106可具有任何数目的形状。在图1中显示的实施方案中，扩散器 106包含杯状构件，其具有圆形的底部和圆柱形的顶部。扩散器106由非导电材料制成，该非导电材料在暴露于气体化学物时可耐受腐蚀。扩散器106 包含多个注射口182以将被引入至等离子体室104的气体化学物扩散。在一些实施方案中，多个注射口182沿着在杯状构件的圆形底部中的水平环而设置，如图1所示。在其他实施方案中，多个注射口182设置成遍布整个杯状构件。
在图1所示的实施方案中，显示了单一的扩散器106，其中扩散器106用于按顺序将第一前体和第二前体两者引入。在其他实施方案中，可使用不同的扩散器106，其中第一扩散器106用于将第一前体引入，而第二扩散器106用于将第二前体施加至等离子体室。在引入至等离子体室中之前，可利用扩散器106以使气体化学品扩散。扩散器106可具有不同的形状。在一实施方案中，扩散器106可具有圆形的底部(即，杯状部分)以及圆柱形的顶部，且由非导电材料制成，该非导电材料在暴露于在衬底103的处理中所使用的前体中所包含的气体化学品时可耐受腐蚀。扩散器106的合适材料包含例如介电材料，如石英。
在一实施方案中，等离子体室104呈圆锥体状，并且具有在顶部将扩散器106设置于其中的狭颈区段104a、紧接地位于狭颈区段104a下方的圆锥区段104b、以及在底部紧接地位于圆锥区段104b下方及喷头112的上表面112b上方的较宽的圆柱区段104c。扩散器106的圆柱形的顶部的外直径可小于等离子体室104的狭颈区段104a的内直径，使得扩散器106可轻易地容纳于狭颈区段104a中。注射口182可分布于整个扩散器106或径向地分布于杯状底部中，以使气体化学品能够自贮存器均匀地分配至等离子体室 104。
一或更多个线圈108(显示于图1中的108a、108b)被设置成环绕等离子体室104的圆锥区段104b的一部分。线圈108连接至能量源110，该能量源110将电供应至线圈108。能量源110所供应的电场经由线圈108而选择性地施加以使线圈108通电，且在线圈108所包封的等离子体室104的圆锥区段104b中形成电场。电场将被接收在等离子体室104的圆锥区段104b中的气体化学品电离而产生等离子体。所产生的等离子体可包含反应性物质(例如电子、离子、激发物质、反应性自由基、解离的自由基、和/或中性物质)，所产生的反应性物质通过喷头112的喷嘴112a而被分配至处理室的处理区域234，该喷头112与等离子体室104的圆柱区段104c整合。暴露于反应性物质的衬底上表面吸收这些反应性物质以限定材料层。
在一些实施方案中，限定上室部分102的室壁102a可包含间隔件212，其被紧接地设置于喷头112下方且介于喷头112与下室部分101的室壁101a之间。在这种实现方案中，间隔件212可包含环状主体，该环状主体沿喷头112的面对基座204的底面的外周而设置。可通过机械手段或非机械手段而使间隔件212附着于喷头112的底面。间隔件212被设置于喷头112 的底面处，以限定介于间隔件的内侧壁212a与基座204的支撑件的外缘之间的间隙232，基座204被设置于下室部分101中。间隙232被限定以使气体化学品(即，前体)能够通过间隙232而从处理区域234流出，并流向限定于下室部分101中的排泄部(未图示)。真空泵(例如一或二级机械干式泵和/或涡轮分子泵)用于将气体化学品自处理区域抽出，以维持处理室内的适当低压。
在一些实现方案中，在处理室的非工作位置时(即，当上室部分处于非工作中时)，处理室内的间隔件212的底面在基座204的顶部支撑表面的侧边的上方并对着该侧边，使得间隙232存在于基座204的支撑表面的外缘与间隔件212的侧壁之间。在工作位置时，基座204的支撑表面处于比间隔件212的底面更高的水平。间隔件212的环形主体的内侧壁212a暴露于施加至处理区域234的气态化学品。从间隔件212的外侧壁212b延伸的侧延伸部218可配置为在上室部分102降低时坐落于下室部分101的室壁101a上。可在间隔件212的外侧壁212b的侧延伸部218中限定凹槽，在凹槽中可容纳一或更多环件，以在上室部分降低时将处理区域234密封。下室部分包含开口107，其使得衬底103能不受阻碍地移动进出处理室。
在图1所示的实施方案中，等离子体室104被包含于上室部分 102中，且被紧接地设置于喷头112上方，以使得可通过施加功率(例如高频、射频(HF-RF)功率)而在等离子体室中产生等离子体。在另一实施方案中，可远程地产生等离子体，并将其施加至等离子体室104。在该实施方案中，等离子体室104可以是耦合至系统100的喷头112的独立模块。远程(即，远离处理区域)产生的等离子体通过喷头112而被供应至处理区域234。
等离子体室104由介电材料制成。等离子体室104的侧壁可具有适于产生前体的等离子体的厚度，前体被从气体源161中的任一者引入至等离子体室104中。虽然在图1中仅显示一个气体源161，但应理解，可根据在处理室中所执行的制造操作(例如使用两种或更多种前体的ALD沉积处理)的类型，而包含额外的气体源161以提供不同的气体化学品。针对ALD 沉积处理，等离子体室104可用于引入第一前体及第二前体。在该实施方案中，通过第一气体源161a(未图示)以气态形式供应第一前体。可通过从线圈 108施加功率而将气态形式的第一前体转化为等离子体，并且作为等离子体经由喷头112而提供至处理区域234。从处理区域234清除第一前体，并且可将第二前体从第二气体源161b(未图示)供应至等离子体室104。第二前体可被转化为等离子体形式并提供至处理区域234，以使第二前体能够与吸收于衬底表面上的第一前体进行反应。
等离子体室的外形协助引导等离子体通过喷头112而朝向处理区域234。图1中所示的等离子体室104为圆锥形，且包含上部的狭颈区段 104a、中间的圆锥区段104b以及下部的圆柱区段104c。沿着轴长的等离子体室104的不同区段的侧壁可具有均匀厚度、或者厚度可从一区段至另一区段而变化。等离子体室104的不同区段中的每个区段的轴长可以是相等的、或者可根据处理室的周围部件的尺寸而变化。上部的狭颈区段104a的直径实质上是均匀的。中间的圆锥区段104b的直径由上部的狭颈区段往下部的圆柱区段104c增大。圆柱区段104c的直径实质上是均匀的且被设定尺寸以覆盖至少处理区域234的直径、或至少衬底103的直径，该衬底103被接收于设置在下室部分101中的衬底支撑系统204(即，基座)上。
在一实施方案中，喷头112可具有板状构造，并且包含沿着底面均匀设置的多个喷嘴，用于将各种前体分配至处理区域234。在另一实施方案中，喷头112可具有底部曲面，且包含均匀分布于各处的多个喷嘴，以在衬底103被接收于基座204上时能将前体集中施加至衬底103的表面上。虽然等离子体室被表示为包含圆锥形，但也可设想其他外形，包括圆顶形、立方形等。在圆顶形或立方形的情况下，可能没有上部的狭颈区段104a。
在一实施方案中，线圈108被设置于等离子体室104的中间圆锥区段104b的外侧上、实质上将其环绕。供应至线圈108的电场足以导致在等离子体室104内产生等离子体。线圈108连接至能量源110，以将电场提供至流过等离子体室104的圆锥区段104b的一或更多种气体化学品。能量源 110可以是高频射频(HF-RF)功率源、或能够为线圈108供电以形成电场的其他功率源。在一些实施方案中，线圈108是由导电材料(例如铜)所构成的单一构件，其在等离子体室104的圆锥区段104b的周围卷绕一圈。在另一实施方案中，线圈108在等离子体室104的圆锥区段104b的周围卷绕两圈。在该实施方案中，线圈108的第一端电气连接至能量源110，第二端连接至电气接地159，且线圈108的长度在等离子体室104的圆锥区段104b的周围卷绕两圈(线圈108的108a、108b部分)。在一些实施方案中，第二绕组可在第一绕组的上方或下方。在一些实施方案中，电容器158可设置于线圈108的第二端与电气接地159之间，以将通过线圈108的电压限制为阈值电压。相对于设置于能量源110与线圈108的第一端之间，电容器158可策略性地设置成较靠近电接地，从而使得能够利用较低电压以在等离子体室中形成等离子体。由于圆锥区段104b的几何结构，第一绕组的直径大于或小于第二绕组的直径，具体取决于第一绕组是在第二绕组的下方还是上方。
在另一实施方案中，用于替代线圈108在圆锥区段104b的周围卷绕两圈，可将两线圈108a、108b配置成使每一线圈(108a、108b)在等离子体室104的圆锥区段104b的周围卷绕一圈或多圈。如在具有单一线圈的情况下，两线圈108a、108b中的每一者的第一端连接至能量源110、且两线圈 108a、108b中的每一者的第二端连接至电气接地159。在另一实施方案中，线圈可被设置于等离子体室104的内侧上，且被配置成提供功率至被接收在等离子体室104中的前体。
能量源110可包含能够以期望频率操作的RF产生器152。在一些实施方案中，能量源110被配置成在介于约0.2MHz至约20.0MHz之间的频率范围操作。在特定实施方案中，能量源110能够以约13.5MHz的标准高频操作。匹配网络154可被设置在RF产生器152与线圈108之间。匹配网络 154可以是阻抗匹配网络，其被配置成将RF产生器152的阻抗与线圈108的阻抗进行匹配。可通过控制模块(例如控制器(未图示))对能量源110进行控制。控制模块被配置成通过执行工艺输入和控制而操作衬底处理系统100。工艺输入和控制可包含工艺配方(例如功率电平、时序参数、处理室和等离子体室内的压力、温度、处理气体(即，前体)浓度、处理气体的流率、衬底的机械运动等)，以通过ALD方法而在衬底103上沉积或形成膜。
此外，在一些实现方案中，前体中所使用的处理气体可在引入至等离子体室之前进行预混合。在其他实现方案中，可通过调整各个 (individual)气体的流率而将各种处理气体分别供应至等离子体室。可通过使用适当阀和质量流量控制机构而控制预混合气体或各个气体进入等离子体室的流率。由控制模块所执行的工艺输入和控制确保在ALD处理的不同沉积阶段期间输送适当浓度的不同气体以作为前体。处理气体经由间隙232和排泄部而离开室。真空泵(例如一或二级机械干式泵和/或涡轮分子泵)可用于将处理气体抽出，以维持处理室内的适当低压。
在一些实施方案中，衬底被直接接收在基座204上。在这样的实现方案中，基座可包含升降销(未图示)，其是由设置在基座的中心柱体中的升降销控制机构所控制。升降销可用于使被接收在基座204上的衬底103 升高或降低。在其他实现方案中，将衬底设置在被接收在基座204上的承载板上。在这样的实现方案中，可设置支架叉以围绕被接收在基座204上的承载板。承载板可包含多个接触支撑结构，其被配置成在由支架叉抬升承载板时将衬底抬升。
衬底103可由相对纯的硅、锗、镓、砷化物、或常用于半导体产业中的其他半导体材料制成，或者由与一或更多其他元素(例如锗、碳等) 混合的硅制成。在一实施方案中，接收在处理室中以进行进一步处理的衬底具有先前沉积的硬掩模层。硬掩模层为碳基硬掩模层，其利用任何已知制造工艺而沉积，且包含限定初始图案的特征。
应理解，图1显示了将等离子体室部件整合的处理室的一实施方案。在另一实施方案中，除了等离子体室之外，还可使用具有其他部件或形状不同于图1所示的部件的处理室。在又一实施方案中，等离子体室104 可以是独立室，其连接至处理室的喷头112，以将远程产生的等离子体供应至处理区域234。
在对用于执行ALD沉积处理的处理室的概括理解下，现将参照图2A-I至2D-E而讨论ALD沉积处理的细节。图2A-I至2D-I示出了在衬底内部(即，衬底或晶片中心)中使用常规氧化剂的ALD处理的结果，图2A- E至2D-E示出了在边缘(即，衬底或晶片边缘)处的ALD处理的结果。
图2A显示了使用双重图案化技术的常规ALD处理的开始，其用于在衬底表面上沉积膜层。该处理开始于衬底被接收至处理室中。处理室中所接收的衬底可能已经历制造操作，其中旋涂硬掩模(SOH)层在衬底表面上形成。SOH层可包含限定初始图案的特征。限定于衬底中心及衬底边缘处的特征可具有相似的关键尺寸，这些关键尺寸由特征厚度和高度表示，如图 2A所示。
衬底在处理室内经历常规ALD处理。作为常规ALD处理的一部分，使具有初始图案的衬底表面按顺序暴露于第一前体和第二前体。常规 ALD处理在第二前体中使用强氧化剂，例如氧化亚氮前体或氧前体。强氧化剂用于提供较高浓度的氧自由基，以使衬底表面饱和。氧化亚氮前体是较具反应性的氧化剂，因为其易于解离以产生氧自由基。由于氧原子之间的强键，故氧前体稍微比氧化亚氮前体稳定，但因其相当容易解离而提供高反应性氧自由基，因此被视为强氧化剂。由第二前体中的氧化亚氮或氧气释放至等离子体中的氧自由基易于在衬底表面饱和，在该处其与吸附于衬底表面上的第一前体进行反应而形成氧化物膜层，如图2B所示。然而，作为使得在衬底表面饱和的一部分，氧自由基也消耗SOH层的碳材料，从而影响由SOH 层所形成的特征的关键尺寸。图2B中所示的实心深灰线表示由于氧化物膜层形成期间在SOH特征的侧壁处的碳消耗而造成的SOH损失。实心灰线的厚度表示在SOH特征的侧壁处的碳消耗量。此外，相对于衬底边缘处，限定于衬底中心处的SOH特征的侧壁处的碳消耗可能有所不同。碳消耗的厚度变化可归因于：基于供应和去除第二前体的方式，衬底边缘处的特征比衬底中心处更长期地暴露于第二前体。
在形成氧化物膜层之后，在衬底表面处进行定向性蚀刻操作，以从衬底表面和SOH特征的顶部移除氧化物膜层，同时在图案的侧壁上留下氧化物膜层，如图2C所示。最后，执行灰化操作，以选择性地移除限定初始图案的特征的SOH并留下形成侧壁的氧化物膜层。图2D显示了作为灰化操作的结果的所得图案(例如线图案)。然而，由于第二前体中所用的强氧化剂所造成的碳消耗，因此限定于所得图案中的特征的关键尺寸(由间隙a、b和c 表示)是不均匀的。因此，当所得图案被转移至下方的衬底以在衬底上限定特征时，所转移的图案是不规则的(即，不均匀的)，其导致条形轮廓问题。
由于碳对氧自由基的高亲和力和反应性，因此通过对使用常规氧化剂(例如N2O、O2)而导致的SOH损害进行限制而获得满意的沉积处理是困难的，且需要大量的工艺调谐，并且在一些情况下需要新硬件开发。随着装置尺寸持续缩小，对于维持特征之间的关键尺寸而言，这种碳损失的容许损失及衬底上轮廓变得越来越重要。
为了克服常规处理的缺点，本发明的特征在SOH上的氧化物膜层(例如SiO2膜层)的低温原子层沉积(ALD)中使用二氧化碳(CO2)作为主要的氧化剂气体。作为弱氧化剂的二氧化碳释放较少的反应性氧自由基物质至等离子体中。由于等离子体中较低的氧自由基浓度，因此在ALD处理中使用弱氧化剂(例如CO2)确保对SOH的破坏是有限的。此外，所得的蚀刻轮廓是高度平坦的，其在使用强氧化剂(如N2O和O2)的常规ALD处理中是难以实现的，因为强氧化剂消耗SOH的碳。将强氧化剂(如N2O和O2)替换为弱氧化剂(例如CO2)提供在SOH上沉积薄氧化物膜层(如SiO2膜层)的简单且易于实现的方法，且相较于常规ALD处理，掩模的损失明显较小。CO2是可广泛获得的廉价气体，其在安全处理方面构成极小挑战。此外，在控制器上对工艺配方进行极小调整的情况下即可使现有的处理室用于处理CO2。因此无需开发新硬件或重新设计现有硬件。
在一实施方案中，图3A-3D显示了在第二前体中采用弱氧化剂以限制初始图案的SOH特征处的碳消耗的ALD处理，其中该初始图案被限定在衬底表面上。减少碳消耗会使得更平坦的蚀刻图案被限定在衬底上，其转换为用于蚀刻衬底的更加均匀的图案掩模。因此，当图案掩模被转移至衬底时，特征更加均匀且具有可靠的轮廓几何结构。
参照多重图案化技术而描述图3A-3D中所示的实施方案，该多重图案化技术被用于在衬底表面上限定特征，并将所得图案转移至衬底以在衬底上蚀刻特征。例如所使用的多重图案化技术涉及自对准双重图案化 (SADP)技术，其涉及使用在衬底表面上限定的特定密度(即，节距)的特征的初始图案，以产生具有初始图案密度的两倍的修改图案。所得的修改图案的特征几何结构是平坦且均匀的。
用于在衬底上沉积硅基氧化物膜层的ALD处理是在多个循环中执行，其中每一循环由以下各项所组成：将衬底表面暴露于第一前体(例如有机金属硅前体)的第一等离子体、并接着施加不同于第一前体的第二前体的第二等离子体。有许多有机金属硅前体可用于沉积处理中，且可基于前体的特性而选择特定的有机金属硅前体(例如氨基硅烷)。
第二前体的组成和施加使得均匀的氧化物膜层形成于衬底表面上，且伴随碳基SOH层的最小消耗。第二前体中所使用的弱氧化剂确保氧自由基在衬底表面上的最佳饱和，以提供更均匀的氧化物膜层，并同时使SOH 特征的消耗最小化。在利用第一前体以处理衬底表面的操作与利用第二前体以处理衬底表面的操作之间启动初始清除操作，并且在第二前体施加操作之后进行另外的清除步骤。执行初始清除以使处理室排空，从而避免未被吸收的第一前体与第二前体进行反应，该反应可能导致不良的副产物或杂质的形成。
图3A显示了在低温ALD开始时的衬底表面。在被接收于处理室中以开始ALD处理之前，衬底可以已经经历制造操作，其中旋涂硬掩模 (SOH)层被沉积于表面上以限定特征的初始图案。形成于衬底表面上的SOH 层是碳基硬掩模。形成于表面上的特征限定了关键尺寸，其包括至少高度、宽度和密度(即，限定隔开各对连续特征的距离的节距)。例如，每一特征的宽度可以是约
Figure BDA0002904608060000161
且一对连续SOH特征之间的距离可为约
Figure BDA0002904608060000162
可利用光致抗蚀剂操作或任何其他制造操作以限定SOH层。
通过使衬底表面按顺序暴露于两种或更多种前体，衬底的表面经历ALD处理而沉积氧化物膜层。作为ALD处理的一部分，使衬底表面(其包含限定初始图案的SOH特征的表面)暴露于第一前体。第一前体基于以下各项进行选择：在衬底表面上限定的特征的类型、衬底中所使用的材料的类型以及前体的特性。在一实施方案中，氨基硅烷用作第一前体。利用化学吸附程序，第一前体与暴露于第一前体的衬底表面上和SOH特征表面上的硅进行反应，以形成硅-氢键。
在使衬底表面暴露于第一前体持续预定时段之后，利用清除操作将第一前体从处理室去除。清除操作可以是真空清除操作，其中惰性气体被引入至处理室中持续预定时段，并且与第一前体的未被吸收的自由基以及第一前体的剩余部分一起被移除。
在清除操作之后，将具有弱氧化剂的第二前体以等离子体形式施加至处理室。在一些实施方案中，第二前体是二氧化碳(CO2)前体，其中 CO2是弱氧化剂。CO2是具有强键的稳定化合物，且在等离子体中相对难以轻易解离。因此，使用CO2前体会致使产生较少的反应性氧自由基以使衬底表面饱和。较低浓度的反应性氧自由基足以将由第一前体在衬底表面上形成的表面硅-氢键转化为硅醇，而不会对SOH特征造成太大损害。对SOH特征的损害会不利地影响形成于衬底表面上的SOH特征的关键尺寸。许多实现方案不受限于仅仅CO2前体，而是可使用如下的前体：能够提供足够的氧自由基而不会对碳基SOH的关键特征造成不利影响的任何其他弱氧化剂前体。由经解离的二氧化碳释放至等离子体中的氧自由基容易与吸收在衬底表面上的第一前体进行反应，而形成氧化物膜层。
图3B显示了形成于衬底表面上的所得氧化物膜层的示例，其是以下操作所导致的结果：将衬底表面及SOH特征表面暴露于第二前体并同时实质上保持SOH特征的关键尺寸。在预定时段之后利用第二清除操作将第二前体去除，其中从处理室中去除过量的氧自由基及第二前体的任何副产物。
以下处理限定一ALD沉积循环：利用第一前体以处理衬底表面和SOH特征表面；在预定时段后清除第一前体；利用第二前体以处理衬底表面和SOH特征表面；以及在预定时段后清除第二前体。根据原子层沉积处理而重复进行该ALD沉积循环多次，以在衬底表面上以及SOH特征的表面 (即，顶表面及侧壁)上使氧化物膜层生长至特定氧化物厚度。重复进行沉积循环的次数可基于SOH特征的关键尺寸，且因此基于利用双重图案化技术以限定在衬底表面上的额外特征的关键尺寸。例如，可进行限定次数的沉积循环，以使初始图案中的特征中的每一者的侧壁上的氧化物膜层生长至约
Figure BDA0002904608060000171
Figure BDA0002904608060000172
的厚度，因此在两个连续特征之间存在约
Figure BDA0002904608060000173
的间隙。图3B显示了一示例，其中通过ALD处理以在特征侧壁上使氧化物膜层生长至约
Figure BDA0002904608060000174
由于等离子体中的反应性氧自由基的浓度低，因此碳基SOH的消耗量受到限制。
在限定次数的沉积循环之后，进行定向性蚀刻操作以选择性地将氧化物膜层从衬底表面以及从SOH特征顶部移除，从而使初始图案的 SOH特征的顶部暴露。定向性蚀刻留下形成于SOH图案的侧壁上的氧化物膜层。
图3C显示了定向性蚀刻操作的结果，其中特征的侧壁被保留，而SOH特征的顶部被暴露。应注意，图3C中的尺寸可能并未按尺寸绘制，而是被提供以说明衬底的特征上的ALD循环的结果。
最后，进行灰化操作以从特征选择性地移除SOH，同时留下形成侧壁的氧化物膜层。图3D显示了灰化操作所造成的所得图案。所得图案限定在衬底表面上形成的额外特征。额外特征本质上使初始图案的特征的数量加倍。由于第二前体中的弱氧化剂(CO2)所提供的反应性氧自由基的浓度低，因此从SOH特征消耗的碳量较少。因此，在限定双重图案的任一对连续氧化物膜侧壁之间的所得间隙(即，来自初始图案的间隙1至4，以及由蚀刻和灰化操作而新限定的间隙5-8)具有实质上均匀的关键尺寸，且所蚀刻的特征的轮廓是高度平坦的。所得的双重图案用作掩模，其被转移至下方的衬底，以在后续的(多个)蚀刻操作期间在衬底上限定特征。所转移的图案是规则的，且导致相当一致的条形轮廓。
以下图表显示了在第二前体中使用各种氧化化学品的基线ALD 处理所造成的碳消耗效应。
Figure BDA0002904608060000181
图表中的第一栏显示用于判定碳消耗效应的各种扫描参数，第二栏显示在衬底上的不同部分处所形成的特征上的氧前体的效应，第三栏显示氧化亚氮前体的效应，而最后一栏显示二氧化碳前体的效应。平均而言，当使用氧前体时，从特征侧壁消耗约
Figure BDA0002904608060000191
深度的碳基SOH层，而当使用氧化亚氮前体时，从特征侧壁消耗约
Figure BDA0002904608060000192
深度的SOH层。相对地，当使用二氧化碳前体时，仅从特征侧壁消耗约
Figure BDA0002904608060000193
深度的碳基SOH层，显示了对侧壁的损害明显减少，其可归因于较少量的反应性氧自由基存在于二氧化碳前体的等离子体中。通过调节二氧化碳前体的施加参数，可进一步控制所消耗的碳基SOH层的深度。
相似地，轮廓参数P1和P2表示在衬底表面上形成的特征轮廓由衬底中心至衬底边缘的变化。范围参数显示了各种前体对特征轮廓损失的效应。氧前体和氧化亚氮前体的特征轮廓损失范围明显大于二氧化碳前体，其表示：与氧前体及氧化亚氮前体相比，二氧化碳前体较佳地保留特征轮廓。
在一些实施方案中，图4和5显示了用于ALD处理中的各种化学品在不同扫描点处的特征轮廓变化。图4显示了由衬底中心至衬底边缘的扫描点。图5显示了一图表，其描绘了：随着自中心开始往外朝向边缘而径向地扫描衬底表面上的特征轮廓，在相应扫描点处(图示于图4中)所测量的特征轮廓变化(x轴)与在SOH层处的碳消耗(y轴)的关系。例如，对于涵盖约9 个点的半径的第一扫描区域，针对氧前体，SOH层中的碳消耗显示为约
Figure BDA0002904608060000194
且针对氧化亚氮前体，碳消耗略高至约
Figure BDA0002904608060000195
而针对CO2，碳消耗显示为约
Figure BDA0002904608060000196
在涵盖约26个点的半径的第二扫描区域处，针对氧、氧化亚氮、及二氧化碳前体中的每一者，碳消耗与第一扫描区域的碳消耗保持相当地一致。
第一扫描区域和第二扫描区域中的特征轮廓也显示了一定程度的轮廓一致性。虽然在第一和第二扫描区域中存在一定程度的特征轮廓一致性，但针对氧和氧化亚氮前体的在第一及第二扫描区域处的SOH消耗明显高于针对CO2的SOH消耗。在涵盖约37.5个点的半径的第三扫描区域处，使用氧和氧化亚氮前体的碳消耗显示了上升趋势，并且在第三扫描区域内的不同点处具有高度不均匀的消耗(范围由
Figure BDA0002904608060000201
至约
Figure BDA0002904608060000202
之间)，如波浪线所示。然而，因二氧化碳前体而造成的碳消耗显示出较稳定的轮廓特性，其变化相似于在第一和第二扫描区域中所观察到的变化。第三扫描区域表示由衬底内侧区域至衬底外侧区域的区域过渡。
在衬底边缘处，因氧和氧化亚氮前体而造成的碳消耗显示出与第三扫描区域中所示相同的不均匀性，而CO2前体显示出了小量但稳定的增加，其表示：与衬底中心相比，边缘处的SOH特征的碳消耗略为增加。这可归因于第二前体的施加和从处理室去除的方式和/或衬底的不同部分暴露于第二前体的不同时间量。此外，将前体由氧前体改变为氧化亚氮前体不会使碳基SOH损失获得改善或变差。另一方面，与使用强氧化剂前体(例如N2O或 O2前体)时相比，使用CO2前体的各种扫描区域显示出较均匀的特征轮廓和明显较少的碳基SOH损失。并且，基于CO2前体的特征轮廓的均匀性由衬底中心持续至边缘，而SOH消耗无显著变化。
可利用控制器以在工艺输入及控制中调节CO2前体的施用，从而减少碳基SOH的消耗。例如，用于施加强氧化剂的标准工艺输入和控制可用于CO2前体，以利用ALD处理在衬底表面上获得较佳的特征轮廓。可根据工艺配方，通过使用控制器调整第二前体的各种化学品的流率以实现最佳的特征轮廓。显示期望的结果的CO2前体中的CO2气体流率为介于约每分钟 500标准立方公分(sccm)至约3,000sccm之间，而氩气流率为介于约 5,000sccm至约20,000sccm之间(即，氩的流率被调整至大约CO2流率(1倍)的 10倍)。在另一示例中，CO2流率为约1,500sccm，而氩的流率为约 16,000sccm。
类似地，可将处理室中的温度范围维持在约30℃至约100℃，其中最佳温度为约50℃。可将室压强范围调整至介于约1Torr至约5Torr之间，其中最佳压强为约2Torr。施加至室的功率的范围在约250瓦至约2,000 瓦之间，且可能的范围为介于约500瓦至约1,200瓦之间，且最佳功率为约 1,000瓦。使用于ALD处理中的示例性的第一前体为氨基硅烷前体，且示例性的第二前体(即，弱氧化剂前体)为与氩混合的CO2。弱氧化剂前体中的CO2比氩的比率为介于约1单位CO2比约2或3单位之间的氩。施加以限定等离子体的RF功率的频率为介于约10MHz至约15MHz之间，其中最佳RF功率为约13.56MHz。
限定在特征侧壁上的氧化物膜层的宽度由以下各项所致：SOH 特征的厚度、以及ALD处理开始之前在衬底表面上限定的初始图案中的 SOH特征之间的节距。例如，当使用双重图案化技术时，氧化物膜层的宽度是基于碳基SOH特征的宽度。因此，若碳基SOH特征的厚度为约
Figure BDA0002904608060000211
且第一碳基SOH特征的右边缘与相邻的第二碳基SOH特征的左边缘之间的节距(即，间距或间隙)为约
Figure BDA0002904608060000212
则可将碳基SOH特征处的侧壁的厚度限定为约
Figure BDA0002904608060000213
使得两个相邻碳基SOH特征的氧化物膜侧壁之间的间距与碳基 SOH特征本身的宽度(即，
Figure BDA0002904608060000214
)相同。因此，所需进行的ALD循环的数量取决于图案设计。
许多实施方案并不限于CO2-氩前体的特定示例，而是可包含与氩或任何其他(多种)惰性气体混合的任何其他弱氧化剂。类似地，可在ALD 循环中使用不同类型的第一前体。图1中所示的处理室为用于执行ALD处理的单站处理室的一个示例，也可使用其他类型的处理室，包括使用多站处理室。在图1中所示的实施方案中，将功率输送至上室部分，而下室部分为接地的。也可采用其他实施方案，其中处理室被配置成将功率输送至下室部分，而上室为接地的。
本文所讨论的各种实施方案提供方法以最佳地调节第二前体的施加，从而减少SOH特征上的蚀刻量并且调制SOH特征(其被转移至衬底)的轮廓，因此在衬底中所蚀刻的所得特征呈现均匀图案。这是通过以下方式而完成的：通过使用具有强键且在等离子体中相对难以分解的弱氧化剂(例如 CO2)，以控制释放至等离子体中的反应性氧自由基的量。通过提供较少的反应性自由基，可限制对在衬底表面上限定的原始碳基SOH特征的损害，从而在整个衬底表面上均匀地保留SOH特征的关键尺寸。作为可广泛获得的化合物的CO2提供简易、廉价、且有效的方式以保持SOH特征轮廓。将这种均匀特征转移至衬底，使得特征图案化更加均匀。
图6A显示了用于在被接收于处理室中的衬底的表面上形成氧化物膜层的方法的处理操作。该处理开始于操作605，其中通过第一等离子体而使衬底表面暴露于第一前体。在被接收于处理室中以进行沉积操作之前，衬底表面可以已经经历制造操作。该制造操作可在衬底表面上限定初始图案的特征。这些特征可由碳基硬掩模所制成。第一前体基于以下各项而选择：所形成的特征的类型、衬底的类型以及用于形成特征的掩模的类型。在一些实施方案中，第一前体为氨基硅烷前体。使衬底暴露于第一前体持续预定时段，以使第一前体能够被吸收，从而在衬底表面上和形成于衬底表面上的SOH的表面上形成硅-氢键。
在该预定时段之后，将第一前体清除，并通过第二等离子体而将第二前体施加至处理室，如操作610中所示。第二前体不同于第一前体，且包含与惰性气体(例如氩)混合的二氧化碳。二氧化碳用作氧化剂，且向等离子体提供氧自由基。第二前体通过调整各种化学品(例如二氧化碳和氩)的流率而以受控方式施加，以使得从二氧化碳释放的氧自由基能够与硅-氢键进行反应以限定氧化物膜层，其中这些硅-氢键被形成在衬底表面上和初始图案中的SOH的表面上。所释放的氧自由基的量足以形成氧化物膜层，而实质上不会消耗SOH的初始图案的表面厚度。由氧自由基与第一前体的反应所形成的氧化物膜层是平坦且均匀的。使衬底表面和初始图案的SOH的表面按顺序暴露于第一前体和第二前体的操作限定ALD沉积循环。根据原子层沉积处理而重复进行该ALD沉积循环多次，以使氧化物膜层生长至氧化物厚度。
在另一实现方案中，图6B显示了用于在被接收于处理室中的衬底的表面上形成氧化物膜层的方法的处理操作。该处理开始于操作650，其中通过第一等离子体而使衬底表面暴露于第一前体。衬底表面包含在其上形成的初始图案的旋涂硬掩模(SOH)特征。将第一前体暴露于衬底表面持续预定时段，以使第一前体能够被部分吸收在衬底表面和SOH特征表面上而形成硅-氢键。在该预定时段之后，执行清除操作以将任何未被吸收的第一前体从处理室中去除，如操作655中所示。
通过第二等离子体而施加第二前体以使衬底表面和SOH特征表面暴露于第二前体，如操作660中所示。第二前体不同于第一前体，且包含二氧化碳气体与惰性气体的混合物。二氧化碳气体是弱氧化剂，且用作氧化剂。从二氧化碳气体释放至等离子体中的氧自由基与形成于衬底表面和SOH 特征表面上的硅-氢键进行反应，以在衬底表面上形成氧化物膜层。该氧化物膜层是在实质上不消耗SOH的初始图案的表面厚度的情况下形成的。
如操作665中所示，执行第二清除操作，以将残留的第二前体以及在等离子体中形成的任何副产物从处理室中去除。重复进行以下操作达到限定次数：利用第一前体对衬底表面进行处理、从处理室中清除第一前体、利用第二前体进行处理、以及从处理室中清除第二前体与任何其他副产物，以在衬底表面和SOH的初始图案的表面上使氧化物膜层生长至氧化物厚度，如操作670中所示。执行这些操作的次数可基于特征的关键尺寸以及限定在初始图案中的SOH特征之间的节距。
该处理还可包含选择性地蚀刻氧化物膜层，以使SOH的初始图案顶部和衬底表面暴露，同时在SOH特征的侧壁上留下氧化物膜层。此外，可执行灰化操作，以从初始图案移除硬掩模并且从氧化物膜层中留下氧化物侧壁。经由灰化操作而留下的氧化物侧壁限定自对准双重图案。该自对准双重图案用作掩模，其可被转移至下方的衬底以在后续的蚀刻操作期间限定特征。
图6A和6B中所示的处理操作是双重图案化技术的一部分，因为在ALD处理的灰化操作结束时所得图案中的特征数量是初始图案中的特征数量的两倍。由双重图案化所形成的特征是高度平坦且足够均匀的。此外，由于等离子体中的氧自由基有限，因此碳基硬掩模的消耗受到限制，从而保持初始图案的SOH特征的关键尺寸。由于二氧化碳在等离子体中贡献的反应性自由基物质较少，因此在ALD沉积循环中使用CO2作为氧化剂气体使得对 SOH的损害能更加受到限制。随着装置尺寸缩小，限制对SOH的损害有助于维持特征之间的关键尺寸。
CO2是与Ar共同流动的，且利用高频射频功率将等离子体点燃，以使表面Si-H充分转化为硅醇，这样，可促进ALD处理固有的逐步的膜层生长。这样的逐步的膜层生长是利用可用于将CO2前体(而非O2前体或 N2O前体)施加至处理室中的现有工具而实现的，并且氧化物膜层的沉积是利用与O2前体或N2O前体的循环时间相似的循环时间而完成的。与利用O2前体或N2O前体所得的特征蚀刻轮廓不同，利用CO2前体所得的特征蚀刻轮廓是高度平坦的。此外，第二前体中CO2化学品的使用是简单且易于实施的。 CO2是可广泛获得的廉价气体，其在安全处理方面构成极小挑战，使得其成为克服常规ALD处理的不平坦及不均匀特征轮廓问题的非常有效且有效率的解决方案。通过阅读整个说明书权利要求书，本领域技术人员将会理解这些以及其他优点。
图7显示用于控制处理室的工艺输入和控制的控制模块700。在一实施方案中，控制模块可包含一些示例性部件。例如，控制模块700可包含处理器、存储器以及一或更多个接口。可采用控制模块700以部分基于所感测的数值而处理配方、控制处理室的装置。仅举例而言，基于所感测的数值以及其他控制参数，控制模块700可控制一个或更多的阀702、滤波加热器704、泵706、以及其他装置708。控制模块700从(仅举例而言)压力计 710、流量计712、温度传感器714和/或其他传感器716接收感测到的值。控制模块700还可用于在前体传送和膜沉积期间控制处理条件。控制模块700 通常将包括一个或多个存储器装置和一个或多个处理器。
控制模块700可控制前体传送系统和沉积装置的活动。控制模块700执行计算机程序，计算机程序包括用于控制工艺时序、输送系统温度、以及跨过滤器的压差、阀位、气体的混合物、室压力、室温度、晶片温度、RF功率电平、晶片卡盘或基座位置、流率以及特定工艺的其它参数的成组的指令。控制模块700还可以监测压力差，并自动将气相前体传送从一个或多个路径切换到一个或多个其它的路径。在一些实施方案中，可以使用存储在与控制模块700相关联的存储器装置的其它计算机程序。
典型地，将存在与控制模块700相关联的用户接口。用户接口可以包括显示器718(例如，设备和/或工艺条件的显示屏和/或图形软件显示)，以及用户输入装置720，如定点装置、键盘、触摸屏、麦克风等。
用于控制前体的传送、沉积和工艺序列中的其它处理的计算机程序可以用例如任何以下常规的计算机可读编程语言写入：汇编语言、C、C ++、Pascal、Fortran或其它。编译的对象代码或脚本由处理器执行以执行在程序中识别的任务。
控制模块参数涉及工艺条件，诸如例如，过滤器的压力差、工艺气体组成和流速、温度、压力、等离子体条件(如RF功率电平和低频RF 频率)、冷却气体压力、以及室壁温度。
系统软件可以以许多不同的方式设计或配置。例如，各种室部件子程序或控制对象可以被写入以控制进行本发明的沉积工艺所必需的室部件的操作。用于此目的的程序或程序段的示例包括衬底定位代码、工艺气体控制代码、压力控制代码、加热器控制代码和等离子体控制代码。
衬底定位程序可包括用于控制室部件的程序代码，室部件用于将衬底加载到基座或卡盘上并控制衬底和室的其他部件(例如气体入口和/或靶) 之间的间距。工艺气体控制程序可包括用于控制气体组成和流速以及任选地用于在沉积之前使气体流入室以稳定室中的压力的代码。过滤器监控程序包括比较测得的一个或多个差值与预定的一个或多个值的代码和/或用于切换路径的代码。压力控制程序可以包括用于通过调节例如在室的排气系统中的节流阀来控制室中的压力的代码。加热器控制程序可包括用于控制通向加热单元的电流的代码，加热单元用于加热前体传送系统内的部件、衬底和/或系统的其它部分。替代地，加热器控制程序可控制传热气体(例如氦)到晶片卡盘的传送。
在沉积期间可被监测的传感器的示例包括，但不限于，质量流量控制模块，诸如压力计710之类的压力传感器，位于传送系统、基座或卡盘内的热电偶(例如温度传感器714)。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来维持所需的工艺条件。前述内容描述了本发明的实施方案在单室或多室半导体处理工具或处理室中的实现。
先前对实施方案的描述是为了说明和描述目的而提供。其不旨在穷举或限制本公开。特定实施方案的单个的元件或特征一般并不受限于该特定实施方案，而是即使未具体示出或描述，其在适用情况下也可互换且可用于选定的实施方案中。这同样可以以各种方式变化。这样的变化不被视为背离本公开，并且所有这样的修改也旨在包括在本公开的范围内。
虽然前述实施方案已为了清楚理解的目的而相当详细地进行了描述，但将显而易见的是，某些改变与修改可在随附的权利要求的范围内实施。因此，本发明实施方案应视为说明性的而非限制性的，且这些实施方案不应受限于本文中所提供的细节，而是可在其权利要求的范围及等同方案内进行修改。

Claims (20)

1.一种在衬底上沉积薄膜的方法，所述衬底被接收在处理室中，所述方法包含：
利用第一等离子体处理所述衬底，以使所述衬底的表面以及在其上图案化的旋涂硬掩模(SOH)暴露于第一前体，使得所述第一前体被部分吸收而在所述衬底的表面上以及所述SOH的表面上形成硅-氢键，所述SOH具有初始图案；并且
利用第二等离子体处理所述衬底，以使所述衬底的所述表面以及所述SOH的所述表面暴露于第二前体，所述第二前体包含二氧化碳气体与惰性气体的混合物，该处理使得氧自由基被释放，并且与形成于所述衬底的所述表面以及所述SOH的所述表面上的所述硅-氢键进行反应，其中与所述硅-氢键反应的所述氧自由基在所述衬底的所述表面上以及所述SOH的所述表面上形成氧化物膜层，其中与所述硅-氢键反应的所述氧自由基形成所述氧化物膜层而没有实质上消耗所述SOH的所述初始图案的表面厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包含：
将所述利用所述第一前体处理所述衬底以及随后的所述利用所述第二前体处理所述衬底重复多次，以使所述氧化物膜层在所述衬底的表面以及所述SOH的所述初始图案的所述表面上生长至氧化物厚度，
其中重复所述利用所述第一前体处理和所述利用所述第二前体处理遵循原子层沉积处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其还包含：
定向地蚀刻所述氧化物膜层，以使所述SOH的所述初始图案的顶部以及所述衬底的表面暴露；以及
执行灰化操作，以移除所述SOH的所述初始图案，并且从所述氧化物膜层中留下氧化物侧壁，所述氧化物侧壁限定自对准双重图案。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包含：
在利用所述第一前体处理所述衬底之后并且在利用所述第二前体处理所述衬底之前，执行清除操作，以从所述处理室清除任何未被吸收的第一前体。
5.根据权利要求1所述的方法，其还包含：
执行清除操作，以从所述处理室清除所述第二前体和任何副产物，所述清除操作是在使所述衬底的所述表面和所述SOH的所述表面暴露于所述第二前体持续预定时段之后执行。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述氧化物膜层的所述氧化物厚度相当于所述初始图案中的所述SOH的厚度，并且基于所述初始图案中的所述SOH的节距。
7.根据权利要求1所述的方法，其中限定于所述初始图案中的所述SOH是碳基硬掩模。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二前体中的所述惰性气体是氩。
9.根据权利要求1所述的方法，其中使所述衬底暴露于所述第二前体还包含使所述二氧化碳气体与所述惰性气体共同流动，其中所述共同流动包含将所述惰性气体的流率调整为所述二氧化碳气体的流率的约10倍。
10.根据权利要求8所述的方法，其中将所述二氧化碳气体的所述流率调整为介于约每分钟500标准立方公分(sccm)和约3,000sccm之间，并且将所述惰性气体的所述流率调整为介于约5000sccm和约20,000sccm之间。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二前体中的所述惰性气体与所述二氧化碳的比率是所述二氧化碳气体的量的约2倍或3倍。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理室内的温度为介于约30℃至约100℃之间，并且
其中所述处理室中的压强为介于约1Torr至约5Torr之间。
13.根据权利要求1所述的方法，其中施加至所述处理室以产生第二等离子体的功率为介于约250瓦至约2000瓦之间。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一前体为有机金属硅前体。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一前体为氨基硅烷前体。
16.一种在衬底上沉积膜的方法，所述衬底被接收在处理室中，所述方法包含：
利用第一等离子体处理所述衬底，以使所述衬底的表面以及图案化于其上的旋涂硬掩模(SOH)的表面暴露于第一前体，从而使所述第一前体能够被部分吸收以在所述衬底的所述表面上以及所述SOH的所述表面上形成硅-氢键，所述SOH具有初始图案；
将任何未被吸收的第一前体从所述处理室中清除；
利用第二等离子体处理所述衬底，以使所述衬底的所述表面以及所述SOH的所述表面暴露于第二前体，所述第二前体包含二氧化碳气体与氩气的混合物，所述处理使得从所述二氧化碳气体释放出的氧自由基与形成于所述衬底的所述表面上以及所述SOH的所述表面上的所述硅-氢键进行反应，以在所述衬底的所述表面上以及所述SOH的所述表面上形成氧化物膜层，其中与所述硅-氢键反应的所述氧自由基形成所述氧化物膜层而没有实质上消耗所述SOH的所述初始图案的表面厚度；
在预定时段之后，将所述第二前体以及任何副产物从所述处理室中清除；以及
将所述利用所述第一前体处理所述衬底以及随后的所述利用所述第二前体处理所述衬底重复多次，以使所述氧化物膜层在所述衬底的表面以及所述SOH的所述初始图案的所述表面上生长至氧化物厚度，
其中重复所述利用所述第一前体处理和所述利用所述第二前体处理遵循原子层沉积处理。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一前体是氨基硅烷前体。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述利用所述第一前体处理和所述利用所述第二前体处理共同构成原子层沉积处理的沉积循环，并且其中重复进行所述沉积循环多次，以限定所述氧化物膜层的所述氧化物厚度，其相当于所述初始图案中的所述SOH的厚度。
19.根据权利要求16所述的方法，其还包含：
定向地蚀刻所述氧化物膜层，以使所述SOH的所述初始图案的顶部以及所述衬底的表面暴露；以及
执行灰化操作，以从所述初始图案移除硬掩模，并且从所述氧化物膜层中留下氧化物侧壁，所述氧化物侧壁限定自对准双重图案。
20.根据权利要求16所述的方法，其中使所述衬底暴露于所述第二前体还包含使所述二氧化碳气体与所述氩气共同流动，其中所述共同流动包含将所述氩气的流率调整为所述二氧化碳气体的流率的约10倍。
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