TW201337027A - 原子層沉積微影技術 - Google Patents

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Banqiu Wu
Ajay Kumar
Omkaram Nalamasu
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Applied Materials Inc
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Abstract

在本揭示案中提供執行原子層沉積微影製程的方法與設備。在一個實施例中，在元件中之材料層上形成特徵的方法包括以下步驟：脈衝第一反應劑氣體混合物至配置於製程腔室中之基板的表面以在基板表面上形成材料層的第一單層、引導高能輻射以處理第一單層的第一區，及脈衝第二反應劑氣體混合物至基板表面以選擇性地在第一單層的第二區上形成第二單層。

Description

原子層沉積微影技術
本發明通常關於原子層沉積微影製程的方法與設備，更明確地，本發明關於半導體領域中利用原子層沉積製程以及微影製程以在基板表面上形成特徵/結構的方法與設備。
積體電路已經發展成可在單一晶片上包括數百萬個部件(諸如，電晶體、電容器與電阻器)的複雜元件。晶片設計的發展持續地需要更快的電路與更大的電路密度。對更大電路密度的需求迫使積體電路部件的尺寸降低。
隨著積體電路部件的尺寸降低(例如，降低至次微米尺寸)，將需要更多元件被放置於半導體積體電路的特定區域中。因此，微影製程在精確地與準確地且不傷害地轉移更小的特徵至基板上已經變得越來越具有挑戰性。為了轉移精確與準確的特徵至基板上，期望的高解析微影製程需要具有適當的光線源，適當的光線源可提供在期望波長範圍下之輻射以用於暴露。再者，微影製程需要以最小結構與/或臨界尺寸任一者轉移特徵至光阻劑層上。近來，已經利用極紫外光(EUV)輻射源來提供短暴露波長以進一步降低可印刷於基板上的最 小尺寸。然而，在上述小尺寸下，在後續蝕刻製程過程中經常發生光阻劑層的崩潰或傷害，這造成無法成功地轉移結構至基板表面上。
在習知微影製程中，配置於基板上之光阻劑層的某些部分被暴露至入射輻射以進行化學轉換。在傳統正型暴露製程中，在顯影製程過程中以鹼性水溶液移除經歷化學轉換之光阻劑層的暴露部分。隨著形成於微電子元件上之特徵尺寸持續縮小，會因為水的毛細力量與表面張力造成之影像崩潰而使鹼性水溶液顯影劑變得有問題。再者，溶液基礎的顯影劑傾向在顯影製程後留下非期望的汙染物於基板上，藉此負面地影響基板清潔度。
因此，需要方法與設備來控制具有最小結構傷害之微影製程的製程缺陷，以得到具有期望臨界尺寸至基板表面上的準確結構轉移。
在本揭示案中提供執行原子層沉積微影製程的方法與設備。在一個實施例中，在元件中之材料層上形成特徵的方法包括以下步驟：脈衝第一反應劑氣體混合物至配置於製程腔室中之基板的表面以在基板表面上形成材料層的第一單層、引導高能輻射以處理第一單層的第一區，及脈衝第二反應劑氣體混合物至基板表面以選擇性地在第一單層的第二區上形成第二單層。
在另一個實施例中，在元件中之材料層上形成特徵的方法包括以下步驟：引導光線輻射以處理材料層之第一單 層的第一區，藉由執行於原子層沉積製程中之第一反應劑氣體混合物的脈衝來沉積材料層之第一單層；持續執行原子層沉積製程以在材料層的第一單層上形成第二單層；及移除由光線輻射處理之第一區中的第一單層。
在又另一個實施例中，設以執行原子沉積層製程與微影製程之製程腔室包括腔室主體，腔室主體具有腔室蓋，腔室蓋配置於腔室主體上以在腔室主體中界定內部製程區；基座，基座配置於內部製程區中；氣體分配系統，氣體分配系統配置於腔室主體上以輸送反應劑氣體進入內部製程區；能量束源，能量束源配置於腔室蓋下以引導高能輻射朝向內部製程區；及遮罩，遮罩配置於能量束源與基座之間。
102‧‧‧基板
103‧‧‧功率源
104‧‧‧縫
105‧‧‧蓋
106‧‧‧能量束源
111‧‧‧窗
113‧‧‧遮罩
114‧‧‧舉升件
116‧‧‧舉升板
118‧‧‧舉升板致動器
120‧‧‧銷
122‧‧‧淨化環
124‧‧‧淨化通道
129‧‧‧腔室主體
130‧‧‧氣體輸送設備
131‧‧‧側壁
133‧‧‧狹縫閥通道
134‧‧‧ALD微影製程腔室
137A、137B‧‧‧氣體入口
138、139、140‧‧‧氣體源
142A、142B‧‧‧閥
143A、143B‧‧‧輸送管路
144A、144B、146A、146B‧‧‧閥座組件
145A、145B‧‧‧淨化管路
148A、148B‧‧‧可編程邏輯控制器
166‧‧‧泵送區域
178‧‧‧泵送系統
179‧‧‧泵送通道
180‧‧‧控制單元
182‧‧‧中央處理單元
183‧‧‧相關之控制軟體
184‧‧‧支援電路
186‧‧‧記憶體
188‧‧‧信號匯流排
190‧‧‧擴張管道
192‧‧‧基板支撐件
200‧‧‧製程
202、204、206、208、212‧‧‧框
210‧‧‧循環
302‧‧‧基板表面
303‧‧‧下方的表面
304、314‧‧‧單層
305‧‧‧材料層
306‧‧‧經處理層
308‧‧‧光束
310‧‧‧第一區
312‧‧‧第二區
316‧‧‧複合材料
為了詳細理解本發明上述之特徵，可參照某些圖示於附圖中的實施例來理解簡短概述於【發明內容】中的本發明的更明確描述。然而，需注意附圖僅圖示本發明之典型實施例而因此附圖不被視為本發明之範圍的限制因素，因為本發明可允許其他等效實施例。
第1圖描繪適合執行本發明的一個實施例之原子層沉積(ALD)微影製程腔室的一個實施例之剖面圖；第2圖描繪可利用第1圖中描繪之ALD微影製程腔室來執行之ALD微影製程的流程圖；及第3A-3E圖描繪在執行根據本發明的一個實施例之ALD微影製程的不同階段過程中之半導體元件的橫剖面圖。
為了促進理解，已經盡可能應用相同的元件符號來 標示圖式中共有的相同元件。預期一個實施例的元件與特徵可有利地併入其他實施例而不需特別詳述。
然而，需注意附圖僅圖示本發明之示範性實施例而因此附圖不被視為本發明之範圍的限制因素，因為本發明可允許其他等效實施例。
在本揭示案中提供執行原子層沉積(ALD)微影製程之方法與設備。ALD微影製程利用ALD製程及微影製程以形成特徵至基板表面上，而未利用習知光阻劑層與/或硬遮罩層。ALD微影製程腔室提供雙重功能：沉積原子層沉積層以及執行微影製程(例如，能量束處理製程)以在原子層沉積層上形成特徵/結構。基板可包括一個或多個非導電材料，非導電材料諸如矽、氧化矽、摻雜矽、鍺、砷化鎵、玻璃與藍寶石。基板亦可包括介電材料，介電材料諸如二氧化矽、有機矽酸鹽與摻雜碳的氧化矽。再者，取決於應用，基板可包括任何其他材料(諸如，金屬氮化物與金屬合金)。在一個或多個實施例中，基板可形成包括閘極介電層與閘極電極層之閘極結構，以促進與後續形成於閘極結構上之互連特徵(諸如，插座、介層窗、接點、接線與電線)的連接。基板可用於積體電路、太陽能、MEMs或其他元件製造。
此外，基板並不限於任何特定尺寸或形狀。基板可為具有200 mm直徑、300 mm直徑或其他直徑(例如，450 mm等等)的圓形基板。基板亦可為任何多邊形、正方形、矩形、彎曲或其他非圓形工件，例如用於製造平板顯示器之多邊形 玻璃基板。
本發明提供沉積/形成材料層於基板上之方法，上述方法藉由ALD製程並接著微影製程(例如，能量束處理製程)以在沉積材料層上形成特徵/結構。製程可有效地形成具有期望之小臨界尺寸的特徵/結構至基板表面上，而不必利用習知光阻劑層與/或硬遮罩層來輔助轉移特徵/結構至基板表面上，藉此改善製造循環時間與成本亦降低製造複雜度。ALD與微影製程兩者可有利地被執行於單一腔室中。
第1圖是ALD微影製程腔室134的一個實施例之示意性橫剖面圖。ALD微影製程腔室134包括適合用於循環沉積之氣體輸送設備130，循環沉積諸如ALD或化學氣相沉積(CVD)。本文所用之詞彙ALD與CVD指的是依序引導反應劑以沉積薄層於基板結構上。依序引導反應劑可加以重複以沉積複數個薄層好形成共形層至期望厚度。腔室134亦可適用於搭配微影製程的其他沉積技術。
腔室134包括腔室主體129，腔室主體129具有側壁131與底部132。形成通過腔室主體129之狹縫閥通道133提供機器人(未圖示)路徑以輸送並自腔室134取回基板102(諸如，200 mm、300 mm或450 mm半導體基板或玻璃基板)。
基板支撐件192被配置於腔室134中且在處理過程中支撐基板102。基板支撐件192被安裝至舉升件114以提高並降低基板支撐件192與配置於基板支撐件192上之基板102。舉升板116連接至控制舉升板116之水平的舉升板致動 器118。可提高與降低舉升板116，以提高與降低可移動地配置通過基板支撐件192之銷120。銷120被用來提高與降低基板支撐件192之表面上的基板102。基板支撐件192可包括真空夾盤、靜電夾盤或夾緊環，以在處理過程中固定基板102至基板支撐件192的表面。
可加熱基板支撐件192以加熱配置於基板支撐件192上之基板102。舉例而言，可利用嵌入式加熱元件(例如，電阻式加熱器)或利用輻射熱(例如，配置於基板支撐件192上之加熱燈)加熱基板支撐件192。淨化環122可被配置於基板支撐件192上以界定淨化通道124，淨化通道124提供淨化氣體至基板102的周邊部分以避免周邊部分上之沉積。
氣體輸送設備130被配置於腔室主體129的上部分以提供氣體(諸如，製程氣體與/或淨化氣體)至腔室134。泵送系統178連通於泵送通道179以自腔室134排出任何期望氣體，並有助於維持腔室134之泵送區域166內部的期望壓力或期望壓力範圍。
在一個實施例中，氣體輸送設備130包括擴張管道190，擴張管道190具有氣體入口137A、137B以自兩個相似閥142A、142B提供氣體流動。可一起與/或分開地提供來自閥142A、142B之氣體流動。
在一個設置中，閥142A與閥142B耦接至分隔的反應劑氣體源但耦接至相同的淨化氣體源。舉例而言，閥142A耦接至反應劑氣體源138而閥142B耦接至反應劑氣體源139，且閥142A、142B兩者皆耦接至淨化氣體源140。各個 閥142A、142B包括具有閥座組件144A、144B之輸送管路143A、143B以及具有閥座組件146A、146B之淨化管路145A、145B。輸送管路143A、143B連通於反應劑氣體源138、139並連通於擴張管道190的氣體入口137A、137B。輸送管路143A、143B的閥座組件144A、144B控制來自反應劑氣體源138、139之反應劑氣體至擴張管道190的流動。淨化管路145A、145B連通於淨化氣體源140並與輸送管路143A、143B相交於輸送管路143A、143B之閥座組件144A、144B的下游。淨化管路145A、145B的閥座組件146A、146B控制來自淨化氣體源140之淨化氣體至輸送管路143A、143B的流動。若載氣被用來輸送來自反應劑氣體源138、139之反應劑氣體，可應用相同的氣體作為載氣與淨化氣體(即，作為載氣與淨化氣體之氬氣)。
各個閥142A、142B可為零無效空間閥，以在關閉閥的閥座組件144A、144B時沖洗來自輸送管路143A、143B的反應劑氣體。舉例而言，淨化管路145A、145B可被配置鄰近於輸送管路143A、143B的閥座組件144A、144B。當關閉閥座組件144A、144B時，淨化管路145A、145B可提供淨化氣體以沖洗輸送管路143A、143B。在所示的實施例中，淨化管路145A、145B被配置成稍微離開輸送管路143A、143B的閥座組件144A、144B，以致打開時淨化氣體並非直接被輸送進入閥座組件144A、144B。本文所用之零無效空間閥被界定成具有微不足道的無效空間(即，非必為零無效空間)之閥。各個閥142A、142B可適以提供反應劑氣體138、139與淨化氣 體140的組合氣體流與/或分隔氣體流。可藉由打開與關閉淨化管路145A之閥座組件146A的膈來提供淨化氣體的脈衝。可藉由打開與關閉輸送管路143A之閥座144A的膈來提供來自反應劑氣體源138之反應劑氣體的脈衝。
功率源103被耦接至蓋105，蓋105配置於腔室主體129上。功率源103設以提供功率至配置於功率源103下方之能量束源106，通過形成於功率源103與能量束源106之間的縫104來連接功率源103與能量束源106。在一個實施例中，能量束源106可為任何能夠提供UV光線或其他高能輻射的適當高能輻射源，諸如汞微波弧燈、脈衝式氙閃光燈、高效UV發光二極體陣列與電子束產生器。UV燈泡可為密封式電漿燈泡，密封式電漿燈泡填充有一個或多個由功率源103激發的氣體(諸如，氙(Xe)或汞(Hg))。自能量束源106發射的光藉由通過配置於能量束源106下方之窗111進入基板表面。窗111可由具有足夠厚度的石英玻璃所製成，以維持真空而不破裂。光罩與/或特徵轉移遮罩113被配置於基板102與窗111之間。可在窗111與基板102的表面之間調整特徵轉移遮罩113的位置，以助於轉移特徵/結構至基板102的表面上。當打開能量束源106時，配置於製程腔室134中之光罩/特徵轉移遮罩113可協助藉由僅允許來自能量束源106之光線的一部分通過光罩/特徵轉移遮罩113而到達基板102的某些區，保護某些其他區免於暴露至光線。能量束源106以及光罩/特徵轉移遮罩113作為特徵/結構轉移機制，特徵/結構轉移機制設以執行微影製程以轉移特徵/結構至配置於基板 表面上之材料層上，而不在沉積製程過程中與/或沉積製程後破壞真空。
在一個實施例中，光罩/特徵轉移遮罩113可提供形成於光罩/特徵轉移遮罩113中之特徵/結構低於180 nm的尺寸，以在有影像降低或沒有影像降低下轉移相似特徵/結構至基板表面上。關於如何執行利用能量束源106以及光罩/特徵轉移遮罩113之微影製程的細節將參照第2-3E圖進一步描述於下。
在第1圖中，控制單元180可被耦接至腔室134以控制製程條件。控制單元180包括中央處理單元(CPU)182、支援電路184與記憶體186，記憶體186包含相關之控制軟體183。控制單元180可為任何形式的通用電腦處理器的一者，通用電腦處理器可被用於工業設定以控制多個腔室與子處理器。CPU 182可利用任何適當的記憶體186，記憶體186諸如隨機存取記憶體、唯讀記憶體、軟碟驅動機、光碟驅動機、硬碟或任何適當形式的數位儲存器(本端或遠端)。多個支援電路可被耦接至CPU 182以支援腔室134。控制單元180可被耦接至位於鄰近各個腔室部件的另一個控制器，諸如閥142A、142B的可編程邏輯控制器148A、148B。透過多個信號電纜來處理控制單元180與腔室134的多個其他部件之間的雙向連通，多個信號電纜統稱為信號匯流排188，某些信號匯流排188描繪於第1圖中。除了來自氣體源138、139、140與來自閥142A、142B之可編程邏輯控制器148A、148B的製程氣體與淨化氣體的控制外，控制單元180可設以對基板處 理中所用之其他活動的自動化控制負責，其他活動諸如基板傳送、溫度控制、腔室排空等其他活動，某些上述活動將於本文其他地方描述。
第2圖描繪製程200的一個實施例的流程圖，製程200用以執行ALD微影製程以在基板上之半導體元件結構中形成圖案化原子層沉積材料層。第2圖中描述之製程200對應於下文所述之第3A-3E圖中描繪的製造階段。第3A-3E圖描繪在製程200所描述之不同階段過程中基板(例如，第1圖中所描繪之基板102)的示意性橫剖面圖，基板設以形成具有期望結構/特徵之原子層沉積材料層於基板上。
製程200開始於框202，框202提供基板(例如，第3A圖中所描繪之基板102)進入製程腔室(例如，基板102配置於第1圖中所描繪之製程腔室134中)或其他適當製程腔室。第3A圖中所示之基板102可包括諸如結晶矽(例如，Si<100>或Si<111>)、氧化矽、應變矽、矽鍺、摻雜或未摻雜的聚矽、摻雜或未摻雜的矽基板與圖案化或未圖案化的基板絕緣體上矽(SOI)、摻雜碳的氧化矽、氮化矽、摻雜矽、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石的材料。基板102可具有多種尺寸以及矩形或正方形面板，尺寸諸如200 mm、300 mm或450 mm直徑或其他尺寸。除非另有指明，本文所述之實施例與實例可執行於具有200 mm直徑、300 mm直徑或450 mm直徑(例如，300 mm直徑)之基板上。
基板102具有第一表面302，第一表面302向上暴露面對能量束源106與氣體入口137A、137B而可在第一表面 302上輕易地執行ALD微影製程。
框204處，在將基板102傳送進入製程腔室134之後，供應第一反應劑氣體混合物的脈衝進入製程腔室134以如第3B圖中所示般在基板102的表面302上形成材料層305的第一單層304。在第一反應劑氣體混合物的脈衝過程中，可依所需在熱ALD製程或電漿ALD製程過程中，將第一反應劑氣體混合物與還原氣體混合物(「反應劑」)(諸如，氫氣(H2)或NH3氣體)同時、依序供應進入製程腔室134，或者可不具有還原氣體混合物而供應第一反應劑氣體混合物進入製程腔室134。可被供應進入製程腔室134的適當第一反應劑氣體混合物可包括含矽氣體(諸如SiH4、Si2H6或其他適當含矽化合物)、含鉭氣體、含鈦氣體、含鈷氣體、含鎢氣體、含鋁氣體、含鎳氣體、含銅氣體、含硼氣體、含磷氣體、含氮氣體或其他可沉積適合用於半導體元件之單層於基板表面的適當氣體。本文所述之交替試劑(即，在沉積製程過程中與反應劑前驅物用來形成單層的還原劑)的實例可包括氫(諸如，H2或氫原子)、氮(諸如，N2或氮原子)、氨(NH3)、肼(N2H4)、氫與氨混合物(H2/NH3)、硼烷(BH3)、二硼烷(B2H6)、三乙基硼烷(Et3B)、矽烷(SiH4)、二矽烷(Si2H6)、三矽烷(Si3H8)、四矽烷(Si4H10)、甲基矽烷(SiCH6)、二甲基矽烷(SiC2H8)、膦(PH3)、上述之衍生物、上述之電漿或上述之組合物。
在框204處第一反應劑氣體混合物之脈衝過程中，第一反應劑氣體混合物的脈衝持續預定時間間隔。本文所用之詞彙脈衝指的是注射進入處理腔室之材料的劑量。在第一 反應劑氣體混合物的每個脈衝之間或在第一與第二反應劑氣體混合物(將進一步討論於下)的每個脈衝之間，可在第一與/或第二反應劑前驅物氣體混合物的各個或多個脈衝之間將淨化氣體混合物脈衝進入製程腔室，以移除雜質或未與基板表面反應/未由基板表面吸附之殘餘前驅物氣體混合物(例如，來自反應劑氣體混合物的未反應雜質等等)，以便可自製程腔室抽出雜質或殘餘前驅物氣體混合物。
在框204處之操作中，脈衝第一反應劑氣體混合物的脈衝進入製程腔室134，以形成材料層305的第一單層304。脈衝進入製程腔室134的第一反應劑前驅物氣體混合物的各個脈衝可沉積材料層305的第一單層304，使第一單層304具有約3 Å與約5 Å之間的厚度。
在第一反應劑前驅物氣體混合物之脈衝過程中，亦可調節多個製程參數。在一個實施例中，將製程壓力控制在約7托與約30托之間。製程溫度在約125℃與約450℃之間。可將RF功率控制在約100瓦與約2000瓦之間。可將第一反應劑氣體混合物中供應的反應劑氣體控制在約5 sccm與約10 sccm之間。可在約100 sccm與約700 sccm之間供應還原氣體(例如，NH3氣體)。
框206處，如第3C圖中所示，自能量源106引導光束308至材料層305的第一單層304以處理第一單層304的第一區310。接著，位於第一區310中之材料層305經處理以形成材料層305的經處理層306。發射通過光罩/特徵轉移遮罩113的來自能量源106之光束308僅移動至材料層305的 第一區310，材料層305的第一區310未由光罩/特徵轉移遮罩113所保護。傳送通過光罩/特徵轉移遮罩113的光線僅處理材料層305的第一區310而未處理材料層305的第二區312。在光線處理後，位於第一區310中之材料層305經歷化學轉換而被轉換成經處理層306(蝕刻劑可移除的材料)。接著，可藉由包含適當蝕刻劑之製程後續地自基板表面302化學地移除來移除此經處理材料306。亦可預期材料層305可替代地為蝕刻可處理的，而能量處理將經處理層306轉換成蝕刻抵抗層以用於負型圖案化。
在一個實施例中，自能量束源106引導之光束308可為極UV光線、深UV光線、電子束、X光、離子束或其他適當光束。在一個實例中，自能量束源106引導之光束308可為波長在約5 nm與約400 nm之間的UV光線。
咸信引導用來形成經處理層306的光線能量會傷害、固化、修飾或改變材料層305的化學鍵結或原子結構，藉此形成膜性質不同於基板表面302上之未處理材料層305的經處理層306。藉由進行上述處理，可取得選擇性膜交替製程以僅選擇性地改變材料層305的一部分的膜性質而保持材料層305的另一部分不變。因此，可依所需後續地執行選擇性蝕刻/膜移除製程以僅自基板表面302選擇性地移除材料層的一部分(即，經處理或未經處理部分，取決於製程而定)。
框208處，在材料層305的第一區310上執行光線處理製程後，供應第二反應劑氣體混合物的脈衝進入製程腔室134以如第3D圖中所示般在基板102的表面302上形成材 料層305的第二單層314。在第二反應劑氣體混合物的脈衝過程中，可依所需在熱ALD製程或電漿ALD製程過程中，將第二反應劑氣體混合物與還原氣體混合物(或稱為反應劑)(諸如，氫氣(H2)或NH3氣體)同時、依序供應進入製程腔室134，或者可不具有還原氣體混合物而供應第二反應劑氣體混合物進入製程腔室134。咸信第二單層314藉由化學反應而吸附至第一單層304上，化學反應用以允許來自第二單層314的原子穩固地吸附於來自第一單層304的原子上。由於經歷過光線處理製程的經處理層306可具有不同於未經處理的第一單層304的化學性質，經處理層306中的原子可能無法成功地吸附來自第二單層314的原子，藉此僅允許來自第二單層314的原子吸附於第一未處理單層304的原子上。在此方式中，後續形成之第二單層314僅選擇性地沉積於未經處理的第一單層304上，藉此有助於後續執行之移除製程僅自基板表面選擇性地移除經處理的第一單層304而不攻擊第二單層314，這將參照框212處之第3E圖進一步討論於下。在替代負型製程中，第二單層314被配置於經處理層306上，而移除第一單層304的未經處理部分。
在一個實施例中，可供應進入製程腔室134的適當第二反應劑氣體混合物可包括含矽氣體(諸如SiH4、Si2H6或其他適當含矽化合物)、含氧氣體(諸如，H2O、O2或O3)、含鉭氣體、含鈦氣體、含鈷氣體、含鎢氣體、含鋁氣體、含鎳氣體、含銅氣體、含硼氣體、含磷氣體、含氮氣體或其他可沉積適合用於半導體元件之單層於基板表面的適當氣體。本 文所述之交替試劑(即，在沉積製程過程中與反應劑前驅物用來形成單層的還原劑)的實例可包括氫(諸如，H2或氫原子)、氮(諸如，N2或氮原子)、氨(NH3)、肼(N2H4)、氫與氨混合物(H2/NH3)、硼烷(BH3)、二硼烷(B2H6)、三乙基硼烷(Et3B)、矽烷(SiH4)、二矽烷(Si2H6)、三矽烷(Si3H8)、四矽烷(Si4H10)、甲基矽烷(SiCH6)、二甲基矽烷(SiC2H8)、膦(PH3)、上述之衍生物、上述之電漿或上述之組合物。
在框208處第二反應劑氣體混合物之脈衝過程中，第二反應劑氣體混合物的脈衝持續預定時間間隔。本文所用之詞彙脈衝指的是注射進入處理腔室之材料的劑量。在第二反應劑氣體混合物的每個脈衝之間或在框204與206處執行之第一與第二反應劑氣體混合物的每個脈衝之間，可在第一與/或第二反應劑前驅物氣體混合物的各個脈衝之間或多個脈衝之後將淨化氣體混合物脈衝進入製程腔室，以移除雜質或未與基板表面反應/未由基板表面吸附之殘餘前驅物氣體混合物(例如，來自反應劑氣體混合物的未反應雜質等等)，以便可自製程腔室抽出雜質或殘餘前驅物氣體混合物。
在框208處之操作中，脈衝第二反應劑氣體混合物的脈衝進入製程腔室134，以選擇性地在保護區312中之未處理的第一單層304上形成第二單層314。脈衝進入製程腔室134的第二反應劑前驅物氣體混合物的各個脈衝可沉積材料層305的第二單層314，使第一單層314具有約3 Å與約5 Å之間的厚度。
在第二反應劑前驅物氣體混合物之脈衝過程中，亦 可調節多個製程參數。在一個實施例中，將製程壓力控制在約5托與約30托之間。製程溫度在約125℃與約450℃之間。可將RF功率控制在約100瓦與約800瓦之間。可將第二反應劑氣體混合物中供應的反應劑氣體控制在約5 sccm與約20 sccm之間。可在約100 sccm與約700 sccm之間供應還原氣體(例如，NH3氣體)。
在反應劑前驅物氣體混合物的每個脈衝之間或多個脈衝之後，接著將淨化氣體混合物供應進入製程腔室134以自製程腔室淨化殘餘物與雜質。亦可在淨化氣體混合物之脈衝過程中調節多個製程參數。在一個實施例中，將製程壓力控制在約1托與約100托之間。製程溫度在約125℃與約450℃之間。可將RF功率控制在約100瓦與約800瓦之間。可在約200 sccm與約1000 sccm之間供應Ar或N2氣體。
在淨化氣體混合物的脈衝之後，可如第2圖中所示之循環210般接著重複地執行額外循環直到達到材料層305的期望厚度範圍為止，循環開始於第一與/或第二反應劑氣體混合物的脈衝接著為淨化氣體混合物的脈衝。當框204處第一反應劑氣體混合物之脈衝的後續循環開始時，可調節製程壓力與其他製程參數至預定水平以幫助沉積材料層305的後續單層。
值得注意的是可依所需在提供不同功能的不同腔室中執行框204、206與208。舉例而言，在框204處，可在沉積腔室中執行沉積製程以形成第一單層。隨後，在框206處，可接著將基板傳送至具有光線源之第二腔室，光線源具有期 望的波長範圍以執行光線暴露製程。之後，在框208處，可接著將基板傳送回第一腔室以完成沉積第二單層於第一單層上。或者，在框208處，可依所需將基板傳送至第三製程腔室以完成形成第二單層於基板上。值得注意的是第一、第二與/或第三製程腔室可全部併入群集工具中，且可在第一、第二與/或第三製程腔室之間(或回到第一製程腔室)傳送基板且不破壞真空與暴露基板至大氣。
在框212處，在材料層305達到預定厚度後，可自製程腔室134移除基板102，以執行移除製程好如第3E圖中所示般自基板表面302移除經處理層306。值得注意的是在第一單層304上形成第二單層314後，來自第二單層314的原子將與來自第一單層304的原子反應以形成複合材料316，複合材料316包括來自第一單層304與第二單層314兩者的原子。
在一個實施例中，移除製程可為設以自基板102移除經處理層306的任何適當蝕刻/顯影製程。移除製程的適當實例包括乾蝕刻製程、濕蝕刻製程、顯影製程、灰化製程或其他適當的膜移除製程。可應用任何可用來移除經處理層306的傳統適當蝕刻製程。在完成移除製程後，移除了殘留於基板302上之經處理層306，這暴露在暴露區310中下方的基板102之表面303。
在一個實施例中，可藉由提供含鹵素氣體之乾蝕刻製程來執行移除製程以自基板102移除經處理層306。含鹵素氣體的適當實例包括氯氣(Cl2)、三氟化氮(NF3)、六氟化硫氣 體(SF6)、含碳與氟氣體(諸如，CF4、CHF3、或C4F8)、氯氣(Cl2)、氯化硼(BCl3)與氯化氫(HCl)等等。在某些實施例中，可以含鹵素氣體供應某些還原試劑以執行移除製程。適當的還原試劑包括(但不限於)碳氫化合物氣體，諸如一氧化碳(CO)、氧氣(O2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)與上述之組合等等。
在基板102上執行與完成移除製程之後，可取得具有期望特徵形成於基板上之材料層。藉由進行上述處理，可排除搭配利用光阻劑層與/或硬遮罩層之顯影製程的傳統微影製程，因為現在可將特徵/結構直接轉移至材料層上而不必利用額外的光阻劑層與/或硬遮罩層。因此，接著可有效地降低並改善製造複雜度、成本與循環時間。
因此，在本揭示案中提供執行ALD微影製程的方法與設備。ALD微影製程利用ALD製程以及微影製程來在基板表面上形成特徵，而不利用由光阻劑層與/或硬遮罩層形成的傳統遮罩。本文所述之ALD微影製程有效地降低製造複雜度、成本與循環時間並改善製造靈活性與生產率。
雖然上文關於本發明的某些實施例，但可在不悖離本發明之基本範圍下設計出本發明之其他實施例與進一步實施例，且本發明之範圍由隨後之申請專利範圍所確定。
102‧‧‧基板
103‧‧‧功率源
104‧‧‧縫
105‧‧‧蓋
106‧‧‧能量束源
111‧‧‧窗
113‧‧‧遮罩
114‧‧‧舉升件
116‧‧‧舉升板
118‧‧‧舉升板致動器
120‧‧‧銷
122‧‧‧淨化環
124‧‧‧淨化通道
129‧‧‧腔室主體
130‧‧‧氣體輸送設備
131‧‧‧側壁
133‧‧‧狹縫閥通道
134‧‧‧ALD微影製程腔室
137A、137B‧‧‧氣體入口
138、139、140‧‧‧氣體源
142A、142B‧‧‧閥
143A、143B‧‧‧輸送管路
144A、144B、146A、146B‧‧‧閥座組件
145A、145B‧‧‧淨化管路
148A、148B‧‧‧可編程邏輯控制器
166‧‧‧泵送區域
178‧‧‧泵送系統
179‧‧‧泵送通道
180‧‧‧控制單元
182‧‧‧中央處理單元
183‧‧‧相關之控制軟體
184‧‧‧支援電路
186‧‧‧記憶體
188‧‧‧信號匯流排
190‧‧‧擴張管道
192‧‧‧基板支撐件

Claims (21)

  1. 一種在一元件中之一材料層上形成數個特徵的方法，該方法包括以下步驟：(a)脈衝一第一反應劑氣體混合物至一基板的一表面，以在該基板表面上形成一材料層的一第一單層，該基板配置於一製程腔室中；(b)引導一高能輻射以處理該第一單層的一第一區；及(c)脈衝一第二反應劑氣體混合物至該基板表面，以選擇性地在該第一單層的一第二區上形成一第二單層。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：選擇性地移除藉由該高能輻射處理且配置於該第一單層的該第一區中之該第一單層。
  3. 如請求項2所述之方法，進一步包括以下步驟：在移除該基板表面上之該經處理的第一單層後，在該第一單層與該第二單層中形成數個結構或特徵。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該光線輻射是一波長在約5 nm與約400 nm之間的UV光線源。
  5. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：使該第二單層與該第一單層反應以形成一材料層。
  6. 如請求項1所述之方法，其中引導該高能輻射的步驟進一步包括以下步驟：引導該高能輻射至未由一遮罩保護之該第一單層的該第一區，其中該高能輻射通過該遮罩。
  7. 如請求項2所述之方法，其中移除該第一單層的步驟包括以下步驟：執行一蝕刻製程，以自該基板表面移除該經處理的第一單層。
  8. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：在該第一反應劑氣體混合物或該第二反應劑氣體混合物的脈衝之後，脈衝一淨化氣體混合物至該製程腔室。
  9. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：重複步驟(a)至步驟(c)直到達到該第一單層與該第二單層的一預定總厚度為止。
  10. 如請求項1所述之方法，其中引導該高能輻射的步驟包括以下步驟：改變該第一區中之該第一單層的數個化學性質。
  11. 如請求項1所述之方法，其中該步驟(a)至該步驟(c)被執行於一單一製程腔室中。
  12. 如請求項1所述之方法，其中脈衝該第一反應劑氣體混合物與該第二反應劑氣體混合物的該步驟(a)與該步驟(c)形成於該製程腔室中，而該步驟(b)被執行於另一製程腔室中。
  13. 一種在一元件中之一材料層上形成數個特徵的方法，包括以下步驟：引導一高能輻射以處理一材料層之一第一單層的一第一區，藉由執行於一原子層沉積製程中之一第一反應劑氣體混合物的一脈衝來沉積該材料層之該第一單層；持續執行該原子層沉積製程以在該材料層的該第一單層上形成一第二單層；及移除該第一區中由一光線輻射處理的該第一單層。
  14. 如請求項13所述之方法，其中持續執行該原子層沉積製程的步驟包括以下步驟：選擇性地僅在該第一單層層的一第二區上形成該第二單層，該第一單層層的該第二區未受該高能輻射處理。
  15. 如請求項13所述之方法，其中移除該第一單層的步驟進一步包括以下步驟：自該基板表面選擇性地移除該經處理的第一單層而不移除該第二單層。
  16. 如請求項13所述之方法，其中該光線輻射是一波長在約5 nm與約400 nm之間的UV光線源。
  17. 一種設以執行一原子沉積層製程與一微影製程的製程腔室，包括：一腔室主體，該腔室主體具有一腔室蓋，該腔室蓋配置於該腔室主體上以在該腔室主體中界定一內部製程區；一基座，該基座配置於該內部製程區中；一氣體分配系統，該氣體分配系統配置於該腔室主體上，以輸送一反應劑氣體進入該內部製程區；一能量束源，該能量束源配置於該腔室蓋下，以引導一高能輻射朝向該內部製程區；及一遮罩，該遮罩配置於該能量束源與該基座之間。
  18. 如請求項17所述之製程腔室，其中該能量束源提供UV光線、深UV光線、一電子束或一離子束。
  19. 如請求項17所述之製程腔室，其中該遮罩是一光罩，該光罩設以傳輸該光線的一部分至該內部製程區。
  20. 如請求項17所述之製程腔室，其中該氣體分配系統適以在該製程腔室中執行一原子層沉積製程。
  21. 一種在一半導體元件中之一材料層上形成數個特徵的方法，該方法包括以下步驟：(a)脈衝一第一反應劑氣體混合物至一基板的一表面，以在該基板表面上形成一材料層的一第一單層，該基板配置於一製程腔室中；(b)引導一光線輻射以處理該第一單層的一第一區；(c)脈衝一第二反應劑氣體混合物以選擇性地在該第一單層的該第一區上形成一第二單層；及(d)選擇性地移除該第一單層的一第二區，該第一單層的該第二區未受該光線輻射處理。
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