TW201622007A - 無預乾燥步驟之透過濕潤表面使用旋塗介電質的高深寬比特徵部覆蓋 - Google Patents

無預乾燥步驟之透過濕潤表面使用旋塗介電質的高深寬比特徵部覆蓋 Download PDF

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Abstract

一種方法，包含在濕清潔半導體基板之後且在該濕清潔之後不執行乾燥步驟的情況下，在半導體基板之圖案化的特徵部之上沉積膜溶液。該膜溶液包含介電膜前驅物或介電膜前驅物與反應物、溶劑、界面活性劑及載體流體的其中至少一者。該方法包含藉由加熱基板至一烘烤溫度從由該膜溶液所形成的膜烘乾溶劑與未反應的溶液之其中至少一者。該方法包含固化基板。

Description

無預乾燥步驟之透過濕潤表面使用旋塗介電質的高深寬比特徵部覆蓋
本揭露內容關於基板處理的方法，且更具體而言，關於在基板上沉積膜的方法。
在此提供的背景介紹係為了一般地呈現本揭露內容之背景的目的。目前列名發明者的工作成果，在此背景章節中所述之範圍，以及可能未在申請時以其他方式適格作為先前技術之說明的實施態樣，係未明示或暗示承認為對於本揭露內容之先前技術。
基板（諸如半導體晶圓）的製造通常需要多個處理步驟，該等處理步驟可包含材料沉積、平坦化、特徵部圖案化、特徵部蝕刻、及特徵部清潔。這些處理步驟係通常於基板處理期間重覆一次或多次。
當半導體裝置持續縮小至較小的特徵部尺寸，高深寬比（HAR）結構係逐漸被需要以達成期望的元件性能目標。HAR結構的使用產生對於某些基板處理步驟的挑戰。例如：諸如蝕刻與清潔的濕處理造成由於於基板乾燥期間所產生的毛細管作用力之HAR結構的問題。毛細管作用力的強度依據表面張力、被乾燥的蝕刻、清潔、或潤洗流體的接觸角度、特徵部的間隔及/或特徵部的深寬比。若於乾燥期間產生的毛細管作用力太強，HAR特徵部將發生應變或在彼此之上崩塌且黏滯效應可能發生，其嚴重地降低元件良率。
為了解決此問題，一種方式係使用具有比去離子水低表面張力之潤洗液體以避免特徵部崩塌。雖然對於相對低深寬比結構係通常成功的，但此方式如同使用去離子水的方法具有同樣崩塌及黏滯的問題。潤洗流體仍造成有限量的表面張力，其於乾燥期間產生的力對脆弱的HAR結構係仍太強。
對於乾燥HAR結構的替代方式包含以超臨界流體溶解且沖洗潤洗流體。當正確地處理時，超臨界流體係無表面張力。然而，當使用超臨界流體時產生一些技術及製造的挑戰。該等挑戰包含高的設備及安全成本、長處理時間、於處理期間的可變溶劑品質、由於擴散與流體的可調整本質的極度敏感性、及自超臨界流體與處理腔室之元件的交互作用產生的晶圓缺陷/污染問題。
用於避免於處理期間HAR結構的崩塌之另一種方式係增加一機械支架。然而，此方法通常具有負面地影響產出量及產率的較高成本及處理複雜性。此外，該機械支架係限於某些圖案化的特徵部的類型。
一種方法，包含在濕清潔半導體基板之後且在該濕清潔之後不執行乾燥步驟的情況下，在半導體基板之圖案化的特徵部之上沉積膜溶液。該膜溶液包含介電膜前驅物或介電膜前驅物與反應物、溶劑、界面活性劑及載體流體的其中至少一者。該方法包含藉由加熱基板至一烘烤溫度從由該膜溶液所形成的膜烘乾溶劑與未反應的溶液之其中至少一者。
在其他的特徵部中，該方法包含在沉積膜溶液之前與在濕清潔之後，以潤洗流體潤洗該圖案化的特徵部。該潤洗流體包含水、含水酒精及極性溶劑的其中至少一者。
在其他的特徵部中，該方法包含在烘烤膜之後固化基板。該固化步驟包含加熱、熱退火、紫外線（UV）固化、電漿固化或化學性反應固化的其中至少一者。該固化步驟的固化溫度係高於該烘烤溫度。
在其他的特徵部中，該方法包含使用旋塗的方式塗佈膜溶液於圖案化的特徵部。
在其他的特徵部中，沉積膜溶液包含以第一溶液預濕潤該半導體基板、使用該膜溶液置換該第一溶液且使用旋轉塗佈機旋轉該基板。該置換步驟及該旋轉步驟依續地、同時地或重疊地發生。
在其他的特徵部中，膜溶液的介電膜前驅物包含聚矽氮烷。圖案化的特徵部包含至少一高深寬比（HAR）特徵部。該至少一高深寬比（HAR）特徵部的深寬比係大於或等於8。
一種方法，包含在濕清潔半導體基板之後且在該濕清潔之後不執行乾燥步驟的情況下，以潤洗流體潤洗半導體基板之圖案化的特徵部。該方法包含使用膜溶液至少部分地置換在該圖案化的特徵部上的該潤洗流體。該膜溶液包含介電膜前驅物或介電膜前驅物與反應物、溶劑、界面活性劑及載體流體的其中一者。該方法包含藉由加熱該基板至一烘烤溫度從由該膜溶液所形成的膜烘乾溶劑與未反應的溶液之其中至少一者。該方法包含在烘烤該膜之後固化該基板。
在其他的特徵部中，潤洗流體包含水、含水酒精及極性溶劑的其中至少一者。固化步驟包含加熱、熱退火、紫外線（UV）固化、電漿固化或化學性反應固化的其中至少一者。該固化步驟的固化溫度係高於烘烤溫度。
在其他的特徵部中，該方法包含使用旋塗的方式塗佈膜溶液於圖案化的特徵部。該膜溶液的介電膜前驅物包含聚矽氮烷。該圖案化的特徵部包含至少一高深寬比（HAR）特徵部。該至少一高深寬比（HAR）特徵部的深寬比係大於或等於8。
本揭露內容之進一步的可應用領域將從詳細說明、申請專利範圍及圖式中變得明顯。詳細說明和具體的例子係意圖為僅供說明的目的，而非意欲限制本揭露內容的範圍。
根據本揭露內容的系統與方法允許在晶圓濕清潔步驟之後且在無預乾燥步驟的情況下，使用旋塗膜沉積之HAR結構的無塌陷特徵部填充。藉由在濕清潔之後保持表面濕潤且遞移至用於旋塗膜的液態前驅物，該方法消除於乾燥期間發生之在HAR特徵部之間的氣態/液態介面。於乾燥期間產生的毛細管作用力係加以消除且HAR結構可使用旋塗膜加以填充而無塌陷或粘滯。
僅作為例子，用於膜沉積的方法可在清潔軌道上執行。在濕清潔之後，基板可以後潤洗流體加以潤洗。在一些例子中，該後潤洗流體包含水、含水酒精或極性溶劑，其殘留在具HAR特徵部的表面上。旋轉塗佈機可用以旋塗一膜溶液，該膜溶液包含膜前驅物或膜前驅物與溶劑、反應物、界面活性劑或載體液體的其中至少一者。若使用的話，該反應物化學品與該膜前驅物反應以形成固體膜。
僅作為例子，熱板或另一種固化方式可用以趕出膜內多餘或未反應的液體。在一些例子中，沉積的膜可為介電膜。僅作為例子，溶液可為介電溶液，該介電溶液包含在含水酒精溶液內的介電膜前驅物。基板上濕潤的容積係由膜溶液取代。該膜溶液係被選擇以擴散透過濕潤表面以提供由下而上的填充。在一些例子中，膜溶液在偏好間隙填充的方法中操作，諸如在淺溝槽隔離（STI）、預金屬介電質（PMD）或金屬間介電質（IMD）的應用中。在一個替代的方法中，只有膜前驅物係加以沉積，且擴散/反應透過濕潤的層而發生。
正如可理解，此處描述的方法允許在濕清潔之後將膜（諸如介電膜）沉積到基板（諸如半導體晶圓）的圖案化表面上，其中未預先乾燥該膜係沉積於其上的表面。此方法避免在濕清潔之後的乾燥期間具有HAR特徵部塌陷或發生應變的問題。此方法亦藉由減少需要乾燥基板的步驟而增加製程產量。
現參照圖1，包含高深寬比（HAR）結構之基板10的一個例子係加以顯示。基板10係半導體基板，其包含底基板層14；半導體元件16；預金屬介電質（PMD）層18；一或多個金屬間介電質（IMD）層20-1、20-2、及20-N（統稱為IMD層20），其中N係大於0的一整數；及HAR結構24。在一些例子中，HAR結構24可包含窄溝（諸如例如20 nm的溝）。在一些例子中，HAR結構24可具有大於等於 8、10、12、15、20或50的深寬比。雖然基板的具體例子係加以顯示，但此處描述的方法可用以填充具有含膜之圖案化表面的其他類型基板。
現參照圖2A-2D，顯示在執行晶圓濕清潔步驟之後於以膜對HAR結構進行特徵部填充期間，包含HAR結構110之基板100的一個例子。該特徵部填充可無預乾燥步驟而加以執行。流體在濕清潔步驟之後殘留在HAR結構110上。後潤洗流體118可用以潤洗基板100。後潤洗流體118可包含水、含水酒精或其他極性溶劑。在圖2B中，膜溶液122係在HAR結構110上沉積且該後潤洗流體118係被替換。該膜溶液122可包含膜前驅物或膜前驅物與反應物、溶劑、載體液體或界面活性劑的其中至少一者。
在一些例子中，膜溶液係介電膜溶液。在一些例子中，介電膜可為氧化矽、氮化矽、碳化矽、氮化碳矽（silicon carbon nitride）、氧化鋁、氧化鉿、低k介電質、或多孔介電質。在一些例子中，膜溶液係旋塗式膜溶液。在一些例子中，膜前驅物包含一或多種聚矽氮烷，雖然其他膜前驅物可加以使用。在一些例子中，膜溶液可包含其他反應物，其將與膜前驅物（諸如水、過氧化物、或酒精）化學性地反應。在一些例子中，膜溶液亦可包含催化劑或抑制劑，其可分別加速或減緩與膜前驅物的化學反應。在一些例子中，載體流體可包含水、含水酒精、溶劑、界面活性劑或其他載體流體。
在圖2C中，在藉由膜溶液產生的膜內，溶劑與多餘或未反應的液體係自該膜烘乾而留下未固化的介電層128。之後，固化步驟或其他處理可加以執行。
在一些例子中，基板的溶劑烘烤可在比後續固化步驟的溫度還低的溫度下發生。僅作為例子，固化可包含加熱、熱退火、紫外線（UV）固化、電漿固化或化學性反應固化。僅作為例子，基板可以高溫（諸如＞ 300o C-800o C）及/或在氧氣、臭氧、蒸汽或其他含氧氣體的存在下加以固化。僅作為例子，溶劑烘烤可在介於75o C與300o C之間的溫度（諸如150o C）加以執行。
現參照圖3，用於在濕清潔步驟之後以膜對HAR結構進行特徵部填充之方法200的一個例子係加以顯示。該特徵部填充可無預乾燥步驟而加以執行。在202中，在基板的濕清潔之後，乾燥步驟係加以省略。在206中，在濕清潔步驟之後殘留的流體係加以置換且以膜溶液取代，該膜溶液包含膜前驅物或膜前驅物與反應物、溶劑、載體流體及界面活性劑的其中至少一者。在210中，溶劑與多餘或未反應的液體係從膜加以烘乾。在214中，固化步驟可加以執行。
僅作為例子，水解化的前驅物可在含H2 O或含酒精的溶液中用以形成Si(OH)3 R’。該水解化的前驅物係擴散進入溶液內而至預濕潤基板之上。聚合作用在該濕潤的基板上發生以形成SiCOH膜。僅作為例子，水解化的前驅物可在含H2 O溶液中用以形成Si(OH)4 。該水解化的前驅物係擴散進入溶液內而至預濕潤基板之上。聚合作用在該濕潤的基板上發生以形成SiO2 或SiOx Hy 膜。僅作為例子，未水解化的前驅物可加以使用，其接著與在膜溶液中的H2 O或酒精反應。水解與聚合作用在濕潤的基板上發生以形成膜。在這些例子中，膜溶液反應以在濕潤的基板上形成溶膠、凝膠或固體膜。
現參照圖4，用於置換且沉積膜溶液之方法220的一個例子係加以顯示。在222中，基板係以後潤洗流體（諸如水、含水酒精溶液或極性溶劑）加以潤洗。在224中，膜前驅物或膜前驅物與反應物、溶劑、載體流體及界面活性劑的其中至少一者係加以分配以置換在基板上的後潤洗流體。在226中，基板係藉由旋轉塗佈機或其他裝置加以旋轉以均勻地分布流體且移除多餘的流體。該置換與旋轉可依續、同時及/或以重疊的方式發生。
現參照圖5A-5C，置換且沉積介電溶液的一個例子係加以顯示。在圖5A中，基板250係配置在旋轉塗佈機254上。後潤洗流體（諸如水、含水酒精或極性溶劑）係來自流體源260且在基板250上沉積。在圖5B中，膜溶液268係在基板250上沉積，該膜溶液268包含膜前驅物或膜前驅物與溶劑、反應物、載體流體或界面活性劑的其中至少一者。如同可理解，間隙填充內的變化可藉由改變膜溶液內之膜前驅物的濃度、膜溶液內之反應物的濃度、膜溶液的表面張力、膜溶液的親水性、濕潤時間、及剝離（spin-off）速度而加以做出。
在圖5C中，旋轉塗佈機254係加以旋轉以在基板250上均勻地分布膜溶液。該置換與旋轉可依續、同時及/或以重疊的方式發生。一些包含膜前驅物或膜前驅物與載體流體的溶液268殘留在基板250上。一些包含膜前驅物或膜前驅物與載體流體的溶液268可被轉移至旋轉塗佈機254的表面。
以上所述在本質上僅為說明且係決非意欲限制本揭露內容、其應用、或使用。本揭露內容的廣泛教示可以多種方式執行。因此，雖然此揭露內容包含特殊的例子，但本揭露內容的真實範圍應不被如此限制，因為其他的變化將在研讀圖示、說明書和以下申請專利範圍後變為顯而易見。當在此使用時，片語「A、B、及C的其中至少一者」應理解為表示使用非排他邏輯「或」之邏輯（A 或 B 或 C），且不應理解為表示「A的其中至少一者、B的其中至少一者、及C的其中至少一者」。應理解方法中的一或多個步驟可以不同的順序（或同時）執行而不改變本揭露內容的原理。
10‧‧‧基板
14‧‧‧底基板層
16‧‧‧半導體元件
18‧‧‧預金屬介電質層
20‧‧‧IMD層
24‧‧‧HAR結構
100‧‧‧基板
110‧‧‧HAR結構
118‧‧‧後潤洗流體
122‧‧‧膜溶液
128‧‧‧介電層
250‧‧‧基板
254‧‧‧旋轉塗佈機
260‧‧‧流體源
268‧‧‧溶液
本揭露內容從詳細說明和隨附圖式可更完全了解，其中：
圖1係包含高深寬比（HAR）結構之基板的一個例子的側剖面圖。
圖2A-2D係根據本揭露內容於使用旋塗膜的特徵部填充期間，包含HAR結構之基板的一個例子的側剖面圖。
圖3係根據本揭露內容使用旋塗膜之HAR結構的特徵部填充之方法的一個例子。
圖4係根據本揭露內容在基板的HAR結構上置換及沉積旋塗膜之方法的一個例子。
圖5A-5C說明根據本揭露內容在基板的HAR結構上置換及沉積旋塗膜的一個例子。
在圖示中，參考數字可被再次使用以識別相似及/或相同的元件。

Claims (20)

  1. 一種方法，包含： 在濕清潔包含一圖案化的特徵部的一半導體基板之後： 在濕清潔該半導體基板之後未執行乾燥步驟的情況下，在該半導體基板之該圖案化的特徵部之上沉積一膜溶液， 其中，該膜溶液包含： 一介電膜前驅物；或 一反應物、一溶劑、一界面活性劑及一載體流體的其中至少一者與該介電膜前驅物；以及 藉由加熱該基板至一烘烤溫度，從由該膜溶液所形成的膜烘乾溶劑與未反應的溶液之其中至少一者。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含： 在沉積該膜溶液之前與濕清潔之後，以一潤洗流體潤洗該圖案化的特徵部。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，該潤洗流體包含水、含水酒精及一極性溶劑的其中至少一者。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含在烘烤該膜之後固化該基板。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中，該固化步驟包含加熱、熱退火、紫外線（UV）固化、電漿固化或化學性反應固化的其中至少一者。
  6. 如申請專利範圍第4項之方法，其中，該固化步驟的一固化溫度係高於該烘烤溫度。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含使用一旋塗的方式塗佈該膜溶液於該圖案化的特徵部。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，沉積該膜溶液的步驟包含： 以一第一溶液預濕潤該半導體基板； 使用該膜溶液置換該第一溶液；以及 使用一旋轉塗佈機旋轉該基板。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中，該置換步驟與該旋轉步驟以依續方式、同時方式及重疊方式其中一種方式發生。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該膜溶液的該介電膜前驅物包含一聚矽氮烷。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該圖案化的特徵部包含至少一高深寬比（HAR）特徵部。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中，該至少一高深寬比（HAR）特徵部的一深寬比係大於或等於8。
  13. 一種方法，包含： 在濕清潔包含一圖案化的特徵部的一半導體基板之後： 在濕清潔該半導體基板之後未執行乾燥步驟的情況下，以一潤洗流體潤洗該半導體基板之該圖案化的特徵部； 使用一膜溶液至少部分地置換在該圖案化的特徵部上之該潤洗流體， 其中，該膜溶液包含： 一介電膜前驅物；或 一反應物、一溶劑、一界面活性劑及一載體流體的其中一者與該介電膜前驅物； 藉由加熱該基板至一烘烤溫度，從由該膜溶液所形成的膜烘乾溶劑與未反應的溶液之其中至少一者；以及 在烘烤該膜之後固化該基板。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該潤洗流體包含水、含水酒精及一極性溶劑的其中至少一者。
  15. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該固化步驟的一固化溫度係高於該烘烤溫度。
  16. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該固化步驟包含加熱、熱退火、紫外線（UV）固化、電漿固化或化學性反應固化的其中至少一者。
  17. 如申請專利範圍第13項之方法，進一步包含使用一旋塗的方式塗佈該膜溶液於該圖案化的特徵部。
  18. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該膜溶液的該介電膜前驅物包含一聚矽氮烷。
  19. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該圖案化的特徵部包含至少一高深寬比（HAR）特徵部。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中，該至少一高深寬比（HAR）特徵部的一深寬比係大於或等於8。
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