TWI551359B - 塗設薄膜至晶圓表面之方法 - Google Patents

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Description

塗設薄膜至晶圓表面之方法
本揭露一般是有關於一種半導體裝置的製造，且特別是有關於一種使用氣化高分子聚合物噴塗沉積系統(Vaporizing Polymer Spray Desposition System)在半導體裝置上形成薄膜的系統。
半導體積體電路(Integrated Circuit；IC)工業已歷經快速成長的階段。IC材料與設計方面的技術發展已產生了多個IC世代，其中每個世代具有相較於前一世代更小且更複雜的電路。然而，此些發展已增加了加工與製造IC的複雜度。為了實現此些發展，在IC加工與製造上之類似發展是必須的。在IC發展的過程中，當幾何尺寸[亦即使用製造程序所能產生的最小元件(或線)]已經縮小時，功能密度(亦即每一晶片範圍中內連元件的數量)大致上已獲得增加。
然而，在半導體製造上實施越來越小的特徵及製程仍然存在有許多的挑戰。例如，在製造半導體裝置的過程中，一個或多個圖案化硬遮罩(Mask)特徵可形成於裝置之上。蝕刻製程可用來形成上述之圖案化特徵。此些蝕刻製程可於上述之特徵中導致尖銳的內側轉角(Corner)，其中尖銳的內側轉角可降低裝置蝕刻性能。
可藉由追加光阻/共形(Photoresist/Conformal)塗層至上述裝置中來填充尖銳轉角。傳統上，係藉由滴落大量之液態光阻/共形塗佈材料於裝置之上，並旋轉裝置(元件晶圓)以散佈(Spread)液態塗佈材料來追加上述之塗層。此製程無法在傳統之互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程反應室中進行。傳統上，此製程形成不均勻的塗層，例如在高階處之薄塗層以及低處之厚塗層，例如在裝置之上的擡升(Raised)特徵之間。因此，旋轉塗佈(Spin-On Coating)製程一般係無法達到均勻之高階披覆性(High-Step Coverage)高分子聚合物薄膜。在傳統塗佈系統中發現的另一問題包含，在高溫化學氣相沉積法(CVD)之沉積製程中，假如上述之結構晶圓係以一光阻薄膜加以塗佈，可能有汙染的問題。應理解的是，傳統的旋轉塗佈系統無法達到，於半導體裝置晶圓之上沉積實質均勻之高分子聚合物型態的薄膜。
因此，需要一種改善的系統，以在半導體裝置上形成薄膜，其中此系統使用氣化高分子聚合物噴塗沉積系統。
本發明之目的在提供一種在半導體裝置晶圓上形成薄膜之氣化高分子聚合物噴塗沉積系統與方法，藉由一系統來氣化高分子聚合物流體，且接著沉積氣化之流體於半導體晶圓之上，藉此可形成非常薄且實質均勻之高分子聚合物薄膜，以實質覆蓋結構之所有塗佈側。
根據本發明之一態樣，提供一種氣化噴塗沉積系統，其包含製程反應室、流體管線及噴塗頭。上述流體管線係配置以傳輸高分子聚合物及溶劑混合物，而噴塗頭則耦合至鄰近於製程反應室之流體管線。此外，噴塗頭係配置以接收上述高分子聚合物及溶劑混合物，此噴塗頭並霧化高分子聚合物及溶劑混合物，藉此以一實質氣化之形式發射此高分子聚合物及溶劑混合物。
根據本發明之另一態樣，提供一種光阻噴塗沉積系統，其包含製程反應室、流體管線、噴塗頭及加熱裝置。上述流體管線係配置以傳輸光阻流體，而噴塗頭則耦合至鄰近於製程反應室之流體管線。此外，噴塗頭係配置以接收上述光阻流體，此噴塗頭並霧化光阻流體，藉此以一實質氣化之形式發射此光阻流體。而加熱裝置係位在製程反應室中，其係配置以提供硬烘烤製程至接收上述光阻流體之半導體晶圓。
根據本發明之再一態樣，提供一種應用薄膜至半導體晶圓表面之方法，其包含：提供氣化噴塗沉積系統；提供半導體裝置晶圓；設置半導體裝置晶圓於鄰近霧化噴塗頭之處，其中霧化噴塗頭係位在上述氣化噴塗沉積系統之上；以及朝半導體裝置晶圓霧化高分子聚合物/溶劑溶液，進而沉積此高分子聚合物/溶劑溶液於上述半導體裝置晶圓之上。
本發明之優點為，氣化噴塗沉積系統填充位在半導體晶圓上高階且擡升之特徵(例如擡升之硬遮罩特徵)之上的尖銳內側轉角，其中上述高階且擡升之特徵係無法使用傳統系統來加以填充。其他優點包含，解決於塗佈光阻之晶圓(Resisted Wafers)之上之高溫薄膜沉積的傳統問題，其中此問題係此技術領域所熟知之問題。
本揭露一般是有關於半導體的製造，且特別是有關於一種在半導體裝置晶圓上形成薄膜之氣化高分子聚合物噴塗沉積系統與方法。然而，可理解的是，本揭露以下提供許多不同之實施例或範例，其係用以施行本發明的不同特徵。特定之裝置和配置的範例係描述如下，藉以簡化本揭露。當然，此些僅做為範例而並非用來限制本發明。此外，為了簡化及清楚說明起見，本揭露可重複使用參考數字及/或符號於各範例中，然而此重複本身並非規定所討論之各實施例及/或配置之間必須有任何的關聯。
相對於習知之CVD及旋轉塗佈系統，本揭露提供系統來氣化高分子聚合物流體，且接著沉積氣化之流體於半導體晶圓之上。使用此系統，可形成非常薄且實質均勻之高分子聚合物薄膜，以實質覆蓋上述結構之所有塗佈側。換句話說，本揭露之實施例提供使用氣化/霧化(Atomizing)噴塗沉積系統以在地形(Topographical)半導體裝置/晶圓上形成實質均勻薄膜的系統與方法。基本上，本揭露之實施例係使用氣化之高分子聚合物流體，並將其噴塗於半導體晶圓上而形成均勻且薄的高分子聚合物膜，而習知之塗佈系統則施加塗佈材料為一大滴液體，並旋轉上述之裝置以散佈此液體。
應理解的是，上述氣化/霧化噴塗沉積系統之優點在於，其填充位在半導體晶圓上高階且擡升之特徵(例如擡升之硬遮罩特徵)之上的尖銳內側轉角，其中上述高階且擡升之特徵係無法使用傳統系統來加以填充。其他優點包含，解決於塗佈光阻之晶圓之上之高溫薄膜沉積的傳統問題，其中此問題係此技術領域所熟知之問題。
第1圖係繪示形成薄膜層於一晶圓(例如半導體裝置之晶圓210)上之方法100之一實施例的流程圖。描述於此的方法100係與第2至7圖中所示之裝置相關。方法100開始於區塊102，以提供噴塗沉積裝置。
第2圖係繪示噴塗沉積裝置200之一實施例的剖面示意圖，其中噴塗沉積裝置200係配置以操作上述方法100之相對應步驟。在一實施例中，噴塗沉積裝置200為氣化噴塗沉積系統，其中上述系統霧化覆蓋於表面(例如被塗佈之半導體裝置之晶圓210)之共形塗佈流體(例如高分子聚合物/溶劑溶液)。噴塗沉積裝置200包含製程反應室202、噴塗頭204及流體管線206。在一實施例中，製程反應室202包含加熱裝置209。
在一實施例中，製程反應室202係一底部封閉之容器，其中容器具有基座(Base)及從基座朝上述噴塗頭204而向上延伸的側壁，而上述側壁係環繞基座的週邊。因此，製程反應室202係配置以夾持且支撐一個或多個半導體裝置/晶圓，並攔住(Catch)來自於噴塗頭204之部分過噴(Overspray)流體。製程反應室202可由實質抗滲(Impervious)之材料形成，其中上述實質抗滲之材料係用以抵抗由噴塗頭204氣化之高分子聚合物及溶劑混合物的滲漏。在另一實施例中，製程反應室202可為一個或多個CMOS製程之傳統製程反應室。
噴塗頭204經由流體管線206接收流體以加以氣化。流體管線206接收來自於儲存槽(Holding Tank)之傳輸流體。在一實施例中，流體係提供至被加熱及/或處於壓力下之噴塗頭204，因此允許噴塗頭204接收流體並加以混合、氣化/霧化流體、並朝製程反應室202中之目標表面發射氣化之流體。噴塗頭204及流體管線206二者可由實質抗滲之材料形成，其中上述實質抗滲之材料係用以抵抗由噴塗頭204氣化之高分子聚合物及溶劑混合物的滲漏。
第2A圖係繪示氣化噴塗沉積裝置200之另一實施例的透視示意圖，其中氣化噴塗沉積裝置200係對應於第1圖之方法100的步驟。此實施例包含製程反應室202、多個噴塗頭204A與噴塗頭204B、以及多個流體管線206A與流體管線206B，其中流體管線206A與流體管線206B分別提供高分子聚合物/溶劑溶液以及高壓氮氣(N2)/空氣至噴塗頭204A與噴塗頭204B。上述氮氣/空氣之壓力可加以變化以協助上述流體混合後的氣化。製程反應室202可包含風扇、送風機(Blower)或其他裝置(未繪示)，藉以提供在製程反應室202中或離開排氣口(Exhaust Vent)205之空氣或其他氣體203(例如氮氣)的下吹氣流，藉此協助上述進行噴塗製程之方法100。製程反應室202亦可包含晶圓挾持器(Holder)207，藉以在製程反應室202之中牢牢地挾持住上述之晶圓210。
方法100接著進行至區塊104，以提供半導體裝置之晶圓210。方法100在任何表面形成薄的塗佈材料，然而，在此範例中，僅討論半導體裝置之晶圓210。第3圖係繪示具有硬遮罩層212之半導體晶圓之一實施例的剖面示意圖，其中硬遮罩層212係被圖案化而具有各種擡升特徵。其中，具有各種擡升特徵之硬遮罩層212係自晶圓210之一表面延伸。雖然在本揭露中係以硬遮罩層212加以描述，方法100可用來形成位在基材任何部分之上的高分子聚合物層，其中上述基材包含任何圖案化層。硬遮罩層212具有介於硬遮罩層212上之特徵之間的空腔214。由於圖案中包含有非常小的尺寸，當俯視(未繪示於此，請參見以下將討論之第6圖)時，用來圖案化硬遮罩層212之蝕刻製程可在硬遮罩層212之各種特徵形成小而尖銳的內側轉角。在一實施例中，晶圓210包含矽、二氧化矽(SiO2)、多晶矽(Polysilicon)、介電質、及/或其他材料的一個或多個層[例如底部(Underlying)之硬遮罩層212]以進行蝕刻。在一實施例中，硬遮罩層212包含二氧化矽、氮化矽(SiN)、氮氧化矽(SiON)、及/或其他適當之材料。在另一實施例中，晶圓210之材料層可包含硬遮罩的第二層[例如二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氮化鈦(TiN)、及/或其他硬遮罩材料]，其中二層均形成於半導體裝置層(未繪示)之上。假如二層均為硬遮罩層，可以用不同材料形成上述二層，藉以提供硬遮罩層212使用時的蝕刻選擇性(Etching Selectivity)。在其他實施例中，晶圓210可包含半導體特徵，例如源極(Source)、汲極(Drain)、閘極(Gate)、隔離(Isolation)特徵、及其他半導體特徵。換句話說，晶圓210可包含在蝕刻製程中使用圖案化層(例如硬遮罩層212)做為圖案加以蝕刻的任何層或材料。
方法100進行至下一個區塊106，其中將晶圓210設 置在鄰近於噴塗頭204之處，例如製程反應室202之中。第4圖係設置在鄰近於氣化噴塗沉積裝置200之處的晶圓210的剖面示意圖。
在將晶圓210設置在鄰近於噴塗頭204之處之後，方法100進行至區塊108，其中噴塗頭204接收高分子聚合物/溶劑混合物、氣化上述混合物、及朝晶圓210噴塗/發射氣化混合物208，以於晶圓210之上形成薄膜層220(參見第5圖)。使用高分子聚合物蒸汽(Vapor)之氣化混合物208使得薄膜層220於硬遮罩層212之特徵之上、沿著空腔214的側壁、以及於空腔214中之晶圓210之上形成實質均勻的厚度。例如，薄膜層220可形成小於100埃(Angstrom)的厚度。然而，薄膜層220亦可形成其他的厚度。在一實施例中，稀釋之高分子聚合物/溶劑溶液可做為光阻溶劑。上述之溶劑溶液的例示性成分包含丙二醇單甲基醚(Propylene Glycol Monomethyl Ether；PGME)、丙二醇單甲基醚酯(Propylene Glycol Monomethyl Ether Acetate；PGMEA)、環己醇(Cyclohexanol)、乳酸乙酯(Ethyl Lactate；EL)、及上述成分之組合。上述系統可具有範圍從約0.5厘泊(Centipoises；CP)至約2.5CP之光阻黏度，其中1CP=1m‧Pa‧s(公尺‧帕‧秒)=0.001Kg‧m-1‧s-1。在一實施例中，上述高分子聚合物對溶劑之比例為0.1%至10%。
氣化噴塗沉積裝置200可具有每秒約1埃至每秒約5埃的沉積速率範圍。然而，亦可使用其他沉積速率。在一實施例中，噴塗頭204可氣化上述高分子聚合物/溶劑液體以獲得小於約25微米(Micrometers)的液滴(Droplet)尺寸範 圍。在上述高分子聚合物之薄膜層220沉積後，可在薄膜層220之上進行一選擇性之溶劑噴塗移除(Trim)製程，藉以減少一個或多個區域之薄膜層220的厚度。
在一實施例中，液體為高分子聚合物/溶劑混合物。因此，當溶劑氣化時，遺留下位在晶圓210之上的一層高分子聚合物之薄膜層220。當暴露於大氣中，溶劑之蒸發可自然地發生。此外，亦可進行加熱製程於高分子聚合物之薄膜層220上，以加速溶劑的蒸發。因此，方法100可進行至區塊110，於高分子聚合物之薄膜層220上進行硬烘烤(Hard Bake)製程，藉此除去(Drive Off)上述之溶劑。此外，上述硬烘烤製程允許高分子聚合物之薄膜層220平順化(Smooth Out)，進而填滿介於上述硬遮罩特徵212之間尖銳的內側角度(參見第6及7圖)以形成一圓角，以使硬遮罩特徵212被沉積之高分子聚合物之薄膜層220圍繞。使用製程反應室202中的加熱裝置209之元件來進行上述的硬烘烤製程。在另一實施例中，可在一分離的加熱反應室中進行上述的硬烘烤製程。在一實施例中，可在約100℃至約200℃之溫度範圍內進行上述的硬烘烤製程。在一特定之範例中，係在約130℃至約150℃之溫度範圍內進行上述的硬烘烤製程。可在一段從約1秒至約60秒之時間內進行上述的硬烘烤製程。例如，在一硬烘烤製程中持續進行上述之硬烘烤約20秒。然而，可以理解的是，可使用其他之溫度與時間於本揭露之系統與方法中。
第6與7圖係硬遮罩特徵212與230以及具有尖銳轉角222與234之空腔214與232之不同實施例的俯視圖， 其中填滿了高分子聚合物之薄膜層220並實施了上述本揭露之硬烘烤製程。
如上所述，上述噴塗塗佈之高分子聚合物薄膜可形成在半導體基材上之任何圖案化特徵之上。在一實施例中，於一半導體裝置之上形成薄膜的製程可包含使用多邊可圖案化(Multiple Edge Enabled Patterning；MEEP)製程，其中MEEP製程係使用間隔件圖案化技術(Spacer Patterning Technology)，以使得末端對未端(End-To-End)之間隔件薄膜之圖案合併。上述之間隔件圖案化技術可稱之為節距減半(Pitch-Halving)製程，且在2009年2月12日提出申請而專利申請號為12/370,152的專利申請案中有更詳細之描述，其中上述之專利申請案係於2010年8月12日公開，其美國公開號為2010/0203734A1。因此，上述受到氧化之間隔件薄膜之頂部(Roof)為開放的，且噴塗塗佈氣化之高分子聚合物液體以在間隔件氧化薄膜之上提供非常薄之薄膜。接著，可對上述高分子聚合物薄膜進行硬烘烤製程，以填滿特徵之內側轉角的微小孔隙。可蝕刻底部硬烘烤薄膜以平順化上述之內側轉角。其它實施例可使用低溫及/或室溫(Room Temperature)原子層沉積(Atomic Layer Deposition；ALD)工具來沉積ALD氧化物或ALD氮化矽(SiN)薄膜，且其他實施例可使用二遮罩圖案化製程(Two Mask Patterning Process)。
由以上所述，應理解的是，用以形成一薄膜之氣化噴塗沉積裝置之一實施例包含製程反應室、流體管線及耦合至鄰近於製程反應室之流體管線的噴塗頭。上述流體管線 係配置以傳輸高分子聚合物流體與溶劑混合物至上述之噴塗頭。而上述之噴塗頭係配置以接收高分子聚合物流體與溶劑混合物，並用以霧化高分子聚合物流體與溶劑混合物，藉此以實質氣化之形式將其發射，使其沉積於一表面，因此，在上述溶劑蒸發之後，於上述表面形成高分子聚合物薄膜。
在提供於此之另一實施例中，光阻噴塗沉積系統包含製程反應室、流體管線、耦合至鄰近於製程反應室之流體管線的噴塗頭及位在製程反應室中之加熱裝置。上述流體管線係配置以傳輸光阻液體。而上述噴塗頭係配置以接收來自於流體管線之光阻液體，並用以霧化光阻液體，藉此以實質氣化之形式將其發射。上述加熱裝置係配置以提供硬烘烤製程至接收上述光阻液體之一半導體晶圓。
在又一實施例中，本揭露提供將薄膜應用至半導體晶圓表面的方法。此方法包含提供氣化噴塗沉積系統，並提供半導體裝置晶圓。此方法更包含，將半導體裝置晶圓設置在鄰近於位在氣化噴塗沉積系統之上之霧化噴塗頭之處。此外，此方法包含朝上述之半導體裝置晶圓霧化高分子聚合物/溶劑溶液，進而沉積上述溶液於半導體裝置晶圓之上。
相較於習知之系統，於此所描述之氣化沉積系統與方法提供許多優點，這些優點中之一些優點包含如下：
因高分子聚合物之黏著力(Cohesion)，因此提供位在半導體裝置之上之平順的高分子聚合物表面，高分子聚合物本質地(Inherently)填充傳統之微小高分子聚合物表面孔 隙；改善傳統線邊/寬的粗糙度(Roughness)；改善傳統MEEP製程中狹縮尖峰空間(Pinched Peak Space)；提供可用於植入處理之實質均勻之共形光阻厚度；相較於ALD處理時，此為較低成本之製程；以及降低塗層之污染物。
對於此技術領域具有通常知識者來說，上述之優點、其他特徵及優點應為明顯的。
因此，本揭露提供氣化高分子聚合物噴塗沉積系統與方法。當上述系統與方法已揭露特定之特徵，本揭露可有利於現在已知或未來將發展之任何半導體製程。當前述之敘述顯示或描述了一個或多個實施例，熟悉此技藝者可理解的是，在不脫離本揭露之精神與範圍內，可在形式以及細節上做各種的變化。因此，以下之申請專利範圍應以廣泛之方式加以詮釋，以符合本揭露。
100‧‧‧方法
102‧‧‧區塊
104‧‧‧區塊
106‧‧‧區塊
108‧‧‧區塊
110‧‧‧區塊
200‧‧‧噴塗沉積裝置
202‧‧‧製程反應室
203‧‧‧空氣或其他氣體
204‧‧‧噴塗頭
204A‧‧‧噴塗頭
204B‧‧‧噴塗頭
205‧‧‧排氣口
206‧‧‧流體管線
206A‧‧‧流體管線
206B‧‧‧流體管線
207‧‧‧晶圓挾持器
208‧‧‧氣化混合物
209‧‧‧加熱裝置
210‧‧‧晶圓
212‧‧‧硬遮罩層
214‧‧‧空腔
220‧‧‧薄膜層
222‧‧‧尖銳轉角
230‧‧‧硬遮罩特徵
232‧‧‧空腔
234‧‧‧尖銳轉角
第1圖係形成薄膜層於一晶圓上之方法之實施例的流程圖。
第2圖係繪示氣化噴塗沉積裝置之實施例的剖面示意圖，其中氣化噴塗沉積裝置係對應於第1圖之方法的步驟。
第2A圖係繪示氣化噴塗沉積裝置之一實施例的透視示意圖，其中氣化噴塗沉積裝置係對應於第1圖之方法的 步驟。
第3圖係繪示半導體晶圓以及具有各種擡升特徵之硬遮罩層之實施例的剖面示意圖。
第4及5圖係第2圖之氣化噴塗沉積裝置之實施例，以及第3圖之半導體晶圓與硬遮罩層之實施例處於形成薄高分子聚合物薄膜之不同階段的剖面示意圖。
第6與7圖係硬遮罩特徵以及其中具有尖銳轉角之空腔之不同實施例的俯視圖，其中填滿了薄膜塗層。
200．．．噴塗沉積裝置
204．．．噴塗頭
206．．．流體管線
208．．．氣化混合物
210．．．晶圓
212．．．硬遮罩層
214．．．空腔
220．．．薄膜層

Claims (3)

  1. 一種塗設薄膜至半導體晶圓表面之方法，其中該方法包含：提供一半導體裝置晶圓，其中該半導體裝置晶圓具有一基材以及自該基材延伸之複數個硬遮罩特徵，該些硬遮罩特徵具有複數個空腔，該些空腔具有複數個尖銳轉角；設置該半導體裝置晶圓於鄰近一氣化噴塗沉積系統之一霧化噴塗頭之處；利用該霧化噴塗頭霧化(Atomizing)一光阻流體，以獲得小於25微米的液滴(Droplet)尺寸；利用該霧化噴塗頭沉積霧化後的該光阻流體，以填充該些空腔並覆蓋該些尖銳轉角；以及利用該氣化噴塗沉積系統之一加熱元件進行一硬烘烤製程，以形成一光阻薄膜在該些硬遮罩特徵上，其中該硬烘烤製程係進行在與該霧化噴塗頭之相同之一反應室，該些尖銳轉角係被該光阻薄膜所圓化(rounded)。
  2. 如請求項1所述之方法，更包含：在相同之該反應室中利用該霧化噴塗頭沉積一溶劑以進行溶劑噴塗移除製程。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該光阻薄膜的厚度小於100埃(Angstrom)。
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