TWI631611B - 高深寬比結構之無坍陷乾燥方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種具有複數結構之蝕刻層的乾燥方法，其中蝕刻層在複數結構之間有蝕刻空間。在蝕刻層上的蝕刻空間中設置一液體，該液體被一含有溶劑之乾燥用溶液排開後，部分該溶劑自該乾燥用溶液中移除，以自該溶液形成固態物，其中該固態物至少填充該等高深寬比之蝕刻空間之高度的一半，然後將該固態物移除。

Description

高深寬比結構之無坍陷乾燥方法
本發明係關於半導體元件的形成，特別是關於一種在半導體元件的形成過程中，自基板移除液體的設備或方法。
在半導體晶圓處理過程中，濕式製程需要在後來將液體自半導體元件移除。
隨著半導體元件的尺寸持續地縮小化，需要更高的深寬比達到希望的元件性能。微電子/半導體元件的製造需要多個程序步驟的反覆流程，如材料的沉積、平坦化、特徵物的圖案化、特徵物的蝕刻及特徵物的潔淨。對高深寬比結構的需求引發了傳統製程的考驗；一般佔了整個製造流程中25%以上的濕式製程，如蝕刻和潔淨，因其在乾燥過程中產生的毛細作用力，使得高深寬比的特徵物別具挑戰性。毛細作用力的強度取決於蝕刻、潔淨或沖洗等需被乾燥化之液體的表面張力及接觸角度，還有特徵物間隔及其深寬比。如果在乾燥過程中產生的作用力過強，則高深寬比之特徵物將互相坍陷其上而發生黏滯之可能；特徵物的坍陷和黏滯會嚴重地降低元件的良率。
根據本發明的目的並達到上述的功能，提供一種具有複數結構之蝕刻層的乾燥方法，其中該蝕刻層在該等複數結構之間有蝕刻空間。在該蝕刻層上的蝕刻空間中設置一液體，該液體被一含有溶劑之乾燥用溶液排開後，部分該溶劑自該乾燥用溶液中移除，以自該溶液中形成固態物，其中該固態物至少填充該等高深寬比的蝕刻空間之高度的一半，然後移除該固態物。
本發明之另一表現形式，係提供一用以乾燥潮濕基板的設備；設置一用於接收潮濕基板的腔室；一濕式傳送站傳送該潮濕基板進入該腔室；一用於支撐及靜電夾持該潮濕基板的靜電夾具(electrostatic chuck, ESC)置於該腔室中；設置一支撐/乾燥用溶液源，以及一支撐/乾燥用溶液源分配器，自該支撐/乾燥用溶液源分配該支撐/乾燥用溶液至潮濕基板；設置一用以旋轉該基板的馬達，並包含提供向下噴流之電漿至腔室內的一向下噴流電漿源，一真空泵流體連通於該腔室。
本發明的這些及其他特徵將在下述本發明的詳細說明中，配合其後的圖式仔細描述。
現將本發明以數個相關較佳實施方式詳細說明並隨其附圖闡述。在以下說明中，將列舉諸多特定細節以提供對本發明之完整理解。但是對熟悉本技術領域之人員而言，顯然本發明之實施可能不需要某些或全部的特定細節；另一方面，將不詳細描述已廣為習知的程序步驟和/或結構，以避免對本發明多餘的混淆。
在現有和先前技術中，具有低於去離子水之表面張力的其他潤濕液體已應用於防止特徵物之坍陷，儘管此方法已順利應用於較低深寬比的結構，在較高的深寬比及較小的特徵物間隔上仍遭遇和去離子水相同的坍陷及黏滯問題，其失效之論據在於該較低表面張力之流體仍存在一不可忽略的表面張力，此張力在乾燥過程中產生對脆弱的特徵物過於強烈的毛細作用力。一種乾燥此高深寬比結構的可選方法是以超臨界流體溶解和沖去該潤濕液體；超臨界流體幾乎不存在表面張力，因此能免除毛細作用力引致的特徵物坍陷。儘管超臨界流體有諸多好處，實施該種流體仍存在許多技術及量產的考驗，包括昂貴的設備及安規成本、冗長的製程時間、過程中溶劑的特性變異、由於該液體的擴散及可調控性質而造成的製程極端敏感度，以及該液體和反應腔室部件接觸時產生的晶圓缺陷/汙染問題。另一種防止高深寬比結構坍陷的方法是沉積一固定存在的週期性物理支撐結構以支撐該特徵物，但是此方法仍需在昂貴成本及對產率、良率有負面影響的製程複雜性之間權衡妥協；再者，由於該物理結構之固定存在性，此週期性支撐物受限於某些態樣的結構而非一穩健活用的解決方式。因此，期望一種能毫髮無傷地自半導體/微電子元件上移除液體的替代方法和系統。 示例：
本發明之一實施範例，係在一蝕刻層上形成一光罩(步驟104)；圖2A是本發明實施方式中具有蝕刻層204的堆疊層200橫剖面圖，其中蝕刻層204上設有一圖案光罩208。本例中，蝕刻層204為矽基底或金屬基底，如矽(Si)、二氧化矽(SiO2 )、氮化矽(SiN)或氮化鈦(TiN)。蝕刻層204可在一基板212上，蝕刻層204和基板212之間可以有一個或多個其他層體。在另一實施方式中，蝕刻層204可以是基板212的一部分，例如蝕刻層204為矽基底的矽氧化材料，四乙基矽氧烷(tetraethyl orthosilicate，TEOS)。
蝕刻層204經由光罩208蝕刻(步驟108)，圖2B為堆疊層200的橫剖面圖，其中蝕刻層204經蝕刻後，形成深寬比達到至少10:1的複數個結構216，並在複數個結構216之間具有複數個蝕刻空間220。本示例中，係使用乾式蝕刻對蝕刻層204進行蝕刻，但其他實施方式亦可使用濕式蝕刻；本示例中，在特徵物寬度為30~32nm下，該等蝕刻空間被蝕刻至深度340~342nm。
移除光罩(步驟112)，圖2C為光罩移除後之堆疊層200的橫剖面圖。本實施方式中，光罩乃以乾式製程移除，例如灰化該光罩以移除光罩的灰化程序。在其他實施方式中，也可使用濕式製程移除光罩。.
在蝕刻層設置一液體(步驟116)，圖2D為在蝕刻層204上設置液體224之堆疊層200的橫剖面圖，使得該液體224充滿複數個高深寬比結構216之間的空間。液體224可以是為濕式製程而供予的，例如灰化後的潔淨或潤濕。在另一實施方式中，該液體可用於移除光罩，使得光罩的移除(步驟112)和液體224的設置(步驟116)同步發生。在另一實施方式中，對蝕刻層204的蝕刻(步驟108)可使用濕式蝕刻，使得對蝕刻層204的蝕刻(步驟108)和液體224的設置(步驟116)同步發生，此實施方式中，光罩可以在接續的步驟中移除(步驟112)，或在對蝕刻層204的蝕刻(步驟108)以及液體224的設置(步驟116)時同步移除。只要最終能設置蝕刻層204具有在蝕刻空間220充滿液體224的高深寬比結構216，也可以使用其他結合步驟。本示例使用氟化氫(HF)溶液清潔蝕刻後的結構。
基板212可被傳送至一犧牲/支撐/乾燥用系統，圖3為本發明實施方式中，作為犧牲/支撐/乾燥用系統300之範例示意圖。一乾燥用溶液源304流體連通於犧牲/支撐/乾燥腔室302，一靜電夾具308置於支撐/乾燥腔室302中以支撐如晶圓等的基板212。犧牲/支撐/乾燥系統300更包含一濕式傳送站332，濕式傳送站332提供一種傳送上方配有液體310的基板212進入犧牲/支撐/乾燥腔室302的方法，並設有可控制氣壓的真空密封墊。該犧牲/支撐/乾燥系統300更包含一真空泵浦316；一向下噴流的電漿源352流體連通於犧牲/支撐/乾燥腔室302。
本實施方式中，靜電夾具308包含一接觸層312、一熱力系統層318和一支撐體320；一溫控器384電性連接於熱力系統層318；一夾具電源357提供一夾持電壓將基板212靜電夾持在靜電夾具308上；一軸承328連接在靜電夾具308和馬達319之間。
一控制器370控制連接於溫控器384、夾具電源357、乾燥用溶液源304、真空泵316及馬達319。
圖4顯示本發明之實施方式中，適於實踐控制器370的計算機系統400之高階方塊圖。該計算機系統有多種物理形式，其範疇從積體電路、印刷電路板、小型手持裝置到大型超級電腦。計算機系統400包含一個或多個處理器402，更可包含一電子顯示裝置404 (用以顯示圖案、文字或其他資料)、主記憶體406(如隨機存取記憶體(RAM))、儲存裝置408(如硬碟機)、可抽換儲存裝置410(如光碟機)、使用者介面裝置412(如鍵盤、觸控螢幕、輔助鍵盤、滑鼠或其他指標裝置等)，以及一通訊介面414(如無線網路介面)。該通訊介面414使軟體和資料得以在計算機系統和外部裝置之間經由一連結傳輸。計算機系統400亦可包含一共同通訊基礎結構416(例如通訊匯流排、交叉匯流條或網路)使上述之裝置/模組得以連接。
經由通訊介面414傳輸的資訊，可以是經由一通訊連接的訊號格式，其中該通訊連接能傳載訊號，例如導線、纜線、光纖、電話線、手機連結、無線電頻率連結及/或其他通訊途徑，而該訊號格式可以是電子、電磁、光或是其他能被通訊介面414接收的形式。配備此類通訊介面，一個或多個處理器402在運行上述方法的步驟時，可考慮自電腦網路接收資訊或輸出資訊至電腦網路。再者，本發明之方法實施方式可由處理器402獨立執行或透過電腦網路，例如網際網路，與分擔一部分程序的遠端處理器偕同執行。
專有名詞｢非暫態的計算機可讀取媒介｣一般意指如主記憶體、輔助記憶體、抽換式儲存裝置等媒介，而像是硬碟、快閃記憶體、磁盤儲存記憶體、光碟片及其他形式的持續性記憶體不應被理解為涵蓋了如載波或信號等的｢暫態｣標的。計算機程式碼的示例包括經由編譯器產生的機器碼和含有高階程式語言並由解譯器執行的檔案。由載波形式體現的計算機資料信號所傳遞，並表現為一串可由處理器執行之指令集的計算機程式碼，也可以是一種計算機可讀取之媒介。
將該液體以一乾燥用溶液排開(步驟120)；本實施方式中，該乾燥用溶液包含一溶劑和一種於至少部分該溶劑被移除後可形成固態物的成分。在本說明書和申請專利範圍中，｢固態物｣係定義為結晶質、非晶質玻璃或在特定溫度能維持固態且黏滯係數大於1公泊(centipoise, cp)的材料。在本實施方式中，乾燥用溶液由溶於丙二醇甲醚醋酸酯(propylene glycol monomethyl ether acetate, PGMEA)的聚(4-羥基苯乙烯)組成。在其他實施方式中，該乾燥用溶液可以由水和水溶性的聚合物，或其他可分散於水中的固態物組成。此外，該乾燥用溶液也可以由含有可溶於有機溶劑之聚合物，或其他可分散於有機溶劑之固態物的一有機溶劑組成。在另一實施方式中，含有單體的水或有機溶劑之溶液可以被散布進入該特徵物，隨後在該特徵物內聚合形成固態聚合物。在另一實施方式中，含有聚合物的水或有機溶劑之溶液可以被散布在該特徵物中，其後在該特徵物內交叉藕合形成固態聚合物網路。在本示例中，乾燥用溶液由乾燥用溶液源304分配。
自乾燥用溶液中移除溶劑使得該乾燥用溶液中的成分形成固態物228，如圖2E所示(步驟124)；該部分溶劑較宜以汽化移除。本示例中，係以旋轉蝕刻層產生汽化，旋轉是經由控制器370向馬達319發出信號轉動軸承328所設置，如圖3軸承328旁的箭頭所示；軸承328轉動靜電夾具308連帶轉動基板212。另一實施方式中，係使用熱能引發汽化，該熱能可由對靜電夾具308產生加熱作用的溫控器384設置；另一可選方式是，在無靜電夾持的情況下，以高溫盤支撐乾燥用溶液；另一實施方式是在晶圓上方或下方使用加熱燈提供熱能。較佳的實施方式是經由不額外加熱的旋轉移除該溶劑。該固態物較宜至少填充該等空間的一半高度；較好的是將該固態物填滿該等空間；更好的是能將該固態物填充並滿溢該等空間以完全抵銷來自溶劑汽化的毛細作用力。
移除該固態物，如圖2F所示(步驟128)，較宜使用灰化製程移除該固態物。在本示例中，電漿源352提供一向下噴流之電漿，壓力設置為1000毫托(mTorr)；電漿係使用流量3000sccm的氧氣和200sccm的氮氣之剝除氣體，電漿源352以1800瓦的無線射頻將該剝除氣體形成為電漿；該固態物在沒有靜電夾持力的平台上使用溫控器384加熱至攝氏180度。其中實施方式中，可以使用紫外光分解和汽化該固態物，並隨後在真空腔中泵離。
在高深寬比的線狀或空間結構(深寬比大於11:1)的實驗中，於沒有犧牲/支撐物的情況下，使用水潤濕或即使是較低表面張力的丙二醇甲醚醋酸酯潤濕製程，在乾燥後可能有大於80%的特徵物坍陷；而上述之示例方法則在固態物移除後發現0%的特徵物坍陷；在高深寬比之圓柱結構實驗中(深寬比大於15:1)，水潤濕或即使是較低表面張力的丙二醇甲醚醋酸酯潤濕製程可能造成高於97%的圓柱坍陷；而本發明在已最佳化的固態物移除程序後，則發現0%的圓柱坍陷。
在其他實施方式中，可對一氧化物蝕刻層進行蝕刻以脫膜電容結構；在其他實施方式中，可在同一腔室中完成另外的步驟，也可以在不同腔室中完成另外的步驟。
儘管本發明已按照數個較佳實施方式描述，仍存在落入本發明之範疇的其他可選方案、置換和各種各樣實質相同的替換。亦應當注意存在許多其他實施本發明之方法和設備的可選態樣，因此本發明下述的申請專利範圍涵義應解釋為包含落入本發明之精神及範疇的所有可選方案、置換和各種各樣實質相同的替換。
200‧‧‧堆疊層
204‧‧‧蝕刻層
208‧‧‧光罩
212‧‧‧基板
216‧‧‧高深寬比結構
220‧‧‧蝕刻空間
224‧‧‧液體
300‧‧‧犧牲/支撐/乾燥用系統
302‧‧‧犧牲/支撐/乾燥用腔室
304‧‧‧乾燥用溶液源
308‧‧‧靜電夾具
312‧‧‧接觸層
318‧‧‧熱力系統層
319‧‧‧馬達
320‧‧‧支撐體
316‧‧‧真空泵
332‧‧‧濕式傳送站
352‧‧‧電漿源
357‧‧‧夾具電源
370‧‧‧控制器
384‧‧‧溫控器
400‧‧‧計算機系統
402‧‧‧處理器
404‧‧‧顯示裝置
406‧‧‧主記憶體
408‧‧‧儲存裝置
410‧‧‧可抽換式儲存裝置
412‧‧‧使用者介面裝置
414‧‧‧通訊介面
416‧‧‧共用通訊基礎結構
所附圖式中的態樣，對本發明之描述係示例而非限制；圖式中相近的參考標號關聯至相同性質的元件，其中：
圖1為本發明一實施方式的高階流程圖。
圖2A-F為依照本發明一實施方式的方法所處理之堆疊層剖面示意圖。
圖3為本發明一實施方式中，乾燥用裝置的示意圖。
圖4為適於實踐本發明一實施方式中的控制器之計算機系統示意圖。

Claims (17)

  1. 一種具有複數結構之蝕刻層的乾燥方法，其中該蝕刻層在該複數結構之間有蝕刻空間，該乾燥方法包含以下步驟：在該蝕刻層上的蝕刻空間中設置一液體；將該液體以一包含溶劑之乾燥用溶液排開；自該乾燥用溶液移除部分溶劑以自該溶液形成固態物，該固態物至少填充該等蝕刻空間的一半高度；及然後，利用向下噴流之電漿灰化將該固態物移除。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥方法，其中該固態物完全填充該等蝕刻空間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的乾燥方法，其中該部分溶劑以旋轉、加熱或兩者併用的方式移除。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的乾燥方法，其中該固態物以向下噴流之電漿灰化與紫外光劣化之組合的方式移除。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的乾燥方法，其中該固態物選自：結晶質、非晶質玻璃或黏滯係數大於1公泊(centipoise,cp)之材料。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的乾燥方法，其中該固態物的移除相對於該蝕刻層為極大的選擇性。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的乾燥方法，其中該固態物與該蝕刻層之材料無化學反應。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的乾燥方法，其中該固態物填充並滿溢於該複數結構間之該等蝕刻空間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的乾燥方法，其中該溶劑選自以下至少一者：水或有機溶液，且其中該溶液更包含可形成聚合物之成分。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥方法，其中該蝕刻層為矽基底或金屬基底。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥方法，其中至少部分之該複數結構具有10：1以上之深寬比。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥方法，其中該部分溶劑以旋轉、加熱或兩者併用的方式移除。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥方法，其中該固態物以灰化、紫外光劣化或兩者併用的方式移除。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥方法，其中該固態物選自：結晶質、非晶質玻璃或黏滯係數大於1公泊之材料。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥方法，其中該固態物與該蝕刻層之材料無化學反應。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥方法，其中該溶劑選自以下至少一者：水或有機溶液，且其中該溶液更包含可形成聚合物之成分。
  17. 一種用於乾燥潮濕基板的設備，包含：一腔室，接收該潮濕基板，該潮濕基板包含：(i)一蝕刻層，其具有：(a)複數結構；及(b)該複數結構之間的蝕刻空間；以及(ii)設置於該蝕刻層上之該等蝕刻空間內的一液體； 一濕式傳送站，傳送該潮濕基板進入該腔室；一靜電夾具，支持和靜電夾持該潮濕基板於該腔室中；一支撐/乾燥用溶液源；一支撐/乾燥用溶液源分配器，自該支撐/乾燥用溶液源分配支撐/乾燥用溶液至該潮濕基板，該支撐/乾燥用溶液排開該液體且包含一溶劑；一馬達，旋轉該基板，以移除該支撐/乾燥用溶液的部分溶劑，該支撐/乾燥用溶液之溶劑的移除步驟自該支撐/乾燥用溶液形成一固態物，其中該固態物至少填充該等蝕刻空間的一半高度；一向下噴流之電漿源，提供一向下噴流電漿至腔室內，以藉由向下噴流之電漿灰化移除該固態物；一溫控器，控制該基板之溫度；及一真空泵，流體連通於該腔室。
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