TWI711069B - 半導體製程中之矽氫化 - Google Patents
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Abstract
一種形成半導體裝置之實例可包含：藉由將包含圖案化特徵部之矽結構曝露於一含氟化氫(HF)溶液而在該矽結構上形成矽-氫(Si-H)終止表面；及藉由將該Si-H終止表面曝露於烯烴及/或炔烴而經由矽氫化執行一表面改質。
Description
本發明大體上係關於半導體製程，且更特定言之係關於在半導體製程中使用矽氫化。
半導體製程(例如，製造)可用於形成半導體裝置，諸如積體電路、記憶體裝置、微機電裝置(MEMS)等。
可藉由半導體製程形成之記憶體裝置之實例包含但不限於：揮發性記憶體(例如，其可需要電力以維持其資料)，諸如隨機存取記憶體(RAM)、動態隨機存取記憶體(DRAM)、同步動態隨機存取記憶體(SDRAM)等；及非揮發性記憶體(例如，其可藉由在未被供電時保持經儲存資料而提供永久性資料)，諸如NAND快閃記憶體、NOR快閃記憶體、唯讀記憶體(ROM)、電可擦除可程式化ROM (EEPROM)、可擦除可程式化ROM (EPROM)等。
半導體製程可涉及形成可稱為一晶圓或基板之(例如，矽之)一半導體上及/或中的特徵部(例如，圖案)。在一些實例中，諸如矽基材料(例如，氧化矽(SiO)、碳化矽(SiN)、原矽酸四乙酯(TEOS)及/或多晶矽)之一或多個材料可形成於半導體上。例如，可使用一沈積程序(諸如物理氣相沈積(PVD)、化學氣相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)、電化學沈積及/或分子束磊晶等)將一或多個材料形成於半導體上。
隨後，可諸如藉由濕式及/或乾式蝕刻移除一或多個材料之部分(及在一些例項中，半導體之部分)以形成特徵部。在一些實例中，特徵部可具有高高寬比(例如，高度對寬度或直徑之比)且可被稱為高高寬比(HAR)特徵部。例如，特徵部可能藉由HAR開口彼此分離。
在製程期間，半導體及特徵部可經受濕式製程(諸如濕式清潔)及後續乾燥。例如，濕式清潔可有助於諸如藉由移除程序或其他製程移除留下的殘餘物。
本發明包含與形成半導體裝置(諸如積體電路、記憶體裝置、MEMS等)相關聯之製程方法。形成半導體裝置之一實例可包含：藉由將包含圖案化特徵部之矽結構曝露於一含氟化氫(HF)溶液而在該矽結構上形成矽-氫(Si-H)終止表面；及藉由將該Si-H終止表面曝露於烯烴及/或炔烴而經由矽氫化執行一表面改質。
相較於先前方法，本發明之實施例提供技術優點，諸如降低製程期間之特徵部倒塌(例如，傾倒)及特徵部之間之黏滯的可能性。例如，若干實施例執行矽氫化表面改質程序，該矽氫化表面改質程序用於藉由更改矽結構上之液體之接觸角以降低特徵部之間之毛細管壓力及/或降低特徵部之間之黏滯力而防止特徵部倒塌(例如，有時稱為圖案倒塌)。
一些先前方法可包含使用與表面OH基團反應之矽烷執行表面改質。此等先前方法無法有效地防止特徵部倒塌及/或降低包含具有10比1或更大之高寬比之特徵部之結構上的黏滯力。先前方法亦可包含使表面氧化使得矽烷可對表面起反應且改質表面，此導致在使表面氧化時之材料損耗。
矽結構在一濕式清潔程序期間及/或在製造期間在工具間移動時可曝露於水分。例如，矽結構之特徵部可曝露於水，及/或來自空氣之水蒸氣可在結構之表面上冷凝(例如，形成液體冷凝物)。此對於在特徵部之間具有小開口(諸如HAR特徵部)之結構可成問題。例如，液體冷凝物可形成於特徵部之間之開口中。高表面張力可由開口中之液體產生，此可能引起特徵部朝向彼此傾倒(例如，倒塌)而使相鄰特徵部彼此接觸。例如，圖1繪示傾倒(例如，倒塌)至一鄰近特徵部中之一特徵部101及傾倒至彼此中(例如，其有時被稱為橋接)之一對相鄰特徵部102。此可導致半導體裝置結構中之缺陷，且甚至可致使半導體裝置無法操作。在本發明之若干實施例中，矽氫化表面改質程序可藉由更改矽結構上之液體之接觸角以降低矽結構之特徵部之間之毛細管壓力及/或降低特徵部之間之黏滯力而防止特徵部倒塌(例如，有時稱為圖案倒塌)。
在以下詳細描述中，參考形成其之一部分且其中藉由圖解展示特定實例之隨附圖式。在圖式中，貫穿數個視圖，相似數字描述實質上類似組件。可利用其他實例，且可在不脫離本發明之範疇之情況下進行結構及電氣改變。因此，以下詳細描述不應被視為限制意義，且本發明之範疇僅由隨附發明申請專利範圍及其等效物定義。
術語半導體可指代例如一材料層、一晶圓或一基板且包含任何基底半導體結構。「半導體」應被理解為包含藍寶石上覆矽(silicon-on-sapphire) (SOS)技術、絕緣體上覆矽(silicon-on-insulator) (SOI)技術、薄膜電晶體(TFT)技術、經摻雜及無經摻雜半導體、由一基底半導體結構支撐之矽之磊晶層以及其他半導體結構。此外，當在以下描述中提及一半導體時，可能已利用先前程序步驟形成基底半導體結構中之區/接面，且術語半導體可包含含有此等區/接面之下伏層。
本文中之圖遵循一編號慣例，其中首位或前幾位數字對應於圖式圖號且剩餘數字識別圖式中之一元件或組件。可藉由使用類似數字而識別不同圖之間之類似元件或組件。例如，211可在圖2A中指涉元件「11」，且一類似元件在圖2B中可指涉為211。如將暸解，可添加、交換及/或消除在本文中之各項實施例中展示之元件以提供本發明之若干額外實施例。另外，如將暸解，在圖中提供之元件之比例及相對尺度意欲繪示本發明之實施例且不應被視為限制意義。
圖2A至圖2C繪示根據本發明之若干實施例之與形成一半導體裝置(諸如一積體電路之一部分、一記憶體裝置、一MEMS等)相關聯的製程步驟之橫截面視圖。例如，製程步驟可與形成一DRAM記憶體裝置、一NAND快閃記憶體裝置、一NOR快閃記憶體裝置等(例如，其之一記憶體陣列)相關聯。
圖2A描繪在已發生數個製程步驟之後之一結構(例如，其待用於一半導體裝置中)。結構可包含一基底結構，諸如一基板206 (例如，一半導體)。在一些實例中，可使用例如一沈積程序(諸如PVD、CVD、ALD、電化學沈積及/或分子束磊晶等)將一或多個材料210 (諸如矽基材料)形成於半導體206之一表面208 (諸如一上表面)上(例如，其上方)。
藉由移除結構之部分(諸如一或多個材料210之部分及半導體206之部分)而形成特徵部211，諸如微特徵部(例如，其具有約0.1微米至約100微米之一寬度或直徑)及/或奈米特徵部(例如，其具有約0.1奈米至約100奈米之一寬度或直徑)。移除程序形成穿過一或多個材料210而停止於半導體206上或中(例如，如圖2A中展示)之開口212，諸如空間(例如，溝槽)。例如，一開口212可介於相鄰特徵部211之間。在一些實例中，各自特徵部211之各者包含一或多個材料210及半導體206之一部分。
在一些實例中，半導體206中之開口212 (例如，低於表面208)之部分可對應於隔離區(諸如淺溝槽隔離(STI)區)及/或高高寬比特徵部(諸如在形成電容器、電晶體及其他電組件時使用之特徵部)。在一實例中，一特徵部211可完全為半導體206，且開口212可對應於STI區。特徵部211可為HAR特徵部，且開口212可為HAR開口。例如，一HAR可具有10比1、25比1或更大之一高度對寬度或直徑比。
在一些實例中，開口212及因此圖2A中之結構可使用一乾式製程工具(未展示) (諸如乾式移除工具(例如，乾式蝕刻工具))使用一乾式移除程序(諸如一乾式蝕刻)而形成。一遮罩(未展示) (諸如成像抗蝕劑(例如，光阻劑))可形成於一或多個材料210上方且經圖案化以曝露一或多個材料210之區。隨後，可諸如藉由乾式蝕刻程序移除經曝露區以形成可終止於半導體206上或中之開口212。
可經由濕式清潔工具(例如，作為濕式清潔程序之部分)自圖2A之結構移除來自乾式蝕刻程序之殘餘材料以清潔特徵部211之間之開口212。在一實例中，濕式清潔程序可在一惰性氣氛中執行，使得未將圖2A之結構曝露於一反應性氣體(例如，O2
)。
在一些實例中，濕式清潔可包含一水性濕式清潔，該水性濕式清潔可包含氫氟酸(HF)。在一實例中，一水性濕式清潔可包含一標準清潔-1 (SC-1) (例如，其用於移除有機物、顆粒及膜)，該SC-1可包含去離子(DI)水、水性氫氧化銨及水性過氧化氫。在一些例項中，可在SC-1之後作為水性濕式清潔之部分執行一標準清潔-2 (SC-2) (例如，其用於移除金屬離子)，該SC-2可包含去離子(DI)水、水性鹽酸及水性過氧化氫。濕式清潔程序可進一步包含運用一DI水清洗、其後接著一溶劑(例如，異丙醇(IPA))清洗之水性濕式清潔，其後接著乾燥(諸如旋轉乾燥)以形成圖2A之結構。
如圖2B中展示，可在濕式清潔程序之後對圖2A之結構執行矽氫化表面改質程序。表面改質程序可減少特徵部211之間之特徵部倒塌及黏滯。可藉由將結構曝露於一含HF溶液(例如，0.1%至49%之HF或NH4
F)而形成結構之矽氫(Si-H)及/或矽氟(Si-F)終止表面。可使用一單一晶圓旋轉清潔工具將含HF溶液施覆至結構。
例如，可經由DI水清洗移除含HF溶液，且DI水可與一溶劑(諸如IPA)交換。可將結構移動至另一腔室用於在藉由一溶劑覆液(solvent puddle)保護時進行進一步處理。
矽氫化表面改質程序可藉由運用表面改質化學品214使溶劑移位而繼續。表面改質化學品214可包含烯烴及/或炔烴且可施覆至結構之Si-H及/或Si-F終止表面。可施覆純的及/或由烴溶劑稀釋之表面改質化學品214。表面改質化學品214可包含具有5個至20個碳原子之一支鏈或無支鏈末端烯烴(例如，1-戊烯及/或1-二十碳烯)、具有5個至15個碳原子之一支鏈或無支鏈末端炔烴(例如，1-戊炔及/或1-十五炔)、具有5個至20個碳原子之一支鏈或無支鏈末端烯烴(例如，1-戊烯及/或1-二十碳烯)、含有苯乙烯基之化合物(例如，苯乙烯)、含有苯乙炔基之化合物(例如，1-乙炔基-4-戊基苯及/或4-三級丁基苯乙炔)、含有乙烯基或乙炔基及甲矽烷基之化合物(例如，乙炔基三甲基矽烷及/或乙烯基三甲基矽烷)，及/或含有碳氟化合物及乙烯基之化合物(例如，1H、1H、2H-全氟-1-辛烯)等。
在將具有終止Si-H及/或Si-F表面之結構曝露於表面改質化物品214之後，可將結構加熱至大約100°C至300°C。可調節腔室中之壓力以控制表面改質化學品214及/或溶劑之蒸發。一旦表面改質完成，便可經由蒸發(例如，旋轉去除(spin-off)及/或使腔室通向大氣壓)移除過量表面改質化學品及/或溶劑。
如圖2C中展示，可經由一乾式電漿剝離程序移除表面改質劑。圖2C中之結構可包含特徵部211，特徵部211經由一濕式清潔程序其後接著矽氫化表面改質程序形成並清潔以減少乾燥結構時之特徵部倒塌及黏滯。圖2C中之結構準備好進行進一步製程步驟。
圖3係根據本發明之若干實施例之結合與形成一半導體裝置相關聯之製程步驟使用的一製程設備之一方塊圖圖解。製程設備可包含：一腔室340，其用於執行矽氫化表面改質程序及/或將固體犧牲材料形成於結構之開口中；一載體342，其可固持一批半導體晶圓343；及工具，例如一泵344、一氣體沖洗346及一溫度控制件348，其等可經由昇華移除固體犧牲材料。一製造系統可包含各自經組態以在一製造期間執行特定程序(例如，一濕式蝕刻程序、一乾式蝕刻程序及/或一沈積程序等)之若干腔室(例如，若干腔室340)。
可在腔室340中對圖2A之結構執行矽氫化表面改質程序。可藉由將結構曝露於一含HF溶液(例如，0.1%至49%之HF或NH4
F)而形成晶圓343之結構之矽氫(Si-H)及/或矽氟(Si-F)終止表面。可在腔室340中使用一單一晶圓旋轉清潔工具將含HF溶液施覆至結構。
例如，可經由DI水清洗移除含HF溶液，且DI水可與一溶劑(諸如IPA)交換。可將結構移動至另一腔室用於在藉由一溶劑覆液保護時進行進一步處理。
矽氫化表面改質程序可藉由運用表面改質化學品使溶劑移位而繼續。表面改質化學品可包含烯烴及/或炔烴且可施覆至結構之Si-H及/或Si-F終止表面。
在將具有終止Si-H及/或Si-F表面之結構曝露於表面改質化物品之後，可經由溫度控制件348將結構加熱至大約100°C至300°C。可經由泵344調節腔室中之壓力以控制表面改質化學品214及/或溶劑之蒸發。一旦表面改質完成，便可經由氣體沖洗346經由蒸發(例如，旋轉去除及/或使腔室通向大氣壓)移除過量表面改質化學品及/或溶劑。
圖4係一設備(諸如一記憶體裝置450)之一方塊圖。例如，記憶體裝置450可為一揮發性記憶體裝置(諸如一DRAM)、一非揮發性記憶體裝置(諸如NAND快閃記憶體或NOR快閃記憶體)等。例如，記憶體裝置450可至少部分使用諸如先前結合圖2A至圖2C描述之製程形成。
記憶體裝置450包含耦合至一記憶體陣列454 (諸如一DRAM陣列、一NAND陣列、一NOR陣列等)之一控制器452，諸如一特定應用積體電路(ASIC)。例如，記憶體陣列454可至少部分根據先前描述之製程形成。
控制器452可控制記憶體裝置450上及記憶體陣列454之操作，包含例如資料感測(例如，讀取)及資料程式化(例如，寫入)。記憶體裝置450可耦合至一主機裝置(圖4中未展示)。
相較於先前方法，本發明之實施例提供技術優點，諸如降低製程期間之特徵部倒塌(例如，傾倒)及特徵部之間之黏滯的可能性。例如，若干實施例執行矽氫化表面改質程序，該矽氫化表面改質程序用於藉由更改矽結構上之液體之接觸角以降低特徵部之間之毛細管壓力及/或降低特徵部之間之黏滯力而防止特徵部倒塌(例如，有時稱為圖案倒塌)。
儘管本文中已繪示及描述特定實例，然一般技術者將暸解，經計算以達成相同結果之一配置可取代所展示之特定實施例。本發明意欲涵蓋本發明之一或多項實施例之調適或變動。應瞭解，已以一闡釋性方式而非一限制性方式進行上述描述。應參考隨附發明申請專利範圍以及此等發明申請專利範圍所授權之等效物之全範圍判定本發明之一或多個實例之範疇。
101‧‧‧特徵部
102‧‧‧特徵部
206‧‧‧基板/半導體
208‧‧‧半導體之表面
210‧‧‧材料
211‧‧‧特徵部
212‧‧‧開口
214‧‧‧表面改質化學品
340‧‧‧腔室
342‧‧‧載體
343‧‧‧半導體晶圓
344‧‧‧泵
346‧‧‧氣體沖洗
348‧‧‧溫度控制件
450‧‧‧記憶體裝置
452‧‧‧控制器
454‧‧‧記憶體陣列
圖1呈現特徵部傾倒之各種實例。
圖2A至圖2C繪示根據本發明之若干實施例之與形成一半導體裝置相關聯的製程步驟之橫截面視圖。
圖3係根據本發明之若干實施例之結合與形成一半導體裝置相關聯之製程步驟使用的一製程設備之一方塊圖圖解。
圖4係至少部分根據本發明之若干實施例形成之一設備之一方塊圖圖解。
206‧‧‧基板/半導體
208‧‧‧半導體之表面
211‧‧‧特徵部
212‧‧‧開口
Claims (15)
- 一種用於形成一半導體裝置之方法，其包括：藉由將包含經圖案化的特徵部之一矽結構曝露於一含氟化氫(HF)溶液而在該矽結構上形成一矽-氫(Si-H)終止表面(terminated surface)；經由一去離子(DI)水清洗(water rinse)移除該含HF溶液；在該矽結構上之該Si-H終止表面上形成一溶劑；及藉由將該Si-H終止表面曝露於一烯烴(alkene)及/或一炔烴(alkyne)而經由矽氫化(hydrosilylation)執行一表面改質。
- 如請求項1之方法，其進一步包含在執行該表面改質之前在該矽結構上之該Si-H終止表面上形成該溶劑。
- 如請求項1之方法，其進一步包含在執行該表面改質之後經由蒸發移除該烯烴及/或該炔烴之部分。
- 如請求項1之方法，其進一步包含在執行該表面改質之後經由一電漿剝離程序移除該烯烴及/或該炔烴之部分。
- 如請求項1至4中任一項之方法，其中執行該表面改質包含：將該矽結構加熱至大約100℃與300℃之間。
- 一種用於形成一半導體裝置之方法，其包括： 形成一矽結構上之特徵部；對該矽結構執行一濕式清潔操作以移除在形成該矽結構上之該等特徵部之後留在該矽結構上之材料，其中該濕式清潔操作包含將該矽結構曝露於一含氟化氫(HF)溶液；及藉由將該矽結構曝露於一烯烴及/或一炔烴而經由矽氫化執行該矽結構之一表面改質，其中該烯烴及/或炔烴使該矽結構上之一溶劑移位。
- 如請求項6之方法，其進一步包含回應於執行該濕式清潔操作而將該矽結構曝露於該溶劑。
- 如請求項6之方法，其中將該矽結構曝露於該含氟化氫(HF)溶液在該矽結構上形成一矽-氫(Si-H)終止表面。
- 如請求項6至8中任一項之方法，其進一步包含經由去離子水移除該含氟化氫(HF)溶液。
- 如請求項9之方法，其進一步包含將該去離子水與一溶劑交換。
- 一種用於形成一半導體裝置之方法，其包括：藉由使一烯烴及/或一炔烴與一矽結構反應而經由矽氫化對該矽結構之一Si-H終止表面執行一表面改質，其中執行該表面改質包括經由一去離子(DI)水清洗而自該Si-H終止表面移除一含HF溶液及在該矽結構上之該Si-H終止表面上形成一溶劑，其中使該烯烴及/或該炔烴與該矽結構反應 包含使一化合物反應，該化合物係選自包含以下之群組：一苯乙烯(vinylbenzene)；一苯乙炔(ethynylbenzene)；一乙烯基(vinyl)及一甲矽烷基(silyl)；一乙炔基(ethynyl)及一甲矽烷基(silyl)；及一碳氟化合物(fluorocarbon)及一乙烯基(vinyl)。
- 如請求項11之方法，其進一步包含使具有介於5個與20個之間之碳原子之該烯烴與該矽結構反應。
- 一種半導體製程系統，其包括：一第一腔室，其經組態以對一矽結構執行一濕式清潔操作，其中該濕式清潔操作移除在形成該矽結構上之圖案化特徵部之後留在該矽結構上的材料及經由一去離子(DI)水清洗而自該矽結構移除一含HF溶液及在該矽結構上之該Si-H終止表面上形成一溶劑；及一第二腔室，其經組態以藉由將該矽結構曝露於一烯烴及/或一炔烴而經由矽氫化執行該矽結構之一表面改質。
- 如請求項13之系統，其中該第二腔室經組態以在該表面改質期間增加該第二腔室中之壓力。
- 如請求項14之系統，其中該第二腔室經組態以回應於完成該表面改質而藉由降低該第二腔室中之該壓力來移除該烯烴及/或該炔烴。
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