用于沉积低介电常数介电膜的系统和方法与流程

用于沉积低介电常数介电膜的系统和方法
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2020年6月16日提交的美国专利申请第16/902,888号的优先权，所述美国专利申请要求于2020年2月28日提交的美国临时专利申请第62/983,305号的权益，出于所有目的，所述申请以其全文引用方式并入本文。
技术领域
2.本技术涉及沉积工艺和腔室。更具体而言，本技术涉及产生低介电常数(low-k)膜的方法，所述方法可不使用uv处理。


背景技术：

3.通过在基板表面上生产错综复杂图案化的材料层的工艺，可制作集成电路。在基板上产生经图案化材料需要用于形成并移除材料的受控方法。材料特性可能影响装置如何操作，且还可影响相对于彼此移除膜的方式。等离子体增强沉积可产生具有某些特性的膜。为了提供合适的性质，许多膜的形成需要额外处理以调节或增强膜的材料特性。
4.因此，需要可用于产生高品质装置和结构的改良的系统和方法。本技术可满足这些和其他需求。


技术实现要素：

5.形成含硅和碳材料的示例性方法可包括：将含硅和碳前驱物流入半导体处理腔室的处理区域内。半导体处理腔室的处理区域内容置基板。所述方法可包括：在处理区域内形成含硅和碳前驱物的等离子体。可在高于15mhz的频率下形成等离子体。所述方法可包括：将含硅和碳材料沉积于基板上。所沉积的含硅和碳材料的特征在于：低于或约3.0的介电常数。
6.在一些实施例中，含硅和碳前驱物可包括氧。含硅和碳前驱物的特征可在于：大于1的碳对硅比率。可在高于或约27mhz的频率下形成等离子体。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：低于或约2.8的介电常数。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：大于或约1gpa的硬度。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：大于或约5gpa的杨氏模数。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：大于或约3％的甲基结合(methyl incorporation)。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：大于或约1.2的甲基结合对非甲基碳结合(non-methyl carbon incorporation)比率。
7.本技术的一些实施例可包括形成含硅和碳材料的方法。所述方法可包括：将沉积前驱物提供至半导体处理腔室的处理区域内，其中半导体处理腔室的处理区域内容置基板，且其中沉积前驱物的特征在于化学式1：
其中在化学式1中，r1可包括-ch3或-ch2ch3，r2可包括-ch3或-ch2ch3，r3可包括-ch3、-och3或h，且r4可包括-(ch2)nch3、-o(ch2)nch3、-ch＝ch2、-ch
2-ch
2-(ch2ch3)2、-ch
2-ch(ch3)2。所述方法可包括：在处理区域内形成沉积前驱物的等离子体。可在高于27mhz的频率下形成等离子体。所述方法可包括：将含硅和碳材料沉积于基板上。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：低于或约3.0的介电常数。
8.在一些实施例中，沉积前驱物的特征可在于：大于或约3的碳对硅比率。沉积前驱物的特征可在于：大于或约1.5的氧对硅比率。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：低于或约2.8的介电常数。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：大于或约1gpa的硬度。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：大于或约5gpa的杨氏模数。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：大于或约3％的甲基结合。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：大于或约1.2的甲基结合对非甲基碳结合比率。
9.本技术的一些实施例可包括形成含硅和碳材料的方法。所述方法可包括：将含硅和碳和氧前驱物流入半导体处理腔室的处理区域内。半导体处理腔室的处理区域内容置基板。所述方法可包括：在处理区域内形成含硅和碳和氧前驱物的等离子体。可在高于或约27mhz的频率下形成等离子体。所述方法可包括：将含硅和碳材料沉积于基板上。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：低于或约2.9的介电常数。
10.在一些实施例中，所沉积的所述含硅和碳材料的特征在于：大于或约1gpa的硬度。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：大于或约5gpa的杨氏模数。所沉积的含硅和碳材料的特征可在于：大于或约3％的甲基结合。
11.这样的技术可相对于常规系统和技术提供许多益处。举例而言，利用更高频率的功率可改善沉积特性。此外，将低介电常数形成减少为单个腔室工艺可减少生产成本、所有权的成本和生产排程时间。结合以下描述和附图更详细地描述这些和其他实施例以及它们的诸多优点和特征。
附图说明
12.通过参考说明书的其余部分和附图，可进一步了解本文公开的技术的本质和优点。
13.图1示出根据本技术的一些实施例的示例性处理系统的顶部平面视图。
14.图2示出根据本技术的一些实施例的示例性等离子体系统的示意性剖面视图。
15.图3示出根据本技术的一些实施例的半导体处理的示例性方法的操作。
16.以示意方式包括数个附图。应理解到，所述附图仅用于说明的目的，且除非特别说明是按比例绘示，否则不应被视为按比例绘示。此外，作为示意图，提供附图用于帮助理解，且相较于现实的表现，可能不包括所有方面或信息，且出于说明的目的，可包括夸大的材料。
17.在附图中，相似的部件和/或特征结构可具有相同的参考标号。进一步而言，同类的各部件可通过在参考标号后加上字母(所述字母区别类似部件)加以区别。若在说明书中仅使用第一参考标号，则描述适用于具有相同第一参考标号的相似部件中的任何一个，而无论字母为何。
具体实施方式
18.等离子体增强沉积工艺可将能量赋予一种或多种组分前驱物，以促进膜形成于基板上。可生产任何数量的材料膜来发展半导体结构，包括导电膜和介电膜，以及有助于材料转移和去除的膜。举例而言，在诸如dram之类的存储器发展中，可执行膜的沉积来产生单元结构。常规dram可包括一个或多个低介电常数介电膜，可通过执行两步骤操作产生所述一个或多个低介电常数介电膜。可用硅前驱物和致孔剂(porogen)来形成初始膜，接着通过uv处理来释出致孔剂。此工艺可能为耗时的且昂贵，需要单独的腔室以用于沉积和uv处理。
19.本技术可通过在单个处理腔室中利用高频等离子体执行沉积工艺来克服这些问题。很多等离子体处理在约13mhz下执行，这会产生一定量的离子轰击从而可能影响材料性质。在一个示例中，可通过在膜内结合含碳材料来产生低介电常数膜。当利用较低频率的等离子体时，基板上的离子轰击可能导致碳被去除，这可能会增加膜的介电常数。升高至高频工艺(诸如大于或约27mhz、大于或约40mhz或更高)可能会增加等离子体密度，这可能会相对于离子产生而增加自由基产生，同时还提升等离子体密度。这可降低离子轰击，且还可有利地提升沉积速率。所产生的膜的特征可在于相较于常规技术而言更低的介电常数值，并且还可保持有用的硬度和杨氏模数特性。
20.尽管其余公开内容将常规地利用所公开的技术来标示具体沉积工艺，但将可容易理解到，所述系统和方法同样可适用于其他沉积和清洁腔室，以及有可能发生在所述腔室中的工艺。因此，所述技术不应被视为仅限于与这些具体沉积工艺或腔室一起使用的技术。在描述根据本技术的实施例的额外细节之前，本公开内容将讨论可用于执行根据本技术的实施例的沉积工艺的可能的系统和腔室。
21.图1示出根据实施例的沉积、蚀刻、烘烤和硬化腔室的处理系统100的一个实施例的顶部平面视图。在附图中，一对前开式标准舱102供应各种尺寸的基板，所述各种尺寸的基板由机器人手臂104接收并放置入低压保持区106内，接着将所述基板放置在基板处理腔室108a至108f中的一者内，所述基板处理腔室108a至108f安置在串联区块109a至109c中。可使用第二机器人手臂110将基板晶片从保持区106运送至基板处理腔室108a至108f并返回。可装配各基板处理腔室108a至108f以执行数个基板处理操作，包括本文所述的半导体材料的堆叠的形成，还有等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积、蚀刻、预清洁、脱气、定向和其他基板工艺(包括退火、灰化等等)。
22.基板处理腔室108a至108f可包括用于沉积、退火、硬化和/或蚀刻基板上的介电膜或其他膜的一个或多个系统部件。在一种配置中，处理腔室的两对处理腔室(例如，108c和108d以及108e和108f)，可用于将介电材料沉积在基板上，并且处理腔室的第三对处理腔室(例如，108a和108b)可用于蚀刻所沉积的介电质。在另一种配置中，所有三对腔室(例如，108a至108f)可经配置以将交替的介电膜的堆叠沉积于基板上。可在不同的实施例中所示的与制造系统分开的腔室中实施本文所述的工艺中的任何一者或多者。将可理解到，可设想到将系统100用于介电膜的沉积、蚀刻、退火和硬化腔室的其他配置。
23.图2示出根据本技术的一些实施例的示例性等离子体系统200的示意剖面视图。等离子体系统200可说明一对处理腔室108，所述一对处理腔室108可安装在上述串联区块109中的一个或多个中，且可包括根据本技术的实施例的盖堆叠部件，并可进一步解说如下。等离子体系统200通常可包括腔室主体202，腔室主体202具有界定一对处理区域220a和220b
的侧壁212、底壁216和内侧壁201。可以以类似方式配置处理区域220a至220b中的每一个，且处理区域220a至220b中的每一个可包括相同部件。
24.举例而言，处理区域220b(处理区域220b的部件也可包括在处理区域220a中)可包括底座228，底座228经过形成于等离子体系统200中的底壁216中的通道222而设置于处理区域中。底座228可提供加热器，所述加热器适于将基板229支撑在底座的暴露表面(诸如主体部分)上。底座228可包括加热元件232(例如电阻加热元件)，加热元件232可加热并将基板温度控制在期望的工艺温度。也可由诸如灯泡组件之类的远端加热元件或任何其他加热元件加热底座228。
25.底座228的主体可通过凸缘233耦接至轴杆226。轴杆226可将底座228与电力输出或动力箱203电耦接。动力箱203可包括驱动系统，所述驱动系统控制底座228在处理区域220b内的升降和移动。轴杆226也可包括电功率接口，以提供电功率至底座228。动力箱203也可包括用于电功率和温度指示器的界面，诸如热耦界面。轴杆226可包括适于可拆卸地与动力箱203耦接的基底组件238。周围环235示于动力箱203上方。在一些实施例中，周围环235可以是适于作为机械止挡件的肩部，或经配置以提供介于基底组件238与动力箱203的上表面之间的机械界面的平台。
26.可包括通过通道224的杆230，通道224形成于处理区域220b的底壁216中，并且可利用杆230来定位通过底座228的主体而设置的基板升降杆261。基板升降杆261可选择性地将基板229与底座分隔，以有助于用机器人交换基板229，所述机器人用来传送基板229经由基板传送端口260进入和离开处理区域220b。
27.腔室盖204可与腔室主体202的顶部部分耦接。盖204可容纳耦接至盖204的一个或多个前驱物分布系统208。前驱物分布系统208可包括前驱物入口通道240，前驱物入口通道240可经由双通道喷头218将反应剂和清洁前驱物输送至处理区域220b内。双通道喷头218可包括环形基底板248，环形基底板248具有设置在面板246中间的阻隔板244。射频(“rf”)源265可与双通道喷头218耦接，rf源265可供电给双通道喷头218以有助于在双通道喷头218的面板246与底座228之间产生等离子体区域。在一些实施例中，rf源可与腔室主体202的其他部分(诸如，底座228)耦接，以有助于等离子体产生。可将介电绝缘器258设置在盖204与双通道喷头218之间，以防止将rf功率传导至盖204。阴影环206可设置在底座228的外围上，阴影环206与底座228衔接。
28.可在前驱物分布系统208的环形基底板248中形成可选的冷却通道247，以在操作期间冷却环形基底板248。诸如水、乙二醇、气体等传热流体可循环通过冷却通道247，使得基底板248可维持在预定温度。衬里组件227可设置在处理区域220b内紧邻腔室主体202的侧壁201、212，以防止侧壁201、212暴露于处理区域220b内的处理环境。衬里组件227可包括可耦接到泵送系统264的周围泵送腔225，泵送系统264经配置以从处理区域220b排放气体和副产物，并控制处理区域220b内的压力。多个排放端口231可形成于衬里组件227上。排放端口231可经配置以容许气体以增强系统200内的处理的方式从处理区域220b流向周围泵送腔225。
29.图3示出根据本技术的一些实施例的半导体处理的示例性方法300的操作。可在各种处理腔室中执行所述方法，包括上述处理系统200，以及可在其中执行等离子体沉积的任何其他腔室。方法300可包括数个可选操作，所述数个可选操作可与根据本技术的方法的一
些实施例具体相关联或可不与根据本技术的方法的一些实施例具体相关联。
30.方法300可包括处理方法，处理方法可包括用于在高频率下形成材料膜的操作或其他沉积操作，诸如生产可在较高沉积速率下形成且相较于常规工艺可产生较低的介电常数的dram存储器或其他材料。方法可包括在方法300开始之前的可选操作，或方法可包括额外操作。举例而言，方法300可包括在所述方法开始之前执行的操作，包括额外沉积、移除或处理操作。在一些实施例中，方法300可包括，在操作305将一种或多种前驱物流入处理腔室，操作305可输送前驱物或多种前驱物进入腔室的处理区域(所述处理区域中容置基板)，举例而言，诸如区域220。
31.在一些实施例中，前驱物可为或可包括含硅和碳前驱物，以用于产生低介电常数介电层，诸如氧化硅。前驱物可包括或可不包括输送额外前驱物，诸如载气或用于沉积氧化物层的一种或多种含氧前驱物。在一些实施例中，沉积可利用单个沉积前驱物，所述单个沉积前驱物包括硅、碳和氧。尽管可与沉积前驱物一起输送诸如惰性前驱物之类的载气，但是可不使用倾向与沉积前驱物反应并产生沉积产物的额外前驱物。通过将沉积限制为单个前驱物，可使用更简化的沉积腔室，这是因为可不需要均匀混合并输送多种前驱物。
32.根据本技术的一些实施例的沉积前驱物可包括具有硅和氧键结的前驱物，并且可包括线性支链前驱物、环状前驱物或任何数量的额外前驱物。在一些实施例中，前驱物的特征在于：碳和/或氧对硅的特定比率。举例而言，在一些实施例中，碳对硅的比率或氧对硅的比率可为大于或约1，且可为大于或约1.5、大于或约2、大于或约2.5、大于或约3、大于或约3.5、大于或约4或更大。通过增加碳或氧相对于硅的量，可增加残留部分或分子在膜内的额外结合。如下文将进一步描述的，这可改善材料性质，以及可降低介电常数。
33.尽管可以利用任何数量的前驱物，但在本技术的一些实施例中，示例性前驱物的特征可在于以下通式1：其中r1可包括-ch3或-ch2ch3，r2可包括-ch3或-ch2ch3，r3可包括-ch3、-och3或h，并且r4可包括-(ch2)nch3、-o(ch2)nch3、-ch＝ch2、-ch
2-ch
2-(ch2ch3)2、-ch
2-ch(ch3)2。
34.此通式或其他通式可包括任何数量的前驱物，所述前驱物可就膜成形提供一种或多种特性，并可产生低介电常数硅和碳材料，举例而言，诸如碳掺杂的氧化硅。可作为单个沉积前驱物或在根据本技术的一些实施例中可被结合的示例性前驱物可包括根据以下结构或化学式中任一者的前驱物：
35.在操作310，可在处理区域内产生前驱物的等离子体，诸如通过向面板提供rf功率以在处理区域220内产生等离子体，尽管可以以类似方式使用能产生等离子体的任何其他处理腔室。可在先前描述的频率中的任意个下产生等离子体，且可在大于或约15mhz的频率下产生等离子体，且可在大于或约20mhz、大于或约27mhz、大于或约40mhz或更大的频率下产生等离子体。就所输送的前驱物中的任意个而言，通过利用高频率等离子体，自由基流出物对离子的比率可为大于或约5、大于或约6、大于或约7、大于或约8、大于或约9、大于或约10、大于或约11、大于或约12或更大。这可将离子轰击限制在所形成的膜，这可有助于在膜内维持一定量的碳，这可提供较低的介电常数。
36.可在大于或约300℃的基板或底座温度下执行沉积，这可改善来自膜的某些碳和氢材料的释出，还有材料网络内的硅和氧链的交联。如将在下文进一步解说的，尽管某些碳方面可能对膜有利，但其他碳方面可能对所生产的材料较不利。因此，通过升高沉积温度，可使膜性质得到改善。所以，在一些实施例中，可在大于或约350℃、大于或约375℃、大于或约400℃、大于或约425℃、大于或约450℃或更高的温度下发生沉积。
37.在操作315，可将形成于等离子体中的材料沉积在基板上，这可产生含硅和碳材料，且可产生含硅和碳和氧材料，诸如碳掺杂的氧化硅。通过利用高密度等离子体，可增加等离子体密度，这可提升材料的沉积速率。举例而言，在一些实施例中，沉积速率可能超过/分钟，且可在以下速率下沉积：大于或约/分钟、大于或约/分钟、大于或约/分钟、大于或约/分钟、大于或约/分钟、大于或约/分钟、大于或约/分钟、大于或约/分钟、大于或约/分钟、大于或约
/分钟、大于或约/分钟或更大。在沉积到足够的厚度之后，许多常规工艺可接着将基板传送至第二腔室以执行处理，诸如uv处理或其他沉积后处理。这可能会降低产量，且可能需要额外的腔室或工具来执行处理而增加生产成本。然而，本技术可产生材料(包括碳掺杂的氧化硅)，其特征在于：如所沉积时的足够的材料性质，并且无需额外处理。尽管本技术的实施例可以包括沉积后的附加处理，但是所沉积的膜的特性可包括相对于常规技术的一系列改良。
38.如上文所解说，在较低等离子体频率下操作的常规技术可引起一定量的离子轰击，这可能从所沉积的材料释出含碳材料，这可能会增加膜的介电常数。通过利用较高等离子体频率，加上根据本技术的前驱物，可产生低介电常数介电材料，所述低介电常数介电材料的特征在于：小于或约3.00的介电常数，并且可为小于或约2.95、小于或约2.90、小于或约2.85、小于或约2.80、小于或约2.79、小于或约2.78、小于或约2.77、小于或约2.76、小于或约2.75、小于或约2.74、小于或约2.73、小于或约2.72、小于或约2.71、小于或约2.70或更小。
39.介电常数可与膜的材料特性有关，其中介电常数越低则所产生的膜的杨氏模数和/或硬度越低。通过根据本技术的一些实施例产生膜，可维持硬度和模数高于能够产生具有相应的所沉积介电常数值的膜的常规技术的硬度和模数。举例而言，在一些实施例中，本技术可产生特征在于大于或约5.0gpa的杨氏模数的材料，且所述材料的特征可在于：大于或约5.5gpa、大于或约6.0gpa、大于或约6.5gpa、大于或约7.0gpa、大于或约7.5gpa、大于或约8.0gpa、大于或约8.5gpa、大于或约9.0gpa、大于或约9.5gpa、大于或约10.0gpa或更大的杨氏模数。类似地，本技术可产生特征在于大于或约0.9gpa的硬度的材料，且所述材料的特征可在于：大于或约1.0gpa、大于或约1.1gpa、大于或约1.2gpa、大于或约1.3gpa、大于或约1.4gpa、大于或约1.5gpa、大于或约1.6gpa、大于或约1.7gpa、大于或约1.8gpa、大于或约1.9gpa、大于或约2.0gpa或更大的硬度。所以，本技术可产生特征在于较低介电常数的膜，同时维持材料的较高的模数和硬度特性。
40.由本技术的实施例所产生的材料特性可能与结合至膜内的甲基基团的量有关，以及与结合至膜内的非甲基碳(诸如在膜内键结的ch2或ch)的量有关。处理可能会释出一定量的这些材料，这可能会带给膜一定的孔隙率，同时保留一定量的甲基结合，这可能有助于降低所产生的膜的介电常数，而将更高量的非甲基碳保留在膜内可使介电常数增加到高于上述的数值。举例而言，在一些实施例中，根据本技术产生的所沉积的材料的特征可在于：结合或保持在膜内的甲基或ch3百分比大于或约2％，且所沉积的材料的特征可在于：膜内的甲基结合大于或约2.5％、大于或约2.6％、大于或约2.7％、大于或约2.8％、大于或约2.9％、大于或约3.0％、大于或约3.1％、大于或约3.2％、大于或约3.3％、大于或约3.4％、大于或约3.5％、大于或约3.6％、大于或约3.7％、大于或约3.8％、大于或约3.9％、大于或约4.0％或更高。
41.此外，在所沉积的材料中的ch2和/或ch和/或sicsi的百分比可为小于或约3.0％，且可为小于或约2.9％、小于或约2.8％、小于或约2.7％、小于或约2.6％、小于或约2.5％、小于或约2.4％、小于或约2.3％、小于或约2.2％、小于或约2.1％、小于或约2.0％、小于或约1.9％、小于或约1.8％或更小。因此，所沉积的材料的特征可在于：甲基结合对非甲基碳结合比率介于约1.0与约2.0之间，其可为大于或约1.1、大于或约1.2、大于或约1.3、大于或
约1.4、大于或约1.5、大于或约1.6、大于或约1.7、大于或约1.8、大于或约1.9或更高。根据本技术的实施例，通过利用较高频率等离子体还有其他处理特征，可产生低介电常数介电材料，所述低介电常数介电材料的特征可在于：升高的硬度和杨氏模数值和其他材料特性。
42.在前文描述中，出于解说的目的，已经阐述了诸多细节以便提供对本技术的各种实施例的理解。然而，对于本领域技术人员将明显的是，可在没有这些细节中的某些细节或在有额外细节的情况下实践某些实施例。
43.在已公开若干实施例之后，本领域技术人员将认识到，在不偏离实施例的精神的情况下可使用各种修改、替代构造和等效物。另外，为了避免不必要地混淆本技术，未描述若干已熟知的工艺和元件。因此，上文描述不应视为限制本技术的范围。
44.在提供一范围的值的情况下，除非本文另有明确指定，应理解还特定地公开此范围的上限与下限之间的每一中间值，精确度为至下限单位的最小分位。将涵盖在陈述范围中的任一陈述值或未陈述的中间值与在此陈述范围中的任一其他陈述值或中间值之间的任何较窄范围。那些较小范围的上限和下限可独立地包括于所述范围中或排除于所述范围之外，且在界限中任一者、没有任一界限或两界限皆包括于所述较小范围中的每一范围还涵盖于本技术内，所述每一范围受所陈述范围中任何特定排除的界限管辖。在所陈述范围包括所述限制中的一者或两者的情况下，还包括排除那些所包括的限制中的一者或两者的范围。
45.如本文和所附权利要求书中所使用，除非本文另有明确指定，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”包括复数引用。因此，例如，对于“一材料”的引用包括多个此类材料，且对于“所述前驱物”的引用包括引用一种或多种前驱物以及本领域技术人员所知的等效物，等等。
46.又，当在本说明书中和所附权利要求书中被使用时，词汇“包括(comprise(s))”、“包括(comprising)”、“含有(contain(s))”“包括(include(s))”和“包括(including)”意欲指定陈述的特征、整数、部件或操作的存在，但所述词汇不排除一个或多个其他特征、整数、部件、操作、动作或群组的存在或者添加。