一种衬底处理方法及系统与流程

1.本发明涉及等离子体刻蚀领域，具体涉及一种衬底处理方法及系统。


背景技术：

2.随着半导体技术的蓬勃发展，芯片的尺寸越做越低，为了保证芯片的质量，对半导体的工艺要求也越来越严格，尺寸缩小是集成电路处理的发展驱动力之一。通过减小尺寸，能够获得成本效益和设备性能的同步提高。正常的一个晶片从硅片到最后的封装需要上千道工艺流程，多重工艺流程在处理过程中产生了不可避免的复杂性，特别是多重图案化技术上。
3.在自对准多重图案的制备进程中，通常包含芯刻蚀、间隙壁沉积、间隙蚀刻以及芯拉伸。在上述工艺中，最终特征临界尺寸由间隙壁沉积厚度和间隙壁物理特征来控制，例如线边缘粗糙度和线宽粗糙度。
4.利用传统的干法刻蚀工艺进行自对准多重图案的制备，间隙壁蚀刻通常会经受最终间隙壁外形(诸如间隙壁刻面(spacer facet))的变形和关键尺寸差cd的损失。然而，对于整个刻蚀工艺来说，维持间隙壁外形和cd是非常重要的，因为间隙壁外形对于掩膜预算以及最终的自对准多重图案都具有显著影响。
5.现有的干法刻蚀工艺中，间隙壁沉积工艺多数会产生间隙壁外形为牛角的间隔件，相邻间隔件之间的距离差值产生差异化，间隔件之间分布不均匀，传统工艺缺乏芯材料和间隙壁材料之间的选择性而造成间隙壁高度损失或间隙件之间的台阶高度差等现象。上述基底间隔件缺陷很容易导致多重图案器件的缺陷，降低产品的生产率，影响集成电路的产量与制备规模等。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种衬底处理方法及系统，该衬底处理方法通过通入沉积气体并激发成等离子体，进而形成聚合物沉积在间隔件的表面，根据工艺需求使相邻间隔件的距离的差值发生改变，以便后续多重图案的刻蚀，提高了产品生产率，优化集成电路的制备流程。
7.为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
8.一种衬底处理方法，包含：
9.在衬底上形成若干个间隔件；
10.相邻的所述间隔件具有第一开口和第二开口，所述第一开口的开口距离小于该第一开口的底部距离，所述第二开口的开口距离大于该第二开口的底部距离；
11.通入沉积气体并激发成等离子体；
12.形成聚合物在所述第一开口对应的相邻间隔件表面沉积量小于在所述第二开口对应的相邻间隔件表面沉积量，使所述第二开口的开口距离减小；
13.通入处理气体对衬底进行刻蚀。
14.可选的，所述在衬底上形成若干个间隔件包含：
15.通过对衬底上的核芯层进行等离子体刻蚀形成若干个核芯；
16.在所述核芯上通过化学气相沉积间隔层；
17.通过对核芯和间隔层进行等离子体刻蚀形成间隔件。
18.可选的，所述形成聚合物沉积在间隔件表面包含：
19.所述聚合物沉积的程度与所述间隔件之间的距离成正比。
20.可选的，所述沉积气体包含c
xhyfz
气体。
21.可选的，选用ch3f、ch2f2、c4f6、c4h2f6、c3h2f4、c3f6、c2f4、chf3和c4f8的一种或多种作为沉积气体。
22.可选的，ch3f气体流量为5-20sccm，和/或，c4f6气体流量为3-12sccm，和/或，c4f8气体流量为5-20sccm，和/或，ch2f2气体流量为5-12sccm，和/或，chf3气体流量为3-12sccm，和/或，c4h2f6气体流量为3-20sccm，和/或，c3h2f4气体流量为5-12sccm。
23.可选的，所述聚合物的沉积时间为5-20秒。
24.可选的，所述沉积气体为不含有双键的气体，所述沉积气体中f、h和c含量之间的关系符合(f-h)/c≤2。
25.可选的，所述沉积气体为含有双键的气体，包括c4f6、c4h2f6、c3h2f4、c3f6和c2f4的一种或多种作为沉积气体。
26.可选的，所述沉积气体还包含惰性气体。
27.可选的，所述惰性气体为n2。
28.可选的，所述n2气体流量为200-800sccm。
29.可选的，所述沉积气体的工作压力范围为40～160mt，射频功率范围为300～1200w，射频频率为60mhz，沉积气体流通时间为5-20s。
30.可选的，所述衬底和核芯的材料可以是碳、多晶硅或氧化硅；
31.和/或，所述间隔件的材料可以是氧化硅、氮化物或多晶硅。
32.可选的，所述第一开口的底部距离等于所述第二开口的底部距离。
33.可选的，一种用于衬底处理的系统，包含：
34.离子蚀刻室，其被配置成：
35.接收具有间隔件的衬底；
36.通入沉积气体并激发成等离子体；
37.耦合至所述离子蚀刻室的源控制器，所述源控制器被配置成控制在间隔件表面形成聚合物沉积，使相邻间隔件的开口距离的差值减小；
38.通入处理气体对衬底进行刻蚀。
39.本发明与现有技术相比具有以下优点：
40.本发明的一种衬底处理方法及系统中，该衬底处理方法通过通入沉积气体并激发成等离子体，进而形成聚合物沉积在间隔件的表面，根据工艺需求使相邻间隔件的距离的差值发生改变，以便后续工艺的刻蚀，提高了晶片生产率，优化了集成电路的制备流程。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明专利实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使
用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明专利的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本发明的一种衬底处理系统；
43.图2为本发明的衬底处理方法中在衬底上形成若干个间隔件示意图；
44.图3为本发明的衬底处理方法中形成聚合物沉积在间隔件表面示意图。
具体实施方式
45.为利于了解本发明的特征、内容与优点及其所能达成的功效，将本发明配合附图，并以实施方式的表达形式详细说明如下，而其中所使用的附图，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的附图式的比例与配置关系解读、局限本发明于实际实施上的权利范围。
46.将以对于理解本发明最有帮助的方式将各种操作依次描述为多个分立操作。然而，描述的顺序不应被理解为是指这些操作必然是依赖于顺序的。具体地，这些操作不需要按照呈现的顺序执行。所描述的操作可以以与所描述的实施方案不同的顺序执行。在另外的实施方案中，可以执行各种附加操作和/或可以忽略描述的操作。
47.如本文所用，术语“衬底”是指并且包括在其上形成材料的基底材料或构造。应当理解，衬底可以包括单一材料、多个不同材料的层、在其中具有不同材料或不同结构的区域的一个或更多个层等。这些材料可以包括半导体、绝缘体、导体或它们的组合。例如，衬底可以是半导体基底、支承结构上的基底半导体层、其上形成有一个或更多个层、结构或区域的金属电极或半导体衬底。衬底可以是常规的硅衬底或包括半导体材料层的其他体衬底。衬底可以是掺杂的或未掺杂的。
48.需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。现在参考附图，其中在多个视图中相同的附图标记表示相同或相应的部分。
49.图1是本发明的一种用于衬底处理的系统的实施方案。在本实施方案中，衬底处理系统可以被配合成执行如图2-图3所述的用于等离子体蚀刻的衬底处理方法。被配置成执行上述工艺条件的蚀刻在图1中示出，其包含：离子蚀刻室100，其由蚀刻腔体101和腔体端盖102包围而成，所述离子蚀刻室100上设置一晶片传输口103，该晶片传输口103用于实现晶片在离子蚀刻室100内外之间的传输。晶片传输口103外侧可接通传输腔和气锁室(图中未示出)，气锁室可进行真空与大气压力之间的压力转换，以使衬底处理系统内的离子蚀刻室100始终保持在一个稳定的状态下。传输腔内可设置若干组机械臂，通过机械臂将晶片w在气锁室、传输腔和离子蚀刻室100之间传输。可选的，晶片w可以是半导体衬底。
50.所述离子蚀刻室100内包含一下电极组件110，其设置于所述离子蚀刻室100的底部，所述下电极组件110包含一基座，所述基座上设置有承载面，传入所述离子蚀刻室100内的待处理晶片w放置在所述承载面上。所述离子蚀刻室100内还包含与所述下电极组件110相对设置的上电极组件120，所述上电极组件120和所述下电极组件110之间的处理室空间可以被配置为便于在晶片w表面进行蚀刻的处理区域。
51.在下电极组件110的绝缘材料层中可以设置有温度控制装置130，用于为晶片w提
供合适的温度。温度控制装置130可以是焦耳热装置，例如借由电阻实现温度控制，也可以是热传导通道，例如借由热传导通道中的冷却剂实现温度控制。进一步的，温度控制装置130可以具有分区排布的方式，使得晶片w不同区域温度可以分别进行控制，实现温度控制均匀的目的。
52.可电离气体或工艺气体的混合物经由气体分配系统140引入。对于给定的工艺气体流，使用真空泵送系统调节工艺压力。气体分配系统140可以包括用于引入工艺气体的喷淋头141。可选的，所述气体分配系统140可以包括用于引入工艺气体的混合物并且调节工艺气体的混合物在晶片w上方的分布的多区域喷头设计。例如，多区域喷头设计可以被配置为通过调节流入晶片w上方中心区域的工艺气体流或组分的量来调节流到晶片w上方周边区域的工艺气体流或组分的量。在这种实施方案中，气体可以以合适的组合分配以在处理区域内形成高度均匀的等离子体。
53.进一步的，所述蚀刻腔体101上开设有排气口104。在本实施例中，所述排气口设置于离子蚀刻室100的底部即蚀刻腔体101的底部，一气体抽取装置150通过所述排气口将离子蚀刻室100内部的气体即反应废弃产物排至腔外。可选的，所述气体抽取装置150可以为分子泵或干泵，当然，所述气体抽取装置150的结构不仅限于此，其还可以为其他任意可实现相同气体抽取功能的装置。
54.可选的，下电极组件110可以连接一个或多个射频匹配器160，例如可以连接两个射频匹配器160，在连接多个射频匹配器160的实施例中，每个射频匹配器160可以提供不同于其他射频匹配器160的射频频率和功率，以适用不同加工技术的需求。在这些实施例中，上电极组件120可以接地。在另一些实施例中，上电极组件120可以连接一个射频匹配器160，下电极组件110可以连接一个射频匹配器160，这两个射频匹配器160可以提供不同的射频频率和功率。
55.在本实施例中，至少一射频匹配器160通过匹配网络施加到所述下电极组件110，以将工艺气体解离为等离子体，使所述上电极组件120和所述下电极组件110之间的处理区域为等离子体环境。该等离子体环境中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理晶片w的表面发生多种物理和/或化学反应，使得待处理晶片w的形貌发生改变，从而完成对待处理晶片w的处理。
56.在本实施例中，衬底处理系统中的源控制器控制整个工艺过程，所述源控制器可以包括微处理器、存储器和数字i/o端口，其能够产生足以传送和激活对系统的输入以及监视从系统输出的控制电压。例如，存储在存储器中的程序可以用于根据工艺来激活到系统的各个部件的输入以便在晶片w上执行等离子体辅助工艺，例如衬底预处理工艺、等离子体蚀刻工艺。
57.基于上述衬底处理系统，本发明提供了一种衬底处理方法，如图2和图3结合所示，该方法包含：
58.(1)在衬底200上形成若干个间隔件210。在本发明中，对于形成间隔件210的方式不作限制。
59.如图2所示，所述在衬底200上形成若干个间隔件210包含：通过对衬底200上的核芯层进行等离子体刻蚀形成若干个核芯221；在所述核芯221上通过化学气相沉积间隔层222；通过对核芯221和间隔层222进行等离子体刻蚀形成间隔件210。
60.在某些实施方式中，所述衬底200和核芯221的材料可以是碳，如先进图形膜(apf)、非晶碳层(acl)、自旋碳(soc)、自旋硬膜(soh)类的无定形碳、多晶硅中的一种或多种，根据工艺条件和工艺需求选择合适的衬底200和核芯221材料。当然，所述核芯221和间隔层222的材料不仅限于上述的一种或多种，其还可以为其他可应用于半导体晶片w刻蚀领域的材料。所述间隔件210的材料可以是氧化硅、氮化物或多晶硅。如表1所示，为一些核芯221/间隔层222的组合示例，例如对于核芯221为多晶硅时，间隔层222可以为氮化物。在本实施例中，所述衬底200采用sioxny(氧化硅和氮化硅复合材料)，核芯221采用碳(如无定形碳)制备，所述间隔层222采用氧化硅材料制备，所述间隔件210的材料为氧化硅。可选的，所述衬底200上的核芯221层可采用光刻工艺形成，核芯221的形成可借助于等离子体刻蚀的工艺，间隔层222的形成可采用cvd沉积工艺。如图2所示，相邻间隔件210具有第一开口，其距离为cd1和第二开口，其距离为cd2，第一开口的距离cd1小于相邻间隔件210的底部距离，即第一开口的距离cd1对应的相邻间隔件在开口处向内弯曲，第二开口的距离cd2大于相邻间隔件210的底部距离，即第二开口的距离cd2对应的相邻间隔件在开口处向外弯曲。在一些实施例中，第一开口的底部距离等于第二开口的底部距离，当聚合物沉积处理之后，第一开口的距离和第二开口的距离都将接近底部距离，达到相邻间隔件的距离都接近相等的技术效果。
61.表1核芯/间隔层示意图
62.序号核芯/间隔层1多晶硅/氮化物2多晶硅/氧化物3无定形碳/氮化物4无定形碳/氧化物
63.(2)通入沉积气体并激发成等离子体。具体地，控制器控制射频匹配器160对衬底处理系统的上电极组件120或下电极组件110施加射频电源，对离子蚀刻室100的处理区域内的沉积气体进行激发以形成等离子体。
64.(3)形成聚合物230沉积在间隔件210表面，使相邻间隔件210的距离的差值减小，如图2中两个相邻间隔件的第一开口的距离cd1和另外两个相邻间隔件的第二开口的距离cd2，通过将聚合物230在间隔件上沉积，使cd1-cd2的值减小，使相邻间隔件的距离尽量接近。其中，相邻间隔件210的距离的差值为关键尺寸差值，关键尺寸差值越小，各个间隔件210之间的距离分布更为均匀。在多重图案刻蚀工艺中，关键尺寸差值越小，多重图案的等离子体刻蚀效果更为完善。
65.在离子蚀刻室100内对沉积气体进行处理形成聚合物230，本发明研究发现，形成的聚合物230具有粘性，当由上向下沉积时，会优先落在开口距离大的间隔件表面顶部，之后的聚合物又优先与已经沉积的聚合物结合。具体为聚合物230相对于第一开口的相邻间隔件，更多的沉积在具有第二开口的相邻间隔件表面，对于同一相邻的间隔件，相对于底部，聚合物更多的沉积在间隔件顶部，即聚合物230沿着间隔件210的各部分的边缘和肩部逐渐堆积，以改变相邻间隔件210之间的距离，根据工艺的需求选择不同的气体进行不同的沉积工艺。因间隔层222围绕核芯221沉积，在进行等离子体刻蚀后，间隔件210会形成如图2所示的牛角形状，造成间隔件的间距不均一，本发明的处理方法使聚合物沉积方法可进一
步调控衬底200上相邻间隔件210之间距离的差值，有助于提升后续工艺的刻蚀效果。当间隔件210形状和间距都较为均一时，该操作可根据工艺需求调整各个间隔件210之间的距离。
66.在本实施例中，所述沉积气体包含c
xhyfz
气体。在离子蚀刻室100的射频环境下，c
xhyfz
气体可根据自身的特性被解离成不同的聚合物230附着在间隔件210上，不同气体组分解离的聚合物230不同，其附着的位置有所不同，本发明主要是利用生成的聚合物沉积在间隔件210的肩部。
67.沉积气体形成聚合物230的机理主要可分为两种：自由基偶联或自由基链增长。每种沉积气体根据气体的具体组分结构不同容易偏向于其中一种方式。可选的，可采用ch3f、ch2f2、c4f6、c4h2f6、c3h2f4、c3f6、c2f4、chf3和c4f8中的一种或多种作为沉积气体。
68.沉积气体可包含不含有双键的第一类沉积气体和/或含有双键的第二类沉积气体。
69.其中，不含有双键的第一类沉积气体为ch2f2、chf3、ch3f和c4f8等，在离子蚀刻室100的射频环境中会有一小部分分解成活性自由基，即上述气体在射频环境中包含有多个活性位点的自由基(如
·
cf2·
、
·
chf
·
、
·
cf
··
等)以及含有单个活性位点的自由基(如cf3·
、cf2h
·
)。
70.其中，多个活性位点的自由基更容易两两偶联成线性甚至体形的聚合物230，而单个活性位点的自由基更容易终止继续的偶联反应，相当于封住链两端。因此不含双键的第一类沉积气体可以产生自由基偶联形成的聚合物230，如果产生的多活性位点自由基越多，就越容易形成长链的聚合物230，因此聚合物230分子量会越大，粘性或者吸附系数也就越强，所以更容易挂在侧壁而不是底部(也就是说形成的聚合物230下降时先接触顶部就挂上了，没有机会落到底部)。因此，选用上述第一类沉积气体在射频环境中更容易产生附着在间隔件210肩部的聚合物230，以此调整相邻间隔件210之间的距离。此外，随着气体分子中h含量的提高，会增加聚合物的分子量，也即气体分子中，f、h和c含量之间的关系符合(f-h)/c≤2时，其比值越小，形成的聚合物分子量越大，越容易改善相邻间隔件之间的距离不均一性，例如ch3f、ch2f2更容易形成长链聚合物230，挂在间隔件210的侧壁，因为c-h键比c-f键更容易断裂，而且h可以和f生成hf气体，从而使气体中c含量增加，多活性位点的自由基增加，即c/f比越高、h含量越高，沉积气体产生的聚合物230越重。
71.含有双键的第二类沉积气体示例地可为c4f6、c4h2f6、c3h2f4、c3f6、c2f4等，第二类沉积气体中的双键在离子蚀刻室100的射频环境引发下，会生成自由基活性点进而成为活性单体，该活性单体再和下一个活性单体快速结合，从而形成双单体的活性点，再继续和第三个活性单体结合，以此类推，完成自由基链的持续增长，链长不受限制，可以形成更大的聚合物，吸附性也更强，其自由基链的增长直到和单活性自由基或者类似的活性单体结合发生链终止。
72.另外，根据工艺需求可设定，所述形成聚合物230沉积在间隔件210表面包含：所述聚合物230沉积的量随着所述间隔件210之间的距离增加而增加，具有第二距离cd2的两个相邻间隔件210相对于具有第一距离cd1的两个相邻间隔件对等离子体即聚合物有更大的开放式接触面积，所以聚合物230会更多的沉积，通过聚合物的沉积，平衡了不同的相邻间隔件之间的距离差值。
73.如表2所示，为采用不同的沉积气体组分可产生不同的关键尺寸差，关键尺寸取决于相邻两个间隔件之间的距离，当相邻两个间隔件之间的距离都相同时，关键尺寸差为0，所以，当不同的相邻间隔件之间的距离差值越小，产生的关键尺寸差也越小，等离子体刻蚀的孔尺寸越均一。根据工艺需求采用不同的沉积气体组分。例如，当工艺需要相邻间隔件210的距离差值即关键尺寸差越小越好，可选用c4f6、c3h2f4等气体，各个间隔件210之间距离区域均匀化，后续的离子刻蚀多重图案进程也更为精准，提高了离子刻蚀的精准性，也提高了产品的良品率。
74.表2不同沉积气体组分的关键尺寸差
75.沉积气体组分关键尺寸差ch3f6.7nmc4f61.0nmc4f82.9nmch2f27.3nmchf38.5nmc4h2f61.0nmc3h2f41.1nm
76.表2为采用单一活性气体组分时的关键尺寸差，其中，具体的工艺参数为：ch3f气体流量为5-20sccm，c4f6气体流量为3-12sccm，c4f8气体流量为5-20sccm，ch2f2气体流量为5-12sccm，chf3气体流量为3-12sccm，c4h2f6气体流量为3-20sccm，c3h2f4气体流量为5-12sccm。工艺过程中所述沉积气体的工作压力范围为40～160mt，射频功率范围为300～1200w，射频频率为60mhz，沉积气体流通时间为5-20s，沉积时间影响在间隔件上沉积聚合物的总量，时间过长会堵住相邻间隔件之间的开孔，影响后续刻蚀，5-20s的沉流通时间可以在不堵塞开孔的情况下达到最好的均一性。
77.另一方面，根据所需的沉积气体类型以及沉积气体浓度，所述沉积气体还包含惰性气体以稀释活性工艺气体。
78.可选的，所述惰性气体为氮气(n2)。在工艺过程中，所述n2气体流量范围可为200-800sccm，根据需要的活性组分浓度或沉积厚度，采用不同的n2气体流量。需要说明的是，所述惰性气体不仅限于n2，其还可以为其他不影响沉积气体中的活性组分反应的气体(例如氦气)，在此不再加以赘述。
79.(4)通入处理气体对衬底200进行刻蚀，以完成晶片w的刻蚀。
80.综上所述，本发明提供了一种衬底处理方法及系统，该衬底处理方法通过通入沉积气体并激发成等离子体，进而形成聚合物230沉积在间隔件210的表面，根据工艺需求使相邻间隔件210的距离的差值发生改变，以便后续工艺的刻蚀进程，提高了晶片良品率，优化了集成电路的制备流程。
81.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。