TW201546314A - 用以降低金屬氧化物與金屬氮化物膜中的表面粗糙度之射頻循環清洗 - Google Patents

Abstract

文中提供半導體基板處理期間減少粒子的方法。此些方法涉及藉由將一汽化的液體前驅物導入該製程室中於一基板上沉積一薄膜後，藉由一噴淋頭將一無前驅物之氣體導入該製程室中並點燃電漿一或多次，以在該製程室中無基板的情況下進行一無前驅物之射頻循環清洗。

Description

用以降低金屬氧化物與金屬氮化物膜中的表面粗糙度之射頻循環清洗

本發明係關於半導體基板之處理方法及半導體基板之處理設備，尤其是半導體基板處理期間減少粒子的方法及設備。

半導體裝置的各種薄膜膜層可利用電漿系的製程沉積，如電漿輔助原子層沉積(PEALD)製程。然而，沉積製程可產生可能會沉積在薄膜上的粒子，藉此在半導體裝置造成瑕疵。

文中提供半導體基板的複數處理方法。一態樣涉及一種在具有一噴淋頭的一製程室中藉由下列步驟處理半導體基板的方法：在該製程室中於一或多片基板上沉積一薄膜後，藉由該噴淋頭將一無前驅物之氣體導入該製程室中並點燃電漿一或多次，以在該製程室中無基板的情況下進行一無前驅物之射頻(RF)循環清洗，其中沉積該薄膜的步驟包含藉由該噴淋頭將一汽化的液體前驅物導入該製程室中。

在某些實施例中，該些方法可用於沉積金屬氧化物或金屬氮化物薄膜。此類薄膜的一實例為鈦氧化物，且汽化之液體前驅物的一實例為四(二甲基氨)鈦(TDMAT)或異丙醇鈦。在某些實施例中，汽化的液體前驅物具有大於約10 cP的黏度。在各種實施例中，在該RF 循環清洗期間被導入該製程室之該氣體為或包含氮氣(N₂ )、氦氣(He)、氫氣(H₂ )、一氧化二氮(N₂ O)與氧氣(O₂ )。在某些實施例中，基板在介於約1 Torr至4 Torr的一腔室壓力下受到處理。在某些實施例中，基板在介於約50°C至約400°C的一溫度下受到處理。

在各種實施例中，經點燃的該電漿可為單或雙射頻電漿。單頻電漿通常但不必然為純高頻(HF)，雙頻電漿通常亦包含低頻(LF)分量。每基板面積之HF功率的實例係介於約0.018 W/cm² 至約0.884 W/cm² ，每基板面積之LF功率的實例係介於約0 W/cm² 至約0.884 W/cm² 。在許多實施例中，該氣體係導入介於約0.25秒至約10秒的時間。在某些實施例中，該電漿係點燃介於約0.25秒至約10秒的時間。

在許多實施例中，可在電漿系的沉積製程後進行RF循環清洗。在某些實施例中，在進行無前驅物之RF循環清洗時所點燃之RF功率係與沉積薄膜時所點燃之電漿的RF功率相同。

另一態樣涉及一種半導體基板之處理設備，其包含：一製程室，具有包含一噴淋頭與一平臺的一或多個製程站；一或多個氣體入口，進入該一或多個製程站以及相關之流動控制硬體；一射頻(RF)產生器；及一控制器，具有至少一處理器與一記憶體，俾使該至少一處理器與該記憶體係以可通信之方式彼此連接，該至少一處理器係以至少可操作之方式與該流動控制硬體與該RF產生器連接，該記憶體儲存用於下列者的電腦可執行指令：在將一汽化的液體前驅物導入該製程室後，經由該噴淋頭將一無前驅物之氣體導入該製程室中並點燃電漿。

在某些實施例中，藉由每基板面積介於約0.018 W/cm² 至約0.884 W/cm² 的高頻功率以及每基板面積介於約0 W/cm² 至約0.884 W/cm² 的低頻功率點燃電漿。在許多實施例中，該氣體包含N₂ 、He、H₂ 、 N₂ O與O₂ 中的一或多者。在某些實施例中，該氣體係選自由下列者所構成的族群：氮氣(N₂ )、氦氣(He)、氫氣(H₂ )、一氧化二氮(N₂ O)與氧氣(O₂ )。在某些實施例中，該汽化的液體前驅物為TDMAT。

在某些實施例中，該氣體係導入介於約0.25秒至約10秒的時間。在各種實施例中，該電漿係點燃介於約0.25秒至約10秒的時間。

下面將參考圖示說明本發明的此些與其他態樣。

在下面的敘述中將提供各種特定細節以提供對所述實施例的全面瞭解。本發明之實施例可在缺乏部分或全部此些特定細節的情況下實施。在其他的情況下，不詳細說明習知的製程操作以免不必要地模糊本發明之實施例。雖然將利用特定實施例來說明本發明，但應瞭解，其意不在限制本發明。

「半導體晶圓」、「晶圓」、「基板」、「晶圓基板」及「部分製造完成之積體電路」等詞可互換使用。「部分製造完成之積體電路」可指於矽或其他半導體晶圓上進行之積體電路製造之眾多階段中之任何階段期間的矽或其他半導體晶圓。在半導體裝置業界中所用的晶圓或基板通常具有200或300 mm的直徑，但此領域正在朝向450 mm直徑的基板邁進。本文中所提供的流率與功率位準適合用於處理300 mm 基板。本領域中具有通常知識者當能瞭解，其他尺寸的基板可能需要調整此些流率。功率位準與流率通常可隨著站數與基板面積而線性放大縮小。流率與功率可基於每單位面積表達，例如2500 W亦可表達為0.884 W/cm² 。除了用以將薄膜沉積至半導體晶圓上之反應室外，其他類型的沉積反應器亦可受惠於文中實施例。可受惠於本發明實施例之其他類型反應器包含製造如印刷電路板、顯示器等各種物品的反應器。除了半導體晶圓之外，本文中所述的方法與設備可搭配其他類型之基板(包含玻璃與塑膠面板)用的沉積室。

文中所述的各種態樣係關於半導體基板的處理方法。此些方法中的許多者可在於半導體表面上沉積薄膜之前或之後進行，沉積可涉及在反應物吸附與反應的多個循環中成長薄膜的電漿活化表面媒介反應。例如，某些薄膜可藉由保形層沉積(CFD)反應沉積，在此反應中一或多種反應物吸附至基板表面，然後藉由與電漿互動而在基板表面上形成一薄膜。在許多的CFD製程中，在具有平臺與噴淋頭的一反應室中處理基板。可使前驅物或反應物自前驅物源經由噴淋頭流入反應室中。在某些CFD與原子層沉積(ALD)製程中，可使用黏性的前驅物或汽化的液體前驅物，如四(二甲基氨)鈦(TDMAT)。黏性的前驅物亦可用於電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)製程中。

半導體基板處理持續地關注沉積薄膜的品質。尤其關注瑕疵，如粒子所造成的瑕疵。隨著半導體裝置微縮，小粒子的效應增加，且存在於基板之沉積薄膜上的粒子可能會造成半導體裝置有瑕疵。文中提供沉積薄膜之粒子污染的減少方法。在某些實施例中，沉積薄膜可為金屬氧化物層或金屬氮化物層。金屬氧化物與氮化物的實例包含鈦氮化物與鈦氧化物以及鋁、鈦、鉿、鉭、錳、鎂或鍶的氧化物或氮化物。

黏性的或汽化的液體前驅物可被特徵化為在約室溫下為液體的前驅物。在沉積期間，經由噴淋頭流至反應室中的黏性前驅物或反應物可在噴淋頭中及噴淋頭側壁上凝結。當第二前驅物或反應物進入噴淋頭而流至反應室中並與已表面吸附在基板表面上的第一前驅物反應時，已凝結的第一前驅物或反應物的粒子亦可能會與第二前驅物或反應物反應，尤其是在啟動電漿時。接著，欲沉積之材料（如鈦氧化物）的小粒子可能會形成在噴淋頭中或反應室空間中。然後，在接續的製程步驟時，此些小粒子可能會隨著載氣或反應物流進反應室時而進入反應室，且粒子可能會落在基板上的沉積薄膜上，造成潛在的瑕疵。當經由沉積步驟形成每一膜層時，粒子可能會嵌在沉積薄膜中。

粒子在半導體基板上的存在亦會對基板的表面粗糙度有所貢獻。晶圓的表面粗糙度可藉由粗糙輪廓距離平均線之垂直偏差的均方根(RMS)來加以評估。晶圓的RMS粗糙度愈大，晶圓上的表面愈粗糙。在傳統金屬氮化物與金屬氧化物的ALD或CFD沉積中，若以高電漿功率進行沉積，RMS粗糙度的範圍可介於約3Å至約30Å。當裝置微縮時，薄膜粗糙度變成一個較大的問題，尤其在如雙圖案化或四圖案化之多圖案化的間隙壁與硬遮罩應用中是較大的問題。使用具有較高表面粗糙度的間隙壁或硬遮罩會增加利用間隙壁或硬遮罩作為遮罩所蝕刻之接續膜層的表面粗糙度，這可能會造成整個半導體裝置有瑕疵。

在圖1-6中提供了可使用文中所述之方法之雙圖案化方案的一實例。圖1提供各種膜層的一實例的概略圖示，該各種膜層可被包含於例如適合半導體處理用的一晶圓上的一多層堆疊。圖1中的該多層堆疊包含位於下層103(可為第二核心層)上經由微影製程定義或圖案化的第一核心層101。第二核心層103可為沉積在目標層105上的一膜層。在某些方案中，可在第一核心層101與第二核心層103之間沉積一或多層額外的膜層。熟知此項技藝者當瞭解，適合半導體處理之多層堆疊（例如下文所述者）亦可包含其他額外的膜層如蝕刻停止層、蓋層與其他下層。

相對於堆疊中的其他材料，如矽及/或矽系氧化物或氮化物，核心層101可具有高度蝕刻選擇比且可為透明的。核心層101可為光阻或可由非晶碳材料或非晶矽材料所製成。亦可藉由如電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)的沉積技術將核心層101沉積至第二核心層103上，且沉積技術可涉及在沉積室中自包含烴前驅物的沉積氣體產生電漿。烴前驅物可由通式C _x H _y 所定義，其中為x 介於2至10的整數而y為介於2至24的整數。實例包含甲烷(CH₄ )、乙炔(C₂ H₂ )、乙烯(C₂ H₄ ), 丙烯(C₃ H₆ )、丁烷(C₄ H₁₀ )、環己烷(C₆ H₁₂ )、苯(C₆ H₆ )與 甲苯(C₇ H₈ )。可使用包含高頻(HF)功率與低頻(LF)功率的雙射頻(RF)電漿源。

在第二核心層103下的是目標層105。目標層105可以是最終欲圖案化的膜層。目標層105可為半導體、介電材料與其他膜層且例如可由矽(Si)、二氧化矽(SiO₂ )、矽氮化物(SiN)或鈦氮化物(TiN)所製成。目標層105可由ALD、電漿輔助ALD(PEALD)、化學氣相沉積(CVD)或其他適合的沉積技術所沉積。

在圖2中，將保形層109沉積於第一核心層101上。保形層109亦可被稱為是「間隙壁」且可被沉積而對於多層堆疊上的圖案形狀具有保形性，以在圖案上形成平均分佈的膜層。保形層相對於核心層具有高蝕刻選擇比。

間隙壁109可為如鈦氧化物(TiO₂ )之一氧化物或可為如矽氮化物(SiN)之一氮化物。間隙壁109亦可由如二氧化矽(SiO₂ )之介電材料所製成。在某些實施例中，間隙壁109係由較緻密的材料所製成以耐受更多「次」的圖案化，且其可藉由ALD、PEALD或CFD法所沉積。ALD製程使用表面媒介沉積反應以一層接著一層的方式沉積薄膜。在ALD製程的一實例中，將具有眾多表面活性位置的基板表面暴露至第一薄膜前驅物(P1)的氣相分佈。P1的某些分子可在基板表面上形成一濃縮相。接著，排空反應室俾以移除氣相P1，故只留下吸附的物種。接著將第二薄膜前驅物(P2)導入反應室，俾使P2的某些分子吸附至基板表面。接著可再次排空反應室，這次移除未受束縛的P2。接著，提供至基板的熱能活化P1與P2之已吸附分子間的表面反應以形成一薄膜層。最後，排空反應室以移除反應副產物以及可能未反應的P1與P2，結束此 ALD循環。可包含額外的ALD循環以建立薄膜厚度。在PEALD的一實例中，在將第二薄膜前驅物P2導入反應室時啟動電漿以活化P1與P2之間的反應。

可使用CFD沉積間隙壁109。一般而言，CFD不依賴在反應形成間隙壁109前完全地清洗一或多種反應物。例如，當電漿(或其他活化能)擊發時，在氣相中可能存在著一或多種反應物。因此，在一例示性的CFD製程中可縮短或消除ALD製程中所述之製程步驟中的一或多個步驟。又，在某些實施例中，相較於熱活化反應，沉積反應的電漿活化可導致較低的沉積溫度，潛在地降低積體電路製程的熱預算。為了上下文義，在此提供CFD的簡短說明。CFD「循環」的概念係與文中各種實施例的討論相關。一個「循環」大致上為用以進行表面沉積反應一次所用之步驟的最小組別。一個循環的結果為在基板表面上製造至少一部分薄膜層。一般而言，CFD循環可僅包含將每一反應物輸送與吸附至基板表面的所需步驟以及接著反應已吸附之反應物而形成薄膜之部分層的所需步驟。當然，循環可包含某些輔助步驟，如掃除反應物或副產物中之一或多者的步驟及/或處理剛形成之部分薄膜的步驟。一般而言，一個循環包含數個步驟之單一順序的單一情境。例如，一個循環可包含下列步驟：(i) 輸送/吸附反應物A；(ii)輸送/吸附反應物B；(iii)自反應室掃除B；及(iv)供給電漿而驅動A與B的表面反應以在表面上形成部分薄膜。

下列條件為適合藉由CFD 製程沉積一鈦氧化物保形層109之條件的實例。沉積可發生在介於約50°C至約400°C的溫度下、介於約0.5 Torr至約10 Torr的壓力下以及對於四個300 mm站介於約100W至約2500W的RF功率下。對於一鈦氧化物間隙壁109而言，可使用之製程氣體包含作為一鈦源的胺基鈦(如TDMAT)以及作為一氧源的氧氣或一氧化二氮，兩者可分開或一起被如氬氣或氮氣的惰性載氣稀釋。製程氣體流率可如下：對於鈦前驅物(TDMAT)而言，介於約0.2 sccm至約2.0 sccm；對於氧前驅物(O_{2 、} N₂ O)，介於約5000 sccm至10,000 sccm，例如5000 sccm 的N₂ O；載氣(Ar或N₂ )可介於約0至10,000 sccm，如約5000 sccm的Ar。在間隙壁109的沉積之後或期間，來自噴淋頭或在反應室中的粒子(未顯示)可被沉積在已沉積之間隙壁109上，藉此增加間隙壁109表面上的粗糙度。在某些實施例中，可利用如二(第三丁基氨)矽烷(SiH₂ (NHC(CH₃ )₃ )₂ (BTBAS)的矽源藉由CFD將保形層109沉積為矽氧化物層。

在圖3中，回蝕或平坦化間隙壁109以裸露第一核心層101。在回蝕間隙壁109後，鑲嵌的粒子可能仍存在於膜層中，如圖2中沉積在每一CFD層之間者。在各種實施例中，基板可在介於約10°C至約60°C的一溫度下及介於約5 mTorr及約100 mTorr的一壓力下受到平坦化。

在圖4中，剝除或蝕刻第一核心層101，在基板上留下自由站立的間隙壁109。若第一核心層101為光阻，藉著流動流率介於約100 sccm至約200 sccm的氧氣(O₂ )在介於約40°C至約60°C的溫度下及介於約5 mTorr至約20 mTorr的壓力下可蝕刻第一核心層101。

若第一核心層101係由非晶碳材料所製成，可利用灰化方法剝除或蝕刻第一核心層101。灰化方法可取決於材料移除的化學反應、而非能量離子的方向性移動。例如，被暴露至灰化操作中所用之製程氣體的任何表面可因為其暴露而經歷移除，因此在核心中及塊狀遮罩下方所用的AHM材料相對於間隙壁可具有高蝕刻選擇比，俾使AHM膜層受到灰化時間隙壁不會受到蝕刻。此外，相對於某些化學蝕刻製程，灰化操作可產生完全為氣相的反應產物。例如，碳薄膜的灰化操作可使用解離的氫氣(H₂ )或氧氣(O₂ )作為製程氣體，其可與碳膜反應以形成此類氣相反應副產物。

在圖5中，利用圖案化的間隙壁109作為遮罩向下蝕刻第二核心層103，藉此將圖案轉移至第二核心層103。若自由站立之間隙壁109的品質因為薄膜中存在粒子而下降，第二核心層103亦可能會有瑕疵。可利用適合用以蝕刻第二核心層103但不會蝕刻間隙壁109的化學品在介於約50°C至約70°C的溫度下及介於約5 mTorr至約10 mTorr的壓力下蝕刻第二核心層103。第二核心層103對於間隙壁109具有高度蝕刻選擇比。第二核心層103可為非晶碳層、非晶矽層或光阻，如聚(甲基丙烯酸甲酯)聚(甲基戊二醯亞胺)(PMGI)或苯酚甲醛樹脂。

在圖6中，蝕刻間隙壁109或以其他方式將其移除，留下圖案化的第二核心層103。在一實例中，可藉著流動流率分別介於約30 sccm至約50 sccm與介於約50 sccm至約100 sccm的CHF₃ 及/或CF₄ 在介於約50°C至約70°C的溫度下及介於約2 mTorr 至約20 mTorr的壓力下移除間隙壁。

雖然上述說明雙圖案化方案，但文中所述之方法可用於更高層次的圖案化方案、包含四圖案化方案。

在一圖案化方案中，通常將間隙壁與蝕刻遮罩用來作為接續整合製程中的模板，以精準地在下層與目標層中形成圖案。由於金屬氧化物與金屬氮化物膜層常被用於間隙壁或蝕刻遮罩中，金屬氧化物與金屬氮化物膜層應具有低表面粗糙度與少量瑕疵，以維持圖案化結構並耐受各種整合條件。產生平滑薄膜是有利的，因為所得的整合結果會直接與圖案化或遮罩材料的粗糙度相關。

許多金屬氧化物或金屬氮化物膜層可藉著在沉積期間導入各種前驅物的上述方式沉積。又，可藉著導入黏性前驅物沉積其他類型的薄膜。文中所述的方法可用於使用汽化黏性前驅物之任何類型薄膜的沉積。文中所用之「黏性前驅物」一詞係指動態黏度至少約10厘泊(cP)或至少約20 cP的前驅物。

在沉積期間，某些黏性前驅物會凝結在噴淋頭中或黏附至噴淋頭壁，使得當導入第二前驅物並點燃電漿時，粒子形成且接著可能落到已沉積的金屬氧化物或金屬氮化物薄膜上，藉此降低薄膜的品質。例如，遮罩薄膜中粒子的存在可能會導致沉積薄膜蝕刻後的不良關鍵尺寸非均勻性，或者可增加圖案化遮罩之邊緣或表面的粗糙度。

下述的金屬氧化物或金屬氮化物薄膜的沉積方法能降低表面粗糙度。降低沉積薄膜中的表面粗糙度能使間隙壁與遮罩薄膜在圖案化期間保持自由站立結構的圖案樣態。尤其，經改善的表面均勻度亦能增加薄膜品質，俾使薄膜受到圖案化後能耐受接續的蝕刻與圖案化製程而不退化。

為了對處理基板維持一潔淨的反應室，某些方法涉及預防性維護，如更換噴淋頭或為反應室施行濕式清理。然而，自經沉積之半導體基板降低或消除粒子的傳統方法可能會因為維護或較低效率而導致較低產量。

文中提供處理半導體基板及降低基板上之粒子沉積但不會實質上減少晶圓產量的複數方法。此些方法涉及在半導體裝置的製造過程期間於不同時點處進行RF循環清洗。文中所述的方法亦有利於使用黏性前驅物之任何保形薄膜或全面性薄膜的任何沉積。雖然此些方法尤其用於使用CFD、PEALD或PECVD的電漿系沉積，但其亦可用以降低藉由非電漿系製程（如熱ALD與CVD）沉積薄膜時的粒子污染，尤其是當沉積室配有電漿源時。

雖然較暖的噴淋頭可溫暖得足以汽化來自黏性前驅物之液體的凝結液滴而降低噴淋頭中的粒子存在，但在使用黏性前驅物沉積薄膜期間，室溫或低於室溫下的噴淋頭尤其容易累積粒子。是以，文中所述的RF循環清洗方法最能應用至自室溫或低於室溫的噴淋頭清洗粒子。

圖7A與7B為處理反應室中之半導體基板以降低粒子之方法的處理流程圖。對於圖7A與7B中的步驟而言，反應室可具有與薄膜沉積期間之反應室壓力與平臺溫度相同的一反應室壓力及一平臺。反應室壓力的實例係介於約0.1 Torr至約100 Torr，如介於約1 Torr至4 Torr。在許多實施例中，在約室溫或介於約50°C至約400°C的溫度下操作反應室、站、反應器或設備。在許多實施例中，噴淋頭未受加熱。雖然在沉積條件下維持反應室壓力與溫度是有效率的，但亦可將此些參數改變為適合用於RF 循環清洗。

在步驟701中，在基板上沉積一薄膜，如一金屬氧化物或金屬氮化物膜層。藉由下列條件利用 PEALD沉積此薄膜：經由噴淋頭將第一劑量之第一汽化的黏性前驅物流入反應室中、清洗反應室、流動第二前驅物並同時點燃電漿、清洗反應室、並重覆一或多個循環的此些步驟。接著自反應室移除基板，例如將晶圓定位於沉積設備中。

在步驟701中可用以沉積含金屬薄膜的前驅物的其他實例包含STAR-Ti™ (Air Liquide)與TTIP(異丙醇鈦)或黏度大於約10 cP的前驅物。

在步驟703中，在無基板之反應室中，可經由噴淋頭將無前驅物之氣體導入反應室中並點燃電漿一或多次以進行RF 循環清洗。在某些實施例中，步驟701可持續介於約0.25秒至約10秒或約0.5秒。在某些實施例中可藉著施行圖7B中的步驟來進行步驟703。在圖7B的步驟713中，經由噴淋頭使不具前驅物的氣體流入反應室。在許多實施例中，被導入反應室中之不具前驅物的氣體為載氣。載氣的實例包含氮氣(N₂ )、氦氣(He)、氫氣(H₂ )、氧氣(O₂ )與其他氣體。載氣可以在介於約500 sccm至約10,000 sccm的流率下流動。載氣的流動可靜電夾持來自噴淋頭及進入反應室的任何粒子。在某些實施例中，步驟713可持續介於約0.25秒至約5秒或約0.5秒。經由噴淋頭導入無前驅物之氣體靜電「夾持」來自噴淋頭的任何粒子。

在步驟723中，可利用單頻或雙頻電漿源點燃電漿。可在步驟713中短暫的無前驅物「劑量」後立即點燃電漿，藉此活化將被清洗離開反應室的已夾持粒子。在某些實施例中，可利用純高頻(HF)分量點燃電漿。在某些實施例中，可用包含HF分量及低頻(LF)分量兩者的雙頻RF電漿源點燃電漿。對於4站設備中的300 mm基板而言，雙頻電漿功率範圍的HF電漿功率範圍可例如介於約50W至2500W，而LF電漿功率範圍可例如介於約0W至2500W。HF功率之每基板面積的電漿功率可介於約0.018 W/cm² 至約0.884 W/cm² ，LF 功率之每基板面積的電漿功率可介於約0 W/cm² 至約0.884 W/cm² 。在某些實施例中，步驟723可持續介於約0.25秒至約10秒或約0.5秒。在許多實施例中，在點燃電漿的期間，氣體持續流動。在某些實施例中，在氣流前點燃電漿。在某些實施例中，在氣流後點燃電漿。在步驟733中可重覆步驟713與723一或多次，或者在步驟723中以脈衝方式點燃電漿的時間，在步驟713中的氣體可持續流動。在各種實施例中，在以脈衝方式點燃電漿時，同時持續流動氣體，每一脈衝係介於約0.25秒至約10秒或約0.5秒。應瞭解，可根據特定實施例修改上述參數包含流率、電漿功率、脈衝時間。在某些實施例中， RF 循環可與一清洗步驟一起結束，於電漿熄滅後在此清洗步驟中氣體流經反應室。

回到圖7A之步驟703，在無基板之反應室中進行RF循環清洗。基板為一片固態材料，其可被插入反應室或自反應室移除，其並非反應室的一部分，薄膜會被沉積至基板上且一般期望薄膜沉積發生於基板上。在半導體裝置製造的文義下，半導體晶圓(具有或無薄膜沉積於其上)為一典型的基板。在許多的情況中，基板例如是具有200、300或450 mm直徑的碟形基板。基板通常經過許多輪的製程才會變成半導體裝置。然而有些其他基板並不會變成具有完整功能的裝置。此些基板可被稱為擋片晶圓（dummy wafer），其可被用來作為例如評估沉積製程用的測試載具或平衡反應室用的犧牲基板。可利用擋片晶圓或不欲成為具有完整功能之裝置的其他物件在反應室中進行圖7A中的步驟703。

在各種實施例中，在每片新晶圓之前、或每8次晶圓沉積、或在沉積之間更頻繁地進行圖7A中的步驟703。在某些實施例中，每片晶圓可在多站設備的一站處經歷約70個沉積循環。可適當地在沉積期間，於一晶圓上或介於晶圓間進行步驟703。   設備

文中所提供的沉積技術可在電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)反應器或保形層沉積(CFD)反應器中實施。此類反應器可具有許多形式且可為包含一或多個腔室或反應器(有時包含多站)的一設備的一部分，每一腔室或反應器或站可容納一或多片晶圓且可用以進行各種晶圓製程操作。該一或多個腔室可將晶圓維持在經定義的一位置或複數位置(在該位置內進行或不進行如旋轉、振動或其他擾動的動作)。在一實施例中，於進行文中實施例中的步驟之前，可在製程期間將經歷薄膜沉積的一晶圓自反應器室內的一站傳送至另一站。例如，晶圓可進入用以沉積保形薄膜的一站，接著晶圓被傳送出此站並進入用以進行後續製程的另一站。在其他實施例中，可在設備內站與站之間傳送晶圓以進行不同的操作。在製程期間，每一晶圓可被一平臺、晶圓夾頭及/或其他晶圓支撐設備支持固定。在某些製程中，可藉由平臺支持固定一擋片晶圓。由加州費利蒙的蘭姆研究公司所生產的Vector^TM (如C3 Vector) 或Sequel^TM (如C2 Sequel)反應器皆為可用以實施文中所述技術的適合反應器的實例。在某些實施例中，在文中實施例的步驟期間，反應器的腔室中可無晶圓。

圖8提供一簡單方塊圖，說明用以實施文中所述方法的各種反應器元件配置。如所示，反應器800包含一製程室824，製程室824包圍反應器800的其他元件並具有限制電容式放電型系統所產生之電漿的作用，電容式放電型系統包含與一接地加熱器方塊820一起作用的一噴淋頭 814。高頻(HF)射頻(RF)產生器 804與低頻(LF)RF產生器 802可連接至匹配網路806與噴淋頭814。匹配網路806所供給的功率與頻率足以自供給至製程室 824的製程氣體產生電漿。在一典型的製程中， HFRF分量可通常介於5 MHz至60 MHz之間，如13.56 MHz。在有LF分量的步驟中，LF分量介於約100 kHz至5 MHz之間或介於100 kHz至2 MHz之間，如430 kHz。

在反應器中，晶圓平臺818可支撐基板816。在某些實施例中，基板816可為一擋片晶圓或不欲成為具有完整功能之裝置的一物件。晶圓平臺 818可包含一夾頭、一叉或舉升銷(未顯示)以支撐基板816，並在步驟之間將基板 816傳送進入或離開製程室824。夾頭可以是一靜電夾頭、一機械夾頭或業界及/或研究得以使用的各種其他類型的夾頭。

可藉由入口812導入各種製程氣體，如載氣或其他無前驅物之氣體。複數源氣體線810係連接至歧管808。氣體可事先混合或不事先混合。可使用適當的閥件或質量流動控制機構，以確保在沉積期間輸送正確的製程氣體以及製程的電漿處理階段。在輸送液態之化學前驅物(複數前驅物)的情況中，可使用液流控制機構。接著在以液態供給之化學前驅物到達製程室824前，此類液體於傳輸期間先在經加熱至高於其汽化點的歧管中進行汽化以及與製程氣體的混合。

製程氣體可藉由出口822離開製程室824。可使用一真空泵浦，如一或兩階段的機械乾式泵浦及/或渦輪分子泵浦840，以將製程氣體抽離製程室824，並利用閉迴路控制的流量限制裝置（如節流閥或鐘擺閥）將製程室824內維持在相對低的壓力。真空泵浦亦可在上述方法期間將氣體與粒子清洗離開製程室824。

如上所討論，文中所討論的RF循環的技術可在一多站或單站設備上實施。在一實例中，在一第一站中於一晶圓上進行保形薄膜（如鈦氧化物）的沉積，然後將晶圓定位時，將已沉積有保形層的晶圓傳送至另一站，其中RF脈衝可發生在第一站處。在特定的實施例中，可使用具有四站沉積方案之蘭姆公司的300 mm Vector^TM 設備或者具有六站沉積方案之200 mm Sequel^TM 設備。在某些實施例中，可使用用以處理450 mm晶圓的設備。在不同的實施例中，可在每次沉積及/或每次RF循環製程後將晶圓定位，或者若蝕刻室或站亦為相同設備的一部分，則可在蝕刻步驟將晶圓定位，或者在將晶圓定位之前，於單站處進行多次沉積與RF循環。

在某些實施例中，可提供用以進行文中所述技術的設備。適合的設備可包含用以進行各種製程步驟的硬體、以及具有用以根據文中所述實施例控制製程操作之指令的系統控制器830。系統控制器830通常包含一或多個記憶體裝置以及一或多個處理器，此一或多個處理器係與各種製程控制設備，如閥件、RF產生器、晶圓搬運系統等以可通訊的方式連接並用以執行指令，俾使設備進行根據文中實施例的技術，如圖7A與7B之步驟中所提供的技術。可將包含指令的機器可讀媒體耦合至系統控制器830，此些指令係用以控制根據文中實施例之製程步驟。控制器830可與各種硬體裝置（如質量流量控制器、閥件、RF產生器、真空泵浦等）以可通訊的方式連接，以促進與文中所述之沉積步驟相關之各種製程參數的控制。

在某些實施例中，系統控制器830可控制反應器800的所有活動。系統控制器830可執行被儲存在大量儲存裝置中、被載入記憶體裝置中並在處理器上執行的系統控制軟體。系統控制軟體可包含用以控制下列者的複數指令：氣體流動、晶圓移動、RF產生器活化等的時序、氣體的混合、腔室及/或站點的壓力、腔室及/或站點的溫度、平臺溫度、目標的功率位準、RF功率位準、基板平臺、夾頭及/或支撐件的位置及反應室設備800所進行之特定製程的其他參數。系統控制軟體可以任何適當的方式配置。例如，可撰寫各種製程設備元件的子程式或控制物件，以控制施行各種製程設備製程所需之製程設備元件的操作。可以任何適當的電腦可讀程式語言編碼系統控制軟體。

系統控制器830可通常包含一或多個記憶體裝置以及一或多個用以執行指令的處理器，俾使設備能施行根據本發明之技術。可使包含用以控制根據本發明之製程步驟之指令的機器可讀媒體和系統控制器830耦合。

本文中所述的各種方法與設備可與微影圖案化設備或製程一起使用，例如用以製造半導體裝置、顯示器、LEDs、光伏面板等的微影圖案化設備或製程。一般而言，雖然沒有必要，但此些設備/製程會在一共同的製造廠房中一起使用或進行。薄膜的微影圖案化通常包含下列步驟的部分者或全部，每一步驟可由許多可能的設備達成：(1)利用旋塗或噴塗設備將光阻施加至工作件上；(2)利用熱板、爐管或UV固化設備固化光阻；(3)利用一設備（如晶圓步進機）將光阻曝露至可見光或UV光或X射線；(4)利用一設備（如濕式槽顯影光阻）以選擇性地移除光阻，藉此將其圖案化；(5)利用一乾式或電漿輔助蝕刻設備將光阻圖案轉移至下方膜層或工作件中；及(6)利用一設備（如RF或微波電漿光阻剝除設備）移除光阻。在某些實施例中，在施加光阻之前，可沉積可灰化的硬遮罩層(如非晶碳層)及另一適合的硬遮罩(如抗反射層)。

可將一或多個製程站包含在一多站製程設備中。圖9顯示具有入口加載互鎖機構902與出口加載互鎖機構904之多站處理設備900之一實施例的概圖，入口加載互鎖機構902與出口加載互鎖機構904的其中一者或兩者可包含遠端電漿源。大氣壓力下的機器人906係用以移動來自晶圓盒的複數晶圓，晶圓係經由艙908藉由大氣接口910而被載入入口加載互鎖機構902中。機器人906將晶圓放置到入口加載互鎖機構902中的平臺912上，大氣接口910關閉，然後加載互鎖機構被泵抽。在入口加載互鎖機構902包含遠端電漿源的情況下，晶圓在被導入製程室914中前，例如將保形薄膜沉積至晶圓上之前，可被曝露至加載互鎖機構中的遠端電漿處理。又，晶圓亦可在入口加載互鎖機構902中受到加熱，以例如移除水氣及被吸附的氣體。接下來，腔室傳送接口916對製程室914開放，另一機器人(未顯示)將晶圓放置到反應器中之顯示為製程用之反應器中之第一站的平臺上。雖然圖示的實施例包含加載互鎖機構，但應瞭解，在某些實施例中，可將晶圓直接導入製程站中。

所示之製程室914包含四個製程站，這四個製程站在圖9的實施例中被標號為1至4。每一站可具有一經加熱的平臺(顯示於站1的918處)以及複數氣體線入口。應瞭解，在某些實施例中，每一製程站可具有不同或複數的用途。例如，在某些實施例中，一製程站可在CFD(或PEALD)製程模式與PECVD製程模式之間切換。額外地或或者，在某些實施例中，製程室914可包含一或多個匹配成對的CFD(或PEALD)與PECVD製程站。在某些實施例中，製程站可用以將保形薄膜沉積至晶圓上。雖然所示的製程室914包含四個站，但當瞭解，根據本發明的製程室可具有任何適當數目的站點。例如，在某些實施例中，一製程室可具有五或更多的站點，在其他的實施例中一製程室可具有三或更少的站點。

圖9亦顯示在製程室914中用以傳送晶圓之晶圓搬運系統(未圖示)的一實施例。在某些實施例中，晶圓搬運系統可在各種製程站點之間及/或在一製程站與加載互鎖機構之間傳送晶圓。應瞭解，可使用各種適合的晶圓搬運系統。非限制性的實例包含晶圓傳送盤與晶圓搬運機器人。圖9亦顯示用以控制製程設備900之製程條件與硬體狀態之系統控制器950的一實施例。系統控制器950可包含一或多個記憶體裝置956、一或多個大量儲存裝置954及一或多個處理器952。處理器952可包含CPU或電腦、類比及/或數位輸入/輸出連接件、步進機馬達控制器板等。

在某些實施例中，系統控制器950控制製程設備900的所有活動。系統控制器950執行被儲存在大量儲存裝置954中、被載入記憶體裝置956中並在處理器952上執行的系統控制軟體958。或者，控制邏輯可被硬體編碼至控制器950中。對於此些目的可使用特殊應用積體電路、可編輯邏輯裝置(如現場可編輯閘極陣列或FPGA)等。在下面的討論中，在使用「軟體」或「碼」處可使用功能性相匹配的硬體編碼邏輯來代替。系統控制軟體958可包含用以控制下列者的複數指令：時序、氣體混合物、腔室及/或站的壓力、腔室及/或站的溫度、噴淋頭溫度、目標的功率位準、RF功率位準、RF曝露時間、基板平臺、夾頭及/或支撐件的位置及製程設備900所進行之特定製程的其他參數。系統控制軟體958可以任何適當的方式配置。例如，可撰寫各種製程設備元件的子程式或控制物件，以控制施行各種製程設備製程所需之製程設備元件的操作。可以任何適當的電腦可讀程式語言編碼系統控制軟體958。

在某些實施例中，系統控制軟體958可包含用以控制上述各種參數的輸入/輸出控制(IOC)序列指令。例如，導入無前驅物之氣體與點燃電漿可包含藉由系統控制器950執行的一或多個指令。可將用以設定RF清洗之製程條件的指令包含在對應的 RF清洗配方階段中。在某些實施例中，可依據配置RF清洗配方階段，俾使RF清洗製程階段的所有指令係與製程階段同時執行。

可施行被儲存在與系統控制器950相關之大量儲存裝置954及/或記憶體裝置956上的其他電腦軟體及/或程式。此目的用之程式或程式段落的實例包含基板定位程式、製程氣體控制程式、壓力控制程式、加熱器控制程式及電漿控制程式。

基板定位程式可包含製程設備元件用的程式碼，此些程式碼係用以將基板載至平臺918上、並控制基板與製程設備900之其他部件之間的距離。

製程氣體控制程式可包含用以控制氣體組成與流率、並選擇性地控制在沉積前流入一或多個製程站的氣體以穩定製程站中的壓力的程式碼。在某些實施例中，控制器950包含用於下列者的指令：經由噴淋頭將無前驅物之氣體導入反應室914中並在導入無前驅物之氣體期間、之後或之前點燃電漿。

壓力控制程式可包含藉由調節例如製程站之排放系統中的節流閥、控制流入製程站的氣體流等而控制製程站中之壓力的程式碼。在某些實施例中，控制器950包含用於下列者之指令：經由噴淋頭將無前驅物之氣體導入反應室914中並在導入無前驅物之氣體期間、之後或之前點燃電漿。

選擇性的加熱器控制程式可包含用以控制流至用以加熱基板之加熱單元之電流的程式碼。或者，加熱器控制程式可控制輸送至基板之加熱傳輸氣體(如氦氣)的輸送。

電漿控制程式可包含根據文中實施例設定一或多個製程站中的RF功率位準與曝露時間的程式碼。在某些實施例中，控制器950包含用於下列者的指令：經由噴淋頭將無前驅物之氣體導入反應室914中、並在導入無前驅物之氣體期間、之後或之前點燃電漿。當將無前驅物之氣體導入反應室時可脈衝電漿，或者在將無前驅物之氣體導入反應室914之前或之後可點燃電漿。

在某些實施例中，可具有與系統控制器950相關的使用者介面。使用者介面可包含顯示螢幕、該設備及/或製程條件的圖形化軟體顯示及使用者輸入裝置，如指向裝置、鍵盤、觸控螢幕、麥克風等。

在某些實施例中，系統控制器950所調整的參數可與製程條件相關。非限制性實例包含製程氣體組成與流率、溫度、壓力、電漿條件(如RF偏壓功率位準與曝露時間)等。此些參數可以配方的形式提供予使用者，使用者可利用使用者介面來加以輸入此些參數。

用以監測製程的訊號可來自各種製程設備感測器、並藉由系統控制器950的類比及/或數位輸入連接件所提供。用以控制製程的訊號可在製程設備900的類比與數位輸出連接件上輸出。可被監控之製程設備感測器的非限制性實例包含質量流量控制器、壓力感測器(如壓力計)、熱電偶等。適當程式化的反饋與控制演算法可與來自此些感測器的數據一起使用以維持製程條件。

系統控制器950可提供用以實施上述沉積製程的程式指令。程式指令可控制各種不同的製程參數，如DC功率位準、RF偏壓位準、壓力、溫度等。指令可根據文中的各種實施例控制參數以進行薄膜疊層的原位沉積。

系統控制器950通常包含一或多個記憶體裝置以及一或多個用以執行指令的處理器，俾使設備能施行根據本發明之方法。可使包含用以控制根據本發明之方法步驟之指令的機器可讀非暫態媒體和系統控制器950耦合。   實驗

進行實驗以評估在根據文中實施例之射頻(RF)循環之前與之後晶圓上的粒子存在。在基板上藉由原子層沉積(ALD)沉積一層鈦氧化物薄膜。進行無RF循環清洗之機械循環純氣體粒子晶圓檢查。在圖10A中顯示在晶圓上的粒子影像。在圖10B中顯示未經RF循環清洗之已處理之薄膜的原子力顯微鏡(AFM)影像。在圖10A與10B中影像的明暗反轉以將粒子顯示為黑點。量測出的RMS粗糙度為11.69Å。如表1中所示，粒子數超過4000。

在RF循環清洗一小時後，藉由ALD將一層鈦氧化物薄膜沉積在基板上。RF循環清洗的條件係顯示於表2中。

進行有RF循環清洗之機械循環純氣體粒子晶圓檢查。在圖11A中顯示晶圓上的粒子影像。影像顯示實質上少於圖10A的較少粒子。在圖11B中顯示經RF循環清洗之已處理之薄膜的原子力顯微鏡(AFM)影像。在圖11A與11B中影像的明暗反轉以將粒子顯示為黑點。量測到的RMS粗糙度為4.5Å。表3中顯示粒子數為126。注意，相較於未經RF循環清洗的晶圓而言，粒子數實質上減少了。 結論

雖然為了清楚瞭解的目的已詳細地說明前述實施例，但應明白，在隨附申請專利範圍的範疇內可作某些變化及修改。應注意，有許多施行本案實施例之製程、系統與設備的替代方案。因此，本案實施例應被視為說明性而非限制性，且實施例並不限於文中所列的細節。

101‧‧‧第一核心層
103‧‧‧第二核心層
105‧‧‧目標層
109‧‧‧保形層/間隙壁
701‧‧‧步驟
703‧‧‧步驟
713‧‧‧步驟
723‧‧‧步驟
733‧‧‧步驟
800‧‧‧反應器
802‧‧‧低頻(LF)射頻產生器
804‧‧‧高頻(HF)射頻產生器
806‧‧‧匹配網路
808‧‧‧歧管
810‧‧‧源氣體線
812‧‧‧入口
814‧‧‧噴淋頭
816‧‧‧基板
818‧‧‧晶圓平臺
820‧‧‧接地加熱器方塊
822‧‧‧出口
824‧‧‧製程室
830‧‧‧系統控制器
840‧‧‧機械乾式泵浦及/或渦輪分子泵浦
900‧‧‧多站處理設備
902‧‧‧入口加載互鎖機構
904‧‧‧出口加載互鎖機構
906‧‧‧機器人
908‧‧‧艙
910‧‧‧大氣接口
912‧‧‧平臺
914‧‧‧製程室
916‧‧‧腔室傳送接口
918‧‧‧經加熱的平臺
950‧‧‧系統控制器
952‧‧‧處理器
954‧‧‧大量儲存裝置
956‧‧‧記憶體裝置
958‧‧‧系統控制軟體

圖1–6為在雙圖案化方案之一實例中基板的概略示意圖。

圖7A與7B為根據本文實施例之方法的處理流程圖。

圖8顯示用以實施根據文中實施例之一方法的一反應器。

圖9顯示可用以實施根據文中實施例之一方法的多站設備。

圖10A與10B及11A與11B顯示根據文中實施例處理之晶圓的原子力顯微鏡結果。

701‧‧‧在反應室中利用黏性前驅物於一或多片基板上進行一或多次薄膜沉積循環

703‧‧‧在反應室中無基板的情況下進行無前驅物RF循環清洗

Claims (18)

1. 一種在具有噴淋頭的製程室中處理半導體基板的方法，其步驟包含： 在該製程室中，於一或多片基板上沉積一薄膜後，藉由該噴淋頭將一無前驅物之氣體導入該製程室中並點燃電漿一或多次，以在該製程室中無基板的情況下進行一無前驅物之射頻(RF)循環清洗， 其中沉積該薄膜的步驟包含藉由該噴淋頭將一汽化的液體前驅物導入該製程室中。
2. 如申請專利範圍第1項之在具有噴淋頭的製程室中處理半導體基板的方法，其中該汽化的液體前驅物具有大於約10 cP的一黏度。
3. 如申請專利範圍第1項之在具有噴淋頭的製程室中處理半導體基板的方法，其中該一或多片基板中至少一個包含一鈦氧化物且該汽化的液體前驅物為TDMAT。
4. 如申請專利範圍第1項之在具有噴淋頭的製程室中處理半導體基板的方法，其中該一或多片基板中至少一個包含一鈦氧化物且該汽化的液體前驅物為異丙醇鈦。
5. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之在具有噴淋頭的製程室中處理半導體基板的方法，其中該氣體係選自由下列者所構成的族群：氮氣(N₂ )、氦氣(He)、氫氣(H₂ )、一氧化二氮(N₂ O)與氧氣(O₂ )。
6. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之在具有噴淋頭的製程室中處理半導體基板的方法，其中該基板在介於約1 Torr至4 Torr的一腔室壓力下受到處理。
7. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之在具有噴淋頭的製程室中處理半導體基板的方法，其中該基板在介於約50°C至約400°C的一溫度下受到處理。
8. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之在具有噴淋頭的製程室中處理半導體基板的方法，其中該電漿係由一射頻所點燃，該射頻具有每基板面積介於約0.018 W/cm² 至約0.884 W/cm² 之一高頻功率分量、以及每基板面積介於約0 W/cm² 至約0.884 W/cm² 之一低頻功率分量。
9. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之在具有噴淋頭的製程室中處理半導體基板的方法，其中該氣體係導入介於約0.25秒至約10秒的時間。
10. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之在具有噴淋頭的製程室中處理半導體基板的方法，其中該電漿係點燃介於約0.25秒至約10秒的時間。
11. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之在具有噴淋頭的製程室中處理半導體基板的方法，其中沉積該薄膜的步驟更包含點燃電漿。
12. 如申請專利範圍第11項之在具有噴淋頭的製程室中處理半導體基板的方法，其中在沉積該薄膜時所點燃之該電漿的RF功率係與在進行該無前驅物之RF循環清洗時所點燃之該電漿的RF功率相同。
13. 一種半導體基板之處理設備，包含： 一或多個製程室，該每一製程室包含一噴淋頭與一平臺； 一或多個氣體入口，進入該一或多個製程室以及相關之流動控制硬體； 一射頻(RF)產生器；及 一控制器，具有至少一處理器與一記憶體， 其中該至少一處理器與該記憶體係以可通信之方式彼此連接， 該至少一處理器係以至少可操作之方式與該流動控制硬體及該RF產生器連接，及 該記憶體儲存用於下列者的電腦可執行指令： 在將一汽化的液體前驅物導入該一或多個製程室中的至少一者後，經由該噴淋頭將一無前驅物之氣體導入該一或多個製程室中的該至少一者中；及 週期性地點燃電漿。
14. 如申請專利範圍第13項之半導體基板之處理設備，其中該記憶體更包含用於下列者的指令：藉由一射頻點燃該電漿，該射頻具有每基板面積介於約0.018 W/cm² 至約0.884 W/cm² 的一高頻功率以及每基板面積介於約0 W/cm² 至約0.884 W/cm² 的一低頻功率。
15. 如申請專利範圍第13或14項之半導體基板之處理設備，其中該氣體係選自由下列者所構成的族群：氮氣(N₂ )、氦氣(He)、氫氣(H₂ )、一氧化二氮(N₂ O)與氧氣(O₂ )。
16. 如申請專利範圍第13或14項之半導體基板之處理設備，其中該汽化的液體前驅物為TDMAT。
17. 如申請專利範圍第13或14項之半導體基板之處理設備，其中該記憶體更包含用於下列者之指令：導入該氣體介於約0.25秒至約10秒的時間。
18. 如申請專利範圍第13或14項之半導體基板之處理設備，其中該記憶體更包含用於下列者之指令：點燃該電漿介於約0.25秒至約10秒的時間。