于裸露硅表面而非氧化物表面上的聚合物薄膜的選擇性沉積的制作方法
【專利摘要】一種在硅基板上選擇性沉積的方法，硅基板上形成有裸露硅區與氧化物區。該方法包括將基板置于處理腔室內的晶片支撐件上、引導含碳氣體進入反應器、施加偏壓至基板、由含碳氣體產生等離子體、通過等離子體摻雜工藝將碳離子注入基板上的氧化物區中，及沉積含碳膜于裸露硅區上。
【專利說明】于裸露硅表面而非氧化物表面上的聚合物薄膜的選擇性沉積
【技術領域】
[0001]本發明的實施方式大體涉及基板上的選擇性沉積。
【背景技術】
[0002]隨著集成電路的幾何形狀減小以實現更快的集成電路，對膜的高選擇性沉積的需求增加。有時可能過度減小幾何形狀，以致可能無法實現掩模層的蝕刻。在這種情況下，期望掩模層的選擇性沉積以便降低對蝕刻掩模層的需求。
[0003]舉例而言，在某些情況下，已經經歷前端處理的器件(諸如，存儲器或邏輯器件)可在器件的正面上形成有氧化物區與硅區。氧化物區可能需要后續的蝕刻以形成柵極、過孔(vias)、接觸孔或互連線路，而硅區將需要被掩模而遠離蝕刻劑。一般而言，可沉積聚合物膜并接著蝕刻聚合物膜以在基板的硅區上形成掩模層。然而，涉及小的幾何形狀時，蝕刻有時是不可行的。因此，需要在基板上直接產生聚合物涂層的被掩模層，其中僅將聚合物選擇性地沉積于需要被掩模的區域上，從而沉積后的聚合物層的蝕刻便不是必須的。理想地，可由聚合物覆蓋某些區并留下基板的其他區裸露。

【發明內容】

[0004]本發明大體涉及基板上的選擇性沉積。在一個實施方式中，提供聚合物膜的選擇性沉積方法，該方法包括提供基板的表面上具有硅區與氧化物區的基板、將基板置于處理腔室中、引導碳氫化合物氣體進入處理腔室并利用等離子體摻雜工藝(例如等離子體浸沒離子注入)沉積含碳層于基板的硅區上。
[0005]在一個實施方式中，選擇性沉積方法可包括基板的表面上具有硅區與氧化物區的基板。可將基板置于處理腔室中的基板支撐件上，之后可電偏壓基板。當偏壓基板至所需水平時，可引導碳氫化合物氣體進入處理腔室。接著可利用等離子體摻雜工藝(例如等離子體浸沒離子注入)將碳氫化合物氣體沉積成為硅區上的含碳層并注入基板的氧化物區中。
[0006]在另一個實施方式中，在基板的非含氧化物區上的選擇性沉積方法可包括提供基板的表面上可具有硅區與氧化物區的基板。可將基板置于處理腔室中，可在處理腔室中電偏壓基板。由于基板處偏壓的增加，通過引導碳氫化合物氣體進入腔室，可將含碳層沉積于暴露硅區之上與之中，同時將含碳層沉積進入氧化物區。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]為了詳細理解本發明的上述特征，可通過參照某些描繪于附圖中的實施方式得到上文所簡要概述的本發明的更為具體的描述。
[0008]圖1A與圖1B示出適合實施本文所披的方法的等離子體摻雜工具的一個實施方式；
[0009]圖2描繪基板的正面層在本文所述的選擇性沉積方法之前與之后的簡化垂直截面圖；
[0010]圖3描繪本文所披露的方法的工藝流程圖；
[0011]圖4是示出相對于利用本文所披露的方法處理的基板的深度的元素濃度的二次離子質譜儀(SIMS)分布；及
[0012]圖5是X-射線光電子能譜儀(XPS)測量的圖，圖5針對已經經歷本文所述的選擇性沉積方法的裸露硅基板。
[0013]為了促進理解，已盡可能地使用相同的標記數字來標示各圖中共有的相同的元件。預期一個實施方式的元件與特征可有利地并入其他實施方式而不需特別詳述。
[0014]然而，需注意附圖僅描繪本發明的示例性實施方式，因此不被視為本發明的范圍的限制因素，因為本發明可允許其他等效實施方式。
【具體實施方式】
[0015]本發明的實施方式大體涉及硅基板上的聚合物膜的選擇性沉積方法，硅基板上形成有裸露硅區與氧化物區。在一個實施方式中，該方法包括將基板置于處理腔室內部的晶片支撐件上、引導含碳氣體(諸如CH4、C2H4, C2H6或C3H8)進入反應器、施加偏壓至基板、由碳氫化合物氣體產生等離子體及通過等離子體摻雜工藝將碳離子注入基板，其中將含碳膜沉積于裸露硅區上但不將含碳膜沉積于氧化物區上。
[0016]圖1A描繪處理腔室100，處理腔室100可用于執行根據本發明的一個實施方式的離子注入工藝。可執行等離子體浸沒離子注入工藝的一個適當的反應器為可自California(加利福尼亞)州Santa Clara (圣克拉拉)的Applied Materials, Inc.(應用材料公司)取得的P3i?反應器。預期本文所述的方法可執行于其他適當地調整的等離子體反應器(包括來自其他制造商的那些等離子體反應器)。
[0017]處理腔室100包括腔室主體102，腔室主體102具有封圍出處理區104的底部124、頂部126及側壁122。基板支撐組件128是由腔室主體102的底部124所支撐，且基板支撐組件128適以接收基板106以進行處理。基板可視情況地被支撐于靜電夾具上。氣體分配板130耦接至腔室主體102的頂部126，腔室主體102的頂部126面向基板支撐組件128。泵送口 132被界定于腔室主體102中，且泵送口 132耦接至真空泵134。真空泵134通過節流閥136耦接至泵送口 132。處理氣體源152耦接至氣體分配板130，以供應基板106上執行的工藝所用的氣態前驅物化合物。
[0018]圖1A中描繪的處理腔室100進一步包括等離子體源190，等離子體源190主要顯示于圖1B的透視圖中。等離子體源190包括一對安裝在腔室主體102的頂部126的外側上的分離的外部再進入式管道(第一外部再進入式管道140、第二外部再進入式管道140’ )，這對外部再進入式管道彼此橫跨(或如同圖1B中描繪的示例性實施方式那樣彼此正交)而設置。第一外部再進入式管道140具有第一端140a，第一端140a通過頂部126中形成的開口 198耦接而進入腔室主體102中的處理區104的第一側。第二端140b具有開口 196，開口 196耦接進入處理區104的第二側。第二外部再進入式管道140’具有第一端140a’與第二端140b’，第一端140a’具有開口 194，開口 194耦接進入處理區104的第三側，而第二端140b’具有進入處理區104的第四側的開口 192。在一個實施方式中，第一外部再進入式管道140與第二外部再進入式管道140’被配置以彼此正交，從而分別提供各個第一外部再進入式管道140的第一端140a與第二端140b以及第二外部再進入式管道140’的第一端140a’與第二端140b’，圍繞腔室主體102的頂部126的周邊以約90度間隔設置第一端140a、第二端140b、第一端140a’與第二端140b’。第一外部再進入式管道140與第二外部再進入式管道140’的正交構造允許等離子體源均勻地分散橫跨處理區104。預期第一外部再進入式管道140與第二外部再進入式管道140’可被配置成用以提供均勻的等離子體分布進入處理區104的其他分布。
[0019]可透磁環形磁芯142、142’圍繞第一外部再進入式管道140與第二外部再進入式管道140’的相應一者的一部分。導電線圈144、144’通過各自的阻抗匹配電路或元件148、148’耦接至各自的RF等離子體源功率發生器146、146’。第一外部再進入式管道140與第二外部再進入式管道140’各自為分別由絕緣環狀圈150、150’中斷的中空導電管，絕緣環狀圈150、150’中斷第一外部再進入式管道140與第二外部再進入式管道140’各自的第一端140a與第二端140b (以及第一端140a’、第二端104b’ )之間的連續電路徑。通過RF等離子體偏壓功率發生器154來控制基板表面處的離子能量，RF等離子體偏壓功率發生器154通過阻抗匹配電路或元件156耦接至基板支撐組件128。
[0020]參照回圖1A，將包括由處理氣體源152供應的氣態化合物的處理氣體引導通過氣體分配板130進入處理區104。可透磁環形磁芯142、142’之一與導電線圈144、144’之一結合以形成功率施加器。RF源等離子體功率發生器146由功率施加器(可透磁環形磁芯142與導電線圈144)耦接至第一外部再進入式管道140中供應的氣體，第一外部再進入式管道140在第一封閉環形路徑中產生循環等離子體電流，第一封閉環形路徑包括第一外部再進入式管道140與處理區104。同樣，RF等離子體源功率發生器146’可由其他功率施加器(可透磁環形磁芯142’與導電線圈144’ )耦接至第二外部再進入式管道140’中的氣體，第二外部再進入式管道140’在第二封閉環形路徑中產生循環等離子體電流，第二封閉環形路徑橫跨(例如，正交)于第一環形路徑。第二封閉環形路徑包括第二外部再進入式管道140’與處理區104。各個路徑中的等離子體電流在各自RF等離子體源功率發生器146、146’的頻率下振蕩(例如，相反方向)，振蕩彼此之間可為相同或稍微偏移。
[0021]在一個實施方式中，處理氣體源152可提供處理氣體混合物，處理氣體混合物可用來提供注入至基板106的離子。為了本文披露的方法，處理氣體的適當實例包括諸如甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)與丙烷(C3H8)等等的含碳氣體。在某些實施方式中，處理氣體混合物也可包括諸如H2、He或Ar的稀釋氣體。各個RF等離子體源功率發生器146、146’的功率經操作，以致上述功率的結合效應有效地解離處理氣體源152供應的處理氣體，并在基板106的表面處產生所需的離子通量。RF等離子體偏壓功率發生器154的功率被控制在經選擇的水平下，在經選擇的水平下，自處理氣體解離的離子能量可被加速朝向基板表面，并以所需離子濃度將離子注入在基板106的頂表面下方的所需深度處。舉例而言，在相對低的RF功率(例如，低于約500瓦)下，以相對低的能量激發離子。低能量離子可被注入在與基板表面相距低于約100 Λ的淺深度。或者，高偏壓RF功率(例如，高于約3000瓦)提供且產生的高能量下的離子可被注入基板中與基板表面相距實質超過100 A的深度。
[0022]受控的RF等離子體源功率與RF等離子體偏壓功率的組合解離處理腔室100中的氣體混合物中的碳離子，碳離子具有足夠的動量與所需的離子分布。朝向基板表面偏壓并驅動離子，從而將離子注入基板的平坦表面與側壁表面兩者上的氧化物區，并具有所需的離子濃度、分布以及自基板表面起的深度。可通過施加至基板表面的能量的量來控制注入碳離子的深度與濃度，而施加至基板表面的能量的量是由偏壓功率所控制。
[0023]圖2描繪基板的正面層在本文所述的選擇性沉積之前與之后的簡化垂直截面圖。圖3描繪方法300的工藝流程圖，方法300通過等離子體摻雜工藝沉積含碳層于基板的裸露硅區上并將碳離子注入基板的氧化物區。方法300可執行于等離子體浸沒離子注入處理腔室中，等離子體浸沒離子注入處理腔室例如圖1A與圖1B中所述的處理腔室100。方法300開始于步驟302，步驟302將基板表面上具有裸露硅區(參見圖2的211)與氧化物區(參見圖2的210)的基板導入浸沒離子注入處理腔室。基板的材料可以是諸如結晶硅、應變硅、硅鍺、摻雜或未摻雜的多晶硅、摻雜或未摻雜的硅晶片或摻雜硅之類的材料。基板可具有不同尺寸，諸如200mm或300mm直徑的晶片以及矩形或正方形面板(pane)。除非另有說明，否則本文所述的實施方式與實例是執行于直徑為300mm的基板上。
[0024]在一個實施方式中，基板106可為已經經歷前端處理(例如，化學機械拋光(CMP)應用)的晶片，其中已經將氧化物層沉積于裸露硅晶片上，并利用【技術領域】中已知的技術圖案化或蝕刻氧化物層，以致晶片在晶片的正面上具有裸露硅區211與氧化物區210。舉例而言，氧化物可包括氧化硅或氧化鍺。為了簡化，在圖2中僅顯示晶片的最頂層，而不顯示下方的層(若有)。
[0025]在步驟304，將諸如CH4、C2H4, C2H6與C3H8之類的含碳氣體供應進入處理腔室100，以提供離子物種以進行后續的沉積與注入工藝。在一個實施方式中，含碳氣體可為每個分子具有五個或更少的碳原子的碳氫化合物。可如圖1A中所描繪的那樣或通過其他適當手段，將含碳氣體由處理氣體源152供應至氣體分配板130。含碳氣體提供即將沉積于基板的裸露硅區上的碳以及即將注入基板的氧化物區的所需離子。在一個實施方式中，供應進入處理腔室100的氣體亦可包括諸如H2、He或Ar的稀釋氣體，以便更好地控制碳的沉積分布。處理腔室100中的稀釋氣體可引起較好的碳沉積分布控制，并促進氣體混合物中的離子轟擊，從而有效地增加處理氣體碰撞的可能性，而導致離子物種重新結合的降低。
[0026]在步驟306，以如同圖2中所示的那樣執行等離子體摻雜工藝，將由步驟304的氣體混合物產生的離子注入基板的氧化物區210并沉積含碳膜213于基板的裸露硅區211上。施加RF源功率以由處理腔室100中的氣體混合物產生等離子體。所產生的等離子體解離處理腔室100中的氣體混合物成為離子物種。可與施加至等離子體源的RF源功率一起將RF偏壓功率施加至基板，以解離并驅使由氣體混合物解離的離子物種朝向并進入氧化物區處的距基板表面的所需深度。
[0027]—般而言，當沒有偏壓功率供應至基板時，含碳層可被相似地沉積在暴露的硅表面與氧化物表面兩者上。在一個實施方式中，在固定處理時間下，當等離子體浸沒(注入)能量為6kV-8kV，相應于在3000 - 4000W功率下偏壓的基板，穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)照片顯不Si表面具有厚度至少為40 A的聚合物層，然而氧化物表面上不沉積有聚合物。在另一個實施方式中，在X-射線光電子能譜儀(XPS)的測量下，其中樣本用較高能量處理較長處理時間，裸露的硅表面具有大于100 A的含碳層形成，而氧化物表面仍不具有可測得的聚合物形成。即便處理時間增加四倍且所有其他條件保持不變，在氧化物層上并未測得含碳層。[0028]可將施加至處理腔室100的RF源與偏壓功率控制在所需的能量水平下，從而允許離子物種被解離并以所需的濃度與深度將離子物種摻雜于基板的氧化物區中。提高的RF源功率通常會因為處理氣體的離子化作用提高，而增加沉積或注入可使用的碳的量。提高RF偏壓功率通常增加碳進入基板的氧化物區的注入深度。值得注意的是，當利用減小的RF偏壓或沒有RF偏壓時，碳可能會簡單地沉積于氧化物區上而非注入氧化物區。此外，在相對較高的RF偏壓下，除了碳沉積于裸露硅區上以外，碳可能會被注入裸露硅區，或者碳被注入裸露硅區取代了碳沉積于裸露硅區上。如圖2中所示，本文所述的選擇性沉積方法產生的基板將具有裸露硅區211上的含碳膜213，并將暴露氧化物區212。
[0029]在一個實施方式中，可在約13.56MHz的頻率下將源RF功率維持在約100瓦與約1000瓦之間。在一個實施方式中，在打開偏壓RF并可實現穩定的等離子體后，可關閉源RF (O瓦的功率)。可在約2MHz的頻率下將偏壓RF功率維持在約100瓦與約5000瓦之間。在一個實施方式中，源RF功率可為400瓦(在13.56MHz下)，并且偏壓功率可為4000瓦(在 2MHz 下)。
[0030]在步驟306的等離子體摻雜工藝過程中亦可調整多個工藝參數。在一個實施方式中，可將腔室壓力維持在約5毫托(mTorr)與約15毫托之間。較高的腔室壓力可導致較厚的含碳膜沉積于基板的裸露硅區上。可將腔室溫度維持在約50攝氏度與約90攝氏度之間。可將可利用靜電夾具控制的晶片溫度維持在約O攝氏度與約100攝氏度之間。在一個實施方式中，腔室壓力可為7毫托，腔室溫度可為65攝氏度，并且晶片溫度可為30攝氏度。
[0031 ] 步驟304供應的氣體混合物流量和/或反應氣體與稀釋氣體中的氣體混合物流的比例可經選擇，以控制各個氣體類型之間解離的離子物種的相對量。經選擇的氣體混合物流量和/或氣體混合物流的比例可使氣體混合物在預定的量和/或在不同離子物種中的比例下解離，從而避免在處理腔室中產生過量的某種類型的離子，過量的某種類型的離子會導致不想要的副作用和/或在基板上形成不需要的膜。舉例而言，過量的某種類型的離子物種(諸如，氫、氦或氬離子)會濺射并轟擊基板表面，從而破壞基板表面并使基板表面粗糖。
[0032]在一個實施方式中，可將含碳氣體與稀釋氣體的流量比例控制在約1:20與約1:0.5之間。在一個實施方式中，可在約2sccm與約IOOsccm之間(例如約IOsccm與約50sccm之間)的流量下使含碳氣體流入處理腔室。可在約20sCCm與約200sCCm之間(例如約50sccm與約IOOsccm之間)的流量下使稀釋氣體流入處理腔室。
[0033]在本發明的示例性實施方式中，氣體混合物可包括CH4和H2。在一個實施方式中，CH4氣體與H2氣體可具有約1:9的流量比例。可在IOsccm的流量下供應CH4氣體，并可在90sCCm的流量下供應H2氣體。在本發明的另一個示例性實施方式中，氣體混合物可包括CH4和He。在一個實施方式中，CH4氣體與He氣體可具有約1:20與約1:1之間(例如1:9)的流量比例。針對300mm基板而言，可在IOsccm的流量下供應CH4氣體，并可在90sccm的流量下供應He氣體。任一個實施方式中，源RF功率可被控制在約100瓦與約1000瓦之間，并且偏壓RF功率可被控制在約100瓦與約5000瓦之間。
[0034]根據本發明的另一個示例性實施方式中，可僅供應含碳氣體。舉例而言，可供應50sccm的CH4且沒有稀釋氣體。可將源RF功率控制在約100瓦以及約50瓦與約1000瓦之間，并且可將偏壓RF功率控制在約100瓦與約5000瓦之間。[0035]圖4是顯示相對于利用本文所披露的方法處理的基板的氧化物區的深度的元素濃度的二次離子質譜儀(SIMS)分布。在結晶硅基板上形成氧化物層。接著利用本文所述的方法將基板暴露至甲烷。如圖4中所示，將碳注入氧化物層以及基板。在氧化物層上并不沉積含碳膜。再者，由于注入氫的原因，某些接近氧化物層界面的結晶硅被制成非晶態的。
[0036]圖5是由X-射線光電子能譜儀(XPS)測量的元素的原子百分比圖，圖5針對的是已經經歷本文所述的選擇性沉積方法的裸露硅基板(不具有氧化物區)。在沉積之后，并未測得硅信號。反之，基板表面具有高原子百分比(約80%)的碳，表明厚度至少為50A的含碳膜被沉積于裸露硅基板的表面上。20%原子百分比的氧化物源自于硅中已經存在的原生氧化物(例如，源自基板暴露至周圍空氣)。
[0037]有限的數據指出沉積在裸露硅區上與沉積在氧化物區上的比例是1:1至約20:1。偏壓RF功率(等離子體浸沒能量)為調整選擇性的主要標準。源RF功率亦可影響選擇性的變化，因為相信增加源功率可增加對硅區與氧化物區兩者的滲透。
[0038]因此，提供了通過等離子體摻雜工藝在具有裸露硅區與氧化物區的基板上選擇性沉積含碳膜的方法。改良的方法僅在最終期望的區域上有利地選擇性沉積含碳膜，以致沉積后的聚合物層的圖案化不是必須的。這有利于具有小的幾何形狀的集成電路的制造，具有小的幾何形狀的集成電路中有時無法實行圖案化。可由聚合物覆蓋基板上的裸露硅區并保護裸露硅區免于進一步的處理，同時可使基板上的氧化物區暴露。
[0039]雖然上述是針對本發明的實施方式，但可在不悖離本發明的基本范圍下設計出本發明的其他與更多的實施方式，本發明的范圍是由隨后的申請專利范圍所確定的。
【權利要求】
1.一種沉積方法，包括以下步驟: 由含碳氣體產生的含碳離子選擇性地沉積含碳層于基板的硅區上，其中所述基板包括至少一個硅區和至少一個氧化物區；及 選擇性地將所述含碳離子注入所述基板的所述氧化物區。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述含碳氣體包括具有5個或更少碳原子的分子。
3.根據權利要求1所述的方法，其中腔室壓力是維持在約5毫托與約15毫托之間。
4.根據權利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟:以稀釋氣體稀釋所述含碳氣體。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述含碳氣體與所述稀釋氣體的比例是在約1:20與約1:0.5之間。
6.根據權利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟:電偏壓所述基板，其中所述電偏壓被提高以增加所述含碳離子注入所述氧化物層的深度。
7.一種沉積方法，包括以下步驟: 由含碳氣體產生的含碳離子選擇性地沉積含碳層于基板的硅區上，其中所述基板包括至少一個硅區和至少一個氧化物區；及 將所述含碳離子的至少一部分注入所述硅區與所述氧化物區兩者。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述含碳氣體包括具有5個或更少碳原子的分子。
9.根據權利要求7所述的方法，其中腔室壓力可被維持在約5毫托與約15毫托之間。
10.根據權利要求7所述的方法，進一步包括以下步驟:電偏壓所述基板。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述電偏壓利用RF功率源。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述電偏壓被控制在一水平下，在所述水平下，由處理氣體解離的離子被朝向所述基板表面加速，且以所需離子濃度將所述離子注入所述基板的頂表面以下的所需深度處。
13.根據權利要求7所述的方法，進一步包括以下步驟:以稀釋氣體稀釋所述含碳氣體。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述含碳氣體與所述稀釋氣體的比例是在約1:20與約1:0.5之間。
15.根據權利要求13所述的方法，進一步包括以下步驟:改變等離子體摻雜工藝的RF源功率以控制碳的沉積或注入的量，其中所述RF源功率的提高導致沉積或注入碳的量的增加。
【文檔編號】H01L21/205GK103620740SQ201280025601
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年5月11日 優先權日:2011年6月10日
【發明者】大平·姚 申請人:應用材料公司