專利名稱：金屬硬掩模的制造技術(shù)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地，涉及金屬硬掩模的制造。
背景技術(shù)：
硬掩模在半導(dǎo)體加工中用于將圖案轉(zhuǎn)印到襯底上，尤其是隨著特征尺寸逐漸縮小。對(duì)于遞減的幾何尺寸，金屬硬掩?？梢蕴峁┧璧奈g刻輪廓和關(guān)鍵尺寸控制。然而，在高殘余應(yīng)力下制造硬掩模會(huì)導(dǎo)致圖案失真，而釋放硬掩模中的應(yīng)力則需要熱預(yù)算。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供各種有利的實(shí)施例。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種制造金屬硬掩模方法包括，將至少一種金屬反應(yīng)氣體流入被配置為進(jìn)行化學(xué)汽相沉積(CVD)的反應(yīng)室中，其中，該至少一種金屬反應(yīng)氣體包括，金屬鹵素氣體或金屬有機(jī)氣體。該方法進(jìn)一步包括，使用至少一種金屬反應(yīng)氣體通過(guò)CVD沉積硬掩模金屬層。根據(jù)一個(gè)方面，該方法可以進(jìn)一步包括，利用對(duì)沉積的硬掩模金屬層進(jìn)行的等離子體處理來(lái)調(diào)節(jié)沉積的硬掩模金屬層的應(yīng)力和/或密度。等離子體處理可以包括，停止至少一種金屬反應(yīng)氣體的流入，以及使用由至少一種載氣形成的等離子體轟擊沉積的硬掩模TiN層。其中，至少一種金屬反應(yīng)氣體選自由鹵素鈦氣體、有機(jī)鈦氣體、鉭鹵素氣體、以及鉭有機(jī)氣體組成的組。其中，沉積硬掩模金屬層包括，通過(guò)等離子體增強(qiáng)型CVD(PECVD)或金屬有機(jī)CVD (MOCVD)沉積鈦層、氮化鈦層、鉭層、或氮化鉭層。該方法進(jìn)一步包括，利用對(duì)所沉積的硬掩模金屬層進(jìn)行的等離子體處理來(lái)調(diào)節(jié)所沉積的硬掩模金屬層的應(yīng)力和/或密度。其中，硬掩模金屬層的應(yīng)力被調(diào)節(jié)為介于大約1E9達(dá)因/cm2到大約-1E9達(dá)因/cm2之間，以及硬掩模金屬層的密度被調(diào)節(jié)為大于大約4g/cm3。其中，等離子體處理包括，停止至少一種金屬反應(yīng)氣體流入反應(yīng)室，以及使用由氮?dú)?、氨氣、IS氣、氦氣、氫氣、或其組合形成的等離子體轟擊所沉積的硬掩模金屬層。該方法進(jìn)一步包括，進(jìn)行多次循環(huán)的硬掩模金屬層CVD和等離子體處理，以形成多個(gè)硬掩模金屬層，向上逐層沉積每個(gè)硬掩模金屬層。該方法進(jìn)一步包括，將第二反應(yīng)氣體流入反應(yīng)室中，其中，第二反應(yīng)氣體選自由氮?dú)夂桶睔饨M成的組。該方法進(jìn)一步包括,將載氣流入反應(yīng)室中，其中，載氣選自由氦氣、氬氣、和氫氣組成的組。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于制造金屬硬掩模的方法包括，將至少一種金屬反應(yīng)氣體和至少一種載氣流入被配置為進(jìn)行化學(xué)汽相沉積(CVD)的反應(yīng)室中，其中，該至少一種金屬反應(yīng)氣體包括，鹵素鈦氣體或有機(jī)鈦氣體。該方法進(jìn)一步包括，使用至少一種金屬反應(yīng)氣體和至少一種載氣通過(guò)CVD沉積硬掩模TiN層。根據(jù)一個(gè)方面，該方法可以進(jìn)一步包括，利用對(duì)沉積的硬掩模金屬層進(jìn)行的等離子體處理來(lái)調(diào)節(jié)沉積的硬掩模TiN層的應(yīng)力和/或密度，以及進(jìn)行多個(gè)周期的硬掩模TiN層CVD和等離子體處理，以形成多個(gè)硬掩模TiN層，每個(gè)硬掩模TiN層向上逐層沉積。其中，流入至少一種金屬反應(yīng)氣體包括流入選自由氯化鈦氣體和碳化鈦氣體組成的組中的金屬反應(yīng)氣體，以及其中，將載氣流入反應(yīng)室包括流入選自由氦氣、氬氣、和氫氣組成的組中的載氣。其中，沉積硬掩模TiN層包括，通過(guò)等離子體增強(qiáng)型CVD(PECVD)或有機(jī)金屬CVD (MOCVD)沉積氮化鈦層。該方法進(jìn)一步包括:利用對(duì)所沉積的硬掩模TiN層進(jìn)行的等離子體處理來(lái)調(diào)節(jié)所沉積的硬掩模TiN層的應(yīng)力和/或密度，其中，等離子體處理包括，停止至少一種金屬反應(yīng)氣體的流入，以及，使用由至少一種載氣形成的等離子體轟擊所沉積的硬掩模TiN層；以及進(jìn)行多次循環(huán)的硬掩模TiN層CVD和等離子體處理，以形成多個(gè)硬掩模TiN層，向上逐層沉積每個(gè)硬掩模TiN層。其中，硬掩模TiN層的應(yīng)力被調(diào)節(jié)為介于大約1E9達(dá)因/cm2到-1E9達(dá)因/cm2之間，以及硬掩模TiN層的密度被調(diào)節(jié)為大于大約4g/cm3。其中，等離子體處理的每次循環(huán)均包括以在大約O瓦到大約200瓦之間RF功率，使用由氮?dú)狻睔?、氬氣、氦氣、氫氣、或其組合形成的等離子體對(duì)所沉積的硬掩模TiN層轟擊大約O秒到大約20秒之間的時(shí)間。該方法進(jìn)一步包括，將第二反應(yīng)氣體流入反應(yīng)室中，其中，第二反應(yīng)氣體選自由氮?dú)夂桶睔饨M成的組。在又一個(gè)實(shí)施例中，金屬硬掩模包括鈦硬掩模金屬層或鉭硬掩模金屬層，由包括金屬鹵素氣體或金屬有機(jī)氣體的至少一種金屬反應(yīng)氣體通過(guò)化學(xué)汽相沉積(CVD)形成，其中，該鈦硬掩模金屬層是使用鹵素鈦前體或有機(jī)鈦前體通過(guò)等離子體增強(qiáng)CVD(PECVD)或金屬有機(jī)CVD(MOCVD)沉積形成，以及其中，該鉭硬掩模金屬層是使用鉭鹵素前體或鉭有機(jī)前體通過(guò)PECVD或MOCVD沉積形成。其中，鈦硬掩模金屬層或鉭硬掩模金屬層分別由氮化鈦和氮化鉭組成，密度為大于大約4g/cm3，應(yīng)力介于大約1E9達(dá)因/cm2到大約-1E9達(dá)因/cm2之間。其中，通過(guò)對(duì)硬掩模金屬層進(jìn)行等離子體處理來(lái)調(diào)節(jié)硬掩模金屬層的應(yīng)力和/或密度，等離子體處理包括使用由氫氣、氮?dú)狻睔?、或其組合形成的等離子體進(jìn)行轟擊。該硬掩模進(jìn)一步包括多個(gè)鈦或鉭金屬層，通過(guò)周期性的金屬層CVD和等離子體進(jìn)行逐層向上沉積每個(gè)金屬層。有利的是，本發(fā)明提供了用于制造具有大致無(wú)應(yīng)力或少應(yīng)力的高密度金屬硬掩模的方法。這些方法由于無(wú)需傳統(tǒng)的后沉積退火工藝而得到簡(jiǎn)化，從而提高了熱預(yù)算，同時(shí)保持了器件性能并且確保了高_(dá)k完整性。


從以下詳細(xì)的描述和附圖中可以更好地理解本發(fā)明的各個(gè)方面。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，各種部件沒(méi)有被按比例繪制并且僅以說(shuō)明為目的。實(shí)際上，為了清楚地討論,各種部件的尺寸可以被任意增加或減少。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出的一種制造金屬硬掩模的方法的流程圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出的另一種制造金屬硬掩模的方法的流程圖。圖3A、圖3B、和圖3C是分別由物理汽相沉積(PVD)、無(wú)周期性等離子體處理的化學(xué)汽相沉積(CVD)、和有周期性等離子體處理的CVD形成的晶粒層的描述性示例圖。圖4A和4B分別是示例性膜應(yīng)力相對(duì)于等離子體處理時(shí)間和等離子功率的曲線圖。圖5示出的是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例形成的層的示例性膜密度的曲線圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出的一種制造金屬硬掩模的系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式據(jù)了解為了實(shí)施本發(fā)明的不同部件，以下公開(kāi)提供了許多不同的實(shí)施例或示例。以下所描述的元件和設(shè)置的特定示例用以簡(jiǎn)化本公開(kāi)。當(dāng)然，這些僅僅是示例并不用于限定。再者，以下描述中的第一部件形成在第二部件上可以包括第一和第二部件以直接接觸形成的實(shí)施例，也可以包括形成額外的部件以插入到第一和第二部件中，從而使第一和第二部件不直接接觸的實(shí)施例。為了簡(jiǎn)單和清楚，可以任意地以不同的尺寸繪制各種部件。另夕卜，為清楚起見(jiàn)，將一些附圖進(jìn)行了簡(jiǎn)化。因此，附圖可能并不會(huì)描繪出給定裝置(例如，器件)或方法的所有組件。附圖示意性地描述了本發(fā)明的理想配置，本文將參考附圖介紹本發(fā)明的各個(gè)方面。正因?yàn)槿绱?，圖示的形狀導(dǎo)致的變化是可預(yù)計(jì)的，例如，制造技術(shù)和/或公差。因此，整個(gè)公開(kāi)所展示的本發(fā)明的各個(gè)方面不應(yīng)該被理解為僅限于此處所示和所述的元件(例如，區(qū)域、層、截面、襯底等)的特定形狀，而應(yīng)該包括例如制造導(dǎo)致的形狀的偏差。通過(guò)示例的方式，所示或所述的矩形元件可以具有圓形或彎曲的部件和/或其邊緣具有梯度深度(gradient concentration),而不是從一個(gè)元件到另一個(gè)元件的不連續(xù)的變化。因此，圖中所示的元件僅是示意性的，它們的形狀并不用于說(shuō)明元件的精確形狀，也不用于限制本發(fā)明的范圍。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)一個(gè)元件例如區(qū)域、層、截面、襯底等，被稱為在另一個(gè)元件“上”，它可以直接在其他元件上或通過(guò)干預(yù)元件在其他元件上。相反，當(dāng)一個(gè)元件被稱為“直接”在另一個(gè)元件上時(shí)，不存在干預(yù)元件。進(jìn)一步理解為，當(dāng)一個(gè)元件被稱為“形成”在另一個(gè)元件上時(shí)，它可以以生長(zhǎng)、沉積、蝕刻、接觸、連接、接合的方式或者準(zhǔn)備或制造的方式在其他元件上或干預(yù)元件上。除非另有定義，此處使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的相同的含義。可以將這些術(shù)語(yǔ)，例如，常用的字典定義，進(jìn)一步理解為，具有與相關(guān)的技術(shù)和本發(fā)明內(nèi)容相統(tǒng)一的意義。本文所使用的單數(shù)形式“一個(gè)”、“這個(gè)”、“該”也包括的其復(fù)數(shù)形式，除非對(duì)該內(nèi)容另有清楚的指示。進(jìn)一步地，應(yīng)該理解術(shù)語(yǔ)“包括”和/或“包含”在本說(shuō)明書中使用時(shí)，簡(jiǎn)述了所述部件、整體、步驟、操作、元件、和/或組件的存在，但不排除一個(gè)或更多其他部件、整體、步驟、操作、元件、組件、和/或其組合的存在或增加。術(shù)語(yǔ)“和/或”包含任一個(gè)或多個(gè)與所列出的術(shù)語(yǔ)相關(guān)的任何和所有組合。應(yīng)該理解，雖然在此處可以使用術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”和“第三”等描述各個(gè)工藝參數(shù)或元件，例如，RF功率、抽頭設(shè)置、前體、電極等，但是這些工藝參數(shù)或元件不受這些術(shù)語(yǔ)的限制。這些術(shù)語(yǔ)只用來(lái)區(qū)別一個(gè)工藝參數(shù)或元件和其它工藝參數(shù)或元件。因此，不背離本公開(kāi)的啟示的情況下，可以將以下所討論的第一 RF功率、氣體、抽頭設(shè)置、前體或電極稱為第二 RF功率、氣體、抽頭設(shè)置、前體或電極。應(yīng)該理解，只對(duì)幾個(gè)處理步驟和/或器件的部件作簡(jiǎn)要介紹，是因?yàn)樾┎襟E和/或部件對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是公知的。此外，在實(shí)施權(quán)利要求時(shí)，可以增加額外的處理步驟或部件，當(dāng)然也可以刪除和/或改變以下特定的處理步驟或部件。因此，以下描述應(yīng)該被理解為是具有代表性的示例，而不是用于指出某一個(gè)或多個(gè)步驟或部件是必須的。參考圖1和2所示的流程圖，其根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例分別示出了用于制造金屬硬掩模的方法100和方法200。方法100包括，框102中的將至少一種金屬反應(yīng)氣體流入被配置為進(jìn)行化學(xué)汽相沉積(CVD)的反應(yīng)室中，其中，該至少一種金屬反應(yīng)氣體包括金屬鹵素氣體或金屬有機(jī)氣體。方法100進(jìn)一步包括,框104中的使用至少一種金屬反應(yīng)氣體通過(guò)CVD沉積金屬硬掩模層。根據(jù)一個(gè)方面，該方法可以進(jìn)一步包括，利用對(duì)沉積的金屬層進(jìn)行的等離子體處理來(lái)調(diào)節(jié)沉積的硬掩模金屬層的應(yīng)力和/或密度。等離子體處理可以包括，停止至少一種金屬反應(yīng)氣體的流入，以及使用由至少一種載氣形成的等離子體轟擊沉積的硬掩模金屬層。方法200包括，框202中的將至少一種金屬反應(yīng)氣體和至少一種載氣流入被配置為進(jìn)行化學(xué)汽相沉積(CVD)的反應(yīng)室中，其中，該至少一種金屬反應(yīng)氣體包括金屬鹵素氣體或金屬有機(jī)氣體。方法200進(jìn)一步包括，框204中的使用至少一種金屬反應(yīng)氣體通過(guò)CVD沉積金屬硬掩模層，以及框206中的利用沉積的硬掩模金屬層上的等離子體處理來(lái)調(diào)節(jié)沉積的硬掩模金屬層的應(yīng)力和/或密度。等離子體處理包括，停止至少一種金屬反應(yīng)氣體的流入，以及使用由至少一種載氣形成的等離子體轟擊沉積的金屬層。方法200進(jìn)一步包括，框210中的確定金屬層或金屬硬掩模的總厚度是否已達(dá)到預(yù)期。如果尚未(“并未”)達(dá)到所預(yù)期的總厚度，則如框204和框206所示，重復(fù)實(shí)施多個(gè)金屬層CVD和等離子體處理的循環(huán)，以形成多個(gè)金屬層，每個(gè)金屬層向上逐層沉積。如果已達(dá)到(“是”)所預(yù)期的總厚度，則方法200結(jié)束。上述方法100和方法200中的各個(gè)步驟可以通過(guò)各種技術(shù)、手段、裝置、和/或系統(tǒng)實(shí)施。應(yīng)注意，在本公開(kāi)的各個(gè)方面的范圍內(nèi)可以對(duì)方法100或方法200的操作進(jìn)行重新排序或修改。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步指出的是，在方法100或方法200的操作過(guò)程之前、期間、或之后可以提供額外的工藝，對(duì)于一些其他工藝，本文只作簡(jiǎn)要介紹。因此，在本文所述的各個(gè)方面的范圍內(nèi)可以進(jìn)行其他實(shí)施。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，反應(yīng)室可以包括被配置為支撐襯底(例如，電介質(zhì))的第一電極，以及設(shè)置在第一電極和襯底的上方的第二電極?？梢詫⑸漕l(RF)功率應(yīng)用于第一和第二電極之間，以將金屬層沉積到襯底上。在終止操作過(guò)程中，可以將另一個(gè)RF功率應(yīng)用于第一和第二電極之間，并且在一個(gè)示例中，第二 RF功率可以小于第一 RF功率。換句話說(shuō)，隨著至少一種反應(yīng)氣體和載氣或稀釋氣體流入沉積室，以及將第一(主要沉積)功率應(yīng)用為與反應(yīng)室的電極功率持平，則可以出現(xiàn)沉積操作。在沉積操作之后進(jìn)行的終止操作或等離子體處理操作過(guò)程中，可以將第二功率應(yīng)用于電極之間的反應(yīng)室。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，沉積的硬掩模金屬層可以包括鈦層、氮化鈦層、鉭層、或氮化鉭層。根據(jù)另一個(gè)方面，硬掩模金屬層可以通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)或有機(jī)金屬CVD(MOCVD)進(jìn)行沉積。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，至少一種金屬反應(yīng)氣體選自鹵素鈦氣體(例如，TiCl4)、有機(jī)鈦氣體(例如，四_( 二甲基氨基(dimethylamido))鈦(TDMAT)、四-(乙酰氨基(diethylamido))鈦(TDEAT))、鉭鹵素氣體、鉭有機(jī)氣體、及其組合組成的組。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，方法100和方法200可以各進(jìn)一步包括將第二反應(yīng)氣體流入反應(yīng)室中，其中，第二反應(yīng)氣體選自氮、氨、及其組合組成的組。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，載氣選自氦氣、氬氣、氫氣及其組合組成的組。在一個(gè)示例中，為形成TiN膜，將含Ti氣體和含N氣體用作前體氣體，將惰性氣體用作載氣，以及在沉積操作過(guò)程中，應(yīng)用在電極之間的功率介于大約O瓦到大約200瓦之間，時(shí)間為大約O秒到大約20秒之間。工藝溫度可以在大約350攝氏度到大約450攝氏度之間，工藝壓力可以在大約I托到大約50托之間。在一個(gè)PECVD工藝的實(shí)施例中，當(dāng)將RF功率應(yīng)用到反應(yīng)室中兩個(gè)電極之間時(shí)，形成輝光(glow)放電(即，等離子體)。反應(yīng)室中的反應(yīng)氣體產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)的種類(例如，原子、離子、自由基)。這些活性種類擴(kuò)散并被吸附在襯底材料的表面上?？梢詫F功率應(yīng)用于上部和下部的電極。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，可以將RF功率應(yīng)用于上部電極，而下部電極則可以保持在接地電位?？梢哉{(diào)整阻抗匹配單元，以最大限度地提高等離子體所吸收的RF功率。在本文件中，阻抗匹配單元的設(shè)置被稱為抽頭設(shè)置并且與應(yīng)用于上部和下部電極之間且被等離子體吸收的最大RF功率相對(duì)應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，等離子體處理可以包括，停止至少一種金屬反應(yīng)氣體流入反應(yīng)室，以及使用由氮?dú)狻睔?、氬氣、氦氣、氫氣、或其組合形成的等離子體轟擊沉積的硬掩模金屬層，以調(diào)節(jié)沉積的金屬層的應(yīng)力和/或密度。等離子體處理可以增加沉積的膜的密度，以及在某些含Cl前體氣體的情況下，使用等離子體處理可以去除所含Cl。在一個(gè)示例中，在等離子體處理操作過(guò)程中，應(yīng)用于電極之間的功率可以介于大約O瓦到大約200瓦，時(shí)間為大約O秒到大約20秒。工藝溫度可以在大約350攝氏度到大約450攝氏度之間，工藝壓力可以在大約I托到大約50托之間。根據(jù)一個(gè)示例，而并不用于限制，沉積的硬掩模金屬層的應(yīng)力被調(diào)整為在大約1E9達(dá)因/cm2到-1E9達(dá)因/cm2之間，金屬層的密度被調(diào)整為大于大約4g/cm3。在另一個(gè)示例中，硬掩模金屬層的密度可以被調(diào)整為大于大約4.5g/cm3。在又一個(gè)不例中，硬掩模金屬層的密度可以被調(diào)整為大于大約4.8gm/cm3。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，方法100可以進(jìn)一步包括實(shí)施多個(gè)周期的硬掩模金屬層CVD和等離子體處理，以形成多個(gè)硬掩模金屬層，每個(gè)硬掩模金屬層向上逐層沉積。對(duì)于方法100或方法200中的通過(guò)多個(gè)周期的沉積和等離子體處理形成多個(gè)硬掩模金屬層的情況，在一個(gè)示例中，可以在每個(gè)或一些周期中使用不同的沉積和等離子體處理參數(shù)，或者在另一個(gè)示例中，可以在每個(gè)周期中使用固定的沉積和等離子體處理參數(shù)。在一個(gè)示例中，金屬硬掩模的總厚度可以有所不同，沉積和等離子體處理周期(即，一個(gè)周期包括:沉積操作和等離子體處理操作)可以在大約3個(gè)周期到大約20個(gè)周期之間。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，可以改變應(yīng)用于第一和第二電極之間的RF功率?？梢酝ㄟ^(guò)各種工藝改變RF功率，例如，通過(guò)停止至少一種反應(yīng)氣體流入反應(yīng)室中、停止至少一種載氣流入反應(yīng)室中、改變室的壓力、應(yīng)用不同的功率到第一電極和/或第二電極、改變對(duì)與第二電極相接合的阻抗匹配單元的抽頭設(shè)置、及其組合。在一個(gè)示例中，可以被動(dòng)地改變RF功率,例如，通過(guò)停止至少一種反應(yīng)氣體流入反應(yīng)室、停止至少一種載氣流入反應(yīng)室、改變室的壓力、或其組合來(lái)進(jìn)行。在另一個(gè)示例中，可以主動(dòng)地改變RF功率，例如，通過(guò)應(yīng)用不同的功率到第一電極和/或第二電極、改變對(duì)與第二電極相接合的阻抗匹配單元的抽頭設(shè)置、或其組合。在其他示例中，在沉積操作過(guò)程中，可以在反應(yīng)室的電極之間提供第一室壓力、第一室溫度、和第一最大應(yīng)用RF功率。在終止操作或等離子體處理操作過(guò)程中，可以提供第二室壓力、第二室溫度、和第二最大應(yīng)用RF功率。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，等離子體的形成可以通過(guò)將低頻RF(LFRF)功率應(yīng)用到第一電極、應(yīng)用高頻RF(HFRF)功率到第二電極、以及在第一和第二電極之間形成等離子體來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的其他方面，在第一和第二電極之間應(yīng)用RF功率之前，在主沉積操作、終止操作、或等離子體處理操作過(guò)程中，可以提供在大約I托到大約50托之間的室壓力，以及在主沉積操作、終止操作、或等離子體處理操作過(guò)程中，可以提供在大約350攝氏度到大約450攝氏度之間的室溫度。優(yōu)選地，本發(fā)明提供了一種制造基本無(wú)應(yīng)力或少應(yīng)力的高密度金屬硬掩模的方法，例如，其密度大于大約4g/cm3。這些方法由于無(wú)需傳統(tǒng)的后沉積退火工藝而得到簡(jiǎn)化，從而提高了熱預(yù)算，同時(shí)保持了器件性能并確保了高_(dá)k完整性。參考圖3A、3B和3C，示例性的晶粒結(jié)構(gòu)示出了通過(guò)物理汽相沉積(PVD)、無(wú)循環(huán)等離子體處理的化學(xué)汽相沉積(CVD)、和有循環(huán)等離子體處理的CVD形成的層310、320、和330。圖3A示出的TiN層310具有通過(guò)PVD沉積的柱狀晶粒312，以及矩陣中的高靜壓應(yīng)變場(chǎng)。不利的是，PVD處理要求高功率并且引起位移，而柱狀晶粒不能有效地釋放應(yīng)變/應(yīng)力。圖3B示出的TiN層320具有通過(guò)CVD形成的等軸晶粒322。優(yōu)選地，CVD處理提供了可以有效地釋放應(yīng)變/應(yīng)力的等軸晶粒。圖3C示出的TiN層330具有通過(guò)有循環(huán)等離子體處理的CVD沉積的等軸晶粒332。有利的是，由循環(huán)沉積和等離子體處理形成的等軸晶粒332的大小大于未經(jīng)等離子體處理而形成的等軸晶粒322的大小，因此可以將其提供到無(wú)應(yīng)力或少應(yīng)力的高密度層上。參考圖4A和4B，曲線圖410和420分別是根據(jù)本發(fā)明的示例性的實(shí)施例示出的示例性膜應(yīng)力相對(duì)于等離子體處理時(shí)間和等離子體功率的關(guān)系。曲線圖410所示的X軸上是以秒計(jì)算的氮化(即，氮處理等離子體)時(shí)間，y軸上是以達(dá)因/cm2計(jì)算的膜應(yīng)力。在一個(gè)示例中，所示的膜應(yīng)力在大約1E9達(dá)因/cm2到大約-1E9達(dá)因/cm2之間,在另一個(gè)示例中，所示的膜應(yīng)力在大約0.8E9達(dá)因/cm2到大約-0.8E9達(dá)因/cm2之間，隨著氮化時(shí)間增加,膜應(yīng)力從正到負(fù)移動(dòng)。曲線圖420所示的X軸上是以瓦計(jì)算的氮化RF功率，y軸上是以達(dá)因/cm2計(jì)算的膜應(yīng)力。在一個(gè)示例中，所示的膜應(yīng)力在大約1E9達(dá)因/cm2到大約-1E9達(dá)因/cm2之間,在另一個(gè)示例中，所示的膜應(yīng)力在大約0.5E9達(dá)因/cm2到大約-0.6E9達(dá)因/cm2之間，隨著氮化RF功率增加,膜應(yīng)力從正到負(fù)移動(dòng)。因此,可以將膜應(yīng)力調(diào)整到基于等離子體處理時(shí)間、所應(yīng)用的RF功率、和/或等離子體循環(huán)數(shù)量的水平。圖5是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例示出的層的示例性膜密度的曲線圖500。在一個(gè)示例中，所示的TiN層的膜密度大于大約4gm/cm3，而在另一個(gè)示例中，大于大約4.8gm/cm3?？梢詫⒛っ芏日{(diào)整到基于會(huì)對(duì)沉積層的晶粒大小和微觀結(jié)構(gòu)造成影響的等離子體處理時(shí)間、所應(yīng)用的RF功率、和/或等離子體循環(huán)數(shù)量的水平。參照?qǐng)D6，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了一種制造金屬硬掩模的系統(tǒng)600。系統(tǒng)600包括反應(yīng)室610 (例如，CVD室)，其具有被配置為支撐襯底614的第一電極612和設(shè)置在第一電極612和襯底614的上方的第二電極616。系統(tǒng)600進(jìn)一步包括至少一種反應(yīng)氣體源620和至少一個(gè)載氣源630，其每個(gè)可操作用于與反應(yīng)室610相接合，從而將至少一種反應(yīng)氣體和至少一種載氣分別流入反應(yīng)室610。系統(tǒng)600進(jìn)一步包括與第二電極616相接合的阻抗匹配單元650，以在第一電極612和第二電極616之間提供射頻(RF)功率?？梢詫⒊轭^設(shè)置應(yīng)用于阻抗匹配單兀650,以控制應(yīng)用于第一電極612和第二電極616之間的RF功率。在沉積操作過(guò)程中，可以將第一抽頭設(shè)置應(yīng)用于與第一最大RF功率相對(duì)應(yīng)的阻抗匹配的單元，以及在終止操作或等離子體處理操作過(guò)程中，可以將第二抽頭設(shè)置應(yīng)用于與第二最大RF功率相對(duì)應(yīng)的阻抗匹配的單元。將第一 RF功率或電壓源660接合到第一電極612，第二 RF功率或電壓源670接合到阻抗匹配單元650。將泵和排氣饋線680連接到室610，以在PECVD操作過(guò)程中提供抽氣效應(yīng)(pumping)從而在其中建立局部真空的條件，以及在完成晶圓加工操作之后提供氣體排出線，用于將氣體排出系統(tǒng)。在一個(gè)示例中，可以將沉積和/或等離子體處理過(guò)程中的工藝壓力設(shè)定為在大約I托到大約50托之間。室610也可以包括加熱元件，從而根據(jù)需要控制室內(nèi)溫度。在一個(gè)示例中，用于沉積和/或等離子體處理的工藝溫度可以是介于大約350攝氏度到大約450攝氏度之間。在一個(gè)示例中，室610是一個(gè)適于實(shí)現(xiàn)上述工藝或方法100和/或方法200的PECVD反應(yīng)室。例如，可以使用加利福尼亞州的Novellus Corporation of San Jose公司出售的商品名為CONCEPT I的PECVD反應(yīng)室。也可以使用其他的室進(jìn)行任何上述方法。根據(jù)一個(gè)方面，第一電極612與第二電極616相對(duì)設(shè)置,兩者之間有一個(gè)間隙，以及襯底614設(shè)置在第一電極612和第二電極616之間。根據(jù)另一個(gè)方面，第一電極612可以作為陽(yáng)極，并對(duì)其提供來(lái)自第一 RF功率源660的低頻RF (LFRF)，第二電極616可以作為陰極，并對(duì)其提供來(lái)自第二 RF功率源670的高頻RF (HFRF)。在一個(gè)實(shí)施例中，第二電極616可以包括被可操作地定位成與第一電極相鄰并被配置為從供氣源(例如，反應(yīng)氣源620、載氣源630)提供氣態(tài)反應(yīng)物到室610中的蓮蓬頭(shower head)電極。在其它實(shí)施例中，氣態(tài)反應(yīng)物可以通過(guò)與第二電極分離的進(jìn)口或通過(guò)其他方式進(jìn)入室610。第一電極612被配置為支撐至少一個(gè)襯底，例如，半導(dǎo)體晶圓形式或電介質(zhì)襯底形式的襯底。在本文中所使用的術(shù)語(yǔ)“支撐”和與第一電極相連接用于表示在所需的方向上保持或放置一個(gè)或多個(gè)襯底，從而發(fā)生化學(xué)汽相沉積。因此，除了所示的水平位置以外，襯底可以在其他方向上被支撐、保持或放置。此外，雖然示出了平行板PECVD反應(yīng)室，也可以使用其他適用于實(shí)施本發(fā)明的方法的RF功率系統(tǒng)，例如，美國(guó)專利號(hào)6，705，246所描述的感應(yīng)線圈PECVD反應(yīng)室，該公開(kāi)文本通過(guò)引證結(jié)合在此。此外，雖然圖中所示的室610具有兩個(gè)電極，然而應(yīng)該理解，該系統(tǒng)可以使用的反應(yīng)室和方法并不僅限于兩個(gè)電極。此外，雖然在圖中示出的是對(duì)單一的襯底進(jìn)行處理，但是在其他實(shí)施例中，可以將反應(yīng)室配置為對(duì)多個(gè)襯底進(jìn)行處理。根據(jù)一個(gè)方面，襯底614在不同的制造階段可以包括各種半導(dǎo)體器件、和/或其他合適的有源和/或無(wú)源器件。示例性的半導(dǎo)體器件包括集成電路，其具有包括互補(bǔ)MOSFET (CMOS)部件、CIS、和/或其他合適的有源和/或無(wú)源器件的金屬_絕緣體_半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。在一個(gè)實(shí)施例中，襯底可以包括使用基于CMOS工藝設(shè)計(jì)和形成的集成電路(或其部分)。然而，具有由其他半導(dǎo)體制造技術(shù)形成的器件(例如，集成電路)的襯底也在所描述的方法的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，襯底614可以包括半導(dǎo)體襯底，也可以包括硅，或者可選地包括硅鍺、鎵砷、或其他合適的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體襯底可以包括底層、器件、接合點(diǎn)、和其他在之前的工藝步驟或在之后的工藝步驟中形成的部件(未顯示)。根據(jù)一個(gè)方面，每個(gè)反應(yīng)氣源620和載氣源630可以包括多個(gè)存儲(chǔ)器(reservoir)，并且可以通過(guò)饋線622、632、和常見(jiàn)的氣體饋線642與室640相接合。可以將分別來(lái)自反應(yīng)氣源620和稀釋氣源630的至少一種反應(yīng)氣體和至少一種載氣提供到預(yù)混合室640中，從而在流入反應(yīng)室610之前將其預(yù)混合成基本均勻的混合氣體。在一個(gè)示例中，預(yù)混合室640被設(shè)置為直接與室610相鄰。反應(yīng)氣體源620可以包括傳統(tǒng)起泡室、加熱線圈、關(guān)閉閥門、和/或輸出端口。在一個(gè)示例中，反應(yīng)氣源620可以提供各種反應(yīng)氣體，這取決于所需要沉積的金屬層，例如，鈦層、氮化鈦層、鉭層、或氮化鉭層。在一個(gè)示例中，反應(yīng)氣體可以包括但不僅限于鹵素鈦氣體(例如，TiCl4)、有機(jī)鈦氣體(例如，四_( 二甲基氨基)鈦(TDMAT)、四-(乙酰氨基)鈦(TDEAT))、鹵素鉭氣體、有機(jī)鉭氣體、及其組合組成的組。在另一個(gè)例子中，含氮的氣體(例如，含有氮?dú)饣虬睔?可以被包含作為反映氣體。雖然圖中示出的是單一的反應(yīng)氣源620，但是，系統(tǒng)600可以根據(jù)需要包括多個(gè)反應(yīng)氣源，并且以與反應(yīng)氣源620相似的方式與反應(yīng)室610相接合。載氣源630可以包括加熱器線圈、關(guān)閉閥門、和/或輸出端口，并且可以提供各種載體氣體，包括但不限于氦氣、気氣、和氫氣。雖然無(wú)需示出，但是反應(yīng)氣體和載氣可以通過(guò)各種裝置(例如，流線、壓力調(diào)節(jié)器、閥門、質(zhì)量流量控制器、或其他流量控制器、歧管、和/或調(diào)節(jié)器)從反應(yīng)氣源620和載氣/稀釋氣源630流入反應(yīng)室610中。在一個(gè)示例中，質(zhì)量流量控制器可以是電子式的，其中，可以建立變量設(shè)定點(diǎn)，以提供恒定的選擇氣體流速，從而自動(dòng)補(bǔ)償外部參數(shù)的變化，例如，該系統(tǒng)的各個(gè)流線中的溫度的變化和壓力的變化。歧管(manifold)可以用于提供各種組合氣體的預(yù)混合?？梢蕴峁┚哂嘘P(guān)閉閥門的饋線622和632，使其可以在任何時(shí)間啟動(dòng)和關(guān)閉系統(tǒng)操作。在反應(yīng)氣源620和/或載氣源630中也可以包括關(guān)閉閥門。系統(tǒng)600可以進(jìn)一步包括吹掃(purge)氣源，其可操作地接合到室610以在沉積開(kāi)始之前將吹掃氣體流入室610中，也可用于沖洗系統(tǒng)。吹掃氣源可以提供各種吹掃氣體，包括但不僅限于氮?dú)饣騃S氣。在一個(gè)示例性操作中，襯底614可以是設(shè)置在陽(yáng)極的上表面上的硅晶圓或電介質(zhì)襯底，并且硅晶圓可能已經(jīng)朝著完成最終的或完整的集成電路被處理至各個(gè)階段。例如，可能已經(jīng)處理至將導(dǎo)電互連條沉積和互連到晶圓的表面上，晶圓的上方已經(jīng)準(zhǔn)備好容納氧化硅或氮化硅或兩者的保護(hù)電介質(zhì)涂層的階段。在一個(gè)實(shí)施例中，可以改變從低頻RF源660和高頻RF源670接收的功率比，以改變電介質(zhì)層從高拉伸狀態(tài)到高壓縮狀態(tài)的應(yīng)力。在一個(gè)示例中，高頻RF源670可以在13.56兆赫操作，并且低頻RF源660可以在10-400千赫之間操作。例如，應(yīng)用于PECVD反應(yīng)室的總RF功率介于大約O瓦到大約200瓦之間。雖然示出了兩個(gè)RF功率源660和670，但是在另一實(shí)施例中，可以使用單一的RF功率源對(duì)每個(gè)電極612和616施加RF功率。美國(guó)專利號(hào)6705246的文本中示出并且描述了 RF功率分配器和單一的RF功率源的示例，之前已經(jīng)將其公開(kāi)文本通過(guò)引證結(jié)合在此。如圖所示，高頻RF信號(hào)源670通過(guò)阻抗匹配單元650連接用以阻抗匹配，其可以基本上阻止高頻RF功率被反射回RF源670，以及使由等離子體吸收RF功率的量最大化。阻抗匹配單元650包括被配置為阻抗匹配和將應(yīng)用于反應(yīng)室610的第一電極612和第二電極616之間的功率最大化的各種電容和電感元件?？梢詫⒊轭^設(shè)置應(yīng)用于與第二電極相接合的阻抗匹配單元，以在第一和第二電極之間提供最大射頻(RF)功率。與應(yīng)用最大射頻功率相對(duì)應(yīng)的抽頭設(shè)置可以取決于各種工藝參數(shù)。RF源660和670被配置為向電極提供RF功率，其有利于在處理室中實(shí)現(xiàn)等離子體處理環(huán)境，以及提供與襯底相關(guān)的所需偏置。例如，電極之間的功率差可以有利于離子或離子種類向主體襯底加速，其可以增強(qiáng)共形覆蓋面和/或使膜或?qū)拥慕M成更均勻。本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過(guò)以可控的方式修改反應(yīng)氣源以沉積除了以上具體描述的材料之外的材料也在本發(fā)明和所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。此外,對(duì)于至少一些上述工藝,也可以在室溫下操作反應(yīng)氣源和載氣源，從而如前面所述，消除加熱元件。也就是，上述設(shè)置在氣體源和反應(yīng)室610之間的各種蒸汽和氣體輸送管線可以相對(duì)較短，從而使系統(tǒng)的輸送管線在室溫下獲得足夠的汽相流率(vapor flow rate)。在所有的上述示例中，選擇在大約300攝氏度到500攝氏度之間的寬泛的溫度范圍內(nèi)操作反應(yīng)室610，取決于較高的溫度是否會(huì)不適當(dāng)?shù)叵魅鯇?duì)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的處理。在一個(gè)示例中，工藝溫度在大約350攝氏度到大約450度攝氏之間的范圍內(nèi)。因此，在以下所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)清楚地描述了這些以及其他工藝和材料的改變。因此，本公開(kāi)提供了各種實(shí)施例。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種用于制造金屬硬掩模的方法包括，將至少一種金屬反應(yīng)氣體流入被配置為進(jìn)行化學(xué)汽相沉積(CVD)的反應(yīng)室中，其中，該至少一種金屬反應(yīng)氣體包括，金屬鹵素氣體或金屬有機(jī)氣體。該方法進(jìn)一步包括，使用至少一種金屬反應(yīng)氣體通過(guò)CVD沉積金屬硬掩模層。根據(jù)一個(gè)方面，該方法可以進(jìn)一步包括，調(diào)節(jié)沉積的硬掩模金屬層的應(yīng)力和/或密度與沉積的硬掩模金屬層上的等離子體處理。等離子體處理可以包括，停止流入至少一種金屬反應(yīng)氣體，以及使用由至少一種載氣形成的等離子體轟擊沉積的硬掩模TiN層。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于制造金屬硬掩模的方法包括，將至少一種金屬反應(yīng)氣體和至少一種載氣流入被配置為進(jìn)行化學(xué)汽相沉積(CVD)的反應(yīng)室，其中，該至少一種金屬反應(yīng)氣體包括，鹵素鈦氣體或有機(jī)鈦氣體。該方法進(jìn)一步包括，使用至少一種金屬反應(yīng)氣體和至少一種載氣通過(guò)CVD沉積硬掩模氮化鈦層。根據(jù)一個(gè)方面，該方法可以進(jìn)一步包括，調(diào)節(jié)沉積的硬掩模TiN層的應(yīng)力和/或密度與沉積的硬掩模TiN層上的等離子體處理，以及實(shí)施多個(gè)硬掩模TiN層CVD和等離子體處理的周期，以形成多個(gè)硬掩模TiN層，每個(gè)硬掩模TiN層逐層向上沉積。
在其他實(shí)施例中，金屬硬掩模包括使用具有金屬鹵素氣體或金屬有機(jī)氣體的至少一種金屬反應(yīng)氣體通過(guò)化學(xué)汽相沉積(CVD)沉積的鈦硬掩模層金屬層或鉭硬掩模金屬層，其中，鈦硬掩模金屬層是使用鈦金屬鹵素前體或有機(jī)鈦前體通過(guò)等離子體增強(qiáng)化CVD(PECVD)或有機(jī)金屬CVD(MOCVD)沉積的，以及其中，鉭硬掩模金屬層是使用鉭鹵前體或鉭有機(jī)前體通過(guò)PECVD或MOCVD沉積的。優(yōu)選地，本發(fā)明提供了用于制造金屬硬掩模方法和系統(tǒng)，以及由該方法和系統(tǒng)形成的大致無(wú)應(yīng)力或少應(yīng)力的高密度硬掩模，例如，大于大約4g/cm3。這些方法由于無(wú)需傳統(tǒng)的后沉積退火工藝而得到簡(jiǎn)化，從而提高了熱預(yù)算，同時(shí)保持了器件性能并且確保了高-k完整性。因此，可以不需要后沉積退火操作制造硬掩模。盡管本已經(jīng)詳細(xì)地描述了發(fā)明的實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以在不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明主旨和范圍的情況下，可以做出各種不同的改變、替換和更改。因此，所附權(quán)利要求應(yīng)該包括本申請(qǐng)范圍內(nèi)的這種不同的改變、替換和更改。在權(quán)利要求中，手段加功能的條款用于概括此處所述的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)施所述功能，并且不僅結(jié)構(gòu)等同，也等同于結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種制造金屬硬掩模的方法，所述方法包括: 將至少一種金屬反應(yīng)氣體流入被配置為進(jìn)行化學(xué)汽相沉積(CVD)的反應(yīng)室中，其中，所述至少一種金屬反應(yīng)氣體包括金屬鹵素氣體或金屬有機(jī)氣體；以及 使用所述至少一種金屬反應(yīng)氣體通過(guò)CVD沉積硬掩模金屬層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述至少一種金屬反應(yīng)氣體選自由鹵素鈦氣體、有機(jī)鈦氣體、鉭鹵素氣體、以及鉭有機(jī)氣體組成的組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，沉積所述硬掩模金屬層包括，通過(guò)等離子體增強(qiáng)型CVD (PECVD)或金屬有機(jī)CVD (MOCVD)沉積鈦層、氮化鈦層、鉭層、或氮化鉭層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括，利用對(duì)所沉積的硬掩模金屬層進(jìn)行的等離子體處理來(lái)調(diào)節(jié)所沉積的硬掩模金屬層的應(yīng)力和/或密度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述硬掩模金屬層的應(yīng)力被調(diào)節(jié)為介于大約1E9達(dá)因/cm2到 大約-1E9達(dá)因/cm2之間，以及所述硬掩模金屬層的密度被調(diào)節(jié)為大于大約4g/3cm ο
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述等離子體處理包括，停止所述至少一種金屬反應(yīng)氣體流入所述反應(yīng)室，以及使用由氮?dú)?、氨氣、氬氣、氦氣、氫氣、或其組合形成的等離子體轟擊所沉積的硬掩模金屬層。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括，進(jìn)行多次循環(huán)的硬掩模金屬層CVD和等離子體處理，以形成多個(gè)硬掩模金屬層，向上逐層沉積每個(gè)硬掩模金屬層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括，將第二反應(yīng)氣體流入所述反應(yīng)室中，其中，所述第二反應(yīng)氣體選自由氮?dú)夂桶睔饨M成的組。
9.一種制造氮化鈦(TiN)硬掩模的方法，所述方法包括: 將至少一種金屬反應(yīng)氣體和至少一種載氣流入被配置為進(jìn)行化學(xué)汽相沉積(CVD)的反應(yīng)室中，其中，所述至少一種金屬反應(yīng)氣體包括鹵素鈦氣體或有機(jī)鈦氣體；以及 使用所述至少一種金屬反應(yīng)氣體和所述至少一種載氣通過(guò)CVD沉積硬掩模TiN層。
10.一種金屬硬掩模，包括: 鈦硬掩模金屬層或鉭硬掩模金屬層，由包括金屬氯化物氣體或金屬碳化物氣體的至少一種金屬反應(yīng)氣體通過(guò)化學(xué)汽相沉積(CVD)沉積而成， 其中，所述鈦硬掩模金屬層是使用齒素鈦前體或有機(jī)鈦前體通過(guò)等離子體增強(qiáng)型CVD (PECVD)或有機(jī)金屬CVD(MOCVD)沉積而成，以及 其中，所述鉭硬掩模金屬層是使用齒素鉭前體或有機(jī)鉭前體通過(guò)PECVD或MOCVD沉積。
全文摘要
本發(fā)明提供了金屬硬掩模的制造方法和由這些方法制造的金屬硬掩模。方法包括將至少一種金屬反應(yīng)氣體流入被配置為進(jìn)行化學(xué)汽相沉積(CVD)的反應(yīng)室中，其中，至少一種金屬反應(yīng)氣體包括，金屬鹵素氣體或金屬有機(jī)氣體。該方法進(jìn)一步包括，使用至少一種金屬反應(yīng)氣體通過(guò)CVD沉積金屬硬掩模層。
文檔編號(hào)C23C16/44GK103199007SQ20121017512
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者林思宏, 吳林榮, 楊琪銘, 林進(jìn)祥 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司