用于半导体处理的应力与重叠管理

技术领域

本公开内容的实施方式涉及半导体装置及半导体装置制造的领域。更特别地，本公开内容的实施方式关于用于减少半导体晶片的变形(distortion)的方法。

背景技术

集成电路已发展为可在单个芯片上包括数百万个晶体管、电容器及电阻器的复杂装置。在集成电路演进的过程中，功能密度(即，每芯片面积的互连装置的数目)通常已增加，而几何尺寸(即，可使用制造工艺创建的最小部件(或线))已减小。

半导体晶片上的多层膜及装置布局可带来无法容易地解决的复杂晶片弯曲及平面内变形。通常，未能够解决晶片弯曲及平面内变形限制对某些较高应力膜的采用，这些膜可具有其他有益的性质，诸如更好的蚀刻选择性和类似性质。

相应地，需要减少半导体晶片的变形的方法以允许3D NAND、3D-DRAM及堆叠CMOS装置所需的按比例缩小(scaling)。

发明内容

本公开内容的一或多个实施方式针对减少晶片变形的方法。毯覆膜(blanketfilm)沉积在晶片的背侧上，所述晶片具有形成在前侧上的至少一个场。所述至少一个场包含膜，所述晶片具有第一变形。对晶片背侧上的毯覆膜执行场级(field-level)膜改性，以将晶片变形减小至小于第一变形的第二变形。

本公开内容的另外实施方式针对减少膜应力的方法。测量晶片上的膜的第一表面分布(profile)。所述晶片具有前侧及背侧。膜形成在前侧上。所测量的第一表面分布被分解为主分量，这些主分量包含低频分量及高频分量。毯覆膜被沉积在晶片的背侧上以补偿第一测量表面分布的低频分量。一或多个离子或光子注入至晶片的背侧中以补偿高频分量。

本公开内容的进一步实施方式针对处理工具，这些处理工具包含计量站、毯覆膜沉积站、场级膜改性站及控制器。控制器经配置以确定毯覆沉积条件及场级膜改性条件，以将晶片变形从第一变形减小至第二变形。

附图说明

以能够详细理解本公开内容的上述特征的方式，可经由参考实施方式获得简要概述于上文的本公开内容的更特定描述，这些实施方式中的一些实施方式图示于附图中。然而，应注意，附图仅图示本公开内容的典型实施方式并且因此不被视为限制本公开内容的范围，因为本公开内容可允许其他同等有效的实施方式。本文所述的实施方式以实例而非限制的方式在附图的图中图示，其中相同的标记指示相似的元件。

图1图示根据本公开内容的一或多个实施方式的用于减少晶片变形的方法的流程图；

图2A图示用于本公开内容的实施方式的晶片；

图2B图示根据本公开内容的一或多个实施方式的具有低频及高频变形分量的晶片的前表面；

图3图示在图1的方法之前及之后的示例性晶片的应力频率分布。

图4图示根据本公开内容的一或多个实施方式的处理工具。

具体实施方式

在描述本公开内容的若干示例性实施方式之前，应理解，本公开内容不限于在以下描述中阐述的构造或工艺步骤的细节。本公开内容能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或执行。

如在本说明书及随附权利要求书中所使用，术语“基板”或“晶片”代表表面、或表面的部分，工艺作用在所述表面或所述部分上。本领域技术人员还将理解，对基板的提及也可仅代表基板的一部分，除非上下文另有明确指示。另外地，对在基板上沉积的提及可意味着裸基板及具有一或多个膜或特征沉积或形成于基板上的基板两者。

如本文所使用的“基板”或“晶片”代表任何基板或在基板上形成的材料表面，在制造工艺期间于所述基板或材料表面上进行膜处理。例如，取决于应用，基板表面(可在所述基板表面上执行处理)包括诸如硅、氧化硅、应变硅、绝缘体上硅(silicon on insulator；SOI)、碳掺杂的氧化硅、非晶硅、掺杂硅、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石的材料，及诸如金属、金属氮化物、金属合金的任何其他材料，和其他导电材料。基板包括但不限于半导体晶片。基板可暴露于预处理工艺以抛光、蚀刻、还原、氧化、羟基化、退火、UV固化、电子束固化及/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身的表面上的膜处理之外，在本公开内容中，所公开的膜处理步骤中的任一者也可在如下文中更详细公开的基板上形成的下层上执行，并且术语“基板表面”意欲包括如上下文指示的这样的下层。因此，例如，在膜/层或部分膜/层已经沉积至基板表面上的情况下，新沉积的膜/层的暴露表面成为基板表面。

半导体装置利用晶片上的多层堆叠结构(stack)及膜。多层堆叠结构及膜具有各种水平的应力，带来晶片上相当大的应变/弯曲。晶片上的这样的应变/弯曲可能在图案化步骤之间的晶片吸附以及重叠(overlay)问题两者中产生问题，并且降低装置良率。一或多个实施方式有利地提供用以补偿晶片弯曲及平面内变形两者的解决方案，从而带来更好的重叠及装置良率。

在一或多个实施方式中，由晶片前侧上的处理造成的简单轴对称弯曲几何形状利用具有可调谐应力的膜的退火及/或背侧沉积来补偿。对于更加复杂的弯曲几何形状，掩蔽布置可用于背侧膜。然而，这可能需要在进一步平版印刷术步骤之前的另外的背侧平面化步骤。

本公开内容的一或多个实施方式针对显著改变晶片上的应力状态(及所得应变)的工艺。在一或多个实施方式中，使用可用的计量工具来产生独立晶片的晶片图。随后，使用空间频率标度(scale)将晶片图转换为功率谱密度(power spectral density；PSD)。然后，用沉积在晶片背侧上的合理“均匀”膜(例如氮化硅(SiN))补偿弯曲的基本分量。

晶片弯曲典型地是具有大应变幅度的低空间频率。在平版印刷术期间，平面内变形已被补偿至一定水平，但在校正的幅度及空间频率上皆有限制。在一或多个实施方式中，膜沉积在晶片的背侧上以解决低空间频率。随后，使用扫描处理(利用激光或注入)来解决高空间频率。

在一或多个实施方式中，使用物理气相沉积(physical vapor deposition；PVD)将膜沉积在晶片的背侧上。如本文中所使用，术语“物理气相沉积(PVD)”代表各种真空沉积方法。在PVD中使用物理工艺(诸如溅射和蒸发)以产生蒸气，蒸气是从靶材供应的涂层材料的原子、分子或离子的形式。这些原子、分子或离子随后被输送至且沉积在基板表面上，从而形成涂层。在PVD工艺中，基板温度大体上低于靶材材料的熔化温度，使得涂覆温度敏感材料可行。PVD方法使用真空沉积，其中涂层同时沉积在整个晶片表面之上。在一些实施方式中，使用原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)、等离子体增强原子层沉积(plasma-enhanced atomic layer deposition；PEALD)、化学气相沉积(chemical vapordeposition；CVD)或等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapordeposition；PECVD)中的一或多者将膜沉积在晶片的背侧上。

在一或多个实施方式中，PVD用于在晶片背侧沉积膜，以确保即使在热处理后也能保持应力。可沉积技术人员已知的任何合适材料。在一或多个实施方式中，氮化物膜形成在晶片背侧上。在特定实施方式中，氮化硅(SiN)膜形成在晶片背侧上。在一些实施方式中，形成在晶片背侧上的膜包含氧化物、氮化物或氮氧化物中的一或多者。

图1为根据本公开内容的一或多个实施方式的减少膜应力的方法100的流程图。如本文中所使用，膜应力涉及沉积在晶片前侧上的膜。在均匀压缩应力下的膜将使晶片变形为碗(bowl)形。在均匀拉伸应力下的膜将使晶片变形为伞(umbrella)形。通过减轻晶片变形，膜应力将变得更加中性。相应地，减少膜应力的方法也是减小晶片变形的方法。

在工艺110中，测量基板或晶片表面分布。图2A示出用于本公开内容的实施方式的典型晶片200。晶片200或基板具有限定晶片200的厚度T的前侧202及背侧204。晶片200包括限定晶片200的直径D的外周边边缘206。在一些实施方式中，晶片具有在0.25mm至1.5mm的范围内，或在0.5mm至1.25mm的范围内，或在0.75mm至1.0mm的范围内的厚度T。在一些实施方式中，晶片具有约100mm、200mm或300mm的直径D。

图2B示出具有图示为矩形的多个场(field)210的晶片200的前侧202的视图。场210是在晶片200上由图案化和沉积工艺产生的离散区域。一些实施方式的晶片200包含前侧202，前侧202具有在前侧202上形成的多个场210。

晶片200上的膜的第一表面分布可通过技术人员已知的任何合适技术来测量。在一些实施方式中，晶片200表面分布是在处理腔室的计量站中测量的。第一表面分布是至少由先前的处理条件及膜产生的晶片曲率程度的量度(measure)。

第一表面分布提供表面可变性的量度并且包括至少两个主分量。主分量中的第一者为图2B中所示的低频分量220。低频分量220是通常最可见的分量，因为低频分量220跨晶片200的大部分而作用。例如，低频分量220显示表示造成伞形变形的拉伸膜应力。第二分量是高频主分量230，也称为场级(field-level)分量。高频主分量230出现在个别场210内，造成更大数目(即高频)的个别变形。晶片200的整体变形是低频分量220和高频分量230组合的结果。

相应地，在工艺120处，所测量的第一表面分布被分解为主分量，这些主分量包含低频分量220及高频分量230。分解主分量也可称为主分量反卷积(deconvolution)。

在一或多个实施方式中，功率谱密度(PSD)用PVD膜的应变传递特性进行滤波，并且剩余主要是较高的空间频率。这然后被用于计算晶片背侧上的所扫描的子孔束(sub-aperture beam)(离子、光子或其他能量源的所扫描的子孔束)的分布。此所扫描的束通过局部熔化或使晶格结构变形来赋予高空间频率应力分量。

基于所测量的第一表面分布的低频分量220，开发了毯覆沉积工艺。毯覆膜沉积130在晶片200的背侧204上以抵消或补偿晶片200的前侧202上的膜应力的低频分量。

毯覆沉积条件例如基于沉积在晶片200的前侧202上的膜来确定。所考虑的毯覆沉积参数包括但不限于沉积温度、压力、膜厚度及成分。在一些实施方式中，毯覆膜130被沉积至在10nm至200nm的范围内，或在20nm至180nm的范围内，或在30nm至160nm的范围内，或在40nm至140nm的范围内的厚度。

在一些实施方式中，毯覆膜130通过物理气相沉积(PVD)来沉积。在一些实施方式中，毯覆膜130通过化学气相沉积(PVD)来沉积。在一些实施方式中，毯覆膜130包含含硅膜。在一些实施方式中，毯覆膜130包含氮化硅。在一些实施方式中，毯覆膜130在100C至500C的范围中的温度下沉积。

毯覆膜130沉积用于抵消来自前表面膜的晶片的应力引起的弯曲。在一些实施方式中，第一变形(在毯覆膜130沉积之前)是抛物面形状。在一些实施方式中，由于前表面202上的膜的压缩应力，抛物面形状在边缘处向上转向，从而造成碗状外观。在具有碗形主分量的实施方式中，沉积的毯覆膜处于压缩应力下以抵消前表面上的膜的压缩应力。换言之，沉积毯覆膜以减少来自前表面上的膜对晶片的压缩应力的程度。

在一些实施方式中，由于前表面202上的膜的拉伸应力，抛物面形状在边缘处向下转向，从而造成伞状外观。在具有伞形主分量的实施方式中，沉积在背侧上的毯覆膜处于拉伸应力下以抵消前表面上的膜的拉伸应力。换言之，沉积毯覆膜以减少来自前表面上的膜对晶片的拉伸应力的程度。

在一些实施方式中，在毯覆膜沉积130之后，晶片经历第二表面分布测量140。一些实施方式的第二表面分布测量以低于第一表面分布测量的取样速率发生。第二表面分布测量随后被分解或反卷积为主分量。第二分布测量140为包括于方法200的一些实施方式中的可选工艺。

在一些实施方式中，第一表面分布用于确定膜应力的低频分量及高频分量两者。在此类实施方式中，晶片暴露于场级膜改性工艺150。如以此方式使用的，术语场级膜改性是指经配置以减少由于高频主分量的晶片变形的工艺，所述高频主分量通常与前表面上的多个场有关。

在一些实施方式中，对晶片背侧上的毯覆膜的场级膜改性将晶片变形减小至小于第一变形的第二变形。在一些实施方式中，第一变形跨晶片直径而大于0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm。在一些实施方式中，第二变形跨晶片直径而小于1mm、0.9mm、0.8mm、0.7mm、0.6mm、0.5mm或0.4mm。图3图示示例性应变/频率图，示例性应变/频率图显示低频应变分量和高频应变分量两者的降低。

高频主分量，也称为场级分量，与前表面上个别场的数目有关。在一些实施方式中，晶片前侧上有在100个至400个范围内的场。在一些实施方式中，每个场所具有的宽度在10mm至30mm的范围内。在一些实施方式中，每个场所具有的长度在20mm至50mm的范围内。

无论来自第一表面分布还是来自第二表面分布的高频主分量皆用于确定改性分布。在一些实施方式中，场级改性150包含注入工艺，所述注入工艺包含光子或离子注入中的一或多者。晶片的剂量图基于高频主分量确定。

在一些实施方式中，场级改性包含将晶片的背侧暴露于预定图案(来自剂量图)中的离子。在一些实施方式中，场级改性包含将晶片的背侧暴露于预定图案(来自剂量图)中的光子。在一些实施方式中，在晶片背侧上的毯覆膜中注入离子及/或光子补偿高频分量。

本公开内容的另外的实施方式针对处理工具300，如图4中所示。处理工具300包含计量站310、毯覆沉积站320及场级改性站330。在所示的实施方式中，计量站310、毯覆沉积站320及场级改性站330连接至中央传送站340。在一些实施方式中，并非所有的计量站、毯覆沉积站及场级改性站皆直接连接至中央传送站。

所示的实施方式具有用于测量、毯覆沉积及场级改性的单独的站。在一些实施方式中，计量站、毯覆沉积站或场级改性站中的一或多者被组合成单个部件。

一些实施方式的处理工具300进一步包含控制器350，控制器350经配置以确定毯覆沉积条件及场级膜改性条件，以将晶片变形从第一变形减小至第二变形。所示的控制器350连接至中央传送站340。然而，技术人员将认识到，控制器可连接至处理工具的部件中的任一者或所有者。在一些实施方式中，存在多于一个控制器，其中每一控制器经配置以执行一些或所有方法。

在一些实施方式中，控制器350进一步经配置以将来自计量站的晶片前侧上的膜的第一表面分布测量分解为包括低频分量和高频分量的主分量，并且在毯覆沉积站中于晶片背侧上执行毯覆沉积。在一些实施方式中，控制器进一步经配置以将在毯覆沉积之后晶片前侧上的膜的第二表面分布测量分解为低频分量和高频分量。在一些实施方式中，控制器进一步经配置以在场级膜改性站中执行注入工艺以补偿第二表面分布测量的高频分量。

在整个说明书中对“一个实施方式”、“某些实施方式”、“一或多个实施方式”或“一实施方式”的提及意味着结合实施方式描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开内容的至少一个实施方式中。因此，在本说明书的各个地方出现诸如“在一或多个实施方式中”、“在某些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在一实施方式中”之类的短语不一定代表本公开内容的相同实施方式。此外，特定特征、结构、材料或特性可以在一或多个实施方式中以任何合适的方式组合。

尽管已经参考特定实施方式描述了本文的公开内容，但是本领域技术人员将理解，所描述的实施方式仅是对本公开内容的原理和应用的说明。将对本领域技术人员来说显然的是，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以对本公开内容的方法及装置进行各种修改和变化。因此，本公开内容可包括在所附权利要求书及权利要求的等效物的范围内的修改及变化。