TW201816888A - 單層膜介導的精密材料蝕刻 - Google Patents

Abstract

本揭露內容描述一種蝕刻方法。該方法包含：利用吸附促進劑處理曝露於基板上之表面的至少一部分，以改變所曝露表面的官能性，且引發含碳前驅物後續的吸附；以及此後，使有機前驅物吸附至該官能性化表面，以形成含碳膜。然後，將含碳膜之表面的至少一部分曝露至離子通量，以移除所吸附的含碳膜及下方基板之材料的至少一部分。

Description

單層膜介導的精密材料蝕刻

本發明相關於一種蝕刻方法，且更尤其相關於用以針對電子元件應用蝕刻薄膜的精密蝕刻技術。 [相關申請案之交互參考]

本申請案相關於2016年7月25日申請之美國臨時專利申請案第62/366,529 號，並主張其優先權，該臨時專利申請案的整體內容係併入於此，以供參考。

本發明相關於製造半導體元件的方法，例如積體電路、及電晶體、及積體電路用電晶體元件。在半導體元件的製造中(尤其在微觀尺度上)，執行諸多製造製程，例如膜層形成沉積、蝕刻遮罩產生、圖案化、材料蝕刻及移除、及摻雜處理，其係重複地執行，以在基板上形成期望的半導體裝置元件。電晶體歷來已利用微製造而在具有接線/金屬形成於其上的平面上產生，且因此其已特性化為二維(2D)電路或2D製造。縮放方面的努力已大幅地增加了2D電路中每單位面積之電晶體的數目，但當縮放進入單位數奈米半導體元件製造節點時，縮放方面的努力正面臨更大的挑戰性。半導體元件製造已呈現對三維(3D)半導體元件的需求，其中電晶體係堆疊在彼此的頂部上。當橫向尺寸緻密化且結構縱向發展時，對精密材料沉積及蝕刻的需求變得愈加迫切。

本文中的技術相關於利用精密蝕刻技術的元件製造。

本文中描述一種蝕刻方法。該方法包含：利用吸附促進劑處理基板上所曝露之表面的至少一部分，以改變所曝露之表面的官能性，且引發含碳前驅物後續的吸附；以及此後，使有機前驅物吸附至該官能性化表面，以形成含碳膜。然後，將含碳膜之表面的至少一部分曝露至離子通量，以移除所吸附的含碳膜及下方基板之材料的至少一部分。

當然，如本文中所描述之不同步驟的討論順序已為清楚起見而呈現。一般而言，該等步驟可按照任何適當的順序執行。此外，儘管本文中之不同特徵、技術、配置等的每一者可在本揭露內容的不同位置加以討論，但其意圖在於概念的每一者可獨立於彼此、或與彼此結合而執行。據此，本發明可以許多不同的方式加以實施及審視。

注意到，本發明內容部分不具體說明本揭露內容或所請發明的每一實施例及/或漸增新穎實施態樣。反而，本發明內容僅提供不同實施例的初步討論、以及優於習知技術之新穎性的對應點。對於本發明及實施例的額外細節及/或可能觀點，引導讀者至如以下進一步討論之本揭露內容的實施方式部分及對應圖式。

本文中的技術相關於利用精密蝕刻技術的元件製造。若干實例在產線前段(FEOL, front end of line)(例如，電晶體製造)至產線後段(BEOL, back end of line)(例如，互連部製造)二者中的半導體製造中皆有體現，其中氧化物及氮化物膜(通常在本質上含矽)需要以高精密度加以蝕刻。表面上，因為碳移除氧且氟使矽揮發，故使用氟碳基電漿。因為氟碳化合物形成在其生長上受制於(除其他影響外之)離子轟擊的膜層，故蝕刻事實上係藉由F-C-(O或 N)-Si混合層加以介導。

在膜層缺少離子濺射的情況下，該膜層潛在地以連續方式生長成薄膜。簡而言之，膜層厚度在需要來自電漿之大量離子能量以蝕刻介電質方面亦參與其中。離子必須穿透膜層，以供應能量至膜層-初始基板接合面，其中發生蝕刻反應(SiX + C + Fà (產生)揮發性產物，「X」為非Si元素)。因為在不同的特徵部開口及膜層厚度處可能導致堵塞，該堵塞可能對正進行蝕刻之不同膜層(例如，氮化物及氧化物)之間的選擇性有影響，且該堵塞在不同特徵部形狀、分佈、或特徵部幾何結構本身內部的範圍內可能難以管理，故在許多製造模組中，管理此混合層是大挑戰。自對準、高縱橫比結構、及圖案化應用皆苦於以下整合挑戰性：尋找聚合化、蝕刻前驅物離子、及能量通量的最佳組合，以克服來自不受控制聚合物生長的諸多權衡。

原子層蝕刻應提供解決方案。然而，氟碳化物電漿沉積非自限制性的氟碳化物膜。在後續離子轟擊步驟中將被移除之膜層的厚度僅可藉由曝露時間及可能地藉由離子能量而嘗試加以控制。由於氟碳化物通量起因於遮蔽而改變(類似於連續製程中的ARDE(或稱為依附縱橫比之蝕刻))，且氟碳化物通量藉由低密度-高密度結構性差異而更加複雜，故錯合物結構內、貫穿該複雜結構之增加深度的控制係有難度的。利用氟碳基電漿之氧化物及氮化物材料的原子層蝕刻常被稱為準ALE，因為氟碳化物膜並非為自限制性而實際上並非ALE。

在一實施例中，在吸附步驟期間，含碳膜(較佳地為單層膜)係定位於基板的至少一部分(包含矽氧化物及/或矽氮化物的曝露區域)上。此後，所吸附之膜層(包含一些下方材料(例如，氧化物、或氮化物))係藉由離子轟擊介導的脫附步驟而移除(見圖3及5)。指定厚度的有機膜或含碳膜可利用原子層沉積而沉積。且藉由進行如此步驟，可解決連續蝕刻及逐層蝕刻中，具有不受控制厚度的含碳膜作為蝕刻介導層的問題。

含碳膜的原子層沉積包含利用吸附促進劑預處理曝露表面，以改變曝露表面的表面官能性(亦即，使表面「官能性化」)，使得含碳前驅物或聚合物前驅物可化學吸附至經官能性化的表面(見圖1及2)。在不受限制的情況下，結果為約一層的化學計量膜。膜層可含氟，或者利用氟(例如，F₂ 、氟氣、或非聚合電漿)加以處理，以產生氟碳基覆層。

在將前驅物氣體從腔室排空的沖洗步驟之後，將基板曝露至離子通量(例如，來自惰性電漿(如氬(Ar)電漿)的離子通量))，以及執行能量高於蝕刻臨界值且低於濺射臨界值的離子轟擊。如此之所述循環的一者構建了介電材料的逐層移除。視應用所需，一覆層可為一或更多等效分子層厚度。見圖5之例示性流程圖。

再者，ALD沉積膜可用作正受蝕刻之結構的側壁的鈍化物(見圖1及圖4)。視每一循環所需，多餘的膜層可利用快速處理步驟(亦即，低於10秒的短製程時間)移除，例如氧步驟。

在一些實施例中，帶電粒子轟擊可用以製備用於膜層生長的表面(見圖2)。當期望僅在水平表面上生長膜層時，電子或離子可用以產生懸鍵，以刺激該等表面上的生長(見圖2)。通往側壁或垂直結構之較少的通量利用不可潤濕表面上的潛伏時間或成核的本質延遲，而容許側壁上延遲的生長。

不同材料之間在成核時間方面的差異容許吾人選擇吸附時間，以產生不同材料之間的選擇性。例如，就短吸附時間而言，在氮化物上可生長一填充單層，且在氧化物上可生長少於一單層的覆層。在期望的情形下，可選擇較長的吸附時間，以使該材料二者皆完全覆蓋。選擇性則透過離子能量選擇而達成。

促進含碳材料之吸附的較佳方法包含將表面曝露至氨電漿，使得該表面被反應性–NH₂ 鍵佔據。藉由–NH₂ 使表面官能性化可需要藉由鹵素材料的預處理。然而，僅來自惰性氣體電漿之離子轟擊通常足夠用來產生接收NH₂ 自由基的懸鍵。表面上的NH₂ 基團然後係與有機材料或聚合物前驅物呈反應性。該曝露步驟可無電漿。

在其他實施例中，可使含碳膜曝露至氟，以改變膜層中之氟對碳的比率。氟曝露可包含形成電漿、或不形成電漿的氣相化學成分。

然後在離子轟擊期間利用低且受控制能量離子執行材料移除。離子通量的形成可於100-500mTorr的腔室壓力下、在13.56MHz的電容耦合電漿(例如，從5至25W範圍內的功率)中達成，或於高壓力下在空間分離的電漿中達成，例如，具有等效低偏壓功率的表面波驅動微波源(例如，從1000-2000W範圍內的功率)。

可重複處理、吸附、及曝露步驟，以從基板移除預定量的材料。該等步驟及其他步驟可在同一製程腔室中、或在單獨腔室中執行。每一製程步驟可包含氣相化學成分，且可在真空壓力下執行。

在以下申請專利範圍中，任何的依附限制可依附於獨立請求項的任何者。

在前述說明內容中，已提出如處理系統之特定幾何結構、及其中所用諸多元件及製程之說明的特定細節。然而，吾人應理解，上本文中之技術可在背離該等特定細節的其他實施例中實施、以及如此之細節係用於解釋且非限制的目的。本文中所揭露之實施例已參照隨附圖式加以描述。類似地，針對解釋的目的，已提出特定的數目、材料、及配置，以提供透徹的理解。然而，實施例可在沒有如此之特定細節的情形中實施。具有實質上相同功能性結構的元件係以相似參考符號表示，且由此可省略任何重複的描述。

各種不同的技術已描述為複數的分離操作，以幫助理解各種不同的實施例。描述的順序不應被視為暗示該等操作必須順序相依。實際上，該等操作不必以所呈現之順序執行。所描述之操作可按照不同於所述實施例的順序而執行。在附加的實施例中，可執行諸多額外的操作、且/或可省略所述操作。

依據本發明，本文中所使用之「基板」或「目標基板」一般是指受處理的物體。基板可包含元件(特別是半導體或其他電子元件)的任何材料部分或結構，且舉例而言，可為基礎基板結構，如半導體晶圓、倍縮遮罩、或基礎基板結構上或覆蓋該基礎基板結構的覆層(如薄膜)。因此，基板不受限於任何特定的基礎結構、下方層或上方層、圖案化或非圖案化，反而基板被認為包含任何的如此之覆層或基礎結構、以及覆層及/或基礎結構的任何組合。描述內容可參照特定類型的基板，但其僅為說明性的目的。

熟習該領域技術者亦將理解，針對以上所解釋之技術的操作可作出諸多不同變化，而仍達成本發明之同樣的目標。如此之變化意在涵蓋於本揭露內容的範疇中。因此，本發明之實施例的前述內容不意圖為限制性。反而，對於本發明之實施例的任何限制係呈現於以下申請專利範圍中。

在附圖中：

圖1說明根據一實施例，在基板上保形吸附薄膜的方法；

圖2說明根據一實施例，在基板上非保形吸附薄膜的方法；

圖3說明根據一實施例之蝕刻基板的方法；

圖4說明根據一實施例之蝕刻基板的方法；以及

圖5提供一流程圖，其說明根據一實施例之蝕刻基板的方法。

Claims (11)

1. 一種蝕刻方法，包含： 處理步驟：利用一吸附促進劑處理一基板上所曝露之一表面的至少一部分，以改變所曝露之該表面的官能性，且引發一含碳前驅物後續的吸附； 吸附步驟：然後，使該含碳前驅物吸附至經官能性化的該表面，以形成一含碳膜；以及 曝露步驟：將該含碳膜之表面的至少一部分曝露至一離子通量，以移除所吸附之該含碳膜、及下方之該基板之材料的至少一部分。
2. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中該基板包含矽、鍺、或矽鍺合金。
3. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中該吸附促進劑係利用氨基電漿所形成的NH₂ 。
4. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，更包含： 預處理步驟：在利用該吸附促進劑處理該基板之前，利用一預處理帶電粒子通量預處理該基板的該表面。
5. 如申請專利範圍第4項之蝕刻方法，其中該預處理帶電粒子通量包含來自一惰性氣體電漿的一離子通量。
6. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中該含碳前驅物包括一含–CH前驅物、或一單體前驅物。
7. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中被移除之下方之該基板的材料包含矽氧化物或矽氮化物。
8. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，更包含： 將該含碳膜曝露至一含氟材料，以調整該含碳膜的氟對碳含量。
9. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，更包含： 重複該處理、吸附、及曝露步驟，以移除複數材料層。
10. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，更包含： 在該處理步驟之後且在該吸附步驟之前，沖洗周邊環境。
11. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，更包含： 在該吸附步驟之後且在該曝露步驟之前，沖洗周邊環境。