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TWI659469B - 含鎢層之蝕刻方法 - Google Patents

含鎢層之蝕刻方法 Download PDF

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TWI659469B
TWI659469B TW104124310A TW104124310A TWI659469B TW I659469 B TWI659469 B TW I659469B TW 104124310 A TW104124310 A TW 104124310A TW 104124310 A TW104124310 A TW 104124310A TW I659469 B TWI659469 B TW I659469B
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etching
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Hua XIANG
相華
Qian Fu
謙 符
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Lam Research Corporation
美商蘭姆研究公司
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Abstract

本發明提供蝕刻含鎢層的方法。提供包含O2 以及一含氟成分的一蝕刻氣體，其中該蝕刻氣體具有至少和氟原子一樣多的氧原子。從該蝕刻氣體形成電漿。使用從該蝕刻氣體形成的電漿來蝕刻該含鎢層。

Description

含鎢層之蝕刻方法
本發明係關於在半導體裝置的生產期間選擇性蝕刻含鎢(W)層。
在半導體晶圓處理期間，特徵部可被蝕刻穿過一含鎢層。
在某些具有鎢的特徵部的形成期間，該鎢必須被選擇性蝕刻，但矽、矽氧化物、矽氧氮化物、矽氮化物、或鈦氮化物係被最低限度地蝕刻。在本案以前，無法達到此種選擇性。
為達到先前所述以及根據本發明之目的，本發明提供蝕刻含鎢層之方法。提供包含O2以及一含氟成分的一蝕刻氣體，其中該蝕刻氣體具有至少和氟原子一樣多的氧原子。從該蝕刻氣體形成電漿。使用從該蝕刻氣體形成之電漿來蝕刻該含鎢層。
在本發明之另一表現(manifestation)中，提供在一鎢層中的選擇性蝕刻(相對於矽氧化物層)特徵部的方法。提供一蝕刻氣體，其包含O2、N2、以及一含氟成分，其中該蝕刻氣體具有至少和氟原子一樣多的氧原子、以及至少和氟原子一樣多的氮原子。從該蝕刻氣體形成電漿。維持至少60mTorr的腔室壓 力。提供介於100與400V的偏壓。使用從該蝕刻氣體形成之電漿來蝕刻該鎢層，俾形成深寬比至少為10比1的特徵部。
於下列本發明的細節描述中，將結合附圖而詳細說明本發明之該等與其他特徵。
104‧‧‧步驟
108‧‧‧步驟
112‧‧‧步驟
116‧‧‧步驟
200‧‧‧疊層
204‧‧‧特徵部層
208‧‧‧上部層
212‧‧‧特徵部
216‧‧‧側向特徵部
220‧‧‧含鎢層
224‧‧‧鎢特徵部
300‧‧‧電漿處理系統
301‧‧‧電漿處理工具
302‧‧‧電漿反應器
304‧‧‧電漿處理腔室
308‧‧‧電極
310‧‧‧氣體供應機制或氣體來源
316‧‧‧氣體來源
317‧‧‧氣體分歧管
318‧‧‧氣體排氣機制
319‧‧‧壓力控制閥
320‧‧‧排氣幫浦
324‧‧‧電漿
350‧‧‧TCP控制器
351‧‧‧TCP供應器
352‧‧‧TCP匹配網路
353‧‧‧TCP線圈
354‧‧‧RF透明窗
355‧‧‧偏壓電源控制器
356‧‧‧偏壓電源供應器
357‧‧‧偏壓匹配網路
370‧‧‧控制電路
380‧‧‧溫度控制器
384‧‧‧冷卻功率供應器
400‧‧‧電腦系統
402‧‧‧處理器
404‧‧‧顯示裝置
406‧‧‧記憶體
408‧‧‧儲存裝置
410‧‧‧可攜式儲存裝置
412‧‧‧使用者介面裝置
414‧‧‧通訊介面
416‧‧‧通訊基礎設備
本發明係藉由舉例方式(非限制性)而繪示於隨附圖示中，其中類似之參考數字指涉相同的元件，其中：圖1為本發明之一實施例的一高階流程圖。
圖2A-B為根據本發明之一實施例而處理的疊層之示意圖。
圖3為可用於蝕刻的一蝕刻反應器的一示意圖。
圖4圖解一電腦系統，其合適於實現用於本發明之實施例中的控制器。
現將參照如附圖所繪示之若干較佳實施例而詳細說明本發明。為提供對本發明之全面性了解，下列敘述中將闡述許多具體的細節。然而很明顯地，對於該技術領域中具有通常知識者而言，本發明毋需一些或全部該等細節即可實施。另外，為了避免不必要地混淆本發明，熟知的製程步驟及/或結構將不再贅述。
為促進理解，圖1為用於本發明之一實施例中的製程的一高階流程圖。提供包含具至少一含鎢層的疊層的一基板(步驟104)。提供蝕刻氣體(步驟108)。使該蝕刻氣體形成電漿(步驟112)。選擇性蝕刻該含鎢層(步驟116)。
範例
在本發明之優選實施例的一範例中，提供包含具至少一含鎢層的疊層的一基板(步驟104)。圖2A為疊層200的一橫剖面圖，其中基板層或特徵部層204係配置在上部層208之下方。在此範例中，特徵部層204為矽，而上部層208為矽氧化物。特徵部212已形成在特徵部層204中。側向(lateral)特徵部216已形成在特徵部212的側壁中。含鎢層220沉積在疊層200之上方。此種沉積可利用電鍍、或無電鍍沉積、或沉積共形金屬層的另一方法來達成。
在一實施例中，所有處理可在單一個電漿蝕刻腔室中執行。圖3為電漿處理系統300的一示意圖，其包括電漿處理工具301。電漿處理工具301係一電感耦合式電漿蝕刻工具且其包括電漿反應器302，而在電漿反應器302中具有電漿處理腔室304。變壓器耦合式電源(TCP)控制器350以及偏壓電源控制器355分別地控制TCP供應器351以及偏壓電源供應器356，俾影響在電漿處理腔室304中所生成之電漿324。
TCP控制器350為TCP供應器351設定一設定值，而TCP供應器351係配置以將13.56MHz的射頻訊號(透過TCP匹配網路352調諧)，供應到TCP線圈353(位在靠近電漿處理腔室304之處)。設置RF透明窗354以將TCP線圈353與電漿處理腔室304隔開，但允許能量從TCP線圈353傳遞到電漿處理腔室304。
偏壓電源控制器355為偏壓電源供應器356設定一設定值，而偏壓電源供應器356係配置以將RF訊號(透過偏壓匹配網路357調諧)，供應到卡盤電極308(位在電漿處理腔室304之中)，俾在電極308之上方產生直流(DC)偏壓，而電極308適於接收被處理中的具有特徵部層204的晶圓。
氣體供應機制或氣體來源310包括氣體(或複數氣體)來源(或複數來源)316，其透過氣體分歧管317而附接，以將該製程所需的適當化學品供應到電漿處理腔室304之內側。氣體排氣機制318包括壓力控制閥319與排氣幫浦 320，且其用以將微粒從電漿處理腔室304之中移除並用以維持電漿處理腔室304之中的特定壓力。
溫度控制器380透過控制冷卻功率供應器384，來控制設置在卡盤電極308之內的一冷卻再循環系統。電漿處理系統300亦包括電子控制電路370，其用於控制偏壓電源控制器355、TCP控制器350、溫度控制器380、以及其他控制系統。電漿處理系統300亦具有一端點偵測器。此種電感耦合式系統的一範例為美國加州佛蒙特(Fremont,CA)的蘭姆研究公司(Lam Research Corporation)所開發出的Kiyo，除了介電質與有機材料，Kiyo亦用於蝕刻矽、多晶矽、以及傳導層。在本發明的其他實施例中可使用電容耦合式系統。
圖4為一高階方塊圖，其顯示合適於實現用於本發明之實施例中的控制電路370的電腦系統400。該電腦系統可具有許多實體形式，範圍從積體電路、印刷電路板、以及小型手持式裝置，直到巨大超級電腦。電腦系統400包含一或更多的處理器402，且進一步可包含電子顯示裝置404(用來顯示圖表、文字，或其他資料)、主記憶體406(例如隨機存取記憶體(RAM))、儲存裝置408(例如硬碟機)、可攜式儲存裝置410(例如光碟機)、使用者介面裝置412(例如鍵盤、觸控螢幕、輔助鍵盤、滑鼠或其他指向裝置等)，以及通訊介面414(例如無線網路介面)。通訊介面414幫助軟體和資料透過一聯結，在電腦系統400與外接裝置之間傳輸。該系統亦可包含通訊基礎設備416(例如通信匯流排、交流桿、或網路)，前面提及的裝置/模組連接到通訊基礎設備416。
透過通訊介面414所傳輸的資訊，可以例如為下列訊號的形式，例如電子的、電磁的、光學的、或其他可以被通訊介面414接收的訊號(透過一攜帶訊號的通訊聯結)，該通訊聯結可使用電線或纜線、光纖、電話線、行動電話聯結、射頻聯結、及/或其他通訊管道來執行。有了此種通訊介面，吾人認為該一或更多的處理器402可從網路接收資訊，或可在執行上述之方法步驟期間，將 資訊輸出到網路。進一步而言，本發明之方法實施例，可在該處理器上單獨地執行，或可結合遠端處理器(分擔一部分的處理)通過網路(例如網際網路)而執行。
「非暫態電腦可讀取媒體」這個用語，通常用於指稱媒體如主記憶體、輔助記憶體、可攜式儲存器，以及儲存裝置，諸如硬碟、快閃記憶體、碟片驅動機記憶體、CD-ROM或其他形式的永久記憶體，並且不應被解釋為涵蓋暫態的主體(如載波或訊號)。電腦碼的範例包含機器碼(例如由編譯器產生)、以及含高階碼的文件，其使用直譯器由電腦執行。電腦可讀媒體亦可為經由電腦資料訊號發送的電腦碼，其收錄在載波中，並呈現一連串可經由處理器執行的指令。
將蝕刻氣體從氣體來源316提供到電漿處理腔室304之中(步驟108)。在此實施例中，該蝕刻氣體包括氧氣、氮氣、以及一含氟成分。一蝕刻氣體之配方的一範例為80sccm CF4、160sccm O2、以及160sccm N2。
使該蝕刻氣體形成電漿(步驟112)。在此範例中，提供1800W的TCP功率(13.5MHz)以使蝕刻氣體形成電漿。蝕刻含鎢層220(步驟116)。提供0~100V的偏壓。將腔室壓力維持在180mTorr。將含鎢層維持在60℃。此過程維持100~200秒。
圖2B為含鎢層220已被蝕刻之後的疊層200的橫剖面示意圖。在特徵部層204係最低限度蝕刻的情況下，此蝕刻步驟將大部分的含鎢層220蝕刻掉，而留下鎢特徵部224。為達如此結果需要高的選擇性蝕刻。
較佳的係，該蝕刻氣體包括O2以及一含氟成分，其中該蝕刻氣體具有至少和氟原子一樣多的氧原子。又較佳的係，該蝕刻氣體亦包括N2，其中有至少和氟原子一樣多的氮原子。一般認為氧與氮的優選濃度可提高WOxNy的產量，其中x與y為正整數。氟和WOxNy反應而形成WOxFz。在上述範例中，有至少係含氟原子的兩倍的氧原子。此外，有至少係含氟原子的兩倍的氮原子。 一般認為，當該含鎢層被選擇性蝕刻(相對於一含氮層)時，氮在該蝕刻氣體中的存在，幫助保護該含氮層，俾提高蝕刻選擇性。
較佳的係，在該蝕刻處理期間提供至少30mTorr的壓力。毋須侷限於理論，一般認為高於30mTorr的壓力降低電漿密度，而減少轟擊(bombardment)。此允許化學性蝕刻比利用轟擊的物理性蝕刻更顯著，俾提高選擇性。此外，一般認為，較高的壓力亦提高上到下的(top-to-bottom)含鎢層的蝕刻均勻性，同時允許高深寬比之鎢蝕刻。又較佳的係，壓力至少為100mTorr。
較佳的係，將含鎢層維持在至少30℃的溫度。又較佳的係，將含鎢層維持在至少60℃的溫度。最佳的係，將含鎢層維持在介於30℃與90℃之間的溫度。一般認為較高的溫度可進一步提高選擇性。然而，若溫度太高，頂部CD比底部CD的比值會變得太大，因為若溫度太高，頂部的鎢將蝕刻得較快。
較佳的係，該偏壓介於100-400V。一般認為若偏壓太低，來自O2的對於特徵部之底部的保護作用將太小。一般認為必須有足夠高的偏壓，以促使蝕刻副產物(大部分為高分子)再沉積於蝕刻前端(etch front)，而這幫助保護特徵部之底部不被進一步地蝕刻。此外，有著高深寬比的特徵部，某些偏壓有助於實現上到下均勻的鎢凹陷(recess)。此外，更進一步的高偏壓將導致擊穿(punch through)特徵部之底部，而這完全地毀壞該裝置。若偏壓太高，則轟擊太高，而這如前述般減少選擇性。較佳的係，在含鎢層蝕刻期間不提供偏壓，而這有益於側向鎢蝕刻。
該選擇性蝕刻對於提供具有鎢層的半導體裝置係有用的。此種裝置的範例為具有鎢凹陷的三維度NAND。實施例允許在純鎢或鎢合金中高深寬比的特徵部的蝕刻。高深寬比的特徵部具有至少10：1的高度比間隔寬度的比例。此外，本發明之實施例提供在1.5：1與1：1.5之間的頂部寬度比底部寬度的蝕刻特徵部(頂部/底部)的比例。又較佳的係，該頂部/底部的比例介於1.25：1與 1：1.25之間。又更佳的係，該頂部/底部的比例為1：1。實施例提供至少2：1的鎢比矽氧化物的蝕刻選擇性的蝕刻。又較佳的係，該蝕刻選擇性至少為4：1。最佳的係，該選擇性至少為50：1。實施例提供小於1000sccm的總氣體流量。在多樣的實施例，氧原子的流量速度至少係氟原子的流量速度的兩倍。在多樣的實施例，氮原子的流量速度亦至少係氟原子的流量速度的兩倍。
雖然本發明已經用許多優選的實施例來描述，但仍有其他變化、排列置換或其他替代的等價態樣，也在本發明的範圍中。須注意仍有許多執行本發明的方法和儀器之替代方式。因此申請人意欲將下列申請專利範圍解釋為包含所有落入本發明之真正精神與範圍中之此等變化、排列置換或其他替代的等價態樣。

Claims (17)

  1. 一種蝕刻含鎢層的方法，包括：提供包含O2以及一含氟成分的一蝕刻氣體，其中該蝕刻氣體具有至少和氟原子一樣多的氧原子；從該蝕刻氣體形成電漿；以及使用從該蝕刻氣體形成的電漿來蝕刻該含鎢層，其中該蝕刻氣體更包含N2，其中該蝕刻氣體具有至少和氟原子一樣多的氮原子。
  2. 如申請專利範圍第1項之蝕刻含鎢層的方法，更包括提供至少30mTorr的壓力。
  3. 如申請專利範圍第2項之蝕刻含鎢層的方法，更包括將該含鎢層加熱到至少30℃。
  4. 如申請專利範圍第3項之蝕刻含鎢層的方法，更包括提供介於100到400V的偏壓。
  5. 如申請專利範圍第4項之蝕刻含鎢層的方法，其中Si、SiO、SiN、或TiN的一暴露層暴露於該含鎢層之蝕刻步驟，其中該含鎢層之蝕刻步驟相對於該暴露層而對該含鎢層進行選擇性蝕刻。
  6. 如申請專利範圍第3項之蝕刻含鎢層的方法，更包括提供小於400V的偏壓。
  7. 如申請專利範圍第3項之蝕刻含鎢層的方法，其中維持該含鎢層之蝕刻步驟直到深寬比至少為10：1的特徵部被蝕刻在該含鎢層中為止。
  8. 如申請專利範圍第3項之蝕刻含鎢層的方法，其中總蝕刻氣體流量不大於1000sccm。
  9. 如申請專利範圍第1項之蝕刻含鎢層的方法，更包括提供至少60mTorr的壓力。
  10. 如申請專利範圍第1項之蝕刻含鎢層的方法，更包括將該含鎢層加熱到至少60℃。
  11. 如申請專利範圍第1項之蝕刻含鎢層的方法，更包括提供介於100到400V的偏壓。
  12. 如申請專利範圍第1項之蝕刻含鎢層的方法，其中Si、SiO、SiN、或TiN的一暴露層暴露於該含鎢層之蝕刻步驟，其中該含鎢層之蝕刻步驟相對於該暴露層而對該含鎢層進行選擇性蝕刻。
  13. 如申請專利範圍第1項之蝕刻含鎢層的方法，更包括提供小於400V的偏壓。
  14. 如申請專利範圍第1項之蝕刻含鎢層的方法，其中維持該含鎢層之蝕刻步驟直到深寬比至少為10：1的特徵部被蝕刻在該含鎢層中為止。
  15. 如申請專利範圍第1項之蝕刻含鎢層的方法，其中總蝕刻氣體流量不大於1000sccm。
  16. 如申請專利範圍第1項之蝕刻含鎢層的方法，其中該含鎢層為純鎢。
  17. 一種相對於Si、SiO、SiN、或TiN層而在一鎢層中選擇性蝕刻特徵部的方法，包括：提供包含O2、N2、以及一含氟成分的一蝕刻氣體，其中該蝕刻氣體具有至少和氟原子一樣多的氧原子、以及至少和氟原子一樣多的氮原子；從該蝕刻氣體形成電漿；維持至少60mTorr的腔室壓力；提供介於100與400V的偏壓；以及使用從該蝕刻氣體形成的電漿來蝕刻該鎢層，以形成深寬比至少10比1的的特徵部。
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