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TWI851670B - 蝕刻層的蝕刻方法 - Google Patents

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TWI851670B
TWI851670B TW109106716A TW109106716A TWI851670B TW I851670 B TWI851670 B TW I851670B TW 109106716 A TW109106716 A TW 109106716A TW 109106716 A TW109106716 A TW 109106716A TW I851670 B TWI851670 B TW I851670B
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尼基 朵爾
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美商蘭姆研究公司
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Abstract

一種在堆疊中蝕刻特徵部之方法，該堆疊包括位於基板上之介電材料。在步驟（a）中，從蝕刻氣體產生蝕刻電漿、將堆疊暴露至蝕刻電漿、以及進行堆疊中特徵部的部分蝕刻。在步驟（a）之後的步驟（b）中，係提供原子層沉積處理以在側壁上沉積保護膜。原子層沉積處理包括複數循環，其中各循環包括將堆疊暴露至包括WF6 的第一反應物氣體，其中該第一反應物氣體係吸附至堆疊上；以及將堆疊暴露至由第二反應物氣體形成的電漿，其中由第二反應物氣體形成的該電漿與已吸附的第一反應物氣體進行反應而在堆疊上形成保護膜。在步驟（c）中，係將步驟（a）-（b）重複至少一次。

Description

蝕刻層的蝕刻方法
本揭露係關於在半導體晶圓上形成半導體裝置的方法。更具體而言，本揭露係關於在堆疊內的蝕刻層中進行凹陷特徵部的蝕刻。 [相關申請案的交互參照]
本申請案是主張2018年11月5日提交的美國專利申請案第62/755,707號的優先權，其所有內容皆在此以參照的方法引入。
在半導體裝置的形成中，可將蝕刻層進行蝕刻以形成接觸孔或溝槽。一些半導體裝置可藉由對矽氧化物（SiO2 ）基底層進行蝕刻而形成。
為了達成前述內容並符合本揭露之目的，提供一種在堆疊中蝕刻特徵部之方法，該堆疊包括位於基板上之介電材料。在步驟（a）中，從蝕刻氣體產生蝕刻電漿、將堆疊暴露至蝕刻電漿、以及進行堆疊中特徵部的部分蝕刻。在步驟（a）之後的步驟（b）中，提供原子層沉積處理以在側壁上沉積保護膜。原子層沉積處理包括複數循環，其中各循環包括將堆疊暴露至包括WF6 的第一反應物氣體，其中該第一反應物氣體係吸附至堆疊上；以及將堆疊暴露至由第二反應物氣體形成的電漿，其中由第二反應物氣體形成的該電漿與已吸附的第一反應物氣體進行反應而在堆疊上形成保護膜。在步驟（c）中，係將步驟（a）-（b）重複至少一次。
在另一表現形式中，係提供用於在堆疊中蝕刻特徵部的設備。提供一處理腔室。基板支撐件係位於處理腔室內。氣體入口將氣體提供至處理腔室內。氣體源將氣體提供至氣體入口，其中氣體源包括蝕刻氣體源、WF6 氣體源、以及反應物氣體源。排氣幫浦是設置用於從處理腔室抽氣。電極在處理腔室內提供RF功率。至少一電源係為電極供電。控制器係可控地連接至該氣體源以及該至少一電源，其中該控制器包括至少一處理器及電腦可讀媒體。電腦可讀媒體包括用於透過複數第一循環而實現堆疊蝕刻的電腦編碼，其中各該複數第一循環包括對堆疊進行部分蝕刻、以及透過提供複數第二循環以藉由原子層沉積而在該堆疊上進行層的沉積。複數第二循環的各循環包括將含WF6 氣體從WF6 氣體源流動；將含WF6 氣體吸附至堆疊上；停止含WF6 氣體的流動；以及將堆疊暴露至來自反應物氣體源的反應物氣體之電漿，其中該電漿將已吸附的含WF6 氣體轉化成原子層沉積層。
本揭露的這些及其他特徵將於本揭露的實施方式中並結合以下圖式而進行更詳細的描述。
現在將參照如隨附圖式中所繪示之本揭露的數個較佳實施例來對本揭露進行更詳細的描述。在下列敘述中，許多具體細節係闡述以提供對本揭露的透徹理解。然而，對所屬領域中具有通常知識者而言顯而易見的是，可以在不具有某些或所有這些具體細節的情況下實施本揭露。在其他情況下，並未詳細描述習知的處理步驟和/或結構，以免不必要地模糊本揭露。
高深寬比的蝕刻需要在最小的橫向臨界尺寸（CD）增大（CD彎曲）的情況下維持垂直輪廓。此外，應避免輪廓的折衷，像是降低的遮罩選擇性、降低的蝕刻速率、或是特徵部的加蓋/阻塞。CD彎曲（CD bowing）是由特徵部的側壁蝕刻所引起。可在側壁上設置鈍化層以減少CD彎曲。一些方法在高於250o C的溫度下沉積側壁鈍化以提供均勻的鈍化。這樣的高溫可能會損壞半導體裝置。
在實施例的示例中，圖1為實施例的高階流程圖。該實施例可用於處理如圖2A中所繪示的堆疊200。圖2A為堆疊200的橫剖面圖，具有設置在蝕刻層208下方的基板204，該蝕刻層208係設置在遮罩212下方。在此示例中，遮罩212係硬遮罩，例如電漿增強化學氣相沉積（PECVD）的非晶形碳遮罩。在此示例中，該蝕刻層208係由例如矽氧化物（SiO2 ）的介電材料所製成的介電層。可在基板204與蝕刻層208之間設置一或更多層（未顯示）。亦可在蝕刻層208與遮罩212之間設置一或更多層（未顯示）。
在步驟104中，係將特徵部部分蝕刻至蝕刻層208中。在用於將特徵部部分蝕刻至蝕刻層208中（步驟104）的一個配方示例係提供5-50 mTorr的壓力。射頻（RF）功率係提供60兆赫（MHz）的頻率與500瓦（W）- 10千瓦（kW）的功率、以及400千赫（kHz）的頻率與1 kw – 30 kw的功率。RF功率在這些功率層級之間進行脈衝化。提供蝕刻氣體。該蝕刻氣體包括氧（O2 ）、氟碳化物、及/或氫氟碳化物。該蝕刻氣體係透過RF功率而形成電漿。該電漿提供負責進行高深寬比蝕刻的自由基離子。這樣的電漿在說明書與申請專利範圍中係稱為蝕刻電漿。當完成該部分蝕刻時，將蝕刻氣體的流動停止。將RF功率停止或減少使電漿不再產生。圖2B為已部分蝕刻特徵部216後的堆疊200之橫剖面圖。
在進行部分蝕刻（步驟104）之後，提供原子層沉積處理（步驟108）以在特徵部216的側壁上沉積保護膜。原子層沉積處理（步驟108）包括具有複數循環的循環式處理。在原子層沉積處理（步驟108）之循環的第一階段中，係將堆疊200暴露至包含六氟化鎢（WF6 ）的第一反應物氣體（步驟112）。提供包括0.5至200 sccm之WF6 的氣流。在此實施例中，第一反應物氣體並未轉變成電漿。因此，此步驟係無電漿的。堆疊的溫度係維持在40o C至80o C的溫度範圍中。第一反應物氣體係吸附在堆疊200的表面上。在3秒過後，將第一反應物氣體停止流動。
不受理論限制，據信WF6 與SiO2 進行化學反應而形成氧化鎢矽化物（SiOW）層。圖2C為已在特徵部216的表面（包括側壁）上形成SiOW層220後的堆疊200之橫剖面圖。SiOW層220並未按照比例繪示，但係顯示得更厚以較佳地對SiOW層220進行說明。
在第一反應物氣體進行吸附（步驟112）後，提供第一吹淨（步驟116）以將第一反應物氣體進行吹淨。在此示例中，係透過將O2 流入電漿處理腔室中以提供第一吹淨。其他實施例可具有純氮（N2 ）、或N2 及氬（Ar）的混合物、或純Ar的吹淨氣體。O2 的吹淨氣體使得在第一吹淨後能夠立即點燃電漿。吹淨氣體的流動係在5秒鐘後停止。第一吹淨會在下一步驟中的電漿形成之前將尚未進行吸附的鎢（W）完全移除。
在第一吹淨（步驟116）完成之後，將堆疊200暴露至由第二反應物氣體所形成的電漿（步驟120）。堆疊200與腔室係維持在低於150o C的溫度。提供第二反應物氣體。在此示例中，該第二反應物氣體為O2 。透過提供頻率為60 MHz及功率在200 W至20 kW範圍內的激發能量，以將第二反應物氣體形成電漿。偏壓RF信號以介於100 kHz與27 MHz之間的頻率以及範圍在200 W至50 kW內的功率而提供。在3秒後，將電漿熄滅。
在將堆疊200暴露至由第二反應物氣體所形成的電漿（步驟120）之後，提供第二吹淨（步驟124）以將剩餘的電漿離子自由基進行吹淨。在此示例中，係透過將第二反應物氣體流入電漿處理腔室中但RF功率不足以形成電漿的方式來提供第二吹淨。第二反應物氣體係用於將剩餘的電漿吹淨。其他實施例可具有其他吹淨氣體。一些實施例可將RF功率停止。吹淨氣體的流動係在5秒鐘後停止。第二吹淨將電漿離子自由基從電漿處理腔室完全移除。接著重複該原子層沉積循環。在此示例中，原子層沉積處理（步驟108）係執行3至100個循環。
圖2D係在提供原子層沉積處理（步驟108）的複數循環以在特徵部216的側壁上形成保護膜224之後的堆疊200之橫剖面圖。在此示例中，保護膜224包括鎢氧化物。保護膜224並未按照比例繪示。由於原子層沉積處理（步驟108）係使用電漿而不是無電漿熱處理，因此保護膜224並不像使用無電漿熱處理所沉積的膜一樣保形。此外，保護膜224的品質可能不像使用無電漿熱處理所沉積的膜一樣高。由於保護膜224並非保形的，因此在此實施例中，保護膜224並未延伸至特徵部216的底部。
在原子層沉積處理（步驟108）完成後，係將特徵部216進一步蝕刻（步驟128）。在用於將特徵部進一步蝕刻至蝕刻層208中的配方示例係提供5-50 mTorr的壓力。RF功率係提供頻率為60 MHz且功率為2 kW – 8kW、以及頻率為400 kHz且功率為4 kW – 25kW。RF功率在這些功率層級之間進行脈衝化。提供蝕刻氣體。該蝕刻氣體包括氧（O2 ）、氟碳化物、及/或氫氟碳化物。該蝕刻氣體係藉由RF功率而形成蝕刻電漿。圖2E係已對特徵部216進一步蝕刻後的堆疊200之橫剖面圖。
若特徵部的蝕刻尚未完成（步驟132）（即，特徵部尚未蝕刻至最終深度），則該處理返回至原子層沉積處理（步驟108）。重複原子層沉積處理（步驟108）。圖2F係在重複原子層沉積處理（步驟108）並形成新的保護膜228之後的堆疊200之橫剖面圖。由於新的保護膜228係使用電漿而形成，因此新的保護膜並非保形的。
將特徵部216進一步蝕刻（步驟128）。重複原子層沉積處理（步驟108）的循環以及進一步蝕刻（步驟128），直到完成特徵部216的蝕刻（步驟132）。圖2G係在特徵部216的蝕刻已蝕刻到最終深度後的堆疊200之橫剖面圖。
以上的實施例提供側壁鈍化以防止、或減少由於在原子層沉積處理（步驟108）期間使用電漿所造成的特徵部彎曲。若使用熱原子層沉積處理以進行鎢的沉積，則將會使用高於250o C的堆疊或腔室溫度。高於250o C的溫度可能會使正在形成的半導體裝置損壞。使用電漿以沉積含鎢保護膜的原子層沉積處理（步驟108）提供較不保形且較低品質的保護膜。然而，已發現到非保形的含鎢保護膜係足以防止、或減少側壁彎曲。
在各種實施例中，原子層沉積處理（步驟108）係在少於100o C的堆疊或腔室溫度下進行。在各種實施例中，由第二反應物氣體所形成的電漿係提供氧化或氮化。若來自第二反應物氣體的電漿係提供氧化，則在各種實施例中，第二反應物氣體包括含氧成分，例如氧氣（O2 ）、臭氧（O3 ）、羰基硫（COS）、二氧化碳（CO2 ）、二氧化硫（SO2 ）、或一氧化碳（CO）的至少一者。此外，氬（Ar）或氪（Kr）可使用作為載體氣體。若來自第二反應物氣體的電漿係提供氮化，則第二反應物氣體包括含氮成分，例如氮氣（N2 ）、或氨（NH3 ）的至少一者。此外，Ar或Kr可使用作為載體氣體。若第二反應物氣體包括N2 ，則第二反應物氣體可進一步包括H2 。
在各種實施例中，硬遮罩可由非晶形碳、硼摻雜碳、硼摻雜矽、金屬摻雜碳、或多晶矽所形成。在各種實施例中，蝕刻層208為基於矽氧化物的介電層。在各種實施例中，蝕刻層208為不同材料層的堆疊。在各種實施例中，蝕刻層208的至少一層係介電材料層。在各種實施例中，原子層沉積處理（步驟108）提供非保形且未到達特徵部216底部的保護膜228。在各種實施例中，RF功率可為連續波。在其他實施例中，RF功率可為脈衝化功率。在各種實施例中，脈衝化的RF功率可具有介於100 Hz與5 kHz之間的脈衝重複率。在各種實施例中，脈衝化的RF功率可具有介於5%至95%的工作週期。
此外，由於原子層沉積處理（步驟108）使用電漿而並非熱處理，因此原子層沉積處理（步驟108）可在與蝕刻處理（步驟128）相同的電漿處理腔室內原位進行。透過提供原位的原子層沉積處理（步驟108），由於所有步驟在同一電漿處理腔室內進行，因此生產量係更加提高。
在示例性實施例中，圖3為可用於實施例中之蝕刻反應器的示意圖。在一或更多實施例中，電漿處理腔室300包括提供氣體入口的氣體分配板306、以及位在蝕刻腔室349（其由腔室壁352所包圍）內的靜電吸盤（ESC）308。在蝕刻腔室349內，堆疊200係設置在ESC 308上。ESC 308亦為基板支撐件。邊緣環309圍繞ESC 308。氣體源310係透過氣體分配板306而連接至蝕刻腔室349。在此示例中，氣體源310包括蝕刻劑氣體源312、WF6 氣體源316、以及反應物氣體源318。ESC溫度控制器350係連接至冷卻器314。在此實施例中，冷卻器314將冷卻劑提供至ESC 308中或ESC 308附近的通道315，以將ESC 308冷卻。射頻（RF）源330將RF功率提供至下電極。在此實施例中，ESC 308為下電極。在示例性實施例中，400 kHz及60 MHz的電源構成RF源330。在此實施例中，上電極（氣體分配板306）係接地的。在此實施例中，各頻率係由一產生器所提供。RF源與電極的其他配置可使用在其他實施例中。控制器335係可控地連接至RF源330、排氣幫浦320、以及氣體源310。此蝕刻腔室之示例為由Lam Research Corporation of Fremont, CA所製造的Flex®蝕刻系統。處理腔室可為電容式耦合電漿（CCP）反應器、或感應耦合電漿（ICP）反應器。
圖4為顯示電腦系統400的高階方塊圖，其適合用於將使用於實施例中的控制器335進行實施。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、小型手持裝置、到大型的超級電腦。電腦系統400包括一或更多處理器402，且能夠進一步包括電子顯示裝置404（用於顯示圖形、文字及其他數據）、主要記憶體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、小鍵盤、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允許軟體與資料透過連結而在電腦系統400和外部裝置之間進行傳輸。該系統亦可包括前述裝置/模組所連接至的通訊基礎建設416（例如，通信匯流排、跨接條（cross-over bar）、或網路）。
由通訊介面414所傳輸的資訊可為信號（例如電子、電磁、光、或其他能夠藉由通訊介面414所接收的其他信號）的形式，透過承載信號的通訊鏈結並可使用導線、纜線、光纖、電話線、手機鏈結、無線電頻率鏈結、和/或其他通訊管道所實行。透過此種通訊介面，可預期的是一或更多處理器402在執行上述方法步驟的期間可從網路接收資訊，或是將資訊輸出至網路。此外，方法實施例可僅在處理器上執行或是在網路上執行，例如與遠端處理器結合且共享部分處理過程的網際網路。
術語「非瞬態電腦可讀媒體」通常用於指例如主要記憶體、次要記憶體、可攜式儲存器的媒體，以及例如硬碟、快閃記憶體、磁碟記憶體、CD-ROM、以及其他永久記憶體形式的儲存裝置，並且不應被解釋成涵蓋例如是載波或信號的瞬態主體。電腦編碼的示例包括例如藉由編譯器所生成的機器碼，以及包含更高階編碼的文件，該更高階編碼係由使用解譯器的電腦所執行。電腦可讀媒體亦可為電腦編碼，其係由體現於載波中的電腦資料信號所發送，並表現出處理器可執行的指令序列。
儘管本揭露已根據數個示例性實施例來進行描述，但在落入本揭露的範圍內仍存在更改、修改、置換、以及各種替代均等物。還應注意者，仍存在許多用於實行本揭露之方法和設備的替代方式。因此，由於落入本揭露的真實精神與範圍，意旨將下列所附的申請專利範圍解釋成包括所有這樣的更改、修改、置換、以及各種替代均等物。
104,108,112,116,120,124,128,132:步驟 200:堆疊 204:基板 208:蝕刻層 212:遮罩 216:特徵部 220:氧化鎢矽化物（SiOW）層 224, 228:保護膜 300:電漿處理腔室 306:氣體分配板 308:靜電吸盤（ESC） 309:邊緣環 310:氣體源 312:蝕刻劑氣體源 314:冷卻器 315:通道 316:WF6 氣體源 318:反應物氣體源 320:排氣幫浦 330:射頻（RF）源 335:控制器 349:蝕刻腔室 350:ESC溫度控制器 352:腔室壁 400:電腦系統 402:處理器 404:電子顯示裝置 406:主要記憶體 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:通訊基礎建設
在隨附圖式中係以示例而非限制的方式對本揭露進行繪示，其中相同的元件符號係指相似的元件，且其中：
圖1為一實施例的高階流程圖。
圖2A-G為根據實施例進行堆疊處理的示意圖。
圖3為可用於實施例中之蝕刻腔室的示意圖。
圖4為可用於對實施例進行實施之電腦系統的示意圖。
104,108,112,116,120,124,128,132:步驟

Claims (10)

  1. 一種在基板上的堆疊中的介電層中蝕刻特徵部的方法，該介電層包括SiO2且位於硬遮罩下方，該硬遮罩包括非晶形碳、硼摻雜碳、硼摻雜矽、金屬摻雜碳、或多晶矽中的一或更多者，該方法包括：(a)在一電漿處理腔室中，從一蝕刻氣體產生一蝕刻電漿、將該堆疊中的該介電層暴露至該蝕刻電漿、以及進行該堆疊中的該介電層中的特徵部的部分蝕刻；(b)在(a)之後提供在該電漿處理腔室內原位進行的一原子層沉積處理以在側壁上沉積一鎢氧化物保護膜，該原子層沉積處理包括複數循環，其中各循環包括：(i)將經蝕刻之該介電層暴露至包括WF6的第一反應物氣體，其中該第一反應物氣體係吸附至經蝕刻之該介電層上，其中將經蝕刻之該介電層暴露至該第一反應物氣體的步驟係當該第一反應物氣體為無電漿時將經蝕刻之該介電層暴露至該第一反應物氣體；以及(ii)將具有已吸附的該第一反應物氣體的經蝕刻之該介電層暴露至由第二反應物氣體形成的電漿，其中由該第二反應物氣體形成的該電漿與已吸附的該第一反應物氣體進行反應，以在經蝕刻之該介電層上形成該鎢氧化物保護膜，其中該第二反應物氣體包括含氧成分以提供氧化，其中該提供該原子層沉積處理的步驟更包括在步驟(i)及(ii)期間將堆疊溫度維持在低於150℃；以及(c)在該電漿處理腔室內原位地將(a)-(b)重複至少一次。
  2. 如請求項1所述之在基板上的堆疊中的介電層中蝕刻特徵部的方法，其中該第二反應物氣體包括COS、CO2、CO、SO2、O2、或O3的至少其中一者。
  3. 如請求項1所述之在基板上的堆疊中的介電層中蝕刻特徵部的方法，其中該提供該原子層沉積處理的步驟係執行2至100個循環。
  4. 如請求項1所述之在基板上的堆疊中的介電層中蝕刻特徵部的方法，其中各循環更包括：在將經蝕刻之該介電層暴露至該第一反應物氣體之後且在將具有已吸附的該第一反應物氣體的經蝕刻之該介電層暴露至由該第二反應物氣體形成的該電漿之前，將該第一反應物氣體吹淨；以及在將具有已吸附的該第一反應物氣體的經蝕刻之該介電層暴露至由該第二反應物氣體形成的該電漿後，將由該第二反應物氣體形成的該電漿吹淨。
  5. 如請求項1所述之在基板上的堆疊中的介電層中蝕刻特徵部的方法，其中該提供該原子層沉積處理的步驟更包括在步驟(i)及(ii)期間將堆疊溫度維持在低於80℃。
  6. 一種用於在堆疊中的介電層中蝕刻特徵部的設備，該介電層包括SiO2且位於硬遮罩下方，該硬遮罩包括非晶形碳、硼摻雜碳、硼摻雜矽、金屬摻雜碳、或多晶矽中的一或更多者，該設備包括：一處理腔室；一基板支撐件，位於該處理腔室內；一氣體入口，用於將一氣體提供至該處理腔室內；一氣體源，用於將該氣體提供至該氣體入口，其中該氣體源包括：一蝕刻氣體源；一WF6氣體源；以及一反應物氣體源；一排氣幫浦，用於從該處理腔室抽氣； 一電極，用於在該處理腔室內提供RF功率；至少一電源，用於為該電極供電；一冷卻器，用於冷卻該基板支撐件；以及一控制器，可控地連接至該氣體源以及該至少一電源，其中該控制器包括：至少一處理器；以及複數電腦可讀媒體，包括用於透過複數第一循環而實現對該介電層進行蝕刻的電腦編碼，其中各該複數第一循環中包括：對該介電層進行部分蝕刻；透過提供複數第二循環以藉由一原子層沉積而在該堆疊上進行層沉積，其中該複數第二循環的各該循環包括：將該基板支撐件冷卻至溫度低於150℃；將一含WF6氣體從該WF6氣體源流動；將該含WF6氣體吸附至經蝕刻之該介電層上，其中該含WF6氣體係無電漿的；停止該含WF6氣體的流動；以及將具有已吸附的該含WF6氣體的經蝕刻之該介電層暴露至來自該反應物氣體源的反應物氣體之電漿，其中該反應物氣體包括含氧成分，其中該電漿將已吸附的該含WF6氣體轉化為鎢氧化物的原子層沉積層，其中該原子層沉積的該沉積步驟更包括在該複數第二循環期間將堆疊溫度維持在低於150℃。
  7. 如請求項6所述之用於在堆疊中的介電層中蝕刻特徵部的設備，其中該反應物氣體源係COS、CO2、CO、SO2、O2、或O3之至少其中一者的源。
  8. 如請求項6所述之用於在堆疊中的介電層中蝕刻特徵部的設備，其中提供該複數第二循環的步驟係執行2至100個循環。
  9. 如請求項6所述之用於在堆疊中的介電層中蝕刻特徵部的設備，其中該複數第二循環的各循環更包括：在停止該含WF6氣體的流動之後且在將具有已吸附的該含WF6氣體的經蝕刻之該介電層暴露至來自該反應物氣體源的該反應物氣體之該電漿之前，將該含WF6氣體吹淨；以及在將具有已吸附的該含WF6氣體的經蝕刻之該介電層暴露至來自該反應物氣體源的該反應物氣體之該電漿之後，將來自該反應物氣體源的該反應物氣體之該電漿吹淨。
  10. 如請求項6所述之用於在堆疊中的介電層中蝕刻特徵部的設備，其中將該基板支撐件冷卻的該步驟係將該基板支撐件冷卻至溫度不超過80℃，其中將該含WF6氣體吸附至該堆疊上的步驟係無電漿的。
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