专利名称：等离子腐蚀设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于制造半导体器件的等离子腐蚀设备和方法，特别涉及能满足诸如低损伤，高选择性和高腐蚀速率要求的腐蚀设备和方法。
由于趋向于制造薄栅氧化层，保证加工栅电极中对底层栅氧化层的高选择腐蚀速率变得非常重要。
通常，根据所选等离子腐蚀的种类来确定气体组成和化学性质，实现加工栅电极时对底层栅氧化层的高选择性。例如，在由多晶硅和高熔点多晶硅化物构成的栅电极材料层构图的时候，通过利用HBr作腐蚀气体和利用诸如SiO2的无机材料作为腐蚀掩模，它能把碳组分最大限度的排出腐蚀反应设备，则可能获得高选择性。例如，该技术在2nd.Microprocess Conference，1989，p，190，B-9-2的论文摘要和日本专利公开，No.平2-224241中公开了。
换句话说，利用现有的等离子腐蚀工艺，能完全实现唯一数值的腐蚀选择比。但是，对于利用卤基化合物而不是利用氟基化合物的单一气体组成和性质制造栅电极时，由于腐蚀产生的反应物，例如，SiBrx和SiClx，通常以淀积的形式残留在图形的侧壁上，因而主要进行湿腐蚀以除掉上述的残留物。进行湿腐蚀用的时间短，利用以稀释过的氢氟酸为基的处理溶液，因此，它必然腐蚀底层的栅氧化膜，因此，要减薄残留栅氧化层的实际厚度。
在实用的器件结构中，常常对有高台阶的底材料层上的材料进行等离子腐蚀，在某些情况，大约100％的过腐蚀以露出栅氧化层。利用稀释的氢氟酸，以不正常的高腐蚀率腐蚀上述栅氧化层的表面，则保留的栅氧化层的厚度被进一步减薄。例如，这由Proceedings ofSymposium on Dryprocess1993，p，137报道。这种现象是由于在过腐蚀时利用离子轰击很少腐蚀栅氧化层，但是由于入射加速离子可能造成栅氧化膜的损伤。由于进一步趋向精细设计规则，栅氧化层的厚度也要趋向减薄，例如，对于按0.25μm设计规则，估算半导体器件为6nm，对于按0.18μm设计规则，估算半导体器件为4nm。换句话说，即使通过选择腐蚀气体，实现高选择比率，预计，由于接着进行湿腐蚀工艺，基本上不能控制由栅电极露出的残留栅氧化层的厚度。
本发明的目的是提供等离子腐蚀设备，能够减少将要腐蚀衬底的离子入射损伤，并且保证腐蚀的选择比例，达到实用腐蚀速率，具有高的各向异性腐蚀率，并与等离子腐蚀中唯一的气体的组成和性质无关；还提供该设备的使用方法。
为实现上述目的，按照本发明第一方案，提供一等离子腐蚀设备，包括一个利用至少一种磁场的等离子产生源；一个等离子处理室，它与等离子产生源相连，并包含一个与等离子产生源相对放置、安放衬底以便腐蚀的工作台；其中设置工作台具有地电位；该工作台包含一处于工作台几乎整个表面上的高导磁率材料层。
在这种结构中，最好利用高导磁率材料层的作用，使从等离子产生源发散的磁场的磁力线，基本垂直入射在工作台上。
例如，用于这种等离子腐蚀设备的高导磁率材料可以包括铁磁合金，但不限于铁磁合金，例如，可以包括各种软磁合金例如坡莫合金，铝硅铁合金，硅钢合金；铁磁混合物，例如，它可以包括诸如MnZn铁氧体之类的各种软磁混合物。上述的高导磁率材料形成一薄板并被放置在装放要被腐蚀的衬底的工作台中，以使基本上延伸超过工作台的整个表面，最好，放置在包含整个衬底平面面积的区域中。在采用高导磁率合金的情况中，利用它形成对地电位的电位降。在利用高导磁率绝缘体的情况，要求分离地设置地电极。在每种情况，最好使工作台的上部由诸如氧化铝之类的陶瓷材料形成，以免被污染。
按照本发明的第2方案，提供利用具有上述结构的等离子腐蚀设备的腐蚀方法，其中，至少把负离子入射在要被腐蚀的衬底上进行腐蚀。
图1是用于本发明第1实施例的等离子腐蚀设备的剖视示意图。
图2是用于本发明第3实施例的等离子腐蚀设备的剖视示意图。
图3A到图3C是表示本发明第2到第4实施例等离子腐蚀步骤的剖视图。图3A表示在栅氧化层上形成高熔点金属多晶硅化物层和光致抗蚀剂层图形的状况；图3B表示完成对高熔点金属硅化物层等离子腐蚀的状况；图3C表示除掉光致抗蚀剂图形层的状况，接着进行湿腐蚀工艺，获得由高熔点金属多晶硅化物组成的栅电极。
本发明的特征是利用负离子作为等离子腐蚀的腐蚀离子。和现有技术中的等离子腐蚀不同。
预计在栅氧化层上形成栅电极图形时会进一步使栅氧化膜变成非常薄这就需要保证从栅电极露出的残留栅氧化层的厚度。为满足上述要求，主要是在作为除掉残留物的后续处理的湿腐蚀工艺中，要抑制加速腐蚀栅电极，即，需要设定腐蚀条件，以便尽可能地抑制入射离子能量，减少过腐蚀工艺中由于离子轰击造成的栅氧化层的损伤。在入射加速离子具有方向性的情况，存在缺点，它难于进行产生侧腐蚀的各向异性腐蚀工艺，而且难于保证实用的腐蚀速率。
为了解决上述问题，本发明除利用一般在各向异性等离子腐蚀中所用的正离子以外，还利用负离子，来改善明显的离子密度。
通常，用于等离子腐蚀的卤基气体离子包含大量的负离子，如果有效地利用上述负离子进行腐蚀，则大大地增加入射离子的数量，因而即使入射离子能量较小，也能防止减少腐蚀速率。但是，对于常规等离子腐蚀，给安放要被腐蚀衬底的工作台施加一衬底偏压或使其具有通过隔直电容器的一浮动电位，因此，在工作台和等离子区之间形成屏极区(阴极降压区)，以产生负电压差。结果，工作台具有负电位，因而造成负离子排斥，使其不能射到衬底上。
按照本发明的腐蚀设备，工作台具有直接降到地电位的电位，它除了接收正离子外还可以接收负离子。但是，只用具有地电位工作台的结构，还不能把有方向性的离子入射在工作台的表面。为解决上述问题，按照本发明，使磁力线基本垂直地入射在工作台面上，即，在工作台表面上形成与其平行的等磁力线场平面。能够沿这些磁力线方向入射离子。利用分离的磁场产生装置，可能产生磁力线；但是因为本发明的等离子腐蚀设备利用磁场作为等离子产生源，从等离子产生源发散的磁场的磁力线能终止在位于工作台中的高导磁材料中。这样，使磁力线按与工作台基本垂直的方向入射在工作台的表面。
用具有上述结构的等离子腐蚀设备，实现能增强入射离子密度和满足高各向异性，高选择性和低损伤的等离子腐蚀方法。此外，与本发明结构类似的设备，例如，在日本特许公开平6-77146公开了，其中磁性线圈位于工作台下面，使衬底感应到磁力线。但是，这种方法，用控制线圈电流和转动线圈，实现均匀的等离子处理，但是没有公开具有地电位的工作台的结构和所使用的负离子。
下面，通过实施例详细地叙述本发明首先叙述第1实施例。在该例中，参看如图1所示的剖视示意图，叙述利用ECR型等离子产生源的等离子腐蚀设备。这种等离子腐蚀设备的等离子产生源通常包括波导管6，它用于传导磁控管5产生的频率为2.45GHz的微波；由铝合金制成的，其内表面涂覆氧化铝膜面对波导管6的开口端设置的处理室壁8，由石英或氧化铝制成的设置在处理室壁8的上部的微波入射窗7；围绕处理室壁8的圆筒形线圈9。
等离子腐蚀设备处理室10由面对处理室壁8的开口端并由处理室钟罩限定的空间构成，它包括一个放置衬底1的工作台2。工作台2包含一高导磁率材料层3，材料层3放置在紧靠工作台2的整个表面的上方。在该例中，高导磁率材料层3由坡莫合金(Ni-22％Fe)薄板(厚度例如为5mm)构成，并被埋入工作台2中，这样以便平行延伸超过整个衬底1的平面面积区域。高导磁率材料层3由传导性优良的坡莫合金制成，它能把它的电位直接降低到地电位。工作台2的上表面，用诸如氧化铝的陶瓷材料涂覆。注意在图1中省略了，例如，腐蚀气体入口等的细节。
在该等离子腐蚀设备中，由磁控管5产生的频率为2.45GHz的微波，通过波导管6进入处理室壁8和微波入射窗7，用于在处理室壁8内产生，与由圆筒形线线圈9产生的，强度为0.0875T的磁场相互作用的等离子。由圆筒形电磁线圈9产生的磁场，在靠近微波入射窗处的磁场强度大约为0.15T；在处理室壁8中ECR表面的磁场强度为0.0875T，在靠近工作台处的磁场强度大约为0.01T以上。在常规ECR等离子腐蚀设备中，磁力线在工作台附近发散，但是，在这种等离子腐蚀设备中，由于位于工作台2中的高导磁率的材料层3的作用，使磁力线在基本上垂直于工作台的方向，从衬底的中心到边缘均匀地入射在工作2上。
这种等离子腐蚀设备，如上所述，它使磁力线按基本上与工作台垂直的方向入射到工作台2的表面上，甚至能利用沿磁力线方向垂直入射的负离子进行等离子腐蚀。
下面叙述第2实施例。在该实施例中，参考附图3A到图3C，叙述利用第1实施例所叙述的等离子设备进行等离子腐蚀的方法，把位于很薄的栅氧化层上面的高熔点金属多晶硅化物刻成图形以便形成栅电极。
如图3A所示，在该实施例中，要被腐蚀的衬底1具有由硅之类的材料制成的半导体衬底21，在半导体衬底21上形成，例如，由4nm厚的热氧化膜制成的栅氧化膜22；利用低压CVD形成的含有杂质的多晶硅层23；利用低压CVD形成的由WSix制成的高熔点金属硅化物层24；宽度为0.20μm的光致抗蚀剂图形25。如图1所示，把衬底1放置在等离子腐蚀设备工作台2上，例如，按照下列条件，连续地用高熔点金属硅化物层24和多晶硅层23形成图形Cl2流速 100 sccm气压 0.13 Pa微波功率 2500 W衬底温度 常温因为用于这种等离子腐蚀设备的Cl2有大的负电性，在等离子中除正离子外存在大量的负离子，在常规的等离子腐蚀设备中，因为衬底偏压施加到工作台上，在工作台和等离子区之间形成屏极区，所以工作台产生负偏压，结果只加速正离子，并且把它入射到衬底上。
但是，这种等离子设备，由于工作台具有地电位，在与工作台表面垂直方向产生磁力线，所以使负离子及正离子沿磁力线方向入射到衬底的表面，因此，以实用的腐蚀速率实现低损伤各向异性的处理。图3B表示过腐蚀后的衬底。
因此，在从衬底除去光致抗蚀剂并利用稀释的氢氟酸进行后续处理后，接着进行等离子腐蚀，可能形成如图3C所示的具有较好形状的高熔点金属多晶硅化物栅电极。而没有因加速腐蚀减少极薄栅氧化层22的厚度。
这种等离子腐蚀方法，采用利用均匀入射的负离子的ECR等离子腐蚀设备，可能以低损伤、高选择比率，实用的腐蚀速形成栅电极。
接着叙述第3实施例。在该例中，参考如图2所示的剖视示意图叙述利用螺旋极化波等离子产生源的等离子腐蚀设备。这种等离子腐蚀设备的等离子产生源4具有普通结构，即，通过螺旋极化波功率源13产生频率为13.56MHz的RF功率，把RF功率通过匹配箱14a施加到位于诸如氧化铝之类的介电材料制成的钟罩16周围的，螺旋波天线15产生螺旋极化波(啸声波)，通过磁场传播这些产生的螺旋波，磁场是由位于螺旋极化波天线15周围的圆筒形磁性线圈产生的。
这种等离子腐蚀设备的等离子处理室10由Al合金制成的发散室18限定的空间构成，发散室18内壁用氧化铝9涂覆，并面对钟罩16的开口端，发散室18侧壁的外表面由多极磁铁19围绕。发散室18包含安置待腐蚀衬底1的工作台2。工作台2包含位于紧靠工作台2整个表面的上部的一高导磁率材料层3，在该例中，高导磁率材料层3是由铁铝硅合金制成的薄板(厚度为例如大约5mm)形成，使材料层3平行地延伸超过衬底1的平面面积区域。由导电率优良的铁铝硅合金制成的高导磁率的材料层3能把它的电位直接降到地电位。工作台2具有由诸如氧化铝涂覆的上表面，用于防止高导磁率材料层直接暴露在外。但要注意，例如，腐蚀气体入口及诸如此类部件的详细结构在图2中被省略了。
在这种等离子腐蚀设备中，由螺旋极化波天线15产生的螺旋波等离子体由圆筒形磁性线圈17产生的磁场传播，并载送到发散室18。由圆筒形磁性线圈17产生的磁场，在靠近微波入射窗7附近的强度为大约0.05T，在发射室18工作台附近的磁强度大约为0.01T。在常规螺旋极化波等离子腐蚀设备中磁力线在工作台附近被发散；但是在这种等离子腐蚀设备中，由于位于工作台2上高导磁率材料层的作用磁力线按与其基本垂直的方向从衬底中心到边缘均匀地入射在工作台上。
如上所述，这种等离子设备使磁力线按基本与其垂直的方向入射在工作台2的表面上，能够利用沿磁力线方向均匀垂直入射的负离子进行等离子腐蚀。和第1实施例所述的ECR等离子腐蚀设备相比，该实施例中螺旋极化波等离子腐蚀设备有可能降低由圆筒形磁性线圈17产生的磁场强度，并获得比其大1个数量级的等离子密度。
接着叙述第4实施例。在该实施例中，参考图3A到图3C，叙述利用第3实施例中所述等离子腐蚀设备进行等离子腐蚀的方法，其中，把位于极薄栅氧化层上的高熔点金属多晶硅化物构图，以便形成栅电极。
该实施例中如图3A所示的要被腐蚀的衬底1，具有与第2实施例所示衬底相同的结构，因此省去重复说明。如图2所示，把衬底1放在螺旋极化波等离子腐蚀设备的工作台2上，例如，按照下述等离腐蚀条件，连续地把高熔点金属硅化物层24和多晶硅层23形成图形Br2流速 100 sccm气压 0.13Pa微波功率 2500W衬底温度 常温因为用于这种等离子腐蚀的Br2具有大的负电性，在等离子中除正离子外存在大量的负离子，在常规等离子腐蚀设备中，在工作台和等离子区之间形成屏极区，因为工作台施加了衬底偏压，所以工作台具有负偏压，因而只加速正离子并使其入射在衬底上。
但是，在该等离子腐蚀设备中，由于工作台具有地电位，并且按与工作台表面垂直的方向产生磁力线，使负离子和正离子沿磁力线方向入射在衬底的表面，因此，以实用腐蚀速率完成各向异性处理。并且，通过磁场作用，只使正离子和负离子入射，有可能基本上较好地防止由于常规各向异性腐蚀造成的屏极区而引起的加速入射离子轰击，因此，能防止损伤栅氧化层22。过腐蚀后的衬底如图3B所示。
因此，在从衬底上剥离光散抗蚀剂并利用稀释氢氟酸进行过腐蚀处理后，对衬底进行等离子腐蚀，最后形成如图3C所示的有较好形状的高熔点金属硅化场栅电极，而没有因为加速腐蚀减少极薄栅氧化层22的厚度。
这种等离子腐蚀方法，采用用均匀负离子入射的螺旋极化波等离子腐蚀设备，实现满足低损伤，高选择比例，和实用腐蚀速率要求的高密度等离子腐蚀。
虽然叙述了本发明的四个实施例，但本发明不限于这四个实施例。
上面举例说明了作为等离子产生源的ECR等离子产生源和螺旋极化波等离子产生源；但是，本发明不限于此，本发明适用于具有至少利用磁场的等离子产生源类型的等离子腐蚀设备。
在本实施例，利用坡莫合金和铁铝硅合金为例说明高导磁率材料层；但是，它可由诸如软磁钢或Mn-Zn铁氧体之类的软磁铁氧体制成的薄板构成。
对于要被腐蚀的衬底，本发明适用于能减少离子损伤，保证各向异性和腐蚀速率，而不对栅电极损伤对各层进行腐蚀的等离子腐蚀方法。
权利要求
1.一种等离子腐蚀设备，其包括至少利用磁场的等离子产生源；等离子处理室，它与等离子产生源相连，并且包括放置要被腐蚀的衬底的工作台，它与等离子产生源相对；其特征是，设置所述的工作台具有地电位；所述工作台包含基本上位于所述工作台整个表面的上面的高导磁率材料层。
2.一种按照权利要求1的等离子腐蚀设备，其特征是，利用所述高导磁率材料层的作用，从所述等离子产生源发散的磁力线，按与其基本垂直的方向入射在所述的工作台上。
3.一种按照权利要求1的等离子腐蚀设备，其特征是，所述等离子产生源是ECR等离子产生源。
4.一种按照权利要求1的等离子腐蚀设备，其特征是，所述等离子产生源是螺旋波等离子产生源。
5.一种利用按照权利要求1的所述等离子腐蚀设备的等离子腐蚀方法，其特征是，利用至少入射在所述要被腐蚀的衬底上的负离子，进行等离子腐蚀。
全文摘要
一种等离子腐蚀设备及其使用方法，它能防止离子入射损伤，并满足高各向异性和高腐蚀速率的腐蚀。工作台2包含一高导磁率材料层，具有直接降到地电位的电位，使从等离子产生源发散的磁力线按基本上与其垂直的方向入射在工作台上。这使等离子中的负离子和正离子沿着磁力线按与其垂直的方向，入射到要被腐蚀的衬底上。结果，与现有技术不同，不利用屏极区加速离子，因而能有效地防止损伤衬底。
文档编号C23F4/00GK1150327SQ9611172
公开日1997年5月21日 申请日期1996年7月5日 优先权日1995年7月5日
发明者门村新吾 申请人:索尼公司