选择性抑制含有硅及氮两者的材料的干蚀刻速率的制作方法

选择性抑制含有硅及氮两者的材料的干蚀刻速率的制作方法
【专利摘要】本发明描述了一种抑制对图案化异质结构上的暴露的含硅与氮材料的蚀刻速率的方法，且所述方法包括两阶段远端等离子体蚀刻。相对于氮化硅及含硅与氮的其他材料，使用本方法可增加硅的蚀刻选择性。远端等离子体蚀刻的第一阶段将等离子体流出物与图案化异质结构反应，以在含硅与氮材料上形成保护性固态副产物。第一阶段的等离子体流出物由前驱物（包括三氟化氮及氢气（H2））的组合的远端等离子体形成。远端等离子体蚀刻的第二阶段亦将等离子体流出物与图案化异质结构反应，以选择性地移除缺乏保护性固态副产物的材料。第二阶段的等离子体流出物由含氟前驱物的远端等离子体形成。
【专利说明】选择性抑制含有硅及氮两者的材料的干蚀刻速率
[0001]相关申请的交叉参照
[0002]本申请是2012年4月18日提交的发明名称为“SELECTIVE SUPPRESSION OFDRY-ETCH RATE OF MATERIALS CONTAINING BOTH SILICON AND NITROGEN (选择性抑制含有硅及氮两者的材料的干蚀刻速率)”的美国专利申请N0.13/449, 441的PCT申请，并且与 2011 年 9 月 I 日提交的发明名称为 “SELECTIVE SUPPRESSION OF DRY-ETCH RATE OFMATERIALS CONTAINING BOTH SILICON AND NITROGEN (选择性抑制含有硅及氮两者的材料的干蚀刻速率)”的美国临时申请61/530，302相关且要求所述临时申请61/530，302的权益，所述两件申请针对所有目的通过引用整体结合于此。
[0003]发明背景
[0004]藉由在基板表面上产生错综复杂的图案化材料层的工艺，可制造集成电路。在基板上产生图案化材料需要受控的方法以移除暴露的材料。化学蚀刻被用于各种目的，包括将光刻胶中的图案转移进入下方层中、减薄层或减薄已经存在于表面上的特征结构的侧向尺寸。通常，期望具有蚀刻一种材料比另一种快的蚀刻工艺，以助于例如图案转移工艺进行。此类蚀刻工艺可说是对第一材料有选择性。材料、电路与工艺多样化的结果是，蚀刻工艺已被开发成具有对多种材料的选择性。然而，用于选择性地以比蚀刻氮化硅更快的速度来蚀刻硅的选择很少。
[0005]就选择地移除半导体基板上的材料而言，通常期望使用干式蚀刻工艺。干式蚀刻工艺受到期望的原因是源自于在最小化物理干扰的情况下，从微型结构温和地移除材料的能力。藉由移除气相试剂，干式蚀刻工艺也容许蚀刻速率突然停止。某些干式蚀刻工艺会使基板暴露于远端等离子体副产物，所述远端等离子体副产物在进入基板处理区域之前已经被离子过滤。具有暴露的硅及氮化硅的图案化基板可藉由由三氟化氮所形成的经离子过滤的等离子体流出物来蚀刻。以此方式，暴露的硅显示出比氮化硅更迅速地被蚀刻。
[0006]因此，需要用于改善使用干式蚀刻工艺相对于氮化硅及含硅与氮的其他材料对硅的蚀刻选择性的方法。

【发明内容】

[0007]描述了一种抑制对图案化异质结构上的暴露的含硅与氮材料的蚀刻速率的方法，且所述方法包括两阶段远端等离子体蚀刻。相对于氮化硅及含硅与氮的其他材料，使用本方法可增加硅的蚀刻选择性。远端等离子体蚀刻的第一阶段使等离子体流出物与图案化异质结构反应，以在含硅与氮材料上形成保护性固态副产物。第一阶段的等离子体流出物由前驱物(包括三氟化氮及氢气(H2))的组合的远端等离子体形成。远端等离子体蚀刻的第二阶段亦将等离子体流出物与图案化异质结构反应，以选择性地移除缺乏保护性固态副产物的材料。第二阶段的等离子体流出物由含氟前驱物的远端等离子体形成。
[0008]本发明的实施例包括一种在基板处理腔室的基板处理区域中蚀刻图案化基板的方法。图案化基板具有暴露的含硅与氮区域及暴露的硅区域。蚀刻图案化基板的方法包含以下步骤序列:(I)第一干式蚀刻阶段，包含以下步骤:将三氧化氮及氢分子流入远端等离子体区域，所述远端等离子体区域流体耦合至基板处理区域，同时在所述等离子体区域中形成第一等离子体，以产生第一等离子体流出物，以及在暴露的含硅与氮区域上形成保护性固态副产物，以形成受保护的含硅与氮区域；(2)第二干式蚀刻阶段，包含以下步骤:将第二含氟前驱物流入远端等离子体区域，同时在所述等离子体区域中形成第二等离子体，以产生第二等离子体流出物，及藉由将第二等离子体流出物通过喷头中的通孔流入基板处理区域，与受保护的含硅与氮区域相比更快速地蚀刻暴露的硅区域；及(3)藉由提升图案化基板的温度，从受保护的含硅与氮区域升华保护性固态副产物。
[0009]部分额外实施例与特征在随后的说明书中提出，而对于本领域普通技术人员而言，在详阅此说明书后可易于了解部分额外实施例与特征，或者本领域普通技术人员可通过实施本文揭露的实施例而了解部分额外实施例与特征。通过在说明书中描述的设备、结合物与方法，可实现与获得本文揭露的实施例的特征与优点。
[0010]附图简述
[0011]透过参考说明书的其余部份及附图，可进一步了解本文揭露的实施例的本质与优点。
[0012]图1是根据所揭示的实施例的干式蚀刻处理的流程图，所述干式蚀刻处理具有选择性抑制的氮化硅蚀刻速率。
[0013]图2A图示根据本发明实施例的基板处理腔室。
[0014]图2B图示根据本发明实施例的基板处理腔室的喷头。
[0015]图3图示根据本发明实施例的基板处理系统。
[0016]在附图中，相似的部件和/或特征结构可具有相同的元件符号。进一步而言，同类的各部件可通过在元件符号后加上一破折号以及第二符号(所述符号区别类似部件)加以区别。倘若在说明书中仅用第一元件符号，则所述叙述内容可应用至具有相同第一元件符号(无论第二元件符号为何)的类似部件中的任一者。
【具体实施方式】
[0017]描述了一种对图案化异质结构上的暴露的含硅与氮材料的蚀刻速率的方法，且所述方法包括两阶段远端等离子体蚀刻。相对于氮化硅及含硅与氮的其他材料，使用本方法可增加硅的蚀刻选择性。远端等离子体蚀刻的第一阶段使等离子体流出物与图案化异质结构反应，以在含硅与氮材料上形成保护性固态副产物。第一阶段的等离子体流出物由前驱物(包括三氧化氮及氢气(H2))的组合的远端等离子体形成。远端等离子体蚀刻的第二阶段亦使等离子体流出物与图案化异质结构反应，以选择性地移除缺乏保护性固态副产物的材料。第二阶段的等离子体流出物由含氟前驱物的远端等离子体形成。
[0018]为了较佳地理解与认识本发明，现在请参考图1，图1为根据本文揭露的实施例的硅选择性蚀刻工艺的流程图。使用本文所呈现的方法可增加硅蚀刻选择性。在第一操作之前，在经图案化基板中形成结构。所述结构拥有分别的氮化硅及硅的暴露区域。接着传递基板进入处理区域(操作110)。使氢气(H2)及三氟化氮的流开始进入与基板处理腔室分开的等离子体区域中(操作113)。分开的等离子体区域可指本文的远端等离子体区域，且可以是与处理腔室不同的模块，或为处理腔室内的隔间。远端等离子体流出物(即，来自远端等离子体的产物)流入处理区域中，且允许与基板表面相互作用(操作115)。保护性固态副产物选择性地形成在暴露的氮化硅上，但不形成在硅上(操作118)。保护性固态副产物的形成消耗氮化硅的顶层，且保护性固态副产物具有来自等离子体流出物的材料与来自氮化硅的材料。尽管事实上在工艺期间消耗非常少的氮化硅(且直到操作135为止更少量离开表面)，操作113-118可共同称为本文的第一干式蚀刻阶段。
[0019]从三氟化氮及氢气分子(H2)所产生的等离子体流出物包括各种分子、分子片段及离子物种。目前抱有的保护性固态副产物形成的理论机制可能或并非完全正确，但等离子体流出物被考虑为包括NH4F及NH4F.HF，NH4F及NH4F.HF易于与本文所述的暴露于低温的含硅与氮的区域反应。举例而言，等离子体流出物可与氮化硅表面反应，以形成(NH4)2SiF6的保护层，以及数种挥发性副产物。可藉由真空泵从基板处理区域移除挥发性副产物。(NH4)2SiF6固态副产物的薄层被遗留在图案化基板表面的氮化娃部分上。一般而言,娃(Si)成分源自暴露的氮化硅，且形成(NH4)2SiF6的余下部分的氮、氢及氟源自等离子体流出物。可使用进入远端等离子体区域的各种氢对三氟化氮的比率，然而，介于1:1及6:1之间或约3:1的氢对三氟化氮可用于本发明的实施例。
[0020]
【发明者】已发现(保护性)固态副产物是针对接下来的干式蚀刻阶段的有效屏障。在此第二干式蚀刻阶段期间，三氟化氮的流被引导进入远端等离子体区域(操作120)。在本发明的实施例中，少量或并无氢被共同引导进入远端等离子体区域。可添加少量的氢(例如，少于1:5或1:10的H:F原子流量比率)，而不破坏暴露的硅区域的高度选择性蚀刻速率。
[0021]接着使在远端等离子体区域中形成的等离子体流出物流入基板处理区域(操作125)。选择地蚀刻经图案化基板(操作130)，使得由于保护性固态副产物的覆盖，暴露的硅以显著大于氮化硅的蚀刻速率的速率而被移除。操作120-130共同称为本文的第二干式蚀刻阶段。在揭露的实施例中，蚀刻选择性可大于或约为3:1、大于或约为5:1、大于或约为10:1、大于或约为20:1、大于或约为30:1、大于或约为50:1或大于或约为80:1。这些蚀刻选择性范围不仅适用于(硅):(氮化硅)，但更一般性地适用于(硅):(含硅与氮材料)。藉由加热图案化基板从基板处理区域移除反应性化学物种(操作135)。接着从处理区域移除基板(操作145)。
[0022]在第二干式蚀刻阶段期间，可使用较广泛的氟的来源。含氟前驱物可包含至少一个选自以下构成的群组的前驱物:原子氟、双原子氟、三氟化溴、三氟化氯、三氟化氮、氟化氢、六氟化硫及二氟化氙、四氟化碳、三氟甲烷、二氟甲烷、氟甲烷及类似者。在第二干式蚀刻阶段期间，使用含碳前驱物一般可从含氧前驱物的共同流获得益处，以在碳可并入基板之前使含氧前驱物与碳反应。一般而言，氢原子将可取代氢气而对此处所讨论的所有材料起作用，但氢分子在此等情况下将为总是存在的。
[0023]已发现氢分子以类似于含硅与氮材料的方式而亦在含硅与氧材料上生长保护性固态副产物。亦已发现本文所呈现的远端等离子体蚀刻工艺帮助硅相对于氧化硅(以及其他含硅与氧层)的选择性蚀刻。先前的干式蚀刻已达成高达约10:1的(硅):(氧化硅)的选择性。使用本文所呈现的方法，对于(暴露的硅):(暴露的含硅与氧区域)的干式蚀刻选择性在本发明的实施例中可大于或约20:1、50:1或100:1。藉由在暴露的含硅与氧区域上形成保护性固态副产物而增进蚀刻速率选择性，以形成受保护的含硅与氧区域。受保护的含硅与氧区域维持受到保护，直到第二干式蚀刻阶段之后。本文所报告的关于暴露的娃相对于暴露的含娃与氧材料或暴露的含娃与氮材料任一者的选择性基本上受限于待移除的较高蚀刻速率材料的量。在实施例中，暴露的硅区域基本上不含氧及氮。
[0024]在本发明的实施例中，在第一干式蚀刻阶段期间图案化基板的温度可低于75V、60 V、50°C、40 V或35°C中的一者。在第一干式蚀刻阶段期间所形成的保护性固态副产物在第二干式蚀刻阶段期间保留在图案化基板上，且在后续的升华步骤期间被移除。一般而言，在第二干式蚀刻阶段期间基板的温度可介于约-30°C与约80°C之间，以确保保护性固态副产物不会过早地被移除。有益地，已发现在此范围之中较低的温度具有较高的蚀刻速率。在实施例中，在第一或第二干式蚀刻阶段期间，基板的温度可为约-20°C或更高、约-10°C或更高、0°C或更高、约5°C或更高或约10°C或更高。在所揭露的实施例中，在第二干式蚀刻阶段期间，基板温度亦可少于或约为75°C、少于或约为50°C、少于或约为30°C、少于或约为20°C、少于或约为15°C或少于或约为10°C。上限及下限可结合，以形成根据额外的实施例的范围。在本发明的实施例中，完全升华期间的固态副产物及图案化基板的温度可提升为高于 90°c、100°c、12(rc或 140°C中的一者。
[0025]第一干式蚀刻阶段可维持约3秒或更久、5秒或更久、或10秒或更久。在本发明的实施例中，第一干式蚀刻阶段可维持约30秒或更少、20秒或更少、或10秒或更少。在实施例中，第二干式蚀刻阶段可维持约15秒或更久、或约30秒或更久。在本发明的实施例中，第二干式蚀刻阶段可维持约2分钟或更少、或约I分钟或更少。任何上限可与任何下限结合，以提供额外的揭露实施例所呈现的额外的范围。在所揭露的实施例中，升华的持续时间可闻于45秒、60秒、75秒、90秒或120秒中的一者。
[0026]在第一干式蚀刻阶段期间，三氟化氮和/或氢可与一种或多种相对的惰性气体(如He、N2、Ar等等)组合。可用惰性气体来增进等离子体稳定性。在一实施例中，三氟化氮NF3以介于约5sccm(每分钟标准立方厘米)及500sccm之间的流速提供；H2以介于约IOsccm与5slm(每分钟标准升)之间的流速提供；He以介于约Osccm与3slm之间的流速提供；且Ar以介于约Osccm与5slm之间的流速提供。
[0027]在第二干式蚀刻阶段期间仅需要含氟前驱物。含氟前驱物可进一步包括一种或更多种相对惰性的气体，例如He、N2, Ar或类似者。惰性气体可用于改善等离子体稳定性。在实施例中，含氟气体包括:流速介于约5sccm(每分钟标准立方厘米)及500sccm之间的NF3 ;流速介于约Osccm与5slm(每分钟标准升)之间的He ；以及流速介于约Osccm与3slm之间的Ar。在本发明的实施例中，在第二干式蚀刻阶段期间，少量或基本上没有氢气(H2)的流动。第二含氟前驱物及第二等离子体流出物亦可以基本上不含任何形式的氢。当然，可在第二干式蚀刻阶段期间利用某些含氢前驱物。含氢前驱物可与其它前驱物组合或单独流入等离子体区域，然而应保持低浓度。在上述范例中，氢可与等离子体中的含氟前驱物反应，以形成可移除额外氮化硅(和/或氧化硅)的前驱物，所述前驱物藉由在介电质表面上形成固态副产物来移除氮化硅。通常，与暴露的含硅与氮区域和/或暴露的含硅与氧区域相t匕，此反应降低了暴露的硅之净选择性。尽管在某些实施例中导入一些氢可能是有利的，但在其它实施例中，在蚀刻工艺期间也可能没有或基本上没有氢流被导入等离子体区域。本领域普通技术人员可认识到，可依据数个因素来使用其它气体和/或流，所述数个因素包括处理腔室配置、基板尺寸、待蚀刻特征结构的几何形状及布局等等。
[0028]在第一干式蚀刻阶段期间，本发明的方法包括下列步骤:当含氟前驱物及氢气处在远端等离子体区域中的同时，施加能量至含氟前驱物及氢气，以产生等离子体流出物。在第二干式蚀刻阶段期间，本发明的方法包括下列步骤:当含氟前驱物处在远端等离子体区域中的同时，施加能量至含氟前驱物，以产生等离子体流出物。如本领域普通技术人员可认知的，在任一阶段期间的等离子体可包括若干带电荷物种及中性物种，包括自由基及离子。可使用已知技术(如，RF技术、电容耦合技术、感应耦合技术等等)来产生等离子体。在一实施例中，可使用电容耦合式等离子体单元在介于约IOW与15000W之间的源功率及介于约0.2Torr与30Torr之间的压力下施加能量。电容耦合式等离子体单元可经设置而远离处理腔室的气体反应区域。举例而言，可藉由喷头和/或离子抑制器将电容耦合式等离子体单元及等离子体产生区域与气体反应区域隔离。在某些实施例中，在第二干式蚀刻阶段期间，在基板处理区域之中基本上没有离子化物种及自由电子的浓度。
[0029]在第一干式蚀刻阶段和/或第二干式蚀刻阶段期间，基板处理区域之中的压力低于或约为50Torr、低于或约为30Torr、低于或约为20Torr、低于或约为IOTorr或低于或约为5Torr。在本发明的实施例中，在这些阶段期间的压力可高于或约为0.1Torr、高于或约为0.2Torr、高于或约为0.5Torr或高于或约为ITorr。温度或压力的任何上限可与任何下限结合，以形成额外的实施例。因为对形成建立保护性固态副产物的前驱物的前驱物组合的依赖，在第一干式蚀刻阶段期间的压力可高于第二干式蚀刻阶段期间的压力。
[0030]一般而言，本文所述的工艺可用于抑制含硅及氮(且非仅仅氮化硅)的膜的干式蚀刻速率。在本发明的实施例中，远端等离子体蚀刻工艺可保护含硅与氮材料，所述含硅与氮材料包括约30%或更多硅的原子浓度，及约30%或更多氮的原子浓度。含硅与氮材料亦可基本上由硅及氮组成，允许少量的掺杂浓度及其他不合需要或合乎需要的少数添加物。当然，在本发明的实施例中，含硅与氮材料可为氮化硅。
[0031]如上所述，与蚀刻含硅与氧的材料相比，远端等离子体蚀刻工艺亦可更快速地蚀刻娃。第一干式蚀刻阶段亦将在氧化娃及其他含娃与氧材料上建立保护层。在本发明的实施例中，含硅与氧材料可包括约30%或更多硅的原子浓度，及约30%或更多氧的原子浓度。含硅与氧材料亦可基本上由硅及氧组成，允许少量的其他不合需要或合乎需要的少数添加物的浓度。当然，在本发明的实施例中，含硅与氧材料可为氧化硅。
[0032]额外的工艺参数在描述范理处理腔室与系统期间揭示。
[0033]范例处理系统
[0034]可实施本发明的实施例的处理腔室可被纳入诸如可购自美国加尼福尼亚州圣克拉拉市的 Applied Materials, Inc.的 CENTURA?.及 PRODUCER? 系统处理平台内。可与本发明的范例方法一并使用的基板处理腔室的范例可包括共同转让给Lubomirsky等人的于2006年5月30日提出申请的发明名称为“PROCESS CHAMBER FOR DIELECTRICGAPFILL (用于电介质间隙填充的处理腔室)”的美国临时专利申请案第60/803，499号中显示并描述的所述腔室，所述申请全文出于所有目的通过引用结合于此。额外的范例系统可包括在美国专利第6，387，207号与第6，830，624号中显示并描述的系统，所述专利亦出于所有目的通过引用结合于此。
[0035]图2A为根据本文揭露的实施例的基板处理腔室200。远端等离子体系统210可处理含氟前驱物，含氟前驱物接着行进穿过气体入口组件211。在气体入口组件211内可见两个不同的气体供应通道。第一通道212输送穿过远端等离子体系统210 (RPS)的气体，而第二通道213绕过远端等离子体系统210。在实施例中，任一通道皆可供含氟前驱物所用。另一方面，第一通道212可供工艺气体所用，而第二通道213可供处理气体(treatment gas)所用。图所示之盖体(或导电的顶部分)221及穿孔的隔件或喷头253之间有绝缘环224，绝缘环使得相对于喷头253将AC电位施加到盖体221。AC电位在腔室等离子体区域220中点燃等离子体。工艺气体可行进穿过第一通道212进入腔室等离子体区域220，且可单独受到腔室等离子体区域220中(或者与远端等离子体系统210结合)的等离子体的激发。若工艺气体(含氟前驱物)流经第二通道213，则仅有腔室等离子体区域220用于激发。腔室等离子体区域220和/或远端等离子体系统210的结合可称为本文中的远端等离子体系统。穿孔的隔件(亦指喷头)253将喷头253下方的腔室等离子体区域220与基板处理区域270分隔。喷头253使等离子体得以存在于腔室等离子体区域220中，以避免直接在基板处理区域270中激发气体，同时依然使受激发物种得以从腔室等离子体区域220行进至基板处理区域270。
[0036]喷头253位于腔室等离子体区域220与基板处理区域270之间，且喷头253容许在远端等离子体系统210和/或腔室等离子体区域220内产生的等离子体流出物(前驱物或其它气体的受激发衍生物)通过多个通孔256，通孔256穿过板的厚度。喷头253也具有一个或多个中空容积251，蒸气或气体形式的前驱物可填充中空容积251，并通过小通孔255进入基板处理区域270但不直接进入腔室等离子体区域220。此揭露的实施例中的喷头253比通孔256的最小直径250的长度还厚。为了维持从腔室等离子体区域220穿透至基板处理区域270的受激发物种的显著浓度，可通过形成通孔256之较大的直径部分使所述较大的直径部分穿过喷头253达某一程度(part way)，而限制通孔的最小直径250的长度226。在本文揭露的实施例中，通孔256的最小直径250之长度可与通孔256的最小直径相同数量级，或者为较小的数量级。
[0037]离子抑制器可用于控制进入基板处理区域的离子密度。此可供以进一步增加受保护的含硅与氮材料与硅之间的蚀刻速率差异。离子抑制元件的功能为减少或消灭从等离子体产生区域行进至基板的带离子电荷物种。不带电的中性或自由基物种可通过离子抑制器中的开口而在基板处发生反应。应注意的是，完全消灭围绕基板的反应区域中的带离子电荷物种并不总是期望的目标。在许多实例中，需要离子物种抵达基板，以进行蚀刻和/或沉积工艺。在这些实例中，离子抑制器有助于将反应区域中的离子物种的浓度控制在能协助工艺的水平。
[0038]根据本发明的某些实施例，本文所述的离子抑制器可用来提供自由基和/或中性物种，用于选择性地蚀刻基板。在一个实施例中，例如，离子抑制器可用来提供含氟的等离子体流出物，以更加选择性地蚀刻硅或氮化硅。使用经离子过滤的等离子体流出物以及保护性固态副产物，可将例如硅相对于氮化硅和/或氧化硅的蚀刻速率选择性进一步增加至本文所述的值。离子抑制器可用于提供反应性气体，所述反应性气体所具有的自由基浓度高于离子浓度。因为等离子体的大部分带电颗粒被离子抑制器过滤或移除，在蚀刻工艺期间基板不一定需要被偏置。与包括溅射及轰击的常规等离子体蚀刻工艺而言，使用自由基及其它中性物种的这样的工艺可减少等离子体伤害。
[0039]如图2A所示，喷头253可经配置以充当离子抑制器的目的。或者，可包括单独的处理腔室元件(未绘示)来抑制离子浓度行进至基板处理区域270。盖体221与喷头253可分别具有第一电极与第二电极的功能，使得盖体221与喷头253可接收不同的电压。在这些配置中，可将电功率(如，RF功率)施加至盖体221、喷头253或二者。举例而言，可将电功率施加至盖体221，同时使喷头253 (作为离子抑制器)接地。基板处理系统可包括RF产生器，RF产生器将电功率供应至盖体和/或喷头253。施加至盖体221的电压可促进腔室等离子体区域220内的等离子体的均匀分布(S卩，减少局部化的等离子体)。为了能在腔室等离子体区域220中形成等离子体，绝缘环224可使盖体221与喷头253电性绝缘。绝缘环224可由陶瓷制作，且可具有高击穿电压以避免产生火花。接近刚才所述的电容耦合式等离子体部件的基板处理腔室200的多个部分可进一步包括冷却单元(未绘示)，冷却单元包括一个或多个冷却流体通道，以用循环冷却剂(如，水)冷却暴露于等离子体的表面。
[0040]在所显示的实施例中，一旦工艺气体受到腔室等离子体区域220中的等离子体激发而形成等离子体流出物，喷头253可(经由通孔256)分配等离子体流出物。在某些实施例中，导入远端等离子体系统210和/或腔室等离子体区域220的工艺气体可含有氟(如，F2、NF3*XeF2)。工艺气体也可包括诸如氦、氩、氮(N2)等的载气。等离子体流出物可包括工艺气体的离子化或中性的衍生物，且在此亦可称为自由基氟，所述前驱物即为所导入的工艺气体的原子组分。
[0041]通孔256经配置以阻止带离子电荷物种迁移离开腔室等离子体区域220，同时容许不带电的中性或自由基物种通过喷头253进入基板处理区域270。这些不带电的物种可包括高度反应性物种，高度反应性物种可与较不具反应性的载气一起藉由通孔256输送。如上文所提及，可减少离子物种藉由通孔256进行迁移，且在某些实例中，可完全抑制离子物种藉由通孔256进行迁移。控制离子物种通过喷头253的数量可增进对与下方晶圆基板接触的气体混合物的控制，从而增进对气体混合物的沉积和/或蚀刻特性的控制。举例而言，调整气体混合物的离子浓度可显著改变所述气体混合物选择性(如，硅:氮化硅的蚀刻比例，以及硅:氧化硅的蚀刻比例)。
[0042]在实施例中，通孔256的数目可介于约60个与约2000个之间。通孔256可具有各种形状，但最容易被制成圆形。在本文揭露的实施例中，通孔256的最小直径250可介于约0.5mm与约20mm之间，或介于约Imm与约6mm之间。亦存在选择通孔的截面形状的范围，所述截面形状可做成锥形、圆柱形或所述二种形状的组合。在本文所揭露的实施例中，用于将未激发的前驱物导入基板处理区域270的小通孔255数目可介于约100与约5000之间，或介于约500与约2000之间。小通孔255的直径可介于约0.1mm与约2mm之间。
[0043]通孔256可经配置以控制等离子体活化的气体(即，离子、自由基和/或中性物种)通过喷头253。举例而言，可控制通孔的纵横比(即，孔径对长度)和/或通孔的几何形状，藉以减少通过喷头253的经活化气体中的带离子电荷物种流。喷头253中的通孔256可包括面对腔室等离子体区域220的锥形部分，以及面对基板处理区域270的圆柱形部分。可订定圆柱形部分的比例及尺寸以控制进入基板处理区域270的离子物种流。可调整的电偏压也可被施加至喷头253作为控制穿过喷头253的离子物种流的额外手段。
[0044]或者，通孔256朝向喷头253的顶表面可具有较小的内径(inner diameter ；ID),且朝向喷头253的底表面可具有较大的ID。此外，可将通孔256的底缘切角，以在等离子体流出物离开喷头时，促进将等离子体流出物均匀地分布于基板处理区域270中，并因而增进等离子体流出物及前驱物气体的均匀分布。较小的ID可设置于沿着通孔256的多个位置，并仍可容许喷头253降低基板处理区域270内的离子密度。离子密度的降低起因于离子在进入基板处理区域270之前与孔壁碰撞次数的增加。每次碰撞增加了藉由从孔壁获得或失去电子而使离子中和的可能性。一般而言，通孔256的较小的ID可介于约0.2mm与约20mm之间。在其它实施例中，较小的ID可介于约Imm与约6mm之间，或介于约0.2mm与约5mm之间。进一步，通孔256的纵横比(即，较小的ID对通孔长度)可为将近I至20。通孔的较小的ID可为沿着通孔的长度可见之最小ID。通孔256的剖面形状一般可为圆柱形、圆锥形或所述形状的任何组合。
[0045]图2B为根据本文揭露的实施例与处理腔室一起使用的喷头253的底视图。喷头253对应图2A所示的喷头。通孔256被描绘成在喷头253底部具有较大内径(ID)，且在顶部具有较小ID。小通孔255基本上均匀分布在喷头的表面上，甚至分布在通孔256之间，与本文所述的其它实施例相比，这种分布方式有助于提供更均匀的混合。
[0046]当含氟等离子体流出物穿过喷头253中的通孔256抵达基板处理区域270时，示例性的经图案化基板可在基板处理区域270内由基座(未绘示)支撑。尽管可将基板处理区域270装配成支持等离子体以供诸如固化等其它工艺所用，然而在本发明的实施例中，在蚀刻经图案化基板期间无等离子体存在。
[0047]可在喷头253上方的腔室等离子体区域220中，或在喷头253下方的基板处理区域270中点燃等离子体。等离子体存在于腔室等离子体区域220中，以从流入的含氟前驱物制造自由基氟。典型处在无线射频(RF)范围中的AC电压可被施加在处理腔室的导电顶部分(盖体221)与喷头253之间，以在沉积期间在腔室等离子体区域220中点燃等离子体。RF功率供应器可产生13.56MHz的高RF频率，但也可单独产生其它频率或产生其它频率与13.56MHz频率结合。
[0048]当基板处理区域270中的底部等离子体启动时，可使顶部等离子体处在低功率或无功率下，以硬化膜或清洁形成基板处理区域270边界的内表面。可藉由在喷头253与基座之间或在喷头253与腔室的底部之间施加AC电压，来点燃基板处理区域270中的等离子体。可在等离子体存在的同时，将清洁气体引导进入基板处理区域270。
[0049]基座可具有热交换通道，热交换流体流过热交换通道以控制基板的温度。此配置方式容许冷却或加热基板温度，以维持相对低的温度(从室温直到约120°C )。热交换流体可包含乙二醇与水。可使用埋入式单回圈埋入式加热器元件，来电阻式加热基座的晶圆支撑浅盘(较佳为铝、陶瓷或前述材料的组合)达到相对高的温度(从约120°C直到约IlO(TC)，所述加热器元件经配置以形成平行的同心圆形式的两个完整匝。加热器元件的外部分可绕于邻接支撑浅盘的周边处，同时加热器元件的内部分绕于具有较小半径的同心圆的路径上。连接至加热器元件的配线穿过基座的主干。
[0050]腔室等离子体区域或远端等离子体系统中的区域可称为远端等离子体区域。在某些实施例中，自由基前驱物(即，自由基氟)形成于远端等离子体区域中，并行进进入硅或含硅与氮材料优先被蚀刻的基板处理区域中。在某些实施例中，等离子体功率可基本上仅被施加至远端等离子体区域，以确保等离子体流出物不会在基板处理区域中进一步被激发。
[0051]在利用腔室等离子体区域的实施例中，被激发的等离子体流出物是在与沉积区域分隔的基板处理区域的区段中产生。所述沉积区域(在本文中亦称作基板处理区域)是等离子体流出物混合并反应以蚀刻经图案化基板(如，半导体晶圆)之处。被激发的等离子体流出物也可伴随着惰性气体(在范例实例中，惰性气体为氩气)。在蚀刻经图案化基板期间，本文中的基板处理区域可被描述为“无等离子体(plasma-free)”。“无等离子体”不必然意味着所述区域不含等离子体。因通孔256的形状及尺寸之故，在等离子体区域内所产生的相对低浓度的离子化物种及自由电子会行进穿过隔件(喷头/离子抑制器)中的孔洞(口孔)。在某些实施例中，基板处理区域内基本上没有离子化物种及自由电子的浓度。腔室等离子体区域中等离子体的边界是难以界定的，且可能通过喷头中的口孔侵入基板处理区域上。在感应耦合等离子体的实例中，可直接在基板处理区域内执行少量的离子化。再者，可在基板处理区域中生成低强度的等离子体，而不至于消灭形成的膜的期望特征。激发的等离子体流出物生成期间造成等离子体的强度离子密度远低于腔室等离子体区域(就此而言，或者是远低于远端等离子体区域)的所有原因不悖离本文所用的“无等离子体”的范畴。
[0052]三氟化氮(及若存在的氢气)进入腔室的组合流速可占总气体混合物的体积的
0.05%至约20% ;剩余的部分是载气。在一些实施例中，三氟化氮及氢气流入远端等离子体区域，但等离子体流出物具有相同的体积流量比率。在三氟化氮的实例中，可在含氟气体之前先启动净化气体或载气进入远端等离子体区域，以稳定远端等离子体区域内的压力。
[0053]施加至远端等离子体区域的等离子体功率可为多种频率或为多重频率的组合。在示例性处理系统中，可藉由盖体221与喷头253之间所传递的RF功率来提供等离子体。在本文所揭露的实施例中，RF功率可介于约10瓦与约15000瓦之间、介于约20瓦与约1500瓦之间，或介于约50瓦与约500瓦之间。在本文所揭露的实施例中，在范例处理系统中所施加的RF频率可为小于约200kHz的低RF频率、介于约IOMHz与约15MHz之间的高RF频率、或大于或等于约IGHz的微波频率。这些等离子体参数可应用至本文所述的第一干式蚀刻阶段及第二干式蚀刻阶段两者。
[0054]在将载气与等离子体流出物流入基板处理区域270期间，可将基板处理区域270维持在各种压力下。基板处理区域内的压力低于或等于约50Torr、低于或等于约30Torr、低于或等于约20Torr、低于或等于约IOTorr或低于或等于约5Torr。在本发明的实施例中，压力可高于或等于约0.1Torr、高于或等于约0.2Torr、高于或等于约0.5Torr或高于或等于约ITorr。压力的下限可与压力的上限结合以达成本发明的进一步实施例。
[0055]在一个或多个实施例中，基板处理腔室200可整合至各种多处理平台，包括可购自美国加尼福尼亚州圣克拉拉市的Applied Materials, Inc.的Producer? GT> Centura?AP及Endura?平台。此类处理平台能够进行数种处理操作而不破真空。可实施本发明实施例的处理腔室可包括介电蚀刻腔室或各种化学气相沉积腔室，还有其它类型的腔室。
[0056]沉积系统的实施例可并入较大型的生产集成电路芯片的制造系统中。图3显示根据本文揭露的实施例的一个此类沉积、烘烤及硬化腔室的系统300。在此图中，一对前开式晶圆盒(front opening unified pod,F0UP) 302供应基板,基板(例如，300mm直径的晶圆)由机械臂304承接，并在置入晶圆处理腔室308a至308f中之一者以前先置入低压保持区306内。可使用第二机械臂310将基板晶圆从低压保持区306传输至晶圆处理腔室308a至308f并往回传输。晶圆处理腔室308a至308f中的每一个可被装备成进行多个基板处理操作，所述操作包括本文所述的干式蚀刻工艺，还可包括循环层沉积(CLD)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、蚀刻、预清洁、脱气、定向及其它基板工艺等额外操作。
[0057]晶圆处理腔室308a至308f可包括一个或多个系统部件，以在基板晶圆上沉积、退火处理、硬化和/或蚀刻可流动介电膜。在一个配置中，两对处理腔室(如，308c至308d及308e至308f)可用于沉积介电材料于基板上，而第三对处理腔室(如，308a至308b)可用于蚀刻沉积的介电质。在另一个配置中，所有三对腔室(如，308a至308f)可经配置以在基板上蚀刻介电膜。任一或多个所述的工艺可在与本文揭露的实施例中所示的制造系统分开的腔室上执行。
[0058]基板处理系统由系统控制器所控制。在示例性实施例中，系统控制器包括硬盘驱动器、软盘驱动器及处理器。处理器含有单板计算机(SBC)、模拟及数字输入/输出板、接口板及步进电机控制板。CVD系统的各种部件符合Versa Modular European (VME)标准,所述标准定义板、卡片机架(card cage)以及连接器尺寸及类型。VME标准亦定义具有16位数据总线及24位地址总线的总线结构。
[0059]系统控制器357可用于控制电机、阀、流量控制器、电源供应器以及其它执行本文所述工艺配方需要的功能。气体操纵系统355也可由系统控制器357控制，以将气体引导至晶圆处理腔室308a至308f的其中一个或全部。系统控制器357可仰赖来自光学传感器的反馈，以确定并且调整气体操纵系统355和/或晶圆处理腔室308a至308f中的可移动的机械组件的位置。机械组件可包括机器人、节流阀及基座，前述部件在系统控制器357的控制下藉由电机移动。
[0060]在示范实施例中，系统控制器357包括硬盘驱动器(存储器),USB埠、软盘驱动器及处理器。系统控制器357包括模拟及数字输入/输出板、接口板及步进电机控制板。含有基板处理腔室200的多重腔室处理系统300的各种部件受到系统控制器357的控制。系统控制器执行系统控制软件，系统控制软件以计算机程序的形式储存在诸如硬盘、软盘或快闪存储器随身盘等计算机可读介质上。也可使用其它形式的存储器。计算机程序包括指令集，所述指令集指示时序、气体混合、腔室压力、腔室温度、RF功率电平、基座位置及特定工艺的其它参数。
[0061]可使用由控制器执行的计算机程序产品来实施用于在基板上沉积或其它方式处理膜的工艺，或者实施用于清洁腔室的工艺。计算机程序编码可按照任何常规的计算机可读的程序语目撰写，例如68000汇编语目、C、C++、Pascal、Fortran或其它程序语目。使用常规的文字编辑器将适合的程序编码输入单一文件或多个文件，并且储存于计算机可使用介质(如计算机的存储器系统)或由计算机可使用介质实施。倘若输入的代码文字是高级语言，则编译代码，而所得的编译程序代码随后与预先编译的Microsoft Windows(S)I函数库例程的目标代码连结。为了执行所述连结、编译的目的代码，系统使用者调用所述目标代码，使计算机系统载入存储器中的代码。CPU随后读取并且执行所述代码，以进行程序中辨识的任务。
[0062]使用者与控制器之间的界面可为触敏监视器，亦可包括鼠标及键盘。在使用两个显示器的一个实施例中，一个显示器安装在清洁室壁以供操作者使用，且另一个显示器在壁后以供维修技术人员使用。两个显示器可同时显示相同信息，在这样的实例中，一次仅有一个显示器被配置成接受输入。为了选择特定的屏幕或功能，操作者以手指或鼠标接触显示屏幕上的指定区域。被接触的区域改变所述区域的强调色彩，或显示新的选单或屏幕，以确认操作者的选择。
[0063]本文所使用的“基板(substrate) ”可为具有或不具有形成在上面的多个层的支撑基板。经图案化基板可为有各种掺杂浓度及掺杂分布的绝缘体或半导体，可例如为用于集成电路制造的类型的半导体基板。经图案化基板的暴露的“硅(silicon)”主要是Si，但也可包括少量浓度的其它基本组成分，如硼、磷、氮、氧、氢、碳等等。术语“硅”可代表单晶硅或多晶硅。经图案化基板的暴露的“氮化硅(silicon nitride) ”主要是Si3N4，但也可包括少量浓度的其它基本组成分，如氧、氢、碳等等。经图案化基板的暴露的“氧化硅(silicon oxide) ”主要是SiO2,但也可包括其它基本组成分的浓度,如氮、氢、碳等等。在某些实施例中，使用本文所揭露的方法蚀刻的氧化硅膜基本上由硅与氧构成。术语“前驱物(precursor) ”指的是参与反应从表面移除材料或沉积材料在表面上的任何工艺气体。“等离子体流出物(Plasma effluent) ”描述从腔室等离子体区域离开并且进入基板处理区域的气体。等离子体流出物处于“激发态(excited state) ”,其中至少有一些气体分子处于振动型式的激发、解离和/或离子化的状态。“自由基前驱物(radical precursor) ”是用于描述参与反应从表面移除材料或沉积材料在表面上的等离子体流出物(离开等离子体、处于激发态的气体)。“自由基氟(radical-fluorine) ” (或“自由基氢(radical-hydrogen) ”)为含有氟(或氢)的自由基前驱物，但所述自由基前驱物可能不含有其它基本组成分。“惰性气体(inert gas) ” 一词是指在蚀刻时不形成化学键结或被并入膜中的任何气体。范例惰性气体包括稀有气体，但可包括其他气体，只要当(一般而言)在膜中捕捉到痕量的所述气体时不形成化学键结即可。
[0064]全文中所用的术语“间隙(gap) ”与“沟槽(trench) ”并不暗示蚀刻过的几何形状具有大的水平纵横比。从表面上方看，沟槽可呈现圆形、卵形、多边形、矩形或各种其它形状。沟槽可以呈现材料岛状物周围的壕沟形状。术语“介层孔(via)”是指低纵横比沟槽(从上方看)，介层孔可或可不被金属填充而形成垂直的电连接。如本文所用，共形蚀刻工艺指的是以与表面相同的形状大体上均匀地移除表面上的材料，即蚀刻过的层的表面与蚀刻前的表面大体上平行。本领域普通技术人员将了解蚀刻过的介面可能不会100%共形，因此“大体上(generally) ”的用语容许可接受的公差。
[0065]已在此揭示数个实施例，本领域普通技术人员应认识到可使用多种改型、替代架构与等效例而不背离本文揭露的实施例的精神。此外，说明书中不对多种常规工艺与元件做说明，以避免不必要地混淆本发明。因此，上述说明不应被视为对本发明范畴的限制。
[0066]当提供数值范围时，除非文本中另外清楚指明，应理解亦具体揭示介于所述范围的上下限值之间的各个区间值至下限值单位的十分之一。亦涵盖了所陈述数值或陈述范围中的区间值以及与陈述范围中任何另一陈述数值或区间值之间的每个较小范围。所述较小范围的上限值与下限值可独立包含或排除于所述范围中，且各范围(其中，在所述较小范围内包含任一个极限值、包含两个极限值，或不含极限值)皆被本发明内所陈述的范围涵盖，除非在所述陈述的范围中有特别排除的限制。在所陈述的范围包括极限值的一者或两者的情况下，所述范围也包括排除被包括的极限值中的任一者或两者的范围。
[0067]在本文与所附权利要求书中所使用的单数形式“一(a、an)”与“所述(the) ”等用语也包括复数形式，除非文字中另外清楚指明。因此，举例而言，“一种工艺(a process)"所指的工艺包括多个此类工艺，而“所述介电材料(the dielectric material) ”所指的包括一种或多种介电材料以及本领域普通技术人员所熟知的所述材料的等效例等。
[0068]同样， 申请人:希望此说明书与所附权利要求书所用的“包含(comprise) ”与“包括(include)”等用语是指存在所陈述的特征、整体、部件或步骤，但所述用语不排除存在或增加一个或多种其他特征、整体、部件、步骤、动作或群组。
【权利要求】
1.一种在基板处理腔室的基板处理区域中蚀刻图案化基板的方法，其中所述图案化基板具有暴露的含硅与氮区域和暴露的硅，蚀刻所述图案化基板的所述方法包括以下顺序步骤: (1)第一干式蚀刻阶段，包括: 将三氟化氮及氢气(H2)中的每一者流入远端等离子体区域，所述远端等离子体区域流体耦合至所述基板处理区域，同时在所述等离子体区域中形成第一等离子体，以产生第一等离子体流出物，以及 藉由将所述第一等离子体流出物通过喷头中的通孔而流入所述基板处理区域，在所述暴露的含硅与氮区域上形成保护性固态副产物，以形成受保护的含硅与氮区域； (2)第二干式蚀刻阶段，包括: 将第二含氟前驱物流入所述远端等离子体区域，同时在所述等离子体区域中形成第二等离子体，以产生第二等离子体流出物，以及 藉由将所述第二等离子体流出物通过所述喷头中的所述通孔流入所述基板处理区域，而与所述受保护的含硅与氮区域相比更快速地蚀刻所述硅；以及 (3)藉由提升所述图案化基板的温度，从所述受保护的含硅与氮区域升华所述保护性固态副产物。
2.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中所述暴露的含硅与氮区域为氮化硅。
3.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中所述暴露的含硅与氮区域基本上由娃及氮组成。
4.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中所述暴露的含硅与氮区域包括约30%或更多的硅的原子浓度，及约30%或更多的氮的原子浓度。
5.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中在所述第一干式蚀刻阶段及所述第二干式蚀刻阶段中的每一者期间，所述图案化基板的温度大于或约为-20°C且小于或约为75 °C。
6.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中在所述第一干式蚀刻阶段及所述第二干式蚀刻阶段中的每一者期间，所述基板处理区域中的压力低于或约为50Torr且高于或约为0.1Torr0
7.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中在所述等离子体区域中形成所述第一等离子体及在所述等离子体区域中形成所述第二等离子体的步骤包括:在所述第一干式蚀刻阶段及所述第二干式蚀刻阶段中的每一个期间，施加介于约10瓦与15000瓦之间的RF功率至所述等离子体区域。
8.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中所述第一等离子体及所述第二等离子体两者均为电容耦合式等离子体。
9.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中所述暴露的硅为单晶硅或多晶娃。
10.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中蚀刻所述图案化基板的所述方法的选择性(暴露的硅区域:暴露的含硅与氮区域)大于或约为3:1。
11.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中蚀刻所述图案化基板的所述方法的选择性(暴露的硅区域:暴露的含硅与氮区域)大于或约为5:1。
12.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中在所述第一干式蚀刻阶段及所述第二干式蚀刻阶段中的每一者期间，所述基板处理区域基本上不含等离子体。
13.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中所述图案化基板亦具有暴露的含硅与氧区域，形成保护性固态副产物的所述操作进一步包括在所述暴露的含硅与氧区域上形成保护性固态副产物以形成受保护的含硅与氧区域，且与所述受保护的含硅与氮区域相比更快速地蚀刻所述硅的所述操作进一步包括与所述受保护的含硅与氧区域相比更快速地蚀刻所述硅。
14.如权利要求13所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中蚀刻所述图案化基板的所述方法的选择性(暴露的硅区域:暴露的含硅与氧区域)大于或约为20:1。
15.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中所述第二含氟前驱物及所述第二等离子体流出物基本上不含氢。
16.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中在所述第二干式蚀刻阶段期间，在所述基板处理区域内基本上没有离子化物种及自由电子的浓度。
17.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中在所述第二干式蚀刻阶段期间，基本上没有氢气(H2)流入所述基板处理区域中。
18.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中从所述受保护的含硅与氮区域升华所述 保护性固态副产物的所述操作包括:将所述图案化基板的温度提升至高于90。。。
19.如权利要求1所述的蚀刻所述图案化基板的方法，其中所述暴露的硅基本上不含氧及氮。
【文档编号】H01L21/3065GK103765562SQ201280041735
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年8月31日 优先权日:2011年9月1日
【发明者】Y·王, A·王, J·张, N·K·英格尔, Y·S·李 申请人:应用材料公司