蚀刻半导体器件的一个或多个混合金属和电介质层的方法与流程

发明领域

本发明涉及一种通过离子束辐照对不同材料进行气体辅助蚀刻的方法，并且适用于例如均匀地移除金属和电介质材料以在半导体器件上产生光滑且为平面的表面。

发明背景

蚀刻是半导体行业中众所周知的技术，其用于从半导体器件移除材料。移除的目的是为了扩展感兴趣区域的可及性。蚀刻过程可以具有两种模式。第一模式是所谓的平面蚀刻或者剥层，其包含将薄层逐层移除到半导体器件的裸片。第二模式是所谓的横截面蚀刻并且在半导体器件中产生凹部，其中可以观察到多个层的横截面。蚀刻是在半导体行业中被频繁采用的技术并且还经常被研究机构和大学中的材料分析小组采用。在商业上，蚀刻可以通过反应离子蚀刻、湿法化学蚀刻或者包括抛光或切割的机械蚀刻来执行。在这些中，机械蚀刻是最常用于大面积移除混合或未混合的金属和电介质的技术。机械蚀刻方法是非常粗暴的，其中可能形成的浆液会落在器件的各层之间并且因此需要附加的清洁程序。用机械蚀刻获得的表面通常是非平面表面，其在表面处存在表观梯度并且在小结构定位方面存在较差的可靠性。由于半导体器件对这些副作用越来越敏感的性质，所述半导体器件可能无法通过精确缺陷定位、纳米探测、c-afm测量、电路编辑或任何其他电气测试。

机械蚀刻可以由更为精确的先进仪器替代，类似于可以局部化方式执行蚀刻的聚焦离子束装置或宽幅离子束装置。相邻区域几乎是不受影响的，或者影响只在几微米的范围内。离子束装置产生非常准确地瞄向预选择区域的离子流以从样品溅射原子。取决于进入离子的能量，离子束(ib)在对给定区域进行扫描时以不同的方式修整样品。离子束装置采用从he到xe的各种离子，所述离子通常通过其质量以及因此其与目标表面的相互作用来区分。

材料移除的过程是受控的，因为可以容易地通过在fib-sem系统中使用不同的检测器从溅射的离子收集信号来在线监测所述过程。现在广泛地采用气体辅助蚀刻(gae)技术，这进一步扩大了fi8-sem系统的应用基础。

延伸穿过半导体器件中三维地堆叠的电介质材料的导电金属线的类似“迷宫”的几何结构使得平面蚀刻和横截面蚀刻在仅使用fib的情况下更具挑战性。取决于目标表面的组成和/或结晶度，fib与样品表面的相互作用是不同的。这使得能够使用相同组的fib条件来预先确定每种材料的溅射率。在反应分子作为蚀刻剂以气体或蒸气的形式使用气体注入系统(gis)引入工作区域中时，可以改变这些相互作用。这种方法的基本原理是将包含合适化学形式的期望物质的气体引入到样品室中。当在两种或更多种不同材料的蚀刻期间将这种有利的化学气体试剂注入到腔室中时可以使得能够以均等速率进行溅射，从而带来光滑的平面表面。

在将气体引入到样品表面附近时通常可以观察到两个主要反应：经由蚀刻实现的表面修整和材料沉积。气体辅助蚀刻也可以用于改变某些材料的蚀刻行为，因为在离子束下气体或气体试剂的存在使得前体材料能够沉积到目标表面上。在射束的影响下有了反应性气体作为蚀刻剂可以帮助增大或减小相同材料的蚀刻率，这归因于局部化学反应。一方面，当形成挥发性物质时，溅射率增大并且观察到较少的材料再沉积。另一方面，较硬的层也可以通过将气体分子沉积在表面上来产生，并且观察到溅射率的同时减小。溅射率的这种多元化应用被利用来在半导体器件上执行选择性蚀刻或平面蚀刻。有了反应性蚀刻剂，可以因为局部化学反应而增强或减弱因离子束所致的离子束蚀刻。

us6900137使用xef2来通过增加fib的停留时间以受控方式蚀刻有机电介质和金属层两者。

专利us7008803使用具有可变位置端点检测器的gae来确定在蚀刻层结束之前的单点蚀刻的停留时间。

在专利申请2013/0118896中，fib用于使用旋转样品台和所述过程期间对fib操作条件的调整来均匀地移除不同材料。这种方法需要精确控制存在于样品表面处的每种材料的蚀刻率以及在研磨期间需要控制的参数的数量。这需要使用从每个移除层获取的表面数据来为每个样品产生层次电路图。

在专利us9064811中报道了用于gae的一组蚀刻剂，所述蚀刻剂通过与金属化合物相比较减缓电介质的蚀刻率来产生不同材料的均等蚀刻率，所述金属化合物选自包含乙酸酯/硝基乙酸酯和短烃链的组。专利确切地支持乙酸甲酯、乙酸乙酯、硝乙酸乙酯、乙酸丙酯、硝基乙酸丙酯、硝基乙酸乙酯、甲氧基乙酸甲酯或甲氧基乙酰氯作为用于gae的试剂。

半导体行业以非常快的步调发展，每天都有新的挑战。所采用的材料、越来越复杂的架构与对进一步小型化以在较小区域中增加晶体管的数量，以及因此其尺寸的缩减的持续需求使得电路的压缩密度发生了指数式的变化。尽管在上文引用的参考文献中论述了使用离子束装置产生平面表面的不同方法，但是存在可以用于平面蚀刻的各种各样的蚀刻剂，所述平面蚀刻甚至更多涉及构成下一代半导体器件以及用于电路的架构的数量增加的材料。许多方法可以适合于蚀刻一组给定的金属-电介质组合并且比对其他组合单独使用fib更为有效，同时使来自气体副产物的类似再沉积的不想要的副作用保持绝对最小。

其中一些可以使用现有的gae方法来蚀刻。更有效的是，有各种蚀刻剂可供选择以选择对于以近似相同的蚀刻率蚀刻不同材料的方法而言具有最佳性能的一种蚀刻剂。

技术实现要素：

所描述的方法在下文使用选择的蚀刻剂来进行从脱盖之后直接暴露的厚铜层到在晶体管接触层(tcl)正上方的非常薄的致密铜层的半导体材料移除。通常需要的是，在蚀刻期间，不同材料应具有相同的蚀刻率。所选择的蚀刻剂必须包括足够的氧化元素来调整金属的蚀刻率，并且包括足够的还原元素来调整电介质的蚀刻率，达到不同材料都以近似相同的蚀刻率蚀刻的程度。

高能离子束(ib)，诸如射束能量为至少5kev的聚焦离子束或宽幅射束的存在连同蚀刻剂和半导体器件一起通过在工作室中，尤其是在有效离子束区域中破坏化合物的元素间键来产生反应性元素。有效离子束区域是沿着离子束的轨迹并且在离子束抵达半导体器件的表面的空间中的区域。与通过离子束与样品表面或与蚀刻剂的相互作用而产生的大量电子缔合的这些反应性元素可以与构成元素发生反应并且形成其他分子。为了产生有利于蚀刻的挥发性化合物，gis必须递送包含产生目标挥发性化合物所需的元素的蚀刻剂或蚀刻剂的组合。为了更好地控制对包含金属和电介质的不同材料的同时研磨，必须找到由gis引入的表面成分和元素的合适的组合以便允许期望的表面反应。产生挥发性分子所需的元素可以包含碳(c)、氧(o)、类似于氟(f)和氯(cl)的卤化元素以及氮(n)。必须连同对电介质的蚀刻一起考虑对半导体器件的金属构成元素的同时蚀刻，所述对电介质的蚀刻也必须被控制来获得指定的被去层的表面粗糙度。由于最常见的电介质是siox和sixny类型电介质，这种电介质可以具有由更多元素组成的变化的组成。到目前为止，基于gaas或gan材料，碳被作为知名的低-k电介质，诸如潜在的底物加入进来。半导体器件中使用的金属可以是铜、钴、铝、钨和钽。当从样品溅射并因离子束与电介质的相互作用而排出时，来自电介质研磨的反应性分子的量增加。在不存在由gis引入的互补分子的情况下，类似于金属蚀刻(如上所述)，很难控制其研磨率。因此，为了在选择的样品的所有构成元素之间达到近似1:1比率的受控蚀刻率，在添加或不添加化学物质的情况下都必须考虑所有材料的蚀刻率。用于gae的蚀刻剂可以包括具有一种或多种不同化学功能的使用氮、氧和卤素(f、cl)的氧化元素以及优选地呈碳形式的还原元素。需要氮来产生挥发性金属-氮分子，诸如氮化铜。需要卤素来产生金属-卤化物或卤化硅。氧可以用于产生挥发性cox分子，其中c包含于低-k电介质中。这种挥发性分子形成将有助于其泵出腔室，从而减少使用离子束进行的gae期间产生的副产物的再沉积。

考虑到样品组成，为了达到最终层的一定程度的表面均匀性和粗糙度，必须控制所有这些注入元素的比率。符合本发明的从中选择蚀刻剂的化学化合物包括根据对氧化/还原比(o/r)的要求的-coo-、-con-或-cnn-简式结构与其他元素的组合。根据本发明的蚀刻可以是平面蚀刻，其中通过离子束产生的基本上为平面的表面平行于半导体器件中的金属层或电介质层；或者横截面蚀刻，其中基本上为平面的表面相对于金属层或电介质层偏斜的范围为10°至170°。

基于这种用于蚀刻诸如金属和电介质的不同材料的方法，应当平衡存在于蚀刻剂中的氧化(o)和还原(r)元素的量。用于蚀刻不同材料的最佳比率被确定为：[o＝r+1]，优选地为诸如二氧化硅和铜的最常见的电介质和金属的组合中的3份氧化元素和2份还原元素。随着蚀刻剂中的还原元素数量的增加，更难以预测反应性碎片的量并且确保其在工作室中的气体特性。蚀刻剂中确保适当功能的还原元素的数量至多是3份，而且具有更高数量还原元素的蚀刻剂可能要具有所需的性质。蚀刻剂中的还原元素必须是c，并且氧化元素必须选自包括f、cl、o和n的组。在优选的实施方案中，蚀刻剂可以包含来自下组的一种化学化合物：醋酸铵、氯乙酰胺、氟乙酰胺、氨基甲酸甲酯、n-亚硝基二乙胺。

在根据本发明的另一实施方案中，对半导体器件的蚀刻可以将大量二次氧化和还原元素从半导体器件释放到工作室中。这些二次氧化和还原元素可以对蚀刻过程作出重大贡献，并且因此会影响在蚀刻期间将需要经由gis引入的氧化和还原元素的总量。如果二次元素的数量高到足以引起会影响蚀刻过程的元素歧化和/或倾向于对不同材料进行不均匀的蚀刻，则需要调整蚀刻剂的组成或蚀刻剂的混合物。对于蚀刻剂中的元素数量在[o-r＝-1]至[o-r＝3]的范围内的蚀刻剂或蚀刻剂的混合物观察到了对不同材料蚀刻性能的良好调整。如果铜的蚀刻快于电介质，则需要包括更多还原元素。同样，如果电介质的蚀刻快于铜，则需要更多氧化元素。不一致的蚀刻率可以通过包含来自以下的一种化合物的蚀刻剂来调整：乙酸、甲酸乙酯、碳酸氢铵、乙酸肼、亚氨二碳酸二乙酯、草酸铵和水。可以用被配备有适当的信号检测装置和方法的sem或fib装置在线或按一定间隔监测蚀刻过程。

在优选的实施方案中，蚀刻剂的混合物至少包含：第一蚀刻剂，所述第一蚀刻剂来自：醋酸铵、氯乙酰胺、氟乙酰胺、氨基甲酸甲酯、n-亚硝基二乙胺；以及至少一种第二蚀刻剂，所述第二蚀刻剂来自：乙酸、甲酸乙酯、碳酸氢铵、乙酸肼、亚氨二碳酸二乙酯和水。

在符合本发明的另一实施方案中，蚀刻剂包含r-co-r简式结构。式中的r可以包括连同简式结构一起满足氧化元素和还原元素的比率条件的任何元素。r-co-r结构包含强c-o共价双键和其他元素间键，例如c-h、c-c、c-nh2，所述元素间键具有低于c-o共价双键的键能。分子可能会因为高能碰撞诱导解离(cid)而在气相中碎裂。在典型的cid中，分子离子通常通过电势加速到高动能，然后允许所述分子离子与中心分子(通常是氦气、氮气或氩气)碰撞。在根据本发明的一个实施方案中，中性蚀刻剂分子与高动能离子束离子碰撞。来自碰撞的能量可以被转换为内部能量，这导致键断裂以及蚀刻剂碎裂成较小的碎片。碎片的量通常随着离子的加速度能量以及其质量而增加。当离子束的能量降低到低能区域(<5kev)时，反应性元素的量减少并且诸如c-o分子的挥发性分子可能会出现在工作室中。这些分子可以保持完整并且不会明显促成元素间反应。当反应性元素的总量下降时，蚀刻率减慢。减慢蚀刻率连同较浅地穿透半导体器件的表面一起可能会导致对样品表面的精细蚀刻，而不需要改变蚀刻剂组成、浓度或注射压力。现代离子束装置能够快速地改变射束能量，并且因此有可能实现从正常的不同材料蚀刻到非常精细的不同材料蚀刻的非常快的改变。这有益于半导体器件的厚的上部金属层和非常致密的下部半导体器件金属层的联合移除，或者在蚀刻过程过快的情况下更好地控制端点检测。

附图说明

为了更全面理解本发明以及其优点，现参考以下结合附图所作的说明，在附图中：

图1是用于执行本发明的优选的实施方案的装置的示意图

图2是示意性地示出典型的半导体器件的一部分的横截面图；

图3是示意性地示出在平面蚀刻之后的半导体器件的一部分的横截面图；

图4是示意性地示出在横截面蚀刻之后的半导体器件的一部分的横截面图；

图5是示意性地示出存在无效离子束的情况下的半导体器件的一部分的细节的横截面图

图6是示意性地示出存在有效高能离子束的情况下的半导体器件的一部分的细节的横截面图

图7是示意性地示出在扫描的同时存在有效高能离子束的情况下的半导体器件的一部分的细节的横截面图

图8是示意性地示出在使用蚀刻剂进行不成功的蚀刻之后的半导体器件的一部分的细节的横截面图。

图9是示意性地示出在使用蚀刻剂和另一种蚀刻剂的组合进行成功的蚀刻之后的半导体器件的一部分的横截面图。

图10是示意性地示出存在有效低能离子束的情况下的半导体器件的一部分的横截面图

图11是示意性地示出在扫描的同时存在有效低能离子束的情况下的半导体器件的一部分的横截面图

具体实施方式

本发明的实施方案是一种执行平面和横截面蚀刻的方法：通过移除类似金属和电介质的不同材料的多个层，其目的是暴露感兴趣的单个层或暴露若干层的横截面以执行各种应用，包括但不限于：纳米探测、电路编辑和故障分析。

本发明的优选的实施方案涉及一种用于蚀刻半导体器件生产中所使用的不同材料的方法。所述技术和设备的利用可以被复制用于类似铜、低-k电介质、gaas和gan以及其他物质的不同材料的均匀而光滑的蚀刻。所述方法是灵活的，并且可以适应单独或结合其他方法使用来增强蚀刻的生产率或加快用于探测分析的技术发展。

图1是用于半导体器件2蚀刻的装置100的示意图。所述装置包括真空室1，其中半导体器件2放置在保持器3上。所述装置还包括构件4，所述构件用于产生离子束并且使所述离子束沿着光轴5朝向半导体器件2传播。离子束可以采用从轻li离子到相对重的xe离子的各种离子。装置100还可以包括sem6，所述sem用于产生电子并且使所述电子沿着sem光轴7传播。sem光轴7近似瞄准物件上与离子束光轴5相同的区域。从样品散射的电子或在与sem6电子相互作用之后由物件产生的电子用于监测半导体器件2表面上的蚀刻过程。装置100还包括气体注入系统8，所述气体注入系统用于使蚀刻剂9的气体分子朝向半导体器件2传播。

图2示出了半导体器件2的横截面图。半导体器件2由多个层构成。在半导体器件2的顶部的是封盖层10。半导体器件2还包括标记为m0至m8的金属层11。每个金属层11包括金属导体13(延伸穿过金属层11)和低-k电介质14。标记为v7至vcl的通孔层12经由互连导体15将一个金属层11中的金属导体13连接到下一个金属层11中的金属导体13，并且放置在金属层11之间。互连导体15在通孔层12内用电介质14隔开。

图3示出了使用根据本发明的气体辅助蚀刻进行的成功的平面蚀刻的结果。在限定区域内移除了从m8至m1的金属层11和从v7至v0的通孔层12的部分，并且在金属层11m0上产生了光滑表面16。在平面蚀刻盒附近的由光滑的平面表面16和所述盒的壁17限定的金属层11是完整的。平面表面区域具有100x100微米的尺寸。由于清洁而光滑的蚀刻工艺，金属层11m0的金属导体13易于观察和分析。金属层11和通孔层12的移除是逐层进行的过程，并且任何金属层11或通孔层12可以通过用离子束扫描半导体器件2的表面来准备好根据本发明进行观察和分析。

图4示出了使用根据本发明的气体辅助蚀刻进行的成功的横截面蚀刻的结果。与图3相比较，横截面蚀刻允许观察或分析横截面表面18，所述横截面表面是与多于一个金属层11相交的平面。使用根据本发明的气体辅助蚀刻使得能够以相同的蚀刻率对不同材料，诸如金属导体13、电介质14和互连导体15进行蚀刻，并且因此幕帘效应被最小化。

图5是即将经受蚀刻的半导体器件2的一个金属层11的细化横截面，所述金属层包括电介质14，所述电介质包含氧化19和还原20元素；以及金属导体13，所述金属导体包含金属元素21。离子束的有效区域22表示被蚀刻元素将首先被释放并且蚀刻剂23分子将首先与离子束有效区域22接触的区域。图5示出了存在无效离子束的情形，这意味着在有效区域22中不存在高能离子。蚀刻剂23在靠近半导体器件的表面的区域中包含氧化19和还原20元素。半导体器件层也包含用于完成反应量的氧化和还原元素。在优选的实施方案中，蚀刻气体是还原元素20与氧化元素19之比为2:3的氨基甲酸甲酯。在替代实施方案中，醋酸铵、氯乙酰胺、氟乙酰胺、n-亚硝基二乙胺可以用作蚀刻剂。蚀刻剂23可以单独地或结合来自这个组的任何其他成员，或结合包括以下的组中的至少一者使用：乙酸、甲酸乙酯、碳酸氢铵、乙酸肼、亚氨二碳酸二乙酯和水。

与图5相比较，图6示出了离子束被激活并且用高能离子束蚀刻存在于半导体器件2的金属层11中的低-k电介质14和金属导体13的情形。离子束具有至少5kev但优选地高于10kev的能量。来自金属层11的元素19、20、21和蚀刻剂的元素19、20在离子束的作用下解离，并且在有效区域22中产生一团反应性元素19、20、21。蚀刻剂23在整个蚀刻过程期间被连续地泵送到半导体器件2表面附近以辅助均匀的蚀刻。

图7示出了在高能离子束下蚀刻大量材料(电介质14和金属导体13两者)的正在进行的蚀刻过程。可以发现来自金属层11和蚀刻剂23两者的元素(19、20、21)在离子束的有效区域22中解离。这些已解离的元素19、20、21继续彼此缔合以形成持久的挥发性分子24、25，所述挥发性分子由于金属21的氧化19元素的组合而形成；或者还原20和氧化19元素由于其挥发性本质而排出。吸附在金属层11表面上或靠近所述表面处的蚀刻剂23存在于平面蚀刻的整个过程中，并且在每一步离子束运动下进入有效区域22。在优选的实施方案中，大量蚀刻剂23均匀地散布在半导体器件2的整个表面上是极为重要的。蚀刻剂23与适量的氧化和还原元素的存在对于形成挥发性分子24、25而言是必要的，代替再沉积在所述表面上，所述挥发性分子可以被排出以有助于以相同的蚀刻率进行金属导体13和电介质14蚀刻，以及光滑的平面表面16的产生。

图8示出了使用高密度金属层m0的气体辅助蚀刻进行的不成功的平面蚀刻的结果。在限定区域内移除了从m8至m1的金属层11和从v7至v0的通孔层12的一部分，并且在金属层11m0中产生了表面16a、16b。电介质14具有低于m0中的金属16的蚀刻率，所述m0是具有高金属密度的层并且离子束蚀刻在这个层中产生了粗糙表面。为了调整不同的蚀刻率，需要供应第二蚀刻剂23并且产生所述第二蚀刻剂与第一蚀刻剂23的混合物。如果金属13具有高于电介质14的蚀刻率，则需要供应包含更多还原20元素的第二蚀刻剂。在优选的实施方案中，蚀刻气体是还原元素20与氧化元素19之比为2:3的氨基甲酸甲酯。在替代实施方案中，醋酸铵、氯乙酰胺、氟乙酰胺、n-亚硝基二乙胺可以用作第一蚀刻剂。

第二蚀刻剂中的氧化剂的数量至多比第二蚀刻剂23中的还原元素20的数量少一份元素。如果金属13具有低于电介质14的蚀刻率，则需要供应包含更多氧化19元素的第二蚀刻剂。

第二蚀刻剂中的氧化剂的数量至多比第二蚀刻剂23中的还原元素20的数量多三个元素。

在优选的实施方案中，此第二蚀刻剂可以选自包含以下的组：甲酸乙酯(o-r＝-1)、亚氨二碳酸二乙酯(o-r＝-1)、乙酸(o-r＝0)、乙酸肼(o-r＝2)、水(o-r＝1)或碳酸氢铵(o-r＝3)。在达到与图9所示相同程度的表面16a和16b之前一直供应第二蚀刻剂。

图10是即将经受蚀刻的半导体器件2的一个金属层11的细化横截面，所述金属层包括电介质14，所述电介质包含氧化19和还原20元素；金属导体13，所述金属导体包含金属元素21。与图5相比较，离子束的能量是低的，低于5kev；这不足以扫除强有力的元素间键，其产生较少的高反应性碎片并且较低的离子束能量不允许离子束离子深入穿透到金属层11中。这导致金属层11中的较缓慢的材料移除。这个特征在半导体器件2中的高敏感度层中是特别重要的。蚀刻剂23的一部分包含还原20元素和氧化19元素，所述元素具有在其结构上为共价双键的c-o26。引入到表面的蚀刻剂23并未经历完全解离，并且未解离的挥发性碎片27在不与离子束的有效区域22中存在的溅射元素(19、20、21)中的任一者发生反应的情况下从所述系统排出。

与图10相比较，图11示出了以下情形：离子束对金属层11的表面进行扫描，同时用低能离子束蚀刻存在于半导体器件2的金属层11中的低-k电介质14和金属导体13。未解离的挥发性碎片27被连续地排出。另一方面，已解离的元素19、20、21继续彼此缔合以形成持久的挥发性分子24，所述挥发性分子由于金属的还原21-氧化19元素的组合而形成；或者还原20-氧化19元素由于其挥发性本质而排出。用<5kev离子束和蚀刻剂蚀刻的深度是在数十纳米以内，并且新蚀刻的区域具有最低量的再沉积。仍然保持了蚀刻的均匀性，并且所述表面是平坦而光滑的，其中在具有非常高的敏感度的层，类似晶体管接触层tcl的情况下，地形粗糙度小于10nm。