氢活化的原子层蚀刻的制作方法

本申请要求2017年2月6日提交的美国申请No.15/425,899的优先权，其全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。

技术领域

本公开涉及一种在半导体晶片上形成半导体器件的方法。更具体地，本公开涉及在形成半导体器件中蚀刻氧化硅和氮化硅。

背景技术：

在形成半导体器件中，特征会在蚀刻氧化硅和氮化硅的位置处被蚀刻。

技术实现要素：

为了实现前述内容并且根据本公开的目的，提供了一种在等离子体处理室中相对于结构的SiGe和Si选择性地蚀刻SiO和SiN的方法。提供多个循环的原子层蚀刻，其中每个循环包括氟化聚合物沉积阶段以及活化阶段。氟化聚合物沉积阶段包括：使包含碳氟化合物气体的氟化聚合物沉积气体流入所述等离子体处理室；使所述氟化聚合物沉积气体形成等离子体，从而在所述结构上沉积碳氟聚合物层；以及停止使所述氟化聚合物沉积气体流入所述等离子体处理室。所述活化阶段包括：使包含惰性轰击气体和H2的活化气体流入所述等离子体处理室；使所述活化气体形成等离子体，其中所述惰性轰击气体活化所述氟化聚合物中的氟，其与来自H2的等离子体组分导致相对于SiGe和Si选择性地蚀刻SiO和SiN；以及停止使所述活化气体流入所述等离子体处理室。沉积和活化阶段可包括条件改变的几个步骤。例如，通过用含氢的气体(例如NH3)代替H2可以获得类似的结果。

本发明的这些特征和其它特征将在下面在本发明的详细描述中并结合以下附图进行更详细的描述。

附图说明

在附图中以示例而非限制的方式示出了本公开，并且附图中相同的附图标记表示相似的元件，其中：

图1是一种实施方式的高阶流程图。

图2是氟化聚合物沉积阶段的更详细的流程图。

图3是活化阶段的更详细的流程图。

图4A-D是根据实施方案处理的结构的示意性剖视图。

图5是可以在实施方案中使用的等离子体处理室的示意图。

图6是可用于实践实施方案的计算机系统的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图中所示的几个优选实施方式来详细描述本发明。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的彻底理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他情况下，未详细描述公知的工艺步骤和/或结构，以免不必要地使本发明不清楚。

图1是实施方案的高级流程图。在该实施方案中，将具有诸如叠层之类的结构的衬底放置在等离子体处理室中(步骤104)。提供循环原子层蚀刻(步骤108)。原子层蚀刻工艺的每个循环包括氟化聚合物沉积阶段(步骤112)和活化阶段(步骤116)。从等离子体处理室移除具有该结构的衬底(步骤120)。图2是氟化聚合物沉积阶段的更详细的流程图(步骤112)。使氟化聚合物沉积气体流入等离子体处理室(步骤204)。使氟化聚合物沉积气体形成等离子体，从而在结构上沉积碳氟聚合物(步骤208)。停止氟化聚合物沉积气体的流动(步骤212)。图3是活化阶段(步骤116)的更详细的流程图。使活化气体流入等离子体处理室，其中活化气体包括惰性轰击气体和H2(步骤304)。使活化气体形成等离子体，其活化氟化聚合物中的氟，其与来自H2的组分导致相对于SiGe和Si选择性地蚀刻SiO和SiN(步骤308)。在说明书和权利要求书中，SiGe和Si包括经掺杂和未经掺杂的SiGE和Si。停止活化气体的流动(步骤312)。

实施例

在一示例中，将具有结构的衬底放置在等离子体处理室中(步骤104)。图4A是结构400(例如叠层)的示意性横截面图，其具有硅衬底404，其在硅层408下方，具有412和栅极结构418。栅极结构418是金属栅极结构。涂覆的蚀刻停止SiN层(CESL)420已共形地沉积在栅极结构418和触点结构412上。SiO介电层424在CESL 420上方。在介电层424上形成硬掩模428

图5是可以在一实施方案中使用的等离子体处理室的示意图。在一个或多个实施方案中，等离子体处理系统500包括气体分配板506，其在处理室549内提供气体入口和静电吸盘(ESC)508，处理室549由室壁550包围。在处理室549内，衬底404位于ESC 508的顶部。ESC 508可以提供来自ESC源548的偏置。气体源510通过分配板506连接到等离子体处理室549。在该实施方案中，气体源510包括H2气体源512、惰性轰击气体源516和沉积气体源518。气体源510可以具有另外的气体源。每个气体源可包括多个气体源。ESC温度控制器551连接到ESC 508，并且提供对ESC 508的温度控制。在该示例中，第一连接件513用于向内部加热器511提供功率以加热ESC 508的内部区域，并且第二连接件514向外部加热器512提供功率以加热ESC 508的外部区域。RF源530向下部电极534和上部电极提供RF功率，在该实施方案中，上部电极为气体分配板506。在优选的实施方案中，2MHz功率源、60MHz功率源和任选的27MHz功率源组成RF源530和ESC源548。在该实施方案中，针对每个频率提供一个发生器。在其他实施方案中，发生器可以在单独的RF源中，或者单独的RF发生器可以连接到不同的电极。例如，上部电极可以具有连接到不同RF源的内电极和外电极。在其他实施方案中，例如在上电极可以接地的另一实施方案中，可以使用RF源和电极的其他布置。控制器535可控地连接到RF源530、ESC源548、排放泵520和蚀刻气体源510。这种等离子体处理室的一个示例是由LamResearch Corporation(Fremont，CA)制造的Exelan Flex^TM蚀刻系统。处理室可以是CCP(电容耦合等离子体)反应器或ICP(感应耦合等离子体)反应器。

图6是示出了计算机系统600的高级框图，该计算机系统600适于实现在实施方式中使用的控制电路535。计算机系统可以具有多种物理形式，其范围从集成电路、印刷电路板以及小型手持设备到巨型超级计算机。计算机系统600包括一个或者多个处理器602，并且进一步可以包括电子显示装置604(用于显示图形、文本以及其他数据)、主存储器606(例如，随机存储器(RAM))、存储设备608(例如，硬盘驱动器)、可移动存储设备610(例如，光盘驱动器)、用户接口设备612(例如，键盘、触摸屏、小键盘、鼠标或者其他定位装置等)以及通信接口614(例如，无线网络接口)。通信接口614使得软件和数据能通过链路在计算机系统600和外部设备之间传输。系统还可以包括通信基础设施616(例如，通信总线、交叉棒(cross-over bar)、或者网络)，前述的设备/模块被连接于该通信基础设施616。

经由通信接口614传输的信息可以是能通过通信链路由通信接口614接收的信号的形式，所述信号是例如电子的、电磁的、光的、或者其他的信号，所述通信链路携带信号并且可以是使用电线或电缆、光纤、电话线、蜂窝电话链路、射频链路、和/或其他通信通道实现的通信链路。利用这样的通信接口，可预期，一个或者多个处理器602可以自网络接收信息或者可以在实施上述方法步骤的过程中向网络输出信息。另外，方法实施方式可以仅在处理器上执行或者可以与远程处理器结合在诸如因特网之类的网络上执行，所述远程处理器共享部分处理。

术语“非暂态计算机可读介质”一般用来指诸如主存储器、辅助存储器、移动存储装置、以及存储设备(例如硬盘、闪存、硬盘驱动存储器、CD-ROM以及其他形式的永久性存储器)之类的介质，并且不得被解释为涵盖诸如载波或者信号之类的暂时性的标的物。计算机代码的示例包括机器代码，例如由编译器产生的机器代码，以及包括使用解释器由计算机执行的更高级代码的文件。计算机可读介质还可以是通过体现在载波中的计算机数据信号传输并且表示为可由处理器执行的指令序列的计算机代码。

在将具有衬底404的结构400放入等离子体处理室549中之后，提供循环原子层蚀刻(步骤108)。原子层蚀刻工艺的每个循环包括氟化聚合物沉积阶段(步骤112)和活化阶段(步骤116)。图2是氟化聚合物沉积阶段的更详细的流程图(步骤112)。使氟化聚合物沉积气体流入等离子体处理室(步骤204)。在该实施方案中，使氟化聚合物沉积气体流动以在2至20sccm之间的C4F6、2至20sccm之间的O2、10至200sccm之间的CO和100至1000sccm之间的Ar流动。使氟化聚合物沉积气体形成等离子体，从而在结构上沉积碳氟聚合物(步骤208)。在该实施方案中，以27MHz提供30-200瓦的RF功率，并且以60MHz提供30-200瓦的RF功率。提供范围为-30V至-200V伏的偏压以将等离子体组分加速到结构400以提供沉积。在2至20秒后停止氟化聚合物沉积气体的流动(步骤212)

图4B是在氟化聚合物沉积阶段完成之后的结构400的示意性横截面图。在结构400上沉积薄的保形层或氟化聚合物涂层432。氟化聚合物涂层432未按比例绘制，而是绘制得较厚以便于更好地理解。在该实施方案中，该阶段的主要目的不是蚀刻，而是沉积氟化聚合物涂层432，在一些情况下，在沉积阶段可以观察到衬底的蚀刻。

图3是活化阶段的更详细的流程图(步骤116)。活化气体流入等离子体处理室，其中活化气体包括一种或多种惰性轰击气体和H 2(步骤304)。在该实施例中，活化气体为100-800sccm Ar和10-200sccm H2。使活化气体形成等离子体，其活化氟化聚合物中的氟，其与来自H2的组分导致相对于SiGe或Si或经掺杂的Si选择性地蚀刻SiO和SiN(步骤308)。在该实施方案中，以27MHz提供50-200瓦的RF功率，并且以60MHz提供60-200瓦的RF功率。提供-200伏的偏压以将等离子体组分加速到结构400以引起活化。在3至8秒后停止活化气体的流动(步骤312)。

图4C是在活化阶段完成之后的结构400的示意性剖视图。由惰性轰击气体产生的等离子体活化氟化聚合物中的氟，其与来自H2的等离子体组分一起导致部分介电层420被蚀刻。一层电介质层424被示出为被蚀刻掉。

循环过程重复多次。在该示例中，该过程重复10到20次。图。图4D是在原子层蚀刻已经被执行超过10个循环之后的结构400的示意性横截面图。原子层蚀刻相对于栅极结构418、硅层408和SiGe或Si触点结构412选择性地蚀刻SiO和SiN层。在该示例中，在中心栅极结构418上形成SiN层420保持。这是因为对SiN的原子层蚀刻取决于高宽比，因为具有较低的高度比宽度的高宽比的SiN区域更慢地蚀刻SiN，并且因为氟化聚合物在金属栅极结构418上沉积得更厚。这导致相对于具有较高的高度比宽度的高宽比的触点结构412更快地蚀刻SiN。

在其他实施方案中，氟化聚合物沉积气体可以是C4F8、CF4、C5F8或CH3F。除了碳氟化合物之外，氟化聚合物沉积气体还可包含CO、O2、CO2和/或惰性气体(如Ar)。与具有高深宽比的区域相比，CO在具有低深宽比的区域上提供更多的碳沉积，这进一步减缓了对低深宽比区域中的SiN的蚀刻。在其他实施方案中，惰性轰击气体可以是代替Ar的另一种惰性气体，例如He。然而，惰性轰击气体仅限于惰性气体。优选地，惰性轰击气体的体积流量与H2的体积流量之比在2：1至20：1的范围内。更优选地，惰性轰击气体的体积流量与H2的体积流量之比在8：1至15：1的范围内。优选地，活化气体不含氟。优选地，氟化聚合物沉积阶段和活化阶段期间的偏压具有介于30至500伏特之间的幅值。更优选地，氟化聚合物沉积阶段和活化阶段期间的偏压具有介于30至500伏之间的幅值。这意味着偏置电压的绝对值在30到500伏之间，并且更优选介于100到250伏之间。各种实施方案提供对SiN的深宽比依赖性蚀刻，其选择性地在较高的深宽比下蚀刻SiN，而不是在较低的深宽比下蚀刻SiN。

氟化聚合物中的氟被活化以蚀刻SiO2。在活化期间还需要存在H2以蚀刻SiN。在没有H2的情况下，SiN将缓慢蚀刻或不会被蚀刻。在其他实施方案中，可以使用NH3代替H2，但优选H2。氟化聚合物的量或厚度提供了活化阶段期间蚀刻量的自限制。在说明书和权利要求书中，原子层蚀刻被定义为自限制蚀刻工艺，例如由于氟化聚合物的有限存在而引起的活化过程的自限制。

已经出乎意料地发现，各种实施方案能够提供小的关键尺寸蚀刻环绕，其使得能够围绕结构进行蚀刻，并且然后通过该结构。优选地，相对于SiGe和Si以至少5：1的比率选择性地蚀刻SiO。更优选地，相对于SiGe和Si以至少10：1的比率选择性地蚀刻SiO。优选地，相对于SiGe和Si以至少5：1的比率选择性地蚀刻SiN。更优选地，相对于SiGe和Si以至少10：1的比率选择性地蚀刻SiN。在各种实施方案中，经掺杂的Si可以是掺杂有碳的硅或经P掺杂的Si，并且经掺杂的SiGE可以掺杂有硼。

虽然已经根据几个优选实施方式描述了本发明，但是存在落在本发明的范围内的改变、修改、置换和各种替代等同方案。还应当注意，存在实现本发明的方法和装置的许多替代方式。因此，以下所附权利要求旨在被解释为包括落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改变、修改、置换和各种替代等同方案。