专利名称：钝化金属蚀刻结构的制作方法
技术领域：
本公开一般地涉及半导体制造，更具体地说，涉及钝化被蚀刻的金属结构的方法和装置。
背景技术：
在例如互补金属氧化物硅(complementary metal oxide silicon)(CMOS)晶体管的现代集成电路晶体管中，金属蚀刻工艺正变得更加重要。这是由于在形成小尺寸晶体管元件中，金属正在更大的范围得到使用。例如，金属正在取代多晶硅作为用于栅电极的选择材料。这样的栅电极是采用金属沉积工艺继之以界定所述栅的金属蚀刻工艺来制成的。在金属结构需要通过蚀去材料来进行局部修正的部位，金属蚀刻工艺还可以用于掩模修补和线路编辑。
作为用于尺寸减小后的晶体管元件的良好候选材料并且容易被蚀刻的金属包括钨(W)，钼(Mo)，钼-硅(MoSi)，钽(Ta)，氮化钽(TaN)，钛(Ti)，氮化钛(TiN)，TaSixNy，合金，如Ta，硼(B)，和氮的合金(TaBN)，或这些金属和合金的任何组合。所述的蚀刻工艺可以使用粒子束导致的(induced)化学蚀刻技术，比如，电子束蚀刻，粒子束蚀刻，或激光蚀刻。这些粒子束蚀刻工艺通常是在蚀刻气体(例如，二氟化氙(XeF2))存在下实施的。具体地，采用聚焦束，这种工艺可以用来形成局部纳米结构。
采用粒子束蚀刻工艺来蚀刻金属的一个缺点，就是，一旦蚀刻工艺停止，刚刚被照射过的金属表面仍处于高度反应状态。只要仍然处于存在蚀刻气体的状态下，这些高度反应表面容易使金属结构进一步蚀刻，尽管已经不再施加粒子束。这种进一步蚀刻的结果就是新界定的(defined)金属结构的降级或损坏。图1示出了由于进一步蚀刻而已经降级的被蚀刻结构100，所述的进一步蚀刻出现在粒子束蚀刻工艺停止之后。过度蚀刻的区域被示为晕状物102。
发明内容
本发明涉及一种钝化刚刚被蚀刻的金属结构的方法和装置，包括在衬底上提供金属表面，所述金属表面已经由第一粒子束蚀刻，将所述金属表面曝露给钝化气体，并且在钝化气体存在的情况下将刚刚蚀刻的金属结构曝露给第二粒子束。第二粒子束可以包括电子束，离子束或激光束。钝化气体可以包括水汽，氧气或烃气。
根据本发明的一个方面，提供了一种方法，包括在已经由第一粒子束蚀刻的衬底上提供金属表面；将所述金属表面曝露给钝化气体；以及在所述钝化气体存在下，将所述金属表面曝露给第二粒子束。
根据本发明的另一个方面，提供了一种装置，包括真空腔；粒子束发生器；引入蚀刻气体的第一入口；以及引入钝化气体的第二入口。其中所述粒子束发生器包括电子柱。
根据本发明的又一个方面，提供了一种方法，包括在已经由第一粒子束蚀刻的衬底上提供金属表面；以及，通过在钝化气体存在下将所述金属表面曝露给粒子束，在所述金属表面形成氧化层。
图1示出了采用常规金属蚀刻工艺被过度蚀刻的金属结构。
图2是根据本发明的实现，来钝化金属结构的方法。
图3为根据本发明的实现，示出金属结构的钝化。
图4示出了根据本发明已经被钝化的金属结构。
具体实施例方式
这里所描述的是用来在衬底上稳定由粒子束蚀刻的金属结构的系统和方法，所述的衬底例如为半导体晶片或光掩膜。在下面的描述中，将用本领域那些技术人员共同采用的、将他们的工作传达给本领域的其他技术人员的术语来描述说明性的实现的各个方面。为了解释的目的，提供了具体数字，材料和结构，以提供对所述说明性实现的透彻理解。然而，本领域技术人员将清楚，没有这些具体细节也能实施本发明。在其他的情形下，周知的特征被省略或简化，以免模糊了所述说明性的实现。
各种操作将作为多个分开的、依次的操作来描述，描述的方式是最有助于理解本发明的，然而，描述的顺序不应当被解释为暗示所述的操作一定是取决于顺序的。具体地说，这些操作不需要以所呈现的顺序来执行。
本发明的实现提供了钝化工艺，所述的钝化工艺稳定采用粒子束蚀刻工艺形成的金属结构，所述的粒子束蚀刻工艺，包括，但不限于，电子束蚀刻，离子束蚀刻和激光束蚀刻。如上所述，在粒子束蚀刻工艺之后，刚刚被照射的金属表面倾向于维持在高度反应状态。本发明的钝化工艺可以用来处理这些刚刚被照射的表面，以降低或去除它们的反应性。通过降低刚刚被照射表面的反应性，本发明可以稳定金属结构，并且基本上最小化或去除金属结构的蚀刻后降级，这种降级是经常发生的。
图2为根据本发明的实现，用于金属结构上的原位钝化工艺。所述的金属结构可以采用任何典型地用于半导体应用的金属来形成，包括，但不限于，钨(W)，钼(Mo)，钼-硅(MoSi)，钽(Ta)，氮化钽(TaN)，钛(Ti)，氮化钛(TiN)，TaSixNy，合金，如Ta，硼(B)，和氮的合金(TaBN)，或这些金属和合金的任何组合。
所述的工艺起始于在衬底(例如半导体晶片)上沉积一层金属(步骤200)。然后，在蚀刻气体存在下，在所述金属层上进行粒子束蚀刻工艺，以界定一个或多个金属结构(202)。所述的蚀刻工艺通常是在适于所使用的粒子束种类的腔或其他系统中进行的。例如，电子束蚀刻是在这样一个系统中进行的，所述系统包括电子柱(electron column)和真空腔，所述真空腔容纳工作台和气体注入系统。针对离子束蚀刻工艺和激光束蚀刻工艺可以采用不同的系统或腔。在本发明的实现中，所述的蚀刻气体可以包括，但不限于，XeF2。
在所述的金属结构被蚀刻之后，钝化气体被引入所述的腔中(204)。在本发明的实现中，所述的钝化气体可以包括，但不限于，水汽(water vapor)或氧气(O2)。在靠近所述金属结构表面，钝化气体的压力可以在50到1000毫托(mTorr)的范围。在某些实现中，所述的钝化气体可以完全取代在腔中蚀刻工艺所需的所述蚀刻气体。在其他实现中，钝化气体可以与蚀刻气体混合。在本发明的某些实现中，在将所述钝化气体引入腔中之前，所述蚀刻气体可以从腔中被排出。
在本发明的某些实现中，在钝化气体存在下，金属结构的反应表面于是可以被曝露给电子束(206)。所述的曝露可以通过采用光栅扫描(raster scan)或蛇行扫描(serpentinescan)在金属结构的表面进行电子束扫描来执行。在某些实现中，被电子束扫描的面积可以大于被钝化的金属结构的表面面积。在某些实现中，在钝化气体存在下，金属结构的反应表面可以被曝露给离子束或激光束，而不是电子束。
在本发明的一个实现中，用于电子束的扫描参数可以包括范围在0.1千伏(kV)到5kV的电压，范围在0.1微秒(μs)到5μs的停留时间(dwell time)，以及范围从1μs到1毫秒(ms)的扫描帧刷新时间。扫描帧刷新时间通常根据被钝化的面积的大小而变化。在一些实现中，总的钝化时间在100帧到1000帧的范围。这些工艺条件对本发明的某些实现被视为是最佳的或足够的，然而，可以使用不同于本文所列出的那些工艺条件的工艺条件，以在本发明的其他实现中取得性能变化后的某些结果。
通过将金属结构的反应表面曝露给钝化气体，一层或多层H2O或O2被吸收到反应表面上。在所述表面上扫描的电子束使得被吸收的分子解离(dissociate)并且形成可以钝化所述结构的氧化层。在一个实现中，可以调整帧刷新时间，从而使得在所述电子束再次扫描该面积之前，至少单层H2O或O2被吸收到金属表面上。当金属结构的表面吸收一层或多层H2O或O2，所述表面的反应性被降低或去除。这一点防止出现金属结构的进一步蚀刻。
在某些实现中，烃气可以用来钝化金属表面结构。电子束导致的沉积可以使烃气在金属结构表面形成薄含碳层。含碳层通常对一般的蚀刻气体(比如XeF2)是惰性的，并且可以因此保护刚刚被蚀刻的金属结构。
图3示出了图2所描述的工艺。如图所示，衬底300(例如半导体晶片或光掩模)包括一个或多个刚刚被照射过的金属结构302。金属结构302可以包括，但不限于，栅电极，互连，以及在光掩模上的结构(例如TaN或TaBN吸收体(absorber)，以及Mo-Si多层堆(stack))。如前面所述，金属结构302在被粒子束工艺蚀刻后倾向于具有反应表面。钝化气体304，比如H2O汽或O2气，被引入到所述金属结构302附近，并且倾向于被所述金属结构302的反应表面吸收。电子束306扫描经过所述金属结构302，以使一层或多层H2O或O2解离，并且在所述金属结构302上形成降低或去除它们的反应性的氧化物层。该工艺因此局部钝化所述金属结构302并且防止进一步蚀刻的出现。
图4示出了根据本发明的方法形成的已经被钝化的金属结构400。与图1中所示的金属结构100不同，图4中的已经被钝化的金属结构400不会遭受过度蚀刻，因此不会包含晕状物102。因此，已经被钝化的金属结构400不会遭受在常规粒子束蚀刻工艺中出现的降级，所述已经被钝化的金属结构400导致更高质量并且更可靠的金属结构。
上面所描述的本发明的示例性实现，包括在摘要中描述的内容，不是要穷尽或者将本发明限制到所公开的确定形式。尽管出于说明的目的，本文描述了本发明的具体实现和实施例，但是，正如那些本领域的技术人员将会认识到，在本发明的范围内，各种等同的修改是可能的。
对本发明的这些修改可以根据上面的详细描述来进行。在所附的权利要求书中所使用的术语不应被解释成将本发明限制为说明书和权利要求书中所公开的具体实现。相反，本发明的范围完全由所附的权利要求书来确定，所述的权利要求书要根据已经确立的权利要求解释原则来解释。
权利要求
1.一种方法，包括在已经由第一粒子束蚀刻的衬底上提供金属表面；将所述金属表面曝露给钝化气体；以及在所述钝化气体存在下，将所述金属表面曝露给第二粒子束。
2.如权利要求1的方法，其中所述第一粒子束包括电子束，离子束或激光束。
3.如权利要求1的方法，其中所述第二粒子束包括电子束。
4.如权利要求1的方法，其中所述第二粒子束包括离子束或激光束。
5.如权利要求1的方法，其中所述金属表面包括由下列金属中的至少一个形成的表面钨，钼，钼-硅，钽，氮化钽，钛，氮化钛以及TaSixNy。
6.如权利要求1的方法，其中所述钝化气体包括水汽或氧气。
7.如权利要求1的方法，其中所述衬底包括半导体晶片或光掩模。
8.如权利要求3的方法，其中所述电子束的电压的范围为0.1kV到5kV。
9.如权利要求3的方法，其中所述电子束的停留时间的范围为0.1μs到5μs。
10.如权利要求3的方法，其中所述电子束的扫描帧刷新时间的范围为1μs到1ms。
11.如权利要求3的方法，其中总的钝化时间的范围可以为100帧到1000帧。
12.一种装置，包括真空腔；粒子束发生器；引入蚀刻气体的第一入口；以及引入钝化气体的第二入口。
13.如权利要求12的装置，其中所述粒子束发生器包括电子柱。
14.如权利要求12的装置，其中所述蚀刻气体包括XeF2。
15.如权利要求12的装置，其中所述钝化气体包括水汽或氧气。
16.一种方法，包括在已经由第一粒子束蚀刻的衬底上提供金属表面；以及通过在钝化气体存在下将所述金属表面曝露给粒子束，在所述金属表面形成氧化层。
17.如权利要求16的方法，其中所述金属包括下列钨，钼，钼-硅，钽，氮化钽，钛，氮化钛以及TaSixNy中一个或多个。
18.如权利要求16的方法，其中所述粒子束包括电子束。
19.如权利要求16的方法，其中所述钝化气体包括水汽或氧气。
全文摘要
一种钝化刚刚被蚀刻的金属结构的方法，包括在衬底上提供金属表面，所述金属表面已经由第一粒子束蚀刻，将所述金属表面曝露给钝化气体，并且在钝化气体存在的情况下将刚刚蚀刻的金属结构曝露给第二粒子束。第二粒子束可以包括电子束，离子束或激光束。钝化气体可以包括水汽，氧气或烃气。
文档编号H01L21/02GK1790635SQ20051013472
公开日2006年6月21日 申请日期2005年12月19日 优先权日2004年12月17日
发明者泰德·梁 申请人:英特尔公司