用于化学蚀刻硅的方法与流程
本公开的实施例一般涉及用于化学蚀刻硅的方法。
现有技术
在许多半导体器件制造应用中执行在高深宽比特征中蚀刻硅，诸如鳍片修整和侧向凹陷形成。等离子体蚀刻是本领域中已知的在半导体器件制造中执行精密蚀刻的技术。然而，使用等离子体的蚀刻可能导致对下面的层或结构的损坏或不期望的修改。防止或减少这种损坏变得越来越重要，因为半导体器件技术进步到较小的技术节点，例如，小于45nm的节点。此外，蚀刻选择性在半导体器件制造中也是重要的，诸如具有半导体场效应晶体管的半导体器件。等离子体蚀刻通常依赖于能量离子轰击，以提供高蚀刻速率，这使得难以获得蚀刻选择性。
因此，发明人已经开发了用于化学蚀刻硅的改进方法。
技术实现要素：
本文提供了用于化学蚀刻硅的方法。在一些实施例中，蚀刻硅材料的方法包括：(a)将硅材料暴露于含卤素气体；(b)从半导体处理腔室排出含卤素气体；(c)将硅材料暴露于胺蒸气，以蚀刻硅材料的单层或多层中的至少一个；(d)从半导体处理腔室排出胺蒸汽；以及(e)任选地重复(a)-(d)，以将硅材料蚀刻至预定厚度。
在一些实施例中，在半导体处理腔室中的基板上蚀刻硅材料的方法，包括：(a)在将硅材料暴露于含卤素气体(诸如含氯气体)之前，从硅材料的表面移除自然氧化物层；(b)将硅材料暴露于含氯气体第一时间段；(c)从半导体处理腔室排出含氯气体；(d)在从半导体处理腔室排出含氯气体之后，用惰性气体净化半导体处理腔室；(e)将硅材料暴露于胺蒸气(如，二乙胺蒸汽)第二时间段，以蚀刻硅材料的单层或多层的至少一个；(f)从半导体处理腔室排出胺蒸汽；(g)在从半导体处理腔室排出胺蒸气之后，用惰性气体净化半导体处理腔室；以及(h)任选地重复(b)-(g)，以将硅材料蚀刻到预定厚度。
在一些实施例中，具有存储在其上的指令的非瞬时计算机可读介质，当指令被执行时，使得用于蚀刻半导体处理腔室中的基板上的硅材料的方法被执行。方法可包括本文所公开的任何实施例。
下面讨论本公开的其它实施例和变型。
附图说明
通过参考附图中所描绘的本公开的说明性实施例，可理解在上文中简单地摘要并在下文中更详细地讨论的本公开的实施例。附图仅示出了本公开的典型实施例，且不被认为是对范围的限制，因为本公开书可允许其他等效的实施例。
图1描绘了根据本公开的一些实施例的蚀刻硅材料的方法的流程图。
图2a-2c描绘了根据本公开的一些实施例的蚀刻硅材料的阶段。
图3描绘了根据本公开的一些实施例的适于执行用于蚀刻硅材料的方法的设备的横截面图。
图4a-4c描绘了根据本公开的一些实施例的在二氧化硅材料上选择性地蚀刻硅材料的阶段。
为了促进理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示在附图中的相同的组件。附图没有按比例绘制，并且为了清楚起见可被简化。本文所公开的任何实施例的任何组件和特征可有利地并入其它实施例中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
本文提供了蚀刻硅材料的方法。在一些实施例中，本文所述的创新方法提供了一种化学蚀刻硅材料的方法，其有利地避免使用等离子体，以便防止或减少对下面的层或结构的损伤或不期望的修改。在一些实施例中，本文所述的创新方法还提供了一种化学蚀刻硅材料的方法，其有利地避免了使用等离子体，以便选择性地在氧化硅材料(如，siox)上蚀刻硅材料。
图1是根据本公开的一些实施例的在基板的顶上蚀刻硅材料的方法100的流程图。图2a-2c是根据本公开的一些实施例的图1的处理顺序的不同阶段期间的基板的说明性横截面图。创新的方法可在合适的反应器容器中进行，诸如下面参照图3所讨论的反应器容器。
在一些实施例中，可在蚀刻硅材料的工艺之前任选地预清洁基板，如在以下的方法100处所述。通过在蚀刻工艺之前预清洁基板，可移除来自先前执行的工艺的污染物。在一些实施例中，预清洁工艺可运作以从硅材料的表面移除氧化物层，例如，自然氧化物层。
预清洁工艺可以是适于有助于从硅材料的表面(例如，诸如以上所述的氧化物层)移除任何材料的任何工艺。具有待使用预清洁工艺从硅材料的表面而移除的自然氧化物层的实施例可包含，例如，在合适的腔室(诸如，使用可从加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司所获得的siconitm技术的处理腔室)中所进行的siconitm预清洁工艺。在这些实施例中，可以将基板暴露于两部分的干式化学清洁工艺中的含氟前驱物和含氢前驱物。在一些实施例中，含氟前驱物可包含三氟化氮(nf3)，氟化氢(hf)，双原子氟(f2)，单原子氟(f)，氟取代的烃，其组合，等等。在一些实施例中，含氢前驱物可包含原子氢(h)，双原子氢(h2)，氨(nh3)，烃，不完全卤素取代的烃，其组合，等等。
在一些实施例中，在两部分工艺中的第一部分可包含使用远程等离子体源，以从含氟前驱物(如，三氟化氮(nf3))和含氢前驱物(如，氨(nh3))产生蚀刻剂物种(如，氟化铵(nh4f))。通过使用远程等离子体源，可使对基板的损害最小化。接着将蚀刻剂物种引入预清洁腔室中，并通过与自然氧化物层的反应而在基板表面上浓缩成固体副产物。第二部分可接着任选地包含原位退火，以通过使用对流和辐射加热而分解副产物。副产物接着升华，且可经由例如气体流而从基板表面移除并从预清洁室泵出。
方法100通常从101处开始，且如图2a中所示，其中硅材料200暴露于含卤素气体204。硅材料200可设置在基板202的顶上。基板202可以是用于半导体器件制造中的任何合适的基板，诸如半导体晶片。基板202可在其上具有多个膜或层，包括硅材料200的一个或多个层200。基板202可被或可不被图案化。合适的硅材料200的示例包括但不限于非晶硅、多晶硅或晶体硅。
含卤素气体204是具有足够量的卤素以导致暴露于含卤素气体204的硅材料200的表面的卤素终止的任何合适的气体。在一些实施例中，含卤素气体是具有足够量的氯以导致暴露于含氯气体的硅材料200的表面的氯终止的含氯气体。合适的含氯气体的示例包括但不限于氯(cl2)、氯化氢(hcl)、三氯化硼(bcl3)和四氯化硅(sicl4)。在一些实施例中，含卤素气体是含溴气体。合适的含溴气体的示例是溴(br2)、溴化氢(hbr)、三溴化硼(bbr3)、溴三氯甲烷(brccl3)和溴三氟甲烷(cf3br)。在一些实施例中，含卤素气体是含氟气体。合适的含氟气体的示例是氟(f2)和氟化氢(hf)。在一些实施例中，硅材料200可暴露于湿式化学处理而不是气体处理。例如，可将硅材料200暴露于在氯苯和/或含有氯部分的其它液体溶液中的基本饱和的五氯化磷(pc15)溶液。在一些实施例中，含卤素气体是任何前述含氯气体、含溴气体和/或含氟气体的混合物。此外，在一些实施例中，含卤素气体可从元素液体源或其中已溶解有含卤素化合物的液体溶液蒸发。
将硅材料200暴露于含卤素气体204一段足够的时间量(如，第一时间段)，以导致暴露于含卤素气体204的硅材料200的表面的卤素终止，例如暴露于含氯气体的硅材料的表面的氯终止。在一些实施例中，将硅材料200暴露于含卤素气体204长达约5分钟。在一些实施例中，将硅材料200暴露于含卤素气体204长达约3分钟。在一些实施例中，将硅材料200暴露于含卤素气体204约10毫秒至约60秒。在一些实施例中，在将硅材料200暴露于含卤素气体204期间，基板202处于大于约25摄氏度，例如约25摄氏度至约175摄氏度的温度。基板温度通常不高于在104处所选择的胺蒸气的分解温度。在一些实施例中，在将硅材料200暴露于含卤素气体204期间，基板处理腔室的压力高达约500毫托(mtorr)。在一些实施例中，在将硅材料200暴露于含卤素气体204期间，基板处理腔室的压力为约100mtorr至约10torr。
接下来，在102处，在含卤素气体204具有足够的时间以吸附到硅材料200的表面上并形成卤素终止的硅材料表面之后，将含卤素气体204从处理腔室排出。在一些实施例中，在从处理腔室排出含卤素气体204之后，用惰性气体(即，将不与卤素终止的硅材料表面反应的气体)净化处理腔室。在一些实施例中，惰性气体是例如氩(ar)、氦(he)、或氮(n2)。
接下来，在104处，且如图2b中所示，硅材料200暴露于胺蒸气206。在一些实施例中，暴露于胺蒸气206导致硅材料200的单层蚀刻(即，移除一个原子层)。在一些实施例中，暴露于胺蒸气206导致硅材料200的多层蚀刻(即，移除多个原子层)。调节工艺条件(如，温度、压力)可导致亚单层或多于单层蚀刻。在一些实施例中，胺蒸气是将在硅材料200的暴露表面处解离并与硅形成双键的任何合适的胺。在一些实施例中，胺蒸气是具有分子式r1-nh2的一级胺，其中r1可以是烷基(诸如甲基、乙基、丙基或丁基和/或其它烷基)，或芳基(诸如苯基、萘基或噻吩基和/或其它芳基)。合适的一级胺的示例包括但不限于甲胺等。在一些实施例中，胺蒸气是具有分子式r1r2nh的二级胺，其中r1和r2可各自为烷基或芳基。合适的二级胺的示例包括但不限于二甲胺、n-甲基戊胺等。在一些实施例中，胺蒸气是具有分子式r1r2r3n的三级胺，其中r1和r2各自可以是烷基或芳基。例如，r1可以是烷基，r2可以是烷基，r3可以是芳基，或其任何其它置换。合适的三级胺的示例包括但不限于三甲胺、三苯胺、n,n-二甲基丁胺等。在一些实施例中，胺蒸气是具有与芳环连接的氮原子的芳族胺。合适的芳族胺的非限制性示例包括但不限于苯胺、吡咯烷、吡咯啉、己胺、甲基吡咯烷等。
胺蒸气206和硅材料200的卤素终止的表面的反应形成从硅材料200的表面脱附的挥发性化合物208。在硅材料200暴露于胺蒸气206期间，基板202的温度取决于在工艺中使用的特定胺的分解温度，即，等于或低于胺的分解温度或附近的温度。而且，不同胺蒸气的分解温度将会变化，且在本文所述的实施例的范围内。例如，对许多胺蒸气而言，分解温度将超过175摄氏度。此外，用于不同胺蒸气的基板温度将变化且在本文描述的实施例的范围内。基板的温度低于在104处所使用的特定胺的分解温度。例如，在胺蒸气206是二乙胺，具有约150摄氏度至约170摄氏度的分解温度的实施例中，基板的温度为约140摄氏度。在一些实施例中，对于二乙胺而言，基板的温度为约60摄氏度至约150摄氏度。在以上所述的温度下，挥发性化合物208从硅材料200的表面脱附，因此，在一些实施例中，不需要单独的退火工艺以脱附挥发性化合物。在一些实施例中，可进行单独的退火工艺以脱附挥发性化合物。在一些实施例中，通过将液体胺溶液加热到至少液体胺溶液的沸点，以制造胺蒸气206。任选地，可采用第二退火步骤以脱附任何残留的挥发性化合物208。另外，第二退火步骤任选地处于大于分解温度的温度。
如图2c中所示，硅材料200暴露于胺蒸气206一段足够的时间量(如，任选的第二时间段)，以导致硅材料200的单层蚀刻或多层蚀刻的至少一种。在一些实施例中，硅材料200暴露于胺蒸气206长达约5分钟，例如约30秒至约60秒，或例如约10毫秒至约600秒。在一些实施例中，在将硅材料200暴露于胺蒸气206期间，基板处理腔室的压力为约100mtorr至约10torr。
接下来，在106处，在将硅材料200暴露于胺蒸气206一段足够的时间量，以导致硅材料200的单层蚀刻或多层蚀刻的至少一种之后，用惰性气体(诸如氩气(ar)或氦气(he))排空和/或净化基板处理腔室。
接下来，在108处，可重复方法100以将硅材料200蚀刻到预定厚度。如本文中使用的，蚀刻速率可指示蚀刻原子层或接近原子层(即，单层蚀刻)。蚀刻速率还可包含多层蚀刻速率，即，移除多个原子层。
在一些实施例中，如图4a-4c中所示，方法100可用于在二氧化硅材料上选择性地蚀刻硅材料。术语“选择性地”是指一种材料的蚀刻速率与另一种材料的蚀刻速率的比例。术语“选择性的蚀刻”或“选择性地蚀刻”意味着蚀刻一种材料超过另一种材料，例如，以选择性地蚀刻硅材料，或换句话说，在两种材料之间具有大于或小于1：1的蚀刻选择性。如图4a中所示，硅材料400设置在基板402的顶上。氧化硅材料410设置在硅材料400的顶上。
氧化硅材料410可用作掩模层(诸如硬掩模或光刻胶层)，以如下所述将开口412蚀刻到硅材料400中。可将氧化硅材料410图案化，以形成图案化掩模层。图案化掩模层可通过适于形成图案化掩模层的任何工艺所形成，图案化掩模层能够提供用于在下面的材料中限定图案的适当模板。例如，在一些实施例中，图案化掩模层可经由图案化蚀刻工艺而形成。
可经由适于蚀刻氧化物材料的任何蚀刻工艺来蚀刻开口412，以形成具有垂直或基本上垂直的侧壁的开口412。例如，可将基板暴露于使用含卤素气体(例如，含氟气体)所形成的蚀刻等离子体。在一些实施例中，含氟气体包括碳氟化合物(cxfy)或氢氟碳(cxhyfz)，例如四氟甲烷(cf4)、六氟乙烷(c2f6)、氟甲烷(ch3f)、二氟甲烷(ch2f2)、三氟化碳(chf3)、六氟丁二烯(c4f6)和八氟环丁烷(c4f8)等。
一旦形成初始开口412，就可使用方法100侧向地蚀刻硅材料400。如以上的方法100中所述且在图4a-4c中所描绘的，硅材料400暴露于含氯气体(如，诸如任何关于含卤素气体204而在上文中公开的)，且接着暴露于胺蒸气406。方法100选择性地蚀刻氧化物材料上的硅材料408。在一些实施例中，硅材料408在氧化物材料上的蚀刻选择性为约100：1。
下面所描述的图3描绘了根据本公开的一些实施例的适于处理基板的设备300。设备300可包含控制器350和处理腔室302，处理腔室302具有排气系统320，用于从处理腔室302的内部移除过量的处理气体、处理副产物等。示例性处理腔室可包括
处理腔室302具有可包括处理容积304的内容积305。处理容积304可限定在，例如，设置在处理腔室302内用于在处理期间支撑基板310的基板支撑基座308和一个或多个气体入口(诸如设置在预定位置处的喷头314和/或喷嘴)之间。在一些实施例中，基板支撑基座308可包括在基板支撑基座308(诸如，静电卡盘、真空卡盘、基板保持夹具等(未示出))的表面上保持或支撑基板310的特征。在一些实施例中，基板支撑基座308可包括用于控制基板温度(诸如加热和/或冷却装置，未示出)和/或用于控制邻近基板表面的物种通量和/或离子能量的特征。
基板支撑基座308可包括rf偏压电极340。rf偏压电极340可经由一个或多个相应的波形调节器(示出为第一偏压波形调节器336)而耦接到一个或多个rf偏压功率源(图3中所示的rf功率源338)。处理腔室302可具有由介电材料所制成的天花板342，并且可提供至少部分导电以提供rf电极或分离的rf电极的喷头314。喷头314(或其他rf电极)可经由一个或多个相应的波形调节器(示出为第一源波形调节器346)而耦接到一个或多个rf功率源(示出为rf功率源348)。
基板310可经由在处理腔室302的壁中的开口312而进入处理腔室302。开口312可经由狭缝阀318或其他结构而选择性地密封，以通过开口312而选择性地提供进入到腔室的内部。基板支撑基座308可耦接到升降件334，升降件334可将基板支撑基座308的位置控制在适于经由开口312而传送基板进入和离开腔室的下部位置(如图所示)和适于处理的可选择的上部位置之间。
一个或多个气体入口(如，喷头314)可耦接到气体供应器316，以将一个或多个处理气体通过质流控制器317而提供到处理腔室302的处理容积304中。另外，可提供一个或多个阀319来控制一个或多个处理气体的流动。质流控制器317和一个或多个阀319可单独地使用，或者结合地使用，而以恒定的流速或以脉冲(如上所述)，以预定流速提供处理气体。
尽管在图3中显示了喷头314，但是可提供额外的或替代的气体入口，诸如设置在处理腔室302的天花板中或侧壁上的喷嘴或入口，或在适于向处理腔室302提供气体的其它位置处，诸如处理腔室的基底、基板支撑基座的周边等。
排气系统320通常包括泵集气室324和将泵集气室324耦接到处理腔室302的内部容积(且通常为处理容积304)的一个或多个导管。
真空泵328可经由泵送端口326耦接到泵集气室324，用于经由一个或多个排气端口(示出为两个排气端口322)而抽出来自处理腔室的废气。真空泵328可流体地耦接到排气出口332，用于将废气导向到适当的排气处理设备。阀330(诸如闸阀等)可设置在泵集气室324中，以结合真空泵328的操作来促进控制排气的流量。尽管显示了z运动闸阀，可利用用于控制排气的流动的任何合适、工艺兼容的阀。
为了促进如上所述的处理腔室302的控制，控制器350可以是可用于控制各种腔室和子处理器的工业设置中所使用的任何形式的通用计算机处理器。cpu352的存储器(或计算机可读介质)356可以是容易获得的存储器(诸如，本地或远程的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、软盘、硬盘、或任何其他形式的数字存储器)的一个或多个。支持电路354耦接到cpu352，用于以传统方式支持处理器。这些电路包括快取、功率供应器、时钟电路、输入/输出电路和子系统等。
本文所公开的创新方法通常可作为软件例程358存储在存储器356中，当软件例程358由cpu352执行时，使得处理腔室302执行本公开的工艺。软件例程358也可由位于远离由cpu352所控制的硬件的第二cpu(未示出)来存储和/或执行。本公开的一些或所有方法也可以硬件来执行。因此，本公开可以软件实现且通过使用计算机系统、以如例如应用专用的集成电路或其他类型的硬件实现的硬件，或如软件和硬件的结合来执行。软件例程358可在基板310定位于基板支撑基座308上之后执行。当软件例程358由cpu352执行时，软件例程358将通用计算机转换为专用计算机，其中控制器350控制腔室操作，使得本文所公开的方法被执行。
虽然前述内容涉及本公开的实施例，但是本公开的其它和进一步的实施例可被设计而不背离本公开的基本范围。
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