CN112151385A - 一种用于调整finfet器件的鳍高的gcib刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于调节finFET器件翅片高度的气体簇离子束蚀刻方法，衬底具有完全覆盖所述鳍结构并在所述鳍结构的每个鳍之间的区域的鳍结构和空隙填充材料层，其中每个鳍包括形成于finFET器件上表面的帽层；刨平所述空隙填充材料层，直至所述帽层暴露于所述鳍结构的至少一个鳍上；为所述鳍结构设置目标鳍高度，所述鳍高度从所述帽层和所述鳍结构之间的接口测量；根据实现大于1.5的蚀刻选择性的工艺条件，由蚀刻工艺组合物建立GCIB，所述蚀刻选择性定义为所述间隙填充材料层的蚀刻速率与所述覆帽层的蚀刻速率之间的比率；将所述衬底暴露于所述GCIB，并使所述间隙填充材料层相对于所述帽帽层凹进，直到达到所述目标鳍片高度。

Description

一种用于调整FINFET器件的鳍高的GCIB刻蚀方法
技术领域
本发明涉及气体团簇离子束(GCIB)处理。
背景技术
通常，在集成电路(IC)的制造期间，半导体生产设备利用(干式)等离子体蚀刻工艺来沿着细线或在半导体衬底上构图的通孔或触点内去除或蚀刻材料。等离子体刻蚀工艺的成功需要刻蚀化学包括适合于选择性刻蚀一种材料同时以实质上更低的速率刻蚀另一种材料的化学反应物。此外，等离子体蚀刻工艺的成功需要在将蚀刻工艺均匀地施加到衬底上的同时实现可接受的轮廓控制。
在目前的集成电路器件中，含硅和含锗材料是半导体加工的支柱。然而，更多的外来材料也被引入到半导体加工中，以改善IC器件的各种电性能。例如，在线端(FEOL)半导体处理中，高介电常数 (high介电常数)材料是用于晶体管栅介质的理想材料。用于这一作用的初步高钾材料是钽氧化物和氧化铝材料。目前，铪基介质和可能的镧基介质有望作为栅极介质进入生产。此外，在FEOL半导体加工中，含金属材料是未来电子设备中作为晶体管栅电极的理想材料。目前，含有Ti、Ta和/或Al的金属电极(如TiN、TaN、Al2O3和TiAl)有望作为金属电极投入生产。当然，将新材料引入半导体加工不仅限于FEOL操作，而且是生产线后端(BEOL)操作的金属化过程的趋势。在先进的存储器件中，使用和引入了新的和外来的材料，包括Fe、Co、Ni及其合金，以及贵金属。
随着电子设备加工中现有材料和新材料的出现，在保持原有层和/或结构完整性的同时蚀刻这些现有材料和新材料的能力面临着巨大的挑战。传统的蚀刻工艺可能无法实现这些材料的实际蚀刻率或相对于底层或上覆材料的可接受的蚀刻选择性。此外，传统的蚀刻工艺可能不能达到可接受的剖面控制，这是均匀地应用于整个衬底。
发明内容
本发明的实施例涉及GCIB处理。具体地说，本发明实施例涉及GCIB蚀刻处理。此外，本发明实施例涉及各种材料的GCIB蚀刻处理，以实现目标蚀刻工艺指标。此外，本发明的实施例涉及GCIB 蚀刻处理，该处理适用于处理三维(3D)或非平面栅结构，例如finFET(鳍式场效应晶体管)。
本发明的技术方案是，一种用于调节finFET器件翅片高度的气体簇离子束(GCIB)蚀刻方法，包括：提供一种衬底，该衬底具有完全覆盖所述鳍结构并在所述鳍结构的每个鳍之间的区域的鳍结构和空隙填充材料层，其中每个鳍包括形成于finFET器件上表面的帽层；刨平所述空隙填充材料层，直至所述帽层暴露于所述鳍结构的至少一个鳍上；为所述鳍结构设置目标鳍高度，所述鳍高度从所述帽层和所述鳍结构之间的接口测量；根据实现大于1.5的蚀刻选择性的工艺条件，由蚀刻工艺组合物建立GCIB，所述蚀刻选择性定义为所述间隙填充材料层的蚀刻速率与所述覆帽层的蚀刻速率之间的比率；将所述衬底暴露于所述GCIB，并使所述间隙填充材料层相对于所述帽帽层凹进，直到达到所述目标鳍片高度；尤其是，所述蚀刻选择性尤其大于或等于2。
其中所述工艺组合包括一种或多种加压气体，其中包含一种含卤素气体、卤化甲烷或卤化硅烷，或两种或以上卤化硅的组合；或包含CHF3，或SiF4或两者；或包括稀有气体元素或N2或两者。
其中，所述一种或多种加压气体进一步包含一种或多种选自B，C，H，Si，Ge，N，P，As，O， S，F，Cl，和Br。
所述的方法，其中，通过执行以下步骤来实现所述建立所述GCIB并将所述衬底暴露于所述GCIB 的步骤：在用于保持所述衬底的衬底保持器周围保持减压环境；
在所述减压环境中牢固地保持所述衬底；由加压气体混合物形成所述GCIB，所述加压气体混合物包含由卤素元素和一种或多种选自Si和Ge的元素组成的蚀刻化合物；加速所述GCIB；
将至少一部分所述GCIB照射到所述衬底的至少一部分上。
选择一个或多个目标蚀刻工艺量度，所述目标蚀刻工艺量度包括所述间隙填充材料层的蚀刻速率，所述覆帽层的蚀刻速率，所述间隙填充材料层与所述覆帽层之间的蚀刻选择性，所述间隙填充材料的表面粗糙度，所述帽层的表面粗糙度和所述鳍片结构的轮廓；为所述GCIB设置GCIB工艺条件的一种或多种GCIB特性，以实现所述一种或多种目标蚀刻工艺指标。
为所述GCIB蚀刻工艺选择目标蚀刻工艺度量，所述目标蚀刻工艺度量包括所述间隙填充材料层和所述帽层之间的蚀刻选择性以及表面中的至少一个所述间隙填充材料层的粗糙度和所述覆帽层的表面粗糙度；建立包括用于所述GCIB蚀刻工艺的GCIB特性的GCIB工艺条件，以实现所述目标蚀刻工艺指标，所述工艺条件包括设置工艺成分，以及设置所述GCIB成分中至少一种成分的流速，电子束加速电势，所述GCIB通过的压力增加区域的背景气体压力或背景气体流速中的至少一个。所述 GCIB组合物包括第一蚀刻化合物和第二蚀刻化合物。所述第一蚀刻化合物和所述第二蚀刻化合物在所述辐照期间连续地输入至所述GCIB。
GCIB过程条件进一步包括束剂量束聚焦势，束能量，束能量分布，束角分布，束发散角，或停滞压力。所述第一蚀刻化合物和所述第二蚀刻化合物在所述辐照期间交替和顺序地介绍给所述GCIB。所述的方法，还包括：向所述GCIB中引入添加气体以改变所述GCIB的组成并达到所述一个或多个目标蚀刻工艺指标其中，所述间隙填充材料层和所述覆帽层的所述目标表面粗糙度小于或等于5埃。
有益效果：本发明描述了一种用于调节finFET器件中的鳍高度的气体团簇离子束(GCIB)蚀刻方法。该方法包括提供具有鳍结构和完全覆盖鳍结构并填充鳍结构的每个鳍之间的区域的间隙填充材料层的衬底，其中每个鳍包括形成在其顶表面上的帽层；平坦化间隙填充材料层，直到覆帽层暴露在鳍结构的至少一个鳍上；设置鳍结构的目标鳍高度，该鳍高度从帽层和鳍结构之间的界面测量。根据实现大于1.5的蚀刻选择性的工艺条件，由蚀刻工艺组合物建立GCIB，该蚀刻选择性定义为间隙填充材料层的蚀刻速率与覆帽层的蚀刻速率之间的比率。将衬底暴露于GCIB，并使间隙填充材料层相对于帽层凹进，直到基本达到目标鳍片高度。
附图说明
图1是示出根据实施例蚀刻衬底的方法的流程图；
图2A到2C在原理图中说明了根据其他实施例蚀刻a基片的方法；
图3A提供了用于GCIB的光束能量分布函数的示意图；
图3B提供了用于GCIB的光束角分布函数的示意图；
图4A到4L图形地描述用于在衬底上蚀刻材料的示例性数据；
图5是GCIB处理系统的图示；
图6是GCIB处理系统的另一个示意图；
图7是GCIB处理系统的另一个示意图；
图8是用于GCIB处理系统的电离源的图示；
图9是用于GCIB处理系统的另一电离源的图示；
图10A-10C提供了一种鳍片结构的示意图和根据实施例对其进行蚀刻的方法。
具体实施方式
根据各种实施例，描述了在衬底上蚀刻材料的方法，如含硅材料、含锗材料、含金属材料、半导体材料和/或硫系化合物材料。图1提供了流程图1，说明了根据实施例在衬底上蚀刻各种材料的方法。此外，蚀刻a衬底的示例方法如图2A和2B所示。流程图1所示的方法开始于10，在衬底保持器周围保持减压环境，以保持具有第一材料，第二材料以及暴露第一材料和第二材料的表面的衬底11、维持衬底支架周围的减压环境以保持衬底22、由包含至少一种蚀刻剂的加压气体行程气体团簇离子束 (GCIB)13。GCIB处理系统可包括以下图5、6或7中所述的GCIB处理系统(100、100'或100")中的任何一个，或其任何组合。
如图2A所示，可以使用GCIB 25蚀刻覆盖至少一部分衬底22、20的材料层24。例如，所述第一材料可以包括材料层24，所述第二材料可以包括衬底22。暴露第一材料和/或第二材料的表面可以包括在蚀刻材料层24期间材料层24的上表面，或者在蚀刻通过材料层24进行时材料层24和衬底 22之间的界面。
如图2B所示，可使用GCIB 25'蚀刻覆盖至少一部分20'衬底22的材料层24'，以将掩模层26中形成的第一图案27转移到材料层24'，在其中产生第二图案28。例如，第一材料可以包括掩模层26，第二材料可以包括材料层24'。暴露第一材料或第二材料的表面可以包括掩模层26的暴露表面和材料层24'的暴露表面。
如图2B所示，在材料层24'上或上面制备具有其中形成的第一图案27的掩模层26。所述掩模层 26可由向基底2220涂覆一层辐射敏感材料(如光抗蚀剂)而形成。例如，光阻剂可使用旋涂覆技术应用于衬底，如那些由轨道系统推动的工艺。例如，将所述光阻剂层暴露于使用25光刻系统的图像图案上，然后在显影方案中发展所述图像图案，从而在所述光阻剂层中形成图案。
所述光阻层可以包括248纳米阻、193纳米阻、157纳米阻或EUV(极紫外)阻。该光阻剂层可以使用轨道系统形成。例如，轨道系统可以包括符合ACT 8、ACT 12的清洁轨道，电磁(EM)辐射图样的曝光可以在干燥或潮湿的光刻系统中进行。可以使用任何合适的常规步进光刻系统或扫描光刻系统形成图像图案。该光刻系统可以从ASML荷或佳能美国公司半导体公司购买。
开发过程可以包括在开发的系统(如跟踪系统)中向开发的解决方案暴露基底。轨道系统可以包括符合ACT 8、ACT 12的清洁轨道，或者东京电子有限公司(TEL)提供的市售锂耐蚀涂层和开发系统。
该光阻层可以使用湿剥离工艺、干等离子灰化工艺或干非等离子灰化工艺去除。
所述掩模层26可以包括多层，其中所述掩模层26中形成的第一图案27可以使用湿处理技术、干处理技术或两种技术的组合创建。具有单层或多层的掩模层26的形成可被精通平版印刷和图案蚀刻技术的人理解。一旦在掩码层26中形成第一图案27，可将掩码层26用于图案的下层。
如图2C所示，可以使用GCIB 25“蚀刻覆盖至少一部分20”衬底22的第一材料层24”和第二材料层24”，例如，平展第一材料层24”和第二材料层24”。例如，第一材料可以包括第一材料层24"，第二材料可以包括第二材料层24"。暴露第一材料和/或第二材料的表面可包括第一材料层24"的暴露表面和第二材料层24"的暴露表面。
该方法在11与保持衬底22安全的GCIB处理系统的减压环境11。衬底22的温度可以控制，也可以不控制。例如，衬底22可以在GCIB处理过程中加热或冷却。此外，所述衬底22可包括导电材料、半导体材料或介电材料，或两种或两种以上材料的任何组合。例如，所述衬底22可以包括半导体材料，如硅、绝缘体上硅(SOI)、锗或其组合。此外，衬底22可以包括晶体硅。
衬底22可以包括衬底22的部分(20,20'，20")上的第一和/或第二材料层(24,24'，24"，24"，26)。第一和/或第二材料层(24，24'，24"，24"'，26)可包括含硅材料和/或含锗材料。含硅材料可以包括硅和从O、N、C和Ge组成的组中选择的至少一种元素。所述含锗材料可包括Ge和从由O、N、C和 Si组成的组中选择的至少一种元素。
第一和第二材料层(24，24'，24"，24"'，26)可包括硅、掺杂硅、未掺杂硅、非晶硅、单晶硅、多晶硅、氧化硅(SiOx，其中x>0；例如，SiO2)、氮化硅(SiNy，其中y>0；例如，SiNu3或Si3N4)、碳化硅(SiC2，其中z>0)、氮氧硅(SiOxNy，其中x,y>0)、碳化硅(SiOxCy，其中x,y>0)、碳氮化硅(SiCxNy，其中x是Si的原子分数，1-x是Ge的原子分数，0<1-x上面列出的任何一个材料的掺杂或充满从组中选择一个元素组成的B,C,H,N,P,Sb,O,S,Se,Te,F,Cl,Br,进一步和我,任何一个上面列出的材料可能会掺杂或充满金属,碱金属、碱土金属、稀土金属、过渡金属或后过渡金属。此外，上面列出的任何一种材料都可能处于非晶态或结晶态。
第一和第二材料层(24，24'，24"，24"'，26)可包括含金属材料。所述含金属材料可以包括碱金属、碱土金属、过渡金属、过渡后金属、贵金属或稀土金属。含金属材料可以从Sc、Y、Zr、Hf、Nb、 Ta、V、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Ru、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、B、Al、Ga、In、Sn组成的基团中选择过渡或过渡后金属。所述含金属材料可以包括金属、金属合金、金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、金属硅化物、金属锗化物、金属硫化物等。
第一和第二材料层(24，24'，24"，24"'，26)还可包括半导体材料。半导体材料可以包含化合物半导体-油墨辊,如III-V化合物(如砷化镓、氮化镓,差距,艾娜,客栈,可使,等等),II-V化合物(例如,Cd3 P2, 等等),或者一个族化合物化合物(如氧化锌、奈米,硫化锌,等等)(第六组II,III,V,引用经典的或旧的 IUPAC符号在65元素周期表；根据修改后的或新的IUPAC符号，这些组将分别指第2、13、15、16 组)。物质层(24,24’)也可包括硫族化合物(例如，硫化物、硒化物、碲化物)。
第一和第二材料层(24，24'，24"，24"'，26)可包括光阻剂(抗反射涂层(ARC)层、有机平面化层(OPL) 或有机介电层(ODL)，或两者或两者以上的组合。例如，上述抗蚀剂材料之一)、软掩模层、硬掩模层、抗反射涂层(ARC)层、有机平面化层(OPL)或有机介电层(ODL)，或两者或两者以上的组合。
在一个示例中，所述第一材料包括光阻剂，所述第二材料包括含硅材料、含锗材料、含金属材料、半导体材料或硫系化合物材料。在另一个示例中，第一材料包括硅，而第二材料包括含有硅的材料，具有硅和从由O、N、C和Ge组成的组中选择的一种或多种元素。硅可以包括掺杂硅、未掺杂硅、p 掺杂硅、n掺杂硅、结晶硅、非晶硅、单晶硅、多晶硅等。在另一示例中，所述第一材料包括含硅材料，所述第二材料包括含锗材料。或者，第一材料包括含硅材料，而第二材料包括含金属材料。
在12中，一个或多个目标蚀刻过程指标被选择。如上所述,在下面更详细地讨论,目标蚀刻过程指标包括第一材料的腐蚀速率,腐蚀率的第二材料的刻蚀选择性之间的第一材料和第二材料,第一材料的表面粗糙度,表面粗糙度的第二个材料,一个蚀刻的第一材料,和一个第二材料腐蚀的状况。
在13中，气体簇离子束(GCIB)由包含至少一种蚀刻气体的加压气体混合物形成。所述至少一种蚀刻气体可包括卤素元素。至少一个蚀刻气体可能包括卤素元素和一个或多个元素从群体中选择组成的C、H、N,S。至少有一个蚀刻气体可包括一个卤素元素开始的,并选择一个或多个元素组成的集团。
至少一种腐蚀气体可能包括F2、Cl2、Br2、NF3或SF6。此外，至少一种蚀刻气体可能包括卤化物，如HF、HCl、HBr或HI。另外，至少一种蚀刻气体可以包括卤代硅烷或卤代锗烷，例如单取代的卤代硅烷或卤代金刚烷(SiH3F，GeH3F等)，二取代的卤代硅烷或卤代金刚烷(SiH2F2，GeH2F等)。)，三取代的卤代硅烷或卤代金刚烷(SiHF3，GeHF3等)或四取代的卤代硅烷或卤代金刚烷(SiF4，GeF4， SiCl4，GeCl4，SiBr4或GeBr4)。此外，至少一种蚀刻气体可以包括卤代甲烷，诸如单取代的卤代甲烷 (例如，CH3F，CH3Cl，CH3Br，CH3I)，双取代的卤代甲烷(CH2F，CH2ClF，CH2BrF，CH2F1， CH2Cl2，CH2BrCl，CH2Cl1，CH2Br2，CH2BrI，CH2I2)，三取代卤代甲烷(例如CHF3，CHClF2，CHBrF2， CHF2I，CHCl2F，CHBrClF，CHClFI，CHBr2F，CHBrFI，CHFI2，CHCl2，CHCl2，CHBr2Cl，CHBrCII， CHCl2，CHBr3，CHBr2I，CHBrI2，CHI3)或四取代的卤代甲烷(例如CF4，CClI3，CBrF3，CF3I， CCl2F2，CBrClF2，CClF2I，CBr2F2，CBrF2I，CF2I2，CCl3F，CBrCl2F，CCl2FI，CBr2ClF，CBrClFI， CClFI2，CBr3F，CBr2FI，CBrFI2，CFI3，CCl4，CBrCl3，CCl3I，CBr2Cl2，CBrCl2I，CCl2I2，CBr3Cl， CBr2CII，CBrCII2，CCII3，CBr4，CBr3I，CBr2I2，CBrI3，Cl4)。
要形成GCIB，蚀刻气体的组成部分应选择在相对较高的压力(一个大气压或更高的压力)下单独存在或与载气(惰性气体元素或氮气)结合存在的气态。
在一个实施例中，当蚀刻含硅和含锗材料时，至少一种蚀刻气体包括从由F、Cl和Br组成的基团中选择的卤素元素。所述至少一种蚀刻气体可进一步包括Si、Ge、N、S、C或H，或C和H两者。所述至少一种蚀刻气体可包括卤化物、卤化硅烷、卤化锗或卤化甲烷。此外，至少一种蚀刻气体可能包括SiF4、CHF3、SF6、NF3、F2、Cl2、Br2、HF、HCl、HBr、CClF3、CBrF3、CHClF2或C2ClF5，或两者或两者以上的任何组合。
在另一实施例中，当蚀刻含硅或含锗材料时，所述至少一种蚀刻气体包括两种不同的卤素元素。可能从群体中选择第一个卤素元素组成的Cl和Br,第二个卤素元素可能包括F。至少一个蚀刻气体可能会进一步包括C,H,或两个C和H。至少一个蚀刻气体可能包括一个卤代甲烷。此外，至少一种蚀刻气体可包括ClF3、CBrF3、CHClF2或C2ClF5，或其中两种或两种以上的任何组合。
在另一实施例中，当蚀刻具有Si和一种或多种选自由O，C，N和Ge组成的组的元素的含Si材料时，至少一种蚀刻气体包括卤素元素和一种或多种选自以下的元素：蚀刻气体可以包括卤代硅烷或卤代甲烷。例如，Si，Ge，N，S，C和H。另外，蚀刻气体可以包括SiF4，CH3F，CH3Cl，CH3Br， CHF3，CHClF2，CHBrF2，CH2F2，CH2ClF，CH2BrF，CHCl2F，CHBr2F，CHCl3，CHBrCl2，CHBr2Cl 或CHBr3，两种或多种的任意组合。
在另一实施例中，当蚀刻含金属的材料时，蚀刻气体包括选自F，Cl和Br的卤素元素。蚀刻气体可进一步包括Si，Ge，N，S，C或H，或C和H两者。例如，蚀刻气体可包括卤化物，卤硅烷，卤代金刚烷或卤甲烷。另外，蚀刻气体可以包括SF6，NF3，F2，Cl2，Br2，HF，HCl，HBr，CClF3， CBrF3，CHClF2或C2ClF5，或其两种或更多种的任意组合。
在另一实施例中，当蚀刻含金属的材料时，蚀刻气体包括两种不同的卤素元素。第一卤素元素可以选自Cl和Br，第二卤素元素可以包括F。蚀刻气体还可以包括C、H或同时包括C和H。例如，蚀刻气体可以包括卤代甲烷。此外，蚀刻气体可能包括CClF3,CBrF3,CHClF2，或C2ClF5，或任何两个或两个以上的联合。
在另一个实施例中，当蚀刻硫系化物材料时，蚀刻气体包括卤素元素。例如，蚀刻气体可能包括卤化物、卤化硅烷、光晕锗或卤化甲烷。此外，例如，蚀刻气体可能包括F2、Cl2、Br2、HF、HCl、 HBr、NF3、SF6、SiF4、CH3F、CH3Cl、CH3Br、CHF3、CHClF2、CHBrF2、CH2BrF、CHCl2F、CHBr2F、 CHCl3、CHBrCl2、CHBr2Cl、CHBr3或两者或两者以上的任何组合。
所述至少一种腐蚀气体可包括第一腐蚀气体和第二腐蚀气体。在一个实施例中，第一腐蚀气体包含Cl或Br，第二腐蚀气体包含F。第一腐蚀气体可以包含Cl2，第二腐蚀气体可以包含NF3。在另一个实施例中，第一腐蚀气体包含卤化物或卤化物，第二腐蚀气体包含F、Cl或Br。在另一个实施例中，第一腐蚀气体包含C、H和卤素元素，第二腐蚀气体包含F、Cl或Br。例如，第一腐蚀气体可能包含CHF3、CHCl3或CHBr3，第二腐蚀气体可能包含SiF4、SF6、NF3或Cl2。第一腐蚀气体和第二腐蚀气体可连续引入GCIB。可交替地、顺序地将第一腐蚀气体和第二腐蚀气体引入GCIB。
所述加压气体混合物还可包括含有卤素元素的化合物；含F和C的化合物；含氢和C的化合物；含碳、氢和氟的化合物；含Si和F的化合物；含有Ge和F的化合物；或两者或两者以上的任何组合。此外，所述加压气体混合物还可包括含氯化合物、含氟化合物或含溴化合物。所述加压气体混合物还可进一步包括从S、N、Si、Ge、C、F、H、Cl和Br组成的组分中选择一种或多种元素的化合物。此外，所述加压气体混合物还可以进一步包括含硅化合物、含锗化合物、含氮化合物、含氧化合物或含碳化合物，或两种或两种以上化合物的任何组合。此外，加压气体混合物还可进一步包括从B、C、H、 Si、Ge、N、P、As、O、S、F、Cl和Br中选择的一种或多种元素。此外，加压气体混合物可能还包括He、Ne、Ar、Kr、Xe、O2、CO、CO2、N2、NO、NO2、N2O、NH3、F2、HF、SF6或NF3，或两者或两者以上的任何组合。甚至，该GCIB可由包括至少一种掺杂剂或用于沉积或生长薄膜的成膜组分的加压气体混合物或两种或两种以上的任何组合产生。
在另一个实施例中，GCIB可由依次使用包含蚀刻气体的第一加压气体混合物和包含成膜气体的第二加压气体混合物来产生。在其他实施例中，可以在蚀刻期间调整GCIB的组合物或滞止压力。
在14中，为GCIB设置GCIB过程条件的一个或多个GCIB属性，以实现一个或多个目标蚀刻过程指标。为了实现上述目标蚀刻工艺指标，如蚀刻速率、蚀刻选择性、表面粗糙度控制、轮廓控制等， GCIB可通过以下操作生成:选择一束加速电位、一束或多束聚焦电位和一束剂量；根据光束加速度势对 GCIB进行加速；根据一个或多个束聚焦势使GCIB聚焦；以及根据所述束剂量将所述加速GCIB辐照到所述衬底的至少一部分。除了这些GCIB属性，光束能量、光束能量分布，光束角分布，光束发散角，滞止压力、临界温度、质量流量,集群规模、集群大小分布，光束大小，一束组成,束电极电位或气体喷嘴设计(如喷嘴喉部直径、喷嘴长度、和/或喷嘴发散部分半张角)可能被选中。以上提到的任何一个或多个GCIB属性都可以被选择来实现对目标蚀刻过程指标的控制。上述的任何一个或多个GCIB属性都可以修改，以实现对目标蚀刻过程指标的控制，如上面提到的那些指标。
在图3A中，图示了GCIB的光束能量分布函数的示意图。图3A图示了几种束能分布(30A,30B, 30C,30D)，其中沿35方向的分布，峰值束能减小，能量分布变宽。
通过使各自的GCIB沿GCIB路径通过增加的压力区域，使至少一部分GCIB穿过增加的压力区域，可以修改该GCIB的束流能量分布函数。对束能量分布的改变程度可以通过沿GCIB路径至少一部分的压力-距离(d)积分来表征。当压力-距离积分的值增加(通过增加压力和/或路径长度(d))，束的能量分布变宽，峰值能量减小。当压力-距离积分值减小(通过减小压力和/或路径长度(d))时，束能量分布变窄，峰值能量增加。例如可以通过扩大光束的能量分布来增加光束的散度，也可以通过缩小光束的能量分布来减小光束的散度。
沿GCIB路径的至少一部分的压力-距离积分可等于或大于约0.0001torr-cm。或者，沿GCIB路径的至少一部分的压力-距离积分可等于或大于约0.001torr-cm。沿着GCIB路径的至少一部分的压力 -距离积分可以等于或大于大约0.01torr-cm。沿GCIB路径的至少一部分的压力-距离积分范围可为 0.0001torr-cm到0.01torr-cm。另一个例子是，沿GCIB路径的至少一部分的压力-距离积分范围为0.001 torr-cm到0.01torr-cm。或者，可以通过修改或改变各自的GCIB的电荷状态来修改该GCIB的束能量分布函数。如可以通过调整在气体簇的电子碰撞诱导电离中使用的电子的电子通量、电子能量或电子能量分布来改变电荷态。
在图3B中，图示了GCIB的光束角分布函数的示意图。例如，图3B图示了第一束角分布函数 40，其特征是在入射方向45(即入射方向)有第一峰值42。，相对角度为0度)和第一宽度44(例如，半最大值处的全宽度(半宽宽))。此外，图3B示出了在入射45方向上的第二束角分布函数40'，其特征是第二峰42'，相对角度为0°)和第二宽度44′(半最大时的全宽(半宽))。第一束角分布函数40表示较窄的分布(即光束发散角较窄)，第二束角分布函数40’表示较宽的分布(即光束发散角较宽)。因此，可以通过改变光束角分布函数(如改变第一个光束角分布函数40和第二个光束角分布函数40'之间的角分布)来调整GCIB相对于衬底法向入射的方向。可以使用上述用于修改光束能量分布函数的技术来修改光束角分布函数或光束发散角。
在一个实施例中，一个或多个GCIB属性GCIB过程的条件可能包括GCIB组成、剂量,束束加速的潜力，一束聚焦的潜力，光束能量、光束能量分布，光束角分布，光束发散角，说GCIB组成的流量，滞止压力，一个临界温度，背景气体压力增加压力区域说GCIB走过的或该GCIB通过的压力增加区域的背景气体流量(例如p单元值，将在下面详细讨论)。
在另一个实施例中，一个或多个GCIB属性的设置来实现一个或多个目标蚀刻过程指标可能包括设置一个GCIB组成,一束加速的潜力,GCIB组成的流量,和背景气体流量增加压力区域通过GCIB通过实现两个或两个以上的目标第一材料腐蚀速率或第二个材料,第一材料和第二材料之间的目标蚀刻选择性，以及第一材料或第二材料的目标表面粗糙度。
如下所示，可以调整一个或多个GCIB属性，将第一种和第二种材料之间的目标蚀刻选择性改变为小于统一、基本接近统一和高于统一的值。如下所示，可以调整一个或多个GCIB属性，将第一种材料或第二种材料的目标表面粗糙度调整为小于或等于5埃的值。可以调整一种或多种GCIB性能，以达到第一或第二材料的相对较高的腐蚀速率条件，或第一或第二材料的相对较低的腐蚀速率条件。
在15中，GCIB通过减压环境根据光束加速度势向衬底22加速。对于GCIB，束加速势可达100 kV，束能量可达100keV，束大小可达数万个原子，束剂量可达每平方厘米1x1017簇。例如，GCIB 的束流加速度电势可从约1kv到约70kv(即假设平均簇电荷状态为一单位，则束能范围在1kev到70kev 之间)。GCIB的束剂量可以从大约每平方厘米1x1012簇到大约每平方厘米1x1014簇。
建立每原子能量比为0.25到100电子伏特的GCIB。可以建立具有每原子约0.25伏特到10伏特之间的每原子能量比率的GCIB。或者，GCIB的每原子能量比率可以从每原子1eV到10eV不等。
具有期望原子能量比的GCIB的建立可包括选择束加速势、形成GCIB的停滞压力或气体流量，或其任何组合。束流加速势可用来增加或减少束流能量或每簇离子的能量。例如，束流加速势的增加会导致束流最大能量的增加，因此，对于给定的簇大小，每个原子的能量比也会增加。此外，滞止压力可用于增加或减少给定簇的簇大小。GCIB形成过程中驻点压力的增加导致了团簇大小的增加(即每簇原子的数目)，因此，在给定的束加速势下，每原子的能量比率降低。
此处，束剂量以单位面积的簇数为单位。然而，束剂量也可以包括束电流或时间(GCIB停留时间)。例如，可以测量光束电流并保持恒定，而改变时间以改变光束剂量。每单位面积上簇击在衬底表面的速率(如单位时间内单位面积内的簇数)可以保持不变，而改变时间以改变束剂量。
在16中，该GCIB被辐照到衬底22表面的至少一部分上，以在衬底22上蚀刻所述第一材料中的至少一个和所述第二材料中的至少一个。图1中描述的方法可以进一步包括改变一个或多个目标蚀刻过程度量来创建一个或多个新的目标蚀刻过程度量,并设置一个或多个额外的附加GCIB属性GCIB GCIB过程条件来实现一个或多个新的目标蚀刻过程指标。
根据另一个实施例，除了用GCIB照射衬底22之外，另一个GCIB可以用于额外的控制和/或功能。另一GCIB(如第二GCIB)对底物的照射可在GCIB使用之前、期间或之后进行。例如，另一种GCIB可用于掺杂部分底物22的杂质。另一种GCIB可用于修饰衬底的一部分22以改变衬底22的性质。另一种GCIB可用于蚀刻衬底的一部分22以从衬底22去除额外的材料。另一种GCIB可用于清洗衬底的一部分22，以从衬底上除去额外的材料或残留物，如含卤素的残留物22。此外，另一种GCIB 可用于在基底的一部分上生长或沉积材料22。掺杂、修饰、蚀刻、清洗、生长或沉积可包括从由He、 Ne、Ar、Xe、Kr B、C、Se、Te、Si、Ge、N、P、As、O、S、F、Cl和Br组成的基团中选择一种或多种元素。
根据另一个实施例，可在GCIB辐照之前或之后清洗受GCIB辐照衬底22的至少一部分(20,20'， 20")。清洗过程可能包括干洗过程和/或湿清洗过程。此外，受GCIB辐照的衬底22的至少一部分(20， 20'，20")可以在受GCIB辐照后退火。
根据另一个实施例，在制备或蚀刻衬底22时，衬底22的任何部分或特征图案28可以进行纠正处理。在校正处理过程中，可以使用与GCIB处理系统耦合的计量系统在现场或非现场采集地铁测量数据。计量系统可包括各种基片诊断系统，包括但不限于光学诊断系统、x射线荧光光谱系统、四点探测系统、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)等。该计量系统还可以包括光学数字轮廓仪(ODP)、散射仪、椭偏仪、反射仪、干涉仪或其中两个或多个的任何组合。
该计量数据可包括参数数据，如与衬底相关的几何、机械、电气和/或光学参数、在衬底上形成的任何层或子层和/或衬底上的任何器件部分。例如，计量数据可以包括上述计量系统可测量的任何参数。计量数据可以包括膜厚度,表面和/或界面粗糙度、表面污染,功能深度、槽深度,通过深度、宽度、功能沟宽度,通过宽度,一个关键维度(CD),一个电阻,或任何组合两个或更多。
测量数据可以在基片上的两个或多个位置进行测量。可以为一个或多个底物获取和收集这些数据。所述一个或多个基片可以包括一盒式基片。所述计量数据在所述一个或多个基片中的至少一个上的两个或多个位置进行测量，并且可以在所述一个或多个基片上的多个位置进行采集。此后，可以使用数据拟合算法将多个基片上的多个位置从被测位置扩展到未被测位置。例如，数据拟合算法可以包括插值(线性或非线性)或外推(线性或非线性)或它们的组合。计量数据可以通过内部网或互联网连接进行交换。计量数据可以通过计算机可读媒体在计量系统和控制器之间通信。
可为衬底的特定位置处理计算校正数据。给定衬底的校正数据包括调制作为衬底上位置函数的GCIB剂量的工艺条件，以实现与输入计量数据相关的参数数据与给定衬底的目标参数数据之间的变化。例如，校正数据或给定衬底可以包括使用GCIB来校正给定衬底参数数据的非均匀性的工艺条件的确定。或者，校正数据或给定的基片可以包括使用GCIB为给定基片创建特定的有意的参数数据非均匀性的确定工艺条件。
使用参数数据和GCIB剂量期望变化之间建立的关系，以及GCIB剂量和具有一组GCIB处理参数的GCIB工艺条件之间建立的关系，控制器确定每个底物的修正数据。例如，可以使用数学算法获取与传入计量数据相关的参数数据，计算传入参数数据和目标参数数据之间的差异，反演GCIB处理模式(即。，并利用参数数据中的变化与GCIB剂量之间的关系，创建一个束剂量轮廓以实现GCIB处理模式。然后，利用光束剂量与GCIB过程条件之间的关系，可以确定GCIB处理参数来影响计算的束剂量等值线。GCIB处理参数可以包括束剂量、束面积、束剖面、束强度、束扫描速率或曝光时间(或束驻留时间)，或其中两种或两种以上的任何组合。
在本实施例中可以成功地使用许多选择数学算法的不同方法。在另一个实施例中，束剂量等值线可以选择性地沉积额外的物质，以实现参数数据中所需的变化。
可用GCIB将校正数据应用于衬底。在校正处理过程中，GCIB可配置为执行至少一种平滑、非晶化、修饰、掺杂、蚀刻、生长或沉积，或两者或两者以上的任何组合。将校正数据应用于衬底可促进衬底缺陷的校正、衬底表面平整度的校正、层厚的校正或层附着力的改善。一旦加工到GCIB规格，衬底均匀性或参数数据分布可以在现场或现场外进行检查，过程可以在适当的情况下完成或细化。
图示4A到4L，用于在衬底上蚀刻材料的示例数据。图4A是二氧化硅(SiO2)标准化蚀刻速率随 12GCIB工艺条件变化的条形图。每个GCIB工艺条件的蚀刻速率用Ar GCIB的蚀刻速率标准化。
如图4A所示，在大范围的GCIB工艺条件下，测定了二氧化硅(SiO2)的蚀刻速率。当GCIB只包含Ar时，如在GCIB工艺条件“A”中，蚀刻速率是由纯物理成分驱动，例如溅射。然而，图4A表明可选择GCIB组成为蚀刻过程提供化学成分，并提高蚀刻速率。通过以40sccm(P-单元值为“40”)的流速(或大约0.005torr-cm的压力-距离积分)引入背景气体，使GCIB通过的压力单元内的压力升高。
如图4B所示，一个柱状图显示了二氧化硅(SiO2)和光阻之间的蚀刻选择性，。蚀刻选择性将二氧化硅(SiO2)的蚀刻速率与光阻(P.R.)的蚀刻速率联系在一起(即E/R SiO2/E/R)。对图4B的检查表明，以CHF4为基础的GCIB组成和以Cl2为基础的GCIB组成提供了超过统一的蚀刻选择性。
图4C是二氧化硅(SiO2)和光阻(P.R.)蚀刻速率随GCIB工艺条件和P-单元值变化的数据图。三种 GCIB蚀刻工艺的GCIB工艺条件中提供了各自GCIB组成中各化学成分的GCIB组成、束加速势(kV) 和流量(sccm)。从图4C可以明显看出，使用三种GCIB工艺条件中的任何一种，二氧化硅和光阻的蚀刻速率都随着P-单元值的增加而降低。
如图4D所示，一个柱状图显示了二氧化硅(SiO2)和光阻之间的蚀刻选择性，作为GCIB工艺条件的函数。蚀刻选择性将二氧化硅(SiO2)的蚀刻速率与光阻(P.R.)的蚀刻速率联系在一起(即E/R SiO2/E/R)。从图4D可以看出：(1)随着p单元值的增加，SiO2与p.r之间的蚀刻选择性增加；(2)在卤代甲烷组分中，随着氧的加入，SiO2和电阻之间的蚀刻选择性略有提高，特别是在较高的p单元值时； (3)CHF4基GCIB组成比Cl2基GCIB组成在SiO2和电阻之间具有较高的蚀刻选择性。
如图4E所示，绘制了二氧化硅(SiO2)中蚀刻表面粗糙度的数据图，作为GCIB工艺条件和P-单元值的函数。表面粗糙度(Ra，单位是埃，A)表示平均粗糙度。粗糙度可以是对界面和/或表面不均匀程度的一种测量。例如，粗糙度的程度，如表面粗糙度，可以在数学上描述为最大粗糙度(Rmax)，平均粗糙度(Ra)(如图4E所示)，或均方根粗糙度(Rq)。由图4E可以看出：(1)SiO2表面的平均粗糙度随P- 单元值的增大而减小；(2)基于CHF3的GCIB组成对SiO2的平均粗糙度略高于基于Cl2的GCIB组成。如图4F所示，柱状图显示了二氧化硅(SiO2)的蚀刻率和二氧化硅60(SiO2)与光阻之间的蚀刻选择性。蚀刻选择性将二氧化硅(SiO2)的蚀刻速率与光阻(P.R.)的蚀刻速率联系在一起(即E/R SiO2/E/R)。一些 GCIB工艺条件被调整以达到相对较低的表面粗糙度(3埃或更小的数量级)。图4F显示了相应的相对蚀刻速率和蚀刻选择性。可见，以CHF4为基础的GCIB组合物具有相对较低的表面粗糙度和较高的蚀刻选择性。
图4G是一个柱状图，显示了在GCIB组成为20％CHF3/He的情况下，相对于多晶硅(Si)，光阻剂(P.R.)、二氧化硅(SiO2)和氮化硅(SiN)的蚀刻选择性。该GCIB工艺条件还包括波束加速电位为60kv 和p单元值为0。随着流速从350似乎增加到550似乎，刻蚀选择性对P.R.、SiO2和SiN相对于Si 的值从高于统一的值衰减到低于统一的值。
图4H是二氧化硅(SiO2)和多晶硅(Si)之间的蚀刻选择性柱状图，该柱状图是GCIB工艺条件对 10％CHF3/He的GCIB组成的函数。如图4H所示，P-单元值的增加增加了SiO2和Si之间的腐蚀选择性，而流速的增加降低了SiO2和Si之间的腐蚀选择性。了几种GCIB工艺条件，以及由此产生的蚀刻选择性(在SiO2和Si之间)和平均粗糙度。通过调整各种GCIB工艺条件，包括GCIB组成、束流加速电位、p单元值和流速，蚀刻选择性可以从大约1到大约12的值变化，而平均粗糙度从大约1A 到大约4A。
图4I是SiO2的蚀刻速率、多晶硅(Si)的蚀刻速率以及SiO2和Si之间的蚀刻选择性的数据图，它是在10％CHF3/O2的GCIB组分中加入He的流量的函数。给出GCIB工艺条件下蚀刻选择性峰值(约 12.2)。当改变He流量时，其余参数在GCIB条件下保持不变。
图4J是一个柱状图，显示了在GCIB组成为10％CClF3/He的情况下，相对于多晶硅(Si)，光刻抗蚀剂(P.R.)、二氧化硅(SiO2和氮化硅(SiN)的蚀刻选择性。该GCIB工艺条件还包括梁加速电位为60 kV和流速为450sccm。随着p单元值从0增加到40，SiO2和SiN相对于Si的蚀刻选择性增加，而 P.R.相对于Si的蚀刻选择性降低。
图4K是相对于多晶硅(Si)的光阻(P.R.)、二氧化硅(SiO2)和氮化硅(SiN)的蚀刻选择性柱状图，它是10％CClF3/He的GCIB组成的束流加速势的函数。GCIB工艺条件进一步包括p单元值为0和流速为450sccm。当光束加速电位由60千伏降至10千伏时，蚀刻的选择性也随之降低，SiO2和SiN相对于Si降低。
在图4L中，图形化地描述了用于蚀刻材料的示例性数据。图4L是三(3)种GCIB蚀刻过程中几种材料的蚀刻速率条形图，包括NiFe、Cu、CoFe、Al、Al2O3、Ru、W、Mo、TaN、Ta、AlN、SiO2、 SiN、Si、SiC、光阻(P.R.)和SiCOH。GCIB程序：(A)Ar；(B)5％NF3/N2；(C)4％Cl2/He。
如图4L所示，与使用F基GCIB相比，使用Cl基GCIB化学时，几种含金属材料(如CoFe、NiFe 和Al)的腐蚀速率往往会提高。此外，当GCIB只包含Ar时，如在GCIB工艺条件“A”中，蚀刻速率是由纯物理成分驱动的，例如溅射。然而，图4L表明，可以选择GCIB组成为刻蚀过程提供化学成分，并提高刻蚀速率。
在一些实施例中，发明者已经考虑在GCIB蚀刻处理过程中使用基于SiF4、NF3和CHF3的蚀刻化学物质。发明者观察到，在某些情况下，NF3和SiF4可用于提高几种材料的腐蚀速率，包括含硅材料。例如，用这些蚀刻剂可以观察到硅和二氧化硅的蚀刻速率增加。例如，在某些条件下，用这些腐蚀剂可以观察到SiN的蚀刻速率增加。然而，SiF4有时可能是首选，因为减少了颗粒污染。SiF4可能在达到蚀刻速率规格和蚀刻选择性要求的同时，产生有关表面粗糙度的有利结果。例如，SiF4可以提高某些材料的腐蚀速率，例如含硅材料，并且相对于使用CHF3作为腐蚀剂降低表面粗糙度，而且， SiF4相对于使用NF3作为腐蚀剂可以减少颗粒污染。
现在参照图5，根据实施例描述了用于处理如上所述衬底的GCIB处理系统100。GCIB加工系统 100包括真空容器102、基片架150(基片架152)和真空抽吸系统170A、170B和170C。衬底152可以是半导体衬底、晶圆片、平板显示器(FPD)、液晶显示器(LCD)或任何其他工件。GCIB处理系统100 被配置用于生产处理基材152的GCIB。
参照图5中的GCIB处理系统100，真空容器102包括三个通讯室，即源室104、电离/加速室106 和提供减压外壳的处理室108。三个腔室分别通过真空抽吸系统170A、170B和170C排至合适的工作压力。在三个通讯室104、106、108中，第一室(源室104)可形成气体团束，第二室(电离/加速室 106)可形成GCIB，其中气体团束被电离和加速。然后，在第三室(加工室108)中，可利用加速GCIB 处理基质152。GCIB处理系统100可包括一个或多个气源，配置为将一种或多种气体或气体混合物引入真空容器102。例如，储存在第一气源111中的第一气体组合物在压力下通过第一气体控制阀113A 进入气体计量阀或阀门113。此外，储存在第二气源112中的第二气体组合物在压力下通过第二气体控制阀113B进入气体计量阀或阀门113。此外，第一气体组合物或第二气体组合物或两者都可包括可冷凝的惰性气体、载气或稀释气体。惰性气体、载气或稀释气体可以包括惰性气体He,Ne,Ar,。
此外，可以单独或结合使用第一气体源111和第二气体源112来产生电离团簇。所述材料组合物可包括所需与所述材料层反应或被引入所述材料层的元素的主要原子或分子种类。
高压可冷凝气体，包括第一气体组合物或第二气体组合物或两者均由气体进气管114引入到停滞室116中，并通过适当形状的喷嘴110喷射到压力低得多的真空中。由于高压的膨胀，可冷凝气体从滞止室116进入源室104的低压区，气速加速到超音速，气簇束118从喷管110发出。
固有的冷却射流作为静态焓交换动能,在喷气扩张的结果,导致部分气体喷射气体凝结,形成集群梁118集群,每个从几美元到几千弱约束组成的原子或分子。分离器120定义下游的出口喷嘴110源室之间的104和电离/加速室106,部分分离气体的气体分子在外围边缘集群梁118,可能没有凝聚成一个集群,从气体分子在118天然气集群的核心梁,形成的集群。在其他原因中，选择部分气体簇束118会导致下游区域的压力降低，因为较高的压力可能是有害的(例如，电离器122和加工室108)。此外，气体分离器120定义了进入电离/加速室106的气体束的初始尺寸。
GCIB处理系统100还可以包括具有一个或多个撇油器开口的多个喷嘴。20094月23日提交的美国专利申请编号2010/0193701Al“多喷嘴气体簇离子束系统”提供了关于多气体簇离子束系统设计的更多细节；20103月26日提交美国专利申请公告No.2010/0193472al，题为“多喷嘴气体簇离子束处理系统及操作方法”；其中的内容在此以完整的引用形式纳入其中。
在源室104中形成气体团束118后，气体团束118中的组成气体团被电离器122电离，形成GCIB 128。电离器122可包括一个电子冲击电离器，该电离器可从一个或多个灯丝124中产生电子，这些灯丝被加速并定向与在电离/加速室106内的气体团束118中的气体团碰撞。在与气体团簇的碰撞碰撞中，具有足够能量的电子从气体团簇中的分子中喷射出电子，产生电离分子。气体团簇的电离可导致大量带电的气体团簇离子，通常具有净正电荷。
如图5所示，利用束电子学130对GCIB 128进行电离、提取、加速和聚焦。电子束130包括灯丝电源136，提供电压VF来加热电离器灯丝124。此外，电子束130包括一组适当偏置的高压电极 126在电离/加速室106，从电离器122中提取簇离子。然后，高压电极126将提取的簇离子加速到所需的能量，并将其聚焦以定义GCIB 128。GCIB 128中簇离子的动能一般在1000电子伏特(1keV)到几十keV之间。例如，GCIB 128可以加速到1到100keV。如图5中所示，光束电子130进一步包括一个阳极提供电压的电源134VA的阳极加速电子发出的离子发生器122、124和导致电子轰击电离剂灯丝气体118天然气集群梁集群,集群产生离子。如图5所示，束流电子学130包括提取电源138，该电源138提供电压VEE对高压电极126中的至少一个进行偏置，以从电离器122的电离区提取离子并形成GCIB 128。例如，萃取电源138向高压电极126的第一电极提供一个电压，该电压小于或等于电离器122的阳极电压。
束流电子学130可以包括一个加速器电源140，提供电压VAcc来偏压一个高压电极126相对于电离器122，从而导致总GCIB加速能量约等于VAcc电子伏特(eV)。例如，加速器电源140向高压电极126的第二电极提供一个电压，该电压小于或等于电离器122的阳极电压和第一电极的提取电压。
此外，束流电子学130可以包括透镜电源142、144，可提供偏压一些高压电极126与电位(例如， V LI和V L2)，以聚焦GCIB 128。例如,镜头电源142可以提供一个第三电极电压的高压电极126小于或等于122离子发生器阳极电压,提取电压的第一电极和第二电极的加速电压,和镜头电源144可以提供一个电压第四电极的高压电极126小于或等于122离子发生器阳极电压,提取电压的第一电极,所述第二电极的加速器电压和所述第三电极的第一透镜电压。
在电离/加速室106的高压电极126下游的一个束流过滤器146可以用来消除单体，或单体和光簇离子从GCIB 128定义一个过滤过程GCIB 128A进入处理室108。在一个实施例中，束滤子146实质上减少了具有100个或更少原子或分子或两者都有的簇的数量。该束滤波器可包括磁体组件，用于施加横跨GCIB 128的磁场以辅助滤波过程。
仍然参照图5，在电离/加速室106中，在GCIB 128的路径上设置了射束门148。梁门148开放状态的GCIB 128是允许通过电离/加速室106处理108定义过程GCIB 128室,和一个封闭的状态中 GCIB 128从108进入处理室被阻塞。控制电缆将控制信号从控制系统190传输到光束门148。控制信号可控制地在148束门之间开关开或关状态。
衬底152可以是晶片或半导体晶片、平板显示器(FPD)、液晶显示器(LCD)或其他要经过GCIB处理的衬底，布置在加工室108中工艺GCIB 128A的路径上。由于大多数应用都是对具有空间均匀结果的大型基底进行处理，因此可以使用扫描系统对过程GCIB 128A进行大范围的均匀扫描，以产生空间均匀的结果。
X扫描致动器160提供基片支架150在x扫描运动方向上的直线运动(进入和离开纸的平面)。Y 扫描致动器162提供衬底支架150沿Y扫描运动164方向的直线运动，通常与X扫描运动正交。X 扫描和Y扫描运动的组合通过处理GCIB 128A以光栅状扫描运动来平移由衬底保持器150保持的衬底152，以引起对衬底表面的均匀(或以其他方式编程的)照射。在图中通过工艺GCIB 128A来处理衬底152。
衬底保持器150相对于工艺GCIB 128A的轴线以一定角度布置衬底152，使得工艺GCIB 128A 相对于衬底152表面具有光束入射角166。光束入射角166可以是90度或其他角度，但是通常是90 度或接近90度。在Y扫描期间，衬底152和衬底支架150分别从所示位置移动到由标记152A和150A 指示的交替位置“A”。注意，在两个位置之间移动时，衬底152通过过程GCIB 128A被扫描，并且在两个极端位置中，衬底152被完全移出过程GCIB 128A的路径(过度扫描)。尽管在图1中未明确示出，如图5所示，在(通常)正交X扫描运动方向(在纸面内外)执行类似的扫描和过扫描。
在工艺GCIB 128A路径上的衬底支架150之外可设置束流传感器180，以便当衬底支架150扫描出工艺GCIB 128A路径时拦截工艺GCIB 128A的样品。束流传感器180通常是一个法拉第杯或类似的东西，除了一个束流进入孔外是封闭的，通常用电绝缘支架182固定在真空容器102的壁上。
参照图5，控制系统190通过电缆连接到X扫描致动器160和Y扫描致动器162，并控制X扫描致动器160和Y扫描致动器162以便将衬底152放入或移出衬底152。处理GCIB 128A并相对于处理GCIB 128A均匀地扫描衬底152，以通过处理GCIB 128A实现对衬底152的期望处理。控制系统 190通过电缆接收由束电流传感器180收集的采样束电流，并因此通过在处理过程中从过程GCIB 128A中移出衬底152来监视GCIB并控制由衬底152接收的GCIB剂量。预定剂量已交付。
在图1所示的实施例中，参照图6，GCIB处理系统100'可以类似于图5的实施例。如图5所示，并且进一步包括X-Y定位台253，该X-Y定位台253可操作以在两个轴上保持和移动衬底252，从而相对于工艺GCIB 128A有效地扫描衬底252。例如，X动作可以包括进出纸平面的运动，Y动作可以包括沿方向264的运动。
GCIB 128A工艺在衬底252的表面上的突出的冲击区域286处以及相对于衬底252的表面以光束入射角266的角度冲击衬底252。通过XY运动，XY定位台253可以定位衬底252的表面的每个部分在过程GCIB 128A的路径中，使得可以使表面的每个区域与投影的冲击区域286重合，以通过过程GCIB 128A进行处理。X-Y控制器262通过电缆将电信号提供给X-Y定位台253，以控制X-轴和 Y-轴方向上的位置和速度。X-Y控制器262通过电缆从控制系统190接收控制信号，并且可由控制系统190操作。XY定位台253根据常规的XY台定位技术通过连续运动或步进运动而移动，以将衬底252的不同区域定位在投射的冲击区域286内。在一个实施例中，XY定位台253可由控制系统190 可编程地操作。以可编程的速度扫描衬底252的任何部分穿过投射的冲击区域286，以通过过程GCIB 128A进行GCIB处理。
定位台253的衬底保持表面254是导电的并且连接到由控制系统190操作的剂量测定处理器。定位台253的电绝缘层255将衬底252和衬底保持表面254与衬底252的基部260隔离。通过撞击过程 GCIB 128A在衬底252中感应的电荷被传导通过衬底252和衬底保持表面254，并且信号通过定位表 253耦合到控制系统190以进行剂量测定。剂量测定法具有用于对GCIB电流进行积分以确定GCIB 处理剂量的积分装置。在某些情况下，可以使用电子的目标中和源(未显示)(有时称为电子溢流) 来中和过程GCIB 128A。在这种情况下，尽管增加了电荷源，但是可以使用法拉第杯(未示出，但是可以类似于图5中的束电流传感器180)来确保准确的剂量测定，原因是典型的法拉第杯仅允许高能正离子进入并被测量。
在操作中，控制系统190向束门148的打开发出信号，以用GCIB 128A照射衬底252。控制系统190监视由衬底252收集的GCIB电流的测量，以便计算由衬底252接收的累积剂量。当由衬底252 接收的剂量达到预定剂量时，控制系统190关闭电子束门148。衬底252的处理完成。基于针对衬底252的给定区域接收的GCIB剂量的测量，控制系统190可以调整扫描速度，以便获得适当的束停留时间以处理衬底252的不同区域。
该过程GCIB 128A可以在固定图案中以恒定速度扫描穿过衬底252的表面；然而，GCIB强度被调制(可以称为z轴调制)以向样品提供一个有意的非均匀剂量。GCIB强度可在GCIB处理系统中通过各种方法中的任何一种调制100'，包括改变来自GCIB源供应的气体流量；通过改变灯丝电压VF或改变阳极电压VA调制电离器122；通过改变镜头电压VLI和/或VL2调制镜头聚焦；或用可变束块、可调快门或可变孔径机械地阻塞GCIB的一部分。调制可以是连续模拟变化，也可以是定时调制开关或门控。
加工室108还可包括现场计量系统。例如，现场计量系统可包括光学诊断系统，该光学诊断系统具有分别配置为用入射光信号284照亮基片252和接收来自基片252的散射光信号288的光发射机 280和光接收机282。所述光学诊断系统包括允许入射光信号284和散射光信号288进出处理室108 的光学窗口。此外，所述光发射机280和所述光接收机282可分别包括发射光学和接收光学。光发射机280接收来自控制系统190的电信号，并对其进行响应和控制。光接收器282将测量信号返回到控制系统190。现场计量系统可以包括任何配置来监控GCIB处理过程的仪器。根据一实施例，原位地铁系统可以构成光学散射测量系统。散射测量系统可以包括散射计，包括光束椭圆度仪和光束反射度仪(反射计)，这些都可以从热波公司提供。
原位计量系统可以包括被配置为测量由GCIB处理系统100'中的处理过程的执行产生的过程性能数据的集成光学数字轮廓仪(iODP)散射测量模块。计量系统可以例如测量或监视由治疗过程产生的计量数据。度量数据例如可以用于确定表征处理过程的过程性能数据，例如过程速率，相对过程速率，特征轮廓角，临界尺寸，特征厚度或深度，特征形状例如，在用于在衬底上定向沉积材料的过程中，过程性能数据可以包括关键尺寸(CD)，例如特征(即通孔，线等)中的顶部，中间或底部CD。特征深度，材料厚度，侧壁角度，侧壁形状，沉积速率，相对沉积速率，其任何参数的空间分布，表征其任何空间分布的均匀性的参数等。通过经由来自控制系统190的控制信号来控制XY定位台253，原位计量系统可以绘制衬底252的一个或多个特性。
在图7所示的实施例中，GCIB处理系统100”可类似于图5的实施例，并进一步包括一个压室350，该压室位于电离/加速室106的出口区域或附近。所述压力箱350包括惰性气源352，配置为向压力箱 350提供背景气体以提升压力箱350内的压力，以及配置为测量压力箱350内的压力传感器354。
压力箱350可以被配置为修改GCIB 128的束能量分布以产生修改的处理GCIB128A'。通过沿 GCIB路径引导GCIB 128穿过压力室350内的增加的压力区域来实现束能量分布的这种改变，使得 GCIB的至少一部分横越增加的压力区域。束能量分布的改变程度可以通过沿着GCIB路径的至少一部分的压力-距离积分来表征，其中距离(或压力箱350的长度)由路径长度(d)表示。当压力-距离积分的值增加时(通过增加压力和/或路径长度(d))，射束能量分布变宽并且峰值能量减小。当压力 -距离积分的值减小时(通过减小压力和/或路径长度(d))，射束能量分布变窄并且峰值能量增大。压力传感器设计的更多细节可以从美国专利No.第7,060,989号美国专利，标题为“利用气体簇离子束改进处理的方法和装置”；其内容通过引用整体并入本文。
控制系统190包括微处理器，存储器和数字I/O端口，所述数字I/O端口能够产生足以传递和激活对GCIB处理系统100(或100'，100”)的输入的控制电压，以及监视来自GCIB处理系统的输出。100(或100'，100“)。此外，控制系统190可以与真空泵系统170A，170B和170C，第一气体源111，第二气体源112，第一气体控制阀113A，第二气体控制阀113B，电子束130，光束滤波器 146，光束门148，X扫描致动器160，Y扫描致动器162和束电流传感器180。例如，存储在存储器中的程序可用于激活对GCIB前述组件的输入处理系统100根据处理配方以在衬底152上执行GCIB 处理。控制系统190可以被实现为通用计算机系统，其响应于处理器执行存储器中包含的一个或多个指令的一个或多个序列来执行本发明的基于微处理器的处理步骤的一部分或全部。控制系统190可以相对于GCIB处理系统100(或100'，100”)位于本地，或者它可以相对于GCIB处理系统100(或 100'，100”)位于远程。例如，控制系统190可以使用直接连接，内联网和/或因特网与GCIB处理系统100交换数据。控制系统190可以耦合到例如客户现场(即，设备制造商等)的内联网。
衬底152(或252)可以通过夹紧系统(图中未显示)固定在衬底固定器150(或衬底固定器250)上，例如机械夹紧系统或电气夹紧系统(如静电夹紧系统)。此外，衬底固定器150(或250)可包括加热系统或冷却系统(未显示)，该系统配置用于调节和/或控制衬底固定器150(或250)和衬底152(或252)的温度。
真空泵系统170A，170B和170C可以包括涡轮分子真空泵(TMP)，其能够以高达每秒约5000 升(或更高)的速度泵送速度，以及一个用于节流腔室压力的闸阀。在常规的真空处理设备中，可以采用每秒1000至3000升的TMP。TMP可用于低压工艺，通常小于约50mTorr。压力传感器腔室 350也可以包括真空泵系统。此外，用于监测腔室压力的装置(未示出)可以连接到真空容器102 或三个真空腔室104，106，108中的任何一个。压力测量装置可以是例如电容压力计或电离计。
参照图8，示出了用于电离气体团簇射流(图5、6和7的气体团簇束118)的电离器(122，图5、 6和7)的部分300。截面300垂直于GCIB 128的轴。对于典型的气体团簇尺寸(2000至15000个原子)，团簇离开气体分离器(120，图5、6和7)并进入电离器(122，图5、6和7)将以约130到 1000电子伏特(eV)的动能行进。在这些低能量下，任何离离电离器122中的空间电荷中性的情况都将导致射流的快速分散，并显着损失电子束电流。图。图8示出了自中和离子发生器。与其他离子发生器一样，气体团簇通过电子撞击而离子化。从多个线性热电子灯丝302a，302b和302c(通常为钨)发射热电子(由310表示示例)，并通过电子排斥电极306a提供的合适电场的作用将热电子提取并聚焦。电极306a，306b和306c以及束形成电极304a，304b和304c。热电子310穿过气体团簇射流和射流轴，然后撞击相对的束形成电极304b，以产生低能二次电子(例如所示的312、314和316)。
线性热电子丝302b和302c也产生热电子，该热电子随后产生低能的二次电子。所有二次电子通过提供低能电子来帮助确保电离团簇射流保持空间电荷中性，这些低能电子可以根据需要被吸引到正离子化气体团簇射流中，以保持空间电荷的中性。束形成电极304a，304b和304c相对于线性热电子丝302a，302b和302c正偏，电子排斥电极306a，306b和306c相对于线性热电子丝302a，302b 和306c负偏。302c。绝缘体308a，308b，308c，308d，308e和308f电绝缘并支撑电极304a，304b， 304c，306a，306b和306c。例如，自中和离子发生器是有效的，可实现超过1000微安的氩气GCIB。
电离器包括由支撑板(未示出)支撑并电连接的细杆阳极电极452的阵列。细棒阳极电极452 的阵列与气体簇束(例如，图5、6和7的气体簇束118)的轴线基本同心。电离器还包括由另一支撑板(未示出)支撑并电连接的细杆电子排斥器杆458的阵列。细棒电子排斥电极458的阵列与气体簇束(例如，图5、6和7的气体簇束118)的轴线基本同心。离子发生器还包括细棒离子排斥棒 464的阵列，这些细棒由另一个支承板(未显示)支承并电连接。细棒离子排斥器电极464的阵列与气体簇束(例如，图5、6和7的气体簇束118)的轴线基本同心。
高能量电子从等离子体电子源470供应到束流区444。等离子体电子源470包括等离子体室472，其中在等离子体区442中形成等离子体。该等离子电子源470还包括热离子灯丝476、气体进入孔426 和多个提取孔480。热离子灯丝476通过绝缘体477与等离子体室470绝缘。例如，热离子灯丝476 可以包括一个在“辫子”结构中有一个半匝的钨丝。
气体簇电离器的第400节包括具有多个孔径482的电子加速电极488。此外，第400节包括具有复数孔径484的电子减速电极490。所述复数孔径482、所述复数孔径484和所述复数萃取孔径480 均从等离子区442对准到波束区444。
等离子体形成气体，如惰性气体，通过气体进入孔426进入等离子体室472。绝缘气体供给管422 将加压等离子形成气体提供给遥控可控气体阀424，该气阀调节等离子形成气体进入等离子室472。
灯丝电源408提供灯丝电压(VF)来驱动电流通过热离子灯丝476来激发热电子发射。灯丝电源408 在3到5伏时可控制地提供大约140到200A(安培)。电弧电源410可控制地提供电弧电压(VA)，使等离子体室472对热离子灯丝476偏正。电弧电源410通常在固定电压下工作，通常在35V左右，并提供在等离子体室472内加速电子形成等离子体的手段。控制灯丝电流，调节410电弧电源供电的电弧电流。电弧电源410能够为等离子弧提供高达5A的电弧电流。
电子偏置电源412使电子减速电极490对等离子体室472进行正偏置。电子偏置电源412提供了偏置电压(VB)，可在30到400V的范围内进行控制调节。通过电子提取电源416，电子加速电极488 对电子减速电极490有正偏置。电子提取电源416提供电子提取电压(VEE)，可控制在20-250v之间。加速度电源420提供加速度电压(VAcc使薄棒阳极电极阵列452和电子减速电极490对地偏置)。VAcc是气体簇离子发生器产生的气体簇离子的加速电位，如400节所示，VAcc在1～100kV范围内可控可调。电子排斥电源414提供电子排斥偏置电压(VER)，用于偏置窄棒电子排斥电极阵列，相对于V为 458负。电子排斥电源在50到100V的范围内是可控的。离子排斥电源418提供离子排斥偏置电压 (VIR)，使薄棒离子排斥电极阵列相对于VAcc为464正。VIR在50-150V范围内是可控制的。
光纤控制器430接收电缆434上的电气控制信号，并将其转换为控制链路432上的光信号，从而利用来自接地控制系统的信号控制元件在高电势下工作。光纤控制链路432向遥控气体阀424、灯丝电源408、电弧电源410、电子偏置电源412、电子排斥电源414、电子提取电源416、离子排斥电源 418发送控制信号。例如，电离器的设计可以类似于美国专利No.4,235,038中所述的电离器。题为“用于气团簇离子束形成的电离器和方法”的美国专利号7,173,252。其内容通过引用整体并入。
电离器(122，图5、6和7)可以配置为通过更改GCIB 128的电荷状态来更改GCIB128的束能量分布。可以通过调整电子通量来更改电荷状态，电子能量或用于电子碰撞的气体团簇电离中利用的电子的电子能量分布。
参照图10A-10C，提供了鳍结构1000的示意图。鳍片结构1000包括一个或多个鳍片1010，在一个或多个鳍片1010上形成的帽层1020，以及填充一个或多个鳍片1010之间的区域的间隙填充材料层1030。图。在图10A中，在一个或多个鳍1010和覆帽层1020上方形成间隙填充材料层1030，使得其完全覆盖鳍结构1000。在平坦化期间，移除间隙填充材料层1030直到覆帽层1020被去除。暴露在鳍结构1000中的一个或多个鳍1010中的至少一个鳍上。
可以使用化学机械抛光(CMP)或使用预处理GCIB 1031或其组合来执行间隙填充材料层1030 的去除。在到达任何鳍片上的覆帽层1020的CMP步骤之后，CMP后GCIB 1031可用于为一个或多个鳍片1010中的每一个完成间隙填充材料层1030到覆帽层1020的平坦化，或者一旦CMP步骤已经到达至少一个鳍上的帽层1020，则可以使用CMP后GCIB 1031来完成间隙填充材料层1030到其余鳍上的帽层1020的平坦化。例如，预处理GCIB 1031可以根据达到约一的预处理蚀刻选择性的预处理工艺条件由预处理蚀刻工艺组合物形成，其中，所述预处理蚀刻选择性定义为间隙填充材料层1030 的蚀刻速率与覆帽层1020的蚀刻速率之比。并且，在使间隙填充材料层1030相对于覆帽层1020凹陷之前，将衬底暴露于预处理GCIB1031以及间隙填充材料层1030和帽层1020被平坦化。
参照图10B，其描绘了平坦化之后的鳍结构1000，为一个或多个鳍1010设置目标鳍高度1025，其中可以从覆帽层1020和一个或多个鳍1010之间的界面1015测量鳍高度。根据达到超过1.5的蚀刻选择性的工艺条件，由蚀刻工艺组合物建立GCIB 1032，其中，蚀刻选择性被定义为间隙填充材料层1030的蚀刻速率与间隙填充材料层1030的蚀刻速率之比。间隙填充材料层1030可以包括SiOx，并且覆帽层可以包括SiNx，其中一个或多个鳍1010可以包括Si，Ge或SiGex合金。例如，图4A至图4L提供用于选择GCIB参数以实现这些材料之间的蚀刻选择性的数据。如图10C所示，衬底暴露于GCIB 1032，空隙填充材料层1030相对于帽层1020凹入，直到基本达到目标翼高度。

Claims (10)

1.一种用于调节finFET器件翅片高度的气体簇离子束(GCIB)蚀刻方法，其特征是，包括：
提供一种衬底，该衬底具有完全覆盖所述鳍结构并在所述鳍结构的每个鳍之间的区域的鳍结构和空隙填充材料层，其中每个鳍包括形成于finFET器件上表面的帽层；
刨平所述空隙填充材料层，直至所述帽层暴露于所述鳍结构的至少一个鳍上；
为所述鳍结构设置目标鳍高度，所述鳍高度从所述帽层和所述鳍结构之间的接口测量；
根据实现大于1.5的蚀刻选择性的工艺条件，由蚀刻工艺组合物建立GCIB，所述蚀刻选择性定义为所述间隙填充材料层的蚀刻速率与所述覆帽层的蚀刻速率之间的比率；将所述衬底暴露于所述GCIB，并使所述间隙填充材料层相对于所述帽帽层凹进，直到达到所述目标鳍片高度；所述蚀刻选择性尤其大于或等于2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，还包括：
根据达到大致统一的预处理蚀刻选择性的预处理工艺条件，由预处理蚀刻工艺组合物建立预处理GCIB，所述预处理蚀刻选择性定义为蚀刻速率与蚀刻速率之比，即所述间隙填充材料层和所述覆帽层的蚀刻速率；
在相对于所述帽层使所述间隙填充材料层凹进之前，将所述衬底暴露于所述预处理GCIB并平坦化所述间隙填充材料层和所述帽层；
鳍结构是由硅，锗，或硅锗合金组成；或所述覆帽层包括多个层；或所述覆帽层包括氮化硅；
所述空隙填充材料层包括氧化硅。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述工艺组合包括一种或多种加压气体，其中包含一种含卤素气体、卤化甲烷或卤化硅烷，或两种或以上卤化硅的组合；
或包含CHF3，或SiF4或两者；
或包括稀有气体元素或N2或两者。
4.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述一种或多种加压气体进一步包含一种或多种选自B，C，H，Si，Ge，N，P，As，O，S，F，Cl，和Br。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，通过执行以下步骤来实现所述建立所述GCIB并将所述衬底暴露于所述GCIB的步骤：
在用于保持所述衬底的衬底保持器周围保持减压环境；
在所述减压环境中牢固地保持所述衬底；
由加压气体混合物形成所述GCIB，所述加压气体混合物包含由卤素元素和一种或多种选自Si和Ge的元素组成的蚀刻化合物；
加速所述GCIB；将至少一部分所述GCIB照射到所述衬底的至少一部分上。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，
选择一个或多个目标蚀刻工艺量度，所述目标蚀刻工艺量度包括所述间隙填充材料层的蚀刻速率，所述覆帽层的蚀刻速率，所述间隙填充材料层与所述覆帽层之间的蚀刻选择性，所述间隙填充材料的表面粗糙度，所述帽层的表面粗糙度和所述鳍片结构的轮廓；
为所述GCIB设置GCIB工艺条件的一种或多种GCIB特性，以实现所述一种或多种目标蚀刻工艺指标。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征是，还包括：
为所述GCIB蚀刻工艺选择目标蚀刻工艺度量，所述目标蚀刻工艺度量包括所述间隙填充材料层和所述帽层之间的蚀刻选择性以及表面中的至少一个所述间隙填充材料层的粗糙度和所述覆帽层的表面粗糙度；
建立包括用于所述GCIB蚀刻工艺的GCIB特性的GCIB工艺条件，以实现所述目标蚀刻工艺指标，所述工艺条件包括设置工艺成分，以及设置所述GCIB成分中至少一种成分的流速，电子束加速电势，所述GCIB通过的压力增加区域的背景气体压力或背景气体流速中的至少一个。所述GCIB组合物包括第一蚀刻化合物和第二蚀刻化合物。所述第一蚀刻化合物和所述第二蚀刻化合物在所述辐照期间连续地输入至所述GCIB。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，GCIB过程条件包括束剂量束聚焦势，束能量，束能量分布，束角分布，束发散角，或停滞压力。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述第一蚀刻化合物和所述第二蚀刻化合物在所述辐照期间交替和顺序地介绍给所述GCIB。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征是，向所述GCIB中引入添加气体以改变所述GCIB的组成并达到所述一个或多个目标蚀刻工艺指标其中，所述间隙填充材料层和所述覆帽层的所述目标表面粗糙度小于或等于5埃。
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