CN112385018A - 在选择性蚀刻工艺中提高选择性的方法 - Google Patents

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Abstract

处理方法包括以蚀刻剂蚀刻金属氮化物层。蚀刻剂可例如为WCl5、WOCl4或TaCl5。也公开了改善蚀刻工艺选择性的方法。

Description

在选择性蚀刻工艺中提高选择性的方法
技术领域
本公开内容涉及蚀刻薄膜的方法。特别地，本公开内容涉及用于金属栅极应用的选择性蚀刻金属氮化物膜的工艺。
背景技术
半导体产业迅速地发展具有越来越小晶体管尺寸的芯片以获得每单位面积更多的功能性。随着器件尺寸持续缩减，器件之间的间隙/空间也持续缩减，增加了将器件与另一器件实体上隔离的困难度。对于以包括间隙填充、硬掩模与间隔物应用的现存方法实施而言，在器件之间的高深宽比沟槽/空间/间隙中的以高质量介电材料通常成形为不规则形状的填充变得极具挑战。
通过在基板表面上产生复杂图案化材料层的工艺而能够制造集成电路。在基板上产生图案化材料需要用于移除暴露材料的受控方法。通常具有蚀刻一种材料快于另一种材料的蚀刻工艺是有用的。据说此蚀刻工艺为对于第一材料为选择性。由于材料、电路与工艺的多样性，已经发展出选择性移除广泛范围材料的一或多种材料的蚀刻工艺。
金属氮化物(例如，TaN与TiN)广泛地使用在金属栅极作为高k及n型金属封顶(capping)、p型金属、或蚀刻中止层中。在先进集成方案(10nm和超10nm)中，在后续金属沉积之前，通常将TaN与TiN两者暴露在表面上。为了达成可调式功函数，在金属沉积之前控制基板TaN或TiN的厚度会是有用的。
相较于一种金属氮化物选择性蚀刻另一种金属氮化物的现存方法并未显示出高水平的蚀刻选择性。因此，寻求利用现存方法的工艺必须沉积较大量的氮化物膜，使得会执行较长的蚀刻，以便确立两种金属氮化物膜之间的足够厚度差异。较厚层的沉积与较长蚀刻工艺需要额外的处理时间与材料来源，因而降低产量并增加制造成本。
因此，本领域中存在对于具有增加选择性的选择性蚀刻金属氮化物膜的新方法的需求。
发明内容
本公开内容的一或多个实施方式关于蚀刻方法，此蚀刻方法包含提供具有金属氮化物膜在其上的基板。金属氮化物膜包含第一金属的原子与氮原子。金属氮化物膜暴露于蚀刻剂与氢气的协流(co-flow)以蚀刻金属氮化物膜。蚀刻剂具有包含第二金属的一或多个原子、氧的一或多个原子及卤素的一或多个原子的实验式。
本公开内容的额外实施方式关于选择性蚀刻方法，此方法包含提供包含TaN材料与TiN材料的基板。此基板暴露于金属氧卤化物蚀刻剂与氢气的协流以移除TaN材料的第一厚度与TiN材料的第二厚度。第一厚度大于第二厚度。
本公开内容的进一步实施方式关于改善蚀刻选择性的方法。此方法包含提供包含TaN材料与TiN材料的基板。此基板暴露于金属卤化物蚀刻剂与氢气的协流以移除TaN材料的第一厚度与TiN材料的第二厚度，第一厚度大于第二厚度，及第一厚度对于第二厚度的比例大于没有氢气的情况下执行的类似蚀刻工艺。
附图说明
以上简要概述本公开内容的上述详述特征可以被详细理解的方式、以及对本公开内容的更特定描述，可通过参照实施方式来获得，一些实施方式绘示在随附图式中。然而，应注意到随附图式仅绘示本公开内容的典型实施方式且因而不应视为对本公开内容的范围的限制，由于本公开内容可容许其他等同有效实施方式。
图1图示根据本公开内容的一或多个实施方式的处理方法的示意图。
具体实施方式
在描述本公开内容的若干示例性实施方式之前，将理解到本公开内容不局限于接下来说明书中阐述的构造或工艺步骤的细节。本公开内容可纳入其他实施方式且能够以各种方式被实施或执行。
在此使用的“基板”、“基板表面”及类似物指称执行处理于其上方的任何基板或形成在基板上的任何材料表面，处理。例如，视应用而定，在其上可执行处理的基板表面包括但不限于：一材料，诸如硅、氧化硅、应变硅、绝缘体上硅(SOI)、碳掺杂硅氧化物、氮化硅、掺杂硅、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石；及任何其他材料，诸如金属、金属氮化物、金属合金、及其他传导材料。基板包括而不限于半导体晶片。基板可暴露于预处理工艺以抛光、蚀刻、还原、氧化、羟基化(或以其他方式产生或嫁接目标化学部分以赋予化学功能性)、退火和/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身的表面上的处理之外，在本公开内容中，公开的任何膜处理步骤也可在基板上形成的下层上执行，如下文更详细公开的，及术语“基板表面”意欲包括在上下文中所指出的此种下层。因此，例如在膜/层或部分膜/层已经沉积到基板表面之上的情况下，新沉积的膜/层的暴露表面变成基板表面。给定基板表面所包含的会取决于将被沉积的材料及所使用的特定化学品。
本公开内容的一些实施方式有利地提供由金属氧卤化物蚀刻金属氮化物膜的方法，而没有使用充氧(oxygenating)处理。一些实施方式有利地提供相较于TiN而选择性蚀刻TaN的方法，而没有使用充氧处理。本公开内容的一些实施方式有利地提供增加利用含金属与卤素蚀刻剂的金属氮化物蚀刻工艺的选择性的方法。
图1示出根据本公开内容的一或多个实施方式的蚀刻方法100的示意图。基板110被提供为具有在其上的至少一个金属氮化物膜120。在此方面使用时，术语“被提供”意指此基板定位在用于处理的合适位置或环境中。在一些实施方式中，如所示，基板110进一步包含金属氮化物膜130。熟悉技艺者会认知到金属氮化物膜130在一些实施方式中为非必要的。
金属氮化物膜120可为任何合适金属氮化物。在一些实施方式中，金属氮化物膜120包含第一金属的原子与氮的原子。第一金属原子对于氮原子的比例可为任何合适比例。第一金属可为任何合适金属。在一些实施方式中，第一金属是钛或钽。在一些实施方式中，金属氮化物膜120包含TaN或TiN。
金属氮化物膜130可为不同于金属氮化物膜120的任何合适金属氮化物膜。在一些实施方式中，金属氮化物层120包含TaN而金属氮化物膜130包含TiN。
在提供基板110之后，金属氮化物膜120暴露于蚀刻剂131与氢气的协流以蚀刻金属氮化物膜120。在一些实施方式中，蚀刻剂131具有包含第二金属的一或多个原子、氧的一或多个原子及卤素的一或多个原子的实验式。在一些实施方式中，蚀刻剂131实质上不包含等离子体。
第二金属可为任何合适金属。在一些实施方式中，第二金属是钨、铌或钽。在一些实施方式中，金属氮化物膜120的第一金属与蚀刻剂131的第二金属是相同的。在一些实施方式中，金属氮化物膜120的第一金属与蚀刻剂131的第二金属是不同的。
在一些实施方式中，蚀刻剂131中卤素的一或多个原子基本上由氯组成。在此方面使用时，术语“基本上由氯组成”意指在原子基础上在蚀刻剂131中包含的卤素原子为大于95％、98％、99％或99.5％的氯。
在一些实施方式中，蚀刻剂131是金属氧卤化物。在一些实施方式中，蚀刻剂131基本上由WOCl4组成。在此方面使用时，术语“基本上由…组成”意味着在摩尔基础上所表述的物种组成大于或等于约95％、98％、99％或99.5％的蚀刻剂。
在一些实施方式中，蚀刻剂131是包含在安瓿132内的固体反应物。安瓿132可为用于半导体处理的任何合适安瓿且可包括加热器(未示出)、入口与出口。安瓿132可被配置为使用载气133进行蒸气提取(vapor draw)。可控制安瓿132温度以升华固体反应物，使得载气133可从安瓿132提取反应物。在一些实施方式中，蚀刻剂131包含WOCl4且安瓿132温度在约50℃至约90℃的范围中。
合适的载气133可包含氦、氮、氩、氢、氪或氙中的一或多种。在一些实施方式中，载气133包含氢气(H2)或基本上由氢气(H2)所组成。在此方面使用时，术语“基本上由氢气所组成”意指在摩尔基础上载气133为大于或等于约95％、98％、99％或99.5％的氢气。在一些实施方式中，使用不同于氢的载气以从安瓿132提取反应物。
对于使用不同于氢的载气以从安瓿提取蚀刻剂的实施方式中，在提取蚀刻剂之后的载气可称为蚀刻气体。在一些实施方式中，可控制蚀刻气体的流率。在一些实施方式中，蚀刻气体的流率在10至2,000sccm的范围中。在一些实施方式中，可控制氢气的流率。在一些实施方式中，氢气的流率在50至10,000sccm的范围中。在一些实施方式中，蚀刻气体的流率与氢气的流率之间的比例在约4至约6的范围中或约等于5。
在一些实施方式中，在进入处理腔室之前混合蚀刻气体与氢气。在一些实施方式中，蚀刻气体与氢气被分开地提供至腔室。
在一些实施方式中，以持续流动递送氢气至处理腔室，而蚀刻气体间歇地流动。在一些实施方式中，以持续流动递送蚀刻气体至处理腔室，而氢气间歇地流动。在一些实施方式中，交替地流动蚀刻气体与氢气。
在一些实施方式中，在整个方法100中维持基板110的温度。不被理论所约束，据信愈高温下执行的蚀刻工艺提供更快的蚀刻材料移除。因此，在一些实施方式中，将基板维持在范围为约50℃至约500℃、或约100℃至约500℃、或约300℃至约500℃、或约400℃至约500℃、或约450℃至约500℃、或约400℃至约475℃、或约400℃至约460℃的温度下。在一些实施方式中，将基板维持在大于或等于约400℃、大于或等于约450℃、大于或等于约460℃的温度下。在一些实施方式中，基板维持在约460℃的温度下。
本公开内容的一些实施方式有利地提供利用金属氧卤化物蚀刻剂而非金属卤化物蚀刻剂的方法。不被理论所约束，据信金属氧卤化物蚀刻剂在较高温下分解。因此，在低于这些蚀刻剂的分解温度的温度下执行的蚀刻工艺沉积最小量的金属氧卤化物蚀刻剂的金属。在一些实施方式中，实质上无第二金属沉积在基板上。在此方面使用时，“实质上无”第二金属意味着对于基板暴露于蚀刻剂与氢气的协流的每60秒第二金属膜的平均厚度小于
Figure BDA0002747664530000051
小于
Figure BDA0002747664530000052
小于
Figure BDA0002747664530000053
或小于
Figure BDA0002747664530000054
将金属氮化物膜120暴露于蚀刻剂131与氢气的协流移除金属氮化物膜120的厚度T1。如所示，在一些实施方式中，当金属氮化物膜130存在时，将金属氮化物膜130暴露于蚀刻剂与氢气的协流移除金属氮化物膜130的厚度T2。在一些实施方式中，在金属氮化物膜120包含TaN且基板进一步包含TiN膜的情况下，蚀刻金属氮化物膜120移除相较于金属氮化物膜130的金属氮化物膜120的更大厚度。换言之，T1大于T2。
本公开内容的一些实施方式提供选择性蚀刻工艺，其中移除TaN优先于移除TiN被促成。在一些实施方式中，蚀刻剂131具有对于金属氮化物膜120的蚀刻速率为大于约3倍、4倍或4.5倍的对于金属氮化物膜130的蚀刻速率。换言之，第一厚度对于第二厚度的比例是大于或等于约3、大于或等于约4、或大于或等于约4.5。
本公开内容的一些实施方式有利地提供通过氢气与蚀刻剂协流而增进或增加蚀刻工艺的选择性的方法。
提供包含TaN材料与TiN材料的基板110。基板暴露于金属卤化物蚀刻剂与氢气的协流以移除TaN材料的第一厚度与TiN材料的第二厚度。第一厚度大于第二厚度。
金属卤化物蚀刻剂可为包含金属原子与卤素原子的任何合适物种。在一些实施方式中，金属卤化物蚀刻剂包含WCl5、NbCl5或WOCl5或基本上由WCl5、NbCl5或WOCl5组成。
在有氢气的协流的情况下第一厚度对于第二厚度的比例大于没有氢气的情况下执行的类似蚀刻工艺。在此方面使用时，“类似蚀刻工艺”为其中所有的其他工艺参数(基板温度、蚀刻剂、安瓿温度、载气流率、处理腔室压力、等等)被保持恒定的一种工艺。
一种标准工艺是在没有添加氢气的情况下被改善的工艺。因此，标准工艺的载气包含不同于氢的载气。在一些实施方式中，不同于氢的载气被氢气完全地或部分地取代，使得提供至处理腔室的载气的总流率(单位为sccm)是相同的。
根据一或多个实施方式，基板110在蚀刻金属氮化物膜之后经受处理。可在相同腔室中或在一或多个分开的处理腔室中执行此处理。在一些实施方式中，基板从第一腔室移动到分开的第二腔室用于进一步处理。基板可直接地从第一腔室移动到分开的处理腔室，或其可从第一腔室移动到一或多个传送腔室，接着移动到分开的处理腔室。因此，处理设备可包含以传送站连通的多个腔室。此种设备可称为“群集工具”或“群集系统”，及类似名称。
通常，群集工具是包含多个腔室的模块系统，其执行包括基板中心找寻与定向、除气、退火、沉积和/或蚀刻的各种功能。根据一或多个实施方式，群集工具至少包括第一腔室与中央传送腔室。中央传送腔室可容纳机器人，其可将基板在处理腔室与负载锁定腔室之间与之中运送。传送腔室通常维持在真空条件下并提供用于将基板从一腔室运送至另一腔室和/或至定位在群集工具前端的负载锁定腔室的中间阶段。可经调适用于本发明的两个熟知群集工具为
Figure BDA0002747664530000071
与
Figure BDA0002747664530000072
两者可自加州圣克拉拉的应用材料公司获得。然而，可改变腔室的确切布置与组合以用于执行本文所述的工艺的特定步骤。可使用的其他处理腔室包括但不限于循环层沉积(CLD)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、蚀刻、预清洁、化学清洁、诸如RTP的热处理、等离子体氮化、除气、定向、羟基化及其他基板工艺。通过在群集工具上的腔室中执行工艺，可避免带有大气杂质的基板的表面污染，而不必在沉积后续膜之前的氧化。
根据一或多个实施方式，基板持续地处在真空或“负载锁定”条件下，且当从一腔室移动至下一腔室时不暴露于周围空气。传送腔室因此处于真空下并在真空压力下被“泵抽(pumped down)”。惰性气体可存在于处理腔室或传送腔室中。在一些实施方式中，惰性气体用于作为净化气体以移除一些或所有的反应物。根据一或多个实施方式，在沉积腔室的出口处注射净化气体以防止反应物从沉积腔室移动到传送腔室和/或额外的处理腔室。因此，惰性气体的流动在腔室的出口处形成帘幕。
基板可在单一基板沉积腔室中处理，其中单一基板被加载、处理及在处理另一基板之前被卸下。也可以连续的方式处理基板，类似于输送带系统，其中多个基板个别地加载腔室的第一部分，移动通过腔室并从腔室的第二部分卸下。腔室与相关联输送带系统的形状可形成直线路径或弯曲路径。此外，处理腔室可为旋转料架，其中多个基板绕着中心轴移动并在旋转料架路径中暴露于沉积、蚀刻、退火、清洁、等等的工艺。
在处理期间，基板可被加热或冷却。可由任何合适方式完成此种加热或冷却，所述方式包括但不限于：改变基板支撑件的温度，和流动加热或冷却的气体至基板表面。在一些实施方式中，基板支撑件包括加热器/冷却器，其可受控以传导地改变基板温度。在一或多个实施方式中，使用的气体(反应气体或惰性气体)被加热或冷却以局部地改变基板温度。在一些实施方式中，加热器/冷却器定位在腔室内邻近基板表面以对流地改变基板温度。
基板在处理期间也可为固定的或旋转的。旋转的基板可持续地旋转或间断的步骤中旋转。例如，基板可在整个工艺期间旋转，或基板可在暴露至不同反应气体或净化气体之间小量的旋转。通过最小化例如在气流几何形状中的局部变动的影响，在处理期间旋转基板(持续地或逐步地)可助于产生更均匀沉积或蚀刻。
在本申请案的整个说明书中的对“一个实施方式(one embodiment)”、“某些实施方式”、“一或多个实施方式”、或“一实施方式(an embodiment)”的提及意指以结合此实施方式而描述的特定特征、结构、材料、或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，出现在本申请案的整个说明书中各处的诸如“在一或多个实施方式中”、“在某些实施方式中”、“在一个实施方式中(in one embodiment)”、或“在一实施方式中(in anembodiment)”之类的短语并不必然指称本发明的相同实施方式。再者，特定特征、结构、材料、或特性可以任何合适方式结合在一或多个实施方式中。
尽管在此参照特定实施方式描述本发明，但是将理解到这些实施方式仅为对本发明的原理与应用的说明。在不背离本发明的精神与范围的情况下可对本发明的方法与设备进行各种修改与变型，对于本领域的熟习技艺者而言将是显而易见的。因此，意欲使本发明包括在随附的权利要求书及其等效形式的范围内的修改与变型。

Claims (15)

1.一种蚀刻方法，包含：
提供基板，所述基板上具有金属氮化物膜，所述金属氮化物膜包含第一金属的原子与氮原子；及
将所述金属氮化物膜暴露于蚀刻剂与氢气的协流以蚀刻所述金属氮化物膜，所述蚀刻剂具有实验式，所述实验式包含第二金属的一或多个原子、氧的一或多个原子、及卤素的一或多个原子。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述金属氮化物膜包含TaN或TiN。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻剂实质上不包含等离子体。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻剂中卤素的所述一或多个原子基本上由氯组成。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第一金属与所述第二金属是不同的。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻剂基本上由WOCl4组成。
7.如权利要求1所述的方法，其中实质上无第二金属沉积在所述基板上。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述金属氮化物膜包含TaN及所述基板进一步包含TiN膜，且蚀刻所述金属氮化物膜的步骤移除相较于所述TiN膜更大厚度的所述金属氮化物膜。
9.一种选择性蚀刻方法，包含：
提供基板，所述基板包含TaN材料与TiN材料；及
将所述基板暴露于金属氧卤化物蚀刻剂与氢气的协流以移除所述TaN材料的第一厚度与所述TiN材料的第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述金属氧卤化物蚀刻剂包含基本上由氯组成的卤素原子。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述金属氧卤化物蚀刻剂基本上由WOCl4组成，且实质上无钨沉积在所述基板上。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述基板维持在约400℃至约460℃的范围中的温度下。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述第一厚度对于所述第二厚度的比例大于或等于约4。
14.一种改善蚀刻选择性的方法，所述方法包含：
提供基板，所述基板包含TaN材料与TiN材料；及
将所述基板暴露于金属卤化物蚀刻剂与氢气的协流以移除所述TaN材料的第一厚度与所述TiN材料的第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度，及所述第一厚度对于所述第二厚度的比例大于在无所述氢气下所执行的一类似蚀刻工艺。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述金属卤化物蚀刻剂包含WOCl4，且实质上无钨沉积在所述基板上。
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