CN114207787A - 对交替的金属和电介质具有可调选择性的含钛材料层非等离子体刻蚀 - Google Patents

对交替的金属和电介质具有可调选择性的含钛材料层非等离子体刻蚀 Download PDF

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Abstract

实施例提供了对含钛材料层的非等离子体刻蚀，诸如气相和/或远程等离子体刻蚀，该非等离子体刻蚀对其他材料层具有可调选择性。在加工室内接收衬底，并且该衬底具有暴露的材料层，这些材料层包括含钛材料层和至少一个附加材料层。通过将该衬底暴露于包含含卤素气体的受控环境中，来相对于该含钛材料层选择性地刻蚀该附加材料层。对于一个实施例，该含卤素气体包括氟基气体。对于一个实施例，该含钛材料层是钛或氮化钛材料层。对于一个实施例，该附加材料层包括钨、氧化钨、氧化铪、氧化硅、硅锗、硅、氮化硅和/或氧化铝。可以通过调节诸如温度等工艺参数来执行相对于含钛材料层的非选择性刻蚀。

Description

对交替的金属和电介质具有可调选择性的含钛材料层非等离 子体刻蚀
相关申请的交叉引用
本申请要求以下临时申请的优先权：2019年8月23日提交的名称为“NON-PLASMAETCH OF TITANIUM-CONTAINING MATERIAL LAYERS WITH TUNABLE SELECTIVITY TOALTERNATE METALS AND DIELECTRICS[对交替的金属和电介质具有可调选择性的含钛材料层非等离子体刻蚀]”的美国临时专利申请序列号62/891,115，该美国临时专利申请通过引用以其整体并入本文。
背景技术
本披露内容涉及用于制造微电子工件的方法，包括在微电子工件上形成图案化结构。
在微电子工件内制造半导体器件是在半导体衬底或其他衬底上形成结构(例如，电栅极、接触件、互连等)的多步骤工艺。步骤可以包括材料生长、图案化、掺杂、沉积、刻蚀、金属化、平坦化等。在衬底上形成的特征可以包括各种电子器件(包括晶体管)。晶体管可以是平面的或非平面的，并且还可以具有单栅极或多栅极。
各种刻蚀工艺受益于能够相对于另一种材料选择性地刻蚀一种材料，使得一种材料被去除，同时另一种材料很大程度上保留在衬底上。例如，光致抗蚀剂之所以得名，部分是因为它是一种光敏材料，可以抵抗干法等离子体刻蚀工艺的刻蚀。光致抗蚀剂材料常规地形成为浮雕图案，其用作刻蚀掩模以允许将图案转印到一种或多种下覆材料中。
钛(Ti)和氮化钛(TiN)在半导体工业中被广泛用于制造逻辑芯片和存储器芯片。例如，Ti和TiN通常用作许多集成工艺或多重图案化工艺的衬垫、硬掩模和刻蚀停止材料。然而，随着十(10)纳米(nm)及以下技术节点中特征尺寸的减小，由于高纵横比特征和严格的刻蚀选择性要求，Ti/TiN刻蚀工艺变得极具挑战性。当前针对Ti/TiN的刻蚀技术面临着诸如选择性、图案损坏、图案塌缩等挑战。例如，图案损坏可以由等离子体和远程等离子体刻蚀工艺引起，而图案塌缩可以由湿法刻蚀工艺引起。
发明内容
本文描述的实施例提供了对含钛材料层的非等离子体刻蚀(诸如，气相刻蚀和/或远程等离子体刻蚀)，该非等离子体刻蚀对其他材料层(诸如，交替的金属和电介质)具有可调选择性。对于所披露的实施例，在加工室内接收衬底，并且该衬底具有暴露的材料层，这些材料层包括含钛材料层和至少一个附加材料层。通过将该衬底暴露于包含含卤素气体的受控环境中，来相对于该含钛材料层选择性地刻蚀该附加材料层。对于一个实施例。该含卤素气体包括氟基气体。对于一个实施例，含钛材料层是钛(Ti)材料层或氮化钛(TiN)材料层。对于一个实施例，该附加材料层包括钨、氧化钨、氧化铪、氧化硅、硅锗、硅、氮化硅或氧化铝中的至少一种。进一步地，可以通过调节工艺参数(诸如温度和/或其他工艺参数)来执行相对于含钛材料层的非选择性刻蚀。还可以实施不同或附加的特征、变型和实施例，并且也可以利用相关的系统和方法。
对于一个实施例，披露了一种刻蚀方法，该方法包括：在加工室内接收衬底，其中，该衬底具有暴露的材料层，这些材料层包括含钛材料层和至少一个附加材料层；以及通过将该衬底暴露于包含含卤素气体的受控环境，来相对于该含钛材料层选择性地刻蚀该至少一个附加材料层。
在附加的实施例中，该选择性刻蚀使用气相刻蚀或远程等离子体刻蚀中的至少一种。在进一步的实施例中，该含钛材料层包括钛或氮化钛。在进一步的实施例中，该附加材料层包括钨、氧化钨、氧化铪、氧化硅、硅锗、硅、氮化硅或氧化铝中的至少一种。
在附加的实施例中，该方法包括在该选择性刻蚀期间，控制该加工室的工艺参数以实现目标刻蚀参数。在进一步的实施例中，该方法包括在该选择性刻蚀期间，将该加工室内的温度控制在从35摄氏度到150摄氏度的温度范围内。
在附加的实施例中，该含卤素气体包括氟基气体。在进一步的实施例中，该氟基气体包括三氟化氯、氟或三氟化氮。在进一步的实施例中，该环境进一步包括含氮气体。
在附加的实施例中，该方法包括通过将该衬底暴露于第二受控环境来刻蚀含钛材料层。在进一步的实施例中，该方法包括在刻蚀该含钛材料层期间，控制工艺参数以实现目标刻蚀参数。在进一步的实施例中，该方法包括将用于刻蚀该含钛材料层的温度控制在100摄氏度以上。
在附加的实施例中，该方法包括在第二加工室中接收该衬底，并且在该第二加工室中形成该第二受控环境。在进一步的实施例中，该方法包括通过调节该加工室内的工艺参数来在该加工室中形成该第二受控环境。
在附加的实施例中，刻蚀该含钛材料层还刻蚀暴露在该衬底上的第二材料层。
对于一个实施例，披露了一种刻蚀方法，该方法包括：在加工室内接收衬底，其中，该衬底具有暴露的材料层，这些材料层包括含钛材料层和含钨材料层；以及通过将该衬底暴露于包含含卤素气体的受控环境，来相对于该含钛材料层选择性地刻蚀该含钨材料层。
在附加的实施例中，该选择性刻蚀使用气相刻蚀或远程等离子体刻蚀中的至少一种。在进一步的实施例中，该含钛材料层包括钛或氮化钛，并且其中，该含钨层包括钨或氧化钨。
在附加的实施例中，该方法包括在该选择性刻蚀期间，将该加工室内的温度控制在100摄氏度以下，并且该含卤素气体包括氟基气体。
在附加的实施例中，该方法包括通过调节该加工室内的工艺参数来刻蚀该含钛材料层。在进一步的实施例中，该调节包括将该加工室内的温度升高到100摄氏度以上的温度或从80摄氏度到150摄氏度的温度范围内的温度。在进一步的实施例中，
在附加的实施例中，刻蚀该含钛材料层还刻蚀暴露在该衬底上的第二材料层。
还可以实施不同或附加的特征、变型和实施例，并且也可以利用相关的系统和方法。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可以获取对本发明及其优点的更透彻的理解，其中，相似的附图标记指示相似的特征。然而，应注意，这些附图仅展示了所披露的构思的示例性实施例，并且因此不被认为限制了范围，因为所披露的构思可以承认其他同等有效的实施例。
图1A提供了其中选择性刻蚀工艺相对于含钛材料层而言对材料层具有选择性的示例实施例的截面图。
图1B提供了经过图1A的选择性刻蚀工艺之后的示例实施例的截面图。
图1C提供了其中非选择性刻蚀工艺刻蚀材料层和含钛材料层的示例实施例的截面图。
图1D提供了经过图1C的非选择性刻蚀工艺之后的示例实施例的截面图。
图2是其中选择性刻蚀工艺相对于含钛材料层而言对材料层具有选择性的示例实施例的工艺流程图。
图3提供了根据实施例的气相刻蚀系统的示意性图示。
图4提供了根据实施例的热处理模块的示意性图示。
图5提供了根据实施例的化学处理模块的示意性图示。
图6提供了根据另一实施例的刻蚀系统的示意性图示。
图7提供了根据实施例的工件固持器的示意性图示。
具体实施方式
本文描述的方法提供了对含钛材料层的非等离子体刻蚀(诸如，气相刻蚀和/或远程等离子体刻蚀)，该非等离子体刻蚀对其他材料层(诸如，交替的金属和电介质)具有可调选择性。在仍然利用本文所描述的工艺技术的同时，可以实现各种优点和实施方式。
首先应注意，术语“非等离子体”通常意指等在被加工或处理的微电子工件附近的空间中(例如，在放置微电子工件以进行刻蚀工艺的加工室内)不形成等离子体。因此，微电子工件被认为是在非等离子体或无等离子体的环境中加工或处理的。对于远程等离子体工艺，将等离子体的产物从远程位置引入到被加工或处理的微电子工件附近的环境中。因为在被加工或处理的微电子工件附近仍然没有积极地生成(例如，通过电磁场)等离子体，所以远程等离子体刻蚀在本文中仍然被认为是“非等离子体”刻蚀。
所披露的实施例提供了对含钛材料层(诸如，钛(Ti)材料层和氮化钛(TiN)材料层)的选择性非等离子体刻蚀。此外，这些刻蚀工艺是各向同性的，并且为高纵横比的结构和图案提供了选择性刻蚀。对于一个实施例，使用氟基气体作为气体化学物质。对于一个实施例，该氟基气体可以是氟基卤间化气体。例如，氟基卤间化气体可以是三氟化氯(ClF3)、氟气(F2)、三氟化氮(NF3)和/或其他氟基卤间化气体。进一步地，氟基气体可以与含氮气体组合、或不与含氮气体组合，作为刻蚀剂。含氮气体可以是三氢化氮(NH3)、氮气(N2)或其他含氮气体。更进一步地，钛刻蚀选择性可以相对于其他暴露的材料进行调节或调整，以提供相对于这些其他暴露的材料的选择性或非选择性刻蚀。例如，其他暴露的材料或膜可以是钨(W)、氧化钨(WO3)、氧化铪(HfO)、氧化硅(SiO2)、硅锗(SiGe)、硅(Si)、氮化硅(SixNy)、氧化铝(AlOx)、有机平坦化层(OPL)、有机电介质层(ODL)和/或其他材料。这种在选择性刻蚀与非选择性刻蚀之间进行调节的能力可以用于各种工艺，包括互连图案化。如以下进一步描述的，可以通过调整工艺温度和/或其他工艺参数来实现相对于其他材料层而言对含钛材料层的从选择性刻蚀到非选择性刻蚀的调节。在仍然利用本文所描述的技术的同时，也可以植入其他变型。
图1A至图1D提供了关于含钛材料层的刻蚀工艺的示例实施例。这些刻蚀工艺提供了在相对于含钛材料层的选择性刻蚀与相对于含钛材料层的非选择性刻蚀之间进行调节的能力。例如，可以使用干法刻蚀气相环境化学物质来实现这些刻蚀工艺，而无需等离子体、湿化学物质或化学机械抛光(CMP)。对于下面关于图1A描述的选择性刻蚀工艺，提供了相对于含钛材料层和另一材料层的刻蚀选择性。含钛材料层可以包括钛(T)、氮化钛(TiN)和/或其他含钛材料。其他材料可以包括钨(W)、氧化钨(WO3)、氧化铪(HfO)、氧化硅(SiO2)、硅锗(SiGe)、硅(Si)、氮化硅(SixNy)、氧化铝(AlOx)、有机平坦化层(OPL)、有机电介质层(ODL)和/或其他材料。对于一个实施例，实施对含钨材料的选择性刻蚀，该选择性刻蚀是无等离子体且各向同性的。也可以使用远程等离子体刻蚀工艺。还可以控制工艺参数以实现目标刻蚀参数，并且可以通过调节工艺参数来调整选择性。
现在看图1A，提供了示例实施例100的截面图，其中，将选择性刻蚀工艺110应用于在衬底102上形成的结构的材料层，并且其中，选择性刻蚀工艺110相对于含钛材料层106而言对材料层108具有选择性。含钛材料层106形成在第一材料层104之上，并且第二材料层108形成在衬底102上方、在穿过含钛材料层106的通孔内。对于一个实施例，衬底102是Si或SiGe，并且第一材料层104是氧化硅(SiO2)，但也可以使用其他材料。含钛层材料106包括Ti、TiN、或另一含钛材料或这些材料的组合。第二材料层108是W、WO3、HfO、SiO2、SiGe、Si、SixNy、AlOx、OPL、ODL和/或其他材料或这些材料的组合。如本文所述，选择性刻蚀工艺110在被控制为达到目标刻蚀参数的工艺参数下提供相对于含钛材料层106而言对暴露的材料层的选择性刻蚀。
对于一个实施例，使用无水卤间化合物和/或另一含卤素气体(诸如ClF3、F2、NF3或其他含卤素气体)来实现选择性刻蚀工艺110。这些含卤素气体中的一种或多种可以与稀释气体(诸如N2、氩气(Ar)和/或其他稀释气体)组合使用。对于一个实施例，在10毫托(mT)到3000mT的压力下、并且在35摄氏度(℃)到150℃的温度范围内执行刻蚀工艺110。如本文所述，已经发现，利用这些气体化学物质的刻蚀工艺的反应副产物在高于100℃的温度下在减压下会挥发。
图1B提供了在图1A的选择性刻蚀工艺110已经相对于含钛材料层106选择性地刻蚀了第二材料层108在开口122内的部分之后的示例实施例120的截面图。选择性刻蚀工艺110可以用于实现用于刻蚀第二材料层108的目标刻蚀参数。
图1C提供了示例实施例140的截面图，其中，应用了相对于含钛材料层106而言对第二材料层108是非选择性的另一刻蚀工艺142。对于该另一刻蚀工艺142，工艺参数被调节为使得含钛材料层106与第二材料层108一起被刻蚀。例如，可以将加工室内的温度和/或压力或其他工艺参数调节到足以刻蚀含钛材料层106的条件。如本文所述，该非选择性刻蚀工艺142在被控制为达到目标刻蚀参数的工艺参数下提供对材料层和含钛材料层106的刻蚀。
图1D提供了在图1C的非选择性刻蚀工艺142已经刻蚀了第二材料层108和含钛材料层106之后的示例实施例160的截面图。刻蚀工艺110可以用于实现用于刻蚀第二材料层108的目标刻蚀参数。
关于图1A和图1C，示出了刻蚀工艺可以在如图1A所示的选择性刻蚀工艺110与如图1C所示的非选择性刻蚀工艺142之间进行调节。这种刻蚀调节是利用上述工艺化学物质通过调整工艺温度、压力和/或其他工艺参数来实现的。例如，当期望相对于含钛材料(例如，Ti、TiN等)选择性或非选择性地刻蚀多种材料(例如，W、WO3、SiGe、Si等)时，这种刻蚀调节是有益的。与选择性刻蚀工艺110相比，可以调节非选择性刻蚀工艺142的刻蚀气体与稀释气体的比率，以实现对含钛材料层106的均匀且各向同性的刻蚀。此外，可以控制腔室内的气体压力来调整刻蚀速率，以提高产量并且考虑可能需要的任何过度刻蚀。此外，对于选择性刻蚀工艺110，可以调节诸如温度和刻蚀气体浓度等工艺参数，以实现相对于含钛材料层106而言对其他材料层的选择性。
应注意，本文所描述的非选择性刻蚀工艺142可以部分地通过在选择性刻蚀工艺110期间在暴露的含钛材料层106的表面上吸附含卤素气体(例如，ClF3)、并且在合适的温度(例如，通常为100℃或以上)下升华来驱动。这种吸收活化了含钛材料的表面，以形成卤化钛组合物作为副产物。在升高的温度下(比如100℃以上)，这种卤化钛副产物就会挥发。刻蚀和反应速率主要由三个因素控制：(1)温度、(2)表面上的吸附速率以及(3)刻蚀气体的可用性或浓度。刻蚀气体的浓度可以通过调整刻蚀气体流量、添加稀释剂(例如，N2、Ar等)、室压力和/或调整其他工艺参数来控制。还应注意，也可以通过使用卤化物气体在远程等离子体下执行刻蚀工艺110。也可以实施其他变型。
再看图1C，非选择性刻蚀工艺142使从图1A中的选择性刻蚀工艺110产生的卤化钛副产物升华。在该非选择性刻蚀工艺142中，在等于或高于100℃的升高的温度下、在10mT至3000mT的减压下加热半导体衬底。在该非选择性刻蚀工艺142期间，卤化钛副产物升华，并且下覆的膜或图案结构被暴露以用于如图1D所示的后续工艺。还应注意，通过适当控制加工室内的工艺参数(诸如工艺温度和压力调整)，可以在单个加工室中执行选择性刻蚀工艺110和非选择性刻蚀工艺142。也可以使用不同的加工室。在仍然利用本文所描述的技术的同时，可以实施其他变型。
对于一个实施例，第二材料层108是含钨材料(例如，W、WO3等)。对于图1A中的选择性刻蚀工艺110，使用低于100℃且优选地低于80℃的工艺温度，以对含钛材料层106具有选择性的方式来选择性地仅刻蚀含钨材料层108。对于图1C中的非选择性刻蚀工艺142，使用高于80℃且优选地高于100℃的工艺温度来刻蚀含钨材料层108和含钛材料层106两者。进一步地，对于该非选择性刻蚀工艺142，可以使用从80℃到150℃且优选地从100℃到150℃的温度范围。选择性刻蚀工艺110和/或非选择性刻蚀工艺142的压力范围可以是10mT至3000mT。在仍然利用本文所描述的技术的同时，可以实施其他变型。
图2是示例实施例200的工艺流程图，其中，将选择性刻蚀工艺应用于在衬底上形成的结构的材料层，并且其中，选择性刻蚀工艺相对于含钛材料层而言对材料层具有选择性。在框202中，在加工室内接收衬底，并且该衬底具有暴露的材料层，这些材料层包括含钛材料层和至少一个附加材料层。在框204中，通过将衬底暴露于包含含卤素气体的受控环境，来相对于含钛材料层选择性地刻蚀该至少一个附加材料层。如本文进一步描述的，然后可以调节加工室的工艺参数以在另一刻蚀工艺中刻蚀含钛材料层。也可以使用单独的加工室。在仍然利用本文所描述的技术的同时，也可以实施附加的和/或不同的工艺步骤。
还应注意，本文所描述的技术可以与宽范围的加工系统(包括气相和远程等离子体加工环境)一起使用。例如，本文所描述的刻蚀工艺可以通过将要加工的微电子工件的衬底放置在串联室刻蚀系统中来执行，该串联室刻蚀系统诸如图3至图5中所描述的系统，或者是在名称为“Processing system and method for treating a substrate[用于处理衬底的加工系统和方法]”的美国专利号7,029,536、或名称为“High throughput processingsystem for chemical treatment and thermal treatment and method of operating[用于化学处理和热处理的高产量加工系统及操作方法]”的美国专利号8,303,716中所描述的系统。本文所描述的刻蚀工艺还可以通过将要加工的微电子工件的衬底放置在单室刻蚀系统中来执行，该单室刻蚀系统诸如图6至图7中所描述的系统，或者是在名称为“Drynon-plasma treatment system and method of using[干法非等离子体处理系统及使用方法]”的美国专利号7,718,032、或名称为“Gas Phase Etching System and Method[气相刻蚀系统和方法]”的美国公开专利申请号2016/0379835中所描述的系统。美国专利号7,029,536；美国专利号8,303,716、美国专利号7,718,032；以及美国公开专利申请号2016/0379835各自通过引用以其整体并入本文。
现在看图3，示出了配备有刻蚀系统的加工系统的一个示例的示意性配置图，该刻蚀系统执行根据本披露内容的一个实施例的刻蚀方法。加工系统300的一部分包括控制部分306和装载/卸载部分302，该装载/卸载部分被配置为装载和卸载作为目标衬底的半导体衬底(下文简称为晶圆“W”)。加工系统300还包括与装载/卸载部件302相邻布置的两个负载锁定室(L/L)303、以及与对应的负载锁定室303相邻布置并且被配置为对晶圆W进行热处理的两个热处理装置304(例如，热处理室)。进一步地，加工系统300包括与对应的热处理装置304相邻布置并且被配置为对晶圆W进行刻蚀的两个刻蚀装置305(例如，化学处理室)。
装载/卸载部分302包括转移室(L/M)312，该转移室内安装有用于转移晶圆W的第一晶圆转移机构311。第一晶圆转移机构311包括被配置为将晶圆W固持在基本上水平的位置的两个转移臂311a和311b。安装台313安装在转移室312的一个纵向侧。安装台313被配置为连接一个或多个(例如，三个)能够容纳多个晶圆W的衬底载体C。此外，被配置为通过旋转晶圆W并在其上定位参考点来执行位置对准的衬底定向设备314邻近转移室312安装。
在装载/卸载部分302中，晶圆W由转移臂311a和311b之一固持，并且通过第一晶圆转移机构311的操作在基本上水平的平面内线性移动、或者上下移动，从而被转移到期望的位置。进一步地，当转移臂311a和311b朝向或远离衬底载体C、定向设备314和负载锁定室303移动时，晶圆W相对于安装在安装台313上的载体C、定向设备314和负载锁定室303而被装载或卸载。
每个负载锁定室303通过插在每个负载锁定室303与转移室312之间的闸阀316连接到转移室312。用于转移晶圆W的第二晶圆转移机构317安装在每个负载锁定室303内。每个负载锁定室303被配置为使得其可以被抽真空到预定的真空度。
第二晶圆转移机构317具有铰接臂结构，并且包括被配置为将晶圆W固持在基本上水平的位置的拾取器。在第二晶圆转移机构317中，当铰接臂缩回时，拾取器被定位在每个负载锁定室303内。当铰接臂伸展时，拾取器可以到达对应的热处理装置304，并且当铰接臂进一步伸展时，拾取器可以到达对应的刻蚀装置305。因此，第二晶圆转移机构317可以在负载锁定室303、热处理装置304以及刻蚀装置305之间转移晶圆W。
如图4中所示，每个热处理装置304包括受控真空室420以及被配置为将晶圆W安装在腔室420内的安装工作台423。加热器424被嵌入安装工作台423中。在经受刻蚀工艺之后，晶圆W被加热器424加热，从而蒸发并去除存在于晶圆W上的刻蚀残留物。装载/卸载闸420a(晶圆W通过其在热处理装置304与对应的负载锁定室303之间转移)安装在腔室420邻近负载锁定室303的侧壁中。装载/卸载闸420a通过闸阀422打开和关闭。此外，装载/卸载闸420b(晶圆W通过其在热处理装置304与对应的刻蚀装置305之间转移)安装在腔室420邻近刻蚀装置305的侧壁中。装载/卸载闸420b通过闸阀454打开和关闭。气体供应路径425连接到腔室420的侧壁的上部部分。气体供应路径425连接到惰性气体(即，N2)气体供应源430。排气路径427连接到腔室420的底壁。排气路径427连接到真空泵433。流速调整阀431安装在气体供应路径425中。压力调整阀432安装在排气路径427中。通过控制流速调整阀431和压力调整阀432，将腔室420的内部保持在具有预定压力的惰性(或氮气)气体气氛中。在该状态下，进行热处理。代替N2气，可以使用诸如Ar气等其他惰性气体。
再看图3，控制部分306包括设置有微处理器(计算机)的工艺控制器391，该工艺控制器控制加工系统300的各个组成部分。用户接口392连接到工艺控制器391，该用户界面包括键盘(其允许操作者进行命令输入操作等以便管理加工系统300)和显示器(其可视化并显示加工系统300的操作状态)。存储控制程序的存储部分393也连接到工艺控制器391，这些控制程序在工艺控制器391的控制下实现在加工系统300中执行的各种类型的工艺。例如，工艺控制器391可以使得在每个刻蚀装置305中供应处理气体以及对腔室的内部抽真空。存储部分393还可以存储作为控制程序的各种类型的数据库和工艺配方，这些控制程序使得加工系统300的各个组成部分根据工艺条件执行指定的工艺。配方存储在存储部分393的合适存储介质(未示出)中。如果有必要，从存储部分393中调出任意配方，并由工艺控制器391执行该配方。以这种方式，在工艺控制器391的控制下，在加工系统300中执行期望的工艺。
根据实施例，刻蚀装置305被配置为执行如本文所描述的相对于含钛材料层而言对至少一个材料层的选择性刻蚀。稍后将描述刻蚀装置305的详细示例配置。
在加工系统300中，包括含钛材料层和至少一个其他材料层的晶圆暴露在晶圆W上。多个这种类型的晶圆W被装载在衬底载体C内，并且被转移到加工系统300。
在加工系统300中，在保持大气侧闸阀316打开的同时，通过第一晶圆转移机构311的转移臂311a和311b之一将晶圆W之一从安装在装载/卸载部分302中的衬底载体C转移到负载锁定室303之一。晶圆W被递送到布置在负载锁定室303内的第二晶圆转移机构317的拾取器。
此后，大气侧闸阀316关闭，并且对负载锁定室303的内部抽真空。随后，闸阀354打开，并且拾取器伸入对应的刻蚀装置305中，使得晶圆W被转移到刻蚀装置305。
此后，拾取器返回负载锁定室303，并且闸阀354关闭。然后，以下面描述的方式在刻蚀装置305内执行刻蚀工艺。
完成刻蚀工艺之后，闸阀322和354打开。通过第二晶圆转移机构317的拾取器将经刻蚀的晶圆W转移到热处理装置304。在将N2气引入腔室320的同时，通过加热器324加热安装在安装工作台323上的晶圆W，从而热去除刻蚀残留物等。
在热处理装置304中完成热处理之后，闸阀322打开。通过第二晶圆转移机构318的拾取器将安装在安装工作台323上的经刻蚀的晶圆W移动到负载锁定室303。然后，通过第一晶圆转移机构311的转移臂311a和311b之一将经刻蚀的晶圆W返回到载体C之一。这样，完成了一个晶圆的加工。
在加工系统300中，热处理装置304不是必需的。在加工系统300没有安装热处理装置的情况下，可以通过第二晶圆转移机构317的拾取器将经受刻蚀工艺后的晶圆W移动到负载锁定室303之一。然后，可以通过第一晶圆转移机构311的转移臂311a和311b之一将晶圆W返回到载体C之一。
图5是示出了根据本实施例的刻蚀装置305的示例实施例的截面图。如图5中所示，刻蚀装置305包括具有密封结构的腔室540。被配置为将晶圆W安装在基本上水平的位置的安装工作台542安装在腔室540内。刻蚀装置305进一步包括配置为向腔室540供应刻蚀气体的气体供应机构543以及被配置为对腔室540的内部抽真空的抽真空机构544。
腔室540由室体551和盖部分552构成。室体551包括基本上呈圆柱形的侧壁部分551a以及底部部分551b。室体551的上部部分是敞口的。该开口由盖部分552封闭。侧壁部分551a和盖部分552由密封构件(未示出)密封，从而确保腔室540的内部的气密性。气体引入嘴561通过盖部分552的顶壁插入，以便从上方向腔室540的内部延伸。
装载/卸载闸553安装在侧壁部分551a中，晶圆W通过该装载/卸载闸在刻蚀装置305的腔室540与热处理装置304的腔室420之间装载和卸载。装载/卸载闸553通过闸阀554打开和关闭。
安装工作台542在从顶部观看时具有基本上圆形的形状(然而，形状可以是任意的)，并且固定到腔室540的底部部分551b。被配置为控制安装工作台542的温度的温度控制器555安装在安装工作台542内。温度控制器555包括导管，温度控制介质(例如，水等)通过该导管来循环。通过安装工作台542与流过导管的温度控制介质之间的热交换，控制安装工作台542的温度，并且因此，控制安装在安装工作台542上的晶圆W的温度。
气体供应机构543可以包括多个气体供应563、564、565、566，例如，包括用于卤间化合物的气体供应。气体供应机构543进一步包括多个供应管线567、568、569、570，例如，用于将气体供应气动地耦接到一个或多个气体管线571和气体注入嘴561。
流速控制器571被配置为执行流动路径打开/关闭操作、以及对供应到腔室540的每种气体的流速控制。可以在腔室540的上部部分中安装喷淋板，从而以类似喷淋的方式供应激发气体。
抽真空机构544包括连接到排气端口581的排气管582，该排气端口形成在腔室540的底部部分551b中。抽真空机构544进一步包括自动压力控制阀(APC)583(安装在排气管582中，并且被配置为控制腔室540的内部压力)和真空泵584(被配置为对腔室540的内部抽真空)。
在腔室540的侧壁中，安装两个电容压力计586a和586b，作为用于测量腔室540的内部压力的压力表，以便将电容压力计586a和586b插入到腔室540中。电容压力计586a用于测量高压力，而电容压力计586b用于测量低压力。用于检测晶圆W的温度的温度传感器(未示出)被安装在安装于安装工作台542上的晶圆W附近。
使用铝来作为构成刻蚀装置305的各个组成部分(诸如腔室540和安装工作台542)的材料。构成腔室540的铝材料可以是纯铝材料或具有阳极氧化内表面(室体551的内表面等)的铝材料。另一方面，构成安装工作台542的铝材料表面需要耐磨性。因此，在一些实施例中，可以通过对铝材料进行阳极氧化来在铝材料的表面上施加具有高耐磨性的氧化物膜(例如，Al2O3膜)。
对于另一示例系统实施例，工件被放置在单室刻蚀系统(例如，干法非等离子体刻蚀系统、或化学和/或热处理室)中的衬底固持器上，例如，如图6中所示。操作单室刻蚀系统以执行以下操作：(1)将工件的表面暴露于第一设定点温度下的化学环境，以相对于含钛材料层来选择性刻蚀至少一个材料层，以及(2)然后，在非选择性刻蚀中，将工件的温度升高到第二设定点温度，以去除含钛材料层以及其他材料层。
可以通过使处于第一流体设定点温度的热传递流体流过工件固持器来建立第一设定点温度。可以通过使处于第二流体设定点温度的热传递流体流过工件固持器来建立第二设定点温度。除了使处于第二流体设定点温度的热传递流体流过工件固持器外，还可以通过将电力耦合到嵌入工件固持器内的至少一个电阻加热元件来加热衬底固持器。可替代地，除了使处于第二流体设定点温度的热传递流体流过工件固持器外，还使用与工件固持器分离的至少一个其他热源来加热工件固持器。
进一步看图6，示出了呈刻蚀系统600形式的另一实施例，用于干法去除微电子衬底625上的材料。系统600包括用于在非等离子体真空环境中加工衬底625的加工室610。系统600还包括：衬底固持器620，其布置在加工室610内并且被配置为支撑衬底625；温度控制系统650，其耦接到衬底固持器620并且被配置为将衬底固持器620的温度控制为处于两个或更多个设定点温度；气体分配系统630，其耦接到加工室610并且被布置为将一种或多种工艺气体供应到加工室610中；以及控制器660，其可操作地耦接到温度控制系统650并且被配置为将衬底固持器620的温度控制在35℃到250℃的范围内。例如，温度控制系统650可以被配置为将衬底固持器620的温度控制为处于第一设定点温度，并且将衬底固持器620的温度调整到并控制为处于第二设定点温度。
加工室610可以包括用于从加工室610抽出工艺气体的真空泵640。加工室610可以进一步包括远程等离子体发生器或远程自由基发生器，该远程等离子体发生器或远程自由基发生器被布置为向加工室供应激发物质、自由基物质或亚稳态物质或其组合。
气体分配系统630可以包括喷淋头气体注入系统，该喷淋头气体注入系统具有气体分配组件、以及耦接到该气体分配组件并且被配置为形成一个或多个气体分配气室或供应管线的一个或多个气体分配板或导管。尽管未示出，但该一个或多个气体分配气室可以包括一个或多个气体分配挡板。该一个或多个气体分配板进一步包括一个或多个气体分配孔，以将工艺气体从该一个或多个气体分配气室分配到加工室610。此外，一个或多个气体供应管线可以通过例如气体分配组件耦接到该一个或多个气体分配气室，以便供应包括一种或多种气体的工艺气体。多种工艺气体可以作为单个流一起被引入，也可以作为分开的流独立地被引入。
气体分配系统630可以进一步包括被设计为减小或最小化气体分配体积的分支气体分配网络。分支网络可以去除气室，或者最小化气体气室的体积，并且缩短从气阀到加工室的气体分配长度，同时有效地在衬底625的整个直径上分配工艺气体。这样一来，可以更快地切换气体，并且可以更有效地改变化学环境的组成。
可以减小或最小化加工室610中限定化学环境(衬底625暴露于该化学环境)的体积，以减少或最小化停留时间或者对一个化学环境抽真空、置换一个化学环境和用另一个化学环境替换一个化学环境所需的时间。置换加工室610中的化学环境的时间可以估计为加工室体积与由真空泵640加工室体积输送的泵送速度之比。
衬底固持器620可以提供用于热控制和加工衬底625的几种操作功能。衬底固持器620包括被配置为调整和/或升高衬底620的温度的一个或多个温度控制元件。
如图7中所示，衬底固持器620可以包括至少一个流体通道622，以允许热传递流体从其中流过并改变衬底固持器620的温度。衬底固持器620可以进一步包括至少一个电阻加热元件624。多区域通道和/或加热元件可以用于调整和控制衬底625的加热和冷却的空间均匀性。例如，至少一个电阻加热元件624可以包括中心区域加热元件和边缘区域加热元件。此外，例如，至少一个流体通道622可以包括中心区域流体通道和边缘区域流体通道。在高于200℃到250℃的温度下，可以使用其他加热系统，包括诸如灯加热等红外(IR)加热。
电源658耦接到至少一个电阻加热元件624以供应电流。电源658可以包括直流(DC)电源或交流(AC)电源。此外，至少一个电阻加热元件624可以串联连接或并联连接。
例如，至少一个加热元件624可以包括由碳、钨、镍铬合金、铝铁合金、氮化铝等制造的电阻加热元件。用于制造电阻加热元件的可商购材料的示例包括Kanthal、Nikrothal、Akrothal，这些是由康涅狄格州贝瑟尔市(Bethel)的Kanthal公司生产的金属合金的注册商标名称。Kanthal系列包括铁素体合金(FeCrAl)，并且Nikrothal系列包括奥氏体合金(NiCr、NiCrFe)。根据一个示例，至少一个电阻加热元件624中的每一个可以包括可从Watlow电气制造公司(密苏里州圣路易斯拉克兰路12001号，邮编63146)商购的加热元件。可替代地或另外地，可以在任何实施例中采用冷却元件。
热传递流体分配歧管652被布置为泵送并监测热传递流体通过一个或多个流体通道622的流动。热传递流体分配歧管652可以从第一热传递流体温度的第一热传递流体供应槽654、和/或从第二热传递流体温度的第二热传递流体供应槽656吸取热传递流体。歧管652可以混合来自第一流体槽654和第二流体槽656的热传递流体以实现中间温度。此外，热传递流体分配歧管652可以包括泵、阀组件、加热器、冷却器和流体温度传感器，从而可控地供应、分配和混合预定温度的热传递流体。
在替代性实施例中，温度控制系统660可以包括紧邻工件固持器620的热壁。衬底固持器620可以进一步包括被配置为将衬底夹持到衬底固持器的衬底夹持系统，以及被配置为向衬底背面供应热传递气体的背面气体供应系统。
热传递流体可以包括沸点超过200℃的高温流体。例如，热传递流体可以包括可从3M商购的FluorinertTM FC40(具有-57℃到165℃的温度范围)或FluorinertTM FC70(具有-25℃到215℃的温度范围)。
可以使用诸如热电偶(例如，K型热电偶、Pt传感器等)或光学设备等温度感测设备来监测衬底固持器620。此外，衬底固持器的温度控制系统650可以利用温度测量值作为对衬底固持器620的反馈，以便控制衬底固持器620的温度。例如，可以调整流体流速、流体温度、热传递气体类型、热传递气体压力、夹持力、电阻加热器元件电流或电压、热电设备电流或极性等中的至少一者，以影响衬底固持器620的温度和/或衬底625的温度的变化。
如上所述，控制器660可操作地耦接到温度控制系统650，并且被配置为将刻蚀系统600中的各个部件(包括衬底固持器620)的温度控制在从10℃到250℃、或从35℃到250℃、或从50℃到250℃的温度范围内。例如，在控制器660的指令下，温度控制系统650可以被配置为将衬底固持器620的温度控制为处于第一设定点温度，并且将衬底固持器320的温度调整到并控制为处于第二设定点温度。温度控制系统650可以从一个或多个温度传感器(被布置为测量衬底固持器620、衬底625、加工室610的室壁的温度或气体分配系统630的温度等)获得温度信息，并利用该温度信息来可控地调整这些温度。
作为示例，在将衬底固持器620的温度从第一设定点温度改变为第二设定点温度时，可以通过改变从热传递流体供应槽654、656吸取的热传递流体的比率来快速调整热传递温度的流体温度。一旦在目标第二设定点温度的预定范围内，就可以利用该至少一个电阻加热元件来准确地控制设定点温度。衬底固持器620可以被设计为具有相对较低的热质量。例如，固持器的厚度和固持器的材料组成可以被设计为减小或最小化固持器的热质量。此外，至少一个流体通道622(包括向至少一个流体通道622供应热传递流体的流体导管)可以被设计为具有低容积，以便快速改变流体温度。例如，流体通道和导管的长度和直径可以被设计为减小或最小化体积(即，减少置换一种温度的流体并将其替换为另一种温度的流体所需的时间)。
加工室610的其他室部件(包括室壁、气体分配系统630等)可以包括用于控制其温度的加热和/或冷却元件。例如，加工室610的室壁温度和气体分配系统的至少一部分的温度可以被控制到最高达150℃的温度、或在50℃到150℃(优选地，70℃到110℃)的范围内的温度。
应注意，可以使用一个或多个沉积工艺来形成本文所描述的材料层。例如，可以使用化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)和/或其他沉积工艺来实施一种或多种沉积。对于等离子体沉积工艺，可以在多种压力、功率、流量和温度条件下与一种或多种稀释气体(例如，氩气、氮气等)组合地使用前驱气体混合物(包括但不限于碳氢化合物、碳氟化合物或含氮碳氢化合物)。可以使用光学光刻、极紫外(EUV)光刻和/或其他光刻工艺来实施关于PR层的光刻工艺。可以使用等离子体刻蚀工艺、放电刻蚀工艺和/或其他希望的刻蚀工艺来实施刻蚀工艺。例如，可以使用含等离子体的碳氟化合物、氧气、氮气、氢气、氩气和/或其他气体来实施等离子体刻蚀工艺。此外，可以控制用于工艺步骤的操作变量以确保在通孔形成期间实现通孔的CD目标参数。操作变量可以包括例如室温度、室压力、气体的流速、在生成等离子体时施加到电极组件的频率和/或功率和/或用于加工步骤的其他操作变量。在仍然利用本文所描述的技术的同时，也可以实施变型。
应注意，在整个本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意味着与实施例相结合描述的特定特征、结构、材料、或特性包括在本发明的至少一个实施例中，但是不表示它们存在于每个实施例中。因此，在整个本说明书中的各处出现的“在一个实施例中”或“在实施例中”的短语不一定指本发明的同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何适合的方式来组合特定特征、结构、材料或特性。在其他实施例中，可以包括各种附加的层和/或结构，和/或可以省略所描述的特征。
如本文所使用的，“微电子工件”通常是指根据本发明被加工的物体。微电子工件可以包括器件(特别是半导体或其他电子器件)的任何材料部分或结构，并且可以例如是基础衬底结构(诸如，半导体衬底)、或在基础衬底结构之上或上覆的层(诸如，薄膜)。因此，工件不旨在限于图案化或未图案化的任何特定基础结构、下覆层或上覆层，而是设想为包括任何此类层或基础结构、以及层和/或基础结构的任何组合。以下描述可以参考特定类型的衬底，但这仅出于说明目的而非限制的目的。
如本文所使用的，术语“衬底”意指并且包括在其上形成材料的基础材料或构造。应该理解，衬底可以包括单一材料、不同材料的多个层、其中具有不同材料区域或不同结构区域的一个或多个层等。这些材料可以包括半导体、绝缘体、导体或其组合。例如，衬底可以是半导体衬底，在支撑结构上的基础半导体层，在其上形成有一个或多个层、结构或区域的金属电极或半导体衬底。衬底可以是常规的硅衬底或包括半导体材料层的其他块状衬底。如本文所使用的，术语“块状衬底”是指硅晶圆，并且不仅包括硅晶圆，还包括绝缘体上硅(“SOI”)衬底(诸如蓝宝石上硅(“SOS”)衬底和玻璃上硅(“SOG”)衬底)、基础半导体基底上的硅外延层、以及其他半导体或光电材料(诸如硅锗、锗、砷化镓、氮化镓和磷化铟)。衬底可以是掺杂的或非掺杂的。
在各个实施例中描述了用于加工微电子工件的系统和方法。相关领域的技术人员将认识到，可以在没有特定细节中的一个或多个的情况下或者利用其他替代和/或附加方法、材料或部件来实践各种实施例。在其他情况下，没有详细示出或描述众所周知的结构、材料、或操作，以避免模糊本发明的各种实施例的方面。类似地，出于解释的目的阐述了具体的数字、材料和配置，以便提供对本发明的透彻理解。然而，可以在没有具体细节的情况下实践本发明。此外，应该理解，附图中所示的各种实施例是说明性表示，并且不一定是按比例绘制的。
鉴于该描述，所描述的系统和方法的进一步修改和替代性实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，将认识到，所描述的系统和方法不受这些示例布置的限制。应当理解的是，在本文示出和描述的系统和方法的形式将被视为示例实施例。可以在实施方式中进行各种改变。因此，尽管本文参考特定实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不具有限制性意义，并且这种修改旨在被包括在本发明的范围内。进一步地，本文中针对特定实施例描述的任何益处、优点或对问题的解决方案均不旨在被解释为任何或所有权利要求项的关键、必需或必要特征或要素。

Claims (22)

1.一种刻蚀方法，包括
在加工室内接收衬底，该衬底具有暴露的材料层，这些材料层包括含钛材料层和至少一个附加材料层；以及
通过将该衬底暴露于包含含卤素气体的受控环境，来相对于该含钛材料层选择性地刻蚀该至少一个附加材料层。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该选择性刻蚀使用气相刻蚀或远程等离子体刻蚀中的至少一种。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该含钛材料层包括钛或氮化钛。
4.如权利要求1所述的方法，其中，该至少一个附加材料层包括钨、氧化钨、氧化铪、氧化硅、硅锗、硅、氮化硅或氧化铝中的至少一种。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括在该选择性刻蚀期间，控制该加工室的工艺参数以实现目标刻蚀参数。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括在该选择性刻蚀期间，将该加工室内的温度控制在从35摄氏度到150摄氏度的温度范围内。
7.如权利要求1所述的方法，其中，该含卤素气体包括氟基气体。
8.如权利要求7所述的方法，其中，该氟基气体包括三氟化氯、氟或三氟化氮。
9.如权利要求7所述的方法，其中，该环境进一步包括含氮气体。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括通过将该衬底暴露于第二受控环境来刻蚀该含钛材料层。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括在刻蚀该含钛材料层期间，控制工艺参数以实现目标刻蚀参数。
12.如权利要求10所述的方法，进一步包括将用于刻蚀该含钛材料层的温度控制在100摄氏度以上。
13.如权利要求10所述的方法，进一步包括在第二加工室中接收该衬底，并且在该第二加工室中形成该第二受控环境。
14.如权利要求10所述的方法，进一步包括通过调节该加工室内的工艺参数来在该加工室中形成该第二受控环境。
15.如权利要求10所述的方法，其中，刻蚀该含钛材料层还刻蚀暴露在该衬底上的第二材料层。
16.一种刻蚀方法，包括
在加工室内接收衬底，该衬底具有暴露的材料层，这些材料层包括含钛材料层和含钨材料层；
通过将该衬底暴露于包含含卤素气体的受控环境，来相对于该含钛材料层选择性地刻蚀该含钨材料层。
17.如权利要求16所述的方法，其中，该选择性刻蚀使用气相刻蚀或远程等离子体刻蚀中的至少一种。
18.如权利要求16所述的方法，其中，该含钛材料层包括钛或氮化钛，并且其中，该含钨层包括钨或氧化钨。
19.如权利要求16所述的方法，进一步包括在该选择性刻蚀期间，将该加工室内的温度控制在100摄氏度以下，并且其中，该含卤素气体包括氟基气体。
20.如权利要求16所述的方法，进一步包括通过调节该加工室内的工艺参数来刻蚀该含钛材料层。
21.如权利要求20所述的方法，其中，该调节包括将该加工室内的温度升高到100摄氏度以上的温度或从80摄氏度到150摄氏度的温度范围内的温度。
22.如权利要求20所述的方法，其中，刻蚀该含钛材料层还刻蚀暴露在该衬底上的第二材料层。
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