CN117597769A - 过渡金属氮化物材料的选择性移除 - Google Patents

过渡金属氮化物材料的选择性移除 Download PDF

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Abstract

示例性蚀刻方法可包括将含氧前驱物流入半导体处理腔室的处理区域。方法可包括使容纳在处理区域中的基板与含氧前驱物接触。基板可包括过渡金属氮化物的暴露区域和金属的暴露区域。所述接触可形成过渡金属氮化物的氧化部分和金属的氧化部分。方法可包括形成含氟前驱物和含氢前驱物的等离子体以产生含氟等离子体流出物。方法可包括移除过渡金属氮化物的氧化部分以暴露过渡金属氮化物的未氧化部分。方法可包括形成含氯前驱物的等离子体以产生含氯等离子体流出物。方法可包括移除过渡金属氮化物的未氧化部分。

Description

过渡金属氮化物材料的选择性移除
相关申请的交叉引用
本申请主张于2021年7月12日提交的题为“SELECTIVE REMOVAL OF TRANSITIONMETAL NITRIDE MATERIALS(过渡金属氮化物材料的选择性移除)”的美国非临时申请第17/373,161号的权益和优先权，所述申请的内容出于所有目的通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本技术涉及半导体工艺和设备。更具体地，本技术涉及选择性地蚀刻过渡金属氮化物材料。
背景技术
通过在基板表面上产生复杂图案化材料层的工艺，就有可能制造集成电路。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。化学蚀刻用于多种目的，包括将光刻胶中的图案转移到底层、减薄层或减薄已经存在于表面上的特征的横向尺寸。通常，期望有蚀刻一种材料比另一种材料更快的蚀刻工艺，从而促进例如图案转移工艺。此种蚀刻工艺被称为对第一材料是选择性的。由于材料、电路和工艺的多样性，已经开发出对各种材料具有选择性的蚀刻工艺。
基于工艺中使用的材料，蚀刻工艺可称为湿式或干式。例如，湿式蚀刻可优先于其他电介质和材料移除一些氧化物电介质。然而，湿式工艺可能难以穿透某些受限的沟槽，并且有时还可能使剩余材料变形。在基板处理区域内形成的局部等离子体中产生的干式蚀刻可穿透更受限的沟槽，并对精细剩余结构展现较小变形。然而，局部等离子体可能通过在局部等离子体放电时产生的电弧而损坏基板。
因此，需要可用于生产高质量的器件和结构的改进的系统和方法。本技术解决了这些和其他需求。
发明内容
示例性蚀刻方法可包括将含氧前驱物流入半导体处理腔室的处理区域。方法可包括使容纳在处理区域中的基板与含氧前驱物接触。基板可包括过渡金属氮化物的暴露区域和金属的暴露区域。所述接触可形成过渡金属氮化物的氧化部分和金属的氧化部分。方法可包括形成含氟前驱物和含氢前驱物的等离子体以产生含氟等离子体流出物。方法可包括移除过渡金属氮化物的氧化部分以暴露过渡金属氮化物的未氧化部分。方法可包括形成含氯前驱物的等离子体以产生含氯等离子体流出物。方法可包括移除过渡金属氮化物的未氧化部分。
方法可包括形成含氧前驱物的等离子体。等离子体流出物可流入处理区域以形成过渡金属氮化物的氧化部分和金属的氧化部分。在形成含氟前驱物和含氢前驱物的等离子体之前，可降低处理温度。在每次移除操作期间，处理区域内的温度可保持在低于或约300℃。过渡金属氮化物可包括钛、钽或铪。金属可包括钨或钼。可在半导体处理腔室的远程等离子体区域中执行含氟前驱物和含氢前驱物的等离子体的形成。可在半导体处理腔室的处理区域中执行含氯前驱物的等离子体的形成。含氟前驱物和含氢前驱物的等离子体可在第一等离子体功率下形成。含氯前驱物的等离子体可在第二等离子体功率下形成，第二等离子体功率低于第一等离子体功率。可在第一半导体处理腔室中执行基板与含氧前驱物的接触。每个移除操作可在第二半导体处理腔室中执行。
本技术的一些实施例可涵盖蚀刻方法。方法可包括将含氧气体流入半导体处理腔室的处理区域。方法可包括使容纳在处理区域中的基板与含氧气体接触。基板可包括过渡金属氮化物的暴露区域和金属的暴露区域。所述接触可形成过渡金属氮化物的氧化部分和金属的氧化部分。方法可包括在半导体处理腔室的远程等离子体区域中形成第一含卤素前驱物和含氢前驱物的等离子体，以产生第一卤素等离子体流出物。方法可包括移除过渡金属氮化物的氧化部分以暴露过渡金属氮化物的未氧化部分。方法可包括在半导体处理腔室的处理区域中形成第二含卤素前驱物的等离子体以产生第二卤素等离子体流出物。方法可包括移除过渡金属氮化物的未氧化部分。
在一些实施例中，方法可包括在半导体处理腔室的处理区域或远程等离子体区域中形成含氧气体的等离子体。过渡金属氮化物可包括钛、钽或铪，并且金属可包括钨或钼。第一含卤素前驱物和含氢前驱物的等离子体可在第一等离子体功率下形成。第二含卤素前驱物的等离子体可在第二等离子体功率下形成，第二等离子体功率低于第一等离子体功率。第二等离子体功率可以是低于或约100W。在每次移除操作期间，处理区域内的温度可保持在低于或约250℃。
本技术的一些实施例可涵盖蚀刻方法。方法可包括氧化定位在半导体处理腔室的处理区域中的基板上的过渡金属氮化物的一部分，以产生过渡金属氮化物的氧化部分。方法可包括在半导体处理腔室的远程等离子体区域中形成含氟前驱物和含氢前驱物的等离子体，以产生含氟等离子体流出物。方法可包括移除过渡金属氮化物的氧化部分。方法可包括在半导体处理腔室的处理区域中形成含氯前驱物的等离子体以产生含氯等离子体流出物。方法可包括移除过渡金属氮化物的未氧化部分。
在一些实施例中，处理区域内的温度可保持在低于或约250℃。方法可包括在半导体处理腔室内形成含氧前驱物的等离子体以氧化过渡金属氮化物的一部分。方法可包括重复方法达至少一次额外循环。
与常规系统和技术相比，此类技术可提供许多益处。例如，工艺可允许执行精确控制的干式蚀刻，这可移除过渡金属氮化物材料的离散层。此外，工艺可相对于基板上的其他金属和氧化物材料选择性地移除过渡金属氮化物材料。结合以下描述和附图更详细地描述这些和其他实施例，以及它们的优点和特征中的许多优点和特征。
附图说明
通过参考本说明书和附图的其余部分，可进一步理解所公开技术的性质和优点。
图1示出了根据本技术的一些实施例的示例性处理系统的一个实施例的俯视平面图。
图2A示出了根据本技术的一些实施例的示例性处理腔室的示意性横截面图。
图2B示出了根据本技术的一些实施例的图2A中所示处理腔室的一部分的详细视图。
图3示出了根据本技术的一些实施例的示例性喷头的仰视平面图。
图4示出了根据本技术的一些实施例的方法中的示例性操作。
图5A至图5D示出了根据本技术的一些实施例的经蚀刻材料的示意性横截面图。
附图中的数个附图被提供作为示意图。应当理解，附图是为了说明的目的，并且除非特别说明按比例绘制，否则不应认为按比例绘制。此外，作为示意图，提供附图以帮助理解，并且与实际表示相比，附图可能不包括所有方面或信息，并且可能出于说明目的而包括额外材料或夸大的材料。
在附图中，类似部件和/或特征可能具有相同的附图标记。此外，相同类型的各种部件可通过在附图标记后加上在类似部件之间进行区分的字母来加以区分。如果本说明书中仅使用了第一附图标记，则描述适用于具有相同第一附图标记的类似部件中的任何一者，而与字母无关。
具体实施方式
选择性地蚀刻过渡金属氮化物在多种器件工艺流程中是有益的，该等器件工艺流程包括动态随机存取存储器、FinFET和许多其他器件的形成。过渡金属氮化物可用作阻挡层，以在与线或通孔形式的导体组合时抑制扩散，同时保持显著的导电性。利用卤素前驱物或等离子体产物来蚀刻过渡金属氮化物的常规工艺通常受到过渡金属氮化物与这些材料的低蚀刻速率的限制，这可能受限于在相对较长的时间段内的埃级蚀刻。这可能会导致卤素材料(包括等离子体流出物)的驻留时间增加，从而会增加与基板上需要保持的暴露材料的接触。此外，随着暴露材料数量的增加，半导体结构变得更加复杂，对这些材料的选择性移除可能会受到挑战。例如，诸如钛、钽、铪和其他材料的过渡金属的氮化物可能表现出类似金属的性质，这可能会降低相对于其他暴露金属(诸如钨、钼和其他材料)选择性移除的效率。常规技术通常过度蚀刻这些其他材料，或者需要多个额外的图案化操作来保护这些其他暴露材料免受蚀刻。
本技术通过执行选择性蚀刻工艺克服了这些限制，选择性蚀刻工艺在执行蚀刻工艺之前首先氧化氮化物的部分，这可更快地移除经氧化材料。氧化工艺可附加地氧化暴露的其他金属材料。由于可相对于某些其他过渡金属氧化物保持金属氧化物，诸如氧化钨或氧化钼，因此可执行后续的移除操作以移除过渡金属氧化物和下层的过渡金属氮化物，同时保持金属氧化物材料。蚀刻可优先移除经氧化材料，这可促进精确控制的蚀刻工艺，所述蚀刻工艺可在每个循环中基本上受限于已氧化的过渡金属氮化物的量。蚀刻工艺可相对于基板上的介电材料以及金属和其他材料是选择性的。此外，本技术可有助于在比常规技术更低的温度下进行移除，这可允许在暴露低介电常数或其他有限热预算材料的情况下执行工艺。
尽管剩余的公开内容将常规地识别利用本公开技术的特定材料和半导体结构，但将容易理解的是，系统、方法和材料同样适用于可能受益于本技术各方面的许多其他结构。因此，本技术不应被视为仅限于用于与任何特定工艺或材料一起使用。此外，尽管描述了示例性腔室以提供本技术的基础，但应理解，本技术可应用于可允许所述操作的几乎任何半导体处理腔室。
图1示出了根据实施例的沉积、蚀刻、烘烤和固化腔室的处理系统100的一个实施例的俯视平面图。在图中，一对前开式标准舱102供应各种尺寸的基板，所述基板由机器人臂104接收，并放置到低压保持区106中，随后被放置到定位在串联区段109a-c中的基板处理腔室108a-f中的一个处理腔室中。第二机器人臂110可用于将基板晶片从保持区106输送到基板处理腔室108a-f和返回。每个基板处理腔室108a-f可经配备以执行多个基板处理操作，包括本文所述的干式蚀刻工艺，以及循环层沉积、原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、蚀刻、预清洁、脱气、定向、以及其他基板工艺。
基板处理腔室108a-f可包括一个或多个系统部件，以用于在基板晶片上沉积、退火、固化和/或蚀刻介电膜。在一种配置中，两对处理腔室(例如108c-d和108e-f)可用于在基板上沉积介电材料，并且第三对处理腔室(例如108a-b)可用于蚀刻沉积的电介质。在另一配置中，所有三对腔室(例如108a～f)可配置成在基板上蚀刻介电膜。所述工艺中的任何一者或多者可在与不同实施例中所示的制造系统分离的一个或多个腔室中执行。应了解，系统100设想了用于介电膜的沉积、蚀刻、退火和固化腔室的额外配置。
图2A示出了示例性处理腔室系统200的横截面图，其中在处理腔室内划分出了等离子体产生区域。在膜蚀刻期间，例如氮化钛、氮化钽、钨、硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅，工艺气体可通过气体入口组件205流入第一等离子体区域215。远程等离子体系统201可以可选地被包括在系统中，并且可处理第一气体，第一气体随后行进穿过气体入口组件205。入口组件205可包括两个或更多个不同的气体供应通道，其中第二通道可绕过远程等离子体系统201(如果被包括)。
示出了冷却板203、面板217、离子抑制器223、喷头225和基座265或基板支撑件，所述基板支撑件上设置有基板255，并且上述各项中的每一者可根据实施例而被包括在内。基座265可具有热交换通道，热交换流体流经热交换通道以控制基板的温度，热交换流体可操作以在处理操作期间加热和/或冷却基板或晶片。基座265的晶片支撑盘还可使用嵌入式电阻加热元件进行电阻加热，以实现相对高的温度，诸如从高达或约100℃到高于或约1100℃，所述晶片支撑盘可包括铝、陶瓷或铝和陶瓷的组合。
面板217可以是棱锥形、圆锥形或具有窄顶部部分扩展到宽底部部分的另一种类似结构。面板217可另外如图所示是平坦的，并且包括用于分配工艺气体的多个贯通通道。取决于远程等离子体系统201的使用，等离子体产生气体和/或等离子体激发物质可穿过面板217中的多个孔洞(如图2B所示)，以便更均匀地输送到第一等离子体区域215中。
示例性配置可包括使气体入口组件205通向通过面板217与第一等离子体区域215隔离的气体供应区域258，使得气体/物质穿过面板217中的孔洞流入第一等离子体区域215。可选择结构和操作特征以防止等离子体从第一等离子体区域215显著回流回到供应区域258、气体入口组件205和流体供应系统210中。面板217、或腔室的导电顶部部分、以及喷头225被示出为具有位于特征之间的绝缘环220，绝缘环220允许相对于喷头225和/或离子抑制器223向面板217施加AC电势。绝缘环220可定位在面板217与喷头225和/或离子抑制器223之间，使得能够在第一等离子体区域中形成电容耦合等离子体。挡板可额外地位于第一等离子体区域215中，或者以其他方式与气体入口组件205耦合，以影响流体通过气体入口组件205进入所述区域的流动。
离子抑制器223可包括在整个结构中限定多个孔的板或其他几何形状，所述多个孔被配置成抑制离子带电物质从第一等离子体区域215迁移出去，同时允许不带电荷的中性或自由基物质通过离子抑制器223进入抑制器与喷头之间的活化气体输送区域。在实施例中，离子抑制器223可包含具有各种孔配置的穿孔板。这些不带电的物质可包括高反应性物质，所述高反应性物质与低反应性载气一起通过孔输送。如上所述，离子物质穿过孔洞的迁移可减少，并且在一些情况下完全被抑制。控制通过离子抑制器223的离子物质的量可有利地提供对与下层的晶片基板接触的气体混合物的增加控制，这进而可增加对气体混合物的沉积和/或蚀刻特性的控制。例如，调整气体混合物的离子浓度可显著改变其蚀刻选择性，例如，SiNx:SiOx蚀刻比、Si:SiOx蚀刻比等。在执行沉积的替代实施例中，这还可改变介电材料的共形到可流动式沉积的平衡。
离子抑制器223中的多个孔可配置成控制活化气体(即离子、自由基和/或中性物质)通过离子抑制器223的通路。例如，可控制孔洞的深宽比、或孔洞的直径与长度比、和/或孔洞的几何形状，从而减少通过离子抑制器223的活化气体中的离子带电物质的流动。离子抑制器223中的孔洞可包括面向等离子体激发区域215的锥形部分和面向喷头225的圆柱形部分。圆柱形部分的形状和尺寸可被设计成控制离子物质向喷头225的流动。还可向离子抑制器223施加可调节的电偏压，作为控制离子物质通过抑制器的流动的额外手段。
离子抑制器223可用于减少或消除从等离子体产生区域行进到基板的离子带电物质的量。不带电荷的中性和自由基物质仍可通过离子抑制器中的开口以与基板反应。应注意，在实施例中，可不执行对围绕基板的反应区域中的离子带电物质的完全消除。在某些情况下，离子物质旨在到达基板以执行蚀刻和/或沉积工艺。在这些情况下，离子抑制器可以有助于将反应区域中离子物质的浓度控制在辅助工艺的水平。
喷头225与离子抑制器223组合可允许存在于第一等离子体区域215中的等离子体避免直接激发基板处理区域233中的气体，同时仍允许被激发的物质从腔室等离子体区域215中行进到基板处理区域233中。以此方式，腔室可配置成防止等离子体接触正被蚀刻的基板255。这可有利地保护在基板上图案化的各种复杂结构和膜，如果直接与产生的等离子体接触，则这些结构和膜可能被损坏、错位或以其他方式翘曲。此外，当允许等离子体接触基板或接近基板水平时，氧化物质蚀刻的速率可能增加。因此，如果材料的暴露区域为氧化物，则可通过保持等离子体远离基板来进一步保护此材料。
处理系统可进一步包括与处理腔室电耦合的电源240，用于向面板217、离子抑制器223、喷头225、和/或基座265提供电功率，以在第一等离子体区域215或处理区域233中产生等离子体。电源可配置成根据所执行的工艺向腔室输送可调节量的功率。这样的配置可允许在正在执行的工艺中使用可调谐等离子体。与通常具有开或关功能的远程等离子体单元不同，可调谐等离子体可配置成向等离子体区域215输送特定量的功率。这进而可允许特定等离子体特性的形成，使得前驱物可以特定方式解离以增强由这些前驱物产生的蚀刻轮廓。
可在喷头225上方的腔室等离子体区域215或喷头225下方的基板处理区域233中点燃等离子体。等离子体可存在于腔室等离子体区域215中，以从例如含氟前驱物或其他前驱物的来流产生自由基前驱物。通常在射频(radio frequency，“RF”)范围内的AC电压可施加在处理腔室的导电顶部部分(诸如面板217)与喷头225和/或离子抑制器223之间，以在沉积期间点燃腔室等离子体区域215中的等离子体。RF电源可产生13.56MHz的高RF频率，但还可单独地或与13.56MHZ频率组合地产生其他频率。
图2B示出了影响穿过面板217的处理气体分布的特征的细节视图253。如图2A和图2B所示，面板217、冷却板203和气体入口组件205相交以限定气体供应区域258，工艺气体可从气体入口205输送到气体供应区域258中。气体可填充气体供应区域258，并通过面板217中的孔259流向第一等离子体区域215。孔259可配置成以基本单向的方式引导流，使得工艺气体可流入处理区域233，但可部分或完全防止工艺气体在横穿面板217之后回流到气体供应区域258中。
用于在处理腔室部分200中使用的诸如喷头225之类的气体分配组件可被称为双通道喷头，并在图3中描述的实施例中额外详细说明。双通道喷头可提供蚀刻工艺，所述蚀刻工艺允许在处理区域233外部分离蚀刻剂，以在蚀刻剂被输送到处理区域中之前提供与腔室部件和彼此的有限相互作用。
喷头225可包括上板214和下板216。板可彼此耦接以在板之间限定容积218。板的耦接可提供穿过上板和下板的第一流体通道219和穿过下板216的第二流体通道221。所形成的通道可配置成仅经由第二流体通道221提供从容积218穿过下板216的流体通路，并且第一流体通道219可在板与第二流体通道221之间与容积218流体隔离。可通过喷头225的一侧流体地进出容积218。
图3是根据实施例的用于与处理腔室一起使用的喷头325的仰视图。喷头325可对应于图2A所示的喷头225。示出第一流体通道219的视图的通孔365可具有多种形状和构造，以便控制和影响前驱物穿过喷头225的流动。示出第二流体通道221的视图的小孔375可基本均匀地分布在喷头的表面上，甚至分布在通孔365之间，并且与其他配置相比，可有助于在前驱物离开喷头时提供更均匀的前驱物混合。
先前讨论的腔室可用于执行示例性方法，包括蚀刻方法，但任何数量的腔室都可配置成执行本技术实施例中使用的一个或多个方面。转向图4，示出了根据本技术实施例的方法400中的示例性操作。方法400可包括在方法开始之前的一个或多个操作，包括前端处理、沉积、蚀刻、抛光、清洁，或者可在所描述操作之前执行的任何其他操作。方法可包括多个可选操作，这些可选操作可以与或可以不与根据本技术的方法的一些实施例具体相关联。例如，描述了操作中的许多操作以便提供所执行的工艺的更广泛范围，但对本技术并非关键的，或者可通过替代方法来执行，如下文将进一步讨论的。方法400描述了图5A至图5D中示意性地示出的操作，图5A至图5D的图示将结合方法400的操作进行描述。应当理解，附图仅示出了部分示意图，并且基板可包含具有如附图所示的各种特性和方面的任何数量的额外材料和特征。
方法400可涉及或可不涉及将半导体结构形成为特定制造操作的可选操作。应理解，方法400可在任何数量的半导体结构或基板505上执行，如图5A所示，包括可对其执行过渡金属氮化物移除操作的示例性结构。示例性过渡金属氮化物可包括氮化钛、氮化钽、氮化铪或其他过渡金属氮化物中的一者或多者。示例性半导体结构可包括沟槽、通孔或可包括一种或多种暴露材料的其他凹陷特征。例如，示例性基板可包含硅或一些其他半导体基板材料以及层间介电材料，可穿过这些材料形成凹部、沟槽、通孔或隔离结构。在蚀刻工艺期间的任何时间暴露的材料可以是或包括金属材料、一种或多种介电材料、接触材料、晶体管材料、或可在半导体工艺中使用的任何其他材料。
例如，尽管示出为一般层，但图5A可示出上覆于基板505或一些其他半导体材料的过渡金属氮化物510的层。此外，还可包括暴露的金属512。尽管剩余的公开内容将参考氮化钛，但应理解，在本技术的实施例中，过渡金属氮化物510还可以是氮化钽、氮化铪或其他过渡金属氮化物，并且工艺可涉及用氮化钛移除这些过渡金属氮化物中的任一者，或将这些过渡金属氮化物中的任一者替代为氮化钛。类似地，金属512可以是钨、钼或一些其他金属，并且在一些实施例中，材料可为金属氧化物，或者基板上的一些其他含氧化物的材料。因此，剩余的公开内容不应被认为局限于所描述的特定示例。
基板505可示出上覆于基板上的一个或多个其他结构上的介电材料，并且应当理解，可在所示结构下方形成任何数量的材料。在一些实施例中，介电材料可以是或包括氧化硅，或者可发生图案化的任何其他氧化物或氮化物。应理解，所提及的结构并非旨在是限制性的，并且类似地涵盖包括含过渡金属材料或其他含金属材料的各种其他半导体结构中的任一者。其他示例性结构可包括半导体制造中常见的二维和三维结构，并且将在这些结构内相对于一种或多种其他材料移除诸如氮化钛之类的含过渡金属的材料，因为本技术可相对于诸如含硅材料之类的其他暴露材料和其他地方讨论的其他材料中的任一者选择性地移除过渡金属氮化物。此外，尽管高深宽比结构可受益于本技术，但本技术可同样适用于低深宽比和任何其他结构。
例如，根据本技术的材料层可由结构的任何深宽比或高宽比表征，但在一些实施例中，材料可由更大的深宽比表征，这可能不允许利用常规技术或方法进行充分蚀刻。例如，在一些实施例中，示例性结构的任何层的深宽比可以是高于或约10:1、高于或约20:1、高于或约30:1、高于或约40:1、高于或约50:1或更大。此外，每个层可由低于或约100nm、低于或约80nm、低于或约60nm、低于或约50nm、低于或约40nm、低于或约30nm、低于或约20nm、低于或约10nm、低于或约5nm、低于或约1nm、或更小的减小的宽度或厚度来表征。高深宽比与最小厚度的这种组合可能会阻碍许多常规蚀刻操作，或者需要显著更长的蚀刻时间来沿着穿过受限宽度的垂直或水平距离移除层。此外，如前文所解释的，常规技术可能会发生对其他暴露层的损坏或移除。
在一些实施例中，方法可包括多操作蚀刻工艺，所述多操作蚀刻工艺可控制相对于其他暴露材料对过渡金属氮化物的蚀刻，所述暴露材料诸如金属512或介电材料，例如氧化硅，以及在处理期间可能暴露在基板上的其他材料。方法400可包括将含氧前驱物流入容纳所描述基板的半导体处理腔室。在一些实施例中，可使含氧前驱物直接流动以接触基板，但在一些实施例中，可在可选操作405处由含氧前驱体形成等离子体。含氧前驱物可流经处理腔室的远程等离子体区域，诸如上述远程等离子体系统单元或区域215，并且可由含氧前驱物形成等离子体以产生等离子体流出物。尽管可产生基板水平的等离子体，但在一些实施例中，等离子体可以是远程等离子体，所述远程等离子体可保护暴露的基板材料免受由于基板水平的等离子体而可能发生的离子轰击。
无论等离子体增强与否，在操作410处，含氧前驱物或含氧前驱物的等离子体流出物都可被输送到基板处理区域，在基板处理区域中，流出物可接触包括暴露的过渡金属材料(诸如氮化钛的暴露区域)的半导体基板。接触可诸如通过转换基板上暴露的氮化钛来产生经氧化材料，诸如氮化钛上的氧化表面或氮化钛氧化物材料。在一些实施例中，在氧化之后，可熄灭等离子体，并且可净化腔室。如图5A所示，氧材料或氧等离子体流出物515可流动以接触暴露的氮化钛材料，这可将过渡金属氮化物510的暴露表面转化为氧化的钛材料520，如图5B所示，并且氧化的钛材料520可包括氧、过渡金属和氮的各方面。氮的一些部分还可能以氧化亚氮、一氧化氮或二氧化氮的形式排出。氧化还可形成金属512的氧化部分522。
在氧化操作之后，可停止输送氧材料。尽管以下操作可在同一腔室中执行，但在可实施温度变化的一些实施例中，如下文将进一步描述的，基板可移动到诸如在同一主机或平台上的第二处理腔室，第二处理腔室可将基板保持在真空下。在停止氧等离子体或将基板转移到另一腔室之后，第一含卤素前驱物可流入处理区域。类似于含氧前驱物，含卤素前驱物可直接输送到处理区域，但在一些实施例中，第一含卤素前驱物可首先在操作415处形成为等离子体。在本技术的一些实施例中，等离子体还可在处理腔室的远程等离子体区域中产生。蚀刻剂前驱物可与氮化钛的氧化部分相互作用，以产生副产物，包括铵、钛、氧和/或卤素，诸如包括氟化钛或氧氟化钛，并且所述副产物在某些处理条件下可能是挥发性的，并且可从基板中逸出。因此，在操作420处，无论等离子体增强与否，含卤素前驱物都可接触经氧化材料，这可从下层金属蚀刻或移除过渡金属氮化物材料的经氧化区域。
在一些实施例中，通过利用远程等离子体来激励第一含卤素前驱物，等离子体流出物可通过离子抑制元件，诸如前述的离子抑制器223。这可过滤出离子物质并将中性和自由基物质输送到处理区域。因此，所执行的移除工艺本质上可基本上是化学的，并且可使对基板的离子影响最小化或防止所述离子影响。此外，由于在一些实施例中可能不使用偏压，因此可执行更各向同性的移除。因为金属512的氧化部分522可以是比氧化的过渡金属氮化物更致密的材料，所以可执行移除工艺以移除过渡金属氮化物的氧化部分，同时基本上保持金属512的可更耐化学性的氧化部分522。通过滤出离子，还可保护氧化金属免受由于离子影响而导致的物理移除，这可进一步提高选择性。例如，钨可形成致密氧化物结构，所述致密氧化物结构可抵抗对过渡金属氮化物的氧化部分的受控化学蚀刻工艺，并且可具有有限的物理蚀刻成分或没有物理蚀刻成分。如图5C所示，含卤素前驱物或等离子体流出物525可接触过渡金属氮化物的氧化部分并产生挥发性副产物530，并且挥发性副产物530可从过渡金属氮化物材料中移除经氧化材料，同时基本上保持金属512的氧化部分522。通过首先氧化暴露的金属和金属氮化物材料，可通过主要化学相互作用来执行对氧化的过渡金属氮化物的选择性地移除。因此，在移除或部分移除过渡金属氮化物的氧化部分之后，可暴露过渡金属氮化物的下层区域，而金属512的氧化部分522可在随后的对过渡金属氮化物的移除期间在金属上提供保护层。
在移除或至少部分地移除过渡金属氮化物的氧化部分以暴露未氧化的过渡金属氮化物之后，可执行第二移除工艺以蚀刻过渡金属氮化物。例如，在操作425处，可将第二含卤素前驱物输送到半导体处理腔室，并且可由第二含卤素前驱物形成等离子体。在操作430处，等离子体可产生第二含卤素前驱物的等离子体流出物，所述等离子体流出物可接触并移除过渡金属氮化物的未氧化区域。尽管第一含卤素的等离子体流出物可远程地形成以允许对离子物质的过滤，但在一些实施例中，第二含卤素等离子体流出物可在处理区域中形成。例如，可在使用第二含卤素前驱物的第二移除操作中使用更具侵蚀性的前驱物。通过在低功率条件下产生等离子体，与过渡金属氮化物的一定量的物理相互作用可促进移除。可控制物理成分以减少或限制对金属的氧化部分的轰击，这可限制对金属材料的任何移除。例如，偏压等离子体可用于在基板处引导离子物质，这可促进对氮化物材料的物理移除和化学移除工艺。如图5D所示，第二含卤素前驱物的等离子体流出物535可被引导到基板处，并且可蚀刻已经暴露的过渡金属氮化物510。尽管可能与金属512的氧化部分522发生一定量的化学和物理相互作用，但可基于移除条件使移除最小化。
可停止含卤素前驱物或等离子体流出物，并且随后可在任意次数的循环中重复工艺，以相对于额外暴露的材料选择性地移除额外的过渡金属氮化物层。通过执行多个循环，可增加对金属或氧化物的选择性。例如，如上文所解释的，第二移除操作可在起始或饱和期之后导致一定量的对金属的氧化部分的移除。通过在短时间段后停止工艺，并且重复工艺，随后的氧化操作可固化或刷新金属的氧化部分的表面，并且可增加氧化物密度。这可有助于随着时间的推移减少对金属的移除，同时允许在循环期间基本上移除过渡金属氮化物。
多步骤操作中的任何操作期间的前驱物可包括含氧前驱物，在一些实施例中，所述含氧前驱物可包括任何含氧材料或含氧气体。例如，非限制性含氧前驱物可包括双原子氧(O2)、臭氧(O3)、水(H2O)、乙醇、过氧化氢(H2O2)、一氧化二氮(N2O)或任何其他含氧材料。在一些实施例中，示例性含卤素前驱物可包括氟或氯中的一者或多者，以及任何其他卤素。可用作卤素前驱物的一些示例性前驱物可包括卤化物，诸如氟化氢(HF)、三氟化氮(NF3)或任何有机氟化物、双原子氟(F2)、三氟溴(BrF3)、三氟氯(ClF3)、六氟化硫(SF6)、二氟化氙(XeF2)、三氯化硼(BCl3)、五氯化钨(WCl5)、六氯化钨(WCl6)、双原子氯(Cl2)或任何其他含氯或含氟前驱物。如上文所解释的，在一些实施例中，第一移除操作可包括第一含卤素前驱物，而第二移除操作可包括第二含卤素前驱物，第二含卤素前驱物可不同于第一含卤素前驱物。例如，第一含卤素前驱物可以是含氟前驱物，而第二含卤素前驱物可以是含氯前驱物。
前驱物可以多种组合一起流动，并且前驱物还可与任何数量的额外前驱物或载气一起流动。额外前驱物可包括双原子氢或含氢前驱物、氮、氩、氦或任何数量的额外材料，但在一些实施例中，前驱物可限于控制可能影响选择性的副反应或其他方面。通过在第一移除操作中包括氢，诸如使用第一卤素材料(其可以是含氟材料)，可降低或抑制来自氟的材料的蚀刻速率，这可提供对移除程度的进一步控制。此外，由于下层材料可至少部分地与氟自由基接触蚀刻，例如，增加稀释度可进一步抑制与下层材料的反应。为了保护额外暴露的材料，以及保护下覆于经氧化材料的过渡金属氮化物，可以比含卤素前驱物的流速更高的流速输送氢。例如，在含卤素前驱物可以是三氟化氮或任何其他含卤素材料的一些实施例中，氢与卤素材料的流速比可高于或约为1.5:1，并且氢与卤素材料的流速比可高于或约为2.0:1、高于或约为2.5:1、高于或约3.0:1、高于或约为3.5:1、高于或约为4.0:1、高于或约为4.5:1、高于或约为5.0:1、高于或约为10.0:1、或更高。在氟与经氧化材料相互作用的同时，氢自由基还可帮助钝化其他暴露的材料。
根据本技术，处理条件可影响并促进蚀刻。例如，执行操作的温度可能影响反应可能发生的程度。在暴露表面的氧化期间，升高的温度可促进反应，并可允许执行无等离子体反应，这可进一步保护其他暴露材料免受氧自由基的轰击或与氧自由基的相互作用。因此，在本技术的一些实施例中，与氧前驱物或氧等离子体流出物的接触操作可在高于或约200℃的基板、基座和/或腔室温度下执行，并且可在高于或约250℃、高于或约300℃、高于或约350℃、高于或约400℃、高于或约450℃或更高的温度下执行，这取决于基板上材料的热预算。温度还可保持在这些范围内的任何温度，在由这些范围涵盖的较小范围内，或在这些范围中的任何范围之间。
在一些实施例中，与第一和第二卤素前驱物或卤素等离子体流出物的接触操作可在与氧的接触操作相同或不同的温度下执行。在实施例中，与卤素的接触操作还可以是等离子体增强的或无等离子体的，诸如取决于所使用的卤素前驱物。无论如何，在一些实施例中，可通过降低基板的温度来控制相互作用，尽管在卤素接触操作期间温度也可较高。由于基板支撑件的热质量，在一些实施例中，与卤素前驱物或等离子体流出物的接触操作可在单独的处理腔室中执行，以允许使用不同的温度，同时使时间最小化以稳定不同的腔室条件。单独的腔室可仍然在同一平台上，这可允许基板在整个工艺中保持在真空条件下。
在用含卤素材料移除过渡金属氮化物而不进行氧化的许多工艺中，温度可保持在高于300℃，否则反应可能停止进行。然而，通过执行根据本技术的实施例的受控氧化，接触操作和移除可在低于或约300℃的温度下执行，并且可在低于或约290℃、低于或约280℃、低于或约270℃、低于或约260℃、低于或约250℃、低于或约240℃、低于或约230℃、低于或约220℃、低于或约210℃、低于或约200℃、或更低的温度下执行。此外，通过利用较低的温度进行移除操作，在第一移除工艺期间，金属的氧化部分可基本上或实质上被保持，所述第一移除工艺可以是氟化反应。随着温度升高，含氟等离子体流出物还可开始移除氧化的金属材料。
腔室内的压力还可能影响所执行的操作，以及影响副产物可在什么温度下从氮化钛表面逸出。为了促进可基于等离子体增强前驱物的氧化，处理压力可低于使用含卤素前驱物的第二移除操作中的处理压力。通过在第一操作中保持较低的压力，诸如在使用氧前驱物或氧等离子体流出物期间保持较低的压力，可促进在基板表面处增加的相互作用。方法的第一部分中的较低压力可增加原子之间的平均自由程，这可增加膜表面处的能量和相互作用。通过在方法的第二部分中利用更高的压力，诸如在使用卤素前驱物或等离子体流出物期间利用更高的压力，可提高蚀刻速率，这可通过限制卤素材料在处理区域内和与其他暴露材料接触的驻留时间来提高选择性。
因此，在一些实施例中，在氧化期间，诸如在操作405-410期间，压力可保持在低于或约5托，并且压力可保持在低于或约4托、低于或约3托、低于或约2托、低于或约1托、低于或约0.5托或者更低。随后，可在方法的第二部分期间增加压力，诸如在操作415-430期间增加压力，其中压力可保持在高于或约1托，并且可保持在高于或约2托、高于或约3托、高于或约4托、高于或约5托、高于或约6托、高于或约7托、高于或约8托、高于或约9托、高于或约10托或更高。压力还可保持在这些范围内的任何压力，在由这些范围涵盖的较小范围内，或在这些范围中的任何范围之间。
当在一个或两个移除操作期间使用等离子体流出物时，等离子体功率可保持在低于约500W。通过保持较低的等离子体功率，可控制溅射，并且相互作用可限于表面化学反应，这可更好地限制氧化和/或蚀刻穿过氮化钛的程度。因此，在一些实施例中，等离子体功率可保持在低于或约450W、低于或约400W、低于或约350W、低于或约300W、低于或约250W、低于或约200W、低于或约150W、低于或约100W或更低。此外，不同的等离子体功率可用于不同的等离子体操作。
例如，如上所述，用于移除经氧化材料的第一等离子体移除操作可在较高的等离子体功率下执行。这可以增加含氟材料的离解，特别是当如上文所解释地用氢稀释时。例如，在一些实施例中，在将等离子体功率保持在低于或约500W的同时，诸如上文解释的电容耦合远程区域之类的远程区域中的等离子体功率可以是高于或约100W，并且可以是高于或约200W，高于或约300W，或更大。然而，对于用于第二移除操作的含氯前驱物的等离子体，可使用较低的等离子体功率。
氯等离子体流出物可能更容易蚀刻各种材料，包括氧化钨或基板上的其他暴露材料。为了限制氯自由基的产生，可使用较低的等离子体功率，所述等离子体功率可以是低于或约200W、低于或约100W、低于或约80W、低于或约60W、低于或约50W、低于或约40W、低于或约30W、低于或约20W或更小。这可能限制对金属的氧化部分的化学移除。然而，对于远程等离子体，此类低功率等离子体可能导致复合和有限的暴露，这可能减少或限制对过渡金属氮化物的移除。因此，通过在处理区域中形成偏压等离子体，可提高过渡金属氮化物对等离子体流出物的暴露。此外，偏压等离子体可为离子物质提供一定量的方向性，从而在表面处提供物理相互作用，并且这可增加移除。因为暴露的金属材料可能本质上更致密，并且可能包括更致密的氧化物结构，所以低功率等离子体物理相互作用可能对金属的氧化部分具有有限的影响，同时增加了对过渡金属氮化物的移除。因此，氟化操作期间的远程等离子体和氯化期间的低功率直接等离子体可大幅提高蚀刻工艺期间的选择性。
为了进一步控制蚀刻工艺，诸如氯之类的第二含卤素前驱物可被输送达有限的时间，并且可在整个蚀刻工艺中被连续输送或以一系列脉冲输送，所述脉冲可以是一致的或随时间变化的。通过限制输送窗口，可限制与更致密的金属氧化物的相互作用，同时可发生对过渡金属氮化物的移除。通过遵循上文解释的额外循环，金属氧化物可利用随后的氧化操作被刷新，这可进一步限制工艺期间的移除。用第二含卤素前驱物进行移除的每个循环期间的定时可被限制为短于或约30秒，并且可被限制在短于或约25秒、短于或约20秒、短于或约15秒、短于或约10秒、短于或约5秒、或更短。尽管由于金属氧化物抵抗氟化蚀刻的能力，氟化反应可进行达1倍、2倍、5倍、10倍或20倍于这些提及的时间段中任一者的长度，但通过限制氯化操作时间段，可移除增加的过渡金属氮化物，同时进一步保持金属材料。
通过执行根据本技术实施例的操作，可相对于其他材料(包括其他氧化物和金属材料)选择性地蚀刻过渡金属氮化物。例如，本技术可相对于金属的暴露区域选择性地蚀刻过渡金属氮化物，诸如作为非限制性示例的钨或钼、包括诸如氧化硅之类的含硅材料的电介质，或其他材料。本技术的实施例可以至少约10:1的速率相对于其他暴露材料蚀刻过渡金属氮化物，并且可以高于或约50:1、高于或约100:1、高于或约150:1、高于或约200:1、或更高的选择性蚀刻过渡金属氮化物。通过根据本技术的实施例执行蚀刻操作，可执行对过渡金属氮化物的受控移除，同时保持在处理期间也可能暴露在基板上的许多材料。
在上文的描述中，为了解释的目的，已经阐述了许多细节，以提供对本技术的各种实施例的理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，某些实施例可在没有这些细节中的一些细节，或者具有额外细节的情况下实施。
已经公开了数个实施例，本领域技术人员将认识到，可在不脱离实施例精神的情况下使用各种修改、替代构造和等效物。此外，为了避免不必要地模糊本技术，并未描述许多熟知的工艺和元件。因此，上述描述不应被视为限制本技术的范围。此外，方法或工艺可被描述为顺序的或逐步的，但是应当理解，操作可同时执行，或者以与所列顺序不同的顺序执行。
在提供值的范围的情况下，应理解，除非上下文另有明确规定，否则在此范围的上限和下限之间的每个中间值，直到即下限单位的最小分数也被具体公开。阐明范围内的任何阐明值或未阐明的中间值与此阐明范围内的任何其他阐明值或中间值之间的任何较窄范围被涵盖。那些较小范围的上限和下限可独立地被包括或排除在范围内，并且限值中的任一者、一者都不或两者都被包括在较小范围中的每个范围也被涵盖在本技术内，受限于阐明范围中任何具体排除的限值。在阐明范围包括限值中的一者或两者的情况下，排除那些所包括的限值中的任一者或两者的范围也被包括。
如本文和所附权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”包括复数引用。因此，例如，对“一前驱物”的引用包括多个此类前驱物，而对“所述层”的引用包括对本领域技术人员已知的一个或多个层及其等效物的引用。
此外，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，词语“包含(comprise)”、“包含(comprising)”、“包含(contain)”、“包含(containing)”、“包括(include)”和“包括(including)”旨在说明特征、整数、部件或操作的存在，但它们并不排除一个或多个其他特征、整数、部件、操作、动作或群组的存在或添加。

Claims (20)

1.一种蚀刻方法，包含以下步骤：
使含氧前驱物流入半导体处理腔室的处理区域；
使容纳在所述处理区域中的基板与所述含氧前驱物接触，其中所述基板包含过渡金属氮化物的暴露区域和金属的暴露区域，并且其中所述接触形成所述过渡金属氮化合物的氧化部分和所述金属的氧化部分；
形成含氟前驱物和含氢前驱物的等离子体以产生含氟等离子体流出物；
移除所述过渡金属氮化物的所述氧化部分以暴露所述过渡金属氮化物的未氧化部分；
形成含氯前驱物的等离子体以产生含氯等离子体流出物；以及
移除所述过渡金属氮化物的所述未氧化部分。
2.如权利要求1所述的蚀刻方法，进一步包含以下步骤：
形成所述含氧前驱物的等离子体，其中使等离子体流出物流入所述处理区域以形成所述过渡金属氮化物的所述氧化部分和所述金属的所述氧化部分。
3.如权利要求2所述的蚀刻方法，其中在形成所述含氟前驱物和所述含氢前驱物的所述等离子体之前降低处理温度。
4.如权利要求3所述的蚀刻方法，其中在每次移除操作期间，所述处理区域内的温度保持在低于或约300℃。
5.如权利要求1所述的蚀刻方法，其中所述过渡金属氮化物包含钛、钽或铪。
6.如权利要求1所述的蚀刻方法，其中所述金属包含钨或钼。
7.如权利要求1所述的蚀刻方法，其中在所述半导体处理腔室的远程等离子体区域中执行所述含氟前驱物和所述含氢前驱物的所述等离子体的形成。
8.如权利要求1所述的蚀刻方法，其中在所述半导体处理腔室的所述处理区域中执行所述含氯前驱物的所述等离子体的形成。
9.如权利要求1所述的蚀刻方法，其中所述含氟前驱物和所述含氢前驱物的所述等离子体在第一等离子体功率下形成，并且其中所述含氯前驱物的所述等离子体在第二等离子体功率下形成，所述第二等离子体功率低于所述第一等离子体功率。
10.如权利要求1所述的蚀刻方法，其中在第一半导体处理腔室中执行所述基板与所述含氧前驱物的接触，并且其中在第二半导体处理腔室内执行每个移除操作。
11.一种蚀刻方法，包含以下步骤：
使含氧气体流入半导体处理腔室的处理区域；
使容纳在所述处理区域中的基板与所述含氧气体接触，其中所述基板包含过渡金属氮化物的暴露区域和金属的暴露区域，并且其中所述接触形成所述过渡金属氮化物的氧化部分和所述金属的氧化部分；
在所述半导体处理腔室的远程等离子体区域中形成第一含卤素前驱物和含氢前驱物的等离子体，以产生第一卤素等离子体流出物；
移除所述过渡金属氮化物的所述氧化部分以暴露所述过渡金属氮化物的未氧化部分；
在所述半导体处理腔室的所述处理区域中形成第二含卤素前驱物的等离子体，以产生第二卤素等离子体流出物；以及
移除所述过渡金属氮化物的所述未氧化部分。
12.如权利要求11所述的蚀刻方法，进一步包含以下步骤：
在所述半导体处理腔室的所述处理区域或所述远程等离子体区域中形成所述含氧气体的等离子体。
13.如权利要求11所述的蚀刻方法，其中所述过渡金属氮化物包含钛、钽或铪，并且其中所述金属包含钨或钼。
14.如权利要求11所述的蚀刻方法，其中所述第一含卤素前驱物和所述含氢前驱物的所述等离子体在第一等离子体功率下形成，并且其中所述第二含卤素前驱物的所述等离子体在第二等离子体功率下形成，所述第二等离子体功率低于所述第一等离子体功率。
15.如权利要求14所述的蚀刻方法，其中所述第二等离子体功率是低于或约100W。
16.如权利要求11所述的蚀刻方法，其中在每次移除操作期间，所述处理区域内的温度保持在低于或约250℃。
17.一种蚀刻方法，包含以下步骤：
氧化定位在半导体处理腔室的处理区域中的基板上的过渡金属氮化物的一部分，以产生所述过渡金属氮化物的氧化部分；
在半导体处理腔室的远程等离子体区域中形成含氟前驱物和含氢前驱物的等离子体，以产生含氟等离子体流出物；
移除所述过渡金属氮化物的所述氧化部分；
在所述半导体处理腔室的所述处理区域中形成含氯前驱物的等离子体，以产生含氯等离子体流出物；以及
移除所述过渡金属氮化物的未氧化部分。
18.如权利要求17所述的蚀刻方法，其中所述处理区域内的温度保持在低于或约250℃。
19.如权利要求17所述的蚀刻方法，进一步包含以下步骤：
在所述半导体处理腔室内形成含氧前驱物的等离子体，以氧化所述过渡金属氮化物的一部分。
20.如权利要求17所述的蚀刻方法，进一步包含以下步骤：
重复所述方法达至少一次额外循环。
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