KR20070022608A - A method for etching high dielectric constant materials - Google Patents
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Abstract
일 실시예에서, 플라즈마 에칭 반응기에서 높은 k 유전체 물질을 에칭하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 BCl3를 갖는 플라즈마 가스 반응 혼합물로 상기 높은 k 유전체 물질을 플라즈마 에칭하는 단계를 포함한다. 상기 높은 k 유전체 물질은 실리콘 층을 갖는 적층부에서 Al2O3를 포함할 수 있다. 상기 에칭 단계는 예를 들어 C2H4와 같은 패시베이션 가스를 제공하는 단계를 포함할 수 있으며, 예를 들어 He의 희가스와 같은 희석 가스를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 에칭 단계는 반응성 이온 에칭 프로세스로 수행될 수 있다.In one embodiment, a method is provided for etching a high k dielectric material in a plasma etch reactor, the method comprising plasma etching the high k dielectric material with a plasma gas reaction mixture having BCl 3 . The high k dielectric material may comprise Al 2 O 3 in a stack having a silicon layer. The etching step may include providing a passivation gas, for example C 2 H 4, and may further comprise supplying a diluent gas, such as, for example, a rare gas of He. In some embodiments, the etching step may be performed in a reactive ion etch process.
Description
도 1은 에칭되는 높은 유전상수 층 또는 높은 k 층을 가진 부분적 에칭되는 적층부의 측단면도를 나타낸다.1 shows a cross-sectional side view of a partially etched stack having a high dielectric constant layer or high k layer to be etched.
도 2는 도 1의 높은 k 층의 에칭 이후 적층부의 측단면도를 나타낸다.FIG. 2 shows a cross-sectional side view of the laminate after etching the high k layer of FIG. 1.
도 3은 에칭 이전에 높은 유전상수 층을 포함하는 적층부의 측단면도를 나타낸다.3 shows a cross-sectional side view of a laminate including a high dielectric constant layer prior to etching.
도 4는 도 3의 높은 k 층의 에칭 이후 적층부의 측단면도를 나타낸다.4 shows a cross-sectional side view of the laminate after etching the high k layer of FIG. 3.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of codes for main parts of drawing
100: 적층부 110: 마스크 층100: laminate 110: mask layer
120, 130: 선택 층들 120s, 130s: 측벽 구조물들120, 130:
140: 높은 k 층 150: 폴리실리콘 층140: high k layer 150: polysilicon layer
집적회로들(IC)은 현대 반도체 기술 분야에서 중요한 역할을 한다. 집적회로들의 개발은 진보된 전기 기술로 현대 사회에서 가능하게 되었다. 집적회로들의 애플리케이션들은 매우 광범위하며 그 중요성은 휴대전화들, 디지털 텔레비젼들에서 카메라들의 플래쉬 메모리 칩들까지 일상 생활에 영향을 미친다. 이러한 집적회로들은 통상적으로 상이한 물질들로 이루어진 적층된 광범위한 층들에 대한 구조화된 프로세스들을 갖는 능동 반도체 소자들상에 형성되어 메모리 용량들을 허용한다. Integrated circuits (ICs) play an important role in the field of modern semiconductor technology. The development of integrated circuits has become possible in modern society with advanced electrical technologies. Applications of integrated circuits are very widespread and their importance affects everyday life from cell phones, digital televisions to flash memory chips in cameras. Such integrated circuits are typically formed on active semiconductor devices with structured processes for a wide range of stacked layers of different materials to allow for memory capacities.
최근에, 현대화된 반도체 기술에서, 집적회로들은 보다 많은 메모리를 갖는 보다 소형의 소자들로 진화되었다. 반도체 집적회로들(IC)의 제조에서, 통상적으로, 이산화 실리콘(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4) 및 실리콘 옥시니트라이드(SiON)와 같은 유전체 물질들이 널리 사용된다. 그러나, 기술이 진화함에 따라, IC 소자의 외형이 더욱 소형화되어 훨씬 더 얇은 집적회로 소자들을 초래한다. 통상적인 IC 소자들이 수 나노미터 이하의 두께에 근접할 때, 종래의 전술한 유전체 물질들에 통상적으로 전자적인 파괴(breakdown)가 발생하여 더 이상 필요한 메모리 스토리지를 제공할 수 없게 된다.Recently, in modern semiconductor technology, integrated circuits have evolved into smaller devices with more memory. In the manufacture of semiconductor integrated circuits (IC), dielectric materials such as silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ) and silicon oxynitride (SiON) are commonly used. However, as technology evolves, the appearance of IC devices becomes smaller and results in much thinner integrated circuit devices. When conventional IC devices approach a thickness of several nanometers or less, electronic breakdowns typically occur in conventional dielectric materials described above and can no longer provide the required memory storage.
전술한 문제점들을 해결하기 위해, 메모리 소자들의 잠재적인 애플리케이션과 함께 반도체 칩 제조에 높은 유전상수 물질들(높은 k 유전체 물질들)이 사용되고 있다. 높은 k 물질들의 예들은 알루미늄 산화물, (Al2O3), 하프늄 산화물(HfO2), 지르코늄 산화물(ZrO2) 및 그 혼합물들, 및 HfSixOy, ZrSiO4와 같은 금속 실리케이트들과 그 혼합물들을 포함한다.In order to solve the above problems, high dielectric constant materials (high k dielectric materials) have been used in semiconductor chip fabrication with potential applications of memory devices. Examples of high k materials include aluminum oxide, (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) and mixtures thereof, and metal silicates such as HfSi x O y , ZrSiO 4 and mixtures thereof Include them.
전술한 높은 k 물질들은 IC 애플리케이션들에 사용하기 위해 판매되지만, 건 식 에칭하기가 매우 어려운 것으로 통상의 당업자에게 알려져 있다. 높은 k 물질들은 통상적으로 매우 안정하고 대부분의 에칭 반응들에 대하여 저항성이어서(이들의 화학적 불활성으로 인해), 플라즈마 에칭 및 다른 물질들에서 에칭 스톱층들 및 하드 마스크 층들로서 사용되었다.The high k materials described above are sold for use in IC applications, but it is known to those skilled in the art that it is very difficult to dry etch. High k materials are typically very stable and resistant to most etching reactions (due to their chemical inertness), so they have been used as etch stop layers and hard mask layers in plasma etching and other materials.
통상적인 증착 공정은 기판(예, 실리콘 웨이퍼)상에 높은 k 유전체 막들을 생성하는 것이 바람직하지만, 원치않는 반응들이 이러한 막들 및 반응 챔버의 다른 부분들에 형성될 수 있다. 이러한 원치않는 잔류물들의 축적은 입자 발산(shedding), 증착 균일도 저하를 초래할 수 있고, 이러한 영향들로 인해 웨이퍼 결함들과 후속적인 소자 결함이 발생할 수 있다.Conventional deposition processes preferably produce high k dielectric films on a substrate (eg, a silicon wafer), but unwanted reactions may be formed in these films and other parts of the reaction chamber. Accumulation of such unwanted residues can lead to particle shedding, deposition uniformity degradation, and these effects can result in wafer defects and subsequent device defects.
높은 유전상수 물질들과 관련하여, 가장 느린 에칭속도들 중 하나를 갖는 알루미늄 산화물(Al2O3)이 통상 당업자에게 공지되어 있다. 통상적으로, 강력한 플라즈마 조건들은 높은 척 바이어스 전압을 발생시킴으로써, 개선된 이온 스퍼터링과 스퍼터링 유도된 에칭을 형성한다.With respect to high dielectric constant materials, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with one of the slowest etch rates is usually known to those skilled in the art. Typically, strong plasma conditions generate high chuck bias voltages, resulting in improved ion sputtering and sputter induced etch.
높은 k 유전체 물질들을 에칭하는 종래의 방법들은 통상 높은 웨이퍼 온도에서 염소(Cl2), 및 불소 가스를 포함한다. 이러한 방법들에는 많은 단점들이 있었다. Cl2 기재의 화학제는 폴리실리콘(poly)을 공세적으로 에칭시킴으로써, 폴리실리콘에 대한 낮은 선택도를 초래한다. 에칭된 높은 k 유전체 층들은 에칭 이후에 웨이퍼상에 잔류물을 형성할 수 있으므로, 낮은 용량성 구조물들 또는 결함있는 웨이퍼들을 초래한다. 구체적으로는, 알루미늄 산화물과 관련하여, 이것은 플래쉬 메모리 및 다른 관련 애플리케이션들을 위한 얇은 poly 1 층의 상부에서 Al2O3를 에칭하는데 큰 어려움이 있다는 것을 의미한다. 통상적으로 불소는 높은 k 유전체 물질들을 에칭하는데 비효과적인 것으로 나타났다. 불소는 통상 비휘발성인 금속 플루오르화물을 형성하므로, 반응기로부터 제거하기가 어렵다.Conventional methods of etching high k dielectric materials typically include chlorine (Cl 2 ) and fluorine gas at high wafer temperatures. There were many disadvantages to these methods. Chemical agents based on Cl 2 aggressively etch polysilicon, resulting in low selectivity to polysilicon. The etched high k dielectric layers may form residue on the wafer after etching, resulting in low capacitive structures or defective wafers. Specifically, with respect to aluminum oxide, this means that there is a great difficulty in etching Al 2 O 3 on top of the thin poly 1 layer for flash memory and other related applications. Typically fluorine has been shown to be ineffective in etching high k dielectric materials. Fluorine usually forms non-volatile metal fluorides and is therefore difficult to remove from the reactor.
55nm 이상의 노드를 위한 플래쉬 메모리 적층부는 poly2/Al2O3(또는 다른 높은 k 유전체 물질)/poly 1로 이루어진다. Al2O3는 막 적층부의 poly와 상이하고 에칭하기 어렵다고 당업자에게 알려져 있다. 새로운 플래쉬 메모리 막 적층부의 poly 1 층의 얇은 층 상부에서 Al2O3와 같은 높은 k 유전체 물질들을 성공적으로 에칭하기 위해 중요한 점은 합리적인 Al2O3 에칭 속도 및 폴리실리콘에 대한 높은 선택도를 갖는 프로세스를 찾는 것이다.Flash memory stacks for nodes larger than 55nm consist of poly2 / Al 2 O 3 (or other high k dielectric material) / poly 1. It is known to those skilled in the art that Al 2 O 3 differs from poly in the film stack and is difficult to etch. Important to successfully etch high k dielectric materials such as Al 2 O 3 on top of a thin layer of poly 1 layer of a new flash memory film stack is to have a reasonable Al 2 O 3 etch rate and high selectivity for polysilicon. Find a process.
통상의 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 높은 유전상수 물질들을 에칭할 수 있는 방법들이 필요하다. 바람직하게는, 이러한 에칭 방법들은 웨이퍼 결함을 형성할 수 있는 원치 않는 잔류물들을 촉진시키는 바람직하지 않는 특성들을 갖지 않아야 한다. 더욱이, 비용 효율적이고 높은 선택도를 가지며 적절하게 높은 에칭 속도를 갖는 알루미늄 산화물과 같은 높은 유전상수 물질들을 에칭하는 방법들이 필요하다. As will be appreciated by those skilled in the art, there is a need for methods capable of etching high dielectric constant materials. Preferably, such etching methods should not have undesirable properties that promote unwanted residues that can form wafer defects. Moreover, there is a need for methods of etching high dielectric constant materials, such as aluminum oxide, which are cost effective, have high selectivity, and have moderately high etch rates.
본 발명의 목적은 웨이퍼 결함을 형성할 수 있는 원치 않는 잔류물들을 촉진 시키는 특성들을 갖지 않으며, 비용 효율적이고 높은 선택도를 가지며 적절하게 높은 에칭 속도를 갖는 높은 유전상수 물질들을 에칭하는 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for etching high dielectric constant materials that do not have properties that promote unwanted residues that can form wafer defects, are cost effective, have high selectivity, and have moderately high etch rates. will be.
일 실시예에서, 플라즈마 에칭 반응기에서 높은 k 유전체 물질을 에칭하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 BCl3를 갖는 플라즈마 가스 반응 혼합물로 상기 높은 k 유전체 물질을 플라즈마 에칭하는 단계를 포함한다. 상기 높은 k 유전체 물질은 적어도 하나의 실리콘 층을 갖는 적층부에서 Al2O3일 수 있다. 탄화수소, 즉 CH4, C2H4 등과 같은 패시베이션 가스는 예를 들어 He와 같은 희가스(noble gas)의 희석 가스와 함께 에칭을 위해 제공될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 에칭은 반응성 이온 에칭 프로세스로 수행될 수 있다.In one embodiment, a method is provided for etching a high k dielectric material in a plasma etch reactor, the method comprising plasma etching the high k dielectric material with a plasma gas reaction mixture having BCl 3 . The high k dielectric material may be Al 2 O 3 in a stack having at least one silicon layer. Hydrocarbons, ie, passivation gases such as CH 4 , C 2 H 4 , and the like, may be provided for etching with diluent gases of noble gases such as, for example, He. In some embodiments, the etching can be performed in a reactive ion etch process.
도 1은 에칭될 높은 유전상수 층 또는 높은 k 층(140)을 갖는 부분적으로 에칭되는 적층부(100)의 측단면도를 도시한다. 본 실시예에서, 마스크 층(110)은 높은 k 층(140) 상부에서 패터화된다. 부가적인 선택 층들(120, 130)은 마스크 층(110)과 높은 k 층(140) 사이에 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 마스크 층(110)은 전형적으로 플라즈마 강화 화학적 기상 증착 산화물 또는 PECVD 산화물, BSG 또는 붕소 도핑된 스핀-온 유리, 다른 산화물 하드 마스크, 실리콘 질화물, 또는 다른 하드 마스크와 같은 하드 마스크이다. 일 실시예에서, 선택 층(120)은 텅스텐(W)이고, 선택 층(130)은 티타늄 질화물(TiN)이다. 높은 k 층은 폴리실리콘 층(150)이다. 도 2는 도 1의 높은 k 층(140)의 에칭 이후의 적층부(200)를 도시한 다. 에칭되는 높은 k 층(240)은 몇몇 실시예들에서 기판의 일부일 수 있는 하부의 폴리실리콘 층(150)으로 에칭된다. 실리콘 질화물(SiN) 또는 다른 배리어 층 물질과 같은 배리어 층(미도시)은 높은 k 층(140)과 폴리실리콘 층(150) 사이에 위치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 높은 k 층(140)은 배리어 층으로 에칭된다.1 shows a cross-sectional side view of a partially etched
높은 유전상수를 갖는 물질들은 높은 k 유전체 물질들로서 지칭된다. 높은 k 유전체 물질들은 전형적으로 4보다 더 큰 유전상수를 갖고, 몇몇 실시예들에서 보다 바람직하게 5보다 더 큰 유전상수를 가지며, 몇몇 실시예들에서 보다 더 바람직하게는 7 이상의 유전상수를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 높은 k 물질은 바람직하게 Al2O3, HfO2, AlHfxOy, ZrO2, HfSixOy, ZrSixOy 및 그 혼합물들로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 멤버이다. Materials with high dielectric constants are referred to as high k dielectric materials. High k dielectric materials typically have a dielectric constant greater than 4, in some embodiments more preferably greater than 5, and in some embodiments even more preferably 7 or more. In some embodiments, the high k material is preferably at least one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , HfO 2 , AlHf x O y , ZrO 2 , HfSi x O y , ZrSi x O y and mixtures thereof. It is a member.
도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 높은 k 물질 층(140)의 에칭은 BCl3로 수행된다. 높은 k 물질 Al2O3의 경우, 휘발성 AlCl3의 형성에 의해 BCl3가 Al2O3를 에칭한다. 층들(120, 130)의 측벽 구조물들(120s, 130s)의 패시베이션을 제공하고 하부의 폴리실리콘 층(150)에 대한 선택도를 개선시키기 위해 C2H4, CH4 또는 다른 탄화수소와 같은 패시베이션 가스가 유입될 수 있다. BCl3 대 C2H4의 비율 또는 BCl3 대 CH4의 비율은 목표된 에칭 속도와 폴리실리콘 층(150)에 대한 높은 선택도를 제공하도록 선택된다. 탄화수소 첨가물들은 선택도를 개선시키기 위해 폴리실리콘 층(150)의 에칭 속도를 감소시킨다. C2H4의 한가지 장점은 폴리프로필렌의 폴 리머 프리커서이고 포토레지스트와 유사한 함량을 갖는다는 점이다.Referring to FIG. 1, in one embodiment, etching of the high
He와 같은 희석 가스는 예를 들어 C2H4와 같은 패시베이션과 함께 유입될 수 있다. C2H4 대 He의 원자비는 몇몇 실시예들에서 약 2.7% 대 1일 수 있다. 다른 비율들도 가능할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 37의 희석 인자에 대해 2.7% C2H4와 97.3% He를 포함하는 C2H4:He가 상업적으로 이용가능하다.Diluent gases such as He may be introduced with a passivation such as C 2 H 4 , for example. The atomic ratio of C 2 H 4 to He may be about 2.7% to 1 in some embodiments. Other ratios may be possible. In one specific example, C 2 H 4 : He, which comprises 2.7% C 2 H 4 and 97.3% He, for a dilution factor of 37 is commercially available.
다른 실시예들에서, 높은 k 물질 층(140)은 다른 탄화수소를 포함하는 패시베이션 가스와 함께 다른 할로겐 함유 가스를 포함하는 가스 혼합물을 이용하여 에칭될 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 패시베이션 가스는 헬륨, 아르곤, 네온, 크세논 및 크립톤으로 이루어진 그룹에서 선택되는 불활성 가스를 포함할 수 있다.In other embodiments, the high
도 1을 참조하면, 몇몇 실시예들에서 높은 k 층(140)의 에칭 프로세스는 반응성 이온 에칭을 이용하여 수행될 수 있다. 모든 에칭 단계들은 캘리포니아 산타클레라의 어플라이드 머티어리얼스 사로부터 모두 이용가능한 DPS 에칭 반응기, 또는 반응 이온 에칭(RIE)과 같은 단일 플라즈마 에칭 챔버에서 수행될 수 있다. 하나의 RIE 프로세스에서, 처리 파라미터들은 약 0W의 소스 전력, 약 200W 바이어스 전력, 약 25mT의 챔버 압력, 약 80℃에서 약 30sccm의 BCl3을 포함한다. 이것은 약 150Å/분의 에칭 속도에서 낮은 측벽 테이퍼 및 양호한 측벽 프로파일을 갖는 100Å 미만의 폴리실리콘 층(150)을 제공한다. 바이어스 전력은 약 150W 내지 약 300W 범위일 수 있다. 일반적으로, W 층(120)과 TiN 층(130)의 측벽 패시베이션은 약 100℃ 이하의 저온에서보다 더 높은 캐소드 온도에서 제어하기가 더 어렵다. 예를 들어, 80℃는 상기 RIE 프로세스에서 양호한 에칭 프로파일을 제공하기 위해 W 층(120)과 TiN 층(130)의 양호한 패시베이션을 제공한다.Referring to FIG. 1, in some embodiments the
다른 실시예에서, 약 250℃에서 약 60sccm의 BCl3와 10mT에서 약 800W의 소스 전력, 200W의 바이어스 전력을 갖는 유도 결합된 모드는 양호한 측벽 프로파일들을 제공한다. 유도 결합된 모드는 Al2O3 높은 k 층(140)의 보다 높은 에칭 속도를 제공하지만, 상술한 RIE 모드는 폴리실리콘 층(150)에 대해 약 3배 더 높은 선택도를 제공한다. 몇몇 실시예들에서, 바이어스 전력 범위는 약 150-300W이다.In another embodiment, an inductively coupled mode having a source power of about 800 W at 10 mT with a BCl 3 of about 60 sccm at about 250 ° C. and a bias power of 200 W provides good sidewall profiles. The inductively coupled mode provides a higher etch rate of the Al 2 O 3
몇몇 실시예들에서, 에칭은 종래기술에 공지된 바와 같이, 메인 에칭과 오버 에칭 단계를 가진 두 단계의 에칭 프로세스에서 수행될 수 있다. 메인 에칭은 높은 k 층(140)을 에칭하도록 설계된다. 오버 에칭 단계는 폴리실리콘 층(150) 또는 배리어 층(도 1에 미도시됨)에 대해 높은 유전상수 층(140)의 균일한 침투를 보장한다.In some embodiments, the etching can be performed in a two step etch process with a main etch and an over etch step, as known in the art. The main etch is designed to etch the
Al2O3와 같은 높은 k 유전체 물질은 약 250℃만큼 높은 온도 또는 약 80℃만큼 낮은 온도에서 에칭될 수 있다. 메인 에칭 및 오버 에칭 단계들이 완료된 이후, 목표된 바와 같이 디척킹 및 챔버의 세정이 수행될 수 있다. 몇몇 실시예들에서 가능한 예를 들어 약 100℃ 이하 또는 80℃만큼 낮은 저온 동작은 웨이퍼 처리량을 개선하기 위해 보다 급속한 냉각 및 디척킹을 촉진시킬 수 있다.High k dielectric materials such as Al 2 O 3 may be etched at temperatures as high as about 250 ° C. or as low as about 80 ° C. After the main etch and over etch steps are completed, dechucking and cleaning of the chamber may be performed as desired. In some embodiments a low temperature operation, for example as low as about 100 ° C. or as low as 80 ° C., may facilitate more rapid cooling and dechucking to improve wafer throughput.
몇몇 실시예들에서, 수소와 탄소를 포함하는 탄화수소 패시베이션 가스는 40mT 이하의 챔버 압력에서 가스 혼합물에 부가될 수 있다. 패시베이션 가스는 일부 실시예들에서 에틸렌인 -( CH2)n 가스와 같은 탄화수소이지만, 예를 들어 메탄과 같은 다른 탄화수소들이 사용될 수 있다.In some embodiments, a hydrocarbon passivation gas comprising hydrogen and carbon may be added to the gas mixture at a chamber pressure of 40 mT or less. The passivation gas is a hydrocarbon, such as — (CH 2 ) n gas, which is ethylene in some embodiments, but other hydrocarbons may be used, for example methane.
적절한 에칭 속도와 폴리실리콘에 대한 높은 선택도에서 Al2O3를 에칭하기 위해, BCl3 또는 붕소 트리클로라이드가 사용된다. Cl2 가스는 높은 k 유전체 물질들을 에칭하는데 전형적으로 사용되지만, 폴리실리콘 및 다른 물질들을 공세적으로 에칭할 수 있다. 붕소는 실리칸-붕소 조합물을 형성함으로써 폴리실리콘 에칭 속도를 감소시키도록 돕기 때문에, 선택도를 증가시키고 높은 유전상수들을 가진 물질들을 에칭할 때 성공적인 결과들을 제공할 수 있다. 붕소 트리클로라이드는 휘발성 AlCl3의 형성에 의해 Al2O3를 화학적으로 에칭할 수 있다. BCl3 대 C2H4/He 또는 CH4의 비율은 적절한 Al2O3 에칭 속도와 폴리실리콘에 대한 높은 선택도를 제공하도록 선택된다. B2O3와 B-Si 복합물들의 형성은 플리실리콘에 대한 높은 선택도를 촉진시킬 것이다. C2H4/He, CH4 등과 같은 탄화수소 패시베이션 가스는 폴리실리콘 에칭 속도를 감소시켜서 선택도를 개선하고, 폴리실리콘 층이 노출될 때 에칭 속도를 감소시키며, 다른 실시예들에서 하나 이상의 폴리실리콘 층들(도 1에 미도시)을 포함할 수 있는 다른 층들(120, 130)의 측벽들(120s, 130s)의 측방향 침투를 방지한다.To etch Al 2 O 3 at an appropriate etch rate and high selectivity to polysilicon, BCl 3 or boron trichloride is used. Cl 2 gas is typically used to etch high k dielectric materials, but can aggressively etch polysilicon and other materials. Since boron helps to reduce the polysilicon etch rate by forming the silicon-boron combination, it can increase the selectivity and provide successful results when etching materials with high dielectric constants. Boron trichloride can chemically etch Al 2 O 3 by the formation of volatile AlCl 3 . The ratio of BCl 3 to C 2 H 4 / He or CH 4 is chosen to provide a suitable Al 2 O 3 etch rate and high selectivity for polysilicon. Formation of B 2 O 3 and B-Si complexes will promote high selectivity for polysilicon. Hydrocarbon passivation gases such as C 2 H 4 / He, CH 4, etc. reduce the polysilicon etch rate to improve selectivity, reduce the etch rate when the polysilicon layer is exposed, and in other embodiments one or more polysilicon Prevents lateral penetration of
상술한 바와 같이, 본 발명에 기술되는 반응제들과 더불어, 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤 및 크세논과 같은 불활성 희석 가스들이 첨가될 수도 있다. 불활성 희석 가스들은 안정상의 이유로 필요하고 플라즈마 특성들을 변경시킬 수 있다. 불활성 가스의 농도는 헬륨의 경우, 1.0% 내지 약 3.0% 범위일 수 있다. 다른 ㅂ불활성 희석 가스들도 가능할 수 있다.As mentioned above, in addition to the reactants described in the present invention, inert diluent gases such as helium, argon, neon, krypton and xenon may be added. Inert diluent gases are needed for stability reasons and can alter plasma properties. The concentration of the inert gas can range from 1.0% to about 3.0% for helium. Other shock inert diluent gases may also be possible.
몇몇 실시예들에서, 종래의 챔버 세정이 에칭 프로세스 이후에 수행될 수 있다.In some embodiments, conventional chamber cleaning may be performed after an etching process.
다른 실시예에서, HBr이 높은 k 유전체 물질을 에칭하는데 사용될 수 있다. 상기한 바와 같이, 패시베이션 가스 및 희석 가스가 사용될 수 있다. Al2O3 높은 k 물질의 경우, HBr은 휘발성 AlBr3의 형성에 의해 Al2O3를 에칭한다. HBr 대 C2H4의 비율은 적절한 에칭 속도를 제공하도록 선택된다. 희석제는 상술한 바와 같이 약 2.7% 대 1의 C2H4 대 He의 비율을 갖는 He와 같은 불활성 가스일 수 있다.In other embodiments, HBr may be used to etch high k dielectric materials. As mentioned above, passivation gas and diluent gas may be used. For Al 2 O 3 high k materials, HBr etches Al 2 O 3 by the formation of volatile AlBr 3 . The ratio of HBr to C 2 H 4 is chosen to provide a suitable etch rate. The diluent can be an inert gas such as He having a ratio of C 2 H 4 to He of about 2.7% to 1 as described above.
도 3을 참조하면, 일 실시예에서, 높은 k 물질은 폴리실리콘의 2개의 층들 사이에 위치되고, poly1은 참조번호 341로 지시되며, poly2는 참조번호 342로 지시된다. poly2(342)는 높은 k 층(340) 상부에 위치되고 poly1(341)은 높은 k 층(340) 아래에 위치된다. 일 실시예에 따라, 적층부(300)는 몇몇 실시예들에서 하드 마스크일 수 있는 마스크(310)를 이용하여 에칭된다. poly2(342)의 에칭은 예를 들어, Al2O3 층과 같은 높은 k 층(340)에서 중지됨으로서, 상기 에칭은 Al2O3에 대한 높은 선택도를 갖는다. Al2O3 에칭은 후속되고 poly2(342) 및 poly1(341)에 대한 높은 선택도를 가지며, poly1(341)에서 중지된다. 선택적인 SiN의 배리어 층(322)이 사용될 수 있다. 그 다음, poly1(341)은 하부의 게이트 산화물 층(347)에 대해 에칭될 수 있다.Referring to FIG. 3, in one embodiment, a high k material is located between two layers of polysilicon, poly1 is indicated by
Al2O3 에칭에서 높은 에칭 선택도를 달성하기 위해, 반응 혼합물은 BCl3를 가질 수 있고, 가능하면 C2H4와 같은 탄화수소 패시베이션 가스를 가질 수 있다. Al2O3 층(340)은 BCl3 에천트와 He으로 희석되는 C2H4로 에칭될 수 있다. 희석은 C2H4의 낮은 유속들에 대해 특히 효과적이다. 프로세스는 2개의 단계들, 즉 메인 에칭, 및 메인 에칭과 동일한 반응 혼합물을 가질 수 있는 후속하는 오버 에칭을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 100℃ 보다 더 큰 온도는 보다 양호한 결과들을 제공하는 150℃의 온도를 가진 양호한 결과들을 제공한다.To achieve high etch selectivity in the Al 2 O 3 etch, the reaction mixture may have BCl 3 and possibly a hydrocarbon passivation gas such as C 2 H 4 . The Al 2 O 3 layer 340 may be etched with C 2 H 4 diluted with BCl 3 etchant and He. Dilution is particularly effective for low flow rates of C 2 H 4 . The process may include two steps, a main etch, and a subsequent over etch that may have the same reaction mixture as the main etch. In some embodiments, a temperature greater than 100 ° C. provides good results with a temperature of 150 ° C. which gives better results.
도 4는 도 3의 높은 k 층을 에칭한 이후 에칭되는 적층부(400)의 측단면도를 도시한다. 에칭되는 적층부(400)를 형성하기 위해, 에칭되는 높은 k 층(440)은 에칭되는 poly2 층(442) 이후에 형성된다. 에칭되는 배리어 층(444)은 높은 k 층(440)을 에칭한 이후 형성되고, 에칭되는 poly1 층(441)은 에칭되는 poly2, 에칭되는 높은 k 층(440) 및 에칭되는 배리어 층(444)의 에칭 이후에 형성된다. 마스크(410)는 에칭되는 poly2, 에칭되는 높은 k 층(440), 에칭되는 배리어 층(444), 및 에칭되는 poly1 층(441)을 규정하기 위해 사용된다.4 shows a cross-sectional side view of the
전형적으로, 폴리실리콘과 관련된 프로세스들은 결합해제된 플라즈마 소스 전력과 바이어스 전력을 갖는 화학적 플라즈마 에칭을 사용한다. 그러나, 상기한 실시예들 중 일부는 바이어스 전력만을 이용하여 반응성 이온 에칭으로 수행될 수 있다. 특정 실시예들에서, 높은 k 물질의 반응성 이온 에칭은 폴리실리콘에 더 큰 선택도를 제공한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 프로세스 윈도우는 약 100W 내지 약 400W의 바이어스 전력, 약 0W 소스 전력을 가지며, 약 30℃ 내지 약 350℃에서 약 20sccm 내지 약 200sccm 유속의 BCl3를 갖는다.Typically, processes associated with polysilicon use chemical plasma etching with decoupled plasma source power and bias power. However, some of the embodiments described above may be performed by reactive ion etching using only bias power. In certain embodiments, reactive ion etching of high k materials provides greater selectivity to polysilicon. In one exemplary embodiment, the process window has a bias power of about 100 W to about 400 W, a source power of about 0 W, and a BCl 3 at a flow rate of about 20 sccm to about 200 sccm at about 30 ° C. to about 350 ° C.
몇몇 실시예들에서 메인 에칭 프로세스를 위한 화학적 플라즈마 에칭을 사용한 다음, 종점 부근에서 반응성 이온 에칭으로 전환하거나, 전술한 오버 에칭 단계로 전환하는 것이 가능할 수 있다.In some embodiments it may be possible to use a chemical plasma etch for the main etch process and then switch to reactive ion etch near the endpoint, or to the over etch step described above.
전술한 특정 실시예들의 몇가지 장점들 중 하나는 메인 에천트 가스 혼합물이 알루미늄 플로오르화 오염물들을 형성하도록 Al2O3와 반응할 수 있는 불소 없이 형성될 수 있다는 점이다. One of several advantages of certain embodiments described above is that the main etchant gas mixture can be formed without fluorine, which can react with Al 2 O 3 to form aluminum fluoride contaminants.
전술한 상세한 설명은 본 발명의 예시일 뿐이며 본 발명을 개시된 제시된 구성들로 제한하려는 의도가 아니다. 본 발명에 개시된 실시예들은 예시된 특정 적층 구성들로 제한되지 않는다. 다른 적층 구성들과 실시예들이 가능할 수 있다. 통상의 당업자에게 명백한 수정들과 변형들은 첨부된 청구범위에서 규정되는 본 발명의 사상과 특성내에 있다.The foregoing detailed description is merely illustrative of the invention and is not intended to limit the invention to the disclosed configurations disclosed. Embodiments disclosed herein are not limited to the specific stacking configurations illustrated. Other stacking configurations and embodiments may be possible. Modifications and variations apparent to those skilled in the art are within the spirit and character of the invention as defined in the appended claims.
본 발명에 의하면, 웨이퍼 결함을 형성할 수 있는 원치 않는 잔류물들을 촉진시키는 특성들을 갖지 않으며, 비용 효율적이고 높은 선택도를 가지며 적절하게 높은 에칭 속도를 갖는 높은 유전상수 물질들을 에칭하는 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.The present invention provides a method of etching high dielectric constant materials that do not have properties that promote unwanted residues that can form wafer defects, are cost effective, have high selectivity, and have moderately high etch rates. It can be effective.
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