TW202314829A - 金屬氧化物定向移除 - Google Patents

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Abstract

示例性蝕刻方法可包括對容納在半導體處理室的處理區域中的基板上的金屬氧化物層的暴露表面進行改質，以產生金屬氧化物的改質部分。該等方法可包括將金屬氧化物的改質部分與含氟前驅物接觸。該接觸可產生金屬氟氧化物材料。該等方法可包括將蝕刻劑前驅物流入處理區域。該等方法可包括使金屬氟氧化物材料與蝕刻劑前驅物接觸。該等方法可包括移除金屬氟氧化物材料。

Description

金屬氧化物定向移除
本申請案主張於2021年7月15日提交的美國申請案第17/376,337號的優先權。本申請案的揭示內容以引用方式整體併入本文。
本技術係關於半導體製程及設備。更具體而言，本技術係關於定向蝕刻含金屬結構。
透過在基板表面上產生複雜圖案化材料層的製程，積體電路成為可能。在基板上產生圖案化材料需要用於移除暴露材料的受控方法。化學蝕刻用於各種目的，包括將光阻劑中的圖案轉移到下方的層中，使層變薄，或者使表面上已經存在的特徵的橫向尺寸變薄。通常希望具有蝕刻一種材料比蝕刻另一種材料更快的蝕刻製程，從而促進例如圖案轉移製程。將此種蝕刻製程稱為對第一材料是選擇性的。由於材料、電路及製程的多樣性，已經開發出對各種材料具有選擇性的蝕刻製程。
基於製程中使用的材料，可將蝕刻製程稱為濕式或乾式。例如，濕式蝕刻可相對於其他介電質及材料優先移除一些氧化物介電質。然而，濕式製程可能難以穿透一些受限的溝槽，且有時亦可能使剩餘的材料畸變。在基板處理區域內形成的局部電漿中產生的乾式蝕刻可穿透約束條件更多的溝槽，並展現出精細剩餘結構的更少畸變。然而，局部電漿在其放電時會產生電弧，從而損壞基板。
因此，需要可用於生產高品質元件及結構的改進系統及方法。本技術解決了該等及其他需求。
示例性蝕刻方法可包括對容納在半導體處理室的處理區域中的基板上的金屬氧化物層的暴露表面進行改質，以產生金屬氧化物的改質部分。該等方法可包括將金屬氧化物的改質部分與含氟前驅物接觸。該接觸可產生金屬氟氧化物材料。該等方法可包括將蝕刻劑前驅物流入處理區域。該等方法可包括使金屬氟氧化物材料與蝕刻劑前驅物接觸。該等方法可包括移除金屬氟氧化物材料。
在一些實施例中，蝕刻劑前驅物可為或包括含氯前驅物。金屬氧化物可為或包括氧化鉿。含氟前驅物可為或包括氟化氫或電漿增強的含氟前驅物。電漿增強的含氟前驅物可在半導體處理室的遠端電漿區域中形成。對金屬氧化物層的暴露表面進行改質可包括形成含氧前驅物的電漿，以產生含氧電漿流出物。對金屬氧化物層的暴露表面進行改質可包括將含氧電漿流出物導向金屬氧化物層的暴露表面。電漿流出物可能導致一部分金屬氧化物變成非晶金屬氧化物。含氧前驅物的電漿可在大於或約100W的電漿功率下在處理區域中形成。當蝕刻劑前驅物流入處理區域時，半導體處理室可保持無電漿。在金屬氟氧化物材料與蝕刻劑前驅物接觸之前，可提高半導體處理室內的溫度。當流動含氟前驅物時，半導體處理室中的壓力可維持在5托以下或約5托。當蝕刻劑前驅物流入處理區域時，半導體處理室中的壓力可保持在15托以上或約15托。
本技術的一些實施例可包含蝕刻方法。該等方法可包括對容納在半導體處理室的處理區域中的基板上的含金屬材料層的暴露表面進行改質，以產生含金屬材料的改質部分。該等方法可包括將第一含鹵素前驅物流入半導體處理室的遠端電漿區域，同時點燃電漿以產生電漿流出物。該等方法可包括將含金屬材料的改質部分與電漿流出物接觸。該接觸可產生金屬氟化物材料。該等方法可包括將第二含鹵素前驅物流入處理區域。該等方法可包括使金屬氟化物材料與第二含鹵素前驅物接觸。該等方法可包括移除金屬氟化物材料。
在一些實施例中，第一含鹵素前驅物可為或包含氟。第二含鹵素前驅物可為或包括三氯化硼，含金屬材料可為或包括包含鋁、鉿、鋯或鈦的氧化物或氮化物。該等方法可包括在流動第二含鹵素前驅物之前停止電漿形成。可在第一溫度下進行含金屬材料的改質部分與電漿流出物的接觸。可在高於第一溫度的第二溫度下進行金屬氟化物材料與第二含鹵素前驅物的接觸。第一含鹵素前驅物可為或包括三氟化氮。該等方法可包括使氫氣與第一含鹵素前驅物一起流動。氫氣的流速可為第一含鹵素前驅物的流速的至少兩倍。對含金屬材料層的暴露表面進行改質可包括形成含氧前驅物的電漿以產生含氧電漿流出物。對含金屬材料層的暴露表面進行改質可包括將電漿流出物導向含金屬材料層的暴露表面。
本技術的某些實施例可包含蝕刻方法。該等方法可包括形成含氧前驅物的電漿以產生含氧電漿流出物。該等方法可包括將含氧電漿流出物導向容納在半導體處理室的處理區域中的基板上的金屬氧化物層，以產生金屬氧化物的改質部分。該等方法可包括將含氟前驅物流入半導體處理室的遠端電漿區域，同時在遠端電漿區域中點燃電漿以產生電漿流出物。該等方法可包括將金屬氧化物的改質部分與電漿流出物接觸。該接觸可產生金屬氟氧化物材料。該等方法可包括將含氯前驅物流入處理區域。該等方法可包括使金屬氟氧化物材料與含氯前驅物接觸。該等方法可包括移除金屬氟氧化物材料。
與習知系統及技術相比，此類技術可提供諸多優勢。例如，該等製程可允許執行定向乾式蝕刻，此可保護基板的特徵。此外，相對於基板上其他暴露的材料，該等製程可增加含金屬膜的蝕刻速率。結合以下描述及附圖，更詳細地描述該等及其他實施例及其許多優點及特徵。
隨著互補金屬氧化物半導體材料的縮放變得更具挑戰性，二氧化矽通常被高k介電材料取代。然而，許多高k介電材料，如過渡金屬氧化物或氮化物或其他金屬氧化物或氮化物，可能導致實施上的挑戰。例如，可能進行後續的沉積、一或更多個移除操作。與其他介電質相比，許多過渡金屬材料的特徵在於更類似於金屬的性質，此可能導致移除及回蝕操作的選擇性降低。此外，隨著元件結構變得越來越複雜，在隨後的處理期間，要移除的材料可能會與許多要維持的額外材料一起暴露。
金屬氧化物正越來越多地被用作高k介電材料，此可在保持層厚度的同時提供改善的電晶體效能。隨著金屬氧化物被更普遍地併入，金屬氧化物膜的處理開始產生特徵在於密度增加的材料層，此可能導致整合時的挑戰。例如，在回蝕或移除操作期間，更緻密的金屬氧化物層（如先前在處理期間或沉積之後已經退火的層）可能降低蝕刻選擇性，此可能增加對基板上周圍材料的損傷。金屬氧化物的習知處理可利用各向同性蝕刻製程，此可能導致對周圍材料的暴露增加，且可能由於導致對其他材料的進一步蝕刻而降低選擇性。本技術可透過提供定向移除製程來增加將緻密金屬氧化物材料併入的能力，該製程可允許從各種結構中受控地移除金屬氧化物，且該製程可對在移除期間可被遮蔽及/或保持暴露的許多材料具有選擇性。
儘管剩餘的揭示內容將常規辨識利用揭示的技術的特定材料及半導體結構，但吾人容易理解，系統、方法及材料同樣適用於可受益於本技術各態樣的許多其他結構。因此，該技術不應被認為僅限於與所描述的製程或材料一起使用。此外，儘管描述了示例性的腔室來為本技術提供基礎，但是應當理解，本技術實際上可應用於允許所述操作的任何半導體處理室。
第1圖圖示了根據實施例的沉積、蝕刻、烘焙及固化室的處理系統100的一個實施例的俯視圖。在圖式中，一對前開口統一晶匣102供應各種尺寸的基板，該等基板由機器人臂104接收，並被放置到低壓保持區域106中，隨後再被放置到位於串聯部分109a-c中的基板處理室108a-f的一者中。第二機器人臂110可用於將基板晶圓從保持區域106傳送往返於基板處理室108a-f。每個基板處理室108a-f可被配備來執行多個基板處理操作，包括本文描述的乾式蝕刻製程，及循環層沉積、原子層沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積、蝕刻、預清潔、脫氣、定向及其他基板製程。
基板處理室108a-f可包括一或更多個系統部件，用於沉積、退火、固化及/或蝕刻基板晶圓上的介電膜。在一種配置中，兩對處理室（例如108c-d及108e-f）可用於在基板上沉積介電材料，且第三對處理室（例如108a-b）可用於蝕刻沉積的介電質。在另一種配置中，所有三對室，例如108a-f，可被配置為蝕刻基板上的介電膜。所描述的任何一或更多個製程可在與不同實施例中所示的製造系統分離的腔室中進行。應該理解，系統100設想了用於介電膜的沉積、蝕刻、退火及固化室的額外配置。
第2A圖圖示了示例性處理室系統200的橫剖面視圖，該系統在處理室內具有分隔的電漿產生區域。在膜蝕刻期間，例如氮化鈦、氮化鉭、金屬、矽、多晶矽、氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳氧化矽等，處理氣體可透過氣體入口組件205流入第一電漿區域215中。遠端電漿系統201可視情況包括在該系統中，且可處理第一氣體，該第一氣體隨後行進穿過氣體入口組件205。入口組件205可包括兩個或多個不同的氣體供應通道，其中第二通道（未示出）可繞過RPS 201（若包括）。
根據實施例，圖示且可包括冷卻板203、面板217、離子抑制器223、噴淋頭225及其上安置有基板255的基座265或基板支撐件的每一者。基座265可具有熱交換通道，熱交換流體流經該熱交換通道以控制基板的溫度，該熱交換通道可被操作以在處理操作期間加熱及/或冷卻基板或晶圓。可包括鋁、陶瓷或其組合的基座265的晶圓支撐盤亦可被電阻加熱，以便使用嵌入式電阻加熱元件實現相對高的溫度，如從高達或約100℃到高於或約1100℃。
面板217可為稜錐形、圓錐形或其他類似結構，其中窄頂部延伸至寬底部。面板217可另外如圖所示是平坦的，並包括複數個用於分配處理氣體的貫穿通道。取決於RPS 201的使用，電漿產生氣體及/或電漿激發物種可穿過面板217中的複數個孔，如第2B圖所示，以便更均勻地輸送到第一電漿區域215中。
示例性配置可包括使氣體入口組件205通向藉由面板217而與第一電漿區域215隔開的氣體供應區域258，以使氣體/物種透過面板217上的孔流入第一電漿區域215。可選擇結構及操作特徵來防止電漿從第一電漿區域215顯著回流到供應區域258、氣體入口組件205及流體供應系統210中。面板217或腔室的導電頂部及噴淋頭225被示出為在特徵之間設有絕緣環220，絕緣環允許AC電位相對於噴淋頭225及/或離子抑制器223被施加到面板217。絕緣環220可位於面板217與噴淋頭225及/或離子抑制器223之間，使得電容耦合電漿能夠在第一電漿區域中形成。擋板（未示出）可額外位於第一電漿區域215中，或者以其他方式與氣體入口組件205耦合，以影響流體透過氣體入口組件205流入該區域。
離子抑制器223可包括板或其他幾何形狀，其在整個結構中限定了複數個孔，該等孔被配置為抑制帶離子電荷的物種遷移出第一電漿區域215，同時允許不帶電荷的中性或自由基物種穿過離子抑制器223進入抑制器與噴淋頭之間的活化氣體輸送區域。在實施例中，離子抑制器223可包括具有各種孔徑配置的穿孔板。該等不帶電的物種可包括高反應性物種，其透過孔與低活性載氣一起傳輸。如上所述，可減少離子物種透過孔的遷移，並在一些情況下完全被抑制。控制穿過離子抑制器223的離子物種的量可有利地提供對與下方晶圓基板接觸的氣體混合物的增強控制，此繼而可增強對氣體混合物的沉積及/或蝕刻特性的控制。例如，調整氣體混合物的離子濃度可顯著改變其蝕刻選擇性，例如SiNx:SiOx蝕刻比、Si:SiOx蝕刻比等。在進行沉積的替代實施例中，亦可改變介電材料的保形與可流動型沉積的平衡。
離子抑制器223中的複數個孔可配置為控制活化氣體（即離子、自由基及/或中性物種）通過離子抑制器223。例如，可控制孔的深寬比、或孔的直徑與長度比、及/或孔的幾何形狀，使得減少通過離子抑制器223的活化氣體中的離子帶電物種的流動。離子抑制器223中的孔可包括面向電漿激發區域215的錐形部分及面向噴淋頭225的圓柱形部分。圓柱形部分的形狀及尺寸可控制離子物種傳至噴淋頭225的流動。可調節的電偏壓亦可施加到離子抑制器223，作為控制離子種類穿過抑制器的流動的額外手段。
離子抑制器223可用於減少或消除從電漿產生區域向基板行進的離子帶電物種的數量。不帶電的中性及自由基物種仍然可通過離子抑制器中的開口與基板反應。應當注意，在實施例中，可能不執行圍繞基板的反應區域中的離子帶電物種的完全消除。在某些情況下，為了進行蝕刻及/或沉積製程，意欲使離子物種到達基板。在該等情況下，離子抑制器可協助將反應區域中的離子種類的濃度控制在有助於該製程的位準。
與離子抑制器223組合的噴淋頭225可允許第一電漿區域215中存在的電漿避免直接激發基板處理區域233中的氣體，同時仍允許受激物種從腔室電漿區域215進入基板處理區域233。以此種方式，該腔室可被配置成防止電漿接觸正在被蝕刻的基板255。此可有利地保護基板上圖案化的各種複雜結構及膜，若直接接觸產生的電漿，該等結構及膜可能被損壞、錯位或在其他情況下翹曲。此外，當允許電漿接觸基板或接近基板位準時，氧化物物種蝕刻的速率會增加。因此，若材料的暴露區域是氧化物，則可透過保持電漿遠離基板來進一步保護該材料。
該處理系統可進一步包括與處理室電連接的電源240，以向面板217、離子抑制器223、噴淋頭225及/或基座265提供電能，從而在第一電漿區域215或處理區域233中產生電漿。電源可被配置為取決於所執行的製程向腔室輸送可調節的功率量。此種配置可允許在正在執行的製程中使用可調諧電漿。不同於通常具有開或關功能的遠端電漿單元，可調諧電漿可被配置為向電漿區域215輸送特定量的功率。此繼而可允許發展特定的電漿特性，使得前驅物可以特定的方式離解，以增強由該等前驅物產生的蝕刻輪廓。
可在噴淋頭225上方的腔室電漿區域215或噴淋頭225下方的基板處理區域233中點燃電漿。電漿可存在於腔室電漿區域215中，以從例如含氟前驅物或其他前驅物的流入物中產生自由基前驅物。通常在射頻(radio frequency; RF)範圍內的AC電壓可施加在處理室的導電頂部（如面板217）與噴淋頭225及/或離子抑制器223之間，以在沉積期間點燃腔室電漿區域215中的電漿。RF電源可產生13.56 MHz的高RF頻率，但是亦可單獨或者與13.56 MHz頻率組合產生其他頻率。
第2B圖圖示了影響穿過面板217的處理氣體分佈的特徵的詳圖253。如第2A及2B圖所示，面板217、冷卻板203及氣體入口組件205相交以限定氣體供應區域258，處理氣體可從氣體入口205輸送到氣體供應區域258中。氣體可填充氣體供應區域258，並穿過面板217中的孔259流向第一電漿區域215。孔259可被配置成以基本上單向方式引導流動，使得處理氣體可流入處理區域233，但在處理氣體橫穿面板217之後，可部分或完全防止處理氣體回流到氣體供應區域258中。
處理室部分200中使用的氣體分配組件，如噴淋頭225，可稱為雙通道噴淋頭，並在第3圖所述的實施例中額外詳細說明。雙通道噴淋頭可提供允許處理區域233外部的蝕刻劑分離的蝕刻製程，以在輸送到處理區域之前提供與腔室部件及腔室部件彼此的有限相互作用作用。
噴淋頭225可包括上板214及下板216。該等板可彼此耦合以在板之間限定容積218。板的耦合可提供穿過上板及下板的第一流體通道219，及穿過下板216的第二流體通道221。所形成的通道可被配置為僅經由第二流體通道221提供從容積218穿過下板216的流體通路，而第一流體通道219可流體隔離於板與第二流體通道221之間的容積218。可透過噴淋頭225的一側流體進出容積218。
第3圖為根據實施例用於處理室的噴淋頭325的仰視圖。噴淋頭325可對應於第2A圖所示的噴淋頭225。示出了第一流體通道219視圖的通孔365可具有複數個形狀及配置，以便控制及影響前驅物穿過噴淋頭225的流動。示出第二流體通道221視圖的小孔375可基本上均勻地分佈在噴淋頭的表面上，甚至在通孔365之間，且可有助於在前驅物離開噴淋頭時提供比其他配置更均勻的混合。
前述腔室可用於執行示例性方法，包括蝕刻方法。參看第4圖，該圖示出了根據本技術的實施例的方法400中的示例性操作。方法400可包括在該方法開始之前的一或更多個操作，包括前端處理、沉積、蝕刻、拋光、清潔或可在所述操作之前執行的任何其他操作。該方法可包括多個可選操作，該等操作可或可不與根據本技術的方法的一些實施例具體相關聯。例如，描述了許多操作，以便提供所執行的製程的更大範圍，但是該等操作對於本技術而言並不重要，或者可透過下文將進一步論述的替代方法來執行。方法400可描述第5A-5D圖中示意性示出的操作，下文將結合方法400的操作來描述其圖示。應該理解，附圖僅示出了局部示意圖，且基板可包含任何數量的額外材料及特徵，該等材料及特徵具有如圖所示的各種特性及態樣。
方法400可包括或不包括將半導體結構發展為特定製造操作的可選操作。應當理解，方法400可在任何數量的半導體結構或基板505上執行，如第5A圖所示，包括可在其上執行金屬氧化物移除操作的示例性結構。示例性半導體結構可包括溝槽、通孔或其他凹陷特徵，其可包括一或更多種暴露的材料。例如，示例性基板可包含矽或一些其他半導體基板材料及層間介電材料，透過層間介電材料可形成凹槽、溝槽、通孔或隔離結構。在蝕刻製程期間的任何時間暴露的材料可為或包括金屬材料、一或更多種介電材料、接觸材料、電晶體材料或可用於半導體製程的任何其他材料。
例如，第5A圖可說明界定一或更多個溝槽或凹槽的基板結構，該結構中可安置金屬氧化物510材料。基板505可示出覆蓋在基板上的一或更多個其他結構上的介電材料，且應當理解，可在所示結構下形成任何數量的材料。在一些實施例中，介電材料可為或包括氧化矽、或任何其他氧化物或氮化物，透過上述材料可發生圖案化。儘管僅示出了包括金屬氧化物的兩個凹槽，但是應當理解，可形成任意數量的凹槽及實例，如以產生各種待處理的圖案或結構。儘管剩餘的揭示內容將參考金屬氧化物，但是應當理解，本技術可包括許多金屬氧化物及/或氮化物膜。例如，金屬氧化物可包括一或更多種過渡金屬，如鉿、鋯、鈦，及其他金屬，如鋁。該等材料可包括組合化合物，如鉿-鋯氧化物，及該等材料中任何者的氮化物。因此，本技術並不意欲限於任何特定的金屬氧化物或金屬氮化物，但所提到的化合物可能被本技術具體涵蓋。
本技術的實施例可涉及執行受控且各向異性的蝕刻製程，以移除金屬氧化物材料，同時保持基板周圍的基板結構。儘管可包括遮罩材料515，但是金屬氧化物的習知各向同性移除可能導致基板中的底切，該基板亦可為氧化物材料或其他介電材料或含矽材料。本技術可透過控制移除製程來限制或阻止各向同性移除，以僅移除經改質或損壞的材料，如下文將描述。因此，被蝕刻的結構可由或多或少的底切來限定，且被暴露的材料可被專門蝕刻在被暴露的垂直路徑中。在本技術涵蓋的一些實施例中，蝕刻製程可執行基本上或完全各向異性的凹槽。
應理解，所述結構並非意欲進行限制，且包括含金屬材料或其他含金屬材料在內的各種其他半導體結構中的任何一種亦同樣包含在內。其他示例性結構可包括半導體製造中常見的二維及三維結構，並且在該結構中，相對於一或更多種其他材料，將移除諸如金屬氧化物的含金屬材料，因為本技術可相對於其他暴露的材料（如含矽材料）及別處所述的任何其他材料選擇性地移除含金屬材料。此外，儘管高深寬比結構可受益於本技術，但是本技術同樣適用於較低深寬比及任何其他結構。
在實施例中，可執行方法400以移除暴露的含金屬材料，但在本技術的實施例中，可在任何數量的結構中移除任何數量的氧化物或含金屬材料。該等方法可包括移除金屬氧化物的特定操作。儘管剩餘的揭示內容將常規論述金屬氧化物，但是應當理解，可類似地由本技術的一些實施例處理其他金屬氧化物。在一些實施例中，該等方法可包括多操作蝕刻製程，其可控制金屬氧化物相對於其他暴露材料的蝕刻，該等其他暴露材料如介電材料（例如氧化矽）及任何下層材料，該等下層材料可包括結構中使用的介電或導電材料。
方法400可包括在可選操作405中，在半導體處理室的處理區域內形成電漿。如上所述，在操作405之前，基板可能已經定位在腔室內。僅出於說明目的參看腔室200，可在區域233中形成或產生電漿，或者在至少部分由基板支撐基座限定的區域中形成或產生電漿。此種電漿可類似地理解為晶圓級電漿。電漿的流出物可在方法400中用於在操作410中對半導體基板上的暴露材料表面進行改質，如上述的金屬氧化物材料510。基板可位於或容納在半導體處理室的處理區域中。
方法400的改質操作可允許對金屬氧化物的受控轟擊，並可產生金屬氧化物結構，其可包括在結構內非晶化至一定深度的、先前退火且更緻密的氧化物結構。所產生的電漿可為或包括偏壓電漿，其可在足以轟擊薄膜並破壞結構內的鍵的功率下形成。因為可定向地執行改質操作，所以電漿流出物可只接觸遮罩材料515及金屬氧化物材料510，如第5B圖所示，其中在電漿中產生的氧及/或其他離子520可以相對直的路徑被引導到基板。因此，在移除金屬氧化物的製程操作期間，下方的基板505，包括在後續循環期間可能暴露的側壁可得到保護。
改質操作410可涉及含氧氣體及一或更多種其他氣體，可包括雙原子氫或惰性氣體，如氦、氖、氬、氪、氙或氡。用於產生電漿的材料亦可為額外的材料或前驅物，該等材料或前驅物可能具有有限的化學活性或者不與被改質的半導體表面上的暴露材料反應。透過利用含氧氣體，如雙原子氧、一氧化二氮、水、臭氧或其他含氧材料，材料鍵可在膜內斷裂或非晶化至一滲透深度，此步驟可基於偏壓功率來控制。氧自由基亦可與膜中的氧反應並去除膜中的氧，此可在改質操作期間產生更多孔的結構。可隨一或更多種含氧材料一起提供額外的氣體，如氫氣及/或氦氣，此可影響改質或破壞操作的各個態樣。例如，氫是一種小而輕的材料，與較重的材料相比，氫不太可能濺射所對準的材料，而氫可在膜內提供更深的穿透。由於氦是較重的材料，氦的加入可能會加劇膜中鍵的斷裂及氧的釋放。除了使膜非晶化之外，剩餘的材料可更加多孔，有利於後續步驟中的體積膨脹。該材料亦可能更具反應性，在改質期間會產生更多的懸掛鍵。
製程條件亦可促進改質操作。例如，由氧氣形成的電漿可為向基板提供電漿流出物的定向流的偏壓電漿。電漿可為低位準電漿，以限制轟擊、濺射及表面改質的量。在實施例中，電漿功率可小於或約500W，並且可小於或約450W、小於或約400W、小於或約350W、小於或約300W、小於或約250W、小於或約200W或更小。透過利用例如約300W或更小的電漿功率，可控制電漿流出物的穿透深度，以限制側壁相互作用作用或對下層結構的損傷。例如，如上所述的改質操作可允許半導體基板上的暴露材料的表面被改質到距離半導體基板內的暴露表面小於或約20奈米的深度，並且可允許材料的表面被改質到小於或約18 nm、小於或約16 nm、小於或約14 nm、小於或約12 nm、小於或約10 nm、小於或約9 nm、小於或約8 nm、小於或約7 nm、小於或約6 nm、小於或約5 nm或更小的深度。
改質操作可對溫度相對或完全不敏感，且在實施例中，溫度可維持在下文針對電漿操作所論述的任何溫度。亦可在改質操作410期間控制處理室內的壓力。例如，當形成惰性電漿並執行改質操作時，處理室內的壓力可保持在低於或約1托。此外，在一些實施例中，處理室內的壓力可維持在低於或約750毫托、低於或約600毫托、低於或約500毫托、低於或約400毫托、低於或約300毫托、低於或約250毫托或更低。腔室內的壓力可透過影響所產生的自由基材料的平均自由程來影響改質操作410的方向性。例如，隨著壓力增大，由於可能導致散射的碰撞增加，改質製程可能變得更加各向同性，且隨著壓力降低，由於平均自由程增加，改質製程可能變得更加各向異性，從而允許改善由偏壓提供的方向性。因此，隨著壓力的增加，下方的材料亦可開始被處理，此在移除之後可移除超出某些操作中最初期望的材料。
在對金屬氧化物膜的表面改質後，可實施移除製程，其可包括兩部分移除。方法400可包括將包括第一含鹵素前驅物的含鹵素前驅物流入容納所述基板的半導體處理室。在一些實施例中，含鹵素前驅物可為電漿增強的，如可選操作415。含鹵素前驅物可流經處理室的遠端電漿區域，如上述的區域215，且電漿可由含鹵素前驅物形成，以產生電漿流出物。儘管可產生基板位準電漿，但是在一些實施例中，電漿可為遠端電漿，其可保護暴露的基板材料免受由於基板位準電漿而可能發生的離子轟擊。當形成電漿時，電容耦合電漿或其他形成的電漿的電漿功率可保持在或低於任何前述的電漿功率位準。此外，在一些實施例中，第一含鹵素前驅物可不被電漿增強，如利用氟化氫，氟化氫可直接流入腔室的處理區域。
無論是否為電漿增強，在操作420中，含鹵素前驅物或第一含鹵素前驅物的電漿流出物可輸送至基板處理區域，在此處，流出物可在操作425中接觸包括受損或非晶化含金屬材料的半導體基板，如第5C圖所示。氟材料525可為氟離子及額外的離子，如下方將要提到的氫離子，其可流到處理區域以與基板相互作用。由於金屬氧化物材料的非晶化部分的多孔性質，氟自由基或材料可併入多孔或受損結構中，且可透過該結構擴散到所執行的改質位準。非晶結構可更容易接收氟材料，此可導致金屬氧化物材料的改質部分的體積膨脹。該接觸可產生氟化材料，如金屬氟氧化物或金屬氧化物鹵化物材料，如透過轉化基板上暴露的金屬氧化物。在一些實施例中，在氟化之後，可熄滅電漿，且可淨化腔室。因為金屬氟氧化物材料在腔室操作條件下可能不揮發，所以可執行額外的操作來使非晶化及氟化部分移除。此外，因為氟化可能不會穿透下方的金屬氧化物或金屬氧化物的未改質部分，所以移除的量可能受限於改質材料的深度。
在氟化操作之後，蝕刻劑前驅物可在操作430中流入處理區域。在一些實施例中，蝕刻劑前驅物可為第二含鹵素前驅物，且可包括與第一含鹵素前驅物相同或不同的鹵素。蝕刻劑前驅物可與氟化金屬氧化物或其他氧化物材料相互作用，產生金屬及/或氧副產物，該等副產物在處理條件下可能是揮發性的，且可能從基板中析出。因此，在操作435，蝕刻劑前驅物可接觸氟化材料，並與材料中的氟進行配位體交換，且此可產生可從基板釋放的揮發性副產物。透過執行根據本技術的實施例的兩個移除操作，可執行進行改質材料的受控移除，此可保持下方的材料及基板材料。如第5D圖所示，可輸送第二鹵素前驅物530，且其可與氟化金屬氧化物形成配位體交換。因此，可能包括金屬氯化物、金屬氧氯化物或含有金屬、氧、氟、氫及氯中的一或更多者的其他材料的金屬副產物535可能從基板釋放，此可能暴露下方的金屬氧化物或基板材料。該方法可重複循環任意次，以繼續移除離散層中的金屬氧化物。根據本技術的實施例，此可產生基於改質深度的受控移除，此可允許從基板移除一些或所有形成的金屬氧化物材料。
儘管第二鹵素前驅物亦可經電漿增強，但在一些實施例中，第二前驅物可未經電漿增強，且在一些實施例中，在利用第二鹵素前驅物的輸送及操作期間，半導體處理室可保持無電漿。透過利用特定的前驅物，並在某些製程條件下進行蝕刻，可進行無電漿的移除，且該移除亦可為乾式蝕刻。因此，可執行根據本技術的各態樣的技術，以從任何數量的特徵中移除金屬氧化物，包括高深寬比的特徵及原本可能不適於濕式蝕刻或反應性離子蝕刻的薄尺寸。
在兩步移除操作的每一步期間，前驅物可包括含鹵素的前驅物，且在一些實施例中，可包括氟或氯中的一或更多種。可用作第一前驅物的一些示例性前驅物可包括鹵化物，包括氟化氫、三氟化氮或任何有機氟化物。前驅物亦可以各種組合一起流動。在一些實施例中，在第一操作中，三氟化氮或一些其他含氟前驅物可被輸送至具有氫及電漿增強的遠端電漿區域，以產生金屬氧化物的氟化表面。用作第二鹵素前驅物的蝕刻劑前驅物可為或包括含氯前驅物，如包括三氯化硼、四氯化鈦或任何其他含氯材料。此外，在一些實施例中，可產生氯自由基板料，如在本端或遠端執行的電漿製程中，且其可輸送氯自由基板料以與金屬氧化物的氟化部分相互作用。在本技術的處理條件下，該等含氯材料可促進揮發性副產物的形成，該揮發性副產物可移除氟化金屬氧化物。例如，一些副產物可能包括金屬氯氧化物或金屬氯化物，該兩者在處理條件下可能是揮發性的，有助於從基板上移除材料。
根據本技術，處理條件可影響並促進蝕刻。因為蝕刻反應可基於用於第二鹵素前驅物與氟化氧化物材料之間的第二反應的鹵素的熱離解而進行，所以溫度可至少部分取決於特定的鹵素或前驅物以引發離解。例如，當溫度升高到100℃以上或約100℃以上或約150℃以上時，蝕刻可能開始發生或增加，此可能表明前驅物的離解，及/或與金屬氟氧化物的反應活化。隨著溫度繼續升高，進一步促進離解，與氟化金屬氧化物的反應亦是如此。
因此，在本技術的一些實施例中，可在高於或約100℃的基板、基座及/或腔室溫度下實施蝕刻方法，且可在高於或約150℃、高於或約200℃、高於或約250℃、高於或約300℃、高於或約350℃、高於或約400℃、高於或約450℃或更高的溫度下執行蝕刻方法。溫度亦可保持在該等範圍內的任何溫度，該等範圍包括的更小的範圍內，或該等範圍之間的任何溫度。在一些實施例中，該方法可在具有多個已形成特徵的基板上執行，此可產生熱預算。此外，第一蝕刻操作（如包括含氟前驅物）可在低於第二蝕刻操作溫度的溫度下進行。例如，在輸送氟材料期間，基板溫度可保持在小於或約300℃，且可保持在小於或約250℃、小於或約200℃、小於或約150℃、小於或約100℃或更低，此可限制基板上其他材料的反應性蝕刻，同時允許在金屬氧化物的非晶化區域中發生氟化。隨後可將溫度升高到上述用於第二操作的任何溫度範圍，如高於或約300℃，或者可將基板轉移到保持在較高溫度的第二個腔室中用於氯化操作。
腔室內的壓力亦可影響所進行的操作，及影響鹵素在何種溫度下可從過渡金屬中解離以進行第二次移除操作。為了促進可基於電漿增強前驅物的氟化，處理壓力可低於第二移除操作中的壓力，在一些實施例中，第二移除操作可基於熱。透過在第一操作中保持較低的壓力，如在使用第一鹵素前驅物期間，可促進基板表面處相互作用的增加。如上所述，在該方法的第一部分期間的較低壓力可增加原子之間的平均自由程，且此可增加膜表面的能量及相互作用。透過在該方法的第二部分中利用更高的壓力，如在使用第二鹵素前驅物期間，可提高蝕刻速率，但在一些實施例中，可在第二移除操作之前保持或降低壓力，及保持或降低至別處提到的任何壓力。因此，在一些實施例中，在蝕刻的第一部分期間，如在操作405-415期間，壓力可保持低於約20托，並且壓力可保持低於或約15托、低於或約10托、低於或約9托、低於或約8托、低於或約7托、低於或約6托、低於或約5托、低於或約4托、低於或約3托、低於或約2托、低於或約1托、低於或約0.5托或更小。
隨後，在該方法的第二部分期間，如在操作420-425期間，可保持、降低或增加壓力。當壓力增加時，壓力可保持在大於或約1托的壓力，並可保持在大於或約5托、大於或約10托、大於或約15托、大於或約20托、大於或約25托、大於或約30托、大於或約35托、大於或約40托、大於或約45托、大於或約50托、大於或約75托、大於或約100托，或更高，其可延伸至大氣壓，但在一些實施例中真空條件可有利於操作。壓力亦可保持在該等範圍內、該等範圍所包含的較小範圍內或該等範圍之間的任何壓力。
如前所述，在一些實施例中，在第一移除操作期間，氫可與三氟化氮或第一鹵素前驅物一起輸送。透過包含氫，可降低或抑制氟化期間氟對材料的蝕刻速率。為了保護鄰近待移除的金屬氟化物的下方材料，可以大於第一含鹵素前驅物流速的流速輸送氫氣。例如，在第一含鹵素前驅物可為三氟化氮的一些實施例中，氫氣與三氟化氮的流速比可大於或約1.5:1，且氫氣與三氟化氮的流速比可大於或約2.0:1，大於或約2.5:1，大於或約3.0:1，大於或約3.5:1，大於或約4.0:1，大於或約4.5:1，大於或約5.0:1，大於或約5.0:1，大於或約10.0:1，或更大。氫自由基可幫助鈍化其他暴露的材料，同時氟與特徵內的非晶化金屬氧化物材料相互作用。
透過利用根據本技術實施例的材料，可進行金屬氧化物的受控及定向移除。執行高度定向的改質操作可允許受控的移除操作，該操作相對於基板上的其他材料對非晶化材料是選擇性的。前文論述的方法可允許相對於許多其他暴露的材料移除金屬氧化物或其他氧化物材料。透過利用如前所述的多前驅物蝕刻劑製程，可執行金屬氧化物的改進蝕刻，此既可提高相對於習知技術的選擇性，亦可改進小間距特徵中的蝕刻通道。
在前述說明中，出於解釋目的，闡述了許多細節，以提供對本技術各種實施例的理解。然而，對於本領域技藝人士而言顯而易見，可在沒有該等細節中的一些或者具有額外細節的情況下實施某些實施例。
已揭示數個實施例，本領域技藝人士將認識到，在不背離實施例精神的情況下，可使用各種修飾、替代構造及等同物。此外，為了避免不必要地模糊本技術，沒有描述許多公知的製程及元件。因此，以上描述不應被視為限制本技術的範疇。此外，可將方法或製程描述為順序的或分步驟的，但是應當理解，該等操作可同時執行，或者以與本文列出的順序不同的順序執行。
在提供數值範圍的情況下，應理解，除非上下文另有明確規定，否則亦具體揭示了該範圍的上限及下限之間的每個介於其間的值，精確到下限單位的最小分數。包括在規定範圍內的任何規定值或未規定的中介值及該規定範圍內的任何其他規定值或中介值之間的任何更窄的範圍。彼等較小範圍的上限及下限可獨立地包括在該範圍內或從該範圍排除在外，並且其中任一個、兩個或兩個限值都不包括在該較小範圍內的每個範圍亦包括在該技術內，服從在所述範圍內的任何具體排除的限值。當所述範圍包括一個或兩個限值時，亦包括不包括該等所包括的限值中的一個或兩個的範圍。
如本文及所附申請專利範圍中所用，單數形式「一」、「一個」及「該」包括複數，除非上下文另有明確規定。因此，例如，對「一前驅物」的引用包括複數個此種前驅物，對「該層」的引用包括對一或更多個層及本領域技藝人士已知的等同物的引用，等等。
此外，本說明書及以下申請專利範圍中使用的詞語「包括」、「包含」、「包含」、「包含」及「包含」意欲指定所述特徵、整數、元件或操作的存在，但不排除一或更多個其他特徵、整數、部件、操作、動作或組的存在或添加。
100:處理系統 102:前開口統一晶匣 104:機器人臂 106:低壓保持區域 108a:基板處理室 108b:基板處理室 108c:基板處理室 108d:基板處理室 108e:基板處理室 108f:基板處理室 109a:串聯部分 109b:串聯部分 109c:串聯部分 110:第二機器人臂 200:處理室系統 201:RPS 203:冷卻板 205:氣體入口組件 210:流體供應系統 214:上板 215:第一電漿區域 216:下板 217:面板 218:容積 219:第一流體通道 220:絕緣環 221:第二流體通道 223:離子抑制器 225:噴淋頭 233:區域 240:電源 253:詳圖 255:基板 258:氣體供應區域 259:孔 265:基座 325:噴淋頭 365:通孔 375:小孔 400:方法 405:操作 410:操作 415:操作 420:操作 425:操作 430:操作 435:操作 505:基板 510:金屬氧化物 515:遮罩材料 520:氧及/或其他離子 525:氟材料 530:第二鹵素前驅物 535:金屬副產物
透過參考說明書及附圖的剩餘部分，可進一步理解所揭示技術的性質及優點。
第1圖圖示了根據本技術的一些實施例的示例性處理系統的一個實施例的俯視圖。
第2A圖圖示了根據本技術的一些實施例的示例性處理室的橫剖面示意圖。
第2B圖圖示了根據本技術的一些實施例的第2A圖所示的處理室的一部分的詳細視圖。
第3圖圖示了根據本技術一些實施例的示例性噴淋頭的仰視圖。
第4圖圖示了根據本技術的一些實施例的方法中的示例性操作。
第5A-5D圖圖示了根據本技術的一些實施例的已蝕刻材料的橫剖面示意圖。
其中數幅圖式為示意圖。應當理解，附圖是為了說明的目的，除非特別說明是按比例的，否則不應認為是按比例的。此外，作為示意圖，提供附圖是為了幫助理解，與真實的表示相比，可能不包括所有態樣或資訊，且可能包括用於說明目的的額外或誇大的材料。
在附圖中，相似的部件及/或特徵可具有相同的元件符號。此外，相同類型的各種部件可透過在元件符號後加字母來區分，該字母用於區分相似的部件。若在說明書中僅使用第一元件符號，則該描述適用於具有相同第一元件符號的任何一個類似部件，無論字母如何。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
400:方法
405:操作
410:操作
415:操作
420:操作
425:操作
430:操作
435:操作

Claims (20)

  1. 一種蝕刻方法，包括以下步驟： 對容納在一半導體處理室的一處理區域中的一基板上的一金屬氧化物層的一暴露表面進行改質，以產生金屬氧化物的一改質部分； 將金屬氧化物的該改質部分與一含氟前驅物接觸，其中該接觸產生一金屬氟氧化物材料； 將一蝕刻劑前驅物流入該處理區域； 使該金屬氟氧化物材料與該蝕刻劑前驅物接觸；及 移除該金屬氟氧化物材料。
  2. 如請求項1所述的蝕刻方法，其中該蝕刻劑前驅物包括一含氯前驅物，並且其中該金屬氧化物包括氧化鉿。
  3. 如請求項1所述的蝕刻方法，其中該含氟前驅物包括氟化氫或一電漿增強的含氟前驅物。
  4. 如請求項3所述的蝕刻方法，其中該電漿增強的含氟前驅物形成在該半導體處理室的一遠端電漿區域中。
  5. 如請求項1所述的蝕刻方法，其中對該金屬氧化物層的該暴露表面進行改質之步驟包括以下步驟： 形成一含氧前驅物的一電漿以產生含氧電漿流出物，及 將該等含氧電漿流出物導向該金屬氧化物層的該暴露表面。
  6. 如請求項5所述的蝕刻方法，其中該等電漿流出物使金屬氧化物的一部分變成非晶金屬氧化物。
  7. 如請求項5所述的蝕刻方法，其中在大於或約100W的一電漿功率下在該處理區域中形成該含氧前驅物的該電漿。
  8. 如請求項1所述的蝕刻方法，其中當該蝕刻劑前驅物流入該處理區域時，該半導體處理室保持無電漿。
  9. 如請求項1所述的蝕刻方法，其中在該金屬氟氧化物材料與該蝕刻劑前驅物接觸之前，提高該半導體處理室內的一溫度。
  10. 如請求項1所述的蝕刻方法，其中在流動該含氟前驅物時，該半導體處理室中的一壓力保持低於或約5托。
  11. 如請求項10所述的蝕刻方法，其中當該蝕刻劑前驅物流入該處理區域時，該半導體處理室中的一壓力保持在15托以上或約15托。
  12. 一種蝕刻方法，包括以下步驟： 對容納在一半導體處理室的一處理區域中的一基板上的一含金屬材料層的一暴露表面進行改質，以產生含金屬材料的一改質部分； 將一第一含鹵素前驅物流入該半導體處理室的一遠端電漿區域，同時點燃一電漿以產生電漿流出物； 將含金屬材料的該改質部分與該等電漿流出物接觸，其中該接觸產生一金屬氟化物材料； 將一第二含鹵素前驅物流入該處理區域； 使該金屬氟化物材料與該第二含鹵素前驅物接觸；及 移除該金屬氟化物材料。
  13. 如請求項12所述的蝕刻方法，其中該第一含鹵素前驅物包括氟，其中該第二含鹵素前驅物包括三氯化硼，且其中該含金屬材料包括一氧化物或氮化物，該氧化物或氮化物包括鋁、鉿、鋯或鈦。
  14. 如請求項12所述的蝕刻方法，進一步包括以下步驟：在流動該第二含鹵素前驅物之前停止電漿形成。
  15. 如請求項12所述的蝕刻方法，其中使含金屬材料的該改質部分與該等電漿流出物接觸之步驟是在一第一溫度下進行的。
  16. 如請求項15所述的蝕刻方法，其中使該金屬氟化物材料與該第二含鹵素前驅物接觸是在高於該第一溫度的一第二溫度下進行的。
  17. 如請求項12所述的蝕刻方法，其中該第一含鹵素前驅物包括三氟化氮，該方法進一步包括以下步驟： 使氫氣與該第一含鹵素前驅物一起流動。
  18. 如請求項17所述的蝕刻方法，其中該氫氣的一流速至少是該第一含鹵素前驅物的一流速的兩倍。
  19. 如請求項12所述的蝕刻方法，其中對該含金屬材料層的該暴露表面進行改質之步驟包括以下步驟： 形成一含氧前驅物的一電漿以產生含氧電漿流出物，及 將該等電漿流出物導向該含金屬材料層的該暴露表面。
  20. 一種蝕刻方法，包括以下步驟： 形成一含氧前驅物的一電漿以產生含氧電漿流出物； 將該等含氧電漿流出物導向容納在一半導體處理室的一處理區域中的一基板上的一金屬氧化物層，以產生金屬氧化物的一改質部分； 將一含氟前驅物流入該半導體處理室的一遠端電漿區域，同時在該遠端電漿區域中點燃一電漿以產生電漿流出物； 將金屬氧化物的該改質部分與該等電漿流出物接觸，其中該接觸產生一金屬氟氧化物材料； 將一含氯前驅物流入該處理區域； 使該金屬氟氧化物材料與該含氯前驅物接觸；及 移除該金屬氟氧化物材料。
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