TW589390B - Method of etching titanium nitride - Google Patents
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Description
589390 A7 B7 五、發明說明() 發明領域: (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係關於一種在半導體結構内蝕刻氮化鈦層之 方法。特別是有關於蝕刻已圖案化之結構,例如氮化鈦 閘,亦可使用在氮化鈦層之表面回蝕。 發明背景: 在半導體的製造技術領域中,半導體結構之金屬閘 極(metal gate )的使用是一相當新的概念。氮化钦在經 研究後已成為製造閘極的一種材料。舉例來說,利用氮 化鈥作為閘極材料已見於 Thomas Tang et al. (International Electric Devices Meeting Technical Digest, pp.590-593, 1 9 8 5; IEEE Transactions on Electronic
Devices, Vol. ED-3 4, No. 3,pp. 682-688, 1987) ; J. G. Fleming et al. ( Proceedings of the 9th International
Vacuum Microelectronics Conference, pp.375-379, 1 9 9 6 ); D. B. King et al. ( Proceedings of the 9th International 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制^.
Vacuum Microelectronics Conference, pp.41 1-414, 1996 ); J. T. C. Lee et al. ( J. Vac. Sci. Techno!. B, Vol. 14, No. 5, pp. 3282-3290,1 996 ); and Dong-Gu Lee et al. ( J. Vac. Sci. B,Vol. 18, Νο·2, pp.1 085-1088, 2000 )。 氮化鈦在鋁的金屬化結構中已經常被利用為阻障層 材料以避免碎由下層基材轉移至上層之鋁的金屬化層。 常見的蝕刻氮化鈦層化學作用是以氯為基礎。對氮化鈦 蝕刻時氯提供一非常高的蝕刻速率。然而,當考慮蝕刻 第4頁 ^紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) _ 時層 層飲 薄化 欽氮 化之 氮化 刻案^ 姓圖屬 在已金 種刻鈦 1 蝕化 要參氣 需是之 便別中 此特構 因’結 法體 方導 的半 制刻 控蝕 以如 加例 制 控 的 589390 A7 _______B7 五、發明說明() 非常薄(即厚度< 1 000A )的氮化鈦層時,高蝕刻速率並 不為所需,特別是在當薄層係作為在半導體結構中之閘 極時。 發明概沭: 本發明揭示氮化鈦之電漿蝕刻方法,在蝕刻圖案化 結構時,提供有利的蝕刻速率以使輪廓能有效地被控制。 本發明之氮化鈥電漿蚀刻方法能單獨地使用於單一蚀刻 步驟,或亦能使用於二步驟製程方法中之主蝕刻步驟, 其中過度姓刻步驟係於主蝕刻步驟之後。當氮化鈦對相 鄭的氧化物(一般在其下層)之蝕刻選擇性相當重要時, 此二步驟蝕刻製程便經常被使用。 蚀刻氣化欽之方法(或主蝕刻步驟)係利用由氯及 氟化碳氣體所構成的電漿來源氣體(plasma s〇urce gas) 來產生化學蝕刻劑。氯為主要的蝕刻劑,且氟化碳作為 第二蝕刻劑並作為側壁之保護層(sidewall passivati〇n)。 氟化碳係選自含氟之化合物,其化學式為m , X的 範圍由i至4, y的範圍由0至3, z的範圍由i至1〇。 藉由改乂在%漿來源氣體中氣對氟的比率,便能控制蝕 刻速率。此外,當進行圖案化之㈣時,㈣氮化鈥特 徵的蝕刻輪廓(例如閘極之結構)便能精確地受到控制。 第項 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 589390 經音部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明() 來源氣體中加入氟化碳亦可使得全部的側壁保護層以及 受触刻之閘極的側壁輪廓獲得控制。氟化碳的存在亦可 以減慢氮化鈦的蝕刻速率,在蝕刻過程中較氯用來作為 對氮化鈦單獨的蝕刻劑更容易受到控制。 舉例來說,在半導體結構中氮化鈦金屬閘藉曝露於 由氯及氟化碳所構成的來源氣體所產生的電漿之中而受 蝕刻作用。已證明運作良妤的來源氣體電漿包含ci2及CF4 來作為化學蝕刻劑。其他必要的化學性惰性氣體能與化 學蝕刻劑形成組合物。一般來說,範圍從約1 : 1 〇至1 0 : 1的氯:氟原子分率(atomic ratio );氯:氟原子分率以 約1 : 5至5 : 1為較佳。在氮化鈦金屬閘極蝕刻的例子 中,氯:氟原子分率從約1 : 1至5 : 1表現得尤為佳。 當回蝕氮化鈦層時,不需要次微米尺寸之圖案化, 便有可也僅利用C F4來作為反應性触刻劑。由於對姓刻 圖案輪廓的控制並不是最主要的考慮,而主要的考慮在 於對蝕刻製程的終點,CF4單獨地提供整體較慢的蝕刻速 率,此速率便能對回蝕步驟的終點有較佳的控制。當氮 化欽層為薄(厚度約小於1 000A)時,將CF1單獨地作 為反應性蝕刻劑提供了簡化的製程。當氮化鈦層較厚時, 在某一程度上姓刻時間便變得重要,使用含氯的主蝕刻 步驟便變得重要並且需單獨地使用CF1作為反應性蚀刻 劑來完成回蚀步驟。在另一方面,在主蝕刻步驟後,過 度蝕刻步驟便利用下述的化學作用來到達下層的表面 層,以使氮化钦層能受到回蚀。 一---_------------訂---------線 丨 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 第6頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNSM4規格(210 X 297公爱) 雄 ^----- 589390 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 R7 五、發明說明() 除了上述蝕刻化學作用的使用之外,本發明利用一 種二步驟蝕刻方法來改善相較於下層之氧化物層(例如 氧化矽、矽氧氮化物、鈦酸相鳃、氧化钽、氧化锆、矽 酸錘、氧化銓、矽酸銓、氮化矽以及其組合物),較偏向 於蝕刻氮化鈦之選擇性。在二步驟蝕刻方法中,主蝕刻 係利用由氯及氟化碳所構成的第一電漿來源氣體,如上 所述(或是在蝕刻氮化鈦的習知技術中常見之一蝕刻化 學作用)’之後進行過度触刻步驟,電漿來源氣體係由氯 和漢所構成,作為化學蚀刻劑。其他必要的化學性惰性 氣體能與提供化學蝕刻劑的氣體混合。 在過度蝕刻步驟中,氯及溴一般係產生約1 ·· 4至4 : 1之氯:溴原子分率。原子分率能與包括蝕刻氮化鈦層 的層結構之偏壓功率相結合而調整。當過度蝕刻步驟電 漿來源氣體被使用來產生化學蝕刻劑時,作為示範的電 漿來源氣體包括Cl2及HBr,。 當由終點(endpoint )決定主蚀刻步驟的結束時,使 用光感應技術(optical sensing technique ),例如在主蚀 刻步驟中蝕刻氮化鈦特徵(例如閘極)約98%之厚度, 其餘於過度蝕刻步驟中進行蝕刻。當主蝕刻步驟係一定 時蚀刻(timed etch )時,典型的方式為約80%的蚀刻於 主蝕刻步驟中進行,其餘的於過度蝕刻步驟中進行。 藉由控制主蝕刻步驟的蝕刻速率,甚至氮化鈦的薄 層(即厚度< 1 〇〇〇A )也能接受蝕刻。藉主蝕刻步驟中控 制閘的蝕刻輪廓,更多的元件能可放置於半導體基材的 第7頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公t ) rl 1· i^i βϋ —>1 —β ·ϋ n* fl·— H ί§ n n 0 ί «ϋ n n· n n ΛβΜβ ^ ^ ν «ριν β···· ·* waHV I I · 言 各 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589390
特疋 藉由控制與下層氧化物層有關的氮化鈦閘之 蝕刻選擇性’閘能在對下層氧化物層避免造成危險的情 況下接受蝕刻。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 |Β式簡I _明: 第1圖繪示依據本發明之蝕刻製程設備之一實施例; 第2A圖繪示依據本發明之啟始半導體結構。半導體結 構’由上到下包括光阻圖案層、ARC介電層 (DARC ) ( dielectric ARC )、氮化鈦閘層以及氧 化物層,皆沈積在矽基材上。沈積膜堆疊層的相 對厚度並非以比例顯示; 第2B圖依據本發明之經敍刻DARC層後之半導體結構; 第2C圖依據本發明之經㈣氮化飲閘層至少游。厚度之 半導體結構。結構所示者為在一定時主蝕刻步驟 執行完畢後並在過度蝕刻步驟之前的二步驟蚀刻 方法;以及 第2D圖依據本發明之氮化鈦閘層之所有厚度經蝕刻後之 半導體結構。 圖號#照說明: 100 CENTURA®DPStm多矽蝕刻反應室 104上反應室 106陶瓷圓頂 I 0 8下反應室 11 0單極性靜電墊塊陰極 II 4氣體注射噴嘴 11 8節流闕 第頃 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公t ) 一 —*— I --------訂---------線—- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589390 A7 B7 五、發明說明( 120基材 122入 124晶圓升降柱 1 2 6電感耦合式電漿電源功率 1 2 8相對應網路 1 3 2相對應網路 202基材 206氧化鈦閘 2 1 0圖案化光阻層 130 RF電源 200啟始半導體結構 204氧化物(或氮化物)層 208 ARC 介電層(DARC ) 212腳 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明詳細說明: 以下將詳細描述一種在 金屬閘之方法。該方法至少 氟化碳所構成之來源氣體電 氟之比率以約1 ·· 5為較佳。 刻氮化鈦閘之二步驟方法, 及隨後的過度蝕刻步驟。二 所構成的主蝕刻步驟電漿來 於氮化鈦蝕刻之來源氣體), 蝕刻步驟電漿來源氣體。 在本詳細描述之前言中 明及附加的申請專利範圍中 明,否則該單數的形式(例 個0 一半導體結構中蝕刻氮化鈦 包括將氮化鈥曝露於由氯及 漿當中,其中來源氣體氯: 以下亦將描述一種以電漿蝕 該方法至少包括主蝕刻步驟 步驟方法包含由氯及氟化碳 源氣體(或其他已知可利用 以及由氯及溴所構成的過度 必須先說明的是,在具體說 ,除非在内容中有明白地說 如” 一”、”該”)亦包括複數 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 589390 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明() I . 一種實施本發明之設備 本發明之實施例可於加州聖塔克拉拉應用材料公司 (Applied Materials, Inc. of Santa Clara,California)所 生產的 Centura® 整合處理系統(Integrated Processing System)上實施。此系統係揭露於美國專利第5,186,718 號,在此併入以供參考。雖然在本發明第1圖中以示意 圖的方式將蝕刻反應室作為範例,然而產業中任何的蝕 刻處理裝置都應藉修正其他製程參數來利用本發明所述 的蝕刻化學作用。第1圖所示之設備簡圖包括由Yan Ye 等人於「第十一屆國際電漿處理研討會會刊」(May 7, 1 996 )中所描述一去耦合電漿來源(Decoupled Plasma Source),並刊於「電化學協會會刊」第 96-12期第 222 至23 3頁(1 996 ),在此併入以供參考。電漿反應室亦能 處理直徑8忖(200mm)的晶圓。 第1圖所示者為一個別的Centura®DPSTM多矽蝕刻 反應室100之側面簡圖。蝕刻反應室100係由具陶瓷圓 頂106 ( ceramic dome )之上反應室104及下反應室1 08 所構成。下反應室108包括單極性靜電墊塊(monopolar electrostatic chuch,ESC)陰極 110。氣體由氣體注射噴 嘴114 (gas injection nozzles)輸入以使氣體產生均衡的 分佈。反應室壓力由利用節流閥118 (throttle nozzle) 之閉迴路壓力控制系統(closed-loop pressure control system )所控制。在處理的過程中,基材1 20係由入口 1 22 進入至下反應室108。輸入DC電壓至靜電墊塊表面上位 第10頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ϋ —-i n n I— ·1 n el n a— n —9 · n n βϋ 8— n n 」 9 1 ϋ« —9 n fl— n βϋ I k (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589390 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明() 於介電薄膜下之導體層(未圖示),基材120藉由在墊塊 陰極110表面上所產生的靜電置於適當的位置。晶圓升 降柱(wafer lift) 124隨後將陰極11〇及基材120抬升 並在適當位置將上反應室104密封以便進行處理過程。 蝕刻氣體由氣體注射噴嘴1 1 4輸入上反應室1 0 4中。蝕 刻反應室100利用電感耦合式電漿電源功率126 (inductively coupled plasma source power)及相對應網 路 128 (matching network )以 1 2 · 56MHZ 的頻率運作以 產生並維持高密度電漿。RF電源13〇與以13.5 6MHZ頻 率運作的相對應網路1 3 2加偏壓於晶圓。電漿電源功率 1 2 6以及加偏壓於基材的方法丨3 〇係由個別的控制器所 控制(未圖示)。 雖然本發明之實施例係藉centura®dpstm蝕刻系 統為例’亦能使用於相容的>1虫刻工具如一種由應用材料 公司所生產的eMaxTMCENTURA⑧蝕刻系統。 Π ·银刻氮化鈥金屬閘之方法 第2 A圖所示者為本發明方法所述之一啟始半導體結 構 200 ( beginning semiconductor structure)。第 2A 圖並 未依實際的比例尺圖示。半導體結構2〇0由上到下包括 圖案化光阻層21〇、ARC介電層(DARC) 208、氮化欽 閘層206以及氧化物(或氮化矽)層2〇4,均沈積於通 常為硬所構成的基材202上。ARC係指一種作為一抗反 射塗佈之材料層。 第11頁 本紙張尺度適用中關家標準(CNS)A4規格(210 X 297公餐)^ --------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589390 經濟部智慧时產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明() 光阻層210之厚度及圖案化方法與所使用的特定光 阻材料有關。光阻層210可為任何一種習知的光阻材料。 典型的情況下,光阻材料係含碳之有機材料。常被使用 為光阻材料者係可由JSR或Shipley獲得的DUV光阻。 DUV光阻之典型薄膜厚度為約4,〇〇〇至1〇,〇〇〇A。 DARC層208 —般係由矽氧氮化物(Si〇xNy)所構 成且其厚度通常介於約300至600A。矽氧氮化物Darc 層2 0 8 —般以習知技術沈積,如電漿加強化學氣相沈積 (PECVD )。使用有機基ARC層亦為本發明所揭露之部 分。 欲於其上產生閘之氮化鈦層2 06 —般的厚度約為2〇〇 至1,5 00A。氮化鈦閘層206使用典型的習知技術沈積, 如物理氣相沈積(PVD)或化學氣相沈積(CVD)。 舉例來說’當氧化物層2 0 4為氧化硬時,氧化物層 之厚度通常約為15至50A。而當氧化物層為五氧化鈕 (tantalum pentoxide)時,氧化物層之厚度通常約為3〇 至200A。氧化物層係由典型之習知技術所沈積,如熱氧 化法或PECVD。 在圖案化光阻層210之後,為了完成第2A圖結構, 蝕刻DARC層208 (如第2B圖)以將氮化鈦閘層206之 表面曝露出。通常(如表二及表三所示)DARC層208 係與氮化鈦閘層2 0 6於單一處理步驟中利用相同的蚀刻 化學作用及處理條件進行蝕刻。另一種處理方法是,darc 層2 0 8亦能使用習知的常見蝕刻化學作用及方法於一單 第12頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公t ) --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589390 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制农 A7 B7 五、發明說明() 獨的步驟中蚀刻。 在姓刻D A R C層2 0 8之後,根據本發明所揭露之方 法利用由氯及氟化碳所構成的來源氣體所產生之電漿蝕 刻氮化鈥閘層206。主氮化鈥蚀刻步驟之來源氣體一般 包括氯及含氟之化合物以提供作為反應姓刻劑。含氟化 合物以化學式為CxHyFz之氟化碳為較佳,其中χ之範圍 為1至4,y之範圍為〇至3,zi範圍為1至1〇。在一 較佳的實施例當中,主氮化鈦蝕刻步驟之來源氣體係氯 及四氟化碳(CF4)。根據半導體結構中的相鄰材料,氯 化氫能用來作為反應氯。舉例來說,提供給主氮化鈥蚀 刻步驟之來源氣體可包括化學性惰性氣體(chemicaUy inert gas )如氬、氖、氪或氦,最高濃度約為總氣流7〇0/〇 的體積谷率。氮能被添加為鈍化劑直到體積容率約為總 氣流之70%。添加入電漿來源氣體之惰性氣體或氮的數 量係決疋於物理(轟擊)蚀刻相對於化學蚀刻所欲達到 的程度。 在主姓刻電漿來源氣體中氯:氟原子分率一般係約 為1 : 10至10 : 1,以約為! : 5至5 : 1者為較佳。在 主姓刻中’氯/氟化碳之化學作用可用來蝕刻整個氮化鈦 閘層206之厚度,曝露氧化物層2〇4 一部分之表面,如 第2D圖所示。然而下層的氧化物層2〇4係相對薄層(一 般若為氧化矽則約為1 5至5 0 A厚,若為五氧化鋰則約為 30至20 0人厚,依據各不同的元件而定),並且會有危險 存在於傾向於蝕刻氮化鈦層而非氧化物層之選擇性對氣/ 第13頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公餐) --------訂·-------* 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589390 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明() 氟化碳化學作用而言並不適當,以避免在完成融刻氮化 鈦閘層206後蝕刻整個氧化物層。對氯/氟化碳化學作用 較傾向於蝕刻氮化鈦而非氧化矽之選擇性一般約為2 : 1 至5 : 1。當氧化物層厚度約為50A或更多時’約2 : 1 之選擇性是適當的。當氧化物層厚度約為2〇A或是更少 時,氮化鈦閘層以利用二步騾主蝕刻/過度蝕刻之方法為 較佳。 本發明二步驟方法的實施例可以第2C及2D圖之組 合來描述❶在二步驟之實施例當中,主蝕刻步騾為一種 用來蝕刻氮化鈦閘層206厚度約80%之(如第2C圖所示) 定時蝕刻。在另一方面,當下層的氧化物層足夠厚時, 主蝕刻能為一測量的終點蝕刻(例如干涉計之終點),其 用來蝕刻氮化鈦閘層206厚度約98%或更多。關於定時 蝕刻(有時指的是軟著陸蝕刻),過度蚀刻步驟隨後係執 行以蝕刻氮化鈦層厚度剩餘之20% ,包括移除腳(feet) 2 1 2,以及曝露其他的氧化矽層204。關於測量的終點蝕 刻,過度蝕刻步驟隨後係實施以從受保護的圖案化區域 清除殘留的氮化鈦材料(其中所有的氮化鈦層於過曝露 區域中已被清除)。 在過度蝕刻步驟中,利用氯及溴反應來蝕刻剩餘的 氮化鈦。在過度蝕刻步驟内之電漿來源氣體包括氯及含 >臭之化合物(如:溪化氫)。過度蚀刻步驟中氯::;臭原子 分率一般的範圍約在1 ·· 4至4 : 1之間。如此提供了氮 化鈦對氧化矽約50 : 1至1 〇〇 : 1比率之蝕刻選擇性,以 第14頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公餐) -----1---!------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填冩本頁) 589390 A7 _________R7 五、發明說明() (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) 及約800A/min至500A/min的蝕刻速率。選擇性能藉由 利用基材偏愚功率來改變,其效果因各器材設備而不同。 然而,熟知該項技術者能應用基材偏壓發展出氯及溴之 原子分率組合以產生所欲達到的結果。發射終點偵測系 統係用來偵測下層的氧化物層2〇4。 典型對主蝕刻及過度蝕刻步驟的製程條件係根據表 一所揭示的本發明之方法。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制农 來產生並維持電漿的功率。 第15頁 本紙張尺度3用中關家標準(CNS)A4規格(210 X 297公餐) 表一氮化鈦閘主蝕刻與過度蚀刻之典型製程情形 製程參數 主蝕刻 過度蝕刻 全體電漿來源氣體 流率(seem) 200-400 200-400 012流率(seem) 1 20-200 20-200 CF4 流率(seem) 10-100 HBr 流率(seem) 20-200 電漿電源功率(W ) 300-3000 300-3000 基材偏壓功率(W) 40-200 10-60 反應室氣壓 | (mTorr ) 4-10 10-50 基材溫度(°C) 10-100 10-100 偏壓功率(Bias Power)係提供基材(通常是至基材 支私基座)功率以在基材表面上產生負電壓。一般負電 壓係用來控制高能在基材表面的轟擊。偏壓功率係指用 589390 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明() 上述之過度蚀刻化學作用能如表一所示與本發明之 主蚀刻化學作用或與不同的習知氮化鈦蝕刻化學作用相 結合。 表二及表三提供了依據本發明方法之主蝕刻及過度 蚀刻步驟所產生之典型數據。表二及表三提供DARC蝕 刻、氮化鈥主蝕刻(ME )、以及氮化鈦過度蝕刻(〇E ) 步驟之製程條件。上述之製程條件包括:製程氣體流率 (in seem)、反應室壓力(in mT〇rr)、電漿電源功率(Ws)、 基材偏壓功率(Wb )、蝕刻時基材溫度以及終點時間(in seconds )。所有終點皆為定時的終點,除了柱明,,Ep"者 外’而這些終點係由干涉計終點偵測系統決定。 表二及表三所示的編號1 典型流程係使用以下的 薄膜堆叠(由上到下為):5500A之Shipley DUV光阻層 (已預先圖案化);30〇A之SiOxNy DARC層;8〇〇A之氮 化欽層;以及500A之Ta2〇5層,皆沈積於發基材上。表 二中典型的流程編號7及8係利用除了氧化物層外相同 的薄膜堆疊,氧化物層為45A之氧化矽厚層。 以下所稱之"蚀刻輪廓(e t c h p r 〇 f i 1 e ) ’’(或是”特徵 輪廓(feature profile ) ”)係指(但並不限於)閘極結構 之剖面圖,如第2A-2D圖所示,並且被描述為介於蝕刻 閘層側壁與閘極結構支撐之表面的角度(即其下之五氧 化鈕層)。所稱之’’垂直輪廓(vertical profile ),,係指蚀 刻閘層之剖面圖,其中蝕刻閘層之側壁係與氧化梦表面 相垂直。所稱之”過切(undercut )’’輪廓係指蝕刻閘層之 第16頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公t ) --------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589390 A7 _B7_ 五、發明說明() 剖面圖,其中姓刻開口 (etched opening)之寬度隨著與 基材表面上開口之距離愈遠而愈大。所稱之”錐形化’’輪 廓係指蝕刻閘層之一剖面圖,其中蝕刻開口之寬度隨著 與基材表面上之開口距離愈遠而愈小。所稱之π臨界尺寸 (c r i t i c a 1 d i m e n s i ο η ) ’· 一般係指必須被控制來產生該設 計結構之特徵的最小尺寸。 表二 氮化鈦主蝕刻及過度蚀刻之發展資料 編號 DARC蝕刻 TiN主蝕刻 TiN過度蝕刻 說明 40sccmCF4 30sccmCF4 100sccmCl2 主蝕刻後輪廓 40sccmCl2 15sccmCl2 lOOsccmHBr 錐形化,但過 1 120sccmAr 4mTorr lOmTorr 度蝕刻後輪廓 (Ta2〇5氧 4mTorr 250Ws 800Ws 遭過切,故過 化物) 500Ws 60Wb lOWb 度蝕刻之碰觸 120Wb 50°C 50°C 到輪廓。 50°C 20sec (EP) 20sec 16.4sec (EP) 40sccmCF4 15sccmCF4 100sccmCl2 主蝕刻及過度 40sccmCl2 30sccmCl2 100sccmO2 蝕刻後輪廓錐 2 120sccmAr 4mTorr lOmTorr 形化,因此過 (Ta205 氧 4mTorr 300Ws 500Ws 度蝕刻並不會 化物) 500Ws 60Wb 60Wb 碰觸到輪麻。 120Wb 50°C 50°C 5(TC 13.9sec (EP) 30sec 17sec (EP) 40sccmCF4 30sccmCF4 100sccmCl2 主蝕刻後輪廓 40sccmCl2 15sccmCl2 lOOsccmHBr 錐形化,但過 3 120sccmAx 4mTorr lOmTorr 度蚀刻後輪廓 (Ta205 氧 1 4mTorr 250Ws 800Ws 遭過切,故過 第Π頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公t ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) t 訂---------線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 589390 A7 _B7 五、發明說明() 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 化物)| 500Ws 120Wb 50°C 16.4sec (EP) 60Wb 50°C 20sec (EP) lOWb 50°C 20sec 度蝕刻之碰觸 到輪廓。 40sccmCF4 10sccmCF4 100sccmCl2 增加Cl2對cf4 40sccmCl2 35sccmCl2 lOOsccmHBr 之比率並增加 4 120sccmAr 4mTorr lOmTorr 編號3主蝕刻 (Τ^2〇5 氧 4mTorr 350Ws SOOWs 中的Ws ;輪廓 化物) 500Ws 60Wb 60Wb 較編號3為直 120Wb 50°C 50°C 但並不足夠。 50°C 16.8sec (EP) 12.2sec (EP) 30sec 損失了 一些氧 化妲(Ta205)。 表 三 氮化鈦主蝕刻及過度蝕刻之發展資料 編號1 DARC蚀刻 TiN主蝕刻 TiN過度蝕刻 說明 40sccmCF4 10sccmCF4 100sccmCl2 增加Cl2對cf4 40sccmCl2 45sccmCl2 lOOsccmHBr 之比率及增加 5 120sccmAr 4mTorr lOmTorr 編號4中主蚀 (Ta205 氧 4mTorr 450Ws 500Ws 刻的Ws ;產生 化物) 500Ws 60Wb 40Wb 直的輪廓,但 120Wb 50°C 50°C 仍損失一些氧 50°C 16.8sec (EP) 10.5sec (EP) 30sec 化is。 40sccmCF4 10sccmCF4 100sccmCl2 減少過度触刻 40sccmCl2 45sccmCl2 lOOsccmHBr 的時間以減少 6 120sccmAr 4mTorr lOmTorr 氧化鈕的損 (TaA 氧 4mTorr 450Ws 500Ws 失。產生直的 化物) 500Ws 60Wb 40Wb 輪廓且無可見 120Wb 50°C 50°C 的氧化麵損 50°C I 17sec (EP) 10.4sec (EP) 20sec 失。最終製程。 -----r---1------------訂·--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第18頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公t ) 經濟部智慧时產局員工消費合作社印製 589390 A7 _ 五、發明說明() 7 (Si02氧化 物) 40sccmCF4 40sccmCl2 120sccmAr 4mTorr 500Ws 120Wb 50°C 15.3sec (EP) 20sccmCF4 60sccmCl2 4mTorr 300Ws 60Wb 50°C 19.6sec (EP) 無過度蝕刻步驟 直接蚀刻入氧 化矽層,輪廓 輕微地受到過 切0 80sccmCF4 執行DARC蝕 100sccmCl2 氮化鈦主蝕刻 120sccmAr 刻及氮化鈥主姓 lOOsccmHBr 正確地達到終 8 4mTorr 刻如一單一製程 lOmTorr 點,相當慢的 (Si02氧化 500Ws 800Ws 蚀刻速率,以 物) 120Wb lOWb 及錐形化的氮 20°C 50°C 化欽輪廓。 lOOsec (EP) 30sec 如在發明概述中所述,利用改變在電漿電源氣體中 氯對氟的比率,蝕刻速率及氮化鈦閘之蝕刻輪廓能精準 地受到控制。下述的表四提供了在電漿來源氣體中利用 不同的氯··氟的原子分率所獲得的氮化鈦之蝕刻速率以 及蝕刻輪廓的資料,其中所有的製程條件皆為約 5 5 seem 的整體氣體流,4mTorr的反應室壓力,450Ws,60Wb, 以及50°C之基材溫度。 第19頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -----1---------------訂----------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589390 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明( 表四 改變氣之數量的效果:氟原子分率及相關的氮化 获44划速率與蚀刻輪廓
Cl : F原子分率 蝕刻速率 蝕刻輪廓 30 : 15 3 45 0A/min 稍微成椎形(〜87 ° ) 3 5:10 393〇A/min 較垂直(〜88° ) 45 : 10 457〇A/min 垂直的輪廓 在一特定氮化鈦閘蝕刻製程中氯對氟的原子分率將 依據一些係數而定,特別是被蝕刻的氮化鈦閘之厚度。 舉例來說,當蝕刻非常薄的氮化鈦閘時(即,厚度小於 500 A )’電漿來源氣體中較低的氯:氟比例係用於產生較 慢的、能控制的氮化鈥蚀刻速率。熟悉半導體製造之習 知技術者在閱讀過本發明所揭露之後,將能決定在一般 實驗中蚀刻一特定氮化鈦閘厚度之最佳的特定氯:氟原 子分率。 如表四所示,利用調整本發明中主蝕刻步驟中氯: 氟原子分率,將可能對氮化欽姓刻速率及閘極之姑刻輪 廓提供一絕佳的控制。 關於過度蚀刻步驟’利用1 : i之氯:溴原子分率及 10Wb,與較傾向蝕刻氮化鈦而非五氧化鈕之約1〇〇 : i 的選擇性,然而,氮化鈦之蝕刻輪廓在主蝕刻後已錐形 化,並在過度蝕刻之後已受到過切,顯示偏壓功率(wb) 太低。當偏壓功率增加至60Wb時,偏壓功率又太高, 第20頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公餐^------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂i 589390 經濟部智慧时產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明() 並且能觀察到一些氧化物損失(選擇性已減至低於10 ·· 1 )。調整偏壓功率至40 Wb,產生垂直氮化鈦蝕刻輪廓也 不會使五氧化鈕損失。過度蝕刻步驟係實施至約2 5 °/〇的 下層氧化物層厚度被移除。移除1 〇%下層氧化物層之厚 度是適當的,2 5 %之厚度係為確保任何在氮化鈦主蚀刻 步驟中留下來的”腳(feet ) ”能被移除。一般說來,欲增 加化學蝕刻劑的效果時,Wb需較低且蝕刻變得更具等向 性。當選擇性相較於下層具較低 Wb的氧化物為高時, 必須謹慎避免氮化鈦垂直蝕刻輪廓之過切。若欲增加物 理森擊蝕刻的效果以及產生更為非等向性的蚀刻時,則 增加Wb。當在較高Wb之過度蝕刻中欲維持垂直輪廓時, 減少傾向於蝕刻氮化鈦的選擇性並更快速地蝕刻下層的 氧化物。熟習該項技術者能在利用最少的實驗下調整偏 壓:功率以相符已知的下層,例如:氧化碎、碎氧氮化物、 欽酸鎖 4S ( barium strontium titanate )、氧化歛、氧化錯 (zirconium oxide)、矽酸锆(zirconium silicate)、氧化 銓(hafnium oxide )、碎酸給(hafnium silicate )、氮化 矽、或其任何組合物,用來作為氮化鈦之下層。 利用組合主蝕刻步驟中較佳的氯:氟的原子分率以 及過度蝕刻步驟中較佳的氯··溴的原子分率和基材偏壓 功率,將可能在任何已知的製程設備中皆能達到最佳的 結果。 熟知該項技術者在閱讀過以上之揭露後可輕易對之 加以變動及修改,然而本發明之範圍並不僅侷限於以上 第21頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公餐) -----:—---------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589390 A7 _B7 _ 五、發明說明() 所說明之實施例,以上所述之修改及置換都不脫離本發 明之精神範圍。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 頁 22 第 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
Claims (1)
- 589390 ί A 8 __ C8第的號專利案9炎3 正專利範圍 ..............· (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) • 一種餘刻一圖案化氮化鈦層之方法,該氮化鈦層在一 半導體結構中直接覆蓋住一含氧層,該方法至少包含·· 將該氮化鈦層曝露於產生自氣及氟化碳所構成之一來 源氣體中之一電漿中,其中該來源氣體中之氣:氟之 原子分率為1 : 10至10 : 1 ,其中該半導體結構包含覆 蓋於該氮化鈦層之一介電arc層,且其中該介電arc 層與該氮化鈦層於相同的製程步驟中受到蝕刻。 2·如申請專利範圍第1項所述之方法,其中上述氟化碳 之化學式為CxHyFz,X介於1至4間,y介於〇至3間, 以及z介於1至1 〇間。 3.如申請專利範圍第2項所述之方&,其中上述之該氟 化碳為四氟化碳(CF4)。 4·如申請專利範圍第i項、第2項或第3項所述之方法, 其中上述之該氮化鈦層之厚度低於1〇〇〇人。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5·如申請專利範圍第4項所述之方法,其中上述氮化鈦 層下層之一氧化物層或一氮化物層之厚度低於5〇〇人。 6.如申請專利範圍第5項所述之方法,其中上述氧化物 層或氮化物層厚度低於5〇a,並且在上述來源氣體中該 氯:氟之原子分率由2:1至5:1。 第23頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 589390 ABCD 一 、申請專利範圍 7·如申請專利範圍第6項所述之方法,其中上述氧化物 或氮化物層厚度低於20Α,並且在上述來源氣體中該 氣··氟之原子分率至少為5 : 1。 8 ·如申請專利範圍第1項、第2項或第3項所述之方法 其中上述之圖案包括一閘極結構。 9‘一種在一半導體結構中蝕刻一介電ARC層與其 一氮化鈦層之方法,該方法至少包含: a ) —主蝕刻步驟,其中將該介電ARC層與 鈦層依序曝露在產生自氣及氟化碳所構成來源 一電漿中,其中該來源氣體中該氣:氟之原子 圍自1:10至10:1,且其中該主蝕刻步驟蝕 化鈦層9 8 %以下;以及 b )在該主蝕刻步驟後之一過度蝕刻步驟, 主钱刻步驟中未受到餘刻的該氣化欽層之一部 在一電漿中,該電漿產生自一由氣及一含漠化 構成的一來源氣體。 下方之 該氮化 氣體的 分率範 刻該氮 、一叮^· (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10·如申請專利範圍第9項所述之方法,其中上述+ 4 v驟 的蝕刻係蝕刻上述氮化鈦層至80%以下。 11 ·如申請專利範圍第9項所述之方法,其中上 述之過 度 第24頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 589390 B8 C8 D8 申請專利範圍 钱刻來源氣體由氯及溴化氣所構成。 I2·如申請專利範圍第項所述之方法,其中上述之過 度餘刻來源氣體由氯及溴化氫所構成。 13·如申請專利範圍第11項或第12項所述之方法,其 中上述第二來源氣體之氣:溴原子分率範圍由丨:4 至 4 : 1 〇 14·如申請專利範圍第13項所述之方法,其中上述之過 度蝕刻步驟中該氯:演之比率及應用至該半導體結構 之一偏壓功率係受調整以提供與位於氧化物層或氮化 物層之下層及想要完成的氮化鈦&刻輪廓成比例之選 擇性。 15. 如申請專利範圍第9項或第10項所述之方法,其中 上述之圖案包括一閘極結構。 16. —種在一半導體結構中圖案蝕刻一介電arc層與其 下方之一氮化鈦層之方法,該方法至少包含: a ) —主蝕刻步驟,其中將該介電ARC層與該氮化 鈦層依序曝露於產生自氯.及氟化碳所構成來源氣體的 一電漿中,其中該來源氣體中該氣:氟之原子分率範 圍自1:10至1〇:1,且其中該主蝕刻步驟蝕刻該氣 化鈦層至98%厚度或以上;以及 -------------------- ----.第25頁----- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意箏項再磚寫本頁) 訂. 589390 A8 B8 C8六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再場寫本頁} b)該主蝕刻步驟後的一過度蝕刻步驟,其中將該 主餘刻步驟中未蝕刻的該氮化鈦層厚度之一部分曝露 在一電漿中’該電漿係產生自一由氣及含溴化合物所 構成的來源氣體中。 17·如申請專利範圍第16項所述之方法,其中該過度蝕 刻來源氣體由氯及溴化氫所構成。 18·如申請專利範圍第16項或第17項所述之方法,其 中上述第二來源氣體中該氣··溴之莫耳分率自i:4 至 4 : 1 〇 i9.如申請專利範圍第18項所述之方’法,其中以上述氯: 漠原子分率的組合物及應用至該半導體結構之一偏壓 功率係於該過度蝕刻步驟中調整以提供與位於氧化物 層或氮化物層之下層及欲完成的氮化鈦蝕刻輪廓成比 例之選擇性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 頁 26 第 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐)
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