TWI304230B - Method and system for etching a high-k dielectric material - Google Patents

Description

1304230 五、發明說明（1) 一、 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於加熱基板之方法，尤有關於在基板上對 高介電常數之介電材料層施行蝕刻之方法。 【相關申請案之交互參照】 本申請案係與共同申請中之美國專利申請序號丨0 / XXX，XXX有關，其名稱為「用於對高介電常數之介電材料 施行儀刻之方法與系統」、專利代理人字號p〇3〇3421 / ES000 1 A、且其係隨本案同時提出申請。茲將此申請案全 部内容納入以為參考。 二、 【先前技術】 ^ μ在ΐ導體產業中，微電子裝置之最小特徵尺寸接近深 次微米範圍，以期滿足吾人對較快、較低功率微處理器及 數位電路之需求。因在次0.1 金氧半導體技術上，高 ”電吊數材料（此處亦稱為r h i gh_ k」材料）快速取代 sio^及氮氧化矽（SiNx〇y)，及以替代之閘電極材料取代摻 雜聚矽之故，製程發展與整合之議題係對於新閘極堆疊材 料及矽化物處理之主要挑戰。 介電材料中具介電常數大於Si〇2 (k〜3 9)特徵者通常 稱為高介電常數材料；#外，高介電常數材料可能指沉積 於基板上（如Hf 〇2、Zr〇2 )而非長在該基板表面上（如si〇 \、SiNxOy )之介電材料。高介電材料可能併入金屬矽膠或 乳化物（如Ta2 05 (k〜26) 、Ti02 (k〜80) 、Zr〇2 (k〜25 )、Al2〇3 (k〜9 ) 、HfSiO、Hf02 (k〜25 ))。丄半導體裝 置之製造期間，吾人須蝕刻並移除該高介電常數層，以便

第7頁 1304230 五、發明說明（2) ^進行該源/沒極區域之梦化，以及降低金屬雜f於離子 植入期間進入該源/汲極區域之風險。 三、 【發明内容】 &本發明係關於加熱基板之方法，尤有關於在基板上對 南"電常數之介電材料層施行蝕刻之方法。 茲說明在一電漿處理系統中用於對在基板支座頂部之 上之高介電常數介電層施行蝕刻之方法，包含：提高 ::板溫ί至20 0。。以上；導入一處理氣體至該電漿處理 該ΐ:氣體包括一含齒素氣體；自該處理氣體點燃 雷1奴以夺該基板暴露於該電漿中達一段足以對該高介 電吊數介電層施行蝕刻之時間。 四、 【實施方式】 介雷ίΐί處理方法中，廣泛用於閘極堆疊之高介電常數 門权I 而要較複雜製程以蝕刻此類材料。其中，傳統之 勹iv夕噎乾電漿蝕刻係利用對該基板支座之設定溫度，在 重製程步驟之製程策略中，此設定溫度在所有步驟 :維持固定。it常，因該基板支座溫度係由一熱交換器設 丄且該熱交換器本身具有大熱慣性，故不宜在 間改變該熱交換器溫度。 策然而’對先進閘極堆疊蝕刻而言，日益需要在一製程 含摻中Ϊ ^同製程步驟間具有不同基板溫度。例如：在包 可二，「I /TaN /Hf02 /Si堆疊中，該摻雜一聚及TaN層 首^ 0C下餘刻c為該基板支座之設定點溫度。但， ’在S1上H f 〇2之選擇性蝕刻可能需要遠高於1 5 0 °C的溫

1304230 五、發明說明（3) 度；其次，導入具有令該Hf〇2閘介電層乂 而無須攻擊下方暴露之源/汲Si之足^施行乾電漿蝕刻 化學極為重要。 σ大參數空間的電漿 根據一實施例之電漿處理系統示於 漿處理室10、與該電漿處理室10耦合之二，其包括一電 及與該對話系統1 2及該電漿處理室丨〇耦人對治系統1 2、以 該控制器14係用以執行一包含一或更多:^一控制器14， 略，以如上述般蝕刻一閘極堆疊；此外，程步，之製程策 接收來自該對話系統丨2之至少一端點訊號控制器Η可用以 端點訊號作前處理以期準確地決定該掣p ，對咸至少一 之實施例中’示於圖！之電漿處理系統H :: :在所列 處理，電漿處理系統1可包含一蝕刻室。用電I進行材料 根據圖2所示之該實施例，電漿處 = 基板支’其上附有待處糸理先=含電 及真工抽氣系統30。基板25之例可為—半反25、以 圓或一液晶顯示器；例如可配置電I 土板、一晶 板以表面附近之處理區域15產生·;處；：：，於在基 系統（未顯示）將-可離子化氣體二=體注入 壓力夕如吾人可利用-控制US: 即虱閥抑制該真空抽氣系統3〇 ;電漿可用於 j下）以 預定材料處理之材料，並/戍幫使 、別用於 面移除。該電漿處理系統la 暴路表 更大之基板。 乂處理2。0._、30 0㈣或 例如基板25可透過-靜電夾持系統26而附於該基板支

1304230 五、發明說明（4) 座20上；再者，例如該基板支座2〇可更包括一含再循 卻劑流之冷卻系統，該再循環冷卻劑流係接收來自於其^ 支座20的熱並將熱傳送至一熱交換器系統（未顯示)、： 當加熱時將熱自該熱交換器系統送出；此外，一髀 可經由-背側氣體分佈系統27而送至基板25背側寻 基板25與基板支座2〇間之氣體間隙熱傳導係數。备五 對該基板溫度進行調升或調降控制時即可利用此二^人 例如：該背側氣體分散系統27可包含一個兩區或三區、 :般的多重區）氣體分佈系統，纟中該背側氣體（間隙； =可:蜀基板25之中央與邊緣間變化。在其餘實施 例中，加熱/冷卻元件如抗加熱元件、或電熱加熱哭 卻器可包含於該基板支座2〇及該電漿處理室1〇之室ς ς 何其他该電漿處理系統1 a内之組件中。 …ί η所示之該實施例中，基板支座可包含-電極， RF功率ρ透過該電極而與製程空間丨5中之該處理電將 合，例如基板支座20可藉RF產生器4〇發射出叮功= 阻抗匹配網路50至該基板支座2〇而電偏量於一rf =， RF偏量可作為熱電子以形成並維持住電漿。在此配置中/ 該系統I，為一反應離子蝕刻（RIE )反應器，其中該室 及一上端氣體注入電極係作為接地面，用於RF偏 ^ 頻率範圍分佈於〇·1 〇2至1〇〇 MHz，而用於電漿 /之心 系統應為習於此技術者所熟知。

广式’在多重頻率下將RF功率施加於該基板支 座電極，再者，阻抗匹配網路50可降低功率反射以加速RF

第10頁 1304230 五、發明說明（5) '~

功率傳送至電漿處理室10中之電漿。匹配網路技術（如L 型、7Γ型、T型等）及自動控制方法應為習於此技術者所 熟知。 例如真空抽氣系統30可包含一可提供高達每秒5〇〇〇公 升（或更高）抽氣速率之加速分子真空系（Tmp )以及— 抑制該室壓之閘閥’在用於乾電漿餘刻之傳統電漿處理裝 置中，通常使用每秒1 00 0至3000公升之TMP，例如典型上、 小於50 mTorr之低處理即可用TMP ;對於高壓處理^亦即 大於1 0 0 mTorr )可採用機械加壓泵。此外，用於監測室 壓（未顯示）之裝置可與電漿處理室1〇耦合，例如該壓力 量測裝置可為MKS儀器公司（位於美國麻州And〇ver)所生 產之68『81：]：〇11 6288型絕對電容壓力計。 控制器1 4包含一微處理器、記憶體、以及一可產生足 以聯繫並啟動電漿處理系統la之輸入與監測自電漿處理系 統la輸出的控制電壓之數位I/O埠；此外，控制器14可與 RF產生器、阻抗匹配網路50、氣體注入系統（未顯示/'、 真空抽氣系統3 0、背側氣體分佈系統2 7、基板/基板支座 溫度s測系統（未顯不）、以及/或靜電夾持系統26等耦 合並父換訊息。例如根據製程策略，吾人可利用儲存於該 記憶體中之一程式而啟動該輸出至前述電漿處理系統la ^ 組件，以進行蝕刻包含一高介電常數介電層之閘極堆疊的 方法。控制器14之一例為位於美國德州奥斯汀之戴爾公司 (Dell Corporation)所生產之戴爾精密工作站（DEU PRECISION WORKSTATION ) 61〇tm 0

1304230 五、發明說明（6) 該對話系統1 2可包含一光學對話子系統（未顯示）， 該光學對話子系統可包含一用於測量由該電裝所發射出 光強度之偵測器，如（矽）光電二極體或光電倍增管 (PMT);該光學對話子系統12可更包含一滤光片如窄頻 干涉濾光片。在另一實施例中，該對話系統12可包含至少 -直線CCD (電荷搞合裝置）、_CID (電荷注入裝置）陣 列、以及-光分散裝置如光柵或稜鏡。此外，對話系統】2 可包含測量-已知波長光之一單色儀（如光拇/侦測器系 統）、一測量光譜用之光譜儀（如附有旋轉式光柵），如 美國專利案號5，8 8 8，3 3 7中所述之裝置即為一例。 該對話系統12可包含一高解析度光發射光譜學（〇ES )感測器如波峰感測器系統（Peak Sens〇r Systems )或 真實儀器公司（Verity Instruments， Inc·)所出品者。 此一 0 E S感測具有跨越紫外（u V )、可見 （VIS)、以 及近紅外（N IR )光光譜之寬頻譜，其解析度約為丨.4 a ， 亦即該感測器可收集自2 40至1 0 0 0 nm共5 550個波長，例 如：該感測器可配備高靈敏度微小光纖UV —VIS —NIR光譜 儀，其係由2 0 48像素線性CC D陣列依序整合而成。 該光譜儀接收經由單一及成束光纖傳遞而來的光，其 中由該光纖所輸出的光係利用一固定光栅而分散橫越該直 線CCD陣列；類似上述配置，穿越一光學真空視窗所發出 的光透過一球狀凸透鏡而聚焦於該光纖之輸入端上，而特 別調整以期適用於已知光譜範圍之三種光譜儀則各形成一 ϋΙΙ^ΗΙ 第12頁 1304230 五、發明說明（7) 〆矛口至斤用之一感測器；最後，根據感測斋的利用可於每 〕· 1至1秒記錄下一完整發射光譜。 在圖3所示之該實施例中，該電漿處理系統1 b可與如 β ^ 貫施例相似，除參照圖1及圖2所述之組件外，f 包含一靜口 · \ 一、 t、或機械式或電動式旋轉磁場系統1 〇 〇，以大 t ~1名密度與/或提升電漿處理均勻性；再者，控制 為1 4可與磁場系統6 0耦合，以調節轉速及磁場強度。習於 此技術者應熟知旋轉磁場之設計及裝設。 在圖所示之該實施例中，該電漿處理系統1 c可與如 圖1^及2之貫施例相似’更可包含一上端電極70，其中RF產 生為72所發出之叮功率可透過阻抗匹配網路74而與該上端 電極=耦合，以RF功率施加於該上端電極所用之一典型頻 率可^於0·1 MHz至2 0 0 MHz範圍内·，另外，以功率施加於 a亥下^電極所用之一典型頻率可介於〇1 Mtizsioo MHz範 圍内，再者，控制器14須與RF產生器72及阻抗匹配網路以 相搞a ’以對R F功率施加於該上端電極7 〇施行控制。習於 此技術者應熟知上端電極之設計及裝設。 圖1，及—2之實施例相似，更可包含一感應線圈8〇，其中心功 率係藉由RF產生器82並透過阻抗匹配網路84而與該感應線 在圖5所不之該實施例中，該電漿處理系統丨d可與如 圈80相耦合，RF功率透過介電視窗（未顯示）自感應線圈 80而與電漿處理區域15相耦合，以RF功率施加於該感應線 圈80所用之一典型頻率可介於1〇龍2至1〇〇 MHz範圍内； 同理，以功率施加於該夾頭電極所用之一典型頻率玎介於

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五、發明說明（8) 〇· 1 MHz至10 0 MHz範圍内。此外，吾人可用一開槽法拉第 屏蔽板（未顯示）以降低該感應線圈8 0與電漿間之輕人· 再者，控制器14須與RF產生器82及阻抗匹配網路84相& ’ 合，以對RF功率施加於該感應線圈8 0施行控制。在另一實 施例中，感應線圈8 0可為與上述該電漿處理區域丨5聯繫^ 「螺旋形」線圈或「盤餅形」線圈，正如在轉換器叙合電 漿反應器（TCP )中。習於此技術者應熟知感應式耦合線 電漿（ICP )源或轉換器耦合電漿（TCP )源之設計及裝 設° 或者，該電漿可採電子迴旋共振（ECR )形成；仍有 f 一實施例，該電漿係由發射一螺旋波而形成；又在另一 貝施例中’該電漿係由一傳遞表面波所形成；習於此技術 者應熟知上述各電漿源。 在下列討論中將說明利用一電漿處理裝置蝕刻含一高 ”電吊數介電層之閘極堆疊的方法。例如：該電漿處理裝 置可包含如圖1至5所述之各種不同元件及其組合。 一典型閘極堆疊之示範實施例可包括具TE〇s硬光罩之 聚矽/Hf02 /Si02 / Si，該矽層（Si )係作為該源/汲 極’且該Si〇2介電層包含一薄（〜5A )界面氧化物，其間 或^與增強通道移動性，然而此將部分地犧牲整體閘一介 電4數值。表1表示蝕刻穿越該聚矽層及該H f 〇2層並於s i 〇2 層停止之一示範製程策略。

第14頁 1304230 五、發明說明（9) 表1 步驟 頂部 RF 底部 RF ESC-T 間隙 P Q (seem) VWvWvW。 ESC- 伏特 ESC-H e Vpp 步騍 時間 BT X y 80°C Z P q 1500V 3/3 r 10s ME XX vvvw ΪΣ 8(TC Zz vww PP m 1500V 3/3 rr VvWV epd 0E XXX VVvVVV-Λ 8(TC Zzz VWWvV、· qqq 1500V 10/10 rrr VWVWV\ 50s PPH 2 kW 900W 8(TC 80mm 200 mt VVWV 2000 He OV 0/0 2000/ 1000 30s DE 250W 20W 8(TC 8 Oral 5mt 有3 例：100 HBr或 VVWvWv、 80HBr+ 20C扎 或 50HBr+ 50G祕 η OV 0/0 850/ 150 5s或 epd 冷卻 OW OW 8(TC 80mm 200 mt vvvw 2000He 1500V 10/10 0/0 30s 例如在表1中，BT表突破該原始S i 02層之第一製程步 驟；ME表包含該聚矽主要蝕刻步驟之第二製程步驟；0E表 過度蝕刻製程步驟；PPH表電漿預熱製程步驟；DE表介電 (Hf02 )蝕刻製程步驟；冷卻則表基板冷卻製程步驟。 在表1所列之實施例係利用圖4所述之電漿處理系統， 其中頂部RF表上端電極RF功率，而其中X、XX、XXX分別代 表在原始氧化物突破步驟、主要步驟、以及過度蝕刻步驟 期間傳送制該頂部電極之RF功率慣用值；底部RF表示下端

第15頁 1304230 五、發明說明（10) (基板支座）電極RF功率，而其中y、yy、yyy分別代表在 原始氧化物突破步驟、主要步驟、以及過度蝕刻步驟期間 傳送制該底部電極之RF功率慣用值；ESC_T表該基板支座 Μ度’間隙表該上端電極與該下端電極間之分隔距離，其 中Ζ、Ζ Ζ、ζζ Ζ分別代表在原始氧化物突破步驟、主要步 驟、t及過度敍刻步驟期間該頂部（上端）電極與該底部 (下端）電極間之間距慣用值；p代表該處理室溫度，其 中P、PP、ppp分別代表在原始氧化物突破步驟、主要步 驟、t及過度蝕刻步驟期間該頂部（上端）電極與該底部 (下端）電極間之該處理室壓力慣用值；ESC-伏特代表施 加於該基板支座之該電極夾持電壓；ESC-He代表基板背側 中央/邊緣之He壓力（Torr) ;VPP代表在該設定RF功率 下’該上端/下端電極上所產生之典型峰間以電壓，其中 Γ rr、rrr分別代表在原始氧化物突破步驟、主要步驟、 以及過度餘刻步驟期間該底部（下端）電極上之峰間電壓 慣用值；epd表示端點偵測時間。該電漿處理系統之其餘 配置可具有些微不同之參數設定值。 、 該DE步驟所列之流速（Q )僅為反映高流速狀況（亦 ，低滯留時間）之一例，其中q、qq、qqq分別代表在原始 氧化物突破步驟、主要步驟、以及過度蝕刻步驟期間該^ 理氣體流速之慣用值，所列之氣體可用以說明達到選擇性 Hf〇2 /Si蝕刻之策略，習於聚矽蝕刻等技術者應了解βτ、 ME及0Ε製程步驟及其典型製程參數。在冷卻步驟期間，五 人移除RF功率以停止電漿處理，且該基板係透過靜電夹^ 1304230 五、發明說明（11) (ESC )與背側（氦氣）熱傳氣體而冷卻；典型上3 〇秒鐘 已足以將該基板溫度降至該基板支座之溫度。 在電漿預熱（PPH )期間，該基板溫度係由適合蝕刻 聚石夕之溫度（如8〇 °c )升高至更適合ηf〇2選擇性蝕刻之溫 度（如4 0 0 °C )。當基板僅為倚著基板支座時（亦即並未 (藉ESC )夾持且無背側氣體），該基板實質上與該基板 支座及該周圍處理室間均為絕熱，例如圖6表示當基板靠 在維持於一較低溫度之基板支座頂上時，基板溫度對三種 不同條件之回應，若該基板並未與該基板支座夾持且因此 未=到背側氣體壓力影響，則基板溫度隨時間之變化將極 =^ (圖6中所顯不之實線J 〇〇 );另一方面，若該基板與 邊基板支座夾持但其未受到背側氣體壓力影響，則可觀察 到基板溫度變化速率隨時間略有增加（圖6中所顯示之長 虛線1 0 2 ) •’再者，若該基板與與該基板支座失^ 背侧氣體壓力影響，則該基板溫度起初急速下 ^ 逐漸接近該基板支座溫度（圖6中所顯示之短虛 4 : 該基板之電漿預熱（PPH )發生於該基板絕執 即移除夾持力及背側氣體壓力）；通常，離子揸、整及 加熱’而電子（包含熱式及衝擊式）加熱力響；基；之 較前二者稍弱之影響。纟高度離子化電 力口熱程序有 (ICP)、波加熱等”，離子撞擊加熱C合電漿 流熱-中性。 胃可凌駕對 在電容耦合電漿（CCP )中 對流熱-中性 之影響可與

1 ( 1304230 ΐ、發明說明（12) ' ' " ---- 離子撞擊加熱相當，甚至在某些情況下，對流熱—中性為 主要加熱程序。在一實施例中，該電漿預熱製程包含··導 =了惰性氣體如He、Ar、Kr、Xe ;自該惰性氣體點燃電 水^自該基板移除該夾持力；以及自該基板移除該背側氣 ，壓力’例如圖7說明傳送至該下端電極之RF功率、惰性 氣體室壓、惰性氣體流速、與惰性氣體原子量改變對基板 力^熱功率所產生之影響。吾人可知：（a )加熱功率隨^傳 送至该下端電極之RF功率增加而增加（線11 〇 ) ( b )加熱 功率隨惰性氣體流速增加而略見增加（線丨丨4 ) ( c )加^ 功率隨惰性氣體壓力增加而略見增加（線i丨2 ) ( d )加^ ^率卩过h性氧體原子量增加而減少（亦即使用氦氣較使用 氬氣有效）（線11 6 )。 在一例中，圖8說明以該電漿預熱（PPH )法施行選擇 性Hf〇2 /Si閘介電蝕刻之情形。大多數裝置包含2〇至5〇 a 尽度範圍之閘介電層，故餘刻時間典型上極短（例如約5 秒）；在一特定PPH製程下之該峰基板溫度與PPH時間有 關’ 一旦達到所欲之峰基板溫度（如4〇〇 °C )(於丨2〇期間 )’即啟動該選擇性Hf02蝕刻製程。典型上，該Hf02蝕刻 電襞包含較PPH為低之功率；因此將大幅減少該基板加熱 速率。由於理想絕熱，該基板溫度於Hf〇2蝕刻期間（122期 間）幾乎可維持定值。冷卻係於1 24期間發生。 就Hf02對3丨之選擇性蝕刻而言，吾人已確知降低Hf 〇2 中之氧s有助於提升飯刻速率；通常，以Η B r或H C 1 I虫刻

第18頁 1304230 五 發明說明（13)

HfO較單獨使用純鹵素（βΓ2或Π2)快速， =為，，如等，石炭（C)及氯（H)兩者均為匕，刻 :促進還原程序並因此提細Γχ形成程序成。、：J = 物均屬具相近揮發度之非揮發性物質， 二 (-0.) 旦该源/汲矽（Si )暴露出來，含鹵素電漿中之古 撞擊能量將令下層矽（si)之蝕刻速率較大，故若二 PHI:程步驟’該基板溫度將上升’因為當基板溫度增二 I丄HfBrx脫附速率將呈指數增加。但在高基板溫度下，一 環境中之Si蚀刻速率亦呈指數增加，故需要如㈣ 寺運原劑的存在。 在該HBr實施例中，HBr可有效地蝕刻Hf〇2，一些氣相H =存在可抓住計以降低該Si蝕刻速率；在一低總“功率條 牛下使用HBr並非為-有效Si姓刻方式，其強離子鍵易抓 ，游離Br，為更進一步降低Si蝕刻速率，可將如、qh 等氣體加至HBr中，添加物在Si上行聚合反應，可更降 低Si蝕刻速率；同時，由於此聚合物之還原本質，其並不 妨礙Hf 〇2之蝕刻速率。或者，可加入如之氣體以降低該 、1蝕刻速率；或者加入雙原子氫氣（h2 )以降低該3 i蝕刻 ，率；或者採另一常用方法以減緩該s i蝕刻速率，亦即在 向基板溫度下生長SiN或Si〇，吾人可透過加入含 物貝如％或〇2以期達此效應。然而，製程最適化要求含〇及 /或N物質的存在不會對該η f〇2蝕刻速率造成負面影響；此

1304230 五、發明說明（14) 外’在H f〇2蝕刻期間若存在足夠◦及η將可借助還原作用而 加速該熱蝕刻速率。 例如吾人可利用下列策略以達到Hf %蝕刻速率為丨6 49 A/min且HfΟ?對Si之蝕刻速率選擇度為2· 2 ipH步驟—上端 電極RF功率= 70 0 W ;下端電極!^功率=9〇〇 w ;基板支座 f度=80 °C ;電極間距—80 mm ;壓力=50 mTorr ;氣體 二 $=50(^sccm He、2 sccm；無 ESc 夾持、無氦氣背側 氣壓；持續時間一90秒；Hf 〇2蝕刻一上端電極rf功率=200 W ;下端電極RF功率=50 ;基板支座溫度=80它；電極 間距一80 mm ;壓力=5 mTorr ;氣體流速=105 sccm HBr ;無ESC夾持、無氦氣背側氣壓；持續時間—1〇秒；冷 卻一基板支座溫度=8(TC ;電極間距_80龍；壓力=5〇 mTorr ;氣體流速= 5 00 sccin He ; 1. 5 kV ESC 夾持、1 〇

Torr /10 Torr中央一邊緣氦氣背侧氣壓；持續時間=3〇 秒。 就Hf〇2對Si之選擇性蝕刻而言，吾人已確知電漿中 之Si〇2蝕刻在高基板溫度下仍屬離子驅動，而Hf%蝕刻卻 為一種化學蝕刻本質；因此，在高基板溫度下之低下端電 極RF功率狀況可在高速下化學蝕刻H f〇2，但卻在較低速下 蝕刻Si〇2。首先，可打斷^ _〇鍵之離子撞擊為完成任一蝕 刻所必須者’在添加或之例中，該聚合物更可 保護該Si—〇鍵免於受離工. 又離子扣擊，同時更進一步減緩Si 02蝕 刻速率。 2 例如吾人可利用下列策略以達到Hf〇2蝕刻速率為1649

第20頁 1304230 五、發明說明（15) A/min且Hf〇2對Si〇2之蝕刻速率選擇度為25 : PPH步驟一上 端電極RF功率= 700W ;下端電極RF功率= 900W ;基板支座 溫度=80 °C ;電極間距一80 mm ;壓力=50 mTorr ;氣體 流速= 50 0 seem He、2 seem Cl2 ; #ESC 夾持、無氦氣背 側氣壓；持續時間—9 〇秒；H f 02餘刻一上端電極r f功率= 200 W ;下端電極RF功率=50 W ;基板支座溫度=8〇°C ; 電極間距一80 mm ;壓力=5 mTorr ;氣體流速=1〇5 seem HBr ;無ESC夾持、無氦氣背側氣壓；持續時間—丨〇秒；冷 卻一基板支座溫度=80 °C ;電極間距一80 mm ;壓力=50 mTorr ;氣體流速= 500 seem He ; 1.5 kV ESC 夾持、10

Torr /1 0 Torr中央一邊緣氦氣背側氣壓；持續時間=3〇 秒0 PPH中微量ci2係為防止表面雜質。在許多例子中，電 漿處理^統可包含石英組成，例如純“ ppH中之雜質可包 括该石央組成中之Si0，PPH製程步驟中微量可避免si〇 形成於Hf 〇2層表面上；或者，於純He ppH期間，βτ製程步 驟（突破）可插入於該DE步驟之前，吾人已知CF4 βτ有助 於自該j =電常數介電材料表面移除該Si〇2。

在貝施例中’餘刻高介電常數介電層如η f 〇2之方法 包括利用一含鹵素氣體，如HBr、C]^、Ηα、評3、％、Q H4Bp及F2至少其中之一；另外，該處理氣體可更包含一還

^ ^ f ^ΛΗ2 ^ 〇2ίΐ4 ^ 〇2Η4βΓ2 ^ CH4 ^ C2H2 ' 〇2ίΐ6 ^ ' C3H C4H8、c4Hi°、C5H8、Μ1〇、C6H6、C6H1〇 及C6H12 至 中之一。舉例來說，一製程參數空間可包含一 i至

1304230 五、發明說明（16) 1 0 0 0 mTorr (如5 mTorr )室壓、範圍自20 至 1000 seem (如50 seem)之含一 i素氣體流速、範圍自1至500 seem (如50 seem )之一還原氣體流速、範圍自100至20 00 W (如200 W)之一上端電極RF偏量、以及範圍自10至500 W (如50 W )之一下端電極RF偏量；又該上端電極偏量頻率 範圍可自0· 1 MHz至200 MHz，如60 MHz ;此外，該下端電 極偏量頻率範圍可自0· 1 MHz至1 00 MHz，如2 MHz。 圖9說明在一電漿處理系統中加熱基板之流程圖4 〇 〇。 加熱該基板至一較高溫度有助於處理如用以蝕刻一系列不 同層之一連串製程步驟中之預熱步驟，例如在基板上形成 一閘極堆疊之複數層，該閘極堆疊可包括如含矽層、高介 電常數介電層等。該方法由4 1 0開始，自該基板背側移除 該背側氣體壓力，例如在傳統電漿處理系統中，該背側氣 體分佈系統包含具有至少一控制閥、壓力調節器、與流量 控制器之一氣體供應系統、以及將該背側氣體分佈通道抽 氣所用之一真空泵等。當移除該背側氣壓時，例如吾人可 關閉將該氣體供應系統連接至該背側氣體分佈通道之該控 制閥等裝置，同時該真空泵可便於將此些通道抽氣以排空 氣體。習於此系統之裝設者應明瞭用於改良該基板與該基 板支座間熱傳導之背側氣體分佈系統之設計及使用。 在420中’吾人已移除作用於該基板上之該夾持力。 舉例言之，該基板可利用機械力或電力而與該基板支座夾 持二在别例中’吾人移除該靜電夾頭上作用於該基板之機 械壓力；在後例中’吾人移除藉高電壓DC源作用於該靜電

第22頁 1304230 五、發明說明（17) 夹持電極上之電壓，在4 1 〇及420中，一旦該背側氣體壓力 及該夾持力已遭移除，當該基板靠在處於真空環境之該基 板支座上時’該基板與該基板支座間實為絕熱關係。 在4 3 0中，吾人將一加熱氣體導入該電漿處理系統。 在 貝施例中’該加熱氣體可包含一惰性氣體，如H e、

Ar、Kr、Xe至少其中之一；在另一實施例中，該加熱氣體 可更包含一清潔氣體如Cl2。 在440中，點燃電漿；在45 0中，該實質絕熱基板暴露 於該電漿一段時間，該電漿可參照圖1至圖5並利用上述任 一技術將其點燃。例如可透過將RF功率作用於該上端電極 與該下端電極至少其中之一而在一電漿處理系統内點燃該 電漿’如圖4中所示者。舉例而言，一製程參數空間可包 含大於20 mTorr (如50 mTorr)之一室壓、大於或等於 2 0 0 seem (如5 0 0 seem )之一惰性氣體流速、小於或等於 10 seem (如2 seem)之一清潔氣體流速、範圍自1〇〇至 2000 W (如700 W)之一上端電極RF偏量、以及範圍自100 至2 0 0 0 W (如9 0 0 W )之一下端電極RF偏量；又該上端電 極偏量頻率範圍可自〇· 1 MHz至2 00 MHz，如60 MHz ;此 外，該下端電極偏量頻率範圍可自〇. 1 MHz至100 MHz，如 2 MHz。例如將基板自室溫加熱至40 0 °C所需之時間範圍可 為6 0至1 2 0秒。 圖1 0顯示根據本發明一實施例而於一電漿處理系統中 之基板上蝕刻一高介電常數介電層之方法流程圖5 0 0。該 方法由51 0開始，先提高該基板溫度，例如該基板溫度可

第23頁 1304230 五、發明說明（18) 大於2 0 0 °C，最好該基板溫度可介於30 0至50 0 °C範圍内 (如4 0 0 °C );該基板可利用如參照圖9及上述之預熱電漿 製程（PPH )加熱。 在5 2 0中’吾人將一處理氣體導入用以银刻一高介電 常數介電層如H f 〇2之該電漿處理系統中。在一實施例中， 該處理氣體包含一含鹵素氣體，如HBr、Cl2、HC1、NF3、 Br2、C2H4Br2 &F2至少其中之一；在另一實施例中，該處理 氣體更包含一還原氣體，如H2、C2H4、C2H4Br2、CH4、C2H2、

C2H6、C3H4、C3H6、C3H8、C4H6、C4H8、C4H10、C5H8、C5H1()、C6H 6、C6H1q及C6H12至少其中之一，又在另一實施例中，該處理 氣體更包含一含氧氣體及一含氮氣體至少其中之一，如〇 2、N2、N20、與N02。 在5 3 0中，點燃電漿；在5 4 0中，基板上之該高介電常 數介電層有一段時間暴露於該電漿中，該電漿可參照圖1 至圖5並利用上述任一技術將其點燃。例如可透過將rf功 率作用於該上端電極與該下端電極至少其中之一而在一電 漿處理系統内點燃該電漿，如圖4所示。舉例而言，一製 程參數空間可包含1至1〇〇〇 mT〇rr (如5 mTorr)之一室 壓、範圍介於20至1000 seem (如50 seem)之一含i素氣 體流速、範圍介於1至500 seem (如2 seem)之一還原氣 體流速、範圍自100至20 00 W (如20 0 W )之一上端電極RF 偏量、以及範圍自10至5 0 0 W (如50 W )之一下端電極RF 偏量；又該上端電極偏量頻率範圍可自〇. 1 MHz至2 00 MHz，如60 MHz ;此外，該下端電極偏量頻率範圍可自〇· 1

第24頁 1304230 五、發明說明（19) MHz 至100 MHz ，如2 MHz 〇 以上雖僅詳述本發明之某些實施例，但習於此技術者 應極易明瞭：在不背離本發明之新穎意義及優勢下，實施 例中實可作諸多調整。因此，所有此類調整均當包含於本 發明之範圍内。

第25頁 1304230 圖式簡單說明 五、【圖式簡單說明】 在附圖中： 圖1為根據本發明一實施例之電漿處理系統簡化示意 圖； 圖2為根據本發明另一實施例之電漿處理系統示意 圖， 圖3為根據本發明另一實施例之電漿處理系統示意 圖， 圖4為根據本發明另一實施例之電漿處理系統示意

圖； 圖5為根據本發明另一實施例之電漿處理系統示意 圖； 圖6說明基板溫度對三種不同條件之回應； 圖7說明四個不同製程參數對基板加熱功率之貢獻； 圖8說明在處理期間基板溫度對加熱及冷卻之回應； 圖9表示根據本發明一實施例之基板加熱方法；以及 圖1 0表示根據本發明另一實施例之基板加熱方法。

【元件符號簡單說明】 1 a、1 b、1 c、1 d 電漿處理系統 15 基板表面附近之處理區域 20 基板支座 25 基板 26 靜電夾持系統

第26頁 1304230 圖式簡單說明 27 背側氣體分佈系統 30 真空抽氣系統 40 RF產生器 50 阻抗匹配網路 6 0 磁場糸統 7 0 上端電極 72 RF產生器72

7 4 阻抗匹配網路 80 感應線圈 82 RF產生器 84 阻抗匹配網路

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Claims (1)

1. C/J304230 , 附件(縣_ ：_案號93112022_年月曰 修正I —----- 六、申請專利範圍 1 .. 一種高介電常數介電層的蝕刻方法，用以在一電 漿處理系統中對位於基板支座頂部之基板上之高介電常數 介電層施行蝕刻，包含： 提高該基板溫度至2 0 0 °C以上； 導入一處理氣體至該電漿處理系統，該處理氣體具有 一含鹵素氣體，該含鹵素氣體係從僅由Η B r、C 12、H C 1、 -NF3、Br2、C2H4Br2、F2所組成的群組中至少擇一； . 自該處理氣體點燃一電漿；以及 將該基板暴露於該電漿中達一段足以對該高介電常數 介電層施行蝕刻之時間，

   其中該高介電常數介電層包含Hf02*HfSi0或兩者， 且該基板之該暴露步驟係以高於S i 02或矽之蝕刻速率來蝕 刻該高介電常數介電層。 2. 如申請專利範圍第1項之高介電常數介電層的蝕刻 方法，其中該溫度係自3 0 0至5 0 0 t：範圍。 3 . 如申請專利範圍第1項之高介電常數介電層的蝕刻 方法，其中該溫度實質上為4 0 0 °C。

   4. 如申請專利範圍第1項之高介電常數介電層的蝕刻 方法，其中該處理氣體更包含一還原氣體。 5 . 如申請專利範圍第4項之高介電常數介電層的#刻

   第28頁 1304230 %年Μ 4日修⑽正替換頁 _案號 93112022 4 '·Ά-----8—……-修i_ 六、申請專利範圍 方法，其中該還原氣體包含一含氫氣體以及一含碳氣體至 少其中之一。 6 . 如申請專利範圍第4項之高介電常數介電層的餘刻 方法，其中該還原氣體包括一碳氫氣體。 7 . 如申請專利範圍第4項之高介電常數介電層的钱刻 方法，其中該還原氣體包含H2、C2H4、C2H4Br2、CH4、C2H2、 C2H6、C3H4、。3只6、C3H8、C4H6、C4H8、C4H10、C5H8、C5H10、 C6H6、C6H1Q及C6H12至少其中之一。

   8 . 如申請專利範圍第4項之高介電常數介電層的蝕刻 方法，其中該還原氣體包含一含氮氣體及一含氧氣體至少 其中之一。 9. 如申請專利範圍第4項之高介電常數介電層的飲刻 方法，其中該還原氣體包含02、N2、N20及N02至少其中之

   10. 如申請專利範圍第1項之高介電常數介電層的蝕 刻方法，其中該處理氣體包含HBr以及H2。

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