TWI445081B - 用於含矽薄膜的平滑ＳｉＣｏｎｉ蝕刻法 - Google Patents

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Description

用於含矽薄膜的平滑SiConi蝕刻法
本發明係關於與用於薄膜及塗層的沉積、圖案化及處理中之設備、製程及材料有關的製造技術解決方法。下述實例包括(但不限於)半導體材料與元件、介電材料與元件、矽基(silicon-based)晶圓與平板顯示器(例如TFTs)的應用。
積體電路可藉由在基板表面上製造複雜圖案化材料層的製程而得以形成。在一基板上製作圖案化材料需要一些用於移除暴露的材料之受控方法。化學蝕刻應用於多樣化的目的上，包含將光阻中的圖案轉移至下方層中、薄化多個層、或是薄化已存在於基板上之特徵結構(feature)的側向尺寸。常常需要有一種蝕刻某一材料快於其他材料之蝕刻製程，以例如協助進行圖案轉移製程。這樣的蝕刻製程可說對於第一材料是具有選擇性的。由於材料、電路與製程的多樣性，因此蝕刻製程已發展出可對多種材料具有選擇性。
SiConiTM 蝕刻是一種遠端電漿輔助的乾式蝕刻製程，該製程包含讓基板同時暴露於氫氣、三氟化氮與氨氣電漿副產物下。氫與氟物種的遠端電漿激發係允許無電漿 破壞之基板製程。SiConiTM 蝕刻對於氧化矽層大部分為共形的且具有選擇性的，但是不論矽是非晶矽、結晶矽或多晶矽，都不會很快地蝕刻矽。選擇性對於例如淺溝槽隔離(shallow trench isolation,STI)與內層介電層(inter-layer dielectric,ILD)凹槽形成之應用提供了優點。
在基板材料被移除時，SiConiTM 製程所產生的固態副產物會生長在基板表面上。固態副產物隨後會藉由提高基板溫度來昇華移除之。然而，當溝槽寬度減少至32nm及以下時，在與最小溝槽尺寸比較下，固態副產物的尺寸變成不可忽略。固態副產物的可觀尺寸可能會對ILD凹槽表面粗糙度以及溝槽到溝槽間氧化矽界面的高度變異性構成挑戰。
在SiConiTM 蝕刻製程中需要可降低表面粗糙度及高度變異性的方法。
本發明描述一種蝕刻含矽材料的方法，該方法包含相較於先前技術之一種具有較大或較小的氫氟流速比率的SiConiTM 蝕刻。以此方式改變流速比率係發現可降低蝕刻後表面的粗糙度，以及降低稠密圖案化區域與稀疏圖案化區域的蝕刻速率差異。其他降低蝕刻後表面粗糙度的方法包含脈衝化前驅物的流動和/或電漿功率、維持相 對高的基板溫度與執行多個步驟的SiConiTM 。上述每個方法可單獨或合併使用，其藉由限制固態殘留物晶粒大小來降低蝕刻表面之粗糙度。
依據一實施例，一種在基板處理室之基板處理區中蝕刻基板表面上之含矽層的方法，該方法遺留下相對平滑之蝕刻後表面，該方法包含：將含氟前驅物與含氫前驅物流入第一遠端電漿區，並同時於第一電漿區中形成一電漿以產生電漿流出物，而第一遠端電漿區係流體地耦合至基板處理區。含氟前驅物的流速與含氫前驅物的流速所導致之氫-氟原子流速比率係小於1：1或大於5：1。該方法更包含：使電漿流出物流入基板處理區，以蝕刻含矽層，並同時形成固態副產物於該基板表面；以及，使基板的溫度增加而高於該固態副產物之昇華溫度，以昇華固態副產物，並遺留下相對平滑的蝕刻後表面。
依據另一實施例，一種在基板處理室之基板處理區中蝕刻基板表面上之含矽層的方法，以降低一稠密圖案化區域與一稀疏圖案化區域之蝕刻速率差異，該方法包含：將含氟前驅物與含氫前驅物流入第一遠端電漿區，並同時在第一電漿區中形成一電漿以產生電漿流出物，而第一遠端電漿區係流體地耦合至基板處理區。含氟前驅物的流速與含氫前驅物的流速所導致之氫-氟原子流速比率係小於1：1或大於5：1。此方法更包含：使電 漿流出物流入基板處理區，以蝕刻位於稠密圖案化區域與稀疏圖案化區域之含矽層，並同時形成固態副產物於基板表面上；以及使基板溫度增加而高於固態副產物之昇華溫度，以昇華固態副產物。
依據又一實施例，一種在基板處理室之基板處理區中蝕刻基板表面上之含矽層的方法，該方法包含：將含氟前驅物與含氫前驅物流入第一遠端電漿區，以於第一電漿區形成一電漿以產生電漿流出物，而第一遠端電漿區係流體地耦合至基板處理區。至少一前驅物的流速包含流速脈衝。此方法更包含：使電漿流出物流入基板處理區，以蝕刻含矽層，並同時形成固態副產物於該基板表面上；以及，使基板溫度增加而高於固態副產物之昇華溫度，以昇華固態副產物。
依據又一實施例，一種在基板處理室之基板處理區中蝕刻基板表面上之含矽層的方法，該方法包含：將含氟前驅物與含氫前驅物流入第一遠端電漿區，並同時於第一電漿區中形成一系列電漿脈衝以產生電漿流出物，而第一遠端電漿區係流體地耦合至該基板處理區；使電漿流出物流入基板處理區，以蝕刻含矽層，並同時形成固態副產物於該基板表面上；以及，使基板溫度增加而高於固態副產物之昇華溫度，以昇華固態副產物。
在說明書中，下文會部分提出其他實施例及特徵，對 於熟知此技藝之人來說，在查閱說明書之後，部分內容將是十分明顯的，或是實施已揭露的實施例之後，而可習得。藉由說明書描述之手段、結合與方法，可實現與達到所揭露實施例之特徵與優點。
本發明係描述一種蝕刻含矽材料的方法，該方法包含相較於先前技術之一種具有較大或較小的氫氟流速比率(flow ratio)的SiConiTM 蝕刻製程。以此方式改變流速比率發現可降低蝕刻後(post-etch)之表面粗糙度，以及降低稠密圖案化區域與稀疏圖案化區域的蝕刻速率差異。其他降低蝕刻後之表面粗糙度的方法包含：對前驅物的流動和/或電漿功率進行脈衝、維持相對高的基板溫度、與以多個步驟執行SiConiTM 。上述每個方法可單獨或合併使用，而藉由限制固態殘留物晶粒大小來降低蝕刻表面之粗糙度。
SiConiTM 蝕刻製程已經使用氨(ammonia,NH3 )作為氫之來源，並使用三氟化氮(nitrogen trifluoride,NF3 )作為氟之來源，兩者一起流經遠端電漿系統(remote plasma system,RPS)且進入反應區。過去之SiConiTM 蝕刻製程已被最佳化來有效地使用供應之氟與氫。使氨之流速為三氟化氮之兩倍(更一般譯為氫氟原子流速比率為約2： 1)，此已被用於產生高蝕刻速率。改變其中之一或同時改變兩者之流速，使氫(at.%)流速與氟(at.%)流速之比值大於或小於2：1時，發現可降低所蝕刻之含矽表面之粗糙度。在不同實施例中之氫氟原子流速比率可為小於1：1、小於1：2、小於1：4、大於5：1、大於10：1與大於20：1。
在不讓申請專利範圍受限於假設製程機制的情況下，改變流速比率以使之為「氫缺乏狀態(hydrogen-starved regime)」或「氟缺乏狀態(fluorine-starved regime)」，此被認為可以提高可生長的固態殘留物成核位置之密度。較大量的成核位置可導致蝕刻步驟完成時固態殘留物之平均晶粒尺寸變小。較小的晶粒尺寸也可減少蝕刻製程的屏蔽效應(screening)與其他晶粒尺寸效應，導致跨越含矽層之蝕刻速率在空間上的變化減少。
為使更佳瞭解本發明，現請參考第1圖，係根據所揭露之實施例的氟缺乏SiConiTM 蝕刻製程流程圖。製程是從傳送基板至處理室(步驟110)開始，氧化矽層位於基板表面上。氨與三氟化氮的流動開始進入與處理區分開的電漿區(步驟115與120)。分開的電漿區在此可為遠端電漿區，也可能為與處理室不同的模組或是位於處理室中之一隔室。控制氨與三氟化氮的流動，使氫氟原子流速比率維持在約10：1(步驟122)。來自遠端電漿的遠端電 漿流出物或產物流入處理區，並使該遠端電漿流出物或產物與基板表面反應(步驟125)。蝕刻氧化矽層(步驟130)，接著停止氣體流(步驟135)，加熱基板以昇華蝕刻製程所遺留下之固態副產物(步驟140)，再從處理區中移出基板(步驟145)。
第2圖顯示在氫氟原子流速比率變化下之SiConiTM 蝕刻期間之蝕刻速率與經過昇華後之表面粗糙度的關係圖。氫氟流速比率接近2：1時，其表面粗糙度具有最大值，在氫缺乏狀態(峰之左方)及氟缺乏狀態(峰之右方)時其表面粗糙度降低。蝕刻速率與流速比率的關係較小，使流速比率可做為控制表面粗糙度之有用參數。當氫氟流速比率較圖中所示者更為增加時，氟濃度下降以致於蝕刻速率驟降。當處於低氫氟流速比率時，由於還持續供給氟，故蝕刻仍可繼續進行。表面粗糙度量測係使用於輕敲模式(tapping mode)下操作的原子力顯微術(atomic force microscopy,AFM)。AFM量測係採用尺寸1μm×1μm之方型圖案，而第2圖之表面粗糙度量測為所有量測點經rms(均方根)計算判定而得。
第3圖顯示依照標準SiConiTM (第3A圖)與依照所揭露實施例之平滑SiConiTM (smooth SiConiTM )(第3B圖)之粗糙度。在第3A圖中，可清楚見到沿著氧化矽填充溝槽的紋路(表面粗糙度)。為了形成第3B圖之圖案化的表面， 實施平滑SiConiTM 製程，其中氨流速為350sccm，三氟化氮流速為35sccm。此代表第2圖右側之氟缺乏狀態。在第3B圖中難以分辨出沿著氧化矽填充溝槽之紋路。圖中缺乏紋路係反映出缺乏表面粗糙度，此乃因為在昇華之前，蝕刻時所產生固態殘留物的晶粒尺寸較小所致。第3A與3B圖表示經過昇華固態殘留物步驟後之表面。在第3A與3B圖之各圖中，圖案化基板溫度在蝕刻操作時為30℃，在昇華固態殘留物時則升至100℃。
利用相同的原理機制，脈衝化所施加的電漿功率或是脈衝化前驅物其中之一或兩者的流動，也可導致較平滑的蝕刻後表面。在不讓申請專利範圍受限於某些特殊操作理論下，發明人認為這樣的脈衝化也能產生較高密度的固態副產物成核位置。第4圖顯示脈衝化電漿製程。製程的開始步驟類似於第1圖之製程，為傳送基板至處理室(步驟410)。氧化矽層位於基板表面上。氨與三氟化氮的流動係開始進入與處理區分開的電漿區(步驟415與420)。此時，電漿功率係以約0.1Hz至約1.0Hz的重複頻率被脈衝化(步驟422)。遠端電漿流出物流入處理區，並在此處與基板表面反應(步驟425)。蝕刻氧化矽層(步驟430)，接著停止氣體與遠端電漿流出物流入處理區(步驟435)，加熱基板以昇華蝕刻製程所遺留下之固態副產物(步驟440)，再從處理區中移出基板(步驟445)。
SiConiTM 蝕刻可採多個步驟來進行，此亦能用以降低蝕刻後之表面的粗糙度。移除薄膜總厚度的製程可分為兩步驟進行，而每個步驟包含可移除30%至80%薄膜總厚度之簡短SiConiTM 製程。每個步驟包含一次蝕刻與一次退火以昇華固態殘留物。在重複的SiConiTM 製程期間，於蝕刻時可將基板維持在相對高的基板溫度，以使提高一點溫度就可以昇華固態殘留物。減少昇華時所需的熱差異，可縮短退火步驟、縮短整體製程及允許相對高之總處理量。移除薄膜總厚度之製程可採兩個步驟以上來進行。舉例來說，可使用三個、四個或五個步驟來移除總薄膜厚度，每個步驟分別移除總薄膜厚度的20%至40%、15%至35%或10%至20%。在不同實施例中，退火步驟時間可少於約30秒、少於約20秒、少於約10秒或少於約5秒。重複的SiConiTM 製程可以結合任一在此提及之其他製程技術，以得到更平滑之蝕刻後表面。在不同實施例中，每一步驟可移除的厚度為小於或約200Å、小於或約150Å、小於或約100Å、小於或約75Å、小於或約50Å或小於或約25Å。
第5A-5B圖顯示依照標準SiConiTM 製程(第5A圖)與依照所揭露之實施例進行多個步驟平滑SiConiTM 製程(第5B圖)所得之圖案化表面。在第5A圖中可清楚見到在氧化矽填充溝槽之中的氧化矽界面之高度變異性。這 種變異性型態特別發生在較窄溝槽上，其機制類似於造成第3A圖所示之粗糙度的機制。為了形成第5B圖之圖案化表面，所以實施多個步驟之平滑SiConiTM 製程，其每個步驟之材料移除量少於單一步驟(造成第5A圖中之變異性)之材料移除量。在第5B圖中，難以分辨出氧化矽界面的高度變異性。因為在昇華之前，蝕刻時所產生固態殘留物的晶粒尺寸較小，以致在圖中缺乏高度變異性。固態殘留物晶粒的尺寸已被減少至實質小於溝槽寬度。第5A-5B圖所顯示為經過昇華固態殘留物以及一些附加製程(包含沉積)後之表面。在第5A與5B圖中，圖案化基板溫度在蝕刻操作過程中為30℃，在昇華固態殘留物時則升至100℃。
在此所展現之技術已經顯示可降低表面粗糙度及溝槽中的氧化矽之高度變異性。這些問題的主要原因之一是蝕刻劑與介電薄膜反應所形成之晶體(即固態副產物)。與高級節點(advanced node)之溝槽尺寸差不多之晶體尺寸，結合不同晶體定向、成核分佈位置及濃度等因素，會造成上述問題。在此顯示之技術藉由連續進行多次蝕刻反應來解決這些問題，藉以限制晶體成長而有較佳的局部均一性控制。在氫缺乏狀態或氟缺乏狀態下且連續應用SiConiTM 蝕刻，會導致形成不同的蝕刻劑，造成形成不同大小及多孔性的晶體。藉由改變上述SiConiTM 蝕 刻，可形成較稠密且局部更均一之晶體層，而能夠在多個溝槽之間與單一溝槽凹口內有較均一之蝕刻速率。
上述方法也還有其他用途。在具有一些稠密圖案化區域與一些較稀疏圖案化區域的圖案化基板上進行傳統SiConiTM 時，兩個區域之間可能表現出不同的蝕刻速率。在此討論之平滑SiConiTM 製程可使蝕刻速率差異降低，且增進SiConiTM 蝕刻對於具有開放及稠密氧化矽區域之圖案化晶圓的實用性。因為類似於先前實例之使蝕刻後表面平滑化的機制，所以可增加此效應。由於成核位置之間的平均間隔可能變得遠小於較小的含矽區塊(patch)之橫向尺寸，所以較小的固態殘留物晶粒之較高分佈密度可使較小的介電層區塊(位於稠密圖案化區域)顯露出較類似於開放區域。此最終結果使稠密圖案化區域與稀疏圖案化區域的蝕刻速率差異減少。
平滑SiConiTM 蝕刻的附加製程參數將於描述之例示製程系統之課題中揭露。
例示製程系統
第6圖為可實施本發明之實施例的例示處理室600之部分剖面視圖。一般來說，含氫前驅物與含氟前驅物可經過一或多個孔洞651引入至遠端電漿區661-663，並由電漿電源646激發。
在一實施例中，處理室600包含腔室主體612、蓋組件602及支撐組件610。蓋組件602設置於腔室主體612的上方端，而至少有一部分的支撐組件610設置於腔室主體612內。處理室600與相關硬體較佳由一或多種與製程相容的材料所製成(例如鋁、不銹鋼等)。
腔室主體612包含形成於腔室主體612的側壁中之狹縫閥開口660，用以進入到處理室600的內部。狹縫閥開口660可選擇性地開啟及關閉，以允許晶圓操作機器手(未示出)進入腔室主體612內部。在一實施例中，晶圓可經由狹縫閥開口660來傳送進出處理室600至鄰近的傳送室和/或加載鎖定室，或群集式工具內之其他室。可包含處理室600的一種例示群集式工具如第7圖所示。
在一或多種之實施例中，腔室主體612包含腔室主體通道613，供熱傳流體流經腔室主體612。此熱傳流體可為加熱流體或是冷卻劑，而可在製程及基板傳送過程中，用以控制腔室主體612的溫度。加熱腔室主體612可幫助避免不必要的氣體或副產物凝結於腔室壁上。例示性之熱傳流體包含水、乙二醇或前述流體的混合物。一例示性之熱傳流體亦可包含氮氣。支撐組件610可具有支撐組件通道604，供熱傳流體流經支撐組件610，進而影響基板溫度。
腔室主體612更可包含圍繞支撐組件610之襯墊633。 襯墊633較佳為可以移除的，以進行維修及清潔。襯墊633可為金屬製成，例如鋁或是陶瓷材料。然而，襯墊633可為任何與製程相容的材料。襯墊633可以是噴砂處理的(bead blasted)，以增加沉積在該襯墊633上方的任何材料之附著性，進而避免材料成薄片剝落而污染處理室600。在一或多種之實施例中，襯墊633包含一或多個孔洞635與形成在該襯墊633中之抽氣通道629，該抽氣通道629係與真空系統為流體連通。孔洞635提供氣體進入抽氣通道629的流動路徑，讓處理室600內的氣體得以排出。
真空系統可包含真空幫浦625與節流閥627，以調節通過處理室600之氣體流速。真空幫浦625係耦接至設置於腔室主體612上之真空埠631，因而與襯墊633內之抽氣通道629為流體連通。「氣體」與「多個氣體」之用詞是可替換的，除非特別註解，否則指的是一或多種的反應物、催化劑、載體、沖洗物、清潔物及前述物種的結合物，以及任何其他引入腔室主體612的流體。「前驅物」一詞用以指的是參與任一自表面上移除或沉積材料之反應的任何製程氣體。
孔洞635係允許抽氣通道629與腔室主體612內之處理區640為流體連通。處理區640係由蓋組件602的下表面與支撐組件610的上表面所界定，並由襯墊633所包圍。孔 洞635可為均一尺寸，並且圍繞著襯墊633而均勻間隔設置。然而，可以使用任何數量、位置、尺寸或形狀的孔洞，且每一個設計參數可取決於跨越基板承接表面之期望氣體流動模式而改變，下方將會討論到更多細節。另外，孔洞635的尺寸、數量及位置是配置以達到離開處理室600的均一氣體流動。進一步地，孔洞的尺寸及位置可配置以提供快速或高容量的抽吸，以促進氣體快速從處理室600中排出。舉例來說，靠近真空埠631處的孔洞635之數量及尺寸係小於遠離真空埠631的孔洞635之尺寸。
氣體供應板(未標示)為典型透過一或多個孔洞651來提供製程氣體至處理室600。所使用的特定氣體是取決於處理室600內欲進行的製程(或多個製程)。例示氣體可包含但不限於為一或多種之前驅物、還原劑、催化劑、載體、沖洗物、清潔物或前述物種的任何混合物或組合物。典型地，導引至處理室600的一或多種氣體係經過頂板650中之孔洞651而流入電漿容積(plasma volume)661中。製程氣體也可直接經由孔洞652或是結合前述孔洞651來進入處理區640。孔洞652繞過遠端電漿激發區，其利於包含不需電漿激發之氣體的製程，或是無受益於氣體之額外激發的製程。電子操作閥和/或流量控制構件(未示出)可用來控制自氣體供應器進入處理室600的氣體流動。取決於製程，可傳送任何數量的 氣體至處理室600，且任何數量的氣體可在處理室600內混合或在傳送至處理室600之前混合。
蓋組件602可進一步包含電極645，以在蓋組件602內產生反應性物種之電漿。在一實施例中，由頂板650支撐的電極645藉由插入以氧化鋁或其他與製程相容的絕緣材料製成的電性隔離環647而與頂板650電性隔離。在一或多個實施例中，電極645耦接至電源646，而蓋組件602的其餘部分為接地。因此，在電極645與環狀安裝凸緣622之間，由容積661、662和/或663組成之遠端電漿區中可產生一或多種的製程氣體之電漿。在數個實施例中，環狀安裝凸緣622包含或支撐氣體傳送板620。舉例來說，在電極645與阻擋組件630之一或二個阻擋板之間可起始與維持電漿。或者，在沒有阻擋組件630時，電漿可點燃並容納在電極645與氣體傳送板620之間。在任一實施例中，電漿會被良好地侷限或包含在蓋組件602內。由於活性電漿(active plasma)沒有直接接觸位於腔室主體612內的基板，所以此電漿為「遠端電漿」。因此，由於電漿與基板表面為分開的，所以可避免基板被電漿破壞。
多種的電源646能夠用來活化含氫前驅物(例如氨)與含氮前驅物(三氟化氮)。舉例來說，可以使用以射頻(RF)、直流電(DC)或微波(MW)為基礎之功率放電技術。 也可使用基於熱能之技術、氣體解離技術、高強度光源(如UV光)或暴露在x光來源中來活化之。或者，可使用遠端活化源(如遠端電漿產生器)以產生接著要傳送進入處理室600的反應性物種之電漿。例示之遠端電漿產生器可購自例如MKS儀器公司(MKS Instruments,Inc)與先進能源工業公司(Advanced Energy Industries,Inc)的販售商。在例示製程系統中，一RF電源供應器與電極645連接。高功率微波之電源646對於亦使用該電源646來製造反應性氧的情況是有利的。
腔室主體612與基板之製程溫度可藉由熱傳介質分別流經腔室主體通道613與支撐組件通道604來控制。形成於支撐組件610內之支撐組件通道604可促進熱能傳送。腔室主體612與支撐組件610可獨立冷卻或加熱。舉例來說，一加熱流體可流經其中一者，而一冷卻流體可流經另一者。
還有其他方法可用於控制基板溫度。可透過電阻加熱器來加熱支撐組件610(或支撐組件610的一部分，例如底座)而加熱基板，或藉由一些其他方法來加熱。在另一配置中，氣體傳送板620可保持在高於基板的溫度，而基板可被升高以提高基板溫度。在此例子中，基板是被輻射加熱，或藉由使用氣體將熱能自氣體傳送板620傳導至基板。基板可利用提高支撐組件610或使用升降銷 來升高。
在不同實施例中，於此描述之蝕刻製程期間，腔室主體612可保持在50℃至80℃之間、55℃至75℃之間或60℃至70℃之間的約略溫度範圍內。於不同實施例中，在暴露於電漿流出物和/或氧化劑時，基板可保持在低於約100℃、低於約65℃、約15℃至50℃之間或約22℃至40℃之間。基板在蝕刻過程中也可保持在升高溫度下，以進一步減少固態副產物的晶粒尺寸。在SiConiTM 蝕刻期間，於不同實施例中，基板可保持在約40℃至90℃之間、約50℃至85℃之間或約60℃至80℃之間。
電漿流出物包含多種分子、分子片段與離子化物種。現在的SiConiTM 蝕刻之使人感興趣的理論機制可能完全正確或可能不是完全正確，但此述之包含NH4 F與NH4 F.HF的電漿流出物被認為會輕易地與低溫基板反應。電漿流出物可與氧化矽表面反應，以形成(NH4 )2 SiF6 、氨與水產物。此述之製程條件下的氨與水為蒸氣，並可藉由真空幫浦625自處理區640中移除。在基板表面上留下薄而不連續的(NH4 )2 SiF6 固態副產物層。
在暴露於電漿流出物及固態副產物的相關堆積之後，可加熱基板來移除副產物。在數個實施例中，可藉由在氣體傳送板620內或附近併入加熱元件670來加熱氣體傳送板620。可藉由減少基板與加熱的氣體傳送板間的 距離來加熱基板。在不同實施例中，氣體傳送板620可被加熱至約100℃至150℃之間、約110℃至140℃之間或約120℃至130℃之間。在不同實施例中，藉由減少基板與被加熱氣體傳送板間之距離，則基板可被加熱至大於約75℃、大於約90℃、大於約100℃或在約115℃至150℃之間。自氣體傳送板620傳至基板的輻射熱能，應足夠使基板上的固態(NH4 )2 SiF6 解離或昇華為可揮發的SiF4 、NH3 與HF產物，並可被抽吸離開處理區640。
在不同實施例中，於缺乏氫狀態之蝕刻製程過程中，三氟化氮(或其他含氟前驅物)流至遠端電漿容積661的流速可在約25sccm至約200sccm之間、約50sccm至約150sccm之間或約75sccm至約125sccm之間。在不同實施例中，氨(或一般的含氫前驅物)流至遠端電漿容積661的流速可低於或約200sccm、低於或約150sccm、低於或約100sccm、低於或約75sccm、低於或約50sccm、或低於或約25sccm。
在不同實施例中，於缺乏氟狀態之蝕刻製程過程中，氨(或一般的含氫前驅物)流至遠端電漿容積661的流速可在約50sccm至約300sccm之間、約75sccm至約250sccm之間、約100sccm至約200sccm之間、或約120sccm至約170sccm之間。在不同實施例中，三氟化氮(或含氟前驅物)流至遠端電漿容積661的流速可低於或約100sccm、 低於或約75sccm、低於或約50sccm、低於或約25sccm、或低於或約15sccm。
進入遠端電漿區之含氫與含氟前驅物的結合流速估計可為總氣體混合物體積之0.05%至約20%，剩餘部分則為載氣。在一實施例中，沖洗氣體或載氣在那些反應性氣體之前首先開始進入遠端電漿區，用以穩定遠端電漿區內的壓力。
藉由相對於蓋組件602之其餘部分而對電極645施加電漿功率，以在容積661、662和/或663內產生電漿流出物。電漿功率可為不同頻率或結合多個頻率。在例示製程系統中，電漿係藉由傳送至電極645的RF功率所提供。在不同實施例中，RF功率可為約1W至約1000W之間、約5W至約600W之間、約10W至約300W之間或約20W至約100W之間。在不同實施例中，在例示製程系統中所施加之RF頻率可少於約200kHz、少於約150kHz，少於或約120kHz或約50kHz至約90kHz之間。
在臭氧、氧氣、載氣和/或電漿流出物流入處理區640的期間，處理區640可保持在不同的壓力下。在不同實施例中，此壓力可維持在約500mTorr至約30Torr之間，約1Torr至約10Torr之間、或約3Torr至約6Torr之間。也可在處理區640內使用較低的壓力。此壓力在不同實施例中，可維持在低於或約500mTorr、低於或約 250mTorr、低於或約100mTorr、低於或約50mTorr、或低於或約20mTorr。
在一或多個的實施例中，處理室600可整合到多種不同的多製程平台，包含應用材料公司(Applied Materials,Inc，位於加州聖大克勞拉市)之ProducerTM GT、CenturaTM AP與EnduraTM 平台。這樣的製程平台能夠在不破壞真空的狀態下執行數個製程操作。
第7圖為一例示性之多處理室製程系統700之俯視示意圖。系統700可包含一或多個加載鎖定室702、704，用以傳送基板進出系統700。因系統700處於真空之下，加載鎖定室702、704可典型地將導引進入系統700的基板進行「抽真空(pump down)」。第一機器手710可在加載鎖定室702、704與第一組之一或多個基板處理室712、714、716、718(圖示為四個)之間傳送基板。每一個處理室712、714、716、718可配置以執行數種基板製程操作，包含在此描述之乾式蝕刻製程，除此之外，還有循環層沉積(cyclical layer deposition,CLD)、原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)、蝕刻、預清潔(pre-clean)、除氣(degas)、定向(orientation)與其他基板製程。
第一機器手710也可傳送基板至一或多個傳送室722、724，並將基板由該一或多個傳送室722、724傳送出。傳送室722、724可用於保持超高真空狀態，並同時允許基板在系統700內傳送。第二機器手730可在傳送室722、724與第二組之一或多個處理室732、734、736、738之間傳送基板。基板處理室732、734、736、738類似於基板處理室712、714、716、718，可配置以執行多種基板製程操作，包含在此描述之乾式蝕刻製程，除此之外，例如有CLD、ALD、CVD、PVD、蝕刻、預清潔，除氣與定向。若不需要藉由系統700來執行特定製程時，則可從系統移除任一基板處理室712、714、716、718、732、734、736、738。
一臭氧產生器751可設置於無塵室外，由供應管線自臭氧產生器751攜帶製程氣體至用於進行此處所述之氧化-SiConiTM 製程之處理室734中。一遠端電漿系統(RPS)753可設置於SiConiTM 處理室734之遠端或與SiConiTM 處理室734整合在一起(如圖所示)。或者，遠端電漿系統753與處理室734是分開的，但是非常靠近，或甚至物理性地附接至處理室734。在遠端電漿系統753內激發之反應性氧可更直接地(例如經由孔洞752)引入處理區740，而其他來自氣體處理系統755的製程氣體則由孔洞651引入，並由位於製程容積661、662和/或 663內之遠端電漿激發之。
系統控制器757可用來控制馬達、閥、流量控制器、電源供應器與其他執行在此敘述之製程配方所需之功能。系統控制器757可依靠光學感應器的回饋來判定與調整可移動的機械組件之位置。機械組件可包含機器手、節流閥與基座(susceptor)，並藉由系統控制器757所控制的馬達來移動。
在一例示實施例中，系統控制器757包含硬碟(記憶體)、USB插槽、軟碟及處理器。系統控制器757包含類比與數位輸入/輸出板，介面板與步進馬達控制器板。由系統控制器757來控制包含多個處理室之多室製程系統700的多個部位。系統控制器執行系統控制軟體，這些軟體以電腦程式的形式儲存在電腦可讀取媒介中，例如硬碟、軟碟或快閃記憶體拇指碟。也可使用其他種類的記憶體。電腦程式包含多套指令，以控制時序、氣體混合物、腔室壓力、腔室溫度、RF功率層級、基座位置及特定製程的其他參數。
使用電腦程式產品，並經由控制器執行，則可在基板上進行蝕刻、沉積或處理薄膜的製程，或是清潔腔室的製程。電腦程式碼可用任何傳統電腦可讀取的程式語言來撰寫，舉例來說，68000組合語言、C、C++、帕斯卡程式語言(Pascal)、福傳程式語言(Fortran)或其他程式語 言。適合的程式碼可使用傳統的文字編輯器輸入至單一檔案或多個檔案中，再儲存或收錄在一電腦可用媒介中，例如電腦的記憶系統。假如輸入的編碼內容是高階語言，程式碼會先被編譯，所得編譯程式碼會與預編譯的微軟視窗作業系統程式館常式(Microsoft Windows® library routines)的目標碼連結。為了執行連結的、編譯的目標碼，系統使用者調用目標碼，使得電腦系統自記憶體中載入程式碼。然後CPU會讀取及執行此程式碼，來進行程式中已被確認的任務。
在使用者與控制器之間的介面可透過一觸控感應式螢幕，也可包含滑鼠及鍵盤。在一實施例中，可使用兩個螢幕，一個安裝在無塵室牆上，給操作員用，另一個安裝在牆的後方，給技術服務員用。此兩個螢幕可同時顯示相同的資訊，且在某一時間的情況下只能接收一個輸入指示。操作員以手指或滑鼠點選顯示面板上指定區域來選擇一特定的螢幕或功能。被觸控的區域會改變其強調顏色或顯示新的目錄或螢幕，用以確認操作員的選擇。
在此使用的「基板」可以是具有或不具有(其他)層在基板上形成的支撐基板。支撐基板可為絕緣體或具有多種摻雜濃度及輪廓的半導體，舉例來說，支撐基板是用於製造積體電路的半導體基板類型。處於「激發態」的氣體係描述的是一氣體其中至少有部分氣體分子在振動 激發態、解離和/或離子化態。一氣體可為兩種或多種氣體的組合物。使用的「溝槽」一詞自始至終不涉及被蝕刻的幾何形狀具有很大的水平深寬比(aspect ratio)。由表面上方觀看，可見到溝槽為圓形、橢圓形、多邊形、矩形或其他形狀的變化。「脈衝化」電漿包含使電漿功率在非零值與相對低值之間交替，其中相對低值功率使固態殘留物的成長非常少。「脈衝化」電漿也包含使前驅物之一或兩者之流速在非零值與相對低值之間交替。相對低的流速會實質降低在脈衝間蝕刻製程的進行。電漿功率的交替與流速的交替可分開或合併使用。
已經揭露一些實施例，在不脫離本發明揭露實施例精神之下，熟悉本發明技術領域者將會認可各種更動、替換結構及其等效物。另外，未敘述一些已知製程及元件，是為了避免不必要地模糊本發明。因此，以上敘述非用於限制本發明之範圍。
當提供數值範圍時，可以瞭解介於所提供數值範圍的上限與下限之間的各個居中數值(intervening value)(除非上下文有清楚的指示，居中數值到下限單位的十分之一)，也是被特定揭露的。在所述範圍內之任何指定數值與居中數值之間，以及在那個指定範圍內之任何其他指定數值或居中數值之間的每個較小範圍均被包含。這些較小範圍的上限與下限在範圍中可獨立地被包含或排 除，且包含在較小範圍內的每個範圍之限制可任一、兩個都不或兩個同時包含在發明內，讓指定範圍內受到任何特定排除限制。指定範圍包含一或兩個之限制，而排除任一或兩個的那些包含限制也包含在內。
除非上下文有清楚指示，否則，在此使用及申請專利範圍內的單數形式之「一」與「該」包含複數個指定對象。因此，舉例來說，如「一個製程」，則包含了複數個這樣的製程，如「該介電材料」，則包含一或多個介電材料及熟悉本發明技術領域者所知之等效物。
同時，在說明書中與下列申請專利範圍中使用的「包含」與「包括」一詞，用以特意指定特定特徵、整體、成分或步驟的存在，但不排除現有或附加的一或多個特徵、整體、成分、步驟、行為或族群。
110,115,120,122,125,130,135,140,145‧‧‧步驟
410,415,420,422,425,430,435,440,445‧‧‧步驟
600‧‧‧處理室
602‧‧‧蓋組件
604‧‧‧通道
610‧‧‧支撐組件
612‧‧‧腔室主體
613‧‧‧通道
620‧‧‧氣體傳送板
622‧‧‧安裝凸緣
625‧‧‧真空幫浦
627‧‧‧節流閥
629‧‧‧抽氣通道
630‧‧‧阻擋組件
631‧‧‧真空埠
633‧‧‧襯墊
635‧‧‧孔洞
640‧‧‧處理區
645‧‧‧電極
646‧‧‧電源
647‧‧‧電性隔離環
650‧‧‧頂板
651,652‧‧‧孔洞
660‧‧‧狹縫閥開口
661-663‧‧‧遠端電漿區/容積
670‧‧‧加熱元件
700‧‧‧系統
702,704‧‧‧加載鎖定室
710‧‧‧第一機器手
722,724‧‧‧傳送室
712,714,716,718,732,734,736,738‧‧‧處理室
730‧‧‧第二機器手
751‧‧‧臭氧產生器
752‧‧‧孔洞
753‧‧‧遠端電漿系統
755‧‧‧氣體處理系統
757‧‧‧控制器
為讓所揭露之實施例的基本性質與優點能有進一步的了解，係參照本說明書的其餘部分與圖式。
第1圖係繪示依照所揭露實施例之含矽材料蝕刻製程的流程圖。
第2圖係繪示依照所揭露實施例之SiConiTM 蝕刻製程之氫氟流速比率與表面粗糙度及蝕刻速率之關係圖。
第3A-3B圖係表示在標準SiConiTM 與所揭露實施例之 平滑SiConiTM 之後的圖案化表面。
第4圖係繪示依照所揭露實施例之含矽材料蝕刻製程流程圖。
第5A-5B圖係表示在標準SiConiTM 與所揭露實施例之平滑SiConiTM 之後的圖案化表面。
第6圖係繪示依照所揭露實施例之用於執行蝕刻製程之處理室的剖面視圖。
第7圖係繪示依照所揭露實施例之用於執行蝕刻製程之製程系統。
在所附圖式中，相似的部件及/或特徵可具有相同的元件符號。再者，相同類型的各種部件之區別可以藉由在元件符號後方加註虛線及第二符號而來區別相似的部件。若在說明書中僅使用第一元件符號，則說明可適用於具有相同第一元件符號的相似部件之任一者，而不論第二元件符號。
110、115、120、122、125、130、135、140、145‧‧‧步驟

Claims (22)

  1. 一種在一基板處理室之一基板處理區中蝕刻在一基板之一表面上的一含矽層之方法，其中該方法遺留下一相對平滑之蝕刻後(post-etch)表面，該方法包含：將一含氟前驅物與一含氫前驅物流入一第一遠端電漿區，並同時於該第一電漿區中形成一電漿而產生電漿流出物(plasma effluents)，該第一遠端電漿區係流體地耦合至該基板處理區，其中該含氟前驅物的一流速與該含氫前驅物的一流速所導致之氫-氟原子流速比率(flow ratio)為小於1：2；使該些電漿流出物流入該基板處理區，以蝕刻該含矽層，並同時於該基板之該表面上形成固態副產物；以及使該基板的一溫度增加而高於該些固態副產物之一昇華溫度，以昇華該些固態副產物，而遺留下該相對平滑之蝕刻後表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該含氟前驅物包含至少一種前驅物，該至少一種前驅物係選自於由三氟化氮、氟化氫、雙原子氟、單原子氟及氟取代碳氫化合物所組成的群組。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該含氫前驅物包含至少一種前驅物，該至少一種前驅物係選自於由原子氫、分子氫、氨、碳氫化合物及不完全鹵素取代之碳氫化合物(incompletely halogen-substituted hydrocarbon)所組成的群組。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該含矽層在蝕刻操作之過程中維持在約50℃或以上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中蝕刻該含矽層與昇華該些固態副產物之操作包含使用一個步驟與整數個步驟，以減少每個循環過程中所移除之材料量。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中由該含矽層移除之一總厚度為三步驟進行，其中每個步驟移除該總厚度之20%至40%。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中每個步驟由該含矽層移除約150Å或以下。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該含矽層 包含氧化矽。
  9. 一種在一基板處理室之一基板處理區中蝕刻在一基板之一表面上的一含矽層之方法，其中該方法可降低一稠密圖案化區域與一稀疏圖案化區域之間的一蝕刻速率差異，該方法包含：將一含氟前驅物與一含氫前驅物流入一第一遠端電漿區，並同時於該第一電漿區中形成一電漿而產生電漿流出物，該第一遠端電漿區係流體地耦合至該基板處理區，其中該含氟前驅物的一流速與該含氫前驅物的一流速所導致之氫-氟原子流速比率係小於1：2；使該些電漿流出物流入該基板處理區，以蝕刻位於該稠密圖案化區域與該稀疏圖案化區域中之該含矽層，並同時形成固態副產物於該基板之該表面上；以及使該基板的一溫度增加而高於該些固態副產物之一昇華溫度，以昇華該些固態副產物。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該含氟前驅物包含至少一種前驅物，該至少一種前驅物係選自於由三氟化氮、氟化氫、雙原子氟、單原子氟及氟取代碳氫化合物所組成的群組。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該含氫前驅物包含至少一種前驅物，該至少一種前驅物係選自於由原子氫、分子氫、氨、碳氫化合物及不完全鹵素取代之碳氫化合物所組成的群組。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中蝕刻該含矽層與昇華該些固態副產物的操作包含使用一個步驟與整數個步驟，以減少每個循環過程中所移除之材料量。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中由該含矽層移除之一總厚度為三步驟進行，其中每個步驟移除該總厚度之20%至40%。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中每個步驟由該含矽層移除約100Å或以下。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該含氟前驅物的該流速與該含氫前驅物的該流速所導致之氫-氟原子流速比率為小於1：4。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該含矽層 包含氧化矽。
  17. 一種在一基板處理室之一基板處理區中蝕刻一基板的一表面上之一含矽層的方法，該方法包含：將一含氟前驅物與一含氫前驅物流入一第一遠端電漿區，並同時於該第一電漿區中形成一系列的電漿脈衝而產生電漿流出物，其中該第一遠端電漿區係流體地耦合至該基板處理區，且其中該含氟前驅物的一流速與該含氫前驅物的一流速所導致之氫-氟原子流速比率係小於1：2；使該些電漿流出物流入該基板處理區，以蝕刻該含矽層，並同時形成固態副產物於該基板之該表面上；以及使該基板的一溫度增加而高於該些固態副產物之一昇華溫度，以昇華該些固態副產物。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該系列的電漿脈衝係藉由脈衝化施加至該第一電漿區之電漿功率所產生。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該含氟前 驅物的該流動與該含氫前驅物的該流動在該蝕刻操作之過程中為恆定。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該系列的電漿脈衝係藉由脈衝化該含氟前驅物的一流動與該含氫前驅物的一流動之至少一者的流動所產生。
  21. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中昇華該些固態副產物的操作包含在每一次電漿脈衝後，進行多次基板退火。
  22. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該系列的電漿脈衝之一重複頻率為約0.1Hz至約1.0Hz。
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