TWI498964B - 電子束誘發蝕刻之方法 - Google Patents
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Description
本發明關於電子束誘發蝕刻之方法。
蝕刻製程在工業界(尤其是半導體業)扮演重要的角色。利用蝕刻製程，製備細微結構下達奈米範圍。再者，蝕刻製程在修復光學微影光罩上有著非常重要的功能。
對利用蝕刻製程製造細微結構而言，如用於半導體技術，在聚焦離子束撞擊下進行的蝕刻為習知縮寫的FIB(聚焦離子束)。舉例而言，FIB技術揭露於US4,639,301。FIB技術的具體優點在於，容許製造非常平又非常陡峭的側壁，即結構具有大的外觀比。外觀比的特徵在於結構分別的深度或高度與其最小的側向延伸的比例。
以FIB技術製造的平側壁，是基於此技術的材料移除在某些程度上不是由蝕刻完成，而是藉由聚焦離子束濺鍍。然而，FIB技術具有嚴重的缺點。離子束的濺鍍動作亦造成欲蝕刻區外材料的移除。此效應揭露於US6,753,538稱為「河床化」效應。另一方面，於US6,753,538亦揭露離子植入於欲蝕刻層下方的層中(「玷污」)。如此分別改變了該層的性質，或破壞該層。此外，濺鍍材料的充份部分沉積在樣品的其他部分或於真空腔中(「再沉積」)。
當利用電子束而非離子束誘發蝕刻程序(電子束誘發蝕刻(EBIE))時，材料的移除完全藉由蝕刻發生，如US6,753,538所揭露。發生於FIB技術的濺鍍部分在EBIE中消失。S. Matsui及K. Mori的文獻「利用電子束刺激蝕刻直接寫入矽(Direct writing onto Si by electron beam stimulated etching
)」(Appl. Phys. Lett. 51(19),1498(1987))，呈現利用蝕刻氣體二氟化氙(XeF2
)蝕刻矽的調查，若適用的話則使用額外的電子束。由於使用電子束，相較於完全使用蝕刻氣體XeF2
，矽的蝕刻速率加倍。J.W. Coburn及H.F. Winters已調查在微粒輻射的撞擊下，以XeF2
蝕刻矽及以不同蝕刻氣體的蝕刻，發生於原子或分子等級的程序(J.W. Coburn及H.F. Winters於Appli. Phys. Lett. 34(1),70(1979)之「以XeF2
蒸氣蝕刻矽(The etching of silicon with XeF 2 vapour
)」以及J.W. Coburn及H.F. Winters於J. Appli. Phys. 50(5),3189(1979)之「離子及電子輔助的氣體表面化學-電漿蝕刻之重要效應(Ion and electron-assisted gas-surface chemistry-An important effect in plasma etching
)」)。
文獻「在微波電漿蝕刻中利用削減法之新側壁保護技術(A New Side Wall Protection Technique in Microwave Plasma Etching Using a Chopping Method
)」的作者K. Tsujimoto等人，調查電漿蝕刻程序，其中蝕刻程序重複中斷特定期間並接續沉積氮化膜，以保護湧現的側壁(K. Tsujimoto、S. Tachi、K. Ninomiya、K. Suzuki、S. Okudaira、以及S. Nishimatsu於固態裝置及材料會議(229-233東京1986年)發表的「在微波電漿蝕刻中利用削減法之新側壁保護技術(A New Side Wall Protection Technique in Microwave Plasma Etching Using a Chopping Method
)」)。
US5,501,893揭露一種使用電子束誘發蝕刻時解決側向蝕刻問題的方法。於此程序，類似於上述K. Tsujimoto等人的參考文獻，在約2μm的移除後，中斷蝕刻程序，而側壁藉由沉積形成聚合物的材料來保護。之後，藉由交替地蝕刻與鈍化來繼續此程序，直到達到所需的蝕刻深度。
此種一步接一步的蝕刻與鈍化程序的主要缺點在於，在側壁形成波紋。於第一次蝕刻步驟時，由於側壁上未受到保護，所以發生側壁的側向蝕刻。藉由接續應用鈍化步驟，形成厚度隨著高度變化的波紋鈍化層。如此不利於蝕刻側壁的陡峭性與平坦度。具體而言，在欲蝕刻的小尺寸結構上，如此可導致後續處理步驟的問題。
於本案中「自發性蝕刻」一詞意謂材料的蝕刻發生在至少一蝕刻氣體的撞擊下，並無電子束撞擊材料。
因此，本發明基於此問題，指出一種電子束誘發蝕刻之方法，其至少部分地避免上述的缺點。
根據本發明實施例，藉由申請專利範圍第1項所述之方法解決上述問題。於實施例中，電子束誘發蝕刻材料之方法包含提供至少一蝕刻氣體於材料之位置，於該位置電子束撞擊材料，以及同時提供至少一鈍化氣體，用以減緩或抑制至少一蝕刻氣體進行的自發性蝕刻。
出乎意料地，發現於電子束誘發的蝕刻供應鈍化氣體到蝕刻氣體，有效地抑制自發性蝕刻。因此原由，可忽略US5,501,893教示為相繼形成鈍化膜於側壁而中斷蝕刻製程，藉此本發明方法可更簡單地執行，而有更低成本。然而，本發明方法的具體優點在於，有效地抑制側壁的自發性蝕刻而無須沉積鈍化層在側壁上。因此，本發明方法導致非常平的側壁。
尤其是，藉由同時供應鈍化層，可藉由分別調整蝕刻氣體與鈍化氣體的分壓比，來抑制不同蝕刻材料的自發性蝕刻。
於本發明方法之一較佳實施例中，二氟化氙(XeF2
)用作蝕刻氣體。然而，亦可使用其他蝕刻氣體，例如鹵素群元素如氯(Cl2
)、溴(Br2
)、碘(I2
)、或其他鹵化的化合物。
於具體較佳實施例中，氨(NH3
)用作鈍化氣體。然而，本發明方法不限於使用NH3
做為鈍化氣體。可使用其他鈍化材料，例如氮(N2
)、氧(O2
)、二氧化碳(CO2
)、四氯化碳(CCl4
)、及/或甲烷(CH4
)。
在氣體流量為0.25sccm(每分鐘標準立方公分)下，可得到蝕刻矽的較佳結果。
於本發明方法之具體較佳實施例中，欲蝕刻的材料包含多層且具有以下步驟：決定是否達到在至少一第一層與至少一第二層間之層邊界，以及供應鈍化氣體，以減緩或抑制至少於第二層的側向蝕刻。
當蝕刻彼此堆疊且不同材料的多層時，本實施例能調整鈍化氣體的氣體流量，而在電子束誘發蝕刻各個層期間，減緩或抑制個別層的側向蝕刻。因此，本發明方法容許製備具有大外觀比細微結構之不同材料的多層，而不中斷電子束誘發蝕刻程序。因此，藉由精確地切割或連接裝置彼此的導電路徑，使所謂半導體元件的「電路編輯」變得可能，即直接後續修改顯微小型電結構。
於較佳實施例中，藉由評估是否達到層邊界的分析訊號來決定。於實施例中，分析訊號包含偵測源自當前蝕刻表面的二次電子。分析訊號的好處在於，可使用習知表面分析方法，例如奧傑電子光譜(AES)、光電子光譜(XPS)、或質譜。關於此點，亦可使用造影分析應用，例如電子束顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、或原子力顯微鏡、或這些技術的組合。
於又一較佳實施例中，藉由量測蝕刻時間，決定是否達到層邊界。於分別量測中，可決定具有已知厚度及已知個別層組成之層狀系統，與蝕刻氣體及鈍化氣體相關的不同材料的蝕刻率。然後此資訊可用以決定會達到層邊界的蝕刻時間。無可否認地，亦可結合這兩種不同方式，評估分析訊號與量測蝕刻時間。
本發明方法的進一步實施例界定於申請專利範圍的其他附屬項。
以下將詳細解釋本發明方法及本發明裝置的較佳實施例。
如圖1示意地顯示，欲蝕刻的矽層100設置於真空腔10之樣品支托器20上。真空腔10例如為用於本發明方法之電子顯微鏡之電子束裝置30的真空腔。
於圖1所示的本發明較佳實施例中，經由入口40將XeF2
導入真空腔10。相應於XeF2
，亦可使用其他的鹵素，例如Cl2
、Br2
、I2
、或其他鹵化的化合物應用，例如SF6
。本發明方法不限於鹵化的化合物應用。更可想到的蝕刻氣體為一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2
)、或其他強氧化物質。本發明方法亦容許同時應用比一種還多的蝕刻氣體。此外，可於蝕刻製程期間改變蝕刻氣體的混合比。
於圖1所示的實施例中，經由入口50將鈍化氣體NH3導入真空腔10。除了NH3，亦可使用H2、O2、CO2、CC14、及/或CH4做為蝕刻氣體。可佔據欲蝕刻材料表面可能吸附位置(即側壁及底壁)的所有材料，為可想得到的蝕刻氣體，且因而可取代吸附位置的蝕刻氣體。鈍化氣體可分別由兩種或數種氣體或材料形成，且可於蝕刻製程期間改變其混合比。
經由適當的劑量閥(未顯示於圖1)透過對應的入口40、50，將XeF2
與NH3
帶到欲蝕刻矽層100的區域上。亦可能經由不同的劑量閥但透過共同的入口(未顯示於圖1)，將兩種氣體XeF2
與NH3
導入。選替於導引到欲蝕刻表面的氣體入口，蝕刻氣體及/或鈍化氣體在真空腔10中亦可不受導引地導入。
XeF2
與NH3
的劑量可與時間無關。於蝕刻製程期間亦可暫時地修改兩種氣體及/或其中一種氣體的劑量(「削減」)。
蝕刻氣體與鈍化氣體的精準劑量比，顯著地分別相依於真空腔的幾何、所用真空泵的泵功率、以及一或多個氣體入口40或50的幾何配置。一般而言，調整兩氣體的分壓或其氣體流量，而使鈍化氣體的分壓低於蝕刻氣體的分壓。
相應於蝕刻氣體與鈍化氣體的混合比，電子束於EBIE製程中具有主軸。本發明方法較佳使用的電子能量根據欲蝕刻的材料係介於0.1keV與30KeV之間。於此製程中，電子束的能量為最佳化本發明方法可想得到的參數。特徵化蝕刻製程的另一參數為電子流值，其決定每單位時間有多少電子撞擊材料表面。如圖2所示之蝕刻輪廓中，電子流的強度在50pA與200pA的範圍。
為最佳支援發生於表面的程序，電子束以重複的步驟載行於欲蝕刻材料上方。較佳調整直到電子束回到先前處理位置的時間週期(刷新時間)，而使蝕刻表面的該位置再次自入口40及50充足供應反應所需的新分子。駐留時間描述電子束維持在各個位置的時間週期。於典型程序中，駐留時間為數10ns，例如50ns，而刷新時間在幾毫秒的範圍，例如2ms。此外，依據欲處理的區域尺寸，變化電子束的電流強度及相繼畫素的距離可能有用。欲蝕刻小區域時，電子流的強度例如在50pA的範圍，且電子束具有的例示畫素距離為2nm。另一方面，處理例如大區域時，電子束在200pA的範圍，畫素距離約為4nm。
初始化蝕刻反應時，較佳完全使用聚焦電子束。然而，額外或選替地，可應用其他能量轉移機制(例如聚焦雷射束及/或未聚焦離子束)。
蝕刻氣體的自發性蝕刻速率值實質與欲蝕刻的材料有關。此意味著當蝕刻例如深溝渠時，欲蝕刻結構的自發性蝕刻效應可依據欲蝕刻的材料。
本發明方法不限制欲蝕刻的材料。舉例而言，可蝕刻金屬、半導體、及/或絕緣體類別的材料。類似地，亦可以本發明蝕刻方法移除由不同類組合構成的材料。相對於特定蝕刻氣體，不同材料顯示不同的自發性蝕刻速率，尤其是當來自於不同材料類別。因此，各材料需要特別調整鈍化氣體與蝕刻氣體的氣體流量比。當蝕刻金屬導電層時，鈍化氣體可能不利於金屬，因此較佳中斷供應特定的鈍化氣體。
根據第一觀點，本方法首先以蝕刻矽層的範例說明。圖2顯示以本發明方法在矽中蝕刻介層或出入孔。如從S. Matsui及K. Mori的參考文獻(「利用電子束刺激蝕刻直接寫入矽(Direct writing onto Si by electron beam stimulated etching
)」，Appl. Phys. Lett. 51(19),1498(1987))已知，氣體XeF2
已經以7nm/min的速率蝕刻矽而無電子撞擊。此意味著自發性蝕刻速率與電子輻射誘發的蝕刻速率的比例，對矽而言是1:1，即矽可自發性地單獨由蝕刻氣體XeF2
移除，因而可以大的蝕刻速率等向地移除。因此，矽是非常適合用以展現本發明方法益處的材料。
於圖2所示的介層中，於數層中移除矽材料100，其中相繼層具有較小的區域。於此程序中，電子束參數可如上述的變化。可能進一步需要根據欲處理區域的尺寸及欲處理的材料，調整蝕刻氣體與鈍化氣體間的混合比。舉例而言，矽可以蝕刻氣體與鈍化氣體以1:1的混合比以及氣體流量在0.25sccm的範圍來蝕刻。於不同的材料，例如當蝕刻如圖4及圖6所示的介層時，使用較少鈍化氣體之不同混合比可能較有利，例如1:5的混合比，其中鈍化氣體的氣體流量約0.1sccm，而蝕刻氣體約為0.5sccm。圖2中平坦陡峭的側壁顯示，本發明可有效地抑制與電子束誘發的蝕刻速率一樣大的自發性蝕刻速率。因此原由，可避免蝕刻氣體XeF2
在電子束未呈現的位置自發性地移除矽。
鈍化氣體不僅抑制側向的自發性蝕刻，亦至少部分地抑制在電子束方向(於圖1的垂直方向)的自發性蝕刻貢獻。因此，可降低於垂直方向的蝕刻速率，尤其是鈍化氣體的氣體流量在蝕刻氣體之氣體流量範圍。然而，應用本發明方法於矽100還能使蝕刻速率足夠經濟上的應用，而可於矽100中移除數μm3
的體積。
圖3顯示本發明方法及本發明裝置之第二觀點實施例。圖3顯示相較於圖1的兩個實質修改。於一方面，材料設置於樣品支托器20上，具有多層(多層系統200)，而另一方面，偵測器60設置於真空腔10中，用以偵測從電子束回散射的電子以及從電子束釋出的二次電子。基於偵測器60的訊號，當前蝕刻層的材料組成之改變可被偵測，而與次一層比較。因此原由，藉由評估偵測器60的訊號，可決定於多層系統200移除第一層，且蝕刻製程開始移除第二層。換言之，偵測器60的訊號能決定蝕刻製程達到層邊界。如已在圖2討論中所述的，欲蝕刻的各材料需要鈍化氣體與蝕刻氣體的特定氣體流量混合比。當提供的鈍化氣體的氣體流量相對於總氣體流量為太低時，無法完全抑制在此層的自發性蝕刻，而不能完全避免移除側壁。另一方面，若鈍化氣體與蝕刻氣體的氣體流量比對欲蝕刻的層而言為太高，則可能不必要地將低了垂直蝕刻速率。於極端的案例中，可能不再能進行層的蝕刻程序。例如在圖3所示的偵測器協助下，當達到第一層210與第二層220間之邊界層時，偵測第二層220材料組成的改變，容許為現在要蝕刻的第二層220來調整兩種氣體NH3
及XeF2
的氣體流量比。因此，實現抑制第二層220中自發性蝕刻速率的特定需求。亦可藉由偵測器60的訊號決定是否進一步達到其他層邊界。因此，對任意的多層系統200而言，可針對各個層210至280，最佳化鈍化氣體與蝕刻氣體的氣體流量比。
圖4顯示在多層210至260的多層系統200中，如何可蝕刻介層300到金屬導電連接270的示意圖，其中於新要蝕刻層的層邊界調整NH3
及XeF2
的氣體流量比。最上層210為介電層，其類似於大多數不被XeF2
自發性蝕刻的絕緣體材料。因此，移除層210，無需供應NH3
。層220、230、240、以及250為各種組成與厚度的半導體層。當蝕刻製程已移除層210，即蝕刻前端到達層210及層220間的層邊界時，此乃直接藉由偵測器60的訊號來判斷。層220的材料組成亦可藉由偵操器60的訊號來判斷。現在打開供應NH3
的劑量閥，達到NH3
的氣體流量能抑制層220的自發性蝕刻的程度。如上所述，為實現本發明方法，較佳混合比約為1:5，而鈍化氣體的氣體流量在0.1sccm的範圍，且蝕刻氣體為0.5sccm。
於圖4的範例中，以與層220相同的NH3
及XeF2
氣體流量比，來蝕刻半導體層230、240、250的後續系統。然而，如前所述，本方法容許個別地調整各層230、240、250的NH3
氣體流量。
環繞金屬導電層260的阻障層260包含類似層210的材料，其不會被XeF2
自發性地蝕刻。因此，在基於偵測器60的訊號偵測到蝕刻前端已達到層250及260間的邊界時，可關閉供應NH3
的劑量閥。因為金屬導電層280之銅表面當接觸到NH3
時可能受到損壞，所以自真空腔10泵出鈍化氣體。在類似於蝕刻介電層210的電子束撞擊下，由蝕刻氣體實施層260的移除。金屬導電連接270的不連接亦在蝕刻氣體與電子束的結合撞擊下實施。具有層依序從210到270之多層系統設置於半導體基板280上。
可蝕刻的最小區域由電子束的直徑來決定。可調整電子流的束直徑，尤其是可非常精確地聚焦電子束(直徑<4nm)。因此，欲蝕刻的區域為電子束照射的區域，可選擇為非常小。因此，本發明抑制自發性蝕刻的方法，開啟了製備具有高外觀比及平側壁之非常細微結構的可能性。
圖5及圖6再次清楚顯示本發明方法的實質益處。圖5顯示習知方法透過層順序蝕刻介層300的強化截面圖。由於一方面在半導體層210、230、240、及250的蝕刻速率不同，且另一方面在絕緣層220及260的蝕刻速率不同，所以在層220產生瓶頸，且在上方層210及下方層230有變寬部。於圖6中，應用本發明方法透過圖4的層順序210至260來蝕刻介層300。介層300之實質平坦又垂直的側壁，有助於在蝕刻製程後的進一步處理步驟。
10．．．真空腔
20．．．樣品支托器
30．．．電子束裝置
40．．．入口
50．．．入口
60．．．偵測器
100．．．矽層
200．．．多層系統
210．．．第一層
220．．．第二層
230．．．層
240．．．層
250．．．層
260．．．層
270．．．金屬導電連接
280．．．半導體基板
300．．．介層
本發明較佳實施例呈現之詳細說明，參考圖式將有更佳的暸解，其中：
圖1為根據本發明第一觀點實現方法之示意圖，其中藉由蝕刻氣體、鈍化氣體、以及聚焦電子束的組合撞擊，來蝕刻真空腔中的材料；
圖2為根據本發明第一觀點顯示於矽中蝕刻的介層之強化截面示意圖；
圖3為根據本發明第二觀點實現方法之示意圖，其中額外設置於偵測器於圖1之真空腔中，以偵測電子束之回散射電子或偵測電子束釋放的二次電子，且欲蝕刻的材料包含多層(多層系統)；
圖4為根據本發明第二觀點具有多層之蝕刻材料之強化示意圖；
圖5為當以習知方法執行蝕刻時，圖4之介層之截面示意圖；以及
圖6為當以本發明方法執行蝕刻時，圖4之介層之截面示意圖。
10．．．真空腔
20．．．樣品支托器
30．．．電子束裝置
40．．．入口
50．．．入口
100．．．矽層
Claims (22)
- 一種電子束誘發蝕刻一材料之方法，包含：提供至少一蝕刻氣體於該材料之一位置，一電子束於該位置撞擊該材料；以及同時提供至少一鈍化氣體，用以減緩或抑制該至少一蝕刻氣體進行的自發性蝕刻；其中該自發性蝕刻是在無電子束撞擊的情況下蝕刻該材料；其中該至少一鈍化氣體包含氨(NH3 )、氮(N2 )、四氯化碳(CCl4 )、或甲烷(CH4 )。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該蝕刻氣體包含二氟化氙(XeF2 )。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在蝕刻該材料時，該鈍化氣體的提供是持續發生及/或是暫時地變化。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該材料包含一矽層。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該鈍化氣體及該蝕刻氣體於該電子束撞擊該材料之該位置的分壓比是小於及/或等於1。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該鈍化氣體以每分鐘0.25標準立方公分來提供。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該材料包含多 層，更包含：決定是否達到在至少一第一層與至少一第二層間之一層邊界；以及供應該鈍化氣體，以減緩或抑制至少於該第二層的側向蝕刻。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中藉由評估一分析訊號，決定是否達到一層邊界。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該分析訊號包含偵測回散射電子及/或二次電子。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中藉由量測蝕刻時間，決定是否達到一層邊界。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中於一層邊界調整該蝕刻氣體的分壓。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中使用該方法以蝕刻於埋式導電連接中的一穿通孔。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該些層包含至少一介電層、至少一半導體層、以及至少一導電層。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中於蝕刻該半導體層時，該鈍化氣體以每分鐘0.1標準立方公分來提供。
- 如申請專利範圍第第7項所述之方法，其中在達到一銅 層前中斷提供該鈍化氣體，且自真空腔移除該鈍化材料。
- 一種電子束誘發蝕刻一材料之裝置，包含：供至少一蝕刻氣體進入於該材料之一位置之一入口，一電子束於該位置撞擊該材料；以及供至少一鈍化氣體進入之一入口，以減緩或抑制該至少一蝕刻氣體於電子束誘發蝕刻時的自發性蝕刻；其中該自發性蝕刻是在無電子束撞擊的情況下蝕刻該材料；其中該至少一鈍化氣體包含氨(NH3 )、氮(N2 )、四氯化碳(CCl4 )、或甲烷(CH4 )。
- 如申請專利範圍第16項所述之裝置，其中該裝置可操作成使用二氟化氙(XeF2 )做為蝕刻氣體。
- 如申請專利範圍第16項所述之裝置，其中該鈍化氣體之該入口及/或該蝕刻氣體之該入口可操作成連續地或暫時變化地提供該鈍化氣體及/或該蝕刻氣體。
- 如申請專利範圍第16項所述之裝置，更包含：一量測裝置，用以決定是否達到在一第一層與一第二層間之一層邊界；以及一調整裝置，用以調整該蝕刻氣體的分壓，以抑制於該第二層之側向蝕刻。
- 如申請專利範圍第19項所述之裝置，其中用以決定是否達到一層邊界之該量測裝置包含一分析訊號。
- 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該分析訊號包含一偵測器，用以偵測回散射電子及/或二次電子。
- 如申請專利範圍第19項所述之裝置，其中用以決定是否達到在一第一層與一第二層間之一層邊界之該量測裝置包含一蝕刻時間量測裝置。
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