TWI687995B - 使用氫電漿之矽提取方法 - Google Patents
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Abstract
一種使用氫電漿之矽提取的方法已在各種實施例中加以揭示。該基板處理方法包含：提供一基板，該基板包含由矽所組成的一第一材料及不同於該第一材料的一第二材料；形成含有H2
及選用性的Ar之經電漿激發的一處理氣體；及將該基板曝露於經電漿激發的該處理氣體，以相對於該第二材料選擇性地蝕刻該第一材料。根據一實施例，該第二材料係選自由SiN、SiO2
、及其組合組成的群組。
Description
相關申請案的交互參照：本申請案係關於且主張於2016年5月29日申請之美國臨時專利申請案序號第62/342,992號的優先權，其全部內容於此藉由參照納入本案揭示內容。
本發明係關於半導體製造及半導體裝置的領域，且更具體而言，關於使用氫電漿之矽提取的方法。
前段蝕刻及圖案化製程需要相對底層材料高或無限選擇性之矽的提取。目前用以提取矽的方法包含蝕刻副產物的再沉積及高能離子的轟擊。這些過程導致足部形成（footing）及底層材料的顯著損壞。因此，需要新的矽提取處理方法以克服這些問題。
本發明的實施例描述用於矽提取之使用氫電漿的基板處理方法。氫電漿可以對氧化物、氮化物、及其他材料之非常高的選擇性提取矽。由於氫離子係可忽略的，所以此製程在基板上係沒有副產物（例如聚合物）沉積及對底層材料的損壞。
根據一實施例，該方法包含：提供一基板，該基板包含由元素矽所組成的一第一材料及不同於該第一材料的一第二材料；形成含有H2
及選用性的Ar之經電漿激發的一處理氣體；及將該基板曝露於經電漿激發的該處理氣體，以相對於該第二材料選擇性地蝕刻該第一材料。在一實施例中，該第二材料可選自由SiN、SiO2
、及其組合組成的群組。
本發明的實施例描述使用非聚合化學品相對於其他材料選擇性蝕刻元素矽（Si）的基板處理方法。
如本文所使用，符號「SiN」包括包含矽及氮作為主要成分的層，其中該等層可具有一範圍的Si及N組成。Si3
N4
係最熱力學穩定的矽氮化物，且因此係商業上最重要的矽氮化物。然而，本發明的實施例可應用於具有廣範圍之Si及N組成的SiN層。此外，符號「SiO2 」
係意指包括包含矽和氧作為主要成分的層，其中該等層可具有一範圍的Si及O組成。SiO2
是最熱力學穩定的矽氧化物，且因此係商業上最重要的矽氧化物。
圖1A及1B透過橫剖面圖示意性地顯示一種處理基板的方法。圖1A顯示基板100、二氧化矽（SiO2
）層101、Si凸起特徵部102、及在Si凸起特徵部102之垂直部分105上的氮化矽（SiN）側壁間隔層106。SiN側壁間隔層106可如下加以形成：藉由在Si凸起特徵部102的水平部分103及垂直部分105上保形地沉積SiN間隔層，接著在可包括含氟碳化合物之電漿的非等向性蝕刻製程中優先地蝕刻在水平部分103上的SiN間隔層。Si凸起特徵部102係通常被稱為心軸，且其可使用含鹵素的蝕刻製程（即心軸拉除製程）加以移除。
圖1B說明用於移除Si凸起特徵部102之含鹵素蝕刻製程的幾個缺點，包含：由於在Si與SiO2
之間的差蝕刻選擇性，在SiO2
層101中的氧化物（即SiO2
）凹部109；聚合物殘留物107的存在；及在SiN側壁間隔層106之頂部產生漸縮輪廓的間隔層腐蝕。本發明的實施例處理含鹵素蝕刻製程的這些缺點。
圖2A及2B根據本發明的一實施例透過橫剖面圖示意性地顯示一種處理基板的方法。圖1A已重製為圖2A，且顯示基板100、SiO2
層101、Si凸起特徵部102、及在Si凸起特徵部102之垂直部分105上的SiN側壁間隔層106。Si凸起特徵部102可包含多晶Si（poly-Si）或非晶Si（a-Si）。
圖2B顯示自基板選擇性地移除Si凸起特徵部102之電漿蝕刻製程的結果。該電漿蝕刻製程包含電漿激發含H2
及選用性之Ar氣的處理氣體，且將圖2A中的結構曝露於該經電漿激發的處理氣體。根據一實施例，處理氣體由H2
所組成。根據另一實施例，處理氣體由H2
及Ar所組成。所得之圖2B中的結構包含在SiO2
層101上的SiN側壁間隔層106，且其不具上述及顯示於圖1B的缺點。
圖2A及2B中描述的方法包含：提供一基板，該基板包含第一材料及第二材料，第一材料包含在基板上的凸起特徵部，第二材料在凸起特徵部之垂直部分上形成側壁間隔層，其中第一及第二材料係與下面第三材料直接接觸，第一材料係由元素Si所組成，第二材料係由SiN所組成，而第三材料係由SiO2
所組成；形成由H2
及選用性的Ar所組成之經電漿激發的處理氣體；及將基板曝露於經電漿激發的處理氣體以相對於第二材料及第三材料選擇性地移除第一材料。
圖3A及3B根據本發明的一實施例透過橫剖面圖示意性地顯示一種處理基板的方法。圖3A顯示一結構，其包含SiO2
層300、Si層302，SiO2
層306、及與曝露的Si層310毗鄰的SiN側壁間隔層308。
根據本發明的一實施例，圖3A中的結構可使用相對於SiO2
層306及SiN側壁間隔層308選擇性地蝕刻Si層310的蝕刻製程加以處理。該蝕刻製程包含電漿激發含有H2
及選用性的Ar氣之處理氣體，且將圖3A中的結構曝露於該經電漿激發的處理氣體。根據一實施例，處理氣體由H2
所組成。根據另一實施例，處理氣體由H2
及Ar所組成。圖3B顯示在部分Si拉除蝕刻製程之後的結構。
圖4根據本發明的一實施例顯示相對於SiN蝕刻482及SiO2
蝕刻484之選擇性Si蝕刻480的實驗結果。電漿蝕刻係在電容耦合電漿（CCP）系統中加以執行，其中處理條件包含：在60 MHz之200 W的上電極功率、10℃的基板支架溫度、及由H2
和Ar所組成的處理氣體。下電極係未被供電。腔室壓力係從20-100毫托加以變化。蝕刻結果顯示Si蝕刻相對於SiN蝕刻及SiO2
蝕刻之非常高的蝕刻選擇性。在這些電漿處理條件下，原子氫係主要的蝕刻劑物種。根據本發明的實施例，處理條件可包含在60 MHz之200-1000 W的上電極功率。
圖5根據本發明的一實施例顯示相對於SiN蝕刻582及SiO2
蝕刻584之選擇性Si蝕刻580的實驗結果。電漿蝕刻係在CCP系統中加以執行，其中處理條件包含：在13.56 MHz之75 W的下電極功率、10℃的基板支架溫度、及由H2
和Ar所組成的處理氣體。上電極係未被供電。腔室壓力係從20-150毫托加以變化。結果顯示Si蝕刻相對於SiN蝕刻及SiO2
蝕刻之非常高的蝕刻選擇性。在這些處理條件下，雖然氫離子係高能的，其離子能量（Eion
）＞基板的濺鍍閾值，但原子氫仍係主要的蝕刻劑物種。根據本發明的實施例，處理條件可包含在13.56 MHz之75-250 W的下電極功率。
圖6和7根據本發明的一實施例顯示Si蝕刻的實驗結果。在圖6中，圖顯示使用光發射光譜學（OES）之在656.5 nm處測量之H電漿強度600相對於電漿運行時間。在圖7中，圖顯示使用OES之在414.0 nm處測量之SiH電漿強度700相對於電漿運行時間。圖6及7中的結果顯示藉由原子氫之矽的化學蝕刻之證據。電漿蝕刻係在CCP系統中加以執行，其中處理條件包含：在60 MHz之200 W的上電極功率、10℃的基板支架溫度、及由H2
和Ar所組成的處理氣體。下電極係未被供電。腔室壓力係20毫托。根據本發明的實施例，處理條件可包含在60 MHz之200-1000 W的上電極功率及20-150毫托的腔室壓力。
圖8A-8F根據本發明的一實施例顯示相對於SiN蝕刻及SiO2
蝕刻之選擇性Si蝕刻的實驗結果。圖8A和8B中的橫剖面掃描式電子顯微鏡（SEM）的圖顯示剛接收的樣本，其包含在多晶矽凸起層之側壁部分上的SiN側壁間隔層，兩者皆覆蓋SiO2
層。
圖8C和8D顯示在電漿蝕刻製程（心軸拉除）之後的SEM圖，該電漿蝕刻製程相對於SiN側壁間隔層和SiO2
層選擇性地蝕刻多晶矽凸起層。該電漿蝕刻製程係使用CCP電漿處理系統加以執行，而處理條件包含：在60 MHz之200 W的上電極功率、10℃的基板支架溫度、及由H2
和Ar所組成的處理氣體。下電極係未被供電。腔室壓力係20毫托。根據本發明的實施例，處理條件可包含在60 MHz之200-1000 W的上電極功率及20-150毫托的腔室壓力。
圖8E和8F顯示在電漿蝕刻製程（心軸拉除）之後的SEM圖，該電漿蝕刻製程在CCP電漿處理系統中使用習知的含鹵素化學品以形成SiN側壁間隔層。製程條件包含：在60 MHz之500 W的上電極功率、在13.56 MHz之100 W的下電極功率、90 sccm的Cl2
氣體流、50℃的基板支架溫度、及75秒的運行時間。腔室壓力係80毫托。
圖8C和8D中之本發明的蝕刻製程與圖8E和8F中的習知蝕刻製程之比較，顯示本發明的蝕刻製程不會導致聚合物殘留、減少SiN側壁間隔層的漸縮、及藉由高蝕刻選擇性減少氧化物的凹部。
根據本發明的實施例，處理氣體可為使用各種不同的電漿源加以電漿激發。根據一實施例，電漿源可包含CCP源，該CCP源包含上板電極及支撐基板的下板電極。射頻（RF）功率可使用RF產生器及阻抗網路提供至上板電極、下板電極、或上板電極和下板電極兩者。施加至上電極之RF功率的典型頻率範圍係從10 MHz至200 MHz，且可為60 MHz。此外，施加至下電極之RF功率的典型頻率範圍係從0.1 MHz至100 MHz，且可為13.56 MHz。可用以執行心軸拉除蝕刻製程的CCP系統係在圖8C及8D中加以顯示。根據一實施例，形成經電漿激發的處理氣體包含使用產生高的自由基對離子通量比的遠程電漿源產生電漿。該遠程電漿源可位在電漿處理腔室的外部，且經電漿激發的氣體流進電漿處理腔室以處理基板。
圖9描繪的示例電漿處理系統500包含：腔室510；基板支架520，待處理的基板525係被固定在其上；氣體注入系統540；及真空泵系統550。腔室510係配置成促進在毗鄰基板525表面的處理區域545中之電漿的產生，其中電漿係經由在加熱的電子與可離子化的氣體之間的碰撞而形成。可離子化的氣體或氣體混合物係經由氣體注入系統540加以引入，且製程壓力係加以調整。舉例而言，閘閥（未顯示）係用以節流控制真空泵系統550。
基板525係藉由機器人基板轉移系統透過槽閥（未顯示）及腔室饋通部（未顯示）轉移進出腔室510，其中基板係由配置於基板支架520內的基板升降銷（未顯示）加以接收，且由配置於其中的元件機械地平移。一旦基板525係從基板轉移系統加以接收，基板525係加以下降至基板支架520的上表面。
在一替代的實施例中，基板525係藉由靜電夾具（未顯示）固定於基板支架520。此外，基板支架520進一步包含冷卻系統，該冷卻系統包含再循環的冷卻劑流，其從基板支架520接收熱且轉移熱至熱交換器系統（未顯示），或當加熱時，從熱交換器系統轉出熱。再者，氣體可遞送至基板的背面以增進基板525與基板支架520之間的氣間隙熱傳導。這樣的一個系統係使用於當基板的溫度控制係需要提高或降低溫度時。舉例而言，在超過由於從電漿遞送至基板525的熱通量與從基板525藉由傳導至基板支架520而移除的熱通量之平衡所獲得的穩定狀態溫度之溫度下，基板的溫度控制可為有用的。在其他實施例中，包含諸如電阻加熱元件、或熱電加熱器/冷卻器的加熱元件。
在第一實施例中，基板支架520進一步作為電極，射頻（RF）功率係經由該電極耦合至處理區域545中的電漿。舉例而言，基板支架520係藉由將RF功率自RF產生器530經由阻抗匹配網路532傳送至基板支架520，而以一RF電壓加以電偏壓。RF偏壓用以加熱電子及從而形成及維持電漿。在此配置中，系統運作為反應性離子蝕刻（RIE）反應器，其中腔室及上部氣體注入電極作為接地表面。典型的RF偏壓頻率之範圍從0.1 MHz至100 MHz，且可為13.56 MHz。在一替代的實施例中，RF功率係以多個頻率施加至基板支架電極。此外，阻抗匹配網路532作用為藉由最小化反射的功率而將RF功率對處理腔室510中之電漿的傳送最大化。匹配網路拓樸（例如：L型、π型、T型等）及自動控制方法係為精於本項技術之人士所熟知。
繼續參照圖9，處理氣體542（例如含有H2
及選用性的Ar）係經由氣體注入系統540引入至處理區域545。氣體注入系統540可包含噴淋頭，其中處理氣體542係從氣體遞送系統（未顯示）經由氣體注入充氣部（未顯示）、一系列擋板（未顯示）、及多孔噴淋頭氣體注入板（未顯示）供應至處理區域545。
真空泵系統550較佳是包含能夠高達每秒5000公升（或更大）泵速度的渦輪分子真空泵（TMP）及用於調節腔室壓力的閘閥。在用於乾電漿蝕刻的習知電漿處理裝置中，每秒1000至3000公升的TMP係加以使用。對於一般小於50毫托的低壓處理而言，TMP係有用的。在較高壓力下，TMP泵速度急劇下降。對於高壓處理（即大於100毫托）而言，機械升壓泵及乾粗抽泵係加以使用。
電腦555包含微處理器、記憶體、及能夠產生控制電壓的數位I/O埠，其足以傳輸及啟動對於電漿處理系統500的輸入，及監控來自電漿處理系統500的輸出。此外，電腦555係耦接至RF產生器530、阻抗匹配網路532、氣體注入系統540、及真空泵系統550，且與上述各者交換訊息。儲存在記憶體中的程式係用以根據儲存的製程配方啟動對於上述電漿處理系統500之元件的輸入。
電漿處理系統500進一步包含上板電極570，RF功率係經由阻抗匹配網路574從RF產生器572耦合至該上板電極570。施加至上電極之RF功率的典型頻率範圍係從10 MHz至200 MHz，且較佳為60 MHz。此外，施加至下電極之功率的典型頻率範圍係從0.1 MHz至30 MHz。此外，電腦555係耦接至RF產生器572及阻抗匹配網路574，以控制對上板電極570的RF功率施加。
使用氫電漿之矽提取的方法已在各種實施例中加以揭示。上述本發明實施例的描述係呈現為說明及描述的目的。其係非意欲為詳盡的或將本發明限制為所揭示的精確形式。此說明及以下的申請專利範圍包含僅用於描述目的且不應被理解為限制的術語。精於相關技術之人士可理解，根據上述教示，許多修改和變化是可能的。精於本項技術之人士將理解對於顯示於圖中的各種元件之各種等效組合及代換。因此，本發明的範圍不受此詳細說明限定，而是由隨附申請專利範圍限定。
100‧‧‧基板101‧‧‧二氧化矽（SiO2）層102‧‧‧Si凸起特徵部103‧‧‧水平部分105‧‧‧垂直部分106‧‧‧氮化矽（SiN）側壁間隔層107‧‧‧聚合物殘留物109‧‧‧凹部300‧‧‧SiO2層302‧‧‧Si層306‧‧‧SiO2層308‧‧‧SiN側壁間隔層310‧‧‧Si層480‧‧‧選擇性Si蝕刻482‧‧‧SiN蝕刻484‧‧‧SiO2蝕刻500‧‧‧電漿處理系統510‧‧‧腔室520‧‧‧基板支架525‧‧‧基板530‧‧‧RF產生器532‧‧‧阻抗匹配網路540‧‧‧氣體注入系統542‧‧‧處理氣體545‧‧‧處理區域550‧‧‧真空泵系統555‧‧‧電腦570‧‧‧上板電極572‧‧‧RF產生器574‧‧‧阻抗匹配網路580‧‧‧選擇性Si蝕刻582‧‧‧SiN蝕刻584‧‧‧SiO2蝕刻600‧‧‧H電漿強度700‧‧‧SiH電漿強度
本發明更完整的理解及其中許多伴隨的優點，藉由參考下列詳細的描述與隨附圖示變得更好理解，其中：
圖1A-1B透過橫剖面圖示意性地顯示一種處理基板的方法；
圖2A-2B根據本發明的一實施例透過橫剖面圖示意性地顯示一種處理基板的方法；
圖3A及3B根據本發明的一實施例透過橫剖面圖示意性地顯示一種處理基板的方法；
圖4根據本發明的一實施例顯示相對於SiN蝕刻及SiO2
蝕刻之選擇性Si蝕刻的實驗結果；
圖5根據本發明的一實施例顯示相對於SiN蝕刻及SiO2
蝕刻之選擇性Si蝕刻的實驗結果；
圖6和7根據本發明的一實施例顯示Si蝕刻的實驗結果；
圖8A-8F根據本發明的一實施例顯示相對於SiN蝕刻及SiO2
蝕刻之選擇性Si蝕刻的實驗結果；及
圖9根據本發明的一實施例示意性地顯示電容耦合電漿（CCP）系統。
100‧‧‧基板
101‧‧‧二氧化矽(SiO2)層
106‧‧‧氮化矽(SiN)側壁間隔層
Claims (16)
- 一種基板處理方法，包含：提供一基板，該基板包含：由元素矽所組成的一第一材料，及不同於該第一材料的一第二材料；形成含有H2及選用性的Ar之經電漿激發的一處理氣體，其中形成經電漿激發之該處理氣體的步驟包含使用一電容耦合電漿源產生電漿，該電容耦合電漿源包含一上板電極及支撐該基板的一下板電極，且其中該電漿係在該上板電極與該下板電極之間產生；及將該基板曝露於經電漿激發的該處理氣體，以相對於該第二材料選擇性地蝕刻該第一材料，其中該第一材料包含在該基板上的凸起特徵部，該第二材料在該等凸起特徵部的垂直部分上形成側壁間隔層，且該曝露步驟移除該第一材料的該等凸起特徵部但沒有移除該等側壁間隔層，且其中該第一及第二材料係直接接觸下面的SiO2材料，且該第二材料包含SiN。
- 如申請專利範圍第1項之基板處理方法，其中，該處理氣體由H2所組成。
- 如申請專利範圍第1項之基板處理方法，其中，該處理氣體由H2和Ar所組成。
- 如申請專利範圍第1項之基板處理方法，其中，該元素矽包含多晶矽。
- 如申請專利範圍第1項之基板處理方法，其中，該元素矽包含非晶矽。
- 一種基板處理方法，包含：提供一基板，該基板包含：由元素矽所組成的一第一材料，及選自由SiN、SiO2、及其組合組成的群組之一第二材料；形成由H2及Ar所組成之經電漿激發的一處理氣體，其中形成經電漿激發之該處理氣體的步驟包含使用一遠程電漿源產生電漿，該遠程電漿源產生高的自由基對離子通量的比例；及將該基板曝露於經電漿激發的該處理氣體，以相對於該第二材料選擇性地蝕刻該第一材料。
- 如申請專利範圍第6項之基板處理方法，其中，該第一材料包含在該基板上的凸起特徵部，該第二材料在該等凸起特徵部的垂直部分上形成側壁間隔層，且其中，該曝露步驟移除該第一材料的該等凸起特徵部但沒有移除該等側壁間隔層。
- 如申請專利範圍第6項之基板處理方法，其中，該元素矽包含多晶矽。
- 如申請專利範圍第6項之基板處理方法，其中，該元素矽包含非晶矽。
- 一種基板處理方法，包含：提供一基板，該基板包含：一第一材料，其具有在該基板上的凸起特徵部；一第二材料，其在該等凸起特徵部的垂直部分上形成側壁間隔層，其中，該第一及第二材料係直接接觸下面的一第三材料，該第一材料由元素矽所組成，該第二材料由SiN所組成，且該第三材料由SiO2所組成；形成由H2及選用性的Ar所組成之經電漿激發的一處理氣體；及將該基板曝露於經電漿激發的該處理氣體，以相對於該第二材料及該第三材料選擇性地移除該第一材料。
- 如申請專利範圍第10項之基板處理方法，其中，形成經電漿激發之該處理氣體的步驟包含使用一電容耦合電漿源產生電漿，該電容耦合電漿源包含一上板電極及支撐該基板的一下板電極。
- 如申請專利範圍第10項之基板處理方法，其中，形成經電漿激發之該處理氣體的步驟包含使用一遠程電漿源產生電漿，該遠程電漿源產生高的自由基對離子通量的比例。
- 如申請專利範圍第10項之基板處理方法，其中，該處理氣體由H2所組成。
- 如申請專利範圍第10項之基板處理方法，其中，該處理氣體由H2和Ar所組成。
- 如申請專利範圍第10項之基板處理方法，其中，該元素矽包含多晶矽。
- 如申請專利範圍第10項之基板處理方法，其中，該元素矽包含非晶矽。
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