專利名稱：用于干法刻蝕含鉿材料的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用干法等離子體處理刻蝕襯底上的含鉿層的方法和
系統(tǒng)，更具體而言，涉及一種利用包含BCl3和添加氣體(additive gas)的 處理氣體刻蝕含鉿層的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
如半導(dǎo)體領(lǐng)域已知的，半導(dǎo)體器件尺寸的減小已經(jīng)變得絕對(duì)必要，以 提高器件性能并降低功耗。因此，工藝開發(fā)和集成問題是對(duì)新柵極堆疊材 料和硅化物處理的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，其中迫切地需要將Si02和氮氧化硅
(SiNxOy)替換為高介電常數(shù)電介質(zhì)材料(這里也稱為"高k"材料)， 并且使用替換的柵極電極材料來替代亞0.1 pm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體
(CMOS)技術(shù)中的摻雜多晶硅。其特征在于介電常數(shù)大于Si02的介電常 數(shù)(k 3.9)的電介質(zhì)材料通常被稱為高k材料。另外，高k材料可以指被 沉積到襯底上的電介質(zhì)材料(例如Hf02、 Zr02)，而不是在襯底表面上生 長的電介質(zhì)材料(例如Si02、 SiNxOy)。高k材料可包括金屬硅化物或氧 化物(例如，Ta205 (k 26)、 TiO2(k 80)、 Zr02(k 25)、 Al203 (k~9)、 HfSiO、 Hf02(k~25))。在半導(dǎo)體器件的制造期間，高k層必須被刻蝕和 去除以允許源極/漏極區(qū)域的硅化，并且降低在離子注入期間金屬雜質(zhì)被注 入到源極/漏極區(qū)域中的風(fēng)險(xiǎn)。然而，這些材料必須在對(duì)柵極結(jié)構(gòu)的損傷最 小化等等的情況下刻蝕。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于刻蝕襯底上的含鉿層的方法和系統(tǒng)。該方法包括 使用具有BCl3和添加氣體的處理組合物。添加氣體可包括含氧氣體、含氮 氣體、或含烴氣體、或者其中兩者或更多者的組合。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，描述了一種刻蝕襯底上的含鉿層的方法，以及一種 包含用于執(zhí)行該方法的指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，包括將具有含鉿層的襯 底放置在等離子體處理系統(tǒng)中，其中限定有圖案的掩模層覆蓋在含鉿層 上；將襯底的溫度提升到高于大約30攝氏度；向等離子體處理系統(tǒng)引入 包含BCl3和添加氣體的處理組合物；在等離子體處理系統(tǒng)中由處理組合物 形成等離子體；以及將襯底暴露于等離子體以將圖案刻蝕到含鉿層中。添 加氣體可包括含氧氣體、含氮?dú)怏w、或含烴氣體、或者其中兩者或更多者 的組合。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，描述了一種用于刻蝕襯底上的含鉿層的等離子體 處理系統(tǒng)，包括等離子體處理室和控制器，等離子體處理室適用于由處理 組合物形成等離子體以刻蝕含鉿層，控制器耦合到等離子體處理室，并且 被配置為執(zhí)行利用處理組合物的工藝流程，該處理組合物包含BCl3和添加 氣體，添加氣體包括含氧氣體、含氮?dú)怏w、或烴氣體、或者其中兩者或更 多者的組合。


在附圖中
圖1A、 1B和1C圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例用于圖案刻蝕膜堆疊的過程 的示意性圖示；
圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的等離子體處理系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖； 圖3示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的等離子體處理系統(tǒng)的示意圖； 圖4示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的等離子體處理系統(tǒng)的示意圖； 圖5示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的等離子體處理系統(tǒng)的示意圖； 圖6示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的等離子體處理系統(tǒng)的示意圖； 圖7示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的等離子體處理系統(tǒng)的示意圖； 圖8A至8G圖示了用于刻蝕含鉿層的示例性工藝數(shù)據(jù)；以及
圖9給出了一種根據(jù)一個(gè)實(shí)施例在等離子體處理系統(tǒng)中刻蝕襯底上的
含鉿層的方法。
具體實(shí)施例方式
在下面的描述中，出于說明而非限制目的，闡述了具體細(xì)節(jié)，例如等 離子體處理系統(tǒng)的特定幾何形狀以及各種工藝的描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解， 在脫離這些具體細(xì)節(jié)的其他實(shí)施例中也可實(shí)施本發(fā)明。
在材料處理方法中，圖案刻蝕包括向襯底的上表面施加諸如光刻膠之 類的光敏材料的薄層，該薄層隨后被圖案化以提供用于在刻蝕期間將該圖 案轉(zhuǎn)移到襯底上的下層薄膜的掩模。光敏材料的圖案化一般包括例如利用 光刻系統(tǒng)通過輻射源透過光敏材料的光罩(和相關(guān)的光學(xué)元件)進(jìn)行曝 光，接著利用顯影劑去除光敏材料的被輻射區(qū)域(在正型光刻膠的情況 下)或未輻射區(qū)域(在負(fù)型光刻膠的情況下)。而且，該掩模層可包括多 個(gè)子層。
在圖案刻蝕期間，經(jīng)常采用干法等離子體刻蝕工藝，其中通過將諸如
射頻(RF)功率之類的電磁(EM)能量耦合到處理氣體來由處理氣體形 成等離子體，以加熱電子并引起隨后處理氣體的原子和/或分子組分的離子 化和離解。使用一系列干法刻蝕工藝，例如使用如上所述的光刻工藝在初 始掩模層中形成的圖案被轉(zhuǎn)移到膜堆疊內(nèi)的下層，包括最終產(chǎn)品(例如電 子器件)所期望的一個(gè)或多個(gè)材料層。
例如，如圖1A至1C所示，圖示了包括形成在襯底110上的多個(gè)層 120至170的膜堆疊100。膜堆疊IOO例如可包括具有多晶硅層150、金屬 或含金屬層140、以及作為柵極電介質(zhì)或柵極電介質(zhì)的一部分的高介電常 數(shù)(高k)電介質(zhì)層130的多晶硅(多晶硅或者poly-Si)柵極堆疊。含金 屬層140例如可以是金屬/多晶硅柵極電極的一部分。含金屬層140可以厚 達(dá)幾百埃(A)，例如約為IOOA，并且它可包含W、 WN、 WSix、 Al、 Mo、 MoN、 Ta、 TaN、 TaSiN、 HfN、 HfSi、 HfSiN、 Ti、 TiN、 TiSiN、 Re、 Ru或Pt。引入金屬柵極電極以替代傳統(tǒng)的多晶硅柵極電極層或者與 傳統(tǒng)的多晶硅柵極電極層相集成可以帶來若干好處，包括消除了多晶硅柵 極耗盡效應(yīng)、減小了薄膜電阻、先進(jìn)高k層上更好的可靠性和(可能)更 好的熱穩(wěn)定性。例如，柵極電介質(zhì)還可包括高k層和襯底之間的界面層 120，例如二氧化硅(Si02)的薄層。高k電介質(zhì)層130例如可包括含鉿的
7層，例如氧化鉿層(例如Hf02)或硅酸鉿層(例如HfSiO)。
膜堆疊100還包括圖案化掩模層180，例如其中利用光刻工藝形成有 圖案的光刻膠層。另外，例如，膜堆疊100可包括用于對(duì)掩模層180圖案 化的抗反射涂層(ARC) 170，以及用于對(duì)多晶硅層150進(jìn)行干法刻蝕的 一個(gè)或多個(gè)硬掩模層160，例如二氧化硅(Si02)硬掩模。
如圖1B和1C所示，選擇用于將圖案轉(zhuǎn)移到下層的膜堆疊的一系列刻 蝕工藝，以保留被轉(zhuǎn)移的圖案的完整性(例如臨界尺寸等)并且使得對(duì)在 制作電子器件中用到的那些層的損傷最小化。 一種關(guān)鍵刻蝕工藝包括將圖 案轉(zhuǎn)移到高k電介質(zhì)膜130，而不損傷例如多晶硅層150或下層的SiCb界 面層120，或者這兩者。
用于刻蝕含鉿的高k層的傳統(tǒng)工藝包括使用基于HBr/Cl2的處理化學(xué) 組分。然而，這些刻蝕化學(xué)組分已知會(huì)刻蝕多晶硅層150和下層的SiO2界 面層120。例如，當(dāng)使用基于HBr/Cl2的處理化學(xué)組分時(shí)，發(fā)明人觀察到 Hf02和Poly-Si之間的刻蝕選擇比大于10，但是發(fā)明人還觀察到Hf02和 Si02之間的刻蝕選擇比范圍僅從1.5到2.5。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，用于將圖案轉(zhuǎn)移到高k電介質(zhì)層130中的圖案刻蝕 工藝包括引入包含BCl3和添加氣體的處理組合物。添加氣體被預(yù)期用作鈍 化氣體，從而添加氣體提供了在不希望發(fā)生刻蝕的表面處的鈍化。因而， 圖案刻蝕工藝可以提供Hf02和不希望發(fā)生刻蝕的那些材料(例如Poly-Si 和SiO》之間的刻蝕選擇比的改善。
添加氣體可包括含氧氣體、含氮?dú)怏w、或烴氣體(由CxHy表征，其 中x和y是大于或等于1的整數(shù))、或者其中兩者或更多者的組合。例 如，含氧氣體可包括02、 NO、 N02、 N20、 CO、或C02、或者其中兩者 或更多者的組合。另外，例如，含氮?dú)怏w可包括N2或NH3或其中兩者或 更多者的組合。此外，烴氣體可包括C2H4、 CH4、 C2H2、 C2H6、 C3H4、
C3H6 、 C3H8 、 C4H6 、 C4H8 、 C4H10 、 C5H8 、 C5H1() 、 CeH6 、 C6Hio 、 或
C6H12、或者其中兩者或更多者的組合。處理組合物還可包括惰性氣體，例 如稀有氣體(例如He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，圖2中所示的等離子體處理系統(tǒng)1包括等離子體處
8理室10、耦合到等離子體處理室10的可選診斷系統(tǒng)12、以及耦合到可選 診斷系統(tǒng)12和等離子體處理室10的控制器14?？刂破?4被配置為執(zhí)行 如下的工藝流程，該工藝流程包括至少一個(gè)被配置來利用由如上所述包含 BCl3和添加氣體的處理組合物的引入而形成的等離子體對(duì)含鉿層進(jìn)行刻蝕 的步驟。另外，控制器14被可選地配置為接收來自診斷系統(tǒng)12的至少一 個(gè)結(jié)束點(diǎn)信號(hào)并對(duì)該至少一個(gè)結(jié)束點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行后處理以準(zhǔn)確確定工藝的結(jié) 束點(diǎn)?；蛘?，控制器14利用預(yù)定時(shí)間來設(shè)定工藝的結(jié)束點(diǎn)。在圖示實(shí)施 例中，圖2中所示的等離子體處理系統(tǒng)1利用等離子體來進(jìn)行材料處理。 等離子體處理系統(tǒng)1可包括刻蝕室。
圖3圖示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的等離子體處理系統(tǒng)。等離子體處理系 統(tǒng)la包括等離子體處理室10、要處理的襯底25被固定于其上的襯底夾持 器20和真空泵系統(tǒng)30。襯底25可以是半導(dǎo)體襯底、晶片或液晶顯示器。 等離子體處理室10可以被配置為適用于在與襯底25的表面相鄰的處理區(qū) 域15中生成等離子體。經(jīng)由氣體注入系統(tǒng)(未示出)來引入可離子化的 氣體或氣體混合物，并且調(diào)節(jié)處理壓強(qiáng)。例如，控制機(jī)構(gòu)(未示出)可以 用于對(duì)真空泵系統(tǒng)30進(jìn)行節(jié)流。等離子體可以用于產(chǎn)生特定于預(yù)定材料 工藝的材料，并且/或者幫助從襯底25的暴露表面去除材料。等離子體處 理系統(tǒng)la可以被配置為處理任何尺寸的襯底，例如200 mm襯底、300 mm襯底或更大的襯底。
襯底25可以經(jīng)由靜電夾緊系統(tǒng)固定到襯底夾持器20。此外，襯底夾 持器20還可包括溫度控制系統(tǒng)，用于在各種刻蝕工藝期間控制襯底25的 溫度。例如，在用于刻蝕高k電介質(zhì)層(例如含鉿層)的刻蝕工藝期間， 溫度控制系統(tǒng)包括加熱系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)被配置為將襯底25的溫度提升到 大約30攝氏度或更高。或者，溫度控制系統(tǒng)包括被配置為將襯底25的溫 度提升到大約50攝氏度或更高的加熱系統(tǒng)?；蛘?，溫度控制系統(tǒng)包括被 配置為將襯底25的溫度提升到大約75攝氏度或更高的加熱系統(tǒng)?；蛘撸?溫度控制系統(tǒng)包括被配置為將襯底25的溫度提升到大約100攝氏度或更 高的加熱系統(tǒng)?；蛘?，溫度控制系統(tǒng)包括被配置為將襯底25的溫度提升 到大約200攝氏度或更高的加熱系統(tǒng)。例如，襯底溫度可以從大約50攝氏度到大約250攝氏度，并且可以從大約50攝氏度到大約IOO攝氏度。
另外，例如，在用于刻蝕多晶硅層的刻蝕工藝期間，溫度控制系統(tǒng)包 括被配置為將襯底25的溫度提升到大約100攝氏度或更低的加熱系統(tǒng)。 又例如，在用于刻蝕Si02層的刻蝕工藝期間，溫度控制系統(tǒng)包括被配置為 將襯底25的溫度降低到或者維持在大約20到30攝氏度的冷卻系統(tǒng)。
襯底夾持器20可包含具有冷卻系統(tǒng)或加熱系統(tǒng)或這兩者的溫度控制 系統(tǒng)。例如，冷卻系統(tǒng)或加熱系統(tǒng)可包含再循環(huán)流體流，該再循環(huán)流體流 在冷卻時(shí)從襯底夾持器20接收熱量并將熱量轉(zhuǎn)移到熱交換系統(tǒng)(未示 出)，或者在加熱時(shí)將熱量從熱交換系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到流體流。另外，例如，冷 卻系統(tǒng)或加熱系統(tǒng)可包含加熱/冷卻元件，例如電阻性加熱元件或者位于襯 底夾持器20內(nèi)的熱電加熱器/冷卻器。
而且，襯底夾持器20可以適用于經(jīng)由背面氣體供應(yīng)系統(tǒng)將傳熱氣體 傳輸?shù)揭r底25的背面，以提高襯底25和襯底夾持器20之間的氣體間隙熱 導(dǎo)率。當(dāng)需要對(duì)襯底在提升或降低的溫度下進(jìn)行溫度控制時(shí)可以使用這種 系統(tǒng)。例如，背面氣體系統(tǒng)可包括兩區(qū)氣體分布系統(tǒng)，其中背面氣體(例 如氦)壓強(qiáng)可以在襯底25的中心和邊緣之間獨(dú)立變化。
在其他實(shí)施例中，諸如電阻性加熱元件或熱電加熱器/冷卻器之類的加 熱/冷卻元件可被包括在等離子體處理室10的室壁中，或被包括在等離子 體處理系統(tǒng)la內(nèi)的任何其他組件中。
在圖3所示的實(shí)施例中，襯底夾持器20可包含電極，RF功率通過該 電極耦合到處理空間15中的處理等離子體。例如，通過經(jīng)由可選的阻抗 匹配網(wǎng)絡(luò)42將RF功率從RF發(fā)生器40發(fā)送到襯底夾持器20，襯底夾持 器20可以被偏置在某一 RF電壓。RF偏置可以用來加熱電子以形成并維 持等離子體，或者影響鞘內(nèi)的離子能量分布功能，或者這兩者。在該配置 中，系統(tǒng)可以操作為反應(yīng)離子刻蝕(RIE)反應(yīng)器，其中室可以用作地表 面。用于RF偏置的典型頻率可以從O.l MHz至l」100 MHz。用于等離子體 處理的RF系統(tǒng)是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。
此外，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)42用來通過減小反射功率來提高向等離子體處 理室IO中的等離子體傳送RF功率的能力。匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?例如L型、兀型、T型等等)和自動(dòng)控制方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。
仍然參考圖3，等離子體處理系統(tǒng)la可選地包含耦合到與襯底25相 對(duì)的上電極52的直流(DC)電源50。上電極52可包括電極板。電極板 可包括含硅的電極板。而且，電極板可包括摻雜硅的電極板。DC電源可 包括可變DC電源。另外，DC電源可包括雙極DC電源。DC電源50還可 包括被配置為執(zhí)行以下操作中的至少一種的系統(tǒng)監(jiān)視調(diào)節(jié)、或者控制 DC電源50的極性、電流、電壓和/或開/關(guān)狀態(tài)。 一旦形成了等離子體， DC電源50就可輔助彈道電子束的形成。電子過濾器可以用于將RF功率 與DC電源50解耦合。
例如，由DC電源50施加到電極52的DC電壓可以從大約-2000伏 (V)到大約1000 V。優(yōu)選地，DC電壓的絕對(duì)值具有等于或大于大約100 V的值，并且更優(yōu)選地，DC電壓的絕對(duì)值具有等于或大于大約500 V的 值。另外，優(yōu)選地DC電壓具有負(fù)極性。此外，優(yōu)選地DC電壓是具有大 于在上電極52的表面上生成的自偏置電壓的絕對(duì)值的負(fù)電壓。與襯底夾 持器20面對(duì)的上電極52的表面可以由含硅材料構(gòu)成。
真空泵系統(tǒng)30可包含泵速能高達(dá)5000公升每秒(以及更大)的渦輪 分子真空泵(TMP)和用于節(jié)流室壓強(qiáng)的門閥。在傳統(tǒng)的用于干法等離子 體刻蝕的等離子體處理設(shè)備中，可以采用1000到3000公升每秒的TMP。 TMP可以用于一般小于50 mTorr的低壓處理。對(duì)于高壓處理(即，大于 100mTorr)，可以使用機(jī)械增壓泵和干法粗抽泵。此外，用于監(jiān)視室壓強(qiáng) (未示出)的設(shè)備可以耦合到等離子體處理室10。壓強(qiáng)測(cè)量設(shè)備例如可以 是可從MKS Instruments Inc. (Andover, MA)購得的628B型Baratron絕對(duì) 電容壓力計(jì)。
仍然參考圖3，等離子體處理系統(tǒng)la還包括控制器90，控制器90包 括微處理器、存儲(chǔ)器和數(shù)字1/0端口，其能夠生成控制電壓，該控制電壓 足以傳輸并激活到等離子體處理系統(tǒng)la的輸入以及監(jiān)視來自等離子體處理 系統(tǒng)la的輸出。而且，控制器90可以耦合到RF發(fā)生器40、阻抗匹配網(wǎng) 絡(luò)42、可選DC電源50、氣體注入系統(tǒng)(未示出)、真空泵系統(tǒng)30、以 及背面氣體傳輸系統(tǒng)(未示出)、襯底/襯底夾持器溫度控制系統(tǒng)(未示出)、和/或靜電夾緊系統(tǒng)(未示出)，并與這些組件交換信息。存儲(chǔ)在存
儲(chǔ)器中的程序可以用于根據(jù)工藝流程激活到等離子體處理系統(tǒng)la的前述組 件的輸入，以執(zhí)行刻蝕薄膜的方法?？刂破?0的一個(gè)示例是可以從Texas, Austin, Dell Corporation得到的DELL PRECISION WORKSTATION 610 。
控制器90可以位于等離子體處理系統(tǒng)la本地，或者它可以經(jīng)由因特 網(wǎng)或內(nèi)聯(lián)網(wǎng)位于等離子體處理系統(tǒng)la遠(yuǎn)處。因而，控制器90可以利用直 接連接、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或因特網(wǎng)中的至少一種與等離子體處理系統(tǒng)la交換數(shù)據(jù)。 控制器90可以耦合到在客戶位置(即，器件制造者等)處的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，或 者耦合到在供應(yīng)商位置(即，設(shè)備制造商)處的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。此外，另一臺(tái)計(jì) 算機(jī)(即，控制器、服務(wù)器等)可以經(jīng)由直接連接、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或因特網(wǎng)中的 至少一種訪問控制器90以交換數(shù)據(jù)。
在圖4所示的實(shí)施例中，等離子體處理系統(tǒng)lb可以類似于圖2或3的 實(shí)施例，并且還包括固定的、或者機(jī)械或電旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)系統(tǒng)60，以潛在增 大等離子體密度和/或提高等離子體處理均勻性。而且，控制器90可以耦 合到磁場(chǎng)系統(tǒng)60，以調(diào)控旋轉(zhuǎn)的速度和場(chǎng)強(qiáng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式 是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。
在圖5所示的實(shí)施例中，等離子體處理系統(tǒng)lc可以類似于圖2或圖3 的實(shí)施例，并且還可包括RF發(fā)生器70， RF發(fā)生器70被配置為通過可選 的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)72將RF功率耦合到上電極52。用于向上電極52施加RF 功率的典型頻率可以從約O.l MHz到約200 MHz。另夕卜，用于向襯底夾持 器20 (或下電極)施加功率的典型頻率可以從約O.l MHz到約100MHz。 例如，耦合到上電極52的RF頻率可以相對(duì)高于耦合到襯底夾持器20的 RF頻率。此外，從RF發(fā)生器70到上電極52的RF功率可以被幅度調(diào) 制，或者從RF發(fā)生器40到襯底夾持器20的RF功率可以被幅度調(diào)制，或 者這兩個(gè)RF功率都可被幅度調(diào)制。優(yōu)選地，處于較高RF頻率的RF功率 被幅度調(diào)制。而且，控制器90耦合到RF發(fā)生器70和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)72， 以控制向上電極52施加RF功率的操作。上電極的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式是本領(lǐng) 域技術(shù)人員所公知的。
12仍然參考圖5，可選的DC電源50可以直接耦合到上電極52，或者它 可以耦合到從阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)72的輸出端延伸到上電極52的RF傳輸線。 電過濾器可以用于將RF功率與DC電源50解耦合。
在圖6所示的實(shí)施例中，等離子體處理系統(tǒng)ld例如可以類似于圖2、 3和4的實(shí)施例，并且還可包括電感線圈80， RF功率通過可選的阻抗匹配 網(wǎng)絡(luò)84經(jīng)由RF發(fā)生器82耦合到電感線圈80。 RF功率通過電介質(zhì)窗口 (未示出)從電感線圈80電感耦合到等離子體處理區(qū)15。用于向電感線 圈80施加RF功率的典型頻率可以從約10 MHz到約100 MHz。類似地， 用于向襯底夾持器20 (或下電極)施加功率的典型頻率可以從約0.1 MHz 到約lOOMHz。另外，縫隙式法拉第護(hù)罩(未示出)可以用于減少電感線 圈80和等離子體之間的電容耦合。而且，控制器90耦合到RF發(fā)生器82 和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)84，以控制向電感線圈80施加功率的操作。在替換實(shí)施 例中，電感線圈80可以是從上部與等離子體處理區(qū)15通信的"螺旋"線 圈或"扁平"線圈，如在變壓器耦合等離子體(TCP)反應(yīng)器中一樣。電 感耦合等離子體(ICP)源或者變壓器耦合等離子體(TCP)源的設(shè)計(jì)和實(shí) 現(xiàn)方式是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。
或者，等離子體可以利用電子回旋共振(ECR)形成。在另一個(gè)實(shí)施 例中，等離子體通過螺旋波的引入來形成。在另一個(gè)實(shí)施例中，等離子體 由傳播表面波形成。上述每種等離子體源是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。
在圖7所示的實(shí)施例中，等離子體處理系統(tǒng)le例如可以類似于圖3、 4和5的實(shí)施例，并且還可包括第二 RF發(fā)生器44， RF發(fā)生器44被配置 為通過另一個(gè)可選的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)46將RF功率耦合到襯底夾持器20。對(duì) 于第一 RF發(fā)生器40或第二 RF發(fā)生器44或這兩者來說，用于向襯底夾持 器20施加RF功率的典型頻率可以從約0.1 MHz到約200 MHz。用于第二 RF發(fā)生器44的RF功率可以相對(duì)大于用于第一 RF發(fā)生器40的RF頻率。 此外，從RF發(fā)生器40到襯底夾持器20的RF功率可以被幅度調(diào)制，或者 從RF發(fā)生器44到襯底夾持器20的RF功率可以被幅度調(diào)制，或者這兩個(gè) RF功率都可被幅度調(diào)制。優(yōu)選地，處于較高RF頻率的RF功率被幅度調(diào) 制。而且，控制器90耦合到第二 RF發(fā)生器44和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)46，以控
13制向襯底夾持器20施加RF功率的操作。用于襯底夾持器的RF系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。
在下面的討論中，給出了一種利用等離子體處理設(shè)備刻蝕含鉿層的方 法。例如，等離子體處理設(shè)備可包括各種元件(例如在圖2至7中所描述 的元件)及其組合。
在一個(gè)實(shí)施例中，刻蝕諸如Hf02層之類的含鉿層的方法包括使用包 含BCl3和添加氣體的處理組合物。添加氣體可包括含氧氣體、含氮?dú)怏w、 或烴氣體(由CxHy表征，其中x和y是大于或等于1的整數(shù))、或者其中 兩者或更多者的組合。例如，含氧氣體可包括02、 NO、 N02、 N20、 CO、或C02、或者其中兩者或更多者的組合。另外，例如，含氮?dú)怏w可包 括N2或NH3或其中兩者或更多者的組合。此外，烴氣體可包括C2H4、
CH4、C2H2、C2H6、C3H4、C3H6、C3H8 、C4H6、C4H8 、C4Hl()、C5H8 、
C5H1()、 C6H6、 C6H1()、或QHu、或者其中兩者或更多者的組合。處理組合 物還可包含惰性氣體，例如稀有氣體(例如He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe)。
例如，工藝參數(shù)空間可包括約5到約1000 mTorr的室壓強(qiáng)、從約1到 約500 sccm的BCl3處理氣體流率、從約1到約500 sccm的02處理氣體流 率、從約1到約500 sccm的N2處理氣體流率、從約1到約500 sccm的烴 (CxHy)處理氣體流率、從約10到約500 sccm的Ar處理氣體流率、從約 0到約2000 W的上電極(UEL)(例如圖5中的元件52) RF偏置、以及 從約10到約1000 W的下電極(LEL)(例如圖5中的元件20) RF偏 置。另外，上電極偏置頻率可以從約0.1 MHz到約200 MHz，例如為60 MHz。另外，下電極偏置頻率可以從約0.1 MHz到約100MHz，例如為2 MHz。
在一個(gè)示例中，給出了一種利用諸如圖5中所描述的等離子體處理設(shè) 備刻蝕Hf02層的方法。然而，所討論的方法并不限于該示例性描述的范 圍。表l給出了上電極(UEL) RF功率(瓦，W)、下電極(LED RF功 率(W)、壓強(qiáng)(p;毫托，mTorr)、襯底溫度(T, 。C) 、 BC13流率(每 分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方厘米，sccm) 、 Ar流率(sccm) 、 02流率(sccm) 、 &流率 (sccm) 、 CH4流率(sccm)、以及刻蝕時(shí)間(秒，sec)。另夕卜，表1給出了 Hf02刻蝕速率(每分鐘埃,A/min) 、 Poly-Si刻蝕速率(A/min)、 Si02刻蝕速率(A/min) 、 Hf02對(duì)Poly-Si的刻蝕選擇比(Hf02/Poly-Si)、以及Hf02對(duì)Si02的刻蝕選擇比(Hf02/Si02)。
表1中所列出的每種工藝流程的其他工藝條件包括UEL溫度(例如
圖5中的電極52) = 80攝氏度；并且室壁溫度=50攝氏度。
UELLELPTBC13Aro2N2CH4刻蝕HfG2Poly-SiSi02HRVHfcy
RFRF(mTorr)(°c)(sccm)(sccm)(sccm)(sccm)(sccm)時(shí)間E/RE/RE/RSi02Poly-Si
(w)(w)(sec)(A/min)(A/min)
200251020019000001555.7-17.827.72沉積
200251020017700051541.8-62.223.31.8沉積
2002510200177000131528.3-61.9-4.76沉積沉積
2002510200175000151510.01-63.4-15.1沉積沉積
20025102001600003015-37.4-61.5-79沉積沉積
2002510200175015001510.6134.42.40.8
200251020016003000150.9-53.3-68.6沉積沉積
200251020017710000131531-60.593.4沉積
200251020017700100131523.3-44.30.829.5沉積
表l
如表1所示，使用02作為添加氣體、使用CH4作為添加氣體、以及 使用&與CH4的組合作為添加氣體實(shí)現(xiàn)了 Hf02和Poly-Si、以及Hf02和 Si02之間相對(duì)較高的刻蝕選擇比。例如，第三工藝條件(即，UEL功率 =200W; LEL功率25W; p=10mTorr; T=200。C; BCl3=177sccm;以及 CH4=13sccm)展現(xiàn)了相對(duì)較高的Hf02刻蝕速率(28.3 A/min)，而不刻蝕 Poly-Si和Si02 (沉積條件)。從表l中還可見，BCl3和添加氣體的相對(duì)流 率可以被調(diào)節(jié)以提供對(duì)Hf02、 Poly-Si和Si02不同的刻蝕特性。例如，在 表1的工藝中，BCl3對(duì)CH4流率的相對(duì)較高的比率(例如工藝條件2)將 導(dǎo)致Si02的過量刻蝕，而BCl3對(duì)CH4流率的相對(duì)較低的比率(例如工藝
15條件5)將導(dǎo)致Hf02的不充分刻蝕。因而，在優(yōu)選實(shí)施例中，BCl3和添加 氣體的流率被調(diào)節(jié)以提供IO或更大的Hf02和Poly-Si之間的刻蝕選擇比和 IO或更大的Hf02和Si02之間的刻蝕選擇比。或者，BCl3和添加氣體的相 對(duì)流率被調(diào)節(jié)以提供30或更大的Hf02和Poly-Si之間或者Hf02和Si02之 間的刻蝕選擇比，或者提供30或更大的Hf02和Poly-Si之間以及Hf02和
Si02之間的刻蝕選擇比。
應(yīng)當(dāng)理解，BCl3和添加氣體的相對(duì)流率可以針對(duì)不同于表1的示例中 所使用的工藝參數(shù)而變化，并且可以基于要刻蝕的結(jié)構(gòu)而變化。因而，盡 管表1沒有提供用于實(shí)現(xiàn)期望選擇比的BCl3和添加氣體的精確的相對(duì)流 率，但是該表足夠詳細(xì)地公開了 BCl3和添加氣體流率的影響，以使得本領(lǐng) 域技術(shù)人員可以確定用于特定刻蝕工藝的期望流率。例如，可以執(zhí)行實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)(DOE)以確定用于特定刻蝕工藝的期望相對(duì)流率。
根據(jù)另一個(gè)示例，圖8A和8B圖示了 BCl3流率和下電極(LEL)功 率對(duì)Hf02、 Poly-Si和Si02刻蝕速率的影響。發(fā)明人觀察到，耦合到下電 極(LEL)的RF功率可以用于調(diào)節(jié)Hf02刻蝕速率，艮卩，Hf02刻蝕速率隨 著LEL功率而增大。另外，發(fā)明人觀察到，在使用相對(duì)較高BCl3流率的 情況下，可以調(diào)節(jié)LEL RF功率以提供Hf02和Poly-Si之間相對(duì)較高的刻 蝕選擇比。例如，當(dāng)使用UEL功率=200\￥、 p=10mTorr、 BC13流率 =100sccm且T=200。C的工藝條件時(shí)，從大約10 W到大約50 W的LEL功 率的變化在一直到大約22 W的LEL功率時(shí)實(shí)現(xiàn)了 Poly-Si的沉積條件，
(見圖8A)?；蛘?，在將BCl3流率從100 sccm增大到190 seem并且將 LEL功率從大約10 W變化到大約50 W時(shí)，直到大約30 W的LEL功率， 發(fā)明人觀察到對(duì)于Poly-Si的沉積條件(見圖8B)。因此，通過增大BCl3 的流率，發(fā)明人可以在較高的LEL功率下進(jìn)行操作以實(shí)現(xiàn)較高的Hf02的 刻蝕速率，同時(shí)維持對(duì)于Poly-Si的沉積條件。
根據(jù)另一個(gè)示例，圖8C、 8D和8E圖示了添加氣體(對(duì)BCl3的添加 氣體)對(duì)Hf02、 Poly-Si和Si02刻蝕速率的影響。發(fā)明人觀察到，當(dāng)使用 UEL功率二200W、 LEL功率=25\￥、 p=10mTorr、 BC13流率490sccm且 T=200。C的工藝條件時(shí)，對(duì)BCl3的流添加CH4可以影響Hf02的刻蝕，同
16時(shí)維持Poly-Si和Si02的沉積條件(見圖8C)。另外，發(fā)明人觀察到，當(dāng) 使用UEL功率-200W、 LEL功率-25W、 p=10mTorr、 BC13流率^90sccm 且T=200。C的工藝條件時(shí)，對(duì)BCl3的流添加02可以影響Hf02的刻蝕， 同時(shí)維持Poly-Si和Si02的沉積條件(見圖8D)。另外，發(fā)明人觀察到， 當(dāng)使用UEL功率=200\￥、 LEL功率-25W、 p-10mTorr、 BC13流率 =190sccm且T=200。C的工藝條件時(shí)，對(duì)BC13的流添加CO可以影響Hf02 的刻蝕，并且可以實(shí)現(xiàn)Hf02和Si02之間刻蝕選擇比的增大，同時(shí)維持 Poly-Si和Si02的沉積條件(見圖8E)。
根據(jù)另一個(gè)示例，圖8F和8G圖示了襯底溫度對(duì)Hf02、 Poly-Si和 Si02刻蝕速率的影響。發(fā)明人觀察到，在包括添加氣體的某些工藝條件 下，從大約75攝氏度到大約200攝氏度的襯底溫度的變化導(dǎo)致了 Hf02刻 蝕速率的增大，同時(shí)維持了 Poly-Si和Si02的沉積條件。另外，發(fā)明人觀 察到，在不包括添加氣體的某些工藝條件下，從大約75攝氏度到大約200 攝氏度的襯底溫度的變化導(dǎo)致了 Hf02刻蝕速率的增大，同時(shí)維持了 Poly-Si 的沉積條件并且維持了大約相同的Hf02和Si02之間的刻蝕選擇比。例 如，當(dāng)使用UEL功率=200\￥、 LEL功率=50\￥、 p=10mTorr、 BC13流率 =177sccm且CH4流率43sccm的工藝條件時(shí)，從大約75攝氏度到大約 200攝氏度的襯底溫度的變化實(shí)現(xiàn)了 Hf02刻蝕速率的增大(從大約20埃/ 分增大到大約30埃/分)，同時(shí)維持了 Poly-Si和Si02的沉積條件(見圖 8G)。另外，例如，當(dāng)使用UEL功率=200\￥、 LEL功率=50\￥、 p=10mTorr且BCl3流率490sccm的工藝條件時(shí)，從大約75攝氏度到大約 200攝氏度的襯底溫度的變化實(shí)現(xiàn)了 Hf02刻蝕速率的增大(從大約45埃/ 分增大到大約60埃/分)，同時(shí)維持了 Poly-Si的沉積條件和大約相同的 Hf02和Si02之間的刻蝕選擇比(見圖8F)。
圖9給出了一種根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例在等離子體處理系統(tǒng)中刻蝕襯底上 的含鉿層的方法的流程圖。過程400開始于410，在410中，將其上具有 含鉿層的襯底放置在等離子體處理系統(tǒng)中。等離子體處理系統(tǒng)例如可包括 在圖2至7中所描述的系統(tǒng)中的任何一種及其組合。
在420中，襯底的溫度被提升到處理溫度。襯底的溫度可以被提升到大約30攝氏度或更高的溫度?；蛘?，襯底的溫度可以被提升到大約50攝 氏度或更高的溫度?；蛘?，襯底的溫度可以被提升到大約75攝氏度或更 高的溫度。又或者，襯底的溫度可以被提升到大約100攝氏度或更高的溫 度，或者甚至200攝氏度或更高的溫度。例如，襯底溫度可以從大約50 攝氏度到大約250攝氏度，并且可以從大約50攝氏度到大約IOO攝氏度。
在430中，引入包含BCl3和添加氣體的處理組合物。添加氣體可包括 含氧氣體、含氮?dú)怏w、或烴氣體(由CxHy表征，其中x和y是大于或等于 1的整數(shù))、或者其中兩者或更多者的組合。例如，含氧氣體可包括02、 NO、 N02、 N20、 CO、或C02、或者其中兩者或更多者的組合。另外，例 如，含氮?dú)怏w可包括N2或NH3或其中兩者或更多者的組合。此外，烴氣 體可包括C2H4、 CH4、 C2H2、 C2H6、 C3H4、 C3H6、 C3H8、 C4H6、 C4H8、 C4H1Q、 C5H8、 C5H1()、 C6H6、 C6H1()、或C6H12、或者其中兩者或更多者的 組合。處理組合物還可包含惰性氣體，例如稀有氣體(例如He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe)。
在440中，由該處理組合物在等離子體處理系統(tǒng)中形成等離子體。 在450中，包括含鉿層的襯底被暴露于在440中形成的等離子體，以
對(duì)含鉿層進(jìn)行圖案刻蝕。
盡管以上只詳細(xì)描述了本發(fā)明的某些實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將
很容易意識(shí)到，在實(shí)施例中可以進(jìn)行許多修改，而本質(zhì)上并不脫離本發(fā)明
的新穎教導(dǎo)和優(yōu)點(diǎn)。因此，所有這些修改都應(yīng)當(dāng)被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
18
權(quán)利要求
1. 一種刻蝕襯底上的含鉿層的方法，包括將具有所述含鉿層的所述襯底放置在等離子體處理系統(tǒng)中，其中限定有圖案的掩模層覆蓋在所述含鉿層上；將所述襯底的溫度提升到高于大約30攝氏度；向所述等離子體處理系統(tǒng)引入包含BCl3和添加氣體的處理組合物；在所述等離子體處理系統(tǒng)中由所述處理組合物形成等離子體；以及將所述襯底暴露于所述等離子體以將所述圖案刻蝕到所述含鉿層中。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中引入所述處理組合物的步驟還包括引入惰性氣體。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中引入所述惰性氣體的步驟包括引入稀有氣體。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中引入所述添加氣體的步驟包括引入含氧氣體、含氮?dú)怏w、或由QJIy表征的烴氣體、或者其中兩者或更多者的組合，其中x和y是大于或等于l的整數(shù)。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中引入所述添加氣體的步驟包括引入含氧氣體，所述含氧氣體包括02、 NO、 N02、 N20、 CO、或C02、或者其中兩者或更多者的組合。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中引入所述添加氣體的步驟包括引入含氮?dú)怏w，所述含氮?dú)怏w包括N2或NH3或其中兩者或更多者的組合。
7. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中引入所述添加氣體的步驟包括引入烴氣體，所述烴氣體包括C2H4、 CH4、 C2H2、 C2H6、 C3H4、 C3H6、 C3H8、C4H6、 C4H8、 C4H10、 C5H8、 C5H10、 C6H6、 C6H10、或C6H12、或者其中兩者或更多者的組合。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中引入所述添加氣體的步驟包括引入CH4。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中引入所述添加氣體的步驟包括引入CH4和N"
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中放置具有所述含鉿層的襯底的步驟包括放置具有氧化鉿層或硅酸鉿層的襯底。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中放置具有所述含鉿層的襯底的步驟包括放置具有Hf02層的襯底。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中放置具有所述含鉿層的襯底的步驟包括放置具有Hf02層、多晶硅層和Si02層的襯底。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中提升所述襯底的溫度的步驟包括將該溫度提升到大約50攝氏度以及更高。
14. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中將所述襯底暴露于所述等離子體以促進(jìn)圖案刻蝕包括實(shí)現(xiàn)大于或等于大約10: 1的所述含鉿層和所述多晶硅層之間的刻蝕選擇比，并且實(shí)現(xiàn)大于或等于大約10: 1的所述含鉿層和所述Si02層之間的刻蝕選擇比。
15. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中將所述襯底暴露于所述等離子體以促進(jìn)圖案刻蝕包括實(shí)現(xiàn)大于或等于大約10: 1的所述含鉿層和所述多晶硅層之間的刻蝕選擇比，并且實(shí)現(xiàn)大于或等于大約30: 1的所述含鉿層和所述Si02層之間的刻蝕選擇比。
16. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述等離子體的步驟包括將功率電容耦合到所述等離子體，或者將功率電感耦合到所述等離子體，或者其中兩者或更多者的組合。
17. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述等離子體的步驟包括將射頻(RF)功率耦合到其上放置有所述襯底的襯底夾持器。
18. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述等離子體的步驟包括將射頻(RF)功率耦合到與其上放置有所述襯底的襯底夾持器相對(duì)布置的電極。
19. 一種用于刻蝕襯底上的含鉿層的等離子體處理系統(tǒng)，包括等離子體處理室，被配置為適用于在其中形成等離子體，以刻蝕所述含鉿層；以及耦合到所述等離子體處理室的控制器，被配置為執(zhí)行包括以下步驟的工藝流程將BCl3引入到所述等離子體處理室中，以及將包括含氧氣體、含氮?dú)怏w、或烴氣體、或者其中兩者或更多者的組合的添加氣體引入到所述等離子體處理室中，其中所述控制器以預(yù)定流率引入所述BCl3和添加氣體。
20. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中引入所述處理組合物的步驟包括以預(yù)定流率引入所述BCl3和添加氣體，該預(yù)定流率提供了 IO或更大的Hf02和多晶硅之間的刻蝕選擇比以及IO或更大的Hf02和Si02之間的刻蝕選擇比。
21. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中提升所述襯底的溫度的步驟包括將該溫度提升到大約75攝氏度以及更高。
22. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中提升所述襯底的溫度的步驟包括將該溫度提升到大約ioo攝氏度以及更高。
23. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中提升所述襯底的溫度的步驟包括將該溫度提升到大約200攝氏度。
全文摘要
描述了一種利用基于三氯化硼(BCl₃)的處理化學(xué)組分刻蝕含鉿層的方法和系統(tǒng)。具有諸如二氧化鉿(HfO₂)層之類的含鉿層的襯底受到包括BCl₃和添加氣體的干法刻蝕處理，添加氣體包括含氧氣體，例如O₂；或者含氮?dú)怏w，例如N₂；或者烴氣體(C_xH_y)，例如CH₄；或者其中兩者或更多者的組合。
文檔編號(hào)G03F7/004GK101511969SQ200780033566
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2007年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月12日
發(fā)明者浦川理史, 路易斯·艾斯德羅·費(fèi)爾南德茨 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社