用于选择性蚀刻膜的设备和方法
阅读说明：本技术 用于选择性蚀刻膜的设备和方法 (Apparatus and method for selectively etching a film ) 是由 王非 A.瓦林布 于 2020-10-15 设计创作，主要内容包括：公开了用于选择性蚀刻特定层的设备和方法。所述设备和方法涉及维持特定层的蚀刻速率,同时使非蚀刻层维持完整。蚀刻工艺可以通过使氢前体气体和氟前体气体共流动到远程等离子体单元中来实现。例如,所得气体混合物可以接着流动到具有氧化硅层作为蚀刻层以及氮化硅层作为非蚀刻层的衬底上。所述所得气体混合物与所述特定层之间发生反应,使得在上述实例中在维持所述氮化硅层的同时蚀刻所述氧化硅层。(An apparatus and method for selectively etching a particular layer is disclosed. The apparatus and method relate to maintaining the etch rate of a particular layer while leaving the non-etched layer intact. The etching process may be achieved by co-flowing a hydrogen precursor gas and a fluorine precursor gas into a remote plasma unit. For example, the resulting gas mixture may then be flowed onto a substrate having a silicon oxide layer as an etch layer and a silicon nitride layer as a non-etch layer. A reaction occurs between the resulting gas mixture and the specific layer, so that the silicon oxide layer is etched while the silicon nitride layer is maintained in the above example.)
技术领域
本公开大体上涉及一种用于处理半导体晶片的设备。更具体地讲，本公开涉及用于在额外处理之前选择性蚀刻半导体晶片上的特定膜的设备和方法。
背景技术
在半导体装置形成期间，很可能会形成多个膜。例如，在沉积若干膜以形成NMOS或PMOS装置期间，可以形成金属氧化物和氧化硅。在某些应用中，在沉积另外的膜之前，可能需要去除金属氧化物和氧化硅。
金属氧化物和氧化硅的去除可通过特定化学品流来实现，如标题为“等离子体预清洁模块和工艺(Plasma Pre-Clean Module and Process)”的美国专利第9,514,927号中所述，所述专利以引用的方式并入本文中。某些化学品可能导致除金属氧化物和氧化硅膜之外的另外的膜被蚀刻。另外的膜被蚀刻是不期望的，因为可能需要另外的膜来形成最终的半导体装置。
因此，希望对于在一个特定膜上蚀刻另一个特定膜显示出选择性的设备和方法。
发明内容
根据本发明的至少一个实施例，公开了一种用于选择性蚀刻安置在衬底上的膜(例如，用于形成半导体装置的膜)的方法。所述方法可以包含：在半导体处理装置的反应室中提供衬底，所述衬底具有第一层和第二层；通过使惰性气体流动到远程等离子体单元中而在所述远程等离子体单元中点燃等离子体；使氢前体气体和氟前体气体作为气态混合物同时流动到所述远程等离子体单元中；使所述气态混合物流动到所述衬底上，由此在所述气态混合物与所述第一层之间发生反应，使得在使所述第二层维持完整的同时蚀刻所述第一层；其中所述氟前体气体包含以下中的至少一种：三氟化氮(NF3)；四氟化碳(CF4)；六氟化硫(SF6)；氟化氢(HF)；氢氟酸(HF)与水蒸气；或氟(F2)；且其中所述氢前体气体包含以下中的至少一种：氢气(H2)；氟化氢(HF)；氯化氢(HCl)；或水(H2O)。
根据本发明的至少一个实施例，公开了一种用于选择性蚀刻安置在衬底上的膜的系统。所述系统包含：反应室，其被配置成保持和处理衬底，所述衬底具有第一层和第二层；远程等离子体单元，其联接到所述反应室；氟前体气体源，其被配置成向所述远程等离子体单元提供氟前体气体，所述氟前体气体包含以下中的至少一种：三氟化氮(NF3)；四氟化碳(CF4)；六氟化硫(SF6)；氟化氢(HF)；氢氟酸(HF)与水蒸气；或氟(F2)；氢前体气体源，其被配置成向所述远程等离子体单元提供氢前体气体，所述氢前体气体包含以下中的至少一种：氢前体气体包含以下中的至少一种：氢气(H2)；氟化氢(HF)；氯化氢(HCl)；或水(H2O)；以及惰性气体源，其被配置成向所述远程等离子体单元提供惰性气体，其中所述惰性气体被点燃以在所述远程等离子体单元中形成等离子体；其中所述远程等离子体单元被配置成接收所述氟前体气体和所述氢前体气体的共流；其中所述远程等离子体单元被配置成将氮前体气体与氟前体气体和氢前体气体混合以形成气态混合物；且其中所述气态混合物流动到所述衬底上，使得在使所述第二层维持完整的同时蚀刻所述第一层。
提供此概述是为了以简化的形式引入一系列概念。下文在本公开的示例实施例的详细描述中更详细地描述这些概念。本概述并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也并非旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
下文将结合某些实施例的附图来描述本文公开的发明的这些以及其它特征、方面和优点，这些实施例意在说明而非限制本发明。
图1A和1B是根据本发明的至少一个实施例的半导体装置的横截面图示。
图2A-2D是根据本发明的至少一个实施例的用于选择性蚀刻膜的方法的流程图。
图3是根据本发明的至少一个实施例的半导体处理系统的示意性图示。
应理解，图中的元件仅为简单和清晰起见示意而不一定按比例绘制。举例来说，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被放大以帮助改善对所说明的本公开实施例的理解。
具体实施方式
尽管下文公开了某些实施例和实例，但所属领域的技术人员将理解，本发明延伸超出了本发明具体公开的实施例和/或用途以及显而易见的修改和其等效物。因此，希望本发明所公开的范围不应受下文所描述特定公开实施例的限制。
本文呈现的图示并不意味着是任何特定材料、结构或装置的实际视图，而仅仅是用来描述本公开的实施例的理想化表示。
各种实施例涉及从衬底的暴露表面去除氧化硅、氧化锗或金属氧化物材料的清洁工艺。实施例还可以用于去除以下中的至少一种：硅；呈元素形式的金属；各种金属的合金；与各种金属的合金相关的氧化物；硅；或锗。可以理解的是，所得清洁过的表面将允许形成高质量的半导体层，例如外延生长的硅。
图1A示出了在进行清洁工艺之前的半导体装置100。半导体装置100包含衬底110；中间层120；氮化物层130；和氧化物层140。衬底110可以包含以下中的至少一种：硅或硅锗。中间层120可以包含介电层，例如氮化硅、碳氮化硅或硼化硅。中间层120也可以包含其它材料，例如碳化硅或碳氧化硅。氮化物层130可以包含氮化硅或金属氮化物，例如氮化铝。氧化物层140可包含以下中的至少一种：例如氧化硅；氧化锗；氧化铝；氧化钴或氧化钨。
可以经由例如外延沉积、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成各层。期望清洁工艺能够完全去除氧化物层140，但保持氮化物层130、中间层120和衬底110完整。这样的结果在图1B中示出。
作为清洁工艺的一部分，取决于使用的化学品，可能会形成一氧化氮(NO)，这可能导致含氮介电膜中的表面氮损坏。出于此原因，本发明的实施例目标在：(1)防止形成一氧化氮；(2)维持氧化物层的高蚀刻选择性；(3)避免对氮化物和介电层的损坏；以及(4)避免硅和硅锗层、金属和金属氧化物层以及不含氮的介电层的表面的氮化。
此外，特定化学品可将氮杂质引入到衬底上的特定膜中。例如，包含碳化硅(SiC)或碳氧化硅(SiOC)的膜在衬底附近有浮动氮原子、氮自由基或离子时可能会受到不利影响。氮原子可以掺入膜中，形成碳氮化硅(SiCN)或碳氮氧化硅(SiOCN)，这可能并非装置形成所期望的。
图2A示出了蚀刻工艺200A，其可以包含：(1)用于在反应室中提供衬底的步骤210；(2)用于等离子点燃的步骤220；(3)使氟前体流动到远程等离子体单元(RPU)中的步骤230A；(4)使氟前体和氢前体共流动到RPU中的步骤240；(5)用于将氨前体添加到氟氢前体混合物中并使所得混合物流动到衬底上的任选的步骤250；以及(6)用于在衬底上执行额外处理的步骤270。蚀刻工艺的步骤200A可以通过任选的重复循环260再次完成。
步骤210可在反应室中完成，以用于执行外延沉积、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。步骤210还可在竖直炉中发生。
等离子点燃的步骤220可以包含使惰性气体流动并且在远程等离子体单元中点燃等离子体。惰性气体可以包含以下中的至少一种：氩气；氪气；氦气；氙气或氮气。惰性气体可在介于0与300℃之间、10与150℃之间或20与80℃之间的范围内的温度下进入远程等离子体。惰性气体的压力可以在介于0.1与50托之间、0.1与20托之间或0.1与10托之间的范围内。惰性气体可以在介于0标准升/分钟(slm)到30slm之间、0slm到10slm之间或0.5slm到5slm之间的流率进入远程等离子体单元。远程等离子体单元可以包含由MKS Instruments制造的远程等离子体单元。惰性气体可在后续步骤期间继续流动。
用于使氟前体流动的步骤230可以包含使以下中的至少一种流动：三氟化氮(NF3)；四氟化碳(CF4)；六氟化硫(SF6)；氟化氢(HF)；氢氟酸(HF)与水蒸气；或氟(F2)。氟前体气体可在介于-100与200℃之间、0与150℃之间或20与80℃之间的范围内的温度下进入远程等离子体。氟前体气体的压力可在介于0.5与50托之间、0.5与20托之间或1.5与10托之间的范围内。氟前体气体的流率可以在介于0与5000标准立方厘米/分钟(sccm)之间、0与1000sccm之间或0与100sccm之间的范围内。一旦氟前体到达RPU，就可以形成氟自由基和氮自由基。在步骤230期间，惰性气体也可继续流动到RPU中。
用于使氟前体和氢前体共流动的步骤240可以引起作为包含以下中的至少一种的氟前体流动：三氟化氮(NF3)；四氟化碳(CF4)；六氟化硫(SF6)；氟化氢(HF)；氢氟酸(HF)与水蒸气；或氟(F2)。共流动步骤240还可以包含使以下中的至少一种作为氢前体流动：氢气(H2)；氟化氢(HF)；氯化氢(HCl)；氨(NH3)；或水(H2O)。共流动气体可以在介于0与200℃之间、0与100℃之间或20与80℃之间的范围内的温度下进入远程等离子体。共流动气体的压力可在介于0.1与50托之间、0.1与20托之间或0.1与10托之间的范围内。共流动气体的流率可以在介于0到5000sccm之间、0到1000sccm之间或0到300sccm之间的范围内。
氢前体与氟前体相互作用，以形成氟化铵(NH4F)、氨(NH3)、氟自由基、氟化氢(HF)、NH自由基和离子、NH2自由基和离子、NF自由基和离子、NF2自由基和离子的混合物。另外，氢前体通过在氮自由基能够与背景氧反应形成不期望的一氧化氮(NO)之前淬灭RPU中的任何氮自由基而有助于稳定RPU。在步骤240期间，惰性气体也可继续流动到RPU中。
添加氨前体并使所得混合物在衬底上方流动的步骤250是任选的，并且可能引起使包含以下中的至少一种的氨前体流动：氨(NH3)；肼(N2H4)；或尿素(NH2CONH2)。当被蚀刻的层包含氧化硅或金属氧化物，例如氧化铝、氧化钴或氧化钨时，可以使用步骤250。氨前体可以插入到RPU与反应室之间的管道中，以与先前流动的氢前体和氟前体混合。然后使所得气体混合物流动到固持待处理的衬底的反应室中。在待蚀刻的层包含以下中的至少一种的情况下，可以不使用步骤250：元素硅；或元素金属，例如铝，钴或钨。
在所得气体混合物与氧化物层140之间发生反应。在本发明的一个实施例中，其中NF3与H2和NH3共流动以蚀刻氧化硅层，所得化学反应路径可如下：
NF3+H2+NH3→NH4F(或NH4HF2)
NH4F+SiO2→(NH4)2SiF6
在蚀刻工艺完成之后，可以通过重复循环步骤260再次完成蚀刻工艺200A的某些步骤，或者衬底可以在用于执行额外处理的步骤270中经历其它处理。额外处理步骤270可以包含沉积工艺，例如外延沉积、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。替代地，额外处理步骤270可包含不同蚀刻工艺以潜在地去除第三材料；例如，不同蚀刻工艺可用于去除含碳层。
图2B示出了类似于图2A中所示的蚀刻工艺200B。主要区别在于，在蚀刻工艺200B中，在使氟前体和氢前体在RPU中共流动的步骤之前，不存在使氢前体气体在RPU中流动的步骤230B。用于使氢前体气体在RPU中流动的步骤230B可包含使以下中的至少一种作为氢前体流动：氢气(H2)；氟化氢(HF)；氯化氢(HCl)；氨(NH3)；或水(H2O)。氢前体气体的压力可以在介于0.1与50托之间、0.1与20托之间或0.1与10托之间的范围内。氢前体气体的流率可以在介于0与5000sccm之间、0与1000sccm之间或0与300sccm之间的范围内。
图2C示出了类似于图2A或图2B中所示的蚀刻工艺200C。主要区别在于，在蚀刻工艺200C中，在使氟前体和氢前体在RPU中共流动的步骤之前，不存在使氢前体气体或氟前体气体在RPU中个别流动的步骤。
图2D示出类似于图2A中所示的蚀刻工艺200D。蚀刻工艺200D还可以包含用于在衬底上执行碳去除工艺的步骤215。碳去除工艺可通过使氢气(H2)或氨(NH3)与惰性气体一起流动到RPU中以产生氢自由基，所述氢自由基将从衬底表面去除碳层、含碳层或碳质污染物。
用于执行此步骤215的设备可以是集成半导体处理装置，其被配置成执行碳去除工艺以及图2A-2C中所示的蚀刻工艺200A-200C。用于去除碳层、含碳层或碳质污染物的此类设备和方法的实例公开在美国专利申请第15/974,948号(标题为“与氢自由基一起使用的设备及其使用方法(Apparatus for Use with Hydrogen Radicals and Method ofUsing Same)”中，并于2018年5月8日提交)，所述专利申请以引用的方式并入本文中并作为附录附件。
由于上述工艺，可以减少界面杂质。界面杂质可由可嵌入衬底上的暴露表面中的浮动氮原子/自由基/离子引起。界面杂质的减少可以减少在介于0与100％之间、50与100％之间或90与99％之间的范围内的百分比。
同时，上述工艺可以维持非蚀刻层以防止非蚀刻层的显著损失。例如，在衬底具有氧化硅层和氮化硅层这两层的情况下，与蚀刻氮化硅层相比，上述工艺可以允许更具选择性地蚀刻氧化硅层。蚀刻氧化硅层与蚀刻氮化硅层的选择性可以以超过20:1的比率、或超过100:1的比率或超过200:1的比率描述。
根据本发明的至少一个实施例，在图3中公开了衬底处理系统300。衬底处理系统300包含：反应室310；远程等离子体单元320；氟前体气体源330A；氢前体气体源330B；氮前体气体源330C；惰性气体源330D；安置在远程等离子体单元320与反应室310之间的路径340；以及连接气体源330A-330D与远程等离子体单元320的多个气体管线350A-350D。在各个实施例中，衬底处理系统可以包括多个远程等离子体单元(例如，一个远程等离子体单元联接到用于产生氟自由基的氟源，以及一个远程等离子体单元联接到用于产生氢自由基的氢源)。
示出和描述的特定实施方式是对本发明及其最佳模式的说明而非意在以任何方式限制各方面和实施方式的范围。实际上，为了简洁起见，可能未详细描述系统的常规制造、连接、准备和其它功能方面。此外，各种图中所示的连接线旨在表示各种元件之间的示范性功能关系和/或物理联接。许多替代的或附加的功能关系或物理连接可能存在于实际的系统中，和/或在一些实施例中可能不存在。
应理解，本文描述的配置和/或方法本质上是示范性的，并且这些具体实施例或实例不应在限制意义上予以考虑，因为许多变化是可能的。本文所描述的具体例程或方法可表示任何数目的处理策略中的一个或多个。因此，所示的各种动作可以以所示的顺序执行、以其它顺序执行或者在一些情况下可以省略。
本公开的主题包括本文所公开的各种方法、系统和配置以及其它特征、功能、动作和/或特性以及其任何和所有等效物的所有新颖并且非显而易见的组合和子组合。
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