使用氢等离子体进行原子层蚀刻的方法技术

一种用于通过干法蚀刻工艺蚀刻衬底上的目标层的方法包括至少一个蚀刻循环，其中蚀刻循环包括：在所述衬底上的所述目标层上使用反应性物质沉积碳卤化物膜；以及使用不含卤素的含氢蚀刻气体的等离子体蚀刻所述碳卤化物膜，所述等离子体单独地基本上不蚀刻所述目标层，从而在所述碳卤化物膜和所述目标层的边界区域生成作为蚀刻剂物质的卤化氢，由此蚀刻所述目标层在所述边界区域中的一部分。

【技术实现步骤摘要】
使用氢等离子体进行原子层蚀刻的方法背景专利
本专利技术整体涉及一种对例如由硅或金属氧化物构成的层进行循环干法蚀刻的方法。相关技术描述原子层蚀刻(ALE)是使用吸附在目标膜上的并且与激发的反应物质反应的蚀刻剂气体的循环原子层级蚀刻，如日本专利特许公开号2013-235912和2014-522104中所公开。与常规蚀刻技术相比，ALE可以在亚纳米级上执行精确的原子层级连续蚀刻以形成精细、窄的凸凹图案，并且可以适用于例如双重图案化工艺。作为蚀刻剂气体，Cl2、HCl、CHF3、CH2F2、CH3F、H2、BCL3、SiCl4、Br2、HBr、NF3、CF4、C2F6、C4F8、SF6、O2、SO2、COS等是已知的。然而，有证据显示，在蚀刻诸如氧化硅膜之类的氧化物矿物膜时，通过ALE蚀刻衬底上的膜的面内均匀性不令人满意。当使用Cl2作为蚀刻剂气体通过ALE蚀刻Si或GaAs时，可以获得相对良好的蚀刻面内均匀性。但是，使用诸如C4F8之类的碳氟化合物作为蚀刻剂气体通过ALE蚀刻氧化硅膜时，并未获得良好的蚀刻面内均匀性。这是因为，尽管事实是在传统上蚀刻剂气体的吸附有时被称为“化学吸附”，但是蚀刻剂气体通过物理吸附而不是化学吸附吸附在衬底的表面上。也就是说，常规ALE如下蚀刻金属或氧化硅膜：通过物理吸附在膜表面上的蚀刻剂气体(其中被吸附的蚀刻剂气体与被激发的物质反应)，另外还通过在吹扫之后留在反应空间中的蚀刻剂气体，从而导致气相蚀刻。结果，蚀刻的面内均匀性变差。如果蚀刻剂气体化学吸附在衬底的表面上，则吸附是“化学吸附”，即化学饱和吸附，它是一个自限性吸附反应过程，其中沉积的蚀刻剂气体分子的量由反应性表面位点的数量决定并且与饱和后的前体暴露无关，并且蚀刻剂气体的供应使得反应性表面位点因而在每个循环中得到饱和(即，每个循环中吸附在表面上的蚀刻剂气体原则上具有一个分子的厚度)。当发生蚀刻剂气体在衬底表面上的化学吸附时，可以实现蚀刻的高面内均匀性。常规ALE即使称为“化学吸附”，实际上也通过物理吸附在衬底表面上吸附蚀刻剂气体(例如，SiO2和SiN)。如果蚀刻剂气体的吸附是化学吸附，则蚀刻的面内均匀性在逻辑上应该是高的，并且每个循环的蚀刻速率在表面被蚀刻剂气体分子饱和后不应该受到蚀刻剂气体的流量或蚀刻剂气体流动脉冲的持续时间的影响。然而，传统的蚀刻剂气体都不符合上述要求。对与相关技术相关的问题和解决方案的以上及任何其他论述已仅出于向本专利技术提供背景的目的包括于本公开中，并且不应被视为承认论述中的任一项或全部在创作本专利技术时是已知的。
技术实现思路
在一些实施方案中，由蚀刻剂的组分构成的膜(其可以被称为“蚀刻剂膜”)被沉积在目标层的表面上，然后将蚀刻剂膜以及目标层用等离子体处理来蚀刻。通过进行沉积步骤和蚀刻步骤并根据需要交替地重复它们，在每次进行沉积步骤和蚀刻步骤作为蚀刻循环时，可以将目标层蚀刻基本恒定的预定量。在上文中，蚀刻剂组分最初不作为蚀刻目标层的蚀刻剂气体，而是在目标层的表面上形成膜。在本公开中，“膜”是指基本上没有针孔的在与厚度方向垂直的方向上连续延伸的层，以覆盖整个目标或目标的相关表面，并且典型地，膜通过使用反应性物质进行反应，而不是简单地通过将气体分子化学或物理吸附在表面上而形成；因此随着沉积过程的继续，膜可以在厚度方向上生长超过原子层厚度。此外，“沉积膜”不仅仅在目标层表面上提供反应性位点，而且还物理沉积具有一定厚度的膜。在一些实施方案中，当沉积在目标层表面上的蚀刻剂膜被反应性离子如氢等离子体蚀刻时，蚀刻剂膜的组分被解离并与反应性离子反应，从而生成反应性蚀刻剂物质，其可在蚀刻剂膜与目标层之间的边界处蚀刻目标层的一部分。在上文中，由于需要在边界附近生成反应性蚀刻剂物质，因此只有边界处的蚀刻剂膜的一定厚度才能有助于目标层的蚀刻反应。此外，由于蚀刻蚀刻剂膜的反应性离子不蚀刻目标层，因此当蚀刻剂膜被反应性离子去除时，目标层的蚀刻反应停止。因此，通过上述方法，恒定量的目标层总是可以通过一个蚀刻循环被蚀刻，因此，蚀刻过程的可控性和可操作性高。例如，当目标层由SiO2构成时，通过等离子体增强CVD或热CVD将碳氟化合物膜(CF膜)作为蚀刻剂膜沉积在目标层的表面上，随后将蚀刻剂膜暴露于氢等离子体，以便去除蚀刻剂膜并同时蚀刻目标层的表面。在上文中，“同时”是指基本上或主要地同时发生或者基本上或主要地在时间上重叠发生。在上文中，随着蚀刻剂膜的厚度增加，目标层的蚀刻部分的深度增加；然而，当蚀刻剂膜的厚度达到一定值时，蚀刻部分的深度达到平稳期且不再增加。类似地，目标层的蚀刻部分的深度随着蚀刻剂膜暴露于等离子体的持续时间增加而增加；然而，当蚀刻剂膜暴露于等离子体的持续时间达到一定值时，蚀刻部分的深度达到平稳期且不再增加。也就是说，在一些实施方案中，上面讨论的蚀刻过程是具有两个参数的自限性反应过程，这两个参数具有饱和点。在上文中，通过氢等离子体将CF膜作为诸如CH4、HF等气体去除，并且在SiO2层的表面附近的区域中，SiO2层的一部分也同时作为诸如SiF4、H2O等气体而去除。只有CF膜的靠近边界的一部分才有助于去除SiO2层的该部分，而CF膜的剩余部分不会帮助去除SiO2层，而只是通过氢等离子体去除。因此，SiO2层的蚀刻部分的深度相对于CF膜的厚度达到平稳期。另外，由于使用氢等离子体进行的SiO2层的蚀刻仅在存在CF膜时有效，因此在去除(用尽)CF膜时，SiO2层的蚀刻停止，即，SiO2层的蚀刻部分的深度也相对于氢等离子体暴露的持续时间达到平稳期。在一些实施方案中，目标层可以由可以使用衍生自CF膜的卤化氢蚀刻的任何材料(例如SiO2、TiO2)构成。上述蚀刻对于构成目标层的材料具有高选择性，因此，例如，可以选择性蚀刻由硅或金属氧化物构成的膜，而基本上不蚀刻由硅或金属氮化物或碳化物构成的膜。在一些实施方案中，只要选择合适的蚀刻剂膜，目标层就可以由可以使用氟以外的卤素蚀刻的材料构成。典型地，蚀刻剂膜在反应性离子蚀刻(RIE)过程中暴露于氧等离子体。由于蚀刻过程涉及自限性反应过程(或饱和过程)，所以可实现高可控性。出于概述本专利技术的各方面和所实现的优于相关技术的优势的目的，在本公开中描述本专利技术的某些目的和优势。当然，应理解，未必所有这些目的或优势都可以根据本专利技术的任何特定实施方案来实现。因此，举例来说，本领域的技术人员将认识到，本专利技术可以按实现或优化如本文中教示的一种优势或一组优势的方式实施或进行，而不必实现如本文中可能教示或提出的其他目的或优势。本专利技术的另外方面、特征和优势将从之后的详细描述变得显而易见。附图说明现将参照优选实施方案的附图来描述本专利技术的这些和其他特征，这些优选实施方案意图说明而非限制本专利技术。附图出于说明性目的而被大大简化并且未必按比例绘制。图1是可用在本专利技术实施方案中的等离子体辅助循环蚀刻设备的示意图。图2显示了根据本专利技术实施方案的一个循环中的等离子体辅助循环蚀刻的示意性工艺顺序，其中该顺序中示出的步骤表示ON状态，而该顺序中未示出的步骤表示OFF状态，并且每个ON和OFF状态的长度不代表每个过程的持续时间。图3示出了根据本专利技术实施方案的蚀刻过程的一个循环的示意图，其中(a)表示沉积步骤，(b)表示预蚀刻步骤，并且(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过包括至少一个蚀刻循环的干法蚀刻工艺来蚀刻衬底上的目标层的方法，其中蚀刻循环包括：(i)在所述衬底上的所述目标层上使用反应性物质沉积碳卤化物膜，其中所述碳卤化物膜和所述目标层彼此接触；以及(ii)(1)使用不含卤素的含氢蚀刻气体的等离子体蚀刻所述碳卤化物膜而不蚀刻所述目标层，所述等离子体单独地基本上不蚀刻所述目标层，从而(2)在所述碳卤化物膜和所述目标层的边界区域生成作为蚀刻剂物质的卤化氢，由此蚀刻所述目标层在所述边界区域中的一部分。

【技术特征摘要】
2017.05.31 US 62/512,9911.一种通过包括至少一个蚀刻循环的干法蚀刻工艺来蚀刻衬底上的目标层的方法，其中蚀刻循环包括：(i)在所述衬底上的所述目标层上使用反应性物质沉积碳卤化物膜，其中所述碳卤化物膜和所述目标层彼此接触；以及(ii)(1)使用不含卤素的含氢蚀刻气体的等离子体蚀刻所述碳卤化物膜而不蚀刻所述目标层，所述等离子体单独地基本上不蚀刻所述目标层，从而(2)在所述碳卤化物膜和所述目标层的边界区域生成作为蚀刻剂物质的卤化氢，由此蚀刻所述目标层在所述边界区域中的一部分。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(ii)继续进行，直到所述碳卤化物膜基本上被完全蚀刻，表明蚀刻了所述目标层的所述边界区域的基本上整个部分。3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(i)的持续时间与所述目标层的蚀刻部分的厚度相关，直到即使步骤(i)的所述持续时间增加所述目标层的所述蚀刻部分的所述厚度也达到平稳，并且步骤(i)继续进行直到所述目标层的所述蚀刻部分的所述厚度达到所述平稳期或所述平稳期附近的点。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻循环重复至少两次。5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(i)继续进行，直到所述碳卤化物膜的厚度落在0.5nm至10nm的范围内。6.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(ii)中，所述目标层的所述蚀刻部分的厚度为0.1nm至2.0nm。7.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(i)中，所述碳卤化物膜通过气相反应沉积，其中所述反应性物质是由卤素和碳构成的一种或多种蚀刻剂气体的反应性物质。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述卤素是F或Cl。9.根据权利要求8...

【专利技术属性】
技术研发人员：财津优，小林伸好，小林明子，堀胜，堤隆嘉，
申请(专利权)人：ASMIP控股有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL