蚀刻半导体器件的一个或多个混合金属和电介质层的方法技术

本发明专利技术是一种对由类似金属和电介质的不同材料的多个层构成的半导体器件进行平面和横截面蚀刻的方法。所述方法导致多个层的移除，其目的是暴露感兴趣的单个层或暴露若干层的横截面以执行各种应用，包括但不限于：纳米探测、电路编辑和故障分析。所述方法包括在存在蚀刻剂的情况下将离子束朝向所述半导体器件上的限定区域引导，从而移除混合金属和电介质层的至少一部分并且在研磨区域中产生具有至少一个基本上光滑的且为平面的表面的凹部。所使用的蚀刻剂包含呈一定比率的氧化元素和还原元素，所述比率被优化成使得氧化元素的量比还原元素的量多一份元素。

Method of etching one or more mixed metal and dielectric layers of semiconductor devices

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】蚀刻半导体器件的一个或多个混合金属和电介质层的方法专利
本专利技术涉及一种通过离子束辐照对不同材料进行气体辅助蚀刻的方法，并且适用于例如均匀地移除金属和电介质材料以在半导体器件上产生光滑且为平面的表面。专利技术背景蚀刻是半导体行业中众所周知的技术，其用于从半导体器件移除材料。移除的目的是为了扩展感兴趣区域的可及性。蚀刻过程可以具有两种模式。第一模式是所谓的平面蚀刻或者剥层，其包含将薄层逐层移除到半导体器件的裸片。第二模式是所谓的横截面蚀刻并且在半导体器件中产生凹部，其中可以观察到多个层的横截面。蚀刻是在半导体行业中被频繁采用的技术并且还经常被研究机构和大学中的材料分析小组采用。在商业上，蚀刻可以通过反应离子蚀刻、湿法化学蚀刻或者包括抛光或切割的机械蚀刻来执行。在这些中，机械蚀刻是最常用于大面积移除混合或未混合的金属和电介质的技术。机械蚀刻方法是非常粗暴的，其中可能形成的浆液会落在器件的各层之间并且因此需要附加的清洁程序。用机械蚀刻获得的表面通常是非平面表面，其在表面处存在表观梯度并且在小结构定位方面存在较差的可靠性。由于半导体器件对这些副作用越来越敏感的性质，所述半导体器件可能无法通过精确缺陷定位、纳米探测、C-AFM测量、电路编辑或任何其他电气测试。机械蚀刻可以由更为精确的先进仪器替代，类似于可以局部化方式执行蚀刻的聚焦离子束装置或宽幅离子束装置。相邻区域几乎是不受影响的，或者影响只在几微米的范围内。离子束装置产生非常准确地瞄向预选择区域的离子流以从样品溅射原子。取决于进入离子的能量，离子束(IB)在对给定区域进行扫描时以不同的方式修整样品。离子束装置采用从He到Xe的各种离子，所述离子通常通过其质量以及因此其与目标表面的相互作用来区分。材料移除的过程是受控的，因为可以容易地通过在FIB-SEM系统中使用不同的检测器从溅射的离子收集信号来在线监测所述过程。现在广泛地采用气体辅助蚀刻(GAE)技术，这进一步扩大了FI8-SEM系统的应用基础。延伸穿过半导体器件中三维地堆叠的电介质材料的导电金属线的类似“迷宫”的几何结构使得平面蚀刻和横截面蚀刻在仅使用FIB的情况下更具挑战性。取决于目标表面的组成和/或结晶度，FIB与样品表面的相互作用是不同的。这使得能够使用相同组的FIB条件来预先确定每种材料的溅射率。在反应分子作为蚀刻剂以气体或蒸气的形式使用气体注入系统(GIS)引入工作区域中时，可以改变这些相互作用。这种方法的基本原理是将包含合适化学形式的期望物质的气体引入到样品室中。当在两种或更多种不同材料的蚀刻期间将这种有利的化学气体试剂注入到腔室中时可以使得能够以均等速率进行溅射，从而带来光滑的平面表面。在将气体引入到样品表面附近时通常可以观察到两个主要反应：经由蚀刻实现的表面修整和材料沉积。气体辅助蚀刻也可以用于改变某些材料的蚀刻行为，因为在离子束下气体或气体试剂的存在使得前体材料能够沉积到目标表面上。在射束的影响下有了反应性气体作为蚀刻剂可以帮助增大或减小相同材料的蚀刻率，这归因于局部化学反应。一方面，当形成挥发性物质时，溅射率增大并且观察到较少的材料再沉积。另一方面，较硬的层也可以通过将气体分子沉积在表面上来产生，并且观察到溅射率的同时减小。溅射率的这种多元化应用被利用来在半导体器件上执行选择性蚀刻或平面蚀刻。有了反应性蚀刻剂，可以因为局部化学反应而增强或减弱因离子束所致的离子束蚀刻。US6900137使用XeF2来通过增加FIB的停留时间以受控方式蚀刻有机电介质和金属层两者。专利US7008803使用具有可变位置端点检测器的GAE来确定在蚀刻层结束之前的单点蚀刻的停留时间。在专利申请2013/0118896中，FIB用于使用旋转样品台和所述过程期间对FIB操作条件的调整来均匀地移除不同材料。这种方法需要精确控制存在于样品表面处的每种材料的蚀刻率以及在研磨期间需要控制的参数的数量。这需要使用从每个移除层获取的表面数据来为每个样品产生层次电路图。在专利US9064811中报道了用于GAE的一组蚀刻剂，所述蚀刻剂通过与金属化合物相比较减缓电介质的蚀刻率来产生不同材料的均等蚀刻率，所述金属化合物选自包含乙酸酯/硝基乙酸酯和短烃链的组。专利确切地支持乙酸甲酯、乙酸乙酯、硝乙酸乙酯、乙酸丙酯、硝基乙酸丙酯、硝基乙酸乙酯、甲氧基乙酸甲酯或甲氧基乙酰氯作为用于GAE的试剂。半导体行业以非常快的步调发展，每天都有新的挑战。所采用的材料、越来越复杂的架构与对进一步小型化以在较小区域中增加晶体管的数量，以及因此其尺寸的缩减的持续需求使得电路的压缩密度发生了指数式的变化。尽管在上文引用的参考文献中论述了使用离子束装置产生平面表面的不同方法，但是存在可以用于平面蚀刻的各种各样的蚀刻剂，所述平面蚀刻甚至更多涉及构成下一代半导体器件以及用于电路的架构的数量增加的材料。许多方法可以适合于蚀刻一组给定的金属-电介质组合并且比对其他组合单独使用FIB更为有效，同时使来自气体副产物的类似再沉积的不想要的副作用保持绝对最小。其中一些可以使用现有的GAE方法来蚀刻。更有效的是，有各种蚀刻剂可供选择以选择对于以近似相同的蚀刻率蚀刻不同材料的方法而言具有最佳性能的一种蚀刻剂。
技术实现思路
所描述的方法在下文使用选择的蚀刻剂来进行从脱盖之后直接暴露的厚铜层到在晶体管接触层(TCL)正上方的非常薄的致密铜层的半导体材料移除。通常需要的是，在蚀刻期间，不同材料应具有相同的蚀刻率。所选择的蚀刻剂必须包括足够的氧化元素来调整金属的蚀刻率，并且包括足够的还原元素来调整电介质的蚀刻率，达到不同材料都以近似相同的蚀刻率蚀刻的程度。高能离子束(IB)，诸如射束能量为至少5keV的聚焦离子束或宽幅射束的存在连同蚀刻剂和半导体器件一起通过在工作室中，尤其是在有效离子束区域中破坏化合物的元素间键来产生反应性元素。有效离子束区域是沿着离子束的轨迹并且在离子束抵达半导体器件的表面的空间中的区域。与通过离子束与样品表面或与蚀刻剂的相互作用而产生的大量电子缔合的这些反应性元素可以与构成元素发生反应并且形成其他分子。为了产生有利于蚀刻的挥发性化合物，GIS必须递送包含产生目标挥发性化合物所需的元素的蚀刻剂或蚀刻剂的组合。为了更好地控制对包含金属和电介质的不同材料的同时研磨，必须找到由GIS引入的表面成分和元素的合适的组合以便允许期望的表面反应。产生挥发性分子所需的元素可以包含碳(C)、氧(O)、类似于氟(F)和氯(Cl)的卤化元素以及氮(N)。必须连同对电介质的蚀刻一起考虑对半导体器件的金属构成元素的同时蚀刻，所述对电介质的蚀刻也必须被控制来获得指定的被去层的表面粗糙度。由于最常见的电介质是SiOx和SixNy类型电介质，这种电介质可以具有由更多元素组成的变化的组成。到目前为止，基于GaAs或GaN材料，碳被作为知名的低-k电介质，诸如潜在的底物加入进来。半导体器件中使用的金属可以是铜、钴、铝、钨和钽。当从样品溅射并因离子束与电介质的相互作用而排出时，来自电介质研磨的反应性分子的量增加。在不存在由GIS引入的互补分子的情况下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种从半导体器件上的区域蚀刻一个或多个混合金属和电介质层的方法，其中所述方法包括：/n限定半导体器件上的将要蚀刻的区域，所述区域至少包括由组合在半导体器件中的混合金属和电介质构成的若干层；/n将第一蚀刻剂朝向半导体器件上的限定区域引导；/n其中所述第一蚀刻剂包含呈比率的氧化元素和还原元素，所述比率的特征在于氧化元素的量比还原元素的量多一份元素；以及/n在存在所述第一蚀刻剂的情况下将离子束朝向半导体器件上的限定区域引导，从而移除混合金属和电介质层的至少一部分并且在物件上的研磨区域中产生具有至少一个基本上光滑的且为平面的表面的凹部。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种从半导体器件上的区域蚀刻一个或多个混合金属和电介质层的方法，其中所述方法包括：
限定半导体器件上的将要蚀刻的区域，所述区域至少包括由组合在半导体器件中的混合金属和电介质构成的若干层；
将第一蚀刻剂朝向半导体器件上的限定区域引导；
其中所述第一蚀刻剂包含呈比率的氧化元素和还原元素，所述比率的特征在于氧化元素的量比还原元素的量多一份元素；以及
在存在所述第一蚀刻剂的情况下将离子束朝向半导体器件上的限定区域引导，从而移除混合金属和电介质层的至少一部分并且在物件上的研磨区域中产生具有至少一个基本上光滑的且为平面的表面的凹部。


2.根据权利要求1所述的方法，所述方法的特征在于：在至少第一蚀刻剂中，所述还原元素的量至多是三份。


3.根据权利要求2所述的方法，所述方法的特征在于：在所述第一蚀刻剂中，所述氧化元素的量是三份。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述方法的特征在于：所述第一蚀刻剂选自下组：醋酸铵、氯乙酰胺、氟乙酰胺、氨基甲酸甲酯和N-亚硝基二乙胺。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，所述方法的特征在于：将第二蚀刻剂朝向半导体器件上的所述限定区域引导，并且所述第二蚀刻剂包含氧化元素，并且所述第二蚀刻剂中的氧化元素的量至少是一份。


6.根据权利要求5所述的方法，所述方法的特征在于：所述第二蚀刻剂包含还原元素，并且所述氧化元素的量减去还原元素的量等于在-1至3的范围内的数值。

【专利技术属性】
技术研发人员：G·古比尔，沙昂，J·布瑞里克，
申请(专利权)人：特斯坎布尔诺公司，奥赛物理公司，
类型：发明
国别省市：捷克;CZ