在选择性原子层蚀刻中使用超薄蚀刻停止层的方法技术

一种用于使用超薄蚀刻停止层(ESL)选择性蚀刻材料的方法，其中在使用原子层蚀刻(ALE)下该ESL在厚度小至大约一个单层下是有效的。一种衬底加工方法，其包括在衬底上沉积第一膜，在该第一膜上沉积第二膜，以及使用ALE工艺相对于该第一膜选择性地蚀刻该第二膜，其中蚀刻在该第二膜和该第一膜的界面处自终止。刻在该第二膜和该第一膜的界面处自终止。刻在该第二膜和该第一膜的界面处自终止。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在选择性原子层蚀刻中使用超薄蚀刻停止层的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年2月3日提交的标题为“METHOD FOR USING ULTRA
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THIN ETCH STOP LAYERS IN SELECTIVE ATOMIC LAYER ETCHING[在选择性原子层蚀刻中使用超薄蚀刻停止层的方法]”的美国临时专利申请号62/969,567的优先权；该美国临时专利申请的披露内容通过援引以其全文明确并入本文。


[0003]本专利技术涉及半导体制造和半导体装置的领域，并且更特别地涉及一种在半导体加工中使用超薄无机蚀刻停止层的方法。

技术介绍

[0004]在半导体和相关工业中，纳米结构和纳米图案的制造要求在沉积和蚀刻不同材料时实现近原子水平的精度和选择性。实例包括精细互连特征的金属填充，以及用于场效应晶体管和其他低于10nm尺度的纳米装置的超薄栅电介质和超薄沟道的形成。原子层沉积(ALD)和原子层蚀刻(ALE)工艺可以定义先进半导体制造所需的原子层生长和去除，基于沉积/回蚀方法和高纵横比结构中的共形蚀刻来生产超光滑薄膜。

技术实现思路

[0005]描述了用于使用超薄蚀刻停止层(ESL)选择性蚀刻材料的方法，其中当使用ALE工艺时，ESL在厚度小至大约一个单层下是有效的。
[0006]根据一个实施例，衬底加工方法包括在衬底上沉积第一膜，在第一膜上沉积第二膜，以及使用ALE工艺相对于第一膜选择性地蚀刻第二膜，其中蚀刻在第二膜和第一膜的界面处自终止。
[0007]根据另一个实施例，衬底加工方法包括提供含有在衬底上的第一膜和在第一膜上的第二膜的衬底，使用相对于第一膜选择性蚀刻第二膜的ALE工艺开始蚀刻第二膜，以及使用ALE工艺去除第二膜，其中蚀刻在第二膜和第一膜的界面处自终止。该方法进一步包括：在去除之后，使用附加的ALE工艺蚀刻第一膜，其中ALE工艺包括交替气态暴露第一反应物和第二反应物，并且该附加的ALE工艺包括交替气态暴露第三反应物和第四反应物，并且其中ALE工艺和附加的ALE工艺在没有等离子体激发第一反应物、第二反应物、第三反应物和第四反应物的情况下进行。根据一个实施例，第一膜具有大约一个单层的均匀厚度。
[0008]根据另一个实施例，衬底加工方法包括在衬底上沉积ZrO2膜，在ZrO2膜上沉积Al2O3膜，使用相对于ZrO2膜选择性蚀刻Al2O3膜的热ALE工艺开始蚀刻Al2O3膜，以及使用热ALE工艺去除Al2O3膜，其中蚀刻在Al2O3膜和ZrO2膜的界面处自终止。根据一个实施例，ZrO2膜具有大约一个单层的均匀厚度。根据一个实施例，热ALE工艺包括交替气态暴露HF和Al(CH3)3。根据一个实施例，该方法进一步包括在去除之后，使用附加的热ALE工艺蚀刻ZrO2膜，该工艺包括交替气态暴露HF和Al(CH3)2Cl。
附图说明
[0009]在附图中：
[0010]图1A
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1E示意性地示出了根据本专利技术的实施例的一种加工层结构的方法；
[0011]图2示出了根据本专利技术的实施例，在沉积/蚀刻工艺过程中用石英晶体微量天平(QCM)追踪的衬底质量变化；
[0012]图3示出了根据本专利技术的实施例，在沉积/蚀刻工艺过程中用QCM追踪的衬底质量变化；
[0013]图4示出了根据本专利技术的实施例通过QCM测量的蚀刻速率；
[0014]图5示出了根据本专利技术的实施例，在ALE工艺过程中用QCM追踪的衬底质量变化；以及
[0015]图6以表格形式示出了根据本专利技术实施例的可以用于选择性ALE的蚀刻反应物和材料的组合的实例。
具体实施方式
[0016]在半导体装置的制造中，在材料堆叠体中使用ESL以在不同材料的界面处停止蚀刻工艺，或者保护下面的材料不被蚀刻。本专利技术的实施例描述了ESL的使用，该ESL可以只有一个单层(原子层)厚，并且可以在一个或多个加工室中原位沉积和随后去除。本文描述的方法可以显著减少半导体装置制造中的加工时间和材料使用，并且允许在纳米尺寸的空间和3D特征中沉积/蚀刻加工。此外，该方法可以减少在半导体装置中集成材料的多堆叠体的过程中与应力积累相关的问题。
[0017]根据一个实施例，描述了用于使用超薄ESL选择性蚀刻材料的方法，其中在ALE加工中，ESL在厚度小至大约一个单层下是有效的。ALE是使用顺序和自限制反应去除材料薄层的蚀刻技术。在没有等离子体激发的情况下进行的热ALE使用自饱和和自终止的顺序热驱动反应步骤提供了各向同性的原子级蚀刻控制。热ALE蚀刻机制可以包括氟化和配体交换、转化蚀刻以及氧化和氟化反应。蚀刻精度可以达到原子级尺寸，并且可以实现大面积的均匀衬底蚀刻。可以使用本专利技术的实施例加工的衬底的实例包括半导体材料(例如，Si)的薄晶片，其通常在半导体制造中发现并且可以具有100mm、200mm、300mm或更大的直径。然而，可以使用其他类型的衬底，例如用于制造太阳能电池板的衬底。
[0018]图1A
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1E示意性地示出了根据本专利技术的实施例的一种加工层结构的方法。如在图1A中示意性地示出的，该方法包括提供含有基础材料100(例如，硅晶片)的衬底1，以及在基础材料100上的底部膜102。尽管在图1A中未示出，但是衬底1可以含有一个或多个附加的膜和材料以及一个或多个简单或先进的图案化特征。
[0019]在图1B中，该方法进一步包括在底部膜102上沉积第一膜104。根据本专利技术的实施例，第一膜104可以用作ESL。在一个实例中，第一膜104是介电膜。在一些实例中，第一膜102可以包括具有通式M
x
O
y
的金属氧化物膜，其中x和y是整数。实例包括ZrO2和Al2O3。在一个实例中，第一膜104可以包括ZrO2，其可以使用ALD加工均匀地沉积在基础材料100上。然而，第一膜102不限于金属氧化物，并且可以包括其他材料或由其组成，例如氧化物、氮化物、氮氧化物和在半导体装置中发现的其他材料。
[0020]在图1C中，该方法进一步包括在第一膜104上沉积第二膜106，其中第二膜106含有
与第一膜104不同的材料。根据本专利技术的实施例，第一膜104可用于在第二膜106和第一膜104的界面处停止后续蚀刻工艺，或者保护第一膜102不被蚀刻。在一个实例中，第二膜106是介电膜。在一些实例中，第二膜106可以包括具有通式M
x
O
y
的金属氧化物膜，其中x和y是整数。实例包括ZrO2、HfO2和Al2O3。在一个实例中，第二膜106可以包括Al2O3，其可以使用ALD加工均匀地沉积在第一膜104上。然而，第二膜106不限于金属氧化物，并且可以包括其他材料或由其组成，例如氧化物、氮化物、氮氧化物和在半导体装置中发现的其他材料。
[0021]该方法进一步包括使用相对于第一膜104选择性蚀刻第二膜106的ALE工艺(例如，热ALE工艺)开始第二膜10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种衬底加工方法，该方法包括：在衬底上沉积第一膜；在该第一膜上沉积第二膜；以及使用原子层蚀刻(ALE)工艺相对于该第一膜选择性地蚀刻该第二膜，其中该蚀刻在该第二膜和该第一膜的界面处自终止。2.如权利要求1所述的方法，其中，该ALE工艺包括交替气态暴露第一反应物和第二反应物。3.如权利要求2所述的方法，其中，该ALE工艺包括在没有等离子体激发该第一反应物和该第二反应物的情况下进行的热ALE工艺。4.如权利要求1所述的方法，其中，该第一膜和该第二膜是介电膜。5.如权利要求1所述的方法，其中，该第一膜和该第二膜包括选自由Al2O3、ZrO2和HfO2组成的组的不同金属氧化物膜。6.如权利要求1所述的方法，其中，该第二膜包括Al2O3膜。7.如权利要求6所述的方法，其中，在原子层沉积(ALD)工艺中，使用Al(CH3)3和H2O的交替气体暴露来沉积该Al2O3膜。8.如权利要求1所述的方法，其中，该ALE工艺包括交替气态暴露1)HF和2)Sn(acac)2、Al(CH3)3、Al(CH3)2Cl、SiCl4或TiCl4。9.如权利要求1所述的方法，其中，该第一膜包括ZrO2膜。10.如权利要求9所述的方法，其中，该ZrO2膜具有大约一个单层的均匀厚度。11.如权利要求9所述的方法，其中，在原子层沉积(ALD)工艺中，使用ZrCl4和H2O的交替气体暴露来沉积该ZrO2膜。12.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：在去除之后，使用附加的ALE工艺蚀刻该第一膜。13.如权利要求12所述的方法，其中，该ALE工艺包括交替气态暴露第一反应物和第二反应物，并且该附加的ALE工艺包括交替气态暴露该第一反应物和不同于该第二反应物的第三反应物。14.如权利要求13所述的方法，其中，该...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥米德，
申请(专利权)人：科罗拉多大学董事会，
类型：发明
国别省市：