蚀刻方法和蚀刻装置制造方法及图纸

一种用于相对于氮化铝钛膜选择性去除碳化铝钛膜的方法，所述方法通过使用作为富非卤素自由基源的接近大气压力的等离子体而由Ar和液体蒸气产生各种自由基(例如，NH、H、CH

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】蚀刻方法和蚀刻装置


[0001]本专利技术涉及金属碳化物膜的蚀刻方法和蚀刻装置。

技术介绍

[0002]半导体行业中的三维(3D)器件的先进制作需要控制由含钛化合物制成的多金属栅极材料的各向同性蚀刻。以高选择性控制将电介质、半导体和金属各向同性蚀刻为暴露材料起重要的作用。金属栅极的选择性蚀刻对于在逻辑器件中的多金属栅极图案化来说是一个挑战。
[0003]TiAlC属于高熔点、高硬度且高耐磨性的材料，并且可以在逻辑半导体器件的鳍式场效应晶体管(FET)中的功函数金属的多层结构中使用。仅有很少关于湿法蚀刻这种材料如H2O2混合物的报道。例如，为了去除在蚀刻停止层如TaN或HfO2上方的目标金属层如TiN或TiAlC，应用使用H2O2混合物的各向同性湿法蚀刻；然而，在有掩模器件上的金属栅极可能由于差的金属可去除性所致而被长时间湿法蚀刻损坏。这将会引起在图案化掩模下方的金属膜发生明显横向蚀刻，从而导致大的N/P边界偏移。在最差的情况下，在有掩模器件上的金属栅极将会被湿法蚀刻损坏。另外，随着图案的小型化而出现由冲洗液的表面张力造成的图案崩塌。随着生产三维元件结构中的器件制造过程和加工尺寸的小型化，强烈需要开发一种具有相对于下方膜的高选择性和各向同性以及在原子层水平的高加工尺寸可控性的高性能刻蚀方法。
[0004]在相关技术中，在US 2015/0132953 A1(PTL 1)中公开了使用过氧化物混合物蚀刻可含有铝的碳化钛。在该方法中，利用氨、过氧化物和水的液体混合物在25℃的温度下可以获得TiC相对于TiN的最大选择性，其中TiC的蚀刻速率为8.6nm/min。
[0005][引用清单][0006][专利文献][0007][PTL1][0008]US 2015/0132953 A1

技术实现思路

[0009][技术问题][0010]尚未开发出用于三元材料TiAlC的干法蚀刻。等离子体蚀刻具有蚀刻这种TiAlC材料的潜力；然而，当考虑不仅对于单一元素而且对于二元结合和三元结合的蚀刻速率的平衡时，蚀刻对于各种元素具有不同性质的三元材料是一个挑战。考虑挥发性产物，氯/溴化物/碘等离子体可以在较低的温度下形成挥发性产物如TiCl4或AlCl3；然而，基于氯/溴化物/碘的气体是腐蚀性的和有毒的，这对于系统设置和安全方面来说需要加强考虑。与氯等离子体相比，氟等离子体在等离子体蚀刻中更普遍。然而，可以由氟等离子体形成的AlF3化合物是非挥发性产物，并且需要额外的配体
‑
交换步骤来形成挥发性产物。因此，找到一种蚀刻TiAlC的非氯/氟等离子体化学是一个挑战。
[0011]开发一种在下一代3D鳍形场效应晶体管的栅极加工中具有相对于下方膜的高选择性和各向同性以及在原子层水平的高加工尺寸可控性的高性能蚀刻方法是强烈期望的。
[0012][问题的解决方案][0013]本专利技术人已经开发出一种新的干法蚀刻方法，被称为接近大气压力的等离子体增强的原子层蚀刻(ALE
‑
nAPP)，其用于利用液体源的蒸气注入对金属碳化物进行各向同性的蚀刻。
[0014]尽管真空等离子体具有对气体化学的良好控制，并且可能在表面改性过程中提供高能物种，但是由于装置尺寸的小型化以及降低的制作成本和能耗所致，已深入研究了大气压力等离子体(APP)。等离子体是离子、自由基、电子激发粒子以及在可见光和UV范围内的光子的来源。离子或带电粒子具有非常短的寿命，并且难以到达远离等离子体源的衬底表面，而自由基更稳定，并且能够在流动气体中或通过扩散行进长距离。那些自由基对于控制用于3D多层半导体器件的各向同性蚀刻起重要作用。与最大电子密度为10
12
cm
‑3的低压力等离子体相比，APP可以产生高等离子体密度(10
13
‑
16
cm
‑3)。因此，与低压力等离子体相比，由APP可以产生超过1000倍的自由基数量。
[0015]这里，应用连续蚀刻和原子层蚀刻两种技术。关于原子层蚀刻，可以采用相对于其他膜选择性去除一个膜的自限制方式的循环蚀刻。在表面改性过程中，应控制离子、自由基、电子激发粒子以及在可见光和UV范围内的光子的通量和能量。这里，自由基更稳定并且能够在流动气体中或通过扩散在这种装置中行进长距离。接近大气压力的等离子体具有高电子密度(10
14
cm
‑3)，并且产生高自由基密度。与低压力等离子体(电子密度最大值为10
12
cm
‑3)相比，接近大气压力的等离子体可以为处于偏远地区的大面积区域产生高等离子体密度(10
13
‑
15
cm
‑3)。可以作为共反应物或蚀刻剂物种工作的富自由基源增强了与样品表面的反应速率。
[0016]将由液体源产生的蒸气注入到接触样品表面的等离子体中用于TiAlC膜的表面改性。通过使用Ar气体/蒸发的液体混合物，产生等离子体用于TiAlC膜的表面改性，该表面改性可以降低顶层的表面结合能并且可以更容易地通过额外的步骤去除。利用Ar/液体蒸气等离子体进行实验以产生反应性物种如Ar、NH、OH、H、CH
x
、N2和O自由基。
[0017]TiAlC表面的表面改性已显示当使用H2O或H2O2/H2O混合物时，通过形成Al和Ti的氢氧化物以及去除TiC和AlC而对TiAlC表面进行改性。在使用含氨液体蒸气等离子体的情况下，可以获得氮化。可以在等离子体暴露步骤期间或通过额外的步骤(取决于每种应用)去除具有不同性质的改性层。如图18和图19的图中所示的，含NH
‑
H(CH
x
)的等离子体由于产生挥发性产物而显示出相对于TiN进行选择性蚀刻的高潜力。
[0018]以原子层蚀刻的类似方式，可以通过额外的步骤去除具有较低表面结合能的改性层。与低压力等离子体相比，nAPP在样品表面处的反应化学在化学动力学方面带来大的差异。可以作为共反应物或蚀刻剂物种工作的富自由基源增强了与样品表面的反应速率。因此，ALE
‑
nAPP为开发用于各向同性和选择性蚀刻的高性能蚀刻方法高性能蚀刻方法的前景播下种子。
[0019]本专利技术的一个目的是提供一种用于金属碳化物膜如碳化铝钛膜或碳化钛膜的蚀刻方法和蚀刻装置，它们能够通过不同的气体/蒸气化学进行高选择性蚀刻以及在原子层水平的高加工尺寸可控性。本专利技术的该目的和新特征根据本说明书的描述和附图将会变得
明显。
[0020]为了实现上述目的，例如，采用了所附权利要求中描述的配置和程序。
[0021]本申请包括多种解决上述问题的手段，并且其一个实例是一种用于蚀刻碳化铝钛膜的蚀刻方法，其包括：产生高密度反应性物种的第一过程，所述反应性物种包括液体蒸气(氨、过氧化物、乙醇、去离子水)与Ar气体在不同工作压力、衬底温度和不同液体蒸气管线设计下的各种混合物，以用于处理材料例如碳化铝钛膜；以及真空加热经处理的材料以去本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于蚀刻金属碳化物膜的蚀刻方法，所述蚀刻方法包括：将包括NH和H的反应性物种供应到在表面的至少一部分上包括金属碳化物膜的基材的过程；以及通过在所述过程中形成挥发性产物而对基材的相对于金属氮化物的选择性蚀刻过程。2.根据权利要求1所述的蚀刻方法，其中所述反应性物种还包括CH
x
。3.根据权利要求1所述的蚀刻方法，其中所述金属碳化物膜是碳化铝钛，并且所述金属氮化物是氮化钛。4.一种用于蚀刻金属碳化物膜的蚀刻方法，所述蚀刻方法包括：将包括NH和H的高密度反应性物种供应到在表面的至少一部分上包括金属碳化物膜的基材的第一过程；以及通过形成挥发性产物，接着通过额外的加热以去除在所述第一过程中在所述金属碳化物膜的表面上形成的表面反应层而对基材的相对于金属氮化物的选择性蚀刻过程。5.根据权利要求4所述的蚀刻方法，其中所述反应性物种还包括CH
x
。6.根据权利要求4所述的蚀刻方法，其中所述金属碳化物膜是碳化铝钛，并且所述金属氮化物是氮化钛。7.根据权利要求4所述的蚀刻方法，其中将所述第一过程和所述第二过程的组合设置为一个循环，并且重复多个所述循环。8.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮氏翠儿，石川健治，堀胜，筱田和典，滨村浩孝，
申请(专利权)人：株式会社日立高新技术，
类型：发明
国别省市：