經(jīng)碰撞諧振能轉(zhuǎn)移到能量吸附氣體調(diào)整等離子體的vuv發(fā)射的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體涉及經(jīng)碰撞諧振能轉(zhuǎn)移到能量吸附氣體調(diào)整等離子體的VUV發(fā)射。
【背景技術(shù)】
[0001]隨著半導(dǎo)體工業(yè)中的器件和特征尺寸不斷縮小，并隨著3D器件結(jié)構(gòu)(例如英特爾的三柵極晶體管架構(gòu))在集成電路(IC)設(shè)計中變得越來越普遍，沉積薄共形膜(相對于下層結(jié)構(gòu)的形狀(即使不是平坦的)具有均勻厚度的材料膜)的能力將越來越重要。原子層沉積(ALD)是一種膜形成技術(shù)，由于ALD的單個周期只沉積薄薄的單層材料(厚度受到一或多種膜前體反應(yīng)劑的量的限制)，所以ALD非常適于共形膜的沉積，所述膜前體反應(yīng)劑可在膜形成化學(xué)反應(yīng)本身之前吸附到襯底表面上(即，形成吸附受限層)。接著，多個“ALD周期”可被用于累積所希望的厚度的膜，且由于每個層是薄的和共形的，所以得到的膜大體上與下層器件結(jié)構(gòu)的形狀一致。類似地，原子層蝕刻(ALE)是一種類似于ALD的吸附介導(dǎo)的蝕刻技術(shù)，由于其涉及蝕刻劑的吸附受限層的反應(yīng)，因此ALE可被用于可控地并選擇性地以高精度水平蝕刻硅襯底，但是，與ALD—樣，通常需要多個“ALE周期”來完成希望的襯底蝕刻量。因為ALD和ALE往往是等離子體激活的工藝，所以在許多周期的整個進(jìn)程控制等離子體(用于激活A(yù)LD中的膜形成反應(yīng)或ALE中的蝕刻反應(yīng))的特征會是非常重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]本文公開了在半導(dǎo)體處理室中調(diào)整來自等離子體的真空紫外(VUV)輻射的發(fā)射的方法。所述方法可包括在處理室中產(chǎn)生等離子體，所述等離子體包括VUV發(fā)射物氣體和碰撞能量吸收物氣體，以及通過改變所述等離子體中的VUV發(fā)射物氣體與碰撞能量吸收物氣體的濃度比來調(diào)整來自所述等離子體的VUV輻射的發(fā)射。在一些實施方式中，所述VUV發(fā)射物氣體是氦，而在一些實施方式中，所述碰撞能量吸收物氣體是氖。在一些實施方式中，調(diào)整來自所述等離子體的VUV輻射的發(fā)射可包括使氦和/或氖按一定比例流入所述處理室中以便改變所述等離子體中的氦與氖的濃度比。在一些實施方式中，所述方法可進(jìn)一步包括測量所述等離子體和/或所述襯底的性質(zhì)以及響應(yīng)于測得的所述性質(zhì)設(shè)置氦和/或氖到所述處理室中的流。在某些實施方式中，測得的所述性質(zhì)可以是來自所述等離子體的激活狀態(tài)的物質(zhì)的發(fā)射帶(an emiss1n band)的發(fā)射強度。在某些實施方式中，測得的所述性質(zhì)可以是用測量工具測得的半導(dǎo)體襯底的所蝕刻的特征的輪廓，所述特征已在所述處理室中被蝕刻。在一些實施方式中，其VUV發(fā)射被調(diào)整的等離子體是電容耦合等離子體。
[0003]此外，本文還公開了半導(dǎo)體處理裝置，在該半導(dǎo)體處理裝置中，VUV發(fā)射等離子體被產(chǎn)生且其VUV發(fā)射被調(diào)整。所述裝置可包括處理室、等離子體發(fā)生器、被配置用于使氦和氖流入所述處理室中的一或多個氣流入口以及用于控制所述裝置的操作的控制器。在一些實施方式中，所述控制器可包括機器可讀指令，所述機器可讀指令用于操作所述等離子體發(fā)生器以在所述處理室中產(chǎn)生VUV發(fā)射等離子體，所述等離子體包括氦和氖，以及操作所述一或多個氣流入口以通過使氦和/或氖按一定比例流入所述處理室中以便改變所述等離子體中的氦與氖的濃度比來調(diào)整來自所述等離子體的VUV輻射的發(fā)射。
[0004]在一些實施方式中，所述裝置可進(jìn)一步包括光檢測器，且所述控制器的機器可讀指令可進(jìn)一步包括用于以下事項的指令:操作所述光檢測器以測量所述等離子體的發(fā)射帶的發(fā)射強度，以及操作所述一或多個氣流入口以響應(yīng)于測得的所述發(fā)射強度設(shè)置氦和/或氖到所述處理室中的流率。
[0005]在一些實施方式中，所述一或多個氣流入口可進(jìn)一步被配置用于使蝕刻劑氣體流入所述處理室中，且所述裝置可進(jìn)一步包括真空栗、至所述真空栗的閥控制的導(dǎo)管。在某些這樣的實施方式中，所述控制器的機器可讀指令可進(jìn)一步包括用于操作所述一或多個氣流入口以使蝕刻劑氣體流入所述處理室中的指令，以及用于設(shè)置所述處理室中的條件使得所述蝕刻劑吸附到所述半導(dǎo)體襯底的表面上形成蝕刻劑的吸附受限層的指令。所述控制器的機器可讀指令可進(jìn)一步包括用于以下事項的指令:操作所述閥控制的導(dǎo)管和真空栗以從圍繞所吸附的所述蝕刻劑的體積去除未吸附和/或解吸的蝕刻劑，以及，在蝕刻劑的吸附以及未吸附和/或解吸的蝕刻劑的去除之后，操作所述等離子體發(fā)生器以在所述半導(dǎo)體襯底上蝕刻特征。
[0006]在一些實施方式中，所述裝置可進(jìn)一步包括用于測量半導(dǎo)體襯底的特征的蝕刻輪廓的測量工具。在某些這樣的實施方式中，所述控制器可進(jìn)一步包括用于以下事項的指令:操作所述測量工具以測量在所述半導(dǎo)體襯底上的所蝕刻的特征的蝕刻輪廓，以及操作所述一或多個氣流入口以響應(yīng)于測得的所述蝕刻輪廓設(shè)置氦和/或氖到所述處理室中的流率。
【附圖說明】
[0007]圖1示意性地示出了用于蝕刻半導(dǎo)體襯底的表面的原子層蝕刻(ALE)方法。
[0008]圖2給出了氦氣和氖的能級圖，其圖解了氖的激發(fā)態(tài)與氦的激發(fā)態(tài)在能量方面排列，因此可誘導(dǎo)從氦到氖的諧振能量轉(zhuǎn)移。
[0009]圖3描繪了來自具有大約I英寸的小室間隙的電容耦合等離子體(CCP)反應(yīng)器中產(chǎn)生的氦-氖等離子體的氖的632.Snm線的發(fā)射強度。具體地說，在4個不同的室的壓強(對應(yīng)于4個不同的氖分壓)下，相對于流入CCP反應(yīng)器中的氦流量，描繪了氖的632.Snm的發(fā)射強度。
[0010]圖4描繪了來自具有大約6英寸的大室間隙的電感耦合等離子體(ICP)反應(yīng)器中產(chǎn)生的氦-氖等離子體的氖的632.Snm線的發(fā)射強度。具體地說，在4個不同的室的壓強(對應(yīng)于4個不同的氖分壓)下，相對于流入ICP反應(yīng)器中的氦流量，描繪了氖的632.Snm的發(fā)射強度。
[0011]圖5是采用真空紫外光輻射調(diào)節(jié)和/或控制過程的原子層蝕刻(ALE)的流程圖。
[0012]圖6A-圖6C是適合于實現(xiàn)本文描述的各種方法的ALE的電容耦合等離子體(CCP)反應(yīng)器的示意圖。
[0013]圖7是適合于實現(xiàn)本文描述的各種ALE工藝的電感耦合等離子體(ICP)反應(yīng)器的示意圖。
[0014]圖8是適合于實現(xiàn)本文描述的各種ALE處理的襯底處理群集工具的示意圖。
【具體實施方式】
[0015]在以下描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)以便提供對本發(fā)明的全面理解。然而，本發(fā)明可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)中的一些或所有的情況下實施。在其它實例中，未詳細(xì)描述公知的方法操作以免不必要地使所公開的創(chuàng)造性方面難以理解。盡管將會結(jié)合特定實施方式描述本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些特定實施方式并不旨在限制本發(fā)明所公開的發(fā)明構(gòu)思的范圍。
[0016]原子層蝕刻技術(shù)和操作
[0017]現(xiàn)在描述用于在部分制造的半導(dǎo)體襯底的表面上所蝕刻的特征的蝕刻技術(shù)、操作、方法等。在一些實施方式中，蝕刻技術(shù)可使用類似于原子層沉積(ALD)的工藝，在ALD中，表面反應(yīng)(在這種情況下蝕刻表面的反應(yīng))可以原子層精度進(jìn)行控制。在一些實施方式中，根據(jù)其中這樣的原子層蝕刻(ALE)技術(shù)導(dǎo)致表面反應(yīng)的激活的方式，襯底特征可以被垂直地但基本上不能水平地蝕刻;例如，蝕刻操作可以蝕刻特征的底部/基部而基本上不蝕刻特征的側(cè)壁。通過蝕刻工藝的吸附性受限特性，以及(如指出的)激活的方式使得這種選擇性部分可行。在圖1的各個子圖(a)至(e)中所示的示意性襯底截面圖示出了這樣的原子層蝕刻(ALE)工藝。
[0018]如圖1(a)所示，在一些實施方式中，這樣的ALE工藝可以通過下列步驟開始:引入用于蝕刻的化學(xué)物質(zhì)120(即蝕刻劑物質(zhì))到處理室中，以使得蝕刻劑120被輸送到襯底110的表面(由在圖中向下的箭頭所指示的)。在一些實施方式中，蝕刻劑可以是含鹵物質(zhì)，并且在某些這樣的實施方式中，含氟物質(zhì)如XeF2、BrF3、IF5、ClF3等。在一些實施方式中，蝕刻劑可以是含鹵和碳的物質(zhì)，如碳氟化合物，例如，C4F8。其他的例子可以是?2、CF4、CHF3、CH2F2、CH3F。在一些實施方式中，例如，蝕刻劑可以是含氯物質(zhì)，諸如氯氣、四氯化碳、三氯甲烷、二氯甲烷、一氯甲烷、三氯化硼。
[0019]在蝕刻劑120(或蝕刻劑的一部分)被引入到處理室之后，其吸附到襯底110上，使得它在表面110的頂部上形成吸附受限層。通常這種吸附受限層可被描述為大致具有單個吸附分子的均勻厚度的單層。其中，條件是使得情況是這樣的:單層形成通常是化學(xué)吸附過程的結(jié)果，該化學(xué)吸附過程需要上面吸附單層的暴露表面，即在該表面上的給定點的單個吸附的原子或分子阻止在該點進(jìn)一步的吸附。
[0020]待蝕刻的蝕刻劑120的單層到表面110上的這種吸附被示意性地示于圖1(b)。圖1
(b)示意性地示出了直接結(jié)合到襯底的表面的頂層130的蝕刻劑120。雖然在此公開的ALE方法不限于下列體系:其中在蝕刻劑120與襯底表面的頂層130之間存在實際化學(xué)結(jié)合，在一些情況下，可能會發(fā)生化學(xué)鍵合，如共價鍵合。在其他情況下，其他形式的相互吸引作用可在吸附蝕刻劑后存在于該蝕刻劑和襯底表面之間。
[0021]在圖1(a)-l(d)中蝕刻劑和襯底表面的頂層被描繪為“球”，而它們彼此的結(jié)合被描繪為“枝”，但是，應(yīng)該注意的是描繪成單個“球”的每個這樣的物質(zhì)不應(yīng)該被解釋為暗示每個這樣的物質(zhì)必然是原子物質(zhì)。相反，蝕刻劑與襯底表面的物質(zhì)也可以是多個原子的分子物質(zhì)，具體取決于不同的實施方式。簡單的“球和枝”示圖被用來提供表面吸附過程的基本示意圖。還應(yīng)當(dāng)指出的是，盡管為簡化起見，如圖l(a)_l(b)所示，相同的物質(zhì)被引入并隨后被吸附，但吸附物質(zhì)可能并不構(gòu)成引入處理室中的全部蝕刻劑。換句話說，在一些實施方式中，僅蝕刻劑的一部分可能被吸附。
[0022]例如，如果引入到處理室的蝕刻劑是氯氣，則吸附的蝕刻劑可以是原子氯(Cl)自由基或共價鍵合到襯底表面的氯原子。因此，在這個例子中可以說，技術(shù)上原子氯(Cl)是指進(jìn)行蝕刻的物質(zhì)。盡管如此，為了清楚簡潔起見，引入到處理室的蝕刻劑(在本實施例中為分子Cl2)以及實際上被吸附的物質(zhì)(在本實施例中為原子Cl)在本文中均可以被稱作“蝕刻劑”，應(yīng)該理解該詞語是指實際上吸附到表面上并造成如本文所述的蝕刻的物質(zhì)的化合物，或該物質(zhì)的源的化合物。
[0023]應(yīng)當(dāng)注意，吸附過程可以是等離子體增強的或可通過將襯底表面暴露于中性蝕刻劑氣體來實現(xiàn)。還應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然圖1(b)示意性地示出了蝕刻劑吸附到水平表面，但通常，蝕刻劑也可以被吸附到被蝕刻的襯底特征結(jié)構(gòu)的側(cè)壁。但是，對于下面描述的原因，這并不一定導(dǎo)致側(cè)壁的蝕刻和潛在蝕刻。
[0024]吸附發(fā)生后，如圖1(c)所示，從處理室去除過量的未吸附的(可能包括解吸)蝕刻劑，以防止它們在蝕刻工藝的后續(xù)步驟中干擾化學(xué)吸附的物質(zhì)的激活和反應(yīng)(例如，潛在的并發(fā)氣相反應(yīng))。在一些實施方式中，去除過量的未吸附的蝕刻劑可通過抽吸未吸附的蝕刻劑離開處理室來完成。在一些實施方式中，去除可通過用惰性氣體吹掃處理室來實現(xiàn)。在一些實施方式中，也可以使用抽吸反應(yīng)室下降到基壓(a base pressure)以除去未吸附物質(zhì)然后吹掃的組合序列，或反之亦然。
[0025]一旦在襯底的表面上形成蝕刻劑的吸附受限層和從處理室中去除未吸附的前體，反應(yīng)就在被吸附的蝕刻劑和蝕刻劑被吸附到其上的表面的頂層之間被激活。如圖1(d)所示，這導(dǎo)致蝕刻掉表面的一部分。圖1(c)示意性地示出了為了激活表面反應(yīng)被暴露于等離子體140的電子激發(fā)物質(zhì)的吸附受限層。
[0026]最后，在一些實施方式中，在表面介導(dǎo)的蝕刻反應(yīng)已經(jīng)如圖1(d)所示地進(jìn)行后，由蝕刻反應(yīng)生成的副產(chǎn)物可以從處理室中去除，如圖1(e)所示。這可以通過栗至基壓(PTB)和/或用惰性氣體吹掃處理室等來實現(xiàn)。在所述吸附受限層包含氯氣作為蝕刻劑的實施方式中，副產(chǎn)物可以包括含氯物質(zhì)并應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?br>[0027]圖l(a)_l(e)示意性地描繪了構(gòu)成原子層蝕刻(ALE)的單個循環(huán)的事件的示例性序列。因此，通常單ALE循環(huán)可包括操作:吸附蝕刻劑到半導(dǎo)體襯底的表面上，使得蝕刻劑在表面上形成吸附受限層，然后從圍繞被吸附的蝕刻劑的體積去除未吸收和/或解吸的蝕刻劑。然后，這樣的單ALE循環(huán)可繼續(xù):在處理室內(nèi)產(chǎn)生等離子體，并使被吸附的蝕刻劑與等離子體接觸以蝕刻襯底的表面。等離子體激活蝕刻之后，可選的蝕刻后去除操作可以從圍繞被蝕刻的襯底的體積去除蝕刻副產(chǎn)物和/或解吸的蝕刻劑。
[0028]然而，由于每個ALE循環(huán)僅構(gòu)成蝕刻劑的單個吸附受限層的反應(yīng)，通常只有單層從襯底表面上去除，如圖1(e)所示，所以ALE操作的循環(huán)通常重復(fù)多次以基本上蝕刻掉可察覺量的襯底表面。因此，通過箭頭接合圖1(e)與圖1(a)，圖1示意性示出了這種重復(fù)的蝕刻循環(huán)。值得注意的是，在每個循環(huán)中吸附的蝕刻劑層常常被稱作共形層，即具有基本上均勻的厚度的層并且該層基本上符合吸附該層的特征的形狀。因此，在每個循環(huán)期間將襯底的任何部分暴露于反應(yīng)性蝕刻劑，該反應(yīng)性蝕刻劑的量是一致的和可重復(fù)的，從而提供整體多循環(huán)ALE工藝的均勻性、可控性和選擇性。
[0029]再次參照圖1(d)所示的等離子體激活操作，等離子體可以包括離子、自由基和中性非自由基物質(zhì)，并且一種或多種這些物質(zhì)與吸附