用於刻蝕高k介電材料的方法和系統的製作方法
2023-07-07 16:30:26
專利名稱：用於刻蝕高k介電材料的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及刻蝕襯底的方法，更具體地說，本發明涉及刻蝕襯底上的高k介電層的方法。
背景技術：
在半導體工業中，微電子器件的最小特徵尺寸正向深亞微米領域前進，以滿足更快的、功率更低的微處理器和數字電路的需要。在高介電常數的介電材料(這裡也稱為「高k」材料)即將替代SiO2和氧氮化矽(SiNxOy)並且在亞0.1μm互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術中使用了作為替換的柵電極材料來替代摻雜的多晶矽的情況下，工藝開發和集成問題是對新的柵極疊層材料和矽化物處理的關鍵挑戰。
介電常數大於SiO2(k～3.9)的介電材料通常被稱為高k材料。另外，高k材料可以指被沉積到襯底上而不是生長在襯底上的介電材料(前者例如HfO2、ZrO2，後者例如SiO2、SiNxOy)。高k材料可以包含金屬矽酸鹽或金屬氧化物(例如Ta2O5(k～26)、TiO2(k～80)、ZrO2(k～25)、Al2O3(k～9)、HfSiO、HfO2(k～25))。在半導體器件的製造期間，高k層必須被刻蝕並移去，以允許源極/漏極區域的矽化，並減少金屬雜質在離子注入期間被注入到源極/漏極區域的風險。
發明內容
本發明涉及刻蝕襯底的方法，更具體地說，涉及刻蝕襯底上的高k介電層的方法。
一種用於在等離子體處理系統中刻蝕位於襯底支座頂部的襯底上的高k介電層的方法包括提升襯底溫度到超過200C；向等離子體處理系統引入處理氣體，所述處理氣體包括含滷素的氣體；從處理氣體激發等離子體；以及將襯底暴露於等離子體一段時間，這段時間足以刻蝕高k介電層。處理氣體還可以包括還原氣體。
在附圖中圖1示出了根據本發明實施例的等離子體處理系統的簡化示意圖；圖2示出了根據本發明另一個實施例的等離子體處理系統的示意圖；圖3示出了根據本發明另一個實施例的等離子體處理系統的示意圖；圖4示出了根據本發明另一個實施例的等離子體處理系統的示意圖；圖5示出了根據本發明另一個實施例的等離子體處理系統的示意圖；圖6圖示了襯底溫度對三種不同條件的響應；圖7圖示了四個不同處理參數對襯底加熱功率的貢獻；圖8圖示了在處理期間襯底溫度對加熱和冷卻的響應；圖9表示根據本發明實施例的加熱襯底的方法；以及圖10表示根據本發明另一個實施例的加熱襯底的方法。
具體實施例方式
在材料處理方法中，廣泛採用高k介電層作為柵極疊層要求用更複雜的工藝來刻蝕這種材料。其中，柵極疊層的常規幹法等離子體刻蝕採用這樣的襯底支座的設定溫度，該溫度對於包括多個工藝步驟的工藝方案來說，在所有工藝步驟中保持恆定。通常，由於襯底支座溫度由熱交換器設定，並且熱交換器本身具有大的熱慣量，所以在工藝步驟之間改變熱交換器的溫度是不實際的。因此，在工藝步驟之間改變襯底溫度也是不實際的。
然而，先進的柵極疊層刻蝕越來越迫切的需要在一個工藝方案內的不同工藝步驟之間具有可變的襯底溫度。例如，在包括摻雜多晶矽/TaN/HfO2/Si疊層的柵極疊層中，可以在80℃刻蝕摻雜多晶矽和TaN層，這是襯底支座的設定點溫度。然而首先，Si上的HfO2的選擇性刻蝕要求溫度遠高於150℃。其次，至關重要的是引入這樣的等離子體化學物質，其參數範圍足夠大，使得可以在不破壞暴露的底層源極/漏極Si的情況下幹法等離子體刻蝕HfO2柵極介電層。
根據一個實施例，圖1示出了等離子體處理系統1，系統1包括等離子體處理室10、耦合到等離子體處理室10的診斷系統12以及耦合到診斷系統12和等離子體處理室10的控制器14。控制器14被配置用來執行包括一個或多個工藝步驟的用於刻蝕如上所述的柵極疊層的工藝方案。另外，控制器14可被配置用來接收來自診斷系統12的至少一個結束點信號，並對所述至少一個結束點信號進行後處理以準確地確定工藝的結束點。在圖示實施例中，圖1中所示的等離子體處理系統1利用等離子體來進行材料處理。等離子體處理系統1可以包括刻蝕室。
根據圖2中所示的實施例，等離子體處理系統1a可以包括等離子體處理室10、襯底支座20(在襯底支座20上附有要處理的襯底25)和真空泵吸系統30。襯底25可以例如是半導體襯底、晶片或液晶顯示器。等離子體處理室10可以例如被配置用來促進襯底25表面附近的處理區域15中等離子體的生成。經由氣體注入系統(未示出)引入可離子化的氣體或氣體混合物，並調節處理壓強。例如，可以用控制機構(未示出)來對真空泵吸系統30節流。等離子體可被用於生成專用於預定材料處理的材料，和/或幫助從襯底25的暴露表面上移去材料。等離子體處理系統1a可被配置用來處理200mm的襯底、300mm的襯底或更大的襯底。
襯底25可以例如經由靜電夾持系統26附於襯底支座20上。此外，襯底支座20可以例如還包括冷卻系統，該冷卻系統包括再循環冷卻劑流，其接收來自襯底支座20的熱量並將熱量傳送到熱交換系統(未示出)，或者當加熱時傳送來自熱交換系統的熱量。而且，熱傳遞氣體可以例如經由背面氣體分配系統27被傳遞到襯底25的背面，以改善襯底25和襯底支座20之間的氣體間隙熱傳導。這種系統可用在當希望在升高或降低的溫度下進行襯底的溫度控制時。例如，背面氣體分配系統27可以包括兩區域或三區域(或者一般地，多區域)氣體分配系統，其中背面氣體(間隙)壓強可以在襯底25的中心和邊緣之間獨立變化。在其他實施例中，諸如電阻加熱元件或熱電加熱器/冷卻器之類的加熱/冷卻元件可以被包括在襯底支座20以及等離子體處理室10的室壁和等離子體處理系統1a內的任何其他部件中。
在圖2所示的實施例中，襯底支座20可以包括電極，RF功率通過該電極耦合到處理空間15中的處理等離子體。例如，襯底支座20可以被從RF發生器40經由阻抗匹配網絡50發送到襯底支座20的RF功率加以RF電壓的電偏置。RF偏置可用來加熱電子以形成並維持等離子體。在這種配置中，系統可用作為反應離子刻蝕(RIE)反應室，其中室和上部氣體注入電極充當地平面。RF偏置的一般頻率範圍可以從0.1MHz到100MHz。用於等離子體處理的RF系統對於本領域技術人員來說是公知的。
或者，RF功率被以多個頻率施加到襯底支座電極上。此外，阻抗匹配網絡50用來通過減少反射功率改進RF功率向等離子體處理室10中的等離子體的功率傳送。匹配網絡拓撲(例如，L型、π型、T型等)和自動控制方法對於本領域技術人員來說是公知的。
真空泵吸系統30可以例如包括能夠達到5000公升/秒(以及更大)的泵吸速度的渦輪分子真空泵(TMP)和用於調節室壓強的閘門閥。在用於幹法等離子體刻蝕的常規等離子體處理設備中，通常採用1000-3000公升/秒的TMP。例如，TMP對於一般小於50mTorr(毫託)的低壓處理是有用的。對於高壓處理(即，大於100mTorr)，可以使用機械增壓泵和乾式低真空泵。此外，用於監視室壓強的設備(未示出)可以耦合到等離子體處理室10。壓強測量設備可以例如是628B型Baratron絕對電容壓力計，其可從MKS儀器公司(Andover，MA)商業獲得。
控制器14包括微處理器、存儲器和能夠生成控制電壓的數字I/O埠，該控制電壓足以傳輸並激活到等離子體處理系統1a的輸入，以及監視來自等離子體處理系統1a的輸出。而且，控制器14可以耦合到RF發生器40、阻抗匹配網絡50、氣體注入系統(未示出)、真空泵吸系統30，以及背面氣體分配系統27、襯底/襯底支座溫度測量系統(未示出)和/或靜電夾持系統26，並與其交換信息。例如，存儲在存儲器中的程序可被用於根據處理流程激活到等離子體處理系統1a的前述部件的輸入，以執行刻蝕包括高k介電層在內的柵極疊層的方法。控制器14的一個示例是DellPrecision工作站610TM，其可從Dell公司(Austin，Texas)獲得。
診斷系統12可以包括光學診斷子系統(未示出)。光學診斷子系統可以包括諸如(矽)光電二極體或光電倍增管(PMT)之類的檢測器，其用於測量從等離子體發射的光強。診斷系統12還可以包括諸如窄帶幹涉濾波器之類的濾光器。在可替換實施例中，診斷系統12可以包括線性CCD(電荷耦合器件)、CID(電荷注入器件)陣列和諸如光柵或稜鏡之類的光發散設備中的至少一種。另外，診斷系統12可以包括用於測量給定波長的光的單色儀(例如，光柵/檢測器系統)，或者用於測量光譜的分光計(例如具有旋轉光柵)，如在美國專利No.5,888,337中描述的設備。
診斷系統12可以包括高解析度光發射光譜(Optical EmissionSpectroscopy，OES)傳感器，如來自Peak Sensor Systems或Verity儀器公司等的傳感器。這種OES傳感器有寬的光譜，其跨越了紫外(UV)、可見(VIS)和近紅外(NIR)光譜。解析度約為1.4埃，即，該傳感器能夠收集從240到1000nm的5550個波長。例如，OES傳感器可以配備有高靈敏度微型光纖UV-VIS-NIR分光計，該分光計依次集成有2048像素的線性CCD陣列。
分光計接收從單根和成束光纖傳輸的光，其中從光纖輸出的光被利用固定光柵發散到整個線性CCD陣列。類似於上述配置，通過光真空窗口發射的光經由凸球面透鏡被聚焦到光纖的輸入端上。三個分光計，其中每一個都特定調諧用於給定的光譜範圍(UV、VIS和NIR)，構成了用於處理室的傳感器。每個分光計包括獨立的A/D轉換器。最後，取決於傳感器的應用，可以每0.1到1.0秒記錄一次全發射光譜。
在圖3所示的實施例中，等離子體處理系統1b可以例如類似於圖1或2的實施例，並且除了參考圖1和2所述的那些部件外，其還包括固定的、或者機械或電旋轉的磁場系統60，以潛在地增大等離子體密度和/或改進等離子體處理均勻性。而且，控制器14可以耦合到磁場系統60，以調控旋轉速度和場強。旋轉磁場的設計和實現方式對於本領域技術人員來說是公知的。
在圖4所示的實施例中，等離子體處理系統1c可以例如類似於圖1和圖2的實施例，並且還可以包括上電極70，來自RF發生器72的RF功率可以經由阻抗匹配網絡74耦合到上電極70。施加RF功率到上電極使用的一般頻率範圍可以從0.1MHz到200MHz。另外，施加功率到下電極使用的一般頻率範圍可以從0.1MHz到100MHz。而且，控制器14耦合到RF發生器72和阻抗匹配網絡74，以控制向上電極施加RF功率的操作。上電極的設計和實現方式對於本領域技術人員來說是公知的。
在圖5所示的實施例中，等離子體處理系統1d可以例如類似於圖1和2的實施例，並且還可以包括感應線圈80，來自RF發生器82的RF功率經由阻抗匹配網絡84耦合到感應線圈80。來自感應線圈80的RF功率經由介電窗口(未示出)感應耦合到等離子體處理區域15。施加RF功率到感應線圈80使用的一般頻率範圍可以從10MHz到100MHz。類似地，施加功率到卡盤電極使用的一般頻率範圍可以從0.1MHz到100MHz。另外，可以採用槽縫式法拉第護罩(未示出)來減少感應線圈80和等離子體之間的電容耦合。而且，控制器14耦合到RF發生器82和阻抗匹配網絡84，以控制向感應線圈80施加功率的操作。在可替換實施例中，感應線圈80可以是如同在變壓器耦合等離子體(TCP)反應室中那樣從上部與等離子體處理區域15進行通信的「螺旋」線圈或「扁平線圈」。感應耦合等離子體(ICP)源或者變壓器耦合等離子體(TCP)源的設計和實現方式對於本領域技術人員來說是公知的。
或者，等離子體可以利用電子迴旋共振(ECR)來形成。在另一個實施例中，等離子體由Helicon波的發射來形成。在另一個實施例中，等離子體由傳播的平面波來形成。上述的每種等離子體源對於本領域技術人員來說是公知的。
在下面的討論中，表述了一種利用等離子體處理設備來刻蝕包括高k介電層在內的柵極疊層的方法。例如，等離子體處理設備可以包括如圖1到圖5中所述的各種元件及其組合。
一般柵極疊層的示例性表示可以包括具有TEOS硬掩模的多晶矽/HfO2/SiO2/Si。矽層(Si)充當源/漏極，SiO2介電層包括薄(～5埃)的界面氧化物，該界面氧化物有時被結合用來改進溝道遷移率同時也部分地犧牲了總的柵極電介質K值。表1表述了一種示例性處理流程，該流程刻蝕透過多晶矽層和HfO2層，並停止於SiO2層上。
表1例如，在表1中，BT代表透過自然SiO2層的第一工藝步驟；ME代表包括多晶矽主刻蝕步驟的第二工藝步驟；OE代表過刻蝕工藝步驟；PPH代表等離子體預熱工藝步驟；DE代表電介質(HfO2)刻蝕工藝步驟；冷卻代表襯底冷卻工藝步驟。
在表1所示的示例中，利用了如圖4所述的等離子體處理系統，其中top-RF代表上電極RF功率，其中x、xx、xxx分別代表在自然氧化物穿透步驟期間、在主刻蝕步驟期間和在過刻蝕步驟期間傳送到頂電極的RF功率的常規值；bot-RF代表下(襯底支座)電極RF功率，其中y、yy、yyy分別代表在自然氧化物穿透步驟期間、在主刻蝕步驟期間和在過刻蝕步驟期間傳送到底電極的RF功率的常規值；ESC-T代表襯底支座的溫度；gap代表上電極和下電極之間的間隔距離，其中z、zz、zzz分別代表在自然氧化物穿透步驟期間、在主刻蝕步驟期間和在過刻蝕步驟期間頂(上)電極和底(下)電極之間的間距的常規值；P代表處理室壓強，其中p、pp、PPP分別代表在自然氧化物穿透步驟期間、在主刻蝕步驟期間和在過刻蝕步驟期間處理室壓強的常規值；ESC-volts代表施加到襯底支座上的電極夾持電壓；ESC-He代表中心/邊緣襯底背面He壓強(Torr)；Vpp代表在設定RF功率下的上/下電極上的一般峰-峰值RF電壓，其中r、rr、rrr分別代表在自然氧化物穿透步驟期間、在主刻蝕步驟期間和在過刻蝕步驟期間底(下)電極上的峰-峰值電壓的常規值；epd代表結束點檢測時間。等離子體處理系統的其他配置可以具有某些不同的設置和值。
對DE步驟列出的流率(Q)僅僅是反映高流率(即，低駐留時間)情況的一個示例，其中q、qq、qqq分別代表在自然氧化物穿透步驟期間、在主刻蝕步驟期間和在過刻蝕步驟期間處理氣體流率的常規值。所列出的氣體可用來說明實現選擇性HfO2/Si刻蝕的方法。BT、ME和OE工藝步驟和其一般工藝參數是多晶矽刻蝕等領域內的技術人員所能夠理解的。在冷卻步驟期間，移去RF功率以清除處理等離子體，並且通過靜電夾持(ESC)和背面(氦)熱傳遞氣體來冷卻襯底；一般來說，30秒就足以將襯底溫度降低到襯底支座的溫度。
在等離子體預熱(PPH)期間，襯底溫度從適合於刻蝕多晶矽的溫度(如80C)提升到更適合於選擇性刻蝕HfO2的溫度(如400C)。當襯底僅僅放在襯底支座上(即，沒有加以夾持(經由ESC)和背面氣體)時，襯底與襯底支座和周圍的處理室之間基本是隔熱的。例如，圖6表示當襯底位於維持在低溫的襯底支座頂部時三種不同條件下的襯底溫度的一般響應。如果襯底沒有被夾持在襯底支座上，因此沒有受到背面氣體壓強，則襯底溫度隨時間的變化非常緩慢(圖6中示為100的實線)。另一方面，如果襯底被夾持到襯底支座上，但是沒有受到背面氣體壓強，則觀察到溫度隨時間的變化速率略微增大(圖6中示為102的長虛線)。而且，如果襯底被夾持到襯底支座上並且受到背面氣體壓強，則襯底溫度首先急速下降，其後逐漸地變化直到襯底溫度達到襯底支座的溫度(圖6中示為104的短虛線)。
襯底的等離子體預熱(PPH)發生在襯底隔熱時(即，移去了夾持力、並且移去了背面氣體壓強)。通常，離子轟擊和對流熱中和都會導致襯底加熱，並且電子(熱和彈道的)加熱在較小程度上對加熱過程有貢獻。在高離子化的等離子體(感應耦合等離子體(ICP)、加熱波等)中，離子轟擊加熱相比對流熱中和可能佔據主要地位。
在電容耦合等離子體(CCP)中，對流熱中和可能與離子轟擊加熱一樣重要，在某些情況下，熱中和可能是佔主導的加熱工藝。在一個實施例中，等離子體預熱工藝包括引入諸如He、Ar、Kr和Xe之類的惰性氣體，從惰性氣體激發等離子體，移去襯底上的夾持力，並移去襯底上的背面氣體壓強。例如，圖7圖示了傳送到低電極的RF功率、惰性氣體的室壓強、惰性氣體的流率和惰性氣體的原子質量的變化對襯底加熱功率的影響。可以觀察到(a)加熱功率隨著傳送到低電極的RF功率的增大而增大(線110)，(b)加熱功率隨著惰性氣體流率的增大而以中間程度地增大(線114)，(c)加熱功率隨著惰性氣體壓強的增大而略微增大(線112)，和(d)加熱功率隨著惰性氣體原子質量的增大而減小(即，使用氦比氬更為有效)(線116)。
在一個示例中，圖8圖示了對使用等離子體預熱(PPH)方法實現選擇性HfO2/Si柵極電介質刻蝕的描述。大部分器件包括20-50埃厚度範圍內的HfO2柵極介電層。因此，刻蝕時間一般非常短(例如約為5秒)。特定PPH工藝下的峰值襯底溫度取決於PPH時間。一旦達到期望的峰值襯底溫度(例如400C)(在時間段120期間內)，就啟動選擇性HfO2刻蝕工藝方案。一般來說，HfO2刻蝕等離子體包括比PPH更低的功率；因此，極大地減小了襯底加熱速率。由於理想的隔熱，襯底溫度在HfO2刻蝕期間(在時間段122期間內)可以保持幾乎恆定。冷卻發生在時間段124期間內。
對於HfO2對Si選擇性刻蝕，已經確定還原HfO2中的O可以有助於刻蝕速率。通常，HBr或HCl刻蝕HfO2比單獨的純滷素(Br2或Cl2)快。因此，所希望的刻蝕劑例如是HBr、C2H4Br2等。碳(C)和氫(H)都是強的還原劑。另外，具有籠蔽的Br的(CH2)n聚合物可以形成在HfO2上，從而增強了還原過程，隨後增強了HfBrx形成過程。所有的Hf滷化物都是非揮發性的，其具有相似的揮發性。因此，如果使用標準的刻蝕溫度(如80C)，則需要離子轟擊以解吸附HfBrx。然而，在包含滷素的等離子體中的高離子轟擊能量會導致一旦源極/漏極矽(Si)暴露時以更大速率刻蝕下層的矽(Si)。因此，使用PPH工藝步驟來升高襯底溫度，這是因為隨著襯底溫度的增大，HfBrx的解吸附指數增大。然而，在高襯底溫度下，在純滷素環境中Si刻蝕速率也會指數增大，因而需要諸如H和C之類的還原劑的存在。
在HBr的示例中，HBr可以高效地刻蝕HfO2；某些氣相的H的存在將會束縛Br，從而減小了Si刻蝕速率。在低的總RF功率條件下的HBr不是高效的Si刻蝕條件；其強的離子鍵可能綁定游離的Br。為了進一步減小Si刻蝕速率，可以將諸如C2H4、C2H4Br2之類的氣體加入到HBr中；這些添加物在Si上聚合(例如(CH2)n)，以進一步減小Si刻蝕速率。同時，這種聚合物由於其還原特性不會妨礙HfO2的刻蝕速率。或者，可以加入諸如C2H6之類的氣體來減小Si刻蝕速率。或者，可以加入雙原子氫(H2)來減小Si刻蝕速率。或者，另一種降低Si刻蝕速率的常用方法是通過在高襯底溫度下生長SiN或SiO。利用包含O和/或N的添加物(如N2或O2)可以實現這一效果。然而，工藝優化要求O和/或N的存在不會對HfO2刻蝕速率產生負面影響。另外，在HfO2刻蝕期間足夠的C和H的存在通過還原的幫助來加速熱刻蝕速率。
例如，利用下面的工藝方案可以實現1649埃/分鐘的HfO2刻蝕速率以及2.2的HfO2對Si的刻蝕速率選擇比PPH步驟-上電極RF功率＝700W；下電極RF功率＝900W；襯底支座溫度＝80C；電極間距—80mm；壓強＝50mTorr；氣體流率＝500sccm He，2sccm Cl2；不加ESC夾持，不加氦背面氣體壓強；持續時間-90秒；HfO2刻蝕步驟-上電極RF功率＝200W；下電極RF功率＝50W；襯底支座溫度＝80C；電極間距-80mm；壓強＝5mTorr；氣體流率＝105sccm HBr；不加ESC夾持，不加氦背面氣體壓強；持續時間＝10秒；以及冷卻步驟-襯底支座溫度＝80C；電極間距-80mm；壓強＝50mTorr；氣體流率＝500sccm He；1.5kVESC夾持，10Torr/10Torr中心-邊緣氦背面氣體壓強；持續時間＝30秒。
對於HfO2對SiO2的選擇性刻蝕，已經確定HBr等離子體中的SiO2刻蝕在高襯底溫度時仍然是離子驅動的，而HfO2刻蝕變為一種化學刻蝕特性。結果，高襯底溫度下的低下電極RF功率條件能夠以高速率化學刻蝕HfO2，而以較低的速率刻蝕SiO2。首先，離子轟擊對打破Si-O鍵從而執行任何刻蝕是必要的。在添加物為C2H4或C2H4Br2的情形中，聚合物還保護了Si-O鍵免受離子轟擊，並能夠進一步降低SiO2刻蝕速率。
例如，利用下面的工藝方案可以實現1649埃/分鐘的HfO2刻蝕速率以及25的HfO2對SiO2的刻蝕速率選擇比PPH步驟-上電極RF功率＝700W；下電極RF功率＝900W；襯底支座溫度＝80C；電極間距-80mm；壓強＝50mTorr；氣體流率＝500sccm He，2sccm Cl2；不加ESC夾持，不加氦背面氣體壓強；持續時間-90秒；HfO2刻蝕步驟-上電極RF功率＝200W；下電極RF功率＝50W；襯底支座溫度＝80C；電極間距-80mm；壓強＝5mTorr；氣體流率＝105sccm HBr；不加ESC夾持，不加氦背面氣體壓強；持續時間＝10秒；以及冷卻步驟—襯底支座溫度＝80C；電極間距-80mm；壓強＝50mTorr；氣體流率＝500sccm He；1.5kVESC夾持，10Torr/10Torr中心-邊緣氦背面氣體壓強；持續時間＝30秒。
PPH中的痕量Cl2是為了防止表面汙染。在許多情形中，等離子體處理系統可以包括石英部件。例如，純He PPH中的汙染物可以包括來自石英部件的SiO。PPH工藝步驟中的痕量Cl2可以防止在HfO2層的表面上形成SiO。或者，在純He PPH期間，可以在DE步驟前插入BT工藝步驟(穿透)。目前已知CF4BT在移去高k介電材料表面的SiO2方面是有效的。
在一個實施例中，刻蝕諸如HfO2之類的高k介電層的方法包括使用包含滷素的氣體，如HBr、Cl2、HCl、NF3、Br2、C2H4Br2和F2中的至少一種。另外，處理氣體還可以包括還原氣體，如H2、C2H4、C2H4Br2、CH4、C2H2、C2H6、C3H4、C3H6、C3H8、C4H6、C4H8、C4H10、C5H8、C5H10、C6H6、C6H10和C6H12中的至少一種。例如，工藝參數的範圍可以包括室壓強從1到1000mTorr(例如5mTorr)，包含滷素的氣體流率從20到1000sccm(例如50sccm)，還原氣體流率從1到500sccm(例如50sccm)，上電極RF偏置從100到2000W(例如200W)，下電極RF偏置從10到500W(例如50W)。同樣，上電極偏置頻率可以從0.1MHz到200MHz(例如60MHz)。另外，下電極偏置頻率可以從0.1MHz到100MHz(例如2MHz)。
圖9表示在等離子體處理系統中加熱襯底的流程圖400。加熱襯底到升高的溫度可以例如促進一系列工藝步驟中的預熱工藝步驟，這一系列工藝步驟用來刻蝕襯底上的一連串的不同層，如形成柵極疊層的多個層。柵極疊層可以例如包括含Si的層、高k介電層等等。該方法開始於410，在410，移去襯底背面的背面氣體壓強。例如，在常規的等離子體處理系統中，背面氣體分配系統包括氣體供應系統，該氣體供應系統具有控制閥、壓力調節器和流量控制器中的至少一個以及用於抽空背面氣體分配管道等的真空泵。當移去背面氣體壓強時，可以例如關閉將氣體供應系統接入到背面氣體分配管道等的控制閥，並且真空泵可以幫助抽空這些管道等。用於改進襯底和襯底支座之間的熱傳導的背面氣體分配系統的設計和使用對於實施這種系統的領域的技術人員來說是公知的。
在420，移去施加到襯底上的夾持力。例如，襯底可以通過機械或電的方式被夾持到襯底支座。在前者的情形中，機械夾具解除對其襯底的機械壓力的施加。在後者的情形中，移去通過高壓DC源施加到靜電夾持電極上的電壓。一旦在410和420移去了背面氣體壓強和夾持力，當襯底在真空環境中位於襯底支座上時，襯底與襯底支座之間基本是隔熱的。
在430，向等離子體處理系統引入加熱氣體。在一個實施例中，加熱氣體可以包括惰性氣體，如He、Ar、Kr和Xe中的至少一種。在可替換實施例中，加熱氣體還可以包括清潔氣體，如Cl2。
在440，激發等離子體，在450，將基本隔熱的襯底暴露於等離子體中一段時間。可以利用以上參考圖1-5所述的任何一種技術來激發等離子體。例如，可以經由上電極和下電極中的至少一個施加RF功率來在等離子體處理系統(如圖4中描述的系統)中激發等離子體。例如，工藝參數的範圍可以包括室壓強大於20mTorr(例如50mTorr)，惰性氣體流率大於或等於200sccm(例如500sccm)，清潔氣體流率小於或等於10sccm(例如2sccm)，上電極RF偏置從100到2000W(例如700W)，下電極RF偏置從100到2000W(例如900W)。同樣，上電極偏置頻率可以從0.1MHz到200MHz(例如60MHz)。另外，下電極偏置頻率可以從0.1MHz到100MHz(例如2MHz)。例如，用於將襯底從室溫加熱到400C的時間段可以從60到120秒。
圖10表示根據本發明實施例在等離子體處理系統中刻蝕襯底上的高k介電層的方法流程圖500。該方法開始於510，在510，提升襯底溫度。例如，襯底溫度可以大於200C，並且理想地，襯底溫度的範圍可以從300到500C(例如400C)。可以例如使用預熱等離子體工藝(PPH)(如參考圖9所述的工藝)來加熱襯底。
在520，向等離子體處理系統中引入處理氣體以刻蝕高k介電層，如HfO2。在一個實施例中，處理氣體包括含滷素的氣體，如HBr、C12、HCl、NF3、Br2、C2H4Br2和F2中的至少一種。在可替換實施例中，處理氣體還包括還原氣體，如H2、C2H4、C2H4Br2、CH4、C2H2、C2H6、C3H4、C3H6、C3H8、C4H6、C4H8、C4H10、C5H8、C5H10、C6H6、C6H10和C6H12中的至少一種。在另一個可替換實施例中，處理氣體還包括含氧的氣體和含氮的氣體中的至少一種，如O2、N2、N2O和NO2。
在530，激發等離子體，在540，將襯底上的高k介電層暴露於等離子體中一段時間。可以利用以上參考圖1-5所述的任何一種技術來激發等離子體。例如，可以經由上電極和下電極中的至少一個施加RF功率來在等離子體處理系統(如圖4中描述的系統)中激發等離子體。例如，工藝參數的範圍可以包括室壓強從1到1000mTorr(例如5mTorr)，包含滷素的氣體流率從20到1000sccm(例如50sccm)，還原氣體流率從1到500sccm(例如50sccm)，上電極RF偏置從100到2000W(例如200W)，下電極RF偏置從10到500W(例如50W)。同樣，上電極偏置頻率可以從0.1MHz到200MHz(例如60MHz)。另外，下電極偏置頻率可以從0.1MHz到100MHz(例如2MHz)。
儘管以上僅僅詳細描述了本發明的某些實施例，但是本領域技術人員很容易認識到，在不實質上脫離本發明的新穎教導和優點的前提下可以對實施例進行許多修改。因此，所有這種修改都被包含在本發明的範圍內。
權利要求
1.一種用於在等離子體處理系統中刻蝕位於襯底支座頂部的襯底上的高k介電層的方法，包括提升所述襯底的溫度到超過200C；向所述等離子體處理系統引入處理氣體，所述處理氣體包括含滷素的氣體；從所述處理氣體激發等離子體；以及將所述襯底暴露於所述等離子體一段時間，這段時間足以刻蝕所述高k介電層。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述溫度的範圍從300到500C。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述溫度基本為400C。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述包含滷素的氣體包括HBr、Cl2、HCl、NF3、Br2、C2H4Br2和F2中的至少一種。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述處理氣體還包括還原氣體。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述還原氣體包括含氫的氣體和含碳的氣體中的至少一種。
7.如權利要求5所述的方法，其中所述還原氣體包括烴類氣體。
8.如權利要求5所述的方法，其中所述還原氣體包括H2、C2H4、C2H4Br2、CH4、C2H2、C2H6、C3H4、C3H6、C3H8、C4H6、C4H8、C4H10、C5H8、C5H10、C6H6、C6H10和C6H12中的至少一種。
9.如權利要求5所述的方法，其中所述還原氣體包括含氮的氣體和含氧的氣體中的至少一種。
10.如權利要求5所述的方法，其中所述還原氣體包括O2、N2、N2O和NO2中的至少一種。
11.如權利要求1所述的方法，其中所述處理氣體包括HBr和H2。
12.如權利要求1所述的方法，其中所述高k介電層包括HfO2。
全文摘要
本發明描述了一種用於在等離子體處理系統中刻蝕襯底上的高k介電層的方法。高k介電層可以例如包括HfO
文檔編號H01L21/311GK1802732SQ200480014635
公開日2006年7月12日 申請日期2004年5月11日 優先權日2003年5月30日
發明者陳立, 神原弘光, 巖間信浩, 梅克廓, 持木宏政, 萩原正明 申請人:東京毅力科創株式會社