專利名稱：用于蝕刻半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體設(shè)備。
背景技術(shù)：
過去幾年來，已通過將半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的特征結(jié)構(gòu)(feature)經(jīng)過微縮化(scaling)為極小的尺寸來大幅增進(jìn)集成電路(ICs)(例如用于計(jì)算的邏輯電路，及用于信息儲存的存儲電路)的效能及性能。然而，用于制造集成電路微縮化的設(shè)備及工藝幾乎都存在有問題。半導(dǎo)體工藝技術(shù)以及用于實(shí)施此種工藝的設(shè)備的持續(xù)進(jìn)步己確保半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對于微縮化的持續(xù)追求的幸存。
為了使半導(dǎo)體堆棧圖案化成有意義的結(jié)構(gòu)，通常使用光刻/蝕刻處理。目
前的蝕刻處理包括以包括離子化氣體(例如等離子體)的系統(tǒng)來蝕刻半導(dǎo)體堆棧。等離子體蝕刻處理對于具有細(xì)微特征結(jié)構(gòu)的多個(gè)相鄰結(jié)構(gòu)的蝕刻是特別有用的。然而，隨著對特征結(jié)構(gòu)尺寸及間隔的更嚴(yán)苛的要求，等離子體蝕刻處理自身的限制也顯現(xiàn)出來。
等離子體蝕刻的一個(gè)可能的限制是有關(guān)于在單一樣品中的多個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之間存在有多種間隔的IC的制造。舉例來說，蝕刻速率是由圖案密度而定，
這種現(xiàn)象稱為"微負(fù)載(micro-loading)"。在非常小的尺寸中，特別是在高深寬比(aspectratio)的態(tài)樣中，經(jīng)圖案化而具有高密度(即，特征結(jié)構(gòu)之間的間隔較小)的材料的蝕刻速率會比經(jīng)圖案化而具有低密度(即，特征結(jié)構(gòu)之間的間隔較大)的相同材料的蝕刻速率來的低。因此，可能需要"過蝕刻(over-etch)"才能完全將單一樣品中的各種結(jié)構(gòu)蝕刻掉，也就是說，當(dāng)未完全蝕刻的區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行蝕刻處理時(shí)，首先完成蝕刻的區(qū)域也會繼續(xù)暴露于蝕刻處理中。在此種實(shí)例中，這樣的過蝕刻對于最終的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有不利的影響。
參照圖l，是表示特定半導(dǎo)體材料的蝕刻速率與單一樣品(其中發(fā)生有微負(fù)載現(xiàn)象)中的各種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的密度(即，特征結(jié)構(gòu)之間的間隔)兩者之間的關(guān)聯(lián)性的圖表。如圖所示，隨著關(guān)聯(lián)線的向下傾斜，蝕刻速率隨著密度的增
加而降低。參照圖2A，半導(dǎo)體堆棧200包括基板202、半導(dǎo)體層204及掩模 206。參照圖2B，利用等離子體蝕刻處理而將掩模206的圖案蝕刻進(jìn)入半導(dǎo)體 層204。如圖2B所示，半導(dǎo)體堆棧200的蝕刻過程中會發(fā)生微負(fù)載現(xiàn)象，因 此使得半導(dǎo)體層204在低密度區(qū)域208的蝕刻速率高于中密度區(qū)域210及高密 度區(qū)域212。參照圖2C，半導(dǎo)體堆棧200上所進(jìn)行的蝕刻處理是在低密度區(qū) 域208先完成，其早于中密度區(qū)域210及高密度區(qū)域212。因此，當(dāng)較高密度 區(qū)域的蝕刻完成時(shí)，低密度區(qū)域208中的結(jié)構(gòu)會暴露于過蝕刻。參照圖2D， 在過蝕刻的過程中，較低密度區(qū)域中的結(jié)構(gòu)上可能會發(fā)生有害的鉆蝕214。如 圖2D圖所示，鉆蝕214可隨著密度而改變，其取決于特定區(qū)域所承受的過蝕 刻程度。
因此，此處描述一種用于蝕刻半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，以及在其內(nèi)部執(zhí)行該方 法的系統(tǒng)。


第1圖，表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的蝕刻速率相對于結(jié)構(gòu)密度的關(guān)聯(lián)圖式。 第2A D圖，表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)在半導(dǎo)體堆棧上進(jìn)行蝕刻處理的微負(fù)載效 應(yīng)的剖面視圖。
第3圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的蝕刻速率相對于結(jié)構(gòu)密度的關(guān)聯(lián)圖式。
第4A C圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在半導(dǎo)體堆棧上進(jìn)行具有脈沖反應(yīng) 氣體補(bǔ)充的脈沖蝕刻處理時(shí)微負(fù)載現(xiàn)象大幅降低效應(yīng)的剖面視圖。
第5A圖為流程圖，第5B圖為波形圖，兩者皆表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例 的具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖蝕刻處理的一系列步驟。
第6A F圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在半導(dǎo)體堆棧上執(zhí)行第5A圖中流 程圖的步驟的剖面視圖。
第7A C圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的連續(xù)等離子體蝕刻處理/具有脈 沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理在半導(dǎo)體堆棧上執(zhí)行的剖面視圖。
第8圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子 體蝕刻處理的一系列步驟的流程圖。第9A D圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的第8圖的流程圖的步驟在半導(dǎo)體 堆棧上執(zhí)行的剖面視圖。
第10圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在其中進(jìn)行具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的 脈沖等離子體蝕刻處理的系統(tǒng)。
第11A~B圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的第10圖的系統(tǒng)的腔室分別處于 等離子體開啟狀態(tài)及等離子體關(guān)閉狀態(tài)。
第12A~B圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的第10圖的系統(tǒng)的腔室分別處于 等離子體開啟/氣體入口裝置關(guān)上狀態(tài)以及等離子體關(guān)閉/氣體入口裝置打開狀 態(tài)。
第13A D圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的第10圖的系統(tǒng)的腔室分別處于 等離子體開啟/偏壓關(guān)閉狀態(tài)、等離子體開啟/偏壓開啟狀態(tài)、等離子體關(guān)閉/ 偏壓開啟狀態(tài)及等離子體關(guān)閉/偏壓關(guān)閉狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式
本文描述一種用于蝕刻半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法及系統(tǒng)。在下方說明中，提出數(shù) 種特定細(xì)節(jié)(例如特定的尺寸及化學(xué)配置)以對本發(fā)明提供透徹的了解。明顯 的是，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明在無這些特定細(xì)節(jié)下亦可實(shí)行。在 其它實(shí)例中，并未詳細(xì)描述已知的處理步驟，例如圖案化步驟及濕法化學(xué)清洗， 以避免對本發(fā)明產(chǎn)生不必要的混淆。再者，表示在圖式中的多種實(shí)施例僅為概 要表示，而并未按比例繪制。
此處所公開的是用于蝕刻半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的脈沖等離子體方法及其相應(yīng)系統(tǒng)。 通過采用脈沖等離子體處理可蝕刻樣品的一部分。脈沖等離子體處理包括多個(gè) 工作周期(duty cycle)，其中，各個(gè)工作周期代表等離子體的開啟狀態(tài)與關(guān) 閉狀態(tài)的組合。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，等離子體由反應(yīng)氣體產(chǎn)生，其中， 在脈沖等離子體處理的等離子體的關(guān)閉狀態(tài)過程中，會補(bǔ)充反應(yīng)氣體，但是在 開啟狀態(tài)的過程中不會補(bǔ)充反應(yīng)氣體。在另一個(gè)實(shí)施例中，通過采用連續(xù)等離 子體處理將樣品的第一部分移除，接著，結(jié)束連續(xù)等離子體處理，再通過具有 脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體處理來移除樣品的第二部分。
通過在蝕刻處理過程中重復(fù)地脈沖等離子體，可以緩和蝕刻速率取決于結(jié) 構(gòu)密度的程度。在等離子體的開啟狀態(tài)過程中(即，當(dāng)?shù)入x子體為離子化氣體的形式時(shí))，且因此在等離子體蝕刻處理中半導(dǎo)體材料的初級蝕刻階段中，形 成蝕刻副產(chǎn)物。隨著蝕刻處理進(jìn)行到較高密度區(qū)域中，這些副產(chǎn)物以較慢的速 率離開樣品(相對于在樣品的較低密度區(qū)域)。因此，在持續(xù)的開啟狀態(tài)下， 蝕刻副產(chǎn)物會阻礙蝕刻處理而朝向微負(fù)載發(fā)展。然而，在關(guān)閉狀態(tài)下，這些副 產(chǎn)物會自所有區(qū)域移除而不干擾進(jìn)行蝕刻處理。采取多個(gè)工作周期(即，開啟 /關(guān)閉狀態(tài)的周期)以在整個(gè)樣品上用基本相同的蝕刻速率來蝕刻半導(dǎo)體材料，
而不用顧及結(jié)構(gòu)密度。圖3表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在脈沖等離子體蝕刻處理 過程中的蝕刻速率與結(jié)構(gòu)密度之間的關(guān)聯(lián)圖式。如圖中可忽略的關(guān)聯(lián)線的傾斜 程度所示，隨著密度的增加，蝕刻速率基本相同。以此方式所蝕刻的半導(dǎo)體材 料可較少地承受過蝕刻的損害，因?yàn)闃悠返乃胁糠值奈g刻處理都在基本相同 的時(shí)間下完成。
用于產(chǎn)生等離子體的反應(yīng)氣體種類可能會在脈沖等離子體蝕刻處理的工 作周期的開啟狀態(tài)過程中耗盡，其可能導(dǎo)致等離子體改性(plasma modification)。在部分實(shí)例中，等離子體改性可能實(shí)質(zhì)上足以改變等離子體的 蝕刻特性。此效應(yīng)對于試圖進(jìn)行受控蝕刻處理是不利的。通過在蝕刻處理的過 程中補(bǔ)充反應(yīng)氣體，則可緩和等離子體改性的情形。另一方面，在脈沖等離子 體蝕刻處理的等離子體開啟狀態(tài)過程中補(bǔ)充反應(yīng)氣體可能會導(dǎo)致形成等離子 體種類梯度，因而造成樣品上不一致的蝕刻。通過僅在工作周期的關(guān)閉狀態(tài)過 程中補(bǔ)充反應(yīng)氣體，則可達(dá)到在工作周期的開啟狀態(tài)過程中的基本均勻的等離 子體。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充處理與脈沖等離子體處 理平行進(jìn)行。也就是說，反應(yīng)氣體的補(bǔ)充在脈沖等離子體蝕刻處理的工作周期 的關(guān)閉狀態(tài)過程中進(jìn)行，而不在開啟狀態(tài)過程中進(jìn)行。
半導(dǎo)體堆棧的蝕刻可通過具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處 理來進(jìn)行。圖4A 4C是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在半導(dǎo)體堆棧上進(jìn)行具有脈 沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖蝕刻處理時(shí)微負(fù)載現(xiàn)象大幅降低效應(yīng)的剖面視圖。
參照圖4A，半導(dǎo)體堆棧400包括基板402、蝕刻層404及掩模406。掩模 406是圖案化的且包括低密度區(qū)域408、中密度區(qū)域410以及高密度區(qū)域412。 半導(dǎo)體堆棧400可包括較大復(fù)雜性的材料層及/或圖案類型的堆棧，但圖中所 示僅作為說明目的。
基板402可以包括任何可耐受制造過程且半導(dǎo)體層可適當(dāng)?shù)卦O(shè)置于其上的材料。在一個(gè)實(shí)施例中，基板402包括以第IV族元素為基礎(chǔ)的材料，例如 多晶硅、鍺或硅/鍺。在實(shí)施例中，基板402中的硅原子的原子濃度大于99Q/^。 在另一個(gè)實(shí)施例中，基板402包括第III-V族的材料，例如但不限于為氮化鎵、 磷化鎵、砷化鎵、磷化銦、銻化銦、砷化銦鎵、砷化鋁鎵、磷化銦鎵或其混合 物。在選擇性實(shí)施例中，基板402包括在清楚結(jié)晶基板上生長出的外延層，例 如在硼摻雜的體硅單晶基板上生長出的硅外延層?；?02也可包括位于體 結(jié)晶基板與外延層之間的絕緣層，例如形成絕緣層上硅(SOI)基板。在實(shí)施 例中，絕緣層包括從由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及高介電常數(shù)(k)的介 電層所組成的群組中選擇的材料。在另一個(gè)實(shí)施例中，基板402包括直接相鄰 近于蝕刻層404的上絕緣層。
基板402也可以額外包括載流子摻雜雜質(zhì)原子(charge-carrier dopant impurity atom)。舉例來說，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，基板402包括硅及/或鍺， 且載流子摻雜雜質(zhì)原子選自由硼、砷、銦、銻或磷所組成的群組。在另一個(gè)實(shí) 施例中，基板402包括第III-V族材料，且載流子摻雜雜質(zhì)原子選自由碳、硅、 鍺、氧、硫、硒或碲所組成的群組。
蝕刻層404包括任何可以適當(dāng)?shù)貓D案化成為清楚界定半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的陣列 的材料。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，蝕刻層404可以包括以第IV族為基礎(chǔ)的材料， 或是第III-V族的材料，例如上方所討論與基板402相關(guān)的材料。另外，蝕刻 層404包括任何可適當(dāng)?shù)貓D案化成為清楚界定半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的陣列的形態(tài)結(jié)構(gòu)。 在實(shí)施例中，蝕刻層404的形態(tài)結(jié)構(gòu)選自由非晶、單晶及多晶所組成的群組。 在一個(gè)實(shí)施例中，蝕刻層404包括載流子摻雜雜質(zhì)原子，其例如上面所討論與 基板402相關(guān)的材料。
就其本身而言，蝕刻層404的組成不需限制為半導(dǎo)體材料。根據(jù)本發(fā)明的 選擇性實(shí)施例，蝕刻層404包括金屬層，例如但不限于為銅、鋁、鎢、金屬氮 化物、金屬碳化物、金屬硅化物、鉿、鋯、鈦、鉭、鋁、釕、鈀、鉑、鈷、鎳 或傳導(dǎo)性金屬氧化物，例如氧化釕。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，蝕刻層404 包括絕緣層。在一個(gè)實(shí)施例中，蝕刻層404包括選自由二氧化硅、氮氧化硅及 氮化硅所組成的群組的絕緣材料。在另一個(gè)實(shí)施例中，蝕刻層404包括高k 介電層，其選自由氧化鉿、硅酸鉿、氧化鑭、氧化鋯、硅酸鋯、氧化鉭、鈦酸 鋇鍶、鈦酸鋇、鈦酸鍶、氧化釔、氧化鋁、氧化鉛鈧鉭及鈮酸鉛鋅所組成的群組。
掩模406可包括任何適于通過光刻或直寫(direct-write)處理來圖案化的 材料。在一個(gè)實(shí)施例中，掩模406包括光刻膠材料。在特定實(shí)施例中，光刻膠 材料用于光刻處理，并選自由正性光刻膠及負(fù)性光刻膠所組成的群組。掩模 406可進(jìn)一步包括適于阻擋等離子體蝕刻處理(例如用于圖案化蝕刻層404的 等離子體蝕刻處理)的材料。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，掩模406 也包括硬質(zhì)掩模層，該硬質(zhì)掩模層選自由二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅及金屬 膜所組成的群組。
參照圖4B，掩模406的圖案通過具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體 蝕刻處理來蝕刻入蝕刻層404中，以形成部分圖案化的蝕刻層414。如圖4B 所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在適當(dāng)?shù)臈l件下，當(dāng)使用具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充 的脈沖等離子體處理時(shí)，所有密度區(qū)域408、 410和412的蝕刻速率基本上接 近。具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體處理包含多個(gè)工作周期，其中各個(gè) 工作周期代表蝕刻等離子體的開啟狀態(tài)及關(guān)閉狀態(tài)的組合。反應(yīng)氣體的補(bǔ)充步 驟在工作周期的關(guān)閉狀態(tài)過程中進(jìn)行，而不在工作周期的開啟狀態(tài)過程中進(jìn) 行。 一個(gè)工作周期包括一個(gè)開啟狀態(tài)及一個(gè)關(guān)閉狀態(tài)，其中開啟狀態(tài)及關(guān)閉狀 態(tài)的持續(xù)時(shí)間適于使密度區(qū)域408、 410和412的蝕刻速率基本上接近來將掩 模406的圖案轉(zhuǎn)移至蝕刻層404。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，各個(gè)工作周期的開啟 狀態(tài)部分為工作周期的5~95%，在特定實(shí)施例中，各個(gè)工作周期的開啟狀態(tài) 部分為工作周期的65~75%。在另一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)工作周期的頻率在1 Hz 200kHz的范圍內(nèi)，意即各個(gè)工作周期的持續(xù)時(shí)間為5微秒~1秒。在特定 實(shí)施例中，多個(gè)工作周期的頻率為50kHz，且各個(gè)工作周期的開啟狀態(tài)部分為 70%。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在等離子體的關(guān)閉狀態(tài)過程中進(jìn)行的反應(yīng)氣體補(bǔ) 充的持續(xù)時(shí)間及補(bǔ)充量，作為在關(guān)閉狀態(tài)過程中補(bǔ)充反應(yīng)氣體的結(jié)果，使得在 脈沖等離子體處理結(jié)束時(shí)的等離子體的氣體種類組成是在脈沖等離子體處理 起始時(shí)的等離子體的氣體種類組成的±1%范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，在脈沖 等離子體處理結(jié)束時(shí)的等離子體壓力是在脈沖等離子體處理起始時(shí)的等離子 體壓力的士l毫托(mTorr)范圍內(nèi)。
產(chǎn)生用于具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體處理中以蝕刻蝕刻層 404的等離子體的方法包括任何適于在足以符合工作周期的開啟狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)點(diǎn)燃并維持等離子體的方法。舉例來說，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，產(chǎn)生等
離子體的方法包括產(chǎn)生選自由電子回旋共振(ECS)等離子體、螺旋波等離子 體、感應(yīng)耦合等離子體(ICP)及表面波等離子體所組成的群組的等離子體。 在特定實(shí)施例中，產(chǎn)生等離子體的方法包括在Applied Materials AdvantEdge G3 etcher中的產(chǎn)生感應(yīng)耦合等離子體。
所產(chǎn)生的用于具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的等離子 體包括任何反應(yīng)氣體，這些反應(yīng)氣體是適于產(chǎn)生離子及反應(yīng)性自由基以移除部 分的蝕刻層404而不會對掩模406的圖案造成不利影響。舉例來說，根據(jù)本發(fā) 明的實(shí)施例，反應(yīng)氣體包括鹵化物種類，且用于蝕刻硅系(silicon-based)材 料。在特定實(shí)施例中，反應(yīng)氣體包括各自的大概比例為300:50:12的HBr、 He 種類及70%/30%1^/02混合物，且脈沖等離子體用于蝕刻非晶硅、多晶硅或單 晶硅。在另一個(gè)實(shí)施例中，反應(yīng)氣體包括氟碳化合物，并用于蝕刻介電層。在 特定實(shí)施例中，反應(yīng)氣體包括種類CF4，且脈沖等離子體用于蝕刻二氧化硅或 碳摻雜氧化硅。反應(yīng)氣體可包括適于提供受控蝕刻速率的壓力。在一個(gè)實(shí)施例 中，壓力介于1 100毫托(mTorr)。在另一個(gè)實(shí)施例中，壓力介于3 100毫 托。在特定實(shí)施例中，反應(yīng)氣體包括HBr、He及02，反應(yīng)氣體的壓力介于30~50 毫托，多晶硅的蝕刻速率則介于500~6000埃/分(Angstroms/minute)。
參照圖4C，上述的具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體處理持續(xù)直到 部分圖案化的蝕刻層414變成圖案化的蝕刻層424為止。通過使用上述具有脈 沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理直到蝕刻層404的蝕刻完成，在密度 區(qū)域408、 410和412的蝕刻處理在基本上相同的時(shí)間內(nèi)完成。因此，僅需要 很少的過蝕刻來形成圖案化的蝕刻層424。因此，圖案化的蝕刻層424的各種 結(jié)構(gòu)的不利鉆蝕現(xiàn)象會大幅緩和，如圖4C所示，鉆蝕現(xiàn)象并不存在。
具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的工作周期中的開啟狀 態(tài)及關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間以相應(yīng)于蝕刻副產(chǎn)物的形成及移除為目標(biāo)。圖5A為 流程圖，圖5B為波形圖，該些圖式皆代表根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有脈沖反 應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的此種一系列目標(biāo)步驟。圖6A 6D是表 示在半導(dǎo)體堆棧上執(zhí)行圖5A中流程圖的步驟的剖面視圖。
參照流程圖500的步驟502,且對應(yīng)于圖6A,在具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充 的脈沖等離子體蝕刻處理開始時(shí)，半導(dǎo)體堆棧600包括基板602、蝕刻層604
12及掩模606。掩模606經(jīng)圖案化而具有低密度區(qū)域608、中密度區(qū)域610及高 密度區(qū)域612?；?02、蝕刻層604及掩模606可以包括參照圖4A描述的 關(guān)于基板402、蝕刻層404及掩模406的任何材料。半導(dǎo)體堆棧600可包括較 大復(fù)雜度的材料層及/或圖案類型的堆桟，但此處所示的方式僅作為示例性目 的。
參照流程圖500的步驟504，且對應(yīng)于圖6B，在具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充 的脈沖等離子體蝕刻處理中的工作周期的開啟狀態(tài)過程中，掩模606的圖案部 分蝕刻至蝕刻層604中，以形成部分圖案化的蝕刻層614A。如圖6B所示， 等離子體蝕刻種類620可進(jìn)入蝕刻層604的未屏蔽部分，而由掩模606所遮蔽 住的蝕刻層604的屏蔽區(qū)域則受到保護(hù)而免受等離子體蝕刻種類620的作用。 蝕刻副產(chǎn)物616在半導(dǎo)體堆棧600的反應(yīng)區(qū)域618中產(chǎn)生。
蝕刻種類620可包括由用于脈沖等離子體蝕刻處理的等離子體所釋出的 任何帶電種類及反應(yīng)性中性物質(zhì)。舉例來說，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，蝕刻種類 620包括帶正電離子及自由基。在一個(gè)實(shí)施例中，反應(yīng)氣體包括HBr、 He及 02，而蝕刻種類620是選自由H+、 Br+、 He+、 0+、 H、 Br及O所組成的群組。 在另一個(gè)實(shí)施例中，反應(yīng)氣體包括氟碳化合物，而蝕刻種類620是選自由F+、 CF+、 CF2+、 CF3+、 F、 CF、 CF2以及CF3所組成的群組。蝕刻副產(chǎn)物616可包 括來自蝕刻層604及蝕刻種類620的原子的任意組合。在特定實(shí)施例中，蝕刻 種類620包括鹵化物陽離子X^及/或鹵化物自由基X (X=F、 Cl、 Br)，蝕刻 層604包括硅原子，蝕刻副產(chǎn)物620包括選自由中性種類SiXn所組成的群組 的副產(chǎn)物，其中n為1、 2、 3或4。
工作周期的開啟狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間經(jīng)過選擇以使得蝕刻效率最大化，并能夠 使部分圖案化的蝕刻層614A的所有密度區(qū)域608、 610及612的蝕刻速率維 持基本上相近。如圖6B所示，蝕刻副產(chǎn)物616至少一段時(shí)間內(nèi)形成并存在于 部分圖案化的蝕刻層614A的部分蝕刻特征結(jié)構(gòu)中(即，反應(yīng)區(qū)域618內(nèi))。 反應(yīng)區(qū)域618為半導(dǎo)體堆棧600的鄰近區(qū)域，而其中形成的蝕刻副產(chǎn)物616 會干涉等離子體蝕刻種類620。也就是說，在開啟循環(huán)的使用期間，隨著蝕刻 副產(chǎn)物616在反應(yīng)區(qū)域618中的增加，等離子體蝕刻種類620會被阻礙而無法 進(jìn)入部分圖案化的蝕刻層604的未屏蔽部分。此種等離子體蝕刻種類620的阻 礙在高結(jié)構(gòu)密度區(qū)域較為嚴(yán)重(相較于低結(jié)構(gòu)密度區(qū)域)，因而降低高結(jié)構(gòu)密度區(qū)域的蝕刻速率(相較于低結(jié)構(gòu)密度區(qū)域的蝕刻速率)。因此，根據(jù)本發(fā)明 的實(shí)施例，具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的工作周期的開啟 狀態(tài)經(jīng)選擇以小于或至多等于產(chǎn)生了足夠量的蝕刻副產(chǎn)物而使高密度區(qū)域的 蝕刻速率相對于低密度區(qū)域的蝕刻速率降低的時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施例中，開啟狀
態(tài)的持續(xù)時(shí)間經(jīng)選擇以基本上相似于使部分圖案化的蝕刻層614A的蝕刻速率 取決于掩模606的圖案密度的時(shí)間。在另一個(gè)實(shí)施例中，開啟狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間 足夠短，以基本上抑制了反應(yīng)區(qū)域618中的微負(fù)載現(xiàn)象。在實(shí)施例中，開啟狀 態(tài)的持續(xù)時(shí)間處于參照圖4B描述的工作周期的開啟狀態(tài)的時(shí)間范圍內(nèi)。根據(jù) 本發(fā)明的實(shí)施例，反應(yīng)氣體的補(bǔ)充步驟在工作周期的關(guān)閉狀態(tài)過程中進(jìn)行，而 不在開啟狀態(tài)過程中進(jìn)行。
參照流程圖500的步驟506，且對應(yīng)于圖6C，等離子體處于關(guān)閉狀態(tài)， 因此，蝕刻種類620不再存在于半導(dǎo)體堆棧600的反應(yīng)區(qū)域618中。如圖6C 所示，蝕刻副產(chǎn)物616自反應(yīng)區(qū)域618移除。
工作周期的關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間經(jīng)選擇以允許有足夠的時(shí)間來將蝕刻副 產(chǎn)物616自反應(yīng)區(qū)域618移除(即，消除或排除)。在開啟狀態(tài)過程中，如上 所述，蝕刻副產(chǎn)物616形成在反應(yīng)區(qū)域618中。此外，在等離子體的開啟狀態(tài) 至關(guān)閉狀態(tài)的過渡時(shí)期，當(dāng)?shù)入x子體氣體中和時(shí)，其帶負(fù)電的離子會自等離子 體氣體釋出，因而產(chǎn)生新的蝕刻種類。這些新的蝕刻種類會更進(jìn)一步增加反應(yīng) 區(qū)域618中存在的蝕刻副產(chǎn)物的量。
在工作周期的關(guān)閉狀態(tài)初期，反應(yīng)區(qū)域618內(nèi)的蝕刻副產(chǎn)物616的濃度基 本上大于反應(yīng)區(qū)域618外的蝕刻副產(chǎn)物616的濃度。因此，會形成自然的擴(kuò)散 梯度，而蝕刻副產(chǎn)物616會擴(kuò)散至反應(yīng)區(qū)域618外。此過程可以通過額外的壓 力梯度來增進(jìn)。也就是說，伴隨著在開啟狀態(tài)過程中的蝕刻副產(chǎn)物616的增加， 反應(yīng)區(qū)域618內(nèi)的壓力可變?yōu)榇笥诜磻?yīng)區(qū)域618外的壓力，因而促進(jìn)蝕刻副產(chǎn) 物616的排出。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等 離子體蝕刻處理中的工作周期的關(guān)閉狀態(tài)經(jīng)選擇而具有足夠長的持續(xù)時(shí)間，以 基本上能夠?qū)⑽g刻副產(chǎn)物616自反應(yīng)區(qū)域618移除。在另一個(gè)實(shí)施例中，蝕刻 副產(chǎn)物616的移除量足夠使得仍存在于反應(yīng)區(qū)域618中的任何蝕刻副產(chǎn)物616 不會實(shí)質(zhì)干涉在接下來的工作周期的開啟狀態(tài)過程中的蝕刻種類。在此種實(shí)施 例中，關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間經(jīng)選擇以基本上符合使超過50%的蝕刻副產(chǎn)物616已自反應(yīng)區(qū)域618移除的時(shí)間。在另一個(gè)實(shí)施例中，關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間經(jīng)選 擇以基本上符合使超過75%的蝕刻副產(chǎn)物616已自反應(yīng)區(qū)域618移除的時(shí)間。 在選擇性實(shí)施例中，關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間處于參照圖4B討論的工作周期的任 何關(guān)閉狀態(tài)時(shí)間范圍內(nèi)。在實(shí)施例中，惰性氣體(例如氬氣或氦氣)在等離子 體的關(guān)閉狀態(tài)過程中被注入以增進(jìn)副產(chǎn)物的移除。
工作周期的關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間可進(jìn)一步經(jīng)過選擇以允許進(jìn)行足夠的反 應(yīng)氣體補(bǔ)充步驟。因此，反應(yīng)氣體補(bǔ)充步驟可以在工作周期的關(guān)閉狀態(tài)過程中 進(jìn)行，而不需要在工作周期的開啟狀態(tài)過程中進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在 等離子體的關(guān)閉狀態(tài)過程中所進(jìn)行的反應(yīng)氣體補(bǔ)充的量及持續(xù)時(shí)間，作為在關(guān) 閉狀態(tài)過程中補(bǔ)充反應(yīng)氣體的結(jié)果，使得在脈沖等離子體處理結(jié)束時(shí)的等離子 體的氣體種類組成在脈沖等離子體處理起始時(shí)的等離子體的氣體種類組成的 ±1%范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，在脈沖等離子體處理結(jié)束時(shí)的等離子體壓力 在脈沖等離子體處理起始時(shí)的等離子體壓力的士l毫托范圍內(nèi)。
參照流程圖500的步驟508，且對應(yīng)于圖6D-6E，在接下來的具有脈沖反 應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的工作周期過程中，掩模606的圖案持續(xù) 蝕刻入蝕刻層604中，以形成更為廣泛蝕刻的部分圖案化的蝕刻層614B。重 復(fù)工作周期(即，步驟508)直到已蝕刻蝕刻層604的期望量。因此，根據(jù)本 發(fā)明的實(shí)施例， 一部分的蝕刻層604通過包括多個(gè)工作周期的脈沖等離子體蝕 刻處理來移除。在工作周期的關(guān)閉狀態(tài)過程中，進(jìn)行反應(yīng)氣體補(bǔ)充步驟，但在 工作周期的開啟狀態(tài)過程中，不進(jìn)行反應(yīng)氣體補(bǔ)充步驟。圖5B是以波形表示 工作周期的時(shí)間線。
參照流程圖500的歩驟510，且對應(yīng)于圖6F圖，在移除蝕刻層604的期 望量之后，具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理結(jié)束。通過使用上 述具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理以完成蝕刻層604的蝕刻， 則密度區(qū)域608、 610及612的蝕刻處理可在基本相同的時(shí)間下完成。因此， 僅需要可忽略的過蝕刻以形成圖案化的蝕刻層624。由此，可大幅緩和圖案化 的蝕刻層624的各種結(jié)構(gòu)的不利的鉆蝕現(xiàn)象，其由圖6F中缺乏鉆蝕現(xiàn)象可見。 可通過任一適當(dāng)因素來決定何時(shí)結(jié)束具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體 蝕刻處理。舉例來說，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過在預(yù)定的時(shí)間結(jié)束工作周期 的重復(fù)，以決定具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的結(jié)束。在選擇性實(shí)施例中，可通過偵測在蝕刻層604中蝕刻完成時(shí)的蝕刻副產(chǎn)物612的改 變以及基板602上表面相應(yīng)的暴露來決定具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離 子體蝕刻處理的結(jié)束。在另一個(gè)實(shí)施例中，可利用干涉技術(shù)通過量測溝槽 (trench)的深度來決定具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的結(jié) 束。
具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理可結(jié)合連續(xù)等離子體蝕 刻處理。舉例來說，直到半導(dǎo)體堆棧的一部分己被蝕刻之前，半導(dǎo)體堆棧的不 同密度區(qū)域的蝕刻速率差別可能并不顯著，這是因?yàn)樵诟呱顚挶鹊膱D案中的蝕 刻處理可能遭受更為嚴(yán)重的微負(fù)載。因此，較為有效的是，先施加連續(xù)等離子 體來蝕刻半導(dǎo)體堆棧的第一部分直到達(dá)到特定的深度，再接著施加具有脈沖反 應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理來移除半導(dǎo)體堆棧的第二部分。根據(jù)本發(fā) 明的實(shí)施例，以連續(xù)等離子體蝕刻處理來蝕刻半導(dǎo)體堆棧直到達(dá)到期望深度， 接著，半導(dǎo)體堆棧的蝕刻通過具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理
來完成。在一個(gè)實(shí)施例中，使用連續(xù)等離子體蝕刻處理/具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ) 充的脈沖等離子體蝕刻處理來增加單一晶片處理工具中的晶片產(chǎn)量。根據(jù)本發(fā) 明的實(shí)施例的此種連續(xù)等離子體蝕刻處理/具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離 子體蝕刻處理在圖7A~C中表示。以掩模712圖案化的蝕刻層704 (圖7A) 通過連續(xù)等離子體蝕刻處理而部分圖案化(圖7B)。接著利用具有脈沖反應(yīng) 氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理來完成蝕刻層704的蝕刻，也就是說，直到 蝕刻結(jié)束于蝕刻終止層706為止，如圖7C所示。在實(shí)施例中，等離子體蝕刻 處理由連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖的深度選擇為最高結(jié)構(gòu)密度區(qū)域的間隔寬度的0.5 4倍 范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，深度選擇為基本等于最高結(jié)構(gòu)密度區(qū)域的間隔寬度， 也就是說，在最高密度結(jié)構(gòu)中已達(dá)到等于1的深寬比。
圖8為流程圖，顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)合連續(xù)等離子體蝕刻處理以及 后續(xù)的具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理一系列步驟。圖9A 9D 是表示圖8的流程步驟在較為復(fù)雜的半導(dǎo)體堆棧上執(zhí)行的剖面視圖。
參照流程圖800的步驟802，且對應(yīng)于圖9A，在連續(xù)/脈沖等離子體蝕刻 處理起始之時(shí)，半導(dǎo)體堆棧900包括基板902、兩層蝕刻層904和908、兩層 介電層906和910及掩模912?；?02、蝕刻層904和908及掩模912包括 任何參照圖4A所描述的基板902、蝕刻層904及掩模912的材料。半導(dǎo)體堆棧900可包括較為復(fù)雜或較不復(fù)雜的材料層的堆棧，此處所示方式僅作為說明 之用。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體堆棧900包括多晶硅/SiON/多晶硅/SiO2,如典 型的閃存堆棧中可見。
介電層906和910可包括任何適于絕緣半導(dǎo)體堆棧的導(dǎo)電部分的材料。在 一個(gè)實(shí)施例中，介電層906和910包括選自由二氧化硅、氮氧化硅及氮化硅所 組成的群組的絕緣材料。在另一個(gè)實(shí)施例中，介電層906和910包括選自由氧 化鉿、硅酸鉿、氧化鑭、氧化鋯、硅酸鋯、氧化鉭、鈦酸鋇鍶、鈦酸鋇、鈦酸 鍶、氧化釔、氧化鋁、氧化鉛鈧鉭及鈮酸鉛鋅所組成的群組的高k介電層。
參照流程圖800的步驟804，且對應(yīng)于圖9B，利用連續(xù)等離子體處理將 掩模912的圖案蝕刻入蝕刻層904中，以形成圖案化的蝕刻層914。在半導(dǎo)體 堆棧900的第一部分的不同密度區(qū)域中的蝕刻速率差異并不顯著的情況下，連 續(xù)等離子體蝕刻處理則足以蝕刻該蝕刻層904。產(chǎn)生用于連續(xù)等離子體處理中 以形成圖案化的蝕刻層914的等離子體的方法可包括任何適于在足以符合連 續(xù)蝕刻處理的持續(xù)時(shí)間內(nèi)點(diǎn)燃并維持等離子體的方法。舉例來說，根據(jù)本發(fā)明 的實(shí)施例，產(chǎn)生連續(xù)等離子體的方法包括產(chǎn)生選自由電子回旋共振(ECS)等 離子體、螺旋波等離子體、感應(yīng)耦合等離子體(ICP)及表面波等離子體所組 成的群組的等離子體。在特定實(shí)施例中，用于產(chǎn)生連續(xù)等離子體的方法包括在 Applied Materials AdvantEdge G3 etcher中的產(chǎn)生感應(yīng)耦合等離子體。
參照流程圖800的步驟806，且對應(yīng)于圖9B，其通過任何適當(dāng)?shù)囊蛩貋?決定何時(shí)結(jié)束連續(xù)等離子體處理。舉例來說，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過基于 被蝕刻材料的特質(zhì)而在預(yù)定時(shí)間結(jié)束來決定連續(xù)等離子體蝕刻處理的結(jié)束。在 選擇性實(shí)施例中，通過偵測在蝕刻層904的蝕刻完成時(shí)的蝕刻副產(chǎn)物的改變以 及介電層906的上表面的相應(yīng)暴露(即通過偵測蝕刻終點(diǎn))來決定連續(xù)等離子 體蝕刻處理的結(jié)束。在一個(gè)實(shí)施例中，可通過在連續(xù)蝕刻處理過程中所產(chǎn)生的 一組化學(xué)種類的實(shí)時(shí)組成(real-time composition)來決定連續(xù)等離子體蝕刻處 理的結(jié)束。參照圖9C，在蝕刻層904的圖案化之后，介電層906的暴露部分 被移除以形成圖案化的介電層916。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，介電層906的暴露 部分的移除通過選自由濕法蝕刻處理、連續(xù)等離子體蝕刻處理及脈沖等離子體 蝕刻處理所組成的群組的蝕刻處理來進(jìn)行。
參照流程圖800的步驟808、 810及812，且對應(yīng)于圖9C 9D，掩模912
17的圖案持續(xù)地蝕刻入半導(dǎo)體堆棧900中。在此時(shí)，由于半導(dǎo)體堆棧900的第一 部分已被蝕刻，蝕刻層908的不同密度區(qū)域的蝕刻速率差異是顯著的，故需要 應(yīng)用脈沖等離子體蝕刻處理。因此根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，使用具有脈沖反應(yīng)氣 體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理圖案化蝕刻層908以形成圖案化的蝕刻層 918?？芍貜?fù)工作周期(即步驟812)直到蝕刻層908的期望量已被蝕刻。因 此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，利用連續(xù)蝕刻等離子體處理來對半導(dǎo)體堆棧900 的第一部分進(jìn)行圖案化，并利用包括多個(gè)工作周期的脈沖等離子體蝕刻處理來 對半導(dǎo)體堆棧900的第二部分進(jìn)行圖案化。反應(yīng)氣體補(bǔ)充步驟在各個(gè)工作周期 的關(guān)閉狀態(tài)過程中進(jìn)行，而不在各個(gè)工作周期的開啟狀態(tài)過程中進(jìn)行。
參照流程圖800的步驟814，且對應(yīng)于圖9D，在移除蝕刻層908的期望 量之后，具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理結(jié)束。通過使用上述 具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理以完成蝕刻層908的蝕刻，則 各個(gè)密度區(qū)域的蝕刻處理可在基本相同的時(shí)間下完成。因此，僅需要可忽略的 過蝕刻以形成圖案化的蝕刻層918。由此，可大幅緩和圖案化的蝕刻層918的 各種結(jié)構(gòu)的不利鉆蝕現(xiàn)象，其由圖9D中缺乏鉆蝕現(xiàn)象可見?？赏ㄟ^任一適當(dāng) 因素來決定何時(shí)結(jié)束具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理。舉例來 說，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過在預(yù)定時(shí)間結(jié)束工作周期的重復(fù)，以決定具有 脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的結(jié)束。在選擇性實(shí)施例中，通過 偵測在蝕刻層908的蝕刻完成時(shí)的蝕刻副產(chǎn)物的改變以及介電層910的上表面 的相應(yīng)暴露來決定具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的結(jié)束。
可通過循環(huán)式的連續(xù)/脈沖等離子體蝕刻處理將上述連續(xù)及脈沖等離子體 蝕刻處理的組合方法應(yīng)用至更為復(fù)雜的材料堆棧。舉例來說，根據(jù)本發(fā)明的實(shí) 施例，半導(dǎo)體堆棧的第一部分通過第一連續(xù)等離子體蝕刻處理來圖案化；半導(dǎo) 體堆棧的第二部分通過具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的第一脈沖等離子體蝕刻處理 來圖案化；半導(dǎo)體堆棧的第三部分通過第二連續(xù)等離子體蝕刻處理來圖案化； 半導(dǎo)體堆棧的第四部分通過具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的第二脈沖等離子體蝕刻 處理來圖案化。在特定實(shí)施例中，半導(dǎo)體堆棧900的蝕刻層904也通過第一連 續(xù)等離子體蝕刻處理來圖案化，接著再進(jìn)行具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的第一脈沖 等離子體蝕刻處理。之后，蝕刻層908通過第二連續(xù)等離子體蝕刻處理來圖案 化，并接著再進(jìn)行具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的第二脈沖等離子體蝕刻處理。具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理可以在任何適于在接近
樣品處提供蝕刻等離子體以進(jìn)行蝕刻的處理設(shè)備中進(jìn)行。圖IO是表示根據(jù)本
發(fā)明的實(shí)施例在其中進(jìn)行具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的 系統(tǒng)。
參照圖10，用于進(jìn)行脈沖等離子體蝕刻處理的系統(tǒng)1000包括腔室1002， 該腔室1002配備有樣品承接器1004。抽氣裝置1006、氣體入口裝置1008及 等離子體點(diǎn)燃裝置1010耦接至腔室1002。計(jì)算裝置1012與等離子體點(diǎn)燃裝 置1010及氣體入口裝置1008耦接。系統(tǒng)1000可額外包括耦接至腔室1002 的偵測器1016以及與樣品承接器1004耦接的電壓源1014。計(jì)算裝置1012也 可以與抽氣裝置1006、電壓源1014及偵測器1016耦接，如圖10所示。
腔室1002及樣品承接器1004可包括任何適于含有離子化氣體(即，等離 子體)的反應(yīng)室及樣品定位裝置，并使樣品靠近離子化氣體或自其釋出的帶電 物質(zhì)。抽氣裝置1006可以為任何適于對腔室1002進(jìn)行抽氣及使其壓力降低的 裝置。氣體入口裝置1008可以為任何適于將反應(yīng)氣體注入腔室1002中的裝置。 等離子體點(diǎn)燃裝置1010可以為任何適于將源自氣體入口裝置1008注入腔室 1002的反應(yīng)氣體的等離子體點(diǎn)燃的裝置。偵測器1016可以為任何適于偵測處 理步驟終點(diǎn)的裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)1000包括腔室1002、樣品承接器 1004、抽氣裝置1006、氣體入口裝置1008、等離子體點(diǎn)燃裝置1010及偵測器 1016，其類似或相同于Applied Materials AdvantEdge G3 etcher中的所包括 者。
計(jì)算裝置1012包括處理器及內(nèi)存。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，計(jì)算裝置1012 的內(nèi)存包括用于控制等離子體點(diǎn)燃裝置1010以在具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈 沖等離子體蝕刻處理中切換等離子體于開啟狀態(tài)及關(guān)閉狀態(tài)之間的指令組。在 一個(gè)實(shí)施例中，該指令組包括機(jī)器可操作程序代碼，并對多個(gè)工作周期產(chǎn)生作 用，其中各個(gè)工作周期代表等離子體的一個(gè)開啟狀態(tài)及一個(gè)關(guān)閉狀態(tài)的組合。 計(jì)算裝置1012的內(nèi)存也包括用于控制氣體入口裝置1008于打開狀態(tài)及關(guān)上狀 態(tài)之間切換的指令組。當(dāng)氣體入口裝置1008處于打開狀態(tài)且等離子體等離子 體處于關(guān)閉狀態(tài)過程中時(shí)，會補(bǔ)充反應(yīng)氣體，但是在等離子體的開啟狀態(tài)過程 中，不會進(jìn)行補(bǔ)充。在特定實(shí)施例中，用于控制等離子體點(diǎn)燃裝置1010的指 令組包括針對各個(gè)工作周期的時(shí)序指令，以使得開啟狀態(tài)占工作周期的持續(xù)時(shí)間的5~95%。在一個(gè)實(shí)施例中，用于控制等離子體點(diǎn)燃裝置1010的指令組包 括針對各個(gè)工作周期的時(shí)序指令，以使得開啟狀態(tài)占工作周期的持續(xù)時(shí)間的 65~75%。在另一個(gè)實(shí)施例中，用于控制等離子體點(diǎn)燃裝置1010的指令組包括 時(shí)序指令，以使得多個(gè)工作周期的頻率介于lHz 200kHz之間，即各個(gè)工作周 期的持續(xù)時(shí)間介于5微秒 1秒。在特定實(shí)施例中，用于控制等離子體點(diǎn)燃裝 置1010的指令組包括時(shí)序指令，以使得多個(gè)工作周期的頻率為50kHz，且各 個(gè)工作周期包括開啟狀態(tài)的部分為70%。
圖11A B表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖IO中系統(tǒng)的腔室分別處于等離子 體開啟狀態(tài)及等離子體關(guān)閉狀態(tài)。參照圖IIA，系統(tǒng)1000的腔室1002包括處 于開啟狀態(tài)下的等離子體1100，且該等離子體1100接近樣品承接器1004上 的樣品1102。反應(yīng)區(qū)域1104直接鄰近于樣品1102。在蝕刻處理期間，至少在 一段時(shí)間內(nèi)，蝕刻副產(chǎn)物形成并存在于反應(yīng)區(qū)域1102中。因此，根據(jù)本發(fā)明 的實(shí)施例，用于控制等離子體點(diǎn)燃裝置1010的指令組包括時(shí)序指令，因而使 得開啟狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間足夠短以基本上抑制反應(yīng)區(qū)域1104內(nèi)的微負(fù)載現(xiàn)象。 參照圖IIB，系統(tǒng)1000的腔室1002包括處于關(guān)閉狀態(tài)下的等離子體(即中性 反應(yīng)氣體)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用于控制等離子體點(diǎn)燃裝置1010的指令 組包括時(shí)序指令，因而使得脈沖等離子體蝕刻處理的工作周期的關(guān)閉狀態(tài)經(jīng)選 擇而具有足夠長的持續(xù)時(shí)間，以基本上將蝕刻副產(chǎn)物自反應(yīng)區(qū)域1104移除。
用于產(chǎn)生等離子體的反應(yīng)氣體種類可能會在脈沖等離子體蝕刻處理的工 作周期的開啟狀態(tài)過程中耗盡，其可能導(dǎo)致等離子體改性。在部分實(shí)例中，等 離子體改性可能實(shí)質(zhì)足以改變等離子體的蝕刻特性。此效應(yīng)對于試圖進(jìn)行受控 蝕刻處理是不利的。通過在蝕刻處理過程中補(bǔ)充反應(yīng)氣體，則可緩和等離子體 改性。另一方面，在脈沖等離子體蝕刻處理的等離子體開啟狀態(tài)過程中補(bǔ)充反 應(yīng)氣體可能會導(dǎo)致形成等離子體種類梯度，因而造成樣品上不一致的蝕刻。
圖12A B表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖10中系統(tǒng)的腔室分別處于等離子 體開啟/氣體入口裝置關(guān)上狀態(tài)以及等離子體關(guān)閉/氣體入口裝置打開狀態(tài)。參 照圖12A，通過僅在工作周期的關(guān)閉狀態(tài)過程中補(bǔ)充反應(yīng)氣體，則可在工作周 期的開啟狀態(tài)下達(dá)到基本均勾的等離子體。參照圖12B，作為圖12A中等離 子體的基礎(chǔ)的反應(yīng)氣體在等離子體關(guān)閉狀態(tài)過程中補(bǔ)充。因此，根據(jù)本發(fā)明的 實(shí)施例，脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充處理與脈沖等離子體處理為平行進(jìn)行。也就是說，反應(yīng)氣體補(bǔ)充在脈沖等離子體蝕刻處理的關(guān)閉狀態(tài)過程中執(zhí)行，而不在開啟狀 態(tài)過程中執(zhí)行。
在具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的工作周期的開啟狀 態(tài)過程中，正電荷會分給正在進(jìn)行蝕刻的樣品。在部分實(shí)例中，樣品的正電荷 會實(shí)質(zhì)足以使得自等離子體釋出的帶正電蝕刻種類產(chǎn)生部分地偏向。此種蝕刻 種類的偏向可能會導(dǎo)致蝕刻入特定樣品中的特征結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不利的鉆蝕現(xiàn)象。通 過在蝕刻處理過程中，以負(fù)電荷來偏壓樣品，則可緩和帶正電粒子的偏向。另 一方面，在具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的工作周期由開啟 狀態(tài)至關(guān)閉狀態(tài)的過渡期間，若樣品為負(fù)偏壓，則可抑制帶負(fù)電粒子自等離子 體中釋出。通過在工作周期的關(guān)閉狀態(tài)過程使樣品處于零偏壓，且因此不對等 離子體放電時(shí)釋出的帶負(fù)電粒子產(chǎn)生排斥，則可達(dá)到等離子體放電的較短時(shí) 間。另外，帶負(fù)電種類會促成蝕刻處理，因而提高刻蝕處理的速度。因此，根 據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，脈沖樣品偏壓處理與具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子 體處理平行進(jìn)行。也就是說，在具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處 理中，于工作周期的開啟狀態(tài)下，樣品為負(fù)偏壓，于關(guān)閉狀態(tài)下，樣品則為零 偏壓。
圖13A D表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖10的系統(tǒng)1000的腔室1002分別處 于等離子體開啟/偏壓關(guān)閉狀態(tài)、等離子體開啟/偏壓開啟狀態(tài)、等離子體關(guān)閉/ 偏壓開啟狀態(tài)及等離子體關(guān)閉/偏壓關(guān)閉狀態(tài)。電壓源1014與樣品承接器1004 耦接，并用于在工作周期的開啟狀態(tài)過程中，對樣品承接器1004且因而對樣 品1102產(chǎn)生偏壓。參照圖13A，電壓源1014處于關(guān)閉狀態(tài)，由等離子體1100 釋出的帶正電蝕刻種類在接近樣品1102的表面處呈部分偏向。然而，參照圖 13B,電壓源1014處于開啟狀態(tài)(即，負(fù)偏壓樣品承接器1004),因此，由 等離子體1100釋出的帶正電蝕刻種類在接近樣品1102的表面處維持垂直軌道 (即，各向異性軌道)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，電壓源1014用于在工作周期 的開啟狀態(tài)過程中施加介于100~200瓦的負(fù)偏壓至樣品承接器1004。脈沖等 離子體蝕刻處理(相較于連續(xù)等離子體蝕刻處理)可降低蝕刻處理過程中正電 荷積聚在樣品1102上的程度。然而，以電壓源1014對樣品承接器1004產(chǎn)生 偏壓的額外步驟可作為具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的一 部分，以使得對蝕刻處理過程中的結(jié)構(gòu)的鉆蝕現(xiàn)象的緩和達(dá)到最佳化。因此根
21據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，電壓源1014對樣品承接器1004產(chǎn)生偏壓的額外步 驟可用作延長具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的工作周期中 的開啟狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。
參照圖13C，電壓源1014處于開啟狀態(tài)，從等離子體開啟狀態(tài)切換至等 離子體關(guān)閉狀態(tài)的過渡期間所釋出的帶負(fù)電粒子會受到抑制而無法到達(dá)樣品 1102的表面，因而延緩等離子體的關(guān)閉狀態(tài)步驟。然而，參照圖13D,電壓 源1014處于關(guān)閉狀態(tài)(即，零偏壓樣品承接器1004)，因此，從等離子體開 啟狀態(tài)切換至等離子體關(guān)閉狀態(tài)的過渡期間所釋出的帶負(fù)電粒子不會受到抑 制而可到達(dá)樣品1102的表面。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在工作周期的關(guān)閉狀態(tài) 過程中，電壓源1014關(guān)閉以施加零偏壓至樣品承接器1004。因此，根據(jù)本發(fā) 明的實(shí)施例，電壓源1014使樣品承接器1004為負(fù)偏壓以延長在具有脈沖反應(yīng) 氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理的工作周期的開啟狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，而電壓 源1014使樣品承接器1004為零偏壓以減少工作周期的關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。
因此，本發(fā)明公開一種具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充以蝕刻半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的脈沖等 離子體系統(tǒng)。在實(shí)施例中，通過應(yīng)用脈沖等離子體蝕刻處理而移除一部分的樣 品。脈沖等離子體蝕刻處理包括多個(gè)工作周期，其中各個(gè)工作周期代表等離子 體的開啟狀態(tài)及關(guān)閉狀態(tài)的組合。等離子體由反應(yīng)氣體產(chǎn)生，其中反應(yīng)氣體在 等離子體的關(guān)閉狀態(tài)過程中補(bǔ)充，而不在開啟狀態(tài)過程中補(bǔ)充。在另一個(gè)實(shí)施 例中，樣品的第一部分通過連續(xù)等離子體蝕刻處理來移除。接著，連續(xù)等離子 體處理結(jié)束，再通過具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體蝕刻處理來移除樣 品的第二部分。應(yīng)了解脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充處理不需要限制于脈沖等離子體處 理。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，脈沖等離子體工作周期的開啟狀態(tài)以 及脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的關(guān)閉狀態(tài)彼此獨(dú)立。在另一個(gè)實(shí)施例中，脈沖等離子體
權(quán)利要求
1.一種用于蝕刻樣品的方法，包括通過應(yīng)用脈沖等離子體處理而移除所述樣品的一部分，其中，所述脈沖等離子體處理包括多個(gè)工作周期(duty cycle)，其中各個(gè)所述工作周期代表等離子體的開啟(ON)狀態(tài)及關(guān)閉(OFF)狀態(tài)的組合，其中所述等離子體由反應(yīng)氣體產(chǎn)生，且其中所述反應(yīng)氣體在所述等離子體的所述關(guān)閉狀態(tài)過程中補(bǔ)充，而不在所述等離子體的所述開啟狀態(tài)過程中補(bǔ)充。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中由于所述反應(yīng)氣體在所述等離子體的所述關(guān)閉狀態(tài)過程中補(bǔ)充，使得在所述脈沖等離子體處理結(jié)束時(shí)所述等離子體的氣體種類組成是在所述脈沖等離子體處理起始時(shí)所述等離子體的氣體種類組成的±1%范圍內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述脈沖等離子體處理結(jié)束時(shí)所述等離子體壓力是在所述脈沖等離子體處理起始時(shí)所述等離子體壓力的± 1毫托(mTorr)范圍內(nèi)。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述開啟狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間足夠短以基本上抑制鄰近所述樣品的反應(yīng)區(qū)域中的微負(fù)載(micro-loading)，且其中所述關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間足夠長以基本上使得一組蝕刻副產(chǎn)物能夠自鄰近所述樣品的所述反應(yīng)區(qū)域中移除。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述開啟狀態(tài)的過程中，施加負(fù)偏壓至所述樣品，且在所述關(guān)閉狀態(tài)的過程中，施加零偏壓至所述樣品。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中各個(gè)所述工作周期由所述開啟狀態(tài)所構(gòu)成的部分占5~95%。
7. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述等離子體的所述關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間經(jīng)選擇以基本上符合使超過50%的所述蝕刻副產(chǎn)物已自所述反應(yīng)區(qū)域移除的時(shí)間。
8. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中在所述等離子體的所述關(guān)閉狀態(tài)過程中，使用惰性氣體以促進(jìn)所述組蝕刻副產(chǎn)物的移除。
9. 一種用于蝕刻樣品的方法，包括通過應(yīng)用連續(xù)等離子體處理而移除所述樣品的第一部分；結(jié)束所述連續(xù)等離子體處理；以及通過應(yīng)用脈沖等離子體處理而移除所述樣品的第二部分，其中，所述脈沖等離子體處理包括多個(gè)工作周期，其中各個(gè)所述工作周期代表等離子體的開啟(ON)狀態(tài)及關(guān)閉(OFF)狀態(tài)的組合，其中所述等離子體由反應(yīng)氣體產(chǎn)生，且其中所述反應(yīng)氣體在所述等離子體的所述關(guān)閉狀態(tài)過程中補(bǔ)充，而不在所述等離子體的所述開啟狀態(tài)過程中補(bǔ)充。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中由于所述反應(yīng)氣體在所述等離子體的所述關(guān)閉狀態(tài)過程中補(bǔ)充，使得在所述脈沖等離子體處理結(jié)束時(shí)所述等離子體的氣體種類組成是在所述脈沖等離子體處理起始時(shí)所述等離子體的氣體種類組成的±1%范圍內(nèi)。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中在所述脈沖等離子體處理結(jié)束時(shí)所述等離子體壓力是在所述脈沖等離子體處理起始時(shí)所述等離子體壓力的土l毫托范圍內(nèi)。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述開啟狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間足夠短以基本上抑制鄰近所述樣品的反應(yīng)區(qū)域中的微負(fù)載，且其中所述關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間足夠長以基本上使得一組蝕刻副產(chǎn)物能夠自鄰近所述樣品的所述反應(yīng)區(qū)域中移除。
13. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述開啟狀態(tài)的過程中，施加負(fù)偏壓至所述樣品，且在所述關(guān)閉狀態(tài)的過程中，施加零偏壓至所述樣品。
14. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中各個(gè)所述工作周期由所述開啟狀態(tài)所構(gòu)成的部分占5 95%。
15. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述結(jié)束連續(xù)蝕刻處理的步驟包括偵測終點(diǎn)。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中通過在所述連續(xù)蝕刻處理過程中所產(chǎn)生的一組化學(xué)種類的實(shí)時(shí)組成(real-timecomposition)來決定所述終點(diǎn)。
17. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中通過干涉技術(shù)(interferometry)來量測實(shí)時(shí)薄膜厚度以決定所述終點(diǎn)。
18. 如權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括通過應(yīng)用第二連續(xù)等離子體處理而移除所述樣品的第三部分；結(jié)束所述第二連續(xù)等離子體處理；以及通過應(yīng)用第二脈沖等離子體處理而移除所述樣品的第四部分，其中，所述第二脈沖等離子體處理包括多個(gè)第二工作周期，其中各個(gè)所述第二工作周期代表第二等離子體的第二開啟(ON)狀態(tài)及第二關(guān)閉(OFF)狀態(tài)的組合，其中所述第二等離子體由第二反應(yīng)氣體產(chǎn)生，且其中所述第二反應(yīng)氣體在所述第二等離子體的所述第二關(guān)閉狀態(tài)過程中補(bǔ)充，而不在所述第二等離子體的所述第二開啟狀態(tài)過程中補(bǔ)充。
19. 一種用于蝕刻樣品的系統(tǒng)，包括腔室，裝配有樣品承接器；抽氣裝置，耦接至所述腔室，其中所述抽氣裝置用于降低所述腔室的壓力；氣體入口裝置，與所述腔室耦接，其中所述氣體入口裝置用于將反應(yīng)氣體注入所述腔室中；等離子體點(diǎn)燃裝置，與所述腔室耦接，其中所述等離子體點(diǎn)燃裝置用于將源自所述反應(yīng)氣體的等離子體點(diǎn)燃；以及計(jì)算裝置，與所述等離子體點(diǎn)燃裝置以及所述氣體入口裝置耦接，其中所述計(jì)算裝置包括處理器及內(nèi)存，其中所述內(nèi)存包括用于在脈沖等離子體處理中以控制所述等離子體點(diǎn)燃裝置而切換等離子體于開啟狀態(tài)及關(guān)閉狀態(tài)之間的指令組，其中所述脈沖等離子體處理包括多個(gè)工作周期，其中各個(gè)所述工作周期代表所述等離子體的開啟狀態(tài)及關(guān)閉狀態(tài)的組合，其中所述內(nèi)存也包括用于控制所述氣體入口裝置以切換于打開狀態(tài)及關(guān)上狀態(tài)之間的指令組，其中所述等離子體由所述反應(yīng)氣體產(chǎn)生，且其中當(dāng)所述氣體入口裝置處于所述打開狀態(tài)下則補(bǔ)充所述反應(yīng)氣體，以及其中所述反應(yīng)氣體在所述等離子體的所述關(guān)閉狀態(tài)過程中補(bǔ)充，而不在所述等離子體的所述開啟狀態(tài)過程中補(bǔ)充。
20. 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括電壓源 ，與所述樣品承接器耦接，其中所述電壓源用于偏壓所述樣品。
21. 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括偵測裝置，與所述腔室耦接，其中所述偵測裝置用于偵測處理步驟的終點(diǎn)。
22. 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述開啟狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間足夠短以基本上抑制鄰近所述樣品的反應(yīng)區(qū)域中的微負(fù)載，且其中所述關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間足夠長以基本上使得一組蝕刻副產(chǎn)物能夠自鄰近所述樣品的所述反應(yīng)區(qū)域中移除。
23. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中各個(gè)所述工作周期由所述開啟狀態(tài)所構(gòu)成的部分占5~95%。
全文摘要
本發(fā)明描述一種用于蝕刻半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，利用脈沖等離子體處理而移除一部分的樣品。脈沖等離子體處理包括多個(gè)工作周期，其中各個(gè)工作周期代表等離子體的開啟狀態(tài)及關(guān)閉狀態(tài)的組合。等離子體由反應(yīng)氣體產(chǎn)生，且其中反應(yīng)氣體在等離子體的關(guān)閉狀態(tài)下補(bǔ)充，但在開啟狀態(tài)下不補(bǔ)充。在另一個(gè)實(shí)施例中，通過應(yīng)用連續(xù)等離子體處理以移除樣品的第一部分，接著連續(xù)等離子體處理停止，并通過應(yīng)用具有脈沖反應(yīng)氣體補(bǔ)充的脈沖等離子體處理以移除樣品的第二部分。
文檔編號H01L21/306GK101636822SQ200880008116
公開日2010年1月27日 申請日期2008年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月21日
發(fā)明者亞歷山大·帕特森, 李慶泰, 沙尚克·C·德斯穆克, 瓦倫丁·N·托多羅夫, 金泰元 申請人:應(yīng)用材料股份有限公司