原子層蝕刻3D結構：水平和豎直表面上Si和SiGe和Ge平滑度的制作方法
本發(fā)明涉及半導體處理領域，具體地涉及使用原子層蝕刻在襯底上蝕刻半導體材料的方法和裝置，更具體地涉及原子層蝕刻3d結構：水平和豎直表面上si和sige和ge平滑度。
背景技術：
半導體制造工藝通常涉及以高深寬比特征蝕刻半導體材料。隨著器件縮小，用于蝕刻半導體材料的一些技術可引起可能影響器件性能和隨后的制造工藝的不期望的橫向蝕刻和材料損壞。
技術實現(xiàn)要素：
本文提供了用于處理半導體襯底的方法和裝置。一個方面涉及一種蝕刻襯底的方法，所述方法包括：(a)通過執(zhí)行以下操作的n個循環(huán)來蝕刻襯底：(i)將所述襯底暴露于反應氣體以改性所述襯底的表面而不蝕刻所述襯底的所述表面以及(ii)在將所述襯底暴露于所述反應氣體之后，將所述襯底的所述改性表面暴露于去除物質以去除所述改性表面的至少一些；以及(b)將所述襯底周期性地暴露于含氧等離子體以鈍化所述襯底的所述表面，其中n是介于1和100之間且包括1和100的整數(shù)。
在各種實施方式中，所述反應氣體是含鹵素的氣體，其可以是氯、氯化硼、氯化氫、溴化氫、溴、氟化氮和氟中的任何一種；并且由此通過化學吸附改性所述襯底的所述表面。
在一些實施方式中，所述反應氣體包括含硫氣體，并且通過沉積改性所述襯底的所述表面。在一些實施方式中，所述含硫氣體是六氟化硫、二氧化硫和硫化氫中的任一種。在一些實施方式中，所述反應氣體還包括第二反應氣體，所述第二反應氣體為例如氫氣或含鹵素的氣體。所述含鹵素的氣體可以是三氟化氮、碳氟化合物和氟中的任一種。示例性氟碳化合物包括四氟化碳(cf4)、六氟-2-丁炔(c4f6)、氟甲烷(ch3f)及其組合。
在各種實施方式中，通過引入活化氣體并使用介于約50w與約1000w之間的等離子體功率點燃等離子體來產生所述去除物質。
在各種實施方式中，x是使用含鹵素的氣體作為反應氣體重復(i)和(ii)的循環(huán)數(shù)，y是使用含硫氣體重復(i)和(ii)的循環(huán)數(shù)，并且其中x比y的比例在2:1和20:1之間。
在各種實施方式中，在暴露于所述去除物質期間施加偏置以促進去除所述改性表面的至少一些。
在各種實施方式中，偏置功率小于約50v。在一些實施方式中，在暴露于所述去除物質期間不施加偏置，并且偏置功率為0v。在一些實施方式中，連續(xù)地施加偏置，并且由此偏置功率在約40v和約100v之間。
在一些實施方式中，所述偏置被脈沖化，占空比在約5％和約40％之間，并且偏置功率在約300v和約1000v之間。
在一些實施方式中，所述偏置被脈沖化，占空比為約50％，并且偏置功率在約100v和約300v之間。
在各種實施方式中，通過引入選自氧氣、二氧化碳和二氧化硫中的含氧氣體并點燃等離子體來產生所述含氧等離子體。
在各種實施方式中，將襯底周期性地暴露于所述含氧等離子體以鈍化所述襯底的所述表面包括通過原子層沉積在所述襯底的所述表面上沉積氧化物層。
在一些實施方式中，通過執(zhí)行所述n個循環(huán)來蝕刻所述襯底以及將所述襯底周期性地暴露于所述含氧等離子體在不破壞真空的情況下執(zhí)行。
在各種實施方式中，將所述襯底周期性地暴露于所述含氧等離子體以鈍化所述襯底的所述表面包括通過等離子體增強化學氣相沉積在所述襯底的所述表面上沉積氧化物層。
另一方面涉及一種蝕刻襯底的方法，所述方法包括：(a)將襯底暴露于第一蝕刻氣體以通過化學吸附改性所述襯底的第一表面；(b)在將所述襯底暴露于所述第一蝕刻氣體之后，將所述襯底暴露于去除氣體以去除所述第一改性表面的至少一些，或(c)將所述襯底暴露于第二蝕刻氣體以通過沉積改性所述襯底的第二表面；(d)在將所述襯底暴露于所述第二蝕刻氣體之后，將所述襯底暴露于所述去除氣體以去除所述第二改性表面的至少一些；以及(e)重復(a)-(d)并將所述襯底周期性地暴露于含氧等離子體以鈍化所述襯底的表面。
在各種實施方式中，重復(a)和(b)x個循環(huán)，重復(c)和(d)y個循環(huán)，由此重復(a)-(d)包括將重復(a)和(b)x個循環(huán)以及重復(c)和(d)y個循環(huán)進行n次重復，并且x/y的比例在2:1和20:1之間；x和y是大于或等于1的整數(shù)；并且n是在2和100之間且包括2和100的整數(shù)。在一個實例中，x比y的比例為3:1，并且n為1。
在各種實施方式中，將所述襯底周期性地暴露于所述含氧等離子體使得在所述襯底的側壁上形成氧化物至小于約5nm的厚度。
在各種實施方式中，在暴露于所述去除物質的過程中施加偏置以促進去除所述第一改性表面的至少一些。
在各種實施方式中，在暴露于所述去除物質的過程中施加偏置以促進去除所述第二改性表面的至少一些。
在各種實施方式中，所述第二蝕刻氣體包括兩種或兩種以上氣體。
在各種實施方式中，所述第二蝕刻氣體包括含硫鹵素氣體和氫氣。示例性的含硫氣體包括六氟化硫、二氧化硫和硫化氫。
在各種實施方式中，通過引入選自氧氣、二氧化碳和二氧化硫中的含氧氣體并點燃等離子體來產生所述含氧等離子體。
在各種實施方式中，將所述襯底暴露于所述含氧等離子體以鈍化所述襯底的表面包括通過等離子體增強化學氣相沉積在所述襯底的所述表面上沉積氧化物層。
在各種實施方式中，將所述襯底暴露于所述含氧等離子體以鈍化所述襯底的表面包括通過原子層沉積在所述襯底的所述表面上沉積氧化物層。
在各種實施方式中，重復(a)-(e)在不破壞真空的情況下進行。
在各種實施方式中，用具有小于約10nm的關鍵尺寸的特征來圖案化所述襯底。
在各種實施方式中，所述方法還包括在將所述襯底暴露于所述蝕刻物質之后吹掃容納所述襯底的室。
在各種實施方式中，所述方法還包括在將所述襯底暴露于所述去除物質之后吹掃容納所述襯底的室。
在各種實施方式中，該方法還包括在將所述襯底暴露于所述第二蝕刻氣體之后吹掃容納所述襯底的室。
另一方面涉及一種用于處理襯底的裝置，所述裝置包括：(a)一個或多個處理室，每個處理室包括卡盤；(b)進入所述處理室的一個或多個氣體入口，以及相關的流控制硬件；(c)用于在所述一個或多個處理室中的至少一個中產生等離子體的等離子體發(fā)生器；和(d)具有至少一個處理器和存儲器的控制器，由此所述至少一個處理器和所述存儲器彼此通信連接，所述至少一個處理器至少可操作地與所述流控制硬件連接，并且所述存儲器存儲計算機可執(zhí)行指令，所述計算機可執(zhí)行指令用于控制所述至少一個處理器以至少控制所述流控制硬件以執(zhí)行以下操作：(i)將反應氣體引入所述一個或多個處理室中的第一處理室，以改性由所述第一處理室中的所述卡盤保持的襯底的第一表面；(ii)將去除氣體引入所述第一處理室并點燃等離子體以產生用于去除所述襯底的所述第一改性表面的至少一些的活化物質；以及(iii)周期性地引入含氧氣體并點燃第二等離子體以鈍化所述襯底的表面。
在各種實施方式中，所述反應氣體是氯，并且通過化學吸附改性所述襯底的所述第一表面。
在各種實施方式中，所述反應氣體包括含硫氣體和氫氣，并且通過沉積改性所述襯底的所述第一表面。在一些實施方式中，所述存儲器還存儲用于重復(i)和(ii)x和y個循環(huán)的計算機可執(zhí)行指令，其中所述反應氣體在x個循環(huán)期間是氯，并且其中在y個循環(huán)期間所述反應氣體包括含硫氣體和氫氣。
在各種實施方式中，所述存儲器還存儲用于將所述襯底移動到所述裝置的第二處理室以引入所述含氧氣體并點燃第二等離子體以鈍化所述襯底的所述表面的計算機可執(zhí)行指令。
在各種實施方式中，在不破壞真空的情況下進行(i)-(iii)。
另一方面涉及在襯底上蝕刻半導體材料的方法，所述方法包括：(a)將所述襯底暴露于氯以通過化學吸附改性所述襯底的第一表面；(b)在將所述襯底暴露于氯之后，將所述襯底暴露于去除物質并施加偏置以去除所述第一改性表面的至少一些；(c)將所述襯底暴露于六氟化硫和氫氣以沉積以通過沉積來改性所述襯底的第二表面；(d)在將所述襯底暴露于六氟化硫和氫氣之后，將所述襯底暴露于所述去除物質以去除所述第二改性表面的至少一些；以及(e)重復(a)-(d)并將所述襯底周期性地暴露于含氧等離子體以鈍化所述襯底的表面。
具體而言，本發(fā)明的一些方面可以闡述如下：
1.一種蝕刻襯底的方法，所述方法包括：
(a)通過執(zhí)行以下操作的n個循環(huán)來蝕刻襯底：
(i)將所述襯底暴露于反應氣體以使所述襯底的表面改性而不蝕刻所述襯底的所述表面，以及
(ii)在將所述襯底暴露于所述第一蝕刻氣體之后，將所述襯底的所述改性表面暴露于去除物質以去除所述改性表面的至少一些；以及
(b)將所述襯底周期性地暴露于含氧等離子體以鈍化所述襯底的所述表面，
其中n是介于1和100之間且包含1和100的整數(shù)。
2.根據(jù)條款1所述的方法，其中所述反應氣體是選自氯、氯化硼、氯化氫、溴化氫、溴、氟化氮和氟的含鹵素的氣體；并且其中所述襯底的所述表面通過化學吸附改性。
3.根據(jù)條款1所述的方法，其中所述反應氣體包括含硫氣體，并且其中所述襯底的所述表面通過沉積改性。
4.根據(jù)條款3所述的方法，其中所述含硫氣體選自六氟化硫、二氧化硫和硫化氫。
5.根據(jù)條款3所述的方法，其中所述反應氣體還包括選自氫氣和含鹵素的氣體的第二反應氣體。
6.根據(jù)條款5所述的方法，其中所述含鹵素的氣體選自三氟化氮、碳氟化合物和氟。
7.根據(jù)條款6所述的方法，其中所述碳氟化合物包括選自四氟化碳(cf4)、六氟-2-丁炔(c4f6)、氟代甲烷(ch3f)及其組合的氣體。
8.根據(jù)條款1所述的方法，其中，通過引入活化氣體并使用介于約50w和約1000w之間的等離子體功率點燃等離子體來產生所述去除物質。
9.根據(jù)條款1所述的方法，其中，x是使用含鹵素的氣體作為所述反應氣體重復(i)和(ii)的循環(huán)數(shù)，y是使用含硫氣體重復(i)和(ii)的循環(huán)數(shù)，并且其中x比y的比例介于2:1和20:1之間。
10.根據(jù)條款1所述的方法，其中在暴露于所述去除物質期間不施加偏置，并且所述偏置為0v。
11.根據(jù)條款1所述的方法，其中在暴露于所述去除物質期間施加偏置以促進所述改性表面的所述至少一些的去除。
12.根據(jù)條款11所述的方法，其中所述偏置小于約50v。
13.根據(jù)條款11所述的方法，其中所述偏置被連續(xù)地施加，并且其中所述偏置介于約40v和約100v之間。
14.根據(jù)條款11所述的方法，其中，所述偏置被脈沖化，占空比介于約5％和約40％之間，并且其中所述偏置介于約300v和約1000v之間。
15.根據(jù)條款11所述的方法，其中，所述偏置被脈沖化，占空比為約50％，并且其中所述偏置介于約100v和約300v之間。
16.根據(jù)條款1所述的方法，其中所述含氧等離子體通過引入選自氧氣、二氧化碳和二氧化硫的含氧氣體并點燃等離子體來產生。
17.根據(jù)條款1-16中任一項所述的方法，其中將所述襯底周期性地暴露于所述含氧等離子體以鈍化所述襯底的所述表面包括通過原子層沉積在所述襯底的所述表面上沉積氧化物層。
18.根據(jù)條款17所述的方法，其中通過執(zhí)行所述n個循環(huán)來蝕刻所述襯底以及將所述襯底周期性地暴露于所述含氧等離子體在不破壞真空的情況下執(zhí)行。
19.根據(jù)條款1-16中任一項所述的方法，其中將所述襯底周期性地暴露于所述含氧等離子體以鈍化所述襯底的所述表面包括通過等離子體增強化學氣相沉積在所述襯底的所述表面上沉積氧化物層。
20.一種蝕刻襯底的方法，所述方法包括：
(a)將襯底暴露于第一蝕刻氣體以通過化學吸附使所述襯底的第一表面改性；
(b)在將所述襯底暴露于所述第一蝕刻氣體之后，將所述襯底暴露于去除氣體以去除所述第一改性表面的至少一些，或
(c)將所述襯底暴露于第二蝕刻氣體以通過沉積來使所述襯底的第二表面改性；
(d)在將所述襯底暴露于所述第二蝕刻氣體之后，將所述襯底暴露于所述去除氣體以去除所述第二改性表面的至少一些；以及
(e)重復(a)-(d)并將所述襯底周期性地暴露于含氧等離子體以鈍化所述襯底的表面。
21.根據(jù)條款20所述的方法，
其中，重復(a)和(b)x個循環(huán)，重復(c)和(d)y個循環(huán)，
其中重復(a)-(d)包括將重復(a)和(b)x個循環(huán)以及重復(c)和(d)y個循環(huán)進行n次重復，
其中x/y的比例介于2:1和20:1之間，
其中x和y是大于或等于1的整數(shù)，以及
其中n是介于2和100之間并且包含2和100的整數(shù)。
22.根據(jù)條款21所述的方法，其中x比y的所述比例為3:1，并且n為1。
23.根據(jù)條款20所述的方法，其中在暴露于所述去除物質期間施加偏置以促進去除所述第一改性表面的所述至少一些。
24.根據(jù)條款20所述的方法，其中在暴露于所述去除物質期間施加偏置以促進去除所述第二改性表面的所述至少一些。
25.根據(jù)條款20所述的方法，其中所述第二蝕刻氣體包括兩種或兩種以上氣體。
26.根據(jù)條款20所述的方法，其中所述第二蝕刻氣體包括含硫鹵素氣體和氫氣。
27.根據(jù)條款26所述的方法，其中所述含硫氣體選自六氟化硫、二氧化硫和硫化氫。
28.根據(jù)條款20所述的方法，其中所述含氧等離子體通過引入選自氧氣、二氧化碳和二氧化硫的含氧氣體并點燃等離子體來產生。
29.根據(jù)條款20-28中任一項所述的方法，其中將所述襯底暴露于所述含氧等離子體以鈍化所述襯底的表面包括通過等離子體增強化學氣相沉積在所述襯底的所述表面上沉積氧化物層。
30.根據(jù)條款20-28中任一項所述的方法，其中將所述襯底暴露于所述含氧等離子體以鈍化所述襯底的表面包括通過原子層沉積在所述襯底的所述表面上沉積氧化物層。
31.根據(jù)條款31所述的方法，其中重復(a)-(e)在不破壞真空的情況下進行。
32.根據(jù)條款1-16和20-28中任一項所述的方法，其中，用具有小于約10nm的關鍵尺寸的特征來圖案化所述襯底。
33.根據(jù)條款1-16和20-28中任一項所述的方法，其還包括在將所述襯底暴露于所述蝕刻物質之后，吹掃容納所述襯底的室。
34.根據(jù)條款1-16和20-28中任一項所述的方法，其還包括在將所述襯底暴露于所述去除物質之后，吹掃容納所述襯底的室。
35.根據(jù)條款1-16和20-28中任一項所述的方法，其還包括在將所述襯底暴露于所述第二蝕刻氣體之后，吹掃容納所述襯底的室。
36.根據(jù)條款1-16和20-28中任一項所述的方法，其中將所述襯底周期性地暴露于所述含氧等離子體在所述襯底的側壁上形成氧化物至小于約5nm的厚度。
37.一種用于處理襯底的裝置，所述裝置包括：
(a)一個或多個處理室，每個處理室包括卡盤；
(b)通向所述處理室內的一個或多個氣體入口，以及相關的流控制硬件；
(c)等離子體發(fā)生器，其用于在所述一個或多個處理室中的至少一個中產生等離子體；以及
(d)具有至少一個處理器和存儲器的控制器，其中，
所述至少一個處理器和所述存儲器彼此通信地連接，
所述至少一個處理器至少能操作地與所述流控制硬件連接，并且
所述存儲器存儲計算機可執(zhí)行指令，所述計算機可執(zhí)行指令用于控制所述至少一個處理器以至少控制所述流控制硬件以進行以下操作：
(i)將反應氣體引入所述一個或多個處理室中的第一處理室，以使由所述第一處理室中的所述卡盤保持的襯底的第一表面改性；
(ii)將去除氣體引入所述第一處理室并點燃等離子體以產生用于去除所述襯底的所述第一改性表面的至少一些的活化物質；以及
(iii)周期性地引入含氧氣體并點燃第二等離子體以鈍化所述襯底的表面。
38.根據(jù)條款37所述的裝置，其中所述反應氣體是氯，并且所述襯底的所述第一表面通過化學吸附改性。
39.根據(jù)條款37所述的裝置，其中所述反應氣體包括含硫氣體和氫氣，并且所述襯底的所述第一表面通過沉積改性。
40.根據(jù)條款37所述的裝置，所述存儲器還存儲用于重復(i)和(ii)x和y個循環(huán)的計算機可執(zhí)行指令，其中所述反應氣體在所述x個循環(huán)期間是氯，并且其中所述反應氣體在所述y個循環(huán)期間包括含硫氣體和氫氣。
41.根據(jù)條款37所述的裝置，其中所述存儲器還存儲用于將所述襯底移動到所述裝置的第二處理室以引入所述含氧氣體并點燃所述第二等離子體以鈍化所述襯底的所述表面的計算機可執(zhí)行指令。
42.根據(jù)條款37所述的裝置，其中執(zhí)行(i)-(iii)在不破壞真空的情況下進行。
43.一種在襯底上蝕刻半導體材料的方法，所述方法包括：
(a)將所述襯底暴露于氯以通過化學吸附使所述襯底的第一表面改性；
(b)在將所述襯底暴露于氯之后，將所述襯底暴露于去除物質并施加偏置以去除所述第一改性表面的至少一些，
(c)將所述襯底暴露于六氟化硫和氫氣以沉積以通過沉積來使所述襯底的第二表面改性；
(d)在將所述襯底暴露于六氟化硫和氫氣之后，將所述襯底暴露于所述去除物質以去除所述第二改性表面的至少一些；以及
(e)重復(a)-(d)并將所述襯底周期性地暴露于含氧等離子體以鈍化所述襯底的表面。
下面參考附圖進一步描述這些方面和其他方面。
附圖說明
圖1a包括原子層蝕刻機理的示例的示意圖。
圖1b包括ale-i、ale-ii以及具有氧化物鈍化的ale-i和ale-ii之前和之后的襯底的示意圖。
圖2是描繪根據(jù)某些公開的實施方式的方法的操作的工藝流程圖。
圖3是描繪根據(jù)某些公開的實施方式執(zhí)行的操作的示例的時序示意圖。
圖4是用于執(zhí)行某些公開的實施方式的示例性處理室的示意圖。
圖5是用于執(zhí)行某些公開的實施方式的示例性處理裝置的示意圖。
圖6示出了從實驗結果獲得的每個循環(huán)蝕刻的鍺的量與氬偏置電壓的函數(shù)關系的曲線圖。
圖7示出了在執(zhí)行某些公開的實施方式之前和之后晶片上的鍺的均勻性的曲線圖。
具體實施方式
在以下描述中，闡述了許多具體細節(jié)以提供對所呈現(xiàn)的實施方式的透徹理解。可以在沒有這些具體細節(jié)中的一些或全部的情況下實踐所公開的實施方式。在其他情況下，沒有詳細描述公知的處理操作以免不必要地模糊所公開的實施方式。雖然將結合具體實施方式描述所公開的實施方式，但是應當理解這并不旨在限制所公開的實施方式。
半導體器件制造工藝通常涉及用于在半導體襯底上形成各種結構的蝕刻工藝。常規(guī)的等離子體蝕刻工藝通常涉及材料的連續(xù)蝕刻，但是特別容易受到傳輸限制并導致蝕刻表面的粗糙和損壞。在蝕刻期間，與偏置的脈沖化相結合的常規(guī)等離子體蝕刻工藝可以改善蝕刻性能。涉及與保護待蝕刻材料(例如，靶材料)的側壁的操作相結合的蝕刻工藝的循環(huán)工藝可用于獲得期望的蝕刻輪廓，同時保護側壁，并通過分離工藝步驟提供進一步的改進。
原子層蝕刻(ale)是用于蝕刻行為的原子尺度控制的一種方法。ale是一種循環(huán)工藝，其涉及使用順序自限制反應去除材料薄層的技術。通常，可以使用任何合適的技術來執(zhí)行ale。原子層蝕刻技術的實例在于2014年11月11日授權的美國專利no.8,883,028以及于2014年8月19日授權的美國專利no.8,808,561中描述，為了描述示例性原子層蝕刻和刻蝕技術，通過引用將這兩個專利并入本文。在各種實施方式中，ale可以用等離子體執(zhí)行，或者可以熱執(zhí)行。
可以通過表面改性操作(即反應化學物質在襯底表面上的反應)然后進行去除操作(即，使用惰性、非反應性離子的離子輔助蝕刻)來完成ale。這樣的操作可以重復一定數(shù)量的循環(huán)。在ale期間，反應化學物質和惰性離子被單獨輸送到襯底。
“ale循環(huán)”的概念與本文中各種實施方式的討論相關。通常，ale循環(huán)是用于執(zhí)行蝕刻工藝一次(例如蝕刻單層)的最小操作集合。一個循環(huán)的結果是蝕刻襯底表面上的膜層的至少一些。通常，ale循環(huán)包括形成反應層的改性操作，接著是去除操作以去除或僅蝕刻該改性層。可以通過使用化學吸附機理、沉積機理、頂層轉換機理或提取(extraction)機理進行改性。使用化學吸附機理進行的ale可以在本文中描述為“ale-i”操作。使用沉積機理執(zhí)行的ale在本文中可被描述為“ale-ii”操作。ale循環(huán)可包括某些輔助操作，例如掃除反應物或副產物中的一種。通常，循環(huán)包含唯一操作序列的一個實例。例如，ale循環(huán)可以包括以下操作：(i)輸送一種或多種反應氣體，(ii)從室中清除反應氣體，(iii)輸送去除氣體和任選的等離子體，以及(iv)吹掃所述室。ale-i的進一步描述和實例在于2015年4月24日提交的標題為“integratingatomicscaleprocesses:ald(atomiclayerdeposition)andale(atomiclayeretch)”的美國專利申請no.14/696,254中描述，出于描述原子層蝕刻工藝的目的通過引用將其并入本文。
圖1a示出了基于多種機理的ale循環(huán)的示例性示意圖。圖171a-171e示出了通用ale循環(huán)。在171a中，提供襯底。在171b中，改性襯底的表面?？梢栽诓晃g刻襯底的表面的情況下改性襯底的表面。改性操作形成薄的反應性表面層，其厚度在隨后的去除操作中比未改性材料更容易去除。在171c中，準備下一步驟，其可以涉及吹掃用于改性襯底表面的過量反應化學物質。在171d中，蝕刻改性層。在171e中，去除改性層。
圖172a-172e示出了用于蝕刻硅膜的ale-i循環(huán)的示例。在172a中，提供了包括許多硅原子的硅襯底。在172b中，將反應氣體氯引入到襯底以通過化學吸附改性襯底的表面。作為示例，172b中的示意圖示出了一些氯被吸附到襯底的表面上。盡管在圖1b中描述了氯，但是可以使用任何含氯化合物或合適的反應物。在172c中，從室中清除反應氣體氯。在172d中，用如ar+等離子體物質和箭頭所示的定向等離子體引入去除氣體氬，并且執(zhí)行離子轟擊以去除襯底的改性表面。在該操作期間，向襯底施加偏置以吸引離子朝向襯底。在172e中，室被凈化并且副產物被去除。
圖182a-182e示出了用于蝕刻硅膜的ale-ii循環(huán)的示例。在182a中，提供了包括許多硅原子的硅襯底。在182b中，將諸如六氟化硫的氟源引入到襯底，以通過吸附氟化硫(sfx)物質來改性襯底的表面。在182b中所示的示意圖示出了一些反應的氟化硫沉積在襯底的表面上。可以使用其它一般氟源(例如，三氟化氮(nf3)和/或氟化碳(cfx，chfx))，并且六氟化硫作為示例提供。在182c中，從室中清除氟化硫源。在182d中，引入去除氣體以去除襯底的改性表面。在182e中，室被凈化并且副產物被去除。
使用僅涉及通過化學吸附機理進行的改性的循環(huán)來僅執(zhí)行ale-i以蝕刻半導體材料(例如，硅、鍺或硅鍺)可能導致襯底的橫向蝕刻或底切。特別是對于具有比硅(3.4ev)更低的ge-ge鍵能(2.8ev)的鍺和含鍺化合物，情況可能如此。另外，對于通過化學吸附的含氯改性化學物質，ge-cl的升華溫度為約300℃，其顯著低于si-cl2的650℃的升華溫度，這使鍺成為更軟的材料，更易于快速蝕刻，從而易受可能的不期望的橫向蝕刻的影響。橫向蝕刻也可能受離子角分布、自發(fā)徑向蝕刻和/或光子誘導蝕刻等的影響。
本文提供蝕刻襯底的方法，所述方法使用利用通過化學吸附機理進行的改性的ale(ale-i)、利用通過沉積機理進行的改性的ale(ale-ii)和氧化物鈍化操作的結合。在一些實施方式中，所述方法包括使用ale-i和氧化物鈍化操作來蝕刻襯底，而不使用ale-ii。在一些實施方式中，所述方法包括使用ale-ii和氧化物鈍化操作來蝕刻襯底，而不使用ale-i。在一些實施方式中，所述方法包括使用ale-i、ale-ii和氧化物鈍化來蝕刻襯底。在一些特征中，對于一些材料，ale-i可以用氧化物鈍化來執(zhí)行以獲得豎直側壁和平滑蝕刻輪廓。本文的實施方式可用于蝕刻半導體材料(例如，硅、硅鍺和鍺)以及任何軟材料(例如，光致抗蝕劑)。為了蝕刻軟的非半導體材料，用于ale-i和ale-ii中的改性的化學物質可以不同于本文公開的那些化學物質。在各種實施方式中，工藝條件(例如，ale-i的循環(huán)數(shù)、ale-ii的循環(huán)數(shù)、ale-ii期間的沉積化學物質、以及氧化物鈍化頻率)可取決于待蝕刻材料中的鍺含量。
所公開的實施方式可以使用低偏置或較高偏置脈沖來執(zhí)行以實現(xiàn)定向蝕刻?？梢栽赼le-i、ale-ii或兩者的去除操作期間使用偏置。示例偏置功率包括小于約100vb的偏置功率(例如約50vb)，或偏置脈沖(例如200vb)。在一些實施方式中，離子可以是用于去除改性層以實現(xiàn)原子級平滑蝕刻前端的驅動力。在一些實施方式中，原子級光滑表面可以具有小于約
改性步驟可以涉及如本文所述的化學吸附或沉積機理。ale-i使用化學吸附改性，這可能在改性期間導致一些橫向蝕刻分量。在下面的ale-i循環(huán)中，在特征的頂部處或附近的側壁的表面會暴露于更多的橫向攻擊循環(huán)。結果，積累的橫向蝕刻限定了在特征的頂部處或附近具有逐漸縮小的關鍵尺寸的輪廓，這導致底切。圖1b示出了蝕刻之前的鍺襯底(110)、以及具有由單獨執(zhí)行ale-ii而導致的錐形蝕刻的鍺襯底(130)、以及具有由單獨執(zhí)行ale-i而導致的橫向蝕刻的鍺襯底(120)。襯底110包括在底層113下面的半導體材料111，襯底110具有包括覆蓋在底層113上的材料115和117的圖案化鰭(fin)結構。襯底120示出了通過執(zhí)行ale-i以蝕刻襯底110的半導體材料111而導致的所得橫向蝕刻效應(theresultinglateraletchingeffect)，使得底切和橫向蝕刻在蝕刻底層113之后導致經蝕刻的半導體材料121以形成經蝕刻的底層123。包括材料125和127的上覆鰭結構保持未被蝕刻。襯底130示出了通過執(zhí)行ale-ii以蝕刻襯底110的半導體材料111以形成經蝕刻的半導體材料131而導致的所得蝕刻效應，具有覆蓋的經蝕刻的底層133和具有材料135和137的鰭結構。ale-ii使用沉積改性，并且在改性期間通過形成鈍化層，幾乎沒有產生橫向蝕刻。由于側壁表面上的體積膨脹，接下來的ale-ii循環(huán)可能經歷關鍵尺寸膨脹。因此，由于側壁表面鈍化，單獨的ale-ii可能導致錐形側壁輪廓，而非導致較小的關鍵尺寸。將公開的實施方式中描述的ale-i和ale-ii組合使得能夠定制(tailor)蝕刻輪廓。在蝕刻底層143之后，襯底140包括具有材料145和147的上覆鰭結構以及具有氧化鈍化物149的經蝕刻的半導體材料141。在執(zhí)行ale-i、ale-ii和氧化物鈍化的組合之后，襯底150示出了具有材料155和157的鰭結構以及具有經蝕刻的半導體材料151的經蝕刻的底層153。如示意圖所示，當組合ale-i、ale-ii和氧化物鈍化時，可以控制蝕刻工藝以實現(xiàn)豎直側壁。
某些公開的實施方式具有在特征中限定豎直表面的能力，使得豎直表面可以基本上與蝕刻方向平行，由此實現(xiàn)原子級平滑的表面。在各種實施方式中，某些公開的實施方式還能夠限定具有原子級平滑度的水平蝕刻表面，而不引起負載效應。某些公開的實施方式改善了蝕刻前端的表面，導致蝕刻豎直側壁，并且改善了襯底的蝕刻輪廓。
圖2示出了描繪根據(jù)某些公開的實施方式執(zhí)行的操作的工藝流程圖。圖2的操作220和230可以構成單個ale-i循環(huán)。ale-i在通過化學吸附操作(操作220)進行的改性期間可以使用含氯化學物質來執(zhí)行，而在去除操作(操作230)期間可以使用惰性氣體化學物質(如氬氣)來執(zhí)行。下面進一步詳細描述這些操作中的每一個。
在操作220中，通過化學吸附機理來改性襯底的表面。襯底表面可以包括半導體材料，例如硅、鍺、硅鍺或其組合。
在圖2的操作220中，蝕刻化學物質被引入室中。蝕刻化學物質在本文中可以稱為蝕刻氣體或反應氣體。在一些實施方式中，蝕刻化學物質可以包括含鹵素的氣體或等離子體。例如，在一些實施方式中，操作220可以包括將襯底暴露于氯氣(cl2)以在待蝕刻的材料表面上化學吸附氯物質。氯在所公開的實施方式中用作示例性蝕刻劑物質，但是應當理解，在一些實施方式中，將不同的蝕刻氣體引入到室中。蝕刻氣體可以根據(jù)要蝕刻的襯底的類型和化學性質來選擇。在各種實施方式中，反應氣體可以是以下氣體中的任何一種或多種：氯、氯化硼、氯化氫、溴化氫、溴、氟化氮和氟。應當理解，雖然本文提供了示例性反應氣體的列表，但公開的實施方式不受該列表限制。在一些實施方式中，可以點燃等離子體，并且氯與襯底反應以用于蝕刻工藝。由氯等離子體產生的物質可以通過在容納襯底的處理室中形成等離子體而直接產生，或者它們可以在不容納襯底的處理室中遠程產生，并且可以供應到容納襯底的處理室中。在各種實施方式中，等離子體可以是電感耦合等離子體或電容耦合等離子體。電感耦合等離子體可以設定為介于約50w和約2000w之間的等離子體。在一些實施方式中，可以施加介于約0v和約500v之間的偏置。在一些實施方式中，氯等離子體可以與襯底反應或可以吸附到襯底的表面上。
如本文所述，在將材料引入室中的操作中，在涉及使用等離子體的原子層蝕刻的一些實施方式中，可通過在處理襯底或晶片之前將化學物質引入室中來穩(wěn)定反應器或室。穩(wěn)定室可以與在穩(wěn)定之后的操作中將使用的化學物質使用相同的流速、壓力、溫度和其它條件。在一些實施方式中，穩(wěn)定室可涉及不同的參數(shù)。
在一些實施方式中，不使用等離子體并且可以將氯熱引入室中。在各種實施方式中，氯以氣態(tài)形式引入室中，并且可任選伴隨有載氣，例如，氮氣、氬氣、氖氣、氦氣或其組合。
在一些實施方式中，載氣(例如，氮氣、氬氣、氖氣、氦氣或其組合)在操作220期間連續(xù)流動。在一些實施方式中，載氣僅在操作230中的去除期間使用，如下面進一步描述的。載氣可以在如下所述的一些操作中用作吹掃氣體。在一些實施方式中，在操作220期間使用另一種反應氣體(例如氧氣)去除改性層。在一些實施方式中，在去除期間載氣不流動。
在各種實施方式中，在執(zhí)行操作220之后可以吹掃容納襯底的室(未示出)。在該吹掃操作中，可以從處理室中去除非表面結合的活性氯物質。這可以通過吹掃和/或抽空處理室以去除活性物質而不去除吸附層來完成。在氯等離子體中產生的物質可以通過簡單地停止等離子體并允許剩余物質衰減(decay)任選地與室的吹掃和/或抽空結合來去除?？梢允褂萌魏味栊詺怏w(如n2、ar、ne、he及其組合)進行吹掃。和/或抽空室的泵送步驟。
在操作230期間，在去除操作中，襯底可暴露于能量源(例如，活化或濺射氣體或誘發(fā)去除的化學反應性物質)，例如氬或氦，以通過定向濺射來蝕刻襯底。在一些實施方式中，去除操作可以通過離子轟擊來執(zhí)行。在去除期間，可以可選地打開偏置以便于定向濺射。在一些實施方式中，ale可以是各向同性的。氣體可以被點燃以形成等離子體，從而形成活化氣體，例如ar+。在各種實施方式中，活化氣體可以包括帶電物質。等離子體可以是原位或遠程等離子體?？梢允褂迷诩s10w和約1500w之間或在約50w和約1000w之間的功率來產生等離子體。惰性氣體的流速可以為約50sccm至約600sccm。在一些實施方式中，偏置是脈沖化的?？梢允褂迷诩s5％和約50％之間(例如，在約5％和約40％之間)的占空比來脈沖化偏置。在一些實施方式中，使用50％的占空比來脈沖化偏置。
可以控制活化氣體的量，以便僅蝕刻目標量的材料。在各種實施方式中，室的壓力可在改性操作和去除操作之間變化。氣體的壓力可以取決于室的尺寸、氣體的流速、反應器的溫度、襯底的類型和要蝕刻的襯底的尺寸。如果在去除期間打開偏置，則可以將偏置設定為20v至65v之間的偏置功率，以使用ar+作為活化氣體來蝕刻鍺。在一些實施方式中，可以將偏置設定為約40-70v之間的偏置功率，以使用ar+作為活化氣體來蝕刻硅。對于連續(xù)偏置，偏置功率可以在約40v和約100v之間。在各種實施方式中，偏置功率可以小于約50v。在一些實施方式中，偏置功率為0v。
對于具有約50％的占空比的脈沖偏置，偏置功率可以在約100v和約300v之間。對于具有在約5％和約40％之間的占空比的脈沖偏置，偏置功率可以在約300v和約1000v之間。
在一些實施方式中，室可以在操作230之后任選地吹掃。吹掃過程和化學物質可以是在改性操作之后用于吹掃的那些中的任何一種。
執(zhí)行操作220和230可以去除襯底的改性表面的至少一部分。操作220和230可以任選地重復x個循環(huán)的ale-i。如本文所使用的，x可以是大于或等于1的整數(shù)。在各種實施方式中，x可以在1和30之間，或1和20之間。
在操作240中，通過沉積機理(ale-ii)來改性襯底的表面。應當理解，在一些實施方式中，在操作240和250之前執(zhí)行操作220和230，而在一些實施方式中，在操作220和230之前執(zhí)行操作240和250。也就是說，在一些實施方式中，ale-i在ale-ii之前進行，而在一些實施方式中，ale-ii在ale-i之前進行。
在一些實施方式中，在通過沉積操作進行的改性期間使用含硫沉積化學物質與第二反應物以及在去除操作期間使用惰性氣體化學物質(如氬氣)來進行ale-ii。在各種實施方式中，含硫沉積化學物質包括含硫鹵素氣體，例如六氟化硫。在一些實施方式中，含氟沉積化學物質可以包括含鹵素的含硫化學物質。含硫化學物質可用于促進通過在待蝕刻材料的側壁上的硫進行的鈍化。示例性的含硫沉積化學物質包括六氟化硫(sf6)、硫化氫(h2s)和二氧化硫(so2)。在一些實施方式中，反應氣體與第二反應氣體(例如氫氣和含鹵素的氣體，例如三氟化氮、氟、以及三氟化氮和氟的混合物)一起流動。在一個實例中，在一些實施方式中，可以通過使六氟化硫(sf6)與氫氣(h2)反應以在待蝕刻的材料的表面上沉積含硫的含氟化學物質來執(zhí)行ale-ii。在一些實施方式中，含硫沉積化學物質可包括碳氟化合物，例如，四氟化碳(cf4)、六氟-2-丁炔(c4f6)、氟代甲烷(ch3f)或其它chfx氣體或類似化合物及其組合。
在各種實施方式中，在執(zhí)行操作240和250之間可以吹掃容納襯底的室?？梢允褂蒙厦骊P于操作230描述的任何吹掃化學物質和處理條件來執(zhí)行吹掃操作。
在操作250中，去除通過沉積改性的層，其可以通過引入活化氣體來執(zhí)行，例如上文關于操作220所描述的。上文關于操作220描述的任何去除操作工藝條件可以在操作250中使用。在各種實施方式中，可以在執(zhí)行操作250之后吹掃室?？梢允褂蒙厦骊P于操作230描述的任何吹掃化學物質和工藝條件來執(zhí)行吹掃操作。
操作240和250可以任選地重復y個循環(huán)，其中y是大于或等于1的整數(shù)。在各種實施方式中，x比y的比例，其中x是重復操作220和230的循環(huán)數(shù)。x比y的比例可以在2:1和20:1之間，例如2:1、3:1、5:1、10:1和20:1。在一些實施方式中，x比y的比例為3:1。選擇x比y的比例以產生豎直輪廓。
在操作260中，使用含氧氣體和/或含氧等離子體來鈍化襯底。在氧化物鈍化期間，氧化物可以形成在側壁上，從而保護它們免受由ale-i引起的橫向蝕刻。在各種實施方式中，形成在側壁上的氧化物可以小于約5nm，例如小于約1nm。在一些實施方式中，對于諸如鰭和柵極結構之類的高深寬比特征，在特征的頂部處或附近形成的氧化物可以比在高深寬比特征的底部處或附近形成的氧化物更厚。在一些實施方式中，氧化物鈍化通過連續(xù)地將襯底暴露于含氧反應物(例如氯化硫和氧氣的混合物(siclx/o2)或氧氣(o2)本身)而形成薄氧化物層，例如使用化學氣相沉積進行。在一些實施方式中，薄氧化物層通過原子層沉積來沉積。在各種實施方式中，可在氧化物鈍化期間產生等離子體以將襯底暴露于含氧等離子體，例如氧氣(o2)、二氧化碳(co2)和二氧化硫(so2)。
在一些實施方式中，在執(zhí)行操作220和230之后，執(zhí)行操作260而不執(zhí)行操作240和250。也就是說，在一些實施方式中，執(zhí)行ale-i并使用氧化物鈍化而不執(zhí)行ale-ii。在一些實施方式中，僅執(zhí)行操作240、250和260，使得執(zhí)行ale-ii和氧化物鈍化而不執(zhí)行ale-i。在一些實施方式中，在執(zhí)行操作260之后的n個循環(huán)中重復操作220-250。在一些實施方式中，在組合的ale-i、ale-ii和氧化物鈍化過程中執(zhí)行所有的操作220、230、240、250和260。
組合ale-i和ale-ii以及在一些實施方式中組合ale-i和ale-ii以及氧化物鈍化導致水平和豎直表面工程的原子平滑度。執(zhí)行ale-i、ale-ii和氧化物鈍化的完整循環(huán)可以由以下等式表示：
n(x+y)+z等式1
其中n是x個循環(huán)的ale-i(其中ale-i的一個循環(huán)包括通過化學吸附進行的改性、任選的吹掃、去除和第二任選的吹掃)和y個循環(huán)的ale-ii(其中ale-ii的一個循環(huán)包括通過沉積進行的改性、任選的吹掃、去除和第二任選的吹掃)的重復次數(shù)，并且對于x個循環(huán)的ale-i和y個循環(huán)的ale-ii的每n次重復進行z次氧化物鈍化。如本文所述，n、x、y和z可以是大于或等于1的整數(shù)。x/y的比例提供了用于蝕刻具有豎直側壁表面的襯底的工具。調整x/y比使來自ale-i的橫向蝕刻與ale-ii的錐形蝕刻的效果平衡。在一些實施方式中，可以調整x/y的比例以便蝕刻由于鈍化而具有擴大的關鍵尺寸的特征。注意，在一些實施方式中，ale-i、ale-ii和氧化物鈍化的完整循環(huán)可以重復多個循環(huán)。例如，在執(zhí)行圖2中的操作260之后，可以任選地重復操作220-250。在一些實施方式中，所公開的實施方式包括在多個循環(huán)中重復操作220-260。
ale-i、ale-ii和氧化物鈍化的完整循環(huán)的一個實例可以是其中n＝3，x＝3，y＝1以及z＝1。在該示例中，如果ale-i和ale-ii包括吹掃操作，則可以執(zhí)行以下操作：
(1)通過化學吸附改性
(2)吹掃
(3)去除
(4)吹掃
(5)通過化學吸附改性
(6)吹掃
(7)去除
(8)吹掃
(9)通過化學吸附改性
(10)吹掃
(11)去除
(12)吹掃
(13)通過沉積改性
(14)吹掃
(15)去除
(16)吹掃
(17)重復1-16三次
(18)氧化物鈍化
在各種實施方式中，可以每1至每200個循環(huán)的ale-i和ale-ii的組合進行氧化物鈍化(例如，z＝1，其中n＝1至100)。例如，可以每3個循環(huán)的ale-i和ale-ii的組合進行氧化物鈍化(z＝1且n＝3)。對于ale-i的x個循環(huán)和ale-ii的y個循環(huán)，這樣的實施方式可以由下面的等式2表示。
3(x+y)+1“氧化物鈍化”等式2
可在ale-i，ale-ii或兩者的改性和去除操作兩者中產生等離子體。在一些實施方式中，可以通過將襯底暴露于含氧氣體(例如二氧化碳(co2)、二氧化硫(so2)和氧氣(o2))或將襯底暴露于空氣來執(zhí)行氧化物鈍化。所公開的實施方式可適于蝕刻具有小于約10nm(例如約5nm)的關鍵尺寸的特征。所公開的實施方式可以在寬范圍的溫度下執(zhí)行，例如在約-10℃和約300℃之間或在約20℃和約60℃之間的溫度下執(zhí)行。
圖3示出了具有氬、氯、六氟化硫、氫氣和氧化劑的相對流動的示例性時序圖。過程200包括隨后在子循環(huán)202中重復的第一子循環(huán)201，以及氧化物鈍化方案203。子循環(huán)201包括通過化學吸附進行的改性和去除(ale-i)的三次重復，以及通過沉積進行的改性和去除(ale-ii)的一次重復。對于ale-i的x個循環(huán)和ale-ii的y個循環(huán)，這樣的實施方式可以由下面的等式3表示。
2(x+y)+1“氧化物鈍化”等式3
在通過化學吸附進行的改性221a期間，氬作為載氣打開，并且氯流動以改性襯底表面，同時其它氣流關閉。在去除231期間，保持氬打開并點燃氬以去除改性表面，同時所有其它氣流關閉。將其重復兩次，如通過化學吸附進行的改性221b、去除231b、通過化學吸附進行的改性221c和去除231c中所示。通過化學吸附階段進行的改性221a、221b、221c可對應于圖2的操作220。
在通過沉積進行的改性241期間，氬作為載氣開通，并且六氟化硫和氫氣流動以在襯底表面上沉積含硫材料以對襯底表面進行改性。在去除251中，氬流動并且去除改性表面，同時關閉其它氣流。通過沉積進行的改性241可以對應于圖2的操作240，并且去除251可以參考圖2的操作250。如圖所示，在子循環(huán)202中重復子循環(huán)201，其中三次重復化學吸附的改性(222a、222b、222c)和去除(232a、232b和232c)，接著是一個循環(huán)的通過沉積(242)進行的改性和去除(252)。隨后，在可對應于圖2的操作260的氧化物鈍化261期間，氧化劑流和載氣氬打開，而關閉其它氣體以在襯底表面上沉積薄氧化物層并鈍化襯底表面。
所公開的實施方式可適于在環(huán)繞式柵極(gaa)器件中形成納米線鰭結構。在鰭結構中，鰭的側壁是豎直的。對于納米線結構，圍繞線的圓筒側壁是豎直的。所公開的實施方式適于通過防止橫向蝕刻并通過切換工藝條件(例如如上所述的各種變量n、x、y和z)保持對蝕刻輪廓的良好控制來形成這些結構，從而形成平滑的豎直側壁。
裝置
所公開的實施方式可以在任何合適的蝕刻室或裝置中執(zhí)行，例如可從加利福尼亞州弗里蒙特市的lamresearchcorporation獲得的
示例蝕刻室或裝置可以包括具有室壁的室、用于保持待處理的襯底或晶片的卡盤(其可以包括用于夾持和釋放晶片的靜電電極，并且可以使用rf電源進行充電)、被配置為向線圈供應功率以產生等離子體的rf電源、以及如本文所述的用于輸入氣體的氣流入口。例如，用于化學吸附的改性化學氣體(例如用于形成等離子體的含氯氣體)和/或用于沉積的改性化學氣體(例如sf6)可以流入用于執(zhí)行ale-i或ale-ii的蝕刻室。在一些實施方式中，含氧氣體可以流動到室用于氧化物鈍化。在一些實施方式中，裝置可以包括多于一個的室，每個室可以用于蝕刻、沉積或處理襯底。室或裝置可以包括系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器用于控制室或裝置的一些或所有操作，例如，調節(jié)室壓力、惰性氣體流、等離子體功率、等離子體頻率、反應氣體流(例如，含氯氣體、含氧氣體、含氟氣體等)；偏置功率、溫度、真空設置；和其他工藝條件。在各種實施方式中，用于執(zhí)行原子層蝕刻的裝置可以與高壓偏置脈沖室和/或高電壓偏置脈沖工藝結合或集成。
圖4示意性地示出了適用于實施本文的某些實施方式的電感耦合等離子體集成的蝕刻和沉積裝置400的橫截面圖，其示例是由位于加利福尼亞州fremont的lamresearchcorp.生產的kiyotm反應器。電感耦合等離子體裝置400包括在結構上由室壁401和窗411限定的總處理室401。室壁401可以由不銹鋼或鋁制成。窗411可以由石英或其他介電材料制成?？蛇x的內部等離子體柵格450將整個處理室401分成上子室402和下子室403。在大多數(shù)實施方式中，等離子體柵格450可以被去除，從而利用由子室402和403構成的室空間?？ūP417位于下子室403內，靠近底部內表面?？ūP417被構造為接收并保持半導體晶片419，在半導體晶片419上執(zhí)行蝕刻和沉積工藝。卡盤417可以是用于當晶片419存在時支撐晶片419的靜電卡盤。在一些實施方式中，邊緣環(huán)(未示出)圍繞卡盤417，并且具有當晶片419存在于卡盤417上方時與晶片419的頂表面近似平面的上表面?？ūP417還包括用于卡緊和釋放晶片的靜電電極。為此目的可以提供濾波器和dc鉗位電源(未示出)。還可以提供用于提升晶片419離開卡盤417的其它控制系統(tǒng)?？ūP417可以使用rf電源423來充電。rf電源423通過連接427連接到匹配電路421。匹配電路421通過連接425連接到卡盤417。以這種方式，rf電源423連接到卡盤417。
用于等離子體產生的元件包括位于窗411上方的線圈433。在一些實施方式中，在所公開的實施方式中不使用線圈。線圈433由導電材料制成并且包括至少一個完整的匝。圖4中所示的線圈433的示例包括三匝。線圈433的橫截面用符號示出，并且具有“x”的線圈旋轉地延伸到頁面里，而具有“●”的線圈旋轉地延伸出頁面。用于等離子體產生的元件還包括被配置為向線圈433提供rf功率的rf電源441。通常，rf電源441通過連接445連接到匹配電路439。匹配電路439通過連接443連接到線圈433。以這種方式，rf電源441連接到線圈433?？蛇x的法拉第屏蔽449定位在線圈433和窗411之間。法拉第屏蔽449相對于線圈433保持間隔開的關系。法拉第屏蔽449設置在窗411的正上方。線圈433、法拉第屏蔽449和窗411各自被配置為基本上彼此平行。法拉第屏蔽可以防止金屬或其它物質沉積在等離子體室401的介電窗上。
工藝氣體(例如氯氣、氬氣、六氟化硫、二氧化硫、氫氣等)可以通過位于上室402中的一個或多個主氣流入口460和/或通過一個或多個側氣流入口470流入處理室401。類似地，盡管未明確示出，類似的氣流入口可用于將工藝氣體供應到電容耦合等離子體處理室?？梢允褂谜婵毡?例如，一級或兩級機械干式泵和/或渦輪分子泵440)將工藝氣體抽出處理室401并維持處理室401內的壓力。例如，泵可用于在ald的吹掃操作期間排空室401。閥控制的導管可以用于將真空泵流體連接到處理室401，以便選擇性地控制由真空泵提供的真空環(huán)境的施加。這可以在操作等離子體處理期間采用閉環(huán)控制的流量限制裝置(例如，節(jié)流閥(未示出)或擺動閥(未示出))來完成。同樣，也可以采用真空泵和閥控制的與電容耦合等離子體處理室的流體連接。
在裝置的操作期間，可以通過氣流入口460和/或470供應一種或多種工藝氣體。在某些實施方式中，工藝氣體可以僅通過主氣流入口460供應，或者僅通過側氣流入口470供應。在一些情況下，圖中所示的氣流入口可以被更復雜的氣流入口(例如，一個或多個噴頭)替換。法拉第屏蔽449和/或可選柵格450可以包括允許將工藝氣體輸送到室401的內部通道和孔。法拉第屏蔽449和可選柵格450中的任一個或兩個可以用作用于輸送工藝氣體的噴頭。在一些實施方式中，液體汽化和輸送系統(tǒng)可以位于室401的上游，使得一旦液體反應物或前體被汽化，則汽化的反應物或前體經由氣流入口460和/或470被引入到室401中。
射頻功率從rf電源441提供到線圈433，以使rf電流流過線圈433。流過線圈433的rf電流在線圈433周圍產生電磁場。電磁場在上子室402中產生感應電流。各種產生的離子和自由基與晶片419的物理和化學相互作用選擇性地蝕刻晶片的特征并在晶片上沉積層。
如果使用等離子體柵格使得存在上子室402和下子室403兩者，則感應電流作用于存在于上子室402中的氣體以在上子室402中產生電子-離子等離子體?？蛇x的內部等離子體柵格450限制下子室403中的熱電子的量。在一些實施方式中，設計和操作該裝置，使得存在于下子室403中的等離子體是離子-離子等離子體。
上部電子-離子等離子體和下部離子-離子等離子體均可以包含正離子和負離子，盡管離子-離子等離子體將具有更大的負離子比正離子的比值。揮發(fā)性蝕刻和/或沉積副產物可以通過端口422從下子室403去除。本文公開的卡盤417可以在約10℃和約250℃之間的升高的溫度下操作。溫度將取決于工藝操作和具體配方。
室401在安裝在潔凈室或制造設施中時可耦合到設施(未示出)。設施包括提供處理氣體、真空、溫度控制和環(huán)境顆粒控制的管道(plumbing)。當安裝在目標制造設施中時，這些設施耦合到室401。另外，室401可耦合到傳送室，傳送室允許機械手使用典型的自動化技術傳送半導體晶片進出室401。
在一些實施方式中，系統(tǒng)控制器430(其可以包括一個或多個物理或邏輯控制器)控制處理室的操作中的一些或全部。系統(tǒng)控制器430可以包括一個或多個存儲器設備和一個或多個處理器。在一些實施方式中，該裝置包括用于當執(zhí)行所公開的實施方式時控制流速和持續(xù)時間的切換系統(tǒng)。在一些實施方式中，裝置可以具有高達約500ms或高達約750ms的切換時間。切換時間可以取決于流動化學物、所選擇的配方、反應器結構和其它因素。
在一些實施方式中，控制器430是系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)可以是上述示例的一部分。這種系統(tǒng)可以包括半導體處理設備，半導體處理設備包括一個或多個處理工具、一個或多個室、用于處理的一個或多個平臺、和/或特定處理部件(晶片基座、氣體流系統(tǒng)等)。這些系統(tǒng)可以與用于在半導體晶片或襯底的處理之前、期間和之后控制它們的操作的電子器件集成。電子器件可以被稱為“控制器”，其可以控制一個或多個系統(tǒng)的各種部件或子部件。根據(jù)處理參數(shù)和/或系統(tǒng)類型，控制器430可以被編程以控制本文公開的任何工藝，包括處理氣體的輸送、溫度設置(例如加熱和/或冷卻)、壓力設置、真空設置、功率設置、射頻(rf)發(fā)生器設置、rf匹配電路設置、頻率設置、流率設置、流體輸送設置、位置和操作設置、進出工具和其他輸送工具和/或連接到特定系統(tǒng)或與特定系統(tǒng)接口的裝載鎖的晶片輸送。
概括地說，控制器430可以定義為電子器件，電子器件具有接收指令、發(fā)出指令、控制操作、啟用清潔操作、啟用終點測量等的各種集成電路、邏輯、存儲器和/或軟件。集成電路可以包括存儲程序指令的固件形式的芯片、數(shù)字信號處理器(dsp)、定義為專用集成電路(asic)的芯片、和/或一個或多個微處理器、或執(zhí)行程序指令(例如，軟件)的微控制器。程序指令可以是以各種單獨設置(或程序文件)的形式輸送到控制器的指令，單獨設置(或程序文件)定義用于在半導體晶片上或針對半導體晶片或系統(tǒng)執(zhí)行特定工藝的操作參數(shù)。在一些實施方式中，操作參數(shù)可以是由工藝工程師定義的配方的一部分，以在一或多個(種)層、材料、金屬、氧化物、硅、二氧化硅、表面、電路和/或晶片的管芯的制造期間完成一個或多個處理步驟。
在一些實現(xiàn)方式中，控制器430可以是與系統(tǒng)集成、耦合到系統(tǒng)、以其它方式聯(lián)網到系統(tǒng)或其組合的計算機的一部分或耦合到該計算機。例如，控制器可以在“云”中或在晶片廠(fab)主機系統(tǒng)的全部或一部分中，其可以允許對晶片處理的遠程訪問。計算機可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程訪問以監(jiān)視制造操作的當前進展、檢查過去制造操作的歷史、從多個制造操作研究趨勢或性能度量，以改變當前處理的參數(shù)、設置要跟隨當前處理的處理步驟、或者開始新的處理。在一些示例中，遠程計算機(例如服務器)可以通過網絡(其可以包括本地網絡或因特網)向系統(tǒng)提供工藝配方。遠程計算機可以包括使得能夠輸入或編程參數(shù)和/或設置的用戶接口，然后將該參數(shù)和/或設置從遠程計算機輸送到系統(tǒng)。在一些示例中，控制器430接收數(shù)據(jù)形式的指令，其指定在一個或多個操作期間要執(zhí)行的每個處理步驟的參數(shù)。應當理解，參數(shù)可以特定于要執(zhí)行的工藝的類型和工具的類型，控制器被配置為與該工具接口或控制該工具。因此，如上所述，控制器430可以是例如通過包括聯(lián)網在一起并朝著共同目的(例如本文所述的工藝和控制)工作的一個或多個離散控制器而呈分布式。用于這種目的的分布式控制器的示例是在與遠程(例如在平臺級或作為遠程計算機的一部分)定位的一個或多個集成電路通信的室上的一個或多個集成電路，其組合以控制在室上的工藝。
示例系統(tǒng)可以包括但不限于等離子體蝕刻室或模塊、沉積室或模塊、旋轉漂洗室或模塊、金屬電鍍室或模塊、清潔室或模塊、倒角邊緣蝕刻室或模塊、物理氣相沉積(pvd)室或模塊、化學氣相沉積(cvd)室或模塊、ald室或模塊、ale室或模塊、離子注入室或模塊、軌道室或模塊、以及可以與半導體晶片的制造和/或制備相關聯(lián)或用于半導體晶片的制造和/或制備的任何其它半導體處理系統(tǒng)。
如上所述，根據(jù)將由工具執(zhí)行的一個或多個處理步驟，控制器可以與一個或多個其他工具電路或模塊、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相鄰工具、鄰近工具、位于整個工廠中的工具、主計算機、另一控制器、或在將晶片容器往返半導體制造工廠中的工具位置和/或裝載口運輸?shù)牟牧线\輸中使用的工具通信。
圖5描繪了具有與真空傳輸模塊538(vtm)接口的各種模塊的半導體處理集群架構。在多個存儲設施和處理模塊之間“傳輸”晶片的傳輸模塊的布置可以被稱為“群集工具架構”系統(tǒng)。氣閘530，也稱為裝載鎖或傳輸模塊，在vtm538中示出，具有可以被單獨優(yōu)化以執(zhí)行各種制造過程的四個處理模塊520a-520d。例如，處理模塊520a-520d可以被實現(xiàn)為執(zhí)行襯底蝕刻、沉積、離子注入、晶片清洗、濺射和/或其它半導體工藝。在一些實施方式中，用于氧化物鈍化的ald和ale-i和/或ale-ii在同一模塊中執(zhí)行。在一些實施方式中，用于氧化物鈍化的ald和ale-i和/或ale-ii在相同工具的不同模塊中執(zhí)行。一個或多個襯底蝕刻處理模塊(520a-520d中的任何一個)可以如本文所公開的那樣實現(xiàn)，即用于執(zhí)行ale-i、執(zhí)行ale-ii、通過cvd執(zhí)行氧化物鈍化、通過ald執(zhí)行氧化物鈍化、以及根據(jù)所公開的實施方式的其他合適的功能。氣閘530和處理模塊520可以被稱為“站”。每個站具有將站與vtm538接口的小平面536。在每個小平面內，傳感器1-18用于當晶片526在各個站之間移動時檢測晶片526的通過。
機械手522在站之間傳輸晶片526。在一個實施方式中，機械手522具有一個臂，并且在另一個實施方式中，機械手522具有兩個臂，其中每個臂具有末端執(zhí)行器524以拾取晶片(例如晶片526)用于運輸。在大氣傳輸模塊(atm)540中，前端機械手532用于將晶片526從裝載端口模塊(lpm)542中的盒或正面開口標準盒(foup)534傳輸?shù)綒忾l530。處理模塊520內的模塊中心528是用于放置晶片526的一個位置。atm540中的對準器544用于對準晶片。
在示例性處理方法中，晶片被放置在lpm542中的foup534中的一個內。前端機械手532將晶片從foup534傳輸?shù)綄势?44，這使得晶片526能夠在被蝕刻或處理之前適當?shù)鼐又?。在對準之后，晶?26被前端機械手532移動到氣閘530中。由于氣閘模塊具有匹配atm和vtm之間的環(huán)境的能力，所以晶片526能夠在兩個壓力環(huán)境之間移動而不被損壞。從氣閘模塊530，晶片526由機械手522經由vtm538移動到處理模塊520a-520d中的一個內。為了實現(xiàn)這種晶片移動，機械手522在其每個臂上使用端部執(zhí)行器524。一旦晶片526已經被處理，其就被機械手522從處理模塊520a-520d移動到氣閘模塊530。從這里，晶片526可以由前端機械手532移動到foup524中的一個或移動到對準器544。
應當注意，控制晶片移動的計算機可以在集群架構本地，或者可以位于制造車間中的集群架構外部或者位于遠程位置，并且經由網絡連接到集群架構。上面關于圖4描述的控制器可以利用圖5中的工具來實現(xiàn)。
實驗
下面描述的實驗在60℃的室溫度下進行。
實驗1
進行實驗以對用于蝕刻鍺的偏置電壓確定每個循環(huán)蝕刻的量。使用氬去除氣體對范圍為0v至60v的偏置電壓測定蝕刻速率(每個循環(huán)蝕刻的量，單位為
實驗2
在鍺襯底上進行ale-i。使用以下循環(huán)進行ale-i：通過暴露于含氯等離子體(cl2)進行的改性、吹掃、使用氬的去除、和吹掃。在圖7中的曲線圖上繪出了通過將襯底暴露于循環(huán)的交替暴露的cl2(改性)和氬(去除)，在蝕刻之前(701中示出的蝕刻前)和蝕刻之后(在703中示出的ale后)的鍺的厚度。確定凈蝕刻(705)。x軸示出晶片上的距離以顯示整個晶片上的均勻性。
蝕刻之前和之后的襯底的圖像顯示，即使在蝕刻之后仍保持平滑度，具有0.8nm的rms(蝕刻前)，并且在蝕刻65nm的鍺之后，具有0.9nm的rms(蝕刻后)。
實驗3
對于具有不同高度(55nm、65nm、91nm和110nm)的鰭的圖案化襯底，進行實驗以執(zhí)行等式4中的序列，等式4用于在鍺襯底上的多次重復循環(huán)。等式4包括ale-i的3個循環(huán)和ale-ii的1個循環(huán)的3次重復，其中1個循環(huán)暴露于100w的含氧等離子體。該序列可以由以下等式表示
3(3“ale-i”+1“ale-ii”)+1“氧化物鈍化”等式4
蝕刻后襯底的圖像顯示平滑的豎直輪廓。
結果表明，豎直蝕刻輪廓可以使用相同的ale-i、ale-ii和氧化物鈍化的比例轉移到不同的蝕刻深度。對也呈現(xiàn)平滑豎直側壁輪廓的管狀淺溝槽隔離結構進行類似的實驗。
結論
盡管為了清楚理解的目的，已經相當詳細地描述了前述實施方式，但是顯而易見的是，可以在所附權利要求的范圍內實施某些改變和修改。應當注意，存在實現(xiàn)本實施方式的處理、系統(tǒng)和裝置的許多替代方式。因此，本實施方式被認為是說明性的而不是限制性的，并且實施方式不限于這里給出的細節(jié)。
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