用于高度选择性氧化硅/氮化硅蚀刻的蚀刻和钝化气体组分的独立控制的制作方法

用于高度选择性氧化硅/氮化硅蚀刻的蚀刻和钝化气体组分的独立控制
1.相关申请的交叉引用
2.本技术涉及并且要求2019年4月5日提交的美国临时专利申请序列号62/830,223的优先权，将该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及半导体制造和半导体装置的领域，并且更特别地涉及一种在半导体制造中相对于氮化硅选择性等离子体蚀刻氧化硅的方法。


背景技术：

4.下一代半导体技术发展提出了巨大的挑战，因为需要相对于其他材料选择性干式蚀刻去除一种材料。相对于氮化硅的选择性氧化硅蚀刻具有许多应用，并且在使用含有氟碳(fc)或氢氟碳(hfc)气体的等离子体时，已经针对高蚀刻选择性广泛研究了优选钝化(大部分是基于碳的)。然而，许多常规蚀刻方法具有限制，包括缺乏在等离子体激发的处理气体中蚀刻组分(例如，氟或氢)与钝化组分(例如，碳)的单独控制。例如，含有c4f6/c4f8气体的蚀刻气体有助于钝化，并且含有h2/ch2f2/ch3f/ch4气体的钝化气体也有助于蚀刻。此外，许多蚀刻方法仅使用一种fc或hfc气体，这对于针对先进半导体装置的相对于氮化硅选择性蚀刻氧化硅而言提供的灵活性不足。完全分离蚀刻组分和钝化组分的尝试尚未提供完全独立控制。


技术实现要素：

5.在若干实施例中披露了一种在半导体制造中相对于氮化硅选择性等离子体蚀刻氧化硅的方法。
6.根据一个实施例，该等离子体处理方法包括提供含有氧化硅膜和氮化硅膜的衬底，以及通过以下方式相对于该氮化硅膜选择性蚀刻该氧化硅膜：a1)将该衬底暴露于含有碳、硫或碳和硫两者的等离子体激发的钝化气体，其中该钝化气体不含氟或氢，以及b1)将该衬底暴露于含有含氟气体的等离子体激发的蚀刻气体。
7.根据一个实施例，该等离子体处理方法包括提供含有氧化硅膜和氮化硅膜的衬底，以及通过以下方式相对于该氮化硅膜选择性蚀刻该氧化硅膜：a1)将该衬底暴露于等离子体激发的钝化气体，其中该等离子体激发的钝化气体包含co、cos、cs2、ccl4、c2cl4、ccl2br2、scl2、s2cl2或其组合，并且其中该钝化气体不含氟或氢，以及b1)将该衬底暴露于含有f2、xef2、clf3、hf或nf3或其组合的等离子体激发的蚀刻气体。
8.根据一个实施例，该等离子体处理方法包括提供含有氧化硅膜和氮化硅膜的衬底，以及通过以下方式相对于该氮化硅膜选择性蚀刻该氧化硅膜：a1)将该衬底暴露于等离子体激发的钝化气体，其中该等离子体激发的钝化气体包含co、cos、cs2、ccl4、c2cl4、ccl2br2、scl2、或s2cl2或其组合，并且其中该钝化气体不含氟或氢，a2)将该衬底暴露于含有
氟碳气体、氢氟碳气体、氢氯碳气体、氢氯氟碳气体、烃气体或其组合的等离子体激发的额外钝化气体，以及b1)将该衬底暴露于含有f2、xef2、clf3、hf、nf3或其组合的等离子体激发的蚀刻气体。
附图说明
9.在附图中：
10.图1是根据本发明的一个实施例的用于相对于氮化硅膜选择性等离子体蚀刻氧化硅膜的工艺流程图；
11.图2a至图2f通过截面图示意性地示出了根据本发明的一个实施例的用于相对于氮化硅膜选择性等离子体蚀刻氧化硅膜的方法；
12.图3是根据本发明的另一个实施例的用于相对于氮化硅膜选择性等离子体蚀刻氧化硅膜的工艺流程图；并且
13.图4a至图4h通过截面图示意性地示出了根据本发明的另一个实施例的用于相对于氮化硅膜选择性等离子体蚀刻氧化硅膜的方法。
具体实施方式
14.描述了一种相对于氮化硅选择性等离子体蚀刻氧化硅的方法。该方法利用蚀刻和钝化气体组分的独立控制进行高度选择性氧化硅/氮化硅蚀刻。
15.本发明的实施例中描述的本发明的相对于氮化硅选择性等离子体蚀刻氧化硅与常规氧化硅或氮化硅蚀刻方法在根本上的不同之处在于含有氟碳(fc)气体或氢氟碳(hfc)气体的等离子体。在本发明的方法中，钝化气体不含有助于蚀刻的氟或氢物质，但是钝化气体包含钝化组分(碳、硫或碳和硫两者)，该钝化组分在氧化硅上相对于在氮化硅上显示出足够的挥发性差异。认为钝化组分在氧化硅表面上的更高挥发性是由于与氮化硅表面上碳副产物的“开放壳”性质(非成对电子)相比，氧化硅表面上碳副产物的“闭合壳”性质(没有非成对电子)。此外，认为含硫蚀刻副产物在氧化硅表面上是挥发性的，但是在氮化硅表面上作为聚合物是非挥发性的。
16.使用含氟气体提供蚀刻组分。根据一个实施例，含氟气体不含氟碳气体或氢氟碳气体。钝化组分和蚀刻组分的这种完全分离极大地增强处理窗口和氧化硅与氮化硅之间的蚀刻选择性。
17.图1是根据本发明的一个实施例的用于相对于氮化硅膜选择性等离子体蚀刻氧化硅膜的工艺流程图，并且图2a至图2f通过截面图示意性地示出了根据本发明的一个实施例的用于相对于氮化硅膜选择性等离子体蚀刻氧化硅膜的方法。
18.现在参考图1和图2a，等离子体处理方法10包括在12中提供含有氧化硅膜200(例如，sio2)和氮化硅膜220(例如，si3n4)的衬底1。在图2a中所示的实例中，氧化硅膜200和氮化硅膜220在同一水平面中，但是本发明的实施例还可以应用于不在同一水平面中而是垂直偏移的膜。si3n4是氮化硅中热力学最稳定的并且因此是氮化硅中商业上最重要的。然而，本发明的实施例可以应用于含有si和n作为主要成分的其他氮化硅，其中氮化硅可以具有广泛范围的si和n组成。类似地，sio2是氧化硅中热力学最稳定的并且因此是氧化硅中商业上最重要的。然而，本发明的实施例可以应用于含有si和o作为主要成分的其他氧化硅，其
中氧化硅可以具有广泛范围的si和o组成。
19.该方法进一步包括在14中将衬底1暴露于含有碳、硫或碳和硫两者的等离子体激发的钝化气体201，其中等离子体激发的钝化气体201不含氟或氢。这在图2b中示意性地示出。在一个实例中，等离子体激发的钝化气体201气体可以包含co、cos、cs2、ccl4、c2cl4、ccl2br2、scl2或s2cl2或其组合。暴露于等离子体激发的钝化气体201在衬底2上形成钝化层222，如图2c所示。钝化层222在氮化硅膜220上比在氧化硅膜200上更厚，这是由于等离子体激发的钝化气体201在氧化硅膜200上的副产物的挥发性比在氮化硅膜220上的副产物的挥发性更高。
20.该方法进一步包括在16中将该衬底暴露于含有含氟气体的等离子体激发的蚀刻气体203。这在图2d中示意性地示出。在一个实例中，等离子体激发的蚀刻气体203包含f2、xef2、clf3、hf、nf3或其组合。等离子体激发的蚀刻气体可以任选地进一步包含ar、he或其组合。根据一个实施例，含氟气体不含氟碳气体或氢氟碳气体。暴露于等离子体激发的蚀刻气体203相对于氮化硅膜220选择性蚀刻氧化硅膜200，这是由于氮化硅膜220上的钝化层222比氧化硅膜200上的更厚。选择性蚀刻在图2e中示意性地示出，其中从氧化硅膜200去除钝化层222，并且蚀刻氧化硅膜200，而氮化硅膜220上的钝化层222变薄，但是保护氮化硅膜220免受蚀刻。
21.根据一个实施例，可以交替且顺序地进行暴露步骤14和16。此外，如工艺箭头18所示，暴露步骤14和16可以至少重复一次以进一步选择性蚀刻氧化硅膜100。根据一个实施例，暴露步骤14和16可以至少部分地在时间上重叠。
22.该方法可以进一步包括在蚀刻工艺之后使用灰化工艺从衬底2去除钝化层222。这在图2f中示意性地示出。
23.图3是根据本发明的一个实施例的用于相对于氮化硅膜选择性等离子体蚀刻氧化硅膜的工艺流程图，并且图4a至图4h通过截面图示意性地示出了根据本发明的另一个实施例的用于相对于氮化硅膜选择性等离子体蚀刻氧化硅膜的方法。
24.现在参考图3和图4a，等离子体处理方法30包括在32中提供含有氧化硅膜400和氮化硅膜420的衬底4。在图4a中所示的实例中，氧化硅膜400和si3n4膜420在同一水平面中，但是本发明的实施例还可以应用于不在同一水平面中而是垂直偏移的膜。
25.该方法进一步包括在34中将衬底4暴露于含有碳、硫或碳和硫两者的等离子体激发的钝化气体401，其中钝化气体不含氟或氢。这在图4b中示意性地示出。在一个实例中，等离子体激发的钝化气体401可以包含co、cos、cs2、ccl4、c2cl4、ccl2br2、scl2、s2cl2或其组合。暴露于等离子体激发的钝化气体401在衬底4上形成钝化层422，如图4c所示。钝化层422在氮化硅膜420上比在氧化硅膜400上更厚，这是由于等离子体激发的钝化气体401在氧化硅膜400上的副产物的挥发性比在氮化硅膜420上的副产物的挥发性更高。
26.该方法进一步包括在36中将衬底4暴露于含有氟碳气体、氢氟碳气体、氢氯碳气体、氢氯氟碳气体、烃气体或其组合的等离子体激发的额外钝化气体423。在一个实例中，该等离子体激发的额外钝化气体可以含有cf2cl2、ch2f2、ch4、ch3f、chf3、c4h6、c2h4、c3h6、ch2cl2、ch3cl、ch3cl、ch2clf、chcl2f或其组合。暴露于等离子体激发的额外钝化气体423在衬底4上形成增强钝化层424，如图4e所示。暴露于等离子体激发的额外钝化气体423用于修改并且强化钝化层422而不损坏下面的氮化硅膜420，因为钝化层422在等离子体暴露期间
保护下面的氮化硅膜420。在一个实例中，暴露于等离子体激发的额外钝化气体423可以使用低或零衬底偏置进行，以避免氮化硅膜420被等离子体中的氟或氢离子和/或自由基损坏。
27.该方法进一步包括在38中将衬底4暴露于含有含氟气体的等离子体激发的蚀刻气体403。这在图4f中示意性地示出。在一个实例中，等离子体激发的蚀刻气体403包含f2、xef2、clf3、hf、nf3或其组合。等离子体激发的蚀刻气体可以任选地进一步包含ar、he或其组合。根据一个实施例，含氟气体不含氟碳气体或氢氟碳气体。暴露于等离子体激发的蚀刻气体402相对于氮化硅膜420选择性蚀刻氧化硅膜400，如图4g所示。
28.暴露于等离子体激发的蚀刻气体403相对于氮化硅膜420选择性蚀刻氧化硅膜400，这是由于氮化硅膜420上的增强钝化层424比氧化硅膜400上的更厚。选择性蚀刻在图4g中示意性地示出，其中从氧化硅膜400去除增强钝化层424，并且蚀刻氧化硅膜400，而氮化硅膜420上的钝化层424变薄，但是保护氮化硅膜420免受蚀刻。
29.根据一个实施例，可以交替且顺序地进行暴露步骤34
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38。在一个实例中，可以交替且顺序地按以下顺序进行暴露步骤34
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38：34，接着是36，并且接着是38。此外，如工艺箭头40所示，暴露步骤34
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38可以至少重复一次以进一步选择性蚀刻氧化硅膜400。根据一个实施例，暴露步骤34
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38中的一个或多个可以至少部分地在时间上重叠。
30.该方法可以进一步包括在蚀刻工艺之后使用灰化工艺从衬底4去除增强钝化层424。这在图4h中示意性地示出。
31.相对于氮化硅膜选择性等离子体蚀刻氧化硅膜的方法可以在常规商业等离子体处理系统中进行，这些系统包括感应耦合等离子体(icp)系统、电容耦合等离子体(ccp)系统、微波等离子体系统、从衬底上游生成等离子体激发物质的远程等离子体系统、电子回旋共振(ecr)系统和其他系统。
32.选择性氧化硅/氮化硅蚀刻方法可以在优化氧化硅与氮化硅之间的蚀刻选择性的衬底温度、气体流量、气体流量比和气压下进行。实例包括在约
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200℃与约200℃之间、在约
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100℃与约25℃之间、在约0℃与约100℃之间、在约0℃与约200℃之间、在约
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30℃与约25℃之间、或在约0℃与约25℃之间的衬底温度。等离子体蚀刻室中的气压可以在约5毫托与约1000毫托之间、在约10毫托与约500毫托之间、或在约20毫托与约100毫托之间。气体流量的实例是从0.1sccm至500sccm，任何气体的流量比是从0％至100％。
33.已经描述了在半导体制造中相对于氮化硅选择性等离子体蚀刻氧化硅的方法的多个实施例。为了说明和描述的目的，已经呈现了对本发明的实施例的前述描述。并不旨在穷举或将本发明限制于所披露的确切形式。本说明书和所附权利要求包括仅用于描述目的并且不应解释为进行限制的术语。相关领域的技术人员可以理解，根据以上教导，许多修改和变化是可能的。本领域技术人员将认识附图中示出的各种部件的各种等效组合和替代。因此，意图是本发明的范围不受该具体实施方式限制，而是由与其所附的权利要求限制。