原子层刻蚀方法及装置与流程

1.本发明涉及半导体制造方法，更详细地说，涉及原子层刻蚀方法及装置。


背景技术：

2.在半导体装置制造工艺中，蚀刻工艺是为了形成所需结构而选择性去除目标材料的工艺。
3.原子层蚀刻(atomic layer etching；ale)是为了以目标量(厚度)去除目标材料而研究的。
4.ale工艺可称为以已设定的循环周期反复执行改性目标材料的表面的步骤及去除改性的表面的步骤的蚀刻工艺。
5.ale工艺对于去除目标材料可实现原子级控制，因此正在活跃地应用于逐渐更加微小化的半导体装置的制造工艺中。
6.目前的ale工艺为在保持高温加热基板的状态的同时执行改性步骤及去除步骤。
7.据此，对目标材料施加热冲击来改变结晶结构并且可改变电特性。


技术实现要素：

8.解决问题的手段
9.本发明的一实施例的原子层刻蚀方法可包括：提供形成有蚀刻对象材料的基板的步骤；改性步骤，将所述基板控制在第一温度，并且供应改性气体来改性所述去除对象材料的表面层；及蚀刻步骤，将所述基板控制在与所述第一温度不同的第二温度，并且供应蚀刻气体以去除所述改性的表面层。
10.本发明的一实施例的原子层蚀刻装置包括：腔室，形成有第一处理空间及第二处理空间；供气装置，用于向所述腔室内部喷射工艺气体；等离子体发生部，在等离子体环境下激活，将从所述供气部供应的工艺气体自由基化来供应到所述腔室内部；基座，与所述供气装置相互面对地设置，并且在上部放置至少一个基板；第一温度控制工具，构成为包围所述腔室内壁的上端部，以形成所述第一处理空间；第二温度控制工具，构成为包围所述腔室内壁的下端部，以形成所述第二处理空间；及控制器，控制所述第一温度控制工具，将装载于所述第一处理空间内的基板控制在所述第一温度，并且控制所述第二温度控制工具，将装载于所述第二处理空间内的基板控制在所述第二温度；其中，在所述第一处理空间及所述第二处理空间中的任意一个空间改性蚀刻对象材料表面层，在另一个空间中蚀刻改性的所述表面层。
附图说明
11.图1用于说明一实施例的原子层刻蚀方法的概念图。
12.图2是用于说明一实施例的原子层刻蚀方法的流程图。
13.图3是用于说明一实施例的ale工艺的1-循环周期的曲线图。
14.图4是一实施例的原子层蚀刻装置的结构图。
15.图5是一实施例的原子层蚀刻装置的结构图。
具体实施方式
16.以下，参照附图更加详细说明本发明的实施例。
17.图1用于说明一实施例的原子层刻蚀方法的概念图。
18.参照图1，形成有执行ale工艺的目标材料1000的基板可提供于原子层蚀刻装置。
19.然后，向原子层蚀刻装置内供应改性气体，可改性目标材料1000的表面层1100。改性气体根据目标材料1000的种类而定。
20.在改性表面层1100之后可供应蚀刻气体。据此，可去除目标材料1000的改性的表面层1100。
21.图2是用于说明一实施例的原子层刻蚀方法的流程图；图3是用于说明一实施例的ale工艺的1-循环周期的曲线图。
22.参照图2，将形成有目标材料的被处理基板装载于腔室内之后可执行预处理工艺(s101)。预处理工艺可以是将在氢或者惰性气体中选择的气体自由基化来注入于腔室内的工艺。在一实施例中，目标材料可在包含al2o3、hfo2、zro2的金属氧化膜群组中选择，但是不限于此。
23.然后，如图2及图3所示，可将基板的温度控制在第一温度(s103)。第一温度可设定为可提供能够改性目标材料的表面层的最小能量的温度。
24.若基板被控制在第一温度，则供应改性气体来改性表面层(s105)。改性气体被等离子体发生装置自由基化后供应。等离子体发生装置可在直接等离子体发生装置、远程等离子体发生装置或者微波等离子体发生装置中选择。同时，远程等离子体发生装置可使用ccp(capacitor coupled plasma，电容耦合等离子体)方式、icp(inductively coupled plasma，电感耦合等离子体)方式等。
25.在一实施例中，改性气体可在包括nf3、f2、chf3、of2等的群组中选择。
26.随着供应改性气体的，目标材料的表面层的物理性质变为在后续的去除步骤中可被去除的物理性质。
27.在一实施例中，在目标材料为al2o3，改性气体使用nf3、f2、chf3、of2中的一种的情况下，在改性之后al2o3表面层物理性质从al2o3变为alf。
28.表面层改性之后利用氩气(ar)等的惰性气体可执行首次吹扫(s107)。通过首次吹扫去除残留于基板表面的改性气体。在一实施例中，吹扫气体可从改性气体供应步骤s105持续供应，但是不限于此。
29.接着，可将基板的温度控制在第二温度(s109)。第二温度可设定为可引起后续供应的蚀刻气体和改性的表面层的配体交换反应的温度。
30.在一实施例中，第二温度可以是比第一温度高50～100℃的温度。
31.若基板的温度上升至第二温度，则供应蚀刻气体(s111)。蚀刻气体可以是将含金属的前体汽化来供应，并且根据目标材料的种类而定。
32.在一实施例中，在目标材料为al2o3、hfo2、zro2的情况下，含金属的前体可在tma(trimethyl aluminum，三甲基铝)、dma(dimethyl aluminum chloride，二甲基氯化铝)或
者acac(acetylacetonate，乙酰丙酮)等金属有机前体中选择。
33.然后，通过利用氩气(ar)等的惰性气体的二次吹扫步骤s113可去除反应副产物及残留气体。在一实施例中，吹扫气体在供应蚀刻气体时也可持续供应。
34.从控制在第一温度的温度控制步骤s103至二次吹扫步骤s113为本发明的ale工艺的1-循环周期，根据目标材料的去除对象厚度l及通过1-循环周期去除的厚度m可决定总循环数(n＝l/m)。
35.在去除表面层之后通过后处理工艺可去除残留于基板表面的改性材料(s115)。在一实施例中，后处理工艺可以是将在氢或者惰性气体中选择的气体自由基化来注入于腔室内的工艺。
36.具有高介电率的zro2膜用作半导体装置的介电膜，具有对温度敏感的特性。
37.以往的ale工艺为改性及去除工艺在同一高温下执行。
38.从而，若在200℃以上的温度下将自由基化的改性气体注入于zro2膜，则因为由表面反应引起的热应力使晶体结构发生变化，在薄膜表面出现诸如小丘(hillock)等的隆起现象，并且电特性发生变化。
39.为了防止该现象，若在100℃左右的低温下进行ale工艺，则不会通过蚀刻气体的化学反应产生配体交换反应，因此不可能蚀刻。
40.根据本发明，为了供应能够改性膜表面的最小能量，在低温下执行改性，在注入蚀刻气体之前提高温度引起配体交换反应，进而能够以目标厚度去除对象膜。
41.在本发明的另一实施例中，目标材料可在包含tin、ta的金属膜的群组中选择。
42.如图2及图3所示，为了通过原子层刻蚀方法去除这种金属膜，可将基板的温度控制在第一温度(s103)。第一温度可设定为可提供能够改性目标材料的表面层的最小能量的温度。
43.若基板被控制在第一温度，则供应改性气体来改性表面层(s105)。改性气体为，通过电晕放电将含氧的气体，例如o3或者h2o作为载气来汽化过氧化氢来供应。
44.随着供应改性气体，目标材料的表面层的物理性质发生变化，变为可在后续的去除步骤被去除的物理性质。
45.在表面材料为tin，改性气体使用o3或者h2o2中的一种的情况下，改性之后tin的表面层通过以下的化学式变为tio2：
46.tin(s) 3/2o2(g)
→
tio2(s) no(g)；
47.tin(s) 3h2o2(g)
→
tio2(s) no(g) 3h2o(g)。
48.在改性表面层之后利用氩气(ar)等的惰性气体可执行首次吹扫(s107)。通过首次吹扫去除残留于基板表面的改性气体。在一实施例中，吹扫气体可从改性气体供应步骤s105开始持续供应，但是不限于此。
49.接着，可将基板的温度控制在第二温度(s109)。第二温度可设定为后续供应的蚀刻气体和改性的表面层可产生反应的温度。
50.在一实施例中，第二温度可以是比第一温度低50～100℃的温度。
51.若基板的温度下降到第二温度，则供应蚀刻气体(s111)。蚀刻气体可被等离子体发生装置自由基化后供应。等离子体发生装置可在直接等离子体发生装置、远程等离子体发生装置或者微波等离子体发生装置中选择。同时，远程等离子体发生装置可使用ccp
(capacitor coupled plasma，电容耦合等离子体)方式、icp(inductively coupled plasma，电感耦合等离子体)方式等。
52.在一实施例中，作为目标材料层的tin膜的变形的表面层tio2可将nf3、f2、chf3、of2、cf4中的一种用作蚀刻气体来去除。
53.tin膜和tio2膜与含氟的气体反应的特性如下：
54.tin(s) 3hf(g)
→
tif3(s) nh3(g)；
55.tio2(s) 4hf(g)
→
tif4(g) 2h2o(g)。
56.tin膜氟化而生成的tif3为固体，因为非挥发性特性而残留于表面未被去除。相反地，通过tio2膜的氟化结果生成的tif4为气体，因此具有挥发性，可实现ale反应。
57.从而，为了提供能够改性目标材料的膜表面的最小能量，在第一温度下执行改性，在注入蚀刻气体之前将温度变为第二温度，以引起配体交换反应，进而能够以目标厚度去除对象膜。
58.接着，通过利用氩气(ar)等的惰性气体的二次吹扫步骤s113可去除反应副产物及残留气体。在一实施例中，吹扫气体在供应蚀刻气体时也可持续供应。
59.在去除表面层之后通过后处理工艺可去除残留于基板表面的改性材料(s115)。在一实施例中，后处理工艺可以是将在氢或者惰性气体中选择的气体自由基化后注入于腔室内的工艺。
60.如上所述，tin膜的ale工艺反复执行将含氧气体(o3或者h2o2)用作改性气体来氧化表面变换为tio2之后注入自由基化的蚀刻气体。此时，为了氧化tin膜表面，需要200℃以上的温度，相反地自由基化的蚀刻气体的情况下，则要求150℃以下的温度，以选择性去除tio2膜。
61.据此，控制改性步骤和去除步骤的温度来保持去除对象膜的特性的同时可执行原子层蚀刻工艺以达到期望的厚度。
62.图4是一实施例的原子层蚀刻装置的结构图。
63.参照图4，原子层蚀刻装置10可包括：腔室100、供气部200、等离子体发生部300及控制器400。
64.腔室100可包括：上部开放的主体110；及设置在主体110上端外周的顶盖120。顶盖120的内部空间可被喷头121封闭。在喷头121和顶盖120之间设置绝缘环r，可电绝缘腔室100和喷头121。
65.腔室100内部空间101、103可以是对基板w进行处理，诸如沉积工艺等的空间。在主体110侧面的指定位置配置有进出基板w的门g。放置基板w的基座130的支撑轴140贯通主体110底面可插入到腔室100内。
66.基座130整体具有平板形状，以在上面放置至少一个基板w，并且与供气装置120相互面对，能够以水平方向设置。支撑轴140可构成为垂直结合于基座130后面，并且与腔室100外部的驱动部(未示出)连接，以升降及/或者旋转基座130。
67.在基座130内部配置有加热器132，可调节放置在上部的基板w的温度。
68.腔室100内部通常应该形成真空环境，因此在主体110的指定位置，例如下部一侧面可形成有与泵160连接的排气口。
69.供气装置120可与基座130相互面对地设置在主体110上部。供气装置120可向腔室
100内部喷射从供气部200供应的各种工艺气体。供气装置120可在花洒式、喷射式、喷嘴式等各种方式的供气装置中选择。
70.供气部200可构成为将改性气体、蚀刻气体、吹扫气体等通过等离子体发生部300供应至供气装置120。
71.对于等离子体发生部300，若施加等离子体电力，则在等离子体环境下激活，可将从供气部200供应的工艺气体自由基化。
72.等离子体发生部300可在直接等离子体发生装置、远程等离子体发生装置或者微波等离子体发生装置中选择。同时，远程等离子体发生装置可使用ccp(capacitor coupled plasma，电容耦合等离子体)方式、icp(inductively coupled plasma，电感耦合等离子体)方式等。
73.控制器400构成为控制原子层蚀刻装置10的整体动作。在一实施例中，控制器400控制腔室100、供气部200、等离子体发生部300的动作，并且通过操作人员的界面可设定用于沉积薄膜的控制参数等。虽未示出，但是控制器400可包括中央处理装置、存储器、输入/输出接口等。
74.本发明的一实施例的原子层蚀刻装置10还可包括：第一温度控制工具153，用于将第一处理空间101控制在第一温度；及第二温度控制工具155，用于将第二处理空间103控制在第二温度。
75.第一温度控制工具153构成为包围腔室100内壁的上端部可形成第一处理空间101。第二温度控制工具155构成为包围腔室100内壁的下端部可形成第二处理空间103。
76.第一温度控制工具153和第二温度控制工具155可通过绝缘部件151相互隔绝。
77.在一实施例中，在改性工艺时，通过支撑轴140将基座130上升到第一处理空间101，通过控制器400控制第一温度控制工具153可将基板w的温度控制在第一温度。在去除工艺时，通过支撑轴140将基座130下降到第二处理空间103，通过控制器400控制第二温度控制工具155将基板w的温度控制在第二温度。
78.然而，本发明不限于此，而是当然也可在第一处理空间101将基板w控制在第二温度，在第二处理空间103将基板w控制在第一温度。
79.在ale工艺反复n-循环周期的期间上升及下降基板w的同时通过第一及第二温度控制工具153、155可改变基板w的温度，以用于改性步骤和去除步骤。
80.图5是一实施例的原子层蚀刻装置的结构图。
81.参照图5，一实施例的原子层蚀刻装置50可包括第一处理装置510及第二处理装置520。
82.第一处理装置510和第二处理装置520实际上具有相同的结构，因此在图5只详细示出了第一处理装置510。
83.第一及第二处理装置510、520可分别包括：腔室100-1、供气部200、等离子体发生部300及控制器400。
84.腔室100-1可以是在图4示出的腔室100中省略第一温度控制工具153、第二温度控制工具155及绝缘部件151的结构。
85.在一实施例中，在第一处理装置510装载的基板w通过加热器132可被控制在第一温度或者第二温度，装载于第二处理装置520的基板w通过加热器132被控制在第二温度或
者第一温度。
86.在ale工艺的改性步骤中，例如，基板w装载于第一处理装置510及第二处理装置520中的任意一个装置，并且可被控制在第一温度。在之后的去除步骤中，基板w装载于与改性步骤不同的装置，并且可被控制在第二温度。
87.本发明的一实施例的原子层蚀刻装置可利用具有配置有多个(例如，4个以上)基板支撑部的基板支撑部放置槽的基座。
88.多个基板支撑部可以是用于吸附固定被支撑的基板的真空吸盘或者静电吸盘，可包括多个升降销，所述多个升降销在运送基板时可在基板支撑面向上侧抬起并间隔被基板支撑面支撑的基板。
89.基板运送部作为从多个基板支撑部中的一个基板支撑部向另一个基板支撑部旋转运送基板的结构，可具有各种结构。
90.基板运送部可包括：多个基板放置叶片，形成有与多个基板支撑部相对应的个数，并且在上面形成有放置基板的放置区域；叶片结合主体部，呈放射状结合多个基板放置叶片；旋转支撑轴，结合于叶片结合主体部来支撑叶片结合主体部，并且能够以垂直于地面的旋转轴为中心进行旋转。
91.多个基板支撑部以基板运送部的叶片结合主体部为中心沿着叶片结合主体部的周围等间距排列。
92.多个基板放置叶片可包括放置区域，所述放置区域为进入到通过基板支撑部的升降销向上侧抬起的基板和基板支撑部之间用于支撑该基板。
93.此时，多个基板放置叶片可形成为进入被升降销支撑的基板和基板支撑部之间的空间时避免与多个升降销发生干涉的形状。
94.叶片结合主体部通过旋转支撑轴以垂直于地面的旋转轴为中心进行旋转，可将多个基板放置叶片从一个基板支撑部旋转移动至另一个基板支撑部。
95.多个基板支撑部分别在内部可配置有加热器。
96.在ale工艺时，在各个基板支撑部放置基板的同时可进行ale工艺。尤其是，改性工艺和去除工艺可在分别不同的基板支撑部中执行。执行改性工艺的基板支撑部通过加热器被控制在第一温度，执行去除工艺的基板支撑部通过加热器可被控制在第二温度。
97.在某一基板支撑部中完成改性工艺的基板通过基板运送部移动至另一基板支撑部可执行去除工艺。
98.利用在图4或者图5示出的原子层蚀刻装置或者上述的基座改变改性步骤和去除步骤中的基板温度可进行ale工艺。据此，在不改变目标材料的结晶结构或者电特性的同时可改性表面层，并且引起改性的表面层和蚀刻气体的配体交换反应可进行去除。
99.如上所述，本发明所属技术领域的技术人员可理解为在不改变技术思想或者必要特征的情况下本发明能够以其他具体形式来实施。因此，应该理解为上述的实施例在所有方面都是示例性的，而非限制性的。本发明的范围应该解释为由权利要求书的范围表示而非上述的详细说明，从权利要求书的含义、范围及其等同概念导出的所有改变或者变相的形态都包括在本发明的范围内。