專利名稱：等離子腐蝕設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造半導(dǎo)體器件的等離子腐蝕設(shè)備和方法，特別涉及能滿足諸如低損傷，高選擇性和高腐蝕速率要求的腐蝕設(shè)備和方法。
由于趨向于制造薄柵氧化層，保證加工柵電極中對底層?xùn)叛趸瘜拥母哌x擇腐蝕速率變得非常重要。
通常，根據(jù)所選等離子腐蝕的種類來確定氣體組成和化學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)加工柵電極時(shí)對底層?xùn)叛趸瘜拥母哌x擇性。例如，在由多晶硅和高熔點(diǎn)多晶硅化物構(gòu)成的柵電極材料層構(gòu)圖的時(shí)候，通過利用HBr作腐蝕氣體和利用諸如SiO2的無機(jī)材料作為腐蝕掩模，它能把碳組分最大限度的排出腐蝕反應(yīng)設(shè)備，則可能獲得高選擇性。例如，該技術(shù)在2nd.Microprocess Conference，1989，p，190，B-9-2的論文摘要和日本專利公開，No.平2-224241中公開了。
換句話說，利用現(xiàn)有的等離子腐蝕工藝，能完全實(shí)現(xiàn)唯一數(shù)值的腐蝕選擇比。但是，對于利用鹵基化合物而不是利用氟基化合物的單一氣體組成和性質(zhì)制造柵電極時(shí)，由于腐蝕產(chǎn)生的反應(yīng)物，例如，SiBrx和SiClx，通常以淀積的形式殘留在圖形的側(cè)壁上，因而主要進(jìn)行濕腐蝕以除掉上述的殘留物。進(jìn)行濕腐蝕用的時(shí)間短，利用以稀釋過的氫氟酸為基的處理溶液，因此，它必然腐蝕底層的柵氧化膜，因此，要減薄殘留柵氧化層的實(shí)際厚度。
在實(shí)用的器件結(jié)構(gòu)中，常常對有高臺階的底材料層上的材料進(jìn)行等離子腐蝕，在某些情況，大約100％的過腐蝕以露出柵氧化層。利用稀釋的氫氟酸，以不正常的高腐蝕率腐蝕上述柵氧化層的表面，則保留的柵氧化層的厚度被進(jìn)一步減薄。例如，這由Proceedings ofSymposium on Dryprocess1993，p，137報(bào)道。這種現(xiàn)象是由于在過腐蝕時(shí)利用離子轟擊很少腐蝕柵氧化層，但是由于入射加速離子可能造成柵氧化膜的損傷。由于進(jìn)一步趨向精細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)則，柵氧化層的厚度也要趨向減薄，例如，對于按0.25μm設(shè)計(jì)規(guī)則，估算半導(dǎo)體器件為6nm，對于按0.18μm設(shè)計(jì)規(guī)則，估算半導(dǎo)體器件為4nm。換句話說，即使通過選擇腐蝕氣體，實(shí)現(xiàn)高選擇比率，預(yù)計(jì)，由于接著進(jìn)行濕腐蝕工藝，基本上不能控制由柵電極露出的殘留柵氧化層的厚度。
本發(fā)明的目的是提供等離子腐蝕設(shè)備，能夠減少將要腐蝕襯底的離子入射損傷，并且保證腐蝕的選擇比例，達(dá)到實(shí)用腐蝕速率，具有高的各向異性腐蝕率，并與等離子腐蝕中唯一的氣體的組成和性質(zhì)無關(guān)；還提供該設(shè)備的使用方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明第一方案，提供一等離子腐蝕設(shè)備，包括一個(gè)利用至少一種磁場的等離子產(chǎn)生源；一個(gè)等離子處理室，它與等離子產(chǎn)生源相連，并包含一個(gè)與等離子產(chǎn)生源相對放置、安放襯底以便腐蝕的工作臺；其中設(shè)置工作臺具有地電位；該工作臺包含一處于工作臺幾乎整個(gè)表面上的高導(dǎo)磁率材料層。
在這種結(jié)構(gòu)中，最好利用高導(dǎo)磁率材料層的作用，使從等離子產(chǎn)生源發(fā)散的磁場的磁力線，基本垂直入射在工作臺上。
例如，用于這種等離子腐蝕設(shè)備的高導(dǎo)磁率材料可以包括鐵磁合金，但不限于鐵磁合金，例如，可以包括各種軟磁合金例如坡莫合金，鋁硅鐵合金，硅鋼合金；鐵磁混合物，例如，它可以包括諸如MnZn鐵氧體之類的各種軟磁混合物。上述的高導(dǎo)磁率材料形成一薄板并被放置在裝放要被腐蝕的襯底的工作臺中，以使基本上延伸超過工作臺的整個(gè)表面，最好，放置在包含整個(gè)襯底平面面積的區(qū)域中。在采用高導(dǎo)磁率合金的情況中，利用它形成對地電位的電位降。在利用高導(dǎo)磁率絕緣體的情況，要求分離地設(shè)置地電極。在每種情況，最好使工作臺的上部由諸如氧化鋁之類的陶瓷材料形成，以免被污染。
按照本發(fā)明的第2方案，提供利用具有上述結(jié)構(gòu)的等離子腐蝕設(shè)備的腐蝕方法，其中，至少把負(fù)離子入射在要被腐蝕的襯底上進(jìn)行腐蝕。


圖1是用于本發(fā)明第1實(shí)施例的等離子腐蝕設(shè)備的剖視示意圖。
圖2是用于本發(fā)明第3實(shí)施例的等離子腐蝕設(shè)備的剖視示意圖。
圖3A到圖3C是表示本發(fā)明第2到第4實(shí)施例等離子腐蝕步驟的剖視圖。圖3A表示在柵氧化層上形成高熔點(diǎn)金屬多晶硅化物層和光致抗蝕劑層圖形的狀況；圖3B表示完成對高熔點(diǎn)金屬硅化物層等離子腐蝕的狀況；圖3C表示除掉光致抗蝕劑圖形層的狀況，接著進(jìn)行濕腐蝕工藝，獲得由高熔點(diǎn)金屬多晶硅化物組成的柵電極。
本發(fā)明的特征是利用負(fù)離子作為等離子腐蝕的腐蝕離子。和現(xiàn)有技術(shù)中的等離子腐蝕不同。
預(yù)計(jì)在柵氧化層上形成柵電極圖形時(shí)會(huì)進(jìn)一步使柵氧化膜變成非常薄這就需要保證從柵電極露出的殘留柵氧化層的厚度。為滿足上述要求，主要是在作為除掉殘留物的后續(xù)處理的濕腐蝕工藝中，要抑制加速腐蝕柵電極，即，需要設(shè)定腐蝕條件，以便盡可能地抑制入射離子能量，減少過腐蝕工藝中由于離子轟擊造成的柵氧化層的損傷。在入射加速離子具有方向性的情況，存在缺點(diǎn)，它難于進(jìn)行產(chǎn)生側(cè)腐蝕的各向異性腐蝕工藝，而且難于保證實(shí)用的腐蝕速率。
為了解決上述問題，本發(fā)明除利用一般在各向異性等離子腐蝕中所用的正離子以外，還利用負(fù)離子，來改善明顯的離子密度。
通常，用于等離子腐蝕的鹵基氣體離子包含大量的負(fù)離子，如果有效地利用上述負(fù)離子進(jìn)行腐蝕，則大大地增加入射離子的數(shù)量，因而即使入射離子能量較小，也能防止減少腐蝕速率。但是，對于常規(guī)等離子腐蝕，給安放要被腐蝕襯底的工作臺施加一襯底偏壓或使其具有通過隔直電容器的一浮動(dòng)電位，因此，在工作臺和等離子區(qū)之間形成屏極區(qū)(陰極降壓區(qū))，以產(chǎn)生負(fù)電壓差。結(jié)果，工作臺具有負(fù)電位，因而造成負(fù)離子排斥，使其不能射到襯底上。
按照本發(fā)明的腐蝕設(shè)備，工作臺具有直接降到地電位的電位，它除了接收正離子外還可以接收負(fù)離子。但是，只用具有地電位工作臺的結(jié)構(gòu)，還不能把有方向性的離子入射在工作臺的表面。為解決上述問題，按照本發(fā)明，使磁力線基本垂直地入射在工作臺面上，即，在工作臺表面上形成與其平行的等磁力線場平面。能夠沿這些磁力線方向入射離子。利用分離的磁場產(chǎn)生裝置，可能產(chǎn)生磁力線；但是因?yàn)楸景l(fā)明的等離子腐蝕設(shè)備利用磁場作為等離子產(chǎn)生源，從等離子產(chǎn)生源發(fā)散的磁場的磁力線能終止在位于工作臺中的高導(dǎo)磁材料中。這樣，使磁力線按與工作臺基本垂直的方向入射在工作臺的表面。
用具有上述結(jié)構(gòu)的等離子腐蝕設(shè)備，實(shí)現(xiàn)能增強(qiáng)入射離子密度和滿足高各向異性，高選擇性和低損傷的等離子腐蝕方法。此外，與本發(fā)明結(jié)構(gòu)類似的設(shè)備，例如，在日本特許公開平6-77146公開了，其中磁性線圈位于工作臺下面，使襯底感應(yīng)到磁力線。但是，這種方法，用控制線圈電流和轉(zhuǎn)動(dòng)線圈，實(shí)現(xiàn)均勻的等離子處理，但是沒有公開具有地電位的工作臺的結(jié)構(gòu)和所使用的負(fù)離子。
下面，通過實(shí)施例詳細(xì)地?cái)⑹霰景l(fā)明首先敘述第1實(shí)施例。在該例中，參看如圖1所示的剖視示意圖，敘述利用ECR型等離子產(chǎn)生源的等離子腐蝕設(shè)備。這種等離子腐蝕設(shè)備的等離子產(chǎn)生源通常包括波導(dǎo)管6，它用于傳導(dǎo)磁控管5產(chǎn)生的頻率為2.45GHz的微波；由鋁合金制成的，其內(nèi)表面涂覆氧化鋁膜面對波導(dǎo)管6的開口端設(shè)置的處理室壁8，由石英或氧化鋁制成的設(shè)置在處理室壁8的上部的微波入射窗7；圍繞處理室壁8的圓筒形線圈9。
等離子腐蝕設(shè)備處理室10由面對處理室壁8的開口端并由處理室鐘罩限定的空間構(gòu)成，它包括一個(gè)放置襯底1的工作臺2。工作臺2包含一高導(dǎo)磁率材料層3，材料層3放置在緊靠工作臺2的整個(gè)表面的上方。在該例中，高導(dǎo)磁率材料層3由坡莫合金(Ni-22％Fe)薄板(厚度例如為5mm)構(gòu)成，并被埋入工作臺2中，這樣以便平行延伸超過整個(gè)襯底1的平面面積區(qū)域。高導(dǎo)磁率材料層3由傳導(dǎo)性優(yōu)良的坡莫合金制成，它能把它的電位直接降低到地電位。工作臺2的上表面，用諸如氧化鋁的陶瓷材料涂覆。注意在圖1中省略了，例如，腐蝕氣體入口等的細(xì)節(jié)。
在該等離子腐蝕設(shè)備中，由磁控管5產(chǎn)生的頻率為2.45GHz的微波，通過波導(dǎo)管6進(jìn)入處理室壁8和微波入射窗7，用于在處理室壁8內(nèi)產(chǎn)生，與由圓筒形線線圈9產(chǎn)生的，強(qiáng)度為0.0875T的磁場相互作用的等離子。由圓筒形電磁線圈9產(chǎn)生的磁場，在靠近微波入射窗處的磁場強(qiáng)度大約為0.15T；在處理室壁8中ECR表面的磁場強(qiáng)度為0.0875T，在靠近工作臺處的磁場強(qiáng)度大約為0.01T以上。在常規(guī)ECR等離子腐蝕設(shè)備中，磁力線在工作臺附近發(fā)散，但是，在這種等離子腐蝕設(shè)備中，由于位于工作臺2中的高導(dǎo)磁率的材料層3的作用，使磁力線在基本上垂直于工作臺的方向，從襯底的中心到邊緣均勻地入射在工作2上。
這種等離子腐蝕設(shè)備，如上所述，它使磁力線按基本上與工作臺垂直的方向入射到工作臺2的表面上，甚至能利用沿磁力線方向垂直入射的負(fù)離子進(jìn)行等離子腐蝕。
下面敘述第2實(shí)施例。在該實(shí)施例中，參考附圖3A到圖3C，敘述利用第1實(shí)施例所敘述的等離子設(shè)備進(jìn)行等離子腐蝕的方法，把位于很薄的柵氧化層上面的高熔點(diǎn)金屬多晶硅化物刻成圖形以便形成柵電極。
如圖3A所示，在該實(shí)施例中，要被腐蝕的襯底1具有由硅之類的材料制成的半導(dǎo)體襯底21，在半導(dǎo)體襯底21上形成，例如，由4nm厚的熱氧化膜制成的柵氧化膜22；利用低壓CVD形成的含有雜質(zhì)的多晶硅層23；利用低壓CVD形成的由WSix制成的高熔點(diǎn)金屬硅化物層24；寬度為0.20μm的光致抗蝕劑圖形25。如圖1所示，把襯底1放置在等離子腐蝕設(shè)備工作臺2上，例如，按照下列條件，連續(xù)地用高熔點(diǎn)金屬硅化物層24和多晶硅層23形成圖形Cl2流速 100 sccm氣壓 0.13 Pa微波功率 2500 W襯底溫度 常溫因?yàn)橛糜谶@種等離子腐蝕設(shè)備的Cl2有大的負(fù)電性，在等離子中除正離子外存在大量的負(fù)離子，在常規(guī)的等離子腐蝕設(shè)備中，因?yàn)橐r底偏壓施加到工作臺上，在工作臺和等離子區(qū)之間形成屏極區(qū)，所以工作臺產(chǎn)生負(fù)偏壓，結(jié)果只加速正離子，并且把它入射到襯底上。
但是，這種等離子設(shè)備，由于工作臺具有地電位，在與工作臺表面垂直方向產(chǎn)生磁力線，所以使負(fù)離子及正離子沿磁力線方向入射到襯底的表面，因此，以實(shí)用的腐蝕速率實(shí)現(xiàn)低損傷各向異性的處理。圖3B表示過腐蝕后的襯底。
因此，在從襯底除去光致抗蝕劑并利用稀釋的氫氟酸進(jìn)行后續(xù)處理后，接著進(jìn)行等離子腐蝕，可能形成如圖3C所示的具有較好形狀的高熔點(diǎn)金屬多晶硅化物柵電極。而沒有因加速腐蝕減少極薄柵氧化層22的厚度。
這種等離子腐蝕方法，采用利用均勻入射的負(fù)離子的ECR等離子腐蝕設(shè)備，可能以低損傷、高選擇比率，實(shí)用的腐蝕速形成柵電極。
接著敘述第3實(shí)施例。在該例中，參考如圖2所示的剖視示意圖敘述利用螺旋極化波等離子產(chǎn)生源的等離子腐蝕設(shè)備。這種等離子腐蝕設(shè)備的等離子產(chǎn)生源4具有普通結(jié)構(gòu)，即，通過螺旋極化波功率源13產(chǎn)生頻率為13.56MHz的RF功率，把RF功率通過匹配箱14a施加到位于諸如氧化鋁之類的介電材料制成的鐘罩16周圍的，螺旋波天線15產(chǎn)生螺旋極化波(嘯聲波)，通過磁場傳播這些產(chǎn)生的螺旋波，磁場是由位于螺旋極化波天線15周圍的圓筒形磁性線圈產(chǎn)生的。
這種等離子腐蝕設(shè)備的等離子處理室10由Al合金制成的發(fā)散室18限定的空間構(gòu)成，發(fā)散室18內(nèi)壁用氧化鋁9涂覆，并面對鐘罩16的開口端，發(fā)散室18側(cè)壁的外表面由多極磁鐵19圍繞。發(fā)散室18包含安置待腐蝕襯底1的工作臺2。工作臺2包含位于緊靠工作臺2整個(gè)表面的上部的一高導(dǎo)磁率材料層3，在該例中，高導(dǎo)磁率材料層3是由鐵鋁硅合金制成的薄板(厚度為例如大約5mm)形成，使材料層3平行地延伸超過襯底1的平面面積區(qū)域。由導(dǎo)電率優(yōu)良的鐵鋁硅合金制成的高導(dǎo)磁率的材料層3能把它的電位直接降到地電位。工作臺2具有由諸如氧化鋁涂覆的上表面，用于防止高導(dǎo)磁率材料層直接暴露在外。但要注意，例如，腐蝕氣體入口及諸如此類部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)在圖2中被省略了。
在這種等離子腐蝕設(shè)備中，由螺旋極化波天線15產(chǎn)生的螺旋波等離子體由圓筒形磁性線圈17產(chǎn)生的磁場傳播，并載送到發(fā)散室18。由圓筒形磁性線圈17產(chǎn)生的磁場，在靠近微波入射窗7附近的強(qiáng)度為大約0.05T，在發(fā)射室18工作臺附近的磁強(qiáng)度大約為0.01T。在常規(guī)螺旋極化波等離子腐蝕設(shè)備中磁力線在工作臺附近被發(fā)散；但是在這種等離子腐蝕設(shè)備中，由于位于工作臺2上高導(dǎo)磁率材料層的作用磁力線按與其基本垂直的方向從襯底中心到邊緣均勻地入射在工作臺上。
如上所述，這種等離子設(shè)備使磁力線按基本與其垂直的方向入射在工作臺2的表面上，能夠利用沿磁力線方向均勻垂直入射的負(fù)離子進(jìn)行等離子腐蝕。和第1實(shí)施例所述的ECR等離子腐蝕設(shè)備相比，該實(shí)施例中螺旋極化波等離子腐蝕設(shè)備有可能降低由圓筒形磁性線圈17產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，并獲得比其大1個(gè)數(shù)量級的等離子密度。
接著敘述第4實(shí)施例。在該實(shí)施例中，參考圖3A到圖3C，敘述利用第3實(shí)施例中所述等離子腐蝕設(shè)備進(jìn)行等離子腐蝕的方法，其中，把位于極薄柵氧化層上的高熔點(diǎn)金屬多晶硅化物構(gòu)圖，以便形成柵電極。
該實(shí)施例中如圖3A所示的要被腐蝕的襯底1，具有與第2實(shí)施例所示襯底相同的結(jié)構(gòu)，因此省去重復(fù)說明。如圖2所示，把襯底1放在螺旋極化波等離子腐蝕設(shè)備的工作臺2上，例如，按照下述等離腐蝕條件，連續(xù)地把高熔點(diǎn)金屬硅化物層24和多晶硅層23形成圖形Br2流速 100 sccm氣壓 0.13Pa微波功率 2500W襯底溫度 常溫因?yàn)橛糜谶@種等離子腐蝕的Br2具有大的負(fù)電性，在等離子中除正離子外存在大量的負(fù)離子，在常規(guī)等離子腐蝕設(shè)備中，在工作臺和等離子區(qū)之間形成屏極區(qū)，因?yàn)楣ぷ髋_施加了襯底偏壓，所以工作臺具有負(fù)偏壓，因而只加速正離子并使其入射在襯底上。
但是，在該等離子腐蝕設(shè)備中，由于工作臺具有地電位，并且按與工作臺表面垂直的方向產(chǎn)生磁力線，使負(fù)離子和正離子沿磁力線方向入射在襯底的表面，因此，以實(shí)用腐蝕速率完成各向異性處理。并且，通過磁場作用，只使正離子和負(fù)離子入射，有可能基本上較好地防止由于常規(guī)各向異性腐蝕造成的屏極區(qū)而引起的加速入射離子轟擊，因此，能防止損傷柵氧化層22。過腐蝕后的襯底如圖3B所示。
因此，在從襯底上剝離光散抗蝕劑并利用稀釋氫氟酸進(jìn)行過腐蝕處理后，對襯底進(jìn)行等離子腐蝕，最后形成如圖3C所示的有較好形狀的高熔點(diǎn)金屬硅化場柵電極，而沒有因?yàn)榧铀俑g減少極薄柵氧化層22的厚度。
這種等離子腐蝕方法，采用用均勻負(fù)離子入射的螺旋極化波等離子腐蝕設(shè)備，實(shí)現(xiàn)滿足低損傷，高選擇比例，和實(shí)用腐蝕速率要求的高密度等離子腐蝕。
雖然敘述了本發(fā)明的四個(gè)實(shí)施例，但本發(fā)明不限于這四個(gè)實(shí)施例。
上面舉例說明了作為等離子產(chǎn)生源的ECR等離子產(chǎn)生源和螺旋極化波等離子產(chǎn)生源；但是，本發(fā)明不限于此，本發(fā)明適用于具有至少利用磁場的等離子產(chǎn)生源類型的等離子腐蝕設(shè)備。
在本實(shí)施例，利用坡莫合金和鐵鋁硅合金為例說明高導(dǎo)磁率材料層；但是，它可由諸如軟磁鋼或Mn-Zn鐵氧體之類的軟磁鐵氧體制成的薄板構(gòu)成。
對于要被腐蝕的襯底，本發(fā)明適用于能減少離子損傷，保證各向異性和腐蝕速率，而不對柵電極損傷對各層進(jìn)行腐蝕的等離子腐蝕方法。
權(quán)利要求
1.一種等離子腐蝕設(shè)備，其包括至少利用磁場的等離子產(chǎn)生源；等離子處理室，它與等離子產(chǎn)生源相連，并且包括放置要被腐蝕的襯底的工作臺，它與等離子產(chǎn)生源相對；其特征是，設(shè)置所述的工作臺具有地電位；所述工作臺包含基本上位于所述工作臺整個(gè)表面的上面的高導(dǎo)磁率材料層。
2.一種按照權(quán)利要求1的等離子腐蝕設(shè)備，其特征是，利用所述高導(dǎo)磁率材料層的作用，從所述等離子產(chǎn)生源發(fā)散的磁力線，按與其基本垂直的方向入射在所述的工作臺上。
3.一種按照權(quán)利要求1的等離子腐蝕設(shè)備，其特征是，所述等離子產(chǎn)生源是ECR等離子產(chǎn)生源。
4.一種按照權(quán)利要求1的等離子腐蝕設(shè)備，其特征是，所述等離子產(chǎn)生源是螺旋波等離子產(chǎn)生源。
5.一種利用按照權(quán)利要求1的所述等離子腐蝕設(shè)備的等離子腐蝕方法，其特征是，利用至少入射在所述要被腐蝕的襯底上的負(fù)離子，進(jìn)行等離子腐蝕。
全文摘要
一種等離子腐蝕設(shè)備及其使用方法，它能防止離子入射損傷，并滿足高各向異性和高腐蝕速率的腐蝕。工作臺2包含一高導(dǎo)磁率材料層，具有直接降到地電位的電位，使從等離子產(chǎn)生源發(fā)散的磁力線按基本上與其垂直的方向入射在工作臺上。這使等離子中的負(fù)離子和正離子沿著磁力線按與其垂直的方向，入射到要被腐蝕的襯底上。結(jié)果，與現(xiàn)有技術(shù)不同，不利用屏極區(qū)加速離子，因而能有效地防止損傷襯底。
文檔編號C23F4/00GK1150327SQ9611172
公開日1997年5月21日 申請日期1996年7月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月5日
發(fā)明者門村新吾 申請人:索尼公司