[发明专利]与快速热活化工艺相结合的使用等离子体的原子层刻蚀工艺

说明书

公开了一种用于在半导体晶片上刻蚀膜层的工艺。该工艺特别适合于刻蚀含碳层，例如硬掩模层、光致抗蚀剂层和其他低介电膜。根据本公开，从等离子体产生的反应物质与膜层的表面接触。同时，衬底或半导体晶片经受快速热加热循环，该快速热加热循环以受控方式将温度升高超过反应的活化温度。

相关申请

本申请基于并要求2016年12月14日提交的序列号为62/434,036的美国临时专利申请的优先权，其通过引用并入本文。

背景技术

等离子体处理广泛用于半导体工业中，用于沉积、刻蚀、去除抗蚀剂以及半导体晶片和其他衬底的相关处理。等离子体源(例如，微波、ECR、感应等)通常用于等离子体处理以产生用于处理衬底的高密度等离子体和反应物质(reactive species)。

过去使用等离子体执行的一种类型的工艺是原子层刻蚀。原子层刻蚀是一种以非常高的精度执行临界刻蚀的技术，用于半导体器件制造。在薄层上执行原子层刻蚀，同时试图避免不适当的亚表面损坏或不期望的修改。可以执行原子层刻蚀以刻蚀非常薄的层，该层覆盖另一临界层。还可以在刻蚀工艺结束时采用原子层刻蚀，以去除先前刻蚀的少量剩余层，而不损坏底层结构。期望使用原子层刻蚀以具有自表面限制的工艺反应，因此仅通过表面曝光来控制均匀性，而不再受等离子体均匀性的控制，因此可以进一步改善刻蚀量均匀性。

过去，原子层刻蚀方法首先包括表面反应物质附着步骤，然后进行等离子体离子轰击以去除反应表面层。这种离子轰击控制仅是原子层刻蚀的可能方法的一个方面。传统的原子层刻蚀在含硅(例如Si、Si₃N₄或SiO₂)的膜上非常成功。然而，上述使用离子轰击活化的传统方法在其他层(特别是含有碳的层和其他低介电膜)上尚未成功。例如，这些其他材料对离子轰击的反应性较小，对化学反应的反应性较大。此外，在一些实施例中，需要更高的温度以便发生刻蚀工艺，这可能导致非常长的对工艺提供较少控制的刻蚀循环。

因此，需要一种用于刻蚀含碳膜和包括具有低介电常数的膜的其他类似膜的刻蚀工艺。更具体地，需要一种用于对上述材料执行原子层刻蚀处理的方法和工艺。

发明内容

通常，本公开涉及用于在层上，特别是在包含在半导体晶片上的层上执行精确受控刻蚀的工艺和设备。根据本公开，该工艺包括将层暴露于反应物质。例如，反应物质可以通过等离子体源产生。利用等离子体源和衬底之间可能的筛选栅格，大多数反应中性物将到达衬底表面而没有离子轰击。当该层暴露于反应物质时，通过将该层暴露于快速热循环来升高该层的温度。例如，快速热循环可以由一个或多个脉冲灯产生。快速热循环能够将层的温度逐渐升高到反应物质与该层反应所需的活化温度以上。通过对温度升高结合温度升高持续时间小心地控制，当反应物质与层反应时，进行受控的精确刻蚀。

例如，在一个实施例中，本公开涉及用于刻蚀半导体晶片上的层的工艺。该工艺包括将半导体晶片放置在处理室中的步骤。半导体晶片包括膜层。膜层例如可含有碳。例如，膜层可包括低介电膜、光致抗蚀剂(photoresist)层、硬掩模层等。从刻蚀剂气体产生等离子体。等离子体含有反应物质。根据本公开，膜层与反应物质接触。在一个实施例中，例如，等离子体在等离子体室中产生，并在接触膜层之前通过过滤器结构过滤。过滤器结构包括开口，所述开口允许反应物质通过，但过滤掉等离子体中包含的至少65％、例如至少80％、例如至少90％的带电物质。例如，反应物质可包含中性粒子。

当膜层与反应物质接触时，半导体晶片暴露于快速热循环。快速热循环将膜层加热到足以使反应物质刻蚀膜层的活化温度以上。在一个实施例中，例如，通过将半导体晶片暴露于多个快速热循环来逐渐升高膜层的温度。每个快速热循环可以是相同的时间长度或可以具有不同的时间长度。在一个实施例中，一个或多个快速热循环可以由一个或多个灯产生，例如闪光灯。通过将半导体晶片暴露于多个快速热循环，可以以受控方式逐渐刻蚀膜层。例如，在一个实施例中，该工艺包括原子层刻蚀工艺。