本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，具體涉及一種自限制精確刻蝕硅的裝置及方法。

背景技術(shù)：

集成電路是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝將一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)。所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。當今半導(dǎo)體工業(yè)大多數(shù)應(yīng)用的是基于硅的集成電路。

隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，晶體管的特征尺寸不斷縮小，目前正在由5nm向更小的技術(shù)邁進，溝道也由平面發(fā)展到鰭形(finfet)再到納米線，所以對其制造技術(shù)提出了更高的要求，尤其是三維加工能力。

原子層刻蝕技術(shù)(atomiclayeretching)是一項新興的刻蝕技術(shù)，目前有設(shè)備廠商及研究機構(gòu)推出一種刻蝕硅的原子層刻蝕技術(shù)，基本原理及過程如下：

(1)采用cl2對硅表面進行改性(modification)，將si-si懸掛鍵改性成si-c鍵，表示為，cl2(氣)+si(固)→siclx(固)。由于形成的物質(zhì)在常溫下為固體，所以該步具有自我限制特性，只影響約一個原子層；

(2)去除多余cl2；

(3)采用合適能量的ar離子去除固態(tài)siclx并且不能對si造成損傷。si-si鍵能為3.4ev，si-cl鍵能為4.2ev，cl的引入會將si與下層si之間的鍵能降低到2.3ev。因此，ar離子的能量閾值需要精確在能夠敲擊掉si-c物質(zhì)而不會敲擊si-si，即可自我限制地刻蝕掉siclx；

然后重復(fù)以上過程完成刻蝕。

目前有機構(gòu)報道該技術(shù)可用于鰭形柵刻蝕的過刻刻蝕中，較傳統(tǒng)刻蝕，可以用更小的過刻量(25％)達到去除硅殘留的目的。

上述技術(shù)對離子能量提出了極高的要求，只有當離子能量適當才能實現(xiàn)，若離子能量過低則達不到去除改性層目的，若離子能量過高則會造成si表面損傷或者將硅刻蝕掉，達不到原子層自我限制刻蝕的目的，因此也對設(shè)備控制提出了極高的要求。

此外，該方法因去除離子具有方向性，無法實現(xiàn)橫向加工，在未來需要三維加工領(lǐng)域如納米線加工領(lǐng)域?qū)艿骄窒蕖?/p>

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明公開一種自限制精確刻蝕硅的裝置，包括：真空反應(yīng)腔、傳輸裝置、進氣裝置和抽氣裝置，所述真空反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)置有第一基座、第二基座、第一溫控裝置、第二溫控裝置，其中，所述第一溫控裝置對所述第一基座的溫度進行調(diào)控，使其溫度小于150℃，所述第二溫控裝置對所述第二基座的溫度進行調(diào)控，使其溫度大于150℃，所述傳輸裝置對樣品進行傳輸，使樣品在所述第一基座和所述第二基座上循環(huán)進行加工，所述進氣裝置將反應(yīng)氣體或吹掃用氣體通入真空反應(yīng)腔，所述抽氣裝置將殘余氣體從真空反應(yīng)腔內(nèi)抽出。

本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的裝置中，優(yōu)選為，所述反應(yīng)氣體為hbr。

本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的裝置中，優(yōu)選為，所述第一基座的溫度在－60℃～140℃之間。

本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的裝置中，優(yōu)選為，所述第二基座的溫度在160℃～800℃之間。

本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的裝置中，優(yōu)選為，還包括感應(yīng)耦合等離子體源。

本發(fā)明還公開一種自限制精確刻蝕硅的方法，包括以下步驟：si表面自限制層形成步驟，利用傳輸裝置將形成在半導(dǎo)體襯底上的待刻蝕si層樣品放置在第一基座上，然后通過第一溫控裝置將所述第一基座的溫度調(diào)控至小于150℃，向真空反應(yīng)腔內(nèi)通入hbr反應(yīng)氣體，在所述si層表面形成自限制sibr4層，然后將真空反應(yīng)腔內(nèi)的殘余hbr抽出；自限制層去除步驟，利用傳輸裝置將樣品從所述第一基座傳輸至第二基座，通過第二溫控裝置將所述第二基座的溫度調(diào)控至大于150℃，使sibr4層升華，然后將真空反應(yīng)腔內(nèi)的殘余氣體抽出；重復(fù)上述各步驟，直至達到預(yù)定si刻蝕量。

本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法中，優(yōu)選為，所述第一基座的溫度在－60℃～140℃之間。

本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法中，優(yōu)選為，所述第二基座的溫度在160℃～800℃之間。

本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法中，優(yōu)選為，在所述si表面自限制層形成步驟中，利用感應(yīng)耦合等離子體源無偏壓作用形成hbr等離子體對所述si層表面進行處理形成自限制sibr4層。

本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法中，優(yōu)選為，所述hbr氣體的流量為10sccm～1000sccm，感應(yīng)耦合等離子體源的功率為100w～1000w，氣體壓強為3mt～900mt，處理時間為1s～10s。

本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的裝置和方法能夠?qū)崿F(xiàn)原子層級的硅刻蝕，并且具有低成本和高效率的特點。此外，本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法不涉及離子定向刻蝕過程，具有明顯的各向同性的特點，可以實現(xiàn)三維(橫向與縱向加工)加工。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法的流程圖。

圖3是實施例一的待刻蝕樣品結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是實施例一的形成自限制sibr4層后的樣品結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是實施例一的去除自限制sibr4層后的樣品結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是實施例一的達到預(yù)定刻蝕量的樣品結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是實施例一的去除掩膜層后形成的納米線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是實施例二的待刻蝕樣品結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是實施例二的形成自限制sibr4層后的樣品結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10是實施例二的去除自限制sibr4層后的樣品結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11是實施例一的達到預(yù)定刻蝕量的樣品結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在下文中描述了本發(fā)明的許多特定的細節(jié)，例如器件的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、處理工藝和技術(shù)，以便更清楚地理解本發(fā)明。但正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細節(jié)來實現(xiàn)本發(fā)明。除非在下文中特別指出，半導(dǎo)體器件中的各個部分可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的材料構(gòu)成，或者可以采用將來開發(fā)的具有類似功能的材料。

圖1是本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的裝置包括真空反應(yīng)腔1、傳輸裝置2、進氣裝置3和抽氣裝置4。在真空反應(yīng)腔1內(nèi)設(shè)置有第一基座11、第二基座12、第一溫控裝置13和第二溫控裝置14。其中，第一溫控裝置13對第一基座11的溫度進行調(diào)控，使其溫度小于150℃，第二溫控裝置14對第二基座12的溫度進行調(diào)控，使其溫度大于150℃。傳輸裝置2的一部分位于真空反應(yīng)腔1內(nèi)，一部分位于真空反應(yīng)腔1外，對樣品進行傳輸，使樣品在第一基座11和第二基座12上循環(huán)進行加工。進氣裝置3將反應(yīng)氣體或吹掃用氣體通入真空反應(yīng)腔1內(nèi)，抽氣裝置4將殘余氣體從真空反應(yīng)腔1內(nèi)抽出。

本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的裝置中，優(yōu)選為，所述反應(yīng)氣體為hbr。優(yōu)選為，第一溫控裝置13將第一基座11的溫度控制在－60℃～140℃之間，第二溫控裝置14將第二基座12的溫度控制在160℃～800℃之間。本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的裝置，進一步優(yōu)選為，還包括感應(yīng)耦合等離子體源，以產(chǎn)生hbr等離子體。

圖2是本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法的流程圖。如圖2所示，本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法包括以下步驟：

在si表面自限制層形成步驟s1中，利用傳輸裝置2將形成在半導(dǎo)體襯底上的待刻蝕si層樣品放置在第一基座11上，然后，通過第一溫控裝置13將第一基座11的溫度調(diào)控至小于150℃，利用進氣裝置3向真空反應(yīng)腔1內(nèi)通入hbr反應(yīng)氣體，在所述si層表面形成自限制sibr4層，厚度為幾個原子層厚度，然后通過抽氣裝置4將真空反應(yīng)腔1內(nèi)的殘余hbr抽出；在自限制層去除步驟s2中，利用傳輸裝置2將樣品從第一基座11傳輸至第二基座12，通過第二溫控裝置14將第二基座12的溫度調(diào)控至大于150℃，使sibr4層升華，然后利用抽氣裝置4將真空反應(yīng)腔內(nèi)的殘余氣體抽出；重復(fù)上述各步驟，直至達到預(yù)定si刻蝕量。

本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法具有自我限制的特點。具體而言，hbr是公知的刻蝕硅的氣體，而hbr與si的生成物sibr4沸點較高。在低溫(<150℃)的情況下，在si表面形成自限制層sibr4非常容易實現(xiàn)且具有良好的自我限制特性，反應(yīng)式表示為：

si+4hbr(氣態(tài))＝sibr4(非氣態(tài))+h2(氣態(tài))

以下結(jié)合圖3～圖7針對本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法的實施例一進行說明。在本實施例中，首先準備待刻蝕樣品。在si襯底100上形成阻擋層101，在阻擋層101上形成si層102，并且在si層102上形成掩膜層103。其中，阻擋層101為sio2，厚度為1～10nm。si層102的厚度為50～100nm。掩膜層103為sin，厚度為1～10nm。上述阻擋層、si層以及掩膜層可以采用電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、濺射等常規(guī)的薄膜淀積方法形成。然后，在上述結(jié)構(gòu)上旋涂光刻膠，采用包括曝光和顯影的光刻工藝將光刻膠形成45nm～90nm的線或柱，通過在溶劑中溶解或灰化去除光刻膠，所得結(jié)構(gòu)如圖3所示。

接下來，采用本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法對待刻蝕樣品進行刻蝕。具體而言，利用傳輸裝置2將樣品放置在第一基座11上，然后，通過第一溫控裝置13將第一基座11的溫度調(diào)控至－60℃～140℃，利用進氣裝置3向真空反應(yīng)腔1內(nèi)通入hbr氣體，氣體流量為10sccm～1000sccm，感應(yīng)耦合等離子體源的功率為100w～1000w，氣體壓強為3mt～900mt，處理時間為1s～10s。hbr氣體在感應(yīng)耦合等離子體源的無偏壓作用下形成hbr等離子體，與si表面反應(yīng)形成自限制sibr4層104，厚度約0.3nm，同時hbr不與作為阻擋層101的sio2和作為掩膜層103的sin反應(yīng)，所得結(jié)構(gòu)如圖4所示。然后，通過進氣裝置3通入n2對真空反應(yīng)腔1進行吹掃，通過抽氣裝置4將真空反應(yīng)腔1內(nèi)的殘余氣體抽空。

接下來，通過傳輸裝置2將樣品傳至第二基座12上，通過第二溫控裝置14將第二基座12的溫度調(diào)控至160℃～800℃，對樣品進行加熱，使sibr4層升華，處理時間為1s～10s，所得結(jié)構(gòu)如圖5所示。

重復(fù)以上步驟，并根據(jù)每次循環(huán)精確的刻蝕量控制最終留下的硅柱(線)寬約3nm～10nm，所得結(jié)構(gòu)如圖6所示。

最后，利用高溫磷酸選擇性去除sin掩膜層103，即可精確獲得納米級線或柱結(jié)構(gòu)，所得結(jié)構(gòu)如圖7所示。

接下來，結(jié)合圖8～圖10針對本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法的實施例二進行說明。本實施例與實施例一的區(qū)別在于，本實施例中的待刻蝕樣品沒有掩膜層。如圖8所示，待刻蝕樣品包括si襯底200、形成在si襯底200上的阻擋層201以及形成在阻擋層201上的si層202。其中，阻擋層201為sio2，厚度為1～10nm。si層202的厚度根據(jù)納米線的高度加上刻蝕補償量確定。上述阻擋層、si層可以采用電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、濺射等常規(guī)的薄膜淀積方法形成。然后，在上述結(jié)構(gòu)上旋涂光刻膠，采用包括曝光和顯影的光刻工藝將光刻膠形成45nm～90nm的線或柱，通過在溶劑中溶解或灰化去除光刻膠。

接下來，采用本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法對待刻蝕樣品進行刻蝕。具體而言，利用傳輸裝置2將樣品放置在第一基座11上，然后，通過第一溫控裝置13將第一基座11的溫度調(diào)控至－60℃～140℃，利用進氣裝置3向真空反應(yīng)腔1內(nèi)通入hbr氣體，氣體流量為10sccm～1000sccm，感應(yīng)耦合等離子體源的功率為100w～1000w，氣體壓強為3mt～900mt，處理時間為1s～10s。hbr氣體在感應(yīng)耦合等離子體源無偏壓的作用下形成hbr等離子體，與si表面，本實施例中包括si層的上表面和側(cè)面，反應(yīng)形成自限制sibr4層203，所得結(jié)構(gòu)如圖9所示，同時hbr不與作為阻擋層201的sio2反應(yīng)。然后，通過進氣裝置3通入n2對真空反應(yīng)腔1進行吹掃，通過抽氣裝置4將真空反應(yīng)腔1內(nèi)的殘余氣體抽空。

接下來，通過傳輸裝置2將樣品傳至第二基座12上，通過第二溫控裝置14將第二基座12的溫度調(diào)控至160℃～800℃，對樣品進行加熱，處理時間為1s～10s，使sibr4層升華，所得結(jié)構(gòu)如圖10所示。

重復(fù)以上步驟，并根據(jù)每次循環(huán)精確的刻蝕量控制最終留下的硅柱(線)寬約3nm～10nm，所得結(jié)構(gòu)如圖11所示。

在上述實施例中，以si為襯底，但是本發(fā)明不限定于此。例如，半導(dǎo)體襯底可以是各種形式的合適襯底，例如體半導(dǎo)體襯底如ge等及化合物半導(dǎo)體襯底如sige、gaas、gasb、alas、inas、inp、gan、sic、ingaas、insb、ingasb等，絕緣體上半導(dǎo)體襯底(soi)等。此外，掩膜層、阻擋層也可以是其他不會被hf腐蝕的材料等。

本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的裝置和方法能夠?qū)崿F(xiàn)原子層級的硅刻蝕，并且具有低成本和高效率的特點。此外，本發(fā)明的自限制精確刻蝕硅的方法不涉及離子定向刻蝕過程，具有明顯的各向同性的特點，可以實現(xiàn)三維加工。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。