TWI501312B - 電子束誘發蝕刻含鎵層之方法 - Google Patents
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Description
本發明有關電子束誘發蝕刻含鎵層之方法。
在業界，尤其在半導體技術中，蝕刻程序扮演著重要的角色。在蝕刻程序的協助之下，可製備縮小至奈米範圍的精細結構。此外，蝕刻程序對於光微影遮罩的修補具有重要的功能。
對於利用如在半導體技術中使用的蝕刻程序製造精細結構而言，在先前技術中稱為FIB(focused ion beam、聚焦離子束)的聚焦離子束衝擊下進行蝕刻。例如，FIB技術揭露於美國專利US 4639301中。FIB技術的具體好處是，此方法製造既平坦又陡峭的側壁，即，以高蝕刻率形成大縱橫比的結構。縱橫比代表結構之深度或高度分別與其最小橫向延伸的比例。
就FIB技術而言，離子束通常由鎵(Ga)離子組成。在修補光微影遮罩期間，在石英基板中佈植鎵導致傳輸性能因用於曝光的紫外線(UV)輻射所損害。美國專利公開號US 2004/0226814 A1揭示一種方法，可在不用明顯改變基板層厚度的情況下，再次大幅重建石英基板的傳輸性能。石英基板已因鎵離子的轟擊而為UV輻射所污損。為此目的，使用電子束及蝕刻氣體二氟化氙(XeF2
)協助清洗石英基板上佈植鎵離子的區域。此程序中必要的先決條件是，基板不會因為電子束及XeF2
的聯合衝擊而被蝕刻。移除基板材料可局部改變基板厚度，因而在以UV輻射曝光時將產生相位誤差。這將導致光微影遮罩的影像缺陷。因此，最後將以光微影遮罩之不佳影像品質的缺陷取代不佳傳輸的缺陷。
鎵在要處理的層下方的層中佈植是FIB技術的普遍所要處理的問題，且也在所謂電路編輯時與上述遮罩修補程序同時發生，電路編輯即半導體技術中，微結構中例如元件導電路徑其後彼此切斷或連接的刻意修改。
在半導體層中佈植鎵，例如在FIB技術中利用鎵轟擊來進行，將使此層的進一步處理顯得更加複雜。特別的是，此層的蝕刻極為困難。在移除較大量的佈植鎵時，常常留下惰性殘餘物，這在進一步處理時造成問題。因含鎵層很難移除，多層系統中具有含鎵層之深接觸孔或介層的蝕刻導致此層範圍中的瓶頸(參見圖5)。此外，將殘留的鎵吸附至多層系統中的其他層將使進一步處理顯得更加複雜。FIB技術另一個嚴重的缺點是，在樣品其他位置或真空室內所吸附的大量濺鍍材料。
本發明提出一種對含鎵層進行實質上無殘餘物蝕刻的方法，因而至少部分避免以上所提缺點。
根據本發明之具體實施例，此問題由隨後所示之申請專利範圍所述之方法解決。在一具體實施例中，電子束誘發蝕刻含鎵層之方法包含：在一電子束衝擊於該層的一位置處提供至少一個第一鹵化化合物作為一蝕刻氣體，及提供至少一個第二鹵化化合物作為此位置處之一前驅氣體。
申請人發現可使用適當前驅氣體，利用電子束誘發蝕刻移除含鎵層。在移除含有較大量的鎵時，藉由加入前驅氣體，可大幅避免惰性殘餘物，這在先前技術中為已知。在蝕刻具有至少一含鎵層的多層系統時，加入適當的前驅氣體可避免或減少其他層對鎵殘餘物的吸附。因此，本發明方法能夠對含鎵層進行實質上無殘餘物蝕刻。此外，與無鎵層相比，在蝕刻含鎵層時加入前驅氣體可減少蝕刻程序的選擇性。為此原因，可避免蝕刻介層時形成瓶頸。
在本發明方法之一較佳具體實施例中，使用二氟化氙(XeF2
)作為第一鹵化化合物。然而，亦可考慮應用其他鹵化化合物，例如鹵素(溴(Br2
)及/或碘(I2
))、或其他化合物作為蝕刻氣體，例如六氟化硫(SF6
)或氧(O2
))。
較佳是，使用氯(Cl2
)作為第二鹵化化合物。然而，本發明方法並不限於應用Cl2
作為前驅氣體。可考慮使用其他前驅氣體，例如不同的鹵素、鹵化化合物、或氧化化合物。
在本發明方法之一較佳具體實施例中，在蝕刻期間持續提供第二鹵化化合物時可獲得良好的蝕刻結果。在本發明方法之一尤佳具體實施例中，在第二鹵化化合物之氣體流率為0.1sccm(每分鐘標準立方公分)時，可獲得良好的蝕刻結果。
較佳是，在蝕刻程序期間提供隨時間改變的第一鹵化化合物。在一具體實施例中，按照以時脈速率30s(秒)而工作週期1:5提供第一鹵化化合物。
在本發明方法之一具體實施例中，當蝕刻介層通過具有含鎵層的多層系統時，第二鹵化化合物的氣體流率在蝕刻至少一個含鎵層時比在蝕刻無鎵層時大。
在本發明方法之一進一步較佳具體實施例中，冷凝阱及/或紫外線燈減少真空室中的水分壓。
較佳是，附加地或替代地使用電子束裝置的電子束來研究要蝕刻的層表面及/或已蝕刻的層表面。除了電子束顯微法之外或結合電子束顯微法，亦可應用其他方法，例如歐傑電子能譜術(AES)、光電子能譜術(XPS)、掃描穿隧顯微法及/或掃描力顯微法。這些技術的組合也是可行的。
根據本發明之進一步方面，一種電子束誘發蝕刻含鎵層的裝置具有一第一鹵化化合物的一入口。該入口位在電子束衝擊於層上的位置。此外，該裝置在此位置具用於至少一個作為一前驅氣體的第二鹵化化合物的一入口。
本發明方法之其他具體實施例定義於申請專利範圍其他附屬項中。
下文將詳細解說本發明方法及本發明裝置的較佳具體實施例。
圖1圖解顯示將待蝕刻樣品90布置於真空室10中的樣品座20上。樣品90在圖2及3中包含多層系統100，及在圖4-6中包含多層系統200。實現本發明方法的電子束來自電子束元件30，例如改良型掃描電子顯微鏡。
在圖1所示的本發明較佳具體實施例中，經由真空室10的入口40引入鹵化化合物XeF2
作為蝕刻氣體。除了XeF2
之外，亦可使用其他鹵素，例如Cl2
、Br2
及/或I2
，還可使用鹵化化合物，例如SF6
。還可以考慮與鹵化化合物一起使用水(H2
O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2
)、氨(NH3
)及其他反應性物質。此外，本發明方法亦允許同時應用一個以上的蝕刻氣體。此外，不同蝕刻氣體的混合比可在蝕刻程序期間改變。
在圖1所示的具體實施例中，經由真空室10的入口50引入前驅氣體Cl2
。還可以考慮與Cl2
一起使用其他鹵素(例如Br2
及/或I2
)及/或其他鹵化化合物(例如SF2
)作為前驅氣體。還可以考慮與鹵化化合物一起使用水(H2
O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2
)、氨(NH3
)及其他反應性物質。亦可分別考慮兩個或兩個以上的氣體或材料作為前驅氣體，且其混合比可在蝕刻程序進行中改變。
經由相應的劑量閥(圖1中未顯示)透過對應的入口40、50，將XeF2
以及Cl2
送進要蝕刻的多層系統100、200中。在此程序中，可經由分開的劑量閥但經由共同的入口(圖1中未顯示)，引入兩個氣體XeF2
及Cl2
。替代引向要蝕刻之層的氣體入口40、50，亦可未指定方向地將第一及/或第二鹵化化合物引入真空室10中。
XeF2
及Cl2
的劑量可在時間上保持穩定一致。也可以在蝕刻程序期間，改變兩個氣體及/或兩個氣體中一個氣體的劑量(「分割(chopping)」)。在蝕刻含鎵層半導體時，如果以氣體流率0.1sccm持續提供前驅氣體，可獲得良好的結果。同時，較佳是在273K的溫度下，提供隨時間改變的蝕刻氣體XeF2
。在此程序中，工作週期為1:5及週期長度為30s(秒)。這表示有5秒將XeF2
將經由入口40引入真空室10中，然後接下來有25秒，入口40中的閥門(圖1中未顯示)將中斷蝕刻氣體的供應。例如，可以大約0.5sccm(每分鐘標準立方公分)的氣體流率實現本發明方法。
使用氯作為前驅氣體的電子束誘發蝕刻對於設備造成一些挑戰。在電子束元件30之未處理的真空室10中，氯的反應性在真空室10中釋放出如此多的殘餘氣體(例如碳氫化合物)，致使所釋放殘餘氣體的沈積阻礙了要蝕刻之樣品90的蝕刻。真空室10中在供應氯時，另外在要蝕刻的層上產生相應沈積分子的另一個可能反應路徑是，氯與水分子變成氯化氫(HCl)的自然反應，其出現在真空室10中作為殘餘氣體。HCl是一種極性化合物，其對於蝕刻樣品90的附著力明顯超過極性稍差的水分子。因此，水蒸汽解除吸附方法在真空室10中很有幫助。
在經由真空室10的入口50引入氯時，可採取不同的措施來防止前面所說明的污染問題。如此處所提的非封閉性樣品：加熱真空室10，利用電漿清洗真空室10，應用低溫幫浦或冷凝阱60增加水的抽取力，以及利用紫外線光輻射支援自真空室10及樣品90的表面使水解除吸附。
可根據含鎵層的材料組成調整電子束的參數。在示範性參數集合中，使用的電子束具有：電子能1keV，電流強度50pA，停留時間50ns，及更新時間2ms。
要開始蝕刻反應，較佳是僅限於使用聚焦電子束。然而，亦可附加地或替代地使用其他能量傳遞機制(例如聚焦雷射束及/或未聚焦離子束)。
如先前所提，在蝕刻含鎵層時會發生兩個不同問題。使用根據先前技術方法的電子束誘發蝕刻時，持續利用蝕刻程序進行移除的大量移除將形成所謂惰性殘餘物的區域。圖2顯示第二最上方層120含鎵的多層系統100。含鎵層為半導體層120。然而，也有可能的是，鎵是因為離子轟擊而佈植在要蝕刻的隔離層中。在圖2的範例中，其他層110、130、140、150及160為不同組成及/或摻雜的無鎵半導體層。此外，在圖2的範例中，要移除之材料的區域形成一層比一層小的階梯。藉由蝕刻程序，可接近到最底層160。由於含鎵層120、實質上沒有佈植鎵之上方層110及底下層130的不同蝕刻率，造成層100被下切(under-cut)。本說明中此處及他處的措辭「實質上」分別是指低於偵測限制的濃度或在測量偏差內的濃度。
在電子束誘發蝕刻程序中，當根據先前技術蝕刻含鎵層120時，會留下蝕刻程序無法移除的惰性殘餘物190。此外，在移除含鎵層120時，從層120移除的鎵殘餘物180沈積在最先蝕刻的最高層110。
圖3顯示圖2所示在應用本發明蝕刻方法後的多層系統100。藉由加入前驅氣體，對於含鎵層120的選擇性比無鎵層110、130、140、150及160明顯減少。因此之故，大幅避免了第一層110的下切。應用前驅氣體氯實現對含鎵層120的實質上無殘餘移除。惰性殘餘物190實質上不會留在層120上。鎵殘餘物不會吸附或僅少量吸附在層110上。
圖4圖解顯示多層系統200中介層300向下穿過若干層210至260到達金屬導電連接線270的蝕刻。如同在圖2及3，第二最上方半導體層220同樣含鎵。其他層210、230、240、250、260、270及280實質上沒有任何鎵污染。多層系統200的最上方層210為隔離層。層230、240、250、及280為不同材料組成及/或摻雜的半導體層、絕緣體及/或金屬。金屬導電連接線270嵌入於隔離層260。與圖4的圖式相對照，在應用FIB技術時，鎵亦可因離子轟擊而佈植於隔離層中。上方及/或底下層可以是隔離層、金屬層及/或半導體層。使用本發明方法，亦可成功蝕刻這些多層系統。
圖5顯示在使用根據先前技術之電子束誘發蝕刻方法進行移除時，穿過圖4之多層系統200之介層300的橫截面。一方面由於層220的不同蝕刻率，及另一方面由於隔離層210及半導體層230的不同蝕刻率，鄰接層210及230顯示出下切。在層220中，低蝕刻率形成瓶頸。從層220移除的鎵吸附為在多層系統200之其他層210、230、240、250、260及270上的鎵殘餘物。
圖6亦顯示其中用本發明方法執行蝕刻時，穿過圖4中多層系統200之介層300的橫截面。如在圖4討論中所解說的，在真空室10中經由入口50加入氯一方面可減少層210及230間的蝕刻率選擇性，及另一方面可減少層220的蝕刻率選擇性。因此，能夠有效避免層210及230的下切。此外，還可分別避免或明顯減少在層220的範圍中形成瓶頸。由於本發明方法的實質上無殘餘物蝕刻，亦可實質上避免多層系統200中其他層210、230、240、250、260及270上對鎵殘餘物180的吸附。
10．．．真空室
20．．．樣品座
30．．．電子束元件
40、50．．．入口
60．．．冷凝阱
70．．．紫外線燈
90．．．樣品
100、200．．．多層系統
110、130、140、150、160、210、230、240、250、260、270、280．．．無鎵半導體層
120、220．．．含鎵半導體層
180．．．鎵殘餘物
190．．．惰性殘餘物
270．．．金屬導電連接線
300．．．介層
在詳細說明中，本發明較佳具體實施例係參考圖式來說明，其中：
圖1顯示實現本方法之示範性裝置的圖式，其中在真空室中，利用蝕刻氣體、前驅氣體及聚焦電子束的聯合衝擊，蝕刻具有至少一含鎵層的樣品；
圖2顯示穿過具有大量含鎵層已用根據先前技術方法蝕刻之多層系統的放大橫截面圖；
圖3顯示穿過具有大量含鎵層已用本發明方法之一具體實施例蝕刻之多層系統的放大橫截面圖；
圖4顯示介層的放大圖，該介層已蝕刻穿過具有含鎵層之多層系統的若干層；
圖5顯示圖4之介層已使用根據先前技術之方法執行蝕刻時的橫截面圖；及
圖6顯示圖4之介層已使用本發明方法執行蝕刻時的橫截面圖。
10．．．真空室
20．．．樣品座
30．．．電子束元件
40、50．．．入口
60．．．冷凝阱
70．．．紫外線燈
90．．．樣品
Claims (20)
- 一種以電子束誘發蝕刻一含鎵污染層的方法，其中該含鎵污染層包含一半導體層或一絕緣層，該方法包含以下步驟：a.在一電子束衝擊於該含鎵污染層的一位置處提供至少一第一鹵化化合物作為一蝕刻氣體；b.提供至少一第二鹵化化合物作為一移除此位置之鎵的前驅氣體；以及c.蝕刻該含鎵污染層且未形成惰性殘留物。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該至少一第一鹵化化合物包含二氟化氙。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該至少一第二鹵化化合物包含氯。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中提供該第二鹵化化合物的步驟在蝕刻該含鎵污染層的期間持續進行。
- 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該第二鹵化化合物係以每分鐘0.1標準立方公分的一氣體流率提供。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中提供該第一鹵化化合物之步驟在蝕刻該含鎵污染層的期間隨時間改變地進行。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該提供該第一鹵化化合物之步驟以時脈速率30秒而工作週期1：5進行。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中一多層膜結構包含至少一層該含鎵污染層及至少一無鎵層，當蝕刻一介層穿過該多層膜結構時，在蝕刻該至少一層該含鎵污染層時該第二鹵化化合物之氣體流率大於在蝕刻該至少一無鎵層時該第二鹵化化合物之氣體流率。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在一真空室中使用一冷凝阱及/或一紫外線燈以減少該真空室中的蒸汽分壓。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電子束係透過使用一電子束裝置以聚焦在所欲蝕刻的及/或已蝕刻的該含鎵污染層的表面。
- 一種以電子束誘發蝕刻一含鎵污染層的裝置，其中該含鎵污染層包含一半導體層或一絕緣層，該裝置包含：a.在一電子束衝擊於該含鎵污染層的一位置之至少一第一鹵化化合物的一入口；及b.至少一作為一移除此位置之鎵的前驅氣體之第二鹵化化合物的入口，其中將該含鎵污染層蝕刻移除且未形成惰性殘留物。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中該裝置用於使用二氟化氙作為該至少一個第一鹵化化合物。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中該裝置用於使用氯作為該至少一個第二鹵化化合物。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中該裝置用於在蝕刻期間持續提供該第二鹵化化合物。
- 如申請專利範圍第14項所述之裝置，其中該裝置用於以每分鐘0.1標準立方公分之一氣體流率提供該第二鹵化化合物。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中該裝置用於在蝕刻期間隨時間改變地提供該第一鹵化化合物。
- 如申請專利範圍第16項所述之裝置，其中該裝置用於以時脈速率30秒而工作週期1：5提供該第一鹵化化合物。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中一多層膜結構包含至少一層該含鎵污染層及至少一無鎵層，當蝕刻一介層穿過該多層膜結構時，在蝕刻該至少一層該含鎵污染層時該第二鹵化化合物之氣體流率大於在蝕刻該至少一無鎵層時該第二鹵化化合物之氣體流率。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，另外包含在一真空室中的一冷凝阱及/或一紫外線燈，用以減少該真空室內的水蒸汽分壓。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，另外包括一電子束裝置用以聚焦該電子束在所欲蝕刻的及/或已蝕刻的該含鎵污染層的表面。
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