本发明涉及一种用于改变材料层的蚀刻速率的方法。
背景技术：
通常，在集成电路制造过程中，半导体生产设备利用(干法)等离子体蚀刻工艺沿细线或在半导体衬底上构图的通孔或触点内去除或蚀刻材料。等离子体蚀刻工艺的成功需要蚀刻化学物质包括适于选择性地蚀刻一种材料同时以实质上更低的速率蚀刻另一种材料的化学反应物。
在当前的ic器件中，已经引入了异质材料来代替半导体加工中使用的常规材料，从而改善了ic器件的各种电气特性。例如，在前端(feol)半导体处理中，需要高介电常数(high-k)材料用作晶体管栅极电介质。用作此角色的高k材料是氧化钽和氧化铝。目前，expected基电介质和可能的镧基电介质有望作为栅极电介质进入生产，从而替代当前的氧化硅和氮氧化硅材料。此外，在feol半导体处理中，期望在下一代电子设备中将含金属的材料用作晶体管栅电极。目前，含ti，ta和/或al的金属电极(例如，tin，tan，al2o3，tial)有望作为金属电极进入生产，从而完全或部分替代目前的多晶栅电极。当然，在半导体加工中引入新材料不仅限于feol操作，而且也是后端(beol)操作的金属化工艺的趋势。此外，在存储设备中，使用并引入了新奇的材料。
随着当前材料以及这些新材料在电子设备处理中的出现，在保持原有层和/或结构的完整性的同时蚀刻这些新旧材料的能力面临着巨大的挑战。常规的蚀刻工艺可能无法实现这些材料的实际蚀刻速率或相对于下面或上面的材料不能达到可接受的蚀刻选择性。
技术实现要素：
本发明涉及一种用于改变材料层的蚀刻速率的方法。本发明还涉及一种使用高能带电粒子来改变材料层的蚀刻速率的方法。使用高能带电粒子在衬底上掺杂材料层的至少一部分，以将材料层的抗蚀刻性改变为预定蚀刻工艺；以及在掺杂之后使用预定蚀刻工艺蚀刻材料层。
本发明的技术方案是，用带电粒子修正材料层的刻蚀速率的方法，包括：提供一种衬底，该衬底具有在组成上第一材料层和第二材料层，其中所述第一材料层的特征在于第一标称蚀刻速率，而所述第二材料层的特征在于第二标称蚀刻速率与当所述第一材料层和所述第二材料层同时暴露于预定蚀刻工艺时，所述第一标称蚀刻速率；同时将所述第一材料层和所述第二材料层暴露于气体团簇离子束(gcib)以调节所述第一材料层和所述第二材料层的每一个材料层中的元素的浓度；并且在所述暴露之后，同时蚀刻所述第一材料层和所述第二材料层。第二材料层以不同的预定蚀刻工艺使用，其中所述暴露所述第一材料层和第二材料层相对于所述第一标称蚀刻速率增加了所述第一材料层的蚀刻速率，从而降低了所述第二材料的蚀刻速率相对于所述第二标称蚀刻速率的层，并且相对于通过所述蚀刻而无需进行所述调整即可获得的标称蚀刻选择性，增加所述第一材料层和所述第二材料层之间的蚀刻选择性，所述标称蚀刻选择性定义为所述第一材料层与所述第二材料层之间的蚀刻选择性。标称蚀刻速率至所述第二标称蚀刻速率；所述暴露包括引入选自由b，c，si，ge，n，p，as，o，s，f，cl和br组成的组中的一种或多种元素；所述暴露在包括：建立包含所述元素作为掺杂剂的所述气体团簇离子束(gcib)；选择束能量，束能量分布，束焦点和束剂量，以在所述第一和第二材料层中获得所述掺杂剂的期望浓度分布；
加速所述gcib以获得所述束能量；聚焦所述gcib以获得所述束聚焦；
根据所述束剂量将所述加速的gcib辐射到所述第一和第二材料层的至少所述部分上；并且将所述掺杂剂引入到所述第一和第二材料层的至少所述部分中，以实现所述掺杂剂的所需浓度分布。
所述束剂量在每厘米约1×1015个簇到每厘米约1×1017个簇的范围内；
所述束能量在约1kev至约70kev的范围内；所述gcib包括每原子能量比，范围从每原子约0.25ev到每原子约100ev。其中，所述预定蚀刻工艺包括湿蚀刻工艺，干蚀刻工艺，干等离子体蚀刻工艺，干非等离子体蚀刻工艺，化学氧化物去除工艺，离子去除工艺或gcib程序，或其两个或多个的任何组合；所述预定蚀刻工艺包括由含卤素的气体形成等离子体。
一种蚀刻方法，包括：提供一种衬底，该衬底具有在组成上不同于所述第一材料层的第一材料层和第二材料层，其中所述第一材料层的特征在于具有第一标称蚀刻速率，而所述第二材料层的特征在于具有第二标称蚀刻速率；当所述第一材料层和所述第二材料层同时暴露于预定蚀刻工艺时的所述第一标称蚀刻速率，所述预定蚀刻工艺从所述第一材料层和第二材料层两者中去除一种材料；
使用高能带电粒子对所述第一材料层和所述第二材料层进行掺杂，以形成第一掺杂材料层和第二掺杂材料层；并在所述掺杂之后，通过同时暴露于所述预定蚀刻工艺，其中，掺杂所述第一材料层和所述第二材料层相对于所述第一标称蚀刻速率改变所述第一材料层的蚀刻速率，并改变所述第一掺杂材料层与所述第一掺杂材料层之间的蚀刻选择性；所述第二掺杂材料层相对于在没有所述掺杂的情况下通过所述蚀刻可获得的标称蚀刻选择性，所述标称蚀刻选择性定义为所述第一标称蚀刻速率与所述第二标称蚀刻速率的比率。
其中，所述掺杂包括引入一种或多种选自由b，c，si，ge，n，p，as，o，s，f，cl和br组成的组的元素其中，所述掺杂包括使用气体团簇离子束(gcib)工艺，离子束注入工艺，或等离子体浸没离子注入工艺或其两种或更多种的任意组合来引入掺杂剂。
所述掺杂包括：建立包含掺杂剂的气体团簇离子束(gcib)；
选择束能量，束能量分布，束焦点和束剂量，以在所述第一和第二掺杂材料层中实现所述掺杂剂的期望浓度分布；
加速所述gcib以获得所述束能量；聚焦所述gcib以获得所述束聚焦；
根据所述束剂量将所述加速的gcib辐射到所述第一和第二材料层的至少一部分上；并且将所述掺杂剂引入到所述第一和第二材料层的所述至少一部分中，以实现所述掺杂剂的所述期望的浓度分布。
其中，所述蚀刻包括湿法蚀刻工艺，干法蚀刻工艺，干法等离子体蚀刻工艺，干法非等离子体蚀刻工艺，化学氧化物去除工艺，离子铣削工艺或gcib工艺。，或其中两个或多个的任意组合。
其中，用于所述掺杂的穿透深度小于要蚀刻到所述第一材料层的厚度中的目标深度，所述方法还包括：
交替且顺序地执行所述掺杂和所述蚀刻，以将所述第一掺杂材料层蚀刻至所述目标深度，并差分蚀刻所述第一掺杂材料层和所述第二掺杂材料层。
有益效果：本发明提出的一种在衬底上蚀刻材料层的方法。该方法包括在衬底上形成材料层，以及在衬底上形成另一材料层。该方法还包括：使用高能带电粒子对材料层进行掺杂；以及在掺杂之后，对材料层和另一材料层进行差分蚀刻，其中，相对于衬底，掺杂材料层改变了材料层和另一材料层之间的蚀刻选择性。在没有掺杂的情况下可通过蚀刻获得标称蚀刻选择性。
附图说明
图1a至图1d分别示出了根据一个实施例的蚀刻晶体管栅膜堆叠的方法；
图2a和图2b示出根据实施例的刻蚀沟槽/埋入电容器的方法；
图3是gcib处理系统的示意图；
图4是gcib处理系统的另一示意图；
图5是gcib处理系统的另一示意图；
图6是用于gcib处理系统的电离源的图示；
图7是用于gcib处理系统的另一种电离源的图示。
具体实施方式
在各种实施例中公开了一种通过使用诸如气体团簇离子束(gcib)之类的带电粒子束来改变材料层的抗蚀刻性来蚀刻衬底上的材料层的方法和系统。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下或在利用其他替换和/或附加方法，材料或组件的情况下实践各种实施例。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构，材料或操作，以避免使本发明的各个实施例的各方面不清楚。类似地，出于解释的目的，阐述了具体的数字，材料和配置，以便提供对本发明的透彻理解。然而，可以在没有具体细节的情况下实践本发明。此外，应当理解，附图中示出的各种实施例是说明性表示，并且不一定按比例绘制。
如本文所用，“基材”通常是指根据本发明被处理的物体。衬底可以包括设备的任何材料部分或结构，尤其是半导体或其他电子设备，并且可以例如是基础衬底结构，例如半导体晶片，或者是位于基础衬底结构之上或之上的层。作为薄膜。因此，衬底不旨在限于任何特定的基础结构，图案化或未图案化的下层或上覆层，而是设想包括任何这样的层或基础结构，以及层和/或基础的任何组合。结构。以下描述可以参考特定类型的衬底，但这仅出于说明目的，而不是限制。
如上所述，在诸如半导体材料处理的材料处理中，通常需要蚀刻衬底的各种表面。特别地，需要以对衬底上的其他材料层足够的蚀刻选择性来蚀刻材料层。例如，在图案蚀刻过程中，可以利用干法等离子体蚀刻工艺，其中等离子体是通过将诸如电磁波(rf)功率的电磁(em)能量耦合到工艺气体而由工艺气体形成的，从而加热电子并导致处理气体的原子和/或分子组成随后发生电离和离解。使用一系列干法蚀刻工艺，在初始掩模层中形成的图案(例如使用光刻工艺)被转移到薄膜叠层内的下层，包括最终所需的一个或多个材料层产品，例如电子设备。但是，如上所述，当前的材料和新材料的问世使它们在最终产品中的集成成为传统蚀刻工艺的巨大挑战。
发明人发现，可以通过在执行蚀刻工艺之前修改材料层来改变在衬底上蚀刻特定材料层的能力。例如，可以对在材料层中不存在或已经存在的特定元素缺乏或过剩的材料层进行处理，以对其进行调整，即增加或减少其在元素层中的浓度。材料层。材料层的成分的结果变量的改变可以促进对预定蚀刻工艺的抗蚀刻性的改变。
现在参考附图，其中相同的附图标记在几幅图中始终指示相应的部分，流程开始，其中使用高能带电粒子在衬底上掺杂材料层的至少一部分，以改变材料层对预定蚀刻工艺的抗蚀刻性。当经受预定蚀刻工艺时，掺杂可以改变材料层相对于衬底上的另一材料层的蚀刻选择性。可以使用任何常规技术来形成材料层，包括但不限于薄膜旋涂技术和薄膜气相沉积技术。
材料层可以包括导电的，非导电的或半导电的材料。材料层可以包括硅，金属或金属合金，或者其两种或更多种的任意组合。例如，金属可以包括ti，zr，hf，ta，w，re，ru，co，rh，ni，cu，fe或al，或其两种以上的任意组合。材料层可以包括氧化物。例如，氧化物可以包括氧化硅(siox)，氧氮化硅(sioxny)，金属硅酸盐(msiox)，金属氧氮化硅(msioxny)或金属氧化物(mox)。材料层可以包括氮化物。例如，氮化物可以包括氮化硅(siny)，氧氮化硅(sioxny)，氮化硼(bny)，金属氧氮化硅(msioxny)，金属氮化硅(msiny)或金属氮化物(mny)。材料层可以包括碳化物。例如，碳化物可以包括碳化硅(sicy)，碳化硅(sioxcy)，碳氮化硅(sicxny)，碳氮氧化硅(sioxcynz)，金属碳化物(mcy)，金属碳氮化物(mcxny)或金属碳氮氧化物(moxcynz)。另外，材料层可以包括hfo，hfsixoy，zrox，zrsixoy，tio2，ta2o5，稀土氧化物，混合稀土氧化物，稀土氮化物，混合稀土氮化物，稀土氧氮化物，混合稀土氧氮化物，氧化铝，铝氮化物，稀土氧化铝，混合稀土氧化铝，稀土氮化铝，混合稀土氮化铝，稀土氮氧化铝或混合稀土氮氧化铝。另外，材料层可以包括cofe或nife。
使用高能带电粒子对材料层进行掺杂的步骤可以包括：利用气体团簇离子束(gcib)工艺，离子束注入工艺或等离子体浸没离子注入工艺，或者其中两种或更多种的任意组合引入掺杂剂。
材料层的掺杂可以包括引入选自由b，c，si，ge，n，p，as，o，s，f，cl和br组成的组中的一种或多种元素。另外，材料层的掺杂可以包括通过材料层的厚度来调节这些元素中的任何一种或多种的浓度分布。
在掺杂之前，所选的一种或多种元素可以或可以不存在于材料层中。通过将材料层暴露于包含该元素的带电粒子束中，可以将存在于材料层中的元素的初始浓度修改为最终浓度。在此，材料层的改性可以包括调节存在于材料层中的原子元素的浓度或元素的分子排列。可以使用一种或多种带电粒子束处理在材料层中的一个或多个子层或区域处调节材料层中存在的原子元素或元素的分子排列的浓度。例如，可以使用一种或多种gcib处理来调节材料层中存在的原子元素或元素的分子排列的浓度分布。在一实施例中，使用一种或多种gcib处理来增加在材料层中不同深度处存在或不存在的元素的浓度。在另一实施例中，使用一种或多种gcib处理来降低在材料层中不同深度处存在的元素的浓度。在又一个实施例中，使用一种或多种gcib处理，增加或减少材料层中存在的第一元素的浓度，并减少材料层中存在的第二元素的浓度。在又一个实施例中，改变了材料层中存在的第一元素的浓度，并且将第二元素引入到材料层中。
根据一个示例，可以调节元素在材料层中的初始浓度，使得元素的最终浓度在元素和材料层中的其他元素之间提供基本化学计量的关系。根据另一示例，可以增加含硅和/或含金属的材料层中的氧和/或氮含量。根据又一个示例，可以降低含硅和/或含金属的材料层中的氧和/或氮含量。根据又一个示例，可以增加或减少含金属的材料层中的硅含量。
除了改变材料层中的一种或多种性能之外，可以对待处理的材料层进行预处理或后处理。例如，可以在上述掺杂工艺之前或之后，对材料层进行gcib处理，例如通过惰性束照射。另外，例如，可以在掺杂工艺之前将材料层暴露于惰性gcib，例如氩气的gcib，以改变随后的掺杂工艺的穿透深度。
此外，可以在掺杂材料层之后对材料层进行退火。可以通过热处理使材料层退火，其中，将材料层的温度在一段时间内升高到材料特定的温度。可以调节退火工艺的温度和时间，以改变材料层的性能。例如，材料层的温度可以升高到大于大约800摄氏度的值。另外，例如，材料层的温度可以升高到大于大约850摄氏度的值。例如，材料层的温度可以升高到大于大约900摄氏度的值。此外，例如，退火过程的时间可以大于大约1毫秒。退火工艺可以在大气压或减压下进行。另外，可以在有或没有惰性气体气氛下执行退火工艺。此外，退火过程可以在炉，快速热退火(rtp)系统，闪光灯退火系统或激光退火系统中进行。
根据一个实施例，所述掺杂包括：建立包含掺杂剂的gcib；选择束能量，束能量分布，束焦点和束剂量以在材料层中获得所需的掺杂剂浓度分布；加速所述掺杂。gcib以实现束能量；聚焦gcib以实现束聚焦；根据束剂量将加速的gcib照射到材料层的至少一部分上；并将掺杂剂引入到材料层的至少一部分中，以达到获得所需的掺杂剂浓度曲线。
建立gcib，其具有的每原子能量比为约0.25ev/原子至约100ev/原子。或者，建立gcib，其具有的每原子能量比为约0.25ev/原子至约10ev/原子。可替代地，建立gcib，其具有的每原子能量比为约1ev/原子至约10ev/原子。可以在gcib处理系统中形成gcib，例如下面在图5、6或7中描述的任何gcib处理系统(100、100'或100“)，或它们的任意组合。
在gcib处理系统中，在减压环境中提供包含材料层的衬底。衬底可以放置在衬底支架上，并且可以由衬底支架牢固地保持。可以控制或可以不控制衬底的温度。例如，可以在成膜过程中加热或冷却衬底。”衬底周围的环境保持在减压状态。
gcib在减压环境中生成，并且可以从加压气体混合物生成。加压气体混合物可以使用包括一种或多种气体的材料源，所述气体包含选自he，ne，ar，kr，xe，b，c，si，ge，n，p，as，o，s，f和cl。例如，材料来源包括sih4，si2h6，sih2cl2，sicl3h，甲基硅烷，二甲基硅烷，三甲基硅烷，四甲基硅烷，乙基硅烷，二乙基硅烷，三乙基硅烷，四乙基硅烷，sicl4，sif4，geh4，ge2h6，geh2cl2，gecl3h，甲基锗烷，二甲基锗烷，四甲基锗烷，乙基锗烷，二乙基锗烷，三乙基锗烷，四乙基锗烷，gecl4，gef4，n2，h2，o2，no，no2，n2o，nh3，nf3，hcl，sf6，co，co2，c2h4，ch4，c2h2，c2h6，c3h8，c4h6，c4h8，c4h10，c5h8，c5h10，c6h6，c6h10，c6h12，bf3，b2h6，ash3，asf5，ph3，pf3，pcl5或pf5，或其中两个或多个的任意组合。此外，加压气体混合物可以包括可选的惰性气体。任选的惰性气体可以包括稀有气体。
可以选择束加速电位，束剂量和/或簇大小。可以选择束加速势，束剂量和/或簇尺寸以在一个或多个材料层中实现预先指定的属性。例如，可以调整束加速势，簇大小和/或束剂量以改变材料层的材料特性，即，如下所述，改变材料中一种或多种物质的浓度。层，材料层中一种或多种物质的浓度分布，材料层中一种或多种物质的深度或其任意组合。束加速电势的范围可以高达100kv，簇的大小范围可以达到数万个原子，束剂量的范围可以高达每平方厘米1x1017簇。例如，束加速电势可以在约1kv至约70kv的范围内(即，束能量可以在约1kev至约70kev的范围内)。另外，例如，光束剂量的范围可以从每平方厘米大约1x1015簇到每平方厘米大约1x1017簇。
束加速电势可用于修改材料层中一个或多个元素的穿透深度，即增加束加速电势会增加深度，而减小束加速电势会降低深度。另外，束剂量可用于改变材料层中一种或多种元素的浓度，即，增加束剂量可增加最终浓度，而减小束剂量则可降低最终浓度。gcib根据光束加速电位而加速，并且衬底根据光束剂量暴露于gcib。
在此，光束剂量以每单位面积的簇数的单位给出。但是，光束剂量也可能包括光束电流和/或时间(例如gcib停留时间)。例如，可以测量束电流并保持恒定，而改变时间以改变束剂量。可替代地，例如，当改变时间以改变束剂量时，可以使簇每单位面积撞击衬底表面的速率(即每单位时间每单位面积的簇的数量)保持恒定。
用于gcib处理的能量范围，特别是每原子比能量的范围对于改变材料层和改变材料层以调节材料中存在的一种或多种物质的浓度是最佳的。例如，每个原子的能量比可以在每个原子约0.25ev到每个原子约100ev的范围内。可替代地，例如，每原子能量的比可以在每原子约0.25ev至每原子约10ev的范围内。每原子能量的比可以在每原子约1ev至每原子约10ev的范围内。每原子能量比可用于调节材料层中存在或不存在的一种或多种元素的浓度和/或材料层中存在一种或多种元素的深度。在降低每原子能量比的同时可减小调整深度。或者在增加每原子能量比时，可增加调整深度。
具有期望的每原子能量比的gcib的建立可以包括选择束加速电势，用于形成gcib的停滞压力，或气体流速或其任意组合。束加速势可用于增加或减少束能量或每个离子簇的能量。例如，束加速电势的增加导致最大束能量的增加，因此，对于给定的簇尺寸，每原子比的能量增加。另外，停滞压力可用于增加或减小给定簇的簇大小。例如，在gcib形成期间停滞压力的增加导致簇尺寸的增加(即，每个簇的原子数)，并且因此对于给定的束加速电位，每原子比的能量降低。
此外，可改变其他gcib特性以调整材料层的掺杂或改性，包括但不限于束能量分布，团簇尺寸分布或气体喷嘴设计(例如，喷嘴喉部直径，喷嘴长度和喷嘴发散段半角)。
步骤1)，使用预定的蚀刻工艺在掺杂之后蚀刻材料层。预定蚀刻工艺可以包括湿法蚀刻工艺，干法蚀刻工艺，干法等离子体蚀刻工艺，干法非等离子体蚀刻工艺，化学氧化物去除工艺，离子铣削工艺或gcib工艺，或其两个或多个的任意组合。例如，预定的蚀刻工艺可以包括由含卤素的气体形成等离子体。发明人已经观察到，通过在蚀刻之前对材料层进行掺杂，当使用预定的蚀刻工艺时，材料层的蚀刻速率增加或减小。在某些情况下，使用所需的预定蚀刻工艺蚀刻材料层是不可行的，掺杂材料层可以通过所需的蚀刻工艺蚀刻材料层。在某些情况下，使用预定的蚀刻工艺来蚀刻材料层是可行的，但不希望如此，对材料层进行掺杂会阻止或基本上防止通过预定的蚀刻工艺对材料层进行蚀刻。例如，在不同的蚀刻工艺中，在一个以上的材料层暴露于蚀刻剂的情况下，掺杂可以防止或基本上防止对改性材料层的蚀刻以及对另一材料层的选择性蚀刻。
蚀刻方法可以用于蚀刻材料层的任何厚度。例如，材料层的厚度可以在约1nm(纳米)至约50nm的范围内。对于掺杂剂的渗透深度小于材料层的厚度的较厚的材料层，可以交替地且顺序地进行材料层的掺杂和蚀刻。
根据另一实施例，其在衬底上形成材料层。可以使用任何常规技术来形成材料层，包括但不限于薄膜旋涂技术和薄膜气相沉积技术。
1)在衬底上形成另一材料层。可以使用任何常规技术来形成另一材料层，包括但不限于薄膜旋涂技术和薄膜气相沉积技术。材料层和/或另一材料层可以包括导电，非导电或半导电材料。另一材料层可以具有与材料层不同的组成。
2)使用高能带电粒子对衬底上的材料层的至少一部分进行掺杂。在掺杂期间可以掺杂或可以不掺杂。材料层的掺杂可以包括引入选自由b，c，si，ge，n，p，as，o，s，f，cl和br组成的组中的一种或多种元素。例如，使用高能带电粒子的掺杂可以包括使用gcib工艺，粒子束注入工艺或等离子浸没离子注入工艺，或其中两种或更多种的任意组合。
3)在掺杂之后，材料层和另一材料层被不同地蚀刻，即材料层和另一材料层以不同的蚀刻速率被蚀刻。材料层的掺杂改变了材料层与另一材料层之间的蚀刻选择性(例如，材料层的蚀刻速率与另一材料层的蚀刻速率之比)相对于可实现的标称蚀刻选择性的比率。没有掺杂的蚀刻。建立预定蚀刻工艺，以在材料层和另一材料层之间的标称蚀刻选择性来蚀刻材料层和/或另一材料层。通过掺杂材料层以及可选地掺杂另一材料层，实现了大于或小于标称蚀刻选择性的改进的蚀刻选择性。
已经描述了用于蚀刻衬底上的材料层的各种实施例，其中在蚀刻之前修改了衬底上的材料层或另一材料层的抗蚀刻性。应当注意，当毯式蚀刻或图案蚀刻毯式衬底或图案化衬底的一个或多个区域时，可以使用上述的这些蚀刻技术。如图案蚀刻领域的普通技术人员将认识到的，可以形成图案化的掩模层，该图案化的掩模层可以包括但不限于光刻层，例如辐射敏感材料或光刻胶层。抗反射涂层(arc)，有机平面化层(opl)，软掩模层或硬掩模层，或其中两种或多种的任意组合。
上述蚀刻方法可用于半导体器件和电子器件生产的许多应用中，包括但不限于逻辑器件，存储器件以及其中形成的各种结构，包括晶体管，电容器和金属互连。此外，上述蚀刻方法可以用在诸如dram(动态随机存取存储器)或sram(静态随机存取存储器)的易失性存储器以及诸如reram(电阻随机存取存储器)的非易失性存储器中。
根据一个示例，在图1中示出了一种蚀刻膜堆叠的方法，诸如具有金属栅极的晶体管栅堆叠。如图所示。参照图1a至图1d，示出了包括形成在衬底510上的多个层520至570的膜堆叠500。膜堆叠500可以例如包括具有多晶硅层550，含金属层540和高介电常数(high-k)介电层530的多晶硅(polysilicon或poly-si)栅堆叠。作为栅极电介质或栅极电介质的一部分。含金属层540可以是多晶硅栅电极的一部分。含金属层540可以是几百埃
此外，栅极电介质可以进一步包括界面层520，例如在高k电介质层530和衬底510之间的二氧化硅薄层(sio2)。高k电介质层530可以例如包括含ha层，例如氧化层(如hfo2)或硅酸铪层(如hfsio)。此外，例如，高k介电层530可以掺入金属硅酸盐或氧化物(如ta2o5(k～26)，tio2(k-80)，zro2(k～25)，al2o3；(k～9)，hfsio，hfo2(k～25)。此外，例如，高k电介质层530可以包括混合稀土氧化物，混合稀土铝酸盐，混合稀土氮化物，混合稀土氮化铝，混合稀土氧氮化物或混合稀土铝氧氮化物。
膜堆叠500还包括图案化的掩模层580，例如具有使用光刻工艺形成在其中的图案的光致抗蚀剂层。另外，例如，膜堆叠500可以包括用于图案化掩模层580的抗反射涂层(arc)层570和一个或多个硬掩模层560，例如二氧化硅(sio2)掩模用于干法刻蚀多晶硅层550。
如图1b所示，选择一系列蚀刻工艺以将图案转移到下面的膜堆叠中，包括一个或多个硬掩模层560和多晶硅层550，以保持被转移的图案的完整性，例如临界尺寸等，以及最小化对正在制造的电子设备中使用的那些层的损坏。一旦达到含金属层540或高k电介质层530，则可以在将新材料集成到栅堆叠500中时实施诸如上述的蚀刻方法以促进和/或改善向这些层的图案转移。
参照图1c，可以使用带电粒子束对含金属层540的暴露区域进行掺杂以形成掺杂区域532，然后可以对其进行蚀刻以去除掺杂区域532。3d掺杂区532可以延伸或不延伸穿过含金属层540的厚度。可以交替且顺序地执行掺杂和蚀刻，直到图案延伸穿过含金属层540。尽管没有描述，但是该方法蚀刻的步骤也可以扩展到高k介电层530。
可以将氧(o)引入到含金属层540中。另外，可以将诸如氧(o)的掺杂剂引入到一个或多个硬掩模层560和/或多晶硅层550中。例如，一个或多个硬掩模层560可以从膜堆叠500中去除或排除在膜堆叠500中，并且可以将诸如氧(o)的掺杂剂引入到多晶硅层550中。当蚀刻含金属层时540使用含卤素的等离子体，例如包含hbr，cl2或bcl3的等离子体，将o引入到含金属的层540可以增加含金属的层540的蚀刻速率，而将o引入到含金属的层540中。多晶硅层550可以降低多晶硅层550的蚀刻速率。
根据另一示例，在图2a和图2b中示出了在沟槽/掩埋电容器中蚀刻衬层的方法。参照图2a，沟槽650形成为穿过一层或多层(620、630、640)并进入衬底610中。沟槽650的形成可以包括一个或多个干蚀刻工艺，或一个或多个湿蚀刻工艺或组合工艺。其民族。形成在衬底610上的一个或多个层可以包括垫氧化物层620，中间层630和停止层640。例如，垫氧化物层620可以包括氧化硅(siox)，中间层630可以包括硅，并且停止层640可以包括氮化硅(siny)。停止层640还可以包括碳化物(例如，sicx)层，氧氮化物(例如，sioxny)层，碳氮化物(例如sicxny)层或其他介电层，可在随后的平面化和蚀刻过程中抵抗腐蚀。
垫氧化物层620可以例如通过沉积或通过氧化工艺设置在衬底610的顶部。在后者中，氧化可包括在高温(例如800℃至约1100℃)下在氧气环境中加热衬底610，直到在衬底610的表面上形成氧化物。垫氧化层620可通过传统的沉积工艺，例如但不限于：化学气相沉积(cvd)，等离子体增强cvd(pecvd)，原子层沉积(ald)，等离子体增强ald(peald)或物理气相沉积(pvd)。中间层630和停止层640也可以使用气相沉积工艺形成，例如但不限于：cvd，pecvd，ald，peald或pvd。
一旦在衬底610中形成沟槽650，就在沟槽650内沉积保形衬层660。保形衬层660可以包括电介质材料，例如高介电常数(高k)材料。高k电介质材料可以具有大于4的介电常数。例如，高k电介质材料可以包括氧化物，例如金属氧化物。另外，例如，高k介电材料可以包括氧化铝(al2o3)，氧化镧(la2o3)，氧化锆(zro2)，氧化铪(hfo2)，铝酸盐，例如铝酸铪(hfalo)，硅酸锆(zrsio4)，硅酸ha(hfsio4)或铪氮氧化硅(hfsion)。另外，例如，高k电介质材料可以包括高k材料的混合物。可以使用诸如但不限于：cvd，pecvd，ald，peald或pvd的气相沉积工艺来沉积保形衬层660。
沟槽650填充有块状填充材料680。块状填充材料680可以用作沟槽/埋入式电容器中的电极或电极的一部分。块状填充材料680可以包括多晶硅(poly-silicon)。沟槽填充工艺可以包括气相沉积工艺，例如但不限于：cvd，pecvd或pvd。
另外，电极层670可以设置在保形衬里660和块状填充材料680之间。电极层670可以包括未掺杂的多晶硅，掺杂的多晶硅，钽(ta)，氮化钽(tan)，钽钛(tati)，钽铂(tapt)，钽氮化硅(tasin)，钛(ti)，氮化钛(tin)，铝化钛(ti3al)，氮化铝钛(ti2ain)，钨(w)，氮化钨(wn)，硅化钨(wsi)，铪(hf)，氮化铪(hfn)，铌(nb)，钼(mo)，氮化钼(mo2n)，钌(ru)，二氧化钌(ruo2)，硅化镍(nisi)，钯(pd)，铱(ir)，铂(pt)，钴(co)，硅化钴(cosi)或硅化铝(aisi)或其中两种或多种的任意组合。可以使用诸如但不限于：cvd，pecvd，ald，peald或pvd的气相沉积工艺来沉积电极层670。
如图2b所示。可以使用蚀刻和/或平坦化工艺对块状填充材料680进行修整，以在块状填充材料680上留下暴露的表面682，并暴露出保形衬里660的过量部分和电极层670的过量部分。可以使用高能带电粒子对共形衬层660的一部分和/或电极层670的多余部分进行掺杂，以形成掺杂区(未示出)，然后可以对其进行蚀刻以去除掺杂区。”延伸穿过共形衬里660或电极层670的厚度。此外，可以选择掺杂剂，使得将掺杂剂引入到共形衬里660和/或电极层670中会降低共形衬层660的抗蚀刻性和/或电极层670进行预定的蚀刻工艺，而将掺杂剂引入到块状填充材料680中则增加了块状填充材料680对预填充材料的耐蚀刻性。确定的蚀刻工艺。在去除共形衬层660和/或电极层670期间对块状填充材料的保护可以减少或防止在暴露表面682处形成凹陷。可以交替地且顺序地进行掺杂和蚀刻，直到掺杂表面被去除为止。保形衬层660的多余部分662和/或电极层670的多余部分被去除。
例如，可以将诸如氧(o)的掺杂剂引入到共形衬里660和/或电极层670以形成氧化衬里或氧化电极层。另外，可以将诸如氧(o)的掺杂剂引入到块状填充材料680中以形成氧化的表面层(例如，siox)。当使用诸如含hbr，cl2或bcl3的含卤素的等离子体蚀刻共形衬层660和/或电极层670时，将o引入到共形衬垫660和/或电极层670中。因为块状填充材料680可以增加这些层之间的蚀刻选择性。
根据另一示例，上述蚀刻方法可以用于硬盘驱动器中的读取头的磁性隧道结的生产中。磁性隧道结包括两个由薄绝缘膜隔开的铁磁膜。铁磁膜可以例如包括cofe或nife，其需要通过蚀刻技术来图案化。为了提高蚀刻这些材料的能力，在执行蚀刻工艺之前，可以对它们进行高能带电粒子处理，以改变其抗蚀刻性。例如，可以将氧(o)引入铁磁膜中，以降低其对金属氧化物腐蚀化学物质的抗腐蚀能力。
根据又一示例，可以在reram器件的生产中利用上述蚀刻方法。reram器件可能包括一系列包含ti：nio和tiox的薄膜，这需要通过蚀刻技术进行图案化。为了提高蚀刻这些材料的能力，在执行蚀刻工艺之前，可以对它们进行高能带电粒子处理，以改变其抗蚀刻性。例如，可以在ti：nio膜中引入硅(si)，以降低其对硅蚀刻化学的耐蚀性。
现在参考图3，根据一个实施例描绘了用于掺杂或修改如上所述的材料层或结构的成分的gcib处理系统100。gcib处理系统100包括真空容器102，衬底保持器150，要被处理的衬底152固定在其上，以及真空泵送系统170a，170b和170c。衬底152可以是半导体衬底，晶片，平板显示器(fpd)，液晶显示器(lcd)或任何其他工件。gcib处理系统100被配置为产生用于处理衬底152的gcib。
gcib处理系统100。如图3所示，真空容器102包括三个连通室，即，源室104、10加速/加速室106和处理室108，以提供减压外壳。分别通过真空泵系统170a，170b和170c将三个腔室排空至合适的工作压力。在三个连通室104、106、108中，可在第一室(源室104)中形成气体团簇束，而在第二室中可形成gcib(电离/加速室106)，其中气体团簇束被电离并被加速。然后，在第三腔室(处理腔室108)中，可以利用加速的gcib来处理衬底152。
尽管提供了用于晶体管栅极和沟槽电容器应用的特定示例，但是如上所述的蚀刻方法可以用于需要蚀刻的任何衬底处理中。
参照图3，gcib处理系统100可以包括一个或多个气体源，该气体源被配置为将一种或多种气体或气体混合物引入真空容器102。第一气体控制阀113a至一个或多个气体计量阀113。另外，例如，存储在第二气体源112中的第二气体成分在压力下通过第二气体控制阀113b进入一个或多个气体计量阀113。此外，例如，第一气体成分或第二气体成分或两者可包括可冷凝的惰性气体，载气或稀释气体。例如，惰性气体，载气或稀释气体可包括稀有气体，即，he，ne，ar，kr，xe或rn。
此外，第一气体源111和第二气体源112可以单独使用或彼此结合使用以产生电离簇。材料组成可以包括期望引入材料层中的元素的主要原子或分子种类。
包含第一气体成分或第二气体成分或两者的高压，可冷凝气体通过供气管114进入停滞室116，并通过适当形状的喷嘴110喷射到压力较低的真空中。从停滞室116到源室104低压区域的高压，可冷凝气体中，气体速度加速到超音速，气体簇射束118从喷嘴110发出。
射流的固有冷却以静态焓交换为动能，动能是由射流的膨胀所引起的，导致一部分射流冷凝并形成具有簇的气体簇束118，每个簇由数个到数个组成一千个弱结合的原子或分子。气体分离器120位于源室104和电离/加速室106之间的喷嘴110出口的下游，该气体分离器120将气体团簇束118的外围边缘上的部分气体分子部分分离，这些气体分子可能尚未凝结成团，气体团簇束118的核心中的气体分子中可能已经形成团簇。在其他原因中，气体簇束118的一部分的这种选择可以导致下游区域中的压力降低，在下游区域中，较高的压力可能是有害的(例如，电离器122和处理室108)。此外，气体分离器120为进入电离/加速室106的气体团簇束定义初始尺寸。
在源室104中形成气体团簇束118之后，气体团簇束118中的组成气体团簇被电离器122电离以形成gcib128。离子发生器122可以包括电子撞击电离器，其从电子产生电离器。一根或多根细丝124，被加速并被引导与电离/加速室106内部的气体簇束118中的气体簇碰撞。在与气体簇碰撞时，足够能量的电子从气体分子中释放出电子团簇产生电离的分子。气体团簇的电离可导致大量带电的气体团簇离子，通常具有净正电荷。
如图3所示，束电子器件130用于电离，提取，加速和聚焦gcib128。束电子器件130包括灯丝电源136，该灯丝电源136提供电压vf来加热离子发生器灯丝124。
另外，束电子器件130在电离/加速室106中包括一组适当偏置的高压电极126，其从电离器122中提取簇离子。然后，高压电极126将提取的簇离子加速至期望的能量，并且集中精力定义gcib128。gcib128中簇离子的动能通常在约1000电子伏特(1kev)至数十kev的范围内。例如，gcib128可以加速到1至100kev。
如图4所示，束电子器件130还包括阳极电源134，其向电离器122的阳极提供电压va，以加速从灯丝124发射的电子并使电子轰击气体簇束118中的气体簇，从而产生簇离子。另外，如图3所示，如图4所示，束电子器件130包括提取电源138，其提供电压vee以偏置至少一个高压电极126，以从电离器122的电离区域提取离子并形成gcib128。例如，提取电源138提供高压电极126的第一电极的电压小于或等于离子发生器122的阳极电压。
此外，电子束130还可以包括一个加速器电源140，该加速器电源140提供电压vacc以相对于电离器122偏置高压电极126之一，从而产生等于vacc电子伏特的总gcib加速能量(ev)。例如，加速器电源140向高压电极126的第二电极提供小于或等于电离器122的阳极电压和第一电极的提取电压的电压。
此外，束电子器件130可以包括透镜电源142、144，可以提供该透镜电源142、144以用电位(例如，vl1和vl2)偏置一些高压电极126以聚焦gcib128。例如，透镜电源142可以向高压电极126中的第三电极提供一个电压，该电压应小于或等于离子发生器122的阳极电压，第一电极的提取电压和第二电极的加速器电压以及透镜电源144可以向高压电极126的第四电极提供小于或等于电离器122的阳极电压，第一电极的提取电压，第二电极的加速器电压和第一透镜的电压第三电极的电压。
注意，可以使用关于电离和提取方案的许多变体。尽管此处介绍的方案对于说明很有用，但另一种提取方案包括将电离器和提取电极的第一个元件(或提取光学器件)置于vacc。这通常需要对电离器电源进行控制电压的光纤编程，但会创建更简单的整体光学系统。无论离子发生器和提取透镜偏置的细节如何，本文所述的发明都是有用的。高压电极126下游的电离/加速室106中的光束过滤器146可用于消除gcib128中的单体或单体和轻团簇离子，从而确定进入处理室108的已过滤过程gcib128a。在一个实施例中，光束滤光器146实质上减少了具有100个或更少的原子或分子或两者的簇的数量。射束滤波器可包括磁体组件，该磁体组件用于在gcib128上施加磁场以辅助滤波过程。
仍然参考图3，束门148设置在电离/加速室106中的gcib128的路径中。束门148具有打开状态，其中允许gcib128从电离/加速室106进入处理腔室108以限定过程gcib128a，并且处于关闭状态，其中gcib128被阻止进入处理腔室108。控制电缆将控制信号从控制系统190传导到光束门148。控制信号可控地切换光束门148在打开或关闭状态之间。
衬底152，其可以是晶片或半导体晶片，平板显示器(fpd)，液晶显示器(lcd)，或将通过gcib处理来处理的其他衬底，被布置在处理gcib128a的路径中。因为大多数应用都希望以空间均匀的结果处理大型衬底，所以可能需要一种扫描系统来在大面积上均匀地扫描工艺gcib128a以产生空间均匀的结果。
x扫描致动器160在x扫描运动的方向上(进出纸平面)提供衬底支架150的线性运动。y扫描致动器162在y扫描运动164的方向上提供衬底保持器150的线性运动，该方向通常正交于x扫描运动。x扫描和y扫描运动的组合通过过程gcib128a以光栅状扫描运动来平移由衬底保持器150保持的衬底152，以引起对衬底表面的均匀(或以其他方式编程的)照射。通过工艺gcib128a进行衬底152的处理。
衬底保持器150相对于工艺gcib128a的轴线成一定角度布置衬底152，使得工艺gcib128a相对于衬底152表面具有光束入射角166。光束入射角166可以为90度或其他某个角度，但通常为90度或接近90度。在y扫描期间，衬底152和衬底保持器150从所示位置移动到分别由指示符152a和150a指示的交替位置“a”。注意，在两个位置之间移动时，衬底152通过过程gcib128a扫描，并且在两个极端位置中，衬底152都完全移出了过程gcib128a的路径(过扫描)。尽管在图3中未明确示出，但是在(通常)正交的x扫描运动方向(在纸面内外)执行类似的扫描和过扫描。
可以在过程gcib128a的路径中将束电流传感器180布置在衬底保持器150的上方，以便当衬底保持器150被从过程gcib128a的路径中扫描出时拦截过程gcib128a的样品。射束电流传感器180通常是法拉第杯或类似物，除了射束进入开口是封闭的，并且通常通过电绝缘底座182固定在真空容器102的壁上。
如图3所示，控制系统190通过电缆连接到x扫描致动器160和y扫描致动器162，并且控制x扫描致动器160和y扫描致动器162以便将衬底152放入或放出衬底152。处理gcib128a并相对于处理gcib128a均匀地扫描衬底152，以通过处理gcib128a实现对衬底152的期望处理。控制系统190通过电缆接收由束电流传感器180收集的采样束电流，并由此监视gcib并通过在工艺过程中从工艺gcib128a中移出衬底152来控制由衬底152接收的gcib剂量。预定剂量已交付。
参照图4，gcib处理系统100'可以类似于图3的实施例，并且还包括x-y定位台253，该x-y定位台253可操作以在两个轴上保持和移动衬底252，从而相对于工艺gcib128a有效地扫描衬底252。例如，x动作可以包括进出纸平面的运动，而y动作可以包括沿方向264的运动。
工艺gcib128a在衬底252的表面上的突出的冲击区域286处以及相对于衬底252的表面以光束入射角266的角度冲击衬底252。通过xy运动，xy定位台253可以在工艺gcib128a的路径中定位衬底252的表面的每个部分，使得可以使表面的每个区域与投射的冲击区域286重合，以通过工艺gcib128a进行处理。x-y控制器262通过电缆将电信号提供给x-y定位台253，以控制x-轴和y-轴方向上的位置和速度。x-y控制器262通过电缆从控制系统190接收控制信号，并且可由控制系统190操作。x-y定位台253根据常规的x-y台定位技术通过连续运动或步进运动而移动，以将衬底252的不同区域定位在投影冲击区域286内。在一个实施例中，xy定位台253可通过以下方式可编程地操作：控制系统190以可编程的速度扫描衬底252的任何部分穿过投射的撞击区域286，以通过过程gcib128a进行gcib处理。
定位台253的衬底保持表面254是导电的并且连接到由控制系统190操作的剂量测定处理器。定位台253的电绝缘层255将衬底252和衬底保持表面254与定位的基部260隔离。通过撞击过程gcib128a在衬底252中感应出的电荷通过衬底252和衬底保持表面254传导，并且信号通过定位台253耦合到控制系统190以进行剂量测定。剂量测定法具有用于对gcib电流进行积分以确定gcib处理剂量的积分装置。在某些情况下，可以使用目标中和源的电子(未显示)来中和过程gcib128a。在这种情况下，尽管增加了电荷源，法拉第杯(未示出，但可能与图3中的束电流传感器180相似)仍可用于确保准确的剂量测定，原因是典型的法拉第杯仅允许高能正离子进入并被测量。
在操作中，控制系统190向光束门148的打开发出信号以用工艺gcib128a辐照衬底252。控制系统190监视由衬底252收集的gcib电流的测量，以便计算由衬底252接收的累积剂量。当由衬底252接收的剂量达到预定剂量时，控制系统190关闭束门148并进行处理。衬底252的一面完成。根据给定面积的衬底252收到的gcib剂量的测量结果，系统190可以调节扫描速度以便获得适当的束停留时间以处理衬底252的不同区域。
可替代地，可以以恒定的速度在衬底252的表面上以固定的模式扫描工艺gcib128a；然而，调制gcib强度(可以称为z轴调制)以递送有意地不均匀剂量的样品。可以通过多种方法中的任何一种在gcib处理系统100'中调节gcib强度，包括改变来自gcib源的气体流量；通过改变灯丝电压vf或改变阳极电压va来调节离子发生器122；以及通过改变灯丝电压vf或改变阳极电压va来调节离子发生器122。通过改变透镜电压vl1和/或vl2来调制透镜焦点；或者用可变光束块，可调快门或可变光圈来机械阻挡gcib的一部分。调制变化可以是连续的模拟变化，或者可以是时间调制的切换或门控。
处理室108可以进一步包括原位计量系统。例如，原位计量系统可以包括具有光发送器280和光接收器282的光诊断系统，光发送器280和光接收器282被配置为分别用入射光信号284照射衬底252并且从衬底252接收散射光信号288。光学诊断系统包括光学窗口，以允许入射的光学信号284和散射的光学信号288进出处理室108。此外，光学发射器280和光学接收器282可以包括发射和接收光学器件。光学发送器280接收并响应于控制来自控制系统190的电信号。光学接收器282将测量信号返回到控制系统190。
原位计量系统可以包括配置为监视gcib处理进度的任何仪器。
根据一个实施例，原位计量系统可以构成光学散射测量系统。散射测量系统可以包括散射仪，其结合了光束轮廓椭圆仪(椭圆仪)和光束轮廓反射仪(反射仪)，可从therma-wave，inc.(1250relianceway，fremont，calif.94539)或nanometrics，inc。(1550)购得。例如，原位计量系统可以包括集成的光学数字轮廓仪(iodp)散射测量模块，该模块被配置为测量由在gcib处理系统100“中执行处理过程而产生的过程性能数据。计量系统可以例如是，可以测量或监控处理过程产生的计量数据，例如，可以利用计量数据来确定表征处理过程的过程性能数据，例如处理速率，相对处理速率，特征轮廓角，临界尺寸，特征厚度或深度，特征形状等。例如，在将材料定向沉积到衬底上的过程中，过程性能数据可以包括临界尺寸(cd)，例如顶部，中间或底部cd的特征(例如，通孔，线等)，特征深度，材料厚度，侧壁角度，侧壁形状，沉积速率，相对沉积速率，空间d任意参数的分布，表征其任何空间分布的均匀性的参数等。通过控制系统190的控制信号操作x-y定位台253，原位计量系统可以绘制衬底252的一个或多个特征。
在图5所示的实施例中，gcib处理系统100”可以类似于图3的实施例，并且还包括压力室350，该压力室例如位于电离/加速室的出口区域处或附近。106压力传感器腔室350包括惰性气体源352和压力传感器354，该惰性气体源352构造成将背景气体供应到压力传感器腔室350中，以升高压力传感器腔室350中的压力，压力传感器354用于测量压力传感器腔室中的升高的压力。压力单元腔室350可以被配置成修改gcib128的束能量分布以产生修改的处理gcib128a。束能量分布的这种改变是通过沿着压力容器腔室350内的增加的压力区域沿着gcib路径引导gcib128来实现的，使得gcib的至少一部分横越增加的压力区域。束能量分布的改变程度可以通过沿着gcib路径的至少一部分的压力-距离积分来表征，其中距离(或压力室350的长度)由路径长度(d)表示。当压力-距离积分的值增加时(通过增加压力和/或路径长度(d))，束能量分布变宽，峰值能量减小。当压力-距离积分的值减小时(通过减小压力和/或路径长度(d))，束能量分布变窄，峰值能量增加。压力盒设计的更多细节可以参考美国专利no.7，060，989，标题为“利用气体团簇离子束改进处理的方法和装置”。
控制系统190包括一个微处理器，一个存储器和一个数字i/o端口，该端口能够生成足以传送和激活输入至gcib处理系统100(或100'，100”)的控制电压，以及监视来自gcib处理系统的输出100(或100，100“)。此外，控制系统190可以与真空泵系统170a，170b和170c，第一气体源111，第二气体源112，第一气体控制阀113a，第二气体控制阀113b，束电子装置130耦合并交换信息。光束过滤器146，光束门148，x扫描致动器160，y扫描致动器162和束电流传感器180。例如，存储在存储器中的程序可用于激活对上述部件的输入gcib处理系统100根据处理配方以便在衬底152上执行gcib处理。
然而，控制系统190可以被实现为响应于处理器执行存储器中包含的一个或多个指令的一个或多个序列而执行本发明的基于微处理器的处理步骤的一部分或全部的通用计算机系统。这样的指令可以从诸如硬盘或可移动介质驱动器的另一计算机可读介质读入控制器存储器。多处理装置中的一个或多个处理器也可以用作控制器微处理器，以执行包含在主存储器中的指令序列。在替代实施例中，可以使用硬连线电路代替软件指令或与软件指令结合使用。因此，实施例不限于硬件电路和软件的任何特定组合。
如上所述，控制系统190可以用于配置任意数量的处理元件，并且控制系统190可以从处理元件收集，提供，处理，存储和显示数据。控制系统1i90可以包括许多应用程序以及许多控制器，用于控制一个或多个处理元件。例如，控制系统190可以包括图形用户界面(gui)组件(未示出)，该图形用户界面(gui)组件可以提供使用户能够监视和/或控制一个或多个处理元件的界面。
控制系统190可以相对于gcib处理系统100(或100“，100”)位于本地，也可以相对于gcib处理系统100(或100“，100”)位于远处。例如，控制系统190可以使用直接连接，内联网和/或互联网与gcib处理系统100交换数据。控制系统190可以耦合到例如客户现场(例如，设备制造商等)的内部网，或者可以耦合到例如供应商现场(例如，设备制造商)的内部网。替代地或另外地，控制系统190可以耦合到互联网。
衬底152(或252)可以通过未示出的夹紧系统(例如机械夹紧系统或电气夹紧系统(例如，静电夹紧系统))固定到衬底保持器150(或衬底保持器250)上。衬底支架150(或250)可以包括加热系统(未示出)或冷却系统(未示出)，该加热系统被配置为调节和/或控制衬底支架150(或250)和衬底152(或252)的温度。。
真空泵系统170a，170b和170c可以包括涡轮分子真空泵(tmp)，该泵能够以每秒约5000升(或更高)的速度泵送速度，以及用于节流腔室压力的闸阀。在常规的真空处理设备中，可以采用每秒1000至3000升的tmp。tmp可用于低压处理，通常小于50mtorr。尽管未示出，但是可以理解，压力传感器腔室350也可以包括真空泵系统。此外，用于监测腔室压力的装置(未示出)可以连接至真空容器102或三个真空腔室104、106、108中的任何一个。压力测量装置可以是例如电容式压力计或电离计。
现在参考图。参照图6，气体团簇电离器(122，图3-5)的部分300，其用于使气体团簇射流电离(气体团簇束118)被显示。截面300与gcib128的轴垂直。对于典型的气体团簇尺寸(2000至15000个原子)，团簇离开分离器孔(120，图3-5)并进入电离器(122，图3-5)将以约130至1000电子伏特(ev)的动能行进。在这些低能量下，电离器122内空间电荷中性的任何偏离都将导致射流的快速分散，并显着损失电子束电流。图6示出了自中和离子发生器。与其他离子发生器一样，气体团簇也被电子撞击电离。在该设计中，从多个线性热电子灯丝302a，302b和302c(通常是钨)发射热电子(由310表示的七个例子)，并通过电子排斥电极306a提供的适当电场的作用将热电子提取并聚焦。306b和306c以及束形成电极304a，304b和304c。热电子310穿过气体团簇射流和射流轴，然后撞击相对的束形成电极304b以产生低能二次电子(312、314，以316为例)。
尽管线性热电子灯丝302b和302c也产生热电子，这些热电子随后产生低能的二次电子。所有二次电子通过提供低能电子来帮助确保电离团簇射流保持空间电荷中性，这些低能电子可以根据需要被吸引到正离子化气体团簇射流中，以保持空间电荷的中性。束形成电极304a，304b和304c相对于线性热电子细丝302a，302b和302c正偏，电子排斥电极306a，306b和306c相对于线性热电子细丝302a，302b和306c负偏。302c。绝缘体308a，308b，308c，308d，308e和308f电绝缘和支撑电极304a，304b，304c，306a，306b和306c。例如，这种自中和离子发生器是有效的，可达到1000微安以上的氩气gcib。
或者，电离器可使用从等离子体中提取电子来使团簇电离。这些电离器的几何形状与上述三灯丝电离器有很大不同，但是工作原理和电离器控制非常相似。现在参考图。参照图7，气体团簇电离器(122，图3-5)的部分400，其用于使气体团簇射流(气体团簇束118)电离。图5，6和7)被示出。截面400垂直于gcib128的轴线。对于典型的气体团簇尺寸(2000至15000个原子)，团簇离开撇渣器孔(120，图1和2)。进入电离器(122，图3-5)将以约130到1000电子伏特(ev)的动能行进。在这些低能量下，任何离离电离器122中的空间电荷中性的情况都将导致射流的快速分散，并显着损失电子束电流。图7示出了自中和离子发生器。与其他离子发生器一样，气体团簇也被电子撞击电离。
电离器包括由支撑板(未示出)支撑并电连接的细杆阳极电极452的阵列。细棒阳极电极452的阵列与气体簇束(例如，气体簇束118)的轴线基本同心。电离器还包括由另一根支撑板(未显示)支撑并电连接的细杆电子排斥棒458的阵列。细棒电子排斥电极458的阵列与气体簇束(例如，气体簇束118，图3-5)的轴线基本同心。离子发生器还包括由另一根支撑板支撑并电连接的细棒离子排斥器电极464阵列。细棒离子排斥器电极464阵列与气体团簇的轴线基本同心束(例如气体团簇束118，图3-5)。
从等离子电子源470将高能电子提供给束区域444。等离子电子源470包括在其中在等离子区域442中形成等离子体的等离子室472。等离子电子源470进一步包括热电子丝476，气体进入孔426热离子灯丝476通过绝缘子477与等离子体室470绝缘。作为示例，热离子灯丝476可以包括在“辫子”中具有半匝的钨丝配置。
气体团簇电离器的部分400包括具有多个孔482的电子加速电极488。另外，部分400包括具有多个孔484的电子减速电极490。多个孔482、多个孔484和多个引出孔480均从等离子体区域442到电子束区域444对准。诸如稀有气体的等离子体形成气体通过气体进入孔426进入等离子体室472。绝缘气体进料管线422将加压的等离子体形成气体提供给远程可控气阀424，该气体可调节阀424控制等离子体形成的进入气体进入等离子体室472。
灯丝电源408提供灯丝电压(vf)，以驱动电流通过热电子灯丝476，以激发热电子发射。灯丝电源408在3至5v(伏特)下可控地提供约140至200a(安培)的电流。电弧电源410可控地提供电弧电压(va)，以使等离子体室472相对于热电子灯丝476正向偏置。电弧电源410通常在固定电压(通常为约35v)下操作，并提供用于使等离子体室472加速的装置。等离子体室472内的电子形成等离子体。控制灯丝电流以调节由电弧电源410提供的电弧电流。电弧电源410能够向等离子弧提供高达5a的电弧电流。
电子减速电极490通过电子偏压电源412相对于等离子体室472正偏压。电子偏压电源412提供在30至400v范围内可控制地调节的偏压(vb)。电子加速电极488电子提取电源416相对于电子减速电极490正偏置。电子提取电源416提供可控制在20至250v范围内的电子提取电压(vee)。加速电源420提供加速电压(vacc)以使细棒阳极电极452和电子减速电极490的阵列相对于大地偏置为正。vacc是由部分400中所示的气体团簇电离器产生的气体团簇离子的加速电位，可在1至100kv的范围内控制和调节。电子推斥极电源414提供电子推斥极偏置电压(ver)，以使细棒电子推斥极电极458的阵列相对于vacc偏置为负。ver可在从50v到100v的范围内控制。离子排斥器电源418提供离子排斥器偏置电压(vir)以使细棒离子排斥器电极464的阵列相对于vacc为正，vir可控。范围从50到150v。
光纤控制器430在电缆434上接收电控制信号，并在控制链路432上将其转换为光信号，以使用来自接地控制系统的信号控制在高电势下工作的组件。光纤控制链接432将控制信号传送到远程可控气阀424，灯丝电源408，电弧电源410，电子偏置电源412，电子推斥极电源414，电子提取电源416和离子推斥极电源418。
例如，电离器的设计可以类似于美国专利no.5,235,824中所述的电离器。美国专利no.7，173，252，标题为“用于气团簇离子束形成的离子发生器和方法”；其内容通过引用整体并入本文。
气体团簇电离器(122，图3-5)可以配置为通过更改gcib128的电荷状态来更改gcib128的束能量分布。例如，可以通过调整电子通量，电子能量或电子能量来更改电荷状态电子碰撞引起的气体团簇电离中利用的电子分布。
尽管上面仅详细描述了本发明的某些实施例，但是本领域技术人员将容易认识到，在不实质上脱离本发明的新颖教导和优点的情况下，可以对实施例进行许多修改。因此，所有这样的修改旨在被包括在本发明的范围内。
1.用带电粒子修正材料层的刻蚀速率的方法，其特征是，包括：提供一种衬底，该衬底具有在组成上第一材料层和第二材料层，其中所述第一材料层的特征在于第一标称蚀刻速率，而所述第二材料层的特征在于第二标称蚀刻速率与当所述第一材料层和所述第二材料层同时暴露于预定蚀刻工艺时，所述第一标称蚀刻速率；同时将所述第一材料层和所述第二材料层暴露于气体团簇离子束(gcib)以调节所述第一材料层和所述第二材料层的每一个材料层中的元素的浓度；并且在所述暴露之后，同时蚀刻所述第一材料层和所述第二材料层；第二材料层以不同的预定蚀刻工艺使用，其中所述暴露所述第一材料层和第二材料层相对于所述第一标称蚀刻速率增加了所述第一材料层的蚀刻速率，从而降低了所述第二材料的蚀刻速率相对于所述第二标称蚀刻速率的层，并且相对于通过所述蚀刻而无需进行所述调整即可获得的标称蚀刻选择性，增加所述第一材料层和所述第二材料层之间的蚀刻选择性，所述标称蚀刻选择性定义为所述第一材料层与所述第二材料层之间的蚀刻选择性；标称蚀刻速率至所述第二标称蚀刻速率；
所述暴露在包括引入选自由b，c，si，ge，n，p，as，o，s，f，cl和br组成的组中的一种或多种元素；
所述暴露在包括：建立包含所述元素作为掺杂剂的所述气体团簇离子束(gcib)；
选择束能量，束能量分布，束焦点和束剂量，以在所述第一和第二材料层中获得所述掺杂剂的期望浓度分布；
加速所述gcib以获得所述束能量；聚焦所述gcib以获得所述束聚焦；
根据所述束剂量将所述加速的gcib辐射到所述第一和第二材料层的至少所述部分上；并且将所述掺杂剂引入到所述第一和第二材料层的至少所述部分中，以实现所述掺杂剂的所需浓度分布。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述束剂量在每厘米约1×1015个簇到每厘米约1×1017个簇的范围内；
所述束能量在约1kev至约70kev的范围内；
所述gcib包括每原子能量比，范围从每原子约0.25ev到每原子约100ev。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定蚀刻工艺包括湿蚀刻工艺，干蚀刻工艺，干等离子体蚀刻工艺，干非等离子体蚀刻工艺，化学氧化物去除工艺，离子去除工艺或gcib程序，或其两个或多个的任何组合；所述预定蚀刻工艺包括由含卤素的气体形成等离子体。
4.一种蚀刻方法，其特征是，包括：提供一种衬底，该衬底具有在组成上不同于所述第一材料层的第一材料层和第二材料层，其中所述第一材料层的特征在于具有第一标称蚀刻速率，而所述第二材料层的特征在于具有第二标称蚀刻速率；当所述第一材料层和所述第二材料层同时暴露于预定蚀刻工艺时的所述第一标称蚀刻速率，所述预定蚀刻工艺从所述第一材料层和第二材料层两者中去除一种材料；
使用高能带电粒子对所述第一材料层和所述第二材料层进行掺杂，以形成第一掺杂材料层和第二掺杂材料层；并在所述掺杂之后，通过同时暴露于所述预定蚀刻工艺，其中，掺杂所述第一材料层和所述第二材料层相对于所述第一标称蚀刻速率改变所述第一材料层的蚀刻速率，并改变所述第一掺杂材料层与所述第一掺杂材料层之间的蚀刻选择性；所述第二掺杂材料层相对于在没有所述掺杂的情况下通过所述蚀刻可获得的标称蚀刻选择性，所述标称蚀刻选择性定义为所述第一标称蚀刻速率与所述第二标称蚀刻速率的比率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述掺杂包括引入一种或多种选自由b，c，si，ge，n，p，as，o，s，f，cl和br组成的组的元素；其中，所述掺杂包括使用气体团簇离子束(gcib)工艺，离子束注入工艺，或等离子体浸没离子注入工艺或其两种或更多种的任意组合来引入掺杂剂。
所述掺杂包括：建立包含掺杂剂的气体团簇离子束(gcib)；
选择束能量，束能量分布，束焦点和束剂量，以在所述第一和第二掺杂材料层中实现所述掺杂剂的期望浓度分布；
加速所述gcib以获得所述束能量；聚焦所述gcib以获得所述束聚焦；
根据所述束剂量将所述加速的gcib辐射到所述第一和第二材料层的至少一部分上；并且将所述掺杂剂引入到所述第一和第二材料层的所述至少一部分中，以实现所述掺杂剂的所述期望的浓度分布。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述蚀刻包括湿法蚀刻工艺，干法蚀刻工艺，干法等离子体蚀刻工艺，干法非等离子体蚀刻工艺，化学氧化物去除工艺，离子铣削工艺或gcib工艺。，或其中两个或多个的任意组合。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征是，用于所述掺杂的穿透深度小于要蚀刻到所述第一材料层的厚度中的目标深度，所述方法还包括：
交替且顺序地执行所述掺杂和所述蚀刻，以将所述第一掺杂材料层蚀刻至所述目标深度，并差分蚀刻所述第一掺杂材料层和所述第二掺杂材料层。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一材料层是用于磁性隧道结的电极层，其包括含金属的层，并且所述第二材料层包括用于图案化所述电极层的图案化的掩模层，并且其中，所述第一层材料层和所述第二材料层掺杂有氧。
或所述第一材料层是电阻性ram器件中的包括含金属层的层，并且所述第二材料层包括用于对所述电阻性ram器件进行构图的图案化掩模层。材料层和所述第二材料层掺杂有硅。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述第一材料层是沟槽电容器中的衬里或电极层，所述衬里或电极层包括含金属的层以及所述第二材料层。材料层包括用于所述沟槽电容器的块状填充材料，并且其中所述第一材料层和所述第二材料层掺杂有氧。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述第一材料层是晶体管栅中的高k或栅电极层，其包括含金属的层，并且所述第二材料层包括用于对所述晶体管栅进行构图的构图的掩模层，并且其中所述第一材料层和所述第二材料层掺杂有氧。
技术总结