(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板の表面を改質するために、チャンバ内に位置する前記基板をハロゲン含有ガスに晒し、
（ｂ）前記基板の１つまたは複数の層をエッチングするために前記基板を活性化ガスおよび活性化源に暴露し、
（ｃ）（ａ）および（ｂ）の際、揮発性種を形成するために、前記ハロゲン含有ガスと、前記基板の前記１つまたは複数の層の材料との両方に反応する反応性材料を前記チャンバに提供すること
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記反応性材料は、シリコン含有材料、チタン含有材料、ゲルマニウム含有材料、スズ含有材料、炭素含有材料、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記ハロゲン含有ガスは、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＢＢｒ３、ＢＩ３、Ｆ２、ＢＦ３、Ｂｒ２、Ｉ２、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、（ａ）および（ｂ）は２以上のサイクルで反復される方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、（ａ）〜（ｃ）は真空を破ることなく実行される方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、（ｃ）は、金属含有副生成物の再堆積を緩和する方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、前記基板の前記１つまたは複数の層の前記材料は、第４周期遷移金属、第５周期遷移金属、第６周期遷移金属、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、前記基板の前記１つまたは複数の層の前記材料は誘電材料を備える方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、第４周期遷移金属、第５周期遷移金属、第６周期遷移金属、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される前記金属と、前記誘電材料とは、前記基板の隣接する層である方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記誘電材料はＭｇＯであり、前記誘電材料は、ＣｏＦｅを含む層と、ＣｏＰｔを含む層との両方に隣接している方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法であって、
（ｄ）第４周期遷移金属、第５周期遷移金属、第６周期遷移金属、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される前記金属を、約０Åから約１０Åの間の残厚までエッチングし、
（ｅ）前記金属層をエッチングした後、前記誘電材料を前記ハロゲン含有ガスに曝露することなく前記基板を前記活性化ガスおよび前記活性化源に曝露することにより、前記誘電材料をエッチングすること
をさらに備える方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、（ｅ）の前記活性化ガスは、アルゴン、炭酸ガス、アンモニア、水素含有ガス、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される方法。
【請求項１３】
請求項２に記載の方法であって、前記反応性材料はチタン含有材料であり、酸化チタンおよび窒化チタンからなる群より選択される方法。
【請求項１４】
請求項２に記載の方法であって、前記反応性材料はシリコン含有材料であり、シリコン窒化物、シリコン酸化物、またはシリコンからなる群より選択される方法。
【請求項１５】
請求項４に記載の方法であって、前記２以上のサイクルは、第１組の金属層と誘電体層とをエッチングし、（ｃ）は、前記誘電体層をエッチングした後、前記誘電体層の下層である第２組の金属層をエッチングするまでの間に実行される方法。
【請求項１６】
請求項４に記載の方法であって、（ｃ）は、（ａ）および（ｂ）が前記２以上のサイクルで反復された後で反復される方法。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法であって、前記活性化源はプラズマであり、（ｃ）の際の前記プラズマの出力は約５００Ｗから約１５００Ｗの間である方法。
【請求項１８】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法であって、前記ハロゲン含有ガスは、（ａ）の際に、前記基板の前記表面を実質的に飽和させる方法。
【請求項１９】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法であって、前記反応性材料は、（ｃ）の際に、前記基板の前記表面を実質的に飽和させる方法。
【請求項２０】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法であって、（ｃ）の際に、約１００Ｖｂ未満の出力でバイアスを適用することをさらに備える方法。
【請求項２１】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法であって、前記反応性材料は、固体シリコン供給源を提供することにより前記チャンバに提供される方法。
【請求項２２】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法であって、
（ｄ）（ａ）および（ｂ）を実行する前に、プラズマ支援化学気相堆積により前記基板にシリコン窒化物層を共形に堆積させることにより（ｃ）を実行し、
（ｅ）（ｄ）の後、（ａ）および（ｂ）を２以上のサイクルで反復すること
をさらに含み、（ａ）の前記ハロゲン含有ガスは、ＢＣｌ３およびＣｌ２の組み合わせである方法。
【請求項２３】
請求項２１に記載の方法であって、
（ｆ）前記揮発性種を形成するために、誘電体層に隣接する金属層が約０Åから約１０Åの間の残厚までエッチングされたときに、前記ハロゲン含有ガスと、前記基板の前記１つまたは複数の層の材料との両方に反応する材料を共形に堆積させることにより（ｃ）を実行し、
（ｇ）ＭｇＯを含む誘電体層をエッチングするために、前記基板を前記ハロゲン含有ガスに曝露することなく前記活性化ガスでスパッタし、
（ｈ）前記１つまたは複数の層の少なくとも１つをエッチングするために、（ｇ）の後、（ａ）および（ｂ）を２以上のサイクルで反復すること、
をさらに備える方法。
【請求項２４】
請求項２１に記載の方法であって、前記１つまたは複数の層は、コバルト含有材料を備える方法。
【請求項２５】
（ａ）１つまたは複数の金属層と、自由層と、誘電体バリア層と、固定層とを含み、前記誘電体バリア層が前記自由層と前記固定層との間にあり、前記自由層と、前記誘電体バリア層と、前記固定層とが前記１つまたは複数の金属層の間にある基板を提供し、
（ｂ）反応性材料を堆積させるために前記基板をシリコン含有ガスおよび還元剤に晒し、
（ｃ）前記基板の表面を実質的に飽和させるのに十分な期間にわたり、前記基板をハロゲン含有ガスに曝露し、
（ｄ）前記基板をエッチングするために前記基板を活性化源に暴露すること
を備える方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法であって、前記反応性材料は、前記基板上のシリコン含有材料、チタン含有材料、ゲルマニウム含有材料、スズ含有材料、炭素含有材料、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される方法。
【請求項２７】
請求項２５に記載の方法であって、
実質的にすべての前記自由層がエッチングされた後、前記誘電体バリア層が露出される前に、（ｂ）を反復し、
前記誘電体バリア層を無ハロゲン・ケミストリによりエッチングし、
前記基板をエッチングするために、前記誘電体バリア層がエッチングされた後に、（ｃ）および（ｄ）を反復すること
をさらに備える方法。
【請求項２８】
請求項１から１６および２５から２７のいずれか一項に記載の方法であって、前記反応性材料は、プラズマ支援化学気相堆積により堆積される方法。
【請求項２９】
請求項１から１６および２５から２７のいずれか一項に記載の方法であって、前記反応性材料は、原子層堆積により堆積される方法。
【請求項３０】
請求項１から１６および２５から２７のいずれか一項に記載の方法であって、前記反応性材料は、共形に堆積される方法。
【請求項３１】
請求項１から１６および２５から２７のいずれか一項に記載の方法であって、前記反応性材料は、自己制御反応により堆積される方法。
【請求項３２】
請求項１から１６および２５から２７のいずれか一項に記載の方法であって、前記反応性材料は、（ｂ）の際に、前記基板のフィーチャの側壁に残る方法。
【請求項３３】
請求項１から１６および２５から２７のいずれか一項に記載の方法であって、前記反応性材料は、（ｂ）の際に、前記基板の前記１つまたは複数の層の少なくとも１つを保護する方法。
【請求項３４】
請求項１から１６および２５から２７のいずれか一項に記載の方法であって、前記基板は、ＭＲＡＭ構造を形成するようにエッチングされる方法。
【請求項３５】
請求項１から１６および２５から２７のいずれか一項に記載の方法であって、前記反応性材料は、約３ｎｍから約６ｎｍの間の厚さに堆積される方法。
【請求項３６】
請求項１から１６および２５から２７のいずれか一項に記載の方法であって、前記活性化源は、プラズマ、イオン・ビーム・エッチング、および熱活性化からなる群より選択される方法。
【請求項３７】
請求項１から１６および２５から２７のいずれか一項に記載の方法であって、前記基板を湿式エッチングすることをさらに備える方法。
【請求項３８】
請求項１から１６および２５から２７のいずれか一項に記載の方法であって、前記基板の１つまたは複数の層を反応性イオン・エッチングによりエッチングすることをさらに備える方法。
【請求項３９】
１つまたは複数の層を含む基板を加工する装置であって、
（ａ）それぞれにチャックを含む１つまたは複数の加工チャンバと、
（ｂ）前記加工チャンバへの１つまたは複数のガス入口および関連する流れ制御ハードウェアと、
（ｃ）少なくとも１つのプロセッサとメモリとを備えるコントローラと
を備え、前記少なくとも１つのプロセッサと前記メモリとは、相互に通信可能に接続され、
前記少なくとも１つのプロセッサは、前記流れ制御ハードウェアと少なくとも動作可能に接続され、
前記メモリは、
（ｉ）前記基板の表面を実質的に飽和させるのに十分な期間にわたりハロゲン含有ガスの導入を行わせ、
（ｉｉ）前記基板の前記１つまたは複数の層をエッチングするために、活性化ガスの導入およびプラズマの生成を行わせ、
（ｉｉｉ）揮発性種を形成するために、（ｉ）および（ｉｉ）の際に、前記１つまたは複数の加工チャンバの１つに、前記ハロゲン含有ガスと、前記基板の前記１つまたは複数の層の材料との両方に反応する反応性材料の導入を行わせる
ことにより、前記少なくとも１つのプロセッサを制御して前記流れ制御ハードウェアを少なくとも制御するコンピュータ実行可能命令を含み、
（ｉ）〜（ｉｉｉ）は、真空を破ることなく実行される装置。
【請求項４０】
請求項３９に記載の装置であって、揮発性種を形成するために前記ハロゲン含有ガスと、前記基板の前記１つまたは複数の層の材料との両方に反応する前記反応性材料の導入を行わせる前記命令は、シリコン含有材料、チタン含有材料、ゲルマニウム含有材料、スズ含有材料、炭素含有材料、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を堆積させる命令を備える装置。
【請求項４１】
請求項３９に記載の装置であって、前記ハロゲン含有ガスは、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＢＢｒ３、ＢＩ３、Ｆ２、ＢＦ３、Ｂｒ２、Ｉ２、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される装置。
【請求項４２】
請求項３９に記載の装置であって、前記メモリは、（ｉ）および（ｉｉ）が２以上のサイクルで実行された後に（ｉｉｉ）を反復する命令をさらに備える装置。
【請求項４３】
（ａ）１つまたは複数の層を含む基板をチャンバに提供し、
（ｂ）前記１つまたは複数の層の上に第１の材料を堆積させ、前記第１の材料はハロゲン化物および前記１つまたは複数の層の第２の材料と反応して揮発性種を形成し、
（ｃ）前記第１の材料を堆積させた後、ハロゲン含有ガスを前記第２の材料の表面に吸着させることにより前記基板上の１つまたは複数の層の前記第２の材料の表面を改質するために、前記第２の材料を含む前記基板を前記ハロゲン含有ガスに暴露し、
（ｄ）前記基板を活性化ガスに暴露し、前記揮発性種を形成することにより前記基板上の前記１つまたは複数の層の前記第２の材料の前記改質された表面をエッチングするためにプラズマを生成すること
を備える、チャンバ内で基板をエッチングする方法。
【請求項４４】
請求項４３に記載の方法であって、前記第１の材料は、シリコン含有材料、チタン含有材料、ゲルマニウム含有材料、スズ含有材料、炭素含有材料、およびそれらの組み合わせからなる群より選択され、前記第２の材料は、第４周期遷移金属、第５周期遷移金属、第６周期遷移金属、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
半導体製造プロセスには、金属および金属合金を含む様々な材料のエッチングが含まれる。しかし、装置が小型化し、様々な種類の構造の作製が複雑化するにつれて、エッチング副生成物の一部が基板の他の露出された領域に再堆積し、欠陥や最終的な装置故障を引き起こすことがある。その結果、他のエッチング技術に関心が集まっている。
【発明の概要】
【０００２】
本明細書では、基板を加工する方法が提供される。一態様は、（ａ）基板の表面を改質するためにチャンバ内に位置する基板をハロゲン含有ガスに暴露することこと、（ｂ）基板の１つまたは複数の層をエッチングするために基板を活性化ガスおよび活性化源に暴露すること、（ｃ）揮発性種を形成するために、（ａ）および（ｂ）の際、ハロゲン含有ガスと、基板の１つまたは複数の層の材料との両方に反応する反応性材料をチャンバに提供することを備える方法を含む。
【０００３】
一部の実施形態では、（ｃ）の反応性材料は、シリコン含有材料、チタン含有材料、ゲルマニウム含有材料、スズ含有材料、炭素含有材料、および／またはそれらの組み合わせである。ハロゲン含有ガスは、Ｃｌ2、ＢＣｌ3、ＢＢｒ3、ＢＩ3、Ｆ2、ＢＦ3、Ｂｒ2、Ｉ2、およびそれらの組み合わせのいずれかとすることができる。様々な実施形態では、ハロゲン含有ガスは、ハロゲン化物ガスである。
【０００４】
様々な実施形態では、（ａ）および（ｂ）は、２以上のサイクルで反復される。一部の実施形態では、（ａ）〜（ｃ）は、真空を破ることなく実行される。一部の実施形態では、（ｃ）は、金属含有副生成物の再堆積を緩和する。
【０００５】
基板の１つまたは複数の層の材料は、第４周期遷移金属、第５周期遷移金属、第６周期遷移金属、およびそれらの組み合わせのいずれかとすることができる。一部の実施形態では、基板の１つまたは複数の層の材料は、誘電材料を含む。金属と、誘電材料とは、基板の隣接する層とすることができる。たとえば、一部の実施形態では、誘電材料はＭｇＯであり、この誘電材料は、ＣｏＦｅを含む層と、ＣｏＰｔを含む層との両方に隣接している。一部の実施形態では、方法は、（ｄ）金属層を、約０Åから約１０Åの間の残厚までエッチングすることと、（ｅ）金属層をエッチングした後、誘電材料をハロゲン含有ガスに曝露することなく基板を活性化ガスおよび活性化源に曝露することにより、誘電材料をエッチングすることをさらに備える。（ｅ）の活性化ガスは、アルゴン、炭酸ガス、アンモニア、水素含有ガス、およびそれらの組み合わせのいずれかとすることができる。
【０００６】
様々な実施形態では、反応性材料はチタン含有材料であり、酸化チタンまたは窒化チタンである。反応性材料は、シリコン含有材料とすることができ、シリコン窒化物、シリコン酸化物、またはシリコンのいずれかとすることができる。
【０００７】
様々な実施形態では、２以上のサイクルで、第１組の金属層と誘電体層とをエッチングし、（ｃ）は、誘電体層をエッチングしてから、誘電体層の下層である第２組の金属層をエッチングするまでの間に実行される。一部の実施形態では、（ｃ）は、（ａ）および（ｂ）が２以上のサイクルで反復された後に反復される。
【０００８】
活性化源はプラズマとすることができ、（ｃ）の際のプラズマの出力は、約５００Ｗから約１５００Ｗの間とすることができる。
【０００９】
反応性材料は、プラズマ支援化学気相堆積により堆積させることができる。一部の実施形態では、反応性材料は、原子層堆積により堆積される。反応性材料は、共形に堆積させることができる。様々な実施形態では、反応性材料は、自己制御反応により堆積される。様々な実施形態では、ハロゲン含有ガスは、（ａ）の際に、基板の表面を実質的に飽和させる。
【００１０】
反応性材料は、（ｃ）の際に、基板の表面を実質的に飽和させ得る。一部の実施形態では、反応性材料は、エッチングの際に、基板のフィーチャの側壁に残る。反応性材料は、エッチングの際に、基板の１つまたは複数の層の少なくとも１つを保護し得る。一部の実施形態では、反応性材料は、約３ｎｍから約６ｎｍの間の厚さに堆積される。
【００１１】
様々な実施形態では、基板は、ＭＲＡＭ構造を形成するようにエッチングされる。
【００１２】
方法は、（ｃ）の際に、約１００Ｖｂ未満の出力でバイアスを適用することをさらに備えることができる。活性化源は、プラズマ、イオン・ビーム・エッチング、および熱活性化のいずれかとすることができる。
【００１３】
一部の実施形態では、方法は、基板を湿式エッチングすることをさらに備える。方法は、反応性イオン・エッチングによりエッチングすることをさらに備える。一部の実施形態では、反応性材料は、固体シリコン供給源を提供することによりチャンバに提供される。
【００１４】
様々な実施形態では、方法は、（ｄ）（ａ）および（ｂ）を実行する前に、プラズマ支援化学気相堆積により基板にシリコン窒化物を共形に堆積させることにより（ｃ）を実行すること、（ｅ）（ｄ）の後、（ａ）および（ｂ）を２以上のサイクルで反復することをさらに備え、（ａ）のハロゲン含有ガスは、ＢＣｌ3およびＣｌ2の組み合わせである。方法は、（ｆ）揮発性種を形成するために、誘電体層に隣接する金属層が約０Åから約１０Åの間の残厚までエッチングされたときに、ハロゲン含有ガスと、基板の１つまたは複数の層の材料との両方に反応する材料を共形に堆積させることにより（ｃ）を実行すること、（ｇ）基板をハロゲン含有ガスに曝露することなく活性化ガスでスパッタしてＭｇＯを含む誘電体層をエッチングすること、（ｈ）（ｇ）の後、（ａ）および（ｂ）を２以上のサイクルで反復して１つまたは複数の層の少なくとも１つをエッチングすることをさらに備えることができる。１つまたは複数の層は、コバルト含有材料を含むことができる。
【００１５】
別の態様は、（ａ）１つまたは複数の金属層と、自由層と、誘電体バリア層と、固定層とを含み、誘電体バリア層が自由層と固定層との間にあり、自由層と、誘電体バリア層と、固定層とが１つまたは複数の金属層の間にある基板を提供すること、（ｂ）シリコン含有材料を基板に堆積させるために基板をシリコン含有ガスおよび還元剤に暴露するｋとこと、（ｃ）基板を、基板の表面を実質的に飽和させるのに十分な期間にわたりハロゲン含有ガスに曝露すること、（ｄ）基板をエッチングするために基板を活性化ガスに暴露することを備える方法を含む。
【００１６】
方法は、自由層の実質的にすべてがエッチングされてから、誘電体バリア層が露出されるまでの間に、（ｂ）を反復すること、誘電体バリア層を無ハロゲン・ケミストリによりエッチングすること、基板をエッチングするために、誘電体バリア層がエッチングされた後に（ｃ）および（ｄ）を反復することをさらに備えることができる。
【００１７】
別の態様は、１つまたは複数の層を含む基板を加工する装置であって、（ａ）それぞれにチャックを含む１つまたは複数の加工チャンバと、（ｂ）加工チャンバへの１つまたは複数のガス入口および関連する流れ制御ハードウェアと、（ｃ）少なくとも１つのプロセッサとメモリとを備えるコントローラとを含み、少なくとも１つのプロセッサとメモリとは、相互に通信可能に接続され、少なくとも１つのプロセッサが、流れ制御ハードウェアと少なくとも動作可能に接続され、メモリは、（ｉ）基板の表面を実質的に飽和させるのに十分な期間にわたりハロゲン含有ガスを流し、（ｉｉ）基板の１つまたは複数の層をエッチングするために、活性化ガスを流し、プラズマを活性化し、（ｉｉｉ）揮発性種を形成するために（ｉ）および（ｉｉ）の際に、チャンバに、ハロゲン含有ガスと、基板の１つまたは複数の層の材料との両方に反応する材料を提供することにより、少なくとも１つのプロセッサを制御して流れ制御ハードウェアを少なくとも制御するコンピュータ実行可能命令を含み、（ｉ）から（ｉｉｉ）は、真空を破ることなく実行される装置を含む。
【００１８】
様々な実施形態では、揮発性種を形成するために、ハロゲン含有ガスと、基板の１つまたは複数の層の材料との両方に反応する材料を提供する命令は、シリコン含有材料、チタン含有材料、ゲルマニウム含有材料、スズ含有材料、炭素含有材料、およびそれらの組み合わせなどの材料を堆積させる命令を含む。ハロゲン含有ガスは、Ｃｌ2、ＢＣｌ3、ＢＢｒ3、ＢＩ3、Ｆ2、ＢＦ3、Ｂｒ2、Ｉ2、およびそれらの組み合わせのいずれかとすることができる。一部の実施形態では、ハロゲン含有ガスはハロゲン化物ガスである。一部の実施形態では、メモリは、（ｉ）および（ｉｉ）が２以上のサイクルで実行された後に（ｉｉｉ）を反復する命令をさらに備える。
【００１９】
これらおよび他の態様について、以下で図面を参照してさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】例示的な基板の概略図である。
【００２１】
【図２】開示される実施形態に基づいて実行される方法の操作を示すプロセスフロー図である。
【００２２】
【図３Ａ】開示される実施形態に基づく操作を受ける例示的な基板の概略図である。
【図３Ｂ】開示される実施形態に基づく操作を受ける例示的な基板の概略図である。
【図３Ｃ】開示される実施形態に基づく操作を受ける例示的な基板の概略図である。
【図３Ｄ】開示される実施形態に基づく操作を受ける例示的な基板の概略図である。
【図３Ｅ】開示される実施形態に基づく操作を受ける例示的な基板の概略図である。
【図３Ｆ】開示される実施形態に基づく操作を受ける例示的な基板の概略図である。
【図３Ｇ】開示される実施形態に基づく操作を受ける例示的な基板の概略図である。
【００２３】
【図４Ａ】開示される実施形態に基づいて基板をエッチングする例示的な機構の概略図である。
【図４Ｂ】開示される実施形態に基づいて基板をエッチングする例示的な機構の概略図である。
【図４Ｃ】開示される実施形態に基づいて基板をエッチングする例示的な機構の概略図である。
【図４Ｄ】開示される実施形態に基づいて基板をエッチングする例示的な機構の概略図である。
【図４Ｅ】開示される実施形態に基づいて基板をエッチングする例示的な機構の概略図である。
【図４Ｆ】開示される実施形態に基づいて基板をエッチングする例示的な機構の概略図である。
【００２４】
【図５】開示される実施形態を実行するための例示的な加工チャンバの概略図である。
【００２５】
【図６】開示される実施形態を実行するための例示的な加工装置の概略図である。
【００２６】
【図７】開示される実施形態に基づいて実行された実験のＣｏＦｅのエッチングされた厚さを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下の説明では、提示される実施形態の完全な理解を促すために、多数の特定の詳細が示される。開示される実施形態は、これらの特定の詳細の一部または全部なしに実施することができる。一方、開示される実施形態を不必要に曖昧化しないために、よく知られた加工操作は詳細に説明されていない。開示される実施形態は特定の実施形態と組み合わせて説明されるが、開示される実施形態を限定することは意図されていないことが理解される。
【００２８】
半導体ウエハの加工中、金属含有層を通じてフィーチャがエッチングされることがある。磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）の形成では、複数の薄い金属層またはフィルムが連続的にエッチングされて磁気トンネル結合スタックが形成されることがある。
【００２９】
磁気トンネル結合（ＭＴＪ）は、２つの磁気材料の間の薄い誘電体バリア層で構成される。電子は、量子トンネル効果により、バリアを通過する。これは、磁気ベース・メモリの基盤として役立ち得る。
【００３０】
スピントランスファ・トルクは、ＭＴＪの磁気層の方向をスピン偏極電流を使用して変更することができる効果である。電荷キャリア（たとえば、電子）は、キャリアに固有の少量の角運動量である、スピンと呼ばれる性質を持つ。電流は、一般的には偏極されない（５０％のスピンアップ電子と、５０％のスピンダウン電流）。電流を厚い磁気層（通常は「固定層」と呼ばれる）に通すことにより、どちらかのスピンの電子が多いスピン偏極された電流を生成することができる。このスピン偏極電流を、第２のより薄い磁気層（「自由層」）に方向付けると、この層に角運動量を搬送して、方向を変えることができる。この効果を使用して、振動を励起することも、さらには磁気の方向を反転させることもできる。
【００３１】
スピントランスファ・トルクは、磁気ランダム・アクセス・メモリの能動素子を反転するために使用することができる。スピントランスファ・トルク磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＳＴＴ−ＲＡＭまたはＳＴＴ−ＭＲＡＭ）は、磁界を使用して能動素子を反転する従来の磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）より消費電力が少なく、拡張性に優れるという利点を有する。スピントランスファ・トルク技術は、電力要件の軽減とコストの削減を両立するＭＲＡＭデバイスを実現する可能性を秘めている。Ｒａｌｐｈ，Ｄ．Ｃ．；Ｓｔｉｌｅｓ，Ｍ．Ｄ．（２００８年４月）。「Ｓｐｉｎ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｔｏｒｑｕｅｓ」。Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ３２０（７）：１１９０〜１２１６ページ。
【００３２】
例示的なＭＴＪスタックが図１に提供されている。図１は、シリコン酸化物エッチング停止層１０１と、窒化タンタル・バリア層１０３と、ルテニウム金属層１０５と、固定層１０７と、誘電体層１０９と、自由層１１１と、タンタル層１１３と、別のルテニウム金属層１１５とを含むスタック１００を示している。図に示されているように、ＭＴＪスタック１２０は、自由層１１１と、誘電体層１０９と、固定層１０７とで構成される。なお、図には特定の化学的構造（ケミストリ）が示されているが、他の適切な化学的構造もそのようなスタックに存在する可能性がある。自由層および固定層は、コバルト鉄、コバルト白金等の金属および／または金属合金を含むことができる。
【００３３】
スピントランスファ・トルク磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＳＴＴ  ＭＲＡＭ）の高密度スケーリングでまだ克服されていない主要な課題の１つは、ＭＲＡＭスタックのパターニングである。ＭＲＡＭスタックは、イオン・ビーム・エッチング（ＩＢＥ）、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）、および湿式ケミストリによる複雑なアプローチを使用しなければパターニングがきわめて難しいＣｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｕ等の不揮発性の強磁性材料を含む。長年の開発にも関わらず、現在のパターニング技術は、テーパ形状や固定層へのＭＴＪの短絡を引き起こす側壁再堆積、およびＭＴＪ層の損傷を引き起こす腐食等の多数の欠点を依然として抱えている。一部の従来技法では、塩素含有ケミストリを使用して金属をエッチングするが、エッチングされた副生成物は、後でフィーチャの側壁に再堆積し得る不揮発性化合物を含む。
【００３４】
本開示では、側壁への再堆積および露出された層の損傷を発生させずに不揮発性金属をエッチングする乾式プラズマ・エッチング・システムを提供する。たとえば、開示される実施形態は、ＭＴＪ層を損傷することなく不揮発性ＭＲＡＭ金属をエッチングするために使用されてもよい。ＭＲＡＭ金属用の揮発性エッチング生成物を形成するケミストリ、ならびに化学反応用および金属エッチング・フロントからのエッチング副生成物の正確な除去のために実質的に化学量推量の反応物を搬送する方法が提供される。後者は、反応物を固体状態で堆積させ、改質された表面を予測可能なエッチング・レートでエッチングする、ＡＬＤ−ＡＬＥ（原子層堆積−原子層エッチング）法を含む。エッチング反応物の搬送とエッチング生成物の除去とを正確に行うために、ＡＬＤとＡＬＥを組み合わせた方法を使用することができる。一部の実施形態では、反応物は、プラズマ支援化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）等の他の方法を使用して堆積される。
【００３５】
ＡＬＤは、連続的な自己制御反応を使用して、材料の薄い層を堆積させる技法である。ＡＬＤは、任意の適切な技法を使用して実行することができる。「ＡＬＤサイクル」の概念は、本明細書の様々な実施形態の説明に関連する。通常、ＡＬＤサイクルは、表面堆積反応を１回実行するために使用される、最小限の操作セットである。１つのサイクルにより、少なくとも部分的に共形な層が基板表面に作製される。典型的には、ＡＬＤサイクルは、少なくとも１つの反応物を基板表面に搬送して吸着させ、吸着した反応物を１つまたは複数の反応物と反応させて部分的なフィルム層を形成する操作を含む。このサイクルは、反応物もしくは副生成物の一掃、および／または部分的なフィルムの堆積物としての扱いなどの、特定の補助的な操作を含むことができる。通常、１つのサイクルは、連続する操作の１つのインスタンスを含む。例として、ＡＬＤサイクルは、（ｉ）チャンバへの先駆物質の搬送／吸着、（ｉｉ）チャンバからの先駆物質のパージ、（ｉｉｉ）第２の反応物およびプラズマの搬送、および（ｉｖ）チャンバからのプラズマのパージの各操作を含むことができる。
【００３６】
ＡＬＥは、連続的な自己制御反応を使用して、材料の薄い層を除去する技法である。通常、ＡＬＥは、任意の適切な技法を使用して実行することができる。「ＡＬＥサイクル」の概念は、本明細書の様々な実施形態の説明に関連する。通常、ＡＬＥサイクルは、単一層のエッチングなどのエッチングプロセスを１回実行するために使用される、最小限の操作セットである。１つのサイクルにより、基板上の固定および予測可能な量のフィルム層がエッチングされる。典型的には、ＡＬＥサイクルは、改質された層を形成する改質操作と、その後に続く、この改質された層のみを除去またはエッチングする除去操作とを含む。このサイクルは、反応物または副生成物の一掃などの、特定の補助的操作を含むことができる。通常、１つのサイクルに、連続する操作の１つのインスタンスが含まれる。例として、ＡＬＥサイクルは、（ｉ）チャンバへの反応ガスの搬送、（ｉｉ）チャンバからの反応ガスのパージ、（ｉｉｉ）除去ガスおよび任意選択のプラズマの搬送、および（ｉｖ）チャンバのパージの各操作を含むことができる。一部の実施形態では、エッチングは非共形に実行することができる。
【００３７】
開示される方法によれば、エッチング・レートの正確な制御、損傷のないＭＴＪ、およびＭＲＡＭフィーチャの共形性と均一なエッチングを実現することができる。本明細書に記載されているように、通常、揮発性のエッチング副生成物は、Ｓｉ等の材料を、Ｃｌ等のハロゲンおよび金属イオンと実質的に化学量論的に反応させて、ＭをＣｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、またはＲｕとすることができるＭ−ＳｉＣｌx等の種を形成することにより形成することができる。一部の実施形態では、金属へのシリル基（−ＳｉＣｌx）の適用により、Ｍ−ＳｉＣｌx種の融点／沸点が著しく低下し、特に真空において、分圧が著しく上昇する。
【００３８】
実質的に化学量論量の反応物を使用することで、プロセスの悪影響が回避される。たとえば、プラズマ内のＳｉフラックスが多過ぎる場合、Ｓｉの堆積が発生する可能性があり、それによって反応でのＭ−ＳｉＣｌx等の種の形成が阻止される可能性がある。逆に、たとえば、Ｓｉが少な過ぎる場合、Ｍ−ＳｉＣｌx種の形成が妨げられるため、エッチング・レートが抑制される。同様に、過剰なＣｌを金属表面に加えると、（沸点が１２００℃超である）不揮発性のＣｏＣｌ2やＦｅＣｌ3などの金属塩化物が形成される。
【００３９】
一実施形態によれば、ハロゲン化物および／またはハロゲン含有ガスならびに金属と反応して揮発性種を形成する、実質的に化学量論量の材料が、チャンバ内でＡＬＤプロセスにより金属（たとえば、ＣｏＦｅ）表面に堆積される。例として、ＳｉＮ、ＳｉＯ2、Ｓｉ、ＴｉＯ2がある。ＡＬＥプロセスは、堆積したＳｉ層および金属表面を、Ｃｌ2またはＢＣｌ3の形式のＣｌで活性化する。その後、過剰なＣｌ2がチャンバから排出される。一部の実施形態では、Ａｒの脱着が実行されてもよく、これは、塩素化された表面に衝突すると共にさらなる活性化を促して揮発性の金属シリル種を形成させ、その後、金属シリル種はチャンバから排出される。Ｓｉ反応物およびＣｌ反応物が化学量論的に一致したときに、エッチング・レートは最大に達する。一部の実施形態では、ＡＬＥ操作およびＡＬＤ操作は、同じチャンバ、またはツールの異なるチャンバ・モジュールで、真空を破ることなく行うことができる。
【００４０】
次に、開示される実施形態について、いくつかの特定の実施形態を参照してさらに詳しく説明する。図２は、開示される実施形態に基づいて操作を実行するためのプロセスフロー図である。図３Ａ〜図３Ｇは、開示される実施形態に基づいてエッチングされた例示的スタックの概略図である。図４Ａ〜図４Ｆは、開示される実施形態に基づくエッチングのための例示的な機構の概略図である。なお、図４Ａ〜図４Ｆの例は金属層のエッチングを表しているが、開示される実施形態は、半導体材料、導電性材料、および誘電材料を含む様々な材料のエッチングに使用することができる。さらに、図４Ａ〜図４Ｆは例示的な機構を示しており、開示または請求項の範囲はいかなる特定の操作理論によっても限定されないことを理解する必要がある。これらの図面について、まとめて説明する。
【００４１】
図２を参照すると、操作２０２において、基板が提供される。基板は、２００ｍｍウエハ、３００ｍｍウエハ、または４５０ｍｍウエハ等のシリコン・ウエハとすることができ、誘電材料、導電性材料、半導体材料等の材料の１つまたは複数の層が堆積されたウエハを含む。様々な実施形態では、基板はパターニング（パターン化）されている。パターニングされた基板は、ピラー、ポール、トレンチ、ビア、コンタクト・ホール等の「フィーチャ（構造、機構）」を備えてもよく、これらのフィーチャは、細くおよび／または凹角（リエントラント）な開口、フィーチャ内の狭窄、および高いアスペクト・レシオの１つまたは複数により特徴付けることができる。フィーチャは、上述した層の１つまたは複数に形成されてもよい。フィーチャの一例は、半導体基板または半導体基板の層のピラーまたはポールである。別の例は、基板または層のトレンチである。様々な実施形態では、フィーチャは、バリア層や粘着層などの下層を備えてもよい。下層の非限定的な例として、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン炭化物、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属層などの誘電体層および導電層がある。
【００４２】
一部の実施形態では、ピラー等のフィーチャは、少なくとも約１：１、少なくとも約２：１、少なくとも約４：１、少なくとも約６：１、少なくとも約１０：１、またはそれ以上のアスペクト・レシオを備えてもよい。またフィーチャは、開口寸法または線幅が約１０ｎｍから５００ｎｍの間、たとえば、約２５ｎｍから約３００ｎｍの間の、開口に近い寸法をとり得る。開示される方法は、約１５０ｎｍ未満の開口を有するフィーチャを備える基板で実行することができる。ビア、トレンチ、または他の窪んだフィーチャは、未充填フィーチャまたはフィーチャと呼ばれることがある。様々な実施形態によれば、フィーチャの形状は、徐々に細くなるか、および／またはフィーチャ開口にオーバーハングを含むことがある。リエントラント形状は、底部の閉じた端部またはフィーチャの内部からフィーチャ開口に向けて細くなる形状である。リエントラント形状は、パターニングの際の非対称エッチング動力学、および／または拡散バリアの堆積等の以前のフィルム堆積の非共形なフィルム・ステップのカバレッジに起因するオーバーハングにより生成することができる。様々な実施形態では、フィーチャは、フィーチャの上部の開口で、フィーチャの底部の幅よりも狭い幅を有してもよい。
【００４３】
一部の実施形態では、パターニングされた基板は、基板全体に様々なトポグラフィを含むことができる。一部の実施形態では、部分的に作製されたゲートが基板に存在してもよい。様々な実施形態では、基板は、後続の加工でＭＲＡＭスタックをエッチングするのに適した金属、誘電材料、および半導体材料の層を含むことができる。たとえば、一部の基板は、メモリ素子がＭＴＪを含むＭＲＡＭ設計を含むことができる。本明細書の他の部分に記載されているように、ＭＴＪメモリ素子は、薄いトンネル・バリアで分離された２つの電極を含む。２つの電極は、強磁性の薄いフィルム層とすることができ、楕円形とすることができる。一部の実施形態では、ＭＴＪメモリ素子は、追加の磁気層を含む。たとえば、ＭＴＪメモリ素子は、薄い金属層を挟む一対の強磁性層をさらに含むことができ、これらの強磁性層は、合成反強磁性体や反強磁性層と呼ばれることがある。本明細書に記載された方法を使用して基板に作製することができる例示的なＭＲＡＭメモリ素子の形状および設計のさらなる説明は、「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｍａｇａｚｉｎｅ」９０〜９６ページで公開されているＤｉｔｉｚｉｏ，Ｒｏｂｅｒｔらの「Ｃｅｌｌ  Ｓｈａｐｅ  ａｎｄ  Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ  Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ（ＭＲＡＭ）Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」で提供されている。
【００４４】
図２に戻ると、操作２０２の際に、基板を湿式エッチングにより準備することができる。たとえば、図３Ｂでは、基板の第１の金属層３１３をエッチングするために、湿式エッチングが実行されている。一部の実施形態では、湿式エッチングは実行されない。
【００４５】
図３Ａは、本明細書に記載されているように、基板に存在してもよいＭＲＡＭスタックの例を示す。なお、この図では、各スタックの例示的なケミストリが記されているが、提供されたケミストリの代わりに、またはそれらと組み合わせて、他の任意の適切な材料が存在してもよい。たとえば、開示される実施形態は、異なるパターン（たとえば、非ＭＲＡＭパターン）用に材料をエッチングするために使用されてもよい。なお、図３Ａ〜図３Ｇでは例示的な層が示されているが、開示される実施形態は、不揮発性の副生成物が基板の構成要素に再堆積するのを緩和しながら、表面の他の材料をエッチングするために使用されてもよい。
【００４６】
基板３００は、ＳｉＯ2のエッチング停止層３０１を含む。なお、エッチング停止層３０１は、基板３００の他の層（図示せず）の上に存在してもよい。窒化タンタル（ＴａＮ）の薄いバリア層３０３は、このスタックでエッチング停止層３０１の上に存在する。ＴａＮバリア層３０３の上には、ルテニウム（Ｒｕ）を含む金属層３０５が存在する。金属層３０５は、一部の実施形態では、約８ｎｍの厚さを有してもよい。Ｒｕ金属層３０５の上には、コバルト白金（ＣｏＰｔ）を含むことができる金属または金属合金層３０７が存在する。一部の実施形態では、金属合金層３０７は、ＰｔＭｎを含むことができる。本明細書で使用されるように、層３０７は、「固定層」３０７と呼ばれることがある。固定層３０７は、一部の実施形態では、約１０〜３０ｎｍの厚さを有してもよい。図３Ａは、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含むことができる誘電体バリア層３０９をさらに示す。誘電体バリア層３０９は、本明細書では、「誘電体層」３０９と呼ばれることがある。一部の実施形態では、誘電体層３０９はきわめて薄い可能性があり、たとえば約１．５ｎｍ以下の厚さを有する。
【００４７】
誘電体層３０９の上には、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）を含むことができる金属合金層３１１が存在する。金属合金層３１１は、ＣｏＦｅＢを含むことができる。金属合金層３１１は、本明細書では「自由層」と呼ばれることがある。自由層３１１の上には、タンタル（Ｔａ）バリア層３１３が存在する。Ｔａバリア層３１３の上には、Ｒｕ金属層３１５が存在する。本明細書で開示される実施形態では、Ｒｕ金属層３１５は「第１の金属層」と呼ばれることがあり、Ｒｕ金属層３０５は「第２の金属層」と呼ばれることがある。Ｔａハード・マスク３１７が堆積され、図３Ａに示すようなパターンにエッチングすることができる。なお、ハード・マスク３１７は、必ずしもタンタル・ハード・マスクでなくてもよい。たとえば、他の適切なハード・マスクとして、炭素含有ハード・マスク、窒素含有ハード・マスク、および酸素含有ハード・マスクがある。
【００４８】
図２に戻ると、操作２０４において、材料が基板に共形に堆積される。材料は、ハロゲン化物および／またはハロゲン含有ガスならびに基板の層の材料と反応して、揮発性種を形成する。一部の実施形態では、材料は、１つまたは複数のハロゲン化物および／またはハロゲン含有ガスならびに基板の層の１つまたは複数の材料と反応して揮発性種を形成する。たとえば、材料は、コバルト含有金属およびＢＣｌ3とＣｌ2の混合物と反応して揮発性種を形成し得る。材料は、揮発性種を形成する材料の供給源と、基板の保護層とを提供する。以下の説明の目的上、この共形の材料は「保護層」と呼ばれることがあるが、当然のことながら、保護層は、ハロゲン化物および／またはハロゲン含有ガスならびに基板の材料と反応して揮発性種を形成する材料を含み、共形とすることができる。
【００４９】
操作２０２において堆積される保護層は、金属ハロゲン化物で揮発性種を形成できる元素を含む。保護層は、任意の第４族元素を含むことができる。たとえば、保護層は、シリコン含有層、チタン含有層、ゲルマニウム含有層、スズ含有層、炭素含有層、またはそれらの任意の組み合わせとすることができる。例示的なシリコン含有層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、アモルファス・シリコン、ポリシリコン、およびそれらの混合物を含む。例示的なチタン含有層は、酸化チタン、窒化チタン、チタン、およびそれらの混合物を含む。一部の実施形態では、保護層は誘電材料である。
【００５０】
保護層は、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ支援ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、プラズマ支援ＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ）、スピンオン堆積、およびスパッタリングを含む任意の適切な方法により堆積させることができる。一部の実施形態では、保護層は、ハロゲン化物および／またはハロゲンならびに金属含有化合物と反応して揮発性種を形成するための材料の供給源を提供する。たとえば、ＳｉＨ4、ＳｉＣｌ4等のガスを使用して、またはＴＥＯＳ、ＳＯＧ、ＨＭＤＳなどのオルトケイ酸塩化合物等の液体を使用して、ＰＶＤ、ＰＥＣＶＤ、スピンコーティングプロセス等のＡＬＤ以外の方法による反応のために、Ｓｉ供給源をＭＲＡＭ表面に導入することができる。
【００５１】
たとえば、保護層は、ＰＥＣＶＤにより堆積させることができる。例として、基板をプラズマによりシリコン含有先駆物質および窒素含有反応物に同時に曝露するものがある。たとえば、基板は、シランおよび窒素プラズマに同時に晒されてもよい。上述した任意のケミストリを有する保護層を堆積させることができる任意の適切な先駆物質および反応物が、保護層を堆積させるために使用されてもよい。
【００５２】
図３Ｃでは、基板３００に堆積している保護層３２０が示されている。一部の実施形態では、これが第１の保護層とすることができる（たとえば、一部の操作では、別の保護層３２０も堆積させることができる）。なお、図面では、保護層３２０は共形である。一部の実施形態では、保護層３２０は共形である必要はない。一部の実施形態では、保護層３２０の一部は、犠牲層とすることができる。
【００５３】
図４Ａは、基板４００の一部の概略図の別の例である。この例では、基板４００は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、それらの合金、およびそれらの組み合わせ等を含むことができる金属層４１１を含む。ここで、Ｒｕの第１の金属層は湿式エッチングされており、シリコン含有保護層４２０（たとえば、Ｓｉ供給源）がタンタル・ハード・マスクおよび金属層４１１の上に堆積されている。なお、図４Ａの基板は、図３Ｃに類似しているが、図示の目的によりタンタル・バリア層を除外している。図４Ａでは層の特定の例が示されているが、任意の適切な金属がハード・マスクの下に存在してもよく、任意の組成のハード・マスクが存在してもよい。さらに、任意の適切な保護層４２０が開示される実施形態で使用されてもよく、そのような保護層は、図４Ａに示されているようなシリコン含有層に限定されない。
【００５４】
図２に戻ると、操作２０６の際に、基板がハロゲン含有反応物に暴露されて、基板の表面が改質される。ハロゲン含有反応物は、ホウ素ハロゲン含有ガス、ハロゲン含有ガス、ハロゲン化物ガス、およびそれらの組み合わせを含むことができる。例として、ＢＣｌ3、ＢＢｒ3、ＢＩ3、Ｃｌ2、Ｆ2、Ｂｒ2、およびＩ2がある。ガスの組み合わせの一例は、ＢＣｌ3／Ｃｌ2とすることができる。ハロゲン含有反応物は、保護層と反応する、および／または保護層に吸着し得る。たとえば、シリコンの保護層は、ハロゲン含有反応物と反応して、基板の表面にハロゲン化シリコンを形成し得る。なお、一部の実施形態では、ハロゲン含有反応物は、基板の少なくとも約９０％、または基板の少なくとも約９９％を飽和させ得る。一部の実施形態では、ハロゲン含有反応物は、基板の表面に共形に吸着し得る。一例では、塩素原子および／または分子がシリコン含有保護層の表面に吸着し得る。
【００５５】
図４Ｂは、保護層４２０と反応し、保護層４２０の表面に吸着して表面に吸着層４５０ｂを形成している、Ｃｌ2の塩素分子４５０ａの例示的な概略図である。図４Ｂの例示的な基板４００は、Ｃｌ2分子４５０ａが基板４００の表面に向かって移動して基板４００の表面に吸着または反応する方向を表す矢印を示している。バイアスが、約１００Ｖｂ未満、または約６０Ｖｂ未満、たとえば約５０Ｖｂの出力で供給されてもよい。
【００５６】
図２の操作２０８において、基板が活性化ガスに暴露されて、基板の改質された表面がエッチングされる。様々な実施形態では、活性化ガスは、アルゴン、炭酸ガス、アンモニア、水素含有ガス、およびそれらの組み合わせ等の１つまたは複数の不活性ガスを含むことができる。操作２０８の際に、プラズマ等の活性化源が生成されて、ガスが活性化され、基板がエッチングされる。図２の操作２０８の際に、ハロゲン含有化合物が吸着し、バイアス・エッチングの方向に直交する面を、完全にエッチングすることができる。一部の実施形態では、基板を方向性エッチングするために、低いバイアスが適用されてもよい。たとえば、バイアスは、約１００Ｖｂ未満、たとえば約５０Ｖｂの出力で供給されてもよい。プラズマの出力は、約５００Ｗから約１５００Ｗの間とすることができる。
【００５７】
図４Ｃにおいて、シリコン塩化物４７０を含むエッチングされた化合物が、タンタル・ハード・マスクのフィールド領域の水平面から除去され、堆積された共形層または保護層４２０が除去されて、露出された金属層４１１が見えるようになる。なお、図４Ｃに示されているように、ハード・マスクおよび第１の金属層（ここでは、それぞれＴａおよびＲｕ）の側壁に堆積した保護層の一部は、側壁に残る。この残留した保護層は、エッチング反応による任意の潜在的な副生成物による損傷または劣化からハード・マスクを引き続き保護する層として機能し得る。
【００５８】
その結果、操作２０６および２０８を実行した後の図３Ｃの基板は、図３Ｄに示す構造を有してもよい。図３Ｄに示すように、保護層３２２の一部がフィーチャの側壁に残りつつ、その下の１つまたは複数の層（たとえば、タンタル・バリア層３１３と、ＣｏＦｅ自由層３１１の大半）がエッチングされるように、方向性エッチングを実行することができる。なお、様々な実施形態において、ＣｏＦｅ自由層３１１は、誘電体層３０９が容易にエッチングされ、フィーチャの側方にエッチングするのを防ぐため、完全にはエッチングされない。たとえば、基板が、ＭｇＯを含み自由層３１１に隣接する誘電体層３０９を含む場合、自由層３１１を、約０Åから約１０Åが基板に残るようにエッチングすることができる。なお、様々な実施形態では、基板は、様々な操作をサイクルで実行することにより、これらの層を通ってエッチングされる。
【００５９】
たとえば、図２に示されているように、操作２１０で、操作２０６〜２０８を任意選択で反復することができる。一部の実施形態では、２０６および２０８の反復がサイクルを構成し得る。たとえば、一部の実施形態では、操作２０６および２０８は、２以上のサイクルで反復することができる。各サイクルは、サイクルごとに約１Åから約１０Å、たとえばサイクルごとに約６Åをエッチングするように実行することができる。したがって、一部の実施形態では、図３Ｃに示す基板は、操作２０６および２０８のサイクルを使用して、バイアスを適用することにより実施される方向性エッチングの方向に対して垂直な基板の表面を通ってエッチングすることができる。たとえば、図３Ｃに示されているように、操作２０６および２０８が反復されて、共形層または保護層３２０、タンタル・バリア層３１３、およびＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ自由層３１１の大半をエッチングすることができる。上述したように、操作２０６および２０８のサイクルは、ＭｇＯ誘電体層３０９を保護するために、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ自由層３１１を完全にエッチングする前に停止されても、ＭｇＯ誘電体層３０９を完全にエッチングするように継続されてもよい。
【００６０】
図３Ｅでは、操作２０８が基板をハロゲン含有ガスに晒さずに実行されて、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ自由層３１１の薄い層がエッチングされ、ＭｇＯ誘電体層３０９がエッチングされている。一部の実施形態では、操作２０８は、基板をノンハロゲン・ガスに曝露することにより実行される。様々な実施形態では、誘電体層に対して粗いエッチング・ケミストリを実行しないように、アルゴン・ガスがバイアスを使用してスパッタされ、誘電体層をエッチングする。一部の実施形態では、誘電体層に粗いエッチング・ケミストリを適用することで、誘電体層がマスクの下でエッチングされ、それによって潜在的な品質低下や装置故障の問題が発生する可能性がある。一部の実施形態では、誘電体エッチングの際に、バイアスが適用される。たとえば、バイアスは、約１００Ｖｂ未満、たとえば約５０Ｖｂで供給されてもよい。
【００６１】
図４Ｄ〜図４Ｆは、図２の操作２０６および２０８が操作２１０で反復されるように図４Ｃから続く、例示的なエッチング機構を概略的に示す。図４Ｄは、操作２０６が反復される基板４００を示す。図４Ｃにおいて金属層４１１が露出された後、基板は、図４ＤにおいてＣｌ2４５０ａに暴露されて、基板の表面が改質される。図示されているように、Ｃｌ2は、基板４００の表面に吸着するか、または基板の表面と反応して、塩素４５０ｂの吸収層を形成し得る。なお、シリコン含有材料の事前の堆積により保護層４２０が側壁に残っているため、一部の塩素４５０ｂは保護層４２０に吸着または反応し、一部の塩素４５０ｂは金属表面４１１に吸着または反応する。
【００６２】
図４Ｅは、操作２０８が反復される基板を示す。図示されているように、アルゴン（たとえば、活性化ガス）４４０が基板に導入され、プラズマが生成されて基板がエッチングされる。様々な実施形態では、図４Ｅの矢印で示されているように、基板を方向性エッチングするためにバイアスが適用される。シリコン含有保護層４２０が存在することで、吸着した塩素４５０ｂおよび金属表面４１１の金属により、複合体４７５が形成される。なお、すべての複合体４７５が同じ化学構造を有するとは限らない。しかし、保護層４２０は、この例ではシリコンを提供して、基板が加工されるチャンバからパージすることができる揮発性種４７５を形成する。様々な実施形態では、保護層４２０は、追加または代替で、チタン、ゲルマニウム、また金属ならびにハロゲン化物および／またはハロゲンガスと反応して揮発性種を形成する他の材料など、他の材料を含むことができる。
【００６３】
一部の実施形態では、Ｓｉ支援ＡＬＥエッチングの際に、ＳｉＯ2／ＳｉＮ保護層（図４Ａの保護層４２０など）がＭＲＡＭ金属表面に堆積される。次に、Ｓｉでドープされた金属表面（図４Ｂに図示）がＢＣｌ3／Ｃｌ2ガス（塩素分子４５０ａ等）により活性化されて、塩素（４５０ｂ）の吸着層を形成する。Ａｒガスの方向性Ａｒイオン・ビーム（４４０）は、改質された層に衝突し、その過程で壊れて新たな結合が形成するのを可能にし、最終的に揮発性エッチング生成物（Ｍ−ＳｉＣｌx）（４７５）を気相に脱着させる。
【００６４】
まとめると、例示的な活性化反応は以下のようになり得る。
【化１】
0006804864.tif 000002
【００６５】
例示的な脱着／再結合反応は、以下のようになり得る。
【化２】
0006804864.tif 000003
【００６６】
Ｍ−ＳｉＣｌx複合体は、安定性および揮発性を有し、金属形式に分解することなくＡｒスパッタ脱着に耐えることができる。その結果、側壁への再堆積が軽減または回避される。
【００６７】
開示される実施形態は、ハロゲン化物および／または ハロゲン含有ガスならびに金属と反応して揮発性種を形成する材料を堆積させることを含む。例として、シリコン含有材料、チタン含有材料、ゲルマニウム含有材料、スズ含有材料、炭素含有材料、およびそれらの組み合わせがある。一部の実施形態では、堆積される材料は、アモルファス・シリコン、ポリシリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物等のシリコン含有材料とすることができる。一部の実施形態では、堆積される材料は、チタンまたは酸化チタンとすることができる。
【００６８】
開示される実施形態は、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ、ＰｔＭｎ、およびＣｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｔａ等を含む他の多様な材料の固定層のエッチングにも適している。原理は、Ｃｕ等の金属を含む、第１列、第２列、および第３列（たとえば、第４周期、第５周期、および第６周期遷移金属）の他のすべての遷移金属に当てはまる。ＧｅおよびＳｎ等の、同じ第４族内の他の安定したガス復号種は、同じ動作を示すことができる。
【００６９】
Ｓｉの他に、類似する揮発性エッチング生成物を、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎなど、周期表の第４族の他のメンバで形成して、Ｍ−ＣＣｌx、Ｍ−ＧｅＣｌＸ、Ｍ−ＳｎＣｌＸ等の安定した揮発性の種をプラズマで形成することもできる。これらの反応物は、ＣＣｌＸ、ＳｉＣｌＸ、ＧｅＣｌＸ、ＳｎＣｌＸ（Ｘはハロゲンであり、たとえば、多様な化学量論比を有するＦ、Ｃｌ、またはＢｒ）等のハロゲン化ガスとして、またはこれらの元素のＭＲＡＭ金属表面への堆積を可能にする他の供給源として、導入することができる。
【００７０】
揮発性金属エッチング生成物の活性化、形成、および脱着は、ＡＬＥ以外の方法により行うことができる。反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）、電子サイクロトロン共鳴エッチング（ＥＣＲ）、熱脱着およびＵＶプロセス等の方法も一部の実施形態で使用されてもよい。開示される実施形態は、湿式エッチングプロセスおよび／または反応性イオン・エッチングプロセスと統合されてもよい。
【００７１】
図４Ｆは、金属表面４１１の層がエッチングされた後の基板を示す。なお、保護層４２０の一部は、操作２０６および２０８が様々なサイクルで実行されるときにエッチングすることができる。
【００７２】
したがって、図２の操作２１２、操作２０４において、で第１の共形材量を形成し、操作２０４の反復操作で基板に堆積してハロゲン化物および／またはハロゲン含有ガスならびに基板の金属と反応して揮発性種を形成するさらなる材料を提供する第２の共形材料を形成するように操作２０４〜２１０を任意選択で反復することができる。
【００７３】
図３Ｆは、操作２１２に対応する基板の例を示す。図示されているように、操作２０４が反復されて、基板の上に第２の保護層３２４がさらに堆積されている。この保護層３２４は、Ｔａバリア層３１３、ＣｏＦｅ自由層３１１、およびエッチングされたＭｇＯ誘電体層３０９をさらに保護する役割を果たし得る。
【００７４】
したがって、操作２０６および２０８は、残りの基板がエッチング停止層までエッチングされるまで、同じくサイクルで反復することができる。図３Ｇは、操作２０６および２０８がサイクルで反復されて、ＣｏＰｔ固定層３０７、第２のＲｕ金属層３０５、およびＴａＮバリア層３０３がエッチングされた、エッチング済みの基板を示す。基板３００は、側壁に残存した保護層３２２および３２４を示している。様々な実施形態では、これらの層は、スタックが作製された後に削減または除去されてもよい。一部の実施形態では、これらの層のいくつかまたは一部は、開示される実施形態が実行されるときにエッチングすることができる。
【００７５】
本開示は理論によって何ら限定されないが、ＭＲＡＭ金属（たとえば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｐｄ、およびＰｔ）用の堆積−エッチング機構は、以下のように進行すると考えられる。この機構は、Ｃｌ（たとえば、ＢＣｌ3および／またはＣｌ2により提供される）およびＡｒ  ＡＬＥの際にＳｉを導入することを通じて、金属を側壁に再堆積させることなく、これらの金属を乾式化学エッチングすることを含む。上述したように、任意の特定の理論に縛られることなく、ハロゲン化物および／もしくはハロゲン含有ガスならびに金属と反応するＳｉまたは他の材料が存在することで、エッチング・チャンバで高い分圧を有し容易に排出することができるＣｏ−ＳｉＣｌx、Ｆｅ−ＳｉＣｌx等の揮発性エッチング生成物が形成される。
装置
【００７６】
一部の実施形態で原子層エッチング（ＡＬＥ）操作および原子層堆積（ＡＬＤ）操作に適したものとすることができる誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）反応器について次に説明する。そのようなＩＣＰ反応器は、２０１３年１２月１０日に出願され発明の名称を「ＩＭＡＧＥ  ＲＥＶＥＲＳＡＬ  ＷＩＴＨ  ＡＨＭ  ＧＡＰ  ＦＩＬＬ  ＦＯＲ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＰＡＴＴＥＲＮＩＮＧ」とする米国特許出願公開第２０１４／０１７０８５３号にも記載されており、本明細書でその全体をすべての目的のために引用により援用する。本明細書ではＩＣＰ反応器について説明するが、一部の実施形態では、容量結合プラズマ反応器も使用されてもよいことを理解する必要がある。
【００７７】
図５は、本明細書の特定の実施形態を実装するのに適した、誘導結合プラズマ統合エッチング堆積装置５００の断面図を概略的に示しており、この装置の一例は、カリフォルニア州フレモント市所在のＬａｍ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｒｐ．により製造されるＫｉｙｏ（登録商標）反応器である。誘導結合プラズマ装置５００は、チャンバ壁５０１および窓５１１により構造的に確定される、全体的な加工チャンバ５２４を備える。チャンバ壁５０１は、ステンレス鋼またはアルミニウムから作製することができる。窓５１１は、石英または他の誘電材料から作製することができる。任意選択の内部プラズマ・グリッド５５０は、全体的な加工チャンバを上部サブ・チャンバ５０２と下部サブ・チャンバ５０３とに分割する。ほとんどの実施形態では、プラズマ・グリッド５５０を取り除き、それによってサブ・チャンバ５０２および５０３からなるチャンバ空間を利用することができる。チャック５１７は、下部サブ・チャンバ５０３内の内部底面の近傍に配置される。チャック５１７は、エッチングおよび堆積プロセスが実行される半導体基板またはウエハ５１９を受け取って保持するように構成される。チャック５１７は、ウエハ５１９が存在するときにこれを支持する静電チャックとすることができる。一部の実施形態では、エッジリング（図示せず）がチャック５１７を囲み、ウエハ５１９がチャック５７１の上に存在するときに、ウエハ５１９の上面に対してほぼ平坦な上部表面を有する。チャック５１７は、ウエハ５１９をチャッキングおよびデチャッキングするための静電電極をさらに含む。この目的のために、フィルタおよびＤＣクランプ電源（図示せず）が提供されてもよい。ウエハ５１９をチャック５１７から離昇させる他の制御システムを提供することもできる。チャック５１７は、ＲＦ電源５２３を使用して電気的に充電することができる。ＲＦ電源５２３は、接続５２７を介して、整合回路５２１に接続される。整合回路５２１は、接続５２５を介して、チャック５１７に接続される。この態様で、ＲＦ電源５２３がチャック５１７に接続される。
【００７８】
プラズマ生成のための要素は、窓５１１の上に配置されたコイル５３３を含む。一部の実施形態では、コイルは、開示される実施形態で使用されない。コイル５３３は、導電性材料から作製され、少なくとも１つの完全なターンを含む。図５に示されるコイル５３３の例は、３つのターンを含む。コイル５３３の断面が記号で示されており、「Ｘ」を有するコイルは、紙面に向かって回転方向に延び、「●」を有するコイルは、紙面から回転方向に延びる。プラズマ生成のための要素は、ＲＦ電力をコイル５３３に供給するように構成されたＲＦ電源５４１をさらに含む。一般に、ＲＦ電源５４１は、接続５４５を介して、整合回路５３９に接続される。整合回路５３９は、接続５４３を介して、コイル５３３に接続される。この態様で、ＲＦ電源５４１はコイル５３３に接続される。任意選択のファラデー・シールド５４９が、コイル５３３と窓５１１の間に配置される。ファラデー・シールド５４９は、コイル５３３に対して離間関係で維持される。ファラデー・シールド５４９は、窓５１１のすぐ上に設けられる。コイル５３３、ファラデー・シールド５４９、および窓５１１は、それぞれが互いに実質的に平行になるように構成される。ファラデー・シールド５４９は、金属または他の種が加工チャンバ５２４の窓５１１に堆積するのを防止することができる。
【００７９】
加工ガス（たとえば、ハロゲン化物ガス、ハロゲン含有ガス、塩素、アルゴン、四塩化シリコン、酸素、窒素等）は、上部サブ・チャンバ５０２に配置された１つもしくは複数の主要ガス流入口５６０を通じて、および／または１つもしくは複数の側方ガス流入口５７０を通じて、加工チャンバに流入することができる。同様に、明示的に示されてはいないが、類似するガス流入口を使用して、加工ガスが容量結合プラズマ加工チャンバに供給されてもよい。１つまたは複数のステージ・メカニカル乾式ポンプおよび／またはターボ分子ポンプ５４０等の真空ポンプが、加工ガスを加工チャンバ５２４から抜き出したり、加工チャンバ５２４内の圧力を維持したりするために使用されてもよい。たとえば、真空ポンプを使用して、ＡＬＤのパージ操作時に下方サブ・チャンバ５０３を空にすることができる。弁制御の導管を使用して真空ポンプを加工チャンバ５２４に流体的に接続して、真空ポンプにより提供される真空環境の適用を選択的に制御することができる。これは、操作上のプラズマ処理の際に、絞り弁（図示せず）や振り子式バルブ（図示せず）等の閉ループ制御流量制御装置を利用して行うことができる。同様に、容量結合プラズマ加工チャンバへの真空ポンプおよび弁制御流体接続を利用することもできる。
【００８０】
装置５００の操作時に、ガス流入口５６０および／または５７０を通じて、１つまたは複数の加工ガスが供給されてもよい。特定の実施形態では、加工ガスは、主要ガス流入口５６０のみを通じて、または側方ガス流入口５７０のみを通じて、供給されてもよい。場合によっては、図面に示されたガス流入口は、たとえば１つまたは複数のシャワーヘッドなど、より複雑なガス流入口により置換されてもよい。ファラデー・シールド５４９および／または任意選択のグリッド５５０は、加工ガスを加工チャンバ５２４に搬送することを可能にする内部チャネルおよび孔を備えてもよい。ファラデー・シールド５４９および任意選択のグリッド５５０の一方または両方は、加工ガスを搬送するためのシャワーヘッドとして機能することができる。一部の実施形態では、液体気化搬送システムが加工チャンバ５２４の上流に配置され、液体反応物または先駆物質が気化されたときに、気化された反応物または先駆物質がガス流入口５６０および／または５７０を通じて加工チャンバ５２４に導入されるようになされてもよい。
【００８１】
ＲＦ電流をコイル５３３に流すために、ＲＦ電源５４１からコイル５３３に無線周波数出力が供給される。コイル５３３を通じて流れるＲＦ電流は、コイル５３３を中心にして電磁界を生成する。電磁界は、上部サブ・チャンバ５０２内に誘導電流を生成する。生成された様々なイオンおよびラジカルの、ウエハ５１９との物理的および化学的な相互作用により、ウエハ５１９のフィーチャがエッチングされ、ウエハ５１９に層が堆積される。
【００８２】
上部サブ・チャンバ５０２および下部サブ・チャンバ５０３の両方が存在するようにプラズマ・グリッド５５０を使用した場合、上部サブ・チャンバ５０２に存在するガスに誘導電流が作用して、上部サブ・チャンバ５０２で電子−イオン・プラズマが生成される。任意選択の内部プラズマ・グリッド５５０は、下部サブ・チャンバ５０３の高温電子の量を制限する。一部の実施形態では、装置５００は、下部サブ・チャンバ５０３に存在するプラズマがイオン−イオン・プラズマとなるように設計および操作される。
【００８３】
上部の電子−イオン・プラズマと下部のイオン−イオン・プラズマは、いずれも正イオンおよび負イオンを含むことができるが、イオン−イオン・プラズマでは負イオンの割合が正イオンよりも大きくなる。揮発性のエッチングおよび／または堆積副生成物は、下部サブ・チャンバ５０３からポート５２２を通じて除去されてもよい。本明細書で開示されるチャック５１７は、約１０℃から約２５０℃の範囲の高温で動作することができる。温度は、加工操作および特定のレシピに依存する。
【００８４】
装置５００は、クリーン・ルームまたは製造施設に設置されるときに、設備（図示せず）に連結されてもよい。設備は、加工ガス、真空、温度制御、および環境粒子制御を提供する配管設備を含む。これらの設備は、対象の製造施設への設置時に、装置５００に連結される。さらに、装置５００は、ロボット技術により半導体ウエハを装置５００との間で典型的な自動化を利用して移動することを可能にする移送チャンバに連結されてもよい。
【００８５】
一部の実施形態では、システム・コントローラ５３０（１つまたは複数の物理的または論理的なコントローラを含むことができる）が、加工チャンバ５２４の一部またはすべての操作を制御する。システム・コントローラ５３０は、１つまたは複数のメモリ装置と、１つまたは複数のプロセッサとを含むことができる。一部の実施形態では、装置５００は、開示される実施形態が実行されるときに流量および期間を制御するためのスイッチング・システムを含む。一部の実施形態では、装置５００は、最大約５００ｍｓ、または最大約７５０ｍｓのスイッチング時間を有してもよい。スイッチング時間は、フロー・ケミストリ、選択されたレシピ、反応器の構造、および他の要因に依存し得る。
【００８６】
一部の実施形態では、システム・コントローラ５３０は、上述した例の一部とすることができるシステムの一部である。そのようなシステムは、加工ツール、チャンバ、加工用プラットフォーム、および／または特定の加工構成要素（ウエハ台座、ガス流システム等）を含む半導体加工装置を含むことができる。これらのシステムは、半導体ウエハまたは基板の加工の前、最中、および後にシステムの操作を制御する電子装置と統合されてもよい。電子装置は、システムの様々な構成要素およびサブパーツを制御することができるシステム・コントローラ５３０に統合されてもよい。システム・コントローラ５３０は、加工パラメータおよび／またはシステムの種類に応じて、加工ガスの搬送、温度設定（たとえば、加熱および／または冷却）、圧力設定、真空設定、出力設定、無線周波数（ＲＦ）生成器設定、ＲＦ整合回路設定、周波数設定、流量設定、流体搬送設定、位置および操作設定、ツールおよび他の移送ツールに対するウエハの移送、ならびに／または特定のシステムに接続もしくは連動するロード・ロックを含む、本明細書で開示される任意のプロセス程を制御するようにプログラムされてもよい。
【００８７】
広義には、システム・コントローラ５３０は、たとえば命令を受け取り、命令を発行し、動作を制御し、クリーニング操作を可能にし、終点測定を可能にする、様々な集積回路、ロジック、メモリ、および／またはソフトウェアを備えた電子機器として定義することができる。集積回路は、プログラム命令を格納するファームウェアの形式のチップ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として定義されたチップ、および／または１つもしくは複数のマイクロプロセッサ、もしくはプログラム命令（たとえば、ソフトウェア）を実行するマイクロコントローラを含むことができる。プログラム命令は、様々な個別設定（またはプログラムファイル）の形式でコントローラに伝えられる命令とすることができ、半導体ウエハ上もしくは半導体ウエハに対して、またはシステムに対して、特定の加工を実行するための操作パラメータを定義する。操作パラメータは、一部の実施形態では、ウエハの１つまたは複数の層、材料、金属、酸化物、シリコン、二酸化シリコン、表面、回路、および／またはダイの作製または除去の際に、１つまたは複数の加工ステップを実現するために、プロセス・エンジニアにより定義されたレシピの一部とすることができる。
【００８８】
システム・コントローラ５３０は、一部の実装では、システムに統合されるか、システムに連結されるか、システムにネットワーク化されるか、またはそれらを組み合わせられたコンピュータの一部であるか、またはそのようなコンピュータに連結されてもよい。たとえば、コントローラは、「クラウド」に存在するか、またはウエハ加工へのリモート・アクセスを可能にするファブ・ホスト・コンピュータ・システムのすべてもしくは一部とすることができる。コンピュータは、システムにリモート・アクセスして製造操作の現在の進捗を監視したり、過去の製造操作の履歴を確認したり、複数の製造操作の傾向または性能測定基準を調べたり、現在の加工のパラメータを変更したり、現在の加工に従うように加工ステップを設定したり、新しい加工を開始したりすることを可能にする。一部の例では、リモート・コンピュータ（たとえば、サーバ）からシステムに、ローカル・ネットワークまたはインターネットを含むことができるネットワーク経由で、加工レシピを提供することができる。リモート・コンピュータは、リモート・コンピュータからシステムに伝えられるパラメータおよび／または設定の入力またはプログラミングを可能にするユーザ・インターフェースを含むことができる。一部の例では、システム・コントローラ５３０は、データの形式で、１つまたは複数の操作時に実行される各加工ステップのパラメータを指定する命令を受け取る。パラメータは実行される加工の種類やコントローラが対話または制御するように設計されたツールの種類に固有である可能性があることを理解する必要がある。したがって、上述したように、システム・コントローラ５３０は、たとえば相互にネットワーク化され本明細書に記載されたプロセスおよび制御等の共通の目的に向かって動作する１つまたは複数の独立したコントローラを含めることにより分散されてもよい。そのような目的の分散コントローラの例は、（たとえば、プラットフォーム・レベルまたはリモート・コンピュータの一部として）リモートに配置された１つまたは複数の集積回路と通信し、連係してチャンバのプロセスを制御する、チャンバの１つまたは複数の集積回路である。
【００８９】
例示的なシステムは、限定を伴わずに、プラズマ・エッチング・チャンバまたはモジュール、堆積チャンバまたはモジュール、スピンリンス・チャンバまたはモジュール、金属めっきチャンバまたはモジュール、クリーン・チャンバまたはモジュール、べベル・エッジ・エッチング・チャンバまたはモジュール、物理蒸着（ＰＶＤ）チャンバまたはモジュール、化学蒸着（ＣＶＤ）チャンバまたはモジュール、ＡＬＤチャンバまたはモジュール、ＡＬＥチャンバまたはモジュール、イオン注入チャンバまたはモジュール、トラック・チャンバまたはモジュール、ならびに半導体ウエハの作製および／または製造で関連付けられまたは使用されてもよい他の任意の半導体加工システムを含むことができる。
【００９０】
上述したように、ツールにより実行されるプロセスステップに応じて、コントローラは、他のツール回路もしくはモジュール、他のツール要素、クラスタ・ツール、他のツール・インターフェース、隣接するツール、近傍のツール、工場内に配置されているツール、メイン・コンピュータ、別のコントローラ、またはウエハのコンテナをツール位置および／もしくは半導体製造工場のロード・ポートとの間で運ぶ材料輸送で使用されるツールの１つまたは複数と通信する可能性がある。
【００９１】
図６は、真空搬送モジュール６３８（ＶＴＭ）と連動する様々なモジュールを備えた半導体加工クラスタ構造を示す。複数の格納施設および加工モジュールの間でウエハを「搬送」する多様なモジュールの集まりを、「クラスタ・ツール・アーキテクチャ」システムという。ロード・ロックまたは搬送モジュールとも呼ばれるエアロック６３０は、ＶＴＭ６３８と連動し、ＶＴＭ６３８は、多様な作製プロセスを実行するように個別に最適化することができる４つの加工モジュール６２０ａ〜６２０ｄと連動する。例として、加工モジュール６２０ａ〜６２０ｄは、基板のエッチング、堆積、イオン注入、ウエハ・クリーニング、スパッタリング、および／または他の半導体プロセスを実行するように実装されてもよい。一部の実施形態では、ＡＬＤおよびＡＬＥは同じモジュールで実行される。一部の実施形態では、ＡＬＤおよびＡＬＥは、同じツールの異なるモジュールで実行される。１つまたは複数の基板エッチング加工モジュール（６２０ａ〜６２０ｄのいずれか）は、本明細書で開示されるように、すなわち、共形フィルムを堆積させ、ＡＬＤによりフィルムを選択的に堆積させ、パターンをエッチングし、開示される実施形態に応じた他の適切な機能を実行するように、実装されてもよい。エアロック６３０および加工モジュール６２０ａ〜６２０ｄは、「ステーション」と呼ばれることがある。各ステーションは、ステーションをＶＴＭ６３８と連動させるファセット６３６を備える。各ファセットの内部では、センサ１〜１８が使用されて、ウエハ６２６をそれぞれのステーション間で移動するときのウエハ６２６の通過を検出する。
【００９２】
ロボット６２２は、ウエハ６２６をステーション間で搬送する。一実施形態では、ロボット６２２は１つのアームを備え、別の実施形態では、ロボット６２２は２つのアームを備え、各アームがウエハ６２６等のウエハを搬送用に摘み上げるエンド・エフェクタ６２４を備える。大気搬送モジュール（ＡＴＭ）６４０のフロントエンド・ロボット６３２は、ウエハ６２６をカセットまたはロード・ポート・モジュール（ＬＰＭ）６４２の前面開閉搬送容器（ＦＯＵＰ）６３４からエアロック６３０に搬送するために使用される。加工モジュール６２０ａ〜６２０ｄの内側のモジュール・センター６２８は、ウエハ６２６を配置するための１つの場所である。ＡＴＭ６４０のアライナ６４４は、ウエハを位置決めするために使用される。
【００９３】
例示的な加工方法では、ウエハがＬＰＭ６４２のＦＯＵＰ６３４のいずれかに配置される。フロントエンド・ロボット６３２は、ＦＯＵＰ６３４からアライナ６４４にウエハを搬送して、エッチングまたは加工の前のウエハ６２６を適切に中央寄せする。位置決めされたウエハ６２６は、フロントエンド・ロボット６３２によりエアロック６３０に移動される。エアロック６３０はＡＴＭ６４０とＶＴＭ６３８の間で環境を一致させる機能を有するため、ウエハ６２６は、損傷を受けることなく、２つの圧力環境の間を移動することができる。エアロック６３０から、ウエハ６２６はロボット６２２によりＶＴＭ６３８を通じて加工モジュール６２０ａ〜６２０ｄのいずれかに移動される。このウエハの移動を実現するために、ロボット６２２は、各アームのエンド・エフェクタ６２４を使用する。加工されたウエハ６２６は、ロボット６２２により加工モジュール６２０ａ〜６２０ｄからエアロック６３０に移動される。ここから、ウエハ６２６はフロントエンド・ロボット６３２により、いずれかのＦＯＵＰ６３４またはアライナ６４４に移動させることができる。
【００９４】
なお、ウエハの移動を制御するコンピュータは、クラスタ・アーキテクチャに対してローカルであってもよいし、製造フロアのクラスタ・アーキテクチャに対して外部の位置にあってもよいし、リモートの位置にあってネットワーク経由でクラスタ・アーキテクチャに接続されてもよい。図５を参照して上述したコントローラは、図６のツールと共に実装されてもよい。
実験
実験１
【００９５】
基板の金属のエッチングを含む実験を行った。基板はＭＲＡＭチップを含み、その上にＣｏＰｔの層が堆積され、ＭｇＯの層とＣｏＦｅＢの層とが基板の上に堆積された（磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造用）。Ｒｕ層が基板の上に堆積され、タンタル・マスクが堆積およびパターニングされた。このスタックを、以下に説明するように、様々な試験で使用した。また、基板が加工されるツールに、ＳｉＯ2キャリア・ウエハを挿入した。
【００９６】
すべての試験で、Ｒｕ層を湿式エッチングにより開いた。基板は、ＡＬＥプロセスのために、ＢＣｌ3／Ｃｌ2とＡｒの交互パルスに７０サイクルにわたり晒された。この７０サイクルは、強力なＣｌ2（２０ｓｃｃｍのＢＣｌ3／１８０ｓｃｃｍのＣｌ2、６０ｍＴｏｒｒで２．５秒間、最初にＣｌ2の３秒間の安定化パルス）と、２００ｓｃｃｍ、１０ｍＴｏｒｒのＡｒの交互のサイクルを含み、プラズマ出力が９００Ｗ、バイアスが５０Ｖｂで４秒間にわたり適用された（開始時の最初の４秒の安定化と、２秒のバイアス遅延を伴う）。他の４０サイクルは、穏やかなＣｌ2（５０ｓｃｃｍのＢＣｌ3／４５ｓｃｃｍのＣｌ2、１０ｍＴｏｒｒで０．５秒間、最初の安定化なし）とＡｒ（４００ｓｃｃｍ、１０ｍＴｏｒｒ、プラズマ出力９００Ｗ、バイアス５０Ｖｂで４秒間、最初の安定化７秒間、バイアス遅延２秒間）のパルスを含む。
【００９７】
最終的な基板は、再堆積されたＣｏＦｅＣｌxおよびＣｏＰｔの厚い層を、スタックの上およびタンタル・ハード・マスクの側壁に有していた。この基板を様々な撮像技法により解析したところ、Ｃｏ、Ｒｕ、およびＰｔの残留物が側壁に堆積している一方、ＦｅまたはＴａは側壁で発見されなかった。ＭｇＯ層はそのままだったが、ＣｏＦｅ層にはいくつかの損傷があった。ＭＴＪ層の縁部および側壁で、塩素が検出された。この試験では、ＳｉＯ2キャリア・ウエハからの一部のＳｉＯ2の堆積により、限界寸法が増えていた。キャリア・ウエハからの一部のシリコンは、エッチングにも貢献したが、シリコンの量は側壁への再堆積を防ぐには不十分だった。
【００９８】
第２および第３の試験では、Ｒｕ層を開いてから、ＡＬＥによるエッチングを行うまでの間に、基板をシリコン含有先駆物質および窒素含有反応物に同時に晒して、ＳｉＮを基板の上に厚さ６ｎｍまで堆積させた。Ｉｒ被覆をＳｉＮの上に堆積させた。
【００９９】
第２の試験では、基板をＡｒスパッタリングのみの７０サイクルに晒したが、依然として一部のＣｏ、Ｆｅ、およびＰｔが基板に再堆積した。基板を撮影した画像ではＳｉＮキャップ層が基板でそのままになっているが、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＰｔを含む残留物がＳｉＮキャップの上に再堆積し、それによってタンタル・ハード・マスクにテーパ形状が形成された。基板の画像を分析した。ここで、大量のＦｅ、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｔａ、およびＰｔが側壁に再堆積していた。この結果は、ハロゲン化物および／またはハロゲン・ガス・ケミストリ（ホウ素含有ハロゲン化物および／またはハロゲン・ガス・ケミストリを含む）を伴わないシリコン単独では、側壁の堆積を防止できないことを示唆している。
【０１００】
第３の試験では、ＳｉＮ層およびＩｒ被覆を堆積させた後、第１の試験に倣って、基板を７０サイクルのＡＬＥ（３０サイクルの強力なＣｌ2およびＡｒと、４０サイクルの穏やかなＣｌ2およびＡｒ）に晒した。最終的な基板は、ＳｉＮキャップ上の再堆積がなく、テーパ形状も減少していた。ここで、基板の画像を分析した。側壁の再堆積は劇的に減少していた。Ｔａマスクには、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔａ、およびＰｔはわずかしか存在せず、Ｒｕは少量だった。ＭＴＪの側壁には、依然としてＣｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、およびＰｔが存在したが、他の試験で再堆積した量よりは大幅に減少している。加工条件と、堆積およびエッチングのサイクルとをさらに調整して、再堆積を最小限に抑えることができる。この試験では、ＭＴＪ層は損傷しておらず、Ｃｌは検出されなかった。エッチングプロセスの後、ＳｉＮスペーサは残っていなかったが、このことはＭＴＪで確認された少量の再堆積を説明している可能性がある。側壁には一部のＳｉＯ2が残っていたが、これはシリコン・キャリア・ウエハから生じたものである可能性がある。
実験２
【０１０１】
タンタル・バリア層と、タンタル層の上に堆積されたＰｔＭｎ層と、ＰｔＭｎ層の上に堆積されたＣｏＦｅＢ層とを含み、タンタル・ハード・マスクが加えられた基板を加工した。ＳｉＮ層が基板の上に堆積され、薄いＣｒ被覆がＳｉＮキャップの上に堆積された。基板をＢＣｌ3／Ｃｌ2およびＡｒの交互パルスに晒したところ、エッチング後に得られたＳｉＮキャップに再堆積は見られなかった。
実験３
【０１０２】
ブランケットＣｏＦｅウエハ上のＳｉＣｌ4で実験を行った。最初の試験には、ＳｉＣｌ4／Ａｒに曝露することが含まれていた。第２の試験には、ＡＬＥモードでのＢＣｌ3／Ｃｌ2およびＡｒの交互パルスが含まれていた。第３の試験には、ＳｉＣｌ4  ＡＬＤが１、２、３、および４サイクルで含まれ、その後ＡＬＥで交互のＢＣｌ3／Ｃｌ2およびＡｒの１サイクルにより、ＡＬＤ−ＡＬＥモードを実行した。
【０１０３】
結果は、ＣＷ  ＳｉＣｌ4／ＡｒおよびＡＬＥ  ＢＣｌ3／Ｃｌ2／ＡｒはいずれもＣｏＦｅをエッチングせず、ＡＬＤ−ＡＬＥを含むプロセスでＣｏＦｅがエッチングされたことを示唆している。これは、本明細書に記載されるＡＬＤ−ＡＬＥプロセスの組み合わせが、通常は不揮発性副生成物を生み出すこれらの金属化合物を効果的にエッチングすることを示唆している。同様のアプローチでもＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ、およびＰｔＭｎがエッチングされることが期待される。
実験４
【０１０４】
基板を含む実験を行った。基板を、５０ｓｃｃｍのＳｉＣｌ4および２００ｓｃｃｍのＮ2に６０ｍＴｏｒｒで５秒間曝露し、次に２００ｓｃｃｍのＮ2に１２００Ｗおよび６０Ｗで４０ｍＴｏｒｒで曝露して、ＳｉＮ層を基板の上に堆積させた。次に、基板を２０ｓｃｃｍのＢＣｌ3および１８０ｓｃｃｍのＣｌ2を含む１サイクルのＡＬＥに６０ｍＴｏｒｒで２．５秒間曝露し、２００ｓｃｃｍのＡｒに９００Ｗ、バイアス６０Ｖｂ、５０ｍＴｏｒｒで４秒間曝露した。各試験で、計６０サイクルを実行した。最初の試験には、１  ＳｉＮ  ＡＬＤサイクルとそれに続く１  ＡＬＥサイクルが６０回含まれた。第２の試験には、２  ＳｉＮ  ＡＬＤサイクルとそれに続く１  ＡＬＥサイクルが６０回含まれた。第３の試験には、３  ＳｉＮ  ＡＬＤサイクルとそれに続く１  ＡＬＥサイクルが６０回含まれた。第４の試験には、４  ＳｉＮ  ＡＬＤサイクルと１  ＡＬＥサイクルが６０回含まれた。３サイクルのＡＬＤ  ＳｉＮで、ＣｏＦｅの２１．６ｎｍのすべてがエッチングされた。各ＡＬＤ  ＳｉＮサイクルの厚さは、０．５Åから１Åになることが予想された。エッチングされたＣｏＦｅの量と、ＡＬＤ  ＳｉＮサイクルの数とを図７に示す。図示されているように、３サイクルのＡＬＤ  ＳｉＮで、すべてのＣｏＦｅがエッチングされた。
実験５
【０１０５】
タンタル・バリア層、ＰｔＭｎ層、ＣｏＦｅＢ層、およびタンタル・ハード・マスクを備えた基板を含む試験を行った。基板をＡｒでスパッタし、ハロゲン化物および／またはハロゲンガスのエッチングを実行する前に、基板の上にＴｉＯ2保護層を共形に堆積させて、基板を覆った。その後、ＡＬＥプロセスで、基板をＢＣｌ3／Ｃｌ2およびＡｒパルスのサイクルに晒した。最終的な基板では、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、およびＴａが側壁またはＴｉＯ2キャップに再堆積していなかった。
実験６
【０１０６】
ルテニウム金属層、ＰｔＭｎ層、ＣｏＦｅＢ層、およびタンタル・ハード・マスクを備える基板を含む試験を行った。ハロゲン化物および／またはハロゲンガスのエッチングを実行する前に、基板の上にＳｉＯ2保護層を共形に堆積させて基板を覆った。その後、ＡＬＥプロセスで、基板をＢＣｌ3／Ｃｌ2およびＡｒパルスのサイクルに晒した。最終的な基板では、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、およびＴａが側壁またはＳｉＯ2キャップに再堆積していなかった。
結び
【０１０７】
明瞭な理解を促すために、上記実施形態についてある程度詳しく説明したが、添付の特許請求の範囲内で特定の変更および改良を実施することができることは明らかであろう。なお、これらの実施形態のプロセス、システム、および装置を実装する代替方法は多数存在する。したがって、これらの実施形態は、例示的なものであり限定するものではないと見なされるべきであり、実施形態は本明細書で示された詳細事項に限定されない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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