[发明专利]使用自限制和溶解度受限反应的原子层湿法蚀刻

说明书

本文披露了一种用于在蚀刻期间改进材料的微观和宏观均匀性二者的加工系统和平台。这些改进可以通过使用原子层湿法蚀刻(ALE)技术在材料表面上形成和溶解薄的自限制层来完成。对于多晶材料的蚀刻，可以使用这些自限制反应来防止蚀刻期间表面的这种粗糙化。因此，如本文所披露的，湿法ALE工艺使用顺序的自限制反应来首先对材料的表面层进行改性，然后选择性地去除改性层。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年11月15日提交的发明名称为“Wet Atomic Layer EtchingUsing Self-Limiting and Solubility-Limited Reactions[使用自限制和溶解度受限反应的原子层湿法蚀刻]”的美国临时专利申请号62/767,808、以及2019年2月27日提交的发明名称为“Wet Atomic Layer Etching Using Self-Limiting and Solubility-LimitedReactions[使用自限制和溶解度受限反应的原子层湿法蚀刻]”的美国专利申请号16/287,658的优先权；这些专利申请的披露内容通过引用以其全文明确结合在此。

背景技术

本披露内容涉及衬底加工。特别地，本披露内容提供一种在衬底上蚀刻层的方法。

在衬底加工期间，已知多种用于蚀刻衬底上的各个层的技术。等离子蚀刻和湿法蚀刻是两种公知的技术。湿法蚀刻包括将化学溶液分配在衬底的表面上或将衬底浸入化学溶液中。化学溶液通常包含溶剂、被设计为与衬底表面上的材料反应的化学物质以及促进反应产物溶解的化学物质。衬底表面暴露于蚀刻剂下的结果是从衬底上去除材料。蚀刻剂组成和温度可以控制蚀刻速率、特异性以及蚀刻后衬底表面上的残留材料。

热力学和动力学都在蚀刻剂制剂中起作用。为了蚀刻成功，期望的反应需要在热力学和动力学上都是有利的。对于蚀刻多晶材料，成功的要求变得更加严格。对于这些材料，期望的是，对于每个单独的微晶小面和晶界几何形状，去除速率基本上相似，而无论微晶形态或环境如何。表面粗糙度在纳米级特征的界面品质和电特性中起着重要作用。当蚀刻纳米级多晶材料时，与不同的晶体小面相比，在晶界处的不同蚀刻速率在蚀刻期间产生表面的粗糙化。进一步地，期望的是材料去除速率在宏观和微观水平上应该是均匀的并且以与大批量制造相容的速率发生。宏观均匀性可以通过仔细的工程化解决，但是微观均匀性取决于蚀刻本身的化学作用。

随着衬底结构的几何形状继续缩小以及结构类型演变，蚀刻衬底的挑战增加。用来解决这些挑战的一种技术是原子层蚀刻(ALE)。通常已知ALE工艺包括通过一个或多个自限制反应顺序去除薄层的工艺。例如，ALE通常是指可以以原子精度进行蚀刻的技术-一次去除一层或几层单层材料。通常，ALE方案依赖于待蚀刻表面的化学改性，然后选择性地去除改性层。因此，ALE工艺通过将蚀刻工艺分离成表面改性和改性表面去除的顺序步骤来提供改善的性能。这种工艺通常包括多个循环系列的层改性和蚀刻步骤。改性步骤可以对暴露的表面改性，并且蚀刻步骤可以选择性地去除改性层。因此，在一个实施例中，可能发生一系列自限制反应，并且该循环可以重复执行。在其他实施例中，该工艺可以仅使用一个循环。如本文所使用的，ALE工艺也可以包括准ALE工艺。在这种工艺中，仍然可以使用一系列修改和蚀刻步骤循环。然而，去除步骤可能不是纯粹的自限制，因为在去除改性层之后，蚀刻明显减慢，但是它可能不会完全停止。因此迄今为止，已知的ALE技术已经在真空或气相中完成。这种技术利用等离子体或高温热化学反应来对材料表面改性，然后是化学或配体交换反应来使改性层挥发。ALE的性质使表面被蚀刻时变得平滑。

其他已知的顺序蚀刻技术包括使用氧等离子体、臭氧或过氧化氢作为自限制氧化步骤来蚀刻III-V半导体以及酸性湿法蚀刻以选择性地去除氧化物。然而，虽然现有技术提供了顺序蚀刻工艺，但是由于需要侵蚀性氧化剂，因此缺乏原子层控制。

随着正被蚀刻的特征大小继续减小，用已知的蚀刻技术使微观和宏观蚀刻的均匀性要求满足可接受的程度变得越来越困难。因此，将期望提供一种改进的蚀刻工艺。

发明内容