本發(fā)明涉及等離子刻蝕領(lǐng)域，尤其涉及一種對(duì)氧化硅和氮化硅交替層疊形成的多層材料層進(jìn)行深孔刻蝕的刻蝕方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體器件的精密加工如刻蝕通常采用等離子刻蝕的方法，刻蝕過(guò)程中需要將待加工的基片放置入真空等離子反應(yīng)腔，隨后通入反應(yīng)氣體，同時(shí)將高頻(13.56/27/60MHz)射頻電源產(chǎn)生的射頻功率饋入等離子反應(yīng)腔上下電極間以產(chǎn)生足夠濃度的等離子體，為了控制帶電離子垂直入射到基片的能量還需要施加一個(gè)低頻(2MHz)的射頻功率到反應(yīng)腔內(nèi)的下電極。在刻蝕過(guò)程中反應(yīng)氣體會(huì)與下方未被掩膜層覆蓋的待刻蝕材料反應(yīng)形成向下延伸的通孔，同時(shí)反應(yīng)氣體中的聚合物成分會(huì)在通孔的側(cè)壁形成足夠厚的聚合物層保護(hù)側(cè)壁，使其不會(huì)被反應(yīng)氣體沿水平方向刻蝕。通孔底部的聚合物層會(huì)被垂直入射的帶電離子轟擊，所以無(wú)法形成對(duì)底部待刻蝕材料的覆蓋，反應(yīng)氣體得以繼續(xù)向下刻蝕，最終形成具有方向性的垂直通孔。隨著信息技術(shù)的發(fā)展各種海量信息需要廉價(jià)而可靠的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，其中垂直排布的三維立體VNAND存儲(chǔ)器現(xiàn)在日益成為這種大規(guī)模低成本存儲(chǔ)器的主要選擇。如圖1a所示，VNAND器件在生產(chǎn)制造過(guò)程中首先需要在基片100上交替沉積多層氧化硅101和氮化硅材料層103，再在這些交替結(jié)構(gòu)上形成具有刻蝕圖形的掩膜材料層105，這種交替的雙層結(jié)構(gòu)現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到24層到48層的雙層結(jié)構(gòu)，今后為了提高存儲(chǔ)能力有可能進(jìn)一步增加層數(shù)到54層或者72層。這種多層交替的結(jié)構(gòu)可以達(dá)到2.4微米厚度以上。由于待刻蝕材料層是雙材料交替相疊的，刻蝕過(guò)程中需要通入的反應(yīng)氣體也需要選擇能夠刻蝕兩種材料層?，F(xiàn)有刻蝕參 數(shù)典型可以選擇：C4F6(30sccm)和C4F8(30sccm)、Ar(100sccm)、CH2F2(50sccm)、O2(60sccm)，刻蝕持續(xù)時(shí)間約300秒。其中C4F8和C4F6對(duì)氧化硅刻蝕速度較快對(duì)氮化硅刻蝕速度較慢，CH2F2對(duì)氮化硅刻蝕較快而對(duì)氧化硅刻蝕較慢，Ar氣體可以作為向下轟擊刻蝕孔底部的氣體分子。刻蝕完成后形成的通孔102會(huì)被填充入導(dǎo)體材料以作為引出電極，這些電極最后會(huì)與外部的數(shù)據(jù)電路連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)VNAND存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)操作。

上述氣體成分在刻蝕交替層疊的氧化硅層101和氮化硅103過(guò)程中，在通孔102深度不大時(shí)能夠保證通孔垂直向下延伸，但是當(dāng)通孔102向下刻蝕達(dá)到一定深度時(shí)(如1um-2um深度)，帶正電的粒子不斷向下轟擊到達(dá)底部，由于SiO和SiN都是絕緣材料所以這些正電荷無(wú)法被導(dǎo)走，同時(shí)帶負(fù)電荷的粒子無(wú)法到達(dá)通孔102底部中和底部正電荷，所以通孔102側(cè)壁會(huì)產(chǎn)生電荷積累。反應(yīng)氣體中大量的聚合物氣體會(huì)在通孔側(cè)壁形成保護(hù)層，而這些保護(hù)層由于厚度不均會(huì)導(dǎo)致側(cè)壁上聚集的電荷不均勻，這些不均勻分布的正電荷會(huì)使向下入射的正電粒子在長(zhǎng)距離飛行中方向發(fā)生偏移，進(jìn)一步地刻蝕孔102的刻蝕方向也會(huì)發(fā)生偏移。如圖1a所示當(dāng)左側(cè)正電荷多于右側(cè)正電荷時(shí)Ar+粒子會(huì)向右偏移，通孔102底部開(kāi)始出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)刻蝕，通孔底部左側(cè)側(cè)壁由于被刻蝕掉的材料較少開(kāi)始向右延伸，右側(cè)偏移還不明顯。但是如果電荷積累問(wèn)題始終得不到解決這些不對(duì)稱(chēng)分布的電荷會(huì)使得通孔102的扭曲程度加劇，最終形成如圖1b所示的彎孔。在后續(xù)的導(dǎo)電材料填充步驟中，這種具有彎曲形貌的通孔使得導(dǎo)電材料無(wú)法進(jìn)入下方的彎曲孔中，這會(huì)導(dǎo)致最終電極無(wú)法形成，存儲(chǔ)器件也失效。

為了解決上述問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)提出很多方法比如脈沖射頻電場(chǎng)、脈沖式流入的氣體等來(lái)解決電荷不均勻分布以及中和底部正電荷的問(wèn)題，但是由于 通孔的深度很大以及刻蝕材料屬性的限制現(xiàn)有方法只能一定程度上減緩扭曲的程度無(wú)法徹底解決這一問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的是兩種交替層疊的絕緣材料層在深孔刻蝕過(guò)程中通孔方向偏移的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種利用等離子體對(duì)多層材料層進(jìn)行刻蝕的方法，所述多層材料層包括多層交替層疊的第一材料層和第二材料層，所述刻蝕方法包括：放置待刻蝕基片到反應(yīng)腔，所述基片上方包括所述多層材料層，多層材料層上方包括具有刻蝕圖形的掩膜層；執(zhí)行主刻蝕步驟，同時(shí)通入包括第一刻蝕氣體和第二刻蝕氣體到反應(yīng)腔內(nèi)對(duì)多層材料層進(jìn)行刻蝕，直到刻蝕形成的通孔達(dá)到第一深度D時(shí)切換進(jìn)入中間處理步驟；執(zhí)行中間處理步驟，通入第一刻蝕氣體或第二刻蝕氣體之一的刻蝕氣體到反應(yīng)腔內(nèi)對(duì)多層材料層刻蝕以修正通孔底部形貌，完成對(duì)通孔底部形貌修正后再次執(zhí)行主刻蝕步驟；其中第一刻蝕氣體對(duì)第一材料層和第二材料層刻蝕選擇比大于5，第二刻蝕氣體對(duì)第二材料層和第一材料層的刻蝕選擇比大于5。在執(zhí)行上述中間處理步驟中還可以選擇：通入第一刻蝕氣體到反應(yīng)腔內(nèi)對(duì)多層材料層刻蝕以修正通孔底部形貌，在完成通孔底部的部分形貌修正后，停止通入第一刻蝕氣體，通入第二刻蝕氣體到反應(yīng)腔內(nèi)，完成對(duì)通孔底部形貌修正后再次執(zhí)行主刻蝕步驟；

其中再次執(zhí)行主刻蝕步驟使得通孔深度第二次向下延伸達(dá)到2D后需要再次執(zhí)行中間處理步驟。以防止再次發(fā)生通孔偏移現(xiàn)象。所述中間處理步驟時(shí)間小于40秒，所述多次執(zhí)行的主刻蝕步驟時(shí)間長(zhǎng)度大于200秒，中間處理步驟所耗時(shí)間不會(huì)明顯延長(zhǎng)整體處理時(shí)間。

其中第一刻蝕氣體對(duì)第一材料層和第二材料層的刻蝕選擇比大于8，同時(shí)第二刻蝕氣體對(duì)第二材料層和第一材料層的刻蝕選擇比也大于8。

其中第一材料層是氧化硅材料層，第二材料層是氮化硅材料層，第一刻蝕氣體包括氟碳化合物，第二刻蝕氣體包括氟碳?xì)浠衔?，其中氟碳化合物包括C4F8和C4F6，氟碳?xì)浠衔餅镃H2F2。

其中多層材料層包括的第一和第二材料層的層數(shù)大于48層，所述多層材料層的厚度大于3微米。

其中所述第一深度D小于2微米，最佳的第一深度D可以選擇大于1.5微米小于2微米。

附圖說(shuō)明

圖1a、1b是現(xiàn)有技術(shù)交替層疊的多層材料層在刻蝕中形成扭曲通孔的過(guò)程示意圖；

圖2a是本發(fā)明第二實(shí)施例刻蝕過(guò)程中通孔側(cè)壁形貌變化示意圖，其中2b是通孔底部局部放大示意圖；

圖3是本發(fā)明完成中間處理步驟后通孔側(cè)壁形貌示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明要解決是兩種交替層疊的絕緣材料層在深孔刻蝕過(guò)程中通孔方向偏移的問(wèn)題。本發(fā)明刻蝕的基片上沉積有交替層疊的多層絕緣材料層，絕緣材料層上方還包括掩膜層，掩膜層上形成有圖形用于作為掩膜向下刻蝕通孔。待刻蝕基片被放入反應(yīng)腔，通入刻蝕氣體，同時(shí)向反應(yīng)腔內(nèi)的電極施加高頻射頻功率(60Mhz，功率大于400W)和很高的偏置射頻功率(2Mhz，功率5K～10KW)以對(duì)基片進(jìn)行刻蝕。

本發(fā)明提出了一種利用等離子體對(duì)多層材料刻蝕的方法，在刻蝕的初始階段進(jìn)行主刻蝕步驟，主刻蝕步驟中采用與現(xiàn)有技術(shù)相同的主刻蝕氣體，主刻蝕氣體包括分別適于刻蝕氧化硅的第一刻蝕氣體和用于刻蝕氮化硅的第二刻蝕氣體以及氧氣、氬氣等輔助氣體。上述反應(yīng)氣體持續(xù)向下刻蝕形成一定深度的通孔，刻蝕孔開(kāi)始出現(xiàn)或者預(yù)測(cè)到即將如圖1a所示的偏移現(xiàn)象時(shí)停止主刻蝕氣體的通入，進(jìn)入中間處理步驟?？涛g通孔102出現(xiàn)側(cè)壁形貌扭曲的深度受刻蝕氣體成分和射頻功率、氣壓等具體參數(shù)影響。根據(jù)發(fā)明人測(cè)試在連續(xù)刻蝕交替層疊的多層材料層達(dá)到1.5-2um左右深度時(shí)能夠明顯的檢測(cè)到 側(cè)壁扭曲，所以可以根據(jù)這一深度數(shù)據(jù)選擇停止執(zhí)行主刻蝕步驟進(jìn)入中間處理步驟的時(shí)間點(diǎn)，不同的主刻蝕步驟處理工藝可以進(jìn)行預(yù)先測(cè)試，檢測(cè)會(huì)發(fā)生側(cè)壁形貌扭曲的深度并記錄數(shù)據(jù)，在正式刻蝕時(shí)優(yōu)化選擇切換上述不同刻蝕步驟的時(shí)間點(diǎn)。

本發(fā)明提出的第一實(shí)施例，在中間處理步驟中通入的刻蝕氣體選擇的第一刻蝕氣體對(duì)氧化硅與氮化硅刻蝕速度具有很高選擇比，比如大于5，最佳的需要大于8，也就是刻蝕氧化硅的速度是刻蝕氮化硅速度的8倍以上。示例性的如C4F6(30sccm)、C4F8(30sccm)，同時(shí)還需要通入其它輔助氣體如Ar(100sccm)以及O2(45sccm)，這個(gè)中間處理氣體中只對(duì)氧化硅的刻蝕速度很快，對(duì)氮化硅則無(wú)法快速刻蝕。上述第一刻蝕氣體也可以是C4F6、C3F8、C5F8等其它氟碳化合物氣體，這些氣體均能實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化硅材料層的快速刻蝕同時(shí)相對(duì)氮化硅具有很高的選擇比。中間處理氣體相對(duì)第一步中的主刻蝕氣體主要區(qū)別在于大幅減少甚至停止通入了主要用于氮化硅的第二刻蝕氣體典型的如CH2F2，此外CHF、CH3F等各種碳?xì)浞幕衔餁怏w均能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的。以圖1a為例，當(dāng)最初出現(xiàn)刻蝕孔側(cè)壁傾斜時(shí)通孔底部位于材料層101(SiO2)上，此時(shí)由于通孔102底部以上的側(cè)壁區(qū)域已經(jīng)被前期刻蝕過(guò)程中形成的聚合物完整保護(hù)，所以只有底部仍會(huì)被刻蝕。中間處理氣體中的第一刻蝕氣體會(huì)對(duì)101材料層快速刻蝕，而且由于少了第二刻蝕氣體產(chǎn)生的聚合物，底部新刻蝕形成的通孔側(cè)壁保護(hù)層會(huì)弱于上方的側(cè)壁，所以等向性(isotropic)刻蝕會(huì)比較明顯，而左側(cè)的傾斜側(cè)壁刻蝕區(qū)域表面積大于右側(cè)垂直側(cè)壁刻蝕區(qū)域，所以圖中左側(cè)的側(cè)壁底部?jī)A斜部分會(huì)向左側(cè)收縮，而右側(cè)只是少量的橫向刻蝕，最終使得整個(gè)通孔扭曲的部分會(huì)被矯正。由于側(cè)壁形貌被矯正，側(cè)壁中積累的電荷分布也能被部分改善，有利于下一步刻蝕中保持刻蝕通孔102垂直向下延伸的方向性。

當(dāng)上述中間處理步驟繼續(xù)向下刻蝕，使得通孔102延伸到達(dá)102材料層時(shí)，由于中間處理氣體的高選擇性，向下刻蝕的反應(yīng)速度會(huì)顯著下降。在102材料層中向下刻蝕的作用主要是由向下轟擊的帶電粒子以及部分第一刻蝕氣體的低速刻蝕組合而成的，所以等向性刻蝕不再明顯，上方101材料層被矯正后的側(cè)壁，通孔102的形貌不會(huì)被再次惡化向側(cè)壁方向過(guò)度刻蝕。最終在 中間處理步驟完成時(shí)會(huì)得到如圖3所示的垂直的側(cè)壁。

中間處理步驟執(zhí)行時(shí)間可以根據(jù)需要優(yōu)化選擇，在很短的時(shí)間內(nèi)如10-40秒內(nèi)，較佳的如30秒內(nèi)就能夠完成對(duì)側(cè)壁通孔形貌的矯正。在完成中間處理步驟后再次進(jìn)入主刻蝕步驟，重新通入主刻蝕氣體繼續(xù)向下快速刻蝕直到達(dá)到目標(biāo)深度。如果再次向下執(zhí)行主刻蝕步驟的過(guò)程中需要刻蝕的深度仍然大于1.5-2um，則還要再次執(zhí)行本發(fā)明定義的中間處理步驟和后續(xù)的主刻蝕步驟，直到達(dá)到目標(biāo)深度。

本發(fā)明在主刻蝕步驟停止時(shí)大部分只會(huì)有一層材料層的側(cè)壁開(kāi)始出現(xiàn)傾斜，但是少部分情況會(huì)出現(xiàn)傾斜側(cè)壁連續(xù)在通孔的上下兩層材料層101、103中出現(xiàn)，具體結(jié)構(gòu)請(qǐng)參考圖2a。為解決這一問(wèn)題本發(fā)明提出第二實(shí)施例，在進(jìn)入中間處理步驟之后上層的101材料層側(cè)壁上的傾斜部分先被第一刻蝕氣體刻蝕掉，暴露出原先覆蓋在101材料層傾斜部分下方的位于103材料層中的傾斜部分，通孔底部結(jié)構(gòu)的局部放大圖如圖2b所示的，通孔底部左側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)臺(tái)階狀的凸起部以及與凸起部相連的傾斜部。此時(shí)中間處理氣體中的主要反應(yīng)氣體即第一刻蝕氣體不能有效刻蝕下方103材料層，向下刻蝕主要依靠帶電粒子的向下轟擊。由于臺(tái)階狀的凸起部會(huì)成為電界集中區(qū)，類(lèi)似于尖端放電現(xiàn)象，入射的帶電粒子會(huì)集中向尖端區(qū)域飛去進(jìn)行物理轟擊，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的刻蝕能夠?qū)?cè)壁上的傾斜部和凸起部刻蝕掉，但是所耗時(shí)間相對(duì)第一實(shí)施例中較久。當(dāng)然也可以在完成對(duì)上方101材料層側(cè)壁傾斜部的刻蝕后，在進(jìn)行103材料層側(cè)壁傾斜部刻蝕時(shí)，將中間處理氣體中的第一刻蝕氣體替換為第二刻蝕氣體，此時(shí)其作用原理與前述第一實(shí)施例中刻蝕101材料層側(cè)壁傾斜部的原理一樣，但是反應(yīng)速度相對(duì)較快。同樣的，在完成上述中間處理步驟后回到主刻蝕步驟繼續(xù)向下刻蝕直到達(dá)到目標(biāo)深度?；蛘咧虚g處理步驟中先單獨(dú)通入第二刻蝕氣體，執(zhí)行一定時(shí)間的刻蝕后在切換為單獨(dú)通入第一刻蝕氣體，只是刻蝕材料層的順序不同，都能修正兩種材料層上的側(cè)壁形貌扭曲，也能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。

本發(fā)明在中間處理步驟中的中間處理氣體除了可以是第一刻蝕氣體外，也可以包含少量第二刻蝕氣體或者其它刻蝕氣體，但是中間處理氣體成分的選擇需要使得第一刻蝕氣體刻蝕第一材料層和第二材料層時(shí)具有足夠的選擇 比，這個(gè)選擇比至少要大于5，最佳的需要大于8。當(dāng)然在中間處理過(guò)程中也可以只通入第二刻蝕氣體，同時(shí)不通入或者少通入第一刻蝕氣體，這樣也能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)刻蝕通孔形貌的矯正。本發(fā)明中相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)添加中間處理步驟刻蝕用時(shí)小于40秒，典型的只有30秒不到，而整體的主刻蝕步驟耗時(shí)通常大于200秒，大部分工藝需要300秒以上。所以中間處理步驟的耗時(shí)相對(duì)于整個(gè)刻蝕步驟的時(shí)長(zhǎng)大于等于300秒來(lái)說(shuō)額外增加的時(shí)間很短，但是對(duì)形貌改善的效果很明顯，而且不需要額外的氣體和其它硬件改動(dòng)，所以能夠在增加成本很小的情況下顯著提高刻蝕質(zhì)量。

由于現(xiàn)有技術(shù)在刻蝕中所選用的第一刻蝕氣體和第二刻蝕氣體都是富含聚合物成分的氣體，所以極易在側(cè)壁上形成聚合物保護(hù)層，但是聚合物保護(hù)層會(huì)隨著刻蝕通孔的深入向下，也會(huì)積累的越來(lái)越厚，這會(huì)造成通孔直徑相應(yīng)的逐漸縮小，最終刻蝕形成的通孔也會(huì)變成上大下小的倒梯形，這對(duì)半導(dǎo)體器件的性能造成不利影響。本發(fā)明中通過(guò)添加中間處理步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)底部側(cè)壁微量的側(cè)向刻蝕，除了能夠?qū)崿F(xiàn)的前述矯正通過(guò)側(cè)壁傾斜的功效外，還能同時(shí)括大通孔底部直徑，抵消聚合物層變厚造成的不利影響，進(jìn)一步改善通孔形貌。

本發(fā)明提出的刻蝕方法包括主刻蝕步驟，在主刻蝕步驟中通入包含第一刻蝕氣體和第二刻蝕氣體的主刻蝕氣體，對(duì)交替層疊的第一材料層和第二材料層進(jìn)行刻蝕，當(dāng)刻蝕形成的通孔深度達(dá)到一定數(shù)值(1.5-2um)時(shí)切換進(jìn)入中間處理步驟，在中間處理步驟中選擇第一刻蝕氣體作為中間處理氣體進(jìn)行刻蝕，執(zhí)行中間處理步驟一定時(shí)間使得通孔底部側(cè)壁傾斜部被消除，其中第一刻蝕氣體刻蝕第一材料層的和第二材料層的選擇比大于5，第二刻蝕氣體刻蝕第二材料層和第一材料層的選擇比大于5，最佳的上述選擇比需要大于8。

雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動(dòng)與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。