一种用于高深宽比器件刻蚀的方法及机台与流程

1.本发明涉及一种微纳制作工艺，用于高深宽比器件刻蚀结构方法及机台，应用于深宽比大于100:1的凹槽器件结构的形成。


背景技术：

2.在集成电路制造过程中，刻蚀工艺占着重要的地位，刻蚀是指将光刻工艺后形成的目标图形通过刻蚀工艺传递到待加工晶圆表面，形成所需的器件结构。刻蚀工艺一般可分为湿法刻蚀和等离子体刻蚀。因器件特征尺寸的缩小，各向同性的湿法无法满足当今先进集成电路制造，所以目前绝大部分是等离子体刻蚀。刻蚀可分基于化学反应和物理轰击的反应离子刻蚀（rie, reactive ion etching）和纯物理轰击的离子束刻蚀（ibe）。rie基于化学反应去除待刻蚀材料，有刻蚀速率快等特点。但是，rie参与反应的主要是中性粒子以及少数的离子，所以方向性相对较差造成刻蚀内壁出现内掏现象（如图1所示）。ibe蚀刻是基于惰性气体解离后形成带点离子的物理轰击去除待刻蚀材料。ibe是利用电场加速离子轰击晶圆，所以方向性较好可获得较好的刻蚀陡直性。但是，ibe的刻蚀方法不会产生化学反应形成可挥发物，所以有刻蚀速度较慢、已材料再沉积和颗粒等问题。
3.在摩尔定律的驱动下，先进技术器件早已量产。但是，由于工艺条件以及器件的物理极限，特征线宽不可能做到无限小。在非易失性存储器领域，为进一步提高单位面积内的存储单元的集成度，3d nand芯片采用将二维存储单元竖立，在垂直晶圆方向进行累加，从而提高单位晶圆的存储容量。目前，较为成熟的是64层3d nand存储器，为进一步提高单位晶圆存储容量，提出128层或者256层3d nand结构。随着层数的增加待刻蚀的厚度也增加，刻蚀工艺将面临最大的挑战是即要保证特定的深宽比的同时又要减少侧壁内掏，所以可以说此关键刻蚀工艺直接决定了3d nand芯片是否能往更高层数发展。
4.

技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于高深宽比器件刻蚀的方法，即通过真空传送平台将反应离子刻蚀（reactive ion etching，简称rie）腔和原子层沉积（atomic layer deposition，简称ald）腔相结合的方法，实现rie工艺和ald工艺组合使用的目的，解决了rie在高深宽比器件结构中单一刻蚀能力不足的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于高深宽比器件刻蚀的方法，采用真空传送平台将rie腔和ald腔相结合的方法，具体步骤如下：步骤1：将开完掩膜的晶圆传送至rie腔进行纵向的刻蚀，控制刻蚀时间防止侧壁出现侧掏现象，并在侧壁出现侧掏现象之前停止工艺，此时为第一次刻蚀；步骤2：真空传送平台将完成步骤1的晶圆通过真空传送平台从rie腔传送到ald腔，并在ald腔中进行侧壁保护薄膜沉积，此时凹槽侧壁和表面沉积特定厚度的ald薄膜；
步骤3：真空传送平台将完成步骤2的晶圆再次通过真空传送平台从ald腔传送至rie腔，并通过基于惰性气体的物理轰击方式刻蚀晶圆，去除凹槽底部沉积的ald薄膜，保留凹槽侧壁的ald薄膜，为凹槽继续刻蚀提供侧壁保护；步骤4：对上述步骤3中的晶圆继续刻蚀，控制刻蚀时间防止凹槽侧壁出现侧陶现象，并在凹槽侧壁出现侧掏现象之前停止刻蚀工艺，并通过rie的化学刻蚀方式去除侧壁保护的ald薄膜；步骤5：重复上述步骤2-4，至形成特定高深宽比的器件结构，最后通过rie的化学刻蚀方式除去残留的ald薄膜。
7.优选地，在步骤2中，所述ald薄膜的厚度为3~20nm。
8.优选地，在步骤3中，刻蚀目标材料与侧壁保护ald薄膜的刻蚀选择比大于1.5，侧壁保护ald薄膜与侧壁刻蚀目标材料选择比大于3。
9.优选地，所述步骤3中，惰性气体选用氦（he）、氖（ne）、氩（ar）、氪（kr）、氙（xe）等气体，惰性气体物理轰击的偏压射频功率为300w-6000w。
10.根据上述的用于高深宽比器件刻蚀的方法的方法，设计一种用于高深宽比器件刻蚀方法的机台，该机台包括载晶圆台、ald腔、真空传送平台和rie腔；其中，所述真空传送平台呈多边形，所述真空传送平台的一边集成ald腔，所述真空传送平台的与ald腔对称的一边集成rie腔，所述真空平台的其他一边集成载晶圆台，通过真空传送平台将rie腔和ald腔集成在一个平台式机台。
11.优选的，所述真空传送平台的边数大于四边。
12.本发明具有如下有益效果：1、本发明采用rie工艺和ald工艺组合的方法形成高深宽比器件结构，控制工艺时间防止刻蚀出现侧壁侧掏，并通过ald工艺对侧壁进行保护，交替使用rie和ald工艺能获得更高深宽比器件结构，为制备3d nand存储器领域有着关键性作用。
13.2、侧壁保护用ald薄膜层材料与待刻蚀材料相比，在刻蚀目标材料时，目标材料与对侧壁保护ald薄膜的材料刻蚀选择比大于1.5；在去除侧壁保护薄膜时，侧壁保护ald薄膜与侧壁的刻蚀目标材料刻蚀选择比大于3，因ald侧壁保护薄膜对目标刻蚀材料刻蚀选择比大1.5，因此ald薄膜对侧壁能起到保护作用，防止刻蚀晶圆时，产生腔室内部出现侧掏现象，进而提高了凹槽的刻蚀能力。
附图说明
14.图1是rie刻蚀导致的凹槽内掏现象的截面示意图。
15.图2是本发明中一种用于集成电路制造工艺中高深宽比器件结构刻蚀的机台的结构示意图。
16.图3a是晶圆开完掩膜之后晶圆示意图即本方法中晶圆开始刻蚀之前的原始截面示意图；图3b是本方法完成步骤1后的晶圆截面示意图；图3c是本方法步骤2中晶圆完成沉积侧壁ald薄膜的截面示意图；图3d是本方法步骤3中晶圆经过物理轰击方式刻蚀后的截面示意图；图3e是本方法步骤4中在出现侧壁侧掏现象之前停止刻蚀的晶圆截面示意图；
图3f是本方法步骤4中晶圆取出之前去除残留ald薄膜后的截面示意图。
17.其中有：1. ald腔；2. 真空传送平台；3. 载晶圆台；4. rie腔；5. 掩膜层；6. 目标刻蚀材料；7. ald薄膜。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
19.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
20.针对使用单一rie制备高深宽比器件结构引发侧壁侧掏的问题，本实施例中提出了一种用于集成电路制造工艺中高深宽比器件结构刻蚀的方法，通过交替运行rie刻蚀工艺和ald侧壁保护工艺形成高深宽比器件结构，采用真空传送平台2将rie腔4和ald腔1相结合，对表面局部遮挡有掩膜的晶圆进行刻蚀，其中目标刻蚀位置为无遮挡掩膜的晶圆位置，运用本刻蚀方法使目标刻蚀位置最终形成高深宽比器件结构。
21.如图3a-3f所示，在利用本方法刻蚀晶圆时，利用目标材料与掩膜层5材料的刻蚀选择比大于1的属性，晶圆局部表面遮挡的掩膜层5的厚度在刻蚀过程中逐渐变薄，但是在刻蚀晶圆凹槽的过程中，晶圆的掩膜层5始终不会消失。
22.一种用于高深宽比器件刻蚀的方法，采用真空传送平台将rie腔和ald腔相结合的方法，本方法中涉及的设备包括载晶圆台3、ald腔1、rie腔4以及真空传送平台2。
23.具体步骤如下：步骤1：将开完掩膜的晶圆（如图3a）传送至rie腔4进行纵向的刻蚀，控制刻蚀时间防止侧壁出现侧掏现象，并在侧壁出现侧掏现象之前停止工艺，此时为第一次刻蚀（如图3b）；步骤2：真空传送平台2将完成步骤1的晶圆，通过真空传送平台2从rie腔4传送到ald腔1，并在ald腔1中进行侧壁保护薄膜沉积，此时凹槽侧壁和表面沉积特定厚度的ald薄膜7(如图3c)；此ald薄膜7作为步骤3中刻蚀时，对凹槽侧壁是起到保护作用，而此时沉积的ald薄膜7的厚度一般为3~20nm；步骤3：真空传送平台2将完成步骤2的晶圆再次通过真空传送平台2从ald腔1传送至rie腔4，并通过基于惰性气体的物理轰击方式刻蚀晶圆，去除凹槽底部沉积的ald薄膜7，保留凹槽侧壁的ald薄膜7，为凹槽继续刻蚀提供侧壁保护；惰性气体选用氦（he）、氖（ne）、氩（ar）、氪（kr）、氙（xe）等气体，惰性气体物理轰击的偏压射频功率为300w-6000w；此时，刻蚀目标材料与侧壁保护ald薄膜7的刻蚀选择比大于1.5，侧壁保护ald薄膜7与侧壁目标材料的刻蚀选择比大于3，侧壁保护ald薄膜7与侧壁刻蚀目标材料选择比大于3，因物理刻蚀方式对纵向的刻蚀速度远快于横向的刻蚀速度，所以此时晶圆的凹槽底部的ald薄膜7去除的比侧壁的ald薄膜7快，凹槽侧壁的ald薄膜7（如图3d）得以保留，从而对目标刻蚀位置刻蚀时能起到保护凹槽侧壁的作用，防止产生凹槽侧壁出现侧掏现象；步骤4：对上述步骤3中的晶圆继续刻蚀，控制刻蚀时间防止凹槽侧壁出现侧陶现象，并在凹槽侧壁出现侧掏现象之前停止刻蚀工艺，并通过rie的化学刻蚀方式去除侧壁保护的
ald薄膜（如图3e）；步骤5：重复上述步骤2-4，至形成特定高深宽比的器件结构（如图3f），最后通过rie的化学刻蚀方式除去残留的ald薄膜7。
24.根据上述的用于高深宽比器件刻蚀的方法，设计一种用于高深宽比器件刻蚀方法的机台，其中真空传送平台2呈多边形，真空传送平台2的一边集成ald腔1，真空传送平台2的与ald腔1对称的一边集成rie腔4，所述真空平台2的其他一边集成载晶圆台3，通过真空传送平台2将rie腔4和ald腔1集成在一个平台式机台，其中，所述真空传送平台的边数一般选择大于四边。
25.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。