一种利用等离子体对多层材料刻蚀的方法技术

一种利用等离子体对多层材料层进行刻蚀的方法，所述多层材料层包括交替层叠的第一材料层和第二材料层，所述刻蚀方法包括：执行主刻蚀步骤，同时通入包括第一刻蚀气体和第二刻蚀气体到反应腔内对多层材料层进行刻蚀，直到刻蚀形成的通孔达到第一深度切换进入中间处理步骤；执行中间处理步骤，通入第一刻蚀气体或第二刻蚀气体之一的刻蚀气体到反应腔内对多层材料层刻蚀以修正通孔底部形貌，完成对通孔底部形貌修正后再次执行主刻蚀步骤；其中第一刻蚀气体对第一材料层和第二材料层刻蚀选择比大于5。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及等离子刻蚀领域，尤其涉及一种对氧化硅和氮化硅交替层叠形成的多层材料层进行深孔刻蚀的刻蚀方法。
技术介绍
半导体器件的精密加工如刻蚀通常采用等离子刻蚀的方法，刻蚀过程中需要将待加工的基片放置入真空等离子反应腔，随后通入反应气体，同时将高频(13.56/27/60MHz)射频电源产生的射频功率馈入等离子反应腔上下电极间以产生足够浓度的等离子体，为了控制带电离子垂直入射到基片的能量还需要施加一个低频(2MHz)的射频功率到反应腔内的下电极。在刻蚀过程中反应气体会与下方未被掩膜层覆盖的待刻蚀材料反应形成向下延伸的通孔，同时反应气体中的聚合物成分会在通孔的侧壁形成足够厚的聚合物层保护侧壁，使其不会被反应气体沿水平方向刻蚀。通孔底部的聚合物层会被垂直入射的带电离子轰击，所以无法形成对底部待刻蚀材料的覆盖，反应气体得以继续向下刻蚀，最终形成具有方向性的垂直通孔。随着信息技术的发展各种海量信息需要廉价而可靠的存储器存储，其中垂直排布的三维立体VNAND存储器现在日益成为这种大规模低成本存储器的主要选择。如图1a所示，VNAND器件在生产制造过程中首先需要在基片100上交替沉积多层氧化硅101和氮化硅材料层103，再在这些交替结构上形成具有刻蚀图形的掩膜材料层105，这种交替的双层结构现在已经达到24层到48层的双层结构，今后为了提高存储能力有可能进一步增加层数到54层或者72层。这种多层交替的结构可以达到2.4微米厚度以上。由于待刻蚀材料层是双材料交替相叠的，刻蚀过程中需要通入的反应气体也需要选择能够刻蚀两种材料层。现有刻蚀参数典型可以选择：C4F6(30sccm)和C4F8(30sccm)、Ar(100sccm)、CH2F2(50sccm)、O2(60sccm)，刻蚀持续时间约300秒。其中C4F8和C4F6对氧化硅刻蚀速度较快对氮化硅刻蚀速度较慢，CH2F2对氮化硅刻蚀较快而对氧化硅刻蚀较慢，Ar气体可以作为向下轰击刻蚀孔底部的气体分子。刻蚀完成后形成的通孔102会被填充入导体材料以作为引出电极，这些电极最后会与外部的数据电路连接，以实现对VNAND存储器的读写操作。上述气体成分在刻蚀交替层叠的氧化硅层101和氮化硅103过程中，在通孔102深度不大时能够保证通孔垂直向下延伸，但是当通孔102向下刻蚀达到一定深度时(如1um-2um深度)，带正电的粒子不断向下轰击到达底部，由于SiO和SiN都是绝缘材料所以这些正电荷无法被导走，同时带负电荷的粒子无法到达通孔102底部中和底部正电荷，所以通孔102侧壁会产生电荷积累。反应气体中大量的聚合物气体会在通孔侧壁形成保护层，而这些保护层由于厚度不均会导致侧壁上聚集的电荷不均匀，这些不均匀分布的正电荷会使向下入射的正电粒子在长距离飞行中方向发生偏移，进一步地刻蚀孔102的刻蚀方向也会发生偏移。如图1a所示当左侧正电荷多于右侧正电荷时Ar+粒子会向右偏移，通孔102底部开始出现不对称刻蚀，通孔底部左侧侧壁由于被刻蚀掉的材料较少开始向右延伸，右侧偏移还不明显。但是如果电荷积累问题始终得不到解决这些不对称分布的电荷会使得通孔102的扭曲程度加剧，最终形成如图1b所示的弯孔。在后续的导电材料填充步骤中，这种具有弯曲形貌的通孔使得导电材料无法进入下方的弯曲孔中，这会导致最终电极无法形成，存储器件也失效。为了解决上述问题，现有技术提出很多方法比如脉冲射频电场、脉冲式流入的气体等来解决电荷不均匀分布以及中和底部正电荷的问题，但是由于通孔的深度很大以及刻蚀材料属性的限制现有方法只能一定程度上减缓扭曲的程度无法彻底解决这一问题。
技术实现思路
本专利技术解决的是两种交替层叠的绝缘材料层在深孔刻蚀过程中通孔方向偏移的问题，本专利技术提出一种利用等离子体对多层材料层进行刻蚀的方法，所述多层材料层包括多层交替层叠的第一材料层和第二材料层，所述刻蚀方法包括：放置待刻蚀基片到反应腔，所述基片上方包括所述多层材料层，多层材料层上方包括具有刻蚀图形的掩膜层；执行主刻蚀步骤，同时通入包括第一刻蚀气体和第二刻蚀气体到反应腔内对多层材料层进行刻蚀，直到刻蚀形成的通孔达到第一深度D时切换进入中间处理步骤；执行中间处理步骤，通入第一刻蚀气体或第二刻蚀气体之一的刻蚀气体到反应腔内对多层材料层刻蚀以修正通孔底部形貌，完成对通孔底部形貌修正后再次执行主刻蚀步骤；其中第一刻蚀气体对第一材料层和第二材料层刻蚀选择比大于5，第二刻蚀气体对第二材料层和第一材料层的刻蚀选择比大于5。在执行上述中间处理步骤中还可以选择：通入第一刻蚀气体到反应腔内对多层材料层刻蚀以修正通孔底部形貌，在完成通孔底部的部分形貌修正后，停止通入第一刻蚀气体，通入第二刻蚀气体到反应腔内，完成对通孔底部形貌修正后再次执行主刻蚀步骤；其中再次执行主刻蚀步骤使得通孔深度第二次向下延伸达到2D后需要再次执行中间处理步骤。以防止再次发生通孔偏移现象。所述中间处理步骤时间小于40秒，所述多次执行的主刻蚀步骤时间长度大于200秒，中间处理步骤所耗时间不会明显延长整体处理时间。其中第一刻蚀气体对第一材料层和第二材料层的刻蚀选择比大于8，同时第二刻蚀气体对第二材料层和第一材料层的刻蚀选择比也大于8。其中第一材料层是氧化硅材料层，第二材料层是氮化硅材料层，第一刻蚀气体包括氟碳化合物，第二刻蚀气体包括氟碳氢化合物，其中氟碳化合物包括C4F8和C4F6，氟碳氢化合物为CH2F2。其中多层材料层包括的第一和第二材料层的层数大于48层，所述多层材料层的厚度大于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可以选择大于1.5微米小于2微米。附图说明图1a、1b是现有技术交替层叠的多层材料层在刻蚀中形成扭曲通孔的过程示意图；图2a是本专利技术第二实施例刻蚀过程中通孔侧壁形貌变化示意图，其中2b是通孔底部局部放大示意图；图3是本专利技术完成中间处理步骤后通孔侧壁形貌示意图。具体实施方式本专利技术要解决是两种交替层叠的绝缘材料层在深孔刻蚀过程中通孔方向偏移的问题。本专利技术刻蚀的基片上沉积有交替层叠的多层绝缘材料层，绝缘材料层上方还包括掩膜层，掩膜层上形成有图形用于作为掩膜向下刻蚀通孔。待刻蚀基片被放入反应腔，通入刻蚀气体，同时向反应腔内的电极施加高频射频功率(60Mhz，功率大于400W)和很高的偏置射频功率(2Mhz，功率5K～10KW)以对基片进行刻蚀。本专利技术提出了一种利用等离子体对多层材料刻蚀的方法，在刻蚀的初始阶段进行主刻蚀步骤，主刻蚀步骤中采用与现有技术相同的主刻蚀气体，主刻蚀气体包括分别适于刻蚀氧化硅的第一刻蚀气体和用于刻蚀氮化硅的第二刻蚀气体以及氧气、氩气等辅助气体。上述反应气体持续向下刻蚀形成一定深度的通孔，刻蚀孔开始出现或者预测到即将如图1a所示的偏移现象时停止主刻蚀气体的通入，进入中间处理步骤。刻蚀通孔102出现侧壁形貌扭曲的深度受刻蚀气体成分和射频功率、气压等具体参数影响。根据专利技术人测试在连续刻蚀交替层叠的多层材料层达到1.5-2um左右深度时能够明显的检测到侧壁扭曲，所以可以根据这一深度数据选择停止执行主刻蚀步骤进入中间处理步骤的时间点，不同的主刻蚀步骤处理工艺可以进行预先测试，检测会发生侧壁形貌扭曲的深度并记本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用等离子体对多层材料层进行刻蚀的方法，所述多层材料层包括多层交替层叠的第一材料层和第二材料层，所述刻蚀方法包括：放置待刻蚀基片到反应腔，所述基片上方包括所述多层材料层，多层材料层上方包括具有刻蚀图形的掩膜层；执行主刻蚀步骤，同时通入包括第一刻蚀气体和第二刻蚀气体到反应腔内对多层材料层进行刻蚀，直到刻蚀形成的通孔达到第一深度D时切换进入中间处理步骤；执行中间处理步骤，通入第一刻蚀气体或第二刻蚀气体之一的刻蚀气体到反应腔内对多层材料层刻蚀以修正通孔底部形貌，完成对通孔底部形貌修正后再次执行主刻蚀步骤；其中第一刻蚀气体对第一材料层和第二材料层刻蚀选择比大于5，第二刻蚀气体对第二材料层和第一材料层的刻蚀选择比大于5。

【技术特征摘要】
1.一种利用等离子体对多层材料层进行刻蚀的方法，所述多层材料层包括多层交替层叠的第一材料层和第二材料层，所述刻蚀方法包括：放置待刻蚀基片到反应腔，所述基片上方包括所述多层材料层，多层材料层上方包括具有刻蚀图形的掩膜层；执行主刻蚀步骤，同时通入包括第一刻蚀气体和第二刻蚀气体到反应腔内对多层材料层进行刻蚀，直到刻蚀形成的通孔达到第一深度D时切换进入中间处理步骤；执行中间处理步骤，通入第一刻蚀气体或第二刻蚀气体之一的刻蚀气体到反应腔内对多层材料层刻蚀以修正通孔底部形貌，完成对通孔底部形貌修正后再次执行主刻蚀步骤；其中第一刻蚀气体对第一材料层和第二材料层刻蚀选择比大于5，第二刻蚀气体对第二材料层和第一材料层的刻蚀选择比大于5。2.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀气体对第一材料层和第二材料层的刻蚀选择比大于8。3.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第一材料层是氧化硅材料层，第二材料层是氮化硅材料层，第一刻蚀气体包括氟碳化合物，第二刻蚀气体包括氟碳氢化合物。4.如权利要求3所述的刻蚀方法，其特征在于，所述氟碳化合物包括C4F8和C4F6，氟碳氢化合物包括CH2F2。5.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述多层材料层包括的第一和第二材料层的层数大于24...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙超，苏兴才，吴紫阳，
申请(专利权)人：中微半导体设备上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31