一种深孔刻蚀底部硅衬底形貌的量测表征方法技术

本发明专利技术提供了一种深孔刻蚀底部硅衬底形貌的量测表征方法，所述方法包括：提供一包括在硅衬底上形成氧化物‑氮化硅‑氧化物堆叠结构以及上面的硬掩膜衬底堆叠结构试验片；通过硬掩膜刻蚀、沟道孔刻蚀、干法去胶和湿法清洗工艺来刻蚀沟道孔，再通过湿法刻蚀，清除衬底上面所有的堆叠结构，但不损伤衬底，保留衬底上的刻蚀形貌；采用扫描电镜量测机台量测表征硅衬底全貌。本发明专利技术方法测量结果精确度高，且测量范围广、速度快，同时能在更宽的视野下观察沟道孔底部是否存在刻蚀不足或不均匀的情况，为后续沟道孔刻蚀工艺的持续改进提供了更准确有效的参考信息。

【技术实现步骤摘要】
一种深孔刻蚀底部硅衬底形貌的量测表征方法
本专利技术涉及半导体制造领域，尤其涉及一种3DNAND闪存结构沟道孔底部形貌的量测表征方法。
技术介绍
随着平面型闪存存储器的发展，半导体的生产工艺取得了巨大的进步。但是最近几年，平面型闪存的发展遇到了各种挑战：物理极限，现有显影技术极限以及存储电子密度极限等。在此背景下，为解决平面闪存遇到的困难以及追求更低的单位存储单元的生产成本，各种不同的三维(3D)闪存存储器结构应运而生，例如3DNOR(3D或非)闪存和3DNAND(3D与非)闪存。目前，在3DNAND的发展过程中，随着堆叠层数的增加，对刻蚀、沉积等制备工艺提出了更高的要求。其中，对于沟道孔(ChannelHole，CH)深孔刻蚀，沟道孔底部孔径大小是一项重要的考察对象，刻蚀要保证沟道孔底部接触到硅衬底：并且底部孔径足够大且均一性和圆度足够好，对后续外延硅的生长(SEG)和沟道孔侧壁阻挡层、存储层和隧穿层的氧化物-氮化物-氧化物结构(ONO)的顺利生长以及硅外延层、沟道孔侧壁阻挡层、存储层和隧穿层的氧化物-氮化物-氧化物结构(SONO)的打穿(punch)刻蚀起着至关重要的作用。若沟道孔底部没有接触到硅衬底，则SEG无法生长；若沟道孔底部孔径太小，则沉积ONO时，会有相融(Merge)的风险，且底部相融的风险最大，或者即使没有出现相融，由于沟道孔底部孔径太小，在SONO打穿刻蚀时也会有无法刻蚀打通的风险。由于沟道孔数量大且深宽比高(Aspectratio)，为其底部孔径的测量及形貌的表征带来了较大的困难。目前，在沟道孔刻蚀的研发工艺中，主要采用两种手段来表征沟道孔底部的孔径大小。第一种手段是，在实验室(Lab)中，制样得到沟道孔的横切截面，通过扫描电镜得到沟道孔的截面形貌图像，再采用其他量测软件测量底部孔径大小，如图1的扫描电镜照片所示。但由于横切制样通常采取手掰的方式，导致切片截面偏离了沟道孔直径的方向，使得最终的结果并非真实的底部孔径，如图2所示，若沿线1的方向制样观测，可得到沟道孔底部孔径的实际值，然而，实际上通常沿着线2的方式来制样，导致测量值比实际值小，因此，此方法误差较大，且表征样品有限。第二种手段是，在实验室(Lab)中采用氢氟酸(HF)浸蘸的方式将样品的ON堆叠介质层全部泡掉，得到硅衬底底部的俯视(topview)图像；如图3所示。再采用其他量测软件测量底部孔径的大小，自动计算孔径圆度(Distortion)、光滑度(striation)等相关信息。此方法的准确度高，但由于实验室制样有限，无法表征整个衬底底部孔径的均一性，也无法判断是否所有沟道孔的底部都已接触到硅衬底。
技术实现思路
针对现有技术上述两种量测和表征方法的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种深孔刻蚀底部硅衬底形貌的量测表征方法，所述方法能直观的观察底部硅衬底形貌，量测底部孔径大小，收集底部全貌孔径数据来表征孔径大小的均一性和收敛性，并可通过量测软件自动计算得到孔的变形来表征孔的圆度。沟道孔深孔刻蚀中所用的干法刻蚀气体以氟基等离子体为主，既能刻蚀氧化物(OX)和氮化硅(SiN)，又能刻蚀硅(Si)。为确保最终的器件具有电学性能，需要沟道孔能完全打开且有一定的硅槽(Sigouging)，因此底部硅衬底上会有沟道孔刻蚀从上到下传递形成的图案(CHpattern)；反之，若因刻蚀不足(UnderEtch)或孔道堵塞等因素导致沟道孔刻蚀没有接触到底部硅，衬底上便没有任何图案(pattern)。如果沟道孔刻蚀后，通过除掉衬底上的氧化物和氮化物，而不损伤衬底，则其表面形貌保留完好。基于上述原理，为了实现本专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种深孔刻蚀底部硅衬底形貌的量测表征方法，所述方法包括：提供一衬底堆叠结构试验片，具体的，所述衬底堆叠结构包括在硅衬底上形成氧化物-氮化硅-氧化物(ONO)堆叠结构以及上面的硬掩膜(HM)；刻蚀沟道孔，具体包括硬掩膜(HMO)刻蚀、沟道孔刻蚀、干法去胶(Asher)和湿法清洗(WETclean)；清除ONO堆叠结构，具体为通过湿法刻蚀，清除衬底上面所有的堆叠结构，但不损伤衬底，保留衬底上的刻蚀形貌；硅衬底形貌的量测表征，采用扫描电镜(CD-SEM)量测机台量测硅衬底全貌孔径大小。进一步，所述沟道孔刻蚀采用以氟基等离子体为主的干法刻蚀，既能刻蚀氧化物和氮化硅，又能刻蚀硅衬底，从而在硅衬底上形成刻蚀形貌。进一步，清除ONO所用的湿法刻蚀，采用对氧化物和氮化硅与对硅(OX&SiN/Si)高选择比的刻蚀工艺，例如氢氟酸湿法刻蚀，保证可以去除氧化物和氮化硅而不对Si衬底造成损伤。进一步，所述量测硅衬底全貌包括测量底部孔径大小(SiCD)，底部孔径的均一性(CDUniformity)、收敛性(3-Sigma)和底部孔的圆度(Distortion)。进一步，所述硅衬底底部孔径大小通过CD-SEM量测机台直接量测。进一步，所述硅衬底底部孔径均一性(CDUniformity)和收敛性(3-Sigma)通过收集全貌硅衬底底部孔径来表征。进一步，通过量测机台上的软件自动计算获得孔的圆度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果主要体现在：在沟道孔刻蚀之后，在保证不影响底部硅衬底形貌的情况下，通过湿法刻蚀将整片的ONO堆叠结构介质层清除掉，然后在CD-SEM量测机台下直观的观察底部硅衬底的形貌，量测底部孔径大小，通过收集全貌底部孔径大小来表征底部孔径的均一性(CDUniformity)和收敛性(3-Sigma)，并可通过量测软件自动计算得到孔的圆度。测量结果精确度高，且测量范围广、速度快，同时能在更宽的视野下观察沟道孔底部是否存在刻蚀不足(UnderEtch)的情况，为后续沟道孔刻蚀工艺的持续改进提供了更准确有效的参考信息。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1，为显示现有技术中通过切片和扫描电镜拍照得到的沟道孔截面形貌照片；图2，为显示现有技术中通过切片和扫描电镜拍照所得的沟道孔截面照片进行手动量测存在的测量偏差示意图；图3，为显示现有技术中通过氢氟酸浸蘸法获得的硅衬底试样顶部形貌照片；图4，为显示本专利技术沟道孔刻蚀后衬底堆叠结构示意图；图5，为显示本专利技术所有ONO堆叠结构被湿法刻蚀后的衬底结构示意图；图6，为显示本专利技术实施例在CD-SEM量测机台上获得的硅衬底形貌全貌图；图7，为显示本专利技术实施例对应图6的形貌全貌图在CD-SEM量测台上获得的硅衬底底部孔径大小。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本专利技术由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深孔刻蚀底部硅衬底形貌的量测表征方法，其特征在于，所述方法包括：提供一衬底堆叠结构试验片，具体的，所述衬底堆叠结构包括在硅衬底上形成氧化物‑氮化硅‑氧化物(ONO)堆叠结构以及上面的硬掩膜(HM)；刻蚀沟道孔，具体包括硬掩膜(HMO)刻蚀、沟道孔刻蚀、干法去胶(Asher)和湿法清洗(WET clean)；清除ONO堆叠结构，具体为通过湿法刻蚀，清除衬底上面所有的堆叠结构，但不损伤衬底，保留衬底上的刻蚀形貌；硅衬底形貌的量测表征，采用扫描电镜(CD‑SEM)量测机台量测硅衬底全貌。

【技术特征摘要】
1.一种深孔刻蚀底部硅衬底形貌的量测表征方法，其特征在于，所述方法包括：提供一衬底堆叠结构试验片，具体的，所述衬底堆叠结构包括在硅衬底上形成氧化物-氮化硅-氧化物(ONO)堆叠结构以及上面的硬掩膜(HM)；刻蚀沟道孔，具体包括硬掩膜(HMO)刻蚀、沟道孔刻蚀、干法去胶(Asher)和湿法清洗(WETclean)；清除ONO堆叠结构，具体为通过湿法刻蚀，清除衬底上面所有的堆叠结构，但不损伤衬底，保留衬底上的刻蚀形貌；硅衬底形貌的量测表征，采用扫描电镜(CD-SEM)量测机台量测硅衬底全貌。2.如权利要求1所述的量测表征方法，其特征在于，所述沟道孔刻蚀采用以氟基等离子体为主的干法刻蚀，既能刻蚀氧化物和氮化硅，又能刻蚀硅衬底，从而在硅衬底上形成刻蚀形貌。3.如权利要求2所述的量测表征方法，其特征在于，清除ONO所用的湿法刻蚀，采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖为引，王猛，刘隆冬，苏恒，朱喜峰，
申请(专利权)人：长江存储科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42