TWI759616B - 3d nand蝕刻 - Google Patents

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Abstract

描述了從具有均勻寬度的間隙蝕刻膜堆疊的方法。通過硬遮罩蝕刻膜堆疊。保形襯墊沉積在間隙中。襯墊的底部被移除。相對於襯墊選擇性地蝕刻膜堆疊。移除襯墊。方法可重複到預定深度。

Description

3D　NAND蝕刻
本揭露書的實施例一般關於用於在半導體裝置中形成間隙或特徵的蝕刻方法。更具體地，本揭露書的實施例關於用於在三維半導體裝置中形成字線的蝕刻方法。
半導體和電子處理工業繼續爭取更大的產量，同時增加沉積在具有更大表面積的基板上的層的均勻性。與新材料組合的這些相同因素還提供了每基板面積的更高的電路集成度。隨著電路集成度的提高，對關於層厚度的更大均勻性和處理控制的需求也在增加。結果，已經開發了各種技術以成本有效的方式在基板上沉積和蝕刻層，同時保持對層的物理和化學特性的控制。
V-NAND或3D-NAND結構在快閃記憶體應用中使用。V-NAND裝置是垂直堆疊的NAND結構，具有以塊為單位排列的大量單元。在字線形成之前，基板是層狀氧化物堆疊。記憶體串形成在垂直穿過層狀氧化物堆疊的間隙或狹縫中。
通常，3D NAND結構的形成需要在膜堆疊內蝕刻平直的輪廓。然而，當前的蝕刻處理（特別是對於較厚的膜堆疊）會損壞蝕刻間隙的側壁，而提供在膜堆疊的中間彎曲的側壁。這些間隙不具有均勻的厚度，且當稍後用導電材料填充間隙時可能提供變化的電阻。
由於蝕刻處理的負載效應，形成具有均勻厚度的間隙是具有挑戰性的。在蝕刻厚堆疊期間，當前的蝕刻處理經常損壞間隙的側壁，導致在堆疊的頂部處的間隙厚度比在中間或底部處的間隙厚度不均勻。隨著氧化物堆疊層的增加，這種差異通常變得更加明顯。
因此，本領域存在有用於在三維結構化裝置中形成具有均勻厚度的字線間隙的方法的需求。
本揭露書的一或多個實施例涉及一種蝕刻膜堆疊的方法。方法包含以下步驟：提供基板，其中具有第一厚度的膜堆疊形成於基板上。將膜堆疊蝕刻到第二厚度的深度，以形成間隙，間隙具有基本均勻寬度及側壁和底部。第二厚度小於第一厚度。將襯墊沉積在間隙的側壁和底部上。從間隙的底部蝕刻襯墊。將膜堆疊相對於襯墊選擇性地蝕刻到第三厚度的深度，以延伸間隙的深度。將襯墊移除。
本揭露書的另外的實施例還涉及一種蝕刻膜堆疊的方法。方法包含以下步驟：提供基板，其中具有第一厚度的膜堆疊形成於基板上。膜堆疊包含氧化物和氮化物的交替層。在膜堆疊上形成圖案化的硬遮罩。通過硬遮罩蝕刻膜堆疊至第二厚度的深度，以形成間隙，間隙具有基本均勻寬度及側壁和底部。第二厚度小於第一厚度。藉由原子層沉積在間隙的側壁和底部上沉積保形襯墊。保形襯墊包含硼。從間隙的底部蝕刻襯墊。將膜堆疊相對於襯墊選擇性地蝕刻到第三厚度的深度，以延伸間隙的深度。在氧化氣氛下執行基板的退火以移除襯墊。
本揭露書的進一步的實施例涉及一種蝕刻膜堆疊的方法。方法包含以下步驟：提供基板，其中具有膜堆疊形成於基板上，膜堆疊具有在約3000 nm至約7000 nm的範圍中的第一厚度。膜堆疊包含氧化物和氮化物的交替層。在膜堆疊上形成圖案化的硬遮罩，圖案化的硬遮罩具有開口曝露膜堆疊。開口具有在約1 nm至約100 nm的範圍中的寬度。通過硬遮罩蝕刻膜堆疊至第二厚度的深度，以形成間隙，間隙具有基本均勻寬度及側壁和底部。第二厚度小於第一厚度。藉由原子層沉積在間隙的側壁和底部上沉積基本保形襯墊。保形襯墊包含硼和碳。從間隙的底部蝕刻襯墊。將膜堆疊相對於襯墊選擇性地蝕刻到第三厚度的深度，以延伸間隙的深度。藉由包含在大於或等於約500℃的溫度的蒸汽氣氛下的退火和在約300℃至約400℃的溫度範圍中的氧電漿灰化的處理來移除襯墊。
在描述本揭露書的若干示例性實施例之前，應理解本揭露書不限於以下描述中闡述的構造或處理步驟的細節。本揭露書能夠具有其他實施例並且能夠以各種方式實踐或實施。
如在這份說明書和附隨的申請專利範圍中所使用的，術語「基板」是指處理起作用的表面或表面的一部分。熟悉本領域者還將理解除非上下文另有明確指出，否則對基板的提及可僅指基板的一部分。另外，提及沉積在基板上可指裸基板和具有在其上沉積或形成的一或多個膜或特徵的基板。
如於此所用的「基板」是指任何基板或在基板上形成的材料表面，在製造處理期間在其上進行膜處理。例如，可在其上進行處理的基板表面包括諸如矽、氧化矽、應變矽、絕緣體上矽（SOI）、碳摻雜的氧化矽、非晶矽、摻雜的矽、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石的材料和諸如金屬、金屬氮化物、金屬合金和其他導電材料的任何其他材料，這取決於應用。基板包括（但不限於）半導體晶圓。可將基板曝露於預處理（pretreatment）製程以拋光、蝕刻、還原、氧化、羥基化（或以其他方式產生或接枝目標化學部分，以賦予化學官能性）、退火及/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身的表面上進行處理之外，在本揭露書中，所揭露的任何膜處理步驟也可在基板上形成的底層上進行，如下面更詳細地揭露的，且術語「基板表面」意圖包括上下文所指出的這種底層。因此，例如，在已經將膜/層或部分膜/層沉積到基板表面上的情況下，新沉積的膜/層的曝露表面變成基板表面。給定的基板表面包含的將取決於待沉積的材料以及所使用的特定化學物質。
如這份說明書和附隨的申請專利範圍中所用，術語「前驅物」、「反應物」、「反應性氣體」及類似者可互換使用，以指可與基板表面反應的任何氣態物種。
如於此所用的「原子層沉積」或「循環沉積」是指順序曝露兩種或更多種反應性化合物，以在基板表面上沉積一層材料。將基板（或基板的一部分）分別曝露於兩種或更多種反應性化合物，反應性化合物被引入處理腔室的反應區中。在時域ALD處理中，將每種反應性化合物的曝露分開一時間延遲，以使每種化合物在基板表面上黏附及/或反應，並接著從處理腔室中吹掃。據說這些反應性化合物順序地曝露於基板。在空間ALD處理中，基板表面的不同部分（或基板表面上的材料）同時曝露於兩種或更多種反應性化合物，使得基板上的任何給定點基本上不同時曝露於多於一種的反應性化合物。如在這份說明書和附隨的申請專利範圍中所使用的，在此方面使用的術語「基本上」意味著（如熟悉本領域者將理解的）存在基板的一小部分可能由於擴散而同時曝露於多種反應性氣體的可能性，而同時曝露是無意的。
在時域ALD處理的一個態樣中，將第一反應性氣體（亦即，第一前驅物或化合物A）脈衝到反應區中，接著進行第一次時間延遲。接下來，將第二前驅物或化合物B脈衝到反應區中，接著進行第二次延遲。在每個時間延遲期間，將吹掃氣體（諸如氬氣）引入處理腔室中，以吹掃反應區或以其他方式從反應區中移除任何殘留的反應性化合物或反應副產物。替代地，吹掃氣體可在整個沉積處理中連續流動，使得在反應性化合物的脈衝之間的時間延遲期間僅吹掃氣體流動。反應性化合物交替地脈衝，直到在基板表面上形成所期望的膜或膜厚度。在任何一種情況下，脈衝化合物A、吹掃氣體、化合物B和吹掃氣體的ALD處理是循環。循環可從化合物A或化合物B開始，並繼續循環的相應順序，直到獲得具有預定厚度的膜。
在空間ALD處理的實施例中，第一反應性氣體和第二反應性氣體（如，氮氣）同時輸送到反應區，但是藉由惰性氣幕及/或真空幕分離。基板相對於氣體輸送設備移動，使得在基板上的任何給定點曝露於第一反應性氣體和第二反應性氣體。
本揭露書的實施例有利地提供蝕刻膜堆疊的方法，膜堆疊提供均勻寬度的間隙。不受理論束縛，據信使用較淺的蝕刻和保護襯墊提供了具有較少側壁損傷和穿過膜堆疊的更均勻寬度的間隙的處理。
如於此所用，「基本均勻」寬度的間隙是指整個寬度（如，在間隙的頂部、中間和底部處）大致相同的間隙。不受理論束縛，假設更難以實現具有精確均勻寬度的間隙。因此，具有基本均勻寬度的間隙是寬度變化小於或等於約10％、5％、2％、1％或0.5％的間隙。
如於此所用，「基本上保形」的襯墊是指其中整個厚度（如，在側壁的頂部、中間和底部上以及間隙的底部上）大致相同的襯墊。基本上保形的襯墊的厚度變化小於或等於約10％、5％、2％、1％或0.5％。
如於此所使用的，「基本上定向」的蝕刻處理是指相較於另一個方向，在一個方向上移除大量的材料的處理（如，從膜堆疊移除垂直溝槽，而不蝕刻溝槽的側壁）。基本上定向的處理優先在第一方向上以比在與第一方向正交的第二方向上移除的材料快10、20、50或100倍的速率移除材料。
第1圖描繪了根據本揭露書的一或多個實施例的蝕刻膜堆疊的方法100的流程圖。參考圖式，方法100開始於基板210其上形成有膜堆疊220。膜堆疊220包含多個層220a、220b。在一些實施例中，多個層220a、220b在膜堆疊220中交替。在一些實施例中，膜堆疊220包含多於兩個的交替層。在一些實施例中，膜堆疊220包含在約2層至約500層的範圍中、在約20層至約200層的範圍中、在約50層至約150層的範圍中、在約80層至約150層的範圍中，或在約100層至約120層的範圍中的多個層。
形成在基板210上的膜堆疊220具有厚度D1，也稱為第一厚度。在一些實施例中，第一厚度在約3000nm至約7000nm的範圍中。每一個單獨的層具有單獨的厚度。在一些實施例中，單獨的厚度在約100Å至約3000Å、約100Å至約500Å的範圍中，或在約500Å至約3000Å的範圍中。
在一些實施例中，膜堆疊220包含氧化物和氮化物的交替層。在一些實施例中，膜堆疊220包含氧化物和多晶矽堆疊的交替層。
在一些實施例中，於操作110，在膜堆疊220上形成圖案化的硬遮罩230。圖案化的硬遮罩230可藉由任何合適的處理形成。在一些實施例中，圖案化的硬遮罩230形成為毯狀硬遮罩，且隨後被蝕刻以形成圖案化的硬遮罩230。在一些實施例中，圖案化的硬遮罩230被沉積為具有圖案的硬遮罩（如，圖案化印刷）。在一些實施例中，不執行操作110，且方法100開始於膜堆疊220上的圖案化硬遮罩230。
圖案化的硬遮罩230具有開口235，開口235曝露膜堆疊220的部分。在一些實施例中，開口235具有在約1 nm至約100 nm、約2 nm至約80 nm、約3 nm至約75 nm、約4 nm至約50 nm，或約5 nm至約50 nm的範圍中的寬度。
於操作120，將膜堆疊220蝕刻到第二厚度（D2）的深度。第二厚度D2小於第一厚度D1。換言之，於操作120的蝕刻處理不蝕刻整個膜堆疊220。於操作120的蝕刻處理形成間隙240。間隙240具有至少一個側壁242和底部245。間隙240具有基本上是均勻的寬度W。
於操作130，襯墊250沉積在間隙240的至少一個側壁242和底部245上。在一些實施例中，襯墊250包含硼（B）。在一些實施例中，襯墊250進一步包含氮（N）或碳（C）。在一些實施例中，襯墊250包含硼、氮化硼（BN）、碳化硼（BC）或碳氮化硼（BCN）的一或多種。
於操作130，可藉由任何合適的處理來沉積襯墊。在一些實施例中，襯墊250藉由原子層沉積（ALD）而沉積。在一些實施例中，襯墊藉由化學氣相沉積（CVD）而沉積。
如於此所用的「原子層沉積」或「循環沉積」是指順序曝露兩種或更多種反應性化合物，以在基板表面上沉積一層材料。將基板（或基板的一部分）分別曝露於兩種或更多種反應性化合物，反應性化合物被引入處理腔室的反應區中。在時域ALD處理中，將每種反應性化合物的曝露分開一時間延遲，以使每種化合物在基板表面上黏附及/或反應，並接著從處理腔室中吹掃。據說這些反應性化合物順序地曝露於基板。在空間ALD處理中，基板表面的不同部分同時曝露於兩種或更多種反應性化合物，使得基板上的任何給定點基本上不同時曝露於多於一種的反應性化合物。如在這份說明書和附隨的申請專利範圍中所使用的，在此方面使用的術語「基本上」意味著（如熟悉本領域者將理解的）存在基板的一小部分可能由於擴散而同時曝露於多種反應性氣體的可能性，而同時曝露是無意的。如於此所用，「化學氣相沉積」是指基板表面同時或基本上同時曝露於前驅物及/或共同試劑的處理。如於此所用，「基本上同時」是指共流或前驅物有意重疊的情況。
在一些實施例中，襯墊250是連續的。在一些實施例中，襯墊250是基本上保形的。在一些實施例中，襯墊250在間隙240的至少一個側壁242上比間隙240的底部245更厚。在一些實施例中，間隙240的至少一個側壁242上的厚度大於或等於間隙240的底部245上的襯墊的250的厚度的約100％、大於或等於約110％、大於或等於約120%、大於或等於約125%、大於或等於約150%，或大於或等於約200%。在一些實施例中，襯墊250在一個側壁上具有在約10Å至約50Å的範圍中的厚度。在一些實施例中，襯墊250具有相對於開口235的寬度評估的厚度。在一些實施例中，襯墊250在間隙240的相對側壁上具有包含小於或等於開口235的總寬度的約50%、小於或等於約30%、小於或等於約25%、小於或等於約20%，或小於或等於約10%的厚度。
於操作140，從間隙240的底部245蝕刻襯墊250，以曝露膜堆疊220。
於操作150，將膜堆疊220相對於襯墊250選擇性地蝕刻到第三厚度D3的深度。於150的蝕刻膜堆疊220延伸了間隙240的總深度。
在一些實施例中，第二厚度D2和第三厚度D3的總和小於第一厚度D1。換言之，於操作150的蝕刻處理不蝕刻整個膜堆疊220。在一些實施例中，可重複操作130、140和150，直到已經從膜堆疊220蝕刻了預定厚度。
如於此所用，片語「選擇性蝕刻」或類似術語表示標的材料比其他材料被蝕刻到更大的程度。在一些實施例中，「選擇性地」是指以大於或等於從未選擇表面移除的速率的約10倍、15倍、20倍、25倍、30倍、35倍、40倍、45倍或50倍的速率移除標的材料。不受理論束縛，據信襯墊250在操作150期間保護間隙240的至少一個側壁242，使得能夠選擇性地蝕刻膜堆疊。
在未顯示的一些實施例中，在操作150之後，從至少一個側壁242移除襯墊250。在一些實施例中，藉由包含在氧化氣氛中退火的處理來移除襯墊250。在一些實施例中，氧化氣氛包含O2 、O3 、H2 O、H2 O2 、CO、CO2 、N2 O、NO2 或NO的一或多種。在一些實施例中，退火在大於或等於約450℃、大於或等於約500℃、大於或等於約600℃、大於或等於約750℃、大於或等於約1000℃、大於或等於約1100℃，或大於或等於約1200℃的溫度下進行。在一些實施例中，藉由包含氧電漿灰化的處理移除襯墊。在一些實施例中，氧電漿灰化在約300℃至約400℃的範圍中的溫度下進行。在一些實施例中，藉由包含水電漿的處理移除襯墊。
不受理論束縛，據信對於包含硼的襯墊，可藉由蒸汽退火處理移除硼。此外，對於包含碳的襯墊，可藉由氧電漿灰化處理移除碳。
操作120和150各自涉及蝕刻膜堆疊220。操作140涉及蝕刻襯墊250的底部。操作120、140和150中使用的蝕刻處理可為任何合適的蝕刻處理。操作150中使用的蝕刻處理可為相較於襯墊250對膜堆疊220具有選擇性的任何合適的蝕刻處理。在一些實施例中，操作120中的蝕刻處理是基本上定向的。在一些實施例中，操作140中的蝕刻處理是基本上定向的。在一些實施例中，操作150中的蝕刻處理是基本上定向的。在一些實施例中，操作120和150中利用的蝕刻處理是類似的處理。在一些實施例中，操作140中利用的蝕刻處理不同於操作120中利用的蝕刻處理或操作150中利用的蝕刻處理。如在這方面所使用的，在相同條件下使用相同的試劑執行類似的蝕刻處理。熟悉本領域者將理解條件可在類似的處理之間略微變化，且這些變化在本揭露書的範圍中。
整個這份說明書中對「一個實施例」、「某些實施例」、「一或多個實施例」或「一實施例」的引用意味著結合該實施例描述的特定特徵、結構、材料或特性包括在本揭露書的至少一個實施例種。因此，在整個這份說明書中各處出現的諸如「在一或多個實施例中」、「在某些實施例中」、「在一個實施例中」或「在一實施例中」的片語不一定是指本揭露書的相同實施例。此外，特定特徵、結構、材料或特性可在一或多個實施例中以任何合適的方式組合。
儘管已經參考特定實施例描述了於此的揭露書，但是應該理解這些實施例僅僅是對本揭露書的原理和應用的說明。對於熟悉本領域者顯而易見的是，在不背離本揭露書的精神和範圍的情況下，可對本揭露書的方法和設備進行各種修改和變化。因此，本揭露書旨在包括在附隨的申請專利範圍及其等效物的範圍內的修改和變化。
100:方法 110:操作 120:操作 130:操作 140:操作 150:操作 210:基板 220:膜堆疊 220a:層 220b:層 230:圖案化的硬遮罩 235:開口 240:間隙 242:至少一個側壁 245:底部 250:襯墊
因此，可詳細地理解本揭露書的上述特徵的方式，可藉由參考實施例獲得上面簡要概述的本揭露書的更具體的描述，其中一些實施例顯示在附隨的圖式中。然而，應注意附隨的圖式僅顯示了這份揭露書的典型實施例，且因此不應認為是對其範圍的限制，因為本揭露書可允許其他等效的實施例。於此描述的實施例藉由示例的方式顯示，而不是限制在附隨的圖式的圖中，其中相同的元件符號表示類似的元件。
第1圖描繪了根據於此描述的一或多個實施例的蝕刻膜堆疊的方法的處理流程圖。
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100:方法
110:操作
120:操作
130:操作
140:操作
150:操作
210:基板
220:膜堆疊
220a:層
220b:層
230:圖案化的硬遮罩
235:開口
240:間隙
242:至少一個側壁
245:底部
250:襯墊

Claims (19)

  1. 一種蝕刻一膜堆疊的方法，該方法包含以下步驟：將一包含一氧化物和一氮化物的交替層且具有一第一厚度的膜堆疊蝕刻到一第二厚度的一深度，以形成一間隙，該間隙具有一基本均勻寬度、一側壁和一底部，該第二厚度小於該第一厚度；將一襯墊沉積在該間隙的該側壁和該底部上；從該間隙的該底部蝕刻該襯墊；將該膜堆疊相對於該襯墊選擇性地蝕刻到一第三厚度的一深度，以延伸該間隙的一深度；及將該襯墊移除。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該等交替層具有在約500Å至約3000Å的一範圍中的一厚度。
  3. 如請求項1所述之方法，進一步包含在蝕刻之前在該膜堆疊上形成一圖案化的硬遮罩。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該圖案化硬遮罩中的開口曝露待蝕刻的該膜堆疊的部分。
  5. 如請求項4所述之方法，其中該等開口具有在約1nm至約100nm的一範圍中的一寬度。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該襯墊包含硼。
  7. 如請求項6所述之方法，其中該襯墊包括B、 BN、BC或BCN的一或多種。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該襯墊是基本上保形的並藉由原子層沉積來沉積。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該襯墊具有在約10Å至約50Å的一範圍中的一厚度。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該襯墊藉由包含在一氧化氣氛中退火的一處理而移除。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該退火在大於或等於約500℃的一溫度下進行。
  12. 如請求項10所述之方法，其中該襯墊包含碳，且該襯墊藉由進一步包含一氧電漿灰化的一處理來移除。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該氧電漿灰化在約300℃至約400℃的一範圍中的一溫度下進行。
  14. 如請求項1所述之方法，其中每個蝕刻處理是基本上定向的。
  15. 一種蝕刻一膜堆疊的方法，該方法包含以下步驟：提供一基板，其中具有一第一厚度的一膜堆疊形成於該基板上，該膜堆疊包含一氧化物和一氮化物的交替層； 在該膜堆疊上形成一圖案化的硬遮罩；通過該圖案化的硬遮罩蝕刻該膜堆疊至一第二厚度的一深度，以形成一間隙，該間隙具有一基本均勻寬度、一側壁和一底部，該第二厚度小於該第一厚度；藉由原子層沉積在該間隙的該側壁和該底部上沉積一襯墊，該襯墊包含硼且為保形的；從該間隙的該底部蝕刻該襯墊；將該膜堆疊相對於該襯墊選擇性地蝕刻到一第三厚度的一深度，以延伸該間隙的一深度；及在一氧化氣氛下執行該基板的一退火以移除該襯墊。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該基本均勻寬度在約10nm至約100nm的一範圍中。
  17. 如請求項15所述之方法，其中該襯墊具有在約10Å至約50Å的一範圍中的一厚度。
  18. 如請求項15所述之方法，其中該退火在大於或等於約500℃的一溫度下進行。
  19. 一種蝕刻一膜堆疊的方法，該方法包含以下步驟：提供一基板，其中具有一膜堆疊形成於該基板上，該膜堆疊具有在約3000nm至約7000nm的一範圍中的一第一厚度，該膜堆疊包含一氧化物和一氮化物 的交替層；在該膜堆疊上形成一圖案化的硬遮罩，該圖案化的硬遮罩具有開口曝露該膜堆疊，該等開口具有在約10nm至約100nm的一範圍中的一寬度；通過該圖案化的硬遮罩蝕刻該膜堆疊至一第二厚度的一深度，以形成一間隙，該間隙具有一基本均勻寬度、一側壁和一底部，該第二厚度小於該第一厚度；藉由原子層沉積在該間隙的該側壁和該底部上沉積一襯墊，該襯墊包含硼和碳且為基本保形的；從該間隙的該底部蝕刻該襯墊；將該膜堆疊相對於該襯墊選擇性地蝕刻到一第三厚度的一深度，以延伸該間隙的一深度；及藉由一處理來移除襯墊，該處理包含：在大於或等於約500℃的一溫度的一蒸汽氣氛下執行一退火；及在約300℃至約400℃的一範圍中的一溫度下執行一氧電漿灰化。
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