等离子表面处理机等离子清洗机3DNAND中的蚀刻工艺

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• 作者：等离子清洗机-CRF plasma等离子设备-等离子表面处理机厂家-诚峰智造
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• 发布时间：2020-11-18
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【概要描述】相比平面NAND闪存工艺，3DNAND由于器件结构发生巨大变化，相应的等离子表面处理机等离子清洗机蚀刻工艺也与以往大不相同。主要的新增特色工艺都是围绕3D结构制备，包括①台阶蚀刻；②沟道通孔蚀刻；③切口蚀刻；④接触孔蚀刻。   1.等离子表面处理机等离子清洗机台阶蚀刻   台阶蚀刻的目的是为了后续工艺单独连接每一层控制栅层。由于控制栅层处于堆叠状态，需要在水平方向上做不同程度的延伸，而后续工艺制备的接触孔结构分别将不同的控制栅层连接出去，接通后段互连电路而进行分别控制。   等离子表面处理机等离子清洗机台阶蚀刻的目标材料为SiO2和 Si3N4的堆叠结构，每个台阶蚀刻停止在下层 SiO2表面。台阶延展结构则由掩膜层(一般为光阻)缩减丁艺形成，缩减尺寸通过SiO2/Si3N4蚀刻过程传递到目标材料商。该蚀刻工艺为循环蚀刻工艺。   通常使用等离子清洗机感应耦合等离子蚀刻(ICP)机型完成此工艺。其主要控制要求为光阻缩减工艺过程中的每个循环缩减尺寸的一致性，边缘粗糙度控制，整片晶圆上缩减尺寸的均一度，以及 SiO2/Si3N4蚀刻过程对光阻的选择性。台阶宽度的准确性决定了后续接触孔是否能正确连接到指定的控制栅层。   由于要求每个台阶宽度(即每层控制栅层延展尺寸)为数百纳米级别以便后续接触孔能安全准确落在所需要的控制栅层上，循环工艺中每次光阻掩膜层缩减工艺都需要单边缩减数百纳米。一般使用蚀刻气体以O2为主以达到足够高的缩减速率。   循环蚀刻过程中单次蚀刻SiO2与Si3N4并停止在下层SiO2表面，由于选择比的需要，— 般分解为SiO2蚀刻(相对低选择比)步骤和Si3N4蚀刻，后者需要对 SiO2有较高的选择比以便停止在下层SiO2表面。通常SiO2蚀刻采用CF4/CHF3等碳氟比例相对较低的蚀刻气体，而Si3N4蚀刻则采用CH2F2等碳氟比例较高的蚀刻气体。且后者偏压相对较低以提供对SiO2足够的选择比。   业界主流的一对 SiO2/Si3N4层的总厚度不超过15nm，远小于数百纳米的台阶宽度。SiO2/Si3N4蚀刻对于侧墙角度要求相对较为宽松，无须接近垂直。这有利于蚀刻工艺调整以有限满足对于 SiO2以及光阻的选择比要求。   2.等离子表面处理机等离子清洗机沟道通孔蚀刻   沟道通孔结构制备由掩膜层蚀刻与沟道通孔蚀刻两道工艺组成。   (1)沟道通孔硬掩膜蚀刻   随着容量的提升，控制栅层数由开始的24层逐步提升到48层，更多层数的器件仍在开发过程中。而沟道通孔蚀刻需要一次性蚀刻穿所有的SiO2/Si3O4薄膜对。相对标准逻辑工艺的小于200nm的接触孔深度(45nm工艺节点)，3D NAND中沟道通孔深度在400nm以上(早期24层3D NAND结构)。如果要实现128层控制栅层，则沟道通孔则超过lμm。所以沟道通孔蚀刻普遍采用硬掩膜工艺蚀刻。   通常使用等离子表面处理机等离子清洗机感应耦合等离子蚀刻(ICP)机型完成此工艺。根据3D NAND结构差异(主要为控制栅层数的差别)，硬掩膜材料主要为无定形碳。蚀刻气体采用O2为主或者N2/H2组合气体为主。   掩膜蚀刻的控制需求主要包括:   ①图形传递准确度。避免蚀刻过程中产生图形变形导致沟道通孔图形的不准确。 ②硬掩膜侧墙需要连贯并且尽量垂直。后续数10对 SiO2/Si3N4薄膜对的蚀刻都以硬掩膜为阻挡层进行蚀刻，硬掩膜侧墙中的缺陷会在后续蚀刻过程中传递到 SiO2/Si3N4薄膜对中。 ③关键尺寸均一度。   （2）等离子表面处理机等离子清洗机沟道通孔蚀刻 数十对SiO2/Si3N4薄膜对的沟道通孔蚀刻由于其超高的深宽比对蚀刻产生巨大的挑战。 作为参照的标准逻辑工艺中接触孔深宽比一般为4~7，而3D NAND的接触孔深宽比普遍在10以上，且随着控制栅层数上升而上升。相应地，等离子表面处理机蚀刻机生产厂商开发了高深宽比蚀刻(HAR Etch）机型以满足3D NAND的工艺需求。   通常使用等离子表面处理机等离子清洗机电容耦合等离子体蚀刻（CCP）机型完成此工艺。   高深宽比对蚀刻工艺主要带来3方面挑战，包括由于等离子体在通孔底部分布不均而造成通孔底部侧墙变形；对硬掩膜层高选择比导致蚀刻保护层分布不均引起通孔上部侧墙变形；以及在蚀刻过程中，随着通孔深度越来越深，等离子体难以到达通孔底部引起蚀刻停止。   在蚀刻工艺使用多步骤重复进行“蚀刻一排气”的循环工艺使得蚀刻保护层分布更加均匀， 同时提升偏置功率至通常逻辑工艺使用范围的5~10倍，以提高等离子体到达通孔底部的能力，同时扩展工艺窗口使用更低压力与更高气体流量以排除通孔底部蚀刻生成物，从而解决上述问题。   蚀刻气体选取为经典的CCP腔体中SiO2蚀刻工艺，以不同碳氟比例(如CH2F2、C4F6、C4F8)的混合气体实现侧墙角度，选择比等考量。   沟道通孔蚀刻的控制需求主要包括：   ①硬掩膜层选择性； ②通孔侧墙连贯性； ③通孔侧墙的角度。   3.等离子表面处理机等离子清洗机切口蚀刻   沟道通孔蚀刻与切口蚀刻的目标材料一样，区别在于前者为孔洞而后者为沟槽。具体实施过程中由于图形差异使得蚀刻-保护平衡具有差异。同时也导致蚀刻机腔体工作环境的差异。由于沟道通孔蚀刻和切口蚀刻对工艺精度要求极高，为避免两种工艺引起蚀刻腔体工作环境不稳定，主流生产厂商一般使用单独蚀刻机分别完成相应的工艺。   切口蚀刻的控制需求与沟道通孔蚀刻类似。   4.等离子表面处理机等离子清洗机接触孔蚀刻   3D NAND的接触孔蚀刻同样属于高深宽比蚀刻工艺。与沟道通孔工艺的不同点在接触孔蚀刻材料为单一的SiO2，但由于停止在高低不同的各个控制栅层上，每个接触孔的深度都不相同。不同深度的接触孔蚀刻过程中对于蚀刻停止县的过蚀刻量差异巨大。除了沟道通孔工出中高深宽比引起的3个主要挑战外，接触孔蚀刻需要提供更高的蚀刻停止层的选择比。   通常使用等离子表面处理机等离子清洗机电容耦合等离子体蚀刻(CCP)机型完成此工艺。   类似沟道通孔蚀刻对工艺的要求，接触孔蚀刻同样需要相对逻辑蚀刻工艺更强的偏置功率，通常需要提升三倍或更高。同时使用更低频率的偏置功率，提供更长的离子自由程，以提升等离子表面处理机等离子清洗机蚀刻等离子体到达接触孔底部的能力，从而避免接触孔底部侧墙变形，同时降低蚀刻停止的可能性。   同时，市场上先进机型提供更多变的脉冲等离子产生方法，包括单独的高频、低频以及直流脉冲，或者高低频同步脉冲。