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等离子清洗机等离子表面处理机相变存储器的下电极接触孔蚀刻工艺

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发布时间：

2020-11-20

等离子清洗机等离子表面处理机相变存储器的下电极接触孔蚀刻工艺：

相变存储器的存储单元中“加热器”(即下电极接触)的尺寸对器件的性能至关重要，更小的尺寸意味着下电极接触中更高的电流密度、更高的加热效率且相变材料面积也可以随之缩小。以GST为相变材料的刀锋形氮化硅下电极接触的结构和工艺流程，这种工艺可以形成沿位线方向尺寸小于20nm的下电极接触。

根据U型沟槽中氮化钛的切割顺序，下电极接触孔蚀刻有光刻分割和等离子清洗机等离子表面处理机蚀刻后刻两种工艺流程。光刻分割工艺利用光阻两端问距来定义分割区城，其后依次去除掉下层薄膜，去除U型沟槽上表面、侧壁的氮化钛，底部氮化钛也随之被切割。该工艺流程简单，光罩成本低，但光刻技术的限制可能导致直线端末紧缩(Line End Shortening，LES)，引起侧壁化钛损伤。在图形的进一步微缩时，该效应愈加显著，甚至会引起图形失效。蚀刻后割工艺的光刻图形是完整的直线，底部氮化并不会被切割，需要在下电极接触孔等离子清洗机等离子表面处理机蚀刻后增加额外的氮化硅切割工艺。这种方法需要至少两张光罩，成本较高，优势在于光刻工艺窗口较大，且对下电极接触沿字线方向尺寸的控制能力强，便于下电极接触尺寸进一步微缩。

两种工艺对下电极接触孔等离子清洗机等离子表面处理机蚀刻的要求都是合适的接触尺寸、垂直的氮化钛剖面形状且U形沟槽底部无氮化钛残留。在用等离子清洗机等离子表面处理机含氧等离子体去掉沟槽中的有机物衬底后，对于下层的氧化硅，氮化钛蚀刻有各向同性、各向异性等离子体蚀刻两种方案。如果采用各向同性蚀刻(如高压强、低射频功率搭配高比例CF4用于氧化硅蚀刻或高比例Cl2用于氮化钛蚀刻)，在光刻分割工艺中可以有效确保沟槽侧壁、底部无氮化钛残留但也带来了倾斜的剖面形状以及严重CD损失等副作用；在等离子清洗机等离子表面处理机蚀刻后割法中除了上述问题外还表现为侧壁有氮化钛甚至氧化硅残留，延长蚀刻时间后上述残留被去除但氮化钛顶部被严重损伤；如果采用各向异性蚀刻(如低压强、高偏置功率搭配 C4F8/Ar用于氧化硅蚀刻或Cl2/N2用于氮化钛蚀刻)，两种工艺的CD损失、氮化钛剖面形状都更好，副作用是严重的衬底材料损失。有机物衬底材料取出后，各向异性的氧化硅蚀刻会去除沟槽顶部、底部的薄膜但在侧壁特别是角落有残留，如果氧化硅/氮化钛选择比低于15∶1，等离子清洗机等离子表面处理机增加蚀刻时间反而会打开底部氮化钛引起严重的衬底材料损失。可是过高选择比的等离子清洗机等离子表面处理机等离子体蚀刻工艺会引起较倾斜的坡面形状，均匀性也比较难以控制。

两种蚀刻方案各有利弊，由于CD控制能力对于图形的进一步微缩和大规模量产比较重要，业界多倾向采用等离子清洗机等离子表面处理机各向异性蚀刻方案。因此，为解决氮化钛残留和选择比的冲突，有机物衬底部分去除方案被提出。该方案中，通过控制有机物衬底打开这一步的时间，使沟槽内留有足够的有机物以保护底部氮化钛，从而避开蚀刻方向性和选择比两大需求之间的冲突。因此，之后可以使用CF4/CHF3，这种低选择比的蚀刻配方在光阻未覆盖区域内同时向下蚀刻氧化硅、侧壁的氮化钛和沟槽内的有机物，再继以等离子清洗机等离子表面处理机Cl2为主蚀刻气体的过蚀刻步骤以去除可能残留的氮化钛。该优化方案实现了较少的底部衬底材料和CD损失、较直的剖面形状且在U型沟槽内无氮化钛残留。该方案与前述两种方案的显著区别是去除了沟槽两侧的未被光阻覆盖区域的氧化硅。这一副作用可以通过氧化硅的再次填充得以解决。

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