[发明专利]使用蚀刻气体蚀刻半导体结构的方法

说明书

公开了用于在基材上的含Si层中等离子体蚀刻通道孔、栅槽、阶梯触点、电容器孔、接触孔等的含硫化合物，和使用它的等离子体蚀刻方法。等离子体蚀刻化合物可提供在含Si层与掩模材料之间改进的选择性，较少的对通道区域的损害、直垂直剖面和图案高纵横比结构中减少的卷曲。

本申请是申请号为201480049399.0、申请日为2014年9月9日、发明名称为“使用蚀刻气体蚀刻半导体结构的方法”的专利申请的分案申请。

相关申请交叉引用

本申请要求2013年9月9日提交的美国临时申请No.61/875,321的优先权，出于所有目的通过引用将其全部内容并入本文中。

技术领域

公开了用于在基材上的含Si层中等离子体蚀刻通道孔、栅槽、阶梯触点、电容器孔、接触孔等的含硫化合物和使用它的等离子体蚀刻方法。

背景

在半导体工业中的存储应用如DRAM和2D NAND中，等离子体蚀刻从半导体基材上除去含硅层，例如SiO或SiN层。对于新型存储应用如3D NAND(US 2011/0180941)，多个SiO/SiN或SiO/poly-Si层堆栈的蚀刻是关键的。优选，蚀刻剂具有在掩模与待蚀刻层之间的高选择性。此外，蚀刻剂优选蚀刻结构，使得垂直剖面为直的而不具有卷曲。3D NAND堆栈可包含其它含硅层。

传统上，等离子体蚀刻使用由气体来源(例如含氢、含氧或含氟气体)产生活性物种的等离子体源进行。然后活性物种与含Si层反应以形成挥发性物种。挥发性物种通过由真空泵保持的反应器中的低压除去。优选，掩模材料不被活性物种蚀刻。掩模材料可包含以下中的一种：光致抗蚀剂、无定形碳(a-C)、多晶硅(polySi)、金属或不蚀刻的其它硬掩模。

传统的蚀刻气体包括cC₄F₈(八氟环丁烷)、C₄F₆(六氟-1,3-丁二烯)、CF₄、CH₂F₂、CH₃F和/或CHF₃。这些蚀刻气体在蚀刻期间也可形成聚合物。聚合物充当图案蚀刻结构侧壁上的保护或钝化层。该聚合物钝化层防止可能导致非垂直结构、卷曲和尺寸变化的离子和自由基蚀刻侧壁。本领域熟知选择性和聚合物沉积速率随着C:F比值增加而增加(即C₄F₆C₄F₈CF₄)，参见例如US6387287，Hung等。

传统的蚀刻化学不能提供在新应用中必须的高纵横比(20:1)，至少是因为在等离子体蚀刻方法期间侧壁上的聚合物沉积不足。额外地，侧壁上的C_xF_y聚合物对蚀刻敏感。因此，蚀刻的图案可能不是垂直的且结构可能显示出卷曲、尺寸变化和/或图案瓦解。

卷曲可能是由于通常为无定形碳材料的掩模层的侧壁蚀刻。无定形碳材料可通过等离子体中的氧自由基蚀刻，这可导致增加的掩模开口并产生弓状或角形/弧形蚀刻结构。

在过去硫气体如COS(羰基硫)和SO₂(二氧化硫)与氧等离子体组合用于在图案蚀刻方法中蚀刻无定形碳层。硫可在无定形碳上提供钝化层以有助于保护表面以防氧自由基，且因此有助于防止弓状结构。例如Kim等(J.Vac.Sci.Technol.A 31(2)，2013年3月/4月)公开了在O₂和5％COS的气体混合物中蚀刻的50nm无定形碳空穴产生更各向异性蚀刻剖面且与不使用COS蚀刻的那些相比提高约37％的顶部/底部开口比。

Rusu等(US7645707)描述了使用包含氟组分、O₂和硫组分气体的蚀刻剂气体蚀刻介电层的方法。硫组分气体优选为H₂S、COS或CS₂。