專利名稱：溝槽的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及溝槽的形成方法。
背景技術(shù)：
PCRAM(相變存儲(chǔ)器)是基于相變材料的可逆相變，利用其非晶態(tài)時(shí)的半導(dǎo)體高阻特性與多晶態(tài)時(shí)的半金屬低阻特性實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的技術(shù)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，特別是光刻等微納加工技術(shù)水平的迅速提高，利用納米尺度相變材料的電阻特性實(shí)現(xiàn)非揮發(fā)的存儲(chǔ)技術(shù)引起了工業(yè)界的重視。針對(duì)高密度PCRAM，器件制備尺寸的物理極限的研究又是一個(gè)研究熱點(diǎn)。最新研發(fā)的PCRAM(存儲(chǔ)單元尺寸為3nmX 2nm)顯示出了其替代計(jì)算機(jī)硬盤的潛力，模擬結(jié)果認(rèn)為其存儲(chǔ)單元的尺寸可以小到帕nm。因此，PCRAM技術(shù)在高密度存儲(chǔ)方面具有很大的發(fā)展空間。這些小尺寸存儲(chǔ)器件的尺寸降低是非常關(guān)鍵和重要的，尺寸降低可以實(shí)現(xiàn)密度的增大， 從而實(shí)現(xiàn)同樣的面積下更高容量的存儲(chǔ)。相變存儲(chǔ)器器件單元的相變過(guò)程最終要與MOS管或二極管的開(kāi)關(guān)效應(yīng)構(gòu)成存儲(chǔ)單元，例如在申請(qǐng)?zhí)枮椤?00810033926. 5”的中國(guó)專利文獻(xiàn)中提供了一種高密度相變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與制備的工藝。圖1所示為一種現(xiàn)有的PCRAM的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，字線6與位線(未圖示)在不同平面交叉排布，兩者交叉點(diǎn)處排布相變存儲(chǔ)單元8和二極管10的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。這樣一條字線6與一條位線即確定了唯一的操作相變存儲(chǔ)單元8。當(dāng)字線6為高電平時(shí)，二極管10處于反向截止?fàn)顟B(tài)，外圍電路11無(wú)法對(duì)相變存儲(chǔ)單元操作8 ；當(dāng)字線6為低電平時(shí)，位線電平如果高于二極管10閥值電壓，那么二極管10處于正向?qū)顟B(tài)，外圍電路11發(fā)出的電流由位線通孔9向上流至位線，又經(jīng)過(guò)相變存儲(chǔ)單元8和二極管10流入處于低電平的字線6，通過(guò)邏輯控制電路5回到外圍電路11中，從而形成一條電流回路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)存儲(chǔ)單元的操作。從圖1中可以看出，在PCRAM的制作過(guò)程中需要對(duì)半導(dǎo)體襯底上的外延層進(jìn)行刻蝕形成深槽，從而刻蝕形成陣列排列的溝槽，然后進(jìn)行N型和P型摻雜，形成N型摻雜層及所述N型摻雜層上的P型摻雜層。隨著器件特征尺寸的減小，所需的溝槽特征尺寸(CD)越來(lái)越小，溝槽之間的距離也越來(lái)越小，溝槽的深寬比也越來(lái)越大(通常深寬比大于10)，而采用現(xiàn)有的含氟的刻蝕工藝形成的溝槽不但有如圖2所示的缺點(diǎn)在溝槽的側(cè)壁20形成條紋狀損傷21 ；而且制造受到特征尺寸的限制，無(wú)法進(jìn)一步的將溝槽的CD減小，也無(wú)法達(dá)到所需的溝槽深寬比，從而使得相變存儲(chǔ)器器件的發(fā)展受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種將溝槽的CD進(jìn)一步減小，且溝槽的深寬比增大的溝槽陣列的形成方法。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底表面形成有掩膜層；圖案化掩膜層，形成具有溝槽的掩膜圖案；利用掩膜圖案做掩膜，用含氟的刻蝕氣體對(duì)所述掩膜層進(jìn)行刻蝕，直至暴露出半導(dǎo)體襯底；利用掩膜圖案和刻蝕后的掩膜層做掩膜，采用體積比為13 < HBr O2 < 25的刻蝕氣體，54°C <刻蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度< 60°C的刻蝕條件對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕，直至形成深寬比大于10的溝槽。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明選用先進(jìn)的刻蝕工藝，采用體積比為13 < HBr O2 <25的刻蝕氣體，<刻蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度< 60°C的刻蝕條件對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕，形成的深寬比大于10的溝槽側(cè)壁不會(huì)出現(xiàn)條紋狀損傷。


通過(guò)附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的更具體說(shuō)明，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。圖1是一種現(xiàn)有的PCRAM的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是采用NF3刻蝕形成的溝槽側(cè)壁的形貌掃描電鏡圖片；圖3為本發(fā)明的溝槽的形成方法的流程圖；圖4 圖12為本發(fā)明的溝槽的形成方法的示意圖。
具體實(shí)施例方式由背景技術(shù)可知，在PCRAM的制作過(guò)程中需要對(duì)半導(dǎo)體襯底上的外延層進(jìn)行刻蝕形成深槽，從而刻蝕形成陣列排列的溝槽。然后進(jìn)行N型和P型摻雜，形成所述N型摻雜層上的P型摻雜層。隨著器件特征尺寸的減小，所需的溝槽特征尺寸(CD)越來(lái)越小，溝槽之間的距離也越來(lái)越小，而現(xiàn)有的工藝制造受到特征尺寸的限制，無(wú)法達(dá)到所需的溝槽深寬比， 且在構(gòu)成溝槽時(shí)會(huì)對(duì)溝槽側(cè)壁造成損傷。因此，本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，在45 納米CD的工藝節(jié)點(diǎn)，對(duì)刻蝕工藝進(jìn)行改進(jìn)，從而可以刻蝕形成CD等于或者小于45納米，深寬比大于10，且溝槽側(cè)壁無(wú)損傷的溝槽陣列，從而使得相變存儲(chǔ)器能夠脫穎而出，更具有發(fā)展前景。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說(shuō)明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施的限制。其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說(shuō)明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是實(shí)例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。圖3為本發(fā)明的溝槽的形成方法的流程圖，圖4 圖7為本發(fā)明的溝槽的形成方法的示意圖。下面結(jié)合圖3至圖7對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。本發(fā)明的溝槽的形成方法包括步驟步驟S101，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底表面形成有掩膜層。具體的參考圖4，半導(dǎo)體襯底100可以為單晶、多晶或非晶結(jié)構(gòu)的硅或硅鍺 (SiGe)，也可以是絕緣體上硅(SOI)，還可以包括其它的材料，例如銻化銦、碲化鉛、砷化銦、 磷化銦、砷化鎵或銻化鎵。
所述半導(dǎo)體襯底100還可以是具有硅外延層的硅襯底，所述硅外延層的形成工藝為外延工藝。在本實(shí)施例中，以半導(dǎo)體襯底100是硅襯底為例做示范性說(shuō)明。依舊參考圖4，所述半導(dǎo)體襯底100表面形成有掩膜層110，所述掩膜層110為單一覆層或者多層堆疊結(jié)構(gòu)，所述掩膜層110材料為氮化硅或者摻硼的氧化硅(BSG)。較優(yōu)選的實(shí)施例為掩膜層110包括形成在半導(dǎo)體襯底100表面的氮化硅層IlOa 和形成在氮化硅層IlOa表面的BSG層110b，所述優(yōu)選的實(shí)施例能夠提高形成刻蝕溝槽陣列的硬掩膜的質(zhì)量，所述優(yōu)選的實(shí)施例的形成步驟包括在半導(dǎo)體襯底100表面利用化學(xué)氣相淀積的方法形成氮化硅層和位于氮化硅層表面的BSG，例如氮化硅層IlOa的厚度可以為 1300埃至1700埃，BSG層IlOb的厚度可以為4300埃至4700埃。步驟S102，圖案化掩膜層，形成具有溝槽的掩膜圖案。請(qǐng)參考圖5，具體地，在BSG層IlOb上利用旋涂(spin on)工藝涂布光刻膠層 (PR)，通過(guò)曝光將掩膜版上的與溝槽相對(duì)應(yīng)的圖形轉(zhuǎn)移到光掩膜層上，然后利用顯影液將相應(yīng)部位的光掩膜層去除，以形成具有溝槽的光掩膜層圖案120，需要指出的是在PCRAM的制作過(guò)程中刻蝕形成陣列排列的溝槽，所述光掩膜層圖案120也可以為陣列排列的條形溝槽，所述陣列排列的條形溝槽可以通過(guò)設(shè)計(jì)掩膜版上的圖形實(shí)現(xiàn)。步驟S103，利用掩膜圖案做掩膜，用含氟的刻蝕氣體對(duì)所述掩膜層進(jìn)行刻蝕，直至暴露出半導(dǎo)體襯底。參考圖6，具體地，用含氟的刻蝕氣體對(duì)所述掩膜層進(jìn)行刻蝕步驟在本實(shí)施例中分兩步進(jìn)行1.采用含CH2F2的刻蝕氣體對(duì)BSG層IlOb進(jìn)行刻蝕；2.采用含C5F8的刻蝕氣體對(duì)氮化硅層IlOa進(jìn)行刻蝕。上述兩步刻蝕可以在同一刻蝕設(shè)備的腔室中進(jìn)行。采用含CH2F2的刻蝕氣體對(duì)BSG層1 IOb進(jìn)行刻蝕的具體參數(shù)為腔室壓力20mT 60mT,偏置功率300W 1000W，電源功率300W 1500W，蝕刻氣體用CH2F2，流量為30sccm 120sccm,02 為 IOsccm 60sccm，Ar 為 IOOsccm 400sccm，腔室溫度 30°C 60°C，刻蝕時(shí)間為80 200s。采用上述刻蝕參數(shù)刻蝕BSG層IlOb直至暴露出氮化硅層110a。上述含CH2F2的刻蝕氣體對(duì)BSG層IlOb進(jìn)行刻蝕優(yōu)選的參數(shù)為腔室壓力40mT， 偏置功率700W，電源功率1000W，蝕刻氣體用CH2F2，流量為80sccm，O2為30sccm，Ar為 300sccm，腔室溫度45°C，刻蝕時(shí)間為100s。所述含C5F8的刻蝕氣體對(duì)氮化硅層IlOa進(jìn)行刻蝕的刻蝕參數(shù)具體為腔室壓力 40mT IOOmT，偏置功率700W 2000W,電源功率700W 2000W,蝕刻氣體用C5F8，流量 8sccm 20sccm，O2 為 5sccm 30sccm，Ar 為 200sccm lOOOsccm，腔室溫度 30°C 60°C, 刻蝕時(shí)間為40 120s。采用上述的刻蝕條件參數(shù)刻蝕氮化硅層IlOa直至暴露出半導(dǎo)體襯底 100。上述含C5F8的刻蝕氣體對(duì)氮化硅層IlOa進(jìn)行刻蝕的優(yōu)選的參數(shù)為腔室壓力 40mT，偏置功率800W，電源功率1000W，蝕刻氣體用C5F8，流量IOsccm, O2為15sccm，Ar為 800sccm，腔室溫度45°C，刻蝕時(shí)間為40 120s。對(duì)所述掩膜層進(jìn)行刻蝕的兩個(gè)步驟的具體工藝參數(shù)波動(dòng)不要太大，特別是腔室壓力、偏置功率和電源功率，以防止過(guò)大的波動(dòng)影響刻蝕效果，且參數(shù)波動(dòng)小能夠節(jié)約工藝參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)間，提高刻蝕效率。
還需要指出的是，對(duì)所述掩膜層的刻蝕氣體選用對(duì)半導(dǎo)體襯底100刻蝕效果微弱的刻蝕氣體，以避免掩膜層過(guò)刻蝕損傷半導(dǎo)體襯底100。步驟S104，利用掩膜圖案和刻蝕后的掩膜層做掩膜，采用體積比為13 < HBr O2
<25的刻蝕氣體，54°C<刻蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度< 60°C的刻蝕條件對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕，直至形成深寬比大于10的溝槽。具體地，本發(fā)明的發(fā)明人選用HBr和NF3氣體進(jìn)行了大量蝕刻深溝槽實(shí)驗(yàn)，首先， 在蝕刻深溝槽采用HBr和NF3氣體進(jìn)行刻蝕，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)NF3能夠提夠蝕刻速率，各向異性表現(xiàn)明顯，而HBr各向同性蝕刻表現(xiàn)更明顯，但如果HBr流量過(guò)多，而對(duì)深溝槽保護(hù)不夠，則容易在溝槽的側(cè)壁形成條紋狀損傷，而HBr流量過(guò)少，對(duì)半導(dǎo)體襯底刻蝕效率低，無(wú)法蝕刻半導(dǎo)體襯底形成深溝槽。為了得到更好的刻蝕效果，本發(fā)明的發(fā)明人采用HBr、NF3和仏再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn) O2在溝槽刻蝕中具有保護(hù)溝槽側(cè)壁的作用，能夠減少刻蝕過(guò)程中對(duì)側(cè)壁的損傷，但A過(guò)高或者過(guò)低都無(wú)法起到有效的保護(hù)效果，請(qǐng)參考圖7，圖7為HBr O2體積比>25的刻蝕工藝形成的深溝槽的側(cè)壁掃描電鏡圖片，在該實(shí)驗(yàn)中，選定刻蝕工藝中刻蝕壓力、刻蝕功率和其他刻蝕氣體，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)深溝槽的側(cè)壁有條紋狀損傷31 ；參考圖8，圖8為HBr O2體積比< 13的刻蝕工藝形成的深溝槽的側(cè)壁掃描電鏡圖片，采用與上述HBr O2體積比>25 相同的其他刻蝕參數(shù)，但發(fā)明人發(fā)現(xiàn)深溝槽的側(cè)壁有明顯的條紋狀損傷41。發(fā)明人還做對(duì)刻蝕工藝中刻蝕壓力、刻蝕功率和其他刻蝕氣體做了一定改變，但在HBr O2體積比<13 或者HBr O2體積比>25的工藝條件下，深溝槽的側(cè)壁有明顯的條紋狀損傷。進(jìn)一步的，發(fā)明人對(duì)刻蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度的刻蝕效果也進(jìn)行了研究， 在其他的刻蝕條件不變的情況下，改變刻蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度，請(qǐng)參考圖9，圖9 為刻蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度>60°C時(shí)，形成的深溝槽的側(cè)壁掃描電鏡圖片，選定刻蝕工藝中刻蝕壓力、刻蝕功率和其他刻蝕氣體，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)深溝槽的側(cè)壁有條紋狀損傷51 ； 請(qǐng)參考圖10，圖10為刻蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度< 時(shí)，形成的深溝槽的側(cè)壁掃描電鏡圖片，在該實(shí)驗(yàn)中除靜電吸盤的負(fù)極溫度，其他刻蝕參數(shù)保持與圖9的刻蝕參數(shù)一致， 發(fā)明人發(fā)現(xiàn)深溝槽的側(cè)壁有條紋狀損傷61。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)HBr在刻蝕氣體中的比例越大，形成的溝槽的側(cè)壁形成的弧形度越大；02在刻蝕氣體中的比例越大，溝槽的尺寸越??；蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度高于一定溫度或低于一定溫度，溝槽的側(cè)壁形成的條紋狀損傷就越多。綜合考慮上述3個(gè)因素，參考圖11，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)采用體積比為13
<HBr O2 < 25的氣體和NF3蝕刻氣體，54°C <刻蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度< 60°C 的刻蝕條件對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕時(shí)，能夠形成深寬比大于10，且溝槽側(cè)壁無(wú)損傷的溝槽。優(yōu)選的，對(duì)所述半導(dǎo)體襯底100進(jìn)行刻蝕的刻蝕參數(shù)為腔室壓力60mT 150mT， 偏置功率300W 1200W，電源功率300W 1500W，腔室溫度50°C 60°C，刻蝕磁場(chǎng)強(qiáng)度為 27GHz至40GHz，刻蝕時(shí)間為20s 50s。例如在一具體的實(shí)施例中，對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕的刻蝕參數(shù)為HBr的流量為200sccm，O2的流量為lOsccm，NF3的流量為30sccm，腔室壓力IOOmT,偏置功率800W， 電源功率600W，刻蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度為58°C，腔室溫度56°C，刻蝕磁場(chǎng)強(qiáng)度為
630GHz，刻蝕時(shí)間為80s。采用上述優(yōu)選的刻蝕參數(shù)，刻蝕形成的溝槽側(cè)壁掃描電鏡圖片可以參考圖12，圖 12中溝槽側(cè)壁無(wú)條紋狀損傷。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動(dòng)與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種溝槽的形成方法，其特征在于，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底表面形成有掩膜層； 圖案化掩膜層，形成具有溝槽的掩膜圖案；利用掩膜圖案做掩膜，用含氟的刻蝕氣體對(duì)所述掩膜層進(jìn)行刻蝕，直至暴露出半導(dǎo)體襯底；利用掩膜圖案和刻蝕后的掩膜層做掩膜，采用體積比為13 < HBriO2 < 25的刻蝕氣體， <刻蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度< 60°C的刻蝕條件對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕，直至形成深寬比大于10的溝槽。
2.如權(quán)利要求1所述的溝槽的形成方法，其特征在于，對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕的刻蝕參數(shù)為腔室壓力60mT 150mT，偏置功率300W 1200W，電源功率300W 1500W，腔室溫度50°C 60°C，刻蝕磁場(chǎng)強(qiáng)度為27GHz至40GHz，刻蝕時(shí)間為20s 50s。
3.如權(quán)利要求1所述的溝槽的形成方法，其特征在于，對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕的刻蝕參數(shù)為HBr的流量為200SCCm，O2的流量為lOsccm，NF3的流量是30sCCm，腔室壓力 IOOmT,偏置功率800W，電源功率600W，刻蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度為58°C，腔室溫度 56°C，刻蝕磁場(chǎng)強(qiáng)度為30GHz，刻蝕時(shí)間為80s。
4.如權(quán)利要求1所述的溝槽的形成方法，其特征在于，所述掩膜層材料為氮化硅或者摻硼的氧化硅。
5.如權(quán)利要求1所述的溝槽的形成方法，其特征在于，所述掩膜層為單一覆層或者多層堆疊結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5所述的溝槽的形成方法，其特征在于，所述掩膜層包括形成在半導(dǎo)體襯底表面的氮化硅層和形成在氮化硅層表面的BSG層。
7.如權(quán)利要求6所述的溝槽的形成方法，其特征在于，所述氮化硅層的厚度可以為 1300埃至1700埃。
8.如權(quán)利要求6所述的溝槽的形成方法，其特征在于，所述BSG層的厚度可以為4300埃至4700埃。
全文摘要
一種溝槽的形成方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底表面形成有掩膜層；圖案化掩膜層，形成具有溝槽的掩膜圖案；利用掩膜圖案做掩膜，用含氟的刻蝕氣體對(duì)所述掩膜層進(jìn)行刻蝕，直至暴露出半導(dǎo)體襯底；利用掩膜圖案和刻蝕后的掩膜層做掩膜，采用體積比為13＜HBr∶O2＜25的刻蝕氣體，54℃＜刻蝕腔室內(nèi)靜電吸盤的負(fù)極溫度＜60℃的刻蝕條件對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕，直至形成深寬比大于10的溝槽。本發(fā)明形成的深寬比大于10的陣列排列的條形溝槽側(cè)壁不會(huì)出現(xiàn)條紋狀損傷。
文檔編號(hào)H01L21/3065GK102214567SQ20101014420
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者李凡, 洪中山 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司