图案形成方法
【专利摘要】一种图案形成方法，其能够在基板上形成从层叠有绝缘膜和导电性膜的层叠膜上所形成的孔的内周面开始有选择性且精度优良地使导电性膜后退的图案。一种图案形成方法，其包括：在基板上以交替方式层叠绝缘膜和多晶硅膜，从而形成分别含有至少两层的前述绝缘膜和前述多晶硅膜的层叠膜的工序；在前述层叠膜上形成贯通至少两层的前述绝缘膜和至少两层的前述多晶硅膜的孔的工序；以及，将用非活性气体稀释氟系卤素气体而成的蚀刻气体导入所述孔内进行各向同性蚀刻，由此从所述孔的侧壁开始有选择性地蚀刻所述多晶硅膜的选择蚀刻工序。
【专利说明】图案形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在基板上形成图案的方法。
【背景技术】
[0002]在专利文献I中，公开了三维存储单元阵列的制造方法。具体而言，公开了一种在以交替方式多周期重复层叠有导电层和绝缘层而成的层叠膜上形成贯通前述导电层和绝缘层的孔(洞)的方法。在前述孔的内周面内，形成有在一对氧化硅膜之间夹着氮化硅膜的ONO (Oxide-Nitride-Oxide:氧化物-氮化物_氧化物)结构的绝缘膜，且在其里面嵌入有硅柱。硅柱是作为通道而发挥功能，导电层是作为控制门而发挥功能。基于该结构，在孔的深度方向上形成有通过绝缘层而分离的多个存储单元。在各存储单元中，能够通过在ONO结构的绝缘膜上蓄积电荷而存储信息。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开2010-177652号公报
【发明内容】
[0006]发明要解决的课题
[0007]在层叠膜所形成的孔的内周面，以交替方式露出导电层和绝缘层，并通过绝缘层而分离存储单元。若能够基于从孔的内周面开始的蚀刻而有选择性地蚀刻导电层以使其从内周面后退，则能够形成使绝缘层突出于孔内、并基于该突出的绝缘层使导电层分离的结构。由此能够使存储单元之间分离，因此，当以薄的方式形成各层后进行高集成化时，能够抑制存储单元之间的干扰(crosstalk)。
[0008]但是，目前尚未确立能够使孔内的导电层与其深度位置无关地均匀后退的技术。
[0009]因此，本发明的目的在于，提供一种图案形成方法，其能够在基板上形成从层叠有绝缘膜和导电性膜的层叠膜上所形成的孔的内周面开始有选择性且精度优良地使导电性膜后退的图案。
[0010]解决课题的方法
[0011]为了达成上述目的的技术方案I记载的发明，是一种图案形成方法，其中，其包括:在基板上以交替方式层叠绝缘膜和多晶硅膜，从而形成分别含有至少两层的前述绝缘膜和前述多晶硅膜的层叠膜的工序；在前述层叠膜上形成贯通至少两层的前述绝缘膜和至少两层的前述多晶硅膜的孔的工序；以及，将用非活性气体稀释氟系卤素气体而成的蚀刻气体导入所述孔内进行各向同性蚀刻，由此从所述孔的侧壁开始有选择性地蚀刻所述多晶硅膜的选择蚀刻工序。
[0012]根据该方法，在基板上形成有以交替方式层叠绝缘膜(例如，氧化硅膜)和多晶硅膜的层叠膜，并形成贯通该层叠膜的孔。然后，在孔内导入用非活性气体稀释氟系卤素气体而成的蚀刻气体。通过该蚀刻气体从孔的内周面开始进行各向同性的蚀刻。而且，对该蚀刻气体而言，由于多晶硅膜相对于绝缘膜(例如，氧化硅膜)的蚀刻选择比高，因此能够有选择性地蚀刻多晶硅膜。由此，能够使多晶硅膜有选择性地从孔的内周面(侧壁)开始后退，从而能够形成使绝缘膜突出于孔的内周面、由该突出的绝缘膜分离多晶硅膜而成的结构。多晶硅膜能够作为导电层使用。
[0013]通过用非活性气体稀释氟系卤素气体而成的蚀刻气体进行的蚀刻，会在孔内均匀地进行。即，与孔内的深度位置无关，均可进行均匀的蚀刻。在使用蚀刻液的湿式蚀刻中，在孔的入口处，蚀刻液容易被置换为新液，相对地在孔的深处则难以进行蚀刻液的置换。因此，孔的入口处与深处的蚀刻进行速度不同，并且容易形成从入口处向深处狭窄化的锥形状的蚀刻轮廓(蚀刻分布，etching profile)。与此相比,在使用如上所述的蚀刻气体的蚀刻中，能够在孔内所到之处进行均等的蚀刻。因此，不论孔内的位置如何，都能够精度优良地对多晶硅膜进行蚀刻而使其从孔的内周面开始后退。
[0014]如技术方案2所示，前述氟系卤素气体优选包括选自ClF3气体、BrF5气体、IF3气体、IF7气体、ClF气体、BrF3气体、IF5气体和BrF气体中一种或者两种以上的气体。
[0015]如技术方案3所示，前述选择蚀刻工序可以在大气压环境中施行。若使用如上所述的蚀刻气体，则在接近大气压的环境中也可施行多晶硅膜的选择蚀刻。由此，可以不控制施行蚀刻的处理室内的气压，因此能够减少工序，从而能够相应地提高生产效率。
[0016]如技术方案4所示，前述选择蚀刻工序可以在减压环境中施行。由此，能够提高多晶硅膜的蚀刻速度和蚀刻选择比。
[0017]如技术方案5所示，前述选择蚀刻工序，优选包括使前述基板围绕垂直于主面的旋转轴线旋转的工序。由此，当在基板面内形成有多个孔时，能够抑制基板面内的处理偏差。
[0018]如技术方案6所示，前述选择蚀刻工序，优选包括对前述基板的温度进行控制(力口热或者冷却)的工序。由此，能够控制多晶硅膜的蚀刻速度和蚀刻选择比。
[0019]如技术方案7所示，在对前述基板的温度进行控制(加热或者冷却)的工序中，优选将蚀刻时的基板温度控制在一30°C以上且30°C以下。由此，能够提高多晶硅膜的蚀刻速度和蚀刻选择比。
[0020]如技术方案8所示，前述绝缘膜可以包括氧化膜(例如，氧化硅膜)。在使用氟系卤素气体的气相蚀刻中，能够增加多晶硅膜相对于氧化膜的选择比。因此，当绝缘膜包括氧化膜时，能够对多晶硅膜更加精度优良地施行蚀刻。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是表示本发明的一实施方式的图案形成方法所适用的半导体装置的局部结构的剖面图。
[0022]图2A是用来说明前述半导体装置的制造方法的剖面图。
[0023]图2B是表示图2A的下一个工序的剖面图。
[0024]图2C是表示图2B的下一个工序的剖面图。
[0025]图3是表示用于实施从孔的内周面(侧壁)开始对多晶硅膜有选择性地进行蚀刻而使其后退的气相蚀刻工序的气相蚀刻装置的结构例的图解剖面图。
[0026]图4是用于说明采用前述气相蚀刻装置施行气相蚀刻的详细流程图。[0027]图5是表示进行蚀刻试验时的蚀刻状态的示意性局部放大剖面图。
【具体实施方式】
[0028]下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。
[0029]图1是表示本发明的一实施方式的图案形成方法所适用的半导体装置的局部结构的剖面图。该半导体装置包括三维排列的存储单元阵列。该半导体装置包括半导体基板I以及在半导体基板I上所形成的层叠膜2。层叠膜2由作为绝缘膜的氧化膜3以及作为导体膜的多晶硅膜4进行交替地多周期层叠而构成。层叠膜2包括至少两层氧化膜3。另夕卜，层叠膜2包括至少两层多晶硅膜4。在层叠膜2中，形成有针对多层氧化膜3和多层多晶硅膜4沿着它们的层叠方向进行贯通的孔5。孔5是被形成为柱状。孔5既可以被形成为圆柱状，也可以形成为角柱(例如，四角柱)状。在孔5的内周面(侧壁)，氧化膜3与多晶硅膜4相比更向里面突出。换言之，多晶硅膜4的缘部与氧化膜3的缘部相比更后退。上述孔5是以分布于半导体基板I的面内的方式于层叠膜2形成有多个。
[0030]在各孔5的内周面,形成有ONO (Oxide-Nitride-Oxide:氧化物_氮化物-氧化物)结构的电荷蓄积层叠膜6。电荷蓄积层叠膜6，例如，是由连接于孔5的内周面的氧化膜6a (例如氧化硅膜)、连接于氧化膜6a的氮化膜6b (例如氮化硅膜)以及连接于氮化膜6b的氧化膜6c (例如氧化娃膜)进行层叠而构成。在电荷蓄积层叠膜6的内侧，以对孔5内进行填充的方式嵌入有硅柱7。
[0031]通过上述结构，硅柱7作为通道而发挥功能，多晶硅膜4作为控制门而发挥功能。如此一来，在孔5的深度方向上形成由氧化膜3分离的多个存储单元。在各存储单元中，能够通过在电荷蓄积层叠膜6上蓄积电荷而存储信息。分离存储单元的氧化膜3与多晶硅膜4相比更向孔5的里面突出，因此能够将存储单元之间确实地分离。因此，当各层的氧化膜3和多晶硅膜4形成得薄而高集成化时，能够抑制存储单元之间的干扰。
[0032]图2A、图2B和图2C是用来说明前述半导体装置的制造方法的剖面图。
[0033]首先，如图2A所示，在半导体基板I上，使氧化膜3和多晶硅膜4交替地进行层叠而形成层叠膜2。氧化膜3既可以是TEOS (四乙氧基硅烷)，也可以是采用例如CVD法(化学气相生长法)来形成。多晶硅膜4，可以采用例如等离子体CVD法来形成。通过一边添加用于赋予导电性的杂质一边形成多晶硅膜4，能够将多晶硅膜4作成为导电性膜。
[0034]接着，如图2B所示，形成有针对多层氧化膜3和多层多晶硅膜4在它们的层叠方向进行贯通的孔5。孔5的形成能够采用例如反应性离子蚀刻来实施，更具体而言，可以采用专利文献I中所记载的方法。
[0035]接着，如图2C所示，通过将蚀刻气体导入孔5内施行的各向同性蚀刻，从孔5的内周面(侧壁)开始对各多晶硅膜4有选择性地进行蚀刻(气相蚀刻工序)。由此，各多晶硅膜4从孔5的内周面后退。由此，获得各氧化膜3从孔5的内周面(侧壁)向里面突出的结构。作为蚀刻气体，是采用将氟系卤素气体经非活性气体进行稀释过的气体。上述蚀刻气体，多晶硅相对于氧化物的蚀刻选择比高，因此可对多晶硅膜4进行选择性蚀刻。
[0036]作为前述氟系卤素气体，能够使用选自ClF3气体、BrF5气体、IF3气体、IF7气体、ClF气体、BrF3气体、IF5气体和BrF气体中的一种或两种以上。作为稀释该氟系卤素气体的非活性气体，例如，能够使用氮气、氩气、氦气等。[0037]在使用上述蚀刻气体的气相蚀刻工序后，基板表面没有蚀刻残渣，因此无需实施使用纯水等冲洗液的冲洗工序。例如，基于ClF3气体进行硅蚀刻的反应如下式所示。SiF4和ClF均具有挥发性，因此可以不残留蚀刻残渣地进行蚀刻硅。
[0038]Si + 2C1F3 — SiF4 + 2C1F
[0039]在图2C的工序后，经过电荷蓄积层叠膜6的形成和硅柱7的嵌入，获得图1所示的结构。电荷蓄积层叠膜6的形成,可以采用ALD (Atomic Layer Deposition:原子层沉积)法来施行。另外，硅柱7的嵌入，可以通过一边掺杂杂质一边采用CVD法使硅膜得到沉积来施行。
[0040]图3是表示用于实施从孔5的内周面(侧壁)开始对多晶硅膜4有选择性地进行蚀刻而使其后退的工序的气相蚀刻装置的结构例的图解剖面图。
[0041]该气相蚀刻装置，包括壳体20、壳体20内所收纳的处理气体导入容器21、以及同样在壳体20内所收纳的基板保持台22。处理气体导入容器21，是形成为从处理气体导入路23导入处理气体。处理气体导入路23接合于氟系齒素气体供给路24和非活性气体供给路25。在氟系卤素气体供给路24中，装入有阀26和流量控制器(MFC)46。同样，在非活性气体供给路25中，装入有阀27和流量控制器(MFC)47。氟系卤素气体供给路24连接于氟系齒素气体供给源28。非活性气体供给路25连接于非活性气体供给源29。
[0042]处理气体导入容器21的底壁部形成为冲孔板(punching plate) 36,该冲孔板36配置于基板保持台22的上方。在冲孔板36中，使其上下的空间得到连通的多个贯通孔是以均匀分布于面内的方式形成。在处理气体导入容器21中所导入的处理气体穿过冲孔板36向基板保持台22流动。
[0043]基板保持台22，能够以水平状态保持基板W，且具有作为能够使基板W围绕垂直旋转轴线30旋转的旋转卡盘的形态。基板W相当于图1等的半导体基板I。对保持于基板保持台22的基板W，导入穿过冲孔板36的处理气体。基板保持台22固定于旋转轴32的上端，该旋转轴32是利用具有马达等的旋转驱动机构31而围绕旋转轴线30进行旋转。并且，在基板保持台22中组装着用于调节基板W温度的温度调节器35。温度调节器35，是对基板保持台22所保持的基板W进行加热或者对该基板W进行冷却的装置。
[0044]在基板保持台22的俯视时的外侧，设置有相对于壳体20的底面进行上下收缩的波纹管(belloWS)38。该波纹管38是，使其上端缘抵接于冲孔板36的周边部下面，而在其将基板保持台22的周边的空间进行密闭而形成处理室的密闭位置(在图3中以实线示出的位置)与其上端缘退缩至比基板保持台22的上面更向下方的退缩位置(图3中虚线所示位置)之间，通过未图示的驱动机构来进行延伸/收缩驱动。
[0045]波纹管38的内部空间，是以经由连接于壳体20的底面的排气配管39而通过排气装置40进行排气的方式形成。该排气装置40，既可以是排气机(排気7' α 7 )或者抽气器(ejector)等强制排气装机构，也可以是设置有该气相蚀刻装置的净化室所配备的排气设备。
[0046]在基板保持台22的侧方，在壳体20的侧壁形成用于搬入/搬出基板W的开口 41。在该开口 41处配置有闸门42。在搬入基板W时，使波纹管38下降至退缩位置(图3的虚线的位置)并同时开启闸门42，通过基板搬运机器人43将基板W传递给基板保持台22。另夕卜，在搬出基板W时，使波纹管38位于退缩位置并同时开启闸门42，将基板保持台22上的基板W传递给基板搬运机器人43而予以搬出。
[0047]该气相蚀刻装置的各部分，是通过具有微电脑等的控制装置50来进行控制而成。更具体而言，控制装置50对阀26、27的开关动作、旋转驱动机构31的动作、温度调节器35的动作、波纹管38的升降、排气装置40的动作、基板搬运机器人43的动作、由流量控制器46、47所调节的流量等进行控制。
[0048]在对基板W进行气相蚀刻处理时，使波纹管38上升至与冲孔板36的周边密接的密接位置(图3的实线的位置)，并同时开启阀26、27。由此，从氟系卤素气体供给路24所供给的氟系齒素气体通过从非活性气体供给路25供给的非活性气体(例如，氮气)进行稀释而制备蚀刻气体。将该蚀刻气体，从处理气体导入路23导入处理气体导入容器21内，并输送至冲孔板36。然后，经由该冲孔板36所形成的贯通孔而对基板W的表面供给蚀刻气体。
[0049]另一方面，基于如前面所述的蚀刻气体而进行的蚀刻速度和蚀刻选择比依赖于基板温度。因此，控制装置50，控制温度调节器35，从而调节基板W的温度。
[0050]并且，为了均匀地进行基板W面内的处理，控制装置50对旋转驱动机构31进行驱动，从而使基板保持台22以一定速度围绕旋转轴线30旋转。
[0051]图4是用于说明采用前述气相蚀刻装置施行气相蚀刻的详细流程图。
[0052]采用基板搬运机器人43从开口 41搬入基板W，关闭闸门42，则控制装置50使波纹管38上升而抵接于冲孔板36，形成密闭状态的处理室(步骤SI)。接着，控制装置50使排气装置40运转，从而对处理室内的环境(气氛)进行排气，并开启阀27而将非活性气体导入处理室，用非活性气体对处理室内的环境进行清洁(步骤S2)。控制装置50，也可以通过使处理室内成为大气压环境的方式控制排气装置40。另外，控制装置50，也可以根据需要而以使处理室内成为减压环境(与大气压相比更低压的环境)的方式控制排气装置40。并且，控制装置50，通过控制温度调节器35来控制基板W的温度(步骤S3)，并通过控制旋转驱动机构31来使基板保持台22旋转(S卩、使基板W旋转)(步骤S4)。基板W的温度控制为常温?80°C左右即可。
[0053]在该状态下，控制装置50开启阀26，进而控制流量控制器46、47。由此，制备按规定的流量比混合氟系卤素气体和非活性气体而成的蚀刻气体，将该蚀刻气体导入处理室(步骤S5)。将蚀刻气体导入基板W的表面，并进入基板W的表面所形成的层叠膜的孔5内，从孔5的内周面(侧壁)有选择性地蚀刻多晶硅膜4。在规定时间内持续实施该气相蚀刻。
[0054]接着，控制装置50关闭阀26而停止氟系卤素气体的供给。由此，停止蚀刻气体的供给，并成为对处理室只导入非活性气体的状态(步骤S6)。并且，控制装置50对温度调节器35进行控制以使基板W冷却(步骤S7)。由此，停止气相蚀刻。
[0055]然后，控制装置50对旋转驱动机构31进行控制以使基板W停止旋转(步骤S8)。然后，用非活性气体对处理室内进行清洁(步骤S9)。在气相蚀刻处理中将处理室内控制为减压环境时，控制装置50对排气装置40进行控制以使处理室内恢复大气压。
[0056]接着，控制装置50使波纹管38下降并开启闸门42。在该状态下，采用基板搬运机器人43将处理完毕的基板W搬出(步骤SlO)。
[0057]如上所述，根据该实施方式，将以非活性气体稀释氟系卤素气体而成的蚀刻气体导入层叠膜2所形成的孔5内。基于该蚀刻气体从孔5的内周面(侧壁)开始进行各向同性蚀亥IJ。对该蚀刻气体而言，由于多晶硅膜4相对于氧化膜3的蚀刻选择比高，因此能够有选择性地蚀刻多晶硅膜4。由此，能够从孔5的内周面有选择性地使多晶硅膜4后退。因此，氧化膜3突出于孔5的内周面，基于该突出的氧化膜3能够形成多晶硅膜4 (导电层)被分离的结构。
[0058]通过用非活性气体稀释氟系卤素气体而成的蚀刻气体进行的气相蚀刻，会在孔内均匀地进行。即，与孔5内的深度位置无关，均可进行均匀的蚀刻。例如，在湿式蚀刻中，在孔的入口处，蚀刻液容易被置换为新液，相对地在孔的深处则难以进行蚀刻液的置换。因此，孔的入口处与深处的蚀刻进行速度不同，并且容易形成从入口处向深处狭窄化的锥形状的蚀刻轮廓(蚀刻分布，etching profile)。与此相比,在如上所述的气相蚀刻中，能够在孔5内所到之处进行均等的蚀刻。因此，不论孔5内的位置如何，都能够精度优良地对多晶硅膜4进行蚀刻而使其从孔5的内周面开始后退。
[0059]另外，在上述气相蚀刻工序后的基板W的表面上无蚀刻残渣。因此，在气相蚀刻工序后，无需施行使用纯水等冲洗液的冲洗工序。因此，通过省略使用了冲洗液的工序，能够避免基板W上的微细图案因冲洗液的表面张力而导致崩溃的缺陷。
[0060]如前面所述，气相蚀刻既能够在大气压环境中施行，也能够根据需要而在减压环境中施行。若在大气压环境中施行气相蚀刻，则可以不控制处理室内的气压，因此能够减少工序，从而能够相应地提高生产效率。另外，若在减压环境中能够施行气相蚀刻，则能够提高多晶硅膜的蚀刻速度和蚀刻选择比。
[0061]另外，在该实施方式中，在气相蚀刻工序中，将基板W围绕着垂直于其主面的旋转轴线30旋转。由此，在以分布于基板W的面内的方式形成于层叠膜2的多个孔5内，能够均匀地施行气相蚀刻。因此，能够在该多个孔5内精度优良地形成均匀性高的结构。
[0062]并且，采用该实施方式时，在气相蚀刻工序中，使基板W的温度得到控制。为了提高多晶硅膜的蚀刻速度和蚀刻选择比，优选将基板W的温度控制为-30°C以上且30°C以下，特别优选控制为-10°C以上且20°C以下。由此，能够精度更加优良地施行多晶硅膜4的选择性蚀刻。
[0063]另外，由于作为多晶硅膜4之间形成的绝缘膜使用了氧化膜3，因此能够增大气相蚀刻中的选择比。由此，能够精度更加优良地蚀刻多晶硅膜4。
[0064]下面记载了具体试验的实施条件及其结果。
[0065][实施例1?15]
[0066]将形成有图2B所示图案的基板设置于图3的结构的气相蚀刻装置的基板保持台22，施行蚀刻试验。将本试验中硅的蚀刻状态示于图5中。通过剖面SEM(扫描电子显微镜)观察，测定了孔5内的壁面的各多晶硅膜4的蚀刻深度t。并且，求出该蚀刻深度t的平均值扒和标准偏差σ，通过求出σ/tA，评价蚀刻深度相对于孔的深度方向的均匀性。作为蚀刻气体而导入的氟化物气体的流量均为lOOsccm。
[0067]将该发明的实施例中的蚀刻条件及其结果示于表I中。
[0068]表I
[0069]
【权利要求】
1.一种图案形成方法，其中，其包括: 在基板上以交替方式层叠绝缘膜和多晶硅膜，从而形成分别含有至少两层的所述绝缘月旲和所述多晶娃I旲的层置I旲的工序； 在所述层叠膜形成贯通至少两层的所述绝缘膜和至少两层的所述多晶硅膜的孔的工序；以及 将用非活性气体稀释氟系卤素气体而成的蚀刻气体导入所述孔内进行各向同性蚀刻，由此从所述孔的侧壁开始有选择性地蚀刻所述多晶硅膜的选择蚀刻工序。
2.如权利要求1所述的图案形成方法，其中，所述氟系卤素气体包括选自ClF3气体、BrF5气体、IF3气体、IF7气体、ClF气体、BrF3气体、IF5气体和BrF气体中的一种或两种以上。
3.如权利要求1或2所述的图案形成方法，其中，所述选择蚀刻工序是在大气压环境中施行。
4.如权利要求1或2所述的图案形成方法，其中，所述选择蚀刻工序是在减压环境中施行。
5.如权利要求1?4中任一项所述的图案形成方法，其中，所述选择蚀刻工序包括:使所述基板围绕着垂直于主面的旋转轴线进行旋转的工序。
6.如权利要求1?5中任一项所述的图案形成方法，其中，所述选择蚀刻工序包括:对所述基板的温度进行控制的工序。
7.如权利要求6所述的图案形成方法，其中，在对所述基板的温度进行控制的工序中，将蚀刻时的基板温度控制为_30°C以上且30°C以下。
8.如权利要求1?7中任一项所述的图案形成方法，其中，所述绝缘膜包括氧化膜。
【文档编号】H01L29/423GK103748671SQ201280041348
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2012年8月16日 优先权日:2011年8月25日
【发明者】基村雅洋, 梅崎智典, 菊池亚纪应 申请人:大日本网屏制造株式会社, 中央硝子株式会社