CN109065480B - 一种磁隧道结刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磁隧道结刻蚀方法，所使用的刻蚀装置包括样品装载腔室、真空过渡腔室、反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室、以及真空传输腔室。本方法在反应离子等离子体刻蚀腔内完成磁隧道结的刻蚀，在离子束刻蚀腔室内进行离子束清洗，并在镀膜腔室内进行镀膜保护，上述各腔室间的传递均在真空状态下进行。本发明能够克服高密度的小器件生产的瓶颈，同时大幅提高器件的良率、可靠性以及生产效率。

Description

一种磁隧道结刻蚀方法
技术领域
本发明涉及磁性随机存储器领域，具体涉及一种磁隧道结刻蚀方法。
背景技术
随着半导体器件特征尺寸的进一步等比例缩小，传统的闪存技术将达到尺寸的极限。为进一步提高器件的性能，研发人员开始对新结构、新材料、新工艺进行积极的探索。近年来，各种新型非易失性存储器得到了迅速发展。其中，磁性随机存储器(MRAM)凭借其拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，动态随机存储器(DRAM)的高集成度，功耗远远的低于动态随机存储器，并且相对于快闪存储器(Flash)，随着使用时间的增加性能不会发生退化等优势，受到业界越来越多的关注，被认为是极有可能替代静态随机存取存储器、动态随机存取存储器、闪存，而成为下一代“通用”存储器的强有力候选者之一。产业界及科研机构致力于优化电路设计、工艺方法及集成方案以获得能够成功商业化的磁性随机存储器器件。
磁隧道结(MTJ)是磁性随机存储器的核心结构，该结构由固定层、非磁性隔离层和自由层组成。其中，固定层较厚，磁性较强，磁矩不容易反转，而自由层较薄，磁性较弱，磁矩容易反转。根据自由层和固定层之间磁矩平行和反平行的变化，输出“0”或“1”的状态。自由层是存储信息的磁性薄膜，使用软铁磁材料，具有比较低的矫顽力，较高的磁导率以及对低磁场的高敏感性。常见的材料如CoFe、NiFe、NiFeCo、CoFeB(使用较多)等。隔离层是厚度仅有0.5～2nm的非磁性薄膜，如MgO或Al2O3等。固定层是MRAM单元中磁场具有固定方向的薄膜。材料的选择应当与反铁磁层具有较强的交换偏置作用，从而使被钉扎层的磁矩能够被有效地钉扎在固定的方向上。关于这类材料，比较合适的有CoFe，CoFeB等。
磁隧道结图形化的主要方法还是需要通过刻蚀的方法，因为如上所述磁隧道结的材料是难于干法刻蚀的材料Fe，Co，Mg等，难以形成挥发产物，且不能采用腐蚀气体(Cl2等)，否则会影响磁隧道结的性能，所以需要用到比较复杂的刻蚀方法才能实现，刻蚀工艺非常具有难度和挑战。
传统的大尺寸磁隧道结刻蚀都是通过离子束刻蚀完成的。由于离子束刻蚀采用惰性气体，基本上没有引入化学刻蚀的成分进入反应腔室，从而使得磁隧道结的侧壁不受化学反应的侵蚀。在保证侧壁干净的情况下，离子束刻蚀可以获得比较完美的磁隧道结侧壁——干净并且没有受到化学破坏。但是，离子束刻蚀也有其不完美的一面。一方面，离子束刻蚀能够实现的一个原理是采用较高的物理轰击力，而过大的物理轰击力会导致磁隧道结侧壁尤其是隔离层以及附近的核心层的原子层排序受到干扰，从而破坏磁隧道结的磁性特征。另一方面，离子束刻蚀都采用一定的角度实现刻蚀，这个为离子束刻蚀带来了局限性。随着磁隧道结器件尺寸做的越来越小，磁隧道结本身膜层的厚度以及掩膜的厚度不能无止境的被压缩，进入30纳米以及以下的磁隧道结器件的高宽比一般都是在2:1以上。如图1所示，当高宽比为2:1时，磁隧道结的关键尺寸(CD)为线距的一半时，离子束刻蚀时可以达到磁隧道结底部的最大角度为27度。磁隧道结尺寸越小时，这个高宽比越高。这个高宽比使得离子束刻蚀常用的角度不能达到磁隧道结的底部，从而达不到磁隧道结器件分离的需求，使得图形化失败。再者，离子束刻蚀的时间相对较长，每台设备的产率有限。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开一种磁隧道结刻蚀方法，所使用的刻蚀装置包括样品装载腔室、真空过渡腔室、反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室以及真空传输腔室，其特征在于，在不中断真空的情况下，在反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室依照特定序列及条件对晶圆进行加工、处理，包括以下步骤：样品准备步骤，在半导体衬底上形成包含磁隧道结的待刻蚀结构；样品装载步骤，将所述样品装载到样品装载腔室，并使所述样品通过真空过渡腔室，进入真空传输腔室；反应离子刻蚀步骤，使样品进入到反应离子等离子体刻蚀腔室，利用反应离子等离子体对样品进行刻蚀至底电极层，之后使所述样品返回到真空传输腔室；离子束清洗步骤，使所述样品进入到离子束刻蚀腔室，利用离子束进行金属残留物去除以及样品表面处理，使所述反应离子刻蚀步骤中所形成的侧壁金属沾污以及侧壁损伤层完全去除，同时，完全去除器件底电极上方、以及不同器件底电极之间介质层上方的金属残留，之后使所述样品返回到真空传输腔室；保护步骤，使所述样品进入到镀膜腔室，在完成刻蚀的样品上表面和周边进行镀膜保护，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；以及样品取出步骤，将所述样品从所述真空传输腔室，通过所述真空过渡腔室，返回到样品装载腔室。
本发明的磁隧道结刻蚀方法中，所述刻蚀及处理序列为：
所述刻蚀及处理序列为：用反应离子等离子刻蚀腔室将硬掩膜已经预先打开的磁隧道结完整刻蚀到底电极或者底电极之间的介质层裸露，之后用离子束刻蚀腔室对磁隧道结及其底部进行清洗，之后用镀膜腔室对磁隧道结进行镀膜保护，然后使晶圆返回大气环境。
本发明的磁隧道结刻蚀方法中，优选为，所述离子束刻蚀的角度为10度到80度，其中，所述角度为离子束相对于样品台的法向面的角度。
本发明的磁隧道结刻蚀方法中，优选为，在所述离子束清洗步骤中，去除厚度为0.1nm～10.0nm的磁隧道结的侧壁。
本发明的磁隧道结刻蚀方法中，优选为，在所述反应离子刻蚀步骤中，所使用的气体包括惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2、醇类及其组合，所述反应离子刻蚀步骤可以是单步或者多步，在多步的过程中，不同步骤所使用的气体、功率、气流、压力可以相同或者不同。
本发明的磁隧道结刻蚀方法中，优选为，在所述离子束清洗步骤中，所使用的气体包括惰性气体、氮气、氧气及其组合，所述离子束清洗步骤可以是
附图说明
图1是假设磁隧道结的分布都是CD＝1/2线距，采用离子束刻蚀磁隧道结时最大可使用的角度与磁隧道结高宽比的关系图。
图2是本发明的磁隧道结刻蚀方法所使用刻蚀装置的功能框图。
图3是磁隧道结刻蚀方法的流程图。
图4是包含磁隧道结的待刻蚀器件结构示意图。
图5是固定层在隔离层上方的磁隧道结的结构示意图。
图6是进行反应离子刻蚀步骤后所形成的器件结构示意图。
图7是进行离子束清洗步骤后所形成的器件结构示意图。
图8是进行保护步骤后所形成的器件结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“陡直”、“倾斜”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
以下，结合附图，针对本发明的磁隧道结刻蚀方法所使用的装置进行说明。图2是本发明的磁隧道结刻蚀方法所使用的刻蚀装置的功能框图。如图2所示，刻蚀装置包括反应离子等离子体刻蚀腔室10、离子束刻蚀(IBE)腔室11、镀膜腔室12、真空传输腔室13、真空过渡腔室14和样品装载腔室15。其中，真空过渡腔室14分别与样品装载腔室15和真空传输腔室13以可联通的方式相连接。反应离子等离子体刻蚀腔室10、离子束刻蚀腔室11、镀膜腔室12分别与真空传输腔室13以可联通的方式相连接。此外，上述各腔室也可以为多个。
反应离子等离子体刻蚀腔室10可以是电感耦合等离子体(ICP)腔室、电容耦式等离子体(CCP)腔室、螺旋波等离子体腔室等反应离子等离子体刻蚀腔室。离子束刻蚀(IBE)腔室11可以是离子束刻蚀、中性离子束刻蚀腔体等。镀膜腔室12可以是物理气相沉积(PVD)镀膜腔室、化学气相沉积(CVD)镀膜腔室、脉冲化学气相沉积(Pulsed CVD)镀膜腔室、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)镀膜腔室、电感耦合等离子体增强化学气相沉积(ICP-PECVD)镀膜腔室、原子层(ALD)镀膜腔室等。
此外，刻蚀装置还包括用于实现样品在各腔室的传递的样品传输系统、用于对各腔室及样品传输系统等进行控制的控制系统、用于实现各腔室所需的真空度的真空抽气系统、以及冷却系统等常规刻蚀装置所包含的功能单元。这些装置结构均可以由本领域技术人员利用现有技术加以实现。
图3是磁隧道结刻蚀方法的流程图。如图3所示，本发明的磁隧道结刻蚀方法通过以下步骤实现。
首先，在样品准备步骤S1中，在半导体衬底上形成包含磁隧道结的待刻蚀结构。在图4中示出了包含磁隧道结的待刻蚀器件结构示意图。如图4所示，待刻蚀结构包括底电极金属层100、磁隧道结(包括固定层101、隔离层102和自由层103)、帽层104以及硬掩膜层105。需要说明的是，该结构仅示例，在实际的器件应用中，磁隧道结的组成还可以是自由层在隔离层的下方，而固定层在隔离层的上方，如图5所示。另外，隔离层还可以是两层或者两层以上，等等。本发明的磁性隧道结刻蚀方法适用于所有这些不同的结构。
接下来，在样品装载步骤S2中，将样品装载到样品装载腔室15，并使样品通过真空过渡腔室14，进入真空传输腔室13。
接下来，在反应离子刻蚀步骤S3中，使样品进入到反应离子等离子体刻蚀腔室10，利用反应离子等离子体对样品进行刻蚀，之后使样品返回到真空传输腔室13。在反应离子等离子体刻蚀腔室里所使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2、醇类等可以用于刻蚀的有机气体。当刻蚀达到底电极时，停止刻蚀。刻蚀过程要实现器件的分离以及器件所需的陡直度。刻蚀形成的器件侧壁以没有金属沾污为目标，但是纳米级的金属沾污，或者极微量的如小于1nm的金属沾污是难以完全避免的。同时，刻蚀过程中可能会形成磁隧道结侧壁的纳米级的损伤层，也有可能没有完全清除掉器件底电极上方、以及不同器件底电极之间介质层上方的金属残留。图6是进行反应离子刻蚀步骤后所形成的器件结构示意图。图6中示意性地示出了在等离子体刻蚀过程中形成的金属沾污106以及磁隧道结侧壁的损伤层107。反应离子刻蚀步骤可以是单步或者多步，在多步的过程中，不同步骤所使用的气体、功率、气流、压力可以相同或者不同。
接下来，在离子束清洗步骤S4中，使所述样品进入到离子束刻蚀腔室11，利用离子束进行金属残留物去除以及样品表面处理，使上述反应离子刻蚀步骤中形成的侧壁金属沾污以及侧壁损伤层完全去除，同时，完全去除器件底电极上方、不同器件底电极之间的介质层上方的金属残留，实现器件的完全电学隔离，避免器件与器件之间的短路。之后使样品返回到真空传输腔室13。离子束刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气等。离子束清洗步骤可以是单步清洗或多步清洗，在多步清洗的过程中，不同步骤所使用的气体、离子束的角度、能量以及密度可以相同或者不同。离子束刻蚀使用的角度优选为10度到80度(以垂直于晶圆表面为参照，垂直为0度)。优选为，将0.1nm～10.0nm的磁隧道结的侧壁去除。在器件经过上述的两腔室的刻蚀步骤后，器件的侧壁干净并且实现了完全分离。在图7中示出了进行离子束清洗步骤后所形成的器件结构示意图。
接下来，在保护步骤S5中，使样品进入到镀膜腔室12，在完成刻蚀的样品上表面和周边进行镀膜保护，之后使样品返回到真空传输腔室13。在图8中示出了进行保护步骤后的器件结构示意图。其中，所镀薄膜108是使相邻磁隧道结器件分离的介质材料。介质薄膜材料可以是四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、过渡金属氧化物、过渡氮化物、过渡氮氧化物、碱土金属氧化物、碱土氮化物、碱土氮氧化物等可以实现相邻磁隧道结器件分离的介质材料。镀膜的厚度可以是1nm以上，500nm以下。通过在镀膜腔室的原位镀膜保护能够防止器件在后续的工艺中因裸露在大气环境中而被破坏，同时实现器件与器件间的完全绝缘隔离。
最后，在样品取出步骤S6中，将样品从真空传输腔室13，通过真空过渡腔室14，返回到样品装载腔室15。
相比较于传统的刻蚀而言，本发明的磁隧道结刻蚀方法具有如下优点：依靠经过大规模生产验证的反应离子刻蚀腔室对器件进行快速、完整的图形化。在不破坏真空的前提下，依靠离子束刻蚀腔室对磁隧道结进行表面处理，消除反应离子刻蚀机本身刻蚀过程中带来的不利影响，包括器件金属沾污及侧壁损伤等。
在反应离子刻蚀完成图形化后，掩膜层通常已经消耗很多，这时总体器件(包括掩膜层)的高宽比大幅下降，这使得后续的离子束刻蚀腔室的清洗工艺能够以相对较大倾斜的角度对整体的器件侧壁进行彻底的清洗及表面处理。此方法可以克服高密度(1：1等间距)的小器件(20nm及以下)生产的瓶颈。由于金属沾污以及侧壁损伤的去除，可以大幅提高器件的良率以及可靠性。制造方法简单、快捷，样品只需要进入每种腔室一次，即能够顺序完单步清洗或多步清洗，在多步清洗的过程中，不同步骤所使用的气体、样品台相对于离子束的角度、离子束的能量以及密度可以相同或者不同。
本发明的磁隧道结刻蚀方法中，优选为，在所述保护步骤中，所镀薄膜为使相邻磁隧道结器件分离的介质材料。
本发明的磁隧道结刻蚀方法中，优选为，所述镀膜介质材料为四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属氮氧化物、碱土金属氧化物、碱土金属氮化物、碱土金属氮氧化物、或其组合。
本发明的磁隧道结刻蚀方法中，优选为，在所述保护步骤中，镀膜的厚度为1nm～500nm。
本发明的磁隧道结刻蚀方法中，优选为，所述反应离子刻蚀步骤中所形成的所述侧壁金属沾污为纳米级。
本发明的磁隧道结刻蚀方法中，优选为，所述反应离子刻蚀步骤中所形成的所述侧壁损伤层厚度为纳米级。
本发明的磁隧道结刻蚀方法中，优选为，所述刻蚀方法适用于固定层在隔离层上方、或者固定层在隔离层下方的磁隧道结的刻蚀。
本发明的磁隧道结刻蚀方法中，优选为，所述刻蚀方法适用于隔离层为单层或者多层的磁隧道结的刻蚀。
本发明的磁性隧道结刻蚀方法，适用于磁性隧道结、过渡金属及其氧化物的刻蚀。本发明能够克服高密度的小器件生产的瓶颈，同时能够大幅提高器件的良率、可靠性，制造方法简单、快捷，由此提高了生产效率。
成工艺加工。刻蚀时间比只用离子束刻蚀腔室的情况下缩短1/3到1/2，由此提高了产率。
以上，针对本发明的磁隧道结刻蚀方法的具体实施方式进行了详细说明，但是本发明不限定于此。各步骤的具体实施方式根据情况可以不同。此外，基于部分步骤的顺序可以调换，部分步骤可以省略等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁隧道结刻蚀方法，所使用的刻蚀装置包括样品装载腔室、真空过渡腔室、反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室以及真空传输腔室，其特征在于，在不中断真空的情况下，在反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室依照特定序列及条件对晶圆进行加工、处理，包括以下步骤：
样品准备步骤，在半导体衬底上形成包含磁隧道结的待刻蚀结构；
样品装载步骤，将所述样品装载到样品装载腔室，并使所述样品通过真空过渡腔室，进入真空传输腔室；
反应离子刻蚀步骤，使样品进入到反应离子等离子体刻蚀腔室，利用反应离子等离子体对样品进行刻蚀至底电极，之后使所述样品返回到真空传输腔室；
离子束清洗步骤，使所述样品进入到离子束刻蚀腔室，利用离子束进行金属残留物去除以及样品表面处理，使所述反应离子刻蚀步骤中所形成的侧壁金属沾污以及侧壁损伤层完全去除，同时，完全去除器件底电极上方、以及不同器件底电极之间介质层上方的金属残留，之后使所述样品返回到真空传输腔室，所述离子束刻蚀的角度为10度到80度，其中所述角度为离子束相对于样品台的法向面的角度；
保护步骤，使所述样品进入到镀膜腔室，在完成刻蚀的样品上表面和周边进行镀膜保护，之后使所述样品返回到真空传输腔室；以及
样品取出步骤，将所述样品从真空传输腔室，通过真空过渡腔室，返回到样品装载腔室；
在所述离子束清洗步骤中，去除厚度为0.1nm～10.0nm的磁隧道结的侧壁；
在所述保护步骤中，所镀薄膜为使相邻磁隧道结器件分离的介质材料，镀膜的厚度为1nm～500nm；
所述反应离子刻蚀步骤中所形成的所述侧壁金属沾污为纳米级；
所述反应离子刻蚀步骤中所形成的所述侧壁损伤层厚度为纳米级；
所述刻蚀方法适用于固定层在隔离层上方、或者固定层在隔离层下方的磁隧道结的刻蚀。
2.根据权利要求1所述的磁隧道结刻蚀方法，其特征在于
所述刻蚀及处理序列为：用反应离子等离子刻蚀腔室将硬掩膜已经预先打开的磁隧道结完整刻蚀到底电极或者底电极之间的介质层，之后用离子束刻蚀腔室对磁隧道结及其底部进行清洗，之后用镀膜腔室对磁隧道结进行镀膜保护，然后使晶圆返回大气环境。
3.根据权利要求1所述的磁隧道结刻蚀方法，其特征在于，
在所述反应离子刻蚀步骤中，所使用的气体包括惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2、醇类及其组合，所述反应离子刻蚀步骤可以是单步或者多步，在多步的过程中，不同步骤所使用的气体、功率、气流、压力可以相同或者不同。
4.根据权利要求1所述的磁隧道结刻蚀方法，其特征在于，
在所述离子束清洗步骤中，所使用的气体包括惰性气体、氮气、氧气及其组合，所述离子束清洗步骤可以是单步清洗或多步清洗，在多步清洗的过程中，不同步骤所使用的气体、样品台相对于离子束的角度、离子束的能量以及密度可以相同或者不同。
5.根据权利要求1所述的磁隧道结刻蚀方法，其特征在于，
所述镀膜介质材料为四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属氮氧化物、碱土金属氧化物、碱土金属氮化物、碱土金属氮氧化物、或其组合。
6.根据权利要求1所述的磁隧道结刻蚀方法，其特征在于，
所述刻蚀方法适用于隔离层为单层或者多层的磁隧道结的刻蚀。
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