CN110364425A - Pzt图形化方法 - Google Patents

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许开东
车东晨
谷志强
韩大建
冯英雄
刘鹏
刘建
吴志浩
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    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34
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    • H01L21/0279—Ionlithographic processes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B53/00—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors

Abstract

本发明公开了PZT图形化方法。首先在离子束(或反应离子等离子体)刻蚀腔内通过离子束(或反应离子等离子体)对晶圆上的PZT进行部分刻蚀，然后将晶圆从离子束(或反应离子等离子体)刻蚀腔传输至反应离子等离子体(或离子束)刻蚀腔，在反应离子等离子体(或离子束)刻蚀腔内通过反应离子等离子体(或离子束)对晶圆上的PZT进行二次刻蚀；上述过程中，晶圆始终处于真空中；重复上述过程，直至PZT刻蚀完全。本发明结合了离子束刻蚀和反应离子等离子体刻蚀，消除了单一刻蚀法带来的侧壁沉积和损伤，提高了刻蚀速率。

Description

PZT图形化方法
技术领域
本发明属于半导体器件制造领域，特别涉及了铁电材料刻蚀技术。
背景技术
目前，传统的存储器如随机静态存储器(SRAM)、随机动态存储器(DRAM)以及闪存存储器(FLASH)等已被广泛应用于航空航天、深海探测、生产生活等各个领域。以FLASH、EEPROM为主流的非挥发信息存储技术存在擦写速度慢、功耗高、可靠性(如抗辐射性能)低等问题，在即时通信存储、复杂服役环境等方面的适应性尤显不足。铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)是一类新型的非挥发性存储器，具有非易失性、高速读取、低功耗、存储密度大、抗辐射性能好、易与硅工艺兼容等优异特性，被认为是最有鲜明特点和潜力的存储器之一。
铁电存储器主要是利用铁电薄膜材料的铁电性来存储数字信息。铁电材料在外电场的作用下，电畴翻转且极化强度会遵循电滞回线规律发生明显变化，当撤去外电场后，铁电材料可以保持或正或负的稳定极化状态，即可对应为“0”和“1”两个二进制信息。铁电薄膜材料主要应用在FRAM上，反过来，FRAM的不断发展对铁电材料提出了新的要求，促使人们不断开发和探索新型铁电材料。常用于FRAM的铁电材料有钽酸锶铋(Sr Bi2Ta2O9，SBT)、锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O3，PZT)、钛酸镧铋((Bi,La)4Ti3O12，BLT)等，其中PZT具有剩余极化值大、矫顽场值适中，成膜温度相对低等特性，成为目前商用铁电存储器最成熟的存储介质材料。
目前，图形化PZT薄膜的方法主要有湿法刻蚀和干法刻蚀两种。其中湿法刻蚀具有刻蚀速率快，产物易除去等优点，但是同样具有各向异性差等缺点；干法刻蚀具有各向异性好，刻蚀速率快等优点，但也具有产物不易挥发，易堆积在侧壁等缺点。干法刻蚀又包括离子束刻蚀和反应离子刻蚀。其中离子束刻蚀是物理轰击作用，即通过高能粒子轰击材料，使材料表面的粒子逸出，因此可以将难挥发的产物清除掉，使得侧壁干净且没有化学破坏，但同时具有刻蚀速率慢，陡直度低，会产生物理损伤等缺点；反应离子刻蚀是一种化学刻蚀，通过活性粒子与材料表面的粒子反应从而达到刻蚀的目的，具有刻蚀速率快，陡直度高等优点，但同时具有侧壁沉积严重，会产生化学损伤等缺点。这些都是需要解决的问题。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了PZT图形化方法，能够消除刻蚀带来的侧壁沉积和损伤，提高刻蚀速率。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种PZT图形化方法，首先在离子束刻蚀腔内通过离子束对晶圆上的PZT进行部分刻蚀，然后将晶圆从离子束刻蚀腔传输至反应离子等离子体刻蚀腔，在反应离子等离子体刻蚀腔内通过反应离子等离子体对晶圆上的PZT进行二次刻蚀；上述过程中，晶圆始终处于真空中；重复上述过程，直至PZT刻蚀完全。
进一步地，在离子束刻蚀腔内，使用的工作气体为惰性气体、氮气或氧气，或者其中至少两种气体的混合气体。
进一步地，在离子束刻蚀腔内，离子束刻蚀的角度为10°～80°，以垂直于晶圆表面为0°。
进一步地，在离子束刻蚀腔内，利用质谱的刻蚀终点监测，当刻蚀达到预定的薄膜层时，停止刻蚀。
进一步地，在反应离子等离子体刻蚀腔内，使用的工作气体为氟基气体、氯基气体或者氟基气体或氯基气体与其他气体的混合气体。
本发明还包括另一种PZT图形化方法，首先在反应离子等离子体刻蚀腔内通过反应离子等离子体对晶圆上的PZT进行部分刻蚀，然后将晶圆从反应离子等离子体刻蚀腔传输至离子束刻蚀腔，在离子束刻蚀腔内通过离子束对晶圆上的PZT进行二次刻蚀；上述过程中，晶圆始终处于真空中；重复上述过程，直至PZT刻蚀完全。
进一步地，在反应离子等离子体刻蚀腔内，使用的工作气体为氟基气体、氯基气体或者氟基气体或氯基气体与其他气体的混合气体。
进一步地，在反应离子等离子体刻蚀腔内，利用光谱的刻蚀终点监测，当刻蚀达到预定的薄膜层时，停止刻蚀。
进一步地，在离子束刻蚀腔内，使用的工作气体为惰性气体、氮气或氧气，或者其中至少两种气体的混合气体。
进一步地，在离子束刻蚀腔内，离子束刻蚀的角度为10°～80°，以垂直于晶圆表面为0°。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明刻蚀过程中包含反应离子等离子体刻蚀，而反应离子等离子体刻蚀可以提高侧壁陡直度，获得比较理想的侧壁形貌；反应离子等离子体可以完全清除离子束刻蚀过程中产生的物理损伤，提高了器件的良率；由于反应离子等离子体刻蚀PZT与离子束刻蚀相比较快，提高了产量；反应离子等离子体刻蚀提高了PZT对底电极的选择比，避免了离子束刻蚀对底电极的过刻，提高了器件的良率。
(2)本发明刻蚀过程中包含离子束刻蚀，而离子束刻蚀可以清除侧壁沉积及消除反应离子等离子体刻蚀过程中产生的化学损伤，因此提高了器件的良率。
(3)本发明采用了离子束和反应离子等离子体多次循环刻蚀的方法，因此可以精确的控制图形形貌和最大程度的消除侧壁损伤，提高了器件的可靠性。
(4)本发明反应和传输过程中不接触外界环境，消除了外界对器件可能存在的污染，从而提高了器件的可靠性。
(5)本发明同样适用于阻变式存储器以及其他金属的刻蚀，尤其适合于非挥发性金属的刻蚀。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种PZT图形化方法，如图1所示，图1中的PR为光刻后的PZT光刻胶，步骤如下：
(1)在离子束刻蚀腔内通过离子束对晶圆上的PZT进行部分刻蚀；如图1中的(a)所示；
(2)然后将晶圆从离子束刻蚀腔传输至反应离子等离子体刻蚀腔；
(3)在反应离子等离子体刻蚀腔内通过反应离子等离子体对晶圆上的PZT进行二次刻蚀；如图1中的(b)所示；
(4)重复上述过程，直至PZT刻蚀完全；如图1中的(c)、(d)所示；
(5)上述过程全部在真空中进行，当PZT刻蚀完全后，样品可以返回大气状态，进行后续加工。
在本实施例中，在离子束刻蚀腔内，使用的工作气体为惰性气体、氮气或氧气，或者其中至少两种气体的混合气体。
在本实施例中，在离子束刻蚀腔内，离子束刻蚀的角度为10°～80°，以垂直于晶圆表面为0°。
在本实施例中，在离子束刻蚀腔内，利用质谱的刻蚀终点监测，当刻蚀达到预定的薄膜层时，停止刻蚀。
在本实施例中，在反应离子等离子体刻蚀腔内，使用的工作气体为氟基气体，或者氯基气体，或者氟基气体与其他气体的混合气体，或者氯基气体与其他气体的混合气体。
实施例2
一种PZT图形化方法，步骤如下：
(1)在反应离子等离子体刻蚀腔内通过反应离子等离子体对晶圆上的PZT进行部分刻蚀；如图1中的(a)所示；
(2)然后将晶圆从反应离子等离子体刻蚀腔传输至离子束刻蚀腔；
(3)在离子束刻蚀腔内通过离子束对晶圆上的PZT进行二次刻蚀；如图1中的(b)所示；
(4)重复上述过程，直至PZT刻蚀完全；如图1中的(c)、(d)所示；
(5)上述过程全部在真空中进行，当PZT刻蚀完全后，样品可以返回大气状态，进行后续加工。
在本实施例中，在反应离子等离子体刻蚀腔内，使用的工作气体为氟基气体，或者氯基气体，或者氟基气体与其他气体的混合气体，或者氯基气体与其他气体的混合气体。
在本实施例中，在反应离子等离子体刻蚀腔内，利用光谱的刻蚀终点监测，当刻蚀达到预定的薄膜层时，停止刻蚀。
在本实施例中，在离子束刻蚀腔内，使用的工作气体为惰性气体、氮气或氧气，或者其中至少两种气体的混合气体。
在本实施例中，在离子束刻蚀腔内，离子束刻蚀的角度为10°～80°，以垂直于晶圆表面为0°。
本发明同样适用于阻变式存储器以及其他金属的刻蚀，尤其适合于非挥发性金属的刻蚀。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种PZT图形化方法，其特征在于：首先在离子束刻蚀腔内通过离子束对晶圆上的PZT进行部分刻蚀，然后将晶圆从离子束刻蚀腔传输至反应离子等离子体刻蚀腔，在反应离子等离子体刻蚀腔内通过反应离子等离子体对晶圆上的PZT进行二次刻蚀；上述过程中，晶圆始终处于真空中；重复上述过程，直至PZT刻蚀完全。
2.根据权利要求1所述PZT图形化方法，其特征在于：在离子束刻蚀腔内，使用的工作气体为惰性气体、氮气或氧气，或者其中至少两种气体的混合气体。
3.根据权利要求1所述PZT图形化方法，其特征在于：在离子束刻蚀腔内，离子束刻蚀的角度为10°～80°，以垂直于晶圆表面为0°。
4.根据权利要求1所述PZT图形化方法，其特征在于：在离子束刻蚀腔内，利用质谱的刻蚀终点监测，当刻蚀达到预定的薄膜层时，停止刻蚀。
5.根据权利要求1所述PZT图形化方法，其特征在于：在反应离子等离子体刻蚀腔内，使用的工作气体为氟基气体、氯基气体或者氟基气体或氯基气体与其他气体的混合气体。
6.一种PZT图形化方法，其特征在于：首先在反应离子等离子体刻蚀腔内通过反应离子等离子体对晶圆上的PZT进行部分刻蚀，然后将晶圆从反应离子等离子体刻蚀腔传输至离子束刻蚀腔，在离子束刻蚀腔内通过离子束对晶圆上的PZT进行二次刻蚀；上述过程中，晶圆始终处于真空中；重复上述过程，直至PZT刻蚀完全。
7.根据权利要求6所述PZT图形化方法，其特征在于：在反应离子等离子体刻蚀腔内，使用的工作气体为氟基气体、氯基气体或者氟基气体或氯基气体与其他气体的混合气体。
8.根据权利要求6所述PZT图形化方法，其特征在于：在反应离子等离子体刻蚀腔内，利用光谱的刻蚀终点监测，当刻蚀达到预定的薄膜层时，停止刻蚀。
9.根据权利要求6所述PZT图形化方法，其特征在于：在离子束刻蚀腔内，使用的工作气体为惰性气体、氮气或氧气，或者其中至少两种气体的混合气体。
10.根据权利要求6所述PZT图形化方法，其特征在于：在离子束刻蚀腔内，离子束刻蚀的角度为10°～80°，以垂直于晶圆表面为0°。
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