TWI716046B - 一種磁性穿隧接面蝕刻方法 - Google Patents

一種磁性穿隧接面蝕刻方法 Download PDF

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Abstract

本發明公開一種磁性穿隧接面蝕刻方法，所使用的蝕刻裝置包括樣品裝載腔室、真空過渡腔室、反應離子電漿蝕刻腔室、離子束蝕刻腔室、鍍膜腔室、以及真空傳輸腔室。本方法在反應離子電漿蝕刻腔內完成磁性穿隧接面的蝕刻，在離子束蝕刻腔室內進行離子束清洗，並在鍍膜腔室內進行鍍膜保護，上述各腔室間的傳遞均在真空狀態下進行。本發明能夠克服高密度的小器件生產的瓶頸，同時大幅提高器件的良率、可靠性以及生產效率。

Description

一種磁性穿隧接面蝕刻方法
本發明涉及磁性隨機記憶體領域，具體涉及一種磁性穿隧接面蝕刻方法。
隨著半導體器件特徵尺寸的進一步等比例縮小，傳統的快閃記憶體技術將達到尺寸的極限。為進一步提高器件的性能，研發人員開始對新結構、新材料、新工藝進行積極的探索。近年來，各種新型非易失性記憶體得到了迅速發展。其中，磁性隨機記憶體（MRAM）憑藉其擁有靜態隨機記憶體(SRAM) 的高速讀取寫入能力，動態隨機記憶體(DRAM) 的高集成度，功耗遠遠的低於動態隨機記憶體，並且相對於快閃記憶體(Flash)，隨著使用時間的增加性能不會發生退化等優勢，受到業界越來越多的關注，被認為是極有可能替代靜態隨機存取記憶體、動態隨機存取記憶體、快閃記憶體，而成為下一代「通用」記憶體的強有力候選者之一。產業界及科研機構致力於優化電路設計、工藝方法及集成方案以獲得能夠成功商業化的磁性隨機記憶體器件。
磁性穿隧接面（MTJ）是磁性隨機記憶體的核心結構，該結構由固定層、非磁性隔離層和自由層組成。其中，固定層較厚，磁性較強，磁矩不容易反轉，而自由層較薄，磁性較弱，磁矩容易反轉。根據自由層和固定層之間磁矩平行和反平行的變化，輸出「0」或「1」的狀態。自由層是儲存資訊的磁性薄膜，使用軟鐵磁材料，具有比較低的矯頑力，較高的磁導率以及對低磁場的高敏感性。常見的材料如CoFe、NiFe、NiFeCo、CoFeB（使用較多）等。隔離層是厚度僅有0.5~2nm的非磁性薄膜，如MgO或Al2 O3 等。固定層是MRAM單元中磁場具有固定方向的薄膜。材料的選擇應當與反鐵磁層具有較強的交換偏置作用，從而使被釘紮層的磁矩能夠被有效地釘紮在固定的方向上。關於這類材料，比較合適的有CoFe，CoFeB等。
磁性穿隧接面圖形化的主要方法還是需要通過蝕刻的方法，因為如上所述磁性穿隧接面的材料是難於乾式蝕刻的材料Fe，Co，Mg等，難以形成揮發產物，且不能採用腐蝕氣體（Cl2 等），否則會影響磁性穿隧接面的性能，所以需要用到比較複雜的蝕刻方法才能實現，蝕刻工藝非常具有難度和挑戰。
傳統的大尺寸磁性穿隧接面蝕刻都是通過離子束蝕刻完成的。由於離子束蝕刻採用惰性氣體，基本上沒有引入化學蝕刻的成分進入反應腔室，從而使得磁性穿隧接面的側壁不受化學反應的侵蝕。在保證側壁乾淨的情況下，離子束蝕刻可以獲得比較完美的磁性穿隧接面側壁——乾淨並且沒有受到化學破壞。但是，離子束蝕刻也有其不完美的一面。一方面，離子束蝕刻能夠實現的一個原理是採用較高的物理轟擊力，而過大的物理轟擊力會導致磁性穿隧接面側壁尤其是隔離層以及附近的核心層的原子層排序受到干擾，從而破壞磁性穿隧接面的磁性特徵。另一方面，離子束蝕刻都採用一定的角度實現蝕刻，這個為離子束蝕刻帶來了局限性。隨著磁性穿隧接面器件尺寸做的越來越小，磁性穿隧接面本身膜層的厚度以及遮罩的厚度不能無止境的被壓縮，進入30奈米以及以下的磁性穿隧接面器件的高寬比一般都是在2:1以上。如圖1所示，當高寬比為2:1時，磁性穿隧接面的關鍵尺寸(CD)為線距的一半時，離子束蝕刻時可以達到磁性穿隧接面底部的最大角度為27度。磁性穿隧接面尺寸越小時，這個高寬比越高。這個高寬比使得離子束蝕刻常用的角度不能達到磁性穿隧接面的底部，從而達不到磁性穿隧接面器件分離的需求，使得圖形化失敗。再者，離子束蝕刻的時間相對較長，每台設備的產率有限。
為解決上述問題，本發明公開一種磁性穿隧接面蝕刻方法，所使用的蝕刻裝置包括樣品裝載腔室、真空過渡腔室、反應離子電漿蝕刻腔室、離子束蝕刻腔室、鍍膜腔室以及真空傳輸腔室，其特徵在於，在不中斷真空的情況下，在反應離子電漿蝕刻腔室、離子束蝕刻腔室、鍍膜腔室依照特定序列及條件對晶圓進行加工、處理，包括以下步驟：樣品準備步驟，在半導體基材上形成包含磁性穿隧接面的待蝕刻結構；樣品裝載步驟，將所述樣品裝載到樣品裝載腔室，並使所述樣品通過真空過渡腔室，進入真空傳輸腔室；反應離子蝕刻步驟，使樣品進入到反應離子電漿蝕刻腔室，利用反應離子電漿對樣品進行蝕刻至底電極層，之後使所述樣品返回到真空傳輸腔室；離子束清洗步驟，使所述樣品進入到離子束蝕刻腔室，利用離子束進行金屬殘留物去除以及樣品表面處理，使所述反應離子蝕刻步驟中所形成的側壁金屬沾汙以及側壁損傷層完全去除，同時，完全去除器件底電極上方、以及不同器件底電極之間介質層上方的金屬殘留，之後使所述樣品返回到真空傳輸腔室；保護步驟，使所述樣品進入到鍍膜腔室，在完成蝕刻的樣品上表面和周邊進行鍍膜保護，之後使所述樣品返回到所述真空傳輸腔室；以及樣品取出步驟，將所述樣品從所述真空傳輸腔室，通過所述真空過渡腔室，返回到樣品裝載腔室。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法中，所述刻蝕及處理序列為：
所述蝕刻及處理序列為：用反應離子等離子蝕刻腔室將硬遮罩已經預先打開的磁性穿隧接面完整蝕刻到底電極或者底電極之間的介質層裸露，之後用離子束蝕刻腔室對磁性穿隧接面及其底部進行清洗，之後用鍍膜腔室對磁性穿隧接面進行鍍膜保護，然後使晶圓返回大氣環境。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法中，優選為，所述離子束蝕刻的角度為10度到80度，其中，所述角度為離子束相對於樣品台的法向面的角度。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法中，優選為，在所述離子束清洗步驟中，去除厚度為0.1nm~10.0nm的磁性穿隧接面的側壁。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法中，優選為，在所述反應離子蝕刻步驟中，所使用的氣體包括惰性氣體、氮氣、氧氣、氟基氣體、NH3 、氨基氣體、CO、CO2 、醇類及其組合，所述反應離子蝕刻步驟可以是單步或者多步，在多步的過程中，不同步驟所使用的氣體、功率、氣流、壓力可以相同或者不同。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法中，優選為，在所述離子束清洗步驟中，所使用的氣體包括惰性氣體、氮氣、氧氣及其組合，所述離子束清洗步驟可以是單步清洗或多步清洗，在多步清洗的過程中，不同步驟所使用的氣體、樣品台相對於離子束的角度、離子束的能量以及密度可以相同或者不同。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法中，優選為，在所述保護步驟中，所鍍薄膜為使相鄰磁性穿隧接面器件分離的介質材料。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法中，優選為，所述鍍膜介質材料為四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、過渡金屬氧化物、過渡金屬氮化物、過渡金屬氮氧化物、鹼土金屬氧化物、鹼土金屬氮化物、鹼土金屬氮氧化物、或其組合。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法中，優選為，在所述保護步驟中，鍍膜的厚度為1nm~500nm。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法中，優選為，所述反應離子蝕刻步驟中所形成的所述側壁金屬沾汙為奈米級。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法中，優選為，所述反應離子蝕刻步驟中所形成的所述側壁損傷層厚度為奈米級。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法中，優選為，所述蝕刻方法適用於固定層在隔離層上方、或者固定層在隔離層下方的磁性穿隧接面的蝕刻。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法中，優選為，所述蝕刻方法適用於隔離層為單層或者多層的磁性穿隧接面的蝕刻。
本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法，適用於磁性穿隧接面、過渡金屬及其氧化物的蝕刻。本發明能夠克服高密度的小器件生產的瓶頸，同時能夠大幅提高器件的良率、可靠性，製造方法簡單、快捷，由此提高了生產效率。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語 「上」、「下」、 「陡直」、「傾斜」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
此外，在下文中描述了本發明的許多特定的細節，例如器件的結構、材料、尺寸、處理工藝和技術，以便更清楚地理解本發明。但正如本領域的技術人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細節來實現本發明。除非在下文中特別指出，器件中的各個部分可以由本領域的技術人員公知的材料構成，或者可以採用將來開發的具有類似功能的材料。
以下，結合附圖，針對本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法所使用的裝置進行說明。圖2是本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法所使用的蝕刻裝置的功能框圖。如圖2所示，蝕刻裝置包括反應離子電漿蝕刻腔室10、離子束蝕刻（IBE）腔室11、鍍膜腔室12、真空傳輸腔室13、真空過渡腔室14和樣品裝載腔室15。其中，真空過渡腔室14分別與樣品裝載腔室15和真空傳輸腔室13以可聯通的方式相連接。反應離子電漿蝕刻腔室10、離子束蝕刻腔室11、鍍膜腔室12分別與真空傳輸腔室13以可聯通的方式相連接。此外，上述各腔室也可以為多個。
反應離子電漿蝕刻腔室10可以是電感耦合電漿（ICP）腔室、電容耦式電漿（CCP）腔室、螺旋波電漿腔室等反應離子電漿蝕刻腔室。離子束蝕刻（IBE）腔室11可以是離子束蝕刻、中性離子束蝕刻腔體等。鍍膜腔室12可以是物理氣相沉積（PVD）鍍膜腔室、化學氣相沉積（CVD）鍍膜腔室、脈衝化學氣相沉積（Pulsed CVD）鍍膜腔室、電漿增強化學氣相沉積（PECVD）鍍膜腔室、電感耦合電漿增強化學氣相沉積（ICP-PECVD）鍍膜腔室、原子層（ALD）鍍膜腔室等。
此外，蝕刻裝置還包括用於實現樣品在各腔室的傳遞的樣品傳輸系統、用於對各腔室及樣品傳輸系統等進行控制的控制系統、用於實現各腔室所需的真空度的真空抽氣系統、以及冷卻系統等常規蝕刻裝置所包含的功能單元。這些裝置結構均可以由本領域技術人員利用現有技術加以實現。
圖3是磁性穿隧接面蝕刻方法的流程圖。如圖3所示，本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法通過以下步驟實現。
首先，在樣品準備步驟S1中，在半導體基材上形成包含磁性穿隧接面的待蝕刻結構。在圖4中示出了包含磁性穿隧接面的待蝕刻器件結構示意圖。如圖4所示，待蝕刻結構包括底電極金屬層100、磁性穿隧接面（包括固定層101、隔離層102和自由層103）、帽層104以及硬遮罩層105。需要說明的是，該結構僅示例，在實際的器件應用中，磁性穿隧接面的組成還可以是自由層在隔離層的下方，而固定層在隔離層的上方，如圖5所示。另外，隔離層還可以是兩層或者兩層以上，等等。本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法適用於所有這些不同的結構。
接下來，在樣品裝載步驟S2中，將樣品裝載到樣品裝載腔室15，並使樣品通過真空過渡腔室14，進入真空傳輸腔室13。
接下來，在反應離子蝕刻步驟S3中，使樣品進入到反應離子電漿蝕刻腔室10，利用反應離子電漿對樣品進行蝕刻，之後使樣品返回到真空傳輸腔室13。在反應離子電漿蝕刻腔室裡所使用的氣體可以為惰性氣體、氮氣、氧氣、氟基氣體、NH3 、氨基氣體、CO、CO2 、醇類等可以用於蝕刻的有機氣體。當蝕刻達到底電極時，停止蝕刻。蝕刻過程要實現器件的分離以及器件所需的陡直度。蝕刻形成的器件側壁以沒有金屬沾汙為目標，但是奈米級的金屬沾汙，或者極微量的如小於1nm的金屬沾汙是難以完全避免的。同時，蝕刻過程中可能會形成磁性穿隧接面側壁的奈米級的損傷層，也有可能沒有完全清除掉器件底電極上方、以及不同器件底電極之間介質層上方的金屬殘留。圖6是進行反應離子蝕刻步驟後所形成的器件結構示意圖。圖6中示意性地示出了在電漿蝕刻過程中形成的金屬沾汙106以及磁性穿隧接面側壁的損傷層107。反應離子蝕刻步驟可以是單步或者多步，在多步的過程中，不同步驟所使用的氣體、功率、氣流、壓力可以相同或者不同。
接下來，在離子束清洗步驟S4中，使所述樣品進入到離子束蝕刻腔室11，利用離子束進行金屬殘留物去除以及樣品表面處理，使上述反應離子蝕刻步驟中形成的側壁金屬沾汙以及側壁損傷層完全去除，同時，完全去除器件底電極上方、不同器件底電極之間的介質層上方的金屬殘留，實現器件的完全電學隔離，避免器件與器件之間的短路。之後使樣品返回到真空傳輸腔室13。離子束蝕刻腔室裡使用的氣體可以為惰性氣體、氮氣、氧氣等。離子束清洗步驟可以是單步清洗或多步清洗，在多步清洗的過程中，不同步驟所使用的氣體、離子束的角度、能量以及密度可以相同或者不同。離子束蝕刻使用的角度優選為10度到80度（以垂直於晶圓表面為參照，垂直為0度）。優選為，將0.1nm~10.0nm的磁性穿隧接面的側壁去除。在器件經過上述的兩腔室的蝕刻步驟後，器件的側壁乾淨並且實現了完全分離。在圖7中示出了進行離子束清洗步驟後所形成的器件結構示意圖。
接下來，在保護步驟S5中，使樣品進入到鍍膜腔室12，在完成蝕刻的樣品上表面和周邊進行鍍膜保護，之後使樣品返回到真空傳輸腔室13。在圖8中示出了進行保護步驟後的器件結構示意圖。其中，所鍍薄膜108是使相鄰磁性穿隧接面器件分離的介質材料。介質薄膜材料可以是四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、過渡金屬氧化物、過渡氮化物、過渡氮氧化物、鹼土金屬氧化物、鹼土氮化物、鹼土氮氧化物等可以實現相鄰磁性穿隧接面器件分離的介質材料。鍍膜的厚度可以是1nm以上，500nm以下。通過在鍍膜腔室的原位鍍膜保護能夠防止器件在後續的工藝中因裸露在大氣環境中而被破壞，同時實現器件與器件間的完全絕緣隔離。
最後，在樣品取出步驟S6中，將樣品從真空傳輸腔室13，通過真空過渡腔室14，返回到樣品裝載腔室15。
相比較於傳統的蝕刻而言，本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法具有如下優點：
依靠經過大規模生產驗證的反應離子蝕刻腔室對器件進行快速、完整的圖形化。在不破壞真空的前提下，依靠離子束蝕刻腔室對磁性穿隧接面進行表面處理，消除反應離子蝕刻機本身蝕刻過程中帶來的不利影響，包括器件金屬沾汙及側壁損傷等。
在反應離子蝕刻完成圖形化後，遮罩層通常已經消耗很多，這時總體器件（包括遮罩層）的高寬比大幅下降，這使得後續的離子束蝕刻腔室的清洗工藝能夠以相對較大傾斜的角度對整體的器件側壁進行徹底的清洗及表面處理。此方法可以克服高密度（1：1等間距）的小器件（20nm及以下）生產的瓶頸。由於金屬沾汙以及側壁損傷的去除，可以大幅提高器件的良率以及可靠性。製造方法簡單、快捷，樣品只需要進入每種腔室一次，即能夠順序完成工藝加工。蝕刻時間比只用離子束蝕刻腔室的情況下縮短1/3到1/2，由此提高了產率。
以上，針對本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法的具體實施方式進行了詳細說明，但是本發明不限定於此。各步驟的具體實施方式根據情況可以不同。此外，基於部分步驟的順序可以調換，部分步驟可以省略等。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
10:反應離子電漿蝕刻腔室 11:離子束蝕刻腔室 12:鍍膜腔室 13:真空傳輸腔室 14:真空過渡腔室 15:樣品裝載腔室 100:底電極金屬層 101:固定層 102:隔離層 103:自由層 104:帽層 105:硬遮罩層 106:金屬沾汙 107:損傷層 108:薄膜 S1、S2、S3、S4、S5、S6:步驟
圖1是假設磁性穿隧接面的分佈都是CD=1/2線距，採用離子束蝕刻磁性穿隧接面時最大可使用的角度與磁性穿隧接面高寬比的關係圖。
圖2是本發明的磁性穿隧接面蝕刻方法所使用蝕刻裝置的功能框圖。
圖3是磁性穿隧接面蝕刻方法的流程圖。
圖4是包含磁性穿隧接面的待蝕刻器件結構示意圖。
圖5是固定層在隔離層上方的磁性穿隧接面的結構示意圖。
圖6是進行反應離子蝕刻步驟後所形成的器件結構示意圖。
圖7是進行離子束清洗步驟後所形成的器件結構示意圖。
圖8是進行保護步驟後所形成的器件結構示意圖。
S1、S2、S3、S4、S5、S6:步驟

Claims (12)

  1. 一種磁性穿隧接面蝕刻方法，所使用的蝕刻裝置包括樣品裝載腔室、真空過渡腔室、反應離子電漿蝕刻腔室、離子束蝕刻腔室、鍍膜腔室以及真空傳輸腔室，其特徵在於，在不中斷真空的情況下，在反應離子電漿蝕刻腔室、離子束蝕刻腔室、鍍膜腔室依照特定序列及條件對晶圓進行加工、處理，包括以下步驟：樣品準備步驟，在半導體基材上形成包含磁性穿隧接面的待蝕刻結構；樣品裝載步驟，將所述樣品裝載到樣品裝載腔室，並使所述樣品通過真空過渡腔室，進入真空傳輸腔室；反應離子蝕刻步驟，使樣品進入到反應離子電漿蝕刻腔室，利用反應離子電漿對樣品進行蝕刻至底電極，之後使所述樣品返回到真空傳輸腔室；離子束清洗步驟，使所述樣品進入到離子束蝕刻腔室，利用離子束進行金屬殘留物去除以及樣品表面處理，使所述反應離子蝕刻步驟中所形成的側壁金屬沾汙以及側壁損傷層完全去除，同時，完全去除器件底電極上方、以及不同器件底電極之間介質層上方的金屬殘留，之後使所述樣品返回到真空傳輸腔室；保護步驟，使所述樣品進入到鍍膜腔室，在完成蝕刻的樣品上表面和周邊進行鍍膜保護，之後使所述樣品返回到真空傳輸腔室；以及樣品取出步驟，將所述樣品從真空傳輸腔室通過真空過渡腔室，返回到樣品裝載腔室；其中，所述離子束蝕刻的角度為10度到80度，其中所述角度為離子束相對於樣品台的法向面的角度。
  2. 根據請求項1所述的磁性穿隧接面蝕刻方法，其中，所述蝕刻及處理序列為：用反應離子等離子蝕刻腔室將硬遮罩已經預先打開的磁性穿隧接面完整蝕刻到底電極或者底電極之間的介質層，之後用離子束 蝕刻腔室對磁性穿隧接面及其底部進行清洗，之後用鍍膜腔室對磁性穿隧接面進行鍍膜保護，然後使晶圓返回大氣環境。
  3. 根據請求項1所述的磁性穿隧接面蝕刻方法，其中，在所述離子束清洗步驟中，去除厚度為0.1nm~10.0nm的磁性穿隧接面的側壁。
  4. 根據請求項1所述的磁性穿隧接面蝕刻方法，其中，在所述反應離子蝕刻步驟中，所使用的氣體包括惰性氣體、氮氣、氧氣、氟基氣體、NH3、氨基氣體、CO、CO2、醇類及其組合，所述反應離子蝕刻步驟可以是單步或者多步，在多步的過程中，不同步驟所使用的氣體、功率、氣流、壓力可以相同或者不同。
  5. 根據請求項1所述的磁性穿隧接面蝕刻方法，其中，在所述離子束清洗步驟中，所使用的氣體包括惰性氣體、氮氣、氧氣及其組合，所述離子束清洗步驟可以是單步清洗或多步清洗，在多步清洗的過程中，不同步驟所使用的氣體、樣品台相對於離子束的角度、離子束的能量以及密度可以相同或者不同。
  6. 根據請求項1所述的磁性穿隧接面蝕刻方法，其中，在所述保護步驟中，所鍍薄膜為使相鄰磁性穿隧接面器件分離的介質材料。
  7. 根據請求項6所述的磁性穿隧接面蝕刻方法，其中，所述鍍膜介質材料為四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、過渡金屬氧化物、過渡金屬氮化物、過渡金屬氮氧化物、鹼土金屬氧化物、鹼土金屬氮化物、鹼土金屬氮氧化物、或其組合。
  8. 根據請求項6所述的磁性穿隧接面蝕刻方法，其中，在所述保護步驟中，鍍膜的厚度為1nm~500nm。
  9. 根據請求項1所述的磁性穿隧接面蝕刻方法，其中， 所述反應離子蝕刻步驟中所形成的所述側壁金屬沾汙為奈米級。
  10. 根據請求項1所述的磁性穿隧接面蝕刻方法，其中，所述反應離子蝕刻步驟中所形成的所述側壁損傷層厚度為奈米級。
  11. 根據請求項1所述的磁性穿隧接面蝕刻方法，其中，所述蝕刻方法適用於固定層在隔離層上方、或者固定層在隔離層下方的磁性穿隧接面的蝕刻。
  12. 根據請求項1所述的磁性穿隧接面蝕刻方法，其中，所述蝕刻方法適用於隔離層為單層或者多層的磁性穿隧接面的蝕刻。
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