TWI728471B - 一種半導體器件製作方法 - Google Patents
一種半導體器件製作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI728471B TWI728471B TW108133727A TW108133727A TWI728471B TW I728471 B TWI728471 B TW I728471B TW 108133727 A TW108133727 A TW 108133727A TW 108133727 A TW108133727 A TW 108133727A TW I728471 B TWI728471 B TW I728471B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- chamber
- sample
- etching
- ion beam
- layer
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 110
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims abstract description 72
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims abstract description 51
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000011109 contamination Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 74
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 29
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 23
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 10
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- -1 transition metal nitride Chemical class 0.000 claims description 8
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 claims description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 5
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 claims description 5
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 4
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 4
- 125000002924 primary amino group Chemical group [H]N([H])* 0.000 claims description 4
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910000287 alkaline earth metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 abstract 2
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 20
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012792 core layer Substances 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/01—Manufacture or treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
- C23F4/00—Processes for removing metallic material from surfaces, not provided for in group C23F1/00 or C23F3/00
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/80—Constructional details
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Drying Of Semiconductors (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
Abstract
本發明公開一種半導體器件製作方法，所使用的刻蝕裝置包括樣品裝載腔室、真空過渡腔室、反應離子電漿刻蝕腔室、離子束刻蝕腔室、鍍膜腔室以及真空傳輸腔室。在不中斷真空的情況下，首先利用反應離子刻蝕到達隔離層，然後離子束刻蝕到固定層中接近底電極金屬層時停止，僅保留少量固定層，而後採用反應離子刻蝕到底電極金屬層，最後進行離子束清洗去除金屬殘留物和樣品表面處理，並進行鍍膜保護。通過採用離子束刻蝕和反應離子刻蝕相互結合進行刻蝕、清洗步驟，不僅能有效減少物理刻蝕帶來的側壁金屬沾汙及結構損傷，提高刻蝕的效率，而且降低了過刻蝕風險，提高了器件性能和良率。
Description
本發明涉及半導體領域，具體涉及一種半導體器件製作方法。
隨著半導體器件特徵尺寸的進一步等比例縮小，傳統的閃存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，各種新型非易失性存儲器得到了迅速發展。其中，磁性隨機存儲器（MRAM）憑藉其擁有靜態隨機存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力，動態隨機存儲器（DRAM）的高集成度，功耗遠遠的低於動態隨機存儲器，並且相對於快閃存儲器（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存儲器、動態隨機存取存儲器、閃存，而成為下一代“通用”存儲器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存儲器器件。
磁隧道結（MTJ）是磁性隨機存儲器的核心結構。磁隧道結圖形化的主要方法還是需要通過刻蝕的方法，因為磁隧道結的材料是難於幹法刻蝕的材料Fe、Co、Mg等，難以形成揮發產物，且不能採用腐蝕氣體（Cl2
等），否則會影響磁隧道結的性能，所以需要用到比較複雜的刻蝕方法才能實現，刻蝕工藝非常具有難度和挑戰。傳統的大尺寸磁隧道結刻蝕都是通過離子束刻蝕完成的。由於離子束刻蝕採用惰性氣體，基本上沒有引入化學刻蝕的成分進入反應腔室，從而使得磁隧道結的側壁不受化學反應的侵蝕。在保證側壁乾淨的情況下，離子束刻蝕可以獲得比較完美的磁隧道結側壁—乾淨並且沒有受到化學破壞。但是，離子束刻蝕也有其不完美的一面。一方面，離子束刻蝕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隧道結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，從而破壞磁隧道結的磁性特徵。另一方面，離子束刻蝕都採用一定的角度實現刻蝕，這個為離子束刻蝕帶來了局限性。隨著磁隧道結器件尺寸做的越來越小，使得離子束刻蝕常用的角度不能達到磁隧道結的底部，從而達不到磁隧道結器件分離的需求，使得圖形化失敗。再者，離子束刻蝕的時間相對較長，每台設備的產率有限。而反應離子刻蝕具有刻蝕速度快，選擇比高的優點；因此將兩種刻蝕方法結合在一起，是一個解決磁隧道結刻蝕難題值得期待的方向。
為解決上述問題，本發明公開一種半導體器件製作方法，所使用的刻蝕裝置包括樣品裝載腔室、真空過渡腔室、反應離子電漿刻蝕腔室、離子束刻蝕腔室、鍍膜腔室以及真空傳輸腔室，所述真空過渡腔室分別與所述樣品裝載腔室、所述真空傳輸腔室以可聯通的方式相連接，所述反應離子電漿刻蝕腔室、所述離子束刻蝕腔室、所述鍍膜腔室分別與所述真空傳輸腔室以可聯通的方式相連接，其特徵在於，包括以下步驟：樣品準備步驟，在半導體基底上形成包括底電極金屬層、磁隧道結、帽層和掩膜層的待刻蝕結構， 磁隧道結包括固定層、隔離層和自由層；樣品裝載步驟，將所述樣品裝載到所述樣品裝載腔室，並使所述樣品通過所述真空過渡腔室，進入所述真空傳輸腔室；第一反應離子刻蝕步驟，使所述樣品進入到所述反應離子電漿刻蝕腔室，利用反應離子刻蝕方法對所述樣品進行刻蝕，當到達所述隔離層時停止刻蝕，之後使所述樣品返回到所述真空傳輸腔室；離子束刻蝕步驟，將所述樣品從所述真空傳輸腔室傳送到所述離子束刻蝕腔室，利用離子束刻蝕方法對所述樣品進行刻蝕，直到到達所述固定層中接近所述底電極金屬層的位置為止；第二反應離子刻蝕步驟，使所述樣品進入所述反應離子電漿刻蝕腔室，利用反應離子刻蝕方法繼續對所述樣品進行刻蝕，當刻蝕到達所述底電極金屬層時停止刻蝕，之後使所述樣品返回到所述真空傳輸腔室；第一離子束清洗步驟，使所述樣品進入到所述離子束刻蝕腔室，進行金屬殘留物去除以及樣品表面處理，使上述刻蝕步驟中所形成的金屬沾汙、側壁損傷層完全去除，之後使所述樣品返回到所述真空傳輸腔室；保護步驟，使所述樣品進入到所述鍍膜腔室，在完成刻蝕的所述樣品上表面和周邊形成介質薄膜，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，返回到所述樣品裝載腔室。
本發明的半導體器件製作方法中，優選為，在所述離子束刻蝕步驟和所述第二反應離子刻蝕步驟之間，還包括以下步驟：第二離子束清洗步驟，使所述樣品繼續停留在所述離子束刻蝕腔室，利用離子束進行金屬殘留物去除以及樣品表面處理，使上述刻蝕步驟中所形成的金屬沾汙以及側壁損傷層完全去除，之後使所述樣品返回到所述真空傳輸腔室；介質鍍膜步驟，使所述樣品進入到所述鍍膜腔室，在所述樣品上表面和周邊形成介質薄膜，之後使所述樣品返回到所述真空傳輸腔室；介質薄膜打開步驟，使所述樣品進入到所述反應離子電漿刻蝕腔室，利用反應離子電漿對所述樣品進行刻蝕，打開所述器件上方及底部的所述介質薄膜，並且保留所述器件側牆處的部分所述介質薄膜，停止刻蝕。
本發明的半導體器件製作方法中，優選為，所述磁隧道結的結構為所述固定層在所述隔離層上方、或者所述固定層在所述隔離層下方。
本發明的半導體器件製作方法中，優選為，所述磁隧道結的所述隔離層為單層或者多層。
本發明的半導體器件製作方法中，優選為，在所述反應離子電漿刻蝕腔室中，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
、醇類或其組合。
本發明的半導體器件製作方法中，優選為，在所述離子束刻蝕腔室中，所使用的氣體包括惰性氣體、氮氣、氧氣或其組合。
本發明的半導體器件製作方法中，優選為，所述介質薄膜為四族氧化物、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。
本發明的半導體器件製作方法中，優選為，在所述介質鍍膜步驟中，所述介質薄膜的厚度為0.5nm〜50nm。
本發明在不中斷真空的情況下，採用離子束刻蝕和反應離子電漿刻蝕相互結合進行刻蝕、清洗步驟，不僅能有效減少物理刻蝕帶來的側壁金屬沾汙及結構損傷，提高刻蝕的效率，而且降低了過刻蝕風險，提高了器件性能和良率。
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，針對本發明的半導體器件製作方法所使用的裝置進行說明。圖1是本發明的半導體器件製作方法所使用的刻蝕裝置的功能框圖。如圖1所示，刻蝕裝置包括反應離子電漿刻蝕腔室10、離子束刻蝕（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。反應離子電漿刻蝕腔室10、離子束刻蝕腔室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。
反應離子電漿刻蝕腔室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刻蝕腔室。離子束刻蝕（IBE）腔室11可以是離子束刻蝕、中性粒子束刻蝕腔體等。鍍膜腔室12可以是物理氣相沉積（PVD）鍍膜腔室，也可以是脈衝化學氣相沉積（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）鍍膜腔室等化學氣相沉積（CVD）鍍膜腔室。
此外，刻蝕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刻蝕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。
在圖2中示出了包含磁隧道結的待刻蝕器件結構示意圖。如圖2所示， 待刻蝕結構包括底電極金屬層100、磁隧道結（包括固定層101、隔離層102 和自由層103）、帽層104以及硬掩膜層105。需要說明的是，該結構僅示例，在實際的器件應用中，磁隧道結的組成還可以是自由層103在隔離層102的下方，固定層101在隔離層102的上方。磁隧道結的隔離層102可以是單層，也可以是多層。本發明的半導體器件製作方法同樣適用於這些不同的結構。
如圖3所示，本發明的半導體器件製作方法通過以下步驟實現。首先，在樣品準備步驟S1中，在半導體基底上形成包含磁隧道結的待刻蝕結構，如圖2所示。其中，硬掩膜層105厚度為50納米，高寬比2.5:1。
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，在第一反應離子刻蝕步驟S3中，使樣品進入到反應離子電漿刻蝕腔室10，利用反應離子電漿對樣品進行刻蝕，當刻蝕達到隔離層102時，停止刻蝕。刻蝕終點依靠反應離子電漿刻蝕腔室10中的自動光學終點檢測儀定義。之後使樣品返回到真空傳輸腔室13。在反應離子電漿刻蝕腔室10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。圖4是進行第一反應離子刻蝕步驟後所形成的器件結構示意圖。圖4中示意性地示出了在第一反應離子刻蝕過程中形成的金屬沾汙106以及磁隧道結側壁的損傷層107。
接下來，在離子束刻蝕步驟S4中，將樣品從真空傳輸腔室13傳送到離子束刻蝕腔室11，利用離子束刻蝕方法對樣品進行刻蝕，當刻蝕到達固定層101中接近底電極金屬層100的位置時，停止刻蝕，僅保留少量固定層101，約2 nm。之後，使樣品返回到真空傳輸腔室13。離子束刻蝕角度為75度，時間300s，樣品台轉速10rpm。當然，本發明不限定於此，離子束刻蝕所使用的氣體可以是惰性氣體、氮氣、氧氣等。離子束刻蝕使用的角度優選為10度到80度（以垂直於晶圓表面為參照，垂直為0度）。在圖5中示出了進行離子束刻蝕步驟後所形成的器件結構示意圖。由於離子束刻蝕主要是物理轟擊，選擇比較小，容易造成過刻蝕。本發明通過保留少量固定層，後續採用反應離子刻蝕進一步進行刻蝕，通過選擇刻蝕的氣體提高刻蝕的選擇比，能有效的降低過刻蝕，提高良率。
之後，在第二反應離子刻蝕步驟S5中，使樣品進入反應離子電漿刻蝕腔室10，利用反應離子刻蝕方法繼續對樣品進行刻蝕，當刻蝕到達底電極金屬層100 時停止刻蝕，之後使樣品返回到真空傳輸腔室13。所使用的氣體可以與第一反應離子刻蝕步驟中所使用的氣體相同或者不同，可以是惰性氣體、氮氣、 氧氣、氟基氣體、NH3
、氨基氣體、CO、CO2
、醇類等。在圖6中示出了進行第二反應離子刻蝕步驟後所形成的器件結構示意圖。
在上述刻蝕過程中存在納米級的金屬沾汙106，或者極微量的如小於1nm的金屬沾汙106，同時，刻蝕過程中可能會形成磁隧道結側壁的納米級的損傷層107。為了去除金屬沾汙106和側壁損傷，接下來，在第一離子束清洗步驟S6中，使樣品進入到離子束刻蝕腔室11，利用離子束進行金屬沾汙106去除以及樣品表面處理，其中，離子束角度為75∘，處理時間為120s，樣品台轉速為10rpm，使上述刻蝕步驟中形成的金屬沾汙106以及側壁損傷層107完全去除。之後，使樣品返回到真空傳輸腔室13。離子束清洗所使用的氣體可以是惰性氣體、氮氣、氧氣等。 在圖7中示出了進行第一離子束清洗步驟S6後所形成的器件結構示意圖。
在保護步驟S7中，使上述樣品進入到鍍膜腔室12進行鍍膜保護，在樣品上表面和周邊形成5nm厚的氮化矽介質薄膜108，之後使樣品返回到真空傳輸腔室13。當然，本發明不限定於此介質薄膜108的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、鹼土金屬氮氧化物等可以實現相鄰磁隧道結器件分離的介質材料。介質薄膜108 的厚度可以是1nm以上，500nm 以下。在器件經過上述的兩腔室的刻蝕步驟後，器件的側壁乾淨並且實現了完全分離。通過保護步驟S7，能夠防止保護器件在後續的工藝中因裸露在大氣環境中而受到破壞，同時實現器件與器件的完全絕緣隔離。圖8中示出了進行保護步驟後所形成的器件結構示意圖。
最後，在樣品取出步驟S8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。
圖9是本發明的半導體器件製作方法的另一實施例的流程圖。如圖9所示，與上一實施例的區別在於，在離子束刻蝕步驟S4後、第二反應離子刻蝕步驟S5前，還包括以下步驟：
第二離子束清洗步驟S9，使樣品繼續停留在離子束刻蝕腔室11，利用離子束進行金屬殘留物去除以及樣品表面處理，使上述刻蝕步驟中所形成的金屬沾汙106以及側壁損傷層107完全去除，所得結構如圖10所示，之後使樣品返回到真空傳輸腔室13。離子束清洗所使用的氣體可以是惰性氣體、氮氣、氧氣等， 角度優選為10度到80度。本步驟中所使用的氣體和角度可以與第一離子束 清洗步驟中所用氣體和角度相同或不同。
介質鍍膜步驟S10，使樣品進入到鍍膜腔室12，在樣品上表面和周邊形成 3nm厚的氮化矽介質薄膜108，所得結構如圖11所示，之後使樣品返回到真空傳輸腔室13。當然，本發明不限定於此，介質薄膜108的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、鹼土金屬氮氧化物等可以實現相鄰磁隧道結器件分離的介質材料。介質薄膜108的厚度可以是0.5nm〜50nm。
介質薄膜打開步驟S11，使樣品進入到反應離子電漿刻蝕腔室10，利用反應離子電漿對樣品進行刻蝕，打開器件上方及底部的介質薄膜108，並且保留器件側牆處的部分介質薄膜108，停止刻蝕，所得結構如圖12所示。
通過引入上述步驟，可以保護已經刻蝕的結構不受後續刻蝕步驟的影響，進一步提高器件的性能。另外，在磁隧道結的部分側壁被介質薄膜保護後， 更多的反應氣體可以用來刻蝕剩餘的磁隧道結，從而可以運用化學反應的機理來實現部分膜層的刻蝕，減少物理刻蝕帶來的側壁金屬沾汙，提高刻蝕的效率，以及使得磁隧道結核心層儘量少的暴露在電漿中，從而減少電漿對於磁隧道結的磁性破壞，提高良率。
以上，針對本發明的半導體製作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。對於自由層在隔離層的下方，固定層在隔離層的上方的磁隧道結，相應的，在離子束刻蝕步驟中刻蝕到隔離層中接近底電極金屬層的位置時，停止刻蝕。
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:反應離子電漿刻蝕腔室
11:離子束刻蝕腔室
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:硬掩膜層
106:金屬沾汙
107:損傷層
108:介質薄膜
S1:樣品準備步驟
S2:樣品裝載步驟
S3:第一反應離子蝕刻步驟
S4:離子束蝕刻步驟
S5:第二反應離子蝕刻步驟
S6:第一離子束清洗步驟
S7:保護步驟
S8:樣品取出步驟
S9:第二離子束清洗步驟
S10:介質鍍膜步驟
S11:介質薄膜打開步驟
圖1是本發明的半導體器件製作方法所使用刻蝕裝置的功能框圖。
圖2是包含磁隧道結的待刻蝕器件結構示意圖。
圖3是本發明的半導體器件製作方法的一個實施例的流程圖。
圖4是進行第一反應離子刻蝕步驟後所形成的器件結構示意圖。
圖5是進行第一離子束刻蝕步驟後所形成的器件結構示意圖。
圖6是進行第二反應離子刻蝕步驟後所形成的器件結構示意圖。
圖7是進行第一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。
圖9是本發明的半導體器件製作方法的另一實施例的流程圖。
圖10是進行第二離子束清洗步驟後所形成的器件結構示意圖。
圖11是進行介質鍍膜步驟後所形成的器件結構示意圖。
圖12是進行介質薄膜打開步驟後所形成的器件結構示意圖。
S1:樣品準備步驟
S2:樣品裝載步驟
S3:第一反應離子蝕刻步驟
S4:離子束蝕刻步驟
S5:第二反應離子蝕刻步驟
S6:第一離子束清洗步驟
S7:保護步驟
S8:樣品取出步驟
Claims (8)
- 一種半導體器件製作方法，所使用的刻蝕裝置包括樣品裝載腔室、真空過渡腔室、反應離子電漿刻蝕腔室、離子束刻蝕腔室、鍍膜腔室以及真空傳輸腔室，所述真空過渡腔室分別與所述樣品裝載腔室、所述真空傳輸腔室以可聯通的方式相連接，所述反應離子電漿刻蝕腔室、所述離子束刻蝕腔室、所述鍍膜腔室分別與所述真空傳輸腔室以可聯通的方式相連接，其特徵在於，包括以下步驟：樣品準備步驟，在半導體基底上形成包括底電極金屬層、磁隧道結、帽層和掩膜層的待刻蝕結構，所述磁隧道結包括固定層、隔離層和自由層；樣品裝載步驟，將所述樣品裝載到所述樣品裝載腔室，並使所述樣品通過所述真空過渡腔室，進入所述真空傳輸腔室；第一反應離子刻蝕步驟，使所述樣品進入到所述反應離子電漿刻蝕腔室，利用反應離子刻蝕方法對所述樣品進行刻蝕，當到達所述隔離層時停止刻蝕，之後使所述樣品返回到所述真空傳輸腔室；離子束刻蝕步驟，將所述樣品從所述真空傳輸腔室傳送到所述離子束刻蝕腔室，利用離子束刻蝕方法對所述樣品進行刻蝕，直到到達所述固定層中接近所述底電極金屬層的位置為止；第二反應離子刻蝕步驟，使所述樣品進入所述反應離子電漿刻蝕腔室，利用反應離子刻蝕方法繼續對所述樣品進行刻蝕，當 刻蝕到達所述底電極金屬層時停止刻蝕，之後使所述樣品返回到所述真空傳輸腔室；第一離子束清洗步驟，使所述樣品進入到所述離子束刻蝕腔室，進行金屬殘留物去除以及樣品表面處理，使上述刻蝕步驟中所形成的金屬沾汙、側壁損傷層完全去除，之後使所述樣品返回到所述真空傳輸腔室；保護步驟，使所述樣品進入到所述鍍膜腔室，在完成刻蝕的所述樣品上表面和周邊形成介質薄膜，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，返回到所述樣品裝載腔室。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體器件製作方法，其中在所述離子束刻蝕步驟和所述第二反應離子刻蝕步驟之間，還包括以下步驟：第二離子束清洗步驟，使所述樣品繼續停留在所述離子束刻蝕腔室，利用離子束進行金屬殘留物去除以及樣品表面處理，使上述刻蝕步驟中所形成的金屬沾汙以及側壁損傷層完全去除，之後使所述樣品返回到所述真空傳輸腔室；介質鍍膜步驟，使所述樣品進入到所述鍍膜腔室，在所述樣品上表面和周邊形成介質薄膜，之後使所述樣品返回到所述真空傳輸腔室；介質薄膜打開步驟，使所述樣品進入到所述反應離子電漿刻 蝕腔室，利用反應離子電漿對所述樣品進行刻蝕，打開所述器件上方及底部的所述介質薄膜，並且保留所述器件側牆處的部分所述介質薄膜，停止刻蝕。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體器件製作方法，其中所述磁隧道結的結構為所述固定層在所述隔離層上方、或者所述固定層在所述隔離層下方。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體器件製作方法，其中所述磁隧道結的所述隔離層為單層或者多層。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體器件製作方法，其中在所述反應離子電漿刻蝕腔室中，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、醇類或其組合。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的半導體器件製作方法，其中在所述離子束刻蝕腔室中，所使用的氣體包括惰性氣體、氮氣、氧氣或其組合。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的半導體器件製作方法，其中所述介質薄膜為四族氧化物、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。
- 如申請專利範圍第2項所述的半導體器件製作方法，其中在所述介質鍍膜步驟中，所述介質薄膜的厚度為0.5nm~50nm。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811325919.2A CN111162164B (zh) | 2018-11-08 | 2018-11-08 | 一种半导体器件制作方法 |
| CN201811325919.2 | 2018-11-08 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202018986A TW202018986A (zh) | 2020-05-16 |
| TWI728471B true TWI728471B (zh) | 2021-05-21 |
Family
ID=70554916
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW108133727A TWI728471B (zh) | 2018-11-08 | 2019-09-19 | 一種半導體器件製作方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11877519B2 (zh) |
| KR (1) | KR102496547B1 (zh) |
| CN (1) | CN111162164B (zh) |
| TW (1) | TWI728471B (zh) |
| WO (1) | WO2020093681A1 (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111146335A (zh) * | 2018-11-02 | 2020-05-12 | 江苏鲁汶仪器有限公司 | 一种磁隧道结刻蚀方法 |
| CN111411328B (zh) * | 2020-05-29 | 2022-09-16 | 攀枝花学院 | 金属板材的表面镀膜方法 |
| CN113539818B (zh) * | 2021-07-16 | 2024-05-03 | 长鑫存储技术有限公司 | 半导体结构的制造方法及半导体器件蚀刻设备 |
| CN116988065A (zh) * | 2022-04-24 | 2023-11-03 | 江苏鲁汶仪器股份有限公司 | 一种类光栅结构金属电极制造方法和电极 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150236091A1 (en) * | 2012-05-08 | 2015-08-20 | Renesas Electronics Corporation | Porous insulation film, and a semiconductor device including such porous insulation film |
| US9905754B1 (en) * | 2017-01-11 | 2018-02-27 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of forming patterns and method of manufacturing a semiconductor device using the same |
| TW201807851A (zh) * | 2016-05-18 | 2018-03-01 | 日商東京威力科創股份有限公司 | 自旋扭矩傳輸磁阻性隨機存取記憶體之附加形成用方法 |
| CN107851712A (zh) * | 2015-07-30 | 2018-03-27 | 斯平转换技术公司 | 用于加工半导体元件阵列的抛光终止层 |
| CN108091359A (zh) * | 2017-12-11 | 2018-05-29 | 江苏鲁汶仪器有限公司 | 一种磁隧道结及其制造方法 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003078185A (ja) * | 2001-09-03 | 2003-03-14 | Nec Corp | 強磁性トンネル接合構造及びその製造方法並びに該強磁性トンネル接合を用いた磁気メモリ |
| EP1999781A2 (en) * | 2006-03-16 | 2008-12-10 | Tegal Corporation | Dry etch stop process for eliminating electrical shorting in mram device structures |
| US9269894B2 (en) * | 2013-10-15 | 2016-02-23 | Everspin Technologies, Inc. | Isolation of magnetic layers during etch in a magnetoresistive device |
| CN105161614A (zh) * | 2015-09-07 | 2015-12-16 | 华中科技大学 | 一种磁隧道结纳米单元结构及其制备方法 |
| US9978934B2 (en) * | 2015-10-30 | 2018-05-22 | Veeco Instruments Inc. | Ion beam etching of STT-RAM structures |
| CN106676532B (zh) * | 2015-11-10 | 2019-04-05 | 江苏鲁汶仪器有限公司 | 金属刻蚀装置及方法 |
| CN107623014A (zh) * | 2016-07-14 | 2018-01-23 | 上海磁宇信息科技有限公司 | 一种磁性随机存储器的制备方法 |
| CN107658324A (zh) * | 2016-07-25 | 2018-02-02 | 上海磁宇信息科技有限公司 | 一种磁性隧道结的对准和形成方法 |
| CN108232000A (zh) * | 2016-12-21 | 2018-06-29 | 上海磁宇信息科技有限公司 | 一种制造超小型磁性随机存储记忆单元的方法 |
| CN108242502B (zh) * | 2016-12-27 | 2021-04-27 | 上海磁宇信息科技有限公司 | 一种制备磁性隧道结的方法 |
| CN108376690B (zh) * | 2018-01-18 | 2020-12-29 | 北京航空航天大学 | 一种用于制造高密度mram的自对准互联方法 |
-
2018
- 2018-11-08 CN CN201811325919.2A patent/CN111162164B/zh active Active
-
2019
- 2019-05-23 US US17/289,756 patent/US11877519B2/en active Active
- 2019-05-23 WO PCT/CN2019/088103 patent/WO2020093681A1/zh active Application Filing
- 2019-05-23 KR KR1020217015884A patent/KR102496547B1/ko active IP Right Grant
- 2019-09-19 TW TW108133727A patent/TWI728471B/zh active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150236091A1 (en) * | 2012-05-08 | 2015-08-20 | Renesas Electronics Corporation | Porous insulation film, and a semiconductor device including such porous insulation film |
| CN107851712A (zh) * | 2015-07-30 | 2018-03-27 | 斯平转换技术公司 | 用于加工半导体元件阵列的抛光终止层 |
| TW201807851A (zh) * | 2016-05-18 | 2018-03-01 | 日商東京威力科創股份有限公司 | 自旋扭矩傳輸磁阻性隨機存取記憶體之附加形成用方法 |
| US9905754B1 (en) * | 2017-01-11 | 2018-02-27 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of forming patterns and method of manufacturing a semiconductor device using the same |
| CN108091359A (zh) * | 2017-12-11 | 2018-05-29 | 江苏鲁汶仪器有限公司 | 一种磁隧道结及其制造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111162164A (zh) | 2020-05-15 |
| US20210399217A1 (en) | 2021-12-23 |
| US11877519B2 (en) | 2024-01-16 |
| KR102496547B1 (ko) | 2023-02-07 |
| KR20210079359A (ko) | 2021-06-29 |
| CN111162164B (zh) | 2023-06-13 |
| WO2020093681A1 (zh) | 2020-05-14 |
| TW202018986A (zh) | 2020-05-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI728471B (zh) | 一種半導體器件製作方法 | |
| TWI716046B (zh) | 一種磁性穿隧接面蝕刻方法 | |
| TWI719642B (zh) | 磁隧道結刻蝕方法 | |
| TWI702676B (zh) | 多層磁性隧道結刻蝕方法和mram器件 | |
| US11367832B2 (en) | Method of making magnetoresistive random access memory device | |
| TWI726466B (zh) | 一種單隔離層磁性穿隧接面蝕刻方法 | |
| TWI714327B (zh) | 一種磁性穿隧接面製作方法 |