一种减小刻蚀产物侧壁再淀积的刻蚀方法与流程

本发明涉及一种减小刻蚀产物侧壁再淀积的刻蚀方法，属于半导体技术领域。

背景技术：

为了取代传统的动态随机存取存储器(dram)，目前已经开发了各种新的半导体存储器件，包括电阻随机存取存储器(reram)，相变随机存取存储器(pcram)和磁随机存取存储器(mram)。其中mram是一种集成的磁存储器，具有非易失性，无限的读/写耐久性、快速访问时间、低工作电压，并且具有与dram一样高的元件封装密度和和静态随机存取存储器(sram)一样高的速度性能。

mram器件主要由磁隧道结(mtj)叠层和互补金属氧化物半导体(cmos)组成。mtj叠层的刻蚀过程是制造高密度mram的关键过程之一。然而，mtj叠层的干刻蚀存在诸多困难，因为mtj叠层中的金属和磁性材料很少与等离子体中产生的化学反应性物质反应。为了设计高密度mram器件，mtj叠层的临界尺寸也将随之减小，刻蚀工艺的重要性更加显著。

目前采用的刻蚀方法主要有离子束刻蚀(ibe)和等离子体反应离子刻蚀(rie)技术。离子束刻蚀(ibe)受限于其物理溅射刻蚀机制，面临刻蚀速度慢，侧壁再淀积，刻蚀损伤等诸多问题。为了改善磁性薄膜的刻蚀质量，等离子体反应离子刻蚀(rie)技术渐渐被广泛采用，受益于反应离子的化学作用，刻蚀速度得到较大提升，但依旧存在侧壁再淀积与刻蚀损伤问题。另外目前rie技术中，用于刻蚀磁性材料的刻蚀气体主要为有含氯气体(cl2，bcl3)，氨气(nh3)/一氧化碳(co)混合气体等。

由于目前采用上部电极作为掩模刻蚀下层薄膜的方案，容易出现在刻蚀过程中，上层金属刻蚀产生的金属颗粒溅射淀积到下层磁性薄膜侧壁、表面，尤其是两层磁性材料之间的绝缘层，往往只有0.5-2nm，导致刻蚀损伤，甚至导致器件失效。

同时采用含氯气体作为刻蚀气体，往往伴随以下问题：

1)非挥发性腐蚀副产物将会淀积在薄膜的侧壁；

2)刻蚀残留物中含有氯化合物，刻蚀后导致表面腐蚀；

采用nh3和co混合气体作为刻蚀气体的方案，以解决后腐蚀问题，但依旧存在以下问题：

1)所涉及的气体具有毒性，必须进行尾气处理；

2)由于刻蚀的mtj器件单元中的磁性材料层，绝缘氧化镁(mgo)层极薄，厚度往往在0.5-2nm之间，在使用nh3和co作为刻蚀气体时，容易对这些薄膜层造成损伤，降低其磁性能，甚至造成mram器件失效。

技术实现要素：

为了解决目前存在的刻蚀过程中易对这些薄膜层造成损伤，导致降低其磁性能，甚至造成mram器件失效的问题，本发明提供了一种减小刻蚀产物侧壁再淀积的刻蚀方法。

本发明的第一个目的在于提供一种mtj器件的刻蚀方法，所述刻蚀方法在刻蚀前淀积薄膜时先不淀积mtj器件的上层金属，而是使用碳层作为刻蚀掩模，采用感应耦合等离子刻蚀技术进行刻蚀，刻蚀完成后对上表面做平坦化处理，再将上层金属淀积，用作mtj器件的上部电极；同时刻蚀过程中采用醇类和h2o的混合气体作为刻蚀气体。

可选的，所述方法包括以下步骤：

使用光刻胶pr掩模，刻蚀碳层；

以碳层作为mtj器件的刻蚀掩模，以醇类和h2o的混合气体作为刻蚀气体，采用感应耦合等离子刻蚀技术对mtj器件的上自由层进行刻蚀；

刻蚀到mtj器件的绝缘层时，停止刻蚀，在mtj器件侧壁形成介质侧壁一，保护上部已刻蚀的部分不会对下层刻蚀过程产生再淀积损伤；

继续刻蚀mtj器件下层剩余薄膜，在下电极层前停止，再次形成介质侧壁二；

完成对mtj器件的下层电极的刻蚀；

淀积一层介质层包裹刻蚀完成的mtj器件单元，并对介质层上表面做平坦化处理，露出mtj器件的上自由层；

淀积上部金属，作为mtj器件的上部电极。

可选的，所述醇类和h2o的混合气体中，醇类的体积相对含量为70％～80％。

可选的，所述碳层厚度为50～60nm。

可选的，所述刻蚀气体的气压在1mtorr-10mtorr的范围内。

可选的，所述介质层材料为sio2、sin、sic、sicn。

可选的，所述介质侧壁一和介质侧壁二材料分别为sin和sic。

可选的，刻蚀碳层时采用cf4作为气体。

可选的，后续采用灰化处理去除作为掩模的碳层。

本发明的第二个目的在于提供上述方法在半导体技术领域内的应用。

本发明有益效果是：

通过在刻蚀前淀积薄膜时先不淀积mtj器件的上层金属，而是使用碳层作为刻蚀掩模，采用感应耦合等离子刻蚀技术进行刻蚀，刻蚀完成后对上表面做平坦化处理，再将上层金属淀积，用作mtj器件的上部电极，避免了上层已刻蚀部分在后续刻蚀中产生颗粒再淀积到mgo侧壁，影响器件性能，使得刻蚀过程中对于磁材料的损伤降低至传统方法的一半以下，同时刻蚀过程中采用醇类和h2o的混合气体作为刻蚀气体，也进一步有效的避免了刻蚀的后腐蚀问题和刻蚀损伤问题，不再需要进行尾气处理，减少了工艺步骤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是mtj器件单元的结构剖面视图，自上而下分别为：氮化钛(tin)/钴铁硼(cofeb)/氧化镁(mgo)/钴铁硼(cofeb)/钌(ru)/钴铁(cofe)/铂锰(pt-mn)/氮化钛(tin)。

图2是薄膜材料淀积后的剖面示意图，其中201为碳层，用作后续刻蚀掩模；202自由层，203绝缘阻挡层，204被钉扎层；205为钉扎层，包括钌/钴铁/铂锰，206下部电极，207为介质层，208为金属通孔；其中自由层202，绝缘阻挡层203，被钉扎层204这三层构成mtj器件单元。

图3是经过刻蚀后的碳层示意图。

图4是以碳层做掩模，采用本发明所述刻蚀方案进行刻蚀，刻蚀停止于mgo层的示意图。

图5-6是在上述刻蚀基础上淀积一层210sin层，并刻蚀掉表面sin，只保留侧壁sin层的示意图。

图7是以本发明所述刻蚀方案继续刻蚀，刻蚀停止于tin层的示意图。

图8是在图7的刻蚀结果基础上淀积一层211sic层并刻蚀表面sic只保留侧壁sic的示意图。

图9是以本发明所述刻蚀方案继续刻蚀，刻蚀停止于底部介质层的示意图。

图10是在图9刻蚀结果基础上淀积厚的213sio2层，包裹刻蚀后的mtj器件，并对顶部做平坦化处理，露出202自由层上上表面的示意图。

图11是上方淀积214氮化钛(tin)层，并刻蚀掉多余部分，作为上电极，并淀积215介质层，完成器件封装的示意图。

图12是整个工艺简要流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种mtj器件的刻蚀方法。

本实施例以使用电感耦合等离子体(icp)刻蚀设备，使用75％c2h5oh和25％h2o的混合气体作为刻蚀气体为例进行说明：

(1)以碳层作为掩模来刻蚀图2所示的薄膜叠层；厚度为50nm，后续可以通过灰化处理去除。

(2)使用pr作为掩模，cf4气体刻蚀图2中的碳层，从而形成碳层掩模，如图3所示，用作刻蚀磁性材料cofeb、mn-pt，绝缘层mgo的掩模。

在pr掩模下，使用cf4气体刻蚀钨/氮化钛层的具体工艺参数如下：

刻蚀气体的流速：300mg/min

icp电源功率：500w

直流偏置：300v

真空度5mtorr

衬底温度：50℃

(3)使用75％c2h5oh/25％h2o的混合气体作为刻蚀气体，以w/tin为掩模，刻蚀下层的ru/cofeb，如图4所示，在刻蚀到绝缘层mgo前停止刻蚀，具体参数为：

刻蚀气体流速：20mg/min

icp电源功率：1000w

直流偏置：300v

真空度：5mtorr

衬底温度：50℃

在此上述刻蚀基础上，淀积一层sin薄膜，如图5，在刻蚀后的cofeb的侧壁形成一层sin，一是起到保护已刻蚀部分不再后续刻蚀过程中受到损伤，二是防止在后续刻蚀过程中，上部已刻蚀薄膜产生颗粒溅落，再淀积到后续刻蚀的侧壁上，尤其是绝缘mgo层，导致器件性能下降乃至失效。去除表面的sin薄膜，只保留侧壁的sin层，如图6。

(4)继续使用上述刻蚀方案，对剩余的待刻蚀薄膜进行刻蚀，刻蚀剩余的cofeb/mgo/cofeb/ru/cofe/ptmn层薄膜，到tin层停止，刻蚀效果如图7所示。

(5)依照上述(3)中的方式，在(4)的刻蚀基础上淀积一层sic薄膜，同样刻蚀掉表面的sic层，只保留侧壁的sic层，作用与(3)中的sin层相同，结果如图8所示。

(6)使用(3)中的刻蚀方案继续对底部电极tin进行刻蚀，刻蚀到介质层停止，刻蚀结果如图9。

(7)在(6)的刻蚀基础上淀积一层sio2介质，将刻蚀后的mtj器件单元隔离保护，并对上表面做平坦化处理，露出自由层上表面，得到图10结果。

(8)在(7)的基础上，在上表面淀积氮化钛层，厚度50nm，刻蚀掉不需要的部分，剩余的作为器件的上部电极，再淀积一层sio2介质层，用作封装，并做平坦化处理，图11所示。

需要进行说明的是，上述实施例中，可采用甲醇、丙醇等醇类或其他包含羟基oh的物质代替乙醇。

上述实施例中，薄膜的淀积采用磁控溅射法淀积。

可以选择铁族元素的金属合金材料作为待刻蚀的磁性材料，如铁镍(fe-ni)，钴铁(co-fe)，镍铁镉(ni-fe-cr)、钴铁硼(co-fe-b)等合金的单层膜或叠层膜。在本实例中选择钴铁硼(co-fe-b)作为待刻蚀材料，绝缘层选择mgo单层膜，三者厚度分别为2nm/0.8nm/1.5nm。钉扎层选择反铁磁材料铂锰合金(pt-mn)，用于固定被钉扎层的磁矩方向，钉扎层分别为钌(ru)/钴铁(co-fe)/铂锰合金(pt-mn)，厚度设置为1.0nm/1.5nm/15nm。

选择氮化钛(tin)作为mtj器件的下部电极，厚度设置为50nm。

磁性材料的温度不宜过高，避免不必要的热损伤，更优的温度要求是：20-120℃。

在上述实施例中，刻蚀的气压在1mtorr-10mtorr的范围内。

本刻蚀方法可以将磁材料的刻蚀损伤降低到前述传统方法的一半以下

对于本方案气体的选择，一种合理的预测是在c2h5oh气体中增加h2o气体，增强了c2h5oh等离子体中的自由基(chx)与mtj器件中的各个薄膜层之间的化学反应和chx物质的一些溅射效应。因此chx在c2h5oh气体中的作用是实现mtj叠层良好刻蚀轮廓的关键点。

本发明通过在刻蚀前淀积薄膜时先不淀积mtj器件的上层金属，而是使用碳层作为刻蚀掩模，采用感应耦合等离子刻蚀技术进行刻蚀，刻蚀完成后对上表面做平坦化处理，再将上层金属淀积，用作mtj器件的上部电极，避免了上层已刻蚀部分在后续刻蚀中产生颗粒再淀积到mgo侧壁，影响器件性能，使得刻蚀过程中对于磁材料的损伤降低至传统方法的一半以下，同时刻蚀过程中采用醇类和h2o的混合气体作为刻蚀气体，也进一步有效的避免了刻蚀的后腐蚀问题和刻蚀损伤问题，不再需要进行尾气处理，减少了工艺步骤。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。