利用气体处理及脉冲化的离子束蚀刻的制作方法

利用气体处理及脉冲化的离子束蚀刻
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1.pct申请表作为本技术的一部分与本说明书同时提交。如在同时提交的pct申请表中所标识的本技术要求享有其权益或优先权的每个申请均通过引用全文并入本文且用于所有目的。


背景技术：

2.磁性随机存取存储器(mram)是应用例如隧道化磁阻(tmr)的类的磁阻效应的一种非挥发性存储器。mram具有如动态随机存取存储器(dram)一样的高集成密度、以及与静态随机存取存储器(sram)一样的高速性能。由于mram堆叠材料具有高非挥发性，因此通常使用离子束蚀刻技术以蚀刻mram堆叠件。
3.这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。


技术实现要素：

4.本文提供了一种离子束蚀刻衬底的方法。所述方法包括：从离子束源室产生惰性气体的离子束；施加所述惰性气体的所述离子束至所述离子束源室外部的处理室内的衬底，其中所述离子束对所述衬底上的磁性随机存取存储器(mram)堆叠件的一或更多层进行蚀刻；以及直接引入反应性气体至所述处理室内并且朝向所述衬底。
5.在一些实现方案中，所述反应性气体包括具有羟基的含碳气体。在一些实现方案中，所述含碳气体选自于由醇、羧酸、有机氢过氧化物、半缩醛和半缩酮所组成的群组。在一些实现方案中，所述含碳气体包括甲醇。在一些实现方案中，所述反应性气体包括含氟气体或含氮气体。在一些实现方案中，所述mram堆叠件包括mtj堆叠件，其中所述mtj堆叠件包括顶磁性层、底磁性层、以及介于所述顶磁性层与所述底磁性层之间的隧道阻挡层。在一些实现方案中，在蚀刻所述一或更多层后且在引入所述反应性气体后，所述mram堆叠件的侧壁实质上不含再沉积的蚀刻副产物。在一些实现方案中，施加所述离子束包括：连续地施加所述离子束以蚀刻所述mram堆叠件的所述一或更多层。在一些实现方案中，施加所述离子束包括：将所述离子束脉冲化以蚀刻所述mram堆叠件的所述一或更多层。
6.另一方面涉及一种离子束蚀刻衬底的方法。所述方法包括：在离子束源室内产生惰性气体的离子束；以及将所述惰性气体的所述离子束脉冲化至所述离子束源室外部的处理室中的衬底，其中所述离子束对所述衬底上的磁性随机存取存储器(mram)堆叠件的一或更多层进行蚀刻。
7.在一些实现方案中，在将所述离子束脉冲化时，所述离子束的幅值随着时间推移而进行调整。在一些实现方案中，所述方法还包括：将反应性气体直接引入所述处理室内朝向所述衬底。在一些实现方案中，所述反应性气体包括具有羟基的含碳气体，其中所述含碳气体选自于由醇、羧酸、有机氢过氧化物、半缩醛和半缩酮所组成的群组。在一些实现方案
中，所述反应性气体连续地流动。在一些实现方案中，所述反应性气体是脉冲化的。在一些实现方案中，所述惰性气体的所述离子束与所述反应性气体交替地脉冲化进入所述处理室内。
8.另一方面涉及一种用于执行衬底的离子束蚀刻的设备。所述设备包括：离子束源室；处理室，其耦合至所述离子束源室，其中所述处理室被配置成支撑位于其内的衬底，其中磁性随机存取存储器(mram)堆叠件包括设置在所述衬底上的一或更多层；气体输送系统，其耦合至所述处理室；以及控制器。所述控制器被配置成提供指令以执行以下操作：在所述离子束源室内产生惰性气体的离子束；将所述惰性气体的所述离子束施加至所述处理室中的所述衬底，其中所述离子束对所述衬底上的所述mram堆叠件的所述一或更多层进行蚀刻；以及通过所述气体输送系统将反应性气体直接引入所述处理室内朝向所述衬底。
9.在一些实现方案中，所述离子束是脉冲化的且所述反应性气体连续地流动。在一些实现方案中，所述离子束是连续的且所述反应性气体是脉冲化的。在一些实现方案中，所述离子束是脉冲化的且所述反应性气体是脉冲化的。在一些实现方案中，所述离子束与所述反应性气体交替地脉冲化进入所述处理室内。
附图说明
10.图1系根据一些实现方案，在衬底上的示例性mram堆叠件的横截面示意图。
11.图2是mram堆叠件进行离子束蚀刻与侧壁再沉积的横截面示意图。
12.图3是根据一些实现方案的离子束蚀刻设备的示例的示意图。
13.图4根据一些实现方案显示了离子束蚀刻衬底的示例性方法的流程图。
14.图5a至图5b显示含碳气体将mram堆叠件的侧壁以及暴露出的表面钝化以限制侧壁再沉积的横截面示意图。
15.图6a根据一些实现方案显示了在反应性气体连续流动的同时脉冲式施加离子束的时序图。
16.图6b根据一些实现方案显示了在将反应性气体脉冲化的同时连续施加离子束的时序图。
17.图6c根据一些实现方案显示了交替地以脉冲形式施加离子束与反应性气体脉冲的时序图。
18.图7a根据一些实现方案显示了当执行离子束蚀刻时，反应性气体在初始处理时间间隔流动的时序图。
19.图7b根据一些实现方案显示了当执行离子束蚀刻时，反应性气体在终端处理时间间隔流动的时序图。
20.图7c根据一些实现方案显示了当执行离子束蚀刻时，反应性气体在中间处理时间间隔流动的时序图。。
具体实施方式
21.在本公开中，术语“半导体晶片”、“晶片”、“晶片衬底”、以及“部分加工的集成电路”可互换使用。本领域技术人员应理解的是，术语“部分加工的集成电路”可以指集成电路加工的许多阶段中任一阶段期间的硅晶片。半导体装置工业中所使用的晶片或衬底通常具
有200mm、300mm、或450mm的直径。下列的实施方案假定本公开在晶片上实行。然而，本公开并不限于此。工件可具有各种形状、尺寸、与材料。除了半导体晶片外，本公开还可利用的其他工件包括各种物件，例如印刷电路板等。前言
22.电子装置使用包括存储器的集成电路以储存数据。在电子电路中常用的一种类型的存储器是dram。dram将数据的各个位储存在集成电路的个别电容器中。电容器可进行充电或放电以表示位的两种状态。由于电容器的电荷会缓慢泄漏，因此除非电容器的电荷有定期更新，否则数据会逐渐遗失。与非挥发性存储器相比，由于数据在移除电源时会遗失，因此dram是一种挥发性存储器。
23.与常规ram芯片的技术不同，mram中的数据并非作为电荷或电流储存，而是通过磁储存组件储存。磁储存组件可以由两个铁磁板形成，铁磁板中的每一者可维持磁化，并由非磁性绝缘层所隔开。两个铁磁板中的一者可以被设置成特定极性的永久磁铁，而两个铁磁板中的另一者可改变以匹配外部磁场的特定极性以储存存储器。这种涉及两个铁磁板与非磁性绝缘薄层的配置被称为磁性隧道结。mram是一种非挥发性存储器，原因在于即使将电源移除，其仍具有维持所保存数据的能力。
24.图1是根据一些实现方案的衬底上的示例性mram堆叠件的横截面示意图。mram堆叠件100被设置在例如硅、或玻璃衬底之类的衬底110上。mram堆叠件100可以包括顶电极层120与底电极层130。底电极层130被设置在衬底110上，且可以包括单层金属、或包含金属与其他材料(例如，介电材料)的多层堆叠件。顶电极层120被设置在底电极层130上方，且可以包括单层金属、或包含金属与其他材料(例如，介电材料)的多层堆叠件。mram堆叠件100可布置成通过金属字线与位线而连接的mram单元阵列。在一些实现方案中，底电极层130连接至字线，而顶电极层120连接至位线。
25.mram堆叠件100可以具有存储器组件、或磁阻效应组件，其中所述存储器组件、或磁阻效应组件可设置在顶电极层120与底电极层130之间。所述存储器组件、或磁阻效应组件可以是多层膜或磁性隧道结(mtj)堆叠件140。mtj堆叠件140可包括磁性层150、160，与在磁性层150、160之间的阻挡层170。应理解的是，mtj堆叠件140是说明性而非限制性的，并且可以包括未显示于图1中的许多其他层。第一磁性层150被设计作为自由磁性层，而第二磁性层160具有固定的磁化方向。在一些实现方案中，第一磁性层150与第二磁性层160中的每一者包括磁性材料，例如钴(co)、镍(ni)、铁(fe)、或其组合(例如，coni、cofe、nife、conife)。第一磁性层150与第二磁性层160中的每一者还可以包括非磁性材料，例如硼(b)、钛(ti)、锆(zr)、铪(hf)、钒(v)、铌(nb)、钽(ta)、铬(cr)、钼(mo)、钨(w)、铝(a1)、硅(si)、锗(ge)、镓(ga)、氧(o)、氮(n)、碳(c)、铂(pt)、钯(pd)、钌(ru)、或磷(p)以形成磁性化合物(例如，cofeb)。应理解的是，第一磁性层150与第二磁性层160中的每一者可包括一或更多子层。在一些实现方案中，第二磁性层160可耦合并设置在反铁磁层(anti
‑
ferromagnetic layer)上(未显示)。mtj堆叠件140还包括位于第一磁性层150与第二磁性层160之间的隧道阻挡层、或阻挡层170，其中阻挡层170可包括例如氧化镁(mgo)之类的非磁性绝缘材料。因此，mtj堆叠件140可以包括共同产生磁阻效应的成对的铁磁层(即，第一磁性层150与第二磁性层160)，以及介于其中的非磁性中间层(即，阻挡层170)。当第一磁性层150的磁化相对于第二磁性层160的磁化而改变方向时mtj堆叠件140的电阻率会改变，当该对铁磁层的磁
化方位实质上平行时呈现低电阻状态，而当该对铁磁层的磁化方位实质上反平行(anti
‑
parallel)时则呈现高电阻状态。因此，mram堆叠件100可具有两个稳定状态而允许mram堆叠件100能作为非挥发性存储器。
26.在一些实现方案中，顶电极层120可作为硬掩模层。在处理期间，顶电极层120可沉积在第一磁性层150上以对下方的mtj堆叠件140进行图案化。然而，应当理解的是，第一磁性层150与第二磁性层160的位置可以是相反的，使得顶电极层120被沉积在第二磁性层160上。在一些实现方案中，顶电极层120包括钨(w)、钽(ta)、氮化钽(tan)、氮化钛(tin)、或其他耐火金属(refractorymetals)。mtj堆叠件140可形成在底电极层130上，其中底电极层130包括导电材料，例如ta、ti、钌(ru)等。
27.应当理解的是，mram堆叠件100可以包括不必显示在图1中的数个其他层。mram堆叠件100中的层不必限于金属或导电材料，而是可以包括一或更多介电材料(例如二氧化硅(sio2))层。
28.蚀刻mram堆叠件(包括图1中的mram堆叠件100)中的材料可能存在许多挑战。硬质材料通常通过化学蚀刻工艺(例如，反应性离子蚀刻(rie))进行蚀刻。然而，要对例如钴、铁、镍、与其他磁性元素之类的材料进行反应性离子蚀刻具有困难，原因在于这些材料在暴露于典型的蚀刻剂化学物质时不易形成挥发物。因此，mram堆叠件中的许多材料都需要更具腐蚀性的蚀刻剂化学物质。另一方面，mram堆叠件中的某些材料并不能承受这种腐蚀性的蚀刻剂化学物质。举例来说，例如mgo之类的隧道阻挡层无法容忍反应性的化学物质，其中所述反应性的化学物质可包括包含氟、氯、碘、氧、或氢的中性物质、自由基、以及离子。这些化学物质可能导致与隧道阻挡层的反应，从而损坏隧道阻挡层并不利地影响mram堆叠件的电特性与磁特性。在某些情况下，会损害mram堆叠件中的隧道磁阻(tmr)效应。
29.离子束蚀刻(ibe)已广泛使用于各种工业中以将薄膜图案化。离子束蚀刻(也可称之为离子铣(ion milling))提供带电粒子的高指向性射束以蚀刻衬底上的特征。对于纯物理蚀刻工艺，可以使用惰性气体来施加离子束蚀刻；然而在某些情况下，可使用反应性物质来施加离子束蚀刻以利用化学/反应性成分来增加材料蚀刻。一般而言，离子束蚀刻可通过使用个别的粒子来磨损暴露的靶标而使原子及分子移位(dislodge)，从而物理性地蚀穿硬质材料。离子束蚀刻可用于对mram堆叠件中的材料进行蚀刻，同时避开可能使敏感层(例如，隧道阻挡层)降解的反应性化学物质。
30.mram堆叠件中的特征可通过离子束蚀刻进行图案化。离子束蚀刻通常不具化学反应，并将硬掩模所暴露的层与材料进行物理蚀刻。这会导致原子与分子从靶标溅射。溅射出的原子与分子可能被导向mram堆叠件暴露出的侧壁，并导致于暴露侧壁上的再沉积。因此，蚀刻与再沉积可能同时发生。
31.图2是mram堆叠件进行离子束蚀刻与侧壁再沉积的横截面示意图。mram堆叠件220a、220b被形成在衬底210上。mram堆叠件220a、220b中的每一者可包括成对的磁性层，其中隧道阻挡层(例如，mgo)可夹在所述磁性层之间。mram堆叠件220a、220b中的层与材料的示例已就图1中的mram堆叠件100而描述于上。常规mram的图案化工艺包括硬掩模图案化、顶电极图案化、mtj图案化、以及底电极图案化。应当理解的是，离子束蚀刻可使用于一些或所有前述的图案化工艺，其中离子束蚀刻可用于mtj图案化。反应性离子蚀刻、或离子束蚀刻可用于顶电极的图案化与底电极的图案化中。为了将mram堆叠件220a、220b进行图案化，
可将离子束225施加至衬底210以将硬掩模所暴露的层与材料进行物理蚀刻。离子束225使原子和分子从暴露于离子束225的表面溅射。如图2所显示的，溅射出的原子与分子275可能被导向mram堆叠件220a、220b的侧壁并且再沉积于侧壁上。衬底210上的一些层(例如，mtj堆叠件的层)可包括例如fe、co、与ni原子之类的金属原子。当离子束蚀刻穿过mtj堆叠件进行时，这些金属原子可能被移位并再沉积于mram堆叠件220a、220b的侧壁上。当导电材料再沉积于隧道阻挡层(其可仅为数纳米厚)的侧壁上时，磁性层会在mram堆叠件220a、220b中短路。
32.可以以一定角度引导被施加至衬底210的离子束225。可调整离子束225的入射角度以控制例如蚀刻速率、均匀度、形状、表面形貌(topography)、以及靶标表面组成的参数。在某些情况下，调整离子束225的入射角度以清洁侧壁的再沉积材料。离子束225的较低入射角(即，更垂直)可能造成更多的材料再沉积，而离子束225优化的较高入射角(即，较不垂直)可通过移除再沉积的材料以形成更干净的侧壁表面。此外，随着装置密度的增加与深宽比的增加，离子的撞击角度可变得更浅(离子以掠射角(glancing angle)撞击特征的侧壁表面)。较高的装置密度及深宽比限制了在清洁侧壁表面时使用较高入射角的可行性。同时，离子的撞击角度相对于底层变得更陡峭而导致较差的底层选择性。离子束蚀刻设备
33.本公开涉及材料的离子束蚀刻，其中离子束蚀刻可伴随气体处理以限制溅射出的原子、分子、或其他蚀刻副产物的再沉积。气体处理涉及将反应性气体直接输送至放置衬底的处理室中。在一些实现方案中，反应性气体包括含氟气体(例如，六氟化硫sf6、四氟化碳cf4、或三氟甲烷chf3)、含氮气体(例如，氨nh3)、具有羟基的含碳气体(例如，甲醇ch3oh)、或其混合物。在一些实现方案中，反应性气体是具有羟基的含碳气体。所述反应性气体没有离子化，也没有自由基化。反应性气体至处理室的输送可以是脉冲化的或连续的，且从离子束源室到处理室的离子束输送可以是脉冲化的或连续的。在一些实现方案中，反应性气体的输送可在整个蚀刻工艺中发生，或可在蚀刻工艺的初始、中间、或终端发生。在一些实现方案中，本公开涉及将离子束脉冲化以蚀刻mram堆叠件的一或更多层。
34.图3是根据一些实现方案的离子束蚀刻设备的示例的示意图。离子束蚀刻设备310包括具有衬底保持器314的处理室312，所述衬底保持器314用于保持衬底316。衬底316可以是半导体晶片。稍早所述的一或更多mram堆叠件可以形成于衬底316上。mram堆叠件中的每一者可以包括具有一或更多个磁性层以及隧道阻挡层的mtj堆叠件。衬底316可使用任何合适的技术而附接至衬底保持器314上。举例来说，衬底316被机械或静电地连接至衬底保持器314上。在一些实现方案中，衬底保持器314提供精确的倾斜与旋转，并且可以包括静电夹具(esc)以接合衬底316。
35.离子束蚀刻设备310进一步包括离子束源室322，其中该处理室312可位于离子束源室322的外部并且耦合至该离子束源室322。离子束源室322可通过离子萃取器340和/或机械快门348而与处理室312分离。感应线圈332可以围绕着离子束源室322的外壁布置。等离子体产生器334将rf功率供应至感应线圈332。等离子体产生器334可包括rf源336与匹配网络338。使用上，会将气体混合物引入离子束源室322并且供应rf功率至感应线圈332以在离子束源室322内产生等离子体，其中等离子体会产生离子。
36.离子束蚀刻设备310进一步包括第一气体输送系统350，该第一气体输送系统350
流体连接至所述离子束源室322。第一气体输送系统350将一或更多种气体混合物输送至离子束源室322。第一气体输送系统350可以包括与离子束源室322流体连通的一或更多个气体源352、阀门354、质量流量控制器(mfc)356、以及混合歧管358。在一些实现方案中，第一气体输送系统350被配置成输送惰性气体，例如氩(ar)、氙(xe)、或氪(kr)。在一些实现方案中，第一气体输送系统350输送不含、或实质上不含反应性化学物质的气体混合物。如此处所用，关于在气体混合物中反应性化学物质的术语“实质上不含”，其指的是少于约1体积％的量，而其余为惰性气体。
37.离子萃取器340从等离子体中萃取正离子，并将正离子以射束形式朝向衬底316加速。离子萃取器340可包括形成网格或网格系统的多个电极。如图3所显示，离子萃取器340包括三电极，其中第一电极342、第二电极344、与第三电极346是从第一气体输送系统350开始按顺序呈现。将正电压施加至第一电极342且将负电压施加至第二电极344，使得离子由于电位差而被加速。第三电极346是接地的。控制第二电极344与第三电极346之间的电位差以控制离子束的直径。在一些实现方案中，可控制向离子萃取器340施加的dc电压，使离子束被连续地或以脉冲形式进行输送。
38.机械快门348与离子萃取器340相邻。中和器360可将电子供应至处理室312中，以将通过离子萃取器340及机械快门348的离子束的电荷进行中和，其中中和器360可具有使用惰性气体(例如，氩、或氙)的专属气体输送系统。在一些实现方案中，可控制离子萃取器340和/或机械快门348使得离子束被连续地或以脉冲形式输送至衬底316。
39.位置控制器366可用于控制衬底保持器314的位置。尤其是，位置控制器366可以控制衬底保持器314相对于倾斜轴的倾斜角与旋转，以将衬底316定位。在一些实现方案中，端点检测器368可以用于感测离子束相对于衬底316和/或衬底保持器314的位置。例如涡轮分子泵之类的泵370可以用于控制处理室312内的压强，并从处理室312排出反应物。
40.在本公开中，离子束蚀刻设备310进一步包括流体耦合至处理室312的第二气体输送系统380。第二气体输送系统380将一或更多种气体混合物直接输送至处理室312内，而不使气体混合物穿过离子束源室322。第二气体输送系统380可以包括与处理室312流体连通的一或更多个气体源382、阀门384、质量流量控制器(mfc)386、以及混合歧管388。在一些实现方案中，第二气体输送系统380被配置成输送反应性气体，例如具有羟基的含碳气体。举例来说，含碳气体选自于由醇、羧酸、有机氢过氧化物、半缩醛、和半缩酮所组成的群组。在一些实现方案中，含碳气体包括甲醇。在一些实现方案中，可以将含碳气体与包括惰性气体(例如，氩、氙、或氪)的其他气体一起添加。含碳气体、或至少大部分的含碳气体在提供至衬底316时并未被离子化、或自由基化。含碳气体可以连续地、或以脉冲形式流入处理室312中。含碳气体可在整个离子束蚀刻的操作期间、或在离子束蚀刻操作的初始、中间、或终端时流入处理室312中。在一些实现方案中，由第二气体输送系统380所输送的反应性气体是含氟气体(例如，六氟化硫、四氟化碳、或三氟甲烷)而并非含碳气体。在一些实现方案中，由第二气体输送系统380所输送的反应性气体是例如氨之类的含氮气体。含氟气体、含氮气体、以及含碳气体可通过第二气体输送系统380单独地或以其混合物形式进行输送。
41.离子束蚀刻设备310可以进一步包括控制器390。控制器390(其可包括一或更多个的物理、或逻辑控制器)控制离子束蚀刻设备310的一些或全部操作。在一些实现方案中，控制器390可以用于控制等离子体产生器334、第一气体输送系统350、中和器360、位置控制器
366、泵370、以及第二气体输送系统380。控制器390可以包括一或更多个存储器装置以及一或更多个处理器。处理器可以包括中央处理器(cpu)或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、步进马达控制器板、以及其他类似组件。用于实行适当控制操作的指令是在处理器上执行。这些指令可储存在与控制器390相关联的存储器装置上并且可以通过网络提供。在某些实现方案中，控制器390执行系统控制软件。该系统控制软件可以包括指令，所述指令用于控制下列室操作条件中的任何一者或更多者的施加时间和/或数值：气体的混合物和/或组成、气体流速、室压强、室温度、衬底/衬底保持器温度、衬底位置、衬底保持器倾斜度、衬底保持器的旋转、施加至网格的电压、施加至线圈或等离子体产生组件的频率与功率、以及由工具执行的特定步骤的其他参数。该系统控制软件可通过泵370进一步控制清扫操作以及清洁操作。该系统控制软件可通过任何合适的方式进行配置。举例来说，可编写各种处理工具组件的子程序或控制对象，以对执行各种处理工具步骤所需的处理工具组件的操作进行控制。该系统控制软件可用任何计算机可读的程序设计语言进行编码。
42.在一些实现方案中，该系统控制软件包括用于控制上述各参数的输入/输出控制(ioc)测序指令。举例来说，半导体制造过程的各阶段可包括通过控制器390所执行的一或更多指令。例如，用于设定阶段用的工艺条件的指令可包括在相对应的配方阶段中。在一些实现方案中，配方阶段可依顺序布置，使得离子束蚀刻工艺中的步骤针对该处理阶段而以特定顺序执行。例如，配方可配置成执行离子束蚀刻操作，并且包括在某些时段中通过反应性气体进行的气体处理。
43.在一些实现方案中，控制器390被配置成具有用于执行一或更多下列操作的指令：在离子束源室322中产生惰性气体的离子束；将惰性气体的离子束施加至位于离子束源室322外部的处理室312内的衬底316，其中该离子束将衬底上的mram堆叠件的一或更多层进行蚀刻；以及，将反应性气体直接引入处理室312中并且朝向衬底316。mram堆叠件的一或更多层可包括一或更多磁性层。反应性气体可包括具有羟基的含碳气体。
44.在一些实现方案中可采用其他计算机软件和/或程序。用于该目的的程序或程序的部分的示例包括衬底定位程序、处理气体组成控制程序、压强控制程序、加热器控制程序、以及rf电源供应器控制程序。
45.控制器390可基于传感器输出(例如，当功率、电位、压强、气体水平等达到某个阈值时)、操作时间(例如，在工艺中的某些时机将阀门开启、将离子束输送脉冲化、将气体处理输送脉冲化等)、或基于从用户处接收到的指令来控制这些与其他的实施方面。
46.概括地说，控制器390可以定义为电子器件，电子器件具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(dsp)、定义为专用集成电路(asic)的芯片、和/或一个或多个微处理器、或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式发送到控制器390的指令，单独设置(或程序文件)定义用于在半导体衬底或系统上或针对半导体衬底或系统执行特定工艺的操作参数。在一些实现方案中，操作参数可以是由工艺工程师定义的配方的一部分，以在将衬底上的mram堆叠件进行图案化期间完成一个或多个处理步骤。
47.在一些实现方案中，控制器390可以是与系统集成、耦合到系统、以其它方式联网到系统或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器390可以在“云”中或是
晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，其可以允许对衬底处理的远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监视制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、或者开始新的处理。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供工艺配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，然后将该参数和/或设置从远程计算机发送到系统。在一些示例中，控制器390接收数据形式的指令，其指定在一个或多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以特定于要执行的工艺的类型和工具的类型，控制器390被配置为与该工具接口或控制该工具。因此，如上所述，控制器390可以是例如通过包括联网在一起并朝着共同目的(例如本文所述的工艺和控制)工作的一个或多个分立的控制器而呈分布式。用于这种目的的分布式控制器390的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)的一个或多个集成电路通信的室上的一个或多个集成电路，其组合以控制在室上的工艺。
48.如上所述，根据将由工具执行的一个或多个处理步骤，控制器390可以与一个或多个其他工具电路或模块、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器390、或在将衬底容器往返半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口运输的材料运输中使用的工具通信。利用气体处理和/或脉冲化的离子束蚀刻
49.图4根据一些实现方案显示了离子束蚀刻衬底的示例性方法的流程图。图4中的处理400可包括额外、更少、或不同的操作。
50.在处理400的框410中，惰性气体的离子束从离子束源室产生。将包括惰性气体的气体混合物引入离子束源室中。惰性气体可包括氩、氙、氪、或其组合。该气体混合物可以不具有、或实质上不具有反应性气体。将rf功率施加至离子束源室外部的线圈，以在离子束源室中产生等离子体。在一些实现方案中，也可将离子束源室称为等离子体产生室、或等离子体室。将离子从等离子体中萃取出以形成离子束。在一些实现方案中，将电压施加至离子萃取器(例如，网格)以萃取离子，进而从离子束源室形成惰性气体的离子束。在从等离子体中萃取出离子后，可使离子束朝向处理室加速，其中处理室通过离子萃取器和/或机械快门而与离子束源室分隔。
51.在处理400的框420中，将惰性气体的离子束施加至位于离子束源室外部的处理室内的衬底。惰性气体的离子束对衬底上的磁性随机存取存储器(mram)堆叠件的一或更多层进行蚀刻。在一些实现方案中，被蚀刻的mram堆叠件的一或更多层包括磁性隧道结(mtj)堆叠件的一或更多磁性层。mtj堆叠件可以包括顶磁性层、底磁性层、以及介于顶磁性层与底磁性层之间的阻挡层。在一些实现方案中，阻挡层包括非磁性绝缘材料(例如，mgo)。在一些实现方案中，被蚀刻的mram堆叠件的一或更多层包括一或更多含硅层、一或更多个介电材料(例如二氧化硅)层、和/或一或更多个硬掩模材料(例如钨)层。
52.在一些实现方案中，惰性气体的离子束是被引入处理室中的ar
+
离子束。惰性气体的离子束可通过脉冲形式、或连续地从离子束源室导向处理室。在一些实现方案中，惰性气体的离子束被连续地导向处理室。在一些实现方案中，惰性气体的离子束被以脉冲形式导向处理室。举例来说，可将网格和/或机械快门设置在两状态之间，然而应当理解的是，所述网格和/或机械快门可设置在超过两个状态中。在第一状态中，没有离子能穿越至处理室。
在第二状态中，一些或所有离子将能够穿越至处理室。可通过在第一状态和第二状态之间交替而实现离子束脉冲。作为另一示例，用于产生等离子体而供应至离子束源室的rf功率可以以脉冲形式供应，从而提供脉冲化的等离子体波形。因此，可以从脉冲化的等离子体波形实现离子束脉冲。作为另一示例，可以将包括惰性气体的气体混合物以脉冲形式供应至离子束源室中。作为另一示例，可以将提供至离子萃取器的网格的dc输入以脉冲形式进行施加。因此，可以以脉冲形式从等离子体中萃取用于产生离子束的离子。作为另一示例，通过在等离子体产生期间对施加到离子束源室的电磁(em)电流进行控制，可以将离子束在不同密度的离子束之间脉冲化(例如，在高离子束密度与低离子束密度之间交替)。具体地，第一状态可施加第一磁场以引起等离子体的第一空间分布，而第二状态可施加第二磁场以引起等离子体的第二空间分布，从而在两状态之间改变离子束的密度。因此，如上所述，离子束脉冲可使用下列一或多种技术产生：(1)将网格/机械快门在开启与关闭状态之间交替；(2)在等离子体产生期间将线圈上的rf输入脉冲化；(3)将进入离子束源室的气体输入脉冲化；(4)将在离子萃取器的网格上的dc输入脉冲化；以及(5)将施加至离子束源室的em电流脉冲化以改变离子束密度。
53.在一些实现方案中，离子束脉冲可横跨多个数值而产生，且不限于在提供离子束的开启(on)状态与不提供离子束的关断(off)状态之间交替。换言之，离子束的特性(例如，其密度)可随时间推移而调整。这允许离子束脉冲横跨不同数值而进行调整。举例来说，通过调整离子萃取器的网格上的dc输入，可随时间推移萃取出更多或更少离子，而并非在未萃取离子与萃取一些离子之间交替。因此，还可将离子束脉冲提供为阶梯状数值、或其他系列的数值，而并非提供介于0与1之间的方波。
54.惰性气体的离子束被施加至衬底以蚀刻衬底上的薄膜堆叠件的一或更多层。在一些实现方案中，将惰性气体的离子束施加至衬底以蚀刻mram堆叠件的硬掩模层以及介电层。在一些实现方案中，将惰性气体的离子束施加至衬底以蚀刻mtj堆叠件(其形成于衬底上)的顶磁性层、底磁性层、以及阻挡层。典型地，在蚀刻一或更多个磁性层时，会产生蚀刻副产物并且可能再沉积于衬底的暴露表面上。蚀刻副产物可以包括含金属原子或分子。当将离子束施加至一或更多个磁性层时，这些蚀刻副产物可以包括从一或更多个磁性层所蚀刻的溅射原子及分子。所述一或更多个磁性层可包括非挥发性材料，其中该非挥发性材料可包括例如fe、co、ni等磁性材料。当蚀刻副产物再沉积于暴露的表面上(包括阻挡层的暴露侧壁表面上)时，会使mtj堆叠件受损并导致短路。
55.在一些实现方案中，惰性气体的离子束以一定角度而施加至衬底。离子束相对于衬底表面的入射角可通过倾斜或旋转衬底保持器(其用于固持衬底)来进行控制。
56.在处理400的框430中，将反应性气体直接引入处理室内并且朝向衬底。在一些实现方案中，反应性气体包括具有羟基的含碳气体。含碳气体选自于由醇、羧酸、有机氢过氧化物(r
‑
o
‑
oh)、半缩醛(rch(or’)(oh))、及半缩酮(rc(or”)(oh)r’)所组成的群组。醇的示例包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、和丁醇。羧酸的示例包括但不限于碳酸、甲酸、乙酸、丙酸、和丁酸。应当理解的是，除了含碳气体外，还可将前述气体或其他气体的组合直接引入处理室中。
57.在一些实现方案中，反应性气体包括例如六氟化硫、四氟化碳、或三氟甲烷之类的含氟气体。在一些实现方案中，反应性气体包括例如氨之类的含氮气体。这样的反应性气体
可代替具有羟基的含碳气体、或作为具有羟基的含碳气体的补充而被直接引入处理室内并且朝向衬底。
58.反应性气体是在不通过离子束源室的情况下而引入处理室中。反应性气体从离子束源室的下游引入。反应性气体的等离子体并不会产生。因此，反应性气体的自由基与离子在引入处理室时通常不会形成。此外，还避免或最小化反应性气体的离解。不受任何理论所限制，当含碳气体不离解时可最大化羟基(
‑
oh)的作用。当含碳气体不离解时，可最小化含碳气体与mram堆叠件的材料及层的化学反应。另外，可将惰性气体的离子束朝向衬底激发，使得离子的平均自由程避免或最小化反应性气体的离解。在一些实现方案中，来自离子束的离子的平均自由程等于或大于约20cm、等于或大于约25cm、或等于或大于约30cm。反应性气体、或至少大部分的反应性气体在与衬底相邻的环境中未被离子化或自由基化。如此处所使用的，“大部分的”反应性气体可以指等于或大于反应性气体总浓度约95％的数值。
59.不受任何理论所限制，假设反应性气体(例如，具有羟基的含碳气体)用于将mram堆叠件的侧壁钝化、和/或与来自mram堆叠件的非挥发性材料反应而使其具挥发性以移除而并非再沉积。如果反应性气体使mram堆叠件的侧壁钝化，则反应性气体的键会起到钝化侧壁的作用以使蚀刻副产物不会黏附到侧壁。如此一来，来自离子束蚀刻的溅射原子或分子即不会再沉积于mram堆叠件的侧壁上。另外地、或替代性地，如果反应性气体能够使例如蚀刻副产物之类的非挥发性材料转变为挥发性材料，则反应性气体可起到将再沉积材料从侧壁移除、或从一开始就避免再沉积发生的效果。无论何种假设机制，将含碳气体直接引入处理室中可使mram堆叠件的侧壁更加清洁。
60.在引入反应性气体后，mram堆叠件的侧壁会不含或实质上不含再沉积的蚀刻副产物。关于mram堆叠件的侧壁上的再沉积蚀刻副产物，如此处所使用的“实质上不含”指的是mram堆叠件的侧壁上的总表面积被少于约5％的再沉积蚀刻副产物所覆盖。
61.图5a至图5b显示含碳气体将mram堆叠件的侧壁及暴露出的表面钝化以限制侧壁再沉积的横截面示意图。在图5a中，mram堆叠件520a、520b形成在衬底510上。mram堆叠件520a、520b包括一或更多个磁性层。在一些实现方案中，mram堆叠件520a、520b中的每一者包括mtj堆叠件，其中该mtj堆叠件包括顶磁性层、底磁性层、以及介于顶磁性层与底磁性层之间的阻挡层(例如，mgo)。具有羟基(
‑
oh)的含碳气体530被引入并吸附到衬底510的表面上以及mram堆叠件520a、520b的侧壁上。在一些实现方案中，该含碳气体是甲醇。含碳气体530可钝化衬底510的暴露表面以及mram堆叠件520a、520b的侧壁。如图5a至图5b所显示的，含碳气体530可以在衬底510的暴露表面以及mram堆叠件520a、520b的侧壁上形成钝化层540。在图5b中，当衬底510与mram堆叠件520a、520b暴露于惰性气体的离子束时，由于侧壁及表面上的钝化层540，可避免溅射出的原子和/或分子550进行再沉积。
62.回到图4的处理400，当执行离子束蚀刻时可将反应性气体引入处理室中。在一些实现方案中，处理室内的反应性气体的压强介于约0.05mtorr与约1mtorr之间、介于约0.1mtorr与约0.6mtorr之间、或介于约0.2mtorr与约0.5mtorr之间。反之，不具反应性气体的处理室的基本压强等于或少于约1mtorr、或介于约0.1mtorr与约1mtorr之间。
63.如上所述，可将惰性气体的离子束施加至衬底以对衬底上的mram堆叠件的一或更多层进行蚀刻。当执行离子束蚀刻时，为产生离子束而施加的电压可以改变。在一些实现方案中，当执行离子束蚀刻时，可将施加至离子萃取器(用于萃取离子并产生离子束)的电压
改变以控制蚀刻速率。所施加的电压可控制离子朝向衬底表面的加速。在一些实现方案中，可施加低电压离子束以执行较不剧烈的蚀刻或“软蚀刻”，其中对于低电压离子束而言，所施加的电压可介于约30v与约200v之间。在一些实现方案中，可施加高电压离子束以执行较剧烈的蚀刻或“快蚀刻”，其中对于高电压离子束而言，所施加的电压可介于约400v与约2000v之间。所施加的电压可根据反应性气体是否流向衬底而进行改变。举例来说，当使反应性气体流入处理室内的同时可施加低电压离子束，从而促进表面钝化并限制再沉积。当没有反应性气体流入处理室内时可施加高电压离子束，从而促进对设置在衬底上的层与材料进行蚀刻。
64.反应性气体(例如具有羟基的含碳气体)可与离子束同时流动，或可与离子束在分离的迭代中(in separate iterations)流动。在一些实现方案中，反应性气体进入处理室的流动可以是脉冲化的或连续的。在一些实现方案中，离子束从离子束源室至处理室的施加可以是脉冲化的或连续的。对离子束的输送时间与反应性气体的输送时间进行控制，可影响蚀刻副产物再沉积的量以及mram堆叠件的电特性与磁特性。
65.在一些实现方案中，反应性气体的流动是连续的，同时离子束的施加是连续的。举例来说，离子束可从连续波形的等离子体所产生。因此，在连续的反应性气体流动下可发生原位的离子束蚀刻。
66.在一些实现方案中，反应性气体的流动是连续的，而离子束的施加是脉冲化的。图6a根据一些实现方案显示了在反应性气体连续流动的同时以脉冲施加离子束的时序图。例如，可从脉冲化的等离子体波形、从控制离子萃取器的网格/快门的开启/关闭状态、从以脉冲形式引入惰性气体、从以脉冲形式施加dc输入、或从调整提供于等离子体产生中的em电流而产生离子束。在一些实现方案中，离子束的脉冲频率是介于约0.05hz与约5khz之间、或介于约0.1hz与约1khz之间。离子束以脉冲形式的输送可限制来自离子束蚀刻的蚀刻副产物量，并且可以限制这种蚀刻副产物的再沉积。此外，离子束以脉冲形式的输送可限制对mram堆叠件的电特性与磁特性的损害。
67.在一些实现方案中，反应性气体的流动是脉冲化的，而离子束的施加是连续的。图6b根据一些实现方案显示了在将反应性气体脉冲化的同时连续地施加离子束的时序图。可以将反应性气体的流动开启或关断，以控制反应性气体输送至处理室中。这可控制衬底暴露于反应性气体的量。在一些实现方案中，反应性气体的脉冲频率介于约0.05hz与约5khz之间、或介于约0.1hz与约1khz之间。不受任何理论所限制，反应性气体的连续流动可能造成过量的反应性气体，其可能与mram中的材料反应并可能损坏电特性与磁特性。换言之，过多的反应性气体可能会降低mram堆叠件中的tmr效应，从而对mram单元的性能产生不利的影响。将反应性气体脉冲化可限制不需要的材料的再沉积，同时大部分地保留mram堆叠件的电特性与磁特性。在一些实现方案中，可将低电压离子束的施加以及反应性气体的流动一起提供以促进表面钝化并限制再沉积，并且随着高电压离子束的施加而停止反应性气体的流动以促进蚀刻进行。
68.在一些实现方案中，反应性气体的流动是脉冲化的，同时离子束的施加是脉冲化的。在一示例中，反应性气体可以与离子束同步的方式被脉冲化。在另一示例中，反应性气体以与离子束脉冲交替的方式而脉冲化。图6c根据一些实现方案显示了交替地以脉冲形式施加离子束与反应性气体脉冲的时序图。因此，衬底上的mram堆叠件将经历表面钝化(在暴
露于反应性气体的期间)与离子束蚀刻(在暴露于离子束期间)交替进行的操作。
69.将反应性气体或离子束脉冲化的方面可涉及特征的调整，例如脉冲频率、工作周期(duty cycle)、以及幅值。在一些实现方案中，反应性气体的脉冲频率与离子束的脉冲频率中的一者或两者介于约0.05hz与约5khz之间、或介于约0.1hz与约1khz之间。在一些实现方案中，反应性气体的工作周期以及离子束的工作周期中的一者或两者介于约0％与约100％之间。当将反应性气体脉冲化时、或当将离子束脉冲化时，可随时间推移调整脉冲频率、工作周期、以及幅值的数值。例如，当对离子束进行脉冲化时，可随时间推移调整离子束的幅值。不同于图6a与图6c中所显示的方波，离子束可通过步进式波形或调整式数值的波形类型来进行脉冲化。
70.在一些实现方案中，可将反应性气体提供于一段时段中，该时段发生于离子束蚀刻操作的初始、中间、或终端。反应性气体的输送可发生在所述时段内，该时段对于限制蚀刻副产物的再沉积以及限制对mram堆叠件的电特性与磁特性的损害而言是最佳的。可控制反应性气体的输送时间以促进表面钝化及离子束蚀刻。在一些实现方案中，离子束蚀刻操作的初始、中间、或终端时反应性气体的流动可以是连续的或脉冲化的。在离子束蚀刻操作的期间离子束的施加可以是脉冲化的或连续的。
71.在一些实现方案中，当蚀刻mram堆叠件的一或更多层时，反应性气体在初始处理时间间隔的期间流入处理室内。图7a根据一些实现方案显示了当执行离子束蚀刻时，反应性气体于初始处理时间间隔流动的时序图。mram堆叠件的离子束蚀刻可在整个处理时间发生，用于对mram堆叠件的至少一或更多层进行蚀刻。整个处理时间可拆分为：(1)初始处理时间间隔；(2)中间处理时间间隔；以及(3)终端处理时间间隔。图7a中，在初始处理时间间隔的期间将反应性气体的流动开启，接着在离子束蚀刻的剩余时间内关闭。在一些实现方案中，初始处理时间间隔可表示为离子束蚀刻的期间发生在离子束蚀刻开始的时段。在一些实现方案中，初始处理时间间隔可以是一时段，该时段是离子束蚀刻的整个处理时间的至少5％、至少10％、至少20％、至少30％、介于约5％与约50％之间、介于约10％与约40％之间、或介于约15％与约35％之间。举例来说，如果整个处理时间是20分钟，则初始处理时间间隔可代表整个处理时间的前5分钟。
72.在一些实现方案中，当蚀刻mram堆叠件的一或更多层时，反应性气体在终端处理时间间隔的期间流入处理室内。图7b根据一些实现方案显示了当执行离子束蚀刻时，反应性气体于终端处理时间间隔流动的时序图。在图7b中，于初始处理时间间隔的期间将反应性气体的流动关断，接着在离子束蚀刻的剩余时间内开启反应性气体的流动。在一些实现方案中，终端处理时间间隔可以代表离子束蚀刻期间发生在离子束蚀刻开始之后(而不是开始发生时)的时段。在一些实现方案中，终端处理时间间隔可以是一时段，该时段是离子束蚀刻的整个处理时间的至少5％、至少10％、至少20％、至少30％、介于约5％与约50％之间、介于约10％与约40％之间、或介于约15％与约35％之间。举例来说，如果整个处理时间是20分钟，则终端处理时间间隔可代表整个处理时间的最后5分钟。
73.在一些实现方案中，当蚀刻mram堆叠件的一或更多层时，反应性气体在中间处理时间间隔的期间流入处理室内。图7c根据一些实现方案显示了当执行离子束蚀刻时，反应性气体于中间处理时间间隔流动的时序图。在图7c中，于初始处理时间间隔的期间将反应性气体的流动关断，而在中间处理时间间隔的期间流入处理室内，并随后将反应性气体的
流动关断。在一些实现方案中，中间处理时间间隔可代表离子束蚀刻期间发生在离子束蚀刻开始之后但于结束之前的时段。在一些实现方案中，中间处理时间间隔可以是一时段，该时段是离子束蚀刻的整个处理时间的至少5％、至少10％、至少20％、至少30％、介于约5％与约95％之间、介于约10％与约80％之间、或介于约15％与约50％之间。举例来说，如果整个处理时间为20分钟，则中间处理时间间隔可以表示5分钟的跨距，该跨距发生在整个处理时间的初始(t1＝0分钟)与终端(t2＝20分钟)之间的任何一处。结论
74.在以上描述中，阐述了许多具体细节以提供对所呈现的实施方案的透彻理解。所公开的实施方案可在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下实行。在其他情况下，并未详细描述公知的工艺操作以避免模糊所公开的实施方案。尽管所公开的实施方案结合具体实施方案而进行描述，但应当理解的是这并非意指限制所公开的实施方案。
75.尽管出于清楚理解的目的已经详细描述了前述的实施方案，但是显而易见的是，可以在所附权利要求的范围内进行某些改变和修改。应当注意的是，存在许多实现所呈现的实施方案的工艺、系统、和设备的替代方式。因此，所呈现的实施方案应被认为是说明性的而非限制性的，并且实施方案不限于在本文中所给定的细节。