一种减小刻蚀产物侧壁再淀积的刻蚀方法技术

本发明专利技术公开了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。所述方法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；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，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。

An Etching Method for Reducing Side Wall Redeposition of Etching Products

【技术实现步骤摘要】
一种减小刻蚀产物侧壁再淀积的刻蚀方法
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术提供了一种减小刻蚀产物侧壁再淀积的刻蚀方法。本专利技术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。本专利技术的第二个目的在于提供上述方法在半导体
内的应用。本专利技术有益效果是：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专利技术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专利技术的一些实施例，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，采用本专利技术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是以本专利技术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是以本专利技术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专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术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/minICP电源功率：500W直流偏置：300V本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MTJ器件的刻蚀方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种MTJ器件的刻蚀方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜岩峰，王旭锋，于平平，梁海莲，张曙斌，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32