CN103094476A

CN103094476A - 相变合金材料的无损刻蚀方法

Info

Publication number: CN103094476A
Application number: CN2013100185056A
Authority: CN
Inventors: 李俊焘; 刘波; 宋志棠; 冯高明; 吴关平
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: CN103094476B

Abstract

本发明提供一种相变合金材料的无损刻蚀方法，包括如下步骤：提供一半导体衬底；在该半导体衬底上形成相变合金材料层；在所述相变合金材料层的上表面形成刻蚀阻挡层；图形化所述刻蚀阻挡层，以使预设部分的相变合金材料层的表面暴露出来；使暴露出来的相变合金材料层的表面浸没于含有溴化氢与氦气的刻蚀气体中；将所述刻蚀气体激发成等离子体以刻蚀暴露出来的相变合金材料层至所述半导体衬底上。本发明的优点在于，采用了溴化氢的刻蚀气体，可以减少刻蚀过程中的侧向腐蚀，氦气作为惰性气体，可以避免引入氧气或氮气而导致的材料表面性能改变，从而获得清洁、平整、陡直且无侧壁损伤的相变合金材料图形。

Description

相变合金材料的无损刻蚀方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，尤其涉及一种相变合金材料的无损刻蚀方法。

背景技术

相变存储器是一种新型的非易失性数据存储器件，利用相变合金材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性或光学特性差异来数据存储。相变存储器具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、器件尺寸小、功耗低和制造工艺简单等优点，可取代多种传统的存储器，并广泛应用于移动通讯、移动数据终端、移动多媒体等消费类电子等领域。

应用于相变存储器中的相变合金材料通常是硫系化合物，如锗-锑-碲，硅-锑-碲等合金。目前业界广泛是通过刻蚀工艺将相变合金材料进行图形定义，并整合在相变存储器的制作中。由于相变合金材料不是传统半导体工艺中的常见材料，因此，在通过刻蚀工艺进行图形定义时面临了很多新的问题。

在相变合金材料等离子刻蚀工艺中，氯气或碳的氟化物通常作为主刻蚀气体。由于在刻蚀过程中卤素与相变合金材料之间发生的化学反应，相变合金材料侧壁会产生刻蚀损伤。在刻蚀过程中引入氮气或氧气会同样会导致材料表面成分发生漂移。随着工艺节点的不断缩小，相变合金材料的线宽也越来越小，由侧壁损伤对器件性能影响将越来越严重。

图1所示为采用氯气或碳的氟化物作为主刻蚀气体，进行刻蚀所得到的相变合金材料剖面示意图，包括半导体衬底110，依次布置于该半导体衬底110表面的相变合金材料图形112以及刻蚀阻挡层122。

图2a-图2b所示为采用氯气以及碳的氟化物刻蚀后相变合金材料的横截面透射电镜照片。从图中可以清晰的看到，由于在采用氯气或碳的氟化物为主刻蚀气体时所产生的侧向腐蚀作用，相变合金材料的侧壁表面粗糙，出现钻蚀及元素损失的现象。这些是实际工艺中所不希望得到的结果。

鉴于此，实有必要提供一种新的方法以克服上述问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种相变合金材料的无损刻蚀方法，用于解决现有技术中相变合金材料刻蚀中侧壁损伤的问题。能够避免对相变合金材料的侧向腐蚀及元素损失，从而获得具有清洁平整陡直侧壁的相变合金材料图形。

为了解决上述问题，本发明提供了一种相变合金材料的无损刻蚀方法，包括如下步骤: 提供一半导体衬底；

在该半导体衬底上形成相变合金材料层；

在所述相变合金材料层的上表面形成刻蚀阻挡层；

图形化所述刻蚀阻挡层，以使预设部分的相变合金材料层的表面暴露出来；

使暴露出来的相变合金材料层的表面浸没于含有溴化氢与氦气的刻蚀气体中；

将所述刻蚀气体激发成等离子体以刻蚀暴露出来的相变合金材料层至所述半导体衬底上。

作为可选的技术方案，所述相变合金材料包括锑碲化合物或锗碲化合物。

作为可选的技术方案，将所述刻蚀气体激发成等离子体时，反应室压力为1～100mT；离子体源功率为300～700瓦；偏置电压为250～400伏。

作为可选的技术方案，所述刻蚀阻挡层的材料为光刻胶、金属硬掩膜、介电质硬掩膜或其它多层掩膜等。

本发明的优点在于选取溴化氢作为刻蚀的主要化学反应气体，并采用氦气进行物理轰击，可以形成清洁、平整、陡直且无侧壁损伤的相变合金材料图形。

附图说明

附图1所示为现有采用氯气或碳的氟化物作为腐蚀气体，进行刻蚀后得到的相变合金材料构成的截面示意图。

附图2a-图2b所示为现有采用氯气与碳的氟化物作为腐蚀气体，进行刻蚀后得到的相变合金材料构成的剖面透射电镜照片。

附图3 所示为本发明提供的刻蚀相变合金材料的方法具体实施方式的实施步骤框图。

附图4所示为提供相变合金材料合金层，所述相变合金材料层布置于半导体衬底表面。

附图5所示为在相变合金材料层的表面覆盖刻蚀阻挡层。

附图6所示为图案化所述刻蚀阻挡层，以使预定部分的相变合金材料层的表面暴露出来。

附图7所示为本发明提供的刻蚀相变合金材料的方法具体实施方式的工艺流程图。

附图8所示为本发明提供的刻蚀相变合金材料的方法具体实施方式后得到的相变合金材料构成的截面示意图。

附图9所示为本发明提供的刻蚀相变合金材料的方法具体实施工艺后得到的剖面电镜照片。

元件标号说明

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合附图对本发明提供的刻蚀相变合金材料的方法具体实施方式做详细说明。附图3所示为本具体实施方式的实施步骤示意图，具体步骤如下：

步骤S110，提供半导体衬底，在该半导体衬底上形成相变合金材料层；

步骤S120，在所述相变合金材料的表面形成刻蚀阻挡层；

步骤S130，图形化所述刻蚀阻挡层，以使预定部分的相变合金材料层的表面暴露出来；步骤S140,使露出的相变合金材料层的表面浸没于含有溴化氢与氦气的混合气氛形成的刻蚀气体中；

步骤S150，将刻蚀气体激发成等离子体，以刻蚀相变合金材料层至所述半导体衬底上。

附图4至附图7所示为本具体实施方式的工艺流程图。其中，图4所示为步骤S110之后的具体结构示意图。提供一半导体衬底210，在该半导体衬底210上形成相变合金材料层220。所述半导体衬底210可以是硅衬底或者其它化合物半导体衬底。例如SOI结构。

所述相变合金材料层220的材料可以为锗-锑-碲、硅-锑-碲、钛-锑-碲、铝-锑-碲或其它锑-碲化合物以及锗-碲化合物等。

请参阅附图5所示，参考步骤S120，在所述相变合金材料层220的表面覆盖刻蚀阻挡层230。所述刻蚀阻挡层230的材料最好是光刻胶。光刻胶作为刻蚀阻挡层的优点在于容易进行图形化。所述刻蚀阻挡层230的材料也可以是金属硬掩膜、介电质硬掩膜或其它多层掩膜等。

例如：氧化硅、氮化硅或氮化钛等本领域内常见的用于进行刻蚀阻挡的材料。

请参阅附图6所示，参考步骤S130，图形化所述刻蚀阻挡层230，即在该刻蚀阻挡层上形成若干凹槽231，以使预设图形的相变合金材料层220暴露出来。所述图形化的刻蚀阻挡层可以采用本领域内常见的光刻和刻蚀方法或电子束曝光的方法形成，在此不再赘述。此步骤实施完毕后，于所述相变合金材料层220的表面形成刻蚀阻挡图形。

请参阅附图7所示，参考步骤S140，采用等离子体刻蚀方法，使露出的相变合金材料层的表面浸没于含有溴化氢与氦气的混合气氛形成的刻蚀气体中继续刻蚀。

参考步骤S150，将混合气氛形成的刻蚀气体激发成等离子体，以刻蚀露出的相变合金材料层直至半导体衬底210上。附图8是刻蚀之后的结构示意图。

上述等离子体刻蚀方法为本领域常见的方法，本实施例中采用溴化氢，所采用的工艺条件和参数可以是：反应室1～100mT（1mT=0.133Pa）、等离子体激发的源功率为300～700瓦，偏置电压为250～400伏，溴化氢流量为100～250sccm（1sccm=1毫升/分钟），氦气流量为100～500sccm。本实施例中，溴化氢与氦气的体积比大致为1:3。

在等离子体刻蚀过程中，以溴化氢为主的腐蚀性气体参与相变合金材料的刻蚀，与氯气或碳的氟化物刻蚀相比更温和，其本身能在材料侧壁产生金属卤化物保护侧壁，从而形成陡直平整且无刻蚀损伤的侧壁。实验表明采用溴化氢作为主刻蚀气体的程式获得的侧壁最佳。

由于含有溴化氢的刻蚀气体是反应物质，步骤S140中所通入的刻蚀气体中，所述含有溴化氢与氦气的组合气体在比例相配合（HBr与He体积比大致为1:3）的情况下，可以获得最佳的工艺效果。实验表明，含有溴化氢的刻蚀气体更易于获得清洁、平整、陡直的侧壁。附图9为采用上述具体实施方式后获得的具有陡直平整侧壁的相变合金材料层图形的透射电镜示意图，包括衬底310、相变合金材料图形320和刻蚀阻挡层330。与附图2相比可以明显的看出采用本具体实施方法可以获得陡直侧壁的相变合金材料图形，同时刻蚀过程中对侧壁造成的损伤也得到了降低。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种相变合金材料的无损刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一半导体衬底；

在该半导体衬底上形成相变合金材料层；

在所述相变合金材料层的上表面形成刻蚀阻挡层；

2.根据权利要求1所述的相变合金材料的无损刻蚀方法，其特征在于，所述的相变合金材料是锑碲化合物或锗碲化合物。

3.根据权利要求1所述的相变合金材料的无损刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀阻挡层的材料为光刻胶、金属硬掩膜或介电质硬掩膜。

4.根据权利要求1所述的相变合金材料的无损刻蚀方法，其特征在于，将所述刻蚀气体激发成等离子体时，反应室压力为1～100mT；离子体源功率为300～700瓦；偏置电压为250～400伏。

5.根据权利要求4所述的相变合金材料的无损刻蚀方法，其特征在于，使暴露出来的相变合金材料层的表面浸没于含有溴化氢与氦气的刻蚀气体中时，溴化氢流量为100～250sccm，氦气流量为100～500sccm。