CN104409333A - 相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法 - Google Patents

相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，包括步骤：1）于衬底上制备GeTe材料薄膜层；2）于所述GeTe材料薄膜层上形成刻蚀阻挡层，并图形化所述刻蚀阻挡层；3）将GeTe材料薄膜层送入具有BCl3和Ar的气体刻蚀腔中；4）在气体刻蚀腔中，通过施加电压，使得BCl3和Ar激发成等离子体体，BCl3主要起化学腐蚀作用，Ar+离子对材料表面进行轰击，两者协同作用，将暴露出来的GeTe材料去除，被刻蚀阻挡层保护的GeTe材料集成到器件或者电路当中。本发明选取了BCl3作为主要的化学反应气体，选取Ar气进行物理轰击，形成了表面光滑，侧壁垂直，侧壁损伤低的GeTe薄膜图形。本发明刻蚀速度很高，且能够很好的控制，具有较广泛的适用范围。

Description

相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及集成电路制作，特别是涉及一种相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法。
背景技术
相变存储器因为其快速的存储速度、高可靠性，好的数据保持力和低功耗被认为是最有潜质成为下一代非易失性数据存储器。相变存储器属于电阻性存储器，以相变材料为储存介质，由晶态和非晶态巨大的电导率差异实现了“0”和“1”的储存。器件由高阻态向低阻态的转变过程定义为SET过程，将器件由低阻态向高阻态转变的过程定义为RESET过程。此外，相变存储器的制作工艺和CMOS工艺兼容，制造成本低，并且已经应用于电子产品当中。
相变存储器的储存介质为相变材料，主要是硫系化合物，特别是基于Te元素的硫系化合物。GST为目前公认的研究最多，性能最为成熟，应用广泛的相变材料，一直处于研究热点。然而，随着应用的需求，单一的GST已经不能满足相变存储器的发展需要了。相变二元合金材料GeTe被认为能够应用于相变存储器，因为其较大的高低电阻差距，高的结晶温度，快的结晶速率。
等离子体是一种包含电子、单阶或多阶电荷的正负离子、中性原子、分子以及分子裂变物的集合。在耦合等离子体刻蚀当中，通常使用BCl3、Cl2、CF4、HBr、Ar、O2等气体，在强电场激发，产生大量活性自由基，F基、Cl基、Br基等活性基团沉积到裸露的材料表面，与未被掩膜保护的材料结合成挥发性的物质，被带离出刻蚀腔。同时这些活性基团，或者Ar+离子以一定的能量轰击到材料表面，与表面层的原子发生碰撞，使其溅射出来，实现了材料的各向异性刻蚀。在器件尺寸越来越小的情况下，高的各向异性显的尤为重要。
在刻蚀过程中，强电场激发的活性基团会与相变材料之间发生化学反应，会对相变材料的侧壁产生刻蚀损伤。同时，随着刻蚀最小线宽的缩小，侧壁的各向同性刻蚀和刻蚀损伤对材料的性能影像越来越严重。降低刻蚀的损伤和各向同性对提升刻蚀后材料性能有很重要的意义。
鉴于以上所述，提供一种解决相变材料GeTe刻蚀的方法实属必要。
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材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，以通过改变刻蚀参数，获得垂直的刻蚀截面，清洁光滑的GeTe材料表面，高的各向异性和稳定的元素组分比。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，包括步骤：
1)提供一衬底，于所述衬底上制备GeTe材料薄膜层；
2)于所述GeTe材料薄膜层上形成刻蚀阻挡层，并图形化所述刻蚀阻挡层；
3)将具有刻蚀阻挡层的GeTe材料薄膜层送入具有BCl3和Ar的气体刻蚀腔中；
4)在气体刻蚀腔中，通过施加电压，使得BCl3和Ar激发成等离子体，BCl3主要起化学腐蚀作用，Ar+离子对材料表面进行轰击，两者协同作用，将暴露出来的GeTe材料去除，被刻蚀阻挡层保护的GeTe材料集成到器件或者电路当中。
作为本发明的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法的一种优选方案，还包括步骤5)去除所述刻蚀阻挡层。
作为本发明的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法的一种优选方案，步骤1)还包括对所述衬底进行清洗及烘干的步骤。
作为本发明的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法的一种优选方案，步骤1)中，制备所述GeTe材料薄膜层所采用的方法包括溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法及原子层沉积法中任一种。
作为本发明的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法的一种优选方案，所述刻蚀阻挡层为光刻胶、氧化物掩膜或氮化物掩膜。
作为本发明的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法的一种优选方案，在刻蚀过程中，形成耦合等离子体的离子体源功率范围为400-700W，衬底的偏置功率范围为100-300W，气体刻蚀腔的气压范围为2.25-6.75mTorr，气体总流量范围为30～80sccm，BCl3/(BCl3+Ar)的流量比值范围为0.2～0.8。
进一步地，在刻蚀过程中，形成耦合等离子体的离子体源功率为600W，衬底的偏置功率为200W，气体刻蚀腔的气压为3.75mTorr；气体总流量为50sccm，BCl3/(BCl3+Ar)的流量比值范围为0.5。
作为本发明的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法的一种优选方案，刻蚀过程中，各刻蚀参数均为独立且可调节。
如上所述，本发明提供一种相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，包括步骤：1)提供一衬底，于所述衬底上制备GeTe材料薄膜层；2)于所述GeTe材料薄膜层上形成刻蚀阻挡层，并图形化所述刻蚀阻挡层；3)将具有刻蚀阻挡层的GeTe材料薄膜层送入具有BCl3和Ar的气体刻蚀腔中；4)在气体刻蚀腔中，通过施加电压，使得BCl3和Ar激发成等离子体，BCl3主要起化学腐蚀作用，Ar+离子对材料表面进行轰击，两者协同作用，将暴露出来的GeTe材料去除，被刻蚀阻挡层保护的GeTe材料集成到器件或者电路当中。本发明针对GeTe的薄膜性质和所需达到的刻蚀效果，选取了BCl3作为主要的化学反应气体，选取Ar气进行物理轰击，形成了表面光滑，侧壁垂直，侧壁损伤低的GeTe薄膜图形。本发明刻蚀速度很高，且能够很好的控制，具有较广泛的适用范围。
附图说明
图1～图6显示为本发明的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法各步骤所呈现的结构示意图。
图7～图11显示为本发明的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法实施例1～实施例5的场发射扫描显微镜图所示示意图。
元件标号说明
101  衬底
102  GeTe材料薄膜层
103  刻蚀阻挡层
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。
请参阅图1～图11。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。
实施例1
如图1～图7所示，本实施例提供一种相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，包括步骤：
如图1所示，首先进行步骤1)，提供一衬底101，于所述衬底101上制备GeTe材料薄膜层102；
作为示例，提供一半导体衬底101，首先对所述衬底101进行清洗及烘干，具体地，使用丙酮，酒精超声清洗，去除表面油污，粉尘等，然后采用去离子水冲洗后，在80℃的温度下进行烘干，烘干的时间大约为20min。
作为示例，制备所述GeTe材料薄膜层102所采用的方法包括溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法及原子层沉积法中任一种。在本实施例中，采用化学气相沉积法PVD工艺沉积所述GeTe材料薄膜层102。
如图2～3所示，然后进行步骤2)，于所述GeTe材料薄膜层102上形成刻蚀阻挡层103，并图形化所述刻蚀阻挡层103；
具体地，首先，于GeTe材料薄膜层102上覆盖一层刻蚀阻挡层103，该刻蚀阻挡层103最好是光刻胶，因为光刻胶容易进行图形化。通过涂胶，甩胶，前烘在材料表面形成光刻胶阻挡层。
然后，图形化上述刻蚀阻挡层103，相当于在刻蚀阻挡层103上形成若干凹槽。即对刻蚀阻挡层103进行曝光，显影，在GeTe材料薄膜层102表面形成图形化的刻蚀阻挡层103，使得预设定的材料表面部分暴露出来，如图3所示，在GeTe材料薄膜层102上形成了图案。
如图4所示，接着进行步骤3)，将具有刻蚀阻挡层103的GeTe材料薄膜层102送入具有BCl3和Ar的气体刻蚀腔中，在本实施例中，所述气体刻蚀腔中充满BCl3和Ar气体。
如图4～图5所示，然后进行步骤4)，在气体刻蚀腔中，通过施加电压，使得BCl3和Ar激发成等离子体，BCl3主要起化学腐蚀作用，Ar+离子对材料表面进行轰击，两者协同作用，将暴露出来的GeTe材料去除，被刻蚀阻挡层103保护的GeTe材料集成到器件或者电路当中。
作为示例，在刻蚀过程中，形成耦合等离子体的离子体源功率范围为400-700W，衬底101的偏置功率范围为100-300W，气体刻蚀腔的气压范围为2.25-6.75mTorr；气体总流量范围为30～80sccm，BCl3/(BCl3+Ar)的流量比值范围为0.2～0.8。另外，刻蚀过程中，各刻蚀参数均为独立且可调节。
具体地，将图形化刻蚀阻挡层103的片子送入充满BCl3及Ar的气体刻蚀腔当中，通过施加高压，使得气体激发成等离子体，到达衬底101的表面，与GeTe材料薄膜层102发生化学反应和物理轰击，将表面裸露出的材料进行刻蚀，直至露出所述半导体衬底101。通过调节刻蚀的工艺参数，让化学腐蚀和物理轰击达到平衡。
本次实施方案中采用的是BCl3和Ar气体，所采用的刻蚀工艺参数分别为衬底101偏置功率200W，等离子体源功率600W，刻蚀气压3.75mTorr，总的气流量为50sccm，且BCl3/(BCl3+Ar)＝50％。
如图6所示，最后进行步骤5)，去除所述刻蚀阻挡层103。
刻蚀完成之后，需要去掉GeTe薄膜材料表面的刻蚀阻挡层103。如果刻蚀阻挡层103为光刻胶，可以通过丙酮、酒精浸泡，或者使用O2等离子体轰击去除。如果为其他刻蚀阻挡层103选择相应的去除方法去除。
本次实施例中使用的刻蚀阻挡层103为光刻胶，同样可以使用氧化硅，氮化硅，或者TiN等常见的刻蚀阻挡材料。此外，本次实施方案中的曝光技术为接触式紫外曝光，同样可以使用电子束曝光等其他曝光手段。
在本实施例的刻蚀过程中，形成耦合等离子体的离子体源功率为600W，衬底101的偏置功率为200W，气体刻蚀腔的气压为3.75mTorr；气体总流量为50sccm，BCl3/(BCl3+Ar)的流量比值范围为0.5。刻蚀的结果如图7所示的场发射扫描显微镜图所示。
实施例2
如图1～图6及图8所示，本实施例提供一种相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，其实施方案与实施例1基本相同，其中，与实施例1不同之处在于实施例2将实施例1中的混合气体比例由BCl3/(BCl3+Ar)＝0.5改为BCl3/(BCl3+Ar)＝0.6，刻蚀结果如图8所示。
实施例3
如图1～图6及图9所示，本实施例提供一种相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，其实施方案与实施例1基本相同，其中，与实施例1不同之处在于实施例3将实施例1中的等离子体源功率由600W改为400W，刻蚀结果如图9所示。
实施例4
如图1～图6及图10所示，本实施例提供一种相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，其实施方案与实施例1基本相同，其中，与实施例1不同之处在于实施例4将实施例1中的气体刻蚀腔气体压强由3.75mTorr改为5.25mTorr，刻蚀结果如图10所示。
实施例5
如图1～图6及图11所示，本实施例提供一种相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，其实施方案与实施例1基本相同，其中，与实施例1不同之处在于实施例5将实施例1中的衬底101偏置功率由600W改为400W。刻蚀结果如附图11所示。
如上所述，本发明提供一种相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，包括步骤：1)提供一衬底101，于所述衬底101上制备GeTe材料薄膜层102；2)于所述GeTe材料薄膜层102上形成刻蚀阻挡层103，并图形化所述刻蚀阻挡层103；3)将具有刻蚀阻挡层103的GeTe材料薄膜层102送入具有BCl3和Ar的气体刻蚀腔中；4)在气体刻蚀腔中，通过施加电压，使得BCl3和Ar激发成等离子体，BCl3主要起化学腐蚀作用，Ar+离子对材料表面进行轰击，两者协同作用，将暴露出来的GeTe材料去除，被刻蚀阻挡层103保护的GeTe材料集成到器件或者电路当中。本发明针对GeTe的薄膜性质和所需达到的刻蚀效果，选取了BCl3作为主要的化学反应气体，选取Ar气进行物理轰击，形成了表面光滑，侧壁垂直，侧壁损伤低的GeTe薄膜图形。本发明刻蚀速度很高，且能够很好的控制，具有较广泛的适用范围。所以，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 (8)

1.一种相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，其特征在于，包括步骤：
1)提供一衬底，于所述衬底上制备GeTe材料薄膜层；
2)于所述GeTe材料薄膜层上形成刻蚀阻挡层，并图形化所述刻蚀阻挡层；
3)将具有刻蚀阻挡层的GeTe材料薄膜层送入具有BCl3和Ar的气体刻蚀腔中；
4)在气体刻蚀腔中，通过施加电压，使得BCl3和Ar激发成等离子体，BCl3主要起化学腐蚀作用，Ar+离子对材料表面进行轰击，两者协同作用，将暴露出来的GeTe材料去除，被刻蚀阻挡层保护的GeTe材料集成到器件或者电路当中。
2.根据权利要求1所述的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，其特征在于：还包括步骤5)去除所述刻蚀阻挡层。
3.根据权利要求1所述的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，其特征在于：步骤1)还包括对所述衬底进行清洗及烘干的步骤。
4.根据权利要求1所述的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，其特征在于：步骤1)中，制备所述GeTe材料薄膜层所采用的方法包括溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法及原子层沉积法中任一种。
5.根据权利要求1所述的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，其特征在于：所述刻蚀阻挡层为光刻胶、氧化物掩膜或氮化物掩膜。
6.根据权利要求1所述的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，其特征在于：在刻蚀过程中，形成耦合等离子体的离子体源功率范围为400-700W，衬底的偏置功率范围为100-300W，气体刻蚀腔的气压范围为2.25-6.75mTorr，气体总流量范围为30～80sccm，BCl3/(BCl3+Ar)的流量比值范围为0.2～0.8。
7.根据权利要求6所述的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，其特征在于：在刻蚀过程中，形成耦合等离子体的离子体源功率为600W，衬底的偏置功率为200W，气体刻蚀腔的气压为3.75mTorr；气体总流量为50sccm，BCl3/(BCl3+Ar)的流量比值范围为0.5。
8.根据权利要求6所述的相变材料GeTe的耦合等离子体刻蚀方法，其特征在于：刻蚀过程中，各刻蚀参数均为独立且可调节。
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Application publication date: 20150311

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