[发明专利]一种减小刻蚀产物侧壁再淀积的刻蚀方法

说明书

本发明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。

技术领域

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。

发明内容

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：