专利名称：用于制造硫族化合物存储元件的蚀刻方法
技术领域：
本发明通常涉及半导体器件及制造领域，更加具体地，本发明涉及存储元件和制造存储元件的方法。
背景技术：
硫族化合物材料合金具有通过施加温度在非晶相和晶相之间转变的能力。相变既改变了材料的电学性能也改变了材料的光学性能。近来，这些材料已被引入诸如相变化存储器(OUM)这样的非易失性存储元件。
用于生产OUM的普通硫族化合物为GexSbyTez(GST)，其中典型值为x＝2，y＝2及z＝5。在输入皮焦耳的能量的情况下，硫族化合物在毫微秒时段内可以在多种电可探测的变化的阻抗条件之间切换。硫族化合物存储单元的操作要求已知为活性区的硫族化合物存储材料区域经受电流脉冲而在所述活性区中改变硫族化合物材料的结晶状态。典型地，需要在大约105和107A/cm2之间的电流密度。为了在商业性可行的器件中获得这种电流密度，每个存储单元的活性区应被制作的尽可能地小以最小化存储器件使用的总电流。
用于蚀刻GST膜的技术现状是使用离子铣削。这一点可参见Klersey(美国专利申请号2003/0075778)，其描述了使用离子铣削来蚀刻GST膜。尽管离子铣削造成了各向异性蚀刻的部件，但是这种工艺形成能在器件表面再沉积的非易失性蚀刻产品。因此，GST OUM器件所要求的这种小部件的产量很低。
为了增加GST OUM器件的产量，需要具体规定用于GST膜的蚀刻步骤的操作参数以使得在降低非易失性蚀刻产品的同时该工艺被实现为值得生产的工艺(例如没有所需要的难以获得的或不可控制的参数值)。
因此需要这样一种工艺，其在降低非易失性蚀刻产品的同时以对于蚀刻掩模和蚀刻停止层有选择性的可控制的蚀刻速度各向异性地蚀刻GST。
现有技术没有提供本发明所带来的任何益处。
因此，本发明的一个目的是提供一种改进，其克服了现有技术器件的不足，并且对于半导体处理技术的进展做出了重要贡献。
本发明的另一个目的是提供一种用于形成存储元件的改进的方法，所述方法包括以下步骤在真空室中放置基板，所述基板具有介电蚀刻停止层、硫族化合物层、抗反射层和掩模层；将至少一种含氯气体引入所述真空室；在所述真空室中激发高密度等离子体；蚀刻所述硫族化合物层和所述抗反射层以在所述基板上暴露所述介电蚀刻停止层；从所述真空室移去所述基板；以及从所述基板剥离所述掩模层。
本发明的再一个目的是提供一种用于形成存储元件的改进的方法，所述方法包括以下步骤在真空室中放置基板，所述基板具有介电蚀刻停止层、硫族化合物层、抗反射层和掩模层；将至少一种含氯气体引入所述真空室；在所述真空室中激发高密度等离子体；蚀刻所述硫族化合物层和所述抗反射层以在所述基板上暴露所述介电蚀刻停止层；根据终点探测系统中断所述蚀刻步骤；从所述真空室移去所述基板；以及从所述基板剥离所述掩模层。
前面的说明已概述了本发明的一些有关的目的。这些目的应当理解成本发明的更显著的特征和应用的示例性描述。通过以不同的方式应用本公开的发明或者在公开的范围内修改本发明可以获得很多其它的有益的结果。因此，除了结合附图参照由权利要求书限定的本发明的范围之外，通过参照本发明的发明内容和具体实施方式
可以获得本发明的其它目的以及对本发明的更全面的理解。
发明内容
为了概述本发明的目的，本发明包括一种改进的方法，用于在形成诸如相变化存储器(OUM)这样的存储元件时蚀刻如Ge2Sb2Te5(GST)这样的硫族化合物层。
本发明的特征是提供一种用于形成存储元件的改进的方法。该方法包括以下步骤。在真空室中放置基板。所述基板可以是半导体基板如硅、砷化镓或任何已知的包括化合物半导体如II-VI族化合物和III-V族化合物的半导体。所述基板可以放置在真空室中的基板支架上。所述基板支架可以是在真空室中用于产生电场的下电极。所述基板具有介电蚀刻停止层、硫族化合物层、抗反射层和掩模层。所述硫族化合物层可以是GexSbyTez膜，其中比率为Ge2Sb2Te5。至少一种含氯气体如BCl3和Cl2被引入所述真空室，用于通过从真空室中的所述含氯气体激发的高密度等离子体蚀刻所述硫族化合物层和抗反射层。另外，可以将含氢气体和/或氧清扫气体引入所述真空室以形成用于蚀刻所述基板的等离子体。高密度等离子体由高密度等离子体源如在大约2MHz频率下工作的感应耦合等离子体源产生。蚀刻所述硫族化合物层和所述抗反射层以在所述基板上暴露所述介电蚀刻停止层。通过真空室中的基板夹持器向所述基板施加偏压。RF偏压可以在约13.56MHz的频率下工作。一旦结束蚀刻工艺，就从所述真空室移去所述基板并且从所述基板剥离所述掩模层。
本发明的另一个特征是提供一种用于形成存储元件的改进的方法。该方法包括以下步骤。在真空室中放置基板。所述基板可以是半导体基板如硅、砷化镓或任何已知的包括化合物半导体如II-VI族化合物和III-V族化合物的半导体。所述基板可以放置在真空室中的基板支架上。所述基板支架可以是在真空室中用于产生电场的下电极。所述基板具有介电蚀刻停止层、硫族化合物层、抗反射层和掩模层。所述硫族化合物层可以是GexSbyTez膜，其中比率为Ge2Sb2Te5。至少一种含氯气体如BCl3和Cl2被引入所述真空室，用于通过从真空室中的所述含氯气体激发的高密度等离子体蚀刻所述硫族化合物层和抗反射层。另外，可以将含氢气体和/或氧清扫气体引入所述真空室以形成用于蚀刻所述基板的等离子体。高密度等离子体由高密度等离子体源如在大约2MHz频率下工作的感应耦合等离子体源产生。蚀刻所述硫族化合物层和所述抗反射层以在所述基板上暴露所述介电蚀刻停止层。通过真空室中的基板夹持器向所述基板施加偏压。RF偏压可以在约13.56MHz的频率下工作。根据终点探测系统如光发射光谱系统在如387nm的特定波长下监控的蚀刻终点轨迹中断蚀刻工艺。一旦结束蚀刻工艺，就从所述真空室移去所述基板并且从所述基板剥离所述掩模层。
前面的说明相当宽泛地概述了本发明的更相关并且更重要的特征，以使得以下的本发明的更详细的描述可以被更好地理解，从而使得本发明对现有技术的贡献能被更全面地理解。本发明其它的特征将在下面进行描述，其形成为本发明的权利要求的主题。本领域的普通技术人员应当理解这里所公开的构思和具体实施例可以很容易被用作修改或设计其它结构以执行本发明的相同目的的基础。本领域的技术人员还应当意识到这些等同的构造没有脱离所附的权利要求书阐述的本发明的精神和范围。
图1A是在蚀刻前GST测试结构的图形表示；图1B是在蚀刻后GST测试结构的图形表示；图2是根据本发明用BCl3/Cl2气体混合物蚀刻的基板上的单个GST测试结构的扫描电子显微镜照片；图3是根据本发明用BCl3/Cl2气体混合物蚀刻的基板上的几个GST测试结构的扫描电子显微镜照片；图4是根据本发明用Ar/Cl2气体混合物蚀刻的基板上的几个GST测试结构的扫描电子显微镜照片；图5是根据本发明用HBr/Cl2气体混合物蚀刻的基板上的几个GST测试结构的扫描电子显微镜照片；和图6显示了在387nm下监控的图1B的结构的蚀刻终点轨迹。
贯穿所述几幅附图，类似的附图标记指示类似的部分。
具体实施例方式
公开了一种改进的方法，其使用含氯等离子体蚀刻在形成存储器件如相变化存储器(OUM)中使用的具有如Ge2Sb2Te5(GST)这样的硫族化合物层的结构。
为了确定合适的蚀刻化学组成，有益地是通常要考虑潜在的蚀刻产品的标准沸点。表1显示了在氟、氯、溴和氢基化学组成中Ge2Sb2Te5的潜在蚀刻产品。越低的标准沸点表示越易失性(希望)的蚀刻产品。
根据蚀刻产品的易失性，氟、氯、溴和氢都将潜在地形成易失性蚀刻产品。
表1标准沸点数据
图1A显示了在蚀刻工艺之前用于包括硫族化合物即GST层的典型的结构的多个层。图1B显示了在本发明的各向异性蚀刻工艺之后包括GST层的典型的结构。所示具有GST层的典型结构包括光致抗蚀剂掩模(掩模层)和GST层之间的抗反射(AR)层，并且在GST层之下还有介电蚀刻停止(SiO2，SiN等)层。除了各向异性地蚀刻GST层之外，还希望在保持GST层和最后的介电蚀刻停止层之间的高蚀刻选择性的同时使用单步骤工艺来各向异性地蚀刻AR层和GST层。
尽管氢化学组成对于蚀刻GST层是可接受的并且具有对下面的介电蚀刻停止层的高蚀刻选择性，但是单独的氢对于蚀刻AR层通常是非常无效的。
氟基化学组成可以蚀刻GST层和AR层，但是对于下面的介电蚀刻停止层却表现出差的蚀刻选择性。
氯基化学组成能够各向异性地蚀刻AR层和GST层，并且对于介电蚀刻停止层具有可以接受的蚀刻选择性。注意，氯和氢的气体混合物(H2加HCl等)也提供好的蚀刻结果。可以将氧清扫气体(如BCl3和SiCl4)加入到处理气体混合物以帮助平滑蚀刻表面形态并且通过侧壁钝化有助于蚀刻各向异性。
还显示HBr/Cl2处理能够蚀刻AR层和GST层。还显示Ar/Cl2处理能够蚀刻AR层和GST层。
实施例系统描述初始实验在商用Unaxis SLR 770蚀刻机上进行。该反应器使用2MHz ICP源来产生高密度等离子体。通过在13.56MHz独立地向阴极施加偏压来控制基板(晶片)处的离子能量。通过将晶片机械地夹在与He背面冷却相结合的液冷式阴极来调节晶片温度。过程终点实验使用商用Unaxis Spectraworks光发射系统(OES)。
实验结果使用下面的工艺来蚀刻如图1B中所示的测试结构BCl310sccmCl220sccm压力 5mtorrRF偏压50W
ICP功率800W该工艺造成GST蚀刻速率4000/分钟光致抗蚀剂蚀刻速率 1860/分钟介电蚀刻停止速率 500/分钟GST∶光致抗蚀剂2.2∶1GST∶介电蚀刻停止 8∶1图2显示了使用BCl3/Cl2处理气体等离子蚀刻GST层和AR层一直到下面的介电蚀刻停止层的情况下单个测试结构的横截面的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图3显示了使用BCl3/Cl2处理气体等离子蚀刻GST层和AR层一直到下面的介电蚀刻停止层的情况下与图2相同的几个测试结构的横截面的SEM照片。
图4显示了使用Ar/Cl2处理气体等离子蚀刻GST层和AR层一直到下面的介电蚀刻停止层的情况下与图2和图3相同的几个测试结构的横截面的SEM照片。
图5显示了使用HBr/Cl2处理气体等离子蚀刻GST层和AR层一直到下面的介电蚀刻停止层的情况下与图2-4相同的几个测试结构的横截面的SEM照片。
为了最小化在过蚀刻过程中所述介电蚀刻停止层的损失，期望能检测到蚀刻工艺到达GST与蚀刻停止层的界面的时间。通过使用光发射光谱，可以检测到何时蚀刻到达GST与蚀刻停止层的界面。图6显示了图1B的结构的蚀刻终点迹线，其中蚀刻停止层是在387nm监控下的SiN。
本公开包括所附的权利要求书包含的内容以及前面所描述的内容。尽管以一定程度的特殊性的优选形式对本发明进行了描述，但是应当理解本优选形式的公开只是以实施例的形式阐述的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以采取结构的细节方面的多种变化以及部件的组合和布置。
权利要求
1.一种用于形成存储元件的改进的方法，所述方法包括以下步骤在真空室中放置基板，所述基板具有介电蚀刻停止层、硫族化合物层、抗反射层和掩模层；将至少一种含氯气体引入所述真空室；在所述真空室中激发高密度等离子体；蚀刻所述硫族化合物层和所述抗反射层以在所述基板上暴露所述介电蚀刻停止层；从所述真空室移去所述基板；以及从所述基板剥离所述掩模层。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述硫族化合物层包括GexSbyTez。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述GexSbyTez为Ge2Sb2Te5。
4.如权利要求1所述的方法，还包括步骤在所述真空室中向所述基板施加偏压。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述偏压为在约13.56MHz的频率下工作RF偏压。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述高密度等离子体源为感应耦合等离子体源。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述感应耦合等离子体源具有大约2MHz的频率。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述含氯气体包括BCl3和Cl2的混合物。
9.如权利要求1所述的方法，还包括进入含氢气体。
10.如权利要求1所述的方法，还包括引入氧清扫气体。
11.一种用于形成存储元件的改进的方法，所述方法包括以下步骤在真空室中放置基板，所述基板具有介电蚀刻停止层、硫族化合物层、抗反射层和掩模层；将至少一种含氯气体引入所述真空室；在所述真空室中激发高密度等离子体；蚀刻所述硫族化合物层和所述抗反射层以在所述基板上暴露所述介电蚀刻停止层；根据终点探测系统中断所述蚀刻步骤；从所述真空室移去所述基板；以及从所述基板剥离所述掩模层。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述终点探测系统使用由光发射光谱系统在特定波长下监控的蚀刻终点轨迹。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述硫族化合物层包括GexSbyTez。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述GexSbyTez为Ge2Sb2Te5。
15.如权利要求11所述的方法，还包括步骤在所述真空室中向所述基板施加偏压。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述偏压为在约13.56MHz的频率下工作的RF偏压。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述高密度等离子体源为感应耦合等离子体源。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述感应耦合等离子体源具有大约2MHz的频率。
19.如权利要求11所述的方法，其中所述含氯气体包括BCl3和Cl2的混合物。
20.如权利要求11所述的方法，还包括引入含氢气体。
21.如权利要求11所述的方法，还包括引入氧清扫气体。
全文摘要
本发明提供一种用于形成具有如Ge
文档编号H01L45/00GK1836342SQ200480021249
公开日2006年9月20日 申请日期2004年7月20日 优先权日2003年7月21日
发明者李耀升, 迈克·德夫雷 申请人:优利讯美国有限公司