一种感应耦合等离子体刻蚀设备及刻蚀方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种感应耦合等离子体刻蚀设备及刻蚀方法。

背景技术：

随着半导体器件特征尺寸的进一步缩小，传统闪存技术将达到材料物理特性所规定的极限。为进一步提高器件的性能，研发人员开始对新结构、新材料、新工艺进行积极的探索。近年来，各种新型非易失性存储器得到了迅速发展。其中，磁性随机存储器(mram)因拥有静态随机存储器(sram)的高速读取写入能力，动态随机存储器(dram)的高集成度，远低于dram的功耗，并且相对于快闪存储器(flash)，性能不会随使用时间增加而退化等优势，受到业界越来越多的关注，被认为是极有可能替代sram、dram、flash成为下一代“通用”存储器的强有力候选者之一。产业界及科研机构致力于优化电路设计、工艺方法及集成方案以获得能够成功商业化的mram器件。

磁隧道结(mtj)是mram的核心结构，该结构由固定层、非磁性隔离层和自由层组成。其中，固定层较厚，磁性较强，磁矩不容易反转；而自由层较薄，磁性较弱，磁矩容易反转。根据自由层和固定层之间磁矩平行和反平行的变化，输出“0”或“1”的状态。

传统的大尺寸mtj刻蚀大都通过离子束刻蚀完成的。由于离子束刻蚀采用惰性气体，基本未在反应腔室中引入化学刻蚀成分，从而使mtj的侧壁免受化学反应的侵蚀。但是，当磁存储器器件的尺寸进入80nm以下，尤其是点距小于120nm时，单纯靠离子束刻蚀很难完成器件的完整无损伤分离。因此，反应离子等离子体刻蚀腔室逐步进入研发及存储器工业界的视野。由于mtj大量采用的磁性材料、过渡金属材料等，常常难以与已知的化学气体反应形成可以让真空泵抽走的可挥发性气体，这使得基于反应离子等离子体刻蚀腔室的mtj刻蚀也很大程度上依赖于物理轰击的刻蚀原理。换言之，这些磁性材料及过渡金属材料的刻蚀是靠物理力将这些膜层逐步轰击起来，在真空泵的作用下抽送离开膜层的，从而完成了刻蚀。这就需要反应离子刻蚀腔室的物理力可大可小，力的大小分布范围可控。传统的反应离子刻蚀设备所使用的电源频率都在1mhz以上，无法提供相对较大的物理力，从而使得反应离子刻蚀腔刻蚀磁隧道结的能力不足，影响了刻蚀后器件的性能及刻蚀设备的产率。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明公开一种感应耦合等离子体刻蚀设备，包括刻蚀腔、激励射频电源、第一偏压射频电源，还包括第二偏压射频电源，所述第二偏压射频电源的频率明显低于所述第一偏压射频电源频率。

本发明的感应耦合等离子体刻蚀设备，优选为，所述第一偏压射频电源的频率是13.56mhz、27.12mhz或40.68mhz。

本发明的感应耦合等离子体刻蚀设备，优选为，所述第二偏压射频电源的频率为200khz～500khz，功率为10w～2000w；

本发明的感应耦合等离子体刻蚀设备，优选为，所述第二偏压射频电源的频率为1.7mhz～2.3mhz，功率10w～1000w。

本发明的感应耦合等离子体刻蚀设备，优选为，所述激励射频电源与刻蚀腔的上电极相连接，所述第一偏压射频电源和所述第二偏压射频电源分别通过开关与刻蚀腔的下电极相连接。

本发明的感应耦合等离子体刻蚀设备，优选为，在刻蚀过程中，所述激励射频电源处于开启状态，所述第一偏压射频电源和所述第二偏压射频电源可以开启其中一个。

本发明的感应耦合等离子体刻蚀设备，优选为，所述激励射频电源与刻蚀腔的上电极相连接，所述第一偏压射频电源通过高通滤波器与刻蚀腔的下电极相连接，所述第二偏压射频电源通过低通滤波器与刻蚀腔的下电极相连接。

本发明的感应耦合等离子体刻蚀设备，优选为，在刻蚀过程中，所述激励射频电源处于开启状态，所述第一偏压射频电源和所述第二偏压射频电源可以开启其中一个或者两个同时开启。

本发明还公开一种感应耦合等离子体刻蚀方法，在刻蚀过程中，开启所述激励射频电源，根据工艺需要，至少开启所述第一偏压射频电源和所述第二偏压射频电源中的一个。

本发明的感应耦合等离子体刻蚀方法，优选为，所述感应耦合等离子体刻蚀方法适用于磁性隧道结的刻蚀。

附图说明

图1是电流驱动的氮气放电中，单一鞘层内离子能量分布函数在不同频率下的数值模拟结果。

图2是感应耦合等离子体刻蚀设备的一个实施例的射频电源配置示意图。

图3是感应耦合等离子体刻蚀设备的另一个实施例的射频电源配置示意图。

图4是第一偏压射频电源和第二偏压射频电源同时开启时分别在(a)第一偏压射频电源支路的测试点t1和(b)第二偏压射频电源支路的测试点t2测得的相对回路正向传输系数曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的感应耦合等离子体刻蚀设备，包括刻蚀腔、激励射频电源、第一偏压射频电源和第二偏压射频电源，其中，第二偏压射频电源的频率明显低于第一偏压射频电源频率。例如，第一偏压射频电源的频率是13.56mhz、27.12mhz或40.68mhz，第二偏压射频电源根据刻蚀图形的不同，可以选择不同频率，通常有两个频段可供选择：第二偏压射频电源的频率在350khz～450khz之间，功率在10w～2000w之间；或者，第二偏压射频电源的频率在1.7mhz～2.3mhz之间，功率10w～1000w之间。

在等离子体材料处理中，由于衬底表面会受到离子的轰击，所以离子能量分布十分重要。在michal所著的《等离子体放电原理与材料处理》一书的第十一章中，给出了电流驱动的氮气放电中，单一鞘层内离子能量分布函数在不同频率下的数值模拟结果，如图1所示。在不同射频频率下，衬底表面的离子能量呈双峰分布，并且双峰间的宽度随频率降低而逐渐变宽，相应地低能离子的能量向更低的方向移动，而高能离子的能量则变得更高。因此，降低射频频率将获得能量更高的离子，这对依赖于物理轰击的mtj刻蚀是有利的。

在感应耦合等离子体刻蚀设备的一个实施例中，如图2所示，激励射频电源与刻蚀腔的上电极相连接，利用上电极电感线圈中流过的射频电流，产生电磁场激发气体电离(icp)。第一偏压射频电源和第二偏压射频电源分别通过开关与刻蚀腔的下电极相连接，为等离子提供偏压能量。在刻蚀过程中，激励射频电源处于开启状态，第一偏压射频电源和所述第二偏压射频电源可以开启其中一个。进一步优选地，上述各射频电源与刻蚀腔的连接，通过射频电源匹配器进行阻抗转换，从而使射频能量的传输最大化。

在感应耦合等离子体刻蚀设备的另一实施例中，如图3所示，激励射频电源与刻蚀腔的上电极相连接，第一偏压射频电源通过高通滤波器与刻蚀腔的下电极相连接，第二偏压射频电源通过低通滤波器与刻蚀腔的下电极相连接。具体来说，滤波器使用电感与电容的网络实现特定频率下的阻抗变换，达到传输功率和滤波的作用。比如高通滤波器的串联回路上使用电容阻挡低频通过，并联回路上使用电感分压将通过的少量低频功率滤除。低通滤波器的串联回路上使用电感阻挡高频通过，并联回路上使用电容分压将通过的少量高频功率滤除。在刻蚀过程中，激励射频电源处于开启状态，第一偏压射频电源和第二偏压射频电源可以开启其中一个或者两个同时开启。进一步优选地，上述各射频电源与刻蚀腔的连接，通过射频电源匹配器进行阻抗转换，从而使射频能量的传输最大化。

在第二偏压射频电源的电路支路中接入低通滤波器，可令低频率的射频通过，高频率的射频被反射。因此第一偏压射频电源产生的高频射频无法通过低通滤波器，避免了高频射频对第二偏压射频电路的串扰，同时使绝大部分的高频射频只能向下电极传输，使射频能量的传输最大化。同理，第二偏压射频电源产生的低频射频也只能向下电极传输，在保证射频能量的传输最大化的同时，也避免了第一、第二偏压射频电源之间产生串扰。图4中的(a)和(b)分别为在第一偏压射频电源支路的测试点t1和第二偏压射频电源支路的测试点t2处获得的正向传输系数s21曲线。s21值越小，反射率越高，射频能量传输效率越低，而s21值越大，反射率越低，射频传输网络的损耗越小，射频能量的传输效率越高。一般支路s21<-30db即可满足需求。由图4可知，第一偏压射频电源和第二偏压射频电源支路上的传输系数均低于-30db，说明该电路设计满足实际应用的要求。

使用本发明的感应耦合等离子体刻蚀设备进行刻蚀时，将样品送入反应离子刻蚀腔室后，通入刻蚀气体。使用的刻蚀气体可以是惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、nh3、氨基气体、co、co2、醇类等。气体流量优选为5～300sccm，控制相对较低的压力，如1～20mt。同时开启激励射频电源和第一偏压射频电源、第二偏压射频电源，其中激励射频电源功率为50～300w，第一偏压射频电源的频率为13.56mhz，功率为10～30w，第二偏压射频电源的频率为400khz，功率为20～40w。当然，本发明不限定于此，也可以根据实际工艺需要，仅开启第一偏压射频电源或者仅开启第二偏压射频电源。

在等离子体中，鞘层在控制离子向衬底方向运动方面起着至关重要的作用。各种粒子在鞘层中的碰撞和运动将决定离子入射到极板上的能量分布和角度分布，这在离子刻蚀以及尖端电子器件制造方面都是非常重要的。在低气压下，离子在穿越鞘层时不会经历碰撞，而在高气压下，鞘层内的离子-中性粒子碰撞会强烈地影响离子能量分布函数。在低气压的条件下，鞘层的宽度远小于离子的平均自由程，因此离子在鞘层中的运动几乎是无碰撞的。此时的离子能量分布和角度分布几乎不受离子在鞘层中碰撞的影响。随着放电空间中气压的降低，高能粒子在能量分布中所占比例会提高，垂直入射到衬底上的带电粒子所占的比例也会增大。由于只有轴向电场分布，在离子轰击衬底时，其能量愈大对应的入射角就越小，高能离子越多角度分布就越窄。因此，本发明通过在刻蚀中使用较低的气压和较低的第二偏压射频频率，使得等离子体的平均自由程比较大，从而能够让等离子体积累相对较高的能量和速度，垂直的轰击待刻蚀的工件表面。高能离子的入射角更小，从鞘层边界出发，经由长度为光刻胶薄膜厚度的路径的加速后，以更高的动能几近垂直地轰击向金属薄膜表面。而低能离子的入射角较大，多数离子未完成加速就会轰击到光刻胶表面，即使部分离子轰击到待刻蚀器件的侧壁，也会因为能量过低而无法对侧壁造成损伤。

本发明的感应耦合等离子体刻蚀设备及刻蚀方法，能够通过调节不同频率射频偏压来控制离子能量的分布，从而调节mtj刻蚀的工艺。当频率高时刻蚀速度快，各向异性弱，频率低时刻蚀速度慢，各向异性强，使得刻蚀的速度以及带来的刻蚀图形前锋及侧壁的损伤更加可控。同时，本发明能够通过调节使得等离子体中的高能离子能量更大，低能离子的能量更低，从而使轰击晶圆的角度比较单一，能够有效降低mtj侧壁的物理损伤。另外，由于在低气压和低偏压射频频率下，离子的平均自由程比较大，刻蚀的功率利用率比较高，因此可以以相对的低功率快速刻蚀，实现绿色节能加工。本发明特别适用于磁性隧道结的刻蚀。磁性隧道结可以是单层或多层隔离层。

本发明中两个偏压射频电源可以根据刻蚀图形的不同，选择开启其中一个射频源电源或者两个射频电源同时开启。通常在刻蚀较浅或者深宽比较小的沟槽时，开启第一偏压射频电源，或者同时开启两个偏压射频电源，但第一偏压射频源的功率较高，占主导，第二偏压射频源的功率较低，起辅助作用。在刻蚀较深或者深宽比较大的沟槽时，选择开启第二偏压射频源，或者同时开启两个偏压射频源，但第一偏压射频源的功率较低，起辅助作用，第二偏压射频源的功率较高，占主导。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。