圖案化mram堆棧的干法等離子體蝕刻法
【專利摘要】本發(fā)明涉及圖案化MRAM堆棧的干法等離子體蝕刻法。提供了蝕刻金屬的方法，所述方法通過(guò)沉積可與待被蝕刻的金屬和鹵素反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的材料以及將襯底暴露于含鹵素的氣體和活化氣體以蝕刻襯底來(lái)進(jìn)行。所沉積的材料可以包括硅、鍺、鈦、碳、錫、以及它們的組合。方法適合于制造MRAM結(jié)構(gòu)并且可以包括在不破壞真空的情況下將ALD和ALE工藝結(jié)合。
【專利說(shuō)明】
圖案化MRAM堆棧的干法等離子體蝕刻法
技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地涉及圖案化MRAM堆棧的干法等離子體蝕刻 法。
【背景技術(shù)】
[0001 ]半導(dǎo)體制造工藝包含各種材料的蝕刻，包含金屬和金屬合金的蝕刻。然而，隨著器 件的縮小，以及各種類型的結(jié)構(gòu)的制造變得越來(lái)越復(fù)雜，某些蝕刻副產(chǎn)品可能會(huì)重新沉積 到襯底上的其它暴露區(qū)域，這可能導(dǎo)致缺陷和最終的設(shè)備故障。因此，其它的蝕刻技術(shù)是有 益的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002] 本發(fā)明提供了處理襯底的方法。一個(gè)方面涉及一種方法，該方法包含：（a)使位于 室內(nèi)的襯底暴露于含鹵素的氣體以使所述襯底的表面改性，（b)使所述襯底暴露于活化氣 體和活化源以蝕刻所述襯底上的一個(gè)或多個(gè)層，以及(c)在(a)和(b)期間，向所述室提供能 與所述含鹵素的氣體和在所述襯底上的所述一個(gè)或多個(gè)層的材料兩者都反應(yīng)以形成揮發(fā) 性物質(zhì)的反應(yīng)性材料。
[0003] 在一些實(shí)施方式中，在(c)中的所述反應(yīng)性材料是含硅材料、含鈦材料、含鍺材料、 含錫材料、含碳材料、和/或它們的組合。所述含鹵素的氣體可以是Cl 2、BCl 3、BBr3、B13、F2、 BF3、Br2、I2及它們的組合中的任何一種。在多種實(shí)施方式中，所述含鹵素的氣體是鹵化物氣 體。
[0004] 在多種實(shí)施方式中，（a)和(b)重復(fù)兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)。在一些實(shí)施方式中，在不破 壞真空的情況下執(zhí)行(a)-(c)。在一些實(shí)施方式中，（c)減少含金屬副產(chǎn)品的重新沉積。
[0005] 所述襯底的所述一個(gè)或多個(gè)層的材料可以是元素周期表1V族的過(guò)渡金屬、元素周 期表V族的過(guò)渡金屬、元素周期表VI族的過(guò)渡金屬、以及它們的組合中的任何一種。在一些 實(shí)施方式中，所述襯底的所述一個(gè)或多個(gè)層的材料包括介電材料。所述金屬和所述介電材 料可以是所述襯底上的相鄰層。例如，在一些實(shí)施方式中，所述介電材料是MgO,并且所述介 電材料鄰近含有CoFe的層和含有CoPt的層兩者。在一些實(shí)施方式中，所述方法進(jìn)一步包含： (d)蝕刻所述金屬層至介于約O A與約10 Λ之間的剩余厚度；以及（e)在蝕刻所述金屬層 之后，在沒(méi)有將所述介電材料暴露于所述含鹵素的氣體的情況下，通過(guò)將所述襯底暴露于 所述活化氣體和所述活化源來(lái)蝕刻所述介電材料。在(e)中的所述活化氣體可以是氬氣、二 氧化碳、氨、含氫氣體、以及它們的組合中的任何一種。
[0006] 在多種實(shí)施方式中，所述反應(yīng)性材料是含鈦材料并且是氧化鈦或氮化鈦。所述反 應(yīng)性材料可以是所述含硅材料并且可以是氮化硅、氧化硅或硅中的任一種。
[0007] 在多種實(shí)施方式中，所述兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)蝕刻第一組金屬層和介電層，并且從 而（c)在蝕刻所述介電層之后且在蝕刻所述介電層下的第二組金屬層之前執(zhí)行。在一些實(shí) 施方式中，在(a)和(b)重復(fù)兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)之后重復(fù)(c)。
[0008] 所述活化源可以是等離子體，并且在(C)期間所述等離子體的功率可以為介于約 500W至約1500W之間。
[0009] 所述反應(yīng)性材料可以通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積來(lái)沉積。在一些實(shí)施方式 中，所述反應(yīng)性材料通過(guò)原子層沉積來(lái)沉積。所述反應(yīng)性材料可以保形地沉積。在多種實(shí)施 方式中，所述反應(yīng)性材料通過(guò)自限反應(yīng)來(lái)沉積。在多種實(shí)施方式中，在(a)期間，所述含鹵素 的氣體基本上充滿所述襯底的所述表面。
[0010] 在(c)期間，所述反應(yīng)性材料可以基本上充滿所述襯底的所述表面。在一些實(shí)施方 式中，在所述蝕刻期間，反應(yīng)性材料保留在所述襯底的特征的側(cè)壁上。在所述蝕刻期間，所 述反應(yīng)性材料可以保護(hù)所述襯底的所述一個(gè)或多個(gè)層中的至少一個(gè)層。在一些實(shí)施方式 中，所述反應(yīng)性材料沉積到介于約3nm至約6nm之間的厚度。
[0011] 在多種實(shí)施方式中，蝕刻所述襯底以形成MRAM結(jié)構(gòu)。
[0012] 所述方法還可以包含在(c)期間施加小于約IOOVb的強(qiáng)度的偏置。所述活化源可 以是等離子體、離子束蝕刻和熱活化中的任一種。
[0013] 在一些實(shí)施方式中，所述方法還包含濕法蝕刻所述襯底。所述方法還可包含通過(guò) 反應(yīng)離子蝕刻來(lái)蝕刻。在一些實(shí)施方式中，所述反應(yīng)性材料通過(guò)提供固態(tài)硅源而被提供到 所述室。
[0014] 在一些實(shí)施方式中，所述方法還包含：（d)，在執(zhí)行(a)和(b)之前，通過(guò)經(jīng)由等離子 體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積在所述襯底上保形地沉積氮化硅層來(lái)執(zhí)行（c);以及(e)，在(d)之后， 重復(fù)(a)和(b)兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)，由此，在(a)中的所述含鹵素的氣體是BCl 3和Cl2的組合。 所述方法可以進(jìn)一步包含：（f)，在鄰近介電層的金屬層已被蝕刻至介于約〇 1與約10 A 之間的剩余厚度時(shí)，通過(guò)保形地沉積能與所述含鹵素的氣體和在所述襯底上的所述一個(gè)或 多個(gè)層的材料兩者都反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的材料來(lái)執(zhí)行(c); (g)在沒(méi)有將所述襯底暴露 于所述含鹵素的氣體的情況下，用活化氣體濺射所述襯底以蝕刻含MgO的介電層；以及(h) 在(g)之后，重復(fù)(a)和(b)兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)來(lái)蝕刻所述一個(gè)或多個(gè)層中的至少一個(gè)層。所 述一個(gè)或多個(gè)層可以包含含鈷材料。
[0015] 另一方面涉及一種方法，該方法包含：（a)提供包含一個(gè)或多個(gè)金屬層、自由層、介 電阻擋層和固定層的襯底，由此所述介電阻擋層介于自由層和固定層之間，而所述自由層、 所述介電阻擋層和所述固定層介于所述一個(gè)或多個(gè)金屬層之間；（b)將所述襯底暴露于含 硅氣體和還原劑以在所述襯底上沉積含硅材料，（c)將所述襯底暴露于含鹵素的氣體持續(xù) 足以基本上充滿所述襯底的表面的時(shí)間，并且(d)使所述襯底暴露于活化氣體以蝕刻所述 襯底。
[0016] 所述方法可以進(jìn)一步包含:在基本上所有的自由層被蝕刻后且在所述介電阻擋層 暴露前重復(fù)(b);用無(wú)鹵素化學(xué)品蝕刻所述介電阻擋層；以及重復(fù)(C)和(d)以在所述介電阻 擋層被蝕刻后，蝕刻所述襯底。
[0017] 另一方面涉及一種用于處理包含一個(gè)或多個(gè)層的襯底的裝置，該裝置包含：（a) - 個(gè)或多個(gè)處理室，每個(gè)處理室包含卡盤；（b)通向所述處理室和相關(guān)的流動(dòng)控制硬件內(nèi)的一 個(gè)或多個(gè)氣體入口；以及(c)具有至少一個(gè)處理器和存儲(chǔ)器的控制器，由此所述至少一個(gè)處 理器和所述存儲(chǔ)器彼此通信地連接，所述至少一個(gè)處理器與所述流動(dòng)控制硬件至少能操作 地連接，并且所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令用于控制所述至 少一個(gè)處理器以通過(guò)下述方式至少控制所述流動(dòng)控制硬件：（i)使含鹵素的氣體流動(dòng)持續(xù) 足以基本上充滿所述襯底的表面的時(shí)間；（ii)使活化氣體流動(dòng)并活化等離子體以蝕刻所述 襯底的一個(gè)或多個(gè)層；以及(iii)在(i)和（ii)期間向所述室提供能與所述含鹵素的氣體和 在所述襯底上的所述一個(gè)或多個(gè)層的材料兩者都反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的材料，由此(i)-(iii)在不破壞真空的情況下執(zhí)行。
[0018] 在多種實(shí)施方式中，用于提供能與所述含鹵素的氣體和在所述襯底上的所述一個(gè) 或多個(gè)層的材料兩者都反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的材料的所述指令還包含用于沉積例如含 硅材料、含鈦材料、含鍺材料、含錫材料、含碳材料、和其組合等材料的指令。所述含鹵素的 氣體可以是(：1 2、8(：13、88門、813、？2、8?3、8^、1 2及它們的組合中的任一種。在一些實(shí)施方式 中，所述含鹵素的氣體是鹵化物氣體。在一些實(shí)施方式中，所述存儲(chǔ)器還包含用于在（i)和 (i i)執(zhí)行兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)之后重復(fù)(i i i)的指令。
[0019] 具體而言，本發(fā)明的一些方面可以描述如下： 1. 一種方法，其包含： (a) 使位于室內(nèi)的襯底暴露于含鹵素的氣體以使所述襯底的表面改性， (b) 使所述襯底暴露于活化氣體和活化源以蝕刻所述襯底上的一個(gè)或多個(gè)層，以及 (c) 在(a)和(b)期間，向所述室提供能與所述含鹵素的氣體和在所述襯底上的所述一 個(gè)或多個(gè)層的材料兩者都反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的反應(yīng)性材料。 2. 根據(jù)條款1所述的方法，其中所述反應(yīng)性材料選自由含硅材料、含鈦材料、含鍺材料、 含錫材料、含碳材料、以及它們的組合組成的組。 3 .根據(jù)條款1所述的方法，其中所述含鹵素的氣體選擇由Cl2、BCl3、BBr3、BI 3、F2、BF3、 Br2、12及它們的組合組成的組。 4. 根據(jù)條款1所述的方法，其中(a)和(b)重復(fù)兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)。 5. 根據(jù)條款1所述的方法，其中在不破壞真空的情況下執(zhí)行(a)-(c)。 6. 根據(jù)條款1所述的方法，其中（c)減少含金屬副產(chǎn)品的重新沉積。 7. 根據(jù)條款1所述的方法，其中所述襯底的所述一個(gè)或多個(gè)層的所述材料選自由元素 周期表1V族的過(guò)渡金屬、元素周期表V族的過(guò)渡金屬、元素周期表VI族的過(guò)渡金屬、以及它 們的組合組成的組。 8. 根據(jù)條款7所述的方法，其中所述襯底的所述一個(gè)或多個(gè)層的所述材料包括介電材 料。 9. 根據(jù)條款8所述的方法，其中選自由元素周期表1V族的過(guò)渡金屬、元素周期表V族的 過(guò)渡金屬、元素周期表VI族的過(guò)渡金屬、以及它們的組合組成的組中的所述金屬和所述介 電材料在所述襯底上是相鄰的層。 10. 根據(jù)條款9所述的方法，其中所述介電材料是MgO,并且所述介電材料鄰近含有CoFe 的層和含有CoPt的層兩者。 11. 根據(jù)條款9所述的方法，其進(jìn)一步包含： (d) 蝕刻選自由元素周期表1V族的過(guò)渡金屬、元素周期表V族的過(guò)渡金屬、元素周期表 VI族的過(guò)渡金屬、以及它們的組合組成的組中的所述金屬至介于約與約1:〇 _美之間的 剩余厚度；以及 (e) 在蝕刻所述金屬層之后，在沒(méi)有將所述介電材料暴露于所述含鹵素的氣體的情況 下，通過(guò)將所述襯底暴露于所述活化氣體和所述活化源來(lái)蝕刻所述介電材料。 12. 根據(jù)條款11所述的方法，其中在(e)中的所述活化氣體選自由氬氣、二氧化碳、氨、 含氫氣體、及它們的組合組成的組。 13. 根據(jù)條款2所述的方法，其中所述反應(yīng)性材料是所述含鈦材料并且選自由氧化鈦或 氮化鈦組成的組。 14. 根據(jù)條款2所述的方法，其中所述反應(yīng)性材料是所述含硅材料并且選自由氮化硅、 氧化硅或硅組成的組。 15. 根據(jù)條款4所述的方法，其中所述兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)蝕刻第一組金屬層和介電層， 以及其中（c)在蝕刻所述介電層之后且在蝕刻在所述介電層下的第二組金屬層之前執(zhí)行。 16. 根據(jù)條款4所述的方法，其中在(a)和(b)重復(fù)所述兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)之后重復(fù) (c)〇 17. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述活化源是等離子體，并且在(c)期間 所述等離子體的功率為介于約500W與約1500W之間。 18. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述反應(yīng)性材料通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué) 氣相沉積來(lái)沉積。 19. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述反應(yīng)性材料通過(guò)原子層沉積來(lái)沉積。 20. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述反應(yīng)性材料保形地沉積。 21. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述反應(yīng)性材料通過(guò)自限反應(yīng)來(lái)沉積。 22. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中在(a)期間，所述含鹵素的氣體基本上充 滿所述襯底的所述表面。 23. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中在(c)期間，所述反應(yīng)性材料基本上充滿 所述襯底的所述表面。 24. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中在(b)期間，所述反應(yīng)性材料保留在所述 襯底的特征的側(cè)壁上。 25. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中在(b)期間，所述反應(yīng)性材料保護(hù)所述襯 底的所述一個(gè)或多個(gè)層中的至少一個(gè)。 26. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中蝕刻所述襯底以形成MRAM結(jié)構(gòu)。 27. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其還包含在(c)期間施加小于約IOOVb的偏置。 28. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中將所述反應(yīng)性材料沉積到介于約3nm與約 6nm之間的厚度。 29. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述活化源選自由等離子體、離子束蝕 刻和熱活化組成的組。 30. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其還包含濕法蝕刻所述襯底。 31. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其還包含通過(guò)反應(yīng)離子蝕刻在所述襯底上的 一個(gè)或多個(gè)層來(lái)蝕刻。 32. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述反應(yīng)性材料通過(guò)提供固態(tài)硅源而被 提供到所述室。 33. 根據(jù)條款1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其還包含： (d)，在執(zhí)行(a)和(b)之前，通過(guò)經(jīng)由等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積在所述襯底上保形地 沉積氮化硅層來(lái)執(zhí)行(C);以及 (e) ，在(d)之后，重復(fù)(a)和(b)兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)， 其中，在(a)中的所述含鹵素的氣體是BCl3和Cl2的組合。 34. 根據(jù)條款33所述的方法，其進(jìn)一步包含： (f) ，在鄰近介電層的金屬層已被蝕刻至介于約O A與約1:0 A之間的剩余厚度時(shí)，通 過(guò)保形地沉積能與所述含鹵素的氣體和在所述襯底上的所述一個(gè)或多個(gè)層的材料兩者都 反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的材料來(lái)執(zhí)行(C); (g) 在沒(méi)有將所述襯底暴露于所述含鹵素的氣體的情況下，用所述活化氣體濺射所述 襯底以蝕刻含MgO的介電層；以及 (h) 在(g)之后，重復(fù)(a)和(b)兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)來(lái)蝕刻所述一個(gè)或多個(gè)層中的至少一 個(gè)層。 35. 根據(jù)條款33所述的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)層包含含鈷材料。 36. -種方法，其包含： (a) 提供包含一個(gè)或多個(gè)金屬層、自由層、介電阻擋層和固定層的襯底，其中所述介電 阻擋層介于所述自由層和所述固定層之間，而所述自由層、所述介電阻擋層和所述固定層 介于所述一個(gè)或多個(gè)金屬層之間， (b) 將所述襯底暴露于含硅氣體和還原劑以在所述襯底上沉積含硅材料， (c) 將所述襯底暴露于含鹵素的氣體持續(xù)足以基本上充滿所述襯底的表面的時(shí)間，并 且 (d) 使所述襯底暴露于活化氣體以蝕刻所述襯底。 37. 根據(jù)條款36所述的方法，其進(jìn)一步包含： 在基本上所有的所述自由層被蝕刻后且在所述介電阻擋層暴露前重復(fù)(b)， 用無(wú)鹵素化學(xué)品蝕刻所述介電阻擋層，以及 重復(fù)(c)和(d)以在所述介電阻擋層被蝕刻后，蝕刻所述襯底。 38. -種用于處理包含一個(gè)或多個(gè)層的襯底的裝置，該裝置包含： (a) -個(gè)或多個(gè)處理室，每個(gè)處理室包含卡盤； (b) 通向所述處理室和相關(guān)的流動(dòng)控制硬件內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)氣體入口；以及 (c) 具有至少一個(gè)處理器和存儲(chǔ)器的控制器，其中所述至少一個(gè)處理器和所述存儲(chǔ)器 彼此通信地連接， 所述至少一個(gè)處理器與所述流動(dòng)控制硬件至少能操作地連接，并且 所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令用于控制所述至少一個(gè)處 理器以通過(guò)下述方式至少控制所述流動(dòng)控制硬件： (i) 使含鹵素的氣體流動(dòng)持續(xù)足以基本上充滿所述襯底的表面的時(shí)間； (ii) 使活化氣體流動(dòng)并活化等離子體以蝕刻所述襯底的所述一個(gè)或多個(gè)層;以及 (iii) 在（i)和（ii)期間向所述一個(gè)或多個(gè)處理室中的一個(gè)提供能與所述含鹵素的氣 體和在所述襯底上的所述一個(gè)或多個(gè)層的材料兩者都反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的反應(yīng)性材 料， 其中（i)-(iii)在不破壞真空的情況下進(jìn)行。 39. 根據(jù)條款38所述的裝置，其中用于提供能與所述含鹵素的氣體和在所述襯底上的 所述一個(gè)或多個(gè)層的材料兩者都反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的所述反應(yīng)性材料的所述指令包 含用于沉積選自由含硅材料、含鈦材料、含鍺材料、含錫材料、含碳材料、以及它們的組合組 成的組中的材料的指令。 40. 根據(jù)條款38所述的裝置，其中所述含鹵素的氣體選擇由Cl2、BCl3、BBr3、BI 3、F2、BF3、 Br2、12及它們的組合組成的組。 41. 根據(jù)條款38所述的裝置，其中，所述存儲(chǔ)器還包含用于在（i)和（ii)執(zhí)行兩個(gè)或更 多個(gè)循環(huán)之后重復(fù)(iii)的指令。
[0020] 下面參照附圖進(jìn)一步描述這些和其它方面。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是示例性襯底的示意圖。
[0022] 圖2是描繪根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施方式執(zhí)行的方法的操作的處理流程圖。
[0023] 圖3A-3G是根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施方式進(jìn)行操作的示例性襯底的示意圖。
[0024]圖4A-4F是用于根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施方式蝕刻襯底的示例性機(jī)制的示意圖。
[0025]圖5是用于執(zhí)行所公開(kāi)的實(shí)施方式的示例性處理室的示意圖。
[0026] 圖6是用于執(zhí)行所公開(kāi)的實(shí)施方式的示例性處理裝置的示意圖。
[0027] 圖7是示出了根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施方式進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的經(jīng)蝕刻的CoFe厚度的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 在下面的描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)所呈現(xiàn)的實(shí)施方式的透徹理解。 在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)中的一些或所有的情形下可以實(shí)施所公開(kāi)的實(shí)施方式。在其它情形 下，未詳細(xì)描述眾所周知的處理操作，以避免不必要地模糊所公開(kāi)的實(shí)施方式。雖然將結(jié)合 具體的實(shí)施方式描述所公開(kāi)的實(shí)施方式，但是應(yīng)理解的是這并不意在限制所公開(kāi)的實(shí)施方 式。
[0029] 在半導(dǎo)體晶片處理期間，特征可以蝕刻穿過(guò)含金屬層。在磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (MRAM)的形成中，多個(gè)薄的金屬層或膜可以順序蝕刻，以形成磁隧道結(jié)堆棧。
[0030] -種磁性隧道結(jié)(MTJ)是由兩層磁性材料之間的薄的介電阻擋層組成。電子通過(guò) 量子隧穿工藝穿過(guò)該阻擋。這可以作為基于磁的存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)。
[0031] 自旋轉(zhuǎn)移力矩是一種其中在MTJ中的磁性層的取向可使用自旋極化電流修改的效 應(yīng)。電荷載體(例如，電子)具有被稱為自旋的屬性，其是載體所固有的少量的角動(dòng)量。電流 一般是非極化的（50%自旋向上和50%自旋向下的電子）。通過(guò)使電流通過(guò)厚的磁性層(通 常稱為"固定層"），可以產(chǎn)生具有任一自旋的較多的電子自旋極化電流。如果該自旋極化電 流被引導(dǎo)到第二較薄的磁性層（"自由層"），角動(dòng)量可以被轉(zhuǎn)移到該層，改變其方向。這種效 應(yīng)可以用來(lái)激發(fā)振蕩或者甚至翻轉(zhuǎn)磁體的取向。
[0032] 自旋轉(zhuǎn)移力矩可用于翻轉(zhuǎn)在磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中的有源元件。相比于使用磁場(chǎng) 來(lái)翻轉(zhuǎn)有源元件的常規(guī)磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)而言，自旋轉(zhuǎn)移力矩磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ) 器(STT-RAM或STT-MRAM)具有較低的功耗和較好的可擴(kuò)展性的優(yōu)點(diǎn)。自旋轉(zhuǎn)移力矩技術(shù)具 有制造將低電流要求和降低的成本組合的可行的MRAM器件的潛力。參見(jiàn)Ralph，D. C.; Stiles ,M.D. (April 2008).''Spin transfer torques" · Journal of Magnetism and Magnetic Materials 320(7):1190-1216。
[0033] 在圖I提供了一示例性的MTJ堆棧。圖I示出了堆棧100,其包含氧化硅蝕刻停止層 101、氮化鉭阻擋層103、"!了金屬層105、固定層107、介電層109、自由層111、鉭層113、和另一 釕金屬層115。如在該圖中所示出的，MTJ堆棧120包含自由層111、介電層109和固定層107。 注意，雖然在圖中示出了特定化學(xué)品，但是其它合適的化學(xué)品可以存在于這樣的堆棧中。自 由層和固定層可以包含金屬和/或金屬合金，如鈷鐵、或鈷鉑。
[0034] 在自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT MRAM)的高密度縮放中還要克服的關(guān) 鍵挑戰(zhàn)之一是MRAM堆棧的圖案化。MRAM堆棧包含具非揮發(fā)性和鐵磁性的材料，如Co、Fe、Mn、 Ni、Pt、Pd、Ru，在不使用利用離子束蝕刻（IBE)、反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)和濕法化學(xué)過(guò)程的 復(fù)雜方法的情況下，對(duì)這些材料進(jìn)行圖案化是極其困難的。盡管研發(fā)了許多年，但目前的圖 案化技術(shù)仍然存在很多缺點(diǎn)，如側(cè)壁重新沉積引起的錐形輪廓與MTJ至固定層的短路、以及 造成MTJ層破壞的腐蝕。在一些常規(guī)技術(shù)中，含氯化學(xué)品被用來(lái)蝕刻金屬，但蝕刻副產(chǎn)品包 含非揮發(fā)性化合物，該非揮發(fā)性化合物隨后會(huì)重新沉積到特征的側(cè)壁上。
[0035] 本發(fā)明提供了一種干法等離子體蝕刻系統(tǒng)，其用于在沒(méi)有側(cè)壁重新沉積且不損壞 暴露層的情況下蝕刻非揮發(fā)性金屬。例如，所公開(kāi)的實(shí)施方式可以被用于蝕刻非揮發(fā)性的 MRAM金屬而不損壞MTJ層。提供了用以針對(duì)MRAM金屬形成揮發(fā)性蝕刻產(chǎn)品的化學(xué)品、和用以 輸送用于化學(xué)反應(yīng)的基本上化學(xué)計(jì)量量的反應(yīng)物的方法、以及蝕刻副產(chǎn)品從金屬蝕刻正面 的精確去除。后者涉及ALD-ALE(原子層沉積-原子層蝕刻)方法，其沉積固態(tài)的反應(yīng)物并以 可預(yù)測(cè)的蝕刻速率蝕刻改性的表面。為了實(shí)現(xiàn)蝕刻反應(yīng)物的精確輸送和蝕刻產(chǎn)品的去除， 可以使用組合ALD和ALE的方法。在一些實(shí)施方式中，反應(yīng)物使用其它方法沉積，諸如使用等 離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積。
[0036] ALD是一種使用連續(xù)的自限性反應(yīng)沉積薄的材料層的技術(shù)。ALD可使用任何合適的 技術(shù)來(lái)執(zhí)行。"ALD循環(huán)"的構(gòu)思與本文的各種實(shí)施方式的討論相關(guān)。通常，ALD循環(huán)是用來(lái)執(zhí) 行一次表面沉積反應(yīng)的最小的一組操作。一個(gè)循環(huán)的結(jié)果是在襯底表面上產(chǎn)生至少部分保 形的層。通常，ALD循環(huán)包括操作以提供和吸附至少一種反應(yīng)物到襯底表面上，然后使被吸 附的反應(yīng)物與一種或多種反應(yīng)物反應(yīng)，以形成膜的部分層。所述循環(huán)可包含若干輔助操作， 如掃除反應(yīng)物或副產(chǎn)品中的一種和/或處理所沉積的部分膜。通常，循環(huán)中包含操作序列的 一個(gè)實(shí)例。例如，ALD循環(huán)可包含以下的操作：（i)輸送/吸附前體到室，（ii)從室清掃前體， (iii)輸送第二反應(yīng)物和等離子體，和(iv)從室清掃等離子體。
[0037] ALE是一種使用連續(xù)的自限性反應(yīng)去除薄的材料層的技術(shù)。通常，ALE可使用任何 合適的技術(shù)來(lái)執(zhí)行。"ALE循環(huán)"的構(gòu)思與本文的各種實(shí)施方式的討論相關(guān)。通常，ALE循環(huán)是 用于執(zhí)行一次蝕刻工藝(例如蝕刻單層）的最小的一組操作。一個(gè)循環(huán)的結(jié)果是蝕刻在襯 底表面上的固定的且可預(yù)測(cè)數(shù)量的膜層。通常，ALE循環(huán)包含形成改性層的改性操作，隨后 是去除操作以僅去除或蝕刻該改性層。該循環(huán)可包含某些輔助操作，例如掃除反應(yīng)物或副 產(chǎn)品中的一種。通常，循環(huán)包含操作序列的一個(gè)實(shí)例。舉例而言，ALE循環(huán)可包含以下操作： (i)向室輸送反應(yīng)物氣體，（i i)從室清掃反應(yīng)物氣體，（i i i)輸送去除氣體和可選的等離子 體，以及（iv)清掃室。在一些實(shí)施方式中，蝕刻可以非保形地執(zhí)行。
[0038]根據(jù)所公開(kāi)的方法，可以實(shí)現(xiàn)精確蝕刻速率控制、無(wú)損傷的MTJ、以及MRAM特征的 保形性和蝕刻均勻性。如本文所述，通常，揮發(fā)性蝕刻副產(chǎn)品可以通過(guò)使材料(如Si)與鹵素 (如Cl)以及金屬離子以基本上化學(xué)計(jì)量的方式反應(yīng)以形成諸如M-SiClx之類的物質(zhì)而形 成，其中M可以是(：〇小6、111、附^?(1、或1?11。在一些實(shí)施方式中，在甲硅烷基(-3丨(：1〇連接 到金屬的情況下，M-SiCl x物質(zhì)的熔點(diǎn)/沸點(diǎn)顯著降低，并且分壓顯著升高，尤其是在真空狀 ??τ O
[0039] 使用基本上化學(xué)計(jì)量量的反應(yīng)物可避免不利的工藝影響。例如，如果在等離子體 中有過(guò)多的Si通量，則可能會(huì)發(fā)生Si沉積，從而會(huì)阻止諸如M-SiCl x之類的物質(zhì)在反應(yīng)中形 成。相反，例如，如果存在太少的Si，則蝕刻速率因 M-SiClx物質(zhì)的形成被阻礙而受到抑制。 同樣，加入過(guò)量的Cl到金屬表面導(dǎo)致非揮發(fā)性(具有超過(guò)1200°C的沸點(diǎn)）的金屬氯化物(如 CoCl2或FeCl3)的形成。
[0040] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，可與鹵化物和/或含鹵素的氣體以及金屬反應(yīng)的以形成揮發(fā) 性物質(zhì)的基本上化學(xué)計(jì)量量的材料在室中通過(guò)ALD工藝沉積到金屬(例如，CoFe)表面上。實(shí) 例包含SiN、Si0 2、Si、或TiO2^LE工藝?yán)靡訡l2或BCl3形式存在的Cl活化所沉積的Si層和 金屬表面。然后將過(guò)量的Cl 2栗出室。在一些實(shí)施方式中，可以執(zhí)行Ar解吸，其轟擊并進(jìn)一步 活化氯化表面，以使得揮發(fā)性金屬甲硅烷基物質(zhì)能形成，然后將揮發(fā)性金屬甲硅烷基物質(zhì) 栗出室。蝕刻速率在Si反應(yīng)物和Cl反應(yīng)物化學(xué)計(jì)量匹配時(shí)達(dá)到最大值。在一些實(shí)施方式中， ALE和ALD操作可以在不破壞真空的情況下進(jìn)行，包含在相同的室，或在工具的不同的室模 塊中進(jìn)行。
[0041] 參考一些特定的實(shí)施方式更詳細(xì)地說(shuō)明所公開(kāi)的實(shí)施方式。圖2提供了用于根據(jù) 所公開(kāi)的實(shí)施方式執(zhí)行操作的工藝流程圖。圖3A-3G提供了根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施方式蝕刻的 示例性堆棧的示意圖。圖4A-4F提供了用于根據(jù)公開(kāi)的實(shí)施方式進(jìn)行蝕刻的示例性機(jī)制的 示意圖。注意，盡管在圖4A-4F中提供的示例描繪了金屬層的蝕刻，但所公開(kāi)的實(shí)施方式可 以用于蝕刻各種材料，這些材料包含半導(dǎo)體材料、導(dǎo)體材料和介電材料。另外，圖4A-4F描繪 了示例性的機(jī)制，并且應(yīng)當(dāng)理解的是，本公開(kāi)或權(quán)利要求的范圍并不受限于任何具體的操 作理論。這些圖將一起討論。
[0042]參照?qǐng)D2，在操作202中，提供襯底。襯底可以是硅晶片，例如，200毫米的晶片、 300mm的晶片、或450mm的晶片，包含具有沉積在其上面的一個(gè)或多個(gè)材料層的晶片，該材料 如介電材料、導(dǎo)電材料或半導(dǎo)電材料。在多種實(shí)施方式中，將襯底圖案化。圖案化的襯底可 以具有"特征"，如支柱、桿、溝槽、通孔或接觸孔，其可表征為一個(gè)或更多個(gè)狹窄的和/或內(nèi) 凹的(re-entrant)開(kāi)口、特征內(nèi)的收縮部和高深寬比。所述特征可以在一個(gè)或更多個(gè)上述 層中形成。特征的一個(gè)示例是半導(dǎo)體襯底或在該襯底上的層中的支柱或桿。另一個(gè)示例是 襯底或?qū)又械臏喜?。在多個(gè)實(shí)施方式中，所述特征可以具有下層，例如阻擋層或粘合層。下 層的非限制性示例包含介電層和導(dǎo)電層，例如，硅氧化物、硅氮化物、硅碳化物、金屬氧化 物、金屬氮化物、金屬碳化物和金屬層。
[0043] 在一些實(shí)施方式中，諸如支柱之類的特征可以具有至少約1: 1、至少約2:1、至少約 4:1、至少約6:1、至少約10:1或更高的深寬比。特征還可以具有介于約IOnm至500nm之間（例 如約25nm和約300nm之間）的在開(kāi)口附近的尺寸，例如開(kāi)口直徑或線寬度。所公開(kāi)的方法可 以在具有開(kāi)口小于約150nm的特征的襯底上進(jìn)行。通孔、溝槽或其它凹入特征可以被稱為未 填充特征或特征。根據(jù)各種實(shí)施方式，特征輪廓可以逐步縮小和/或包含在特征開(kāi)口處的突 出部。內(nèi)凹輪廓是一種從特征的底部、封閉端或從特征內(nèi)部向特征開(kāi)口變窄的輪廓。內(nèi)凹輪 廓可通過(guò)在圖案化期間的不對(duì)稱蝕刻動(dòng)力學(xué)和/或在之前的膜沉積(例如擴(kuò)散阻擋層沉積） 中的非保形膜臺(tái)階覆蓋率所導(dǎo)致的突出部而產(chǎn)生。在多種實(shí)施例中，相比于在特征底部的 寬度，特征可以具有在特征頂部處的開(kāi)口中的較小的寬度。
[0044]在一些實(shí)施方式中，圖案化的襯底可包含在整個(gè)襯底上的多種形貌。在一些實(shí)施 方式中，部分制造的柵極可以存在于襯底上。在多種實(shí)施方式中，襯底可以包含適于在以后 的處理中蝕刻MRAM堆棧的金屬層、介電材料層、和半導(dǎo)體材料層。例如，一些襯底可包含 MRAM設(shè)計(jì)件，其中存儲(chǔ)器元件包含MT J。如本文別處所描述的，MTJ存儲(chǔ)元件包含由薄的隧道 阻擋層分開(kāi)的兩個(gè)電極。這兩個(gè)電極可以是鐵磁薄膜層，其可以是橢圓形的。在一些實(shí)施方 式中，MTJ存儲(chǔ)器元件包含附加的磁性層。例如，MTJ存儲(chǔ)器元件還可以包含夾著薄金屬層的 成對(duì)的鐵磁層-這些鐵磁層可以稱作合成反鐵磁體和反鐵磁性層。此外，在"Semiconductor Manufacturing Magazine" 中（90-96頁(yè)）公開(kāi)的Ditizio ,Robert等人的 "Cell Shape and Patterning Considerations for Magnetic Random Access Memory(MRAM)Fabrication" 中提供了可以使用本文所描述的方法在襯底上制造的示例性的MRAM存儲(chǔ)器元件的形狀和 設(shè)計(jì)的進(jìn)一步的描述。
[0045] 返回到圖2，在操作202期間，可以準(zhǔn)備好襯底進(jìn)行濕法蝕刻。例如，在圖3B中，執(zhí)行 濕法蝕刻以蝕刻穿過(guò)在襯底上的第一金屬層313。在一些實(shí)施方式中，不執(zhí)行濕法蝕刻。 [0046]圖3A示出了如本文所述的可存在于襯底上的MRAM堆棧的一實(shí)例。注意，雖然在圖 上標(biāo)記了每個(gè)堆棧的示例性化學(xué)品，但是任何其它合適的材料可以替代所提供的化學(xué)品或 者與所提供的化學(xué)品組合而存在。例如，所公開(kāi)的實(shí)施方式可以被用于針對(duì)不同的圖案(例 如，非MRAM圖案)蝕刻材料。注意，雖然示例的層在圖3A-3G中描繪，但所公開(kāi)的實(shí)施方式可 以被用于蝕刻表面上的其它材料，同時(shí)減少非揮發(fā)性副產(chǎn)品重新沉積到襯底的部件上。 [0047] 襯底300包含SiO2的蝕刻停止層301。注意該蝕刻停止層301可以是在襯底300中的 其它層(未示出）的頂部上。薄的氮化鉭(TaN)阻擋層303在此堆棧中是在蝕刻停止層301的 頂部上。在TaN阻擋層303的頂部上是包含釕(Ru)的金屬層305。在一些實(shí)施方式中，金屬層 305可以具有約8nm的厚度。在Ru金屬層305的頂部上是金屬或金屬合金層307,其可以包含 鈷鉑（CoPt)。在一些實(shí)施方式中，金屬合金層307可以包含PtMn。如本文中所使用的，層307 可被稱為"固定層"307。在一些實(shí)施方式中，固定層307可以具有約10-30nm的厚度。圖3A還 示出了可包含氧化鎂(MgO)的介電阻擋層309。介電阻擋層309在本文中可以被稱作"介電 層"309。在一些實(shí)施方式中，介電層309可以是相當(dāng)薄的，例如具有約1.5nm或1.5nm以下的 厚度。
[0048]在介電層309的頂部上是可以包含鈷鐵(CoFe)的金屬合金層311。金屬合金層311 可以包含CoFeB。金屬合金層311在本文中可以被稱作"自由層"。在自由層311的頂部上是鉭 (Ta)阻擋層313。在鉭阻擋層313的頂部上是Ru金屬層315。在本文所公開(kāi)的實(shí)施方式中，Ru 金屬層315可被稱為"第一金屬層"，而Ru金屬層305可被稱為"第二金屬層"。鉭硬掩模317可 沉積并被蝕刻成圖案，如圖3A所示。注意，硬掩模317可能不一定是鉭硬掩模。例如，其它合 適的硬掩模包括含碳硬掩模、含氮硬掩模、和含氧硬掩模。
[0049]回到圖2，在操作204，材料被保形地沉積在襯底上。該材料能與鹵化物和/或含鹵 素的氣體以及襯底上的層中的材料反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)。在一些實(shí)施方式中，該材料能 與一種或多種鹵化物和/或含鹵素的氣體和在襯底上的層中的一或多種材料反應(yīng)以形成揮 發(fā)性物質(zhì)。例如，該材料可與BCl3和Cl2的混合物以及含鈷的金屬反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)。該 材料既提供材料源以形成揮發(fā)性物質(zhì)，也提供襯底上的保護(hù)層。為下面描述的目的，這種保 形材料可以稱為"保護(hù)層"，但應(yīng)當(dāng)理解的是，該保護(hù)層包含與鹵化物和/或含鹵素的氣體以 及在襯底上的材料進(jìn)行反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的材料，并且可以是保形的。
[0050]在操作202沉積的保護(hù)層包含能夠與金屬鹵化物形成揮發(fā)性物質(zhì)的元素。該保護(hù) 層可以包含任何IV族元素。例如，保護(hù)層可以是含硅層、含鈦層、含鍺層、含錫層、含碳層、或 它們的任意組合。示例性的含硅層包含氧化硅、氮化硅、無(wú)定形硅、多晶硅、以及它們的混合 物。示例性的含鈦層包含氧化鈦、氮化鈦、鈦和它們的混合物。在一些實(shí)施方式中，保護(hù)層是 介電材料。
[0051]保護(hù)層可以通過(guò)任何合適的方法沉積，合適的方法包括化學(xué)氣相沉積(CVD)、等 離子體增強(qiáng)CVD (PECVD )、原子層沉積(ALD )、等離子體增強(qiáng)ALD (PEALD )、旋涂沉積和濺射。在 一些實(shí)施方式中，保護(hù)層提供用于與鹵化物和/或鹵素以及含金屬的化合物反應(yīng)以形成揮 發(fā)性物質(zhì)的材料源。例如，硅源可以引入到MRAM表面上，以通過(guò)不同于ALD的方法，如PVD， PECVD或旋涂工藝，使用氣體（諸如SiH4、SiCU)或使用液體（諸如鄰-硅酸鹽化合物（例如 TEOS，SOG和HMDS))進(jìn)行反應(yīng)。
[0052]例如，保護(hù)層可以通過(guò)PECVD沉積。實(shí)施例包括將襯底同時(shí)暴露于含硅前體和帶有 等離子體的含氮反應(yīng)物。例如，所述襯底可同時(shí)暴露于硅烷和氮等離子體?？墒褂媚軌虺练e 具有任何上述化學(xué)物質(zhì)的保護(hù)層的任何合適的前體和反應(yīng)物來(lái)沉積保護(hù)層。
[0053]在圖3C中，保護(hù)層320被示出為沉積在襯底300上。在一些實(shí)施方式中，這可以是第 一保護(hù)層(例如，在某些操作中，也可以沉積另一保護(hù)層320)。注意，在該描繪中，保護(hù)層320 是保形的。在一些實(shí)施方式中，保護(hù)層320不必定是保形的。在一些實(shí)施方式中，保護(hù)層320 的多個(gè)部分可以是犧牲層。
[0054]圖4A是襯底400的一部分的示意圖的另一實(shí)例。在本實(shí)施例中，襯底400包含金屬 層411，其可以包含，例如，0)』6』11、？(1、？1它們的合金，以及它們的組合。這里，第一1?11金 屬層已經(jīng)被濕法蝕刻，并且含硅保護(hù)層420 (例如，Si源）已被沉積在鉭硬掩模和金屬層411 上。注意，雖然類似于圖3C，但為了說(shuō)明的目的，在圖4A中襯底不包含鉭阻擋層。雖然在圖4A 中描繪了多個(gè)層的具體實(shí)施例，但任何合適的金屬可位于硬掩模下，硬掩模的任何組分可 以存在。此外，在所公開(kāi)的實(shí)施方式中可使用任何合適的保護(hù)層420,并且這樣的保護(hù)層不 限于例如圖4A中所示的含硅層。
[0055]回到圖2,在操作206期間，將襯底暴露于含鹵素的反應(yīng)物以使襯底的表面改性。含 鹵素的反應(yīng)物可以包括含硼鹵素的氣體、含鹵素的氣體、鹵化物氣體、以及它們的組合。實(shí) 施例包括隊(duì)13、88〇』1 3、(：12、？2、8〇和12。氣體的組合的示例可以是隊(duì)1 3/(：12。含鹵素的反應(yīng) 物可與保護(hù)層反應(yīng)和/或吸附到保護(hù)層上。例如，硅的保護(hù)層可以與含鹵素的反應(yīng)物反應(yīng)以 在襯底的表面上形成鹵化娃。注意，在一些實(shí)施方式中，含鹵素的反應(yīng)物會(huì)充滿襯底的至 少約90%，或充滿襯底的至少約99%。在一些實(shí)施方式中，含鹵素的反應(yīng)物可保形地吸附在 襯底的表面上。在一個(gè)實(shí)例中，氯原子和/或分子可以吸附到含硅保護(hù)層的表面上。
[0056]圖4B示出了來(lái)自Cl2的氯分子450a與保護(hù)層420反應(yīng)并吸附到保護(hù)層420的表面以 在表面上形成吸附層450b的一示例性示意圖。在圖4B的示例性襯底400示出了描繪了C12分 子450a向襯底400的表面移動(dòng)以吸附到襯底400的表面或與襯底400的表面反應(yīng)的方向的箭 頭?？梢怨┙o小于約I OOVb、或小于約60Vb、例如約50Vb的偏置。
[0057]在圖2的操作208中，將襯底暴露于活化氣體以蝕刻襯底的改性表面。在各種實(shí)施 方式中，活化氣體可以包含一種或多種惰性氣體，如氬氣、二氧化碳、氨，含氫氣體、以及它 們的組合。在操作208期間，產(chǎn)生如等離子體之類的活化源以活化氣體并蝕刻襯底。在圖2的 操作208期間，也垂直于偏置蝕刻的方向的具有吸附的含鹵素化合物的表面可以被完全蝕 亥 1J。在一些實(shí)施方式中，可以施加低偏置以定向蝕刻襯底。例如，可以供給小于約IOOVb、例 如約50Vb的偏置。等離子體的功率可介于約500W至約1500W之間。
[0058]在圖4C中，包含氯化硅470的蝕刻化合物被從鉭硬掩模的場(chǎng)區(qū)的水平表面去除，并 且同時(shí)沉積的保形層或保護(hù)層420被去除以露出暴露的金屬層411。注意，如圖4C所示，一些 沉積在硬掩模和第一金屬層(在此，分別為Ta和Ru)的側(cè)壁上的保護(hù)層保留在該側(cè)壁上。該 保留的保護(hù)層可作為連續(xù)地保護(hù)硬掩模以避免被來(lái)自蝕刻反應(yīng)的潛在的任何副產(chǎn)品損壞 或者降解的層。
[0059]結(jié)果是，在圖3C的執(zhí)行操作206和208之后的襯底可具有圖3D中所示的結(jié)構(gòu)?？梢?執(zhí)行定向蝕刻，使得如圖3D中所示的一些保護(hù)層322保留在特征的側(cè)壁上，而下面的一個(gè)或 多個(gè)層(例如，鉭阻擋層313和絕大部分的CoFe自由層311)被蝕刻。注意，在多種實(shí)施方式 中，CoFe自由層311沒(méi)有被完全蝕刻，以防止介電層309被輕易地蝕刻并蝕刻到特征的側(cè)面 內(nèi)。舉例來(lái)說(shuō)，如果襯底包括鄰近于自由層311的包含MgO的介電層309,則可以蝕刻自由層 311，使得介于約OA與約10人之間的自由層311保留在襯底上。注意，在多種實(shí)施方式中， 通過(guò)循環(huán)執(zhí)行各種操作穿過(guò)這些層蝕刻襯底。
[0060] 例如，如圖2所示，在操作210中，可以任選地重復(fù)操作206-208。在一些實(shí)施方式 中，重復(fù)206和208可以構(gòu)成循環(huán)。例如，在一些實(shí)施方式中，操作206和208可以重復(fù)兩個(gè)或 更多個(gè)循環(huán)?？梢詧?zhí)行每個(gè)循環(huán)以蝕刻介于約1人和約10人之間/循環(huán)，如約6Λ/.循環(huán)。因 此，在一些實(shí)施方式中，在圖3C所示的襯底可以使用操作206和208的循環(huán)蝕刻以蝕刻穿過(guò) 襯底的垂直于通過(guò)施加偏置實(shí)現(xiàn)的定向蝕刻的方向的表面。例如，如圖3C所示，可以重復(fù)操 作206和208以蝕刻穿過(guò)保形或保護(hù)層320、鉭阻擋層313、以及CoFe/CoFeB自由層311的絕大 部分。如上所述，操作206和208的循環(huán)可以在完全蝕刻CoFe/CoFeB自由層311之前停止以保 護(hù)MgO介電層309,或者可以繼續(xù)以完全蝕刻穿過(guò)MgO介電層309。
[0061]在圖3E中，可在不將襯底暴露于含鹵素的氣體的情況下，執(zhí)行操作208以蝕刻穿過(guò) CoFe/CoFeB自由層311的薄層并蝕刻MgO介電層309。在一些實(shí)施方式中，在將襯底暴露于不 含鹵素的氣體的情況下執(zhí)行操作208。在多種實(shí)施例中，使用偏置來(lái)濺射氬氣以蝕刻介電 層，以便不在介電層上執(zhí)行苛性蝕刻化學(xué)過(guò)程。在一些實(shí)施方式中，施加到介電層的苛性蝕 刻化學(xué)過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致介電層在掩模下面被蝕刻，從而引起潛在的破壞和設(shè)備故障的問(wèn) 題。在一些實(shí)施方式中，在介電蝕刻過(guò)程中，施加偏置。例如，可以供給小于約IOOVb的，例如 約50Vb的偏置。
[0062]圖4D-4F示出了示例的蝕刻機(jī)制的示意圖，其從圖4C繼續(xù)使得圖2的操作206和208 在操作210中重復(fù)。圖4D示出了襯底400,由此重復(fù)操作206。在金屬層411在圖4C中被暴露 后，在圖4D將襯底暴露于Cl 2 450a以將襯底的表面改性。如圖所示，Cl2可以吸附在襯底400 的表面上，或者可以與襯底的表面反應(yīng)以形成吸附的氯層450b。注意，由于保護(hù)層420因之 前的含硅材料的沉積保持在側(cè)壁上，因此某些氯450b可吸附到保護(hù)層420上或與保護(hù)層420 發(fā)生反應(yīng)，而一些氯450b可吸附到金屬表面411上或與金屬表面411發(fā)生反應(yīng)。
[0063]圖4E示出了襯底，由此重復(fù)操作208。如圖所示，將氬氣(例如，活化氣體)440引入 到襯底并點(diǎn)燃等離子體以蝕刻襯底。在各種實(shí)施方式中，施加偏置以定向蝕刻襯底，如在圖 4E中的箭頭所示。存在的含硅保護(hù)層420與吸附的氯450b以及來(lái)自金屬表面411的金屬形成 配合物475。注意，不是所有配合物475會(huì)具有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)。然而，在此實(shí)例中，保護(hù)層 420提供硅以形成可以從處理襯底的室中清掃掉的揮發(fā)性物質(zhì)475。在多種實(shí)施方式中，保 護(hù)層420可以附加地或替代地包含其它材料，如鈦、鍺、和其它能與金屬和鹵化物和/或鹵素 氣體反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的材料。
[0064] 在一些實(shí)施方式中，在Si-輔助的ALE蝕刻期間，Si02/SiN保護(hù)層(例如在圖4A的保 護(hù)層420)被沉積到所述MRAM的金屬表面上。然后用BCh/Ch氣體(如氯分子450a)活化Si摻 雜的金屬表面(如圖4B所示），以形成吸附的氯層(450b)。氬氣(440)的定向Ar離子束轟擊改 性的層，并且在此過(guò)程中破壞和允許新鍵的形成，并最終將揮發(fā)性蝕刻產(chǎn)品（M-SiCl x) (475)解吸成氣相。
[0065] 綜上所述，示例的活化反應(yīng)可以如下：
[0067] M-SiClx配合物是穩(wěn)定的和揮發(fā)性的，并且在氬濺射解吸下能夠維持而不分解成 金屬形式。結(jié)果是，在側(cè)壁上的重新沉積被減少或避免。
[0068] 所公開(kāi)的實(shí)施方式涉及沉積可與鹵化物和/或含鹵素的氣體以及金屬反應(yīng)以形成 揮發(fā)性物質(zhì)的材料。示例包括含硅材料、含鈦材料、含鍺材料、含錫材料、含碳材料、以及它 們的組合。在一些實(shí)施方式中，所沉積的材料可以是含硅材料，如無(wú)定形硅、多晶硅、氧化 硅、或氮化硅。在一些實(shí)施方式中，所沉積的材料可以是鈦或氧化鈦。
[0069]所公開(kāi)的實(shí)施方式也適合于蝕刻固定層;CoPt、CoPd、PtMn和多種其它材料，其它 材料包括(：〇、？〇、111^1?11、和了&。原理適用于在第1行、第2行和第3行（例如，元素周期表的 IV族、V族和VI族的過(guò)渡金屬），包含諸如銅之類的金屬，所有其它過(guò)渡金屬。其它穩(wěn)定的氣 態(tài)配合物質(zhì)（如在相同的IV族的，例如鍺和錫)可以表現(xiàn)出相同的性能。
[0070]除Si之外，類似的揮發(fā)性蝕刻產(chǎn)品也可利用元素周期表中的IV族的其它成員（如 (：、66、511)形成，以形成等離子體中的穩(wěn)定的且揮發(fā)性的物質(zhì)，如1-(：(：乜、1-66(：1乂和1-SnClX。這些反應(yīng)物可以作為鹵化物氣體，例如CClX、SiClX、GeClX和SnClX(其中X是鹵素，例 如具有各種化學(xué)計(jì)量的F、C1或Br)，或使這些元素能沉積到MRAM的金屬表面上的其它來(lái)源 引入。
[0071] 揮發(fā)性金屬蝕刻產(chǎn)品的活化、形成和解吸可以以不同于ALE的其它方法進(jìn)行;在一 些實(shí)施方式中，諸如反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)、電子回旋共振蝕刻(ECR)、或者熱解吸和UV工藝 之類的方法也可使用。所公開(kāi)的實(shí)施方式也可以與濕法蝕刻和/或反應(yīng)性離子蝕刻工藝結(jié) 合。
[0072] 圖4F示出了在金屬表面層411被蝕刻之后的襯底。注意，當(dāng)以各種循環(huán)執(zhí)行操作 206和208時(shí)，可以蝕刻保護(hù)層420中的一些。
[0073] 相應(yīng)地，在圖2的操作212中，操作204-210可以任選地重復(fù)，使得操作204形成第一 保形材料，并且操作204的重復(fù)操作形成被沉積在襯底上的第二保形材料，以進(jìn)一步提供能 與鹵化物和/或含鹵素的氣體以及在襯底上的金屬反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的材料。
[0074]圖3F示出了對(duì)應(yīng)于操作212的襯底的實(shí)施例。如圖所示，操作204已被重復(fù)以進(jìn)一 步在襯底上沉積第二保護(hù)層324。該保護(hù)層324可以用來(lái)進(jìn)一步保護(hù)Ta阻擋層313、CoFe自由 層311、以及經(jīng)蝕刻的MgO介電層309。
[0075]因此，操作206和208可以重復(fù)，也是在循環(huán)中，直至在襯底的其余部分被蝕刻到蝕 亥丨J停止層。圖3G示出了經(jīng)蝕刻的襯底，由此操作206和208已被重復(fù)循環(huán)，以蝕刻穿過(guò)CoPt固 定層307、第二Ru金屬層305、以及TaN阻擋層303。注意，襯底300示出了在側(cè)壁上的保留的保 護(hù)層322和324。在多種實(shí)施方式中，這些層可在堆棧被制造之后減少或去除。在一些實(shí)施 方式中，這些層中的一些或部分也可以在執(zhí)行所公開(kāi)的實(shí)施方式時(shí)進(jìn)行蝕刻。
[0076] 雖然本公開(kāi)絕不受理論的限制，但相信，對(duì)于MRAM金屬（例如，Co、Fe、Mn、Pd和Pt) 的沉積-蝕刻機(jī)制可以進(jìn)行如下。該機(jī)制涉及這些金屬的在Cl (例如，通過(guò)BCl3和/或Cl2提供 的）和Ar的ALE期間通過(guò)引入硅的干式化學(xué)蝕刻，而沒(méi)有而在側(cè)壁上重新沉積這些金屬。如 上所述，不受任何具體理論的限制，相信，硅或其它可與鹵化物和/或含鹵素的氣體以及金 屬反應(yīng)的材料的存在導(dǎo)致在蝕刻室具有高的分壓并且可以容易地抽走的揮發(fā)性蝕刻產(chǎn)品 (例如 Co-SiClx 或 Fe-SiClx)的形成。 裝置
[0077]現(xiàn)在描述在某些實(shí)施方式中可適用于原子層蝕刻(ALE)操作和原子層沉積(ALD) 操作的感應(yīng)耦合等離子體（ICP)反應(yīng)器。這樣的ICP反應(yīng)器還描述在2013年12月10日提交的 并且名稱為"頂AGE REVERSAL WITH AHM GAP FILL FOR MULTIPLE PATTERNING" 的美國(guó)專 利申請(qǐng)公開(kāi)No.2014/0170853中，其在此通過(guò)引用整體并入本文并用于所有目的。盡管本文 描述了 ICP反應(yīng)器，但是應(yīng)該理解的是，在一些實(shí)施方式中也可以使用電容耦合等離子體反 應(yīng)器。
[0078]圖5示意性地示出了適于實(shí)施本文的某些實(shí)施方式的感應(yīng)耦合等離子體集成蝕刻 和沉積裝置500的橫截面圖，其示例是KiyoS反應(yīng)器，由加利福尼亞州弗里蒙特的Lam Research Corp.生產(chǎn)。所述感應(yīng)親合等離子體裝置500包括由室壁501和窗511結(jié)構(gòu)上限定 的總處理室524。室壁501可以由不銹鋼或鋁制成。窗511可以由石英或其它介電材料制成。 任選的內(nèi)部等離子體柵格550將總處理室分為上副室502和下副室503。在大多數(shù)實(shí)施方式 中，等離子體柵格550可以被移除，從而利用由副室502和503構(gòu)成的室空間?？ūP517定位在 下副室503中在底部?jī)?nèi)表面附近?？ūP517被配置成接收和保持在其上執(zhí)行蝕刻和沉積工藝 的半導(dǎo)體襯底或晶片519。卡盤517可以是當(dāng)晶片519存在時(shí)用于支撐晶片519的靜電卡盤。 在一些實(shí)施方式中，邊緣環(huán)(未示出）圍繞卡盤517,并具有大致與晶片519(當(dāng)晶片存在于卡 盤517上方時(shí)）的頂面在同一平面的上表面。卡盤517還包括能夾緊和放松晶片519的靜電 電極?？稍O(shè)置過(guò)濾器和DC鉗位功率源(未示出）用于此目的。也可以提供其它的控制系統(tǒng)用 于提升晶片519使其離開(kāi)卡盤517?？ūP517可以用RF功率源523充電。RF功率源523通過(guò)連接 件527被連接到匹配電路521。匹配電路521通過(guò)連接件525連接到卡盤517。以這種方式，RF 功率源523被連接到卡盤517上。
[0079]用于等離子體產(chǎn)生的元件包括位于窗511上方的線圈533。在一些實(shí)施方式中，所 公開(kāi)的實(shí)施方式中未使用線圈。線圈533由導(dǎo)電材料制成，并包括至少一整匝。在圖5中所示 的線圈533的例子包括三匝。線圈533的橫截面用符號(hào)示出，且具有符號(hào)"X"的線圈533表示 線圈533旋轉(zhuǎn)地延伸到頁(yè)面內(nèi)，而具有符號(hào)"·"的線圈533表示旋轉(zhuǎn)地延伸出頁(yè)面。用于等 離子體產(chǎn)生的元件還包括被配置為提供RF功率至線圈533的RF功率源541。一般地，RF功率 源541通過(guò)連接件545被連接到匹配電路539。匹配電路539通過(guò)連接件543連接到線圈533。 以這種方式，RF功率源541被連接到線圈533。可選的法拉第屏蔽件549被定位在線圈533和 窗511之間。法拉第屏蔽件549以相對(duì)于線圈533成隔開(kāi)的關(guān)系被保持。法拉第屏蔽件549被 設(shè)置在窗511的正上方。線圈533、法拉第屏蔽件549和窗511各自被配置為基本上彼此平行。 法拉第屏蔽件549可以防止金屬或其它物質(zhì)沉積在處理室524的窗511上。
[0080] 工藝氣體(例如鹵化物氣體、含鹵素的氣體、氯氣、氬氣、四氯化硅、氧氣、氮?dú)獾龋?可以通過(guò)位于上副室502中的一個(gè)或更多個(gè)主氣體流入口 560和/或通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)側(cè)氣 體流入口570流入處理室。同樣，雖然未明確示出，但是類似的氣體流入口可用于向電容耦 合等離子體處理室供應(yīng)工藝氣體。真空栗，例如，一級(jí)或兩級(jí)干式機(jī)械栗和/或渦輪分子栗 540,可用于將工藝氣體從處理室524抽出并維持處理室524內(nèi)的壓力。例如，真空栗可用于 在ALD清掃操作過(guò)程中排空下副室503。閥控制的導(dǎo)管可用于使真空栗流體連接在處理室 524上，以便選擇性地控制由真空栗提供的真空環(huán)境的應(yīng)用。在操作等離子體處理過(guò)程中， 這可以使用封閉環(huán)控制的流量限制裝置例如節(jié)流閥（未示出）或鐘擺閥（未示出）進(jìn)行。同 樣，也可以使用受控地流體連接在電容耦合等離子體處理室上的真空栗和閥。
[0081] 在裝置500的操作過(guò)程中，一種或多種工藝氣體可通過(guò)氣體流入口560和/或570供 給。在某些實(shí)施方式中，工藝氣體可以僅通過(guò)主氣體流入口 560供給，或者僅通過(guò)側(cè)氣體流 入口 570供給。在一些情況下，在圖中所示的氣體流入口可以由較復(fù)雜的氣體流入口替代， 例如，由一個(gè)或多個(gè)噴頭替代。法拉第屏蔽件549和/或任選的柵格550可以包括使工藝氣體 能輸送至處理室524的內(nèi)部通道和孔。法拉第屏蔽件549和任選的柵格550中的一者或兩者 可以作為用于輸送工藝氣體的噴頭。在一些實(shí)施方式中，液體蒸發(fā)和輸送系統(tǒng)可位于處理 室524的上游，使得一旦液體反應(yīng)物或前體被蒸發(fā)，那么蒸發(fā)的反應(yīng)物或前體通過(guò)氣體流入 口 560和/或570引入到處理室524中。
[0082] 射頻功率從RF功率源541供給到線圈533以使RF電流流過(guò)線圈533。流過(guò)線圈533的 RF電流產(chǎn)生圍繞線圈533的電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)產(chǎn)生在上副室502內(nèi)的感應(yīng)電流。所生成的各離 子和自由基與晶片519的物理和化學(xué)相互作用蝕刻晶片519上的特征和沉積層。
[0083]如果使用等離子體柵格550使得存在上副室502和下副室503二者，則感應(yīng)電流作 用于存在于上副室502中的氣體上以在上副室502中產(chǎn)生電子-離子等離子體。任選的內(nèi)部 等離子體柵格550限制下副室503中的熱電子的量。在一些實(shí)施方式中，設(shè)計(jì)和操作所述裝 置500使得存在于下副室503中的等離子體是離子-離子等離子體。
[0084] 上部的電子-離子等離子體和下部的離子-離子等離子體二者可包含陽(yáng)離子和陰 離子，盡管離子-離子等離子體將具有更大的陰離子：陽(yáng)離子比率。揮發(fā)性的蝕刻和/或沉積 的副產(chǎn)物可通過(guò)端口 522從下副室503去除。本文所公開(kāi)的卡盤517可在約10°C與約250 °C之 間的升高的溫度范圍內(nèi)操作。該溫度將取決于工藝操作和具體配方。
[0085] 裝置500當(dāng)安裝在干凈的房間或制造廠中時(shí)可耦合在設(shè)施（未示出）上。設(shè)施包括 管道，管道提供處理氣體、真空、溫度控制和環(huán)境微?？刂?。這些設(shè)施當(dāng)安裝在目標(biāo)制造廠 時(shí)耦合在裝置500上。此外，裝置500可耦合在傳送室上，該傳送室允許使用典型的自動(dòng)化由 機(jī)器手傳送半導(dǎo)體晶片進(jìn)出裝置500。
[0086] 在一些實(shí)施方式中，系統(tǒng)控制器530(其可包括一個(gè)或更多個(gè)物理或邏輯控制器） 控制處理室524的一些或所有操作。系統(tǒng)控制器530可包括一個(gè)或更多個(gè)存儲(chǔ)器設(shè)備和一個(gè) 或更多個(gè)處理器。在一些實(shí)施方式中，所述裝置500包括當(dāng)進(jìn)行所公開(kāi)的實(shí)施方式時(shí)用于控 制流速和持續(xù)時(shí)間的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。在一些實(shí)施方式中，所述裝置500可具有高達(dá)約500ms或高 達(dá)約750ms的切換時(shí)間。切換時(shí)間可取決于流動(dòng)化學(xué)品、配方選擇、反應(yīng)器的體系結(jié)構(gòu)和其 它因素。
[0087] 在一些實(shí)現(xiàn)方式中，系統(tǒng)控制器530是系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)可以是上述實(shí)例的一 部分。這種系統(tǒng)可以包括半導(dǎo)體處理設(shè)備，其包括一個(gè)或多個(gè)處理工具、一個(gè)或多個(gè)室、用 于處理的一個(gè)或多個(gè)平臺(tái)和/或具體的處理組件（晶片基座、氣流系統(tǒng)等）。這些系統(tǒng)可以與 用于控制它們?cè)谔幚戆雽?dǎo)體晶片或襯底之前、期間和之后的操作的電子器件一體化。電子 器件可以整合到系統(tǒng)控制器530中，該控制器530可以控制一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)的各種元件或子 部件。根據(jù)處理參數(shù)和/或系統(tǒng)的類型，系統(tǒng)控制器530可以被編程以控制本文公開(kāi)的任何 工藝，包括控制工藝氣體輸送、溫度設(shè)置(例如，加熱和/或冷卻）、壓強(qiáng)設(shè)置、真空設(shè)置、功率 設(shè)置、射頻(RF)發(fā)生器設(shè)置、RF匹配電路設(shè)置、頻率設(shè)置、流速設(shè)置、流體輸送設(shè)置、位置及 操作設(shè)置、晶片轉(zhuǎn)移進(jìn)出工具和其它轉(zhuǎn)移工具和/或與具體系統(tǒng)連接或通過(guò)接口連接的裝 載鎖。
[0088] 寬泛地講，系統(tǒng)控制器530可以被定義為接收指令、發(fā)布指令、控制操作、啟用清潔 操作、啟用端點(diǎn)測(cè)量等等的具有各種集成電路、邏輯、存儲(chǔ)器和/或軟件的電子器件。集成電 路可以包括存儲(chǔ)程序指令的固件形式的芯片、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、定義為專用集成電路 (ASIC)的芯片和/或一個(gè)或多個(gè)微處理器或執(zhí)行程序指令(例如，軟件)的微控制器。程序指 令可以是以各種單獨(dú)設(shè)置(或程序文件)的形式通信到控制器的指令，該設(shè)置定義用于在半 導(dǎo)體晶片或系統(tǒng)上或針對(duì)半導(dǎo)體晶片或系統(tǒng)執(zhí)行特定過(guò)程的操作參數(shù)。在一些實(shí)施方式 中，操作參數(shù)可以是由工藝工程師定義的用于在制備或者去除晶片的一個(gè)或多個(gè)(種)層、 材料、金屬、氧化物、硅、二氧化硅、表面、電路和/或管芯期間完成一個(gè)或多個(gè)處理步驟的配 方(recipe)的一部分。
[0089] 在一些實(shí)現(xiàn)方式中，系統(tǒng)控制器530可以是與系統(tǒng)集成、耦合或者說(shuō)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連 接系統(tǒng)或它們的組合的計(jì)算機(jī)的一部分或者與該計(jì)算機(jī)耦合。例如，控制器可以在"云"中 或者是fab主機(jī)系統(tǒng)的全部或一部分，其可以允許遠(yuǎn)程訪問(wèn)晶片處理。計(jì)算機(jī)可以啟用對(duì)系 統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)以監(jiān)測(cè)制造操作的當(dāng)前進(jìn)程，檢查過(guò)去的制造操作的歷史，檢查多個(gè)制造操 作的趨勢(shì)或性能標(biāo)準(zhǔn)，改變當(dāng)前處理的參數(shù)，設(shè)置處理步驟以跟隨當(dāng)前的處理或者開(kāi)始新 的工藝。在一些實(shí)例中，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)(例如，服務(wù)器)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)給系統(tǒng)提供工藝配方，網(wǎng) 絡(luò)可以包括本地網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以包括能夠輸入或編程參數(shù)和/或設(shè)置的用 戶界面，該參數(shù)和/或設(shè)置然后從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通信到系統(tǒng)。在一些實(shí)例中，系統(tǒng)控制器530接 收數(shù)據(jù)形式的指令，該指令指明在一個(gè)或多個(gè)操作期間將要執(zhí)行的每個(gè)處理步驟的參數(shù)。 應(yīng)當(dāng)理解，參數(shù)可以針對(duì)將要執(zhí)行的工藝類型以及工具類型，控制器被配置成連接或控制 該工具類型。因此，如上所述，系統(tǒng)控制器530可以例如通過(guò)包括一個(gè)或多個(gè)分立的控制器 而分布，這些分立的控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起并且朝著共同的目標(biāo)(例如，本文所述的工 藝和控制）工作。用于這些目的的分布式控制器的實(shí)例可以是與結(jié)合以控制室上的工藝的 一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程集成電路(例如，在平臺(tái)水平或作為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的一部分)通信的室上的一 個(gè)或多個(gè)集成電路。
[0090] 在非限制性的條件下，示例的系統(tǒng)可以包括等離子體蝕刻室或模塊、沉積室或模 塊、旋轉(zhuǎn)清洗室或模塊、金屬電鍍室或模塊、清潔室或模塊、倒角邊緣蝕刻室或模塊、物理氣 相沉積(PVD)室或模塊、化學(xué)氣相沉積(CVD)室或模塊、ALD室或模塊、ALE室或模塊、離子注 入室或模塊、軌道室或模塊、以及在半導(dǎo)體晶片的制備和/或制造中可以關(guān)聯(lián)上或使用的任 何其它的半導(dǎo)體處理系統(tǒng)。
[0091] 如上所述，根據(jù)工具將要執(zhí)行的一個(gè)或多個(gè)工藝步驟，控制器可以與一個(gè)或多個(gè) 其它的工具電路或模塊、其它工具組件、群集工具、其它工具界面、相鄰的工具、鄰接工具、 位于整個(gè)工廠中的工具、主機(jī)、另一個(gè)控制器、或者在將晶片的容器往來(lái)于半導(dǎo)體制造工廠 中的工具位置和/或裝載口搬運(yùn)的材料搬運(yùn)中使用的工具通信。
[0092]圖6描述了半導(dǎo)體工藝集群結(jié)構(gòu)，其中各個(gè)模塊與真空傳送模塊638(VTM)接口。在 多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備和處理模塊之間"傳送"晶片的各種模塊的配置可以被稱為"集群工具架構(gòu)" 系統(tǒng)。氣密室630(也被稱為裝載鎖或傳送模塊)與VTM 638連接，VTM 638進(jìn)而與四個(gè)處理模 塊620a-620d連接，四個(gè)處理模塊620a-620d可以被單獨(dú)優(yōu)化以執(zhí)行各種制造工藝。例如，處 理模塊620a-620d可以被實(shí)現(xiàn)以執(zhí)行襯底蝕刻、沉積、離子注入、晶片清潔、濺射和/或其它 半導(dǎo)體工藝。在一些實(shí)施方式中，ALD和ALE在相同的模塊中進(jìn)行。在一些實(shí)施方式中，ALD和 ALE在相同工具中的不同模塊中進(jìn)行。襯底蝕刻處理模塊中的一個(gè)或多個(gè)(620a-620d中的 任意一個(gè))可以如本文所公開(kāi)的被實(shí)施，即，用于沉積保形膜，選擇性地通過(guò)ALD沉積膜，蝕 刻圖案，以及根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施方式所述的其它合適的功能。氣密室630和處理模塊620a-620d可以被稱為"站"。每個(gè)站具有將站與VTM 638連接的小面636(facet 636)。在每個(gè)小面 內(nèi)部，傳感器1-18被用于在晶片626在各站之間移動(dòng)時(shí)檢測(cè)晶片626的通過(guò)。
[0093]機(jī)械手622將晶片626在站之間傳輸。在一個(gè)實(shí)施方式中，機(jī)械手622具有一個(gè)臂， 而在另一實(shí)施方式中，機(jī)械手622具有兩個(gè)臂，其中每個(gè)臂具有端部執(zhí)行器624以拾取晶片 (例如晶片626)以供運(yùn)輸。在大氣傳送模塊(ATM)640中，前端機(jī)械手632用于從在負(fù)載端口 模塊(LPM)642中的晶片盒或前開(kāi)式晶片盒(F0UP)634傳送晶片626到氣密室630。處理模塊 620a-620d內(nèi)的模塊中心628是用于放置晶片626的一個(gè)位置。在ATM640中的對(duì)準(zhǔn)器644用于 對(duì)齊晶片。
[0094] 在一示例性的處理方法中，晶片被放置在LPM 642中的多個(gè)FOUP 634中的一個(gè)中。 前端機(jī)械手632將晶片從FOUP 634傳送到對(duì)準(zhǔn)器644,其允許晶片626在被蝕刻或處理之前 適當(dāng)?shù)鼐又?。?duì)準(zhǔn)后，晶片626由前端機(jī)械手632移動(dòng)到氣密室630中。由于氣密室630具有匹 配ATM640和VTM638之間的環(huán)境的能力，因此晶片626能夠在兩種壓強(qiáng)環(huán)境之間移動(dòng)而不被 破壞。從氣密室630,晶片通過(guò)機(jī)械手622移動(dòng)通過(guò)VTM 638并進(jìn)入處理模塊620a-620d中的 一個(gè)。為了實(shí)現(xiàn)這種晶片移動(dòng)，機(jī)械手622在其每一個(gè)臂上使用端部執(zhí)行器624。一旦晶片 626已被處理，則通過(guò)機(jī)械手622將其從處理模塊620a-620d移動(dòng)到氣密室630中。晶片626 可以從這里通過(guò)前端機(jī)械手632移動(dòng)到多個(gè)FOUP 634中的一個(gè)中或移動(dòng)到對(duì)準(zhǔn)器644。 [0095]應(yīng)當(dāng)注意的是，控制晶片運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)對(duì)于集群架構(gòu)可以是本地的，或者它可以 位于在制造工廠中的集群架構(gòu)的外部，或在遠(yuǎn)程位置并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到集群架構(gòu)。如上參 照?qǐng)D5所述的控制器可以用圖6中的工具實(shí)施。 實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)1
[0096]執(zhí)行了一種實(shí)驗(yàn)，其包括蝕刻在襯底上的金屬。襯底包含MRAM芯片，具有沉積在其 上的CoPt層、MgO層、和沉積在襯底上的CoFeB層(對(duì)于磁性隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)）。此層沉積在 襯底上，以及沉積和圖案化鉭掩模。該堆棧在各種試驗(yàn)中使用，如下所述。SiO 2載體晶片也 插入處理襯底的相同的工具中。
[0097]在所有的試驗(yàn)中，Ru層通過(guò)濕法蝕刻打開(kāi)。將襯底暴露于BCl 3/CI2和Ar的交替脈 沖，進(jìn)行70個(gè)循環(huán)的ALE處理。這70個(gè)循環(huán)包括30個(gè)循環(huán)的強(qiáng)Cl2(20sccm BCl3/180sccm ? 12，在6〇1111'〇1'1'下，持續(xù)2.5秒，最開(kāi)始為3秒的(]12穩(wěn)定脈沖）與在20〇8〇〇111、1〇1111'〇1'1'的氬交 替，具有900W的等離子體功率，施加在50Vb的偏置持續(xù)4秒(在開(kāi)始，初始的4秒穩(wěn)定，2秒的 偏置延遲）。其它的40個(gè)循環(huán)包括輕度的Cl 2的脈沖(在50sccm BCl3/45sccm Cl2,在IOmTorr 下，持續(xù)〇. 5秒，沒(méi)有初始的穩(wěn)定)及Ar(400sccm，IOmTorr，等離子體功率900W，在50Vb下的 偏置持續(xù)4秒，7秒的初始穩(wěn)定和2秒的偏置延遲）。
[0098]所得到的襯底包含在堆棧上以及在鉭硬掩模側(cè)壁上的重新沉積的厚的CoFeClx和 CoPt層。通過(guò)各種成像技術(shù)對(duì)襯底進(jìn)行分析，其表明Co、Ru、和Pt殘余物沉積在側(cè)壁上，而在 側(cè)壁上沒(méi)有檢測(cè)到Fe或Ta 13MgO層是完整的，但對(duì)于CoFe層有一些損壞。在MTJ層的邊緣與側(cè) 壁檢測(cè)到氯。在這項(xiàng)試驗(yàn)中，由于來(lái)自SiO 2載體晶片的一些SiO2沉積，導(dǎo)致關(guān)鍵尺寸增大。來(lái) 自載體晶片的一些硅也有助于蝕刻，但是硅的量不足以阻止在側(cè)壁上的重新沉積。
[0099]對(duì)于第二和第三試驗(yàn)，在Ru層被打開(kāi)后，但是，在通過(guò)ALE進(jìn)行蝕刻之前，將襯底同 時(shí)暴露于含硅前體和含氮的反應(yīng)物以在襯底上沉積6nm厚度的SiN1Jr涂層被沉積在SiN上。
[0100]在第二試驗(yàn)中，將襯底僅暴露于70個(gè)循環(huán)的Ar濺射，但襯底仍然產(chǎn)生一些Co、Fe、 和Pt的重新沉積。盡管襯底的所拍攝的圖像顯示在襯底上的SiN蓋層是完整的，但是一些包 含Co、Fe、和Pt的殘留物重新沉積在SiN蓋上，由此在鉭硬掩模上形成錐形的輪廓。分析襯底 的圖像。這里，大量的Fe、Co、Ru、Ta和Pt被重新沉積在側(cè)壁上。結(jié)果表明，沒(méi)有鹵化物和/或 鹵素氣體化學(xué)品（如含硼的鹵化物和/或鹵素氣體化學(xué)品）的硅本身可能不會(huì)阻止側(cè)壁沉 積。
[0101]在第三試驗(yàn)中，在沉積SiN層和Ir涂層后，將襯底暴露于根據(jù)所述第一試驗(yàn)的70個(gè) ALE循環(huán)(30個(gè)循環(huán)的強(qiáng)Cl2和Ar，和40個(gè)循環(huán)的輕度Cl2和Ar)。所得襯底顯示在SiN蓋上沒(méi)有 重新沉積，并且輪廓的錐形度較小。這里，分析襯底的圖像。側(cè)壁的重新沉積被大大減少。在 Ta掩模上，幾乎沒(méi)有Fe、Co、Ta和Pt以及有少量的Ru。在MT J側(cè)壁上，仍有一些Co、Fe、Ru和Pt， 但是相對(duì)于在其它試驗(yàn)中重新沉積的量已顯著減少了。可以進(jìn)一步調(diào)整工藝條件和沉積以 及蝕刻循環(huán)以使重新沉積最小化。在這項(xiàng)試驗(yàn)中，MTJ層沒(méi)有被破壞，并且沒(méi)有檢測(cè)到C1。在 蝕刻工藝之后，沒(méi)有SiN襯層留下，從而可以解釋在MTJ上觀察到的少量的重新沉積。在側(cè)壁 上保留一些SiO 2,其可能來(lái)自于硅載體晶片。 實(shí)驗(yàn)2
[0102] 處理具有鉭硬掩模的包含鉭阻擋層、沉積在鉭層上的PtMn層、和沉積在PtMn層上 的CoFeB層的襯底。SiN層沉積在襯底上，薄的Cr涂層沉積在SiN蓋上。使襯底暴露于交替的 BCWCl2和Ar的交替脈沖，并且在蝕刻之后沒(méi)有重新沉積被顯示在所得的SiN蓋上。 實(shí)驗(yàn)3
[0103] 實(shí)驗(yàn)用SiCl4在原CoFe晶片(a blanket CoFe wafer)上進(jìn)行。第一試驗(yàn)包含SiCU/ Ar暴露。第二試驗(yàn)包含在ALE模式中的BCh/Ch和Ar的交替脈沖。第三試驗(yàn)包含1、2、3、然后4 個(gè)循環(huán)的SiCUALD，隨后是在ALE中交替的1個(gè)循環(huán)的BCh/Ch和Ar以執(zhí)行ALD-ALE模式。 [0104] 結(jié)果表明，CW SiCU/Ar和ALE BCl3/Cl2/Ar兩者都不蝕刻CoFe，而該處理涉及ALD-ALE蝕刻的CoFe。這表明，如本文所描述的ALD-ALE工藝的組合有效地蝕刻通常產(chǎn)生非揮發(fā) 性副產(chǎn)品的這些金屬化合物。預(yù)計(jì)，類似的方法也會(huì)蝕刻CoPd、CoPt、和PtMn。 實(shí)驗(yàn)4
[0105] 執(zhí)行涉及襯底的實(shí)驗(yàn)。將襯底暴露于5〇SCCm的SiCl4和20〇SCCm的N 2(60毫托)持續(xù)5 秒，然后暴露于200sccm的N2(1200W和60W，40毫托）以在襯底上沉積SiN層。然后將襯底暴露 于1個(gè)循環(huán)的ALE，其包含20sccm的BCl 3和180sccm的Cl2(60毫托)持續(xù)2.5秒，以及20〇8(：〇11的 Ar(900W，60Vb的偏置，50毫托)持續(xù)4秒。對(duì)于每個(gè)試驗(yàn)執(zhí)行60個(gè)總循環(huán)。第一試驗(yàn)包括：1個(gè) SiN ALD循環(huán)，之后1個(gè)ALE循環(huán)，60次。第二試驗(yàn)包括:2個(gè)SiN ALD循環(huán)，之后1個(gè)ALE循環(huán)，60 次。第三試驗(yàn)包括:3個(gè)SiN ALD循環(huán)，之后1個(gè)ALE循環(huán)，60次。第四試驗(yàn)包括:4個(gè)SiN ALD循 環(huán)和1個(gè)ALE循環(huán)，60次。在3個(gè)循環(huán)的ALD的SiN的情況下，所有的21.6nm的CoFe被蝕刻掉。每 個(gè)ALD的SiN循環(huán)厚度預(yù)期為0.5 A至；Iiu蝕刻掉的CoFe的量與ALD的SiN循環(huán)的次數(shù)的關(guān)系 描繪在圖7中。如圖所示，在3個(gè)循環(huán)的ALD的SiN的情況下，所有的CoFe被蝕刻掉。 實(shí)驗(yàn)5
[0106] 執(zhí)行涉及襯底的實(shí)驗(yàn)，該襯底具有鉭阻擋層、PtMn層、CoFeB層和鉭硬掩模。用Ar濺 射襯底，并且在執(zhí)行鹵化物和/或鹵素氣體蝕刻之前，TiO 2保護(hù)層保形地沉積在襯底上以覆 蓋襯底。接著，將襯底暴露于在ALE工藝中的BCI3/CI2和Ar的脈沖循環(huán)。所得襯底上顯示在側(cè) 壁上沒(méi)有Co、Fe、Pt和Ta的重新沉積，在TiO 2蓋上也沒(méi)有Co、Fe、Pt和Ta的重新沉積。 實(shí)驗(yàn)6
[01 07]執(zhí)行涉及襯底的實(shí)驗(yàn)，該襯底具有舒金屬層、PtMn層、CoFeB層和鉭硬掩模。在執(zhí)行 鹵化物和/或鹵素氣體蝕刻之前，SiO2保護(hù)層保形地沉積在襯底上，以覆蓋襯底。接著，將 襯底暴露于在ALE工藝中的BCh/Ch和Ar的脈沖循環(huán)。所得襯底上顯示在側(cè)壁上沒(méi)有Co、Fe、 Pt和Ta的重新沉積，在SiO2蓋上也沒(méi)有Co、Fe、Pt和Ta的重新沉積。 結(jié)論
[0108]雖然為了清楚理解的目的已經(jīng)相當(dāng)詳細(xì)地描述了前述的實(shí)施方式，但是顯而易見(jiàn) 的是，可在所附權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)實(shí)施某些變化和修改。應(yīng)當(dāng)注意的是，具有實(shí)施本發(fā)明 實(shí)施方式的工藝、系統(tǒng)和裝置的許多替代方式。因此，本發(fā)明的實(shí)施方式應(yīng)被視為是說(shuō)明性 的而不是限制性的，并且所述實(shí)施方式并不限于本文所給出的細(xì)節(jié)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種方法，其包含： (a) 使位于室內(nèi)的襯底暴露于含鹵素的氣體以使所述襯底的表面改性， (b) 使所述襯底暴露于活化氣體和活化源以蝕刻所述襯底上的一個(gè)或多個(gè)層，以及 (c) 在(a)和(b)期間，向所述室提供能與所述含鹵素的氣體和在所述襯底上的所述一 個(gè)或多個(gè)層的材料兩者都反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的反應(yīng)性材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述反應(yīng)性材料選自由含硅材料、含鈦材料、含鍺 材料、含錫材料、含碳材料、以及它們的組合組成的組。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含鹵素的氣體選擇由Cl 2、BC13、BBr3、B13、F2、 BF3、Br2、12及它們的組合組成的組。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中(a)和(b)重復(fù)兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在不破壞真空的情況下執(zhí)行(a)-(c)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中（c)減少含金屬副產(chǎn)品的重新沉積。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底的所述一個(gè)或多個(gè)層的所述材料選自由 元素周期表1V族的過(guò)渡金屬、元素周期表V族的過(guò)渡金屬、元素周期表VI族的過(guò)渡金屬、以 及它們的組合組成的組。8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其還包含： (d) ，在執(zhí)行(a)和(b)之前，通過(guò)經(jīng)由等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積在所述襯底上保形地 沉積氮化硅層來(lái)執(zhí)行(c);以及 (e) ，在(d)之后，重復(fù)(a)和(b)兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)， 其中，在(a)中的所述含鹵素的氣體是BC13和C12的組合。9. 一種方法，其包含： (a) 提供包含一個(gè)或多個(gè)金屬層、自由層、介電阻擋層和固定層的襯底，其中所述介電 阻擋層介于所述自由層和所述固定層之間，而所述自由層、所述介電阻擋層和所述固定層 介于所述一個(gè)或多個(gè)金屬層之間， (b) 將所述襯底暴露于含硅氣體和還原劑以在所述襯底上沉積含硅材料， (c) 將所述襯底暴露于含鹵素的氣體持續(xù)足以基本上充滿所述襯底的表面的時(shí)間，并 且 (d) 使所述襯底暴露于活化氣體以蝕刻所述襯底。10. -種用于處理包含一個(gè)或多個(gè)層的襯底的裝置，該裝置包含： (a) -個(gè)或多個(gè)處理室，每個(gè)處理室包含卡盤； (b) 通向所述處理室和相關(guān)的流動(dòng)控制硬件內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)氣體入口；以及 (c) 具有至少一個(gè)處理器和存儲(chǔ)器的控制器，其中所述至少一個(gè)處理器和所述存儲(chǔ)器 彼此通信地連接， 所述至少一個(gè)處理器與所述流動(dòng)控制硬件至少能操作地連接，并且 所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令用于控制所述至少一個(gè)處 理器以通過(guò)下述方式至少控制所述流動(dòng)控制硬件： (i) 使含鹵素的氣體流動(dòng)持續(xù)足以基本上充滿所述襯底的表面的時(shí)間； (ii) 使活化氣體流動(dòng)并活化等離子體以蝕刻所述襯底的所述一個(gè)或多個(gè)層；以及 (iii) 在（i)和（ii)期間向所述一個(gè)或多個(gè)處理室中的一個(gè)提供能與所述含鹵素的氣 體和在所述襯底上的所述一個(gè)或多個(gè)層的材料兩者都反應(yīng)以形成揮發(fā)性物質(zhì)的反應(yīng)性材 料， 其中（i)-(iii)在不破壞真空的情況下進(jìn)行。
【文檔編號(hào)】H01J37/305GK106067513SQ201610248296
【公開(kāi)日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年4月20日 公開(kāi)號(hào)201610248296.8, CN 106067513 A, CN 106067513A, CN 201610248296, CN-A-106067513, CN106067513 A, CN106067513A, CN201610248296, CN201610248296.8
【發(fā)明人】薩曼莎·坦, 特塞翁格·金姆, 楊文斌, 杰弗里·馬克斯, 索斯藤·利爾
【申請(qǐng)人】朗姆研究公司