專利名稱：用于制造硫族化合物存儲(chǔ)元件的蝕刻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及半導(dǎo)體器件及制造領(lǐng)域，更加具體地，本發(fā)明涉及存儲(chǔ)元件和制造存儲(chǔ)元件的方法。
背景技術(shù)：
硫族化合物材料合金具有通過施加溫度在非晶相和晶相之間轉(zhuǎn)變的能力。相變既改變了材料的電學(xué)性能也改變了材料的光學(xué)性能。近來，這些材料已被引入諸如相變化存儲(chǔ)器(OUM)這樣的非易失性存儲(chǔ)元件。
用于生產(chǎn)OUM的普通硫族化合物為GexSbyTez(GST)，其中典型值為x＝2，y＝2及z＝5。在輸入皮焦耳的能量的情況下，硫族化合物在毫微秒時(shí)段內(nèi)可以在多種電可探測(cè)的變化的阻抗條件之間切換。硫族化合物存儲(chǔ)單元的操作要求已知為活性區(qū)的硫族化合物存儲(chǔ)材料區(qū)域經(jīng)受電流脈沖而在所述活性區(qū)中改變硫族化合物材料的結(jié)晶狀態(tài)。典型地，需要在大約105和107A/cm2之間的電流密度。為了在商業(yè)性可行的器件中獲得這種電流密度，每個(gè)存儲(chǔ)單元的活性區(qū)應(yīng)被制作的盡可能地小以最小化存儲(chǔ)器件使用的總電流。
用于蝕刻GST膜的技術(shù)現(xiàn)狀是使用離子銑削。這一點(diǎn)可參見Klersey(美國專利申請(qǐng)?zhí)?003/0075778)，其描述了使用離子銑削來蝕刻GST膜。盡管離子銑削造成了各向異性蝕刻的部件，但是這種工藝形成能在器件表面再沉積的非易失性蝕刻產(chǎn)品。因此，GST OUM器件所要求的這種小部件的產(chǎn)量很低。
為了增加GST OUM器件的產(chǎn)量，需要具體規(guī)定用于GST膜的蝕刻步驟的操作參數(shù)以使得在降低非易失性蝕刻產(chǎn)品的同時(shí)該工藝被實(shí)現(xiàn)為值得生產(chǎn)的工藝(例如沒有所需要的難以獲得的或不可控制的參數(shù)值)。
因此需要這樣一種工藝，其在降低非易失性蝕刻產(chǎn)品的同時(shí)以對(duì)于蝕刻掩模和蝕刻停止層有選擇性的可控制的蝕刻速度各向異性地蝕刻GST。
現(xiàn)有技術(shù)沒有提供本發(fā)明所帶來的任何益處。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)，其克服了現(xiàn)有技術(shù)器件的不足，并且對(duì)于半導(dǎo)體處理技術(shù)的進(jìn)展做出了重要貢獻(xiàn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于形成存儲(chǔ)元件的改進(jìn)的方法，所述方法包括以下步驟在真空室中放置基板，所述基板具有介電蝕刻停止層、硫族化合物層、抗反射層和掩模層；將至少一種含氯氣體引入所述真空室；在所述真空室中激發(fā)高密度等離子體；蝕刻所述硫族化合物層和所述抗反射層以在所述基板上暴露所述介電蝕刻停止層；從所述真空室移去所述基板；以及從所述基板剝離所述掩模層。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種用于形成存儲(chǔ)元件的改進(jìn)的方法，所述方法包括以下步驟在真空室中放置基板，所述基板具有介電蝕刻停止層、硫族化合物層、抗反射層和掩模層；將至少一種含氯氣體引入所述真空室；在所述真空室中激發(fā)高密度等離子體；蝕刻所述硫族化合物層和所述抗反射層以在所述基板上暴露所述介電蝕刻停止層；根據(jù)終點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)中斷所述蝕刻步驟；從所述真空室移去所述基板；以及從所述基板剝離所述掩模層。
前面的說明已概述了本發(fā)明的一些有關(guān)的目的。這些目的應(yīng)當(dāng)理解成本發(fā)明的更顯著的特征和應(yīng)用的示例性描述。通過以不同的方式應(yīng)用本公開的發(fā)明或者在公開的范圍內(nèi)修改本發(fā)明可以獲得很多其它的有益的結(jié)果。因此，除了結(jié)合附圖參照由權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍之外，通過參照本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容和具體實(shí)施方式
可以獲得本發(fā)明的其它目的以及對(duì)本發(fā)明的更全面的理解。

發(fā)明內(nèi)容
為了概述本發(fā)明的目的，本發(fā)明包括一種改進(jìn)的方法，用于在形成諸如相變化存儲(chǔ)器(OUM)這樣的存儲(chǔ)元件時(shí)蝕刻如Ge2Sb2Te5(GST)這樣的硫族化合物層。
本發(fā)明的特征是提供一種用于形成存儲(chǔ)元件的改進(jìn)的方法。該方法包括以下步驟。在真空室中放置基板。所述基板可以是半導(dǎo)體基板如硅、砷化鎵或任何已知的包括化合物半導(dǎo)體如II-VI族化合物和III-V族化合物的半導(dǎo)體。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產(chǎn)生電場(chǎng)的下電極。所述基板具有介電蝕刻停止層、硫族化合物層、抗反射層和掩模層。所述硫族化合物層可以是GexSbyTez膜，其中比率為Ge2Sb2Te5。至少一種含氯氣體如BCl3和Cl2被引入所述真空室，用于通過從真空室中的所述含氯氣體激發(fā)的高密度等離子體蝕刻所述硫族化合物層和抗反射層。另外，可以將含氫氣體和/或氧清掃氣體引入所述真空室以形成用于蝕刻所述基板的等離子體。高密度等離子體由高密度等離子體源如在大約2MHz頻率下工作的感應(yīng)耦合等離子體源產(chǎn)生。蝕刻所述硫族化合物層和所述抗反射層以在所述基板上暴露所述介電蝕刻停止層。通過真空室中的基板夾持器向所述基板施加偏壓。RF偏壓可以在約13.56MHz的頻率下工作。一旦結(jié)束蝕刻工藝，就從所述真空室移去所述基板并且從所述基板剝離所述掩模層。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是提供一種用于形成存儲(chǔ)元件的改進(jìn)的方法。該方法包括以下步驟。在真空室中放置基板。所述基板可以是半導(dǎo)體基板如硅、砷化鎵或任何已知的包括化合物半導(dǎo)體如II-VI族化合物和III-V族化合物的半導(dǎo)體。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產(chǎn)生電場(chǎng)的下電極。所述基板具有介電蝕刻停止層、硫族化合物層、抗反射層和掩模層。所述硫族化合物層可以是GexSbyTez膜，其中比率為Ge2Sb2Te5。至少一種含氯氣體如BCl3和Cl2被引入所述真空室，用于通過從真空室中的所述含氯氣體激發(fā)的高密度等離子體蝕刻所述硫族化合物層和抗反射層。另外，可以將含氫氣體和/或氧清掃氣體引入所述真空室以形成用于蝕刻所述基板的等離子體。高密度等離子體由高密度等離子體源如在大約2MHz頻率下工作的感應(yīng)耦合等離子體源產(chǎn)生。蝕刻所述硫族化合物層和所述抗反射層以在所述基板上暴露所述介電蝕刻停止層。通過真空室中的基板夾持器向所述基板施加偏壓。RF偏壓可以在約13.56MHz的頻率下工作。根據(jù)終點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)如光發(fā)射光譜系統(tǒng)在如387nm的特定波長(zhǎng)下監(jiān)控的蝕刻終點(diǎn)軌跡中斷蝕刻工藝。一旦結(jié)束蝕刻工藝，就從所述真空室移去所述基板并且從所述基板剝離所述掩模層。
前面的說明相當(dāng)寬泛地概述了本發(fā)明的更相關(guān)并且更重要的特征，以使得以下的本發(fā)明的更詳細(xì)的描述可以被更好地理解，從而使得本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)能被更全面地理解。本發(fā)明其它的特征將在下面進(jìn)行描述，其形成為本發(fā)明的權(quán)利要求的主題。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解這里所公開的構(gòu)思和具體實(shí)施例可以很容易被用作修改或設(shè)計(jì)其它結(jié)構(gòu)以執(zhí)行本發(fā)明的相同目的的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)意識(shí)到這些等同的構(gòu)造沒有脫離所附的權(quán)利要求書闡述的本發(fā)明的精神和范圍。


圖1A是在蝕刻前GST測(cè)試結(jié)構(gòu)的圖形表示；圖1B是在蝕刻后GST測(cè)試結(jié)構(gòu)的圖形表示；圖2是根據(jù)本發(fā)明用BCl3/Cl2氣體混合物蝕刻的基板上的單個(gè)GST測(cè)試結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡照片；圖3是根據(jù)本發(fā)明用BCl3/Cl2氣體混合物蝕刻的基板上的幾個(gè)GST測(cè)試結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡照片；圖4是根據(jù)本發(fā)明用Ar/Cl2氣體混合物蝕刻的基板上的幾個(gè)GST測(cè)試結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡照片；圖5是根據(jù)本發(fā)明用HBr/Cl2氣體混合物蝕刻的基板上的幾個(gè)GST測(cè)試結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡照片；和圖6顯示了在387nm下監(jiān)控的圖1B的結(jié)構(gòu)的蝕刻終點(diǎn)軌跡。
貫穿所述幾幅附圖，類似的附圖標(biāo)記指示類似的部分。
具體實(shí)施例方式
公開了一種改進(jìn)的方法，其使用含氯等離子體蝕刻在形成存儲(chǔ)器件如相變化存儲(chǔ)器(OUM)中使用的具有如Ge2Sb2Te5(GST)這樣的硫族化合物層的結(jié)構(gòu)。
為了確定合適的蝕刻化學(xué)組成，有益地是通常要考慮潛在的蝕刻產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)。表1顯示了在氟、氯、溴和氫基化學(xué)組成中Ge2Sb2Te5的潛在蝕刻產(chǎn)品。越低的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)表示越易失性(希望)的蝕刻產(chǎn)品。
根據(jù)蝕刻產(chǎn)品的易失性，氟、氯、溴和氫都將潛在地形成易失性蝕刻產(chǎn)品。
表1標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖1A顯示了在蝕刻工藝之前用于包括硫族化合物即GST層的典型的結(jié)構(gòu)的多個(gè)層。圖1B顯示了在本發(fā)明的各向異性蝕刻工藝之后包括GST層的典型的結(jié)構(gòu)。所示具有GST層的典型結(jié)構(gòu)包括光致抗蝕劑掩模(掩模層)和GST層之間的抗反射(AR)層，并且在GST層之下還有介電蝕刻停止(SiO2，SiN等)層。除了各向異性地蝕刻GST層之外，還希望在保持GST層和最后的介電蝕刻停止層之間的高蝕刻選擇性的同時(shí)使用單步驟工藝來各向異性地蝕刻AR層和GST層。
盡管氫化學(xué)組成對(duì)于蝕刻GST層是可接受的并且具有對(duì)下面的介電蝕刻停止層的高蝕刻選擇性，但是單獨(dú)的氫對(duì)于蝕刻AR層通常是非常無效的。
氟基化學(xué)組成可以蝕刻GST層和AR層，但是對(duì)于下面的介電蝕刻停止層卻表現(xiàn)出差的蝕刻選擇性。
氯基化學(xué)組成能夠各向異性地蝕刻AR層和GST層，并且對(duì)于介電蝕刻停止層具有可以接受的蝕刻選擇性。注意，氯和氫的氣體混合物(H2加HCl等)也提供好的蝕刻結(jié)果。可以將氧清掃氣體(如BCl3和SiCl4)加入到處理氣體混合物以幫助平滑蝕刻表面形態(tài)并且通過側(cè)壁鈍化有助于蝕刻各向異性。
還顯示HBr/Cl2處理能夠蝕刻AR層和GST層。還顯示Ar/Cl2處理能夠蝕刻AR層和GST層。
實(shí)施例系統(tǒng)描述初始實(shí)驗(yàn)在商用Unaxis SLR 770蝕刻機(jī)上進(jìn)行。該反應(yīng)器使用2MHz ICP源來產(chǎn)生高密度等離子體。通過在13.56MHz獨(dú)立地向陰極施加偏壓來控制基板(晶片)處的離子能量。通過將晶片機(jī)械地夾在與He背面冷卻相結(jié)合的液冷式陰極來調(diào)節(jié)晶片溫度。過程終點(diǎn)實(shí)驗(yàn)使用商用Unaxis Spectraworks光發(fā)射系統(tǒng)(OES)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果使用下面的工藝來蝕刻如圖1B中所示的測(cè)試結(jié)構(gòu)BCl310sccmCl220sccm壓力 5mtorrRF偏壓50W
ICP功率800W該工藝造成GST蝕刻速率4000/分鐘光致抗蝕劑蝕刻速率 1860/分鐘介電蝕刻停止速率 500/分鐘GST∶光致抗蝕劑2.2∶1GST∶介電蝕刻停止 8∶1圖2顯示了使用BCl3/Cl2處理氣體等離子蝕刻GST層和AR層一直到下面的介電蝕刻停止層的情況下單個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)的橫截面的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
圖3顯示了使用BCl3/Cl2處理氣體等離子蝕刻GST層和AR層一直到下面的介電蝕刻停止層的情況下與圖2相同的幾個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)的橫截面的SEM照片。
圖4顯示了使用Ar/Cl2處理氣體等離子蝕刻GST層和AR層一直到下面的介電蝕刻停止層的情況下與圖2和圖3相同的幾個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)的橫截面的SEM照片。
圖5顯示了使用HBr/Cl2處理氣體等離子蝕刻GST層和AR層一直到下面的介電蝕刻停止層的情況下與圖2-4相同的幾個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)的橫截面的SEM照片。
為了最小化在過蝕刻過程中所述介電蝕刻停止層的損失，期望能檢測(cè)到蝕刻工藝到達(dá)GST與蝕刻停止層的界面的時(shí)間。通過使用光發(fā)射光譜，可以檢測(cè)到何時(shí)蝕刻到達(dá)GST與蝕刻停止層的界面。圖6顯示了圖1B的結(jié)構(gòu)的蝕刻終點(diǎn)跡線，其中蝕刻停止層是在387nm監(jiān)控下的SiN。
本公開包括所附的權(quán)利要求書包含的內(nèi)容以及前面所描述的內(nèi)容。盡管以一定程度的特殊性的優(yōu)選形式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解本優(yōu)選形式的公開只是以實(shí)施例的形式闡述的，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以采取結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)方面的多種變化以及部件的組合和布置。
權(quán)利要求
1.一種用于形成存儲(chǔ)元件的改進(jìn)的方法，所述方法包括以下步驟在真空室中放置基板，所述基板具有介電蝕刻停止層、硫族化合物層、抗反射層和掩模層；將至少一種含氯氣體引入所述真空室；在所述真空室中激發(fā)高密度等離子體；蝕刻所述硫族化合物層和所述抗反射層以在所述基板上暴露所述介電蝕刻停止層；從所述真空室移去所述基板；以及從所述基板剝離所述掩模層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述硫族化合物層包括GexSbyTez。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述GexSbyTez為Ge2Sb2Te5。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟在所述真空室中向所述基板施加偏壓。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述偏壓為在約13.56MHz的頻率下工作RF偏壓。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高密度等離子體源為感應(yīng)耦合等離子體源。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述感應(yīng)耦合等離子體源具有大約2MHz的頻率。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含氯氣體包括BCl3和Cl2的混合物。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括進(jìn)入含氫氣體。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括引入氧清掃氣體。
11.一種用于形成存儲(chǔ)元件的改進(jìn)的方法，所述方法包括以下步驟在真空室中放置基板，所述基板具有介電蝕刻停止層、硫族化合物層、抗反射層和掩模層；將至少一種含氯氣體引入所述真空室；在所述真空室中激發(fā)高密度等離子體；蝕刻所述硫族化合物層和所述抗反射層以在所述基板上暴露所述介電蝕刻停止層；根據(jù)終點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)中斷所述蝕刻步驟；從所述真空室移去所述基板；以及從所述基板剝離所述掩模層。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述終點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)使用由光發(fā)射光譜系統(tǒng)在特定波長(zhǎng)下監(jiān)控的蝕刻終點(diǎn)軌跡。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述硫族化合物層包括GexSbyTez。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述GexSbyTez為Ge2Sb2Te5。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括步驟在所述真空室中向所述基板施加偏壓。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述偏壓為在約13.56MHz的頻率下工作的RF偏壓。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述高密度等離子體源為感應(yīng)耦合等離子體源。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述感應(yīng)耦合等離子體源具有大約2MHz的頻率。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述含氯氣體包括BCl3和Cl2的混合物。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括引入含氫氣體。
21.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括引入氧清掃氣體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于形成具有如Ge
文檔編號(hào)H01L45/00GK1836342SQ200480021249
公開日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2004年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月21日
發(fā)明者李耀升, 邁克·德夫雷 申請(qǐng)人:優(yōu)利訊美國有限公司