利用低温晶片温度的离子束蚀刻制造技术

本发明专利技术涉及利用低温晶片温度的离子束蚀刻。本文的实施方式涉及用于在半导体衬底中蚀刻特征的方法和装置。在许多情况下，可在形成自旋扭矩转移随机存取存储器(STT‑RAM)装置的同时蚀刻特征。在各种实施方式中，在特定的处理步骤期间衬底可经由冷却的衬底支撑件被冷却到低温。冷却的衬底支撑件可在减少所得器件中扩散相关的损伤程度方面具有有益的影响。此外，在某些其它处理步骤期间使用未冷却的衬底支撑件同样可在减少扩散相关的损伤方面具有有益的影响，具体取决于特定步骤。在一些实施方式中，冷却的衬底支撑件可用于在衬底的某些部分上优先沉积材料(在一些情况下为反应物)的工艺中。所公开的实施方式可用于实现高质量的各向异性蚀刻结果。

【技术实现步骤摘要】
利用低温晶片温度的离子束蚀刻
本专利技术涉及在半导体衬底中蚀刻特征的方法和装置，更具体地，涉及利用低温晶片温度的离子束蚀刻。
技术介绍
半导体器件的制造通常涉及一系列操作，其中将各种材料沉积到半导体衬底上以及从半导体衬底去除各种材料。一种用于材料去除的技术是离子束蚀刻，其包括将离子输送到衬底的表面以物理地和/或化学地以各向异性方式从表面去除原子和化合物。撞击离子撞击衬底表面并通过动量传递(并且在反应离子蚀刻的情况下通过反应)去除材料。
技术实现思路
本文的某些实施方式涉及用于蚀刻衬底的方法和设备。通常，蚀刻在形成自旋扭矩转移随机存取存储器(STT-RAM)装置的环境下发生。在各种情况下，在特定处理步骤期间使用冷却的衬底支撑件，这可以减少发生的扩散相关损坏的程度，从而能够制造高质量的STT-RAM装置。在所公开的实施方式的一个方面中，提供了一种蚀刻衬底以用于形成自旋扭矩转移随机存取存储器(STT-RAM)装置的方法，所述方法包括：在反应室中接收所述衬底，所述衬底包括：(i)底部电极层，(ii)位于所述底部电极层上的蚀刻停止层，(iii)位于所述蚀刻停止层上的第一磁性层，(iv)位于所述第一磁性层上的隧道(tunneling)介电层，(v)位于所述隧道介电层上的第二磁性层，以及(vi)图案化掩模层；执行第一离子束蚀刻操作以在所述衬底上限定特征，所述第一离子束蚀刻操作包括将所述衬底暴露于离子束以蚀刻穿过至少所述第二磁性层、所述隧道介电层和所述第一磁性层，并且其中在第一离子束蚀刻操作期间，将衬底支撑件保持在约10℃和约120℃之间的温度下；执行第二离子束蚀刻操作以使所述衬底上的所述特征变窄，所述第二离子束蚀刻操作包括将所述特征的侧壁暴露于离子束，其中所述第二离子束蚀刻操作在比所述第一离子束蚀刻操作低的离子能量下进行，并且其中所述第一离子束蚀刻操作和/或所述第二离子束蚀刻操作导致在所述隧道介电层的暴露部分上和/或在所述隧道介电层中形成导电材料；以及执行导电材料减少操作以减少在所述第一离子束蚀刻操作和/或所述第二离子束蚀刻操作期间在所述隧道介电层上或所述隧道介电层中形成的所述导电材料，其中减少所述导电材料包括去除所述导电材料或使所述导电材料的导电性变弱，其中所述导电材料减少操作包括将所述衬底暴露于离子束，其中所述导电材料减少操作在比所述第二离子束蚀刻操作低的离子能量下执行，并且其中在所述导电材料减少操作期间，将所述衬底支撑件保持在约-70℃和约-10℃之间的温度下。在一些实施方式中，所述衬底支撑件温度可以在操作期间改变。在一个实例中，在所述第二离子束蚀刻操作期间，所述衬底支撑件温度降低至少约20℃。在所述第二离子束蚀刻操作期间，所述衬底支撑件可以保持在约10℃和约120℃之间的温度下。在所述导电材料减少操作期间，所述离子束可以包括氧离子和惰性离子。在一些其它情况下，在所述导电材料减少操作期间，所述离子束可包括没有任何反应离子的惰性离子。在一些实施方式中，在所述导电材料减少操作期间，所述离子束包括惰性离子和选自O2、CO、CO2、N2及其组合的一种或多种反应物。在一些情况下可以使用特定的(specific)离子能量。例如，在一个实施方式中，在所述第一离子束蚀刻操作期间，所述离子能量可以在约100-10,000eV之间(在一些情况下在约100-1000eV之间)，在所述第二离子束蚀刻操作期间，所述离子能量可以在约50-300eV，并且在所述导电材料减少操作期间，所述离子能量可以在约10-100eV之间。在某些实施方式中，所述方法还可以包括在所述第一离子束蚀刻操作之后和在所述第二离子束蚀刻操作之前，改变所述衬底与所述离子束行进的方向之间的相对取向。在所公开的实施方式的另一方面，提供了一种蚀刻衬底以形成STT-RAM装置的方法，所述方法包括：在反应室中接收所述衬底，所述衬底包括：(i)底部电极层，(ii)位于所述底部电极层上的蚀刻停止层，(iii)位于所述蚀刻停止层上的第一磁性层，(iv)位于所述第一磁性层上的隧道介电层，(v)位于所述隧道介电层上的第二磁性层，以及(vi)图案化掩模层；执行第一离子束蚀刻操作以在所述衬底上限定特征，所述第一离子束蚀刻操作包括将所述衬底暴露于离子束以蚀刻穿过至少所述第二磁性层、所述隧道介电层和所述第一磁性层，并且其中在第一离子束蚀刻操作期间，将衬底支撑件保持在约10℃和约120℃之间的温度下；执行第二离子束蚀刻操作以使所述衬底上的所述特征变窄，所述第二离子束蚀刻操作包括将所述特征的侧壁暴露于离子束，并且优先在所述第一离子束蚀刻操作期间蚀刻的区域中沉积第一材料，在所述第二离子束蚀刻操作中，所述衬底支撑件保持在约-70℃和约10℃之间的温度下。在一些实施方式中，所述第一材料具有特定的性质。例如，在一些情况下，(a)所述第一材料是非导电的，和/或(b)所述第一材料当与(i)所述底部电极层的材料和/或(2)所述第一磁性层或所述第二磁性层的材料组合时是非导电的。所述第一材料可以包括选自碳、SiO2、SiN、SiC、SiCO、SiCN及其组合的一种或多种材料。所述方法还可以包括，在所述第二离子束蚀刻操作期间，将所述第一材料溅射到所述特征的所述侧壁上。在一些情况下，所述第一材料可以是蚀刻反应物。所述蚀刻反应物可以包括含卤化合物的化合物和/或金属有机化合物。在一些这样的情况下，在所述第二离子束蚀刻操作期间，所述特征的所述侧壁可暴露于所述离子束，同时所述第一材料沉积在所述第一离子束蚀刻操作期间蚀刻的所述区域中。在一些其它情况下，所述第二离子束蚀刻操作可以包括循环地(a)沉积所述第一材料和(b)将所述衬底暴露于是离子束，其中(a)和(b)在时间上不重叠。所述方法还可以包括在所述第一离子束蚀刻操作之后，改变所述衬底与所述离子束行进的方向之间的相对取向。在一些情况下，这可能涉及倾斜所述衬底。在所公开的实施方式的另一方面中，提供了一种用于在形成STT-RAM装置的同时蚀刻衬底的离子束蚀刻装置，所述装置包括：反应室；离子束发生器；被配置为加热和冷却衬底的衬底支撑件；控制器，其具有指令以通过以下步骤蚀刻衬底：在所述反应室中接收所述衬底，所述衬底包括(i)底部电极层，(ii)位于所述底部电极层上的蚀刻停止层，(iii)(iv)位于所述第一磁性层上的隧道介电层，(v)位于所述隧道介电层上的第二磁性层，以及(vi)图案化掩模层；执行第一离子束蚀刻操作以在所述衬底上限定特征，所述第一离子束蚀刻操作包括将所述衬底暴露于离子束以蚀刻穿过至少所述第二磁性层、所述隧道介电层和所述第一磁性层，并且其中在第一离子束蚀刻操作期间，将衬底支撑件保持在约10℃和约120℃之间的温度下；执行第二离子束蚀刻操作以使所述衬底上的所述特征变窄，所述第二离子束蚀刻操作包括将所述特征的侧壁暴露于离子束，其中所述第二离子束蚀刻操作在比所述第一离子束蚀刻操作低的离子能量下进行，并且其中所述第一离子束蚀刻操作和/或所述第二离子束蚀刻操作导致在所述隧道介电层的暴露部分上和/或在所述隧道介电层中形成导电材料；以及执行导电材料减少操作以减少在所述第一离子束蚀刻操作和/或所述第二离子束蚀刻操作期间形成在所述隧道介电层上或所述隧道介电层中的所述导电材料，其中减少所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蚀刻衬底以形成自旋扭矩转移随机存取存储器(STT‑RAM)装置的方法，所述方法包括：在反应室中接收所述衬底，所述衬底包括：(i)底部电极层，(ii)设置在所述底部电极层上的蚀刻停止层，(iii)设置在所述蚀刻停止层上的第一磁性层，(iv)设置在所述第一磁性层上的隧道介电层，(v)设置在所述隧道介电层上的第二磁性层，以及(vi)图案化掩模层；执行第一离子束蚀刻操作以在所述衬底上限定特征，所述第一离子束蚀刻操作包括将所述衬底暴露于离子束以蚀刻穿过至少所述第二磁性层、所述隧道介电层和所述第一磁性层，并且其中在所述第一离子束蚀刻操作期间，将衬底支撑件保持在约10℃和约120℃之间的温度下；执行第二离子束蚀刻操作以使所述衬底上的所述特征变窄，所述第二离子束蚀刻操作包括将所述特征的侧壁暴露于离子束，其中所述第二离子束蚀刻操作在比所述第一离子束蚀刻操作低的离子能量下进行，并且其中所述第一离子束蚀刻操作和/或所述第二离子束蚀刻操作导致在所述隧道介电层的暴露部分上和/或在所述隧道介电层中形成导电材料；以及执行导电材料减少操作以减少在所述第一离子束蚀刻操作和/或所述第二离子束蚀刻操作期间形成在所述隧道介电层上或所述隧道介电层中的所述导电材料，其中减少所述导电材料包括去除所述导电材料或使所述导电材料的导电性变弱，其中所述导电材料减少操作包括将所述衬底暴露于离子束，其中所述导电材料减少操作在比所述第二离子束蚀刻操作低的离子能量下进行，其中在所述导电材料减少操作期间，将所述衬底支撑件保持在约‑70℃和约‑10℃之间的温度下。...

【技术特征摘要】
2016.02.25 US 15/054,0231.一种蚀刻衬底以形成自旋扭矩转移随机存取存储器(STT-RAM)装置的方法，所述方法包括：在反应室中接收所述衬底，所述衬底包括：(i)底部电极层，(ii)设置在所述底部电极层上的蚀刻停止层，(iii)设置在所述蚀刻停止层上的第一磁性层，(iv)设置在所述第一磁性层上的隧道介电层，(v)设置在所述隧道介电层上的第二磁性层，以及(vi)图案化掩模层；执行第一离子束蚀刻操作以在所述衬底上限定特征，所述第一离子束蚀刻操作包括将所述衬底暴露于离子束以蚀刻穿过至少所述第二磁性层、所述隧道介电层和所述第一磁性层，并且其中在所述第一离子束蚀刻操作期间，将衬底支撑件保持在约10℃和约120℃之间的温度下；执行第二离子束蚀刻操作以使所述衬底上的所述特征变窄，所述第二离子束蚀刻操作包括将所述特征的侧壁暴露于离子束，其中所述第二离子束蚀刻操作在比所述第一离子束蚀刻操作低的离子能量下进行，并且其中所述第一离子束蚀刻操作和/或所述第二离子束蚀刻操作导致在所述隧道介电层的暴露部分上和/或在所述隧道介电层中形成导电材料；以及执行导电材料减少操作以减少在所述第一离子束蚀刻操作和/或所述第二离子束蚀刻操作期间形成在所述隧道介电层上或所述隧道介电层中的所述导电材料，其中减少所述导电材料包括去除所述导电材料或使所述导电材料的导电性变弱，其中所述导电材料减少操作包括将所述衬底暴露于离子束，其中所述导电材料减少操作在比所述第二离子束蚀刻操作低的离子能量下进行，其中在所述导电材料减少操作期间，将所述衬底支撑件保持在约-70℃和约-10℃之间的温度下。2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第二离子束蚀刻操作期间，所述衬底支撑件温度降低至少约20℃。3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第二离子束蚀刻操作期间，将所述衬底支撑件保持在约10℃和约120℃之间的温度下。4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述导电材料减少操作期间，所述离子束包括氧离子和惰...

【专利技术属性】
技术研发人员：索斯藤·利尔，伊凡·L·贝瑞三世，安东尼·里奇，
申请(专利权)人：朗姆研究公司，
类型：发明
国别省市：美国,US