[发明专利]一种感应耦合等离子体刻蚀设备及刻蚀方法

说明书

本发明公开一种感应耦合等离子体刻蚀设备及刻蚀方法。该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，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。本发明能够通过调节不同频率射频偏压来控制离子能量的分布，从而调节刻蚀的工艺，使得刻蚀的速度和角度更加可控。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，可以以相对低的功率快速刻蚀，实现绿色节能加工。本发明适用于磁性隧道结的刻蚀。

技术领域

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。

发明内容

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。