截面为圆环的圆柱体的半导体器件的制作方法

摘要

本发明提供了一种截面为圆环的圆柱体的半导体器件的制作方法，该方法首先以氮化硅层为掩膜定义圆环的外径，然后对其下的多晶硅层或者非晶硅层进行氧化，掩膜氮化硅层下方未被氧化的多晶硅层或者非晶硅层的直径宽度作为圆环的内径宽度。在此过程中利用刻蚀技术最终形成截面为圆环的圆柱体的半导体器件。采用本发明的方法能够简单准确地实现截面为圆环的圆柱体图案。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种截面为圆环的圆柱体的 半导体器件的制作方法。

背景技术

磁性随机存取存储器(MRAM)是一种非易失性存储器，其在许多应用 中有着传统存储器例如动态随机存取存储器(DRAM)、闪存等无法比拟的 优点。MRAM的磁性存储单元为磁性隧道结(MTJ)，现有的MTJ为实心 圆柱体，经过研究表明，将MTJ制作成截面为圆环的圆柱体，则能够大大提 高MRAM的电学性能。图1为截面为圆环的圆柱体半导体器件立体示意图。 因此，不仅仅对于MTJ，包括其他需要制作成截面为圆环的圆柱体的半导体 器件，如何实现该半导体器件的图案，是半导体制造业正在关注的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是：如何制作截面为圆环的圆柱体半 导体器件。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明公开了一种截面为圆环的圆柱体的半导体器件的制作方法，该方法包 括：

在半导体衬底上依次沉积刻蚀目标层、多/非晶硅层和氮化硅层；所述多/非 晶硅层的含义为多晶硅层或者非晶硅层；

在氮化硅层的表面涂布光阻胶层，并曝光显影图案化所述光阻胶层，所述图 案化的光阻胶层为圆柱形，用于定义圆环的外径宽度；

以图案化的光阻胶层为掩膜，刻蚀所述氮化硅层形成图案化的圆柱形氮化硅 层；

去除光阻胶层后，以图案化的圆柱形氮化硅层为掩膜，对多/非晶硅层进行 氧化形成具有第一预定深度的氧化硅层；其中，位于图案化的圆柱形氮化硅层 的下方未被氧化的多/非晶硅层的直径宽度为圆环的内径宽度；

以所述图案化的圆柱形氮化硅层为掩膜，各向异性刻蚀具有第一预定深度的 氧化硅层至显露出多/非晶硅层；

去除所述图案化的圆柱形氮化硅层后，显露出位于所述图案化的圆柱形氮化 硅层下的氧化硅层和未被氧化的多/非晶硅层，各向异性刻蚀多/非晶硅层至显露 出刻蚀目标层；所述显露出的氧化硅的宽度为圆环的宽度，所述圆环的宽度为 圆环的外径宽度减去圆环的内径宽度；

以显露出的氧化硅层为掩膜对刻蚀目标层进行刻蚀，形成截面为圆环的圆柱 体的半导体器件。

所述去除光阻胶层后，以图案化的圆柱形氮化硅层为掩膜，对多/非晶硅层 进行氧化形成具有第一预定深度的氧化硅层之前，该方法进一步包括：以图案 化的圆柱形氮化硅层为掩膜，刻蚀多/非晶硅层至第二预定深度的步骤；

所述第一预定深度大于第二预定深度。

所述刻蚀多/非晶硅层为各向同性刻蚀或者各向异性刻蚀；

所述各向同性刻蚀多/非晶硅层的气体包括四氟化碳CF₄、六氟化硫SF₆或三 氟化氮NF₃中的一种，或者几种的任意组合；

所述各向异性刻蚀多/非晶硅层的气体包括CF₄、溴化氢HBr或氯气Cl₂中的 一种，或者几种的任意组合。

所述氧化为热氧化或者等离子辅助氧化的方法。

所述各向异性刻蚀多/非晶硅层至显露出刻蚀目标层的刻蚀气体包括溴化氢 HBr或氯气Cl₂中的一种，或者两种的组合，该刻蚀气体对多/非晶硅层进行刻 蚀的同时，不会刻蚀氧化硅层。

在沉积多/非晶硅层和氮化硅层之间，该方法进一步包括对多/非晶硅层 进行氨气退火的步骤。

由上述的技术方案可见，本发明首先以氮化硅层为掩膜定义圆环的外 径，然后对其下的多晶硅层或者非晶硅层进行氧化，掩膜氮化硅层下方未被 氧化的多晶硅层或者非晶硅层的直径宽度作为圆环的内径宽度。在此过程中 利用刻蚀技术最终形成截面为圆环的圆柱体的半导体器件。采用本发明的方 法能够简单准确地实现截面为圆环的圆柱体图案，即使在要求半导体器件的 尺寸非常小的情况下，本发明的方法仍然能够实现，因为本发明的方法不依 赖于光刻设备，不会因为光刻特征尺寸接近甚至超过了光学光刻的物理极限， 而使光刻设备无法曝光显影得到尺寸更小的半导体图案。

附图说明

图1为截面为圆环的圆柱体半导体器件立体示意图。

图2为本发明制作截面为圆环的圆柱体的半导体器件的方法流程示意 图。

图2a至图2g为本发明制作截面为圆环的圆柱体的半导体器件的具体剖 面示意图。

图3a至图3h为本发明优选实施例制作截面为圆环的圆柱体的半导体器 件的具体剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并 举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明制作截面为圆环的圆柱体的半导体器件的方法流程示意图如图2 所示，其包括以下步骤，下面结合图2a至图2g进行说明。

步骤21、请参阅图2a，在半导体衬底100上依次沉积刻蚀目标层101、 多晶硅层102和氮化硅层103。

本发明中多晶硅层102还可以替换为非晶硅，之所以采用多晶硅或者非 晶硅，是因为其具有很好的与上下层匹配的晶格，且后续对多晶硅或者非晶 硅进行氧化时，具有较好的氧化效果，使得多晶硅或者非晶硅能够被均匀地 氧化。本发明中采用氮化硅层103，后续在反应腔内通入氧气对多晶硅层102 进行氧化时，氮化硅性质比较稳定，可以确保在氧化多晶硅的同时，氮化硅 层不被氧化；

步骤22、请参阅图2b，在氮化硅层103的表面涂布光阻胶层104，并曝 光显影图案化所述光阻胶层104，所述图案化的光阻胶层104为圆柱形，其 圆柱形的直径定义了圆环的外径A；

步骤23、请参阅图2c，以图案化的光阻胶层104为掩膜，刻蚀所述氮化 硅层103形成图案化的圆柱形氮化硅层103。

刻蚀氮化硅层103的气体主要为四氟化碳(CF₄)；

步骤24、请参阅图2d，去除光阻胶层104后，以图案化的圆柱形氮化 硅层103为掩膜，对多晶硅层102进行氧化形成具有第一预定深度的氧化硅 层105。具体为向反应腔内通入氧气，将多晶硅氧化为氧化硅，因此原来多 晶硅的体积会增大，氧化硅的高度会稍高于图案化的氮化硅层103底面的高 度。氧化的方法有多种，可以为热氧化，也可以为等离子辅助氧化。氧化之 后，位于图案化的圆柱形氮化硅层103的下方，剩余在横向上多晶硅层102 的宽度B即为圆环的内径。

对多晶硅层102进行氧化，使得氧化之后剩余在横向上多晶硅层102的 直径为B，可以通过预定氧化时间及预定氧气流量来进行控制。在圆环外径 A确定的情况下，通入氧气的量越大，氧化时间越长，形成的B则越小。具 体来说，首先选择一片需要氧化的测试晶片(wafer)，该wafer上形成有与 产品晶片相同的结构。其中，产品晶片为其上已经分布了器件的晶片，最终 可以经过多道工序成为成品；而测试晶片虽然测试结构与产品晶片相同，但 在测试之后被废弃。测试晶片在氧化时进行多次试验，每次预先设定氧化时 间及氧气流量，并将氧化后的wafer置入测量机台进行尺寸测量，将最终达 到预定宽度B时的时间及流量，作为同批wafer在该步骤中的预定氧化时间 及氧气流量；

步骤25、请参阅图2e，以所述图案化的圆柱形氮化硅层103为掩膜，各 向异性刻蚀氧化硅层105至多晶硅层102；

步骤26、请参阅图2f，去除图案化的圆柱形氮化硅层103后，各向异性 刻蚀多晶硅层102至显露出刻蚀目标层101，此时已经形成本发明所需要的 截面为圆环的圆柱体掩膜。当图案化的圆柱形氮化硅层103去除之后，多晶 硅层102和氧化硅层105都是显露出来的，所以本步骤采用刻蚀多晶硅与氧 化硅的选择比很高的气体进行刻蚀，选择比一般能达到几十甚至几百，即刻 蚀多晶硅的同时，基本不会刻蚀氧化硅。刻蚀气体一般采用氯气或者溴化氢 中的一种，或者两种的组合。其中，显露出的氧化硅层的宽度为圆环的宽度， 该宽度等于外径A-内径B；

步骤27、请参阅图2g，以上述图案为掩膜，对刻蚀目标层101进行刻 蚀，形成本发明的截面为圆环的圆柱体半导体器件。该步骤就是将掩膜转移 到刻蚀目标层101上。

至此，本发明的截面为圆环的圆柱体半导体器件形成。

上述在步骤24中，对多晶硅层102氧化的准确控制，决定了圆环的宽 度和内径，为了使圆环的尺寸更加准确，本发明优选实施例在步骤24去除光 阻胶层104后，对多晶硅层102进行氧化之前，加入了刻蚀多晶硅层102的 步骤。

本发明优选实施例制作截面为圆环的圆柱体半导体器件的方法，包括以 下步骤，下面结合图3a至图3h进行说明。

步骤31、请参阅图3a，在半导体衬底100上依次沉积刻蚀目标层101、 多晶硅层102和氮化硅层103。

本发明中多晶硅层102还可以替换为非晶硅，之所以采用多晶硅或者非 晶硅，是因为其具有很好的与上下层匹配的晶格，且后续对多晶硅或者非晶 硅进行氧化时，具有较好的氧化效果，使得多晶硅或者非晶硅能够被均匀地 氧化。本发明中采用氮化硅层103，后续在反应腔内通入氧气对多晶硅层102 进行氧化时，氮化硅性质比较稳定，可以确保在氧化多晶硅的同时，氮化硅 层不被氧化；

步骤32、请参阅图3b，在氮化硅层103的表面涂布光阻胶层104，并曝 光显影图案化所述光阻胶层104，所述图案化的光阻胶层104为圆柱形，其 圆柱形的直径定义了圆环的外径A；

步骤33、请参阅图3c，以图案化的光阻胶层104为掩膜，刻蚀所述氮化 硅层103形成图案化的圆柱形氮化硅层103。

刻蚀氮化硅层103的气体主要为CF₄；

步骤34、请参阅图3d，去除光阻胶层104后，以图案化的圆柱形氮化 硅层103为掩膜，刻蚀多晶硅层102至第二预定深度。

其中，对多晶硅层102的刻蚀可以是各向同性的刻蚀，即在横向和纵向 上都有一定宽度和深度的刻蚀，刻蚀气体可以包括四氟化碳(CF₄)、六氟 化硫(SF₆)或三氟化氮(NF₃)中的一种，或者是上述几种的任意组合；也 可以是各向异性的刻蚀，即只在纵向上有一定深度的刻蚀，刻蚀气体可以包 括CF₄、溴化氢(HBr)或氯气(Cl₂)中的一种，或者是上述几种的任意组 合。

对于多晶硅层102在横向或者纵向上的刻蚀尺寸也是通过预定刻蚀时间 来进行控制。测试晶片在刻蚀时进行多次试验，每次预先设定刻蚀时间进行 刻蚀，并将刻蚀后的wafer置入测量机台进行尺寸测量，将最终达到预定刻 蚀尺寸时的刻蚀时间，作为同批wafer在该步骤中的预定刻蚀时间。

该步骤中控制刻蚀之后多晶硅层102的横向宽度L占图案化的氮化硅层 103宽度的1/2～1。控制刻蚀多晶硅层102时的纵向深度H占多晶硅层102 高度的0～1。如果是异向刻蚀，则刻蚀不会向横向延伸，即刻蚀只沿着图案 化的圆柱形氮化硅层103向下刻蚀，不会刻蚀到图案化的圆柱形氮化硅层103 正下方部分的多晶硅，L与图案化的圆柱形氮化硅层103宽度B相同；如果 是横向刻蚀，则刻蚀不但沿着图案化的圆柱形氮化硅层103向下进行，而且 会刻蚀到图案化的圆柱形氮化硅层103正下方部分的多晶硅，使得L减少。 L的宽度不能太窄，否则后续会将L宽度内的多晶硅全部氧化；而且H可以 具有一定的数值，当H较大时，可以使后续氧化时的尺寸更加规则，从而更 精确地控制步骤27中刻蚀多晶硅的特征尺寸(CD)；

步骤35、请参阅图3e，以图案化的圆柱形氮化硅层103为掩膜，对多晶 硅层102进行氧化形成具有第一预定深度的氧化硅层105。具体为向反应腔 内通入氧气，将多晶硅氧化为氧化硅，因此原来多晶硅的体积会增大，氧化 硅将步骤34中刻蚀的凹陷部分填充满。氧化的方法有多种，可以为热氧化， 也可以为等离子辅助氧化。氧化之后，位于图案化的圆柱形氮化硅层103的 下方，剩余在横向上多晶硅层102的宽度B即为圆环的内径。

对于多晶硅层102氧化成具有第一预定深度的氧化硅层，可以通过预定 氧化时间来进行控制。由于在刻蚀多晶硅层具有第二预定深度的基础上，进 行氧化，所以第一预定深度大于刻蚀的第二预定深度；

步骤36、请参阅图3f，以所述图案化的圆柱形氮化硅层103为掩膜，各 向异性刻蚀氧化硅层105至多晶硅层102；

步骤37、请参阅图3g，去除图案化的圆柱形氮化硅层103后，各向异 性刻蚀多晶硅层102至显露出刻蚀目标层101，此时已经形成本发明所需要 的截面为圆环的圆柱体掩膜。当图案化的圆柱形氮化硅层103去除之后，多 晶硅层102和氧化硅层105都是显露出来的，所以本步骤采用刻蚀多晶硅与 氧化硅的选择比很高的气体进行刻蚀，选择比一般能达到几十甚至几百，即 刻蚀多晶硅的同时，基本不会刻蚀氧化硅。刻蚀气体一般采用氯气或者溴化 氢中的一种，或者两种的组合。其中，显露出的氧化硅层的宽度为圆环的宽 度，该宽度等于外径A-内径B；

步骤38、请参阅图3h，以上述图案为掩膜，对刻蚀目标层101进行刻 蚀，形成本发明的截面为圆环的圆柱体半导体器件。该步骤就是将掩膜转移 到刻蚀目标层101上。

至此，本发明优选实施例的截面为圆环的圆柱体半导体器件形成。

在沉积多晶硅层102和氮化硅层103之间，可以进一步包括对多晶硅层 102进行氨气退火的步骤。氧化多晶硅层102时，由于多晶硅层102内具有 颗粒结构，而且在颗粒边界(grain boundary)处的氧化速率比颗粒内部的氧 化速率要快很多，所以采用氨气对多晶硅层102进行退火，有利于降低颗粒 边界处的氧化，使得多晶硅层102内的氧化速率趋于一致，形成均匀的氧化 硅层。对于非晶硅，上述氨气退火的方法仍然适用。

在沉积刻蚀目标层101和多晶硅层102之间可以进一步包括沉积形成硬 掩膜层的步骤，硬掩膜层可以为氮化硅、氮氧化硅等，具有一定的硬度，用 于保护刻蚀目标层101刻蚀尺寸的均匀性。如果在刻蚀目标层101和多晶硅 层102之间加入硬掩膜层，则去除氮化硅层103后，刻蚀多晶硅层102至显 露出硬掩膜层，然后对硬掩膜层进行刻蚀至显露出刻蚀目标层101。

综上所述，本发明截面为圆环的圆柱体的半导体器件的形成方法，关键 的是，对多晶硅或者非晶硅进行氧化，采用氧化硅作为掩膜图形，将形成的 圆环状掩膜转移到目标层上，从而形成了上述图案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明保护的范围之内。