磁性隧道结及其形成方法技术

一种磁性隧道结及其形成方法，其中，磁性隧道结的形成方法包括：提供的第一介质层和第一电极层表面依次具有复合磁性层和第一掩膜层，第一掩膜层平行于衬底表面的图形为圆形；以第一掩膜层刻蚀复合磁性层直至暴露出第一介质层；之后在第一介质层表面形成第二掩膜层，第二掩膜层的表面与第一掩膜层的表面齐平；去除第一掩膜层并形成开口；在开口的侧壁表面形成第三掩膜侧墙；对第三掩膜侧墙进行离子注入工艺，离子注入的方向相对于衬底表面倾斜；之后刻蚀去除部分第三掩膜侧墙以形成第三掩膜，使第三掩膜的内侧壁平行于衬底表面的图形呈椭圆形；以第三掩膜刻蚀复合磁性层直至暴露出第一电极层。所形成的磁性隧道结的存储稳定性提高、可靠性提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体制造
，尤其涉及一种磁性隧道结及其形成方法。
技术介绍
磁存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）具有读写时间短、非易失性和功耗低等优点，适用于计算机或手机等信息处理设备上，使得磁存储器受到市场的广泛关注。现有的磁存储器结构包括：用于作为开关器件的晶体管、以及用于存储数据的磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）结构。磁存储器通过施加磁场，将信息存储到磁性隧道结结构中，并通过测量通过磁性隧道结的电流读取所存储的信息。图1是现有的磁性隧道结的截面结构示意图，包括：位于衬底100表面的底部电极层101；位于底部电极层101表面的磁性结构102；位于磁性结构102表面的顶部电极层103。其中，磁性结构102由固定磁性层110、位于固定磁性层110表面的隧道绝缘层111、以及位于隧道绝缘层111表面的自由磁性层112交替堆叠而成，所述磁性结构102为至少为三层结构或多层结构。此外，所述磁性隧道结结构还包括：位于自由磁性层112和顶部电极层103之间的第一介质层105；位于底部电极层101和固定磁性层110之间的第二介质层104。所述固定磁性层110的磁化方向固定，自由磁性层112的方向可编程。当所述自由磁性层112的磁化方向与固定磁性层110的磁化方向一致时，磁性隧道结的电阻最小，即为逻辑“0”状态；当所述自由磁性层112的磁化方向与固定磁性层110的磁化方向相差180度时，磁性隧道结的电阻最大，即为逻辑“1”状态。在“读取”的过程中，通过获取磁性隧道结的电阻以读出磁性随机存储器的状态。然而，现有的磁性隧道结的存储性能不稳定，导致磁性随机存储器的可靠性低。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是提供一种磁性隧道结及其形成方法，提高磁性隧道结的存储稳定性，提高由磁性隧道结构成的磁性随机存储器的可靠性。为解决上述问题，本专利技术提供一种磁性隧道结的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底表面具有第一介质层，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第一介质层暴露出所述第一电极层，所述第一介质层和第一电极层表面具有复合磁性层，所述复合磁性层表面具有第一掩膜层，所述第一掩膜层平行于衬底表面的图形为圆形，且所述第一掩膜层的位置与第一电极层的位置对应；以所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一介质层表面为止；在刻蚀所述复合磁性层之后，在第一介质层表面形成第二掩膜层，所述第二掩膜层的表面与第一掩膜层的表面齐平；去除第一掩膜层，在所述第二掩膜层内形成开口；在所述开口的侧壁表面形成第三掩膜侧墙；对所述第三掩膜侧墙进行离子注入工艺，使部分第三掩膜侧墙内具有掺杂离子，且所述第三掩膜侧墙中具有掺杂离子的部分相对于不具有掺杂离子的部分具有刻蚀选择性，所述离子注入的方向相对于衬底表面倾斜，且所述离子注入的方向朝第一方向、以及与第一方向相反的方向倾斜，所述第一方向平行于衬底表面；在所述离子注入工艺之后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙，形成第三掩膜，所述刻蚀工艺在第一方向上和第二方向上刻蚀第三掩膜侧墙的厚度不同，使所述第三掩膜的内侧壁平行于衬底表面的图形呈椭圆形，所述第二方向平行于衬底表面，且所述第二方向垂直于第一方向；以所述第三掩膜为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一电极层为止。可选的，所述离子注入的方向与衬底表面的倾斜角为20度～45度。可选的，所述第一掩膜层、第二掩膜层和第三掩膜侧墙的材料不同，所述第一掩膜层、第二掩膜层或第三掩膜侧墙的材料为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化钛、无定形碳或硅。可选的，所述第三掩膜侧墙中具有掺杂离子的部分的刻蚀速率高于不具有掺杂离子的部分。可选的，当所述第三掩膜侧墙的材料为硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子为氧离子、氩离子、氮离子中的一种或多种。可选的，当所述第三掩膜侧墙的材料为氧化硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子为氩离子。可选的，当所述第三掩膜侧墙的材料为氮化硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子为氧离子、氩离子、碳离子中的一种或多种。可选的，在所述离子注入工艺之后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙的工艺为各向同性的湿法刻蚀工艺，所述湿法刻蚀的刻蚀液包括氢氟酸。可选的，在所述离子注入工艺之后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙的工艺为各向同性的干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀的气体中含有氟元素。可选的，所述第三掩膜侧墙中具有掺杂离子的部分的刻蚀速率低于不具有掺杂离子的部分。可选的，当所述第三掩膜侧墙的材料为氮化硅时，掺杂离子为碳离子；刻蚀去除部分第三掩膜侧墙的工艺为热磷酸处理工艺。可选的，所述复合磁性层包括至少一层磁性层，所述磁性层包括固定磁性层、以及位于固定磁性层表面的自有磁性层，所述固定磁性层和自由磁性层之间具有磁性绝缘层进行隔离。可选的，当所述复合磁性层为多层磁性层重叠设置时，相邻磁性层之间具有第一绝缘层。可选的，所述复合磁性层还包括：位于顶层磁性层表面的第二电极层。可选的，所述复合磁性层还包括：位于第一电极层和磁性层之间的第二绝缘层；位于第二电极层和顶层磁性层之间的第三绝缘层。可选的，所述第一掩膜层的形成工艺为：在复合磁性层表面形成第一掩膜薄膜；在所述第一掩膜薄膜表面形成图形化层，所述图形化层的图形为圆形，且所述图形化层的位置与第一电极层相对应；以所述图形化层为掩膜，刻蚀所述第一掩膜薄膜直至暴露出复合磁性层为止，形成第一掩膜层；在形成第一掩膜层之后，去除图形化层。可选的，所述第二掩膜层的形成工艺为：在第一介质层表面和第一掩膜层表面沉积第二掩膜薄膜；对所述第二掩膜薄膜进行抛光，直至暴露出第一掩膜层表面为止，形成第二掩膜层。可选的，所述第三掩膜侧墙的形成工艺为：在第二掩膜层表面、开口的侧壁和底部表面沉积第三掩膜薄膜；回刻蚀所述侧墙薄膜直至暴露出第二掩膜层表面和开口底部表面，形成第三掩膜侧墙。相应的，本专利技术还提供一种采用上述任一项方法所形成的磁性隧道结，包括：衬底；位于所述衬底表面的第一介质层，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第一介质层暴露出所述第一电极层；位于所述第一介质层和第一电极层表面的复合磁性层，所述复合磁性层暴露出部分第一电极层和第一介质层表面，所述复合磁性层平行于衬底表面方向的图形为环形，所述环形的外圈边界为圆形，所述环形的内圈边界为椭圆形。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下优点：...

【技术保护点】
一种磁性隧道结的形成方法，其特征在于，包括：提供衬底，所述衬底表面具有第一介质层，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第一介质层暴露出所述第一电极层，所述第一介质层和第一电极层表面具有复合磁性层，所述复合磁性层表面具有第一掩膜层，所述第一掩膜层平行于衬底表面的图形为圆形，且所述第一掩膜层的位置与第一电极层的位置对应；以所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一介质层表面为止；在刻蚀所述复合磁性层之后，在第一介质层表面形成第二掩膜层，所述第二掩膜层的表面与第一掩膜层的表面齐平；去除第一掩膜层，在所述第二掩膜层内形成开口；在所述开口的侧壁表面形成第三掩膜侧墙；对所述第三掩膜侧墙进行离子注入工艺，使部分第三掩膜侧墙内具有掺杂离子，且所述第三掩膜侧墙中具有掺杂离子的部分相对于不具有掺杂离子的部分具有刻蚀选择性，所述离子注入的方向相对于衬底表面倾斜，且所述离子注入的方向朝第一方向、以及与第一方向相反的方向倾斜，所述第一方向平行于衬底表面；在所述离子注入工艺之后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙，形成第三掩膜，所述刻蚀工艺在第一方向上和第二方向上刻蚀第三掩膜侧墙的厚度不同，使所述第三掩膜的内侧壁平行于衬底表面的图形呈椭圆形，所述第二方向平行于衬底表面，且所述第二方向垂直于第一方向；以所述第三掩膜为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一电极层为止。...

【技术特征摘要】
1.一种磁性隧道结的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底表面具有第一介质层，所述第一介质层内具有第一
电极层，所述第一介质层暴露出所述第一电极层，所述第一介质层和第一电
极层表面具有复合磁性层，所述复合磁性层表面具有第一掩膜层，所述第一
掩膜层平行于衬底表面的图形为圆形，且所述第一掩膜层的位置与第一电极
层的位置对应；
以所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一介质层
表面为止；
在刻蚀所述复合磁性层之后，在第一介质层表面形成第二掩膜层，所述
第二掩膜层的表面与第一掩膜层的表面齐平；
去除第一掩膜层，在所述第二掩膜层内形成开口；
在所述开口的侧壁表面形成第三掩膜侧墙；
对所述第三掩膜侧墙进行离子注入工艺，使部分第三掩膜侧墙内具有掺
杂离子，且所述第三掩膜侧墙中具有掺杂离子的部分相对于不具有掺杂离子
的部分具有刻蚀选择性，所述离子注入的方向相对于衬底表面倾斜，且所述
离子注入的方向朝第一方向、以及与第一方向相反的方向倾斜，所述第一方
向平行于衬底表面；
在所述离子注入工艺之后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙，形成第三掩膜，
所述刻蚀工艺在第一方向上和第二方向上刻蚀第三掩膜侧墙的厚度不同，使
所述第三掩膜的内侧壁平行于衬底表面的图形呈椭圆形，所述第二方向平行
于衬底表面，且所述第二方向垂直于第一方向；
以所述第三掩膜为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一电极层为
止。
2.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述离子注入
的方向与衬底表面的倾斜角为20度～45度。
3.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第一掩膜
层、第二掩膜层和第三掩膜侧墙的材料不同，所述第一掩膜层、第二掩膜

\t层或第三掩膜侧墙的材料为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化钛、无定形
碳或硅。
4.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第三掩膜
侧墙中具有掺杂离子的部分的刻蚀速率高于不具有掺杂离子的部分。
5.如权利要求4所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，当所述第三掩
膜侧墙的材料为硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子为氧离子、氩离子、
氮离子中的一种或多种。
6.如权利要求4所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，当所述第三掩
膜侧墙的材料为氧化硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子为氩离子。
7.如权利要求4所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，当所述第三掩
膜侧墙的材料为氮化硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子为氧离子、氩
离子、碳离子中的一种或多种。
8.如权利要求4所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，在所述离子注
入工艺之后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙的工艺为各向同性的湿法刻蚀工
艺，所述湿法刻蚀的刻蚀液包括氢氟酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪中山，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31