用于形成MRAM应用中使用的具有期望的结晶度的结构的方法技术

本申请公开了一种用于形成MRAM应用中使用的具有期望的结晶度的结构的方法。本公开的实施方式提供用于在基板上制造自旋转移扭矩磁阻式随机存取存储器(STT‑MRAM)应用中使用的磁隧道结(MTJ)结构的方法和装置。在一个实施方式中，所述方法包括：将设置在基板上的具有隧穿阻挡层设置在磁基准层与磁存储层之间的膜堆叠体图案化，以将所述膜堆叠体的一部分从所述基板上去除，直到暴露所述基板的上表面；在经图案化的膜堆叠体的侧壁上形成侧壁钝化层；以及随后对所述膜堆叠体执行热退火工艺。

【技术实现步骤摘要】

本公开的实施方式涉及用于制造磁阻式随机存取存储器(MRAM)应用中使用的结构的方法。更具体来说，本公开的实施方式涉及用于制造MRAM应用中使用的磁隧道结结构的方法。
技术介绍
磁阻式随机存取存储器(MRAM)是包含使用它们阻值而非电子电荷来存储数据的MRAM单元阵列的存储元件类型。一般来说，每个MRAM单元包括磁隧道结(MTJ)结构。MTJ结构可以具有表示逻辑状态“0”或“1”的可调电阻。MTJ结构通常包括具有其中两个铁磁层被薄非磁电介质(例如，绝缘的隧穿层)分开的构型的磁层堆叠。顶部电极和底部电极用于夹住MTJ结构，使得电流可以在顶部电极与底部电极之间流动。一个铁磁层(例如，基准层)的特征为方向固定的磁化。另一铁磁层(例如，存储层)的特征为方向在元件写入时(诸如通过施加磁场)变化的磁化。在一些元件中，绝缘材料(诸如电介质氧化物层)可形成为夹在铁磁层之间的薄隧穿阻挡层。通常，将这些层顺序地沉积为覆膜。铁磁层和绝缘材料通过各种蚀刻工艺顺序地图案化，在这些蚀刻工艺中，将一个或多个层部分或全部地去除，以便形成元件特征。当基准层和存储层的相应磁化反平行(antiparallel)时，磁隧道结的电阻为高，具有对应于高逻辑状态“1”的阻值Rmax。另一方面，当相应磁化平行时，磁隧道结的电阻为低，也就是说，具有对应于低逻辑状态“0”的阻值Rmin。MRAM单元的逻辑状态通过将其阻值与基准阻值Rref比较来读取，所述基准阻值从基准单元或一组基准单元得出并且表示高逻辑状态“1”的阻值与低逻辑状态“0”的阻值之间的中间阻值。一种类型MRAM单元是自旋转移扭矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)。在制造传统的STT-MRAM元件时，通常紧接在膜层沉积工艺后执行热退火工艺，以帮助铁磁层和夹在元件结构中的绝缘材料的结晶。在退火工艺期间的不充分的热能或不准确的温控可能导致以不期望的方式形成的膜接合结构或性质。例如，在退火工艺期间的不准确的温控或热扩散的不期望的漂移可能导致膜层未充分结晶，从而使元件无法满足其预期性能。因此，本领域中需要用于制造MRAM应用中使用的MTJ结构的改进方法和改进装置。
技术实现思路
本公开的实施方式提供用于在基板上制造在MRAM应用中、尤其自旋转移扭矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)应用中使用的磁隧道结(MTJ)结构的方法和装置。在一个实施方式中，一种用来在基板上形成磁隧道结结构的膜堆叠体包括：钉扎层，所述钉扎层设置在基板上，其中所述钉扎层包括多个层，所述多个层包括含Co层、含Pt层、含Ta层、含Ru层和以上项的组合中的至少一个或多个；可选的结构去耦合层，所述可选的结构去耦合层设置在磁钉扎层上；磁基准层，所述磁基准层设置在所述可选的结构去耦合层上；隧穿阻挡层，所述隧穿阻挡层设置在所述磁基准层上；磁存储层，所述磁存储层设置在所述隧穿阻挡层上；以及帽盖层，所述帽盖层设置在所述磁存储层上。在另一实施方式中，所述方法包括：将设置在基板上的具有隧穿阻挡层设置在磁基准层与磁存储层之间的膜堆叠体图案化，以将所述膜堆叠体的一部分从所述基板上去除，直到暴露所述基板的上表面；在经图案化的膜堆叠体的侧壁上形成侧壁钝化层；以及随后对所述膜堆叠体执行热退火工艺。在又一实施方式中，一种在基板上形成磁隧道结结构的方法包括：将设置在基板上的具有隧穿阻挡层设置在磁基准层与磁存储层之间的膜堆叠体图案化，以将所述膜堆叠体的一部分从所述基板上去除，直到暴露所述基板的上表面；在经图案化的膜堆叠体的侧壁上形成侧壁钝化层；在所述基板上形成与所述侧壁钝化层接触的绝缘层；以及通过热处理工艺将掺杂物从所述磁基准层和所述磁存储层横向向外驱动到所述侧壁钝化层中。附图简述为了可详细理解本公开的上述特征的方式，可通过参照实施例对简要概述于上的本公开进行更加详细的描述，该等实施例中的一些实施例图示于附图中。图1描绘了用于实践本公开的一个实施方式的等离子体处理腔室的一个实施方式；图2描绘了用于实践本公开的一个实施方式的退火腔室的一个实施方式；图3描绘了示出根据本公开的一个实施方式的用于制造磁隧道结(MTJ)结构的方法的流程图；图4A-4E是处于图3的方法的各种阶段的基板的示意性侧视图；以及图5是图4A所示的膜堆叠体的一部分的另一实施方式的示意图。为了便于理解，已在可能的地方使用相同的附图标记来指定各图所共有的相同元件。可构想，一个实施方式中公开的元件可有利地用于其他实施方式，而无需特定叙述。然而，应当注意，附图仅仅示出本公开的典型实施方式，并且因此不应视为限制本公开的范围，因为本公开可允许其他等效实施方式。具体实施方式本公开的实施方式总体提供用于从设置在基板上的膜堆叠体形成MRAM应用中使用的MTJ结构的装置和方法。所述装置和方法包括通过在膜堆叠体中的材料层图案化后执行的热工艺来形成膜堆叠体中的具有期望的结晶度的材料层的膜特性。在图案化时，可沿膜堆叠体的侧壁形成侧壁钝化层。因此，通过在图案化工艺和侧壁钝化沉积工艺后执行热工艺，从热工艺提供的热能可有效地将掺杂物横向向外朝侧壁钝化层(而非垂直朝向膜堆叠体中形成的相邻的材料层)扩散到材料层中。如此一来，就可实现膜堆叠体中的材料层的可控结晶度，而无来自有可能从相邻材料交叉扩散的掺杂物的损坏或干扰。以期望的结晶度图案化和退火的膜堆叠体可以用于形成用于MRAM应用的具有期望的尺寸和特征的MTJ结构。图1是适于执行图案化工艺以蚀刻基板上设置的膜堆叠体的处理腔室100的一个实例的截面图。可适合用于本文所公开的教导内容的合适处理腔室包括例如可从加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司(AppliedMaterials,Inc.ofSantaClara,California)获得的或AdvantEdge处理腔室。虽然处理腔室100示为包括能实现优越蚀刻性能的多个特征，但是可构想的是，其他处理腔室可适于从本文所公开的专利技术特征中的一个或多个特征中受益。处理腔室100包括腔室主体102和盖104，它们围成内部容积106。腔室主体102通常由铝、不锈钢或其他合适材料制成。腔室主体102一般包括侧壁108和底部110。基板支撑基座进出端口(未示出)一般限定在侧壁108中，并且选择性地被狭缝阀密封，以便促进基板103进出处理腔室100。排放端口126限定在腔室主体102中，并且将内部容积106耦接到泵系统128。泵系统128一般包括用于抽空和调节处理腔室100的内部容积106的压力的一个或多个泵以及节流阀。在一个实施方案中，泵系统128维持内部容积106内的压力处于通常约10mTorr与约500Torr之间的操作压力。盖104密封地支撑在腔室主体102的侧壁108上。盖104可打开以允许进出处理腔室100的内部容积106。盖104包括窗口142，所述窗口促进光学工艺监控。在一个实施方案中，窗口142由石英或对安装在处理腔室100外的光学监控系统140所利用的信号透射的其他合适材料构成。光学监控系统140被定位成通过窗口142查看腔室主体102的内部容积106和/或定位在基板支撑基座组件148上的基板103中的至少一者。在一个实施方式中，光学监控系统140被耦接到盖104并且促进集成沉积工艺，所述集成沉积工艺使用光学度量来提供实现工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来在基板上形成磁隧道结结构的膜堆叠体，所述膜堆叠体包括：钉扎层，所述钉扎层设置在基板上，其中所述钉扎层包括多个层，所述多个层包括含Co层、含Pt层、含Ta层、含Ru层中的至少一个或多个；可选的结构去耦合层，所述可选的结构去耦合层设置在磁钉扎层上；磁基准层，所述磁基准层设置在所述可选的结构去耦合层上；隧穿阻挡层，所述隧穿阻挡层设置在所述磁基准层上；磁存储层，所述磁存储层设置在所述隧穿阻挡层上；以及帽盖层，所述帽盖层设置在所述磁存储层上。

【技术特征摘要】
2015.07.14 US 62/192,5651.一种用来在基板上形成磁隧道结结构的膜堆叠体，所述膜堆叠体包括：钉扎层，所述钉扎层设置在基板上，其中所述钉扎层包括多个层，所述多个层包括含Co层、含Pt层、含Ta层、含Ru层中的至少一个或多个；可选的结构去耦合层，所述可选的结构去耦合层设置在磁钉扎层上；磁基准层，所述磁基准层设置在所述可选的结构去耦合层上；隧穿阻挡层，所述隧穿阻挡层设置在所述磁基准层上；磁存储层，所述磁存储层设置在所述隧穿阻挡层上；以及帽盖层，所述帽盖层设置在所述磁存储层上。2.根据权利要求1所述的膜堆叠体，其特征在于，所述帽盖层包括设置在含Co层上的至少含Ta层或含Ru层。3.根据权利要求1所述的膜堆叠体，其特征在于，所述钉扎层中包括的所述多个层包括总共10个层。4.根据权利要求1所述的膜堆叠体，其特征在于，所述磁存储层中的含Co层是CoFeB层。5.根据权利要求1所述的膜堆叠体，其特征在于，所述磁存储层包括至少两个含Co层，所述至少两个含Co层夹住包括含Ta材料、含Mo材料或含W材料中的至少一种的层。6.一种在基板上形成磁隧道结结构的方法，所述方法包括：将设置在基板上的具有隧穿阻挡层设置在磁基准层与磁存储层之间的膜堆叠体图案化，以将所述膜堆叠体的一部分从所述基板上去除，直到所述基板的上表面暴露；在经图案化的膜堆叠体的侧壁上形成侧壁钝化层；以及随后对所述膜堆叠体执行热退火工艺。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，执行所述热退火工艺进一步包括：维持基板温度在约250摄氏度与约550摄氏度之间。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述膜堆叠体进一步包括：帽盖层，所述帽盖层设置在所述磁存储层上。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述膜堆叠体进一步包括：钉扎层，所述钉扎层设置在所述基板与所述磁基准层之间。10.根据权利要求9所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛林，安在洙，M·帕卡拉，程志康，汪荣军，
申请(专利权)人：应用材料公司，
类型：发明
国别省市：美国;US