一种制备磁性隧道结阵列的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备磁性隧道结阵列的方法，涉及磁性随机存储器制造技术领域，通过采用带羰基或羟基官能团的气体作为离子源对磁性隧道结进行刻蚀，由于羰基或羟基官能团对掩模层和对磁性隧道结材料具有比较高的选择比，降低了在刻蚀过程中掩模的损耗，掩模材料的再次沉积和因为物理溅射而带来的磁性隧道结材料的再次沉积，有利防止记忆层和参考层导电通道的形成，对改善磁性随机存储器的磁学/电学性能和良率的提升具有显著效果。同时，离子束具有良好的方向性能，增加了各向异性刻蚀性能，有利于磁性随机存储器器件的小型化。

【技术实现步骤摘要】
一种制备磁性隧道结阵列的方法
本专利技术涉及磁性随机存储器(MRAM,MagneticRadomAccessMemory)制造
，尤其涉及一种反应离子束刻蚀(RIBE,ReactiveIonBeamEtching)来制备磁性隧道结阵列的方法。
技术介绍
近年来，采用磁性隧道结(MTJ,MagneticTunnelJunction)的磁性随机存储器(MRAM,MagneticRadomAccessMemory)被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，SpinTransferTorque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。依此方法，即可通过向磁电阻元件提供自旋极化电流来反转磁性记忆层的磁化强度方向。此外，随着磁性记忆层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。因此，这种写方法可同时实现器件微型化和降低电流。同时，鉴于减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相契合。因此，期望是将pSTT-MRAM元件做成极小尺寸，并具有非常好的均匀性，以及把对MTJ磁性的影响减至最小，所采用的制备方法还可实现高良莠率、高精确度、高可靠性、低能耗，以及保持适于数据良好保存的温度系数。同时，非易失性记忆体中写操作是基于阻态变化，从而需要控制由此引起的对MTJ记忆器件寿命的破坏与缩短。然而，制备一个小型MTJ元件可能会增加MTJ电阻的波动，使得pSTT-MRAM的写电压或电流也会随之有较大的波动，这样会损伤MRAM的性能。在现在的MRAM制造工艺中，通常采用两种刻蚀工艺来对磁性隧道结进行缩微，第一种为离子束刻蚀(IBE,IonBeamEtching),第二种为反应离子刻蚀(RIE,ReactiveIonEtching)。近年来，反应离子束刻蚀由于具有良好的方向性和化学刻蚀选择比，被广泛用于半导体刻蚀领域，其常见装置如图1所示；其原理为：首先，通过电感耦合或者电容耦合等方式，使通过喷嘴120进入的化学活性气体，如：O2、N2、CO2、NF3、SF6、CF4、Cl2、BCl3、HBr、HF3、CO、SO2或者CH2F2等，在等离子腔体110中电离生成工艺所需的反应刻蚀气体离子，接着，反应刻蚀气体正离子通过加速器130被加速到刻蚀所需能量，然后，方向性良好的反应刻蚀正离子在工艺腔160中做直线运动直到被刻蚀衬底170表面，反应刻蚀离子与被刻蚀材料进行物理化学反应，最后，刻蚀副产物被接入工艺腔160的涡轮分子泵190抽走。为了释放过量的正电荷一般在工艺腔160中装有中和器140；为了对刻蚀过程中，工艺腔体中化学元素的变化做实时监测一般在工艺腔160中装有二次离子质谱仪(SIMS,SecondIonMassSpectroscopy)150；为了获得更好的刻蚀性能和对侧壁进行修剪，一般可以控制晶圆控制台180对离子束的方向角和转速。但在现有的反应离子刻蚀(RIE)工艺中，选用的化学活性气体往往对掩膜层和磁性隧道结材料的刻蚀选择比低，造成了刻蚀过程中掩膜层和磁性隧道结材料的损耗较严重，同时，刻蚀损耗的材料在隧道结侧壁二次沉积，形成损伤层/沉积层，降低了磁性隧道结的磁性和电学性能，更有甚者将导致从参考层到记忆层的短路，不利于磁性存储器良率的提高。因此，本领域的技术人员致力于开发一种对掩膜层和磁性隧道结材料具有高刻蚀选择比的刻蚀方法，降低侧壁的二次沉积现象，进一步提高磁性存储器的电、磁性能和良率。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所提供了一种制备磁性隧道结阵列的方法，包括以下步骤：形成磁性隧道结多层膜和掩膜层；图案化所述掩膜层；采用反应离子束刻蚀，所述反应离子束刻蚀的离子源包括带有羰基或羟基官能团的化合物气体。进一步地，所述反应离子束刻蚀的过程一次完成或分多次完成。进一步地，在所述反应离子束刻蚀的过程中和/或结束后，采用离子束刻蚀对磁性隧道结侧壁进行修剪。更进一步地，采用离子束刻蚀对侧壁进行修剪时，其提供离子源的气体选自He、Ne、Ar、Kr、Xe、H2、O2、N2、SF6、NF3、CF4、CHF3、NH3、CO2、CO、HCOOH、CH3OH、CH3COOH、C2H5OH或CO/NH3，方向角为2°、4°或者6°等，晶圆控制台旋转的速度为0-60rpm，优选为0rpm，30rpm或者60rpm，修剪过程可以分为多次完成。进一步地，所述反应离子束的入射方向角保持固定或在多个角度值间变化。优选地，离子束的方向角多次在2°、4°、6°等均匀分布的角度改变。进一步地，晶圆控制台旋转的速度为0-60rpm。进一步地，所述带有羰基或羟基官能团的化合物气体为HCOOH、CH3OH、CH3COOH、C2H5OH、CO/NH3中的一种或几种。其中CO中的碳氧三键含一个碳氧双键及一个配位键，因此也可以认为是含有羰基官能团的化合物。进一步地，所述离子源还包括惰性气体。进一步地，本制备方法还包括以下步骤：形成底电极层，所述底电极层包括种子层和导电层，所述种子层为Ta、TaN、W、WN、Ti、TiN中的一种或几种，所述种子层的厚度为0-5nm，所述导电层为Cu、CuN、Mo、W、Ru中的一种或几种，所述导电层的厚度为0-30nm。更进一步地，形成底电极层之后进行平坦化处理。进一步地，所述掩膜层为Ta、TaN、W、WN、Ti、TiN中的一种或多种，所述掩膜层的厚度为20-100nm。进一步地，所述磁性隧道结包括参考层、势垒层和记忆层。其中参考层具有磁极化不变性，根据其是面内型(iSTT-MRAM)或垂直(pSTT-MRAM)结构有所不同。面内型(iSTT-MRAM)的参考层一般具有(IrMn或PtMn)/CoFe/Ru/CoFe结构，其优选总厚度为10-30nm；垂直型(pSTT-MRAM)的参考层一般具有TbCoFe或[Co/Pt]nCo/Ru/[CoPt]m超晶格多层膜结构，其优选总厚度为8-20nm。势垒层为非磁性金属氧化物，优选MgO或Al2O3，其厚度为0.5-3nm。记忆层具有可变磁极化，根据其是面内型(iSTT-MRAM)或垂直(pSTT-MRAM)结构又所不同。面内型iSTT-MRAM的记忆层一般为CoFe/CoFeB或CoFe/NiFe，其厚度优选为2-6nm，垂直型pSTT-MRAM记忆层一般为CoFeB、CoFe/CoFeB、Fe/CoFeB、CoFeB(Ta，W，Mo)/CoFeB，其厚度优选为0.8-2nm。进一步地，所述离子源的总流量为10-200sccm，产生并维持等离子的射频电源功率为100-3000watt，所述离子束的加速电压为50-1000V。技术效果本专利技术提供的一种反应离子束刻蚀制备磁性隧道结阵列的方法，通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：形成磁性隧道结多层膜和掩膜层；图案化所述掩膜层；采用反应离子束刻蚀，所述反应离子束刻蚀的离子源包括带有羰基或羟基官能团的化合物气体。

【技术特征摘要】
1.一种制备磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：形成磁性隧道结多层膜和掩膜层；图案化所述掩膜层；采用反应离子束刻蚀，所述反应离子束刻蚀的离子源包括带有羰基或羟基官能团的化合物气体。2.如权利要求1的制备磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，所述反应离子束刻蚀的过程一次完成或分多次完成。3.如权利要求2所述的制备磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，在所述反应离子束刻蚀的过程中和/或结束后，采用离子束刻蚀对磁性隧道结侧壁进行修剪。4.如权利要求1所述的制备磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，所述反应离子束刻蚀过程中，离子束的入射方向角保持固定或在多个角度值间变化。5.如权利要求1所述的制备磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，所述带有羰基或羟基官能团的气体为HCOOH、CH3OH、CH3COOH、C2H5OH、CO/NH3中的一种或几种。6.如权利要求1所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云森，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31