一种气体团簇离子束修剪被刻蚀后的磁性隧道结的方法技术

本发明专利技术提供了一种气体团簇离子束修剪被刻蚀后的磁性隧道结的方法：步骤一：提供底电极基底，并在基底上沉积磁性隧道结多层膜和硬掩模膜层；步骤二：图形化定义磁性隧道结图案，刻蚀磁性隧道结；步骤三：气体团簇离子束对刻蚀之后的磁性隧道结侧壁进行修剪以除去侧壁损伤/沉积层；步骤四：沉积电介质，化学抛光磨平电介质直到硬掩模的顶部。由于气体团簇离子束的横向溅射行为，团簇或者原子能够到达被图案化的磁性隧道结的每个角落，能够有效的去除覆盖在侧壁的损伤和再次沉积层，同时，由于每个原子的能量非常低，团簇气体原子不会带来新的损伤，非常有利于磁性随机存储器磁学、电学性能的提升和良率的改善。

【技术实现步骤摘要】
一种气体团簇离子束修剪被刻蚀后的磁性隧道结的方法
本专利技术涉及一种磁性隧道结(MTJ，MagneticTunnelJunction)的加工方法，具体涉及一种采用气体团簇离子束(GCIB，GasClusterIonBeam)对刻蚀之后的磁性隧道结(MTJ，MagneticTunnelJunction)侧壁进行修剪的工艺，属于磁存储器制造

技术介绍
近年来，采用磁性隧道结(MTJ)的MRAM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)。两种刻蚀技术各有优缺点，为了获得更高的刻蚀速率，通常会把单个离子加速到很高的能量范围内，高能离子通常会破坏晶体结构，同时，因为物理溅射或者化学刻蚀副产物的再次沉积也会加大，通常，在磁性隧道结刻蚀之后，侧壁会形成一层损伤层/沉积层，这将会影响磁性隧道结的磁性和电学性能，更有胜者，将会直接导致从参考层到记忆层的短路，从而不利于磁性存储器良率的提高。近年来，气体团簇离子束(GCIB，GasClusterIonBeam)，由于单离子低能性和横向溅射效应，被认为是一种十分有效的纳/微表面处理工具，其装置如图1所示；气体团簇(GasCluster)源产生团簇束的原理是用数倍于标准大气压的气体，如：Ar、O2、N2、CO2、NF3、SF6等，经过一个亚毫米直径的细小喷嘴111进入团簇发生真空腔110，发生超声绝热冷凝膨胀，气体分子，原子碰撞而形成团簇，团簇一般用500到10，000个原子彼此靠范德华力结合在一起；在超声膨胀形成的气流中，实际上只有一小部分气体形成团簇，而且具有较大的发散，因此，需要采用分束准直装置阻挡发散的，边缘非团簇气体，只允许直线行进的气体团簇通过滤束器(Skimmer)112，经过滤束器(Skimmer)112的准直团簇气流随即进入高真空的离化系统，即：电离腔120，被炙热灯丝(电离器121)发射的电子轰击而电离，形成带正电的团簇束。这些气体团簇离子束被外加电场(加速器122)所加速，获得较高能量，进入偏转磁场123，在此过程中，单原子和较小团簇离子束将会发生偏移，而较大的团簇离子由于没有发生偏移则可以进入工艺腔130。当团簇离子束与衬底131表面发生碰撞时，团簇发生分裂，形成更小的团簇或原子，增加了原子横向迁移，即所谓的横向溅射效应(LaterSputterEffect)，同时，由于单个原子的能量比较小，不会表面产生损伤；例如：由2000个原子组成的团簇在20KeV条件下，被一个原子获得能量仅仅为10eV。
技术实现思路
本专利技术提供了一种采用气体团簇离子束对刻蚀之后的磁性隧道结侧壁进行修剪的方法，包括如下步骤：步骤一：提供底电极基底，并在基底上沉积磁性隧道结多层膜和硬掩模膜层；步骤二：图形化定义磁性隧道结图案，刻蚀磁性隧道结；步骤三：采用气体团簇离子束对被刻蚀后的磁性隧道结侧壁进行修剪以除去侧壁损伤和/或沉积层；步骤四：沉积电介质，化学抛光磨平电介质直到硬掩模膜层的顶部。进一步地，气体团簇离子束所采用的气体为Ar、N2、O2、CO、CO2、NO、N2O、NO、NO2、NH3、H2、He、Ne、Xe、CF4、SF6、NF3、CHF3、CH2F2和CH4中的一种或者几种。进一步地，气体团簇离子束的加速电压范围是3KeV～60KeV。进一步地，气体团簇离子束的辐照剂量范围是5×1013ions/cm2～5×1018ions/cm2。进一步地，气体团簇离子束垂直入射或者采用小于45度的辐照角度入射。更进一步地，辐照角度选用5度、10度或15度。进一步地，步骤三中，对侧壁修剪之后，立即沉积一层侧壁保护层。更进一步地，侧壁保护层的材料选自SiN、SiCN或SiC。更进一步地，侧壁保护层采用化学气相沉积或原子层沉积获得。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的一种采用气体团簇离子束对刻蚀之后的磁性隧道结侧壁进行修剪的方法，由于GCIB的横向溅射行为，团簇或者原子能够到达被图案化的磁性隧道结的每个角落，能够有效的去除覆盖在侧壁的损伤和再次沉积层，同时，由于每个原子的能量非常低，团簇气体原子不会带来新的损伤，非常有利于磁性随机存储器磁学、电学性能的提升和良率的改善。附图说明图1是本专利技术气体团簇离子束对刻蚀之后的磁性隧道结侧壁进行修剪的装置的结构示意图；图2是本专利技术采用气体团簇离子束对刻蚀之后的磁性隧道结侧壁进行修剪的工艺的流程图；图3是本专利技术的一个较佳实施例中，提供CMP抛光的底电极基底，并在其上依次形成磁性隧道结多层膜和硬掩模膜层之后的示意图；图4是本专利技术的一个较佳实施例中，对磁性隧道结进行刻蚀之后的示意图；图5至图8是本专利技术的一个较佳实施例中，GCIB辐射对磁性隧道结的侧壁进行修剪的示意图；图9是本专利技术的一个较佳实施例中，采用GCIB对磁性隧道结的侧壁进行修剪之后的示意图；图10是本专利技术的一个较佳实施例中，沉积一层侧壁保护层之后的示意图；图11是本专利技术的一个较佳实施例中，沉积电介质，并对其进行化学机械抛光直到硬掩模顶部之后的示意图；图中所示：100-气体团簇离子束平坦化工艺装置，110-团簇发生真空腔，111-喷嘴(Nozzle)，112-滤束器(Skimmer)，120-电离腔，121-电离器，122-加速器，123-偏转磁场，130-工艺腔，131-衬底(晶圆控制台)，210-底电极基底，220-磁性隧道结多层膜，230-硬掩模膜层，240-侧壁损伤/沉积层，250-侧壁保护层，260-电介质。具体实施方式为使本专利技术的上述目的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种修剪被刻蚀后的磁性隧道结的方法，其特征在于，采用气体团簇离子束对刻蚀之后的磁性隧道结进行修剪。

【技术特征摘要】
1.一种修剪被刻蚀后的磁性隧道结的方法，其特征在于，采用气体团簇离子束对刻蚀之后的磁性隧道结进行修剪。2.根据权利要求1所述的一种修剪被刻蚀后的磁性隧道结的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：提供底电极基底，并在所述基底上沉积磁性隧道结多层膜和硬掩模膜层；步骤二：图形化定义磁性隧道结图案，刻蚀所述磁性隧道结；步骤三：采用气体团簇离子束对被刻蚀后的所述磁性隧道结侧壁进行修剪以除去侧壁损伤和/或沉积层；步骤四：沉积电介质，化学抛光磨平所述电介质直到所述硬掩模膜层的顶部。3.根据权利要求2所述的一种修剪被刻蚀后的磁性隧道结的方法，其特征在于，所述气体团簇离子束所采用的气体为Ar、N2、O2、CO、CO2、NO、N2O、NO、NO2、NH3、H2、He、Ne、Xe、CF4、SF6、NF3、CHF3、CH2F2和CH4中的一种或者几种。4.根据权利要求2所述的一种修剪被刻蚀后的磁性隧道结的方法，其特征在于，所述气体团...

【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