一种制备磁性隧道结的方法技术

本发明专利技术提供了一种磁性隧道结的制造方法,采用了多次氧化与离子束刻蚀的流程，彻底消除了磁性随机存储器记忆层和参考层短路通道的形成，有利于MRAM回路磁性性能、电学性能和产品良率的提升，可用于制造超小型磁性随机存储器的结构单元。

A method for preparing magnetic tunnel junction

The invention provides a manufacturing method for magnetic tunnel junction. The process of multiple oxidation and ion beam etching is adopted, which completely eliminates the formation of the memory layer and the short circuit of the reference layer in the magnetic random memory. It is beneficial to the magnetic properties of the MRAM circuit, the electrical performance and the improvement of the product yield, and can be used in the manufacture of the super small magnetic random memory. A structural unit of a reservoir.

【技术实现步骤摘要】
一种制备磁性隧道结的方法
本专利技术涉及集成电路制造技术，具体涉及一种制造超小型磁性随机存储结构单元的方法，属于磁性随机存储器(MRAM，MagneticRadomAccessMemory)制造

技术介绍
近年来，采用磁性隧道结(MTJ，MagneticTunnelJunction)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，一般采用一步刻蚀工艺对磁性隧道结，即：对记忆层(或参考层)、势垒层和参考层(或记忆层)进行刻蚀。具体的方案可以采用反应离子刻蚀(RIE，ReactiveIonEtching)或离子束刻蚀(IBE，IonBeamEtching)的方法来实现，刻蚀带来的物理损伤，化学损伤以及由于刻蚀副产物的再次沉积造成的参考层和记忆层之间的短路都是不可避免的问题，这将会影响MRAM器件的磁性和电学性能，不利于MRAM良率的提高。因此，本领域的技术人员致力于开发一种可消除或减少参考层与记忆层之间短路通道，进而提高MRAM器件电学、磁学性能及产品良率的加工方法。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种制备磁性隧道结的方法：首先采用刻蚀技术对磁性隧道结进行部分刻蚀，然后通过氧化与离子束刻蚀流程完成磁性隧道结与底电极的制作，由于采用了氧化工艺，彻底消除了磁性随机存储器记忆层和参考层短路通道的形成。可以分为以下几步完成：步骤S1：在表面抛光的CMOS基底上，依次形成底电极、磁性隧道结和硬掩模膜层；步骤S2：图形化定义磁性隧道结图案，并转移图案到磁性隧道结的顶部；步骤S3：部分刻蚀磁性隧道结；步骤S4：部分氧化未被刻蚀的磁性隧道结和被刻蚀的硬掩模膜层/磁性隧道结侧壁，缩小磁性隧道结截面积；步骤S5：以硬掩模为掩模，离子束刻蚀未被刻蚀的磁性隧道结底部和/或底电极；步骤S6：电介质填充空隙，并采用化学机械抛光磨平直到的硬掩模膜层的顶部。进一步地，重复S4和S5流程(氧化与离子束刻蚀流程)直到底电极被刻蚀掉。进一步地，所述部分刻蚀磁性隧道结，可以选择反应离子刻蚀工艺也可以选择离子束刻蚀工艺，并保证刻蚀在势垒层之前结束。进一步地，所述氧化工艺可以采用离子注入、离子束刻蚀、反应离子刻蚀，氧气气体团簇离子束或遥控等离子刻蚀技术一种或者几种实现。进一步地，氧化工艺结束后，在真空环境中，可以选择性地对部分加工的磁性隧道结单元阵列进行250℃～500℃的高温热退火，以修复在氧化过程中产生的损伤或缺陷，其中，退火时间为30秒到30分钟。进一步地，所述离子束刻蚀采用He、Ne、Ar、Kr或者Xe等作为离子源，其流量为10sccm～200sccm，比如：10sccm、30sccm、50sccm、100sccm或者200sccm等；产生并维持等离子的射频电源的功率为100Watt～3000Watt，离子束加速电压为50V～1000V，离子束的方向角为0°～90°，晶圆控制台旋转的速度为0～60rpm。进一步地，采用发射光谱仪或二次离子质谱仪实时监测所述磁性隧道结多层膜的刻蚀过程。进一步地，严格控制离子束刻蚀的工艺参数，以使得每次刻蚀的时候，侧壁氧化层能被刻蚀掉或者留下厚度至少大于1nm氧化层。更进一步地，可选择地在刻蚀重复S4和S5流程(氧化与离子束刻蚀流程)直到底电极被刻蚀掉之后，进行一次氧化工艺。本专利技术的技术效果：由于采用了多次氧化与离子束刻蚀的流程，彻底消除了磁性随机存储器记忆层和参考层短路通道的形成，有利于MRAM回路磁性性能、电学性能和产品良率的提升，同时通过氧化刻蚀流程缩小了磁性隧道结截面面积，可用于制造超小型磁性随机存储器的结构单元。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的一个较佳实施例的制造工艺的流程图；图2是图1实施例中，在表面抛光的CMOS基底上依次形成底电极、磁性隧道结和硬掩模膜层之后的示意图；图3是图1实施例中，图形化定义磁性隧道结图案，并转移图案到磁性隧道结顶部之后的示意图；图4是图1实施例中，部分刻蚀磁性隧道结之后的示意图；图5是图1实施例中，第一次氧化之后剩下的磁性隧道和底电极的示意图；图6是图1实施例中，第一次离子束刻蚀之后剩下的磁性隧道和底电极的示意图；图7是图1实施例中，第二次氧化之后剩下的磁性隧道和底电极的示意图；图8是图1实施例中，第二次离子束刻蚀之后剩下的磁性隧道和底电极的示意图；图9是图1实施例中，第三次氧化之后剩下的磁性隧道和底电极的示意图；图10是图1实施例中，第三次离子束刻蚀之后剩下的磁性隧道和底电极的示意图；图11是图1实施例中，电介质填充未被刻蚀的硬掩模周围的空隙，并采用化学机械抛光磨平直到未被氧化的硬掩模顶部之后的示意图；图中所示：210-表面抛光的CMOS衬底，220-底电极，230-磁性隧道结多次膜，240-硬掩模膜层，251-第一氧化层，252-第二次氧化层，253-第三次氧化层和260-电介质。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本专利技术附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。本专利技术的一种通过多次氧化与离子束刻蚀流程制作超小型磁性随机存储器结构单元的方法，包括但不只限于制备磁性随机存储器(MRAM)，也不限于任何工艺顺序或流程，只要制备得到的产品或装置与以下优选工艺顺序或流程制备得到的相同或相似。如图1所示，该方法包括以下步骤：步骤S1：如图2所示，在表面抛光的CMOS基底210上，依次沉积底电极220、磁性隧道结多层膜230和硬掩模膜层240。其中底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备磁性隧道结的方法，其特征在于，其形成步骤为：步骤S1：在表面抛光的CMOS基底上，依次形成底电极、磁性隧道结和硬掩模膜层；步骤S2：图形化定义所述磁性隧道结图案，并转移所述图案到所述磁性隧道结的顶部；步骤S3：部分刻蚀所述磁性隧道结；步骤S4：部分氧化未被刻蚀的所述磁性隧道结和被刻蚀的所述硬掩模膜层或所述磁性隧道结侧壁，缩小所述磁性隧道结截面积；步骤S5：以所述硬掩模为掩模，离子束刻蚀未被刻蚀的所述磁性隧道结底部和/或所述底电极层；步骤S6：电介质填充空隙，并采用化学机械抛光磨平直到所述硬掩模膜层的顶部。

【技术特征摘要】
1.一种制备磁性隧道结的方法，其特征在于，其形成步骤为：步骤S1：在表面抛光的CMOS基底上，依次形成底电极、磁性隧道结和硬掩模膜层；步骤S2：图形化定义所述磁性隧道结图案，并转移所述图案到所述磁性隧道结的顶部；步骤S3：部分刻蚀所述磁性隧道结；步骤S4：部分氧化未被刻蚀的所述磁性隧道结和被刻蚀的所述硬掩模膜层或所述磁性隧道结侧壁，缩小所述磁性隧道结截面积；步骤S5：以所述硬掩模为掩模，离子束刻蚀未被刻蚀的所述磁性隧道结底部和/或所述底电极层；步骤S6：电介质填充空隙，并采用化学机械抛光磨平直到所述硬掩模膜层的顶部。2.如权利要求1的制备磁性隧道结的方法，其特征在于，重复步骤S4和S5，直到所述底电极被刻蚀掉。3.如权利要求1的制备磁性隧道结的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述磁性隧道结为由参考层、势垒层和记忆层依次叠加的底部镶固结构，或由记忆层、势垒层和参考层依次叠加的顶部镶固结构。4.如权利要求1的制备磁性隧道结的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述部分刻蚀所述磁性隧道结过程采用反应离子刻蚀工艺或离子束刻蚀工艺。5.如权利要求1的制备磁性隧道结的方法，其特征在于，在步骤S4中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云森，肖荣福，
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