磁性隧道结及其形成方法
【专利摘要】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。
【专利说明】磁性隧道结及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造【技术领域】，尤其涉及一种磁性隧道结及其形成方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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 Junct1n,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。
[0004]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。
[0005]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“O”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“I”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。
[0006]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。
【发明内容】
[0007]本发明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。
[0008]为解决上述问题，本发明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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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IS离子。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]相应的，本发明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。
[0027]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0028]在所述磁性隧道结的形成方法中，由于所述第一掩膜层的图形为圆形，因此沿第一掩膜层刻蚀复合磁性层之后，所述复合磁性层的外侧壁平行于衬底表面的图形也为圆形。其次，所述第三掩膜侧墙形成于开口的侧壁表面，且在离子注入工艺和刻蚀工艺之后，所形成的第三掩膜在第一方向上和第二方向上的厚度不同，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，因此沿所述第三掩膜再次刻蚀所述复合磁性层之后，所述复合磁性层的内侧壁平行于衬底表面的图形也呈椭圆形。刻蚀后的复合磁性层用于形成磁性隧道结构，且所形成的复合磁性层的外侧壁图形为圆形、内侧壁图形为椭圆形，能够使磁场在所述复合磁性层内的翻转状态更稳定，避免磁场翻转到不符合设计需求的方向、或者避免磁场发生自动翻转，从而使所形成的磁性隧道结构的稳定性提高、存储性能改善、可靠性增强。
[0029]进一步，所述离子注入的方向相对于衬底表面具有倾斜角20度?45度，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，即所述第三掩膜侧墙在第一方向上所具有的掺杂离子较第二方向上多；而且，具有掺杂离子的部分第三掩膜侧墙相对于不具有掺杂离子的部分第三掩膜侧墙具有刻蚀选择性。从而，在刻蚀去除部分第三掩膜侧墙之后，所形成的第三掩膜的内侧壁平行于衬底表面的图形呈椭圆形，使所形成的磁性隧道结构的性能提高。
[0030]在所述磁性隧道结中，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，在所述复合磁性层内，磁场的翻转状态更稳定，使磁场难以发生自动翻转。因此，所述磁性隧道结中的磁场翻转方向能够符合设计需求，则所述磁性隧道结的稳定性提高、存储性能改善、可靠性增强。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是现有的磁性隧道结的截面结构示意图；
[0032]图2是环形磁性隧道结结构中的磁性结构的立体结构示意图；
[0033]图3是自由磁性层中符合设计需求的磁场翻转方向；
[0034]图4是自由磁性层中不符合设计需求的磁场翻转方向；
[0035]图5至图20是本发明实施例的磁性隧道结的形成过程的结构示意图。
【具体实施方式】
[0036]如【背景技术】所述，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。
[0037]为了提高存储性能、减少噪音、增加存储容量，一种环形的磁性隧道结被提出，请参考图2，图2是环形磁性隧道结结构中的磁性结构的立体结构示意图，包括:固定磁性层120 ;位于固定磁性层120表面的隧道绝缘层121 ;位于隧道绝缘层121表面的自由磁性层122 ;其中，所述固定磁性层120、绝缘层121和自由磁性层122均为圆环形，即所述固定磁性层120、绝缘层121和自由磁性层122的内侧壁图形和外侧壁图形均为圆形。
[0038]然而，对于所述环形磁性隧道结来说，在所述圆环形的自由磁性层122中磁场翻转状态不稳定，甚至会发生磁场的自动翻转，因此会导致自由磁性层的磁化方向的转换不稳定，使磁性隧道结的存储能力差。具体的，请参考图3和图4，图3和图4是环形磁性隧道结的俯视图，在图3中示出了在自由磁性层中符合设计需求的磁场翻转方向；然而，由于在环形的自由磁性层中磁场的翻转状态不稳定，会使磁场翻转到如图4所示的不符合设计需求的方向，或者在无需发生磁场翻转时磁场发生自动翻转，从而造成磁性隧道结的存储能性能不稳定。
[0039]为了解决上述问题，本发明提出了一种磁性隧道结的形成方法，包括:提供表面具有第一介质层的衬底，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；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，且具有掺杂离子的部分第三掩膜侧墙相对于不具有掺杂离子的部分第三掩膜侧墙具有刻蚀选择性，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；之后刻蚀去除部分第三掩膜侧墙，形成第三掩膜，所述第三掩膜在第一方向上和第二方向上的厚度不同，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。
[0040]其中，由于所述第一掩膜层的图形为圆形，因此沿第一掩膜层刻蚀复合磁性层之后，所述复合磁性层的外侧壁平行于衬底表面的图形也为圆形。其次，所述第三掩膜侧墙形成于开口的侧壁表面，且在离子注入工艺和刻蚀工艺之后，所形成的第三掩膜在第一方向上和第二方向上的厚度不同，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，因此沿所述第三掩膜再次刻蚀所述复合磁性层之后，所述复合磁性层的内侧壁平行于衬底表面的图形也呈椭圆形。刻蚀后的复合磁性层用于形成磁性隧道结构，且所形成的复合磁性层的外侧壁图形为圆形、内侧壁图形为椭圆形，能够使磁场在所述复合磁性层内的翻转状态更稳定，避免磁场翻转到不符合设计需求的方向、或者避免磁场发生自动翻转，从而使所形成的磁性隧道结构的稳定性提高、存储性能改善、可靠性增强。
[0041]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0042]图5至图20是本发明实施例的磁性隧道结的形成过程的结构示意图。
[0043]请参考图5，提供衬底200，所述衬底200表面具有第一介质层201，所述第一介质层201内具有第一电极层202,所述第一介质层201暴露出所述第一电极层202,所述第一介质层201和第一电极层202表面具有复合磁性层203。
[0044]所述衬底200包括半导体基底、形成于半导体基底表面或半导体基底内的半导体器件、用于电连接所述半导体器件的导电结构、以及用于电隔离所述半导体器件和导电结构的介质层。所述半导体基底包括硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅衬底、绝缘体上锗衬底、玻璃衬底或II1-V族化合物衬底(例如氮化镓衬底或砷化镓衬底等)。本实施例中，所述半导体器件为晶体管，所述第一电极层202与所述晶体管电连接，所述晶体管用于驱动后续形成的磁性隧道结，实现数据在所述磁性隧道结结构中的擦除或写入。
[0045]所述第一电极层202作为所形成的磁性隧道结结构的底部电极。在本实施例中，所述第一电极层202与晶体管电连接，所述第一电极层202用于向所述晶体管传递或接收电信号；因此，所述第一电极层202较佳的采用导电性能好的材料，例如钽(Ta)、钼锰(PtMn)或钌(Ru);此外，所述第一电极层202还能够采用铜、钨或铝作为材料。
[0046]所述第一介质层201的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的一种或多种组合。在一实施例中，所述第一电极层202的形成工艺包括沉积工艺、以及沉积工艺之后的刻蚀工艺。所述第一介质层201的形成工艺包括:在形成第一电极层之后，在衬底200和第一电极层202表面沉积第一介质薄膜；抛光所述第一介质薄膜，直至暴露第一电极层202表面为止，形成第一介质层201。
[0047]所述复合磁性层203包括至少一层磁性层(未示出)；当所述磁性层为多层时，相邻磁性层之间具有第一绝缘层(未示出)。所述磁性层包括固定磁性层(未示出)、以及位于固定磁性层表面的自有磁性层(未示出)，所述固定磁性层和自由磁性层之间具有磁性绝缘层。其中，所述固定磁性层具有固定的磁化方向，所述固定磁性层的材料为CoFe或CoFeB ；所述自由磁性层的磁化方向可编程，所述自由磁性层的材料为CoFe或CoFeB ;所述磁性绝缘层用于隔离固定磁性层和自由磁性层，所述磁性绝缘层的材料为氧化镁、氧化锶、氧化钡或氧化镭。
[0048]在本实施例中，所述复合磁性层203还包括:位于顶层磁性层表面的第二电极层(未示出);所述第二电极层作为所形成的磁性隧道结结构的顶部电极，所述第二电极层用于向外部电路传递或接收电信号，因此，所述第二电极层较佳的采用导电性能好的材料，例如钽(Ta)、钼锰(PtMn)或钌(Ru);此外，所述第二电极层还能够采用铜、钨或铝作为材料。在另一实施例中，所述复合磁性层中不具有第二电极层，即所述复合磁性层的顶部为磁性层，在后续刻蚀所述复合磁性层之后，在所述复合磁性层的顶部表面形成第二电极层。
[0049]在本实施例中，所述磁性层直接形成于第一电极层202表面，所述第一电极层能够向磁性层施加偏压。在另一实施例中，所述复合磁性层203还包括位于第一电极层202和磁性层之间的第二绝缘层；此外，所述复合磁性层203还能够包括位于第二电极层和顶层磁性层之间的第三绝缘层；所述第二绝缘层、第三绝缘层能够调节第一电极层202和第二电极层之间的隧穿电压。
[0050]请参考图6和图7，图7是图6的俯视图，图6是图7沿AA’方向的剖面结构示意图。在所述复合磁性层203表面形成第一掩膜层204，所述第一掩膜层204平行于衬底200表面的图形为圆形，且所述第一掩膜层204的位置与第一电极层202的位置对应。
[0051]所述第一掩膜层204定义了后续形成的复合磁性结构外侧壁的图形，由于所述第一掩膜层204的图形为圆形，后续以所述第一掩膜层204刻蚀复合磁性层203之后，所形成的复合磁性结构的外侧壁的图形也为圆形。所述第一掩膜层204的位置与第一电极层202对应，则后续以第一掩膜层刻蚀形成的复合磁性结构能够与第一电极层202电连接，使第一电极层能够相复合磁性结构传输电信号。在本实施例中，所述第一掩膜层204的圆形图形的直径为第一尺寸，所述第一尺寸为50纳米?150纳米。
[0052]所述第一掩膜层204的材料为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化钛、无定形碳或硅；在本实施例中，所述第一掩膜层204的材料为氮化硅；所述第一掩膜层204的形成方法包括:在复合磁性层203表面形成第一掩膜薄膜(未不出);在所述第一掩膜薄膜表面形成第一图形化层，所述第一图形化层(未示出)的图形为圆形，且所述第一图形化层的位置与第一电极层202相对应；以所述第一图形化层为掩膜，采用各向异性的干法刻蚀工艺刻蚀所述第一掩膜薄膜，直至暴露出复合磁性层203为止,形成第一掩膜层204 ;在形成第一掩膜层204之后，去除第一图形化层。本实施例中，所述第一图形化层为图形化的光刻胶。
[0053]请参考图8，以所述第一掩膜层204为掩膜，刻蚀所述复合磁性层203直至暴露出第一介质层201表面为止。
[0054]由于所述第一掩膜层204的图形为圆形，因此，以所述第一掩膜层204为掩膜刻蚀所得的复合磁性层203平行于衬底200表面的图形为圆形。而刻蚀后的复合磁性层203的侧壁为后续所形成的复合磁性结构的外侧壁，因此后续所形成的复合磁性结构的外侧壁的图形为圆形。
[0055]在本实施例中，所述刻蚀复合磁性层203的工艺为干法刻蚀工艺，而所述干法刻蚀工艺为离子派射(1ns Sputter)的刻蚀工艺。由于所述复合磁性层203内至少包括固定磁性层、磁性绝缘层和自由磁性层，其中的固定磁性层或自由磁性层的材料为多种金属构成的合金材料，因此所述复合磁性层203的材料种类复杂。而所述离子溅射的刻蚀工艺能够减少对于各种类材料之间的刻蚀选择性，从而保证了刻蚀后的复合磁性层203的侧壁形貌良好。刻蚀气体包括含有氢元素、碳元素、氮元素的气体、惰性气体，例如甲烷、氨气、氮气和氩气、氢气，所述刻蚀气体不会与复合磁性层203中的材料发生反应，而仅通过物理轰击的形式进行刻蚀，因此能够保证刻蚀后的复合磁性层203形貌良好。
[0056]请参考图9，在刻蚀所述复合磁性层203之后，在第一介质层201表面形成第二掩膜层205,所述第二掩膜层205的表面与第一掩膜层204的表面齐平。
[0057]所述第二掩膜层205用于保留所述第一掩膜层204的结构和图形，使得后续形成去除第一掩膜层204并形成开口之后，所述的第二掩膜层205依旧能够保留圆形图形，并在复合磁性层203表面形成开口，保证了后续能够在开口的第二掩膜层205侧壁表面形成第三掩膜侧墙，而所述第三掩膜侧墙在经过后续的离子注入和刻蚀工艺之后，作为刻蚀复合磁性层203的掩膜，能够使所形成的复合磁性结构的内侧壁图形呈椭圆形。
[0058]所述第二掩膜层205的形成工艺包括:在第一介质层201表面和第一掩膜层204表面沉积第二掩膜薄膜；对所述第二掩膜薄膜进行化学机械抛光，直至暴露出第一掩膜层204表面为止，形成第二掩膜层205。所述第一掩膜层204和第二掩膜层205的材料不同，使所述第一掩膜层204和第二掩膜层205之间具有刻蚀选择性，后续在去除第一掩膜层204以形成开口时，不会影响所述第二掩膜层205的形貌。所述第二掩膜层205的材料为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化钛、无定形碳或硅。在本实施例中，所述第二掩膜层205的材料为无定形碳。
[0059]请参考图10和图11，图11是图10的俯视图，图10是图11沿AA，方向的剖面结构示意图。去除第一掩膜层204 (如图9所示)，在所述第二掩膜层205内形成开口 206 ;在所述开口 206的侧壁表面形成第三掩膜侧墙207。
[0060]所述第三掩膜侧墙207后续用于形成第三掩膜，所述第三掩膜用于定义后续所形成的复合磁性结构的内侧壁图形。由于所述第三掩膜由所述第三掩膜侧墙207通过离子注入工艺和刻蚀工艺形成，因此所述第三掩膜侧墙207的厚度需要大于后续所形成的复合磁性结构的厚度，以给予后续的刻蚀工艺以足够的冗余量。在本实施例中，所述第三掩膜侧墙207的厚度为10纳米?100纳米。
[0061]所述第三掩膜侧墙207与第二掩膜层205的材料不同，使所述第三掩膜侧墙207相对于第二掩膜层205具有刻蚀选择性，在后续刻蚀具有掺杂离子的第三掩膜侧墙207时，不会损伤第二掩膜层205表面。所述第三掩膜侧墙207的材料为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化钛、无定形碳或娃。
[0062]所述第三掩膜侧墙207的形成工艺为:在第二掩膜层205表面、开口 206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205表面和开口206底部表面，形成第三掩膜侧墙207。
[0063]请参考图12、图13和图14，图14是图12和图13的俯视图，图12是图14沿AA，方向的剖面结构示意图，图13是图14沿BB’方向的剖面结构示意图。对所述第三掩膜侧墙207进行离子注入工艺，使部分第三掩膜侧墙207内具有掺杂离子，且所述第三掩膜侧墙207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200表面倾斜,且所述离子注入的方向朝第一方向X、以及与第一方向X相反的方向倾斜，所述第一方向X平行于衬底200表面。
[0064]在本实施例中，所述第三掩膜侧墙207中具有掺杂离子的部分形成掺杂区207b。所述离子注入工艺所注入的掺杂离子用于提高或降低所述掺杂区207b的刻蚀速率，从而使后续刻蚀工艺之后所形成的第三掩膜的内侧壁图形呈椭圆形。
[0065]所述离子注入的方向与衬底200表面的倾斜角为20度?45度，且所述离子注入的方向朝第一方向X、以及与第一方向X相反的方向倾斜，使得在第一方向X上、以及与第一方向X相反的方向上，离子注入的深度较深，所形成的掺杂区207b的厚度较厚；而在第二方向Y、以及与第二方向Y相反的方向上，离子注入的深度较浅，所形成的掺杂区207b的厚度较薄；其中，所述第二方向Y平行于衬底200表面，且所述第二方向Y垂直于第一方向X。由于掺杂区207b内的掺杂离子用于提高或降低所述掺杂区207b的刻蚀速率，因此能够使后续的刻蚀工艺在第一方向X上和第二方向Y上的刻蚀速率不同，使得在第一方向X上和第二方向Y上刻蚀第三掩膜侧墙207的厚度不同，以此使后续刻蚀形成的第三掩膜的内侧壁图形呈具有相互垂直的长轴和短轴的椭圆形。此外，当所述第三掩膜侧墙207采用不同材料时，所注入的掺杂离子的类型也不相同，以实现掺杂区207b的刻蚀速率提高或降低。
[0066]在一实施例中，所述掺杂区207b的刻蚀速率得到提高。具体的，当所述第三掩膜侧墙207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；当所述第三掩膜侧墙207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；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；所述掺杂区207b的刻蚀速率能够得到提高，后续的刻蚀工艺在第一方向X上的刻蚀厚度较厚，在第二方向Y上的刻蚀厚度较薄。
[0067]在另一实施例中，所述掺杂区207b的刻蚀速率降低。具体的，当所述第三掩膜侧墙207的材料为氮化硅时，所掺杂离子为碳离子，则所述掺杂区207b的刻蚀速率被降低，后续的刻蚀工艺在第一方向X上的刻蚀厚度较薄，而在第二方向Y上的刻蚀厚度较厚。
[0068]请参考图15、图16和图17，图17是图15和图16的俯视图，图15是图17沿AA’方向的剖面结构示意图，图16是图17沿BB’方向的剖面结构示意图。在所述离子注入工艺之后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙207(如图14所示)，形成第三掩膜207a，所述刻蚀工艺在第一方向X上和第二方向Y上刻蚀第三掩膜侧墙207的厚度不同，使所述第三掩膜207a的内侧壁平行于衬底200表面的图形呈椭圆形。
[0069]所述刻蚀去除部分第三掩膜侧墙207的工艺为各向同性的刻蚀工艺。由于离子注入工艺在第一方向X上和第二方向Y上的所形成的掺杂区207b (如图14所示)厚度不同，使得所述刻蚀工艺在第一方向X上和第二方向Y上对第三掩膜侧墙207的刻蚀厚度不同，从而使所形成的第三掩膜207a的图形呈具有相互垂直的长轴和短轴的椭圆形。
[0070]所述刻蚀去除部分第三掩膜侧墙207的工艺能够为各向同性的干法刻蚀工艺或各向同性的湿法刻蚀工艺。在一实施例中，所述掺杂区207b的刻蚀速率得到提高，当刻蚀去除部分第三掩膜侧墙207的工艺为各向同性的湿法刻蚀工艺时，所述湿法刻蚀的刻蚀液包括氢氟酸；当刻蚀去除部分第三掩膜侧墙207的工艺为各向同性的干法刻蚀工艺时，所述干法刻蚀的气体中含有氟元素。所述各向同性的刻蚀工艺在第一方向X上的厚度较厚，而在第二方向Y上的刻蚀厚度较薄，因此，所形成的第三掩膜207a内侧壁的椭圆形图形的长轴与第一方向X平行、短轴与第二方向Y平行。
[0071]在另一实施例中，所述掺杂区207b的刻蚀速率降低，即所述第三掩膜侧墙207的材料为氮化硅时，所掺杂离子为碳离子，则所述刻蚀去除部分第三掩膜侧墙207的工艺为各向同性的湿法刻蚀工艺；较佳的，所述湿法刻蚀工艺为热磷酸处理工艺。所述各向同性的刻蚀工艺在第一方向X上的厚度较薄，而在第二方向Y上的刻蚀厚度较后，因此，所形成的第三掩膜207a内侧壁的椭圆形图形的短轴与第一方向X平行、长轴与第二方向Y平行。
[0072]请参考图18、图19和图20，图20是图18和图19的俯视图，图18是图20沿AA，方向的剖面结构示意图，图19是图20沿BB’方向的剖面结构示意图。以所述第三掩膜207a为掩膜，刻蚀所述复合磁性层203直至暴露出第一电极层202为止，形成复合导电结构203a。
[0073]刻蚀所述复合磁性层203之后，所形成的复合磁性结构203a与第一电极层202共同用于构成磁性隧道结，所述磁性隧道结能够用于形成磁存储器。在本实施例中，导电复合磁性层203中还包括第二电极层，则在刻蚀形成所述复合磁性结构203a之后即形成磁性隧道结结构。在另一实施例中，所述复合磁性层内不具有第二电极层，则在刻蚀形成复合磁性结构203a之后，需要在所述复合磁性结构203a的顶部表面形成第二电极层。
[0074]在本实施例中，所述刻蚀复合磁性层203的工艺为干法刻蚀工艺，且所述干法刻蚀工艺为离子溅射的刻蚀工艺，所述离子溅射的刻蚀工艺与图8所示，以第一掩膜层204刻蚀复合磁性层203的工艺相同，在此不做赘述。
[0075]所形成的复合磁性结构203a呈环形。其中，所述复合磁性结构203a的外侧壁平行于衬底200表面的图形为圆形，所述圆形由第一掩膜层204 (如图8所示)的图形定义。其次，所述复合磁性结构203a的内侧壁平行于衬底200表面的图形为具有相互垂直的长轴和短轴的椭圆形，所述椭圆形由所述侧墙209朝向开口 208的侧壁表面定义。由于所述复合磁性结构203a的外侧壁图形为圆形、内侧壁图形为椭圆形，因此，所述复合磁性结构203a的部分厚度较薄、部分厚度较厚；其中，所述复合磁性结构203a厚度较薄的部分决定了的磁场翻转的方向，使所述复合磁性结构203a内的磁场翻转方向更为稳定,从而使所形成的磁性隧道结的稳定性提高，由所述磁性隧道结形成的磁存储器的性能改善。
[0076]需要说明的是，在刻蚀形成复合磁性结构203a之后，去除侧墙209和第一掩膜层204，并在第一介质层表面形成覆盖所述复合磁性结构203a侧壁表面的介质层进行电隔离。
[0077]本实施例中，由于所述第一掩膜层的图形为圆形，因此沿第一掩膜层刻蚀复合磁性层之后，所述复合磁性层的外侧壁平行于衬底表面的图形也为圆形。其次，所述第三掩膜侧墙形成于开口的侧壁表面，且在离子注入工艺和刻蚀工艺之后，所形成的第三掩膜在第一方向上和第二方向上的厚度不同，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，因此沿所述第三掩膜再次刻蚀所述复合磁性层之后，所述复合磁性层的内侧壁平行于衬底表面的图形也呈椭圆形。刻蚀后的复合磁性层用于形成磁性隧道结构，且所形成的复合磁性层的外侧壁图形为圆形、内侧壁图形为椭圆形，能够使磁场在所述复合磁性层内的翻转状态更稳定，避免磁场翻转到不符合设计需求的方向、或者避免磁场发生自动翻转，从而使所形成的磁性隧道结构的稳定性提高、存储性能改善、可靠性增强。
[0078]相应的，本发明还提供一种磁性隧道结，请继续参考图18、图19和图20，包括:衬底200 ;位于所述衬底200表面的第一介质层201，所述第一介质层201内具有第一电极层202,所述第一介质层201暴露出所述第一电极层202 ;位于所述第一介质层201和第一电极层202表面的复合磁性结构203a,所述复合磁性结构203a暴露出部分第一电极层202和第一介质层201表面，所述复合磁性结构203a平行于衬底200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。
[0079]本实施例，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，在所述复合磁性层内，磁场的翻转状态更稳定，使磁场难以发生自动翻转。因此，所述磁性隧道结中的磁场翻转方向能够符合设计需求，则所述磁性隧道结的稳定性提高、存储性能改善、可靠性增强。
[0080]虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【权利要求】
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、第二掩膜层或第三掩膜侧墙的材料为氮化娃、氮氧化娃、氧化娃、氮化钛、无定形碳或娃。
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。
9.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干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀的气体中含有氟元素。
10.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低于不具有掺杂离子的部分。
11.如权利要求10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，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。
12.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。
13.如权利要求12所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，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。
14.如权利要求12所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，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。
15.如权利要求14所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.一种采用如权利要求1至18任一项方法所形成的磁性隧道结，其特征在于，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。
【文档编号】H01L43/08GK104465983SQ201310424875
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】洪中山 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司