用于制造mtj存储器装置的方法
【技术领域】
[0001]本专利文件大体上涉及一种用于制造MRAM装置的方法，且更特定地说涉及一种用于制造具有改善密度及质量规格的MTJ存储器装置的MTJ柱的方法。
【背景技术】
[0002]磁阻随机存取存储器(“MRAM”)是通过磁性存储元件存储数据的非易失性存储器技术。这些元件是可保持磁场且由非磁性材料(即，势皇层)(例如非磁性金属或绝缘体)分离的两个铁磁板或电极。一般来说，板极中的一者的磁化被钉扎(即，“参考层”)，这意味着此层具有高于另一层的矫顽磁性且需要较大的磁场或自旋极化电流以改变其磁化定向。第二板极通常被称为自由层且其磁化方向可由小于参考层的磁场或自旋极化电流而改变。
[0003]MRAM装置通过改变自由层的磁化定向来存储信息。特定地说，基于自由层相对于参考层是平行对准还是反向平行对准，“I”或“O”可存储在每一MRAM单元中。归因于自旋极化电子穿隧效应，单元的电阻归因于两层的磁场的定向而改变。单元的电阻对于平行及反向平行状态来说将是不同的，且因此单元的电阻可用于区分“I”及“O” JRAM装置的一个重要特征是其是非易失性存储器装置，因为其即使在断电时也保存信息。
[0004]MRAM装置被视为广泛范围的存储器应用的下一代结构。磁性隧道结(“MTJ”)层堆叠及将MT J层堆叠处理成MTJ存储器装置的柱是MRAM技术发展的两个最重要方面。然而，在常规的制造方案下，在无分流的情况下以类DRAM密度形成柱状MTJ装置是不可制造的。
[0005]图1中说明当前处理技术的一个限制。一旦形成光掩模及硬掩模，就使用定向离子束110蚀刻MT J堆叠。在蚀刻过程期间，在MT J柱120的侧上重新沉积从MT J柱的基部移除的材料。此经重新沉积材料130含有例如铱(Ir)、铂(Pt)、钌(Ru)金属等的金属，且所述金属不形成绝缘氧化物。结果，金属存在于MTJ柱120的势皇层的边缘122处明显不利于装置的操作。具体来说，此导电经重新沉积材料130使势皇短路且致使MTJ结构的隧道结不可操作。常规的制造工艺通过以极高离子束角度(通常70°)执行侧清洗以移除MTJ柱的势皇层的侧122上的经重新沉积材料130来缓解此问题。然而，此移除过程给装置密度带来了不可接受的限制。例如，如图1中所示，对于10nm的MTJ装置结构，离子束清洗需要大约270nm的间隔，这显著大于相邻MTJ柱之间的10nm或更小的密度要求。此外，以高的离子束角度进行的侧壁清洗显著增加了对薄MTJ层的束损坏，这只会进一步折损MTJ性能。虽然MRAM开发公司消耗大量资源及努力来开发离子束清洗技术以及其它制造工艺(例如反应性离子蚀刻)，但是现有的制造工艺没有产生令人满意的用于MTJ柱的工艺及加工技术。
[0006]因此，迫切需要一种满足未来MTJ存储器产品应用的密度及质量要求的用于MT J存储器装置的MTJ柱的制造方法。
【发明内容】
[0007]本发明提供了解决当今所面临的这些关键的MRAM装置处理问题的MTJ柱形成处理步骤及制造方法。本文中预期的制造方法使用薄的绝缘体层及离子束蚀刻及反应性离子蚀刻的组合以界定MTJ柱。所述方法包含在衬底上沉积多个MTJ层、在衬底上沉积硬掩模且在硬掩模上涂布光致抗蚀剂。此外，执行反应性离子蚀刻及离子束蚀刻的交替步骤以隔离MTJ柱并暴露MTJ层的侧表面。施加绝缘层以保护MTJ层的侧表面。在使用化学机械抛光平坦化所述装置之前沉积第二绝缘层。
[0008]所揭示方法通过减少材料在MTJ柱的侧上的重新沉积、阻止在隧道势皇层的边缘处形成分流且减小由使用高角度离子束清洗而在MTJ层的边缘处引起的损坏来解决常规的MTJ装置制造的问题。
[0009]通过使用离散离子束蚀刻步骤，本文中揭示的制造方法限制或消除了对高角度离子束清洗的需要，提供了解决MTJ MRAM技术中的最大制造障碍中的一者一高密度或间隔紧密的MTJ柱的处理一且使得能够使用当前工艺加工/技术来界定MTJ柱的一种处理方法。
【附图说明】
[0010]被包含作为本说明书的部分的【附图说明】了当前优选实施例，且连同上文给定的一般描述及下文给定的详述一起用来解释并教示本文中描述的MTJ装置制造方法的原理。
[0011 ]图1说明MTJ装置的常规制造方法。
[0012]图2说明根据本文中描述的制造方法的示范性实施例使用的示范性MTJ层堆叠(正交自旋转移MTJ)。
[0013]图3到13说明根据本文中描述的示范性实施例的制造方法的所选择处理步骤的横截面图。
[0014]图式不一定按比例绘制，且具有类似结构或功能的元件出于说明性目的而在所有图式中大体上由相同参考数字来表示。图式只旨在促进本文中描述的各个实施例的描述；图式并未描述本文中揭示的教示的每个方面且不限制权利要求书的范围。
【具体实施方式】
[0015]本文中揭示了一种用于制造磁性隧道结(“MTJ”)存储器装置的方法。本文中揭示的特征及教示中的每一者可单独或结合其它特征及教示来利用。参考附图进一步详细地描述单独及组合地利用这些额外特征及教示的典型实例。此详述仅仅旨在向所属领域的技术人员教示用于实践本教示的优选方面的进一步细节且不旨在限制权利要求书的范围。因此，以下详述中揭示的特征的组合可能并非实践最广泛意义中的教示所必需，反而仅仅经教示以描述本教示的特别典型的实例。
[0016]在以下描述中，仅出于解释目的，阐述特定术语以提供对如本文中描述的MTJ存储器装置及其制造方法的彻底理解。典型实例及附属权利要求的各个特征可以并未具体且明确枚举的方式来组合以提供本教示的额外有用实施例。还应明确注意，实体群组的所有值范围或指展示于原始揭示内容的目的以及出于限制所主张的标的物的目的揭示了每个可能的中间值或中间实体。还应明确注意，图中所示的组件的尺寸及形状经设计以帮助理解如何实践本教示，但是不旨在限制实例中所示的尺寸及形状。
[0017]图2说明了用于本文中预期的MTJ存储器装置的示范性MTJ层堆叠200。示范性MTJ层堆叠200在2014年4月I日申请的第14/242,419号申请案中详细地描述，所述申请案的内容特此以引用方式并入。应明白，本文中描述的示范性制造方法经提供以由MTJ层堆叠200制造MTJ存储器装置。然而，本文中描述的示范性过程可应用于具有替代层堆叠的MTJ存储器装置。
[0018]如图2中所示，MTJ层堆叠200包含提供在堆叠200的底部处以起始上方沉积层中的所需晶体生长的一或多个晶种层210。钉扎层212及合成反铁磁(“SAF”)结构220在晶种层210上方。根据示范性实施例，钉扎层212是铂锰PtMn合金，且SAF结构220是由三层(层222、层224及参考层232)(下文讨论)组成。优选地，层222是钴铁合金且层224是钌金属。MTJ结构230形成在SAF结构220的顶部上。MTJ结构230包含三个单独层，S卩，形成在SAF结构220中的参考层232、势皇层234及自由层236。在示范性实施例中，参考层232及自由层236是钴-铁-硼(Co-Fe-B)合金薄膜。此外，势皇层234由镁的氧化物MgO形成。如所示，MgO势皇层234安置在参