一种优化磁性隧道结的方法与流程

本发明涉及磁性随机存储器制造技术领域，尤其涉及一种磁性隧道结的优化方法，具体为一种采用化学辅助离子束刻蚀(caibe,chemicallyassistedionbeametching)来优化磁性隧道结的方法。

背景技术：

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。

在现有的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)。这个两种刻蚀工艺各有优缺点，比如：ibe具有非常优良的各向异性刻蚀性能，但是，由于离子束(ar⁺等)本身不与被刻蚀材料发生化学反应，将会具有非常差的刻蚀选择比和较多的物理溅射沉积；rie则具有非常好的刻蚀选择比，但是，各向异性刻蚀性能将会受到影响。在目前的制作工艺中，由于物理溅射或者化学刻蚀副产物的再次沉积，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，更有甚者，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，化学辅助离子束刻蚀(caibe)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，使通过喷嘴120通入的惰性气体，比如：he、ne、ar、kr或者xe等，在离子产生腔体110中电离生成正离子，接着，惰性正离子通过加速器130被加速到刻蚀所需能量，然后，方向性良好的惰性正离子在工艺腔160中做直线运动直到被刻蚀衬底180表面，反应气体如：o2、n2、co2、nf3、sf6、cf4、cl2、bcl3、hbr、chf3、co、so2或者ch2f2等，通过阀门170进入工艺腔体160，正离子和化学活性分子/原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体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体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。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种有效去除覆盖在侧壁的损伤/沉积层的方法，提高磁性随机存储器的磁学、电学性能，并改善其良率。

技术实现要素：

本发明提供一种优化磁性隧道结的方法，采用化学辅助离子束刻蚀(caibe)方法对刻蚀之后的磁性隧道结进行修剪。

进一步地，该方法包括以下步骤：

形成磁性隧道结多层膜和掩膜层；

图案化所述掩膜层；

刻蚀磁性隧道结；

采用化学辅助离子束刻蚀(caibe)方法对所述磁性隧道结进行修剪。

更进一步地，采用反应离子刻蚀和/或离子束刻蚀的方法刻蚀所述磁性隧道结。

进一步地，所述化学辅助离子束刻蚀过程中，所述离子束的离子源为惰性气体。

进一步地，所述化学辅助离子束刻蚀过程中，作为化学辅助的反应气体为pf3、no、带羰基或羟基官能团的气体中的一种或者几种。

更进一步地，所述带羰基或羟基官能团的气体为hcooh、ch3oh、ch3cooh、c2h5oh、cof2或co/nh3。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。

更进一步地，所述反应气体的总流量为20-500sccm。

进一步地，所述化学辅助离子束刻蚀方法中所述离子束采用小角度入射。

进一步地，所述化学辅助离子束刻蚀过程中，所述离子束的离子源流量为10-200sccm，产生并维持等离子的射频电源功率为100-3000watt，离子束加速电压为50-1000v，晶圆控制台旋转的速度为0-60rpm。

进一步地，所述化学辅助离子束刻蚀过程中，离子束的入射方向角保持固定或在多个角度值间变化。

技术效果

本发明提供的一种采用化学辅助离子束刻蚀(caibe)方法对刻蚀之后的磁性隧道结侧壁进行优化的方法。由于方法中的化学活性气体可以和损伤/沉积层发生反应生成易挥发的金属磷化络合物(metalphosphinecomplex)、金属亚硝酰基络合物(metalnitrosylcomplex)或金属羰基络合物(metalcarbonylcomplex)；同时，小角度的惰性气体离子束辐射能够增强络合反应。因此，该刻蚀方法能够有效的去除覆盖在侧壁的损伤/沉积层，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。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明化学辅助离子束刻蚀(caibe)的工艺装置结构示意图。

图2为本发明的一个较优实施例中制备磁性隧道结并修剪的工艺流程图。

图3为图2实施例中，提供化学机械抛光的底电极基底，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为图2实施例中，对磁性隧道结进行刻蚀之后的示意图。

图5为图2实施例中，采用caibe对磁性隧道结的侧壁进行修剪的示意图。

图6为图2实施例中，采用caibe对磁性隧道结的侧壁进行修剪之后的示意图。

附图标号：100-化学辅助离子束刻蚀(caibe)工艺装置，110-离子产生腔体，120-喷嘴，130-加速器，140-中和器，150-二次离子质谱仪，160-工艺腔，170-阀门，180-晶圆控制台，190-涡轮分子泵，210-底电极基底，220-磁性隧道结多层膜，230-硬掩模膜层和240-侧壁损伤/沉积层。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明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、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供的一种化学辅助离子束刻蚀(caibe)对刻蚀之后的磁性隧道结侧壁进行优化的工艺方法，通过采用he、ne、ar、kr或者xe作为离子源，采用pf3、no和带羰基或羟基官能团的气体(比如：hcooh、ch3oh、ch3cooh、c2h5oh、cof2或co/nh3等)等中的一种或者几种作为反应气体，对刻蚀之后磁性隧道结侧壁进行小角度离子束修剪。由于工艺中的化学活性气体，可以和损伤/沉积层发生反应生成易挥发的金属磷化络合物(metalphosphinecomplex),金属亚硝酰基络合物(metalnitrosylcomplex)或金属羰基络合物(metalcarbonylcomplex)，同时，小角度的he、ne、ar、kr或者xe离子束辐射能够增强络合反应。具体实施步骤如图2所示：

步骤一：提供底电极基底210，并在基底上沉积磁性隧道结多层膜220和硬掩模膜层230，如图3所示；

其中，磁性隧道结(mtj)多层膜220的总厚度为15nm-40nm，可以是由参考层，势垒层和记忆层的依次向上叠加的bottompinned结构或者是由记忆层，势垒层和参考层的依次向上叠加的toppinned结构。

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、mgzno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，其优选厚度为2nm-6nm，垂直型pstt-mram记忆层一般为cofeb、cofe/cofeb、fe/cofeb、cofeb(ta、w、mo)/cofeb，其优选厚度为0.8nm-2nm。

硬掩模层230的厚度为20-100nm，选择ta、tan、w或wn等以期在卤素电浆中获得更好刻轮廓。

步骤二：图形化定义磁性隧道结220图案，刻蚀磁性隧道结220，如图4所示；该步骤可以分为如下几个步骤：

(1)图形化定义磁性隧道结220图案，并转移图案到磁性隧道结220的顶部；在此过程中，采用一次光刻一次刻蚀(le,lithography-etching)或者两次光刻两次刻蚀(lele,lithography-etching-lithography-etching)的方法完成对磁性隧道结220的定义和硬掩模层230的反应离子(rie)刻蚀，并同时采用rie工艺除去残留的聚合物，以使图案转移到磁性隧道结220的顶部。

(2)对磁性隧道结220进行刻蚀；

其中，刻蚀工艺可以采用反应离子刻蚀(rie，reactiveionetching)和/或者离子束刻蚀(ibe,ionbeametching)。ibe主要采用ar、kr或者xe等作为离子源；rie主要采用ch3oh、c2h5oh、ch3oh/ar、ch4/ar或者co/nh3等作为主要刻蚀气体；并采用发射光谱仪(oes,opticalemissionspectroscopy)或者二次离子质谱仪(sims,secondionmassspectroscopy)来判断刻蚀终点信号。

步骤三：化学辅助离子束刻蚀(caibe)对磁性隧道结侧壁进行修剪以除去侧壁损伤/沉积层240，如图5和6所示；本发明中，通过采用he、ne、ar、kr或者xe作为离子源，采用pf3、no和带羰基或羟基官能团的气体(比如：hcooh、ch3oh、ch3cooh、c2h5oh、cof2或co/nh3等)等中的一种或者几种作为反应气体，对刻蚀之后磁性隧道结侧壁进行小角度离子束修剪。由于工艺中的化学活性气体，可以和损伤/沉积层发生反应生成易挥发的金属磷化络合物(metalphosphinecomplex)、金属亚硝酰基络合物(metalnitrosylcomplex)或金属羰基络合物(metalcarbonylcomplex)，同时，小角度的he、ne、ar、kr或者xe离子束辐射能够增强络合反应。

作为优选，离子源he、ne、ar、kr或者xe的流量为10-200sccm，产生并维持等射频电源的功率为100-3000watt，离子束加速电压为50-1000v不等；保持离子束的方向角为0°，或者改变多次改变离子束的方向角，比如：2°，4°或6°等，晶圆控制台旋转的速度为0-60rpm，比如：0rpm，30rpm或者60rpm等。

作为优选，反应活性化学气体pf3、no和/或带羰基或羟基官能团的气体(比如：hcooh、ch3oh、ch3cooh、c2h5oh、cof2或co/nh3等)的总流量为20-500sccm不等。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。