一种磁性隧道结的修剪方法及其制备方法与流程

本发明涉及磁性随机存储器(mram,magneticradomaccessmemory)制造技术领域，尤其涉及一种磁性隧道结(mtj,magnetictunneljunction)的修剪方法，具体为采用络合基离子注入与刻蚀流程对刻蚀之后的磁性隧道结进行修剪的方法。

背景技术：

近年来，采用磁性隧道结(mtj)的磁性随机存储器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)。在ibe刻蚀过程中，一般采用ar⁺等作为离子源，由于物理溅射将会产生物理损伤和引起被刻蚀材料的再次沉积；在rie刻蚀过程中，一般采用cf4、sf6、nf3、cl2、bcl3、ch3oh或co/nh3等作为主要刻蚀气体，由于化学活性的气体的引入将会产生化学损伤，同时，由于刻蚀副产物难于挥发也将会引起的再次沉积，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。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。

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：

本发明提供一种修剪磁性隧道结的方法，其特征在于，对经刻蚀形成后的磁性隧道结，先采用络合基离子注入，再进行刻蚀，以去除所述磁性隧道结外壁的损伤层和/或沉积层。

进一步地，所述络合基离子注入采用离子注入装置、离子束刻蚀装置或反应离子刻蚀装置实现。

进一步地，在所述络合基离子注入之后，先进行热退火，再进行刻蚀。

进一步地，所述络合基离子注入作用范围至少使所述损伤/沉积层以及临近的磁性隧道结部分被绝缘化和/或络合反应化。

进一步地，所述络合基离子注入后的刻蚀是采用反应离子刻蚀。

更进一步地，所述反应离子刻蚀采用o2、o3、n2、h2、nh3、nf3、cf6、cf4、he、ne或ar中的一种或者几种作为反应气体。

更进一步地，所述反应离子刻蚀采用一步或者多步刻蚀。

本发明还公布了一种制备磁性隧道结的方法，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；

刻蚀所述磁性隧道结多层膜；

采用上述方法修剪磁性隧道结。

进一步地，在完成对所述磁性隧道结的修剪之后，还包括以下步骤：

沉积电介质；

抛光磨平所述电介质。

更进一步地，所述电介质为介电常数小于等于3.9的电介质。

技术效果

本发明提供的一种采用络合基离子注入与刻蚀流程对刻蚀之后的磁性隧道结进行修剪的工艺，彻底剥离了覆盖在侧壁的损伤和再次沉积层，同时利用多步刻蚀方法有效保护了磁性隧道结，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为根据本发明的一种络合离子注入与刻蚀流程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2为本发明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3为本发明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4为本发明的一个较佳实施例中，对磁性隧道结进行络合基离子注入的的示意图；

图5为本发明的一个较佳实施例中，采用刻蚀工艺对离子注入区间进行刻蚀之后的示意图；

图6为本发明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：210-底电极，220-磁性隧道结多层膜，230-硬掩模膜层，240-侧壁损伤/沉积层，250-络合基离子注入区，260-电介质。

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。

本发明提供的一种采用络合基离子注入与刻蚀流程对刻蚀之后的磁性隧道结侧壁进行修剪的工艺，首先，通过对刻蚀过后的磁性隧道结，进行co，no或pf3等络合基离子注入，使损伤/沉积层以及临近的磁性隧道结部分绝缘化/络合反应活化，然后，通过刻蚀工艺去掉被络合基离子注入的区域。彻底剥离了覆盖在侧壁的损伤和再次沉积层，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。其形成步骤如下，如图1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2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或al2o3，其厚度为0.5nm～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20nm～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3所示；更进一步地，此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，ch4/ar，c2h5oh，ch3oh/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：络合基离子注入形成离子注入区间250，如图4所示；

co、no或pf3离子注入装置可以采用离子布置机技术(iit,ionimplantationtechnology),离子束刻蚀技术(ibe,ionbeametching)或反应离子刻蚀技术(rie,reactiveionetching)等工艺实现。精确控制离子注入剂量和注入能量，以使得损伤/沉积层240和部分磁性隧道结被绝缘化/络合反应活化；在co、no或pf3络合离子注入结束之后，进行真空热退火，以使得绝缘化更充分。

步骤四：反应离子刻蚀去掉离子注入区间250，如图5所示；

反应离子气体选自o2、o3、n2、h2、nh3、nf3、cf6、cf4、he、ne或ar中的一种或者几种，并可以分成多步骤刻蚀以完全去除离子注入区间250，同时，并不额外对磁性隧道结产生损伤。

步骤五：沉积电介质260，化学抛光磨平电介质直到硬掩模230的顶部，如图6所示；其中，电介质260为sio2或者低介电常数(low-k)电介质，如hsq，msq或sioch等。

低介电常数(low-k)电介质是指介电常数(k)低于二氧化硅(k＝3.9)的材料，在具体实施时，low-k材料可以是含氢硅酸盐(hydrogensilsequioxane，hsq，k＝2.8～3.0)，含有si-ch3官能基的含甲基硅酸盐类(methylsilsesquioxane，msq，k＝2.5～2.7)，综合含氢硅酸盐类hsq和含甲基硅酸盐类msq所合成的混合式有机硅氧烷聚合物(hybridorganicsiloxanepolymer，hosp)薄膜(k＝2.5)，多孔sioch薄膜(k＝2.3～2.7)，甚至可以采用超低介电常数(k<2.0)的多孔性硅酸盐(poroussilicate)等有机类高分子化合物及介电常数(k)为1.9的多孔sioch薄膜。

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。