一种磁隧道结制作方法与流程

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种磁隧道结制作方法。

背景技术：

磁隧道结是磁性随机存储器的核心结构，包括帽层、固定层、非磁性隔离层和自由层组成，自由层的底部可以是底电极金属层或介质层。其中，固定层较厚，磁性较强，磁矩不容易反转，而自由层较薄，磁性较弱，磁矩容易反转。由于磁隧道结材料是难于干法刻蚀的材料fe、co、mg等，难以形成挥发产物，且不能采用腐蚀气体cl2等，否则会影响磁隧道结的性能，所以需要用到比较复杂的刻蚀方法才能实现，刻蚀工艺非常具有难度和挑战。

磁隧道结的刻蚀常采用的方法有反应离子刻蚀。反应离子刻蚀具有等离子体密度高等特点，即使磁隧道结的材料很难形成挥发的产物，也能由于等离子体密度高，实现快速的磁隧道结刻蚀，获得合适的形貌。刻蚀过程可以在较低物理轰击力的情况下，获得较高的刻蚀速度。但是，反应离子刻蚀在磁隧道结刻蚀中存在的一些问题。反应离子刻蚀实现刻蚀的过程包含化学刻蚀与物理刻蚀过程，化学刻蚀会对磁隧道结的侧壁产生化学损伤，影响磁隧道结的磁性和器件性能。另外，刻蚀期间的低物理轰击刻蚀可能引起磁隧道结侧壁和底部的二次沉积，产生金属沾污，尤其是金属沾污发生在隔离层时，会直接导致器件的绝缘层被导通，丧失器件功能。随着磁隧道结器件尺寸的越来越小，金属沾污对性能的影响变得越来越重要，避免金属沾污对于实现高度集成化器件至关重要。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明公开一种磁隧道结制作方法，所使用的刻蚀装置包括样品装载腔室、真空过渡腔室、反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室以及真空传输腔室，所述真空过渡腔室分别与所述样品装载腔室、所述真空传输腔室以可联通的方式相连接，所述反应离子等离子体刻蚀腔室、所述离子束刻蚀腔室、所述镀膜腔室分别与所述真空传输腔室以可联通的方式相连接，在不中断真空的情况下，在反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室依照如下步骤对晶圆进行加工、处理：样品准备步骤，在半导体衬底上形成包括底电极金属层、磁隧道结、帽层和掩膜层的待刻蚀结构；样品装载步骤，将所述样品装载到样品装载腔室，并使所述样品通过真空过渡腔室，进入真空传输腔室；离子束刻蚀步骤，使样品进入到离子束刻蚀腔室，利用离子束刻蚀方法对样品进行刻蚀，当到达底电极金属层时停止刻蚀，之后使所述样品返回到真空传输腔室；反应离子清洗步骤，使所述样品进入到反应离子等离子体刻蚀腔室，利用反应离子等离子体进行金属残留物去除以及样品表面处理，使所述离子束刻蚀步骤中所形成的金属沾污以及侧壁损伤层完全去除，之后使所述样品返回到真空传输腔室；保护步骤，使所述样品进入到镀膜腔室，在完成刻蚀的样品上表面和周边进行镀膜保护，之后使所述样品返回到真空传输腔室；以及样品取出步骤，将所述样品从真空传输腔室，通过真空过渡腔室，返回到样品装载腔室。

另一种磁隧道结制作方法，所使用的刻蚀装置包括样品装载腔室、真空过渡腔室、反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室以及真空传输腔室，所述真空过渡腔室分别与所述样品装载腔室、所述真空传输腔室以可联通的方式相连接，所述反应离子等离子体刻蚀腔室、所述离子束刻蚀腔室、所述镀膜腔室分别与所述真空传输腔室以可联通的方式相连接，在不中断真空的情况下，在反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室依照如下步骤对晶圆进行加工、处理：样品准备步骤，在半导体衬底上形成包括底电极金属层、磁隧道结、帽层和掩膜层的待刻蚀结构，所述磁隧道结包括固定层、隔离层和自由层；样品装载步骤，将所述样品装载到样品装载腔室，并使所述样品通过真空过渡腔室，进入真空传输腔室；离子束刻蚀步骤，使样品进入到离子束刻蚀腔室，利用离子束刻蚀方法对样品进行刻蚀，当到达固定层中接近底电极金属层的位置时停止刻蚀，之后使所述样品返回到真空传输腔室；离子束清洗步骤，使所述样品继续停留在离子束刻蚀腔室，利用离子束进行金属残留物去除以及样品表面处理，使所述离子束刻蚀步骤中所形成的金属沾污以及侧壁损伤层完全去除，之后使所述样品返回到真空传输腔室；介质镀膜步骤，使所述样品进入到镀膜腔室，在样品上表面和周边形成介质薄膜，之后使样品返回到真空传输腔室；反应离子刻蚀步骤，是所述样品进入反应离子等离子体刻蚀腔室，打开器件上方及底部的介质薄膜，并且保留器件侧墙处的部分介质薄膜，当刻蚀到达底电极金属层时停止刻蚀，之后使样品返回到真空传输腔室；保护步骤，使所述样品进入到镀膜腔室，在完成刻蚀的样品上表面和周边进行镀膜保护，之后使所述样品返回到真空传输腔室；以及样品取出步骤，将所述样品从真空传输腔室，通过真空过渡腔室，返回到样品装载腔室。

本发明的磁隧道结制作方法中，可选地，所述磁隧道结的结构为固定层在隔离层上方、或者固定层在隔离层下方。

本发明的磁隧道结制作方法中，可选地，所述磁隧道结的隔离层为单层或者多层。

本发明的磁隧道结制作方法中，可选地，在所述离子束刻蚀步骤中，所使用的气体包括惰性气体、氮气、氧气或其组合。

本发明的磁隧道结制作方法中，可选地，在所述反应离子等离子体刻蚀腔室中，所使用的气体包括惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、nh3、氨基气体、co、co2、醇类或其组合。

本发明的磁隧道结制作方法中，可选地，所述介质薄膜为四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属氮氧化物、碱土金属氧化物、碱土金属氮化物、碱土金属氮氧化物或其组合。

本发明的的磁隧道结制作方法中，优选地，在所述保护步骤中，所镀介质薄膜的厚度为1nm～500nm。

本发明的磁隧道结制作方法中，优选地，在所述反应离子清洗步骤中，去除厚度为0.1nm～5.0nm的所述磁隧道结的侧壁。

本发明的磁隧道结制作方法中，优选地，在所述介质镀膜步骤中，所镀介质薄膜的厚度为0.5nm～50nm。

附图说明

图1是本发明的磁隧道结刻蚀方法所使用刻蚀装置的功能框图。

图2是包含固定层在隔离层下方的磁隧道结的待刻蚀结构的示意图。

图3是包含固定层在隔离层上方的磁隧道结的待刻蚀结构的示意图。

图4是磁隧道结制备方法的一个实施例的流程图。

图5是进行离子束刻蚀步骤后所形成的器件结构示意图。

图6是进行反应离子清洗步骤后所形成的器件结构示意图。

图7是进行保护步骤后所形成的器件结构示意图。

图8是磁隧道结制备方法的另一个实施例的流程图。

图9是离子束刻蚀到固定层中并进行清洗后形成的器件结构示意图。

图10是进行介质镀膜步骤后的器件结构示意图。

图11是反应离子刻蚀到底电极金属层后的器件结构示意图。

图12是进行保护步骤后形成的器件结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。

以下结合附图针对本发明的磁隧道结制备方法所使用的装置进行说明。图1是本发明的磁隧道结制备方法所使用的刻蚀装置的功能框图。如图1所示，刻蚀装置包括反应离子等离子体刻蚀腔室10、离子束刻蚀(ibe)腔室11、镀膜腔室12、真空传输腔室13、真空过渡腔室14和样品装载腔室15。其中，真空过渡腔室14分别与样品装载腔室15和真空传输腔室13以可联通的方式相连接。反应离子等离子体刻蚀腔室10、离子束刻蚀腔室11、镀膜腔室12分别与真空传输腔室13以可联通的方式相连接。此外，上述各腔室也可以为多个。

反应离子等离子体刻蚀腔室10可以是电感耦合等离子体(icp)腔室、电容耦式等离子体(ccp)腔室、螺旋波等离子体腔室等反应离子等离子体刻蚀腔室。离子束刻蚀(ibe)腔室11可以是离子束刻蚀、中性粒子束刻蚀腔体等。镀膜腔室12可以是物理气相沉积(pvd)镀膜腔室，也可以是脉冲化学气相沉积(pulsedcvd)镀膜腔室、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)镀膜腔室、电感耦合等离子体增强化学气相沉积(icp-pecvd)镀膜腔室、原子层(ald)镀膜腔室等化学气相沉积(cvd)镀膜腔室。

此外，刻蚀装置还包括用于实现样品在各腔室的传递的样品传输系统、用于对各腔室及样品传输系统等进行控制的控制系统、用于实现各腔室所需的真空度的真空抽气系统、以及冷却系统等常规刻蚀装置所包含的功能单元。这些装置结构均可以由本领域技术人员利用现有技术加以实现。

在图2中示出了包含磁隧道结的待刻蚀器件结构示意图。如图2所示，待刻蚀结构包括底电极金属层金属层100、磁隧道结(包括固定层101、隔离层102和自由层103)、帽层104以及硬掩膜层105。需要说明的是，该结构仅示例，在实际的器件应用中，磁隧道结的组成还可以是自由层在隔离层的下方，而固定层在隔离层的上方，如图3所示。另外，隔离层还可以是两层或者两层以上，等等。本发明的磁隧道结制备方法适用于所有这些不同的结构。

以下以图2中所示的待刻蚀结构为例，针对本发明的磁隧道结制备方法进行详细说明。图4是本发明的磁隧道结制备方法的一个实施例的流程图。

首先，在样品准备步骤s11中，在半导体衬底上形成包含磁隧道结的待刻蚀结构。具体的结构，如图2所示。

接下来，在样品装载步骤s12中，将样品装载到样品装载腔室15，并使样品通过真空过渡腔室14，进入真空传输腔室13。

接下来，在离子束刻蚀步骤s13中，使样品进入到离子束刻蚀腔室11，利用离子束刻蚀方法对样品进行完整刻蚀，之后使样品返回到真空传输腔室13。在离子束刻蚀中使用的气体可以是惰性气体、氮气、氧气等。离子束刻蚀使用的角度为10度到80度，该角度是指离子束与晶圆表面法线方向的夹角。当刻蚀达到底电极金属层时，停止刻蚀。一般利用光学或二次离子质谱进行刻蚀终点监测。刻蚀过程要实现器件的分离以及器件所需的陡直度。刻蚀形成的器件侧壁以没有金属沾污为目标，但是纳米级的金属沾污，或者极微量的如小于1nm的金属沾污是难以完全避免的。同时，刻蚀过程中可能会形成磁隧道结侧壁的纳米级的损伤层，也有可能没有完全清除掉器件底电极金属层上方、以及不同器件底电极金属层之间介质层上方的金属残留。图5是进行离子束刻蚀步骤后所形成的器件结构示意图。图5中示意性地示出了在离子束刻蚀过程中形成的金属沾污106以及磁隧道结侧壁的损伤层107。

接下来，在反应离子清洗步骤s14中，使所述样品进入到反应离子刻蚀腔室10，利用反应离子刻蚀方法进行金属残留物去除以及样品表面处理，去除厚度为0.1nm～5.0nm的磁隧道结侧壁，使离子束刻蚀步骤s13中形成的侧壁金属沾污以及侧壁损伤层完全去除，同时，完全去除器件底电极金属层上方、不同器件底电极金属层之间的介质层上方的金属残留，实现器件的完全电学隔离，避免器件与器件之间的短路。之后使样品返回到真空传输腔室13。反应离子刻蚀所使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、nh3、氨基气体、co、co2、醇类等。在器件经过上述的两腔室的刻蚀步骤后，器件的侧壁干净并且实现了完全分离。在图6中示出了进行反应离子清洗步骤后所形成的器件结构示意图。

接下来，在保护步骤s15中，使样品进入到镀膜腔室12，在完成刻蚀的样品上表面和周边进行镀膜保护，之后使样品返回到真空传输腔室13。在图7中示出了进行保护步骤后的器件结构示意图。其中，所镀薄膜108为使相邻磁隧道结器件分离的介质材料。介质薄膜材料可以是四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物，过渡金属氧化物、过渡氮化物、过渡氮氧化物，碱土金属氧化物、碱土氮化物、碱土氮氧化物等可以实现相邻磁隧道结器件分离的介质材料。镀膜的厚度可以是1nm～500nm。通过在镀膜腔室的原位镀膜保护能够防止器件在后续的工艺中因裸露在大气环境中而被破坏，同时实现器件与器件间的完全绝缘隔离。

最后，在样品取出步骤s16中，将样品从真空传输腔室13，通过真空过渡腔室14，返回到样品装载腔室15。

本发明的磁隧道结制备方法利用离子束刻蚀腔室对磁隧道结进行图形化，可以精确控制刻蚀图形的陡直度，获得满足性能需求的图形结果。在不破坏真空的前提下，依靠反应离子等离子体刻蚀腔室对磁隧道结进行表面处理，去除离子束刻蚀过程中带来的不利影响，如器件损伤和沾污，提高器件性能。本发明的磁隧道结制备方法的加工过程一直处在真空环境中，避免了外界环境对刻蚀的影响。

图8是磁隧道结制备方法的另一个实施例的流程图。如图8所示，首先，在样品准备步骤s21中，在半导体衬底上形成包含磁隧道结的待刻蚀结构。具体的结构，如图2所示。

接下来，在样品装载步骤s22中，将样品装载到样品装载腔室15，并使样品通过真空过渡腔室14，进入真空传输腔室13。

接下来，在离子束刻蚀步骤s23中，使样品进入到离子束刻蚀腔室11，利用离子束刻蚀方法对样品进行刻蚀，当刻蚀到固定层中接近底电极金属层的位置停止刻蚀，仅保留几个纳米厚的固定层，之后使样品返回到真空传输腔室13。在离子束刻蚀中使用的气体可以是惰性气体、氮气、氧气等。离子束刻蚀使用的角度为10度到80度，该角度是指离子束与晶圆表面法线方向的夹角。

接下来，在离子束清洗步骤s24中，使所述样品继续停留在离子束刻蚀腔室11，利用离子束对样品进行清洗。通过进一步的离子束清洗，能够去除离子束刻蚀过程中形成的金属沾污和侧壁损伤，所得结构如图9所示，之后使样品返回到真空传输腔室13。离子束清洗所使用的气体可以是惰性气体、氮气、氧气等，角度优选为10度到80度。本步骤中所使用的气体和角度可以与离子束刻蚀步骤中所用气体和角度相同或不同。

在介质镀膜步骤s25中，使样品进入到镀膜腔室12，在样品上表面和周边形成介质薄膜108，所得结构如图10所示，之后使样品返回到真空传输腔室13。该介质薄膜的材料可以是四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属氮氧化物、碱土金属氧化物、碱土金属氮化物、碱土金属氮氧化物等可以实现相邻磁隧道结器件分离的介质材料。介质镀膜的厚度可以是0.5nm～50nm。

在反应离子刻蚀步骤s26中，使样品进入到反应离子刻蚀腔室10，利用反应离子等离子体对样品进行刻蚀，打开器件上方及底部的介质薄膜，并且保留器件侧墙处的部分介质薄膜，当刻蚀到达底电极金属层金属层100时停止刻蚀，之后使样品返回到真空传输腔室13。反应离子刻蚀所使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、nh3、氨基气体、co、co2、醇类等。在图11中示出了进行反应离子刻蚀步骤后所形成的器件结构示意图。在该步骤中，通过调节工艺气体选择，能够实现高选择比，可以有效的降低过刻蚀，提高器件良率。

接下来，在保护步骤s27中，使样品进入到镀膜腔室12，在完成刻蚀的样品上表面和周边形成介质薄膜108，之后使样品返回到真空传输腔室13。在图12中示出了进行保护步骤后的器件结构示意图。其中，介质薄膜108是使相邻磁隧道结器件分离的介质材料，例如可以是四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物，过渡金属氧化物、过渡氮化物、过渡氮氧化物，碱土金属氧化物、碱土氮化物、碱土氮氧化物等。介质薄膜的厚度可以是1nm～500nm。通过在镀膜腔室的原位镀膜保护能够防止器件在后续的工艺中因裸露在大气环境中而被破坏，同时实现器件与器件间的完全绝缘隔离。

最后，在样品取出步骤s28中，将样品从真空传输腔室13，通过真空过渡腔室14，返回到样品装载腔室15。

该实施例是针对固定层在隔离层下方，而自由层在隔离层上方的磁隧道结进行说明的。对于固定层在隔离层上方，而自由层在隔离层下方的磁隧道结，离子束刻蚀步骤s23中，则相应地刻蚀到自由层中接近底电极金属层的位置停止刻蚀。

以上，针对本发明的磁隧道结制备方法的具体实施方式进行了详细说明，但是本发明不限定于此。各步骤的具体实施方式根据情况可以不同。此外，基于部分步骤的顺序可以调换，部分步骤可以省略等。在反应离子等离子体腔室中进行刻蚀或清洗的步骤可以是单步或多步，对于多步的情况，不同步骤所使用的气体、功率、气流、压力可以相同或者不同。在离子束刻蚀腔室中进行刻蚀或清洗的可以是单步或多步，对于多步的情况，不同步骤所使用的气体、样品台相对于离子束的角度、离子束的能量以及密度可以相同或者不同。另外，本发明的磁隧道结制备方法适用于磁隧道结、过渡金属及其氧化物的刻蚀。本发明的磁隧道结制备方法适用于固定层在隔离层上方、或者固定层在隔离层下方的磁隧道结的刻蚀。本发明的磁隧道结制备方法适用于隔离层为单层或者多层的磁隧道结的刻蚀。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。