[發明專利]一種制備磁性隧道結的方法

有效

• 申請號: 201611035734.9
• 申請日: 2016-11-09
• 公開（公告）號: CN108075037B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 張云森;肖榮福
• 申請（專利權）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: H01L43/12
• 分類號: H01L43/12;H01L43/08
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務所(普通合伙) 31287
• 代理人: 于曉菁

本發明公開了一種制備磁性隧道結的方法，包括：在表面拋光的CMOS基底上，依次形成底電極、磁性隧道結多層膜和硬掩模膜層；圖形化定義磁性隧道結圖案，并轉移圖案到磁性隧道結的頂部；沉積一層氧離子俘獲層在硬掩模的周圍，并覆蓋磁性隧道結記憶層；氧離子注入到沒有被硬掩模覆蓋的磁性隧道結記憶層，并對其進行熱退火；沉積一層電介質在在硬掩模的周圍，并覆蓋被氧化的記憶層；以沉積在硬掩模周圍的電介質為掩模，對被氧化的記憶層、勢壘層、參考層和底電極進行離子束刻蝕；采用電介質填充未被刻蝕硬掩模周圍的空隙，并采用化學機械拋光磨平直到未被氧化的硬掩模頂部。

技術領域

本發明涉及磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)制造技術領域，具體來說，本發明涉及采用一次氧離子注入(OII，Oxygen Ion Implantation)一次離子束刻蝕(IBE，Ion Beam Etching)的方法來制備磁性隧道結(MTJ,Magnetic TunnelJunction)結構單元的方法。

背景技術

近年來，采用磁性隧道結的磁電阻效應的MRAM被人們認為是未來的固態非易失性記憶體，它具有高速讀寫、大容量以及低能耗的特點。鐵磁性磁性隧道結通常為三明治結構，其中有磁性記憶層，它可以改變磁化方向以記錄不同的數據；位于中間的絕緣的隧道勢壘層；磁性參考層，位于隧道勢壘層的另一側，它的磁化方向不變。

為能在這種磁電阻元件中記錄信息，建議使用基于自旋動量轉移或稱自旋轉移矩(STT，Spin Transfer Torque)轉換技術的寫方法，這樣的MRAM稱為STT-MRAM。根據磁極化方向的不同，STT-MRAM又分為面內STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。依此方法，即可通過向磁電阻元件提供自旋極化電流來反轉磁性記憶層的磁化強度方向。此外，隨著磁性記憶層的體積的縮減，寫或轉換操作需注入的自旋極化電流也越小。因此，這種寫方法可同時實現器件微型化和降低電流。

同時，鑒于減小磁性隧道結元件尺寸時所需的切換電流也會減小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的與最先進的技術節點相契合。因此，期望是將pSTT-MRAM元件做成極小尺寸，并具有非常好的均勻性，以及把對磁性隧道結磁性的影響減至最小，所采用的制備方法還可實現高良莠率、高精確度、高可靠性、低能耗，以及保持適于數據良好保存的溫度系數。同時，非易失性記憶體中寫操作是基于阻態變化，從而需要控制由此引起的對磁性隧道結記憶器件壽命的破壞與縮短。然而，制備一個小型磁性隧道結元件可能會增加磁性隧道結電阻的波動，使得pSTT-MRAM的寫電壓或電流也會隨之有較大的波動，這樣會損傷MRAM的性能。

在現在的MRAM制造工藝中，一般采用一步刻蝕工藝對磁性隧道結，即：對記憶層，勢壘層和參考層進行刻蝕。具體的方案可以采用反應離子刻蝕(RIE，Reactive IonEtching)或離子束刻蝕(IBE，Ion Beam Etching)的方法來實現，刻蝕帶來的物理損傷，化學損傷以及由于刻蝕副產物的再次沉積造成的參考層和記憶 層之間的短路都是不可避免的問題，這將會影響MRAM器件的磁性和電學性能，不利于MRAM回路良率的提高。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種有利于MRAM回路良率的提高的制備磁性隧道結的方法。

為實現上述目的，本發明提供了一種制備磁性隧道結的方法，包括：在表面拋光的CMOS基底上，依次形成底電極、磁性隧道結多層膜和硬掩模膜層，其中磁性隧道結多層膜包括依次向上疊加的參考層、勢壘層和記憶層；圖形化定義磁性隧道結圖案，并轉移圖案到磁性隧道結的頂部；沉積一層氧離子俘獲層在硬掩模的周圍，并覆蓋磁性隧道結記憶層；氧離子注入到沒有被硬掩模覆蓋的磁性隧道結記憶層，并對其進行熱退火；沉積一層電介質在在硬掩模的周圍，并覆蓋被氧化的記憶層；以沉積在硬掩模周圍的電介質為掩模，對被氧化的記憶層、勢壘層、參考層和底電極進行離子束刻蝕；采用電介質填充未被刻蝕硬掩模周圍的空隙，并采用化學機械拋光磨平直到未被氧化的硬掩模頂部。