[發明專利]一種輕離子濺射刻蝕制備磁性隧道結的方法

在審

• 申請號: 201611193599.0
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN108232004A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 張云森
• 申請（專利權）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/12;H01L21/306;G11C11/16
• 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

本發明提供了一種輕離子濺射刻蝕制備磁性隧道結的方法，采用低原子序數的正離子，具體來說，是指低于Ar⁺相對原子量39.948emu的正離子，比如：采用H_X⁺(X＝1～3)、He⁺或者Ne⁺等，對磁性隧道結多層膜進行物理濺射刻蝕。本發明使得組成磁性隧道結的多層材料對刻蝕硬掩模材料具有較高的選擇比，這樣可以把刻蝕硬掩模做得相對較薄，同時可以采用低刻蝕功率，可以減少物理刻蝕損傷和側壁導電覆蓋物等問題，可以減少化學刻蝕損傷和刻蝕速率過慢等問題。有利于MRAM回路磁學性能、電學性能的改善和良率的提升，有利于磁性隧道結的小型化。

技術領域

本發明涉及一種制備磁性隧道結(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的方法，具體涉及一種輕離子濺射刻蝕(Sputtering etching)制備磁性隧道結的方法，屬于磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)制造技術領域。

背景技術

近年來，采用磁性隧道結(MTJ)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MTJ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MTJ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MTJ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MTJ記憶器件壽命的破壞與縮短。然而，制備一個小型MTJ元件可能會增加MTJ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，通常采用反應離子刻蝕(RIE，Reactive Ion Etching)或離子束刻蝕(IBE，Ion Beam Etching)的工藝來實現對磁性隧道結的加工。對磁性隧道結的RIE的刻蝕最早采用鹵素基氣體，比如：Cl₂等。但是，由于刻蝕副產物在常溫下難以揮發，刻蝕進行得非常緩慢。通常采用300攝氏度以上的襯底溫度，然而這無疑降低了磁性存儲器的磁學性能，不利于其良率的提高。同時，由于采用了鹵素基氣體，這無疑增加了對磁性隧道結的化學損傷。最近，采用CH₃OH或CO/NH₃等作為主要刻蝕氣體的RIE工藝，有效的解決了化學損傷和刻蝕副產品等問題，但是，必須增加刻蝕腔體電源功率以增加刻蝕速率，這無疑增加了RIE的磁性隧道結的物理損傷；離子束刻蝕(IBE)工藝，一般采用Ar⁺、Kr⁺或Xe⁺等作為離子源，刻蝕工藝腔體采用IBE刻蝕工藝腔體或者RIE刻蝕工藝腔體。