[發明專利]一種氣體團簇離子束平坦化磁性隧道結底電極的方法

有效

• 申請號: 201611193626.4
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN108232010B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 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: H01L43/14
• 分類號: H01L43/14
• 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

本發明提供了一種氣體團簇離子束平坦化磁性隧道結底電極的方法，采用氣體團簇離子束對磁性隧道結底電極進行平坦化，使底電極的平均表面粗糙度達到沉積磁性隧道結薄膜的要求。由于低能氣體團簇離子束的橫向濺射效應，能夠有效的消除局部表面不平整，通過改變入射劑量，輻照角度和/或添加有機醇、酸或醛等以獲得最佳的表面粗糙度，提升了磁性隧道結的成膜質量和磁性/電學性能，有利于MRAM回路良率的提升；由于GCIB可以和PVD可以集成到一個系統中，降低工藝的復雜性，同時，避免了由于添加CMP及其后清洗工藝而帶來的污染，非常適合MRAM的大規劃生產。

技術領域

本發明涉及一種磁性隧道結(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)底電極(BottomElectrode)的處理方法，具體涉及一種氣體團簇離子束(GCIB，GasCluster Ion Beam)平坦化磁性隧道結底電極的方法，屬于磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic Radom AccessMemory)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，為了實現MRAM電路縮微化的要求，通常在帶有表面拋光的CMOS通孔VIA_x(x≥1)的基底上直接制作MTJ單元，同時，使VIA_x(x≥1)和磁性隧道結(MTJ)單元對齊，即：所謂的on-axis結構；然而，在化學機械拋光(CMP，ChemicalMechanical Planarization)通孔VIA_x(x≥1)時候，由于研磨金屬(比如：銅或者鎢等)對電介質(比如：SiO₂或者低介常數(low-k)材料等)的選擇比都比較高(通常高于50)。這樣會在研磨VIA_x(x≥1)產生過度研磨，從而產生蝶形凹陷(dishing)，如圖3所示，同時也會使局部的表面粗糙度(Ra)增大。為了控制超薄勢壘層的質量和避免奈爾效應(Neel effect)，通常要求在沉積磁性隧道結(MTJ)多層膜之前，基底的表面粗糙度(Ra)被控制在0.2nm以下，比如：0.1nm等。