CN103065647B - 立体结构的磁隧道结的形成方法及形成设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种立体结构的磁隧道结的形成设备，所述形成设备的结构简单，为本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成方法提供了有利条件。本发明实施例的形成方法中，发明人采用固体的第一反应物和气态的第二反应物利用原子层沉积工艺，形成作为立体结构的磁隧道结中的磁材料层的MgO薄膜，形成的MgO薄膜的质量好，后续形成的磁存储器的可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种立体结构的磁隧道结的形成方法及形成设备。
背景技术
近年来，由于磁存储器(MagneticRandomAccessMemory，MRAM)具有短的读写时间，非易失性和功耗低的特点，磁存储器作为适用于计算机或通讯机器等信息处理设备上的存储装置而备受关注。
现有技术的磁存储器通过施加磁场，将信息存储到磁隧道结(MagneticTunnelJunction，MTJ)结构中，并通过测量MTJ的电流读取信息。具体地，所述MTJ由两磁性材料层以及位于所述两磁性材料层之间的绝缘层构成。
现有技术的磁存储器的结构，包括：用作开关器件的晶体管和用于存储数据的磁性隧道结单元。其中，所述磁隧道结的结构请参考图1，磁隧道结单元包含顶部导电层113、磁性隧道结单元主体(Magnetictunneljunction，MTJ)110、底部导电层101，其中，磁隧道结单元主体110由固定磁性材料层(PL)105、隧道绝缘材料层107和自由磁性材料层(FL)109交替堆叠而成。所述磁隧道结单元主体110是三层或多层结构，其中所述磁隧道结单元主体还包括：位于所述自由磁性材料层109表面的第一隧道绝缘材料层111，用于将所述自由磁性材料层109和顶部导电层113隔开；位于所述底部导电层101表面的第二隧道绝缘材料层103，用于将所述固定磁性材料层105和底部导电层101隔开。
其中，所述固定磁性材料层105的作用是磁化方向被固定，并与自由磁性材料层109的磁化方向进行对比，自由磁性材料层109的磁化方向可编程。在对磁性存取存储器进行写入操作时，自由磁性材料层109的磁化可编程为相对于固定磁性材料层105的磁化平行(逻辑“0”状态)，表现为低阻态；或者反平行(逻辑“1”状态)，表现为高阻态，从而实现两个存储状态。在“读取”的过程中，通过比较磁隧道结单元的电阻与标准单元的电阻，读出磁性随机存取存储器的状态。
然而，随着工艺节点的进一步减小，现有技术形成的磁存储器的可靠性低，无法进一步满足工业需求。
更多关于磁存储器中磁隧道结的结构请参考公开号为“US20070176251A1”的美国专利。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种立体结构的磁隧道结的形成方法及形成设备，形成的磁存储器的可靠性高。
为解决上述问题，本发明实施例的发明人提供了一种立体结构的磁隧道结的形成设备，包括：用于形成隧道绝缘材料层的所述反应腔室，所述反应腔室包括：
镀膜室，所述镀膜室一腔室壁上具有至少一个开孔；
位于所述镀膜室内的第一加热器，所述第一加热器位于所述开孔位置的正下方；
位于所述镀膜室上的第二加热器；
子反应腔，所述子反应腔位于所述第二加热器表面，且与所述开孔相连，用于向镀膜室提供固态的第一反应物。可选地，所述第二加热器位于所述镀膜室的上方，所述第二加热器具有第一通孔，且所述第一通孔的位置与所述开孔的位置相对应。
可选地，所述反应腔室还包括：第一供气单元，所述第一供气单元与所述开孔相连，用于提供气态的第二反应物。
可选地，所述反应腔室还包括：第一等离子腔室，所述第一等离子腔室位于所述第二加热器表面、且一端与所述子反应腔相连，另一端与所述镀膜室的开孔相连；和/或第二等离子腔室，所述第二等离子腔室的一端与第一供气单元，另一端与所述镀膜室的开孔相连。
可选地，所述反应腔室还包括：第二供气单元，所述第二供气单元的一端与所述子反应腔相连；另一端直接与所述镀膜室的开孔相连。
可选地，所述反应腔室还包括：多个气体流量控制器，分别用于连接所述第二供气单元和所述镀膜室的开孔上的气管；连接第二供气单元和子反应腔上的气管；连接第一供气单元和所述镀膜室的开孔上的气管。
可选地，所述反应腔室还包括：分布盘，所述分布盘位于所述镀膜室内、且位于所述第一加热器和第二加热器之间，所述分布盘上具有多个第二通孔，所述第二通孔的直径小于所述镀膜室的开孔的直径。
可选地，所述分布盘到第二加热器之间的距离为50mm。
可选地，所述开孔的个数为1-3个。
本发明的实施例还提供了一种立体结构的磁隧道结的形成方法，包括：
向子反应腔内提供固态的第一反应物；
经过镀膜室外的第二加热器加热使所述第一子反应物由固态变成气态；
气态的第一反应物通过镀膜室一腔室壁上的开孔进入镀膜室内；
气态的第一反应物和通入所述镀膜室的气态的第二反应物在镀膜室内混合均匀；
第一加热器加热使气态的第一反应物和气态的第二反应物反应生成MgO薄膜沉积于晶圆表面。
可选地，所述气态的第二反应物通过与所述开孔相连的第一供气单元进入镀膜室内。
可选地，所述第一反应物为Mg(thd)2，所述第二反应物为氧气或臭氧。
可选地，所述Mg(thd)2的质量为400-600g；所述氧气或臭氧的流量为200-300sccm。
可选地，所述Mg(thd)2的质量为500g，氧气的流量为300sccm。
可选地，所述Mg(thd)2变为气态的条件为：温度大于等于200℃。
可选地，在气态的第一反应物和/或第二反应物进入镀膜室之前，先对所述气态的第一反应物和/或第二反应物等离子体化。
可选地，等离子化所述气态的第一反应物的工艺参数范围为：频率13-15MHz；功率大于等于300W。
可选地，等离子体化所述气态的第一反应物的工艺参数为：频率13.56MHz，功率300W。
可选地，等离子化所述第二反应物的工艺参数范围为：频率13-15MHz；功率大于等于200W。
可选地，等离子化所述第二反应物的工艺参数范围为：频率13.56MHz，功率200W。
可选地，所述第二反应物和气态的所述第一反应物在进入镀膜室时，还包括：利用第二供气单元提供的作为载体的气体。
可选地，所述作为载体的气体为Ar、He、N2中的一种。
可选地，通入子反应腔的作为载体的气体的通入子反应腔的流量为200-400sccm；直接经过开孔通入所述镀膜室内的作为载体的气体的流量为800-1200sccm。
可选地，通入子反应腔的Ar的流量为300sccm，直接经过开孔通入所述镀膜室内的Ar的流量为1000sccm。
可选地，通入所述气态的Mg(thd)2的时间为15S，通入所述氧气的时间为10S。
可选地，所述第二反应物和气态的所述第一反应物进入镀膜室内后，还包括：所述第二反应物和气态的所述第一反应物通过分布盘上的第二通孔。
可选地，形成MgO薄膜的工艺为原子层沉积工艺。
可选地，所述原子层沉积工艺的工艺参数范围为：温度250-350℃，压力0.08-0.2torr。
可选地，所述原子层沉积工艺的工艺参数范围为：温度250℃，压力0.1Torr。
与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：
本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成设备中，所述用于形成立体结构的隧道绝缘材料层的原子层沉积设备的反应腔室包括子反应腔，所述子反应腔可以用来放置固态的第一反应物，当第二加热器加热到一定温度时，所述固态的第一反应物变为气态，通过开孔进入镀膜室内，便于后续和第二反应物在第一加热器加热下，发生原子层沉积工艺形成立体结构的隧道绝缘材料层。所述设备的结构简单，所述设备为后续采用原子层沉积工艺形成MgO薄膜提供了有利条件。
进一步的，本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成设备的反应腔室还包括：第二供气单元，可以在后续提供作为载体的气体，以加快第二反应物和气态的第一反应物的流动速率。
更进一步的，本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成设备的反应腔室还包括：第一等离子腔室和/或第二等离子腔室，可以在气态的第一反应物和/或第二反应物进入镀膜室之前，先对所述气态的第一反应物和/或第二反应物等离子体化。
并且，本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成设备的反应腔室还包括：分布盘。所述分布盘和第二加热器之间构成的空间，在后续形成隧道绝缘材料层的工艺过程中，可以为所述第二反应物和气态的第一反应物提供一个缓冲的空间，有利于所述第二反应物和气态的第一反应物在所述空间内混合均匀，后续在晶圆表面形成的隧道绝缘材料层的厚度均一、且表面质量好。
本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成方法中，发明人采用固体的第一反应物和气态的第二反应物，利用原子层沉积工艺，形成作为立体结构的磁隧道结中的隧道绝缘材料层的MgO薄膜，形成的CoFeB薄膜的厚度均一，表面质量好，后续形成的磁存储器的可靠性高。
附图说明
图1是现有技术的磁隧道结的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例的立体结构的磁隧道结的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成设备的结构示意图；
图4是本发明第一实施例的立体结构的磁隧道结的形成设备中用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室的剖面结构示意图；
图5是本发明第一实施例的立体结构的磁隧道结的形成方法的流程示意图；
图6-图8是本发明第二实施例中实例1-实例3的立体结构的磁隧道结的形成设备中用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室的剖面结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，随着工艺节点的进一步减小，现有技术形成的存储器的可靠性低，无法进一步满足工业需求。经过研究，发明人发现，磁存储器的可靠性跟磁隧道结的结构有关，平面结构的磁隧道结的可靠性低于立体结构的磁隧道结的可靠性。
然而，现有技术中受材料和工艺条件的制约，只能在超高真空(UHV)条件下，采用物理气相沉积工艺(PVD)形成磁隧道结，然而，由于物理气相沉积工艺(PVD)在形成立体结构的磁隧道结时表面质量较差，现有技术形成的磁隧道结多为平面结构，请参考图1，磁隧道结包括：磁性材料层(固定磁性材料层105和自由磁性材料层109)和磁隧道结的隧道绝缘材料层107。
经过进一步研究，发明人发现，采用原子层沉积工艺(AtomicLayerDeposition，ALD)可以形成立体结构的磁隧道结。并且本发明的发明人发现，Mg(thd)2(Mg-2，2，6，6-4甲基-3，5己二酮)在一定条件下可以被氧化形成MgO，并且虽然Mg(thd)2在常温常压下为固态，但是当Mg(thd)2被加热到熔点以上时，可以变为气态，因此Mg(thd)2可以作为原子层沉积工艺时形成隧道绝缘材料层(MgO)的材料。
相应的，本发明实施例的发明人提供了一种立体结构的磁隧道结的形成方法及形成设备。
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。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
请参考图2，图2示出了本发明实施例的立体结构的磁隧道结的结构，至少包括立体结构的固定磁性材料层201、位于所述固定磁性材料层201表面的隧道绝缘材料层203、及位于所述隧道绝缘材料层203表面的自由磁性材料层205。
请参考图3，图3示出了本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成设备，包括：
承载台301，用于承载晶圆303，所述承载台301可以移动晶圆303至各反应腔室；
多个反应腔室，所述多个反应腔室分别用于在所述晶圆303表面形成电极、磁性材料层或氧化层等。例如所述多个反应腔室包括用于形成底部导电层的第一反应腔室305、用于形成磁性材料层(固定磁性材料层和自由磁性材料层)的第二反应腔室307、用于形成隧道绝缘材料层的第三反应腔室309、和用于形成顶部导电层的第四反应腔室311。
请结合参考图2和图3，本发明的发明人发现，现有技术中受材料和工艺条件的制约，磁隧道结的磁性材料层(固定磁性材料层和自由磁性材料层)和磁隧道结的隧道绝缘材料层，均在超高真空(UHV)条件下，采用物理气相沉积工艺(PVD)形成。而由于物理气相沉积工艺(PVD)在形成立体结构时的表面质量较差，因此现有技术的磁隧道结大多为如图1所示的平面结构。
经过进一步研究，发明人发现，采用原子层沉积工艺(AtomicLayerDeposition，ALD)可以形成立体结构的磁隧道结。并且本发明的发明人发现，Mg(thd)2在一定条件下可以被氧化形成MgO，并且虽然Mg(thd)2在常温常压下为固态，但是当Mg(thd)2被加热到熔点以上时，可以变为气态，因此Mg(thd)2可以作为原子层沉积工艺时形成隧道绝缘材料层(MgO)的材料。
第一实施例
请参考图4，本发明的发明人提供了一种立体结构的磁隧道结的形成设备，包括用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室(即图3中的第三反应腔室309)，所述反应腔室包括：
镀膜室400，所述镀膜室一腔室壁上具有至少一个开孔(未标示)；
位于所述镀膜室400内的第一加热器401，所述第一加热器401位于所述开孔位置的正下方；
位于所述镀膜室400上的第二加热器405；
子反应腔409，所述子反应腔409位于所述第二加热器405表面，且与所述开孔相连，用于向镀膜室400提供固态的第一反应物415。
其中，所述镀膜室400用于提供在晶圆403表面形成磁性材料层(固定磁性材料层和自由磁性材料层)的工作平台；所述镀膜室400一腔室壁上具有开孔(未标示)，所述开孔后续用于为气态的第一反应物415和第二反应物421提供进入镀膜室400的通道，所述开孔的个数至少为一个，例如1-3个。在本发明的实施例中，所述开孔的个数为3个。
所述第一加热器401用于为反应腔室提供后续反应所需的温度条件，所述第一加热器401至少可以加热到200℃。为使后续通入的反应物能够均匀沉积在晶圆403的表面，所述第一加热器401位于所述开孔位置的正下方。本发明实施例中，所述第一加热器401表面还具有基台(未图示)，所述基台用于放置待形成磁性材料层的晶圆403。
所述第二加热器405位于所述镀膜室400上，用于加热子反应腔409内的第一反应物415，使所述第一反应物415由固态变为气态，气态的所述第一反应物415有助于后续进入镀膜室400。需要说明的是，所述气态的所述第一反应物415由所述开孔进入镀膜室400。
发明人研究发现，当所述第二加热器405位于所述镀膜室400上方时，所述用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室的结构最简单、紧凑。经过进一步研究，在本发明的实施例中，发明人将所述第二加热器405置于所述镀膜室400上方，所述第二加热器405具有第一通孔(未标示)，且所述第一通孔的位置与所述开孔的位置相对应。更进一步的，所述第二加热器405可以作为镀膜室400的上方的腔室壁，所述第二加热器405内的第一通孔即镀膜室400的腔室壁上的开孔。
所述子反应腔409用于放置固态的第一反应物415。在本发明的实施例中，所述第一反应物415为Mg(thd)2，虽然Mg(thd)2在常温常压下为固态，但是当Mg(thd)2被加热到熔点以上时，可以变为气态，因此Mg(thd)2可以作为原子层沉积工艺时形成隧道绝缘材料层(MgO)的材料，即MgO薄膜。
发明人发现，为形成MgO薄膜，除了需要Mg(thd)2外，还需要氧化气体提供氧原子，使氧原子和Mg(thd)2中的Mg结合形成MgO。
相应的，本发明实施例的形成隧道绝缘材料层的反应腔室还包括：第一供气单元，所述第一供气单元与所述开孔相连，用于提供氧化气体作为气态的第二反应物421，后续所述第二反应物和Mg(thd)2发生反应，形成MgO薄膜。本发明实施例中，所述第二反应物421为氧气(O2)或臭氧(O3)。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述形成隧道绝缘材料层的反应腔室还可以外接一个第一供气单元，用于提供氧化气体作为第二反应物。
需要说明的是，本发明实施例的形成隧道绝缘材料层的反应腔室还包括：第二供气单元(未图示)，所述第二供气单元的一端与所述子反应腔409相连，用于加快所述气态的第一反应物415进入镀膜室400上的开孔的速度；另一端直接与所述镀膜室400上的开孔相连，用于加快所述第二反应物421进入镀膜室400上的开孔的速度。
在本发明的实施例中，所述第二供气单元通过气管分别向所述子反应室409和镀膜室400上的开孔内提供作为载体的气体423，例如惰性气体Ar、He、N2中的一种。并且，为了便于调节所述作为载体的气体423的流量，还在连接第一供气单元和开孔上的气管上、连接所述第二供气单元和子反应室409的气管上以及连接所述第二供气单元和开孔的气管上安装有气体流量控制器(MassFlowControler，MFC)419。
并且为了控制每个气管中气体通入的气体的量，需要控制气管的开和关，每个所述气管上还安装有开关417。
另外，发明人经过研究后发现，若经过开孔后的各气体直接进入镀膜室400内，发生反应形成MgO，沉积在晶圆403表面，则有可能仅在晶圆403表面的中心处沉积了MgO薄膜，而晶圆403的边缘处形成的MgO薄膜的厚度较薄甚至没有，可能会影响到后续形成的磁存储器的可靠性。
经过进一步研究，发明人对本发明第一实施例的用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室进行了改进，改进后的所述反应腔室还包括：分布盘(DistributionPlate)411，所述分布盘411位于所述镀膜室400内、且位于所述第一加热器401和第二加热器405之间，所述分布盘411上具有多个第二通孔(未标示)，所述第二通孔的直径小于所述开孔的直径。由于所述第二通孔的直径远小于所述开孔的直径，各气体在通过开孔进入到镀膜室400后，通过所述第二通孔到达晶圆403表面的速度放缓，所述分布盘411与第二加热器405构成的空间为各气体在晶圆403表面形成MgO薄膜之前提供了一个缓冲的空间，有助于各气体在所述空间内混合均匀，均匀分布在所述空间的各处，有助于后续在晶圆403表面形成厚度均一、且表面质量好的MgO薄膜，所述MgO薄膜用作后续形成的磁存储器的立体结构的磁隧道结中的隧道绝缘材料层，磁存储器的可靠性好。
在本发明的第一实施例中，为使各气体在所述空间内充分混合，所述分布盘411到第二加热器405之间的距离为50mm。
需要说明的是，为了排出反应后产生的废气425，所述第二反应腔室还包括：排气单元(未图示)，用于排出废气425。
本发明第一实施例的立体结构的磁隧道结的形成设备，形成结构简单，为采用原子层沉积工艺形成立体结构的磁隧道结提供了有利的条件。
请参考图5，本发明实施例的发明人还提供了一种采用上述设备的立体结构的磁隧道结的形成方法，包括：
步骤S501，向子反应腔内提供固态的第一反应物；
步骤S503，经过镀膜室外的第二加热器加热使所述第一子反应物由固态变成气态；
步骤S505，气态的第一反应物通过镀膜室一腔室壁上的开孔进入镀膜室内，气态的第一反应物和通入所述镀膜室的气态的第二反应物在镀膜室内混合均匀；
步骤S507，第一加热器加热使气态的第一反应物和气态的第二反应物反应生成MgO薄膜沉积于晶圆表面。
请结合参考图4和图5，所述子反应腔409位于第二加热器405表面；所述第一反应物415为Mg(thd)2，质量为400-600g；所述气态的第二反应物通过与所述开孔相连的第一供气单元进入镀膜室400内；所述第二反应物421为氧气(O2)或臭氧(O3)，所述第二反应物421的流量为200-300sccm。本发明实施例中，所述Mg(thd)2的质量为500g，氧气的流量为300sccm。并且Mg(thd)2在常温常压下为固态，但是当Mg(thd)2被第二加热器405加热到200℃或以上时，可以由固态变为气态，因此Mg(thd)2可以作为原子层沉积工艺时形成隧道绝缘材料层(MgO)的材料。
需要说明的是，在本发明的实施例中，所述第二反应物421和气态的所述第一反应物415在进入镀膜室400时，还包括：利用第二供气单元提供的作为载体的气体423，例如惰性气体Ar、He、N2中的一种，以加速所述第二反应物421和气态的所述第一反应物415的流动速率，使其快速进入镀膜室400。所述作为载体的气体423的流量根据反应物的量来确定，通入子反应腔409的作为载体的气体423的通入子反应腔409的流量为200-400sccm，直接经过镀膜室400一腔室壁上的开孔通入所述镀膜室400内的作为载体的气体423的流量为800-1200sccm。
本发明的实施例中，所述作为载体的气体423为Ar，通入子反应腔409的Ar的流量为300sccm，直接经过第二加热器405内的第一通孔通入所述镀膜室400内的Ar的流量为1000sccm。
发明人经过研究发现，当后续形成的MgO薄膜中Mg∶O的值为1∶1时，后续形成的磁性材料层的质量最好，磁性最强，后续形成的磁存储器的可靠性最高。在本发明的实施例中，为形成Mg∶O的值为1∶1的MgO薄膜，通入所述气态的Mg(thd)2的时间为15S，通入所述氧气的时间为10S。
并且在本发明的实施例中，所述第二反应物421和气态的所述第一反应物415进入镀膜室400内后，还包括：所述第二反应物421和气态的所述第一反应物415通过分布盘411上的第二通孔的步骤。由于所述第二通孔的直径小于所述开孔的直径，所述第二反应物421和气态的所述第一反应物415可以在所述分布盘411和第二加热器405构成的空间内充分混合，并且充满所述空间的各处，利于后续在晶圆403表面的中间部位和边缘部位形成厚度均一。且表面质量好的MgO薄膜，采用本发明第一实施例的方法形成的所述MgO薄膜作为隧道绝缘材料层，后续形成的磁存储器的可靠性好。
在所述镀膜室400内的晶圆403表面形成MgO薄膜的工艺为原子层沉积工艺(ALD)，所述原子层沉积工艺在形成如图2所示的立体结构的磁隧道结的磁性材料层时，所述磁性材料层的质量好，且厚度均匀一致。本发明的实施例在形成作为磁性材料层的MgO薄膜时，所述原子层沉积工艺的工艺参数范围为：温度250-350℃，压力0.08-0.2torr。本发明实施例中，形成MgO薄膜的工艺参数为：温度250℃，压力0.1Torr。
采用本发明实施例的方法在形成如图2所示的立体结构时，形成质量好，厚度均匀一致的CoFeB薄膜，所述CoFeB薄膜用于作为本发明实施例的立体结构的磁隧道结的磁性材料层(固定磁性材料层和自由磁性材料层)，与现有技术相比，后续形成的磁存储器的可靠性更高。
第二实施例
本发明实施例的发明人发现，在气态的第一反应物和/或第二反应物进入镀膜室之前，先对所述气态的第一反应物和/或第二反应物等离子体化，可以大大加快后续在晶圆表面形成隧道绝缘材料层的速率。
本发明实施例的发明人对用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室进一步进行了改造，改造后的所述反应腔室还包括：第一等离子腔室，所述第一等离子腔室的一端与所述子反应腔相连，另一端与所述镀膜室的开孔相连；和/或第二等离子腔室，所述第二等离子腔室的一端与所述第一供气单元相连，另一端与所述镀膜室的开孔相连。具体请参考以下几个实例：
实例1
请参考图6，实例1中，本发明实施例的发明人提供了一种立体结构的磁隧道结的形成设备，所述形成设备中用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室，包括：
镀膜室400，所述镀膜室400一腔室壁上具有至少一个开孔(未标示)；
位于所述镀膜室400内的第一加热器401，所述第一加热器401位于所述开孔位置的正下方；
位于所述镀膜室400上的第二加热器405；
子反应腔409，所述子反应腔409位于所述第二加热器405表面，且与所述开孔相连，用于向镀膜室400提供固态的第一反应物415；
第一等离子腔室410，所述第一等离子腔室410位于所述第二加热器405表面、且一端与所述子反应腔409相连，另一端与所述开孔相连。
与第一实施例不同，本发明第二实施例的实例1中还包括：第一等离子腔室410，所述第一等离子腔室410用于等离子体化所述气态的第一反应物415，以加快后续所述气态的第一反应物和第二反应物发生反应的反应速率。
第二实施例的实例1中，所述用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室还可以包括：
第一供气单元(未标示)，所述第一供气单元与所述开孔相连，用于提供气态的第二反应物。
分布盘411，所述分布盘411位于所述镀膜室400内、且位于所述第一加热器401和第二加热器405之间；
第二供气单元(未标示)，所述第二供气单元的一端与所述子反应腔409相连，用于提供作为载体的气体423，加快所述气态的第一反应物415进入开孔的速度；另一端直接通过所述开孔与镀膜室400相连，用于提供作为载体的气体423，加快所述第二反应物421进入开孔的速度。
更多关于实例1中立体结构的磁隧道结的形成设备的说明，请参考本发明的第一实施例中。
本发明第二实施例的实例1中的立体结构的磁隧道结的形成设备，所述形成设备中用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室包括第一等离子腔室410，可以在气态的第一反应物415进入镀膜室400之前，对其等离子体化，加快后续的反应速度。
相应的，请继续参考图6，本发明的第二实施例的实例1中还提供了一种立体结构的磁隧道结的形成方法，与本发明的第一实施例的形成方法不同，在本发明的第二实施例的实例1中，在所述气态的第一反应物(Mg(thd)2)415进入镀膜室400之前，还包括：所述气态的第一反应物415进入所述第一等离子腔室410等离子体化。等离子化所述气态的第一反应物415的工艺参数范围为：频率(frequency)13-15MHz；功率(power)大于等于300W。在本发明的实例1中，等离子体化所述气态的第一反应物415的工艺参数为：频率13.56MHz，功率300W。
本发明第二实施例的实例1中的形成方法，与本发明的第一实施例相比，除了具有本发明第一实施例的优点外，还具有以下优点：由于所述气态的第一反应物即Mg(thd)2被等离子体化后再进入所述镀膜室400内，因此其活性更强，后续更易被氧化形成MgO，即在晶圆403表面形成MgO薄膜花费的时间较短，节省了工艺时间。
实例2
请参考图7，实例2中，本发明实施例的发明人提供了一种立体结构的磁隧道结的形成设备，所述形成设备中用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室，包括：
镀膜室400，所述镀膜室一腔室壁上具有至少一个开孔；
位于所述镀膜室400内的第一加热器401，所述第一加热器401位于所述开孔位置的正下方；
位于所述镀膜室400上的第二加热器405；
子反应腔409，所述子反应腔409位于所述第二加热器405表面，且与所述开孔相连，用于向镀膜室400提供固态的第一反应物415；
第二等离子腔室427，所述第二等离子腔室427的一端与所述开孔相连。
与第一实施例不同，本发明第二实施例的实例1中还包括：第二等离子腔室427，所述第二等离子腔室427用于等离子体化所述第二反应物421，以加快后续所述气态的第一反应物和第二反应物发生反应的反应速率。
第二实施例的实例2中，所述用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室还可以包括：
第一供气单元(未图示)，所述第一供气单元与第二等离子腔室427相连；
分布盘411，所述分布盘411位于所述镀膜室400内、且位于所述第一加热器401和第二加热器405之间；
第二供气单元，所述第二供气单元的一端与所述子反应腔409相连，用于提供作为载体的气体423，加快所述气态的第一反应物415进开孔的速度；另一端直接通过所述开孔与镀膜室400相连，用于提供作为载体的气体423，加快所述第二反应物421进入开孔的速度。
更多关于实例2中立体结构的磁隧道结的形成设备的说明，请参考本发明的第一实施例。
本发明第二实施例的实例2中的立体结构的磁隧道结的形成设备，所述形成设备中用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室包括第二等离子腔室427，可以在第二反应物进入镀膜室之前，对其等离子体化，加快后续的反应速度。
相应的，请继续参考图7，本发明的第二实施例的实例2中还提供了一种立体结构的磁隧道结的形成方法，与本发明的第一实施例的形成方法不同，在本发明的第二实施例的实例2中，在所述第二反应物(氧气或臭氧)进入镀膜室400之前，还包括：所述第二反应物421进入所述第二等离子腔室427等离子体化。等离子化所述第二反应物421的工艺参数范围为：频率(frequency)13-15MHz；功率(power)大于等于200W。在本发明的实例2中，等离子体化所述第二反应物421的工艺参数为：频率13.56MHz，功率200W。
本发明第二实施例的实例2中的形成方法，与本发明的第一实施例相比，除了具有本发明第一实施例的优点外，同实例1一样，还具有以下优点：由于所述第二反应物即氧气或臭氧被等离子体化后再进入所述镀膜室400内，因此其活性更强，后续更易和Mg(thd)2发生反应形成MgO，即在晶圆403表面形成MgO薄膜花费的时间较短，节省了工艺时间。
实例3
请参考图8，实例3中，本发明实施例的发明人提供了一种立体结构的磁隧道结的形成设备，所述形成设备中用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室，包括：
镀膜室400，所述镀膜室400一腔室壁上具有至少一个开孔；
位于所述镀膜室400内的第一加热器401，所述第一加热器401位于所述开孔位置的正下方；
位于所述镀膜室400上的第二加热器405；
子反应腔409，所述子反应腔409位于所述第二加热器405表面，且与所述开孔相连，用于提供固态的第一反应物415；
第一等离子腔室410，所述第一等离子腔室410位于所述第二加热器405表面、且一端与所述子反应腔409相连，另一端与所述开孔相连；
第二等离子腔室427，所述第二等离子腔室427与镀膜室400的开孔相连；
第一供气单元，所述第一供气单元与第二等离子腔室427相连。
与第一实施例不同，本发明第二实施例的实例3中还包括：第一等离子腔室410，用于等离子体化所述气态的第一反应物415，以加快后续所述气态的第一反应物和第二反应物发生反应的反应速率；和第二等离子腔室427，用于等离子体化所述第二反应物421，以加快后续所述气态的第一反应物和第二反应物发生反应的反应速率。
第二实施例的实例3中，所述反应腔室还可以包括：
分布盘411，所述分布盘411位于所述镀膜室400内、且位于所述第一加热器401和第二加热器405之间；
第二供气单元，所述第二供气单元的一端与所述子反应腔409相连，用于提供作为载体的气体423，加快所述气态的第一反应物415进入开孔的速度；另一端直接通过所述开孔与镀膜室400相连，用于提供作为载体的气体423，促进所述第二反应物421与气态的第一反应物415在镀膜室内混合均匀。
更多关于实例3中立体结构的磁隧道结的形成设备的说明，请参考本发明的第一实施例中。
本发明第二实施例的实例3中的立体结构的磁隧道结的形成设备，所述形成设备中用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室包括第一等离子腔室410和第二等离子腔室427，分别用于在气态的第一反应物415和第二反应物421进入镀膜室400之前，对其等离子体化，加快后续的反应速度。
相应的，请继续参考图8，本发明的第二实施例的实例3中还提供了一种立体结构的磁隧道结的形成方法，与本发明的第一实施例的形成方法不同，在本发明的第二实施例的实例3中，在所述气态的第一反应物(Mg(thd)2)415和第二反应物421进入镀膜室400之前，还包括：所述气态的第一反应物415进入所述第一等离子腔室410等离子体化；所述第二反应物进入所述第二等离子腔室427等离子体化。
其中，等离子化所述气态的第一反应物415的工艺参数范围为：频率(frequency)13-15MHz；功率(power)大于等于300W；等离子化所述第二反应物421的工艺参数范围为：频率(frequency)13-15MHz；功率(power)大于等于200W。在本发明的实例3中，等离子体化所述气态的第一反应物415的工艺参数为：频率13.56MHz，功率300W；等离子体化所述第二反应物421的工艺参数为：频率13.56MHz，功率200W。
本发明第二实施例的实例1中的形成方法，与本发明的第一实施例相比，除了具有本发明第一实施例的优点外，还具有以下优点：由于所述气态的第一反应物(Mg(thd)2)415和所述第二反应物421(氧气或臭氧)被等离子体化后再进入所述镀膜室400内，因此活性更强，后续两者更易发生反应形成MgO，即在晶圆403表面形成MgO薄膜花费的时间更短，节省了工艺时间。
综上，本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成设备中，所述用于形成立体结构的隧道绝缘材料层的原子层沉积设备的反应腔室包括子反应腔，所述子反应腔可以用来放置固态的第一反应物，当第二加热器加热到一定温度时，所述固态的第一反应物变为气态，通过所述开孔进入镀膜室内和第一供气单元提供的气体在第一加热器加热下，发生原子层沉积工艺形成立体结构的隧道绝缘材料层。所述设备的结构简单，所述设备为后续采用原子层沉积工艺形成MgO薄膜提供了有利条件。
进一步的，本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成设备的反应腔室还包括：第二供气单元，可以在后续提供作为载体的气体，以加快第二反应物和气态的第一反应物的流动速率。
更进一步的，本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成设备的反应腔室还包括：第一等离子腔室和/或第二等离子腔室，可以在气态的第一反应物和/或第二反应物进入镀膜室之前，先对所述气态的第一反应物和/或第二反应物等离子体化。
并且，本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成设备的反应腔室还包括：分布盘。所述分布盘和第二加热器之间构成的空间，在后续形成隧道绝缘材料层的工艺过程中，可以为所述第二反应物和气态的第一反应物提供一个缓冲的空间，有利于所述第二反应物和气态的第一反应物在所述空间内混合均匀，后续在晶圆表面形成的隧道绝缘材料层的厚度均一、且表面质量好。
本发明实施例的立体结构的磁隧道结的形成方法中，发明人采用固体的第一反应物和气态的第二反应物，利用原子层沉积工艺，形成作为立体结构的磁隧道结中的隧道绝缘材料层的MgO薄膜，形成的CoFeB薄膜的厚度均一，表面质量好，后续形成的磁存储器的可靠性高。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (26)
1.一种立体结构的磁隧道结的形成设备，包括：用于形成隧道绝缘材料层的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室包括：
镀膜室，所述镀膜室一腔室壁上具有至少一个开孔；
位于所述镀膜室内的第一加热器，所述第一加热器位于所述开孔位置的正下方；
位于所述镀膜室上的第二加热器，所述第二加热器位于所述镀膜室的上方，所述第二加热器具有第一通孔，且所述第一通孔的位置与所述开孔的位置相对应；
子反应腔，所述子反应腔位于所述第二加热器表面，且与所述开孔相连，用于向镀膜室提供固态的第一反应物；
所述反应腔室还包括：分布盘，所述分布盘位于所述镀膜室内、且位于所述第一加热器和第二加热器之间，所述分布盘上具有多个第二通孔，所述第二通孔的直径小于所述镀膜室的开孔的直径。
2.如权利要求1所述的立体结构的磁隧道结的形成设备，其特征在于，所述反应腔室还包括：第一供气单元，所述第一供气单元与所述开孔相连，用于提供气态的第二反应物。
3.如权利要求2所述的立体结构的磁隧道结的形成设备，其特征在于，所述反应腔室还包括：第一等离子腔室，所述第一等离子腔室位于所述第二加热器表面、且一端与所述子反应腔相连，另一端与所述镀膜室的开孔相连；和/或第二等离子腔室，所述第二等离子腔室的一端与第一供气单元相连，另一端与所述镀膜室的开孔相连。
4.如权利要求2所述的立体结构的磁隧道结的形成设备，其特征在于，所述反应腔室还包括：第二供气单元，所述第二供气单元的一端与所述子反应腔相连；另一端直接与所述镀膜室的开孔相连。
5.如权利要求4所述的立体结构的磁隧道结的形成设备，其特征在于，所述反应腔室还包括：多个气体流量控制器，分别用于连接所述第二供气单元和所述镀膜室的开孔上的气管；连接第二供气单元和子反应腔上的气管；连接第一供气单元和所述镀膜室的开孔上的气管。
6.如权利要求1所述的立体结构的磁隧道结的形成设备，其特征在于，所述分布盘到第二加热器之间的距离为50mm。
7.如权利要求1所述的立体结构的磁隧道结的形成设备，其特征在于，所述开孔的个数为1-3个。
8.一种立体结构的磁隧道结的形成方法，包括：
向子反应腔内提供固态的第一反应物，所述第一反应物为Mg(thd)2；
经过镀膜室外的第二加热器加热，使所述第一反应物由固态变成气态；
气态的第一反应物通过镀膜室一腔室壁上的开孔进入镀膜室内；
气态的第一反应物和通入所述镀膜室的气态的第二反应物在镀膜室内混合均匀，所述第二反应物为氧气或臭氧；
第一加热器加热使气态的第一反应物和气态的第二反应物反应生成MgO薄膜沉积于晶圆表面。
9.如权利要求8所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，所述气态的第二反应物通过与所述开孔相连的第一供气单元进入镀膜室内。
10.如权利要求8所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，所述Mg(thd)2的质量为400-600g；所述氧气或臭氧的流量为200-300sccm。
11.如权利要求8所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，所述Mg(thd)2的质量为500g，氧气的流量为300sccm。
12.如权利要求8所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，所述Mg(thd)2变为气态的条件为：温度大于等于200℃。
13.如权利要求9所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，在气态的第一反应物和/或第二反应物进入镀膜室之前，先对所述气态的第一反应物和/或第二反应物等离子体化。
14.如权利要求13所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，等离子化所述气态的第一反应物的工艺参数范围为：频率13-15MHz；功率大于等于300W。
15.如权利要求13所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，等离子体化所述气态的第一反应物的工艺参数为：频率13.56MHz，功率300W。
16.如权利要求13所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，等离子化所述第二反应物的工艺参数范围为：频率13-15MHz；功率大于等于200W。
17.如权利要求13所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，等离子化所述第二反应物的工艺参数范围为：频率13.56MHz，功率200W。
18.如权利要求8所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，所述第二反应物和气态的所述第一反应物在进入镀膜室时，还包括：利用第二供气单元提供的作为载体的气体。
19.如权利要求18所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，所述作为载体的气体为Ar、He、N2中的一种。
20.如权利要求18所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，通入子反应腔的作为载体的气体的通入子反应腔的流量为200-400sccm；直接经过开孔通入所述镀膜室内的作为载体的气体的流量为800-1200sccm。
21.如权利要求20所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，通入子反应腔的Ar的流量为300sccm，直接经过开孔通入所述镀膜室内的Ar的流量为1000sccm。
22.如权利要求8所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，通入气态的所述Mg(thd)2的时间为15S，通入所述氧气的时间为10S。
23.如权利要求8所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，所述第二反应物和气态的所述第一反应物进入镀膜室内后，还包括：所述第二反应物和气态的所述第一反应物通过分布盘上的第二通孔。
24.如权利要求8所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，形成MgO薄膜的工艺为原子层沉积工艺。
25.如权利要求24所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，所述原子层沉积工艺的工艺参数范围为：温度250-350℃，压力0.08-0.2torr。
26.如权利要求24所述的立体结构的磁隧道结的形成方法，其特征在于，所述原子层沉积工艺的工艺参数范围为：温度250℃，压力0.1Torr。
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