CN103794717B

CN103794717B - 一种包含介电层的嵌入型磁隧道结器件的制造方法

Info

Publication number: CN103794717B
Application number: CN201410072401.8A
Authority: CN
Inventors: 赵巍胜; 张雨; 王梦醒
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Qingdao Haicun Microelectronics Co ltd
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2017-06-16
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: CN103794717A

Abstract

一种包含介电层的嵌入型磁隧道结器件的制造方法，它有七大步骤：一、选择第一类介电层沉积在硅晶片或其他基底上；二、选择第二类介电层沉积在上述第一类介电层上；三、通过光刻、刻蚀，在基础结构上形成与第一类介电质连通的通孔；四、向上述通孔中沉积磁隧道结器件的底部电极、钉扎层、参考层、势垒层、自由层、顶部电极，形成磁隧道结器件的多层结构；五、移除磁隧道结的多层结构的多余部分，得到包含介电层的嵌入型磁隧道结器件；六、利用上述方法所得磁隧道结器件需要退火，使参考层的磁化方向固定，若为垂直各向异性磁隧道结器件，则不需要退火；七、考虑后续集成或者测试，通过半导体标准大马士革工艺，在顶部电极上形成金属线迹。

Description

一种包含介电层的嵌入型磁隧道结器件的制造方法

技术领域

本发明涉及一种包含介电层的嵌入型磁隧道结器件的制造方法，更具体涉及一种引入不同类型电介质层的磁隧道结器件的制造方法。属于非易失性存储器技术领域。

背景技术

非易失性存储器（NV-RAM）的发展赋予信息技术设备即开、即关功能，将功耗大幅度降低，因而受到半导体工业瞩目。基于磁隧道结（MTJ）的磁随机存取存储器件具有高速度、低功耗、抗辐射等一系列特点，成为实现NV-RAM的最佳选择之一。磁隧道结器件基本单元可能包括底部电极、钉扎层、由铁磁材料构成的参考层、由金属或者金属氧化物构成的势垒层、由铁磁材料构成的自由层，以及顶部电极。其中，参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向跟随外界磁场发生变化：当二者磁化方向相对平行时，磁隧道结呈现出低阻态，可存储数据“1”；反之则呈现出高阻态，可存储数据“0”。基于自旋转移矩（STT）的磁随机存取存储器件无需外界磁场，通过注入一定大小的电流即可翻转自由层的磁化方向，因而在性能上有所超越。需要指出的是，垂直各向异性磁隧道结可能不包含钉扎层。

一般而言，制造磁隧道结器件的传统方法是：首先，在硅晶片或其他基底上依次沉积底部电极、钉扎层、参考层、势垒层、自由层，形成磁隧道结器件多层结构。其次，通过光刻、刻蚀等方法形成磁隧道结器件形状，移除器件间的多余部分使其相互绝缘。第三，在磁隧道结器件表面沉积介电层，通过光刻、刻蚀等方法形成顶部电极。

具体而言，底部电极通常选自、但不限于Ta、Ru、Pt、Co、CuN及其组合，导致与硅晶片或其他基底在粘附性上可能存在问题。另一方面，光刻可能涉及紫外光刻（UVL）、离子束光刻(EBL)，刻蚀可能涉及非金属氧化物或金属硬掩模、反应离子刻蚀（RIE）、离子束刻蚀（IBE）、化学机械平坦化（CMP）等。在部分实例中，光刻胶或硬掩模难以准确地控制刻蚀形状，甚至发生反应导致无法移除；刻蚀终点不易把控，或是刻蚀本身对器件造成腐蚀或损坏，使得器件电阻增加甚至断路；刻蚀产生不易挥发的再沉积物质将附着在磁隧道结器件侧壁，导致器件性能降低甚至短路；尤其是在综合反铁磁层（SAF）被引入后，层数增加进一步增大了刻蚀难度。因此，利用传统方法获得的磁隧道结器件可能在形状、性能方面存在问题，甚至在制造过程中已被损坏。工艺节点低于100nm后，制造磁隧道结的传统方法已成为制约其性能的重要因素之一。

发明内容

1、发明目的

本发明提供一种包含介电层的嵌入型磁隧道结器件的制造方法。所述方法包括选择第一类介电层层沉积在硅晶片或其他基底上，从而改善底部电极的粘附性。所述方法包括选择第二类介质层沉积在上述第一类介电层上，光刻、刻蚀第二类介电层形成与第一类介电层连通的通孔，将磁隧道结器件多层结构沉积至通孔当中，避免对磁隧道结进行刻蚀，防止刻蚀对器件的形状、性能造成影响。刻蚀介电层比刻蚀磁隧道结易于控制，获得形状精确度高。此外，引入第二类介电层的目的是防止磁隧道结的材料过度沉积至通孔侧壁，确保磁隧道结器件层次分明。

技术方案

本发明一种包含介电层的嵌入型磁隧道结器件的制造方法，它包括以下步骤：

步骤一，选择第一类介电层102沉积在硅晶片或其他基底101上。第一类介电层102的介电常数k应高于4（高k材料），确保与底部电极间粘附性强。第一类介电层102选自但不限于二氧化硅（SiO₂）、二氧化铪（HfO₂）、钽（Ta）、氮化钽（TaN）、钛（Ti）、氮化钛（TiN），及其各种组合。

步骤二，选择第二类介电层103沉积在上述第一类介电层102上。第二类介电层103的介电常数k应低于4（低k材料），确保与磁隧道结间粘附性弱。第二类介电层103选自但不限于二氧化硅、氧化硅、氮化硅、四乙氧基硅烷（TEOS），及其各种组合。第一、二步见图1。

步骤三，通过光刻、刻蚀，见图2（a）示，在基础结构100上形成与第一类介电质102连通的通孔210，见图2（b）示。通孔截面形状选自但不限于圆形、椭圆形、正方形、长方形，尺寸可以是纳米级或微米级。

步骤四，向上述通孔中沉积磁隧道结器件300的底部电极301、钉扎层311、参考层312、势垒层313、自由层314、顶部电极303，形成磁隧道结器件的多层结构300，见图4。在部分实例中，底部电极301、顶部电极303通常选自、但不限于Ta、Ru，及其各种组合。在部分实例中，磁隧道结310所包含的钉扎层311为PtMn；参考层312可由单层CoFeB组成，也可以是综合反铁磁层（SyAF）多层结构，可包含Ru；势垒层313可以是MgO、Al₂O₃；自由层314可由单层CoFeB组成，也可以是综合铁磁层（SyF）多层结构，可包含Co、Pt。

步骤五，如图4示，移除磁隧道结的多层结构300的多余部分，包括位于第二类介电层103表面的多层结构300与顶部电极303a以外的一部分，使表面401、402平坦化，得到包含介电层的嵌入型磁隧道结器件400。

步骤六，利用上述方法所得磁隧道结器件需要退火，使参考层的磁化方向固定。在部分实例中，将会使用超高磁场真空退火设备，设置磁场为1T左右，温度介于250℃至400℃之间，具体参数与参考层材料相关。若为垂直各向异性磁隧道结器件，则可能不需要退火。

步骤七，考虑后续集成或者测试，可以通过半导体标准大马士革工艺，在顶部电极上形成金属线迹，见图5（a～d）。在部分实例中，金属线迹通常选自、但不限于Al、Ta、Cr、Cu、Au、Pt，及其各种组合。

其中，所述设计方案中的沉积方式包括磁控溅射、分子束外延（MBE）、离子束沉积（IBD）、物理气相沉积（CVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）；光刻方式包括紫外光刻（UVL）、离子束光刻(EBL)；刻蚀方式包括非金属氧化物或金属硬掩模、反应离子刻蚀（RIE）、离子束刻蚀（IBE）、化学机械平坦化（CMP）。需要指出的是，沉积、光刻与刻蚀的工艺方式选自但不限于上述种类，也可以是多种工艺组合使用，具体与磁隧道结的组成有关。

优点和功效

与制造磁隧道结器件的传统方法相比较，包含介电层的嵌入型磁隧道结器件及其制造方法引入高k材料作为第一类介电层，利用其无孔特定增加底部电极与硅晶片或其他基底之间的粘附性。另一方面，将先沉积、再刻蚀的方法以先刻蚀、再沉积的顺序替代，意味着将刻蚀对象由难度较大的磁隧道结转换为难度较低的第二类介电质，从而具有以下优势：第一，对刻蚀第二类介电层的控制更为精确，优良的通孔形状利于获得较佳的磁隧道结形状；同时，使用光刻胶刻蚀第二类介电层即可达到理想效果，无须再引入硬掩模，节省了工艺步骤。第二，无须刻蚀磁隧道结避免了过程中由终点检测、再沉积等引起的问题，能够有效改善磁隧道结器件的形状与性能。除此以外，考虑到向通孔中沉积磁隧道结器件的多层结构将导致材料附着于侧壁，本发明另引入低k材料作为第二类介电层，其多孔特性将会降低材料与侧壁之间的粘附性，确保磁隧道结器件的多层结构不发生层次间的过度混淆。

附图说明

图1表示在硅晶片或基底上先后沉积第一类介电层、第二类介电层；

图2（a）表示在第二类介电层表面旋涂光刻胶，进而完成光刻、刻蚀步骤;

图2（b）为在第二类介电质上形成的与第一类介电质连通的通孔；

图3（a）、（b）表示向通孔中沉积磁隧道结器件多层结构；

图4表示移除第二类介电质表面与通孔外侧的多余部分，得到磁隧道结器件；

图5（a～d）表示通过传统大马士革工艺，在顶部电极上形成金属线迹，其中图5（d）为制造完成的包含介电层的嵌入型磁隧道结器件；

图6为包含介电层的嵌入型磁隧道结器件制造方法的流程图。

图中符号说明如下：

100磁隧道结的基础结构；101基底；102第一类介电层；103第二类介电层；

201光刻胶；210通孔；211通孔侧壁；

300磁隧道结器件的多层结构；301底部电极；311钉扎层；312参考层；313势垒层；314自由层；303顶部电极；303a顶部电极的一部分；310磁隧道结；

400嵌入型磁隧道结器件；401、402嵌入型磁隧道结器件表面；

501介电层；510沟槽区域；502保形阻挡层；502a保形阻挡层的一部分；503金属层；503a金属线迹。

具体实施方式

以下描述展示包含介电层的嵌入型磁隧道结器件及其制造方法的具体实施方式：

见图6，本发明一种包含介电层的嵌入型磁隧道结器件的制造方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：如图1示，选择第一类介电层102沉积在硅晶片或其他基底101上。第一类介电层102的介电常数k应高于4（高k材料），确保与底部电极间粘附性强。第一类介电层102选自但不限于二氧化硅（SiO₂）、二氧化铪（HfO₂）、钽（Ta）、氮化钽（TaN）、钛（Ti）、氮化钛（TiN），及其各种组合。在部分实例中，硅晶片上沉积有1000nm的SiO₂，因SiO₂与组成底部电极的Ta粘附性差，而TaN与二者的粘附性均比较强，所以可用磁控溅射在SiO₂上沉积5nm的TaN作为第一类介电层。具体涉及，使用纯度为99.99%的Ta作为靶材，先后通入N2、Ar，工作时腔体内真空度约5×10^-8Torr，温度范围为210～250℃。

这里特别指明，基底101也可以是已经形成金属线迹的电路装置，其具体情况视需要而定。

步骤二：如图1示，选择第二类介电层103沉积在上述第一类介电层102上，形成磁隧道结的基础结构100。考虑到后续磁隧道结的沉积步骤，第二类介电层103的介电常数k应低于4（低k材料），确保与磁隧道结间粘附性弱。第二类介电层103选自但不限于二氧化硅（SiO₂）、氧化硅（SiO）、氮化硅（SiN）、四乙氧基硅烷（TEOS），及其各种组合。在部分实例中，利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）生长SiN作为第二类介电层103。更进一步，该层厚度取决于磁隧道结的具体组成，并将决定下一步中通孔高度。

步骤三：通过光刻、刻蚀在基础结构100上形成与第一类介电质102连通的通孔210。通孔截面形状选自但不限于圆形、椭圆形、正方形、长方形，尺寸可以是纳米级或微米级。在部分实例中，通孔210被设计为椭圆形圆柱体，截面长轴200nm、短轴80nm，高90nm。在以SiN作为第二类介电层103的实例中，首先需要在其表面旋涂光刻胶201，通过离子束光刻（EBL）曝光、显影，形成200nm×80nm的椭圆形图案，如图2（a）示；之后进行反应离子刻蚀（RIE），以第一类介电层102为停止层，形成通孔210，可采用CHF₃/CF₄等氟、氯活性基气体作为刻蚀气体，腔体内真空度约5×10^-3Torr，温度范围为150～250℃；随后，需要通入NH₃，流速为100sccm，移除上一步残留的氟、氯元素，防止其与磁隧道结发生反应；最后，可通入氧等离子体，通过刻蚀、清洗将光刻胶去除，最终得到通孔210的形状见图2（b）示。刻蚀通孔210的过程可在离子束刻蚀（IBE）的辅助下完成，包括将RIE形成于通孔侧壁211的再沉积物质移除等。

步骤四：向上述通孔210中沉积底部电极301、钉扎层311、参考层312、势垒层313、自由层314、顶部电极303，形成磁隧道结器件的多层结构300，见图3（a）示。由于通孔侧壁211为低k材料，与靶材的粘附性差，因此靶材将会相对集中地沉积于通孔210底部，不会过度附着于侧壁211形成U型结构，如图3（b）示，防止对磁隧道结的性能造成影响。在部分实例中，底部电极301、顶部电极303通常选自、但不限于Ta、Ru，及其各种组合。在部分实例中，磁隧道结310所包含的钉扎层311为PtMn；参考层312可由单层CoFeB组成，也可以是综合反铁磁层（SyAF）多层结构，可包含Ru；势垒层313可选自MgO、Al₂O₃；自由层314可由单层CoFeB组成，也可以是综合铁磁层（SyF）多层结构，可包含Co、Pt。在部分实例中，考虑通孔尺寸较小（如200nm×80nm），该步骤可采用分子束外延（MBE）的方式，腔体内真空度约5×10^-10Torr，温度约550℃，以较低速率控制其精度程度。

步骤五：如图4示，移除磁隧道结的多层结构300的多余部分，留下第二类介电层103与顶部电极的一部分303a，使表面401、402平坦化，得到包含介电层的嵌入型磁隧道结器件400。在部分实例中，该步骤可采用化学机械平坦化（CMP）的方式。

步骤六：利用上述方法所得磁隧道结器件需要退火，使参考层的磁化方向固定。在部分实例中，将会使用超高磁场真空退火设备，设置磁场为1T左右，温度介于250℃至400℃之间，具体参数与参考层材料相关。若为垂直各向异性磁隧道结器件，则可能不需要退火。

步骤七：考虑后续集成或者测试，可以通过半导体标准大马士革工艺，在磁隧道结器件顶部电极303a上形成金属线迹，见图5（a～d）。在部分实例中，具体涉及，在第二类介电层103表面沉积另一层介电层501，见图5（a）；形成与顶部电极303a接触的沟槽区域510，见图5（b）；在沟槽区域510及介电层501上方沉积保形阻挡层502，其材料通常选自、但不限于Ta、TaN，及其各种组合，在保形阻挡层502上沉积金属层503，其材料通常选自、但不限于Al、Ta、Cr、Cu、Au、Pt，及其各种组合，见图5（c）；最后，执行平坦化以形成沟槽区域501中的金属线迹503a，金属层503的其余部分与介电层501表面的保形阻挡层502（只保留502a）将被移除，该步骤可采用化学机械平坦化（CMP）的方式，介电层501可被用作停止层。制造完成的包含介电层的嵌入型磁隧道结器件见图5（d）。

包含介电层的嵌入型磁隧道结器件及其制造方法的流程图见图6示。所述具体实施方式中的沉积方式可能包括磁控溅射、分子束外延（MBE）、离子束沉积（IBD）、物理气相沉积（CVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）；光刻方式可能包括紫外光刻（UVL）、离子束光刻(EBL)；刻蚀方式可能包括非金属氧化物或金属硬掩模、反应离子刻蚀（RIE）、离子束刻蚀（IBE）、化学机械平坦化（CMP）。需要指出的是，沉积、光刻与刻蚀的工艺方式选自但不限于上述种类，也可以是多种工艺组合使用，具体与磁隧道结的组成有关。

Claims

1.一种包含介电层的嵌入型磁隧道结器件的制造方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：选择第一类介电层(102)沉积在硅晶片或其他基底(101)上；第一类介电层(102)的介电常数k应高于4，确保与底部电极间粘附性强；第一类介电层(102)为二氧化硅SiO₂、二氧化铪HfO₂、钽Ta、氮化钽TaN、钛Ti、氮化钛TiN及其组合；

步骤二：选择第二类介电层(103)沉积在上述第一类介电层(102)上；第二类介电层(103)的介电常数k应低于4，确保与磁隧道结间粘附性弱；第二类介电层(103)为二氧化硅、氧化硅、氮化硅、四乙氧基硅烷TEOS及其组合；

步骤三：通过光刻、刻蚀，在基础结构(100)上形成与第一类介电层(102)连通的通孔(210)，通孔截面形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形，尺寸是纳米级或微米级；

步骤四：向上述通孔中沉积磁隧道结器件(300)的底部电极(301)、钉扎层(311)、参考层(312)、势垒层(313)、自由层(314)、顶部电极(303)，形成磁隧道结器件的多层结构(300)，底部电极(301)、顶部电极(303)为Ta、Ru及其组合；磁隧道结(310)所包含的钉扎层(311)为PtMn；参考层(312)由单层CoFeB组成，或者是综合反铁磁层SyAF多层结构，包含Ru；势垒层(313)是MgO、Al₂O₃；自由层(314)由单层CoFeB组成，或者是综合铁磁层SyF多层结构，包含Co、Pt；

步骤五：移除磁隧道结的多层结构(300)的多余部分，包括位于第二类介电层(103)表面的多层结构(300)与顶部电极(303a)以外的一部分，使表面(401)、(402)平坦化，得到包含介电层的嵌入型磁隧道结器件(400)；

步骤六：利用上述方法所得磁隧道结器件需要退火，使参考层的磁化方向固定；

步骤七：考虑后续集成或者测试，通过半导体标准大马士革工艺，在顶部电极上形成金属线迹，金属线迹为Al、Ta、Cr、Cu、Au、Pt及其各种组合。

2.根据权利要求1所述的一种包含介电层的嵌入型磁隧道结器件的制造方法，其特征在于：所述的制造方法中的沉积方式包括磁控溅射、分子束外延MBE、离子束沉积IBD、物理气相沉积CVD、等离子体增强化学气相沉积PECVD；光刻方式包括紫外光刻UVL、离子束光刻EBL；刻蚀方式包括非金属氧化物或金属硬掩模、反应离子刻蚀RIE、离子束刻蚀IBE、化学机械平坦化CMP。

3.根据权利要求1所述的一种包含介电层的嵌入型磁隧道结器件的制造方法，其特征在于：所述磁隧道结器件退火需要超高磁场真空退火设备，设置磁场为1T左右，温度介于250℃至400℃之间。

4.根据权利要求1所述的一种包含介电层的嵌入型磁隧道结器件的制造方法，其特征在于：若为垂直各向异性磁隧道结器件，则不需要退火。