CN104380492B - 磁性存储器以及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁性存储器以及制造方法。形成磁性存储器的方法包含：在衬底的基底部分上提供包括多个磁性层和多个导电层的层堆叠；在第一保护区域上方的层堆叠的外表面上形成第一掩模特征且在第二保护区域上方的层堆叠的外表面上形成第二掩模特征，所述第一掩模特征和第二掩模特征在其间界定层堆叠的部分中的层堆叠的暴露区域；以及在离子暴露中朝向层堆叠的暴露区域引导离子，所述离子暴露有效地在不移除层堆叠的暴露区域的情况下使第一保护区域与第二保护区域磁隔离并且使第一保护区域与第二保护区域电隔离。

Description

磁性存储器以及制造方法
相关申请案
本发明主张2012年4月27日申请的第61/639,184号美国临时专利申请案的优先权。
技术领域
本发明涉及非易失性存储的领域。更确切地说，本发明的实施例涉及磁性存储器以及相关的制造技术。
背景技术
由于存储密度增大以及个别存储器存储单元大小减小，包含非易失性存储器装置的常规存储媒体的制造面临许多挑战。磁性随机存取存储器(magnetic random accessmemory，MRAM)装置具有若干有吸引力的特征。与常规随机存取存储器芯片技术不同，MRAM装置中的数据不是随着电荷或电流流动而存储，而是通过磁性存储元件存储。此外，与动态随机存取存储器不同，MRAM装置都是非易失性的并且不需要刷新来保存单元的存储器状态。
MRAM装置可以包含由两个铁磁板形成的存储元件，两个铁磁板中的每一个可以保存磁场，所述两个铁磁板被薄绝缘层分隔。所述两个板中的一个可以是设定成特定极性的永久磁体并且另一个板可以具有可改变以匹配外部场的场的场从而存储存储器。此配置被称为“自旋阀(spin valve)”并且是MRAM位单元的最简单结构。存储器装置可以由此类“单元”的网格(例如，二维阵列)构建。
MRAM的最新的变型是自旋转移力矩随机存取存储器(或spin-transfer torquerandom-access memory，STT-RAM)，STT-RAM具有比常规的磁阻随机存取存储器(magnetoresistive random access memory)更低的功率消耗以及更好的可扩展性的优点，磁阻随机存取存储器利用磁场来翻转(flip)有源元件。自旋转移力矩是可以使用自旋极化电流(spin-polarized current)来修改磁性隧道结(magnetic tunnel junction)或自旋阀中的磁性层的定向的力矩。所述效应通常在纳米级装置中最明显。因此，在非易失性存储器的装置大小缩放到100nm尺寸以下时，STT-MRAM技术的使用变得更有吸引力。
MRAM装置(例如，STT-MRAM)的图案化可以通过界定在含有由绝缘层分隔的至少两个磁性层的层堆叠上形成的图案化掩模来进行。图案化掩模通常含有隔离的掩模特征，所述掩模特征暴露衬底的位于掩模特征之间的区域，事实上暴露区域随后通过构成存储器装置的层的堆叠被蚀刻掉。在蚀刻之后，保留隔离的岛或支柱，所述隔离的岛或支柱构成个别存储器位。然而，尽管已经采用直接蚀刻来界定此类存储器装置，但是在层的堆叠中使用的典型材料难以蚀刻。此外，在蚀刻之后，在存储器位之间的空的区域被填充电介质。因为存储器位性能对岛的侧壁的条件极其敏感，所以在执行电介质填充工艺之前必须非常小心地清洁并且钝化岛侧壁。正是关于这些以及其它考量，已经需要本发明的改进。
发明内容
实施例涉及用于改进MRAM装置性能的方法以及结构。在一个实施例中，一种形成磁性存储器的方法包含：在衬底的基底部分上提供包括多个磁性层和多个导电层的层堆叠；在第一保护区域上方的层堆叠的外表面上形成第一掩模特征且在第二保护区域上方的层堆叠的外表面上形成第二掩模特征，第一掩模特征和第二掩模特征在其间界定层堆叠的部分中的层堆叠的暴露区域；以及在离子暴露中朝向层堆叠的暴露区域引导离子，所述离子暴露有效地在不移除层堆叠的暴露区域的情况下使第一保护区域与第二保护区域磁隔离并且使第一保护区域与第二保护区域电隔离。
附图说明
图1A和图1B描绘衬底的侧视横截面视图，其说明涉及使用离子植入的MRAM装置处理的示例性操作。
图1C和图1D描绘分别对应于图1A和图1B的视图的装置的俯视图。
图2呈现曲线图，其示出离子植入对磁性材料的磁性的影响。
图3A呈现曲线图，其示出氧离子植入对第一层堆叠的特性的组成的影响。
图3B呈现曲线图，其示出氧离子植入对第二层堆叠的特性的组成的影响。
图4A到图4C呈现衬底的侧视横截面视图，其说明涉及使用离子植入的MRAM装置处理的示例性工艺。
图5A到图5D呈现衬底的侧视横截面视图，其说明涉及使用离子植入的MRAM装置处理的示例性工艺。
图6A到图6D呈现衬底的侧视横截面视图，其说明涉及使用离子植入的MRAM装置处理的示例性工艺。
图7A和图7B呈现衬底的侧视横截面视图，其说明用于使用离子植入的MRAM装置处理的示例性工艺。
图8呈现衬底的视图以及植入的物质分布，其说明使用离子植入的MRAM装置处理的示例性结果。
具体实施方式
现将在下文中参照附图更全面地描述本发明，附图中示出了一些实施例。然而，本发明的标的物可以许多不同形式体现并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例。实际上，提供这些实施例是为了使得本发明将是透彻并且完整的，并且这些实施例将把本发明的标的物完整地传达给所属领域的技术人员。在附图中，相同标号始终指代相同元件。
为了解决与以上提到的方法相关的缺陷，引入用于图案化衬底的新颖技术。具体来说，本发明集中在涉及用于图案化磁性存储结构(例如MRAM，且更确切地说STT-RAM)的离子植入工艺的技术。本文所揭示的方法可以单独采用离子植入工艺或与掩蔽工艺结合以在MRAM阵列内界定多个MRAM单元，其中每一MRAM单元包含特定层堆叠。然而，所属领域的一般技术人员应了解，本文所揭示的技术不限于与界定MRAM单元的特定堆层叠的任何特定蚀刻工艺结合使用。
还将实施例描述为使用基于离子的衬底处理系统的技术。然而，所属领域的一般技术人员应了解，其它类型的基于亚原子、原子、或分子颗粒的衬底处理系统，包含用以产生此类颗粒的等离子处理以及束线离子植入系统，都在本发明的范围内。
在各种实施例中，用于图案化磁性存储单元的工艺涉及对衬底的毯式植入(blanket implantation)，衬底包含基底以及包括MRAM储存元件或MRAM单元的层的堆叠。在各种实施例中，MRAM单元可以用与常规MRAM装置(包含常规STT-RAM装置)的层的堆叠相同或类似的层的堆叠(在本文中还被称为“层堆叠”)来制造。将被植入的衬底可以包含安置在层的堆叠(层的堆叠安置在衬底上)的外部部分上的掩模特征以便充当掩模从而掩蔽植入到衬底中的离子。以此方式，在毯式植入工艺过程中，可以部分地或全部地保持层堆叠的安置在图案化特征下面的部分不受植入的离子影响，而那些不受掩模特征保护的层堆叠的部分可以植入离子。根据各种实施例，植入的离子的剂量以及能量可用以优化制造MRAM单元结构的工艺，并且由此可以优化个别MRAM单元和/或MRAM单元阵列的特性。
如下详述，本发明的实施例解决了用于图案化复杂层堆叠以形成例如MRAM装置的装置的挑战。具体来说，本发明的实施例提供离子植入操作以实现用于非易失性存储器制造的新颖方法。出于说明的目的，在一些实施例中，可能针对特定MRAM装置配置描绘用以形成非易失性存储器的层的组合。然而，本发明的实施例不限于将用以制造MRAM单元的层的任何特定组合。在各种实施例中，根据已知技术可以在衬底基底上制造用以形成MRAM单元的层堆叠。术语“衬底基底”、“基底部分”或“底层”在本文中是指含有层和/或在其上形成用以形成MRAM单元的层堆叠的结构的任何集合的任何衬底。所属领域的一般技术人员将了解，衬底底层或基底(部分)不需要是平面的并且在其表面上可以包含多个不同结构。然而，在所参照的图式中，衬底基底的在其上形成MRAM装置的层堆叠的部分被描绘为平面的。
在各种实施例中，执行离子植入以在不需要移除安置在MRAM单元之间的层堆叠材料的情况下界定MRAM单元的阵列。这通过向位于将被界定的MRAM单元之间的衬底的暴露区域提供离子处理来实现，其中离子处理有效地使MRAM单元彼此磁隔离以及电隔离。在以下描述中，术语“离子处理”以及“离子暴露”一般来说可互换地使用，尽管术语“离子暴露”可用以指示一或多个离子暴露。如本文所使用的术语“电隔离”是指消除不同MRAM单元之间的任何导电路径。术语“磁隔离”是指使特征(例如，MRAM单元)之间的磁性材料成为非磁性的，使得每一MRAM单元构成被非磁性材料或与MRAM单元中的磁性相比磁性实质上有所减少的材料包围的磁性材料的岛。
在本发明的实施例中，离子处理有效地在不移除暴露区域的情况下使MRAM单元与每一其它MRAM单元磁隔离以及电隔离。具体来说，离子处理改变了暴露区域，由此形成所改变区域，所改变区域可以包含形成暴露的层堆叠的材料的混合物。此混合物可以包含由层堆叠材料与植入物质、隔离的植入物质以及所改变的层堆叠材料反应而形成的化合物或合金。在一些实例中，来自层堆叠的不同层的材料可以混合，并且在层堆叠的一或多个层内的材料可以变得聚结成岛。在一些实施例中，可以选择性地从层堆叠的一或多个层中移除材料，例如非反应性金属物质，这可以有助于MRAM单元的电隔离。
图1A到图1D描绘使用离子植入的MRAM装置处理的一个实施例。具体来说，图1A和图1C说明用以形成MRAM装置的衬底100的对应的侧视横截面视图和俯视图。如图所示，衬底100包含电绝缘的基底部分或衬底基底102，在基底部分或衬底基底102上安置包含多个层的层堆叠104。为了界定MRAM装置，在衬底100上提供一组掩模特征106，如下详述。在各种实施例中，层堆叠104包含由电绝缘层分隔的第一磁性层以及第二磁性层。层堆叠104还可以包含用以接触相应磁性层的导电层。当然，所述第一磁性层以及第二磁性层也可以导电。在图1A中示出的具体实施例中，层堆叠104包含固定层110，所述固定层包括磁性材料；电绝缘层112，在一些实施例中，所述电绝缘层可以是氧化镁(MgO)；参考层114，所述参考层也包括磁性材料；以及接触层108、层116，每一所述接触层都是导电层。虽然未确切描绘层堆叠104内的其它层，但是所属领域的一般技术人员将了解，可以包含各种额外层，所述额外层包含额外的磁性层以及接触层。
在图1A的实施例中，在层堆叠104的外表面130上形成掩模特征106并且部分地掩蔽层堆叠104。掩模特征106可以使用任何便利的工艺形成并且在一些实施例中可以是硬掩模材料。在各种实施例中，掩模特征106可以具有任何所需形状并且可以任何所需图案布置。在图1C中所示的具体实施例中，掩模特征106在平面视图中具有圆形形状并且以二维阵列布置。在图1A到图1D的说明中，掩模特征106被描绘为第一掩模特征、第二掩模特征以及第三掩模特征。然而，将容易了解，图1A到图1D仅描绘了衬底100的一部分，其可以包括高达106到1012或更大数目的掩模特征106，其中每一掩模特征106用以界定MRAM装置中的一MRAM单元，如下详述。
在层堆叠104上形成掩模特征106之后，掩模特征106用以界定安置于掩模特征106之下的层的堆叠104的多个部分中的MRAM单元。如图1A中所示，掩模特征106界定具有宽度D1的保护区域118(图中示出了三个保护区域)，所述保护区域位于在每一相应掩模特征下面的层堆叠104内。当对衬底100进行处理(例如暴露于离子)时，掩模特征106可以削弱离子并且防止离子撞击在保护区域118上。另一方面，当向衬底100引导离子时，可以对位于掩模特征106之间的具有宽度D2的层堆叠104的暴露区域120进行离子植入、蚀刻以及其它工艺。
如图1B和图1D中所示，当掩模特征106处于适当位置时，朝向衬底100引导离子122。离子122被植入到衬底100中，包含未掩蔽区域中以及掩模特征106中。应注意，个别层、掩模特征或其它特征中的任一个的尺寸不必相对于彼此在X方向或Z方向上按比例描绘。例如，掩模特征106的厚度(在Z方向上)可以相对大于层堆叠104的总厚度。因此，离子122的离子能量可以经调整以使得植入到掩模特征106中的离子122可以在掩模特征106内被削弱而不穿透层堆叠104的底层部分。同时，直接冲击不存在掩模特征106的暴露区域120中的层堆叠104的离子122可以穿过层堆叠104的任何所需厚度，包含层堆叠104的整个厚度。离子可以通过常规束线离子植入系统、常规等离子沉积(PLAD)设备，或任何用于将离子传递到衬底上的系统来提供。
在各种实施例中，包含其中在束线离子植入系统中产生离子122的实施例中，离子122可以被引导为实质上平行的离子束。在具体实施例中，离子122可以在平行于Z方向的方向(也就是说，垂直于沿着X方向平放的衬底100的平面P的方向)上撞击在衬底100上。以此方式，撞击在衬底100上的离子122可以界定一或多个植入区域124。在一些实施例中，植入区域124可以在X以及Y方向上具有与暴露区域120的尺寸类似或实质上相同的尺寸。然而，在一些实施例中，植入区域124可以在X以及Y方向上具有比暴露区域120的尺寸稍微更大的尺寸，如下文关于图8所论述。在其它实施例中，植入区域124可以具有比暴露区域120的尺寸稍微更小的尺寸。此外，如图1B的X-Z平面中(以及在Y-Z平面中)所示的植入区域124的横截面形状可以在不同实施例之间变化。因此，如图1B中所示，植入区域124的下部部分可以是弯曲的，而在其它实施例中所述形状还可以成矩形，例如，如图4B中所示。
如先前所述，通过适当地选择离子能量以及离子剂量，可以通过掩模特征106削弱离子122以使得不对保护区域118进行离子植入。由于至少部分的暴露区域120转变成包围保护区域118的植入区域124，所以给定的保护区域118通过植入区域124与其它保护区域隔离。在各种实施例中，选择离子122的离子种类、离子能量、以及离子122的离子剂量，使得离子种类、离子能量以及离子剂量的组合使植入区域124在暴露于离子122之后成为磁性“失效”的。这用以使保护区域118与相邻保护区域118磁隔离，以便界定大小可以与保护区域118的大小类似的MRAM单元126。在图1B的实例中，MRAM单元126的宽度在朝向掩模特征106的上部部分上为大约D1，但是朝向与衬底基底102的界面增加。然而，在其它实施例中，MRAM单元的宽度在Z方向上可以是实质上一致的。如本文所使用的术语“磁隔离”是指将包围指定的磁性区域(例如，保护区域118)的初始磁性区域转变成非磁性区域(磁性失效区域)。如图1A中所示，磁性区域(例如，保护区域118)可以含有多个层，这些层中仅一些是磁性的。具有磁性层以及非磁性层的适当堆叠的磁隔离区域由此可以形成通过非磁性区域(例如，植入区域124)与其它MRAM单元隔离的MRAM单元。因此，通过对植入区域124进行磁阻隔，通过离子植入工艺界定MRAM单元126的大小以及形状。
在一些实施例中，可以选择离子122的条件以使得离子种类、离子能量以及离子剂量的组合还可以使植入区域124中的层的全部部分成为电绝缘的，由此还防止在邻近的MRAM单元之间的任何电短路。因此，离子122可以使给定的保护区域118与其它保护区域118磁隔离以及电隔离。因此，由于每一MRAM单元126与每一其它MRAM单元电隔离，所以在植入离子122之后，不需要蚀刻在邻近的MRAM单元126之间的层堆叠104。关于(例如)图1A中所描绘的其中不移除植入区域124的实施例，应注意，用于磁阻隔暴露区域的离子剂量/离子能量/离子种类的所需组合可以不同于用于使暴露区域成为电绝缘的所需组合。因此，可以基于执行两种功能的组合来选择在此类情况中使用的离子/能量/离子剂量/离子种类的组合。
通过上述方式，形成新颖的磁性存储器结构。通过以下方式形成MRAM存储器：对包含使用掩模特征图案化的层堆叠的衬底提供离子暴露，使得掩模特征界定由暴露区域分隔的一组保护区域，其中离子暴露有效地在不移除层堆叠的暴露区域的情况下使第一保护区域与第二保护区域磁隔离并且使第一保护区域与第二保护区域电隔离。如本文所使用的术语“在不移除暴露区域的情况下”是指以下事实：尽管在MRAM处理过程中可以移除暴露区域中的层堆叠的一部分，但是不移除暴露区域的整个层堆叠。
再次参看图1B，最终的磁性存储器可以包含存储器装置基底(衬底基底102)以及安置在存储器单元基底上的多个存储器单元(MRAM单元126)，其中每一存储器单元含有层堆叠。层堆叠又包含多个磁性层以及多个导电层，所述多个磁性层以及多个导电层布置在每一其它存储器单元所共用的层的堆叠中。因此，每一MRAM单元126的每一层堆叠包含以相同顺序布置的层116、层114、层112、层110、层108。磁性存储器还包含植入基质(植入区域124)，植入基质安置在存储器单元与周围的每一存储器单元之间，其中植入基质包含与植入物质相互混合的每一存储器单元的层堆叠的组成材料，植入基质包括非传导材料以及非磁性材料，其中每一存储器单元与每一其它存储器单元电隔离并且磁隔离。因此，如图1B中所示，植入区域124是来自原始层堆叠104的材料与离子122的混合物，其中与存储器单元126相反，所述混合物是电绝缘及非磁性的(被磁阻隔)。尽管一般将植入区域124的顶部描绘为与MRAM单元126的顶部共面，但是在下文所揭示的各种实施例中，植入区域(基质)124的顶部或外表面可以高于、低于MRAM单元的顶部或与其共面。另外，在一些实施例中，植入基质(区域)可以具有凹形，其中植入基质与邻近的图案化掩模特征最远的部分低于更靠近图案化掩模特征的部分。
在一些实施例中，为了磁阻隔层堆叠104的暴露区域，离子122的离子剂量在2×1015/cm2到5×1017/cm2的范围内。离子122的实例包含氮、氧、磷、硅。在各种实施例中，植入的离子的离子能量可以在大约3keV到大约60keV的范围内，并且可以根据植入的离子种类以及植入的离子种类在层堆叠104内的所需植入深度来裁定。
此外，根据不同实施例，离子122可以作为由一或多个离子暴露构成的离子处理而提供。例如，离子处理可以包含两个离子暴露：在第一离子能量以及第一离子剂量下使用氧离子的第一离子暴露；以及在第二离子剂量以及第二离子能量下使用氮的第二离子暴露，其中第二离子剂量和/或第二离子能量可以不同于相应的第一离子剂量和/或第一离子能量。以此方式，可以裁定不同的离子暴露来用于不同目的。例如，可以执行磷离子暴露以植入磷离子，磷离子暴露可以尤其有效地磁阻隔层堆叠104的暴露区域，并且可以执行氧离子暴露以植入氧离子，氧离子暴露可以有效地将层堆叠104的初始导电层转变成电绝缘材料，由此电隔离层堆叠104的保护区域118。在特定变型中，可以在氧植入之前执行磷植入，这可以提高在电隔离保护区域118中的氧离子植入的有效性。实施例不限于此背景。
使用离子植入以界定MRAM单元的大小的优点是不论在离子植入之后进行的处理如何都可以精确界定MRAM单元尺寸。因此，根据其中使用植入以磁阻隔层堆叠的暴露区域的各种实施例，在离子植入之后最终形成的MRAM单元结构的物理大小以及形状不决定磁性有效区域的大小。这放宽了对此类装置的后续处理的要求。另外，在掩模特征之间的区域暴露于离子以磁阻隔所述区域(例如，暴露区域120)之后，成为电绝缘的部分的大小不需要完全对应于磁阻隔的区域的大小。
根据本发明的实施例，可以裁定离子种类、离子能量以及离子剂量以优化通过离子植入制造MRAM单元的工艺。图2描绘说明离子剂量对磁阻隔初始磁性层的影响的实验结果。可以采用此数据以优化使用离子植入的MRAM制造工艺。具体来说，图2呈现针对若干不同植入物质(包含氧(曲线202)、硼(曲线204)、硅(曲线206)、氩(曲线208)、碳(曲线210)、氮(曲线212)以及磷(曲线214))作为高达5×1016/cm2的离子植入剂量的函数的含有钴(Co)、铬(Cr)以及铂(Pt)的12nm厚的膜的所测得的磁化的结果。对于全部物质，磁化随着离子剂量单调地减小。在全部离子剂量下，观察到磷在减小磁化方面更有效，并且对于磷离子的5×1016/cm2的剂量，实质上消除了磁化，对于氩以及碳也是一样。对于其它植入物质，在5×1016/cm2的剂量下磁化实质上减小但是未消除。因此，在本发明的实施例中，可以有利地采用磷离子植入以在包含磁性层(例如，图2的含有钴的膜)的层堆叠中制造MRAM装置结构。这允许用以磁阻隔衬底的暴露部分的植入物质的离子剂量减到最少，因为磷植入根据离子剂量最迅速地破坏磁化。然而，可以使用其它离子种类以磁阻隔暴露部分。例如，如果当在MRAM单元之间的暴露区域中的磁矩相对于非植入区域减小了大约2/3时MRAM单元可以适当地起作用，那么图2的物质中的任一个可以在5×1016/cm2的离子剂量下提供充分的磁阻隔。
尽管已经观察到磷植入在装置结构中提供对保护区域的有效磁隔离，但是其它物质可能对产生保护区域的电隔离有效。例如，原则上若干不同的物质可以有效地将层堆叠中的初始传导材料转变成电绝缘化合物或电绝缘合金或非晶混合物。因此，在各种实施例中，可以使用有效地将层堆叠的传导材料(例如，钴或铁材料)转变成电绝缘材料的任何适宜的离子种类植入到衬底100中。取决于层堆叠厚度t(图1A)以及层堆叠104中的材料的组成，实现此转变的有效离子剂量可以介于2×1015/cm2与5×1017/cm2之间。
然而，用于磁性存储器的许多层堆叠采用对化合物或合金的形成具有抗性的贵金属并且由此可以在甚至经受较大离子剂量之后也能保持传导。例如，磁性材料(如钴或铁)在经受氧植入时可以形成电绝缘化合物，而通常用作接触层的例如铂或钌等贵金属物质(贵金属)在经受离子植入(例如，氧离子植入)时不形成电绝缘相。因此，因为此类金属不可转变成绝缘材料，所以可能需要从层堆叠中移除此类材料。本发明人惊奇地发现高离子剂量的某些物质有效地选择性地从层堆叠内移除贵金属。在一组实验中，将氧离子植入到由多个铂、钽以及锰构造的层堆叠中。
图3A呈现作为氧离子剂量的函数的示例性层堆叠的组成分析的结果。在植入之前，铂、钽以及锰中的每一个的多个层构成的层堆叠经布置以产生大约60nm的总厚度并且是导电的。将植入到层堆叠中的氧离子剂量增加到5×1017/cm2并且使用卢瑟福背散射能谱(Rutherford backscattering spectrometry，RBS)分析来分析所得材料。在零剂量下，可以看到多层层堆叠的铂总含量(曲线304)为大约58％，锰含量(曲线306)22％，并且钽含量(曲线308)20％。随着氧植入到层堆叠中，每一金属物质的总百分比减小，因为氧含量(曲线302)增加，对于5×1017/cm2的剂量氧含量达到大约60％。值得注意的是，在5×1017/cm2的氧离子剂量下，铂的百分比减小到大约12％，并且如通过四点探针所测量的，样本变得电绝缘。另外，RBS结果指示不仅层堆叠中的铂的百分比相对地减小，而且层堆叠中的铂的量也绝对地减少。这指示层堆叠的原始铂含量的至少一部分在氧离子的植入过程中被蚀刻。蚀刻可以经由(例如)物理溅射进行。
关于曲线306、曲线308，尽管层堆叠中锰的百分比以及钽的百分比各自在非植入状态与5×1017/cm2的氧离子剂量之间减小，但是大部分此百分比减小是由于目前植入的层堆叠中的氧含量增加而导致。此外，尽管原始的钽(Ta)以及钴含量的一部分可以从层堆叠中移除，但是RBS结果指示铂与相对更少被蚀刻的锰(Mn)以及钽相比优先地从层堆叠中移除。
针对含有铂、钽以及钴的层堆叠进一步研究此现象。图3B呈现作为氧离子剂量的函数的此类层堆叠的组成分析的结果。在植入之前，铂、钽以及钴中的每一个的多个层构成的层堆叠经布置以产生大约60nm的总厚度(其中铂层的总等效层厚度为大约26-27nm)并且是导电的。将植入到层堆叠中的氧离子剂量增加到5×1017/cm2并且使用卢瑟福背散射能谱(RBS)分析来分析所得材料。在零剂量下，可以看到多层层堆叠的铂总含量(曲线314)为大约45％，钴含量(曲线316)38％，并且钽含量(曲线318)18％。随着氧植入到层堆叠中，每一金属物质的总百分比减小，因为氧含量(曲线312)增加，对于5×1017/cm2的剂量氧含量达到大约70％。值得注意的是，在5×1017/cm2的氧离子剂量下，铂的百分比减小到大约5％，并且如通过四点探针所测量的，样本变得电绝缘。另外，RBS结果指示不仅层堆叠中的铂的百分比相对地减小，而且层堆叠中的铂的量也绝对地减少。这指示层堆叠的原始铂含量的至少一部分在氧离子的植入过程中被蚀刻。蚀刻可以经由(例如)物理溅射进行。
关于曲线316、曲线318，尽管层堆叠中钴的百分比以及钽的百分比各自在非植入状态与5×1017/cm2的氧离子剂量之间减小了大约因子二，但是大部分此百分比减小是由于目前植入层堆叠中的氧含量增加而导致。此外，尽管原始的钽以及钴含量的一部分可以从层堆叠中移除，但是RBS结果指示铂优先地从层堆叠中移除。为了确认这些结果，在暴露于不同量的氧离子植入的选择样本上执行横截面透射电子显微法(cross-sectionaltransmission electron microscopy)。在没有氧离子植入的情况下，在其它层当中层堆叠包含两个埋入的铂层。在层堆叠暴露于2.5×1017/cm2剂量的氧离子时，在远离衬底的外表面上观察到单个铂层，从而指示氧的植入引起铂朝向层的堆叠的暴露表面意外地向外扩散。在层堆叠暴露于5×1017/cm2剂量的氧离子时，极少的铂保持散布在植入的层堆叠的表面上的岛中，这符合RBS结果，显示铂构成经植入的层堆叠的大约5％的总分数。另外，观察到层堆叠的总剩余厚度为大约40nm，指示保留了来自原始层堆叠的很大部分的钽和钴。
因此，图3A和图3B的结果指示在层堆叠暴露于植入的离子时可以选择性地从层堆叠中移除例如铂等金属，所述植入的离子引起铂朝向层堆叠的外表面(暴露表面)意外地输送，从而导致外表面区域中的铂的偏析。一旦铂在层堆叠的外表面区域处变得偏析，除植入在层堆叠内外，入射在层堆叠上的离子可以导致对铂的溅射，从而使铂从层堆叠中移除。
在各种实施例中，可以通过执行多个离子暴露以制造MRAM装置来利用以上在图2到图3B中反映的结果，其中针对给定结果裁定每一植入操作。例如，第一植入操作可以通过减小或消除衬底的暴露区域中的磁化而有效地形成MRAM单元的磁隔离。在一个实例中，为了使暴露区域成为非磁性的，可以第一离子剂量将磷离子植入到层堆叠的暴露区域中。在这之后可以执行离子暴露以使暴露层堆叠成为电绝缘的。在一些实例中，这可以通过植入单个物质(例如，氧)来实现，植入单个物质可以产生电绝缘的混合物，包含原始层堆叠的组成以及氧的绝缘合金、绝缘化合物和/或非传导的非晶混合物。在其中暴露的层堆叠包含贵金属(例如，铂)的情况下，可以采用高剂量的氧从而如上文所描述选择性地移除贵金属。然而，在其它情况下，可以采用多种不同离子以选择性地移除金属物质(例如，贵金属)。例如，可以将含有氧离子的第一离子剂量引导到暴露的层堆叠上以使贵金属迁移到层堆叠的暴露区域的外表面上。随后可以将第二离子剂量引导到暴露的层堆叠上以溅射安置在暴露区域的外表面上的贵金属。例如，在所需离子能量下，重惰性气体离子(例如，氙)对铂可以展现比氧的溅射率高得多的溅射率。因此，可以通过两步离子暴露选择性地从层堆叠中移除铂，其中第一离子剂量包含充分数量的氧离子以氧化层堆叠内的金属组成，例如钴、锰、钽，并且同时使贵金属组成(例如，铂)在层堆叠的外表面处偏析。接着可以引导第二离子剂量以使用(例如)氙或其它高质量离子有效地溅射表面偏析的金属。
图4A到图4C描绘多个离子暴露的一个实例，其中使用第一离子暴露、第二离子暴露以及第三离子暴露以形成根据各种实施例的MRAM结构。具体来说，图4A到图4C呈现在处理过程中的各种情况下衬底400的侧视横截面视图。在图4A中，离子404被引导到使用掩模特征106被图案化的层堆叠104上。将离子404植入到层堆叠104的暴露区域中并且形成植入区域402。离子404可以是在充足离子剂量下植入的磷离子以使植入区域402成为非磁性的。在图4B中，离子406被引导到衬底400上，其形成在层堆叠104的暴露区域中的植入区域402B。植入区域402B可以包含离子404以及离子406。在一些实施例中，如特别在图4B中所推荐的，原始层堆叠104可以包含例如铂或钌等不易于形成绝缘材料的金属物质。在一个实例中，层堆叠104的层108到层116中的一或多个可以包含铂。在此等情况下，可以提供离子406以使在层堆叠104的外表面410处形成铂金属层408。值得注意的是，在暴露于离子406之后，植入区域402B可以含有来自不同层108到层116的元素以及离子404和离子406的混合物。植入区域402B可以构成电绝缘区域。然而，来自层108到层116的铂可以向外迁移并且偏析到外表面410上以形成层408。如图4B中所示，层108的安置于邻近的掩模特征106之下的部分将会形成不同MRAM单元的部分。然而，那些部分可以经由层408彼此电连接。因此，在图4C中示出的后续操作中，离子412被引导到衬底400上从而溅射来自层408的材料。如图4C中所示，离子412导致层408的移除，由此在植入区域402B是充分电绝缘的条件下移除在不同MRAM单元之间的导电路径并且确保邻近的MRAM单元414的电隔离。因此，在图4C中，植入区域402B的特点是它们构成每单位面积贵金属浓度(如果存在)比存储器单元(MRAM单元414)的每单位面积贵金属浓度更低的植入基质。
应注意，在前述实施例中，暴露区域(例如，暴露区域120)的外表面可以因暴露于离子122、离子404、离子406、离子408而无意地或者有意地经受溅射。可能需要控制或限制从层堆叠中移除材料的程度，并且因此控制在单个离子暴露中或者在多个离子暴露中可能伴随离子植入到层堆叠中而发生的溅射的程度。在各种额外的实施例中，采用罩盖层以控制在层堆叠中进行的离子植入与材料的溅射之间的平衡。
图5A到图5D描绘根据各种实施例使用罩盖层结合离子植入以形成MRAM结构的一个实例。具体来说，图5A到图5D呈现在处理过程中的各种情况下衬底500的侧视横截面视图。在图5A中，与图1A中一样，掩模特征106安置在层堆叠104上。罩盖层502沉积在衬底500上，包含在层堆叠104的位于掩模特征之间的区域上方。罩盖层502可以是例如碳、氮化硅等材料或其它材料。在图5B中，离子506被引导到衬底500上并且穿透罩盖层502。离子506形成可以延伸穿过层堆叠104的整个厚度的植入区域504。在各种实施例中，离子506有效地将层堆叠104内的磁性材料转变成非磁性材料和/或将层堆叠104内的导电材料转变成电绝缘材料。在一些实施例中，离子506可以表示多个不同物质，例如磷和氧，并且可以在单个离子暴露中提供或者可以在单独的离子暴露中提供，使得可以裁定每一物质的精确剂量。
由于暴露于离子506，因此罩盖层502可以被溅射，使得罩盖层502的厚度减小，如图5B中所示。如果在不完全蚀刻罩盖层502的情况下溅射速率将植入区域504转变成电绝缘以及非磁性材料。因此，底层植入区域504可以被保护不受溅射蚀刻。然而，在一些情况下，使植入区域504转变成电绝缘以及非磁性材料所需的离子剂量可能需要对罩盖层502的给定罩盖层厚度的完全溅射蚀刻。增加罩盖层502的厚度从而考虑到归因于穿透更厚的罩盖层所需的增加的离子能量的再溅射影响也可能是不切实际的，这可能产生不利影响，包含增加植入的横向发散对保护区域118的破坏(见图1A)。实际上，根据图5C和图5D中说明的实施例，可以在对离子506的离子暴露之后形成额外的罩盖层508。在一个实例中，离子506可以构成有效地使植入区域504成为非磁性的但是不足以使植入区域504成为电绝缘的离子剂量。在此情况下，在衬底500上形成额外的罩盖层508之后，执行额外的对离子510的离子暴露。离子510可以再次溅射罩盖层508，由此减小其厚度，如图5D中所示。然而，因为仅需要离子510使植入区域512成为电绝缘的，所以罩盖层508可以在不完全蚀刻的情况下维持离子510的总离子剂量。
在各种实施例中，可以执行罩盖层沉积以及离子植入的多个循环以界定MRAM单元。例如，层堆叠可能在暴露于离子后仅需要单个罩盖层以便磁阻隔暴露区域，而同一层堆叠可能需要沉积覆盖层以及离子暴露的多个循环以使层堆叠成为电绝缘的。在其它实施例中，两个或两个以上不同的离子种类可以被同时引导到被罩盖层遮盖的衬底上，其中所述离子种类中的一个有效地磁阻隔层堆叠，而另一离子种类有效地将层堆叠转变成电绝缘材料。按需要可以在离子植入以及罩盖层沉积的多个循环中提供对不同离子种类的同时暴露。
图6A到图6D描绘根据各种实施例使用罩盖层结合离子植入以形成MRAM结构的另一实施例。此实施例提供在不过度改变衬底的植入区域中层堆叠厚度的情况下选择性地从层堆叠中移除不想要的金属组成的能力。在此实例中，掩模特征106形成于包含金属材料(例如，铂)的初始层堆叠104上。此类金属材料的存在可能限制在将通过离子植入形成的邻近的MRAM单元之间形成电绝缘区域的能力，如上文所论述。因此，在图6A到图6D中概述的操作有效地移除此类金属材料，同时将层堆叠的外表面维持在所需水平。在图6A中，在衬底600上沉积具有所需厚度的罩盖层。
在图6B中，离子604被引导到衬底600上。可以在一或多个离子暴露中提供的并且可以包含单个离子种类或不同离子种类的离子604导致植入区域606的形成。离子604可以包含有效地磁阻隔至少植入区域606的多个部分的离子种类。离子604还可以使植入区域606的下部部分608成为电绝缘的。如图所示，植入区域606的下部部分608可以构成以前相异的层108到层116相互混合的区域。植入区域606可以包含层108到层116的组成连同植入离子604的化合物、合金和/或非晶混合物。另外，如图6B中所说明，离子604导致金属材料610朝向层堆叠104的外表面612偏析。在一个实例中，离子604的一部分包含氧离子，氧离子可以与在层堆叠104内的某些金属材料形成电绝缘材料，同时另外使得非反应性金属(例如，铂)作为金属材料610偏析到外表面612。
在一些情况下，金属材料610可以作为隔离的岛、连续的层、部分地重叠的岛或此类结构的组合而安置。因而，金属材料610可以在安置于掩模特征106下面的层堆叠104的不同非植入部分之间构成导电路径。因此，在图6C中说明的进一步处理中，离子614被引导到衬底600上以移除任何残余的罩盖层602并且溅射金属材料610从而从掩模特征106之间的区域中移除金属材料610。离子614可以构成高质量离子，例如氙(Xe)，高质量离子尤其在数keV或更小范围内的相对低的离子能量下有效地产生表面溅射同时使离子植入减到最少。图6D示出衬底600在通过离子614处理之后的示例性结构。如所说明，衬底600包含彼此磁隔离并且电隔离的多个MRAM单元616。剩余的植入区域606是电绝缘的并且金属材料610被从植入区域606中移除，从而使MRAM单元616成为彼此电隔离的。如图6D中所示，一些从植入区域606中移除的金属材料610可以再沉积在掩模特征106的侧壁部分上。然而，可以在后续处理中移除部分或全部的掩模特征106，由此从衬底600中消除金属材料610。
另外应注意，可以通过调整罩盖层602的相对厚度以及由离子604和离子614提供的离子暴露来调整在离子植入完成之后植入区域606的水平618。如在图6B中所推荐的，植入区域606可以在暴露于离子604后尺寸扩大。因为层堆叠104可能起初主要由金属材料构成，所以为了使植入区域成为电绝缘的，可能必须植入相对高剂量的离子604。例如，离子604的一部分可以是用以从层堆叠104中存在的金属元素形成绝缘化合物的氧。对于许多由给定金属物质形成的氧化物，氧与金属的化学计量比通常大于或等于一，从而指示植入区域606可以构成50％或更大的氧含量。因此，当离子604被引导到衬底上时，因为植入区域606被罩盖层602封围由此防止金属材料损失，所以植入区域606的总尺寸可能增大到高于在层堆叠104的初始暴露区域120中的总尺寸。水平618的最终位置因此可以高于MRAM装置的保护区域的水平620、与水平620相同或低于水平620。
在额外的实施例中，可以裁定在邻近的MRAM单元之间的植入区域的形状以优化对MRAM单元的处理。图7A和图7B描绘一个实施例，其中离子702的离子暴露被朝向衬底700引导以形成隔离MRAM单元的凹形的植入区域。图7A和图7B描绘在离子暴露中的不同情况下的衬底700。如图7A中所示，在第一剂量的离子702之后，在层堆叠104的暴露部分内形成凹形的植入区域704。植入区域704的顶部(外)表面706具有凹形，使得与邻近的掩模特征106最远的植入区域的中间从其原始位置凹进。然而，植入区域704并不完全延伸穿过层堆叠104到衬底基底102。另外，在暴露于第一剂量的离子702之后，植入区域704可能不是完全电绝缘的和/或被磁阻隔。因此，MRAM单元可能尚未完全界定，因为层堆叠的安置于掩模特征106之下的部分不是彼此电隔离或磁隔离。
在图7B中示出的另一情况下，提供额外剂量的离子702，使得植入区域710的顶部表面708进一步凹进并且植入区域710现在延伸穿过整个层堆叠104。累加剂量的离子702还足以使MRAM单元712彼此电隔离且磁隔离。在此实例中，如在X-Z平面中所观测的，MRAM单元712还具有成锥形的横截面形状。具体来说是当将磷和/或砷用作植入物质(即，离子702)时，本发明人已经观察到在离子植入之后顶部表面708意外地成凹形。因此形成的植入区域710的“新月”形的一个益处是MRAM单元的邻近于层108到层116的侧壁区域不会暴露并且因此在处理过程中被保护而不受冲击。这允许(例如)执行层堆叠104的一些溅射而不用担心可能沿着MRAM层的暴露侧再沉积，因为任何沉积物可能搁置在非有效的植入区域上，即，植入区域710上。反过来，通过溅射而移除层堆叠104的一部分材料的能力有助于使用更小的离子剂量来实现磁隔离和/或电隔离。例如，在形成MRAM单元712的电隔离的第二离子暴露中，可以采用更小的氧离子剂量来氧化层堆叠104中剩余的更少量的金属材料。在一些实施例中，在第二离子暴露之前沉积罩盖层以控制如上文所描述的顶部表面708的水平的位置可为最佳的。
在另外的实施例中，为了界定所需的MRAM存储器单元大小，界定MRAM单元的掩模特征经设计以适应在将离子植入到层的堆叠的暴露区域中时产生的植入物质的横向范围。图8描绘示出经受离子植入的经掩蔽衬底的透视图的综合说明以及示出作为相对于掩模的位置的函数的离子植入物质的浓度的模拟浓度曲线。离子802被朝向衬底800引导并且被掩模特征804阻断。在暴露区域806中，离子802可以穿透到层堆叠810中，从而产生植入物质分布808。在此实例中，由于掩蔽作用，在掩模特征804的边缘处的离子剂量大约是暴露区域806中间的峰值的离子剂量的一半。另外，横向范围是大约6nm，从而指示一部分离子802开始搁置在距掩模边缘大约6nm或更远的掩模特征804之下。植入物质浓度根据沿着X轴的位置逐渐降低到零。这导致在掩模804之下界定的存储器位与植入的暴露区域806之间的“模糊化界面”，“模糊化界面”具有在零与暴露区域806中的浓度之间的植入物质的浓度。根据本发明的实施例，通过将掩模特征804的横向尺寸布置成大于MRAM单元的设计大小而解决此问题。例如，掩模特征804的宽度(以及其它相同的掩模特征804的宽度)可以超出MRAM单元的设计宽度。这可以通过已知的光刻技术或通过在掩模特征804上方沉积保形膜来实现，这会导致将植入物质与掩模特征804下面的所需MRAM单元横向地隔开大约等于保形膜厚度的量。
应注意，在其中向衬底提供多个不同的离子暴露的前述实施例中，除非另外说明，否则离子暴露的顺序可以改变。然而，根据另外的实施例，为了优化最终MRAM装置，可以预设序列执行两个或两个以上离子暴露。在特定实施例中，含有磷离子的第一离子暴露在含有氧离子的第二离子暴露之前执行。磷离子暴露可用以磁阻隔如上文所描述的图案化衬底的暴露区域。然而，通过在氧之前将磷植入到暴露区域中，可以将植入的磷物质充当吸附物质(gettering species)，其在后续离子暴露中植入氧时产生用于氧的吸附部位。这具有限制植入的氧物质的扩散的作用，由此减少不想要的氧扩散到将构成MRAM存储器位(单元)的保护区域中。在另外的实施例中，可以将其它离子植入到暴露区域中充当吸附部位。
又在其它实施例中，可以在冷却的衬底上执行离子暴露，其中向衬底提供主动式冷却以将衬底温度维持在大约室温下或低于室温下。这具有减少植入物质的扩散(包含横向扩散到MRAM单元中)的作用，因为扩散速率通常随着温度的增加呈指数增加。
本发明的范围将不受本文所描述的具体实施例限制。实际上，所属领域的一般技术人员根据以上描述和附图将了解除本文所描述的实施例和修改之外的本发明的其它各种实施例和对本发明的修改。因此，此类其它实施例和修改既定属于本发明的范围内。此外，尽管已在本文中出于特定目的在特定环境下在特定实施方案的上下文中描述了本发明，但所属领域的一般技术人员将认识到其有用性不限于此，并且出于任何数目的目的，本发明可以有利地在任何数目的环境中实施。因此，本发明的标的物应鉴于如本文所描述的本发明的完整广度以及精神来解释。

Claims (14)

1.一种形成磁性存储器的方法，其包括：
在衬底的基底部分上提供具有多个磁性层和多个导电层的层堆叠；
在第一保护区域上方的所述层堆叠的外表面上形成第一掩模特征且在第二保护区域上方的所述层堆叠的外表面上形成第二掩模特征，所述第一掩模特征和第二掩模特征在其间界定所述层堆叠的部分中的所述层堆叠的暴露区域；以及
以有效地在不移除所述层堆叠的所述暴露区域的情况下使所述第一保护区域与所述第二保护区域磁隔离并且使所述第一保护区域与所述第二保护区域电隔离的离子剂量朝向所述层堆叠的所述暴露区域引导离子。
2.一种形成磁性存储器的方法，其包括：
在衬底的基底部分上提供包括多个磁性层和多个导电层的层堆叠；
在第一保护区域上方的所述层堆叠的外表面上形成第一掩模特征且在第二保护区域上方的所述层堆叠的外表面上形成第二掩模特征，所述第一掩模特征和第二掩模特征在其间界定所述层堆叠的部分中的所述层堆叠的暴露区域；以及
在有效地选择性地从所述层堆叠中移除金属物质的离子暴露中朝向所述层堆叠的所述暴露区域引导离子。
3.根据权利要求2所述的形成磁性存储器的方法，其中所述离子暴露包括：
第一离子暴露，其有效地使所述金属物质迁移到所述层堆叠的暴露表面区域的外表面；以及
第二离子暴露，其用以从所述层堆叠的所述暴露区域的外表面溅射所述金属物质。
4.根据权利要求2所述的形成磁性存储器的方法，其中所述离子暴露有效地使所述第一保护区域与所述第二保护区域电隔离。
5.根据权利要求2所述的形成磁性存储器的方法，其进一步包括在有效地使所述第一保护区域与所述第二保护区域磁隔离的第三离子暴露中将所述离子引导到所述层堆叠。
6.一种形成磁性存储器的方法，其包括：
在衬底的基底部分上提供包括多个磁性层和多个导电层的层堆叠；
在第一保护区域上方的所述层堆叠的外表面上形成第一掩模特征且在第二保护区域上方的所述层堆叠的外表面上形成第二掩模特征，所述第一掩模特征和第二掩模特征在其间界定所述层堆叠的部分中的所述层堆叠的暴露区域；
在形成所述第一掩模特征与所述第二掩模特征中的至少一个之后在所述层堆叠上形成罩盖层；以及
在有效地在不移除所述层堆叠的所述暴露区域的情况下使所述第一保护区域与所述第二保护区域磁隔离并且使所述第一保护区域与所述第二保护区域电隔离的离子暴露中朝向所述层堆叠的所述暴露区域引导离子。
7.根据权利要求6所述的形成磁性存储器的方法，其中在所述离子暴露中将所述离子引导到所述衬底包括：在包括第一离子剂量的第一离子暴露中将所述离子引导到所述衬底，以及在所述第一离子暴露后在包括第二离子剂量的第二离子暴露中将所述离子引导到所述衬底，所述形成磁性存储器的方法进一步包括：在所述第一离子暴露之后在所述衬底上沉积所述罩盖层。
8.一种磁性存储器，其包括：
存储器装置基底；
多个存储器单元，其安置在所述存储器单元基底上，每一存储器单元含有包括多个磁性层和导电层的层堆叠，所述多个磁性层和导电层布置在每一其它存储器单元所共用的层的堆叠中；以及
植入基质，其安置在所述存储器单元与周围的每一存储器单元之间，所述植入基质包括与植入物质相互混合的每一存储器单元的所述层堆叠的组成材料，所述植入基质包括非传导材料和非磁性材料，其中每一存储器单元与每一其它存储器单元电隔离并且磁隔离。
9.根据权利要求8所述的磁性存储器，所述植入基质包括氧和磷。
10.根据权利要求8所述的磁性存储器，其中所述多个存储器单元含有包括贵金属的至少一个层，其中所述植入基质包括比所述存储器单元的每单位面积贵金属浓度更低的每单位面积贵金属浓度。
11.一种形成磁性存储器的方法，其包括：
在衬底的基底部分上提供包括多个磁性层和多个导电层的层堆叠；
在第一保护区域上方的所述层堆叠的外表面上形成第一掩模特征且在第二保护区域上方的所述层堆叠的外表面上形成第二掩模特征，所述第一掩模特征和第二掩模特征在其间界定所述层堆叠的部分中的所述层堆叠的暴露区域；以及
在有效地使所述第一保护区域与所述第二保护区域磁隔离的离子暴露中朝向所述层堆叠的所述暴露区域引导离子，其中所述离子暴露在所述层堆叠的所述暴露区域的外表面产生凹形。
12.根据权利要求11所述的形成磁性存储器的方法，其进一步包括在第二离子暴露中朝向所述暴露区域引导所述离子，以使所述第一保护区域与所述第二保护区域电隔离。
13.一种形成磁性存储器的方法，其包括：
在衬底的基底部分上提供包括多个磁性层和多个导电层的层堆叠；
在第一保护区域上方的所述层堆叠的外表面上形成第一掩模特征且在第二保护区域上方的所述层堆叠的外表面上形成第二掩模特征，所述第一掩模特征和第二掩模特征在其间界定所述层堆叠的部分中的所述层堆叠的暴露区域；以及
在有效地使所述第一保护区域与所述第二保护区域磁隔离的第一离子暴露中朝向所述层堆叠的所述暴露区域引导第一离子，所述第一离子暴露进一步包括吸附物质；以及
在使所述第一保护区域与所述第二保护区域电隔离的第二离子暴露中朝向所述暴露区域引导第二离子，所述第一离子有效地减少在所述第二离子暴露过程中在所述层堆叠内的所述第二离子的扩散。
14.根据权利要求13所述的形成磁性存储器的方法，其中所述第一离子是磷和/或砷，并且其中所述第二离子是氧。
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