CN107785482A - 一种磁性隧道结的制备方法 - Google Patents

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陈志刚
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Abstract

本发明公开了一种磁性隧道结的制备方法，所述磁性隧道结的制备方法在刻蚀第二磁性层和隧穿层后沉积保护层，再刻蚀掉多余的保护层，暴露出第一磁性层；或，在刻蚀第二磁性层后沉积保护层，再刻蚀隧穿层，暴露出第一磁性层；之后，对暴露的第一磁性层进行含氧预处理，并对暴露的第一磁性层进行离子注入，形成掺杂的磁性层，随后刻蚀掉掺杂的磁性层，暴露出第二电极，最后沉积保护层，完成磁性隧道结的制备。本发明的方法在对第一磁性层做预处理时，不会对第二磁性层造成损伤。

Description

一种磁性隧道结的制备方法
技术领域
本发明属于磁电阻随机存储器制造技术领域，尤其设计一种磁性隧道结的制备方法。
背景技术
磁电阻随机存储器(MRAM)存储原理是是基于磁性隧道结(MTJ)阻值变化来实现的。MTJ一般是由三层材料构成，中间为薄的绝缘隧穿层，另两个磁性层中一层为磁化方向固定的参比层，一层为磁化方向可变的存储层。当参比层和存储层磁化方向平行时，MTJ为低阻态，对应逻辑态0；当参比层和存储层磁化方向反平行时，MTJ为高阻态，对应逻辑态1。
MRAM器件加工需要经由光刻方法，采用硬掩膜氧化硅和金属材料图案化MTJ堆。当MRAM尺寸减少时，传统的刻蚀方法就存在许多问题。比如，刻蚀的副产物会再沉积在MTJ堆的侧边，这会导致MTJ堆的短路或刻蚀轮廓角小等问题。有人提出了基于离子注入的新方法来解决这些问题。但是，含有氧成分的预处理第一磁性层的过程时会容易损伤第二磁性层，这可能会最终导致器件失效。因此，基于离子注入的实现MTJ图案化的方法需要进一步改善，解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁性隧道结的制备方法，解决了预处理第一磁性层时易损伤第二磁性层的问题。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种磁性隧道结的制备方法，在衬底上沉积第一电极，在第一电极上堆积MTJ、第二电极，MTJ包括第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，所述磁性隧道结的制备方法包括：
在刻蚀第二磁性层和隧穿层后沉积保护层，再刻蚀掉多余的保护层，暴露出第一磁性层；或，在刻蚀第二磁性层后沉积保护层，再刻蚀隧穿层，暴露出第一磁性层；
对暴露的第一磁性层进行含氧预处理；
对暴露的第一磁性层进行离子注入，形成掺杂的磁性层；
刻蚀掉掺杂的磁性层，暴露出第二电极；
最后沉积保护层，完成磁性隧道结的制备。
所述第一磁性层和第二磁性层为含镍的金属材料、或含钌的金属材料。
所述第一电极和第二电极为钨，钌，钽，钛，氮化钛，氮化钽或者掺杂的硅材料。
所述保护层材料为SiNx或AlOx。
所述含氧预处理过程用含氧气的混合气体，含氧的气体可以选择O2，H2O，O3，N2O中的一种或者多种。
本发明的一种实现方式，所述遂穿层的刻蚀以第二电极和第二磁性层为掩膜，并以遂穿层与保护层来刻蚀第一磁性层。而另一种实现方式，所述遂穿层的刻蚀以第二电极和第二磁性层以及覆盖的防护层为掩膜，并以遂穿层来刻蚀第一磁性层。
本发明提出了一种磁性隧道结的制备方法，当第二磁性层被刻蚀完之后，沉积一层氮化硅保护层，然后刻蚀掉顶部多余的氮化硅，只留下侧边起保护作用的氮化硅，刻蚀掉隧穿层后用含氧的气体预处理第一磁性层，然后再实施离子注入，然后再继续沉积第二层保护层。在另外一个实施例中，当第二磁性层和隧穿层刻蚀完后再沉积氮化硅保护层，刻蚀掉多余的氮化硅只留下侧边的，预处理之后再进行离子注入，然后再继续沉积第二层保护层。解决了预处理第一磁性层时易损伤第二磁性层的问题。
附图说明
图1为本发明实施例一流程图；
图2A-2H为本发明实施例一各阶段磁性隧道结截面示意图；
图3为本发明实施例二流程图；
图4A-4F为本发明实施例二各阶段磁性隧道结截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。
实施例一：
图1是本实施例一种磁性隧道结的制备方法的流程图，包括如下步骤：
步骤S1、在衬底上沉积第一电极，在第一电极上堆积MTJ、第二电极，MTJ包括第一磁性层、遂穿层和第二磁性层。
如图2A所示，衬底302可以是金属，玻璃，硅或者金属合金等材料，衬底302上沉积了第一电极304。接着，在第一电极304之上堆积隧道结MTJ，MTJ含有第一磁性层306和第二磁性层310，并被隧穿层308隔开。第二电极314沉积在MTJ上。
本实施例第一电极304和第二电极314是钨，钌，钽，钛，氮化钛，氮化钽或者掺杂的硅等材料。隧穿层308为氧化铝，氧化镁，氧化铪或者其它电介质替代材料。
第一磁性层306和第二磁性层310为含镍的金属材料，含钌的金属材料，优选为NiFe，CoFeOx，CoFeB，CoFe，CoPt，CoPd。例如，第一磁性层306为钌和(或)CoPt，第二磁性层310位CoFe，CoFeB，含钌和钛的材料。隧穿层308为氧化镁层。第一电极304和第二电极314为含钨的导电材料。
步骤S2、刻蚀第二电极、第二磁性层和遂穿层，直到暴露出第一磁性层。
在本实施例中，如图2A所示，第二电极314和第二磁性层310已经被图案化，316处被刻蚀掉，隧穿层308的表面318暴露出来。
在后续的刻蚀过程中，图案化的第二电极314和第二磁性层310可以传递给隧穿层308、第一磁性层306和第一电极304。为了能够传递好的轮廓角给MTJ，硬掩膜可能会被采用，单纯用光刻胶掩膜的方法刻蚀出来的MTJ轮廓角比较差；如果光刻胶掩膜传递给硬掩膜层的话，用硬掩膜层来刻蚀MTJ得到的MTJ轮廓角会比较好。
如图2B所示，本实施例隧穿层308用图案化的第二电极314和第二磁性层310来刻蚀，直到第一磁性层306的上表面322暴露出来。
步骤S3、沉积保护层。
如图2C所示，保护层305在第一磁性层306的表面322暴露之后沉积。保护层305材料为SiNx,AlOx或者类似材料。
步骤S4、刻蚀掉多余的保护层，对暴露的第一磁性层进行含氧预处理。
如图2D所示，刻蚀掉第一磁性层上方的保护层之后，对暴露的第一磁性层306进行含氧预处理，使其表面322氧含量变高。预处理后在暴露的第一磁性层306表面322下方形成氧含量变高的区域323，如图2E所示。
由于保护层305的存在，使得第二磁性层310在预处理过程中性能未发生改变。图案化的第二电极314、第二磁性层310和隧穿层308保证了预处理过程中第一磁性层306除区域323外性能不发生变化。含氧预处理过程用含氧气的混合气体，含氧的气体可以选择O2，H2O，O3，N2O中的一种或者多种。
步骤S5、对暴露的第一磁性层进行离子注入，形成掺杂的磁性层。
本实施例暴露的第一磁性层306的表面322在经过离子注入后，性能发生改变，使得后续刻蚀过程容易。离子注入过程使得离子通过第一磁性层306的氧含量高的区域性能发生改变(未被图案化的第二电极314，第二磁性层310和隧穿层308保护)。离子注入后使第一磁性层306未被保护区域变成了掺杂的磁性层330，如图2F所示。
注入的硼，磷和砷原子不仅能够能在注入位置嵌入，也能把自身性能传递给表面，形成注入的330区域。
步骤S6、刻蚀掉掺杂的磁性层，暴露出第二电极。
离子注入完成后，掺杂的磁性层330容易被刻蚀，本步骤将该区域刻蚀掉，暴露出第二电极304，如图2G所示。
步骤S7、最后沉积保护层，完成磁性隧道结的制备。
在去除离子注入的第一磁性层306之后，沉积另外一层保护层，如图2H所示，完成磁性隧道结的制备。
实施例二：
图3是本实施例一种磁性隧道结的制备方法的流程图，包括如下步骤：
步骤F1、在衬底上沉积第一电极，在第一电极上堆积MTJ、第二电极，MTJ包括第一磁性层、遂穿层和第二磁性层。
如图2A所示，衬底302可以是金属，玻璃，硅或者金属合金等材料，衬底302上沉积了第一电极304。接着，在第一电极304之上堆积隧道结MTJ，MTJ含有第一磁性层306和第二磁性层310，并被隧穿层308隔开。第二电极314沉积在MTJ上。
本实施例第一电极304和第二电极314是钨，钌，钽，钛，氮化钛，氮化钽或者掺杂的硅等材料。隧穿层308位氧化铝，氧化镁，氧化铪或者其它电介质替代材料。
第一磁性层306和第二磁性层310为含镍的金属材料，含钌的金属材料，优选为NiFe,CoFeOx,CoFeB,CoFe,CoPt,CoPd。例如，第一磁性层306为钌和(或)CoPt，第二磁性层310位CoFe，CoFeB，含钌和钛的材料。隧穿层308为氧化镁层。第一电极304和第二电极314为含钨的导电材料。
步骤F2、刻蚀第二电极和第二磁性层，沉积保护层。
在本实施例中，如图2A所示，第二电极314和第二磁性层310已经被图案化，316处被刻蚀掉，隧穿层308的表面318暴露出来。
本实施例如实施例一不同之处在于，实施例一中图2C所示的保护层305在第一磁性层306的表面322暴露之后沉积，而实施例二保护层305沉积在暴露隧穿层308的表面，如图4A所示。
步骤F3、刻蚀隧穿层停留在第一磁性层的表面。
本实施例刻蚀掉暴露的隧穿层308及其上的保护层，直到第一磁性层306的上表面322暴露出来，如图4B所示。
步骤F4、对暴露的第一磁性层进行含氧预处理。
如图4C所示，对暴露的第一磁性层306进行含氧预处理，使其表面322氧含量变高。预处理后在暴露的第一磁性层306表面322下方形成氧含量变高的区域323。
由于保护层305的存在，使得第二磁性层310在预处理过程中性能未发生改变。图案化的第二电极314、第二磁性层310和隧穿层308保证了预处理过程中第一磁性层306除区域323外性能不发生变化。预处理过程用含氧气的混合气体，含氧的气体可以选择O2，H2O，O3，N2O中的一种或者多种。
步骤F5、对暴露的第一磁性层进行离子注入，形成掺杂的磁性层。
本实施例暴露的第一磁性层306的表面322在经过离子注入后，性能发生改变，使得后续刻蚀过程容易。离子注入过程使得离子通过第一磁性层306的氧含量高的区域性能发生改变(未被图案化的第二电极314，第二磁性层310和隧穿层308保护)。离子注入后使第一磁性层306未被保护区域变成了掺杂的磁性层330，如图4D所示。
注入的硼，磷和砷原子不仅能够能在注入位置嵌入，也能把自身性能传递给表面，形成注入的330区域。
步骤F6、刻蚀掉掺杂的磁性层，暴露出第二电极。
离子注入完成后，掺杂的磁性层330容易被刻蚀，本步骤将该区域刻蚀掉，暴露出第二电极304，如图4E所示。
步骤S7、最后沉积保护层，完成磁性隧道结的制备。
在去除离子注入的第一磁性层306之后，沉积另外一层保护层，如图4F所示，完成磁性隧道结的制备。
本实施例如实施例一不同之处在于，实施例一中图2C所示的保护层305在第一磁性层306的表面322暴露之后沉积，而实施例二保护层305沉积在暴露隧穿层308的表面。随后直接刻蚀掉保护层、隧穿层停留在第一磁性层306的表面。之后对第一磁性层306进行含氧预处理，使表面322以下部分氧含量变高，预处理后在暴露的第一磁性层306表面322下方形成氧含量变高的区域323。随后步骤与实施例一相同，这里不再赘述。
可见，采用实施例一的方法制备时，遂穿层的刻蚀以第二电极和第二磁性层为掩膜，并以遂穿层与保护层来刻蚀第一磁性层。而采用实施例二的方法，遂穿层的刻蚀以第二电极和第二磁性层以及覆盖的防护层为掩膜，并以遂穿层来刻蚀第一磁性层。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种磁性隧道结的制备方法，在衬底上沉积第一电极，在第一电极上堆积MTJ、第二电极，MTJ包括第一磁性层、遂穿层和第二磁性层，其特征在于，所述磁性隧道结的制备方法包括：
在刻蚀第二磁性层和隧穿层后沉积保护层，再刻蚀掉多余的保护层，暴露出第一磁性层；或，在刻蚀第二磁性层后沉积保护层，再刻蚀隧穿层，暴露出第一磁性层；
对暴露的第一磁性层进行含氧预处理；
对暴露的第一磁性层进行离子注入，形成掺杂的磁性层；
刻蚀掉掺杂的磁性层，暴露出第二电极；
最后沉积保护层，完成磁性隧道结的制备。
2.根据权利要求1所述的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，所述第一磁性层和第二磁性层为含镍的金属材料、或含钌的金属材料。
3.根据权利要求1所述的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，所述第一电极和第二电极为钨，钌，钽，钛，氮化钛，氮化钽或者掺杂的硅材料。
4.根据权利要求1所述的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，所述保护层材料为SiNx或AlOx。
5.根据权利要求1所述的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，所述含氧预处理过程用含氧气的混合气体，含氧的气体可以选择O2，H2O，O3，N2O中的一种或者多种。
6.根据权利要求1所述的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，所述遂穿层的刻蚀以第二电极和第二磁性层为掩膜，并以遂穿层与保护层来刻蚀第一磁性层。
7.根据权利要求1所述的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，所述遂穿层的刻蚀以第二电极和第二磁性层以及覆盖的防护层为掩膜，并以遂穿层来刻蚀第一磁性层。
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