CN108091359B - 一种磁隧道结及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磁隧道结及其制造方法。磁隧道结制造方法包括以下步骤：第一介质孔形成步骤，在底电极上形成第一钝化介质层，并在第一钝化介质层中形成第一介质孔；第一磁性层形成步骤，在第一介质孔中形成第一磁性层,使所述第一磁性层的顶面与所述第一钝化介质层的顶面处于同一平面；第二介质孔形成步骤，在第一磁性层上形成第二钝化介质层，并在第二钝化介质层中形成第二介质孔；隧穿绝缘层及第二磁性层形成步骤，在所述第二介质孔中依次形成隧穿绝缘层和第二磁性层；以及顶电极形成步骤，在第二磁性层上形成顶电极。本发明的磁隧道结及其制造方法有效降低了磁性隧道结刻蚀工艺的难度，并有效提高了器件的可靠性和良率。

Description

一种磁隧道结及其制造方法
技术领域
本发明涉及磁性随机存储器领域，具体涉及一种磁隧道结及其制造方法。
背景技术
磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)是一种非挥发性的磁性随机存储器，它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入，是晶圆制造工业领域的主流产品之一。
磁隧道结(MTJ)是MRAM的核心结构，该结构由固定层、非磁性隔离层和自由层组成。其中，固定层较厚，磁性较强，磁矩不容易反转，而自由层较薄，磁性较弱，磁矩容易反转。根据自由层和固定层之间磁矩平行和反平行的变化，输出“0”或“1”的状态。自由层是存储信息的磁性薄膜，使用软铁磁材料，具有比较低的矫顽力，较高的磁导率以及对低磁场的高敏感性。常见的材料如CoFe、NiFe、NiFeCo、CoFeB(使用较多)等。隔离层是厚度仅有1～2nm的非磁性薄膜，如MgO或AL2O3等。固定层是MRAM单元中磁场具有固定方向的薄膜。材料的选择应当与反铁磁层具有较强的交换偏置作用，从而使被钉扎层的磁矩能够被有效地钉扎在固定的方向上。关于这类材料，比较合适的有CoFe，CoFeB等。
在磁隧道结制造工艺中，需要通过刻蚀的方法(参见专利文献1～6)对磁隧道结进行图形化。如上所述，MTJ的材料是难于干法刻蚀的材料如Fe、Co、Mg等，难以形成挥发产物，并且不能采用腐蚀气体(Cl2等)，否则会影响MTJ的性能。因此需要采用比较复杂的刻蚀方法才能实现，并且刻蚀工艺具有较高的难度。
在专利文献7中所记载的刻蚀方法中，采用了大马士革镶嵌的方法，但是由于介质刻蚀形貌局限等镶嵌工艺的特点，难以获得高密度的MTJ点阵。另外，因为隧穿层很薄，化学机械研磨的工艺会造成材料表面变形或少量的金属残留物，可能使第一磁性层和第二磁性层在研磨面上存在导电通道，从而导致短路和器件失效。
专利文献1 US20090209102；
专利文献2 US8629518；
专利文献3 US8962349；
专利文献4 CN103682084A；
专利文献5 CN1801390A；
专利文献6 US7397099；
专利文献7 CN103066199A。
因此，目前亟待需要提出一种能够降低磁隧道结刻蚀工艺难度并保证器件的可靠性和良率的技术方案，从而进一步降低产品制造成本，提升产品品质。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开一种磁隧道结及其制造方法。本发明的磁隧道结制造方法，包括以下步骤：第一介质孔形成步骤，在底电极上形成第一钝化介质层，并在所述第一钝化介质层中形成第一介质孔；第一磁性层形成步骤，在所述第一介质孔中形成第一磁性层，使所述第一磁性层的顶面与所述第一钝化介质层的顶面处于同一平面；第二介质孔形成步骤，在所述第一磁性层上形成第二钝化介质层，并在所述第二钝化介质层中形成第二介质孔；隧穿绝缘层及第二磁性层形成步骤，在所述第二介质孔中依次形成隧穿绝缘层和第二磁性层；以及顶电极形成步骤，在所述第二磁性层上形成顶电极。
本发明的磁隧道结制造方法中，优选为，所述第一介质孔或第二介质孔为陡直形孔。
本发明的磁隧道结制造方法中，优选为，所述第一介质孔的侧壁与底面的夹角角度在90°±15°之间。
本发明的磁隧道结制造方法中，优选为，所述第二介质孔的侧壁与底面的夹角角度在90°±15°之间。
本发明的磁隧道结制造方法中，优选为，所述第一介质孔的光刻孔径直径为10～200nm。
本发明的磁隧道结制造方法中，优选为，所述第二介质孔的光刻孔径与所述第一介质孔的光刻孔径的直径相同。
本发明的磁隧道结制造方法中，优选为，所述第一钝化介质层的厚度为40～50nm，所述第二钝化介质层的厚度为40～50nm。
本发明还公开一种磁隧道结，包括：底电极；第一钝化介质层，形成于所述底电极上，并具有第一介质孔；第一磁性层，形成于所述第一介质孔中，所述第一磁性层的顶面与所述第一钝化介质层的顶面处于同一平面；第二钝化介质层，位于所述第一磁性层上，并具有第二介质孔；隧穿绝缘层及第二磁性层，形成于所述第二介质孔中；以及顶电极，位于所述第二磁性层上。
本发明的磁隧道结，优选为，所述第二介质孔的侧壁与底面的夹角角度在90°±15°之间。
本发明的磁隧道结制造方法，避免了对磁隧道结核心层材料(磁性层和隧穿绝缘层)的刻蚀工艺，改为刻蚀常规半导体材料，大大降低了制造工艺尤其是刻蚀工艺的难度。另外，本发明的磁隧道结制造方法使第一磁性层和第二磁性层的边缘相对较远(距离远远大于隧穿层厚度)，从而有效防止由于第一磁性层和第二磁性层边缘漏电导致器件失效的可能性。
附图说明
图1是本发明的磁隧道结制造方法的流程示意图；
图2是本发明的磁隧道结制造方法中形成第一介质层后的器件结构示意图；
图3是本发明的磁隧道结制造方法中形成第一介质孔后的器件结构示意图；
图4是本发明的磁隧道结制造方法中形成第一磁性层后的器件结构示意图；
图5是本发明的磁隧道结制造方法中形成第二介质孔后的器件结构示意图；
图6是本发明的磁隧道结制造方法中形成隧穿绝缘层和第二磁性层后的器件结构示意图；
图7是利用本发明的磁隧道结制造方法形成的磁隧道结的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“陡直”、“倾斜”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
图1是本发明的磁隧道结制造方法的流程示意图。如图1所示，本发明的磁隧道结制造方法中，首先，在第一介质孔形成步骤S1中，在底电极100上形成第一钝化介质层101，并在第一钝化介质层101中形成第一介质孔102，所得的器件结构如图2、图3所示。具体而言，底电极100材料可以为导电材料，包括掺杂有掺杂剂的半导体、金属、导电的金属氮化物等。其中，掺杂有掺杂剂的半导体可以是掺杂的硅、掺杂的锗等。金属可以是钛、钽、钨等。导电的金属氮化物可以是钛氮化物、钽氮化物、钨氮化物等。第一钝化介质层101可以是硅氧化物、硅氮化物、硅氧氮化物和低K电介质材料中的至少一种。例如通过等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)形成第一钝化介质层101。第一钝化介质层101的厚度优选为40～50nm。通过常规光刻和刻蚀方法，形成第一介质孔102，光刻孔径优选为10～200nm。第一介质孔102的侧壁与底面的夹角角度优选在90°±15°之间。第一介质孔102也可以是陡直形孔。
接下来，在第一磁性层形成步骤S2中，在第一介质孔102中形成第一磁性层103，并使第一磁性层103的顶面与第一钝化介质层101的顶面处于同一平面，所得结构图4所示。其中，第一磁性层103可以是铁磁金属Fe、Co、Ni及其合金NiFe、FeCo等，也可以是其他掺杂合金如FeTaN、CoFeB、CoFeZr等，还可以是高自旋极化率的半金属材料如Fe3O4、Co2MnSi、Co2FeSi等。关于第一介质孔102的形成方法，例如可以采用物理气相沉积、分子束外延、溅射等。进一步地，也可以在沉积第一磁性层之后进行化学机械抛光，去除第一介质孔102外的第一磁性层103。
接下来，在第二介质孔形成步骤S3中，在第一磁性层103和第一钝化介质层101上形成第二钝化介质层104，并在第二钝化介质层104中形成第二介质孔105，所得结构如图5所示。其中，第二钝化介质层104可以包括硅氧化物、硅氮化物、硅氧氮化物和低K电介质材料中的至少一种。例如通过等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)形成第二钝化介质层104。第二钝化介质层104的厚度优选为40～50nm。通过常规光刻和刻蚀方法，形成第二介质孔105，其光刻孔径优选与第一介质孔102光刻孔径一致，优选为10～200nm。第二介质孔105的侧壁与底面的夹角角度优选在90°±15°之间。倾斜角度有利于材料填充，尤其是隧穿的台阶覆盖，以便提高器件的可靠性和良率。第二介质孔105也可以是陡直形孔。
在隧穿绝缘层及第二磁性层形成步骤S4中，在第二介质孔105中依次形成隧穿绝缘层106和第二磁性层107，所得结构如图6所示。隧穿绝缘层106可以为氧化物，诸如Al2O3、MgO材料等，也可以是氮化物如AlN，还可以是半导体材料如EuS、ZnS、ZnSe等。第二磁性层107可以是铁磁金属Fe、Co、Ni及其合金NiFe、FeCo，也可以是其他掺杂合金如FeTaN、CoFeB、CoFeZr等，还可以是高自旋极化率的半金属材料如Fe3O4、Co2MnSi、Co2FeSi等。至于形成隧穿绝缘层106的方法，例如可以是分子束外延方法或电子束沉积方法。形成第二磁性层107的方法，例如可以为物理气相沉积、分子束外延、溅射等。进一步地，可以在沉积隧穿绝缘层106及第二磁性层107后，进行化学机械抛光，去除孔外的隧穿绝缘层及以上材料。
最后，在顶电极形成步骤S5中，在第二磁性层107上方形成顶电极108。顶电极108的材料可以为钌、钽、钯、钛、铂、金、银、铜等。在图7中示出了形成的磁隧道结的结构示意图。
以上针对磁隧道结制造方法的具体实施方式进行了说明，但是本发明不限定于此，各步骤的具体实施方式根据情况可以不同。例如为了进一步提高器件的性能，可以在第一磁性层与底电极之间，在第二磁性层与顶电极之间分别引入阻挡层。
为了进一步清楚地阐述磁隧道结制造方法，以下详细介绍磁隧道结制造方法的一个实施例。
首先，在第一介质孔形成步骤S1中，在底电极100上，利用等离子体增强化学的气相沉积法生长40～50nm的SiO2材料作为第一钝化介质层101。其中，底电极100的材料是金属钨。然后，通过常规光刻和刻蚀方法形成第一介质孔102，光刻孔径为30nm。刻蚀采用电感耦合等离子体(CCP)刻蚀机，在高C/F气氛下进行，以获得对金属的高选择比。刻蚀出侧壁陡直的孔并停止于底层底电极100上。
之后，在第一磁性层形成步骤S2中，采用物理气象沉积方法依次沉积底电极阻挡层以及第一磁性层103，总厚度与第一钝化介质层101相同，即40～50nm。其中，底电极阻挡层为Ta/Ru，第一磁性层103为CoFe类材料。然后，进行化学机械抛光。
接下来，在第二介质孔形成步骤S3中，在第一磁性层103上沉积第二钝化介质层104，厚度约40～50nm，并通过光刻和刻蚀的方法形成第二介质孔105。光刻孔径原则上与第一介质孔光刻孔径一致，即光刻孔径为30nm。采用电感耦合等离子体(CCP)刻蚀机，在高C/F气氛下进行，以获得对金属的高选择比。第二介质孔的侧壁略倾斜，角度为88°。
接下来，在隧穿绝缘层和第二磁性层形成步骤S4中，在上述第二介质孔105中利用分子束外延形成厚度为1nm的隧穿绝缘层106，然后依次淀积第二磁性层107和阻挡层，总厚度约40～50nm。其中，隧穿绝缘层106为MgO，第二磁性层107材料为CoFeB，阻挡层材料为Ru。然后进行化学机械抛光，去除第二介质孔外的隧穿层及以上材料。
最后，在上述结构上形成顶电极108，顶电极材料为金属钽。
本发明的磁隧道结制造方法，避免了对磁隧道结核心层材料(磁性层和隧穿绝缘层)的刻蚀工艺，改为刻蚀常规半导体材料，大大降低了制造工艺尤其是刻蚀工艺的难度。另外，本发明的磁隧道结制造方法使第一磁性层和第二磁性层的边缘相对较远(距离远远大于隧穿层厚度)，从而有效避免了第一磁性层和第二磁性层通过边缘漏电导致器件失效的可能性。
本发明的另一方面提供一种磁隧道结。以下结合图7针对磁隧道结的具体实施例进行说明。磁隧道结包括底电极100；第一钝化介质层101，其形成于底电极100上，并具有第一介质孔；第一磁性层103，形成于第一介质孔中，第一磁性层103的顶面与第一钝化介质层101的顶面处于同一平面；第二钝化介质层104，位于第一磁性层103上，并具有第二介质孔；隧穿绝缘层106及第二磁性层107，依次形成于第二介质孔中；以及顶电极108，位于第二磁性层107上。
可选地，第一介质孔为陡直形介质孔。可选地，第一介质孔的侧壁与底面的夹角角度优选在90°±15°之间。优选地，第一介质孔的光刻孔径直径为10～200nm。
可选地，第二介质孔为陡直形孔。优选地，第二介质孔的侧壁与底面的夹角角度在90°±15°之间。优选地，第二介质孔的光刻孔径与第一介质孔的光刻孔径直径相同。
优选地，第一钝化介质层的厚度为40～50nm，第二钝化介质层的厚度为40～50nm。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磁隧道结制造方法，其特征在于，
包括以下步骤：
第一介质孔形成步骤，在底电极上形成第一钝化介质层，并在所述第一钝化介质层中形成第一介质孔；
第一磁性层形成步骤，在所述第一介质孔中形成第一磁性层，使所述第一磁性层的顶面与所述第一钝化介质层的顶面处于同一平面；
第二介质孔形成步骤，在所述第一磁性层上形成第二钝化介质层，并在所述第二钝化介质层中形成第二介质孔；
隧穿绝缘层及第二磁性层形成步骤，在所述第二介质孔中依次形成隧穿绝缘层和第二磁性层，其中，所述隧穿绝缘层覆盖所述第二介质孔的底部和侧壁；以及
顶电极形成步骤，在所述第二磁性层上形成顶电极。
2.根据权利要求1所述的磁隧道结制造方法，其特征在于，
所述第一介质孔为陡直形孔。
3.根据权利要求1所述的磁隧道结制造方法，其特征在于，
所述第一介质孔的侧壁与底面的夹角角度在90°±15°之间。
4.根据权利要求1所述的磁隧道结制造方法，其特征在于，
所述第一介质孔的光刻孔径直径为10～200nm。
5.根据权利要求1所述的磁隧道结制造方法，其特征在于，
所述第二介质孔的光刻孔径与所述第一介质孔的光刻孔径的直径相同。
6.根据权利要求1所述的磁隧道结制造方法，其特征在于，
所述第一钝化介质层的厚度为40～50nm，所述第二钝化介质层的厚度为40～50nm。
7.一种磁隧道结，其特征在于，
包括：
底电极；
第一钝化介质层，形成于所述底电极上，并具有第一介质孔；
第一磁性层，形成于所述第一介质孔中，所述第一磁性层的顶面与所述第一钝化介质层的顶面处于同一平面；
第二钝化介质层，位于所述第一磁性层上，并具有第二介质孔；
隧穿绝缘层及第二磁性层，依次形成于所述第二介质孔中，其中，所述隧穿绝缘层覆盖所述第二介质孔的底部和侧壁；以及
顶电极，位于所述第二磁性层上。
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