CN108123029B

CN108123029B - Mtj器件的制作方法

Info

Publication number: CN108123029B
Application number: CN201611075608.6A
Authority: CN
Inventors: 喻涛; 左正笏; 陈志刚; 谷勋; 刘瑞盛
Original assignee: CETHIK Group Ltd; Hikstor Technology Co Ltd
Current assignee: CETHIK Group Ltd; Hikstor Technology Co Ltd
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2021-08-27
Anticipated expiration: 2036-11-29
Also published as: CN108123029A

Abstract

本申请提供了一种MTJ器件的制作方法。该制作方法包括：步骤S1，在衬底表面上设置功能膜，形成预成品，功能膜包括MTJ膜；步骤S2，在功能膜的远离衬底的表面上设置离子注入掩膜材料，并对离子注入掩膜材料进行图形化处理得到离子注入掩膜；步骤S3，对设置有离子注入掩膜的预成品依次进行氧离子注入与退火，在离子注入掩膜之外的区域形成氧离子注入膜；步骤S4，去除氧离子注入膜，形成凹陷；步骤S5，在凹陷内设置介电材料，且使介电材料和离子注入掩膜的远离衬底的表面在同一平面，其中，介电材料的介电常数在1.4～7.0之间。该制作方法制作得到的MTJ器件的介电常数较小，使得MRAM芯片的运算速度较快。

Description

MTJ器件的制作方法

技术领域

本申请涉及计算机存储技术领域，具体而言，涉及一种MTJ器件的制作方法。

背景技术

磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，简称MRAM)利用材料的磁电阻效应来实现数据的存储，其核心的存储单元是磁隧道结(MTJ器件)。

近年来，MRAM作为下一代固态非易失存储器，目前受到广泛关注。MTJ器件是由三层膜材料构成，一层磁化方向可变的存储层，一层绝缘隧穿层，一层磁化方向固定的参比层。

在MRAM制备过程中，MTJ器件的图形化工艺已经成为最有挑战的工艺之一。传统图形化小尺寸的技术，比如离子束轰击，反应离子束刻蚀等技术已经不能满足MTJ堆的制备。基于离子注入的图形化技术能够比较精确地控制MTJ图形并且无需刻蚀步骤，已经被应用于MRAM制备中，然而，由于离子注入后的MTJ器件的介电常数较大，进而导致MRAM芯片的处理速度较低。

为了提高芯片处理速度，亟需解决上述问题。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种MTJ器件的制作方法，以解决现有技术中的在基于离子注入的图形化处理后的MTJ器件的介电常数较大的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种MTJ器件的制作方法，该制作方法包括：步骤S1，在衬底表面上设置功能膜，形成预成品，上述功能膜包括MTJ膜；步骤S2，在上述功能膜的远离上述衬底的表面上设置离子注入掩膜材料，并对上述离子注入掩膜材料进行图形化处理，得到离子注入掩膜；步骤S3，对设置有上述离子注入掩膜的上述预成品依次进行氧离子注入与退火，在上述离子注入掩膜之外的区域形成氧离子注入膜；步骤S4，去除上述氧离子注入膜，上述氧离子注入膜对应的位置处形成凹陷；步骤S5，在上述凹陷内设置介电材料，且使上述介电材料和上述离子注入掩膜的远离上述衬底的表面在同一平面，其中，上述介电材料的介电常数在1.4～7.0之间。

进一步地，上述功能膜还包括至少一个氧离子俘获层，上述氧离子俘获层设置在上述MTJ膜的表面上，优选包括两个上述氧离子俘获层，分别是第一氧离子俘获层和第二氧离子俘获层，上述步骤S1包括：步骤S11，提供上述衬底；步骤S12，在上述衬底的表面上沿远离上述衬底的方向依次设置上述第一氧离子俘获层、上述MTJ膜和上述第二氧离子俘获层。

进一步地，上述第一氧离子俘获层的材料与上述第二氧离子俘获层的材料各自独立地选自Mg、Zr与Al中的一种或多种，优选Mg。

进一步地，上述步骤S12包括：步骤S121，在上述衬底的表面上设置注入停止层；步骤S122，在上述注入停止层的远离上述衬底的表面上依次设置上述第一氧离子俘获层、上述MTJ膜和上述第二氧离子俘获层。

进一步地，上述注入停止层的材料包括Hf、W、Ta、Re、Ir、Pt与Au中的一种或多种，优选包括Pt或Au。

进一步地，上述功能膜还包括保护层，在上述步骤S12之后，上述步骤S1还包括：步骤S13，在上述第二氧离子俘获层的远离上述MTJ膜的表面上设置保护层。

进一步地，上述保护层的材料包括Ru、Cu、Al与Cr中的一种或多种，优选包括Ru。

进一步地，在上述步骤S5之后，上述制作方法还包括：在上述介电材料和上述离子注入掩膜形成的平面上设置图形化的电极层。

进一步地，上述氧离子注入的过程为完全氧化的过程。

进一步地，上述离子注入掩膜的材料包括Hf、W、Ta、Re、Ir、Pt与Au中的一种或多种，优选包括Pt或Au。

进一步地，上述介电材料包括SiO_X，SiN_Y与Al₂O₃中的一种或多种，其中，1≤X≤2，2/3≤Y≤4/3。

应用本申请的技术方案，在制作MTJ器件的过程中，在氧离子注入并退火后，氧离子均匀地分散在氧离子注入膜中的MTJ层中形成非磁性电绝缘体层，然后光刻去除氧离子注入膜形成凹陷，只剩下未分散有氧离子的功能膜，然后将介电材料回填到衬底上凹陷中，由于回填的介电材料相比氧离子注入膜来说，介电常数较小，这样就使得MTJ器件的介电常数较小，芯片的处理速度较大。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本申请的一种典型的实施方式提供的MTJ的制作方法的流程示意图；以及

图2示出了在衬底表面上沉积注入停止层、功能膜、离子注入掩膜以及保护层后的结构示意图；

图3示出了对图2所示的结构进行氧离子注入并退火后的结构示意图；

图4示出了对图3中的结构进行刻蚀后形成的结构的示意图；

图5示出了对图4所示的结构进行回填后形成的结构的示意图；以及

图6示出了在图5的结构上设置电极层后的结构的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、衬底；2、注入停止层；3、第一氧离子俘获层；4、MTJ膜；5、第二氧离子俘获层；6、保护层；7、离子注入掩膜；8、介质区；9、电极层；01、氧离子。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中的基于氧离子注入的图形化工艺导致MRAM的处理速度较慢，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种MTJ器件的制作方法。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种MTJ器件的制作方法，如图1所示，该方法包括：步骤S1，在衬底1表面上设置功能膜，形成预成品，上述功能膜包括MTJ膜4；步骤S2，在上述功能膜的远离上述衬底1的表面上设置离子注入掩膜材料，并对上述离子注入掩膜材料进行图形化处理，得到图2所示的离子注入掩膜7；步骤S3，对设置有上述离子注入掩膜7的上述预成品依次进行氧离子注入与退火，在上述离子注入掩膜7之外的区域形成氧离子注入膜，即表面没有注入掩膜掩蔽的区域均注入了氧离子，形成了图3所示的氧离子注入膜；步骤S4，去除上述氧离子注入膜，在上述氧离子注入膜对应的位置处形成图4所示的凹陷，该凹陷表示衬底1上的与注入掩膜最上面的裸露的表面不在同一个平面的区域；步骤S5，在上述凹陷内设置介电材料，即将凹陷的区域再填平，且使上述介电材料和上述离子注入掩膜7的远离上述衬底的表面在同一平面，形成介质区8，如图5所示，且该平面与衬底1的设置有功能膜的表面相对，其中，上述介电材料的介电常数在1.4～7.0之间。

在制作MTJ器件的过程中，在氧离子注入并退火后，氧离子均匀地分散在氧离子注入膜中的MTJ膜中形成非磁性电绝缘体层，然后光刻去除氧离子注入膜形成凹陷，只剩下未分散有氧离子的功能膜，然后将介电材料回填到衬底上凹陷中，由于回填的介电材料相比氧离子注入膜来说，介电常数较小，这样就使得MTJ器件的介电常数较小，芯片的处理速度较大。

本申请中的MTJ器件是指MTJ元，也称MTJ堆，就是具有自由层，势垒层和钉扎层等多层膜复合结构单元。

本申请中的步骤S4中的去除氧离子注入膜的过程可以采用湿法刻蚀，也可以采用干法刻蚀，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的方法去除氧离子注入膜。

本申请的一种实施例中，采用干法刻蚀法去除氧离子注入膜，干法刻蚀具有较好的各向异性，能够较好地控制刻蚀图形的精度。

为了进一步保证有较多的氧离子分散在非工作区域中的MTJ膜中，进而进一步保证非工作区域中的MTJ膜转化为非磁性电绝缘体，本申请的一种优选实施例中，上述功能膜还包括至少一个氧离子俘获层，上述氧离子俘获层设置在上述MTJ膜的表面上。

本领域技术人员可以根据实际情况，将氧离子俘获层设置在合适的位置上，比如可以将其设置在MTJ膜的远离上述衬底的表面上，这时，氧离子俘获层不仅能够起到俘获大量氧离子的作用，当进行氧离子注入时，还能够起到保护MTJ膜的作用；当然，也可以将其设置在MTJ膜的靠近衬底的表面上。

本申请的一种实施例中，上述功能膜还包括两个上述氧离子俘获层，分别是第一氧离子俘获层3和第二氧离子俘获层5，上述步骤S1包括：步骤S11，提供上述衬底1；步骤S12，在上述衬底1的表面上沿远离上述衬底1的方向依次设置上述第一氧离子俘获层3、上述MTJ膜4和上述第二氧离子俘获层5，形成图2所示的结构。在MTJ膜的两个表面上均设置氧离子俘获层，可以更好地俘获氧离子，进而保证退火后，更多的氧离子分散在非工作区域中的MTJ膜中，进而进一步保证了非工作区域中的MTJ膜转化为非磁性电绝缘体。并且，第二氧离子俘获层还能够起到保护MTJ膜的作用，避免工作区的MTJ膜被损伤。

本申请中的氧离子俘获层的材料可以是现有技术中的任何可以具有较好的氧离子俘获能力的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料作为氧离子俘获层。

本申请的一种实施例中，上述第一氧离子俘获层的材料与上述第二氧离子俘获层的材料各自独立地选自Mg、Zr与Al中的一种或多种，这些材料的氧离子俘获能力较好并且与半导体工艺兼容。第一氧离子俘获层的材料可以与第二氧离子俘获层的材料相同，也可以不同，本领域技术人员可以根据实际情况选择形成二者的材料。

为了进一步保证氧离子俘获层具有较好的氧离子俘获能力，且使得其与MTJ膜的势垒层具有相同的元素进而无需开发新的刻蚀工艺，本申请优选上述第一氧离子俘获层的材料与上述第二氧离子俘获层的材料为Mg。

本申请的另一种实施例中，上述步骤S12包括：步骤S121，在上述衬底1的表面上设置注入停止层2，通过注入停止层2可以很好地控制注入氧离子的深度，使得氧离子注入的最深的位置也在注入停止层2的上方；步骤S122，在上述注入停止层2的远离上述衬底1的表面上依次设置上述第一氧离子俘获层3、上述MTJ膜4和上述第二氧离子俘获层5，形成图2所示的结构。

当然，MTJ器件中也可以不通过注入停止层控制氧离子的注入深度，本领域技术人员可以通过其他的工艺手段，比如控制注入的温度、时间等工艺参数，来控制氧离子的注入深度。

本申请中的注入停止层的材料可以是现有技术中的任何可以具有较好的截止氧离子能力的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料作为注入停止层。

为了进一步保证注入停止层能够较好地控制氧离子的注入深度且与半导体工艺兼容，本申请的一种实施例中，上述注入停止层的材料包括Hf、W、Ta、Re、Ir、Pt与Au中的一种或多种。

本申请的再一种实施例中，上述注入停止层的材料包括Pt或Au。这样能够与半导体工艺兼容，并且这两种材料取材容易。

为了对MTJ膜进行有效地保护，进一步避免工作区的MTJ膜在离子注入过程中被损伤，本申请的一种实施例中，如图2所示，上述功能膜还包括保护层6，在上述步骤S12之后，上述步骤S1还包括：步骤S13，在上述第二氧离子俘获层5的远离上述MTJ膜4的表面上设置保护层6。

本申请的保护层的材料可以是任意耐离子注入工艺损伤的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料作为保护层。

本申请的又一种实施例中，上述保护层的材料包括Ru、Cu、Al与Cr中的一种或多种，这样材料不仅能够起到保护MTJ膜的作用。

为了进一步提高保护层的抗氧化性能，进而更好地保护MTJ膜，上述保护层的材料包括Ru。

本申请的一种实施例中，在上述步骤S5之后，上述制作方法还包括：在上述介电材料和上述离子注入掩膜7形成的平面上设置图形化的电极层9，形成图6所示的结构。

为了使得氧离子注入膜完全氧化，进而使得后续能够较去除氧离子注入膜，本申请的一种实施例中，氧离子注入的过程为完全氧化的过程。

本申请的再一种实施例中，上述离子注入掩膜的材料包括Hf、W、Ta、Re、Ir、Pt与Au中的一种或多种。但是离子注入掩膜的材料并不限于上述的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择任何能够阻挡或截止氧离子的材料形成离子注入掩膜。

为了保证离子注入掩膜能够较好地阻挡氧离子，本申请的一种实施例中，上述离子注入掩膜的材料包括Pt或Au。

本申请中的离子注入掩膜与注入停止层的材料均是阻挡或者截止氧离子的材料，形成二者的材料可以是相同的，也可以是不同的，本领域技术人员可以根据实际情况设置二者的材料相同或者不同。

本领域技术人员可以根据实际情况选择现有技术中的任何可以满足衬底的性能要求的材料形成衬底。例如可以选择Ta、Ti、TaN、TiN、Cu、Ag、Au、Al、Ir、Ru、Rh、Zr、Hf、MgO、Pt、Pd、NiCr、NiAl与NiTa中的一种或几种。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料作为衬底的材料。

本申请中的MTJ膜包括钉扎层(也称参考层)、绝缘势垒层和自由层。其中，绝缘势垒层位于钉扎层和自由层之间。本领域技术人员可以根据实际情况设置合适结构的钉扎层，此处就不再赘述了。

为了使得形成的MTJ器件具有较小的介电常数，进一步保证MRAM具有较快的处理速度，本申请的一种实施例中，上述介电材料包括SiO_X，SiN_Y与Al₂O₃中的一种或多种，其中，1≤X≤2，2/3≤Y≤4/3。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地理解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明本申请的技术方案。

实施例

MTJ器件的制作过程包括：

在衬底1(Ta层，厚度为3nm)的表面上，依次沉积注入停止层2、第一氧离子俘获层3、MTJ膜4、第二氧离子俘获层5以及保护层6，形成图1所示的结构。其中，注入停止层2为W层，厚度为20nm；第一氧离子俘获层3为Mg层，厚度为1nm；第二氧离子俘获层5为Al层，厚度为30nm；MTJ膜4包括依次远离衬底1的钉扎层、绝缘势垒层和自由层，其中，钉扎层为Co/Pt层，厚度为5nm，绝缘势垒层为MgO层，厚度为1.0nm，自由层为CoFeB/CoFe层，厚度为2nm；保护层6的材料为Cu，厚度为10nm。

在保护层6的远离第二氧离子俘获层5的表面上沉积厚度6nm的Pt并图形化，形成图2所示的离子注入掩膜7。

对图2所示的结构依次进行氧离子注入与高温退火，如图3所示，在上述离子注入掩膜7之外的区域形成氧离子注入膜，退火的温度为400℃，退火的时间为300s。经过离子注入与退火后，氧离子01均匀地分散在氧离子注入膜中的MTJ膜4中。

采用干法刻蚀法去除图3所示的上述氧离子注入膜，如图4所示，上述氧离子注入膜对应的位置处形成凹陷。

在图4所示的凹陷内填充SiO₂材料并平坦化，且使上述介电材料和上述离子注入掩膜7的裸露表面在同一平面，介电材料形成如图5所示的介质区8，其中，上述SiO₂的介电常数为3.5。

在上述介电材料和上述离子注入掩膜7形成的平面上形成6所示的图形化的电极层9，进而形成MTJ器件。

该实施例制备得到的MTJ器件，由于介质区由介电常数较小的材料填充而成，使得MTJ器件的介电常数较小，进而形成的MRAM芯片具有较快的运算速度。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

在制作MTJ器件的过程中，在氧离子注入并退火后，氧离子均匀地分散在氧离子注入膜中的MTJ层中形成非磁性电绝缘体层，然后光刻去除氧离子注入膜形成凹陷，只剩下未分散有氧离子的功能膜，然后将介电材料回填到衬底上凹陷中，由于回填的介电材料相比氧离子注入膜来说，介电常数较小，这样就使得MTJ器件的介电常数较小，芯片的处理速度较大。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种MTJ器件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

步骤S1，在衬底表面上设置功能膜，形成预成品，所述功能膜包括MTJ膜；

步骤S2，在所述功能膜的远离所述衬底的表面上设置离子注入掩膜材料，并对所述离子注入掩膜材料进行图形化处理，得到离子注入掩膜；

步骤S3，对设置有所述离子注入掩膜的所述预成品依次进行氧离子注入与退火，在所述离子注入掩膜之外的区域形成氧离子注入膜；

步骤S4，去除所述氧离子注入膜，所述氧离子注入膜对应的位置处形成凹陷；以及

步骤S5，在所述凹陷内设置介电材料，且使所述介电材料和所述离子注入掩膜的远离所述衬底的表面在同一平面，其中，所述介电材料的介电常数在1.4～7.0之间。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述功能膜还包括至少一个氧离子俘获层，所述氧离子俘获层设置在所述MTJ膜的表面上。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述功能膜包括两个所述氧离子俘获层，分别是第一氧离子俘获层和第二氧离子俘获层，所述步骤S1包括：

步骤S11，提供所述衬底；以及

步骤S12，在所述衬底的表面上沿远离所述衬底的方向依次设置所述第一氧离子俘获层、所述MTJ膜和所述第二氧离子俘获层。

4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述第一氧离子俘获层的材料与所述第二氧离子俘获层的材料各自独立地选自Mg、Zr与Al中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述第一氧离子俘获层的材料与所述第二氧离子俘获层的材料均为Mg。

6.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S12包括：

步骤S121，在所述衬底的表面上设置注入停止层；以及

步骤S122，在所述注入停止层的远离所述衬底的表面上依次设置所述第一氧离子俘获层、所述MTJ膜和所述第二氧离子俘获层。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述注入停止层的材料包括Hf、W、Ta、Re、Ir、Pt与Au中的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述注入停止层的材料包括Pt或Au。

9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述功能膜还包括保护层，在所述步骤S12之后，所述步骤S1还包括：

步骤S13，在所述第二氧离子俘获层的远离所述MTJ膜的表面上设置保护层。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述保护层的材料包括Ru、Cu、Al与Cr中的一种或多种。

11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，所述保护层的材料包括Ru。

12.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤S5之后，所述制作方法还包括：

在所述介电材料和所述离子注入掩膜形成的平面上设置图形化的电极层。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的制作方法，其特征在于，所述氧离子注入的过程为完全氧化的过程。

14.根据权利要求1至12中任一项所述的制作方法，其特征在于，所述离子注入掩膜的材料包括Hf、W、Ta、Re、Ir、Pt与Au中的一种或多种。

15.根据权利要求14所述的制作方法，其特征在于，所述离子注入掩膜的材料包括Pt或Au。

16.根据权利要求1至12中任一项所述的制作方法，其特征在于，所述介电材料包括SiO_X，SiN_Y与Al₂O₃中的一种或多种，其中，1≤X≤2，2/3≤Y≤4/3。