CN108232010A

CN108232010A - 一种气体团簇离子束平坦化磁性隧道结底电极的方法

Info

Publication number: CN108232010A
Application number: CN201611193626.4A
Authority: CN
Inventors: 张云森
Original assignee: Shanghai Ciyu Information Technologies Co Ltd
Current assignee: Shanghai Ciyu Information Technologies Co Ltd
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: CN108232010B

Abstract

本发明提供了一种气体团簇离子束平坦化磁性隧道结底电极的方法，采用气体团簇离子束对磁性隧道结底电极进行平坦化，使底电极的平均表面粗糙度达到沉积磁性隧道结薄膜的要求。由于低能气体团簇离子束的横向溅射效应，能够有效的消除局部表面不平整，通过改变入射剂量，辐照角度和/或添加有机醇、酸或醛等以获得最佳的表面粗糙度，提升了磁性隧道结的成膜质量和磁性/电学性能，有利于MRAM回路良率的提升；由于GCIB可以和PVD可以集成到一个系统中，降低工艺的复杂性，同时，避免了由于添加CMP及其后清洗工艺而带来的污染，非常适合MRAM的大规划生产。

Description

一种气体团簇离子束平坦化磁性隧道结底电极的方法

技术领域

本发明涉及一种磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)底电极(BottomElectrode)的处理方法，具体涉及一种气体团簇离子束(GCIB，GasCluster Ion Beam)平坦化磁性隧道结底电极的方法，属于磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom AccessMemory)制造技术领域。

背景技术

近年来，采用磁性隧道结(MTJ)的MRAM被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。

为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。依此方法，即可通过向磁电阻元件提供自旋极化电流来反转磁性记忆层的磁化强度方向。此外，随着磁性记忆层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。因此，这种写方法可同时实现器件微型化和降低电流。

同时，鉴于减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相契合。因此，期望是将pSTT-MRAM元件做成极小尺寸，并具有非常好的均匀性，以及把对MTJ磁性的影响减至最小，所采用的制备方法还可实现高良莠率、高精确度、高可靠性、低能耗，以及保持适于数据良好保存的温度系数。同时，非易失性记忆体中写操作是基于阻态变化，从而需要控制由此引起的对MTJ记忆器件寿命的破坏与缩短。然而，制备一个小型MTJ元件可能会增加MTJ电阻的波动，使得pSTT-MRAM的写电压或电流也会随之有较大的波动，这样会损伤MRAM的性能。

在现在的MRAM制造工艺中，为了实现MRAM电路缩微化的要求，通常在带有表面抛光的CMOS通孔VIA_x(x≥1)的基底上直接制作MTJ单元，同时，使VIA_x(x≥1)和磁性隧道结(MTJ)单元对齐，即：所谓的on-axis结构；然而，在化学机械抛光(CMP，ChemicalMechanical Planarization)通孔VIA_x(x≥1)时候，由于研磨金属(比如：铜或者钨等)对电介质(比如：SiO₂或者低介常数(low-k)材料等)的选择比都比较高(通常高于50)。这样会在研磨VIA_x(x≥1)产生过度研磨，从而产生蝶形凹陷(dishing)，如图3所示，同时也会使局部的表面粗糙度(Ra)增大。为了控制超薄势垒层的质量和避免奈尔效应(Neel effect)，通常要求在沉积磁性隧道结(MTJ)多层膜之前，基底的表面粗糙度(Ra)被控制在0.2nm以下，比如：0.1nm等。

为了保证在沉积磁性隧道结的时候基底具有良好的表面粗糙度，一般采用CMP工艺对底电极进行研磨，比如：“Demonstration of yield improvement for on-via MTJusing a 2-M2bit 1T-1J STT-MRAM test chip,International Memory Workshop,2016”。但是，由于CMP工艺本身的特性，比如：由于研磨浆(Slurry)和CMP后清洗工艺的引入等，都有可能对基底带来新的污染，从而引起Ra的变化。

近年来，在CMOS电路制造工艺中，为了获得良好的表面平整度，气体图簇离子束(GCIB，Gas Cluster Ion Beam)工艺技术被用在铜通孔(Cu Via)的CMP工艺之后(比如：专利US7405152B2和US7709344B2等)以解决研磨选择比和局部缺陷产生的一些列问题；

另外，一些研究，比如：“Surface Smoothing of Polycrystalline Substrateswith Gas Cluster Ion Beams”,Jpn，Appl，Phys.49(2010)06GH09报道了通过GCIB工艺处理的SiC和YAG的衬底Ra分别是0.3nm和0.7nm；“Development of Cu Etching Using O2Cluster Ion Beam under Acetic Acid Gas Atmosphere”,Jpn.J.Appl.Phys.51(2012)报道了经过CMP处理过铜膜(Ra＝0.82nm)在乙酸的气氛中通过O₂-GCIB再次平坦化，其值为0.31nm。表明GCIB是一种非常有用的平坦化技术。

如图1所示，气体团簇(Gas Cluster)源产生团簇束的原理是用数倍于标准大气压的气体，如：Ar、O₂、N₂、CO₂、NF₃、SF₆等，经过一个亚毫米直径的细小喷嘴111进入团簇发生真空腔110，发生超声绝热冷凝膨胀，气体分子，原子碰撞而形成团簇，团簇一般用500到10，000个原子彼此靠范德华力结合在一起；在超声膨胀形成的气流中，实际上只有一小部分气体形成图簇，而且具有较大的发散，因此，需要采用分束准直装置阻挡发散的，边缘非团簇气体，只允许直线行进的气体团簇通过滤束器(Skimmer)112，经过滤束器(Skimmer)112的准直团簇气流随即进入高真空的离化系统，即：电离腔120，被炙热灯丝(电离器121)发射的电子轰击而电离，形成带正电的图簇束。这些气体图簇离子束被外加电场(加速器122)所加速，获得较高能量，进入偏转磁场123，在此过程中，单原子和较小团簇离子束将会发生偏移，而较大的团簇离子由于没有发生偏移则可以进入工艺腔130。当团簇离子束与衬底131表面发生碰撞时，团簇发生分裂，形成更小的团簇或原子，增加了原子横向迁移，即所谓的横向溅射效应(Later Sputter Effect)，同时，由于单个原子的能量比较小，不会表面产生损伤；例如：由2000个原子组成的团簇在20KeV条件下，被一个原子获得能量仅仅为10eV。

发明内容

本发明提供的一种气体团簇离子束平坦化磁性隧道结底电极的方法，采用气体团簇离子束(GCIB)对底电极基底进行平坦化，使其平均表面粗糙度(Ra)达到沉积磁性隧道结薄膜的要求。具体技术方案如下：

一种平坦化磁性隧道结底电极的方法，采用气体团簇离子束对磁性隧道结底电极进行平坦化，使底电极的平均表面粗糙度达到沉积磁性隧道结薄膜的要求。包括如下步骤：

步骤一：提供CMOS基底，并在基底上形成底电极；

步骤二：采用气体团簇离子束对底电极进行平坦化；气体团簇离子束所采用的气体为Ar、N₂、O₂、CO、CO₂、NO、N₂O、NO、NO₂、NH₃、H₂、He、Ne、Xe、CF₄、SF₆、NF₃、CHF₃、CH₂F₂或CH₄等中的一种或者几种。

优选地，气体团簇离子束所采用的气体为O₂。

优选地，选用有机醇、酸或醛作为辅助气体，辅助气体分压范围是5×10^-4Pa～5×10^-2Pa。

更优选地，选用CH₃0H、C₂H₅0H、HCOOH或CH₃COOH作为辅助气体。

优选地，气体团簇离子束的能量范围是3KeV～60KeV。

优选地，气体团簇离子束的辐照角度范围是0度～90度。

更优选地，气体团簇离子束的辐照角度范围是60度～90度。

再优选地，气体团簇离子束的辐照角度选用82度、85度或88度。

优选地，气体团簇离子束的辐照剂量范围是5×10¹³ions/cm²～5×10¹⁸ions/cm²。

本发明的有益效果：由于低能团簇离子束(GCIB)的横向溅射效应(LateralSputter Effect)，能够有效的消除局部表面不平整(比如：NU WID)，通过改变入射剂量，辐照角度和/或添加有机醇，酸或醛等以获得最佳的表面粗糙度，提升了磁性隧道结的成膜质量和磁性/电学性能，有利于MRAM回路良率的提升；由于GCIB可以和PVD可以集成到一个系统中，降低工艺的复杂性，同时，避免了由于添加CMP及其后清洗工艺，而带来的污染，非常适合于MRAM的大规划生产。

附图说明

图1是本发明气体团簇离子束平坦化工艺装置的结构示意图；

图2是本发明气体团簇离子束平坦化磁性隧道结底电极的流程图；

图3是采用化学机械抛光带来的蝶形凹陷的示意图；

图4是采用化学机械抛光带来金属表面的粗糙化的示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例中，在CMOS基底上沉积底电极膜层后的示意图；

图6和图7是本发明的一个较佳实施例中，大角度GCIB辐射平坦化底电极的过程示意图；

图8是本发明的一个较佳实施例中，采用GCIB对底电极进行平坦化之后的示意图；

图9是本发明的一个较佳实施例中，依次形成磁性隧道结多层膜和硬掩模膜层之后的示意图；

图10是本发明的一个较佳实施例中，对磁性隧道结进行图案化制作之后的示意图。

图中所示：100-气体团簇离子束平坦化工艺装置，110-团簇发生真空腔，111-喷嘴(Nozzle)，112-滤束器(Skimmer)，120-电离腔，121-电离器，122-加速器，123-偏转磁场，130-工艺腔，131-衬底(晶圆控制台)，132-气体通道，201-V_x(x≥1)电介质(IMD_x(x≥1)，Inter Metal Dielectric)，202-金属通孔V_x(x≥1)，210-底电极膜层，220-磁性隧道结多层膜，221-参考层(或记忆层)，222-势垒层，223-记忆层(或参考层)，230-硬掩模膜层，240-自对准刻蚀掩模，250-MTJ电介质。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供的一种气体团簇离子束平坦化磁性隧道结底电极的方法，采用气体团簇离子束(GCIB)对底电极基底进行平坦化，使其平均(Ra)达到沉积磁性隧道结薄膜的要求。由于低能团簇离子束(GCIB)的横向溅射效应(Lateral SputterEffect)，能够有效的消除局部表面不平整(比如：NU WID)，通过改变入射剂量，辐照角度和/或添加有机醇，酸或醛等以获得最佳的表面粗糙度。其形成步骤如下，如图2所示：

步骤一：提供CMOS基底，并在基底上形成底电极膜层210，如图3～图5所示；

其中，V_x(x≥1)电介质(IMD_x(x≥1)，Inter Metal Dielectric)201为SiO₂或者low-k电介质等，比如：HSQ，MSQ或SiOCH等，V_x(x≥1)202的材料为金属铜、钨或者钽等；采用化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Planarization)而带来的蝶形凹陷(dishing)的高度为h，如图3所示，和V_x(x≥1)202金属表面的粗糙化，如图4所示。

底电极膜层210包括种子层和导电层，一般采用物理气象沉积(PVD，PhysicalChemical Deposition)或原子层沉积(ALD，Atomic Layer Deposition)等方法实现，种子层为Ta、TaN、W、WN、Ti或TiN等，种子层的厚度为0.5nm～5nm；导电层为Cu、CuN、Mo、Ta、TaN、W、WN、Pt或者Ru等，导电层的厚度为5.0nm～30nm；

在底电极膜层210沉积之后，CMOS基底的不平整现象将会转移到底电极膜层210，如图5所示。

步骤二：采用气体团簇离子束对底电极膜层210进行平坦化，如图6和图8所示；气体团簇离子束(GCIB，Gas Cluster Ion Beam)所采用的气体为Ar、N₂、O₂、CO、CO₂、NO、N₂O、NO、NO₂、NH₃、H₂、He、Ne、Xe、CF₄、SF₆、NF₃、CHF₃、CH₂F₂和CH₄中的一种或者几种，GCIB的能量为3KeV到60KeV不等，辐照角度(irradiation angle：θ)为0度到90度不等，辐照剂量(irradiation dose)为5×10¹³到5×10¹⁸ions/cm²不等。

作为优选，选择大角度进行辐照，比如：82度，85度或88度等；

作为优选，选择O₂作为GCIB的团簇气体，选用CH₃0H、C₂H₅0H、HCOOH或CH₃COOH等有机醇、酸或醛作为辅助气体从气体通道132接入工艺腔130中，并维持其分压在5×10^-4Pa到5×10^-2Pa。

步骤三：依次形成磁性隧道结多层膜220和硬掩模膜层230，如图9所示；磁性隧道结(MTJ)多层膜220的总厚度为15nm～40nm，可以是由参考层、势垒层和记忆层的依次向上叠加的Bottom Pinned结构或者是由记忆层、势垒层和参考层的依次向上叠加的TopPinned结构。

进一步地，参考层具有磁极化不变性，根据其是面内型(iSTT-MRAM)或垂直(pSTT-MRAM)结构有所不同。面内型(iSTT-MRAM)的参考层一般具有(IrMn或PtMn)/CoFe/Ru/CoFe结构，其优选总厚度为10～30nm；垂直型(pSTT-MRAM)的参考层一般具有TbCoFe或[Co/Pt]_nCo/Ru/[CoPt]_m超晶格多层膜结构，其优选总厚度为8～20nm。

进一步地，势垒层为非磁性金属氧化物，优选MgO或Al₂O₃，其厚度为0.5nm～3nm。

进一步地，记忆层具有可变磁极化，根据其是面内型(iSTT-MRAM)或垂直(pSTT-MRAM)结构又所不同。面内型iSTT-MRAM的记忆层一般为CoFe/CoFeB或CoFe/NiFe，其优选厚度为2nm～6nm，垂直型pSTT-MRAM记忆层一般为CoFeB、CoFe/CoFeB、Fe/CoFeB、CoFeB(Ta，W，Mo)/CoFeB，其优选厚度为0.8nm～2nm。

硬掩模膜层230的厚度为20nm～100nm，选择Ta、TaN、W或WN等以期在卤素电浆中获得更好刻轮廓。

步骤四：对磁性隧道结220进行图案化制作，如图10所示；此步骤可以分为如下几个步骤：

(1)图形化定义磁性隧道结220图案，并对记忆层(或参考层)223进行刻蚀并停止在势垒层222上；在此过程中，采用一次光刻一次刻蚀(LE，lithography-etching)或者两次光刻两次刻蚀(LELE，lithography-etching-lithography-etching)的方法完成对磁性隧道结220的定义和硬掩模膜层230的反应离子(RIE)刻蚀，并同时采用RIE工艺除去残留的聚合物，以使图案转移到磁性隧道结220的顶部。采用反应离子刻蚀(RIE，ReactiveIonEtching)和/或者离子束刻蚀(IBE，Ion Beam Etching)的方法完成对记忆层(或参考层)223的刻蚀。其中，IBE主要采用Ar、Kr或者Xe等作为离子源；RIE主要采用CH₃OH、CH₄/Ar、C₂H₅OH、CH₃OH/Ar或者CO/NH₃等作为主要刻蚀气体；并采用发射光谱仪(OES，OpticalEmission Spectroscopy)或者二次离子质谱仪(SIMS，Second Ion Mass Spectroscopy)来判断刻蚀终点信号。

(2)自对准工艺刻蚀磁性隧道结势垒层222，参考层(或记忆层)221和底电极210。首先，沉积一层自对准刻蚀掩模240，其材料选择SiO₂、SiO₂、SiN、SiCN、SiC、Al₂O₃、MgO或者AlN等，其形成方法可以是PVD、ALD、化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)或者离子束沉积(IBD，Ion Beam Deposition)等；紧接着，使底电极210和参考层(或记忆层)221自对准硬掩模膜层230，完成对磁性隧道结220的刻蚀。其中，IBE主要采用Ar、Kr或者Xe等作为离子源；RIE主要采用CH₃OH、CH₄/Ar、C₂H₅OH、CH₃OH/Ar或者CO/NH₃等作为主要刻蚀气体；并采用发射光谱仪(OES，Optical Emission Spectroscopy)或者二次离子质谱仪(SIMS，Second Ion Mass Spectroscopy)来判断刻蚀终点信号。

(3)填充电介质250，并采用化学机械抛光磨平磁性隧道结电介质层250直到硬掩膜230顶部。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种平坦化磁性隧道结底电极的方法，其特征在于，采用气体团簇离子束对磁性隧道结底电极进行平坦化，使所述底电极的平均表面粗糙度达到沉积磁性隧道结薄膜的要求。

2.根据权利要求1所述的一种平坦化磁性隧道结底电极的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：提供CMOS基底，并在所述基底上形成所述底电极；

步骤二：采用气体团簇离子束对所述底电极进行平坦化；所述气体团簇离子束所采用的气体为Ar、N₂、O₂、CO、CO₂、NO、N₂O、NO、NO₂、NH₃、H₂、He、Ne、Xe、CF₄、SF₆、NF₃、CHF₃、CH₂F₂或CH₄中的一种或者几种。

3.根据权利要求2所述的一种平坦化磁性隧道结底电极的方法，其特征在于，所述气体团簇离子束所采用的气体为O₂。

4.根据权利要求3所述的一种平坦化磁性隧道结底电极的方法，其特征在于，选用有机醇、酸或醛作为辅助气体，所述辅助气体分压范围是5×10^-4Pa～5×10^-2Pa。

5.根据权利要求4所述的一种平坦化磁性隧道结底电极的方法，其特征在于，选用CH₃0H、C₂H₅0H、HCOOH或CH₃COOH作为辅助气体。

6.根据权利要求2所述的一种平坦化磁性隧道结底电极的方法，其特征在于，所述气体团簇离子束的能量范围是3KeV～60KeV。

7.根据权利要求2所述的一种平坦化磁性隧道结底电极的方法，其特征在于，所述气体团簇离子束的辐照角度范围是0度～90度。

8.根据权利要求7所述的一种平坦化磁性隧道结底电极的方法，其特征在于，所述气体团簇离子束的辐照角度范围是60度～90度。

9.根据权利要求8所述的一种平坦化磁性隧道结底电极的方法，其特征在于，所述气体团簇离子束的辐照角度选用82度、85度或88度。

10.根据权利要求2所述的一种平坦化磁性隧道结底电极的方法，其特征在于，所述气体团簇离子束的辐照剂量范围是5×10¹³ions/cm²～5×10¹⁸ions/cm²。