CN108933192A - 磁存储器件的制作方法 - Google Patents

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何川
金光耀
陈炯
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Abstract

本发明公开了一种存储器件的制作方法，包括：提供一叠层，包括第一电极层、第一磁性层、隧穿层、第二磁性层和第二电极层；形成掩膜；采用惰性元素离子束轰击去除该预定区域的第一电极层和第一磁性层；钝化处理非预定区域的第一电极层的侧部和第一磁性层侧部以去除部分侧部的第一电极层和第一磁性层并在侧部形成第一钝化层；采用惰性元素离子束轰击该预定区域以去除该预定区域的隧穿层、第二磁性层和第二电极层。本发明在进一步刻蚀隧穿层和第二磁性层、第二电极之前，在第一磁性层和第一电极的侧部利用化学反应形成钝化层并去除损伤层，以避免第一磁性层和第一电极被后续轰击出的导电材料溅射到，从而致使两个磁性层和两个电极造成连接。

Description

磁存储器件的制作方法
技术领域
本发明涉及一种存储器件的制作方法，特别是涉及一种MRAM(Magnetic RandomAccess Memory，磁性随机存储器)的制作方法。
背景技术
MRAM作为一种新的存储器逐渐为人们所认识，是一种非易失性存储器件。MRAM具有和DRAM相当的写入速度，比FLASH高100倍。由于其在制造成本、读写速度、非易失性和寿命上的优势，MRAM被认为是未来取代DRAM和FLASH的下一代存储器件。MRAM的存储单元主要包括下层电极、下磁性层、隧穿层、上磁性层和上层电极。在普通的半导体器件制作工艺中，常用的刻蚀手段例如有RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)，通过使气体(例如氟)和硅发生化学反应，产生挥发性产物，以此来达到刻蚀的效果。但是这一刻蚀手段在MRAM的制作中遇到了难题，由于MRAM的制作中用到了铁磁材料，铁磁材料与现有的刻蚀气体发生化学反应的产物都是不挥发性的，反应产物会留在材料表面阻止刻蚀反应进一步进行，因此目前的MRAM制作多用离子束轰击来完成刻蚀。参考图1和图2，MRAM器件存储单元的基本结构包括：依次叠置的衬底100、电介质层200、第二电极302、第二磁性层402、隧穿层500、第一磁性层401和第一电极301，在制作过程中，先在第一电极301上形成掩膜，之后采用离子束轰击未被掩膜覆盖的部分，通过这种方式来完成刻蚀。但是这种工艺会带来以下问题，参考图2中的A区域，在轰击过程中离子束轰击出来的电极材料和磁性材料会被溅射到A区域的侧壁上，这有可能会造成第一磁性层、第二磁性层、第一电极和第二电极的连接短路，如此一来MRAM器件就失效了。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中RIE难以用于MRAM的刻蚀、离子束轰击有可能会造成两个磁性层连接的缺陷，提供一种磁存储器件的制作方法，其能够避免磁存储器件中上下两个磁性层、上下两个电极在刻蚀过程中连接短路。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种磁存储器件的制作方法，其特点在于：包括以下步骤：
步骤S1：提供一叠层，该叠层依次包括第一电极层、第一磁性层、隧穿层、第二磁性层和第二电极层；
步骤S2：在该第一电极层上形成掩膜，暴露出预定区域；
步骤S3：采用惰性元素离子束轰击去除该预定区域的第一电极层和第一磁性层以暴露出隧穿层；
步骤S4：钝化处理非预定区域的第一电极层的侧部和第一磁性层侧部以去除部分侧部的第一电极层和部分侧部的第一磁性层并在非预定区域的第一电极层的侧部和第一磁性层侧部形成第一钝化层；
步骤S5：采用惰性元素离子束轰击该预定区域以去除该预定区域的隧穿层、第二磁性层和第二电极层。
在本发明的技术方案中，通过钝化第一电极层的侧部和第一磁性层侧部形成第一钝化层，虽然牺牲掉非常小一部分的第一电极层的侧部和第一磁性层侧部(几纳米的薄层)，但是却将第一电极层的侧部和第一磁性层侧部保护起来了。这样在后续的轰击刻蚀过程中，即使第二电极层和第二磁性层的材料被溅射到器件的侧部，由于钝化层的存在也不会造成上下磁性层、上下电极的连接短路。
优选地，步骤S4中通过氧等离子体或者氧离子束来完成氧化处理，所述钝化层为氧化层。或者，S4中通过氮等离子体或者氮离子束来完成钝化处理，所述钝化层为氮化层。钝化处理也可以利用其他可以与电极材料和磁性材料发生化学反应形成不导电的绝缘层的离子束或等离子体来形成侧壁上的钝化层。
优选地，该第一钝化层的厚度为1nm-10nm。
优选地，步骤S5之后还包括：
步骤S6：钝化处理非预定区域的第二磁性层的侧部和第二电极层侧部以去除部分侧部的第二磁性层和部分侧部的第二电极层并形成第二氧化层，该第二氧化层覆盖于非预定区域的第二磁性层的侧部和第二电极层侧部以及该第一钝化层。
步骤S6的钝化处理可以通过氧等离子体或者氧离子束来完成氧化处理，所述钝化层为氧化层。或者通过氮等离子体或者氮离子束来完成钝化处理，所述钝化层为氮化层。钝化处理也可以利用其他可以与电极材料和磁性材料发生化学反应形成不导电的绝缘层的离子束或等离子体来形成侧壁上的钝化层。
所述钝化层是利用化学反应形成，在形成不导电的钝化层的同时消耗掉部分侧壁电极和磁性材料，去除侧壁因为离子束轰击造成损伤的部分材料。
优选地，该第二钝化层的厚度为1nm-10nm。
优选地，离子束刻蚀过程中通过SIMS(二次离子质谱)监控刻蚀的位置。
优选地，步骤S6之后还包括：
步骤S7：清洗或湿法刻蚀去除该第一钝化层和/或该第二钝化层。
优选地，该第一电极层为Ta、Ru、W和Al中的一种或多种的叠层，和/或，第二电极层为Ta、Ru、W和Al中的一种或多种的叠层。
优选地，第一磁性层为Co、Fe、Ni或者其合金，和/或，第二磁性层为Co、Fe、Ni或者其合金。
优选地，第二磁性层为金属磁性叠层，该金属磁性叠层依次为第一磁性材料、金属和第二磁性材料。
优选地，该隧穿层为Al2O3或者MgO，和/或，该隧穿层的厚度为0.1nm-5nm。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
本发明在进一步刻蚀隧穿层和第二磁性层、第二电极之前，在第一磁性层和第一电极的侧部形成钝化层，以避免第一磁性层和第一电极被后续轰击出的导电材料溅射到，从而致使两个磁性层和两个电极造成连接。而且离子束轰击刻蚀也会对第一磁性层的侧壁位置的磁性材料造成损伤，影响MRAM器件的性能。通过化学反应钝化处理可以去除或/和反应掉侧壁上的损伤层，提高MRAM器件的性能。
附图说明
图1为现有技术中等离子体轰击第一电极的示意图。
图2为现有技术中器件短接的侧部示意图。
图3为本发明的一实施例刻蚀第一电极、第一磁性层的示意图。
图4为本发明的一实施例形成第一钝化层的示意图。
图5为本发明的一实施例刻蚀隧穿层、第二磁性层和第二电极的示意图。
图6为本发明的一实施例形成第二钝化层的示意图。
图7为本发明的一实施例洗去第一钝化层和第二钝化层的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
参考图3，提供一叠层，叠层位于电介质层200上，电介质层200位于衬底100上，该叠层自上而下依次包括第一电极层301、第一磁性层401、隧穿层500、第二磁性层402和第二电极层302，在该第一电极层301上形成掩膜600，暴露出预定区域。通过惰性元素离子束轰击去除该预定区域的第一电极层和第一磁性层以暴露出隧穿层。
参考图4，氧离子束处理非预定区域的第一电极层的侧部和第一磁性层侧部以去除部分侧部的第一电极层和部分侧部的第一磁性层并在非预定区域的第一电极层的侧部和第一磁性层侧部形成第一氧化层701，该第一氧化层701的厚度为4nm。氧化层具有绝缘的作用，在后续离子束刻蚀的过程中有第二磁性层和第二电极层的材料被溅射到第一电极层和第一磁性层的侧壁上，也不会发生短路造成器件失效。离子束轰击刻蚀也会对第一磁性层的侧壁位置的磁性材料造成损伤，影响MRAM器件的性能。通过氧离子束刻蚀和氧化处理可以去除或/和反应掉侧壁上的损伤层，提高MRAM器件的性能。
参考图5，采用惰性元素离子束轰击该预定区域以去除该预定区域的隧穿层、第二磁性层和第二电极层。
参考图6，氧化处理非预定区域的第二磁性层的侧部和第二电极层侧部以去除部分侧部的第二磁性层和部分侧部的第二电极层并形成第二氧化层702，该第二氧化层覆盖于非预定区域的第二磁性层的侧部和第二电极层侧部以及该第一氧化层。该第二氧化层的厚度为5nm。
其中在离子束刻蚀过程中通过SIMS监控刻蚀的位置。当SIMS结果显示预定区域第一电极层和第一磁性层被刻蚀完，隧穿层被暴露时，即停止刻蚀步骤。进行氧化处理后再继续对隧穿层、第二磁性层和第二电极层的刻蚀。
最后，参考图7，清洗并湿法刻蚀去除该第一氧化层和该第二氧化层。在去除第一氧化层和第二氧化层的同时也去除了溅射到侧壁上的电极材料和磁性材料。
其中该第一电极层和第二电极层均为Al，第一磁性层为Co和Fe合金，第二磁性层为Co、Fe、Co叠层。该隧穿层为Al2O3。
钝化处理也可以利用氮离子束或者氮等离子体处理，形成的钝化层为氮化物。钝化处理也可以利用其他可以与电极材料和磁性材料发生化学反应形成不导电的绝缘层的离子束或等离子体来形成侧壁上的钝化层。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种磁存储器件的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：提供一叠层，该叠层依次包括第一电极层、第一磁性层、隧穿层、第二磁性层和第二电极层；
步骤S2：在该第一电极层上形成掩膜，暴露出预定区域；
步骤S3：采用惰性元素离子束轰击去除该预定区域的第一电极层和第一磁性层以暴露出隧穿层；
步骤S4：钝化处理非预定区域的第一电极层的侧部和第一磁性层侧部以去除部分侧部的第一电极层和部分侧部的第一磁性层并在非预定区域的第一电极层的侧部和第一磁性层侧部形成第一钝化层；
步骤S5：采用惰性元素离子束轰击该预定区域以去除该预定区域的隧穿层、第二磁性层和第二电极层。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤S4中通过氧等离子体或者氧离子束来完成钝化处理，或者通过氮等离子体或者氮离子束来完成钝化处理。
3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，该第一钝化层的厚度为1nm-10nm。
4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤S5之后还包括：
步骤S6：钝化处理非预定区域的第二磁性层的侧部和第二电极层侧部以去除部分侧部的第二磁性层和部分侧部的第二电极层并形成第二钝化层，该第二钝化层覆盖于非预定区域的第二磁性层的侧部和第二电极层侧部。
5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，该第二钝化层的厚度为1nm-10nm。
6.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，步骤S6之后还包括：
步骤S7：清洗或湿法刻蚀去除该第一钝化层和/或该第二钝化层。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的制作方法，其特征在于，离子束刻蚀过程中通过SIMS监控刻蚀的位置。
8.如权利要求1-6中任意一项所述的制作方法，其特征在于，该第一电极层为Ta、Ru、W和Al中的一种或多种的叠层，和/或，第二电极层为Ta、Ru、W和Al中的一种或多种的叠层。
9.如权利要求1-6中任意一项所述的制作方法，其特征在于，第一磁性层为Co、Fe、Ni或者其合金，和/或，第二磁性层为Co、Fe、Ni或者其合金。
10.如权利要求1-6中任意一项所述的制作方法，其特征在于，第二磁性层为金属磁性叠层，该金属磁性叠层依次为第一磁性材料、金属和第二磁性材料。
11.如权利要求1-6中任意一项所述的制作方法，其特征在于，该隧穿层为Al2O3或者MgO，和/或，该隧穿层的厚度为0.1nm-5nm。
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