CN111162005A - 多层磁性隧道结刻蚀方法和mram器件 - Google Patents

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邹志文
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Abstract

本发明公开一种多层磁性隧道结刻蚀方法和MRAM器件。在不中断真空的情况下依据特定的步骤对晶圆进行加工，至少分别使用一次反应离子等离子体刻蚀腔室和离子束刻蚀腔室。对多层磁性隧道结的加工过程一直处在真空环境中，避免了外界环境对刻蚀的影响。通过刻蚀和清洗结合的工艺使器件结构维持了较好的陡直度，并且大幅度降低了磁性隧道结膜层结构的金属沾污及损伤，极大的提高了器件的性能和可靠性。另外，离子束刻蚀腔室和反应离子刻蚀腔室结合使用，克服了现有的单一刻蚀方法存在的技术问题，提高了生产效率和刻蚀工艺精度。

Description

多层磁性隧道结刻蚀方法和MRAM器件
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种多层磁性隧道结刻蚀方法和MRAM器件。
背景技术
磁存储器是计算机体系结构中的重要组成部分，对计算机的速度，集成度和功耗等都有决定性的影响。然而，目前的存储器难以同时兼顾各项性能指标，例如，硬盘的存储容量较高(可达1.3Tb/in2)，但访问速度极其慢(通常为微秒级)，缓存则相反，具有高速和低集成度的特点。为允许发挥各类存储器的优势，典型的计算机存储系统采用分级结构，一方面，频繁使用的指令与数据存于缓存(Cache)和主存(Main Memory)中，能够以较快的速度与中央处理器交互；另一方面，大量的非频繁使用的系统程序与文档被存于高密度的硬盘(HDD或者SSD)中，这样的分级结构是存储系统兼具高速和大容量的优点。但是，随着半导体工艺特征尺寸的不断缩小，传统的基于互补金属氧化物半导体工艺的缓存和主存遭遇到了性能瓶颈。在功耗方面，由于CMOS晶体管的漏电流随着工艺尺寸的减小而增大，因此，SRAM和DRAM的静态功耗日益加剧；在速度方面，处理器与存储器的互联延迟限制了系统的主频。解决该问题的一个有效途径是构建非易失性(Non-Volatile)的缓存和主存，使系统可工作于休眠模式而不丢失数据，从而消除漏电流和静态功耗，而且非易失性存储器可通过后道工艺(Back-of-End-Line)直接集成与CMOS电路上，减少了互联延迟。STT-MRAM在速度、面积、写入次数和功耗方面能够达到较好的折中，因此被业界认为是构建下一代非易失性缓存和主存的理想器件。
磁性隧道结(MTJ)的核心部分是由两个铁磁金属层夹着一个隧穿势垒层而形成的三明治结构，其中一个铁磁层被称为参考层(Reference Layer)或者固定层(PinnedLayer)，它的磁化沿易磁化轴方向(Easy-Axis)固定不变。另一个铁磁层被称为自由层(Free Layer)，它的磁化有两个稳定的取向，分别与固定层平行或者反平行，这将使磁性隧道结处于低阻态或者高阻态，该现象被称为隧穿磁阻效应(TMR)。这两种阻态可分别代表二进制数据中的“0”和“1”。
MTJ图形化的主要方法还是需要通过刻蚀的方法，因为MTJ的材料是难于干法刻蚀的材料Fe，Co，Mg等，难以形成挥发产物，且不能采用腐蚀气体(Cl2等)，否则会影响MTJ的性能，所以需要用到比较复杂的刻蚀方法才能实现，刻蚀工艺非常具有难度和挑战。传统的大尺寸MTJ刻蚀都是通过离子束刻蚀完成的。由于离子束刻蚀采用惰性气体，基本上没有引入化学刻蚀的成分进入反应腔室，从而使得MTJ的侧壁不受化学反应的侵蚀。在保证侧壁干净的情况下，离子束刻蚀可以获得比较完美的MTJ侧壁：干净并且没有受到化学破坏。但是，离子束刻蚀也有其不完美的一面。一方面，离子束刻蚀能够实现的一个原理是采用较高的物理轰击力，而过大的物理轰击力会导致MTJ侧壁，尤其是隔离层以及附近的核心层的原子层排序受到干扰，从而破坏MTJ的磁性特征。另一方面，离子束刻蚀都采用一定的角度实现刻蚀，这个为离子束刻蚀带来了局限性。随着MTJ器件尺寸做的越来越小，MTJ本身膜层的厚度以及掩膜的厚度不能无止境的被压缩，进入30纳米以及以下的MTJ器件的高宽比一般都是在2:1以上。磁性隧道结尺寸越小时，这个高宽比越高。这个高宽比使得离子束刻蚀常用的角度不能达到磁性隧道结的底部，从而达不到磁性隧道结器件分离的需求，使得图形化失败。再者，离子束刻蚀的时间相对较长，每台设备的产率有限。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开一种多层磁性隧道结刻蚀方法，所使用的刻蚀装置包括样品装载腔室、真空过渡腔室、反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室以及真空传输腔室，所述真空过渡腔室分别与所述样品装载腔室、所述真空传输腔室以可联通的方式相连接，所述反应离子等离子体刻蚀腔室、所述离子束刻蚀腔室、所述镀膜腔室分别与所述真空传输腔室以可联通的方式相连接，在不中断真空的情况下对样品进行加工，至少分别使用一次所述反应离子等离子体刻蚀腔室和所述离子束刻蚀腔室，包括以下步骤：样品准备步骤，样品装载步骤，将样品装载到所述样品装载腔室，并使所述样品通过所述真空过渡腔室，进入所述真空传输腔室，其中，所述样品形成在半导体衬底上，包括底电极、磁性隧道结、帽层和掩膜层，所述磁性隧道结包括固定层、隔离层和自由层，所述隔离层和自由层为多层；第一刻蚀步骤，使所述样品进入到所述反应离子等离子体刻蚀腔室或者所述离子束刻蚀腔室，完成对帽层和自由层的刻蚀，达到第一隔离层时停止刻蚀，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；第一清洗步骤，使所述样品进入到所述离子束刻蚀腔室或者所述反应离子等离子体刻蚀腔室，进行金属残留物去除以及样品表面处理，使所述第一刻蚀步骤中所形成的金属沾污以及侧壁损伤层完全去除，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；第一介质镀膜步骤，使所述样品进入到所述镀膜腔室，在所述样品上表面和周边形成第一介质薄膜，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；第一介质薄膜打开步骤，使所述样品进入到所述反应离子等离子体刻蚀腔室或者离子束刻蚀腔室，打开器件上方及底部的所述第一介质薄膜，并且保留器件侧壁处的部分第一介质薄膜，停止刻蚀，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；重复上述步骤，每刻蚀一次都停止在下一隔离层，直到刻蚀达到最底层隔离层，最终刻蚀步骤，使所述样品进入到所述反应离子等离子体刻蚀腔室或者所述离子束刻蚀腔室，对所述样品进行刻蚀，当刻蚀达到底电极金属层时，停止刻蚀，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；最终清洗步骤，使所述样品进入到所述离子束刻蚀腔室或所述反应离子等离子体刻蚀腔室，进行金属残留物去除以及样品表面处理，使所述最终刻蚀步骤中所形成的金属沾污、侧壁损伤层完全去除，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；最终介质镀膜步骤，使所述样品进入到所述镀膜腔室进行镀膜保护，在所述样品上表面和周边形成最终介质薄膜，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；以及样品取出步骤，将所述样品从所述真空传输腔室，通过所述真空过渡腔室，返回到所述样品装载腔室。
本发明的的多层磁性隧道结刻蚀方法中，优选为，在所述反应离子等离子体刻蚀腔室中进行刻蚀或者清洗的步骤中，所使用的气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2、醇类或其组合，不同步骤中所使用的气体、功率、气流、压力可以相同或者不同。
本发明的的多层磁性隧道结刻蚀方法中，优选为，在所述离子束刻蚀腔中进行刻蚀或者清洗的步骤中，所使用的气体为惰性气体、氮气、氧气或其组合，不同步骤所使用的气体、离子束的角度、离子束的能量以及离子束的密度可以相同或者不同。
本发明的的多层磁性隧道结刻蚀方法中，优选为，所述第一介质薄膜材料和所述最终薄膜材料可以相同也可以不同，所述第一介质薄膜材料、所述最终薄膜材料为四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属氮氧化物、碱土金属氧化物、碱土金属氮化物、碱土金属氮氧化物或其组合，在不同的第一介质薄膜镀膜步骤中，所述第一介质薄膜材料可以相同也可以不同。
一种MRAM器件，包括根据权利要求1所述的多层磁性隧道结刻蚀方法制备形成的多层磁性隧道结，所述多层磁性隧道结的每层隔离层与位于其上的自由层呈台阶结构。
一种多层磁性隧道结刻蚀方法，所使用的刻蚀装置包括样品装载腔室、真空过渡腔室、反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室以及真空传输腔室，所述真空过渡腔室分别与所述样品装载腔室、所述真空传输腔室以可联通的方式相连接，所述反应离子等离子体刻蚀腔室、所述离子束刻蚀腔室、所述镀膜腔室分别与所述真空传输腔室以可联通的方式相连接，在不中断真空的情况下对样品进行加工，至少分别使用一次所述反应离子等离子体刻蚀腔室和所述离子束刻蚀腔室，包括以下步骤：样品装载步骤，将所述样品装载到所述样品装载腔室，并使所述样品通过所述真空过渡腔室，进入所述真空传输腔室，其中，所述样品形成在半导体衬底上，包括底电极、磁性隧道结、帽层和掩膜层，所述磁性隧道结包括固定层、隔离层和自由层，所述隔离层和自由层为多层；第一刻蚀步骤，使所述样品进入到所述离子束刻蚀腔室或者反应离子等离子体刻蚀腔室，对样品进行刻蚀，当刻蚀到某一隔离层时，停止刻蚀，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；第一清洗步骤，使所述样品进入到所述反应离子等离子体刻蚀腔室或者所述离子束刻蚀腔室，进行金属残留物去除以及样品表面处理，使所述第一刻蚀步骤中所形成的金属沾污以及侧壁损伤层完全去除，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；第一介质镀膜步骤，使所述样品进入到所述镀膜腔室，在所述样品上表面和周边形成第一介质薄膜，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；第一介质薄膜打开步骤，使所述样品进入到所述反应离子等离子体刻蚀腔室或者离子束刻蚀腔室，打开器件上方及底部的所述第一介质薄膜，并且保留器件侧墙处的部分第一介质薄膜，停止刻蚀，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；第二刻蚀步骤，使所述样品进入到所述反应离子等离子体刻蚀腔室或者所述离子束刻蚀腔室，对所述样品的剩余各层进行刻蚀，当刻蚀达到底电极金属层时，停止刻蚀，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；第二清洗步骤，使所述样品进入到所述离子束刻蚀腔室或所述反应离子等离子体刻蚀腔室，进行金属残留物去除以及样品表面处理，使所述第二刻蚀步骤中所形成的金属沾污、侧壁损伤层完全去除，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；第二介质镀膜步骤，使所述样品进入到所述镀膜腔室进行镀膜保护，在所述样品上表面和周边形成第二介质薄膜，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；以及样品取出步骤，将所述样品从所述真空传输腔室，通过所述真空过渡腔室，返回到所述样品装载腔室。
本发明的多层磁性隧道结刻蚀方法中，优选为，在所述离子束刻蚀腔室中进行刻蚀或者清洗的角度为10度到80度，所述角度为离子束与样品台法向面的夹角。
本发明的多层磁性隧道结刻蚀方法中，所述第一介质薄膜的厚度为0.5nm～5nm，所述第二介质薄膜的厚度为1nm～500nm。
本发明的多层磁性隧道结刻蚀方法中，在所述第一清洗步骤和所述第二清洗步骤中，分别去除厚度为0.1nm～10.0nm的磁性隧道结的侧壁。
一种MRAM器件，包括根据权利要求6所述的多层磁性隧道结刻蚀方法制备形成的多层磁性隧道结，所述多层磁性隧道结的所述第一刻蚀步骤刻蚀停止的隔离层与位于其上的自由层呈台阶结构。
本发明对多层磁性隧道结的加工过程一直处在真空环境中，避免了外界环境对刻蚀的影响。通过刻蚀和清洗结合的工艺使器件结构维持了较好的陡直度，并且大幅度降低了磁性隧道结膜层结构的金属沾污及损伤，极大的提高了器件的性能和可靠性。另外，离子束刻蚀腔室和反应离子刻蚀腔室结合使用，克服了现有的单一刻蚀方法存在的技术问题，提高了生产效率和刻蚀工艺精度。
附图说明
图1是本发明的磁隧道结刻蚀方法所使用刻蚀装置的功能框图。
图2是包含多层磁隧道结的样品结构示意图。
图3是磁隧道结刻蚀方法的一个实施例的流程图。
图4是刻蚀到第一隔离层并进行清洗后所形成的器件结构示意图。
图5是进行第一介质镀膜步骤后所形成的器件结构示意图。
图6是刻蚀到第二隔离层并进行清洗后所形成的器件结构示意图。
图7是重复执行第一介质镀膜步骤后所形成的器件结构示意图。
图8是刻蚀到最底层隔离层并进行清洗后所形成的器件结构示意图。
图9是刻蚀到底电极金属层并进行清洗后所形成的器件结构示意图。
图10进行最终介质镀膜步骤后所形成的器件结构示意图。
图11是磁隧道结刻蚀方法的另一实施例的流程图。
图12是进行第一清洗步骤后所形成的器件结构示意图。
图13是进行第一介质镀膜步骤后所形成的器件结构示意图。
图14是进行第一介质薄膜打开步骤后所形成的器件结构示意图。
图15是进行第二清洗步骤后所形成的器件结构示意图。
图16是进行第二介质镀膜步骤后所形成的器件结构示意图。
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”、“垂直”“水平”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。
以下结合附图针对本发明的磁性隧道结刻蚀方法所使用的装置进行说明。图1是本发明的磁性隧道结刻蚀方法所使用的刻蚀装置的功能框图。如图1所示，刻蚀装置包括反应离子等离子体刻蚀腔室10、离子束刻蚀(IBE)腔室11、镀膜腔室12、真空传输腔室13、真空过渡腔室14和样品装载腔室15。其中，真空过渡腔室14分别与样品装载腔室15和真空传输腔室13以可联通的方式相连接。反应离子等离子体刻蚀腔室10、离子束刻蚀腔室11、镀膜腔室12分别与真空传输腔室13以可联通的方式相连接。此外，上述各腔室也可以为多个。
反应离子等离子体刻蚀腔室10可以是电感耦合等离子体(ICP)腔室、电容耦式等离子体(CCP)腔室、螺旋波等离子体腔室等反应离子等离子体刻蚀腔室。离子束刻蚀(IBE)腔室11可以是离子束刻蚀、中性粒子束刻蚀腔体等。镀膜腔室12可以是物理气相沉积(PVD)镀膜腔室，或者是脉冲化学气相沉积(Pulsed CVD)镀膜腔室、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)镀膜腔室、电感耦合等离子体增强化学气相沉积(ICP-PECVD)镀膜腔室、原子层(ALD)镀膜腔室等化学气相沉积(CVD)镀膜腔室。
此外，刻蚀装置还包括用于实现样品在各腔室的传递的样品传输系统、用于对各腔室及样品传输系统等进行控制的控制系统、用于实现各腔室所需的真空度的真空抽气系统、以及冷却系统等常规刻蚀装置所包含的功能单元。这些装置结构均可以由本领域技术人员利用现有技术加以实现。
在进行多层磁性隧道结刻蚀前，首先在半导体衬底上形成包含多层磁性隧道结的待刻蚀结构。在图2中示出了包含多层磁性隧道结的待刻蚀器件结构示意图。如图2所示，待刻蚀结构包括底电极金属层100、磁性隧道结、帽层104以及硬掩膜层105，其中，磁性隧道结包括固定层101、隔离层102和自由层103，隔离层102和自由层103为多层，隔离层102和自由层103依次交替形成在固定层101上。各层的厚度、层数和所采用的材料根据实际需要进行选择。为了便于说明，在下文中将各隔离层102自上而下描述为第一隔离层、第二隔离层……底层隔离层。
图3是多层磁性隧道结刻蚀方法的一个实施例的流程图。如图3所示，在样品装载步骤S11中，将样品装载到样品装载腔室15，并使样品通过真空过渡腔室14，进入真空传输腔室13。
接下来，在第一刻蚀步骤S12中，使样品进入到反应离子等离子体刻蚀腔室10，利用反应离子等离子体对样品进行刻蚀。当刻蚀达到第一隔离层时，停止刻蚀。之后使样品返回到真空传输腔室13。在反应离子等离子体刻蚀腔室里所使用的气体可以是惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2、醇类等。刻蚀过程要实现器件的分离以及器件所需的陡直度。
由于在刻蚀过程中会产生极微量的如小于1nm的金属沾污，并且可能会形成磁性隧道结侧壁的纳米级的损伤层。因此，接下来，在第一清洗步骤S13中，使样品进入到离子束刻蚀腔室11，利用离子束进行金属残留物去除以及样品表面处理。之后使样品返回到真空传输腔室13。在离子束刻蚀腔室里使用的气体可以是惰性气体、氮气、氧气等。离子束刻蚀使用的角度优选为10度到80度。该角度是指离子束与晶圆法向面的夹角。优选地，将0.1nm～10.0nm的磁性隧道结的侧壁去除，使第一刻蚀步骤中形成的金属沾污以及侧壁损伤层完全去除。在图4中示出了进行第一清洗步骤后所形成的器件结构示意图。
接下来，在第一介质镀膜步骤S14中，使样品进入到镀膜腔室12，在完成上述刻蚀的样品上表面和周边进行形成第一介质薄膜106，之后使样品返回到真空传输腔室13。在图5中示出了进行第一介质镀膜步骤后的器件结构示意图。其中，所镀第一介质薄膜106为使相邻磁性隧道结器件分离的介质材料。例如，可以是四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属氮氧化物、碱土金属氧化物、碱土金属氮化物、碱土金属氮氧化物等。第一介质薄膜的厚度可以是在0.5nm以上，50nm以下。通过第一介质镀膜步骤，能够防止已经打开的磁性隧道结侧壁在后续刻蚀过程中被等离子体破坏。
接下来，在第一介质薄膜打开步骤S15中，使上述镀膜后的样品进入到反应离子等离子体刻蚀腔室10，利用反应离子等离子体刻蚀第一介质薄膜106，将器件上方及底部的第一介质薄膜刻蚀掉。由于磁性隧道结的侧壁上形成的第一介质薄膜厚度大于水平表面上的第一介质薄膜厚度，因此磁性隧道结的侧壁上仍然留有部分第一介质薄膜106。
使样品继续停留在反应离子等离子体刻蚀腔室10，重复第一刻蚀步骤S12，利用反应离子等离子体对样品进行刻蚀，当刻蚀达到第二隔离层时停止刻蚀。然后，重复步骤第一清洗步骤S13，去除金属沾污和侧壁损伤，所得结构如图6所示。重复第一介质镀膜步骤S14，在上述完成了第二次刻蚀和清洗的结构上形成第一介质薄膜，所得结构如图7所示。接下来，继续执行第一介质薄膜打开步骤S15，在已刻蚀的磁性隧道结的侧壁保留部分介质，能够防止已经打开的磁性隧道结侧壁在后续刻蚀过程中被等离子体破坏。而后，继续重复步骤S12～S15，直到刻蚀到达最底层隔离层，如图8所示。
之后，进行最终刻蚀步骤S16，磁性隧道结在反应离子等离子体刻蚀腔室10中继续刻蚀，当刻蚀达到底电极金属层100时停止刻蚀。所使用的气体可以是惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2、醇类等。由于已经打开的磁性隧道结被第一介质薄膜106保护，后续的刻蚀气体可以不再顾虑对被保护的磁性隧道结的膜层的破坏了，使用的气体范围更广泛一些。
接下来，在最终清洗步骤S17中，使样品进入到离子束刻蚀腔室11，利用离子束进行金属残留物去除以及样品表面处理，使上述刻蚀步骤中形成的金属沾污以及侧壁损伤层完全去除。之后，使样品返回到真空传输腔室13。离子束刻蚀腔室中使用的气体可以是惰性气体、氮气、氧气等。离子束刻蚀使用的角度优选为10度到80度。优选为，将0.1nm～10.0nm的磁性隧道结的侧壁去除。器件经过上述的刻蚀和清洗步骤后，器件的侧壁干净并且实现了完全分离。在图9中示出了进行最终清洗步骤后所形成的器件结构示意图。
接下来，在最终介质镀膜步骤S18中，使上述样品进入到镀膜腔室12进行镀膜保护，在样品上表面和周边形成最终介质薄膜107，之后使样品返回到真空传输腔室13。最终介质薄膜的材料可以是四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属氮氧化物、碱土金属氧化物、碱土金属氮化物、碱土金属氮氧化物等可以实现相邻磁性隧道结器件分离的介质材料。最终介质镀膜的厚度可以是1nm以上，500nm以下。通过最终介质镀膜步骤，能够防止器件在后续的工艺中因裸露在大气环境中而受到破坏，同时实现器件与器件的完全绝缘隔离。图10中示出了进行最终介质镀膜步骤后所形成的器件结构示意图。
最后，在样品取出步骤S19中，将样品从真空传输腔室13，通过真空过渡腔室14，返回到样品装载腔室15。
以上仅是本发明的多层磁性隧道结刻蚀方法的一个具体实施例。但是本发明不限定于此，在本发明的多层磁性隧道结刻蚀方法的其他实施例中，第一刻蚀步骤、最终刻蚀步骤以及第一介质薄膜打开步骤也可以在离子束刻蚀腔室中利用离子束完成刻蚀。第一清洗步骤、最终清洗步骤也可以在反应离子等离子体刻蚀腔室中利用反应离子等离子体进行清洗。也就是说针对每个刻蚀和清洗步骤都可以选择在反应离子等离子体刻蚀腔室或离子束刻蚀腔室中进行，这样就有多种可能的工艺流程，这些工艺流程均涵盖在本发明的保护范围内。但是，从生产效率以及刻蚀工艺精度的角度考虑，对于上述所有的刻蚀和清洗步骤均在单一腔室(离子束刻蚀腔室或反应离子等离子体刻蚀腔室)中进行的情况，本发明不采用。换句话说，本发明的磁性隧道结刻蚀方法中反应离子等离子体刻蚀腔室和离子束刻蚀腔室至少都要被利用一次。另外，各步骤的具体实施方式根据情况可以不同。对于在离子束刻蚀腔中进行刻蚀或者清洗的步骤，不同步骤所使用的气体、离子束的角度、离子束的能量以及离子束的密度可以相同或者不同。对于在反应离子等离子体刻蚀腔中进行刻蚀或者清洗的步骤，不同步骤所使用的气体、功率、气流、压力可以相同或者不同。
本实施例中，对磁性隧道结的加工过程一直处在真空环境中，避免了外界环境对刻蚀的影响，并且对每层隔离层和自由层都分步进行了刻蚀、清洗和镀膜保护，从而大幅度降低了磁性隧道结膜层结构的金属沾污及损伤，极大的提高了器件的性能和可靠性。另外，离子束刻蚀腔室和反应离子刻蚀腔室结合使用，克服了现有技术中由于采用单一刻蚀方法而导致的问题，提高了生产效率和刻蚀工艺精度。
另外，根据上述多层磁隧道结刻蚀方法的实施例形成的磁隧道结，如图10所示，每层隔离层102与位于其上的自由层103均呈台阶结构。相应得，对于包含该多层磁性隧道结的MRAM器件也具有该特征。
图11是多层磁性隧道结刻蚀方法的另一实施例的流程图。接下来，在样品装载步骤S21中，将样品装载到样品装载腔室15，并使样品通过真空过渡腔室14，进入真空传输腔室13。
在第一刻蚀步骤S22中，使样品进入到到离子束刻蚀腔室11，利用离子束进行刻蚀，当刻蚀到达第二隔离层时停止刻蚀。之后使样品返回到真空传输腔室13。在离子束刻蚀腔室里使用的气体可以是惰性气体、氮气、氧气等。离子束刻蚀使用的角度优选为10度到80度。
接下来，在第一清洗步骤S23中，使样品进入反应离子等离子体刻蚀腔室10，利用反应离子等离子体对样品进行清洗，去除金属沾污和侧壁损伤，所得结构如图12所示。之后使样品返回到真空传输腔室13。优选清洗去除厚度为0.1nm～10.0nm的磁性隧道结的侧壁，以使得金属沾污和侧壁损伤被完全去除。在反应离子等离子体刻蚀腔室里所使用的气体可以是惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2、醇类等。
接下来，在第一介质镀膜步骤S24中，使样品进入到镀膜腔室12，在完成上述刻蚀的样品上表面和周边形成第一介质薄膜106，之后使样品返回到真空传输腔室13。在图13中示出了进行第一介质镀膜步骤后的器件结构示意图。其中，所镀第一介质薄膜106为使相邻磁性隧道结器件分离的介质材料。例如，可以是四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属氮氧化物、碱土金属氧化物、碱土金属氮化物、碱土金属氮氧化物等。第一介质薄膜的厚度可以是在0.5nm以上，50nm以下。通过第一介质镀膜步骤，能够防止已经打开的磁性隧道结侧壁在后续刻蚀过程中被等离子体破坏。
接下来，在第一介质薄膜打开步骤S25中，使上述镀膜后的样品进入到反应离子等离子体刻蚀腔室10，利用反应离子等离子体刻蚀第一介质薄膜。器件上方及底部的第一介质薄膜被刻蚀掉。由于磁性隧道结的侧壁上形成的第一介质薄膜厚度大于水平表面上的第一介质薄膜厚度，因此磁性隧道结的侧壁上仍然留有部分第一介质薄膜106。该第一介质薄膜的刻蚀终点依靠反应离子等离子体刻蚀腔室中的自动光学终点检测仪定义。图14是在第一介质薄膜打开步骤后所形成的器件结构示意图。
之后，进行第二刻蚀步骤S26，多层磁性隧道结在反应离子等离子体刻蚀腔室10中继续刻蚀，当刻蚀达到底电极金属层100时停止刻蚀。所使用的气体可以是惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2、醇类等。本步骤中所使用的气体可以与第一刻蚀步骤中所使用的气体相同或者不同。由于已经打开的磁性隧道结被第一介质薄膜108保护，后续的刻蚀气体可以不再顾虑对被保护的磁性隧道结的膜层的破坏了，可使用的气体范围更广泛一些。
接下来，在第二清洗步骤S27中，使样品进入到离子束刻蚀腔室11，利用离子束进行金属残留物去除以及样品表面处理，使上述刻蚀步骤中形成的金属沾污以及侧壁损伤层完全去除。之后，使样品返回到真空传输腔室13。离子束刻蚀腔室中使用的气体可以是惰性气体、氮气、氧气等。离子束刻蚀使用的角度优选为10度到80度。优选为，将0.1nm～10.0nm的磁性隧道结的侧壁去除。在器件经过上述的刻蚀和清洗步骤后，器件的侧壁干净并且实现了完全分离。在图15中示出了进行第二清洗步骤后所形成的器件结构示意图。
接下来，在第二介质镀膜步骤S28中，使上述样品进入到镀膜腔室12进行镀膜保护，在样品上表面和周边形成第二介质薄膜107，之后使样品返回到真空传输腔室13。第二介质薄膜的材料可以是四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属氮氧化物、碱土金属氧化物、碱土金属氮化物、碱土金属氮氧化物等可以实现相邻磁性隧道结器件分离的介质材料。第二介质镀膜的厚度可以是1nm以上，500nm以下。通过第二介质镀膜步骤，能够防止器件在后续的工艺中因裸露在大气环境中而受到破坏，同时实现器件与器件的完全绝缘隔离。图16中示出了进行第二介质镀膜步骤后所形成的器件结构示意图。
最后，在样品取出步骤S29中，将样品从真空传输腔室13，通过真空过渡腔室14，返回到样品装载腔室15。
以上仅是本发明的多层磁性隧道结刻蚀方法的一个具体实施例。但是本发明不限定于此，在本发明的多层磁性隧道结刻蚀方法的其他实施例中，第一刻蚀步骤还可以停止其他任意隔离层，如第一隔离层、第三隔离层、第四隔离层等。另外，第一刻蚀步骤也可以在反应离子刻蚀腔室中进行，而第二刻蚀步骤也可以在离子束刻蚀腔室中进行。也就是说针对每个刻蚀和清洗步骤都可以选择在反应离子等离子体刻蚀腔室或离子束刻蚀腔室中进行，这样就有多种可能的工艺流程，这些工艺流程均涵盖在本发明的保护范围内。但是，从生产效率以及刻蚀工艺精度的角度考虑，对于上述所有的刻蚀和清洗步骤均在单一腔室(离子束刻蚀腔室或反应离子等离子体刻蚀腔室)中进行的情况，本发明不采用。换句话说，本发明的多层磁性隧道结刻蚀方法中反应离子等离子体刻蚀腔室和离子束刻蚀腔室至少要被利用一次。另外，各步骤的具体实施方式根据情况可以不同。在离子束刻蚀腔中进行刻蚀或者清洗的步骤，不同步骤所使用的气体、离子束的角度、离子束的能量以及离子束的密度可以相同或者不同。对于在反应离子等离子体刻蚀腔中进行刻蚀或者清洗的步骤，不同步骤所使用的气体、功率、气流、压力可以相同或者不同。
本实施例中，对多层磁性隧道结的加工过程一直处在真空环境中，避免了外界环境对刻蚀的影响。通过刻蚀和清洗结合的工艺使器件结构维持了较好的陡直度，并且大幅度降低了磁性隧道结膜层结构的金属沾污及损伤，极大的提高了器件的性能和可靠性。另外，离子束刻蚀腔室和反应离子刻蚀腔室结合使用，克服了现有的单一刻蚀方法存在的技术问题，提高了生产效率和刻蚀工艺精度。
另外，根据上述多层磁隧道结刻蚀方法的实施例形成的磁隧道结，如图16所示，第二隔离层102与位于其上的自由层103呈台阶结构。相应得，对于包含该多层磁性隧道结的MRAM器件也具有该特征。当然，本发明不限定于此，对于第一刻蚀步骤停止在其他隔离层，如第三隔离层、第四隔离层等，则该隔离层与其上的自由层呈台阶结构。
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 (10)

1.一种多层磁性隧道结刻蚀方法，所使用的刻蚀装置包括样品装载腔室、真空过渡腔室、反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室以及真空传输腔室，所述真空过渡腔室分别与所述样品装载腔室、所述真空传输腔室以可联通的方式相连接，所述反应离子等离子体刻蚀腔室、所述离子束刻蚀腔室、所述镀膜腔室分别与所述真空传输腔室以可联通的方式相连接，其特征在于，在不中断真空的情况下对样品进行加工，至少分别使用一次所述反应离子等离子体刻蚀腔室和所述离子束刻蚀腔室，包括以下步骤：
样品准备步骤，样品装载步骤，将样品装载到所述样品装载腔室，并使所述样品通过所述真空过渡腔室，进入所述真空传输腔室，其中，所述样品形成在半导体衬底上，包括底电极、磁性隧道结、帽层和掩膜层，所述磁性隧道结包括固定层、隔离层和自由层，所述隔离层和自由层为多层；
第一刻蚀步骤，使所述样品进入到所述反应离子等离子体刻蚀腔室或者所述离子束刻蚀腔室，完成对帽层和自由层的刻蚀，达到第一隔离层时停止刻蚀，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
第一清洗步骤，使所述样品进入到所述离子束刻蚀腔室或者所述反应离子等离子体刻蚀腔室，进行金属残留物去除以及样品表面处理，使所述第一刻蚀步骤中所形成的金属沾污以及侧壁损伤层完全去除，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
第一介质镀膜步骤，使所述样品进入到所述镀膜腔室，在所述样品上表面和周边形成第一介质薄膜，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
第一介质薄膜打开步骤，使所述样品进入到所述反应离子等离子体刻蚀腔室或者离子束刻蚀腔室，打开器件上方及底部的所述第一介质薄膜，并且保留器件侧壁处的部分第一介质薄膜，停止刻蚀，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
重复上述步骤，每刻蚀一次都停止在下一隔离层，直到刻蚀达到最底层隔离层，
最终刻蚀步骤，使所述样品进入到所述反应离子等离子体刻蚀腔室或者所述离子束刻蚀腔室，对所述样品进行刻蚀，当刻蚀达到底电极金属层时，停止刻蚀，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
最终清洗步骤，使所述样品进入到所述离子束刻蚀腔室或所述反应离子等离子体刻蚀腔室，进行金属残留物去除以及样品表面处理，使所述最终刻蚀步骤中所形成的金属沾污、侧壁损伤层完全去除，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
最终介质镀膜步骤，使所述样品进入到所述镀膜腔室进行镀膜保护，在所述样品上表面和周边形成最终介质薄膜，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
样品取出步骤，将所述样品从所述真空传输腔室，通过所述真空过渡腔室，返回到所述样品装载腔室。
2.根据权利要求1所述的多层磁性隧道结刻蚀方法，其特征在于，
在所述反应离子等离子体刻蚀腔室中进行刻蚀或者清洗的步骤中，所使用的气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2、醇类或其组合，不同步骤中所使用的气体、功率、气流、压力可以相同或者不同。
3.根据权利要求1所述的多层磁性隧道结刻蚀方法，其特征在于，
在所述离子束刻蚀腔中进行刻蚀或者清洗的步骤中，所使用的气体为惰性气体、氮气、氧气或其组合，不同步骤所使用的气体、离子束的角度、离子束的能量以及离子束的密度可以相同或者不同。
4.根据权利要求1所述的多层磁性隧道结刻蚀方法，其特征在于，
所述第一介质薄膜材料和所述最终薄膜材料可以相同也可以不同，所述第一介质薄膜材料、所述最终薄膜材料为四族氧化物、四族氮化物、四族氮氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属氮氧化物、碱土金属氧化物、碱土金属氮化物、碱土金属氮氧化物或其组合，在不同的第一介质薄膜镀膜步骤中，所述第一介质薄膜材料可以相同也可以不同。
5.一种MRAM器件，包括根据权利要求1所述的多层磁性隧道结刻蚀方法制备形成的多层磁性隧道结，其特征在于，
所述多层磁性隧道结的每层隔离层与位于其上的自由层呈台阶结构。
6.一种多层磁性隧道结刻蚀方法，所使用的刻蚀装置包括样品装载腔室、真空过渡腔室、反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室以及真空传输腔室，所述真空过渡腔室分别与所述样品装载腔室、所述真空传输腔室以可联通的方式相连接，所述反应离子等离子体刻蚀腔室、所述离子束刻蚀腔室、所述镀膜腔室分别与所述真空传输腔室以可联通的方式相连接，其特征在于，在不中断真空的情况下对样品进行加工，至少分别使用一次所述反应离子等离子体刻蚀腔室和所述离子束刻蚀腔室，
包括以下步骤：
样品装载步骤，将所述样品装载到所述样品装载腔室，并使所述样品通过所述真空过渡腔室，进入所述真空传输腔室，其中，所述样品形成在半导体衬底上，包括底电极、磁性隧道结、帽层和掩膜层，所述磁性隧道结包括固定层、隔离层和自由层，所述隔离层和自由层为多层；
第一刻蚀步骤，使所述样品进入到所述离子束刻蚀腔室或者所述反应离子等离子体刻蚀腔室，对所述样品进行刻蚀，当刻蚀到某一隔离层时，停止刻蚀，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
第一清洗步骤，使所述样品进入到所述反应离子等离子体刻蚀腔室或者所述离子束刻蚀腔室，进行金属残留物去除以及样品表面处理，使所述第一刻蚀步骤中所形成的金属沾污以及侧壁损伤层完全去除，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
第一介质镀膜步骤，使所述样品进入到所述镀膜腔室，在所述样品上表面和周边形成第一介质薄膜，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
第一介质薄膜打开步骤，使所述样品进入到所述反应离子等离子体刻蚀腔室或者离子束刻蚀腔室，打开器件上方及底部的所述第一介质薄膜，并且保留器件侧墙处的部分第一介质薄膜，停止刻蚀，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
第二刻蚀步骤，使所述样品进入到所述反应离子等离子体刻蚀腔室或者所述离子束刻蚀腔室，对所述样品的剩余各层进行刻蚀，当刻蚀达到底电极金属层时，停止刻蚀，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
第二清洗步骤，使所述样品进入到所述离子束刻蚀腔室或所述反应离子等离子体刻蚀腔室，进行金属残留物去除以及样品表面处理，使所述第二刻蚀步骤中所形成的金属沾污、侧壁损伤层完全去除，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
第二介质镀膜步骤，使所述样品进入到所述镀膜腔室进行镀膜保护，在所述样品上表面和周边形成第二介质薄膜，之后使所述样品返回到所述真空传输腔室；
样品取出步骤，将所述样品从所述真空传输腔室，通过所述真空过渡腔室，返回到所述样品装载腔室。
7.根据权利要求6所述的多层磁性隧道结刻蚀方法，其特征在于，
在所述离子束刻蚀腔室中进行刻蚀或者清洗的角度为10度到80度，所述角度为离子束与样品台法向面的夹角。
8.根据权利要求6所述的多层磁性隧道结刻蚀方法，其特征在于，
所述第一介质薄膜的厚度为0.5nm～5nm，所述第二介质薄膜的厚度为1nm～500nm。
9.根据权利要求6所述的多层磁性隧道结刻蚀方法，其特征在于，
在所述第一清洗步骤和所述第二清洗步骤中，分别去除厚度为0.1nm～10.0nm的磁性隧道结的侧壁。
10.一种MRAM器件，包括根据权利要求6所述的多层磁性隧道结刻蚀方法制备形成的多层磁性隧道结，其特征在于，
所述多层磁性隧道结的所述第一刻蚀步骤刻蚀停止的隔离层与位于其上的自由层呈台阶结构。
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