CN114256411A - 一种mram磁隧道结底部陡直度的控制工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，采用了反应离子刻蚀与等离子束刻蚀相结合的方法。反应离子刻蚀的工艺是：顶电极功率为100‑500W，底电极功率为100‑1500W，刻蚀腔体压力为2‑20mT，气体流量为10‑500sccm，刻蚀到底部绝缘层之下至介质之上停止；等离子束刻蚀的工艺是：离子束角度为45°‑90°，离子能量为50‑600V，离子加速偏压为50‑1000V，气体流量为10‑500sccm；刻蚀量5‑15nm。反应气体是氩气。本发明可以调整MRAM结构底部的陡直度，达成MTJ层侧壁均无金属沉积的刻蚀结果，可以提高MRAM结的TMR，进而提高MRAM器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，属于半导体芯片生产领域，详言之，属于MRAM刻蚀工艺。
背景技术
在随机存储器市场上，现有的三大存储器类型分别是动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），静态随机存取存储器（Static Random-AccessMemory，SRAM）和闪存(Flash Memory)。这三者各有优劣。其中，DRAM价格低，集成度高；不过读写速度较慢，耗电较高。此外，由于DRAM是依靠电容来储存信息，它需要不断刷新字节来维持信息，所以断电后信息会丢失（易失性）。SRAM读写速度很快，但由于每个字节是6-8个晶体管组成的，它最主要的问题就是低集成度；除此之外，SRAM也存在高耗电和易失性的问题。最后值得注意的是DRAM和SRAM都不抗辐射。闪存相比前两者，除了抗辐射之外，最大的优点是断电后保留信息的能力（非易失性）。但是相比之下读写速度非常慢，而且读写逻辑也比较复杂（无法单字节读写）。
业界的发展需求一种在闪存的抗辐射和非易失性之上，能同时拥有高读写速度的新型存储器件。磁存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）就是一种新颖的有希望满足以上需求的随机存储器。MRAM除了拥有闪存的抗辐射和非易失性，它也有着接近SRAM的读写速度（可是MRAM的集成度却要远高于SRAM）。因此，现在很多需要目前三种存储器的组合才能够满足的存储需求，有希望被MRAM单独实现。
MRAM的每一个字节是由两层磁性材料夹着一层绝缘材料形成的，这种结构被称为磁隧道结（Magnetic Tunneling Junction，MTJ）。由于绝缘材料层的厚度非常薄（几个纳米），电流可以以隧穿的方式通过，并感受到一个电阻。这两层磁性材料其中一层的磁极方向固定，被称为固定磁性层；另一层磁性材料的磁极方向可以改变，被称为自由磁性层。当两层磁性材料磁极方向一致时（parallel），电阻（Rp）较小，隧穿电流较大，整个结构呈现为导通态，代表着二进制字节的“1”。而当两层磁性材料磁极方向相反时（anti-parallel），电阻（Rap）较大，隧穿电流较小，整个结构呈现为不导通态，代表着二进制字节的“0”。MTJ性能则是用隧道磁阻（tunneling magnetoresistance，TMR）来衡量，公式如下：
在实际MRAM刻蚀制程中，MRAM膜层的起始结构一般来说可以由图1表示。其中金属层一般是Ta，Ru，Fe，Pt，Ti，W等；绝缘层目前几乎一致是MgO；磁性层（固定磁性层和自由磁性层）一般是Co，CoFe，CoFeB等；介质一般是Si，SiO，SiN等。为了形成有功能性的MRAM结构，需要在掩膜的遮挡下，把初始的MRAM膜层结构进行刻蚀。刻蚀之后的结构形貌一般可以由图2表示。要注意的是，虽然在图2中，刻蚀停止在底部金属层与介质层之间，但是实际上根据不同要求，只要底部的绝缘层被完全打开（刻蚀完），刻蚀有可能停止在从固定磁性层到介质内的任意位置。另外，从图2可以看出，刻蚀后MRAM侧面截面的形貌一般呈现为一个梯形，其侧面的陡直度θ是一个很重要的参数。MRAM结构的陡直度对器件性能有着直接的影响，较低的陡直度意味着每个MRAM字节所占的面积比较大，直接降低器件的集成度，进而影响器件成本及性能。由于MRAM的结构一般属于后道制程，每一个MRAM单元所能够占用的面积已经由前道工艺定义出来，由此陡直度的影响也可以理解为，在一个规定的面积内，较低的陡直度意味着MTJ层的面积比较小，导致TMR较低，器件性能较低。
目前业界对于MRAM结构陡直度的控制一般在50到80+度[参考文献1-5]，越接近90度，提升的难度就越高。而有一些刻蚀工艺，由于需要在刻蚀和镀膜之间来回切换来提高TMR，也会无可避免地导致陡直度的极限达不到90度[参考文献6-7]。目前MTJ刻蚀达到90度陡直度仍然是业界一个挑战，大于90度的陡直度则是没有任何已知的文献可以做到。
参考文献
1.L. Xue et al., IEEE Trans. on Mag. 51, 12 (2015)
2.S. Takahashi et al., IEEE Trans. on Mag. 42, 10 (2006)
3.Patent US 2018/0033957 A1
4.Patent US 2014/0144873 Al
5.Patent US 2014/0038311 Al
6.Patent CN 105374936 A
7.Patent CN 111162005 A。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种MRAM磁隧道结结底部陡直度的控制工艺，可以在60-120度的范围内调整MRAM磁隧道结底部的陡直度，不仅可以容易地获得一般而言被当做陡直度最高值的90度，还可以突破90度，得到一个“反向”的坡度（见图5）。目前文献中没有其他方法可刻蚀出这种“反向”坡度的形貌。
为解决上述技术问题，本发明采用了反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）与等离子束刻蚀（Ion Beam Etching，IBE）相结合的刻蚀工艺方式。
一种MRAM磁隧道结结底部陡直度的控制工艺，具体操作步骤如下：
步骤1、用RIE刻蚀：顶（源）电极功率为100-500W，底（偏压）电极功率为100-1500W，刻蚀腔体压力为2-20mT，气体流量为10-500sccm，可以采用惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类或以上气体的不同组合。刻蚀到底部绝缘层之下至介质之上停止。较佳地，采用氩气。
因为刻蚀到底部绝缘层之下至介质之上停止，刻蚀时间的长短取决于膜层厚度，但RIE时间过于短，则最终陡直度较差。RIE时间过于长，则容易导致MRAM结构外围出现金属沉积，使得绝缘层失效，TMR降低。
步骤2、用IBE刻蚀：离子束角度为45°-90°（离子束与晶片法线夹角），离子能量为50-600V，离子加速偏压为50-1000V，气体流量为10-500sccm；刻蚀量5-15nm，可以根据工艺要求调整。
可以采用惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类或以上气体的不同组合。较佳地，采用氩气。
该步骤中，离子束的角度必须要大于45度，离子能量与刻蚀时间共同决定陡直度的调整效果。
大角度的IBE可以非常有效地清除MRAM结构外围的金属沉积。大角度低能量的IBE步载效应低，可以在保障MRAM磁隧道结刻蚀量的同时，不刻穿底部金属层。
本发明有以下积极的效果：
（1）步骤1用 RIE刻蚀速率快，可以提高产能（wafer per hour，WPH）；掩膜的初始形貌以及这一步RIE的共同作用可以初步定义出MRAM结构的陡直度。RIE步负载效应低，可以在保障MRAM磁隧道结刻蚀量的同时，不刻穿底部金属层。
（2）步骤2用IBE刻蚀是本发明创新所在，通过调整刻蚀量，作用是调整MRAM结构底部的陡直度。这可以提高MRAM结的TMR，进而提高MRAM器件的性能。
（3）步骤2所用的大角度IBE刻蚀可以达成MTJ层侧壁均无金属沉积的刻蚀结果。这可以进一步提高MRAM器件的性能。
（4）在本工艺的低负载效应的作用下，在完成MRAM结构刻蚀的基础上均未刻穿底部的金属层。因此可以应用在目前业界认为性能较好的自旋轨道转矩磁隧道结（spinorbit torque，SOT-MRAM）结构的刻蚀工艺中。
附图说明
图1 是一般MRAM的膜层结构示意图；
图2 是一般MRAM的刻蚀后的形貌示意图；
图3 是实施例1刻蚀后的MRAM结构形貌；
图4 是实施例2刻蚀后的MRAM结构形貌；
图5 是实施例3刻蚀后的MRAM结构形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
以下提供基于以上操作方法的三个不同的刻蚀工艺案例，展示本专利对于MRAM结构底部的陡直度的调整能力。
实施例1
一种MRAM磁隧道结结底部陡直度的控制工艺，步骤如下：
1.用RIE刻蚀：顶（源）电极功率为100W，底（偏压）电极功率为100W，刻蚀腔体压力为10mT，气体流量为200sccm，气体选择为氩气。刻蚀到固定磁性层剩余15nm处。
2.用IBE刻蚀：离子束角度为65°，离子能量为75V，离子加速偏压为75V，刻蚀腔体压力为2mT，气体流量为100sccm，气体选择为氩气。刻蚀量5nm。刻蚀结果见图3。
以实施例1为基础，其他参数不变，改变第二步IBE刻蚀的刻蚀量（5nm、10nm、15nm），考察刻蚀量对MTJ层以下的陡直度的影响，结果见图3、4、5，说明，通过调整本发明工艺的第二步IBE刻蚀的刻蚀量， MRAM结构自MTJ层以下的陡直度可以被调整。同理，改变考察其他参数对MTJ层以下的陡直度的影响，结果证实，影响较小。因此，本发明调整的幅度不限于90°。尤其是图5所展示的MRAM结构，目前文献中没有任何其他的方式可以达成。
实施例2
一种MRAM磁隧道结结底部陡直度的控制工艺，步骤如下：
1.用RIE刻蚀：顶（源）电极功率为200W，底（偏压）电极功率为200W，刻蚀腔体压力为8mT，气体流量为150sccm，气体选择为氩气。刻蚀到固定磁性层剩余10nm处。
2.用IBE刻蚀：离子束角度为75°，离子能量为125V，离子加速偏压为125V，刻蚀腔体压力为4mT，气体流量为150sccm，气体选择为氩气。刻蚀量10nm。刻蚀结果见图4。
实施例3
一种MRAM磁隧道结结底部陡直度的控制工艺，步骤如下：
1.用RIE刻蚀：顶（源）电极功率为300W，底（偏压）电极功率为300W，刻蚀腔体压力为6mT，气体流量为100sccm，气体选择为氩气。刻蚀到固定磁性层剩余5nm处。
2.用IBE刻蚀：离子束角度为85°，离子能量为150V，离子加速偏压为150V，刻蚀腔体压力为6mT，气体流量为200sccm，气体选择为氩气。刻蚀量15nm。刻蚀结果见图5。
上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，其特征在于采用了反应离子刻蚀与等离子束刻蚀相结合的方法，包括如下步骤：
步骤1、反应离子刻蚀：采用反应离子对MRAM磁隧道节进行刻蚀，刻蚀到底部绝缘层底部至介质顶部停止；
步骤2、等离子束刻蚀：对已经经过步骤1反应离子刻蚀的MRAM磁隧道节进行大角度等离子束刻蚀；等离子束刻蚀的刻蚀量直接决定MRAM磁隧道结底部的陡直度。
2.根据权利要求1所述的MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，其特征在于，在步骤1的反应离子刻蚀中，顶电极功率为100-500W，底电极功率为100-1500W。
3.根据权利要求1所述的MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，其特征在于，在步骤1的反应离子刻蚀中，刻蚀腔的腔体压力为2-20mT。
4.根据权利要求1所述的MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，其特征在于，在步骤2的等离子束刻蚀中，离子束角度为45°至90°；所述角度为离子束与样品台平面的法线的夹角。
5.根据权利要求1所述的MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，其特征在于，在步骤2的等离子束刻蚀中，离子能量为50-600V，离子加速偏压为50-1000V。
6.根据权利要求1所述的MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，其特征在于，在步骤2的等离子束刻蚀中，向下的刻蚀量为5-15nm。
7.根据权利要求1所述的MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，其特征在于，在步骤1的反应离子刻蚀与步骤2的等离子束刻蚀中，使用的气体是惰性气体、氢气、氟基气体、氨基气体、氯基气体或醇类之任意一种，或者是以上气体的不同组合。
8.根据权利要求1所述的MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，其特征在于，在步骤1的反应离子刻蚀与步骤2的等离子束刻蚀中，使用的气体流量是10-500sccm。
9.根据权利要求1所述的MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，其特征在于，在步骤2的等离子束刻蚀后，从顶部绝缘层以下的MRAM磁隧道结的陡直度可以大于90°。
10.根据权利要求1所述的MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，其特征在于，在步骤2的等离子束刻蚀中，刻蚀可以停止在底部金属层之中，使得底部介质层不暴露。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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