CN115715141A - 一种降低mram磁隧道节损伤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种降低MRAM磁隧道节损伤的方法，包括：提供一基础结构，所述基础结构包括在第一方向上依次设置的衬底、下电极、MTJ层和上电极，所述第一方向垂直于所述衬底且由所述衬底指向所述下电极；从所述上电极背离所述衬底一侧的表面进行第一次刻蚀处理，直至暴露出所述下电极；对所述MTJ层的侧壁进行预处理，以使所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层；进行第二次刻蚀处理，直至暴露出所述衬底。该方法通过对所述MTJ层的侧壁进行预处理以使所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层，该改性层可以将后续刻蚀工艺中的入射离子进行散射处理，以最大程度的降低MTJ损伤。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片生产技术领域，更具体地说，涉及一种降低MRAM磁隧道节损伤的方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，各种各样的存储器已广泛应用于人们的生活和工作中，为人们的生活带来了极大的便利。
在随机存储器市场上，磁存储器(Magnetic Random Access Memory，简称MRAM)是一种比较新颖的随机存储器；相比较传统的动态随机存取存储器(Dynamic Random AccessMemory，简称DRAM)、静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，简称SRAM)以及闪存(Flash Memory)，MRAM拥有高于闪存的读写速度，以及SRAM和DRAM所不具备的抗辐射和非易失性；因此，目前很多需要这三种存储器组合才能够满足的存储需求时，往往可以被MRAM单独实现。
但是，目前在MRAM磁隧道节的制程工艺过程中，工艺会破坏磁隧道节侧壁区域的晶体结构，进而导致MRAM器件失效。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种降低MRAM磁隧道节损伤的方法，技术方案如下：
一种降低MRAM磁隧道节损伤的方法，所述方法包括：
提供一基础结构，所述基础结构包括在第一方向上依次设置的衬底、下电极、MTJ层和上电极，所述第一方向垂直于所述衬底且由所述衬底指向所述下电极；
从所述上电极背离所述衬底一侧的表面进行第一次刻蚀处理，直至暴露出所述下电极；
对所述MTJ层的侧壁进行预处理，以使所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层；
进行第二次刻蚀处理，直至暴露出所述衬底。
优选的，在上述方法中，所述第一次刻蚀处理包括：
采用等离子束刻蚀方式从所述上电极背离所述衬底一侧的表面进行第一次刻蚀处理，直至暴露出所述下电极；
所述等离子束刻蚀方式中，离子束角度为10°-60°；
离子能量为50V-600V；
离子加速偏压为50V-1000V；
气体流量为10sccm-500sccm；
所述等离子束刻蚀方式中，气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类气体或以上气体的不同组合。
优选的，在上述方法中，所述第一次刻蚀处理包括：
采用反应离子刻蚀方式从所述上电极背离所述衬底一侧的表面进行第一次刻蚀处理，直至暴露出所述下电极；
所述反应离子刻蚀方式中，源电极功率为500W-2000W；
偏压电极功率为100W-2000W；
刻蚀腔体压力为2mT-20mT；
气体流量为10sccm-500sccm；
所述反应离子刻蚀方式中，气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类气体或以上气体的不同组合。
优选的，在上述方法中，所述对所述MTJ层的侧壁进行预处理，以使所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层，包括：
在所述MTJ层的侧壁全部暴露出来之后，采用等离子束刻蚀方式对所述MTJ层的侧壁进行预处理，与所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层。
优选的，在上述方法中，所述等离子束刻蚀方式中，离子束角度为30°-60°；
离子能量为30V-100V；
离子加速偏压为50V-1000V；
气体流量为10sccm-500sccm。
优选的，在上述方法中，所述等离子束刻蚀方式中，气体为氮气、氧气、氢气或以上气体的不同组合。
优选的，在上述方法中，采用等离子束刻蚀方式对所述MTJ层的侧壁进行预处理的刻蚀时间小于或等于120秒。
优选的，在上述方法中，所述改性层的厚度为1nm-2nm。
优选的，在上述方法中，所述第二次刻蚀处理包括：
采用等离子束刻蚀方式进行第二次刻蚀处理，直至暴露出所述衬底；
所述等离子束刻蚀方式中，离子束角度为10°-60°；
离子能量为50V-600V；
离子加速偏压为50V-1000V；
气体流量为10sccm-500sccm；
所述等离子束刻蚀方式中，气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类气体或以上气体的不同组合。
优选的，在上述方法中，所述第二次刻蚀处理包括：
采用反应离子刻蚀方式进行第二次刻蚀处理，直至暴露出所述衬底；
所述反应离子刻蚀方式中，源电极功率为500W-2000W；
偏压电极功率为100W-2000W；
刻蚀腔体压力为2mT-20mT；
气体流量为10sccm-500sccm；
所述反应离子刻蚀方式中，气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类气体或以上气体的不同组合。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种降低MRAM磁隧道节损伤的方法包括：提供一基础结构，所述基础结构包括在第一方向上依次设置的衬底、下电极、MTJ层和上电极，所述第一方向垂直于所述衬底且由所述衬底指向所述下电极；从所述上电极背离所述衬底一侧的表面进行第一次刻蚀处理，直至暴露出所述下电极；对所述MTJ层的侧壁进行预处理，以使所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层；进行第二次刻蚀处理，直至暴露出所述衬底。
该方法通过对所述MTJ层的侧壁进行预处理以使所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层，该改性层可以将后续刻蚀工艺中的入射离子进行散射处理，以最大程度的降低MTJ损伤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为一种MRAM的单个字节的简化结构示意图；
图2为MTJ的工作原理示意图；
图3为另一种MRAM的单个字节的简化结构示意图；
图4为MRAM工艺过程中造成损伤的示意图，通常情况下，这一部分被破坏的结构被称为MTJ损伤；
图5为本发明实施例提供的一种降低MRAM磁隧道节损伤的方法的流程示意图；
图6-图9为图5所示方法对应的局部结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种MTJ层经过预处理或未经过预处理的效果示意图。
具体实施方式
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，显然，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于背景技术记载的内容而言，参考图1，图1为一种MRAM的单个字节的简化结构示意图；如图1所示，整个MRAM结构坐落在衬底上，在某一方向上依次设置有下电极、磁隧道结(Magnetic Tunneling Junction，简称MTJ)和上电极；其中，MTJ是MRAM器件的关键结构，如图1所示，在该方向上，MTJ包括：固定磁性层、绝缘层和自由磁性层。
需要说明的是，该方向为垂直于所述衬底且由所述衬底指向所述下电极的方向。
基于图1所示的MRAM结构，参考图2，图2为MTJ的工作原理示意图；如图2所示，当给MTJ层通过电流时，由于绝缘层的厚度非常薄(通常为几个纳米)，电流可以以隧穿的方式通过；其中，固定磁性层的磁极方向固定，自由磁性层的磁极方向可以改变。
当固定磁性层和自由磁性层的磁极方向一致时(parallel)，MTJ呈现出来的电阻(Rp)较小，隧穿电流(Ip)较大，这时整个结构可被视为导通态，代表着二进制字节的“1”。
当固定磁性层和自由磁性层的磁极方向相反时(anti-parallel)，MTJ呈现出来的电阻(Rap)较大，隧穿电流(Iap)较小，这时整个结构可被视为不导通态，代表着二进制字节的“0”。
由此可知，MTJ的性能则是用隧道磁阻(Tunneling Magnetoresistance，简称TMR)来衡量的，TMR的公式可以写为：
TMR越大，代表MRAM性能越好。
由上述公式可知，发明人发现，导通态电阻(Rp)和不导通态电阻(Rap)的差距越大，器件性能越好。
由MTJ的工作原理可知，MTJ工作的关键在于绝缘层的绝缘性要好，这样电子才能够只有隧穿这一条通行路径，而不是直接通过绝缘层(漏电，leak)直接导通固定磁性层和自由磁性层。
绝缘层的性能指标一般用RA代表；具体的，RA是绝缘层电阻(R)和面积(A)的乘积，RA越大，器件性能也就越好。
参考图3，图3为另一种MRAM的单个字节的简化结构示意图，将图1所示的多个MRAM单字节结构排列成一个阵列，在加上导线互联，就可以形成一个如图3所示的简单的MRAM存储结构。
如图3所示，多个MRAM单字节结构之间会形成一个沟槽形貌，也可理解为MRAM的磁隧道节结构。
通常情况下，MRAM的制造过程中一般需要使用等离子束刻蚀工艺，在这一刻蚀工艺过程中，具有一定能量的离子会破坏MTJ层侧壁的晶体结构，参考图4，图4为MRAM工艺过程中造成损伤的示意图，通常情况下，这一部分被破坏的结构被称为MTJ损伤。
该MTJ损伤会减小绝缘层的面积(A)，进而减小RA，使得器件性能变差。
基于此，现有技术中的一种解决方案是，在刻蚀过程中尽量使用低能量的离子，以此减小损伤；但是，这一解决方案的主要问题是减小离子能量也会相应的降低刻蚀速率，会降低产能。
现有技术中的另一种解决方案是，在形成MTJ损伤之后，利用一些化学手段来去除损伤；但是这一解决方案治标不治本，因为它们并没有减小损伤，仅仅是在损伤发生之后，把损伤的结构移除了，仍然会导致绝缘层的面积减小。
基于此，本发明提供了一种降低MRAM磁隧道节损伤的方法，可以极大程度的降低MTJ损伤，以此提高MRAM的器件性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图5，图5为本发明实施例提供的一种降低MRAM磁隧道节损伤的方法的流程示意图。
所述方法包括：
S101：如图6所示，提供一基础结构，所述基础结构包括在第一方向上依次设置的衬底、下电极、MTJ层和上电极，所述第一方向垂直于所述衬底且由所述衬底指向所述下电极。
在该步骤中，在进行第一次刻蚀处理之前，在所述上电极背离所述衬底一侧的表面设置掩膜层，所述掩膜层包括多个掩膜单元。
也就是说，在所述基础结构的上方，即上电极背离MTJ层的一侧表面上设置有掩膜层，根据不同的情况，掩膜的材料可以是TiN、Ta、C、Si、SiO、SiN或以上材料的不同组合，在本发明实施例中并不作限定。
S102：如图7所示，从所述上电极背离所述衬底一侧的表面进行第一次刻蚀处理，直至暴露出所述下电极。
在该步骤中，第一次刻蚀处理的刻蚀量需根据实际情况而定，但是需要保证的是，刻蚀需停在MTJ层和下电极的交界面。
可选的，所述第一次刻蚀处理包括：
采用等离子束刻蚀方式从所述上电极背离所述衬底一侧的表面进行第一次刻蚀处理，直至暴露出所述下电极。
也就是说，第一次刻蚀处理的刻蚀方式为等离子束刻蚀方式(Ion Beam Etching，简称IBE)，具体的：
所述等离子束刻蚀方式中，离子束角度为10°-60°；
离子能量为50V-600V；
离子加速偏压为50V-1000V；
气体流量为10sccm-500sccm；
所述等离子束刻蚀方式中，气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类气体或以上气体的不同组合。
或，
可选的，所述第一次刻蚀处理包括：
采用反应离子刻蚀方式从所述上电极背离所述衬底一侧的表面进行第一次刻蚀处理，直至暴露出所述下电极。
也就是说，第一次刻蚀处理的刻蚀方式为反应离子刻蚀方式(Reactive IonEtching，简称RIE)，具体的：
所述反应离子刻蚀方式中，源电极功率为500W-2000W；
偏压电极功率为100W-2000W；
刻蚀腔体压力为2mT-20mT；
气体流量为10sccm-500sccm；
所述反应离子刻蚀方式中，气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类气体或以上气体的不同组合。
S103：如图8所示，对所述MTJ层的侧壁进行预处理，以使所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层。
S104：如图9所示，进行第二次刻蚀处理，直至暴露出所述衬底。
在该步骤中，第二次刻蚀处理的刻蚀量需根据实际情况而定，但是需要保证的是，刻蚀需停在下电极和衬底的交界面。
可选的，所述第二次刻蚀处理包括：
采用等离子束刻蚀方式进行第二次刻蚀处理，直至暴露出所述衬底。
也就是说，第二次刻蚀处理的刻蚀方式为等离子束刻蚀方式(Ion Beam Etching，简称IBE)，具体的：
所述等离子束刻蚀方式中，离子束角度为10°-60°；
离子能量为50V-600V；
离子加速偏压为50V-1000V；
气体流量为10sccm-500sccm；
所述等离子束刻蚀方式中，气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类气体或以上气体的不同组合。
或，
可选的，所述第二次刻蚀处理包括：
采用反应离子刻蚀方式进行第二次刻蚀处理，直至暴露出所述衬底。
也就是说，第二次刻蚀处理的刻蚀方式为反应离子刻蚀方式(Reactive IonEtching，简称RIE)，具体的：
所述反应离子刻蚀方式中，源电极功率为500W-2000W；
偏压电极功率为100W-2000W；
刻蚀腔体压力为2mT-20mT；
气体流量为10sccm-500sccm；
所述反应离子刻蚀方式中，气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类气体或以上气体的不同组合。
在该实施例中，通过对所述MTJ层的侧壁进行预处理以使所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层，该改性层可以将后续刻蚀工艺中的入射离子进行散射处理，以最大程度的降低MTJ损伤。
可选的，在本发明另一实施例中，所述对所述MTJ层的侧壁进行预处理，以使所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层，包括：
在所述MTJ层的侧壁全部暴露出来之后，采用等离子束刻蚀方式对所述MTJ层的侧壁进行预处理，与所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层。
可选的，所述等离子束刻蚀方式中，离子束角度为30°-60°；
离子能量为30V-100V；
离子加速偏压为50V-1000V；
气体流量为10sccm-500sccm。
可选的，所述等离子束刻蚀方式中，气体为氮气、氧气、氢气或以上气体的不同组合。
在该实施例中，参考图10，图10为本发明实施例提供的一种MTJ层经过预处理或未经过预处理的效果示意图；如图10所示，没有经过预处理的MTJ层侧壁的晶格结构排列整齐，后续的刻蚀工艺中入射离子可以相对容易的沿着晶格深入，这被称为通道效应(Passage Effect)，在这种情况下，后续的刻蚀工艺中入射离子可以对MTJ层造成很深的MTJ损伤。
而经过预处理的MTJ层，其侧壁的晶格结构被氮气、氧气、氢气或以上气体的不同组合改变，形成预设厚度的改性层，后续的刻蚀工艺中入射离子被该改性层所散射，导致通道效应减弱，以最大程度的降低MTJ损伤，提高器件性能。
可选的，在本发明另一实施例中，采用等离子束刻蚀方式对所述MTJ层的侧壁进行预处理的刻蚀时间小于或等于120秒。
在该实施例中，通过控制等离子束刻蚀方式对所述MTJ层的侧壁进行预处理的刻蚀时间，以此来控制改性层的厚度，实现最优厚度的选择。
若刻蚀时间大于120秒，那么改性层的厚度较厚，其实也属于MTJ损伤，因此，合理控制刻蚀时间，以此控制改性层的厚度，以最大程度的防止后续工艺过程中MTJ损伤扩大。
可选的，所述改性层的厚度为1nm-2nm。
需要说明的是，本发明实施例中衬底可以是多种材料的介质层，因此在附图中又图示为“衬底/介质”，其具体材料在本发明实施例中并不作限定。
以上对本发明所提供的一种降低MRAM磁隧道节损伤的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种降低MRAM磁隧道节损伤的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一基础结构，所述基础结构包括在第一方向上依次设置的衬底、下电极、MTJ层和上电极，所述第一方向垂直于所述衬底且由所述衬底指向所述下电极；
从所述上电极背离所述衬底一侧的表面进行第一次刻蚀处理，直至暴露出所述下电极；
对所述MTJ层的侧壁进行预处理，以使所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层；
进行第二次刻蚀处理，直至暴露出所述衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次刻蚀处理包括：
采用等离子束刻蚀方式从所述上电极背离所述衬底一侧的表面进行第一次刻蚀处理，直至暴露出所述下电极；
所述等离子束刻蚀方式中，离子束角度为10°-60°；
离子能量为50V-600V；
离子加速偏压为50V-1000V；
气体流量为10sccm-500sccm；
所述等离子束刻蚀方式中，气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类气体或以上气体的不同组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次刻蚀处理包括：
采用反应离子刻蚀方式从所述上电极背离所述衬底一侧的表面进行第一次刻蚀处理，直至暴露出所述下电极；
所述反应离子刻蚀方式中，源电极功率为500W-2000W；
偏压电极功率为100W-2000W；
刻蚀腔体压力为2mT-20mT；
气体流量为10sccm-500sccm；
所述反应离子刻蚀方式中，气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类气体或以上气体的不同组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述MTJ层的侧壁进行预处理，以使所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层，包括：
在所述MTJ层的侧壁全部暴露出来之后，采用等离子束刻蚀方式对所述MTJ层的侧壁进行预处理，与所述MTJ层的侧壁进行反应，形成一层预设厚度的改性层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述等离子束刻蚀方式中，离子束角度为30°-60°；
离子能量为30V-100V；
离子加速偏压为50V-1000V；
气体流量为10sccm-500sccm。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述等离子束刻蚀方式中，气体为氮气、氧气、氢气或以上气体的不同组合。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用等离子束刻蚀方式对所述MTJ层的侧壁进行预处理的刻蚀时间小于或等于120秒。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述改性层的厚度为1nm-2nm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二次刻蚀处理包括：
采用等离子束刻蚀方式进行第二次刻蚀处理，直至暴露出所述衬底；
所述等离子束刻蚀方式中，离子束角度为10°-60°；
离子能量为50V-600V；
离子加速偏压为50V-1000V；
气体流量为10sccm-500sccm；
所述等离子束刻蚀方式中，气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类气体或以上气体的不同组合。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二次刻蚀处理包括：
采用反应离子刻蚀方式进行第二次刻蚀处理，直至暴露出所述衬底；
所述反应离子刻蚀方式中，源电极功率为500W-2000W；
偏压电极功率为100W-2000W；
刻蚀腔体压力为2mT-20mT；
气体流量为10sccm-500sccm；
所述反应离子刻蚀方式中，气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、氨基气体、一氧化碳、二氧化碳、醇类气体或以上气体的不同组合。
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