CN118434258A - Mtj钝化保护层的制备方法、磁隧道结及半导体器件 - Google Patents
Mtj钝化保护层的制备方法、磁隧道结及半导体器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118434258A CN118434258A CN202310971019.XA CN202310971019A CN118434258A CN 118434258 A CN118434258 A CN 118434258A CN 202310971019 A CN202310971019 A CN 202310971019A CN 118434258 A CN118434258 A CN 118434258A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ion source
- protection layer
- mtj
- controlling
- passivation protection
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002161 passivation Methods 0.000 title claims abstract description 114
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 61
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 50
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 41
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims abstract description 34
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 26
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000007737 ion beam deposition Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims abstract description 7
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 91
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims description 60
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 47
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 15
- 230000008439 repair process Effects 0.000 claims description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 8
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 6
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 3
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 abstract description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 120
- 239000010408 film Substances 0.000 description 25
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 12
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 10
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 6
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 2
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 229940110728 nitrogen / oxygen Drugs 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000011856 silicon-based particle Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000009545 invasion Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Abstract
本发明提供了一种MTJ钝化保护层的制备方法、磁隧道结及半导体器件，基于离子束沉积工艺原位同腔室制备，该制备方法包括：提供一待处理样品，待处理样品包括衬底以及位于衬底一侧的MTJ结构；控制辅助离子源对MTJ结构的侧壁进行刻蚀处理；控制溅射离子源溅射目标靶材，且控制辅助离子源通入反应性气体形成钝化保护层，所述钝化保护层覆盖所述MTJ结构的侧壁以及所述MTJ结构背离所述衬底一侧的表面。该制备方法在制备MTJ钝化保护层的过程中保持低温和无等离子体损伤的状态，MTJ侧壁覆盖率更高，钝化保护层的纯度更高，MTJ膜层的有效使用范围更大，在更高的技术代仍可使用，降低了高温和等离子体对膜层的损伤。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种MTJ钝化保护层的制备方法、磁隧道结及半导体器件。
背景技术
随着半导体器件特征尺寸的不断缩小，传统的存储技术已接近材料尺寸的极限，近些年由于材料尺寸极限的问题，摩尔定律已经不能像前些年的指数发展。因此研发人员开始对新结构、新材料、新工艺进行不断的探索，进而新型非易失新型存储器件在近几年得到了迅猛的发展。
其中，磁性随机存储器(MRAM)由于其高速读取写入能力远超静态随机存储器(SRAM)，高集成度优于动态随机存储器(DRAM)，功耗也远远的低于动态随机存储器，并且随着使用时间的增加性能不会发生退化等优势，受到业界越来越多的关注，被认为极有可能替代静态随机存取存储器、动态随机存取存储器、闪存，而成为下一代“通用”存储器的强有力候选者之一。产业界及科研机构也在不断优化电路器件结构，材料工艺路线，器件集成以期待磁性随机存储器件早日步入商业化。
磁性随机存储器的核心结构是磁隧道结(MTJ)，磁隧道结由固定磁性层、非磁性绝缘层和自由磁性层组成。其中，固定磁性层较厚，磁性较强，磁性受到中间重金属层钉扎效应使磁矩不容易反转，而自由磁性层也被称为磁记录层，它的厚度较薄，无钉扎层，磁矩容易反转，因此便于用来做记录层。根据自由磁性层和固定磁性层之间磁矩平行和反平行的关系，可以对应输出“0”或“1”的状态进行磁性的存储。自由磁性层是存储信息的磁性薄膜，一般使用软磁材料，具有低的矫顽力，高的磁导率以及对低磁场的高敏感性，这些性能说明较快的反应速度和写入速度。常见的材料如CoFe、NiFe、CoFeB等。非磁性绝缘层采用厚度仅有0.5nm～2nm的非磁性薄膜构成，如MgO或Al2O3等。
传统的大尺寸磁隧道结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，从而使得磁隧道结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磁隧道结侧壁——干净并且没有受到化学破坏。磁隧道结侧壁对性能的发挥至关重要，一般离子束刻蚀完都会原位在侧壁沉积一层钝化保护层，保护磁隧道结免受空气中氧气和水汽的侵蚀。
随着器件不断向小尺寸高堆叠程度高密度方向发展，因此存储单元的关键尺寸(CD，criticaldimension)也越来越小。随着CD的减小，器件的深宽比也会不断增加，30纳米以及以下的磁隧道结器件的高宽比一般都是在2:1以上。传统的化学气相沉积(CVD)很难对MTJ侧壁进行均匀的保护，需要增加沉积时间和沉积温度。沉积时间和温度的增加会导致钝化保护层元素进入MTJ侧壁MgO膜层，使隧穿层失效，如图1所示，图1为高温制备MTJ钝化保护层的结构示意图，MTJ侧壁发生损伤，该损伤导致MTJ有效使用区域大大缩小。另外高温也会导致MTJ膜层之间的元素发生扩散，最终导致MTJ器件失效。大部分CVD都要在高温下工作，而物理气相沉积(PVD)可以在低温工作，PVD制备的薄膜黏附力更好，致密度和纯度更高，更薄的薄膜就可以满足CVD钝化保护层的隔绝水氧的功效，但是传统PVD-磁控溅射台阶覆盖率很低，一般情况下磁控溅射产生的Ar+等离子体会在靶材上面形成电荷聚集的问题，导致后续的等离子体会被排斥，靶材很难被溅射出来，样品台一般也会加偏压，该偏压不能分辨Ar+等离子体或是带正电的溅射粒子，等离子体损伤会严重恶化MTJ膜层。
因此，如何实现一种可以在低温下有较好沉积覆盖率且较低等离子体损伤的技术来制备MTJ钝化保护层，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种MTJ钝化保护层的制备方法、磁隧道结及半导体器件，技术方案如下：
一种MTJ钝化保护层的制备方法，基于离子束沉积工艺原位同腔室制备，所述制备方法包括：
提供一待处理样品，所述待处理样品包括衬底以及位于衬底一侧的MTJ结构；
控制辅助离子源对所述MTJ结构的侧壁进行表面修复；
控制溅射离子源溅射目标靶材，且控制所述辅助离子源通入反应性气体形成钝化保护层，所述钝化保护层覆盖所述MTJ结构的侧壁以及所述MTJ结构背离所述衬底一侧的表面。
优选的，在上述制备方法中，在所述MTJ钝化保护层的制备过程中，所述制备方法还包括：
控制所述待处理样品的温度小于或等于175℃。
优选的，在上述制备方法中，所述控制所述待处理样品的温度小于或等于175℃，包括：
通过水机和背氦双重控温的方式控制所述待处理样品的温度小于或等于175℃。
优选的，在上述制备方法中，在所述MTJ钝化保护层的制备过程中，所述制备方法还包括：
控制所述衬底以所述衬底的中心为轴线进行旋转。
优选的，在上述制备方法中，控制所述衬底进行旋转的旋转速率为1r/min-200r/min。
优选的，在上述制备方法中，在形成所述钝化保护层时，所述制备方法还包括：
采用晶振的方式对所述钝化保护层的厚度进行检测。
优选的，在上述制备方法中，所述控制辅助离子源对所述MTJ结构的侧壁进行表面修复，包括：
控制所述辅助离子源的离子束能量至目标离子束能量，之后对所述MTJ结构的侧壁进行表面修复。
优选的，在上述制备方法中，所述目标离子束能量小于或等于200eV。
优选的，在上述制备方法中，所述控制溅射离子源溅射目标靶材，且控制所述辅助离子源通入反应性气体形成钝化保护层，包括：
调整所述目标靶材、所述待处理样品和所述溅射离子源之间的相对角度，之后控制所述溅射离子源溅射所述目标靶材，且控制所述辅助离子源通入反应性气体形成钝化保护层。
优选的，在上述制备方法中，所述目标靶材的靶材纯度大于或等于99.99％。
优选的，在上述制备方法中，所述目标靶材可以是单质、氧化物或者氮化物。
优选的，在上述制备方法中，所述目标靶材可以为硅、铝、氧化硅，氮化硅，氮氧化硅、氧化铝、氮化铝、氧化钛、氧化钽、氧化铪、氧化锆等中的一种或几种组合。
优选的，在上述制备方法中，在形成所述钝化保护层时，所述辅助离子源的离子束入射方向与所述待处理样品的法线之间的夹角为0°-30°。
优选的，在上述制备方法中，在形成所述钝化保护层时，所述制备方法还包括：
控制所述辅助离子源去除所述MTJ结构侧壁远离所述衬底一端上的部分钝化保护层。
优选的，在上述制备方法中，在控制所述辅助离子源去除所述MTJ结构侧壁远离所述衬底一端上的部分钝化保护层时，所述辅助离子源的离子束入射方向与所述待处理样品的法线之间的夹角为30°-60°。
优选的，在上述制备方法中，在形成所述钝化保护层时，所述制备方法还包括：
调控所述辅助离子源的离子束的能量和密度，使所述钝化保护层的致密度处于95％-99.99％。
优选的，在上述制备方法中，在形成所述钝化保护层时，所述制备方法还包括：
调控所述辅助离子源的离子束的能量和密度，以及调控所述溅射离子源的离子束的能量和密度，使所述钝化保护层的界面粗糙度小于0.2nm。
优选的，在上述制备方法中，所述辅助离子源产生的离子束和所述溅射离子源产生的离子束均为中性离子束。
优选的，在上述制备方法中，在形成所述钝化保护层时，所述制备方法还包括：
控制所述溅射离子源在所述目标靶材上的离子束范围小于所述目标靶材的尺寸。
优选的，在上述制备方法中，所述溅射离子源中的栅网的形状为弧形；
所述弧形的半径为大于或等于300mm，且小于或等于800mm。
本申请还提供了一种磁隧道结，所述磁隧道结包括：
位于衬底一侧的多个MTJ结构和钝化保护层，所述钝化保护层覆盖所述MTJ结构的侧壁以及所述MTJ结构背离所述衬底一侧的表面；
其中，所述钝化保护层基于权利要求1-18任一项所述的制备方法制备。
本申请还提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括上述所述的磁隧道结。
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MTJ钝化保护层的制备方法基于离子束沉积工艺原位同腔室制备，所述制备方法包括：提供一待处理样品，所述待处理样品包括衬底以及位于衬底一侧的MTJ结构；控制辅助离子源对所述MTJ结构的侧壁进行刻蚀处理；控制溅射离子源溅射目标靶材，且控制所述辅助离子源通入反应性气体形成钝化保护层，所述钝化保护层覆盖所述MTJ结构的侧壁以及所述MTJ结构背离所述衬底一侧的表面。该制备方法在制备MTJ钝化保护层的过程中保持低温和无等离子体损伤的状态，MTJ侧壁覆盖率更高，钝化保护层的纯度更高，MTJ膜层的有效使用范围更大，在更高的技术代仍可使用，降低了高温和等离子体对膜层的损伤。
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为高温制备MTJ钝化保护层的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种MTJ钝化保护层的制备方法的流程示意图；
图3为图2所示制备方法对应的部分结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种离子束沉积示意图。
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，本申请实施例提供了一种MTJ钝化保护层的制备方法、磁隧道结及半导体器件，该制备方法在制备MTJ钝化保护层的过程中保持低温和无等离子体损伤的状态，MTJ侧壁覆盖率更高，钝化保护层的纯度更高，MTJ膜层的有效使用范围更大，在更高的技术代仍可使用，降低了高温和等离子体对膜层的损伤。
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2，图2为本发明实施例提供的一种MTJ钝化保护层的制备方法的流程示意图，参考图3，图3为图2所示制备方法对应的部分结构示意图，参考图4，图4为本发明实施例提供的一种离子束沉积示意图，本申请实施例提供的一种MTJ钝化保护层的制备方法，基于离子束沉积工艺原位同腔室制备，所述制备方法包括：
S101：提供一待处理样品，所述待处理样品包括衬底11以及位于衬底11一侧的MTJ结构12。
具体的，在该步骤中提供一衬底11，在衬底11上形成层叠设置的固定磁性层、非磁性绝缘层和自由磁性层，之后沉积硬掩膜，通过光刻定义结构区，刻蚀定义的结构区，形成具有MTJ结构12的衬底11，即待处理样品。
S102：控制辅助离子源对所述MTJ结构12的侧壁进行表面修复。
具体的，在该步骤中控制所述待处理样品的温度小于或等于175℃，可选的通过水机和背氦双重控温的方式控制所述待处理样品的温度小于或等于175℃，也就是说，让待处理样品处于一个低温的环境下，避免高温环境对制备工序的影响；控制所述衬底11以所述衬底11的中心为轴线进行旋转，例如控制所述衬底11进行旋转的旋转速率为1r/min-200r/min，保证在对MTJ结构12的侧壁进行处理时，待处理样品始终处于自转的状态，以提高对MTJ结构12侧壁的处理效果。
进一步的，所述控制辅助离子源对所述MTJ结构12的侧壁进行表面修复，包括：控制所述辅助离子源的离子束能量至目标离子束能量，之后对所述MTJ结构12的侧壁进行表面修复。所述目标离子束能量小于或等于200eV。
也就是说，通过辅助离子源低能量去修饰MTJ结构12的侧壁，使MTJ结构12的侧壁无污染，进而有利于MTJ结构12性能的发挥，否则侧壁上若有金属残余，非磁性绝缘层将失去作用，会使整个MTJ结构12短路。
并且，在该步骤中目标离子束能量小于或等于200eV，该低能量的目标离子束也不会对MTJ结构12的侧壁造成额外的损伤，若离子束能量较高时，同样也会造成MTJ结构12失效。
需要说明的是，在对MTJ结构12的侧壁进行表面修复时，对MTJ结构12背离衬底11一侧的表面也会有部分修复。
S103：控制溅射离子源溅射目标靶材，且控制所述辅助离子源通入反应性气体形成钝化保护层13，所述钝化保护层13覆盖所述MTJ结构12的侧壁以及所述MTJ结构12背离所述衬底11一侧的表面。
具体的，在该步骤中同样需要控制所述待处理样品的温度小于或等于175℃，可选的通过水机和背氦双重控温的方式控制所述待处理样品的温度小于或等于175℃，也就是说在沉积钝化保护层13时让待处理样品处于一个低温的环境下，可以有效地抑制MTJ结构12膜层之间的扩散，以及避免沉积的钝化保护层13的元素进入到MTJ结构12中，尤其避免沉积的钝化保护层13的元素进入到MTJ结构12中的MgO的非磁性绝缘层中，即避免高温环境对制备工序的影响；同样也需要控制所述衬底11以所述衬底11的中心为轴线进行旋转，例如控制所述衬底11进行旋转的旋转速率为1r/min-200r/min，保证在沉积钝化保护层13时，待处理样品始终处于自转的状态，以提高钝化保护层13的制备均匀性，提高产品良率。
进一步的，在形成所述钝化保护层13时，所述制备方法还包括：
采用晶振的方式对所述钝化保护层13的厚度进行检测。
也就是说，在沉积钝化保护层13的过程中可采用晶振的方式进行薄膜沉积厚度的检测，实现监测薄膜厚度可以控制薄膜实际厚度，也可以保证每批次的样品有较好的稳定性和重复性。
进一步的，所述控制溅射离子源溅射目标靶材，且控制所述辅助离子源通入反应性气体形成钝化保护层13，包括：
调整所述目标靶材、所述待处理样品和所述溅射离子源之间的相对角度，之后控制所述溅射离子源溅射所述目标靶材，且控制所述辅助离子源通入反应性气体形成钝化保护层13。
其中目标靶材和待处理样品可以通过电极驱动的方式分别实现0°-90°和-90°-60°范围的控制，调整整所述目标靶材、所述待处理样品和所述溅射离子源之间的相对角度，具体可以为30°-60°。这样，可以保证MTJ结构12的侧壁上能有效的沉积上钝化保护层13。
其中，所述目标靶材的靶材纯度大于或等于99.99％。即采用纯度高的目标靶材用于制备出纯度较高的钝化保护层13，以提高保护效果。
可选的，在本发明实施例中所述目标靶材可以是单质、氧化物或者氮化物。所述目标靶材可以为硅、铝、氧化硅，氮化硅，氮氧化硅、氧化铝、氮化铝、氧化钛、氧化钽、氧化铪、氧化锆等中的一种或几种组合。
在形成所述钝化保护层13时，所述辅助离子源的离子束入射方向与所述待处理样品的法线之间的夹角为0°-30°。
也就是说，控制辅助离子源以低能量小角度的方式调控离子束，达到高深宽比(深宽比＞2:1)MTJ膜层的台阶覆盖率，该覆盖率可提高到40％以上。
进一步的，在形成所述钝化保护层13时，所述制备方法还包括：
控制所述辅助离子源去除所述MTJ结构12侧壁远离所述衬底11一端上的部分钝化保护层13。
可选的，在控制所述辅助离子源去除所述MTJ结构12侧壁远离所述衬底11一端上的部分钝化保护层13时，所述辅助离子源的离子束入射方向与所述待处理样品的法线之间的夹角为30°-60°。
也就是说，在钝化保护层13的沉积过程中可能MTJ结构12的顶部区域会多余沉积一些材料，导致相邻两个MTJ结构12之间沟槽的开口部被封口，因此在本申请实施例中采用高能量大角度的方式调控离子束，去除overhang部分，保证钝化保护层13可以有效沉积。
其中高能量为大于或等于400eV，具有刻蚀速率快，刻蚀效率高和产能高等优点，并且大角度的方式可以保证离子束只打到表层，相邻两个MTJ结构12之间的沟槽的中下部不会被打到，达到高深宽比(深宽比＞2:1)MTJ膜层的台阶覆盖率，该覆盖率可提高到50％以上。
可选的，所述钝化保护层13包括但不限于氧化硅，氮化硅，氮氧化硅、氧化铝、氮化铝、氧化钛、氧化坦等其他材料的钝化保护层13，钝化保护层13主要起绝缘和保护MTJ结构12不被水氧恶化的作用，所制备的钝化层越致密越好。
进一步的，可以通过调控所述辅助离子源的离子束的能量和密度，来调整钝化保护层13的致密度，在本申请实施例中可以使所述钝化保护层13的致密度处于95％-99.99％，破真空后阻挡氧气和水的入侵，隧穿磁阻TMR降低比例＜10％。
进一步的，还通过调控所述辅助离子源的离子束的能量和密度，以及调控所述溅射离子源的离子束的能量和密度，来调整钝化保护层13的界面粗糙度，在本申请实施例中可以使所述钝化保护层13的界面粗糙度小于0.2nm，以降低界面损伤，提升隧穿磁阻TMR＞20％。
需要说明的是，辅助离子源通入的反应性气体包括但不限定于氧气、氮气中的一种或几种组合，反应性气体主要是形成钝化保护层13，保证钝化保护层13中氮/氧/硅元素的含量可以精确调控，以形成预期的含量。
在本申请实施例中，辅助离子源精准调控钝化保护层13中氮/氧元素的含量比例为0.5-2，以调控钝化保护层13的绝缘和钝化保护效果。
进一步的，在本申请实施例中所述辅助离子源产生的离子束和所述溅射离子源产生的离子束均为中性离子束。
具体的，所述溅射离子源的中性离子束包括：He、Ne、Ar、Kr和Xe中的任一种或多种惰性气体形成的离子束。
所述辅助离子源的中性反应离子束包括：氧气、氮气或者两者混合气体与一种或多种惰性气体形成的离子束。
也就是说，辅助离子源和溅射离子源采用中性离子束沉积钝化保护层13，可以使钝化保护层13无二次等离子体损伤。
并且辅助离子源的中心离子束在对MTJ结构12的侧壁进行修饰时也不会对MTJ结构12的侧壁造成损伤，有利于TMR的提升、器件灵敏度和反应变快。
进一步的，在本申请实施例中在形成所述钝化保护层13时，所述制备方法还包括：
控制所述溅射离子源在所述目标靶材上的离子束范围小于所述目标靶材的尺寸，即使离子束聚焦到目标靶材的内部保证溅射粒子的纯度，以制备出纯度较高的薄膜。
进一步的，在本申请实施例中所述溅射离子源中的栅网的形状为弧形。
所述弧形的半径为大于或等于300mm，且小于或等于800mm。
具体的，在该实施例中该弧形的栅网用于将离子束聚焦到靶材内部，保证溅射粒子的纯度，最终保证沉积薄膜的纯度。
下面以三个具体实施例的方式对本发明实施例提供的约瑟夫森结薄膜的制备方法进一步进行说明：
具体实施例一：
MTJ结构12的CD是20nm-50nm，两个MTJ结构12之间的距离是20nm-50nm，MTJ结构12的高度是20nm-50nm，MTJ结构12上窄下宽，MTJ结构12之间孔隙上宽下窄，MTJ结构12之间孔隙为正方形或者圆形，采用离子束沉积工艺制备MTJ结构12的氧化硅的钝化保护层13，所有沉积过程中待处理样品自转速度为20r/min-100r/min，具体步骤如下：
首先，辅助离子源通入Ar，低能量辅助角度为30°-60°，将MTJ结构12的侧壁的残留物去除，露出干净的侧壁。
其次，溅射离子源通入Ar产生离子束轰击钝化保护层13所需的目标靶材，目标靶材溅射出来Si粒子在辅助离子源反应离子束反应和推动下沉积在上一步MTJ结构12的侧壁形成5nm-20nm的氧化硅薄膜，晶圆与辅助离子源法线方向夹角小于45°，辅助离子源的气体为O2和/或Ar。
具体实施例二：
MTJ结构12的CD是30nm-60nm，两个MTJ结构12之间的距离是25nm-50nm，MTJ结构12的高度是50nm-100nm，MTJ结构12上窄下宽，MTJ结构12之间孔隙上宽下窄，MTJ结构12之间孔隙为正方形或者圆形，采用离子束沉积工艺制备MTJ结构12的氧化铝结构钝化保护层13，所有沉积过程中待处理样品自转速度为20r/min-100r/min，具体步骤如下：
首先，辅助离子源通入Ar，低能量辅助角度为10°-45°，将MTJ结构的侧壁的残留物去除，露出干净的侧壁。
其次，溅射离子源通入Ar产生离子束轰击钝化保护层13所需的目标靶材，目标靶材溅射出来Al粒子在辅助离子源反应离子束反应和推动下沉积在上一步MTJ结构12的侧壁形成5nm-20nm的氧化铝薄膜，晶圆与辅助离子源法线方向夹角小于30°，辅助离子源的气体为O2和/或Ar。
具体实施例三：
MTJ结构12的CD是30nm-60nm，两个MTJ结构12之间的距离是25nm-50nm，MTJ结构12的高度是75nm-150nm，MTJ结构12上窄下宽，MTJ结构12之间孔隙上宽下窄，MTJ结构12之间孔隙为正方形或者圆形，采用离子束沉积工艺制备MTJ结构12的氮化硅的钝化保护层13，所有沉积过程中待处理样品自转速度为20r/min-100r/min，具体步骤如下：
首先，辅助离子源通入Ar，低能量辅助角度为10°-45°，将MTJ结构的侧壁的残留物去除，露出干净的侧壁。
其次，溅射离子源通入Ar产生离子束轰击钝化保护层13所需的目标靶材，目标靶材溅射出来Si粒子在辅助离子源反应离子束反应和推动下沉积在上一步MTJ结构12的侧壁形成5nm-20nm的氧化硅薄膜，晶圆与辅助离子源法线方向夹角小于30°，辅助离子源的气体为N2和/或Ar。
通过上述描述可知，本申请提供的MTJ钝化保护层的制备方法的技术方案的优势是低温原位离子束沉积单腔室可以完成所述工艺，低温沉积可以有效地抑制MTJ结构12膜层之间的扩散和钝化保护层13元素进入MTJ结构12，尤其是MgO膜层，并且该技术方案也可以有效的降低沉积对侧壁的损伤，以及可以有效提高台阶覆盖率和薄膜致密性，能够更有效地保护先进技术代中的MTJ结构12的侧壁不受外界水氧的侵蚀，并且本工艺不需要借助其它工艺手段。
可选的，基于本申请上述实施例，在本申请另一实施例中还提供了一种磁隧道结，所述磁隧道结包括：
位于衬底11一侧的多个MTJ结构12和钝化保护层13，所述钝化保护层13覆盖所述MTJ结构12的侧壁以及所述MTJ结构12背离所述衬底11一侧的表面。
其中，所述钝化保护层13基于上述实施例所述的制备方法制备。
可选的，基于本申请上述实施例，在本申请另一实施例中还提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括上述实施例所述的磁隧道结。
以上对本发明所提供的一种MTJ钝化保护层的制备方法、磁隧道结及半导体器件进行了详细介绍，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 (22)
1.一种MTJ钝化保护层的制备方法，其特征在于，基于离子束沉积工艺原位同腔室制备，所述制备方法包括：
提供一待处理样品，所述待处理样品包括衬底以及位于衬底一侧的MTJ结构；
控制辅助离子源对所述MTJ结构的侧壁进行表面修复；
控制溅射离子源溅射目标靶材，且控制所述辅助离子源通入反应性气体形成钝化保护层，所述钝化保护层覆盖所述MTJ结构的侧壁以及所述MTJ结构背离所述衬底一侧的表面。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述MTJ钝化保护层的制备过程中，所述制备方法还包括：
控制所述待处理样品的温度小于或等于175℃。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述控制所述待处理样品的温度小于或等于175℃，包括：
通过水机和背氦双重控温的方式控制所述待处理样品的温度小于或等于175℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述MTJ钝化保护层的制备过程中，所述制备方法还包括：
控制所述衬底以所述衬底的中心为轴线进行旋转。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，控制所述衬底进行旋转的旋转速率为1r/min-200r/min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在形成所述钝化保护层时，所述制备方法还包括：
采用晶振的方式对所述钝化保护层的厚度进行检测。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述控制辅助离子源对所述MTJ结构的侧壁进行表面修复，包括：
控制所述辅助离子源的离子束能量至目标离子束能量，之后对所述MTJ结构的侧壁进行表面修复。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述目标离子束能量小于或等于200eV。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述控制溅射离子源溅射目标靶材，且控制所述辅助离子源通入反应性气体形成钝化保护层，包括：
调整所述目标靶材、所述待处理样品和所述溅射离子源之间的相对角度，之后控制所述溅射离子源溅射所述目标靶材，且控制所述辅助离子源通入反应性气体形成钝化保护层。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述目标靶材的靶材纯度大于或等于99.99％。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述目标靶材可以是单质、氧化物或者氮化物。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述目标靶材可以为硅、铝、氧化硅，氮化硅，氮氧化硅、氧化铝、氮化铝、氧化钛、氧化钽、氧化铪、氧化锆等中的一种或几种组合。
13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在形成所述钝化保护层时，所述辅助离子源的离子束入射方向与所述待处理样品的法线之间的夹角为0°-30°。
14.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在形成所述钝化保护层时，所述制备方法还包括：
控制所述辅助离子源去除所述MTJ结构侧壁远离所述衬底一端上的部分钝化保护层。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，在控制所述辅助离子源去除所述MTJ结构侧壁远离所述衬底一端上的部分钝化保护层时，所述辅助离子源的离子束入射方向与所述待处理样品的法线之间的夹角为30°-60°。
16.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在形成所述钝化保护层时，所述制备方法还包括：
调控所述辅助离子源的离子束的能量和密度，使所述钝化保护层的致密度处于95％-99.99％。
17.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在形成所述钝化保护层时，所述制备方法还包括：
调控所述辅助离子源的离子束的能量和密度，以及调控所述溅射离子源的离子束的能量和密度，使所述钝化保护层的界面粗糙度小于0.2nm。
18.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述辅助离子源产生的离子束和所述溅射离子源产生的离子束均为中性离子束。
19.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在形成所述钝化保护层时，所述制备方法还包括：
控制所述溅射离子源在所述目标靶材上的离子束范围小于所述目标靶材的尺寸。
20.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溅射离子源中的栅网的形状为弧形；
所述弧形的半径为大于或等于300mm，且小于或等于800mm。
21.一种磁隧道结，其特征在于，所述磁隧道结包括：
位于衬底一侧的多个MTJ结构和钝化保护层，所述钝化保护层覆盖所述MTJ结构的侧壁以及所述MTJ结构背离所述衬底一侧的表面；
其中，所述钝化保护层基于权利要求1-20任一项所述的制备方法制备。
22.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括权利要求21所述的磁隧道结。
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118434258A true CN118434258A (zh) | 2024-08-02 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9601688B2 (en) | Method of manufacturing magnetoresistive element and method of processing magnetoresistive film | |
| TWI716046B (zh) | 一種磁性穿隧接面蝕刻方法 | |
| US12035633B2 (en) | Method for etching magnetic tunnel junction | |
| CN111566831B (zh) | 用于高性能磁性随机存取存储器装置的自由层氧化与间隔物辅助磁性穿隧结蚀刻 | |
| US11877519B2 (en) | Semiconductor device manufacturing method | |
| US11367832B2 (en) | Method of making magnetoresistive random access memory device | |
| KR102496578B1 (ko) | 다층 자기터널접합 에칭 방법 및 mram 디바이스 | |
| US10921707B2 (en) | Self-adaptive halogen treatment to improve photoresist pattern and magnetoresistive random access memory (MRAM) device uniformity | |
| CN118434258A (zh) | Mtj钝化保护层的制备方法、磁隧道结及半导体器件 | |
| US10038138B1 (en) | High temperature volatilization of sidewall materials from patterned magnetic tunnel junctions | |
| TWI726466B (zh) | 一種單隔離層磁性穿隧接面蝕刻方法 | |
| JP2023543889A (ja) | Ｍｒａｍ磁気トンネル接合のエッチング方法 | |
| KR20240027132A (ko) | 자기 랜덤 액세스 메모리(mram)의 자기 터널 접합(mtj)의 손상 저감 방법 | |
| CN118434266A (zh) | 一种约瑟夫森结薄膜及其制备方法、半导体结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication |