TWI780826B - Mram磁隧道結的蝕刻方法 - Google Patents
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Abstract
一種MRAM磁隧道結的蝕刻方法，包括步驟1、採用離子束蝕刻和/或反應離子蝕刻進行蝕刻量為t1的主刻步：離子束的方向角為10°至60°，反應離子蝕刻的偏壓為400V至1000V；步驟2、蝕刻量為t2的清洗步：採用的反應離子蝕刻的偏壓為50V至400V，脈衝占空比為5%至50%，t1：t2≧0.5，清洗步完成後，在底電極或底介質層上的蝕刻形貌為方形溝槽；步驟3、原位保護：鍍膜進行原位保護。本發明將RIE和IBE蝕刻相結合，通過蝕刻順序的佈設及蝕刻參數的選擇，在對小尺寸密集磁隧道結蝕刻效果顯著提升的同時，也能適用於非密集磁隧道結的蝕刻。
Description
本發明是有關於一種磁性隨機存儲器領域，且特別是有關於一種MRAM磁隧道結的蝕刻方法。
目前廣泛應用的存儲器類型主要為SRAM（Static Random Access Memory）、DRAM（Dynamic Random Access Memory）和Flash（Flash Memory）等。SRAM不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據，性能較高，但集成度低。DRAM集成度高且功耗低，但需要刷新電路才能持續保存數據。而MRAM（Magnetic Random Access Memory）具備SRAM的高速讀寫能力，以及DRAM的高集成度，基本可以無限次的重複寫入，可用於既需快速、大量的存儲數據，又需斷電後保持數據，並可快速恢復的系統中。在“非揮發性”特色上，目前僅有MRAM及FLASH具此功能，而Flash欠缺“隨機存取”的功能。這意味著， MRAM前景廣闊，尤其在汽車、工業、軍事及太空領域可發揮重要作用。
MRAM與傳統的存儲器不同，靠磁場極化的形式，而不是靠電荷的形式來保存數據的。MRAM存儲單元基本結構MTJ結如圖1所示。最上層是磁場極化方向可變的自由層，中間是隧道柵層，下層是磁場方向固定不變的固定層，合稱MTJ結（Magnetic Tunnel Junctions）。當自由層與固定層的磁場方向平行時，存儲單元呈現低電阻；當磁場方向相反時，呈現高電阻。MRAM通過檢測存儲單元電阻的高低，來判斷所存儲的數據是0還是1。
在MRAM製程中，MTJ蝕刻是極其關鍵的環節。蝕刻設備主要為反應離子蝕刻RIE（Reactive Ion Etching）和離子束蝕刻IBE（Ion Beam Etching）。RIE是採用化學反應和物理離子轟擊進行蝕刻的方法。IBE是利用具有一定能量的離子束轟擊材料表面進行蝕刻，方向性較強。目前RIE和IBE蝕刻是MTJ蝕刻的主流方法。無論是採用IBE蝕刻還是RIE蝕刻，均需滿足如下要求：
1、蝕刻中需要保持MTJ結較高的陡直度（Profile），有利於提高TMR（Tunnel Magnetoresistance Resistance）性能和壽命。
2、MTJ中的氧化鎂層不能有側壁沾汙（Re-dep），否則會造成短路失效。
3、掩膜（HM）剩餘較多，沉積沾汙（Residue）較少，有利於後續工藝製程，提高器件存活率。
如圖2所示，傳統IBE蝕刻具有較高的選擇性，但氧化鎂層損傷較大，沉積沾汙較多。傳統RIE蝕刻選擇比過低，陡直度較差。從而，難以同時滿足上述三項蝕刻要求。
另外，隨著磁性記憶層體積的縮減，寫或轉換操作需注入的自旋極化電流也越小。因此，期望做出更小更密集的MTJ結圖形，減少控制引起的對MTJ記憶器件壽命的破壞與縮短。然而，更小更密集的MTJ結，採用常規的IBE蝕刻或RIE蝕刻，更難以滿足上述三項蝕刻要求。
本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種MRAM磁隧道結的蝕刻方法，該MRAM磁隧道結的蝕刻方法將傳統RIE和IBE蝕刻相結合，通過蝕刻順序的佈設以及各個蝕刻參數的精心選擇，從而在對小尺寸密集磁隧道結蝕刻效果提升顯著的同時，也能適用於非密集磁隧道結的蝕刻。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：
一種MRAM磁隧道結的蝕刻方法，包括如下步驟。
步驟1，磁隧道結主刻步：採用離子束蝕刻和/或反應離子蝕刻，對磁隧道結進行蝕刻量為t1的主刻步蝕刻。其中，離子束的方向角為10~60°，反應離子蝕刻的偏壓為400-1000V。
步驟2，磁隧道結清洗步：對完成主刻步的磁隧道結，進行蝕刻量為t2的清洗步蝕刻。其中，t1：t2≧0.5。清洗步蝕刻包括反應離子蝕刻，反應離子蝕刻的模式為連續模式或脈衝模式。反應離子蝕刻的偏壓為50V-400V，脈衝占空比為5%-50%。清洗步蝕刻完成後，在底電極或底介質層上的蝕刻形貌為方形溝槽。
步驟2中，清洗步蝕刻採用離子束蝕刻和反應離子蝕刻的組合。其中，離子束蝕刻的束電壓為50V-200V。
還包括步驟3，磁隧道結的原位保護：採用化學氣相沉積法，在完成清洗步蝕刻後的磁隧道結周圍生長介質膜層，進行原位保護。
清洗步蝕刻的蝕刻量t2為5-100nm。
步驟1中，離子束蝕刻包括大角度離子束蝕刻和小角度離子束蝕刻。
大角度離子束蝕刻指離子束的方向角為30-60°，小角度離子束蝕刻指離子束的方向角為10-30°。假設大角度離子束蝕刻的時間段為T1，小角度離子束蝕刻的時間段為T2，則T1≧1.5 T2。
主刻步和清洗步中，當採用離子束蝕刻時，離子束腔室使用的氣體為惰性氣體、氮氣、氧氣、氟基氣體、氨基氣體、一氧化碳、二氧化碳和醇類中的一種或任意組合。
主刻步和清洗步中，當採用反應離子蝕刻時，反應離子腔室中的離子源功率為50-1000W，腔壓為0.5-10mT，氣流量10-500sccm，氣體為惰性氣體、氮氣、氧氣、氟基氣體、氨基氣體、一氧化碳、二氧化碳和醇類中的一種或任意組合。
方形溝槽的下底邊長度為L1，方形溝槽的上底邊長度為L2，方形溝槽的高為H1，方形溝槽下底邊與側邊之間的夾角為α，則：L1：L2=0.3~1.0，H1：L2=0.1~2.0，α=90-130°。
一種MRAM磁隧道結的蝕刻方法，包括如下步驟。
步驟1，磁隧道結主刻步：採用離子束蝕刻，對磁隧道結進行蝕刻量t1=35nm的主刻步蝕刻。離子束蝕刻方法為：將磁隧道結樣品傳入離子束蝕刻腔室，離子束的方向角選擇為25°、能量600V、保護氣體選擇為氬氣。其中，磁隧道結樣品從上至下依次包括掩膜層、帽層、MTJ結、底電極金屬層和底介質層。底介質層中等距嵌套有與掩膜層中掩膜數量相等的金屬下電極，金屬下電極與掩膜的位置相對應。離子束蝕刻停止在底電極金屬層剩餘5nm處。此時，離子束蝕刻量為35nm。
步驟2，磁隧道結清洗步：對完成主刻步的磁隧道結，採用反應離子蝕刻，進行蝕刻量為t2=30nm的清洗步蝕刻。反應離子蝕刻的方法為：通過真空腔，將步驟1完成離子束蝕刻的磁隧道結樣品，從離子束蝕刻腔室傳輸至反應離子蝕刻腔室，進行反應離子蝕刻。反應離子蝕刻的參數為：反應離子脈衝選用20%，離子源功率700W、偏壓在400V，腔壓5mT，氬氣流量100 sccm，反應離子蝕刻量30nm。清洗步蝕刻完成後，在底介質層上的蝕刻形貌為方形溝槽。
步驟3，磁隧道結的原位保護：通過真空傳輸腔，將清洗步蝕刻完成後的磁隧道結樣品傳入等離子增強化學氣相沉積腔室，鍍35nm SiN薄膜作原位保護。
一種MRAM磁隧道結的蝕刻方法，包括如下步驟。
步驟1，磁隧道結主刻步：採用反應離子蝕刻，對磁隧道結進行蝕刻量t1=20nm主刻步蝕刻。反應離子蝕刻方法為：將磁隧道結樣品傳入反應離子蝕刻腔室，反應離子蝕刻離子源功率600W，偏壓600V，腔壓10mT，氬氣流量150 sccm。其中，待蝕刻磁隧道結樣品，從上至下依次包括掩膜層、帽層、MTJ結、底電極層和底介質層。反應離子蝕刻停止在底電極層消耗3nm處。此時，反應離子蝕刻量為20nm。
步驟2，磁隧道結清洗步：對完成主刻步的磁隧道結，採用反應離子蝕刻，進行蝕刻量為t2=15nm的清洗步蝕刻。反應離子蝕刻的蝕刻參數為：反應離子脈衝選用30%，離子源功率300W、偏壓在600V，腔壓1.5mT，氬氣流量200 sccm，反應離子蝕刻量t2=15nm。清洗步蝕刻完成後，在底介質層上的蝕刻形貌為方形溝槽。
步驟2A，離子束清洗：通過真空腔，將清洗步蝕刻完成的磁隧道結樣品，傳輸至離子束蝕刻腔室，離子束角度選擇為45°，離子束能量100V，採用氬氣蝕刻，蝕刻深度3nm，仍停留在底電極層上。
步驟3，磁隧道結的原位保護：通過真空傳輸腔，將離子束清洗完成後的磁隧道結樣品傳入等離子增強化學氣相沉積腔室，鍍10nm SiN薄膜作原位保護。
本發明具有如下有益效果：本發明將傳統RIE和IBE蝕刻相結合，通過蝕刻順序的佈設以及各個蝕刻參數的精心選擇，從而在對小尺寸密集磁隧道結蝕刻效果提升顯著的同時，也能適用於非密集磁隧道結的蝕刻。因而，解決了密集圖形蝕刻時低選擇比、低陡直度的問題。進一步，本發明最大的特點是能在底部形成方形蝕刻溝槽，從而能很大程度上提高MTJ結的TMR和使用壽命，並消除底部沉積。
下面結合附圖和具體較佳實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
本發明的描述中，需要理解的是，術語“左側”、“右側”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，“第一”、“第二”等並不表示零部件的重要程度，因此不能理解為對本發明的限制。本實施例中採用的具體尺寸只是為了舉例說明技術方案，並不限制本發明的保護範圍。
如圖1所示，一種MRAM磁隧道結的蝕刻方法，包括如下步驟。
步驟1，主刻步：反應離子蝕刻RIE或離子束蝕刻IBE。
將晶圓傳入對應的反應腔室中，對待蝕刻磁隧道結樣品進行一次蝕刻。
如圖2所示，待蝕刻磁隧道結樣品，從上至下依次包括掩膜層、金屬層（也稱為帽層或覆蓋層）、MTJ結、金屬層（也稱為種子層）和底介質層。
其中，掩膜層包括若干個等距均布在帽層上的掩膜。底介質層中等距嵌套有與掩膜數量相等的底電極，底電極與掩膜的位置相對應。進一步，底介質層優選為氧化矽等。
如圖4所示，待蝕刻磁隧道結樣品，從上至下依次包括掩膜層、金屬層（也稱為帽層或覆蓋層）、MTJ結、金屬層（也稱為種子層）、底電極和底介質層。掩膜層中掩膜的設置，同圖2，底介質層優選為氧化矽等。
離子束蝕刻IBE的工藝條件優選為：離子束的方向角優選為10-60°（離子束與晶片法線夾角），能量優選為200-1000V，保護氣體優選採用惰性氣體、氮氣、氧氣、氟基氣體、氨基氣體、一氧化碳、二氧化碳、醇類等中的一種或不同組合，進一步優選為氬氣、氪氣、氙氣等惰性氣體。
反應離子蝕刻RIE的工藝條件優選為：離子源功率為50-1000W，腔壓為0.5-30mT，氣流量10-500sccm，氣體為惰性氣體、氮氣、氧氣、氟基氣體、氨基氣體、一氧化碳、二氧化碳和醇類中的一種或任意組合。
此步驟1中，主刻步的蝕刻量為t1。
本步驟1中，採用離子束蝕刻IBE或反應離子蝕刻RIE，優選具有如下有益效果：
1、離子束的方向角的選擇，能有效保障一次蝕刻的陡直度，並減少CD（MTJ結中氧化鎂層的尺寸）消耗。RIE主刻可快速實現金屬層的蝕刻，對氧化鎂層的側壁損傷較小。
在本發實施例的IBE蝕刻過程中，離子束優選採用變化的方向角，IBE蝕刻包括大角度IBE蝕刻和小角度IBE蝕刻。其中，大角度IBE蝕刻通常指離子束的方向角為30-60°；小角度IBE蝕刻通常指離子束的方向角為10-30°。假設大角度IBE蝕刻的時間段為T1， 小角度IBE蝕刻的時間段為T2，則優選T1≧1.5 T2。
2、採用惰性氣體蝕刻，能獲得較高的陡直度和清潔的側壁。
3、通過增加主刻步蝕刻量t1的占比，從而提高recess量，提升陡直度。
步驟2，清洗步：通過真空腔將步驟1完成主刻步的磁隧道結樣品，傳輸至相應清洗步腔室，在清洗步腔室中，進行清洗步的二次蝕刻。
清洗步蝕刻具有如下兩種優選實施例。
第一種實施例：反應離子蝕刻的連續模式或脈衝模式。
第二種實施例：反應離子蝕刻的連續模式或脈衝模式、以及低能量的離子束蝕刻。
反應離子蝕刻RIE的工藝條件優選為：反應離子脈衝Pulsing優選為 5%-50%，離子源功率Source 50-1000W、偏壓在10-1000V，腔壓0.5-10mT，氣流量10-500sccm，採用惰性氣體、氮氣、氧氣、氟基氣體、氨基氣體、一氧化碳、二氧化碳、醇類等中的一種或任意組合，進一步優選為氬氣等惰性氣體或含氧氣體。
離子束蝕刻IBE的工藝條件優選為：方向角優選為30-60°（離子束與晶片法線夾角），能量優選為50-200V，保護氣體優選採用惰性氣體、氮氣、氧氣、氟基氣體、氨基氣體、一氧化碳、二氧化碳、醇類等中的一種或不同組合，進一步優選為氬氣、氪氣、氙氣等惰性氣體。
步驟2中，清洗步蝕刻量為t2，t2取值優選為5-40nm，t1：t2≧0.5。兩次蝕刻的蝕刻量比值優選為：t1：t2=1.5~4.0。
完成二次蝕刻後，位於底電極和/或底介質層上的蝕刻形貌為如圖3和圖4所示的方形溝槽。
一種位於底部的MRAM磁隧道結的方形蝕刻溝槽，方形溝槽為位於底電極或底介質層上的蝕刻形貌，且形狀為類方形。如圖2所示，方形溝槽位於底介質層上。如圖4所示，方向溝槽位於底電極中。作為替換，方形溝槽也可同時位於圖4的底電極和/或底介質層中。
方形溝槽的下底邊長度（對應圖3中的Square trench length）為L1，方形溝槽的上底邊長度（對應圖3中的Space）為L2，方形溝槽的高（對應圖3中的Recess）為H1，方形溝槽下底邊與側邊之間的夾角為α；則：α=90-130°，也即近似L型，故而形成類方形，優選：L1：L2=0.3~1.0，H1：L2=0.1~2.0。
因為電荷積累效應和選擇比等因素，小尺寸密集圖形比常規的圖能更難形成方形蝕刻溝槽。採用本發明後，可以在圖形密集程度達到中距（pitch）為80-100nm的情況下，仍然可以蝕刻出明顯的方形溝槽特徵。
本步驟2中，採用低能量的離子束蝕刻或反應離子蝕刻的連續模式或脈衝模式，優選具有如下有益效果：
1、低能量、低壓條件可提高沉積沾汙清除能力，在合適的工藝窗口下，能保障不產生側壁沾汙。
2、低能量可減少氧化鎂層的側壁損傷。
3、採用氬氣等惰性氣體蝕刻也可獲得較高的陡直度和清潔的側壁，若採用含氧氣體蝕刻可對側壁有氧化效果，採用反應氣體蝕刻可增加選擇比。
4、保留主刻步驟的陡直度，最終陡直度在75-90°，即使兩單元中心間距Pitch≦100nm時，也可達到85°以上。
5、與傳統單一蝕刻方法相比，選擇比大幅提升。
6、能在底部形成方形蝕刻溝槽。方形溝槽底部平坦，無沉積沾汙或只含有較少沉積沾汙。方形蝕刻溝槽可在介質層形成，也可以在下電極層形成。方形溝槽底部拐角可呈“L”型。蝕刻完鍍膜後，膜層仍有明顯“L”型形貌。
7、所得方形溝槽角度在90-130°，方形溝槽下底邊長L1為方形溝槽上底邊長L2的0.5-1.0倍。在Recess : Space為0.5-2、深寬比（總高 : Space）為1.0-5.0時可達到較好方形溝槽形貌。
步驟3，鍍膜：對蝕刻完成的磁隧道結樣品進行鍍膜。所鍍膜層為氮化矽或氧化矽或二者的結合，鍍膜厚度為10-100nm，鍍膜溫度為150-350℃。 該原位保護膜層可避免MTJ的金屬疊層被空氣中的水汽等腐蝕，造成器件導通短路。
本發明，採用如下兩種具體優選實施例，進行進一步的詳細說明。
實施例一
步驟1，採用反應離子蝕刻進行主刻步：將如圖2所示的磁隧道結樣品傳入RIE腔室進行主刻，主刻步能量為源功率500W、偏壓功率600W, 腔壓20mTorr，蝕刻氣體為Kr。
反應離子蝕刻停止在最下層金屬層剩餘10nm至底介質層40nm深度處，本實施例一中，一次蝕刻優選停止在最下方金屬層剩餘5nm處，蝕刻量為t1優選為35nm。
步驟2，採用反應離子蝕刻RIE+離子束蝕刻IBE的組合進行清洗步
步驟21、反應離子蝕刻RIE：通過真空腔，將步驟1主刻步完成的磁隧道結樣品，進行二次反應離子蝕刻。二次反應離子蝕刻的參數為：離子源功率700W、偏壓在400V，腔壓5mT，氬氣流量100 sccm。
步驟22、離子束蝕刻：通過真空腔，將步驟21完成二次反應離子蝕刻的磁隧道結樣品，從RIE傳輸至IBE，進行離子束蝕刻。離子束蝕刻工藝條件優選為：BMV100V, 入射角60°，蝕刻氣體為Ar。蝕刻深度，也即離子束蝕刻量t2=30nm。完成二次蝕刻後，位於底介質層上的蝕刻形貌為方形溝槽。
步驟3，鍍膜：通過真空傳輸腔將離子束蝕刻後的樣品傳入等離子增強化學氣相沉積腔室，鍍30nm SiN薄膜作原位保護。
本實施例所得方形溝槽的下底邊長度（對應圖3中的Square trench length）為L1，方形溝槽的上底邊長度（對應圖3中的Space）為L2，方形溝槽的高（對應圖3中的Recess）為H1，方形溝槽下底邊與側邊之間的夾角為α；則：α=120°，也即近似L型，故而形成類方形，L1：L2=0.5，H1：L2=0.5。
實施例二
步驟1，採用反應離子蝕刻進行主刻步：將如圖4所示的磁隧道結樣品傳入反應離子腔室，反應離子蝕刻離子源功率600W，偏壓600V，腔壓10mT，氬氣流量150 sccm。其中，待蝕刻磁隧道結樣品，從上至下依次包括掩膜層、帽層、MTJ結、底電極層和底介質層。反應離子蝕刻停止在底電極層消耗3nm處。此時，反應離子蝕刻量為20nm。
步驟2，採用反應離子蝕刻進行清洗步：二次蝕刻工藝條件優選為：反應離子脈衝Pulsing 選用5%，反應離子源功率Source 300W、偏壓在600V，腔壓1.5mT，氬氣流量200 sccm，蝕刻30nm到種子層，也即反應離子蝕刻量t2=15nm。完成二次蝕刻後，位於底電極上的蝕刻形貌為方形溝槽。
步驟2A，離子束清洗：通過真空腔傳輸二次蝕刻樣品至IBE腔室，離子束角度選擇為45°，離子束能量100V，採用氬氣蝕刻，蝕刻深度3nm，仍停留在底電極上，形貌對比如圖4。
步驟3，磁隧道結的原位保護：通過真空傳輸腔，將離子束清洗完成後的磁隧道結樣品傳入等離子增強化學氣相沉積腔室，鍍10nm SiN薄膜作原位保護。
本實施例所得樣品方形溝槽的下底邊長度（對應圖3中的Square trench length）為L1，方形溝槽的上底邊長度（對應圖3中的Space）為L2，方形溝槽的高（對應圖3中的Recess）為H1，方形溝槽下底邊與側邊之間的夾角為α；則：α=110°，也即近似L型，故而形成類方形， L1：L2=0.6，H1：L2=0.8。
實施例三
步驟1，採用離子束蝕刻進行主刻步：將磁隧道結樣品傳入離子束蝕刻腔室，離子束的方向角選擇為25°、能量600V、保護氣體選擇為氬氣蝕刻。其中，磁隧道結樣品從上至下依次包括掩膜層、帽層、MTJ結、底電極金屬層和底介質層。底介質層中等距嵌套有與掩膜層中掩膜數量相等的金屬下電極，金屬下電極與掩膜的位置相對應。離子束蝕刻停止在最下層金屬層剩餘5nm處，也即離子束蝕刻量t1為35nm。
步驟2，採用反應離子蝕刻進行清洗步：通過真空腔，將步驟1完成離子束蝕刻的磁隧道結樣品，從離子束蝕刻腔室傳輸至反應離子蝕刻腔室，進行二次蝕刻。二次蝕刻參數為：反應離子脈衝選用20%，離子源功率700W、偏壓在400V，腔壓5mT，氬氣流量100 sccm，反應離子蝕刻量t2=30nm。完成二次蝕刻後，位於底介質層上的蝕刻形貌為方形溝槽。
步驟3，鍍膜：通過真空傳輸腔將二次蝕刻後的樣品傳入等離子增強化學氣相沉積腔室，鍍35nm SiN薄膜作原位保護。
本實施例所得樣品方形溝槽的下底邊長度（對應圖3中的Square trench length）為L1，方形溝槽的上底邊長度（對應圖3中的Space）為L2，方形溝槽的高（對應圖3中的Recess）為H1，方形溝槽下底邊與側邊之間的夾角為α；則：α=100°，也即近似L型，故而形成類方形， L1：L2=0.8，H1：L2=1.0。
實施例四
步驟1，採用反應離子蝕刻進行主刻步：將如圖2所示的磁隧道結樣品傳入RIE腔室進行主刻，主刻步能量為源功率700W、偏壓功率400W, 腔壓15mTorr，腔壓10mTorr, 蝕刻氣體為乙醇。
反應離子蝕刻停止在最下層金屬層剩餘5nm至底介質層40nm深度處，本實施例中，一次蝕刻優選停止在金屬與介質的界面處，蝕刻量為t1優選為20nm。
步驟2，採用反應離子蝕刻進行清洗步：在反應離子蝕刻腔室繼續進行二次蝕刻。二次蝕刻工藝條件優選為：反應離子脈衝Pulsing 選用30%，反應離子源功率Source 300W、偏壓在100V，腔壓5mT，氬氣流量200 sccm，蝕刻30nm到種子層，也即蝕刻量t2=15nm。完成二次蝕刻後，位於底電極上的蝕刻形貌為方形溝槽。
步驟3，鍍膜：通過真空傳輸腔將二次蝕刻後的樣品傳入等離子增強化學氣相沉積腔室，鍍25nm SiN薄膜作原位保護。
本實施例所得樣品方形溝槽的下底邊長度（對應圖3中的Square trench length）為L1，方形溝槽的上底邊長度（對應圖3中的Space）為L2，方形溝槽的高（對應圖3中的Recess）為H1，方形溝槽下底邊與側邊之間的夾角為α；則：α=95°，也即近似L型，故而形成類方形， L1：L2=1.0，H1：L2=1.5。
以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬於本發明的保護範圍。
L1:長度
L2:長度
H1:高
圖1為MTJ結構示意圖。
圖2為本發明蝕刻效果與傳統RIE蝕刻或IBE蝕刻效果對比，蝕刻停止在介質SiO上。
圖3為本發明蝕刻後樣品膜層形貌示意圖。
圖4為本發明蝕刻效果與傳統RIE蝕刻或IBE蝕刻效果對比，蝕刻停止在底電極金屬上。
L1:長度
L2:長度
H1:高
Claims (11)
- 一種MRAM磁隧道結的蝕刻方法，包括如下步驟： 步驟1，磁隧道結主刻步：採用離子束蝕刻和/或反應離子蝕刻，對磁隧道結進行蝕刻量為t1的主刻步蝕刻；其中，離子束的方向角為10°至60°，反應離子蝕刻的偏壓為400V至1000V； 步驟2，磁隧道結清洗步：對完成主刻步的磁隧道結，進行蝕刻量為t2的清洗步蝕刻；其中，t1：t2≧0.5；清洗步蝕刻包括反應離子蝕刻，反應離子蝕刻的模式為連續模式或脈衝模式；反應離子蝕刻的偏壓為50V至400V，脈衝占空比為5%至50%；清洗步蝕刻完成後，在底電極或底介質層上的蝕刻形貌為方形溝槽。
- 如請求項1所述的MRAM磁隧道結的蝕刻方法，步驟2中，清洗步蝕刻採用離子束蝕刻和反應離子蝕刻的組合；其中，離子束蝕刻的束電壓為50V至200V。
- 如請求項1所述的MRAM磁隧道結的蝕刻方法，還包括步驟3，磁隧道結的原位保護：採用化學氣相沉積法，在完成清洗步蝕刻後的磁隧道結周圍生長介質膜層，進行原位保護。
- 如請求項1所述的MRAM磁隧道結的蝕刻方法，其中清洗步蝕刻的蝕刻量t2為5nm至100nm。
- 如請求項1所述的MRAM磁隧道結的蝕刻方法，步驟1中，離子束蝕刻包括大角度離子束蝕刻和小角度離子束蝕刻。
- 如請求項5所述的MRAM磁隧道結的蝕刻方法，其中大角度離子束蝕刻指離子束的方向角為30°至60°，小角度離子束蝕刻指離子束的方向角為10°至30°；假設大角度離子束蝕刻的時間段為T1，小角度離子束蝕刻的時間段為T2，則T1≧1.5 T2。
- 如請求項1或請求項2所述的MRAM磁隧道結的蝕刻方法，主刻步和清洗步中，當採用離子束蝕刻時，離子束腔室使用的氣體為惰性氣體、氮氣、氧氣、氟基氣體、氨基氣體、一氧化碳、二氧化碳和醇類中的一種或任意組合。
- 如請求項1或請求項2所述的MRAM磁隧道結的蝕刻方法，主刻步和清洗步中，當採用反應離子蝕刻時，反應離子腔室中的離子源功率為50W至1000W，腔壓為0.5mT至10mT，氣流量10sccm至500sccm，氣體為惰性氣體、氮氣、氧氣、氟基氣體、氨基氣體、一氧化碳、二氧化碳和醇類中的一種或任意組合。
- 如請求項1所述的MRAM磁隧道結的蝕刻方法，其中方形溝槽的下底邊長度為L1，方形溝槽的上底邊長度為L2，方形溝槽的高為H1，方形溝槽下底邊與側邊之間的夾角為α，則：L1：L2=0.3~1.0，H1：L2=0.1~2.0，α=90°至130°。
- 如請求項1所述的MRAM磁隧道結的蝕刻方法，其中包括如下步驟： 步驟1，磁隧道結主刻步：採用離子束蝕刻，對磁隧道結進行蝕刻量t1=35nm的主刻步蝕刻；離子束蝕刻方法為：將磁隧道結樣品傳入離子束蝕刻腔室，離子束的方向角選擇為25°、能量600V、保護氣體選擇為氬氣；其中，磁隧道結樣品從上至下依次包括掩膜層、帽層、MTJ結、底電極金屬層和底介質層；底介質層中等距嵌套有與掩膜層中掩膜數量相等的金屬下電極，金屬下電極與掩膜的位置相對應；離子束蝕刻停止在底電極金屬層剩餘5nm處；此時，離子束蝕刻量為35nm； 步驟2，磁隧道結清洗步：對完成主刻步的磁隧道結，採用反應離子蝕刻，進行蝕刻量為t2=30nm的清洗步蝕刻；反應離子蝕刻的方法為：通過真空腔，將步驟1完成離子束蝕刻的磁隧道結樣品，從離子束蝕刻腔室傳輸至反應離子蝕刻腔室，進行反應離子蝕刻；反應離子蝕刻的參數為：反應離子脈衝選用20%，離子源功率700W、偏壓在400V，腔壓5mT，氬氣流量100 sccm，反應離子蝕刻量30nm；清洗步蝕刻完成後，在底介質層上的蝕刻形貌為方形溝槽； 步驟3，磁隧道結的原位保護：通過真空傳輸腔，將清洗步蝕刻完成後的磁隧道結樣品傳入等離子增強化學氣相沉積腔室，鍍35nm SiN薄膜作原位保護。
- 如請求項1所述的MRAM磁隧道結的蝕刻方法，其中包括如下步驟： 步驟1，磁隧道結主刻步：採用反應離子蝕刻，對磁隧道結進行蝕刻量t1=20nm主刻步蝕刻；反應離子蝕刻方法為：將磁隧道結樣品傳入反應離子蝕刻腔室，反應離子蝕刻離子源功率600W，偏壓600V，腔壓3mT，氬氣流量150 sccm；其中，待蝕刻磁隧道結樣品，從上至下依次包括掩膜層、帽層、MTJ結、底電極層和底介質層；反應離子蝕刻停止在底電極層消耗3nm處；此時，反應離子蝕刻量為20nm； 步驟2，磁隧道結清洗步：對完成主刻步的磁隧道結，採用反應離子蝕刻，進行蝕刻量為t2=15nm的清洗步蝕刻；反應離子蝕刻的蝕刻參數為：反應離子脈衝選用5%，反離子源功率300W、偏壓在600V，腔壓1.5mT，氬氣流量200 sccm，反應離子蝕刻量t2=15nm；清洗步蝕刻完成後，在底介質層上的蝕刻形貌為方形溝槽； 步驟2A，離子束清洗：通過真空腔，將清洗步蝕刻完成的磁隧道結樣品，傳輸至離子束蝕刻腔室，離子束角度選擇為45°，離子束能量100V，採用氬氣蝕刻，蝕刻深度3nm，仍停留在底電極層上； 步驟3，磁隧道結的原位保護：通過真空傳輸腔，將離子束清洗完成後的磁隧道結樣品傳入等離子增強化學氣相沉積腔室，鍍10nm SiN薄膜作原位保護。
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