[发明专利]一种氧气气体团簇离子束制备磁性隧道结阵列的方法

说明书

本发明提供了一种氧气气体团簇离子束制备磁性隧道结阵列的方法，在羰基类有机物气体的气氛下，采用氧气气体团簇离子束辐照对磁性隧道结进行刻蚀，在此过程中，经历了氧化、吸附、反应、解吸附等一系列反复循环过程，由于单个氧气原子/分子的能量很低，这样将不会产生物理损伤和再次沉积。同时，由于采用了SiO₂、SiON、SiN、SiC或SiCN等作为刻蚀的硬掩模，在羰基类有机物气体的气氛下的氧气气体团簇离子束对硬掩模的刻蚀速率将会很低，这样就实现了选择性刻蚀，保护了顶电极。

技术领域

本发明涉及一种制备磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)阵列的方法，具体涉及一种采用氧气气体团簇离子束(GCIB，Gas Cluster Ion Beam)制备磁性隧道结阵列的方法，属于磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)制造技术领域。

背景技术

近年来，采用磁性隧道结(MTJ)的MRAM被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。

为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。依此方法，即可通过向磁电阻元件提供自旋极化电流来反转磁性记忆层的磁化强度方向。此外，随着磁性记忆层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。因此，这种写方法可同时实现器件微型化和降低电流。

同时，鉴于减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相契合。因此，期望是将pSTT-MRAM元件做成极小尺寸，并具有非常好的均匀性，以及把对MTJ磁性的影响减至最小，所采用的制备方法还可实现高良莠率、高精确度、高可靠性、低能耗，以及保持适于数据良好保存的温度系数。同时，非易失性记忆体中写操作是基于阻态变化，从而需要控制由此引起的对MTJ记忆器件寿命的破坏与缩短。然而，制备一个小型MTJ元件可能会增加MTJ电阻的波动，使得pSTT-MRAM的写电压或电流也会随之有较大的波动，这样会损伤MRAM的性能。

在现在的MRAM制造工艺中，通常采用两种刻蚀工艺来对磁性隧道结进行缩微，第一种为离子束刻蚀(IBE，Ion Beam Etching)，第二种为反应离子刻蚀(RIE，Reactive IonEtching)。两种刻蚀技术各有优缺点，为了获得更高的刻蚀速率，通常会把单个离子加速到很高的能量范围内，被加速的高能离子通常会破坏晶体结构，同时，因为物理溅射或者化学刻蚀副产物的再次沉积也会加大，通常，在磁性隧道结刻蚀之后，侧壁会形成一层损伤层/沉积层，这将会影响磁性隧道结的磁性和电学性能，更有胜者，将会直接导致从参考层到记忆层的短路，从而不利于磁性存储器良率的提高。

另外，在现在的制作工艺中，采用了金属钽，钛，钨或者其氮化物等作为刻蚀MTJ的硬掩膜，无论是采用RIE还是IBE工艺，硬掩模都被被极大的消耗掉，从而形成椭圆形的模帽，这将非常不利于MTJ与CMOS位线之间的连接。