[发明专利]一种轻离子溅射刻蚀制备磁性隧道结的方法

说明书

本发明提供了一种轻离子溅射刻蚀制备磁性隧道结的方法，采用低原子序数的正离子，具体来说，是指低于Ar⁺相对原子量39.948emu的正离子，比如：采用H_X⁺(X＝1～3)、He⁺或者Ne⁺等，对磁性隧道结多层膜进行物理溅射刻蚀。本发明使得组成磁性隧道结的多层材料对刻蚀硬掩模材料具有较高的选择比，这样可以把刻蚀硬掩模做得相对较薄，同时可以采用低刻蚀功率，可以减少物理刻蚀损伤和侧壁导电覆盖物等问题，可以减少化学刻蚀损伤和刻蚀速率过慢等问题。有利于MRAM回路磁学性能、电学性能的改善和良率的提升，有利于磁性隧道结的小型化。

技术领域

本发明涉及一种制备磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的方法，具体涉及一种轻离子溅射刻蚀(Sputtering etching)制备磁性隧道结的方法，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，通常采用反应离子刻蚀(RIE，Reactive Ion Etching)或离子束刻蚀(IBE，Ion Beam Etching)的工艺来实现对磁性隧道结的加工。对磁性隧道结的RIE的刻蚀最早采用卤素基气体，比如：Cl₂等。但是，由于刻蚀副产物在常温下难以挥发，刻蚀进行得非常缓慢。通常采用300摄氏度以上的衬底温度，然而这无疑降低了磁性存储器的磁学性能，不利于其良率的提高。同时，由于采用了卤素基气体，这无疑增加了对磁性隧道结的化学损伤。最近，采用CH₃OH或CO/NH₃等作为主要刻蚀气体的RIE工艺，有效的解决了化学损伤和刻蚀副产品等问题，但是，必须增加刻蚀腔体电源功率以增加刻蚀速率，这无疑增加了RIE的磁性隧道结的物理损伤；离子束刻蚀(IBE)工艺，一般采用Ar⁺、Kr⁺或Xe⁺等作为离子源，刻蚀工艺腔体采用IBE刻蚀工艺腔体或者RIE刻蚀工艺腔体。