[发明专利]一种MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺

说明书

本发明涉及一种MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，采用了反应离子刻蚀与等离子束刻蚀相结合的方法。反应离子刻蚀的工艺是：顶电极功率为100‑500W，底电极功率为100‑1500W，刻蚀腔体压力为2‑20mT，气体流量为10‑500sccm，刻蚀到底部绝缘层之下至介质之上停止；等离子束刻蚀的工艺是：离子束角度为45°‑90°，离子能量为50‑600V，离子加速偏压为50‑1000V，气体流量为10‑500sccm；刻蚀量5‑15nm。反应气体是氩气。本发明可以调整MRAM结构底部的陡直度，达成MTJ层侧壁均无金属沉积的刻蚀结果，可以提高MRAM结的TMR，进而提高MRAM器件的性能。

技术领域

本发明涉及一种MRAM磁隧道结底部陡直度的控制工艺，属于半导体芯片生产领域，详言之，属于MRAM刻蚀工艺。

背景技术

在随机存储器市场上，现有的三大存储器类型分别是动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），静态随机存取存储器（Static Random-AccessMemory，SRAM）和闪存(Flash Memory)。这三者各有优劣。其中，DRAM价格低，集成度高；不过读写速度较慢，耗电较高。此外，由于DRAM是依靠电容来储存信息，它需要不断刷新字节来维持信息，所以断电后信息会丢失（易失性）。SRAM读写速度很快，但由于每个字节是6-8个晶体管组成的，它最主要的问题就是低集成度；除此之外，SRAM也存在高耗电和易失性的问题。最后值得注意的是DRAM和SRAM都不抗辐射。闪存相比前两者，除了抗辐射之外，最大的优点是断电后保留信息的能力（非易失性）。但是相比之下读写速度非常慢，而且读写逻辑也比较复杂（无法单字节读写）。

业界的发展需求一种在闪存的抗辐射和非易失性之上，能同时拥有高读写速度的新型存储器件。磁存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）就是一种新颖的有希望满足以上需求的随机存储器。MRAM除了拥有闪存的抗辐射和非易失性，它也有着接近SRAM的读写速度（可是MRAM的集成度却要远高于SRAM）。因此，现在很多需要目前三种存储器的组合才能够满足的存储需求，有希望被MRAM单独实现。

MRAM的每一个字节是由两层磁性材料夹着一层绝缘材料形成的，这种结构被称为磁隧道结（Magnetic Tunneling Junction，MTJ）。由于绝缘材料层的厚度非常薄（几个纳米），电流可以以隧穿的方式通过，并感受到一个电阻。这两层磁性材料其中一层的磁极方向固定，被称为固定磁性层；另一层磁性材料的磁极方向可以改变，被称为自由磁性层。当两层磁性材料磁极方向一致时（parallel），电阻（Rp）较小，隧穿电流较大，整个结构呈现为导通态，代表着二进制字节的“1”。而当两层磁性材料磁极方向相反时（anti-parallel），电阻（Rap）较大，隧穿电流较小，整个结构呈现为不导通态，代表着二进制字节的“0”。MTJ性能则是用隧道磁阻（tunneling magnetoresistance，TMR）来衡量，公式如下：

在实际MRAM刻蚀制程中，MRAM膜层的起始结构一般来说可以由图1表示。其中金属层一般是Ta，Ru，Fe，Pt，Ti，W等；绝缘层目前几乎一致是MgO；磁性层（固定磁性层和自由磁性层）一般是Co，CoFe，CoFeB等；介质一般是Si，SiO，SiN等。为了形成有功能性的MRAM结构，需要在掩膜的遮挡下，把初始的MRAM膜层结构进行刻蚀。刻蚀之后的结构形貌一般可以由图2表示。要注意的是，虽然在图2中，刻蚀停止在底部金属层与介质层之间，但是实际上根据不同要求，只要底部的绝缘层被完全打开（刻蚀完），刻蚀有可能停止在从固定磁性层到介质内的任意位置。另外，从图2可以看出，刻蚀后MRAM侧面截面的形貌一般呈现为一个梯形，其侧面的陡直度θ是一个很重要的参数。MRAM结构的陡直度对器件性能有着直接的影响，较低的陡直度意味着每个MRAM字节所占的面积比较大，直接降低器件的集成度，进而影响器件成本及性能。由于MRAM的结构一般属于后道制程，每一个MRAM单元所能够占用的面积已经由前道工艺定义出来，由此陡直度的影响也可以理解为，在一个规定的面积内，较低的陡直度意味着MTJ层的面积比较小，导致TMR较低，器件性能较低。