[发明专利]一种SOT-MRAM磁隧道结的制备方法

说明书

本发明公开了一种SOT‑MRAM磁隧道结的制备方法，包括以下步骤：提供一衬底，在衬底上依次层叠形成SOT层、自由层、隧道结阻挡层、参考层、钉扎层、覆盖层、硬掩模层；光刻，图形化硬掩模层；以接近法向的入射角进行逐层刻蚀，直到参考层被完全刻蚀；以更大的入射角度进行清理刻蚀，去除侧壁上的再沉积物，直到隧道结阻挡层被全部刻蚀；进行侧壁钝化处理；重复步骤S4和S5，直到SOT层上表面自由层完全被刻蚀为止，最终形成SOT‑MRAM磁隧道结结构。本发明通过SOT层上的刻蚀及侧壁清理，减少或避免MTJ的金属再沉积造成的短路和损伤；增加侧壁钝化处理过程，进一步消除侧壁导电物引起的短路问题，提高良品率及可靠性。

技术领域

本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种基于自旋轨道矩的SOT-MRAM存储单元的制备方法。

背景技术

磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive Random Access Memory；MRAM)具有低功耗、高速度、防辐射等优点，在新兴存储技术中极具优势。MRAM的基本存储单元为磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction：MTJ)。磁隧道结的核心单元通常包含三层结构自由层、参考层和隧道结阻挡层。这些层的厚度极薄，通常为埃米量级。自由层和参考层一般由磁性材料组成，隧穿层一般由氧化物组成。MRAM利用自由层和参考层的磁矩方向进行信息存储。自由层和参考层磁矩方形相同时，磁隧道结的隧穿电阻为低阻；当自由层和参考层磁矩方形反平行时，磁隧道结的隧穿电阻为高阻；MRAM的读取电路通过读取隧穿电阻的大小判断数据状态为“0”或“1”。自由层的磁矩方形可以由外加电流进行改变，因此可以通过写入电流改写存储单元的数据状态为“0”或“1”。

传统的STT-MRAM(自旋转移矩磁性随机存储器)单元的核心是磁隧道结(MTJ)堆叠件，包括钉扎层、位于钉扎层上方的被钉扎层、位于被钉扎层上方的隧道层、以及位于隧道层上方的自由层。写入电流必须流过隧道层，引起隧道层的损伤，使得STT-MRAM单元遭遇可靠性问题。因此，开发了SOT-MRAM(自旋轨道矩磁性随机存储器)。由于写入电流不流过隧道层，因此SOT-MRAM的可靠性比STT-MRAM高。

MTJ刻蚀通常采用RIE(反应离子刻蚀)或者IBE(离子束刻蚀)的方式，为了避免RIE化学腐蚀破坏其电磁性能，MTJ刻蚀一般更倾向于IBE方式，然而由于上方覆盖金属顶电极，且形成MTJ的材料也具有金属元素，导致IBE刻蚀伴随着侧壁金属沉积和等离子体轰击现象，会带来严重的短路和磁性破坏；

因此，MTJ隧道结刻蚀中有两大难题：短路和损伤。隧道结是由金属材料组成，有一些金属的刻蚀产物不是挥发性的气体，而是固体残渣。这些残渣非常容易附着在隧道结的侧壁，造成器件短路。这是隧道结刻蚀的头号难题。其次是损伤，刻蚀过程中的刻蚀物质，无论是反应离子刻蚀中的氯基、氟基气体，还是离子束刻蚀当中的惰性气体等离子体，都会对器件表层物质造成损伤，从而使器件性能降低。反应离子刻蚀中的卤素气体会不断渗入器件内部，造成MTJ磁性受到破坏。离子束刻蚀则会破坏单元表面的晶格结构，在表面形成损伤层，同样会造成磁性损伤。特别是SOT-MRAM中MTJ隧道结的刻蚀应尽可能避免对SOT层的刻蚀损伤。

RIE化学刻蚀中的化学腐蚀或者IBE等离子体物理刻蚀中的等离子体轰击会破坏MTJ侧壁的表面磁性层，破坏的磁性层的电阻、TMR(隧穿磁电阻)及热稳定性等性能相对于正常MTJ都有恶化；同时，破坏的磁性层内存在的卤素元素或者氧、氮离子会在后续的高温处理或者使用过程中通过扩散等形式影响成品器件的性能或寿命。

发明内容

鉴于以上所述技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种SOT-MRAM磁隧道结的制备方法，用于解决现有技术在SOT-MRAM隧道结的刻蚀工艺过程中对MTJ隧道结造成短路和损伤的问题，以及提高产品良率及可靠性的方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SOT-MRAM磁隧道结的制备方法，包括以下步骤：