[发明专利]一种磁隧道结刻蚀方法

说明书

本发明公开一种磁隧道结刻蚀方法，所使用的刻蚀装置包括样品装载腔室、真空过渡腔室、反应离子等离子体刻蚀腔室、离子束刻蚀腔室、镀膜腔室、以及真空传输腔室。本方法包括多次反应离子等离子体刻蚀、离子束刻蚀以及镀膜步骤，在上述过程需多次进出各腔室，各腔室间的传递均在真空状态下进行。本发明能够克服高密度的小器件生产的瓶颈，拓宽刻蚀反应气体的可选择范围，减少物理刻蚀带来的侧壁金属沾污及结构损伤，提高刻蚀的效率，同时能够大幅提高器件的良率、可靠性，制造方法简单、快捷。

技术领域

本发明涉及磁性随机存储器领域，具体涉及一种磁隧道结刻蚀方法。

背景技术

随着半导体器件特征尺寸的进一步等比例缩小，传统的闪存技术将达到尺寸的极限。为进一步提高器件的性能，研发人员开始对新结构、新材料、新工艺进行积极的探索。近年来，各种新型非易失性存储器得到了迅速发展。其中，磁性随机存储器(MRAM)凭借其拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，动态随机存储器(DRAM)的高集成度，功耗远远的低于动态随机存储器，并且相对于快闪存储器(Flash)，随着使用时间的增加性能不会发生退化等优势，受到业界越来越多的关注，被认为是极有可能替代静态随机存取存储器、动态随机存取存储器、闪存，而成为下一代“通用”存储器的强有力候选者之一。产业界及科研机构致力于优化电路设计、工艺方法及集成方案以获得能够成功商业化的磁性随机存储器器件。

磁隧道结(MTJ)是磁性随机存储器的核心结构，该结构由固定层、非磁性隔离层和自由层组成。其中，固定层较厚，磁性较强，磁矩不容易反转，而自由层较薄，磁性较弱，磁矩容易反转。根据自由层和固定层之间磁矩平行和反平行的变化，输出“0”或“1”的状态。自由层是存储信息的磁性薄膜，使用软铁磁材料，具有比较低的矫顽力，较高的磁导率以及对低磁场的高敏感性。常见的材料如CoFe、NiFe、NiFeCo、CoFeB(使用较多)等。隔离层是厚度仅有0.5～2nm的非磁性薄膜，如MgO或Al₂O₃等。固定层是MRAM单元中磁场具有固定方向的薄膜。材料的选择应当与反铁磁层具有较强的交换偏置作用，从而使被钉扎层的磁矩能够被有效地钉扎在固定的方向上。关于这类材料，比较合适的有CoFe，CoFeB等。

磁隧道结图形化的主要方法还是需要通过刻蚀的方法，因为如上所述磁隧道结的材料是难于干法刻蚀的材料Fe，Co，Mg等，难以形成挥发产物，且不能采用腐蚀气体(Cl₂等)，否则会影响磁隧道结的性能，所以需要用到比较复杂的刻蚀方法才能实现，刻蚀工艺非常具有难度和挑战。

传统的大尺寸磁隧道结刻蚀都是通过离子束刻蚀完成的。由于离子束刻蚀采用惰性气体，基本上没有引入化学刻蚀的成分进入反应腔室，从而使得磁隧道结的侧壁不受化学反应的侵蚀。在保证侧壁干净的情况下，离子束刻蚀可以获得比较完美的磁隧道结侧壁——干净并且没有受到化学破坏。但是，离子束刻蚀也有其不完美的一面。一方面，离子束刻蚀能够实现的一个原理是采用较高的物理轰击力，而过大的物理轰击力会导致磁隧道结侧壁尤其是隔离层以及附近的核心层的原子层排序受到干扰，从而破坏磁隧道结的磁性特征。另一方面，离子束刻蚀只用物理轰击力，没有化学反应作为刻蚀的支撑，从而使得可以调节刻蚀工艺的参数大大减少，有些材料的刻蚀速度会非常低或者不能刻蚀。

发明内容