[发明专利]多层磁性隧道结刻蚀方法和MRAM器件

说明书

本发明公开一种多层磁性隧道结刻蚀方法和MRAM器件。在不中断真空的情况下依据特定的步骤对晶圆进行加工，至少分别使用一次反应离子等离子体刻蚀腔室和离子束刻蚀腔室。对多层磁性隧道结的加工过程一直处在真空环境中，避免了外界环境对刻蚀的影响。通过刻蚀和清洗结合的工艺使器件结构维持了较好的陡直度，并且大幅度降低了磁性隧道结膜层结构的金属沾污及损伤，极大的提高了器件的性能和可靠性。另外，离子束刻蚀腔室和反应离子刻蚀腔室结合使用，克服了现有的单一刻蚀方法存在的技术问题，提高了生产效率和刻蚀工艺精度。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种多层磁性隧道结刻蚀方法和MRAM器件。

背景技术

磁存储器是计算机体系结构中的重要组成部分，对计算机的速度，集成度和功耗等都有决定性的影响。然而，目前的存储器难以同时兼顾各项性能指标，例如，硬盘的存储容量较高(可达1.3Tb/in2)，但访问速度极其慢(通常为微秒级)，缓存则相反，具有高速和低集成度的特点。为允许发挥各类存储器的优势，典型的计算机存储系统采用分级结构，一方面，频繁使用的指令与数据存于缓存(Cache)和主存(Main Memory)中，能够以较快的速度与中央处理器交互；另一方面，大量的非频繁使用的系统程序与文档被存于高密度的硬盘(HDD或者SSD)中，这样的分级结构是存储系统兼具高速和大容量的优点。但是，随着半导体工艺特征尺寸的不断缩小，传统的基于互补金属氧化物半导体工艺的缓存和主存遭遇到了性能瓶颈。在功耗方面，由于CMOS晶体管的漏电流随着工艺尺寸的减小而增大，因此，SRAM和DRAM的静态功耗日益加剧；在速度方面，处理器与存储器的互联延迟限制了系统的主频。解决该问题的一个有效途径是构建非易失性(Non-Volatile)的缓存和主存，使系统可工作于休眠模式而不丢失数据，从而消除漏电流和静态功耗，而且非易失性存储器可通过后道工艺(Back-of-End-Line)直接集成与CMOS电路上，减少了互联延迟。STT-MRAM在速度、面积、写入次数和功耗方面能够达到较好的折中，因此被业界认为是构建下一代非易失性缓存和主存的理想器件。

磁性隧道结(MTJ)的核心部分是由两个铁磁金属层夹着一个隧穿势垒层而形成的三明治结构，其中一个铁磁层被称为参考层(Reference Layer)或者固定层(PinnedLayer)，它的磁化沿易磁化轴方向(Easy-Axis)固定不变。另一个铁磁层被称为自由层(Free Layer)，它的磁化有两个稳定的取向，分别与固定层平行或者反平行，这将使磁性隧道结处于低阻态或者高阻态，该现象被称为隧穿磁阻效应(TMR)。这两种阻态可分别代表二进制数据中的“0”和“1”。

MTJ图形化的主要方法还是需要通过刻蚀的方法，因为MTJ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MTJ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MTJ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MTJ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MTJ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MTJ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MTJ的磁性特征。另一方面，离子束刻蚀都采用一定的角度实现刻蚀，这个为离子束刻蚀带来了局限性。随着MTJ器件尺寸做的越来越小，MTJ本身膜层的厚度以及掩膜的厚度不能无止境的被压缩，进入30纳米以及以下的MTJ器件的高宽比一般都是在2:1以上。磁性隧道结尺寸越小时，这个高宽比越高。这个高宽比使得离子束刻蚀常用的角度不能达到磁性隧道结的底部，从而达不到磁性隧道结器件分离的需求，使得图形化失败。再者，离子束刻蚀的时间相对较长，每台设备的产率有限。

发明内容