[发明专利]在有/无稀有气体的磁性穿隧结(MTJ)蚀刻过程中将氧化剂导入至甲醇以改善磁性穿隧结(MTJ)性能

说明书

公开一种用于形成具有最少的侧壁残留物及减少的低尾族群(low tail population)的磁性穿隧结(MTJ)的工艺流程，其中首先在作为MTJ层最上层的硬掩模中形成图案。之后，蚀刻转移硬掩模图案穿过包括参考层/穿隧阻障/自由层堆叠的下方MTJ层。可以基于第一流速的氧气及第二流速的氧化剂(例如甲醇)在单一RIE步骤中完成蚀刻转移，其中甲醇/氧气的比例至少为7.5：1。RIE也可以包括稀有气体的流速。在其他实施例中，当离子束蚀刻或等离子体蚀刻涉及稀有气体离子时，可在蚀刻转移穿过MTJ堆叠后，以氧化剂例如甲醇进行化学处理以及在50℃至450℃进行挥发。

相关专利申请

本申请与以下相关：案卷号：HT17-005，申请日为2017年5月15日，申请号：15/595,484以及案卷号：HT17-011，申请日为2017年8月3日，申请号：15/668,113，其与本案具有相同受让人，且其整体内容通过引用方式并入本公开。

技术领域

本公开有关于一种在蚀刻过程中减少MTJ侧壁损坏及残留物的方法，其蚀刻过程将掩模图案转移穿过MTJ堆叠层，从而产生MTJ纳米柱阵列，其MTJ纳米柱阵列具有改善的磁阻比(magnetoresistive ratio,DRR)及其他磁性特性，包括在DRR对最小电阻的图中具有减少的低尾族群。

背景技术

MTJ存储元件也称为MTJ纳米柱或MTJ，是磁性记录装置以及存储装置例如磁阻式随机存取存储器(magnetoresistive random access memory,MRAM)及自旋力矩转移-磁阻式随机存取存储器(spin torque transfer MRAM,STT-MRAM)中的关键元件。制造MTJ阵列的重要步骤为蚀刻转移上方硬掩模中的图案穿过MTJ堆叠层，以形成具有临界尺寸(critical dimension,CD)的MTJ阵列，从上向下观察，其MTJ阵列的临界尺寸在现有技术中大抵小于100nm。蚀刻转移工艺通常涉及多个蚀刻步骤，包括反应性离子蚀刻(reactiveion etch,RIE)及/或离子束蚀刻(ion beam etch,IBE)，并停止在基板上，其基板通常为底部电极。

MTJ堆叠层包括两个铁磁层，称为自由层(free layer,FL)及参考层(referencelayer,RL)，以及位于FL和RL之间的介电层(穿隧阻障)。RL具有固定的磁化优选在垂直于平面的方向(垂直磁非等向性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA))，而FL可以自由旋转至与RL磁化方向平行(parallel,P)或反平行(anti-parallel,AP)的方向从而为MTJ建立“0＂或“1”的存储态。磁阻比以dR/R(或DRR)表示，dR是当电流流过MTJ时两个磁态(R_AP-R_P)之间的电阻差，R等于R_P，为最小电阻值。

最底部的MTJ层通常为非磁性晶种层，可促进上方层的均匀成长，并增强上方RL或FL中的PMA。盖层例如Ta形成为最上层的MTJ层，并在随后的物理及化学蚀刻中作为保护层。因此，进行单一蚀刻转移工艺穿过MTJ堆叠层具有挑战性，因为当采用具有Ar的IBE或常规基于甲醇的RIE时，存在多种具有不同蚀刻速率的材料(磁性合金、非磁性金属及介电膜)。详细而言，尽管在侧壁上有最少的蚀刻材料再沉积，但甲醇RIE会对MTJ侧壁造成化学及等离子体损坏。另一方面，IBE不会产生化学损坏，且留下最少的等离子体损坏，但会导致MTJ侧壁上高度的再沉积材料。在RIE及IBE中，所谓的死层都形成在MTJ侧壁上，并由再沉积材料及受损材料包括MTJ层的氧化部分的一或两者形成。当死层包括来自硬掩模或另一MTJ层或底部电极的一种或多种金属，并形成在穿隧阻障上时，可能会容易发生电分流或“短路”，并使装置无法使用。