[发明专利]一种气体团簇离子束平坦化磁性隧道结底电极的方法

说明书

本发明提供了一种气体团簇离子束平坦化磁性隧道结底电极的方法，采用气体团簇离子束对磁性隧道结底电极进行平坦化，使底电极的平均表面粗糙度达到沉积磁性隧道结薄膜的要求。由于低能气体团簇离子束的横向溅射效应，能够有效的消除局部表面不平整，通过改变入射剂量，辐照角度和/或添加有机醇、酸或醛等以获得最佳的表面粗糙度，提升了磁性隧道结的成膜质量和磁性/电学性能，有利于MRAM回路良率的提升；由于GCIB可以和PVD可以集成到一个系统中，降低工艺的复杂性，同时，避免了由于添加CMP及其后清洗工艺而带来的污染，非常适合MRAM的大规划生产。

技术领域

本发明涉及一种磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)底电极(BottomElectrode)的处理方法，具体涉及一种气体团簇离子束(GCIB，GasCluster Ion Beam)平坦化磁性隧道结底电极的方法，属于磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom AccessMemory)制造技术领域。

背景技术

近年来，采用磁性隧道结(MTJ)的MRAM被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。

为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。依此方法，即可通过向磁电阻元件提供自旋极化电流来反转磁性记忆层的磁化强度方向。此外，随着磁性记忆层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。因此，这种写方法可同时实现器件微型化和降低电流。

同时，鉴于减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相契合。因此，期望是将pSTT-MRAM元件做成极小尺寸，并具有非常好的均匀性，以及把对MTJ磁性的影响减至最小，所采用的制备方法还可实现高良莠率、高精确度、高可靠性、低能耗，以及保持适于数据良好保存的温度系数。同时，非易失性记忆体中写操作是基于阻态变化，从而需要控制由此引起的对MTJ记忆器件寿命的破坏与缩短。然而，制备一个小型MTJ元件可能会增加MTJ电阻的波动，使得pSTT-MRAM的写电压或电流也会随之有较大的波动，这样会损伤MRAM的性能。

在现在的MRAM制造工艺中，为了实现MRAM电路缩微化的要求，通常在带有表面抛光的CMOS通孔VIA_x(x≥1)的基底上直接制作MTJ单元，同时，使VIA_x(x≥1)和磁性隧道结(MTJ)单元对齐，即：所谓的on-axis结构；然而，在化学机械抛光(CMP，ChemicalMechanical Planarization)通孔VIA_x(x≥1)时候，由于研磨金属(比如：铜或者钨等)对电介质(比如：SiO₂或者低介常数(low-k)材料等)的选择比都比较高(通常高于50)。这样会在研磨VIA_x(x≥1)产生过度研磨，从而产生蝶形凹陷(dishing)，如图3所示，同时也会使局部的表面粗糙度(Ra)增大。为了控制超薄势垒层的质量和避免奈尔效应(Neel effect)，通常要求在沉积磁性隧道结(MTJ)多层膜之前，基底的表面粗糙度(Ra)被控制在0.2nm以下，比如：0.1nm等。