磁性隧道結(jié)的形成方法
【專利摘要】一種磁性隧道結(jié)的形成方法，包括：提供襯底，襯底表面具有介質(zhì)層，介質(zhì)層內(nèi)具有第一電極層，且介質(zhì)層暴露出第一電極層；在介質(zhì)層和第一電極層表面形成復(fù)合磁性層，復(fù)合磁性層包括：第一磁性薄膜、位于第一磁性薄膜表面的第一絕緣薄膜、以及位于第一絕緣薄膜表面的第二磁性薄膜；去除部分復(fù)合磁性層并暴露出第一絕緣薄膜為止，在第一絕緣薄膜表面形成子磁性結(jié)構(gòu)，子磁性結(jié)構(gòu)包括由第二磁性薄膜刻蝕形成的第二磁性層；采用第一氧化工藝在子磁性結(jié)構(gòu)表面形成第一氧化層；以第一氧化層和子磁性結(jié)構(gòu)為掩膜，去除部分第一絕緣薄膜和第一磁性薄膜，形成第一磁性層和位于第一磁性層表面的第一絕緣層。所形成的磁性隧道結(jié)性能提高。
【專利說明】磁性隧道結(jié)的形成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種磁性隧道結(jié)的形成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]磁存儲器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)具有讀寫時間短、非易失性和功耗低等優(yōu)點，適用于計算機或手機等信息處理設(shè)備上，使得磁存儲器受到市場的廣泛關(guān)注。
[0003]現(xiàn)有的磁存儲器結(jié)構(gòu)包括:用于作為開關(guān)器件的晶體管、以及用于存儲數(shù)據(jù)的磁性隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junct1n,MTJ)結(jié)構(gòu)。磁存儲器通過施加磁場,將信息存儲到磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中，并通過測量通過磁性隧道結(jié)的電流讀取所存儲的信息。
[0004]圖1是現(xiàn)有的磁性隧道結(jié)的截面結(jié)構(gòu)示意圖，包括:位于襯底100表面的底部電極層101 ;位于底部電極層101表面的磁性結(jié)構(gòu)102 ;位于磁性結(jié)構(gòu)102表面的頂部電極層103。其中，磁性結(jié)構(gòu)102由固定磁性層110、位于固定磁性層110表面的隧道絕緣層111、以及位于隧道絕緣層111表面的自由磁性層112交替堆疊而成，所述磁性結(jié)構(gòu)102為至少為三層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
[0005]所述固定磁性層110的磁化方向固定，自由磁性層112的方向可編程。當(dāng)所述自由磁性層112的磁化方向與固定磁性層110的磁化方向一致時，磁性隧道結(jié)的電阻最小，即為邏輯“O”狀態(tài)；當(dāng)所述自由磁性層112的磁化方向與固定磁性層110的磁化方向相差180度時，磁性隧道結(jié)的電阻最大，即為邏輯“I”狀態(tài)。在“讀取”的過程中，通過獲取磁性隧道結(jié)的電阻以讀出磁性隨機存儲器的狀態(tài)。
[0006]然而，現(xiàn)有技術(shù)所形成的磁性隧道結(jié)的性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致磁性隨機存儲器的可靠性低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明解決的問題是提供一種磁性隧道結(jié)的形成方法，提高所形成的磁性隧道結(jié)的穩(wěn)定性，使所述磁性隧道結(jié)所構(gòu)成的磁性隨機存儲器可靠性提高。
[0008]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種磁性隧道結(jié)的形成方法，包括:提供襯底，所述襯底表面具有第一電極層，且所述介質(zhì)層暴露出所述第一電極層；在所述介質(zhì)層和第一電極層表面形成復(fù)合磁性層，所述復(fù)合磁性層包括:第一磁性薄膜、位于所述第一磁性薄膜表面的第一絕緣薄膜、以及位于所述第一絕緣薄膜表面的第二磁性薄膜；去除部分復(fù)合磁性層并暴露出第一絕緣薄膜為止，在第一絕緣薄膜表面形成子磁性結(jié)構(gòu)，所述子磁性結(jié)構(gòu)包括由所述第二磁性薄膜刻蝕形成的第二磁性層；采用第一氧化工藝在所述子磁性結(jié)構(gòu)表面形成第一氧化層；以第一氧化層和子磁性結(jié)構(gòu)為掩膜，去除部分第一絕緣薄膜和第一磁性薄膜，形成第一磁性層和位于所述第一磁性層表面的第一絕緣層。
[0009]可選的，所述第一磁性層和第一絕緣層的形成方法為:采用第二氧化工藝對未被子磁性結(jié)構(gòu)覆蓋的部分第一磁性薄膜進(jìn)行氧化并形成第二氧化層，而位于子磁性結(jié)構(gòu)底部的部分第一磁性薄膜形成第一磁性層；去除第一氧化層、第二氧化層、以及未被子磁性結(jié)構(gòu)覆蓋的部分第一絕緣薄膜，位于子磁性結(jié)構(gòu)底部的部分第一絕緣薄膜形成第一絕緣層。
[0010]可選的，所述第二氧化硅工藝為等離子體氧化工藝，所述等離子體氧化工藝的偏置電壓大于100伏。
[0011]可選的，在形成子磁性結(jié)構(gòu)之后，第一氧化工藝之前，對第一絕緣薄膜和子磁性結(jié)構(gòu)進(jìn)行清洗工藝，以去除第一絕緣薄膜和子磁性結(jié)構(gòu)表面的雜質(zhì)。
[0012]可選的，所述第一氧化工藝為各向同性的氧化工藝，所述第一氧化層的厚度為10納米?30納米。
[0013]可選的，所述第一氧化工藝為遠(yuǎn)程氧化工藝，所述遠(yuǎn)程氧化工藝的氣體的流量為50sccm ?200sccmo
[0014]可選的，所述第一氧化硅工藝為等離子體氧化工藝，所述等離子體氧化工藝的源功率為100瓦?500瓦，偏置功率為O瓦。
[0015]可選的，去除部分復(fù)合磁性層的方法包括:在復(fù)合磁性層的部分表面形成掩膜層；以所述掩膜層為掩膜，刻蝕所述復(fù)合磁性層直至暴露出第一絕緣薄膜為止，在所述第一絕緣薄膜表面形成子磁性結(jié)構(gòu)。
[0016]可選的，所述刻蝕所述復(fù)合磁性層的工藝為各向異性的干法刻蝕工藝，各向異性的干法刻蝕工藝為離子濺射刻蝕工藝，刻蝕氣體包括氫氣、甲烷、氨氣、氮氣中的一種或多種組合。
[0017]可選的，在形成第一磁性層和第一絕緣層之后，去除所述掩膜層。
[0018]可選的，所述復(fù)合磁性層還包括:位于第二磁性薄膜表面的第二電極薄膜。
[0019]可選的，刻蝕部分復(fù)合磁性層之后，所形成的子磁性結(jié)構(gòu)還包括:位于第二磁性層表面的第二電極層，所述第二電極層由所述第二電極薄膜刻蝕形成。
[0020]可選的，所述第一磁性薄膜的厚度為I埃?40埃。
[0021]可選的，所述第一絕緣層的厚度為I埃?30埃。
[0022]可選的，還包括:在形成復(fù)合磁性層之前，在第一電極層表面形成第二絕緣層，所述復(fù)合磁性層形成于所述第二絕緣層表面。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點:
[0024]在磁性隧道結(jié)的形成方法中，所述第一氧化工藝能夠在刻蝕形成的子磁性結(jié)構(gòu)的表面形成第一氧化層，所述第一氧化層能夠用于保護(hù)所述子磁性結(jié)構(gòu)的表面，從而能夠防止在去除部分第一絕緣薄膜和第一磁性薄膜的過程中，所述第二磁性層的材料被帶到第一絕緣層的側(cè)壁表面，以此避免了所形成的第一磁性層和第二磁性層之間發(fā)生橋接。因此，所形成的磁性隧道結(jié)的性能穩(wěn)定，由所述磁性隧道結(jié)形成的磁性隨機存儲器的可靠性增強。
[0025]進(jìn)一步，所述第一磁性層和第一絕緣層的形成方法為:采用第二氧化工藝對未被子磁性結(jié)構(gòu)覆蓋的部分第一磁性薄膜進(jìn)行氧化并形成第二氧化層，之后去除第一氧化層、第二氧化層、以及未被子磁性結(jié)構(gòu)覆蓋的部分第一絕緣薄膜，以形成第一絕緣層和第一磁性層。其中，所述第二氧化硅工藝采用氧氣的等離子體在較高的偏置電壓影響下，向第一絕緣薄膜和第一磁性薄膜方向轟擊。在所述第二氧化工藝中，由于所述子磁性結(jié)構(gòu)表面具有第一氧化層的保護(hù)，因此在所述第二氧化工藝過程中，氧氣的等離子體不會將第二磁性層的材料帶到第一絕緣薄膜表面，從而在去除第二氧化層之后，能夠保證所形成的第一絕緣層的側(cè)壁表面潔凈，避免第一磁性層和第二磁性層之間發(fā)生橋接。
[0026]進(jìn)一步，在形成子磁性結(jié)構(gòu)之后，第一氧化工藝之前，對第一絕緣薄膜和子磁性結(jié)構(gòu)進(jìn)行清洗工藝，能夠去除附著于子磁性結(jié)構(gòu)表面的刻蝕副產(chǎn)物或金屬雜質(zhì)殘余，使所述子磁性結(jié)構(gòu)表面潔凈，從而能夠避免刻蝕副產(chǎn)物或金屬雜質(zhì)殘余對后續(xù)的第一氧化工藝均勻性的干擾，使得所形成的第一氧化層的厚度均勻，有利于精確控制子磁性結(jié)構(gòu)的尺寸。
[0027]進(jìn)一步，所述第一氧化工藝為各向同性的氧化工藝，即所述第一氧化工藝在各方向上的氧化速率相同，從而能夠使形成于子磁性結(jié)構(gòu)側(cè)壁表面的第一氧化層的厚度均勻；繼而，在后續(xù)去除所述第一氧化層之后，所述子磁性結(jié)構(gòu)的尺寸也能夠得到精確控制，有利于使所形成的磁性隧道結(jié)性能穩(wěn)定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是現(xiàn)有的磁性隧道結(jié)的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是磁性隧道結(jié)表面具有雜質(zhì)的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3至圖9是本發(fā)明實施例的磁性隧道結(jié)形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0031]如【背景技術(shù)】所述，現(xiàn)有技術(shù)所形成的磁性隧道結(jié)的性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致磁性隨機存儲器的可靠性低。
[0032]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，請參考圖2，磁性隧道結(jié)的形成方法包括:在襯底100和位于襯底100內(nèi)的第一電極層101表面形成固定磁性薄膜；在固定磁性薄膜表面形成隧道絕緣薄膜；在隧道絕緣薄膜表面形成自由磁性薄膜；在自由磁性薄膜表面形成頂部電極薄膜；形成覆蓋部分頂部電極薄膜表面的掩膜層；以所述掩膜層為掩膜，采用各向異性的干法刻蝕工藝刻蝕所述頂部電極薄膜、自有磁性薄膜、隧道絕緣薄膜和固定磁性薄膜直至暴露出襯底100表面為止，在底部電極層101表面形成固定磁性層110、位于固定磁性層110表面的隧穿絕緣層111、位于隧穿絕緣層111表面的自由磁性層112、以及位于自由磁性層112表面的頂部電極層103。
[0033]然而，由于所述頂部電極層103和自由磁性層112的材料為金屬，因此，在經(jīng)過所述各向異性的干法刻蝕工藝之后，容易在所述固定磁性層110、隧穿絕緣層111、自由磁性層112和頂部電極層103的側(cè)壁表面附著雜質(zhì)104，所述雜質(zhì)104包括殘余的金屬材料或刻蝕副產(chǎn)物。而一旦所述殘余的金屬材料附著于隧穿絕緣層111的側(cè)壁表面時，容易造成自由磁性層112和固定磁性層110之間發(fā)生金屬橋接，使所述自由磁性層112和固定磁性層110發(fā)生短路。從而使所形成的磁性隧道結(jié)性能變差、可靠性下降。
[0034]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種磁性隧道結(jié)的形成方法，包括:提供表面具有介質(zhì)層的襯底，所述介質(zhì)層內(nèi)具有第一電極層；在所述介質(zhì)層和第一電極層表面形成復(fù)合磁性層，所述復(fù)合磁性層包括:第一磁性薄膜、位于所述第一磁性薄膜表面的第一絕緣薄膜、以及位于所述第一絕緣薄膜表面的第二磁性薄膜；去除部分復(fù)合磁性層并暴露出第一絕緣薄膜為止，在第一絕緣薄膜表面形成子磁性結(jié)構(gòu)，所述子磁性結(jié)構(gòu)包括由所述第二磁性薄膜刻蝕形成的第二磁性層；采用第一氧化工藝在所述子磁性結(jié)構(gòu)表面形成第一氧化層；以第一氧化層和子磁性結(jié)構(gòu)為掩膜，去除部分第一絕緣薄膜和第一磁性薄膜，形成第一磁性層和位于所述第一磁性層表面的第一絕緣層。
[0035]其中，所述第一氧化工藝能夠在刻蝕形成的子磁性結(jié)構(gòu)的表面形成第一氧化層，所述第一氧化層能夠用于保護(hù)所述子磁性結(jié)構(gòu)的表面，從而能夠防止在去除部分第一絕緣薄膜和第一磁性薄膜的過程中，所述第二磁性層的材料被帶到第一絕緣層的側(cè)壁表面，以此避免了所形成的第一磁性層和第二磁性層之間發(fā)生橋接。因此，所形成的磁性隧道結(jié)的性能穩(wěn)定，由所述磁性隧道結(jié)形成的磁性隨機存儲器的可靠性增強。
[0036]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細(xì)的說明。
[0037]圖3至圖9是本發(fā)明實施例的磁性隧道結(jié)形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]請參考圖3，提供襯底，所述襯底表面具有第一電極層203。
[0039]所述襯底包括:半導(dǎo)體基底200、形成于半導(dǎo)體基底200表面的介質(zhì)層201，所述介質(zhì)層201內(nèi)具有導(dǎo)電結(jié)構(gòu)202，且所述介質(zhì)層201暴露出所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)202。所述第一電極層203形成于所述介質(zhì)層201和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)202表面。其中，所述半導(dǎo)體基底200內(nèi)或表面形成有半導(dǎo)體器件；所述襯底內(nèi)還形成有用于電連接所述半導(dǎo)體器件的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體器件和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)通過所述介質(zhì)層201電隔離。所述半導(dǎo)體基底200包括硅襯底、硅鍺襯底、碳化硅襯底、絕緣體上硅襯底、絕緣體上鍺襯底、玻璃襯底或πι-v族化合物襯底(例如氮化鎵襯底或砷化鎵襯底等)。本實施例中，所述半導(dǎo)體器件為晶體管，所述晶體管的柵極、源極或漏極與介質(zhì)層201內(nèi)的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)202電連接，所述晶體管能夠通過所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)驅(qū)動后續(xù)形成的磁性隧道結(jié)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在所述磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中的擦除或?qū)懭搿?br> [0040]所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)202用于使形成于襯底內(nèi)的晶體管與第一電極層203電連接，從而使所述晶體管實現(xiàn)對后續(xù)形成的磁性隧道結(jié)的驅(qū)動控制。本實施例中，所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)202包括連接于晶體管柵極的導(dǎo)電插塞，所述導(dǎo)電插塞的材料為銅、鎢或鋁；而且，所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)還包括形成于導(dǎo)電插塞和介質(zhì)層201之間的阻擋層，所述阻擋層的材料為氮化鈦、氮化鉭、鈦、鉭中的一種或多種。
[0041]所述介質(zhì)層201的材料為氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的一種或多種組合，所述介質(zhì)層201通過化學(xué)氣相沉積工藝形成。在沉積形成介質(zhì)層201之后，刻蝕所述介質(zhì)層201并形成暴露出位于襯底內(nèi)的半導(dǎo)體器件的開口，本實施例中暴露出晶體管的柵極；在所述開口內(nèi)沉積阻擋薄膜，在阻擋薄膜表面沉積導(dǎo)電薄膜；通過化學(xué)機械拋光工藝去除介質(zhì)層201表面的導(dǎo)電薄膜和阻擋薄膜，形成導(dǎo)電插塞和阻擋層。
[0042]所述第一電極層203作為所形成的磁性隧道結(jié)的底部電極。在本實施例中，所述第一電極層203通過導(dǎo)電結(jié)構(gòu)202與晶體管電連接，所述第一電極層203用于向所述晶體管傳遞或接收電信號，因此，所述第一電極層203較佳的采用導(dǎo)電性能好的材料，例如鉭(Ta)、鉬錳(PtMn)或釕(Ru)。在另一實施例中，所述第一電極層203還能夠采用銅、鎢或鋁作為材料。所述第一電極層的形成工藝為沉積工藝(化學(xué)氣相沉積工藝或物理氣相沉積工藝)或電鍍工藝；例如當(dāng)?shù)谝浑姌O層203的材料為銅時，采用銅電鍍工藝(ECP)。
[0043]請參考圖4，在所述第一電極層203表面形成復(fù)合磁性層204，所述復(fù)合磁性層204包括:第一磁性薄膜210、位于所述第一磁性薄膜210表面的第一絕緣薄膜211、位于所述第一絕緣薄膜211表面的第二磁性薄膜212。
[0044]所述第一磁性薄膜210用于形成固定磁性層，所述第二磁性薄膜212用于形成自由磁性層，所述是第一絕緣薄膜211用于隔離固定磁性層和自由磁性層。其中，所述固定磁性層具有固定的磁化方向，所述自由磁性層的磁化方向可編程，通過使所述固定磁性層和自由磁性層之間的此話方向相同或相反，使所形成的磁性隧道結(jié)呈高阻或低阻狀態(tài)，從而實現(xiàn)對邏輯狀態(tài)的編程。所述第一磁性薄膜210或第二磁性薄膜212的材料為CoFe或CoFeB,即所形成的固定磁性層或自由磁性層的材料為CoFe或CoFeB ;所述第一絕緣薄膜211的材料為氧化鎂、氧化鍶、氧化鋇或氧化鐳。
[0045]本實施例中，所述復(fù)合磁性層204還包括位于第二磁性薄膜212表面的第二電極薄膜213。所述第二電極薄膜213用于形成磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的頂部電極，所述頂部電極用于向外部電路傳遞或接收電信號，因此，所述第二電極薄膜213較佳的采用導(dǎo)電性能好的材料，例如鉭(Ta)、鉬錳(PtMn)或釕(Ru)。此外，所述第二電極薄膜213還能夠采用銅、鎢或鋁作為材料。在另一實施例中，所述復(fù)合磁性層中不具有第二電極薄膜，即所述復(fù)合磁性層的頂部為第二磁性薄膜；在后續(xù)形成第一磁性層和第二磁性層之后，在所述第二磁性層的頂部表面形成第二電極層。
[0046]在本實施例中,所述第一磁性薄膜210直接形成于第一電極層203表面,所述第一電極層203能夠向所形成的磁性隧道結(jié)施加偏壓；所述第二電極層210。在另一實施例中，第一電極層表面還形成有第二絕緣薄膜，所述復(fù)合磁性層形成于所述第二絕緣薄膜表面，所述第二絕緣層能夠調(diào)節(jié)第一電極層和第二電極層之間的閾值電壓；此外，所述復(fù)合磁性層203還能夠包括位于第二電極薄膜和第二磁性薄膜之間的第三絕緣薄膜；所述第二絕緣薄膜用于形成第二絕緣層，所述第三絕緣薄膜用于形成第三絕緣層，所述第二絕緣層、第三絕緣層能夠調(diào)節(jié)第一電極層203和第二電極層之間的閾值電壓。
[0047]所述第一磁性薄膜210的厚度為I埃?40埃，所述第一絕緣薄膜211的厚度為I埃?30埃。由于所述第一絕緣薄膜211的厚度較薄，使后續(xù)的第二氧化工藝中的氣體能夠穿過所述第一絕緣薄膜211，并進(jìn)入所述第一磁性薄膜210中，使所述氣體能夠?qū)λ龅谝淮判员∧?10進(jìn)行氧化以形成第二氧化層；由于所述第一磁性薄膜210的厚度較薄，因此在后續(xù)第二氧化工藝的氣體中，穿過第一絕緣薄膜211的氣體能夠使所述第一磁性薄膜210完全氧化。
[0048]請參考圖5，在復(fù)合磁性層204 (如圖4所示)的部分表面形成掩膜層205 ;以所述掩膜層205為掩膜，刻蝕所述復(fù)合磁性層204直至暴露出第一絕緣薄膜211為止，在所述第一絕緣薄膜211表面形成子磁性結(jié)構(gòu)206，所述子磁性結(jié)構(gòu)206包括由所述第二磁性薄膜
212(如圖4所示)刻蝕形成的第二磁性層212a。
[0049]所述掩膜層205定義了后續(xù)形成的第二電極層和第二磁性層平行于襯底200表面方向的圖形。且所述掩膜層205的位置與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)202的位置相對應(yīng)，使后續(xù)形成的第一電極層能夠與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)202電連接，從而實現(xiàn)半導(dǎo)體器件與磁性隧道結(jié)之間的電信號的傳輸。所述掩膜層205的材料為氮化娃、氮氧化娃、氧化娃、氮化鈦、無定形碳或娃,在本實施例中，所述掩膜層205的材料為氮化硅。所述掩膜層205的形成方法包括:在復(fù)合磁性層204表面形成掩膜薄膜(未示出);在所述第一掩膜薄膜表面形成圖形化層，所述圖形化層的位置與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)202相對應(yīng)；以所述圖形化層為掩膜，采用各向異性的干法刻蝕工藝刻蝕所述掩膜薄膜，直至暴露出復(fù)合磁性層204為止，形成掩膜層205。本實施例中，所述圖形化層為圖形化的光刻膠，所述圖形化層能夠在形成掩膜層205之后去除，或在后續(xù)去除掩膜層205時去除。
[0050]在本實施例中，所述刻蝕復(fù)合磁性層204的工藝為各向異性的干法刻蝕工藝，而所述各向異性的干法刻蝕工藝為離子派射(1ns Sputter)刻蝕工藝。由于所述復(fù)合磁性層204內(nèi)至少包括第一磁性薄膜210、第一絕緣薄膜211和第二磁性薄膜212，其中的第一磁性薄膜210和第二磁性薄膜212材料為多種金屬構(gòu)成的合金。而且，本實施例的復(fù)合磁性層204還包括第二電極薄膜213，因此所述復(fù)合磁性層204的材料種類復(fù)雜。
[0051]由于所述離子濺射的刻蝕工藝是利用離子的物理轟擊以達(dá)成刻蝕目的，因此采用所述離子濺射的刻蝕工藝能夠減少對于各種類材料之間的刻蝕選擇性，從而保證了刻蝕后的所形成的第二電極層213a和第二磁性層212a的側(cè)壁形貌良好；所述離子濺射刻蝕工藝的氣體包括含有氫元素、碳元素、氮元素的氣體、惰性氣體，例如氫氣、甲烷、氨氣、氮氣中的一種或多種組合，所述氣體不會與復(fù)合磁性層203中的材料發(fā)生反應(yīng)，能夠保證刻蝕后的復(fù)合磁性層203形貌良好。
[0052]刻蝕形成的子磁性結(jié)構(gòu)206為磁性隧道結(jié)的一部分，所述第二磁性層212a作為自由磁性層，所述第二磁性層212a的磁化方向能夠被編程。本實施例中，所述復(fù)合磁性層204還包括第二電極薄膜213，因此，所述刻蝕后形成的子磁性結(jié)構(gòu)206還包括由第二電極薄膜
213(如圖4所示)刻蝕形成的第二電極層213a，所述第二電極層213a作為所形成的磁性隧道結(jié)的頂部電極。
[0053]所述離子濺射的刻蝕工藝用于刻蝕第二電極薄膜213和第二磁性薄膜212，并停止于第一絕緣薄膜211表面，因此在所述第一絕緣薄膜211作為所述刻蝕工藝的停止層；而且，未被所述子磁性結(jié)構(gòu)206覆蓋的部分第一絕緣薄膜211能夠在后續(xù)去除第一氧化層和第二氧化層時被去除。
[0054]然而，在所述形成子磁性結(jié)構(gòu)206的刻蝕工藝過程中，難以避免地會產(chǎn)生刻蝕副產(chǎn)物220，所述刻蝕副產(chǎn)物220包括第二電極薄膜213和第二磁性薄膜212的材料、以及聚合物。而且，所述刻蝕副產(chǎn)物220容易附著于子磁性結(jié)構(gòu)206表面，對于后續(xù)工藝產(chǎn)生不良影響。因此，在進(jìn)行第一氧化工藝之前，需要進(jìn)行清洗工藝以去除刻蝕副產(chǎn)物220。
[0055]請參考圖6，在形成子磁性結(jié)構(gòu)206之后，對第一絕緣薄膜211和子磁性結(jié)構(gòu)206進(jìn)行清洗工藝，以去除第一絕緣薄膜211和子磁性結(jié)構(gòu)206表面的刻蝕副產(chǎn)物220 (如圖5所示)。
[0056]所述清洗工藝用于去除刻蝕副產(chǎn)物220，從而使后續(xù)的第一氧化工藝不會受到刻蝕副產(chǎn)物220的影響，使形成的第一氧化層厚度更均勻。所述清洗工藝能夠為濕法清洗工藝或干法清洗工藝。所述濕法清洗工藝的清洗液為氟化氫(HF)和水(H20)的混合溶液、或帶有羥基和氨基的有機溶液(例如EKC);當(dāng)所述清洗液為氟化氫和水的混合溶液時，所述氟化氫與水的體積比為1:500?1:1000 ;清洗溫度為20°C?40°C，清洗時間為5分鐘?20分鐘。
[0057]請參考圖7，采用第一氧化工藝在所述子磁性結(jié)構(gòu)206表面形成第一氧化層207。
[0058]所述第一氧化工藝為各向同性的氧化工藝，用于在子磁性結(jié)構(gòu)206表面形成第一氧化層207，是第一氧化層207作為后續(xù)形成第一磁性層和第一絕緣層時的保護(hù)層，避免在所形成的第一絕緣層側(cè)壁表面殘留金屬材料，防止所形成的第二磁性層212a和第一磁性層之間發(fā)生金屬橋接，從而保證了所形成的磁性隧道結(jié)的形成穩(wěn)定。
[0059]在一實施例中，所述第一氧化工藝為遠(yuǎn)程氧化(Remote Oxidat1n)工藝。在所述遠(yuǎn)程氧化工藝中，氧氣被等離子體化之后，由載氣攜帶并以一定流量進(jìn)入反應(yīng)腔內(nèi)。所述氧氣的等離子體由載氣帶入反應(yīng)腔內(nèi)、并通過與反應(yīng)腔連接的抽氣泵排出，所述氧氣的等離子體的在各方向上的氧化速率相近，能夠使所形成的第一氧化層207厚度均勻。本實施例中，所述遠(yuǎn)程氧化工藝的氣體流量為50sccm?200sccm。
[0060]在另一實施例中，所述第一氧化硅工藝為等離子體氧化工藝。在所述等離子體氧化工藝中，氧氣被等離子體化，并在源功率的影響下向襯底200方向移動，而偏置功率為O瓦，能夠使所述氧氣等離子體在各方向上的氧化速率相近，從而使所形成的第一氧化層207厚度均勻。本實施例中，所述等離子體氧化工藝的源功率為100瓦?500瓦，能夠使所述氧氣等離子體向襯底200方向移動，同時不會使所述氧氣等離子體的運動方向受到過多限制。
[0061]由于所述第一氧化工藝為各向同性的氧化工藝，因此所述第一氧化層207的厚度均勻，使得后續(xù)去除所述第一氧化層207之后，所述第二電極層213a和第二磁性層212a的結(jié)構(gòu)尺寸能夠得到精確控制，且所述第二電極層213a和第二磁性層212a的表面形貌良好。在本實施例中，所述第一氧化層207的厚度為10納米?30納米。
[0062]需要說明的是，由于所述第一氧化工藝為各向同性的氧化工藝，使得所述掩膜層205的側(cè)壁和頂部表面也被氧化，因此所述第一氧化層207還覆蓋于掩膜層205的側(cè)壁和底部表面。
[0063]請參考圖8，以第一氧化層207和子磁性結(jié)構(gòu)206為掩膜，采用第二氧化工藝對未被子磁性結(jié)構(gòu)206覆蓋的部分第一磁性薄膜210 (如圖7所示)進(jìn)行氧化并形成第二氧化層208，而位于子磁性結(jié)構(gòu)206底部的部分第一磁性薄膜210形成第一磁性層210a。
[0064]所述第二氧化工藝為等離子體氧化工藝，且所述第二氧化工藝為具有方向性的氧化工藝，氧化方向垂直于第一絕緣薄膜211表面，從而能夠?qū)⑽幢蛔哟判越Y(jié)構(gòu)206覆蓋的部分第一磁性薄膜210氧化，以此形成位于子磁性結(jié)構(gòu)206底部的第一磁性層210a。
[0065]在所述第二氧化工藝中，氧氣被等離子體化，并在較大的偏置電壓的驅(qū)動下，向第一絕緣薄膜211表面方向移動,所述偏置電壓大于100伏。在本實施例中，由于第一絕緣薄膜211的厚度較薄，而所述氧氣的等離子體的能量較大，因此所述氧氣的等離子體能夠穿過所述第一絕緣薄膜211并進(jìn)入第一磁性薄膜210進(jìn)行氧化反應(yīng)。而且，由于所述第一磁性薄膜211的厚度較薄，因此易于被完全氧化，則后續(xù)去除第二氧化層208之后，不易在介質(zhì)層201表面殘留金屬材料。
[0066]在本實施例中，所述第二氧化工藝還對未被子磁性結(jié)構(gòu)206覆蓋的部分第一電極層203 (如圖7所示)進(jìn)行氧化，使所形成的第二氧化層208直接與介質(zhì)層201表面接觸。由于所述第一磁性薄膜210的厚度較薄，易于被完全氧化；因此在所述第一磁性薄膜210被完全氧化之后，氧氣的等離子體能夠繼續(xù)進(jìn)入第一電極層203內(nèi)進(jìn)行氧化，以形成第二氧化層208。
[0067]而位于子磁性結(jié)構(gòu)206底部未被氧化的部分第一電極層203形成第一電極層203a，所述第一電極層203a即所形成的磁性隧道結(jié)的底部電極，所述第一電極層203a與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)202電連接，從而實現(xiàn)襯底內(nèi)的半導(dǎo)體器件與所形成的磁性隧道結(jié)之間的電信號傳輸。
[0068]請參考圖9，去除第一氧化層207 (如圖8所示)、第二氧化層208 (如圖8所示)、以及未被子磁性結(jié)構(gòu)206覆蓋的部分第一絕緣薄膜211(如圖8所示)，位于子磁性結(jié)構(gòu)206底部的部分第一絕緣薄膜211形成第一絕緣層211a。
[0069]所述去除第一氧化層207、第二氧化層208和部分第一絕緣層211的工藝為濕法刻蝕工藝或干法刻蝕工藝；而且，所述濕法刻蝕工藝或干法刻蝕工藝較佳的為各向同性的刻蝕工藝，以便同時去除位于介質(zhì)層201表面的第二氧化層208和第一絕緣薄膜211、以及位于子磁性結(jié)構(gòu)206側(cè)壁的第一氧化層207。在本實施例中，所述第一磁性層210a和第二磁性層212a的材料相同，第一電極層203a和第二電極層213a的材料相同，因此所述第一氧化層207和第二氧化層207的材料相同，因此所述第一氧化層207和第二氧化層208能夠同時去除。
[0070]需要說明的是，在去除第一氧化層207、第二氧化層208和部分第一絕緣層211之后，去除所述掩膜層205 (如圖8所示)。
[0071]本實施例中，所述第一氧化工藝能夠在刻蝕形成的子磁性結(jié)構(gòu)的表面形成第一氧化層，所述第一氧化層能夠用于保護(hù)所述子磁性結(jié)構(gòu)的表面，從而能夠防止在去除部分第一絕緣薄膜和第一磁性薄膜的過程中，所述第二磁性層的材料被帶到第一絕緣層的側(cè)壁表面，以此避免了所形成的第一磁性層和第二磁性層之間發(fā)生橋接。因此，所形成的磁性隧道結(jié)的性能穩(wěn)定，由所述磁性隧道結(jié)形成的磁性隨機存儲器的可靠性增強。
[0072]雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，包括: 提供襯底，所述襯底表面具有第一電極層； 在所述第一電極層表面形成復(fù)合磁性層，所述復(fù)合磁性層包括:第一磁性薄膜、位于所述第一磁性薄膜表面的第一絕緣薄膜、以及位于所述第一絕緣薄膜表面的第二磁性薄膜； 去除部分復(fù)合磁性層并暴露出第一絕緣薄膜為止，在第一絕緣薄膜表面形成子磁性結(jié)構(gòu)，所述子磁性結(jié)構(gòu)包括由所述第二磁性薄膜刻蝕形成的第二磁性層； 采用第一氧化工藝在所述子磁性結(jié)構(gòu)表面形成第一氧化層； 以第一氧化層和子磁性結(jié)構(gòu)為掩膜，去除部分第一絕緣薄膜和第一磁性薄膜，形成第一磁性層和位于所述第一磁性層表面的第一絕緣層。
2.如權(quán)利要求1所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，所述第一磁性層和第一絕緣層的形成方法為:采用第二氧化工藝對未被子磁性結(jié)構(gòu)覆蓋的部分第一磁性薄膜進(jìn)行氧化并形成第二氧化層，而位于子磁性結(jié)構(gòu)底部的部分第一磁性薄膜形成第一磁性層；去除第一氧化層、第二氧化層、以及未被子磁性結(jié)構(gòu)覆蓋的部分第一絕緣薄膜，位于子磁性結(jié)構(gòu)底部的部分第一絕緣薄膜形成第一絕緣層。
3.如權(quán)利要求2所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，所述第二氧化工藝為等離子體氧化工藝，所述等離子體氧化工藝的偏置電壓大于100伏。
4.如權(quán)利要求1所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，在形成子磁性結(jié)構(gòu)之后，第一氧化工藝之前，對第一絕緣薄膜和子磁性結(jié)構(gòu)進(jìn)行清洗工藝，以去除第一絕緣薄膜和子磁性結(jié)構(gòu)表面的雜質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，所述第一氧化工藝為各向同性的氧化工藝，所述第一氧化層的厚度為10納米?30納米。
6.如權(quán)利要求5所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，所述第一氧化工藝為遠(yuǎn)程氧化工藝，所述遠(yuǎn)程氧化工藝的氣體的流量為50sccm?200sccm。
7.如權(quán)利要求5所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，所述第一氧化硅工藝為等離子體氧化工藝，所述等離子體氧化工藝的源功率為100瓦?500瓦，偏置功率為O瓦。
8.如權(quán)利要求1所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，去除部分復(fù)合磁性層的方法包括:在復(fù)合磁性層的部分表面形成掩膜層；以所述掩膜層為掩膜，刻蝕所述復(fù)合磁性層直至暴露出第一絕緣薄膜為止，在所述第一絕緣薄膜表面形成子磁性結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，所述刻蝕所述復(fù)合磁性層的工藝為各向異性的干法刻蝕工藝，各向異性的干法刻蝕工藝為離子濺射刻蝕工藝，刻蝕氣體包括氫氣、甲烷、氨氣、氮氣中的一種或多種組合。
10.如權(quán)利要求8所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，在形成第一磁性層和第一絕緣層之后，去除所述掩膜層。
11.如權(quán)利要求1所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，所述復(fù)合磁性層還包括:位于第二磁性薄膜表面的第二電極薄膜。
12.如權(quán)利要求11所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，刻蝕部分復(fù)合磁性層之后，所形成的子磁性結(jié)構(gòu)還包括:位于第二磁性層表面的第二電極層，所述第二電極層由所述第二電極薄膜刻蝕形成。
13.如權(quán)利要求1所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，所述第一磁性薄膜的厚度為I埃?40埃。
14.如權(quán)利要求1所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，所述第一絕緣層的厚度為I埃?30埃。
15.如權(quán)利要求1所述磁性隧道結(jié)的形成方法，其特征在于，還包括:在形成復(fù)合磁性層之前，在第一電極層表面形成第二絕緣層，所述復(fù)合磁性層形成于所述第二絕緣層表面。
【文檔編號】H01L43/12GK104518081SQ201310460145
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】洪中山 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司