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等离子清洗机蚀刻的运用及新式磁性存储器的介绍

  发布时间:2022-09-22 16:28:19 来源:贝博体育网页下载
  

  磁性存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)是一种以磁地道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)为中心组件的存储器。磁地道结呈铁磁层/地道势垒层(金属氧化物,如MgO)/铁磁层的三明治结构,其间一层铁磁资料称为固定层(Reference Layer),其磁化方向固定不变,而别的一层铁磁资料则称为自在层(Free Layer),其磁化方向可被外部磁场或极化电流(Polarized Current)改动。当固定层和自在层内的磁化方向相一起, 磁地道结呈低电阳当磁化方向不一起,磁地道结呈高电阻,这种现象称为隧穿磁电阻效应。          经过外部电流发生环形磁场来改动自在层磁化方向的传统磁性存储器的存储单元体积大,且读写速度比较其他存储器无优势,现在已被自旋搬运矩(Spin Transfer Torque,STT)磁性存储器所代替。所谓自旋搬运矩,是指当自旋极化电流经过纳米尺度的铁磁层时,可使铁磁层中的原子磁矩发生改动。这意味着能够直接用电流驱动磁地道结,电子自旋极化后,对铁磁原子发生力矩以改动铁磁层内磁化方历来完成电阻的改动。因而存储器的面积和功能都能够得到改进。1T1M (One Transistor One MTJ)自旋搬运矩磁性存储器存储单元结构,在用字线和晶体管选中磁地道结后,经过位线进行写人操作。          自旋搬运矩磁性存储器的制作也是经过在规范CMOS逻辑电路的后段金属衔接层中心嵌入存储单元(磁地道结)来完成,集成了自旋搬运矩磁地道结的逻辑后段电 路和磁地道结的大致工艺,清楚明了,磁地道结蚀刻对器材功能极为重要。现在首要用到的蚀刻技能包含等离子清洗机离子束蚀刻(Ion Beam Etching,IBE)、等离子清洗机电感耦合等离子体蚀刻(ICP)、 等离子清洗机反响离子蚀刻(RIE)及其他体系。值得注意的是,磁地道结的形状除了影响器材功能外,也会显着影响等离子清洗机蚀刻工艺,如圆柱或圆环图形的蚀刻就会相对简略。          现在已被报导的磁地道结运用的资料含Fe、Co、Ni、Pt、Ir 、Mn、Mg等多种金属元素且一般由5~10层的以1nm为量级的单层资料(合金或金属氧化物)堆叠而成。因而磁性存储器的等离子清洗机等离子体蚀刻面对的应战有:        ①传统反响等离子体(RIE)面对金属蚀刻副产物的非蒸发性问题;        ②超薄单层资料堆叠的结构对蚀刻挑选比和方向性的要求极高;        ③金属蚀刻常用的卤素气体极易腐蚀超薄的金属资料层.尤其是地道势垒多为金属氧化物,在笔直磁地道结中的厚度多小于3nm,极易被腐蚀然后影响固定层和自在层的电气阻隔( Electrically Isolated);        ④工艺温度的约束,如大部分金属资料的磁性在超越200°C后会下降。这种温度上的约束不只体现在相应资料的蚀刻配方的温度窗口缩小,还体现在低温构成的硬掩膜资料的蚀刻抗性一般较低。          因而磁地道结等离子清洗机蚀刻中以IBE为代表的无腐蚀副作用的离子铣削工艺一直占有一席之地。其面对的问题在于蚀刻进程中被剥离的金属资料可能会从头堆积在侧壁,后续清洗工艺很难去除的情况下,器材功能会大受影响;假如堆积在地道势垒层侧壁,会直接引起短路。此外,二次堆积物的暗影效应会导致蚀刻形状随时刻越来越斜。晶圆的全体歪斜和旋转能够改进该问题,但也严峻约束了其产能。离子束在300mm晶圆等级的均匀性和方向性也仍待处理。          等离子清洗机RIE、ICP蚀刻相较之下能够更有用地操控侧壁堆积物的构成,不同资料之间的蚀刻挑选比关于图形传递精度和蚀刻形状操控都有重要意义。等离子清洗机金属蚀刻一般运用卤素气体(以含Br、 Cl、F气体为主),假如运用于磁性存储器的图形化,带来的副作用就对错蒸发性蚀刻副产物残留引起的金属腐蚀问题,在磁性存储器中心单元的超薄单层资料蚀刻中体现更为显着。尽管能够经过超350°C的高温来活化蚀刻副产物,相关磁学性质也会显着退化。一般经往后等离子清洗机蚀刻处理(如He/H2后蚀刻处理)、湿法清洗工艺的优化和多工艺一体化机台(将薄膜堆积、蚀刻和清洗模块置于同一渠道,一直保持真空环境)加以改进。          卤素气体的代替计划为选用非腐蚀性蚀刻气体,以物理炮击为主进行磁地道结蚀刻,一般多运用等离子清洗机等离子体密度更高的电感耦合等离子体。现在研讨较多的有CO/NH3混合物,其在等离子体蚀刻中构成的蚀刻副产物Fe(CO)5、Ni(CO)4呈易失性 ,可有用缓解对蚀刻后腐蚀处理的需求。但是,该混合物等离子体解离率远低于卤素,蚀刻速率较低,对蚀刻形状的操控才能也较弱。CH3OH (methano,也写作Me-OH)等离子体克服了该问题,能够看到 Me-OH等离子清洗机等离子体的蚀刻速率调理规模乃至超越了卤素等离子休),一起因为具有对硬掩膜(一般为钽(Ta))极高的挑选比,经过满足的过蚀刻就能够完成较直的蚀刻形状。Ar/Cl等离子体的偏大的磁滞回线偏移量标明其基层固定层被严峻腐蚀,而CH3OH比Ar ICP更小的磁滞回线OH等离子清洗机等离子体蚀刻中化学反响的存在。这种化学反响构成的含碳薄膜层可吸收入射离子能量,然后削减等离子体损害(PID)。研讨前进发现,反响式离子蚀刻引起的不可避免的资料磁性退化导致的磁阻率下降问题能够经过优化CH3OH/Ar份额来加以改进。          磁地道结蚀刻形状的操控除了经过气体挑选来优化外,脉冲功率技能的引进也带来了进一步的改进。          除IBE和ICP两种各有利弊的计划外,等离子清洗机中性束蚀刻(NBE,Neutral Beam Etch)也是重要的候选技能之一。NBE计划中,首要经过低温(-30℃)O2NBE在过渡金属元素(Ru,Pt等)外表构成金属氧化层,再利用EtOH/Ar/O2NBE以化学反响的方法去除该氧化层。因为没有物理炮击和腐蚀性蚀刻副产物生成的特性,侧壁二次堆积和等离子清洗机等离子体损害的问题得以躲避,Ru蚀刻的形状乃至挨近笔直。测出的磁滞曲线也标明NBE在处理磁性资料损害上的才能。

  【概要描绘】磁性存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)是一种以磁地道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)为中心组件的存储器。磁地道结呈铁磁层/地道势垒层(金属氧化物,如MgO)/铁磁层的三明治结构,其间一层铁磁资料称为固定层(Reference Layer),其磁化方向固定不变,而别的一层铁磁资料则称为自在层(Free Layer),其磁化方向可被外部磁场或极化电流(Polarized Current)改动。当固定层和自在层内的磁化方向相一起, 磁地道结呈低电阳当磁化方向不一起,磁地道结呈高电阻,这种现象称为隧穿磁电阻效应。经过外部电流发生环形磁场来改动自在层磁化方向的传统磁性存储器的存储单元体积大,且读写速度比较其他存储器无优势,现在已被自旋搬运矩(Spin Transfer Torque,STT)磁性存储器所代替。所谓自旋搬运矩,是指当自旋极化电流经过纳米尺度的铁磁层时,可使铁磁层中的原子磁矩发生改动。这意味着能够直接用电流驱动磁地道结,电子自旋极化后,对铁磁原子发生力矩以改动铁磁层内磁化方历来完成电阻的改动。因而存储器的面积和功能都能够得到改进。1T1M (One Transistor One MTJ)自旋搬运矩磁性存储器存储单元结构,在用字线和晶体管选中磁地道结后,经过位线进行写人操作。自旋搬运矩磁性存储器的制作也是经过在规范CMOS逻辑电路的后段金属衔接层中心嵌入存储单元(磁地道结)来完成,集成了自旋搬运矩磁地道结的逻辑后段电 路和磁地道结的大致工艺,清楚明了,磁地道结蚀刻对器材功能极为重要。现在首要用到的蚀刻技能包含等离子清洗机离子束蚀刻(Ion Beam Etching,IBE)、等离子清洗机电感耦合等离子体蚀刻(ICP)、 等离子清洗机反响离子蚀刻(RIE)及其他体系。值得注意的是,磁地道结的形状除了影响器材功能外,也会显着影响等离子清洗机蚀刻工艺,如圆柱或圆环图形的蚀刻就会相对简略。现在已被报导的磁地道结运用的资料含Fe、Co、Ni、Pt、Ir 、Mn、Mg等多种金属元素且一般由5~10层的以1nm为量级的单层资料(合金或金属氧化物)堆叠而成。因而磁性存储器的等离子清洗机等离子体蚀刻面对的应战有:①传统反响等离子体(RIE)面对金属蚀刻副产物的非蒸发性问题;②超薄单层资料堆叠的结构对蚀刻挑选比和方向性的要求极高;③金属蚀刻常用的卤素气体极易腐蚀超薄的金属资料层.尤其是地道势垒多为金属氧化物,在笔直磁地道结中的厚度多小于3nm,极易被腐蚀然后影响固定层和自在层的电气阻隔( Electrically Isolated);④工艺温度的约束,如大部分金属资料的磁性在超越200°C后会下降。这种温度上的约束不只体现在相应资料的蚀刻配方的温度窗口缩小,还体现在低温构成的硬掩膜资料的蚀刻抗性一般较低。因而磁地道结等离子清洗机蚀刻中以IBE为代表的无腐蚀副作用的离子铣削工艺一直占有一席之地。其面对的问题在于蚀刻进程中被剥离的金属资料可能会从头堆积在侧壁,后续清洗工艺很难去除的情况下,器材功能会大受影响;假如堆积在地道势垒层侧壁,会直接引起短路。此外,二次堆积物的暗影效应会导致蚀刻形状随时刻越来越斜。晶圆的全体歪斜和旋转能够改进该问题,但也严峻约束了其产能。离子束在300mm晶圆等级的均匀性和方向性也仍待处理。等离子清洗机RIE、ICP蚀刻相较之下能够更有用地操控侧壁堆积物的构成,不同资料之间的蚀刻挑选比关于图形传递精度和蚀刻形状操控都有重要意义。等离子清洗机金属蚀刻一般运用卤素气体(以含Br、 Cl、F气体为主),假如运用于磁性存储器的图形化,带来的副作用就对错蒸发性蚀刻副产物残留引起的金属腐蚀问题,在磁性存储器中心单元的超薄单层资料蚀刻中体现更为显着。尽管能够经过超350°C的高温来活化蚀刻副产物,相关磁学性质也会显着退化。一般经往后等离子清洗机蚀刻处理(如He/H2后蚀刻处理)、湿法清洗工艺的优化和多工艺一体化机台(将薄膜堆积、蚀刻和清洗模块置于同一渠道,一直保持真空环境)加以改进。卤素气体的代替计划为选用非腐蚀性蚀刻气体,以物理炮击为主进行磁地道结蚀刻,一般多运用等离子清洗机等离子体密度更高的电感耦合等离子体。现在研讨较多的有CO/NH3混合物,其在等离子体蚀刻中构成的蚀刻副产物Fe(CO)5、Ni(CO)4呈易失性 ,可有用缓解对蚀刻后腐蚀处理的需求。但是,该混合物等离子体解离率远低于卤素,蚀刻速率较低,对蚀刻形状的操控才能也较弱。CH3OH (methano,也写作Me-OH)等离子体克服了该问题,能够看到 Me-OH等离子清洗机等离子体的蚀刻速率调理规模乃至超越了卤素等离子休),一起因为具有对硬掩膜(一般为钽(Ta))极高的挑选比,经过满足的过蚀刻就能够完成较直的蚀刻形状。Ar/Cl等离子体的偏大的磁滞回线偏移量标明其基层固定层被严峻腐蚀,而CH3OH比Ar ICP更小的磁滞回线OH等离子清洗机等离子体蚀刻中化学反响的存在。这种化学反响构成的含碳薄膜层可吸收入射离子能量,然后削减等离子体损害(PID)。研讨前进发现,反响式离子蚀刻引起的不可避免的资料磁性退化导致的磁阻率下降问题能够经过优化CH3OH/Ar份额来加以改进。磁地道结蚀刻形状的操控除了经过气体挑选来优化外,脉冲功率技能的引进也带来了进一步的改进。除IBE和ICP两种各有利弊的计划外,等离子清洗机中性束蚀刻(NBE,Neutral Beam Etch)也是重要的候选技能之一。NBE计划中,首要经过低温(-30℃)O2NBE在过渡金属元素(Ru,Pt等)外表构成金属氧化层,再利用EtOH/Ar/O2NBE以化学反响的方法去除该氧化层。因为没有物理炮击和腐蚀性蚀刻副产物生成的特性,侧壁二次堆积和等离子清洗机等离子体损害的问题得以躲避,Ru蚀刻的形状乃至挨近笔直。测出的磁滞曲线也标明NBE在处理磁性资料损害上的才能。

  磁性存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)是一种以磁地道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)为中心组件的存储器。磁地道结呈铁磁层/地道势垒层(金属氧化物,如MgO)/铁磁层的三明治结构,其间一层铁磁资料称为固定层(Reference Layer),其磁化方向固定不变,而别的一层铁磁资料则称为自在层(Free Layer),其磁化方向可被外部磁场或极化电流(Polarized Current)改动。当固定层和自在层内的磁化方向相一起, 磁地道结呈低电阳当磁化方向不一起,磁地道结呈高电阻,这种现象称为隧穿磁电阻效应。

  经过外部电流发生环形磁场来改动自在层磁化方向的传统磁性存储器的存储单元体积大,且读写速度比较其他存储器无优势,现在已被自旋搬运矩(Spin Transfer Torque,STT)磁性存储器所代替。所谓自旋搬运矩,是指当自旋极化电流经过纳米尺度的铁磁层时,可使铁磁层中的原子磁矩发生改动。这意味着能够直接用电流驱动磁地道结,电子自旋极化后,对铁磁原子发生力矩以改动铁磁层内磁化方历来完成电阻的改动。因而存储器的面积和功能都能够得到改进。1T1M (One Transistor One MTJ)自旋搬运矩磁性存储器存储单元结构,在用字线和晶体管选中磁地道结后,经过位线进行写人操作。

  自旋搬运矩磁性存储器的制作也是经过在规范CMOS逻辑电路的后段金属衔接层中心嵌入存储单元(磁地道结)来完成,集成了自旋搬运矩磁地道结的逻辑后段电 路和磁地道结的大致工艺,清楚明了,磁地道结蚀刻对器材功能极为重要。现在首要用到的蚀刻技能包含等离子清洗机离子束蚀刻(Ion Beam Etching,IBE)、等离子清洗机电感耦合等离子体蚀刻(ICP)、 等离子清洗机反响离子蚀刻(RIE)及其他体系。值得注意的是,磁地道结的形状除了影响器材功能外,也会显着影响等离子清洗机蚀刻工艺,如圆柱或圆环图形的蚀刻就会相对简略。

  现在已被报导的磁地道结运用的资料含Fe、Co、Ni、Pt、Ir 、Mn、Mg等多种金属元素且一般由5~10层的以1nm为量级的单层资料(合金或金属氧化物)堆叠而成。因而磁性存储器的等离子清洗机等离子体蚀刻面对的应战有:

  ③金属蚀刻常用的卤素气体极易腐蚀超薄的金属资料层.尤其是地道势垒多为金属氧化物,在笔直磁地道结中的厚度多小于3nm,极易被腐蚀然后影响固定层和自在层的电气阻隔( Electrically Isolated);

  ④工艺温度的约束,如大部分金属资料的磁性在超越200C后会下降。这种温度上的约束不只体现在相应资料的蚀刻配方的温度窗口缩小,还体现在低温构成的硬掩膜资料的蚀刻抗性一般较低。

  因而磁地道结等离子清洗机蚀刻中以IBE为代表的无腐蚀副作用的离子铣削工艺一直占有一席之地。其面对的问题在于蚀刻进程中被剥离的金属资料可能会从头堆积在侧壁,后续清洗工艺很难去除的情况下,器材功能会大受影响;假如堆积在地道势垒层侧壁,会直接引起短路。此外,二次堆积物的暗影效应会导致蚀刻形状随时刻越来越斜。晶圆的全体歪斜和旋转能够改进该问题,但也严峻约束了其产能。离子束在300mm晶圆等级的均匀性和方向性也仍待处理。

  等离子清洗机RIE、ICP蚀刻相较之下能够更有用地操控侧壁堆积物的构成,不同资料之间的蚀刻挑选比关于图形传递精度和蚀刻形状操控都有重要意义。等离子清洗机金属蚀刻一般运用卤素气体(以含Br、 Cl、F气体为主),假如运用于磁性存储器的图形化,带来的副作用就对错蒸发性蚀刻副产物残留引起的金属腐蚀问题,在磁性存储器中心单元的超薄单层资料蚀刻中体现更为显着。尽管能够经过超350C的高温来活化蚀刻副产物,相关磁学性质也会显着退化。一般经往后等离子清洗机蚀刻处理(如He/H2后蚀刻处理)、湿法清洗工艺的优化和多工艺一体化机台(将薄膜堆积、蚀刻和清洗模块置于同一渠道,一直保持真空环境)加以改进。

  卤素气体的代替计划为选用非腐蚀性蚀刻气体,以物理炮击为主进行磁地道结蚀刻,一般多运用等离子清洗机等离子体密度更高的电感耦合等离子体。现在研讨较多的有CO/NH3混合物,其在等离子体蚀刻中构成的蚀刻副产物Fe(CO)5、Ni(CO)4呈易失性 ,可有用缓解对蚀刻后腐蚀处理的需求。但是,该混合物等离子体解离率远低于卤素,蚀刻速率较低,对蚀刻形状的操控才能也较弱。CH3OH (methano,也写作Me-OH)等离子体克服了该问题,能够看到 Me-OH等离子清洗机等离子体的蚀刻速率调理规模乃至超越了卤素等离子休),一起因为具有对硬掩膜(一般为钽(Ta))极高的挑选比,经过满足的过蚀刻就能够完成较直的蚀刻形状。Ar/Cl等离子体的偏大的磁滞回线偏移量标明其基层固定层被严峻腐蚀,而CH3OH比Ar ICP更小的磁滞回线OH等离子清洗机等离子体蚀刻中化学反响的存在。这种化学反响构成的含碳薄膜层可吸收入射离子能量,然后削减等离子体损害(PID)。研讨前进发现,反响式离子蚀刻引起的不可避免的资料磁性退化导致的磁阻率下降问题能够经过优化CH3OH/Ar份额来加以改进。

  除IBE和ICP两种各有利弊的计划外,等离子清洗机中性束蚀刻(NBE,Neutral Beam Etch)也是重要的候选技能之一。NBE计划中,首要经过低温(-30℃)O2NBE在过渡金属元素(Ru,Pt等)外表构成金属氧化层,再利用EtOH/Ar/O2NBE以化学反响的方法去除该氧化层。因为没有物理炮击和腐蚀性蚀刻副产物生成的特性,侧壁二次堆积和等离子清洗机等离子体损害的问题得以躲避,Ru蚀刻的形状乃至挨近笔直。测出的磁滞曲线也标明NBE在处理磁性资料损害上的才能。


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