磁性存儲(chǔ)器以及制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種形成磁性存儲(chǔ)器的方法包含：在襯底的基底部分上提供包括多個(gè)磁性層和多個(gè)導(dǎo)電層的層堆疊；在第一保護(hù)區(qū)域上方的層堆疊的外表面上形成第一掩模特征且在第二保護(hù)區(qū)域上方的層堆疊的外表面上形成第二掩模特征，所述第一掩模特征和第二掩模特征在其間界定層堆疊的部分中的層堆疊的暴露區(qū)域；以及在離子暴露中朝向?qū)佣询B的暴露區(qū)域引導(dǎo)離子，所述離子暴露有效地在不移除層堆疊的暴露區(qū)域的情況下使第一保護(hù)區(qū)域與第二保護(hù)區(qū)域磁隔離并且使第一保護(hù)區(qū)域與第二保護(hù)區(qū)域電隔離。
【專(zhuān)利說(shuō)明】磁性存儲(chǔ)器以及制造方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)案
[0002]本申請(qǐng)案主張2012年4月27日申請(qǐng)的第61/639，184號(hào)美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]實(shí)施例涉及非易失性存儲(chǔ)的領(lǐng)域。更確切地說(shuō)，本發(fā)明的實(shí)施例涉及磁性存儲(chǔ)器以及相關(guān)的制造技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0004]由于存儲(chǔ)密度增大以及個(gè)別存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元大小減小，包含非易失性存儲(chǔ)器裝置的常規(guī)存儲(chǔ)媒體的制造面臨許多挑戰(zhàn)。磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(magnetic random accessmemory,MRAM)裝置具有若干有吸引力的特征。與常規(guī)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器芯片技術(shù)不同，MRAM裝置中的數(shù)據(jù)不是隨著電荷或電流流動(dòng)而存儲(chǔ)，而是通過(guò)磁性存儲(chǔ)元件存儲(chǔ)。此外，與動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器不同，MRAM裝置都是非易失性的并且不需要刷新來(lái)保存單元的存儲(chǔ)器狀態(tài)。
[0005]MRAM裝置可以包含由兩個(gè)鐵磁板形成的存儲(chǔ)元件，兩個(gè)鐵磁板中的每一個(gè)可以保存磁場(chǎng)，所述兩個(gè)鐵磁板被薄絕緣層分隔。所述兩個(gè)板中的一個(gè)可以是設(shè)定成特定極性的永久磁體并且另一個(gè)板可以具有可改變以匹配外部場(chǎng)的場(chǎng)的場(chǎng)從而存儲(chǔ)存儲(chǔ)器。此配置被稱(chēng)為“自旋閥(spin valve)”并且是MRAM位單元的最簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)器裝置可以由此類(lèi)“單元”的網(wǎng)格(例如，二維陣列)構(gòu)建。
[0006]MRAM的最新的變型是自旋轉(zhuǎn)移力矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(或spin-transfertorque random-access memory, STT-RAM), STT-RAM具有比常規(guī)的磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(magnetoresistive random access memory)更低的功率消耗以及更好的可擴(kuò)展性的優(yōu)點(diǎn)，磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器利用磁場(chǎng)來(lái)翻轉(zhuǎn)(flip)有源元件。自旋轉(zhuǎn)移力矩是可以使用自旋極化電流(spin-polarized current)來(lái)修改磁性隧道結(jié)(magnetic tunnel junct1n)或自旋閥中的磁性層的定向的力矩。所述效應(yīng)通常在納米級(jí)裝置中最明顯。因此，在非易失性存儲(chǔ)器的裝置大小縮放到10nm尺寸以下時(shí)，STT-MRAM技術(shù)的使用變得更有吸引力。
[0007]MRAM裝置(例如，STT-MRAM)的圖案化可以通過(guò)界定在含有由絕緣層分隔的至少兩個(gè)磁性層的層堆疊上形成的圖案化掩模來(lái)進(jìn)行。圖案化掩模通常含有隔離的掩模特征，所述掩模特征暴露襯底的位于掩模特征之間的區(qū)域，事實(shí)上暴露區(qū)域隨后通過(guò)構(gòu)成存儲(chǔ)器裝置的層的堆疊被蝕刻掉。在蝕刻之后，保留隔離的島或支柱，所述隔離的島或支柱構(gòu)成個(gè)別存儲(chǔ)器位。然而，盡管已經(jīng)采用直接蝕刻來(lái)界定此類(lèi)存儲(chǔ)器裝置，但是在層的堆疊中使用的典型材料難以蝕刻。此外，在蝕刻之后，在存儲(chǔ)器位之間的空的區(qū)域被填充電介質(zhì)。因?yàn)榇鎯?chǔ)器位性能對(duì)島的側(cè)壁的條件極其敏感，所以在執(zhí)行電介質(zhì)填充工藝之前必須非常小心地清潔并且鈍化島側(cè)壁。正是關(guān)于這些以及其它考量，已經(jīng)需要本發(fā)明的改進(jìn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]實(shí)施例涉及用于改進(jìn)MRAM裝置性能的方法以及結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，一種形成磁性存儲(chǔ)器的方法包含:在襯底的基底部分上提供包括多個(gè)磁性層和多個(gè)導(dǎo)電層的層堆疊；在第一保護(hù)區(qū)域上方的層堆疊的外表面上形成第一掩模特征且在第二保護(hù)區(qū)域上方的層堆疊的外表面上形成第二掩模特征，第一掩模特征和第二掩模特征在其間界定層堆疊的部分中的層堆疊的暴露區(qū)域；以及在離子暴露中朝向?qū)佣询B的暴露區(qū)域引導(dǎo)離子，所述離子暴露有效地在不移除層堆疊的暴露區(qū)域的情況下使第一保護(hù)區(qū)域與第二保護(hù)區(qū)域磁隔離并且使第一保護(hù)區(qū)域與第二保護(hù)區(qū)域電隔離。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1A和圖1B描繪襯底的側(cè)視橫截面視圖，其說(shuō)明涉及使用離子植入的MRAM裝置處理的示例性操作。
[0010]圖1C和圖1D描繪分別對(duì)應(yīng)于圖1A和圖1B的視圖的裝置的俯視圖。
[0011]圖2呈現(xiàn)曲線圖，其示出離子植入對(duì)磁性材料的磁性的影響。
[0012]圖3A呈現(xiàn)曲線圖，其示出氧離子植入對(duì)第一層堆疊的特性的組成的影響。
[0013]圖3B呈現(xiàn)曲線圖，其示出氧離子植入對(duì)第二層堆疊的特性的組成的影響。
[0014]圖4A到圖4C呈現(xiàn)襯底的側(cè)視橫截面視圖，其說(shuō)明涉及使用離子植入的MRAM裝置處理的示例性工藝。
[0015]圖5A到圖呈現(xiàn)襯底的側(cè)視橫截面視圖，其說(shuō)明涉及使用離子植入的MRAM裝置處理的示例性工藝。
[0016]圖6A到圖6D呈現(xiàn)襯底的側(cè)視橫截面視圖，其說(shuō)明涉及使用離子植入的MRAM裝置處理的示例性工藝。
[0017]圖7A和圖7B呈現(xiàn)襯底的側(cè)視橫截面視圖，其說(shuō)明用于使用離子植入的MRAM裝置處理的示例性工藝。
[0018]圖8呈現(xiàn)襯底的視圖以及植入的物質(zhì)分布，其說(shuō)明使用離子植入的MRAM裝置處理的示例性結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
[0019]現(xiàn)將在下文中參照附圖更全面地描述本發(fā)明，附圖中示出了一些實(shí)施例。然而，本發(fā)明的標(biāo)的物可以許多不同形式體現(xiàn)并且不應(yīng)被解釋為限于本文所闡述的實(shí)施例。實(shí)際上，提供這些實(shí)施例是為了使得本發(fā)明將是透徹并且完整的，并且這些實(shí)施例將把本發(fā)明的標(biāo)的物完整地傳達(dá)給所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員。在附圖中，相同標(biāo)號(hào)始終指代相同元件。
[0020]為了解決與以上提到的方法相關(guān)的缺陷，引入用于圖案化襯底的新穎技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明集中在涉及用于圖案化磁性存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)(例如MRAM，且更確切地說(shuō)STT-RAM)的離子植入工藝的技術(shù)。本文所揭示的方法可以單獨(dú)采用離子植入工藝或與掩蔽工藝結(jié)合以在MRAM陣列內(nèi)界定多個(gè)MRAM單元，其中每一 MRAM單元包含特定層堆疊。然而，所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員應(yīng)了解，本文所揭示的技術(shù)不限于與界定MRAM單元的特定堆層疊的任何特定蝕刻工藝結(jié)合使用。
[0021]還將實(shí)施例描述為使用基于離子的襯底處理系統(tǒng)的技術(shù)。然而，所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員應(yīng)了解，其它類(lèi)型的基于亞原子、原子、或分子顆粒的襯底處理系統(tǒng)，包含用以產(chǎn)生此類(lèi)顆粒的等離子處理以及束線離子植入系統(tǒng)，都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0022]在各種實(shí)施例中，用于圖案化磁性存儲(chǔ)單元的工藝涉及對(duì)襯底的毯式植入(blanket implantat1n),襯底包含基底以及包括MRAM儲(chǔ)存元件或MRAM單元的層的堆疊。在各種實(shí)施例中，MRAM單元可以用與常規(guī)MRAM裝置(包含常規(guī)STT-RAM裝置)的層的堆疊相同或類(lèi)似的層的堆疊(在本文中還被稱(chēng)為“層堆疊”)來(lái)制造。將被植入的襯底可以包含安置在層的堆疊(層的堆疊安置在襯底上)的外部部分上的掩模特征以便充當(dāng)掩模從而掩蔽植入到襯底中的離子。以此方式，在毯式植入工藝過(guò)程中，可以部分地或全部地保持層堆疊的安置在圖案化特征下面的部分不受植入的離子影響，而那些不受掩模特征保護(hù)的層堆疊的部分可以植入離子。根據(jù)各種實(shí)施例，植入的離子的劑量以及能量可用以?xún)?yōu)化制造MRAM單元結(jié)構(gòu)的工藝，并且由此可以?xún)?yōu)化個(gè)別MRAM單元和/或MRAM單元陣列的特性。
[0023]如下詳述，本發(fā)明的實(shí)施例解決了用于圖案化復(fù)雜層堆疊以形成例如MRAM裝置的裝置的挑戰(zhàn)。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的實(shí)施例提供離子植入操作以實(shí)現(xiàn)用于非易失性存儲(chǔ)器制造的新穎方法。出于說(shuō)明的目的，在一些實(shí)施例中，可能針對(duì)特定MRAM裝置配置描繪用以形成非易失性存儲(chǔ)器的層的組合。然而，本發(fā)明的實(shí)施例不限于將用以制造MRAM單元的層的任何特定組合。在各種實(shí)施例中，根據(jù)已知技術(shù)可以在襯底基底上制造用以形成MRAM單元的層堆疊。術(shù)語(yǔ)“襯底基底”、“基底部分”或“底層”在本文中是指含有層和/或在其上形成用以形成MRAM單元的層堆疊的結(jié)構(gòu)的任何集合的任何襯底。所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將了解，襯底底層或基底(部分)不需要是平面的并且在其表面上可以包含多個(gè)不同結(jié)構(gòu)。然而，在所參照的圖式中，襯底基底的在其上形成MRAM裝置的層堆疊的部分被描繪為平面的。
[0024]在各種實(shí)施例中，執(zhí)行離子植入以在不需要移除安置在MRAM單元之間的層堆疊材料的情況下界定MRAM單元的陣列。這通過(guò)向位于將被界定的MRAM單元之間的襯底的暴露區(qū)域提供離子處理來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中離子處理有效地使MRAM單元彼此磁隔離以及電隔離。在以下描述中，術(shù)語(yǔ)“離子處理”以及“離子暴露”一般來(lái)說(shuō)可互換地使用，盡管術(shù)語(yǔ)“離子暴露”可用以指示一或多個(gè)離子暴露。如本文所使用的術(shù)語(yǔ)“電隔離”是指消除不同MRAM單元之間的任何導(dǎo)電路徑。術(shù)語(yǔ)“磁隔離”是指使特征(例如，MRAM單元)之間的磁性材料成為非磁性的，使得每一 MRAM單元構(gòu)成被非磁性材料或與MRAM單元中的磁性相比磁性實(shí)質(zhì)上有所減少的材料包圍的磁性材料的島。
[0025]在本發(fā)明的實(shí)施例中，離子處理有效地在不移除暴露區(qū)域的情況下使MRAM單元與每一其它MRAM單元磁隔離以及電隔離。具體來(lái)說(shuō)，離子處理改變了暴露區(qū)域，由此形成所改變區(qū)域，所改變區(qū)域可以包含形成暴露的層堆疊的材料的混合物。此混合物可以包含由層堆疊材料與植入物質(zhì)、隔離的植入物質(zhì)以及所改變的層堆疊材料反應(yīng)而形成的化合物或合金。在一些實(shí)例中，來(lái)自層堆疊的不同層的材料可以混合，并且在層堆疊的一或多個(gè)層內(nèi)的材料可以變得聚結(jié)成島。在一些實(shí)施例中，可以選擇性地從層堆疊的一或多個(gè)層中移除材料，例如非反應(yīng)性金屬物質(zhì)，這可以有助于MRAM單元的電隔離。
[0026]圖1A到圖1D描繪使用離子植入的MRAM裝置處理的一個(gè)實(shí)施例。具體來(lái)說(shuō)，圖1A和圖1C說(shuō)明用以形成MRAM裝置的襯底100的對(duì)應(yīng)的側(cè)視橫截面視圖和俯視圖。如圖所示，襯底100包含電絕緣的基底部分或襯底基底102，在基底部分或襯底基底102上安置包含多個(gè)層的層堆疊104。為了界定MRAM裝置，在襯底100上提供一組掩模特征106，如下詳述。在各種實(shí)施例中，層堆疊104包含由電絕緣層分隔的第一磁性層以及第二磁性層。層堆疊104還可以包含用以接觸相應(yīng)磁性層的導(dǎo)電層。當(dāng)然，所述第一磁性層以及第二磁性層也可以導(dǎo)電。在圖1A中示出的具體實(shí)施例中，層堆疊104包含固定層110，所述固定層包括磁性材料；電絕緣層112，在一些實(shí)施例中，所述電絕緣層可以是氧化鎂(MgO);參考層114，所述參考層也包括磁性材料；以及接觸層108、層116，每一所述接觸層都是導(dǎo)電層。雖然未確切描繪層堆疊104內(nèi)的其它層，但是所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將了解，可以包含各種額外層，所述額外層包含額外的磁性層以及接觸層。
[0027]在圖1A的實(shí)施例中，在層堆疊104的外表面130上形成掩模特征106并且部分地掩蔽層堆疊104。掩模特征106可以使用任何便利的工藝形成并且在一些實(shí)施例中可以是硬掩模材料。在各種實(shí)施例中，掩模特征106可以具有任何所需形狀并且可以任何所需圖案布置。在圖1C中所示的具體實(shí)施例中，掩模特征106在平面視圖中具有圓形形狀并且以二維陣列布置。在圖1A到圖1D的說(shuō)明中，掩模特征106被描繪為第一掩模特征、第二掩模特征以及第三掩模特征。然而，將容易了解，圖1A到圖1D僅描繪了襯底100的一部分，其可以包括高達(dá)16到112或更大數(shù)目的掩模特征106，其中每一掩模特征106用以界定MRAM裝置中的一 MRAM單元，如下詳述。
[0028]在層堆疊104上形成掩模特征106之后，掩模特征106用以界定安置于掩模特征106之下的層的堆疊104的多個(gè)部分中的MRAM單元。如圖1A中所示，掩模特征106界定具有寬度Dl的保護(hù)區(qū)域118(圖中示出了三個(gè)保護(hù)區(qū)域)，所述保護(hù)區(qū)域位于在每一相應(yīng)掩模特征下面的層堆疊104內(nèi)。當(dāng)對(duì)襯底100進(jìn)行處理(例如暴露于離子)時(shí)，掩模特征106可以削弱離子并且防止離子撞擊在保護(hù)區(qū)域118上。另一方面，當(dāng)向襯底100引導(dǎo)離子時(shí)，可以對(duì)位于掩模特征106之間的具有寬度D2的層堆疊104的暴露區(qū)域120進(jìn)行離子植入、蝕刻以及其它工藝。
[0029]如圖1B和圖1D中所示，當(dāng)掩模特征106處于適當(dāng)位置時(shí)，朝向襯底100引導(dǎo)離子122。離子122被植入到襯底100中，包含未掩蔽區(qū)域中以及掩模特征106中。應(yīng)注意，個(gè)別層、掩模特征或其它特征中的任一個(gè)的尺寸不必相對(duì)于彼此在X方向或Z方向上按比例描繪。例如，掩模特征106的厚度(在Z方向上)可以相對(duì)大于層堆疊104的總厚度。因此，離子122的離子能量可以經(jīng)調(diào)整以使得植入到掩模特征106中的離子122可以在掩模特征106內(nèi)被削弱而不穿透層堆疊104的底層部分。同時(shí)，直接沖擊不存在掩模特征106的暴露區(qū)域120中的層堆疊104的離子122可以穿過(guò)層堆疊104的任何所需厚度，包含層堆疊104的整個(gè)厚度。離子可以通過(guò)常規(guī)束線離子植入系統(tǒng)、常規(guī)等離子沉積(PLAD)設(shè)備，或任何用于將離子傳遞到襯底上的系統(tǒng)來(lái)提供。
[0030]在各種實(shí)施例中，包含其中在束線離子植入系統(tǒng)中產(chǎn)生離子122的實(shí)施例中，離子122可以被引導(dǎo)為實(shí)質(zhì)上平行的離子束。在具體實(shí)施例中，離子122可以在平行于Z方向的方向(也就是說(shuō)，垂直于沿著X方向平放的襯底100的平面P的方向)上撞擊在襯底100上。以此方式，撞擊在襯底100上的離子122可以界定一或多個(gè)植入?yún)^(qū)域124。在一些實(shí)施例中，植入?yún)^(qū)域124可以在X以及Y方向上具有與暴露區(qū)域120的尺寸類(lèi)似或?qū)嵸|(zhì)上相同的尺寸。然而，在一些實(shí)施例中，植入?yún)^(qū)域124可以在X以及Y方向上具有比暴露區(qū)域120的尺寸稍微更大的尺寸，如下文關(guān)于圖8所論述。在其它實(shí)施例中，植入?yún)^(qū)域124可以具有比暴露區(qū)域120的尺寸稍微更小的尺寸。此外，如圖1B的X-Z平面中(以及在Y-Z平面中)所示的植入?yún)^(qū)域124的橫截面形狀可以在不同實(shí)施例之間變化。因此，如圖1B中所示，植入?yún)^(qū)域124的下部部分可以是彎曲的，而在其它實(shí)施例中所述形狀還可以成矩形，例如，如圖4B中所示。
[0031]如先前所述，通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇離子能量以及離子劑量，可以通過(guò)掩模特征106削弱離子122以使得不對(duì)保護(hù)區(qū)域118進(jìn)行離子植入。由于至少部分的暴露區(qū)域120轉(zhuǎn)變成包圍保護(hù)區(qū)域118的植入?yún)^(qū)域124，所以給定的保護(hù)區(qū)域118通過(guò)植入?yún)^(qū)域124與其它保護(hù)區(qū)域隔離。在各種實(shí)施例中，選擇離子122的離子種類(lèi)、離子能量、以及離子122的離子劑量，使得離子種類(lèi)、離子能量以及離子劑量的組合使植入?yún)^(qū)域124在暴露于離子122之后成為磁性“失效”的。這用以使保護(hù)區(qū)域118與相鄰保護(hù)區(qū)域118磁隔離，以便界定大小可以與保護(hù)區(qū)域118的大小類(lèi)似的MRAM單元126。在圖1B的實(shí)例中，MRAM單元126的寬度在朝向掩模特征106的上部部分上為大約D1，但是朝向與襯底基底102的界面增加。然而，在其它實(shí)施例中，MRAM單元的寬度在Z方向上可以是實(shí)質(zhì)上一致的。如本文所使用的術(shù)語(yǔ)“磁隔離”是指將包圍指定的磁性區(qū)域(例如，保護(hù)區(qū)域118)的初始磁性區(qū)域轉(zhuǎn)變成非磁性區(qū)域(磁性失效區(qū)域)。如圖1A中所示，磁性區(qū)域(例如，保護(hù)區(qū)域118)可以含有多個(gè)層，這些層中僅一些是磁性的。具有磁性層以及非磁性層的適當(dāng)堆疊的磁隔離區(qū)域由此可以形成通過(guò)非磁性區(qū)域(例如，植入?yún)^(qū)域124)與其它MRAM單元隔離的MRAM單元。因此，通過(guò)對(duì)植入?yún)^(qū)域124進(jìn)行磁阻隔，通過(guò)離子植入工藝界定MRAM單元126的大小以及形狀。3
[0032]在一些實(shí)施例中，可以選擇離子122的條件以使得離子種類(lèi)、離子能量以及離子劑量的組合還可以使植入?yún)^(qū)域124中的層的全部部分成為電絕緣的，由此還防止在鄰近的MRAM單元之間的任何電短路。因此，離子122可以使給定的保護(hù)區(qū)域118與其它保護(hù)區(qū)域118磁隔離以及電隔離。因此，由于每一 MRAM單元126與每一其它MRAM單元電隔離，所以在植入離子122之后，不需要蝕刻在鄰近的MRAM單元126之間的層堆疊104。關(guān)于(例如)圖1A中所描繪的其中不移除植入?yún)^(qū)域124的實(shí)施例，應(yīng)注意，用于磁阻隔暴露區(qū)域的離子劑量/離子能量/離子種類(lèi)的所需組合可以不同于用于使暴露區(qū)域成為電絕緣的所需組合。因此，可以基于執(zhí)行兩種功能的組合來(lái)選擇在此類(lèi)情況中使用的離子/能量/離子劑量/離子種類(lèi)的組合。
[0033]通過(guò)上述方式，形成新穎的磁性存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。通過(guò)以下方式形成MRAM存儲(chǔ)器:對(duì)包含使用掩模特征圖案化的層堆疊的襯底提供離子暴露，使得掩模特征界定由暴露區(qū)域分隔的一組保護(hù)區(qū)域，其中離子暴露有效地在不移除層堆疊的暴露區(qū)域的情況下使第一保護(hù)區(qū)域與第二保護(hù)區(qū)域磁隔離并且使第一保護(hù)區(qū)域與第二保護(hù)區(qū)域電隔離。如本文所使用的術(shù)語(yǔ)“在不移除暴露區(qū)域的情況下”是指以下事實(shí):盡管在MRAM處理過(guò)程中可以移除暴露區(qū)域中的層堆疊的一部分，但是不移除暴露區(qū)域的整個(gè)層堆疊。
[0034]再次參看圖1B，最終的磁性存儲(chǔ)器可以包含存儲(chǔ)器裝置基底(襯底基底102)以及安置在存儲(chǔ)器單元基底上的多個(gè)存儲(chǔ)器單元(MRAM單元126)，其中每一存儲(chǔ)器單元含有層堆疊。層堆疊又包含多個(gè)磁性層以及多個(gè)導(dǎo)電層，所述多個(gè)磁性層以及多個(gè)導(dǎo)電層布置在每一其它存儲(chǔ)器單元所共用的層的堆疊中。因此，每一 MRAM單元126的每一層堆疊包含以相同順序布置的層116、層114、層112、層110、層108。磁性存儲(chǔ)器還包含植入基質(zhì)(植入?yún)^(qū)域124)，植入基質(zhì)安置在存儲(chǔ)器單元與周?chē)拿恳淮鎯?chǔ)器單元之間，其中植入基質(zhì)包含與植入物質(zhì)相互混合的每一存儲(chǔ)器單元的層堆疊的組成材料，植入基質(zhì)包括非傳導(dǎo)材料以及非磁性材料，其中每一存儲(chǔ)器單元與每一其它存儲(chǔ)器單元電隔離并且磁隔離。因此，如圖1B中所示，植入?yún)^(qū)域124是來(lái)自原始層堆疊104的材料與離子122的混合物，其中與存儲(chǔ)器單元126相反，所述混合物是電絕緣及非磁性的(被磁阻隔)。盡管一般將植入?yún)^(qū)域124的頂部描繪為與MRAM單元126的頂部共面，但是在下文所揭示的各種實(shí)施例中，植入?yún)^(qū)域(基質(zhì))124的頂部或外表面可以高于、低于MRAM單元的頂部或與其共面。另外，在一些實(shí)施例中，植入基質(zhì)(區(qū)域)可以具有凹形，其中植入基質(zhì)與鄰近的圖案化掩模特征最遠(yuǎn)的部分低于更靠近圖案化掩模特征的部分。
[0035]在一些實(shí)施例中，為了磁阻隔層堆疊104的暴露區(qū)域，離子122的離子劑量在2E15/cm2到5E17/cm2的范圍內(nèi)。離子122的實(shí)例包含氮、氧、磷、硅。在各種實(shí)施例中，植入的離子的離子能量可以在大約3keV到大約60keV的范圍內(nèi)，并且可以根據(jù)植入的離子種類(lèi)以及植入的離子種類(lèi)在層堆疊104內(nèi)的所需植入深度來(lái)裁定。
[0036]此外，根據(jù)不同實(shí)施例，離子122可以作為由一或多個(gè)離子暴露構(gòu)成的離子處理而提供。例如，離子處理可以包含兩個(gè)離子暴露:在第一離子能量以及第一離子劑量下使用氧離子的第一離子暴露；以及在第二離子劑量以及第二離子能量下使用氮的第二離子暴露，其中第二離子劑量和/或第二離子能量可以不同于相應(yīng)的第一離子劑量和/或第一離子能量。以此方式，可以裁定不同的離子暴露來(lái)用于不同目的。例如，可以執(zhí)行磷離子暴露以植入磷離子，磷離子暴露可以尤其有效地磁阻隔層堆疊104的暴露區(qū)域，并且可以執(zhí)行氧離子暴露以植入氧離子，氧離子暴露可以有效地將層堆疊104的初始導(dǎo)電層轉(zhuǎn)變成電絕緣材料，由此電隔離層堆疊104的保護(hù)區(qū)域118。在特定變型中，可以在氧植入之前執(zhí)行磷植入，這可以提高在電隔離保護(hù)區(qū)域118中的氧離子植入的有效性。實(shí)施例不限于此背景。
[0037]使用離子植入以界定MRAM單元的大小的優(yōu)點(diǎn)是不論在離子植入之后進(jìn)行的處理如何都可以精確界定MRAM單元尺寸。因此，根據(jù)其中使用植入以磁阻隔層堆疊的暴露區(qū)域的各種實(shí)施例，在離子植入之后最終形成的MRAM單元結(jié)構(gòu)的物理大小以及形狀不決定磁性有效區(qū)域的大小。這放寬了對(duì)此類(lèi)裝置的后續(xù)處理的要求。另外，在掩模特征之間的區(qū)域暴露于離子以磁阻隔所述區(qū)域(例如，暴露區(qū)域120)之后，成為電絕緣的部分的大小不需要完全對(duì)應(yīng)于磁阻隔的區(qū)域的大小。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以裁定離子種類(lèi)、離子能量以及離子劑量以?xún)?yōu)化通過(guò)離子植入制造MRAM單元的工藝。圖2描繪說(shuō)明離子劑量對(duì)磁阻隔初始磁性層的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢圆捎么藬?shù)據(jù)以?xún)?yōu)化使用離子植入的MRAM制造工藝。具體來(lái)說(shuō)，圖2呈現(xiàn)針對(duì)若干不同植入物質(zhì)(包含氧(曲線202)、硼(曲線204)、硅(曲線206)、氬(曲線208)、碳(曲線210)、氮(曲線212)以及磷(曲線214))作為高達(dá)5E16/cm2的離子植入劑量的函數(shù)的含有鈷(Co)、鉻(Cr)以及鉬(Pt)的12nm厚的膜的所測(cè)得的磁化的結(jié)果。對(duì)于全部物質(zhì)，磁化隨著離子劑量單調(diào)地減小。在全部離子劑量下，觀察到磷在減小磁化方面更有效，并且對(duì)于磷離子的5E16/cm2的劑量，實(shí)質(zhì)上消除了磁化，對(duì)于氬以及碳也是一樣。對(duì)于其它植入物質(zhì)，在5E16/cm2的劑量下磁化實(shí)質(zhì)上減小但是未消除。因此，在本發(fā)明的實(shí)施例中，可以有利地采用磷離子植入以在包含磁性層(例如，圖2的含有鈷的膜)的層堆疊中制造MRAM裝置結(jié)構(gòu)。這允許用以磁阻隔襯底的暴露部分的植入物質(zhì)的離子劑量減到最少，因?yàn)榱字踩敫鶕?jù)離子劑量最迅速地破壞磁化。然而，可以使用其它離子種類(lèi)以磁阻隔暴露部分。例如,如果當(dāng)在MRAM單元之間的暴露區(qū)域中的磁矩相對(duì)于非植入?yún)^(qū)域減小了大約2/3時(shí)MRAM單元可以適當(dāng)?shù)仄鹱饔?，那么圖2的物質(zhì)中的任一個(gè)可以在5E16/cm2的離子劑量下提供充分的磁阻隔。
[0039]盡管已經(jīng)觀察到磷植入在裝置結(jié)構(gòu)中提供對(duì)保護(hù)區(qū)域的有效磁隔離，但是其它物質(zhì)可能對(duì)產(chǎn)生保護(hù)區(qū)域的電隔離有效。例如，原則上若干不同的物質(zhì)可以有效地將層堆疊中的初始傳導(dǎo)材料轉(zhuǎn)變成電絕緣化合物或電絕緣合金或非晶混合物。因此，在各種實(shí)施例中，可以使用有效地將層堆疊的傳導(dǎo)材料(例如，鈷或鐵材料)轉(zhuǎn)變成電絕緣材料的任何適宜的離子種類(lèi)植入到襯底100中。取決于層堆疊厚度t(圖1A)以及層堆疊104中的材料的組成，實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)變的有效離子劑量可以介于2E15/cm2與5E17/cm2之間。
[0040]然而，用于磁性存儲(chǔ)器的許多層堆疊采用對(duì)化合物或合金的形成具有抗性的貴金屬并且由此可以在甚至經(jīng)受較大離子劑量之后也能保持傳導(dǎo)。例如，磁性材料(如鈷或鐵)在經(jīng)受氧植入時(shí)可以形成電絕緣化合物，而通常用作接觸層的例如鉬或釕等貴金屬物質(zhì)(貴金屬)在經(jīng)受離子植入(例如，氧離子植入)時(shí)不形成電絕緣相。因此，因?yàn)榇祟?lèi)金屬不可轉(zhuǎn)變成絕緣材料，所以可能需要從層堆疊中移除此類(lèi)材料。本發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)高離子劑量的某些物質(zhì)有效地選擇性地從層堆疊內(nèi)移除貴金屬。在一組實(shí)驗(yàn)中，將氧離子植入到由多個(gè)鉬、鉭以及錳構(gòu)造的層堆疊中。
[0041]圖3A呈現(xiàn)作為氧離子劑量的函數(shù)的示例性層堆疊的組成分析的結(jié)果。在植入之前，鉬、鉭以及錳中的每一個(gè)的多個(gè)層構(gòu)成的層堆疊經(jīng)布置以產(chǎn)生大約60nm的總厚度并且是導(dǎo)電的。將植入到層堆疊中的氧離子劑量增加到5E17/cm2并且使用盧瑟福背散射能譜(Rutherford backscattering spectrometry,RBS)分析來(lái)分析所得材料。在零劑量下，可以看到多層層堆疊的鉬總含量(曲線304)為大約58%，錳含量(曲線306) 22%，并且鉭含量(曲線308)20%。隨著氧植入到層堆疊中，每一金屬物質(zhì)的總百分比減小，因?yàn)檠鹾?曲線302)增加，對(duì)于5E17/cm2的劑量氧含量達(dá)到大約60%。值得注意的是，在5E17/cm2的氧離子劑量下，鉬的百分比減小到大約12%，并且如通過(guò)四點(diǎn)探針?biāo)鶞y(cè)量的，樣本變得電絕緣。另外，RBS結(jié)果指示不僅層堆疊中的鉬的百分比相對(duì)地減小，而且層堆疊中的鉬的量也絕對(duì)地減少。這指示層堆疊的原始鉬含量的至少一部分在氧離子的植入過(guò)程中被蝕刻。蝕刻可以經(jīng)由(例如)物理濺射進(jìn)行。
[0042]關(guān)于曲線306、曲線308，盡管層堆疊中錳的百分比以及鉭的百分比各自在非植入狀態(tài)與5E17/cm2的氧離子劑量之間減小，但是大部分此百分比減小是由于目前植入的層堆疊中的氧含量增加而導(dǎo)致。此外，盡管原始的鉭(Ta)以及鈷含量的一部分可以從層堆疊中移除，但是RBS結(jié)果指示鉬與相對(duì)更少被蝕刻的錳(Mn)以及鉭相比優(yōu)先地從層堆疊中移除。
[0043]針對(duì)含有鉬、鉭以及鈷的層堆疊進(jìn)一步研究此現(xiàn)象。圖3B呈現(xiàn)作為氧離子劑量的函數(shù)的此類(lèi)層堆疊的組成分析的結(jié)果。在植入之前，鉬、鉭以及錳中的每一個(gè)的多個(gè)層構(gòu)成的層堆疊經(jīng)布置以產(chǎn)生大約60nm的總厚度(其中鉬層的總等效層厚度為大約26-27nm)并且是導(dǎo)電的。將植入到層堆疊中的氧離子劑量增加到5E17/cm2并且使用盧瑟福背散射能譜(RBS)分析來(lái)分析所得材料。在零劑量下，可以看到多層層堆疊的鉬總含量(曲線314)為大約45 %，鈷含量(曲線316) 38 %，并且鉭含量(曲線318) 18 %。隨著氧植入到層堆疊中，每一金屬物質(zhì)的總百分比減小，因?yàn)檠鹾?曲線312)增加，對(duì)于5E17/cm2的劑量氧含量達(dá)到大約70%。值得注意的是，在5E17/cm2的氧離子劑量下，鉬的百分比減小到大約5%，并且如通過(guò)四點(diǎn)探針?biāo)鶞y(cè)量的，樣本變得電絕緣。另外，RBS結(jié)果指示不僅層堆疊中的鉬的百分比相對(duì)地減小，而且層堆疊中的鉬的量也絕對(duì)地減少。這指示層堆疊的原始鉬含量的至少一部分在氧離子的植入過(guò)程中被蝕刻。蝕刻可以經(jīng)由(例如)物理濺射進(jìn)行。
[0044]關(guān)于曲線316、曲線318，盡管層堆疊中鈷的百分比以及鉭的百分比各自在非植入狀態(tài)與5E17/cm2的氧離子劑量之間減小了大約因子二，但是大部分此百分比減小是由于目前植入層堆疊中的氧含量增加而導(dǎo)致。此外，盡管原始的鉭以及鈷含量的一部分可以從層堆疊中移除，但是RBS結(jié)果指示鉬優(yōu)先地從層堆疊中移除。為了確認(rèn)這些結(jié)果，在暴露于不同量的氧離子植入的選擇樣本上執(zhí)行橫截面透射電子顯微法(cross-sect1naltransmiss1n electron microscopy)。在沒(méi)有氧離子植入的情況下,在其它層當(dāng)中層堆疊包含兩個(gè)埋入的鉬層。在層堆疊暴露于2.5E17/cm2劑量的氧離子時(shí)，在遠(yuǎn)離襯底的外表面上觀察到單個(gè)鉬層，從而指示氧的植入引起鉬朝向?qū)拥亩询B的暴露表面意外地向外擴(kuò)散。在層堆疊暴露于5E17/cm2劑量的氧離子時(shí)，極少的鉬保持散布在植入的層堆疊的表面上的島中，這符合RBS結(jié)果，顯示鉬構(gòu)成經(jīng)植入的層堆疊的大約5%的總分?jǐn)?shù)。另外，觀察到層堆疊的總剩余厚度為大約40nm，指示保留了來(lái)自原始層堆疊的很大部分的鉭和鈷。
[0045]因此，圖3A和圖3B的結(jié)果指示在層堆疊暴露于植入的離子時(shí)可以選擇性地從層堆疊中移除例如鉬等金屬，所述植入的離子引起鉬朝向?qū)佣询B的外表面(暴露表面)意外地輸送，從而導(dǎo)致外表面區(qū)域中的鉬的偏析。一旦鉬在層堆疊的外表面區(qū)域處變得偏析，除植入在層堆疊內(nèi)外，入射在層堆疊上的離子可以導(dǎo)致對(duì)鉬的濺射，從而使鉬從層堆疊中移除。
[0046]在各種實(shí)施例中，可以通過(guò)執(zhí)行多個(gè)離子暴露以制造以及MRAM裝置來(lái)利用以上在圖2到圖3B中反映的結(jié)果，其中針對(duì)給定結(jié)果裁定每一植入操作。例如，第一植入操作可以通過(guò)減小或消除襯底的暴露區(qū)域中的磁化而有效地形成MRAM單元的磁隔離。在一個(gè)實(shí)例中，為了使暴露區(qū)域成為非磁性的，可以第一離子劑量將磷離子植入到層堆疊的暴露區(qū)域中。在這之后可以執(zhí)行離子暴露以使暴露層堆疊成為電絕緣的。在一些實(shí)例中，這可以通過(guò)植入單個(gè)物質(zhì)(例如，氧)來(lái)實(shí)現(xiàn)，植入單個(gè)物質(zhì)可以產(chǎn)生電絕緣的混合物，包含原始層堆疊的組成以及氧的絕緣合金、絕緣化合物和/或非傳導(dǎo)的非晶混合物。在其中暴露的層堆疊包含貴金屬(例如，鉬)的情況下，可以采用高劑量的氧從而如上文所描述選擇性地移除貴金屬。然而，在其它情況下，可以采用多種不同離子以選擇性地移除金屬物質(zhì)(例如，貴金屬)。例如，可以將含有氧離子的第一離子劑量引導(dǎo)到暴露的層堆疊上以使貴金屬遷移到層堆疊的暴露區(qū)域的外表面上。隨后可以將第二離子劑量引導(dǎo)到暴露的層堆疊上以濺射安置在暴露區(qū)域的外表面上的貴金屬。例如，在所需離子能量下，重惰性氣體離子(例如，氙)對(duì)鉬可以展現(xiàn)比氧的濺射率高得多的濺射率。因此，可以通過(guò)兩步離子暴露選擇性地從層堆疊中移除鉬，其中第一離子劑量包含充分?jǐn)?shù)量的氧離子以氧化層堆疊內(nèi)的金屬組成，例如鈷、錳、鉭，并且同時(shí)使貴金屬組成(例如，鉬)在層堆疊的外表面處偏析。接著可以引導(dǎo)第二離子劑量以使用(例如)氙或其它高質(zhì)量離子有效地濺射表面偏析的金屬。
[0047]圖4A到圖4C描繪多個(gè)離子暴露的一個(gè)實(shí)例，其中使用第一離子暴露、第二離子暴露以及第三離子暴露以形成根據(jù)各種實(shí)施例的MRAM結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，圖4A到圖4C呈現(xiàn)在處理過(guò)程中的各種情況下襯底400的側(cè)視橫截面視圖。在圖4A中，離子404被引導(dǎo)到使用掩模特征106被圖案化的層堆疊104上。將離子404植入到層堆疊104的暴露區(qū)域中并且形成植入?yún)^(qū)域402。離子404可以是在充足離子劑量下植入的磷離子以使植入?yún)^(qū)域402成為非磁性的。在圖4B中，離子406被引導(dǎo)到襯底400上，其形成在層堆疊104的暴露區(qū)域中的植入?yún)^(qū)域402B。植入?yún)^(qū)域402B可以包含離子404以及離子406。在一些實(shí)施例中，如特別在圖4B中所推薦的，原始層堆疊104可以包含例如鉬或釕等不易于形成絕緣材料的金屬物質(zhì)。在一個(gè)實(shí)例中，層堆疊104的層108到層116中的一或多個(gè)可以包含鉬。在此等情況下，可以提供離子406以使在層堆疊104的外表面410處形成鉬金屬層408。值得注意的是，在暴露于離子406之后，植入?yún)^(qū)域402B可以含有來(lái)自不同層108到層116的元素以及離子404和離子406的混合物。植入?yún)^(qū)域402B可以構(gòu)成電絕緣區(qū)域。然而，來(lái)自層108到層116的鉬可以向外遷移并且偏析到外表面410上以形成層408。如圖4B中所示，層108的安置于鄰近的掩模特征106之下的部分將會(huì)形成不同MRAM單元的部分。然而，那些部分可以經(jīng)由層408彼此電連接。因此，在圖4C中示出的后續(xù)操作中，離子412被引導(dǎo)到襯底400上從而濺射來(lái)自層408的材料。如圖4C中所示，離子412導(dǎo)致層408的移除，由此在植入?yún)^(qū)域402B是充分電絕緣的條件下移除在不同MRAM單元之間的導(dǎo)電路徑并且確保鄰近的MRAM單元414的電隔離。因此，在圖4C中，植入?yún)^(qū)域402B的特點(diǎn)是它們構(gòu)成每單位面積貴金屬濃度(如果存在)比存儲(chǔ)器單元(MRAM單元414)的每單位面積貴金屬濃度更低的植入基質(zhì)。
[0048]應(yīng)注意,在前述實(shí)施例中,暴露區(qū)域(例如,暴露區(qū)域120)的外表面可以因暴露于離子122、離子404、離子406、離子408而無(wú)意地或者有意地經(jīng)受濺射?？赡苄枰刂苹蛳拗茝膶佣询B中移除材料的程度，并且因此控制在單個(gè)離子暴露中或者在多個(gè)離子暴露中可能伴隨離子植入到層堆疊中而發(fā)生的濺射的程度。在各種額外的實(shí)施例中，采用罩蓋層以控制在層堆疊中進(jìn)行的離子植入與材料的濺射之間的平衡。
[0049]圖5A到圖描繪根據(jù)各種實(shí)施例使用罩蓋層結(jié)合離子植入以形成MRAM結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例。具體來(lái)說(shuō)，圖5A到圖呈現(xiàn)在處理過(guò)程中的各種情況下襯底500的側(cè)視橫截面視圖。在圖5A中，與圖1A中一樣，掩模特征106安置在層堆疊104上。罩蓋層502沉積在襯底500上，包含在層堆疊104的位于掩模特征之間的區(qū)域上方。罩蓋層502可以是例如碳、氮化硅等材料或其它材料。在圖5B中，離子506被引導(dǎo)到襯底500上并且穿透罩蓋層502。離子506形成可以延伸穿過(guò)層堆疊104的整個(gè)厚度的植入?yún)^(qū)域504。在各種實(shí)施例中，離子506有效地將層堆疊104內(nèi)的磁性材料轉(zhuǎn)變成非磁性材料和/或?qū)佣询B104內(nèi)的導(dǎo)電材料轉(zhuǎn)變成電絕緣材料。在一些實(shí)施例中，離子506可以表示多個(gè)不同物質(zhì)，例如磷和氧，并且可以在單個(gè)離子暴露中提供或者可以在單獨(dú)的離子暴露中提供，使得可以裁定每一物質(zhì)的精確劑量。
[0050]由于暴露于離子506,因此罩蓋層502可以被派射,使得罩蓋層502的厚度減小，如圖5B中所示。如果在不完全蝕刻罩蓋層502的情況下濺射速率將植入?yún)^(qū)域504轉(zhuǎn)變成電絕緣以及非磁性材料。因此，底層植入?yún)^(qū)域504可以被保護(hù)不受濺射蝕刻。然而，在一些情況下，使植入?yún)^(qū)域504轉(zhuǎn)變成電絕緣以及非磁性材料所需的離子劑量可能需要對(duì)罩蓋層502的給定罩蓋層厚度的完全濺射蝕刻。增加罩蓋層502的厚度從而考慮到歸因于穿透更厚的罩蓋層所需的增加的離子能量的再濺射影響也可能是不切實(shí)際的，這可能產(chǎn)生不利影響，包含增加植入的橫向發(fā)散對(duì)保護(hù)區(qū)域118的破壞(見(jiàn)圖1A)。實(shí)際上，根據(jù)圖5C和圖5D中說(shuō)明的實(shí)施例，可以在對(duì)離子506的離子暴露之后形成額外的罩蓋層508。在一個(gè)實(shí)例中，離子506可以構(gòu)成有效地使植入?yún)^(qū)域504成為非磁性的但是不足以使植入?yún)^(qū)域504成為電絕緣的離子劑量。在此情況下，在襯底500上形成額外的罩蓋層508之后，執(zhí)行額外的對(duì)離子510的離子暴露。離子510可以再次濺射罩蓋層508，由此減小其厚度，如圖中所示。然而，因?yàn)閮H需要離子510使植入?yún)^(qū)域512成為電絕緣的，所以罩蓋層508可以在不完全蝕刻的情況下維持離子510的總離子劑量。
[0051]在各種實(shí)施例中，可以執(zhí)行罩蓋層沉積以及離子植入的多個(gè)循環(huán)以界定MRAM單元。例如，層堆疊可能在暴露于離子后僅需要單個(gè)罩蓋層以便磁阻隔暴露區(qū)域，而同一層堆疊可能需要沉積覆蓋層以及離子暴露的多個(gè)循環(huán)以使層堆疊成為電絕緣的。在其它實(shí)施例中，兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的離子種類(lèi)可以被同時(shí)引導(dǎo)到被罩蓋層遮蓋的襯底上，其中所述離子種類(lèi)中的一個(gè)有效地磁阻隔層堆疊，而另一離子種類(lèi)有效地將層堆疊轉(zhuǎn)變成電絕緣材料。按需要可以在離子植入以及罩蓋層沉積的多個(gè)循環(huán)中提供對(duì)不同離子種類(lèi)的同時(shí)暴露。
[0052]圖6A到圖6D描繪根據(jù)各種實(shí)施例使用罩蓋層結(jié)合離子植入以形成MRAM結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例。此實(shí)施例提供在不過(guò)度改變襯底的植入?yún)^(qū)域中層堆疊厚度的情況下選擇性地從層堆疊中移除不想要的金屬組成的能力。在此實(shí)例中，掩模特征106形成于包含金屬材料(例如，鉬)的初始層堆疊104上。此類(lèi)金屬材料的存在可能限制在將通過(guò)離子植入形成的鄰近的MRAM單元之間形成電絕緣區(qū)域的能力，如上文所論述。因此，在圖6A到圖6D中概述的操作有效地移除此類(lèi)金屬材料，同時(shí)將層堆疊的外表面維持在所需水平。在圖6A中，在襯底600上沉積具有所需厚度的罩蓋層。
[0053]在圖6B中，離子604被引導(dǎo)到襯底600上?？梢栽谝换蚨鄠€(gè)離子暴露中提供的并且可以包含單個(gè)離子種類(lèi)或不同離子種類(lèi)的離子604導(dǎo)致植入?yún)^(qū)域606的形成。離子604可以包含有效地磁阻隔至少植入?yún)^(qū)域606的多個(gè)部分的離子種類(lèi)。離子604還可以使植入?yún)^(qū)域606的下部部分608成為電絕緣的。如圖所示，植入?yún)^(qū)域606的下部部分608可以構(gòu)成以前相異的層108到層116相互混合的區(qū)域。植入?yún)^(qū)域606可以包含層108到層116的組成連同植入離子604的化合物、合金和/或非晶混合物。另外，如圖6B中所說(shuō)明，離子604導(dǎo)致金屬材料610朝向?qū)佣询B104的外表面612偏析。在一個(gè)實(shí)例中，離子604的一部分包含氧離子，氧離子可以與在層堆疊104內(nèi)的某些金屬材料形成電絕緣材料，同時(shí)另外使得非反應(yīng)性金屬(例如，鉬)作為金屬材料610偏析到外表面612。
[0054]在一些情況下，金屬材料610可以作為隔離的島、連續(xù)的層、部分地重疊的島或此類(lèi)結(jié)構(gòu)的組合而安置。因而，金屬材料610可以在安置于掩模特征106下面的層堆疊104的不同非植入部分之間構(gòu)成導(dǎo)電路徑。因此，在圖6C中說(shuō)明的進(jìn)一步處理中，離子614被引導(dǎo)到襯底600上以移除任何殘余的罩蓋層602并且濺射金屬材料610從而從掩模特征106之間的區(qū)域中移除金屬材料610。離子614可以構(gòu)成高質(zhì)量離子，例如氙(Xe)，高質(zhì)量離子尤其在數(shù)keV或更小范圍內(nèi)的相對(duì)低的離子能量下有效地產(chǎn)生表面濺射同時(shí)使離子植入減到最少。圖6D示出襯底600在通過(guò)離子614處理之后的示例性結(jié)構(gòu)。如所說(shuō)明，襯底600包含彼此磁隔離并且電隔離的多個(gè)MRAM單元616。剩余的植入?yún)^(qū)域606是電絕緣的并且金屬材料610被從植入?yún)^(qū)域606中移除，從而使MRAM單元616成為彼此電隔離的。如圖6D中所示，一些從植入?yún)^(qū)域606中移除的金屬材料610可以再沉積在掩模特征106的側(cè)壁部分上。然而，可以在后續(xù)處理中移除部分或全部的掩模特征106，由此從襯底600中消除金屬材料610。
[0055]另外應(yīng)注意，可以通過(guò)調(diào)整罩蓋層602的相對(duì)厚度以及由離子604和離子614提供的離子暴露來(lái)調(diào)整在離子植入完成之后植入?yún)^(qū)域606的水平618。如在圖6B中所推薦的，植入?yún)^(qū)域606可以在暴露于離子604后尺寸擴(kuò)大。因?yàn)閷佣询B104可能起初主要由金屬材料構(gòu)成，所以為了使植入?yún)^(qū)域成為電絕緣的，可能必須植入相對(duì)高劑量的離子604。例如，離子604的一部分可以是用以從層堆疊104中存在的金屬元素形成絕緣化合物的氧。對(duì)于許多由給定金屬物質(zhì)形成的氧化物，氧與金屬的化學(xué)計(jì)量比通常大于或等于一，從而指示植入?yún)^(qū)域606可以構(gòu)成50%或更大的氧含量。因此，當(dāng)離子604被引導(dǎo)到襯底上時(shí)，因?yàn)橹踩雲(yún)^(qū)域606被罩蓋層602封圍由此防止金屬材料損失,所以植入?yún)^(qū)域606的總尺寸可能增大到高于在層堆疊104的初始暴露區(qū)域120中的總尺寸。水平618的最終位置因此可以高于MRAM裝置的保護(hù)區(qū)域的水平620、與水平620相同或低于水平620。
[0056]在額外的實(shí)施例中，可以裁定在鄰近的MRAM單元之間的植入?yún)^(qū)域的形狀以?xún)?yōu)化對(duì)MRAM單元的處理。圖7A和圖7B描繪一個(gè)實(shí)施例，其中離子702的離子暴露被朝向襯底700引導(dǎo)以形成隔尚MRAM單兀的凹形的植入?yún)^(qū)域。圖7A和圖7B描繪在尚子暴露中的不冋情況下的襯底700。如圖7A中所不,在第一劑量的離子702之后,在層堆疊104的暴露部分內(nèi)形成凹形的植入?yún)^(qū)域704。植入?yún)^(qū)域704的頂部(外)表面706具有凹形，使得與鄰近的掩模特征106最遠(yuǎn)的植入?yún)^(qū)域的中間從其原始位置凹進(jìn)。然而，植入?yún)^(qū)域704并不完全延伸穿過(guò)層堆疊104到襯底基底102。另外，在暴露于第一劑量的離子702之后，植入?yún)^(qū)域704可能不是完全電絕緣的和/或被磁阻隔。因此，MRAM單元可能尚未完全界定，因?yàn)閷佣询B的安置于掩模特征106之下的部分不是彼此電隔離或磁隔離。
[0057]在圖7B中示出的另一情況下，提供額外劑量的離子702，使得植入?yún)^(qū)域710的頂部表面708進(jìn)一步凹進(jìn)并且植入?yún)^(qū)域710現(xiàn)在延伸穿過(guò)整個(gè)層堆疊104。累加劑量的離子702還足以使MRAM單元712彼此電隔離且磁隔離。在此實(shí)例中，如在X_Z平面中所觀測(cè)的，MRAM單元712還具有成錐形的橫截面形狀。具體來(lái)說(shuō)是當(dāng)將磷和/或砷用作植入物質(zhì)(SP，離子702)時(shí)，本發(fā)明人已經(jīng)觀察到在離子植入之后頂部表面708意外地成凹形。因此形成的植入?yún)^(qū)域710的“新月”形的一個(gè)益處是MRAM單元的鄰近于層108到層116的側(cè)壁區(qū)域不會(huì)暴露并且因此在處理過(guò)程中被保護(hù)而不受沖擊。這允許(例如)執(zhí)行層堆疊104的一些濺射而不用擔(dān)心可能沿著MRAM層的暴露側(cè)再沉積，因?yàn)槿魏纬练e物可能擱置在非有效的植入?yún)^(qū)域上，即，植入?yún)^(qū)域710上。反過(guò)來(lái)，通過(guò)濺射而移除層堆疊104的一部分材料的能力有助于使用更小的離子劑量來(lái)實(shí)現(xiàn)磁隔離和/或電隔離。例如，在形成MRAM單元712的電隔離的第二離子暴露中，可以采用更小的氧離子劑量來(lái)氧化層堆疊104中剩余的更少量的金屬材料。在一些實(shí)施例中，在第二離子暴露之前沉積罩蓋層以控制如上文所描述的頂部表面708的水平的位置可為最佳的。
[0058]在另外的實(shí)施例中，為了界定所需的MRAM存儲(chǔ)器單元大小，界定MRAM單元的掩模特征經(jīng)設(shè)計(jì)以適應(yīng)在將離子植入到層的堆疊的暴露區(qū)域中時(shí)產(chǎn)生的植入物質(zhì)的橫向范圍。圖8描繪示出經(jīng)受離子植入的經(jīng)掩蔽襯底的透視圖的綜合說(shuō)明以及示出作為相對(duì)于掩模的位置的函數(shù)的離子植入物質(zhì)的濃度的模擬濃度曲線。離子802被朝向襯底800引導(dǎo)并且被掩模特征804阻斷。在暴露區(qū)域806中，離子802可以穿透到層堆疊810中，從而產(chǎn)生植入物質(zhì)分布808。在此實(shí)例中，由于掩蔽作用，在掩模特征804的邊緣處的離子劑量大約是暴露區(qū)域806中間的峰值的離子劑量的一半。另外，橫向范圍是大約6nm，從而指示一部分離子802開(kāi)始擱置在距掩模邊緣大約6nm或更遠(yuǎn)的掩模特征804之下。植入物質(zhì)濃度根據(jù)沿著X軸的位置逐漸降低到零。這導(dǎo)致在掩模804之下界定的存儲(chǔ)器位與植入的暴露區(qū)域806之間的“模糊化界面”，“模糊化界面”具有在零與暴露區(qū)域806中的濃度之間的植入物質(zhì)的濃度。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過(guò)將掩模特征804的橫向尺寸布置成大于MRAM單元的設(shè)計(jì)大小而解決此問(wèn)題。例如，掩模特征804的寬度(以及其它相同的掩模特征804的寬度)可以超出MRAM單元的設(shè)計(jì)寬度。這可以通過(guò)已知的光刻技術(shù)或通過(guò)在掩模特征804上方沉積保形膜來(lái)實(shí)現(xiàn)，這會(huì)導(dǎo)致將植入物質(zhì)與掩模特征804下面的所需MRAM單元橫向地隔開(kāi)大約等于保形膜厚度的量。
[0059]應(yīng)注意，在其中向襯底提供多個(gè)不同的離子暴露的前述實(shí)施例中，除非另外說(shuō)明，否則離子暴露的順序可以改變。然而，根據(jù)另外的實(shí)施例，為了優(yōu)化最終MRAM裝置，可以預(yù)設(shè)序列執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上離子暴露。在特定實(shí)施例中，含有磷離子的第一離子暴露在含有氧離子的第二離子暴露之前執(zhí)行。磷離子暴露可用以磁阻隔如上文所描述的圖案化襯底的暴露區(qū)域。然而，通過(guò)在氧之前將磷植入到暴露區(qū)域中，可以將植入的磷物質(zhì)充當(dāng)吸附物質(zhì)(gettering species),其在后續(xù)離子暴露中植入氧時(shí)產(chǎn)生用于氧的吸附部位。這具有限制植入的氧物質(zhì)的擴(kuò)散的作用，由此減少不想要的氧擴(kuò)散到將構(gòu)成MRAM存儲(chǔ)器位(單元)的保護(hù)區(qū)域中。在另外的實(shí)施例中，可以將其它離子植入到暴露區(qū)域中充當(dāng)吸附部位。
[0060]又在其它實(shí)施例中，可以在冷卻的襯底上執(zhí)行離子暴露，其中向襯底提供主動(dòng)式冷卻以將襯底溫度維持在大約室溫下或低于室溫下。這具有減少植入物質(zhì)的擴(kuò)散(包含橫向擴(kuò)散到MRAM單元中)的作用，因?yàn)閿U(kuò)散速率通常隨著溫度的增加呈指數(shù)增加。
[0061]本發(fā)明的范圍將不受本文所描述的具體實(shí)施例限制。實(shí)際上，所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員根據(jù)以上描述和附圖將了解除本文所描述的實(shí)施例和修改之外的本發(fā)明的其它各種實(shí)施例和對(duì)本發(fā)明的修改。因此，此類(lèi)其它實(shí)施例和修改既定屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。此夕卜，盡管已在本文中出于特定目的在特定環(huán)境下在特定實(shí)施方案的上下文中描述了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到其有用性不限于此，并且出于任何數(shù)目的目的，本發(fā)明可以有利地在任何數(shù)目的環(huán)境中實(shí)施。因此，本發(fā)明的標(biāo)的物應(yīng)鑒于如本文所描述的本發(fā)明的完整廣度以及精神來(lái)解釋。
【權(quán)利要求】
1.一種形成磁性存儲(chǔ)器的方法，其包括: 在襯底的基底部分上提供具有多個(gè)磁性層和多個(gè)導(dǎo)電層的層堆疊； 在第一保護(hù)區(qū)域上方的所述層堆疊的外表面上形成第一掩模特征且在第二保護(hù)區(qū)域上方的所述層堆疊的外表面上形成第二掩模特征，所述第一掩模特征和第二掩模特征在其間界定所述層堆疊的部分中的所述層堆疊的暴露區(qū)域；以及 以有效地在不移除所述層堆疊的所述暴露區(qū)域的情況下使所述第一保護(hù)區(qū)域與所述第二保護(hù)區(qū)域磁隔離并且使所述第一保護(hù)區(qū)域與所述第二保護(hù)區(qū)域電隔離的離子劑量朝向所述層堆疊的所述暴露區(qū)域引導(dǎo)離子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成磁性存儲(chǔ)器的方法，其中所述第一掩模特征的第一寬度和所述第二掩模特征的第二寬度各自大于所述磁性存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器單元的設(shè)計(jì)寬度。
3.一種形成磁性存儲(chǔ)器的方法，其包括: 在襯底的基底部分上提供包括多個(gè)磁性層和多個(gè)導(dǎo)電層的層堆疊； 在第一保護(hù)區(qū)域上方的所述層堆疊的外表面上形成第一掩模特征且在第二保護(hù)區(qū)域上方的所述層堆疊的外表面上形成第二掩模特征，所述第一掩模特征和第二掩模特征在其間界定所述層堆疊的部分中的所述層堆疊的暴露區(qū)域；以及 在有效地選擇性地從所述層堆疊中移除金屬物質(zhì)的離子暴露中朝向所述層堆疊的所述暴露區(qū)域引導(dǎo)離子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的形成磁性存儲(chǔ)器的方法，其中所述離子暴露包括: 第一離子暴露，其有效地使所述金屬物質(zhì)遷移到所述層堆疊的暴露表面區(qū)域的外表面；以及 第二離子暴露，其用以從所述層堆疊的所述暴露區(qū)域的外表面濺射所述金屬物質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的形成磁性存儲(chǔ)器的方法，其中所述離子暴露有效地使所述第一保護(hù)區(qū)域與所述第二保護(hù)區(qū)域電隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的形成磁性存儲(chǔ)器的方法，其進(jìn)一步包括在有效地使所述第一保護(hù)區(qū)域與所述第二保護(hù)區(qū)域磁隔離的第三離子暴露中將所述離子引導(dǎo)到所述層堆疊。
7.一種形成磁性存儲(chǔ)器的方法，其包括: 在襯底的基底部分上提供包括多個(gè)磁性層和多個(gè)導(dǎo)電層的層堆疊； 在第一保護(hù)區(qū)域上方的所述層堆疊的外表面上形成第一掩模特征且在第二保護(hù)區(qū)域上方的所述層堆疊的外表面上形成第二掩模特征，所述第一掩模特征和第二掩模特征在其間界定所述層堆疊的部分中的所述層堆疊的暴露區(qū)域； 在形成所述掩模特征之后在所述層堆疊上形成罩蓋層；以及 在有效地在不移除所述層堆疊的所述暴露區(qū)域的情況下使所述第一保護(hù)區(qū)域與所述第二保護(hù)區(qū)域磁隔離并且使所述第一保護(hù)區(qū)域與所述第二保護(hù)區(qū)域電隔離的離子暴露中朝向所述層堆疊的所述暴露區(qū)域引導(dǎo)離子。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的形成磁性存儲(chǔ)器的方法，其中在所述離子暴露中將所述離子引導(dǎo)到所述襯底包括:在包括第一離子劑量的第一離子暴露中將所述離子引導(dǎo)到所述襯底，以及在所述第一離子暴露后在包括第二離子劑量的第二離子暴露中將所述離子引導(dǎo)到所述襯底，所述形成磁性存儲(chǔ)器的方法進(jìn)一步包括:在所述第一離子暴露之后在所述襯底上沉積所述罩蓋層。
9.一種磁性存儲(chǔ)器，其包括: 存儲(chǔ)器裝置基底； 多個(gè)存儲(chǔ)器單元，其安置在所述存儲(chǔ)器單元基底上，每一存儲(chǔ)器單元含有包括多個(gè)磁性層和導(dǎo)電層的層堆疊，所述多個(gè)磁性層和導(dǎo)電層布置在每一其它存儲(chǔ)器單元所共用的層的堆疊中；以及 植入基質(zhì)，其安置在所述存儲(chǔ)器單元與周?chē)拿恳淮鎯?chǔ)器單元之間，所述植入基質(zhì)包括與植入物質(zhì)相互混合的每一存儲(chǔ)器單元的所述層堆疊的組成材料，所述植入基質(zhì)包括非傳導(dǎo)材料和非磁性材料，其中每一存儲(chǔ)器單元與每一其它存儲(chǔ)器單元電隔離并且磁隔離。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁性存儲(chǔ)器，所述植入基質(zhì)包括氧和磷。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁性存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)存儲(chǔ)器單元含有包括貴金屬的至少一個(gè)層，其中所述植入基質(zhì)包括比所述存儲(chǔ)器單元的每單位面積貴金屬濃度更低的每單位面積貴金屬濃度。
12.—種形成磁性存儲(chǔ)器的方法,其包括: 在襯底的基底部分上提供包括多個(gè)磁性層和多個(gè)導(dǎo)電層的層堆疊； 在第一保護(hù)區(qū)域上方的所述層堆疊的外表面上形成第一掩模特征且在第二保護(hù)區(qū)域上方的所述層堆疊的外表面上形成第二掩模特征，所述第一掩模特征和第二掩模特征在其間界定所述層堆疊的部分中的所述層堆疊的暴露區(qū)域；以及 在有效地使所述第一保護(hù)區(qū)域與所述第二保護(hù)區(qū)域磁隔離的離子暴露中朝向所述層堆疊的所述暴露區(qū)域引導(dǎo)離子，其中所述離子暴露在所述層堆疊的所述暴露區(qū)域的外表面產(chǎn)生凹形。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的形成磁性存儲(chǔ)器的方法，其進(jìn)一步包括在第二離子暴露中朝向所述暴露區(qū)域引導(dǎo)所述離子，以使所述第一保護(hù)區(qū)域與所述第二保護(hù)區(qū)域電隔離。
14.一種形成磁性存儲(chǔ)器的方法,其包括: 在襯底的基底部分上提供包括多個(gè)磁性層和多個(gè)導(dǎo)電層的層堆疊； 在第一保護(hù)區(qū)域上方的所述層堆疊的外表面上形成第一掩模特征且在第二保護(hù)區(qū)域上方的所述層堆疊的外表面上形成第二掩模特征，所述第一掩模特征和第二掩模特征在其間界定所述層堆疊的部分中的所述層堆疊的暴露區(qū)域；以及 在有效地使所述第一保護(hù)區(qū)域與所述第二保護(hù)區(qū)域磁隔離的第一離子暴露中朝向所述層堆疊的所述暴露區(qū)域引導(dǎo)第一離子，所述第一離子暴露進(jìn)一步包括吸附物質(zhì)；以及 在使所述第一保護(hù)區(qū)域與所述第二保護(hù)區(qū)域電隔離的第二離子暴露中朝向所述暴露區(qū)域引導(dǎo)第二離子，所述第一離子有效地減少在所述第二離子暴露過(guò)程中在所述層堆疊內(nèi)的所述第二離子的擴(kuò)散。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的形成磁性存儲(chǔ)器的方法，其中所述第一離子是磷和/或砷，并且其中所述第二離子是氧。
【文檔編號(hào)】H01L43/12GK104380492SQ201380033033
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2013年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月27日
【發(fā)明者】艾立克斯恩德·C·剛特司, 絲特芬·舍曼, 約翰·J·哈塔拉, 賽門(mén)·羅芙爾 申請(qǐng)人:瓦里安半導(dǎo)體設(shè)備公司