本公開的實施方式涉及用于制造磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)應用中使用的結構的方法。更具體來說，本公開的實施方式涉及用于制造MRAM應用中使用的磁隧道結結構的方法。

背景技術：

磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)是包含使用它們阻值而非電子電荷來存儲數據的MRAM單元陣列的存儲元件類型。一般來說，每個MRAM單元包括磁隧道結(MTJ)結構。MTJ結構可以具有表示邏輯狀態(tài)“0”或“1”的可調電阻。MTJ結構通常包括具有其中兩個鐵磁層被薄非磁電介質(例如，絕緣的隧穿層)分開的構型的磁層堆疊。頂部電極和底部電極用于夾住MTJ結構，使得電流可以在頂部電極與底部電極之間流動。

一個鐵磁層(例如，基準層)的特征為方向固定的磁化。另一鐵磁層(例如，存儲層)的特征為方向在元件寫入時(諸如通過施加磁場)變化的磁化。在一些元件中，絕緣材料(諸如電介質氧化物層)可形成為夾在鐵磁層之間的薄隧穿阻擋層。通常，將這些層順序地沉積為覆膜。鐵磁層和絕緣材料通過各種蝕刻工藝順序地圖案化，在這些蝕刻工藝中，將一個或多個層部分或全部地去除，以便形成元件特征。

當基準層和存儲層的相應磁化反平行(antiparallel)時，磁隧道結的電阻為高，具有對應于高邏輯狀態(tài)“1”的阻值R_max。另一方面，當相應磁化平行時，磁隧道結的電阻為低，也就是說，具有對應于低邏輯狀態(tài)“0”的阻值R_min。MRAM單元的邏輯狀態(tài)通過將其阻值與基準阻值R_ref比較來讀取，所述基準阻值從基準單元或一組基準單元得出并且表示高邏輯狀態(tài)“1”的阻值與低邏輯狀態(tài)“0”的阻值之間的中間阻值。

一種類型MRAM單元是自旋轉移扭矩磁隨機存取存儲器(STT-MRAM)。在制造傳統(tǒng)的STT-MRAM元件時，通常緊接在膜層沉積工藝后執(zhí)行熱退火工藝，以幫助鐵磁層和夾在元件結構中的絕緣材料的結晶。在退火工藝期間的不充分的熱能或不準確的溫控可能導致以不期望的方式形成的膜接合結構或性質。例如，在退火工藝期間的不準確的溫控或熱擴散的不期望的漂移可能導致膜層未充分結晶，從而使元件無法滿足其預期性能。

因此，本領域中需要用于制造MRAM應用中使用的MTJ結構的改進方法和改進裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本公開的實施方式提供用于在基板上制造在MRAM應用中、尤其自旋轉移扭矩磁隨機存取存儲器(STT-MRAM)應用中使用的磁隧道結(MTJ)結構的方法和裝置。在一個實施方式中，一種用來在基板上形成磁隧道結結構的膜堆疊體包括：釘扎層，所述釘扎層設置在基板上，其中所述釘扎層包括多個層，所述多個層包括含Co層、含Pt層、含Ta層、含Ru層和以上項的組合中的至少一個或多個；可選的結構去耦合層，所述可選的結構去耦合層設置在磁釘扎層上；磁基準層，所述磁基準層設置在所述可選的結構去耦合層上；隧穿阻擋層，所述隧穿阻擋層設置在所述磁基準層上；磁存儲層，所述磁存儲層設置在所述隧穿阻擋層上；以及帽蓋層，所述帽蓋層設置在所述磁存儲層上。

在另一實施方式中，所述方法包括：將設置在基板上的具有隧穿阻擋層設置在磁基準層與磁存儲層之間的膜堆疊體圖案化，以將所述膜堆疊體的一部分從所述基板上去除，直到暴露所述基板的上表面；在經圖案化的膜堆疊體的側壁上形成側壁鈍化層；以及隨后對所述膜堆疊體執(zhí)行熱退火工藝。

在又一實施方式中，一種在基板上形成磁隧道結結構的方法包括：將設置在基板上的具有隧穿阻擋層設置在磁基準層與磁存儲層之間的膜堆疊體圖案化，以將所述膜堆疊體的一部分從所述基板上去除，直到暴露所述基板的上表面；在經圖案化的膜堆疊體的側壁上形成側壁鈍化層；在所述基板上形成與所述側壁鈍化層接觸的絕緣層；以及通過熱處理工藝將摻雜物從所述磁基準層和所述磁存儲層橫向向外驅動到所述側壁鈍化層中。

附圖簡述

為了可詳細理解本公開的上述特征的方式，可通過參照實施例對簡要概述于上的本公開進行更加詳細的描述，該等實施例中的一些實施例圖示于附圖中。

圖1描繪了用于實踐本公開的一個實施方式的等離子體處理腔室的一個實施方式；

圖2描繪了用于實踐本公開的一個實施方式的退火腔室的一個實施方式；

圖3描繪了示出根據本公開的一個實施方式的用于制造磁隧道結(MTJ)結構的方法的流程圖；

圖4A-4E是處于圖3的方法的各種階段的基板的示意性側視圖；以及

圖5是圖4A所示的膜堆疊體的一部分的另一實施方式的示意圖。

為了便于理解，已在可能的地方使用相同的附圖標記來指定各圖所共有的相同元件?？蓸嬒?，一個實施方式中公開的元件可有利地用于其他實施方式，而無需特定敘述。

然而，應當注意，附圖僅僅示出本公開的典型實施方式，并且因此不應視為限制本公開的范圍，因為本公開可允許其他等效實施方式。

具體實施方式

本公開的實施方式總體提供用于從設置在基板上的膜堆疊體形成MRAM應用中使用的MTJ結構的裝置和方法。所述裝置和方法包括通過在膜堆疊體中的材料層圖案化后執(zhí)行的熱工藝來形成膜堆疊體中的具有期望的結晶度的材料層的膜特性。在圖案化時，可沿膜堆疊體的側壁形成側壁鈍化層。因此，通過在圖案化工藝和側壁鈍化沉積工藝后執(zhí)行熱工藝，從熱工藝提供的熱能可有效地將摻雜物橫向向外朝側壁鈍化層(而非垂直朝向膜堆疊體中形成的相鄰的材料層)擴散到材料層中。如此一來，就可實現(xiàn)膜堆疊體中的材料層的可控結晶度，而無來自有可能從相鄰材料交叉擴散的摻雜物的損壞或干擾。以期望的結晶度圖案化和退火的膜堆疊體可以用于形成用于MRAM應用的具有期望的尺寸和特征的MTJ結構。

圖1是適于執(zhí)行圖案化工藝以蝕刻基板上設置的膜堆疊體的處理腔室100的一個實例的截面圖?？蛇m合用于本文所公開的教導內容的合適處理腔室包括例如可從加利福尼亞州圣克拉拉市的應用材料公司(Applied Materials,Inc.of Santa Clara,California)獲得的或AdvantEdge處理腔室。雖然處理腔室100示為包括能實現(xiàn)優(yōu)越蝕刻性能的多個特征，但是可構想的是，其他處理腔室可適于從本文所公開的發(fā)明特征中的一個或多個特征中受益。

處理腔室100包括腔室主體102和蓋104，它們圍成內部容積106。腔室主體102通常由鋁、不銹鋼或其他合適材料制成。腔室主體102一般包括側壁108和底部110?；逯位M出端口(未示出)一般限定在側壁108中，并且選擇性地被狹縫閥密封，以便促進基板103進出處理腔室100。排放端口126限定在腔室主體102中，并且將內部容積106耦接到泵系統(tǒng)128。泵系統(tǒng)128一般包括用于抽空和調節(jié)處理腔室100的內部容積106的壓力的一個或多個泵以及節(jié)流閥。在一個實施方案中，泵系統(tǒng)128維持內部容積106內的壓力處于通常約10mTorr與約500Torr之間的操作壓力。

蓋104密封地支撐在腔室主體102的側壁108上。蓋104可打開以允許進出處理腔室100的內部容積106。蓋104包括窗口142，所述窗口促進光學工藝監(jiān)控。在一個實施方案中，窗口142由石英或對安裝在處理腔室100外的光學監(jiān)控系統(tǒng)140所利用的信號透射的其他合適材料構成。

光學監(jiān)控系統(tǒng)140被定位成通過窗口142查看腔室主體102的內部容積106和/或定位在基板支撐基座組件148上的基板103中的至少一者。在一個實施方式中，光學監(jiān)控系統(tǒng)140被耦接到蓋104并且促進集成沉積工藝，所述集成沉積工藝使用光學度量來提供實現(xiàn)工藝調整以補償進入基板圖案特征不一致性(諸如厚度等等)的信息、按需要來提供工藝狀態(tài)監(jiān)控(諸如等離子體監(jiān)控、溫度監(jiān)控等等)。一種可適于從本公開受益的光學監(jiān)控系統(tǒng)是可從加利福尼亞州圣克拉拉市的應用材料公司獲得的全光譜式干涉測量度量模塊(full-spectrum,interferometric metrology module)。

氣體面板158被耦接到處理腔室100，以便將工藝和/或清潔氣體提供到內部容積106。在圖1所描繪的實例中，入口端口132’、132”提供在蓋104中，以便允許氣體從氣體面板158遞送到處理腔室100的內部容積106。在一個實施方案中，氣體面板158適于通過入口端口132’、132”提供氟化工藝氣體并且將其提供到處理腔室100的內部容積106中。在一個實施方案中，從氣體面板158提供的工藝氣體包括至少氟化氣體、氯氣、含碳氣體、氧氣、含氮氣體和含氯氣體。氟化含碳氣體實例包括CHF₃、CH₂F₂和CF₄。其他氟化氣體可以包括C₂F、C₄F₆、C₃F₈和C₅F₈中的一種或多種。含氧氣體實例包括O₂、CO₂、CO、N₂O、NO₂、O₃、H₂O等等。含氮氣體實例包括N₂、NH₃、N₂O、NO₂等等。含氯氣體實例包括HCl、Cl₂、CCl₄、CHCl₃、CH₂Cl₂、CH₃Cl等等。含碳氣體合適實例包括甲烷(CH₄)、乙烷(C₂H₆)、乙烯(C₂H₄)等等。

噴淋頭組件130耦接到蓋104的內表面114。噴淋頭組件130包括多個孔隙，所述多個孔隙允許氣體在正在處理腔室100中處理的基板103的表面上以預定義分布從入口端口132’、132”流過噴淋頭組件130進入到處理腔室100的內部容積106中。

遠程等離子體源177可視情況耦接到氣體面板158，以便促進在進入內部容積106以供處理之前將氣體混合物從遠程等離子中離解。RF功率源143通過匹配網絡141來耦接到噴淋頭組件130。RF功率源143通常能夠在從約50kHz至約200MHz的范圍內的可調諧的頻率下產生多達約3000W。

噴淋頭組件130另外包括光學度量信號透射的區(qū)域。光學透射區(qū)域或者通路138適于允許光學監(jiān)控系統(tǒng)140查看內部容積106和/或定位在基板支撐基座組件148上的基板103。通路138可為形成或設置在噴淋頭組件130中的材料、孔隙或多個孔隙，其對由光學監(jiān)控系統(tǒng)140生成并反射回到所述光學監(jiān)控系統(tǒng)的能量的波長是基本透射的。在一個實施方式中，通路138包括窗口142，用以阻止氣體通過通路138泄漏。窗口142可為藍寶石板、石英板或其他合適材料。窗口142可替代地設置在蓋104中。

在一個實施方案中，噴淋頭組件130被配置有允許單獨控制流入處理腔室100的內部容積106的氣體的多個區(qū)。在圖1中示出的實例中，噴淋頭組件130作為通過單獨入口端口132’、132”單獨耦接到氣體面板158的內區(qū)134和外區(qū)136。

基板支撐基座組件148設置在處理腔室100的內部容積106中，位于氣體分布(噴淋頭)組件130下方?；逯位M件148在處理過程中保持基板103?；逯位M件148一般包括穿過其中而設置的多個升降桿(未示出)，其配置成將基板103從基板支撐基座組件148升降并且利用機器人(未示出)以傳統(tǒng)方式促進基板103的交換。內襯118可緊密地包圍基板支撐基座組件148的周邊。

在一個實施方案中，基板支撐基座組件148包括安裝板162、底座164和靜電卡盤166。安裝板162耦接到腔室主體102的底部110，包括用于將布線設施(諸如流體、電線和傳感器引線等)輸送到底座164和靜電卡盤166的通路。靜電卡盤166包括用于將基板103保持在噴淋頭組件130下方的至少一個夾緊電極(clamping electrode)180。靜電卡盤166由夾持功率源182驅動來形成將基板103保持到卡盤表面的靜電力，如通常已知的。替代地，基板103可通過夾緊、真空或重力保持到基板支撐基座組件148。

底座164或靜電卡盤166中的至少一者可以包括至少一個可選嵌入式加熱器176、至少一個可選嵌入式隔離器174和多個導管168、170，以便控制基板支撐基座組件148的橫向溫度分布。導管168、170流體地耦接到使溫度調節(jié)流體循環(huán)穿過其中的流體源172。加熱器176是由功率源178調節(jié)。導管168、170和加熱器176用于控制底座164的溫度，由此加熱和/或冷卻靜電卡盤166，并且最終控制設置在其上的基板103的溫度分布。靜電卡盤166和底座164的溫度可使用多個溫度傳感器190、192來監(jiān)控。靜電卡盤166可進一步包括多個氣體通路(未示出)，諸如凹槽，它們形成在卡盤166的基板支撐基座支撐表面中，并且流體地耦接到傳熱(例如，背側)氣體(諸如He)的源。在操作中，在受控壓力下將背側氣體提供到氣體通路中，以便增強靜電卡盤166與基板103之間的傳熱。

在一個實施方案中，基板支撐基座組件148被配置為陰極，并且包括耦接到多個RF功率偏壓源184、186的電極180。RF功率偏壓源184、186耦接在基板支撐基座組件148中設置的電極180與另一電極(諸如噴淋頭組件130或腔室主體102的頂蓋(蓋104))之間。RF偏壓功率激發(fā)并維持從設置在腔室主體102的處理區(qū)域中的氣體形成的等離子體放電。

在圖1所描繪的實例中，雙RF偏壓功率源184、186通過匹配電路188耦接到設置在基板支撐基座組件148中的電極180。RF偏壓功率源184、186所生成的信號通過單饋電經由匹配電路188來輸送到基板支撐基座組件148，以將等離子體處理腔室100中提供的氣體混合物離子化，由此提供執(zhí)行沉積或其他等離子體增強工藝必需的離子能量。RF偏壓功率源184、186一般能夠產生具有從約50kHz至約200MHz的頻率以及在約0瓦特與約5000瓦特之間的功率的RF信號。額外偏壓功率源189可耦接到電極180，以便控制等離子體的特性。

在一個操作模式中，基板103設置在等離子體處理腔室100中的基板支撐基座組件148上。工藝氣體和/或氣體混合物通過噴淋頭組件130從氣體面板158引入腔室主體102中。真空泵系統(tǒng)128維持腔室主體102內的壓力，同時將沉積副產物去除。

控制器150耦接到處理腔室100，以便控制處理腔室100的操作?？刂破?50包括中央處理單元(CPU)152、存儲器154和用于控制工藝序列并調節(jié)來自氣體面板158的氣流的支持電路156。CPU 152可為可用于工業(yè)環(huán)境的任何形式的通用計算機處理器。軟件例程可以存儲在存儲器154(諸如隨機存取存儲器、只讀存儲器、軟盤或硬盤，或者其他形式數字存儲裝置)中。支撐電路156按常規(guī)耦接到CPU 152，并且可以包括高速緩存、時鐘電路、輸入/輸出系統(tǒng)、電源等等。在控制器150與處理腔室100的各種部件之間的雙向通信是通過許多信號線纜處理。

圖2示出了根據一個實施方式的處理腔室200的示意圖。處理腔室200可以用于處理基板103，包括將熱量/熱能提供到設置在基板103上的材料層。處理腔室200可以包括輻射熱燈202陣列，用于加熱設置在處理腔室200的壁201內的承托器220的背側204等等部件以及基板103。承托器220是由承托器支撐件218支撐。在圖2所示實施方式中，承托器220具有環(huán)形主體，所述環(huán)形主體具有中心開口203和從承托器220的邊緣延伸并包圍中心開口203的唇緣221。承托器220的唇緣221和前側202形成凹坑(pocket)226，所述凹坑從基板的邊緣支撐基板103，以便促進基板103暴露于燈202所提供的熱輻射下。

承托器220定位在處理腔室200內，在上罩210與下罩212之間。上罩210通過基環(huán)214來耦接到下罩212。上罩210、下罩212和基環(huán)214一般限定處理腔室200的內部區(qū)域。在一些實施方式中，輻射熱燈202陣列可設置在上罩210上方?；?01可通過基環(huán)214中形成的裝載端口(未示出)來送入處理腔室200并定位到承托器220上。

承托器220被示為處于升高處理位置，但可以通過致動器(未示出)豎直地移動到處理位置下方的裝載位置，以允許升降桿222穿過承托器支撐件218中的孔并將基板103從承托器220升起。機器人(未示出)隨后可以進入處理腔室200，以便通過裝載端口接合基板103并將所述基板從中去除。隨后可向上致動承托器220到達處理位置，以將基板103放置到承托器220的前側202上，其中元件側224面向上。

當位于處理位置時，承托器220和承托器支撐件218將處理腔室200的內部容積劃分成在基板103上方的工藝氣體區(qū)域228和在承托器220和承托器支撐件218下方的凈化氣體區(qū)域230。承托器220和承托器支撐件218在處理過程中通過支撐圓柱形中心軸232旋轉，以最小化處理腔室200內的熱和工藝氣流空間異常的影響，并且因此促進對基板103的均勻處理。中心軸232在裝載和卸載的過程中并且在一些情況下在基板103處理過程中，在上下方向234上移動基板301。

一般來說，上罩210的中心窗口部分和下罩212的底部是由光學透明材料(諸如石英)形成。一個或多個燈(諸如燈202陣列)可以特定最佳期望方式圍繞中心軸232鄰近下罩212并位于其下方進行設置，以便獨立控制基板103的各種區(qū)域處的溫度。受熱基板103暴露于工藝氣體下，由此促進將材料熱處理(即，沉積)到基板103的上表面上。

燈202可配置成包括燈泡236，并且可配置成將基板301加熱到在約200攝氏度至約1600攝氏度的范圍內(例如，在約300攝氏度至約1200攝氏度之間，或者在約500攝氏度至約580攝氏度之間)的溫度。每個燈202耦接到配電板(未示出)，電力通過配電板來供應到每個燈202。燈202定位在燈頭238內，所述燈頭可以在處理過程中或處理后通過例如引入到位于燈202之間的通道252中的冷卻流體進行冷卻。燈頭238傳導地或輻射地冷卻下罩212，這部分是因為燈頭238密切接近下罩212。燈頭238還可冷卻燈壁以及燈周圍的反射器(未示出)的壁。替代地，下罩212可通過已知的對流方法來冷卻，諸如通過風扇或者其他冷卻技術冷卻。取決于應用，燈頭238可或可不接觸下罩212。由于基板103的背側加熱，還可使用光學高溫計242用于對基板103和承托器220進行溫度測量/控制。

反射器244可視情況放置在上罩210外，以便將正輻射離開基板301的紅外光反射回到基板301上。反射器244可由金屬(諸如鋁或不銹鋼)制成。反射效率可通過將反射器區(qū)涂布有高反射涂層(諸如涂布有金)來提高。反射器244可以具有連接到冷卻源(未示出)的一個或多個加工通道246。通道246連接到形成在反射器244的一側上的通路(未示出)。所述通路被配置成載送流體(諸如水)流，并且可按任何期望圖案沿反射器244的該側水平行進，從而覆蓋反射器244的一部分或者整個表面，以便冷卻反射器244。

從工藝氣體供應源248供應的工藝氣體通過形成在基環(huán)214的側壁中的工藝氣體入口250引入到工藝氣體區(qū)域228中。工藝氣體入口250被配置成在大體徑向向內方向上引導工藝氣體。在成膜工藝過程中，承托器220可以位于處理位置，所述處理位置鄰近工藝氣體入口250并與所述工藝氣體入口處于大致上相同的高度，從而允許工藝氣體以層流的方式向上并沿流動路徑循環(huán)流過基板103的上表面。工藝氣體通過位于處理腔室200與工藝氣體入口250相對的那側的氣體出口255離開工藝氣體區(qū)域228。工藝氣體通過氣體出口255的去除可通過耦接到該氣體出口的真空泵256來促進。由于工藝氣體入口250和氣體出口255對準并大致設置在相同的高度處，因而相信這種平行布置在結合扁平上罩210時在基板103上提供大體上平坦的均勻氣流。可通過由承托器220對基板103進行的旋轉來提供進一步的徑向均勻度。

凈化氣體可通過形成在基環(huán)214的側壁中的可選凈化氣體入口260(或通過工藝氣體入口250)從凈化氣體源258供應到凈化氣體區(qū)域230。凈化氣體入口260設置在工藝氣體入口250下方的高度處。凈化氣體入口260被配置成在大體徑向向內方向上引導凈化氣體。在工藝過程中，承托器220可以位于使凈化氣體以層流的方式向下并沿流動路徑流過承托器220的背側204的位置。不受任何具體理論約束，認為凈化氣體的流動防止或基本避免了工藝氣體流進入凈化氣體區(qū)域230，或者減少工藝氣體擴散進入凈化氣體區(qū)域230(即，在承托器220下方的區(qū)域)。凈化氣體離開凈化氣體區(qū)域230并通過氣體出口255從處理腔室200排出，所述氣體出口位于處理腔室200與凈化氣體入口260相對的那側。

圖3描繪了示出根據本公開的一個實施方式的用于在基板上制造MRAM應用中使用的MTJ結構的工藝300的流程圖。圖4A-4E是處于圖3的工藝的各種階段的基板400的示意性截面圖。工藝300被配置成在等離子體處理腔室和熱處理腔室(諸如如圖1和圖2中描述的處理腔室100、200)中執(zhí)行。構想的是，工藝300可以在其他合適的等離子體浸沒離子注入系統(tǒng)或蝕刻腔室(包括來自其他制造商的那些)中執(zhí)行。

工藝300在操作302處通過提供基板(諸如具有膜堆疊體402設置在其上的基板400)開始。圖5是圖4A所示的膜堆疊體402的一部分的一個實施方式的示意圖。在一個實施方式中，基板400包含金屬或玻璃、硅、電介質塊材料和金屬合金，或者包含復合玻璃、結晶硅(例如，Si<100>或Si<111>)、氧化硅、應變硅、鍺化硅、鍺、摻雜或未摻雜多晶硅、摻雜或未摻雜硅晶片和圖案化或未圖案化晶片絕緣體上的硅(SOI)、摻碳氧化硅、氮化硅、摻雜硅、鍺、砷化鎵、玻璃或藍寶石?；?00可以具有各種尺寸，諸如200mm、300mm、450mm或其他直徑，以及可為矩形或方形面板。除非另外指明，否則本文所述實例在具有200mm直徑、300mm直徑或450mm直徑的基板上進行。在一個實施方式中，基板400(如圖4A所示)包括設置在基板400上的膜堆疊體402。

在一個實例中，膜堆疊體402包括磁釘扎層404、可選的結構去耦合層405和隧穿阻擋層408，所述隧穿阻擋層在隧道結型磁阻(TMR)傳感器情況下可為氧化物阻擋層，或者在巨磁阻(GMR)傳感器情況下為導電層，其設置在磁釘扎層404上方、夾在磁存儲層410與磁基準層406之間。當膜堆疊體402被配置成形成TMR傳感器時，那么隧穿阻擋層408可以包含MgO、HfO₂、TiO₂、TaO_x、Al₂O₃或其他合適材料。在圖5所描繪的實施方式中，隧穿阻擋層408可以包含具有約1埃至約15埃(諸如約10埃)的厚度的MgO。隧穿阻擋層408可在沉積期間或沉積后例如使用快速熱退火(RTP)工藝進行退火。

如果膜堆疊體402被配置成形成GMR傳感器，那么膜堆疊體402可以包含非磁導電材料，諸如銅。結構去耦合層405可為含金屬的材料或者磁性材料，諸如Mo、Ta、W、CoFe、CoFeB等等。

在一個實例中，磁釘扎層404可以具有約2nm的厚度。磁釘扎層404可以包括若干類型的釘扎層中的一種，諸如簡單釘扎傳感器、反平行釘扎傳感器、自釘扎傳感器或反鐵磁釘扎傳感器。磁釘扎層404、磁存儲層410和磁基準層406可由若干磁性材料(諸如具有摻雜物(諸如硼摻雜物、氧摻雜物或其他合適材料)的金屬合金)構造。金屬合金可為含鎳材料、含鉑材料、含Ru材料、含鈷材料、含鉭材料和含鈀材料?？蓸嫵纱裴斣鷮?04的磁性材料的合適實例包括Ru、Ta、Co、Pt、TaN、NiFeO_x、NiFeB、CoFeO_xB、CoFeB、CoFe、NiO_xB、CoBO_x、FeBO_x、CoFeNiB、CoPt、CoPd、TaO_x等等。

在圖4A所描繪的實施方式中，磁存儲層410可為CoFeB、CoFeNiB、Ta、Mo或W、它們的組合或其他合適的層。例如，在圖5所描繪的實施方式中，磁存儲層410包括第一CoFeB層508和第二CoFeB層512，這兩個層夾住中間層510。第一CoFeB層508和第二CoFeB層512可以具有約5埃至約20埃(例如約10埃)的厚度，B的組分在約10％至約30％的范圍內，且Fe的組分在約20％至約60％的范圍內。中間層510可以包括Ta、Mo或W中的至少一種或多種的一個或多個層。中間層510可以具有約0埃至約10埃(例如，約3埃)的厚度。

磁基準層406可為CoFeB或其他合適的層。磁基準層406可以具有約5埃至約20埃(例如，約10埃)的厚度。磁基準層406可具有約10％至約30％的硼(B)和約20％至約60％的Fe的組分。

結構去耦合層405設置在磁基準層406與磁釘扎層404之間。結構去耦合層405可以包括Ta、Mo或W中的至少一種或多種的一個或多個層。結構去耦合層405可以具有約0埃至約10埃(例如，約3埃)的厚度。

磁釘扎層404可包括一個或多個層。在圖5所描繪的實例中，磁釘扎層404依次包括Co層520、Co/Pt層522、Ru層524、Co層526、Co/Pt層528、Pt層530、Ta層532、Ru層534、Ta層536和TaN層538。Co層520可以具有約0埃至約10埃(例如，約5埃)的厚度。Ru層524可以具有約3埃至約10埃(例如，約4-5埃或者約7-9埃)的厚度。Co層526可以具有約0埃至約10埃(例如，約5埃)的厚度。Pt層530、Ta層532、Ru層534、Ta層536和TaN層538各自可以具有約0埃至約5埃(例如約3埃)的厚度。

Co/Pt層522可以具有包含[Co_(x1)/Pt_(y1)]_m的組分，其中x₁具有在約1埃至約6埃之間的Co的厚度，y₁具有在約1埃至約10埃之間(例如，約1-8埃)的Pt的厚度，并且m具有在0與5之間的數值，其中m表示Co/Pt層522重復地形成在膜堆疊體中的次數。例如，當x₁為5埃并且y₁為3埃、而且m為數值2時，它表示了Co層(5埃)/Pt層(3埃)/Co層(5埃)/Pt層(3埃)的膜堆疊體。

Co/Pt層528可以具有包含[Co_(x)/Pt_(y)]_n的組分，其中x具有約1埃至約6埃的厚度，y具有約1埃至約10埃(例如，約1-8埃)的厚度，并且n具有在3與10之間的數值。

帽蓋層412隨后形成在膜堆疊體402中的磁存儲層410上。在一個實施方式中，帽蓋層412可以包括磁性層。帽蓋層412的合適實例包括CoFeB、MgO、Ta和Ru中的至少一種或多種的一個或多個層。在圖5所描繪的實例中，帽蓋層412包括第一層502和第二層506，這兩個層夾住中間層504。第一層502可以具有約0納米(nm)至約5納米(例如，約2nm)的厚度。第一層502可以包括包含Ta和/或Ru的一個或多個層。第二層506可以包含MgO，并且具有約0埃至約15埃(例如，7埃)的厚度。中間層504可以包括CoFeB。中間層504可以具有約0埃至約50埃(例如，約10埃)的厚度。中間層504可具有約10％至約30％的B和約20％至約60％的Fe的組分。

應指出，磁釘扎層404、可選的結構去耦合層405、隧穿阻擋層408、磁存儲層410、磁基準層406和帽蓋層412可通過任何合適技術(諸如CVD、PVD、ALD、旋涂、噴涂以及任何合適方式)來形成。可用于形成這些層的系統(tǒng)的一個實例包括和沉積系統(tǒng)，這些全都可從加利福尼亞州圣克拉拉市應用材料公司獲得。構想的是，其他處理系統(tǒng)(包括可從其他制造商獲得的那些)可適于實踐本公開。

在操作304處，執(zhí)行圖案化工藝(例如，蝕刻工藝)以將膜堆疊體402的暴露并由蝕刻掩模層(未示出)限定的部分407從基板301上去除，直到下面的基板400暴露出來，如圖4B所示。用于圖案化膜堆疊體402的圖案化工藝可以包括被配置成根據每一層中包括的材料供應不同的氣體混合物或蝕刻劑來蝕刻不同的層的若干步驟或不同配方。

在圖案化過程中，具有不同蝕刻物質的蝕刻氣體混合物或若干氣體混合物依次供應到基板表面中，以將膜堆疊體402的一部分從基板400上去除。

操作304處的圖案化工藝的終點可由時間或者其他合適方法控制。例如，圖案化工藝可以在執(zhí)行達約200秒與約10分鐘之間的時間直到基板400暴露后終止，如圖4B所示。圖案化工藝可根據需要由來自終點檢測器(諸如OES檢測器，或者其他合適的檢測器)的確認終止。

在操作306處，在圖案化工藝后，在圖案化的膜堆疊體402的側壁415(諸如磁釘扎層404、可選的結構去耦合層405、隧穿阻擋層408、磁存儲層410、磁基準層406和帽蓋層412的側壁)上形成側壁鈍化層414。

在一個實例中，側壁鈍化層414可為通過在操作304處的圖案化工藝后執(zhí)行的沉積工藝形成的電介質層。例如，側壁鈍化層414可根據需要通過CVD沉積、PVD沉積、ALD沉積或其他合適沉積工藝來形成。側壁鈍化層414可由含氮材料、含碳材料或含氧材料形成。用于形成側壁鈍化層414的合適示例材料包括SiN、SiCN、SiO₂、SiON、SiC、非晶碳、SiOC、氧化鋁(Al₂O₃)、氮化鋁(AlN)等等。

在另一實例中，側壁鈍化層414可由在操作304處的圖案化工藝期間生成的副產物形成，生成的副產物在操作304處的圖案化工藝后積聚在膜堆疊體402的側壁上。例如，在圖案化過程中，含碳氣體、含氧氣體或含氮氣體可在圖案化工藝期間用于蝕刻氣體混合物中。來自這些氣體的碳元素、氧元素和氮元素可與來自膜堆疊體402的元素反應，從而形成粘附在膜堆疊體402的側壁415上的副產物、殘余物或堆積物。因此，在其中側壁鈍化層414是通過來自操作304的圖案化工藝形成的實例中，在操作304處的蝕刻氣體混合物中供應的氣體可以包括含碳氣體、含氧氣體或含氮氣體中的至少一種。

在側壁鈍化層414形成在膜堆疊體402的側壁415上后，可以執(zhí)行另一沉積工藝以在基板400的其中膜堆疊體402在操作304處的圖案化工藝期間去除的部分407上形成絕緣層416，如圖4C所示。絕緣層416可為可稍后在一系列的蝕刻和沉積工藝下形成絕緣層416中的互連結構(例如，后端工藝)以完成元件結構制造工藝的任何合適絕緣材料。在一個實例中，絕緣層416是氧化硅層或其他合適材料。

在操作308處，在操作304處的圖案化工藝完成并且側壁鈍化層和絕緣層416形成在基板400上后，可以執(zhí)行熱退火工藝。執(zhí)行熱退火工藝以修復、致密和增強膜堆疊體402的晶格結構，尤其是膜堆疊體402中包括的磁存儲層410和磁基準層406的晶格結構。例如，比起在熱/退火工藝之前(例如，在無熱/退火工藝的情況下)，在熱/退火工藝后，磁存儲層410和磁基準層406在XRD分析下可以具有(111)、(220)和(311)平面峰值的更強的結晶結構，由此增強形成在其中的磁存儲層410和磁基準層406的結晶度。在退火工藝過程中，來自磁存儲層410和磁基準層406的摻雜物被橫向地遠離磁存儲層410和磁基準層406(如箭頭420所示)驅動至側壁鈍化層414，如圖4D所示。通過在絕緣層416與膜堆疊體402之間形成側壁鈍化層414，來自磁存儲層410和磁基準層406的摻雜物可有效地保留在接近側壁鈍化層414的橫向位置，而非朝向膜堆疊體402中形成的帽蓋層412、隧穿阻擋層408或磁釘扎層404或可選的結構去耦合層405豎直移動。摻雜物的橫向擴散(而非豎直擴散)可有效地控制摻雜物漂移到側壁鈍化層414，使得膜特性和膜堆疊體402中的層的結晶度將不受到不利的影響或改變。例如，在其中硼(B)摻雜物被包括在磁存儲層410和磁基準層406中的實施方式中，在退火工藝過程中，硼摻雜物可以橫向地擴散到側壁鈍化層414，從而形成硼化合物(諸如氧化硼、氮化硼或碳化硼，這取決于用于形成側壁鈍化層414的材料)，所述硼化合物是不會顯著改變元件的電學性能的相對穩(wěn)定的化合物。在施加磁場時，摻雜物到磁存儲層410和磁基準層406的不期望的擴散可以導致不準確的磁化或不期望的原子自旋方向，由此不利地影響MTJ元件的總體性能。

因此，與使退火工藝緊接在每一個層在膜堆疊體中形成后或緊接在膜堆疊體402形成在基板400上后執(zhí)行的傳統(tǒng)的實踐相比，通過利用在圖案化工藝后和/或在側壁鈍化和/或絕緣層沉積工藝后執(zhí)行的熱退火工藝，可以獲得更穩(wěn)定的磁化工藝以及對摻雜物擴散工藝的更好控制。

在一個實例中，可在不形成側壁鈍化層414和絕緣層416的情況下，或者在形成側壁鈍化層414和絕緣層416前，在操作304處的圖案化工藝后執(zhí)行退火工藝。在另一實例中，退火工藝可以根據需要在操作304處的圖案化工藝以及操作306處的側壁鈍化和/或絕緣層沉積工藝后執(zhí)行。

熱退火工藝可以在熱退火腔室(諸如圖2所描繪的處理腔室200)中執(zhí)行。替代地，退火工藝可以在配置成將足夠熱能提供到基板400上設置的膜堆疊體402的任何處理腔室中執(zhí)行。在一個實施方式中，熱退火工藝可以在其中執(zhí)行了操作304處的圖案化工藝或操作306處的沉積工藝的處理腔室中原位執(zhí)行。熱退火工藝可以將基板400加熱到大于200攝氏度(諸如在約250攝氏度與約550攝氏度之間)的溫度，以幫助磁存儲層410和磁基準層406中的摻雜物從膜堆疊體向外并橫向地擴散，并且增強磁存儲層410和磁基準層406以及膜堆疊體402中的其他層的結晶度。

在退火過程中，可供應退火氣體混合物?？稍谕嘶饸怏w混合物中供應的氣體可以包括含氮氣體(諸如NH₃、N₂、NF₃、N₂O、NO₂、NO等等)、惰性氣體(諸如Ar、He、Ne、Kr、Xe等等)或含氧氣體(諸如O₂、O₃、N₂O、H₂O、CO₂、CO等等)。

替代地，退火工藝還可在執(zhí)行互連制造工藝(例如，后端制造工藝)后執(zhí)行。應指出，本文中提到的互連制造工藝(例如，后端制造工藝)包括將絕緣層416圖案化以在絕緣層416中形成溝槽或通孔并稍后使導電層形成在絕緣層416中限定的溝槽或通孔中的工藝。配置成緊接在操作306處的絕緣層416沉積工藝或側壁鈍化層414沉積工藝后以及在互連制造工藝(例如，后端制造工藝)后執(zhí)行退火工藝的溫度可為相同或不同的。在一個實例中，用于被配置成在互連制造工藝(例如，后端制造工藝)后執(zhí)行的熱退火工藝的溫度可以略微低于緊接在操作306處的絕緣層416沉積工藝或側壁鈍化層414沉積工藝后執(zhí)行的熱退火工藝的溫度。

在熱退火工藝后，磁存儲層410和磁基準層406可轉變?yōu)榫哂写蠖嘣谝粋€平面中的晶體取向的結晶磁存儲層422和結晶磁基準層424，如圖4E所示。熱退火工藝期間提供的熱能有助于使磁存儲層410和磁基準層406以及膜堆疊體402中的其他層從非晶態(tài)結晶成結晶狀態(tài)，由此有效增強膜堆疊體402中包括的膜層的磁化。在操作308處的熱退火工藝過程中提供的熱能有助于使晶粒從非晶態(tài)生長成較大大小結晶晶粒，從而增強磁存儲層410和磁基準層406以及膜堆疊體402中的其他層的結晶度。由于獲得磁存儲層410和磁基準層406的期望的結晶，因此用于制造MTJ元件的膜堆疊體402的總體電學特性得到改進。

因此，提供了用于形成MRAM中使用的MTJ元件結構的工藝和裝置。所述工藝有利地提供一種熱退火(例如，熱處理)用于形成MTJ元件的膜堆疊體的方法。在膜堆疊體沉積、圖案化和側壁鈍化和絕緣層沉積工藝后執(zhí)行的熱退火工藝可有效地以不損壞或影響形成在膜堆疊體中的相鄰層的膜特性的方式(例如，橫向擴散而非豎直擴散)使膜堆疊體中的層結晶。如此一來，用于形成MTJ結構的膜堆疊體可以具有期望的摻雜物分布以及電性能和磁化。

盡管上述內容針對本公開的實施方式，但也可在不背離本公開的基本范圍的情況下設計本公開的其他和進一步實施方式。