等离子清洗机蚀刻的应用及新型磁性存储器的介绍
等离子清洗机蚀刻的应用及新型磁性存储器的介绍：
磁性存储器(magnetic random access memory，mram)是一种以磁隧道结(magnetic tunnel junction，mtj)为核心组件的存储器。磁隧道结呈铁磁层/隧道势垒层(金属氧化物，如mgo)/铁磁层的三明治结构，其中一层铁磁材料称为固定层(reference layer)，其磁化方向固定不变，而另外一层铁磁材料则称为自由层(free layer)，其磁化方向可被外部磁场或极化电流(polarized current)改变。当固定层和自由层内的磁化方向相同时， 磁隧道结呈低电阳当磁化方向不同时，磁隧道结呈高电阻，这种现象称为隧穿磁电阻效应。
通过外部电流产生环形磁场来改变自由层磁化方向的传统磁性存储器的存储单元体积大，且读写速度相比其他存储器无优势，目前已被自旋转移矩(spin transfer torque，stt)磁性存储器所替代。所谓自旋转移矩，是指当自旋极化电流通过纳米尺寸的铁磁层时，可使铁磁层中的原子磁矩发生变化。这意味着可以直接用电流驱动磁隧道结，电子自旋极化后，对铁磁原子产生力矩以改变铁磁层内磁化方向来实现电阻的变化。因此存储器的面积和性能都可以得到改善。1t1m (one transistor one mtj)自旋转移矩磁性存储器存储单元结构，在用字线和晶体管选中磁隧道结后，通过位线进行写人操作。
自旋转移矩磁性存储器的制造也是通过在标准cmos逻辑电路的后段金属连接层中间嵌入存储单元(磁隧道结)来实现，集成了自旋转移矩磁隧道结的逻辑后段电 路和磁隧道结的大致工艺，显而易见，磁隧道结蚀刻对器件性能极为重要。目前主要用到的蚀刻技术包括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)、 等离子清洗机反应离子蚀刻(rie)及其他系统。值得注意的是，磁隧道结的形状除了影响器件性能外，也会显著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单。
目前已被报道的磁隧道结使用的材料含fe、co、ni、pt、ir 、mn、mg等多种金属元素且一般由5~10层的以1nm为量级的单层材料(合金或金属氧化物)堆叠而成。因此磁性存储器的等离子清洗机等离子体蚀刻面临的挑战有:
①传统反应等离子体(rie)面临金属蚀刻副产物的非挥发性问题；
②超薄单层材料堆叠的结构对蚀刻选择比和方向性的要求；
③金属蚀刻常用的卤素气体极易腐蚀超薄的金属材料层.尤其是隧道势垒多为金属氧化物，在垂直磁隧道结中的厚度多小于3nm，极易被腐蚀从而影响固定层和自由层的电气隔离( electrically isolated)；
④工艺温度的限制，如大部分金属材料的磁性在超过200°c后会下降。这种温度上的限制不仅表现在相应材料的蚀刻配方的温度窗口缩小，还表现在低温形成的硬掩膜材料的蚀刻抗性一般较低。
因此磁隧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始终占有一席之地。其面临的问题在于蚀刻过程中被剥离的金属材料可能会重新沉积在侧壁，后续清洗工艺很难去除的情况下，器件性能会大受影响；如果沉积在隧道势垒层侧壁，会直接引起短路。此外，二次沉积物的阴影效应会导致蚀刻形状随时间越来越斜。晶圆的整体倾斜和旋转可以改善该问题，但也严重制约了其产能。离子束在300mm晶圆级别的均匀性和方向性也仍待解决。
等离子清洗机rie、icp蚀刻相较之下可以更有效地控制侧壁沉积物的形成，不同材料之间的蚀刻选择比对于图形传递精度和蚀刻形状控制都有重要意义。等离子清洗机金属蚀刻通常使用卤素气体(以含br、 cl、f气体为主)，如果应用于磁性存储器的图形化，带来的副作用就是非挥发性蚀刻副产物残留引起的金属腐蚀问题，在磁性存储器核心单元的超薄单层材料蚀刻中表现更为明显。虽然可以通过超350°c的高温来活化蚀刻副产物，相关磁学性质也会显著退化。一般通过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(将薄膜沉积、蚀刻和清洗模块置于同一平台，始终维持真空环境)加以改善。
卤素气体的替代方案为选用非腐蚀性蚀刻气体，以物理轰击为主进行磁隧道结蚀刻，一般多使用等离子清洗机等离子体密度更高的电感耦合等离子体。目前研究较多的有co/nh3混合物，其在等离子体蚀刻中形成的蚀刻副产物fe(co)5、ni(co)4呈易失性 ，可有效缓解对蚀刻后腐蚀处理的需要。然而，该混合物等离子体解离率远低于卤素，蚀刻速率较低，对蚀刻形状的控制能力也较弱。ch3oh (methano，也写作me-oh)等离子体克服了该问题，可以看到 me-oh等离子清洗机等离子体的蚀刻速率调节范围甚至超过了卤素等离子休)，同时由于具备对硬掩膜(通常为钽(ta))的选择比，通过足够的过蚀刻就可以实现较直的蚀刻形状。ar/cl等离子体的偏大的磁滞回线偏移量表明其下层固定层被严重腐蚀，而ch3oh比ar icp更小的磁滞回线偏移量也表明了ch3oh等离子清洗机等离子体蚀刻中化学反应的存在。这种化学反应形成的含碳薄膜层可吸收入射离子能量，从而减少等离子体损伤(pid)。研究进步发现，反应式离子蚀刻引起的不可避免的材料磁性退化导致的磁阻率下降问题可以通过优化ch3oh/ar比例来加以改善。
磁隧道结蚀刻形状的控制除了通过气体选择来优化外，脉冲功率技术的引入也带来了进一步的改善。
除ibe和icp两种各有利弊的方案外，等离子清洗机中性束蚀刻(nbe，neutral beam etch)也是重要的候选技术之一。nbe方案中，首先通过低温(-30℃)o2nbe在过渡金属元素(ru，pt等)表面形成金属氧化层，再利用etoh/ar/o2nbe以化学反应的方式去除该氧化层。由于没有物理轰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伤的问题得以规避，ru蚀刻的形状甚至接近垂直。测出的磁滞曲线也表明nbe在解决磁性材料损伤上的能力。
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通过外部电流产生环形磁场来改变自由层磁化方向的传统磁性存储器的存储单元体积大，且读写速度相比其他存储器无优势，目前已被自旋转移矩(spin transfer torque，stt)磁性存储器所替代。所谓自旋转移矩，是指当自旋极化电流通过纳米尺寸的铁磁层时，可使铁磁层中的原子磁矩发生变化。这意味着可以直接用电流驱动磁隧道结，电子自旋极化后，对铁磁原子产生力矩以改变铁磁层内磁化方向来实现电阻的变化。因此存储器的面积和性能都可以得到改善。1t1m (one transistor one mtj)自旋转移矩磁性存储器存储单元结构，在用字线和晶体管选中磁隧道结后，通过位线进行写人操作。
自旋转移矩磁性存储器的制造也是通过在标准cmos逻辑电路的后段金属连接层中间嵌入存储单元(磁隧道结)来实现，集成了自旋转移矩磁隧道结的逻辑后段电 路和磁隧道结的大致工艺，显而易见，磁隧道结蚀刻对器件性能极为重要。目前主要用到的蚀刻技术包括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)、 等离子清洗机反应离子蚀刻(rie)及其他系统。值得注意的是，磁隧道结的形状除了影响器件性能外，也会显著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单。
目前已被报道的磁隧道结使用的材料含fe、co、ni、pt、ir 、mn、mg等多种金属元素且一般由5~10层的以1nm为量级的单层材料(合金或金属氧化物)堆叠而成。因此磁性存储器的等离子清洗机等离子体蚀刻面临的挑战有:
①传统反应等离子体(rie)面临金属蚀刻副产物的非挥发性问题；
②超薄单层材料堆叠的结构对蚀刻选择比和方向性的要求；
③金属蚀刻常用的卤素气体极易腐蚀超薄的金属材料层.尤其是隧道势垒多为金属氧化物，在垂直磁隧道结中的厚度多小于3nm，极易被腐蚀从而影响固定层和自由层的电气隔离( electrically isolated)；
④工艺温度的限制，如大部分金属材料的磁性在超过200°c后会下降。这种温度上的限制不仅表现在相应材料的蚀刻配方的温度窗口缩小，还表现在低温形成的硬掩膜材料的蚀刻抗性一般较低。
因此磁隧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始终占有一席之地。其面临的问题在于蚀刻过程中被剥离的金属材料可能会重新沉积在侧壁，后续清洗工艺很难去除的情况下，器件性能会大受影响；如果沉积在隧道势垒层侧壁，会直接引起短路。此外，二次沉积物的阴影效应会导致蚀刻形状随时间越来越斜。晶圆的整体倾斜和旋转可以改善该问题，但也严重制约了其产能。离子束在300mm晶圆级别的均匀性和方向性也仍待解决。
等离子清洗机rie、icp蚀刻相较之下可以更有效地控制侧壁沉积物的形成，不同材料之间的蚀刻选择比对于图形传递精度和蚀刻形状控制都有重要意义。等离子清洗机金属蚀刻通常使用卤素气体(以含br、 cl、f气体为主)，如果应用于磁性存储器的图形化，带来的副作用就是非挥发性蚀刻副产物残留引起的金属腐蚀问题，在磁性存储器核心单元的超薄单层材料蚀刻中表现更为明显。虽然可以通过超350°c的高温来活化蚀刻副产物，相关磁学性质也会显著退化。一般通过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(将薄膜沉积、蚀刻和清洗模块置于同一平台，始终维持真空环境)加以改善。
卤素气体的替代方案为选用非腐蚀性蚀刻气体，以物理轰击为主进行磁隧道结蚀刻，一般多使用等离子清洗机等离子体密度更高的电感耦合等离子体。目前研究较多的有co/nh3混合物，其在等离子体蚀刻中形成的蚀刻副产物fe(co)5、ni(co)4呈易失性 ，可有效缓解对蚀刻后腐蚀处理的需要。然而，该混合物等离子体解离率远低于卤素，蚀刻速率较低，对蚀刻形状的控制能力也较弱。ch3oh (methano，也写作me-oh)等离子体克服了该问题，可以看到 me-oh等离子清洗机等离子体的蚀刻速率调节范围甚至超过了卤素等离子休)，同时由于具备对硬掩膜(通常为钽(ta))的选择比，通过足够的过蚀刻就可以实现较直的蚀刻形状。ar/cl等离子体的偏大的磁滞回线偏移量表明其下层固定层被严重腐蚀，而ch3oh比ar icp更小的磁滞回线偏移量也表明了ch3oh等离子清洗机等离子体蚀刻中化学反应的存在。这种化学反应形成的含碳薄膜层可吸收入射离子能量，从而减少等离子体损伤(pid)。研究进步发现，反应式离子蚀刻引起的不可避免的材料磁性退化导致的磁阻率下降问题可以通过优化ch3oh/ar比例来加以改善。
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