用于处理磁结构的工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于处理磁结构的工艺，尤其是用于数字存储，例如，MRAM(磁性随机存取存储器)。
【背景技术】
[0002]考虑到全球产生的数字数据总量显著增加(2012年为2.7Z字节)，则非易失性海量存储器的存储密度(单位面积的存储容量)也必须继续增加。如此增加必须有助于控制存储媒体激增，同时满足移动应用程序的致密性要求和减少能源足迹。
[0003]非易失性海量存储器的市场目前分为硬盘(用于电脑和数据中心的)和用于移动应用程序(智能电话、超级便携等)的闪速存储器。尽管这两种技术的性能近几年已显著提高，但是截至2015年在密度以及存取速度和长时间内的稳定性方面，这两种技术仍将面临重要的技术壁皇。
[0004]因此，正在开发非易失性MRAM(STT-MRAM、赛道内存、TAS-MRAM等)的新概念，作为闪速存储器以及DRAM和SRAM的竞争对手。
[0005]但是，这些新技术受到与所采用的磁性材料相关的技术壁皇的阻碍。
[0006]这种存储器是以磁性材料为基础的，所述磁性材料是以非晶体形式在环境温度下合成的，然后再在高温下退火(在300°C下，持续I至2小时)，以得到具有所需特性的结晶相，尤其是高的磁各向异性和强的磁阻信号。
[0007]但是，这种高温会降低材料的特性，材料在热退火之后通常会有更多的结构缺陷，所述结构缺陷是磁特性的均匀性较差的原因。
[0008]另外，这种高温意味着大量的能量消耗，这在工业规模上执行的工艺中是不可取的。
【发明内容】
[0009]本发明旨在提供一种工艺来克服这些缺点，所述工艺能得到品质较好的磁性材料且其方式适合工业规模的批量生产。
[0010]为此，本发明涉及用于处理磁结构的工艺，其特征在于，包括以下步骤:
[0011]-提供磁结构，其包括至少一层含钴铁硼(CoFeB)合金的第一磁性材料层；
[0012]-用低能轻离子辐射磁结构；以及，
[0013]-用预设温度曲线和预设时间来同时保持磁结构。
[0014]通过结合加热/离子辐射，可大大降低和减少磁性材料的温度和合成时间，从而降低热预算和提高所得到的材料的质量。
[0015]在根据本发明的工艺的不同实施例中，可选择性地采用下列一项或多项设置:
[0016]-预设温度小于或等于200°C;
[0017]-预设温度介于20°C至200°C之间；
[0018]-预设温度介于15°C至40°C之间；
[0019]-预设时间小于或等于I小时；
[0020]-磁性材料最初是非晶体的；
[0021]_磁性材料最初是晶体的；
[0022]-离子为拖+、矿、八『+、父6+或6&+离子；
[0023]-离子的能量介于0.1keV至150keV之间；
[0024]-在辐射步骤中，发射离子的剂量介于1*1013离子/cm2至5*1016离子/cm2之间；
[0025]-在辐射步骤中，离子至少穿过第一磁性材料层；
[0026]-在辐射步骤中，离子通过掩模内的贯通开口轰击磁结构；
[0027]-磁结构包括与第一磁性材料层相接触的至少一个第二绝缘层；以及，
[0028]-磁结构包括层叠交替的第一磁性材料层和第二绝缘层。
[0029]本发明还涉及磁结构，其特征在于，至少包括:
[0030]-含有钴铁硼(CoFeB)合金的第一磁性材料层；以及，
[0031 ]-衬底，第一磁性材料层设置在所述衬底上并且所述衬底包含低能轻原子。
[0032]尤其是，磁结构可具有大于或等于500mT的有效的各向异性场。
【附图说明】
[0033]通过阅读仅作为实例列出的本发明的各个实施例的如下描述，并参考
[0034]附图，可以更好地理解本发明，在附图中:
[0035]-图1是一个图表，示出了根据本发明用于处理磁结构的工艺的各个
[0036]步骤；
[0037]-图2是根据本发明的磁结构的截面图；
[0038]-图3、图4和图5是阐释图2所示的磁结构的变体的截面图；
[0039]-图6、图7、图8、图9和图10是类似于图2所示的视图，但阐释
[0040]了图1所示工艺的不同实施例。
[0041 ]在各图中，相同的标号指代相同或相似的元素。
【具体实施方式】
[0042]图1阐释了根据本发明用于处理磁结构的工艺的各个步骤。
[0043]该工艺的第一步SlO包括提供磁结构100。
[0044]参考图2，磁结构100包括由含有钴铁硼(CoFeB)合金的磁性材料制成的第一层102。
[0045]磁结构100进一步包括衬底104，磁性层102设置在所述衬底上。
[0046]磁结构100还可以包括“缓冲”层101，比如沉积在衬底104和磁性层102之间的钽(Ta)膜，促进磁性层的特定晶体结构和界面各向异性。
[0047]在图3所示的第一个变体中，磁结构100是多层结构，除了沉积在缓冲层101上的磁性层102外，还包括第二层106，所述第二层由绝缘材料制成并沉积在磁性层102上。
[0048]在图4所示的第二个变体中，磁结构100是多层结构，除了沉积在缓冲层101上的磁性层102和绝缘层106外，还包括第三层108，所述第三层由含有钴铁硼(CoFeB)合金的磁性材料制成并沉积在绝缘层上。
[0049]磁性层102和108彼此完全相同。作为选择，磁性层102和108也可以彼此不同。在下文中，含有钴铁硼(CoFeB)合金的各个磁性层通常都称之为“102型”层。
[0050]绝缘层106包含氧化镁(MgO)。作为选择，绝缘层106可具有不同成分。在下文中，通常将包含在磁性层中的绝缘层无论成分如何都称之为“ 106型”。
[0051]因为缓冲层101是可选的，所以为了简化图片，没有对其进行进一步展示。
[0052]在图5所示的第三个变体中，磁结构100是多层结构，包括102型层和106型层连续交替的叠层，各层的叠层直接沉积在衬底104上。磁性和绝缘层的叠层用110表示。
[0053]值得注意的是，102型层本身可包括含有钴铁硼(CoFeB)合金层的磁性层与其它磁性材料层相结合的叠层。
[0054]此外，磁结构100还可以被称为封盖层的层所覆盖，以便减少磁结构的氧化。
[0055]上文所述的102型磁性层和106型绝缘层大体上彼此相互平行。
[0056]102型磁性层的厚度介于0.1nm至3nm之间。
[0057]例如，102型磁性层所包含的钴铁硼(CoFeB)合金包括大约20%钴、60%铁和20%硼。在一个变体中，例如，102型磁性层所包含的钴铁硼(CoFeB)合金包括大约40%钴、40%铁和20%硼。在另一个变体中，例如，钴铁硼(CoFeB)合金可包括大约60%钴、20%铁和20%硼。
[0058]106型绝缘层的厚度介于0.1nm至3nm之间。
[0059]衬底104的厚度为几百微米。
[0060]衬底104可以是任何衬底，例如包含Si02、SIN或CMOS晶片。
[0061 ] 提供步骤SlO之后是辐射磁结构100的步骤S20和加热磁结构100的步骤S30 (图1)。
[0062]辐射步骤S20和加热步骤S30同时进行。
[0063]辐射步骤S20包括用小电流的低能轻离子辐射磁结构100。
[0064]在离子辐射步骤S20过程中，以离子束发射离子，所述离子束均匀地轰击磁结构100 (图 2) O
[0065]离子以1*1013离子/cm2至5*1016离子/cm2之间的小剂量和低于10 μ A的弱电流发射，以避免加热磁结构100。
[0066]然后，所发射的离子穿过磁性层110并且深深渗入衬底104中，例如，在衬底内的深度为10nm至300nm之间。所发射的离子不用于层叠表面处理。所发射的离子也不像其处理厚的磁性层时那样渗入被辐射的磁性层。在本发明中，在磁性层通过产生原子层间位移而局部改变结构的情况下，所发射的离子穿过层叠的磁性层，并且深深渗入衬底104内，层叠的各层沉积在所述衬底上。
[0067]用于福射的离子的能量介于0.1keV和150keV之间。
[0068]本文所述的实例中，离子是He+离子。
[0069]作为选择，离子是H+离子或Ar +、Xe\ Ga+离子。
[0070]因此，离子辐射步骤S20不会导致增加磁性层的材料，不会像半导体行业普遍采用的离子渗入工艺中所发生的那样。
[0071]取而代之，离子辐射步骤S20会发生在被辐射层中的结构改变。因为材料的磁特性与其原子结构有关，所以离子辐射使之能够非常精细地控制磁特性。
[0072]辐射步骤S20可以通过带有贯通开口 114的掩模112来实施，如图6所示。
[0073]在离子辐射步骤S20的同时，把磁结构100保持在预设温度曲线下并持续保持预设时间。
[0074]预设温度小于或等于200°C，最好小于或等于100°C。
[0075]预设时间小于或等于I小时，最好小于或等于30分钟，小于或等于10分钟更佳。
[0076]与辐射步骤相结合的加热步骤S30有助于通过促进原子移动性而使材料松懈到均相平衡的状态。
[0077]下文针对包含如图2所示的磁性层102的磁结构100的情况描述了根据本发明的处理工艺的不同实施例。用箭头表示磁性层的磁化方向。
[0078]在根据本发明的处理工艺的第一个实施例中，工艺允许改变，尤其是减少磁性层102的各向异性的量级。
[0079]磁性层的各向异性是确定和量化优选的磁性层的磁化方向的质量。
[0080]在基于超薄磁性多层的材料中，界面效应和体积特性之间的权衡主导其特性。例如，通过各向异性系数Keff的符号给定磁化方向，在钴铁硼(CoFeB)中，通过Keff=-Kd+(KSl+KS2)/tCoFeB以第一近似值给定。第一项Kd代表形式的偶极各向异性(正Kd)，第二项KS1+KS2代表界面的影响(KSl和KS2代表