隧道絕緣材料層的形成方法及形成裝置的製作方法

2023-10-08 03:25:59

專利名稱：隧道絕緣材料層的形成方法及形成裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造技術領域，尤其涉及ー種隧道絕緣材料層的形成方法及形成裝置。
背景技術：
近年來，由於磁存儲器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)具有短的讀寫時間，非易失性和功耗低的特點，磁存儲器作為適用於計算機或通訊機器等信息處理設備上的存儲裝置而備受關注。現有技術的磁存儲器通過施加磁場,將信息存儲到磁隧道結(Magnetic TunnelJunction,MTJ)結構中，並通過測量MTJ的電流讀取信息。具體地，所述MTJ由兩磁性材料層以及位於所述兩磁性材料層之間的絕緣層構成。現有技術的磁存儲器的結構，包括:用作開關器件的電晶體和用於存儲數據的磁隧道結單元。其中，所述磁隧道結的結構請參考圖1，磁隧道結單元包含頂部導電層113、磁隧道結單元主體(Magnetic tunnel junction, 1!^)110、底部導電層101,其中，磁隧道結單元主體110由固定磁性材料層(PL) 105、隧道絕緣材料層107和自由磁性材料層(FL) 109交替堆疊而成。所述磁隧道結單元主體110是三層或多層結構，其中所述磁隧道結單元主體110還可以包括:位於所述自由磁性材料層109表面的第一隧道絕緣材料層111，用於將所述自由磁性材料層109和頂部導電層113隔開；位於所述底部導電層101表面的第二隧道絕緣材料層103，用於將所述固定磁性材料層105和底部導電層101隔開。其中，所述固定磁性材料層105的作用是磁化方向被固定,並與自由磁性材料層109的磁化方向進行對比，自由磁性材料層109的磁化方向可編程。在對磁性存取存儲器進行寫入操作時，自由磁性材料層109的磁化可編程為相對於固定磁性材料層105的磁化平行(邏輯「0」狀態)，表現為低阻態；或者反平行(邏輯「I」狀態)，表現為高阻態，從而實現兩個存儲狀態。在「讀取」的過程中，通過比較磁隧道結單元的電阻與標準單元的電阻，讀出磁性隨機存取存儲器的狀態。然而，隨著工藝節點的進ー步減小，現有技術形成的磁存儲器的可靠性低，無法進一步滿足エ業需求。更多關於磁存儲器中磁隧道結的結構請參考公開號為「US20070176251A1」的美國專利。

發明內容
本發明解決的問題是提供ー種隧道絕緣材料層的形成方法及形成裝置，形成的磁存儲器的可靠性高。為解決上述問 題，本發明的實施例提供了ー種隧道絕緣材料層的形成方法，包括:提供基底，所述基底包括用於形成隧道絕緣材料層的開ロ ；
採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝，形成覆蓋所述開ロ底部和部分側壁的
金屬層；氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層。可選地，所述採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝，形成覆蓋所述開ロ底部和部分側壁的金屬層的步驟包括:提供金屬板，所述金屬板放置於晶圓的開口上方；等離子態的氯氣與所述金屬板發生反應，形成氣態的金屬氯化物；所述氣態的金屬氯化物中的金屬與基底的材料相結合，形成中間層；所述氣態的金屬氯化物與所述中間層反應，在所述開ロ底部和部分側壁形成金屬層。可選地，形成所述等離子態的氯氣的エ藝參數包括:頻率為2-4MHZ，功率為200-500W，壓カ為 0.01-0.1Torr, Cl2 的流量為 500-2000sccm。可選地，還包括:通入惰性氣體作為等離子態的氯氣的載體。可選地，所述惰性氣體為Ar、He或N2。可選地，所述惰性氣體的流量為500-3000sCCm。可選地，所述金屬層的材料為Mg、Sr、Ba或Ra。可選地，形成所述金屬層的エ藝參數包括:溫度為250-350 V，壓カ為0.01-0.1Torr0可選地，採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝的次數至少為兩次。 可選地，毎次在所述開ロ的底部形成金屬層的厚度小於5A。可選地，氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層時通入的氣體為臭氧或等離子態的氧。可選地，氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層的エ藝參數包括:臭氧的流量為500-2000sccm,壓強為 0.01-0.1Torr0可選地，還包括:在所述開ロ的底部形成金屬層後，對所述金屬層進行浄化處理，再氧化所述金屬層。可選地，所述淨化處理的方法包括:向所述金屬層表面通入惰性氣體。可選地，所述惰性氣體為Ar、He或N2 ;所述惰性氣體的流量為500-3000sccm。可選地，還包括:形成覆蓋所述隧道絕緣材料層的自由磁性材料層；及形成覆蓋所述自由磁性材料層的頂部電極層。可選地，所述基底內包括底部電極層和位於是底部電極層表面的固定磁性材料層，所述隧道絕緣材料層形成在固定磁性材料層表面。相應的，本發明的實施例還提供了ー種隧道絕緣材料層的形成裝置，包括:第一反應腔，用於採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝，形成覆蓋晶圓的固定磁性材料層表面的金屬層；第二反應腔，與所述第一反應腔相鄰，用於氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層；淨化單元，位於第一反應腔和第二反應腔之間，用於去除所述晶圓表面的雜質；旋轉裝置，包括旋轉軸和與所述旋轉軸連接的至少ー個旋轉臂，第一反應腔、第二反應腔、淨化單元位於以所述旋轉軸作為中心點，旋轉臂作為半徑的圓周上，所述旋轉臂通過旋轉軸的旋轉運送晶圓到第一反應腔、淨化單元或第二反應腔內。
可選地，所述第一反應腔包括:第一基臺，用於放置待形成隧道絕緣材料層的晶圓；位於所述第一基臺上方的夾持裝置，用於夾持金屬板。可選地，所述第二反應腔包括:第二基臺，用於放置形成有金屬層的晶圓；位於所述第二基臺上方的氣體噴頭，所述氣體噴頭內具有若干小孔，用於作為通入臭氧或氧離子的通道。可選地，還包括:源線圈，用於接收來自電源的電力，產生均勻的等離子；等離子腔室，用於接收源線圈產生的均勻的等離子，將氣體等離子體化後通入第一反應腔或第二反應腔。可選地，所述旋轉臂的個數等於第一反應腔和第二反應腔的個數之和。可選地，當所述第一反應腔和所述第二反應腔的個數至少為兩個時，所述第一反應腔和第二反應腔交替的排列。可選地，相鄰兩個第一反應腔、第二反應腔之間的距離相等。與現有技術相比，本發明的實施例具有以下優點:採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝，形成覆蓋所述固定磁性材料層表面的金屬層，然後氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層，形成的隧道絕緣材料層的表面質量好，無需額外的化學機械拋光或刻蝕エ藝，不會對所述隧道絕緣材料層和基底造成損傷，節省了エ藝步驟，形成的磁存儲器的可靠性高。進ー步的，包括在所述固定磁性材料層表面形成金屬層後，氧化所述金屬層前，對所述金屬層進行浄化處理的步驟。該步驟去除了附著在金屬層表面的雜質，使得形成的隧道絕緣材料層較為純淨，質量好，進ー步保障了隧道絕緣材料層的質量，提高了磁存儲器的性能。隧道絕緣材料層的形成裝置包括具有旋轉軸和與所述旋轉軸連接的至少ー個旋轉臂的旋轉裝置，使第一反應腔、第二反應腔、淨化單元位於以所述旋轉軸作為中心點，旋轉軸作為半徑的圓周上；通過所述旋轉裝置中旋轉軸的旋轉，帶動旋轉臂旋轉使其將晶圓運送到第一反應腔、第二反應腔或淨化單元內，原理和結構簡単，自動化程度高。進ー步的，包括多個交替設置的第一反應腔和第二反應腔，且所述多個交替設置的第一反應腔和第二反應腔圍繞成圓形，旋轉裝置的旋轉軸位於所述圓形的圓心，不僅結構緊湊，還可以同時在多個晶圓待形成隧道絕緣材料層的開ロ的底部和部分側壁形成金屬層，利於實現生產線製造，提高了生產效率。


圖1是現有技術的磁隧道結的剖面結構示意圖；圖2是本發明實施例的形成的磁隧道結的剖面結構示意圖；圖3是本發明實施例的隧道絕緣材料層的形成方法的流程示意圖；圖4-圖10是本發明實施例的隧道絕緣材料層的形成過程的剖面結構示意圖；圖11是本發明的實施例中隧道絕緣材料層的形成裝置的剖面結構示意圖；圖12是本發明的實施例中隧道絕緣材料層的形成裝置的俯視結構示意圖。
具體實施方式
正如背景技術所述，隨著工藝節點的進ー步減小，現有技術形成的存儲器的可靠性低，無法進一步滿足エ業需求。經過研究，發明人發現，磁存儲器的可靠性跟磁隧道結的結構有關，平面結構的磁隧道結的可靠性低於立體結構的磁隧道結的可靠性。然而，現有技術中受材料和エ藝條件的制約，只能在超高真空(UHV)條件下，採用物理氣相沉積エ藝(PVD)形成磁隧道結，然而，由於物理氣相沉積エ藝(PVD)在形成立體結構的磁隧道結時表面質量較差，現有技術形成的磁隧道結多為平面結構，請參考圖1，磁隧道結包括:磁性材料層(固定磁性材料層105和自由磁性材料層109)和磁隧道結的隧道絕緣材料層107。經過進一歩研究，發明人發現，採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝(MetalChloride Reduction Chemical Vapor Deposition,MCR-CVD),可以形成立體結構的磁隧道結。本發明的發明人發現，採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝形成立體結構的磁隧道結時的エ藝簡單，形成的磁隧道結的表面質量好，磁存儲器的可靠性高。相應的，本發明實施例的發明人提供了ー種立體結構的隧道絕緣材料層的形成方法及形成裝置。為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。請參考圖2，圖2示出了本發明實施例的立體結構的磁隧道結的結構，至少包括:半導體襯底200，所述半導體襯底200中具有開ロ(未標示)，用於形成隧道絕緣材料層；位於所述開ロ底部和部分側壁的底部電極層201 ;覆蓋所述底部電極層201的固定磁性材料層203 ;覆蓋所述固定磁性材料層203表面的隧道絕緣材料層205 ;覆蓋所述隧道絕緣材料層205表面的自由磁性材料層207 ;覆蓋所述自由磁性材料層207的頂部電極層209。發明人發現，形成圖2所示的立體結構的磁隧道結時，如果採用普通的物理氣相沉積的方法形成隧道絕緣材料層205，其形成步驟包括:首先形成覆蓋所述固定磁性材料層203的隧道絕緣薄膜(未圖示)；然後採用化學機械拋光(CMP)的方法平坦化所述隧道絕緣薄膜，最終形成隧道絕緣材料層205。採用物理氣相沉積的方法不僅形成的隧道絕緣材料層205的表面質量差，而且エ藝步驟多，容易損傷磁隧道結，形成的磁存儲器的可靠性低。請參考圖3，本發明實施例的隧道絕緣材料層的形成方法，包括:步驟S31，提供基底，所述基底包括用於形成隧道絕緣材料層的開ロ ；步驟S32，採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝，形成覆蓋所述開ロ的底部和部分側壁的金屬層；步驟S33，氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層。具體的形成過程請參考圖4-圖10，圖4-圖10示出了本發明實施例的隧道絕緣材料層的形成過程的剖面結構示意圖。請參考圖4，提供基底300，所述基底300包括用於形成隧道絕緣材料層的開ロ304。所述基底300用於為後續エ藝提供エ藝平臺。其中，所述開ロ 304定義出隧道絕緣材料層的大小和位置，所述開ロ 304的形成エ藝為刻蝕エ藝。本發明實施例中，所述基底300還包括:覆蓋所述開ロ 304底部和部分側壁的底部電極層301,形成在所述底部電極層301的固定磁性材料層303。所述底部電極層301用於傳遞信號，所述底部電極層301的材料為導電性能好的材料，例如鉭(Ta);所述固定磁性材料層303用於固定磁化方向，所述固定磁性材料層的材料為包括CoFe的材料,例如CoFe或者 CoFeB。請參考圖5，採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝，形成覆蓋所述固定磁性材料層303表面的第一金屬層305。發明人發現，採用現有技術的物理氣相沉積エ藝(PVD)形成立體結構的隧道絕緣材料層時表面質量較差，並且需要増加化學機械拋光或刻蝕エ藝，容易對所述隧道絕緣材料層和基底300造成損傷。經過進一歩研究，發明人發現，採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝(MCR-CVD)，可以形成立體結構的磁隧道結，且形成エ藝簡單，形成的隧道絕緣材料層的表面質量好，磁存儲器的可靠性高。因此，在本發明的實施例中，所述第一金屬層305的形成エ藝為還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝。所述還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝形成第一金屬層305的步驟包括:提供金屬板(未圖示)，所述金屬板放置於開ロ 304上方；等離子態的氯氣與所述金屬板發生反應，形成氣態的金屬氯化物；所述氣態的金屬氯化物中的金屬與基底的固定磁性材料層303表面的材料相結合，形成`中間層(未圖示)；所述氣態的金屬氯化物與所述中間層反應，在所述固定磁性材料層303表面的第一金屬層305。請參考圖11，所述還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝在還原金屬氯化物的第一反應腔410中進行，所述還原金屬氯化物的第一反應腔410包括:第一基臺401，用於放置待形成隧道絕緣材料層的晶圓403 ;位於所述第一基臺401上方的夾持裝置(未圖示)，用於夾持金屬板405。請結合參考圖5和圖11,所述金屬板405用於作為形成第一金屬層305的源材料，由於所述第一金屬層305後續會被氧化成第一隧道絕緣材料層，因此所述金屬板405應該選擇其金屬的氧化物可以作為第一隧道絕緣材料層的材料，例如鎂(Mg)、鍶(Sr)、鋇(Ba)或錯(Ra)。為了便於在所述開ロ 304內的固定磁性材料層303表面形成第一金屬層305,所述金屬板405放置在所述開ロ 304的上方,優選為正上方。並且,所述金屬板405的尺寸大於所述開ロ 304的尺寸。需要說明的是，通常晶圓(基底300)表面具有多個開ロ 304，用以形成若干個金屬柵極，所述金屬板405的大小可以根據晶圓表面具有的所述開ロ的面積而定，或者根據晶圓的大小選擇合適尺寸的金屬板405。請繼續參考圖11，所述等離子態的氯氣在等離子腔室407內形成，所述等離子腔室407與源線圈408相連，所述源線圈408接收來自電源的電カ，產生均勻的等離子，所述等離子腔室407接收源線圈408產生的均勻的等離子，等離子體化氯氣，使其變為等離子態。為使得形成裝置的結構更加緊湊，本發明的實施例中，所述源線圈408設置在第一反應腔410頂壁的表面。形成所述等離子態的氯氣的エ藝參數包括:頻率為2-4MHZ，功率為200-500W，壓カ為 0.01-0.1Torr, Cl2 的流量為 500-2000sccm。在本發明的實施例中，形成等離子態的氯氣的エ藝參數為:頻率為2.7MHz，功率為 300W，壓カ為 0.05Torr, Cl2 的流量為 500sccm。為了使形成的第一金屬層305的質量好，等離子態的氯氣與所述金屬板發生反應的エ藝參數包括 .溫度為250-350°C，壓カ為0.01-0.1Torr。在本發明的實施例中，等離子態的氯氣與所述金屬板發生反應的エ藝參數為:溫度為300°C，壓カ為0.05Torr。發明人發現，所述等離子態的氯氣進入第一反應腔410的速度較慢，為了加快其進入第一反應腔410的速度，在向所述第一反應腔410通入所述等離子態的氯氣時，還包括:通入惰性氣體作為等離子態的氯氣的載體。所述惰性氣體為Ar、He或N2，所述惰性氣體的流量範圍包括500-3000SCCm。在本發明的實施例中，所述惰性氣體的流量為lOOOsccm。在本發明的一個實施例中，所述採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝，在所述開ロ 304的固定磁性材料層303表面形成第一金屬層305的步驟包括:氯氣在等離子腔室407中被等離子體化，形成等離子態的氯氣；所述等離子態的氯氣由作為載體的Ar、He或N2帶入第一反應腔410中；所述等離子態的氯氣首先和金屬板405發生反應,形成氣態的氯化鎂(MgCl);所述氣態的氯化鎂中的鎂與固定磁性材料層303表面的材料相結合，在所述固定磁性材料層303表面形成中間層；所述氣態的氯化鎂繼續和所述中間層發生反應，在固定磁性材料層303表面形成第一金屬層305。考慮到如果所述第一金屬層305的厚度太大，後續氧化所述第一金屬層305吋，僅將第一金屬層305表面的部分金屬氧化,而遠離所述第一金屬層305表面的金屬則仍然無法氧化，後續形成的第一隧道絕緣材料層的質量不好，影響半導體器件的性能。經過研究，發明人發現，當所述第一金屬層305的厚度小於5A時，後續整個第一金屬層305中的金屬均能夠被氧化，形成的隧道絕緣材料層的質量好，磁存儲器的性能好。因此，在本發明的實施例中，第一金屬層305的厚度小於5人。請參考圖6，氧化所述第一金屬層形成第一隧道絕緣材料層306。所述第一隧道絕緣材料層306用於後續形成隧道絕緣材料層，所述第一隧道絕緣材料層306為金屬氧化物，例如MgO、SrO、BaO或RaO等。本發明的實施例中，所述第一隧道絕緣材料層306的材料為MgO。氧化所述金屬層形成第一隧道絕緣材料層306時通入的氣體為臭氧(O3)或等離子態的氧。氧化所述第一金屬層形成第一隧道絕緣材料層306的エ藝參數包括:臭氧的流量為500-2000sccm，壓強為0.01-0.1Torr。在本發明的實施例中，臭氧的流量為lOOOsccm，壓強為0.05Torr。需要說明的是，為了使形成的第一隧道絕緣材料層306的質量好，本發明的隧道絕緣材料層的形成方法，還包括:在固定磁性材料層303表面形成第一金屬層後，氧化所述第一金屬層形成第一隧道絕緣材料層306前，對所述第一金屬層進行浄化處理。所述淨化處理的方法包括:向所述第一金屬層表面通入惰性氣體，例如Ar、He或N20所述惰性氣體的流量為500-3000sccm時，可以將所述第一金屬層表面的雜質完全去除。本發明的實施例中，所述惰性氣體的流量為lOOOsccm。需要說明的是，實際エ藝中，磁存儲器的隧道絕緣材料層的厚度有特定的要求，通常大於5人。為了形成滿足エ藝需求的隧道絕緣材料層，通常需要執行多次步驟「採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝，在所述用於形成隧道絕緣材料層的開ロ底部和部分側壁形成金屬層；氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層」。請參考圖7，繼續採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝，在所述第一隧道絕緣材料層306表面形成第二金屬層307。所述第二金屬層307用於後續形成第二隧道絕緣材料層。所述第二金屬層307的厚度小於5人。所述第二金屬層307的形成方法和步驟可參考本發明實施例的第一金屬層的形成方法和步驟，在此不再贅述。需要說明的是，在本發明的實施例中，當形成第二金屬層307後，在淨化單元中對所述第二金屬層307進行淨化處理，去除其表面的雜質，以利於後續形成質量好的第二隧道絕緣材料層。具體請參考去除第一金屬層表面的雜質的方法。請參考圖8，氧化所述第二金屬層形成第二隧道絕緣材料層308。所述第二隧道絕緣材料層308用於和第一隧道絕緣材料層306共同構成隧道絕緣材料層。所述第二隧道絕緣材料層308的形成方法和步驟請參考第一隧道絕緣材料層306的形成方法和步驟，在此不再贅述。請參考圖9，採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積工藝，形成覆蓋所述第二隧道絕緣材料層308表面的第三金屬層(未示出)，氧化所述第三金屬層形成第三隧道絕緣材料層309。所述第三金屬層和第三隧道絕緣材料層309的形成方法和步驟請參考關於第一、第二金屬層以及第一、第二隧道絕緣材料層的形成方法和步驟，在此不再贅述。本發明的實施例中，所述第一隧道絕緣材料層306、第二隧道絕緣材料層308、第三隧道絕緣材料層309共同構成磁隧道結中最終需要形成的隧道絕緣材料層310。所述隧道絕緣材料層310的厚度等於所述第一隧道絕緣材料層306、第二隧道絕緣材料層308、第三隧道絕緣材料層309的厚度之和。需要說明的是，在本發明的其他實施例中，還可以形成採用兩次或者更多次的還原金屬氯化物的化學氣相沉積工藝和氧化工藝，以使得每次形成的隧道絕緣材料層的厚度之和等於本發明的實施例中最終需要形成的隧道絕緣材料層的厚度時，則磁隧道結中隧道絕緣材料層的製造完成。請參考圖10，形成覆蓋所述隧道絕緣材料層310的自由磁性材料層311，以及覆蓋所述自由磁性材料層311的頂部電極層313。所述自由磁性材料層311用於和固定材料層303 —起，表現兩個阻態:高阻態或低阻態，實現信息的寫入和讀取。所述自由磁性材料層311的材料為包括CoFe的材料，例如CoFe或CoFeB。所述自由磁性材料層311的形成工藝已為本領域技術人員所熟知,在此不再贅述。所述頂部電極層313與底部電極層301相對應，以實現信號的傳輸。所述頂部電極層313的材料為導電性能好的材料，例如鉭(Ta)。所述頂部電極層313的形成工藝已為本領域技術人員所熟知，在此不再贅述。上述步驟完成之後，本發明實施例形成的具有立體結構的隧道絕緣材料層的製作完成。本發明實施例的隧道絕緣材料層的形成方法中，採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積工藝，形成覆蓋所述固定磁性材料層表面的金屬層，然後氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層，形成的隧道絕緣材料層的表面質量好，無需額外的化學機械拋光或刻蝕工藝，不會對所述隧道絕緣材料層和基底造成損傷，節省了工藝步驟，形成的磁存儲器的可靠性高。
並且，本發明的實施例隧道絕緣材料層的形成方法中，分多次形成金屬層，每次形成的金屬層的厚度較小，在氧化每一所述金屬層形成隧道絕緣材料層時較容易，避免了金屬層太厚時底部的金屬材料不易被氧化的問題，最終形成的隧道絕緣材料層的質量好，進一步提聞了磁存儲器的性能。進一步的，包括在所述固定磁性材料層表面形成金屬層後，氧化所述金屬層前，對所述金屬層進行淨化處理的步驟。該步驟去除了附著在金屬層表面的雜質，使得形成的隧道絕緣材料層較為純淨，質量好，進一步保障了隧道絕緣材料層的質量，提高了磁存儲器的性能。相應的，請參考圖11，本發明的實施例還提供了 一種隧道絕緣材料層的形成裝置，包括:第一反應腔410，用於將金屬板405中的金屬轉移到晶圓403待形成隧道絕緣材料層的開口(未圖示)處，形成金屬層(未圖示)；第二反應腔420，與所述第一反應腔410相鄰，用於氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層(未圖示)；淨化單元(未圖示)，位於第一反應腔410和第二反應腔420之間，用於在晶圓403由第一反應腔410運送至第二反應腔420途中去除晶圓表面的雜質；旋轉裝置415，包括旋轉軸和與所述旋轉軸連接的至少一個旋轉臂，第一反應腔410、第二反應腔420、淨化單元位於以所述旋轉軸作為中心點，旋轉臂作為半徑的圓周上，所述旋轉臂通過旋轉軸的旋轉運送晶圓到第一反應腔410、淨化單元或第二反應腔420內。其中，所述第一反應腔410包括:第一基臺401，用於放置待形成隧道絕緣材料層的第一晶圓403 ;位於所述第一基臺401上方的夾持裝置(未圖示)，用於夾持金屬板405。所述第二反應腔420包括:第二基臺409，用於放置已形成有金屬層(例如第一金屬層或第二金屬層)的第二晶圓411 ;位於所述第二基臺409上方的氣體噴頭413，所述氣體噴頭413內具有若干小孔(未圖示)，用於作為通入氣體時的通道，且可以使本實施例中通入的臭氧或氧離子均勻分散在第二反應腔420內，有助於與第二晶圓411表面的金屬層均勻的反應，形成質量好的隧道絕緣材料層。所述淨化單元用於對所述金屬層進行淨化處理，去除晶圓表面的雜質。所述淨化單元位於所述第一反應腔410和第二反應腔420之間的區域，所述淨化單元內具有惰性氣體，例如Ar、He或N2,且為了便於調節淨化單元中惰性氣體的流量，所述淨化單元還包括:調節惰性氣體流量的流量控制器(未圖示)。所述旋轉裝置415中，旋轉臂的個數可以為一個或者多個，當旋轉臂的個數為多個時，多個所述旋轉臂均固定連接在旋轉軸上，隨旋轉軸的旋轉(逆時針或順時針方向)而旋轉。在本發明的實施例中，所述旋轉臂的個數等於第一反應腔410和第二反應腔420的個數之和，所述旋轉臂的長度和高度以運送的晶圓剛好到達各反應腔的基臺的中心為準。因此，各反應室可以同時工作，效率高，利於形成生產線。需要說明的是，本發明實施例的形成裝置還包括:源線圈408，用於接收來自電源的電力，產生均勻的等離子；等離子腔室407，與第一反應腔410相連，用於接收源線圈408產生的均勻的等離子，將氣體等離子體化。在本發明的實施例中，所述源線圈408設置在第一反應腔410頂壁的表面，所述等離子腔室407用於等離子體化氯氣，使其變成等離子體態，運送等離子態的氯氣到達金屬板表面。需要說明的是，在本發明的其他實施例中，所述等離子腔室407也可以集成在第一反應腔410的內部。並且，所述第二反應腔420內部也可以集成另一等離子腔室；或者設置另一等離子腔室與所述第二反應腔420相連，等離子體化氧氣，使其變為氧離子，以利於形成隧道絕緣材料層。考慮到在形成最終需要的隧道絕緣材料層的厚度時，通常需要分多次形成所述金屬層，在每次形成所述金屬層後，氧化該次形成的金屬層形成隧道絕緣材料層，然後再形成下一金屬層，直至能夠形成最終需要的隧道絕緣材料層的厚度時為止。發明人發現，如果所述第一反應腔、第二反應腔和淨化單元的個數為一個時，待形成隧道絕緣材料層的晶圓需要反覆的在所述第一反應腔、第二反應腔和淨化單元中移動，不利於工廠中形成生產線，生產效率低下。發明人發現，如果所述隧道絕緣材料層的形成裝置中設置合適數量的所述第一反應腔、第二反應腔和淨化單元，則可以在工廠中形成生產線，大大提高半導體器件的生產效率。本發明實施例中，發明人提供了一種隧道絕緣材料層的形成裝置，包括:至少兩個第一反應腔和至少兩個第二反應腔，所述第一反應腔和第二反應腔交替的排列，每一所述第一反應腔和第二反應腔之間設置有淨化單元，用於在晶圓從上一反應腔到下一反應腔之iu，去除所述晶圓表面的雜質。所述多個第一反應腔、多個第二反應腔和多個淨化單元均位於以旋轉裝置的旋轉軸為中心，旋轉臂作為半徑的圓周上，所述旋轉臂通過旋轉軸的旋轉運送晶圓到第一反應腔、淨化單元或第二反應腔內。並且，為了便於操作，相鄰兩個反應腔之間的距離相等。請參考圖12，本發明的實施例中，以所述第一反應腔和第二反應腔的個數均為三個時為例進行示範性說明。本發明實施例中，所述第一反應腔4101、第二反應腔4201、第一反應腔4102、第二反應腔4202、第一反應腔4103和第二反應腔4203以所述旋轉裝置415為中心依次順時針或逆時針排列，並且相鄰兩個反應腔之間的距離相等，即相鄰兩個反應腔與所述圓形的中心構成的夾角相等；所述旋轉裝置415包括旋轉體和與所述多個第一反應腔和多個第二反應腔一一對應的旋轉臂，所述旋轉臂的個數為6個，相鄰的兩個旋轉臂間的夾角相等；並且每一所述第一反應腔和第二反應腔之間設置有淨化單元430，所述淨化單元430的個數為6個。圖12所示的具有多個第一反應腔和第二反應腔的形成裝置的工作過程為:待形成隧道絕緣材料層的第一晶圓由旋轉臂運送到第一反應腔4101腔室的第一基臺(未圖示)上，在第一晶圓表面待形成隧道絕緣材料層處形成第一金屬層；旋轉裝置415的旋轉臂將所述第一晶圓運送第一反應腔4101和第二反應腔4201之間的淨化單元430內，對所述第一晶圓的第一金屬層表面進行淨化處理；再由所述旋轉裝置415的旋轉臂將淨化處理後的第一晶圓運送到第二反應腔4201的第二基臺(未圖示)上，氧化所述第一金屬層形成第一隧道絕緣材料層；所述旋轉裝置415的旋轉臂將所述第一晶圓運送到第二反應腔4201和第一反應腔4102之間的淨化單元430內，對所述第一晶圓的第一隧道絕緣材料層表面進行淨化處理；之後再由旋轉裝置415的旋轉臂將所述第一晶圓運送到第一反應腔4102的第一基臺上，形成覆蓋所述第一隧道絕緣材料層的第二金屬層，依次類推，直至在第二反應腔4203中氧化第三金屬層形成第三隧道絕緣材料層。需要說明的是，在第一晶圓運送到第二反應腔4201時，可以由旋轉裝置415中的另一旋轉臂將第二晶圓運送到第一反應腔4101內，開始所述第二晶圓表面的隧道絕緣材料層的形成步驟。相應的，所述旋轉裝置415的六個旋轉臂上可以同時運送六個晶圓到對應的第一反應腔或第二反應腔中，以形成生產線。需要說明的是，在本發明的其他實施例中，可以根據最終形成的隧道絕緣材料層的厚度，以及在每經過一個第一反應腔和第二反應腔後形成的隧道絕緣材料層，確定第一反應腔和第二反應腔的個數和淨化單元的個數，並將所述多個第一反應腔、第二反應腔和淨化單元間隔的排列成圓形，使得從最後一個第二反應腔中運送出的晶圓的隧道絕緣材料層的厚度剛好達到要求。由上述分析可知，所述具有多個第一反應腔和第二反應腔的隧道絕緣材料層的形成裝置的原理簡單，結構緊湊，自動化程度高，可以實現更高的生產效率。綜上，本發明實施例的隧道絕緣材料層的形成方法中，採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積工藝，形成覆蓋所述固定磁性材料層表面的金屬層，然後氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層，形成的隧道絕緣材料層的表面質量好，無需額外的化學機械拋光或刻蝕工藝，不會對所述隧道絕緣材料層和基底造成損傷，節省了工藝步驟，形成的磁存儲器的可靠性高。採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積工藝，分多次形成金屬層，每次形成的金屬層的厚度較小，在氧化每一所述金屬層形成隧道絕緣材料層時較容易，避免了金屬層太厚時底部的金屬材料不易被氧化的問題，最終形成的隧道絕緣材料層的質量好，進一步提高了磁存儲器的性能。進一步的，包括在所述固定磁性材料層表面形成金屬層後，氧化所述金屬層前，對所述金屬層進行淨化處理的步驟。該步驟去除了附著在金屬層表面的雜質，使得形成的隧道絕緣材料層較為純淨，質量好，進一步保障了隧道絕緣材料層的質量，提高了磁存儲器的性能。隧道絕緣材料層的形成裝置包括具有旋轉軸和與所述旋轉軸連接的至少一個旋轉臂的旋轉裝置，使第一反應腔、第二反應腔、淨化單元位於以所述旋轉軸作為中心點，旋轉軸作為半徑的圓周上；通過所述旋轉裝置中旋轉軸的旋轉，帶動旋轉臂旋轉使其將晶圓運送到第一反應腔、第二反應腔或淨化單元內，原理和結構簡單，自動化程度高。進一步的，包括多個交替設置的第一反應腔和第二反應腔，且所述多個交替設置的第一反應腔和第二反應腔圍繞成圓形，旋轉裝置的旋轉軸位於所述圓形的圓心，不僅結構緊湊，還可以同時在多個晶圓待形成隧道絕緣材料層的開口的底部和部分側壁形成金屬層，利於實現生產線製造，提高了生產效率。本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。
權利要求
1.ー種隧道絕緣材料層的形成方法，包括: 提供基底，所述基底包括用於形成隧道絕緣材料層的開ロ ； 其特徵在於，還包括: 採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝，形成覆蓋所述開ロ底部和部分側壁的金屬層； 氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層。
2.如權利要求1所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，所述採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝，形成覆蓋所述開ロ底部和部分側壁的金屬層的步驟包括:提供金屬板，所述金屬板放置於晶圓的開口上方；等離子態的氯氣與所述金屬板發生反應，形成氣態的金屬氯化物；所述氣態的金屬氯化物中的金屬與基底的材料相結合，形成中間層；所述氣態的金屬氯化物與所述中間層反應，在所述開ロ底部和部分側壁形成金屬層。
3.如權利要求2所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，形成所述等離子態的氯氣的エ藝參數包括:頻率為2-4MHz，功率為200-500W，壓カ為0.01-0.1Torr, Cl2的流量為 500-2000sccm。
4.如權利要求2所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，還包括:通入惰性氣體作為等離子態的氯氣的載體。
5.如權利要求4所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，所述惰性氣體為Ar、He 或 N2。
6.如權利要求4所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在幹，所述惰性氣體的流量為 500_3000sccm。
7.如權利要求1所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，所述金屬層的材料為 Mg、Sr、Ba 或 Ra。
8.如權利要求1所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，形成所述金屬層的エ藝參數包括:溫度為250-350°C，壓カ為0.01-0.1Torr0
9.如權利要求1所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層時通入的氣體為臭氧或等離子態的氧。
10.如權利要求1所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層的エ藝參數包括:臭氧的流量為500-2000sCCm，壓強為0.01-0.1Torr0
11.如權利要求1所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，還包括:在所述開ロ的底部形成金屬層後，對所述金屬層進行浄化處理，再氧化所述金屬層。
12.如權利要求11所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，所述淨化處理的方法包括:向所述金屬層表面通入惰性氣體。
13.如權利要求12所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，所述惰性氣體為Ar、He或N2 ;所述惰性氣體的流量為500-3000sccm。
14.如權利要求1所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，還包括:形成覆蓋所述隧道絕緣材料層的自由磁性材料層；及形成覆蓋所述自由磁性材料層的頂部電極層。
15.如權利要求1所述的隧道絕緣材料層的形成方法，其特徵在於，所述基底內包括底部電極層和位於底部電極層表面的固定磁性材料層，所述隧道絕緣材料層形成在固定磁性材料層表面。
16.ー種隧道絕緣材料層的形成裝置，其特徵在於，包括: 第一反應腔，用於採用還原金屬氯化物的化學氣相沉積エ藝，形成覆蓋晶圓的固定磁性材料層表面的金屬層； 第二反應腔，與所述第一反應腔相鄰，用於氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層； 淨化單元，位於第一反應腔和第二反應腔之間，用於去除所述晶圓表面的雜質； 旋轉裝置，包括旋轉軸和與所述旋轉軸連接的至少ー個旋轉臂，第一反應腔、第二反應腔、淨化單元位於以所述旋轉軸作為中心點，旋轉臂作為半徑的圓周上，所述旋轉臂通過旋轉軸的旋轉運送晶圓到第一反應腔、淨化單元或第二反應腔內。
17.如權利要求16所述的隧道絕緣材料層的形成裝置，其特徵在於，所述第一反應腔包括:第一基臺，用於放置待形成隧道絕緣材料層的晶圓；位於所述第一基臺上方的夾持裝置，用於夾持金屬板。
18.如權利要求16所述的隧 道絕緣材料層的形成裝置，其特徵在於，所述第二反應腔包括:第二基臺，用於放置形成有金屬層的晶圓；位於所述第二基臺上方的氣體噴頭，所述氣體噴頭內具有若干小孔，用於作為通入臭氧或氧離子的通道。
19.如權利要求17或18所述的隧道絕緣材料層的形成裝置，其特徵在於，還包括:源線圈，用於接收來自電源的電力，產生均勻的等離子；等離子腔室，用於接收源線圈產生的均勻的等離子，將氣體等離子體化後通入第一反應腔或第二反應腔。
20.如權利要求16所述的高K柵介質層的形成裝置，其特徵在於，所述旋轉臂的個數等於第一反應腔和第二反應腔的個數之和。
21.如權利要求16所述的隧道絕緣材料層的形成裝置，其特徵在幹，當所述第一反應腔和所述第二反應腔的個數至少為兩個時，所述第一反應腔和第二反應腔交替的排列。
22.如權利要求16所述的隧道絕緣材料層的形成裝置，其特徵在於，相鄰兩個第一反應腔、第二反應腔之間的距離相等。
全文摘要
本發明的實施例提供了一種隧道絕緣材料層的形成方法，包括提供晶圓，所述晶圓包括用於形成隧道絕緣材料層的開口，覆蓋所述開口底部和部分側壁的底部電極層，形成在所述底部電極層的固定磁性材料層；至少採用一次還原金屬氯化物的化學氣相沉積工藝，形成覆蓋所述固定磁性材料層表面的金屬層；氧化所述金屬層形成隧道絕緣材料層，形成工藝簡單，形成的磁隧道結的性能好。相應的，本發明實施例還提供了一種隧道絕緣材料層的形成裝置，為上述方法提供了條件。
文檔編號H01L43/12GK103137857SQ20111039729
公開日2013年6月5日 申請日期2011年12月2日 優先權日2011年12月2日
發明者三重野文健 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司