CN103137857B - 隧道绝缘材料层的形成方法及形成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了一种隧道绝缘材料层的形成方法，包括：提供晶圆，所述晶圆包括用于形成隧道绝缘材料层的开口，覆盖所述开口底部和部分侧壁的底部电极层，形成在所述底部电极层的固定磁性材料层；至少采用一次还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖所述固定磁性材料层表面的金属层；氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层，形成工艺简单，形成的磁隧道结的性能好。相应的，本发明实施例还提供了一种隧道绝缘材料层的形成装置，为上述方法提供了条件。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种隧道绝缘材料层的形成方法及形成装置。
背景技术
近年来，由于磁存储器(MagneticRandomAccessMemory，MRAM)具有短的读写时间，非易失性和功耗低的特点，磁存储器作为适用于计算机或通讯机器等信息处理设备上的存储装置而备受关注。
现有技术的磁存储器通过施加磁场，将信息存储到磁隧道结(MagneticTunnelJunction，MTJ)结构中，并通过测量MTJ的电流读取信息。具体地，所述MTJ由两磁性材料层以及位于所述两磁性材料层之间的绝缘层构成。
现有技术的磁存储器的结构，包括：用作开关器件的晶体管和用于存储数据的磁隧道结单元。其中，所述磁隧道结的结构请参考图1，磁隧道结单元包含顶部导电层113、磁隧道结单元主体(Magnetictunneljunction，MTJ)110、底部导电层101，其中，磁隧道结单元主体110由固定磁性材料层(PL)105、隧道绝缘材料层107和自由磁性材料层(FL)109交替堆叠而成。所述磁隧道结单元主体110是三层或多层结构，其中所述磁隧道结单元主体110还可以包括：位于所述自由磁性材料层109表面的第一隧道绝缘材料层111，用于将所述自由磁性材料层109和顶部导电层113隔开；位于所述底部导电层101表面的第二隧道绝缘材料层103，用于将所述固定磁性材料层105和底部导电层101隔开。
其中，所述固定磁性材料层105的作用是磁化方向被固定，并与自由磁性材料层109的磁化方向进行对比，自由磁性材料层109的磁化方向可编程。在对磁性存取存储器进行写入操作时，自由磁性材料层109的磁化可编程为相对于固定磁性材料层105的磁化平行(逻辑“0”状态)，表现为低阻态；或者反平行(逻辑“1”状态)，表现为高阻态，从而实现两个存储状态。在“读取”的过程中，通过比较磁隧道结单元的电阻与标准单元的电阻，读出磁性随机存取存储器的状态。
然而，随着工艺节点的进一步减小，现有技术形成的磁存储器的可靠性低，无法进一步满足工业需求。
更多关于磁存储器中磁隧道结的结构请参考公开号为“US20070176251A1”的美国专利。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种隧道绝缘材料层的形成方法及形成装置，形成的磁存储器的可靠性高。
为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种隧道绝缘材料层的形成方法，包括：
提供基底，所述基底包括用于形成隧道绝缘材料层的开口；
采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖所述开口底部和部分侧壁的金属层；
氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层。
可选地，所述采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖所述开口底部和部分侧壁的金属层的步骤包括：提供金属板，所述金属板放置于晶圆的开口上方；等离子态的氯气与所述金属板发生反应，形成气态的金属氯化物；所述气态的金属氯化物中的金属与基底的材料相结合，形成中间层；所述气态的金属氯化物与所述中间层反应，在所述开口底部和部分侧壁形成金属层。
可选地，形成所述等离子态的氯气的工艺参数包括：频率为2-4MHz，功率为200-500W，压力为0.01-0.1Torr，Cl2的流量为500-2000sccm。
可选地，还包括：通入惰性气体作为等离子态的氯气的载体。
可选地，所述惰性气体为Ar、He或N2。
可选地，所述惰性气体的流量为500-3000sccm。
可选地，所述金属层的材料为Mg、Sr、Ba或Ra。
可选地，形成所述金属层的工艺参数包括：温度为250-350℃，压力为0.01-0.1Torr。
可选地，采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺的次数至少为两次。
可选地，每次在所述开口的底部形成金属层的厚度小于。
可选地，氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层时通入的气体为臭氧或等离子态的氧。
可选地，氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层的工艺参数包括：臭氧的流量为500-2000sccm，压强为0.01-0.1Torr。
可选地，还包括：在所述开口的底部形成金属层后，对所述金属层进行净化处理，再氧化所述金属层。
可选地，所述净化处理的方法包括：向所述金属层表面通入惰性气体。
可选地，所述惰性气体为Ar、He或N2；所述惰性气体的流量为500-3000sccm。
可选地，还包括：形成覆盖所述隧道绝缘材料层的自由磁性材料层；及形成覆盖所述自由磁性材料层的顶部电极层。
可选地，所述基底内包括底部电极层和位于是底部电极层表面的固定磁性材料层，所述隧道绝缘材料层形成在固定磁性材料层表面。
相应的，本发明的实施例还提供了一种隧道绝缘材料层的形成装置，包括：
第一反应腔，用于采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖晶圆的固定磁性材料层表面的金属层；
第二反应腔，与所述第一反应腔相邻，用于氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层；
净化单元，位于第一反应腔和第二反应腔之间，用于去除所述晶圆表面的杂质；
旋转装置，包括旋转轴和与所述旋转轴连接的至少一个旋转臂，第一反应腔、第二反应腔、净化单元位于以所述旋转轴作为中心点，旋转臂作为半径的圆周上，所述旋转臂通过旋转轴的旋转运送晶圆到第一反应腔、净化单元或第二反应腔内。
可选地，所述第一反应腔包括：第一基台，用于放置待形成隧道绝缘材料层的晶圆；位于所述第一基台上方的夹持装置，用于夹持金属板。
可选地，所述第二反应腔包括：第二基台，用于放置形成有金属层的晶圆；位于所述第二基台上方的气体喷头，所述气体喷头内具有若干小孔，用于作为通入臭氧或氧离子的通道。
可选地，还包括：源线圈，用于接收来自电源的电力，产生均匀的等离子；等离子腔室，用于接收源线圈产生的均匀的等离子，将气体等离子体化后通入第一反应腔或第二反应腔。
可选地，所述旋转臂的个数等于第一反应腔和第二反应腔的个数之和。
可选地，当所述第一反应腔和所述第二反应腔的个数至少为两个时，所述第一反应腔和第二反应腔交替的排列。
可选地，相邻两个第一反应腔、第二反应腔之间的距离相等。
与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：
采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖所述固定磁性材料层表面的金属层，然后氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层，形成的隧道绝缘材料层的表面质量好，无需额外的化学机械抛光或刻蚀工艺，不会对所述隧道绝缘材料层和基底造成损伤，节省了工艺步骤，形成的磁存储器的可靠性高。
进一步的，包括在所述固定磁性材料层表面形成金属层后，氧化所述金属层前，对所述金属层进行净化处理的步骤。该步骤去除了附着在金属层表面的杂质，使得形成的隧道绝缘材料层较为纯净，质量好，进一步保障了隧道绝缘材料层的质量，提高了磁存储器的性能。
隧道绝缘材料层的形成装置包括具有旋转轴和与所述旋转轴连接的至少一个旋转臂的旋转装置，使第一反应腔、第二反应腔、净化单元位于以所述旋转轴作为中心点，旋转轴作为半径的圆周上；通过所述旋转装置中旋转轴的旋转，带动旋转臂旋转使其将晶圆运送到第一反应腔、第二反应腔或净化单元内，原理和结构简单，自动化程度高。
进一步的，包括多个交替设置的第一反应腔和第二反应腔，且所述多个交替设置的第一反应腔和第二反应腔围绕成圆形，旋转装置的旋转轴位于所述圆形的圆心，不仅结构紧凑，还可以同时在多个晶圆待形成隧道绝缘材料层的开口的底部和部分侧壁形成金属层，利于实现生产线制造，提高了生产效率。
附图说明
图1是现有技术的磁隧道结的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例的形成的磁隧道结的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例的隧道绝缘材料层的形成方法的流程示意图；
图4-图10是本发明实施例的隧道绝缘材料层的形成过程的剖面结构示意图；
图11是本发明的实施例中隧道绝缘材料层的形成装置的剖面结构示意图；
图12是本发明的实施例中隧道绝缘材料层的形成装置的俯视结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，随着工艺节点的进一步减小，现有技术形成的存储器的可靠性低，无法进一步满足工业需求。经过研究，发明人发现，磁存储器的可靠性跟磁隧道结的结构有关，平面结构的磁隧道结的可靠性低于立体结构的磁隧道结的可靠性。
然而，现有技术中受材料和工艺条件的制约，只能在超高真空(UHV)条件下，采用物理气相沉积工艺(PVD)形成磁隧道结，然而，由于物理气相沉积工艺(PVD)在形成立体结构的磁隧道结时表面质量较差，现有技术形成的磁隧道结多为平面结构，请参考图1，磁隧道结包括：磁性材料层(固定磁性材料层105和自由磁性材料层109)和磁隧道结的隧道绝缘材料层107。
经过进一步研究，发明人发现，采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺(MetalChlorideReductionChemicalVaporDeposition，MCR-CVD)，可以形成立体结构的磁隧道结。本发明的发明人发现，采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺形成立体结构的磁隧道结时的工艺简单，形成的磁隧道结的表面质量好，磁存储器的可靠性高。
相应的，本发明实施例的发明人提供了一种立体结构的隧道绝缘材料层的形成方法及形成装置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
请参考图2，图2示出了本发明实施例的立体结构的磁隧道结的结构，至少包括：半导体衬底200，所述半导体衬底200中具有开口(未标示)，用于形成隧道绝缘材料层；位于所述开口底部和部分侧壁的底部电极层201；覆盖所述底部电极层201的固定磁性材料层203；覆盖所述固定磁性材料层203表面的隧道绝缘材料层205；覆盖所述隧道绝缘材料层205表面的自由磁性材料层207；覆盖所述自由磁性材料层207的顶部电极层209。
发明人发现，形成图2所示的立体结构的磁隧道结时，如果采用普通的物理气相沉积的方法形成隧道绝缘材料层205，其形成步骤包括：首先形成覆盖所述固定磁性材料层203的隧道绝缘薄膜(未图示)；然后采用化学机械抛光(CMP)的方法平坦化所述隧道绝缘薄膜，最终形成隧道绝缘材料层205。采用物理气相沉积的方法不仅形成的隧道绝缘材料层205的表面质量差，而且工艺步骤多，容易损伤磁隧道结，形成的磁存储器的可靠性低。
请参考图3，本发明实施例的隧道绝缘材料层的形成方法，包括：
步骤S31，提供基底，所述基底包括用于形成隧道绝缘材料层的开口；
步骤S32，采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖所述开口的底部和部分侧壁的金属层；
步骤S33，氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层。
具体的形成过程请参考图4-图10，图4-图10示出了本发明实施例的隧道绝缘材料层的形成过程的剖面结构示意图。
请参考图4，提供基底300，所述基底300包括用于形成隧道绝缘材料层的开口304。
所述基底300用于为后续工艺提供工艺平台。其中，所述开口304定义出隧道绝缘材料层的大小和位置，所述开口304的形成工艺为刻蚀工艺。
本发明实施例中，所述基底300还包括：覆盖所述开口304底部和部分侧壁的底部电极层301，形成在所述底部电极层301的固定磁性材料层303。所述底部电极层301用于传递信号，所述底部电极层301的材料为导电性能好的材料，例如钽(Ta)；所述固定磁性材料层303用于固定磁化方向，所述固定磁性材料层的材料为包括CoFe的材料，例如CoFe或者CoFeB。
请参考图5，采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖所述固定磁性材料层303表面的第一金属层305。
发明人发现，采用现有技术的物理气相沉积工艺(PVD)形成立体结构的隧道绝缘材料层时表面质量较差，并且需要增加化学机械抛光或刻蚀工艺，容易对所述隧道绝缘材料层和基底300造成损伤。经过进一步研究，发明人发现，采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺(MCR-CVD)，可以形成立体结构的磁隧道结，且形成工艺简单，形成的隧道绝缘材料层的表面质量好，磁存储器的可靠性高。因此，在本发明的实施例中，所述第一金属层305的形成工艺为还原金属氯化物的化学气相沉积工艺。
所述还原金属氯化物的化学气相沉积工艺形成第一金属层305的步骤包括：提供金属板(未图示)，所述金属板放置于开口304上方；等离子态的氯气与所述金属板发生反应，形成气态的金属氯化物；所述气态的金属氯化物中的金属与基底的固定磁性材料层303表面的材料相结合，形成中间层(未图示)；所述气态的金属氯化物与所述中间层反应，在所述固定磁性材料层303表面的第一金属层305。
请参考图11，所述还原金属氯化物的化学气相沉积工艺在还原金属氯化物的第一反应腔410中进行，所述还原金属氯化物的第一反应腔410包括：第一基台401，用于放置待形成隧道绝缘材料层的晶圆403；位于所述第一基台401上方的夹持装置(未图示)，用于夹持金属板405。
请结合参考图5和图11，所述金属板405用于作为形成第一金属层305的源材料，由于所述第一金属层305后续会被氧化成第一隧道绝缘材料层，因此所述金属板405应该选择其金属的氧化物可以作为第一隧道绝缘材料层的材料，例如镁(Mg)、锶(Sr)、钡(Ba)或镭(Ra)。为了便于在所述开口304内的固定磁性材料层303表面形成第一金属层305，所述金属板405放置在所述开口304的上方，优选为正上方。并且，所述金属板405的尺寸大于所述开口304的尺寸。
需要说明的是，通常晶圆(基底300)表面具有多个开口304，用以形成若干个金属栅极，所述金属板405的大小可以根据晶圆表面具有的所述开口的面积而定，或者根据晶圆的大小选择合适尺寸的金属板405。
请继续参考图11，所述等离子态的氯气在等离子腔室407内形成，所述等离子腔室407与源线圈408相连，所述源线圈408接收来自电源的电力，产生均匀的等离子，所述等离子腔室407接收源线圈408产生的均匀的等离子，等离子体化氯气，使其变为等离子态。为使得形成装置的结构更加紧凑，本发明的实施例中，所述源线圈408设置在第一反应腔410顶壁的表面。形成所述等离子态的氯气的工艺参数包括：频率为2-4MHz，功率为200-500W，压力为0.01-0.1Torr，Cl2的流量为500-2000sccm。
在本发明的实施例中，形成等离子态的氯气的工艺参数为：频率为2.7MHz，功率为300W，压力为0.05Torr，Cl2的流量为500sccm。
为了使形成的第一金属层305的质量好，等离子态的氯气与所述金属板发生反应的工艺参数包括：温度为250-350℃，压力为0.01-0.1Torr。在本发明的实施例中，等离子态的氯气与所述金属板发生反应的工艺参数为：温度为300℃，压力为0.05Torr。
发明人发现，所述等离子态的氯气进入第一反应腔410的速度较慢，为了加快其进入第一反应腔410的速度，在向所述第一反应腔410通入所述等离子态的氯气时，还包括：通入惰性气体作为等离子态的氯气的载体。所述惰性气体为Ar、He或N2，所述惰性气体的流量范围包括500-3000sccm。在本发明的实施例中，所述惰性气体的流量为1000sccm。
在本发明的一个实施例中，所述采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，在所述开口304的固定磁性材料层303表面形成第一金属层305的步骤包括：氯气在等离子腔室407中被等离子体化，形成等离子态的氯气；所述等离子态的氯气由作为载体的Ar、He或N2带入第一反应腔410中；所述等离子态的氯气首先和金属板405发生反应，形成气态的氯化镁(MgCl)；所述气态的氯化镁中的镁与固定磁性材料层303表面的材料相结合，在所述固定磁性材料层303表面形成中间层；所述气态的氯化镁继续和所述中间层发生反应，在固定磁性材料层303表面形成第一金属层305。
考虑到如果所述第一金属层305的厚度太大，后续氧化所述第一金属层305时，仅将第一金属层305表面的部分金属氧化，而远离所述第一金属层305表面的金属则仍然无法氧化，后续形成的第一隧道绝缘材料层的质量不好，影响半导体器件的性能。经过研究，发明人发现，当所述第一金属层305的厚度小于时，后续整个第一金属层305中的金属均能够被氧化，形成的隧道绝缘材料层的质量好，磁存储器的性能好。因此，在本发明的实施例中，第一金属层305的厚度小于
请参考图6，氧化所述第一金属层形成第一隧道绝缘材料层306。
所述第一隧道绝缘材料层306用于后续形成隧道绝缘材料层，所述第一隧道绝缘材料层306为金属氧化物，例如MgO、SrO、BaO或RaO等。本发明的实施例中，所述第一隧道绝缘材料层306的材料为MgO。
氧化所述金属层形成第一隧道绝缘材料层306时通入的气体为臭氧(O3)或等离子态的氧。氧化所述第一金属层形成第一隧道绝缘材料层306的工艺参数包括：臭氧的流量为500-2000sccm，压强为0.01-0.1Torr。在本发明的实施例中，臭氧的流量为1000sccm，压强为0.05Torr。
需要说明的是，为了使形成的第一隧道绝缘材料层306的质量好，本发明的隧道绝缘材料层的形成方法，还包括：在固定磁性材料层303表面形成第一金属层后，氧化所述第一金属层形成第一隧道绝缘材料层306前，对所述第一金属层进行净化处理。
所述净化处理的方法包括：向所述第一金属层表面通入惰性气体，例如Ar、He或N2。所述惰性气体的流量为500-3000sccm时，可以将所述第一金属层表面的杂质完全去除。本发明的实施例中，所述惰性气体的流量为1000sccm。
需要说明的是，实际工艺中，磁存储器的隧道绝缘材料层的厚度有特定的要求，通常大于为了形成满足工艺需求的隧道绝缘材料层，通常需要执行多次步骤“采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，在所述用于形成隧道绝缘材料层的开口底部和部分侧壁形成金属层；氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层”。
请参考图7，继续采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，在所述第一隧道绝缘材料层306表面形成第二金属层307。
所述第二金属层307用于后续形成第二隧道绝缘材料层。所述第二金属层307的厚度小于
所述第二金属层307的形成方法和步骤可参考本发明实施例的第一金属层的形成方法和步骤，在此不再赘述。
需要说明的是，在本发明的实施例中，当形成第二金属层307后，在净化单元中对所述第二金属层307进行净化处理，去除其表面的杂质，以利于后续形成质量好的第二隧道绝缘材料层。具体请参考去除第一金属层表面的杂质的方法。
请参考图8，氧化所述第二金属层形成第二隧道绝缘材料层308。
所述第二隧道绝缘材料层308用于和第一隧道绝缘材料层306共同构成隧道绝缘材料层。
所述第二隧道绝缘材料层308的形成方法和步骤请参考第一隧道绝缘材料层306的形成方法和步骤，在此不再赘述。
请参考图9，采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖所述第二隧道绝缘材料层308表面的第三金属层(未示出)，氧化所述第三金属层形成第三隧道绝缘材料层309。
所述第三金属层和第三隧道绝缘材料层309的形成方法和步骤请参考关于第一、第二金属层以及第一、第二隧道绝缘材料层的形成方法和步骤，在此不再赘述。
本发明的实施例中，所述第一隧道绝缘材料层306、第二隧道绝缘材料层308、第三隧道绝缘材料层309共同构成磁隧道结中最终需要形成的隧道绝缘材料层310。所述隧道绝缘材料层310的厚度等于所述第一隧道绝缘材料层306、第二隧道绝缘材料层308、第三隧道绝缘材料层309的厚度之和。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以形成采用两次或者更多次的还原金属氯化物的化学气相沉积工艺和氧化工艺，以使得每次形成的隧道绝缘材料层的厚度之和等于本发明的实施例中最终需要形成的隧道绝缘材料层的厚度时，则磁隧道结中隧道绝缘材料层的制造完成。
请参考图10，形成覆盖所述隧道绝缘材料层310的自由磁性材料层311，以及覆盖所述自由磁性材料层311的顶部电极层313。
所述自由磁性材料层311用于和固定材料层303一起，表现两个阻态：高阻态或低阻态，实现信息的写入和读取。所述自由磁性材料层311的材料为包括CoFe的材料，例如CoFe或CoFeB。所述自由磁性材料层311的形成工艺已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
所述顶部电极层313与底部电极层301相对应，以实现信号的传输。所述顶部电极层313的材料为导电性能好的材料，例如钽(Ta)。所述顶部电极层313的形成工艺已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
上述步骤完成之后，本发明实施例形成的具有立体结构的隧道绝缘材料层的制作完成。
本发明实施例的隧道绝缘材料层的形成方法中，采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖所述固定磁性材料层表面的金属层，然后氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层，形成的隧道绝缘材料层的表面质量好，无需额外的化学机械抛光或刻蚀工艺，不会对所述隧道绝缘材料层和基底造成损伤，节省了工艺步骤，形成的磁存储器的可靠性高。
并且，本发明的实施例隧道绝缘材料层的形成方法中，分多次形成金属层，每次形成的金属层的厚度较小，在氧化每一所述金属层形成隧道绝缘材料层时较容易，避免了金属层太厚时底部的金属材料不易被氧化的问题，最终形成的隧道绝缘材料层的质量好，进一步提高了磁存储器的性能。
进一步的，包括在所述固定磁性材料层表面形成金属层后，氧化所述金属层前，对所述金属层进行净化处理的步骤。该步骤去除了附着在金属层表面的杂质，使得形成的隧道绝缘材料层较为纯净，质量好，进一步保障了隧道绝缘材料层的质量，提高了磁存储器的性能。
相应的，请参考图11，本发明的实施例还提供了一种隧道绝缘材料层的形成装置，包括：
第一反应腔410，用于将金属板405中的金属转移到晶圆403待形成隧道绝缘材料层的开口(未图示)处，形成金属层(未图示)；
第二反应腔420，与所述第一反应腔410相邻，用于氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层(未图示)；
净化单元(未图示)，位于第一反应腔410和第二反应腔420之间，用于在晶圆403由第一反应腔410运送至第二反应腔420途中去除晶圆表面的杂质；
旋转装置415，包括旋转轴和与所述旋转轴连接的至少一个旋转臂，第一反应腔410、第二反应腔420、净化单元位于以所述旋转轴作为中心点，旋转臂作为半径的圆周上，所述旋转臂通过旋转轴的旋转运送晶圆到第一反应腔410、净化单元或第二反应腔420内。
其中，所述第一反应腔410包括：第一基台401，用于放置待形成隧道绝缘材料层的第一晶圆403；位于所述第一基台401上方的夹持装置(未图示)，用于夹持金属板405。
所述第二反应腔420包括：第二基台409，用于放置已形成有金属层(例如第一金属层或第二金属层)的第二晶圆411；位于所述第二基台409上方的气体喷头413，所述气体喷头413内具有若干小孔(未图示)，用于作为通入气体时的通道，且可以使本实施例中通入的臭氧或氧离子均匀分散在第二反应腔420内，有助于与第二晶圆411表面的金属层均匀的反应，形成质量好的隧道绝缘材料层。
所述净化单元用于对所述金属层进行净化处理，去除晶圆表面的杂质。所述净化单元位于所述第一反应腔410和第二反应腔420之间的区域，所述净化单元内具有惰性气体，例如Ar、He或N2，且为了便于调节净化单元中惰性气体的流量，所述净化单元还包括：调节惰性气体流量的流量控制器(未图示)。
所述旋转装置415中，旋转臂的个数可以为一个或者多个，当旋转臂的个数为多个时，多个所述旋转臂均固定连接在旋转轴上，随旋转轴的旋转(逆时针或顺时针方向)而旋转。
在本发明的实施例中，所述旋转臂的个数等于第一反应腔410和第二反应腔420的个数之和，所述旋转臂的长度和高度以运送的晶圆刚好到达各反应腔的基台的中心为准。因此，各反应室可以同时工作，效率高，利于形成生产线。
需要说明的是，本发明实施例的形成装置还包括：源线圈408，用于接收来自电源的电力，产生均匀的等离子；等离子腔室407，与第一反应腔410相连，用于接收源线圈408产生的均匀的等离子，将气体等离子体化。在本发明的实施例中，所述源线圈408设置在第一反应腔410顶壁的表面，所述等离子腔室407用于等离子体化氯气，使其变成等离子体态，运送等离子态的氯气到达金属板表面。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述等离子腔室407也可以集成在第一反应腔410的内部。并且，所述第二反应腔420内部也可以集成另一等离子腔室；或者设置另一等离子腔室与所述第二反应腔420相连，等离子体化氧气，使其变为氧离子，以利于形成隧道绝缘材料层。
考虑到在形成最终需要的隧道绝缘材料层的厚度时，通常需要分多次形成所述金属层，在每次形成所述金属层后，氧化该次形成的金属层形成隧道绝缘材料层，然后再形成下一金属层，直至能够形成最终需要的隧道绝缘材料层的厚度时为止。发明人发现，如果所述第一反应腔、第二反应腔和净化单元的个数为一个时，待形成隧道绝缘材料层的晶圆需要反复的在所述第一反应腔、第二反应腔和净化单元中移动，不利于工厂中形成生产线，生产效率低下。
发明人发现，如果所述隧道绝缘材料层的形成装置中设置合适数量的所述第一反应腔、第二反应腔和净化单元，则可以在工厂中形成生产线，大大提高半导体器件的生产效率。
本发明实施例中，发明人提供了一种隧道绝缘材料层的形成装置，包括：至少两个第一反应腔和至少两个第二反应腔，所述第一反应腔和第二反应腔交替的排列，每一所述第一反应腔和第二反应腔之间设置有净化单元，用于在晶圆从上一反应腔到下一反应腔之前，去除所述晶圆表面的杂质。
所述多个第一反应腔、多个第二反应腔和多个净化单元均位于以旋转装置的旋转轴为中心，旋转臂作为半径的圆周上，所述旋转臂通过旋转轴的旋转运送晶圆到第一反应腔、净化单元或第二反应腔内。并且，为了便于操作，相邻两个反应腔之间的距离相等。
请参考图12，本发明的实施例中，以所述第一反应腔和第二反应腔的个数均为三个时为例进行示范性说明。
本发明实施例中，所述第一反应腔4101、第二反应腔4201、第一反应腔4102、第二反应腔4202、第一反应腔4103和第二反应腔4203以所述旋转装置415为中心依次顺时针或逆时针排列，并且相邻两个反应腔之间的距离相等，即相邻两个反应腔与所述圆形的中心构成的夹角相等；所述旋转装置415包括旋转体和与所述多个第一反应腔和多个第二反应腔一一对应的旋转臂，所述旋转臂的个数为6个，相邻的两个旋转臂间的夹角相等；并且每一所述第一反应腔和第二反应腔之间设置有净化单元430，所述净化单元430的个数为6个。
图12所示的具有多个第一反应腔和第二反应腔的形成装置的工作过程为：待形成隧道绝缘材料层的第一晶圆由旋转臂运送到第一反应腔4101腔室的第一基台(未图示)上，在第一晶圆表面待形成隧道绝缘材料层处形成第一金属层；旋转装置415的旋转臂将所述第一晶圆运送第一反应腔4101和第二反应腔4201之间的净化单元430内，对所述第一晶圆的第一金属层表面进行净化处理；再由所述旋转装置415的旋转臂将净化处理后的第一晶圆运送到第二反应腔4201的第二基台(未图示)上，氧化所述第一金属层形成第一隧道绝缘材料层；所述旋转装置415的旋转臂将所述第一晶圆运送到第二反应腔4201和第一反应腔4102之间的净化单元430内，对所述第一晶圆的第一隧道绝缘材料层表面进行净化处理；之后再由旋转装置415的旋转臂将所述第一晶圆运送到第一反应腔4102的第一基台上，形成覆盖所述第一隧道绝缘材料层的第二金属层，依次类推，直至在第二反应腔4203中氧化第三金属层形成第三隧道绝缘材料层。
需要说明的是，在第一晶圆运送到第二反应腔4201时，可以由旋转装置415中的另一旋转臂将第二晶圆运送到第一反应腔4101内，开始所述第二晶圆表面的隧道绝缘材料层的形成步骤。相应的，所述旋转装置415的六个旋转臂上可以同时运送六个晶圆到对应的第一反应腔或第二反应腔中，以形成生产线。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，可以根据最终形成的隧道绝缘材料层的厚度，以及在每经过一个第一反应腔和第二反应腔后形成的隧道绝缘材料层，确定第一反应腔和第二反应腔的个数和净化单元的个数，并将所述多个第一反应腔、第二反应腔和净化单元间隔的排列成圆形，使得从最后一个第二反应腔中运送出的晶圆的隧道绝缘材料层的厚度刚好达到要求。
由上述分析可知，所述具有多个第一反应腔和第二反应腔的隧道绝缘材料层的形成装置的原理简单，结构紧凑，自动化程度高，可以实现更高的生产效率。
综上，本发明实施例的隧道绝缘材料层的形成方法中，采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖所述固定磁性材料层表面的金属层，然后氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层，形成的隧道绝缘材料层的表面质量好，无需额外的化学机械抛光或刻蚀工艺，不会对所述隧道绝缘材料层和基底造成损伤，节省了工艺步骤，形成的磁存储器的可靠性高。
采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，分多次形成金属层，每次形成的金属层的厚度较小，在氧化每一所述金属层形成隧道绝缘材料层时较容易，避免了金属层太厚时底部的金属材料不易被氧化的问题，最终形成的隧道绝缘材料层的质量好，进一步提高了磁存储器的性能。
进一步的，包括在所述固定磁性材料层表面形成金属层后，氧化所述金属层前，对所述金属层进行净化处理的步骤。该步骤去除了附着在金属层表面的杂质，使得形成的隧道绝缘材料层较为纯净，质量好，进一步保障了隧道绝缘材料层的质量，提高了磁存储器的性能。
隧道绝缘材料层的形成装置包括具有旋转轴和与所述旋转轴连接的至少一个旋转臂的旋转装置，使第一反应腔、第二反应腔、净化单元位于以所述旋转轴作为中心点，旋转轴作为半径的圆周上；通过所述旋转装置中旋转轴的旋转，带动旋转臂旋转使其将晶圆运送到第一反应腔、第二反应腔或净化单元内，原理和结构简单，自动化程度高。
进一步的，包括多个交替设置的第一反应腔和第二反应腔，且所述多个交替设置的第一反应腔和第二反应腔围绕成圆形，旋转装置的旋转轴位于所述圆形的圆心，不仅结构紧凑，还可以同时在多个晶圆待形成隧道绝缘材料层的开口的底部和部分侧壁形成金属层，利于实现生产线制造，提高了生产效率。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (21)
1.一种隧道绝缘材料层的形成方法，包括：
提供基底，所述基底包括用于形成隧道绝缘材料层的开口；
其特征在于，还包括：
形成底部电极层，所述底部电极层覆盖所述开口的底部和部分侧壁；以及；
采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖所述底部电极层的金属层，所述金属层的材料为Mg、Sr、Ba或Ra；
氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层。
2.如权利要求1所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，所述采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖所述底部电极层的金属层的步骤包括：提供金属板，所述金属板放置于晶圆的开口上方；等离子态的氯气与所述金属板发生反应，形成气态的金属氯化物；所述气态的金属氯化物中的金属与所述底部电极层的材料相结合，形成中间层；所述气态的金属氯化物与所述中间层反应，在所述开口底部和部分侧壁形成金属层。
3.如权利要求2所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，形成所述等离子态的氯气的工艺参数包括：频率为2-4MHz，功率为200-500W，压力为0.01-0.1Torr，Cl2的流量为500-2000sccm。
4.如权利要求2所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，还包括：通入惰性气体作为等离子态的氯气的载体。
5.如权利要求4所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，所述惰性气体为Ar、He或N2。
6.如权利要求4所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，所述惰性气体的流量为500-3000sccm。
7.如权利要求1所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，形成所述金属层的工艺参数包括：温度为250-350℃，压力为0.01-0.1Torr。
8.如权利要求1所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层时通入的气体为臭氧或等离子态的氧。
9.如权利要求1所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层的工艺参数包括：臭氧的流量为500-2000sccm，压强为0.01-0.1Torr。
10.如权利要求1所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，还包括：在所述开口的底部形成金属层后，对所述金属层进行净化处理，再氧化所述金属层。
11.如权利要求10所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，所述净化处理的方法包括：向所述金属层表面通入惰性气体。
12.如权利要求11所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，所述惰性气体为Ar、He或N2；所述惰性气体的流量为500-3000sccm。
13.如权利要求1所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，还包括：形成覆盖所述隧道绝缘材料层的自由磁性材料层；及形成覆盖所述自由磁性材料层的顶部电极层。
14.如权利要求1所述的隧道绝缘材料层的形成方法，其特征在于，还包括：形成位于底部电极层表面的固定磁性材料层，所述隧道绝缘材料层形成在固定磁性材料层表面。
15.一种隧道绝缘材料层的形成装置，其特征在于，包括：
第一反应腔，用于采用还原金属氯化物的化学气相沉积工艺，形成覆盖晶圆的固定磁性材料层表面的金属层；
第二反应腔，与所述第一反应腔相邻，用于氧化所述金属层形成隧道绝缘材料层；
净化单元，位于第一反应腔和第二反应腔之间，用于去除所述晶圆表面的杂质；
旋转装置，包括旋转轴和与所述旋转轴连接的至少一个旋转臂，第一反应腔、第二反应腔、净化单元位于以所述旋转轴作为中心点，旋转臂作为半径的圆周上，所述旋转臂通过旋转轴的旋转运送晶圆到第一反应腔、净化单元或第二反应腔内。
16.如权利要求15所述的隧道绝缘材料层的形成装置，其特征在于，所述第一反应腔包括：第一基台，用于放置待形成隧道绝缘材料层的晶圆；位于所述第一基台上方的夹持装置，用于夹持金属板。
17.如权利要求15所述的隧道绝缘材料层的形成装置，其特征在于，所述第二反应腔包括：第二基台，用于放置形成有金属层的晶圆；位于所述第二基台上方的气体喷头，所述气体喷头内具有若干小孔，用于作为通入臭氧或氧离子的通道。
18.如权利要求16或17所述的隧道绝缘材料层的形成装置，其特征在于，还包括：源线圈，用于接收来自电源的电力，产生均匀的等离子；等离子腔室，用于接收源线圈产生的均匀的等离子，将气体等离子体化后通入第一反应腔或第二反应腔。
19.如权利要求15所述的隧道绝缘材料层的形成装置，其特征在于，所述旋转臂的个数等于第一反应腔和第二反应腔的个数之和。
20.如权利要求15所述的隧道绝缘材料层的形成装置，其特征在于，当所述第一反应腔和所述第二反应腔的个数分别至少为两个时，所述第一反应腔和第二反应腔交替的排列。
21.如权利要求15所述的隧道绝缘材料层的形成装置，其特征在于，相邻两个第一反应腔、第二反应腔之间的距离相等。
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