[發明專利]一種四層掩模圖案化磁性隧道結的方法

有效

• 申請號: 201610284008.4
• 申請日: 2016-04-29
• 公開（公告）號: CN107331770B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 張云森;肖榮福
• 申請（專利權）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: H01L43/12
• 分類號: H01L43/12
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務所(普通合伙) 31287
• 代理人: 于曉菁

本發明提供了一種四層掩模圖案化磁性隧道結的方法，包括以下步驟：步驟1：在基底上形成磁性隧道結膜層單元；步驟2：在磁性隧道結膜層單元上形成四層掩模膜層單元；步驟3：在四層掩模膜層單元上形成光刻膠單元；步驟4：通過光刻將光刻膠單元圖案化；步驟5：將四層掩模膜層單元圖案化；步驟6：將磁性隧道結膜層單元圖案化；步驟7：用離子束刻蝕對被破壞的圖案化磁性隧道結膜層單元側壁進行修整；步驟8：用氮化硅層包覆圖案化后的磁性隧道結膜層單元。本發明有效地改善了鉭掩?？涛g過后的圖案和輪廓，以及消除了鉭掩模在磁性隧道結刻蝕之前的消耗，降低了磁性隨機存儲器電路位線和磁性隧道結單元短路的風險。

技術領域

本發明涉及一種制作磁性隧道結(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的方法，特別涉及一種在193nm或者更超精細光刻技術條件下，用四層掩模(QLM，Quad-layer Mask)圖案化形成磁性隧道結的方法，屬于磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)制造技術領域。

背景技術

近年來，采用MTJ的磁電阻效應的MRAM被人們認為是未來的固態非易失性記憶體，它具有高速讀寫、大容量以及低能耗的特點。鐵磁性MTJ通常為三明治結構，其中有磁性記憶層，它可以改變磁化方向以記錄不同的數據；位于中間的絕緣的隧道勢壘層；磁性參考層，位于隧道勢壘層的另一側，它的磁化方向不變。

為能在這種磁電阻元件中記錄信息，建議使用基于自旋動量轉移或稱自旋轉移矩(STT，Spin Transfer Torque)轉換技術的寫方法，這樣的MRAM稱為STT-MRAM。根據磁極化方向的不同，STT-MRAM又分為面內STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。依此方法，即可通過向磁電阻元件提供自旋極化電流來反轉磁性記憶層的磁化強度方向。此外，隨著磁性記憶層的體積的縮減，寫或轉換操作需注入的自旋極化電流也越小。因此，這種寫方法可同時實現器件微型化和降低電流。

同時，鑒于減小MTJ元件尺寸時所需的切換電流也會減小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的與最先進的技術節點相契合。因此，期望是將pSTT-MRAM元件做成極小尺寸，并具有非常好的均勻性，以及把對MTJ磁性的影響減至最小，所采用的制備方法還可實現高良莠率、高精確讀、高可靠寫、低能耗，以及保持適于數據良好保存的溫度系數。同時，非易失性記憶體中寫操作是基于阻態變化，從而需要控制由此引起的對MTJ記憶器件壽命的破壞與縮短。

然而，制備一個小型MTJ元件可能會增加MTJ電阻的波動，使得pSTT-MRAM的寫電壓或電流也會隨之有較大的波動，這樣會損傷MRAM的性能。在當前的MRAM制造工藝中，重金屬(比如鉭)會沉積在MTJ的頂部，既作為MTJ刻蝕用的硬掩模，也作為頂電極導電通道。制備65nm或更小尺寸的MTJ單元需要193nm或更精細的光刻技術，這樣就使得光刻膠層的厚度被限制在之內。但是，較薄的光刻膠層就需要配合較薄的鉭(Ta)硬掩模層，以保證在進行刻蝕圖案轉移過程中，光刻掩模消耗完之前已完全形成硬掩模圖案。因此，一方面，鉭(Ta)膜層需要有足夠的厚度來完成MTJ的完全刻蝕；另一方面，鉭(Ta)膜層又不能太厚，太厚的話會需要光刻膠掩模也要隨之更厚以實現圖案轉移，并且光刻膠厚度的增加還會加大光刻膠圖案崩塌的趨勢，從而導致更多的返工與更高的成本。不幸的是，薄的鉭(Ta)硬掩模層會導致電流短路的這一潛在問題，并且因為在圖案轉移過程中，硬掩模也會受侵蝕，從而限制了刻蝕形成MTJ圖案的可用時間。因此，在制備65nm或更小尺寸的MTJ單元時，必須使用不同于簡單鉭(Ta)硬掩模的其它方案。