[發明專利]一種雙重圖形技術圖案化磁性隧道結的方法

有效

• 申請號: 201610332823.3
• 申請日: 2016-05-18
• 公開（公告）號: CN107403865B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 張云森
• 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

本發明提供了一種雙重圖形技術圖案化磁性隧道結的方法，步驟如下：提供具有MTJ多層膜結構的基底；在基底上依次形成Ta膜層和介電膜層；采用與MTJ相反的圖案進行圖案化定義；對定義好的MTJ相反圖案進行修剪，對BRAC進行刻蝕，將MTJ相反圖案轉移到介電膜層，形成相反圖案襯底；沉積一層介電質在MTJ相反圖案襯底；對介電質進行回刻；氧氣干刻蝕工藝除去PR和BARC，以完成對MTJ的圖案化定義；反應離子束刻蝕圖案化定義好的雙層掩模，使圖案順利轉移到MTJ膜層；采用CH₃OH等氣體干刻蝕MTJ膜層，以完成MTJ的圖案化。

技術領域

本發明涉及一種圖案化磁性隧道結(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的方法，尤其涉及一種雙重圖形技術(DPT，Double Patterning Technology)圖案化磁性隧道結的方法，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Ta)會沉積在MTJ的頂部，既作為MTJ刻蝕用的硬掩模，也作為頂電極的導電通道，隨后，一層介電質(比如SiN等)會沉積在Ta膜的頂部，被用來作為Ta掩模的犧牲層。通常這種雙層膜結構被用來作為刻蝕MTJ的硬掩模。

制備45nm或更小尺寸的MTJ單元需要193nm或更精細的光刻技術，由于193nm或更光刻技術所采用的光刻膠(PR，Photo Resist)比較弱。同時MTJ器件尺寸本身相對于相鄰MTJ器件之間尺寸要小的很多，這樣更增加了193PR彎曲和倒伏的風險，從而不能正常的轉移圖案到MTJ單元。

目前，用于刻蝕MTJ雙層硬掩模的氣體為CF₄(SiN/Ta的選擇比大約為0.5)，如果采用比較薄的介電層，在Ta膜被完全刻蝕掉之前，光刻膠與抗反射層(ARC，Anti-ReflectionCoating)不足以保護介電層免于被暴露出來，在Ta掩模已完全被過刻蝕之前，介電層掩模也幾乎被刻蝕殫盡。因此，Ta膜掩模很難形成清晰銳利的側壁，導致輪廓不清的掩模。同時，由于Ta膜層在沒有介電層的保護下，Ta膜層的厚度將會進一步減小，并形成橢圓形的膜帽，這樣將會增加位線和MTJ之間短路的風險。在Ta膜層完成刻蝕之前，為了使介電層不被完全刻蝕掉，通常可以增加介電層的厚度，然而，使用比較厚的介電層，MTJ圖案在介電層轉移時，尺寸會變大得比較厲害，這非常不利于MTJ的小型化。

發明內容