[發明專利]一種磁性隧道結鉭掩模的制備方法

有效

• 申請號: 201610497215.8
• 申請日: 2016-06-29
• 公開（公告）號: CN107546323B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 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;H01L43/08
• 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

本發明提供一種磁性隧道結鉭掩模的制備方法，包括以下步驟：在襯底上依次沉積形成鉭掩模膜層和硅化物種子層；將磁性隧道結圖案圖形化轉移到硅化物種子層的頂部；采用反應離子束刻蝕硅化物種子層和部分鉭掩模膜層；進行選擇性刻蝕，在沒有硅化物種子層覆蓋的鉭掩模膜層進行刻蝕，在硅化物種子層再次沉積一層硅化物膜層；除去硅化物膜層和大部分硅化物種子層，同時并對鉭掩模膜層進行修剪。本發明提供的磁性隧道結鉭掩模的制備方法，通過使用進行選擇性刻蝕，從根本上解決了鉭掩模在圖形化轉移過程中，鉭掩模的提前被過度消耗等問題，降低了MRAM電路短路的風險，特別適合于制作65nm及其以下的MRAM電路。

技術領域

本發明涉及集成電路制造領域，具體涉及一種磁性隧道結(MTJ，Magnetic TuningJunction)鉭掩模的制備方法。

背景技術

近年來，采用磁性隧道結(MTJ)的磁電阻效應的磁性隨機存儲器(MRAM，MagneticRadom Access Memory)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，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，采用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。在現在的MRAM制造工藝中，重金屬(比如Ta)會沉積在MTJ的頂部，既作為MTJ刻蝕用的掩模，也作為頂電極的導電通道。

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，光刻掩膜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膜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，或者選擇一種不同的刻蝕機制。

發明內容