[發明專利]一種刻蝕磁性隧道結導電硬掩模的方法

有效

• 申請號: 201810090020.0
• 申請日: 2018-01-30
• 公開（公告）號: CN110098320B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 張云森;肖榮福;郭一民;陳峻
• 申請（專利權）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: H10N50/01
• 分類號: H10N50/01
• 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

本發明提供了一種刻蝕磁性隧道結導電硬掩模的方法，包括如下步驟：(1)提供表面拋光的帶金屬通孔的CMOS基底，并在基底上沉積底電極和磁性隧道結多層膜、導電硬模層的刻蝕阻擋層、導電硬掩模、導電硬掩模的掩模層；(2)采用光刻膠/底部抗反射層的雙層結構或采用光刻膠/無機抗反射層/含碳膜層的三層結構圖形化導電硬掩模圖案，并使圖案轉移到導電硬掩模的掩模層頂部；(3)刻蝕導電硬掩模，并去掉殘留物。本發明有利于MTJ單元陣列關鍵尺寸的控制和整個MRAM未來的繼續縮微化，有利于器件的良率的提升。

技術領域

本發明涉及一種刻蝕磁性隧道結導電硬掩模(C-HM，Conductive?Hard?Mask)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，采用磁性隧道結(MTJ，Magnetic?Tunnel?Junction)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、高精確度、高可靠性、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，一般采用一次光罩對磁性隨機存儲器(MRAM)的頂電極(TE，Top?Electrode)、磁性隧道結(MTJ)單元和底電極(BE，Bottom?Electrode)進行制作；其中，在刻蝕磁性隧道結和底電極單元陣列的時候，采用頂電極作為硬掩模，使磁性隧道結和底電極自對準硬掩模進行刻蝕，所以，頂電極(TE)也被稱為導電硬掩模(C-HM)。

由于磁性隧道結中含有Co、Fe、Ni、Pt等元素，如果這些元素和Cl和H₂O等接觸，那么磁性隧道結(MTJ)將會受到化學損傷(Chemical?Corrosion和galvaniceffect)，進而影響其磁性性能和電學性能的提升。

為了避免Cl元素帶來的潛在負面影響，在目前的導電硬掩模刻蝕工藝中，一般采用C/F氣體對導電硬掩模進行反應離子刻蝕(RIE，Reactive?Ion?Etching)；由于SiO₂、SiON或SiN對導電硬掩模的選擇比非常低，在進行反應離子刻蝕工藝的時候，只能采用采用光刻膠(PR，Photo?Resist)作為軟掩模(Soft?Mask)或含碳膜層作為硬掩模(Hard?Mask)進行刻蝕，由于大量C的存在，將會在刻蝕后的電硬掩模和光刻膠/含碳膜層的側壁形成一層難以去除的導電聚合物，由于不規則導電聚合物的存在，這使得在后續的MTJ刻蝕中，很難得到標準的圓形MTJ圖案，這將非常不利用MTJ關鍵尺寸(CD，Critical?Dimension)的控制，從而增加了MRAM電路讀/寫電流的波動，非常不利于其良率的提升，非常不利于MTJ陣列單元的繼續縮微。