[發明專利]一種磁性隨機存儲器自對準頂電極的形成方法

有效

• 申請號: 201911265616.0
• 申請日: 2019-12-11
• 公開（公告）號: CN112951979B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 張云森;郭一民;肖榮福;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;H10N50/80;H10N50/10
• 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

本發明涉及集成電路技術領域，具體涉及一種磁性隨機存儲器自對準頂電極的形成方法；包括以下步驟：S1設置基底；S2在基底上依次形成粘連層和硬掩模層；S3采用與MTJ相反的圖案對MTJ進行圖行化定義；S4將MTJ相反圖案轉移到硬掩模層底部，并對硬掩模膜層行刻蝕；S5沉積頂電極材料并覆蓋硬掩模，形成自對準頂電極；S6移除頂電極材料、硬掩模材料和殘留物；本發明的適合制備超精細的MRAM電路，用以解決PR彎曲和倒伏，不能正常的轉移圖案到MTJ單元，導電硬掩模側壁傾斜角度過大，有利于MTJ單元的小型化，降低了MRAM電路位線和MTJ單元短路的風險。

技術領域

本發明涉及集成電路技術領域，具體涉及一種磁性隨機存儲器自對準頂電極的形成方法。

背景技術

近年來，采用磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁電阻效應的磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic RadomAccess 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(也叫自由層)，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等)會沉積在MTJ的頂部，既作為MTJ刻蝕用的導電金屬硬掩模，也作為頂電極。作為后續刻蝕MTJ單元結構的自對準掩模的頂電則顯得極異常重要。在超小型的MTJ單元中，由于重金屬的難于刻蝕，低圖案密度的圓形MTJ圖案，以及光刻膠本身的特性等，很難制作滿足要求的頂電極(MTJ刻蝕的導電金屬掩模)。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明公開了一種磁性隨機存儲器自對準頂電極的形成方法，用于解決在當前的MRAM制造工藝中，重金屬(比如:Ta等)會沉積在MTJ的頂部，既作為MTJ刻蝕用的導電金屬硬掩模，也作為頂電極。作為后續刻蝕MTJ單元結構的自對準掩模的頂電則顯得極異常重要。在超小型的MTJ單元中，由于重金屬的難于刻蝕，低圖案密度的圓形MTJ圖案，以及光刻膠本身的特性等，很難制作滿足要求的頂電極的問題。

本發明通過以下技術方案予以實現：

本發明公開一種磁性隨機存儲器自對準頂電極的形成方法，包括以下步驟：

S1設置基底；

S2在基底上依次形成粘連層和硬掩模層；

S3采用與MTJ相反的圖案對MTJ進行圖行化定義；

S4將MTJ相反圖案轉移到硬掩模層底部，并對硬掩模膜層行刻蝕；

S5沉積頂電極材料并覆蓋硬掩模，形成自對準頂電極；