磁性隧道结及其形成方法
【专利摘要】一种磁性隧道结及其形成方法，其中，磁性隧道结的形成方法包括：提供表面具有第一介质层的衬底，第一介质层内具有第一电极层，第一介质层和第一电极层表面具有复合磁性层；在复合磁性层表面形成第一掩膜层，第一掩膜层的图形为圆形，第一掩膜层的位置与第一电极层的位置对应；在复合磁性层表面和第一掩膜层的侧壁表面形成第二掩膜层；去除部分第一掩膜层，在第一掩膜层和第二掩膜层内形成暴露出复合磁性层的开口，开口的条形图形贯穿第一掩膜层的圆形图形；在开口的侧壁表面形成侧墙；之后去除第二掩膜层，以侧墙和第一掩膜层为掩膜，刻蚀复合磁性层直至暴露出第一介质层和第一电极层表面为止。所形成的磁性隧道结的存储稳定性提高、可靠性提高。
【专利说明】磁性隧道结及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造【技术领域】，尤其涉及一种磁性隧道结及其形成方法。
【背景技术】
[0002]磁存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)具有读写时间短、非易失性和功耗低等优点，适用于计算机或手机等信息处理设备上，使得磁存储器受到市场的广泛关注。
[0003]现有的磁存储器结构包括:用于作为开关器件的晶体管、以及用于存储数据的磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junct1n,MTJ)结构。磁存储器通过施加磁场,将信息存储到磁性隧道结结构中，并通过测量通过磁性隧道结的电流读取所存储的信息。
[0004]图1是现有的磁性隧道结的剖面结构示意图，包括:位于衬底100表面的底部电极层101 ;位于底部电极层101表面的磁性结构102 ;位于磁性结构102表面的顶部电极层103。其中，磁性结构102由固定磁性层110、位于固定磁性层110表面的隧道绝缘层111、以及位于隧道绝缘层111表面的自由磁性层112交替堆叠而成，所述磁性结构102为至少为三层结构或多层结构。此外，所述磁性隧道结结构还包括:位于自由磁性层112和顶部电极层103之间的第一介质层104 ;位于底部电极层101和固定磁性层110之间的第二介质层 105。
[0005]所述固定磁性层110的磁化方向固定，自由磁性层112的方向可编程。当所述自由磁性层112的磁化方向与固定磁性层110的磁化方向一致时，磁性隧道结的电阻最小，即为逻辑“O”状态；当所述自由磁性层112的磁化方向与固定磁性层110的磁化方向相差180度时，磁性隧道结的电阻最大，即为逻辑“I”状态。在“读取”的过程中，通过获取磁性隧道结的电阻以读出磁性随机存储器的状态。
[0006]然而，现有的磁性隧道结的存储性能不稳定，导致磁性随机存储器的可靠性低。
【发明内容】
[0007]本发明解决的问题是提供一种磁性隧道结及其形成方法，提高磁性隧道结的存储稳定性，提高由磁性隧道结构成的磁性随机存储器的可靠性。
[0008]为解决上述问题，本发明提供一种磁性隧道结的形成方法，包括:提供衬底，所述衬底表面具有第一介质层，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第一介质层暴露出所述第一电极层，所述第一介质层和第一电极层表面具有复合磁性层；在所述复合磁性层表面形成第一掩膜层，所述第一掩膜层平行于衬底表面的图形为圆形，且所述第一掩膜层的位置与第一电极层的位置对应；在所述复合磁性层表面和第一掩膜层的侧壁表面形成第二掩膜层，所述第二掩膜层的表面与第一掩膜层的表面齐平；去除部分第一掩膜层，在第一掩膜层和第二掩膜层内形成暴露出复合磁性层的开口，所述开口平行于衬底表面的图形为条形，且所述开口的条形图形贯穿第一掩膜层的圆形图形；在所述开口的第一掩膜层和第二掩膜层侧壁表面形成侧墙；在形成侧墙之后，去除第二掩膜层；在去除第二掩膜层之后，以侧墙和第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一介质层和第一电极层表面为止。
[0009]可选的，所述复合磁性层包括至少一层磁性层，所述磁性层包括固定磁性层、以及位于固定磁性层表面的自有磁性层，所述固定磁性层和自由磁性层之间具有磁性绝缘层进行隔离。
[0010]可选的，当所述磁性层为多层重叠设置时，相邻磁性层之间具有第一绝缘层。
[0011]可选的，所述复合磁性层还包括:位于顶层磁性层表面的第二电极层。
[0012]可选的，所述复合磁性层还包括:位于第一电极层和磁性层之间的第二绝缘层；位于第二电极层和顶层磁性层之间的第三绝缘层。
[0013]可选的，所述第一掩膜层、第二掩膜层和侧墙的材料不同。
[0014]可选的，所述第一掩膜层、第二掩膜层或侧墙的材料为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化钛、无定形碳、多晶娃或无定形娃。
[0015]可选的，当所述侧墙的材料为SOG或PSG时，在形成侧墙之后，去除第二掩膜层之前，对所述侧墙进行热退火。
[0016]可选的，所述热退火工艺包括:气体为氮气、氢气或惰性气体，温度为300摄氏度?500摄氏度。
[0017]可选的，形成于开口第一掩膜层侧壁表面和第二掩膜层侧壁表面的侧墙厚度相同，所述侧墙的厚度为5纳米?50纳米。
[0018]可选的，所述第一掩膜层的圆形图形的直径为第一尺寸，所述开口的宽度为第二尺寸，所述第二尺寸为第一尺寸的1/5?2/3。
[0019]可选的，所述开口的条形图形覆盖所述第一掩膜层的圆形图形的圆心。
[0020]可选的，所述开口的形成方法包括:在第一掩膜层和第二掩膜层表面形成第二图形化层，所述第二图形化层内具有沟槽，所述沟槽暴露出部分第一掩膜层和第二掩膜层表面，所述沟槽平行于衬底表面的图形为条形，且所述沟槽的条形图形贯穿第一掩膜层的圆形图形；以所述第二图形化层为掩膜层，刻蚀所述第一掩膜层直至暴露出复合磁性层为止；在刻蚀所述第一掩膜层之后，去除所述第二图形化层。
[0021]可选的，所述侧墙的形成方法包括:在第一掩膜层和第二掩膜层表面、开口的侧壁和底部表面沉积侧墙薄膜；回刻蚀所述侧墙薄膜直至暴露出第一掩膜层和第二掩膜层表面和开口底部表面，形成侧墙。
[0022]可选的，所述第一掩膜层的形成方法包括:在复合磁性层表面形成第一掩膜薄膜；在所述第一掩膜薄膜表面形成第一图形化层，所述第一图形化层的图形为圆形，且所述第一图形化层的位置与第一电极层相对应；以所述第一图形化层为掩膜，刻蚀所述第一掩膜薄膜直至暴露出复合磁性层为止，形成第一掩膜层；在形成第一掩膜层之后，去除第一图形化层。
[0023]可选的，所述第二掩膜层的形成方法包括:在复合磁性层表面和第一掩膜层表面沉积第二掩膜薄膜；对所述第二掩膜薄膜进行抛光，直至暴露出第一掩膜层表面为止，形成第二掩膜层。
[0024]相应的，本发明还提供一种采用上述任一项方法所形成的磁性隧道结，包括:衬底；位于所述衬底表面的第一介质层，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第一介质层暴露出所述第一电极层；位于所述第一介质层和第一电极层表面的复合磁性层，所述复合磁性层暴露出部分第一电极层和第一介质层表面，所述复合磁性层平行于衬底表面方向的图形为环形，所述环形的外圈边界为圆形，所述环形的内圈边界为椭圆形。
[0025]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0026]在所述磁性隧道结的形成方法中，由于所述第一掩膜层的图形为圆形，因此沿第一掩膜层刻蚀复合磁性层之后，所述复合磁性层的外侧壁平行于衬底表面的图形为圆形；其次，所述侧墙形成于开口的第一掩膜层和第二掩膜层侧壁表面，且所述开口的条形图形贯穿第一掩膜层的圆形图形，因此，沿所述侧墙刻蚀复合磁性层之后，所述复合磁性层的内侧壁平行于衬底表面的图形为椭圆形。刻蚀后的复合磁性层用于形成磁性隧道结构，且所形成的复合磁性层的外侧壁图形为圆形、内侧壁图形为椭圆形，能够使磁场在所述复合磁性层内的翻转状态更稳定，避免磁场翻转到不符合设计需求的方向、或者避免磁场发生自动翻转，从而使所形成的磁性隧道结构的稳定性提高、存储性能改善、可靠性增强。
[0027]进一步，所述侧墙的形成方法包括:在第一掩膜层和第二掩膜层表面、开口的侧壁和底部表面沉积侧墙薄膜；回刻蚀所述侧墙薄膜直至暴露出第一掩膜层和第二掩膜层表面和开口底部表面，以形成侧墙。由于所述侧墙薄膜的形成工艺为沉积工艺，所形成的侧墙薄膜的厚度均匀，因此，形成于第二掩膜层侧壁表面的侧墙厚度均匀，以形成于第二掩膜层侧壁表面的侧墙刻蚀复合磁性层之后，所述复合磁性层的厚度均匀；而且，沿第二掩膜层侧壁表面的侧墙刻蚀的复合磁性层厚度、较沿第一掩膜层和侧墙刻蚀的复合磁性层厚度薄，对于所形成的磁性隧道结中的磁场翻转稳定性具有决定性作用，而沿第二掩膜层侧壁表面的侧墙刻蚀的复合磁性层厚度均匀，能够使磁性隧道结中的磁场翻转更稳定。
[0028]在所述磁性隧道结中，所述复合磁性层平行于衬底表面方向的图形为环形，所述环形的外圈边界为圆形，所述环形的内圈边界为椭圆形，在所述复合磁性层内，磁场的翻转状态更稳定，使磁场难以发生自动翻转。因此，所述磁性隧道结中的磁场翻转方向能够符合设计需求，则所述磁性隧道结的稳定性提高、存储性能改善、可靠性增强。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是现有的磁性隧道结的截面结构示意图；
[0030]图2是环形磁性隧道结结构中的磁性结构的立体结构示意图；
[0031]图3是自由磁性层中符合设计需求的磁场翻转方向；
[0032]图4是自由磁性层中不符合设计需求的磁场翻转方向；
[0033]图5至图21是本发明实施例的磁性隧道结的形成过程的结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]如【背景技术】所述，现有的磁性隧道结的存储性能不稳定，导致磁性随机存储器的可靠性低。
[0035]为了提高存储性能、减少噪音、增加存储容量，一种环形的磁性隧道结被提出，请参考图2，图2是环形磁性隧道结结构中的磁性结构的立体结构示意图，包括:固定磁性层120 ;位于固定磁性层120表面的隧道绝缘层121 ;位于隧道绝缘层121表面的自由磁性层122 ;其中，所述固定磁性层120、绝缘层121和自由磁性层122均为圆环形，即所述固定磁性层120、绝缘层121和自由磁性层122的内侧壁图形和外侧壁图形均为圆形。
[0036]然而，对于所述环形磁性隧道结来说，在所述圆环形的自由磁性层122中磁场翻转状态不稳定，甚至会发生磁场的自动翻转，因此会导致自由磁性层的磁化方向的转换不稳定，使磁性隧道结的存储能力差。具体的，请参考图3和图4，图3和图4是环形磁性隧道结的俯视图，在图3中示出了在自由磁性层中符合设计需求的磁场翻转方向；然而，由于在环形的自由磁性层中磁场的翻转状态不稳定，会使磁场翻转到如图4所示的不符合设计需求的方向，或者在无需发生磁场翻转时磁场发生自动翻转，从而造成磁性隧道结的存储能性能不稳定。
[0037]为了解决上述问题，本发明提出了一种磁性隧道结的形成方法，包括:提供表面具有第一介质层的衬底，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第一介质层暴露出所述第一电极层，所述第一介质层和第一电极层表面具有复合磁性层；在所述复合磁性层表面形成第一掩膜层，所述第一掩膜层平行于衬底表面的图形为圆形，且所述第一掩膜层的位置与第一电极层的位置对应；在所述复合磁性层表面和第一掩膜层的侧壁表面形成第二掩膜层，所述第二掩膜层的表面与第一掩膜层的表面齐平；去除部分第一掩膜层，在第一掩膜层和第二掩膜层内形成暴露出复合磁性层的开口，所述开口平行于衬底表面的图形为条形，且所述开口的条形图形贯穿第一掩膜层的圆形图形；在所述开口的第一掩膜层和第二掩膜层侧壁表面形成侧墙；在形成侧墙之后，去除第二掩膜层；在去除第二掩膜层之后，以侧墙和第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一介质层和第一电极层表面为止。
[0038]由于所述第一掩膜层的图形为圆形，因此沿第一掩膜层刻蚀复合磁性层之后，所述复合磁性层的外侧壁平行于衬底表面的图形为圆形；其次，所述侧墙形成于开口的第一掩膜层和第二掩膜层侧壁表面，且所述开口的条形图形贯穿第一掩膜层的圆形图形，因此，沿所述侧墙刻蚀复合磁性层之后，所述复合磁性层的内侧壁平行于衬底表面的图形为椭圆形。刻蚀后的复合磁性层用于形成磁性隧道结构，且所形成的复合磁性层的外侧壁图形为圆形、内侧壁图形为椭圆形，能够使磁场在所述复合磁性层内的翻转状态更稳定，避免磁场翻转到不符合设计需求的方向、或者避免磁场发生自动翻转，从而使所形成的磁性隧道结构的稳定性提高、存储性能改善、可靠性增强。
[0039]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0040]图5至图21是本发明实施例的磁性隧道结的形成过程的结构示意图。
[0041]请参考图5，提供衬底200，所述衬底200表面具有第一介质层201，所述第一介质层201内具有第一电极层202,所述第一介质层201暴露出所述第一电极层202,所述第一介质层201和第一电极层202表面具有复合磁性层203。
[0042]所述衬底200包括半导体基底、形成于半导体基底表面或半导体基底内的半导体器件、用于电连接所述半导体器件的导电结构、以及用于电隔离所述半导体器件和导电结构的介质层。所述半导体基底包括硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅衬底、绝缘体上锗衬底、玻璃衬底或II1-V族化合物衬底(例如氮化镓衬底或砷化镓衬底等)。本实施例中，所述半导体器件为晶体管，所述第一电极层202与所述晶体管电连接，所述晶体管用于驱动后续形成的磁性隧道结，实现数据在所述磁性隧道结结构中的擦除或写入。
[0043]所述第一电极层202作为所形成的磁性隧道结结构的底部电极。在本实施例中，所述第一电极层202与晶体管电连接，所述第一电极层202用于向所述晶体管传递或接收电信号；因此，所述第一电极层202较佳的采用导电性能好的材料，例如钽(Ta)、钼锰(PtMn)或钌(Ru);此外，所述第一电极层202还能够采用铜、钨或铝作为材料。
[0044]所述第一介质层201的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的一种或多种组合。在一实施例中，所述第一电极层202的形成工艺包括沉积工艺、以及沉积工艺之后的刻蚀工艺。所述第一介质层201的形成工艺包括:在形成第一电极层之后，在衬底200和第一电极层202表面沉积第一介质薄膜；抛光所述第一介质薄膜，直至暴露第一电极层202表面为止，形成第一介质层201。
[0045]所述复合磁性层203包括至少一层磁性层(未示出)；当所述磁性层为多层时，相邻磁性层之间具有第一绝缘层(未示出)。所述磁性层包括固定磁性层(未示出)、以及位于固定磁性层表面的自有磁性层(未示出)，所述固定磁性层和自由磁性层之间具有磁性绝缘层。其中，所述固定磁性层具有固定的磁化方向，所述固定磁性层的材料为CoFe或CoFeB ；所述自由磁性层的磁化方向可编程，所述自由磁性层的材料为CoFe或CoFeB ;所述磁性绝缘层用于隔离固定磁性层和自由磁性层，所述磁性绝缘层的材料为氧化镁、氧化锶、氧化钡或氧化镭。
[0046]在本实施例中，所述复合磁性层203还包括:位于顶层磁性层表面的第二电极层(未示出);所述第二电极层作为所形成的磁性隧道结结构的顶部电极，所述第二电极层用于向外部电路传递或接收电信号，因此，所述第二电极层较佳的采用导电性能好的材料，例如钽(Ta)、钼锰(PtMn)或钌(Ru);此外，所述第二电极层还能够采用铜、钨或铝作为材料。在另一实施例中，所述复合磁性层中不具有第二电极层，即所述复合磁性层的顶部为磁性层，在后续刻蚀所述复合磁性层之后，在所述复合磁性层的顶部表面形成第二电极层。
[0047]在本实施例中，所述磁性层直接形成于第一电极层202表面，所述第一电极层能够向磁性层施加偏压。在另一实施例中，所述复合磁性层203还包括位于第一电极层202和磁性层之间的第二绝缘层；此外，所述复合磁性层203还能够包括位于第二电极层和顶层磁性层之间的第三绝缘层；所述第二绝缘层、第三绝缘层能够调节第一电极层202和第二电极层之间的隧穿电压。
[0048]请参考图6和图7，图7是图6的俯视图，图6是图7沿AA’方向的剖面结构示意图。在所述复合磁性层203表面形成第一掩膜层204，所述第一掩膜层204平行于衬底200表面的图形为圆形，且所述第一掩膜层204的位置与第一电极层202的位置对应。
[0049]所述第一掩膜层204定义了后续形成的复合磁性结构外侧壁的图形，由于所述第一掩膜层204的图形为圆形，后续以所述第一掩膜层204刻蚀复合磁性层203之后，所形成的复合磁性结构的外侧壁的图形也为圆形。所述第一掩膜层204的位置与第一电极层202对应，则后续以第一掩膜层刻蚀形成的复合磁性结构能够与第一电极层202电连接，使第一电极层能够相复合磁性结构传输电信号。在本实施例中，所述第一掩膜层204的圆形图形的直径为第一尺寸，所述第一尺寸为50纳米?150纳米。
[0050]所述第一掩膜层204的材料为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化钛、无定形碳、多晶娃或无定形娃；在本实施例中，所述第一掩膜层204的材料为氮化娃；所述第一掩膜层204的形成方法包括:在复合磁性层203表面形成第一掩膜薄膜(未不出);在所述第一掩膜薄膜表面形成第一图形化层，所述第一图形化层(未示出)的图形为圆形，且所述第一图形化层的位置与第一电极层202相对应；以所述第一图形化层为掩膜，采用各向异性的干法刻蚀工艺刻蚀所述第一掩膜薄膜，直至暴露出复合磁性层203为止，形成第一掩膜层204 ;在形成第一掩膜层204之后，去除第一图形化层。本实施例中，所述第一图形化层为图形化的光刻胶。
[0051]请参考图8和图9，图9是图8的俯视图，图8是图9沿AA’方向的剖面结构示意图。在所述复合磁性层203表面和第一掩膜层204的侧壁表面形成第二掩膜层205，所述第二掩膜层205的表面与第一掩膜层204的表面齐平。
[0052]所述第二掩膜层205用于保留所述第一掩膜层204的圆形图形，使得后续形成贯穿所述第一掩膜层204圆形图形的开口之后，所述的第二掩膜层205依旧能够保留圆形图形，保证了后续形成于第二掩膜层205和第一掩膜层204侧壁表面的侧墙、与刻蚀后的第一掩膜层204所构成的结构的外侧壁图形为圆形。
[0053]所述第二掩膜层205的形成方法包括:在复合磁性层203表面和第一掩膜层204表面沉积第二掩膜薄膜；对所述第二掩膜薄膜进行化学机械抛光，直至暴露出第一掩膜层204表面为止，形成第二掩膜层205。所述第一掩膜层204和第二掩膜层205的材料不同，使所述第一掩膜层204和第二掩膜层205之间具有刻蚀选择性，后续在第一掩膜层204内形成开口时，不会影响所述第二掩膜层205的形貌。所述第二掩膜层205的材料为氮化硅、氮氧化娃、氧化娃、氮化钛、无定形碳、多晶娃或无定形娃；在本实施例中，所述第二掩膜层205的材料为氧化硅。
[0054]请参考图10和图11，图11是图10的俯视图，图10是图11沿BB’方向的剖面结构示意图。在第一掩膜层204和第二掩膜层205表面形成第二图形化层206，所述第二图形化层206内具有沟槽207，所述沟槽207暴露出部分第一掩膜层204和第二掩膜层205表面，所述沟槽207平行于衬底200表面的图形为条形，且所述沟槽207的条形图形贯穿第一掩膜层204的圆形图形。
[0055]所述第二图形化层206内的沟槽207定义了后续形成于第一掩膜层204内的开口的位置。所述沟槽207的宽度为第二尺寸，且所述第二尺寸为第一尺寸的1/5?2/3，即所述沟槽207的宽度小于第一掩膜层204的圆形图形的直径，使位于所述沟槽207两侧的第二图形化层206均能够覆盖部分第一掩膜层204，使得后续以第二图形化层206刻蚀第一掩膜层204之后，所形成的开口相对两侧均保留有部分第一掩膜层204，而另外两侧能够暴露出第二掩膜层205 ;继而，后续在开口的第一掩膜层204和第二掩膜层205侧壁表面形成侧墙之后，能够使开口的图形成为具有相互垂直的长轴和短轴的椭圆形。
[0056]在本实施例中，所述第二图形化层206为图形化的光刻胶层。所述第二图形化层206暴露出第一掩膜层204的圆形图形的圆心，即所述沟槽207的条形图形至少覆盖所述圆形图形的一条直径，使位于所述沟槽207两侧的第一掩膜层204的尺寸差异较小，从而使后续形成侧墙之后，开口的图形更为对称，对于以所述第一掩膜层204和侧墙刻蚀形成的复合磁性结构磁场翻转更稳定。较佳的，所述沟槽207条形图形的中轴线与第一掩膜层204的圆形图形的直径相重合，则位于沟槽207两侧的第一掩膜层204尺寸相同，有利于使后续形成的复合磁性结构的图形保持对称。
[0057]请参考图12、图13和图14，图14是图12和图13的俯视图，图12是图14沿AA’方向的剖面结构示意图，图13是图14沿BB’方向的剖面结构示意图。以所述第二图形化层206 (如图11所示)为掩膜，刻蚀所述第一掩膜层204直至暴露出复合磁性层203为止，在第一掩膜层204和第二掩膜层205内形成暴露出复合磁性层206的开口 208,所述开口208平行于衬底200表面的图形为条形，且所述开口 208的条形图形贯穿第一掩膜层204的圆形图形；在形成开口 208之后，去除所述第二图形化层206。
[0058]以所述第二图形化层206刻蚀第一掩膜层204时，由于第一掩膜层204和第二掩膜层205的材料不同，使所述第一掩膜层204和第二掩膜层205之间具有刻蚀选择性，因此在刻蚀第一掩膜层204时不会损伤第二掩膜层205的形貌,从而在形成贯穿第一掩膜层204的圆形图形的开口 208之后，所述第二掩膜层205能够保留所述第一掩膜层204的圆形图形，使所述开口 208的相对两侧侧壁暴露出第二掩膜层205，所述开口 208的另两侧侧壁暴露出第一掩膜层204。后续在所述开口 208的第一掩膜层204和第二掩膜层205侧壁表面形成侧墙之后，能够使所述开口 208的图形成为具有相互垂直的长轴和短轴的椭圆形。
[0059]所述刻蚀工艺为各向异性的干法刻蚀工艺，使所形成的开口 208的第一掩膜层204侧壁垂直于复合磁性层203。由于所述开口 208以第二图形化层为掩膜206刻蚀形成，因此所述开口 208的宽度也为第二尺寸，所述第二尺寸为第一尺寸的1/5?2/3。
[0060]由于所述第二图形化层206暴露出第一掩膜层204的圆形图形的圆心，使沟槽207(如图10所示)的条形图形至少覆盖所述圆形图形的一条直径，因此，以所述第二图形化层206刻蚀形成的开口 208平行于衬底200表面方向的图形也为条形，且所述开口 208的条形图形覆盖所述第一掩膜层的圆形图形的圆心，使所述开口 208的条形图形至少覆盖所述圆形图形的一条直径，从而使位于所述开口 208两侧的第一掩膜层204的尺寸差异较小，则能够使后续刻蚀形成的复合磁性结构中磁场翻转更稳定。较佳的，所述开口 208的条形图形的中轴线与第一掩膜层204的圆形图形的直径相重合，使位于开口 208两侧的第一掩膜层204尺寸相同，后续形成的复合磁性结构的图形能够保持对称。
[0061]在本实施例中，所述第二图形层206为图形化的光刻胶层，去除所述第二图形层206的工艺为湿法清洗工艺或灰化工艺。
[0062]请参考图15、图16和图17，图17是图15和图16的俯视图，图15是图17沿AA’方向的剖面结构示意图，图16是图17沿BB’方向的剖面结构示意图。在所述开口 208的第一掩膜层204和第二掩膜层205侧壁表面形成侧墙209。
[0063]所述侧墙209和第一掩膜层204共同用于作为后续刻蚀复合磁性层203的掩膜。所述侧墙209的形成方法包括:在第一掩膜层204和第二掩膜层205表面、开口 208的侧壁和底部表面沉积侧墙薄膜；回刻蚀所述侧墙薄膜直至暴露出第一掩膜层204和第二掩膜层205表面和开口 208底部表面为止，形成侧墙209。
[0064]所述侧墙209的两侧与第一掩膜层204或第二掩膜层205的材料不同，使所述侧墙209相对于第一掩膜层204和第二掩膜层205具有刻蚀选择性，在回刻蚀侧墙薄膜时，不会损伤第一掩膜层204和第二掩膜层205表面。所述侧墙209的材料为氮化娃、氮氧化娃、氧化娃、氮化钛、无定形碳、多晶娃或无定形娃；在本实施例中，所述侧墙209的材料为无定形碳。
[0065]所述侧墙薄膜的厚度决定了所形成的侧墙209的厚度，而所述侧墙薄膜通过沉积工艺形成，在本实施例中为化学气相沉积工艺，因此所述侧墙薄膜的厚度均匀，使形成于第一掩膜层204侧壁表面和第二掩膜层205侧壁表面的侧墙209厚度相同。后续以形成于第二掩膜层205表面的侧墙209为掩膜，刻蚀形成的复合磁性结构的厚度较薄，而以形成于第一掩膜层204表面的侧墙209与第一侧墙为掩膜，刻蚀形成的复合磁性结构的厚度较厚；对于后续所形成的复合磁性结构来说，所述厚度较薄的部分复合磁性结构决定了磁场转换的方向，而所述侧墙209的厚度均匀，使后续形成于开口 208两侧的较薄的复合磁性结构厚度均匀，从而使所形成的复合磁性结构中的磁场翻转更稳定，所形成的磁性隧道结存储性能稳定、可靠性提高。在本实施例中，所述侧墙209的厚度为5纳米?50纳米。
[0066]需要说明的是，当所述侧墙的材料为SOG (Spin On Glass，旋涂玻璃)或PSG (磷硅玻璃)时，在形成侧墙209之后，还能够对所述侧墙209进行热退火工艺，使形成于开口208侧壁表面的侧壁209表面更为圆滑，从而使形成有侧壁209的开口 208图形更接近椭圆形。在本实施例中，在形成侧墙209之后进行热退火。
[0067]请参考图18，在形成侧墙209之后，对所述侧墙209进行热退火。
[0068]在本实施例中，所述侧墙的材料为SOG或PSG，在形成侧墙之后，对所述侧墙进行热退火。所述热退火工艺包括:气体为不含氧气的气体，包括氮气、氢气或惰性气体(例如氩气)，温度为300摄氏度?500摄氏度。
[0069]由于所述SOG或PSG材料为在高温环境下呈半熔融状态，因此在所述热退火工艺中，以所述SOG或PSG为材料的侧墙209会发生一定程度的回流现象(reflow)，因此在经过热退火工艺之后能够使侧墙209的表面更圆滑；后续以所述侧墙209刻蚀形成的复合磁性结构的内侧壁形貌更良好。
[0070]请参考图19、图20和图21，图21是图19和图20的俯视图，图19是图21沿AA’方向的剖面结构示意图，图20是图21沿BB’方向的剖面结构示意图。在热退火之后，去除第二掩膜层205(如图18所示);在去除第二掩膜层205之后，以侧墙209和第一掩膜层204为掩膜，刻蚀所述复合磁性层203 (如图15所示)直至暴露出第一介质层201和第一电极层202表面为止，形成复合磁性结构203a。
[0071]去除所述第二掩膜层205的工艺为湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺，由于所述第二掩膜层205的材料与第一掩膜层204或侧墙209的材料不同，因此在去除第二掩膜层205时，不会损伤第一掩膜层204或侧墙209的形貌；较佳的，去除所述第二掩膜层205的工艺为湿法刻蚀工艺，湿法刻蚀工艺去除第二掩膜层205更快速且彻底；在本实施例中，所述第二掩膜层205的材料为氧化娃,所述湿法刻蚀工艺的刻蚀液为氢氟酸。
[0072]刻蚀所述复合磁性层203之后，所形成的复合磁性结构203a与第一电极层202共同用于构成磁性隧道结，所述磁性隧道结能够用于形成磁存储器。在本实施例中，导电复合磁性层203中还包括第二电极层，则在刻蚀形成所述复合磁性结构203a之后即形成磁性隧道结结构。在另一实施例中，所述复合磁性层内不具有第二电极层，则在刻蚀形成复合磁性结构203a之后，需要在所述复合磁性结构203a的顶部表面形成第二电极层。
[0073]在本实施例中，所述刻蚀复合磁性层203的工艺为干法刻蚀工艺，且所述干法刻蚀工艺为离子派射(1ns Sputter)的刻蚀工艺。由于所述复合磁性层203内至少包括固定磁性层、磁性绝缘层和自由磁性层，其中的固定磁性层或自由磁性层的材料为多种金属构成的合金材料，因此所述复合磁性层203的材料种类复杂，所述离子溅射的刻蚀工艺能够减少对于各种类材料之间的刻蚀选择性，从而保证了刻蚀形成的复合磁性结构的形貌良好。刻蚀气体包括含有氢元素、碳元素、氮元素的气体、惰性气体，例如甲烷、氨气、氮气和氩气、氢气，所述刻蚀气体不会与复合磁性层203中的材料发生反应，而仅通过物理轰击的形式进行刻蚀，因此能够保证所形成的复合磁性结构的形貌良好。
[0074]所形成的复合磁性结构203a呈环形；所述复合磁性结构203a的外侧壁平行于衬底200表面的图形为圆形，所述圆形为前序工艺的第一掩膜层204的图形定义；所述复合磁性结构203a的内侧壁平行于衬底200表面的图形为具有相互垂直的长轴和短轴的椭圆形，所述椭圆形由所述侧墙209朝向开口 208的侧壁表面定义。由于所述复合磁性结构203a的外侧壁图形为圆形、内侧壁图形为椭圆形，使所述复合磁性结构203a内的磁场翻转方向更为稳定，从而使所形成的磁性隧道结的稳定性提高，由所述磁性隧道结形成的磁存储器的性能改善。此外，由于所述复合磁性结构203a的外侧壁图形为圆形、内侧壁图形为椭圆形，因此所述复合磁性结构203a的部分厚度较薄、部分厚度较厚，其中，所述复合磁性结构203a厚度较薄的部分决定了的磁场翻转的方向，而所述复合磁性结构203a厚度较薄的部分仅以侧墙209为掩膜刻蚀而成，且所述侧墙209的厚度均匀，因此所述复合磁性结构203a厚度较薄的部分厚度也相应均匀，使得所述复合磁性结构203a中的磁场翻转稳定性进一步提闻。
[0075]需要说明的是，在刻蚀形成复合磁性结构203a之后，去除侧墙209和第一掩膜层204，并在第一介质层表面形成覆盖所述复合磁性结构203a侧壁表面的介质层进行电隔离。
[0076]本实施例，由于所述第一掩膜层的图形为圆形，因此沿第一掩膜层刻蚀复合磁性层之后，所述复合磁性层的外侧壁平行于衬底表面的图形为圆形；其次，所述侧墙形成于开口的第一掩膜层和第二掩膜层侧壁表面，且所述开口的条形图形贯穿第一掩膜层的圆形图形，因此，沿所述侧墙刻蚀复合磁性层之后，所述复合磁性层的内侧壁平行于衬底表面的图形为椭圆形。刻蚀后的复合磁性层用于形成磁性隧道结构，且所形成的复合磁性层的外侧壁图形为圆形、内侧壁图形为椭圆形，能够使磁场在所述复合磁性层内的翻转状态更稳定，避免磁场翻转到不符合设计需求的方向、或者避免磁场发生自动翻转，从而使所形成的磁性隧道结构的稳定性提高、存储性能改善、可靠性增强。
[0077]相应的，本发明还提供一种磁性隧道结，请继续参考图19、图20和图21，包括:衬底200 ;位于所述衬底200表面的第一介质层201，所述第一介质层201内具有第一电极层202,所述第一介质层201暴露出所述第一电极层202 ;位于所述第一介质层201和第一电极层202表面的复合磁性结构203a,所述复合磁性结构203a暴露出部分第一电极层202和第一介质层201表面，所述复合磁性结构203a平行于衬底200表面方向的图形为环形，所述环形的外圈边界为圆形，所述环形的内圈边界为椭圆形。
[0078]本实施例，所述复合磁性层平行于衬底表面方向的图形为环形，所述环形的外圈边界为圆形，所述环形的内圈边界为椭圆形，在所述复合磁性层内，磁场的翻转状态更稳定，使磁场难以发生自动翻转。因此，所述磁性隧道结中的磁场翻转方向能够符合设计需求，则所述磁性隧道结的稳定性提高、存储性能改善、可靠性增强。
[0079]虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【权利要求】
1.一种磁性隧道结的形成方法，其特征在于，包括: 提供衬底，所述衬底表面具有第一介质层，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第一介质层暴露出所述第一电极层，所述第一介质层和第一电极层表面具有复合磁性层； 在所述复合磁性层表面形成第一掩膜层，所述第一掩膜层平行于衬底表面的图形为圆形，且所述第一掩膜层的位置与第一电极层的位置对应； 在所述复合磁性层表面和第一掩膜层的侧壁表面形成第二掩膜层，所述第二掩膜层的表面与第一掩膜层的表面齐平； 去除部分第一掩膜层，在第一掩膜层和第二掩膜层内形成暴露出复合磁性层的开口，所述开口平行于衬底表面的图形为条形，且所述开口的条形图形贯穿第一掩膜层的圆形图形； 在所述开口的第一掩膜层和第二掩膜层侧壁表面形成侧墙； 在形成侧墙之后，去除第二掩膜层； 在去除第二掩膜层之后，以侧墙和第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一介质层和第一电极层表面为止。
2.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述复合磁性层包括至少一层磁性层，所述磁性层包括固定磁性层、以及位于固定磁性层表面的自有磁性层，所述固定磁性层和自由磁性层之间具有磁性绝缘层进行隔离。
3.如权利要求2所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，当所述复合磁性层为多层磁性层重叠设置时，相邻磁性层之间具有第一绝缘层。
4.如权利要求2所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述复合磁性层还包括:位于顶层磁性层表面的第二电极层。
5.如权利要求4所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述复合磁性层还包括:位于第一电极层和磁性层之间的第二绝缘层；位于第二电极层和顶层磁性层之间的第三绝缘层。
6.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第一掩膜层、第二掩膜层和侧墙的材料不同。
7.如权利要求6所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第一掩膜层、第二掩膜层或侧墙的材料为氮化娃、氮氧化娃、氧化娃、氮化钛、无定形碳、多晶娃或无定形娃。
8.如权利要求6所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，当所述侧墙的材料为SOG或PSG时，在形成侧墙之后，去除第二掩膜层之前，对所述侧墙进行热退火。
9.如权利要求8所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述热退火工艺包括:气体为氮气、氢气或惰性气体，温度为300摄氏度?500摄氏度。
10.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，形成于开口第一掩膜层侧壁表面和第二掩膜层侧壁表面的侧墙厚度相同，所述侧墙的厚度为5纳米?50纳米。
11.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第一掩膜层的圆形图形的直径为第一尺寸，所述开口的宽度为第二尺寸，所述第二尺寸为第一尺寸的1/5?2/3。
12.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述开口的条形图形覆盖所述第一掩膜层的圆形图形的圆心。
13.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述开口的形成方法包括:在第一掩膜层和第二掩膜层表面形成第二图形化层，所述第二图形化层内具有沟槽，所述沟槽暴露出部分第一掩膜层和第二掩膜层表面，所述沟槽平行于衬底表面的图形为条形，且所述沟槽的条形图形贯穿第一掩膜层的圆形图形；以所述第二图形化层为掩膜层，刻蚀所述第一掩膜层直至暴露出复合磁性层为止；在刻蚀所述第一掩膜层之后，去除所述第二图形化层。
14.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述侧墙的形成方法包括:在第一掩膜层和第二掩膜层表面、开口的侧壁和底部表面沉积侧墙薄膜；回刻蚀所述侧墙薄膜直至暴露出第一掩膜层和第二掩膜层表面和开口底部表面，形成侧墙。
15.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第一掩膜层的形成方法包括:在复合磁性层表面形成第一掩膜薄膜；在所述第一掩膜薄膜表面形成第一图形化层，所述第一图形化层的图形为圆形，且所述第一图形化层的位置与第一电极层相对应；以所述第一图形化层为掩膜，刻蚀所述第一掩膜薄膜直至暴露出复合磁性层为止，形成第一掩膜层；在形成第一掩膜层之后，去除第一图形化层。
16.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第二掩膜层的形成方法包括:在复合磁性层表面和第一掩膜层表面沉积第二掩膜薄膜；对所述第二掩膜薄膜进行抛光，直至暴露出第一掩膜层表面为止，形成第二掩膜层。
17.一种采用如权利要求1至16任一项方法所形成的磁性隧道结，其特征在于，包括: 衬底； 位于所述衬底表面的第一介质层，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第一介质层暴露出所述第一电极层； 位于所述第一介质层和第一电极层表面的复合磁性层，所述复合磁性层暴露出部分第一电极层和第一介质层表面，所述复合磁性层平行于衬底表面方向的图形为环形，所述环形的外圈边界为圆形，所述环形的内圈边界为椭圆形。
【文档编号】H01L43/02GK104465984SQ201310425240
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】洪中山 申请人:中芯国际集成电路制造(北京)有限公司, 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司