专利名称：纳米环型磁隧道结的制造方法、磁阻内存的制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种纳米环型的磁隧道结的制造方法、磁阻内存的制造方法。
背景技术：
磁阻内存(Magnetic Random Access Memory, MRAM)由于具有高速、低电压、高密度、非易失性等优点，成为市场关注的存储器之一。MRAM是通过施加磁场，将信息存储到磁隧道结(Magnetic TunnelJunction, MTJ) 结构中，并通过测量通过MTJ的电流读取信息的技术。具体地，所述MTJ由两铁磁层以及位于所述两铁磁层之间的绝缘层构成。在公告号为CN 1402254C的中国专利中就公开了一种用于存储装置的MTJ结构。随着MTJ技术的发展，本领域发展了一种纳米环型的磁隧道结(Nano-ring-type Magnetic Tunnel Junction, NR-MTJ)结构，NR-MTJ具有减小磁噪音和增加存储容量等优点。结合参考图1和参考图2，分别示出了现有技术中纳米环型磁隧道结的立体示意图和俯视示意图，所述纳米环型磁隧道结为一多层膜结构，具体地，由下及上依次包括第一铁磁层101、绝缘层102、第二铁磁层103，所述多层膜结构还包括贯穿所述第一铁磁层101、绝缘层102、第二铁磁层103的贯穿孔，所述贯穿孔中填充有圆柱状的介质层，所述第一铁磁层 101、绝缘层102、第二铁磁层103均为圆环型，所述纳米环型磁隧道结的各层的径向尺寸均在纳米量级(例如25nm)的范围内。现有技术中，通常采用电子束(Electron Beam Lithography, EBL)光刻或者氩离子束蚀刻的方法制造NR-MTJ，然而，所述方法并不适合在工业产线中大量生产。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种适于量产的纳米环型磁隧道结的制造方法。为解决上述问题，本发明提供一种纳米环型磁隧道结的制造方法，包括，提供磁隧道结；在所述隧道结上形成直径为第一尺寸的第一圆柱状硬掩模；以所述第一圆柱状硬掩模为掩模蚀刻所述磁隧道结，形成圆柱状磁隧道结；从径向对所述第一圆柱状硬掩模进行修整处理，形成直径为第二尺寸的第二圆柱状硬掩模，所述第二圆柱状硬掩模露出圆环型的磁隧道结；在所述第二圆柱状硬掩模露出的磁隧道结上沉积介质材料，形成第一介质层； 去除所述第二圆柱状硬掩模，形成由所述第一介质层和磁隧道结围成的开口 ；去除所述开口露出的磁隧道结直至形成贯穿所述磁隧道结的贯穿孔，向所述贯穿孔中沉积介质材料， 形成填充于所述贯穿孔中的第二介质层。相应地，本发明还提供一种磁阻内存的制造方法，包括在衬底上形成第一电极； 在第一电极上形成磁隧道结；在所述隧道结上形成直径为第一尺寸的第一圆柱状硬掩模； 以所述第一圆柱状硬掩模为掩模蚀刻所述磁隧道结，形成圆柱状磁隧道结；从径向对所述第一圆柱状硬掩模进行修整处理，形成直径为第二尺寸的第二圆柱状硬掩模，所述第二圆柱状硬掩模露出圆环型的磁隧道结；在所述第二圆柱状硬掩模露出的磁隧道结上沉积介质材料，形成第一介质层；去除所述第二圆柱状硬掩模，形成由所述第一介质层和磁隧道结围成的开口 ；去除所述开口露出的磁隧道结直至形成贯穿所述磁隧道结的贯穿孔，向所述贯穿孔中沉积介质材料，形成填充于所述贯穿孔中的第二介质层；在所述第二介质层上形成覆盖于所述磁隧道结上的第二电极。与现有技术相比，本发明具有以下优点所述纳米环型磁隧道结的制造方法所采用的工艺方法均可在现有的产业线上实现，可以进行大量生产。
图1是现有技术纳米环型磁隧道结的立体示意图；图2是图1所示纳米环型磁隧道结的俯视示意图；图3是本发明磁隧道结的制造方法一实施方式的流程示意图；图4至图12是本发明磁隧道结的制造方法型成的磁隧道结一实施例的侧面结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。正如背景技术所述，现有技术中制造纳米环型的磁隧道结时采用电子束光刻或者氩离子束蚀刻的方法，这中制造方法不能在现有工业产线上进行大规模制造，无法进行量产。针对上述问题，本发明的发明人提供一种纳米环型磁隧道结的制造方法，用于制造纳米环型的磁隧道结，本发明磁隧道结的制造方法均采用工业产线上常用的光刻和蚀刻方法，便于进行量产。参考图3，示出了本发明磁隧道结的制造方法一实施方式的流程示意图，，本实施例中，所述磁隧道结应用于磁阻内存中，所述制造方法包括以下步骤步骤Si，在衬底上依次形成第一电极、磁隧道结；步骤S2，在所述磁隧道结上形成第一圆柱状硬掩模；步骤S3，以所述第一圆柱状硬掩模为掩模图形化所述磁隧道结，形成圆柱状磁隧道结；步骤S4，对所述第一圆柱状硬掩模进行修整处理，形成第二圆柱状硬掩模；步骤S5，在第二圆柱状硬掩模露出的磁隧道结上以及磁隧道结露出的第一电极上沉积介质材料，形成第一介质层；步骤S6，去除所述第二圆柱状硬掩模，形成第一介质层与磁隧道结围成的开口 ；步骤S7,去除所述开口露出的磁隧道结，直至露出第一电极，形成贯穿所述磁隧道结的贯穿孔；
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步骤S8，向所述贯穿孔沉积介质材料，形成第二介质层，在所述磁隧道结上形成第二电极。下面结合附图对各步骤进行详细说明。执行步骤Si，如图4所示，所述衬底可以是单晶硅或硅锗；也可以是绝缘体上硅 (Silicon on insulator, SOI)；在所述衬底上形成第一电极的步骤包括在衬底上形成层间介质层201 ；图形化所述层间介质层201，形成贯穿所述层间介质层201的贯穿孔；向所述贯穿孔中沉积导电材料，直至填满所述贯穿孔，从而完成第一电极202的制造，所述第一电极202连接后续形成的纳米环型磁隧道结与写入电路或读取电路，以实现磁阻内存的信息存储。之后，依次在所述第一电极202上形成第一铁磁层203、绝缘层204和第二铁磁层 205，从而形成了位于第一电极202上的磁隧道结。具体地，所述第一铁磁层203和第二铁磁层205的材料为铁、锰、钴等铁磁材料；所述第一电极202可以是金属等导电材料，例如， 所述第一电极202的材料为铜或铝。执行步骤S2，如图5所示，在所述磁隧道结上形成第一圆柱状硬掩模的步骤包括 在第二铁磁层205上沉积介质材料，形成硬掩模层212 ；在所述硬掩模层212上形成圆柱状的光刻胶图形207 ；以所述光刻胶图形207为掩模蚀刻所述硬掩模层212，直至露出第二铁磁层205。从而形成位于磁隧道结上的第一圆柱状硬掩模213(如图6所示)。需要说明的是，在后续步骤中，以所述第一圆柱状硬掩模213为掩模蚀刻所述磁隧道结，以形成所述纳米环型磁隧道结的外径部分，因此所述第一圆柱状硬掩模213的尺寸与即将形成的纳米环型磁隧道结的外径尺寸相同，相应地，用于形成第一圆柱状硬掩模 213的圆柱状的光刻胶图形207的尺寸也与纳米环型的磁隧道结的外径尺寸相同，例如，需形成外径尺寸为90 IlOnm的纳米环型磁隧道结，相应地，所述圆柱状的光刻胶图形207、 所述第一圆柱状硬掩模213的直径与纳米环形磁隧道结的尺寸相同，均位于90 IlOnm的范围内。还需要说明的是，由于后续还进行对所述第一圆柱状硬掩模213进行修整以形成第二圆柱状硬掩模、去除第二圆柱状硬掩模等的工艺步骤，因此需选择硬掩模材料时选择在这些工艺中相对于第二铁磁层205具有较大选择比的材料作为第一圆柱状硬掩模213。 具体地，所述第一圆柱状硬掩模213的材料为无定形碳或氮化硅。还需要说明的是，为了使本发明形成的磁隧道结与第一电极202有良好的电连接特性，所述磁隧道结与第一电极202的接触面积最大，即所述磁隧道结完全位于所述第一电极202上。执行步骤S3，如图7所示，以所述第一圆柱状硬掩模213为掩模蚀刻磁隧道结，直至露出第一电极，形成圆柱状的磁隧道结，所述圆柱状的磁隧道结与第一圆柱状硬掩模213 的直径相同。执行步骤S4，如图8所示，对所述第一圆柱状硬掩模213进行修整处理使，从径向减小第一圆柱状硬掩模213的尺寸，以减小第一圆柱状硬掩模213的直径，形成第二圆柱状硬掩模206。此外，从第一圆柱状硬掩模213的径向去除相同厚度的硬掩模材料，以便于使第二圆柱硬掩模206与第一圆柱状硬掩模213的圆心重合，即使第二圆柱硬掩模206与圆柱状的隧道结的圆心重合。
具体地，所述修整步骤包括对所述第一圆柱状硬掩模213进行蚀刻。本实施例中， 所述蚀刻可以是干刻法或湿刻法，例如，所述第一圆柱状硬掩模213的材料为无定形碳，可采用灰化方法去除第一圆柱状硬掩模213的部分材料；又例如所述第一圆柱状硬掩模213 的材料为氮化硅，可采用磷酸溶液的湿刻法去除第一圆柱状硬掩模213的部分材料，或者采用四氟化碳的干刻法去除第一圆柱状硬掩模213的部分材料，所述修整步骤与现有技术相同，在次不再赘述。需要说明的是，在后续步骤中，需要去除第二圆柱状硬掩模206，以形成开口，并去除所述开口露出的磁隧道结，以形成纳米环型的磁隧道结的内径部分，所以经过修整处理后形成的第二圆柱状硬掩模206的尺寸需与即将形成的纳米环型的磁隧道结的内径尺寸相同。例如，纳米环型的磁隧道结的内径尺寸为40 60nm，相应地，在修整工艺中需控制对第二圆柱状硬掩模206的蚀刻量，使经过修整工艺形成的第二圆柱状硬掩模206的直径与纳米环型的磁隧道结的内径尺寸相同。具体地，所述第二圆柱状硬掩模206的直径位于 40 60nm的范围内。在执行完步骤S4后，第二圆柱状硬掩模206露出的磁隧道结呈圆环状。执行步骤S5，如图9所示，在第二圆柱状硬掩模206露出的圆环状的磁隧道结上、 以及磁隧道结露出的第一电极202上沉积介质材料，形成第一介质层208。需要说明的是，后续还包括去除所述第二圆柱状硬掩模206，形成由第一介质层 208与磁隧道结围成的开口的步骤，因此，在对第一介质层208的材料进行选择时，需选择去除工艺对所述第一介质层208选择比较小的材料，例如第一介质层208的材料为氧化硅。此外，对于第一介质层208的厚度较大，以至于覆盖第二圆柱状硬掩模206的情况，在执行步骤S5之后，较佳地，通过平坦化工艺去除第二圆柱状硬掩模206上方的介质材料，露出第二圆柱状硬掩模206，以便于进行后续去除第二圆柱状硬掩模206的步骤，具体地，所述平坦化工艺为化学机械研磨工艺(Chemical Mechanical Polishing，CMP)。执行步骤S6，如图10所示，具体地，所述第二圆柱状硬掩模206 (第一圆柱状硬掩模21 的材料为无定形碳，可采用灰化方法去除所述第二圆柱状硬掩模206 ；或者，第二圆柱状硬掩模206(第一圆柱状硬掩模21 的材料为氮化硅，可采用磷酸溶液的湿刻法去除二圆柱状硬掩模206。从而在第二圆柱状硬掩模206原来占据的位置处形成由第一介质层 208和第二铁磁层205围成的开口 210。由于所述第二圆柱状硬掩模206为圆柱状，相应地，所述开口 210也为圆柱状，相应地，所述圆柱状的开口 210与圆柱状的第二圆柱状硬掩模206的直径相同，均等于纳米环型的磁隧道结的内径尺寸，具体地，所述圆柱状的开口 210的尺寸也位于40 60nm的范围内。执行步骤S7，如图11所示，通过干刻方法蚀刻所述开口 210露出的磁隧道结，直至露出第一电极，从而形成贯穿所述磁隧道结的贯穿孔214，所述贯穿孔214构成纳米环型磁隧道结的内径部分。相应地，所述贯穿孔214呈圆柱状，且所述贯穿孔214和开口 210的直径相同。执行步骤S8，如图12所示，向所述贯穿孔214中填充介质材料，形成填充于贯穿孔 214中的第二介质层215。至此完成了至此完成了外径尺寸为90 llOnm，内径尺寸为40 60nm的纳米环型磁隧道结的制造过程。较佳地，在形成第二介质层215之后，通过平坦化工艺去除覆盖于磁隧道结上的过多的介质层材料，以露出磁隧道结，便于在磁隧道结上形成第二电极。之后，形成覆盖于所述磁隧道结上、且镶嵌于第二介质层215中的导电材料层，所述导电材料层构成第二电极211，所述第二电极211可以是铜或铝，所述第二电极211的制造方法与现有技术相同，在此不再赘述。所述第二电极211为磁阻内存中，用于实现纳米环型磁隧道结与写入电路或读取电路电连接，以实现磁阻内存信息存储的连接件。本发明提供的纳米环型磁隧道结的制造过程中所采用的工艺方法均可在现有的产业线(例如，工艺节点大于130nm的产线)上实现，可以进行大量生产。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，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
1.一种纳米环型磁隧道结的制造方法，其特征在于，包括，提供磁隧道结；在所述隧道结上形成直径为第一尺寸的第一圆柱状硬掩模；以所述第一圆柱状硬掩模为模蚀刻所述磁隧道结，形成圆柱状磁隧道结；从径向对所述第一圆柱状硬掩模进行修整处理，形成直径为第二尺寸的第二圆柱状硬掩模，所述第二圆柱状硬掩模露出圆环型的磁隧道结；在所述第二圆柱状硬掩模露出的磁隧道结上沉积介质材料，形成第一介质层；去除所述第二圆柱状硬掩模，形成由所述第一介质层和磁隧道结围成的开口 ；去除所述开口露出的磁隧道结直至形成贯穿所述磁隧道结的贯穿孔，向所述贯穿孔中沉积介质材料，形成填充于所述贯穿孔中的第二介质层。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一圆柱状硬掩模和第二圆柱状硬掩模的轴重合。
3 如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一尺寸位于90 IlOnm的范围内；第二尺寸位于40 60nm的范围内。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一圆柱状硬掩模和第二圆柱状硬掩模的材料为无定形碳或氮化硅。
5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一圆柱状硬掩模的材料为无定形碳，通过灰化方法对所述第一圆柱状硬掩模进行修整处理；通过灰化方法去除第二圆柱状硬掩模。
6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一圆柱状硬掩模的材料为氮化硅，通过磷酸溶液对所述第一圆柱状硬掩模进行湿刻，以进行修整处理；通过磷酸溶液去除第二圆柱状硬掩模。
7.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述第二圆柱状硬掩模露出的磁隧道结上沉积介质材料，形成第一介质层的步骤包括在所述第二圆柱状硬掩模露出的磁隧道结上沉积介质材料，直至所述介质材料覆盖于第二圆柱状硬掩膜上；通过平坦化工艺去第二圆柱状硬掩模上的介质材料，露出所述第二圆柱状硬掩模，形成第一介质层。
8.—种磁阻内存的制造方法，其特征在于，包括在衬底上形成第一电极；在第一电极上形成磁隧道结；在所述隧道结上形成直径为第一尺寸的第一圆柱状硬掩模；以所述第一圆柱状硬掩模为掩模蚀刻所述磁隧道结，形成圆柱状磁隧道结；从径向对所述第一圆柱状硬掩模进行修整处理，形成直径为第二尺寸的第二圆柱状硬掩模，所述第二圆柱状硬掩模露出圆环型的磁隧道结；在所述第二圆柱状硬掩模露出的磁隧道结上沉积介质材料，形成第一介质层；去除所述第二圆柱状硬掩模，形成由所述第一介质层和磁隧道结围成的开口 ； 去除所述开口露出的磁隧道结直至形成贯穿所述磁隧道结的贯穿孔，向所述贯穿孔中沉积介质材料，形成填充于所述贯穿孔中的第二介质层；在所述第二介质层上形成覆盖于所述磁隧道结上的第二电极。
9.如权利要求8所述的磁阻内存的制造方法，其特征在于，所述第一电极和第二电极为铜层或铝层。
10.如权利要求8所述的磁阻内存的制造方法，其特征在于，所述磁隧道结位于所述第一电极上，且磁隧道结与第一电极的接触面积最大。
全文摘要
一种纳米环型磁隧道结的制造方法、磁阻内存的制造方法，包括，提供磁隧道结；在隧道结上形成直径为第一尺寸的第一圆柱状硬掩模；以第一圆柱状硬掩模为掩模蚀刻磁隧道结，形成圆柱状磁隧道结；从径向对第一圆柱状硬掩模进行修整处理，形成直径为第二尺寸的第二圆柱状硬掩模，第二圆柱状硬掩模露出圆环型的磁隧道结；在第二圆柱状硬掩模露出的磁隧道结上沉积介质材料，形成第一介质层；去除第二圆柱状硬掩模，形成由第一介质层和磁隧道结围成的开口；去除开口露出的磁隧道结直至形成贯穿磁隧道结的贯穿孔，向贯穿孔中沉积介质材料，形成填充于贯穿孔中的第二介质层。本发明中的工艺可在现有产业线上实现，可实现量产。
文档编号B82Y40/00GK102479920SQ20101056818
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者倪景华 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司