一种四层掩模图案化磁性隧道结的方法与流程

本发明涉及一种制作磁性隧道结(mtj，magnetictunneljunction)的方法，特别涉及一种在193nm或者更超精细光刻技术条件下，用四层掩模(qlm，quad-layermask)图案化形成磁性隧道结的方法，属于磁性随机存储器(mram，magneticradomaccessmemory)制造技术领域。

背景技术：

近年来，采用mtj的磁电阻效应的mram被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性mtj通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。

为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(stt，spintransfertorque)转换技术的写方法，这样的mram称为stt-mram。根据磁极化方向的不同，stt-mram又分为面内stt-mram和垂直stt-mram(即pstt-mram)，后者有更好的性能。依此方法，即可通过向磁电阻元件提供自旋极化电流来反转磁性记忆层的磁化强度方向。此外，随着磁性记忆层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。因此，这种写方法可同时实现器件微型化和降低电流。

同时，鉴于减小mtj元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pstt-mram可以很好的与最先进的技术节点相契合。因此，期望是将pstt-mram元件做成极小尺寸，并具有非常好的均匀性，以及把对mtj磁性的影响减至最小，所采用的制备方法还可实现高良莠率、高精确读、高可靠写、低能耗，以及保持适于数据良好保存的温度系数。同时，非易失性记忆体中写操作是基于阻态变化，从而需要控制由此引起的对mtj记忆器件寿命的破坏与缩短。

然而，制备一个小型mtj元件可能会增加mtj电阻的波动，使得pstt-mram的写电压或电流也会随之有较大的波动，这样会损伤mram的性能。在当前的mram制造工艺中，重金属(比如钽)会沉积在mtj的顶部，既作为mtj刻蚀用的硬掩模，也作为顶电极导电通道。制备65nm或更小尺寸的mtj单元需要193nm或更精细的光刻技术，这样就使得光刻胶层的厚度被限制在之内。但是，较薄的光刻胶层就需要配合较薄的钽(ta)硬掩模层，以保证在进行刻蚀图案转移过程中，光刻掩模消耗完之前已完全形成硬掩模图案。因此，一方面，钽(ta) 膜层需要有足够的厚度来完成mtj的完全刻蚀；另一方面，钽(ta)膜层又不能太厚，太厚的话会需要光刻胶掩模也要随之更厚以实现图案转移，并且光刻胶厚度的增加还会加大光刻胶图案崩塌的趋势，从而导致更多的返工与更高的成本。不幸的是，薄的钽(ta)硬掩模层会导致电流短路的这一潜在问题，并且因为在图案转移过程中，硬掩模也会受侵蚀，从而限制了刻蚀形成mtj图案的可用时间。因此，在制备65nm或更小尺寸的mtj单元时，必须使用不同于简单钽(ta)硬掩模的其它方案。

为了克服上述单层钽(ta)硬掩模的缺点，美国专利8,722,543公开了一种双层硬掩摸图案转移方法，使得位于底电极(be，bottomelectrode)之上的mtj被图案化。这种双层硬掩模，包括第一层掩模钽(ta)，以及位于钽(ta)层之上的一层介电层(sin或sio2等)。然而，对于193nm或更精细的光刻技术，在钽(ta)膜被完全刻蚀掉之前，光刻胶与抗反射层(arl，anti-reflectionlayer)不足以保护介电层免于被暴露出来。在钽(ta)掩模已完全被过刻蚀之前，介电层掩模也几乎被刻蚀殚尽。因此，钽(ta)膜掩模很难形成清晰锐利的侧壁，导致轮廓不清的掩模，从而影响下面的mtj图案。

另外，在标准的互补金属氧化物半导体(cmos)工艺之中，当线宽为65nm及以下时，多层掩模也被广泛用于刻蚀浅沟道，门极等多种结构单元(见美国专利：8,946,091)，从而获得清晰的结构。

技术实现要素：

本发明有助于构建具有极小尺寸的mtj，以解决在制备65nm或更小尺寸的mtj单元时，在图形化转移工程中遇到的一系列问题。比如：光刻胶太薄，ta对sin(或sio2)选择比过低，造成的钽掩模在mtj刻蚀之前被过度消耗，以及最后造成的mram电路位线和mtj单元之间的短路。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种四层掩模图案化磁性隧道结的方法。qlm的具体结构为：重金属钽(ta)膜层；介电层(sin，sion或者sio2)；碳膜层；含硅的抗反射层依次向上层叠。

mtj的图案化，首先通过cf4，ch2f2或者sf6等为主刻蚀气体的干刻工艺使图案从光刻胶掩模转移到含硅的抗反射层；

然后，通过so2/o2，hbr/o2，n2/h2或者ch4/o2/n2/ar等为主刻蚀气体的干刻蚀工艺使图案转移到下面的碳膜层；

接着，通过cf4等为主刻蚀气体的干刻工艺再转移到介电膜层，最后通过主刻蚀气体为cf4，cl2/ar，ch4/ar，chf3/o2或者chf3/n2等的刻蚀工艺使图案转移到重金属钽(ta)层。

本发明具体的技术方案如下：

一种四层掩模图案化磁性隧道结的方法，包括以下具体步骤：

步骤1：在基底上形成磁性隧道结膜层单元；

步骤1.1：形成种子基层；

步骤1.2：在种子基层上形成磁性记忆功能单元；

步骤1.2.1a：在种子基层上形成磁性记忆层；

步骤1.2.2a：在磁性记忆层上形成隧道势垒层；

步骤1.2.3a：在隧道势垒层上形成磁性参考层；

或者：

步骤1.2.1b：在种子基层上形成磁性参考层；

步骤1.2.2b：在磁性参考层上形成隧道势垒层；

步骤1.2.3b：在隧道势垒层上形成磁性记忆层；

步骤1.3：在磁性记忆功能单元上形成覆盖层。

步骤2：在磁性隧道结膜层单元上形成四层掩模膜层单元；

步骤2.1：在磁性隧道结膜层单元上形成钽膜层，钽膜层的厚度为40～100nm；

步骤2.2：在钽掩模膜层上形成介电层，介电层的厚度为20～200nm；

步骤2.3：在介电膜层上形成碳膜层，碳膜层的厚度为20～200nm；

步骤2.4：在碳膜层上形成含硅的抗反射层，含硅的抗反射层的厚度为30～100nm。

步骤3：在四层掩模膜层单元上形成光刻胶单元；

步骤4：通过光刻将光刻胶单元图案化；

步骤5：将四层掩模膜层单元图案化；

步骤5.1：含硅的抗反射层图案化。其具体步骤是为：用已图案化的光刻胶单元作为掩模，采用反应离子束刻蚀形成含硅的抗反射层图案，主刻蚀气体为cf4，ch2f2或者sf6等，此步完成后还有部分光刻胶在含硅的抗反射层之上；

步骤5.2：碳膜层图案化。其具体步骤是为：用已经图案化的光刻胶和含硅的抗反射层作为掩模来刻蚀碳膜层，以获得图案化的碳膜层，主刻蚀气体为so2/o2，n2/h2，hbr/o2或者ch4/o2/n2/ar等，在此步结束之后，被图案化的含硅的抗反射层将会被保留；

步骤5.3：介电层图案化。其具体步骤是为：用已经图案化的含硅的抗反射层和碳膜层作为掩模，通过主要为cf4等为主刻蚀气体的干刻蚀工艺来刻蚀介电层，将介电层图案化；在第一介电层图案化的过程中，含硅的抗反射层将会被消耗掉；

步骤5.4：钽膜层图案化。其具体步骤是为：通过已经图案化的介电膜层，将钽膜层图案化；此步的主刻蚀气体为cf4，cl2/ar，ch4/ar，chf3/o2或者chf3/n2等；通过调整碳膜层的厚度，完成图形化转移之后，介电层将完全或部分的保留。

步骤6：将磁性隧道结膜层单元图案化。其具体步骤是：用已图案化的四层掩模膜层单元作为掩模，通过反应离子刻蚀对磁性隧道结膜层单元进行刻蚀，反应离子束刻蚀的主刻蚀气体为甲醇、乙醇或co/nh3等。

步骤7：用离子束刻蚀对被破坏的图案化磁性隧道结膜层单元侧壁进行修整；从而改善已图案化的磁性隧道结膜层单元被破坏的侧壁。

步骤8：用氮化硅层包覆图案化后的磁性隧道结膜层单元，具体而言是对经离子束刻蚀修整后的磁性隧道结膜层单元用氮化硅将侧壁立即保护起来。

本发明的有益效果：在制备65nm以及以下mram电路时，本发明的qlm结构有效的解决了193nm或者更细曝光条件下，所用的光刻胶过薄和弱，不足以完成mtj图案化转移，同时，比现有的双层硬掩模提供了更多的牺牲层，在mtj刻蚀之前，钽(ta)掩模不会发生扭曲，膜厚不会变薄。从而有效的改善了钽(ta)模刻蚀过后的图案和轮廓，以及消除了钽(ta)模在mtj刻蚀之前的消耗，降低了mram电路位线和mtj单元短路的风险。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1：根据本发明的四层掩模(qlm)图案化磁性隧道结的方法，qlm依次沉积在mtj膜层上，通过光刻图形化定义mtj图案后的示意图；

图2：根据本发明的四层掩模(qlm)图案化磁性隧道结的方法，含硅的抗反射层刻蚀之后的示意图；

图3：根据本发明的四层掩模(qlm)图案化磁性隧道结的方法，碳膜层刻蚀之后的示意图；

图4：根据本发明的四层掩模(qlm)图案化磁性隧道结的方法，介电层刻蚀之后的示意图；

图5：根据本发明的四层掩模(qlm)图案化磁性隧道结的方法，钽(ta)膜刻蚀之后，并用氧气灰化掉剩余的有机物和碳膜层之后的剖面示意图；

图6：根据本发明的四层掩模(qlm)图案化磁性隧道结的方法，mtj刻蚀完并用离子束修剪之后的示意图；

图7：根据本发明的四层掩模(qlm)图案化磁性隧道结的方法，氮化硅层包覆图案化后的mtj膜层单元之后的示意图；

图中所示：100-基底，101-mtj膜层，102-钽(ta)膜层，103-介电层，104-碳膜层，105-含硅的抗反射层，106-pr，107-氮化硅。

具体实施方式

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。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

一种四层掩模图案化mtj的方法，包括但不只限于制备磁性随机存储器(mram)，也不限于任何工艺顺序或流程，只要制备得到的产品或装置与以下优选工艺顺序或流程制备得到的相同或相似。该方法包括：

步骤一、在基底上形成mtj膜层单元；

步骤二、在mtj膜层单元上形成qlm膜层单元；

步骤三、在qlm膜层单元上形成光刻胶(pr，photoresist)单元；

步骤四、通过光刻工艺将光刻胶单元图案化；

步骤五、将qlm膜层单元图案化；

步骤六、将mtj膜层单元图案化；

步骤七、用离子束刻蚀对被破坏的图案化磁性隧道结膜层单元侧壁进行修整；

步骤八、用氮化硅层包覆图案化后的mtj膜层单元。

以下结合附图，对实施例做详细说明。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等，与其实际值并非完全一致。

如图1所示，尽管产品制备具有多种工艺顺序，优选的是在已制备完成的底电极(be，bottomelectrode)基底100上制备mtj膜层单元101，其中，在制备mtj之前，依次层叠一系列必需的膜以形成mtj的功能基础。

形成qlm的步骤：

先形成金属钽(ta)膜层102，优选厚度为40～100nm，钽(ta)膜层102可以使用钽(ta)靶，通过物理溅射或离子束沉积等方法形成。

下一步，在钽(ta)膜层102之上形成介电层103(sin，sion或者sio2)，优选厚度为20～200nm。介电层103若为sin，可以采用以下的一种或多种方法制成：a)化学气相沉积，采用的反应剂含si、n和h；b)物理溅射沉积，使用si靶，溅射气体采用ar+n2或ar+nh3；介电层103若为sion，采用以下的一种或多种方法制成：a)化学气相沉积，采用的反应剂含si、o、n和h；b)物理溅射沉积，使用si靶，溅射气体含ar、o和n；介电层103若为sio2，采用以下的一种或多种方法制成：a)化学气相沉积，采用的反应剂含si、h和o；b)氧化硅旋涂技术；c)物理溅射沉积，使用si靶或sio2靶，溅射气体采用ar或ar+o2；d)离子束沉积，使用sio2靶。

接着，在介电层103上形成碳膜层104，优选厚度为20～200nm。碳膜层104可以采用以下的一种或多种方法制成：a)化学气相沉积，采用的反应剂含c、h和o等；b)旋涂技术；c)物理溅射沉积，用碳作靶材；d)离子束沉积，用碳作靶材。

然后，在qlm的碳膜层104上形成含硅的抗反射层105和光刻胶层(pr)106，含硅的抗反射层105的优选厚度为30～100nm，可以采用以下一种或多种方法：a)化学气相沉积，反应剂包含si、c、n、h和o中的几种；b)硅化物旋涂技术。

最后，形成光刻胶层106的图案，如图1所示。

如图2所示，图形化转移mtj图案从光刻胶层106到含硅的抗反射层105。此步骤采用反应离子(rie，reactiveionetching)来实现，反应主刻蚀气体为cf4，ch2f2或者sf6等。此步完成后还有部分光刻胶层106在含硅的抗反射层105之上。

如图3所示，以已经图案化的光刻胶层106和含硅的抗反射层105作为掩模来刻蚀碳膜层104以获得图案化的碳膜层。在此步中，主刻蚀气体为so2/o2，hbr/o2，n2/h2或者ch4/o2/n2/ar等，在此步结束之后，被图案化的含硅的抗反射层将会被保留。

如图4所示，以已经图案化的含硅的抗反射层105和碳膜层104作为掩模，通过含cf4等为主刻蚀气体的干刻蚀工艺来刻蚀介电层103，使得介电层103得以图案化。在图案化的过程中，含硅的抗反射层105将会被消耗掉。

如图5所示，通过已经图案化的介电层103对钽(ta)掩模膜层102进行图案化。此步的主要刻蚀气体为cf4，cl2/ar，ch4/ar，chf3/o2或者chf3/n2等。通过调控碳掩模膜层104的厚度，可以选择完全或者部分的保留介电层。完成图形化转移之后，用氧气灰化工艺除掉残留的有机物和碳层。

在这之后，用已图案化的介电层103和钽(ta)膜层102作为掩模，通过刻蚀形成基底100之上的mtj膜层101的图案，主要刻蚀气体包含作为刻蚀剂的甲醇(ch3oh)、乙醇(ch3ch2oh)或者co+nh3等。然后，通过采用ar或ar+o2气体的离子束修整工艺，对被破坏的图案化磁性隧道结膜层单元侧壁进行修整。最终，在基底100上形成磁性独立的mtj单元，如图6所示。

最后，用氮化硅层包覆图案化后的mtj膜层单元，如图7所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。