一种半导体器件及其制造方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种半导体器件的制造方法。

背景技术：

在半导体技术领域中，磁随机存取存储器(mram)是一种非挥发性的存储器，所谓“非挥发性”是指关掉电源后，仍可以保持记忆完整。在性能方面，mram不仅具有动态随机存储器(dram)的高集成度，而且拥有静态随机存储器(sram)的高速读取写入能力，以及闪存(flash)的非易失性，同时可以承受无限次地重复写入，是一种“全功能”的固态存储器。除此之外，由于其磁体本质上是抗辐射的，使其具有极高的可靠性，并且mram单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中。因而其应用前景非常可观，有望主导下一代存储器市场。

mram单元通常由一个晶体管和一个磁性隧道结(mtj)共同组成一个存储单元。所述mtj结构包括至少两个电磁层以及用于隔离所述两个电磁层的绝缘层。所述两个电磁层可以维持由绝缘层分隔的两个磁性极化场，其中之一为钉扎(pinned)层，其极化方向是固定的；另一个是自由转动磁性层，其极化方向可以随外部场的变化而改变。当两个电磁层的极化方向平行时，流经mtj结构的隧穿电流具有最大值，mtj结构单元电阻较低；当两个磁性层的极化方向反平行时，流经mtj结构的隧穿电流具有最小值，mtj结构单元电阻较高。通过测量mram单元的电阻来读取信息，这就是mtj结构的工作原理。

通过对比水平磁记录模式和垂直磁记录模式，可以知道：水平磁记录模式在低记录密度时是稳定的，而垂直磁记录模式则在高记录密度时是稳定的，二者的这个本质区别决定了磁记录模式必然由传统的水平磁记录向垂直磁记录方向发展。

当前，存储器件正朝着小型化、高密度的趋势发展。制造高性能微小尺寸(纳米级)环形磁性隧道结，有利于提高器件的集成密度和热稳定性，因此，微小尺寸环形垂直磁性隧道结为高密度mram的开发提供了一条新的途径，有望成为下一代mram的优选结构。

针对现有技术的不足，本发明提出一种新的半导体器件的制造方法。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的制造方法，所述方法包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有钉扎层和掩膜层，所述掩膜层中形成有圆形开口图案；

在所述圆形开口内自下而上依次形成嫁接层和嵌段共聚物材料层；

对所述嵌段共聚物材料层进行自组装处理，以在所述开口的侧壁上形成依次设置的第二单体、第一单体和第二单体；

去除所述第一单体，以在所述第二单体之间形成环形开口；

以所述第二单体为掩膜，蚀刻所述钉扎层，以形成第一环形钉扎层和第二环形钉扎层，所述第一环形钉扎层和第二环形钉扎层之间形成有环形开口；

在所述环形开口中形成依次设置的第一隧道阻挡层、自由转动磁性层和第二隧道阻挡层。

进一步，所述掩膜层包括sin。

进一步，所述嵌段共聚物材料层包括聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物(ps-b-pmma)。

进一步，所述自组装处理包括退火处理。

进一步，所述第一单体包括聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，所述第二单体包括聚苯乙烯(ps)。

进一步，所述第一单体被选择性去除。

进一步，所述第二单体为中空的环形结构。

进一步，蚀刻所述钉扎层之前还包括去除所述掩膜层的步骤。

进一步，由所述第一钉扎层、第一隧道阻挡层、自由转动磁性层、第二隧道阻挡层和第二钉扎层共同构成磁性隧道结(mtj)。

进一步，所述mtj为微小尺寸环形垂直结构。

本发明还提供一种采用上述制造方法形成的半导体器件，包括：

半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成的微小尺寸环形垂直磁性隧道结；

所述微小尺寸环形垂直磁性隧道结至少包括由内至外依次设置的第一钉扎层、第一隧道阻挡层、自由转动磁性层、第二隧道阻挡层和第二钉扎层。

根据本发明实施例提供的半导体器件的制造方法，利用嵌段共聚物的自组装形成环形开口，通过沉积、光刻蚀、蚀刻等方法形成由内至外依次设置的第一钉扎层、第一隧道阻挡层、自由转动磁性层第二隧道阻挡层和第二钉扎层，构成了环形垂直磁性隧道结结构，微小尺寸环形磁性隧道结提高了器件的集成密度，为高密度mram的开发提供了一条新的途径。

附图说明

通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

附图中：

图1a-1f是根据本发明示例性实施例一的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图；图1a-1f是根据本发明示例性实施例一的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性俯视图；图1g为图1f的局部放大图。

图2是根据本发明示例性实施例一的一种半导体器件的制造方法的示意性流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

在半导体技术领域中，磁随机存取存储器(mram)是一种非挥发性的存储器，所谓“非挥发性”是指关掉电源后，仍可以保持记忆完整。在性能方面，mram不仅具有动态随机存储器(dram)的高集成度，而且拥有静态随机存储器(sram)的高速读取写入能力，以及闪存(flash)的非易失性，同时可以承受无限次地重复写入，是一种“全功能”的固态存储器。除此之外，由于其磁体本质上是抗辐射的，使其具有极高的可靠性，并且mram单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中。因而其应用前景非常可观，有望主导下一代存储器市场。

通过对比水平磁记录模式和垂直磁记录模式，可以知道：水平磁记录模式在低记录密度时是稳定的，而垂直磁记录模式则在高记录密度时是稳定的，二者的这个本质区别决定了磁记录模式必然由传统的水平磁记录向垂直磁记录方向发展。

当前，存储器件正朝着小型化、高密度的趋势发展。制造高性能微小尺寸(纳米级)环形磁性隧道结，有利于提高器件的集成密度和热稳定性，因此，微小尺寸环形垂直磁性隧道结为高密度mram的开发提供了一条新的途径，有望成为下一代mram的优选结构。

因此，微小尺寸环形垂直磁性隧道结为高密度mram的开发提供了一条新的途径，有望成为下一代mram的优选结构。

针对现有技术的不足，本发明提出一种新的半导体器件的制造方法。

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有钉扎层和掩膜层，所述掩膜层中形成有圆形开口图案；

在所述圆形开口内自下而上依次形成嫁接层和嵌段共聚物材料层；

对所述嵌段共聚物材料层进行自组装处理，以在所述开口的侧壁上形成依次设置的第二单体、第一单体和第二单体；

去除所述第一单体，以在所述第二单体之间形成环形开口；

以所述第二单体为掩膜，蚀刻所述钉扎层，以形成第一环形钉扎层和第二环形钉扎层，所述第一环形钉扎层和第二环形钉扎层之间形成有环形开口；

在所述环形开口中形成依次设置的第一隧道阻挡层、自由转动磁性层和第二隧道阻挡层。

其中，所述嵌段共聚物材料层包括聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物(ps-b-pmma)，所述自组装处理包括退火处理，所述第一单体包括聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，所述第二单体包括聚苯乙烯(ps)。由所述第一钉扎层、第一隧道阻挡层、自由转动磁性层第二隧道阻挡层和第二钉扎层共同构成mtj，所述mtj为微小尺寸环形垂直结构。

根据本发明实施例提供的半导体器件的制造方法，利用嵌段共聚物的自组装形成环形开口，通过沉积、光刻蚀、蚀刻等方法形成由内至外依次设置的第一钉扎层、第一隧道阻挡层、自由转动磁性层第二隧道阻挡层和第二钉扎层，构成了环形垂直磁性隧道结结构，微小尺寸环形磁性隧道结提高了器件的集成密度，为高密度mram的开发提供了一条新的途径。

[实施例一]

参照图1a-1f，其中示出了根据本发明示例性实施例一的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图；图1a-1f是根据本发明示例性实施例一的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性俯视图。

首先，参照图1a和1a所示，提供半导体衬底100、半导体衬底上的钉扎层101以及钉扎层上的掩膜层102。在掩膜层102上形成光刻胶层，采用光刻工艺图案化所述光刻胶层，部分蚀刻掩膜层102以形成圆形开口103。所述半导体衬底100包括晶体管以及用于电连接晶体管的内部互连结构，为了附图简便未示出。示例性地，所述钉扎层101和掩膜层102的形成方法均可以采用本领域技术人员所熟知的任何现有技术，优选化学气相沉积法(cvd)，如低温化学气相沉积(ltcvd)、低压化学气相沉积(lpcvd)、快热化学气相沉积(rtcvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)。作为一个实例，所述钉扎层的材料包括cofe和irmn。

接着，如图1b和1b所示，首先在所述圆形开口底部涂覆嫁接层104。嫁接层主要是指分子链一端以物理或者化学键合固定在界面或固体基材表面的单层的聚合物层。嫁接层可以很好地控制和改变界面或表面的物性，为后续嵌段共聚物材料的自组装处理做准备。在基材表面形成嫁接层可以采用物理吸附和化学键合两种方式。作为一个实例，涂覆嫁接层首先将引发剂利用化学吸附等方式固定于钉扎层表面，结合采用“自下而上”的原位聚合方式。在基底表面“生长出”目标嫁接层。由于可控/活性聚合技术能准确控制嫁接层的厚度和形态结构，因而在嫁接层的制备上显得尤为重要，常见的可控聚合法有：阴离子聚合、阳离子聚合、开环聚合、活性自由基聚合。

接着，如图1c和1c所示，在所述嫁接层104上形成嵌段共聚物材料层105，并对所述嵌段共聚物材料层105进行自组装处理，以在所述圆形开口103侧壁上形成依次设置的第二单体105b、第一单体105a和第二单体105b。所述嵌段共聚物包括聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物(ps-b-pmma)。所述自组装处理包括退火处理。示例性地，双嵌段共聚物材料层在190℃退火4小时。形成的所述第一单体105a包括聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，所述第二单体105b包括聚苯乙烯(ps)。

接下来，如图1d和1d所示，去除所述第一单体105a，以在所述第二单体105b之间形成环形开口。在本实施例中，所述第一单体包括聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，可以利用紫外光照射和乙酸选择性地去除第一单体。作为一个实例，对第一单体pmma进行紫外光照射30分钟后，用乙酸清洗30s，以去除所述第一单体。

接下来，参照图1e和1e，首先去除所述掩膜层102，示例性地，可利用干法刻蚀或者湿法刻蚀去除所述掩膜层102。接下来以第二单体105b为掩膜，蚀刻所述钉扎层101，以形成第一环形钉扎层101a和第二环形钉扎层101b，所述第一环形钉扎层101a和第二环形钉扎层101b之间形成有环形开口。干法刻蚀工艺包括但不限于：反应离子刻蚀(rie)、离子束刻蚀、等离子体刻蚀、激光烧蚀或者这些方法的任意组合。也可以使用单一的刻蚀方法，或者也可以使用多于一个的刻蚀方法。干法刻蚀的气体可以包括hbr和/或cf4气体。

去除所述第二单体。通过等离子体刻蚀去除所述第二单体105b，等离子体刻蚀包括o2、ar/o2、cf4和chf3/o2。作为一个实例，采用氧/氩混合气体等离子体刻蚀去除所述第二单体ps，其中氧气含量在混合气体中的比例为2～3％，处理功率为3.6w，处理时间为2min。

接下来，参照图1f和1f，在所述环形开口中形成依次设置的第一隧道阻挡层106a、自由转动磁性层107和第二隧道阻挡层106b。作为一个实例，所述隧道阻挡层的材料为mgo。可采用本领域技术人员熟知的任何沉积方法形成，例如化学气相沉积、物理气相沉积等方法。接着，在隧道阻挡层106上形成光刻胶层，采用光刻工艺图案化所述光刻胶层，去除对应自由转动磁性层107部分所述光刻胶层，之后可利用干法刻蚀或者湿法刻蚀的方法，蚀刻至所述半导体衬底的顶面，形成第一隧道阻挡层106a、自由转动磁性层开口和第二隧道阻挡层106b。在所述自由转动磁性层开口中沉积形成自由转动磁性层107。上述方法仅是示例性地，其他合适的方法也可适用于本发明。本实施例中，所述自由转动磁性层材料为cofeb。

图1g为图1f的局部放大图，其中101为钉扎层，106为隧道阻挡层，107为自由转动磁性层。

在上述步骤之后还包括在第一钉扎层101a以内和第二钉扎层101b以外形成电极的步骤，以及将所述mtj集成到mram中的步骤。

参照图2，为本发明的一个实施例的一种半导体器件的制造方法的示意性流程图，用于简要示出整个制造工艺的流程。

在步骤s201中，提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有钉扎层和掩膜层，所述掩膜层中形成有圆形开口图案；

在步骤s202中，在所述圆形开口内自下而上依次形成嫁接层和嵌段共聚物材料层；

在步骤s203中，对所述嵌段共聚物材料层进行自组装处理，以在所述开口的侧壁上形成依次设置的第二单体、第一单体和第二单体；

在步骤s204中，去除所述第一单体，以在所述第二单体之间形成环形开口；

在步骤s205中，以所述第二单体为掩膜，蚀刻所述钉扎层，以形成第一环形钉扎层和第二环形钉扎层，所述第一环形钉扎层和第二环形钉扎层之间形成有环形开口；

在步骤s206中，在所述环形开口中形成依次设置的第一隧道阻挡层、自由转动磁性层和第二隧道阻挡层。

[实施例二]

下面结合附图1f，对本发明实施例提供的半导体器件的结构进行描述。

如图1f所示，本发明提供的半导体器件的结构包括半导体衬底100；在所述半导体衬底上形成的微小尺寸环形垂直磁性隧道结；所述微小尺寸环形垂直磁性隧道结至少包括由内至外依次设置的第一钉扎层、第一隧道阻挡层、自由转动磁性层第二隧道阻挡层和第二钉扎层。

上述半导体器件可以采用上述实施例一的半导体器件的制造方法制得。作为一个实例，所述半导体衬底100包括晶体管以及用于电连接晶体管的内部互连结构(未示出)，所述钉扎层101、隧道阻挡层106和自由转动磁性层107的形成方法均可以采用本领域技术人员所熟知的任何现有技术，优选化学气相沉积法(cvd)，如低温化学气相沉积(ltcvd)、低压化学气相沉积(lpcvd)、快热化学气相沉积(rtcvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)。所述钉扎层的材料包括cofe和irmn，所述隧道阻挡层的材料包括mgo，所述自由转动磁性层材料包括cofeb。

根据本发明实施例提供的半导体器件的制造方法，利用嵌段共聚物的自组装形成环形开口，通过沉积、光刻蚀、蚀刻等方法形成由内至外依次设置的第一钉扎层、第一隧道阻挡层、自由转动磁性层、第二隧道阻挡层和第二钉扎层，构成了环形垂直磁性隧道结结构，微小尺寸环形磁性隧道结提高了器件的集成密度，为高密度mram的开发提供了一条新的途径。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。