[发明专利]一种四层掩模图案化磁性隧道结的方法

说明书

本发明提供了一种四层掩模图案化磁性隧道结的方法，包括以下步骤：步骤1：在基底上形成磁性隧道结膜层单元；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6：将磁性隧道结膜层单元图案化；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；步骤8：用氮化硅层包覆图案化后的磁性隧道结膜层单元。本发明有效地改善了钽掩模刻蚀过后的图案和轮廓，以及消除了钽掩模在磁性隧道结刻蚀之前的消耗，降低了磁性随机存储器电路位线和磁性隧道结单元短路的风险。

技术领域

本发明涉及一种制作磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)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-layer Mask)图案化形成磁性隧道结的方法，属于磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)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，Spin Transfer Torque)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。