[发明专利]一种磁性隧道结钽掩模的制备方法

说明书

本发明提供一种磁性隧道结钽掩模的制备方法，包括以下步骤：在衬底上依次沉积形成钽掩模膜层和硅化物种子层；将磁性隧道结图案图形化转移到硅化物种子层的顶部；采用反应离子束刻蚀硅化物种子层和部分钽掩模膜层；进行选择性刻蚀，在没有硅化物种子层覆盖的钽掩模膜层进行刻蚀，在硅化物种子层再次沉积一层硅化物膜层；除去硅化物膜层和大部分硅化物种子层，同时并对钽掩模膜层进行修剪。本发明提供的磁性隧道结钽掩模的制备方法，通过使用进行选择性刻蚀，从根本上解决了钽掩模在图形化转移过程中，钽掩模的提前被过度消耗等问题，降低了MRAM电路短路的风险，特别适合于制作65nm及其以下的MRAM电路。

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，具体涉及一种磁性隧道结(MTJ，Magnetic TuningJunction)钽掩模的制备方法。

背景技术

近年来，采用磁性隧道结(MTJ)的磁电阻效应的磁性随机存储器(MRAM，MagneticRadom Access Memory)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，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，采用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。在现在的MRAM制造工艺中，重金属(比如Ta)会沉积在MTJ的顶部，既作为MTJ刻蚀用的掩模，也作为顶电极的导电通道。

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，光刻掩膜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膜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，或者选择一种不同的刻蚀机制。

发明内容