[发明专利]一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模的方法

说明书

本发明提供了一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模的方法，包括如下步骤：(1)提供表面抛光的带金属通孔的CMOS基底，并在基底上沉积底电极和磁性隧道结多层膜、导电硬模层的刻蚀阻挡层、导电硬掩模、导电硬掩模的掩模层；(2)采用光刻胶/底部抗反射层的双层结构或采用光刻胶/无机抗反射层/含碳膜层的三层结构图形化导电硬掩模图案，并使图案转移到导电硬掩模的掩模层顶部；(3)刻蚀导电硬掩模，并去掉残留物。本发明有利于MTJ单元阵列关键尺寸的控制和整个MRAM未来的继续缩微化，有利于器件的良率的提升。

技术领域

本发明涉及一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模(C-HM，Conductive Hard Mask)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，采用磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)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、高精确度、高可靠性、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，一般采用一次光罩对磁性随机存储器(MRAM)的顶电极(TE，Top Electrode)、磁性隧道结(MTJ)单元和底电极(BE，Bottom Electrode)进行制作；其中，在刻蚀磁性隧道结和底电极单元阵列的时候，采用顶电极作为硬掩模，使磁性隧道结和底电极自对准硬掩模进行刻蚀，所以，顶电极(TE)也被称为导电硬掩模(C-HM)。

由于磁性隧道结中含有Co、Fe、Ni、Pt等元素，如果这些元素和Cl和H₂O等接触，那么磁性隧道结(MTJ)将会受到化学损伤(Chemical Corrosion和galvaniceffect)，进而影响其磁性性能和电学性能的提升。

为了避免Cl元素带来的潜在负面影响，在目前的导电硬掩模刻蚀工艺中，一般采用C/F气体对导电硬掩模进行反应离子刻蚀(RIE，Reactive Ion Etching)；由于SiO₂、SiON或SiN对导电硬掩模的选择比非常低，在进行反应离子刻蚀工艺的时候，只能采用采用光刻胶(PR，Photo Resist)作为软掩模(Soft Mask)或含碳膜层作为硬掩模(Hard Mask)进行刻蚀，由于大量C的存在，将会在刻蚀后的电硬掩模和光刻胶/含碳膜层的侧壁形成一层难以去除的导电聚合物，由于不规则导电聚合物的存在，这使得在后续的MTJ刻蚀中，很难得到标准的圆形MTJ图案，这将非常不利用MTJ关键尺寸(CD，Critical Dimension)的控制，从而增加了MRAM电路读/写电流的波动，非常不利于其良率的提升，非常不利于MTJ阵列单元的继续缩微。