[发明专利]低蚀刻率自对准磁穿隧接面装置结构

说明书

公开了用于形成自对准于旗下的底部电极BE(35,36)的一种磁穿隧接面(MTJ)单元(47)的制程流程。底部电极包括具有第一宽度(wl)的下底部电极层(35)及具有第二宽度(w2)的上(第二)底部电极层(36)，其中w2大于w1。底部电极优选具有T形。磁穿隧接面堆叠层包括最上层硬遮罩(46)，其沉积于底部电极上并因为自对准沉积制程而具有宽度w2。虚置磁穿隧接面堆叠(49)也形成在第一底部电极层的周围。使用离子对基板的入射角度小于90°的离子束蚀刻，以移除侧壁上的多余材料。其后，沉积封装层(80)，将磁穿隧接面单元绝缘，并填充第一底部电极层与虚置磁穿隧接面堆叠之间的间隙。

技术领域

本文涉及一种形成磁穿隧接面单元阵列的方法，其中每个磁穿隧接面单元通过自对准制程而沉积在定义磁穿隧接面单元的宽度的图形化底部电极上，借此通过由用于通过磁穿隧接面堆叠层转移遮罩图案的传统蚀刻制程造成的磁穿隧接面侧壁损伤的避免，提供磁阻率及其他磁性性质的改善。

背景技术

磁穿隧接面(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)存储元件也称为磁穿隧接面单元或磁穿隧接面，其是磁性记录装置及例如磁性随机存取存储器(magnetic random accessmemory，MRAM)及自旋转移力矩式(Spin Torque Transfer，STT)磁性随机存取存储器的存储装置中的关键元件。制造方法及具有互补式金属氧化物半导体(complementary siliconoxide semiconductor，CMOS)次结构的整合方案是成功实现磁性随机存取存储器商业化生产所需的两个关键因素。这种新型的非易失性存储器将替代动态随机存取存储器(DynamicRandom Access Memory，DRAM)、静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)及快闪存储器(flash memory)。在磁性随机存取存储器的设计中，存储元件是磁穿隧接面(MTJ)，其由两个铁磁层组成，两个铁磁层之间被称为穿隧能障层的薄绝缘层隔开。铁磁层之一具有垂直磁异向性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)，或者被设置为固定磁矩面内定向的反铁磁层钉扎(pinned)。另一个铁磁层的定向称为自由层，其方向可以在与被钉扎层平行和反平行的方向之间自由切换。当两个铁磁层的磁矩平行时，磁穿隧接面的电阻比反平行时更低，而这两种定向对应于两个存储状态。磁穿隧接面单元的电阻是通过给对应的晶体管供电来测量的，该晶体管使电流从位元线通过磁穿隧接面流向源线(source line)，反之亦然。磁阻比以dR/R表示，其中dR是当电流流过磁穿隧接面时两个存储状态之间的电阻差，R是最小电阻值。

在基板上制造磁穿隧接面阵列的重要步骤是通过磁穿隧接面堆叠层在上方的硬遮罩中蚀刻图案的转移，以形成具有临界尺寸d的多个磁穿隧接面单元。从俯视图来看，现有技术中的装置基本上小于100nm。一些磁穿隧接面层的厚度小至至如图1所示，磁穿隧接面堆叠通常具有依序形成在底部电极11上的晶种层21、被钉扎层22、穿隧能障层23、自由层24、盖层25及硬遮罩层26。盖层可以是金属氧化物以增强自由层中的垂直磁异向性，而硬遮罩通常是例如钽(Ta)的金属，其在随后的物理及化学蚀刻期间用作保护层。底部电极也称为位元线，通过绝缘层12与其他位元线(未显示)绝缘，并形成在通常由晶体管、导孔和其他元件组成的CMOS子结构10上。磁性随机存取存储器装置的制造需要通过一个或多个反应离子蚀刻(Reactive Ion Etch，RIE)或离子束蚀刻(Ion Beam Etch，I底部电极)步骤对磁穿隧接面堆叠进行图案化。首先，在硬遮罩上形成具有临界尺寸d的光罩图案27。采用第一蚀刻步骤以通过硬遮罩转移光罩中的形状，从而形成侧壁26s。