CN102938445A

CN102938445A - 一种磁阻存储器的环状存储单元的制作方法

Info

Publication number: CN102938445A
Application number: CN2012104323987A
Authority: CN
Inventors: 罗飞
Original assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: CN102938445B

Abstract

本发明提供的一种磁阻存储器的环状存储单元的制作方法，包括沉积第一磁通道结层、阻挡层和刻蚀层；并通过光刻形成圆形的岛状光阻图形；蚀刻缩减岛状光阻图形；刻蚀形成岛状的刻蚀层；沉积并回蚀刻形成环状的第二磁通道结层；刻蚀形成环状的第一磁通道结层、阻挡层和第二磁通道结层。本发明不需采用高分辨率曝光设备，利用普通分辨率的光刻机得到超小特征尺寸和超高图形密度的光阻图形。减少了生产费用，降低了生产成本，提高了产品的竞争力。

Description

一种磁阻存储器的环状存储单元的制作方法

技术领域

本发明涉及一种CMOS半导体器件的制作工艺，尤其涉及一种磁阻存储器的环状存储单元的制作方法。

背景技术

磁阻随机访问存储器是一种非挥发性的存储器件，在读写速度上具有和静态随机访问存储器可比拟的特性，而且在存储密度上与静态随机访问存储器类似，更具吸引力的特点是它几乎不存在因为器件退化而产生的可靠性方面的问题。各方面的优势使之被称为一种全能存储器，具有全面替代目前应用的静/动态随机访问存储器以及闪存的能力。

与静/动态随机访问存储器或者闪存的原理不同，磁阻随机访问存储器不是利用电荷的保存和释放来存储信息，而是通过磁性存储单元来实现信息存储的。磁性存储单元由两个铁磁性的平板电极组成，中间由一层绝缘的薄膜隔开，这种三明治的结构称为磁通道结。在磁通道结的两个磁性电极中，一个具有固定的磁场方向，称为固定层，另一个磁性电极其磁场方向不是固定的，可以随着外界磁场的变化而改变，称为自由层。当自由层的磁场方向与固定层一致时，整个磁通道结的电阻会变得很小，在外加电压的作用下流过磁性通道结的电流就会很大。反之，当自由层的磁场方向与固定层刚好相反时，整个磁性通道结的电阻会变得很大，流过磁性通道结的电流就会很小。利用这种电流大小的变化就可以实现信号的识别。

现有的两种常用的磁性通道结的三维结构中，一种的两个磁性电极为方形平板结构，一种的两个磁性电极为环状结构。相对于方形平板结构而言，环状结构的磁通道结在器件存取特性更好，因此已经成为目前半导体业界一致采用的结构。但是对于制造而言，环状结构的磁性通道结工艺会更加复杂，而且制造成本会提高。因为环状结构具有内外两个直径，其中内径尺寸往往很小，这就要求半导体制造工艺中的曝光设备具有很高的分辨率，而高端曝光设备的采用则会大幅增加制造成本。因此如何在不使用高分辨率曝光设备的条件下实现具有精细尺寸的环状磁通道结制造成为了一个热门课题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种利用低分辨率的光刻机成形的磁阻存储器的环状存储单元的制作方法。

发明内容

鉴于上述的现有技术中的问题，本发明所要解决的技术问题是现有的技术对曝光设备的分辨率的较高要求。

本发明提供的一种磁阻存储器的环状存储单元的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：依次沉积第一磁通道结层、阻挡层和刻蚀层；并通过光刻形成圆形的岛状光阻图形，所述岛状光阻图形的直径为80~120nm；

步骤2：利用等离子体干法蚀刻对所述岛状光阻图形的特征尺寸进行缩减，刻蚀后的岛状光阻图形的直径为30~50nm；

步骤3：刻蚀所述岛状光阻图形下的刻蚀层，形成岛状的刻蚀层；随后去除所述岛状光阻图形；

步骤4：沉积第二磁通道结层，并回蚀刻形成岛状的刻蚀层和第二磁通道结层；

步骤5：蚀刻去除刻蚀层，形成环状的第二磁通道结层；

步骤6：利用环状的第二磁通道结层刻蚀阻挡层和第一磁通道结层，形成环状的第一磁通道结层、阻挡层和第二磁通道结层。

在本发明的一个较佳实施方式中，所述步骤2中等离子体干法蚀刻的条件为：10~12毫托气压、13.56~15.28兆赫兹射频电源频率、400~450瓦上电极射频电源功率、100~120伏下电极射频电源偏压、每分钟50~65标准立方厘米HBr气体流量、每分钟20~35标准立方厘米氧气气体流量、蚀刻时间为25~40秒。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述步骤1中光刻形成圆形的岛状光阻图形间的间距为80~120nm；所述步骤4中形成的岛状的刻蚀层和第二磁通道结层间的间距为30~50nm。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述步骤4中沉积的刻蚀层的厚度为10~300nm。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述步骤4中岛状的刻蚀层和第二磁通道结层中第二磁通道结层的厚度为40~50nm。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述步骤1中沉积的第一磁通道结层厚度为3~10nm。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述步骤1中沉积的阻挡层的厚度为10~300nm。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述阻挡层为氧化硅层。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述刻蚀层的材料选自氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳化硅或其组合。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述第二磁通道结层的材料选自多晶硅、氧化硅、氮化钛、氮化钽。

本发明不需采用高分辨率曝光设备，利用普通分辨率的光刻机得到超小特征尺寸和超高图形密度的光阻图形。减少了生产费用，降低了生产成本，提高了产品的竞争力。

附图说明

图1是本发明的实施例岛状光阻图形的结构示意图；

图2是本发明的实施例的岛状刻蚀层的结构示意图；

图3是本发明的实施例第二磁通道结层的结构示意图；

图4是本发明的实施例刻蚀第二磁通道结层后的结构示意图；

图5是本发明的实施例环状第二磁通道结层的结构示意图；

图6是本发明的实施例环状磁通道结的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做具体阐释。

本发明的实施例的磁阻存储器的环状存储单元的制作方法，包括以下步骤：

如图1中所示，步骤1包括依次通过化学气相沉积第一磁通道结层1、阻挡层2和刻蚀层3；并通过光刻形成圆形的岛状光阻图形4，岛状光阻图形4的直径为90nm；

阻挡层为氧化硅层，刻蚀层为氮化硅层。

氧化硅层的厚度为5nm，氮化硅层的厚度为100nm，岛状光阻图形4间的间距为90nm。这一关键尺寸和图形密度的光刻用普通ArF光刻机即可完成，不需高分辨率的曝光设备。

如图2中所示，步骤2包括利用等离子体干法蚀刻对岛状光阻图形4的特征尺寸进行缩减，刻蚀后的岛状光阻图形的直径为40nm。该种等离子体干法蚀刻也称为修剪蚀刻。采用的条件为：10毫托气压、13.56兆赫兹射频电源频率、400瓦上电极射频电源功率、100伏下电极射频电源偏压、每分钟50标准立方厘米HBr气体流量、每分钟20标准立方厘米氧气气体流量。蚀刻停止方式为根据时间停止。在本发明的实施例中，蚀刻30秒钟后可以把岛状光阻图形4的直径从90nm减小到40nm。

另如图2中所示，步骤3包括刻蚀岛状光阻图形4下的刻蚀层3，形成岛状的刻蚀层3；随后去除岛状光阻图形4。蚀刻条件为业界标准的等离子体蚀刻，当蚀刻完氮化硅层而暴露出下面的氧化硅层时，蚀刻终点探测系统即停止蚀刻。

如图3中所示，步骤4包括沉积第二磁通道结层5；并如图4中所示，回蚀刻形成岛状的刻蚀层3和第二磁通道结层5。

第二磁通道结层为多晶硅层。沉积方法利用业界标准的低压化学气相沉积方法。沉积的多晶硅层的厚度为60nm。随后不需要任何光刻工艺，直接对多晶层硅进行等离子体回蚀刻。蚀刻条件也是业界标准的等离子体蚀刻，当覆盖在岛状氮化硅层和覆盖在阻挡氧化硅上的多晶硅层被完全去除时，蚀刻终点探测系统即停止蚀刻。这样就得到了环绕在岛状氮化硅结构侧壁上的环状多晶硅层侧墙，侧墙的厚度即环的宽度为50nm，相邻环状多晶硅层侧墙之间的间距为40nm。

如图5中所示，步骤5包括蚀刻去除刻蚀层3，形成环状的第二磁通道结层5。蚀刻选用的化学溶液为160摄氏度的热磷酸，蚀刻时间为25分钟。因为下层的氧化硅层具有很好的抗湿法蚀刻的特性，因此在保证岛状氮化硅层被完全去除的条件下，底层的磁通道结薄膜不会受到损伤。在这一步骤后，晶圆表面留下的图形即高度为100nm，内外径分别为40nm和140nm、间距为40nm的环状多晶硅层阵列。蚀刻也可选用其他对氮化硅和氧化硅/多晶硅有高蚀刻选择比的化学溶液和等离子体蚀刻。

如图6中所示，步骤6包括利用环状的第二磁通道结层5刻蚀阻挡层2和第一磁通道结层1，形成环状的第一磁通道结层1、阻挡层2和第二磁通道结层5。

以步骤5得到的环状多晶硅层为硬掩膜进行下层磁通道结薄膜层的等离子体干法蚀刻，环状多晶硅硬掩膜的图形就可以转移到磁通道结薄膜层上，于是得到了内外径分别为40nm和140nm、间距为40nm的第一磁通道结层1、阻挡层2和第二磁通道结层5形成的环状磁通道结结构。

本发明的实施例不采用高端的光刻机比如浸润式曝光设备，而得到超小特征尺寸和超高图形密度的光阻图形。减少了生产费用，降低了生产成本，提高了产品的竞争力。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims

1.一种磁阻存储器的环状存储单元的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤5：蚀刻去除刻蚀层，形成环状的第二磁通道结层；

2.如权利要求1所述的环状存储单元的制作方法，其特征在于，所述步骤2中等离子体干法蚀刻的条件为：10~12毫托气压、13.56~15.28兆赫兹射频电源频率、400~450瓦上电极射频电源功率、100~120伏下电极射频电源偏压、每分钟50~65标准立方厘米HBr气体流量、每分钟20~35标准立方厘米氧气气体流量、蚀刻时间为25~40秒。

3.如权利要求1所述的环状存储单元的制作方法，其特征在于，所述步骤1中光刻形成圆形的岛状光阻图形间的间距为80~120nm；所述步骤4中形成的岛状的刻蚀层和第二磁通道结层间的间距为30~50nm。

4.如权利要求1所述的环状存储单元的制作方法，其特征在于，所述步骤4中沉积的刻蚀层的厚度为10~300nm。

5.如权利要求4所述的环状存储单元的制作方法，其特征在于，所述步骤4中岛状的刻蚀层和第二磁通道结层中第二磁通道结层的厚度为40~50nm。

6.如权利要求1所述的环状存储单元的制作方法，其特征在于，所述步骤1中沉积的第一磁通道结层厚度为3~10nm。

7.如权利要求6所述的环状存储单元的制作方法，其特征在于，所述步骤1中沉积的阻挡层的厚度为10~300nm。

8.如权利要求1所述的环状存储单元的制作方法，其特征在于，所述阻挡层为氧化硅层。

9.如权利要求1所述的环状存储单元的制作方法，其特征在于，所述刻蚀层的材料选自氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳化硅或其组合。

10.如权利要求1所述的环状存储单元的制作方法，其特征在于，所述第二磁通道结层的材料选自多晶硅、氧化硅、氮化钛、氮化钽。