CN102938446A - 一种磁阻存储器环状存储结构的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁阻存储器环状存储结构的形成方法，属于半导体器件制作工艺，步骤包括：在磁通道结薄膜层上沉积氧化硅层和氮化硅层；得到圆形的氮化硅沟槽；沉积多晶硅薄膜覆盖上述氮化硅沟槽，然后进行等离子体回蚀刻形成环状的多晶硅结构；去除残留的氮化硅薄膜以形成环状的多晶硅硬掩膜；以多晶硅硬掩膜进行磁通道结薄膜层的等离子体蚀刻，最终形成磁通道结单元结构；上述技术方案的有益效果是：圆形光阻图形直径较大，因此可以采用普通分辨率的光刻机进行操作，降低了制作成本，提升了市场竞争力，具有显著的经济效益。

Description

一种磁阻存储器环状存储结构的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制作工艺，尤其涉及一种磁阻存储器环状存储结构的形成方法。
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，而是通过磁性存储结构来实现信息存储的。如图1所示，磁性存储结构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。
图2所示的是两种常用的磁性通道结的三维结构，左边的为平板方形结构，右边的是环状结构。相对于平板方形结构而言，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。
发明内容
根据现有技术中存在的缺陷，现提供了一种磁阻存储器环状存储结构的形成方法的技术方案，具体如下：
一种磁阻存储器环状存储结构的形成方法，适用于磁阻随机访问存储器，其中，步骤包括：
步骤1，在晶圆的衬底上沉积磁通道结薄膜层，随后在所述磁通道结薄膜层上生长一层氧化硅层和一层氮化硅层；
步骤2，通过光刻工艺在所述氮化硅层上定义光阻图形，所述光阻图形的俯视图为圆形沟槽，所述圆形沟槽的直径的取值范围为40nm-200nm；
步骤3，对所述氮化硅层进行蚀刻，蚀刻停止在所述氮化硅层下面的所述氧化硅层上，去除残留的光阻后，得到了圆形的氮化硅沟槽；
步骤4，在晶圆表面覆盖一层多晶硅薄膜，形成多晶硅层，并对所述多晶硅层进行等离子回蚀刻，蚀刻停止在所述氮化层上，并在所述氮化硅沟槽的侧壁上形成一个环状的多晶硅结构；
步骤5，将残留的氮化硅层去除，蚀刻停止在所述氮化硅层下面的所述氧化硅层上；蚀刻完成后在晶圆表面只留下了环状的所述多晶硅结构；
步骤6，将步骤5中形成的所述多晶硅结构作为硬掩膜，对下层的所述磁通道结薄膜层进行等离子体干法蚀刻，形成环状的磁通道结结构。
优选的，该磁阻存储器环状存储结构的形成方法，其中，所述步骤3中，采用等离子体干法蚀刻工艺对所述氮化硅层进行蚀刻。
优选的，该磁阻存储器环状存储结构的形成方法，其中，所述步骤4中，采用低压化学气相沉积工艺在晶圆表面覆盖一层多晶硅层。
优选的，该磁阻存储器环状存储结构的形成方法，其中，所述步骤5中，采用等离子体蚀刻或湿法蚀刻工艺将残留的所述氮化硅层去除。
优选的，该磁阻存储器环状存储结构的形成方法，其中，所述步骤4中，所述氮化硅沟槽的底部、侧壁和上部的所述多晶硅薄膜的厚度一致。
优选的，该磁阻存储器环状存储结构的形成方法，其中，所述多晶硅结构的外径由所述氮化硅沟槽的直径决定。
优选的，该磁阻存储器环状存储结构的形成方法，其中，所述多晶硅结构的内径由所述多晶硅薄膜的厚度决定。
上述技术方案的有益效果是：使用上述的工艺流程及方法，可以利用普通分辨率的氟氩光刻机得到圆形光阻图案，并以此为基础得到最终的环状磁通道结结构，降低了生产成本，同时增强了产品竞争力，具有显著的经济效益。
附图说明
图1是现有技术中磁阻存储器基本存储结构的结构示意图；
图2是现有技术中两种磁通道结的三维结构示意图；
图3A-3F示出了本发明的实施例中形成环状磁通道结结构的具体流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图3A-3F所示为本发明的其中一个实施例形成磁通道结结构的具体流程：
如图3A所示，在晶圆的衬底上化学气相沉积一层磁通道结薄膜层，并在其上生长一层厚度为3-10nm的氧化硅层，在本实施例中取值为5nm，以及一层层厚度为10-300nm的氮化硅层，在本实施例中取值为100nm。生长的氮化硅层也可以是氮氧化硅、碳氧化硅、碳化硅或者这几种薄膜的复合层。
如图3B所示，进行光刻工艺，本实施例以90nm设计规则为例，为形成环状磁通道结结构的光阻图形不是环形的，而是外径满足设计尺寸的圆形图案，其直径较大，取值范围在40-200nm之间，在本实施例中具体为90nm，这一关键尺寸的图形用较低分辨率的氟氩光刻机即可完成。 
如图3C所示，利用等离子体干法蚀刻工艺进行氮化硅层蚀刻以形成氮化硅沟槽，具体蚀刻条件为业界标准的等离子体蚀刻，该蚀刻停止在氮化硅层虾米昂的氧化硅层上并暴露出该氧化硅层，然后去除残留的光阻后，得到了圆形的氮化硅沟槽；然后采用化学气相沉积、物理气相沉积或原子沉积等工艺沉积阶梯覆盖性好的薄膜层如多晶硅层，薄膜厚度为10-300nm，在本实施例中具体为26nm；该多晶硅层良好的阶梯覆盖性可以使得氮化硅沟槽底部、侧壁和上部的多晶硅薄膜厚度基本一致；该多晶硅层也可以由氧化硅、氮化钛、氮化钽等薄膜代替。
如图3D所示，对覆盖的多晶硅层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，当氮化硅层沟槽表面的多晶硅被去除而只剩下沟槽侧壁的多晶硅薄膜时，即停止蚀刻；这样就得到了附着在氮化硅沟槽侧壁上的环状的多晶硅结构；在本实施例中，该结构的厚度即环的宽度为25nm。
如图3E所示，然后采用等离子体蚀刻或湿法蚀刻工艺将残留的氮化硅层去除，蚀刻停止在氮化硅层下面的氧化硅层上，这层氧化硅薄膜作为蚀刻阻挡层存在；本实施例中采用了湿法蚀刻工艺，选用的化学溶液是160℃的热磷酸，也可选择其他对氮化硅和氧化硅有高蚀刻选择比的化学溶液，工艺时间为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。在这一工艺步骤后，该环状多晶硅结构的外径由氮化硅沟槽的直径决定，内径由覆盖的多晶硅薄膜厚度决定；在本实施例中，晶圆表面留下的图形为高100nm，内径40nm，外径90nm的环状多晶硅结构。
最后，如图3F所示，以如图3E中所示的环状多晶硅结构作为硬掩膜，对下层的磁通道结薄膜层进行等离子体干法蚀刻或湿法蚀刻工艺，蚀刻完成后就形成了外径为90nm，内径为40nm的环状磁通道结结构。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种磁阻存储器环状存储结构的形成方法，适用于磁阻随机访问存储器，其特征在于，步骤包括：
步骤1，在晶圆的衬底上沉积磁通道结薄膜层，随后在所述磁通道结薄膜层上生长一层氧化硅层和一层氮化硅层；
步骤2，通过光刻工艺在所述氮化硅层上定义光阻图形，所述光阻图形的俯视图为圆形沟槽，所述圆形沟槽的直径的取值范围为40nm-200nm；
步骤3，对所述氮化硅层进行蚀刻，蚀刻停止在所述氮化硅层下面的所述氧化硅层上，去除残留的光阻后，得到了圆形的氮化硅沟槽；
步骤4，在晶圆表面覆盖一层多晶硅薄膜，形成多晶硅层，并对所述多晶硅层进行等离子回蚀刻，蚀刻停止在所述氮化层上，并在所述氮化硅沟槽的侧壁上形成一个环状的多晶硅结构；
步骤5，将残留的氮化硅层去除，蚀刻停止在所述氮化硅层下面的所述氧化硅层上；蚀刻完成后在晶圆表面只留下了环状的所述多晶硅结构；
步骤6，将步骤5中形成的所述多晶硅结构作为硬掩膜，对下层的所述磁通道结薄膜层进行等离子体干法蚀刻，形成环状的磁通道结结构。
2.如权利要求1所述的磁阻存储器环状存储结构的形成方法，其特征在于，所述步骤3中，采用等离子体干法蚀刻工艺对所述氮化硅层进行蚀刻。
3.如权利要求1所述的磁阻存储器环状存储结构的形成方法，其特征在于，所述步骤4中，采用低压化学气相沉积工艺在晶圆表面覆盖一层多晶硅层。
4.如权利要求1所述的磁阻存储器环状存储结构的形成方法，其特征在于，所述步骤5中，采用等离子体蚀刻或湿法蚀刻工艺将残留的所述氮化硅层去除。
5.如权利要求1所述的磁阻存储器环状存储结构的形成方法，其特征在于，所述步骤4中，所述氮化硅沟槽的底部、侧壁和上部的所述多晶硅薄膜的厚度一致。
6.如权利要求1所述的磁阻存储器环状存储结构的形成方法，其特征在于，所述多晶硅结构的外径由所述氮化硅沟槽的直径决定。
7.如权利要求5所述的磁阻存储器环状存储结构的形成方法，其特征在于，所述多晶硅结构的内径由所述多晶硅薄膜的厚度决定。
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