CN104882538A - 环型磁性随机存取存储器单元结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种环型MRAM单元结构的制造方法，包括：提供衬底，在衬底上依次淀积下电极层、MTJ薄膜、上电极层和硬掩模层；在硬掩模层上旋涂对光线强度敏感的双重显影技术专用的光刻胶层；提供针对环形MTJ而专门设计的掩模版，对光刻胶层作曝光；用正性水成显影液对光刻胶层作初次显影，留下被掩模版遮挡的正下方处的柱状光刻胶层；用负性有机显影液对留下的光刻胶层作再次显影，去除柱状光刻胶层中靠近中心的部分，留下靠外侧的部分，形成筒状光刻胶层；以光刻胶层为掩模，刻蚀下方的硬掩模层；以硬掩模层为掩模，依次刻蚀下方的上电极层和MTJ薄膜，形成环型的MTJ。本发明使用专门设计的掩模版并结合双重显影工艺实现了制造小尺寸环型MRAM单元结构。

Description

环型磁性随机存取存储器单元结构的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体来说，本发明涉及一种小尺寸环型磁性随机存取存储器单元结构的制造方法。

背景技术

磁性随机存取存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）因为其高速度、低耗电和数据保持能力，被认为是下一代非挥发性存储器（Non-VolatileMemory，NVM）的最有前途的候选者。但是普通的MRAM还有如下缺陷：

（1）对于现行商业MRAM产品来说，MRAM的单元尺寸非常大并且存储器密度比较低；

（2）由于磁性转换方向的原因，通常使用椭圆形（实心）的产品，而圆形（实心）的产品不能应用于面内自旋转移矩磁性随机存取存储器（in-plane Spin-TransferTorque MRAM）中。

与实心结构（solid block）的磁性隧道结（MTJ）相比，环型（中空的）结构的MTJ MRAM单元具有如下优点：

（1）更小的隧道电阻；

（2）更低的转换电流；

（3）圆形和椭圆形的环型MTJ均能够应用于面内STT MRAM中。

MTJ环的尺寸越小越好，因为其具有包括高密度、低成本和更低的转换电流等优势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种使用双重显影（dual tone development，DTD）工艺并结合专门设计的掩模版来制造小尺寸环型磁性随机存取存储器单元结构的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种环型磁性随机存取存储器单元结构的制造方法，包括步骤：

A.提供一半导体衬底，在所述半导体衬底表面淀积一下电极层；

B.在所述下电极层上依次淀积一磁性隧道结薄膜和一上电极层；

C.在所述上淀积层表面淀积一硬掩模层；

D.采用对光线强度敏感的双重显影技术专用的光刻胶，在所述硬掩模层表面旋涂形成一光刻胶层；

E.提供专门设计的一掩模版，对所述光刻胶层进行曝光，所述曝光动作会有部分光线影响到被所述掩模版遮挡的其正下方位置处的柱状部分的所述光刻胶层的靠近外侧部分；

F.移除所述掩模版，采用正性水成显影液对所述光刻胶层进行初次显影，留下原先被所述掩模版遮挡的其正下方位置处的柱状的光刻胶层；

G.采用负性有机显影液对留下的所述光刻胶层进行再次显影，去除柱状的所述光刻胶层中靠近中心部分的光刻胶，留下其靠近外侧部分的光刻胶，形成筒状的光刻胶层；

H.以筒状的所述光刻胶层为掩模，干法刻蚀其下方的所述硬掩模层，然后去除所述光刻胶层；

I.以所述硬掩模层为掩模，依次干法刻蚀其下方的所述上电极层和所述磁性隧道结薄膜，形成纵向方向上为环型的磁性隧道结。

可选地，所述硬掩模层为氮化硅、二氧化硅、不含氮的碳氧化物薄膜（NFC）、掺氮的碳化硅（NDC）、黑色金刚石（BD）或者其任意合理组合。

可选地，所述正性水成显影液为四甲基氢氧化铵溶液。

可选地，在初次显影过程中，所述正性水成显影液在空间图像的高强度端检测光刻胶的溶解性阈值，即所述正性水成显影液把曝光强度最高的那段区域的光刻胶溶解掉。

可选地，在再次显影过程中，所述负性有机显影液在空间图像的低强度端检测光刻胶的溶解性阈值，即所述负性有机显影液把曝光强度最低的那段区域的光刻胶溶解掉。

可选地，所述制造方法能应用于自旋转移矩的磁性随机存取存储器的嵌入式及非嵌入式工艺。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种使用双重显影（DTD）工艺来制造小尺寸环型磁性随机存取存储器（MRAM）单元结构的方法。对于MRAM来说，尺寸越小的MTJ环越好，因为其具有包括高密度、低成本和更低的转换电流等优势。

本发明的制造方法只需依次光刻曝光，能自对准，没有套刻（Overlay）限制。通过双重显影工艺的采用，理论上能分辨的图形最小尺寸减半了，因此能够形成小尺寸的MTJ环。

本发明比之现有技术具有更少的侧墙工艺和刻蚀工艺步骤。双重显影工艺的简易性使之对于侧墙工艺直接导致成本的节省。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1至图9为本发明一个实施例的环型磁性随机存取存储器单元结构的制造方法的工艺流程图。

具体实施方式

所述硬掩模层（105）为氮化硅、二氧化硅、不含氮的碳氧化物薄膜（NFC）、掺氮的碳化硅（NDC）、黑色金刚石（BD）或者其任意合理组合。

在本发明中，在下电极/磁性隧道结/上电极（BE/MTJ/TE）各层淀积到半导体衬底上之后，再淀积一层硬掩模层。该硬掩模层根据需要可以是氮化硅、二氧化硅、不含氮的碳氧化物薄膜（NFC）、掺氮的碳化硅（NDC）、黑色金刚石（BD）等绝缘材料或者其任意合理组合。旋涂正性光刻胶并曝光后，通过对晶圆作两次显影完成环型的图形，初次显影是用正性水成显影液（positive tone aqueous developer），再次显影是用负性有机显影液（negative tone organic developer）。正性水成显影液在空间图像的高强度端（high intensity end of the aerial image）检测溶解性阈值，即此正性水成显影液把曝光强度最高的那段区域的光刻胶溶解掉；而负性有机显影液则在低强度端检测溶解性阈值，即此负性有机显影液把曝光强度最低的那段区域的光刻胶溶解掉。

下面结合具体实施例以及附图来对本发明作进一步的说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然还能够以多种不同于此描述的其它方式来实施。本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以下述具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1至图9为本发明一个实施例的环型磁性随机存取存储器单元结构的制造方法的工艺流程图。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图1所示，提供一半导体衬底101，在半导体衬底101表面淀积一下电极层（BE）102。

如图2所示，在下电极层102上依次淀积一磁性隧道结（MTJ）薄膜103和一上电极层（TE）104。

如图3所示，在上淀积层104表面淀积一硬掩模层105。在本实施例中，该硬掩模层105可以为氮化硅、二氧化硅、不含氮的碳氧化物薄膜（NFC）、掺氮的碳化硅（NDC）、黑色金刚石（BD）等绝缘材料或者其任意合理组合。

如图4所示，采用对光线强度敏感的双重显影技术专用的光刻胶，在硬掩模层105表面旋涂形成一光刻胶层106。

如图5所示，提供专门设计的一掩模版107，对光刻胶层106进行曝光。曝光动作会有部分光线影响到被掩模版107遮挡的其正下方位置处的柱状部分的光刻胶层106的靠近外侧部分，本发明正是利用此特点来实现环型的MRAM单元结构的。

如图6所示，移除掩模版107，采用正性水成显影液对光刻胶层106进行初次显影，留下原先被掩模版107遮挡的其正下方位置处的柱状的光刻胶层106。在本实施例中，该正性水成显影液可以为四甲基氢氧化铵溶液（TMAH）。

如图7所示，采用负性有机显影液对留下的光刻胶层106进行再次显影，去除柱状的光刻胶层106中靠近中心部分的光刻胶，留下其靠近外侧部分的光刻胶，形成筒状/环型的光刻胶层106。

如图8所示，以筒状的光刻胶层106为掩模，干法刻蚀其下方的硬掩模层105，然后去除光刻胶层106。

如图9所示，以硬掩模层105为掩模，依次干法刻蚀其下方的上电极层104和磁性隧道结薄膜103，形成纵向方向上为环型的磁性隧道结，继而实现环型MRAM单元结构。

在本发明中，关于双重显影工艺，在初次显影步骤中，正性水成显影液在空间图像的高强度端检测光刻胶的溶解性阈值，即此正性水成显影液把曝光强度最高的那段区域的光刻胶溶解掉；而在再次显影步骤中，负性有机显影液在空间图像的低强度端检测光刻胶的溶解性阈值，即此负性有机显影液把曝光强度最低的那段区域的光刻胶溶解掉。

本发明的制造方法包括通过在由半导体衬底/下电极层/磁性隧道结/上电极层/硬掩模层/光刻胶层组成的薄膜堆栈上使用双重显影工艺形成环型图形，这样的制造方法还能够应用于自旋转移矩的磁性随机存取存储器（STT MRAM）的嵌入式（embedded）及非嵌入式（stand alone）工艺。

本发明提供了一种使用双重显影（DTD）工艺结合专门设计的掩模版来制造小尺寸环型磁性随机存取存储器（MRAM）单元结构的方法。对于MRAM来说，尺寸越小的MTJ环越好，因为其具有包括高密度、低成本和更低的转换电流等优势。

本发明的制造方法只需依次光刻曝光，能自对准，没有套刻（Overlay）限制。通过双重显影工艺的采用，理论上能分辨的图形最小尺寸减半了，因此能够形成小尺寸的MTJ环。

本发明比之现有技术具有更少的侧墙工艺和刻蚀工艺步骤。双重显影工艺的简易性使之对于侧墙工艺直接导致成本的节省。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种环型磁性随机存取存储器单元结构的制造方法，包括步骤：

A.提供一半导体衬底（101），在所述半导体衬底（101）表面淀积一下电极层（102）；

B.在所述下电极层（102）上依次淀积一磁性隧道结薄膜（103）和一上电极层（104）；

C.在所述上淀积层（104）表面淀积一硬掩模层（105）；

D.采用对光线强度敏感的双重显影技术专用的光刻胶，在所述硬掩模层（105）表面旋涂形成一光刻胶层（106）；

E.提供专门设计的一掩模版（107），对所述光刻胶层（106）进行曝光，所述曝光动作会有部分光线影响到被所述掩模版（107）遮挡的其正下方位置处的柱状部分的所述光刻胶层（106）的靠近外侧部分；

F.移除所述掩模版（107），采用正性水成显影液对所述光刻胶层（106）进行初次显影，留下原先被所述掩模版（107）遮挡的其正下方位置处的柱状的光刻胶层（106）；

G.采用负性有机显影液对留下的所述光刻胶层（106）进行再次显影，去除柱状的所述光刻胶层（106）中靠近中心部分的光刻胶，留下其靠近外侧部分的光刻胶，形成筒状的光刻胶层（106）；

H.以筒状的所述光刻胶层（106）为掩模，干法刻蚀其下方的所述硬掩模层（105），然后去除所述光刻胶层（106）；

I.以所述硬掩模层（105）为掩模，依次干法刻蚀其下方的所述上电极层（104）和所述磁性隧道结薄膜（103），形成纵向方向上为环型的磁性隧道结。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述硬掩模层（105）为氮化硅、二氧化硅、不含氮的碳氧化物薄膜（NFC）、掺氮的碳化硅（NDC）、黑色金刚石（BD）或者其任意合理组合。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述正性水成显影液为四甲基氢氧化铵溶液。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，在初次显影过程中，所述正性水成显影液在空间图像的高强度端检测光刻胶的溶解性阈值，即所述正性水成显影液把曝光强度最高的那段区域的光刻胶溶解掉。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，在再次显影过程中，所述负性有机显影液在空间图像的低强度端检测光刻胶的溶解性阈值，即所述负性有机显影液把曝光强度最低的那段区域的光刻胶溶解掉。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法能应用于自旋转移矩的磁性随机存取存储器的嵌入式（embedded）及非嵌入式（stand alone）工艺。