CN105336849B - Mram器件的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MRAM器件的形成方法，包括：提供半导体衬底，该半导体衬底上形成有磁隧道结层；在所述磁隧道结层上形成牺牲层；刻蚀所述牺牲层以在其中形成通孔；在所述通孔的内侧壁上形成侧墙；对所述通孔底部的磁隧道结层进行第一步刻蚀，以预先去除所述通孔底部的部分磁隧道结层；去除所述牺牲层，以所述侧墙为掩膜对所述磁隧道结层进行第二步刻蚀，去除所述侧墙下方以外的磁隧道结层，所述侧墙下方的磁隧道结层形成环状的磁隧道结。本发明能够避免刻蚀负载效应导致的短路等问题，还具有工艺流程简单的优点。
Description
技术领域
本发明涉及磁性存储器技术，尤其涉及一种MRAM器件的形成方法。
背景技术
磁性随机存储器(MRAM)是当前最有前景的三种非挥发性存储器之一，因为其具有高速读写、低功耗、抗辐射和数据保存时间长等特点，因而将有可能取代SRAM、DRAM等在移动终端上的应用。MRAM对于其他对可靠性要求高的领域，例如国防，航天航空，则具有不可取代的地位。
磁性随机存储器中的核心结构是磁隧道结(MJT)。目前业界常用的典型磁隧道结的结构是实心椭圆，这种结构的特点是在剖面规则的情况下翻转稳定，上下电极之间的电流不能直上直下，要偏转一定的角度。
为了追求更高的读写速度，现有技术中还存在一种中空的MTJ结构，尽管存在一定的状态不稳定问题，但可以通过上下电极的位置来解决。
此外，现有技术中还存在另一种环形的MTJ结构，如图1和图2所示，其内外均为圆形或椭圆的结构集成了环形翻转所需能量低的优点，并解决了数据不稳定的问题。以圆环形的MTJ结构为例，图3示出了可以接受的磁场翻转方向，图4示出了不可接受的磁场翻转方向。
参考图5，现有技术中的一种MRAM器件采用环形的MTJ结构50，上电极51和下电极52分别位于MTJ结构50上方和下方，并且和MTJ结构50电接触。电流经由上电极51和下电极52垂直流过MTJ结构50，但这样可能会陷入不希望的中间状态。为了避免先入不希望的中间状态，可以对上下电极的位置做调整。参考图6，上电极61和下电极62分别位于MTJ结构60的斜上方和斜下方，使得流经上电极61和下电极62的电流非垂直。目前椭圆形的MTJ结构，不管空心还是实心基本都采用图6所示的具有一定角度的电流驱动方式。
形成环形结构的磁隧道结的难点在于环形的图形化和刻蚀工艺。MTJ通常包括多层金属和一层MgO隧穿层，由于此结构的复杂性，给MTJ的刻蚀造成了很大困难，常用的刻蚀气体也很容易造成超薄隧穿层的损坏，从而引起整个MTJ上下电极的短路。业界常用含氩等卤素气体通过轰击的方式来进行最后一步对磁隧道结下电极金属材料的刻蚀，以消除在对前一步磁性金属材料刻蚀中产生的二次金属淀积。对于圆环形或者椭圆环形的MTJ结构，由于内环的尺寸往往很小，环外的面积较大，造成刻蚀的负载效应，使得环内的刻蚀达不到设计要求而出现短路等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种MRAM器件的形成方法，能够避免刻蚀负载效应导致的短路等问题，还具有工艺流程简单的优点。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种MRAM器件的形成方法，包括：
提供半导体衬底，该半导体衬底上形成有磁隧道结层；
在所述磁隧道结层上形成牺牲层；
刻蚀所述牺牲层以在其中形成通孔；
在所述通孔的内侧壁上形成侧墙；
对所述通孔底部的磁隧道结层进行第一步刻蚀，以预先去除所述通孔底部的部分磁隧道结层；
去除所述牺牲层，以所述侧墙为掩膜对所述磁隧道结层进行第二步刻蚀，去除所述侧墙下方以外的磁隧道结层，所述侧墙下方的磁隧道结层形成环状的磁隧道结。
根据本发明的一个实施例，改的一步刻蚀预先去除的部分磁隧道结层的厚度占该磁隧道结层总厚度的30％～50％。
根据本发明的一个实施例，采用含Ar轰击的干法刻蚀来去除所述通孔底部的部分磁隧道结层。
根据本发明的一个实施例，在所述通孔的内侧壁上形成侧墙包括：
沉积硬掩膜层，该硬掩膜层覆盖所述通孔的底部、内侧壁以及所述牺牲层的表面；
对所述硬掩膜层进行刻蚀，以形成所述侧墙。
根据本发明的一个实施例，所述硬掩膜层的材料为金属或者导电的金属化合物。
根据本发明的一个实施例，所述硬掩膜层的材料与所述磁隧道结层内的最上层金属相同。
根据本发明的一个实施例，所述硬掩膜层的材料选自Ta、TaN、Ti、TiN或Al。
根据本发明的一个实施例，所述牺牲层的材料为氧化硅、不定形碳或抗反射涂层材料。
根据本发明的一个实施例，在形成所述牺牲层之前，该方法还包括：在所述磁隧道结层上形成阻挡层，该牺牲层位于所述阻挡层上；
对所述通孔底部的磁隧道结层进行第一步刻蚀之前，该方法还包括：刻蚀移除所述通孔底部的阻挡层；
对所述磁隧道结层进行第二步刻蚀之前，该方法还包括：刻蚀移除所述侧墙下方以外的阻挡层。
根据本发明的一个实施例，该阻挡层和牺牲层的材料为互不相同的低k材料。
根据本发明的一个实施例，所述阻挡层的材料为掺碳氮化硅，所述牺牲层的材料为黑钻石。
根据本发明的一个实施例，在所述第二步刻蚀之后，该方法还包括：
去除所述磁隧道结上的阻挡层和侧墙；
沉积介质层，该介质层覆盖所述磁隧道结；
以无通孔方式形成上电极，该上电极与所述磁隧道结电连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例的MRAM器件的形成方法中，应用牺牲层和侧墙，采用自对准刻蚀来形成MTJ结构，并且新增一步刻蚀，预先去除通孔底部的部分磁隧道结层，也就是预先去除难以刻蚀的环内的隧道结层，有利于后续的MTJ刻蚀中实现环内和环外的刻蚀平衡，避免刻蚀负载效应导致的种种问题。另外，侧墙的材料可以是金属导电材料，从而不必去除而作为MTJ上电极的一部分，而且可以有效增加在氩气攻击下的MTJ刻蚀过程中的掩膜强度，有利于改善MTJ形貌结构。
本发明实施例的另一种MRAM器件的形成方法中，还在所述牺牲层下方设置阻挡层，该阻挡层和牺牲层的材料可以是半导体工艺中常用的低k材料。
附图说明
图1是现有技术中一种圆环形的磁隧道结的俯视图；
图2是现有技术中一种椭圆环形的磁隧道结的俯视图；
图3示出了环形的磁隧道结可接受的磁场翻转方向；
图4示出了环形的磁隧道结不可接受的磁场翻转方向；
图5是现有技术中一种采用垂直电流驱动方式的MRAM器件的剖面结构示意图；
图6是现有技术中一种采用非垂直电流驱动方式的MRAM器件的剖面结构示意图；
图7是本发明第一实施例的MRAM器件的形成方法的流程示意图；
图8至图14是本发明第一实施例的MRAM器件的形成方法中各步骤对应的剖面结构示意图以及立体结构示意图；
图15是本发明第二实施例的MRAM器件的形成方法的流程示意图；
图16至图27是本发明第二实施例的MRAM器件的形成方法中各步骤对应的剖面结构示意图以及立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
第一实施例
参考图7，第一实施例的MRAM器件形成方法包括如下步骤：
步骤S11，提供半导体衬底，该半导体衬底上形成有磁隧道结层；
步骤S12，在所述磁隧道结层上形成牺牲层；
步骤S13，刻蚀所述牺牲层以在其中形成通孔；
步骤S14，在所述通孔的内侧壁上形成侧墙；
步骤S15，对所述通孔底部的磁隧道结层进行第一步刻蚀，以预先去除所述通孔底部的部分磁隧道结层；
步骤S16，去除所述牺牲层，以所述侧墙为掩膜对所述磁隧道结层进行第二步刻蚀，去除所述侧墙下方以外的磁隧道结层，所述侧墙下方的磁隧道结层形成环状的磁隧道结。
下面参考图8至图14进行详细说明。
参考图8，提供半导体衬底81，该半导体衬底81上形成有磁隧道结层82，在磁隧道结层82上形成有牺牲层83。
其中，半导体衬底81例如可以是硅衬底，其中可以形成有下电极811，下电极811与磁隧道结层82电接触。
磁隧道结层82可以是叠层结构，至少包括下电极层、位于下电极层上的磁隧穿层以及位于磁隧穿层上的上电极层，磁隧道结层82的最上层和最下层金属例如可以是Ta。
牺牲层83的材料可以是各种适当的绝缘材料，例如氧化硅、不定形碳、抗反射涂层材料等有机材质。牺牲层83的沉积温度优选为不超过350℃。
参考图9，通过刻蚀在牺牲层83中形成通孔831。例如，可以采用曝光、显影、刻蚀等步骤，在牺牲层83上形成圆形或椭圆形的通孔831。该通孔831的尺寸决定了环形MTJ结构的外径尺寸。
在对牺牲层83进行刻蚀时，可以采用含C和O的干法刻蚀。刻蚀之后，可以对牺牲层83进行清洗。
参考图10，沉积硬掩膜层84，覆盖通孔831的底部、内侧壁以及牺牲层83的表面。
该硬掩膜层84的材料优选为金属或者导电的金属化合物，例如Ta、TaN、Ti、TiN或Al，该硬掩膜层84还可以采用复合金属形成。更加优选地，该硬掩膜层84的材料和磁隧道结层82内的最上层金属的材料相同。硬掩膜层84的形成方法可以是化学气相沉积(CVD)。
参考图11，对硬掩膜层84进行刻蚀，刻蚀后保留在通孔831内侧壁的硬掩膜层成为侧墙841。刻蚀的方法可以是干法刻蚀，例如可以采用含Cl或Br的气体进行干法刻蚀。
侧墙841的厚度决定了MTJ结构的环形内径的尺寸。
参考图12，对通孔831底部的磁隧道结层82进行第一步刻蚀，以去除通孔831底部的部分磁隧道结层82。优选地，预先去除的部分磁隧道结层82的厚度占该磁隧道结层82总厚度的30％～50％。更加优选地，第一步刻蚀预先去除的部分磁隧道结层82的厚度约占该磁隧道结层82总厚度的一半。例如，在一个非限制性的实例中，磁隧道结层82的总厚度为130nm，预先刻蚀去除的部分的厚度为65nm左右。
在刻蚀通孔831底部的磁隧道结层82时，可以采用含Ar轰击的干法刻蚀。在刻蚀过程中，至少部分牺牲层83被一并移除。
参考图13，去除剩余的牺牲层83(参见图12)，以侧墙841为掩膜，对磁隧道结层进行第二步刻蚀，将侧墙841下方以外的磁隧道结层去除，而保留在侧墙841下方的磁隧道结层成为环状的磁隧道结(MTJ)821，如图14所示。
其中，去除牺牲层83的方法可以是干法或湿法刻蚀。对于氧化硅材质的牺牲层83，可以采用含HF的湿法刻蚀，或者含F的干法刻蚀。对于抗反射涂层、不定形碳材质的牺牲层83，可以采用含O的灰化法去除。
侧墙841与磁隧道结821的最上层金属接触，如果侧墙841的材料是导电的金属或金属化合物，那么后续步骤中可以不去除侧墙841。
由上，在第一实施例中，预先刻蚀去除通孔底部的磁隧道结层，然后再刻蚀整个磁隧道结层以形成环状的磁隧道结，这样有利于平衡刻蚀负载效应，避免由于负载效应导致的短路等问题。
第二实施例
参考图15，第二实施例的MRAM器件的形成方法包括如下步骤：
步骤S21，提供半导体衬底，该半导体衬底上形成有磁隧道结层；
步骤S22，在所述磁隧道结层上依次形成阻挡层和牺牲层，该阻挡层和牺牲层的材料为低k材料且二者互不相同；
步骤S23，刻蚀所述牺牲层以其中形成通孔，刻蚀在所述阻挡层处停止；
步骤S24，在所述通孔的内侧壁上形成侧墙；
步骤S25，刻蚀移除所述通孔底部的阻挡层，对所述通孔底部的磁隧道结层进行第一步刻蚀，以预先去除所述通孔底部的部分磁隧道结层；
步骤S25，去除所述牺牲层以及所述侧墙下方以外的阻挡层；
步骤S26，以所述侧墙为掩膜对所述磁隧道结层进行第二步刻蚀，去除所述侧墙下方以外的磁隧道结层，所述侧墙下方的磁隧道结层形成环状的磁隧道结。
下面参考图16至图25进行详细说明。
参考图16，提供半导体衬底90，该半导体衬底90上形成有磁隧道结层91。之后在磁隧道结层91上依次形成阻挡层92和牺牲层93，该阻挡层92和牺牲层93的材料优选为低k(low k)材料且二者互不相同。
其中，半导体衬底90例如可以是硅衬底，其中可以形成有下电极，下电极与磁隧道结层91电接触。
磁隧道结层91可以是叠层结构，至少包括下电极层、位于下电极层上的磁隧穿层以及位于磁隧穿层上的上电极层，磁隧道结层91的最上层和最下层金属例如可以是Ta。磁隧道结层91的厚度例如是
作为一个优选的实施例，阻挡层92的材料为掺碳氮化硅(NDC)，牺牲层93的材料为黑钻石(BD)。阻挡层92的厚度例如是牺牲层93的材料 阻挡层92和牺牲层93的沉积温度优选为不超过350℃。
参考图17，在牺牲层93上形成抗反射层94，在抗反射层94上形成光刻胶层95。通过曝光、显影等工艺，在光刻胶层95中形成窗口，该窗口的形状对应于环形MTJ结构的外径形状。
参考图18，以图案画后的光刻胶层95(参见图17)为掩膜，对牺牲层93进行刻蚀，刻蚀停在阻挡层92处，以形成通孔931。例如，可以采用含C和O的气体进行干法刻蚀，刻蚀之后可以进行清洗。
通孔931的尺寸决定了环形MTJ结构的外径尺寸。通孔931的特征尺寸d例如是200nm，但并不限于此。
参考图19，沉积硬掩膜层96，该硬掩膜层96覆盖通孔931的底部、内侧壁以及93牺牲层的表面。该硬掩膜层96的材料优选为金属或者导电的金属化合物，例如Ta、TaN、Ti、TiN或Al。硬掩膜层96的形成方法例如可以是化学气相沉积(CVD)。
参考图20，对硬掩膜层96(参见图19)进行刻蚀，从而在通孔931的内侧壁上形成侧墙961。刻蚀方法可以是干法刻蚀，例如采用含Cl或Br的气体(例如Cl2、HBr)进行刻蚀。
参考图21，去除所述通孔931下方的阻挡层92，并对暴露出的磁隧道结层91进行第一步刻蚀，从而预先移除磁隧道结层91的一部分。优选地，移除的部分的厚度占磁隧道结层91的总厚度的30％～50％。
在第一步刻蚀中，牺牲层93也被部分移除。
参考图22，去除牺牲层93(参见图21)。例如，可以采用含F的干法刻蚀去除BD材质的牺牲层93，刻蚀停止在NDC材质的阻挡层92上。或者，还可以用HF溶液湿法刻蚀去除BD材质的牺牲层93。
侧墙961的厚度决定了环形MTJ结构的内径尺寸。最终的侧墙961的厚度优选为50nm以内，在该厚度范围内有利于降低MTJ结构的读写操作电流。
参考图23，去除侧墙961下方以外的阻挡层92。例如可以以侧墙961为掩膜，采用干法刻蚀去除阻挡层92，刻蚀停止在磁隧道结层91处。
参考图24，以侧墙961(参见图23)为掩膜，对磁隧道结层91(参见图23)进行第二步刻蚀，以去除侧墙961(参见图23)下方以外的磁隧道结层91(参见图23)，保留在侧墙961下方的磁隧道结层成为环状的磁隧道结911，如图25所示。例如，可以采用干法刻蚀对磁隧道结层进行刻蚀，第二步刻蚀之后，可以将侧墙961以及侧墙961下方的阻挡层92(参见图23)去除。
参考图26，沉积介质层97，覆盖磁隧道结911以及半导体衬底90的表面。介质层97的材料可以是氧化硅，其形成方法例如是高纵深比填沟工艺(Harp)。在形成介质层97之后可以采用化学机械研磨对其表面进行平坦化。
参考图27，以无通孔方式形成上电极98，该上电极98与磁隧道结911电连接。
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，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (12)
1.一种MRAM器件的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，该半导体衬底上形成有磁隧道结层；
在所述磁隧道结层上形成牺牲层；
刻蚀所述牺牲层以在其中形成通孔；
在所述通孔的内侧壁上形成侧墙；
对所述通孔底部的磁隧道结层进行第一步刻蚀，以预先去除所述通孔底部的部分磁隧道结层；
去除所述牺牲层，以所述侧墙为掩膜对所述磁隧道结层进行第二步刻蚀，去除所述侧墙下方以外的磁隧道结层，所述侧墙下方的磁隧道结层形成环状的磁隧道结。
2.根据权利要求1所述的MRAM器件的形成方法，其特征在于，该第一步刻蚀预先去除的部分磁隧道结层的厚度占该磁隧道结层总厚度的30％～50％。
3.根据权利要求1所述的MRAM器件的形成方法，其特征在于，该第一步刻蚀采用含Ar轰击的干法刻蚀来去除所述通孔底部的部分磁隧道结层。
4.根据权利要求1所述的MRAM器件的形成方法，其特征在于，在所述通孔的内侧壁上形成侧墙包括：
沉积硬掩膜层，该硬掩膜层覆盖所述通孔的底部、内侧壁以及所述牺牲层的表面；
对所述硬掩膜层进行刻蚀，去除覆盖所述通孔的底部和所述牺牲层的表面的硬掩膜层，以形成所述侧墙。
5.根据权利要求4所述的MRAM器件的形成方法，其特征在于，所述硬掩膜层的材料为金属或者导电的金属化合物。
6.根据权利要求5所述的MRAM器件的形成方法，其特征在于，所述硬掩膜层的材料与所述磁隧道结层内的最上层金属相同。
7.根据权利要求5所述的MRAM器件的形成方法，其特征在于，所述硬掩膜层的材料选自Ta、TaN、Ti、TiN或Al。
8.根据权利要求1所述的MRAM器件的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为氧化硅、不定形碳或抗反射涂层材料。
9.根据权利要求1所述的MRAM器件的形成方法，其特征在于，在形成所述牺牲层之前，还包括：在所述磁隧道结层上形成阻挡层，刻蚀形成所述通孔时停止在所述阻挡层上；
对所述通孔底部的磁隧道结层进行第一步刻蚀之前，还包括：刻蚀移除所述通孔底部的阻挡层；
对所述磁隧道结层进行第二步刻蚀之前，还包括：刻蚀移除所述侧墙下方以外的阻挡层。
10.根据权利要求9所述的MRAM器件的形成方法，其特征在于，该阻挡层和牺牲层的材料为互不相同的低k材料。
11.根据权利要求10所述的MRAM器件的形成方法，其特征在于，所述阻挡层的材料为掺碳氮化硅，所述牺牲层的材料为黑钻石。
12.根据权利要求9所述的MRAM器件的形成方法，其特征在于，在所述第二步刻蚀之后还包括：
去除所述磁隧道结上的阻挡层和侧墙；
沉积介质层，该介质层覆盖所述磁隧道结；
以无通孔方式形成上电极，该上电极与所述磁隧道结电连接。
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