CN107403865A - 一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法 - Google Patents

一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法，步骤如下：提供具有MTJ多层膜结构的基底；在基底上依次形成Ta膜层和介电膜层；采用与MTJ相反的图案进行图案化定义；对定义好的MTJ相反图案进行修剪，对BRAC进行刻蚀，将MTJ相反图案转移到介电膜层，形成相反图案衬底；沉积一层介电质在MTJ相反图案衬底；对介电质进行回刻；氧气干刻蚀工艺除去PR和BARC，以完成对MTJ的图案化定义；反应离子束刻蚀图案化定义好的双层掩模，使图案顺利转移到MTJ膜层；采用CH3OH等气体干刻蚀MTJ膜层，以完成MTJ的图案化。

Description

一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法
技术领域
本发明涉及一种图案化磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的方法，尤其涉及一种双重图形技术(DPT，Double Patterning Technology)图案化磁性隧道结的方法，属于磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)制造技术领域。
背景技术
近年来，采用MTJ的磁电阻效应的MRAM被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。
为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。依此方法，即可通过向磁电阻元件提供自旋极化电流来反转磁性记忆层的磁化强度方向。此外，随着磁性记忆层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。因此，这种写方法可同时实现器件微型化和降低电流。
同时，鉴于减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相契合。因此，期望是将pSTT-MRAM元件做成极小尺寸，并具有非常好的均匀性，以及把对MTJ磁性的影响减至最小，所采用的制备方法还可实现高良莠率、高精确读、高可靠写、低能耗，以及保持适于数据良好保存的温度系数。同时，非易失性记忆体中写操作是基于阻态变化，从而需要控制由此引起的对MTJ记忆器件寿命的破坏与缩短。然而，制备一个小型MTJ元件可能会增加MTJ电阻的波动，使得pSTT-MRAM的写电压或电流也会随之有较大的波动，这样会损伤MRAM的性能。在当前的MRAM制造工艺中，重金属(比如Ta)会沉积在MTJ的顶部，既作为MTJ刻蚀用的硬掩模，也作为顶电极的导电通道，随后，一层介电质(比如SiN等)会沉积在Ta膜的顶部，被用来作为Ta掩模的牺牲层。通常这种双层膜结构被用来作为刻蚀MTJ的硬掩模。
制备45nm或更小尺寸的MTJ单元需要193nm或更精细的光刻技术，由于193nm或更光刻技术所采用的光刻胶(PR，Photo Resist)比较弱。同时MTJ器件尺寸本身相对于相邻MTJ器件之间尺寸要小的很多，这样更增加了193PR弯曲和倒伏的风险，从而不能正常的转移图案到MTJ单元。
目前，用于刻蚀MTJ双层硬掩模的气体为CF4(SiN/Ta的选择比大约为0.5)，如果采用比较薄的介电层，在Ta膜被完全刻蚀掉之前，光刻胶与抗反射层(ARC，Anti-Reflection Coating)不足以保护介电层免于被暴露出来，在Ta掩模已完全被过刻蚀之前，介电层掩模也几乎被刻蚀殚尽。因此，Ta膜掩模很难形成清晰锐利的侧壁，导致轮廓不清的掩模。同时，由于Ta膜层在没有介电层的保护下，Ta膜层的厚度将会进一步减小，并形成椭圆形的膜帽，这样将会增加位线和MTJ之间短路的风险。在Ta膜层完成刻蚀之前，为了使介电层不被完全刻蚀掉，通常可以增加介电层的厚度，然而，使用比较厚的介电层，MTJ图案在介电层转移时，尺寸会变大得比较厉害，这非常不利于MTJ的小型化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：PR弯曲和倒伏，不能正常的转移图案到MTJ单元，MTJ图案在双层掩模转移时尺寸变大，以及Ta膜层提前被过度消耗等。
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种双重图形技术(DPT)图案化磁性隧道结的方法，特别适用于制备45nm及其以下的MRAM电路，如图1所示，具体步骤如下：
步骤S1：提供具有磁性隧道结膜层结构的基底；
步骤S2：在基底上依次形成钽膜层和介电膜层；
步骤S3：以底部抗反射层(BRAC，Bottom Anti-Reflective Coating)和光刻胶层(PR，Photo Resist)来定义与磁性隧道结图案相反的图案，完成图案化定义，得到磁性隧道结相反图案；
步骤S4：对磁性隧道结相反图案进行修剪(Trim)，并对底部抗反射层进行刻蚀，将磁性隧道结相反图案转移到介电膜层，形成相反图案衬底；
步骤S5：沉积一层介电质在相反图案衬底；
步骤S6：对介电质进行回刻；
步骤S7：用氧气干刻蚀工艺除去光刻胶层和底部抗反射层，以完成对磁性隧道结的图案化定义，得到双层掩模；
步骤S8：反应离子束刻蚀(RIE，Reactive Ion Etching)双层掩模，使磁性隧道结图案转移到磁性隧道结膜层；
步骤S9：采用气体干刻蚀磁性隧道结膜层，以完成磁性隧道结的图案化。
优选地，磁性隧道结膜层的厚度为15nm～40nm。
优选地，钽膜层的厚度为50～150nm，介电膜层厚度为0～100nm。介电膜层厚度为0nm即可以不加介电膜层。
优选地，介电膜层是指SiN，SiO2，或SiON。介电质采用低温化学气相沉积工艺沉积介电质。
优选地，采用CF4，Cl2/O2或者HBr/O2等干刻蚀工艺对磁性隧道结相反图案进行修剪，在干刻蚀过程中无需添加偏压。
优选地，底部抗反射层的厚度为30nm～100nm，光刻胶层的厚度为90nm～250nm。
优选地，采用CF4，Cl2/O2或者HBr/O2等干刻蚀工艺对底部抗反射层进行刻蚀。
优选地，采用CF4或CF4/Ar等含氟气体干刻蚀工艺对介电质进行回刻。
优选地，反应离子束刻蚀选用Cl2/Ar，CH4/Ar或CF4等作为主刻蚀气体对钽膜层进行刻蚀。
优选地，以钽膜层为硬掩模，采用CH3OH，CH3OH/Ar，或CO和NH3的一种为刻蚀气体对磁性隧道结膜层进行刻蚀，以完成磁性隧道结的图案化。
本发明的有益效果：本发明通过双重图形技术(DPT)，有效的解决了PR弯曲和倒伏，不能正常的转移图案到MTJ单元，MTJ图案在双层掩模转移时尺寸变大，以及Ta膜层提前被过度消耗等问题，有利于MTJ单元的小型化，特别适用于制备45nm及其以下的MRAM电路，降低了MRAM电路位线和MTJ单元短路的风险。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明双重图形技术(DPT)图案化磁性隧道结的方法的流程图；
图2是本发明的一个较佳实施例中MTJ相反图案进行图案化定义后的剖面图；
图3是本发明的一个较佳实施例中MTJ相反图案进行图案化定义后的俯视图；
图4是本发明的一个较佳实施例中定义好的MTJ相反图案修剪(Trim)和BARC进行刻蚀后的剖面图；
图5是本发明的一个较佳实施例中定义好的MTJ相反图案修剪(Trim)和BARC进行刻蚀后的俯视图；
图6是本发明的一个较佳实施例中沉积一层介电质在MTJ相反图案衬底后的剖面图；
图7是本发明的一个较佳实施例中沉积一层介电质在MTJ相反图案衬底后的俯视图；
图8是本发明的一个较佳实施例中对介电质进行回刻后的剖面图；
图9是本发明的一个较佳实施例中对介电质进行回刻后的俯视图；
图10是本发明的一个较佳实施例中氧气干刻蚀工艺除去PR和BARC后的剖面图；
图11是本发明的一个较佳实施例中氧气干刻蚀工艺除去PR和BARC后的俯视图；
图12是本发明的一个较佳实施例中反应离子束刻蚀(RIE)图案化定义双层掩模后的剖面图；
图13是本发明的一个较佳实施例中反应离子束刻蚀(RIE)图案化定义双层掩模后的俯视图；
图14是本发明的一个较佳实施例中CH3OH等气体干刻蚀MTJ膜层后的剖面图；
图15是本发明的一个较佳实施例中CH3OH等气体干刻蚀MTJ膜层后的俯视图；
图中所示：100-基底，101-MTJ膜层，102-Ta膜层，103-介电膜层，104-BARC，105-PR和106-介电质。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的一种双重图形技术(DPT)图案化磁性隧道结的方法，包括但不只限于制备磁性随机存储器(MRAM)，也不限于任何工艺顺序或流程，只要制备得到的产品或装置与以下优选工艺顺序或流程制备得到的相同或相似。如图1所示，该方法包括：
步骤S1：提供具有MTJ多层膜结构的基底；优选的是在已制备完成的底电极(BE，Bottom Electrode)基底100上，依次层叠一系列必需的膜以形成MTJ的功能基础层，其中MTJ的厚度为15nm～40nm。
步骤S2：在基底上，依次形成Ta膜层102和介电膜层103(比如SiN，SiO2，或SiON等)；Ta膜层102的优选厚度为50～150nm，Ta膜层102可以使用Ta靶，通过物理溅射或离子束沉积等方法形成；介电膜层103，优选厚度为0～100nm(即也可以不加介电膜层)，可以采用以下的一种或多种方法制成：a)化学气相沉积，采用的反应剂含Si、N、O和H；b)物理溅射沉积，使用Si靶，溅射气体采用Ar+N2，Ar+NH3或Ar+O2。
步骤S3：采用与MTJ相反的图案进行图案化定义；本发明以BARC104和光刻胶105来定义与MTJ图案相反的图形。BARC104的厚度为30nm～100nm，光刻胶105的厚度为90nm～250nm，如图2和图3所示。
BARC104用于减少曝光过程中光在Ta膜层102和介电膜层103的上下表面的反射，以使曝光的大部分能量都被Ta膜层102和介电膜层103吸收。
步骤S4：对定义好的MTJ相反图案进行修剪(Trim)，BARC 104进行刻蚀；如图4和图5所示，将MTJ相反图案转移到介电膜层，形成相反图案衬底；优选地采用CF4，Cl2/O2或者HBr/O2等干刻蚀工艺对与MTJ相反的图案进行修剪(Trim)，其中，在干刻蚀过程中，无需添加偏压；优选地采用CF4，Cl2/O2或者HBr/O2等干刻蚀工艺对BARC104进行刻蚀；
步骤S5：沉积一层介电质106在MTJ相反图案衬底，如图6和图7所示；对介电质106进行沉积时，优选地采用低温(低于光刻胶的Tg)化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)工艺；
步骤S6：对介电质106进行回刻；优选地采用CF4或CF4/Ar等含氟气体干刻工艺，刻蚀后的剖面图和俯视图，见图8和图9所示；
步骤S7：氧气干刻蚀工艺除去PR105和BARC104，以完成对MTJ的图案化定义，如图10和图11所示；
步骤S8：反应离子束刻蚀(RIE)图案化定义好的双层掩模，使图案顺利转移到MTJ膜层，如图12和图13所示；优选Cl2/Ar，CH4/Ar或CF4等作为主刻蚀气体；
步骤S9：采用CH3OH，CH3OH/Ar，或CO和NH3的一种干刻蚀MTJ膜层101，以完成MTJ的图案化，如图14和图15。
综上，本发明的一种双重图形技术(DPT)图案化磁性隧道结的方法，特别适用于制备45nm及其以下的MRAM电路，用以解决PR弯曲和倒伏，不能正常的转移图案到MTJ单元，MTJ图案在双层掩模转移时尺寸变大，以及Ta膜层提前被过度消耗等问题，有利于MTJ单元的小型化，降低了MRAM电路位线和MTJ单元短路的风险。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供具有磁性隧道结膜层结构的基底；
步骤S2：在所述基底上依次形成钽膜层和介电膜层；
步骤S3：以底部抗反射层和光刻胶层来定义与磁性隧道结图案相反的图案，完成图案化定义，得到磁性隧道结相反图案；
步骤S4：对所述磁性隧道结相反图案进行修剪，并对所述底部抗反射层进行刻蚀，将所述磁性隧道结相反图案转移到所述介电膜层，形成相反图案衬底；
步骤S5：沉积一层介电质在所述相反图案衬底；
步骤S6：对所述介电质进行回刻；
步骤S7：用氧气干刻蚀工艺除去所述光刻胶层和所述底部抗反射层，以完成对磁性隧道结的图案化定义，得到双层掩模；
步骤S8：反应离子束刻蚀所述双层掩模，使所述磁性隧道结图案转移到所述磁性隧道结膜层；
步骤S9：采用气体干刻蚀所述磁性隧道结膜层，以完成磁性隧道结的图案化。
2.根据权利要求1所述的一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法，其特征在于，所述磁性隧道结膜层的厚度为15nm～40nm。
3.根据权利要求1所述的一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法，其特征在于，所述钽膜层的厚度为50～150nm，所述介电膜层厚度为0～100nm。
4.根据权利要求1所述的一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法，其特征在于，所述介电膜层是指SiN，SiO2或SiON，介电质采用低温化学气相沉积工艺沉积所述介电质。
5.根据权利要求1所述的一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法，其特征在于，所述底部抗反射层的厚度为30nm～100nm，所述光刻胶层的厚度为90nm～250nm。
6.根据权利要求1所述的一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法，其特征在于，采用CF4，Cl2/O2或者HBr/O2干刻蚀工艺对所述磁性隧道结相反图案的光刻胶层进行修剪，在干刻蚀过程中无需添加偏压。
7.根据权利要求1所述的一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法，其特征在于，采用CF4，Cl2/O2或者HBr/O2干刻蚀工艺对所述底部抗反射层进行刻蚀。
8.根据权利要求1所述的一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法，其特征在于，采用CF4或CF4/Ar干刻蚀工艺对所述介电质进行回刻。
9.根据权利要求1所述的一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法，其特征在于，反应离子束刻蚀选用Cl2/Ar，CH4/Ar或CF4作为主刻蚀气体对所述钽膜层进行刻蚀。
10.根据权利要求1所述一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法，其特征在于，以所述钽膜层为硬掩模，采用CH3OH，CH3OH/Ar，或CO和NH3的一种为刻蚀气体对所述磁性隧道结膜层进行刻蚀，以完成磁性隧道结的图案化。
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