CN107437581A - 一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，步骤如下：S1：提供包括MTJ膜层的衬底；S2：在衬底上依次形成钽膜层和氧化钽膜层；S3：图形化转移MTJ图案到氧化钽膜层；S4：刻蚀氧化钽膜层，使图案转移到钽膜层；S5：对氧化钽膜层和钽膜层进行选择性刻蚀，使MTJ图案转移到MTJ膜层；S6：采用灰化工艺除去残留的有机物；S7：以氧化钽为硬掩模，对MTJ膜层进行刻蚀；S8：采用CVD方法生长一层SiN，以保护刻蚀后暴露出来的MTJ边缘；S9：采用CVD方法生长SiO2将刻蚀后的MTJ部分填满；S10：用化学机械抛光方法将SiO2填充后的MTJ表面磨平，直到Ta上的Ta2O5全部磨掉。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁性隧道结(MTJ，Mag1netic Tunnel Junction)的制备方法，特别涉及一种以氧化钽(Ta2O5)为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，属于集成电路制造技术领域。
背景技术
近年来，采用磁性隧道结(MTJ)的磁电阻效应的磁性随机存储器(MRAM，MagneticRadom Access Memory)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。在现在的MRAM制造工艺中，重金属(比如Ta)会沉积在MTJ的顶部，既作为MTJ刻蚀用的掩模，也作为顶电极的导电通道；随后，一层介电质(比如SiN或者SiO2)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。
在现有的技术条件下，一般采用这种双层膜作为制作磁性隧道结的硬掩模，尽管在CH3OH，CH3OH/Ar或者CO/NH3等的干刻蚀环境中，钽对MTJ膜层具有比较高的选择比。然而，由于在制备这种硬掩模的时候通常采用CF4等作为干刻蚀气体，在CF4等为干刻蚀气体的条件下，Ta对SiN(或SiO2)的刻蚀选择比(etching selectivity)非常低(大约为0.5)。在Ta膜层已完成刻蚀之前，介电层已经被完全刻蚀掉。因此，用CF4作为刻蚀气体很难形成清晰锐利的Ta掩模侧壁，导致轮廓不清的掩模，从而影响MTJ的图案化；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，特别不适用于制备65nm及其以下的MRAM电路。
发明内容
为了解决上述问题，一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，如图2所示，步骤如下：
步骤S1：提供包括磁性隧道结膜层的衬底；隧道结膜层的厚度为15nm～40nm。
步骤S2：在衬底上依次形成作为导电通道的钽膜层和作为硬掩模的氧化钽膜层；钽膜层的厚度为50nm～200nm，氧化钽膜层的厚度为5nm～30nm。
步骤S3：图形化转移磁性隧道结图案到氧化钽膜层。
作为优选，使用光刻胶(PR，Photo Resist)和底部抗反射层(BARC，Bottom Anti-Reflective Coating)完成对磁性隧道结图案的图形化定义；底部抗反射层的厚度为30nm～100nm，光刻胶的厚度为90nm～250nm。
步骤S4：采用SF6等气体刻蚀氧化钽膜层，使图案转移到钽膜层。
步骤S5：采用CF4或者CHF3等气体对氧化钽膜层和钽膜层进行选择性刻蚀，使磁性隧道结图案转移到磁性隧道结膜层。
步骤S6：采用氧气灰化工艺除去残留的有机物。
步骤S7：以氧化钽为硬掩模，采用CH3OH，CH3OH/Ar或者CO/NH3等气体对磁性隧道结膜层进行刻蚀，以完成对磁性隧道结的图形化制作。
作为优选，采用低能量Ar+离子束刻蚀(IBE)将被高能量刻蚀破坏了的磁性隧道结膜层边缘去掉。
步骤S8：采用化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)的方法生长一层SiN将刻蚀后暴露出来的磁性隧道结边缘立即保护起来。
步骤S9：采用化学气相沉积(CVD)的方法生长SiO2将刻蚀后的磁性隧道结部分填满。
步骤S10：用化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polish)的方法将SiO2填充后的MTJ表面磨平直到钽膜层上的氧化钽(Ta2O5)全部磨掉，以便形成一条好的MTJ/Ta垂直导电通路。
本发明的有益效果：以本发明的氧化钽为硬掩模，在CF4和CHF3等气体的条件下，使得钽对氧化钽的刻蚀选择比达到20以上，在后面的MTJ刻蚀中，在CH3OH，CH3OH/Ar或者CO/NH3等气体的条件下，使MTJ对氧化钽的刻蚀选择比也达到20以上和钽做掩模的选择比近似。特别适用于制备65nm及其以下的MRAM电路，从而有效的改善了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，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是本发明以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结制备方法的流程图；
图2是本发明的一个较佳实施例，刻蚀之前MTJ图形转移BARC的剖面图；
图3是本发明的一个较佳实施例，BARC刻蚀之后的剖面图；
图4是本发明的一个较佳实施例，氧化钽膜层刻蚀之后的剖面图；
图5是本发明的一个较佳实施例，钽膜层刻蚀之后的剖面图；
图6是本发明的一个较佳实施例，MTJ刻蚀之后的剖面图；
图7是本发明的一个较佳实施例，用SiN对MTJ边缘进行保护后的剖面图；
图8是本发明的一个较佳实施例，SiO2填充后满后的MTJ剖面图；
图9是本发明的一个较佳实施例，用CMP磨平去掉全部Ta2O5后的剖面图。
图中所示：100-衬底，101-MTJ膜层，101a-刻蚀之后的MTJ膜层，102-钽(Ta)膜层，102a-刻蚀之后的钽(Ta)膜层，103-氧化钽(Ta2O5)膜层，103a-刻蚀之后的氧化钽(Ta2O5)膜层，104-BARC，104a-刻蚀之后的BARC，105-PR，105a-刻蚀之后的PR，200-SiN，300-SiO2。
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。
本发明提供的一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：提供包括MTJ膜层101的衬底100，其中MTJ膜层101的厚度为15nm～40nm。
步骤S2：在MTJ膜层101上依次形成作为导电通道的钽膜层102和作为硬掩模的氧化钽膜层103，其中钽膜层102的厚度为50nm～200nm，氧化钽膜层103的厚度为5nm～30nm；钽膜层102可以使用钽靶，通过物理溅射或离子束沉积等方法形成；氧化钽膜层103，可以采用以下的方法制成：a)物理溅射沉积，使用Ta靶，溅射气体采用Ar+O2，或使用Ta2O5靶，溅射气体采用Ar；b)化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)，使用含有Ta的Ta-MO源与O2反应。
步骤S3：图形化转移MTJ图案到氧化钽膜层103，如图2和图3所示；本发明以底部抗反射层(BARC，Bottom Anti-Reflective Coating)104和光刻胶105来定义MTJ图案。BARC104的厚度为30nm～100nm，光刻胶105的厚度为90nm～250nm。
BARC 104用于减少曝光过程中光在钽膜层102和氧化钽膜层103的上下表面的反射，以使曝光的大部分能量都被钽膜层102和氧化钽膜层103吸收，当然，光刻胶105用于保护器件的其他区域，确保器件正常曝光。曝光完成后，用CF4等干刻蚀BARC 104，使得MTJ图案图形化到氧化钽膜层103。
步骤S4：采用SF6等气体刻蚀氧化钽膜层103，使图案转移到钽膜层102，如图4所示。
步骤S5：采用CF4或者CHF3等气体对氧化钽膜层103和钽膜层102进行选择性刻蚀，使MTJ图案转移到MTJ膜层101，如图5所示。
步骤S6：采用氧气灰化工艺除去残留的有机物。
步骤S7：以氧化钽为硬掩模，采用CH3OH，CH3OH/Ar或者CO/NH3等气体对MTJ膜层101进行刻蚀，如图6所示。
作为优先，采用低能量Ar+离子束刻蚀(IBE)将被高能量刻蚀破坏了的MTJ边缘层去掉。
步骤S8：采用CVD的方法生长一层SiN 200将刻蚀后暴露出来的MTJ边缘立即保护起来，如图7所示。
步骤S9：采用CVD的方法生长SiO2层300将刻蚀后的MTJ部分填满，如图8所示。
步骤S10：用化学机械抛光(CMP)的方法将SiO2填充后的MTJ表面磨平直到钽膜层上的Ta2O5全部磨掉，以便形成一条好的MTJ/Ta垂直导电通路，如图9所示。
以本发明的氧化钽为硬掩模，在CF4和CHF3等气体的条件下，使得钽对氧化钽的刻蚀选择比达到20以上，在后面的MTJ刻蚀中，在CH3OH，CH3OH/Ar或者CO/NH3等气体的条件下，使MTJ对氧化钽的刻蚀选择比也达到20以上和钽做掩模的选择比近似。特别适用于制备65nm及其以下的MRAM电路，从而有效的改善了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，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)
1.一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供包括磁性隧道结膜层的衬底；
步骤S2：在所述衬底上依次形成作为导电通道的钽膜层和作为硬掩模的氧化钽膜层；
步骤S3：图形化转移磁性隧道结图案到所述氧化钽膜层；
步骤S4：刻蚀所述氧化钽膜层，使所述磁性隧道结图案转移到所述钽膜层；
步骤S5：对所述氧化钽膜层和所述钽膜层进行选择性刻蚀，使所述磁性隧道结图案转移到所述磁性隧道结膜层；
步骤S6：采用氧气灰化工艺除去残留的有机物；
步骤S7：以所述氧化钽为硬掩模，对所述磁性隧道结膜层进行刻蚀，以完成对所述磁性隧道结的图形化制作；
步骤S8：生长一层SiN以保护刻蚀后暴露出来的磁性隧道结边缘；
步骤S9：生长SiO2将刻蚀后的磁性隧道结部分填满；
步骤S10：用化学机械抛光的方法将SiO2填充后的磁性隧道结表面磨平直到所述钽膜层上的氧化钽全部磨掉。
2.根据权利要求1所述的一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述磁性隧道结膜层的厚度为15nm～40nm。
3.根据权利要求1所述的一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述钽膜层的厚度为50nm～200nm，所述氧化钽膜层的厚度为5nm～30nm。
4.根据权利要求1所述的一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，步骤S3中，使用光刻胶和底部抗反射层完成对磁性隧道结图案的图形化定义，所述底部抗反射层的厚度为30nm～100nm，所述光刻胶的厚度为90nm～250nm。
5.根据权利要求1所述的一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，步骤S4中，采用SF6等气体刻蚀所述氧化钽膜层。
6.根据权利要求1所述的一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，步骤S5中，采用CF4或者CHF3等气体对所述氧化钽膜层和所述钽膜层进行选择性刻蚀。
7.根据权利要求1所述的一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，步骤S7中，采用CH3OH、CH3OH/Ar或者CO/NH3等气体对所述磁性隧道结膜层进行刻蚀。
8.根据权利要求7所述的一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，采用Ar+离子束刻蚀将所述磁性隧道结膜层的边缘去掉。
9.根据权利要求1所述的一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，步骤S8中，采用化学气相沉积的方法生长一层SiN，以保护刻蚀后暴露出来的磁性隧道结边缘。
10.根据权利要求9所述的一种以氧化钽为硬掩模的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，步骤S9中，采用化学气相沉积的方法生长SiO2将SiN保护后的磁性隧道结部分填满。
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