CN107452874B - 一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法，步骤如下：S1.提供具有MTJ多层膜结构的基底；S2.在基底上依次形成钌膜层、硬碳膜层和抗反射层；S3.采用与MTJ相反的图案进行图案化定义；S4.对定义好的MTJ相反图案进行修剪，并对抗反射层和硬碳膜层进行刻蚀，将MTJ相反图案转移到硬碳膜层；S5.沉积一层钽膜层在MTJ相反图案化的碳膜层上；S6.对钽膜层进行回刻，直到抗反射层完全被刻蚀掉；S7.采用氧气干刻工艺除去硬碳膜层，以形成刻蚀MTJ的钽掩模。本发明的方法有利于MTJ单元的小型化，降低了MRAM电路位线和MTJ单元短路的风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)掩模，特别涉及一种磁性隧道结自对准钽(Ta)掩模的形成方法，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，也作为顶电极导电通道。
目前，制备磁性隧道结(MTJ)钽(Ta)硬掩模一般采用CF4等干刻蚀方法，在这种条件下制备出来的钽(Ta)掩模一般都具有比较大的侧壁倾斜角度，非常不利于MTJ单元的小型化，为了使得MTJ单元做的更小，通常会降低钽(Ta)掩模的高度，然而这会增加位线和MTJ之间短路的风险。
同时，制备超精细的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，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。
发明内容
本发明的一种磁性隧道结自对准钽(Ta)掩模的形成方法，特别适合制备超精细的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，钽(Ta)掩模侧壁倾斜角度过大，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。
为了解决上述问题，根据本发明的一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法，如图1所示，其步骤如下：
步骤S1：提供具有磁性隧道结多层膜结构的基底。优选地，磁性隧道结多层膜的厚度为15～40nm。
步骤S2：在基底上依次形成钌膜层、硬碳膜层和抗反射层。优选地，钌膜层的厚度为2～10nm。优选地，抗反射层的厚度为30nm～100nm。
步骤S3：采用与磁性隧道结相反的图案进行图案化定义，得到磁性隧道结相反图案。优选地，以抗反射层和光刻胶来定义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，并对抗反射层和硬碳膜层进行刻蚀，将磁性隧道结相反图案转移到硬碳膜层。优选地，采用Cl2/O2或者HBr/O2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，采用CF4/O2、CF4/CH2F2或者SF6/CH2F2干刻蚀工艺对抗反射层进行刻蚀。优选地，采用N2/H2、HBr/O2、CH4/Ar/O2/N2或者SO2/O2对硬碳膜层进行刻蚀。
步骤S5：沉积一层钽膜层在完成磁性隧道结相反图案的图案化的硬碳膜层上。
步骤S6：对钽膜层进行回刻，直到抗反射层完全被刻蚀掉。优选地，采用CF4或SF6干刻工艺对钽膜层进行回刻。
步骤S7：除去硬碳膜层以形成刻蚀磁性隧道结的钽掩模。优选地，采用氧气干刻工艺除去硬碳膜层。
本发明的有益效果：本发明的一种磁性隧道结自对准钽(Ta)模的形成方法，特别适制备超精细的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，钽(Ta)掩模侧壁倾斜角度过大，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是本发明的一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法的流程图；
图2是本发明一个较佳实施例中的包括MTJ多层膜基底的示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中的在多层MTJ膜上依次形成钌膜层，硬碳膜层和抗发射层后的示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中的MTJ相反的图案进行图案化定义后的示意图；
图5是本发明一个较佳实施例中的抗反射层刻蚀之后的示意图；
图6是本发明一个较佳实施例中的硬碳膜层刻蚀之后的示意图；
图7是本发明一个较佳实施例中的沉积一层钽膜层之后的示意图；
图8是本发明一个较佳实施例中的对钽膜层进行刻蚀，并刻蚀掉所有抗反射层之后的示意图；
图9是本发明一个较佳实施例中的氧气干刻蚀工艺除去硬碳膜层之后的示意图。
图中所示：100-基层，101-MTJ膜层，102-钌(Ru)膜层，103-硬碳膜层，104-抗反射层，105-光刻胶和106-钽(Ta)膜层。
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。
本发明的一种磁性隧道结自对准钽(Ta)掩模的形成方法，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)基层100上，依次层叠一系列必需的膜以形成MTJ的功能基础层——MTJ膜层101，其中MTJ的厚度为15nm～40nm，如图2所示。
步骤S2：在基底上，依次形成钌(Ru)膜层102，硬碳膜层103和抗反射层104，如图3所示。
钌膜层102的优选厚度为2～10nm，钌膜层102可以使用钌靶，通过物理溅射或离子束沉积等方法形成。
硬碳膜层103，优选厚度为50～200nm，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C、H和O；b)旋涂)技术；c)物理溅射沉积，用碳作靶材；d)离子束沉积，用碳作靶材。
抗反射层104，优选厚度为30nm～100nm，优选的采用无机抗反射层，一般采用旋涂的技术。
步骤S3：采用与MTJ相反的图案进行图案化定义，如图4所示；本发明以抗反射层104和光刻胶105来定义与MTJ图案相反的图形。
抗反射层104用于减少曝光过程中光在钌膜层102和硬碳膜层103的上下表面的反射，以使曝光的大部分能量都被钌膜层102和硬碳膜层103吸收。
步骤S4：对定义好的MTJ相反图案进行修剪(Trim)，并对抗反射层104和硬碳膜层103进行刻蚀，将MTJ相反图案转移到硬碳膜层103，如图5和6所示。优选地采用Cl2/O2或者HBr/O2干刻蚀工艺对与MTJ相反的图案(PR105)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/O2、CF4/CH2F2或者SF6/CH2F2等干刻蚀工艺对抗发射层104进行刻蚀；优选地采用N2/H2、HBr/O2、CH4/Ar/O2/N2或者SO2/O2对硬碳膜层103进行刻蚀。
步骤S5：沉积一层钽(Ta)膜层106在MTJ相反图案化的硬碳膜层103上，如图7所示；对钽膜层106进行沉积时，通过物理溅射，离子束沉积或者原子束沉积等方法形成。
步骤S6：对钽膜层106进行回刻，直到抗反射层104完全被刻蚀掉；优选地采用CF4或SF6等干刻工艺，如图8所示。
步骤S7：采用氧气干刻工艺除去硬碳膜层103，以形成刻蚀MTJ的钽膜层106，也即钽掩模，如图9所示。
综上，本发明的一种磁性隧道结自对准钽(Ta)掩模的形成方法，特别适合制备超精细的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，钽(Ta)掩模侧壁倾斜角度过大，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)
1.一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供具有磁性隧道结多层膜结构的基底；
步骤S2：在所述基底上依次形成钌膜层、硬碳膜层和抗反射层；
步骤S3：采用与磁性隧道结相反的图案进行图案化定义，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，并对所述抗反射层和所述硬碳膜层进行刻蚀，将所述磁性隧道结相反图案转移到所述硬碳膜层；
步骤S5：沉积一层钽膜层在完成磁性隧道结相反图案的图案化的所述硬碳膜层上；
步骤S6：对所述钽膜层进行回刻，直到所述抗反射层完全被刻蚀掉；
步骤S7：除去所述硬碳膜层以形成刻蚀磁性隧道结的钽掩模。
2.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法，其特征在于，所述磁性隧道结多层膜的厚度为15～40nm。
3.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法，其特征在于，所述钌膜层的厚度为2～10nm。
4.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法，其特征在于，所述抗反射层的厚度为30nm～100nm。
5.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法，其特征在于，以抗反射层和光刻胶来定义所述磁性隧道结相反图案。
6.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法，其特征在于，采用Cl2/O2或者HBr/O2干刻蚀工艺对所述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。
7.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法，其特征在于，采用CF4/O2、CF4/CH2F2或者SF6/CH2F2干刻蚀工艺对所述抗反射层进行刻蚀。
8.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法，其特征在于，采用N2/H2、HBr/O2、CH4/Ar/O2/N2或者SO2/O2对所述硬碳膜层进行刻蚀。
9.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法，其特征在于，采用CF4或SF6干刻工艺对所述钽膜层进行回刻。
10.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结自对准钽掩模的形成方法，其特征在于，采用氧气干刻工艺除去所述硬碳膜层。
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