CN108615808B - 一种通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法，包括：在底电极基底上依次形成磁性隧道结多层膜、硬掩模膜层和牺牲掩模膜层；形成含碳图膜层、无机抗反射层和光刻胶层，用光刻工艺图形化定义形成第一层图案；等离子预处理第一层图案光刻胶层；采用反应离子刻蚀工艺把第一层图案图形转移到硬掩模层；除去残留的含碳图膜层和聚合物；再次形成含碳图膜层、无机抗反射层和光刻胶层，用光刻工艺图形化定义形成第二层图案；等离子体预处理第二层图案光刻胶层；采用反应离子刻蚀工艺把第二层图案转移到硬掩模膜层，在第一层图案和第二层图案的交叉处，最终形成图形化定义的硬掩模；除去残留的含碳图膜层和聚合物；对磁性隧道结多层膜进行刻蚀。
Description
技术领域
本发明涉及磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)制造技术领域，尤其涉及制备45nm及其以下的MRAM电路，具体来说，本发明涉及在193nm或者更精细的光刻技术条件下，用两次光刻三次蚀刻(LELEE，Lithography-Etch-Lithography-Etch-Etch)来图案化磁性隧道结(MTJ,Magnetic Tunnel Junction)阵列的方法。
背景技术
近年来，采用磁性隧道结的磁电阻效应的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。铁磁性磁性隧道结通常为三明治结构，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，鉴于减小磁性隧道结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，以及把对磁性隧道结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、高精确度、高可靠性、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磁性隧道结记忆器件寿命的破坏与缩短。然而，制备一个小型磁性隧道结元件可能会增加磁性隧道结电阻的波动，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。
制备45nm及其以下的磁性隧道结阵列需要193nm或更精细的光刻技术，由于193nm或更精细的光刻技术所采用的光刻胶(PR，Photo Resist)比较软弱，增加了在图案化过程中PR弯曲和倒伏的风险，掩模变得扭曲，从而不能正常的转移图案到磁性隧道结阵列单元。同时，相对于传统的半导体，MRAM回路的磁性隧道结尺寸和图案密度(pattern density)相对较小，增加了由于横向刻蚀，磁性隧道结掩模过度被损耗，从而增加了磁性隧道结图案消失的风险。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够降低磁性隧道结图案消失的风险的图案化磁性隧道结阵列的方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法，包括：第一步骤：在底电极基底上，依次形成磁性隧道结多层膜、硬掩模膜层和牺牲掩模膜层；第二步骤：形成含碳图膜层、无机抗反射层和光刻胶层，并用光刻工艺图形化定义形成第一层图案；第三步骤：等离子预处理第一层图案光刻胶层；第四步骤：采用反应离子刻蚀工艺把第一层图案图形转移到硬掩模层；第五步骤：除去残留的含碳图膜层和聚合物；第六步骤：再次形成含碳图膜层、无机抗反射层和光刻胶层，并用光刻工艺图形化定义形成第二层图案；第七步骤：等离子体预处理第二层图案光刻胶层；第八步骤：采用反应离子刻蚀工艺把第二层图案转移到硬掩模膜层，在第一层图案和第二层图案的交叉处，最终形成图形化定义的硬掩模；第九步骤：除去残留的含碳图膜层和聚合物；第十步骤：对磁性隧道结多层膜进行刻蚀，以完成磁性隧道结的图案化制作。
作为优选，所述磁性隧道结多层膜的厚度为15nm-40nm，所述硬掩模膜层为Ta，TaN，W或WN等，其厚度为40-100nm；所述牺牲掩模膜层为SiO2、SiON或者SiN等，其厚度为0-40nm，所述含碳图膜层的厚度为150nm-300nm；所述无机抗反射层的厚度为10nm-70nm；所示光刻胶层的厚度为70nm-150nm。
作为优选，采用等离子刻蚀工艺腔体进行等离子预处理，其中，压力为2mT-50mT，等离子源功率为300Watt-1500Watt,主要工艺气体为H2、HBr或者Ar等，其流量为50sccm-500sccm，工艺时间为5”-30”。
作为优选，采用CF4、CHF3、CH2F2或者SF6等作为主刻蚀气体对无机抗反射层进行刻蚀；作为优选，采用SO2/O2的组合，N2/H2的组合，Ar/O2/N2/CH4的组合、或者HBr/O2的组合等对含碳图膜层进行刻蚀；作为优选，采用CF4和/或CHF3等气体对牺牲掩模膜层进行刻蚀；作为优选，采用CF4，CHF3，SF6，Cl2的一种或者它们的混合物，辅助以N2，He,Ar等气体对硬掩模膜层进行刻蚀。
更进一步地，在无机抗反射层、含碳图膜层、牺牲掩模层和硬掩膜层每步刻蚀之后对侧壁进行横向修剪工艺，横向修剪所采的气体与之前的刻蚀气体相同或者类似，偏压设置为一个较低值或者零，横向修剪的时间为0”-30”。
本发明通过两次图案化对磁性隧道结进行图案化，在第一层图案化结束之后，再次形成含碳图膜层、无机抗反射层和光刻胶层，重复第一层图案的制做步骤：用光刻定义形成第二层图案；用等离子体预处理光刻胶层，采用反应离子刻蚀工艺把第二层图案转移到硬掩模膜层，在第一层图案和第二层图案的交叉处，最终形成图形化定义的硬掩模；在每步刻蚀之后，对侧壁进行修剪；除去残留的含碳图膜层和聚合物；最后对磁性隧道结多层膜进行刻蚀，以完成磁性隧道结的图案化制作。
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1A示出了根据本发明的一种通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法中两次光刻工艺定义的图案与最终形成的磁性隧道结图案的相对位置示意图。
图1B示出了根据本发明的另一个较佳实施例。
图2示出了根据本发明的一种通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法的流程图。
图3示出了本发明的较佳实施例中在底电极衬底上依次形成磁性隧道结多层膜、硬掩模膜层和牺牲掩模膜层之后的剖面图。
图4A示出了本发明的较佳实施例中，在牺牲掩模之上，形成含碳图膜层、无机抗反射层和光刻胶层后，并采用光刻工艺形成第一层图案之后的剖面图。
图4B示出了本发明的较佳实施例中，在牺牲掩模之上，形成含碳图膜层、无机抗反射层和光刻胶层后，并采用光刻工艺形成第一层图案之后的俯视图。
图5A示出了本发明的较佳实施例中，图形化转移第一层图案到硬掩模膜层后并对除去残留的含碳图膜层和聚合物之后的剖面图。
图5B示出了本发明的较佳实施例中，图形化转移第一层图案到硬掩模膜层后并对除去残留的含碳图膜层和聚合物之后的俯视图。
图6A示出了本发明的较佳实施例中，再次形成含碳图膜层，无机抗反射层和光刻胶层后，并采用光刻工艺形成第二层图案之后的剖面图。
图6B示出了本发明的较佳实施例中，再次形成含碳图膜层，无机抗反射层和光刻胶层后，并采用光刻工艺形成第二层图案之后的俯视图。
图7A示出了本发明的较佳实施例中，图形化转移第二层图案到硬掩模膜层后并除去残留的含碳图膜层和聚合物之后的剖面图。
图7B示出了本发明的较佳实施例中，图形化转移第二层图案到硬掩模膜层后并除去残留的含碳图膜层和聚合物之后的俯视图。
图8A示出了本发明的较佳实施例中，对磁性隧道结多层膜进行刻蚀之后的剖面图。
图8B示出了本发明的较佳实施例中，对磁性隧道结多层膜进行刻蚀之后的俯视图。
附图标记说明：
101-基底，102-磁性隧道结多膜层，103-硬掩模膜层，104-牺牲掩模膜层，105-第一层图案含碳图膜层，106-第一层图案无机抗反射层，107-第一层图案光刻胶层，115-第二层图案含碳图膜层，116-第二层图案无机抗反射层和117-第二层图案光刻胶层。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了解决上述问题，本发明的一种通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法使用两次光刻三次刻蚀(LELEE)来图案化磁性隧道结。更具体地，通过两次光刻工艺正交定义磁性隧道结阵列图案，通过前两次刻蚀完成图案到硬掩模的转移，同时，在前两次刻蚀工艺工序过程中，添加横向修剪工艺去掉大于磁性隧道结阵列所需的尺寸的部分，通过第三次刻蚀工艺完成磁性隧道结阵列的图案化，如图1A、图1B所示。
图2示出了根据本发明的一种通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法的流程图。
如图2所示，根据本发明的一种通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法包括：
第一步骤S1：在底电极基底101上，依次形成磁性隧道结多层膜102，硬掩模膜层103和牺牲掩模膜层104，如图3所示；
其中，所述磁性隧道结多层膜102的厚度为15nm-40nm。所述硬掩模膜层103为Ta，TaN，W或WN等，其厚度为40-100nm；所述牺牲掩模膜层104为SiO2、SiON或者SiN等，其厚度为0-40nm。
作为优选，通常在磁性隧道结多层膜102的上面沉积一层钌(Ru)膜层作为刻蚀硬掩模103的刻蚀终止层，其中，钌(Ru)膜层的厚度为2nm-30nm，可以使用钌靶，通过物理溅射或离子束沉积等方法形成。
第二步骤S2：接着形成含碳图膜层105、无机抗反射层106和光刻胶层107，并用光刻工艺图形化定义形成第一层图案，如图4所示。
其中，所述含碳图膜层105的厚度为150nm-300nm，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(spin-on-Carbon coating)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；所述无机抗反射层106的厚度为10nm-70nm，一般采用旋涂的方法；所示光刻胶层107的厚度为70nm-150nm。
第三步骤S3：等离子预处理第一层光刻胶107图案；作为优选，采用等离子刻蚀工艺腔体进行等离子预处理，其中，压力为2mT-50mT，等离子源功率为300Watt-1500Watt,工艺主要气体为H2，HBr或者Ar等，其流量为50sccm-500sccm，工艺时间为5”-30”。
第四步骤S4：采用反应离子刻蚀(RIE，Reactive Ion Etching)工艺把第一层图案图形转移到硬掩模层103；作为优选，采用CF4，CHF3，CH2F2或者SF6等作为主刻蚀气体对无机抗反射层106进行刻蚀；作为优选，采用SO2/O2，N2/H2，Ar/O2/N2/CH4或者HBr/O2等对含碳图膜层105进行刻蚀；作为优选，采用CF4/CHF3等气体对牺牲掩模膜层104进行刻蚀；作为优选，采用CF4，CHF3，SF6，Cl2的一种或者它们的混合物，辅助以N2，He,Ar等气体对硬掩模膜层103进行刻蚀；
更进一步地，在无机抗反射层106、含碳图膜层105、牺牲掩模层104和硬掩膜层103每步刻蚀之后对侧壁进行横向修剪工艺，横向修剪所采的气体与之前的刻蚀气体相同或者类似，偏压设置为一个较低值或者零，横向修剪的时间为0”-30”。
第五步骤S5：除去残留的含碳图膜层105和聚合物，如图5所示；作为优选，可以采用O2或N2/H2等等离子干法刻蚀工艺除去未被刻蚀含碳图膜层105，采用干法刻蚀工艺或者干法刻蚀工艺加湿法清洗工艺的方法除去残留的聚合物。
第六步骤S6：再次形成含碳图膜层115，无机抗反射层116和光刻胶层117，并用光刻工艺图形化定义形成第二层图案，如图6所示；
其中，所述含碳图膜层116的厚度为150nm-300nm，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(spin-on-Carbon coating)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；所述无机抗反射层116的厚度为10nm-70nm，一般采用旋涂的方法；所述光刻胶层117的厚度为70nm-150nm，一般采用旋涂的方法。
第七步骤S7：等离子体预处理第二光刻胶117图案；
作为优选，采用等离子刻蚀工艺腔体进行等离子预处理，其中，压力为2mT-50mT，等离子源功率为300Watt-1500Watt,工艺主要气体为H2、HBr或者Ar等，其流量为50sccm-500sccm，工艺时间为5”-30”。
第八步骤S8：采用反应离子刻蚀(RIE，Reactive Ion Etching)工艺把第二层图案转移到硬掩模膜层103，在第一层图案和第二层图案的交叉处，最终形成图形化定义的硬掩模；作为优选，采用CF4、CHF3、CH2F2或者SF6等气体对无机抗反射层116进行刻蚀；作为优选，采用SO2/O2，N2/H2，Ar/O2/N2/CH4或者HBr/O2等含碳图膜层115进行刻蚀；作为优选，采用CF4/CHF3等气体对牺牲掩模膜层104进行刻蚀；作为优选，采用Cl2，SF6，CF4，CHF3的一种或者它们的混合物，辅助以N2，He,Ar等气体对硬掩模膜层103进行刻蚀；
更进一步地，在无机抗反射层116，含碳图膜层115，牺牲掩模层104和硬掩膜层103每步刻蚀之后对侧壁进行横向修剪，横向修剪所采的气体与之前的刻蚀气体相同或者类似，偏压设置为一个较低值或零，横向修剪的时间为0”-30”。
第九步骤S9：除去残留的含碳图膜层115和聚合物，如图7所示；作为优选，可以采用O2或N2/H2等等离子干法刻蚀工艺除去未被刻蚀含碳图膜层115，采用干法刻蚀工艺或者干法刻蚀工艺加湿法清洗工艺的方法除去残留的聚合物。
第十步骤S10：对磁性隧道结多层膜102进行刻蚀，以完成磁性隧道结的图案化制作，如图8所示；作为优选采用CH3OH，CH3OH/Ar或者CO/NH3等反应离子刻蚀(RIE，ReactiveIon Etching)工艺或者采用Ar等离子束刻蚀(IBE，Ion Beam Etching)工艺对所述磁性隧道结多层膜102进行刻蚀。
本发明提供的一种通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法使用两次光刻三次刻蚀(LELEE)来图案化磁性隧道结。更具体地，通过前两次刻蚀完成图案到硬掩模的转移，同时，在前两次刻蚀工艺工序过程中，添加横向修剪工艺去掉大于磁性隧道结阵列所需的尺寸的部分，通过第三次刻蚀工艺完成磁性隧道结阵列的图案化。在此过程中，由于采用了两次光刻和修剪工艺，降低了光刻胶的高宽比，增加了每次刻蚀的图案尺寸和密度；采用等离子预处理工艺，使得光刻胶在一定程度上变得更硬，这样解决了在刻蚀过程中光刻胶的弯曲和倒伏，掩模扭曲，磁性隧道结掩模被过度消耗，不能正常的转移图案到磁性隧道结单元，有利于磁性隧道结单元的小型化，特别适合制备45nm及其以下的磁性隧道结阵列，同时，由于采用了横向修剪工艺，对光刻工艺要求不会那么苛刻，采用同样的光刻机可以制备出更精细结构的磁性隧道结阵列单元，无疑降低了生产成本。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法，其中每个磁性隧道结单元在沿第一方向上的宽度为L，沿第二方向上的宽度为W，其特征在于包括：
第一步骤：在底电极基底上，依次形成磁性隧道结多层膜、硬掩模膜层和牺牲掩模膜层；
第二步骤：形成含碳图膜层、无机抗反射层和光刻胶层，并用光刻工艺图形化定义形成第一层图案，其在其覆盖磁性隧道结单元区域的沿第一方向上的宽度为L1，在其余区域的沿第一方向上的宽度为L2；
第三步骤：等离子预处理第一层图案光刻胶层；
第四步骤：采用反应离子刻蚀工艺把第一层图案图形转移到硬掩模层；
第五步骤：除去残留的含碳图膜层和聚合物；
第六步骤：再次形成含碳图膜层、无机抗反射层和光刻胶层，并用光刻工艺图形化定义形成第二层图案，其在其覆盖磁性隧道结单元区域的沿第二方向上的宽度为W1，在其余区域的沿第二方向上的宽度为W2；
第七步骤：等离子体预处理第二层图案光刻胶层；
第八步骤：采用反应离子刻蚀工艺把第二层图案转移到硬掩模膜层，在第一层图案和第二层图案的交叉处，最终形成图形化定义的硬掩模；
第九步骤：除去残留的含碳图膜层和聚合物；
第十步骤：对磁性隧道结多层膜进行刻蚀，以完成磁性隧道结的图案化制作；其中，第一方向与第二方向相互垂直，L1值大于L值且小于L2值，W1值大于W值且小于W2值，在无机抗反射层、含碳图膜层、牺牲掩模层和硬掩膜层每步刻蚀之后对侧壁进行横向修剪工艺，横向修剪的时间为0”-30”，直至达到磁性隧道结单元在沿第一方向上的宽度为L，沿第二方向上的宽度为W 。
2.如权利要求1所述的通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，所述磁性隧道结多层膜的厚度为15nm-40nm；所述硬掩模膜层为Ta、TaN、W或WN，其厚度为40-100nm；所述牺牲掩模膜层为SiO2、SiON或者SiN，其厚度为0-40nm。
3.如权利要求1所述的通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，所述含碳图膜层的厚度为150nm-300nm；所述无机抗反射层的厚度为10nm-70nm；所述光刻胶层的厚度为70nm-150nm。
4.如权利要求1所述的通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，采用等离子刻蚀工艺腔体进行等离子预处理，其中，压力为2mT-50mT，等离子源功率为300Watt-1500Watt,主要工艺气体为H2、HBr或者Ar，其流量为50sccm-500sccm，预处理时间为5”-30”。
5.如权利要求1所述的通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，采用CF4、CHF3、CH2F2或者SF6作为主刻蚀气体对无机抗反射层进行刻蚀；采用SO2和O2的组合，N2和H2的组合，Ar、O2、N2、CH4的组合、或者HBr和O2的组合对含碳图膜层进行刻蚀。
6.如权利要求1所述的通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，采用CF4和/或CHF3气体对牺牲掩模膜层进行刻蚀；采用Cl2和Ar的组合，SF6、He和CHF3的组合，或者CF4，CHF3和N2的组合气体对硬掩模膜层进行刻蚀。
7.如权利要求1所述的通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，用光刻和蚀刻定义形成第二层图案；采用CF4、CHF3、CH2F2或者SF6作为主刻蚀气体对无机抗反射层进行刻蚀；采用SO2和O2的组合，N2和H2的组合，Ar、O2、N2、CH4的组合、或者HBr和O2的组合对含碳图膜层进行刻蚀。
8.如权利要求1所述的通过两次图案化制做磁性隧道结阵列的方法，其特征在于，用蚀刻定义形成第二层图案，采用CF4和/或CHF3气体对牺牲掩模膜层进行刻蚀；采用Cl2和Ar的组合，SF6、He和CHF3的组合，或者CF4，CHF3和N2的组合气体对硬掩模膜层进行刻蚀；在第一层图案和第二层图案的交叉处，最终形成图形化定义的硬掩模；除去残留的含碳图膜层和聚合物。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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