CN112531106A - 磁性隧道结的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁性隧道结的制备方法，所述方法包括：提供一衬底，在所述衬底上依次沉积底电极材料层、MTJ材料层、金属硬掩膜层和介质硬掩膜层，其中所述MTJ材料层包括：第一磁性薄膜层、位于所述第一磁性薄膜层上方的绝缘薄膜层以及位于所述绝缘薄膜层上方的第二磁性薄膜层；光刻出掩膜形状，并刻蚀所述介质硬掩膜层和所述金属硬掩膜层；进一步刻蚀所述MTJ材料层，将刻蚀终点停留在所述绝缘薄膜层与所述第一磁性薄膜层的界面；形成第一保护层并刻蚀所述第一保护层，只保留所述第一保护层的垂直部分；以刻蚀后的所述金属硬掩膜层为硬掩膜，刻蚀所述第一磁性薄膜层，以形成MTJ位元。本发明能够减少MTJ刻蚀过程中产生的金属沉积。
Description
技术领域
本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种磁性隧道结的制备方法。
背景技术
MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁性随机存储器)被认为是未来的固态非易失性记忆体，具有读写速度快，非易失，抗辐照等优良属性。MRAM是以MTJ(MagneticTunnel Junction，磁性隧道结)作为基本存储单元，MTJ核心部分是由两个铁磁层(铁磁金属材料，典型厚度为1～2.5nm)夹着一个隧穿势垒层(绝缘材料，典型厚度为1～1.5nm)构成类似于三明治结构的纳米多层膜。其中一个铁磁层被称为参考层或固定层，它的磁化沿易磁化轴方向固定不变。另一个铁磁层被称为自由层，它的磁化有两个稳定的取向，分别与参考层平行或者反平行。
在MRAM制备过程中，磁性隧道结的图案化工艺已经成为最有挑战的工艺之一。传统的MTJ图案化工艺，采用离子束刻蚀，反应离子刻蚀等技术，刻蚀过程中难以避免地会产生刻蚀副产物，如底电极材料，这些副产物容易附着于MTJ的侧壁，造成金属沉积污染，从而影响器件性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种磁性隧道结的制备方法，能够减少溅射到MTJ侧壁上的金属沉积。
本发明提供一种磁性隧道结的制备方法，包括：
提供一衬底，在所述衬底上依次沉积底电极材料层、MTJ材料层、金属硬掩膜层和介质硬掩膜层，其中所述MTJ材料层包括：位于所述底电极材料层上的第一磁性薄膜层、位于所述第一磁性薄膜层上的绝缘薄膜层以及位于所述绝缘薄膜层上的第二磁性薄膜层；
光刻出第一掩膜形状，并刻蚀所述介质硬掩膜层和所述金属硬掩膜层；
以刻蚀后的所述介质硬掩膜层和刻蚀后的所述金属硬掩膜层为硬掩膜，刻蚀所述MTJ材料层，将刻蚀终点停留在所述绝缘薄膜层与所述第一磁性薄膜层的界面，得到一预刻蚀器件；
在所述预刻蚀器件的表面形成第一保护层；
刻蚀所述第一保护层，刻蚀结束后所述第一保护层的水平部分被完全去除同时垂直部分被保留；
以刻蚀后的所述金属硬掩膜层为硬掩膜，刻蚀所述第一磁性薄膜层，以形成MTJ位元。
可选地，所述第一保护层通过等离子体增强原子层沉积或者等离子体增强化学气相沉积的方式形成。
可选地，所述第一保护层的材料为SiO2、SiN、SiC、SiON和SiCN中的任意一种。
可选地，所述第一保护层的厚度为5～50nm。
可选地，所述刻蚀所述第一保护层使用干法刻蚀。
可选地，所述方法还包括：
在形成的所述MTJ位元表面形成第二保护层；
回填介质材料，并进行平坦化处理；
光刻出第二掩膜形状，并刻蚀出MTJ底电极。
可选地，所述第二保护层与所述第一保护层材料相同。
可选地，所述光刻出第一掩膜形状，并刻蚀所述介质硬掩膜层和所述金属硬掩膜层包括：
在所述介质硬掩膜层上旋涂光刻胶层叠结构，所述光刻胶层叠结构包括从下至上依次堆叠的有机富碳旋涂层、低温氧化膜、抗反射图层和光刻胶层；
对所述光刻胶层叠结构进行曝光和清洗，并使用逐层传递的方式向下刻蚀，只保留刻蚀后的有机富碳旋涂层；
以刻蚀后的有机富碳旋涂层为掩膜，依次刻蚀所述介质硬掩膜层和所述金属硬掩膜层。
可选地，所述金属硬掩膜层的材料为Ta、TaN、Ti和TiN中的一种。
可选地，所述介质硬掩膜层的材料为SiOx或者SiNx。
本发明提供的磁性隧道结的制备方法，在形成MTJ位元的刻蚀过程中，MTJ材料层的刻蚀分为两步，第一次刻蚀MTJ材料层时仅刻蚀到绝缘薄膜层和第一磁性薄膜层的界面，然后沉积第一保护层，之后第二次刻蚀MTJ材料层的第一磁性薄膜层，可以防止第一磁性薄膜层的金属材料溅射到绝缘薄膜层的侧壁，减少金属沉积污染，同时也避免所形成的MTJ位元发生短路。
附图说明
图1为本发明一实施例的磁性隧道结的制备方法的流程示意图；
图2至图12为本发明一实施例的磁性隧道结的制备方法的各工艺步骤的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例提供一种磁性隧道结的制备方法，如图1所示，所述方法包括：
S101、提供一衬底，在所述衬底上依次沉积底电极材料层、MTJ材料层、金属硬掩膜层和介质硬掩膜层，其中所述MTJ材料层包括：位于所述底电极材料层上的第一磁性薄膜层、位于所述第一磁性薄膜层上的绝缘薄膜层以及位于所述绝缘薄膜层上的第二磁性薄膜层；
S102、光刻出第一掩膜形状，并刻蚀所述介质硬掩膜层和所述金属硬掩膜层；
S103、以刻蚀后的所述介质硬掩膜层和刻蚀后的所述金属硬掩膜层为硬掩膜，刻蚀所述MTJ材料层，将刻蚀终点停留在所述绝缘薄膜层与所述第一磁性薄膜层的界面，得到一预刻蚀器件；
S104、在所述预刻蚀器件的表面形成第一保护层；
S105、刻蚀所述第一保护层，刻蚀结束后所述第一保护层的水平部分被完全去除同时垂直部分被保留；
S106、以刻蚀后的所述金属硬掩膜层为硬掩膜，刻蚀所述第一磁性薄膜层，以形成MTJ位元。
具体地，步骤S101中，如图2所示，在衬底101上依次沉积底电极材料层102、MTJ材料层103、金属硬掩膜层104和介质硬掩膜层105，其中所述MTJ材料层103包括：位于所述底电极材料层上的第一磁性薄膜层1031、位于所述第一磁性薄膜层1031上的绝缘薄膜层1032以及位于所述绝缘薄膜层1032上的第二磁性薄膜层1033；MTJ材料层103、金属硬掩膜层104和介质硬掩膜层105可以用物理气相沉积或者化学气相沉积的方式制备。
其中，所述金属硬掩膜层104的材料可以是Ta、TaN、Ti和TiN中的一种。所述介质硬掩膜层105的材料为SiOx或者SiNx。
步骤S102中，如图3所示，在所述介质硬掩膜层105上旋涂光刻胶层叠结构，光刻胶层叠结构可以根据硬掩膜层的厚度和光刻机的光源使用不同的结构，一般地，有PR/ARC/LTO/SOC和PR/ARC等结构。PR/ARC/LTO/SOC结构的光刻胶层叠结构，即包括从下至上依次堆叠的有机富碳旋涂层(SOC)、低温氧化膜(LTO)、抗反射图层(ARC)和光刻胶层(PR)；PR/ARC结构的光刻胶层叠结构，即只包括抗反射图层和光刻胶层。旋涂光刻胶层叠结构后，进行光刻胶层叠结构的曝光和清洗，使用逐层传递的方式刻蚀光刻胶层叠结构，即PR刻ARC，ARC刻LTO，LTO刻SOC，最终只保留SOC，光刻出第一掩膜形状。参考图4-5，以SOC为掩膜，依次刻蚀介质硬掩膜层105和金属硬掩膜层104，将刻蚀后的介质硬掩膜层和金属硬掩膜层分别记为105a，104a。
步骤S103中，以刻蚀后的介质硬掩膜层105a和刻蚀后的金属硬掩膜层104a为硬掩膜，刻蚀MTJ材料层103，刻蚀方法包括反应离子刻蚀和离子束刻蚀等，刻蚀终点为绝缘薄膜层1032上下5nm范围内，即将刻蚀终点控制在绝缘薄膜层1032和第二磁性薄膜层1033的界面上方5nm至绝缘薄膜层1032和第一磁性薄膜层1031的界面下方5nm的范围内，本实施例中将刻蚀终点停留在所述绝缘薄膜层1032与所述第一磁性薄膜层1031的界面，得到一预刻蚀器件，该预刻蚀器件的剖面结构如图6所示，在刻蚀过程中，介质硬掩膜层105a被去除；
步骤S104中，在得到的预刻蚀器件的表面形成第一保护层106。第一保护层106不导电，无磁性，可以是SiO2、SiN、SiC、SiON和SiCN中的任意一种。第一保护层106通过等离子体增强原子层沉积或者等离子体增强化学气相沉积的方式形成，厚度为5～50nm。形成第一保护层106后的结构如图7所示，所述第一保护层106的水平部分覆盖于所述第一磁性薄膜层1031和刻蚀后的所述金属硬掩膜层104a的表面，所述第一保护层106的垂直部分覆盖于刻蚀后的所述金属硬掩膜层104a、刻蚀后的第二磁性薄膜层1033a和刻蚀后的绝缘薄膜层1032a的侧壁。
步骤S105中，如图8所示，刻蚀所述第一保护层106，本实施例中，利用反应离子刻蚀及自对准方法对第一保护层106进行干法刻蚀，刻蚀有较好的方向性，对平面的刻蚀速率大于侧壁的刻蚀速率，即刻蚀结束后所述第一保护层的水平部分被完全去除，暴露出第一磁性薄膜层1031和金属硬掩膜层104a，同时侧壁还保留有垂直部分106a，其中绝缘薄膜层1032a位于或基本位于第一保护层垂直部分106a内部。
步骤S106中，利用自对准方法，以刻蚀后的金属硬掩膜层104a和第一保护层垂直部分106a为掩膜，进一步刻蚀MTJ材料层的第一磁性薄膜层1031，刻蚀终点位于第一磁性薄膜层1031和底电极材料层102的界面。如图9所示，刻蚀后第一保护层垂直部分106a只有少量残留，至此可以形成MTJ位元。但需要说明的是，刻蚀后第一保护层垂直部分106a也可以完全耗尽，对后续工艺不会有任何影响。
通过上述可知，本发明实施例的磁性隧道结的制备方法，在形成MTJ位元的刻蚀过程中，MTJ材料层的刻蚀分为两步，第一次刻蚀MTJ材料层时仅刻蚀到绝缘薄膜层和第一磁性薄膜层的界面，然后沉积第一保护层，之后第二次刻蚀MTJ材料层的第一磁性薄膜层，可以防止第一磁性薄膜层的金属材料溅射到绝缘薄膜层的侧壁，减少金属沉积污染，同时也避免所形成的MTJ位元发生短路。
进一步地，在形成MTJ位元之后，还包括以下步骤：
S107、基于图9所示的MTJ位元，如图10所示，在形成的MTJ位元表面形成第二保护层107，第二保护层107不导电，无磁性，通过物理气相沉积或者化学气相沉积形成，使用的材料可以与所述第一保护层106材料相同，采用氧化硅、氮化硅、碳化硅或者其化合物；
S108、如图11所示，回填介质材料，充满MTJ位元之间，介质材料可以是氧化硅、氮化硅、碳化硅和low K材料等，并使用CMP进行平坦化处理，抛光停留位置可以在MTJ上方，也可以刚好在MTJ上；
S109、光刻出第二掩膜形状，并刻蚀出MTJ底电极。
此处光刻和刻蚀主要是为了打开MTJ底电极材料层102，光刻图案与MTJ位元对准，其尺寸一般应大于MTJ位元的尺寸，刻蚀的终点位于底电极材料层102下方。
另外，在上述刻蚀出MTJ底电极之后，继续进行后段工艺，包括填充绝缘介质、CMP抛光以及MTJ顶电极的制备等，该后段工艺均采用常规手段实现，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种磁性隧道结的制备方法，其特征在于，包括：
提供一衬底，在所述衬底上依次沉积底电极材料层、MTJ材料层、金属硬掩膜层和介质硬掩膜层，其中所述MTJ材料层包括：位于所述底电极材料层上的第一磁性薄膜层、位于所述第一磁性薄膜层上的绝缘薄膜层以及位于所述绝缘薄膜层上的第二磁性薄膜层；
光刻出第一掩膜形状，并刻蚀所述介质硬掩膜层和所述金属硬掩膜层；
以刻蚀后的所述介质硬掩膜层和刻蚀后的所述金属硬掩膜层为硬掩膜，刻蚀所述MTJ材料层，将刻蚀终点停留在所述绝缘薄膜层与所述第一磁性薄膜层的界面，得到一预刻蚀器件；
在所述预刻蚀器件的表面形成第一保护层；
刻蚀所述第一保护层，刻蚀结束后所述第一保护层的水平部分被完全去除同时垂直部分被保留；
以刻蚀后的所述金属硬掩膜层为硬掩膜，刻蚀所述第一磁性薄膜层，以形成MTJ位元。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一保护层通过等离子体增强原子层沉积或者等离子体增强化学气相沉积的方式形成。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一保护层的材料为SiO2、SiN、SiC、SiON和SiCN中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一保护层的厚度为5～50nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀所述第一保护层使用干法刻蚀。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在形成的所述MTJ位元表面形成第二保护层；
回填介质材料，并进行平坦化处理；
光刻出第二掩膜形状，并刻蚀出MTJ底电极。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二保护层与所述第一保护层材料相同。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光刻出第一掩膜形状，并刻蚀所述介质硬掩膜层和所述金属硬掩膜层包括：
在所述介质硬掩膜层上旋涂光刻胶层叠结构，所述光刻胶层叠结构包括从下至上依次堆叠的有机富碳旋涂层、低温氧化膜、抗反射图层和光刻胶层；
对所述光刻胶层叠结构进行曝光和清洗，并使用逐层传递的方式向下刻蚀，只保留刻蚀后的有机富碳旋涂层；
以刻蚀后的有机富碳旋涂层为掩膜，依次刻蚀所述介质硬掩膜层和所述金属硬掩膜层。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属硬掩膜层的材料为Ta、TaN、Ti和TiN中的一种。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介质硬掩膜层的材料为SiOx或者SiNx。
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