CN117082958B - 磁隧道结单元的制作方法及存储器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁隧道结单元的制作方法及存储器，该方法包括：在衬底上沉积底电极层、磁隧道结膜堆、金属硬掩膜层与介质硬掩膜层；在介质硬掩膜层上涂覆光刻胶层，并曝光形成光刻胶图案；以图案化光刻胶为掩膜，刻蚀介质硬掩膜层，并形成小于图案尺寸的微缩硬掩膜；以微缩硬掩膜为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆至底电极层。本发明通过刻蚀光刻胶下层的介质硬掩膜层并形成小于图案尺寸的微缩硬掩膜，并以尺寸较小的微缩硬掩膜作为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆，直至底电极层，从而形成磁隧道结单元，该制作方法，不依赖于高精度光刻机，无需通过修饰图案化光刻胶微缩尺寸，光刻胶的厚度不会影响磁隧道结单元的微缩。

Description

磁隧道结单元的制作方法及存储器

技术领域

本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别是涉及一种磁隧道结单元的制作方法及存储器。

背景技术

磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）为磁存储器（Magnetic RandomAccess Memory，MRAM）的基本存储单元。其核心结构为由两个铁磁层夹着一个氧化物势垒层而形成的三明治结构。为了提升磁存储器性能、存储密度，降低成本，需要持续缩小磁隧道结的特征尺寸。缩小磁隧道结特征尺寸的主要方式包括：使用精度较高的光刻机曝光出尺寸较小的光刻胶图形，或者对曝光后的光刻胶进行修饰，获得尺寸较小的光刻胶图形，进而根据光刻胶图形刻蚀形成特征尺寸较小的磁隧道结。但是，曝光尺寸较小的光刻胶图像受高精度光刻机的限制，而修饰光刻胶会降低光刻胶的厚度，难以应用于比较薄的高精度光刻胶的场景。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种不依赖于高精度光刻机，且受光刻胶厚度影响的磁隧道结单元的制作方法及存储器。

本发明提供了一种磁隧道结单元的制作方法，所述方法包括：

在衬底上沉积底电极层、磁隧道结膜堆、金属硬掩膜层与介质硬掩膜层；

在介质硬掩膜层上涂覆光刻胶层，并曝光形成光刻胶图案；

以图案化光刻胶为掩膜，刻蚀介质硬掩膜层，并形成小于图案尺寸的微缩硬掩膜；

以所述微缩硬掩膜为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆至底电极层。

在其中一个实施例中，所述以图案化光刻胶为掩膜，刻蚀介质硬掩膜层，并形成小于图案尺寸的微缩硬掩膜，包括：

以图案化光刻胶为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀所述介质硬掩膜层，且垂直方向的刻蚀量小于水平方向的刻蚀量；

使所述介质硬掩膜层位于图案化光刻胶底侧的部分形成水平方向的刻蚀消耗，形成小于图案尺寸的微缩硬掩膜。

在其中一个实施例中，所述以图案化光刻胶为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀所述介质硬掩膜层，包括：

以图案化光刻胶为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀第一子膜层形成第一子硬掩膜，所述第一子硬掩膜的尺寸小于图案尺寸，所述介质硬掩膜层包括多层子膜层；

以所述第一子硬掩膜为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法依次向下层子膜层刻蚀传递第一子硬掩膜图形。

在其中一个实施例中，所述多层子膜层中当前子膜层的所述第一子硬掩膜图形的尺寸大于或等于相邻下层子膜层的所述第一子硬掩膜图形的尺寸。

在其中一个实施例中，所述以微缩硬掩膜为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆至底电极层，包括：

去除图案化光刻胶；

以微缩硬掩膜为掩膜，采用反应离子刻蚀法或者离子束刻蚀法垂直刻蚀金属硬掩膜层，并消耗除去微缩硬掩膜；

以刻蚀后的金属硬掩膜层为掩膜，采用离子束刻蚀法刻蚀磁隧道结膜堆至底电极层形成磁隧道结单元。

在其中一个实施例中，所述采用反应离子刻蚀法或离子束刻蚀法垂直刻蚀金属硬掩膜层，并消耗除去微缩硬掩膜，包括：

采用反应离子刻蚀法或离子束刻蚀法垂直刻蚀第二金属硬掩膜层，并刻蚀消耗部分微缩硬掩膜，所述金属硬掩膜层包括第一金属硬掩膜层与第二金属硬掩膜层；

以刻蚀后的第二金属硬掩膜层为掩膜，采用反应离子刻蚀法刻蚀第一金属硬掩膜层，并刻蚀去除微缩硬掩膜。

本发明还提供了一种磁隧道结单元的制作方法，所述方法包括：

在衬底上沉积底电极层、磁隧道结膜堆、金属硬掩膜层、第一介质硬掩膜层与第二介质硬掩膜层；

在介质硬掩膜层上涂覆光刻胶层，并曝光形成光刻胶图案；

刻蚀第二介质硬掩膜层，将图案传递至第二介质硬掩膜层，并去除图案化光刻胶；

以图案化的第二介质硬掩膜层为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀第一介质硬掩膜层，且垂直方向的刻蚀量小于水平方向的刻蚀量，并形成小于图案尺寸的微缩介质硬掩膜；

以所述微缩介质硬掩膜为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆至底电极层。

在其中一个实施例中，所述刻蚀第二介质硬掩膜层，将图案传递至第二介质硬掩膜层，并去除图案化光刻胶，包括：

以图案化光刻胶为掩膜，使用反应离子刻蚀法垂直刻蚀第二介质硬掩模层；

将图案传递至第二介质硬掩膜层后去除图案化光刻胶。

在其中一个实施例中，所述采用各向同性的刻蚀方法刻蚀第一介质硬掩膜层，且垂直方向的刻蚀量小于水平方向的刻蚀量，包括：

以图案化第二介质硬掩膜层为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀第一介质子膜层形成第一介质子硬掩膜，所述第一介质子硬掩膜的尺寸小于图案尺寸，所述第一介质硬掩膜层包括多层介质子膜层；

以所述第一介质子硬掩膜为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法依次向下层介质子膜层刻蚀传递第一介质子硬掩膜图形，所述多层介质子膜层中当前介质子膜层的所述第一介质子硬掩膜图形的尺寸大于或等于相邻下层介质子膜层的所述第一介质子硬掩膜图形的尺寸。

本发明还提供了一种存储器，包括顶电极，以及由上述磁隧道结单元的制作方法制备的磁隧道结单元，所述顶电极设置于所述磁隧道结单元的顶部。

本实施例的磁隧道结单元的制作方法及存储器，通过将图案化的光刻胶作为掩膜，刻蚀光刻胶下层的介质硬掩膜层并形成小于图案尺寸的微缩硬掩膜，并以尺寸较小的微缩硬掩膜作为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆，直至底电极层，从而形成磁隧道结单元，该磁隧道结单元的制作方法，通过刻蚀形成尺寸小于图案的微缩硬掩膜作为掩膜向下传递尺寸，不依赖于高精度光刻机。并且，图案化的光刻胶形成后，无需通过修饰图案化光刻胶微缩尺寸，光刻胶的厚度不会影响磁隧道结单元的微缩。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的磁隧道结单元的制作流程图；

图2为本发明的沉积薄膜工艺形成的结构图；

图3为图2中形成图案化光刻胶的结构图；

图4为对图3中介质硬掩膜层刻蚀形成微缩硬掩膜的结构图；

图5为图4中去除图案化光刻胶的结构图；

图6为本发明磁隧道结单元的示意图；

图7为本发明另一个实施例的磁隧道结单元的制作流程图；

图8为本发明再一个实施例的磁隧道结单元的制作流程图；

图9为本发明刻蚀第二金属硬掩膜层且消耗部分微缩硬掩膜的结构图；

图10为图9中刻蚀第一金属硬掩膜层并除去微缩硬掩膜的结构图；

图11为本发明又一个实施例的磁隧道结单元的制作流程图；

图12为本发明以图案化光刻胶为掩膜刻蚀第二介质硬掩膜层的结构图；

图13为图12中去除图案化光刻胶的结构图；

图14为图13中刻蚀形成微缩介质硬掩膜且消耗第二介质硬掩膜层的结构图；

图15为图14中刻蚀第二金属硬掩膜层且消耗微缩介质硬掩膜的结构图；

图16为图15中刻蚀第一金属硬掩膜层且除去微缩介质硬掩膜的结构图。

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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。本发明的说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”、“下”可以是第一特征直接和第二特征接触，或第一特征和第二特征间接地通过中间媒介接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

除非另有定义，本发明的说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本发明的说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

磁存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）是下一代存储器技术的主要候选者之一。MRAM具有与易失性静态随机存储器（Static Random Access Memory，SRAM）相当的性能和与易失性动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）相当的密度和更低的功耗。而与非易失性闪存（Flash Memory）相比，MRAM具有更快的数据访问速度和更高的数据稳定性。

MRAM的基本存储单元为磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）。MTJ核心结构为由两个铁磁层夹着一个氧化物势垒层而形成的三明治结构。其中一个铁磁层磁化方向不变，被称为固定层。另一个铁磁层的磁化方向可以被外界激励改变，被称为自由层。当自由层的磁化方向与固定层平行或反平行时，MTJ分别处于低电阻或高电阻态。两个阻态可分别代表二进制数据“0”和“1”。

为了提升磁存储器性能、存储密度，降低成本，需要持续缩小磁隧道结的特征尺寸。缩小磁隧道结特征尺寸的主要方式包括：1）使用精度更高的光刻机，曝光出尺寸更小的光刻胶图形，进而将图形转移到芯片上；2）对光刻胶进行修饰，例如使用氧等离子体蚀刻显影后的光刻胶，缩小光刻胶的尺寸；3）对形成的磁隧道结再次进行横向刻蚀，以达到尺寸微缩的效果。方法1）的极限尺寸取决于光刻设备，受光刻设备精度的限制；方法2）可以有效缩小特征尺寸，但是氧等离子体蚀刻缩小光刻胶尺寸的同时会也降低光刻胶的厚度，因此对于比较薄的高精度光刻胶来说其效果有限；方法3）可以在光刻极限的基础之上进一步缩小磁隧道结的特征尺寸，但是所施加的横向刻蚀具有明确的方向性，在图形密度较高的情况下会由于阴影或负载效应而导致尺寸微缩的效果减弱或图形失真，同时在垂直方向上仍会存在不可避免的刻蚀厚度损失。

本发明提出一种磁隧道结单元的制作方法及存储器，基于各向同性刻蚀的磁隧道结硬掩膜尺寸微缩方法，通过垂直方向的刻蚀，将微缩的硬掩膜尺寸传递到磁隧道结，最终实现磁隧道结单元特征尺寸微缩的目的。

下面结合图1~图16描述本发明的磁隧道结单元的制作方法及存储器。

如图1所示，在一个实施例中，一种磁隧道结单元的制作方法，包括以下步骤：

步骤S110，在衬底上沉积底电极层、磁隧道结膜堆、金属硬掩膜层与介质硬掩膜层。

采用薄膜沉积工艺在衬底上依次沉积底电极层、磁隧道结膜堆、金属硬掩膜层与介质硬掩膜层，参见图2。其中，磁隧道结膜堆包括两层铁磁层，以及两层铁磁层之间的氧化层，两层铁磁层分别作为磁隧道结的自由层和参考层，氧化层作为势垒层。

步骤S120，在介质硬掩膜层上涂覆光刻胶层，并曝光形成光刻胶图案。

采用光刻工艺制作光刻胶图案，将光刻胶涂覆于介质硬掩膜层上，进行曝光、显影处理，参见图3，将图案印制在光刻胶层上，形成图案化光刻胶。

步骤S130，以图案化光刻胶为掩膜，刻蚀介质硬掩膜层，并形成小于图案尺寸的微缩硬掩膜。

对介质硬掩膜层进行刻蚀处理，参见图4，采用图案化光刻胶作为掩膜，将介质硬掩膜层刻蚀形成微缩硬掩膜，该微缩硬掩膜的尺寸小于上方图案化光刻胶的尺寸。刻蚀形成尺寸较小的微缩硬掩膜的方法，可以采用垂直刻蚀和横向刻蚀相结合的方式，也可以采用控制刻蚀角度的刻蚀方式。

步骤S140，以微缩硬掩膜为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆至底电极层。

具体的，去除图案化的光刻胶，参见图5，以尺寸较小的微缩硬掩膜作为掩膜，向下垂直依次刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆，直至底电极层的上表面，且不损伤底电极层，至此，磁隧道结单元形成，参见图6。其中，金属硬掩膜层用于在刻蚀介质硬掩膜层过程中保护磁隧道结膜堆，且用于在刻蚀磁隧道结过程中传递图案。金属硬掩膜层还可以通过平坦化处理的方式减小厚度。

本实施例的磁隧道结单元的制作方法，通过将图案化的光刻胶作为掩膜，刻蚀光刻胶下层的介质硬掩膜层并形成小于图案尺寸的微缩硬掩膜，并以尺寸较小的微缩硬掩膜作为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆，直至底电极层，从而形成磁隧道结单元，该磁隧道结单元的制作方法，通过刻蚀形成尺寸小于图案的微缩硬掩膜作为掩膜向下传递尺寸，不依赖于高精度光刻机。并且，图案化的光刻胶形成后，无需通过修饰图案化光刻胶微缩尺寸，光刻胶的厚度不会影响磁隧道结单元的微缩。

如图7所示，在一个实施例中，以图案化光刻胶为掩膜，刻蚀介质硬掩膜层，并形成小于图案尺寸的微缩硬掩膜，包括以下步骤：

步骤S132，以图案化光刻胶为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀介质硬掩膜层，且垂直方向的刻蚀量小于水平方向的刻蚀量。

作为优选的方案，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀介质硬掩膜层，使介质硬掩膜层在刻蚀过程中形成垂直方向和水平方向的刻蚀消耗，且垂直方向的刻蚀量小于水平方向的刻蚀量。

步骤S134，使介质硬掩膜层位于图案化光刻胶底侧的部分形成水平方向的刻蚀消耗，形成小于图案尺寸的微缩硬掩膜。

刻蚀介质硬掩膜层时，由于图案化光刻胶的遮挡，若采用各向异性的刻蚀方法，需要采用垂直刻蚀和横向刻蚀相结合的方式，或者调整刻蚀角度的方式，该两种方式会受到图案密度的限制，如果图案密度较大，存储器中磁隧道结较密集，横向刻蚀和调整角度的刻蚀会受到极大影响，甚至无法实现。采用各向同性的刻蚀方法，在施加垂直方向的刻蚀时，使介质硬掩膜层在刻蚀过程中形成垂直方向和水平方向的刻蚀，由于图案化光刻胶的遮挡，图案化光刻胶底侧的介质硬掩膜层部分仅会发生水平方向的刻蚀消耗，从而形成较小尺寸的微缩硬掩膜，金属硬掩膜层起到保护磁隧道结膜堆的作用，可避免垂直方向的过度刻蚀对磁隧道结膜堆造成的损伤。同时，金属硬掩膜层位于介质硬掩膜层的下层，在各向同性的刻蚀过程中，其还起到保护介质硬掩膜层下表面的作用，避免因介质硬掩膜层的下表面受到腐蚀造成的微缩硬掩膜的形成失败。常用的各向同性的刻蚀方法包括湿法刻蚀，比如采用液体化学品或者刻蚀剂进行刻蚀。

为了更好的实现图案的微缩效果，以及更好控制刻蚀进程，可将介质硬掩膜层设置成多层膜结构，包括多层子膜层，依次为第一子膜层、第二子膜层、第三子膜层等，并且，当前子膜层与相邻下层子膜层之间具有较大的刻蚀选择比，刻蚀每一层子膜层采用不同的刻蚀条件与刻蚀参数。具体的刻蚀过程为，首先，以图案化光刻胶为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀第一子膜层形成第一子硬掩膜，作为优选的，该第一子硬掩膜的尺寸小于图案尺寸。其次，以第一子硬掩膜为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法依次向下层子膜层刻蚀传递第一子硬掩膜图形。作为优选的，多层子膜层中当前子膜层的第一子硬掩膜图形的尺寸大于或等于相邻下层子膜层的第一子硬掩膜图形的尺寸。由于各向同性的刻蚀一般采用液体化学品或者刻蚀剂进行，刻蚀进程不易控制，因此，采用多层膜结构，并且注意调整相邻子膜层的刻蚀选择比，以及各子膜层的厚度，当采用各向同性的刻蚀方法刻蚀当前子膜层时，当垂直方向的刻蚀到达该当前子膜层的底部时，因当前子膜层与相邻下层子膜层具有较大的刻蚀选择比，因此，垂直方向对相邻下层子膜层的消耗极小，几乎可以忽略不计，但是当前子膜层的水平方向的刻蚀消耗还在继续，因此对于当前子膜层的刻蚀结果是水平方向的刻蚀消耗远远大于垂直方向的刻蚀消耗，其他子膜层也具有同样的效果。逐层刻蚀各子膜层，可有效改善各向同性刻蚀的可控性，以获得更为理想的微缩硬掩膜。

如图8所示，在一个实施例中，以微缩硬掩膜为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆至底电极层，包括以下步骤：

步骤S142，去除图案化光刻胶。

传统的经过曝光显影后在光刻胶上形成的图案是为了实现图案的向下层传递。本实施例的图案化光刻胶，一方面为下沉介质硬掩膜层提供参考尺寸，使介质硬掩膜层在该参考尺寸的基础上，经过各向同性的刻蚀方法形成尺寸较小的微缩硬掩膜，另一方面避免在刻蚀过程中垂直方向的刻蚀影响图案化光刻胶的下层，造成微缩硬掩膜层的刻蚀失败。

步骤S144，以微缩硬掩膜为掩膜，采用反应离子刻蚀法或离子束刻蚀法垂直刻蚀金属硬掩膜层，并消耗除去微缩硬掩膜。

其中，金属硬掩膜层包括第一金属硬掩膜层与第二金属硬掩膜层，第二金属硬掩膜层层叠于第一金属硬掩膜层的上方。

具体的，采用反应离子刻蚀法或离子束刻蚀法垂直刻蚀第二金属硬掩膜层，并刻蚀消耗部分微缩硬掩膜，参见图9。以刻蚀后的第二金属硬掩膜层为掩膜，采用反应离子刻蚀法刻蚀第一金属硬掩膜层，并刻蚀去除微缩硬掩膜，参见图10。

在采用反应离子刻蚀法刻蚀第一金属硬掩膜层时，可改变刻蚀气体和参数。对于第一金属硬掩膜层、第二金属硬掩膜层、介质硬掩膜层以及底电极层的厚度可根据实际情况设置，作为可选的方案，底电极层的厚度为3~20nm，第一金属硬掩膜层的厚度为50~200nm，第二金属硬掩模层的厚度为5~20nm，介质硬掩模的厚度为20~100nm。

步骤S146，以刻蚀后的金属硬掩膜层为掩膜，采用离子束刻蚀法刻蚀磁隧道结膜堆至底电极层形成磁隧道结单元。

其中，还可以采用反应离子刻蚀法刻蚀磁隧道结膜堆。

本实施例中，在较小尺寸的微缩硬掩膜形成后，通过反应离子刻蚀法或者离子束刻蚀法将微缩硬掩膜的图形依次传递至第二金属硬掩膜层与第一金属硬掩膜层，进而进行较小尺寸的磁隧道结的刻蚀，实现了尺寸微缩效果，且各向同性刻蚀的对象为介质硬掩膜层，而不是完成垂直刻蚀后的磁隧道结，避免了对刻蚀形成的磁隧道结的微缩造成的刻蚀损伤。

此外，本发明还提供了另一种磁隧道结单元的制作方法。

如图11所示，在一个实施例中，一种磁隧道结单元的制作方法，包括以下步骤：

步骤S1110，在衬底上沉积底电极层、磁隧道结膜堆、金属硬掩膜层、第一介质硬掩膜层与第二介质硬掩膜层。

具体的，在衬底上依次沉积底电极层、磁隧道结膜堆、金属硬掩膜层、第一介质硬掩膜层与第二介质硬掩膜层。

步骤S1120，在介质硬掩膜层上涂覆光刻胶层，并曝光形成光刻胶图案。

采用光刻工艺制作光刻胶图案，将光刻胶涂覆于介质硬掩膜层上，进行曝光、显影处理，形成图案化光刻胶。

步骤S1130，刻蚀第二介质硬掩膜层，将图案传递至第二介质硬掩膜层，并去除图案化光刻胶。

具体的，以图形化光刻胶为掩膜，使用反应离子刻蚀法垂直刻蚀第二介质硬掩模层，参见图12。将图案传递至第二介质硬掩膜层后去除图案化光刻胶，参见图13。

步骤S1140，以图案化的第二介质硬掩膜层为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀第一介质硬掩膜层，且垂直方向的刻蚀量小于水平方向的刻蚀量，并形成小于图案尺寸的微缩介质硬掩膜。

具体的，去除图案化光刻胶后，以图案化的第二介质硬掩膜层为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法垂直刻蚀第一介质硬掩膜层，使第一介质硬掩膜层形成水平方向和垂直方向刻蚀，由于图案化第二介质硬掩膜层的遮挡，图案化第二介质硬掩膜层底侧的第一介质硬掩膜层部分仅会发生水平方向的刻蚀消耗，从而形成小于图案尺寸的微缩介质硬掩膜。在对第一介质硬掩模层各向同性刻蚀的过程中，第二金属硬掩模层的消耗小到可以忽略，第二介质硬掩模的刻蚀速率是第一介质硬掩模刻蚀速率的四分之一或更低。控制第一介质硬掩膜层和第二介质硬掩膜层的厚度比例，使第一介质硬掩膜层横向刻蚀达到尺寸微缩目标后，第二介质硬掩膜层基本完全消耗，参见图14。

需要说明的是，为了更好的实现图案的微缩效果，以及更好控制刻蚀进程，可将第一介质硬掩膜层设置成多层膜结构，包括多层介质子膜层，依次为第一介质子膜层、第二介质子膜层等。同时，当前介质子膜层与相邻下层介质子膜层之间具有较大的刻蚀选择比，并且刻蚀每一层介质子膜层采用不同的刻蚀条件与刻蚀参数。具体的刻蚀过程为，首先，以图案化第二介质硬掩膜层为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀第一介质子膜层形成第一介质子硬掩膜，作为优选的，该第一介质子硬掩膜的尺寸小于图案尺寸。其次，以第一介质子硬掩膜为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法依次向下层介质子膜层刻蚀传递第一介质子硬掩膜图形。作为优选的，多层介质子膜层中，当前介质子膜层的第一介质子硬掩膜图形的尺寸大于或等于相邻下层介质子膜层的第一介质子硬掩膜图形的尺寸。

由于各向同性的刻蚀一般采用液体化学品或者刻蚀剂进行，刻蚀进程不易控制，因此，采用多层膜结构，并且注意调整相邻介质子膜层的刻蚀选择比，以及各介质子膜层的厚度，当采用各向同性的刻蚀方法刻蚀当前介质子膜层时，当垂直方向的刻蚀到达该当前介质子膜层的底部时，因当前介质子膜层与相邻下层介质子膜层具有较大的刻蚀选择比，因此，垂直方向对相邻下层介质子膜层的消耗极小，几乎可以忽略不计，但是当前介质子膜层的水平方向的刻蚀消耗还在继续，因此对于当前介质子膜层的刻蚀结果是水平方向的刻蚀消耗远远大于垂直方向的刻蚀消耗，其他子膜层也具有同样的效果。逐层刻蚀各介质子膜层，可有效改善各向同性刻蚀的可控性，以获得更为理想的微缩介质硬掩膜。

步骤S1150，以微缩介质硬掩膜为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆至底电极层。

其中，金属硬掩膜层包括第一金属硬掩膜层与第二金属硬掩膜层，且第一金属硬掩膜层位于第二金属硬掩膜层的底部。

以微缩介质硬掩膜为掩膜，采用反应离子刻蚀法或离子束刻蚀法垂直依次刻蚀第二金属硬掩膜层与第一金属硬掩膜层，并消耗除去微缩介质硬掩膜。

具体的，采用反应离子刻蚀法或离子束刻蚀法垂直刻蚀第二金属硬掩膜层，并消耗除去图案化的第二介质硬掩膜层，且刻蚀消耗部分微缩介质硬掩膜，参见图15。

以刻蚀后的第二金属硬掩膜层为掩膜，采用离子束刻蚀法刻蚀磁隧道结膜堆至底电极层形成磁隧道结单元。

具体的，以刻蚀后的第二金属硬掩膜层为掩膜，采用反应离子刻蚀法刻蚀第一金属硬掩膜层，并刻蚀去除微缩介质硬掩膜，参见图16。

在采用反应离子刻蚀法刻蚀第一金属硬掩膜层时，可改变刻蚀气体和参数。对于第一金属硬掩膜层、第二金属硬掩膜层、第一介质硬掩膜层、第二介质硬掩膜层以及底电极层的厚度可根据实际情况设置，作为可选的方案，底电极层的厚度为3~20nm，第一金属硬掩膜层的厚度为50~200nm，第二金属硬掩模层的厚度为5~20nm，第一介质硬掩模的厚度为20~100nm，第二介质硬掩模的厚度为20~100nm。

本实施例的磁隧道结单元的制作方法，图案化光刻胶将图案传递至第二介质硬掩膜层，完成图案传递后，即去除图案化光刻胶，光刻胶的厚度不会影响图案的传递。磁隧道结的尺寸依赖于经过各向同性刻蚀形成尺寸较小的微缩介质硬掩膜，因此不会受光刻设备精度的限制。采用各向同性的刻蚀方法刻蚀第一介质硬掩膜层时，第二介质硬掩膜层与第二金属硬掩膜层对第一金属硬掩膜层的顶面和底面起到一定的保护作用，有利于微缩介质硬掩膜层的形成，因为各向同性的刻蚀方式无需直接施加横向刻蚀或者调整刻蚀角度，得益于各向同性刻蚀，尺寸微缩不受阴影或负载效应的影响，同时，被微缩第一介质硬掩膜层的上表面在刻蚀过程中受到第二介质硬掩膜层的覆盖保护，因此不存在厚度损失，并且横向微缩的程度不受第二介质硬掩膜层厚度的限制。

此外，本发明还提供了一种存储器，该存储器包括顶电极，以及图1至图16实施例的磁隧道结单元的制作方法制备的磁隧道结单元，顶电极设置于磁隧道结单元的顶部。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种磁隧道结单元的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

在衬底上沉积底电极层、磁隧道结膜堆、金属硬掩膜层与介质硬掩膜层；

在介质硬掩膜层上涂覆光刻胶层，并曝光形成光刻胶图案；

以图案化光刻胶为掩膜，刻蚀介质硬掩膜层，并形成小于图案尺寸的微缩硬掩膜，其中，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀所述介质硬掩膜层，且垂直方向的刻蚀量小于水平方向的刻蚀量，使所述介质硬掩膜层位于图案化光刻胶底侧的部分形成水平方向的刻蚀消耗；

以所述微缩硬掩膜为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆至底电极层。

2.根据权利要求1所述的磁隧道结单元的制作方法，其特征在于，所述以图案化光刻胶为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀所述介质硬掩膜层，包括：

以图案化光刻胶为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀第一子膜层形成第一子硬掩膜，所述第一子硬掩膜的尺寸小于图案尺寸，所述介质硬掩膜层包括多层子膜层；

以所述第一子硬掩膜为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法依次向下层子膜层刻蚀传递第一子硬掩膜图形。

3.根据权利要求2所述的磁隧道结单元的制作方法，其特征在于，所述多层子膜层中当前子膜层的所述第一子硬掩膜图形的尺寸大于或等于相邻下层子膜层的所述第一子硬掩膜图形的尺寸。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的磁隧道结单元的制作方法，其特征在于，所述以所述微缩硬掩膜为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆至底电极层，包括：

去除图案化光刻胶；

以微缩硬掩膜为掩膜，采用反应离子刻蚀法或者离子束刻蚀法垂直刻蚀金属硬掩膜层，并消耗除去微缩硬掩膜；

以刻蚀后的金属硬掩膜层为掩膜，采用离子束刻蚀法刻蚀磁隧道结膜堆至底电极层形成磁隧道结单元。

5.根据权利要求4所述的磁隧道结单元的制作方法，其特征在于，所述采用反应离子刻蚀法或离子束刻蚀法垂直刻蚀金属硬掩膜层，并消耗除去微缩硬掩膜，包括：

采用反应离子刻蚀法或离子束刻蚀法垂直刻蚀第二金属硬掩膜层，并刻蚀消耗部分微缩硬掩膜，所述金属硬掩膜层包括第一金属硬掩膜层与第二金属硬掩膜层；

以刻蚀后的第二金属硬掩膜层为掩膜，采用反应离子刻蚀法刻蚀第一金属硬掩膜层，并刻蚀去除微缩硬掩膜。

6.一种磁隧道结单元的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

在衬底上沉积底电极层、磁隧道结膜堆、金属硬掩膜层、第一介质硬掩膜层与第二介质硬掩膜层；

在介质硬掩膜层上涂覆光刻胶层，并曝光形成光刻胶图案；

刻蚀第二介质硬掩膜层，将图案传递至第二介质硬掩膜层，并去除图案化光刻胶；

以图案化的第二介质硬掩膜层为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀第一介质硬掩膜层，且垂直方向的刻蚀量小于水平方向的刻蚀量，并形成小于图案尺寸的微缩介质硬掩膜；

以所述微缩介质硬掩膜为掩膜，刻蚀金属硬掩膜层与磁隧道结膜堆至底电极层。

7.根据权利要求6所述的磁隧道结单元的制作方法，其特征在于，所述刻蚀第二介质硬掩膜层，将图案传递至第二介质硬掩膜层，并去除图案化光刻胶，包括：

以图案化光刻胶为掩膜，使用反应离子刻蚀法垂直刻蚀第二介质硬掩模层；

将图案传递至第二介质硬掩膜层后去除图案化光刻胶。

8.根据权利要求6所述的磁隧道结单元的制作方法，其特征在于，所述采用各向同性的刻蚀方法刻蚀第一介质硬掩膜层，且垂直方向的刻蚀量小于水平方向的刻蚀量，包括：

以图案化第二介质硬掩膜层为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法刻蚀第一介质子膜层形成第一介质子硬掩膜，所述第一介质子硬掩膜的尺寸小于图案尺寸，所述第一介质硬掩膜层包括多层介质子膜层；

以所述第一介质子硬掩膜为掩膜，采用各向同性的刻蚀方法依次向下层介质子膜层刻蚀传递第一介质子硬掩膜图形，所述多层介质子膜层中当前介质子膜层的所述第一介质子硬掩膜图形的尺寸大于或等于相邻下层介质子膜层的所述第一介质子硬掩膜图形的尺寸。

9.一种存储器，其特征在于，包括顶电极，以及由权利要求1至5或6至8中任意一项所述的磁隧道结单元的制作方法制备的磁隧道结单元，所述顶电极设置于所述磁隧道结单元的顶部。