CN117377375A - 磁存储单元的制作方法及存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁存储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、磁隧道结膜堆与第一硬掩膜层；涂覆并图案化光刻胶，形成光刻胶图形孔；沉积第二硬掩膜层，并在光刻胶图形孔底部形成刻蚀硬掩膜；去除光刻胶与光刻胶顶部的第二硬掩膜层，并以刻蚀硬掩膜为掩膜刻蚀形成磁隧道结。本发明在需要光学邻近修正的方法修正磁隧道结图形时，修正后的光刻版上图形孔的尺寸接近或小于显影后光刻胶图形孔的尺寸，因此不会导致磁存储单元图形密度下降，利于器件的高密度集成，进而利于芯片数据存储密度的提升。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别是涉及一种磁存储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。
磁隧道结单元的制作过程，通常采用曝光工艺形成岛状光刻胶图形，并以岛状光刻胶图形为掩膜向下刻蚀传递图形，直至刻蚀形成磁隧道结单元。在光刻设备的极限尺寸下，岛状光刻胶图形容易失真，为了消除图形失真，需要对岛状光刻胶的光刻版图形进行光学邻近修正(Optical Proximity Correction，OPC)，但是，经修正后的光刻版图形设计尺寸会大于实际曝光形成的图形尺寸，导致图形密度下降，不利于器件的高密度集成。
发明内容
针对上述的岛状光刻胶掩膜技术经过OPC后不利于器件高密度集成的问题，提供一种将光刻胶的分布区域反转，且实现磁隧道结刻蚀图形化的制作方法及存储器，可提高磁存储单元集成密度，有利于提高磁存储芯片的数据储存密度。
本发明提供了一种磁存储单元的制作方法，所述方法包括：
在衬底上沉积底电极层、磁隧道结膜堆与第一硬掩膜层；
涂覆并图案化光刻胶，形成光刻胶图形孔；
沉积第二硬掩膜层，并在所述光刻胶图形孔底部形成刻蚀硬掩膜；
去除光刻胶与光刻胶顶部的第二硬掩膜层，并以刻蚀硬掩膜为掩膜刻蚀形成磁隧道结。
在其中一个实施例中，所述涂覆并图案化光刻胶，形成光刻胶图形孔，包括：
图案化光刻胶，并形成光刻胶图形孔；
光刻胶图形孔位于磁隧道结位置，光刻胶图形孔的轮廓定义出磁隧道结的形状。
在其中一个实施例中，所述图案化光刻胶，并形成光刻胶图形孔，包括：
采用氧等离子体去胶机扫除残留的残胶，且对衬底进行加热；
加热至光刻胶回流且光刻胶图形孔的侧壁形成底切形态。
在其中一个实施例中，所述沉积第二硬掩膜层，并在所述光刻胶图形孔底部形成刻蚀硬掩膜，包括：
采用薄膜沉积工艺在形成所述光刻胶图形孔的光刻胶上方沉积第二硬掩膜层，所述第二硬掩膜层与第一硬掩膜层的刻蚀选择比大于一；
在光刻胶图形孔底部形成刻蚀硬掩膜，刻蚀硬掩膜的厚度小于第一硬掩膜的厚度。
在其中一个实施例中，所述去除光刻胶与光刻胶顶部的第二硬掩膜层，并以所述刻蚀硬掩膜为掩膜刻蚀形成磁隧道结，包括：
剥离光刻胶与光刻胶顶部的第二硬掩膜层；
以刻蚀硬掩膜为掩膜，采用化学离子刻蚀法刻蚀第一硬掩膜层。
在其中一个实施例中，所述采用化学离子刻蚀法刻蚀第一硬掩膜层，之后还包括：
以刻蚀后的第一硬掩膜层为掩膜，采用离子束刻蚀法刻蚀磁隧道结膜堆，并消耗去除全部或部分刻蚀硬掩膜。
在其中一个实施例中，所述第一硬掩膜层为导电硬掩膜层。
在其中一个实施例中，所述第二硬掩膜层为导电硬掩膜层或者介质硬掩膜层。
在其中一个实施例中，所述刻蚀硬掩膜的厚度低于所述光刻胶图形孔高度的三分之一。
本发明还提供了一种存储器，包括顶电极，以及由上述所述的磁存储单元的制作方法制备的磁存储单元，所述顶电极设置于所述磁存储单元的顶部。
常规工艺的岛状光刻胶图形虽然可以直接作为磁隧道结刻蚀的刻蚀掩膜，但是在磁隧道结的尺寸接近光刻极限时必须进行OPC的情况下，光刻版的设计图形尺寸要大于实际显影后的光刻胶尺寸，例如，当曝光长宽比为3的椭圆图形时，光刻版上设计图形的长宽比需要达到5，因此会显著限制磁隧道结图形的密度。而本发明的磁存储单元的制作方法及存储器，将光刻胶的分布区域反转，即仅曝光磁隧道结的位置，使磁隧道结位置形成无胶区域，其余区域为有胶区域，形成图形孔。在需要OPC的方法修正磁隧道结图形时，修正后光刻版上的图形孔的尺寸接近或小于显影后光刻胶图形孔的尺寸，可以避免上述的岛状光刻胶掩膜技术在OPC后图形密度下降的问题，利于器件的高密度集成，进而利于芯片数据存储密度的提升。
另外，光刻胶显影后的回流工艺使光刻胶图形孔的尺寸微缩且形成底切形态的侧壁，尺寸微缩的光刻胶图形孔内沉积形成刻蚀硬掩膜，底切形态的侧壁利于刻蚀硬掩膜与光刻胶顶部的第二硬掩膜层分离，光刻胶回流使光刻胶图形孔的尺寸在光学极限的基础上进一步微缩，进而使刻蚀硬掩膜的尺寸变小，以该刻蚀硬掩膜为掩膜刻蚀形成的磁隧道结的尺寸变小，可提高器件的集成密度。
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存储单元的制作方法流程图；
图2为本发明的沉积薄膜工艺形成的示意图；
图3为图2中形成光刻胶图形孔的示意图；
图4为图3中光刻胶回流后形成底切形态的光刻胶图形孔的示意图；
图5为图4中沉积第二硬掩膜层并形成刻蚀硬掩膜的示意图；
图6为图5中去除光刻胶与第二硬掩膜层的示意图；
图7为图6中以刻蚀硬掩膜为掩膜刻蚀第一硬掩膜层的示意图；
图8为图7中刻蚀磁隧道结膜堆的示意图。
图9为涂覆双层光刻胶显影后形成的底切形态的光刻胶图形孔示意图。
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。磁隧道结单元的图形化通常采用顶到底的工艺方式，即先将MTJ膜堆沉积在衬底上，然后通过刻蚀的方式将磁隧道结单元区域之外多余的材料去除。磁隧道结单元的制作过程，通常采用曝光工艺形成岛状光刻胶图形，并以岛状光刻胶图形为掩膜向下刻蚀传递图形，直至刻蚀形成磁隧道结单元。在光刻设备的极限尺寸下，岛状光刻胶图形容易失真，并且工艺窗口缩小，工艺可靠性下降。虽能通过刻蚀工艺微缩岛状光刻胶图形尺寸，但是图形失真仍会继续传递，为了消除图形失真，需要对岛状光刻胶光刻版图形进行光学邻近修正(Optical Proximity Correction，OPC)，而光学邻近修正后的光刻版图形尺寸会大于实际曝光形成的图形尺寸，导致图形密度下降，不利于器件的高密度集成。
为了解决上述问题，本发明提供了一种磁存储单元的制作方法及存储器。
下面结合图1~图9描述本发明的磁存储单元的制作方法及存储器。
如图1所示，在一个实施例中，一种磁存储单元的制作方法，包括以下步骤：
步骤S110，在衬底上沉积底电极层、磁隧道结膜堆与第一硬掩膜层。
采用薄膜沉积工艺在衬底上依次沉积底电极层210、磁隧道结膜堆220与第一硬掩膜层230，参见图2。其中，磁隧道结膜堆220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。作为可选的，底电极层210的厚度可以为3~20纳米，第一硬掩膜层230可以为导电硬掩膜层，厚度可以为50~200纳米，导电硬掩膜层可以是金属硬掩膜层。
步骤S120，涂覆并图案化光刻胶，形成光刻胶图形孔，优选的，形成底切形态的光刻胶图形孔。
具体的，图案化光刻胶，并形成光刻胶图形孔。
涂覆光刻胶310后采用孔状光刻版经曝光、显影形成光刻胶图形孔320，参见图3。光刻胶图形孔，磁隧道结对应位置变为无胶区域，而磁隧道结对应位置之外的位置变为有胶区域，因此，可以通过使光刻胶回流的方式实现磁隧道结的特征尺寸微缩。
进一步的，加热使光刻胶回流，使光刻胶图形孔微缩且形成底切形态。
采用氧等离子体去胶机扫除残留的残胶，且对衬底进行加热，加热至光刻胶回流且光刻胶图形孔的侧壁形成底切形态，参见图4。
还可以使用双层胶工艺，使显影后的光刻胶图形孔的侧壁形成底切形态。涂覆两层光刻胶，双层胶工艺是旋涂两层光刻胶，性质有区别，下层胶更易曝光或者更易溶于显影液，顶层光刻胶显影后尺寸较小，底层光刻胶显影后尺寸略大，参见图9。
使用氧等离子体去胶机的加热功能把衬底温度加热至光刻胶的玻璃化温度之上，扫底胶和光刻胶回流同时进行，提高了工艺效率。与此同时，该工艺使光刻胶侧壁形成底切形态，有利于后续沉积的第二硬掩膜层410的剥离工艺顺利进行，降低了工艺成本。
由于自由层的磁矩会受到形状各向异性的影响，磁隧道结边缘不规则会使自由层磁矩被钉扎在缺陷位置从而难以实现翻转。光刻胶回流工艺可以使光刻胶图形孔320的边缘更加平滑，减少锯齿等边缘缺陷，进而能避免因磁隧道结边缘不规则造成的自由层磁矩被钉扎在缺陷位置，改善了器件性能。步骤S130，沉积第二硬掩膜层，并在光刻胶图形孔底部形成刻蚀硬掩膜。
具体的，采用薄膜沉积工艺在形成光刻胶图形孔的光刻胶的上方沉积第二硬掩膜层410，在底切形态的光刻胶图形孔320底部形成刻蚀硬掩膜412，参见图5。
其中，第二硬掩膜层410与第一硬掩膜层230的刻蚀选择比大于一。刻蚀硬掩膜412的厚度小于第一硬掩膜层230的厚度。第二硬掩膜层410的厚度小于光刻胶310的厚度，作为优选的，第二硬掩膜层410的厚度小于光刻胶图形孔320内底切部分的高度，以使形成的刻蚀硬掩膜412与第二硬掩膜层410位于光刻胶表面的部分相分离。作为可选的，第二硬掩膜层410可以为导电硬掩膜层或者介质硬掩膜层，导电硬掩膜层可以是金属硬掩膜层。
步骤S140，去除光刻胶与光刻胶顶部的第二硬掩膜层，并以刻蚀硬掩膜为掩膜刻蚀形成磁隧道结。
剥离光刻胶310与光刻胶310顶部的第二硬掩膜层410，以刻蚀硬掩膜412为掩膜，采用化学离子刻蚀法刻蚀第一硬掩膜层230，参见图6与图7，由于第二硬掩膜层410与第一硬掩膜层230的刻蚀选择比大于一，调整刻蚀条件，刻蚀第一硬掩膜层230至磁隧道结膜堆220的上表面，而第二硬掩膜层410的消耗较小，几乎可以忽略不计。
以刻蚀后的第一硬掩膜层230为掩膜，采用离子束刻蚀法刻蚀磁隧道结膜堆220，并消耗去除刻蚀硬掩膜412，完成磁隧道结222的图形化后，刻蚀硬掩膜412被部分或完全消耗，从而完成了磁隧道结222的制作，参见图8。
本实施例的磁存储单元的制作方法，在需要光学邻近修正的方法修正时，修正后光刻版上的图形孔的尺寸接近或小于显影后光刻胶图形孔的尺寸，不会导致图形密度下降的问题，有利于器件的高密度集成。另外，底切形态的侧壁利于刻蚀硬掩膜与光刻胶顶部的第二硬掩膜层分离。光刻胶显影后的回流工艺使光刻胶图形孔的边缘更加平滑，且尺寸微缩并形成底切形态的侧壁。
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8实施例的磁存储单元的制作方法制备的磁存储单元，顶电极设置于磁存储单元的顶部。
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 (10)
1.一种磁存储单元的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底上沉积底电极层、磁隧道结膜堆与第一硬掩膜层；
涂覆并图案化光刻胶，形成光刻胶图形孔；
沉积第二硬掩膜层，并在所述光刻胶图形孔底部形成刻蚀硬掩膜；
去除光刻胶与光刻胶顶部的第二硬掩膜层，并以刻蚀硬掩膜为掩膜刻蚀形成磁隧道结。
2.根据权利要求1所述的磁存储单元的制作方法，其特征在于，所述涂覆并图案化光刻胶，形成光刻胶图形孔，包括：
图案化光刻胶，并形成光刻胶图形孔；
光刻胶图形孔位于磁隧道结位置，光刻胶图形孔的轮廓定义出磁隧道结的形状。
3.根据权利要求2所述的磁存储单元的制作方法，其特征在于，所述图案化光刻胶，并形成光刻胶图形孔，包括：
采用氧等离子体去胶机扫除残留的残胶，且对衬底进行加热；
加热至光刻胶回流且光刻胶图形孔的侧壁形成底切形态。
4.根据权利要求1所述的磁存储单元的制作方法，其特征在于，所述沉积第二硬掩膜层，并在所述光刻胶图形孔底部形成刻蚀硬掩膜，包括：
采用薄膜沉积工艺在形成所述光刻胶图形孔的光刻胶上方沉积第二硬掩膜层，所述第二硬掩膜层与第一硬掩膜层的刻蚀选择比大于一；
在光刻胶图形孔底部形成刻蚀硬掩膜，刻蚀硬掩膜的厚度小于第一硬掩膜的厚度。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的磁存储单元的制作方法，其特征在于，所述去除光刻胶与光刻胶顶部的第二硬掩膜层，并以所述刻蚀硬掩膜为掩膜刻蚀形成磁隧道结，包括：
剥离光刻胶与光刻胶顶部的第二硬掩膜层；
以刻蚀硬掩膜为掩膜，采用化学离子刻蚀法刻蚀第一硬掩膜层。
6.根据权利要求5所述的磁存储单元的制作方法，其特征在于，所述采用化学离子刻蚀法刻蚀第一硬掩膜层，之后还包括：
以刻蚀后的第一硬掩膜层为掩膜，采用离子束刻蚀法刻蚀磁隧道结膜堆，并消耗去除全部或部分刻蚀硬掩膜。
7.根据权利要求1所述的磁存储单元的制作方法，其特征在于，所述第一硬掩膜层为导电硬掩膜层。
8.根据权利要求1所述的磁存储单元的制作方法，其特征在于，所述第二硬掩膜层为导电硬掩膜层或者介质硬掩膜层。
9.根据权利要求1所述的磁存储单元的制作方法，其特征在于，所述刻蚀硬掩膜的厚度低于所述光刻胶图形孔高度的三分之一。
10.一种存储器，其特征在于，包括顶电极，以及由权利要求1至9中任意一项所述的磁存储单元的制作方法制备的磁存储单元，所述顶电极设置于所述磁存储单元的顶部。
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