CN1652249A - 形成不含接触孔的纳米尺寸的磁性隧道结单元的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种制造纳米尺寸磁性隧道结单元的方法，其中在磁性隧道结单元中的接触不需要形成接触孔而形成。形成磁性隧道结单元的方法包括在衬底上形成一磁性隧道结层，通过构图磁性隧道结层形成磁性隧道结单元区域，在磁性隧道结层上依次沉积一绝缘层和一掩模层，通过在同一蚀刻速率下蚀刻掩模层和绝缘层曝露磁性隧道结单元区域的上表面，以及在绝缘层和磁性隧道结层上面沉积一金属层。
Description
技术领域
本发明涉及一种不含形成接触孔的纳米尺寸的磁性隧道结单元的方法，特别是涉及一种形成纳米尺寸磁性隧道结单元的方法，其中在磁性隧道结单元中的接触不需要形成接触孔而形成。
背景技术
闪存是一种非易失性存储器，它的一个优点是即使电源关闭，存储在其中的数据依然被保存。但是，闪存中的数据记录速度约为动态随机存取存储器中数据记录速度的千分之一，而且闪存能耗较高。在某种程度上，数据擦除和写入次数也有一定限制。因此，人们已经开始研究动态随机存取存储器和闪存的优点，即，高速读写，低能耗，即使电源关闭时也能保存数据。其研究结果，提出了作为非易失性存储器的铁电随机存取存储器(FeRAM)，相变化存储器(OVM)，和磁性随机存取存储器(MRAM)。
磁性随机存取存储器(MRAM)是非易失性存储器，其中一个存储单元包括一个利用隧穿磁电阻效应储存信息的磁性隧道结。参考图1A和1B，一个磁性隧道结包含一个插入在两个铁磁层100和300之间的绝缘层200(隧穿势垒层，tunnel barrier layer)。存储在磁性隧道结中的数据取决于磁化方向，即磁化方向相同或相反。如图1A所描述，如果磁化方向平行，插入在两个铁磁层100和300之间的绝缘层200(势垒层)的隧穿电阻最小，磁性隧道结处于“1”状态。另一方面，如图1B所描述，如果磁化方向反平行，阻挡层200的隧穿电阻最大，即磁性隧道结处于“0”状态。通过利用磁性隧道结的这些独特性质，磁性隧道结可以作为存储器单元。下文中，为方便起见包含磁性隧道结的存储器单元简称为磁性隧道结单元。
图2A到2H是说明形成磁性隧道结单元传统方法的剖视图。
参考图2A，在衬底10上先后形成一磁性隧道结层20和一硬掩模层30。在部分将要形成磁性隧道结单元的硬掩模层30上堆叠一光致抗蚀剂32之后，利用光致抗蚀剂32作为蚀刻掩模干蚀刻硬掩模层30。参考图2B，然后移除光致抗蚀剂32。
接下来，对硬掩模层30的剩余部分和部分磁性隧道结层20干蚀刻(图2C)，然后在其产物上沉积绝缘层40(图2D)。接下来，参考图2E，在绝缘层40上涂上用来形成接触孔60的掩模层35，然后通过利用氪(Kr)分档器进行平板印刷来构图接触孔60。然后，参考图2F，蚀刻绝缘层40和光掩模35的中心部分，从而在磁性隧道结的中间形成接触孔60。最后，移除掩模层35(图2G)并在其产物上涂上金属层50(图2H)来完成磁性隧道结单元的制造。
用这种方式形成的存储器单元可以高速记录和复制且具有较低的能耗，而且可以进行无限次的数据修正。
但是，对实际应用来说，磁性随机存取存储器的高度集成是必需的。因此，磁性隧道结单元必须具有小于100纳米的宽度。然而，利用现有技术很难制造宽度小于100纳米的磁性隧道结单元。如果依照传统方法制造磁性隧道结单元，接触必须在宽度为100纳米的磁性隧道结单元中形成一个直径远小于100纳米的接触孔之后形成。因此，利用传统方法不可能形成宽度小于100纳米的磁性隧道结单元。传统磁性隧道结单元发展的尺寸不小于400×800纳米，这远大于高度集成需要的尺寸。也就是说，传统磁性隧道结单元的适用性是很低的。此外，当依照传统方法形成一个磁性隧道结单元时，由于接触孔非常小，因此接触电阻较高，从而在记录和复制数据期间导致错误并且增加能耗。
发明内容
本发明提供一种制造宽度小于100纳米的磁性隧道结单元方法，使磁性存储器的高度集成成为可能。
本发明还提供一种形成具有低接触孔电阻的纳米尺寸磁性隧道结单元的方法。这种方法通过不需要形成接触孔就形成接触避免了形成小尺寸接触孔时的困难。
本发明还提供一种通过去掉形成接触孔的过程而快速、低成本地形成纳米尺寸磁性隧道结单元的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种形成磁性隧道结单元的方法，包括在衬底上形成一磁性隧道结层，通过构图磁性隧道结层形成磁性隧道结单元区域，在磁性隧道结层上依次沉积一绝缘层和一掩模层，通过在相同蚀刻速率下蚀刻掩模层和绝缘层暴露磁性隧道结单元区域的上表面，并在绝缘层和磁性隧道结层上沉积一金属层。
磁性隧道结层包括依次堆叠的一导电的基片层、一具有磁性的下材料层、一绝缘层、一具有磁性的上材料层以及一导电的盖帽层。
通过构图磁性隧道结层来形成磁性隧道结单元区域包括在磁性隧道结层上沉积硬掩模，通过第一次干蚀刻构图硬掩模，利用硬掩模作为干蚀刻掩模通过第二次干蚀刻磁性隧道结层到预定深度来形成磁性隧道结单元区域。
蚀刻绝缘层和掩模层包括在相同的蚀刻速率下第三次干蚀刻绝缘层和掩模层，当磁性隧道结单元区域被暴露时终止第三次干蚀刻，移除掩模层的剩余成分。
附图说明
通过具体实施例中的说明和参考附图，本发明的以上及其他特征和优点将更加明显，其中：
图1A和1B说明了一个磁性隧道结的构造和利用磁性隧道结记录信息的原理；
图2A到2H是说明制造传统磁性隧道结单元的剖视图；
图3是说明根据本发明实施例的磁性隧道结单元的剖视图；
图4A到4H是说明一种根据本发明实施例来制造磁性隧道结单元的方法的剖视图；以及
图5说明磁性隧道结单元中磁性隧道结层的结构。
具体实施方式
现在将通过参考附图来更充分的说明本发明，图中显示了本发明的实施例。
图3是根据本发明实施例的一个磁性隧道结单元的剖视图。比较根据本发明实施例的磁性隧道结单元和图2H中描述的传统磁性隧道结单元，在传统磁性隧道结单元中金属层50通过接触孔60与磁性隧道结层20相接触，而在本实施例中，金属层50不需要利用接触孔就可与磁性隧道结层20相接触。因此，在本实施例中，接触表面范围更大，并且形成接触孔这个非常复杂的过程是不需要的。
图4A到4H是说明一种根据本发明实施例制造磁性隧道结单元的方法的剖视图。图4A到图4D说明的操作和图2A到2D说明的操作相同。更具体的说，磁性隧道结层20形成在半导体衬底10上。半导体衬底10可以由一种材料例如硅或二氧化硅构成，磁性隧道结层20的厚度在400-1500埃之间。
为了说明的方便，在图4A中将磁性隧道结层20作为一个单层简单描述，但是，磁性隧道结层20具有更复杂的结构。也就是说，如图5中所示，磁性隧道结层20包括依次形成在基底层21上的一下材料薄膜22、一绝缘膜23、一上材料薄膜24和一盖帽层25。下材料薄膜22可以是单层磁膜，但也可以是含有磁膜的多层材料薄膜。例如，下面的磁性隧道结层22可以通过依次堆叠钽(Ta)膜、钌(Ru)膜、铱/锰(Ir/Mn)膜和合成反铁磁(SAF)膜形成。镍铁(NiFe)膜可以用来替代钌(Ru)膜。用于隧穿的绝缘薄膜23可以由铝氧化物(Al2O3)形成。与下薄膜22类似，上薄膜24也可以由单层磁膜构成，但也可以包含通过依次堆叠钴铁(CoFe)层和镍铁(NiFe)层形成的多层材料薄膜。盖帽层25包括导电薄膜，例如钽膜或钌膜。其上形成有下材料层22的基底层21也可以是导电单层或导电多层材料层。当基底层21是多层时，基底层21可以是依次堆叠钛(Ti)膜和氮化钛(TiN)膜的钛/氮化钛(Ti/TiN)层。
形成磁性隧道结单元后，基底层21连结到数据线(未示出)，盖帽层25连结到位线(未示出)。
当磁性隧道结层20被堆叠时，通过蚀刻部分磁性隧道结层20来形成一个用来形成磁性隧道结单元的区域(下文中简称为磁性隧道结单元区域)。此时，磁性隧道结单元区域的宽度和长度都可以小于100纳米。为了蚀刻具有如此微小图形的磁性隧道结层20，使用了相关于磁性隧道结层20具有高度刻蚀选择性的硬掩膜30。使用硬掩模30的另一个原因是因为通常很难有较好的光致抗蚀剂涂在钽或钌上用作形成磁性隧道结层20最上面的一层，即盖帽层25。硬掩模可以由二氧化硅、四氮化三硅、氟化硅酸盐玻璃(FSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)或硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)组成。硬掩模30的厚度可以根据磁性隧道结层20的厚度来决定，可以在1000-8000埃的范围之间。
当在磁性隧道结层20上面涂上硬掩模30时，在硬掩模30上涂上尺寸和图形与磁性隧道结单元区域相对应的光致抗蚀剂32(或电子束抗蚀剂)。图4A说明了当光致抗蚀剂32涂在硬掩模30上时的状态。然后，通过使用光致抗蚀剂32作为蚀刻掩模干蚀刻部分硬掩模30来构图硬掩模30。参考图4B，通过干蚀刻移除光致抗蚀剂32，硬掩模30具有与磁性隧道结单元区域相对应的尺寸和图形。用作干蚀刻的蚀刻气体可以是例如六氟乙烷、八氟环丁烷或三氟甲烷的气体。
接下来，参考图4C，通过使用硬掩模30作为蚀刻掩模干蚀刻磁性隧道结层20来形成磁性隧道结单元区域。此时，磁性隧道结层20未被完全蚀刻，而是蚀刻到磁性隧道结层20的基底层21被暴露为止。也就是，当组成基底层21的钛或氮化钛被探测到时，干蚀刻被终止。基底层21将执行连结数据线(未示出)和磁性随机存取存储器制造出来后位于磁性隧道结单元下面控制磁性隧道结单元的CMOS(未示出)之间导线的功能。在这个过程中，一小部分硬掩模30可能会留存在磁性隧道结单元区域上，但是这对最终产品没有影响。
更详细的说，利用一个预定的等离子体蚀刻工艺，依次对盖帽层25、上材料薄膜24、绝缘薄膜23和下材料薄膜22蚀刻。在这个工艺中，根据将被蚀刻的材料薄膜，蚀刻条件必须被调整。这可以通过单独控制用作蚀刻气体的混合气体成分和施加在衬底上的偏置功率来实现。此时，不包含氯气(Cl2)的蚀刻气体是在主气体和附加气体之间具有预定混合比的气体。主要蚀刻气体和附加气体可分别是三氯化硼和氩。
参考图4D，形成磁性隧道结单元区域后，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法或磁控溅射法在磁性隧道结层20被暴露的表面上形成由二氧化硅或四氮化三硅组成的绝缘层40。当金属层50形成时，绝缘层40使金属层50与除了盖帽层25的其他元素隔离。因此，在磁性隧道结单元区域外形成的绝缘层40(即，涂在磁性隧道结层20的基底层21上的绝缘层40)的高度(即，图4D中绝缘层40的最小高度)必须大于在磁性隧道结单元区域中盖帽层25的高度。
然后，参考图4E，在绝缘层40上涂上掩模层35。掩模层35由在随后过程中用于干蚀刻的光致抗蚀剂，例如聚酰亚胺或电子束抗蚀剂构成。掩模层35可以有一致的高度足够用于后面的蚀刻过程。
然后，参考图4F，通过干蚀刻对绝缘层40和掩模层35以相同的蚀刻速率进行蚀刻。也就是，绝缘层40相关于掩模层35的蚀刻选择性是1∶1。为了在相同的蚀刻速率下蚀刻绝缘层40和掩模层35，干蚀刻时必须选择合适的蚀刻气体。当绝缘层40由二氧化硅或四氧化三硅组成时，六氟乙烷或八氟环丁烷被用作主要气体并且氩气或氧气被用作附加气体。干蚀刻被终止在盖帽层25，即磁性隧道结层20的最上层。也就是，在蚀刻当中探测到盖帽层25的成分钽或钌时，蚀刻被终止。
结束干蚀刻后，通过干蚀刻或有机清洗移除剩余在蚀刻过的表面上的部分掩模层35，因此在随后的工艺中可以形成金属层50。此时，干蚀刻或有机清洗必须仅仅移除剩余的光致抗蚀剂32或电子束抗蚀剂而不影响绝缘层40和磁性隧道结层20。由于掩模层35是由多种元素例如碳、氢和氧构成的聚合体，可以通过利用氧气在灰化设备中产生挥发性材料例如CO或CO2来移除掩模层35。如图4G所示，在本实施例中，因为是在同一蚀刻速率下蚀刻绝缘层40和掩模层35，绝缘层40和磁性隧道结层20形成一个平坦化的表面。
然后，参考图4H，由钛、氮化钛、钽或铝构成的金属层50利用溅射法形成在绝缘层40和磁性隧道结层20上。如前所述，不需要形成接触孔，在磁性隧道结层20的盖帽层25和金属层50之间形成一个相对宽的接触。
如上所述，根据本发明的一种制造磁性隧道结单元的方法使制造具有100纳米宽度的磁性隧道结单元成为可能，而这是利用传统的在接触孔中形成接触的方法不可能制造出来的。此外，因为不需要形成接触孔就可以形成相对较宽的接触，所以根据本发明实施例形成的接触具有相对低的电阻。另外，当制造磁性隧道结单元的时间和成本降低时，形成传统接触孔所要求的平板印刷和干蚀刻工艺是不必要的，而且整体工艺控制相对简单。
结果，根据本发明实施例，可以得到高度集成的存储器单元。
参考相关典型实施例特别显示和说明本发明时，本领域技术人员应该明白，在不偏离以下权利要求所定义的本发明的思想和范围的情况下，可以产生各种形式和技巧上的变化。
Claims (20)
1.一种形成磁性隧道结单元的方法，包括：
在衬底上形成一磁性隧道结层；
通过构图磁性隧道结层形成磁性隧道结单元区域；
在磁性隧道结层上依次沉积一绝缘层和一掩模层；
通过以相同的蚀刻速率蚀刻掩模层和绝缘层暴露磁性隧道结单元区域的上表面；以及
在绝缘层和磁性隧道结层上沉积一金属层。
2.如权利要求1所述的方法，其中磁性隧道结层包括依次堆叠的一导电的基底层、一具有磁性的下材料层、一绝缘层、一具有磁性的上材料层以及一导电的盖帽层。
3.如权利要求2所述的方法，其中绝缘层由包含铝的氧化物(Al2O3)的材料组成。
4.如权利要求2所述的方法，其中通过构图磁性隧道结层形成磁性隧道结单元区域包括：
在磁性隧道结层上沉积一硬掩模；
通过第一次干蚀刻构图硬掩模；以及
利用硬掩模作为蚀刻掩模，通过第二次干蚀刻磁性隧道结层到一预定深度来形成磁性隧道结单元区域。
5.如权利要求4所述的方法，其中加工硬掩模图形包括：
在硬掩模上涂上尺寸与磁性隧道结单元区域相关的光致抗蚀剂；以及利用光致抗蚀剂作为蚀刻掩模，通过第一次干蚀刻蚀刻硬掩模。
6.如权利要求5所述的方法，其中硬掩模由包括从二氧化硅、四氮化三硅、氟化硅酸盐玻璃(FSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)和硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)构成的组中选择的至少一种材料的材料组成。
7.如权利要求5所述的方法，其中用作第一次干蚀刻的蚀刻气体包括由包含从六氟乙烷，八氟环丁烷和三氟甲烷构成的组中选择的至少一种化合物的氟族蚀刻气体。
8.如权利要求4所述的方法，其中蚀刻磁性隧道结层直到基底层被暴露为止。
9.如权利要求4所述的方法，其中用于第二次干蚀刻的蚀刻气体包括作为主要气体的三氯化硼和作为附加气体的氩。
10.如权利要求4所述的方法，其中磁性隧道结单元区域的宽度和长度每个都小于100纳米。
11.如权利要求4所述的方法，其中硬掩模的厚度在1000-8000埃范围之间。
12.如权利要求4所述的方法，其中磁性隧道结层的厚度在400-1500埃范围之间。
13.如权利要求2所述的方法，其中沉积在磁性隧道结单元区域以外区域上的绝缘层高度至少比盖帽层高度大。
14.如权利要求13所述的方法，其中绝缘层由从二氧化硅和四氮化三硅构成的组中选择的至少一种化合物组成。
15.如权利要求13所述的方法，其中沉积在绝缘层上的掩模层具有平坦化的上表面。
16.如权利要求1所述的方法，其中蚀刻绝缘层和掩模层包括：
在相同的蚀刻速率下第三次干蚀刻绝缘层和掩模层；
当磁性隧道结单元区域被曝露时终止第三次干蚀刻；以及
移除掩模层的剩余部分。
17.如权利要求16所述的方法，其中当探测到盖帽层成分时，第三次干蚀刻被终止。
18.如权利要求13所述的方法，其中用于第三次干蚀刻的蚀刻气体包括作为主要气体的、从六氟乙烷和八氟环丁烷构成的组中选择的至少一种气体和作为附加气体的、从氩气和氧气构成的组中选择的至少一种气体，从而在同一蚀刻速率下蚀刻绝缘层和掩模层。
19.如权利要求16所述的方法，其中采用灰化方法来移除掩模层的剩余部分，其中通过利用氧气产生挥发性反应产物来移除掩模层。
20.如权利要求1所述的方法，其中金属层由从钛、氮化钛、钽和铝构成的组中选择的至少一种金属组成。
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