專利名稱：一種形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CMOS半導(dǎo)體器件工藝，尤其涉及一種形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法。
背景技術(shù)：
磁阻隨機訪問存儲器是一種非揮發(fā)性的存儲器件，在讀寫速度上具有和靜態(tài)隨機訪問存儲器可比擬的特性，而且在存儲密度上與靜態(tài)隨機訪問存儲器類似，更具吸引力的特點是它幾乎不存在因為器件退化而產(chǎn)生的可靠性方面的問題。各方面的優(yōu)勢使之被稱為一種全能存儲器，具有全面替代目前應(yīng)用的靜/動態(tài)隨機訪問存儲器以及閃存的能力。與靜/動態(tài)隨機訪問存儲器或者閃存的原理不同，磁阻隨機訪問存儲器不是利用電荷的保存和釋放來存儲信息，而是通過磁性存儲單元來實現(xiàn)信息存儲的。如圖IA所示，磁性存儲單元由兩個鐵磁性的平板I電極組成，中間由一層絕緣的薄膜2隔開，這種三明治 的結(jié)構(gòu)稱為磁通道結(jié)3。在磁通道結(jié)的兩個磁性電極中，一個具有固定的磁場方向，稱為固定層5，另一個磁性電極其磁場方向不是固定的，可以隨著外界磁場的變化而改變，稱為自由層4。當自由層的磁場方向與固定層一致時，整個磁通道結(jié)的電阻會變得很小，在外加電壓的作用下流過磁性通道結(jié)的電流就會很大。反之，當自由層的磁場方向與固定層剛好相反時，整個磁性通道結(jié)的電阻會變得很大，流過磁性通道結(jié)的電流就會很小。利用這種電流大小的變化就可以實現(xiàn)信號的識別。圖1B-1C所示的是兩種常用的磁性通道結(jié)的三維結(jié)構(gòu)，圖IB為方形平板結(jié)構(gòu)，圖IC為環(huán)狀結(jié)構(gòu)。相對于方形平板結(jié)構(gòu)而言，環(huán)狀結(jié)構(gòu)的磁通道結(jié)在器件存取特性更好，因此已經(jīng)成為目前半導(dǎo)體業(yè)界一致采用的結(jié)構(gòu)。但是對于制造而言，環(huán)狀結(jié)構(gòu)的磁性通道結(jié)工藝會更加復(fù)雜，而且制造成本會提高。因為環(huán)狀結(jié)構(gòu)具有內(nèi)外兩個直徑，其中內(nèi)徑尺寸往往很小，這就要求半導(dǎo)體制造工藝中的曝光設(shè)備具有很高的分辨率，而高端曝光設(shè)備的采用則會大幅增加制造成本。因此如何在不使用高分辨率曝光設(shè)備的條件下實現(xiàn)具有精細尺寸的環(huán)狀磁通道結(jié)制造成為了一個熱門課題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明公開了一種形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法。用以解決現(xiàn)有技術(shù)中在制造環(huán)狀結(jié)構(gòu)的磁通道結(jié)的時候，由于環(huán)狀結(jié)構(gòu)的磁通道結(jié)內(nèi)徑尺寸往往很小，在半導(dǎo)體制造工藝中需要曝光設(shè)備具有很高的分辨率，而高端曝光設(shè)備的采用則會大幅增加制造成本的問題。為實現(xiàn)上述目的，發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，其中，包括以下工藝步驟
步驟一，在襯底上沉積磁通道結(jié)薄膜層，在所述磁通道結(jié)薄膜層上表面沉積多晶硅，在多晶硅上表面覆蓋光阻層，所述光阻層呈圓形；
步驟二，對多晶硅進行刻蝕，直至磁通道結(jié)薄膜層上表面停止刻蝕，使未被所述光阻層所覆蓋的所述多晶硅部分完全被刻蝕掉，移除所述光阻層；步驟三，對所述磁通道結(jié)薄膜層上表面以及被刻蝕后的所述多晶硅外表面覆蓋一層金屬層，接著對所述金屬層進行部分刻蝕，保留環(huán)繞所述多晶硅側(cè)壁的金屬層；
步驟四，對所述多晶硅側(cè)壁外側(cè)的所述金屬層使用退火工藝，使所述金屬層向呈圓柱狀的所述多晶硅中心擴散，所述金屬層與向所述多晶硅中心擴散的部分形成金屬硅化物層；
步驟五，將未形成所述金屬硅化物層的所述多晶硅刻蝕掉，從而形成環(huán)形所述金屬硅化物層；
步驟六，對所述金屬硅化物層之下的所述磁通道結(jié)薄膜層進行刻蝕，使未被所述金屬硅化物層所覆蓋的所述磁通道結(jié)薄膜層刻蝕掉，所述金屬硅化物層與被刻蝕后的所述磁通道結(jié)薄膜層形成環(huán)狀磁通道結(jié)結(jié)構(gòu)。上述的工藝方法，其中，在所述步驟一中，所述多晶硅覆蓋于所述磁通道結(jié)薄膜層上表面。 上述的工藝方法，其中，在所述步驟一中，所述多晶硅的形成工藝為化學(xué)氣相沉積。上述的工藝方法，其中，在所述步驟二中，經(jīng)刻蝕后的所述多晶硅呈圓柱狀，且所述多晶硅直徑與所述光阻層直徑一致。上述的工藝方法，其中，在所述步驟三中，所述多晶硅側(cè)壁的金屬層的高度與所述多晶硅的高度一致。 上述的工藝方法，其中，在所述步驟四中，所述金屬硅化物層的厚度由退火工藝中的參數(shù)設(shè)置所控制的。上述的工藝方法，其中，所述金屬層的材料為鈦，鎢，鎳，鈷。本發(fā)明中一種形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，采用了如上方案具有以下效果
1、有效地可以在不使用高分辨率曝光設(shè)備的條件下實現(xiàn)具有精細尺寸的環(huán)狀磁通道結(jié)結(jié)構(gòu)的制造；
2、同時不必須采用高端的光刻機，這樣做將會減少生產(chǎn)成本，增加產(chǎn)品競爭力。


通過閱讀參照如下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，發(fā)明的其它特征，目的和優(yōu)點將會變得更明顯。圖IA為磁阻通道結(jié)結(jié)構(gòu)的示意 圖IB為平板方形磁通道結(jié)的三維結(jié)構(gòu)示意 圖IC為環(huán)狀磁通道結(jié)的三維結(jié)構(gòu)示意 圖2A-2G為一種形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法的流程示意 圖3A為2C步驟中多晶硅與金屬層的俯視 圖3B為2D步驟中所形成金屬硅化物層與多晶硅的俯視 圖3C為2E步驟中去除多晶硅后的金屬硅化物層的俯視圖。參考圖序平板I、薄膜2、磁通道結(jié)3、自由層4、固定層5、光阻層6、多晶硅7、襯底8、磁通道結(jié)薄膜層9、金屬層10、金屬硅化物層11。
具體實施例方式為了使發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)造特征、達成目的和功效易于明白了解，下結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。如圖2A-2G、3A_3C為，在本發(fā)明的具體實施例中，一種形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，其中，包括以下工藝步驟
步驟一，在襯底8上沉積磁通道結(jié)薄膜層9，磁通道結(jié)薄膜層9覆蓋于襯底8上表面，在磁通道結(jié)薄膜層9上表面沉積多晶硅7，在多晶硅7上表面覆蓋光阻層6，光阻層6呈圓形，且該圓形光阻層6外徑滿足設(shè)計尺寸的圓形圖案；
步驟二，對多晶硅7進行刻蝕，直至磁通道結(jié)薄膜層9上表面停止刻蝕，使未被光阻層6所覆蓋的多晶硅7部分完全被刻蝕掉，多晶硅7形成圓柱狀后移除光阻層6 ； 步驟三，對磁通道結(jié)薄膜層9上表面以及被刻蝕后的多晶硅7外表面覆蓋一層金屬層10，該金屬層10是采用物理氣相沉積或者化學(xué)氣相沉積的方法在多晶硅7表面覆蓋的，接著對金屬層10進行部分刻蝕，去除多晶硅7之上的金屬層10以及未覆蓋多晶硅7的金屬層10部分，保留環(huán)繞多晶硅7側(cè)壁的金屬層10 ；
步驟四，對多晶硅7側(cè)壁外側(cè)的金屬層10使用退火工藝，該退火工藝中退火的溫度范圍在250至1000攝氏度，其退火的時間控制在5至120之內(nèi)，使金屬層10向呈圓柱狀的多晶娃7中心擴散,金屬層10與向多晶娃7中心擴散的部分形成金屬娃化物層11，而在原多晶娃7的中心剩下有部分未形成金屬娃化物層11的多晶娃7 ；
步驟五，利用濕法刻蝕或者等離子體刻蝕的方式將金屬硅化物層11中未形成金屬硅化物層11的多晶硅7刻蝕掉，從而形成環(huán)形金屬硅化物層11，且該環(huán)形金屬硅化物層11的內(nèi)徑尺寸滿足環(huán)形金屬化多晶硅7結(jié)構(gòu)；
步驟六，使環(huán)狀金屬硅化物層11結(jié)構(gòu)作為硬掩膜對金屬硅化物層11之下的磁通道結(jié)薄膜層9進行干法刻蝕，使未被金屬硅化物層11所覆蓋的磁通道結(jié)薄膜層9刻蝕掉，最終金屬硅化物層11與被刻蝕后的磁通道結(jié)薄膜層9形成內(nèi)徑與外徑都滿足要求的環(huán)狀磁通道結(jié)結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的具體實施例中，在步驟一中，多晶硅7覆蓋于磁通道結(jié)薄膜層9上表面。在本發(fā)明的具體實施例中，在步驟一中，多晶硅7的形成工藝為化學(xué)氣相沉積。在本發(fā)明的具體實施例中，在步驟二中，經(jīng)刻蝕后的多晶硅7呈圓柱狀，且多晶硅7直徑與光阻層6直徑一致。在本發(fā)明的具體實施例中，在步驟三中，多晶硅7側(cè)壁的金屬層10的高度與多晶硅7的高度一致。在本發(fā)明的具體實施例中，在步驟四中，金屬硅化物層11的厚度由退火工藝中的參數(shù)設(shè)置所控制的由此可以調(diào)整金屬硅化物層11的內(nèi)徑尺寸。在本發(fā)明的具體實施例中，所述金屬層10的材料為鈦，鎢，鎳，鈷在內(nèi)的可以與多晶硅7形成金屬硅化物層11的金屬材料。在本發(fā)明的具體實施方式
中，磁通道結(jié)薄膜層9在襯底8上沉積后，接著沉積一層厚度為60nm的多晶硅7，然后進行光刻。以90nm設(shè)計規(guī)則為例，先在多晶硅7的上表面沉積光阻層6，則該光阻層6的直徑為90nm，對多晶硅7進行光刻，在光刻完成后形成的多晶硅7呈圓柱狀，且圓柱的直徑為90nm，這步驟使用普通ArF光刻機即可完成，再去除光阻層6。之后對磁通道結(jié)薄膜層9上表面以及被刻蝕后的多晶硅7外表面覆蓋一層金屬層10，該金屬層10覆蓋時所采用物理氣相沉積的方法，且所使用的金屬層10為鎳，接著對金屬層10進行部分刻蝕，去除多晶硅7之上的金屬層10以及未覆蓋多晶硅7的金屬層10部分，保留環(huán)繞多晶娃7側(cè)壁的金屬層10,此時多晶娃7側(cè)壁上的金屬層10,厚度為10nm。接下來對多晶硅7側(cè)壁外側(cè)的金屬層10使用退火工藝，該退火工藝中退火的溫度范圍在250至1000攝氏度，其退火的時間控制在5至12 0之內(nèi)，這種退火工藝流程可以根據(jù)需要靈活選擇單一步驟退火或者多步驟退火，具體的溫度和時間也可以根據(jù)具體情況而定，本發(fā)明中，選擇單一步驟退火工藝，在290攝氏度溫度下退火45秒鐘，使金屬層10向呈圓柱狀的多晶硅7中心擴散，金屬層10與向多晶硅7中心擴散的部分形成金屬硅化物層11，既形成了厚度為25nm的金屬娃化物層11。其次利用濕法刻蝕或者等離子體刻蝕的方式將金屬硅化物層11中未形成金屬硅化物層11的多晶硅7刻蝕掉，從而形成環(huán)形金屬硅化物層11，且該環(huán)形金屬硅化物層11的內(nèi)徑尺寸滿足環(huán)形金屬化多晶硅7結(jié)構(gòu)；進一步的，退火工藝完成后，直徑為90nm的多晶硅7圓柱體由外向內(nèi)形成了厚度為25nm的金屬硅化物帶，因此圓柱體中心留下的是直徑為40nm的多晶硅7圓柱體。采用等離子體干法蝕刻的方法可以選擇性的將這一未金屬化的多晶硅7圓柱體結(jié)構(gòu)去除。典型的蝕刻條件為氣壓20毫托，射頻電源頻率為13. 56兆赫茲，上電極射頻電源功率為500瓦，下電極射頻電源功率為150瓦，四氟化碳氣體流量為每分鐘20標準立方厘米，溴化氫氣體流量為每分鐘200標準立方厘米，氧氣氣體流量為每分鐘5標準立方厘米，蝕刻時間為40秒。在這個蝕刻條件下，金屬硅化物層11高度的損失量約為10nm，而中心位置未金屬化的多晶硅7圓柱體則被完全去除，最后得到的就是寬度為25nm的環(huán)狀鎳化娃結(jié)構(gòu)，高度為50nm。最后，以環(huán)狀金屬硅化物層11結(jié)構(gòu)作為硬掩膜對金屬硅化物層11之下的磁通道結(jié)薄膜層9進行等離子體干法蝕刻，使未被金屬硅化物層11所覆蓋的磁通道結(jié)薄膜層9刻蝕掉，于是得到了外徑為90nm，內(nèi)徑為40nm的環(huán)狀磁通道結(jié)結(jié)構(gòu)。最終金屬硅化物層11與被刻蝕后的磁通道結(jié)薄膜層9形成內(nèi)徑與外徑都滿足要求的環(huán)狀磁通道結(jié)結(jié)構(gòu)。如果不采用本發(fā)明的方法而直接通過光刻機得到內(nèi)外徑分別為90nm和40nm的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，那么必須采用高端的光刻機比如浸潤式曝光設(shè)備，因為設(shè)備昂貴，這樣做將極大的增加生產(chǎn)成本，會導(dǎo)致降低產(chǎn)品競爭力。進一步的，在等離子體干法蝕刻工藝中，蝕刻腔體的類型為誘導(dǎo)耦合等離子體，典型的蝕刻條件為氣壓20毫托，射頻電源頻率為13. 56兆赫茲，上電極射頻電源功率為350瓦，下電極射頻電源功率為100瓦，氯氣氣體流量為每分鐘30標準立方厘米，溴化氫氣體流量為每分鐘170標準立方厘米，氧氣氣體流量為每分鐘10標準立方厘米，蝕刻時間為30秒。經(jīng)過灰化工藝后就得到了直徑為90nm的多晶硅7圓柱體結(jié)構(gòu)。綜上所述，發(fā)明一種形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，有效地可以在不使用高分辨率曝光設(shè)備的條件下實現(xiàn)具有精細尺寸的環(huán)狀磁通道結(jié)結(jié)構(gòu)的制造，同時不必須采用高端的光刻機，這樣做將會減少生產(chǎn)成本，增加產(chǎn)品競爭力。
以上對發(fā)明的具體實施例了描述。需要理解的是，發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，其中未盡詳細描述的設(shè)備和結(jié)構(gòu)應(yīng)該理解為用本領(lǐng)域中的普通方式予以實施；本領(lǐng) 域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，其特征在于，包括以下工藝步驟 步驟一，在襯底上沉積磁通道結(jié)薄膜層，在所述磁通道結(jié)薄膜層上表面沉積多晶硅，在多晶硅上表面覆蓋光阻層，所述光阻層呈圓形； 步驟二，對多晶硅進行刻蝕，直至磁通道結(jié)薄膜層上表面停止刻蝕，使未被所述光阻層所覆蓋的所述多晶硅部分完全被刻蝕掉，移除所述光阻層； 步驟三，對所述磁通道結(jié)薄膜層上表面以及被刻蝕后的所述多晶硅外表面覆蓋一層金屬層，接著對所述金屬層進行部分刻蝕，保留環(huán)繞所述多晶硅側(cè)壁的金屬層； 步驟四，對所述多晶硅側(cè)壁外側(cè)的所述金屬層使用退火工藝，使所述金屬層向呈圓柱狀的所述多晶硅中心擴散，所述金屬層與向所述多晶硅中心擴散的部分形成金屬硅化物層； 步驟五，將未形成所述金屬硅化物層的所述多晶硅刻蝕掉，從而形成環(huán)形所述金屬硅化物層； 步驟六，對所述金屬硅化物層之下的所述磁通道結(jié)薄膜層進行刻蝕，使未被所述金屬硅化物層所覆蓋的所述磁通道結(jié)薄膜層刻蝕掉，所述金屬硅化物層與被刻蝕后的所述磁通道結(jié)薄膜層形成環(huán)狀磁通道結(jié)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，其特征在于，在所述步驟一中，所述多晶硅覆蓋于所述磁通道結(jié)薄膜層上表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，其特征在于，在所述步驟一中，所述多晶硅的形成工藝為化學(xué)氣相沉積。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，其特征在于，在所述步驟二中，經(jīng)刻蝕后的所述多晶硅呈圓柱狀，且所述多晶硅直徑與所述光阻層直徑一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，其特征在于，在所述步驟三中，所述多晶硅側(cè)壁的金屬層的高度與所述多晶硅的高度一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，其特征在于，在所述步驟四中，所述金屬硅化物層的厚度由退火工藝中的參數(shù)設(shè)置所控制的。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，其特征在于，所述金屬層的材料為鈦，鎢，鎳，鈷。
全文摘要
本發(fā)明一種形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，其中，包括以下工藝步驟利用金屬硅化物工藝將多晶硅圓柱體結(jié)構(gòu)的外圍進行金屬化，然后去除金屬硅化物層內(nèi)徑中未被金屬化的多晶硅部分從而得到環(huán)狀的金屬硅化物硬掩膜，最后利用這種硬掩膜刻蝕磁通道結(jié)薄膜層，得到應(yīng)用于磁阻存儲器的具有精細尺寸的環(huán)狀存儲單元。通過使用本發(fā)明一種形成磁阻存儲器環(huán)狀存儲單元的方法，有效地可以在不使用高分辨率曝光設(shè)備的條件下實現(xiàn)具有精細尺寸的環(huán)狀磁通道結(jié)結(jié)構(gòu)的制造，同時不必須采用高端的光刻機，這樣做將會減少生產(chǎn)成本，增加產(chǎn)品競爭力。
文檔編號H01L45/00GK102867913SQ201210343578
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者羅飛 申請人:上海華力微電子有限公司