本發(fā)明涉及一種刻蝕硬掩模的方法，特別涉及一種反應(yīng)離子束選擇性刻蝕磁性隧道結(jié)(mtj，magnetictunneljunction)雙層硬掩模的方法，屬于集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，采用磁性隧道結(jié)(mtj)的磁電阻效應(yīng)的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(mram，magneticradomaccessmemory)被人們認(rèn)為是未來的固態(tài)非易失性記憶體，它具有高速讀寫、大容量以及低能耗的特點(diǎn)。鐵磁性mtj通常為三明治結(jié)構(gòu)，其中有磁性記憶層，它可以改變磁化方向以記錄不同的數(shù)據(jù)；位于中間的絕緣的隧道勢(shì)壘層；磁性參考層，位于隧道勢(shì)壘層的另一側(cè)，它的磁化方向不變。

為能在這種磁電阻元件中記錄信息，建議使用基于自旋動(dòng)量轉(zhuǎn)移或稱自旋轉(zhuǎn)移矩(stt，spintransfertorque)轉(zhuǎn)換技術(shù)的寫方法，這樣的mram稱為stt-mram。根據(jù)磁極化方向的不同，stt-mram又分為面內(nèi)stt-mram和垂直stt-mram(即pstt-mram)，后者有更好的性能。依此方法，即可通過向磁電阻元件提供自旋極化電流來反轉(zhuǎn)磁性記憶層的磁化強(qiáng)度方向。此外，隨著磁性記憶層的體積的縮減，寫或轉(zhuǎn)換操作需注入的自旋極化電流也越小。因此，這種寫方法可同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件微型化和降低電流。

同時(shí)，鑒于減小mtj元件尺寸時(shí)所需的切換電流也會(huì)減小，所以在尺度方面pstt-mram可以很好的與最先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)相契合。因此，期望是將pstt-mram元件做成極小尺寸，并具有非常好的均勻性，以及把對(duì)mtj磁性的影響減至最小，所采用的制備方法還可實(shí)現(xiàn)高良莠率、高精確讀、高可靠寫、低能耗，以及保持適于數(shù)據(jù)良好保存的溫度系數(shù)。同時(shí)，非易失性記憶體中寫操作是基于阻態(tài)變化，從而需要控制由此引起的對(duì)mtj記憶器件壽命的破壞與縮短。

然而，制備一個(gè)小型mtj元件可能會(huì)增加mtj電阻的波動(dòng)，使得pstt-mram的寫電壓或電流也會(huì)隨之有較大的波動(dòng)，這樣會(huì)損傷mram的性能。在現(xiàn)在的mram制造工藝中，重金屬(比如ta)會(huì)沉積在mtj的頂部，既作為mtj刻蝕用的掩模，也作為頂電極的導(dǎo)電通道；隨后，一層介電質(zhì)(比如sin或者sio2)會(huì)沉積在ta膜的頂部，被用來作為ta掩模的犧牲層。通常這種雙層膜結(jié)構(gòu)被用來作為刻蝕mtj的硬掩模。

在現(xiàn)有的mtj雙層硬掩?？涛g工藝中，一般采用cf4作為干刻蝕氣體，然而 在cf4干刻工藝條件下，ta對(duì)sin(或sio2)的選擇比非常低(大約為0.5)。在ta膜層已完成刻蝕之前，介電層已經(jīng)被完全刻蝕掉。因此，如圖1所示：用cf4作為刻蝕氣體很難形成清晰銳利的ta掩模側(cè)壁，導(dǎo)致輪廓不清的掩模，從而影響下面的mtj圖案化；同時(shí)，由于ta膜層在沒有介電層的保護(hù)下，ta膜層的厚度將會(huì)進(jìn)一步減小，并形成橢圓形的膜帽，這樣將會(huì)增加位線和mtj之間短路的風(fēng)險(xiǎn)。在ta膜層完成刻蝕之前，為了使介電層不被完全刻蝕掉，通?？梢栽黾咏殡妼拥暮穸龋欢?，使用比較厚的介電層，mtj圖案在介電層轉(zhuǎn)移時(shí)，尺寸會(huì)變大得比較厲害，這非常不利于mtj的小型化，特別不適用于制備65nm及其以下的mram電路(如圖2所示)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種反應(yīng)離子束選擇性刻蝕磁性隧道結(jié)(mtj)雙層硬掩模的方法，特別適用于制備65nm及其以下的mram電路，用以解決ta對(duì)sin(或sio2)選擇比過低，mtj圖案在雙層掩模轉(zhuǎn)移時(shí)尺寸變大，以及ta膜層提前被過度消耗等問題，降低了mram電路位線和mtj單元短路的風(fēng)險(xiǎn)。

本發(fā)明具體步驟如下：

步驟s1：提供包括mtj多層膜的襯底；

步驟s2：在襯底上依次形成ta膜層和sin膜層(或sio2膜層)；

步驟s3：圖形化轉(zhuǎn)移mtj圖案到sin膜層(或sio2膜層)，使用光刻膠(pr，photoresist)和有機(jī)抗反射層(o-barc，organic-bottomanti-reflectivecoating)完成對(duì)mtj圖案的圖形化定義；

步驟s4：采用cf4干刻蝕sin膜層(或sio2膜層)轉(zhuǎn)移mtj圖案到ta膜層；

步驟s5：采用氧氣干刻蝕除去殘留的光刻膠和有機(jī)抗反射層；

步驟s6：以sin膜為掩模，采用chf3/n2對(duì)sin膜層和ta膜層進(jìn)行選擇性刻蝕(或者以sio2膜為掩模，采用chf3/o2對(duì)sio2膜層和ta膜層進(jìn)行選擇性刻蝕)，以形成具有mtj圖案的雙層硬掩模。

作為優(yōu)選，磁性隧道結(jié)多層膜的厚度為15～40nm。

作為優(yōu)選，ta膜層的厚度為50～200nm，硅化合物膜層的厚度為50～150nm。

作為優(yōu)選，光刻膠的厚度為90～250nm，有機(jī)抗反射層的厚度為30～100nm。

作為優(yōu)選，用cl2等干刻蝕o-barc，從而完成對(duì)mtj圖案的圖形化定義。

作為優(yōu)選，chf3的流量范圍為0～50sccm。

作為優(yōu)選，n2的流量范圍為0～150sccm。

作為優(yōu)選，chf3/n2混合氣體中chf3的含量為1～10％。

作為優(yōu)選，o2的流量范圍為0～150sccm。

作為優(yōu)選，chf3/o2混合氣體中chf3的含量為1～10％。

作為優(yōu)選，干刻蝕雙層硬掩模所采用的壓強(qiáng)為10～60mt。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明使用chf3/n2使得ta對(duì)sin的選擇比高達(dá)20以上，使用chf3/o2使得ta對(duì)sio2的選擇比高達(dá)20以上。特別適用于制備65nm及其以下的mram電路，從而有效的改善了mtj圖案在雙層掩模轉(zhuǎn)移時(shí)尺寸變大，以及ta膜層提前被過度消耗等問題，降低了mram電路位線和mtj單元短路的風(fēng)險(xiǎn)。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中雙層掩模(選用正常厚度的介電層)刻蝕后的輪廓示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中雙層掩模(選用較厚的介電層)刻蝕后的輪廓示意圖；

圖3是本發(fā)明反應(yīng)離子束選擇性刻蝕磁性隧道結(jié)雙層硬掩模的方法的流程圖；

圖4是刻蝕之前圖形化轉(zhuǎn)移磁性隧道結(jié)圖案到有機(jī)抗反射層的剖面圖；

圖5是干刻蝕有機(jī)抗反射層，圖形化轉(zhuǎn)移磁性隧道結(jié)圖案到sin膜層(或sio2膜層)之后的剖面圖；

圖6是干刻蝕sin膜層(或sio2膜層)，圖形化轉(zhuǎn)移磁性隧道結(jié)圖案到ta膜層之后的剖面圖；

圖7是氧氣干刻處理掉殘留的光刻膠和有機(jī)抗反射層之后的剖面圖；

圖8是圖形化的雙層掩模的剖面圖。

以上各圖中所示：100-包括mtj多層膜的襯底，101-鉭(ta)膜層，111-刻蝕之后的鉭(ta)膜層，102-sin膜層(或sio2膜層)，112-刻蝕之后的sin膜層(或sio2膜層)，103-o-barc，113-刻蝕之后的o-barc，104-pr，114-刻蝕之后的pr。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明。需說明的是，本發(fā)明附圖均采用簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

如圖3所示，本發(fā)明的一種反應(yīng)離子束選擇性刻蝕磁性隧道結(jié)(mtj)雙層硬掩模的方法，具體包括以下步驟：

步驟s1：提供包括mtj多層膜的襯底100，其中mtj的厚度為15nm～40nm。

步驟s2：在襯底上，依次沉積形成ta膜層101和sin膜層(或sio2膜層)102，其中ta膜層的厚度為50nm～200nm，sin膜層(或sio2膜層)的厚度為 50nm～150nm；ta膜層101可以使用ta靶，通過物理濺射或離子束沉積等方法形成；sin膜層102，可以采用以下的一種或多種方法制成：(a)化學(xué)氣相沉積，采用的反應(yīng)劑含si、n和h；(b)物理濺射沉積，使用si靶，濺射氣體采用ar+n2或ar+nh3。sio2膜層102，采用以下的一種或多種方法制成：(a)化學(xué)氣相沉積，采用的反應(yīng)劑含si、h和o；(b)氧化硅旋涂(spin-on-siocoating)技術(shù)；(c)物理濺射沉積，使用si靶或sio2靶，濺射氣體采用ar或ar+o2；(d)離子束沉積，使用sio2靶。

步驟s3：圖形化轉(zhuǎn)移mtj圖案到sin膜層(或sio2膜層)102上，本發(fā)明以o-barc103和光刻膠104來定義mtj圖案。o-barc103的厚度為30nm～100nm，光刻膠104的厚度為90nm～250nm，如果4所示。

o-barc103用于減少曝光過程中光在ta膜層101和sin膜層(或sio2膜層)102的上下表面的反射，以使曝光的大部分能量都被ta膜層101和sin膜層(或sio2膜層)102吸收，當(dāng)然，光刻膠104用于保護(hù)器件的其他區(qū)域，確保器件正常曝光。曝光完成后，用cl2等干刻蝕o-barc103，使得mtj圖案圖形化到sin膜層(或sio2膜層)102，如圖5所示。

步驟s4：采用cf4干刻蝕sin膜層(或sio2膜層)轉(zhuǎn)移mtj圖案到ta膜層，如圖6所示。

步驟s5：采用氧氣灰化工藝除去殘留的光刻104和o-barc103，最后得到刻蝕mtj的ta掩模101，如圖7所示。

步驟s6：以sin膜為掩模，采用chf3/n2對(duì)sin膜層和ta膜層進(jìn)行選擇性刻蝕(或者以sio2膜為掩模，采用chf3/o2對(duì)sio2膜層和ta膜層進(jìn)行選擇性刻蝕)以形成具有mtj圖案的雙層硬掩模，如圖8所示。

較佳的，本發(fā)明中的chf3的流量為0～50sccm，n2的流量為0～150sccm，o2的流量為0～150sccm，通過精確控制chf3在chf3/n2中百分含量和刻蝕氣體壓強(qiáng)，可以調(diào)控ta對(duì)sin的選擇比，作為優(yōu)選，chf3/n2混合氣體中chf3的含量為1％～10％，壓強(qiáng)為10mt～60mt；通過精確控制chf3在chf3/o2中百分含量和刻蝕氣體壓強(qiáng)，可以調(diào)控ta對(duì)sio2的選擇比，作為優(yōu)選，chf3/o2混合氣體中chf3的含量為1％-10％，壓強(qiáng)為10mt～60mt。

本發(fā)明通過調(diào)控chf3在chf3/n2中百分含量和刻蝕氣體壓強(qiáng)，使得ta對(duì)sin的選擇比高達(dá)20以上；通過調(diào)控chf3在chf3/o2中百分含量和刻蝕氣體壓強(qiáng)，使得ta對(duì)sio2的選擇比高達(dá)20以上，從而有效的改善了mtj圖案在雙層掩模轉(zhuǎn)移時(shí)尺寸變大，以及ta膜層提前被過度消耗等問題，降低了mram電路位線和mtj單元短路的風(fēng)險(xiǎn)，特別適用于制備65nm及其以下的mram電路。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng) 域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。