本發(fā)明涉及一種制作磁性隧道結(jié)(mtj，magnetictunneljunction)的方法，特別涉及一種在193nm或者更超精細(xì)光刻技術(shù)條件下，用四層掩模(qlm，quad-layermask)圖案化形成磁性隧道結(jié)的方法，屬于磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(mram，magneticradomaccessmemory)制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，采用mtj的磁電阻效應(yīng)的mram被人們認(rèn)為是未來(lái)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(guò)向磁電阻元件提供自旋極化電流來(lái)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。在當(dāng)前的mram制造工藝中，重金屬(比如鉭)會(huì)沉積在mtj的頂部，既作為mtj刻蝕用的硬掩模，也作為頂電極導(dǎo)電通道。制備65nm或更小尺寸的mtj單元需要193nm或更精細(xì)的光刻技術(shù)，這樣就使得光刻膠層的厚度被限制在之內(nèi)。但是，較薄的光刻膠層就需要配合較薄的鉭(ta)硬掩模層，以保證在進(jìn)行刻蝕圖案轉(zhuǎn)移過(guò)程中，光刻掩模消耗完之前已完全形成硬掩模圖案。因此，一方面，鉭(ta) 膜層需要有足夠的厚度來(lái)完成mtj的完全刻蝕；另一方面，鉭(ta)膜層又不能太厚，太厚的話會(huì)需要光刻膠掩模也要隨之更厚以實(shí)現(xiàn)圖案轉(zhuǎn)移，并且光刻膠厚度的增加還會(huì)加大光刻膠圖案崩塌的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致更多的返工與更高的成本。不幸的是，薄的鉭(ta)硬掩模層會(huì)導(dǎo)致電流短路的這一潛在問(wèn)題，并且因?yàn)樵趫D案轉(zhuǎn)移過(guò)程中，硬掩模也會(huì)受侵蝕，從而限制了刻蝕形成mtj圖案的可用時(shí)間。因此，在制備65nm或更小尺寸的mtj單元時(shí)，必須使用不同于簡(jiǎn)單鉭(ta)硬掩模的其它方案。

為了克服上述單層鉭(ta)硬掩模的缺點(diǎn)，美國(guó)專利8,722,543公開了一種雙層硬掩摸圖案轉(zhuǎn)移方法，使得位于底電極(be，bottomelectrode)之上的mtj被圖案化。這種雙層硬掩模，包括第一層掩模鉭(ta)，以及位于鉭(ta)層之上的一層介電層(sin或sio2等)。然而，對(duì)于193nm或更精細(xì)的光刻技術(shù)，在鉭(ta)膜被完全刻蝕掉之前，光刻膠與抗反射層(arl，anti-reflectionlayer)不足以保護(hù)介電層免于被暴露出來(lái)。在鉭(ta)掩模已完全被過(guò)刻蝕之前，介電層掩模也幾乎被刻蝕殫盡。因此，鉭(ta)膜掩模很難形成清晰銳利的側(cè)壁，導(dǎo)致輪廓不清的掩模，從而影響下面的mtj圖案。

另外，在標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)工藝之中，當(dāng)線寬為65nm及以下時(shí)，多層掩模也被廣泛用于刻蝕淺溝道，門極等多種結(jié)構(gòu)單元(見(jiàn)美國(guó)專利：8,946,091)，從而獲得清晰的結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明有助于構(gòu)建具有極小尺寸的mtj，以解決在制備65nm或更小尺寸的mtj單元時(shí)，在圖形化轉(zhuǎn)移工程中遇到的一系列問(wèn)題。比如：光刻膠太薄，ta對(duì)sin(或sio2)選擇比過(guò)低，造成的鉭掩模在mtj刻蝕之前被過(guò)度消耗，以及最后造成的mram電路位線和mtj單元之間的短路。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種四層掩模圖案化磁性隧道結(jié)的方法。qlm的具體結(jié)構(gòu)為：重金屬鉭(ta)膜層；介電層(sin，sion或者sio2)；碳膜層；含硅的抗反射層依次向上層疊。

mtj的圖案化，首先通過(guò)cf4，ch2f2或者sf6等為主刻蝕氣體的干刻工藝使圖案從光刻膠掩模轉(zhuǎn)移到含硅的抗反射層；

然后，通過(guò)so2/o2，hbr/o2，n2/h2或者ch4/o2/n2/ar等為主刻蝕氣體的干刻蝕工藝使圖案轉(zhuǎn)移到下面的碳膜層；

接著，通過(guò)cf4等為主刻蝕氣體的干刻工藝再轉(zhuǎn)移到介電膜層，最后通過(guò)主刻蝕氣體為cf4，cl2/ar，ch4/ar，chf3/o2或者chf3/n2等的刻蝕工藝使圖案轉(zhuǎn)移到重金屬鉭(ta)層。

本發(fā)明具體的技術(shù)方案如下：

一種四層掩模圖案化磁性隧道結(jié)的方法，包括以下具體步驟：

步驟1：在基底上形成磁性隧道結(jié)膜層單元；

步驟1.1：形成種子基層；

步驟1.2：在種子基層上形成磁性記憶功能單元；

步驟1.2.1a：在種子基層上形成磁性記憶層；

步驟1.2.2a：在磁性記憶層上形成隧道勢(shì)壘層；

步驟1.2.3a：在隧道勢(shì)壘層上形成磁性參考層；

或者：

步驟1.2.1b：在種子基層上形成磁性參考層；

步驟1.2.2b：在磁性參考層上形成隧道勢(shì)壘層；

步驟1.2.3b：在隧道勢(shì)壘層上形成磁性記憶層；

步驟1.3：在磁性記憶功能單元上形成覆蓋層。

步驟2：在磁性隧道結(jié)膜層單元上形成四層掩模膜層單元；

步驟2.1：在磁性隧道結(jié)膜層單元上形成鉭膜層，鉭膜層的厚度為40～100nm；

步驟2.2：在鉭掩模膜層上形成介電層，介電層的厚度為20～200nm；

步驟2.3：在介電膜層上形成碳膜層，碳膜層的厚度為20～200nm；

步驟2.4：在碳膜層上形成含硅的抗反射層，含硅的抗反射層的厚度為30～100nm。

步驟3：在四層掩模膜層單元上形成光刻膠單元；

步驟4：通過(guò)光刻將光刻膠單元圖案化；

步驟5：將四層掩模膜層單元圖案化；

步驟5.1：含硅的抗反射層圖案化。其具體步驟是為：用已圖案化的光刻膠單元作為掩模，采用反應(yīng)離子束刻蝕形成含硅的抗反射層圖案，主刻蝕氣體為cf4，ch2f2或者sf6等，此步完成后還有部分光刻膠在含硅的抗反射層之上；

步驟5.2：碳膜層圖案化。其具體步驟是為：用已經(jīng)圖案化的光刻膠和含硅的抗反射層作為掩模來(lái)刻蝕碳膜層，以獲得圖案化的碳膜層，主刻蝕氣體為so2/o2，n2/h2，hbr/o2或者ch4/o2/n2/ar等，在此步結(jié)束之后，被圖案化的含硅的抗反射層將會(huì)被保留；

步驟5.3：介電層圖案化。其具體步驟是為：用已經(jīng)圖案化的含硅的抗反射層和碳膜層作為掩模，通過(guò)主要為cf4等為主刻蝕氣體的干刻蝕工藝來(lái)刻蝕介電層，將介電層圖案化；在第一介電層圖案化的過(guò)程中，含硅的抗反射層將會(huì)被消耗掉；

步驟5.4：鉭膜層圖案化。其具體步驟是為：通過(guò)已經(jīng)圖案化的介電膜層，將鉭膜層圖案化；此步的主刻蝕氣體為cf4，cl2/ar，ch4/ar，chf3/o2或者chf3/n2等；通過(guò)調(diào)整碳膜層的厚度，完成圖形化轉(zhuǎn)移之后，介電層將完全或部分的保留。

步驟6：將磁性隧道結(jié)膜層單元圖案化。其具體步驟是：用已圖案化的四層掩模膜層單元作為掩模，通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕對(duì)磁性隧道結(jié)膜層單元進(jìn)行刻蝕，反應(yīng)離子束刻蝕的主刻蝕氣體為甲醇、乙醇或co/nh3等。

步驟7：用離子束刻蝕對(duì)被破壞的圖案化磁性隧道結(jié)膜層單元側(cè)壁進(jìn)行修整；從而改善已圖案化的磁性隧道結(jié)膜層單元被破壞的側(cè)壁。

步驟8：用氮化硅層包覆圖案化后的磁性隧道結(jié)膜層單元，具體而言是對(duì)經(jīng)離子束刻蝕修整后的磁性隧道結(jié)膜層單元用氮化硅將側(cè)壁立即保護(hù)起來(lái)。

本發(fā)明的有益效果：在制備65nm以及以下mram電路時(shí)，本發(fā)明的qlm結(jié)構(gòu)有效的解決了193nm或者更細(xì)曝光條件下，所用的光刻膠過(guò)薄和弱，不足以完成mtj圖案化轉(zhuǎn)移，同時(shí)，比現(xiàn)有的雙層硬掩模提供了更多的犧牲層，在mtj刻蝕之前，鉭(ta)掩模不會(huì)發(fā)生扭曲，膜厚不會(huì)變薄。從而有效的改善了鉭(ta)?？涛g過(guò)后的圖案和輪廓，以及消除了鉭(ta)模在mtj刻蝕之前的消耗，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(shuō)明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說(shuō)明

圖1：根據(jù)本發(fā)明的四層掩模(qlm)圖案化磁性隧道結(jié)的方法，qlm依次沉積在mtj膜層上，通過(guò)光刻圖形化定義mtj圖案后的示意圖；

圖2：根據(jù)本發(fā)明的四層掩模(qlm)圖案化磁性隧道結(jié)的方法，含硅的抗反射層刻蝕之后的示意圖；

圖3：根據(jù)本發(fā)明的四層掩模(qlm)圖案化磁性隧道結(jié)的方法，碳膜層刻蝕之后的示意圖；

圖4：根據(jù)本發(fā)明的四層掩模(qlm)圖案化磁性隧道結(jié)的方法，介電層刻蝕之后的示意圖；

圖5：根據(jù)本發(fā)明的四層掩模(qlm)圖案化磁性隧道結(jié)的方法，鉭(ta)膜刻蝕之后，并用氧氣灰化掉剩余的有機(jī)物和碳膜層之后的剖面示意圖；

圖6：根據(jù)本發(fā)明的四層掩模(qlm)圖案化磁性隧道結(jié)的方法，mtj刻蝕完并用離子束修剪之后的示意圖；

圖7：根據(jù)本發(fā)明的四層掩模(qlm)圖案化磁性隧道結(jié)的方法，氮化硅層包覆圖案化后的mtj膜層單元之后的示意圖；

圖中所示：100-基底，101-mtj膜層，102-鉭(ta)膜層，103-介電層，104-碳膜層，105-含硅的抗反射層，106-pr，107-氮化硅。

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(shuō)明。需說(shuō)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(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

一種四層掩模圖案化mtj的方法，包括但不只限于制備磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(mram)，也不限于任何工藝順序或流程，只要制備得到的產(chǎn)品或裝置與以下優(yōu)選工藝順序或流程制備得到的相同或相似。該方法包括：

步驟一、在基底上形成mtj膜層單元；

步驟二、在mtj膜層單元上形成qlm膜層單元；

步驟三、在qlm膜層單元上形成光刻膠(pr，photoresist)單元；

步驟四、通過(guò)光刻工藝將光刻膠單元圖案化；

步驟五、將qlm膜層單元圖案化；

步驟六、將mtj膜層單元圖案化；

步驟七、用離子束刻蝕對(duì)被破壞的圖案化磁性隧道結(jié)膜層單元側(cè)壁進(jìn)行修整；

步驟八、用氮化硅層包覆圖案化后的mtj膜層單元。

以下結(jié)合附圖，對(duì)實(shí)施例做詳細(xì)說(shuō)明。附圖為原理圖或者概念圖，各部分厚度與寬度之間的關(guān)系，以及各部分之間的比例關(guān)系等，與其實(shí)際值并非完全一致。

如圖1所示，盡管產(chǎn)品制備具有多種工藝順序，優(yōu)選的是在已制備完成的底電極(be，bottomelectrode)基底100上制備mtj膜層單元101，其中，在制備mtj之前，依次層疊一系列必需的膜以形成mtj的功能基礎(chǔ)。

形成qlm的步驟：

先形成金屬鉭(ta)膜層102，優(yōu)選厚度為40～100nm，鉭(ta)膜層102可以使用鉭(ta)靶，通過(guò)物理濺射或離子束沉積等方法形成。

下一步，在鉭(ta)膜層102之上形成介電層103(sin，sion或者sio2)，優(yōu)選厚度為20～200nm。介電層103若為sin，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；介電層103若為sion，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、o、n和h；b)物理濺射沉積，使用si靶，濺射氣體含ar、o和n；介電層103若為sio2，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。

接著，在介電層103上形成碳膜層104，優(yōu)選厚度為20～200nm。碳膜層104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c、h和o等；b)旋涂技術(shù)；c)物理濺射沉積，用碳作靶材；d)離子束沉積，用碳作靶材。

然后，在qlm的碳膜層104上形成含硅的抗反射層105和光刻膠層(pr)106，含硅的抗反射層105的優(yōu)選厚度為30～100nm，可以采用以下一種或多種方法：a)化學(xué)氣相沉積，反應(yīng)劑包含si、c、n、h和o中的幾種；b)硅化物旋涂技術(shù)。

最后，形成光刻膠層106的圖案，如圖1所示。

如圖2所示，圖形化轉(zhuǎn)移mtj圖案從光刻膠層106到含硅的抗反射層105。此步驟采用反應(yīng)離子(rie，reactiveionetching)來(lái)實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)主刻蝕氣體為cf4，ch2f2或者sf6等。此步完成后還有部分光刻膠層106在含硅的抗反射層105之上。

如圖3所示，以已經(jīng)圖案化的光刻膠層106和含硅的抗反射層105作為掩模來(lái)刻蝕碳膜層104以獲得圖案化的碳膜層。在此步中，主刻蝕氣體為so2/o2，hbr/o2，n2/h2或者ch4/o2/n2/ar等，在此步結(jié)束之后，被圖案化的含硅的抗反射層將會(huì)被保留。

如圖4所示，以已經(jīng)圖案化的含硅的抗反射層105和碳膜層104作為掩模，通過(guò)含cf4等為主刻蝕氣體的干刻蝕工藝來(lái)刻蝕介電層103，使得介電層103得以圖案化。在圖案化的過(guò)程中，含硅的抗反射層105將會(huì)被消耗掉。

如圖5所示，通過(guò)已經(jīng)圖案化的介電層103對(duì)鉭(ta)掩模膜層102進(jìn)行圖案化。此步的主要刻蝕氣體為cf4，cl2/ar，ch4/ar，chf3/o2或者chf3/n2等。通過(guò)調(diào)控碳掩模膜層104的厚度，可以選擇完全或者部分的保留介電層。完成圖形化轉(zhuǎn)移之后，用氧氣灰化工藝除掉殘留的有機(jī)物和碳層。

在這之后，用已圖案化的介電層103和鉭(ta)膜層102作為掩模，通過(guò)刻蝕形成基底100之上的mtj膜層101的圖案，主要刻蝕氣體包含作為刻蝕劑的甲醇(ch3oh)、乙醇(ch3ch2oh)或者co+nh3等。然后，通過(guò)采用ar或ar+o2氣體的離子束修整工藝，對(duì)被破壞的圖案化磁性隧道結(jié)膜層單元側(cè)壁進(jìn)行修整。最終，在基底100上形成磁性獨(dú)立的mtj單元，如圖6所示。

最后，用氮化硅層包覆圖案化后的mtj膜層單元，如圖7所示。

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(wú)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(guò)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)。