[发明专利]一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法

说明书

本发明提供了一种双重图形技术图案化磁性隧道结的方法，步骤如下：提供具有MTJ多层膜结构的基底；在基底上依次形成Ta膜层和介电膜层；采用与MTJ相反的图案进行图案化定义；对定义好的MTJ相反图案进行修剪，对BRAC进行刻蚀，将MTJ相反图案转移到介电膜层，形成相反图案衬底；沉积一层介电质在MTJ相反图案衬底；对介电质进行回刻；氧气干刻蚀工艺除去PR和BARC，以完成对MTJ的图案化定义；反应离子束刻蚀图案化定义好的双层掩模，使图案顺利转移到MTJ膜层；采用CH₃OH等气体干刻蚀MTJ膜层，以完成MTJ的图案化。

技术领域

本发明涉及一种图案化磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的方法，尤其涉及一种双重图形技术(DPT，Double Patterning Technology)图案化磁性隧道结的方法，属于磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)制造技术领域。

背景技术

近年来，采用MTJ的磁电阻效应的MRAM被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。

为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。依此方法，即可通过向磁电阻元件提供自旋极化电流来反转磁性记忆层的磁化强度方向。此外，随着磁性记忆层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。因此，这种写方法可同时实现器件微型化和降低电流。

同时，鉴于减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相契合。因此，期望是将pSTT-MRAM元件做成极小尺寸，并具有非常好的均匀性，以及把对MTJ磁性的影响减至最小，所采用的制备方法还可实现高良莠率、高精确读、高可靠写、低能耗，以及保持适于数据良好保存的温度系数。同时，非易失性记忆体中写操作是基于阻态变化，从而需要控制由此引起的对MTJ记忆器件寿命的破坏与缩短。然而，制备一个小型MTJ元件可能会增加MTJ电阻的波动，使得pSTT-MRAM的写电压或电流也会随之有较大的波动，这样会损伤MRAM的性能。在当前的MRAM制造工艺中，重金属(比如Ta)会沉积在MTJ的顶部，既作为MTJ刻蚀用的硬掩模，也作为顶电极的导电通道，随后，一层介电质(比如SiN等)会沉积在Ta膜的顶部，被用来作为Ta掩模的牺牲层。通常这种双层膜结构被用来作为刻蚀MTJ的硬掩模。

制备45nm或更小尺寸的MTJ单元需要193nm或更精细的光刻技术，由于193nm或更光刻技术所采用的光刻胶(PR，Photo Resist)比较弱。同时MTJ器件尺寸本身相对于相邻MTJ器件之间尺寸要小的很多，这样更增加了193PR弯曲和倒伏的风险，从而不能正常的转移图案到MTJ单元。

目前，用于刻蚀MTJ双层硬掩模的气体为CF₄(SiN/Ta的选择比大约为0.5)，如果采用比较薄的介电层，在Ta膜被完全刻蚀掉之前，光刻胶与抗反射层(ARC，Anti-ReflectionCoating)不足以保护介电层免于被暴露出来，在Ta掩模已完全被过刻蚀之前，介电层掩模也几乎被刻蚀殚尽。因此，Ta膜掩模很难形成清晰锐利的侧壁，导致轮廓不清的掩模。同时，由于Ta膜层在没有介电层的保护下，Ta膜层的厚度将会进一步减小，并形成椭圆形的膜帽，这样将会增加位线和MTJ之间短路的风险。在Ta膜层完成刻蚀之前，为了使介电层不被完全刻蚀掉，通常可以增加介电层的厚度，然而，使用比较厚的介电层，MTJ图案在介电层转移时，尺寸会变大得比较厉害，这非常不利于MTJ的小型化。

发明内容