[发明专利]一种制作超小型高密度磁性随机存储器单元阵列的方法

说明书

本发明提供了一种制作超小型高密度磁性随机存储器单元阵列的方法，通过在磁性隧道结多层膜和硬掩模层之间添加一层缓冲膜层，并在缓冲膜层侧壁留下收集溅射副产物的凹槽，从而使刻蚀副产物尽量少的到达磁性隧道结的底部。该方法包括如下步骤：步骤一、提供CMOS基底，并在基底上沉积底电极层、磁性隧道结多层膜、缓冲膜层和硬掩模层；步骤二、图形化定义磁性隧道结图案，转移图案到缓冲膜层的顶部；步骤三、刻蚀缓冲膜层，并对缓冲膜层的侧壁进行过刻蚀；步骤四、对磁性隧道结多层膜和底电极层进行刻蚀。采用这种结构，增加了刻蚀/沉积速率比，非常有利于磁性隧道的小型化和进行高密度磁性随机存储器阵列的制作。

技术领域

本发明涉及一种制作磁性随机存储器单元阵列的方法，具体涉及一种制作超小型高密度磁性随机存储器单元阵列的方法，属于磁性随机存储器(MRAM，Magnetic RadomAccess Memory)制造技术领域。

背景技术

近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)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，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、高精确度、高可靠性、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。

在现在的MRAM制造工艺中，通常采用两种刻蚀工艺来对磁性隧道结进行缩微，第一种为离子束刻蚀(IBE，Ion Beam Etching)，第二种为反应离子刻蚀(RIE，Reactive IonEtching)。无论是IBE还是RIE，都存在两种竞争反应机制：侧壁或底部的沉积与刻蚀，当沉积速率大于刻蚀速率的时候，刻蚀继续进行下去，当沉积速率大于刻蚀速率的时候，刻蚀停止。

在IBE工艺中，被刻蚀材料因为物理溅射而被刻蚀移除掉，由于物理溅射的本身特性，在与被刻蚀材料表面法向大约60度的时候，具有最大的刻蚀速率(溅射产额)，当角度增大或减小，刻蚀速率(溅射产额)将会逐渐减小。在MTJ刻蚀加工工艺中，刻蚀硬掩模的侧肩由于具有最大的刻蚀速率，将会被大量消耗，从而使刻蚀副产物大量沉积在磁性隧道结的侧壁。同时，沉积在侧壁上的副产物在会被再次溅射到MTJ的底部，当时MTJ的刻蚀速率小于刻蚀副产物的沉积速率将会停止，如图1所示。刻蚀深度增加时或者MTJ器件密度增加时，MTJ底部刻蚀的物理溅射到达角将会急剧减小，进而刻蚀速度将会急剧下降，刻蚀工艺将会停止。非常不利于超小型、高密度磁性随机存储器单元阵列的加工刻蚀。