[发明专利]磁性穿隧接面结构及其制造方法

说明书

本公开涉及一种磁性穿隧接面结构及其制造方法，连接金属导通孔堆叠物通过重复沉积导通孔层、将导通孔层图案化及修整以形成小于30nm的导通孔、以介电层封装导通孔及暴露出导通孔的顶表面的步骤形成于底电极上。磁性穿隧接面堆叠物沉积于封装的导通孔堆叠物上，顶电极沉积于磁性穿隧接面堆叠物上，并将顶电极图案化及修整以形成小于60nm的硬遮罩。使用硬遮罩蚀刻磁性穿隧接面堆叠物以形成磁性穿隧接面元件，并过蚀刻磁性穿隧接面堆叠物以蚀刻介电层而不蚀刻底电极，其中任何金属再沉积材料形成于磁性穿隧接面元件下方的介电层的侧壁上，而不形成于磁性穿隧接面元件的阻障层的侧壁上。

技术领域

本发明实施例涉及磁性穿隧接面(magnetic tunneling junctions，MTJ)的一般领域，且特别涉及磁性穿隧接面的蚀刻方法。

背景技术

磁阻式随机存取存储器(magnetoresistive random-access memory，MRAM)元件的制造通常与一连串的工艺步骤相关，在这些步骤中首先沉积许多金属与介电层，之后经由图案化形成磁阻式堆叠物以及用以进行电性连接的电极。为了定义每个磁阻式随机存取存储器元件中的磁性穿隧接面(MTJ)，通常会涉及精密的图案化步骤：包含光刻与反应性离子蚀刻(reactive ion etching，RIE)、离子束蚀刻(ion beam etching，IBE)或前述的组合。在反应性离子蚀刻期间，高能量离子垂直地移除不受光刻胶遮蔽的区域的材料，将磁性穿隧接面单元彼此分开。然而，高能量离子可与未移除材料(氧、湿气和其他化学物)横向地反应，导致侧壁损坏并降低装置效能。为了解决此问题，已应用纯物理蚀刻技术(例如氩反应性离子蚀刻或离子束蚀刻(IBE))来蚀刻磁性穿隧接面堆叠物。

然而，由于非挥发性的性质的缘故，因此磁性穿隧接面中的纯物理蚀刻导电材料和底电极可形成横跨穿隧阻障层的连续导电路径，导致装置短路。对此的解决方案的一为形成小于磁性穿隧接面并连接至磁性穿隧接面和底电极的介电质围绕导通孔。这允许大程度过蚀刻磁性穿隧接面，使得金属再沉积可从磁性穿隧接面限制至穿隧阻障层之下，同时，完全避免底电极的再沉积。然而，代表磁性穿隧接面与底电极之间间距的导通孔高度通常小于50nm，导通孔高度受限于光刻胶与导通孔材料之间不佳的蚀刻选择性。新方法进一步增加如遇到较大程度磁性穿隧接面过蚀刻时所需的导通孔高度，以进一步降低金属再沉积。

许多参考文献启示了蚀刻形成磁性穿隧接面，包含美国专利申请案2018/0040668(Park et al)、2017/0125668(Paranipe et al)。其他参考文献启示了在较宽金属层上的薄导通孔，例如美国专利8,324,698(Zhong et al)。所有这些参考文献不同于本发明实施例。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供形成磁性穿隧接面结构的改善方法。

本发明实施例的另一目的在于提供通过使用物理过蚀刻形成磁性穿隧接面元件的方法，以避免化学损坏和物理短路。

本发明实施例的另一目的在于提供通过使用物理过蚀刻在底电极上封装堆叠金属导通孔的介电层来形成磁性穿隧接面元件的方法，以避免化学损坏和物理短路。

依据本发明一些实施例，实现蚀刻磁性穿隧接面(MTJ)结构的方法，此方法包含在底电极上形成封装导通孔堆叠物，形成封装导通孔堆叠物的步骤包含沉积导通孔层；将导通孔层图案化，并将导通孔层修整以形成小于30nm的导通孔；以介电层封装导通孔，并将介电层平坦化以暴露出导通孔的顶表面；及重复以上步骤以形成封装导通孔堆叠物；在封装导通孔堆叠物上沉积磁性穿隧接面堆叠物，其中磁性穿隧接面堆叠物包含至少固定层、在固定层上的阻障层及在阻障层上的自由层；在磁性穿隧接面堆叠物上沉积顶电极；将顶电极图案化并修整顶电极，以形成小于60nm的硬遮罩；以及使用硬遮罩蚀刻磁性穿隧接面堆叠物以形成磁性穿隧接面元件，并过蚀刻磁性穿隧接面堆叠物以蚀刻介电层而不蚀刻底电极，其中任何金属再沉积材料形成于磁性穿隧接面元件下方的介电层的侧壁上，而不形成于磁性穿隧接面元件的阻障层的侧壁上。