CN102201533B

CN102201533B - 磁性隧道结结构的制作方法

Info

Publication number: CN102201533B
Application number: CN 201010130889
Authority: CN
Inventors: 邹立; 罗飞
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: CN102201533A

Abstract

本发明公开了一种MTJ单元的制作方法，包括：提供半导体衬底以及位于半导体衬底上的介质层；在所述介质层上依次形成包括固定磁性层、隧道阻挡层和自由转动磁性层的MTJ结构；在所述的MTJ结构上依次形成第一掩膜层和第二掩膜层；图案化所述第二掩膜层；在第二掩膜层的侧壁形成金属层，并退火使所述金属层沿第二掩膜层扩散；刻蚀去除金属层之间的第二掩膜层；以所述的金属层为掩膜，刻蚀第一掩膜层以及MTJ结构至半导体衬底；去除所述金属层。所述方法可以使用常规光刻设备制作小尺寸的圆环形MTJ单元。

Description

磁性隧道结结构的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件的制造技术，特别涉及一种磁隧道结(MTJ)结构的制作方法。

背景技术

MRAM(Magnetic Random Access Memory)是一种非挥发性的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，动态随机存储器(DRAM)的高集成度并且功耗远远的低于DRAM，相对于快闪存储器(Flash)，随着使用时间的增加性能不会发生退化。由于MRAM具有的上述特征，其被称为通用存储器(universal memory)，被认为能够取代SRAM，DRAM，EEPROM和Flash。

与传统的随机存储器芯片制作技术不同，MRAM中的数据不是以电荷或者电流的形式存储，而是一种磁性状态存储，并且通过测量电阻来感应，不会干扰磁性状态。MRAM采用磁隧道结(MTJ)结构来进行数据存储，一般来说，MRAM单元由一个晶体管(1T)和一个磁性隧道结(MTJ)共同组成一个存储单元，所述的磁隧道结(MTJ)结构包括至少两个电磁层以及用于隔离所述的两个电磁层的绝缘层。电流垂直由一电磁层透过绝缘层流过或“穿过”另一电磁层。其中的一个电磁层是固定磁性层，透过强力固定场将电极固定在特定的方向。而另一电磁层为可自由转动磁性层，将电极保持在其中一方。

如图1所示，为现有的一种MTJ结构的示意图，如图所示，包括固定磁性层11，自由转动磁性层12以及位于固定磁性层11和自由转动磁性层12之间的隧道阻挡层13，所述固定磁性层11、自由转动磁性层12和隧道阻挡层13都为实心的方型结构。其中，固定磁性层11的电磁矢量方向是固定的，当对存储器进行编程时，自由转动磁性层12的电磁矢量方向是变化的。当固定磁性层11及自由转动磁性层12的电磁矢量方向平行，MTJ结构单元会有低电阻的情况，而当固定磁性层及自由转动磁性层的电磁矢量方向反向平行(anti-parallel)，MTJ结构单元便会有高电阻的情况。

MTJ单元的电阻差异最终会影响MRAM的性能，电阻差异越大，MRAM的性能差别就越大。最新的研究表明，MTJ的结构是导致其电阻变化的主导因素之一，参考附图2所示，为另一种MTJ的结构示意图，其中，固定磁性层11、自由转动磁性层12和隧道阻挡层13都为中空的圆柱型结构。

虽然中空的圆柱形MTJ结构能够极大的改善存储器的性能，但是，由于中空的圆柱形MTJ结构的临界尺寸很小，因此不得不用非常先进的光刻设备来定义光刻图形，因此，导致含有MTJ的MRAM的制造成本上升。比如说，中空的圆柱形MTJ结构设计的***直径的临界尺寸为90nm，则其内壁直径的临界尺寸只能设计为50nm左右。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是提供一种中空的圆柱形MTJ单元的制作方法，以减小现有技术中由于中空的圆柱形MTJ单元内径过小导致制作成本增加的缺陷。

为解决上述问题，本发明实施的技术方案具体是这样实现的：一种MTJ单元的制作方法，包括：

提供半导体衬底以及位于半导体衬底上的介质层；

在所述介质层上依次形成包括固定磁性层、隧道阻挡层和自由转动磁性层的MTJ结构；

在所述的MTJ结构上依次形成第一掩膜层和第二掩膜层；

图案化所述第二掩膜层；

在第二掩膜层的侧壁形成金属层，并退火使所述金属层沿第二掩膜层扩散；

刻蚀去除金属层之间的第二掩膜层；

以所述的金属层为掩膜，刻蚀第一掩膜层以及MTJ结构至半导体衬底；

去除所述金属层。

可选的，上述工艺还包括去除第一掩膜层的工艺步骤。

由上述技术方案可见，本发明提供的方法，只需要采用常规的光刻设备，制作在其设计临界尺寸范围内的第二掩膜层，随后，通过退火使金属层扩散的方法增加金属层的宽度，从而减小第二掩膜层的临界尺寸，从而制作内径小于常规光刻设备最小尺寸的圆环形MTJ单元。

附图说明

图1和图2为现有的2中MTJ单元的结构示意图；

图3～图8为本发明MTJ的制作方法各步骤的剖面结构图；

图4a为步骤4中形成的光刻胶图案的俯视图；

图9为截面为圆环形的MTJ单元阵列的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明通过在图案化的第二掩膜层侧壁形成金属层，通过退火工艺使金属层的金属离子沿第二掩膜层扩散，使金属层的宽度增加，并刻蚀去除金属层之间的第二掩膜层，暴露出位于金属层之间的圆柱形部分，之后，以所述金属层为掩膜，去除位于金属层之间的第一掩膜层和部分MTJ复合结构，形成中空的圆柱形MTJ单元。

参考附图3所示，提供半导体衬底以及位于半导体衬底上的介质层100，所述半导体衬底内已经形成有晶体管以及用于电连接晶体管的互连结构，为了附图简便，未在附图3中示出，所述介质层100中也包括互联结构101，用于电连接半导体衬底中的晶体管和随后形成的MTJ单元。

在所述介质层100上依次形成包括固定磁性层、隧道阻挡层和自由转动磁性层的MTJ结构110，由于所述MTJ结构110为常规的包括固定磁性层-隧道阻挡层-自由转动磁性层的层叠结构，与附图2中所示相同，因此，本实施例将MTJ的层叠结构以110简单表示。在本发明的一个具体实施例中，所述的MTJ的层叠结构依次包括：厚度为50至150埃的TaN，厚度为100至200埃的MnIr，厚度为20至60埃的CoFe，厚度为20至50埃的MgO，厚度为30至70埃的CoFeB，厚度为100至200埃的Ru，其中，TaN和MnIr组成固定磁性层，MgO为隧道阻挡层，CoFeB和Ru组成自由转动磁性层。

优选的，所述的MTJ的层叠结构依次包括厚度为100埃的TaN，厚度为150埃的MnIr，厚度为40埃的CoFe，厚度为35埃的MgO，厚度为50埃的CoFeB，厚度为150埃的Ru。

随后，在所述的MTJ结构110上依次形成第一掩膜层和第二掩膜层140，在附图3中，所述的第一掩膜层为包括第一绝缘层120和第二绝缘层130的复合结构，其中，第二绝缘层130作为140蚀刻时的停止层，120的作用是金属材料(MTJ)和130之间的缓冲层，因为130的应力很高，不能直接生长在金属材料的表面。

可选的，所述的第一绝缘层的材料为TEOS，其主要成份为氧化硅，厚度范围为500埃到2000埃，第二绝缘层的材料为掺杂了氮原子的碳化硅(NDC)，厚度范围为200埃到500埃，第二掩膜层的材料为黑钻石(BD，为应用材料公司生产的一种介电材料)，厚度范围为300埃到1500埃。

之后，在所述的第二掩膜层140上形成光刻胶层，然后曝光，显影所述的光刻胶层，形成圆形的光刻胶图案150，所述的光刻胶图案150的俯视图参考附图3a所示。在一个具体实施方式中，所述的光刻胶图案的直径为90nm，由于所述光刻胶层的临界尺寸在常规的DUV扫描仪(scanner)的曝光能力范围内，所以所述的光刻胶层图案化的工艺可以采用常规的DUV扫描仪(scanner)执行。

参考附图4所示，以所述光刻胶图案150为掩膜，刻蚀第二掩膜层140至暴露出第一掩膜层，形成截面形状为圆形的第二掩膜层图案140a，随后去除所述图案化的光刻胶层。在MTJ结构的制作过程中，图案化所述的第二掩膜层140之后，形成截面形状为圆形的第二掩膜层140a阵列。

参考附图5所示，在第二掩膜层的侧壁形成金属层160，形成所述的金属层160的工艺例如为物理气相沉积工艺，首先在第二掩膜层上采用交替溅射的方法在整个图案化的第二掩膜层表面形成金属层，然后，采用刻蚀工艺去除位于第二掩膜层上的金属层，仅仅保留位于第二掩膜层侧壁的金属层，所述的金属层材料例如为铜，宽度例如为20至200埃。由于第二掩膜层的截面为圆形，因此，位于第二掩膜层侧壁的金属层的截面为圆环形状。

参考附图6所示，退火使所述金属层沿第二掩膜层扩散；采用热退火工艺可以使金属层中的金属原子从第二掩膜层/金属层的接触面沿着第二掩膜层的方向向第二掩膜层内部扩散，形成金属层160’。在本发明的一个具体实施例中，热退火温度为75至250摄氏度，退火时间为20秒至60秒，则图案化的第二掩膜层金属原子扩散的距离可以达到50至300埃。为了避免热退火工艺中金属层发生氧化，所述的热退火工艺应该在惰性气体的氛围下进行。优选的，所述金属层材料为铜，热退火温度为100摄氏度，退火时间为45秒，在氮气流量为2000sccm的氛围下进行热退火，可以避免金属铜被氧化，退火之后，金属层扩散的距离可以达到200埃。附图6中，所述的金属层160’包括附图5中通过溅射工艺形成的金属层160和退火工艺中金属原子扩散的部分。通过所述退火工艺，金属层160’的宽度远远大于金属层160的宽度。

参考附图7所示，刻蚀去除金属层160’之间的第二掩膜层，至暴露出第一掩膜层；由于所述刻蚀工艺中所采用的刻蚀剂对第二掩膜层的刻蚀速率远大于对金属层160’的刻蚀速率，因此，第二掩膜层被去除之后，仅仅留下截面形状为环形的金属层160’。由于在退火工艺中金属层160中金属原子的扩散，使金属层160’的宽度增加，从而，去除第二掩膜层之后，圆环形金属层160’的内壁直径减小。以形成的第二掩膜层的临界尺寸为90nm为例，最终形成的圆环形金属层内壁的临界尺寸可达到50nm。

参考附图7a所示，为截面形状为圆环形的金属层160’截面结构示意图，在所述圆环形金属层160’的外径为90nm的情况下，其内径即可达到50nm。

参考附图8所示，以所述的金属层160’为掩膜，刻蚀第一掩膜层以及MTJ结构至半导体衬底；由于所述的金属层160’的截面为圆环形，因此，以所述金属层160’为掩膜，刻蚀形成的MTJ单元的结构和临界尺寸都与金属层160’相同。最后，去除所述金属层160’。

参考附图9所示，为截面为圆环形的MTJ单元阵列的俯视图，采用透射电子显微镜获取附图9，从图中可以看出，形成均匀排列的截面为圆环形的MTJ单元阵列。即，若干均匀排列的中空的圆柱形MTJ结构单元。

因此，本实施例所述的方法，只需要采用常规的光刻设备，制作在其设计临界尺寸范围内的第二掩膜层，随后，通过退火使金属层扩散的方法增加金属层的宽度，从而减小第二掩膜层的临界尺寸，从而制作内径小于常规光刻设备最小尺寸的圆环形MTJ单元。

可选的，上述工艺还包括去除第一掩膜层的工艺步骤。

以上举较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磁隧道结MTJ结构的制作方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底以及位于半导体衬底上的介质层；

在所述的MTJ结构上依次形成第一掩膜层和第二掩膜层，所述第二掩膜层的材料为黑钻石；

图案化所述第二掩膜层；

在第二掩膜层的侧壁形成金属层，并退火使所述金属层沿第二掩膜层扩散，所述金属层的材料为铜；

刻蚀去除金属层之间的第二掩膜层；

以所述的金属层为掩膜，刻蚀第一掩膜层以及MTJ结构至半导体衬底；去除所述金属层。

2.如权利要求1所述的MTJ结构的制作方法，其特征在于，还包括去除第一掩膜层的工艺步骤。

3.如权利要求1所述的MTJ结构的制作方法，其特征在于，金属层的宽度为20至200埃。

4.如权利要求3所述的MTJ结构的制作方法，其特征在于，执行退火使所述金属层沿第二掩膜层扩散的工艺步骤后金属层的宽度为50至300埃。

5.如权利要求4所述的MTJ结构的制作方法，其特征在于，退火温度为75至250摄氏度，退火时间为20秒至60秒。

6.如权利要求1所述的MTJ结构的制作方法，其特征在于，所述的第一掩膜层包括第一绝缘层和第二绝缘层。