一种磁性隧道结的对准和形成方法技术

本发明专利技术的一种磁性隧道结的对准和形成方法，采用顶电极/磁性隧道结/底电极与CMOS导电插塞对齐的方式，形成方法包括以下步骤：(1)在衬底上，依次形成底电极膜层、磁性隧道结多层膜与硬掩模膜层；(2)图形化定义磁性隧道结图案，反应离子刻蚀硬掩模膜层；(3)离子束刻蚀或者反应离子刻蚀磁性隧道结多层膜和底电极膜层；(4)沉积一层侧壁保护层；(5)沉积一层介电质，并抛光磨平。本发明专利技术提供的磁性隧道结的对准和形成方法，由于顶电极/磁性隧道结/底电极与CMOS导电插塞对齐，这样就可以把底电极做的很薄，采用一次刻蚀工艺来对磁性隧道结和底电极进行刻蚀；不需要额外的底电极光罩，提高了底电极和磁性隧道结相互对准的精准度，降低了工艺复杂程度和制造成本，非常有利于器件的微型化和MRAM电路的大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种磁性隧道结的对准和形成方法
本专利技术涉及集成电路制造
，具体涉及一种磁性隧道结的对准和形成方法。
技术介绍
近年来，利用磁性隧道结(MTJ，MagneticTunnelJunction)的磁电阻效应的磁性随机存储器(MRAM，MagneticRadomAccessMemory)，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，它可以通过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；以及磁性参考层，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，SpinTransferTorque)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。在现在的磁性隧道结对准方式和制作工艺中，如图1A所示，磁性隧道结多层膜202和CMOS导电插塞102没有对齐，这将非常不利于MRAM器件的微型化；同时，在这种条件下，如图1B所示，作为导电插塞102和磁性隧道结多层膜202的导电通路的底电极膜层201，必须采用单独的刻蚀工艺来完成，这必须增添额外的底电极光罩，从而增加一道光刻对准误差(photooverlay)，这势必会影响MRAM回路的良率，同时，也会增加工艺的复杂程度和制造成本。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术提供的一种磁性隧道结的对准和形成方法，由于顶电极/磁性隧道结/底电极与CMOS导电插塞对齐，这样就可以把底电极做的很薄，采用一次刻蚀工艺来对磁性隧道结和底电极进行刻蚀。不需要额外的底电极光罩，提高了底电极和磁性隧道结相互对准的精准度和MRAM回路的良率，降低了工艺复杂程度和制造成本，非常有利于器件的微型化和MRAM电路的大规模生产。本专利技术一种磁性隧道结的对准和形成方法，包括以下步骤：(1)在包括层间介电质和导电插塞的CMOS衬底上，依次形成底电极膜层、磁性隧道结多层膜与硬掩模膜层，或者依次形成底电极膜层、磁性隧道结多层膜、覆盖层与硬掩模膜层；(2)图形化定义磁性隧道结图案，反应离子刻蚀硬掩模膜层；(3)离子束刻蚀或者反应离子刻蚀磁性隧道结多层膜和底电极膜层；(4)沉积一层侧壁保护层在硬掩模膜层、磁性隧道结多层膜和底电极膜层的侧壁，并覆盖被刻蚀的层间介电质；(5)沉积一层介电质在硬掩模膜层、磁性隧道结多层膜和底电极膜层剩余的空隙里，并采用化学机械抛光磨平介电质，直到硬掩模膜层。进一步地，步骤(1)中的底电极膜层包括由种子层和导电层。进一步地，种子层的厚度为0.5nm～5nm，种子层为Ta、TaN、Ti或TiN。进一步地，导电层的厚度为5nm～30nm，导电层为Cu、CuN、Mo、W或者Ru。进一步地，步骤(1)中的磁性隧道结多层膜包括依次向上叠加的参考层、势垒层和记忆层，或者磁性隧道结多层膜包括依次向上叠加的记忆层、势垒层和参考层。进一步地，步骤(1)中的磁性隧道结多层膜的厚度为15nm～40nm，主要由铁磁性和绝缘性材料组成。进一步地，势垒层为非磁性金属氧化物。进一步地，势垒层为MgO、ZnO、Al2O3或MgZnO。进一步地，势垒层的厚度为0.5nm～3nm。进一步地，步骤(1)中的覆盖层为Ta、Mo、W、Ru、Hf或Mg。进一步地，步骤(1)中的硬掩模膜层的厚度为40nm～100nm。进一步地，步骤(1)中的硬掩模膜层为Ta、TaN、W或者WN。进一步地，步骤(3)中的离子束刻蚀采用Ar，Kr或者Xe作为离子源。进一步地，步骤(3)中的离子束刻蚀中流量为10sccm～200sccm。进一步地，步骤(3)中的反应离子刻蚀所采用的气体为CF4、SF6、CF4/CHF3、CH4/H2、CO/NH3、CH3OH或C2H5OH等。进一步地，反应离子刻蚀所采用的气体的流量为5sccm～100sccm。进一步地，反应离子刻蚀所采用的气体能够添加He、O2、N2、Ar、Kr或Xe中的一种或几种。进一步地，反应离子刻蚀所添加的气体的流量为10sccm～200sccm。进一步地，步骤(3)中离子束刻蚀或者反应离子束刻蚀磁性隧道结多层膜和底电极膜层，采用发射光谱仪或者二次离子质谱仪侦测刻蚀终点。进一步地，发射光谱仪或者二次离子质谱仪侦测到刻蚀终点后，采用原来的气体进行过刻蚀，或者采用含氟元素气体进行过刻蚀。进一步地，步骤(3)中刻蚀磁性隧道结和底电极可以一次刻蚀完成，也可以分多次刻蚀来完成，离子束刻蚀和反应离子刻蚀可以交替使用。进一步地，离子束刻蚀或反应离子刻蚀之后，也可以采用一定方向角的离子束刻蚀，以去掉侧壁的覆盖层和对破坏层进行修复。进一步地，步骤(4)中的侧壁保护层的厚度为2nm～50nm。进一步地，步骤(4)中的侧壁保护层为SiN、SiC或者SiCN。与现有技术相比，本专利技术提供的磁性隧道结的对准和形成方法，具有以下有益效果：由于顶电极/磁性隧道结/底电极与CMOS导电插塞对齐，这样就可以把底电极做的很薄，采用一次刻蚀工艺来对磁性隧道结和底电极进行刻蚀；不需要额外的底电极光罩，提高了底电极和磁性隧道结相互对准的精准度和MRAM回路的良率，降低了工艺复杂程度和制造成本，非常有利于器件的微型化和MRAM电路的大规模生产。附图说明结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本专利技术由更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：图1A是现有技术条件中磁性隧道结的对准方式的示意图；图1B是现有技术条件中磁性隧道结的形成方法的流程图；图2是本专利技术的一个实施例的磁性隧道结的对准和形成方法的磁性隧道结的对准方式的示意图；图3是磁性隧道结形成的流程图；图4是CMOS衬底的示意图；图5是依次形成底电极膜层，磁性隧道结多膜层和硬掩模膜层后的示意图；图6是反应离子刻蚀硬掩模膜层之后的示意图；图7是刻蚀磁性隧道结多膜层和底电极膜层之后的示意图；图8是沉积侧壁保护层之后的示意图；图9是介电质填充剩余空隙并采用化学机械抛光磨平直到硬掩模之后的示意图。图中所示：100-包括层间介电质和导电插塞的CMOS衬底，101-层间介电质，102-导电插塞，201-底电极膜层，202-磁性隧道结多层膜，203-硬掩模膜层(顶电极膜层)，204-侧壁保护层，205-填充介电质。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性隧道结的对准和形成方法，其特征在于，所述磁性隧道结的对准采用顶电极/磁性隧道结/底电极与CMOS导电插塞对齐的方式对准。

【技术特征摘要】
1.一种磁性隧道结的对准和形成方法，其特征在于，所述磁性隧道结的对准采用顶电极/磁性隧道结/底电极与CMOS导电插塞对齐的方式对准。2.一种磁性隧道结的对准和形成方法，其特征在于，所述磁性隧道结的形成方法包括以下步骤：(1)在包括层间介电质和导电插塞的CMOS衬底上，依次形成底电极膜层、磁性隧道结多层膜与硬掩模膜层，或者依次形成底电极膜层、磁性隧道结多层膜、覆盖层与硬掩模膜层；(2)图形化定义磁性隧道结图案，反应离子刻蚀所述硬掩模膜层；(3)离子束刻蚀或者反应离子刻蚀磁性隧道结多层膜和底电极膜层；(4)沉积一层侧壁保护层在硬掩模膜层、磁性隧道结多层膜和底电极膜层的侧壁，并覆盖被刻蚀的层间介电质；(5)沉积一层介电质在硬掩模膜层、磁性隧道结多层膜和底电极膜层剩余的空隙里，并采用化学机械抛光磨平介电质，直到硬掩模膜层。3.如权利要求2所述的磁性隧道结的对准和形成方法，其特征在于，步骤(1)中的底电极膜层包括种子层和导电层；种子层为Ta、TaN、Ti或TiN，种子层的厚度为0.5nm～5nm；导电层为Cu、CuN、Mo、W或者Ru，导电层的厚度为5nm～30nm。4.如权利要求2所述的磁性隧道结的对准和形成方法，其特征在于，步骤(1)中的磁性隧道结多层膜的厚度为15nm～40nm，主要由铁磁性和绝缘性材料组成。5.如权利要求2所述的磁性隧道结的对准和形成方法，其特征在于，步骤(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云森，肖荣福，郭一民，陈峻，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31