一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模的方法技术

本发明专利技术提供了一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模的方法，包括如下步骤：(1)提供表面抛光的带金属通孔的CMOS基底，并在基底上沉积底电极和磁性隧道结多层膜、导电硬模层的刻蚀阻挡层、导电硬掩模、导电硬掩模的掩模层；(2)采用光刻胶/底部抗反射层的双层结构或采用光刻胶/无机抗反射层/含碳膜层的三层结构图形化导电硬掩模图案，并使图案转移到导电硬掩模的掩模层顶部；(3)刻蚀导电硬掩模，并去掉残留物。本发明专利技术有利于MTJ单元阵列关键尺寸的控制和整个MRAM未来的继续缩微化，有利于器件的良率的提升。

A Method of Etching Conductive Hard Mask of Magnetic Tunnel Junction

【技术实现步骤摘要】
一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模的方法
本专利技术涉及一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模(C-HM，ConductiveHardMask)的方法，属于磁性随机存储器(MRAM，MagneticRadomAccessMemory)制造

技术介绍
近年来，采用磁性隧道结(MTJ，MagneticTunnelJunction)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，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。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，一般采用一次光罩对磁性随机存储器(MRAM)的顶电极(TE，TopElectrode)、磁性隧道结(MTJ)单元和底电极(BE，BottomElectrode)进行制作；其中，在刻蚀磁性隧道结和底电极单元阵列的时候，采用顶电极作为硬掩模，使磁性隧道结和底电极自对准硬掩模进行刻蚀，所以，顶电极(TE)也被称为导电硬掩模(C-HM)。由于磁性隧道结中含有Co、Fe、Ni、Pt等元素，如果这些元素和Cl和H2O等接触，那么磁性隧道结(MTJ)将会受到化学损伤(ChemicalCorrosion和galvaniceffect)，进而影响其磁性性能和电学性能的提升。为了避免Cl元素带来的潜在负面影响，在目前的导电硬掩模刻蚀工艺中，一般采用C/F气体对导电硬掩模进行反应离子刻蚀(RIE，ReactiveIonEtching)；由于SiO2、SiON或SiN对导电硬掩模的选择比非常低，在进行反应离子刻蚀工艺的时候，只能采用采用光刻胶(PR，PhotoResist)作为软掩模(SoftMask)或含碳膜层作为硬掩模(HardMask)进行刻蚀，由于大量C的存在，将会在刻蚀后的电硬掩模和光刻胶/含碳膜层的侧壁形成一层难以去除的导电聚合物，由于不规则导电聚合物的存在，这使得在后续的MTJ刻蚀中，很难得到标准的圆形MTJ图案，这将非常不利用MTJ关键尺寸(CD，CriticalDimension)的控制，从而增加了MRAM电路读/写电流的波动，非常不利于其良率的提升，非常不利于MTJ阵列单元的继续缩微。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模的方法，选用SiO2、SiON、SiC或者SiN等作为导电硬掩模(比如：Ta，TaN，Ti，TiN，W或WN等)的刻蚀硬掩模，选用Cl2等作为主要气体刻蚀导电硬掩模，并且使刻蚀停止在Ru刻蚀阻挡层之上；最后，为了防止导电硬掩模(C-HM)的边缘被氧化，采用不含氧的发泡气体(N2/4％H2)、N2/H2或NH3等去除刻蚀过程中的残留物。具体技术方案如下：一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模的方法，包括如下步骤：步骤一、提供表面抛光的带金属通孔的CMOS基底，并在基底上沉积底电极和磁性隧道结多层膜、导电硬模层的刻蚀阻挡层、导电硬掩模、导电硬掩模的掩模层；步骤二、采用光刻胶/底部抗反射层的双层结构或采用光刻胶/无机抗反射层/含碳膜层的三层结构图形化导电硬掩模图案，并使图案转移到导电硬掩模的掩模层顶部；步骤三、刻蚀导电硬掩模，并去掉残留物。进一步地，导电硬掩模的刻蚀阻挡层的材料为Ru，导电硬掩模的刻蚀阻挡层的总厚度为1nm～10nm。进一步地，导电硬掩模的厚度为20nm～100nm，导电硬掩模的材料为Ta、TaN、Ti、TiN、W或WN。进一步地，导电硬掩模的掩模层的厚度为10nm～100nm，导电硬掩模的掩模层是SiO2、SiON、SiC、SiCN或SiN单层材料，或者是由SiO2、SiON、SiC、SiCN或SiN中任意两种组成的双层材料。进一步地，步骤二中，采用C/F气体为主刻蚀气体，对导电硬掩模的掩模层进行刻蚀；在刻蚀之后，采用O2、N2、O2/N2混合气或N2/H2混合气对刻蚀残留的聚合物进行反应离子刻蚀移除。进一步地，步骤三包括如下细分步骤：步骤3.1：穿透刻蚀去掉导电硬掩模的氧化层；步骤3.2：刻蚀导电硬掩模，并使刻蚀停止在导电硬掩模的刻蚀阻挡层之上，维持部分过刻蚀；步骤3.3：采用不带偏压的反应离子刻蚀工艺除去残留物。更进一步地，步骤3.1，工艺气体为C/F气体。更进一步地，步骤3.2中，主要刻蚀气体为Cl2、CF4、NF3或SF6。可添加CH4、N2、CH3F、CH2F2、CHF3或Ar等中的一种或几种作为辅助刻蚀气体。更进一步地，步骤3.3中，刻蚀气体为N2/4％H2发泡气体、N2/H2混合气或NH3。本专利技术的有益效果：非常有利于MTJ单元阵列关键尺寸的控制和整个MRAM未来的继续缩微化；进一步减少Cl在导电硬掩模的附着，有利于器件良率的提升；非常有利于器件的良率的提升。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1(a)至图1(b)是本专利技术一个较佳实施例中在CMOS基底上沉积各个膜层的示意图；图2是本专利技术一个较佳实施例中图形化导电硬掩模图案的示意图；图3(a)至图3(b)是本专利技术一个较佳实施例中刻蚀导电硬掩模的示意图；图4是本专利技术一个较佳实施例中刻蚀形成底电极和磁性隧道结的示意图。附图标记说明：100-表面抛光的带金属通孔(Vx(x>＝1))的CMOS基底，101-CMOS电介质，102-CMOS通孔金属，201-底电极和磁性隧道结多层膜，202-导电硬掩模的刻蚀阻挡层，203-导电硬掩模，204-导电硬掩模的掩模层，205-刻蚀残留物，206-磁性隧道结覆盖层，207-磁性隧道结电介质。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本专利技术附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。本专利技术的一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、提供表面抛光的带金属通孔的CMOS基底，并在所述基底上沉积底电极和磁性隧道结多层膜、导电硬模层的刻蚀阻挡层、导电硬掩模、导电硬掩模的掩模层；步骤二、采用光刻胶/底部抗反射层的双层结构或采用光刻胶/无机抗反射层/含碳膜层的三层结构图形化导电硬掩模图案，并使所述图案转移到所述导电硬掩模的掩模层顶部；步骤三、刻蚀所述导电硬掩模，并去掉残留物。

【技术特征摘要】
1.一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、提供表面抛光的带金属通孔的CMOS基底，并在所述基底上沉积底电极和磁性隧道结多层膜、导电硬模层的刻蚀阻挡层、导电硬掩模、导电硬掩模的掩模层；步骤二、采用光刻胶/底部抗反射层的双层结构或采用光刻胶/无机抗反射层/含碳膜层的三层结构图形化导电硬掩模图案，并使所述图案转移到所述导电硬掩模的掩模层顶部；步骤三、刻蚀所述导电硬掩模，并去掉残留物。2.根据权利要求1所述的一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模的方法，其特征在于，所述导电硬掩模的刻蚀阻挡层的材料为Ru，所述导电硬掩模的刻蚀阻挡层的总厚度为1nm～10nm。3.根据权利要求1所述的一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模的方法，其特征在于，所述导电硬掩模的厚度为20nm～100nm，所述导电硬掩模的材料为Ta、TaN、Ti、TiN、W或WN。4.根据权利要求1所述的一种刻蚀磁性隧道结导电硬掩模的方法，其特征在于，所述导电硬掩模的掩模层的厚度为10nm～100nm，所述导电硬掩模的掩模层是SiO2、SiON、SiC、SiCN或SiN单层材料，或者是由SiO2、SiON、SiC、SiCN或SiN中任意两种组成的双层材料。5.根据权利要求1所述的一种刻蚀磁...

【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