Mram器件的形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及磁性存儲(chǔ)器技術(shù)，尤其涉及一種MRAM器件的形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM)是當(dāng)前最有前景的H種非揮發(fā)性存儲(chǔ)器之一，因?yàn)槠渚?有高速讀寫(xiě)、低功耗、抗福射和數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，因而將有可能取代SRAM、DRAM等在 移動(dòng)終端上的應(yīng)用。MRAM對(duì)于其他對(duì)可靠性要求高的領(lǐng)域，例如國(guó)防，航天航空，則具有不 可取代的地位。
[0003] 磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器中的核必結(jié)構(gòu)是磁隧道結(jié)（MJT)。目前業(yè)界常用的典型磁隧道結(jié) 的結(jié)構(gòu)是實(shí)必楠圓，送種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在剖面規(guī)則的情況下翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定，上下電極之間的電 流不能直上直下，要偏轉(zhuǎn)一定的角度。
[0004] 為了追求更高的讀寫(xiě)速度，現(xiàn)有技術(shù)中還存在一種中空的MTJ結(jié)構(gòu)，盡管存在一 定的狀態(tài)不穩(wěn)定問(wèn)題，但可W通過(guò)上下電極的位置來(lái)解決。
[0005] 此外，現(xiàn)有技術(shù)中還存在另一種環(huán)形的MTJ結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示，其內(nèi)外均為 圓形或楠圓的結(jié)構(gòu)集成了環(huán)形翻轉(zhuǎn)所需能量低的優(yōu)點(diǎn)，并解決了數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的問(wèn)題。W圓 環(huán)形的MTJ結(jié)構(gòu)為例，圖3示出了可W接受的磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)方向，圖4示出了不可接受的磁場(chǎng)翻 轉(zhuǎn)方向。
[0006] 參考圖5,現(xiàn)有技術(shù)中的一種MRAM器件采用環(huán)形的MTJ結(jié)構(gòu)50,上電極51和下電 極52分別位于MTJ結(jié)構(gòu)50上方和下方，并且和MTJ結(jié)構(gòu)50電接觸。電流經(jīng)由上電極51 和下電極52垂直流過(guò)MTJ結(jié)構(gòu)50,但送樣可能會(huì)陷入不希望的中間狀態(tài)。為了避免先入不 希望的中間狀態(tài)，可W對(duì)上下電極的位置做調(diào)整。參考圖6,上電極61和下電極62分別位 于MTJ結(jié)構(gòu)60的斜上方和斜下方，使得流經(jīng)上電極61和下電極62的電流非垂直。目前楠 圓形的MTJ結(jié)構(gòu)，不管空必還是實(shí)必基本都采用圖6所示的具有一定角度的電流驅(qū)動(dòng)方式。
[0007] 形成環(huán)形結(jié)構(gòu)的磁隧道結(jié)的難點(diǎn)在于環(huán)形的圖形化和刻蝕工藝。MTJ通常包括多 層金屬和一層MgO隧穿層，由于此結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，給MTJ的刻蝕造成了很大困難，常用的刻 蝕氣體也很容易造成超薄隧穿層的損壞，從而引起整個(gè)MTJ上下電極的短路。業(yè)界常用含 氮等因素氣體通過(guò)轟擊的方式來(lái)進(jìn)行最后一步對(duì)磁隧道結(jié)下電極金屬材料的刻蝕，W消除 在對(duì)前一步磁性金屬材料刻蝕中產(chǎn)生的二次金屬淀積。對(duì)于圓環(huán)形或者楠圓環(huán)形的MTJ結(jié) 構(gòu)，由于內(nèi)環(huán)的尺寸往往很小，環(huán)外的面積較大，造成刻蝕的負(fù)載效應(yīng)，使得環(huán)內(nèi)的刻蝕達(dá) 不到設(shè)計(jì)要求而出現(xiàn)短路等問(wèn)題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種MRAM器件的形成方法，能夠避免刻蝕負(fù)載 效應(yīng)導(dǎo)致的短路等問(wèn)題，還具有工藝流程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
[0009] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種MRAM器件的形成方法，包括：
[0010] 提供半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底上形成有磁隧道結(jié)層；
[0011] 在所述磁隧道結(jié)層上形成犧牲層；
[0012] 刻蝕所述犧牲層W在其中形成通孔；
[0013] 在所述通孔的內(nèi)側(cè)壁上形成側(cè)墻；
[0014] 對(duì)所述通孔底部的磁隧道結(jié)層進(jìn)行第一步刻蝕，W預(yù)先去除所述通孔底部的部分 磁隧道結(jié)層；
[0015] 去除所述犧牲層，W所述側(cè)墻為掩膜對(duì)所述磁隧道結(jié)層進(jìn)行第二步刻蝕，去除所 述側(cè)墻下方W外的磁隧道結(jié)層，所述側(cè)墻下方的磁隧道結(jié)層形成環(huán)狀的磁隧道結(jié)。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，改的一步刻蝕預(yù)先去除的部分磁隧道結(jié)層的厚度占該 磁隧道結(jié)層總厚度的30%~50%。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，采用含Ar轟擊的干法刻蝕來(lái)去除所述通孔底部的部 分磁隧道結(jié)層。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在所述通孔的內(nèi)側(cè)壁上形成側(cè)墻包括：
[0019] 沉積硬掩膜層，該硬掩膜層覆蓋所述通孔的底部、內(nèi)側(cè)壁W及所述犧牲層的表 面；
[0020] 對(duì)所述硬掩膜層進(jìn)行刻蝕，W形成所述側(cè)墻。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述硬掩膜層的材料為金屬或者導(dǎo)電的金屬化合物。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述硬掩膜層的材料與所述磁隧道結(jié)層內(nèi)的最上層金 屬相同。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述硬掩膜層的材料選自化、TaN、Ti、TiN或Al。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述犧牲層的材料為氧化娃、不定形碳或抗反射涂層 材料。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在形成所述犧牲層之前，該方法還包括；在所述磁隧道 結(jié)層上形成阻擋層，該犧牲層位于所述阻擋層上；
[0026] 對(duì)所述通孔底部的磁隧道結(jié)層進(jìn)行第一步刻蝕之前，該方法還包括；刻蝕移除所 述通孔底部的阻擋層；
[0027] 對(duì)所述磁隧道結(jié)層進(jìn)行第二步刻蝕之前，該方法還包括：刻蝕移除所述側(cè)墻下方 W外的阻擋層。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該阻擋層和犧牲層的材料為互不相同的低k材料。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述阻擋層的材料為滲碳氮化娃，所述犧牲層的材料 為黑鉆石。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在所述第二步刻蝕之后，該方法還包括：
[0031] 去除所述磁隧道結(jié)上的阻擋層和側(cè)墻；
[0032] 沉積介質(zhì)層，該介質(zhì)層覆蓋所述磁隧道結(jié)；
[0033] W無(wú)通孔方式形成上電極，該上電極與所述磁隧道結(jié)電連接。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0035] 本發(fā)明實(shí)施例的MRAM器件的形成方法中，應(yīng)用犧牲層和側(cè)墻，采用自對(duì)準(zhǔn)刻蝕來(lái) 形成MTJ結(jié)構(gòu)，并且新增一步刻蝕，預(yù)先去除通孔底部的部分磁隧道結(jié)層，也就是預(yù)先去除 難W刻蝕的環(huán)內(nèi)的隧道結(jié)層，有利于后續(xù)的MTJ刻蝕中實(shí)現(xiàn)環(huán)內(nèi)和環(huán)外的刻蝕平衡，避免 刻蝕負(fù)載效應(yīng)導(dǎo)致的種種問(wèn)題。另外，側(cè)墻的材料可W是金屬導(dǎo)電材料，從而不必去除而作 為MTJ上電極的一部分，而且可W有效增加在氮?dú)夤粝碌腗TJ刻蝕過(guò)程中的掩膜強(qiáng)度，有 利于改善MTJ形貌結(jié)構(gòu)。
[0036] 本發(fā)明實(shí)施例的另一種MRAM器件的形成方法中，還在所述犧牲層下方設(shè)置阻擋 層，該阻擋層和犧牲層的材料可W是半導(dǎo)體工藝中常用的低k材料。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中一種圓環(huán)形的磁隧道結(jié)的俯視圖；
[003引圖2是現(xiàn)有技術(shù)中一種楠圓環(huán)形的磁隧道結(jié)的俯視圖；
[0039] 圖3示出了環(huán)形的磁隧道結(jié)可接受的磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)方向；
[0040] 圖4示出了環(huán)形的磁隧道結(jié)不可接受的磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)方向；
[0041] 圖5是現(xiàn)有技術(shù)中一種采用垂直電流驅(qū)動(dòng)方式的MRAM器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042] 圖6是現(xiàn)有技術(shù)中一種采用非垂直電流驅(qū)動(dòng)方式的MRAM器件的剖面結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0043] 圖7是本發(fā)明第一實(shí)施例的MRAM器件的形成方法的流程示意圖；
[0044] 圖8至圖14是本發(fā)明第一實(shí)施例的MRAM器件的形成方法中各步驟對(duì)應(yīng)的剖面結(jié) 構(gòu)示意圖W及立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045] 圖15是本發(fā)明第二實(shí)施例的MRAM器件的形成方法的流程示意圖；
[0046] 圖16至圖27是本發(fā)明第二實(shí)施例的MRAM器件的形成方法中各步驟對(duì)應(yīng)的剖面 結(jié)構(gòu)示意圖W及立體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)W此限制本發(fā)明的保 護(hù)范圍。
[0048] 第一實(shí)施例
[0049] 參考圖7,第一實(shí)施例的MRAM器件形成方法包括如下步驟：
[0050] 步驟S11，提供半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底上形成有磁隧道結(jié)層；
[0051] 步驟S12,在所述磁隧道結(jié)層上形成犧牲層；
[0052] 步驟S13,刻蝕所述犧牲層W在其中形成通孔；
[0053] 步驟S14,在所述通孔的內(nèi)側(cè)壁上形成側(cè)墻；
[0054] 步驟S15,對(duì)所述通孔底部的磁隧道結(jié)層進(jìn)行第一步刻蝕，W預(yù)先去除所述通孔底 部的部分磁隧道結(jié)層；
[0055] 步驟S16,去除所述犧牲層，W所述側(cè)墻為掩膜對(duì)所述磁隧道結(jié)層進(jìn)行第二步刻 蝕，去除所述側(cè)墻下方W外的磁隧道結(jié)層，所述側(cè)墻下方的磁隧道結(jié)層形成環(huán)狀的磁隧道 結(jié)。
[0056] 下面參考圖8至圖14進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0057] 參考圖8,提供半導(dǎo)體襯底81，該半導(dǎo)體襯底81上形成有磁隧道結(jié)層82,在磁隧道 結(jié)層82上形成有犧牲層83。
[005引其中，半導(dǎo)體襯底81例如可W是娃襯底，其中可W形成有下電極811，下電極811 與磁隧道結(jié)層82電接觸。
[0059] 磁隧道結(jié)層82可W是疊層結(jié)構(gòu)，至少包括下電極層、位于下電極層上的磁隧穿層 W及位于磁隧穿層上的上電極層，磁隧道結(jié)層82的最上層和最下層金屬例如可W是化。
[0060] 犧牲層83的材料可W是各種適當(dāng)?shù)慕^緣材料，例如氧化娃、不定形碳、抗反射涂 層材料等有機(jī)材質(zhì)。犧牲層83的沉積溫度優(yōu)選為不超過(guò)35(TC。
[0061] 參考圖9,通過(guò)刻蝕在犧牲層83中形成通孔831。例如，可W采用曝光、顯影、刻蝕 等步驟，在犧牲層83上形成圓形或楠圓形的通孔831。該通孔831的尺寸決定了環(huán)形MTJ 結(jié)構(gòu)的外徑尺寸。
[0062] 在對(duì)犧牲層83進(jìn)行刻蝕時(shí)，可W采用含C和0的干法刻蝕。刻蝕之后，可W對(duì)犧 牲層83進(jìn)行清洗。
[0063] 參考圖10,沉積硬掩膜層84,覆蓋通孔831的底部、內(nèi)側(cè)壁W及犧牲層83的表面。
[0064] 該硬掩膜層84的材料優(yōu)選為金屬或者導(dǎo)電的金屬化合物，例如化、TaN、Ti、TiN或 Al,該硬掩膜層84還可W采用復(fù)合金屬形成。更加優(yōu)選地，該硬掩膜層84的材料和磁隧道 結(jié)層82內(nèi)的最上層金屬的材料相同。硬掩膜層84的形成方法可W是化學(xué)氣相沉積（CVD)。
[0065] 參考圖11，對(duì)硬掩膜層84進(jìn)行刻蝕，刻蝕后保留在通孔831內(nèi)側(cè)壁的硬掩膜層成 為側(cè)墻841。刻蝕的方法可W是干法刻蝕，例如可W采用含Cl或化的氣體進(jìn)行干法刻蝕。
[0066] 側(cè)墻841的厚度決定了 MTJ結(jié)構(gòu)的環(huán)形內(nèi)徑的尺寸。
[0067] 參考圖12,對(duì)通孔831底部的磁隧道結(jié)層82進(jìn)行第一步刻蝕，W去除通孔