Mram器件的形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁性存储器技术，尤其涉及一种MRAM器件的形成方法。
【背景技术】
[0002] 磁性随机存储器（MRAM)是当前最有前景的H种非挥发性存储器之一，因为其具 有高速读写、低功耗、抗福射和数据保存时间长等特点，因而将有可能取代SRAM、DRAM等在 移动终端上的应用。MRAM对于其他对可靠性要求高的领域，例如国防，航天航空，则具有不 可取代的地位。
[0003] 磁性随机存储器中的核必结构是磁隧道结（MJT)。目前业界常用的典型磁隧道结 的结构是实必楠圆，送种结构的特点是在剖面规则的情况下翻转稳定，上下电极之间的电 流不能直上直下，要偏转一定的角度。
[0004] 为了追求更高的读写速度，现有技术中还存在一种中空的MTJ结构，尽管存在一 定的状态不稳定问题，但可W通过上下电极的位置来解决。
[0005] 此外，现有技术中还存在另一种环形的MTJ结构，如图1和图2所示，其内外均为 圆形或楠圆的结构集成了环形翻转所需能量低的优点，并解决了数据不稳定的问题。W圆 环形的MTJ结构为例，图3示出了可W接受的磁场翻转方向，图4示出了不可接受的磁场翻 转方向。
[0006] 参考图5,现有技术中的一种MRAM器件采用环形的MTJ结构50,上电极51和下电 极52分别位于MTJ结构50上方和下方，并且和MTJ结构50电接触。电流经由上电极51 和下电极52垂直流过MTJ结构50,但送样可能会陷入不希望的中间状态。为了避免先入不 希望的中间状态，可W对上下电极的位置做调整。参考图6,上电极61和下电极62分别位 于MTJ结构60的斜上方和斜下方，使得流经上电极61和下电极62的电流非垂直。目前楠 圆形的MTJ结构，不管空必还是实必基本都采用图6所示的具有一定角度的电流驱动方式。
[0007] 形成环形结构的磁隧道结的难点在于环形的图形化和刻蚀工艺。MTJ通常包括多 层金属和一层MgO隧穿层，由于此结构的复杂性，给MTJ的刻蚀造成了很大困难，常用的刻 蚀气体也很容易造成超薄隧穿层的损坏，从而引起整个MTJ上下电极的短路。业界常用含 氮等因素气体通过轰击的方式来进行最后一步对磁隧道结下电极金属材料的刻蚀，W消除 在对前一步磁性金属材料刻蚀中产生的二次金属淀积。对于圆环形或者楠圆环形的MTJ结 构，由于内环的尺寸往往很小，环外的面积较大，造成刻蚀的负载效应，使得环内的刻蚀达 不到设计要求而出现短路等问题。
【发明内容】
[0008] 本发明要解决的技术问题是提供一种MRAM器件的形成方法，能够避免刻蚀负载 效应导致的短路等问题，还具有工艺流程简单的优点。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种MRAM器件的形成方法，包括：
[0010] 提供半导体衬底，该半导体衬底上形成有磁隧道结层；
[0011] 在所述磁隧道结层上形成牺牲层；
[0012] 刻蚀所述牺牲层W在其中形成通孔；
[0013] 在所述通孔的内侧壁上形成侧墙；
[0014] 对所述通孔底部的磁隧道结层进行第一步刻蚀，W预先去除所述通孔底部的部分 磁隧道结层；
[0015] 去除所述牺牲层，W所述侧墙为掩膜对所述磁隧道结层进行第二步刻蚀，去除所 述侧墙下方W外的磁隧道结层，所述侧墙下方的磁隧道结层形成环状的磁隧道结。
[0016] 根据本发明的一个实施例，改的一步刻蚀预先去除的部分磁隧道结层的厚度占该 磁隧道结层总厚度的30%~50%。
[0017] 根据本发明的一个实施例，采用含Ar轰击的干法刻蚀来去除所述通孔底部的部 分磁隧道结层。
[0018] 根据本发明的一个实施例，在所述通孔的内侧壁上形成侧墙包括：
[0019] 沉积硬掩膜层，该硬掩膜层覆盖所述通孔的底部、内侧壁W及所述牺牲层的表 面；
[0020] 对所述硬掩膜层进行刻蚀，W形成所述侧墙。
[0021] 根据本发明的一个实施例，所述硬掩膜层的材料为金属或者导电的金属化合物。
[0022] 根据本发明的一个实施例，所述硬掩膜层的材料与所述磁隧道结层内的最上层金 属相同。
[0023] 根据本发明的一个实施例，所述硬掩膜层的材料选自化、TaN、Ti、TiN或Al。
[0024] 根据本发明的一个实施例，所述牺牲层的材料为氧化娃、不定形碳或抗反射涂层 材料。
[0025] 根据本发明的一个实施例，在形成所述牺牲层之前，该方法还包括；在所述磁隧道 结层上形成阻挡层，该牺牲层位于所述阻挡层上；
[0026] 对所述通孔底部的磁隧道结层进行第一步刻蚀之前，该方法还包括；刻蚀移除所 述通孔底部的阻挡层；
[0027] 对所述磁隧道结层进行第二步刻蚀之前，该方法还包括：刻蚀移除所述侧墙下方 W外的阻挡层。
[0028] 根据本发明的一个实施例，该阻挡层和牺牲层的材料为互不相同的低k材料。
[0029] 根据本发明的一个实施例，所述阻挡层的材料为渗碳氮化娃，所述牺牲层的材料 为黑钻石。
[0030] 根据本发明的一个实施例，在所述第二步刻蚀之后，该方法还包括：
[0031] 去除所述磁隧道结上的阻挡层和侧墙；
[0032] 沉积介质层，该介质层覆盖所述磁隧道结；
[0033] W无通孔方式形成上电极，该上电极与所述磁隧道结电连接。
[0034] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0035] 本发明实施例的MRAM器件的形成方法中，应用牺牲层和侧墙，采用自对准刻蚀来 形成MTJ结构，并且新增一步刻蚀，预先去除通孔底部的部分磁隧道结层，也就是预先去除 难W刻蚀的环内的隧道结层，有利于后续的MTJ刻蚀中实现环内和环外的刻蚀平衡，避免 刻蚀负载效应导致的种种问题。另外，侧墙的材料可W是金属导电材料，从而不必去除而作 为MTJ上电极的一部分，而且可W有效增加在氮气攻击下的MTJ刻蚀过程中的掩膜强度，有 利于改善MTJ形貌结构。
[0036] 本发明实施例的另一种MRAM器件的形成方法中，还在所述牺牲层下方设置阻挡 层，该阻挡层和牺牲层的材料可W是半导体工艺中常用的低k材料。
【附图说明】
[0037] 图1是现有技术中一种圆环形的磁隧道结的俯视图；
[003引图2是现有技术中一种楠圆环形的磁隧道结的俯视图；
[0039] 图3示出了环形的磁隧道结可接受的磁场翻转方向；
[0040] 图4示出了环形的磁隧道结不可接受的磁场翻转方向；
[0041] 图5是现有技术中一种采用垂直电流驱动方式的MRAM器件的剖面结构示意图；
[0042] 图6是现有技术中一种采用非垂直电流驱动方式的MRAM器件的剖面结构示意 图；
[0043] 图7是本发明第一实施例的MRAM器件的形成方法的流程示意图；
[0044] 图8至图14是本发明第一实施例的MRAM器件的形成方法中各步骤对应的剖面结 构示意图W及立体结构示意图；
[0045] 图15是本发明第二实施例的MRAM器件的形成方法的流程示意图；
[0046] 图16至图27是本发明第二实施例的MRAM器件的形成方法中各步骤对应的剖面 结构示意图W及立体结构示意图。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应W此限制本发明的保 护范围。
[0048] 第一实施例
[0049] 参考图7,第一实施例的MRAM器件形成方法包括如下步骤：
[0050] 步骤S11，提供半导体衬底，该半导体衬底上形成有磁隧道结层；
[0051] 步骤S12,在所述磁隧道结层上形成牺牲层；
[0052] 步骤S13,刻蚀所述牺牲层W在其中形成通孔；
[0053] 步骤S14,在所述通孔的内侧壁上形成侧墙；
[0054] 步骤S15,对所述通孔底部的磁隧道结层进行第一步刻蚀，W预先去除所述通孔底 部的部分磁隧道结层；
[0055] 步骤S16,去除所述牺牲层，W所述侧墙为掩膜对所述磁隧道结层进行第二步刻 蚀，去除所述侧墙下方W外的磁隧道结层，所述侧墙下方的磁隧道结层形成环状的磁隧道 结。
[0056] 下面参考图8至图14进行详细说明。
[0057] 参考图8,提供半导体衬底81，该半导体衬底81上形成有磁隧道结层82,在磁隧道 结层82上形成有牺牲层83。
[005引其中，半导体衬底81例如可W是娃衬底，其中可W形成有下电极811，下电极811 与磁隧道结层82电接触。
[0059] 磁隧道结层82可W是叠层结构，至少包括下电极层、位于下电极层上的磁隧穿层 W及位于磁隧穿层上的上电极层，磁隧道结层82的最上层和最下层金属例如可W是化。
[0060] 牺牲层83的材料可W是各种适当的绝缘材料，例如氧化娃、不定形碳、抗反射涂 层材料等有机材质。牺牲层83的沉积温度优选为不超过35(TC。
[0061] 参考图9,通过刻蚀在牺牲层83中形成通孔831。例如，可W采用曝光、显影、刻蚀 等步骤，在牺牲层83上形成圆形或楠圆形的通孔831。该通孔831的尺寸决定了环形MTJ 结构的外径尺寸。
[0062] 在对牺牲层83进行刻蚀时，可W采用含C和0的干法刻蚀。刻蚀之后，可W对牺 牲层83进行清洗。
[0063] 参考图10,沉积硬掩膜层84,覆盖通孔831的底部、内侧壁W及牺牲层83的表面。
[0064] 该硬掩膜层84的材料优选为金属或者导电的金属化合物，例如化、TaN、Ti、TiN或 Al,该硬掩膜层84还可W采用复合金属形成。更加优选地，该硬掩膜层84的材料和磁隧道 结层82内的最上层金属的材料相同。硬掩膜层84的形成方法可W是化学气相沉积（CVD)。
[0065] 参考图11，对硬掩膜层84进行刻蚀，刻蚀后保留在通孔831内侧壁的硬掩膜层成 为侧墙841。刻蚀的方法可W是干法刻蚀，例如可W采用含Cl或化的气体进行干法刻蚀。
[0066] 侧墙841的厚度决定了 MTJ结构的环形内径的尺寸。
[0067] 参考图12,对通孔831底部的磁隧道结层82进行第一步刻蚀，W去除通孔