技术领域
[0001] 本申请涉及磁存储器领域，特别是涉及一种磁存储器及其制作方法。
相关背景技术
[0002] 在制作磁存储器过程中，在底部电路结构上方制作出底部电极，然后在底部电极上制作存储单元材料层，并在存储单元材料层上制作金属硬掩膜，以金属硬掩膜作为掩膜，刻蚀存储单元材料层以形成存储单元。在刻蚀过程中会发生反溅，反溅导致存储单元中关键膜层被金属短路，进而影响磁存储器的良率。反溅的产生包括两部分，一部分是由金属硬掩膜会引起的反溅，另一部分是由于底部电极的尺寸大于存储单元尺寸，由底部电极引起的反溅。
[0003] 因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。
具体实施方式
[0057] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0058] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0059] 正如背景技术部分所述，目前在制作磁存储器的过程中，金属硬掩膜和底部电极会引起反溅，进而引起存储单元发生短路，导致磁存储器的良率降低。
[0060] 有鉴于此，本申请提供了一种磁存储器的制作方法，请参考图1，该方法包括：
[0061] 步骤S101：获得磁存储器的预制结构体；
[0062] 所述预制结构体包括底部电路结构、底部电极、存储单元材料层、掩膜结构体，所述掩膜结构体包括硬掩膜，且所述硬掩膜之间不连通。
[0063] 底部电极、存储单元材料层、掩膜结构体在底部电路结构上依次层叠设置，预制结构体还包括设在底部电极周围的电极介质层，电极介质层的上表面与底部电极的上表面齐平，且底部电极之间相互分开，无短路通道。底部电路结构可参考相关技术，此处不再详细赘述。
[0064] 掩膜结构体的结构根据硬掩膜的材料不同而不同。当所述硬掩膜为金属硬掩膜时，掩膜结构体可以只包括金属硬掩膜；当所述硬掩膜为碳硬掩膜时，掩膜结构体包括远离存储单元方向上层叠的第一牺牲层和碳硬掩膜。
[0065] 预制结构体可以直接获取已经制作完成的，也可以进行制作得到。下面根据不同的掩膜结构体，分别对获得预制结构体的过程进行阐述。
[0066] 请参考图2，当所述硬掩膜为金属硬掩膜时，获得磁存储器的预制结构体包括：
[0067] 步骤S11：在所述底部电路结构的上表面形成底电极结构；所述底电极结构包括电极介质层和所述底部电极。
[0068] 请参考图3，底电极结构2位于底部电路结构1上方，电极介质层22与底部电极21上表面齐平。
[0069] 作为一种可实施方式，底电极结构的制作过程包括：
[0070] 在底部电路结构的上表面沉积电极介质层；
[0071] 对电极介质层进行图形化处理，在电极介质层中形成第二通孔；
[0072] 在第二通孔内填充电极材料，并进行平坦化处理形成底部电极，得到底电极结构。
[0073] 其中，平坦化处理的方式可以为化学机械研磨，或者回刻工艺。电极材料的填充方式可以为化学气相沉积法等。底部电极的材料为金属，例如钨等。
[0074] 步骤S12：在所述底电极结构的上表面依次沉积层叠的所述存储单元材料层、掩膜介质层。
[0075] 请参考图4，存储单元材料层3、掩膜介质层4依次层叠在底电极结构上，掩膜介质层4的材料可以为无定形碳或者氧化硅等。
[0076] 存储单元材料层刻蚀后形成存储单元，因此存储单元材料层根据存储单元的结构而定，具体可参考相关技术，此处不再详细赘述。
[0077] 步骤S13：对所述掩膜介质层进行图形化处理，在所述掩膜介质层中形成第一通孔。
[0078] 步骤S14：在所述第一通孔内填充金属材料并进行平坦化处理，形成金属硬掩膜；所述金属硬掩膜为所述掩膜结构体。
[0079] 请参考图5，平坦化处理的目的是使金属硬掩膜5之间彼此分开，无短路通道。其中，平坦化处理的方式可以为化学机械研磨，或者回刻工艺。
[0080] 底部电极21位于金属硬掩膜5在水平面的投影范围内，也即金属硬掩膜5的尺寸大于底部电极21的尺寸。
[0081] 在控制金属硬掩膜的尺寸大于底部电极的尺寸时，控制方式可以有多种。例如，可通过刻蚀第一通孔、第二通孔时调整刻蚀与光刻形成图形大小的差异来实现；或者，通过调整电极介质厚度并控制研磨量实现，底部电极的形状实际为倒梯形，即底部电极越靠近底部电路结构，尺寸越小，因此，在第一通孔内填充金属材料并进行研磨时，研磨量越多，底部电极的尺寸会越小。
[0082] 在第一通孔内填充金属材料的方式可以化学气相沉积法。
[0083] 作为一种可实施方式，所述金属硬掩膜的材料为钨，钨填充能力佳，刻蚀过程中反溅少，可以进一步减少反溅，并且与化学机械研磨兼容，易于氧化。
[0084] 步骤S15：去除所述掩膜介质层。
[0085] 请参考图6，掩膜介质层去除后，在存储单元材料层3上留下金属硬掩膜5。
[0086] 作为一种可实施方式，去除所述掩膜介质层包括：
[0087] 利用氧气或者氟基气体刻蚀所述掩膜介质层。氟基气体包括但不限于CHF3、CF4。
[0088] 请参考图7，当所述硬掩膜为碳硬掩膜时，获得磁存储器的预制结构体包括：
[0089] 步骤S21：在所述底部电路结构的上表面形成底电极结构；所述底电极结构包括电极介质层和所述底部电极。
[0090] 底电极结构的制作过程可参考上述硬掩膜为金属硬掩膜时底电极结构的制作过程，此处不再详细赘述。
[0091] 步骤S22：在所述底电极结构的上表面依次沉积层叠的所述存储单元材料层、第一牺牲层、掩膜介质层。
[0092] 请参考图8，存储单元材料层3、第一牺牲层6、掩膜介质层4依次层叠在底电极结构2上，第一牺牲层6的材料可以为金属材料，例如钽(Ta)，钛(Ti)及其金属氮化物，或者钨等导电性能较好的、易于氧化的金属；掩膜介质层4的材料可以为氧化硅等。第一牺牲层6可以采用物理气相沉积法生长。
[0093] 步骤S23：对所述掩膜介质层进行图形化处理，在所述掩膜介质层中形成第一通孔。
[0094] 步骤S24：在所述第一通孔内填充碳材料并进行平坦化处理，形成碳硬掩膜。
[0095] 请参考图9和图10，平坦化处理的目的是使碳硬掩膜7之间彼此分开，无短路通道。其中，平坦化处理的方式可以为化学机械研磨，或者回刻工艺。
[0096] 碳材料可以为无定形碳或者SOC(spin of carbon，旋涂有机碳)等，填充能力佳，且易于去除。
[0097] 底部电极21位于碳硬掩膜7在水平面的投影范围内，也即碳硬掩膜7的尺寸大于底部电极21的尺寸。
[0098] 在控制碳硬掩膜的尺寸大于底部电极的尺寸时，控制方式可以有多种。例如，可通过刻蚀第一通孔、第二通孔时调整刻蚀与光刻形成图形大小的差异来实现；或者，通过调整电极介质厚度并控制研磨量实现，底部电极的形状实际为倒梯形，即底部电极越靠近底部电路结构，尺寸越小，因此，在第一通孔内填充金属材料并进行研磨时，研磨量越多，底部电极的尺寸会越小。
[0099] 步骤S25：去除所述掩膜介质层，并刻蚀未与所述碳硬掩膜对应的所述第一牺牲层，所述掩膜结构体包括所述碳硬掩膜和刻蚀后第一牺牲层，所述第一牺牲层的刻蚀深度小于所述第一牺牲层的厚度。
[0100] 请参考图11，在刻蚀部分第一牺牲层6时，碳硬掩膜7会有部分消耗掉。
[0101] 作为一种可实施方式，去除所述掩膜介质层包括：
[0102] 利用氟基气体刻蚀所述掩膜介质层。氟基气体包括但不限于CHF3、CF4。
[0103] 步骤S102：氧化所述掩膜结构体，在所述掩膜结构体的侧壁形成氧化层，得到处理后掩膜结构体。
[0104] 本步骤中的氧化处理并非自然氧化，而是通过氧化处理在掩膜结构体侧壁形成厚度可控的氧化层。氧化层的厚度可以在0～20nm，具体厚度可以通过氧化的温度和时间进行调控。
[0105] 需要指出的是，本申请中对掩膜结构体的氧化方式不做限定，可自行选择。作为一种可实施方式，氧化所述掩膜结构体包括：利用湿法氧化方式氧化所述掩膜结构体。其中，湿法氧化用WET机台(湿式机台)在过氧化物溶液(如H2O2溶液)中进行氧化。作为另一种可实施方式，氧化所述掩膜结构体包括：利用干法氧化方式氧化所述掩膜结构体。
[0106] 进一步的，本申请中对干法氧化的方式不做具体限定，视情况而定。
[0107] 在本申请的一个实施例中，利用干法氧化方式氧化所述掩膜结构体包括：在刻蚀腔体内，利用氧气，或者，氧气和惰性气体的混合气，电离出等离子体，对所述掩膜结构体进行氧化处理。刻蚀腔体内氧化属于原位氧化。在本申请的另一个实施例中，利用干法氧化方式氧化所述掩膜结构体包括：在去胶机台内，在高温的环境下，利用氧气，或者，氧气和惰性气体的混合气，电离出等离子体，对所述掩膜结构体进行氧化处理。
[0108] 当硬掩膜为金属硬掩膜5时，请参考图12，氧化后，不仅在金属硬掩膜5侧壁形成氧化层8，还会在金属硬掩膜5的上表面以及存储单元材料层3暴露的表面形成氧化层8，只有金属硬掩膜5侧壁的氧化层8具有改善反溅的作用。
[0109] 当硬掩膜为碳硬掩膜时，请参考图13，氧化过程中碳硬掩膜与氧气发生反应被消耗掉，只剩下第一牺牲层6，氧化后不仅在第一牺牲层6的侧壁形成氧化层8，还会在第一牺牲层6的上表面以及存储单元材料层3暴露的表面形成氧化层8，只有第一牺牲层6侧壁的氧化层8具有改善反溅的作用。
[0110] 步骤S103：以所述处理后掩膜结构体作为掩膜，刻蚀所述存储单元材料层，形成存储单元；所述底部电极位于所述存储单元在水平面的投影范围内。
[0111] 存储单元13即MTJ(magnetic tunnel junctions，磁隧道结)。
[0112] 底部电极21位于存储单元13在水平面的投影范围内，即底部电极21的尺寸小于或等于存储单元13尺寸，可以避免在刻蚀时刻蚀到底部电极21，避免底部电极21出现反溅。
[0113] 在本申请的一个实施例中，以所述处理后掩膜结构体作为掩膜，刻蚀所述存储单元材料层，形成存储单元之后，还包括：
[0114] 沉积存储单元保护层。
[0115] 当硬掩膜为金属硬掩膜5时，存储单元保护层9沉积后如图14所示，存储单元保护层9位于存储单元13、金属硬掩膜5以及电极介质层22暴露的表面；当硬掩膜为碳硬掩膜时，存储单元保护层9沉积后如图15所示，存储单元保护层9位于存储单元13、第一牺牲层6以及电极介质层22暴露的表面。
[0116] 步骤S104：在所述存储单元的上表面制作顶部电路结构，得到磁存储器。
[0117] 当硬掩膜为金属硬掩膜时，顶部电路结构10制作完成后如图16所示；当硬掩膜为碳硬掩膜时，顶部电路结构10制作完成后如图17所示。
[0118] 顶部电路结构制作过程可参考相关技术，此处不再详细赘述。
[0119] 需要说明的是，在制作顶部电路结构之前，需要将掩膜结构体上表面的存储单元保护层去除。
[0120] 本实施例的制作方法在得到磁存储器的预制结构体后，对预制结构体中的掩膜结构体进行氧化，在掩膜结构体的侧壁形成氧化层，其中，掩膜结构体中包括硬掩膜。在刻蚀存储单元材料层时，由于氧化层的存在，可以将因掩膜结构体反溅导致存储单元短路的可能性降到最低；并且，底部电极在存储单元的水平投影范围内，即底部电极的尺寸小于或等于存储单元的尺寸，在刻蚀过程中，底部电极不会发生反溅，因此，本申请中的制作方法可以极大地降低发生反溅的情况，提升磁存储器的良率。
[0121] 请参考图18，当硬掩膜为金属硬掩膜时，在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，磁存储器的制作方法包括：
[0122] 步骤S201：在所述底部电路结构的上表面形成底电极结构；所述底电极结构包括电极介质层和所述底部电极。
[0123] 步骤S202：在所述底电极结构的上表面依次沉积层叠的所述存储单元材料层、第二牺牲层、掩膜介质层。
[0124] 请参考图19，存储单元材料层3、第二牺牲层11、掩膜介质层4依次层叠在底电极结构2上，第二牺牲层11的材料可以为金属，例如钽(Ta)，钛(Ti)及其金属氮化物，或者钨等导电性能较好的、易于氧化的金属；第二牺牲层11可以采用物理气相沉积法生长。
[0125] 第二牺牲层的作用是，第一，防止在氧化过程将存储单元氧化，第二是作为掩模介质层刻蚀停止层。
[0126] 步骤S203：对所述掩膜介质层进行图形化处理，在所述掩膜介质层中形成第一通孔。
[0127] 步骤S204：在所述第一通孔内填充金属材料并进行平坦化处理，形成金属硬掩膜；所述金属硬掩膜为所述掩膜结构体。
[0128] 本步骤请参考图20。
[0129] 步骤S205：去除所述掩膜介质层，形成预制结构体。
[0130] 请参考图21，掩膜介质层刻蚀停止在第二牺牲层11上表面。
[0131] 步骤S206：氧化所述掩膜结构体和暴露的第二牺牲层，在所述掩膜结构体的侧壁以及第二牺牲层暴露的表面形成氧化层，得到处理后掩膜结构体。
[0132] 氧化方式请参考上述实施例的阐述。
[0133] 请参考图22，不仅在金属硬掩膜5侧壁形成氧化层8，还会在金属硬掩膜5的上表面以及暴露的第二牺牲层表面形成氧化层8。
[0134] 步骤S207：以所述处理后掩膜结构体作为掩膜，刻蚀所述存储单元材料层和第二牺牲层，对应形成存储单元和图形化第二牺牲层；所述底部电极位于所述存储单元在水平面的投影范围内。
[0135] 步骤S208：沉积存储单元保护层。
[0136] 本步骤请参考图23，图形化第二牺牲层12位于存储单元13的上表面，存储单元保护层9位于存储单元13、金属硬掩膜5、图形化第二牺牲层12以及电极介质层22暴露的表面。
[0137] 步骤S209：在所述存储单元的上表面制作顶部电路结构，得到磁存储器。
[0138] 本步骤请参考图24。
[0139] 在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述底部电极与所述存储单元一一对应。
[0140] 相关技术磁存储器中，某些存储单元下方没有底部电极，在制作底部电极时用到一张光罩，在底部电极制作完成后，在存储单元层上涂覆光刻胶，并对光刻胶进行图形化，对应存储单元的位置留有光刻胶，此时需要利用另一张光罩，即需要两张光罩，导致成本增加。
[0141] 本实施例中，底部电极与存储单元一一对应，如图14至图17以图23至图24及所示，即每一个底部电极的上方均有存储单元，使得在制作底部电极过程中对电极介质层进行图形化、以及制作存储单元过程中对掩膜介质层图形化时可以共用光罩，降低制作成本。
[0142] 本申请还提供一种磁存储器，所述磁存储器采用上述任一实施例所述的磁存储器的制作方法制得。
[0143] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
[0144] 以上对本申请所提供的磁存储器及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
