超密型交叉矩陣列式磁性隨機存儲器制造工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及存儲器件領域，尤其涉及一種超密型交叉矩陣列式磁性隨機存儲器制造工藝。
【背景技術】
[0002]近年來人們利用磁性隧道結(MTJ,Magnetic Tunnel Junct1n)的特性做成磁性隨機存儲器，即為MRAM(Magnetic Random Access Memory) JRAM是一種新型固態非易失性記憶體，它有著高速讀寫的特性。鐵磁性MTJ通常為三明治結構，其中有磁性記憶層，它可以改變磁化方向以記錄不同的數據;位于中間的絕緣的隧道勢皇層;磁性參考層，位于隧道勢皇層的另一側，它的磁化方向是不變的。當磁性記憶層與磁性參考層之間的磁化強度矢量方向平行或反平行時，MTJ元件的電阻態也相應分別為低阻態或高阻態。這樣測量MTJ元件的電阻態即可得到存儲的信息。
[0003]已有一種方法可以得到高的磁電阻(MR,Magneto Resistance)率:在非晶結構的磁性膜的表面加速晶化形成一層晶化加速膜。當此層膜形成后，晶化開始從隧道勢皇層一側形成，這樣使得隧道勢皇層的表面與磁性表面形成匹配，這樣就可以得到高MR率。
[0004]—般通過不同的寫操作方法來對MRAM器件進行分類。傳統的MRAM為磁場切換型MRAM:在兩條交叉的電流線的交匯處產生磁場，可改變MTJ元件的磁性記憶層的磁化強度方向。自旋轉移矩磁性隨機存儲器(STT-MRAM，Spin-transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory)則采用完全不同的寫操作，它利用的是電子的自旋角動量轉移，即自旋極化的電子流把它的角動量轉移給磁性記憶層中的磁性材料。磁性記憶層的容量越小，需要進行寫操作的自旋極化電流也越小。所以這種方法可以同時滿足器件微型化與低電流密度。STT-MRAM具有高速讀寫、大容量、低功耗的特性，有潛力在電子芯片產業，尤其是移動芯片產業中，替代傳統的半導體記憶體以實現能源節約與數據的非易失性。
[0005]對于目前的面內型STT-MRAM(其中MTJ元件的易磁化方向在面內)來說，受面內型MTJ元件的特性所限，單一元件尺寸一般較大，并且相鄰MTJ元件需要有較大間距，以避免相互間的磁場干擾。因此，限制了面內型STT-MRAM產品集成度的提升。
[0006]垂直型磁性隧道結(PMTJ，PerpendicularMagnetic Tunnel Junct1n)即磁矩垂直于襯底表面的磁性隧道結，在這種結構中，由于兩個磁性層的磁晶各向異性比較強(不考慮形狀各向異性)，使得其易磁化方向都垂直于層表面。在同樣的條件下，元件尺寸可以做得比面內型MTJ元件更小，易磁化方向的磁極化誤差可以做的很小，并且MTJ元件尺寸的減小使所需的切換電流也可相應減小。另一方面，在存儲器陣列中，相鄰垂直型MTJ的安全間距較之面內型MTJ也可大為縮小。從而垂直型STT-MRAM(pSTT-MRAM，perpendicular Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory)較之面內型STT-MRAM，其集成度有非常大的提升空間。
[0007]但在現有的STT-MRAM結構中，每個記憶單元的MTJ元件通常會連接一個三極管作為電流流向選擇器，如使用MOS管，通過MOS管的導通和截止以實現電流導向，從而可以通過相應的寫電流來設置MTJ元件的高、低電阻態，也即寫入了存儲信息，以及根據讀電流的大小來判斷MTJ元件的電阻態，也即讀出了存儲信息。類似器件的制造方法，可參見申請號為US14147493、US14162715、US14194742、US 14675746的美國專利申請。
[0008]對于面內型STT-MRAM來說，基于面內型MTJ元件的尺寸及其相互間距的要求，三極管的尺寸不是提高面內型STT-MRAM集成度的主要瓶頸，或者說縮小三極管的尺寸，對于面內型STT-MRAM集成度的提升程度有限。目前已有一些針對面內型STT-MRAM集成度提升的技術方案，如專利號為US6868003B2的美國專利中，面內型STT-MRAM使用PN結二極管取代三極管作為電流流向選擇器，由于面內型STT-MRAM占用面積較大，存儲芯片的集成度沒有實質性的提高；同時讀寫電流也較大，PN結二極管也不宜做小。
[0009]對于垂直型STT-MRAM來說，情況卻與面內型STT-MRAM恰恰相反，垂直型MT J元件的尺寸及其相互間距較之面內型MTJ元件已大為縮小，此時集成度的提升幾乎完全取決于三極管的尺寸大小，即使使用當前最先進的工藝(線寬)，三極管的尺寸仍遠大于垂直型MTJ元件，同時三極管制造工藝相對也比較復雜，提高了產品的制造成本。針對以上問題，申請號為 201510726594.9、201510726633.5、201510726561.4、201510726489.5的中國專利申請中提供了多種交叉矩陣列式磁性隨機存儲器制造工藝，以形成如圖1所示的交叉矩陣列式磁性隨機存儲器，交叉的字線和位線間的每個節點均設置有磁記憶單元10，圖2示意了磁記憶單元10的結構，包括串聯設置的電流選擇器11和磁性隧道結12。通常的制造工藝如圖3所示，一般需要四道光刻、蝕刻，以分別形成字線、底電極、磁記憶單元(電流選擇器和MTJ)和頂電極。
[0010]本發明的目的在于進一步優化工藝，僅通過兩次光刻工藝即完成交叉矩陣列式磁性隨機存儲器。
【發明內容】
[0011]為實現上述目的，本發明提供了一種磁性隨機存儲器制造工藝，包括:
[0012]在硅襯底上長絕緣電介質層；
[0013]制備底電極層；
[0014]制備磁記憶單元層；
[0015]制備掩膜層一；
[0016]光刻底電極圖案并轉移至所述硬掩膜一；
[0017]蝕刻所述磁記憶單元層和所述底電極層，停在所述電介質層；
[0018]沉積電介質；
[0019]表面平坦化；
[0020]制備頂電極層；
[0021]制備掩膜層二；
[0022]光刻頂電極圖案并轉移至所述硬掩膜二；
[0023]蝕刻所述頂電極層、所述磁記憶單元層，停在所述底電極層。
[0024]進一步地，所述電介質層為氧化電介質薄膜或氮化電介質薄膜，如Si02薄膜、SiNx薄膜。
[0025]進一步地，所述底電極層包括金屬層。
[0026]進一步地，所述底電極層還包括碳膜層，或者還包括石墨烯層。
[0027]進一步地，所述磁記憶單元層包括構成電流選擇器的膜層，以及構成磁性隧道結的膜層。
[0028]進一步地，所述磁記憶單元層中先制備所述構成電流選擇器的膜層再制備所述構成磁性隧道結的膜層，或者先制備所述構成磁性隧道結的膜層再制備所述構成電流選擇器的膜層。
[0029]進一步地，所述構成電流選擇器的膜層包括:構成PN結的雙層膜，或者構成NPN結構的三層膜結構，或者構成PNP結構的三層膜結構，或者導電層/氧化物層/導電層三層結構，或者導電層/半導體層/導電層三層結構。
[0030]進一步地，所述構成磁性隧道結的膜層包括磁性參考層、隧道勢皇層和磁性記憶層。
[0031 ]進一步地，所述掩膜層一和/或所述掩膜層二采用硬掩膜。
[0032]進一步地，所述硬掩膜為Ta、TaN、Ta/Si02、Ta/SiN、Ta/C/Si02 或 Ta/C/SiN。
[0033]本發明在現有的交叉矩陣列式磁性隨機存儲器制造工藝基礎上，將原先至少需要使用四塊光刻版和四次光刻工藝，優化為僅使用兩塊光刻版和兩次光刻工藝，極大地降低了產品投入和生產成本。不僅如此，將具有高導電性的碳膜層作為底電極材料，可以把MRAM芯片的集成密度做到4F2(F為磁記憶單元額尺寸，即所謂的PITCH)，如此高的記憶密度，常規的MRAM芯片制造工藝是無法達到的。
[0034]以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0035]圖1是現有的一種交叉矩陣列式磁性隨機存儲器的立體結構示意圖；
[0036]圖2是圖1中磁記憶單元的結構示意圖；
[0037]圖3是現