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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201310424875.X (22)申请日 2013.09.17 H01L 43/12(2006.01) H01L 43/08(2006.01) H01L 43/02(2006.01) (71)申请人中芯国际集成电路制造（上海）有限 公司 地址 201203 上海市浦东新区张江路18号 (72)发明人洪中山 (74)专利代理机构北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 代理人骆苏华 (54) 发明名称 磁性隧道结及其形成方法 (57) 摘要 一种磁性隧道结及其形成方法，其中，磁性隧 道结的形成方法包括：提供的第一介质层和第一 电极层表。
2、面依次具有复合磁性层和第一掩膜层， 第一掩膜层平行于衬底表面的图形为圆形；以第 一掩膜层刻蚀复合磁性层直至暴露出第一介质 层；之后在第一介质层表面形成第二掩膜层，第 二掩膜层的表面与第一掩膜层的表面齐平；去除 第一掩膜层并形成开口；在开口的侧壁表面形成 第三掩膜侧墙；对第三掩膜侧墙进行离子注入工 艺，离子注入的方向相对于衬底表面倾斜；之后 刻蚀去除部分第三掩膜侧墙以形成第三掩膜，使 第三掩膜的内侧壁平行于衬底表面的图形呈椭圆 形；以第三掩膜刻蚀复合磁性层直至暴露出第一 电极层。所形成的磁性隧道结的存储稳定性提高、 可靠性提高。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (1。
3、2)发明专利申请 权利要求书2页 说明书9页 附图8页 (10)申请公布号 CN 104465983 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104465983 A 1/2页 2 1.一种磁性隧道结的形成方法，其特征在于，包括： 提供衬底，所述衬底表面具有第一介质层，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第 一介质层暴露出所述第一电极层，所述第一介质层和第一电极层表面具有复合磁性层，所 述复合磁性层表面具有第一掩膜层，所述第一掩膜层平行于衬底表面的图形为圆形，且所 述第一掩膜层的位置与第一电极层的位置对应； 以所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一介质层表面为止； 在。
4、刻蚀所述复合磁性层之后，在第一介质层表面形成第二掩膜层，所述第二掩膜层的 表面与第一掩膜层的表面齐平； 去除第一掩膜层，在所述第二掩膜层内形成开口； 在所述开口的侧壁表面形成第三掩膜侧墙； 对所述第三掩膜侧墙进行离子注入工艺，使部分第三掩膜侧墙内具有掺杂离子，且所 述第三掩膜侧墙中具有掺杂离子的部分相对于不具有掺杂离子的部分具有刻蚀选择性，所 述离子注入的方向相对于衬底表面倾斜，且所述离子注入的方向朝第一方向、以及与第一 方向相反的方向倾斜，所述第一方向平行于衬底表面； 在所述离子注入工艺之后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙，形成第三掩膜，所述刻蚀工艺 在第一方向上和第二方向上刻蚀第三掩膜侧墙的厚度。
5、不同，使所述第三掩膜的内侧壁平行 于衬底表面的图形呈椭圆形，所述第二方向平行于衬底表面，且所述第二方向垂直于第一 方向； 以所述第三掩膜为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一电极层为止。 2.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述离子注入的方向与 衬底表面的倾斜角为20度45度。 3.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第一掩膜层、第二掩 膜层和第三掩膜侧墙的材料不同，所述第一掩膜层、第二掩膜层或第三掩膜侧墙的材料为 氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化钛、无定形碳或硅。 4.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第三掩膜侧墙中具 有掺杂离子。
6、的部分的刻蚀速率高于不具有掺杂离子的部分。 5.如权利要求4所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，当所述第三掩膜侧墙的 材料为硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子为氧离子、氩离子、氮离子中的一种或多种。 6.如权利要求4所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，当所述第三掩膜侧墙的 材料为氧化硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子为氩离子。 7.如权利要求4所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，当所述第三掩膜侧墙的 材料为氮化硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子为氧离子、氩离子、碳离子中的一种或多 种。 8.如权利要求4所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，在所述离子注入工艺之 后，刻蚀去除部分第。
7、三掩膜侧墙的工艺为各向同性的湿法刻蚀工艺，所述湿法刻蚀的刻蚀 液包括氢氟酸。 9.如权利要求4所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，在所述离子注入工艺之 后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙的工艺为各向同性的干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀的气体 中含有氟元素。 权 利 要 求 书CN 104465983 A 2/2页 3 10.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第三掩膜侧墙中具 有掺杂离子的部分的刻蚀速率低于不具有掺杂离子的部分。 11.如权利要求10所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，当所述第三掩膜侧墙 的材料为氮化硅时，掺杂离子为碳离子；刻蚀去除部分第三掩膜侧墙的工艺为热磷。
8、酸处理 工艺。 12.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述复合磁性层包括至 少一层磁性层，所述磁性层包括固定磁性层、以及位于固定磁性层表面的自有磁性层，所述 固定磁性层和自由磁性层之间具有磁性绝缘层进行隔离。 13.如权利要求12所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，当所述复合磁性层为 多层磁性层重叠设置时，相邻磁性层之间具有第一绝缘层。 14.如权利要求12所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述复合磁性层还包 括：位于顶层磁性层表面的第二电极层。 15.如权利要求14所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述复合磁性层还包 括：位于第一电极层和磁性层之间的第二绝。
9、缘层；位于第二电极层和顶层磁性层之间的第 三绝缘层。 16.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第一掩膜层的形成 工艺为：在复合磁性层表面形成第一掩膜薄膜；在所述第一掩膜薄膜表面形成图形化层， 所述图形化层的图形为圆形，且所述图形化层的位置与第一电极层相对应；以所述图形化 层为掩膜，刻蚀所述第一掩膜薄膜直至暴露出复合磁性层为止，形成第一掩膜层；在形成第 一掩膜层之后，去除图形化层。 17.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第二掩膜层的形成 工艺为：在第一介质层表面和第一掩膜层表面沉积第二掩膜薄膜；对所述第二掩膜薄膜进 行抛光，直至暴露出第一掩膜层表面为。
10、止，形成第二掩膜层。 18.如权利要求1所述的磁性隧道结的形成方法，其特征在于，所述第三掩膜侧墙的形 成工艺为：在第二掩膜层表面、开口的侧壁和底部表面沉积第三掩膜薄膜；回刻蚀所述侧 墙薄膜直至暴露出第二掩膜层表面和开口底部表面，形成第三掩膜侧墙。 19.一种采用如权利要求1至18任一项方法所形成的磁性隧道结，其特征在于，包括： 衬底；位于所述衬底表面的第一介质层，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第一介质 层暴露出所述第一电极层；位于所述第一介质层和第一电极层表面的复合磁性层，所述复 合磁性层暴露出部分第一电极层和第一介质层表面，所述复合磁性层平行于衬底表面方向 的图形为环形，所述环形的外圈。
11、边界为圆形，所述环形的内圈边界为椭圆形。 权 利 要 求 书CN 104465983 A 1/9页 4 磁性隧道结及其形成方法 技术领域 0001 本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种磁性隧道结及其形成方法。 背景技术 0002 磁存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）具有读写时间短、非易失性和 功耗低等优点，适用于计算机或手机等信息处理设备上，使得磁存储器受到市场的广泛关 注。 0003 现有的磁存储器结构包括：用于作为开关器件的晶体管、以及用于存储数据的磁 性隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）结构。磁存储器通过施。
12、加磁场，将信息存储到 磁性隧道结结构中，并通过测量通过磁性隧道结的电流读取所存储的信息。 0004 图1是现有的磁性隧道结的截面结构示意图，包括：位于衬底100表面的底部电 极层101；位于底部电极层101表面的磁性结构102；位于磁性结构102表面的顶部电极层 103。其中，磁性结构102由固定磁性层110、位于固定磁性层110表面的隧道绝缘层111、 以及位于隧道绝缘层111表面的自由磁性层112交替堆叠而成，所述磁性结构102为至少 为三层结构或多层结构。此外，所述磁性隧道结结构还包括：位于自由磁性层112和顶部电 极层103之间的第一介质层105；位于底部电极层101和固定磁性层110。
13、之间的第二介质 层104。 0005 所述固定磁性层110的磁化方向固定，自由磁性层112的方向可编程。当所述自 由磁性层112的磁化方向与固定磁性层110的磁化方向一致时，磁性隧道结的电阻最小，即 为逻辑“0”状态；当所述自由磁性层112的磁化方向与固定磁性层110的磁化方向相差180 度时，磁性隧道结的电阻最大，即为逻辑“1”状态。在“读取”的过程中，通过获取磁性隧道 结的电阻以读出磁性随机存储器的状态。 0006 然而，现有的磁性隧道结的存储性能不稳定，导致磁性随机存储器的可靠性低。 发明内容 0007 本发明解决的问题是提供一种磁性隧道结及其形成方法，提高磁性隧道结的存储 稳定性，提高。
14、由磁性隧道结构成的磁性随机存储器的可靠性。 0008 为解决上述问题，本发明提供一种磁性隧道结的形成方法，包括：提供衬底，所述 衬底表面具有第一介质层，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第一介质层暴露出所 述第一电极层，所述第一介质层和第一电极层表面具有复合磁性层，所述复合磁性层表面 具有第一掩膜层，所述第一掩膜层平行于衬底表面的图形为圆形，且所述第一掩膜层的位 置与第一电极层的位置对应；以所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出 第一介质层表面为止；在刻蚀所述复合磁性层之后，在第一介质层表面形成第二掩膜层，所 述第二掩膜层的表面与第一掩膜层的表面齐平；去除第一掩膜层，在所述第二掩。
15、膜层内形 成开口；在所述开口的侧壁表面形成第三掩膜侧墙；对所述第三掩膜侧墙进行离子注入工 艺，使部分第三掩膜侧墙内具有掺杂离子，且所述第三掩膜侧墙中具有掺杂离子的部分相 说 明 书CN 104465983 A 2/9页 5 对于不具有掺杂离子的部分具有刻蚀选择性，所述离子注入的方向相对于衬底表面倾斜， 且所述离子注入的方向朝第一方向、以及与第一方向相反的方向倾斜，所述第一方向平行 于衬底表面；在所述离子注入工艺之后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙，形成第三掩膜，所述 刻蚀工艺在第一方向上和第二方向上刻蚀第三掩膜侧墙的厚度不同，使所述第三掩膜的内 侧壁平行于衬底表面的图形呈椭圆形，所述第二方向平行于衬。
16、底表面，且所述第二方向垂 直于第一方向；以所述第三掩膜为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一电极层为止。 0009 可选的，所述离子注入的方向与衬底表面的倾斜角为20度45度。 0010 可选的，所述第一掩膜层、第二掩膜层和第三掩膜侧墙的材料不同，所述第一掩膜 层、第二掩膜层或第三掩膜侧墙的材料为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化钛、无定形碳或 硅。 0011 可选的，所述第三掩膜侧墙中具有掺杂离子的部分的刻蚀速率高于不具有掺杂离 子的部分。 0012 可选的，当所述第三掩膜侧墙的材料为硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子为 氧离子、氩离子、氮离子中的一种或多种。 0013 可选的，当所述第三掩膜。
17、侧墙的材料为氧化硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离 子为氩离子。 0014 可选的，当所述第三掩膜侧墙的材料为氮化硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离 子为氧离子、氩离子、碳离子中的一种或多种。 0015 可选的，在所述离子注入工艺之后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙的工艺为各向同 性的湿法刻蚀工艺，所述湿法刻蚀的刻蚀液包括氢氟酸。 0016 可选的，在所述离子注入工艺之后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙的工艺为各向同 性的干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀的气体中含有氟元素。 0017 可选的，所述第三掩膜侧墙中具有掺杂离子的部分的刻蚀速率低于不具有掺杂离 子的部分。 0018 可选的，当所述第三掩膜侧墙的材料为氮化。
18、硅时，掺杂离子为碳离子；刻蚀去除部 分第三掩膜侧墙的工艺为热磷酸处理工艺。 0019 可选的，所述复合磁性层包括至少一层磁性层，所述磁性层包括固定磁性层、以及 位于固定磁性层表面的自有磁性层，所述固定磁性层和自由磁性层之间具有磁性绝缘层进 行隔离。 0020 可选的，当所述复合磁性层为多层磁性层重叠设置时，相邻磁性层之间具有第一 绝缘层。 0021 可选的，所述复合磁性层还包括：位于顶层磁性层表面的第二电极层。 0022 可选的，所述复合磁性层还包括：位于第一电极层和磁性层之间的第二绝缘层； 位于第二电极层和顶层磁性层之间的第三绝缘层。 0023 可选的，所述第一掩膜层的形成工艺为：在复合磁性。
19、层表面形成第一掩膜薄膜； 在所述第一掩膜薄膜表面形成图形化层，所述图形化层的图形为圆形，且所述图形化层的 位置与第一电极层相对应；以所述图形化层为掩膜，刻蚀所述第一掩膜薄膜直至暴露出复 合磁性层为止，形成第一掩膜层；在形成第一掩膜层之后，去除图形化层。 0024 可选的，所述第二掩膜层的形成工艺为：在第一介质层表面和第一掩膜层表面沉 说 明 书CN 104465983 A 3/9页 6 积第二掩膜薄膜；对所述第二掩膜薄膜进行抛光，直至暴露出第一掩膜层表面为止，形成第 二掩膜层。 0025 可选的，所述第三掩膜侧墙的形成工艺为：在第二掩膜层表面、开口的侧壁和底部 表面沉积第三掩膜薄膜；回刻蚀所述。
20、侧墙薄膜直至暴露出第二掩膜层表面和开口底部表 面，形成第三掩膜侧墙。 0026 相应的，本发明还提供一种采用上述任一项方法所形成的磁性隧道结，包括：衬 底；位于所述衬底表面的第一介质层，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第一介质层 暴露出所述第一电极层；位于所述第一介质层和第一电极层表面的复合磁性层，所述复合 磁性层暴露出部分第一电极层和第一介质层表面，所述复合磁性层平行于衬底表面方向的 图形为环形，所述环形的外圈边界为圆形，所述环形的内圈边界为椭圆形。 0027 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点： 0028 在所述磁性隧道结的形成方法中，由于所述第一掩膜层的图形为圆形，因此沿第。
21、 一掩膜层刻蚀复合磁性层之后，所述复合磁性层的外侧壁平行于衬底表面的图形也为圆 形。其次，所述第三掩膜侧墙形成于开口的侧壁表面，且在离子注入工艺和刻蚀工艺之后， 所形成的第三掩膜在第一方向上和第二方向上的厚度不同，使所述第三掩膜的内侧壁平行 于衬底表面的图形呈椭圆形，因此沿所述第三掩膜再次刻蚀所述复合磁性层之后，所述复 合磁性层的内侧壁平行于衬底表面的图形也呈椭圆形。刻蚀后的复合磁性层用于形成磁性 隧道结构，且所形成的复合磁性层的外侧壁图形为圆形、内侧壁图形为椭圆形，能够使磁场 在所述复合磁性层内的翻转状态更稳定，避免磁场翻转到不符合设计需求的方向、或者避 免磁场发生自动翻转，从而使所形成的磁。
22、性隧道结构的稳定性提高、存储性能改善、可靠性 增强。 0029 进一步，所述离子注入的方向相对于衬底表面具有倾斜角20度45度，且所述离 子注入的方向朝第一方向、以及与第一方向相反的方向倾斜，即所述第三掩膜侧墙在第一 方向上所具有的掺杂离子较第二方向上多；而且，具有掺杂离子的部分第三掩膜侧墙相对 于不具有掺杂离子的部分第三掩膜侧墙具有刻蚀选择性。从而，在刻蚀去除部分第三掩膜 侧墙之后，所形成的第三掩膜的内侧壁平行于衬底表面的图形呈椭圆形，使所形成的磁性 隧道结构的性能提高。 0030 在所述磁性隧道结中，所述复合磁性层平行于衬底表面方向的图形为环形，所述 环形的外圈边界为圆形，所述环形的内圈边。
23、界为椭圆形，在所述复合磁性层内，磁场的翻转 状态更稳定，使磁场难以发生自动翻转。因此，所述磁性隧道结中的磁场翻转方向能够符合 设计需求，则所述磁性隧道结的稳定性提高、存储性能改善、可靠性增强。 附图说明 0031 图1是现有的磁性隧道结的截面结构示意图； 0032 图2是环形磁性隧道结结构中的磁性结构的立体结构示意图； 0033 图3是自由磁性层中符合设计需求的磁场翻转方向； 0034 图4是自由磁性层中不符合设计需求的磁场翻转方向； 0035 图5至图20是本发明实施例的磁性隧道结的形成过程的结构示意图。 说 明 书CN 104465983 A 4/9页 7 具体实施方式 0036 如背景技。
24、术所述，现有的磁性隧道结的存储性能不稳定，导致磁性随机存储器的 可靠性低。 0037 为了提高存储性能、减少噪音、增加存储容量，一种环形的磁性隧道结被提出，请 参考图2，图2是环形磁性隧道结结构中的磁性结构的立体结构示意图，包括：固定磁性层 120；位于固定磁性层120表面的隧道绝缘层121；位于隧道绝缘层121表面的自由磁性层 122；其中，所述固定磁性层120、绝缘层121和自由磁性层122均为圆环形，即所述固定磁 性层120、绝缘层121和自由磁性层122的内侧壁图形和外侧壁图形均为圆形。 0038 然而，对于所述环形磁性隧道结来说，在所述圆环形的自由磁性层122中磁场翻 转状态不稳定，。
25、甚至会发生磁场的自动翻转，因此会导致自由磁性层的磁化方向的转换不 稳定，使磁性隧道结的存储能力差。具体的，请参考图3和图4，图3和图4是环形磁性隧道 结的俯视图，在图3中示出了在自由磁性层中符合设计需求的磁场翻转方向；然而，由于在 环形的自由磁性层中磁场的翻转状态不稳定，会使磁场翻转到如图4所示的不符合设计需 求的方向，或者在无需发生磁场翻转时磁场发生自动翻转，从而造成磁性隧道结的存储能 性能不稳定。 0039 为了解决上述问题，本发明提出了一种磁性隧道结的形成方法，包括：提供表面具 有第一介质层的衬底，所述第一介质层内具有第一电极层，所述第一介质层暴露出所述第 一电极层，所述第一介质层和第一。
26、电极层表面具有复合磁性层，所述复合磁性层表面具有 第一掩膜层，所述第一掩膜层平行于衬底表面的图形为圆形，且所述第一掩膜层的位置与 第一电极层的位置对应；以所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直至暴露出第一 介质层表面为止；之后在第一介质层表面形成第二掩膜层，所述第二掩膜层的表面与第一 掩膜层的表面齐平；去除第一掩膜层，在所述第二掩膜层内形成开口；在所述开口的侧壁 表面形成第三掩膜侧墙；对所述第三掩膜侧墙进行离子注入工艺，使部分第三掩膜侧墙内 具有掺杂离子，且具有掺杂离子的部分第三掩膜侧墙相对于不具有掺杂离子的部分第三掩 膜侧墙具有刻蚀选择性，所述离子注入的方向相对于衬底表面倾斜，且所述离子。
27、注入的方 向朝第一方向、以及与第一方向相反的方向倾斜，所述第一方向平行于衬底表面；之后刻蚀 去除部分第三掩膜侧墙，形成第三掩膜，所述第三掩膜在第一方向上和第二方向上的厚度 不同，使所述第三掩膜的内侧壁平行于衬底表面的图形呈椭圆形，所述第二方向平行于衬 底表面，且所述第二方向垂直于第一方向；以所述第三掩膜为掩膜，刻蚀所述复合磁性层直 至暴露出第一电极层为止。 0040 其中，由于所述第一掩膜层的图形为圆形，因此沿第一掩膜层刻蚀复合磁性层之 后，所述复合磁性层的外侧壁平行于衬底表面的图形也为圆形。其次，所述第三掩膜侧墙形 成于开口的侧壁表面，且在离子注入工艺和刻蚀工艺之后，所形成的第三掩膜在第一方。
28、向 上和第二方向上的厚度不同，使所述第三掩膜的内侧壁平行于衬底表面的图形呈椭圆形， 因此沿所述第三掩膜再次刻蚀所述复合磁性层之后，所述复合磁性层的内侧壁平行于衬底 表面的图形也呈椭圆形。刻蚀后的复合磁性层用于形成磁性隧道结构，且所形成的复合磁 性层的外侧壁图形为圆形、内侧壁图形为椭圆形，能够使磁场在所述复合磁性层内的翻转 状态更稳定，避免磁场翻转到不符合设计需求的方向、或者避免磁场发生自动翻转，从而使 所形成的磁性隧道结构的稳定性提高、存储性能改善、可靠性增强。 说 明 书CN 104465983 A 5/9页 8 0041 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发。
29、明 的具体实施例做详细的说明。 0042 图5至图20是本发明实施例的磁性隧道结的形成过程的结构示意图。 0043 请参考图5，提供衬底200，所述衬底200表面具有第一介质层201，所述第一介质 层201内具有第一电极层202，所述第一介质层201暴露出所述第一电极层202，所述第一 介质层201和第一电极层202表面具有复合磁性层203。 0044 所述衬底200包括半导体基底、形成于半导体基底表面或半导体基底内的半导体 器件、用于电连接所述半导体器件的导电结构、以及用于电隔离所述半导体器件和导电结 构的介质层。所述半导体基底包括硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅衬底、绝缘体 上锗衬。
30、底、玻璃衬底或III-V族化合物衬底（例如氮化镓衬底或砷化镓衬底等）。本实施例 中，所述半导体器件为晶体管，所述第一电极层202与所述晶体管电连接，所述晶体管用于 驱动后续形成的磁性隧道结，实现数据在所述磁性隧道结结构中的擦除或写入。 0045 所述第一电极层202作为所形成的磁性隧道结结构的底部电极。在本实施例中， 所述第一电极层202与晶体管电连接，所述第一电极层202用于向所述晶体管传递或接 收电信号；因此，所述第一电极层202较佳的采用导电性能好的材料，例如钽（Ta）、铂锰 （PtMn）或钌（Ru）；此外，所述第一电极层202还能够采用铜、钨或铝作为材料。 0046 所述第一介质层20。
31、1的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的一种或多种组合。 在一实施例中，所述第一电极层202的形成工艺包括沉积工艺、以及沉积工艺之后的刻蚀 工艺。所述第一介质层201的形成工艺包括：在形成第一电极层之后，在衬底200和第一电 极层202表面沉积第一介质薄膜；抛光所述第一介质薄膜，直至暴露第一电极层202表面为 止，形成第一介质层201。 0047 所述复合磁性层203包括至少一层磁性层（未示出）；当所述磁性层为多层时，相 邻磁性层之间具有第一绝缘层（未示出）。所述磁性层包括固定磁性层（未示出）、以及位于 固定磁性层表面的自有磁性层（未示出），所述固定磁性层和自由磁性层之间具有磁性绝缘 层。其中，。
32、所述固定磁性层具有固定的磁化方向，所述固定磁性层的材料为CoFe或CoFeB； 所述自由磁性层的磁化方向可编程，所述自由磁性层的材料为CoFe或CoFeB；所述磁性绝 缘层用于隔离固定磁性层和自由磁性层，所述磁性绝缘层的材料为氧化镁、氧化锶、氧化钡 或氧化镭。 0048 在本实施例中，所述复合磁性层203还包括：位于顶层磁性层表面的第二电极层 （未示出）；所述第二电极层作为所形成的磁性隧道结结构的顶部电极，所述第二电极层用于 向外部电路传递或接收电信号，因此，所述第二电极层较佳的采用导电性能好的材料，例如 钽（Ta）、铂锰（PtMn）或钌（Ru）；此外，所述第二电极层还能够采用铜、钨或铝作为材。
33、料。在 另一实施例中，所述复合磁性层中不具有第二电极层，即所述复合磁性层的顶部为磁性层， 在后续刻蚀所述复合磁性层之后，在所述复合磁性层的顶部表面形成第二电极层。 0049 在本实施例中，所述磁性层直接形成于第一电极层202表面，所述第一电极层能 够向磁性层施加偏压。在另一实施例中，所述复合磁性层203还包括位于第一电极层202 和磁性层之间的第二绝缘层；此外，所述复合磁性层203还能够包括位于第二电极层和顶 层磁性层之间的第三绝缘层；所述第二绝缘层、第三绝缘层能够调节第一电极层202和第 二电极层之间的隧穿电压。 说 明 书CN 104465983 A 6/9页 9 0050 请参考图6和图。
34、7，图7是图6的俯视图，图6是图7沿AA方向的剖面结构示意 图。在所述复合磁性层203表面形成第一掩膜层204，所述第一掩膜层204平行于衬底200 表面的图形为圆形，且所述第一掩膜层204的位置与第一电极层202的位置对应。 0051 所述第一掩膜层204定义了后续形成的复合磁性结构外侧壁的图形，由于所述第 一掩膜层204的图形为圆形，后续以所述第一掩膜层204刻蚀复合磁性层203之后，所形成 的复合磁性结构的外侧壁的图形也为圆形。所述第一掩膜层204的位置与第一电极层202 对应，则后续以第一掩膜层刻蚀形成的复合磁性结构能够与第一电极层202电连接，使第 一电极层能够相复合磁性结构传输电信。
35、号。在本实施例中，所述第一掩膜层204的圆形图 形的直径为第一尺寸，所述第一尺寸为50纳米150纳米。 0052 所述第一掩膜层204的材料为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化钛、无定形碳或硅； 在本实施例中，所述第一掩膜层204的材料为氮化硅；所述第一掩膜层204的形成方法包 括：在复合磁性层203表面形成第一掩膜薄膜（未示出）；在所述第一掩膜薄膜表面形成第一 图形化层，所述第一图形化层（未示出）的图形为圆形，且所述第一图形化层的位置与第一 电极层202相对应；以所述第一图形化层为掩膜，采用各向异性的干法刻蚀工艺刻蚀所述 第一掩膜薄膜，直至暴露出复合磁性层203为止，形成第一掩膜层204；在形成。
36、第一掩膜层 204之后，去除第一图形化层。本实施例中，所述第一图形化层为图形化的光刻胶。 0053 请参考图8，以所述第一掩膜层204为掩膜，刻蚀所述复合磁性层203直至暴露出 第一介质层201表面为止。 0054 由于所述第一掩膜层204的图形为圆形，因此，以所述第一掩膜层204为掩膜刻蚀 所得的复合磁性层203平行于衬底200表面的图形为圆形。而刻蚀后的复合磁性层203的 侧壁为后续所形成的复合磁性结构的外侧壁，因此后续所形成的复合磁性结构的外侧壁的 图形为圆形。 0055 在本实施例中，所述刻蚀复合磁性层203的工艺为干法刻蚀工艺，而所述干法刻 蚀工艺为离子溅射（Ions Sputter。
37、）的刻蚀工艺。由于所述复合磁性层203内至少包括固 定磁性层、磁性绝缘层和自由磁性层，其中的固定磁性层或自由磁性层的材料为多种金属 构成的合金材料，因此所述复合磁性层203的材料种类复杂。而所述离子溅射的刻蚀工艺 能够减少对于各种类材料之间的刻蚀选择性，从而保证了刻蚀后的复合磁性层203的侧壁 形貌良好。刻蚀气体包括含有氢元素、碳元素、氮元素的气体、惰性气体，例如甲烷、氨气、氮 气和氩气、氢气，所述刻蚀气体不会与复合磁性层203中的材料发生反应，而仅通过物理轰 击的形式进行刻蚀，因此能够保证刻蚀后的复合磁性层203形貌良好。 0056 请参考图9，在刻蚀所述复合磁性层203之后，在第一介质层2。
38、01表面形成第二掩 膜层205，所述第二掩膜层205的表面与第一掩膜层204的表面齐平。 0057 所述第二掩膜层205用于保留所述第一掩膜层204的结构和图形，使得后续形成 去除第一掩膜层204并形成开口之后，所述的第二掩膜层205依旧能够保留圆形图形，并在 复合磁性层203表面形成开口，保证了后续能够在开口的第二掩膜层205侧壁表面形成第 三掩膜侧墙，而所述第三掩膜侧墙在经过后续的离子注入和刻蚀工艺之后，作为刻蚀复合 磁性层203的掩膜，能够使所形成的复合磁性结构的内侧壁图形呈椭圆形。 0058 所述第二掩膜层205的形成工艺包括：在第一介质层201表面和第一掩膜层204 表面沉积第二掩膜。
39、薄膜；对所述第二掩膜薄膜进行化学机械抛光，直至暴露出第一掩膜层 说 明 书CN 104465983 A 7/9页 10 204表面为止，形成第二掩膜层205。所述第一掩膜层204和第二掩膜层205的材料不同， 使所述第一掩膜层204和第二掩膜层205之间具有刻蚀选择性，后续在去除第一掩膜层204 以形成开口时，不会影响所述第二掩膜层205的形貌。所述第二掩膜层205的材料为氮化 硅、氮氧化硅、氧化硅、氮化钛、无定形碳或硅。在本实施例中，所述第二掩膜层205的材料 为无定形碳。 0059 请参考图10和图11，图11是图10的俯视图，图10是图11沿AA方向的剖面结 构示意图。去除第一掩膜层20。
40、4（如图9所示），在所述第二掩膜层205内形成开口206；在 所述开口206的侧壁表面形成第三掩膜侧墙207。 0060 所述第三掩膜侧墙207后续用于形成第三掩膜，所述第三掩膜用于定义后续所形 成的复合磁性结构的内侧壁图形。由于所述第三掩膜由所述第三掩膜侧墙207通过离子注 入工艺和刻蚀工艺形成，因此所述第三掩膜侧墙207的厚度需要大于后续所形成的复合磁 性结构的厚度，以给予后续的刻蚀工艺以足够的冗余量。在本实施例中，所述第三掩膜侧墙 207的厚度为10纳米100纳米。 0061 所述第三掩膜侧墙207与第二掩膜层205的材料不同，使所述第三掩膜侧墙207 相对于第二掩膜层205具有刻蚀选择。
41、性，在后续刻蚀具有掺杂离子的第三掩膜侧墙207时， 不会损伤第二掩膜层205表面。所述第三掩膜侧墙207的材料为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、 氮化钛、无定形碳或硅。 0062 所述第三掩膜侧墙207的形成工艺为：在第二掩膜层205表面、开口206的侧壁和 底部表面沉积第三掩膜薄膜；回刻蚀所述侧墙薄膜直至暴露出第二掩膜层205表面和开口 206底部表面，形成第三掩膜侧墙207。 0063 请参考图12、图13和图14，图14是图12和图13的俯视图，图12是图14沿AA 方向的剖面结构示意图，图13是图14沿BB方向的剖面结构示意图。对所述第三掩膜侧 墙207进行离子注入工艺，使部分第三掩膜侧墙2。
42、07内具有掺杂离子，且所述第三掩膜侧墙 207中具有掺杂离子的部分相对于不具有掺杂离子的部分具有刻蚀选择性，所述离子注入 的方向相对于衬底200表面倾斜，且所述离子注入的方向朝第一方向X、以及与第一方向X 相反的方向倾斜，所述第一方向X平行于衬底200表面。 0064 在本实施例中，所述第三掩膜侧墙207中具有掺杂离子的部分形成掺杂区207b。 所述离子注入工艺所注入的掺杂离子用于提高或降低所述掺杂区207b的刻蚀速率，从而 使后续刻蚀工艺之后所形成的第三掩膜的内侧壁图形呈椭圆形。 0065 所述离子注入的方向与衬底200表面的倾斜角为20度45度，且所述离子注入 的方向朝第一方向X、以及与第。
43、一方向X相反的方向倾斜，使得在第一方向X上、以及与第 一方向X相反的方向上，离子注入的深度较深，所形成的掺杂区207b的厚度较厚；而在第二 方向Y、以及与第二方向Y相反的方向上，离子注入的深度较浅，所形成的掺杂区207b的厚 度较薄；其中，所述第二方向Y平行于衬底200表面，且所述第二方向Y垂直于第一方向X。 由于掺杂区207b内的掺杂离子用于提高或降低所述掺杂区207b的刻蚀速率，因此能够使 后续的刻蚀工艺在第一方向X上和第二方向Y上的刻蚀速率不同，使得在第一方向X上和 第二方向Y上刻蚀第三掩膜侧墙207的厚度不同，以此使后续刻蚀形成的第三掩膜的内侧 壁图形呈具有相互垂直的长轴和短轴的椭圆形。
44、。此外，当所述第三掩膜侧墙207采用不同 材料时，所注入的掺杂离子的类型也不相同，以实现掺杂区207b的刻蚀速率提高或降低。 说 明 书CN 104465983 A 10 8/9页 11 0066 在一实施例中，所述掺杂区207b的刻蚀速率得到提高。具体的，当所述第三掩膜 侧墙207的材料为硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子为氧离子、氩离子、氮离子中的一 种或多种；当所述第三掩膜侧墙207的材料为氧化硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子 为氩离子；当所述第三掩膜侧墙的材料为氮化硅时，离子注入工艺所注入的掺杂离子为氧 离子、氩离子、碳离子中的一种或多种；所述掺杂区207b的刻蚀速率能够得到提高，后。
45、续的 刻蚀工艺在第一方向X上的刻蚀厚度较厚，在第二方向Y上的刻蚀厚度较薄。 0067 在另一实施例中，所述掺杂区207b的刻蚀速率降低。具体的，当所述第三掩膜侧 墙207的材料为氮化硅时，所掺杂离子为碳离子，则所述掺杂区207b的刻蚀速率被降低，后 续的刻蚀工艺在第一方向X上的刻蚀厚度较薄，而在第二方向Y上的刻蚀厚度较厚。 0068 请参考图15、图16和图17，图17是图15和图16的俯视图，图15是图17沿AA 方向的剖面结构示意图，图16是图17沿BB方向的剖面结构示意图。在所述离子注入工 艺之后，刻蚀去除部分第三掩膜侧墙207（如图14所示），形成第三掩膜207a，所述刻蚀工艺 在第一。
46、方向X上和第二方向Y上刻蚀第三掩膜侧墙207的厚度不同，使所述第三掩膜207a 的内侧壁平行于衬底200表面的图形呈椭圆形。 0069 所述刻蚀去除部分第三掩膜侧墙207的工艺为各向同性的刻蚀工艺。由于离子注 入工艺在第一方向X上和第二方向Y上的所形成的掺杂区207b（如图14所示）厚度不同， 使得所述刻蚀工艺在第一方向X上和第二方向Y上对第三掩膜侧墙207的刻蚀厚度不同， 从而使所形成的第三掩膜207a的图形呈具有相互垂直的长轴和短轴的椭圆形。 0070 所述刻蚀去除部分第三掩膜侧墙207的工艺能够为各向同性的干法刻蚀工艺或 各向同性的湿法刻蚀工艺。在一实施例中，所述掺杂区207b的刻蚀速率。
47、得到提高，当刻蚀 去除部分第三掩膜侧墙207的工艺为各向同性的湿法刻蚀工艺时，所述湿法刻蚀的刻蚀液 包括氢氟酸；当刻蚀去除部分第三掩膜侧墙207的工艺为各向同性的干法刻蚀工艺时，所 述干法刻蚀的气体中含有氟元素。所述各向同性的刻蚀工艺在第一方向X上的厚度较厚， 而在第二方向Y上的刻蚀厚度较薄，因此，所形成的第三掩膜207a内侧壁的椭圆形图形的 长轴与第一方向X平行、短轴与第二方向Y平行。 0071 在另一实施例中，所述掺杂区207b的刻蚀速率降低，即所述第三掩膜侧墙207的 材料为氮化硅时，所掺杂离子为碳离子，则所述刻蚀去除部分第三掩膜侧墙207的工艺为 各向同性的湿法刻蚀工艺；较佳的，所述湿。
48、法刻蚀工艺为热磷酸处理工艺。所述各向同性的 刻蚀工艺在第一方向X上的厚度较薄，而在第二方向Y上的刻蚀厚度较后，因此，所形成的 第三掩膜207a内侧壁的椭圆形图形的短轴与第一方向X平行、长轴与第二方向Y平行。 0072 请参考图18、图19和图20，图20是图18和图19的俯视图，图18是图20沿AA 方向的剖面结构示意图，图19是图20沿BB方向的剖面结构示意图。以所述第三掩膜 207a为掩膜，刻蚀所述复合磁性层203直至暴露出第一电极层202为止，形成复合导电结构 203a。 0073 刻蚀所述复合磁性层203之后，所形成的复合磁性结构203a与第一电极层202共 同用于构成磁性隧道结，所述。
49、磁性隧道结能够用于形成磁存储器。在本实施例中，导电复合 磁性层203中还包括第二电极层，则在刻蚀形成所述复合磁性结构203a之后即形成磁性隧 道结结构。在另一实施例中，所述复合磁性层内不具有第二电极层，则在刻蚀形成复合磁性 结构203a之后，需要在所述复合磁性结构203a的顶部表面形成第二电极层。 说 明 书CN 104465983 A 11 9/9页 12 0074 在本实施例中，所述刻蚀复合磁性层203的工艺为干法刻蚀工艺，且所述干法刻 蚀工艺为离子溅射的刻蚀工艺，所述离子溅射的刻蚀工艺与图8所示，以第一掩膜层204刻 蚀复合磁性层203的工艺相同，在此不做赘述。 0075 所形成的复合磁性结构203a呈环形。其中，所述复合磁性结构203a的外侧壁平行 于衬底200表面的图形为圆形，所述圆形由第一掩膜层204（如图8所示）的图形定义。其 次，所述复合磁性结构203a的内侧壁平行于衬底200表面的图形为具有相互垂直的长轴和 短轴的椭圆形，所述椭。