CN107527993B - 一种磁性隧道结接触电极及其形成方法 - Google Patents

一种磁性隧道结接触电极及其形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种磁性隧道结接触电极及其形成方法，接触电极包括钌接触膜层和种子层的双层结构；形成步骤是：S1.提供包括底电极、第一电介质层、MTJ结构单元、钽顶电极和第二电介质层的衬底；步骤S2.衬底上形成接触电极膜层和硬掩模膜层；S3.图形化转移接触电极图案到硬掩模膜层；S4.刻蚀硬掩模膜层；S5.刻蚀接触电极膜层；S6.生长第三电介质层将接触电极填满；S7.将接触电极表面磨平直到硬掩模膜层全部磨掉；S8.在接触电极上形成顶电极连接孔刻蚀阻止层和第四电介质层；S9.图形化定义和刻蚀形成顶电极连接孔；S10.顶电极连接孔内形成扩散终止层；S11.填充顶电极连接孔；S12.将顶电极连接孔磨平。

Description

一种磁性隧道结接触电极及其形成方法
技术领域
本发明涉及一种磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)，特别涉及一种磁性隧道结接触电极及其形成方法，属于集成电路制造技术领域。
背景技术
近年来，采用磁性隧道结(MTJ)的磁电阻效应的磁性随机存储器(MRAM，MagneticRadom Access Memory)被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。
为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。依此方法，即可通过向磁电阻元件提供自旋极化电流来反转磁性记忆层的磁化强度方向。此外，随着磁性记忆层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。因此，这种写方法可同时实现器件微型化和降低电流。
同时，鉴于减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相契合。因此，期望是将pSTT-MRAM元件做成极小尺寸，并具有非常好的均匀性，以及把对MTJ磁性的影响减至最小，所采用的制备方法还可实现高良莠率、高精确读、高可靠写、低能耗，以及保持适于数据良好保存的温度系数。同时，非易失性记忆体中写操作是基于阻态变化，从而需要控制由此引起的对MTJ记忆器件寿命的破坏与缩短。
然而，制备一个小型MTJ元件可能会增加MTJ电阻的波动，使得pSTT-MRAM的写电压或电流也会随之有较大的波动，这样会损伤MRAM的性能。在现在的MRAM制造工艺中，重金属(比如Ta)会沉积在MTJ的顶部，作为顶电极导电通道，直接和顶电极连接孔(TEV，TopElectrode Via)连接，电介质氧化硅会填充MTJ结构单元之间的空隙部分，以防止MRAM回路的短路。
在现有的技术条件下，如图1所示，一般采用顶电极连接孔(TEV，Top ElectrodeVia)实现顶电极和位线的之间的连接。为了降低回路的电阻，通常会把TEV的横截面做的很大，然而在制备TEV的过程中，一般采用碳氟气体(比如C4F8、CF4、CHF3和CH2F2等)来进行刻蚀，这种气体很容易刻蚀或者损伤填充在MTJ和钽(Ta)顶电极周围的电介质，从而增加了MTJ到顶电极连接孔(TEV)之间漏电的风险。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种磁性隧道结接触电极，如图2所示，主要包括钌(Ru)接触膜层和种子层的双层结构，种子层在钌接触膜层下面，种子层的厚度为0.5nm～3nm，钌接触膜层的厚度为5nm～30nm，种子层为Mg、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、W、Cr或NiCr。
本发明的第二方面，提供了上述磁性隧道结接触电极的形成方法，流程如图3所示，具体步骤如下：
步骤S1：提供表面抛光的包括底电极、第一电介质层、磁性隧道结结构单元、钽(Ta)顶电极和第二电介质层的衬底；
步骤S2：在衬底上依次形成接触电极膜层和硬掩模膜层；
步骤S3：图形化转移接触电极图案到硬掩模膜层；
步骤S4：采用主要成分为CF4的气体刻蚀硬掩模膜层，使接触电极图案转移到接触电极膜层；
步骤S5：采用CH3OH、CH3OH/Ar或者CO/NH3对接触电极膜层进行刻蚀，接着采用氧气灰化工艺除去残留的有机物，以完成对接触电极的图形化制作；
步骤S6：采用化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)的方法生长一层第三电介质层将蚀刻后的接触电极空余部分填满；
步骤S7：采用化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polish)的方法将第三电介质层填充后的接触电极表面磨平直到硬掩模膜层全部磨掉；
步骤S8：在磨平后的接触电极上依次形成顶电极连接孔刻蚀阻止层和第四电介质层；
步骤S9：图形化定义和刻蚀形成顶电极连接孔；
步骤S10：在顶电极连接孔内(TEV)形成一层扩散终止层；
步骤S11：采用铜或者钨填充顶电极连接孔；
步骤S12：采用化学机械抛光的方法将填充后的顶电极连接孔磨平。
优选地，硬掩模膜层为氧化硅、氮化硅或者氮化钽。
优选地，第三电介质层是氮化硅或者氧化硅。
优选地，刻蚀阻止层为碳氮化硅或者氮化硅，刻蚀阻止层的厚度为10nm～30nm。
优选地，第四电介质层为氧化硅，第四电介质层的厚度为200nm～300nm。
优选地，扩散终止层选用氮化钛或者氮化钽。
优选地，扩散终止层的厚度为0.5nm～2nm，采用原子束沉积形成扩散终止层。
优选地，使用光刻胶、电介质抗反射层和碳膜层的三层结构实现对顶电极连接孔的图形化定义。
优选地，选用主要成分为CF4、CHF3或者CH2F2的气体对刻蚀阻止层进行刻蚀，并停止在接触电极膜层上，最终形成顶电极连接孔。
本发明的有益效果：本发明提供一种磁性隧道结接触电极及其形成方法，主要包括钌(Ru)接触膜层及其下面的种子层的双层结构，钌具有良好的导电率，这种结构既可以作为顶电极和顶电极连接孔(TEV)的接触通道，同时在碳氟气体刻蚀条件下，具有极低的刻蚀速率，又可以作为顶电极连接孔(TEV)的刻蚀终止层，降低了MRAM电路顶电极连接孔(TEV)和MTJ单元短路的风险。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是现有技术中钽顶电极和顶电极连接孔接触方式的剖面图；
图2是图1所示钽顶电极和顶电极连接孔接触方式的截面图；
图3是本发明一个较佳实施例中的一种磁性隧道结接触电极的剖面图；
图4是图3所示接触电极的截面图；
图5是图3所示接触电极的钌接触膜层和种子层双层结构示意图；
图6是本发明的一种磁性隧道结接触电极的形成方法的流程图；
图7是本发明一个较佳实施例中的包括底电极、第一电介质层、磁性隧道结结构单元、钽顶电极和第二电介质层的衬底的示意图；
图8是本发明一个较佳实施例中的沉积接触电极膜层和硬掩模膜层之后的示意图；
图9是本发明一个较佳实施例中的旋涂底部抗反射层和光刻胶，并对光刻胶进行曝光后的示意图；
图10是本发明一个较佳实施例中的对底部抗反射层进行刻蚀之后的示意图；
图11是本发明一个较佳实施例中的对硬掩模膜层进行刻蚀后的示意图；
图12是本发明一个较佳实施例中的对双层结构接触电极进行刻蚀后的示意图；
图13是本发明一个较佳实施例中的电介质填充接触电极空余部分之后的示意图；
图14是本发明一个较佳实施例中的化学机械抛光将电介质填充后的接触电极表面磨平直到接触电极上的硬掩模全部磨掉之后的示意图；
图15是本发明一个较佳实施例中的在接触电极顶部依次形成顶电极连接孔刻蚀阻止层和第四电介质层后的示意图；
图16是本发明一个较佳实施例中的顶电极连接孔图形化定义和刻蚀之后的示意图；
图17是本发明一个较佳实施例中的在顶电极连接孔内表面形成一层扩散终止层后的示意图；
图18是本发明一个较佳实施例中的金属铜或者钨填充顶电极连接孔后的示意图；
图19是本发明一个较佳实施例中的化学机械抛光磨平后的顶电极连接孔后的示意图。
图中所示：100-底电极层，101-底电极，102-第一电介质层，200-磁性隧道结层，201-磁性隧道结结构单元，202-钽顶电极，203-第二电介质层，300-接触电极层，301-接触电极膜层，3011-种子层，3012-钌接触膜层，302-硬掩模膜层，303-底部抗反射层，304-光刻胶，305-第三电介质层，400-顶电极连接层，401-顶电极连接孔刻蚀阻止层，402-第四电介质层，403-扩散终止层，404-顶电极连接孔通道。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供的一种磁性隧道结接触电极及其形成方法，如图3至图5所示，接触电极膜层301主要包括钌(Ru)接触膜层3012及其下面的种子层3011的双层结构，其中种子层3011为Mg、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、W、Cr或NiCr等；形成步骤如图6所示，具体为：
步骤S1：提供表面抛光的包括底电极101、第一电介质层102、磁性隧道结(MTJ)结构单元201、钽(Ta)顶电极202和第二电介质层203的衬底。底电极101和第一电介质层102组成底电极层100，磁性隧道结结构单元201、钽顶电极202和第二电介质层203组成磁性隧道结层，如图7所示。
步骤S2：在衬底上依次形成接触电极膜层301和硬掩模膜层302，如图8所示。
接触电极膜层301具体为包括钌接触膜层3012及其下面的种子层3011的双层结构，其中种子层为Cr、NiCr、Al、W或者Ti等。种子层3011的厚度为0.5nm～3nm，种子层3011可以通过物理溅射或离子束沉积等方法形成；钌电极膜层3012的厚度为5nm～30nm，钌接触膜层3012可以使用钌靶，通过物理溅射或离子束沉积等方法形成。
硬掩模膜层302可以选用氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)或者氮化钽(TaN)等。
硬掩模膜层302若选用氧化硅，其厚度为5nm～60nm，采用以下的一种或多种方法制成：a)化学气相沉积，采用的反应剂含Si、H和O；b)物理溅射沉积，使用Si靶或SiO2靶，溅射气体采用Ar或Ar+O2；c)离子束沉积，使用SiO2靶。
硬掩模膜层302若选用氮化硅，其厚度为5nm～60nm，可以采用以下的一种或多种方法制成：a)化学气相沉积，采用的反应剂含Si、N和H；b)物理溅射沉积，使用Si靶，溅射气体采用Ar+N2或Ar+NH3。
硬掩模膜层302若选用氮化钽，其厚度为5nm～30nm，通过物理溅射沉积，使用钽(Ta)靶，溅射气体采用Ar+N2，或使用TaN靶，溅射气体采用Ar。
步骤S3：图形化转移接触电极图案到所述硬掩模膜层302，如图9和图10所示；本发明以底部抗反射层(BARC)303和光刻胶(PR，Photo Resist)304来定义接触电极图案。底部抗反射层303的厚度为30nm～100nm，光刻胶304的厚度为90nm～250nm。
底部抗反射层303用于减少曝光过程中光在接触电极膜层301和硬掩模膜层302的上下表面的反射，以使曝光的大部分能量都被钌接触膜层3012和硬掩模膜层302吸收，当然，光刻胶304用于保护器件的其他区域，确保器件正常曝光。曝光完成后，用CF4等干刻蚀底部抗反射层303，使得接触电极图案图形化到硬掩膜层302。
步骤S4：采用CF4等气体刻蚀所述硬掩模膜层302，使图案转移到接触电极膜层301，如图11所示。
步骤S5：采用CH3OH、CH3OH/Ar或者CO/NH3等对接触电极膜层301进行刻蚀；接着，采用氧气灰化工艺除去残留的有机物，以完成对接触电极的图形化制作，如图12所示。
步骤S6：采用化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)的方法生长第三电介质层305将蚀刻后的接触电极空余部分填满，如图13所示；第三电介质层305可以选用SiN或者SiO2。
步骤S7：用化学机械抛光(CMP)的方法将第三电介质层305填充后的接触电极表面磨平直到接触电极上的硬掩模膜层302全部磨掉，如图14所示。
步骤S8：在化学机械抛光磨平后的接触电极上依次形成顶电极连接孔刻蚀阻止层401和第四电介质层402，如图15所示。
作为优选，刻蚀阻止层401为SiCN或者SiN等，其厚度为10nm～30nm，可以采用化学气相沉积；生成SiCN刻蚀阻止层401，其反应剂含Si、C、N和H等元素；生成SiN刻蚀阻止层401，其反应剂含Si、N和H等元素。
作为优选，第四电介质层402为氧化硅，其厚度为200nm～300nm，可以采用以下的一种或多种方法制成：a)化学气相沉积，采用的反应剂含Si、H和O；b)物理溅射沉积，使用Si靶或SiO2靶，溅射气体采用Ar或Ar+O2；c)离子束沉积，使用SiO2靶。
步骤S9：图形化定义和刻蚀形成顶电极连接孔(TEV)，如图16所示；
作为优选，使用光刻胶(PR，Photo Resist)，电介质抗反射层(DARC，DielectricAnti-Reflective Coating)和碳膜层的三层结构实现对顶电极连接孔(TEV)的图形化定义；
作为优选，选用C4F8或者C4F6等气体对第四电介质层402进行刻蚀；
作为优选，选用CF4、CHF3或者CH2F2等气体对刻蚀阻止层401进行刻蚀，并停止在钌电极膜层3011上，最终形成顶电极连接孔。
步骤S10：在顶电极连接孔内形成一层扩散终止层403，如图17所示；扩散终止层403可以选用氮化钛(TiN)或者氮化钽(TaN)，其厚度为0.5nm～2nm，一般采用原子束沉积。
步骤S11：采用铜或者钨填充顶电极连接孔，如图18所示。铜填充一般采用电镀的方式，先用PVD的方法生长一层铜种子层，然后再电镀(所谓的镶嵌(DAMASCENE)方法)；钨填充可以使用钨靶，通过物理溅射或离子速的方式实现。
步骤S12：采用化学机械抛光(CMP)的方法将填充后的顶电极连接孔磨平，如图19所示。
本发明提供一种磁性隧道结接触电极及其形成方法，主要包括钌(Ru)接触膜层及其下面的种子层的双层结构，钌具有良好的导电率，这种结构既可以作为顶电极和顶电极连接孔(TEV)的接触通道，同时在碳氟气体刻蚀条件下，具有极低的刻蚀速率，又可以作为顶电极连接孔(TEV)的刻蚀终止层，降低了MRAM电路顶电极连接孔(TEV)和MTJ单元短路的风险。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁性隧道结接触电极，其特征在于，包括钌接触膜层和种子层的双层结构，所述种子层在所述钌接触膜层下面，所述种子层的厚度为0.5nm～3nm，所述钌接触膜层的厚度为5nm～30nm，所述种子层为Mg、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、W、Cr或NiCr；其中接触电极的横截面面积大于顶电极的横截面面积，接触电极为顶部接触电极。
2.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结接触电极的形成方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：提供表面抛光的包括底电极、第一电介质层、磁性隧道结结构单元、钽顶电极和第二电介质层的衬底；
步骤S2：在所述衬底上依次形成接触电极膜层和硬掩模膜层；
步骤S3：图形化转移接触电极图案到所述硬掩模膜层；
步骤S4：采用主要成分为CF4的气体刻蚀所述硬掩模膜层，使所述接触电极图案转移到所述接触电极膜层；
步骤S5：采用CH3OH、CH3OH/Ar或者CO/NH3对所述接触电极膜层进行刻蚀，接着采用氧气灰化工艺除去残留的有机物，以完成对接触电极的图形化制作；
步骤S6：采用化学气相沉积的方法生长一层第三电介质层将蚀刻后的接触电极空余部分填满；
步骤S7：采用化学机械抛光的方法将所述第三电介质层填充后的所述接触电极表面磨平直到所述硬掩模膜层全部磨掉；
步骤S8：在磨平后的所述接触电极上依次形成顶电极连接孔刻蚀阻止层和第四电介质层；
步骤S9：图形化定义和刻蚀形成顶电极连接孔；
步骤S10：在所述顶电极连接孔内形成一层扩散终止层；
步骤S11：采用铜或者钨填充所述顶电极连接孔；
步骤S12：采用化学机械抛光的方法将填充后的所述顶电极连接孔磨平。
3.根据权利要求2所述的一种磁性隧道结接触电极的形成方法，其特征在于，所述硬掩模膜层为氧化硅、氮化硅或者氮化钽。
4.根据权利要求2所述的一种磁性隧道结接触电极的形成方法，其特征在于，所述第三电介质层是氮化硅或者氧化硅。
5.根据权利要求2所述的一种磁性隧道结接触电极的形成方法，其特征在于，所述刻蚀阻止层为碳氮化硅或者氮化硅，所述刻蚀阻止层的厚度为10nm～30nm。
6.根据权利要求2所述的一种磁性隧道结接触电极的形成方法，其特征在于，所述第四电介质层为氧化硅，所述第四电介质层的厚度为200nm～300nm。
7.根据权利要求2所述的一种磁性隧道结接触电极的形成方法，其特征在于，所述扩散终止层选用氮化钽或者氮化钛。
8.根据权利要求2所述的一种磁性隧道结接触电极的形成方法，其特征在于，所述扩散终止层的厚度为0.5nm～2nm，采用原子束沉积形成所述扩散终止层。
9.根据权利要求2所述的一种磁性隧道结接触电极的形成方法，其特征在于，使用光刻胶、电介质抗反射层和碳膜层的三层结构实现对所述顶电极连接孔的图形化定义。
10.根据权利要求2所述的一种磁性隧道结接触电极的形成方法，其特征在于，选用主要成分为CF4、CHF3或者CH2F2的气体对所述刻蚀阻止层进行刻蚀，并停止在所述接触电极膜层上，最终形成顶电极连接孔。
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