CN107546321B - 一种磁性随机存储器顶电极及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，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、磁性隧道结单元、钽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顶电极连接孔刻蚀阻挡层和第三电介质层；步骤S3：刻蚀形成顶电极连接孔；步骤S4：在顶电极连接孔内壁和第三电介质表面形成扩散阻止层；步骤S5：采用钨、铝或者钌填充顶电极连接孔，并在顶电极连接孔和第三电介质之上形成顶电极导电层；步骤S6：图形化定义顶电极图案；步骤S7：对顶电极导电层进行刻蚀，直到相邻记忆单元之间的顶电极导电层被全部刻蚀掉并部分刻蚀第三电介质层；步骤S8：采用灰化工艺除去残留的有机物。本发明提供的形成方法，只需要一次沉积，降低了工艺的复杂程度和生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域，尤其涉及一种磁性随机存储器(MagneticRandom Access Memory，MRAM)顶电极及其形成方法。
背景技术
近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁电阻效应的磁性随机存储器(MRAM)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通常是由铁磁层/绝缘层/铁磁层这种三明治结构组成；前面一层铁磁层是磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；中间的绝缘层是位于中间的隧道势垒层；后面一层铁磁层是磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。
为了能在这种磁电阻元件中记录信息，使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)转换技术的写入方法，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，这种写入方法可同时实现器件微型化和降低电流。
鉴于减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，在尺度方面pSTT-MRAM可以很好地与最先进的技术节点相契合。因此，期望将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组态变化，从而需要控制由此引起的对MTJ记忆器寿命的破坏与缩短。
在现在的MRAM制造工艺中，钽会沉积在磁性隧道结的顶部，作为顶电极的导电通道，紧接着会在钽电极上制作一个顶电极连接孔(Top Electrode Via,TEV)，最后会在顶电极连接孔之上制作顶电极。专利CN102412129A公开了一种制作存储器的存储单元中顶电极的方法，该方法包括：提供一在第一绝缘层中的底电极，在第一绝缘层和该底电极上沉积介质层；在介质层上沉积第二绝缘层后，在第二绝缘层上形成金属层；采用光刻工艺和刻蚀工艺对金属层和第二绝缘层进行刻蚀，在金属层和第二绝缘层中形成连接孔；采用等离子体干法对金属层表面及连接孔底层表面进行预清理后，在金属层表面及连接孔内沉积顶电极材料，填充满连接孔；对顶电极材料抛光至第二绝缘层，所述抛光过程中抛光掉第二绝缘层表面上的金属层，形成顶电极。在该方法中采用铝、铜或钨作为顶电极连接孔的填充材料，并且分了两次沉积形成顶电极连接孔的填充材料和顶电极的导电材料。
为了避免两次沉积，还可以采用“双镶嵌工艺”，专利CN1983552A公开了一种应用三层阻抗的部分连接孔优先(partial–via–first)，但这无疑增加了工艺的复杂程度和生产成本。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于：提供一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，选用钨、铝或钌作为顶电极连接孔(TEV)的填充材料和顶电极的导电材料，顶电极连接孔(TEV)的填充材料和顶电极的导电材料只需要一次沉积，又避免采用“双镶嵌工艺”，降低了工艺的复杂程度和生产成本。
本发明的还一个目的在于提供一种按照如上所述磁性随机存储器顶电极的形成方法形成的顶电极。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一个方面是提供一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，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、磁性隧道结单元、钽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顶电极连接孔刻蚀阻挡层和第三电介质层；
步骤S3：刻蚀形成顶电极连接孔；
步骤S4：在顶电极连接孔内壁和第三电介质表面形成扩散阻止层；
步骤S5：采用钨、铝或者钌填充顶电极连接孔，并在顶电极连接孔和第三电介质之上形成顶电极导电层；
步骤S6：图形化定义顶电极图案；
步骤S7：对顶电极导电层进行刻蚀，直到相邻记忆单元之间的顶电极导电层被全部刻蚀掉并部分刻蚀第三电介质层；
步骤S8：采用灰化工艺除去残留的有机物。
进一步优选地，所述步骤S2中，顶电极连接孔刻蚀阻挡层为SiN或SiCN，厚度为20-40nm；第三电介质层为SiO2，厚度为150-300nm。
作为优选，所述步骤S3中，本发明以碳膜、抗反射层和光刻胶(Photo Resist，PR)来定义顶电极连接孔的图案。曝光完成后，用例如CF4的干刻蚀所述抗反射层，使用例如N2/H2或者SO2/O2对碳膜进行刻蚀，使得顶电极连接孔图案图形化转移到第三电介质顶部；采用C4F8或者C4F6等气体刻蚀所述第三电介质层，并用例如O2去掉在图形化转移中残留的有机物，使图案转移到所述刻蚀阻挡层，采用例如CH2F2/CF4或者CH2F2/CHF3对刻蚀阻挡层进行刻蚀，最后用例如N2/H2或者O2灰化工艺去掉残留的有机物，以获得制备良好的顶电极连接孔。
进一步优选地，所述步骤S4中，所述扩散阻止层为Ti/TiN或者Ta/TaN，厚度为0.5-2nm，一般采用原子束沉积。
进一步优选地，所述步骤S5中，所述顶电极导电层的厚度为200-1000nm；钨填充和钨顶电极导电层可以使用钨靶，通过物理溅射或离子束的方式实现，或者使用化学气相沉积，所选气体为WF6/H2或者WF6/SiH4；铝填充和铝顶电极导电层含有约0.5％-1.0％的铜以减小小丘、空洞和电迁移等，一般采用溅射沉积的方式实现；钌填充和钌顶电极导电层可以使用钌靶，通过物理溅射或离子束的方式实现。
进一步优选地，所述步骤S6中，可以采用三种方案：第一种方案是采用TiN和光刻胶来定义顶电极图案；第二种方案是直接采用光刻胶来定义顶电极图案；第三种方案是采用底部抗反射层(BARC，Bottom Anti-Reflective Coating)和光刻胶来定义顶电极图案。其中，TiN起到抗反射层的作用，其优选厚度为10-50nm，BARC的厚度为20nm-100nm，光刻胶层厚度为500-2000nm。曝光完成后，如果采用第一种方案，采用SF6、CF4、BCl3或者Cl2对TiN进行刻蚀，使图案转移到顶电极导电层顶部。如果采用第三种方案，采用Cl2/O2，CF4或者HBr/O2等对BARC进行刻蚀，使图案转移到顶电极导电层顶部。
进一步优选地，所述步骤S7中，如果顶电极导电层是钨，一般采用SF6或者CF4等气体对其进行刻蚀；如果顶电极导电层是铝，一般采用BCl3/Cl2等对其进行刻蚀；如果顶电极导电层是钌，一般采用Cl2/O2、CH3OH、CH3OH/Ar、CO/NH3或C2H5OH等对其进行刻蚀；最后用SF6或CF4等刻蚀TiN扩散阻止层并对第三电介质进行部分刻蚀。
进一步优选地，所述步骤S8中，灰化工艺采用的气体选自N2/H2、N2/O2、H2O、O2中的一种。
本发明的第二个方面是提供一种按照如上所述磁性随机存储器顶电极的形成方法形成的顶电极。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明提供一种磁性随机存储器顶电极及其形成方法，选用钨、铝或钌作为顶电极连接孔(TEV)的填充材料和顶电极的导电材料，顶电极连接孔(TEV)的填充材料和顶电极的导电材料只需要一次沉积，避免采用“双镶嵌工艺”，降低了工艺的复杂程度和生产成本。
附图说明
图1为本发明涉及的一种磁性随机存储器顶电极的形成方法的流程图；
图2～图23为根据本发明涉及的一种磁性随机存储器顶电极的形成方法各步骤形成的结构示意图；
其中：
图2为包括底电极、第一电介质层、磁性隧道结单元、钽电极和第二电介质层的衬底的剖面示意图；
图3为图2结构的顶视图；
图4为依次沉积刻蚀阻挡层和第三介质层后的剖面示意图；
图5为图4结构的顶视图；
图6为刻蚀形成顶电极连接孔后的剖面示意图；
图7为图6结构的顶视图；
图8为在顶电极连接孔的内壁和第三电介质层表面形成扩散阻止层后的剖面示意图；
图9为图8结构的顶视图；
图10为钨、铝或者钌填充顶电极连接孔，并在顶电极连接孔和第三电介质层之上形成顶电极导电层之后的剖面示意图；
图11为图10结构的顶视图；
图12为图形化定义顶电极之后的剖面示意图；
图13为图12结构的顶视图；
图14为另一种图形化定义顶电极之后的剖面示意图；
图15为图14结构的顶视图；
图16为针对图12结构的顶电极导电层进行刻蚀，直到部分第三电介质层被刻蚀之后的剖面示意图；
图17为图16结构的顶视图；
图18为针对图14结构的顶电极导电层进行刻蚀，直到部分第三电介质层被刻蚀之后的剖面示意图；
图19为图18结构的顶视图；
图20为图16结构灰化工艺除去有机物之后的剖面示意图；
图21为图20结构的顶视图；
图22为图18结构灰化工艺除去有机物之后的剖面示意图；
图23为图22结构的顶视图；
图中所示：
100-包括底电极、第一电介质层、磁性隧道结单元、钽电极和第二电介质层的衬底，101-底电极，102-第一电介质层，103-磁性隧道结单元，104-钽电极，105-第二电介质层，201-顶电极连接孔刻蚀阻挡层，202-第三电介质层，203-扩散阻止层，204-钨、铝或者钌顶电极导电层，205-TiN层，206-PR。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
如图1所示，本实施例提供一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，包括如下步骤：
步骤S1：提供表面抛光的包括底电极101、第一电介质层102、磁性隧道结单元103、钽电极104和第二电介质层105的衬底100，如图2和图3所示。
步骤S2：在衬底100上依次形成顶电极连接孔刻蚀阻挡层201和第三电介质层202，如图4和图5所示。
其中，顶电极连接孔刻蚀阻挡层201的厚度优选为20-40nm，可以是选自SiN或者SiCN；如果是SiN，可以采用以下一种或多种方法形成：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；如果是SiCN，一般可以采用化学气相沉积，其反应剂含Si、C、N和H；第三电介质层202为SiO2，其厚度为150-300nm，采用以下一种或多种方法形成：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S3：刻蚀形成顶电极连接孔，如图6和图7所示。
作为优选，本发明以碳膜、抗反射层和光刻胶(Photo Resist，PR)来定义顶电极连接孔的图案。曝光完成后，用例如CF4的干刻蚀抗反射层，使用例如N2/H2或者SO2/O2对碳膜进行刻蚀，使得顶电极连接孔图案图形化转移到第三电介质202顶部；采用C4F8或者C4F6等气体刻蚀第三电介质层202，并用例如O2去掉在图形化转移中残留的有机物，使图案转移到刻蚀阻挡层201，采用例如CH2F2/CF4或者CH2F2/CHF3对刻蚀阻挡层201进行刻蚀，最后用例如N2/H2或者O2灰化工艺去掉残留的有机物，以获得制备良好的顶电极连接孔。
步骤S4：在顶电极连接孔内壁和第三电介质202表面形成扩散阻止层203，如图8和图9所示；扩散阻止层203选用氮化钛Ti/TiN或者Ta/TaN，其厚度为0.5-2nm，一般采用原子束沉积。
步骤S5：采用钨、铝或者钌填充顶电极连接孔，并在顶电极连接孔和第三电介质202之上继续沉积相同材料形成顶电极导电层204，如图10和图11所示。
其中，顶电极导电层204的厚度为200-1000nm；钨填充和钨顶电极导电层可以使用钨靶，通过物理溅射或离子束的方式实现，或者使用化学气相沉积，所选气体为WF6/H2或者WF6/SiH4；铝填充和铝顶电极导电层含有约0.5％-1.0％的铜以减小小丘、空洞和电迁移等，一般采用溅射沉积的方式实现；钌填充和钌顶电极导电层可以使用钌靶，通过物理溅射或离子束的方式实现。
步骤S6：图形化定义顶电极图案。
作为优选地，可以采用三种方案：第一种方案是采用TiN层205和光刻胶206来定义顶电极图案，如图12和图13所示；第二种方案是直接采用光刻胶206来定义顶电极图案，如图14和图15所示；第三种方案是采用底部抗反射层(BARC，Bottom Anti-ReflectiveCoating)和光刻胶来定义顶电极图案(即把图12和图13中的TiN层205替换为BARC)。其中，TiN层205起到抗反射层的作用，其优选厚度为10-50nm，BARC的厚度为20nm-100nm，光刻胶层厚度为500-2000nm。曝光完成后，如果采用第一种方案，则采用SF6、CF4、BCl3或者Cl2对TiN进行刻蚀，使图案转移到顶电极导电层顶部。如果采用第三种方案，采用Cl2/O2，CF4或者HBr/O2等对BARC进行刻蚀，使图案转移到顶电极导电层顶部。
步骤S7：对顶电极导电层204进行刻蚀，直到相邻记忆单元之间的顶电极导电层204被全部刻蚀掉并部分刻蚀第三电介质层202(过刻蚀)，如图16至图19所示。
其中，如果顶电极导电层204是钨，一般采用SF6或者CF4等气体对其进行刻蚀；如果顶电极导电层204是铝，一般采用BCl3/Cl2等对其进行刻蚀；如果顶电极导电层204是钌，一般采用Cl2/O2、CH3OH、CH3OH/Ar、CO/NH3或C2H5OH等对其进行刻蚀；最后用SF6或CF4等刻蚀扩散阻止层203并对第三电介质202进行部分刻蚀。
步骤S8：采用灰化工艺除去残留的有机物，如图20至图23所示。
其中，灰化工艺采用的气体选自N2/H2、N2/O2、H2O、O2中的一种。
本发明提供一种磁性随机存储器顶电极及其形成方法，选用钨、铝或钌作为顶电极连接孔(TEV)的填充材料和顶电极的导电材料，顶电极连接孔(TEV)的填充材料和顶电极的导电材料只需要一次沉积，避免采用“双镶嵌工艺”，降低了工艺的复杂程度和生产成本。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，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、磁性隧道结单元、钽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顶电极连接孔刻蚀阻挡层和第三电介质层；
步骤S3：刻蚀形成顶电极连接孔；
步骤S4：在顶电极连接孔内壁和第三电介质表面形成扩散阻止层；
步骤S5：采用钨、铝或者钌填充顶电极连接孔，并在顶电极连接孔和第三电介质之上形成顶电极导电层；
步骤S6：图形化定义顶电极图案；
步骤S7：对顶电极导电层进行刻蚀，直到相邻记忆单元之间的顶电极导电层被全部刻蚀掉并部分刻蚀第三电介质层；
步骤S8：采用灰化工艺除去残留的有机物。
2.根据权利要求1所述的一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，其特征在于，所述步骤S2中，顶电极连接孔刻蚀阻挡层为SiN或SiCN，厚度为20-40nm；第三电介质层为SiO2，厚度为150-300nm。
3.根据权利要求1所述的一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述扩散阻止层为Ti/TiN或者Ta/TaN，厚度为0.5-2nm。
4.根据权利要求1所述的一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述顶电极导电层的厚度为200-1000nm。
5.根据权利要求1所述的一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，其特征在于，采用TiN和光刻胶来定义顶电极图案，或者采用光刻胶来定义顶电极图案，或者采用BARC和光刻胶来定义顶电极图案。
6.根据权利要求5所述的一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，其特征在于，TiN的厚度为10-50nm，BARC的厚度为20nm-100nm，光刻胶层的厚度为500-2000nm。
7.根据权利要求5所述的一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，其特征在于，当采用TiN和光刻胶来定义顶电极图案，在曝光完成后，采用SF6、CF4、BCl3或者Cl2对TiN进行刻蚀，使图案转移到顶电极导电层顶部；当采用BARC和光刻胶来定义顶电极图案，在曝光完成后，采用Cl2/O2，CF4或者HBr/O2对BARC进行刻蚀，使图案转移到顶电极导电层顶部。
8.根据权利要求1所述的一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，其特征在于，所述步骤S7中，采用SF6或者CF4对钨导电层其进行刻蚀；采用BCl3/Cl2对铝导电层进行刻蚀；采用Cl2/O2、CH3OH、CH3OH/Ar、CO/NH3或C2H5OH对钌导电层进行刻蚀。
9.根据权利要求1所述的一种磁性随机存储器顶电极的形成方法，其特征在于，所述步骤S8中，灰化工艺采用的气体选自N2/H2、N2/O2、H2O、O2中的一种。
10.如权利要求1-9任意一项所述的一种磁性随机存储器顶电极的形成方法形成的顶电极。
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