[發明專利]一種磁性隨機存儲器頂電極連接孔的形成方法

有效

• 申請號: 201610370683.9
• 申請日: 2016-05-30
• 公開（公告）號: CN107452764B
• 公開（公告）日: 2019-08-13
• 發明（設計）人: 張云森;肖榮福
• 申請（專利權）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: H01L27/22
• 分類號: H01L27/22;H01L43/08;H01L43/12
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務所(普通合伙) 31287
• 代理人: 于曉菁

本發明提供了一種磁性隨機存儲器頂電極連接孔的形成方法，步驟如下：S1.提供包括底電極、第一電介質層、MTJ結構單元、鉭頂電極和第二電介質層的襯底；S2.在襯底上依次形成氮化硅膜層、頂電極連接孔刻蝕阻擋層和第三電介質層；S3.圖形化轉移頂電極連接孔圖案到第三電介質層；S4.刻蝕第三電介質層，并去掉在圖形化轉移中殘留的有機物，使圖案轉移到刻蝕阻擋層；S5.對刻蝕阻擋層進行刻蝕；S6.刻蝕氮化硅層；S7.去掉殘留的有機物；S8.在頂電極連接孔內壁形成擴散阻止層；S9.采用銅或者鎢填充頂電極連接孔，并采用CMP磨平填充物。本發明有效地降低了磁性隨機存儲器電路頂電極連接孔和MTJ單元短路的風險。

技術領域

本發明涉及一種磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)頂電極連接孔(TEV，Top Electrode Via)的形成方法，屬于集成電路制造技術領域。

背景技術

近年來，采用磁性隧道結(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的磁電阻效應的磁性隨機存儲器(MRAM)被人們認為是未來的固態非易失性記憶體，它具有高速讀寫、大容量以及低能耗的特點。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壘層；磁性參考層，位于隧道勢壘層的另一側，它的磁化方向不變。

為能在這種磁電阻元件中記錄信息，建議使用基于自旋動量轉移或稱自旋轉移矩(STT，Spin Transfer Torque)轉換技術的寫方法，這樣的MRAM稱為STT-MRAM。根據磁極化方向的不同，STT-MRAM又分為面內STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。依此方法，即可通過向磁電阻元件提供自旋極化電流來反轉磁性記憶層的磁化強度方向。此外，隨著磁性記憶層的體積的縮減，寫或轉換操作需注入的自旋極化電流也越小。因此，這種寫方法可同時實現器件微型化和降低電流。

同時，鑒于減小MTJ元件尺寸時所需的切換電流也會減小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的與最先進的技術節點相契合。因此，期望是將pSTT-MRAM元件做成極小尺寸，并具有非常好的均勻性，以及把對MTJ磁性的影響減至最小，所采用的制備方法還可實現高良莠率、高精確讀、高可靠寫、低能耗，以及保持適于數據良好保存的溫度系數。同時，非易失性記憶體中寫操作是基于阻態變化，從而需要控制由此引起的對MTJ記憶器件壽命的破壞與縮短。

然而，制備一個小型MTJ元件可能會增加MTJ電阻的波動，使得pSTT-MRAM的寫電壓或電流也會隨之有較大的波動，這樣會損傷MRAM的性能。在現在的MRAM制造工藝中，重金屬(比如Ta)會沉積在MTJ的頂部，作為頂電極導電通道，直接和頂電極連接孔(TEV)連接；電介質氧化硅會填充MTJ結構單元之間的空隙部分，以防止MRAM回路的短路。

在現有的技術條件下，一般采用頂電極連接孔(TEV)實現頂電極和位線的連接。為了降低回路的電阻，通常會把TEV的橫截面做的很大，然而在制備TEV的過程中一般采用碳氟氣體(比如C₄F₈、CF₄、CHF₃和CH₂F₂等)來進行刻蝕，這種氣體很容易刻蝕或者損傷填充在MTJ和Ta頂電極周圍的電介質，從而增加了MTJ到頂電極連接孔之間漏電的風險。

發明內容

本發明提供一種磁性隨機存儲器頂電極連接孔(TEV)的形成方法，選用SiN作為頂電極連接孔(TEV)底部層電介質材料，并采用CH₃F/O₂等氣體對其進行刻蝕，使得頂電極底部層(SiN)對填充在MTJ和鉭(Ta)頂電極周圍的電介質層(SiO₂)的刻蝕選擇比高達20以上，并且形成了更傾斜的TEV底部側壁，從而有效的降低了MRAM電路頂電極連接孔和MTJ單元短路的風險。具體步驟如下：