[发明专利]一种磁性隧道结顶电极连接孔的形成方法

说明书

本发明提供了一种磁性隧道结顶电极连接孔的形成方法，步骤如下：S1.提供包括底电极、第一电介质层、MTJ结构单元，钽顶电极的衬底；步骤S2.采用氮化硅填充衬底剩余部分；S3.磨平氮化硅直到钽顶电极；S4.沉积氧化硅膜层、顶电极连接孔刻蚀阻挡层和第二电介质层；S5.图形化转移顶电极连接孔图案到第二电介质层；S6.刻蚀所述第二电介质层，并去掉在图形化转移过程中残留的有机物，使图案转移到所述刻蚀阻挡层；S7.对刻蚀阻挡层进行刻蚀；S8.刻蚀氧化硅层；S9.去掉残留的有机物；S10.在顶电极连接孔内壁形成扩散阻止层；S11.采用铜填充顶电极连接孔，并采用化学机械抛光的方法磨平填充物。

技术领域

本发明涉及一种磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的制备方法，特别涉及一种磁性隧道结顶电极连接孔(TEV，Top Electrode Via)的形成方法，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)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，一般采用顶电极连接孔(TEV)实现顶电极和位线的连接。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Ta顶电极周围的氧化硅电介质，从而增加了MTJ到顶电极连接孔之间漏电的风险。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种磁性隧道结顶电极连接孔(TEV)的形成方法，选用SiN为MTJ和钽(Ta)顶电极周围的填充电介质，并同时选用SiO₂作为顶电极连接孔(TEV)底部层电介质材料，采用C₄F₈/CO、C₄F₆/CO、C₄F₈/O₂或者C₄F₆/O₂等气体对其选择性进行刻蚀。