[发明专利]含MTJ器件的多层底部电极

说明书

提供了一种用于包含磁性隧道结(MTJ)的器件的多层底部电极，该多层底部电极从下到上包括具有第一直径并且由第一底部含电极金属层的剩余部分构成的基段，具有第二直径并且由第二底部含电极金属层的剩余部分构成的中段，具有第三直径并且由第三底部含电极金属层的剩余部分构成的上段，其中，第一直径大于第二直径，第三直径等于或小于第二直径。每个多层底部电极的较宽基段防止所得底部电极的倾斜和/或弯曲。由此提供稳定的底部电极。

技术领域

本申请涉及一种存储器结构及其形成方法。更具体地，本申请涉及一种具有稳定的多层底部电极的磁阻随机存取存储器(MRAM)结构，在一些实施例中，该稳定的多层底部电极具有高纵横比。

背景技术

MRAM是一种非易失性随机存取存储器技术，其中数据由磁性存储元件存储。这些元件通常由两个铁磁板形成，每个铁磁板都可以保持磁化，由薄介电层(即隧道势垒)隔开。两个板中的一个是设置为特定极性的永磁体(即磁性参考层)；另一个板的磁化可以改变以匹配外部场的磁化以存储内存(即磁性自由层)。这种配置被称为磁隧道结(MTJ)柱。在前沿或神经形态计算系统中，在前缘或神经元形态计算系统中，MTJ柱通常嵌入在后段制程(BEOL)结构内。

在MRAM器件的制造中，MTJ柱材料(即磁性参考材料、隧道势垒、无磁性材料和MTJ覆盖材料)的覆盖层和顶部电极材料形成在MRAM器件的底部电极上。然后通过光刻和蚀刻对覆盖层进行图案化，以提供多层MTJ柱(包括磁性参考材料、隧道势垒、无磁性材料和MTJ覆盖材料的剩余部分)的材料堆叠和位于底部电极上的顶部电极。

小底部电极是产生没有侧壁残留物的MTJ柱的关键。理想情况下，底部电极与MTJ柱很好地对准，并且比MTJ柱小，使得底部电极完全位于MTJ柱下方。底部电极还需要具有相当大的高度，使得存在足够的电介质厚度以允许对MTJ材料堆叠进行过蚀刻和对MTJ柱侧壁进行清洁而不会到达下方金属层。对于大幅缩放的MTJ柱来说，这会导致高纵横比的底部电极特征(即大于2比1的高度直径比)。随着临界尺寸(CD)接近20nm，MTJ柱的稳定性受到损害，并且观察到底部电极的倾斜和/或弯曲。

需要提供一种用于在包含MTJ柱的MRAM器件中使用的底部电极，其中，底部电极是稳定的(即观察到很少或没有观察到倾斜和/或弯曲)。

发明内容

提供了一种用于包含磁性隧道结(MTJ)的器件的多层底部电极，多层底部电极包括具有第一直径并且由第一导电材料构成的基段、具有第二直径并且由成分与第一导电材料不同的第二导电材料构成的中段、以及具有第三直径并且由成分与第二导电材料不同的第三导电材料构成的上段，其中，第一直径大于第二直径，第三直径等于或小于第二直径。每个多层底部电极的较宽基段防止所得底部电极的倾斜和/或弯曲。由此，提供了稳定的底部电极。

在本申请的一个方面，提供了一种存储器结构。在一个实施例中，存储器结构包括嵌入第一互连电介质材料层中的导电结构的表面上的多层底部电极，其中多层底部电极包括具有第一直径并且由第一导电材料构成的锥形基段、具有第二直径并且由与第一导电材料成分不同的第二导电材料构成的中段，以及具有第三直径并且由与第二导电材料成分不同的第三导电材料构成的上段，其中，第一直径大于第二直径，第三直径等于或小于第二直径。第二互连电介质材料层位于与多层底部电极横向邻接的位置。磁性隧道结(MTJ)柱位于多层底部电极的上段的最高表面上，顶部电极位于MTJ柱上。

在另一实施例中，存储器结构包括位于嵌入第一互连电介质材料层中的导电结构的表面上的多层底部电极，其中多层底部电极包括：具有第一直径并且由第一导电材料构成的基段，具有第二直径并且由与第一导电材料成分不同的第二导电材料构成的中段，以及具有第三直径并且由成分与第一导电材料和第二导电材料均不同的第三导电材料构成的上段，其中第一直径大于第二直径，第三直径小于第一直径和第二直径两者。第二互连电介质材料层位于与多层底部电极横向邻接的位置。磁性隧道结(MTJ)柱位于多层底部电极的上段的最高表面上，顶部电极位于MTJ柱上。