[发明专利]一种磁性隧道结接触电极及其形成方法

说明书

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。

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：