一种磁性随机存储器单元阵列及周边电路连线的制造方法技术

本发明专利技术提供了一种磁性随机存储器单元阵列及周边电路连线的制造方法，提供在两层金属之间进行磁性随机存储器件及其周围逻辑电路的制作工艺和对准方式。在存储区域，采用在金属连线上依次制作底电极通孔、底电极接触、磁性隧道结结构单元和顶电极通孔，并依次对齐；在逻辑电路区域，则采用顶电极通孔和底电极接触直接相连接的方式实现，顶电极通孔、底电极接触、底电极通孔依次对齐；最后，在顶电极通孔上制作一层金属连线以实现磁性随机存储器逻辑区域和存储区域之间的连接。由于在磁性隧道结单元阵列下面，增加了一层底电极接触，有效的隔断了CMOS后段铜和磁性隧道结阵列底部的直接连接，有利于器件电学性能和良率的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种磁性随机存储器单元阵列及周边电路连线的制造方法
本专利技术涉及一种磁性随机存储器(MRAM)单元阵列及周边电路连线的制造方法，属于磁性随机存储器(MRAM，MagneticRadomAccessMemory)制造

技术介绍
近年来，采用磁性隧道结(MTJ，MagneticTunnelJunction)的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，SpinTransferTorque)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、高精确度、高可靠性、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，为了实现MRAM电路缩微化的要求，通常在表面抛光的CMOS通孔(VIAx(x>＝1))上直接制作MTJ单元，即：所谓的on-axis结构。在采用铜制程的CMOS电路中，所有通孔(VIA)和连线(M，Metal)所采用的材料都是金属铜。然而，由于MTJ结构单元的尺寸要比VIAx(x>＝1)顶部开口尺寸小，在刻蚀磁性隧道结及其底电极的时候，为了使MTJ单元之间完全隔断，必须进行过刻蚀，在过刻蚀中，没有被磁性隧道结及其底电极覆盖的铜VIAx(x>＝1)的区域将会被部分刻蚀，同时也会损伤其扩散阻挡层(Ta/TaN)，这样将会形成铜VIAx(x>＝1)到其外面的low-k电介质的扩散通道，Cu原子将会扩散到low-k电介质中，这势必会对磁性随机存储器的电学性能，比如：时间相关介质击穿(TDDB，TimeDependentDielectricBreakdown)和电子迁移率(EM，ElectronMobility)等，造成损伤。另外，在磁性隧道结及其底电极过刻蚀过程中，由于离子轰击(IonBombardment)，将会把铜原子及其形成化合物溅射到磁性隧道结的侧壁和被刻蚀的low-k材料的表面，从而对整个MRAM器件造成污染和电短路。
技术实现思路
本专利技术的一种磁性随机存储器单元阵列及周边电路连线的制造方法，提供在两层金属之间进行磁性随机存储器件及其周围逻辑电路的制作工艺和对准方式。在存储区域，采用在金属连线(Mx(x>＝1))上，依次制作底电极通孔(BEV，BottomElectrodeVia)、底电极接触(BEC，BottomElectrodeContact)、磁性隧道结结构单元(MTJ)和顶电极通孔(TEV，TopElectrodeVia)；BEV、BEC、MTJ和TEV依次对齐；在逻辑电路区域，则采用顶电极通孔(TEV)和底电极接触(BEC)直接相连接的方式实现，BEV、BEC和TEV依次对齐；最后，在顶电极通孔(TEV)上制作一层金属连线(Mx+1(x>＝1))以实现磁性随机存储器逻辑区域和存储区域之间的连接。本专利技术包括但不只限于制备磁性随机存储器(MRAM)，也不限于任何工艺顺序或流程，只要制备得到的产品或装置与以下优选工艺顺序或流程制备得到的相同或相似方法，其具体技术方案如下：一种磁性随机存储器单元阵列及周边电路连线的制造方法，包括如下步骤：步骤1：提供表面抛光的带金属连线的CMOS基底，并在基底上制作底电极通孔，然后在底电极通孔中填充金属；步骤2：在底电极通孔上制作底电极接触；步骤3：在底电极接触上制作磁性隧道结结构单元；步骤4：在磁性隧道结结构单元上制作顶电极通孔和实现逻辑单元/存储单元相连接的金属连线。进一步地，步骤2包括如下细分步骤：步骤2.1：沉积底电极接触金属；底电极接触金属选自Ta、TaN、Ti、TiN、W或WN之中的一种；底电极接触金属沉积的厚度为20nm～80nm；采用化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、或离子束沉积之中的一种方式实现底电极接触金属的沉积；步骤2.2：图形化定义底电极接触图案使之与底电极通孔对齐，刻蚀底电极接触金属形成底电极接触，刻蚀之后除去残留的杂质；刻蚀采用反应离子刻蚀或离子束刻蚀工艺实现；步骤2.3：在刻蚀形成的空隙中填充底电极接触电介质，平坦化底电极接触电介质顶部直到与底电极接触的顶部齐平；底电极接触电介质为SiO2、SiON或低介电常数电介质，低介电常数电介质是指介电常数低于SiO2的材料。进一步地，步骤3中磁性隧道结结构单元包括磁性隧道结多层膜和硬掩模。优选地，在磁性隧道结多层膜下沉积一层种子层或刻蚀阻挡层。进一步地，步骤4中采用两次单镶嵌或者一次双镶嵌工艺实现金属连线的制作。本专利技术的有益效果：由于在磁性隧道结单元阵列下面，增加了一层底电极接触(BEC)，有效的隔断了CMOS后段铜和磁性隧道结阵列底部的直接连接，有利于器件电学性能和良率的提升。附图说明附图是根据本专利技术优选实施例的一种磁性随机存器单元阵列及周边电路连线的制造方法的各个步骤的示意图。其中：图1(a)至图1(c)是制作底电极通孔填充的步骤示意图；图2(a)至图2(b)是制作底电极接触的步骤示意图；图3(a)至图3(c)是制作磁性隧道结结构单元的步骤示意图；图4(a)至图4(d)是两次单镶嵌工艺制作金属连线的步骤示意图；图5是一次双镶嵌工艺制作金属连线的步骤示意图；其中，图4(d)和图5中两条虚曲线说明左右两部分实际上相隔甚远，只是为了方便展示，图中才把左右两部分画在一起；其他各图中，左右两部分实际上也是相隔的，为了使图简洁，两条虚曲线未标出。附图标记说明：100-表面抛光的带金属连线(Mx(x>＝1))的CMOS基底；201-底电极通孔(BEV)扩散阻挡层；202-底电极通孔(BEV)电介质；203-底电极通孔(BEV)；204-底电极通孔(BEV)填充扩散阻挡层；205-底电极通孔(BEV)填充；301-底电极接触(BEC)金属层；302-底电极接触(BEC)；303-底电极接触(BEC)电介质；401-包括种子层的磁性隧道结(MTJ)多层膜；402-顶硬掩模；403-电介质覆盖层；501-顶电极通孔(TE本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性随机存储器单元阵列及周边电路连线的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：提供表面抛光的带金属连线的CMOS基底，并在所述基底上制作底电极通孔，然后在所述底电极通孔中填充金属；步骤2：在所述底电极通孔上制作底电极接触；步骤3：在所述底电极接触上制作磁性隧道结结构单元；步骤4：在所述磁性隧道结结构单元上制作顶电极通孔和实现逻辑单元/存储单元相连接的金属连线。

【技术特征摘要】
1.一种磁性随机存储器单元阵列及周边电路连线的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：提供表面抛光的带金属连线的CMOS基底，并在所述基底上制作底电极通孔，然后在所述底电极通孔中填充金属；步骤2：在所述底电极通孔上制作底电极接触；步骤3：在所述底电极接触上制作磁性隧道结结构单元；步骤4：在所述磁性隧道结结构单元上制作顶电极通孔和实现逻辑单元/存储单元相连接的金属连线。2.根据权利要求1所述的一种磁性随机存储器单元阵列及周边电路连线的制造方法，其特征在于，所述步骤2包括如下细分步骤：步骤2.1：沉积底电极接触金属；步骤2.2：图形化定义底电极接触图案使之与所述底电极通孔对齐，刻蚀所述底电极接触金属形成所述底电极接触，刻蚀之后除去残留的杂质；步骤2.3：在刻蚀形成的空隙中填充底电极接触电介质，平坦化所述底电极接触电介质顶部直到与所述底电极接触的顶部齐平。3.根据权利要求2所述的一种磁性随机存储器单元阵列及周边电路连线的制造方法，其特征在于，所述底电极接触金属选自Ta、TaN、Ti、TiN、W或WN之中的一种。4.根据权利要求2所述的一种磁性随机存储器单元阵列及周边电路连线的制造方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖荣福，郭一民，陈峻，张云森，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31