磁隧道结接触电阻测量结构及测量方法技术

本发明专利技术提供了一种磁隧道结接触电阻测量结构及测量方法，测量结构包括至少一个结构单元和电极组，结构单元包括一个第一金属层块和两个第二金属层块，两个第二金属层块分别通过通孔填充塞与第一金属层块连接；电极组为包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极位于测量结构的首端与末端，且第一电极和第二电极都通过通孔填充塞阵列与所述第二金属层块连接。测量方法包括采用前述测量结构，通过探针接触第一电极和第二电极，并输入电流，测量电压；根据数据结果，采用接触电阻计算公式计算得到接触电阻。本发明专利技术实现了接触电阻的精确测量，可以在磁隧道结顶端和底端淀积保护层后，进行接触电阻值测量，监控MRAM中磁隧道结通孔填充塞工艺的质量。填充塞工艺的质量。填充塞工艺的质量。

【技术实现步骤摘要】
磁隧道结接触电阻测量结构及测量方法


[0001]本专利技术涉及MRAM存储器自旋电子器件
，特别涉及一种磁隧道结接触电阻测量结构及测量方法。

技术介绍

[0002]磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive Random Access Memory；MRAM)具有低功耗、高速度、防辐射等优点，在新兴存储技术中极具优势。格罗方德、三星、台积电等国际晶圆代工厂积极开展嵌入式MRAM生产和研发，杭州驰拓、上海磁宇、中芯国际等国内企业也在积极开展相关研发工作。MRAM的基本存储单元为磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction：MTJ)。磁隧道结的核心单元通常包含三层结构自由层、参考层和隧穿层。这些层的厚度极薄，通常为埃米量级。自由层和参考层一般由磁性材料组成，隧穿层一般由氧化物组成。MRAM利用自由层和参考层的磁矩方向进行信息存储。自由层和参考层磁矩方形相同时，磁隧道结的隧穿电阻为低阻；当自由层和参考层磁矩方形反平行时，磁隧道结的隧穿电阻为高阻；MRAM的读取电路通过读取隧穿电阻的大小判断数据状态为“0”或“1”。自由层的磁矩方形可以由外加电流进行改变，因此可以通过写入电流改写存储单元的数据状态为“0”或“1”。
[0003]磁隧道结的磁电阻(Magnetoresistance：MR)一般定义为自由层和参考层反平行与平行时隧穿电阻的差值和平行时隧穿电阻值的比值。磁电阻值越大，MRAM读取电路设计越简单。在MRAM制备工艺中，磁隧道结的顶端和低端一般通过通孔填充塞进行互连，因此在进行磁隧道结的磁电阻读取时，不可避免引入顶端和低端的通孔填充塞处的接触电阻。接触电阻较大时，会使读取的磁电阻值小于磁隧道结的真实阻值，而且当每个存储单元的接触电阻值相差较大时，会造成对应每个单元读取的隧道结的磁电阻值不同，进一步增加MRAM读取电路设计难度。因此，磁隧道结的顶端和底部通孔填充塞互连处接触电阻测量至关重要。
[0004]金属半导体接触电阻的测量方法有很多，最常用的是基于传输线模型包含矩形传输线模型、圆点传输线模型和环形传输线模型。在半导体器件制备工艺中，许多器件都加入了接触电阻监测单元，监测一般在工艺进行中进行，比如对某金属层和其互连通孔填充塞，通过预留的测试单元进行检测。但是对于MRAM制备工艺，不能采用此类检测方法及检测单元。原因是如前所述，MRAM的存储单元磁隧道结的核心结构中含有厚度为埃米量级的磁性材料和氧化物隧穿层，这些层次极容易与水氧和二氧化碳等气体反应，因此在制备过程中通常磁性隧道结在图形化工艺结束后会在机台中的真空环境下原位进行淀积工艺，通常是淀积氮化物，以保护磁隧道结性能不受外部环境影响。因为这步独特的工艺，磁性隧道结的顶端和底端不能在图形化后转移到测试机台进行常规的接触电阻测量。另一方面，即使将常规接触电阻测量单元设计为器件制备完成后进行测试的结构，由于磁性隧道结的磁电阻相比于常规半导体工艺中采用的金属的电阻的阻值较大，必须采用专用设计以达到测量目的。
[0005]现有的半导体制备工艺中的接触电阻测量结构，不适用于磁隧道结的接触电阻测量。主要原因是常规的接触电阻测量结构，对测试环境没有要求，被测金属层可以在空气中进行，可在工艺过程中转移至测量机台进行测试。然而，磁隧道结其核心结构含有极薄磁性材料，容易受空气环境影响，必须在工艺中进行原位保护，不能在工艺过程中转移至常规接触电阻测量机台进行测量，因此常规设计的接触电阻结构对其不适用。并且磁隧道结的磁电阻与半导体工艺中常规的金属的电阻的阻值有很大不同，需根据其阻值设计特定结构和尺寸以确保测量接触电阻的准确性。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种磁隧道结接触电阻测量结构，包括至少一个结构单元和电极组，其中，
[0007]所述结构单元包括一个第一金属层块和两个第二金属层块，两个所述第二金属层块分别通过通孔填充塞与第一金属层块连接；
[0008]所述电极组为包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极位于测量结构的首端与末端，且第一电极和第二电极都通过通孔填充塞阵列与所述第二金属层块连接。
[0009]可选的，所述通孔填充塞的接触电阻测量方式如下：
[0010]通过探针接触第一电极和第二电极，并输入电流，测量电压；
[0011]所述接触电阻采用以下公式计算：
[0012][0013]上式中，R
C
表示通孔填充塞的接触电阻；U表示测量到的电压；I表示测量时输入的电流；N表示结构单元的数量；R1表示第一金属层块的电阻；R2表示第二金属层块的电阻。
[0014]可选的，所述结构单元为多个且采用依次串联方式连接。
[0015]可选的，所述第一金属层块和第二金属层块其中之一为磁隧道结，另一为常规半导体工艺金属层。
[0016]可选的，所述磁隧道结为包括磁性层和非磁性层的膜堆叠层，所述磁隧道结的图形长宽比需大于等于1。
[0017]可选的，所述通孔填充塞阵列为由i
×
j个通孔填充塞排列形成的阵列。
[0018]可选的，若第二金属层块为磁隧道结，第一金属层块为常规半导体工艺金属层，则所述第一金属层块的电阻值采用以下算法得到：
[0019][0020]上式中，R1表示第一金属层块的电阻值；R
S
表示方阻值；L表示图形的长度；W表示图形的宽度；
[0021]所述第二金属层块的电阻值采用以下算法得到：
[0022][0023]上式中，R2表示第二金属层块的电阻值；R
A
表示磁隧道结电阻面积值；S表示图形面
积。
[0024]可选的，所述常规半导体工艺金属层包含多层金属和非金属叠层。
[0025]本专利技术还提供了一种磁隧道结接触电阻测量方法，采用上述磁隧道结接触电阻测量结构，通过探针接触第一电极和第二电极，并输入电流，测量电压；
[0026]所述接触电阻采用以下公式计算：
[0027][0028]上式中，R
C
表示通孔填充塞的接触电阻；U表示测量到的电压；I表示测量时输入的电流；N表示结构单元的数量；R1表示第一金属层块的电阻；R2表示第二金属层块的电阻。
[0029]可选的，所述方法包括分别对包括不同数量结构单元的测量结构进行测量，通过对每次测量计算得到的接触电阻相互比较进行互连工艺稳定性评价，若各次接触电阻的最大差值小于偏差阈值，则表示互连工艺稳定性符合要求。
[0030]本专利技术提出一种针对磁隧道结的接触电阻测量结构，包括至少一个结构单元和电极组，包含的通孔填充塞数量为2N，其中N表示结构单元的数量；测量时，采用探针接触第一电极和第二电极，给电极输入电源后，即其中一端(如第一电极)接电源，另一端(如第二电极)接地，即会形成电流循环，此时测量电压；根据连接关系以及电流和电压，即可通过计算得到单个通孔填充塞的接触电阻，从而实现了接触电阻的精确测量。可以在磁隧道结顶端和底端淀积保护层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁隧道结接触电阻测量结构，其特征在于，包括至少一个结构单元和电极组，其中，所述结构单元包括一个第一金属层块和两个第二金属层块，两个所述第二金属层块分别通过通孔填充塞与第一金属层块连接；所述电极组为包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极位于测量结构的首端与末端，且第一电极和第二电极都通过通孔填充塞阵列与所述第二金属层块连接。2.根据权利要求1所述的磁隧道结接触电阻测量结构，其特征在于，所述通孔填充塞的接触电阻测量方式如下：通过探针接触第一电极和第二电极，并输入电流，测量电压；所述接触电阻采用以下公式计算：上式中，R
C
表示通孔填充塞的接触电阻；U表示测量到的电压；I表示测量时输入的电流；N表示结构单元的数量；R1表示第一金属层块的电阻；R2表示第二金属层块的电阻。3.根据权利要求1所述的磁隧道结接触电阻测量结构，其特征在于，所述结构单元为多个且采用依次串联方式连接。4.根据权利要求1所述的磁隧道结接触电阻测量结构，其特征在于，所述第一金属层块和第二金属层块其中之一为磁隧道结，另一为常规半导体工艺金属层。5.根据权利要求4所述的磁隧道结接触电阻测量结构，其特征在于，所述磁隧道结为包括磁性层和非磁性层的膜堆叠层，所述磁隧道结的图形长宽比需大于等于1。6.根据权利要求1所述的磁隧道结接触电阻测量结构，其特征在于，所述通孔填充塞阵列为由i
×
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈文静，刘宏喜，曹凯华，王戈飞，
申请(专利权)人：北京超弦存储器研究院，
类型：发明
国别省市：