专利名称：一种存储器件及其的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种存储器件及其的形成方法。
背景技术：
磁随机存取存储器(MagnetoResistive Random Access Memory,MRAM)是固体存储器，其主要利用作为信息记录载体的磁性隧道结(MTJ)的磁化方向的改变，以达到写入和读出记录信息的效果。所述磁性隧道结内具有自身固定的磁性方向，当外界提供的电流流经所述磁性隧道结时，将磁化所述磁性隧道结，即在所述磁性隧道结内产生磁化方向。当磁化方向与固定的磁性方向相同时，所述磁性隧道结处于平行状态；当磁化方向与固定的磁性方向相反时，则所述磁性隧道结处于反平行状态。所述磁性隧道结的平行状态和反平行状态分别与二进制的1、0进行对应，以进行信息的记录。具体地，当磁性隧道结处于平行状态时，所述磁性 隧道结具有低阻值，这种状态是“O”状态。反之，当磁性隧道结处于反平行状态时，所述磁性隧道结具有高阻值，这种状态是“I”状态。更多地可以参考专利号为ZL200510069671. 4的专利文件中提供的一种磁随机存取存储器结构。一般地，半导体器件包括位于底层的晶体管区和用于对晶体管区的晶体管进行连接的互连结构区，所述互连结构区位于晶体管区的上方，且由多层金属层和介质层组成。其中，从最靠近晶体管区的金属层开始计算，依次为第一金属层、第二金属层、第三金属层、…。上述的磁性隧道结一般设置于互连结构区内，且通常位于第一层金属层和第二金属层之间的位置，或者第二金属层和第三金属层之间的位置。现有技术常通过增加存储器件内的磁性隧道结的密度，以提高存储器件的存储容量。但是因为所述磁性隧道结位于互连结构区内，所述磁性隧道结的尺寸大小将受到在所述磁性隧道结之前形成的金属层的尺寸制约，即所述磁性隧道结的尺寸不得小于与其相邻，且位于其前形成的金属层的尺寸的大小。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种存储器件及其形成方法，以避免存储器件中的磁性隧道结的尺寸被互连结构区的尺寸限制，进一步地，可以减小磁性隧道结的尺寸，以提高存储器件内的磁性隧道结的数目密度，提高存储器件的存储容量。为解决上述问题，本发明提供一种存储器件，包括晶体管区，所述晶体管区内形成有至少一层的晶体管；互连结构区，所述互连结构区位于晶体管区的上方，且与所述晶体管区电连接；位于所述互连结构区与晶体管区之间，还形成有磁性隧道结区。可选的，所述磁性隧道结区内的磁性隧道结一端与所述晶体管区电连接，一端与所述互连结构区电连接。可选的，所述磁性隧道结区通过底层连接结构与所述晶体管区电连接，所述底层连接结构包括介质层及位于所述介质层内的金属通孔。可选的，所述介质层近磁性隧道结区的表面与所述金属通孔近磁性隧道结区的表面高度齐平。可选的，所述金属通孔内形成有至少一层的金属层，其中，近磁性隧道结区的金属层的莫氏硬度系数小于钨的莫氏硬度系数。可选的，所述金属通孔内形成有至少一层的金属层，其中，近磁性隧道结区的金属层的莫氏硬度系数小于7. O。可选的，所述金属通孔内形成有至少一层金属层，其中，近磁性隧道结区的金属层为氮化钛、钛或者铜之一或组合。可选的，所述磁性隧道结区包括至少一层的磁性隧道结，所述磁性隧道结包括被 钉扎层及自由磁性层，及位于所述被钉扎层与自由磁性层之间的隧穿阻挡层。本发明还提供一种存储器件的形成方法，包括提供形成有晶体管区的基底；形成位于基底上方的互连结构区，与所述晶体管区电连接；在形成所述互连结构区前，还包括形成磁性隧道结区，所述磁性隧道结区与晶体管区电连接。可选的，包括在所述基底表面形成底层连接结构；接着在所述底层连接结构表面形成磁性隧道结区，所述磁性隧道结区通过底层连接结构与所述晶体管区连接。可选的，包括所述形成底层连接结构包括在所述基底表面形成介质材料，并对所述介质材料进行刻蚀形成通孔和位于相邻通孔的介质层；对所述通孔进行金属填充，形成金属通孔，所述金属通孔与介质层构成底层连接结构，其中，所述介质层表面与所述金属通孔表面高度齐平。可选的，所述对所述通孔进行金属填充后，还包括进行化学机械研磨至所述介质层表面与所述金属通孔表面高度齐平。可选的，所述金属通孔内形成有至少一层的金属层，其中，近磁性隧道结区的金属层的莫氏硬度系数小于钨的莫氏硬度系数。可选的，所述近磁性隧道结区的金属层的硬度系数小于7. O。可选的，所述金属填充包括首先对所述通孔进行第一金属填充，接着对第一金属进行回刻蚀，使得所述第一金属的填充高度小于所述通孔高度；然后对所述通孔再次进行填充第二金属至所述介质层表面与所述金属通孔表面高度齐平。可选的，所述对所述通孔再次进行填充包括首先对所述通孔填充第二金属，且填充高度的表面高于所述介质层的表面；采用化学机械研磨所述第二金属，直至所述介质层表面与所述金属通孔表面高度齐平。可选的，所述第一金属为钨，所述第二金属为氮化钛、钛或铜之一或组合。可选的，包括所述通孔顶部开口大于底部开口。与现有技术相比，本发明具有以下优点通过将原位于互连结构区内的磁性隧道结放置于晶体管区和互连结构区之间的区域，使得所述磁性隧道结不受所述互连结构区内的金属层的尺寸限制，可以减小磁性隧道结的尺寸，以提高存储器件内的磁性隧道结的数目密度，提高存储器件的存储容量。
进一步地，所述底层连接结构内的金属通孔近磁性隧道结区的表面与介质层近磁性隧道结区的表面齐平，使得所述底层连接结构近磁性隧道结区的表面平整光滑，则使得后续形成的磁性隧道结的位置标准，进而所述磁性隧道结产生的磁场方向稳定标准，提高所述存储器件的可靠性。现有技术一般采用钨形成金属通孔，以使得所述晶体管区和互连结构区进行连接，本发明先对金属通孔内的钨进行部分回刻蚀，再填充硬度系数较小易于研磨的金属，使得介质层表面与所述金属通孔的表面齐平。与现有工艺兼容，不会影响器件的电学性能，且不会引起工艺的复杂度，同时钨作为与所述底层连接结构连接的金属，其可靠性较高。
图I是本发明一实施例的存储器件的结构示意图。图2是本发明又一实施例的存储器件的结构示意图。
图3至图13为本发明一实施例的存储器件的形成方法的结构示意图。
具体实施例方式现有技术的磁性隧道结位于互连结构区内，所述磁性隧道结的尺寸大小将受到在所述磁性隧道结之前形成的金属层的尺寸制约，即所述磁性隧道结不小于与其相邻、且位于其前形成的金属层的尺寸的大小。限制了存储器件内的磁性隧道结的密度数目，进一步限制了存储器件的存储容量。为解决上述问题，本发明提供一种存储器件的结构，包括晶体管区，所述晶体管区内形成有至少一层的晶体管；互连结构区，所述互连结构区位于晶体管区的上方，且与所述晶体管区电连接；位于所述互连结构区与晶体管区之间，还形成有磁性隧道结区。本发明通过将原位于互连结构区内的磁性隧道结放置于晶体管区和互连结构区之间的区域，使得所述磁性隧道结不受制所述互连结构区内的金属层的尺寸限制，可以减小磁性隧道结的尺寸，以提高存储器件内的磁性隧道结的数目密度，提高存储器件的存储容量。如图I所示为本发明一实施例的存储器件的结构示意图，包括晶体管区001，所述晶体管区001内形成有至少一层的晶体管；位于所述晶体管区001表面的互连结构区005,所述互连结构区005包括至少两层的相互连的金属层，所述互连结构区005位于晶体管区001的上方，且与所述晶体管区001电连接；位于所述互连结构区005与晶体管区001之间，形成有磁性隧道结区003，所述磁性隧道结区003包括磁性隧道结0031及绝缘材料0032。所述磁性隧道结区003包括至少一层的磁性隧道结0031，所述磁性隧道结0031包括被钉扎层及自由磁性层，及位于所述被钉扎层与自由磁性层之间的隧穿阻挡层。关于磁性隧道结0031的结构将在后续的形成工艺中详细介绍。其中，所述磁性隧道结区003的一端与所述晶体管区001电连接，一端与所述互连结构005电连接。其中，所述磁性隧道结区003通过底层连接结构220与所述晶体管区001连接。所述底层连接结构220包括金属通孔0022与介质层0021。其中，所述介质层0021近磁性隧道结区003的表面与所述金属通孔0022近磁性隧道结区003的表面高度齐平，以使得磁性隧道结区003的磁性隧道结0031具有一个光滑平整的形成表面，则使得在所述表面形成的磁性隧道结的位置标准，进而所述磁性隧道结产生的磁场方向稳定标准，提高所述存储器件的可靠性。现有技术中，对所述金属通孔0022的填充材料大部分为钨，而钨的硬度系数较高，不易于研磨，容易造成研磨后金属通孔的高度高于介质层的高度，即所述待形成磁性隧道结0031的表面不光滑平整。影响器件的可靠性。为解决上述问题，本发明提供一实施例的存储器件中的金属通孔可以为至少一层的金属层，其中，近磁性隧道结区的金属层的硬度系数至少小于钨的硬度系数，如小于7. 5。或者近磁性隧道结区的金属层的莫氏硬度系数更小，如小于7. O。如图2所示，所述金属通孔0022内的金属还可以为至少一层的金属层堆叠形成，
本实施例仅仅不出了 2层金属层,分别为第一金属层0022a和第二金属层0022b。其中，所述第一金属层0022a为鹤,所述第二金属层0022b为硬度系数小于鹤的材料,如氮化钛、钛或铜之一或组合。本发明还提供一种存储器件的形成方法，包括提供形成有晶体管区的基底；形成位于基底上方的互连结构区，包括至少一层的相互连的金属层，且与所述晶体管区电连接；在形成所述互连结构区前，还包括形成磁性隧道结区，所述磁性隧道结区与晶体管区电连接。下面结合附图对本发明的一实施例的存储器件的形成方法进行说明。如图3所不,提供基底100,在所述基底100上形成介质层材料(未图不)。并对所述介质材料进行刻蚀形成通孔200及位于所述通孔200之间的介质层110。进一步地，为提高后续的填充效果，所述通孔200的顶部尺寸大于底部尺寸。如图4所示，对所述通孔内进行第一金属填充，形成第一金属层210。本图示出的第一金属层210的表面与介质层110的表面齐平。实际工艺中，所述第一金属层210可能低于或高于所述介质层110的表面。本实施例中，所述第一金属为钨。钨作为一种用于连接晶体管区100的金属，承受的电流范围较大，其可靠性较大。但是，钨的莫氏硬度系数较高，约为7. 5，即只通过研磨很难使得所述第一金属层210形成与介质层110齐平的表面。本实施例中，将对所述第一金属层210进行回刻蚀，并对所述通孔进行再次填充硬系数较小的物质，以达到金属通孔的表面与介质层110表面齐平的状态。作为其他实施例，也可以直接使用硬系数较小(如小于硬度小数7. O)的材料，如使用小于钨的莫氏硬度系数7. 5的材料，如氮化钛、钛或铜，以达到金属通孔的表面与介质层110表面齐平的状态。但与钨相比，其他的材料的承受电流范围较小，形成的器件的可靠性较低。进一步地，现有技术一般采用钨使得所述晶体管区和互连结构区进行连接，本发明先对钨进行部分回刻蚀，再填充硬度系数较小易于研磨的金属，使得介质层表面与金属通孔的表面齐平。与现有工艺兼容，不会影响器件的电学性能，且不会引起工艺的复杂度。如图5所示，对所述第一金属层进行回刻蚀，形成第一金属层210'。所述第一金属层210'的高度小于所述通孔的高度，即所述通孔有部分还未填充有金属材料。 如图6所不,沉积第二金属层220,所述第二金属层220的硬度系数较低,如小于莫氏硬度系数7. 5。所述第二金属层220的表面高于所述介质层110的表面，以便于后续对所述第二金属层220进行化学机械研磨，使得所述第二金属层220具有与介质层110齐平的表面。如图7所示，以所述介质层110为研磨停止层，对所述第二金属层220进行化学机械研磨，形成第二金属层220'。使得所述第二金属层220'的表面与所述介质层110的表面齐平。所述第二金属层220'与所述介质层110构成底层连接结构。所述底层连接结构将使得后续形成的磁性隧道结区与晶体管区连接。其中，所述第二金属层220'的表面与所述介质层110的表面齐平，则所述底层连接结构具有光滑平整的表面，而所述表面为后续形成磁性隧道结区的形成表面，所述形成表面的光滑平整可以提高后续形成的磁性隧道结区的位置和尺寸的标准性，又因为磁性隧道结区的磁场受磁性隧道结区的尺寸的位置影响较大，提高位置和尺寸的标准性则可以提高磁性隧道结区产生磁场的标准性，进一步提高存储器件的可靠性。如图8所示，在所述底层连接结构表面形成磁性隧道结材料层230。一并参考图8和图9所示，在所述磁性隧道结材料层230形成图案化的光刻胶层(未图示)，并以所述图案化的光刻胶层为掩膜，对所述磁性隧道结材料层230进行刻蚀，形成磁性隧道结231。所述磁性隧道结231通过底层连接结构与晶体管区100进行电连接。其中，还可以在所述光刻胶层(未图示)和所述磁性隧道结材料层230之间形成硬掩膜层(未图示)，以所述图案化的光刻胶层为掩膜，对所述硬掩膜层和所述磁性隧道结材料层230进行刻蚀，形成磁性隧道结231，最后去除刻蚀后残留的硬掩膜层。如图10和图11所示为所述磁性隧道结的结构示意图，所述磁性隧道结包括下电极(Bottom Electrode) 010,位于所述下电极010表面的被钉扎磁性层(Pinned MagneticLayer) 020及位于所述钉扎磁性层020上的自由磁性层040，所述自由磁性层与所述被钉扎磁性层020之间形成有隧穿阻挡层030。如图10的被钉扎磁性层020内箭头所示，被钉扎磁性层020内的磁性取向被固定。可以通过使下电极010与被钉扎层020接触并热处理(温度范围约为200°C 300°C)获得。通过热处理过程，被钉扎层020的磁性方向变得固定并且在以后暴露在外磁场中也不会发生翻转。即所述被钉扎层020的磁矩被固定为如图10被钉扎层020内的箭头所示出的方向。相反，因为隧穿阻挡层030被固定形成在被钉扎层020与自由磁性层040之间，所以自由磁性层040的磁性方向保持未固定状态，可以为如下情况如图10所示，所述自由磁性层040的磁性方向与被钉扎层020的磁性方向一致；如图11所示，所述自由磁性层040的磁性方向与被钉扎层020的磁性方向相反。在外来磁场的影响下，自由磁性层040的磁性方向会发生变化。·
当所述自由磁性层040的磁性方向与被钉扎层020的磁性方向一致时候，为磁性隧道结的平行状态，所述磁性隧道结为低阻状态，其定义为逻辑态的“O”态；当所述自由磁性层040的磁性方向与被钉扎层020的磁性方向相反时，为磁性隧道结的反平行状态，所述磁性隧道结为高阻状态，其定义为逻辑态的“ I”态。作为一个实施例，如图12所示，所述被钉扎层020由三层构成，包括下部磁层021、金属层022及上部磁层023。作为一个实施例,所述上部磁层021和下部磁层023可以为CoFe，所述金属层022可以为Ru。所述隧穿阻挡层030为绝缘体，作为一个实施例，所述隧穿阻挡层030可以为
Al2O3U所述自由磁性层040是一个双层结构，由一层薄的下磁层041和一层厚的上磁层042组成。作为一个实施例，所述下磁层041可以为CoFe，所述上磁层042可以为NiFe。如图13所示，将在所述磁性隧道结231之间形成绝缘材料层232。所述绝缘材料层232与所述磁性隧道结231构成磁性隧道区。继续参考图13，后续地在所述磁性隧道区上形成互连结构130，所述互连结构130包括至少一层的金属层构成，所述互连结构130通过磁性隧道结区及底层连接结构与所述晶体管区100电连接。 与现有技术相比，本发明具有以下优点通过将原位于互连结构区内的磁性隧道结放置于晶体管区和互连结构区之间的区域，使得所述磁性隧道结不受制所述互连结构区内的金属层的尺寸限制，可以减小磁性隧道结的尺寸，以提高存储器件内的磁性隧道结的数目密度，提高存储器件的存储容量。进一步地，所述底层连接结构内的金属通孔近磁性隧道结区的表面与介质层近磁性隧道结区的表面齐平，使得所述底层连接结构近磁性隧道结区的表面平整光滑，则使得后续形成的磁性隧道结的位置标准，进而所述磁性隧道结产生的磁场方向稳定标准，提高所述存储器件的可靠性。现有技术一般采用钨形成金属通孔，以使得所述晶体管区和互连结构区进行连接，本发明先对金属通孔内的钨进行部分回刻蚀，再填充硬度系数较小易于研磨的金属，使得介质层表面与所述金属通孔的表面齐平。与现有工艺兼容，不会影响器件的电学性能，且不会引起工艺的复杂度，同时钨作为与所述底层连接结构连接的金属，其可靠性较高。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种存储器件，其特征在于，包括 晶体管区，所述晶体管区内形成有至少一层的晶体管； 互连结构区，所述互连结构区位于晶体管区的上方，且与所述晶体管区电连接； 位于所述互连结构区与晶体管区之间，还形成有磁性隧道结区。
2.如权利要求I所述的存储器件，其特征在于，所述磁性隧道结区内的磁性隧道结一端与所述晶体管区电连接，一端与所述互连结构区电连接。
3.如权利要求2所述的存储器件，其特征在于，所述磁性隧道结区通过底层连接结构与所述晶体管区电连接，所述底层连接结构包括介质层及位于所述介质层内的金属通孔。
4.如权利要求3所述的存储器件，其特征在于，所述介质层近磁性隧道结区的表面与所述金属通孔近磁性隧道结区的表面高度齐平。
5.如权利要求3所述的存储器件，其特征在于，所述金属通孔内形成有至少一层的金属层，其中，近磁性隧道结区的金属层的莫氏硬度系数小于钨的莫氏硬度系数。
6.如权利要求5所述的存储器件，其特征在于，所述近磁性隧道结区的金属层的莫氏硬度系数小于7. O。
7.如权利要求3所述的存储器件，其特征在于，所述金属通孔内形成有至少一层金属层，其中，近磁性隧道结区的金属层为氮化钛、钛或者铜之一或组合。
8.如权利要求I所述的存储器件，其特征在于，所述磁性隧道结区包括至少一层的磁性隧道结，所述磁性隧道结包括被钉扎层及自由磁性层，及位于所述被钉扎层与自由磁性层之间的隧穿阻挡层。
9.一种存储器件的形成方法，其特征在于，包括 提供形成有晶体管区的基底； 形成位于基底上方的互连结构区，与所述晶体管区电连接； 在形成所述互连结构区前，还包括形成磁性隧道结区，所述磁性隧道结区与晶体管区电连接。
10.如权利要求9所述的存储器件的形成方法，其特征在于，包括在所述基底表面形成底层连接结构；接着在所述底层连接结构表面形成磁性隧道结区，所述磁性隧道结区通过底层连接结构与所述晶体管区连接。
11.如权利要求10所述的存储器件的形成方法，其特征在于，包括所述形成底层连接结构包括在所述基底表面形成介质材料，并对所述介质材料进行刻蚀形成通孔和位于相邻通孔的介质层；对所述通孔进行金属填充，形成金属通孔，所述金属通孔与介质层构成底层连接结构，其中，所述介质层表面与所述金属通孔表面高度齐平。
12.如权利要求11所述的存储器件的形成方法，其特征在于，所述对所述通孔进行金属填充后，还包括进行化学机械研磨至所述介质层表面与所述金属通孔表面高度齐平。
13.如权利要求11所述的存储器件的形成方法，其特征在于，所述金属通孔内形成有至少一层的金属层，其中，近磁性隧道结区的金属层的莫氏硬度系数小于钨的莫氏硬度系数。
14.如权利要求13所述的存储器件的形成方法，其特征在于，包括所述近磁性隧道结区的金属层的硬度系数小于7. O。
15.如权利要求11所述的存储器件的形成方法，其特征在于，所述金属填充包括首先对所述通孔进行第一金属填充，接着对第一金属进行回刻蚀，使得所述第一金属的填充高度小于所述通孔高度；然后对所述通孔再次进行填充第二金属至所述介质层表面与所述金属通孔表面高度齐平。
16.如权利要求15所述的存储器件的形成方法，其特征在于，所述对所述通孔再次进行填充包括首先对所述通孔填充第二金属，且填充高度的表面高于所述介质层的表面；采用化学机械研磨所述第二金属，直至所述介质层表面与所述金属通孔表面高度齐平。
17.如权利要求15或16所述的存储器件的形成方法，其特征在于，所述第一金属为钨，所述第二金属为氮化钛、钛、铜之一或组合。
18.如权利要求11所述的存储器件的形成方法，其特征在于，包括所述通孔顶部开口大于底部开口。
全文摘要
一种存储器件，包括晶体管区，所述晶体管区内形成有至少一层的晶体管；互连结构区，包括至少一层的相互连的金属层，所述互连结构区位于晶体管区的上方，且与所述晶体管区电连接；位于所述互连结构区与晶体管区之间，还形成有磁性隧道结区。本发明还提供一种存储器件的形成方法。通过将原位于互连结构区内的磁性隧道结放置于晶体管区和互连结构区之间的区域，使得所述磁性隧道结不受制所述互连结构区内的金属层的尺寸限制，可以减小磁性隧道结的尺寸，以提高存储器件内的磁性隧道结的数目密度，提高存储器件的存储容量。
文档编号H01L27/22GK102931205SQ20111023164
公开日2013年2月13日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者吴关平, 曾贤成 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司