CN103928608A - 磁阻存储器的形成方法 - Google Patents

Abstract

一种磁阻存储器的形成方法，包括：提供半导体衬底，在所述衬底上形成有金属间介质层；在所述金属间介质层中形成沟槽；形成衬垫材料层、位于所述衬垫材料层上的布线层，覆盖所述金属间介质层、填充所述沟槽；去除高出所述金属间介质层上的衬垫材料层的布线层，剩余沟槽中的布线层，为布线；形成覆盖层，覆盖所述布线和沟槽侧壁的衬垫材料层；去除未被覆盖层覆盖的衬垫材料层，剩余的衬垫材料层为衬垫层；去除未被覆盖层覆盖的衬垫材料层后，在所述布线上形成磁性隧道结。在本发明中，覆盖层覆盖沟槽侧壁的衬垫材料层，则可以形成完整的衬垫层。进一步地，衬垫层可以更好地增强作用于磁性隧道结的电流磁场的磁场强度，显著提升磁阻存储器的性能。

Description

磁阻存储器的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别设计一种磁阻存储器的形成方法。

背景技术

磁阻存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）是一种固体存储器，包括多个作为信息记录载体的磁性隧道结（MTJ）或磁性隧道结（MTJ）阵列，所述磁性隧道结两侧形成有字线和位线，所述字线和位线通常位于相邻的两层金属互连线结构中。也就是说，磁性隧道结位于字线与位线之间，即位于两相邻金属互连线结构之间。所述磁性隧道结包括栓固磁层、自由磁层、及位于所述栓固磁层与自由磁层之间的隧穿阻挡层，所述栓固磁层具有固定磁性方向。当字线和位线中流过电流产生电流磁场，将磁化所述自由磁层，改变所述自由磁层的磁化方向。当所述自由磁层的磁化方向与所述栓固磁层的固定磁性方向相同时，所述磁性隧道结处于平行状态，所述磁性隧道结具有低阻值，这种状态为“0”状态；当所述自由磁层的磁化方向与所述栓固磁层的固定磁性方向相反时，则所述磁性隧道结处于反平行状态，所述磁性隧道结具有高阻值，这种状态为“1”状态。这种磁性隧道结的写入方法为磁场感应写入。

在现有技术中，通常在字线和位线的两侧和底部形成有由磁性材料层构成的衬垫层，具有防止磁场泄漏的作用，即，用于防止字线和位线产生的电流磁场对相邻其他存储单元造成“写入干扰”。另外，所述衬垫层还可以“聚集”电流磁场于磁性隧道结，抑制电流磁场的“离散”，从而增强作用于磁性隧道结的电流磁场的磁场强度，降低字线和位线中流过的电流，并降低存储器的功耗

在现有技术中，形成具有衬垫层的字线或位线的方法，包括：参照图1，在衬底上形成金属互连层（未示出）和金属间介质层10，在金属间介质层10上形成有阻挡层11，通常选择氮化硅；参照图2，在阻挡层11和金属间介质层10中形成沟槽12；参照图3，沉积衬垫材料层13、布线层14，覆盖阻挡层11、填充沟槽12；参照图4，使用化学机械抛光（CMP），去除高出阻挡层的衬垫材料层、布线层，在沟槽12的侧壁和底部形成衬垫层15，在沟槽12中的剩余布线层为布线16，可以作为字线或位线；参照图5，沉积介质层17，覆盖金属间介质层10、布线16和衬垫层15的暴露部分。

但是，使用现有技术的字线或位线形成的磁阻存储器的性能不佳。

更多的可以参考2005年11月17日公开的公开号为US20050254294A1的美国专利文献中提供的一种磁阻存储器结构。

发明内容

本发明解决的问题是使用现有技术的字线或位线形成的磁阻存储器的性能不佳。

为解决上述问题，本发明提供一种新的磁阻存储器的形成方法，包括：

提供半导体衬底，在所述衬底上形成有金属间介质层；

在所述金属间介质层中形成沟槽；

形成衬垫材料层、位于所述衬垫材料层上的布线层，覆盖所述金属间介质层、填充所述沟槽；

去除高出所述金属间介质层上的衬垫材料层的布线层，剩余沟槽中的布线层，为布线；

形成覆盖层，覆盖所述布线和沟槽侧壁的衬垫材料层；

去除未被覆盖层覆盖的衬垫材料层，剩余的衬垫材料层为衬垫层；

去除未被覆盖层覆盖的衬垫材料层后，在所述布线上形成磁性隧道结。

可选的，形成覆盖层的方法，包括：

沉积覆盖材料层，覆盖金属间介质层；

图形化所述覆盖材料层，形成覆盖层。

可选的，沉积覆盖材料层的方法为化学气相沉积。

可选的，所述覆盖层也覆盖紧邻所述沟槽两侧的金属间介质层上的部分衬垫材料层。

可选的，所述衬垫材料层为三层结构，包括底部的氮化钽层、位于氮化钽层上的磁性材料层、位于磁性材料层上的氮化钛层。

可选的，去除所述覆盖层两侧的衬垫材料层的方法为化学机械抛光，其中，覆盖层相比于衬垫材料层具有低抛光选择比，在去除覆盖层两侧的衬垫材料层时不会去除覆盖层。

可选的，所述覆盖层的材料为无定形碳、氮化硅或氧化硅可选的，所述磁性材料层的材料包括铁、钴、镍中的一种，或铁、钴或镍的氧化物，或铁、镍、钴中的两种或三种的合金，或铁合金、镍合金或钴合金。

可选的，在去除未被覆盖层覆盖的衬垫材料层后，形成磁性隧道结前，去除覆盖层。

可选的，去除所述覆盖层的方法，使用干法刻蚀工艺。

可选的，在去除覆盖层后，形成磁性隧道结前，形成覆盖金属间介质层、布线和衬垫层的介质层。

可选的，所述布线的材料为铜。

可选的，去除高出所述金属间介质层上的衬垫材料层的布线层的方法，包括化学机械抛光。

可选的，在所述金属间介质层中形成沟槽之前，在金属间介质层上形成阻挡层。

可选的，所述布线为字线或位线。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明在形成布线过程中，在金属间介质层上形成衬垫材料层、位于衬垫材料层上的布线层后，去除高出所述衬垫材料层的布线层，剩余沟槽中的布线层为布线；之后，形成覆盖层，覆盖布线和沟槽侧壁的衬垫材料层，覆盖层可以避免沟槽侧壁的衬垫材料层暴露；接着，去除未被覆盖层覆盖的衬垫材料层剩余的衬垫材料层为衬垫层。由于覆盖层覆盖沟槽侧壁的衬垫材料层，则在去除未被覆盖层覆盖的衬垫材料层时，不会腐蚀沟槽侧壁的衬垫材料层，最终形成的衬垫层具有完整的结构。进一步地，衬垫层可以较好地“聚集”布线产生的电流磁场于磁性隧道结，抑制电流磁场离散，从而增强作用于磁性隧道结的电流磁场的磁场强度，显著提升磁阻存储器的性能。

附图说明

图1～图5是现有技术的形成具有衬垫层的字线或位线的方法的剖面结构示意图；

图6是本发明的在金属间介质层中形成磁阻存储器的方法流程图；

图7～图11是本发明具体实施例的形成磁阻存储器的方法的剖面结构示意图。

具体实施方式

发明人针对现有技术中存在的问题进行了研究，发现：参照图4，在使用化学机械抛光（CMP）去除高出阻挡层的衬垫材料层、布线层时，使用的抛光溶剂会对沟槽12（参照图2）侧壁的衬垫材料层造成腐蚀，使得沟槽12侧壁顶端处的衬垫层15遭到腐蚀损失。这样，最终得到的布线16两侧的衬垫层不完整，包括不完整衬垫层的磁阻存储器的性能受到影响。具体地，作为字线或位线的布线在通入电流后，由于衬垫层对电流磁场的“聚集”作用减弱，造成电流磁场“离散”。“离散”电流磁场会对相邻其他存储单元造成“写入干扰”，还会减弱作用于磁性隧道结的电流磁场的磁场强度，进而影响到磁阻存储器的性能。而且，磁隧道结的电流磁场的磁场强度较弱，就需要通过增加布线中的电流来增强磁场强度，这会增加存储器的功耗。

针对以上的问题，发明人经过创造性劳动，得到一种新的磁性存储器的形成方法。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

参照图7，并结合参照图6，执行步骤S61，提供半导体衬底（未示出），在所述衬底上形成有金属间介质层100。在具体实施例中，金属间介质层100的材料通常为氧化硅。

在具体实施例中，在金属间介质层100下形成有位于半导体衬底上的半导体器件（未示出），如晶体管。在半导体器件上形成互连线结构，包括金属互连线（未示出）、位于金属互连线间的金属间介质层100。后续工艺在金属间介质层100中形成布线。

参照图7～图11，在金属间介质层100中形成布线104及衬垫层106，其中，布线与相邻的金属互连线是非接触的。下面，将结合参照图7～图11，重点阐述形成布线104及衬垫层106的方法。

参照图7，并结合参照图6，执行步骤S62，在金属间介质层100中形成沟槽101，所述沟槽101的底部并不刻穿金属间介质层100，即沟槽101的深度小于金属介质层100的厚度。

在具体实施例中，在金属间介质层100中形成沟槽101的方法，包括：在金属间介质层100上形成图形化的掩模层，通常选择光刻胶，图形化的掩模层定义待形成的沟槽位置；以所述图形化的掩模层为掩模，刻蚀部分厚度的金属间介质层100，形成沟槽101；去除图形化的掩模层。

在具体实施例中，在形成沟槽101之前，通常先在金属间介质层100上形成阻挡层（未示出），阻挡层覆盖金属间介质层100中的金属互连线，起到扩散阻挡作用，阻挡形成沟槽101过程中、后续沉积衬垫材料层和布线层过程中的其他元素对金属互连线造成掺杂，或其他溶剂对金属互连线造成腐蚀。另外，后续去除金属间介质层上的衬垫材料层，也作为抛光停止层。通常，阻挡层的材料选择氮化硅。

参照图7和图8，并结合参照图6，执行步骤S63，形成衬垫材料层102、位于衬垫材料层102上的布线层103，覆盖金属间介质层100、填充沟槽101。

在具体实施例中，使用化学气相沉积工艺，沉积形成衬垫材料层102、位于衬垫材料层102上的布线层103。所述衬垫材料层102选择叠层结构（未示出），包括三层：位于底部的氮化钽层、位于氮化钛层上的磁性材料层、位于磁性材料层上的氮化钛层。其中，磁性材料层为衬垫材料层102的核心部分，起到主要的“聚集”电流磁场的作用；氮化钛层起到抛光停止层作用，在后续去除高出衬垫材料层102上的布线层时，至氮化钛层停止，也起到避免磁性材料层遭到去除；所述氮化钽层起到扩散阻挡作用，避免布线层材料向金属间介质层100中扩散。磁性材料层的材料主要包括铁、钴、镍中的一种，或铁、钴或镍的氧化物，或铁、镍、钴中的两种或三种的合金，或铁合金、镍合金或钴合金。在本实施例中选择钴。

在具体实施例中，布线层103用于形成布线，所述布线为字线或位线，因此，布线层103的材料包括铜等导电物质，在本实施中，布线层103的材料选择铜。

参照图8和图9，并结合参照图6，执行步骤S64，去除高出衬垫材料层102的布线层103部分，剩余沟槽101（参照图7）中的布线层，为布线104。

在具体实施例中，去除高出衬垫材料层102的布线层103部分的方法为化学机械抛光。在本实施例中，去除高出衬垫材料层102的布线层103，即为去除高出氮化钛层的布线层103。在化学机械抛光过程中，所述抛光剂遭到氮化钛层的阻挡，不会对磁性材料层造接触，也就避免了磁性材料层遭到腐蚀。

参照图10，并结合参照图6，执行步骤S65，形成覆盖层105，覆盖布线104和沟槽101（参照图7）侧壁的衬垫材料层102。在具体实施例中，覆盖层105最好也覆盖沟槽101两侧紧邻的金属间介质层100上的部分衬垫材料层102，可以更好地起到防止磁性材料层遭腐蚀的作用。

在具体实施例中，形成覆盖层105的方法，包括：形成布线104后，沉积覆盖材料层，覆盖布线104、衬垫材料层102；图形化所述覆盖材料层，形成覆盖层。其中，图形化所述覆盖材料层的方法，包括：形成图形化的光刻胶层，覆盖并定义布线104和沟槽101（参照图7）侧壁的衬垫材料层102，也就是定义沟槽101的位置；以所述图形化的光刻胶层为掩模，刻蚀去除沟槽101两侧的衬垫材料层102上的覆盖材料层，剩余布线104上和沟槽101（参照图7）侧壁的衬垫材料层102上的覆盖层105。

在具体实施例中，所述覆盖层也覆盖紧邻沟槽101（参照图7）两侧的金属间介质层上的部分衬垫材料层。这主要是考虑到：虽然覆盖层105遮盖住沟槽101（参照图7）侧壁的衬垫材料层，但在后续去除沟槽101两侧的衬垫材料层时，沟槽101侧壁的衬垫材料层的顶端存在暴露部分。所述覆盖层也覆盖紧邻沟槽101（参照图7）两侧的金属间介质层上的部分衬垫材料层，就可以更好地避免沟槽101侧壁的衬垫材料层遭到腐蚀。在这种情形下，前述形成覆盖层过程中，图形化的光刻胶层还覆盖沟槽101两侧的金属间介质层100上的部分衬垫材料层，在刻蚀后保留沟槽101两侧紧邻沟槽101的部分衬垫材料层。在本实施例中，覆盖层105的材料应确保：覆盖层105相比衬垫材料层102具有较低的抛光选择比，也就是相比于氮化钛层具有较低抛光选择比，保证后续去除衬垫材料层时，不会去除覆盖层105。

参照图10和图11，并结合参照图6，执行步骤S66，去除未被覆盖层105覆盖的衬垫材料层102部分，剩余衬垫材料层为衬垫层106。

在本实施例中，去除未被覆盖层105覆盖的衬垫材料层102的方法，使用化学机械抛光，其中，覆盖层105相比于衬垫材料层102具有较低的抛光选择比，使得在去除衬垫材料层时，不会去除覆盖层105。在具体实施例中，所述覆盖层105的材料选择无定形碳（amorphous carbon）、氮化硅或氧化硅。当在金属间介质层100上形成有阻挡层时，化学机械抛光至阻挡层暴露停止。这样，在去除未被覆盖层105覆盖的衬垫材料层102部分时，覆盖层105不会去去除。在具体实施例中，若覆盖层105恰好可以遮盖沟槽101，覆盖层105可以保护覆盖层105下的衬垫材料层不被腐蚀。但是考虑到在去除衬垫材料层后，覆盖层105边缘处的衬垫材料层会有暴露部分，存在暴露部分遭腐蚀掉危险。因此，若覆盖层105也覆盖沟槽101（参照图7）两侧的金属间介质层100上的部分衬垫材料层102，则沟槽101侧壁的衬垫材料层可以更完整保留。

在具体实施例中，在去除未被覆盖层覆盖的衬垫材料层后，还可以去除覆盖层105。是否去除覆盖层105，可以根据覆盖层的材料和待形成的磁阻存储器的磁性隧道结的写入方法作出选择。若磁性隧道结的写入方法使用公知的电流写入法，则布线与磁性隧道结是接触连接，因此，最好是去除覆盖层105。在本实施例中，磁性隧道结的写入方法为磁场感应写入，则磁性隧道结与布线（字线或位线）之间以绝缘层隔开。如果覆盖层105的材料及厚度可以起到绝缘作用，也可以不去除覆盖层105，例如覆盖层105的材料为氧化硅或氮化硅；如果覆盖层105的材料不能或很难起到绝缘作用，例如选择无定型碳，则选择去除覆盖层105，之后沉积介质层（未示出），覆盖金属间介质层100、布线104和衬垫层106。当然，即使磁性隧道结的写入方法为磁场感应写入，也可以不去除覆盖层105，并形成介质层，覆盖覆盖层105，也是可行的，并不影响介质层起到绝缘作用。通常，介质层的材料选择氮化硅。

若选择去除覆盖层105，去除方法可以使用干法刻蚀工艺：形成图形化的光刻胶层，定义覆盖层105的位置；以图形化的光刻胶层为掩模，刻蚀去除覆盖层105；去除图形化的光刻胶层。在覆盖层105选择无定形碳时，采用干法刻蚀工艺可以更容易去除。

经过以上步骤，形成磁阻存储器的布线104及布线104两侧和底部的衬垫层106，且布线104两侧的衬垫层106并没有遭到腐蚀，尤其是当沟槽101（参照图7）两侧的金属间介质层101上的部分衬垫材料层被保留时，布线104两侧的衬垫层106完整保留。衬垫层106中的磁性材料层可以更好地发挥“聚集”和增强布线104产生的电流磁场的作用，进而提升磁阻存储器的性能。

参照图6，执行步骤S67，在去除覆盖层105两侧的衬垫材料层后，在所述布线104上形成磁性隧道结（未示出）。

在具体实施例中，形成磁性隧道结的方法，包括：在所述布线上沉积磁性隧道结层、硬掩模层，磁性隧道结通常为三层结构，若在布线上还形成有介质层，则介质层上沉积磁性隧道结层、硬掩模层；在硬掩模层上形成图形化的光刻胶层，定义磁性隧道结的位置；以所述图形化的光刻胶层为掩模，刻蚀硬掩模层，形成图形化的硬掩模层；去除图形化的光刻胶层；以所述图形化的硬掩模层为掩模，刻蚀磁性隧道结层，形成磁性隧道结。

在具体实施例中，所述布线104可以作为字线或位线，若作为字线，还要在磁性隧道结上形成位线；若作为位线，还要在磁性隧道结上形成字线。此为本领域技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。

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。

Claims (15)

1.一种磁阻存储器的形成方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底，在所述衬底上形成有金属间介质层；

在所述金属间介质层中形成沟槽；

形成衬垫材料层、位于所述衬垫材料层上的布线层，覆盖所述金属间介质层、填充所述沟槽；

去除高出所述金属间介质层上的衬垫材料层的布线层，剩余沟槽中的布线层，为布线；

形成覆盖层，覆盖所述布线和沟槽侧壁的衬垫材料层；

去除未被覆盖层覆盖的衬垫材料层，剩余的衬垫材料层为衬垫层；

去除未被覆盖层覆盖的衬垫材料层后，在所述布线上形成磁性隧道结。

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成覆盖层的方法，包括：

沉积覆盖材料层，覆盖金属间介质层；

图形化所述覆盖材料层，形成覆盖层。

3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，沉积覆盖材料层的方法为化学气相沉积。

4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述覆盖层也覆盖紧邻所述沟槽两侧的金属间介质层上的部分衬垫材料层。

5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述衬垫材料层为三层结构，包括底部的氮化钽层、位于氮化钽层上的磁性材料层、位于磁性材料层上的氮化钛层。

6.如权利要求1或5所述的形成方法，其特征在于，去除所述覆盖层两侧的衬垫材料层的方法为化学机械抛光，其中，覆盖层相比于衬垫材料层具有低抛光选择比，在去除覆盖层两侧的衬垫材料层时不会去除覆盖层。

7.如权利要求6所述的形成方法，其特征在于，所述覆盖层的材料为无定形碳、氮化硅或氧化硅。

8.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，所述磁性材料层的材料包括铁、钴、镍中的一种，或铁、钴或镍的氧化物，或铁、镍、钴中的两种或三种的合金，或铁合金、镍合金或钴合金。

9.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在去除未被覆盖层覆盖的衬垫材料层后，形成磁性隧道结前，去除覆盖层。

10.如权利要求9所述的形成方法，其特征在于，去除所述覆盖层的方法，使用干法刻蚀工艺。

11.如权利要求9所述的形成方法，其特征在于，在去除覆盖层后，形成磁性隧道结前，形成覆盖金属间介质层、布线和衬垫层的介质层。

12.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述布线的材料为铜。

13.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，去除高出所述金属间介质层上的衬垫材料层的布线层的方法，包括化学机械抛光。

14.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述金属间介质层中形成沟槽之前，在金属间介质层上形成阻挡层。

15.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述布线为字线或位线。