CN111933791A - 磁性随机存储器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁性随机存储器件及其制造方法。该器件包括：形成有底电极的衬底、位于底电极上方的磁性隧道结单元、位于磁性隧道结单元上方的金属硬掩膜、第一电介质层、第二电介质层以及顶电极，第一电介质层的竖直部分覆盖于磁性隧道结单元及金属硬掩膜的侧壁，第一电介质层的水平部分覆盖于底电极上表面，第二电介质层位于第一电介质层的水平部分上方并围绕第一电介质层的竖直部分，顶电极覆盖于金属硬掩膜的上表面。本发明能够解决在高密度MRAM的MTJ单元制备时与顶电极互联的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种磁性随机存储器件及其制造方法。
背景技术
近年来，采用磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的磁电阻效应的磁性随机存储器(MRAM)被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。MRAM器件包括逻辑区和存储区，逻辑区主要是开关器件，存储区主要是MTJ器件，MTJ器件包括底电极、MTJ单元以及顶电极。
目前，在MTJ器件的制备过程中，MTJ单元通常被制作成独立的圆柱状结构，然后再原位覆盖一层电介质保护层，以防止与外界发生氧化。MTJ单元在与顶电极形成互联的过程中，常采用化学机械抛光(CMP)的方法去除MTJ单元上方多余的电介质层。但是，随着MTJ单元尺寸的不断缩小，CMP平坦化工艺要求MTJ单元顶部的金属硬掩膜和待平坦化电介质之间要有很高的去除选择比并保证较好的均匀性。在实际工艺中，抛光后的金属硬掩膜经常会出现表面不平整的现象，从而影响金属硬掩膜和顶电极的互联，进而影响MRAM的良率和高密度MRAM的制造。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种磁性随机存储器件及其制造方法，能够解决在高密度MRAM的MTJ单元制备时与顶电极互联的问题。
第一方面，本发明提供一种磁性随机存储器件，包括：
衬底，所述衬底上形成有底电极；
磁性隧道结单元，位于所述底电极上方；
金属硬掩膜，位于所述磁性隧道结单元上方；
第一电介质层，所述第一电介质层包括竖直部分和水平部分，所述竖直部分覆盖于所述磁性隧道结单元及所述金属硬掩膜的侧壁，所述水平部分覆盖于所述底电极上表面；
第二电介质层，所述第二电介质层位于所述第一电介质层的水平部分上方并围绕所述第一电介质层的竖直部分；
顶电极，覆盖于所述金属硬掩膜的上表面。
可选地，其中所述第一电介质层的竖直部分的高度低于所述金属硬掩膜的上表面且高于所述磁性隧道结单元的上表面。
可选地，所述顶电极从所述金属硬掩膜的上表面向两侧横向延伸至与所述第二电介质层平齐。
可选地，所述金属硬掩膜具有凸起的球状接触面。
可选地，所述金属硬掩膜采用钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钨(W)和钌(Ru)中的其中一种形成的单层结构或者多层的组合。
可选地，所述顶电极的材料为钽、氮化钽、钛和氮化钛的一种或者多种的组合。
可选地，所述第一电介质层的材料为TEOS。
可选地，所述第二电介质层的材料为氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或者氮氧化硅(SiON)。
第二方面，本发明提供一种磁性随机存储器件的制造方法，包括：
提供衬底，所述衬底上形成有底电极；
在所述衬底上方依次形成磁性隧道结单元的多层薄膜和图案化的金属硬掩膜；
以所述图案化的金属硬掩膜作为刻蚀掩膜，刻蚀所述磁性隧道结单元的多层薄膜，得到磁性隧道结单元，并在所述金属硬掩膜和所述磁性隧道结单元表面共形地形成第一电介质层；
在所述第一电介质层上方形成第二电介质层；
从上至下连续刻蚀所述第二电介质层和所述第一电介质层，直至暴露出所述衬底表面以及所述金属硬掩膜表面，同时使得剩余的所述第一电介质层和所述第二电介质层的高度低于所述金属硬掩膜；
在表面共形地形成顶电极层；
通过光刻和刻蚀打开所述顶电极层，在所述金属硬掩膜上方形成顶电极。
可选地，在暴露出所述金属硬掩膜之后，在形成顶电极层之前，所述方法还包括：对所述金属硬掩膜进行原位等离子体清洗、干法去胶和湿法清洗工艺，以去除所述金属硬掩膜表面的聚合物或金属氧化物。
可选地，其中从上至下连续刻蚀所述第二电介质层和所述第一电介质层包括：
采用反应离子束刻蚀(RIE)工艺刻蚀所述第二电介质层和所述第一电介质层，其中所采用的主刻蚀气体为CF4、CHF3或者CF4/CHF3按照一定比例的混合。
可选地，其中形成所述第一电介质层及形成所述第二电介质层，采用的工艺为等离子增强化学气相沉积、物理气相沉积或者电子束蒸镀工艺。
本发明提供的一种磁性随机存储器件及其制造方法，凸起的金属硬掩膜与顶电极具有更大的接触面积，而且更加易于去除表面刻蚀副产物，很好降低了电路中的串联电阻，能够解决金属硬掩膜和顶电极互联过程中的开路问题，特别适合用于高密度的MRAM。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的磁性随机存储器件的剖面结构示意图；
图2至图8为本发明一实施例提供的磁性随机存储器件的制造方法的各步骤对应的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
图1示出了一示例实施例的磁性随机存储器件的剖面结构示意图。
参考图1，提供一衬底100，在衬底100上形成有底电极接触部1001，在底电极接触部1001上形成有底电极1002，底电极1002的上表面暴露于衬底表面并且底电极1002上表面是平整的。底电极1002的厚度可以在10～40nm。在底电极1002上方为磁性隧道结单元(MTJ单元)101，在MTJ单元101上方为金属硬掩膜102。在MTJ单元101和金属硬掩膜102的侧壁四周环绕有第一电介质层103，第一电介质层103包括竖直部分和水平部分，其中竖直部分覆盖于MTJ单元101和金属硬掩膜102的侧壁，竖直部分的高度低于金属硬掩膜102的上表面且高于MTJ单元101的上表面，水平部分覆盖于底电极1002的上表面。在第一电介质层103的水平部分上方并围绕第一电介质层103的竖直部分为第二电介质层104。金属硬掩膜103的上表面覆盖有顶电极105，顶电极105从金属硬掩膜102的上表面向两侧横向延伸，覆盖到第一电介质层103的竖直部分和第二电介质层104的上表面，与第二电介质层104的侧壁平齐。由于第一电介质层103的竖直部分和金属硬掩膜102存在高度差，使得顶电极105具有相应的高度差，包裹住顶电极105。
衬底100可以包括半导体材料例如硅、锗、硅锗，在硅衬底上预先形成各种类型的电路图案，例如，晶体管、下层金属布线等。然后形成刻蚀停止层作为后续形成底电极接触部1001时刻蚀工艺的停止层，一般为氮化硅(SiN)。第一层间介质层形成在刻蚀停止层上，可以包括氧化硅或介电常数小于氧化硅(即，小于约3.9)的低k介电材料，例如聚硅酸乙酯(TEOS)。
底电极接触部1001可以填充在延伸穿过刻蚀停止层和第一层间介质层的开口中。底电极接触部1001包括具有低电阻的金属，例如钨、铜、铝等，通常采用铜。为了防止铜扩散，在金属下方会有一层扩散阻挡层(图中未示出)，常见的例如TaN、Ta等。底电极接触部1001可以接触衬底上的金属布线。在底电极接触部1001上方沉积一层底电极金属层，对该底电极金属层进行刻蚀，形成底电极1002，底电极1002可以包括氮化钽、钽、氮化钛、钛等。然后填充第二层间介质，经CMP平坦化得到最终的衬底结构100。
MTJ单元101为至少包括自由层、势垒层、参考层的层叠结构。金属硬掩膜102可以是单层结构，材料可以从钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钨(W)和钌(Ru)中选择一种。金属硬掩膜102可以是多层结构，每层的材料可以从钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钨(W)和钌(Ru)中选择一种，将多层材料进行组合。金属硬掩膜102的厚度可以为30～60nm。优选地，金属硬掩膜102可以具有凸起的球状接触面，从而增加与顶电极105的接触面积。
顶电极105的材料可以为钽、氮化钽、钛和氮化钛的一种或者多种的组合。第一电介质层103可以包括氧化硅或介电常数小于氧化硅(即，小于约3.9)的低k介电材料，例如聚硅酸乙酯(TEOS)。第二电介质层104的材料可以为氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或者氮氧化硅(SiON)。
应用本发明实施例提供的磁性随机存储器件，凸起的金属硬掩膜与顶电极具有更大的接触面积，而且更加易于去除表面刻蚀副产物，很好降低了电路中的串联电阻，能够解决金属硬掩膜和顶电极互联过程中的开路问题，特别适合用于高密度的MRAM。
图2至图8示出了根据示例实施例的磁性随机存储器件的制造方法的一些阶段的剖面结构图。
参考图2，提供衬底200，在衬底200上已经形成了底电极接触部2001和底电极2002。具体地，衬底200预先形成各种类型的电路图案，例如，晶体管、下层金属布线等。然后依次通过沉积形成刻蚀停止层和第一层间介质层，刻蚀停止层一般使用氮化硅(SiN)；第一层间介质层一般使用聚硅酸乙酯(TEOS)。在第一层间介质层上形成刻蚀掩膜，可以使用刻蚀掩膜来各向异性刻蚀第一层间介质层和刻蚀停止层，以形成暴露衬底上表面的第一开口。第一开口的高度一般控制在100nm，且不宜过高。各向异性刻蚀工艺可以包括化学刻蚀工艺，例如反应离子刻蚀(RIE)工艺。在第一开口的内表面和第一层间介质层的上表面形成扩散阻挡层(未图示)，在扩散阻挡层上形成底部导电层以填充第一开口。然后平坦化扩散阻挡层和底部导电层，直至暴露出第一层间介质层的上表面，从而在第一开口内形成底电极接触部2001。扩散阻挡层可以采用Ta或TaN，底部导电层使用铜(Cu)。接着在底电极接触部上沉积底电极金属层，底电极金属层的厚度在10～40nm，然后光刻和刻蚀底电极金属层得到底电极2002，并填充第二层间介质，经CMP后得到需要的衬底200。
参考图3，在衬底200上方依次形成磁性隧道结单元的多层薄膜201和图案化的金属硬掩膜202。
其中，磁性隧道结单元的多层薄膜201通过沉积形成，厚度一般为15～40nm。图案化的金属硬掩膜202在沉积金属硬掩膜层后，经过一道光刻和刻蚀，形成具有一定大小且均匀性较好的圆柱形阵列。金属硬掩膜202用于作为刻蚀MTJ单元的掩膜层，金属硬掩膜202可以由钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钨(W)或者钌(Ru)组成的一层或多层材料构成。
参考图4，以图案化的金属硬掩膜202作为刻蚀掩膜，使用例如离子束刻蚀(IBE)刻蚀磁性隧道结单元的多层薄膜201，形成圆柱形的MTJ单元201a，并且原位沉积一层电介质，在金属硬掩膜202和MTJ单元201a的表面共形地形成第一电介质层203。第一电介质层203用于保护MTJ单元201a，防止发生氧化。第一电介质层203可以包括氧化硅或介电常数小于氧化硅(即，小于约3.9)的低k介电材料，例如聚硅酸乙酯(TEOS)。
参考图5，在第一电介质层203上方形成第二电介质层204，第二电介质层204用于填充柱形MTJ单元间隙。
本实施例中，第二电介质层204和第一电介质层203采用不同的材料。例如，第二电介质层204的材料可以为氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或者氮氧化硅(SiON)。第一、第二电介质保护层优先采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)、物理气相沉积(PVD)或电子束蒸镀工艺进行沉积。
参考图6，从上至下连续刻蚀第二电介质层204和第一电介质层203，直至暴露出衬底表面以及金属硬掩膜202表面，同时使得剩余的围绕在金属硬掩膜202和MTJ单元201a四周的第一电介质层203a和第二电介质层204a的高度低于金属硬掩膜202。
在刻蚀第一和第二电介质层时，优选地使用CF4/CHF3/Ar作为干法刻蚀的气体。刻蚀第二电介质层204时优选使用较重的CF4/CHF3比例，以获得较快的刻蚀速率。在快接触到第一电介质层203时使用较轻的CF4/CHF3比例，以获得较慢的刻蚀速率。使用光学发射光谱(OES)方法进行终点判断，在接触到金属硬掩膜202时即终止刻蚀。
特别地，在终点判定成功后，为了使所述的金属硬掩膜具有凸起的球状接触面，刻蚀之后还包括金属硬掩膜的原位等离子体清洗，干法去胶和湿法清洗等工艺，去除Ta表面的聚合物或金属氧化物，以获得较低的接触电阻。优选地使用CHF3或者CF4作为干法刻蚀气体。
相对于MTJ侧壁的电介质层，上方的电介质由于位置较高，下方的电介质层由于直接受到等离子体的轰击而具有更快的刻蚀速率。通过调节刻蚀气体等参数，可以合理控制第一和第二电介质保护层的刻蚀选择比，并通过适当的过刻蚀量使MTJ金属硬掩膜形成一个凸起的球状接触面。此时，金属硬掩膜的横截面应该是一弧面(图中未示出)。这将有利于后续工艺清除刻蚀中产生的副产物，且有效地增大了MTJ金属硬掩膜与顶电极的接触面积。
参考图7，沉积一层顶电极金属，在表面共形地形成顶电极层205。顶电极金属优选地使用金属物理气相沉积，顶电极金属可以是钽(Ta)、氮化钽(TaN)和氮化钛(TiN)等一种或多种金属的组合。
参考图8，通过光刻和刻蚀打开顶电极层205，在金属硬掩膜202上方形成顶电极205a。
应用本发明实施例提供的磁性随机存储器件的制造方法，MTJ金属硬掩膜和顶电极互联时，凸起的金属硬掩膜与顶电极具有更大的接触面积，而且更加易于去除表面刻蚀副产物，很好降低了电路中的串联电阻。另外，去除了第二电介质层后的平坦化工艺和一道光刻对位工艺，节约了制造成本，且便于减少各工艺模块之间的相互影响，对良率的改善有极大帮助。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (12)
1.一种磁性随机存储器件，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底上形成有底电极；
磁性隧道结单元，位于所述底电极上方；
金属硬掩膜，位于所述磁性隧道结单元上方；
第一电介质层，所述第一电介质层包括竖直部分和水平部分，所述竖直部分覆盖于所述磁性隧道结单元及所述金属硬掩膜的侧壁，所述水平部分覆盖于所述底电极上表面；
第二电介质层，所述第二电介质层位于所述第一电介质层的水平部分上方并围绕所述第一电介质层的竖直部分；
顶电极，覆盖于所述金属硬掩膜的上表面。
2.根据权利要求1所述的磁性随机存储器件，其特征在于，其中所述第一电介质层的竖直部分的高度低于所述金属硬掩膜的上表面且高于所述磁性隧道结单元的上表面。
3.根据权利要求1所述的磁性随机存储器件，其特征在于，所述顶电极从所述金属硬掩膜的上表面向两侧横向延伸至与所述第二电介质层平齐。
4.根据权利要求1所述的磁性随机存储器件，其特征在于，所述金属硬掩膜具有凸起的球状接触面。
5.根据权利要求1述的磁性随机存储器件，其特征在于，所述金属硬掩膜采用钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钨(W)和钌(Ru)中的其中一种形成的单层结构或者多层的组合。
6.根据权利要求1的磁性随机存储器件，其特征在于，所述顶电极的材料为钽、氮化钽、钛和氮化钛的一种或者多种的组合。
7.根据权利要求1的磁性随机存储器件，其特征在于，所述第一电介质层的材料为TEOS。
8.根据权利要求1的磁性随机存储器件，其特征在于，所述第二电介质层的材料为氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或者氮氧化硅(SiON)。
9.一种磁性随机存储器件的制造方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底上形成有底电极；
在所述衬底上方依次形成磁性隧道结单元的多层薄膜和图案化的金属硬掩膜；
以所述图案化的金属硬掩膜作为刻蚀掩膜，刻蚀所述磁性隧道结单元的多层薄膜，得到磁性隧道结单元，并在所述金属硬掩膜和所述磁性隧道结单元表面共形地形成第一电介质层；
在所述第一电介质层上方形成第二电介质层；
从上至下连续刻蚀所述第二电介质层和所述第一电介质层，直至暴露出所述衬底表面以及所述金属硬掩膜表面，同时使得剩余的所述第一电介质层和所述第二电介质层的高度低于所述金属硬掩膜；
在表面共形地形成顶电极层；
通过光刻和刻蚀打开所述顶电极层，在所述金属硬掩膜上方形成顶电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在暴露出所述金属硬掩膜之后，在形成顶电极层之前，所述方法还包括：对所述金属硬掩膜进行原位等离子体清洗、干法去胶和湿法清洗工艺，以去除所述金属硬掩膜表面的聚合物或金属氧化物。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其中从上至下连续刻蚀所述第二电介质层和所述第一电介质层包括：
采用反应离子束刻蚀(RIE)工艺刻蚀所述第二电介质层和所述第一电介质层，其中所采用的主刻蚀气体为CF4、CHF3或者CF4/CHF3按照一定比例的混合。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其中形成所述第一电介质层及形成所述第二电介质层，采用的工艺为等离子增强化学气相沉积、物理气相沉积或者电子束蒸镀工艺。
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