CN115440880A - 磁阻式随机存取存储器元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁阻式随机存取存储器元件及其制作方法，其中该制作磁阻式随机存取存储器元件的方法为首先形成第一磁性隧穿结(magnetictunneling junction,MTJ)于基底上，然后形成一第一上电极于该第一MTJ上，再形成一保护层环绕第一MTJ，其中保护层包含V形且该V形的谷点高于第一上电极顶表面。

Description

磁阻式随机存取存储器元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种制作半导体元件，尤其是涉及一种制作磁阻式随机存取存储器(magnetoresistive random access memory,MRAM)元件的方法。

背景技术

已知，磁阻(magnetoresistance,MR)效应是材料的电阻随着外加磁场的变化而改变的效应，其物理量的定义，是在有无磁场下的电阻差除上原先电阻，用以代表电阻变化率。目前，磁阻效应已被成功地运用在硬盘生产上，具有重要的商业应用价值。此外，利用巨磁电阻物质在不同的磁化状态下具有不同电阻值的特点，还可以制成磁性随机存储器(MRAM)，其优点是在不通电的情况下可以继续保留存储的数据。

上述磁阻效应还被应用在磁场感测(magnetic field sensor)领域，例如，移动电话中搭配全球定位系统(global positioning system,GPS)的电子罗盘(electroniccompass)零组件，用来提供使用者移动方位等信息。目前，市场上已有各式的磁场感测技术，例如，各向异性磁阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)感测元件、巨磁阻(GMR)感测元件、磁隧穿结(magnetic tunneling junction,MTJ)感测元件等等。然而，上述现有技术的缺点通常包括：较占芯片面积、制作工艺较昂贵、较耗电、灵敏度不足，以及易受温度变化影响等等，而有必要进一步改进。

发明内容

本发明一实施例揭露一种制作磁阻式随机存取存储器元件的方法。首先形成第一磁性隧穿结(magnetic tunneling junction,MTJ)于基底上，然后形成一第一上电极于该第一MTJ上，再形成一保护层环绕第一MTJ，其中保护层包含V形且该V形的谷点高于第一上电极顶表面。

本发明另一实施例揭露一种磁阻式随机存取存储器元件，其主要包含第一磁性隧穿结(magnetic tunneling junction,MTJ)设于基底上，第一上电极设于该MTJ上以及一保护层环绕第一MTJ，其中保护层包含V形且该V形的谷点高于第一上电极顶表面。

附图说明

图1至图6为本发明一实施例制作MRAM元件的方法示意图。

主要元件符号说明

12:基底

14:MRAM区域

16:逻辑区域

18:层间介电层

20:金属内连线结构

22:金属内连线结构

24:金属间介电层

26:金属内连线

28:停止层

30:金属间介电层

32:金属内连线

34:阻障层

36:金属层

38:MTJ堆叠结构

42:下电极

44:固定层

46:阻障层

48:自由层

50:上电极

52:MTJ

56:遮盖层

58:保护层

62:金属间介电层

70:金属内连线

72:停止层

74:金属间介电层

76:金属内连线

78:停止层

具体实施方式

请参照图1至图6，图1至图6为本发明一实施例制作MRAM元件的方法示意图。如图1所示，首先提供一基底12，例如一由半导体材料所构成的基底12，其中半导体材料可选自由硅、锗、硅锗复合物、硅碳化物(silicon carbide)、砷化镓(gallium arsenide)等所构成的群组，且基底12上较佳定义有一MRAM区域14以及一逻辑区域16。

基底12上可包含例如金属氧化物半导体(metal-oxide semiconductor,MOS)晶体管等主动(有源)元件、被动(无源)元件、导电层以及例如层间介电层(interlayerdielectric,ILD)16等介电层覆盖于其上。更具体而言，基底12上可包含平面型或非平面型(如鳍状结构晶体管)等MOS晶体管元件，其中MOS晶体管可包含栅极结构(例如金属栅极)以及源极/漏极区域、间隙壁、外延层、接触洞蚀刻停止层等晶体管元件，层间介电层18可设于基底12上并覆盖MOS晶体管，且层间介电层18可具有多个接触插塞电连接MOS晶体管的栅极以及/或源极/漏极区域。由于平面型或非平面型晶体管与层间介电层等相关制作工艺均为本领域所熟知技术，在此不另加赘述。

然后于层间介电层18上依序形成金属内连线结构20、22电连接前述的接触插塞，其中金属内连线结构20包含一金属间介电层24以及金属内连线26镶嵌于金属间介电层24中，金属内连线结构22则包含一停止层28、一金属间介电层30以及金属内连线32镶嵌于停止层28与金属间介电层30中。

在本实施例中，金属内连线结构20中的各金属内连线26较佳包含一沟槽导体(trench conductor)，金属内连线结构22中设于MRAM区域14的金属内连线32则包含接触洞导体(via conductor)。另外各金属内连线结构20、22中的各金属内连线26、32均可依据单镶嵌制作工艺或双镶嵌制作工艺镶嵌于金属间介电层24、30以及/或停止层28中并彼此电连接。例如各金属内连线26、32可更细部包含一阻障层34以及一金属层36，其中阻障层34可选自由钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)以及氮化钽(TaN)所构成的群组，而金属层36可选自由钨(W)、铜(Cu)、铝(Al)、钛铝合金(TiAl)、钴钨磷化物(cobalt tungsten phosphide，CoWP)等所构成的群组，但不局限于此。由于单镶嵌或双镶嵌制作工艺是本领域所熟知技术，在此不另加赘述。此外在本实例金属内连线26中的金属层36较佳包含铜、金属内连线32中的金属层36较佳包含钨、金属间介电层24、30较佳包含氧化硅例如四乙氧基硅烷(tetraethylorthosilicate,TEOS)、而停止层28则包含氮掺杂碳化物层(nitrogen doped carbide,NDC)、氮化硅、或氮碳化硅(silicon carbon nitride,SiCN)，但不局限于此。

接着形成一下电极42、一MTJ堆叠结构38、一上电极50以及一图案化掩模(图未示)于金属内连线结构22上。在本实施例中，形成MTJ堆叠结构38的方式可先依序形成一固定层(pinned layer)44、一阻障层(barrier layer)46以及一自由层(free layer)48于下电极42上。在本实施例中，下电极42及上电极50较佳包含导电材料，例如但不局限于钽(Ta)、氮化钽(TaN)、铂(Pt)、铜(Cu)、金(Au)、铝(Al)。固定层44可包含铁磁性材料例如但不局限于钴铁硼(cobalt-iron-boron,CoFeB)、钴铁(cobalt-iron,CoFe)、铁(Fe)、钴(Co)等。此外，固定层44也可以是由反铁磁性(antiferromagnetic,AFM)材料所构成者，例如铁锰(FeMn)、铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)、氧化镍(NiO)等，用以固定或限制邻近层的磁矩方向。阻障层46可由包含氧化物的绝缘材料所构成，例如氧化铝(AlO_x)或氧化镁(MgO)，但均不局限于此。自由层48可以是由铁磁性材料所构成者，例如铁、钴、镍或其合金如钴铁硼(cobalt-iron-boron,CoFeB)，但不限于此。其中，自由层48的磁化方向会受外部磁场而「自由」改变。

随后如图2所示，利用图案化掩模为掩模进行一道或一道以上蚀刻制作工艺去除部分上电极50、部分MTJ堆叠结构38、部分下电极42以及部分金属间介电层30以形成多个MTJ 52于MRAM区域14。值得注意的是，本实施例于图案化上述上电极50、MTJ堆叠结构38、下电极42及金属间介电层30所进行的蚀刻制作工艺可包含反应性离子蚀刻制作工艺(reactive ion etching,RIE)以及/或离子束蚀刻制作工艺(ion beam etching,IBE)，由于离子束蚀刻制作工艺的特性，剩余的金属间介电层30上表面较佳略低于金属内连线32上表面且金属间介电层30上表面较佳呈现一弧形或曲面。另外又需注意的是，本实施例利用离子束蚀刻制作工艺去除部分金属间介电层30的时候较佳一同去除部分金属内连线32，使金属内连线32靠近MTJ 52的交界处形成倾斜侧壁。

然后形成一遮盖层56于MTJ 52上并覆盖MRAM区域14以及逻辑区域16的金属间介电层30表面。在本实施例中，遮盖层56较佳包含氮化硅，但又可依据制作工艺需求选用其他介电材料例如但不局限于氧化硅、氮氧化硅或氮碳化硅。

接着如图3所示，先进行一原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)制作工艺以形成一保护层58覆盖各MTJ 52以及逻辑区域16的金属间介电层30，进行一道回蚀刻制作工艺去除MRAM区域14与逻辑区域16的部分保护层58使两个上电极50之间的保护层58顶表面出现V形，再利用另一道光刻暨蚀刻制作工艺去除逻辑区域16的保护层58、遮盖层62以及部分金属间介电层30。在本实施例中，保护层58较佳包含氧化硅，但不局限于此。

需注意的是，本实施例利用前述蚀刻制作工艺去除部分保护层58的时候之后剩余的保护层58顶表面较佳高于两个上电极50顶表面一距离例如约300～500埃并同时于MRAM区域14的保护层58顶表面形成V形，其中V形较佳位于两个MTJ52与两个上电极50之间，V形的谷点高于上电极50顶表面，且V形角度较佳大于110度或更佳大于120度。

随后如图4所示，先利用例如可流动式化学气相沉积(flowable chemical vapordeposition,FCVD)制作工艺形成一金属间介电层62于保护层58上，再进行一平坦化制作工艺，例如利用化学机械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)制作工艺去除MRAM区域14与逻辑区域16的部分金属间介电层62，使MRAM区域14与逻辑区域16的金属间介电层62顶部约略切齐。在本实施例中，金属间介电层62较佳包含一超低介电常数介电层，例如可包含多孔性介电材料例如但不局限于氧碳化硅(SiOC)或氧碳化硅氢(SiOCH)。

然后如图5所示，进行一图案转移制作工艺，例如可利用一图案化掩模(图未示)去除逻辑区域16的部分金属间介电层62、部分金属间介电层30及部分停止层28以形成接触洞(图未示)并暴露出下面的金属内连线26。然后于接触洞中填入所需的金属材料，例如包含钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)等的阻障层材料以及选自钨(W)、铜(Cu)、铝(Al)、钛铝合金(TiAl)、钴钨磷化物(cobalt tungsten phosphide，CoWP)等低电阻材料或其组合的低阻抗金属层。接着进行一平坦化制作工艺，例如以化学机械研磨制作工艺去除部分金属材料以形成接触插塞或金属内连线70于接触洞内电连接金属内连线26。

随后如图6所示，先形成一停止层72于MRAM区域14及逻辑区域16并覆盖金属间介电层62及金属内连线70，形成一金属间介电层74于停止层72上，进行一道或一道以上光刻暨蚀刻制作工艺去除MRAM区域14及逻辑区域的部分金属间介电层74、部分停止层72、部分金属间介电层62、部分保护层58以及部分遮盖层56形成接触洞(图未示)。接着填入导电材料于各接触洞内并搭配平坦化制作工艺如CMP以分别于MRAM区域14以及逻辑区域16形成金属内连线76连接下方的MTJ 52及金属内连线70，其中MRAM区域14的金属内连线76较佳直接接触设于下方的上电极50而逻辑区域16的金属内连线76则接触下层的金属内连线70。接着再形成另一停止层78于金属间介电层70上并覆盖金属内连线76。

在本实施例中，停止层72与停止层78可包含相同或不同材料，其中两者均可选自由氮掺杂碳化物层(nitrogen doped carbide,NDC)、氮化硅、以及氮碳化硅(siliconcarbon nitride,SiCN)所构成的群组。如同前述所形成的金属内连线，设于金属间介电层74内的金属内连线76可依据单镶嵌制作工艺或双镶嵌制作工艺镶嵌于金属间介电层74内。例如金属内连线76可更细部包含一阻障层以及一金属层，其中阻障层可选自由钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)以及氮化钽(TaN)所构成的群组，而金属层可选自由钨(W)、铜(Cu)、铝(Al)、钛铝合金(TiAl)、钴钨磷化物(cobalt tungsten phosphide，CoWP)等所构成的群组，但不局限于此。由于单镶嵌或双镶嵌制作工艺是本领域所熟知技术，在此不另加赘述。至此即完成本发明一实施例的半导体元件的制作。

请再参照图6，图6另揭露本发明一实施例的半导体元件的结构示意图。如图6所示，半导体元件包含多个MTJ 52设于MRAM区域14的基底12上，上电极50设于各MTJ 52上，遮盖层56设于MTJ 52与上电极50侧壁，保护层58环绕MTJ 52，金属间介电层62设于保护层58上，停止层72设于金属间介电层62上，另一金属间介电层74设于停止层72上，以及金属内连线76分别设于金属间介电层74、停止层72、金属间介电层62以及保护层58内并接触上电极50。从细部来看，上电极50顶表面切齐遮盖层56顶表面，保护层58顶表面包含一V形，V形较佳位于两个MTJ 52与两个上电极50之间，V形的谷点高于上电极50顶表面、遮盖层56顶表面及金属内连线76底表面，且V形角度较佳大于110度或更佳大于120度。需注意的是，保护层58并不延伸到逻辑区域16而仅设于MRAM区域14内，而保护层58旁的金属间介电层62除了接触下层的金属间介电层30外又从逻辑区域16延伸至MRAM区域14的保护层58上。

综上所述，本发明主要于形成MTJ与上电极之后先形成一保护层于MTJ上，然后可选择性利用蚀刻去除部分保护层并使两个MTJ之间的保护层表面形成V形。由于所堆叠的保护层远高于上电极的顶表面，因此本发明利用蚀刻去除部分保护层时保护层顶表面便较佳形成具有角度大于110度以上的浅V形于

两个MTJ或上电极之间的，同时V形的谷点也较佳高于上电极底表面。依据本发明的优选实施例，将V形谷点包括V形两侧的保护层顶表面控制在高于上电极顶表面一距离的位置可避免后续形成上层金属内连线电连接上电极时所进行的蚀刻制作工艺侵蚀过多上电极两侧的遮盖层与保护层而影响元件效能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种制作磁阻式随机存取存储器元件的方法，其特征在于，包含：

形成第一磁性隧穿结(magnetic tunneling junction,MTJ)于基底上；

形成第一上电极于该第一磁性隧穿结上；以及

形成保护层环绕该第一磁性隧穿结，其中该保护层包含V形且该V形的谷点高于该第一上电极顶表面。

2.如权利要求1所述的方法，另包含：

形成第一金属间介电层于该基底上；

形成第一金属内连线与第二金属内连线于该第一金属间介电层内；

形成该第一磁性隧穿结于该第一金属内连线上以及第二磁性隧穿结于该第二金属内连线上；

形成该第一上电极于该第一磁性隧穿结上以及第二上电极于该第二磁性隧穿结上；

形成遮盖层于该第一磁性隧穿结与该第二磁性隧穿结上；

形成该保护层于该遮盖层上；

去除该导护层、该遮盖层以及该第一金属间介电层；

形成第二金属间介电层于该保护层上；以及

形成第三金属内连线以及第四金属内连线于该第二金属间介电层内连接该第一上电极与该第二上电极。

3.如权利要求2所述的方法，其中该V形设于该第一上电极与该第二上电极之间。

4.如权利要求2所述的方法，其中该V形的谷点高于该第三金属内连线底表面。

5.如权利要求2所述的方法，其中该第一上电极顶表面切齐该遮盖层顶表面。

6.如权利要求1所述的方法，其中该V形角度大于110度。

7.一种磁阻式随机存取存储器元件，其特征在于，包含：

第一磁性隧穿结(magnetic tunneling junction,MTJ)，设于基底上；

第一上电极，设于该第一磁性隧穿结上；以及

保护层，环绕该第一磁性隧穿结，其中该保护层包含V形且该V形的谷点高于该第一上电极顶表面。

8.如权利要求7所述的磁阻式随机存取存储器元件，另包含：

第一金属间介电层，设于该基底上；

第一金属内连线与第二金属内连线，设于该第一金属间介电层内；

该第一磁性隧穿结设于该第一金属内连线上以及第二磁性隧穿结设于该第二金属内连线上；

该第一上电极设于该第一磁性隧穿结上以及第二上电极设于该第二磁性隧穿结上；

遮盖层，设于该第一磁性隧穿结与该第二磁性隧穿结旁；

该保护层设于该遮盖层上；

第二金属间介电层，设于该保护层上；以及

第三金属内连线以及第四金属内连线，设于该第二金属间介电层内连接该第一上电极与该第二上电极。

9.如权利要求8所述的磁阻式随机存取存储器元件，其中该V形设于该第一上电极与该第二上电极之间。

10.如权利要求8所述的磁阻式随机存取存储器元件，其中该V形的谷点高于该第三金属内连线底表面。

11.如权利要求8所述的磁阻式随机存取存储器元件，其中该第一上电极顶表面切齐该遮盖层顶表面。

12.如权利要求7所述的磁阻式随机存取存储器元件，其中该V形角度大于110度。

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