DE102006016516A1

DE102006016516A1 - Speicher mit Abdeckungsstruktur für einen magnetoresistiven Übergang und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006016516A1
Application number: DE102006016516A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Klostermann; Chanro Park; Wolfgang Raberg
Original assignee: Infineon Technologies AG; Altis Semiconductor SNC
Current assignee: Qimonda AG; Altis Semiconductor SNC
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2006-11-09
Also published as: US20060245116A1; US7602032B2

Abstract

Es wird ein Speicher und ein Verfahren zum Herstellen eines Speichers angegeben. In einer Ausführungsform enthält der Speicher eine Abdeckungsstruktur (11) für eine magnetoresistive Halbleiteranordnung mit wahlfreiem Zugriff einschließlich einer auf einer oberen magnetischen Schicht (2) einer Schichtstruktur (10) eines magnetoresistiven Übergangs (MTJ/MCJ) ausgebildeten Ätzstoppschicht (12) und einer auf der Ätzstoppschicht (12) ausgebildeten Hartmaskenschicht (8), wobei die Ätzstoppschicht (12) als Material gewählt ist, so dass eine zum Entfernen der Hartmaskenschicht (8) verwendete Ätzchemie eine Selektivität gegenüber der Ätzung des Materials der Ätzstoppschicht (12) aufweist. Bei einem Verfahren zum Öffnen der Hartmaskenschicht (8) wird ein Ätzprozess zum Entfernen freigelegter Bereiche der Hartmaskenschicht (8) ausgeführt, wobei der Ätzprozess auf der Ätzstoppschicht (12) endet.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet nicht-flüchtiger Halbleiterspeicherchips, insbesondere betrifft diese magnetoresistive Speicherchips mit wahlfreiem Zugriff, eine Abdeckungsstruktur für einen magnetoresistiven Übergang und ein verbessertes Verfahren zu dessen Strukturierung.
In magnetoresistiven Speicheranordnungen mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Anordnungen) wird typischerweise eine Mehrzahl von Speicherzellen (MRAM-Zellen) an Kreuzungspunkten erster und zweiter Leiterbahnen (z. B. Bit- und Wortleitungen) zwischen denselbigen angeordnet. Jede der MRAM-Zellen weist im Allgemeinen eine magnetische Struktur (magnetoresistiver Tunnelübergang oder MTJ) auf, in der Information durch die Ausrichtungen der Magnetisierung in einer magnetischen Schicht des MTJ gespeichert wird. Derart gespeicherte Information lässt sich über lange Zeitspannen ohne zusätzliche Energiezufuhr aufrechterhalten.
Im Allgemeinen weist der MTJ zwei magnetische Schichten mit verschiedenen Koerzitivkräften auf, die durch eine isolierende Barrierenschicht aus nicht-magnetischem Material getrennt sind. Insbesondere ist die Magnetisierung einer der magnetischen Schichten („Referenzschicht") fixiert oder gepinnt, während die Magnetisierung der anderen magnetischen Schicht („freie Schicht") frei zwischen zwei bevorzugten Richtungen entlang einer Vorzugsachse („leichte Achse") der Magnetisierung umgeschaltet werden kann.
Das Schreiben logischer Information in eine MRAM-Zelle erfolgt durch Magnetisieren des magnetischen Materials der freien Schicht in einer der beiden Richtungen entlang der Vorzugsachse der Magnetisierung, was typischerweise durch Koppeln magnetischer Felder an die magnetische freie Schicht erfolgt. Die magnetischen Felder werden typischerweise dadurch er-zeugt, dass Ströme durch die ersten und zweiten Stromleiterbahnen getrieben werden. Eine Richtungsänderung der Magnetisierung der freien Schicht wird ebenso als „Schreib- oder Programmiervorgang" bezeichnet.
Da ein Tunnelstrom durch den MTJ von einer jeweiligen Ausrichtung der Magnetisierungen dessen magnetischer Schichten abhängt, erfolgt ein Lesen von logischer Information (magnetischer Zustände) einer MRAM-Zelle durch Abtasten des elektrischen Widerstandes des MTJ, wozu eine elektrische Spannung über dem MTJ angelegt wird.

Ein übliches Verfahren zum Herstellen von MRAM-Zellen wird mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben, die Querschnittsansichten von Zwischenprodukten eines Herstellungsverfahrens zeigen. Obwohl dies nicht in den Abbildungen dargestellt ist, wird vorab typischerweise und entsprechend obigem Aufbau ein Halbleitersubstrat mit vorab gefertigten aktiven Strukturen (typischerweise mit einem bekannten CMOS Front-End-of-Line Prozess gefertigt) bereitgestellt, auf das ein Zwischenschichtdielektrikum abgeschieden ist. Sodann wird eine Metallisierungsebene innerhalb des Materials des Zwischenschichtdielektrikums zur Ausbildung erster Leiterbahnen geformt, wonach eine MTJ-Schichtstruktur 10 abgeschieden wird, die zum Herstellen einer Mehrzahl von MTJ-Stapeln zu strukturieren ist, und wobei jeder der Stapel als Speicherelement der MRAM-Zellen dient. Die MTJ-Schichtstruktur weist typischerweise eine Referenzschicht 1 auf einer antiferromagnetischen Schicht 4 zum Pinnen der fixierten Magnetisierung der Referenzschicht 1, eine Tunnelbarrierenschicht 3 über der Referenzschicht 1 und eine freie Schicht 2 über der Tunnelbarriere 3 auf (Abscheidung in umgekehrter Reihenfolge ist ebenso möglich). Unterhalb der antiferromagnetischen Schicht 4 können elektrisch leitfähige Schichten auf die ersten Leiterbahnen abgeschieden werden, z. B. eine auf den ersten Leiterbahnen abgeschiedene erste leitfähige Schicht 6 aus TaN und eine auf der ersten leitfähigen Schicht 6 abgeschiedene zweite leitfähige Schicht 5 aus Ta.

Die Referenzschicht 1 besteht typischerweise aus Dünnfilmen, z. B. bestehend aus ferromagnetischen Legierungen, wie NiFe und CoFe mit nicht-magnetischen Spacern aus Ru, Re, Os, Nb, Cr oder Legierungen hiervon. Die Pinning (antiferromagnetische)-Schicht 4 besteht typischerweise aus Platin-Mangan (PtMn) oder Iridium-Mangan (IrMn). Die freie Schicht 2 besteht typischerweise aus Dünnfilmen, z. B. ferromagnetischen Materialien mit oder ohne nicht-magnetischen Spacern wie Ru, Re, Os, Nb, Cr oder Legierungen hiervon. Die Tunnelbarrierenschicht 3 besteht typischerweise aus Al₂O₃.

Bei dem Verfahren zum Herstellen von MRAM-Zellen wird nach dem Abscheiden der MTJ-Schichtstruktur 10 eine Abdeckungsstruktur 11 darauf ausgebildet. Die Abdeckungsstruktur 11 besteht notwendigerweise aus einer schützenden Abdeckungsschicht 7, die über einer oberen magnetischen Schicht (z. B. der freien Schicht 2) der MTJ-Schichtstruktur 10 ausgebildet ist und die typischerweise eine Dicke von einigen 100 Atomlagen aufweist und die MTJ-Schichtstruktur vor der Einwirkung durch die Umgebung, wie deren Oxidation, schützen soll. Die Abdeckungsschicht 7 besteht typischerweise aus einem leitfähigen Material wie Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN) oder Titannitrid (TiN).

Die Abdeckungsstruktur 11 weist zudem eine auf der Abdeckungsschicht 7 ausgebildete Hartmaskenschicht 8 auf, die an schließend zur Strukturierung der MTJ-Stapel geöffnet wird. Gewöhnlich wird eine leitfähiges Material für die Hartmaskenschicht 8 verwendet, das typischerweise dem Material der Abdeckungsschicht 7 oder einem hierzu ähnlichen Material entspricht, wie etwa Ta, TaN oder TiN, was jedoch zu einer dürftigen Ätzselektivität der Hartmaskenschicht 8 in Bezug zur Abdeckungsschicht 7 führt.

Um ein lithografisches Muster auf die MTJ-Stapel zu übertragen, wird die Hartmaskenschicht 8 typischerweise durch reaktives Ionenätzen (RIE) hinunter bis zur oberen magnetischen Schicht des MTJ-Stapels strukturiert (d. h. Öffnen der Hartmaskenschicht und Abdeckungsschicht 7), gefolgt von einem Abstreifen des Lackes und RIE des MTJ-Stapels.

Um eine gute Steuerung der magnetischen Eigenschaften als auch bestimmte Integrationsschemata zu ermöglichen, ist es erforderlich, dass das Verfahren zum Öffnen der Hartmaske zuverlässig auf der freien Schicht 2 endet, ohne die freie Schicht 2 zu schädigen, was jedoch eine sehr hohe Ätzselektivität (ca. größer als 80) im Hinblick auf die Ätzchemie zum Öffnen der Hartmaske in Bezug zum Material der freien Schicht 2 erforderlich macht. Jedoch ist es aufgrund der dürftigen Ätzselektivität der Hartmaskenschicht 8 in Bezug zur Abdeckungsschicht 7 wie oben beschrieben äußerst wahrscheinlich, dass das magnetische Material der freien Schicht 2 während des Verfahrens zum Öffnen der Hartmaske beschädigt wird. Somit ist das Verfahren zum Öffnen der Hartmaske in der Praxis sehr empfindlich auf jegliche Ungleichmäßigkeiten auf der Scheibenoberfläche und kann typischerweise lediglich mit einer zeitlich abgestimmten Ätzung durchgeführt werden.

Im Folgenden wird insbesondere Bezug auf 2 genommen, wo dargestellt ist, dass beim Öffnen der Hartmaskenschicht 8 aufgrund der dürftigen Ätzselektivität der Hartmaskenschicht 8 in Bezug zur Abdeckungsschicht 7 Ätzschäden in geschädigten Zonen 9 der MTJ-Schichtstruktur 10 auftreten können, insbesondere in der freien Schicht 2.

Im Lichte obiger Betrachtungen besteht ein Bedürfnis nach einer neuen Abdeckungsstruktur und einem Verfahren zur Strukturierung derselben, wobei ein Öffnen der Hartmaskenschicht zur Strukturierung der MTJ-Stapel ohne Schädigen der MTJ-Schichtstruktur sichergestellt werden soll.

Ausführungsformen der Erfindung geben einen Speicher und ein Verfahren zum Herstellen des Speichers an. In einer Ausführungsform stellt die Erfindung einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff einschließlich eines magnetoresistiven Übergangs mit einer oberen magnetischen Schicht, einer Abdeckungsstruktur mit einer auf der oberen magnetischen Schicht ausgebildeten Ätzstoppschicht und einer auf der Ätzstoppschicht ausgebildeten Hartmaskenschicht bereit. Die Ätzstoppschicht wird als ein Material gewählt, so dass eine zum Entfernen der Hartmaskenschicht verwendete Ätzchemie eine Selektivität gegenüber der Ätzung des Materials der Ätzstoppschicht aufweist.

Die begleitenden Abbildungen dienen dem weiteren Verständnis der Erfindung. Die Komponenten der Abbildungen sind nicht notwendigerweise maßstabstreu zueinander dargestellt. Übereinstimmende Bezugszeichen kennzeichnen ähnliche oder gleichartige Komponenten.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Zwischenproduktes einer bekannten MRAM-Schichtstruktur mit Abdeckungsstruktur.
2 zeigt das Zwischenprodukt von 1 nach dem Öffnen der Hartmaskenschicht.
3 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Zwischenproduktes einer MRAM-Schichtstruktur mit einer Abdeckungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt das Zwischenprodukt von 3 nach dem Öffnen der Hartmaskenschicht.
5 zeigt das Zwischenprodukt von 4 nach dem Ätzen der Ätzstoppschicht sowie der freien Schicht mit einer gemeinsamen Ätzchemie.
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird Bezug zu den begleitenden Abbildungen genommen, die spezifische Ausführungsformen als Möglichkeiten zur Umsetzung der Erfindung zeigen. In diesem Zusammenhang wird eine richtungsbezogene Terminologie wie „oben", „unten", „vorne", „hinten", „vorderer", „hinterer", usw. mit Bezug zu den Ausrichtungen der beschriebenen Figuren verwendet. Da die Komponenten der Ausführungsformen der Erfindung in einer Vielzahl von Ausrichtungen positioniert werden können, dient die richtungsbezogene Terminologie der Erläuterung und ist keineswegs einschränkend. Somit können weitere Ausführungsformen genutzt werden und strukturelle oder logische Änderungen lassen sich durchführen, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist nicht in beschränkender Weise auszulegen und der Schutzbereich der Erfindung wird durch die beigefügten Patentansprüche definiert.
Die Erfindung gibt einen MRAM an einschließlich einer Abdeckungsstruktur für eine Schichtstruktur eines magnetoresistiven Übergangs sowie ein Verfahren zu dessen Strukturierung als auch ein Verfahren zum Strukturieren von Stapeln magnetoresistiver Übergänge.
Der in der Erfindung verwendete Ausdruck „magnetoresister Übergang" (MRJ) umfasst sowohl einen magnetoresistiven Tunnelübergang (MTJ), wie in üblichen magnetoresistiven Tunnelübergangselementen (MTJ-Elementen) mit einer dielektrischen Spacerschicht (Tunnelbarriere) zwischen magnetischen freien und Referenz-Schichten verwendet, als auch einen magnetoresistiven leitfähigen Übergang (MCJ), wie in üblichen Riesenmagnetowiderstandselementen (GMR-Elementen) mit einer nicht-magnetischen, leitfähigen Spacerschicht (leitfähige Barriereschicht) zwischen magnetischen freien und Referenz-Schichten verwendet. Um sowohl auf den magnetoresistiven Tunnelübergang (MTJ) und den magnetoresistiven leitfähigen Übergang (MCJ) hinzuweisen, welche in der Erfindung als Alternativen vorgesehen sind, wird hierin der Ausdruck „MTJ/MCJ" verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält eine Abdeckungsstruktur für eine magnetoresistive Speicheranordnung mit wahlfreiem Zugriff (genauer gesagt MTJ/MCJ-Schichtstruktur) eine auf einer oberen magnetischen Schicht einer Schichtstruktur eines magnetoresistiven Übergangs MTJ/MCJ ausgebildete Ätzstoppschicht und eine auf der Ätzstoppschicht ausgebildete Hartmaskenschicht. Die MTJ/MCJ-Schichtstruktur, die einen Schichtstapel darstellt, dient dem Herstellen einer Mehrzahl von MTJ/MCJ-Stapeln von MRAM-Zellen.
Die Ätzstoppschicht wird als Material gewählt, so dass eine zum Entfernen der Hartmaskenschicht verwendete Ätzchemie eine Selektivität gegenüber dem Ätzen des Materials der Ätzstoppschicht aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält eine Abdeckungsstruktur für eine magnetoresistive Speicheranordnung mit wahlfreiem Zugriff (genauer gesagt MTJ/MCJ-Schichtstruktur) eine auf einer oberen magnetischen Schicht einer MTJ/MCJ-Schichtstruktur ausgebildete Ätzstoppschicht, eine auf der Ätzstoppschicht ausgebildete Abdeckungsschicht und eine auf der Abdeckungsschicht ausgebildete Hartmaskenschicht. Die Ätzstoppschicht ist als ein Material gewählt, so dass eine zum Entfernen der Hartmaskenschicht verwendete Ätzchemie eine Selektivität gegenüber der Ätzung des Materials der Ätzstoppschicht aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält ein Verfahren zum Öffnen einer Hartmaskenschicht einer MRAM-Anordnung die Schritte Strukturieren einer auf der Hartmaskenschicht ausgebildeten Fotolackschicht und Ausführen eines Ätzprozesses zum Entfernen freigelegter Bereiche der Hartmaskenschicht. Der Ätzprozess endet auf einer Ätzstoppschicht, die auf einer oberen magnetischen Schicht einer MTJ/MCJ-Schichtstruktur ausgebildet ist. Danach wird die Ätzstoppschicht entfernt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Strukturieren (Gestalten) wenigstens eines (im allgemeinen einer Mehrzahl von) MTJ/MCJ-Stapels einer MRAM-Anordnung die Schritte Öffnen einer Hartmaskenschicht einer MTJ/MCJ-Schichtstruktur durch Strukturieren einer auf der Hartmaskenschicht ausgebildeten Fotolackschicht, Ausführen eines ersten Ätzprozesses zum Entfernen freigelegter Bereiche der Hartmaskenschicht, wobei der erste Ätzprozess auf einer über einer oberen magnetischen Schicht der MTJ/MCJ-Schichtstruktur ausgebildeten Ätzstoppschicht endet. Das Verfahren weist zudem den Schritt Ausführen eines zweiten Ätzprozesses zum Entfernen der Ätzstoppschicht auf. Beim zweiten Ätzprozess zum Ätzen der Ätzstoppschicht wird wenigstens die obere magnetische Schicht der MTJ/MCJ-Schichtstruktur ebenso unter Verwendung derselben Ätzchemie geätzt.
Bei der Erfindung wird die Ätzstoppschicht zum Stoppen der Ätzung der Öffnungen der Hartmaskenschicht direkt auf die obere magnetische Schicht (z. B. freie Schicht) der MTJ/MCJ-Schichtstruktur abgeschieden. Demnach wird ein Ätzfenster beim Öffnen der Hartmaskenschicht verbessert und ein Kontakt der Ätzchemie beim Öffnen der Hartmaske mit dem Material der freien Schicht vermieden.
Das für die Ätzstoppschicht verwendete Material weist auf:

(1) Hohe Selektivität zum Material der Hartmaskenschicht während des Öffnungsprozesses der Hartmaskenschicht, um eine sehr dünne Ätzstoppschicht zu ermöglichen, vorzugsweise in der Größenordnung einiger Nanometer.
(2) Vergleichsweise oder schnellere Ätzrate im Vergleich zu den Materialien des MTJ/MCJ-Stapels während der MTJ/MCJ-Ätzung.
(3) Vernachlässigbare oder vorteilhafte Einflüsse hinsichtlich der Eigenschaften der magnetischen freien Schicht.

Für üblicherweise eingesetzte Ätzchemikalien und typischerweise verwendete Materialien der Hartmaskenschicht, wie TiN oder TaN, und typisch verwendete Materialien für die freie Schicht, wie NiFe oder CoFeB, stellen Ru und eine NiFeCr-Legierung beispielhafte Materialien für die Ätzstoppschicht zum Erfüllen obiger Anforderungen dar.
Ein Abscheiden der Ätzstoppschicht direkt über der oberen magnetischen Schicht der MTJ/MCJ-Schichtstruktur ermöglicht in vorteilhafter Weise ein Weglassen der vorhergehend direkt über der oberen magnetischen Schicht der MTJ/MCJ-Schichtstruktur abgeschiedenen Abdeckungsschicht. Somit wird die Ätzstoppschicht nicht ausschließlich zum Stoppen der Ätzung zur Öffnung der Hartmaskenschicht verwendet, sondern diese dient ebenso dazu, zu verhindern, dass die MTJ/MCJ-Schichtstruktur der Umgebung ausgesetzt wird und insbesondere zum Verhindern deren Oxidation. Eine derartige Schutzfunktion der Ätzstoppschicht wird beispielsweise durch Verwendung von Ru und/oder einer NiFeCr-Legierung als Material der Ätzstoppschicht erzielt. Verglichen mit dem Fall, bei dem eine Ätzstoppschicht auf eine über der oberen magnetischen Schicht der MTJ/MCJ-Schichtstruktur abgeschiedene bekannte Abdeckungsschicht abgeschieden worden wäre, besteht bei der Erfindung keine Notwendigkeit eines weiteren Schrittes zum Entfernen der Abdeckungsschicht.
Als weiterer Vorteil kann eine Strukturierung (Gestaltung) der MTJ/MCJ-Schichtstruktur zum Herstellen von MTJ/MCJ-Stapeln der MRAM-Zellen mit derselben Ätzchemie wie bei der Ätzung der Ätzstoppschicht erfolgen. Demnach kann die Ätzung der Ätzstoppschicht fortgesetzt werden, um wenigstens die obere magnetische Schicht (z. B. freie Schicht) der MTJ/MCJ-Schichtstruktur zu ätzen, ohne die Ätzchemie austauschen zu müssen. Insbesondere kann die Ätzung auf der Tunnelbarrierenschicht enden (d. h. Ätzen der oberen magnetischen Schicht, z. B. freie Schicht); alternativ hierzu kann die Ätzung auch auf Ru enden (das in der freien Schicht oder der Referenzschicht vorhanden sein kann); alternativ hierzu kann die Ätzung auf der antiferromagnetischen Schicht zum Pinnen der fixierten Magnetisierung der Referenzschicht enden; und alternativ hierzu können die gesamten MTJ/MCJ-Stapel mit derselben Ätzchemie wie die Ätzstoppschicht geätzt werden. Abhängig von einer bestimmten zu erzielenden Ätztiefe kann die Ätzung zeitlich abgestimmt sein oder auf einer Endpunktdetektion basieren.
In 3 wird eine beispielhafte Ausführungsform der MTJ/MCJ-Schichtstruktur mit einer Abdeckungstruktur gemäß der Erfindung erläutert.
Wie dargestellt ist, enthält eine MTJ/MCJ-Schichtstruktur (Stapel von Schichten), gemeinsam mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet, eine Referenzschicht 1, eine auf der Referenzschicht 1 abgeschiedene Spacerschicht 3 (die eine Tunnelbarrierenschicht im Falle eines MTJ oder eine leitfähige Schicht im Falle eines MCJ darstellt) und eine auf der Spacerschicht 3 abgeschiedene freie Schicht 2. Die Referenzschicht 1 ist auf einer antiferromagnetischen Schicht 4 zum Pinnen der fixierten Magnetisierung der Referenzschicht 1 abgeschieden. Unterhalb der antiferromagnetischen Schicht 4 können elektrisch leitfähige Schichten vorgesehen sein, z. B. eine erste leitfähige Schicht 6 aus TaN und eine zweite leitfähige Schicht 5 aus Ta, die auf die erste leitfähige Schicht 6 abgeschieden ist. Die MTJ/MCJ-Schichtstruktur 10 dient der Herstellung eines oder einer Mehrzahl von MTJ/MCJ-Stapeln, die die Speicherelemente der MRAM-Zellen darstellen.
Ein Fachmann erkennt, dass der besondere Aufbau der MTJ/MCJ-Schicht-(Stapel-)Struktur 10 in 3 lediglich beispielhaft ist und dass die Erfindung in gleicher Weise auf weitere dem Fachmann bekannte Ausführungsformen angewandt werden kann. Beispielsweise kann die MTJ/MCJ-Schichtstruktur eine umgekehrte Reihenfolge und/oder eine oder mehrere mit der Referenzschicht und/oder der freien Schicht verknüpfte magnetische Schichten aufweisen, was typisch in synthetischen antiferromagnetischen freien Schichten ist und diese kann auch mehr als eine Barriere aufweisen (z. B. Stapel mit Doppelbarrieren).
Die Referenzschicht 1 besteht typischerweise aus Dünnfilmen, z. B. aus ferromagnetischen Legierungen wie NiFe und CoFe mit nicht-magnetischen Spacern aus Ru, Re, Os, Nb, Cr oder Legierungen hiervon. Die antiferromagnetische Pinning-Schicht 4 besteht typischerweise aus Platin-Mangan (PtMn) oder Iridium-Mangan (IrMn). Die freie Schicht 2 besteht typischerweise aus Dünnfilmen, z. B. aus ferromagnetischen Materialien mit oder ohne nicht-magnetischen Spacern wie Ru, Re, Os, Nb, Cr oder Legierungen hiervon. Im Falle, dass die Spacerschicht 3 eine Tunnelbarrierenschicht (MTJ-)Schicht ist, besteht die Spacerschicht 3 typischerweise aus Al₂O₃. Im Falle, dass die Spacerschicht 3 eine leitfähige Schicht (MCJ) ist, besteht die Spacerschicht 3 typischerweise aus Cu.
Die MTJ/MCJ-Schichtstruktur 10 ist typischerweise auf einem Halbleitersubstrat abgeschieden, wobei das Halbleitersubstrat z. B. in einer bekannten CMOS Front-End-of-Line-Fertigung gefertigte aktive Strukturen aufweist. Auf dem Halbleitersubstrat ist ein Zwischenschichtdielektrikum abgeschieden, worauf sich typischerweise eine Ausbildung einer (ersten) Metallisierungsebene innerhalb des Materials des Zwischenschichtdielektrikums zur Ausbildung von Leiterbahnen anschließt, die zur Erzeugung von mit der freien Schicht zu koppelnden Magnetfeldern und/oder dem Abtasten des elektrischen Widerstandes der herzustellenden MRAM-Zellen dienen sollen.
Während des Verfahrens zum Herstellen von MRAM-Zellen wird nach dem Abscheiden der MTJ/MCJ-Schichtstruktur 10 darauf eine Abdeckungsstruktur, gemeinsam mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichnet, ausgebildet. Die Abdeckungsstruktur 11 weist eine auf der oberen magnetischen Schicht (z. B. freien Schicht 2) der MTJ/MCJ-Schichtstruktur 10 ausgebildete Ätzstoppschicht 12 auf, die typischerweise eine Dicke in der Größenordnung einiger Nanometer aufweist. Die Ätzstoppschicht 12 weist ein nicht-magnetisches, elektrisch leitfähiges Material auf und besteht beispielsweise aus Ru und/oder einer NiFeCr-Legierung. Außerdem kann die Ätzstoppschicht derart gewählt werden, dass diese mit einer Sauerstoff-basierten Ätzchemie entfernt werden kann und/oder korrosionsbeständig im Hinblick auf Halogen-basierte Ätzchemie ist und/oder resistent gegenüber wässrigen Reinigungsprozessen nach der Ätzung ist. Vorzugweise wird die Ätzstoppschicht derart gewählt, dass diese durch reaktives Ionenätzen entfernt werden kann.
Die Abdeckungsstruktur 11 weist zudem eine auf der Ätzstoppschicht 12 ausgebildete Hartmaskenschicht 8 auf, die nachfolgend zur Strukturierung der MTJ/MCJ-Stapel geöffnet wird. Die Hartmaskenschicht 8 kann aus einer oder mehreren Schichten bestehen, wobei die Materialien derselbigen vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Ta, TaN, TiN, WN, SiO₂ und SiN ausgewählt sind. Demnach kann die Hartmaskenschicht 8 beispielsweise eine Doppelschicht aus TiN/SiO₂ sein. Das Öffnen der Hartmaskenschicht 8 besteht somit aus wenigstens einem Hartmaskenätzschritt, wobei mehrere Hartmaskenätzschritte verschiedene Chemikalien und Ätzbedingungen aufweisen können. Besteht insbesondere eine Hartmaskenschicht 8 aus zwei Schichten, wie einer TiN/SiO₂-Doppelschicht, so können zwei Hartmaskenätzschritte ausgeführt werden.
Die Ätzstoppschicht 12 dient, neben ihrer Funktion des Stoppens der Ätzung der Abdeckungsstruktur 11, d. h. dem Öffnen der Hartmaskenschicht 8 zum Strukturieren (Gestalten) des MTJ/MCJ-Stapels, dem Schutz der MTJ/MCJ-Schichtstruktur 10 gegenüber Umwelteinflüssen, wie deren Oxidation. Somit ist es in vorteilhafter Weise möglich, auf ein Abscheiden einer Abdeckungsschicht auf der oberen Schicht der MTJ/MCJ-Schichtstruktur 10 zu verzichten.
In 4 wird das Zwischenprodukt von 3 nach dem Öffnen der Hartmaskenschicht 8 dargestellt. Durch Übertragen eines lithografischen Musters auf die MTJ/MCJ-Stapel wird die Hartmaskenschicht 8 typischerweise durch reaktives Ionenätzen (RIE) bis zur Ätzstoppschicht 12 hinunter strukturiert. Genauer gesagt wird ein auf der Hartmaskenschicht 8 abgeschiedenes Fotolackmaterial in ein gewünschtes Muster der Hartmaskenschicht 8 entwickelt. Danach wird das Material der freigelegten Hartmaskenschicht 8 unter Verwendung des Fotolackmusters durch RIE mit einem Ätzstopp auf (oder innerhalb) der Ätzstoppschicht 12 entfernt, typischerweise gefolgt von einem Abstreifen des Lacks. Somit wird beim Öffnen der Hartmaskenschicht 8 der MTJ/MCJ-Schichtstapel 10 sicher vor einer Beschädigung durch die Ätzchemie geschützt.
In 5 ist das Zwischenprodukt von 4 nach dem Ätzen der Ätzstoppschicht 12 dargestellt. Demnach wurden in einem einzelnen Ätzschritt die Ätzstoppschicht 12 und die obere Schicht (z. B. freie Schicht 2 wie in 5 gezeigt) des MTJ/MCJ-Schichtstapels 10 durch RIE unter Verwendung derselben Ätzchemie entfernt. Ätzen von sowohl der Ätzstoppschicht als auch der freien Schicht kann in einer zeitlich abgestimmten Ätzung oder einer Ätzung mit Endpunktdetektion erfolgen. Obwohl nicht in 5 dargestellt, kann die Ätzstoppschicht 12 und zwei oder mehrere Schichten (oder Teile von Schichten) des MTJ/MCJ-Schichtstapels 10 beispielsweise durch RIE unter Verwendung derselben Ätzchemie entfernt werden. Insbesondere lässt sich in einem einzelnen Ätzschritt ein Ätzen der Ätzstoppschicht 12 und eines gesamten MTJ/MCJ-Stapels durchführen.
Somit lässt sich ein Öffnen der Hartmaskenschicht 8 und ein Strukturieren (Gestalten) der MTJ/MCJ-Schichtstruktur 10 zum Herstellen von MTJ/MCJ-Stapeln in einem Zweischritt-Ätzprozess durchführen, d. h. einem ersten Ätzschritt zum Öffnen der Hartmaskenschicht 8 und einem zweiten Ätzschritt zum Entfernen der Ätzstoppschicht 12 und Ätzen einer oder meh rerer Schichten (oder Teilen hiervon) oder Gestalten der gesamten MTJ/MCJ-Stapel unter Verwendung derselben Ätzchemie. Im Falle, dass die Hartmaskenschicht 8 aus mehreren Schichten besteht, kann das Ätzen der Hartmaskenschicht 8 ebenso aus mehreren Ätzschritten bestehen, die verschiedene Chemikalien und Ätzbedingungen aufweisen können.
Obwohl dies nicht in den Abbildungen dargestellt ist, kann eine üblicherweise eingesetzte Abdeckungsschicht, wie im einleitenden Teil beschrieben ist, auf der Ätzstoppschicht 12 aus z. B. Ta, TaN oder TiN ausgebildet werden.
Bei einem Verfahren zum Herstellen von MRAM-Zellen wird typischerweise wenigstens einer der Spülvorgänge in deionisiertem Wasser und sauren wässrigen Lösungen nach dem Ätzen der Hartmaskenschicht ausgeführt. Andernfalls kann wenigstens einer der Spülvorgänge mit deionisiertem Wasser und sauren wässrigen Lösungen nach dem Entfernen der Ätzstoppschicht (und optional von Teil (en) der MTJ/MCJ-Schichtstruktur) ausgeführt werden.
Nach dem Strukturieren der MTJ/MCJ-Stapel, wie oben beschrieben, werden bekannte Schritte einer CMOS-Back-End-of-Line-Fertigung, die einem Fachmann prinzipiell bekannt sind und deshalb keiner weiteren Erläuterung bedürfen, beispielsweise zum Ausbilden weiterer Leiterbahnen in einer oder mehreren Metallisierungsebenen, die jeweils durch Zwischenschichtdielektrika voneinander getrennt sind, durchgeführt.
Obwohl spezifische Ausführungsformen hierin dargestellt und erläutert wurden, erkennt ein Fachmann, dass eine Vielfalt geänderter und/oder äquivalenter Implementierungen die gezeigten spezifischen Ausführungsformen ersetzen können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Erfindung wird lediglich durch die Patentansprüche und derer Äquivalente beschränkt.

Claims

Speicher mit wahlfreiem Zugriff mit: einem magnetoresistiven Übergang mit einer oberen magnetischen Schicht; einer Abdeckungsstruktur (11) mit einer auf der oberen magnetischen Schicht (2) ausgebildeten Ätzstoppschicht (12) und einer auf der Ätzstoppschicht (12) ausgebildeten Hartmaskenschicht (8), wobei die Ätzstoppschicht (12) als derartiges Material ausgewählt wird, so dass eine zum Entfernen der Hartmaskenschicht (8) verwendete Ätzchemie eine Selektivität gegenüber der Ätzung des Materials der Ätzstoppschicht (2) aufweist.
Speicher nach Anspruch 1, wobei die Ätzstoppschicht (12) ein nicht-magnetisches, elektrisch leitfähiges Material aufweist.
Speicher nach Anspruch 2, wobei das Material der Ätzstoppschicht (12) ein Element oder mehrere Elemente der Gruppe bestehend aus einer Nickel-Eisen-Chrom-(NiFeCr-)Legierung und Ruthenium (Ru) aufweist.
Speicher nach Anspruch 2, wobei das Material der Ätzstoppschicht (12) unter Verwendung einer Sauerstoff-basierten Ätzchemie entfernbar ist.
Speicher nach Anspruch 2, wobei das Material der Ätzstoppschicht (12) als korrosionsbeständig in Bezug zu Halogen-basierten Ätzchemikalien gewählt ist; und die Ätzstoppschicht (12) zusätzlich resistent gegenüber wässrigen Reinigungsprozessen nach der Ätzung gewählt ist.
Speicher nach Anspruch 2, wobei das Material der Ätzstoppschicht mit reaktivem Ionenätzen entfernbar ist.
Speicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Material der Hartmaskenschicht (8) ein Element oder mehrere Elemente der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN), Titannitrid (TiN), Wolframnitrid (WN), Siliziumdioxid (SiO₂) und Siliziumnitrid (SiN) aufweist.
Magnetoresistive Speicheranordnung mit wahlfreiem Zugriff mit: einem magnetoresistiven Übergang (MTJ/MCJ) mit Schichtstruktur (10) sowie mit einer oberen magnetischen Schicht (2); und einer Abdeckungsstruktur (11) mit einer auf der oberen magnetischen Schicht (2) ausgebildeten Ätzstoppschicht (12), einer auf der Ätzstoppschicht (12) ausgebildeten Abdeckungsschicht und einer auf der Abdeckungsschicht ausgebildeten Hartmaskenschicht (8), wobei die Ätzstoppschicht (12) als Material gewählt ist, so dass eine zum Entfernen der Hartmaskenschicht (8) verwendete Ätzchemie eine Selektivität gegenüber der Ätzung des Materials der Ätzstoppschicht (12) aufweist.
Speicher nach Anspruch 8, wobei die Ätzstoppschicht (12) ein nicht-magnetisches, elektrisch leitfähiges Material aufweist.
Speicher nach Anspruch 9, wobei das Material der Ätzstoppschicht (12) ein Element oder mehrere Elemente der Gruppe bestehend aus einer Nickel-Eisen-Chrom-(NiFeCr-)Legierung und Ruthenium (Ru) aufweist.
Speicher nach Anspruch 9, wobei das Material der Ätzstoppschicht (12) unter Verwendung einer Sauerstoff-basierten Ätzchemie entfernbar ist.
Speicher nach Anspruch 9, wobei das Material der Ätzstoppschicht (12) als korrosionsbeständig in Bezug zu Halogen-basierten Ätzchemikalien gewählt ist; und die Ätzstoppschicht (12) zusätzlich resistent gegenüber wässrigen Reinigungsprozessen nach der Ätzung gewählt ist.
Speicher nach Anspruch 9, wobei das Material der Ätzstoppschicht (12) mit reaktivem Ionenätzen entfernbar ist.
Speicher nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei das Material der Hartmaskenschicht (8) ein Element oder mehrere Elemente der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN), Titannitrid (TiN), Wolframnitrid (WN), Siliziumdioxid (SiO₂) und Siliziumnitrid (SiN) aufweist.
Speicher nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei das Material der Abdeckungsschicht ein Element oder mehrere Elemente der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN) und Titannitrid (TiN) aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Speichers mit wahlfreiem Zugriff, einschließlich Öffnen einer Hartmaskenschicht (8) mit: Strukturieren einer der auf der Hartmaskenschicht (8) ausgebildeten Fotolackschicht; Ausführen eines Ätzprozesses mit wenigstens einem Ätzverfahren zum Entfernen freigelegter Bereiche der Hartmaskenschicht (8), wobei der Ätzprozess auf einer Ätzstoppschicht (12), die auf einer oberen magnetischen Schicht (2) einer Schichtstruktur (10) eines magnetoresistiven Übergangs (MTJ/MCJ) ausgebildet ist, stoppt; Entfernen der Ätzstoppschicht (12).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Ätzstoppschicht (12) aus einem nicht-magnetischen, elektrisch leitfähigen Material gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Material der Ätzstoppschicht (12) als ein Element oder mehrere Elemente der Gruppe bestehend aus einer Nickel-Eisen-Chrom-(NiFeCr-)Legierung und Ruthenium (Ru) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Material der Ätzstoppschicht (12) unter Verwendung einer Sauerstoff-basierten Ätzchemie entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Material der Ätzstoppschicht (12) durch reaktives Ionenätzen (RIE) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Ätzprozess zum Entfernen einer zwischen der Ätzstoppschicht (12) und der Hartmaskenschicht (8) ausgebildeten Abdeckungsschicht verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die Abdeckungsschicht als ein Element oder mehrere Elemente der Gruppe bestehend aus Tantal, Tantalnitrid und Titannitrid gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, zusätzlich umfassend: Ausführen von wenigstens einem der Schritte Spülen mit deionisiertem Wasser und Spülen mit einer sauren wässrigen Lösung nach dem Ätzprozess; und Ausführen von wenigstens einem der Schritte Spülen mit deionisiertem Wasser und Spülen mit einer sauren wässrigen Lösung nach dem Entfernen der Ätzstoppschicht (12).
Verfahren zum Herstellen eines Speichers mit wahlfreiem Zugriff einschließlich Strukturieren eines magnetischen Tunnelübergang-(MTJ-) Stapels einer magnetoresistiven Speicheranordnung mit wahlfreiem Zugriff (MTJ-Anordnung) mit: Öffnen einer Hartmaskenschicht (8) einer Schichtstruktur (10) eines magnetoresistiven Übergangs (MTJ/MCJ) durch: Strukturieren einer auf der Hartmaskenschicht (8) ausgebildeten Fotolackschicht; Ausführen eines ersten Ätzprozesses mit wenigstens einem ersten Ätzschritt zum Entfernen freigelegter Bereiche der Hartmaskenschicht (8), wobei der erste Ätzprozess auf einer ersten Ätzstoppschicht (12) endet, die auf einer oberen magnetischen Schicht (2) der MTJ/MCJ-Schichtstruktur (10) ausgebildet ist; Ausführen eines zweiten Ätzprozesses zum Entfernen der Ätzstoppschicht (12), wobei der zweite Ätzprozess ebenso wenigstens die obere magnetische Schicht (2) der MTJ/MCJ-Schichtstruktur ätzt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Ätzstoppschicht (12) aus einem nicht-magnetischen, elektrisch leitfähigen Material gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Material der Ätzstoppschicht (12) als ein Element oder mehrere Elemente der Gruppe bestehend aus einer Nickel-Eisen-Chrom-(NiFeCr-)Legierung und Ruthenium (Ru) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der erste Ätzprozess zum Entfernen einer zwischen der Ätzstoppschicht (12) und der Hartmaskenschicht (8) ausgebildeten Abdeckungsschicht verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei die Abdeckungsschicht als ein Element oder mehrere Elemente der Gruppe bestehend aus Tantal, Tantalnitrid und Titannitrid gewählt wird.
Speicher mit wahlfreiem Zugriff mit: einem magnetoresistiven Übergang mit einer oberen magnetischen Schicht (2); Mittel zum Bereitstellen einer Abdeckungsstruktur (11) mit einer auf der oberen magnetischen Schicht (2) ausgebildeten Ätzstoppschicht (12) und einer auf der Ätzstoppschicht (12) ausgebildeten Hartmaskenschicht (8), wobei die Ätzstoppschicht (12) als derartiges Material gewählt ist, dass eine zum Entfernen der Hartmaskenschicht (8) verwendete Ätzchemie eine Selektivität gegenüber der Ätzung des Materials der Ätzstoppschicht (12) aufweist.