DE102018124716A1 - Magnetischer Direktzugriffsspeicher und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Chung-Te Lin
Han-Ting Tsai
Tai-Yen PENG
Pin-Ren Dai
Chien-Min Lee
Sheng-Chih Lai
Wei-Chih Wen
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Abstract

In einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung wird eine magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zellenstruktur gebildet. Die MRAM-Zellenstruktur enthält eine untere Elektrode, einen Magnetic Tunnel Junction (MTJ)-Stapel, und eine obere Elektrode. Eine erste isolierende Deckschicht wird über der MRAM-Zellenstruktur gebildet. Eine zweite isolierende Deckschicht wird über der ersten isolierenden Deckschicht gebildet. Eine Zwischenschichtdielektrikum (ILD)-Schicht wird gebildet. Eine Kontaktöffnung in der ILD-Schicht wird gebildet, wodurch die zweite isolierende Deckschicht freigelegt wird. Ein Teil der zweiten isolierenden Deckschicht und ein Teil der ersten isolierenden Deckschicht werden entfernt, wodurch die obere Elektrode freigelegt wird. Eine leitfähige Schicht wird in der Öffnung gebildet, welche die obere Elektrode kontaktiert.

Description

  • VERWANDTE ANWENDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/590,136 eingereicht am 22. November 2017, die hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine magnetische Direktzugriffsspeicher (Magnetic Random Access Memory, MRAM)-Vorrichtung, und betrifft insbesondere eine MRAM-Vorrichtung auf der Basis einer magnetischen Tunnelübergangszelle, die mit einer Halbleitervorrichtung ausgebildet ist.
  • HINTERGRUND
  • Ein MRAM bietet eine Leistung, die mit einem flüchtigen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM) vergleichbar ist, und eine Dichte, die mit einem flüchtigen dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) vergleichbar ist, bei geringerem Stromverbrauch. Verglichen mit einem aus nicht-flüchtigem Speicher (Non-Volatile Memory, NVM) bestehenden Flash-Speicher bietet ein MRAM viel schnellere Zugriffszeiten und verschlechtert sich im Lauf der Zeit nur minimal, wohingegen ein Flash-Speicher nur eine eingeschränkte Anzahl von Malen neu beschrieben werden kann. Eine MRAM-Zelle wird durch einen magnetischen Tunnelungsübergang (Magnetic Tunneling Junction, MTJ) gebildet, der zwei ferromagnetische Schichten umfasst, die durch eine dünne isolierende Sperre getrennt sind, und arbeitet durch Tunneln von Elektronen zwischen den zwei ferromagnetischen Schichten durch die isolierende Sperre.
  • Figurenliste
    • 1A ist eine schematische Ansicht einer MTJ-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 1B ist eine schematische Querschnittsansicht des MTJ-Filmstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 2A, 2B und 2C zeigen schematische Querschnittsansichten von magnetischen Schichten des MTJ-Filmstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 3A und 3B zeigen Operationen des MTJ-Filmstapels.
    • 3C und 3D zeigen Operationen des MTJ-Filmstapels.
    • 4A zeigt ein schematisches Schaltbild eines MTJ-MRAM, 4B zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Speicherzelle der MTJ-MRAM, und 4C zeigt ein Speicherzellenlayout der MTJ-MRAM.
    • 5 zeigt eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
    • 6A, 6B und 6C zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
    • 7A und 7B zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
    • 8A und 8B zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
    • 9A und 9B zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
    • 10A und 10B zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
    • 11A und 11B zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält. 11C und 11D zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält. 11E und 11F zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
    • 12A und 12B zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
    • 13A und 13B zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
    • 14A und 14B zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es versteht sich, dass die folgende Offenbarung viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale der Erfindung bereitstellt. Konkrete Ausführungsformen oder Beispiele von Komponenten und Anordnungen werden unten beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Dies sind natürlich lediglich Beispiele, die nicht als einschränkend zu verstehen sind. Zum Beispiel sind die Abmessungen von Elementen nicht auf den offenbarten Bereich oder die offenbarten Werte beschränkt, sondern können von den Prozessbedingungen und/oder den gewünschten Eigenschaften der Vorrichtung abhängen. Darüber hinaus kann die Ausbildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen die ersten und zweiten Merkmale in direktem Kontakt ausgebildet werden, und können auch Ausführungsformen umfassen, bei denen weitere Merkmale zwischen den ersten und zweiten Merkmalen ausgebildet sein können, so dass die ersten und zweiten Merkmale möglicherweise nicht in direktem Kontakt stehen. Verschiedene Merkmale können aus Gründen der Einfachheit und Klarheit beliebig in verschiedenen Maßstäben gezeichnet sein. In den beiliegenden Zeichnungen können einige Schichten oder Merkmale der Einfachheit halber weggelassen worden sein.
  • Des Weiteren können räumlich relative Begriffe, wie zum Beispiel „unterhalb“, „unter“, „unterer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen, im vorliegenden Text verwendet werden, um die Beschreibung zu vereinfachen, um die Beziehung eines Elements oder Strukturelements zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturelementen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Die räumlich relativen Begriffe sollen neben der in den Figuren gezeigten Ausrichtung noch weitere Ausrichtungen der Vorrichtung während des Gebrauchs oder Betriebes umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders ausgerichtet (90 Grad gedreht oder anders ausgerichtet) sein, und die im vorliegenden Text verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können gleichermaßen entsprechend interpretiert werden. Außerdem kann der Begriff „hergestellt aus“ entweder „umfasst“ oder „besteht aus“ bedeuten. Des Weiteren kann es in dem folgenden Fertigungsprozess eine oder mehrere zusätzliche Operationen in oder zwischen den beschriebenen Operationen geben, und die Reihenfolge von Operationen kann geändert werden. In der vorliegenden Offenbarung meint die Formulierung „eines von A, B und C“ „A, B und/oder C“ (A, B, C, A und B, A und C, B und C oder A, B und C) und meint nicht ein Element von A, ein Element von B und ein Element von C, sofern nicht anders beschrieben.
  • 1A ist eine schematische Ansicht einer MTJ-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, und 1B ist eine schematische Querschnittsansicht des MTJ-Filmstapels. Der MTJ-Filmstapel 100 ist zwischen einer unteren Metallschicht Mx und einer oberen Metallschicht My einer Halbleitervorrichtung angeordnet. Die Metallschichten Mx und My werden dafür verwendet, ein Element mit einem anderen Element in einer Halbleitervorrichtung zu verbinden, das auf einem anderen Niveau über einem Substrat ausgebildet ist. Des Weiteren ist die untere Metallschicht Mx mit einer Schaltvorrichtung SW gekoppelt, die durch einen MOSFET gebildet werden kann, einschließlich beispielsweise einen planaren MOSFET, einen Fin-FET, einen Gate-all-around (GAA)-FET oder sonstige Schaltvorrichtungen. Ein Steuerungsanschluss (zum Beispiel ein Gate-Anschluss eines FET) der Schaltvorrichtung ist mit einer Wortleitung gekoppelt. Die obere Metallschicht My ist mit einer Bit-Leitung gekoppelt. In einigen Ausführungsformen ist die Schaltvorrichtung SW zwischen der oberen Metallschicht My und der Bit-Leitung angeordnet.
  • Der in 1B gezeigte MTJ-Filmstapel 100 enthält eine erste Elektrodenschicht 110, die mit der unteren Metallschicht Mx gekoppelt ist, und eine zweite Elektrodenschicht 155, die mit der oberen Metallschicht My gekoppelt ist. Eine MTJ-Funktionsschicht 101 ist zwischen der ersten Elektrodenschicht 110 und der zweiten Elektrodenschicht 155 angeordnet.
  • Die MTJ-Funktionsschicht 101 enthält eine zweite gepinnte magnetische Schicht 130, eine freie magnetische Schicht 140 und eine Tunnelungssperrschicht 135, die aus einem nichtmagnetischen Material besteht und zwischen der zweiten gepinnten magnetischen Schicht 130 und der freien magnetischen Schicht 140 angeordnet ist. Die freie magnetische Schicht 140 und die zweite gepinnte magnetische Schicht 130 enthalten ein oder mehrere ferromagnetische Materialien, die jeweils magnetisch orientiert sein können. Die zweite gepinnte magnetische Schicht 130 ist so konfiguriert, dass die magnetische Orientierung fix ist und nicht auf ein typisches Magnetfeld anspricht. In einigen Ausführungsformen liegt die Dicke der freien magnetischen Schicht 140 in einem Bereich von etwa 0,8 nm bis etwa 1,5 nm. In einigen Ausführungsformen liegt die Dicke der zweiten gepinnten Schicht 130 in einem Bereich von etwa 0,8 nm bis etwa 2,0 nm.
  • Die Tunnelungssperrschicht 135 enthält eine relativ dünne Oxidschicht, die in der Lage ist, die freie magnetische Schicht 140 bei geringen Potenzialen elektrisch von der zweiten gepinnten magnetischen Schicht 130 zu isolieren, und die in der Lage ist, Strom bei höheren Potenzialen durch Elektronentunnelung zu leiten. In einigen Ausführungsformen enthält die Tunnelungssperrschicht 135 Magnesiumoxid (MgO) mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,5 nm bis etwa 1,2 nm.
  • Die MTJ-Funktionsschicht 101 enthält des Weiteren eine anti-ferromagnetische Schicht 125, wie in 1B gezeigt. Die anti-ferromagnetische Schicht 125 wird dafür verwendet, die magnetische Orientierung der zweiten gepinnten magnetischen Schicht 130 zu fixieren. Die anti-ferromagnetische Schicht 125 enthält Ruthenium (Ru) oder jedes andere geeignete anti-ferromagnetische Material. In einigen Ausführungsformen liegt die Dicke der anti-ferromagnetischen Schicht 125 in einem Bereich von etwa 0,4 nm bis etwa 1,0 nm.
  • Die MTJ-Funktionsschicht 101 enthält des Weiteren eine erste gepinnte magnetische Schicht 120 und eine zweite gepinnte magnetische Schicht 130, die beide ein oder mehrere magnetische Materialien enthalten, wie gezeigt in 1B.
  • Die erste Elektrodenschicht 110 wird auf der unteren Metallschicht Mx ausgebildet, die zum Beispiel aus Cu, Al, W, Co, Ni und/oder einer Legierung davon besteht, und die obere Metallschicht My, die zum Beispiel aus Cu, Al, W, Co, Ni und/oder einer Legierung davon besteht, wird auf der zweiten Elektrodenschicht 155 ausgebildet.
  • Die zweite gepinnte magnetische Schicht 130 enthält mehrere Schichten magnetischer Materialien. In einigen Ausführungsformen, wie in 2A gezeigt, enthält die zweite gepinnte magnetische Schicht 130 vier Schichten 1301, 1302, 1303 und 1304, wobei die Schicht 1304 in Kontakt mit der Tunnelungssperrschicht 135 steht und die Schicht 1301 in Kontakt mit der anti-ferromagnetischen Schicht 125 steht. In einigen Ausführungsformen enthält die Schicht 1301 (die unterste Schicht) eine Mehrschichtstruktur aus Kobalt (Co) und Platin (Pt). In einigen Ausführungsformen liegt eine Dicke der Kobaltschicht in einem Bereich von etwa 0,3 nm bis etwa 0,6 nm, und eine Dicke der Platinschicht liegt in einem Bereich von etwa 0,2 nm bis etwa 0,5 nm. Die Dicke der Kobaltschicht kann die gleiche sein wie die der Platinschicht oder größer. Die Kobaltschichten und die Platinschichten sind im Wechsel so gestapelt, dass die Gesamtdicke der Schicht 1301 in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 2,0 nm bis etwa 5,0 nm liegt. Die Schicht 1302 enthält eine Kobaltschicht mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,4 nm bis etwa 0,6 nm. In bestimmten Ausführungsformen enthält die Schicht 1301 die Kobaltschicht, und die Schicht 1302 ist die Mehrfachschicht aus den Kobaltschichten und den Platinschichten, wie oben dargelegt. In dieser Offenbarung meint eine „Element“-Schicht allgemein, dass der Gehalt des „Elements“ mehr als 99 % beträgt.
  • Die Schicht 1303 ist eine Abstandshalterschicht. Die Dicke der Abstandshalterschicht 1303 liegt in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 0,2 nm bis etwa 0,5 nm. Die Schicht 1304 enthält eine Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB)-Schicht, eine Kobalt/Palladium (CoPd)-Schicht und/oder eine Kobalt-Eisen (CoFe)-Schicht.
  • Die Dicke der Schicht 1304 liegt in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 0,8 nm bis etwa 1,5 nm.
  • Die erste gepinnte magnetische Schicht 120 enthält mehrere Schichten magnetischer Materialien. In einigen Ausführungsformen, wie in 2B gezeigt, enthält die erste gepinnte magnetische Schicht 120 zwei Schichten 1201 und 1202, wobei die Schicht 1202 in Kontakt mit der anti-ferromagnetischen Schicht 125 steht. In einigen Ausführungsformen enthält die Schicht 1201 eine Mehrschichtstruktur aus Kobalt (Co) und Platin (Pt). In einigen Ausführungsformen liegt eine Dicke der Kobaltschicht in einem Bereich von etwa 0,3 nm bis etwa 0,6 nm, und eine Dicke der Platinschicht in einem Bereich von etwa 0,2 nm bis etwa 0,5 nm liegt. Die Dicke der Kobaltschicht kann die gleiche sein wie die der Platinschicht oder größer. Die Kobaltschichten und die Platinschichten sind im Wechsel so gestapelt, dass die Gesamtdicke der Schicht 1201 in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 5,0 nm bis etwa 10,0 nm liegt. Die Schicht 1202 enthält eine Kobaltschicht mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,4 nm bis etwa 0,6 nm.
  • Die freie magnetische Schicht 140 enthält in einigen Ausführungsformen einen Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB)-Schicht, eine Kobalt/Palladium (CoPd)-Schicht und/oder eine Kobalt-Eisen (CoFe)-Schicht mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 1,0 nm bis etwa 2,0 nm. In anderen Ausführungsformen enthält die freie magnetische Schicht 140 mehrere Schichten magnetischer Materialien. In einigen Ausführungsformen, wie in 2C gezeigt, enthält die freie magnetische Schicht 140 drei Schichten 1401, 1402 und 1403, wobei die Schicht 1401 in Kontakt mit der Tunnelungssperrschicht 135 steht. Die Schichten 1401 und 1403 sind in einigen Ausführungsformen eine Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB)-Schicht, eine Kobalt/Palladium (CoPd)-Schicht und/oder eine Kobalt-Eisen (CoFe)-Schicht mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 1,0 nm bis etwa 2,0 nm. Die Schicht 1402 ist eine Abstandshalterschicht. Die Dicke der Abstandshalterschicht 1402 liegt in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 0,2 nm bis etwa 0,6 nm.
  • Die MTJ-Funktionsschicht 101 enthält des Weiteren eine Keim-Schicht 115, die auf der ersten Elektrodenschicht 110 ausgebildet wird, eine Kappschicht 145, die auf der freien magnetischen Schicht 140 ausgebildet wird, und eine Diffusionssperrschicht 150, die auf der Kappschicht 145 ausgebildet wird, wie in 1B gezeigt. Die Kappschicht 145 enthält in einigen Ausführungsformen ein dielektrisches Material, wie zum Beispiel Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid und mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,5 nm bis etwa 1,5 nm. Die erste Elektrodenschicht 110 enthält ein leitfähiges Material, wie zum Beispiel ein Metall (zum Beispiel Ta, Mo, Co, Pt, Ni), um den Widerstand der ersten gepinnten magnetischen Schicht 120 zu verringern, insbesondere zum Programmieren. Die zweite Elektrodenschicht 155 enthält außerdem ein leitfähiges Material, wie zum Beispiel ein Metall, um den Widerstand während des Lesens zu verringern.
  • Die gepinnte magnetische Schicht, die freie magnetische Schicht und die anti-ferromagnetische Schicht können außerdem durch physikalisches Aufdampfen (PVD), Molekularstrahlepitaxie (MBE), gepulste Laserabscheidung (PLD), Atomschichtabscheidung (ALD), Elektronenstrahl (e-Strahl)-Epitaxie, chemisches Aufdampfen (CVD) oder derivative CVD-Prozesse ausgebildet werden, die des Weiteren Niederdruck-CVD (LPCVD), Ultrahochvakuum-CVD (UHVCVD), Reduzierter-Druck-CVD (RPCVD) oder jede Kombinationen davon, oder jedes andere geeignete Filmabscheidungsverfahren. Die Tunnelungssperrschicht und die Diffusionssperrschicht können außerdem durch CVD, PVD oder ALD oder jedes andere geeignete Filmabscheidungsverfahren gebildet werden.
  • 3A-3D zeigen eine Speicheroperation einer MTJ-Zelle. Wie in den 3A-3D gezeigt, enthält die MTJ-Zelle eine gepinnte magnetische Schicht 10, eine Tunnelungssperrschicht 15 und eine freie magnetische Schicht 20. Die gepinnte magnetische Schicht 10 entspricht der zweiten gepinnten magnetischen Schicht 130 oder der Kombination der ersten gepinnten magnetischen Schicht 120, der anti-ferromagnetischen Schicht 125 und die zweiten gepinnten magnetischen Schicht 130 von 1B. Die Tunnelungssperrschicht 15 entspricht der Tunnelungssperrschicht 135 von 1B, und die freie magnetische Schicht 20 entspricht der freien magnetischen Schicht 140 von 1B. In den 3A-3D sind die übrigen Schichten weggelassen. Eine Stromquelle 30 ist mit der MTJ-Struktur in Reihe gekoppelt.
  • In 3A sind die gepinnte magnetische Schicht 10 und die freie magnetische Schicht 20 magnetisch in entgegengesetzten Richtungen orientiert. In einigen Ausführungsformen verlaufen die Spin-Richtungen der gepinnten magnetischen Schicht 10 und der freien magnetischen Schicht 20 parallel zu der Filmstapelrichtung (senkrecht zur Oberfläche der Filme). In 3B sind die gepinnte magnetische Schicht 10 und die freie magnetische Schicht 20 magnetisch in derselben Richtung orientiert. In anderen Ausführungsformen verlaufen die Spin-Richtungen der gepinnten magnetischen Schicht 10 und der freien magnetischen Schicht 20 senkrecht zu der Filmstapelrichtung (parallel zur Oberfläche der Filme), wie in den 3C und 3D gezeigt. In 3C sind die gepinnte magnetische Schicht 10 und die freie magnetische Schicht 20 magnetisch in entgegengesetzten Richtungen orientiert, während in 3D die gepinnte magnetische Schicht 10 und die freie magnetische Schicht 20 magnetisch in derselben Richtung orientiert sind.
  • Falls der gleiche Stromwert Ic durch die Stromquelle 30 gezwungen wird, durch die MTJ-Zelle zu fließen, so ist festzustellen, dass die Zellenspannung V1 im Fall von 3A (oder 3C) größer ist als die Zellenspannung V2 im Fall von 3B (oder 3D), weil der Widerstand einer entgegengesetzt orientierten MTJ-Zelle, die in 3A (oder 3C) gezeigt ist, größer ist als der Widerstand einer gleich orientierten MTJ-Zelle, die in 3B (oder 3D) gezeigt ist. Binärlogikdaten („o“ und „1“) können in einer MTJ-Zelle auf der Basis der Zellenorientierung und des resultierenden Widerstandes gespeichert und abgerufen werden. Weil des Weiteren die gespeicherten Daten keine Speicherenergiequelle erfordern, ist die Zelle nicht-flüchtig.
  • 4A zeigt ein schematisches Schaltbild einer MTJ-MRAM-Anordnung 50. Jede Speicherzelle enthält eine MTJ-Zelle Mc und einen Transistor Tr, wie zum Beispiel einen MOSFET. Das Gate des Transistors Tr ist mit einer von Wortleitungen WL1 ... WLm gekoppelt, und ein Drain (oder eine Source) des Transistors Tr ist mit einem Ende der MTJ-Zelle Mc gekoppelt, und ein anderes Ende der MTJ-Zelle ist mit einer von Bit-Leitungen BLn, BLn±1 und BLn±2 gekoppelt. Des Weiteren sind in einigen Ausführungsformen Signalleitungen (nicht gezeigt) zum Programmieren neben den MTJ-Zellen angeordnet.
  • Eine Speicherzelle wird gelesen, indem die Wortleitung dieser Zelle aufgedrückt wird, wodurch ein Lesestrom durch die Bit-Leitung dieser Zelle gezwungen wird, und dann die Spannung auf dieser Bit-Leitung gemessen wird. Um zum Beispiel den Zustand einer Ziel-MTJ-Zelle zu lesen, wird die Wortleitung aufgedrückt, um den Transistor Tr einzuschalten. Die freie magnetische Schicht der Ziel-MTJ-Zelle wird dadurch durch den Transistor Tr mit einer der Festpotenzialleitungen SLn, SLn±1 und SLn±2, zum Beispiel Erde, gekoppelt. Als Nächstes wird der Lesestrom auf die Bit-Leitung gezwungen. Da nur der gegebene Lesetransistor Tr eingeschaltet wird, fließt der Lesestrom durch die Ziel-MTJ-Zelle zur Erde. Dann wird die Spannung der Bit-Leitung gemessen, um den Zustand („o“ oder „1“) der Ziel-MTJ-Zelle zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen, wie in 4A gezeigt, hat jede MTJ-Zelle einen Lesetransistor Tr. Darum wird diese Art von MRAM-Architektur als 1T1R bezeichnet. In anderen Ausführungsformen werden einer MTJ-Zelle zwei Transistoren zugewiesen, wodurch ein 2T1R-System gebildet wird. Es können noch weitere Zellenanordnungskonfigurationen verwendet werden.
  • 4B zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Speicherzelle der MTJ-MRAM, und 4C zeigt ein Speicherzellenlayout der MTJ-MRAM.
  • Wie in den 4B und 4C gezeigt, ist die MTJ-Zelle MTJ über einer Schaltvorrichtung SW, wie zum Beispiel einem MOSFET, angeordnet. Das Gate „Gate“ des MOSFET ist eine Wortleitung WL oder ist mit einer Wortleitung, die durch eine Metallschicht gebildet wird, gekoppelt. Die untere Elektrode Mx der MTJ-Zelle ist mit einem Drain des MOSFET, der in einer aktiven Region AR ausgebildet ist, gekoppelt, und eine Source des MOSFET, der in der aktiven Region AR ausgebildet ist, ist mit der Source-Leitung SL gekoppelt. Die obere Elektrode der MTJ-Zelle ist mit einer Bit-Leitung BL gekoppelt. In einigen Ausführungsformen kann die Source-Leitung SL durch Metallschichten M1 und M2 gebildet werden, und die Bit-Leitung BL kann durch eine Metallschicht M3 gebildet werden. In bestimmten Ausführungsformen ist eine von mehreren Metallverdrahtungen eine einzelne Vorrichtungsschicht, und in anderen Ausführungsformen sind eine oder mehrere Metallverdrahtungen zwei oder mehr Vorrichtungsschichten.
  • 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines MTJ-MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Material, Konfiguration, Abmessungen und/oder Prozesse, die gleich oder ähnlich den oben erwähnten Ausführungsformen sind, die zusammen mit den 1A-4C beschrieben wurden, können in den folgenden Ausführungsformen verwendet werden, und auf ihre detaillierte Erläuterung kann verzichtet werden.
  • Wie in 5 gezeigt, sind die MTJ-Zellen eines MRAM über einem Substrat 201 angeordnet. In einigen Ausführungsformen enthält das Substrat 201 einen geeigneten elementaren Halbleiter, wie zum Beispiel Silizium, Diamant oder Germanium; eine geeigneten Legierungs- oder Verbundhalbleiter, wie zum Beispiel Gruppe-IV-Verbundhalbleiter (Silizium-Germanium (SiGe), Siliziumcarbid (SiC), Silizium-Germaniumcarbid (SiGeC), GeSn, SiSn, SiGeSn), Gruppe III-V-Verbundhalbleiter (zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs), Indium-Galliumarsenid (InGaAs), Indiumarsenid (InAs), Indiumphosphid (InP), Indium-Antimonid (InSb), Gallium-Arsensphosphid (GaAsP) oder Gallium-Indiumphosphid (GaInP)) oder dergleichen. Des Weiteren kann das Substrat 201 eine Epitaxialschicht (epi-Schicht) enthalten, die zum Zweck der Leistungssteigerung gedehnt werden kann, und/oder kann eine Silizium-auf-Isolator (SOI)-Struktur enthalten.
  • Verschiedene elektronische Vorrichtungen (nicht gezeigt), wie zum Beispiel Transistoren (zum Beispiel MOSFET), sind auf dem Substrat 201 angeordnet. Der MOSFET kann einen planaren MOSFET, einen Fin-FET und/oder eine Gate-all-around-FET enthalten. Eine erste Zwischenschichtdielektrikum (Inter-Layer Dielectric, ILD)-Schicht 210 ist über dem Substrat 201 angeordnet, um die elektronischen Vorrichtungen zu bedecken. Die erste ILD Schicht 210 kann als eine Zwischenmetalldielektrikum (IMD)-Schicht bezeichnet werden. Die erste ILD-Schicht 210 enthält eine oder mehrere Dielektrikumschichten, wie zum Beispiel Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Silizium-Oxynitrid, Fluor-dotiertes Siliziumsilikatglas (FSG), Dielektrika mit niedrigem k-Wert, wie zum Beispiel Kohlenstoff-dotierte Oxide, Dielektrika mit extrem niedrigem k-Wert, wie zum Beispiel porenhaltiges Kohlenstoff-dotiertes Siliziumdioxid, ein Polymer, wie zum Beispiel Polyimid, Kombinationen davon oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen wird die erste ILD-Schicht 210 durch einen Prozess wie zum Beispiel CVD, fließfähige CVD (FCVD) oder einen Spin-on-Glass-Prozess gebildet, obgleich jeder akzeptable Prozess verwendet werden kann. Anschließend wird ein Planarisierungsprozess, wie zum Beispiel chemisch-mechanisches Polieren (CMP) und/oder ein Rückätzprozess oder dergleichen, ausgeführt.
  • Des Weiteren wird eine untere Metallverdrahtung 213 zum Beispiel durch einen Damaszen-Prozess gebildet. Die untere Metallverdrahtung 213 enthält eine oder mehrere Schichten aus leitfähigem Material, wie zum Beispiel Cu, eine Cu-Legierung, Al oder sonstige geeignete leitfähige Materialien. Jede der MTJ-Zellen ist über der unteren Metallverdrahtung 215 angeordnet, wie in 5 gezeigt. Obgleich 5 drei MTJ-Zellen zeigt, ist die Anzahl der MTJ-Zellen nicht auf drei beschränkt.
  • Wie in 5 gezeigt, wird eine erste Isolierschicht als eine Ätzstoppschicht 220 auf der ersten ILD-Schicht 210 gebildet. In einigen Ausführungsformen enthält die erste Isolierschicht 220 ein Material, das von der ersten ILD-Schicht 210 verschieden ist, und enthält Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder jedes andere geeignete Material. Die Dicke der ersten Isolierschicht 220 liegt in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 25 nm.
  • Eine zweite ILD-Schicht 225 wird über der ersten Isolierschicht 220 gebildet. Die zweite ILD-Schicht enthält eine oder mehrere Dielektrikumschichten, wie zum Beispiel Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Silizium-Oxynitrid, Fluor-dotiertes Siliziumsilikatglas (FSG), Dielektrika mit niedrigem k-Wert, wie zum Beispiel Kohlenstoff-dotierte Oxide, Dielektrika mit extrem niedrigem k-Wert, wie zum Beispiel porenhaltiges Kohlenstoff-dotiertes Siliziumdioxid, ein Polymer, wie zum Beispiel Polyimid, Kombinationen davon oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen sind das Material für die erste ILD-Schicht 210 und das Material für die zweite ILD-Schicht 225 die gleichen. In anderen Ausführungsformen werden andere dielektrische Materialien für die erste ILD-Schicht 210 und die zweite ILD-Schicht 225 verwendet.
  • In einigen Ausführungsformen wird eine Durchkontaktierung 219 in Kontakt mit der unteren Metallverdrahtung 215 gebildet und verläuft durch die zweite ILD-Schicht 225 und die erste Ätzstoppschicht 220. In einigen Ausführungsformen enthält die Durchkontaktierung 219 eine Auskleidungsschicht 215 und eine Körperschicht 217. Die Auskleidungsschicht 215 enthält in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere Schichten aus Ti, TiN, Ta oder TaN oder einem anderen geeigneten Material, und die Körperschicht 217 enthält eine oder mehrere Schichten aus W, Cu, Al, Mo, Co, Pt, Ni und/oder einer Legierung davon oder einem anderen geeigneten Material.
  • Eine MRAM-Zelle enthält eine untere Elektrode 254, einen MTJ-Filmstapel 255 und eine obere Elektrode 256, wie in 5 gezeigt. Die untere Elektrode 254, der MTJ-Filmstapel 110 und die obere Elektrode 256 entsprechen der ersten Elektrode 110, der MTJ-Funktionsschicht 101 und der zweiten Elektrode 155 von 1B. Die MRAM-Zellenstruktur hat eine konische Form, wie in 5 gezeigt. Die Breite der MRAM-Zellenstruktur am Boden (die untere Elektrode 254) ist größer als die Breite am oberen Teil (die obere Elektrode 256). Die Dicke der unteren Elektrode 254 liegt in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 5 nm bis etwa 20 nm. Die Dicke des MTJ-Filmstapels 255 liegt in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 15 nm bis etwa 50 nm.
  • In einigen Ausführungsformen wird eine erste isolierende Deckschicht 227 als eine Seitenwand-Abstandshalterschicht an gegenüberliegenden Seitenwänden der MRAM-Zellenstruktur gebildet. Die erste isolierende Deckschicht 227 enthält eine oder mehrere Schichten aus Isoliermaterial. In einigen Ausführungsformen wird ein Nitrid-basiertes Isoliermaterial verwendet. In bestimmten Ausführungsformen ist das Nitrid-basierte Isoliermaterial ein Siliziumnitrid-basiertes Isoliermaterial, wie zum Beispiel SiON, SiON, SiCN und SiOCN. Die Dicke T1 der ersten isolierenden Deckschicht 227 liegt in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 5 nm bis etwa 30 nm und liegt in anderen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 20 nm.
  • Des Weiteren wird eine zweite isolierende Deckschicht 280 über der ersten isolierenden Deckschicht 227 gebildet. Die zweite isolierende Deckschicht 280 enthält eine oder mehrere Schichten aus Isoliermaterial, das von der ersten isolierenden Deckschicht 227 verschieden ist. In einigen Ausführungsformen wird ein Aluminium-basiertes Isoliermaterial verwendet. In bestimmten Ausführungsformen enthält das Aluminium-basierte Isoliermaterial Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminium-Oxynitrid, Aluminiumcarbid und/oder Aluminium-Oxycarbid. In einigen Ausführungsformen sind die Konzentrationen von Al, O, C und/oder N in der Dickenrichtung nicht einheitlich. In bestimmten Ausführungsformen verringert sich die Konzentration von Al allmählich von unten nach oben in der zweiten isolierenden Deckschicht 280, während die Konzentrationen von O, C und/oder N allmählich von unten nach oben in der zweiten isolierenden Deckschicht 280 zunehmen. Die Dicke T2 der zweiten isolierenden Deckschicht 270 ist in einigen Ausführungsformen kleiner als die Dicke T1 der ersten isolierenden Deckschicht. Die Dicke T2 liegt in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 nm und liegt in anderen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 3 nm bis etwa 5 nm.
  • Des Weiteren ist eine dritte ILD-Schicht 230 in Räumen zwischen den MRAM-Zellenstrukturen angeordnet. Die dritte ILD-Schicht 230 enthält eine oder mehrere Dielektrikumschichten, wie zum Beispiel Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Silizium-Oxynitrid, Fluor-dotiertes Siliziumsilikatglas (FSG), Dielektrika mit niedrigem k-Wert, wie zum Beispiel Kohlenstoff-dotierte Oxide, Dielektrika mit extrem niedrigem k-Wert, wie zum Beispiel porenhaltiges Kohlenstoff-dotiertes Siliziumdioxid, ein Polymer, wie zum Beispiel Polyimid, Kombinationen davon oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen sind das Material für die erste ILD-Schicht 210, das Material für die zweite ILD-Schicht 225 und das Material für die dritte ILD-Schicht 230 die gleichen. In anderen Ausführungsformen bestehen mindestens zwei davon aus verschiedenen dielektrischen Materialien.
  • Des Weiteren ist eine vierte ILD-Schicht über der dritten ILD-Schicht 230 angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist die vierte ILD-Schicht eine Mehrschichtstruktur und enthält eine erste Dielektrikumschicht 235 als eine Ätzstoppschicht, die auf der dritten ILD-Schicht 230 gebildet wird, eine zweite Dielektrikumschicht 237, die auf der ersten Dielektrikumschicht 235 gebildet wird, und eine dritte Dielektrikumschicht 240, die auf des zweiten Dielektrikumschicht gebildet wird. In anderen Ausführungsformen ist die vierte ILD-Schicht eine Zweischichtstruktur ohne eine der ersten oder der zweiten Dielektrikumschichten.
  • In einigen Ausführungsformen bestehen die erste Dielektrikumschicht 235 und die zweite Dielektrikumschicht 237 aus einem anderen Material als die dritte Dielektrikumschicht 240 und enthalten eine oder mehrere Schichten aus SiN (Si3N4), SiON, SiOCN, SiCN, SiC oder jedes andere geeignete Material. In einigen Ausführungsformen bestehen die erste Dielektrikumschicht 235 und die zweite Dielektrikumschicht 237 aus voneinander verschiedenen Materialien.
  • Die dritte Dielektrikumschicht 240 enthält eine oder mehrere Dielektrikumschichten, wie zum Beispiel Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Silizium-Oxynitrid, Fluor-dotiertes Siliziumsilikatglas (FSG), Dielektrika mit niedrigem k-Wert, wie zum Beispiel Kohlenstoff-dotierte Oxide, Dielektrika mit extrem niedrigem k-Wert, wie zum Beispiel porenhaltiges Kohlenstoff-dotiertes Siliziumdioxid, ein Polymer, wie zum Beispiel Polyimid, Kombinationen davon oder dergleichen.
  • In einigen Ausführungsformen sind das Material für die erste ILD-Schicht 210, das Material für die zweite ILD-Schicht 225, das Material für die dritte ILD-Schicht 230 und das Material für die dritte Dielektrikumschicht 240 die gleichen. In anderen Ausführungsformen bestehen mindestens zwei davon aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien. Die Dicke der dritten Dielektrikumschicht 240 ist in einigen Ausführungsformen größer als die Dicken der ersten und den zweiten Dielektrikumschichten 235 und 237.
  • Ein leitfähiger Kontakt 245 wird in Kontakt mit der oberen Elektrode 256 gebildet, wie in 5 gezeigt. Der leitfähige Kontakt 245 ist gleich oder ähnlich der unteren Metallverdrahtung 213 und/oder der Durchkontaktierung 219 und besteht zum Beispiel aus Cu, Al, Ta, Ti, Mo, Co, Pt, Ni, W, TiN und/oder TaN und/oder einer Legierung davon oder einem anderen geeigneten Material.
  • Wie in 5 gezeigt, ist in einigen Ausführungsformen die Oberseite der oberen Elektrode 256 im Wesentlichen mit den Oberseiten der ersten isolierenden Deckschicht 227 und/oder der zweiten isolierenden Deckschicht 280 bündig.
  • 6A-11F zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält. Es versteht sich, dass zusätzliche Operationen vor, während und nach den durch die 6A-11F gezeigten Prozessen ausgeführt werden können und dass einige der unten beschriebenen Operationen ersetzt oder weggelassen werden können, um zusätzliche Ausführungsformen des Verfahrens zu erhalten. Material, Konfiguration, Abmessungen und/oder Prozesse, die gleich oder ähnlich denen der oben erwähnten Ausführungsformen sind, die zusammen mit den 1A-5 beschrieben wurden, können in den folgenden Ausführungsformen verwendet werden, und auf ihre detaillierte Erläuterung kann verzichtet werden.
  • Wie in 6A gezeigt, werden untere Metallverdrahtungen 213 in der ersten ILD-Schicht 210 über dem Substrat 201 gebildet. In einigen Ausführungsformen werden Durchkontaktierungen 207 unter den unteren Metallverdrahtungen 213 bereitgestellt. Dann wird, wie in 6B gezeigt, eine erste Isolierschicht als eine Ätzstoppschicht 220 über der Struktur aus 6A gebildet, und eine zweite ILD-Schicht 225 wird über der ersten Isolierschicht 220 gebildet. Des Weiteren, wie in 6B gezeigt, werden unter Verwendung einer oder mehrerer Lithografie- und Ätzoperationen Durchkontaktierungsöffnungen 222 gebildet, um die Oberseite der unteren Metallverdrahtungen 213 freizulegen. Anschließend wird eine Durchkontaktierung 219, die Schichten 215 und 217 enthält, gebildet, wie in 6C gezeigt. Eine oder mehrere Filmbildungsoperationen, wie zum Beispiel CVD, PVD, einschließlich Sputtern, ALD, elektrochemisches Plattieren und/oder Elektroplattieren, werden ausgeführt, und eine Planarisierungsoperation, wie zum Beispiel CMP, wird ausgeführt, um die Durchkontaktierungen 219 herzustellen.
  • Dann werden, wie in 7A gezeigt, eine erste leitfähige Schicht 254A für die untere Elektrode 254, eine gestapelte Schicht 255A für den MTJ-Filmstapel 255 und eine zweite leitfähige Schicht 256A für die obere Elektrode 256 sequenziell ausgebildet. In einigen Ausführungsformen wird des Weiteren eine Schicht 300 für eine Hartmaske auf der zweiten leitfähigen Schicht 256A gebildet.
  • Unter Verwendung einer oder mehrerer Lithografie- und Ätzoperationen wird der in 7A gezeigte Filmstapel in einer MRAM-Zellenstruktur strukturiert, die die untere Elektrode 254, den MTJ-Filmstapel 255 und die obere Elektrode 256 enthält, wie in 7B gezeigt. In einigen Ausführungsformen wird, nach dem Strukturieren der zweiten leitfähigen Schicht 256A, der gestapelten Schicht 255A und der ersten leitfähigen Schicht 256A, die zweite ILD-Schicht 225 teilweise ausgespart. Der Betrag D1 der Aussparung liegt in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 30 nm.
  • Anschließend wird, wie in 8A gezeigt, eine erste isolierende Deckschicht 227 gebildet, um die MRAM-Zellenstruktur zu bedecken. Die erste isolierende Deckschicht 227 kann durch CVD, PVD oder ALD oder jedes andere geeignete Filmabscheidungsverfahren gebildet werden. In einigen Ausführungsformen wird die erste isolierende Deckschicht 227 durch CVD, PVD oder ALD bei einem niedrigeren Temperaturbereich gebildet, der weniger als etwa 150°C beträgt, wie zum Beispiel einem Bereich von etwa 100°C bis etwa 150°C. Wenn die erste isolierende Deckschicht 227 bei einer höheren Temperatur gebildet wird, wie zum Beispiel im Bereich von etwa 200°C bis etwa 300°C (oder mehr), so kann der Filmbildungsprozess den MTJ-Filmstapel 255 beschädigen, da die erste isolierende Deckschicht direkt auf dem MTJ-Filmstapel 255 gebildet wird. Wie in 8A gezeigt, wird die erste isolierende Deckschicht 227 konformal ausgebildet.
  • Dann wird, wie in 8B gezeigt, eine zweite isolierende Deckschicht 280 gebildet, um die MRAM-Zellenstruktur zu bedecken. Die zweite isolierende Deckschicht 280 kann durch CVD, PVD oder ALD oder jedes andere geeignete Filmabscheidungsverfahren gebildet werden. Wie in 8B gezeigt, wird die zweite isolierende Deckschicht 280 konformal ausgebildet. Wie oben dargelegt, enthält die zweite isolierende Deckschicht 280 in einigen Ausführungsformen ein Aluminium-basierte Isoliermaterial. Das Aluminium-basierte Isoliermaterial, wie zum Beispiel AlO (Al2O3), AlN, AlC, AlOC und AlON, kann durch die folgenden Operationen gebildet werden. Zuerst wird eine Aluminiumschicht auf der ersten isolierenden Deckschicht 227 gebildet. Die Aluminiumschicht wird zum Beispiel durch metall-organische CVD (MOCVD) oder ALD unter Verwendung von Tri-Methyl-Aluminium (TMA) gebildet. Dann wird eine Plasmabehandlung mittels NH3-, CO2- und/oder CO-Gasen über der Aluminiumschicht ausgeführt, um die Aluminiumschicht in AlO, AlN, AlC, AlOC oder AlON umzuwandeln. Die Konzentrationen von Al, O, C und/oder N in der plasmabehandelten Aluminiumschicht sind nicht einheitlich, insbesondere entlang der vertikalen Richtung. Die AlON-Schicht kann aus zwei Schichten aus AlO und AlN bestehen. In einigen Ausführungsformen verbleibt eine dünne Schicht aus Aluminium mit einer Dicke von weniger als etwa 1 nm am Boden der Schicht. Eine chemische Oxidation der Aluminiumschicht unter Verwendung einer Oxidationslösung kann verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die AlO-, AlOC-, AlC-, AlN- und/oder AlON-Schicht direkt durch CVD, PVD oder ALD oder andere geeignete Verfahren unter Verwendung zweckmäßiger Quellengase gebildet werden. In einigen Ausführungsformen wird die zweite isolierende Deckschicht 280 durch CVD, PVD oder ALD bei einer Temperatur im Bereich von etwa 300°C bis etwa 450°C gebildet. Obgleich eine niedrigere Bildungstemperatur (zum Beispiel weniger als 300°C) verwendet werden kann, braucht eine höhere Bildungstemperatur (etwa 300°C bis etwa 450°C) den MTJ-Filmstapel 255 nicht unbedingt zu beschädigen, da die erste isolierende Deckschicht 227 so ausgebildet wird, dass sie den MTJ-Filmstapel 255 bedeckt.
  • Als Nächstes wird, wie in 9A gezeigt, eine Dielektrikummaterialschicht 230A für die dritte ILD-Schicht 230 so gebildet, dass sie die zweite isolierende Deckschicht 280 vollständig bedeckt. In einigen Ausführungsformen wird eine Rückätzoperation auf der dielektrischen Materialschicht 230A ausgeführt, und dann wird eine CMP-Operation ausgeführt, wie in 9B gezeigt. Weil die Selektivität für die CMP-Operation zwischen der zweiten isolierenden Deckschicht 280 und der dritten ILD-Schicht 230 hoch ist, kann die CMP-Operation die zweite isolierende Deckschicht 280 als eine Stoppschicht verwenden. Wenn die CMP-Operation an der Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht 280 stoppt, so ist es möglich, ein Überätzen der dritten ILD-Schicht 230 zu verhindern, und somit ist in einigen Ausführungsformen die Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht 280 über der MRAM-Zellenstruktur im Wesentlichen mit den Oberseiten der dritten ILD-Schicht 230 bündig.
  • Anschließend, wie in 10A gezeigt, wird eine vierte ILD-Schicht, die eine erste Dielektrikumschicht 235, eine zweite Dielektrikumschicht 237 und eine dritte Dielektrikumschicht 240 enthält, über der Struktur aus 9B gebildet. Die Dielektrikumschichten der vierten ILD-Schicht können durch CVD, PVD oder ALD oder andere geeignete Filmbildungsverfahren gebildet werden. In einigen Ausführungsformen wird die dritte Dielektrikumschicht 240 durch einen Prozess wie zum Beispiel CVD, fließfähige CVD (FCVD) oder einen Spin-on-Glass-Prozess gebildet, obgleich jeder akzeptable Prozess verwendet werden kann. Anschließend wird ein Planarisierungsprozess, wie zum Beispiel chemisch-mechanisches Polieren (CMP) und/oder ein Rückätzprozess oder dergleichen, ausgeführt.
  • Dann werden, wie in 10 B gezeigt, Kontaktöffnungen 242 unter Verwendung einer oder mehrerer Lithografie- und Ätzoperationen gebildet. Weil die Selektivität in der Ätzoperation zwischen der zweiten isolierenden Deckschicht 280 und der vierten ILD-Schicht hoch ist, kann die Ätzoperation die zweite isolierende Deckschicht 280 als eine Ätzstoppschicht verwenden.
  • Als Nächstes werden, wie in den 11A und 11B gezeigt, ein Abschnitt der zweiten isolierenden Deckschicht 280 und ein Abschnitt der ersten isolierenden Deckschicht 227 durch Trocken- und/oder Nassätzen entfernt, wodurch die obere Elektrode 256 freigelegt wird. In einigen Ausführungsformen wird ein Teil der zweiten isolierenden Deckschicht 280 entfernt, und dann wird ein Teil der ersten isolierenden Deckschicht 227 entfernt. In einigen Ausführungsformen werden eine oder mehrere Nassätzoperation verwendet. In bestimmten Ausführungsformen wird eine Nassätzoperation ausgeführt, um die zweite isolierende Deckschicht 280 zu entfernen, und eine Trockenätzoperation wird ausgeführt, um die erste isolierende Deckschicht 227 zu entfernen. Wie oben dargelegt, wird die zweite isolierende Deckschicht 280 bei einer höheren Temperatur gebildet als die erste isolierende Deckschicht 227, und somit ist die zweite isolierende Deckschicht 280 eine „harte“ Schicht in einer Trockenätzoperation. Dementsprechend ist es vorteilhaft, ein Nassätzen zu verwenden, um die zweite isolierende Deckschicht 280 zu entfernen. Im Gegensatz dazu wird die erste isolierende Deckschicht bei einer geringen Temperatur gebildet und ist somit eine „weiche“ Schicht in einer Trockenätzoperation. Somit kann eine Trockenätzoperation verwendet werden, um die erste isolierende Deckschicht 227 zu entfernen, ohne dass die obere Elektrode 256 beschädigt wird. In anderen Ausführungsformen wird ebenfalls eine Nassätzoperation ausgeführt, um die erste isolierende Deckschicht 227 zu entfernen. Unter Verwendung von Nassätzen ist es möglich, eine Beschädigung des MTJ-Filmstapels 255 zu unterdrücken.
  • Anschließend werden, wie in 11B gezeigt, die Kontaktöffnungen 242 mit einem leitfähigen Material gefüllt, um leitfähige Kontakte 245 zu bilden, die die freigelegte obere Elektrode 256 kontaktieren. In einigen Ausführungsformen werden die dritte ILD-Schicht 230 und/oder die erste Dielektrikumschicht 235 während des Ätzens der ersten und/oder der zweiten isolierenden Deckschichten ebenfalls geringfügig seitlich geätzt. Wenn die dritte ILD-Schicht 230 seitlich geätzt wird, wie in 11C gezeigt, so ist der untere Abschnitt des leitfähigen Kontakts 245 breiter als der obere Abschnitt, wie in 11D gezeigt. In einigen Ausführungsformen liegt der Betrag des seitlichen Ätzens der dritten ILD-Schicht 230 in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 2 nm. Wenn die erste Dielektrikumschicht 235 seitlich geätzt wird, wie in 11E gezeigt, so hat der leitfähige Kontakt 245 einen Vorsprung auf seinen Seitenflächen, wie in 11E gezeigt. In einigen Ausführungsformen liegt der Betrag des seitlichen Ätzens der ersten Dielektrikumschicht 235 in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 2 nm.
  • Es versteht sich, dass die in 11B gezeigte Vorrichtung noch weitere Halbleiterprozesse durchläuft, um verschiedene Merkmale zu bilden, wie zum Beispiel Interconnect-Metallschichten, Dielektrikumschichten, Passivierungsschichten usw.
  • 12A und 12B zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält. Material, Konfiguration, Abmessungen und/oder Prozesse, die gleich oder ähnlich denen der oben erwähnten Ausführungsformen sind, die zusammen mit den 1A-11B beschrieben wurden, können in den folgenden Ausführungsformen verwendet werden, und auf ihre detaillierte Erläuterung kann verzichtet werden.
  • In 11A ist die Oberseite der oberen Elektrode 256 im Wesentlichen bündig mit den Oberseiten der ersten isolierenden Deckschicht 227 und der zweiten isolierenden Deckschicht 280. In den durch die 12A und 12B gezeigten Ausführungsformen ist die Oberseite der oberen Elektrode 256 mit mindestens einer der Oberseiten der ersten isolierenden Deckschicht 227 und der zweiten isolierenden Deckschicht 280 nicht bündig. In einigen Ausführungsformen ist die Oberseite der oberen Elektrode 256 höher als die Oberseiten der ersten isolierenden Deckschicht 227 und der zweiten isolierenden Deckschicht 280. Diese Struktur kann durch Überätzen der ersten isolierenden Deckschicht 227 unter die Oberseite der oberen Elektrode 256 erhalten werden. Oder anders ausgedrückt: Ein vertikales Niveau einer Oberseite der oberen Elektrode 256 ist höher als ein vertikales Niveau einer Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht 227 und ein vertikales Niveau einer Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht 280, gemessen ab dem Substrat. Eine Differenz D2 zwischen der Oberseite der oberen Elektrode 256 und der Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht 227 ist in einigen Ausführungsformen größer als 0 nm und kleiner als etwa 20 nm und ist in anderen Ausführungsformen größer als 0 nm und kleiner als etwa 10 nm. Eine Differenz D3 zwischen der Oberseite der oberen Elektrode 256 und der Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht 280 ist in einigen Ausführungsformen größer als 0 nm und kleiner als etwa 10 nm, und ist in anderen Ausführungsformen größer als 0 nm und kleiner als etwa 5 nm. In einigen Ausführungsformen ist D3 kleiner als D2. In bestimmten Ausführungsformen ist D3 mindestens so groß wie D2. Des Weiteren ist in einigen Ausführungsformen eine Differenz D4 zwischen der Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht 227 und der Grenzfläche zwischen dem MTJ-Filmstapel 255 und der oberen Elektrode 256 größer als 10 nm und ist in anderen Ausführungsformen größer als 20 nm, wobei D2+D4 gleich der Dicke der oberen Elektrode 256 ist. Oder anders ausgedrückt: Die Seitenwände des MTJ-Filmstapels 255 werden durch die erste isolierende Deckschicht 227 vollständig bedeckt.
  • 13A und 13B zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält. Material, Konfiguration, Abmessungen und/oder Prozesse, die gleich oder ähnlich denen der oben erwähnten Ausführungsformen sind, die zusammen mit den 1A-12B beschrieben wurden, können in den folgenden Ausführungsformen verwendet werden, und auf ihre detaillierte Erläuterung kann verzichtet werden.
  • Ähnlich den 12A und 12B ist in den durch die 13A und 13B gezeigten Ausführungsformen die Oberseite der oberen Elektrode 256 mit mindestens eine der Oberseiten der ersten isolierenden Deckschicht 227 und der zweiten isolierenden Deckschicht 280 nicht bündig.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Oberseite der oberen Elektrode 256 höher als die Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht 227 und niedriger als die Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht 280. Oder anders ausgedrückt: Ein vertikales Niveau einer Oberseite der oberen Elektrode 256 ist höher als ein vertikales Niveau einer Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht 227 und niedriger als ein vertikales Niveau einer Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht 280, gemessen ab dem Substrat. Eine Differenz D2 zwischen der Oberseite der oberen Elektrode 256 und der Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht 227 ist in einigen Ausführungsformen größer als 0 nm und kleiner als etwa 20 nm und ist in anderen Ausführungsformen größer als 0 nm und kleiner als etwa 10 nm. Eine Differenz D5 zwischen der Oberseite der oberen Elektrode 256 und der Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht 280 ist in einigen Ausführungsformen größer als 0 nm und kleiner als etwa 15 nm und ist in anderen Ausführungsformen größer als 0 nm und kleiner als etwa 5 nm. Des Weiteren ist in einigen Ausführungsformen eine Differenz D4 zwischen der Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht 227 und der Grenzfläche zwischen der MTJ-Filmstapels 255 und der oberen Elektrode 256 größer als 10 nm und ist in anderen Ausführungsformen größer als 20 nm, wobei D2+D4 gleich der Dicke der oberen Elektrode 256 ist. Oder anders ausgedrückt: Die Seitenwände des MTJ-Filmstapels 255 werden durch die erste isolierende Deckschicht 227 vollständig bedeckt.
  • 14A und 14B zeigen verschiedene Stufen eines sequenziellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält. Material, Konfiguration, Abmessungen und/oder Prozesse, die gleich oder ähnlich denen der oben erwähnten Ausführungsformen sind, die zusammen mit den 1A-13B beschrieben wurden, können in den folgenden Ausführungsformen verwendet werden, und auf ihre detaillierte Erläuterung kann verzichtet werden.
  • Wenn die zweite isolierende Deckschicht 280 überätzt wird, so liegt die Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht niedriger als mindestens eine der Oberseite der oberen Elektrode 226 und der Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht 227.
  • Es versteht sich, dass im vorliegenden Text nicht unbedingt alle Vorteile besprochen wurden, dass kein bestimmter Vorteil für alle Ausführungsformen oder Beispiele erforderlich ist, und dass andere Ausführungsformen oder Beispiele andere Vorteile bieten können.
  • Zum Beispiel ist es in der vorliegenden Offenbarung unter Verwendung der ersten und der zweiten isolierenden Deckschichten, die aus verschiedenen Materialien bestehen, möglich, die Schichten selektiv zu entfernen und somit eine Beschädigung des MTJ-Filmstapels zu verhindern.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird in einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung eine magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zellenstruktur gebildet. Die MRAM-Zellenstruktur enthält eine untere Elektrode, einen Magnetic Tunnel Junction (MTJ)-Stapel und eine obere Elektrode. Eine erste isolierende Deckschicht wird über der MRAM-Zellenstruktur gebildet. Eine zweite isolierende Deckschicht wird über der ersten isolierenden Deckschicht gebildet. Eine Zwischenschichtdielektrikum (ILD)-Schicht wird gebildet. Eine Kontaktöffnung in der ILD-Schicht wird gebildet, wodurch die zweite isolierende Deckschicht freigelegt wird. Ein Teil der zweiten isolierenden Deckschicht und ein Teil der ersten isolierenden Deckschicht werden entfernt, wodurch die obere Elektrode freigelegt wird. Eine leitfähige Schicht wird in der Öffnung gebildet, welche die obere Elektrode kontaktiert. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen besteht die erste isolierende Deckschicht aus einem Nitrid-basierten Isoliermaterial, und die zweite isolierende Deckschicht besteht aus einem Aluminium-basierten Isoliermaterial, das von dem Nitrid-basierten Isoliermaterial verschieden ist. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist das Nitrid-basierte Isoliermaterial eines oder mehrere, die aus der Gruppe bestehend aus SiN, SiON und SiOCN ausgewählt sind. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen wird das Nitrid-basierte Isoliermaterial bei einer Temperatur in einem Bereich von 100°C bis 150°C gebildet. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist das Aluminium-basierte Isoliermaterial eines oder mehrere, die aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminium-Oxynitrid, Aluminiumcarbid und Aluminium-Oxycarbid ausgewählt sind. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen wird das Aluminium-basierte Isoliermaterial bei einer Temperatur in einem Bereich von 300°C bis 450°C gebildet. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist die erste isolierende Deckschicht dicker als die zweite isolierende Deckschicht. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen enthält die ILD-Schicht eine untere ILD-Schicht und eine obere ILD-Schicht, und die Öffnung wird durch Ätzen der oberen ILD-Schicht gebildet. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen enthält die obere ILD-Schicht zwei oder mehr Dielektrikumschichten. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen enthält das Bilden der ILD-Schicht: Bilden eines dielektrischen Materials für die untere ILD-Schicht über der zweiten isolierenden Deckschicht, Planarisieren des dielektrischen Materials, um die zweite isolierende Deckschicht freizulegen, wodurch die untere ILD-Schicht gebildet wird, und Bilden der zwei oder mehr Dielektrikumschichten auf der unteren ILD-Schicht und der zweiten isolierenden Deckschicht. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist, nachdem der Teil der zweiten isolierenden Deckschicht und der Teil der ersten isolierenden Deckschicht entfernt wurden, ein vertikales Niveau einer Oberseite der oberen Elektrode höher als ein vertikales Niveau einer Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist, nachdem der Teil der zweiten isolierenden Deckschicht und der Teil der ersten isolierenden Deckschicht entfernt wurden, ein vertikales Niveau einer Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht höher als das vertikale Niveau der Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist, nachdem der Teil der zweiten isolierenden Deckschicht und der Teil der ersten isolierenden Deckschicht entfernt wurden, ein vertikales Niveau einer Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht höher als das vertikale Niveau der Oberseite der oberen Elektrode.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält - in einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Vorrichtung - die Halbleitervorrichtung eine magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zelle. In dem Verfahren wird eine erste leitfähige Schicht über einer ersten Zwischenschichtdielektrikum (ILD)-Schicht gebildet. Eine gestapelte Schicht für einen Magnetic Tunnel Junction (MTJ)-Stapel wird über der ersten leitfähigen Schicht gebildet. Eine zweite leitfähige Schicht wird über der gestapelten Schicht gebildet. Die zweite leitfähige Schicht, die gestapelte Schicht und die erste leitfähige Schicht werden strukturiert, wodurch eine MRAM-Zellenstruktur gebildet wird, die enthält: eine untere Elektrode, die durch die erste leitfähige Schicht gebildet wird, den Magnetic Tunnel Junction (MTJ)-Stapel, und eine obere Elektrode, die durch die zweite leitfähige Schicht gebildet wird. Eine erste isolierende Deckschicht wird über der MRAM-Zellenstruktur gebildet. Eine zweite isolierende Deckschicht wird über der ersten isolierenden Deckschicht gebildet. Eine zweite ILD-Schicht wird gebildet. Eine Kontaktöffnung wird in der zweiten ILD-Schicht gebildet, wodurch die zweite isolierende Deckschicht freigelegt wird. Ein Teil der zweiten isolierenden Deckschicht und ein Teil der ersten isolierenden Deckschicht werden entfernt, wodurch die obere Elektrode freigelegt wird. Eine dritte leitfähige Schicht wird in der Öffnung gebildet, welche die obere Elektrode kontaktiert. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen wird nach dem Strukturieren der zweiten leitfähigen Schicht, der gestapelten Schicht und der ersten leitfähigen Schicht die erste ILD-Schicht teilweise ausgespart. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen befindet sich eine untere der ersten isolierenden Deckschicht unter einer Unterseite der unteren Elektrode. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen besteht die erste isolierende Deckschicht aus SiN. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen enthält eine Seitenfläche der Kontaktöffnung einen seitlich geätzten Abschnitt. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen wird die erste isolierende Deckschicht bei einer Temperatur in einem Bereich von 100°C bis 150°C gebildet. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen besteht die zweite isolierende Deckschicht aus einem oder mehreren, die aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminium-Oxynitrid, Aluminiumcarbid und Aluminium-Oxycarbid ausgewählt sind.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird in einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung eine magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zellenstruktur gebildet. Die MRAM-Zellenstruktur enthält eine untere Elektrode, einen Magnetic Tunnel Junction (MTJ)-Stapel und eine obere Elektrode. Eine erste isolierende Deckschicht wird über der MRAM-Zellenstruktur gebildet. Eine zweite isolierende Deckschicht wird über der ersten isolierenden Deckschicht gebildet. Ein dielektrisches Material wird so ausgebildet, dass es vollständig die zweite isolierende Deckschicht bedeckt. Eine chemischmechanische Polieroperation wird auf dem dielektrischen Material ausgeführt, um einen Teil der zweiten isolierenden Deckschicht über der MRAM-Zellenstruktur freizulegen und die erste isolierende Deckschicht nicht freizulegen. Eine Zwischenschichtdielektrikum (ILD)-Schicht wird über der zweiten isolierenden Deckschicht und dem dielektrischen Material gebildet. Eine Kontaktöffnung wird in der ILD-Schicht gebildet, wodurch die zweite isolierende Deckschicht freigelegt wird. Ein Teil der zweiten isolierenden Deckschicht und ein Teil der ersten isolierenden Deckschicht werden entfernt, wodurch die obere Elektrode freigelegt wird. Eine leitfähige Schicht wird in der Öffnung gebildet, welche die obere Elektrode kontaktiert.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält eine Halbleitervorrichtung eine magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zelle. Die Halbleitervorrichtung enthält eine magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zellenstruktur, die über einem Substrat angeordnet ist, wobei die MRAM-Zellenstruktur enthält: eine untere Elektrode, einen Magnetic Tunnel Junction (MTJ)-Stapel, und eine obere Elektrode, eine erste isolierende Deckschicht, die Seitenwände der MRAM-Zellenstruktur bedeckt, eine zweite isolierende Deckschicht, die über der ersten isolierenden Deckschicht angeordnet ist, eine Dielektrikumschicht, und einen leitfähigen Kontakt in Kontakt mit der oberen Elektrode. Die erste isolierende Deckschicht besteht aus einem Nitrid-basierten Isoliermaterial, und die zweite isolierende Deckschicht besteht aus einem Aluminium-basierten Isoliermaterial, das von dem Nitrid-basierten Isoliermaterial verschieden ist. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist das Nitrid-basierte Isoliermaterial eines oder mehrere, die aus der Gruppe bestehend aus SiN, SiON und SiOCN ausgewählt sind. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist das Aluminium-basierte Isoliermaterial eines oder mehrere, die aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminium-Oxynitrid, Aluminiumcarbid und Aluminium-Oxycarbid ausgewählt sind. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen besteht das Nitrid-basierte Isoliermaterial aus SiN, und das Aluminium-basierte Isoliermaterial ist eines, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminium-Oxynitrid. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist die erste isolierende Deckschicht dicker als die zweite isolierende Deckschicht. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen enthält die Dielektrikumschicht mehrere Schichten, und der leitfähige Kontakt verläuft durch die mehreren Schichten. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist ein vertikales Niveau einer Oberseite der oberen Elektrode des Substrats höher als ein vertikales Niveau einer Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht, von dem Substrat aus gemessen. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist ein vertikales Niveau einer Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht, von dem Substrat aus gemessen, höher als das vertikale Niveau der Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist ein vertikales Niveau einer Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht, von dem Substrat aus gemessen, höher als das vertikale Niveau der Oberseite der oberen Elektrode. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen hat die MRAM-Zellenstruktur einen konischen Querschnitt mit einer kleineren Breite am oberen Teil und einer größeren Breite am Boden.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält eine Halbleitervorrichtung eine magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zelle. Die Halbleitervorrichtung enthält magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zellenstrukturen, die über einem Substrat angeordnet sind, wobei jede der MRAM-Zellenstrukturen enthält: eine untere Elektrode, einen Magnetic Tunnel Junction (MTJ)-Stapel, und eine obere Elektrode, eine erste isolierende Deckschicht, die Seitenwände einer jeden der MRAM-Zellenstrukturen bedeckt, eine zweite isolierende Deckschicht, die über der ersten isolierenden Deckschicht angeordnet ist, eine untere Dielektrikumschicht, die einen Raum zwischen benachbarten MRAM-Zellenstrukturen ausfüllt, eine obere Dielektrikumschicht, die über der unteren Dielektrikumschicht angeordnet ist, und einen leitfähigen Kontakt in Kontakt mit der oberen Elektrode einer jeden der MRAM-Zellenstrukturen. Die erste isolierende Deckschicht besteht aus einem Nitrid-basierten Isoliermaterial, und die zweite isolierende Deckschicht besteht aus einem Aluminium-basierten Isoliermaterial, das von dem Nitrid-basierten Isoliermaterial verschieden ist. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist das Nitrid-basierte Isoliermaterial eines oder mehrere, die aus der Gruppe bestehend aus SiN, SiON und SiOCN ausgewählt sind. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist das Aluminium-basierte Isoliermaterial eines oder mehrere, die aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminium-Oxynitrid ausgewählt sind. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist die erste isolierende Deckschicht dicker als die zweite isolierende Deckschicht. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen enthält die obere Dielektrikumschicht mehrere Schichten, und der leitfähige Kontakt verläuft durch die mehreren Schichten. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist ein vertikales Niveau einer Oberseite der oberen Elektrode des Substrats höher als ein vertikales Niveau einer Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht, von dem Substrat aus gemessen. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist ein vertikales Niveau einer Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht, von dem Substrat aus gemessen, höher als das vertikale Niveau der Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen ist ein vertikales Niveau einer Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht, von dem Substrat aus gemessen, höher als das vertikale Niveau der Oberseite der oberen Elektrode. In einer oder mehreren der obigen und der folgenden Ausführungsformen hat jede der MRAM-Zellenstrukturen einen konischen Querschnitt mit einer kleineren Breite am oberen Teil und einer größeren Breite am Boden.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält eine Halbleitervorrichtung einen magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zelle. Die Halbleitervorrichtung enthält eine erste Zwischenschichtdielektrikum (ILD)-Schicht, die über einem Substrat angeordnet sind, eine Durchkontaktierung, die in der ersten ILD-Schicht angeordnet ist, eine magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zellenstruktur in Kontakt mit der Durchkontaktierung, wobei die MRAM-Zellenstruktur enthält: eine untere Elektrode, einen Magnetic Tunnel Junction (MTJ)-Stapel, und eine obere Elektrode, eine erste isolierende Deckschicht, die Seitenwände der MRAM-Zellenstruktur bedeckt, eine zweite isolierende Deckschicht, die über der ersten isolierenden Deckschicht angeordnet ist, eine Dielektrikumschicht, und einen leitfähigen Kontakt in Kontakt mit der oberen Elektrode. Die erste isolierende Deckschicht besteht aus einem Nitrid-basierten Isoliermaterial, und die zweite isolierende Deckschicht besteht aus einem Aluminium-basierten Isoliermaterial, das von dem Nitrid-basierten Isoliermaterial verschieden ist.
  • Das oben Dargelegte umreißt Merkmale verschiedener Ausführungsformen oder Beispiele, so dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Dem Fachmann ist klar, dass er die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als Basis für das Entwerfen oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen verwenden kann, um die gleichen Zwecke und/oder die gleichen Vorteile wie bei den im vorliegenden Text vorgestellten Ausführungsformen oder Beispielen zu erreichen. Dem Fachmann sollte auch klar sein, dass solche äquivalenten Bauformen nicht das Wesen und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung verlassen, und dass er verschiedene Änderungen, Substituierungen und Modifizierungen an der vorliegenden Erfindung vornehmen kann, ohne vom Wesen und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62590136 [0001]

Claims (21)

  1. Beansprucht wird:
  2. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden einer magnetischen Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zellenstruktur, die eine untere Elektrode, einen Magnetic Tunnel Junction (MTJ)-Stapel, und eine obere Elektrode enthält; Bilden einer ersten isolierenden Deckschicht über der MRAM-Zellenstruktur; Bilden einer zweiten isolierenden Deckschicht über der ersten isolierenden Deckschicht; Bilden einer Zwischenschichtdielektrikum (ILD)-Schicht; Bilden einer Kontaktöffnung in der ILD-Schicht, wodurch die zweite isolierende Deckschicht freigelegt wird; Entfernen eines Teils der zweiten isolierenden Deckschicht und eines Teils der ersten isolierenden Deckschicht, wodurch die obere Elektrode freigelegt wird; und Bilden einer leitfähigen Schicht in der Öffnung, welche die obere Elektrode kontaktiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die erste isolierende Deckschicht aus einem Nitrid-basierten Isoliermaterial besteht, und die zweite isolierende Deckschicht aus einem Aluminium-basierten Isoliermaterial besteht, das von dem Nitrid-basierten Isoliermaterial verschieden ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Nitrid-basierte Isoliermaterial eines oder mehrere ist, die aus der Gruppe bestehend aus SiN, SiON und SiOCN ausgewählt sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Nitrid-basierte Isoliermaterial bei einer Temperatur in einem Bereich von 100°C bis 150°C gebildet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Aluminium-basierte Isoliermaterial eines oder mehrere ist, die aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminium-Oxynitrid, Aluminiumcarbid und Aluminium-Oxycarbid ausgewählt sind.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Aluminium-basierte Isoliermaterial bei einer Temperatur in einem Bereich von 300°C bis 450°C gebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste isolierende Deckschicht dicker ist als die zweite isolierende Deckschicht.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: die ILD-Schicht eine untere ILD-Schicht und eine obere ILD-Schicht aufweist, und die Öffnung durch Ätzen der oberen ILD-Schicht gebildet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die obere ILD-Schicht zwei oder mehr Dielektrikumschichten aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Bilden der ILD-Schicht umfasst: Bilden eines dielektrischen Materials für die untere ILD-Schicht über der zweiten isolierenden Deckschicht; Planarisieren des dielektrischen Materials, um die zweite isolierende Deckschicht freizulegen, wodurch die untere ILD-Schicht gebildet wird; und Bilden der zwei oder mehr Dielektrikumschichten auf der unteren ILD-Schicht und der zweiten isolierenden Deckschicht.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei, nachdem der Teil der zweiten isolierenden Deckschicht und der Teil der ersten isolierenden Deckschicht entfernt wurden, ein vertikales Niveau einer Oberseite der oberen Elektrode höher ist als ein vertikales Niveau einer Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei, nachdem der Teil der zweiten isolierenden Deckschicht und der Teil der ersten isolierenden Deckschicht entfernt wurden, ein vertikales Niveau einer Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht höher ist als das vertikale Niveau der Oberseite der ersten isolierenden Deckschicht.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei, nachdem der Teil der zweiten isolierenden Deckschicht und der Teil der ersten isolierenden Deckschicht entfernt wurden, ein vertikales Niveau einer Oberseite der zweiten isolierenden Deckschicht höher ist als das vertikale Niveau der Oberseite der oberen Elektrode.
  15. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, die einen magnetischen Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zelle aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden einer ersten leitfähigen Schicht über einer ersten Zwischenschichtdielektrikum (ILD)-Schicht; Bilden einer gestapelten Schicht für einen Magnetic Tunnel Junction (MTJ)-Stapel über der ersten leitfähigen Schicht; Bilden einer zweiten leitfähigen Schicht über der gestapelten Schicht; Strukturieren der zweiten leitfähigen Schicht, der gestapelten Schicht und der ersten leitfähigen Schicht, wodurch eine MRAM-Zellenstruktur gebildet wird, die aufweist: eine untere Elektrode, die durch die erste leitfähige Schicht gebildet wird, den Magnetic Tunnel Junction (MTJ)-Stapel, und eine obere Elektrode, die durch die zweite leitfähige Schicht gebildet wird; Bilden einer ersten isolierenden Deckschicht über der MRAM-Zellenstruktur; Bilden einer zweiten isolierenden Deckschicht über der ersten isolierenden Deckschicht; Bilden einer zweiten ILD-Schicht; Bilden einer Kontaktöffnung in der zweiten ILD-Schicht, wodurch die zweite isolierende Deckschicht freigelegt wird; Entfernen eines Teils der zweiten isolierenden Deckschicht und eines Teils der ersten isolierenden Deckschicht, wodurch die obere Elektrode freigelegt wird; und Bilden einer dritten leitfähigen Schicht in der Öffnung, welche die obere Elektrode kontaktiert.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei, nach dem Strukturieren der zweiten leitfähigen Schicht, der gestapelten Schicht und der ersten leitfähigen Schicht, die erste ILD-Schicht teilweise ausgespart wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei sich eine Unterseite der ersten isolierenden Deckschicht unter einer Unterseite der unteren Elektrode befindet.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei eine Seitenfläche der Kontaktöffnung einen seitlich geätzten Abschnitt enthält.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die erste isolierende Deckschicht bei einer Temperatur in einem Bereich von 100°C bis 150°C gebildet wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die zweite isolierende Deckschicht aus einem oder mehreren besteht, die aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminium-Oxynitrid, Aluminiumcarbid und Aluminium-Oxycarbid ausgewählt sind.
  21. Halbleitervorrichtung, die eine magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zelle aufweist, die Folgendes umfasst: eine magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Zellenstruktur, die über einem Substrat angeordnet ist, wobei die MRAM-Zellenstruktur eine untere Elektrode, einen Magnetic Tunnel Junction (MTJ)-Stapel, und eine obere Elektrode enthält; eine erste isolierende Deckschicht, die Seitenwände der MRAM-Zellenstruktur bedeckt; eine zweite isolierende Deckschicht, die über der ersten isolierenden Deckschicht angeordnet ist; eine Dielektrikumschicht; und einen leitfähigen Kontakt in Kontakt mit der oberen Elektrode, wobei: die erste isolierende Deckschicht aus einem Nitrid-basierten Isoliermaterial besteht, und die zweite isolierende Deckschicht aus einem Aluminium-basierten Isoliermaterial besteht, das von dem Nitrid-basierten Isoliermaterial verschieden ist.
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