DE102019109855A1

DE102019109855A1 - Ätzstopp-metallschicht in magnetischer-tunnelübergang-speicherzellen

Info

Publication number: DE102019109855A1
Application number: DE102019109855.6A
Authority: DE
Inventors: Tai-Yen PENG; Sin-Yi Yang; Chen-Jung Wang; Yu-Shu Chen; Chien Chung Huang; Han-Ting Lin; Jyu-Horng Shieh; Chih-Yuan Ting
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2020-04-02
Also published as: US11665971B2; TWI791903B; US20210384418A1; KR102329021B1; TW202016993A; CN110970553A; US20200106008A1; CN110970553B; KR20200037058A; US20230263068A1; US11101429B2

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen von integrierten Schaltkreisen weist die folgenden Schritte auf: Herstellen von MTJ-Stapelschichten (MTJ: magnetischer Tunnelübergang); Abscheiden einer leitfähigen Ätzstoppschicht über den MTJ-Stapelschichten; Abscheiden einer leitfähigen Hartmaske über der leitfähigen Ätzstoppschicht; und Strukturieren der leitfähigen Hartmaske, um Ätzmasken zu erzeugen. Das Strukturieren wird mittels der leitfähigen Ätzstoppschicht beendet. Das Verfahren umfasst weiterhin das Ätzen der leitfähigen Ätzstoppschicht unter Verwendung der Ätzmasken, um Strukturen zu definieren; und das Ätzen der MTJ-Stapelschichten, um MTJ-Stapel herzustellen.

Description

Prioritätsanspruch und Querverweis
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 28. September 2018 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 62/738.529 und dem Titel „Metal Etching Stop Layer in Magnetic Tunnel Junction Memory Cells“ („Ätzstopp-Metallschicht in Magnetischer-Tunnelübergang-Speicherzellen“), die durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Hintergrund der Erfindung
Halbleiterspeicher werden in integrierten Schaltkreisen für elektronische Geräte verwendet, wie zum Beispiel Radios, Fernsehgräte, Mobiltelefone und Personal Computer. Eine Art von Halbleiter-Speicherbauelement ist ein magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher (MRAM), der Spin-Elektronik verwendet, die Halbleiter-Technologie mit magnetischen Materialien und Bauelementen kombiniert. Statt der Ladung von Elektronen werden die Spins der Elektronen, durch ihre magnetischen Momente, zum Speichern von Bitwerten verwendet.
Eine typische MRAM-Zelle kann einen Magnetischer-Tunnelübergang-Stapel (MTJ-Stapel) aufweisen, der eine Pinning-Schicht, eine gepinnte Schicht über der Pinning-Schicht, eine Tunnelschicht über der gepinnten Schicht und eine freie Schicht über der Tunnelschicht umfasst. Bei der Herstellung der MRAM-Zelle wird zunächst eine Mehrzahl von Schutzschichten abgeschieden. Anschließend werden die Schutzschichten mit einem Fotoätzprozess strukturiert, um den MTJ-Stapel herzustellen. Dann wird eine dielektrische Verkappungsschicht zum Schutz der Schutzschichten hergestellt. Die dielektrische Verkappungsschicht weist einige Teile auf Seitenwänden und gegebenenfalls weitere Teile über einer Oberseite des MTJ-Stapels auf.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Übersichtlichkeit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.

Die 1 bis 10 sind Schnittansichten von Zwischenstufen bei der Herstellung von magnetoresistiven Direktzugriffsspeicherzellen (MRAM-Zellen) gemäß einigen Ausführungsformen.
Die 10A und 10B zeigen einige MRAM-Zellen gemäß einigen Ausführungsformen.
Die 11 und 18 sind Schnittansichten von Zwischenstufen bei der Herstellung von MRAM-Zellen in einer Zwischenmetall-Dielektrikum-Schicht, gemäß einigen Ausführungsformen.
19 zeigt einen Prozessablauf zum Herstellen von MRAM-Zellen gemäß einigen Ausführungsformen.

Detaillierte Beschreibung
Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale der Erfindung. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so hergestellt werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen werden MRAM-Zellen und Verfahren zu deren Herstellung bereitgestellt. Es werden Zwischenstufen der Herstellung der MRAM-Zellen bei einigen Ausführungsformen erläutert. Außerdem werden einige Abwandlungen einiger Ausführungsformen erörtert. In allen Darstellungen und erläuternden Ausführungsformen werden ähnliche Bezugssymbole zum Bezeichnen von ähnlichen Elementen verwendet. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden leitfähige Materialien, die hohe Ätzselektivitätswerte haben, als Ätzstoppschichten und Hartmasken verwendet, sodass kleinere Aussparungen in den Ätzstoppschichten erzeugt werden und auf darunter befindliche dielektrische Schichten übertragen werden und dadurch die Herstellungskosten gesenkt werden.
Die 1 bis 10 zeigen Schnittansichten von Zwischenschichten bei der Herstellung von MRAM-Zellen gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die in den 1 bis 10 gezeigten Schritte sind auch in dem Prozessablauf 200 angegeben, der in 19 gezeigt ist.
In 1 wird ein Wafer 10 hergestellt. Der Wafer 10 kann ein Substrat (nicht dargestellt) aufweisen, das ein Halbleitersubstrat sein kann. Das Substrat kann aus Silizium, Siliziumgermanium, einem III-V-Verbindungshalbleiter oder dergleichen bestehen. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Substrat ein massives Siliziumsubstrat. In dem Wafer 10 können aktive Bauelemente (nicht dargestellt), wie etwa Transistoren und Dioden, und passive Bauelemente (nicht dargestellt), wie etwa Kondensatoren, Induktoren und Widerstände, hergestellt werden. Über dem Substrat wird eine dielektrische Schicht 12 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die dielektrische Schicht 12 zum Beispiel eine dielektrische Low-k-Schicht mit einer Dielektrizitätskonstante (k-Wert), die kleiner als etwa 3,0 ist. Die dielektrische Schicht 12 kann auch aus einem anderen dielektrischen Material bestehen, wie etwa Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Phosphorsilicatglas (PSG), Borsilicatglas (BSG), Borphosphorsilicatglas (BPSG) oder dergleichen. In der dielektrischen Schicht 12 werden leitfähige Strukturelemente 14 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die leitfähigen Strukturelemente 14 Metallleitungen (wie etwa Wortleitungen oder Bitleitungen), metallische Durchkontaktierungen, Kontaktstifte, dotierte Halbleiterstreifen oder dergleichen. Die metallischen Strukturelemente 14 können aus Metallen, wie etwa Kupfer, Aluminium, Wolfram, Cobalt oder dergleichen, oder Legierungen davon bestehen.
Über den leitfähigen Strukturelementen 14 können eine Ätzstoppschicht 16, eine dielektrische Schicht 18 und leitfähige Strukturelemente 24 hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Ätzstoppschicht 16 eine dielektrische Schicht sein, die von der darüber befindlichen dielektrischen Schicht 18 verschieden ist. Zum Beispiel kann die Ätzstoppschicht 16 aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumcarbonitrid oder dergleichen bestehen. Die Ätzstoppschicht 16 kann auch eine Verbundschicht mit einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten sein. Zum Beispiel kann die Ätzstoppschicht 16 eine SiC- oder SiCN-Schicht 16A und eine Metallnitridschicht oder Metalloxidschicht (wie etwa eine AlN- oder AlO_x-Schicht) 16B über der Metalloxidschicht 16A aufweisen, und sie kann eine Metalloxidnitridschicht 16C oder eine Metallcarbonitridschicht 16C über der Metallnitridschicht 16B aufweisen oder auch nicht.
Die dielektrische Schicht 18 kann aus Siliziumoxid bestehen, das z. B. durch chemische Aufdampfung (CVD) mit Tetraethylorthosilicat (TEOS) als Vorläufer abgeschieden wird. Die dielektrische Schicht 18 kann bei anderen Ausführungsformen unter Verwendung von PSG, BSG, BPSG, undotiertem Silicatglas (USG), Fluorsilicatglas (FSG), SiOCH, fließfähigem Oxid, porösem Oxid oder dergleichen oder eine Kombination davon hergestellt werden. Die dielektrische Schicht 18 kann zum Beispiel auch aus einem dielektrischen Low-k-Material mit einem k-Wert von kleiner als etwa 3,0 bestehen.
Die leitfähigen Strukturelemente 24 werden in der dielektrischen Schicht 18 hergestellt und gehen durch die Ätzstoppschicht 16 hindurch. Die leitfähigen Strukturelemente 24 können Metallleitungen, Durchkontaktierungen, Kontaktstifte oder dergleichen sein. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen die leitfähigen Strukturelemente 24 leitfähige Sperrschichten 20 und leitfähige Bereiche 22 über einem unteren Teil der leitfähigen Sperrschichten 20 auf. Die leitfähigen Sperrschichten 20 können aus Titan, Titannidrid, Tantal, Tantalnitrid, Cobalt oder dergleichen bestehen. Die leitfähigen Bereiche 22 können aus Metallen, wie etwa Kupfer, Aluminium, Wolfram, Cobalt oder dergleichen, oder aus Legierungen dieser Metalle bestehen. Die Herstellung der leitfähigen Strukturelemente 24 kann die folgenden Schritte umfassen: Ätzen der dielektrischen Schicht 18 und der Ätzstoppschicht 16, um Durchkontaktierungsöffnungen zu erzeugen; Herstellen einer leitfähigen Schutzsperrschicht, die in die Durchkontaktierungsöffnungen hinein reicht; Abscheiden eines metallischen Materials über der leitfähigen Schutzsperrschicht; und Durchführen eines Planarisierungsprozesses, wie etwa chemisch-mechanischen Polierung (CMP) oder eines mechanischen Schleifprozesses, um überschüssige Teile der leitfähigen Schutzsperrschicht und des metallischen Materials zu entfernen.
Dann werden nacheinander eine untere Elektrodenschicht, MTJ-Schichten, eine Ätzstoppschicht, eine leitfähige Hartmaskenschicht und eine Ätzmaskenschicht hergestellt. Die jeweiligen Prozesse sind als Schritt 202 in dem Prozessablauf angegeben, der in 19 gezeigt ist. In 1 wird eine untere Elektrodenschicht 26 abgeschieden. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die untere Elektrodenschicht 26 als eine Schutzschicht hergestellt, die durch CVD, physikalische Aufdampfung (PVD), elektrochemische Plattierung (ECP), stromlose Plattierung oder dergleichen hergestellt werden kann. Das Material für die untere Elektrodenschicht 26 kann Cu, Al, Ti, Ta, W, Pt, Ni, Cr, Ru, Co, Co_xFe_yB_zW_w, TiN, TaN, Kombinationen davon und/oder Multischichten davon umfassen. Zum Beispiel kann die untere Elektrodenschicht 26 eine Titannitridschicht 26A und eine TiN-Schicht 26B über der Schicht 26A umfassen.
Über der unteren Elektrodenschicht 26 werden MTJ-Schichten 34 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen die MTJ-Schichten 34 eine untere magnetische Schicht 28, eine Tunnelsperrschicht 30 über der unteren magnetischen Schicht 28 und eine obere magnetische Schicht 32 über der Tunnelsperrschicht 30. Die untere magnetische Schicht 28 kann eine Pinning-Schicht 28A und eine gepinnte Schicht 28B über und in Kontakt mit der Pinning-Schicht 28A umfassen. Die obere magnetische Schicht 32 kann eine freie Schicht sein. Die benachbarten Schichten in den Schichten 28, 30 und 32 können außerdem in physischem Kontakt miteinander sein. Die untere magnetische Schicht 28, die Tunnelsperrschicht 30 und die obere magnetische Schicht 32 können mit einem oder mehreren Abscheidungsverfahren, wie etwa CVD, PVD, ALD oder dergleichen, abgeschieden werden.
Die Pinning-Schicht 28A kann aus einer Metalllegierung bestehen, die Mangan (Mn) und ein oder mehrere andere Metalle aufweist, wie etwa Platin (Pt), Iridium (Ir), Rhodium (Rh), Nickel (Ni), Palladium (Pd), Eisen (Fe), Osmium (Os) oder dergleichen. Somit kann die Pinning-Schicht 28A aus PtMn, IrMn, RhMn, NiMn, PdPtMn, FeMn, Os, Mn oder dergleichen bestehen. Die gepinnte Schicht 28B kann aus einem ferromagnetischen Material mit einer größeren Koerzitivkraft als der der oberen magnetischen Schicht 32 bestehen, und sie kann aus Materialien wie Cobalt-Eisen (CoFe), Cobalt-Eisen-Bor (CoFeB) oder dergleichen bestehen. Bei einigen Ausführungsformen hat die gepinnte Schicht 28B eine synthetische ferromagnetische Struktur (SFM-Struktur), bei der die Kopplung zwischen magnetischen Schichten eine ferromagnetische Kopplung ist. Die magnetische Schicht 28 kann auch eine synthetische antiferromagnetische Struktur (SAF-Struktur) annehmen, die eine Mehrzahl von magnetischen Metallschichten aufweist, die durch eine Mehrzahl von nicht-magnetischen Abstandshalterschichten getrennt sind. Die magnetischen Metallschichten können aus Co, Fe, Ni oder dergleichen bestehen. Die nicht-magnetischen Abstandshalterschichten können aus Cu, Ru, Ir, Pt, W, Ta, Mg oder dergleichen bestehen. Zum Beispiel kann die magnetische Schicht 28 eine Co-Schicht und wiederholte (Pt/Co)_x-Schichten über der Co-Schicht umfassen, wobei x die Anzahl von Wiederholungen darstellt und eine ganze Zahl sein kann, die gleich oder größer als 1 ist.
Die Tunnelsperrschicht 30 kann aus MgO, AlO, AlN oder dergleichen bestehen. Die Tunnelsperrschicht 30 kann eine Dicke von etwa 0,5 nm bis etwa 3 nm haben.
Die obere magnetische Schicht 32 kann aus einem ferromagnetischen Material bestehen, wie etwa CoFe, NiFe, CoFeB, CoFeBW oder dergleichen. Die obere magnetische Schicht 32 kann ebenfalls eine synthetische ferromagnetische Struktur annehmen, die der SAF-Struktur ähnlich ist, wobei die Dicke der Abstandshalterschicht so eingestellt wird, dass eine ferromagnetische Kopplung zwischen den getrennten magnetischen Metallen entsteht, d. h., dass das magnetische Moment in der gleichen Richtung gekoppelt wird. Das magnetische Moment der oberen magnetischen Schicht 32 ist programmierbar, und dadurch wird der Widerstand der resultierenden MTJ-Zelle zwischen einem hohen Widerstand und einem niedrigen Widerstand umgeschaltet. Es ist klar, dass die Materialien und die Struktur der MTJ-Schichten 34 zahlreiche Abwandlungen haben können, die ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen. Zum Beispiel können die Schichten 28A, 28B, 30 und 32 in einer umgekehrten Reihenfolge zu der Reihenfolge hergestellt werden, die in 1 gezeigt ist. Somit kann die freie Schicht die untere Schicht der MTJ-Schichten 34 sein, während die Pinning-Schicht 28A die obere Schicht sein kann.
Über und in Kontakt mit den MTJ-Schichten 34 wird eine leitfähige Ätzstoppschicht (ESL) 36 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die leitfähige ESL 36 als eine Schutzschicht hergestellt, die durch CVD, PVD, ECP, stromlose Plattierung oder dergleichen hergestellt werden kann. Das Material für die leitfähige ESL 36 kann Wolfram, Ruthenium, eine Verbundschicht mit einer Wolframschicht und einer Rutheniumschicht über oder unter der Wolframschicht und/oder Legierungen von Wolfram und Ruthenium umfassen. Wenn die leitfähige ESL 36 zum Beispiel die Wolframschicht ist, kann der entsprechende Abscheidungsprozess ein CVD-Prozess unter Verwendung von WF₆ als eines von mehreren Prozessgasen sein. Eine Dicke Ti der leitfähigen ESL 36 kann kleiner als etwa 10 nm sein und etwa 5 nm bis etwa 50 nm betragen. Wenn die ESL 36 aus Wolfram oder Ruthenium besteht, kann der Atomanteil von Wolfram oder Ruthenium in der ESL 36 zum Beispiel höher als etwa 80 % sein.
Über der leitfähigen ESL 36 wird eine Hartmaskenschicht 38 unter Verwendung eines leitfähigen Materials abgeschieden. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Hartmaskenschicht 38 als eine Schutzschicht hergestellt, und sie kann durch CVD, PVD, ECP, stromlose Plattierung oder dergleichen hergestellt werden. Das Material für die Hartmaskenschicht 38 kann Titan, Titannidrid, Tantal, Tantalnitrid, Wolfram, Wolframcarbid, Kombinationen davon oder Multischichten davon umfassen. Die Hartmaskenschicht 38 kann auch aus einem anderen leitfähigen Material bestehen, das andere Ätzeigenschaften als die leitfähige ESL 36 hat, sodass die leitfähige ESL 36 die Ätzung der Hartmaskenschicht 38 wirksam stoppen kann. Wenn die ESL 36 aus Ruthenium besteht, kann die Hartmaskenschicht 38 aus Wolfram oder Wolframcarbid bestehen. Die Hartmaskenschicht 38 kann als eine Ätzmaske bei der späteren Strukturierung der MTJ-Schicht verwendet werden. Anders ausgedrückt, die Materialien der Hartmaskenschicht 38 können in zwei Gruppen eingeteilt werden: diejenigen, die Wolfram aufweisen, wie etwa eine Legierung von Wolfram mit Ta, TaN, Ti und/oder TiN, oder Multischichten mit mindestens einer Schicht, die Wolfram oder eine Wolframlegierung aufweist; und diejenigen ohne Wolfram, wie etwa Ta, TaN, Ti oder TiN, Kombinationen davon oder Multischichten davon. Wenn Wolfram in der Hartmaskenschicht 38 verwendet wird, kann Ruthenium als die Ätzstoppschicht verwendet werden, und wenn kein Wolfram in der Hartmaskenschicht 38 verwendet wird, können Wolfram, Ruthenium oder Kombinationen davon oder Multischichten davon als die Ätzstoppschicht verwendet werden.
Eine Dicke T2 der Hartmaskenschicht 38 kann etwa 30 nm bis etwa 150 nm betragen. Da die leitfähige ESL 36 zum Stoppen der Ätzung der Hartmaskenschicht 38 verwendet wird, ist die Dicke T2 der Hartmaskenschicht 38 wesentlich größer als die Dicke Ti der leitfähigen ESL 36. Zum Beispiel kann ein Verhältnis T2/T1 größer als etwa 3 sein und kann etwa 3 bis etwa 30 betragen.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht die Hartmaskenschicht 38 aus einem homogenen leitfähigen Material, wie etwa Titan, Titannidrid, Tantal, Tantalnitrid, Wolfram, Wolframcarbid, Wolfram-Bor-Carbid oder Kombinationen davon. Gemäß alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist die Hartmaskenschicht 38 eine leitfähige Hartmasken-Teilschicht 38A und eine leitfähige Hartmasken-Teilschicht 38B über der leitfähigen Hartmasken-Teilschicht 38A auf. Die leitfähigen Hartmaskenschichten 38A und 38B bestehen aus unterschiedlichen Materialien und haben unterschiedliche Ätzeigenschaften, und sie können jeweils aus einem homogenen Material bestehen. Die leitfähige Hartmaskenschicht 38A kann zum Beispiel aus Wolfram bestehen, während die leitfähige Hartmaskenschicht 38B aus Titan, Titannidrid, Tantal, Tantalnitrid oder dergleichen bestehen kann.
Über der leitfähigen Hartmaskenschicht 38 wird eine Ätzmaskenschicht 40 hergestellt. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht die Ätzmaskenschicht 40 aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumoxid, Siliziumnitrid, amorphem Kohlenstoff oder dergleichen, oder Multischichten davon. 1 zeigt ein Beispiel, in dem die Ätzmaskenschicht 40 eine Ätzmaske(nteilschicht) 40A und eine Ätzmaske(nteilschicht) 40B über der Ätzmaskenschicht 40A aufweist. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht die Ätzmaskenschicht 40A aus Siliziumoxid, das unter Verwendung von Tetraethylorthosilicat (TEOS) hergestellt werden kann, und die Ätzmaskenschicht 40B besteht aus amorphem Kohlenstoff.
Über der Ätzmaskenschicht 40 wird eine Dreifachschicht hergestellt, die eine untere Schicht 42 (die gelegentlich als eine Unterschicht bezeichnet wird), eine mittlere Schicht 44 über der unteren Schicht 42 und eine obere Schicht 46 über der mittleren Schicht 44 umfasst. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die untere Schicht 42 aus einem Fotoresist oder einer anderen Art von Material bestehen, wie etwa SiON oder amorphem Kohlenstoff, der gelegentlich als Ash Removable Dielectric (ARD) bezeichnet wird. Außerdem kann die untere Schicht 42, wenn sie aus einem Fotoresist besteht, vernetzt sein, und sie ist somit von typischen Fotoresists verschieden, die zur Belichtung verwendet werden. Die untere Schicht 42 kann beim Belichten der oberen Schicht 46 als ein unterer Antireflexbelag (BARC) verwendet werden.
Die mittlere Schicht 44 kann aus einem Material bestehen, das Silizium und Sauerstoff aufweist, zum Beispiel SiON, aber es können auch andere ähnliche Materialien zum Einsatz kommen. Die obere Schicht 46 kann aus einem Fotoresist bestehen. Die obere Schicht 46 wird als eine Schutzschicht aufgebracht, und sie wird dann in einem fotolithografischen Prozess unter Verwendung einer fotolithografischen Maske (nicht dargestellt) strukturiert, die opake Teile und transparente Teile aufweist. In einer Draufsicht des Wafers 10 können die übrigen Teile der oberen Schicht 46 als eine Matrix angeordnet werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird die Ätzmaskenschicht 40 weggelassen, und die Dreifachschicht mit der unteren Schicht 42, der mittleren Schicht 44 und der oberen Schicht 46 wird direkt auf der Hartmaskenschicht 38 hergestellt.
In späteren Schritten wird die strukturierte obere Schicht 46 als eine Ätzmaske zum Ätzen und Strukturieren der darunter befindlichen mittleren Schicht 44 und unteren Schicht 42 sowie der Ätzmaskenschicht 40 (falls vorhanden) verwendet. Das Strukturieren der Ätzmaskenschicht 40 ist als Schritt 204 in dem Prozessablauf angegeben, der in 19 gezeigt ist. Die strukturierte obere Schicht 46 kann bei dem Ätzprozess aufgezehrt werden. Nach dem Strukturieren der Ätzmaskenschicht 40 bleiben Restteile 40' (die nachstehend als Ätzmasken 40' bezeichnet werden) der Ätzmaskenschicht 40 zurück, wie in 2 gezeigt ist. Dann werden die übrigen Teile der Dreifachschicht (1) entfernt. Bei den Ausführungsformen, bei denen die Ätzmaskenschicht nicht hergestellt wird, weist die Dreifachschicht zumindest einige Restteile der unteren Schicht 42 auf, die die Strukturen der künftigen MTJ-Zellen definieren.
In einem nachfolgenden Schritt werden die Ätzmasken 40' als eine Ätzmaske zum Ätzen der darunter befindlichen leitfähigen Hartmaskenschicht 38 verwendet, sodass Hartmasken 38' (die Teil-Hartmasken 38A' und 38B' umfassen) entstehen, wie in 3 gezeigt ist. Der entsprechende Prozess ist als Schritt 206 in dem Prozessablauf angegeben, der in 19 gezeigt ist. Die Ätzung endet auf der ESL 36. Die resultierenden Hartmasken 38' sind in 3 gezeigt. Das Ätzverfahren kann ein Plasmaätzverfahren sein, das reaktive Ionenstrahlätzung (IBE) umfassen kann. Die Ätzung kann unter Verwendung eines Glimmentladungsplasma (GDP), eines kapazitiv gekoppelten Plasmas (CCP), eines induktiv gekoppelten Plasmas (ICP) oder dergleichen implementiert werden. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine reaktive Ionenätzung (RIE) statt der IBE für die Ätzung der Hartmaskenschicht 38 verwendet werden. Gemäß alternativen Ausführungsformen, bei denen die Ätzmaskenschicht 40 (und somit die Hartmasken 40') weggelassen werden, wird die Ätzung unter Verwendung der verbliebenen Teile der Dreifachschicht 42/44/46 als Ätzmaske durchgeführt.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Ätzung der Hartmaskenschicht 38 unter Verwendung von Prozessgasen durchgeführt, die aus der Gruppe Cl₂, N₂, CH₄, He, CH_xF_y, SF₆, NF₃, BCl₃, O₂, Ar, C_xF_y, HBr oder Kombinationen davon gewählt sind. N₂, Ar und/oder He können als Trägergase verwendet werden. Zum Ätzen von Titan, Titannidrid, Tantal, Tantalnitrid oder dergleichen in der Hartmaskenschicht 38 kann zum Beispiel Cl₂ zusammen mit anderen Gasen, wie etwa dem Trägergas, verwendet werden. Zum Ätzen von Wolfram (falls es verwendet wird) in der Hartmaskenschicht 38 kann CH_xF_y zusammen mit anderen Gasen, wie etwa dem Trägergas, verwendet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein Verhältnis eines Durchsatzes von Cl₂ zu einem Durchsatz von N₂ und CH₄ größer als etwa 10 und kann etwa 10 bis etwa 50 oder mehr betragen. Wenn das Durchsatzverhältnis höher als etwa 10 ist, ist die Ätzselektivität, die das Verhältnis der Ätzrate der Hartmaskenschicht 38 zu der Ätzrate der ESL 36 ist, höher als etwa 10. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ätzung auf der ESL 36 endet, wobei eine sehr kleine Aussparung (die schematisch als 37 dargestellt ist) entsteht, die in die ESL 36 hinein reicht. Wenn zum Beispiel das Durchsatzverhältnis höher als etwa 10 ist, kann eine Tiefe D1 der Aussparungen 37 in der ESL 36 kleiner als etwa 7 nm sein. Gemäß einigen Ausführungsformen beträgt während des Ätzens der Hartmaskenschicht 38 eine Versorgungsspannung etwa 30 V bis etwa 1000 V, und eine Vorspannung kann etwa 0 V bis etwa 1000 V betragen.
Gemäß einigen Ausführungsformen, bei denen die Hartmaskenschicht 38 die Hartmaskenschichten 38A und 38B umfasst, wobei die Hartmaskenschicht 38B aus Titan, Titannidrid, Tantal oder Tantalnitrid besteht und die Hartmaskenschicht 38A aus Wolfram besteht, wird ein ersten Ätzgas (wie etwa Cl₂) zum Ätzen der Hartmaskenschicht 38B verwendet, und dann wird ein zweites Ätzgas (wie etwa CH_xF_y), das von dem ersten Ätzgas verschieden ist, zum Ätzen von Wolfram verwendet. Somit wird beim Ätzen der Hartmaskenschicht 38B die Ätzung nach unten durch die Hartmaskenschicht 38A zumindest verlangsamt, und sie kann als eine Ätzstoppschicht beim Ätzen der Hartmaskenschicht 38B fungieren. Durch Verwenden der zusammengesetzten Hartmaskenschicht 38 ist die Ätzung der Hartmaskenschicht 38 nach unten in dem gesamten Wafer 10 somit gleichmäßiger.
Nachdem die Hartmasken 38' erzeugt worden sind, können die Ätzmasken 40' entfernt werden, und die resultierende Struktur ist in 4 gezeigt. Der entsprechende Prozess ist als Schritt 208 in dem Prozessablauf angegeben, der in 19 gezeigt ist. Dann wird ein Ätzgas, das von dem Ätzgas zum Ätzen der Hartmaskenschicht 38 verschieden ist, zum Durchätzen der leitfähigen ESL 36 verwendet. Der entsprechende Prozess ist als Schritt 210 in dem Prozessablauf angegeben, der in 19 gezeigt ist. Die resultierende Struktur ist in 5 gezeigt, wobei die verbliebenen Teile der leitfähigen ESL 36 als leitfähige ESLs 36' bezeichnet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die leitfähige ESL 36 aus Ruthenium besteht, kann das Ätzgas O₂ sein, aber es können auch andere Gase, wie etwa Ar, Cl₂, CF₄ oder dergleichen, verwendet werden. Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die leitfähige ESL 36 aus Wolfram besteht, kann das Ätzgas CH_xF_y sein, wobei x und y ganze Zahlen sind. Die Ätzung der leitfähigen ESL 36 kann mittels IBE, RIE oder dergleichen erfolgen.
In nachfolgenden Prozessschritten wird eine Mehrzahl von Ätzprozessen unter Verwendung der Hartmasken 38' als Ätzmasken zum Ätzen der MTJ-Schichten 34 durchgeführt, sodass MTJ-Stapel 34' entstehen, wie in 6 gezeigt ist. Der entsprechende Prozess ist als Schritt 212 in dem Prozessablauf angegeben, der in 19 gezeigt ist. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfolgt die Ätzung der Schichten in den MTJ-Schichten 34 in situ in der gleichen Ätzkammer, die eine Vakuumkammer ist, die so konfiguriert ist, dass sie evakuiert wird. Zwischen diesen Prozessen kann es eine Vakuum-Unterbrechung geben oder auch nicht. Anders ausgedrückt, vom Beginn bis zum Ende der Ätzung der MTJ-Schichten 34 gibt es möglicherweise keine Vakuum-Unterbrechung. Vielmehr wird eine Änderung von einem Prozess zu einem anderen Prozess durch Einstellen von Prozessbedingungen erreicht, wie etwa Ändern von Prozessgasen (und/oder Einstellen ihrer Durchsätze) und Einstellen von Strömen/Spannungen. Die eingestellten Ströme/Spannungen können die Versorgungsspannung (die gelegentlich als Spulenspannung bezeichnet wird) umfassen, wenn eine IBE verwendet wird. Die eingestellten Ströme/Spannungen können auch eine Strahlbeschleunigungsspannung (Gitterspannung) umfassen, wenn eine IBE für die Ätzung verwendet wird, oder sie können eine Vorspannung umfassen, wenn eine RIE für die Ätzung verwendet wird. Bei anderen Ausführungsformen kann es Vakuum-Unterbrechungen zwischen diesen Prozessen geben, und diese Prozesse können in unterschiedlichen Prozesskammern durchgeführt werden.
Die Ätzung der MTJ-Schichten 34 kann durch reaktive Ionenstrahlätzung erfolgen, die GDP, ICP, CCP oder dergleichen umfassen kann. Durch den Ätzprozess wird die magnetische Schicht 32 durchgeätzt, sodass magnetische Schichten 32' entstehen. Nach dem Ätzen der magnetischen Schicht 32 wird die Tunnelsperrschicht 30 geätzt, um Tunnelsperrschichten 30' herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Tunnelsperrschicht 30 in dem gleichen Prozess wie die magnetische Schicht 32 und unter Verwendung des gleichen Ätzgases wie für die magnetische Schicht 32 geätzt. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Tunnelsperrschicht 30 unter Verwendung anderer Ätzgase als für die magnetische Schicht 32 geätzt werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden für den Ätzprozess Ar, Kr, Ne, O₂, Xe, He, Methanol, CO, NH₃, CH₄, geeignete Alkohole oder Kombinationen davon verwendet. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfolgt die Ätzung mit einer Spannungsquellenleistung von etwa 200 W bis etwa 1500 W, wenn eine IBE verwendet wird, oder mit einer Spannungsquellenleistung von etwa 900 W bis etwa 2000 W, wenn eine RIE verwendet wird. Die Vorspannung kann bei Verwendung einer RIE etwa 0 V (was bedeutet, dass der Vorspannungsstrom ausgeschaltet ist) bis etwa 1500 V betragen. Bei Verwendung einer IBE kann die Gitterspannung etwa 50 V bis etwa 1500 V betragen.
Nach dem Ätzen der Tunnelsperrschicht 30 wird die magnetische Schicht 28 geätzt, und es entstehen magnetische Schichten 28`. Dadurch entstehen MTJ-Stapel 34', wobei die MTJ-Stapel 34' jeweils die untere magnetische Schicht 28' und die entsprechende darüber befindliche Tunnelsperrschicht 30' und obere magnetische Schicht 32' umfassen. Dadurch wird die untere Elektrodenschicht 28 freigelegt. Die Ätzung der magnetischen Schicht 26 kann mittels einer Ionenstrahlätzung (wie etwa einer reaktiven Ionenätzung) durchgeführt werden. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Ätzprozessgase Ar, Kr, Ne, O₂, Xe, He, Methanol, CO, NH₃, CH₄, andere geeignete Alkohole oder Kombinationen davon. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Ätzung mit einer Netzleistung (zum Erzeugen von Plasma) von etwa 200 W bis etwa 1500 W erfolgen. Die Vorspannungsenergie kann etwa 50 eV bis etwa 1500 eV betragen.
In einem nachfolgenden Prozess wird die untere Elektrodenschicht 26 geätzt, um untere Elektroden 26' herzustellen. Die resultierende Struktur ist in 7 gezeigt. Der entsprechende Prozess ist als Schritt 214 in dem Prozessablauf angegeben, der in 19 gezeigt ist. Die Ätzung kann mit einer Ionenstrahlätzung (wie etwa einer reaktiven Ionenätzung) erfolgen. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Ätzprozessgase Ar, Kr, Ne, 02, Xe, He, Methanol, CO, NH₃, CH₄, andere geeignete Alkohole oder Kombinationen davon. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Ätzung mit einer Netzleistung (zum Erzeugen von Plasma) von etwa 200 W bis etwa 1500 W durchgeführt. Die Vorspannungsenergie kann etwa 50 eV bis etwa 1500 eV betragen.
Wie in 7 gezeigt ist, können beim Ätzen der unteren Elektrodenschicht 26 durch eine Überätzung Aussparungen 49 entstehen, die in die dielektrische Schicht 18 hinein reichen. Diese Aussparungen 49 entstehen teilweise durch das Aussparen der ESL 36 auf Grund der Ätzung der darüber befindlichen Schicht (wie etwa 38). Außerdem kann die Aussparungstiefe Di (3) der ESL 36 vergrößert (verdoppelt) werden, sodass eine größere Aussparungstiefe D2 in der dielektrischen Schicht 18 entsteht. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird durch Auswählen von geeigneten Materialien zum Herstellen der leitfähigen ESL 36 und der darüber befindlichen Hartmaskenschicht 38 so, dass sie eine hohe Ätzselektivität haben, die Aussparungstiefe D1 (3) in der ESL 36 verringert, und somit wird auch die Aussparungstiefe D2 (7) in der dielektrischen Schicht 18 verringert. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Tiefe D2 der Aussparungen 49 kleiner als etwa 40 nm oder kleiner als etwa 10 nm.
8 zeigt die Herstellung einer dielektrischen Verkappungsschicht 50 gemäß einigen Ausführungsformen. Der entsprechende Prozess ist als Schritt 216 in dem Prozessablauf angegeben, der in 19 gezeigt ist. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht die dielektrische Verkappungsschicht 50 aus Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid oder dergleichen. Für die Herstellung kann eine CVD, ALD, plasmaunterstützte CVD (PECVD) oder dergleichen verwendet werden. Die dielektrische Verkappungsschicht 50 kann als eine konforme Schicht hergestellt werden.
9 zeigt einen Spaltfüllungsprozess, in dem ein dielektrisches Material 52 in die Spalte zwischen den MTJ-Stapeln 34' gefüllt wird. Der entsprechende Prozess ist als Schritt 218 in dem Prozessablauf angegeben, der in 19 gezeigt ist. Das dielektrische Material 52 kann TEOS-Oxid, PSG, BSG, BPSG, USG, FSG, SiOCH, ein fließfähiges Oxid, ein poröses Oxid oder dergleichen oder eine Kombination davon sein. Das dielektrische Material 52 kann auch ein dielektrisches Low-k-Material sein. Als Herstellungsverfahren kann CVD, PECVD, ALD, FCVD, Schleuderbeschichtung oder dergleichen verwendet werden. Nach dem Spaltfüllungsprozess kann ein Planarisierungsprozess, wie etwa ein CMP-Prozess oder ein mechanischer Schleifprozess, durchgeführt werden. Der Planarisierungsprozess kann unter Verwendung der dielektrischen Verkappungsschicht 50 oder der oberen Elektroden 38' als eine CMP-Stoppschicht erfolgen. Dadurch kann die Oberseite des dielektrischen Materials 52 auf gleicher Höhe mit der Oberseite der dielektrischen Verkappungsschicht 50 oder den Oberseiten der oberen Elektroden 38' sein. Auf diese Weise werden MRAM-Zellen 54 hergestellt.
10 zeigt die Struktur nach der Herstellung von leitfähigen Strukturelementen 60, die Durchkontaktierungen, leitfähige Leitungen (die Wortleitungen oder Bitleitungen sein können) oder dergleichen sein können. Der entsprechende Prozess ist als Schritt 220 in dem Prozessablauf angegeben, der in 19 gezeigt ist. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen die leitfähigen Strukturelemente 60 Sperrschichten 56 und leitfähige Bereiche 58 über einer Sperrschicht 68. Die leitfähigen Sperrschichten 56 können aus Titan, Titannidrid, Tantal, Tantalnitrid, Cobalt oder dergleichen bestehen. Die leitfähigen Bereiche 58 können aus Metallen, wie etwa Kupfer, Aluminium, Wolfram, Cobalt oder dergleichen, oder aus Legierungen dieser Metalle bestehen. Die leitfähigen Strukturelemente 60 werden in einer Ätzstoppschicht 62 und einer dielektrischen Schicht 64 hergestellt. Die leitfähigen Strukturelemente 60 werden mit den leitfähigen Hartmasken 38' elektrisch verbunden. Bei der in 10 gezeigten Struktur fungieren die leitfähigen ESLs 36' und die leitfähigen Hartmasken 38' gemeinsam als obere Elektroden 66 der resultierenden MRAM-Zellen 54.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird nach der in 8 gezeigten Herstellung der dielektrischen Verkappungsschicht 50 ein Abstandshalter-Ätzprozess durchgeführt, sodass die oberen Elektrode 38' freigelegt wird. Einige Teile des Materials 50 in der Nähe der Aussparung 49 (7) können vollständig oder teilweise entfernt werden. Dann kann das Spaltfüllmaterial 52 zur Isolation abgeschieden werden, und daran schließt sich ein CMP-Prozess an. Durch den CMP-Prozess wird die obere Elektrode 38' freigelegt, die von dem Abstandshalter umschlossen ist, der der verbliebene Teil der geätzten dielektrischen Verkappungsschicht 50 ist. 10A zeigt die resultierende Struktur. 10B zeigt eine alternative Struktur, bei der die dielektrische Verkappungsschicht 50 ausgelassen ist. Wie in den 10, 10A und 10B gezeigt ist, bleibt die ESL 36' als ein Teil der Endstruktur bestehen, und das Vorhandensein der ESL 36' kann unter Verwendung von Materialanalyseverfahren wie Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), Auger-Elektronenspektroskopie (AES) oder dergleichen nachgewiesen werden.
Die Prozesse, die in den 1 bis 10 gezeigt sind, können mit der Herstellung von Logik-Dies kombiniert werden. Zum Beispiel zeigen die 11 bis 18 die Kombination der Herstellung der MRAM-Zellen 54, die in den 1 bis 10 gezeigt ist, mit der Herstellung von Metallschichten und entsprechenden dielektrischen Schichten. Wenn nicht anders angegeben, sind die Materialien und die Herstellungsprozesse für die Komponenten bei diesen Ausführungsformen im Wesentlichen die Gleichen wie für die ähnlichen Komponenten, die in den Ausführungsformen, die in den 1 bis 10 gezeigt sind, mit ähnlichen Bezugszahlen bezeichnet sind.
In 11 werden eine dielektrische Schicht 12, leitfähige Strukturelemente 14 und 14', eine ESL 16 und eine dielektrische Schicht 18 hergestellt. Die Einzelheiten dieser Strukturelemente sind vorstehend unter Bezugnahme auf 1 erörtert worden und werden daher hier nicht wiederholt. Wie in 12 gezeigt ist, werden dann leitfähige Strukturelemente 24, die leitfähige Durchkontaktierungen sein können, in der dielektrischen Schicht 18 hergestellt, und sie gehen durch die ESL 16 hindurch, um eine elektrische Verbindung mit den leitfähigen Strukturelementen 14 herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen weist der Wafer 10 einen MRAM-Bereich 70M und einen Verbindungsbereich 70I auf. Der Verbindungsbereich 70I dient zum Herstellen von Verbindungsstrukturen. Die leitfähigen Strukturelemente 24 werden in dem MRAM-Bereich 70M hergestellt. Die leitfähigen Strukturelemente 14' befinden sich in dem Verbindungsbereich 70I.
Dann werden die Prozesse, die in den 2 bis 8 gezeigt sind, durchgeführt, sodass die in 13 gezeigte Struktur entsteht, die der in 8 gezeigten Struktur ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass auch der Verbindungsbereich 70I in 13 gezeigt ist. Dann wird eine Ätzmaske 72 hergestellt und strukturiert. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Ätzmaske 72 ein Fotoresist. Die Teile der Ätzmaske 72 in dem Verbindungsbereich 70I werden entfernt. Anschließend werden die dielektrische Verkappungsschicht 50 und der Teil der dielektrischen Schicht 18 durch Ätzen aus dem Verbindungsbereich 70I entfernt, wobei die Ätzmaske 72 als die Ätzmaske verwendet werden. Außerdem kann die Ätzstoppschicht 16 zum Beenden der Ätzung der dielektrischen Schicht 28 verwendet werden. Die resultierende Struktur ist in 14 gezeigt. Dadurch wird die ESL 16 freigelegt.
15 zeigt die Herstellung einer dielektrischen Schicht 52. Dieser Schritt ist auch in 9 gezeigt. Bei einigen Ausführungsformen besteht die dielektrische Schicht 52 aus einem dielektrischen Low-k-Material. Außerdem kann die dielektrische Schicht 52 aus dem gleichen dielektrischen Material wie, oder einem anderen dielektrischen Material als, die dielektrische Schicht 18 bestehen. Die dielektrische Schicht 52 kann in Kontakt mit den Rändern der dielektrischen Schicht 18 und der dielektrischen Verkappungsschicht 50 sein. In einem nachfolgenden Prozess, der in 16 gezeigt ist, werden Metallleitungen 74 und darunter befindliche Durchkontaktierungen 76 zum Beispiel mit einem Dual-Damascene-Prozess hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Herstellung der Metallleitungen 74 und der darunter befindlichen Durchkontaktierungen 76 das Ätzen der dielektrischen Schicht 52, um Durchkontaktierungsöffnungen und Gräben zu erzeugen, und das anschließende Füllen der Durchkontaktierungsöffnungen und der Gräben mit leitfähigen Materialien. Zum Beispiel können eine leitfähige Sperrschicht und ein Füllmetall in die Durchkontaktierungsöffnungen und die Gräben gefüllt werden. Die leitfähige Sperrschicht kann aus Titan, Titannidrid, Tantal, Tantalnitrid oder dergleichen bestehen. Das Füllmetall kann Kupfer oder eine Kupferlegierung sein. Nachdem die leitfähigen Materialien abgeschieden worden sind, wird ein Planarisierungsprozess, wie etwa ein CMP-Prozess oder ein mechanischer Schleifprozess, durchgeführt. Die dielektrische Verkappungsschicht 50 oder die oberen Elektroden 66 können als eine CMP-Stoppschicht in dem Planarisierungsprozess fungieren.
17 zeigt die Herstellung der ESL 62 und der dielektrischen Schicht 64, und der entsprechende Prozess ist in 10 gezeigt. Wie in 18 gezeigt ist, werden dann die leitfähigen Strukturelemente 60 und 60' hergestellt, was in einem Damascene-Prozess erfolgen kann.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben einige Vorzüge. Die Hartmasken und die ESLs, die zum Strukturieren der MTJ-Schichten verwendet werden, bestehen aus leitfähigen Materialien, und sie werden zum Herstellen der oberen Elektroden der MRAM-Zellen verwendet. Dadurch werden Herstellungskosten eingespart. Außerdem sind Wolfram und Ruthenium gute ESL-Materialien zum Beenden der Ätzung, wenn leitfähige Hartmasken verwendet werden, und sie können eine hohe Ätzselektivität erzielen. Somit wird durch Herstellen von ESLs unter Verwendung von Wolfram und/oder Ruthenium die Ätzselektivität zwischen den leitfähigen Hartmasken und den ESLs erhöht. Dadurch werden flachere Aussparungen in der ESL erzeugt. Da die Aussparungen in der ESL in die darunter befindliche dielektrische Schicht übertragen werden und durch Verwenden des offenbarten ESL-Materials die Aussparungstiefe in der darunter befindlichen dielektrischen Schicht vergrößert (verdoppelt) werden kann, wird die Aussparungstiefe in der dielektrischen Schicht reduziert. Dadurch werden potentielle Probleme gelöst, wie etwa das Durchschlagen der darunter befindlichen dielektrischen Schicht und andere Probleme.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen von integrierten Schaltkreisen die folgenden Schritte auf: Herstellen von MTJ-Stapelschichten; Abscheiden einer leitfähigen Ätzstoppschicht über den MTJ-Stapelschichten; Abscheiden einer leitfähigen Hartmaske über der leitfähigen Ätzstoppschicht; Strukturieren der leitfähigen Hartmaske, um Ätzmasken zu erzeugen, wobei das Strukturieren mittels der leitfähigen Ätzstoppschicht beendet wird; Ätzen der leitfähigen Ätzstoppschicht unter Verwendung der Ätzmasken, um Strukturen zu definieren; und Ätzen der MTJ-Stapelschichten, um MTJ-Stapel herzustellen. Bei einer Ausführungsform werden die MTJ-Stapelschichten unter Verwendung der leitfähigen Hartmaske als eine Ätzmaske geätzt. Bei einer Ausführungsform weist die leitfähige Ätzstoppschicht ein Metall auf, das aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen aus Wolfram, Ruthenium und Kombinationen davon besteht. Bei einer Ausführungsform umfasst das Abscheiden der leitfähigen Ätzstoppschicht das Abscheiden einer Wolframschicht. Bei einer Ausführungsform besteht die leitfähige Hartmaske aus einem Material, das aus der Gruppe Titan, Titannidrid, Tantal und Tantalnitrid gewählt ist. Bei einer Ausführungsform umfasst das Abscheiden der leitfähigen Ätzstoppschicht das Abscheiden einer Rutheniumschicht. Bei einer Ausführungsform umfasst das Abscheiden der leitfähigen Hartmaske das Abscheiden eines metallhaltigen Materials, das aus der Gruppe Titan, Titannidrid, Tantal und Tantalnitrid gewählt ist. Bei einer Ausführungsform umfasst das Abscheiden der leitfähigen Hartmaske das Abscheiden einer Wolframschicht. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das Herstellen von leitfähigen Strukturelementen über und in elektrischer Verbindung mit den Ätzmasken, wobei die Ätzmasken als obere Elektroden fungieren.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen von integrierten Schaltkreisen die folgenden Schritte auf: Herstellen einer unteren Elektrodenschicht; Herstellen von MTJ-Stapelschichten über und in elektrischer Verbindung mit der unteren Elektrodenschicht; Herstellen einer leitfähigen Ätzstoppschicht über den MTJ-Stapelschichten, wobei die leitfähige Ätzstoppschicht aus einem Material besteht, das aus der Gruppe Wolfram und Ruthenium gewählt ist; Herstellen von leitfähigen Hartmasken über der leitfähigen Ätzstoppschicht; Ätzen der leitfähigen Ätzstoppschicht unter Verwendung der leitfähigen Hartmasken als eine Ätzmaske; Ätzen der MTJ-Stapelschichten, um MTJ-Stapel herzustellen, wobei die leitfähigen Hartmasken als die Ätzmaske beim Ätzen der MTJ-Stapelschichten verwendet werden; und Herstellen von leitfähigen Strukturelementen über und in Verbindung mit den leitfähigen Hartmasken. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte: Herstellen einer leitfähigen Hartmaskenschicht; Ätzen der leitfähigen Hartmaskenschicht, um die leitfähigen Hartmasken zu erzeugen, wobei eine strukturierte Ätzmaske zum Definieren von Strukturen für die leitfähigen Hartmasken verwendet wird; und Entfernen der strukturierten Ätzmaske, um Oberseiten der leitfähigen Hartmasken freizulegen, wobei das Ätzen der MTJ-Stapelschichten durchgeführt wird, wenn die Oberseiten der leitfähigen Hartmasken freiliegen. Bei einer Ausführungsform umfasst das Herstellen der leitfähigen Ätzstoppschicht das Abscheiden einer Wolframschicht. Bei einer Ausführungsform umfasst das Herstellen der leitfähigen Ätzstoppschicht das Abscheiden einer Rutheniumschicht. Bei einer Ausführungsform umfasst das Herstellen der leitfähigen Hartmasken das Herstellen einer Wolframschicht. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das Abscheiden einer dielektrischen Verkappungsschicht auf Oberseiten der leitfähigen Hartmasken, wobei die dielektrische Verkappungsschicht außerdem Seitenwände der leitfähigen Hartmasken und der MTJ-Stapel kontaktiert, wobei die leitfähigen Strukturelemente durch die dielektrische Verkappungsschicht hindurchgehen.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist ein integrierter Schaltkreis einen MTJ-Stapel auf, der Folgendes aufweist: eine untere Elektrode, eine untere magnetische Schicht über der unteren Elektrode, eine Tunnelsperrschicht über der unteren magnetischen Schicht, und eine obere magnetische Schicht über der Tunnelsperrschicht. Der integrierte Schaltkreis weist weiterhin eine obere Elektrode über und in elektrischer Verbindung mit dem MTJ-Stapel auf. Die obere Elektrode weist Folgendes auf: eine erste leitfähige Schicht über der oberen magnetischen Schicht, wobei die erste leitfähige Schicht ein Metall aufweist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Wolfram, Ruthenium und Kombinationen davon besteht; und eine zweite leitfähige Schicht über und in Kontakt mit der ersten leitfähigen Schicht, wobei die zweite leitfähige Schicht aus einem Material besteht, das von dem der ersten leitfähigen Schicht verschieden ist. Bei einer Ausführungsform weist die erste leitfähige Schicht Ruthenium auf. Bei einer Ausführungsform weist die zweite leitfähige Schicht Wolfram auf. Bei einer Ausführungsform weist die erste leitfähige Schicht Wolfram auf. Bei einer Ausführungsform weist der integrierte Schaltkreis weiterhin Folgendes auf: eine dielektrische Verkappungsschicht auf einer Oberseite der oberen Elektrode, wobei die dielektrische Verkappungsschicht außerdem Seitenwände der oberen Elektrode und des MTJ-Stapels kontaktiert; und ein leitfähiges Strukturelement, das durch die dielektrische Verkappungsschicht hindurchgeht, um eine elektrische Verbindung mit der oberen Elektrode herzustellen.
Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/738529 [0001]

Claims

Verfahren zum Herstellen von integrierten Schaltkreisen mit den folgenden Schritten: Herstellen von MTJ-Stapelschichten (34) (MTJ: magnetischer Tunnelübergang); Abscheiden einer leitfähigen Ätzstoppschicht (36) über den MTJ-Stapelschichten; Abscheiden einer leitfähigen Hartmaske (38) über der leitfähigen Ätzstoppschicht; Strukturieren der leitfähigen Hartmaske (38), um Ätzmasken (38') zu erzeugen, wobei das Strukturieren mittels der leitfähigen Ätzstoppschicht (36) beendet wird; Ätzen der leitfähigen Ätzstoppschicht (36) unter Verwendung der Ätzmasken (38'), um Strukturen zu definieren; und Ätzen der MTJ-Stapelschichten (34), um MTJ-Stapel (34') herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die MTJ-Stapelschichten unter Verwendung der leitfähigen Hartmaske als eine Ätzmaske geätzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die leitfähige Ätzstoppschicht ein Metall aufweist, das aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen aus Wolfram, Ruthenium, Wolframcarbid und Kombinationen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Abscheiden der leitfähigen Ätzstoppschicht das Abscheiden einer Wolframschicht oder einer Wolframcarbidschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die leitfähige Hartmaske aus einem Material besteht, das aus der Gruppe Titan, Titannidrid, Tantal, Tantalnitrid und Wolframcarbid gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Abscheiden der leitfähigen Ätzstoppschicht das Abscheiden einer Rutheniumschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Abscheiden der leitfähigen Hartmaske das Abscheiden eines metallhaltigen Materials umfasst, das aus der Gruppe Titan, Titannidrid, Tantal, Tantalnitrid und Wolframcarbid gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Abscheiden der leitfähigen Hartmaske das Abscheiden einer Wolframschicht oder einer Wolframcarbidschicht umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin das Herstellen von leitfähigen Strukturelementen über und in elektrischer Verbindung mit den Ätzmasken umfasst, wobei die Ätzmasken als obere Elektroden fungieren.
Verfahren zum Herstellen von integrierten Schaltkreisen mit den folgenden Schritten: Herstellen einer unteren Elektrodenschicht (26); Herstellen von MTJ-Stapelschichten (34) (MTJ: magnetischer Tunnelübergang) über und in elektrischer Verbindung mit der unteren Elektrodenschicht; Herstellen einer leitfähigen Ätzstoppschicht (36) über den MTJ-Stapelschichten, wobei die leitfähige Ätzstoppschicht aus einem Material besteht, das aus der Gruppe Wolfram und Ruthenium gewählt ist; Herstellen von leitfähigen Hartmasken (38') über der leitfähigen Ätzstoppschicht; Ätzen der leitfähigen Ätzstoppschicht (36) unter Verwendung der leitfähigen Hartmasken als eine Ätzmaske; Ätzen der MTJ-Stapelschichten (34), um MTJ-Stapel (34') herzustellen, wobei die leitfähigen Hartmasken als die Ätzmaske beim Ätzen der MTJ-Stapelschichten verwendet werden; und Herstellen von leitfähigen Strukturelementen (60) über und in Verbindung mit den leitfähigen Hartmasken.
Verfahren nach Anspruch 10, das weiterhin Folgendes umfasst: Herstellen einer leitfähigen Hartmaskenschicht; Ätzen der leitfähigen Hartmaskenschicht, um die leitfähigen Hartmasken zu erzeugen, wobei eine strukturierte Ätzmaske zum Definieren von Strukturen für die leitfähigen Hartmasken verwendet wird; und Entfernen der strukturierten Ätzmaske, um Oberseiten der leitfähigen Hartmasken freizulegen, wobei das Ätzen der MTJ-Stapelschichten durchgeführt wird, wenn die Oberseiten der leitfähigen Hartmasken freiliegen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Herstellen der leitfähigen Ätzstoppschicht das Abscheiden einer Wolframschicht oder einer Wolframcarbidschicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Herstellen der leitfähigen Ätzstoppschicht das Abscheiden einer Rutheniumschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Herstellen der leitfähigen Hartmasken das Herstellen einer Wolframschicht oder einer Wolframcarbidschicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, das weiterhin Folgendes umfasst: Abscheiden einer dielektrischen Verkappungsschicht auf Oberseiten der leitfähigen Hartmasken, wobei die dielektrische Verkappungsschicht außerdem Seitenwände der leitfähigen Hartmasken und der MTJ-Stapel kontaktiert, wobei die leitfähigen Strukturelemente durch die dielektrische Verkappungsschicht hindurchgehen.
Integrierter Schaltkreis mit: einem MTJ-Stapel (34') (MTJ: magnetischer Tunnelübergang), der Folgendes umfasst: eine untere magnetische Schicht, eine Tunnelsperrschicht (30') über der unteren magnetischen Schicht, und eine obere magnetische Schicht über der Tunnelsperrschicht; und einer oberen Elektrode (66) über und in elektrischer Verbindung mit dem MTJ-Stapel, wobei die obere Elektrode Folgendes aufweist: eine erste leitfähige Schicht (36') über der oberen magnetischen Schicht, wobei die erste leitfähige Schicht ein Metall aufweist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Wolfram, Ruthenium und Kombinationen davon besteht, und eine zweite leitfähige Schicht (38') über und in Kontakt mit der ersten leitfähigen Schicht, wobei die zweite leitfähige Schicht aus einem Material besteht, das von dem der ersten leitfähigen Schicht verschieden ist.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 16, wobei die erste leitfähige Schicht Ruthenium aufweist.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 17, wobei die zweite leitfähige Schicht Wolfram aufweist.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 16, wobei die erste leitfähige Schicht Wolfram aufweist.
Integrierter Schaltkreis nach einem der Ansprüche 16 bis 19, der weiterhin Folgendes aufweist: eine dielektrische Verkappungsschicht auf einer Oberseite der oberen Elektrode, wobei die dielektrische Verkappungsschicht außerdem Seitenwände der oberen Elektrode und des MTJ-Stapels kontaktiert; und ein leitfähiges Strukturelement, das durch die dielektrische Verkappungsschicht hindurchgeht, um eine elektrische Verbindung mit der oberen Elektrode herzustellen.