DE102019116882B4

DE102019116882B4 - Abstandselementstapel für magnetische tunnelübergänge

Info

Publication number: DE102019116882B4
Application number: DE102019116882.1A
Authority: DE
Inventors: Joung-Wei Liou; Chin Kun Lan
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2039-06-25
Also published as: KR20200001539A; US20230413680A1; DE102019116882A1; CN110649061A; KR102292354B1; US10879456B2; US20200006641A1; CN110649061B; US11785858B2; US20210119116A1; TW202006984A; TWI738017B

Abstract

Verfahren, umfassend:Bilden von magnetischen Tunnelübergangsschicht-Strukturen, MTJ-Strukturen (300), auf einer Interconnect-Schicht (205), wobei die MTJ-Strukturen (300) über einer Durchkontaktierung (225) in der Interconnect-Schicht (205) gebildet werden;Abscheiden einer ersten Abstandsschicht (500) über den MTJ-Strukturen (300) und der Interconnect-Schicht (205), wobei die erste Abstandsschicht (500) geätzt wird, um obere Elektroden (220) der MTJ-Strukturen (300) und der Interconnect-Schicht (205) freizulegen;Abscheiden einer zweiten Abstandsschicht (600) über der ersten Abstandsschicht (500), den MTJ-Strukturen (300) und der Interconnect-Schicht (205), wobei die zweite Abstandsschicht (600) dünner ist als die erste Abstandsschicht (500) und eine Metallverbindung aufweist;Ätzen der zweiten Abstandsschicht (600), um die oberen Elektroden (220) der MTJ-Strukturen (300) freizulegen,Bilden einer dritten Abstandsschicht (800) über der zweiten Abstandsschicht (600); undBilden einer Dielektrikumschicht (805) über der dritten Abstandsschicht (800),wobei die Unterseite der ersten Abstandsschicht (500) niedriger ist als die obere Fläche der Durchkontaktierung (225) in der Interconnect-Schicht (205),wobei das Abscheiden der zweiten Abstandsschicht (600) umfasst:Aussetzen der ersten Abstandsschicht (500), der MTJ-Strukturen (300) und der Interconnect-Schicht (205) gegenüber einem Ammoniakplasma oder einem Stickstoffplasma;Aussetzen der ersten Abstandsschicht (500), der MTJ-Strukturen (300) und der Interconnect-Schicht (205) gegenüber einem Trimethylaluminiumvorläufer, um eine teilweise abgebaute Vorläuferschicht auf der ersten Abstandsschicht (500), den MTJ-Strukturen (300) und der Interconnect-Schicht (205) zu bilden; undAussetzen der teilweise abgebauten Vorläuferschicht gegenüber Ammoniakgas oder 1-Butanol-Gas, um ein Aluminiumnitrid bzw. ein Aluminiumoxid zu bilden,wobei die obere Fläche der dritten Abstandsschicht (800) höher ist als die obere Fläche der zweiten Abstandsschicht (600),wobei eine obere Fläche der Dielektrikumschicht (805) mit einer oberen Fläche der dritten Abstandsschicht (800) und oberen Flächen von oberen Elektroden (220) der MTJ-Strukturen (300) koplanar ist, undwobei ein Anteil der dritten Abstandsschicht (800), der oberhalb der oberen Oberfläche der zweiten Abstandsschicht (600) angeordnet ist, in Kontakt mit den Seitenwänden den oberen Elektroden (220) ist.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Magnetische Tunnelübergänge (MTJs) sind ein fester Bestandteil von magnetischen Random Access Memories (MRAMs). Ein Fertigungsprozess für eine MTJ-Struktur kann eine Vielzahl von Arbeitsvorgängen, wie Metall- und Dielektrikumabscheidungen, Fotolithografie, Ätzprozesse usw. einschließen. MTJs können zwischen Back-End-Of-Line- (BEOL) -Interconnect-Schichten gebildet und durch Abstandselementstapel bilateral getrennt werden, die auf den Seitenwänden jeder MTJ-Struktur gebildet werden können.
CN 107 527 994 A beschreibt magnetische Tunnelübergang-Doppelschichten-Seitenwände, die eine erste Seitenwandschicht und eine zweite Seitenwandschicht umfassen, und Verfahren zu deren Herstellung. US 2017/0053967 A1 betrifft einen integrierten Schaltkreis (IC), in dem eine Vielzahl von Metallschichten innerhalb eines Zwischenschicht-Dielektrikummaterials (ILD) über dem Substrat angeordnet ist. US 2016/0359101 A1 beschreibt die Herstellung eines selbstausrichtenden Spin-Transfer-Drehmomentspeichergeräts (STTM) mit einer punktkontaktierten freien Magnetschicht, wobei das STTM-Gerät einen ersten dielektrischen Abstandshalter, der die Seitenwände einer elektrisch leitenden Hartmaskenschicht bedeckt, umfassen kann. US 2017/0092850 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines MRAM-Geräts, welches das Entfernen von Ätzrückständen aus einem MTJ-Muster (Magnetic Tunnel Junction) in Gegenwart einer Atmosphäre umfasst. WO 2017/062614 A1 beschreibt Verfahren zur Bildung von Aluminium-Siliziumnitrid-Filmen.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung am besten verstanden, wenn sie mit den begleitenden Figuren gelesen werden. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstäblich gezeichnet sind. Tatsächlich können die Dimensionen der verschiedenen Merkmale zur Übersichtlichkeit der Erörterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.

1 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Fertigungsverfahrens zum Bilden von magnetischen Tunnelübergangsstrukturen mit Abstandselementstapeln, die Metallverbindungsschichten gemäß einigen Ausführungsformen aufweisen.
2 ist eine Querschnittansicht von beispielhaften magnetischen Tunnelübergangsschichten über einer Interconnect-Schicht gemäß einigen Ausführungsformen.
3 ist eine Querschnittansicht von magnetischen Tunnelübergangsschichtstrukturen über Durchkontaktierungen in einer Interconnect-Schicht nach einer Fotolithografie und Ätzarbeitsvorgängen gemäß einigen Ausführungsformen.
4 ist eine Querschnittansicht von magnetischen Tunnelübergangsschichtstrukturen über einer Interconnect-Schicht nach der Abscheidung einer ersten Abstandsschicht gemäß einigen Ausführungsformen.
5 ist eine Querschnittansicht von magnetischen Tunnelübergangsschichtstrukturen über einer Interconnect-Schicht nach einem Rückätzprozess für eine erste Abstandsschicht gemäß einigen Ausführungsformen.
6 ist eine Querschnittansicht von magnetischen Tunnelübergangsschichtstrukturen über einer Interconnect-Schicht nach einer Abscheidung einer Metallverbindungsschicht gemäß einigen Ausführungsformen.
7 ist eine Querschnittansicht von magnetischen Tunnelübergangsschichtstrukturen über einer Interconnect-Schicht nach einem Rückätzprozess für eine Metallverbindungsschicht gemäß einigen Ausführungsformen.
8 ist eine Querschnittansicht von magnetischen Tunnelübergangsschichtstrukturen über einer Interconnect-Schicht nach der Abscheidung einer dritten Abstandsschicht und einer Dielektrikumschicht gemäß einigen Ausführungsformen.
9 ist eine Querschnittansicht von magnetischen Tunnelübergangsschichtstrukturen mit einem Abstandselementstapel über einer Interconnect-Schicht nach einem chemisch-mechanischen Planarisierungsprozess gemäß einigen Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung stellt viele unterschiedliche Ausführungsformen oder Beispiele bereit, um unterschiedliche Merkmale des bereitgestellten Gegenstandes zu implementieren. Es werden nachfolgend spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Beispielsweise kann die Bildung eines ersten Merkmals über einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen die ersten und zweiten Merkmale in direktem Kontakt gebildet sind, und auch Ausführungsformen, bei denen zusätzliche Funktionen zwischen den ersten und zweiten Merkmalen gebildet sein können, sodass die ersten und zweiten Merkmale nicht in direktem Kontakt sein können.
Ferner können räumlich relative Begriffe, wie „darunter“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen zur Erleichterung der Erörterung hierin verwendet sein, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem bzw. zu anderen Elementen oder Merkmalen wie veranschaulicht in den Figuren zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der Ausrichtung, die in den Figuren gezeigt ist, verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung bei der Verwendung oder beim Betrieb der Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die hier verwendeten räumlichen relativen Beschreiber können desgleichen dementsprechend interpretiert werden.
Wie hierin verwendet, gibt der Begriff „ungefähr“ den Wert einer gegebenen Quantität an, die basierend auf einem speziellen Technologieknoten, der mit der betreffenden Halbleitervorrichtung in Zusammenhang steht, variieren kann. Basierend auf dem speziellen Technologieknoten kann der Begriff „ungefähr“ einen Wert einer gegebenen Quantität angeben, die innerhalb von beispielsweise 10 bis 30 % des Wertes (z. B. ±10 %, ±20 % oder ±30 % des Wertes) variiert.
Der Begriff „nominal“ wie er hierin verwendet wird bezeichnet einen gewünschten Wert oder Sollwert einer Charakteristik oder eines Parameters für eine Komponente oder einen Prozessablauf, die bzw. der während der Auslegungsphase eines Produkts oder eines Prozesses zusammen mit einem Wertebereich oberhalb und/oder unterhalb des gewünschten Werts festgelegt wird. Der Grund für den Wertebereich können geringe Variationen bei Herstellungsprozessen oder -toleranzen sein. Sofern nicht anders definiert, haben technische und wissenschaftliche Begriffe, die hierin verwendet werden, die gleichen Bedeutungen, die gewöhnlich von einem Fachmann auf dem Gebiet dieser Offenbarung verwendet werden.
Wie hierin verwendet, gibt der Begriff „im Wesentlichen“ an, dass der Wert einer gegebenen Quantität um ±1 % bis ±5 % des Wertes variiert.
Magnetische Tunnelübergänge (MTJs) sind ein fester Bestandteil von magnetischen Random Access Memories (MRAMs). Ein Fertigungsprozess für eine MTJ-Struktur kann eine Vielzahl von Prozessarbeitsvorgängen einschließlich Metall- und Dielektrikumabscheidungen, Fotolithografie, Ätzarbeitsvorgängen usw. einschließen. MTJ-Stapel können zwischen Back-End-Of-Line- (BEOL) -Interconnect-Schichten angeordnet und durch Abstandselementstapel, die auf den Seitenwänden jeder MTJ-Struktur gebildet sind, bilateral getrennt sein. Die Rolle der Abstandselementstapel ist es, die MTJ-Stapel voneinander elektrisch zu isolieren. Während die MRAM-Zellen von einer Technologiegeneration (Knoten) zur nächsten verkleinert werden, wird der Rasterabstand (z. B. der Abstand oder Pitch) zwischen angrenzenden MTJ-Strukturen reduziert. Daher sind dünnere Abstandselementstapel erforderlich, um den Raum zwischen den MTJ-Strukturen zu füllen. Die MTJ-Strukturen in MRAM-Zellen galvanisch getrennt zu halten, wenn der Abstand zwischen MTJ-Strukturen reduziert wird (z. B. unter 92 nm), kann für dünnere Abstandselementstapel, wie Abstandselementstapel mit einer Dicke von unter ungefähr 30 nm, anspruchsvoll sein.
Hierin beschriebene Ausführungsformen sind an ein beispielhaftes Fertigungsverfahren gerichtet, das die Bildung von Abstandselementstapeln beschreibt. Bei einigen Ausführungsformen liegt die Abstandselementstapeldicke zwischen MTJ-Strukturen unter ungefähr 30 nm (z. B. ungefähr 25 nm) und der Abstandselementstapel-Pitch liegt zwischen ungefähr 80 nm und ungefähr 92 nm. Bei einigen Ausführungsformen können die Abstandselementstapel eine Metallverbindungsschicht mit verbesserten Isolationseigenschaften (z. B. galvanische Trennungseigenschaften) umfassen. Die Metallverbindungsschichten können Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Titanoxid, Titannitrid, Rutheniumoxid oder jedes andere geeignete Material umfassen und eine Dicke unter von ungefähr 5 nm (z. B. ungefähr 3 nm) aufweisen. Die Metallverbindungsschicht kann zwischen Schichten aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbonitrid, Siliziumoxinitrid, Siliziumoxycarbonnitrid, Siliziumoxid oder Kombinationen davon eingeschoben sein, um einen Abstandselementstapel auf jeder Seitenwandfläche der MTJ-Struktur zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen wird die Metallverbindungsschicht mit thermischer Atomlagenabscheidung oder plasmaunterstützter Atomlagenabscheidung abgeschieden. Gemäß einigen Ausführungsformen weisen Abstandselementstapel mit Metallverbindungsschichten verglichen mit Abstandselementstapeln ohne Metallverbindungsschichten verbesserte galvanische Trennungseigenschaften auf. Daher kann der Abstandselementstapel mit Metallverbindungsschicht kompakter sein (z. B. dünner).
1 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Fertigungsverfahrens 100, das die Bildung von MTJ-Abstandselementstapeln mit einer Metallverbindungsschicht gemäß einigen Ausführungsformen beschreibt. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Metallverbindungsschicht mit thermischer Atomlagenabscheidung (ALD) oder plasmagestützter Atomlagenabscheidung (PEALD) bei einer Temperatur im Bereich zwischen ungefähr 150 °C und ungefähr 400 °C abgeschieden werden. Das Fertigungsverfahren 100 ist nicht auf die nachfolgend beschriebenen Arbeitsvorgänge begrenzt. Andere Herstellungsvorgänge (z. B. Nassreinigungen, zusätzliche Fotolithografie- und Abscheidungsvorgänge usw.) können zwischen den verschiedenen Arbeitsvorgängen des Fertigungsverfahrens 100 ausgeführt werden und können lediglich zur Übersichtlichkeit ausgelassen sein. Diese Herstellungsvorgänge, obwohl sie nicht beschrieben sind, befinden sich innerhalb des Sinns und Umfangs der vorliegenden Offenbarung.
Unter Bezugnahme auf 1 beginnt das beispielhafte Fertigungsverfahren 100 mit dem Arbeitsvorgang 110 und dem Bilden von einer oder mehreren MTJ-Strukturen über einer Interconnect-Schicht. Das Bilden von einer oder mehreren MTJ-Strukturen wird unter Verwendung der 2 und 3 als Beispiele beschrieben. 2 ist eine Querschnittansicht von ganzflächig abgeschiedenen MTJ-Schichten 200 über einer oder mehreren Interconnect-Schichten 205. Die MTJ-Schichten 200 umfassen eine untere Elektrode 210, und eine obere Elektrode 220 und können einen MTJ-Stapel 215 umfassen. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann der MTJ-Stapel 215 eine Mehrschichtenstruktur sein, die eine zwischen zwei ferromagnetischen Schichten angeordnete nicht leitende Schicht aufweist. Die nicht leitende Schicht und die ferromagnetischen Schichten in dem MTJ-Stapel 215 sind in 2 der Einfachheit halber nicht gezeigt. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann die nicht leitende Schicht des MTJ-Stapels 215 Magnesiumoxid (MgO), Aluminiumoxid (AlO_x), Aluminiumoxinitrid (AlON), jedes andere geeignete Material oder Kombinationen davon umfassen. Ferner kann die nicht leitende Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden sein. Alternativ kann die nicht leitende Schicht durch andere Abscheidungsverfahren, wie plasmagestützte PVD (PEVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmagestützte CVD (PECVD), ALD, PEALD oder jedes andere geeignete Abscheidungsverfahren abgeschieden sein. Die ferromagnetischen Schichten des MTJ-Stapels 215 können Metallstapel mit einer oder mehreren Schichten einschließlich Eisen (Fe), Cobalt (Co), Ruthenium (Ru), Magnesium (Mg), jedes anderen geeigneten Materials oder Kombinationen davon umfassen. Die ferromagnetischen Schichten können durch PVD, PEVD, CVD, PECVD, ALD, PEALD oder jedes andere geeignete Abscheidungsverfahren abgeschieden werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die kombinierte Dicke der MTJ-Schichten 200 im Bereich von ungefähr 10 nm (100 Ä) bis zu ungefähr 40 nm (400 Ä) liegen.
Die obere Elektrode 220 und untere Elektrode 210 ist in Kontakt mit den entsprechenden ferromagnetischen Schichten des MTJ-Stapels 215. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann die obere Elektrode 220 Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN), Titannitrid (TiN), Wolfram (W), jedes andere geeignete Material oder eine Kombination davon umfassen. Ferner kann die obere Elektrode 220 durch die CVD- oder PVD-Verfahren abgeschieden werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die obere Elektrode 220 ein Stapel sein, der TiN- und TaN-Schichten aufweist. Die untere Elektrode 210 kann TiN, TaN, Ru, Kupfer (Cu), jedes andere geeignete Material oder eine Kombination davon umfassen. Die untere Elektrode 210 kann auch durch die CVD- oder PVD-Verfahren abgeschieden werden. Bei einigen Ausführungsformen können die oberen und unteren Elektroden 220 und 210 jeweils eine Dicke zwischen ungefähr 30 nm (300 Å) und ungefähr 80 nm (800 Ä) aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen können die Interconnect-Schichten 205 vor dem Bilden der MTJ-Schichten 200 gebildet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen können die Interconnect-Schichten 205 über zuvor gebildeten Interconnect-Schichten gebildet werden, die in 2 der Einfachheit halber nicht gezeigt sind. Diese zuvor gebildeten Interconnect-Schichten können beispielsweise BEOL-Interconnect-Schichten, Middle-of-Line- (MOL) -Schichten (z. B. Kontaktkopplungsstrukturen) und Feldeffekttransistoren (FETs) umfassen, die über einem Substrat (z. B. einem Wafer) gebildet sind. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt können die Interconnect-Schichten 205 BEOL Schichten mit mehreren Durchkontaktierungsleitungen und Lateralleitungen sein (die hierin auch als „Leitungen“ bezeichnet werden). Die Interconnect-Schichten 205 in 2 sind mit Durchkontaktierungen 225 gezeigt, während Leitungen der Einfachheit halber nicht beinhaltet sind. Zu Beispielszwecken werden die Interconnect-Schichten 205 mit den Durchkontaktierungen 225 beschrieben. Basierend auf der Offenbarung hierin, sind jedoch Leitungen auch Teil der Interconnect-Schichten 205 und befinden sich innerhalb des Sinns und Umfangs dieser Offenbarung. Ferner ist die Anzahl an Durchkontaktierungen 225, die in 2 gezeigt sind, nicht begrenzend und zusätzliche Durchkontaktierungen 225 sind möglich.
Gemäß einigen Ausführungsformen können die Durchkontaktierungen 225 (und die Leitungen) der Interconnect-Schichten 205 mit einem Metallstapel gefüllt sein, der mindestens eine Sperrschicht 230 und eine Metallfüllung 235 aufweist. Die Sperrschicht 230 kann eine einzelne Schicht oder ein Stapel von zwei oder mehr Schichten sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Metallfüllung 235 ein elektroplattiertes Metall oder eine Metalllegierung sein. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann die Sperrschicht 230 ein Tantal (TaN)/Tantal (Ta)-Stapel oder eine Cobalt- (Co) -Einzelschicht sein, die durch PVD abgeschieden ist. Die Metallfüllung 235 kann galvanisiertes Kupfer oder eine galvanisierte Kupferlegierung, wie Kupfermangan, Kupferruthenium oder jedes andere geeignete Material sein. Die Durchkontaktierungen (z. B. die Durchkontaktierungen 225) und die Leitungen der Interconnect-Schichten 205 sind in den Zwischenschichtdielektrikum- (ILD) - Schichten 240 und 245 eingebettet. Bei einigen Ausführungsformen können die ILD-Schichten 240 und 245 Siliziumoxid oder ein Low-k-Material mit einer Dielektrizitätskonstante niedriger als die Dielektrizitätskonstante des thermisch gewachsenen Siliziumoxids (z. B. unter 3,9) sein. Bei einigen Ausführungsformen können die ILD-Schichten 240 und 245 ein Stapel von Dielektrika wie z. B. ein Low-k-Dielektrikum und ein weiteres Dielektrikum sein: (i) ein Low-k-Dielektrikum (z. B. kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid) und ein Siliziumcarbid mit Stickstoffdotierung; (ii) ein Low-k-Dielektrikum und ein Siliziumcarbid mit Sauerstoffdotierung; (iii) ein Low-k-Dielektrikum mit Siliziumnitrid; oder (iv) ein Low-k-Dielektrikum mit Siliziumoxid. Ferner können die ILD-Schichten 240 und 245 mit einem Hochdichtplasma-CVD-(HDPCVD) oder einem PECVD-Prozess abgeschieden werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die ILD-Schicht 240 sich von der ILD-Schicht 245 unterscheiden. Die ILD-Schicht 240 kann beispielsweise kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid (SiOC) sein und die ILD-Schicht 245 kann Siliziumoxid sein. Bei einigen Ausführungsformen sind die Ätzstoppschichten 250 und 255 zwischen den ILD-Schichten 240 und 245 eingeschoben. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann die Ätzstoppschicht 250 Siliziumcarbonitrid (SiCN) oder Aluminiumnitrid (AlN) umfassen und eine Dicke zwischen ungefähr 1 nm (10 Å) und ungefähr 15 nm (150 Å) aufweisen. Die Ätzstoppschicht 245 kann Aluminiumoxid umfassen und eine Dicke zwischen ungefähr 1 nm (10 Å) und ungefähr 4 nm (40 Å) aufweisen. Die Ätzstoppschichten 250 und 255 werden während des Bildungsprozesses der Durchkontaktierungen 225 verwendet.
Die Lithografie- und Ätzarbeitsvorgänge können verwendet werden, um die MTJ-Schichten 200 zu strukturieren. Als Resultat können eine oder mehrere MTJ-Strukturen gemäß dem Arbeitsvorgang 110 des Verfahrens 100 gebildet werden. Beispielsweise kann eine Maskenschicht (nicht gezeigt in 2), über der oberen Elektrode 220 angeordnet und strukturiert werden. Die Maskenschicht kann eine oder mehrere Schichten umfassen und eine Gesamtdicke von ungefähr 75 nm (750 Å) aufweisen. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann die Maskenschicht einen Schichtstapel mit einer unteren Oxidschicht und einer oberen amorphen Kohlenstoffschicht umfassen. Jegliche Abschnitte der MTJ-Schichten 200, die durch die strukturierte Maskenschicht nicht abgedeckt sind, können während eines anschließenden Ätzarbeitsvorgangs entfernt werden.
Wie gezeigt in 3 können die MTJ-Strukturen 300 aus den ungeätzten Abschnitten der MTJ-Schichten 200 über den Interconnect-Schichten 205 gebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen ist die strukturierte Maskenschicht mit Durchkontaktierungen 225 von Interconnect-Schichten 205 ausgerichtet, sodass die MTJ-Strukturen 300 wie gezeigt in 3 oben auf den Durchkontaktierungen 225 gebildet werden. Daher kann jede untere Elektrode 210 der MTJ-Strukturen 300 in elektrischem und physischem Kontakt mit einer entsprechenden darunterliegenden Durchkontaktierung 225 der Interconnect-Schicht 205 sein. Des Weiteren und infolge des vorstehend beschriebenen Ätzprozesses kann die obere Fläche der ILD-Schicht 245 in Bezug auf eine obere Fläche von Durchkontaktierungen 225 während der Bildung von MTJ-Strukturen 300 ausgespart werden. Nach dem Ätzprozess kann die strukturierte Maskenschicht oben auf den MTJ-Strukturen 300, die in 3 nicht gezeigt ist, mit einem Nassreinigungsprozess entfernt werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Rasterabstand p zwischen angrenzenden MTJ-Strukturen 300 abhängig von dem MRAM-Design des Layouts im Bereich von ungefähr 92 nm bis zu ungefähr 80 nm (z. B. ungefähr 82 nm) liegen. Die bedeutet, dass der Raum zwischen den Seitenwänden von angrenzenden (z. B. benachbarten) MTJ-Strukturen 300 kleiner als ungefähr 80 nm sein kann.
Unter Bezugnahme auf 1 fährt Verfahren 100 mit dem Arbeitsvorgang 120 und dem Bilden eines ersten Abstandselementes auf jeder Seitenwand von der einen oder den mehreren MTJ-Strukturen 300 fort. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann der erste Abstandselementbildungsprozess unter Verwendung der 4 und 5 beschrieben werden. Unter Bezugnahme auf 4 kann ein erstes Abstandselementmaterial 400 über den MTJ-Strukturen 300 und der ILD-Schicht 245 mit einer Dicke zwischen ungefähr 3 nm (30 Å) und ungefähr 10 nm (200 Å) (z. B. ungefähr 15 nm) ganzflächig abgeschieden werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Abstandselementmaterial 400 Siliziumnitrid (SiN), Siliziumcarbonitrid (SiCN), jedes geeignete Material oder Kombinationen davon umfassen. Beispielsweise kann das erste Abstandselementmaterial 400 eine einzelne Schicht oder ein Stapel mit einer unteren SiN-Schicht und einer oberen SiCN-Schicht sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Abstandselementmaterial 400 mit einem Atomlagenabscheidungs- (ALD) -Prozess oder einem chemischen Gasphasenabscheidungs- (CVD) -Prozess bei einer Temperatur zwischen ungefähr 100 °C und ungefähr 400 °C konform abgeschieden werden. Während der Abscheidung kann der Prozessdruck zwischen ungefähr 66,6612 Pa (0,5 Torr) und ungefähr 1333,22 Pa (10 Torr) betragen. Der vorstehend beschriebene Prozessdruckbereich ist beispielhaft und es können andere Bereiche verwendet werden.
Nach der Abscheidung des ersten Abstandselementmaterialse400 kann ein anisotroper Rückätzprozess verwendet werden, um das erste Abstandselementmaterial 400 von den Horizontalflächen der MTJ-Strukturen 300 (z. B. von der oberen Fläche der oberen Elektrode 220) und der ILD-Schicht 245 selektiv zu entfernen. Der anisotrope Rückätzprozess (z. B. ein gerichteter Ätzprozess) kann konfiguriert sein, höhere Abtragsleistungen für das erste Abstandselementmaterial 400 auf Horizontalflächen aufzuweisen (z. B. mindestens 2 Mal höher oder mehr) als auf Nichthorizontalflächen, wie den Seitenwandflächen der MTJ-Strukturen 300. Daher können die ungeätzten Abschnitte des ersten Abstandselementmaterials 400, welche die Seitenwandflächen der MTJ-Struktur 300 abdecken, die ersten Abstandselemente 500 wie gezeigt in 5 bilden. Bei einigen Ausführungsformen wird aufgrund der anisotropen Art des Rückätzprozesses das erste Abstandselementmaterial 400 von den oberen Ecken der oberen Elektroden 220 ausgespart. Daher decken die ersten Abstandselemente 500 nicht die gesamte Seitenwandfläche der oberen Elektrode 220 ab, wie es in 5 gezeigt ist.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann der anisotrope Rückätzprozess einen Ionenstrahlätzprozess oder einen reaktiven Ionenätz- (RIE) -Prozess mit einem induktiv gekoppelten Plasma (RIE-ICP) umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Ionenstrahlätzprozess einen Ionenstrahl verwenden, der selektiv Bereiche adressiert, in denen das Ätzen ausgeführt wird. Der Ionenstrahl kann von einem Helium- (He), Neon- (Ne), Argon- (Ar), Krypton- (Kr) oder Xenon- (Xe) -Plasma erzeugt werden. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann die Energie des Ionenstrahls während des Ätzprozesses zwischen ungefähr 100 eV und 1200 eV betragen. Alternativ kann der RIE-ICP-Prozess Ätzmittel wie Tetrafluormethan (CF₄), Fluoroform (CH₂F₂), Chlor (Cl₂), Ar, He organische Gase oder Kombinationen davon verwenden.
Unter Bezugnahme auf 1 fährt das Verfahren 100 mit dem Arbeitsvorgang 130 fort, bei dem eine Metallverbindungsschicht über den ersten Abstandselementen, der einen oder den mehreren MTJ-Strukturen 300 und der oberen Interconnect-Schicht 205 abgeschieden wird. Beispielsweise kann wie gezeigt in 6 kann eine Metallverbindungsschicht 600 über dem ersten Abstandselement 500, den MTJ-Strukturen 300 und der Interconnect-Schicht 205 konform abgeschieden werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Metallverbindungsschicht 600 durch einen thermischen ALD- oder plasmagestützten ALD-Prozess mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,5 nm (5 Å) und ungefähr 5 nm (50 Å) (z. B. ungefähr 3 nm) konform abgeschieden werden. Erfindungsgemäß ist die aufgebrachte Metallverbindungsschicht 600 dünner als das erste Abstandselement 500. In einem thermischen ALD-Prozess kann die Abscheidungstemperatur im Bereich von ungefähr 150 °C bis zu ungefähr 400 °C liegen. Andererseits kann die Abscheidungstemperatur für einen plasmagestützten Prozess niedriger sein. Die Abscheidungstemperatur für einen plasmagestützten Prozess kann beispielsweise zwischen ungefähr 50 °C und ungefähr 350 °C (z. B. 100 °C, 150 °C, 200 °C, 350 °C, usw.) liegen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Prozessdruck sowohl für die thermische als auch plasmagestützte ALD im Bereich von ungefähr 66,6612 Pa (0,5 Torr) bis zu ungefähr 1333,22 Pa (10 Torr) liegen. Der vorstehend beschriebene Prozessdruckbereich ist beispielhaft und es können andere Bereiche verwendet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Metallverbindungsschicht 600 Aluminiumnitrid (AlN_x), Aluminiumoxid (AlO_x), Titannitrid (TiN), Titanoxid (TiO_x), Rutheniumoxid (RuO_x) oder jedes andere geeignete Material umfassen. Zu Beispielszwecken wird die Metallverbindungsschicht 600 im Verfahren 100 im Kontext einer aluminiumbasierten Schicht, wie Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid, beschrieben. Basierend auf der Offenbarung hierin können andere Metallverbindungsschichten wie vorstehend beschrieben verwendet werden. Diese anderen Metallverbindungsschichten befinden sich innerhalb des Sinns und Umfangs dieser Offenbarung.
Für die Metallverbindungsschicht 600, die Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid aufweist, kann ein Trimethylaluminium- (TMA) (Al₂(CH₃)₆) -Vorläufer als die Aluminiumquelle für die aufgedampfte Schicht verwendet werden. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann die Bildung von Aluminiumnitrid wie folgt beschrieben werden. Anfänglich werden die ersten Abstandselemente 500, MTJ-Strukturen 300 und die ILD-Schicht 245 mit Ammoniak (NH₃) thermisch vorbehandelt; beispielsweise werden der Wafer mit den MTJ-Strukturen 300 und die Interconnect-Schichten 205 Ammoniak- (NH₃) -Gas ausgesetzt. Alternativ können die ersten Abstandselemente 500, die MTJ-Strukturen 300 und die ILD-Schicht 245 mit einem Plasma behandelt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Plasma (i) eine Mischung aus Ammoniak mit Helium, Wasserstoff oder Argon; (ii) eine Mischung aus Stickstoff mit Helium, Wasserstoff oder Argon umfassen. Die Plasmabehandlung kann bei einer Temperatur ähnlich der Abscheidungstemperatur (z. B. zwischen ungefähr 150 °C und ungefähr 400 °C) und bei einem Prozessdruck, der dem Abscheidungsprozessdruck ähnlich ist (z. B. zwischen ungefähr 66,6612 Pa (0,5 Torr) und ungefähr 1333,22 Pa (10 Torr)), ausgeführt werden. Infolge der Vorbehandlung (z. B. thermisch oder Plasma) können Aminoradikale (NH2) auf die freiliegenden Flächen der ersten Abstandselemente 500, MTJ-Strukturen 300 und der ILD-Schicht 245 chemisorbiert werden. Unreagiertes NH₃-Gas kann anschließend mit einem Spülen entfernt werden. Es kann eine TMA-Durchtränkung folgen, wo der Vorläufer eingeführt und in die Lage versetzt wird, mit den Aminoradikalen auf den freiliegenden Flächen chemisch zu reagieren. Infolge der Reaktion zerfällt der Vorläufer teilweise (gibt z. B. eine Methylgruppe frei) und lagert sich an den Aminoradikalen auf der Fläche an. Ein anschließendes Spülen entfernt jeglichen unreagierten TMA-Vorläufer zusammen mit den Beiprodukten (z. B. Methan, CH₄) der Reaktion zwischen den Aminoradikalen und dem TMA-Vorläufer. Es wird dann erneut NH₃-Gas eingeführt, sodass es mit dem teilweise abgebauten Vorläufer reagiert, um Aluminiumnitrid zu bilden. Ein anschließendes Spülen entfernt die Beiprodukte der chemischen Reaktion (z. B. Methan) und jegliches unreagiertes NH₃-Gas.
Der vorstehende Prozessablauf erzeugt Aluminiumnitridfilme mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,2 nm (2 Å) bis zu ungefähr 0,5 nm (5 Å) abhängig von den Prozessbedingungen (z. B. Prozessdruck, Temperatur, Gas und Vorläuferfluss usw.). Daher kann die Abscheidungsprozesssequenz nach Bedarf wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke der Aluminiumnitridmetallverbindungsschicht (z. B. zwischen ungefähr 0,5 nm (5 Å) und ungefähr 5 nm (50 Å)) erreicht wird.
Bei einigen Ausführungsformen kann eine Nachbehandlung verwendet werden, um das abgeschiedene Aluminiumnitrid zu verdichten; z. B. durch Entfernen von Wasserstoff. Ein Funkfrequenz- (RF) -NH₃-Plasma kann verwendet werden, um Wasserstoff von der Aluminiumnitridschicht zu entfernen. Die auf das Plasma angewandte RF-Leistung kann gemäß einigen Ausführungsformen im Bereich von ungefähr 100 Watt bis zu ungefähr 500 Watt liegen. Jedoch sollte der vorstehend beschriebene RF-Leistungsbereich nicht als begrenzend betrachtet werden und andere Bereiche können verwendet werden. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann die Nachbehandlung für bis zu einer Minute andauern und mit dem vorstehend beschriebenen Abscheidungsprozess in situ ausgeführt werden. Das Stickstoff-zu-Aluminium-Verhältnis (N/Al) der resultierenden Aluminiumnitridschicht kann zwischen ungefähr 0,67 und ungefähr 2,3 betragen. Daher kann das Aluminiumatomprozent in der Aluminiumnitridschicht wie gemessen, durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) oder ein anderes geeignetes Verfahren im Bereich von ungefähr 40 bis zu ungefähr 70 liegen und das Stickstoffatomprozent im Bereich von ungefähr 30 bis zu ungefähr 60. Da die Aluminiumquelle TMA ist (z. B. ein organometallischer Vorläufer), sind Spuren von Restkohlenstoff in der Aluminiumnitridschicht zu finden. Das Kohlenstoffatomprozent in den Aluminiumnitridschichten kann beispielsweise im Bereich von ungefähr 1 bis zu ungefähr 2 liegen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dielektrizitätskonstante des behandelten Aluminiumnitrids wie gemessen durch Röntgenreflektometrie zwischen ungefähr 7 und ungefähr 8 betragen und dessen Dichte zwischen ungefähr 2 g/cm3 und ungefähr 3 g/cm³ betragen. Aufgrund ihrer hohen Dielektrizitätskonstante und Dichte können dünne Aluminiumnitridschichten (z. B. kleiner als 5 nm (50 Å)) verglichen mit Schichten mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante, wie beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbonitrid und dergleichen, eine verbesserte Potenzialtrennung bereitstellen.
Die Abscheidung von Aluminiumoxidmetallverbindungsschichten ist dem vorstehend beschriebenen Prozessablauf für Aluminiumnitrid sehr ähnlich. Im Fall der Aluminiumoxidabscheidung kann die NH₃-Exposition nach dem TMA-Spülen jedoch mit 1-Butanol- (C₄H₉OH) -Durchtränkung ersetzt werden, wo der teilweise abgebaute TMA-Vorläufer mit 1-Butanol reagieren kann, um Aluminiumsauerstoffbindungen und letztlich Aluminiumoxid zu bilden. In ähnlicher Weise zum Fall von Aluminiumnitrid kann eine Nachbehandlung mit RF-NH₃-Plasma verwendet werden, um die aufgebrachte Aluminiumoxidmetallverbindungsschicht durch Entfernen von Wasserstoff zu verdichten. Die auf das Plasma angewandte RF-Leistung kann gemäß einigen Ausführungsformen im Bereich von ungefähr 100 Watt bis zu ungefähr 500 Watt liegen. Der resultierende Aluminiumnitridfilm kann ein Aluminium-zu-Sauerstoff-Verhältnis (Al/O) aufweise, das im Bereich von ungefähr 1,2 bis zu ungefähr 2,3 liegt. Ferner kann das Aluminiumatomprozent wie gemessen durch XPS zwischen ungefähr 30 bis zu ungefähr 45 betragen, während das Stickstoffatomprozent zwischen ungefähr 55 bis zu ungefähr 70 betragen kann. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann das Wasserstoffatomprozent im plasmabehandelten Aluminiumoxidfilm wie gemessen durch Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (RBE) im Bereich von 0 bis zu ungefähr 3 liegen. Bei einigen Ausführungsformen kann die gebildete Aluminiumoxidmetallverbindungsschicht eine Dielektrizitätskonstante zwischen ungefähr 7 und ungefähr 9,5 aufweisen und seine Dichte kann wie gemessen durch Röntgenreflektometrie zwischen ungefähr 3 g/cm³ und ungefähr 3,5 g/cm³ betragen. Aufgrund ihrer hohen Dielektrizitätskonstante und Dichte können dünne Aluminiumoxidschichten (z. B. kleiner als 5 nm (50 Å)) verglichen mit Schichten mit niedrigeren Dielektrizitätskonstanten, wie beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbonitrid und dergleichen, eine verbesserte Potenzialtrennung bereitstellen.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 7 fährt das Verfahren 100 mit dem Arbeitsvorgang 140 fort, wo ein Rückätzprozess verwendet wird, um die Metallverbindungsschicht 600 auszusparen, sodass ein zweites Abstandselement 600 über jeder Seitenwand der MTJ-Strukturen 300 gebildet werden kann. Bei einigen Ausführungsformen entfernt der Rückätzprozess die Metallverbindungsschicht 600 teilweise über der oberen Fläche der ILD-Schicht 245. Erfindungsgemäß werden Abschnitte der oberen Elektrode 220 der MTJ-Strukturen 300 wie gezeigt in 7 freigelegt. Bei einigen Ausführungsformen kann der Rückätzprozess für den Arbeitsvorgang 120 im Arbeitsvorgang 140 verwendet werden. Beispielsweise kann der Rückätzprozess für den Arbeitsvorgang 140 einen Ionenstrahlätzprozess oder einen reaktives Ionenätzen- (RIE) -Prozess mit einem induktiv gekoppelten Plasma (RIE-ICP) verwenden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Ionenstrahlätzprozess einen Ionenstrahl verwenden, der selektiv Bereiche adressiert, in denen das Ätzen ausgeführt wird. Der Ionenstrahl kann von einem Helium- (He), Neon- (Ne), Argon- (Ar), Krypton- (Kr) oder Xenon- (Xe) -Plasma erzeugt werden. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann die Energie des Ionenstrahls während des Ätzprozesses zwischen ungefähr 100 eV und 1200 eV betragen. Alternativ kann der RIE-ICP-Prozess Ätzmittel wie Tetrafluormethan (CF₄), Fluoroform (CH₂F₂), Chlor (Cl₂), Ar, He organische Gase oder Kombinationen davon verwenden. Der Rückätzprozess, der zum Bilden der ersten und zweiten Abstandselemente (z. B. das erste Abstandselement 500 und das zweite Abstandselement 600) verwendet wird, ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Rückätzprozesse begrenzt. Daher können alternative Rückätzprozesse verwendet werden, um das erste Abstandselement 500 und das zweite Abstandselement 600 zu bilden. Ferner können bei einigen Ausführungsformen das Aluminiumnitrid oder die Aluminiumoxidmetallverbindungsschichten 600 eine Ätzselektivität von ungefähr 2:1 bis zu ungefähr 10:1 (z. B. 2:1, 5:1, 8:1, 10:1) aufweisen. Jedoch begrenzt der vorstehend beschriebene Selektivitätsbereich nicht und höhere Selektivitätsverhältnisse (z. B. 50:1) sind möglich.
Unter Bezugnahme auf die 1 fährt das Verfahren 100 mit dem Arbeitsvorgang 150 und dem Bilden eines dritten Abstandselements über dem zweiten Abstandselement (z. B. die geätzte Metallverbindungsschicht 600) fort. Unter Bezugnahme auf 8 kann ein drittes Abstandselement 800 über der Metallverbindungsschicht 600 ganzflächig abgeschieden werden. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das dritte Abstandselement 800 ein Dielektrikum, wie Siliziumnitrid, Siliziumcarbonitrid, Siliziumoxid, kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid oder Siliziumoxycarbonnitrid mit einer Dicke zwischen ungefähr 10 nm (100 Å) und ungefähr 50 nm (500) Ä (z. B. ungefähr 15 nm). Daher kann bei einigen Ausführungsformen das dritte Abstandselement 800 dicker sein als die Metallverbindungsschicht 600 (z. B. das zweite Abstandselement). Wie vorstehend beschrieben, kann der Rasterabstand (Pitch) p zwischen MTJ-Strukturen 300, die in 1 gezeigt sind, im Bereich von ungefähr 92 nm und 80 nm liegen. Daher wird der Abstand zwischen den MTJ-Strukturen 300 nach dem Bilden der ersten und zweiten Abstandselemente auf kleiner als 80 nm reduziert. Daher ist es wünschenswert, dass das dritte Abstandselement 800 mit einem Abscheidungsverfahren mit verbesserten Lückenfüllungseigenschaften abgeschieden werden kann. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann das dritte Abstandselement 800 durch PEALD, CVD, ALD oder ein Abscheidungsverfahren mit verbesserten Lückenfüllungsfähigkeiten abgeschieden werden, sodass das dritte Abstandselement 800 den Raum zwischen MTJ-Strukturen 300 wie gezeigt in 8 füllen kann.
Gemäß einigen Ausführungsformen bilden das erste Abstandselement 500, die Metallverbindungsschicht 600 (das zweite Abstandselement) und das dritte Abstandselement 800 einen Abstandselementstapel, bei dem die Metallverbindungsschicht 600 (das zweite Abstandselement) dünner ist als das erste Abstandselement 500 und das dritte Abstandselement 800. Ferner kann der Abstandselementstapel eine Dicke im Bereich von ungefähr 30 nm aufweisen.
Erfindungsgemäß wird eine Dielektrikumschicht 805 über dem dritten Abstandselement 800 abgeschieden. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann die Dielektrikumschicht 805 ein Siliziumoxid- (SiO₂) -Zwischenschichtdielektrikum sein, das mit dem Tetraethoxysilan (TEOS) gewachsen ist. Alternativ kann die Dielektrikumschicht 805 ein Zwischenschichtdielektrikum mit niedriger Dielektrizitätskonstante sein; z. B. mit einer Dielektrizitätskonstante niedriger als 3,9. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dielektrikumschicht 805 eine Dicke von ungefähr 50 nm (500 Å) oder mehr aufweisen. Ein chemisch-mechanischer Planarisierungs- (CMP) -Prozess kann die Dielektrikumschicht 805 polieren, sodass die obere Fläche der oberen Elektroden 220 und die obere Fläche der Dielektrikumschicht 805 wie gezeigt in 9 im Wesentlichen koplanar sein können. Gemäß einigen Ausführungsformen können zusätzliche Interconnect-Schichten (nicht gezeigt in 9) über den planarisierten Flächen der Dielektrikumschicht 805 und den MTJ-Strukturen 300 gebildet werden, sodass die oberen Elektroden 220 mit entsprechenden Durchkontaktierungen in der Interconnect-Schicht über MTJ-Strukturen 300 verbunden werden können.
Bei einigen Ausführungsformen können Abstandselementstapel mit Metallverbindungsschichten, wie Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid, verglichen mit Abstandselementstapeln, die auf siliziumbasierte Schichten wie Siliziumnitrid, Siliziumcarbonitrid, Siliziumoxid, kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid oder Siliziumoxycarbonnitrid begrenzt sind, verbesserte Isolationseigenschaften aufweisen. Daher können Abstandselementstapel mit Metallverbindungsschichten kompakt sein (z. B. mit einer Dicke von unter ungefähr 5 nm (50 Å)) und für MRAM-Zellen mit einer knappen RasterabstandRasterabstand zwischen MTJ-Strukturen (z. B. zwischen ungefähr 80 nm und ungefähr 92 nm) geeignet sein. Ferner weisen Abstandselementstapel mit Metallverbindungsschichten verbesserte Ätzeigenschaften auf. Beispielsweise können Abstandselementstapel mit Metallverbindungsschichten einen verbesserten Ätzwiderstand und eine verbesserte Selektivität (z. B. zwischen ungefähr 2:1 und ungefähr 10:1) zeigen. Als Resultat können Abstandselementstapel mit Metallverbindungsschichten weniger anfällig für Ätzschäden während eines anschließenden Rückätzprozesses sein.
Die vorliegende Offenbarung ist an ein beispielhaftes Fertigungsverfahren zum Bilden von Abstandselementstapeln mit Metallverbindungsschichten darin gerichtet. Bei einigen Ausführungsformen können die metallischen Schichten die Potenzialtrennung zwischen angrenzenden MTJ-Strukturen verbessern. Beispielhaft und nicht darauf beschränkt kann der Abstandselementstapel eine Metallverbindungsschicht 5 nm oder dünner (z. B. ungefähr 3 nm) umfassen, die Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Titanoxid, Titannitrid, Rutheniumoxid oder jedes andere geeignete Material umfassen kann. Die Metallverbindungsschicht kann zwischen Schichten aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbonitrid, Siliziumoxinitrid, Siliziumoxycarbonnitrid, Siliziumoxid oder Kombinationen davon eingeschoben sein, um einen Abstandselementstapel auf jeder Seitenwandfläche der MTJ-Struktur zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Metallverbindungsschicht mit einer thermischen Atomlagenabscheidung oder einem plasmagestützten Atomlagenabscheidungsprozess konform abgeschieden werden. Gemäß einigen Ausführungsformen weisen Abstandselementstapel mit Metallverbindungsschichten verglichen mit Abstandselementstapeln ohne Metallverbindungsschichten verbesserte galvanische Trennungseigenschaften auf und können daher kompakter (z. B. dünner) sein.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren das Bilden von magnetischen Tunnelübergangs- (MTJ) -Strukturen auf einer Interconnect-Schicht, wobei die MTJ-Strukturen über einer Durchkontaktierung in der Interconnect-Schicht 205 gebildet werden. Das Verfahren umfasst zudem das Abscheiden einer ersten Abstandsschicht über den MTJ-Strukturen und der Interconnect-Schicht, wobei die erste Abstandsschicht geätzt wird, um die oberen Elektroden der MTJ-Strukturen und der Interconnect-Schicht freizulegen und wobei die Unterseite der ersten Abstandsschicht niedriger ist als die obere Fläche der Durchkontaktierung 225 in der Interconnect-Schicht. Das Verfahren umfasst ferner das Abscheiden einer zweiten Abstandsschicht über dem ersten Abstandselementmaterial, den MTJ-Strukturen und der Interconnect-Schicht; wobei die zweite Abstandsschicht dünner ist als die erste Abstandsschicht und eine Metallverbindung aufweist. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Ätzen der zweiten Abstandsschicht, um die oberen Elektroden der MTJ-Strukturen freizulegen. Das Abscheiden der zweiten Abstandsschicht umfasst zudem: das Aussetzen der ersten Abstandsschicht, der MTJ-Strukturen und der Interconnect-Schicht gegenüber einem Ammoniakplasma oder einem Stickstoffplasma, das Aussetzen der ersten Abstandsschicht, der MTJ-Strukturen und der Interconnect-Schicht gegenüber einem Trimethylaluminiumvorläufer, um eine teilweise abgebaute Vorläuferschicht auf der ersten Abstandsschicht, den MTJ-Strukturen und der Interconnect-Schicht zu bilden; und das Aussetzen der teilweise abgebauten Vorläuferschicht gegenüber Ammoniakgas oder 1-Butanol-Gas, um ein Aluminiumnitrid bzw. ein Aluminiumoxid zu bilden. Weiterhin umfasst das Verfahren das Bilden einer dritten Abstandsschicht über der zweiten Abstandsschicht und das Bilden einer Dielektrikumschicht über der dritten Abstandsschicht, wobei die obere Fläche der dritten Abstandsschicht höher ist als die obere Fläche der zweiten Abstandsschicht, und wobei eine obere Fläche der Dielektrikumschicht mit einer oberen Fläche des dritten Abstandselements und oberen Flächen von oberen Elektroden der MTJ-Strukturen koplanar ist, und wobei ein Anteil der dritten Abstandsschicht, der oberhalb der oberen Oberfläche der zweiten Abstandsschicht angeordnet ist, in Kontakt mit den Seitenwänden den oberen Elektroden ist.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst eine Halbleiter-Struktur ein Substrat mit Transistoren, Kontaktschichten und einer oder mehreren darauf angeordneten Interconnect-Schichten. Die Halbleiter-Struktur umfasst ferner eine oder mehrere MTJ-Strukturen über der einen oder den mehreren Interconnect-Schichten, wobei untere Elektroden von der einen oder den mehreren MTJ-Strukturen auf Durchkontaktierungen in einer oberen Interconnect-Schicht von der einen oder den mehreren Interconnect-Schichten angeordnet sind und wobei eine obere Elektrode der einen oder der mehreren MTJ-Strukturen über der unteren Elektrode angeordnet ist. Die Halbleiter-Struktur umfasst zudem ein erstes Abstandselement auf jeder Seitenwandfläche von der einen oder den mehreren MTJ-Strukturen, wobei die Unterseite des ersten Abstandselements niedriger ist als die obere Fläche einer Durchkontaktierung in der oberen Interconnect-Schicht. Die Halbleiter-Sztruktur umfasst weiterhin eine Metallverbindungsschicht über jeder Seitenwandfläche von der einen oder den mehreren MTJ-Strukturen und über der oberen Interconnect-Schicht, wobei die Metallverbindungsschicht ein zweites Abstandselement bildet, das dünner ist als das erste Abstandselement. Dabei ist die obere Fläche der Metallverbindungsschicht niedriger ist als die obere Fläche einer korrespondierenden MTJ-Struktur der einen oder der mehreren MTJ-Strukturen. Die Struktur umfasst zudem ein drittes Abstandselement auf der metallischen Interconnect-Schicht, wobei das dritte Abstandselement dicker ist als das zweite Abstandselement und zwischen den MTJ-Strukturen angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Halbleiter-Struktur ein Zwischenschichtdielektrikum, welches das dritte Abstandselement umgibt. Dabei ist die obere Fläche des dritten Abstandselements höher ist als die obere Fläche des zweiten Abstandselemets, und wobei eine obere Fläche des Zwischenschichtdielektrikum mit einer oberen Fläche des dritten Abstandselements und oberen Flächen von oberen Elektroden der MTJ-Strukturen koplanar ist, und wobei ein Anteil des dritten Abstandselements, der oberhalb der oberen Oberfläche des zweiten Abstandselements angeordnet ist, in Kontakt mit den Seitenwänden den oberen Elektroden ist.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst eine Halbleiter-Struktur eine Interconnect-Schicht mit Leitungen und Durchkontaktierungen über einem Substrat und MTJ-Strukturen, die über den Durchkontaktierungen in der Interconnect-Schicht angeordnet sind, wobei die unteren Elektroden der MTJ-Strukturen in Kontakt mit Durchkontaktierungen in der Interconnect-Schicht sind. Die Halbleiter-Struktur umfasst ferner ein erstes Abstandselement auf jeder Seitenwandfläche der MTJ-Strukturen und ein zweites Abstandselement über dem ersten Abstandselement und der Interconnect-Schicht, wobei das zweite Abstandselement eine Metallverbindungsschicht aufweist. Die Halbleiter-Struktur umfasst weiterhin ein drittes Abstandselement über dem zweiten Abstandselement und eine Dielektrikumschicht, die das dritte Abstandselement umgibt. Dabei ist die obere Fläche des dritten Abstandselements höher ist als die obere Fläche des zweiten Abstandselements; eine obere Fläche der Dielektrikumschicht ist mit einer oberen Fläche des dritten Abstandselements und oberen Flächen von oberen Elektroden 220 der MTJ-Strukturen koplanar. Ein Anteil des dritten Abstandselements, der oberhalb der oberen Oberfläche des zweiten Abstandselements angeordnet ist, ist in dieser Halbleiter-Struktur in Kontakt mit den Seitenwänden den oberen Elektroden ist und die obere Fläche des zweiten Abstandselements ist niedriger als die obere Fläche der MTJ-Strukturen.

Claims

Verfahren, umfassend: Bilden von magnetischen Tunnelübergangsschicht-Strukturen, MTJ-Strukturen (300), auf einer Interconnect-Schicht (205), wobei die MTJ-Strukturen (300) über einer Durchkontaktierung (225) in der Interconnect-Schicht (205) gebildet werden; Abscheiden einer ersten Abstandsschicht (500) über den MTJ-Strukturen (300) und der Interconnect-Schicht (205), wobei die erste Abstandsschicht (500) geätzt wird, um obere Elektroden (220) der MTJ-Strukturen (300) und der Interconnect-Schicht (205) freizulegen; Abscheiden einer zweiten Abstandsschicht (600) über der ersten Abstandsschicht (500), den MTJ-Strukturen (300) und der Interconnect-Schicht (205), wobei die zweite Abstandsschicht (600) dünner ist als die erste Abstandsschicht (500) und eine Metallverbindung aufweist; Ätzen der zweiten Abstandsschicht (600), um die oberen Elektroden (220) der MTJ-Strukturen (300) freizulegen, Bilden einer dritten Abstandsschicht (800) über der zweiten Abstandsschicht (600); und Bilden einer Dielektrikumschicht (805) über der dritten Abstandsschicht (800), wobei die Unterseite der ersten Abstandsschicht (500) niedriger ist als die obere Fläche der Durchkontaktierung (225) in der Interconnect-Schicht (205), wobei das Abscheiden der zweiten Abstandsschicht (600) umfasst: Aussetzen der ersten Abstandsschicht (500), der MTJ-Strukturen (300) und der Interconnect-Schicht (205) gegenüber einem Ammoniakplasma oder einem Stickstoffplasma; Aussetzen der ersten Abstandsschicht (500), der MTJ-Strukturen (300) und der Interconnect-Schicht (205) gegenüber einem Trimethylaluminiumvorläufer, um eine teilweise abgebaute Vorläuferschicht auf der ersten Abstandsschicht (500), den MTJ-Strukturen (300) und der Interconnect-Schicht (205) zu bilden; und Aussetzen der teilweise abgebauten Vorläuferschicht gegenüber Ammoniakgas oder 1-Butanol-Gas, um ein Aluminiumnitrid bzw. ein Aluminiumoxid zu bilden, wobei die obere Fläche der dritten Abstandsschicht (800) höher ist als die obere Fläche der zweiten Abstandsschicht (600), wobei eine obere Fläche der Dielektrikumschicht (805) mit einer oberen Fläche der dritten Abstandsschicht (800) und oberen Flächen von oberen Elektroden (220) der MTJ-Strukturen (300) koplanar ist, und wobei ein Anteil der dritten Abstandsschicht (800), der oberhalb der oberen Oberfläche der zweiten Abstandsschicht (600) angeordnet ist, in Kontakt mit den Seitenwänden den oberen Elektroden (220) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallverbindung Aluminiumoxid mit einem Aluminium-zu-Sauerstoff-Verhältnis zwischen 1,2 bis 2,3 und einer Dielektrizitätskonstante zwischen 7 und 9,5 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallverbindung Aluminiumnitrid mit einem Aluminium-zu-Stickstoff-Verhältnis zwischen 0,67 bis 2,3 und einer Dielektrizitätskonstante zwischen 7 und 9,5 aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Metallverbindung Titannitrid, Titanoxid oder Rutheniumoxid aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Abstandsschicht (500) Siliziumnitrid, Siliziumcarbonitrid oder Kombinationen davon aufweist.
Halbleiter-Struktur umfassend: ein Substrat mit Transistoren, Kontaktschichten und einer oder mehreren darauf angeordneten Interconnect-Schichten (205); eine oder mehrere magnetische Tunnelübergangsschicht-Strukturen, MTJ-Strukturen (200, 300), über der einen oder den mehreren Interconnect-Schichten (205), wobei untere Elektroden (210) der einen oder der mehreren MTJ-Strukturen (200, 300) auf Durchkontaktierungen (225) in einer oberen Interconnect-Schicht (205) der einen oder der mehreren Interconnect-Schichten angeordnet sind und wobei eine obere Elektrode (220) der einen oder der mehreren MTJ-Strukturen (200, 300) über der unteren Elektrode (210) angeordnet ist; ein erstes Abstandselement (500) auf jeder Seitenwandfläche der einen oder der mehreren MTJ-Strukturen (300), wobei die Unterseite des ersten Abstandselements (500) niedriger ist als die obere Fläche einer Durchkontaktierung (225) in der oberen Interconnect-Schicht (205); eine Metallverbindungsschicht (600) über jeder Seitenwandfläche der einen oder der mehreren MTJ-Strukturen (300) und über der oberen Interconnect-Schicht (205), wobei die Metallverbindungsschicht ein zweites Abstandselement (600) bildet, das dünner ist als das erste Abstandselement (500); ein drittes Abstandselement (800) auf der Metallverbindungsschicht (600), wobei das dritte Abstandselement (800) dicker ist als das zweite Abstandselement (600) und zwischen den MTJ-Strukturen (300) angeordnet ist; und ein Zwischenschichtdielektrikum (805), welches das dritte Abstandselement (800) umgibt, wobei die obere Fläche der Metallverbindungsschicht (600) niedriger ist als die obere Fläche einer korrespondierenden MTJ-Struktur (300) der einen oder der mehreren MTJ-Strukturen (300), wobei die obere Fläche des dritten Abstandselements (800) höher ist als die obere Fläche des zweiten Abstandselements (600), und wobei eine obere Fläche des Zwischenschichtdielektrikum (805) mit einer oberen Fläche des dritten Abstandselements (800) und oberen Flächen von oberen Elektroden (220) der MTJ-Strukturen (300) koplanar ist, und wobei ein Anteil des dritten Abstandselements (800), der oberhalb der oberen Oberfläche des zweiten Abstandselements (600) angeordnet ist, in Kontakt mit den Seitenwänden den oberen Elektroden (220) ist.
Halbleiter-Struktur nach Anspruch 6, wobei das erste Abstandselement (500), die Metallverbindungsschicht (600) und das dritte Abstandselement (800) einen Abstandselementstapel mit einer Dicke von kleiner als 30 nm bilden.
Halbleiter-Struktur nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Metallverbindungsschicht (600) ein aluminiumbasiertes Nitrid oder ein aluminiumbasiertes Oxid mit einer Dicke zwischen 0,5 nm und 5 nm aufweist.
Halbleiter-Struktur nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Metallverbindungsschicht (600) eine Aluminiumoxidschicht mit einem Sauerstoff-zu-Aluminium-Verhältnis zwischen 1,2 und 2,3 und ein Aluminiumatomprozent zwischen 30 und 45 aufweist.
Halbleiter-Struktur nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Metallverbindungsschicht (600) Titanoxid, Titannitrid oder Rutheniumoxid aufweist.
Halbleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das erste Abstandselement (500) eine Dicke zwischen 3 nm und 20 nm aufweist und Siliziumnitrid, Siliziumcarbonitrid oder Kombinationen davon aufweist.
Halbleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei das dritte Abstandselement (800) eine Dicke von kleiner als 20nm aufweist und Siliziumnitrid, Siliziumcarbonitrid, Siliziumoxid, kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid, Siliziumoxycarbonnitrid oder Kombinationen davon aufweist.
Halbleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 6 bis 12, ferner umfassend: eine weitere Interconnect-Schicht (205) über dem Zwischenschichtdielektrikum und der einen oder den mehreren MTJ-Strukturen (300), wobei obere Elektroden (220) der einen oder der mehreren MTJ-Strukturen in Kontakt mit Durchkontaktierungen (225) in der weiteren Interconnect-Schicht (205) sind.
Halbleiter-Struktur umfassend: eine Interconnect-Schicht (205) über einem Substrat, das Leitungen und Durchkontaktierungen (225) aufweist; magnetische Tunnelübergangsschicht-Strukturen, MTJ-Strukturen (300), die über den Durchkontaktierungen (225) in der Interconnect-Schicht (205) angeordnet sind, wobei untere Elektroden (210) der MTJ-Strukturen (300) in Kontakt mit Durchkontaktierungen (225) in der Interconnect-Schicht (205) sind; ein erstes Abstandselement (500) auf jeder Seitenwandfläche der MTJ-Strukturen (300); ein zweites Abstandselement (600) über dem ersten Abstandselement (500) und der Interconnect-Schicht (205), wobei das zweite Abstandselement eine Metallverbindungsschicht (600) aufweist; ein drittes Abstandselement (800) über dem zweiten Abstandselement (600); und eine Dielektrikumschicht, (805) die das dritte Abstandselement umgibt, wobei die obere Fläche des dritten Abstandselements (800) höher ist als die obere Fläche des zweiten Abstandselements (600), wobei eine obere Fläche der Dielektrikumschicht (805) mit einer oberen Fläche des dritten Abstandselements (800) und oberen Flächen von oberen Elektroden (220) der MTJ-Strukturen (300) koplanar ist, wobei ein Anteil des dritten Abstandselements (800), der oberhalb der oberen Oberfläche des zweiten Abstandselements (600) angeordnet ist, in Kontakt mit den Seitenwänden den oberen Elektroden (220) ist, und wobei die obere Fläche des zweiten Abstandselements (600) niedriger ist als die obere Fläche der MTJ-Strukturen (300).
Halbleiter-Struktur nach Anspruch 14, wobei eine kombinierte Dicke der ersten, zweiten und dritten Abstandselemente kleiner als 30 nm ist.
Halbleiter-Struktur nach Anspruch 14 oder 15, wobei die MTJ-Strukturen durch einen Rasterabstand getrennt sind, die im Bereich von 80 nm bis 92 nm liegt.
Halbleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die metallische Schicht kleiner als 5 nm dick ist und Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Titannitrid, Titanoxid oder Rutheniumoxid aufweist.
Halbleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei eine zusätzliche Interconnect-Schicht, Kontaktschichten und Transistoren zwischen der Interconnect-Schicht und dem Substrat angeordnet sind.