DE102020119132A1

DE102020119132A1 - Strukturen mit magnetischem tunnelübergang und verwandte verfahren

Info

Publication number: DE102020119132A1
Application number: DE102020119132.4A
Authority: DE
Inventors: Harry Chuang; Jun-Yao CHEN; Chun-Heng Liao; Hung Cho Wang
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2021-12-16
Also published as: CN113450848B; US20220263013A1; US11355696B2; CN113450848A; US20210391530A1; US20240090343A1; US11856868B2; TW202147312A; KR102480684B1; KR20210154685A; TWI748767B

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Magneto-Resistive Random Access Memory-Zelle (MRAM-Zelle), die eine verlängerte obere Elektrode aufweist, sowie ein Herstellungsverfahren. In einigen Ausführungsformen weist die MRAM-Zelle einen magnetischen Tunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) auf, der über einer leitfähigen unteren Elektrode angeordnet ist. Eine leitfähige obere Elektrode ist über dem magnetischen Tunnelübergang angeordnet. Unter der leitfähigen unteren Elektrode befindet sich eine erste leitfähige Durchkontaktierungsstruktur in einer ersten dielektrischen Schicht. Unter der leitfähigen Durchkontaktierungsstruktur befindet sich eine diskrete leitfähige Jumperstruktur in einer zweiten dielektrischen Schicht. Ein dielektrischer Körper aus einem dritten dielektrischen Material, das sich von dem ersten dielektrischen Material und dem zweiten dielektrische Material unterscheidet, erstreckt sich vertikal von der ersten dielektrischen Schicht mindestens teilweise in die zweite dielektrische Schicht.

Description

HINTERGRUND
Magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher (Magnetoresistive Random-Access Memory, „MRAM“) ist eine vielversprechende Technologie für nicht-flüchtigen Datenspeicher. Der Kern einer MRAM-Speicherzelle (oder „Bit“) ist ein magnetischer Tunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, „MTJ“), bei dem eine dielektrische Schicht zwischen einer magnetischen festen Schicht („Referenzschicht“) und einer magnetischen freien Schicht („freie Schicht“) angeordnet ist, deren Magnetisierungsorientierung geändert werden kann. Aufgrund des Tunnelmagnetowiderstandseffekts ändert sich der Widerstandswert zwischen der Referenzschicht und der freien Schicht mit dem Magnetisierungsorientierungswechsel in der freien Schicht. Parallele Magnetisierungen („P-Zustand“) führen zu einem niedrigeren elektrischen Widerstand, während antiparallele Magnetisierungen („AP-Zustand“) zu einem höheren elektrischen Widerstand führen. Die beiden Zustände der Widerstandswerte werden als zwei logische Zustände „1“ oder „o“ angesehen, die in der MRAM-Zelle gespeichert werden.
In einer Spin-Transfer-Torque-MRAM-Zelle („STT-MRAM“-Zelle) wird der Schreibstrom so angelegt, dass er durch den gesamten MTJ, das heißt die Referenzschicht, die dielektrische Schicht und die freie Schicht, fließt, wodurch die Magnetisierungsorientierung der freien Schicht durch den Spin-Transfer-Torque-Effekt eingestellt wird. Das heißt, der Schreibstrom durchläuft denselben Pfad wie der Lesepfad des MRAM. In einer Spin-Orbit Torque-MRAM-Zelle („SOT-MRAM“-Zelle) wird eine MTJ-Struktur auf einer Schwermetallschicht mit großer Spin-Orbit-Interaktion positioniert. Die freie Schicht steht in direktem Kontakt mit der Schwermetallschicht. Das Spin-Drehmoment wird durch den in der Ebene fließenden Strom induziert, der durch die Schwermetallschicht unter dem Spin-Orbit-Kopplungseffekt injiziert wird, wozu allgemein der Rashba-Effekt und/oder der Spin-Hall-Effekt („SHE-Effekt“) gehören. Der Schreibstrom fließt nicht durch den vertikalen MTJ. Stattdessen fließt der Schreibstrom durch die Schwermetallschicht. Die Magnetisierungsorientierung in der freien Schicht wird durch den Spin-Orbit-Drehmoment-Effekt eingestellt. Genauer gesagt, wenn ein Strom in der Ebene in die Schwermetallschicht injiziert wird, so führt die Spin-Orbit-Kopplung zu einem orthogonalen Spin-Strom, der ein Spin-Drehmoment erzeugt und eine Magnetisierungsumkehr in der freien Schicht induziert.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie zusammen mit den begleitenden Figuren gelesen wird. In den Zeichnungen bezeichnen identische Bezugszahlen ähnliche Elemente oder Handlungen, sofern der Kontext nicht etwas anderes nahe legt. Die Größen und relativen Positionen der Elemente in den Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet. Die Abmessungen der verschiedenen Merkmale können vielmehr im Interesse der Übersichtlichkeit der Besprechung nach Bedarf vergrößert oder verkleinert werden.

1 ist eine beispielhafte MRAM-Struktur gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Offenbarung;
2 ist eine beispielhafte MRAM-Zelle gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Offenbarung;
3A bis 3E zeigen einen Wafer auf verschiedenen Stufen eines ersten Herstellungsprozesses gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Offenbarung; und
4A bis 4M zeigen einen Wafer auf verschiedenen Stufen eines zweiten Herstellungsprozesses gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des hier besprochenen Gegenstandes bereit. Im Folgenden werden konkrete Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Beschreibung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und dienen nicht der Einschränkung. Zum Beispiel kann das Bilden eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal ausgebildet sein können, so dass das erste und das zweite Merkmal nicht unbedingt in direktem Kontakt stehen. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und schafft nicht automatisch eine Beziehung zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
Des Weiteren können räumlich relative Begriffe, wie zum Beispiel „unterhalb“, „unter“, „unterer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen, im vorliegenden Text zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren veranschaulicht, zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen auch andere Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren gezeigten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht, oder sonstige Ausrichtungen), und die im vorliegenden Text verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können gleichermaßen entsprechend interpretiert werden.
In der folgenden Beschreibung werden bestimmte konkrete Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung zu ermöglichen. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass die Offenbarung auch ohne diese konkreten Details praktiziert werden kann. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen im Zusammenhang mit elektronischen Komponenten und Fertigungstechniken nicht im Detail beschrieben worden, um zu vermeiden, dass wesentliche Aspekte der Beschreibungen der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unnötig in den Hintergrund treten.
Sofern der Kontext nichts anderes erfordert, sind in der gesamten Spezifikation und in den folgenden Ansprüchen das Wort „umfassen“ und seine Variationen, wie zum Beispiel „umfasst“ und „umfassend“, in einem offenen, inkludierenden Sinn zu verstehen, das heißt als „einschließlich, aber nicht beschränkt auf‟.
Die Verwendung von Ordnungszahlen wie zum Beispiel „erster“, „zweiter“ und „dritter“ impliziert nicht unbedingt eine Rangfolge, sondern braucht lediglich zwischen mehreren Instanzen einer Aktion oder Struktur zu unterscheiden.
Wenn in dieser Spezifikation von „einer bestimmten Ausführungsform“ oder „einer Ausführungsform“ die Rede ist, so bedeutet das, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, das bzw. die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform enthalten ist. Somit bezieht sich das Vorkommen der Wendungen „in einer bestimmten Ausführungsform“ oder „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Spezifikation nicht unbedingt immer auf dieselbe Ausführungsform. Darüber hinaus können die besonderen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen auf jede geeignete Weise kombiniert werden.
Im Sinne dieser Spezifikation und den beigefügten Ansprüchen schließen die Singularformen „ein/einer/eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralbedeutungen ein, sofern der Inhalt nicht eindeutig etwas anderes verlangt. Es ist auch zu beachten, dass der Begriff „oder“ allgemein in der Bedeutung verwendet wird, die „und/oder“ umfasst, sofern der Inhalt nicht eindeutig etwas anderes verlangt.
Die hier besprochenen Techniken gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen stellen eine relativ dünne Unterelektroden-Durchkontaktierung (Bottom-Electrode Via, „BEVA“) und eine entsprechende relativ dünne dielektrische Schicht, die die BEVA umgibt, bereit. Der Logikbereich des IC-Chips weist ebenfalls die relativ dünne dielektrische Schicht für die BEVA auf, die ein anderes dielektrisches Material als andere Zwischenschicht-Dielektrikumschichten (Inter-Layer Dielectric, „ILD“) enthält. Die relativ dünnere dielektrische Schicht für die BEVA ermöglicht auch eine leichtere Integration des Herstellungsprozesses auf dem MTJ-Bereich und des Herstellungsprozesses auf dem Logikbereich.
Die MTJ-Struktur wird in einem Back-End-of-Line-Prozess (BEOL-Prozess) über einer oder mehreren Metallisierungsschichten gebildet. Schichten der MTJ-Materialien werden flächendeckend auf dem MTJ-Bereich und dem Logikbereich über der Unterelektrodenschicht („BE“-Schicht) und dem ILD für die BEVA ausgebildet. Obgleich die BEVA nur im MTJ-Bereich und nicht im Logikbereich gebildet wird, wird das ILD für die BEVA flächendeckend über dem MTJ-Bereich und dem Logikbereich gebildet. Die Metallisierungsschichten unter dem ILD für die BEVA können Metallverdrahtungen oder andere Metallmerkmale, die mit hoher Dichte angeordnet sind, aufweisen. Der offenbarte zusätzliche Jumper fügt eine oder mehrere zusätzliche Jumperstrukturen unter dem ILD für die BEVA hinzu. Aufgrund der zusätzlichen Jumperstrukturen gibt es für einen IBE-Prozess, der eine geringe Selektivität zwischen den MTJ-Materialien und den Metallisierungsschichten aufweist, mehr räumlichen Spielraum bei der Bildung von MTJ-Strukturen aus den MTJ-Schichten. Genauer gesagt, wenn der IBE-Prozess das MTJ-Material herausätzt, um Seitenwände einer MTJ-Struktur zu bilden, ätzt der IBE-Prozess auch Abschnitte von Schichten unter der MTJ-Struktur heraus. Die eine oder die mehreren zusätzlichen Jumperstrukturen bieten mehr Raum oder Distanz zwischen der MTJ-Struktur und den Metallisierungsschichten unter der MTJ-Struktur, dergestalt, dass der IBE-Prozess nicht die in den Metallisierungsschichten unter der MTJ-Struktur gebildeten Merkmale, die allein zu Beschreibungszwecken als „Zielmerkmale“ bezeichnet werden, beschädigt. Die eine oder die mehreren zusätzlichen Jumperstrukturen sind auch im Logikbereich vorhanden. Mit dem zusätzlichen Raum, der durch die eine oder die mehreren zusätzlichen Jumperstrukturen geschaffen wird, können die BEVA und das ILD für die BEVA relativ dünn ausgelegt werden.
In einer Ausführungsform wird die zusätzliche Jumperstruktur in einer zusätzlichen ILD-Schicht gebildet. Eine durch den IBE-Prozess gebildete Aussparung erstreckt sich vertikal durch die dielektrische Schicht der BEVA oder um die BEVA herum und erstreckt sich teilweise in die zusätzliche ILD-Schicht hinein. Die Aussparung erstreckt sich nicht durch die zusätzliche ILD-Schicht der zusätzlichen Jumperstruktur und stoppt, bevor sie die Unterseite der zusätzlichen ILD-Schicht erreicht.
1 zeigt einen Abschnitt eines beispielhaften integrierten Schaltkreises (Integrated Circuit, „IC“) 100. Der IC 100 weist einen ersten Abschnitt 110 auf, der mehrere MRAM-Zellen aufweist, wobei MRAM-Zellen 112, 114 zur Veranschaulichung gezeigt sind. Der IC 100 weist außerdem einen zweiten Abschnitt 120 auf, der weitere Schaltkreiselemente (in 1 nicht dargestellt) aus MRAM-Zellen enthält, zum Beispiel Logik-Schaltkreiselemente. 1 zeigt die BEOL-Schichten und Strukturen des IC-Schaltkreises 100. Die MRAM-Zellen 112, 114 werden in dem BEOL-Prozess über Zielmerkmalen 116, 118 in einer ILD-Schicht 122 gebildet. In einer Ausführungsform sind die Zielmerkmale 116, 118 Metallisierungsmerkmale wie Metall-Interconnect-Strukturen oder Metalldrahtstrukturen. Die MRAM-Zellen 112, 114 weisen jeweils eine MTJ-Struktur 124 bzw. 126 auf. Die MTJ-Strukturen 124, 126 sind jeweils vertikal neben einer unteren Elektrode (Lower Electrode, „BE“) 128, 130 und einer oberen Elektrode (Top Electrode, „TE“) 132, 134. Interconnect-Strukturen, zum Beispiel Verbindungsdurchkontaktierungen 136, 138, verbinden die BE 128, 130 mit Metallisierungsmerkmalen, zum Beispiel Zielmerkmalen 116 bzw. 118 darunter. Genauer gesagt, sind eine oder mehrere Jumperstrukturen 139, 141 vertikal zwischen den Interconnect-Strukturen 136, 138 und den Zielmerkmalen 116, 118 aufgeteilt. Die Jumperstrukturen 139, 141 sind mit den Zielmerkmalen 116, 118 durch die Interconnect-Strukturen 143 bzw. 145 verbunden. Die Jumperstrukturen 139, 141 sind diskrete Strukturen. In einer Ausführungsform weisen die Jumperstrukturen 139, 141 in den verschiedenen Metallisierungsebenen das gleiche leitfähige Material wie die Zielmerkmale 116, 118 auf. Die Jumperstrukturen 139, 141 weisen ein anderes leitfähiges Material auf als die Interconnect-Strukturen 136, 138.
Ein dielektrischer Körper 140 ist neben der MRAM-Zelle 112, 114 positioniert und erstreckt sich vertikal durch eine dielektrische Schicht 142 der BEVA 136 und erstreckt sich in eine weitere ILD-Schicht 144, die unmittelbar unter der dielektrischen Schicht 142 und über der ILD-Schicht 122 der Zielmerkmale 116, 118 positioniert ist. Der dielektrische Körper 140 erstreckt sich nicht in die dielektrische Schicht 122 der Zielmerkmale 116, 118 hinein.
In einer Ausführungsform enthält die BE 128, 130 ein leitfähiges Nitrid, das eine für den Betrieb der jeweiligen MTJ-Struktur 124, 126 geeignete magnetische Eigenschaft besitzt. Zum Beispiel beeinflusst das leitfähige Nitridmaterial der BE 128, 130 nicht das Pinnen der magnetischen Polarisation einer festen Schicht der MTJ-Struktur 124, 126. In einer Ausführungsform sind die BEs 128, 130 eines oder mehrere von TaN oder TiN. Die BEVA 136 weist ein Material auf, das zu den elektrischen und magnetischen Eigenschaften der BEs 128, 130 passt. In einer Ausführungsform ist die BEVA 136 TiN. In einigen Ausführungsformen weist die BEVA 136 auch eine Sperr- oder Auskleidungsschicht 137 aus einem oder mehreren von Ta und TaN auf, die verhindert, dass das TiN-Material in die umgebende dielektrische Schicht 142 wandert. Die dielektrische Schicht 142 enthält SRO oder TEOS oder ein anderes dielektrisches Material, das sich für die Materialien die BEVA-Struktur 136 eignet. Der dielektrische Körper 140 weist ein anderes dielektrisches Material auf als die ILD-Schichten 144, 122 und als die dielektrische Schicht 142. In einer Ausführungsform besitzt ein dielektrisches Material des dielektrischen Körpers 140 ein hohes Spaltfüllvermögen. Zum Beispiel ist der dielektrische Körper 140 - wegen seines Spaltfüllvermögens - ein High Density Plasma-Dielektrikum („HDP“-Dielektrikum) und ein High Aspect Ratio Process-Dielektrikum („HARP“-Dielektrikum).
In einer Ausführungsform werden die ILD-Schichten 144, 122 und die dielektrische Schicht 142 global über der Waferoberfläche des IC 100 gebildet. Das heißt, die dielektrischen Schichten 144, 122, 142 auf dem ersten Abschnitt 110 und dem zweiten Abschnitt 120 sind jeweils Abschnitte derselben Schichten. In einer Ausführungsform sind die Ätzstoppschichten 146 zwischen benachbarten dielektrischen Schichten angeordnet. Die Ätzstoppschicht 146 weist ein anderes dielektrisches Material aus als die dielektrischen Schichten 142, 122, 144. In einer Ausführungsform ist die Ätzstoppschicht 146 Siliziumcarbid „SiC“.
Die Beschreibungen der MRAM-Zelle 112 gelten auch für die MRAM-Zelle 114. Der dielektrische Körper 140 ist seitlich zwischen der BE 128 und der BE 130 der MRAM-Zelle 112 bzw. 114 positioniert. Der dielektrische Körper 140 erstreckt sich vertikal durch die dielektrische Schicht 142 hindurch und teilweise in die dielektrische Schicht 144 der Jumperstrukturen 139, 141 hinein.
2 zeigt eine beispielhafte MRAM-Zelle 112. Wie in 2 zu sehen, weist die MRAM-Zelle 112 eine leitfähige untere Elektrode 128 auf. Über der leitfähigen unteren Elektrode 128 ist eine anti-ferromagnetische Schicht 204 angeordnet, und über der anti-ferromagnetischen Schicht 204 ist eine gepinnte magnetische Schicht 206 angeordnet. Die anti-ferromagnetische Schicht 204 weist ein Material mit starker Austauschkopplung auf, das Atome mit magnetischen Momenten aufweist, die in einem regelmäßigen Muster ausgerichtet sind, wobei benachbarte Spins in entgegengesetzte Richtungen weisen. Die starke Austauschkopplung ermöglicht es der anti-ferromagnetischen Schicht 204, die magnetische Polarisation der gepinnten Magnetschicht 206 zu pinnen (das heißt zu fixieren), wodurch verhindert wird, dass die magnetische Polarisation der gepinnten Magnetschicht 206 zum Beispiel während Schreibvorgängen der MRAM-Zelle 112 wechselt. Insofern wird die gepinnte Magnetschicht 206 auch als fixierte Schicht 206 der MTJ-Struktur 124 bezeichnet. In einigen Ausführungsformen kann eine synthetische anti-ferromagnetische (SAF) Schicht (der Einfachheit halber nicht dargestellt) zwischen der anti-ferromagnetischen Schicht 204 und der gepinnten Magnetschicht 206 angeordnet sein.
In der MTJ-Struktur 124 ist die gepinnte Magnetschicht 206 vertikal von einer freien Magnetschicht 210 durch eine dielektrische Sperrschicht 208 getrennt. Die freie Magnetschicht 210 oder die freie Schicht 210 weist eine magnetische Polarisation auf, die in der Lage ist, zwischen einer parallelen Konfiguration und einer antiparallelen Konfiguration in Bezug auf die der gepinnten Magnetschicht 206 zu wechseln. Eine leitfähige obere Elektrode (Top Electrode) 132 ist über der freien Magnetschicht 210 angeordnet. Optional ist um die MRAM-Zelle 112 herum eine dielektrische Kapp- oder Abstandshalterschicht 212, zum Beispiel aus Siliziumnitrid (SiN), angeordnet. Die Abstandshalterschicht 212 kann auch Carbid (SiC), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumoxynitrid (SiON), Siliziumoxicarbid (SiOC) und/oder ein dielektrisches Material mit niedrigem k-Wert sein.
Die gepinnte Magnetschicht 206, die dielektrische Sperrschicht 208 und die freie Magnetschicht 210 bilden den magnetischen Tunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 124. Innerhalb des MTJ 124 können Elektronen bei Anlegen einer Differenzialspannung zwischen der leitfähigen unteren Elektrode 128 und der leitfähigen oberen Elektrode 132 durch die dielektrische Sperrschicht 208 tunneln. Wenn die Elektronen durch die dielektrische Sperrschicht 208 tunneln, so kann sich die magnetische Polarisation der freien Magnetschicht 210 ändern, wodurch sich ein Widerstandswert des MTJ 124 ändert. Wenn zum Beispiel eine Polarität der freien Magnetschicht 210 auf eine Polarität der gepinnten Magnetschicht 206 ausgerichtet ist, so hat der MTJ 124 einen ersten Widerstandswert, der einem ersten Datenzustand entspricht, zum Beispiel einer logischen „0“. Wenn die Polarität der freien Magnetschicht 210 nicht auf die Polarität der gepinnten Magnetschicht 206 ausgerichtet ist, so hat MTJ 124 einen zweiten Widerstandswert, der einem zweiten Datenzustand entspricht, zum Beispiel eine logische „1“.
Eine Durchkontaktierung 220 ist auf dem oberen Abschnitt 118 der leitfähigen oberen Elektrode 132 angeordnet. Die Durchkontaktierung 220 ist so konfiguriert, dass sie die leitfähige obere Elektrode 132 mit zusätzlichen Back-End-of-Line-Metallisierungsschichten (BEOL-Metallisierungsschichten), zum Beispiel einem Metalldraht, verbindet.
In einigen Ausführungsformen kann die leitfähige untere oder untere Elektrode 128 Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Titan (Ti) und/oder Tantal (Ta) enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die leitfähige untere Elektrode 128 eine Dicke in einem Bereich zwischen etwa 10 nm und etwa 100 nm aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die anti-ferromagnetische Schicht 204 Iridium-Mangan (IrMn), Eisen-Mangan (FeMn), Ruthenium-Mangan (RuMn), Nickel-Mangan (NiMn) und/oder Palladium-Platin-Mangan (PdPtMn) enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die gepinnte Magnetschicht 206 Cobalt (Co), Eisen (Fe), Bor (B) und/oder Ruthenium (Ru) enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die gepinnte Magnetschicht 206 eine Dicke in einem Bereich zwischen etwa 5 nm und etwa 10 nm aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Sperrschicht 208 Magnesiumoxid (MgO) und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) enthalten und kann eine Dicke in einem Bereich zwischen etwa 0,5 nm und etwa 2 nm aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die freie magnetische Schicht 210 eines oder mehrere von Cobalt (Co), Eisen (Fe) und Bor (B) enthalten und eine Dicke in einem Bereich zwischen etwa 1 nm und etwa 3 nm aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann die leitfähige obere Elektrode 132 Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Titan (Ti) und/oder Tantal (Ta) umfassen.
In einigen Ausführungsformen sind die Querschnitte (in einer x-z-Ebene) der freien Magnetschicht 210, der dielektrischen Sperrschicht 208, der gepinnten Magnetschicht 206, der anti-ferromagnetischen Schicht 204 und der leitfähigen unteren Elektrode 128 - entweder einzeln oder zusammen als Gruppe - im Wesentlichen spitzwinkligtrapezförmig. Die Breiten der freien magnetischen Schicht 210, der dielektrischen Sperrschicht 208, der gepinnten magnetischen Schicht 206, der anti-ferromagnetischen Schicht 204 und der leitfähigen unteren Elektrode 128 nehmen in entlang der Abwärtsrichtung in der z-Achse stetig zu. Diese spitzwinklig-trapezartige Querschnittsform ist das Ergebnis eines IBE-Prozesses, mit dem Seitenwände 230 der MRAM-Zelle 112 gebildet werden. Mit anderen Worten: Die freie magnetische Schicht 210, die dielektrische Sperrschicht 208, die gepinnte magnetische Schicht 206, die anti-ferromagnetische Schicht 204 und die leitfähige untere Elektrode 128 haben im Wesentlichen ausgerichtete und geneigte Seitenwände.
3A bis 3E veranschaulichen einen Wafer 300 auf verschiedenen Fertigungsstufen zur Herstellung des IC 100, der MRAM-Zelle 112 oder anderer Halbleiterstrukturen. Wie in 3A zu sehen, wird ein Wafer 300 empfangen. Der Wafer 300 weist einen Halbleiterkörper 302 auf. Der Halbleiterkörper 302 kann zum Beispiel ein Volumenhalbleitersubstrat sein, wie zum Beispiel ein Volumensiliziumsubstrat oder ein Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat). Innerhalb des Halbleiterkörpers 302 sind ein oder mehrere Auswahltransistoren 304 angeordnet. In einigen Ausführungsformen sind der eine oder die mehreren Auswahltransistoren 304 zwischen Isolationsregionen 305 (zum Beispiel STI-Regionen) angeordnet.
In einigen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren Auswahltransistoren 304 MOSFET-Vorrichtungen (Metall-Oxid-Silizium-Feldeffekttransistor-Vorrichtungen) enthalten. In solchen Ausführungsformen umfassen der eine oder die mehreren Auswahltransistoren 304 jeweils eine Source-Region 306 und eine Drain-Region 308, die durch eine Kanalregion 307 getrennt sind. Die Source-Region 306 umfasst einen ersten Dotierungstyp (zum Beispiel einen n-Dotanden), die Kanalregion 307 umfasst einen zweiten Dotierungstyp, der sich von dem ersten Dotierungstyp unterscheidet, und die Drain-Region 308 umfasst den ersten Dotierungstyp. In einigen Ausführungsformen umfasst der erste Dotierungstyp eine n-Dotierung, während in anderen Ausführungsformen der erste Dotierungstyp eine p-Dotierung umfasst. Eine Gate-Struktur 310, die eine Gate-Elektrode 311 umfasst, die von der Kanalregion 307 durch eine Gate-Oxidschicht 309 getrennt ist, ist so konfiguriert, dass sie den Fluss von Ladungsträgern zwischen der Source-Region 306 und der Drain-Region 308 steuert. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Gate-Struktur 310 ein dotierten Polysiliziummaterial oder einem Metallmaterial (zum Beispiel TiN, Al usw.) bestehen. In einigen Ausführungsformen können Seitenwandabstandshalter 312 (zum Beispiel SiN-Abstandshalter) auf gegenüberliegenden Seiten der Gate-Elektrode 311 angeordnet sein.
Ein Back-End-of-Line-Metallstapel (BEOL-Metallstapel) ist über dem Halbleiterkörper 302 angeordnet. Der BEOL-Metallstapel umfasst einen ersten Kontakt 314 a, der so konfiguriert ist, dass er die Source-Region 306 mit einer ersten Metalldrahtschicht 315, die als Source-Leitung fungiert, verbindet. Der BEOL-Metallstapel umfasst des Weiteren mehrere Metall-Interconnect-Schichten, die mit den Drain-Regionen 308, den Gates oder anderen Anschlüssen verbunden werden. In einigen Ausführungsformen können die mehreren Metall-Interconnect-Schichten einen oder mehrere Metallkontakte 314b und 314c umfassen, die innerhalb einer ersten Zwischenschicht-Dielektrikumschicht (ILD-Schicht) 316a angeordnet und so konfiguriert sind, dass sie die Drain-Region 308 elektrisch mit einer ersten Metalldrahtschicht 318a koppeln, die innerhalb einer zweiten ILD-Schicht 316b angeordnet ist. Zum Beispiel ist die Source-Leitung 315 ebenfalls innerhalb der zweiten ILD-Schicht 316b angeordnet. Die innerhalb der zweiten ILD-Schicht 316b gebildeten Metallmerkmale 318a, 315 werden auch als eine erste Metallisierungsebene bezeichnet.
Die Mehreren Metall-Interconnect-Schichten können des Weiteren eine erste Metall-Durchkontaktierungsschicht 320a umfassen, die innerhalb einer dritten ILD-Schicht 316c angeordnet und so konfiguriert ist, dass sie die erste Metalldrahtschicht 318a elektrisch mit einer zweiten Metalldrahtschicht 318b, die innerhalb der dritten ILD-Schicht 316c angeordnet ist, koppelt. Die Metallmerkmale, zum Beispiel 318b, die innerhalb der dritten ILD-Schicht 316c gebildet werden, werden auch als eine zweite Metallisierungsebene bezeichnet.
Eine oder mehrere MRAM-Zellen 112, 114 von 1 können über dem Wafer 300 gebildet werden. In einigen Ausführungsformen sind die Zwischenschicht-Dielektrikumschichten (ILD-Schichten) 316 (316a, 316b, 316c) durch Ätzstoppschichten 324 zum Beispiel aus SiN oder SiC getrennt.
Die Metall-Interconnect-Schichten 320a, 314b, 314a, 314c und die Metalldrähte 318a, 315, 318b in den ILD-Schichten 316a, 316b, 316c sind Zielmerkmale, die vor einer Beschädigung durch einen IBE-Prozess geschützt werden sollen. 3A zeigt - lediglich zu Veranschaulichungszwecken - nur eine einzige dritte ILD-Schicht 316c über der ersten Metallisierungsebene, die in der zweiten ILD 316b gebildet wird. Es versteht sich, dass mehrere Metallisierungsebenen über der zweiten ILD-Schicht 316b gebildet werden können und dass die Metallmerkmale in diesen Metallisierungsebenen Zielmerkmale sind, die vor Beschädigung durch einen IBE-Prozess geschützt werden sollen.
In 3B wird eine Hilfsmetall-Jumperstruktur 318c innerhalb einer Hilfs-ILD-Schicht 316d über der dritten ILD-Schicht 316c gebildet. Die Jumperstruktur 318c ist über eine Interconnect-Durchkontaktierung 320b mit dem Metalldraht 318b verbunden. Die Jumperstruktur 318c und die Interconnect-Durchkontaktierung 320b sind zu dem Zweck ausgebildet, einen vertikalen Hilfsabstand zwischen dem Metalldraht 318b und einer darüber auf dem Wafer 300 ausgebildeten MRAM-Zelle 112, 114 zu bilden. In einer Ausführungsform werden die Jumperstruktur 318c, die Interconnect-Durchkontaktierung 320b und das ILD 316d mit den gleichen Prozessen und Materialien gebildet wie die des Metalldrahtes 318b, der Durchkontaktierungsschicht 320a und des dritten ILD 316c. Zum Beispiel sind die Jumperstruktur 318c und die Interconnect-Durchkontaktierung 320b Kupfer (Cu), Aluminium (AI), Wolfram (W) oder Cobalt (Co). Die Hilfs-ILD-Schicht 316d kann zum Beispiel durch einen Dünnfilmprozess, zum Beispiel einen CVD- oder PVD-Prozess, oder einen anderen geeigneten Dünnfilmprozess gebildet werden. Die Durchkontaktierung 320b kann durch einen Damaszenprozess gebildet werden. Die Jumperstruktur 318c kann auch über der Durchkontaktierung 320b mittels Metallabscheidungs- und -strukturierungsverfahren wie einem Damaszenprozess oder einem Abhebeprozess gebildet und strukturiert werden.
In 3C wird eine BEVA-Durchkontaktierungsstruktur 322 in einer dielektrischen Schicht 326 über der Hilfs-ILD-Schicht 316d gebildet. Die BEVA-Durchkontaktierungsstruktur 322 weist ein anderes Material auf als das der Durchkontaktierungsschichten oder -strukturen 314b, 320a, 320b. In einer Ausführungsform ist die BEVA-Durchkontaktierungsstruktur 322 TiN. Die dielektrische Schicht 326 ist ein anderes dielektrisches Material als das der ILD-Schicht 316 (316a, 316b, 316c, 316d) und ist ein Material, das für die Abscheidung der BEVA-Durchkontaktierungsstruktur 322 zum Beispiel aus TiN geeignet ist. In einer Ausführungsform ist die dielektrische Schicht 326 eines oder mehrere von SrO und TEOS. In einer Ausführungsform wird eine Sperrschicht 328 zwischen der BEVA-Durchkontaktierungsstruktur 322 und der umgebenden dielektrischen Schicht 326 gebildet. Die Sperrschicht 328 ist eines oder mehrere von Ta und TaN. Die Sperrschicht 328 verhindert das Eindringen der TiN-Elemente in die umgebende dielektrische Schicht 326.
In einigen Ausführungsformen sind die Ätzstoppschichten 324a, 324b, 324c, 324d zwischen der ILD-Schicht 316a, 316b, 316c, 316d und der dielektrischen Schicht 326 angeordnet. In einigen Ausführungsformen sind die Ätzstoppschichten 324a, 324b, 324c, 324d aus SiC oder anderen geeigneten dielektrischen Materialien.
In 3D wird ein Stapel 330 aus MRAM-Schichten über der dielektrischen Schicht 326 gebildet. Der MRAM-Stapel 330 hat einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ), der zwischen einer leitfähigen Unterelektrodenschicht 332 und einer oberen Elektrodenschicht 334 angeordnet ist. Der MTJ umfasst eine anti-ferromagnetische Schicht 336, eine gepinnte Magnetschicht 340, eine dielektrische Sperrschicht 342 und eine freie Magnetschicht 344.
In 3E wird ein erster Ätzprozess 350 durchgeführt, um die obere Elektrodenschicht 334 gemäß einer ersten Maskierungsschicht 352 zu strukturieren, um eine leitfähige obere Elektrodenstruktur 354, 356 für MRAM-Zellen 112 bzw. 114 zu bilden.
4A bis 4M veranschaulichen die weitere Bildung der MRAM-Zellen 112, 114 unter Verwendung eines IBE-Prozesses auf einem Wafer 300 aus den 3A bis 3E oder anderen Wafern.
In 4A wird ein beispielhafter Wafer 400 empfangen. Der beispielhafte Wafer 400 kann der gleiche Wafer sein wie der Wafer 300 nach den Prozessen der 3A bis 3E. Der beispielhafte Wafer 400 ist so gezeigt, dass er einen ersten Bereich 402 für MRAM-Zellen und einen zweiten Bereich 404 für andere Schaltkreiselemente, zum Beispiel Logikelemente, aufweist.
4A zeigt, dass zwei Ebenen der Jumperstrukturen 418, 420 in zwei Hilfs-ILD-Schichten 422 bzw. 424 unter der BEVA-Durchkontaktierung 322 gebildet werden. Die zwei Ebenen der Jumperstrukturen 418, 420 vergrößern weiter die Distanz zwischen dem MRAM-Stapel 330 und den Zielmerkmalen unter den Hilfs-ILD-Schichten 422, 424, zum Beispiel den Zielmerkmalen 318b von 3D.
Der MTJ-Stapel 330 wird global auch auf dem Logikbereich 404 gebildet. Die Strukturierung entfernt die Schicht 334 aus dem Logikbereich 404 und legt die freie magnetische Schicht 344 sowohl auf dem MTJ-Bereich 402 als auch auf dem Logikbereich 404 frei, mit Ausnahme der Abschnitte, die von den oberen Elektroden 354, 356 abgedeckt werden.
In 4B wird eine Ätzstoppschicht 410 global über dem Wafer 300 gebildet. Die Ätzstoppschicht 410 ist so konfiguriert, dass sie eine IBE-Ätzung stoppt. In einem Beispiel ist die Ätzstoppschicht 410 aus SiC. Eine Maskenschicht 412 wird gebildet, um den Logikbereich 404 zu bedecken.
In 4C wird die Ätzstoppschicht 410 unter Verwendung der Maske 412 so strukturiert, dass der erste Bereich 402 von der strukturierten Ätzstoppschicht 410 frei gelegt wird und die strukturierte Ätzstoppschicht 410 den zweiten Bereich 404 des Wafers 400 bedeckt.
In 4D wird ein IBE-Prozess 430 durchgeführt, um den MRAM-Stapel 330 in dem ersten Bereich 402 zu strukturieren, wobei der zweite Bereich 404 von der Ätzstoppschicht 410 bedeckt wird. Genauer gesagt, werden Seitenwände 230 der MTJ-Struktur durch den IBE-Prozess gebildet. Des Weiteren wird aufgrund der geringen Selektivität des IBE-Prozesses eine Aussparung 440 neben der Seitenwand 230 und in der leitfähigen unteren Elektrode 332, der dielektrischen Schicht 326, der Hilfs-ILD-Schicht 422 a oder auch der Hilfs-ILD-Schicht 424 gebildet. Die Aussparung 440 erstreckt sich durch die dielektrische Schicht 326 der BEVA-Durchkontaktierung 322 und in die Hilfs-ILD-Schichten 422 hinein. Die Aussparung 440 endet an einem Punkt innerhalb der Hilfs-ILD-Schicht 422 oder 424, bevor sie sich in die Metallisierungsebenen erstreckt, in denen die Zielmerkmale gebildet werden. Zum Beispiel erstreckt sich die Aussparung 440 nicht in die dritte ILD-Schicht 316c, wo der Draht 318b positioniert ist.
Wie in 4E gezeigt, wird nach der Durchführung des IBE-Prozesses die Ätzstoppschicht 410 von dem zweiten Bereich 404 entfernt. In einigen Beispielen kann das Entfernen der Ätzstoppschicht 410 auch einen Abschnitt der dielektrischen Schicht 326 entfernen, die auf dem zweiten Bereich 404 gebildet wurde.
In 4F wird eine spaltfüllende dielektrische Schicht 450 gebildet, um die Aussparung 440 auszufüllen. In einer Ausführungsform ist die spaltfüllende dielektrische Schicht 450 - wegen ihres Spaltfüllvermögens - ein High Density Plasma-Dielektrikum („HDP“) und ein High Aspect Ratio Process-Dielektrikum („HARP“). In einigen Ausführungsformen kann die spaltfüllende dielektrische Schicht 450 aufgrund der Formen der MTJ-Strukturen 112, 114 Vorsprungsabschnitte über den MTJ-Strukturen 112, 114 aufweisen. In einigen Ausführungsformen liegt eine Oberseite 452 der spaltfüllenden dielektrischen Schicht 450 in dem zweiten Bereich 404 unter den Oberseiten 454 der MTJ-Strukturen 112, 114. Eine CMP-Stoppschicht 456, zum Beispiel aus SiN, wird global über der spaltfüllenden dielektrischen Schicht 450 gebildet.
In 4G wird ein CMP- oder ein anderer Polierprozess 458 auf dem Wafer 300 durchgeführt, der einen Abschnitt der CMP-Stoppschicht 456 und einen Abschnitt der spaltfüllenden dielektrischen Schicht 450 in dem ersten Bereich 402 entfernt. Das CMP-Verfahren 458 wird so gesteuert, dass die verbleibende spaltfüllende dielektrische Schicht 450 in dem ersten Bereich 402 noch die MTJ-Strukturen 112, 114 verkapselt. In einigen Ausführungsformen bleiben nach dem CMP-Verfahren 458 die spaltfüllende dielektrische Schicht 450 und mindestens ein Abschnitt der CMP-Stoppschicht 456 in dem zweiten Bereich 404 übrig.
In den 4H und 4I wird die verbleibende CMP-Stoppschicht 456 in dem zweiten Bereich 404 zum Beispiel durch Ätzen entfernt, wobei der erste Bereich 402 durch eine Maske 459 bedeckt wird.
In 4J wird die spaltfüllende dielektrische Schicht 450 für weitere Metallisierungsprozesse, die auf dem Wafer 400 durchgeführt werden sollen, strukturiert. Zum Beispiel wird, wie in 4J gezeigt, die spaltfüllende dielektrische Schicht 450 in dem zweiten Bereich 404 selektiv entfernt, während die verbleibende spaltfüllende dielektrische Schicht 450 in dem ersten Bereich 402 weiterhin die MTJ-Strukturen 112, 114 verkapselt.
In 4K wird eine ILD-Schicht 460 ähnlich den Hilfs-ILD-Schichten 422, 424 global über dem Wafer 300 gebildet. In einigen Ausführungsformen ist eine Oberseite 462 der ILD-Schicht 460 in dem zweiten Bereich 404 höher als eine Oberseite 464 der spaltfüllenden dielektrischen Schicht 450, die weiterhin die MTJ-Strukturen 112, 114 verkapselt. In dem ersten Bereich 402 wird eine Maskenschicht 466 wird über der ILD-Schicht 460 in dem zweiten Bereich 404 gebildet.
In 4L wird die ILD-Schicht 460 in dem ersten Bereich 402 auf ein Ebene 468 ausgedünnt, die im Wesentlichen auf derselben Ebene liegt wie die Oberseite 462 der ILD-Schicht 460 in dem zweiten Bereich 404.
Die Hilfs-ILD-Schicht 422, 424 bietet zusätzlichen Raum und zusätzliche Distanz, um die Aussparung 440 aufzunehmen. Dadurch werden die Zielmerkmale in den Metallisierungsebenen unter den Hilfs-ILD-Schichten 422, 424 vor einer Beschädigung durch den IBE-Prozess geschützt. Der IBE-Prozess stellt sicher, dass die Seitenwände 230 der MTJ-Strukturen 112, 114 nicht durch die chemische Reaktion eines konventionellen Inductively Coupled Plasma-Ätzens (ICP-Ätzens), wie reaktivem Ionenätzen (Reactive-Ion Etching, RIE), beschädigt werden.
In 4M werden in dem ersten Bereich 402 Verbindungsstrukturen 470 gebildet, die die MTJ-Strukturen 112, 114 kontaktieren, und in dem zweiten Bereich 404 werden Interconnect-Strukturen, zum Beispiel Jumperstrukturen oder Verbindungsinselstrukturen 480, gebildet. Die Merkmale 470 in dem ersten Bereich 402 und die Merkmale 480 in dem zweiten Bereich befinden sich im Wesentlichen auf derselben Ebene. Daher kann sowohl auf dem ersten Bereich 402 als auch auf dem zweiten Bereich 404 ein integriertes Verfahren, zum Beispiel die Back-End-of-Line-Verfahren für den Logikbereich, durchgeführt werden.
Die folgende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des beschriebenen Gegenstandes bereit. Im Folgenden werden konkrete Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Beschreibung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und dienen nicht der Einschränkung. Zum Beispiel kann das Bilden eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal ausgebildet sein können, so dass das erste und das zweite Merkmal nicht unbedingt in direktem Kontakt stehen. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und schafft nicht automatisch eine Beziehung zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
Des Weiteren können räumlich relative Begriffe, wie zum Beispiel „unterhalb“, „unter“, „unterer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen, im vorliegenden Text zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren veranschaulicht, zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen auch andere Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren gezeigten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht, oder sonstige Ausrichtungen), und die im vorliegenden Text verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können gleichermaßen entsprechend interpretiert werden.
In der vorliegenden Beschreibung werden bestimmte konkrete Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung zu ermöglichen. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass die Offenbarung auch ohne diese konkreten Details praktiziert werden kann. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen im Zusammenhang mit elektronischen Komponenten und Fertigungstechniken nicht im Detail beschrieben worden, um zu vermeiden, dass wesentliche Aspekte der Beschreibungen der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unnötig in den Hintergrund treten.
Sofern der Kontext nichts anderes erfordert, sind in der gesamten Spezifikation und in den folgenden Ansprüchen das Wort „aufweisen“ und seine Variationen, wie zum Beispiel „weist auf‟ und „umfasst“, in einem offenen, inkludierenden Sinn zu verstehen, das heißt als „einschließlich, aber nicht beschränkt auf‟.
Die Verwendung von Ordnungszahlen wie zum Beispiel „erster“, „zweiter“ und „dritter“ impliziert nicht unbedingt eine Rangfolge, sondern braucht lediglich zwischen mehreren Instanzen einer Aktion oder Struktur zu unterscheiden.
Wenn in dieser Spezifikation von „einer bestimmten Ausführungsform“ oder „einer Ausführungsform“ die Rede ist, so bedeutet das, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, das bzw. die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform enthalten ist. Somit bezieht sich das Vorkommen der Wendungen „in einer bestimmten Ausführungsform“ oder „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Spezifikation nicht unbedingt immer auf dieselbe Ausführungsform. Darüber hinaus können die besonderen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen auf jede geeignete Weise kombiniert werden.
Im Sinne dieser Spezifikation und den beigefügten Ansprüchen schließen die Singularformen „ein/einer/eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralbedeutungen ein, sofern der Inhalt nicht eindeutig etwas anderes verlangt. Es ist auch zu beachten, dass der Begriff „oder“ allgemein in der Bedeutung verwendet wird, die „und/oder“ umfasst, sofern der Inhalt nicht eindeutig etwas anderes verlangt.
Die vorliegende Offenbarung kann anhand der Beschreibung der folgenden Ausführungsformen noch besser verstanden werden:
In einer ersten Ausführungsform umfasst eine Magnetic Random Access Memory-Vorrichtung (MRAM-Vorrichtung) eine leitfähige untere Elektrode; eine anti-ferromagnetische Schicht, die über der leitfähigen unteren Elektrode angeordnet ist; einen magnetischen Tunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ), der über der anti-ferromagnetischen Schicht angeordnet ist, wobei der MTJ eine magnetische gepinnte Schicht, eine dielektrische Sperrschicht, die über der magnetischen gepinnten Schicht angeordnet ist, und eine magnetische freie Schicht, die über der dielektrischen Sperrschicht angeordnet ist, aufweist; eine erste Durchkontaktierungsstruktur, die mit der leitfähigen unteren Elektrode verbunden und unter ihr angeordnet ist, wobei die erste Durchkontaktierungsstruktur von einer ersten dielektrischen Schicht umgeben ist; und eine Metall-Jumperstruktur, die mit der ersten Durchkontaktierungsstruktur verbunden und unter ihr angeordnet ist, wobei die Metall-Jumperstruktur von einer zweiten dielektrischen Schicht umgeben ist.
In einer zweiten Ausführungsform weist eine Magnetic Random Access Memory-Vorrichtung (MRAM-Vorrichtung) eine erste MRAM-Zelle und eine zweite MRAM-Zelle auf. Die erste MRAM-Zelle weist auf: eine erste leitfähige untere Elektrode; einen ersten magnetischen Tunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ), der über der ersten leitfähigen unteren Elektrode angeordnet ist, wobei der erste MTJ eine erste magnetische gepinnte Schicht, eine erste dielektrische Sperrschicht, die über der ersten magnetischen gepinnten Schicht angeordnet ist, und eine erste magnetische freie Schicht, die über der ersten dielektrischen Sperrschicht angeordnet ist, aufweist; und eine erste Durchkontaktierungsstruktur, die mit der ersten leitfähigen unteren Elektrode verbunden und unter ihr angeordnet ist, wobei die erste Durchkontaktierungsstruktur von einer ersten dielektrischen Schicht umgeben ist. Die zweite MRAM-Zelle weist auf: eine zweite leitfähige untere Elektrode; einen zweiten magnetischen Tunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ), der über der zweiten leitfähigen unteren Elektrode angeordnet ist, wobei der zweite MTJ eine zweite magnetische gepinnte Schicht, eine zweite dielektrische Sperrschicht, die über der zweiten magnetischen gepinnten Schicht angeordnet ist, und eine zweite magnetische freie Schicht, die über der zweiten dielektrischen Sperrschicht angeordnet ist, aufweist; und eine zweite Durchkontaktierungsstruktur, die mit der zweiten leitfähigen unteren Elektrode verbunden und unter ihr angeordnet ist, wobei die zweite Durchkontaktierungsstruktur von der ersten dielektrischen Schicht umgeben ist. Die MRAM-Vorrichtung weist des Weiteren einen dielektrischen Körper auf, der seitlich zwischen der ersten leitfähigen unteren Elektrode und der zweiten leitfähigen unteren Elektrode angeordnet ist, wobei sich der dielektrische Körper vertikal durch die erste dielektrische Schicht erstreckt.
In einer dritten Ausführungsform umfasst ein Verfahren: Bilden einer leitfähigen Jumperstruktur in einer ersten dielektrischen Schicht über einem Wafer, wobei der Wafer einen Transistor und mehrere Metallisierungsebenen über dem Transistor aufweist; Bilden einer ersten Durchkontaktierungsstruktur über der leitfähigen Jumperstruktur in einer zweiten dielektrischen Schicht über der ersten dielektrischen Schicht, wobei die zweite dielektrische Schicht ein anderes dielektrisches Material als die erste dielektrische Schicht aufweist; und Bilden eines ersten Schichtstapels über der ersten Durchkontaktierungsstruktur. Der erste Schichtstapel weist auf: eine untere Elektrode; eine anti-ferromagnetische Schicht über der Unterelektrodenschicht; eine magnetische gepinnte Schicht über der anti-ferromagnetischen Schicht; eine dielektrische Sperrschicht, die über der magnetischen gepinnten Schicht angeordnet ist; und eine magnetische freie Schicht, die über der dielektrischen Sperrschicht angeordnet ist. Das Verfahren umfasst des Weiteren: gemeinsames Strukturieren des ersten Schichtstapels mittels Ionenstrahlätzen, wobei das Ionenstrahlätzen eine Aussparung bildet, die sich durch die zweite dielektrische Schicht erstreckt; und Bilden einer dritten dielektrischen Schicht, die die Aussparung ausfüllt.
Das oben Dargelegte umreißt Merkmale verschiedener Ausführungsformen oder Beispiele, so dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Dem Fachmann ist klar, dass er die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als Basis für das Entwerfen oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen verwenden kann, um die gleichen Zwecke und/oder die gleichen Vorteile wie bei den im vorliegenden Text vorgestellten Ausführungsformen oder Beispielen zu erreichen. Dem Fachmann sollte auch klar sein, dass solche äquivalenten Bauformen nicht das Wesen und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung verlassen, und dass er verschiedene Änderungen, Substituierungen und Modifizierungen an der vorliegenden Erfindung vornehmen kann, ohne vom Wesen und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.

Claims

Magnetic Random Access Memory-Vorrichtung, MRAM-Vorrichtung, die aufweist: eine leitfähige untere Elektrode; eine anti-ferromagnetische Schicht, die über der leitfähigen unteren Elektrode angeordnet ist; einen magnetischen Tunnelübergang, MTJ, der über der anti-ferromagnetischen Schicht angeordnet ist, wobei der MTJ eine magnetische gepinnte Schicht, eine dielektrische Sperrschicht, die über der magnetischen gepinnten Schicht angeordnet ist, und eine magnetische freie Schicht, die über der dielektrischen Sperrschicht angeordnet ist, aufweist; eine erste Durchkontaktierungsstruktur, die mit der leitfähigen unteren Elektrode verbunden und unter ihr angeordnet ist, wobei die erste Durchkontaktierungsstruktur von einer ersten dielektrischen Schicht umgeben ist; und eine Metall-Jumperstruktur, die mit der ersten Durchkontaktierungsstruktur verbunden und unter ihr angeordnet ist, wobei die Metall-Jumperstruktur von einer zweiten dielektrischen Schicht umgeben ist.
MRAM-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der MTJ eine schräge Seitenwand aufweist und die magnetische gepinnte Schicht eine größere Breite als die magnetische freie Schicht aufweist.
MRAM-Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die anti-ferromagnetische Schicht eine größere Breite aufweist als die magnetische gepinnte Schicht.
MRAM-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die des Weiteren einen dielektrischen Körper aufweist, der neben dem MTJ angeordnet ist, wobei sich der dielektrische Körper durch die erste dielektrische Schicht abwärts erstreckt, wobei der dielektrische Körper ein anderes dielektrisches Material als die erste dielektrische Schicht aufweist.
MRAM-Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei sich der dielektrische Körper abwärts teilweise in die zweite dielektrische Schicht erstreckt und stoppt, bevor er eine Unterseite der zweiten dielektrischen Schicht erreicht.
MRAM-Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei sich der dielektrische Körper seitlich neben der unteren Elektrode befindet.
MRAM-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Durchkontaktierungsstruktur ein anderes leitfähiges Material als die Metall-Jumperstruktur aufweist.
MRAM-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Durchkontaktierungsstruktur TiN ist.
MRAM-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste dielektrische Schicht aus SrO und/oder TEOS hergestellt ist.
MRAM-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste dielektrische Schicht dünner ist als die zweite dielektrische Schicht.
MRAM-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Durchkontaktierungsstruktur von einer Sperrschicht aus Ta und/oder TaN umgeben ist.
MRAM-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die leitfähige untere Elektrode seitlich an eine dielektrische Schicht grenzt, die sich von der ersten dielektrischen Schicht unterscheidet.
Magnetic Random Access Memory-Vorrichtung, MRAM-Vorrichtung, die aufweist: eine erste MRAM-Zelle, die aufweist: eine erste leitfähige untere Elektrode; einen ersten magnetischen Tunnelübergang, MTJ, der über der ersten leitfähigen unteren Elektrode angeordnet ist, wobei der erste MTJ eine erste magnetische gepinnte Schicht, eine erste dielektrische Sperrschicht, die über der ersten magnetischen gepinnten Schicht angeordnet ist, und eine erste magnetische freie Schicht, die über der ersten dielektrischen Sperrschicht angeordnet ist, aufweist; und eine erste Durchkontaktierungsstruktur, die mit der ersten leitfähigen unteren Elektrode verbunden und unter ihr angeordnet ist, wobei die erste Durchkontaktierungsstruktur von einer ersten dielektrischen Schicht umgeben ist; eine zweite MRAM-Zelle, die aufweist: eine zweite leitfähige untere Elektrode; einen zweiten magnetischen Tunnelübergang, MTJ, der über der zweiten leitfähigen unteren Elektrode angeordnet ist, wobei der zweite MTJ eine zweite magnetische gepinnte Schicht, eine zweite dielektrische Sperrschicht, die über der zweiten magnetischen gepinnten Schicht angeordnet ist, und eine zweite magnetische freie Schicht, die über der zweiten dielektrischen Sperrschicht angeordnet ist, aufweist; und eine zweite Durchkontaktierungsstruktur, die mit der zweiten leitfähigen unteren Elektrode verbunden und unter ihr angeordnet ist, wobei die zweite Durchkontaktierungsstruktur von der ersten dielektrischen Schicht umgeben ist; und einen dielektrischen Körper, der seitlich zwischen der ersten leitfähigen unteren Elektrode und der zweiten leitfähigen unteren Elektrode angeordnet ist, wobei sich der dielektrische Körper vertikal durch die erste dielektrische Schicht erstreckt.
MRAM-Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der dielektrische Körper ein anderes dielektrisches Material als die erste dielektrische Schicht aufweist.
MRAM-Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei der dielektrische Körper eines oder mehrere von einem dielektrischen High Density Plasma-Material und einem dielektrischen High Aspect Ratio Process-Material aufweist.
MRAM-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, die des Weiteren eine erste Jumperstruktur, die direkt unter der ersten Durchkontaktierungsstruktur angeordnet und mit ihr verbunden ist, und eine zweite Jumperstruktur, die direkt unter der zweiten Durchkontaktierungsstruktur angeordnet und mit ihr verbunden ist, aufweist.
MRAM-Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der dielektrische Körper seitlich zwischen der ersten Jumperstruktur und der zweiten Jumperstruktur angeordnet ist.
MRAM-Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die erste Jumperstruktur und die zweite Jumperstruktur jeweils ein anderes leitfähiges Material als die erste Durchkontaktierungsstruktur bzw. die zweite Durchkontaktierungsstruktur aufweisen.
Verfahren, das umfasst: Bilden einer leitfähigen Jumperstruktur in einer ersten dielektrischen Schicht über einem Wafer, wobei der Wafer einen Transistor und mehrere Metallisierungsebenen über dem Transistor aufweist; Bilden einer ersten Durchkontaktierungsstruktur über der leitfähigen Jumperstruktur in einer zweiten dielektrischen Schicht über der ersten dielektrischen Schicht, wobei die zweite dielektrische Schicht ein anderes dielektrisches Material als die erste dielektrische Schicht aufweist; und Bilden eines ersten Schichtstapels über der ersten Durchkontaktierungsstruktur, wobei der erste Schichtstapel aufweist: eine untere Elektrode; eine anti-ferromagnetische Schicht über der Unterelektrodenschicht; eine magnetische gepinnte Schicht über der anti-ferromagnetischen Schicht; eine dielektrische Sperrschicht, die über der magnetischen gepinnten Schicht angeordnet ist; und eine magnetische freie Schicht, die über der dielektrischen Sperrschicht angeordnet ist; und gemeinsames Strukturieren des ersten Schichtstapels mittels Ionenstrahlätzen, wobei das Ionenstrahlätzen eine Aussparung bildet, die sich durch die zweite dielektrische Schicht erstreckt; und Bilden einer dritten dielektrischen Schicht, die die Aussparung ausfüllt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei sich die Aussparung teilweise in die erste dielektrische Schicht erstreckt.