DE102020132375A1

DE102020132375A1 - Halbleitervorrichtungen und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102020132375A1
Application number: DE102020132375.1A
Authority: DE
Inventors: Tsung-Hsueh Yang
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2022-02-17
Also published as: US11672180B2; CN113725354A; TW202207496A; TWI754552B; US20230255119A1; US20220052255A1; KR20220020187A; KR102499017B1

Abstract

Es sind Halbleitervorrichtungen und Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtungen vorgesehen, bei denen Abstandshalter verwendet werden, um zum Schutz von unteren Elektroden-Durchkontaktierungen beizutragen. In bestimmten Ausführungsformen wird eine Öffnung durch dielektrische Schichten gebildet, und Abstandshalter werden entlang Seitenwänden der dielektrischen Schichten gebildet. Eine untere Elektroden-Durchkontaktierung wird neben den Abstandshaltern gebildet, es wird eine untere Elektrode gebildet, eine magnetische Tunnelübergangs- (MTJ)-Struktur wird über der unteren Elektrode gebildet und eine obere Elektrode wird über der MTJ-Struktur gebildet. Die Struktur wird strukturiert, und die Abstandshalter tragen dazu bei, die untere Elektroden-Durchkontaktierung während des Strukturierungsprozesses vor unerwünschten Beschädigungen zu schützen.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH UND BEZUGNAHME
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung 63/064 087 , eingereicht am 11. August 2020, die hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Halbleitervorrichtungen werden in einer Vielzahl von elektronischen Anwendungen verwendet, beispielsweise PCs, Mobiltelefonen, Digitalkameras und anderen elektronischen Geräten. Halbleitervorrichtungen werden üblicherweise hergestellt, indem nacheinander isolierende bzw. dielektrische Schichten, leitfähige Schichten und Halbleiterschichten aus verschiedenen Materialien über einem Halbleitersubstrat abgeschieden werden und die verschiedenen Materialschichten unter Verwendung von Lithographie- und Ätzprozessen strukturiert werden, um Schaltungskomponenten und -elemente darauf auszubilden.
Die Halbleiterindustrie verbessert die Integrationsdichte verschiedener elektronischer Komponenten (z.B. Transistoren, Dioden, Widerständen, Kondensatoren etc.) durch fortlaufende Verkleinerung der minimalen Merkmalsgröße, wodurch mehr Komponenten in eine vorgegebene Fläche integriert werden können. Wenn jedoch die minimalen Merkmalsgrößen verkleinert werden, entstehen weitere Probleme in jedem der verwendeten Prozesse, und diese weiteren Probleme sollten gelöst werden.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Man beachte, dass gemäß dem üblichen Vorgehen in der Branche verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zur Klarheit der Beschreibung beliebig vergrößert oder verkleinert sein.

1 zeigt die Ausbildung von dielektrischen Schichten über einem Substrat gemäß einigen Ausführungsformen.
2 zeigt ein Bilden einer ersten Öffnung in den dielektrischen Schichten gemäß einigen Ausführungsformen.
3 zeigt ein Bilden eines Abstandsmaterials gemäß einigen Ausführungsformen.
4 zeigt ein Bilden eines Abstandshalters gemäß einigen Ausführungsformen.
5 zeigt ein Bilden einer unteren Elektroden-Durchkontaktierung gemäß einigen Ausführungsformen.
6 zeigt ein Abscheiden einer unteren Elektrode, einer MTJ-Struktur und einer oberen Elektrode gemäß einigen Ausführungsformen.
7A-7B zeigen einen Ätzprozess gemäß einigen Ausführungsformen.
8 zeigt ein Bilden eines Dielektrikums gemäß einigen Ausführungsformen.
9 zeigt ein Bilden eines Dielektrikums gemäß einigen Ausführungsformen.
10 zeigt ein Bilden eines Kontakts gemäß einigen Ausführungsformen.
11 zeigt ein Anordnen eines Photoresist in einer versetzten Position gemäß einigen Ausführungsformen.
12A-12B zeigen einen versetzten Ätzprozess gemäß einigen Ausführungsformen.
13 zeigt ein Bilden der ersten Öffnung vollständig in der zweiten dielektrischen Schicht gemäß einigen Ausführungsformen.
14 zeigt ein Bilden des Abstandshalters vollständig in der zweiten dielektrischen Schicht gemäß einigen Ausführungsformen.
15A-15B zeigen ein Bilden der unteren Elektrode, der MTJ-Struktur und der oberen Elektrode gemäß einigen Ausführungsformen.
16A-16B zeigen eine Versetzungs-Ausführungsform, wobei der Abstandshalter gemäß einigen Ausführungsformen vollständig in der zweiten dielektrischen Schicht gebildet ist.
17A-17C zeigen eine Ausführungsform, bei der Teile eines Dielektrikums gemäß einigen Ausführungsformen neben dem Abstandshalter verbleiben.
18A-18B zeigen eine Versetzungs-Ausführungsform, bei der Teile des Dielektrikums gemäß einigen Ausführungsformen neben dem Abstandshalter verbleiben.
19A-19B zeigen eine Ausführungsform, bei der Teile des Dielektrikums neben dem Abstandshalter verbleiben und der Abstandshalter gemäß einigen Ausführungsformen vollständig in dem Dielektrikum gebildet ist.
20A-20B zeigen eine Versetzungs-Ausführungsform, bei der Teile des Dielektrikums neben dem Abstandshalter verbleiben und der Abstandshalter gemäß einigen Ausführungsformen vollständig in dem Dielektrikum gebildet ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung sieht viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele vor, um verschiedene Merkmale der Erfindung zu implementieren. Spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind unten beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und sollen nicht einschränkend wirken. Beispielsweise kann das Bilden eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, in denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt gebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, in denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten Merkmal und dem zweiten Merkmal gebildet sein können, so dass das erste und das zweite Merkmal nicht in direktem Kontakt stehen müssen. Zusätzlich kann die vorliegende Offenbarung Bezugszeichen in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
Weiter können räumlich relative Begriffe, wie „unten“, „unter“, „unterer“, „über“, „oberer“ und ähnliche, hier der Einfachheit der Beschreibung halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals mit einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie sie in den FIG. gezeigt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung, die verwendet oder betrieben wird, zusätzlich zu der in den FIG. gezeigten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Ausrichtung) ausgerichtet sein und die räumlich relativen Begriffe, die hier verwendet werden, können auch dahingehend interpretiert werden.
Ausführungsformen werden nun in Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform beschrieben, bei der Abstandshalter 401 verwendet werden, um eine untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 zu schützen, die eine elektrische Verbindung zu einer magnetischen Direktzugriffsspeicher- (MRAM)-Vorrichtung 100 herstellt. Die hier beschriebenen Ausführungsformen können jedoch in einer Vielzahl von Strukturen und Verfahren implementiert werden, und alle diese Ausführungsformen sollen vollständig in den Umfang der Beschreibung einbezogen werden.
Unter Bezugnahme auf 1 zeigt 1 eine halbgefertigte MRAM-Vorrichtung 100, wobei die MRAM-Vorrichtung 100 ein Halbleitersubstrat 101, aktive Vorrichtungen 103 in einem aktiven Bereich des Halbleitersubstrats 101, Metallisierungsschichten 105, die über den aktiven Vorrichtungen 103 angeordnet sind, und eine leitfähige Leitung 107 enthält, die sich in einer oberen Schicht der Metallisierungsschichten 105 befindet.
In einer Ausführungsform kann das Halbleitersubstrat 101 dotiertes oder undotiertes Bulk-Silizium oder eine aktive Schicht eines Silizium-auf-Isolator- (SOI)-Substrats enthalten. Im Allgemeinen enthält ein SOI-Substrat eine Schicht aus einem Halbleitermaterial wie Silizium, Germanium, Siliziumgermanium, SOI, Siliziumgermanium-auf-Isolator (SGOI) oder Kombinationen davon. Andere Substrate, die verwendet werden können, enthalten Mehrschichtsubstrate, Gradientsubstrate oder Substrate mit hybrider Orientierung.
Das Halbleitersubstrat 101 kann aktive Vorrichtungen 103 enthalten. Wie Durchschnittsfachleute erkennen werden, können eine Vielzahl von aktiven und passiven Vorrichtungen wie Transistoren (z. B. planare Transistoren, FinFETs (Finnen-Feldeffekttransistoren), Nanodrahttransistoren usw.), Kondensatoren, Widerstände, Kombinationen davon und dergleichen verwendet werden, um die gewünschten strukturellen und funktionellen Anforderungen des Entwurfs für die MRAM-Vorrichtung 100 zu erfüllen. Die aktiven Vorrichtungen 103 können unter Verwendung beliebiger geeigneter Verfahren gebildet werden.
Die Metallisierungsschichten 105 sind über dem Halbleitersubstrat 101 und den aktiven Vorrichtungen 103 gebildet und sind so ausgelegt, dass sie die verschiedenen aktiven Vorrichtungen 103 so verbinden, dass sie funktionale Schaltungen bilden. Während sie in 1 als einzelne Schicht gezeigt sind, werden die Metallisierungsschichten 105 von abwechselnden Schichten aus dielektrischem und leitfähigem Material gebildet und können durch jeden geeigneten Prozess (wie Abscheidung, Damascene, Dual-Damascene usw.) gebildet werden. In einer Ausführungsform können eine oder mehrere Metallisierungsschichten über dem Halbleitersubstrat 101 vorhanden sein, aber die genaue Anzahl der Metallisierungsschichten 105 hängt vom Entwurf der Halbleitervorrichtung ab.
Die leitfähige Leitung 107 ist als Teil der leitfähigen Abschnitte der Metallisierungsschichten 105 gebildet. In einer bestimmten Ausführungsform wird die leitfähige Leitung 107 unter Verwendung eines Damascene- oder Dual-Damascene-Prozesses gebildet, wobei eine Öffnung in einem dielektrischen Abschnitt der Metallisierungsschichten 105 gebildet wird und die Öffnung mit einem oder mehreren leitfähigen Materialien wie Sperrschichten und Füllmaterialien wie Kupfer gefüllt wird. Es kann jedoch jedes geeignete Verfahren verwendet werden.
1 zeigt auch die Ausbildung einer ersten dielektrischen Schicht 109, einer zweiten dielektrischen Schicht 111 und einer dritten dielektrischen Schicht 113, die über der leitfähigen Leitung 107 gebildet sind. Die erste dielektrische Schicht 109 kann ein Dielektrikum wie SiCN, SiOCN oder SiOC, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Phosphorsilikatglas (PSG), Borsilikatglas (BSG), bordotiertes Phosphorsilikatglas (BPSG), undotiertes Silikatglas (USG), Kombinationen davon oder dergleichen enthalten, das unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses wie Atomlagenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, Kombinationen davon oder dergleichen gebildet wird. Die erste dielektrische Schicht 109 kann auf eine Dicke zwischen etwa 100 Å und etwa 300 Å abgeschieden sein. Es kann jedoch jedes geeignete Material, jeder geeignete Abscheidungsprozess und jede geeignete Dicke verwendet werden.
Die zweite dielektrische Schicht 111 ist über der ersten dielektrischen Schicht 109 gebildet. In einer Ausführungsform kann die zweite dielektrische Schicht 111 aus einem anderen Dielektrikum als die erste dielektrische Schicht 109 bestehen, beispielsweise einem siliziumreichen Oxid (SRO), Siliziumoxykarbid, SiCN oder SiOCN, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Phosphorsilikatglas (PSG), Borsilikatglas (BSG), bordotiertem Phosphorsilikatglas (BPSG), undotiertem Silikatglas (USG), Kombinationen davon oder dergleichen, das unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses wie Atomlagenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, Kombinationen davon oder dergleichen gebildet wird. Die zweite dielektrische Schicht 111 kann auf eine Dicke zwischen etwa 600 Å und etwa 1200 Å abgeschieden sein. Es kann jedoch jedes geeignete Material, jeder geeignete Abscheidungsprozess und jede geeignete Dicke verwendet werden.
Die dritte dielektrische Schicht 113 ist über der zweiten dielektrischen Schicht 111 gebildet. In einer Ausführungsform kann die dritte dielektrische Schicht 113 aus einem anderen Dielektrikum als die zweite dielektrische Schicht 111 bestehen, beispielsweise einer stickstofffreien Antireflexionsschicht (NFARC), einem siliziumreichen Oxid (SRO), Siliziumoxykarbid, SiCN, SiOCN, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Phosphorsilikatglas (PSG), Borsilikatglas (BSG), bordotiertem Phosphorsilikatglas (BPSG), undotiertem Silikatglas (USG), Kombinationen davon oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen wird die dritte dielektrische Schicht 113 durch Atomlagenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Kombinationen davon oder dergleichen gebildet. Die dritte dielektrische Schicht 113 kann auf eine Dicke zwischen etwa 200 Å und etwa 400 Å abgeschieden sein. Es kann jedoch jedes geeignete Material, jeder geeignete Abscheidungsprozess und jede geeignete Dicke verwendet werden.
1 zeigt ferner die Anordnung eines ersten Photoresist 115 über der dritten dielektrischen Schicht 113, um zur Strukturierung einer ersten Öffnung 201 (nicht in 1 gezeigt, aber weiter unten in Bezug auf 2 gezeigt und beschrieben) durch die dritte dielektrische Schicht 113, die zweite dielektrische Schicht 111 und teilweise in die erste dielektrische Schicht 109 beizutragen. In einer Ausführungsform kann der erste Photoresist 115 ein dreischichtiger Photoresist (z. B. mit einer unteren Antireflexionsschicht, einer Hartmaskenschicht und einer lichtempfindlichen Schicht) oder sogar eine Einzelschicht einer lichtempfindlichen Schicht sein. Es kann eine beliebige geeignete Anzahl von Schichten verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann der erste Photoresist 115 unter Verwendung eines oder mehrerer Prozesse wie chemischer Gasphasenabscheidung, Atomlagenabscheidung, Rotationsbeschichtungsprozesse, Kombinationen davon oder dergleichen abgeschieden bzw. platziert werden. Nachdem der erste Photoresist 115 vorhanden ist, kann die lichtempfindliche Schicht strukturiert werden, indem die lichtempfindliche Schicht einer strukturierten Energiequelle (z. B. Licht) ausgesetzt wird. Nach der Belichtung kann die lichtempfindliche Schicht entwickelt und dann als Maske verwendet werden, um unter dem ersten Photoresist 115 liegende Schichten zu strukturieren und die dritte dielektrische Schicht 113 freizulegen.
2 zeigt, dass die erste Öffnung 201 gebildet werden kann, nachdem der erste Photoresist 115 strukturiert wurde. In einer Ausführungsform kann die erste Öffnung 201 gebildet werden, indem eine oder mehrere Trockenätzungen wie beispielsweise reaktive Ionenätzungen verwendet werden, die den ersten Photoresist 115 als Maske verwenden, um nacheinander durch die dritte dielektrische Schicht 113, die zweite dielektrische Schicht 111 und die erste dielektrische Schicht 109 zu ätzen. Es können jedoch beliebige geeignete Ätzprozesse verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann die erste Öffnung 201 so gebildet werden, dass sie eine erste Breite W1 entlang einer Oberseite der ersten Öffnung 201 zwischen etwa 27 nm und etwa 80 nm oder zwischen etwa 50 nm und etwa 60 nm aufweist. Ferner kann angesichts der gerichteten Natur der Ätzprozesse die erste Öffnung 201 auch eine zweite Breite W2 entlang eines Bodens der ersten Öffnung 201 zwischen etwa 50 nm und etwa 70 nm aufweisen. Es können jedoch beliebige geeignete Breiten verwendet werden.
Während die beschriebenen Ätzprozesse die erste Öffnung 201 vollständig durch die dritte dielektrische Schicht 113 und die zweite dielektrische Schicht 111 ausbilden können, können die Ätzprozesse in dieser Ausführungsform die erste Öffnung 201 nur teilweise durch die erste dielektrische Schicht 109 ausbilden. Als solches kann sich die erste Öffnung 201 um eine erste Abmessung D1 zwischen etwa 50 Å und etwa 150 Å in die erste dielektrische Schicht 109 erstrecken. Durch Stoppen des Ätzprozesses verbleibt ein Teil der ersten dielektrischen Schicht 109 zwischen der ersten Öffnung 201 und der leitfähigen Leitung 107, wobei dieser Teil der ersten dielektrischen Schicht 109 eine zweite Abmessung D2 zwischen etwa 100 Å und etwa 150 Å aufweisen kann. Es kann jedoch jede geeignete Abmessung verwendet werden.
3 zeigt ein Abscheiden eines ersten Abstandsmaterials 301 zum Auskleiden der ersten Öffnung 201. In einer Ausführungsform kann das erste Abstandsmaterial 301 ein Dielektrikum sein, das eine hohe Selektivität für einen nachfolgenden Ätzprozess (z. B. den Nassätzprozess, der zum Ätzen der zweiten dielektrischen Schicht 111 verwendet wird und der nachstehend in Bezug auf 7A beschrieben wird) aufweist. Beispielsweise kann das erste Abstandsmaterial 301 ein Material sein, das eine gute Oxidselektivität für ein Ätzmittel aus verdünnter Flusssäure (dHF) aufweist. Beispielsweise kann eine Oxid/Siliziumnitrid-Ätzselektivität höher als 10 sein, wenn ein Ätzmittel wie verdünnte Flusssäure (dHF, z. B. mit einem Volumenverhältnis von H2O:HF von etwa 100:1) und ein erstes Abstandsmaterial 301 wie Siliziumnitrid verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann das erste Abstandsmaterial 301 ein Material wie Siliziumnitrid (SiNx), Siliziumoxynitrid (SiOxNy), Siliziumoxid (SiOx), Siliziumoxykarbid (SiCxOy), Siliziumoxykarbonitrid (SiCxOyNz) oder Siliziumkohlenstoff (SiCx) Kombinationen davon oder dergleichen sein, wobei x, y und z unabhängig voneinander eine beliebige positive Zahl sein können. Es kann jedoch jedes geeignete Material verwendet werden.
Das erste Abstandsmaterial 301 kann unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses wie plasmaunterstützter Atomlagenabscheidung, Atomlagenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, Kombinationen davon oder dergleichen abgeschieden werden. Ferner kann das erste Abstandsmaterial 301 auf eine Dicke zwischen etwa 10 Å und etwa 100 Å abgeschieden werden. Es können jedoch jeder geeignete Abscheidungsprozess und jede geeignete Dicke verwendet werden.
4 zeigt einen Auskleidungsentfernungsprozess, bei dem ferner das erste Abstandsmaterial 301 so strukturiert wird, dass Abstandshalter 401 gebildet werden. In einer Ausführungsform kann der Auskleidungsentfernungsprozess ein anisotroper Trockenätzprozess sein, bei dem Ätzmittel verwendet werden, die für das Material des ersten Abstandsmaterials 301 selektiv sind. Als solches entfernt der anisotrope Ätzprozess horizontale Abschnitte des ersten Abstandsmaterials 301 (z. B. Abschnitte, die entlang der dritten dielektrischen Schicht 113 und entlang eines Bodens der ersten Öffnung 201 angeordnet sind), während vertikale Abschnitte des ersten Abstandsmaterials 301 (z. B. Abschnitte entlang Seitenwänden der ersten Öffnung 201) zurückbleiben. Als solche sind die Abstandshalter 401 entlang der Seitenwände der ersten Öffnung 201 gebildet.
Nachdem ferner die horizontalen Abschnitte des ersten Abstandsmaterials 301 von der dritten dielektrischen Schicht 113 entfernt wurden (so dass die dritte dielektrische Schicht 113 freigelegt wird) und auch vom Boden der ersten Öffnung 201 entfernt wurden (so dass die erste dielektrische Schicht 109 freigelegt wird), kann die dritte dielektrische Schicht 113 entfernt werden und die erste dielektrische Schicht 109 kann so durchstoßen werden, dass die leitfähige Leitung 107 freigelegt wird. In einer Ausführungsform können die dritte dielektrische Schicht 113 und die erste dielektrische Schicht 109 unter Verwendung eines oder mehrerer Ätzprozesse wie beispielsweise Trockenätzprozesse unter Verwendung von Ätzmitteln entfernt werden, die für die Materialien der dritten dielektrischen Schicht 113 und der ersten dielektrischen Schicht 109 selektiv sind. In einigen Ausführungsformen kann der gleiche Ätzprozess, der zum Bilden der Abstandshalter 401 verwendet wird, zum Entfernen der dritten dielektrischen Schicht 113 und der ersten dielektrischen Schicht 109 verwendet werden. Es kann jedoch jede geeignete Anzahl von Ätzprozessen verwendet werden.
5 zeigt ein Bilden einer unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 in der ersten Öffnung 201. In einer Ausführungsform kann die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 eine Sperrschicht (aus Gründen der Klarheit nicht getrennt gezeigt) und ein leitfähiges Füllmaterial enthalten. Die Sperrschicht kann ein Material wie Titan, Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid, Kombinationen davon oder dergleichen sein, wobei ein Abscheidungsprozess wie Atomlagenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Kombinationen davon oder dergleichen verwendet wird. Es können jedoch alle geeigneten Materialien und Herstellungsverfahren verwendet werden.
Das leitfähige Füllmaterial kann Kupfer enthalten, obwohl alternativ andere geeignete Materialien wie Aluminium, Legierungen, dotiertes Polysilizium, Kombinationen davon und dergleichen verwendet werden können. Das leitfähige Füllmaterial kann gebildet werden, indem zunächst eine Keimschicht (nicht gezeigt) abgeschieden und dann Kupfer auf die Keimschicht elektroplattiert wird, wobei die erste Öffnung 201 gefüllt und überfüllt wird. Nachdem die erste Öffnung 201 gefüllt ist, kann überschüssiges Material der Sperrschicht, der Keimschicht und des leitfähigen Füllmaterials außerhalb der ersten Öffnung 201 durch einen Planarisierungsprozess wie chemisch-mechanisches Polieren (CMP) entfernt werden, obwohl jeder geeignete Entfernungsprozess verwendet werden kann.
Indem, wie in 5 gezeigt, die Abstandshalter 401 vor dem Bilden der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 gebildet wurden, bedecken die Abstandshalter 401 obere Abschnitte der Seitenwände der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501, während untere Abschnitte der Seitenwände der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 nicht von den Abstandshaltern 401 bedeckt sind und in direktem räumlichen Kontakt mit der ersten dielektrischen Schicht 109 stehen. In einer bestimmten Ausführungsform kann ein Verhältnis der abgedeckten Seitenwände zu den nicht abgedeckten Seitenwänden zwischen etwa 6 und etwa 12 liegen. Es kann jedoch jeder geeignete Wert verwendet werden.
Zusätzlich können durch Verwendung der Abstandshalter 401 die Gesamtabmessungen der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 weiter verringert werden, ohne dass ein Risiko der Beschädigung oder Freilegung während nachfolgender Ätzprozesse besteht. Beispielsweise kann bei Verwendung der Abstandshalter 401 die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 eine kleinere dritte Breite W3 von zwischen etwa 25 nm und etwa 40 nm aufweisen, beispielsweise weniger als 40 nm. Durch den Schutz der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 durch die Abstandshalter 401 müssen außerdem andere Prozesse (z. B. nachfolgende Ätzprozesse) zum Vermeiden einer Beschädigung der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 nicht so streng gesteuert werden, was eine Vergrößerung des Gesamt-Prozessfensters und eine höhere Flexibilität ermöglicht.
6 zeigt ein Bilden einer unteren Elektrode 601, einer magnetischen Tunnelübergangs- (MTJ)-Struktur 603 und einer oberen Elektrode 605. Die untere Elektrode 601 wird über der zweiten dielektrischen Schicht 111 gebildet, steht in physischem Kontakt mit der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 und steht in elektrischer Verbindung mit der leitfähigen Leitung 107. In einer Ausführungsform enthält die untere Elektrode 601 ein leitfähiges Material wie Titan (Ti), Tantal (Ta), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Wolfram (W), Aluminium (AI), Kupfer (Cu), Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Wolframnitrid (WN), Kobalt (Co), Molybdän (Mo), eine Legierung davon oder Kombinationen davon und kann unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses wie Atomlagenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, Kombinationen davon oder dergleichen gebildet werden. Die untere Elektrode 601 kann auf eine Dicke zwischen etwa 100 Å und etwa 250 Å gebildet werden. Es können jedoch alle geeigneten Materialien und alle geeigneten Herstellungsverfahren verwendet werden.
Nachdem die untere Elektrode 601 gebildet ist, kann die MTJ-Struktur 603 gebildet werden. In einer Ausführungsform kann die MTJ-Struktur 603 mit einem antiferromagnetischen Material, einer gepinnten ferromagnetischen Schicht, einer Tunnelschicht und einer freien ferromagnetischen Schicht (in 6 der Klarheit halber nicht getrennt gezeigt) gebildet werden. In einer Ausführungsform wird die Schicht aus antiferromagnetischem Material (AFM) über der unteren Elektrode 601 gebildet. In der Schicht aus antiferromagnetischem Material (AFM) richten sich die magnetischen Momente von Atomen (oder Molekülen) in einer regelmäßigen Struktur mit den magnetischen Momenten benachbarter Atome (oder Moleküle) entgegengesetzter Richtung aus. Ein magnetisches Restmoment der AFM-Schicht ist Null. In bestimmten Ausführungsformen enthält die AFM-Schicht Platinmangan (PtMn), Iridiummangan (IrMn), Rhodiummangan (RhMn), Eisenmangan (FeMn), Kombinationen davon oder dergleichen, die unter Verwendung von Abscheidungsverfahren wie Atomlagenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, Kombinationen davon oder dergleichen gebildet werden. Die AFM-Schicht kann auf eine Dicke zwischen etwa 100 Å und etwa 200 Å gebildet werden. Es kann jedoch jedes geeignete Material, jeder geeignete Abscheidungsprozess und jede geeignete Dicke verwendet werden.
Die gepinnte ferromagnetische Schicht wird über der AFM-Schicht gebildet. Die gepinnte ferromagnetische Schicht bildet einen Permanentmagneten und zeigt eine starke Wechselwirkung mit Magneten. Die Richtung eines magnetischen Moments der gepinnten ferromagnetischen Schicht wird von der benachbarten AFM-Schicht fixiert bzw. gepinnt und ändert sich während des Betriebs des zugehörigen magnetischen Tunnelübergangs- (MTJ)-Elements nicht. In bestimmten Ausführungsformen enthält die gepinnte ferromagnetische Schicht eine oder mehrere Schichten aus Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB), CoFeTa, NiFe, Co, CoFe, CoPt, Legierungen von Ni, Co und Fe, Kombinationen davon oder dergleichen, die unter Verwendung von Abscheidungsverfahren wie Atomlagenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, Kombinationen davon oder dergleichen gebildet werden. Es kann jedoch jedes geeignete Material und Herstellungsverfahren verwendet werden.
Die Tunnelschicht wird über der gepinnten ferromagnetischen Schicht gebildet. Die Tunnelschicht ist dünn genug, dass Elektronen durch die Tunnelschicht tunneln können, wenn eine Vorspannung angelegt wird. In bestimmten Ausführungsformen enthält die Tunnelschicht Magnesiumoxid (MgO), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxynitrid (AlON), Hafniumoxid (HfO₂) oder Zirkoniumoxid (ZrO₂) und kann unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses wie Atomlagenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, Kombinationen davon oder dergleichen abgeschieden werden. Die Tunnelschicht kann auf eine Dicke zwischen etwa 5 Å und etwa 30 Å abgeschieden werden.
Die freie ferromagnetische Schicht wird über der Tunnelschicht gebildet. Die Richtung eines magnetischen Moments der freien ferromagnetischen Schicht ist nicht fixiert, da sich neben der freien ferromagnetischen Schicht kein antiferromagnetisches Material befindet. Daher ist die magnetische Ausrichtung dieser Schicht einstellbar, so dass die Schicht als freie Schicht bezeichnet wird. In mindestens einer Ausführungsform kann sich die Richtung des magnetischen Moments der freien ferromagnetischen Schicht parallel oder antiparallel zur fixierten Richtung des magnetischen Moments der gepinnten ferromagnetischen Schicht frei umdrehen. Die freie ferromagnetische Schicht kann ein ferromagnetisches Material enthalten, das dem Material in der gepinnten ferromagnetischen Schicht ähnelt, und kann Materialien wie Kobalt, Nickel, Eisen oder Bor enthalten, die unter Verwendung von Abscheidungsprozessen wie Atomlagenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, Kombinationen davon oder dergleichen gebildet werden. Es können jedoch alle geeigneten Material und Abscheidungsverfahren verwendet werden.
Nachdem die MTJ-Struktur 603 gebildet ist, wird die obere Elektrode 605 über der freien ferromagnetischen Schicht gebildet, um zur elektrischen Zwischenverbindung eine elektrische Verbindung zu anderen Teilen der Struktur herzustellen. Die obere Elektrode 605 enthält ein leitfähiges Material. In einigen Ausführungsformen ähnelt die obere Elektrode 605 hinsichtlich der Zusammensetzung der unteren Elektrode 601. Beispielsweise enthält in einigen Ausführungsformen die obere Elektrode 605 Titan (Ti), Tantal (Ta), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Wolfram (W), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Kobalt (Co), Molybdän (Mo), eine Legierung davon oder Kombinationen davon. Es kann jedoch jedes geeignete Material verwendet werden.
6 zeigt ferner einen zweiten Photoresist 607, der über der oberen Elektrode 605 angeordnet und strukturiert wird. In einer Ausführungsform kann der zweite Photoresist 607 dem ersten Photoresist 115 ähneln, beispielsweise indem er ein dreischichtiger Photoresist mit einer unteren Antireflexionsbeschichtung, einer mittleren Hartmaskenschicht und einem oberen lichtempfindlichen Material ist und wie oben in Bezug auf 1 beschrieben platziert und strukturiert werden kann. Es kann jedoch jedes geeignete Material oder jede geeignete Materialkombination verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann der zweite Photoresist 607 so angeordnet und strukturiert werden, dass er eine vierte Breite W4 zwischen etwa 40 nm und etwa 60 nm oder zwischen etwa 30 nm und etwa 55 nm, oder nicht mehr als 50 nm aufweist. Zusätzlich kann der zweite Photoresist 607 so angeordnet werden, dass eine erste Mittellinie 609 des zweiten Photoresist 607 mit einer zweiten Mittellinie 611 der unteren Elektroden-Durchkontaktierung ausgerichtet ist. Als solches ist der zweite Photoresist 607 direkt über der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 zentriert. Es können jedoch beliebige geeignete Breiten und jede geeignete Ausrichtung verwendet werden.
7A zeigt, dass nach dem Aufbringen des zweiten Photoresist 607 die darunter liegenden Schichten unter Verwendung des zweiten Photoresist 607 als Maske strukturiert werden können, wobei die Mittellinie 609 des zweiten Photoresist 607 auf die obere Elektrode 605, die MTJ-Struktur 603 und die untere Elektrode 601 übertragen wird. In einer Ausführungsform können die darunter liegenden Schichten unter Verwendung eines oder mehrerer anisotroper Ätzprozesse wie eines reaktiven Ionenätzens strukturiert werden. Es kann jedoch jeder geeignete Ätzprozess verwendet werden.
In einer Ausführungsform können der eine oder die mehreren Ätzprozesse so fortgesetzt werden, dass die obere Elektrode 605, die MTJ-Struktur 603 und die untere Elektrode 601 strukturiert sind. Nach dem anisotropen Ätzprozess kann die obere Elektrode 605 so gebildet sein, dass sie eine fünfte Breite W5 zwischen etwa 30 nm und etwa 50 nm aufweist, die MTJ-Struktur 603 kann so gebildet sein, dass sie eine sechste Breite W6 zwischen etwa 40 nm und etwa 60 nm aufweist, und die untere Elektrode 601 kann so gebildet sein, dass sie eine siebte Breite W7 zwischen etwa 45 nm und etwa 65 nm aufweist. Es können jedoch beliebige geeignete Breiten verwendet werden.
7A zeigt ferner, dass, nachdem der eine oder die mehreren Ätzprozesse zum Strukturieren der unteren Elektrode 601 verwendet wurden, der eine oder die mehreren Ätzprozesse fortgesetzt werden können, um in die zweite dielektrische Schicht 111 zu ätzen. In einer Ausführungsform können der eine oder die mehreren Ätzprozesse bis zu einer dritten Abmessung D3 zwischen etwa 500 Å und etwa 1000 Å in die zweite dielektrische Schicht 111 ätzen. Es kann jedoch jede geeignete Abmessung verwendet werden.
Nachdem der eine oder die mehreren Ätzprozesse verwendet wurden, um die obere Elektrode 605, die MTJ-Struktur 603, die untere Elektrode 601 und die zweite dielektrische Schicht 111 zu strukturieren, kann der zweite Photoresist 607 entfernt werden (wenn er nicht bereits während der vorangegangenen Ätzprozesse entfernt wurde). In einer Ausführungsform kann der zweite Photoresist 607 unter Verwendung eines Veraschungsprozesses entfernt werden, wobei die Temperatur des zweiten Photoresist 607 erhöht wird, bis der zweite Photoresist 607 eine thermische Zersetzung erfährt, so dass er leicht entfernt werden kann. Jeder geeignete Entfernungsprozess kann jedoch verwendet werden.
Durch Bilden des Abstandshalters 401 neben der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 kann das Ätzen der zweiten dielektrischen Schicht 111 jedoch mit einem verringerten Risiko der Freilegung und/oder Beschädigung der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 durchgeführt werden. Somit kann die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 ohne Risiko eine verkleinerte Breite aufweisen. Beispielsweise kann die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 die dritte Breite W3 (siehe 5) aufweisen, die um mindestens die Dicke der Abstandshalter 401 geringer als die siebte Breite W7 der unteren Elektrode 601 ist.
7B zeigt eine Draufsicht der in 7A gezeigten Struktur. Wie in dieser Ansicht zu sehen ist, bedeckt die obere Elektrode 605 die Abstandshalter 401 (die in der Draufsicht nicht zu sehen sind) vollständig. Ferner ist die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 unter der oberen Elektrode 605 zentriert. Als solches können die Abstandshalter 401 dazu beitragen, ein unerwünschtes Ätzen und Beschädigung der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 während des Ätzens der zweiten dielektrischen Schicht 111 zu verhindern.
8 zeigt, dass eine Deckschicht 801 über der Struktur abgeschieden werden kann, nachdem die zweite dielektrische Schicht 111 geätzt und der zweite Photoresist 607 entfernt worden ist. In einer Ausführungsform kann die Deckschicht 801 aus einem Material wie Siliziumnitrid, Siliziumkohlenstoffnitrid, Siliziumkohlenstoffoxid, Kohlenstoffnitrid oder dergleichen oder einer Kombination davon bestehen und unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses wie Atomlagenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, Kombinationen davon oder dergleichen auf eine Dicke zwischen etwa 20 Å und etwa 50 Å abgeschieden werden. Es kann jedoch jedes geeignete Material, jeder geeignete Abscheidungsprozess und jede geeignete Dicke verwendet werden.
Nachdem die Deckschicht 801 gebildet worden ist, kann eine vierte dielektrische Schicht 803 so abgeschieden werden, dass sie die Deckschicht 801 bedeckt. In einer Ausführungsform kann die vierte dielektrische Schicht 803 ein Material wie Phosphorsilikatglas (PSG), Borsilikatglas (BSG), bordotiertes Phosphorsilikatglas (BPSG), undotiertes Silikatglas (USG), Kombinationen davon oder dergleichen enthalten, obwohl jedes geeignete Dielektrikum verwendet werden kann. Die vierte dielektrische Schicht 803 kann unter Verwendung eines Verfahrens wie PECVD gebildet werden, obwohl auch andere Verfahren wie LPCVD verwendet werden können.
9 zeigt, dass nach dem Abscheiden der vierten dielektrischen Schicht 803 die vierte dielektrische Schicht 803 und die Deckschicht 801 so planarisiert werden, dass die obere Elektrode 605 zumindest teilweise freigelegt wird. In einer Ausführungsform kann die vierte dielektrische Schicht 803 unter Verwendung eines chemisch-mechanischen Polierprozesses planarisiert werden. Es kann jedoch jeder geeignete Planarisierungsprozess verwendet werden, beispielsweise mechanisches Schleifen, Rückätzprozesse oder dergleichen.
Nachdem die obere Elektrode 605 freigelegt wurde, kann eine fünfte dielektrische Schicht 901 über der vierten dielektrischen Schicht 803 abgeschieden werden. In einer Ausführungsform kann die fünfte dielektrische Schicht 901 ein Material wie Phosphorsilikatglas (PSG), Borsilikatglas (BSG), bordotiertes Phosphorsilikatglas (BPSG), undotiertes Silikatglas (USG), Kombinationen davon oder dergleichen enthalten, obwohl jedes geeignete Dielektrikum verwendet werden kann. Die fünfte dielektrische Schicht 901 kann unter Verwendung eines Prozesses wie PECVD gebildet werden, obwohl alternativ andere Prozesse wie LPCVD verwendet werden können.
10 zeigt, dass nach dem Abscheiden der fünften dielektrischen Schicht 901 ein oberer Kontakt 1001 gebildet wird. In einer Ausführungsform wird der obere Kontakt 1001 unter Verwendung eines Damascene- oder Dual-Damascene-Prozesses gebildet, bei dem eine Öffnung in der fünften dielektrischen Schicht 901 gebildet wird und die Öffnung mit einem oder mehreren leitfähigen Materialien wie Sperrschichten und Füllmaterialien wie beispielsweise Kupfer, Aluminium, Wolfram, Kombinationen davon oder dergleichen gefüllt wird. Nachdem die Öffnung gefüllt ist, kann überschüssiges Material der Sperrschichten und des Füllmaterials beispielsweise unter Verwendung eines chemisch-mechanischen Polierprozesses entfernt werden. Es können jedoch alle geeigneten Verfahren verwendet werden.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der zweite Photoresist 607 so versetzt ist, dass er nicht über der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 zentriert ist, anstatt dass der zweite Photoresist 607 über der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 zentriert angeordnet ist. Als solches ist die erste Mittellinie 609 des zweiten Photoresist 607 gegenüber der zweiten Mittellinie 611 der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 um eine vierte Abmessung D4 zwischen etwa 3 nm und etwa 10 nm versetzt. Es kann jedoch jede geeignete Abmessung verwendet werden.
12A zeigt eine Strukturierung der oberen Elektrode 605, der MTJ-Struktur 603 und der unteren Elektrode 601 unter Verwendung des versetzten zweiten Photoresist 607 in 11. In einer Ausführungsform kann die Strukturierung der oberen Elektrode 605, der MTJ-Struktur 603 und der unteren Elektrode 601 wie oben in Bezug auf 7A beschrieben durchgeführt werden. Beispielsweise können eine oder mehrere reaktive Ionenätzungen verwendet werden, um nacheinander durch die obere Elektrode 605, die MTJ-Struktur 603, die untere Elektrode 601 und die zweite dielektrische Schicht 111 zu ätzen. Es können jedoch alle geeigneten Prozesse verwendet werden.
In dieser Ausführungsform wird jedoch während des Strukturierungsprozesses eine obere Fläche der Abstandshalter 401 entlang einer Seite teilweise oder vollständig freigelegt, während eine andere Seite der Abstandshalter 401 vollständig von der unteren Elektrode 601 bedeckt bleibt, anstatt dass die untere Elektrode 601 die Abstandshalter 401 vollständig bedeckt. In einigen Ausführungsformen kann die obere Fläche der Abstandshalter 401 um eine fünfte Abmessung D5 zwischen etwa 10 Å und etwa 50 Å freigelegt werden. Es kann jedoch jede geeignete Abmessung verwendet werden.
12B zeigt eine Draufsicht der Struktur von 12A. Wie in der Draufsicht zu sehen ist, ist die obere Elektrode 605 von der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 versetzt, und ein Teil des Abstandshalters 401 ist entlang einer Seite von der oberen Elektrode 605 freigelegt, während er entlang einer anderen Seite von der oberen Elektrode 605 bedeckt ist. Als solches kann die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 immer noch geschützt sein, selbst wenn die obere Elektrode 605 von der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 versetzt ist.
13 zeigt noch eine weitere Ausführungsform, bei der die erste Öffnung 201 so gebildet wird, dass sie sich nur teilweise durch die zweite dielektrische Schicht 111 erstreckt, ohne sich in die erste dielektrische Schicht 109 zu erstrecken, anstatt sich vollständig durch die zweite dielektrische Schicht 111 und in die erste dielektrische Schicht 109 zu erstrecken. In einer Ausführungsform kann das Bilden der ersten Öffnung 201 wie oben in Bezug auf 2 beschrieben ausgeführt werden, beispielsweise durch eine oder mehrere reaktive Ionenätzungen. Es können jedoch auch andere geeignete Verfahren verwendet werden.
In dieser Ausführungsform wird der Ätzprozess jedoch vor dem Ätzen durch die zweite dielektrische Schicht 111 gestoppt, wobei ein Teil der zweiten dielektrischen Schicht 111 zwischen der ersten Öffnung 201 und der ersten dielektrischen Schicht 109 verbleibt. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die erste Öffnung 201 um eine sechste Abmessung D6 zwischen etwa 500 Å und etwa 1000 Å in die zweite dielektrische Schicht 111. Als solches hat der Abschnitt der zweiten dielektrischen Schicht 111, der sich zwischen der ersten Öffnung 201 und der ersten dielektrischen Schicht 109 befindet, eine siebte Abmessung D7 zwischen etwa 50 Å und etwa 150 Å. Jedoch können irgendwelche geeigneten Abmessungen verwendet werden.
14 zeigt weitere Verarbeitungsschritte, die ein Bilden der Abstandshalter 401 entlang der Seitenwände der ersten Öffnung 201 zeigen. In einer Ausführungsform können die Abstandshalter 401 wie oben in Bezug auf die 3-4 beschrieben gebildet werden. Beispielsweise wird das Material der Abstandshalter 401 so abgeschieden, dass es die Seitenwände der ersten Öffnung 201 auskleidet, und dann wird das Material geätzt, um Teile des Materials zu entfernen, so dass die Abstandshalter 401 gebildet sind. Es können jedoch alle geeigneten Verfahren verwendet werden.
In dieser Ausführungsform ätzt jedoch der Auskleidungsentfernungsprozess, der das Material der Abstandshalter 401, das sich entlang eines Bodens der ersten Öffnung 201 befindet, und die erste dielektrischen Schicht 109 durchstößt, auch durch die zweite dielektrische Schicht 111, bevor er die erste dielektrische Schicht 109 durchstößt. Als solche sind die Abstandshalter 401 so gebildet, dass sie sich vollständig in der zweiten dielektrischen Schicht 111 befinden, ohne sich in die erste dielektrische Schicht 109 zu erstrecken. Ferner können die Abstandshalter 401 um die siebte Abmessung D7 von der ersten dielektrischen Schicht 109 beabstandet sein. Es können jedoch beliebige geeignete Abstände verwendet werden.
15A zeigt ein Bilden der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501, der unteren Elektrode 601, der MTJ-Struktur 603 und der oberen Elektrode 605, nachdem der Abstandshalter 401 vollständig in der zweiten dielektrischen Schicht 111 gebildet wurde. In einer Ausführungsform können die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501, die untere Elektrode 601, die MTJ-Struktur 603 und die obere Elektrode 605 wie oben in Bezug auf 5 und 6 beschrieben gebildet werden. Beispielsweise werden die Materialien der oberen Elektrode 605, der MTJ-Struktur 603 und der unteren Elektrode 601 abgeschieden, ein Photoresist wird aufgebracht und so strukturiert, dass er mit der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 zentriert ist, und dann werden die Materialien der oberen Elektrode 605, der MTJ-Struktur 603 und der unteren Elektrode 601 geätzt. Es können jedoch alle geeigneten Prozesse verwendet werden.
15B zeigt eine Draufsicht der Struktur von 15A. Wie in dieser Ansicht zu sehen ist, bedeckt die obere Elektrode 605 die Abstandshalter 401 (die in der Draufsicht nicht zu sehen sind) vollständig. Ferner ist die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 unter der oberen Elektrode 605 zentriert. Als solches können die Abstandshalter 401 dazu beitragen, ein unerwünschtes Ätzen und Beschädigung der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 während des Ätzens der zweiten dielektrischen Schicht 111 zu verhindern.
16A zeigt noch eine weitere Ausführungsform, bei der die Abstandshalter in der zweiten dielektrischen Schicht 111 gebildet werden und bei der die obere Fläche der Abstandshalter 401 während des Ätzens der oberen Elektrode 605, der MTJ-Struktur 603 und der unteren Elektrode 601 auch teilweise freigelegt wird. In dieser Ausführungsform werden die Abstandshalter 401 wie oben in Bezug auf die 13-15 beschrieben gebildet, wobei die Abstandshalter 401 vollständig in der zweiten dielektrischen Schicht 111 gebildet sind und sich nicht in die erste dielektrische Schicht 109 erstrecken. Es kann jedoch jeder geeignete Prozess verwendet werden, um die Abstandshalter 401 auszubilden.
Zusätzlich wird in dieser Ausführungsform der zweite Photoresist 607 so aufgebracht und strukturiert, dass er von der zweiten Mittellinie 611 der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 versetzt ist, wie oben in Bezug auf die 11-12A beschrieben ist. Ferner werden die obere Elektrode 605, die MTJ-Struktur 603 und die untere Elektrode 601 unter Verwendung des versetzten zweiten Photoresist 607 strukturiert, was dazu führt, dass ein Teil der oberen Fläche der Abstandshalter 401 (z. B. um das Ausmaß der fünften Abmessung D5) freigelegt wird. Es können jedoch alle geeigneten Prozesse verwendet werden.
16B zeigt eine Draufsicht der Struktur von 16A. Wie in der Draufsicht zu sehen ist, ist die obere Elektrode 605 von der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 versetzt, und ein Teil des Abstandshalters 401 ist entlang einer Seite von der oberen Elektrode 605 freigelegt, während er entlang einer anderen Seite von der oberen Elektrode 605 bedeckt ist. Als solches kann die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 immer noch geschützt sein, selbst wenn die obere Elektrode 605 von der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 versetzt ist.
17A zeigt noch eine weitere Ausführungsform, bei der die Breite des zweiten Photoresist 607 so vergrößert ist, dass das Ätzen der zweiten dielektrischen Schicht 111 eine Lage der zweiten dielektrischen Schicht 111 entlang der Abstandshalter 401 hinterlässt, um einen zusätzlichen Schutz bereitzustellen. In dieser Ausführungsform kann der Prozess wie oben in Bezug auf die 1-6 beschrieben beginnen, wobei der Abstandshalter 401 so gebildet wird, dass er vollständig durch die zweite dielektrische Schicht 111 und zumindest teilweise in der ersten dielektrischen Schicht 109 angeordnet ist. Wenn jedoch der zweite Photoresist 607 aufgebracht und strukturiert wird, ist der zweite Photoresist 607 auf eine achte Breite W8 zwischen etwa 25 nm und etwa 80 nm verbreitert. Es können jedoch beliebige geeignete Breiten verwendet werden.
Nachdem der zweite Photoresist 607 platziert und strukturiert wurde, wird der zweite Photoresist 607 verwendet, um die obere Elektrode 605, die MTJ-Struktur 603, die untere Elektrode 601 und die zweite dielektrische Schicht 111 zu strukturieren. Beispielsweise können ein oder mehrere Ätzprozesse verwendet werden, um das Material der oberen Elektrode 605, der MTJ-Struktur 603, der unteren Elektrode 601 und der zweiten dielektrischen Schicht 111 zu ätzen. Als solches kann die obere Elektrode 605 so gebildet sein, dass sie eine neunte Breite W9 zwischen etwa 25 nm und etwa 70 nm aufweist, die MTJ-Struktur 603 kann so gebildet sein, dass sie eine zehnte Breite W10 zwischen etwa 25 nm und etwa 75 nm aufweist, und die untere Elektrode 601 kann so gebildet sein, dass sie eine elfte Breite W11 zwischen etwa 25 nm und etwa 80 nm aufweist. Es können jedoch beliebige geeignete Breiten verwendet werden.
In dieser Ausführungsform bewirkt jedoch die erweiterte Breite des zweiten Photoresist 607 (z. B. die achte Breite W8), dass der Ätzprozess einen Teil der zweiten dielektrischen Schicht 111 entlang Seitenwänden der Abstandshalter 401 zurücklässt. Ferner hat die zweite dielektrische Schicht 111 neben den Abstandshaltern 401 und unter der unteren Elektrode 601 eine Breite von einer sechsten Abmessung D6 zwischen etwa 10 Å und etwa 100 Å. Jedoch können irgendwelche geeigneten Abmessungen verwendet werden.
17C zeigt eine Draufsicht der Struktur von 17B. Wie zu sehen ist, liegt in dieser Ausführungsform die obere Elektrode 605 nicht nur über der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 und den Abstandshaltern 401, sondern auch über einem Teil der zweiten dielektrischen Schicht 111. Durch Überlagern des Teils der zweiten dielektrischen Schicht 111 trägt der Teil der zweiten dielektrischen Schicht 111 dazu bei, dass die Abstandshaltern 401 die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 vor Beschädigung während den Ätzprozessen schützen.
18A zeigt noch eine weitere Ausführungsform, bei der ein Teil der zweiten dielektrischen Schicht 111 neben den oberen Abschnitten der Abstandshalter 401 (ähnlich der in den 17A-17C gezeigten Ausführungsform) verbleibt. Beispielsweise wird in dieser Ausführungsform der zweite Photoresist 607 wie oben in Bezug auf die 17A-17C beschrieben aufgebracht und strukturiert. In dieser Ausführungsform wird der zweite Photoresist 607 jedoch versetzt platziert und strukturiert, wie oben in Bezug auf die 11-12B beschrieben ist.
Angesichts der versetzten Platzierung und Strukturierung des zweiten Photoresist 607 kann sich der Teil der zweiten dielektrischen Schicht 111 neben einer ersten Seite der Abstandshalter 401 um eine kleinere Abmessung von den Abstandshaltern 401 weg erstrecken als neben einer zweiten Seite der Abstandshalter 401, während die Abstandshalter 401 von der unteren Elektrode 601 bedeckt bleiben. Beispielsweise kann sich die zweite dielektrische Schicht 111 auf der ersten Seite der Abstandshalter 401 um eine siebte Abmessung D7 zwischen etwa 1 Å und etwa 5 Å erstrecken, während sich die zweite dielektrische Schicht 111 auf der zweiten Seite der Abstandshalter 401 um eine achte Abmessung D8 zwischen etwa 5 Å und etwa 10 Å erstrecken kann. Es können jedoch beliebige geeignete Abstände verwendet werden.
18B zeigt eine Draufsicht der Struktur von 18A. Wie zu sehen ist, ist die obere Elektrode 605 von der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 versetzt, bedeckt jedoch immer noch vollständig die Abstandshalter 401. Ferner bedeckt die obere Elektrode 605 zusätzlich zu den Abstandshaltern 401 einen Teil der zweiten dielektrischen Schicht 111. In dieser Ausführungsform bedeckt die obere Elektrode 605 jedoch weniger der zweiten dielektrischen Schicht 111 entlang der ersten Seite des Abstandshalters 401 als entlang einer zweiten Seite des Abstandshalters 401.
19A zeigt noch eine weitere Ausführungsform, bei der der Prozess einen Teil der zweiten dielektrischen Schicht 111 entlang Seitenwänden der Abstandshalter 401 zurücklässt, ähnlich der oben in Bezug auf die 17A-17C beschriebenen Ausführungsform. In dieser Ausführungsform sind die Abstandshalter 401 jedoch nicht vollständig durch die zweite dielektrische Schicht 111 und in die erste dielektrische Schicht 109 hinein gebildet, sondern sind vielmehr vollständig in der zweiten dielektrischen Schicht 111 gebildet, ohne sich in die erste dielektrische Schicht 109 zu erstrecken. Beispielsweise kann der Abstandshalter 401 wie oben in Bezug auf die 13-14 beschrieben gebildet werden. Es können jedoch alle geeigneten Prozesse verwendet werden.
19B zeigt eine Draufsicht der Struktur von 19A. Wie zu sehen ist, liegt in dieser Ausführungsform die obere Elektrode 605 nicht nur über der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 und den Abstandshaltern 401, sondern auch über einem Teil der zweiten dielektrischen Schicht 111. Durch Überlagern des Teils der zweiten dielektrischen Schicht 111 trägt der Teil der zweiten dielektrischen Schicht 111 dazu bei, dass die Abstandshaltern 401 die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 vor Beschädigung während den Ätzprozessen schützen.
20A zeigt noch eine weitere Ausführungsform, bei der der Prozess einen Teil der zweiten dielektrischen Schicht 111 entlang Seitenwänden der Abstandshalter 401 zurücklässt, ähnlich der oben in Bezug auf die 18A-18B beschriebenen Ausführungsform. In dieser Ausführungsform sind die Abstandshalter 401 jedoch nicht vollständig durch die zweite dielektrische Schicht 111 und in die erste dielektrische Schicht 109 hinein gebildet, sondern sind vielmehr vollständig in der zweiten dielektrischen Schicht 111 gebildet, ohne sich in die erste dielektrische Schicht 109 zu erstrecken. Beispielsweise kann der Abstandshalter 401 wie oben in Bezug auf die 13-14 beschrieben gebildet werden. Es können jedoch alle geeigneten Prozesse verwendet werden.
20B zeigt eine Draufsicht der Struktur von 20A. Wie zu sehen ist, ist die obere Elektrode 605 von der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 versetzt und bedeckt die Abstandshalter 401 vollständig. Ferner bedeckt die obere Elektrode 605 zusätzlich zu den Abstandshaltern 401 einen Teil der zweiten dielektrischen Schicht 111. In dieser Ausführungsform bedeckt die obere Elektrode 605 jedoch weniger der zweiten dielektrischen Schicht 111 entlang der ersten Seite des Abstandshalters 401 als entlang einer zweiten Seite des Abstandshalters 401.
Durch Verwendung des Abstandshalters 401 neben der unteren Elektroden-Durchkontaktierung 501 kann die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 vor Ätzprozessen geschützt werden. Ein solcher Schutz ermöglicht es, die untere Elektroden-Durchkontaktierung 501 mit einer kleineren Abmessung auszubilden, ohne unerwünschte Beschädigungen befürchten zu müssen, wodurch die Prozessfenster für Ätzprozesse vergrößert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung: Bilden einer ersten dielektrischen Schicht und einer zweiten dielektrischen Schicht über einer leitfähigen Leitung; Bilden einer ersten Öffnung mindestens in der zweiten dielektrischen Schicht; Bilden eines Abstandshalters entlang Seitenwänden der ersten Öffnung, wobei der Abstandshalter ein Dielektrikum enthält; Füllen der ersten Öffnung mit einem leitfähigen Material, wobei das leitfähige Material in physischem Kontakt mit der leitfähigen Leitung steht; Bilden einer unteren Elektrode über dem leitfähigen Material; Bilden einer MTJ-Struktur über der unteren Elektrode; und Bilden einer oberen Elektrode über der MTJ-Struktur. In einer Ausführungsform bildet das Bilden der ersten Öffnung die erste Öffnung mindestens in der ersten dielektrischen Schicht aus. In einer Ausführungsform bildet das Bilden der ersten Öffnung die erste Öffnung außerhalb der ersten dielektrischen Schicht aus. In einer Ausführungsform umfasst das Bilden des Abstandshalters ferner: Abscheiden eines Materials für den Abstandshalter; und Entfernen von Teilen des Materials von horizontalen Flächen. In einer Ausführungsform weist die obere Elektrode eine Mittellinie auf, die mit einer Mittellinie des leitfähigen Materials ausgerichtet ist. In einer Ausführungsform weist die obere Elektrode eine Mittellinie auf, die von einer Mittellinie des leitfähigen Materials versetzt ist. In einer Ausführungsform ist mindestens ein Teil der Abstandshalter durch die untere Elektrode freigelegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung: Bilden einer ersten Öffnung mindestens teilweise durch eine erste dielektrische Schicht über einer leitfähigen Leitung; Auskleiden der ersten Öffnung mit einem Dielektrikum; Ätzen des Dielektrikums so, dass Abstandshalter gebildet werden und die leitfähige Leitung freigelegt wird; Bilden einer Durchkontaktierung in der ersten Öffnung; Bilden einer magnetischen Tunnelübergangs- (MTJ)-Struktur über der Durchkontaktierung; und Ätzen der MTJ-Struktur und der ersten dielektrischen Schicht. In einer Ausführungsform bildet das Bilden der ersten Öffnung die erste Öffnung zusätzlich durch eine zweite dielektrische Schicht aus, wobei sich die zweite dielektrische Schicht zwischen der leitfähigen Leitung und der ersten dielektrischen Schicht befindet. In einer Ausführungsform legt das Ätzen der MTJ-Struktur und der ersten dielektrischen Schicht eine obere Fläche der Abstandshalter frei. In einer Ausführungsform kleidet das Auskleiden der ersten Öffnung mit dem Dielektrikum die erste Öffnung mit Siliziumnitrid aus. In einer Ausführungsform liegen nach dem Ätzen des Dielektrikums zum Bilden der Abstandshalter die Abstandshalter ausschließlich in der ersten dielektrischen Schicht. In einer Ausführungsform legt das Ätzen der MTJ-Struktur und der ersten dielektrischen Schicht eine obere Fläche der Abstandshalter frei. In einer Ausführungsform bleibt nach dem Ätzen der MTJ-Struktur und der ersten dielektrischen Schicht ein Teil der ersten dielektrischen Schicht neben einer oberen Fläche der Abstandshalter zurück.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform enthält eine Halbleitervorrichtung: eine leitfähige Leitung über einem Substrat; einen Abstandshalter, der über der leitfähigen Leitung angeordnet und von dieser beabstandet ist, wobei der Abstandshalter mindestens in einer ersten dielektrischen Schicht angeordnet ist; eine Durchkontaktierung, die sich so durch den Abstandshalter erstreckt, dass sie in physischem Kontakt mit der leitfähigen Leitung steht; eine untere Elektrode in physischem Kontakt mit der Durchkontaktierung; eine MTJ-Struktur in physischem Kontakt mit der unteren Elektrode; und eine obere Elektrode in physischem Kontakt mit der MTJ-Struktur. In einer Ausführungsform ist eine obere Fläche des Abstandshalters von der unteren Elektrode bedeckt. In einer Ausführungsform ist eine obere Fläche des Abstandshalters mindestens teilweise durch die untere Elektrode freigelegt. In einer Ausführungsform liegt der Abstandshalter vollständig in der ersten dielektrischen Schicht. In einer Ausführungsform liegt der Abstandshalter in einer zweiten dielektrischen Schicht, die sich von der ersten dielektrischen Schicht unterscheidet. In einer Ausführungsform hat die untere Elektrode eine Breite, die um eine erste Abmessung größer als eine Breite der Durchkontaktierung ist, wobei die erste Abmessung mindestens so groß wie eine Dicke des Abstandshalters ist.
Das Vorangehende beschreibt Merkmale von mehreren Ausführungsformen, so dass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen können. Fachleute sollten anerkennen, dass sie die vorliegende Offenbarung leicht als Basis verwenden können, um weitere Prozesse und Strukturen zu entwerfen oder zu modifizieren, um die gleichen Ziele zu erreichen und/oder die gleichen Vorteile der hier eingeführten Ausführungsformen zu realisieren. Fachleute sollten auch erkennen, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass sie verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Modifikationen hier vornehmen können, ohne von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63/064087 [0001]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, umfassend: Bilden einer ersten dielektrischen Schicht und einer zweiten dielektrischen Schicht über einer leitfähigen Leitung; Bilden einer ersten Öffnung mindestens in der zweiten dielektrischen Schicht; Bilden eines Abstandshalters entlang Seitenwände der ersten Öffnung, wobei der Abstandshalter ein dielektrisches Material enthält; Füllen der ersten Öffnung mit einem leitfähigen Material, wobei das leitfähige Material in physischem Kontakt mit der leitfähigen Leitung steht; Bilden einer unteren Elektrode über dem leitfähigen Material; Bilden einer MTJ-Struktur über der unteren Elektrode; und Bilden einer oberen Elektrode über der MTJ-Struktur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden der ersten Öffnung die erste Öffnung mindestens in der ersten dielektrischen Schicht bildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bilden der ersten Öffnung die erste Öffnung außerhalb der ersten dielektrischen Schicht bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bilden des Abstandshalters ferner umfasst: Abscheiden eines Materials für den Abstandshalter; und Entfernen von Abschnitten des Materials von horizontalen Flächen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die obere Elektrode eine Mittellinie aufweist, die mit einer Mittellinie des leitfähigen Materials ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die obere Elektrode eine Mittellinie aufweist, die von einer Mittellinie des leitfähigen Materials versetzt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Abschnitt der Abstandshalter durch die untere Elektrode freigelegt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, umfassend: Bilden einer ersten Öffnung mindestens teilweise durch eine erste dielektrische Schicht über einer leitfähigen Leitung; Auskleiden der ersten Öffnung mit einem Dielektrikum; Ätzen des Dielektrikums, um Abstandshalter zu bilden und die leitfähige Leitung freizulegen; Bilden einer Durchkontaktierung in der ersten Öffnung; Bilden einer magnetischen Tunnelübergangsstruktur, MTJ-Struktur, über der Durchkontaktierung; und Ätzen der MTJ-Struktur und der ersten dielektrischen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bilden der ersten Öffnung die erste Öffnung zusätzlich durch eine zweite dielektrische Schicht bildet, wobei die zweite dielektrische Schicht zwischen der leitfähigen Leitung und der ersten dielektrischen Schicht liegt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Ätzen der MTJ-Struktur und der ersten dielektrischen Schicht eine obere Fläche der Abstandshalter freilegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Auskleiden der ersten Öffnung mit dem Dielektrikum die erste Öffnung mit Siliziumnitrid auskleidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei nach dem Ätzen des Dielektrikums zum Bilden der Abstandshalter die Abstandshalter sich ausschließlich in der ersten dielektrischen Schicht befinden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ätzen der MTJ-Struktur und der ersten dielektrischen Schicht eine obere Fläche der Abstandshalter freilegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei nach dem Ätzen der MTJ-Struktur und der ersten dielektrischen Schicht ein Abschnitt der ersten dielektrischen Schicht neben einer oberen Fläche der Abstandshalter zurückbleibt.
Halbleitervorrichtung aufweisend: eine leitfähige Leitung über einem Substrat; einen Abstandshalter, der über der leitfähigen Leitung angeordnet ist und von dieser beabstandet ist, wobei der Abstandshalter mindestens in einer ersten dielektrischen Schicht angeordnet ist; eine Durchkontaktierung, die sich so durch den Abstandshalter erstreckt, dass sie in physischem Kontakt mit der leitfähigen Leitung steht; eine untere Elektrode in physischem Kontakt mit der Durchkontaktierung; eine MTJ-Struktur in physischem Kontakt mit der unteren Elektrode; und eine obere Elektrode in physischem Kontakt mit der MTJ-Struktur.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, wobei eine obere Fläche des Abstandshalters von der unteren Elektrode bedeckt ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei eine obere Fläche des Abstandshalters mindestens teilweise durch die untere Elektrode freigelegt ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der Abstandshalter vollständig in der ersten dielektrischen Schicht liegt.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der Abstandshalter in einer zweiten dielektrischen Schicht liegt, die von der ersten dielektrischen Schicht verschieden ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die untere Elektrode eine Breite aufweist, die um eine erste Abmessung größer als eine Breite der Durchkontaktierung ist, wobei die erste Abmessung mindestens so groß wie eine Dicke des Abstandshalters ist.