DE102021108319A1 - Speicherbauelement und herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Sheng-Huang Huang
Hung-Cho WANG
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Abstract

Ein Speicherbauelement weist eine untere Elektrode, einen Stapel eines Magnettunnelübergangs (MTJ), eine obere Elektrode und einen Seitenwandspacer auf. Der MTJ-Stapel ist über der unteren Elektrode. Die obere Elektrode ist über dem MTJ-Stapel. Der Seitenwandspacer umgibt den MTJ-Stapel und die obere Elektrode seitlich. Der Seitenwandspacer weist eine äußerste Seitenwand auf, die von einer äußersten Seitenwand der unteren Elektrode seitlich zurückgesetzt ist.

Description

  • HINTERGRUND
  • Halbleiterspeicher werden in integrierten Schaltungen für elektronische Anwendungen verwendet, die beispielsweise Radios, Fernseher, Mobiltelefone und persönliche Computervorrichtungen umfassen. Ein Typ von Halbleiterspeichervorrichtung umfasst die Spinelektronik, welche die Halbleitertechnologie und magnetische Materialien und Bauelemente kombiniert. Zum Anzeigen eines Bits werden anstelle der Ladung der Elektronen die Spins von Elektronen durch ihre magnetischen Momente verwendet.
  • Eine solche spinelektronische Vorrichtung ist eine Matrix eines magnetoresistiven Direktzugriffspeichers (MRAM - Magnetoresistive Random Access Memory), die Leitbahnen (Wortleitungen und Bitleitungen) aufweist, die in verschiedenen Metallschichten in verschiedenen Richtungen, z. B. senkrecht zueinander, positioniert sind. Die Leitbahnen schließen einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ - Magnetic Tunnel Junction), der als eine magnetische Speicherzelle fungiert, sandwichartig ein.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung lassen sich am besten anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Figuren verstehen. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Strukturelemente nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Strukturelemente zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 bis 15B veranschaulichen Querschnittansichten und Draufsichten von Zwischenstufen bei der Bildung einer integrierten Schaltungsstruktur mit einer eingebetteten Speicherregion und einer Logikregion gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 16 bis 18 veranschaulichen Querschnittansichten von Zwischenstufen bei der Bildung einer integrierten Schaltungsstruktur mit einer eingebetteten Speicherregion und einer Logikregion gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 19 veranschaulicht eine integrierte Schaltungsstruktur, die MRAM-Zellen in der eingebetteten Speicherregion und logische Bauelemente in der Logikregion aufweist, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 20 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Bildung einer integrierten Schaltungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands bereit. Im Folgenden werden spezifische Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Dabei handelt es sich natürlich nur um Beispiele, die nicht als Einschränkung gedacht sind. Zum Beispiel kann die Bildung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen, in welchen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt ausgebildet sind, sowie Ausführungsformen umfassen, in welchen zusätzliche Element zwischen dem ersten und dem zweiten Element ausgebildet sein können, derart dass es sein kann, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Außerdem kann die vorliegende Erfindung Bezugszeichen und/oder Buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Vereinfachung und Klarheit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Ferner können raumbezogene Begriffe wie „unterhalb“, „unter“, „untere/s/r“, „über“, „obere/s/r“ und dergleichen hierin zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um eine Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Element(en) oder Merkmal(en) zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Die raumbezogenen Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen des Bauelements in Verwendung oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung umfassen. Das Bauelement kann anders ausgerichtet (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) sein, und die hierin verwendeten raumbezogenen Bezeichner können ebenfalls demgemäß interpretiert werden. Wie hierin verwendet, bedeuten „um“, „etwa“, „ungefähr“ oder „im Wesentlichen“ im Allgemeinen innerhalb von 20 Prozent oder innerhalb von 10 Prozent oder innerhalb von 5 Prozent eines gegebenen Wertes oder Bereichs. Hierin angegebene Zahlenwerte sind Annäherungswerte, was bedeutet, dass die Begriffe „um“, „etwa“, „ungefähr“ oder „im Wesentlichen“ gefolgert werden können, falls sie nicht ausdrückglich angegeben sind.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen magnetoresistive Direktzugriffsspeicherzellen (MRAM-Zellen) und damit verbundene Fertigungsverfahren. Die MRAM-Zelle in einer integrierten Schaltung weist einen Stapel eines magnetischen Tunnelübergangs (MTJ-Stapel) auf, der innerhalb einer Back-End-of-Line-Interconnect-Struktur (BEOL-Interconnect-Struktur) zwischen einer unteren Elektrode und einer oberen Elektrode vertikal angeordnet ist. Der MJT-Stapelweist eine verstiftete ferromagnetische Schicht und eine freie ferromagnetische Schicht auf, die durch eine Tunnelsperrschicht vertikal voneinander getrennt sind. Die Tunnelsperrschicht ist dünn genug (beispielsweise einige Nanometer), um zu ermöglichen, dass Elektronen von einer ferromagnetischen Schicht zur anderen tunneln. Die magnetische Orientierung der verstifteten ferromagnetischen Schicht ist statisch (d. h. fest), während eine magnetische Orientierung der freien ferromagnetischen Schicht zwischen einer Parallelkonfiguration und einer Antiparallelkonfiguration in Bezug auf die der verstifteten ferromagnetischen Schicht wechseln kann. Daher kann ein Widerstand des MJT-Stapels durch Ändern einer Richtung eines magnetischen Moments der freien ferromagnetischen Schicht in Bezug auf die der verstifteten ferromagnetischen Schicht angepasst werden. Wenn das magnetische Moment der freien ferromagnetischen Schicht parallel zu dem der verstifteten ferromagnetischen Schicht ist, befindet sich der Widerstand des MTJ-Stapels in einem niedrigerohmigen Zustand, der einem ersten Datenzustand (z. B. einer logischen „o“) entspricht. Wenn das magnetische Moment der freien ferromagnetischen Schicht antiparallel zu dem der verstifteten ferromagnetischen Schicht ist, befindet sich der Widerstand des MTJ-Stapels in einem höherohmigen Zustand, der einem zweiten Datenzustand (z. B. einer logischen „1“) entspricht. Der MTJ-Stapel ist zwischen obere und untere Elektroden gekoppelt, und ein elektrischer Strom, der von einer Elektrode durch den MTJ-Stapel zur anderen fließt (durch die Tunnelsperrschicht hindurch tunnelt), wird erfasst, um den Widerstand und den Zustand von digitalen Daten des MTJ-Stapels zu bestimmen.
  • Bei der Fertigung einer MRAM-Zelle werden eine untere Elektrodenschicht, eine MTJ-Schicht und eine obere Elektrodenschicht unstrukturiert über einen Wafer abgeschieden, wobei die obere Elektrodenschicht und die MTJ-Schicht dann zu oberen Elektroden und MTJ-Stapeln unter den jeweiligen oberen Elektroden strukturiert werden, und danach eine Spacerschicht über die oberen Elektroden und die MTJ-Stapel abgeschieden wird, worauf ein Prozess zum Ätzen selbstausrichtender Spacer (SPA) folgt, um die Spacerschicht zum Bilden von Spacern um die jeweiligen MTJ-Stapel zu ätzen. Das SPA-Ätzen zerbricht außerdem die untere Elektrodenschicht in untere Elektroden unter den jeweiligen MTJ-Stapeln. Es wurde erkannt, dass auch die oberen Elektroden geätzt und daher durch das SPA-Ätzen konsumiert werden können, was wiederum die Höhen der oberen Elektroden verringern und somit zu einem verengten Anschlussflächenfenster für Metallleitungen führen würde, die auf oberen Elektroden auftreffen. Wenn zum Beispiel die Höhen der oberen Elektroden reduziert werden, dann können die MTJ-Stapel anfälliger für Beschädigung sein, die durch den Grabenätzvorgang zum Bilden von Metallleitungen verursacht werden.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft in einigen Ausführungsformen ein Verfahren zur Bildung von MRAM-Zellen mit einem relaxierten Anschlussflächenfenster zum Bilden von Metallleitungen auf oberen Elektroden. Zum Beispiel kann das SPA-Ätzen stoppen, bevor die untere Elektrodenschicht strukturiert wird, was verhindert, dass die oberen Elektroden durch das SPA-Ätzen geätzt und konsumiert werden. Außerdem wird nach dem SPA-Ätzen eine zusätzliche Ätzstoppschicht über den oberen Elektroden gebildet. Diese Ätzstoppschicht kann zum Schützen der oberen Elektroden vor dem Grabenätzvorgang zum Bilden von Metallleitungen dienen, was wiederum Höhenreduktion der oberen Elektroden mindert oder verhindert. Überdies wird vor dem Strukturieren der unteren Elektrodenschicht ein zusätzlicher Fotolithografieprozess durchgeführt, um eine Fotolackmaske zu bilden, welche die oberen Elektroden abdeckt. Die Fotolackmaske stellt außerdem Schutz für die oberen Elektroden gegen den Ätzprozess zum Strukturieren der unteren Elektrodenschicht bereit, was wiederum Höhenreduktion der oberen Elektroden mindert oder verhindert. Da eine Höhenreduktion von oberen Elektroden, die durch einen oder mehrere Ätzprozesse zur Fertigung von MRAM-Zellen verursacht wird, gemindert oder verhindert werden kann, wird wiederum ein relaxiertes Anschlussflächenfenster zum Bilden von Metallleitungen auf den oberen Elektroden ermöglicht.
  • 1 bis 15B veranschaulichen Querschnittansichten und Draufsichten von Zwischenstufen bei der Bildung einer integrierten Schaltungsstruktur 100 mit einer eingebetteten Speicherregion MR und einer Logikregion LR gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Obwohl die Querschnittansichten und die Draufsichten, die in 1 bis 15B dargestellt sind, unter Bezugnahme auf ein Verfahren beschrieben werden, versteht es sich, dass die Strukturen, die in 1 bis 15B dargestellt sind, nicht auf das Verfahren beschränkt sind, sondern vielmehr unabhängig vom Verfahren für sich allein stehen können. Obwohl 1 bis 15B als eine Reihe von Vorgängen beschrieben werden, versteht es sich, dass diese Vorgänge insofern nicht einschränkend sind, als die Reihenfolge der Vorgänge in anderen Ausführungsformen geändert werden kann und die offenbarten Verfahren auch auf andere Strukturen angewendet werden können. In anderen Ausführungsformen können einige Vorgänge, die veranschaulicht und/oder beschrieben werden, ganz oder teilweise weggelassen sein. 1, 2, 3A, 4A, 5A, 6, 7A, 8, 9A, 10A, 11, 12A, 13A, 14 und 15A sind Querschnittansichten von Zwischenstufen bei der Bildung der integrierten Schaltungsstruktur 100 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 3B, 4B, 5B, 7B, 9B, 10B, 12B, 13B, und 15B sind Draufsichten von Zwischenstufen bei der Bildung der integrierten Schaltungsstruktur 100 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Wie in der Querschnittansicht von 1 dargestellt, weist eine Ausgangsstruktur der integrierten Schaltungsstruktur 100 Metallleitungen 102 auf, die seitlich oder horizontal innerhalb einer Zwischenmetalldielektrikumschicht (IMD - Inter-Metal Dielectric) verlaufen, die sich über die eingebettete Speicherregion MR (MR - Memory Region) und die Logikregion LR erstreckt. Die integrierte Schaltungsstruktur 100 weist ferner eine Ätzstoppschicht 106 über den Metallleitungen 102 und der IMD-Schicht 104 und eine dielektrische Schicht 108 über der Ätzstoppschicht 106 auf. Die Ätzstoppschicht 106 und die dielektrische Schicht 108 erstrecken sich beide über die eingebettete Speicherregion MR und die Logikregion LR.
  • Die IMD-Schicht 104 wird aus einem oder mehreren dielektrischen Materialien mit niedrigem k-Wert hergestellt, die zum Beispiel einen k-Wert (d. h. eine Dielektrizitätskonstante) von unter etwa 4,0 oder sogar 2,0 aufweisen und zwischen solchen leitenden Elementen angeordnet werden. In einigen Ausführungsformen können die IMD-Schichten 104 zum Beispiel aus Phosphorsilikatglas (PSG), Borphosphorsilikatglas (BPSG), Fluorsilikatglas (FSG), SiOxCy, Spin-On-Glass, Spin-On-Polymeren, Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Kombinationen davon oder dergleichen hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen wird die IMD-Schicht 104 aus einem dielektrischen Material mit einem extrem niedrigen k-Wert (ELK - Extreme Low-K) mit einer Dielektrizitätskonstanten von weniger als etwa 2,5 hergestellt. In einigen Ausführungsformen umfassen dielektrische ELK-Materialien kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid, amorphen fluorierten Kohlenstoff, Parylen, Bisbenzocyclobutene (BCB), Polytetrafluorethylen (PTFE) (Teflon) oder Siliziumoxycarbid-Polymere (SiOC). In einigen Ausführungsformen umfassen dielektrische ELK-Materialien eine poröse Version eines bestehenden dielektrischen Materials, beispielsweise Wasserstoff-Silsesquioxan (HSQ - Hydrogen SilsesQuioxane), poröses Methylsilsesquioxan (MSQ - MethylSilsesQuioxane), porösen Polyarylether (PAE), poröses SiLK oder poröses Siliziumoxid (SiO2). Die IMD-Schicht 104 kann durch jedes geeignete Verfahren, beispielsweise Rotationsbeschichtung, chemische Gasphasenabscheidung (CVD-Chemical Vapor Deposition), plasmagestützte CVD (PECVD - Plasma-Enhanced CVD) oder dergleichen, auf Wafer gebildet werden.
  • Die Bildung der Metallleitungen 102 umfasst ein Bilden von Gräben in der IMD-Schicht 104 unter Verwendung von geeigneten Fotolithografie- und Ätztechniken, Abscheiden einer oder mehrerer Metallschichten in die Gräben in der IMD-Schicht 104 und Entfernen überschüssiger Materialien der einen oder der mehreren Metallschichten außerhalb der Gräben in der IMD-Schicht 104. Die verbleibenden Materialien der einen oder der mehreren Metallschichten in der IMD-Schicht 104 dienen als die Metallleitungen 102. Die Metallleitungen 102 umfassen geeignete Metalle, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium, Wolfram, Kombinationen davon oder dergleichen, und können unter Verwendung von physikalischer Gasphasenabschneidung (PVD - Physical Vapor Deposition), chemischer Gasphasenabscheidung (CVD - Chemical Vapor Deposition), Atomschichtabscheidung (ALD - Atomic Layer Deposition), anderen geeigneten Abscheidetechniken oder Kombinationen davon gebildet werden. In einigen Ausführungsformen können die Metallleitungen 102 ferner eine oder mehrere Sperr-/Haftschichten (nicht dargestellt) aufweisen, um die IMD-Schicht 104 vor Metalldiffusion (z. B. Kupferdiffusion) und Metallvergiftung zu schützen. Die eine oder die mehreren Sperr-/Haftschichten können Titan, Titannitrid (TiN), Tantal, Tantalnitrid (TaN) oder dergleichen umfassen und unter Verwendung von PVD, CVD, ALD, Kombinationen davon oder dergleichen gebildet werden.
  • Nach dem Bilden der Metallleitungen 102 in der IMD-Schicht 104 wird eine Ätzstoppschicht 106 über den Metallleitungen 102 und der IMD-Schicht 104 durch Verwenden geeigneter Abscheidetechniken, wie beispielsweise PVD, CVD, ALD, dergleichen oder Kombinationen davon, gebildet. Die Ätzstoppschicht 106 erstreckt sich über die eingebettete Speicherregion MR und die Logikregion LR. Die Ätzstoppschicht 106 wird aus einem anderen Material als die darüber liegende dielektrische Schicht 108 hergestellt. Daher weisen die Ätzstoppschicht 106 und die dielektrische Schicht 108 verschiedene Ätzselektionseigenschaften auf, was Ätzen der dielektrischen Schicht 108 bei einer schnelleren Ätzrate als Ätzen der Ätzstoppschicht 106 in einem nachfolgenden Ätzprozess ermöglicht. Die Ätzstoppschicht 106 kann demnach den Ätzprozess zum Ätzen der dielektrischen Schicht 108 verlangsamen oder stoppen, so dass ein Ätzendpunkt durch die Ätzstoppschicht 106 klarer bestimmt werden kann. In einigen Ausführungsformen wird die Ätzstoppschicht 106 aus stickstoffdotiertem Carbid (NDC - Nitrogen-Doped Carbide) hergestellt, aber es können auch andere geeignete Materialien, wie beispielsweise sauerstoffdotiertes Carbid (ODC - Oxygen-Doped Carbide), wasserstoff- und stickstoffdotiertes Carbid (HNDC - Hydrogen and Nitrogen Doped Carbide), Siliziumcarbid (SiC), verwendet werden.
  • Nach dem Abscheiden der Ätzstoppschicht 106 über die Metallleitungen 102 und die IMD-Schicht 104 wird eine dielektrische Schicht 108 über der Ätzstoppschicht 106 gebildet. In einigen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Schicht 108 solche Materialien wie Tetraethylorthosilikat-Oxid (TEOS-Oxid), undotiertes Silikatglas oder dotiertes Siliziumoxid, beispielsweise Borphosphorsilikatglas (BPSG), Kieselglas (FSG - Fused Silica Glass), Phosphorsilikatglas (PSG), bordotiertes Siliziumglas (BSG), und/oder andere geeignete Materialien mit einer anderen Ätzselektivität als die Ätzstoppschicht 106. Die dielektrische Schicht 108 kann durch CVD, PVD, ALD oder andere geeignete Abscheidetechniken abgeschieden werden.
  • Wie in der Querschnittansicht von 2 dargestellt, werden eine Sperrschicht 110 und eine Durchkontaktierung der unteren Elektrode (BEVA - Bottom Electrode Via) 112 gebildet, die sich durch die dielektrische Schicht 108 und die Ätzstoppschicht 106 erstreckt. In einigen Ausführungsformen umfasst die Bildung der Sperrschicht 110 und der BEVA 112 ein Strukturieren der dielektrischen Schicht 108 und der Ätzstoppschicht 106, um Durchkontaktierungsöffnungen O1 innerhalb der eingebetteten Speicherregion MR zu bilden, die sich durch die dielektrische Schicht 108 und die Ätzstoppschicht 106 erstrecken, um die jeweiligen Metallleitungen 102 freizulegen, konformes Abscheiden eines Sperrmaterials, das Seitenwände und Unterseiten der Durchkontaktierungsöffnungen O1 auskleidet, Abscheiden eines BEVA-Materials, das die Durchkontaktierungsöffnungen O1 überfüllt, und anschließendes Durchführen eines Prozesseses chemisch-mechanischen Polierens (CMP) zum Entfernen von überschüssigem BEVA-Material und überschüssigem Sperrmaterial außerhalb der Durchkontaktierungsöffnungen O1 bei Belassen des Sperrmaterials in den Durchkontaktierungsöffnungen O1, um als Sperrschichten 110 zu dienen, welche die jeweiligen Durchkontaktierungsöffnungen O1 auskleiden, und Belassen des BEVA-Materials in den Durchkontaktierungsöffnungen O1, um als BEVAs 112 zu dienen, die von den Sperrschichten 110 seitlich umgeben werden. In einigen Ausführungsformen wird vor dem Abscheiden des BEVA-Materials optional ein anisotroper Ätzprozess zum Entfernen von seitlichen Teilen (oder horizontalen Teilen) des Sperrmaterials durchgeführt, während geneigte Teile (oder vertikale Teile, wenn die Durchkontaktierungsöffnungen O1 vertikale Seitenwände haben) in den Durchkontaktierungsöffnungen O1 belassen werden. In diesem Fall wird das BEVA-Material direkt auf die Metallleitungen 102 abgeschieden, so dass die BEVAs 112 jeweils mit den Metallleitungen 102 in Kontakt sind.
  • In einigen Ausführungsformen werden die BEVAs 112 aus Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Wolfram (W), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), dergleichen oder Kombinationen davon hergestellt In einigen Ausführungsformen umfasst die Sperrschicht Tantal (Ta), Titan (Ti), Tantalnitrid (TaN) oder Titannitrid (TiN), das verhindert, dass das BEVA-Material im die umgebende dielektrische Schicht 108 und die umgebende Ätzstoppschicht 106 diffundiert. Das Sperrmaterial und das BEVA-Material können unter Verwendung von CVD, PVD, ALD, dergleichen oder Kombinationen davon abgeschieden werden. In einigen Ausführungsformen werden die Durchkontaktierungsöffnungen O1 durch Verwenden eines Ätzmittels geätzt, das die dielektrische Schicht 108 bei einer schnelleren Rate ätzt, als es die Ätzstoppschicht 106 ätzt. Auf diese Weise kann der Ätzprozess zum Bilden der Durchkontaktierungsöffnungen O1 durch die Ätzstoppschicht 106 verlangsamt werden, was wiederum verhindert, dass die Metallleitungen 102 durch diesen Ätzprozess beschädigt werden. Zum Beispiel umfasst das Ätzmittel Fluorwasserstoffsäure oder dergleichen, wenn die dielektrische Schicht 108 aus Siliziumoxid hergestellt wird, und die Ätzstoppschicht 106 aus stickstoffdotiertem Carbid hergestellt wird.
  • Wie in der Querschnittansicht von 3A veranschaulicht, wird nach dem Bilden der Sperrschichten 110 und der BEVAs 112 in den Durchkontaktierungsöffnungen O1 eine Schicht einer unteren Elektrode (BE - Bottom Electrode) 114, die sich über die dielektrische Schicht 108, die Sperrschichten 110 und die BEVAs 112 erstreckt, durch geeignete Abscheidetechniken wie PVD, CVD, ALD, dergleichen oder Kombinationen davon gebildet. Die untere Elektrodenschicht 114 erstreckt sich über die eingebettete Speicherregion MR und die Logikregion LR. Die untere Elektrodenschicht 114 kann eine Einzelschichtstruktur oder eine Mehrschichtstruktur sein. In einigen Ausführungsformen umfasst die untere Elektrodenschicht 114 ein leitendes Nitrid, das eine magnetische Eigenschaft besitzt, die für den Einsatz der später gebildeten MTJ-Stapel geeignet ist. Zum Beispiel beeinträchtigt das leitende Nitridmaterial der unteren Elektrodenschicht 114 nicht die Anschlussbelegung der magnetischen Polarisation einer späteren gebildeten, verstifteten Schicht der MTJ-Stapel. In einigen Ausführungsformen wird die untere Elektrodenschicht 114 aus TaN, TiN oder Kombinationen davon hergestellt. Die Bildung der unteren Elektrodenschicht 114 kann zum Beispiel unter Verwendung von CVD, PVD, ALD, dergleichen oder Kombinationen davon durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen werden die BEVAs 112 aus einem Material hergestellt, das den elektrischen und magnetischen Eigenschaften der unteren Elektrodenschicht 114 entspricht. Wenn zum Beispiel die untere Elektrodenschicht 114 aus TaN, TiN oder Kombinationen davon hergestellt wird, können die BEVAs 112 aus TiN hergestellt werden.
  • Wie in der Querschnittansicht von 3A veranschaulicht, wird nach dem Bilden der unteren Elektrodenschicht 114 eine Schicht eines magnetischen Tunnelübergangs (MTJ) 116 über der unteren Elektrodenschicht 114 gebildet und erstreckt sich über die eingebettete Speicherregion MR und die Logikregion LR. Die MTJ-Schicht 116 weist eine untere magnetische Schicht 118, eine Tunnelsperrschicht 120 und eine obere magnetische Schicht 122 auf, die der Reihe nach über der unteren Elektrodenschicht 114 gebildet werden. Die untere magnetische Schicht 118, die Tunnelsperrschicht 120 und die obere magnetische Schicht 122 bilden zusammen einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) und werden daher in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zusammen als MTJ-Schicht 116 bezeichnet.
  • In einigen Ausführungsformen ist die untere magnetische Schicht 118 eine Mehrschichtstruktur, die eine Schicht antiferromagnetischen Materials (AFM) über der unteren Elektrodenschicht 114 und eine verstiftete ferromagnetische Schicht über der AFM-Schicht aufweist. In der Schicht antiferromagnetischen Materials (AFM) richten magnetische Momente von Atomen (oder Molekülen) sich in einem regelmäßigen Muster mit magnetischen Momenten von benachbarten Atomen (oder Molekülen) in entgegengesetzten Richtungen aus. Ein magnetisches Nettomoment der AFM-Schicht ist null. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die AFM-Schicht Platin-Mangan (PtMn). In einigen Ausführungsformen umfasst die AFM-Schicht Iridium-Mangan (IrMn), Rhodium-Mangan (RhMn) oder Eisen-Mangan (FeMn). Ein beispielhaftes Bildungsverfahren der AFM-Schicht umfasst Sputtern, PVD, ALD oder dergleichen.
  • Die verstiftete ferromagnetische Schicht in der unteren magnetischen Schicht 118 bildet einen Dauermagneten und weist starke Wechselwirkungen mit Magneten auf. Eine Richtung eines magnetischen Moments der verstifteten ferromagnetischen Schicht kann durch die Schicht antiferromagnetischen Materials (AFM) verstift werden, und wird während des Einsatzes eines resultierenden MTJ-Stapels, der aus der MTJ-Schicht 116 gefertigt wird, z. B. bei Schreibvorgängen von resultierenden MRAM-Zellen nicht geändert. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die verstiftete ferromagnetische Schicht Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB). In einigen Ausführungsformen umfasst die verstiftete ferromagnetische Schicht CoFeTa, NiFe, Co, CoFe, CoPt oder die Legierung von Ni, Co und Fe. Ein beispielhaftes Bildungsverfahren der verstifteten ferromagnetischen Schicht umfasst Sputtern, PVD oder ALD. In einigen Ausführungsformen weist die verstiftete ferromagnetische Schicht eine Mehrschichtstruktur auf.
  • Die Tunnelsperrschicht 120 wird über der unteren magnetischen Schicht 118 gebildet. Die Tunnelsperrschicht 120 kann auch als Tunnelschicht bezeichnet werden, die dünn genug ist, dass Elektronen durch die Tunnelsperrschicht hindurch tunneln können, wenn eine Vorspannung an einen resultierenden MTJ-Stapel angelegt wird, der aus der MTJ-Schicht 116 gefertigt wird. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Tunnelsperrschicht 120 Magnesiumoxid (MgO), Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxynitrid (AlON), Hafniumoxid (HfO2) oder Zirconiumoxid (ZrO2). Ein beispielhaftes Bildungsverfahren der Tunnelsperrschicht 120 umfasst Sputtern, PVD, ALD oder dergleichen.
  • Die obere magnetische Schicht 122 wird über der Tunnelsperrschicht 120 gebildet. Die obere magnetische Schicht 122 ist in einigen Ausführungsformen eine freie ferromagnetische Schicht. Genauer gesagt ist eine Richtung eines magnetischen Moments der oberen magnetischen Schicht 122 nicht verstiftet, da kein antiferromagnetisches Material in der oberen magnetischen Schicht 122 vorhanden ist. Daher kann die magnetische Orientierung dieser Schicht angepasst werden, weshalb die Schicht als freie Schicht bezeichnet wird. In einigen Ausführungsformen ist die Richtung des magnetischen Moments der oberen magnetischen Schicht 122 frei, um sich parallel oder antiparallel zur verstifteten Richtung des magnetischen Moments der verstifteten ferromagnetischen Schicht in der unteren magnetischen Schicht 118 zu drehen. Die obere magnetische Schicht 122 kann ein ferromagnetisches Material ähnlich dem Material in der verstifteten ferromagnetischen Schicht in der unteren magnetischen Schicht 118 umfassen. Da die obere magnetische Schicht 122 kein antiferromagnetisches Material aufweist, während die untere magnetische Schicht 118 ein antiferromagnetisches Material darin aufweist, weisen die untere und die obere magnetische Schicht 118 und 122 verschiedene Materialien auf. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die obere magnetische Schicht 122 Kobalt, Nickel, Eisen oder Bor. Ein beispielhaftes Bildungsverfahren der oberen magnetischen Schicht 122 umfasst Sputtern, PVD, ALD oder dergleichen. Obwohl in der dargestellten Ausführungsform die freie ferromagnetischen Schicht 122 die oberste Schicht in der MTJ-Schicht 116 ist, weist die MTJ-Schicht 116 in einigen anderen Ausführungsformen ferner eine zusätzliche MgO-Schicht über der freien Schicht 122 und eine Verkappungsschicht (z. B. TaN oder TiN) über der zusätzlichen MgO-Schicht auf.
  • Nach dem Bilden der MTJ-Schicht 116 wird die obere Elektrodenschicht 124 über der MTJ-Schicht 116 gebildet. Die obere Elektrode 124 erstreckt sich ebenfalls über die eingebettete Speicherregion MR und die Logikregion LR, wie in der Querschnittansicht von 3A veranschaulicht. Die obere Elektrodenschicht 124 umfasst ein leitendes Material. In einigen Ausführungsformen ähnelt die obere Elektrodenschicht 124 hinsichtlich der Zusammensetzung der unteren Elektrodenschicht 140. In einigen Ausführungsformen umfasst die obere Elektrodenschicht 124 Titan (Ti), Tantal (Ta), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Wolfram (W), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), dergleichen oder Kombinationen davon. Ein beispielhaftes Bildungsverfahren der oberen Elektrodenschicht 124 umfasst Sputtern, PVD, ALD oder dergleichen.
  • Als Nächstes wird eine Hartmaskenschicht 126 über der oberen Elektrodenschicht 124 gebildet. In einigen Ausführungsformen wird die Hartmaskenschicht 126 aus einem dielektrischen Material gebildet. Zum Beispiel kann es sich bei der Hartmaskenschicht 126 um Siliziumcarbid (SiC), Siliziumoxynitrid (SiON), Siliziumnitrid (SiN), Siliziumdioxid (SiO2), dergleichen und/oder Kombinationen davon handeln. Die Hartmaskenschicht 126 kann durch jede geeignete Abscheidetechnik, wie beispielsweise CVD, ALD, PVD, dergleichen oder Kombinationen davon gebildet werden.
  • Die Querschnittansicht von 3A veranschaulicht außerdem die Bildung einer strukturierten Maskenschicht M1 über der Hartmaskenschicht 126. Die strukturierte Maskenschicht M1 kann ein organisches Material, beispielsweise ein Fotolackmaterial, umfassen, und sie kann unter Verwendung eines Rotationsbeschichtungsprozesses gebildet werden, worauf Strukturieren des Fotolackmaterials zum Bilden einer Mehrzahl von Löchern O2, die sich durch die strukturierte Maskenschicht M1 erstrecken, unter Verwendung geeigneter Lithografietechniken folgt, was zu einer Mehrzahl von strukturierten Masken P1 führt, welche die jeweiligen BEVAs 112 vertikal überlappen. Zum Beispiel wird Fotolackmaterial bestrahlt (belichtet) und entwickelt, um Teile des Fotolackmaterials zu entfernen. Genauer gesagt wird eine Fotomaske (nicht dargestellt) über dem Fotolackmaterial angeordnet, die dann mit einem Strahlenbündel belichtet werden kann, wobei es sich um Ultraviolett (UV) oder einen Excimer-Laser, beispielsweise einen Krypton-Fluorid-(KrfF-)Excimer-Laser oder einen Argon-Fluorid-(ArF-)Excimer-Laser handeln kann. Die Belichtung des Fotolackmaterials kann zum Beispiel unter Verwendung eines Werkzeugs für Immersionslithografie oder eines Werkzeugs für extremes ultraviolettes Licht (EUV) durchgeführt werden, um die Auflösung zu erhöhen und den erreichbaren Mindestabstand zu reduzieren. Ein Trocknungs- oder Härtungsvorgang kann durchgeführt werden, um das belichtete Fotolackmaterial zu härten, und ein Entwickler kann verwendet werden, um in Abhängigkeit davon, ob ein Positiv- oder ein Negativlack verwendet wird, entweder die belichteten oder unbelichteten Teile des Fotolackmaterials zu entfernen. Auf diese Weise werden strukturierte Masken P1, die durch Öffnungen O2 getrennt sind, wie in 3A veranschaulicht, in der strukturierten Fotolackschicht M1 gebildet. Der Schritt des Bildens der strukturierten Masken P1 kann synonym als erster Fotolithografieprozess bei der MRAM-Fertigung bezeichnet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 3B wird eine Draufsicht der eingebetteten Speicherregion MR von 3A, wie in der Schnittlinie 3B-3B angezeigt, die in 3A dargestellt ist, gemäß einigen Ausführungsformen bereitgestellt. Die Draufsicht von 3B entspricht einer unter Verwendung eines Bildgebungswerkzeugs (z. B. REM, TEM oder dergleichen) gemachten Aufnahme entlang der in 3A dargestellten Schnittlinie 3B-3B. In einigen Ausführungsformen weisen die strukturierten Masken P1 bei Betrachtung von oben jeweils eine im Wesentlichen kreisförmige Struktur (z. B. kreisförmige/elliptische Struktur) mit einem Durchmesser D1 auf.
  • Nach dem Bilden der strukturierten Maskenschicht M1 wird ein Strukturierungsprozess auf der Hartmaskenschicht 126 und der oberen Elektrodenschicht 124 zum Übertragen der Struktur der strukturierten Masken P1 auf die darunterliegende Hartmaskenschicht 126 und die obere Elektrodenschicht 124 durchgeführt, was zu strukturierten Hartmasken 126' und strukturierten oberen Elektroden 124' unter den jeweiligen strukturierten Hartmasken 126' führt, wie in 4A und 4B veranschaulicht. Dieser Schritt kann synonym als Prozess zur Strukturierung einer oberen Elektrode bezeichnet werden. 4A ist eine Querschnittansicht der integrierten Schaltungsstruktur 100 nach Abschluss des Prozesses zur Strukturierung der oberen Elektrode, und 4B ist eine Draufsicht der eingebetteten Speicherregion MR von 4A, wie durch die in 4A dargestellte Schnittlinie 4B-4B angezeigt, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst der Prozess zur Strukturierung der oberen Elektrode einen oder mehrere Ätzprozesse, wobei die strukturierte Maskenschicht M1 als Ätzmaske verwendet wird. Der eine oder die mehreren Ätzprozesse können Nassätzprozesse, anisotrope Trockenätzprozesse oder Kombinationen davon umfassen, und sie können ein oder mehrere Ätzmittel verwenden, welche die Hartmaskenschicht 126 und die obere Elektrodenschicht 124 bei einer schnelleren Ätzrate ätzen, als sie die strukturierte Maskenschicht M1 ätzen. Die Hartmaskenschicht 126 und die obere Elektrodenschicht 124 können zum Beispiel unter Verwendung eines Trockenätzprozesses strukturiert werden, der chlorhaltiges Gas (z. B. Cl2, CHCl3, CCl4 und/oder BCl3), andere geeignete Gase und/oder Plasmen und/oder Kombinationen davon verwenden kann. Der Trockenätzprozess kann zum Beispiel reaktives Ionenätzen (RIE), induktiv gekoppeltes Plasmaätzen (ICP - Inductively Coupled Plasma), transformatorgekoppeltes Plasmaätzen (TCP - Transformer Coupled Plasma) Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ätzen (ECR - Electron Cyclotron Resonance), dergleichen oder Kombinationen davon umfassen. Der Strukturierungsprozess kann ein Ätzen in mehreren Schritten umfassen, um Ätzselektivität, Flexibilität und ein gewünschtes Ätzprofil zu erreichen. Das Ätzmittel und die Ätzbedingungen können gewählt werden, um die Hartmaskenschicht 126 und die obere Elektrodenschicht 124 ohne wesentliches Ätzen der oberen magnetischen Schicht 122 (d. h. der freien ferromagnetischen Schicht) selektiv zu ätzen. Demnach dient die obere magnetische Schicht 122 als Ätzstoppschicht zum Relaxieren von Ätzprozessbeschränkungen und Verbessern des Ätzprozessfensters im Schritt des Strukturierens der oberen Elektrodenschicht 124.
  • Nach Abschluss des Prozesses zur Strukturierung der oberen Elektrode wird die strukturierte Maskenschicht M1 zum Beispiel unter Verwendung eines Plasmaveraschungsprozesses entfernt. In einigen Ausführungsformen wird ein Plasmaveraschungsprozess durchgeführt, derart dass die Temperatur der Fotolackmaske M1 erhöht wird, bis die Fotolackmaske M1 thermische Zersetzung erfährt und entfernt werden kann. Es kann jedoch jeder geeignete Prozess, wie beispielsweise Nassablösen, verwendet werden.
  • Da die Hartmaskenschicht 126 und die obere Elektrodenschicht 124 unter Verwendung der Maskenschicht M1 als Ätzmaske strukturiert werden, übernehmen die strukturierten Hartmasken 126' und die strukturierten oberen Elektroden 124' die Strukturen der strukturierten Masken P1 (veranschaulicht in 3A und 3B), so dass in der Draufsicht von 4B die strukturierten Hartmasken 126' und die strukturierten oberen Elektroden 124' jeweils eine kreisförmige/elliptische Struktur aufweisen, wenn die strukturierten Masken P1 in Draufsicht kreisförmige/elliptische Profile aufweisen. Außerdem können die oberen Elektroden 124' in einigen Ausführungsformen aufgrund der Beschaffenheit des Trockenätzprozesses konisch zulaufende Seitenwände aufweisen, wie in der Querschnittansicht von 4A veranschaulicht. Genauer gesagt weisen die oberen Elektroden 124' einen maximalen Durchmesser in untersten Positionen der oberen Elektroden 124' auf, und der maximale Durchmesser ist größer als ein maximaler Durchmesser der Hartmasken 126'. In diesem Fall bilden die oberen Elektroden 124' bei Betrachtung von oben größere kreisförmige/elliptische Strukturen als die Hartmasken 126', und insbesondere können die oberen Elektroden 124' und die Hartmasken 126' konzentrische Kreise/Ellipsen bilden, wie in der Draufsicht von 4B veranschaulicht.
  • Nach Abschluss des Prozesses zur Strukturierung der oberen Elektrode beginnt ein weiterer Strukturierungsprozess auf der MTJ-Schicht 116 zum Übertragen der Struktur der oberen Elektroden 124' auf die MTJ-Schicht 116, was zu strukturierten MTJ-Stapeln (synonym als MTJ-Strukturen bezeichnet) 116' unter den jeweiligen oberen Elektroden 124' führt, wie in 5A und 5B veranschaulicht. Dieser Strukturierungsschritt kann synonym als MTJ-Strukturierungsprozess bezeichnet werden. 5A ist eine Querschnittansicht der integrierten Schaltungsstruktur 100 nach Abschluss des MTJ-Strukturierungsprozesses, und 5B ist eine Draufsicht der eingebetteten Speicherregion MR von 5A, wie durch die in 5A dargestellte Schnittlinie 5B-5B angezeigt, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst der MTJ-Strukturierungsprozess einen oder mehrere Ätzprozesse, wobei die strukturierten Hartmasken 126' (veranschaulicht in 4A und 4B) und/oder die strukturierten oberen Elektroden 124' als Ätzmaske verwendet werden. Der eine oder die mehreren Ätzprozesse können Nassätzprozesse, anisotrope Trockenätzprozesse oder Kombinationen davon umfassen, und sie können ein oder mehrere Ätzmittel verwenden, welche die MTJ-Schicht 116 bei einer schnelleren Ätzrate ätzen, als sie die strukturierte Hartmasken 126' ätzen. Die MTJ-Schicht 116 kann zum Beispiel unter Verwendung von Alkanolen, beispielsweise Methanol (CH3OH), Ethanol und Butanol, oder Kohlenoxid(en) kombiniert mit ammoniakhaltigen Verbindung(en) (z. B. CO+NH3) geätzt werden. Der Trockenätzprozess kann zum Beispiel RIE, ICP-Ätzen, TCP-Ätzen, ECR-Ätzen, dergleichen oder Kombinationen davon umfassen. Der Strukturierungsprozess kann ein Ätzen in mehreren Schritten umfassen, um Ätzselektivität, Flexibilität und ein gewünschtes Ätzprofil zu erreichen. Das Ätzmittel und die Ätzbedingungen werden gewählt, um die obere magnetische Schicht 122, die Tunnelsperrschicht 120 und die untere magnetische Schicht 118 ohne wesentliches Ätzen der unteren Elektrodenschicht 114 selektiv zu ätzen. Demnach kann die untere Elektrodenschicht 114 als Ätzstoppschicht zum Relaxieren von Ätzprozessbeschränkungen und Verbessern des Ätzprozessfensters im Schritt des Strukturierens der MTJ-Schicht 116 dienen.
  • In einigen Ausführungsformen werden die Hartmasken 126' während des MTJ-Strukturierungsprozesses konsumiert, so dass Oberseiten der oberen Elektroden 124' freigelegt werden können, bevor der MTJ-Strukturierungsprozess abgeschlossen ist. In diesem Fall können die oberen Elektroden 124' durch den MTJ-Strukturierungsprozess geätzt werden, was dazu führt, dass die geätzten oberen Elektroden 124' abgerundete Oberseiten aufweisen, wie in der Querschnittsansicht von 5A veranschaulicht. Da jedoch die oberen Elektroden 124' in der Anfangsstufe des MTJ-Strukturierungsprozesses von den Hartmasken 126' abdeckt werden, kann übermäßige Höhenreduktion der oberen Elektroden 124' durch Verwenden der Hartmasken 126' immer noch verhindert werden.
  • Da die MTJ-Schicht 116 unter Verwendung der oberen Elektroden 124' als Ätzmaske strukturiert wird, übernehmen die strukturierte obere magnetische Schicht 122', die strukturierte Tunnelsperrschicht 120' und die strukturierte untere magnetische Schicht 118' in jedem MTJ-Stapel 116' die Struktur der oberen Elektrode 124', so dass in der Draufsicht von 5B die strukturierten MTJ-Stapel 116' jeweils eine kreisförmige/elliptische Struktur aufweisen, wenn die oberen Elektroden 124' in Draufsicht kreisförmige/elliptische Profile aufweisen. Außerdem können die MTJ-Stapel 116 in einigen Ausführungsformen aufgrund der Beschaffenheit des Trockenätzprozesses konisch zulaufende Seitenwände aufweisen, wie in der Querschnittansicht von 5A veranschaulicht. In einem MTJ-Stapel 116 können die untere magnetische Schicht 118', die Tunnelsperrschicht 120' und die obere magnetische Schicht 122' konisch zulaufende Seitenwände aufweisen. Genauer gesagt, weist die unter magnetische Schicht 118' eine Breite (oder einen Durchmesser, wenn sie in Draufsicht ein kreisförmiges Profil hat) auf, die mit zunehmendem Abstand von der unteren Elektrodenschicht 114 abnimmt, die Tunnelsperrsicht 120' weist eine Breite (oder einen Durchmesser, wenn sie in Draufsicht ein kreisförmiges Profil hat) auf, die mit zunehmendem Abstand von der unteren magnetischen Schicht 118' abnimmt, und die obere magnetische Schicht 122' weist eine Breite (oder einen Durchmesser, wenn sie in Draufsicht ein kreisförmiges Profil hat) auf, die mit zunehmendem Abstand von der Tunnelsperrschicht 120' abnimmt. Außerdem ist die maximale Breite der unteren magnetischen Schicht 118' größer als die maximale Breite der Tunnelsperrschicht 120', und die maximale Breite der Tunnelsperrschicht 120' ist größer als die maximale Breite der oberen magnetischen Schicht 122'. Folglich kann bei Betrachtung in Draufsicht, wie in 5B veranschaulicht, die obere magnetische Schicht 122' eine größere kreisförmige/elliptische Struktur als die obere Elektrode 124' bilden, die Tunnelsperrschicht 120' kann eine größere kreisförmige/elliptische Struktur als die obere magnetische Schicht 122' bilden, und die untere magnetische Schicht 118' kann eine größere kreisförmige/elliptische Struktur als die Tunnelsperrschicht 120' bilden. In einigen Ausführungsformen können die obere Elektrode 124', die obere magnetische Schicht 122', die Tunnelsperrschicht 120' und die untere magnetische Schicht 118' konzentrische Kreise/Ellipsen bilden, wie in der Draufsicht von 5B veranschaulicht.
  • Sobald der MTJ-Strukturierungsprozess abgeschlossen ist, wird eine Spacerschicht 128 über den abgerundeten Oberseiten der oberen Elektroden 124' und den konisch zulaufenden Seitenwänden der oberen Elektroden 124' und der MTJ-Stapel 116' sowie über der Oberseite der unteren Elektrodenschicht 114 gebildet. Die resultierende Struktur ist in 6 dargestellt. Die Spacerschicht 128 erstreckt sich sowohl über die eingebettete Speicherregion MR als auch die Logikregion LR. Die Spacerschicht 128 kann in einigen Ausführungsform SiN umfassen, aber in anderen Ausführungsformen kann sie SiC, SiON, Siliziumoxycarbid (SiOC), dergleichen und/oder Kombinationen davon umfassen. Die Spacerschicht 128 kann unter Verwendung von CVD, PVD, ALD, dergleichen oder Kombinationen davon gebildet werden. Die Spacerschicht 128 kann als eine im Wesentlichen konforme Schicht gebildet werden, und infolgedessen ist eine Dicke T1 der abgeschrägten Teile der Spacerschicht 128 auf den konisch zulaufenden Seitenwänden der oberen Elektroden 124' und der MTJ-Stapel 116' nahezu eine Dicke T2 des horizontalen Teils der Spacerschicht 128. Zum Beispiel können die Dicken T1 und T2 eine Differenz aufweisen, die kleiner als etwa 20 Prozent der Dicke T2 beträgt.
  • Als Nächstes wird ein Ätzprozess auf der Spacerschicht 128 durchgeführt, um horizontale Teile von der unteren Elektrodenschicht 114 sowie gewölbte Teile von abgerundeten Oberseiten der oberen Elektroden 124' zu entfernen, während Teile der Spacerschicht 128 auf konisch zulaufenden Seitenwänden der oberen Elektroden 124' und der MTJ-Stapel 116' belassen werden, um als Seitenwandspacer 128' zu dienen, wie in 7A und 7B veranschaulicht. Dieser Schritt kann synonym als Prozess zum Ätzen selbstausrichtender Spacer (SPA) bezeichnet werden, da die resultierenden Seitenwandspacer 128' ohne zusätzlichen Fotolithografieprozess selbstausrichtend in Bezug auf die MTJ-Stapel 116' und die oberen Elektroden 124' gebildet werden können. 7A ist eine Querschnittansicht der integrierten Schaltungsstruktur 100 nach Abschluss des SPA-Ätzprozesses, und 7B ist eine Draufsicht der eingebetteten Speicherregion MR von 7A, wie durch die in 7A dargestellte Schnittlinie 7B-7B angezeigt, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • In einigen Ausführungsformen kann der SPA-Ätzprozess einen anisotropen Trockenätzprozess umfassen, der die Spacerschicht 128 ätzt, die über den Oberseiten der oberen Elektroden 124' und der unteren Elektrodenschicht 114 angeordnet ist, aber die Seitenwandspacer 128' aufgrund der kontrollierten Anisotropie des SPA-Ätzprozesses im Wesentlichen nicht ätzt. Der SPA-Ätzprozess kann auch einen selektiven anisotropen Trockenätzprozess umfassen, der die Spacerschicht 128 bei einer schnelleren Ätzrate als das Ätzen der oberen Elektroden 124' und der unteren Elektrodenschicht 114 ätzt. Als Beispiel und ohne Einschränkung umfasst der SPA-Ätzprozess einen Plasma-Trockenätzprozess, der fluorbasierte Chemikalien, wie beispielsweise CF4, SF6, CH2F2, CHF3 und/oder C2F6, und andere geeignete Gase verwendet.
  • Wie in 7A und 7B veranschaulicht, stoppt der SPA-Ätzprozess, bevor die untere Elektrodenschicht 114 durchbrochen wird. Genauer gesagt ist die untere Elektrodenschicht 114 nach Abschluss des SPA-Ätzprozesses im Wesentlichen immer noch intakt. Würde das SPA-Ätzen mit dem Ätzen der Metallmaterial(ien) in der unteren Elektrodenschicht 114 bis zum Strukturieren der unteren Elektrodenschicht 114 fortfahren, würde das SPA-Ätzen auch die oberen Elektroden 124' ätzen, was zu übermäßiger Höhenreduktion der oberen Elektroden 124' führen würde. Da im Gegensatz dazu das SPA-Ätzen nicht mit dem Ätzen von Metallmaterialien der unteren Elektrodenschicht 114 fortfährt, kann der SPA-Ätzprozess zu einer vernachlässigbaren oder gar keiner Ätzmenge auf den oberen Elektroden 124' führen, was wiederum eine durch den SPA-Ätzprozess verursachte Höhenreduktion der oberen Elektroden 124' mindert oder verhindert. Als Ergebnis können die abgerundeten Oberseiten der oberen Elektroden 124' nach dem SPA-Ätzen im Wesentlichen intakt bleiben.
  • Da die Seitenwandspacer 128' in Bezug auf Seitenwände der oberen Elektroden 124' und der MTJ-Stapel 116' selbstausrichtend sind, ist jeder Seitenwandspacer 128' eine einzige durchgehende annulare (d. h. ringförmige) Beschichtungslage mit einer kreisförmigen/elliptischen Außenfläche bei Betrachtung in Draufsicht, wie in 7B veranschaulicht.
  • Nach Abschluss des SPA-Ätzprozesses wird eine weitere Ätzstoppschicht 130 als unstrukturierte Schicht zum Abdecken der in 7A und 7B dargestellten Struktur gebildet. Die resultierende Struktur ist in 8 dargestellt. Die Ätzstoppschicht 130 erstreckt sich sowohl über die eingebettete Speicherregion MR als auch die Logikregion LR. In einigen Ausführungsformen wird die Ätzstoppschicht 130 aus einem aluminiumhaltigen dielektrischen Material, beispielsweise Aluminiumnitrid (AIN), Aluminiumoxid (AlOx), Alumiumoxynitrid, anderen aluminiumhaltigen dielektrischen Materialien oder Kombinationen davon gebildet. Die Ätzstoppschicht 130 kann als eine im Wesentlichen konforme Schicht mit einer allseits einheitlichen Dicke gebildet werden. Die Ätzstoppschicht 130 kann zum Schützen der oberen Elektroden 124' vor einem späteren Grabenätzprozess zum Bilden von Metallleitungen dienen, was wiederum Höhenreduktion der oberen Elektroden 124' mindert oder verhindert. Wenn die Ätzstoppschicht 130 übermäßig dick ist, kann der Spalt zwischen benachbarten MTJ-Stapeln 116' zu klein sein, um gefüllt zu werden, und daher zu einem größeren Problem bei einem späteren Abscheideprozess zum Bilden einer IMD-Schicht führen. Wenn die Ätzstoppschicht 130 übermäßig dünn ist, kann der spätere Grabenätzprozess zu unzufriedenstellender Höhenreduktion führen, was wiederum zu einem verengten Anschlussflächenfenster für Metallleitungen führen würde, die auf den oberen Elektroden aufsetzen.
  • Nach dem Bilden der Ätzstoppschicht 130 wird eine weitere strukturierte Maskenschicht M2 über der Ätzstoppschicht 130 gebildet, wie in 9A und 9B veranschaulicht. Dieser Schritt kann synonym als zweiter Fotolithografieprozess bei der MRAM-Fertigung bezeichnet werden. 9A ist eine Querschnittansicht der integrierten Schaltungsstruktur 100 nach Abschluss des zweiten Fotolithografieprozesses, und 9B ist eine Draufsicht der eingebetteten Speicherregion MR von 9A, wie durch die in 9A dargestellte Schnittlinie 9B-9B angezeigt, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Die strukturierte Maskenschicht M2 kann ein organisches Material, beispielsweise ein Fotolackmaterial, umfassen, und sie kann unter Verwendung eines Rotationsbeschichtungsprozesses gebildet werden, worauf Strukturieren des Fotolackmaterials zum Bilden einer Mehrzahl von Löchern O3, die sich durch die strukturierte Maskenschicht M2 erstrecken, unter Verwendung geeigneter Lithografietechniken folgt, was zu einer Mehrzahl von strukturierten Masken P2 führt, welche die jeweiligen oberen Elektroden 124' und die jeweiligen MJT-Stapel 116' umschließt. Zum Beispiel wird Fotolackmaterial bestrahlt (belichtet) und entwickelt, um Teile des Fotolackmaterials zu entfernen. Genauer gesagt wird eine Fotomaske (nicht dargestellt) über dem Fotolackmaterial angeordnet, die dann mit einem Strahlenbündel belichtet wird, wobei es sich um Ultraviolett (UV) oder einen Excimer-Laser, beispielsweise einen Krypton-Fluorid-(KrF-)Excimer-Laser oder einen Argon-Fluorid-(ArF-)Excimer-Laser handeln kann. Die Belichtung des Fotolackmaterials kann zum Beispiel unter Verwendung eines Werkzeugs für Immersionslithografie oder eines Werkzeugs für extremes ultraviolettes Licht (EUV) durchgeführt werden, um die Auflösung zu erhöhen und den erreichbaren Mindestabstand zu reduzieren. Ein Trocknungs- oder Härtungsvorgang kann durchgeführt werden, um das belichtete Fotolackmaterial zu härten, und ein Entwickler kann verwendet werden, um in Abhängigkeit davon, ob ein Positiv- oder ein Negativlack verwendet wird, entweder die belichteten oder unbelichteten Teile des Fotolackmaterials zu entfernen. Auf diese Weise werden strukturierte Masken P2, die durch Öffnungen O3 getrennt sind, wie in 9A veranschaulicht, in der strukturierten Fotolackschicht M2 gebildet. Wie in der Draufsicht von 9B veranschaulicht, weisen die strukturierten Masken P2 jeweils eine kreisförmige/elliptische Struktur mit einem Durchmesser D2 auf. Der Durchmesser D2 der strukturierten Masken P2 ist größer als der Durchmesser D1 der strukturierten Maske P1, wie in 3A und 3B veranschaulicht. Der Grund dafür ist, dass der erste Fotolithografieprozess, der auf der Stufe von 3A und 3B durchgeführt wird, zum Definieren von oberen Elektroden dient, und der zweite Fotolithografieprozess, der auf der Stufe von 9A und 9B durchgeführt wird, zum Bereitstellen von Masken dient, welche die oberen Elektroden abdecken. Als Beispiel und ohne Einschränkung ist der Durchmesser D2 der strukturierten Masken P2 größer als der Durchmesser D1 der strukturierten Masken P1.
  • Nach dem Bilden der strukturierten Maskenschicht M2 wird ein Strukturierungsprozess auf der Ätzstoppschicht 130 und der unteren Elektrodenschicht 114 zum Übertragen der Struktur der strukturierten Masken P2 auf die darunterliegende Ätzstoppschicht 130 und die untere Elektrode 121 durchgeführt, was zu strukturierten Ätzstoppschichten 130' und strukturierten unteren Elektroden 114' unter den jeweiligen strukturierten Ätzstoppschichten 130' führt, wie in 10A und 10B veranschaulicht. Dieser Schritt kann synonym als Prozess zur Strukturierung einer unteren Elektrode bezeichnet werden. 10A ist eine Querschnittansicht der integrierten Schaltungsstruktur 100 nach Abschluss des Prozesses zur Strukturierung der unteren Elektrode, und 10B ist eine Draufsicht der eingebetteten Speicherregion MR von 10A, wie durch die in 10A dargestellte Schnittlinie 10B-10B angezeigt, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst der Prozess zur Strukturierung der unteren Elektrode einen oder mehrere Ätzprozesse, wobei die strukturierte Maskenschicht M2 als Ätzmaske verwendet wird. Der eine oder die mehreren Ätzprozesse können Nassätzprozesse, anisotrope Trockenätzprozesse oder Kombinationen davon umfassen, und sie können ein oder mehrere Ätzmittel verwenden, welche die Ätzstoppschicht 130 und die untere Elektrodenschicht 114 bei einer schnelleren Ätzrate ätzen, als sie die strukturierte Maskenschicht M2 ätzen. Die Ätzstoppschicht 130 und die obere Elektrodenschicht 114 können zum Beispiel unter Verwendung eines Trockenätzprozesses strukturiert werden, der chlorhaltiges Gas (z. B. Cl2, CHCl3, CCl4 und/oder BCl3), andere geeignete Gase und/oder Plasmen und/oder Kombinationen davon verwenden kann. Der Trockenätzprozess kann zum Beispiel RIE, ICP-Ätzen, TCP-Ätzen, ECR-Ätzen, dergleichen oder Kombinationen davon umfassen. Der Prozess zur Strukturierung der unteren Elektrode kann ein Ätzen in mehreren Schritten umfassen, um Ätzselektivität, Flexibilität und ein gewünschtes Ätzprofil zu erreichen. Das Ätzmittel und die Ätzbedingungen können gewählt werden, um die Ätzstoppschicht 130 und die untere Elektrodenschicht 114 ohne wesentliches Ätzen der dielektrischen Schicht 108 selektiv zu ätzen. Demnach dient die dielektrische Schicht 108 als Ätzstoppschicht zum Relaxieren von Ätzprozessbeschränkungen und Verbessern des Ätzprozessfensters im Schritt des Strukturierens der unteren Elektrodenschicht 11.
  • In einigen Ausführungsformen verwendet der Prozess zur Strukturierung der unteren Elektrode dasselbe Ätzmittel wie der Prozess zur Strukturierung der oberen Elektrode. Zum Beispiel verwenden sowohl der Prozess zur Strukturierung der unteren Elektrode als auch der Prozess zur Strukturierung der oberen Elektrode ein chlorbasiertes Ätzmittel, beispielsweise chlorhaltiges Gas (z. B. Cl2, CHCl3, CCl4 und/oder BCl3), und/oder Plasma. Außerdem umfassen sowohl der Prozess zur Strukturierung der unteren Elektrode als auch der Prozess zur Strukturierung der oberen Elektrode einen Fotolithografieprozess, um gezielte Geometrien zu definieren, und die Fertigung der MTJ-Zellen kann synonym als doppeltes MTJ-Zellenstrukturierungsverfahren bezeichnet werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Prozess zur Strukturierung der unteren Elektrode die dielektrische Schicht 108 geringfügig ätzen, was zu ausgesparten Regionen R in der dielektrischen Schicht 108 führt. Als Ergebnis weist die dielektrische Schicht 108 eine abgestufte Oberseite mit höheren Stufen, die mit den unteren Elektroden 114' in Kontakt sind, und niedrigeren Stufen auf, die von den unteren Elektroden 114' getrennt sind, wobei die niedrigeren Stufen sich über die Logikregion LR erstrecken. Anders ausgedrückt weist die dielektrische Schicht innerhalb der Logikregion eine kleinere Dicke als unter den unteren Elektroden 114' auf. In der eingebetteten Speicherregion MR werden eine BEVA 112, eine untere Elektrode 114' über der BEVA 112, ein MTJ-Stapel 116' über der unteren Elektrode 114' und eine obere Elektrode 124" über dem MTJ-Stapel 116' zusammen als MRAM-Zelle bezeichnet. Zwei MRAM-Zellen sind der Kürze und Klarheit halber in den Ausführungsformen von 10A und 10B veranschaulicht. In einigen anderen Ausführungsformen weist die integrierte Schaltung mehr als zwei MRAM-Zellen auf, die bei Betrachtung von oben in Zeilen und Spalten angeordnet sind.
  • Nach Abschluss des Prozesses zur Strukturierung der unteren Elektrode wird die strukturierte Maskenschicht M2 zum Beispiel unter Verwendung eines Plasmaveraschungsprozesses entfernt. In einigen Ausführungsformen wird ein Plasmaveraschungsprozess durchgeführt, derart dass die Temperatur der Fotolackmaske M2 erhöht wird, bis die Fotolackmaske M2 thermische Zersetzung erfährt und entfernt werden kann. Es kann jedoch jeder geeignete Prozess, wie beispielsweise Nassablösen, verwendet werden.
  • Da die Ätzstoppschicht 130 und die untere Elektrodenschicht 114 unter Verwendung der Maskenschicht M2 als Ätzmaske strukturiert werden, übernehmen die strukturierten Ätzstoppschichten 130' und die strukturierten unteren Elektroden 124' die Strukturen der strukturierten Masken P2 (veranschaulicht in 9A und 9B), so dass in der Draufsicht von 10B die strukturierten Ätzstoppschichten 130' und die strukturierten unteren Elektroden 114' jeweils eine kreisförmige/elliptische Struktur aufweisen, wenn die strukturierten Masken P2 in Draufsicht kreisförmige/elliptische Profile aufweisen. Außerdem können die unteren Elektroden 114' in einigen Ausführungsformen aufgrund der Beschaffenheit des Trockenätzprozesses konisch zulaufende Seitenwände aufweisen, wie in der Querschnittansicht von 10A veranschaulicht. Ähnlich können die Ätzstoppschichten 130' konisch zulaufenden Kanten aufweisen, die mit jeweiligen konischen Seitenwänden der unteren Elektroden 114' ausgerichtet sind. Genauer gesagt weist die untere Elektrode 114' eine Breite (oder einen Durchmesser, wenn sie in Draufsicht ein kreisförmiges Profil aufweist) auf, die mit zunehmendem Abstand von der BEVA 112 abnimmt. Als Ergebnis kann die untere Elektrode 114' bei Betrachtung in Draufsicht, wie in 10B veranschaulicht, eine größere kreisförmige/elliptische Struktur als die Ätzstoppschicht 130' bilden. In einigen Ausführungsformen können die Ätzstoppschicht 130' und die untere Elektrode 114' konzentrische Kreise/Ellipsen bilden, wie in der Draufsicht von 10B veranschaulicht. In einigen Ausführungsformen bildet der Seitenwandspacer 128' eine ringförmige Struktur, und die untere Elektrode 114' bildet eine im Wesentlichen kreisförmige Struktur mit einem Durchmesser, der größer als ein Außendurchmesser der ringförmigen Struktur ist, die vom der Seitenwandspacer 128' gebildet wird. Außerdem kann die im Wesentlichen kreisförmige Struktur, die von der unteren Elektrode 114' gebildet wird, konzentrisch um die ringförmige Struktur sein, die vom Seitenwandspacer 128' gebildet wird.
  • Nach Abschluss des Prozesses zur Strukturierung der unteren Elektrode wird eine weitere IMD-Schicht 132 abgeschieden und erstreckt sich über die eingebettete Speicherregion MR und die Logikregion LR. Die resultierende Struktur ist in der Querschnittansicht von 11 dargestellt. Die IMD-Schicht 132 wird aus einem oder mehreren dielektrischen Materialien mit niedrigem k-Wert hergestellt, die zum Beispiel einen k-Wert (d. h. eine Dielektrizitätskonstante) von unter etwa 4,0 oder sogar 2,0 aufweisen und zwischen solchen leitenden Elementen angeordnet werden. In einigen Ausführungsformen können die IMD-Schichten 132 zum Beispiel aus Phosphorsilikatglas (PSG), Borphosphorsilikatglas (BPSG), Fluorsilikatglas (FSG), SiOxCy, Spin-On-Glass, Spin-On-Polymeren, Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Kombinationen davon oder dergleichen hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen wird die IMD-Schicht 132 aus einem dielektrischen Material mit einem extrem niedrigen k-Wert (ELK - Extreme Low-K) mit einer Dielektrizitätskonstanten von weniger als etwa 2,5 hergestellt. In einigen Ausführungsformen umfassen dielektrische ELK-Materialien kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid, amorphen fluorierten Kohlenstoff, Parylen, Bisbenzocyclobutene (BCB), Polytetrafluorethylen (PTFE) (Teflon) oder Silizium-Oxycarbid-Polymere (SiOC). In einigen Ausführungsformen umfassen dielektrische ELK-Materialien eine poröse Version eines bestehenden dielektrischen Materials, beispielsweise Wasserstoff-Silsesquioxan (HSQ - Hydrogen SilsesQuioxane), poröses Methylsilsesquioxan (MSQ - MethylSilsesQuioxane), porösen Polyarylether (PAE), poröses SiLK oder poröses Siliziumoxid (SiO2). In einigen Ausführungsformen wird die IMD-Schicht 132 aus die gleichen Material wie die IMD-Schicht 104 hergestellt. Die IMD-Schicht 132 kann durch jedes geeignete Verfahren, beispielsweise Rotationsbeschichtung, chemische Gasphasenabscheidung (CVD - Chemical Vapor Deposition), plasmagestützte CVD (PECVD - Plasma-Enhanced CVD) oder dergleichen, auf Wafer gebildet werden.
  • Als Nächstes wird ein Strukturierungsprozess (der z. B. einen Fotolithografieprozess und einen Ätzprozess umfasst) auf der IMD-Schicht 132 durchgeführt, um Gräben T1 in der IMD-Schicht 132 zum Freilegen von Ätzstoppschichten 130' innerhalb der Speicherregion MR zu bilden, sowie Gräben T2 in der IMD-Schicht 132 in der Logikregion LR zu bilden, wie in 12A und 12B veranschaulicht. Dieser Schritt kann synonym als Grabenätzprozess bezeichnet werden. 12A ist eine Querschnittansicht der integrierten Schaltungsstruktur 100 nach Abschluss Grabenätzprozesses, und 12B ist eine Draufsicht der eingebetteten Speicherregion MR von 12A, wie durch die in 12A dargestellte Schnittlinie 12B-12B angezeigt, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Der Grabenätzprozess kann Nassätzprozesse, anisotrope Trockenätzprozesse oder Kombinationen davon umfassen, und er kann ein oder mehrere Ätzmittel verwenden, welche die IMD-Schicht 132 bei einer schnelleren Ätzrate ätzen, als sie die Ätzstoppschichten 130' ätzen. Zum Beispiel ist der Grabenätzprozess ein Trockenätzprozess, der fluorhaltiges Gas (e.g., CF4, SF6, CH2F2, CHF3, C4F8 und/oder C2F6) oder andere geeignete Gase und/oder Plasmen und/oder Kombinationen davon verwenden kann. Der Trockenätzprozess kann zum Beispiel RIE, ICP-Ätzen, TCP-Ätzen, ECR-Ätzen, dergleichen oder Kombinationen davon umfassen. Das Ätzmittel und die Ätzbedingungen können gewählt werden, um die IMD-Schicht 132 ohne wesentliches Ätzen der Ätzstoppschichten 130' selektiv zu ätzen. Demnach dienen die Ätzstoppschichten 130' zum Relaxieren von Ätzprozessbeschränkungen und Verbessern des Ätzprozessfensters im Grabenätzprozess. Außerdem ermöglichen die konvexen Oberseiten der oberen Elektroden 124' in der Querschnittansicht von 12A ein Darüberlegen von gewölbten oder ausgebauchten Ätzstoppschichten 130', was wiederum ein Verlangsamen oder sogar Stoppen des Grabenätzprozesses fördert.
  • Wie in der Querschnittansicht von 12A veranschaulicht, weist der Graben T2 innerhalb der Logikregion LR eine Tiefe auf, die tiefer als eine Tiefe der Gräben T1 ist. Der Grund dafür ist, dass die Logikregion LR frei von den Ätzstoppschichten 130' ist. Bei Betrachtung von oben, wie in der Draufsicht von 12B veranschaulicht, weisen die Gräben T1 jeweils eine lineare Form auf und erstrecken sich über die kreisförmigen Ätzstoppschichten 130'. In einigen Ausführungsformen legen die Gräben T1 die Ätzstoppschichten 130' nicht in ihrer Gesamtheit frei. Stattdessen bleiben Teile der Ätzstoppschichten 130' nach Abschluss des Grabenätzprozesses von der IMD-Schicht 132 bedeckt. In diesem Fall weist die Ätzstoppschicht 130' bei Betrachtung von oben eine obere Wölbung CU1 und eine untere Wölbung CL1 auf, die sich von einer ersten Auskleidungsseitenfläche LS1 des Grabens T1 zu einer zweiten Auskleidungsseitenfläche LS2 des Grabens T1 erstrecken.
  • Nach Abschluss des Grabenätzprozesses wird ein Ätzprozess zum Durchbrechen der Ätzstoppschichten 130' an Böden der Gräben T1 durchgeführt, was dazu führt, dass die oberen Elektroden 124" an den Böden der Gräben T1 freigelegt werden, wie in 13A und 13B veranschaulicht. 13A ist eine Querschnittansicht der integrierten Schaltungsstruktur 100 nach dem Durchbrechen der Ätzstoppschichten, und 13B ist eine Draufsicht der eingebetteten Speicherregion MR von 13A, wie durch die in 13A dargestellte Schnittlinie 13B-13B angezeigt, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Die Ätzstoppschichten 130' können durch Verwenden eines oder mehrerer Ätzprozesse durchbrochen werden, die Nassätzprozesse, Trockenätzprozesse oder Kombinationen davon umfassen können, und sie können ein oder mehrere Ätzmittel verwenden, welche die Ätzstoppschichten 130' bei einer schnelleren Ätzrate ätzen, als die die IMD-Schicht 132 ätzen. Zum Beispiel können die Ätzstoppschichten 130' durch Verwenden eines Trockenätzprozesses durchbrochen werden, der chlorhaltiges Gas (z. B. Cl2, CHCl3, CCl4 und/oder BCl3), andere geeignete Gase und/oder Plasmen und/oder Kombinationen davon verwendet. Der Trockenätzprozess kann zum Beispiel RIE, ICP-Ätzen, TCP-Ätzen, ECR-Ätzen, dergleichen oder Kombinationen davon umfassen. Das Ätzmittel und die Ätzbedingungen können gewählt werden, um die Ätzstoppschichten 130' ohne wesentliches Ätzen der IMD-Schicht 132 selektiv zu ätzen. Demnach bleibt die IMD-Schicht 132 während des Ätzprozesses im Wesentlichen unverändert. In einigen Ausführungsformen können die oberen 124" Elektroden geringfügig geätzt werden, um dadurch Oberseiten der oberen Elektroden 124" neu zu formen. Zum Beispiel können die Oberseiten der oberen Elektroden 124" durch diesen Ätzschritt abgeflacht werden, so dass die resultierenden Oberseiten der oberen Elektroden 124" weniger gewölbt werden.
  • Bei Betrachtung von oben, wie in der Draufsicht von 13B veranschaulicht, weisen die Gräben T1 eine lineare Form auf und erstrecken sich über jeweilige obere Elektroden 124". In einigen Ausführungsformen legen die Gräben T1 die oberen Elektroden 124" nicht in ihrer Gesamtheit frei. Stattdessen bleiben Teile der oberen Elektroden 124" nach dem Durchbrechen der Ätzstoppschichten 130' von den Ätzstoppschichten 130' bedeckt. In diesem Fall weist die obere Elektrode 124" bei Betrachtung von oben eine obere Wölbung CU2 und eine untere Wölbung CL2 auf, die sich von der ersten Auskleidungsseitenfläche LS1 des Grabens T1 zur zweiten Auskleidungsseitenfläche LS2 des Grabens T1 erstrecken.
  • Nach dem Durchbrechen der Ätzstoppschichten 130' zum Freilegen der oberen Elektroden 124" wird ein Strukturierungsprozess (der z. B. einen Fotolithografieprozess und einen Ätzprozess umfasst) auf der IMD-Schicht 132 durchgeführt, um eine Durchkontaktierungsöffnung O4 in der IMD-Schicht 132 innerhalb der Logikregion LR zu bilden, wie in 14 veranschaulicht. Dieser Schritt kann synonym als Durchkontaktierungsätzprozess bezeichnet werden. Vor dem Durchkontaktierungsätzprozess kann ein Fotolithografieprozess durchgeführt werden, um eine strukturierte Maskenschicht (nicht dargestellt) zu bilden, die eine Teilregion einer Unterseite des Grabens T2 freilegt. Andere Strukturen innerhalb der eingebetteten Speicherregion MR und der Logikregion LR werden durch die strukturierte Maskenschicht während des Durchkontaktierungsätzprozesses abgedeckt und infolgedessen geschützt. Nach Abschluss des Durchkontaktierungsätzprozesses wird die strukturierte Maskenschicht zum Beispiel durch Verwenden von Veraschung entfernt.
  • Der Durchkontaktierungsätzprozess kann Nassätzprozesse, anisotrope Trockenätzprozesse oder Kombinationen davon umfassen, und er kann ein oder mehrere Ätzmittel verwenden, welche die IMD-Schicht 132 bei einer schnelleren Ätzrate ätzen, als sie die strukturierte Maskenschicht ätzen. Zum Beispiel ist der Durchkontaktierungsätzprozess ein Trockenätzprozess, der dasselbe Ätzmittel wie der Grabenätzprozess, beispielsweise fluorhaltiges Gas (e.g., CF4, SF6, CH2F2, CHF3, C4F8 und/oder C2F6), andere geeignete Gase und/oder Plasmen und/oder Kombinationen davon, verwenden kann. Der Trockenätzprozess kann zum Beispiel RIE, ICP-Ätzen, TCP-Ätzen, ECR-Ätzen, dergleichen oder Kombinationen davon umfassen.
  • Nach Abschluss des Durchkontaktierungsätzprozesses werden ein oder mehrere leitende Materialien (z. B. Metalle) in die Gräben T1, T2 und die Durchkontaktierungsöffnungen O4 abgeschieden, worauf ein Durchführen eines CMP-Prozesses zum Entfernen der überschüssigen Metallmaterialien außerhalb der Gräben T1 und T2 folgt, während einige Metallmaterialien in den Gräben T1, T2 belassen werden, um als Metallleitungen 134, 136 zu dienen, und einige Metallmaterialien in der Durchkontaktierungsöffnung O4 belassen wird, um als Metall-Durchkontaktierung 138 zu dienen, wie in 15A und 15B veranschaulicht. 15A ist eine Querschnittansicht der integrierten Schaltungsstruktur 100 nach Fertigstellung der Metallleitungen und - Durchkontaktierungen, und 15B ist eine Draufsicht der eingebetteten Speicherregion MR von 15A, wie durch die in 15A dargestellte Schnittlinie 15B-15B angezeigt, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • In einigen Ausführungsformen können die Metallleitungen 134, 136 und die Metall-Durchkontaktierung 138 solche Metalle wie Kupfer, Aluminium, Wolfram, Kombinationen davon oder dergleichen umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Metallleitungen 134, 136 und die Metall-Durchkontaktierung 138 ferner eine oder mehrere Sperr-/Haftschichten (nicht dargestellt) aufweisen, um die jeweilige IMD-Schicht 132 vor Metalldiffusion (z. B. Kupferdiffusion) und Metallvergiftung zu schützen. Die eine oder die mehreren Sperr-/Haftschichten können Titan, Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid oder dergleichen umfassen, und sie können unter Verwendung von physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), CVD, ALD oder dergleichen gebildet werden.
  • Wie in 15A veranschaulicht, weisen die oberen Elektroden 124" in einigen Ausführungsformen jeweils eine Höhe H1 in einem Bereich von etwa 40 nm bis etwa 50 nm auf. Wenn die Höhe H1 weniger als etwa 40 nm beträgt, kann das Anschlussflächenfenster zum Bilden der Metallleitungen 134 verengt werden, so dass der Grabenätzprozess (wie in 12A und 12B veranschaulicht) und der Prozess zum Durchbrechen der Ätzstoppschicht (wie in 13A und 13B veranschaulicht) die MTJ-Stapel 116' beschädigen können. Wenn die H1 mehr als etwa 50 nm beträgt, können die eingebettete Speicherregion MR und die Logikregion LR eine erhöhte Höhendifferenz (z. B. Höhenlücke) aufweisen, was aufgrund der verstärkten Grabenhöhendifferenz wiederum zu einem größeren Problem beim Grabenätzprozess führen kann. In einigen Ausführungsformen weisen die oberen Elektroden 124" jeweils eine Breite W1 in einem Bereich von etwa 40 nm bis etwa 60 nm auf. Wenn die Breite W1 der oberen Elektroden 124" mehr als etwa 60 nm beträgt, können die oberen Elektroden 124" nahe beieinander angeordnet werden, so dass der MTJ-Strukturierungsprozess (wie in 5A und 5B veranschaulicht) die MTJ-Schicht 116 aufgrund des Schatteneffekts, der durch die dicht beieinander angeordneten oberen Elektroden 124" verursacht wird, nicht vollständig durchbrechen kann. Wenn die Breite W11 weniger als etwa 40 nm beträgt, kann das Anschlussflächenfenster zum Bilden der Metallleitungen 134 verengt werden, so dass der Grabenätzprozess (wie in 12A und 12B veranschaulicht) und der Prozess zum Durchbrechen der Ätzstoppschicht (wie in 13A und 13B veranschaulicht) die MTJ-Stapel 116' beschädigen können.
  • In jeder MRAM-Zelle, wie in 15A veranschaulicht, umgibt der Seitenwandspacer 128' den MTJ-Stapel 116' und die obere Elektrode 124" seitlich, und der Seitenwandspacer 128' weist eine äußerste Seitenwand auf, die von einer äußersten Seitenwand 114s der unteren Elektrode 114' seitlich zurückgesetzt ist. Außerdem weist die dielektrische Schicht 108 eine abgestufte Oberseite mit einer oberen Stufe 108t2, die mit einer Unterseite der unteren Elektrode 114' in Kontakt ist, einer unteren Stufe 108t1 um die obere Stufe 108t2 und einer Setzstufe 108t3 auf, welche die untere Stufe 108t1 und die obere Stufe 108t2 verbindet. Die äußerste Seitenwand 128s des Seitenwandspacers 128' ist auch von der Setzstufe 108t3 der dielektrischen Schicht 108 seitlich zurückgesetzt, aber die äußerste Seitenwand 114s der unteren Elektrode 114' ist mit der Setzstufe 108t3 der dielektrischen Schicht 108 ausgerichtet. Außerdem weist die Ätzstoppschicht 130' eine äußerste Kante 130s auf, die mit der äußersten Seitenwand 114s der unteren Elektrode 114' (d. h. der Kante der unteren Elektrode 114') sowie mit der Setzstufe 108t3 der dielektrischen Schicht 108 ausgerichtet ist. Darüber hinaus hat die Ätzstoppschicht 130' einen unteren horizontalen Teil 130h1, der sich entlang einer Oberseite der unteren Elektrode 114' erstreckt, einen geneigten Teil 130i, der sich in einem stumpfen Winkel vom unteren horizontalen Teil 130h1 entlang der äußersten Seitenwand 128s des Seitenwandspacers 128' erstreckt, einen oberen horizontalen Teil 130h2, der ein oberes Ende 128t des Seitenwandspacers 128' abdeckt, und einen gewölbten Teil 130c in Kontakt mit einer abgerundeten Ecke 124r der oberen Elektrode 124". Der gewölbte Teil 130c ist mit einer Seitenwand der Metallleitung 134 in Kontakt. Die Metallleitung 134 weist eine Unterseite134b auf, die um einen von null verschiedenen Abstand d1 höher als das obere Ende 128t des Seitenwandspacers 128' ist.
  • 16 bis 18 veranschaulichen Querschnittansichten von Zwischenstufen bei der Bildung einer integrierten Schaltungsstruktur 100 mit einer eingebetteten Speicherregion MR und einer Logikregion LR gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Obwohl die Querschnittansichten, die in 16 bis 18 dargestellt sind, unter Bezugnahme auf ein Verfahren beschrieben werden, versteht es sich, dass die Strukturen, die in 16 bis 18 dargestellt sind, nicht auf das Verfahren beschränkt sind, sondern vielmehr unabhängig vom Verfahren für sich allein stehen können. Obwohl 16 bis 18 als eine Reihe von Vorgängen beschrieben werden, versteht es sich, dass diese Vorgänge insofern nicht einschränkend sind, als die Reihenfolge der Vorgänge in anderen Ausführungsformen geändert werden kann und die offenbarten Verfahren auch auf andere Strukturen angewendet werden können.
  • 16 veranschaulicht einige Ausführungsformen des Durchbrechens der Ätzstoppschichten 130', das auf den Schritt des Grabenätzprozesses, wie in 12A und 12B veranschaulicht, folgt. 16 stellt im Wesentlichen das gleiche Ergebnis wie 13A dar, mit der Ausnahme, dass die Oberseiten der oberen Elektroden 124' nach dem Durchbrechen der Ätzstoppschichten 130' immer noch konvex bleiben. Dies kann durch einen selektiven Ätzprozess erreicht werden, der die Ätzstoppschichten 130' bei einer schnelleren Rate ätzt, als er die oberen Elektroden 124' ätzt. Auf diese Weise können die oberen Elektroden 124' während des selektiven Ätzprozesses im Wesentlichen intakt bleiben. Das konvexe Profil der oberen Elektroden ermöglicht einer vergrößerte Kontaktfläche zwischen den oberen Elektroden 124' und später gebildeten Metallleitungen, was wiederum den Kontaktwiderstand reduziert.
  • Nach dem Durchführen des selektiven Ätzprozesses zum Durchbrechen der Ätzstoppschichten 130' wird ein Durchkontaktierungsätzprozess durchgeführt, um eine Durchkontaktierungsöffnung O4 in der IMD-Schicht 132 innerhalb der Logikregion LR zu bilden, wie in 17 veranschaulicht. Einzelheiten zur Bildung der Durchkontaktierungsöffnung O4 wurden vorstehend in Bezug auf 14 erörtert und werden daher der Kürze halber hierin nicht wiederholt.
  • Danach werden Metallleitungen 134, 136 in den Gräben T1, T2 gebildet, und eine Metall-Durchkontaktierung 138 wird unter Verwendung von geeigneten Abscheidetechniken und eines darauffolgenden CMP-Prozesses in der Durchkontaktierungsöffnung O4 gebildet. Einzelheiten zu den Metallleitungen 134, 136 und der Metall-Durchkontaktierung 138 wurden vorstehend in Bezug auf 15 erörtert und werden daher der Kürze halber hierin nicht wiederholt. Aufgrund des konvexen Profils der oberen Elektroden bilden die Metallleitungen 134 gewölbte Grenzflächen mit den jeweiligen oberen Elektroden 124', was eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen der Metallleitung 134 und den oberen Elektroden 124' und infolgedessen einen reduzierten Kontaktwiderstand ermöglicht.
  • 19 veranschaulicht eine integrierte Schaltungsstruktur 200, die MRAM-Zellen 201 in der eingebetteten Speicherregion MR und logische Bauelemente in der Logikregion LR aufweist, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die eingebettete Speicherregion MR kann einen oder mehrere Auswahltransistoren 204 aufweisen, die mit den MRAM-Zellen 201 elektrisch verbunden sind. Die Logikregion LR kann eine Schaltungsanordnung, etwa die beispielhaften Transistoren 234, zum Verarbeiten von Informationen aufweisen, die von den MRAM-Zellen 201 in der eingebetteten Speicherregion MR empfangen werden.
  • Die integrierte Schaltungsstruktur 200 weist einen Halbleiterbody 202 auf. Der Halbleiterbody 202 kann zum Beispiel ein Volumenhalbleitersubstrat, beispielsweise ein Volumensiliziumsubstrat, oder Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI - Silicon-On-Insulator) sein. Ein oder mehrere Auswahltransistoren 204 sind innerhalb des Halbleiterbodys 202 in der eingebetteten Speicherregion MR angeordnet, und ein oder mehrere Logiktransistoren 234 sind innerhalb des Halbleiterbodys 202 in der Logikregion LR angeordnet. In einigen Ausführungsformen sind der eine oder die mehreren Auswahltransistoren 204 zwischen Flachgrabentrennungsregionen (STI - Shallow Trench Isolation) angeordnet, und der eine oder die mehreren Logiktransistoren 234 sind ebenso zwischen STI-Regionen angeordnet.
  • In einigen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren Auswahltransistoren 204 MOSFET-Bauelemente (MOSFET - Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor) umfassen. In solchen Ausführungsformen weisen der eine oder die mehreren Auswahltransistoren 204 jeweils eine Sourceregion 206 und eine Drainregion 206 auf, die durch eine Kanalregion 207 getrennt sind. Die Sourceregion 206 weist einen ersten Dotierungstyp (z. B. eine n-Dotierungssubstanz) auf, die Kanalregion 207 weist einen zweiten Dotierungstyp (z. B. eine p-Dotierungssubstanz) auf, der vom ersten Dotierungstyp verschieden ist, und die Drainregion 208 weist den ersten Dotierungstyp auf. In einigen Ausführungsformen weist der erste Dotierungstyp eine n-Dotierung auf, während der ersten Dotierungstyp in anderen Ausführungsformen eine p-Dotierung aufweist. Eine Gatestruktur 210, die eine Gateelektrode 211 aufweist, die von der Kanalregion 207 durch eine Gateoxidschicht 209 als ein Beispiel getrennt ist, ist zum Steuern des Flusses von Ladungsträgern zwischen der Sourceregion 206 und der Drainregion 208 ausgelegt. In einigen Ausführungsformen kann die Gatestruktur 210 ein dotiertes Polysiliziummaterial oder ein Metallmaterial (z. B. Wolfram, Titannitrid, Aluminium usw.) aufweisen. In einigen Ausführungsformen können Gate-Seitenwandspacer 212 (z. B. SiN-Spacer) auf gegenüberliegenden Seiten der Gateelektrode 211 angeordnet sein.
  • Ähnlich können der eine oder die mehreren Logiktransistoren 234 MOSFET-Bauelemente (MOSFET - Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor) umfassen. In solchen Ausführungsformen weisen der eine oder die mehreren Logiktransistoren 234 jeweils eine Sourceregion 236 und eine Drainregion 236 auf, die durch eine Kanalregion 237 getrennt sind. Eine Gatestruktur 240, die eine Gateelektrode 241 aufweist, die von der Kanalregion 237 durch eine Gateoxidschicht 239 als ein Beispiel getrennt ist, ist zum Steuern des Flusses von Ladungsträgern zwischen der Sourceregion 236 und der Drainregion 238 ausgelegt. In einigen Ausführungsformen kann die Gatestruktur 240 ein dotiertes Polysiliziummaterial oder ein Metallmaterial (z. B. Wolfram, Titannitrid, Aluminium usw.) aufweisen. In einigen Ausführungsformen können Gate-Seitenwandspacer 242 (z. B. SiN-Spacer) auf gegenüberliegenden Seiten der Gateelektrode 241 angeordnet sein.
  • Ein Back-End-of-Line-Metallstapel (BEOL-Metallstapel) ist über dem Halbleiterbody 202 angeordnet. Der BEOL-Metallstapel weist einen Metallkontakt V1 auf, der zum Verbinden der Sourceregion 206 mit einer Metallleitung M1 ausgelegt ist, die als eine Sourceleitung fungiert. Der BEOL-Metallstapel weist ferner eine Mehrzahl von Metall-Interconnects (z. B. horizontale Interconnects und vertikale Interconnects) auf, die zum Verbinden der Drainregionen 208 mit einer oder mehreren MRAM-Zellen 201 ausgelegt sind. In einigen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Metall-Interconnects einen oder mehrere Metallkontakte V1 aufweisen, die sich vertikal innerhalb einer Schicht eines Zwischenschichtdielektrikums (ILD - InterLayer Dielectric) 220_0 erstrecken und zum elektrischen Koppeln der Drainregion 208 mit einer Metallleitung M1 ausgelegt sind, die sich horizontal oder seitlich innerhalb einer IMD-Schicht 220_1 erstreckt. Die Mehrzahl von Metall-Interconnects kann ferner eine Metall-Durchkontaktierung V2 aufweisen, die sich vertikal innerhalb einer anderen IMD-Schicht 220_2 erstreckt und zum elektrischen Koppeln der Metallleitung M1 mit einer Metallleitung M2 ausgelegt ist, die sich horizontal oder seitlich innerhalb einer IMD-Schicht 220_2 erstreckt. Eine oder mehrere Interconnect-Schichten (die gestapelte IMD-Schichten und Metallleitungen und -Durchkontaktierungen aufweisen, die sich in den IMD-Schichten erstrecken) können über der IMD-Schicht 220_2 angeordnet sein. Eine Metall-Durchkontaktierung Vx erstreckt sich vertikal innerhalb einer anderen IMD-Schicht 220_x und ist zum elektrischen Koppeln der einen oder der mehreren Interconnect-Schichten mit einer Metallleitung Mx ausgelegt, die sich horizontal oder seitlich innerhalb einer IMD-Schicht 220_x erstreckt.
  • Die eine oder die mehreren MRAM-Zellen 201 sind innerhalb einer anderen IMD-Schicht 220_x+1 angeordnet, die über der IMD-Schicht 220_x angeordnet ist. Eine oder mehrere Metallleitungen Mx + 1 erstrecken sich horizontal oder seitlich innerhalb der IMD-Schicht 220_x+1 und sind mit der einen oder den mehreren MRAM-Zellen 201 elektrisch gekoppelt. Die eine oder die mehreren Metallleitungen Mx + 1 können als Bitleitungen zum Steuern der jeweiligen MRAM-Zellen 201 fungieren. In einigen Ausführungsformen sind die ILD-Schicht 220_0 und die IMD-Schichten 220_1 bis 220_x durch Ätzstoppschichten 222_1 bis 222_x getrennt. In einigen Ausführungsformen sind die ILD-Schicht 220_0 und die IMD-Schichten 220_1 bis 220_x aus Oxid gebildet, und die Ätzstoppschichten 222_1 bis 222_x sind aus Siliziumnitrid gebildet.
  • 20 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Bildung einer integrierten Schaltungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Obwohl das Verfahren als eine Reihe von Vorgängen oder Ereignissen veranschaulicht und/oder beschrieben wird, versteht es sich, dass das Verfahren nicht auf die veranschaulichte Reihenfolge oder Vorgänge beschränkt ist. Demnach können die Vorgänge in einigen Ausführungsformen in anderen Reihenfolgen als veranschaulicht durchgeführt werden, und/oder sie können gleichzeitig durchgeführt werden. Ferner können die veranschaulichten Vorgänge oder Ereignisse in einigen Ausführungsformen in mehrere Vorgänge oder Ereignisse unterteilt werden, die zu getrennten Zeitpunkten oder gleichzeitig mit anderen Vorgängen oder Teilvorgängen durchgeführt werden können. In einigen Ausführungsformen können Vorgänge oder Ereignisse weggelassen und andere nicht veranschaulichte Vorgänge oder Ereignisse einbezogen werden.
  • Bei Block S101 werden eine untere Elektrodenschicht, eine MTJ-Schicht und eine obere Elektrodenschicht über BEVAs gebildet. 3A und 3B veranschaulichen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S101.
  • Bei Block S102 wird eine erste strukturierte Maskenschicht über der oberen Elektrodenschicht gebildet. 3A und 3B veranschaulichen auch eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S102.
  • Bei Block S103 wird die obere Elektrodenschicht unter Verwendung der ersten strukturierten Maskenschicht als Ätzmaske zu oberen Elektroden strukturiert. 4A und 4B veranschaulichen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S103.
  • Bei Block S104 wird die MTJ-Schicht unter Verwendung der oberen Elektroden als Ätzmaske zu MTJ-Stapeln strukturiert. 5A und 5B veranschaulichen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S104.
  • Bei Block S105 wird eine Spacerschicht über den oberen Elektroden und den MTJ-Stapeln angeordnet. 6 veranschaulicht eine Querschnittsansicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S105.
  • Bei Block S106 wird ein SPA-Ätzprozess auf der Spacerschicht durchgeführt, um Seitenwandspacer zu bilden, die in Bezug auf Seitenwände der oberen Elektroden und der MTJ-Stapel selbstausrichtend sind. 7A und 7B veranschaulichen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S106.
  • Bei Block S107 wird der SPA gestoppt, bevor die untere Elektrodenschicht strukturiert wird. 7A und 7B veranschaulichen auch eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S107.
  • Bei Block S108 wird eine Ätzstoppschicht über den oberen Elektroden gebildet. 8 veranschaulicht eine Querschnittsansicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S108.
  • Bei Block S109 wird eine zweite strukturierte Maskenschicht über den oberen Elektroden gebildet. 9A und 9B veranschaulichen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S109.
  • Bei Block S110 wird die untere Elektrodenschicht unter Verwendung der zweiten strukturierten Maskenschicht als Ätzmaske zu unteren Elektroden strukturiert. 10A und 10B veranschaulichen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S110.
  • Bei Block S111 wird eine IMD-Schicht über der Ätzstoppschicht gebildet. 11 veranschaulicht eine Querschnittsansicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S111.
  • Bei Block S112 werden Gräben in die IMD-Schicht geätzt, bis die Ätzstoppschicht freigelegt ist. 12A und 12B veranschaulichen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S112.
  • Bei Block S113 wird die Ätzstoppschicht geätzt, bis die oberen Elektroden freigelegt sind. 13A und 13B veranschaulichen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S113. 16 veranschaulicht eine Querschnittsansicht gemäß einigen anderen Ausführungsformen von Block S113.
  • Bei Block S114 werden Metallleitungen in den Gräben gebildet. 15A und 15B veranschaulichen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht gemäß einigen Ausführungsformen von Block S114. 18 veranschaulicht eine Querschnittsansicht gemäß einigen anderen Ausführungsformen von Block S114.
  • Basierend auf den vorstehenden Erörterungen ist zu erkennen, dass die vorliegende Offenbarung Vorteile bietet. Es versteht sich jedoch, dass andere Ausführungsformen zusätzliche Vorteile bieten können und hierin nicht unbedingt alle Vorteile offenbart sind, und dass kein spezifischer Vorteil für alle Ausführungsformen erforderlich ist. Ein Vorteil liegt darin, dass die obere Elektrode durch den Prozess zur Strukturierung der unteren Elektrode weder geätzt noch konsumiert wird, was wiederum Höhenreduktion der oberen Elektrode mindert oder verhindert, so dass ein relaxierteres Anschlussflächenfenster für den Grabenätzprozess ermöglicht wird.
  • In einigen Ausführungsformen weist ein Speicherbauelement eine untere Elektrode, einen Stapel eines Magnettunnelübergangs (MTJ), eine obere Elektrode und einen Seitenwandspacer auf. Der MTJ-Stapel ist über der unteren Elektrode. Die obere Elektrode ist über dem MTJ-Stapel. Der Seitenwandspacer umgibt den MTJ-Stapel und die obere Elektrode seitlich. Der Seitenwandspacer weist eine äußerste Seitenwand auf, die von einer äußersten Seitenwand der unteren Elektrode seitlich zurückgesetzt ist.
  • In einigen Ausführungsformen weist das Speicherbauelement eine untere Elektrode, eine obere Elektrode, einen MTJ-Stapel, einen Seitenwandspacer, eine Ätzstoppschicht und eine Metallstruktur auf. Die obere Elektrode ist über der unteren Elektrode. Der MTJ-Stapel ist zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode angeordnet. Der Seitenwandspacer umgibt den MTJ-Stapel und die obere Elektrode seitlich. Die Ätzstoppschicht umgibt den Seitenwandspacer seitlich. Die Ätzstoppschicht weist eine äußerste Kante auf, die mit einer Kante der unteren Elektrode ausgerichtet ist. Die Metallstruktur erstreckt sich durch die Ätzstoppschicht zur oberen Elektrode.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren ein Bilden einer MTJ-Schicht und einer oberen Elektrodenschicht über einer unteren Elektrodenschicht; Strukturieren der oberen Elektrode zu oberen Elektroden und Strukturieren der MTJ-Schicht zu MTJ-Stapeln jeweils unter den oberen Elektroden; Abscheiden einer Spacerschicht über die oberen Elektroden; Ätzen der Spacerschicht, um Seitenwandspacer zu bilden, welche die MTJ-Stapel jeweils seitlich umgeben; Bilden einer strukturierten Maskenschicht über den oberen Elektroden; und Durchführen eines ersten Ätzprozesses zum Strukturieren der unteren Elektrodenschicht zu unteren Elektroden jeweils unter den MTJ-Stapeln bei vorhandener strukturierter Maskenschicht.
  • Vorstehend wurden Merkmale mehrerer Ausführungsformen behandelt, damit ein Fachmann die Aspekte der vorliegende Offenbarung besser verstehen kann. Für einen Fachmann versteht es sich, dass er die vorliegende Offenbarung problemlos als eine Basis zum Entwerfen oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen verwenden kann, um die gleichen Ziele zu erreichen und/oder die gleichen Vorteile der hierin vorgeführten Ausführungsformen zu erzielen. Für einen Fachmann sollte außerdem zu erkennen sein, dass solche äquivalente Konstruktionen nicht vom Wesen und Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abweichen, und dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen hierin vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.

Claims (20)

  1. Speichervorrichtung, aufweisend: eine untere Elektrode; einen Stapel eines magnetischen Tunnelübergangs (MTJ) über der unteren Elektrode; eine obere Elektrode über dem MTJ-Stapel; und einen Seitenwandspacer, der den MTJ-Stapel und die obere Elektrode seitlich umgibt, wobei der Seitenwandspacer eine äußerste Seitenwand aufweist, die von einer äußersten Seitenwand der unteren Elektrode seitlich zurückgesetzt ist.
  2. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Metallstruktur in Kontakt mit einer Oberseite der oberen Elektrode, wobei die Metallstruktur eine Unterseite aufweist, die um einen von null verschiedenen Abstand höher als ein oberes Ende des Seitenwandspacers ist.
  3. Speichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Metallstruktur und die obere Elektrode eine Grenzfläche bilden und die obere Elektrode bei Betrachtung in einem Querschnitt abgerundete Ecken aufweist, die sich jeweils von entgegengesetzten Kanten der Grenzfläche erstrecken, die durch die Metallstruktur und die obere Elektrode gebildet wird.
  4. Speichervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Metallstruktur und die obere Elektrode eine gewölbte Grenzfläche bilden.
  5. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Draufsicht von oben der Seitenwandspacer eine ringförmige Struktur bildet und die untere Elektrode eine im Wesentlichen kreisförmige Struktur mit einem Durchmesser bildet, der größer als ein Außendurchmesser der ringförmigen Struktur ist, die von dem Seitenwandspacer gebildet wird.
  6. Speichervorrichtung nach Anspruch 5, wobei in Draufsicht von oben die im Wesentlichen kreisförmige Struktur, die von der unteren Elektrode gebildet wird, konzentrisch um die ringförmige Struktur ist, die vom Seitenwandspacer gebildet wird.
  7. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine Metallstruktur über der oberen Elektrode; und eine Ätzstoppschicht über dem Seitenwandspacer, wobei die Metallstruktur sich durch die Ätzstoppschicht erstreckt, wobei in Draufsicht von oben die Ätzstoppschicht eine im Wesentlichen kreisförmige Struktur aufweist.
  8. Speichervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Ätzstoppschicht ein aluminiumhaltiges Dielektrikum ist.
  9. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine dielektrische Schicht unter der unteren Elektrode, wobei die dielektrische Schicht eine abgestufte Oberseite mit einer oberen Stufe, die mit einer Unterseite der unteren Elektrode in Kontakt ist, einer unteren Stufe um die obere Stufe und einer Setzstufe aufweist, welche die untere Stufe und die obere Stufe verbindet, und die äußerste Seitenwand des Seitenwandspacers auch von der Setzstufe der dielektrischen Schicht seitlich zurückgesetzt ist.
  10. Speichervorrichtung nach Anspruch 9, wobei die äußerste Seitenwand der unteren Elektrode mit der Setzstufe der dielektrischen Schicht ausgerichtet ist.
  11. Speichervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, ferner aufweisend: eine Ätzstoppschicht um den Seitenwandspacer, wobei die Ätzstoppschicht eine Kante aufweist, die mit der Setzstufe der dielektrischen Schicht ausgerichtet ist.
  12. Speichervorrichtung, aufweisend: eine untere Elektrode; eine obere Elektrode über der unteren Elektrode; einen Stapel eines magnetischen Tunnelübergangs (MTJ), der zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode angeordnet ist; einen Seitenwandspacer, der den MTJ-Stapel und die obere Elektrode seitlich umgibt; eine Ätzstoppschicht, die den Seitenwandspacer seitlich umgibt, wobei die Ätzstoppschicht eine äußerste Kante aufweist, die mit einer Kante der unteren Elektrode ausgerichtet ist; und eine Metallstruktur, die sich durch die Ätzstoppschicht zur oberen Elektrode erstreckt.
  13. Speichervorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Ätzstoppschicht einen horizontalen Teil, der sich entlang einer Oberseite der unteren Elektrode erstreckt, und einen geneigten Teil aufweist, der sich in einem stumpfen Winkel vom horizontalen Teil entlang des Seitenwandspacers erstreckt.
  14. Speichervorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Ätzstoppschicht ferner einen gewölbten Teil in Kontakt mit der oberen Elektrode aufweist.
  15. Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die untere Elektrode sich über entgegengesetzte äußerste Seitenwände des Seitenwandspacers seitlich hinaus erstreckt.
  16. Verfahren, umfassend: Bilden einer Schicht eines magnetischen Tunnelübergangs (MTJ) und einer oberen Elektrodenschicht über einer unteren Elektrodenschicht; Strukturieren der oberen Elektrodenschicht zu oberen Elektroden; Strukturieren der MTJ-Schicht zu MTJ-Stapeln jeweils unter den oberen Elektroden; Abscheiden einer Spacerschicht über die oberen Elektroden und die MTJ-Stapel; Ätzen der Spacerschicht, um Seitenwandspacer zu bilden, welche die MTJ-Stapel jeweils seitlich umgeben; Bilden einer strukturierten Maskenschicht über den oberen Elektroden nach dem Ätzen der Spacerschicht; und Durchführen eines ersten Ätzprozesses zum Strukturieren der unteren Elektrodenschicht zu unteren Elektroden jeweils unter den MTJ-Stapeln bei positionierter strukturierter Maskenschicht.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Ätzen der Spacerschicht stoppt, wenn die untere Elektrodenschicht nicht zerstört ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Ätzen der Spacerschicht stoppt, wenn die oberen Elektroden im Wesentlichen intakt sind.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Strukturieren der MTJ-Schicht dazu führt, dass die oberen Elektroden abgerundete Oberseiten aufweisen und die abgerundeten Oberseiten der oberen Elektroden nach dem Ätzen der Spacerschicht im Wesentlichen intakt bleiben.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, ferner umfassend: Abscheiden einer Ätzstoppschicht über die oberen Elektroden nach dem Ätzen der Spacerschicht und vor dem Bilden der strukturierten Maskenschicht, wobei der erste Ätzprozess außerdem die Ätzstoppschicht zu strukturierten Ätzstoppschichten jeweils über den unteren Elektroden strukturiert; Abscheiden einer Schicht eines Zwischenmetalldielektrikums (IMD) über den strukturierten Ätzstoppschichten; Durchführen eines zweiten Ätzprozesses, um Gräben in der IMD-Schicht zu bilden, bis die strukturierten Ätzstoppschichten freigelegt sind; Durchführen eines dritten Ätzprozesses, um die freigelegten strukturierten Ätzstoppschichten zu durchbrechen, bis die oberen Elektroden freigelegt sind; und Bilden von Metallleitungen in den Gräben nach dem Durchführen des dritten Ätzprozesses.
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