DE112004001023T5

DE112004001023T5 - Strukturierung eines magnetischen Tunnelübergangs unter Verwendung von SiC oder SiN

Info

Publication number: DE112004001023T5
Application number: DE112004001023T
Authority: DE
Inventors: Gill Yong Lee
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: WO2004114427A3; WO2004114427A2; DE112004001023B4; US6713802B1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer unteren Elektrode einer magnetischen Speicherzelle mit den Schritten:
Abscheiden einer Pinning-Schicht (120) über einem Substrat (110);
Abscheiden eines weichen Schichtmaterials (124) über der Pinning-Schicht (120);
Abscheiden einer ersten Hartmaske (128) über dem weichen Schichtmaterial (124), wobei die erste Hartmaske (128) ein leitfähiges Material aufweist;
Strukturieren der ersten Hartmaske (128);
Verwenden der ersten Hartmaske (128) zum Strukturieren des weichen Schichtmaterials (124) und Ausbilden von wenigstens einer magnetischen Speicherzelle;
Abscheiden einer zweiten Hartmaske (134) über der ersten Hartmaske (128) und freiliegenden Bereichen der Pinning-Schicht (120), wobei die zweite Hartmaske (134) ein dielektrisches Material mit einem im Vergleich zu Silizium
dioxid größeren Young-Modul aufweist; Strukturieren der zweiten Hartmaske (134); und
Verwenden der zweiten Hartmaske (134) zum Strukturieren der Pinning-Schicht (120) und Ausbilden einer unteren Elektrode.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Halbleiterbauelementen und insbesondere die Herstellung von magnetischen Speicherbauelementen mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Bauelementen).
Neue Entwicklungen bei Halbleiterspeicherbauelementen schließen Spin-Elektronik ein, die Halbleitertechnologie und Magnetismus miteinander kombiniert. Hierbei wird der Spin eines Elektrons anstatt dessen Ladung zum Kennzeichnen einer „1" oder „0" verwendet. Ein derartiges Spinelektronik-Bauelement ist ein magnetischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff (MRAM), der in verschiedenen Richtungen positionierte Halbleiterbahnen einschließt, z.B. senkrecht zueinander in verschiedenen Metallebenen liegend, wobei die Leiterbahnen einen als magnetische Speicherzelle wirkenden magnetischen Stapel oder magnetischen Tunnelübergang (MTJ) von oben und unten belegen. Ein durch eine der Leiterbahnen fließender Strom erzeugt ein magnetisches Feld um die Leiterbahn und richtet die magnetische Polarität in eine bestimmte Richtung entlang der Leitung oder Leiterbahn aus. Ein durch die andere Leiterbahn fließender Strom induziert das magnetische Feld und kann die magnetische Polarität ebenso teilweise umdrehen. Digitale als „0" oder „1" gekennzeichnete Information ist durch die Ausrichtung des magnetischen Moments speicherbar. Der Widerstand der magnetischen Speicherzelle hängt von der Ausrichtung des Moments ab. Der gespeicherte Zustand wird aus der magnetischen Speicherzelle durch Detektion des resistiven Zustands der Komponente gelesen.
Ein Vorteil von MRAMs verglichen mit bekannten Halbleiterspeicherbauelementen wie dynamischen Speicherbauelementen mit wahlfreiem Zugriff (DRAMs) liegt darin, dass MRAMs nichtflüchtig sind. Beispielsweise würde ein Personalcomputer (PC) bei Einsatz von MRAMs keine lange „Boot"-Zeit wie bekannte PCs mit DRAMs benötigen. Ebenso ist es nicht erforderlich einen MRAM hochzufahren und dieser weist die Fähigkeit auf, sich gespeicherte Daten „zu merken". Deshalb ersetzen MRAM Bauelemente Flash-Speicher, DRAM und statische Speicherbauelemente mit wahlfreiem Zugriff (SRAM).
Ein magnetischer Stapel weist viele verschiedene Schichten aus Metallen und magnetischen Metallen sowie eine dünne Schicht eines dielektrischen Materials mit einer gesamten Dicke von einigen 10nm auf. Die magnetischen Stapel werden typischerweise über Kupferleitungen ausgebildet, wobei die Kupferleitungen in ein Zwischenschichtdielektrikum (ILD) eingebettet sind. Die magnetischen Tunnelübergänge (MTJs) sind an Schnittpunkten von darunter liegenden ersten Leiterbahnen mit darüber liegenden zweiten Leiterbahnen angeordnet. MRAM Bauelemente werden typischerweise durch Ausbilden einer Mehrzahl von einem in einem Feld angeordneten magnetischen Metallstapeln hergestellt, wobei die magnetischen Metallstapel die magnetischen Speicherzellen aufweisen. Ein Speicherzellenfeld weist typischerweise in einer Matrixstruktur mit Zeilen und Spalten angeordnete Leiterbahnen auf.
Ein Typ eines MRAM-Feldes verwendet einen Transistor zum Auswählen jeder magnetischen Speicherzelle. Ein weiterer Typ, eine Kreuzpunkt-Anordnung, weist ein Feld von magnetischen Bits oder magnetischen Stapeln auf, die an den Kreuzpunkten zwischen zwei Leiterbahnen positioniert sind. Information wird in einer der magnetischen Schichten des magnetischen Stapels gespeichert. Um Information zu speichern ist ein magnetisches Feld erforderlich. In einer Kreuzpunkt-Anordnung wird dieses magnetische Feld durch einen Wortleitungs- und einen Bitleitungsstrom bereitgestellt, der durch die Leiterbahnen geleitet wird. Information wird in den magnetischen Speicherzellen durch Ausrichtung der Magnetisierung einer ferromagnetischen Schicht (Informationsschicht) entweder parallel oder antiparallel zu einer zweiten magnetischen Schicht (Referenzschicht) gespeichert. Die Information ist detektierbar, da der Widerstand des Elements bei paralleler Ausrichtung verschieden ist von demjenigen bei antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierung. Magnetische Stapel oder Speicherzellen in einer Kreuzpunkt-Anordnung werden gewöhnlich durch Hindurchleiten von Unterschwellströmen durch die Leiterbahnen ausgewählt, z.B. in sowohl der x- und y-Richtung und dort, wo die Leiterbahnen die Kreuzpunkte kreuzen ist das überlagerte magnetische Feld groß genug um die magnetische Orientierung zu ändern.
Eine Herausforderung in MRAM Technologie liegt in der Strukturierung des MTJ Stapelmaterials. Da ein MTJ Stapel eine sehr dünne Übergangsschicht aufweist, typischerweise 10 bis 20 Angström Aluminiumoxid, stellen Kurzschlüsse um den Übergang ein kritisches Problem dar. Zusätzlich stellen Zwischenverbindungen mit der oberen Verdrahtungsebene, z.B. der oberen magnetischen Schicht des magnetischen Stapels eine Herausforderung dar aufgrund der in dem MTJ Stapel verwendeten dünnen Schichten, die während Ätzprozessen leicht beschädigt werden können.
Bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung lösen oder umgehen diese und weitere Probleme und diese erzielen technische Vorteile, wobei die Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Strukturieren eines MTJ Stapels angibt. Ein härteres Metall als Siliziumdioxid wird als Hartmaske zur Strukturierung der weichen Schicht des MTJ Stapels verwendet, wodurch das Prozessfenster für eine Post-MTJ Stapelplanarisierung vergrößert wird. Die Hartmaske gibt einen Ätzstopp als Grabenätzstopp bei der Verbindung des MTJ mit oberen Verdrahtungsebenen an. Ein dielektrisches Füllmaterial wird über der Hartmaske der weichen Schicht verwendet und weist eine im Vergleich zu Siliziumdioxid größere Härte auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ein Verfahren zum Ausbilden einer unteren Elektrode einer magnetischen Speicherzelle die Schritte Abscheiden einer Pinning-Schicht über einem Substrat, Abscheiden eines weichen Schichtmaterials über der Pinning-Schicht und Abscheiden einer ersten Hartmaske über dem weichen Schichtmaterial auf, wobei die erste Hartmaske ein leitfähiges Material aufweist. Die erste Hartmaske wird strukturiert und diese wird zum Strukturieren des weichen Schichtmaterials und Ausbilden von wenigstens einer magnetischen Speicherzelle verwendet. Eine zweite Hartmaske wird über der ersten Hartmaske und freiliegenden Bereichen der Pinning-Schicht abgeschieden, wobei die zweite Hartmaske ein dielektrisches Material mit einem im Vergleich zu Siliziumdioxid größeren Young-Modul aufweist. Die zweite Hartmaske wird strukturiert und dies wird zum Strukturieren der Pinning-Schicht und Ausbilden einer unteren Elektrode verwendet.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt ein Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Speicherbauelements die Schritte Bereitstellen eines Substrats, Abscheiden einer ersten isolierenden Schicht über dem Substrat und Ausbilden von wenigstens einer ersten Leiterbahn innerhalb der isolierenden Schicht auf. Eine zweite isolierende Schicht wird über der wenigstens einen ersten Leiterbahn und ersten isolierenden Schicht abgeschieden und ein Via wird innerhalb der zweiten isolierenden Schicht ausgebildet, wobei das Via an die wenigstens eine erste Leiterbahn angrenzt. Eine Pinning-Schicht wird über dem Via und der zweiten isolierenden Schicht abgeschieden, ein weiches Schichtmaterial wird über der Pinning-Schicht und eine erste Hartmaske wird über dem weichen Schichtmaterial abgeschieden, wobei die erste Hartmaske ein leitfähiges Material aufweist. Die erste Hartmaske wird strukturiert und diese wird zur Strukturierung des weichen Schichtmaterials und Ausbilden von wenigstens einer magnetischen Speicherzelle verwendet. Eine zweite Hartmaske wird über der ersten Hartmaske und freiliegenden Bereichen der Pinning-Schicht abgeschieden, wobei die zweite Hartmaske ein dielektrisches Material mit einem im Vergleich zu Siliziumdioxid größeren Young-Modul aufweist. Das Verfahren schließt das Strukturieren der zweiten Hartmaske, Verwenden der zweiten Hartmaske zur Strukturierung der Pinning-Schicht und Abscheiden einer dritten isolierenden Schicht über der zweiten Hartmaske ein, wobei die dritte Hartmaske ein dielektrisches Material mit einem im Vergleich zu Siliziumdioxid größeren Young-Modul aufweist. Das Substrat wird danach planarisiert um Bereiche der dritten isolierenden Schicht von einer Oberseite der ersten Hartmaske zu entfernen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält ein magnetisches Speicherbauelement ein Substrat, wenigstens eine erste Leiterbahn über dem Substrat, eine an die wenigstens eine erste Leiterbahn angeschlossene Pinning-Schicht und eine über der Pinning-Schicht angeordnete weiche Schicht. Die weiche Schicht weist eine magnetische Speicherzelle auf. Eine erste Hartmaske ist über der weichen Schicht angeordnet, wobei die erste Hartmaske im Wesentlichen dieselben lateralen Abmessungen wie die weiche Schicht aufweist und die erste Hartmaske leitfähig ist. Eine zweite Hartmaske ist auf der Pinning-Schicht, der Oberseite und Seitenwände der ersten Hartmaske und an den Seitenwänden der weichen Schicht angeordnet, wobei die zweite Hartmaske im Wesentlichen dieselben lateralen Abmessungen wie die Pinning-Schicht aufweist und wobei die zweite Hartmaske SiC, SiON, SiCN oder SiN aufweist. Eine erste isolierende Schicht wird über wenigstens der zweiten Hartmaske angeordnet, wobei die erste isolierende Schicht SiC, SiON, SiCN oder SiN aufweist. Wenigstens eine zweite Leiterbahn wird über der ersten Hartmaske und an diese angrenzend angeordnet, wobei die wenigstens eine zweite Leiterbahn in einer im Vergleich zur wenigstens einen ersten Leiterbahn verschiedenen Richtung verläuft.
Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung werden durch Angabe eines Verfahrens zum Strukturieren einer unteren Elektrode einer magnetischen Speicherzelle erzielt, wodurch ein Aussetzen der weichen Schicht des magnetischen Stapels in aggressiver Ätzchemie nach der Strukturierung der weichen Schicht vermieden wird. Eine SiC, SiON, SiCN oder SiN aufweisende Hartmaske wird zur Strukturierung der Pinning-Schicht verwendet und diese Hartmaske wird nicht vollständig während der Strukturierung der unteren Elektrode oder der Pinning-Schicht entfernt. Da die dritte Hartmaske über der Oberseite und an Seitenwänden der Hartmaske über der strukturierten weichen Schicht und an Seitenwänden der strukturierten weichen Schicht liegt, wird die weiche Schicht während der Ätzung der Pinning-Schicht geschützt. Dies führt zu einem zuverlässigeren MRAM Bauelement und verbessert die Leistungsfähigkeit des Bauelements. Durch das Vorhandensein der ersten Hartmaske während des Planarisierungsschrittes zum Entfernen einer nachfolgend abgeschiedenen isolierenden Schicht (z.B. über der strukturierten weichen Schicht) wird die weiche Schicht ebenso nicht schädigender Chemie während des Planarisierungsschrittes ausgesetzt.
Vorhergehend wurden die Merkmale und technischen Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung eher allgemein beschrieben, um die nun folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung besser verstehen zu können. Zusätzliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend beschrieben, welche Gegenstand der Ansprüche der Erfindung sind. Die hierin beschriebenen Konzepte und spezifischen Ausführungsformen können einem Fachmann zur Abänderung oder Gestaltung weiterer Strukturen oder Prozesse mit derselben Zielsetzung wie in dieser Erfindung dienen. Derartige Äquivalente liegen innerhalb des durch die Patentansprüche definierten Schutzbereichs der Erfindung.
Dem Verständnis der Erfindung dienend wird in der nun folgenden Beschreibung Bezug zu begleitenden Abbildungen genommen, wobei:
1 bis 10 zeigen Querschnittsansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines MRAM Bauelements entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
Übereinstimmende Nummerierungen und Symbole in den verschiedenen Figuren betreffen allgemein übereinstimmende Teile soweit nicht anders gekennzeichnet. Die Figuren sind zur Darstellung relevanter Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen gezeichnet und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Die Herstellung und Verwendung der bevorzugten Ausführungsformen wird detailliert unten stehend erläutert. Die beschriebenen spezifischen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung einiger spezifischer Wege zur Herstellung und Verwendung der Erfindung und sind keineswegs einschränkend zu betrachten.
Die Erfindung wird mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen in spezifischem Kontext eines MRAM Bauelements beschrieben. Ausführungsformen der Erfindung können jedoch ebenso auf weitere magnetische Speicherzellkonzepte und magnetische Halbleiterspeicheranwendungen angewandt werden. In jeder Figur ist lediglich eine magnetische Speicherzelle gezeigt, obwohl viele weitere magnetische Speicherzellen und Elemente ebenso innerhalb der gezeigten Schichten vorhanden sein können.
1 bis 10 zeigen Querschnittsansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines magnetischen Speicherbauelements 100 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. In 1 wird ein Substrat 110 bereitgestellt. Das Substrat 110 kann eine oder mehrere Schichten eines Dielektrikums wie Siliziumoxid oder low-k Dielektrika über einkristallinem Silizium angeordnet aufweisen. Das Substrat 110 kann weitere leitfähige Schichten oder weitere Halbleiterelemente wie Transistoren oder Dioden enthalten um einige Beispiele zu nennen.
Eine erste isolierende Schicht 112 wird über dem Substrat 110 abgeschieden oder ausgebildet. Die erste isolierende Schicht 112 kann ein Zwischenschichtdielektrikum aufweisen und beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen. Vorzugsweise wird die erste isolierende Schicht 112 für erste Leiterbahnen unter Verwendung eines Damascene-Prozesses strukturiert und ein leitfähiges Material wird über dem Substrat 110 zum Füllen der strukturierten ersten isolierenden Schicht 112 für erste Leiterbahnen 114 abgeschieden. Überschüssiges leitfähiges Material wird von der Oberseite der ersten isolierenden Schicht 112 beispielsweise unter Verwendung eines chemisch-mechanischen Polierverfahrens (CMP) entfernt.
Weisen die ersten Leiterbahnen 114 Kupfer auf, so sind diese typischerweise durch ein Damascene-Verfahren wie beschrieben hergestellt. Alternativ hierzu können die ersten Leiterbahnen 114 auch durch Abscheidung eines leitfähigen Materials wie Aluminium, einer Aluminiumverbindung oder weiteren Metallen, Strukturieren und Ätzen des leitfähigen Materials und Abscheiden einer ersten isolierenden Schicht 112 zwischen den ersten Leiterbahnen 114 hergestellt werden (nicht dargestellt).
Eine zweite isolierende Schicht 116 wird über den ersten Leiterbahnen 114 und der ersten isolierenden Schicht 112 abgeschieden. Die zweite isolierende Schicht 116 kann beispielsweise aus demselben Material wie die erste isolierende Schicht 112 sein. Die zweite isolierende Schicht 116 wird strukturiert und ein leitfähiges Material wird über der zweiten isolierenden Schicht 116 zur Ausbildung von Vias 118 innerhalb der zweiten isolierenden Schicht 116 abgeschieden, wobei die Vias 118 einen elektrischen Kontakt zu den ersten Leiterbahnen 114 herstellen. Das leitfähige Material des Vias 118 kann beispielsweise Kupfer, Wolfram oder weitere Metalle aufweisen. Überschüssiges leitfähiges Material wird von der Oberseite der zweiten isolierenden Schicht 116 beispielsweise mit Hilfe von CMP entfernt.
Nachfolgend wird eine Pinning-Schicht 120 über der zweiten isolierenden Schicht 116 abgeschieden. Die Pinning-Schicht 120 weist typischerweise eine Schicht aus TaN auf, die über der zweiten isolierenden Schicht 116 abgeschieden ist, eine über der TaN Schicht abgeschiedene Schicht aus Ta und eine über der Ta Schicht abgeschiedene Schicht aus PtMn oder IrMn. Die TaN Schicht kann beispielsweise eine Dicke von 50 bis 100 Angström aufweisen, die Ta Schicht kann eine Dicke von 50 bis 100 Angström aufweisen und die PtMn Schicht kann eine Dicke von 125 bis 300 Angström aufweisen. Die TaN Schicht und Ta Schicht wirken als Keimschicht für die PtMn Schicht. Die Pinning-Schicht 120 wirkt als Pinning-Schicht für die freie Schicht der weichen Schicht 124 des magnetischen Stapels und ebenso als untere Elektrode um die freie Schicht elektrisch an die darunter liegende erste Leiterbahn 114 (über das Via 118) anzuschließen, was hierin weiter beschrieben wird.
Eine weiche Schicht 124 wird über der Pinning-Schicht 120 wie in 1 gezeigt ausgebildet. Die weiche Schicht 124 enthält eine über der Pinning-Schicht 120 abgeschiedene erste magnetische Schicht, eine über der ersten magnetischen Schicht abgeschiedene dünne isolierende Schicht und eine über der dünnen isolierenden Schicht abgeschiedene zweite magnetische Schicht.
Die erste magnetische Schicht kann eine Schicht aus TaN über einer Schicht aus NiFe und optional weitere magnetische Schichten aufweisen. Die erste magnetische Schicht der weichen Schicht 124 wird oft als fixierte Schicht bezeichnet, da deren magnetische Polarisationsrichtung während des Betriebs des Bauelements durch die darunter liegende Pinning-Schicht 120 fixiert, d.h. festgehalten wird, wodurch das Koerzitivfeld der fixierten Schicht erhöht wird.
Die Pinning-Schicht 120 ist eine anti-ferromagnetische Schicht, die die Magnetisierung der fixierten Schicht pinnt, d.h. festhält.
Die dünne isolierende Schicht der weichen Schicht 124 wird als Tunnelbarriere oder Tunnelübergang bezeichnet. Die dünne isolierende Schicht kann beispielsweise 20 Angström eines Aluminiumoxids oder weniger aufweisen.
Die zweite magnetische Schicht der weichen Schicht 124 kann beispielsweise eine Schicht aus CoFe, eine über dem CoFe abgeschiedene Schicht aus Ru, eine über dem Ru abgeschiedene Schicht aus CoFe und optional zusätzliche magnetische Schichten aufweisen. Die zweite magnetische Schicht wird als freie Schicht bezeichnet, da die magnetische Polarisationsrichtung abhängig vom magnetischen Feld rotieren kann, wodurch Information in das MRAM Bauelement 100 geschrieben oder gespeichert wird. Die weiche Schicht 124 und die darunter liegende Pinning-Schicht 120 werden oft gemeinsam als magnetischer Tunnelübergang (MTJ)-Materialstapel oder MTJ Stapel 126 bezeichnet. Die Dicke der weichen Schicht 124 kann beispielsweise näherungsweise 500 Angström +/- 200 Angström betragen.
Eine erste Hartmaske 128 wird über der weichen Schicht 124 abgeschieden. Die erste Hartmaske 128 weist vorzugsweise ein leitfähiges Material auf. Beispielsweise kann die erste Hartmaske 128 ein Metall wie TiN aufweisen oder auch alternativ hierzu beispielsweise TaN, Ta, Ti, Pt, PtMn, Ru, IrMn oder Al, obwohl die erste Hartmaske 128 ebenso weitere Materialien aufweisen kann. Eine optionale zweite Hartmaske 130 kann über der ersten Hartmaske 128 abgeschieden werden. Die zweite Hartmaske 130 kann beispielsweise SiO₂ aufweisen oder diese kann alternativ hierzu SiN aufweisen. Eine Entspiegelungsbeschichtung (ARC) 132 wird über der zweiten Hartmaske 130 oder über der ersten Hartmaske 128 im Falle, dass die zweite Hartmaske 130 nicht verwendet wird, abgeschieden. Ein Fotolack 133 wird über der ARC 132 wie dargestellt abgeschieden und der Fotolack 133 wird mit dem Muster, das zur Strukturierung der weichen Schicht 124 verwendet wird, strukturiert.
In 2 wird zunächst die ARC 132 geöffnet und die zweite Hartmaske 130 wird beispielsweise unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen (RIE) strukturiert. Der Fotolack 133 wird abgelöst und die erste Hartmaske 128 wird z.B. mit RIE unter Verwendung der zweiten Hartmaske 130 als Maske strukturiert. Alternativ hierzu kann der Fotolack während des Strukturierens der ersten Hartmaske 128 verbleiben.
Nachfolgend werden die erste Hartmaske 128 und die zweite Hartmaske 130 (falls die optionale zweite Hartmaske 130 vorhanden ist) zum Stukturieren der darunter liegenden weichen Schicht 124 durch einen RIE Prozess wie in 3 gezeigt verwendet. Die optionale zweite Hartmaske 130 minimiert den Verbrauch der ersten Hartmaske 128 während der Strukturierung der weichen Schicht 124. Zu diesem Zeitpunkt sind die freie Schicht, der Tunnelübergang und die fixierte Schicht der weichen Schicht 124 strukturiert und die Pinning-Schicht 120 ist nicht strukturiert. Da die erste Hartmaske 128 zum Strukturieren der weichen Schicht 124 verwendet wird, weist die weiche Schicht 124 im Wesentlichen dieselben lateralen Abmessungen, z.B. in der zur Oberfläche des Substrats 110 senkrechten Richtung, wie die erste Hartmaske 128 auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird zurückbleibender Fotolack 133 abgelöst und eine dritte Hartmaske 134 wird über freigelegten Bereichen der Pinning-Schicht 120, der strukturierten weichen Schicht 124 und der ersten Hartmaske 128 und zweiten Hartmaske 130 (falls die optionale zweite Hartmaske 130 verwendet wird) abgeschieden, die auf dem Substrat 110 verblieben sind. Die dritte Hartmaske 134 weist vorzugsweise ein dielektrisches Material auf, das härter als SiO₂ ist und ein größeres Young-Modul als SiO₂ aufweist.
In einer Ausführungsform weist die dritte Hartmaske 134 beispielsweise vorzugsweise SiC auf. Die dritte Hartmaske 134 aus SiC kann beispielsweise BLOk^TM von Applied Materials aufweisen. SiC ist ein sehr hartes Material mit einem Young-Modul E von 448 GPa, wobei im Vergleich hierzu SiO₂ ein Young-Modul von 70-92 GPa aufweist. Die dritte Hartmaske 134 kann beispielsweise amorphes hydrogenisiertes SiC aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann die dritte Hartmaske 134 ebenso amorphes hydrogenisiertes SiCN oder SiON aufweisen. Die dritte Hartmaske 134 aus SiCN kann beispielsweise n-BLOk^TM von der Applied Materials aufweisen. Die dritte Hartmaske 134 kann alternativ hierzu auch SiN aufweisen, das ein Young-Modul von 130 – 146 GPa hat und folglich härter als SiO₂ ist. Beispielsweise kann die dritte Hartmaske 134 ein Niedertemperatur SiN hoher Qualität aufweisen, das beispielsweise mit einem Niedertemperaturplasma, z.B. bei 150 – 400°C abgeschieden wurde. Die dritte Hartmaske kann alternativ hierzu ein weiteres dielektrisches Material mit einem im Vergleich zu Siliziumdioxid größeren Young-Modul aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die SiC, SiON, SiCN oder SiN aufweisende dritte Hartmaske 134 typischerweise durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) abgeschieden. Die dritte Hartmaske 134 weist beispielsweise vorzugsweise bis näherungsweise 45% Wasserstoff zusätzlich zu Si, C, O, oder N auf. Ein Silizium-Precursor wie beispielsweise SiH₄, Tetraethylorthosilikat (TEOS), Tetramethylcyclotetrasiloxan (TMCTS), Octamethylcyclotetrasiloxan (OMCTS) oder Trimethylsilan (TMS) wird vorzugsweise eingesetzt. Beispielsweise wird ein Sauerstoff-Precursor wie N₂O, O₂, CO oder CO₂ vorzugsweise eingesetzt. Beispielsweise wird ein Stickstoff-Precursor wie N₂ oder NH₃ vorzugsweise eingesetzt. Als Kohlenstoff-Precursor werden beispielsweise vorzugsweise TMS, TMCTS, OMCT, TEOS, CO oder CO₂ eingesetzt.
Die magnetischen Materialschichten des MTJ Stapels 126 können Temperaturen oberhalb 400°C nicht widerstehen; deshalb ist es wichtig, dass die dritte Hartmaske 134 bei einer Temperatur von 400°C oder darunter abgeschieden wird. Die dritte Hartmaske 134 weist vorzugsweise eine Dicke x von ungefähr 1000 Angström auf, obwohl alternativ hierzu die dritte Hartmaske 134 beispielsweise eine Dicke von 500 bis 2500 Angström aufweisen kann.
Eine ARC 136 wird über der dritten Hartmaske 134 abgeschieden und ein Fotolack 138 wird wie gezeigt über der ARC 136 abgeschieden. Der Fotolack 138 wird mit dem Muster strukturiert, das zur Strukturierung der Pinning-Schicht 120 verwendet wird, die als untere Elektrode des MTJ Stapels 126 wirkt.
Der Fotolack 138 wird zum Strukturieren der dritten Hartmaske 134 wie in 5 gezeigt verwendet. Abschließend wird die ARC 136 geöffnet, die freiliegende dritte Hartmaske 134 unter Verwendung von z.B. RIE geätzt, gefolgt von einem Ablösen des Fotolacks 138.
Die dritte Hartmaske 134 wird zum Strukturieren der darunter liegenden unteren Elektrodenschichten, insbesondere der Pinning-Schicht 120 verwendet, siehe 6. Die Pinning-Schicht 120 kann beispielsweise mit einem trockenen RIE Prozess strukturiert werden. Die Pinning-Schicht 120 stellt einen elektrischen Kontakt der fixierten Schicht der weichen Schicht 124 zum Via 118 her, welches elektrisch mit der darunter liegenden ersten Leiterbahn 114 verbunden ist. Da die dritte Hartmaske 134 zum Strukturieren der Pinning-Schicht 120 verwendet wird, weist die Pinning-Schicht 120 im Wesentlichen dieselben lateralen Abmessungen, z.B. in einer zur Oberfläche des Substrats 110 senkrechten Richtung, wie die dritte Hartmaske 134 auf.
Ein Bereich der dritten Hartmaske 134 kann während des Ätzprozesses der Pinning-Schicht 120 entfernt werden. Beispielsweise kann die dritte Hartmaske 134 nun eine Dicke y aufweisen, die geringer als die Dicke x vor dem Ätzprozess ist (siehe 5). Die dritte Hartmaske 134 kann 50 Angström aufweisen oder dies kann beispielsweise eine Dicke im Bereich von 25 bis 100 Angström nach dem Strukturieren der Pinning-Schicht 120 einnehmen. Es ist vorteilhaft falls die dritte Hartmaske 134 nach dem Strukturieren der Pinning-Schicht 120 zurückbleibt um zu verhindern, dass die magnetischen Schichten der weichen Schicht 124 der RIE Chemie während des Ätzens der Pinning-Schicht 120 ausgesetzt werden, zumal diese Chemikalien hoch korrosiv sind und das Material der weichen Schicht 124 schädigen können, was zu Bauelementfehlern oder verminderter Leistungsfähigkeit des magnetischen Speicherbauelements 100 führt.
In 7 wird eine dritte isolierende Schicht 140 über der dritten Hartmaske 134 und freiliegenden Bereichen der zweiten isolierenden Schicht 116 abgeschieden. Die dritte isolierende Schicht 140 weist vorzugsweise ein hartes dielektrisches Füllmaterial auf, das härter als SiO₂ ist. Die dritte isolierende Schicht 140 kann SiC aufweisen, das beispielsweise mit einer die Oberseite der ersten Hartmaske 128 überschreitenden Dicke abgeschieden wird. Alternativ hierzu kann die dritte isolierende Schicht 140 auch so abgeschieden werden, dass diese geringfügig unterhalb der Topographie der Oberseite des Substrats 110 liegt. Die dritte isolierende Schicht 140 kann alternativ hierzu SiN oder weitere harte dielektrische Materialien mit hoher Qualität aufweisen, um Fugen zu vermeiden und kompatibel mit dem nachfolgenden chemisch-mechanischen Polierschritt (CMP) zu sein (siehe 8) und um angemessen als Ätzstopp bei der Ausbildung der zweiten Leiterbahngräben zu wirken (siehe 10). In einer Ausführungsform weist die dritte isolierende Schicht 140 dasselbe Material wie die dritte Hartmaske 134 auf. Die dritte isolierende Schicht 140 kann SiC, SiON, SiCN oder SiN oder weitere dielektrische Materialien mit einem im Vergleich zu Siliziumdioxid größeren Young-Modul aufweisen.
Das Substrat 110 wird dann beispielsweise unter Verwendung von CMP planarisiert um die dritte isolierende Schicht 140 von der Oberfläche der ersten Hartmaske 128 wie in 8 gezeigt zu entfernen. Jegliche immer noch über der Oberseite der ersten Hartmaske 128 verbleibende zweite Hartmaske 130 wird ebenso während des Planarisierungsschritts entfernt. Der CMP Prozessschritt kann beispielsweise mit einem Stopp auf dem TiN Material der ersten Hartmaske 128 ausgebildet sein.
Danach wird eine vierte isolierende Schicht 142 über der dritten isolierenden Schicht 140 und der freiliegenden Oberfläche der ersten Hartmaske 128 wie in 9 gezeigt abgeschieden. Eine ARC 144 wird über der vierten isolierenden Schicht 142 abgeschieden, und ein Fotolack 146 wird über der ARC 144 abgeschieden. Der Fotolack 146 wird mit dem Muster für die zweiten Leiterbahnen strukturiert, welche innerhalb der vierten isolierenden Schicht 142 unter Verwendung von z.B. einem Damascene-Prozess ausgebildet werden, siehe 9.
Die ARC 144 wird geöffnet und der Fotolack wird zur Strukturierung der vierten isolierenden Schicht 142 mit Gräben für die zweiten Leiterbahnen wie in 10 gezeigt verwendet. Der Fotolack 146 und die ARC 144 werden entfernt und ein leitfähiges Material aus beispielsweise Kupfer, Aluminium oder weiteren Metallen oder Materialkombinationen wird auf der vierten isolierenden Schicht 142 zur Ausbildung zweiter Leiterbahnen 148 abgeschieden, die in einer von den ersten Leiterbahnen 114 verschiedenen Richtung verlaufen. Da die erste Hartmaske 128 leitfähig ist stellt diese einen elektrischen Kontakt zwischen der freien (oberen) Schicht der weichen Schicht 124 und den zweiten Leiterbahnen 148 her. Das Substrat 110 wird zum Entfernen überschüssigen Materials von der Oberseite der vierten isolierenden Schicht 142 planarisiert und nachfolgende Prozesse werden zum Fertigstellen des Speicherbauelements 100 durchgeführt.
Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung schließen die Angabe eines Verfahrens zum Strukturieren einer unteren Elektrode einer magnetischen Speicherzelle ein, das ein Aussetzen der weichen Schicht 124 des magnetischen Stapels 126 gegenüber der aggressiven Ätzchemie nach dem Strukturieren der weichen Schicht 124 verhindert. Die SiC, SiON, SiCN oder SiN aufweisende dritte Hartmaske 134 weist ein robustes Material auf, das während der Strukturierung der unteren Elektrode der Pinning-Schicht 120 nicht vollständig entfernt wird. Da die dritte Hartmaske 134 auf der Oberseite und Seitenwänden der ersten Hartmaske 128 und auf den Seitenwänden der strukturierten weichen Schicht 124 angeordnet ist, wird die weiche Schicht 124 während der Ätzung der Pinning-Schicht 120 geschützt. Dies führt zu einem zuverlässigeren MRAM Bauelement und verbessert die Leistungsfähigkeit des Bauelements. Zusätzlich wird die weiche Schicht 124 wegen des Vorhandenseins der ersten Hartmaske 128 während dem Planarisierungsschritt zum Entfernen der dritten isolierenden Schicht 140 keiner schädigenden Ätzchemie während dieses Schrittes ausgesetzt.
Obwohl Ausführungsformen der Erfindung sowie deren Vorteile hierin detailliert beschrieben wurden lassen sich verschiedenartige Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen durchführen, welche jedoch nicht vom Schutzbereich der Patentansprüche abweichen. Beispielsweise ist es einem Fachmann ersichtlich, dass die hierin beschriebenen Materialien und Prozesse innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung variiert werden können. Der Schutzbereich der Erfindung wird durch die Patentansprüche definiert.
Zusammenfassung
Strukturierung eines magnetischen Tunnelübergangs unter Verwendung von SiC oder SiN
Ein im Vergleich zu Siliziumdioxid härteres Material wird als Hartmaske zum Strukturieren der weichen Schicht (124) eines MTJ Stapels eines magnetischen Speicherbauelements verwendet, wodurch das Prozessfenster für eine Post-MTJ Planarisierung vergrößert wird. Das Material der Hartmaske für die weiche Schicht (124) kann SiC, SiON, SiCN oder SiN oder ein weiteres dielektrisches Material mit einem im Vergleich zu Siliziumdioxid größeren Young-Modul aufweisen. Ein hartes dielektrisches Füllmaterial wird ebenso als isolierendes Material über der Hartmaske zur Strukturierung der weichen Schicht verwendet. Das dielektrische Füllmaterial kann ebenso SiC, SiON, SiCN oder SiN oder ein weiteres dielektrisches Material mit einem im Vergleich zu Siliziumdioxid größeren Young-Modul aufweisen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer unteren Elektrode einer magnetischen Speicherzelle mit den Schritten: Abscheiden einer Pinning-Schicht (120) über einem Substrat (110); Abscheiden eines weichen Schichtmaterials (124) über der Pinning-Schicht (120); Abscheiden einer ersten Hartmaske (128) über dem weichen Schichtmaterial (124), wobei die erste Hartmaske (128) ein leitfähiges Material aufweist; Strukturieren der ersten Hartmaske (128); Verwenden der ersten Hartmaske (128) zum Strukturieren des weichen Schichtmaterials (124) und Ausbilden von wenigstens einer magnetischen Speicherzelle; Abscheiden einer zweiten Hartmaske (134) über der ersten Hartmaske (128) und freiliegenden Bereichen der Pinning-Schicht (120), wobei die zweite Hartmaske (134) ein dielektrisches Material mit einem im Vergleich zu Silizium dioxid größeren Young-Modul aufweist; Strukturieren der zweiten Hartmaske (134); und Verwenden der zweiten Hartmaske (134) zum Strukturieren der Pinning-Schicht (120) und Ausbilden einer unteren Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der zweiten Hartmaske (134) ein Abscheiden von SiC, SiON, SiCN oder SiN einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der zweiten Hartmaske (134) ein Abscheiden von 500 bis 2500 Angström eines Materials einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der ersten Hartmaske (128) ein Abscheiden von TiN einschließt.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zusätzliches Abscheiden einer dritten Hartmaske (130) über der ersten Hartmaske (128) vor dem Strukturieren der ersten Hartmaske (128), wobei das Strukturieren der ersten Hartmaske (128) ein Strukturieren der dritten Hartmaske (130) einschließt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der dritten Hartmaske (130) ein Abscheiden von SiO₂ einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1 mit den zusätzlichen Schritten: Abscheiden einer ersten isolierenden Schicht (140) über der zweiten Hartmaske (134); und Planarisieren des Substrats (110) zum Entfernen von Bereichen der ersten isolierenden Schicht (140) von einer Oberseite der ersten Hartmaske (128).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der ersten isolierenden Schicht (140) ein Abscheiden von SiC, SiON, SiCN oder SiN einschließt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der ersten isolierenden Schicht (140) ein Abscheiden der ersten isolierenden Schicht (140) bis zu einer im Vergleich zur Oberseite der ersten Hartmaske (128) größeren Höhe einschließt.
Verfahren nach Anspruch 7 mit den zusätzlichen Schritten: Ausbilden wenigstens einer ersten Leiterbahn (114) über dem Substrat (110) vor dem Abscheiden einer Pinning-Schicht (120); Abscheiden einer zweiten isolierenden Schicht (116) über der wenigstens einen ersten Leiterbahn (114) benachbart zur Pinning-Schicht (120); Ausbilden wenigstens eines Vias (118) innerhalb der zweiten isolierenden Schicht (116), wobei das Via (118) an die wenigstens eine erste Leiterbahn (114) und die Pinning-Schicht (120) angrenzt und diese elektrisch kontaktiert; Abscheiden einer dritten isolierenden Schicht (142) über der Oberseite der ersten Hartmaske (128) und der ersten isolierenden Schicht (140); und Ausbilden wenigstens einer zweiten Leiterbahn (148) innerhalb der dritten isolierenden Schicht (142), wobei die wenigstens eine zweite Leiterbahn (148) einen elektrischen Kontakt zu einem oberen Bereich der magnetischen Speicherzelle herstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden des weichen Schichtmaterials (124) ein Abscheiden einer ersten magnetischen Schicht über der Pinning-Schicht (120), Abscheiden einer dünnen Oxidschicht über der ersten magnetischen Schicht und Abscheiden einer zweiten magnetischen Schicht über der dünnen Oxidschicht einschließt, wobei die we nigstens eine magnetische Speicherzelle eine magnetisches Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Strukturieren der Pinning-Schicht (120) wenigstens ein Bereich der zweiten Hartmaske (134) auf wenigstens den Seitenwänden der strukturierten weichen Schicht (124) der ersten Hartmaske (128) zurückbleibt.
Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Speicherbauelements mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats (110); Abscheiden einer ersten isolierenden Schicht (112) über dem Substrat (110); Ausbilden wenigstens einer ersten Leiterbahn (114) innerhalb der ersten isolierenden Schicht (112); Abscheiden einer zweiten isolierenden Schicht (116) über der wenigstens einen ersten Leiterbahn (114) und ersten isolierenden Schicht (112); Ausbilden eines Vias (118) innerhalb der zweiten isolierenden Schicht (116), wobei das Via (118) an die wenigstens eine erste Leiterbahn (114) angrenzt; Abscheiden einer Pinning-Schicht (120) über dem Via (118) und der zweiten isolierenden Schicht (116); Abscheiden einer weichen Schichtmaterials (124) über der Pinning-Schicht (120); Abscheiden einer ersten Hartmaske (128) über dem weichen Schichtmaterial (124), wobei die erste Hartmaske (128) ein leitfähiges Material aufweist; Strukturieren der ersten Hartmaske (128); Verwenden der ersten Hartmaske (128) zum Strukturieren des weichen Schichtmaterials (124) und Ausbilden wenigstens einer magnetischen Speicherzelle; Abscheiden einer zweiten Hartmaske (134) über der ersten Hartmaske (128) und freiliegenden Bereichen der Pinning-Schicht (120), wobei die zweite Hartmaske (134) ein dielektrisches Material mit einem im Vergleich zu Siliziumdioxid größeren Young-Modul aufweist; Strukturieren der zweiten Hartmaske (134); Verwenden der zweiten Hartmaske (134) zum Strukturieren der Pinning-Schicht (120); Abscheiden einer dritten isolierenden Schicht (140) über der zweiten Hartmaske (134), wobei die dritte isolierende Schicht (140) ein dielektrisches Material mit einem im Vergleich zu Siliziumdioxid größeren Young-Modul aufweist; und Planarisieren des Substrats (110) zum Entfernen von Bereichen der dritten isolierenden Schicht (140) von einer Oberseite der ersten Hartmaske (128).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der zweiten Hartmaske (134) ein Abscheiden von SiC, SiON, SiCN oder SiN einschließt und das Abscheiden der dritten isolierenden Schicht (140) ein Abscheiden von SiC, SiON, SiCN oder SiN einschließt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der zweiten Hartmaske (134) ein Abscheiden von 500 bis 2500 Angström eines Materials einschließt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der ersten Hartmaske (128) ein Abscheiden von TiN einschließt.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch zusätzliches Abscheiden einer dritten Hartmaske (130) über der ersten Hartmaske (128) vor dem Strukturieren der ersten Hartmaske (128), wobei das Strukturieren der ersten Hartmaske (128) ein Strukturieren der dritten Hartmaske (130) einschließt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der dritten Hartmaske (130) ein Abscheiden von SiO₂ einschließt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der dritten isolierenden Schicht (140) ein Abscheiden des mit dem Material der zweiten Hartmaske (134) übereinstimmenden Materials einschließt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der dritten isolierenden Schicht (140) ein Abscheiden der dritten isolierenden Schicht (140) bis zu einer im Vergleich zur Oberseite der ersten Hartmaske (128) größeren Höhe einschließt.
Verfahren nach Anspruch 13 mit den zusätzlichen Schritten: Abscheiden einer vierten isolierenden Schicht (142) über der Oberseite der ersten Hartmaske (128) und der dritten isolierenden Schicht (140); und Ausbilden von wenigstens einer zweiten Leiterbahn (148) innerhalb der vierten isolierenden Schicht (142), wobei die wenigstens eine zweite Leiterbahn (148) einen elektrischen Kontakt zu einem oberen Bereich der magnetischen Speicherzelle herstellt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden des weichen Schichtmaterials (124) ein Abscheiden einer ersten magnetischen Schicht über der Pinning-Schicht (120), Abscheiden einer dünnen Oxidschicht über der ersten magnetischen Schicht und Abscheiden einer zweiten magnetischen Schicht über der dünnen Oxidschicht einschließt, wobei die wenigstens eine magnetische Speicherzelle eine magnetische Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Strukturieren der Pinning-Schicht (120) wenigstens ein Bereich der zweiten Hartmaske (134) auf einer Oberseite der ersten Hartmaske (128) und auf Seitenwänden der weichen Schicht (124) zurückbleibt.
Magnetisches Speicherbauelement mit: einem Substrat (110); wenigstens einer über dem Substrat (110) angeordneten ersten Leiterbahn (114); einer an die wenigstens eine Leiterbahn (114) angeschlossenen Pinning-Schicht (120); einer über der Pinning-Schicht (120) angeordneten weichen Schicht (124), wobei die weiche Schicht (124) Seitenwände und eine magnetische Speicherzelle aufweist; einer über der weichen Schicht (124) angeordneten ersten Hartmaske (128), wobei die erste Hartmaske (128) im Wesentlichen dieselben lateralen Abmessungen wie die weiche Schicht (124) aufweist sowie Seitenwände und eine Oberseite aufweist und leitfähig ist; einer auf der Pinning-Schicht (120), der Oberseite und Seitenwänden der ersten Hartmaske (128) sowie auf Seitenwänden der weichen Schicht (124) angeordneten zweiten Hartmaske (134), wobei die zweite Hartmaske (134) im Wesentlichen dieselben lateralen Abmessungen wie die Pinning-Schicht (120) aufweist und wobei die zweite Hartmaske (134) SiC, SiON, SiCN oder SiN aufweist; einer über wenigstens der zweiten Hartmaske (134) angeordneten ersten isolierenden Schicht (140), wobei die erste isolierenden Schicht (140) SiC, SiON, SiCN oder SiN aufweist; und wenigstens einer über der ersten Hartmaske (128) und an diese angrenzend angeordneten zweiten Leiterbahn (148), wobei die wenigstens eine zweite Leiterbahn (148) in einer von der Richtung der wenigstens einen ersten Leiterbahn (114) verschiedenen Richtung verläuft.
Magnetisches Speicherbauelement nach Anspruch 24, wobei die weiche Schicht (124) und die Pinning-Schicht (124) einen magnetischen Tunnelübergang aufweisen und wobei das Speicherbauelement ein magnetisches Speicherbauelement mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) aufweist.
Magnetisches Speicherbauelement nach Anspruch 24, wobei die erste Hartmaske (128) TiN aufweist.