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TECHNISCHER BEREICH
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Diese Anmeldung bezieht sich auf den allgemeinen Bereich von magnetischen Tunnelkontakten (MTJ; magnetic tunnel junction) und ganz besonders auf Ätzverfahren zum Bilden von MTJ-Strukturen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die Herstellung von Magnetwiderstands-Vorrichtungen impliziert normalerweise eine Folge von Verarbeitungsschritten, in deren Verlauf viele Metall- und dielektrische Schichten aufgebracht und dann strukturiert werden, um einen Magnetwiderstands-Stapel sowie Elektroden für elektrische Verbindungen zu strukturieren. Der Magnetwiderstands-Stapel enthält üblicherweise die freien und festgelegten (Pinning) Schichten der Vorrichtung, die um eine oder mehrere dielektrische Schicht(en) angeordnet sind, die als Tunnelkontakt für die magnetische Tunnelkontakt- (MTJ)-Vorrichtung fungieren.
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Eine kritische Herausforderung in der magnetischen Direktzugriffsspeicher- (MRAM)-Technologie ist das Strukturieren des magnetischen Tunnelkontakt- (MTJ)-Stapels ohne Beschädigung der Vorrichtung. Die in dem MTJ-Stapel verwendeten dünnen magnetischen Schichten werden während der Plasma-Ätzprozesse schnell beschädigt. Daher wird ein Verarbeitungsplan zum Herstellen der MTJ-Vorrichtung gewünscht, die den Kontakt des Tunnelkontaktes mit Plasmaprozessen minimieren kann.
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Die
US-Patente 6.849.465 (Park et al) und
9.373.782 (Li et al) lehren das Strukturieren der Bodenelektrode zuerst, dann das Aufbringen und Strukturieren des MTJ-Stapels, doch diese Verfahren unterscheiden sich von dieser Offenbarung.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe dieser Offenbarung, ein verbessertes Verfahren zum Bilden von MTJ-Strukturen bereitzustellen.
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Noch eine weitere Aufgabe dieser Offenbarung ist es, ein Verfahren zum Strukturieren von MTJ-Vorrichtungen bereitzustellen, das den Ätzschaden der Vorrichtung minimieren kann, der durch einen langen Kontakt mit Ätzplasma-Gasen verursacht wird.
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Nach den Grundsätzen dieser Offenbarung wird ein Verfahren zum Ätzen einer magnetischen Tunnelkontakt- (MTJ)-Struktur erreicht. Eine Bodenelektroden-Schicht ist auf einem Substrat bereitgestellt. Eine Keimschicht ist auf der Bodenelektroden-Schicht aufgebracht. Die Keimschicht und die Bodenelektroden-Schicht sind strukturiert. Eine dielektrische Schicht ist über der strukturierten Keimschicht und der Bodenelektroden-Schicht aufgebracht und planarisiert. Anschließend wird ein Stapel aus MTJ-Schichten auf der strukturierten Keimschicht aufgebracht, umfassend eine Pinning-Schicht, eine Tunnelbarriere-Schicht und eine freie Schicht. Der MTJ-Stapel wird dann strukturiert, um eine MTJ-Vorrichtung zu bilden. Da die Keimschicht vor dem MTJ-Strukturierungsschritt strukturiert wurde, wird der Kontakt der Vorrichtung mit den Ätzplasma-Gasen verkürzt und somit wird der Ätzschaden minimiert.
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Figurenliste
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In den begleitenden Zeichnungen, die einen wesentlichen Teil dieser Beschreibung ausmachen, werden gezeigt:
- 1 ist ein Ablaufdiagramm einer MTJ-Prozesssequenz des Standes der Technik.
- 2 und 3 sind Querschnittsdarstellungen von Schritten in einem Prozess des Standes der Technik.
- 4 ist ein Ablaufdiagramm einer ersten bevorzugten Ausführungsform dieser Offenbarung.
- Die 5 bis 8A und 8B stellen in einer Querschnittsdarstellung Schritte in einer ersten bevorzugten Ausführungsform dieser Offenbarung dar.
- Die 8A und 8B stellen in einer Querschnittsdarstellung zwei Optionen für eine Keimschicht-Breite in einer bevorzugten Ausführungsform dieser Offenbarung dar.
- 9 ist ein Ablaufdiagramm einer zweiten bevorzugten Ausführungsform dieser Offenbarung. Die 10 bis 13 stellen in einer Querschnittsdarstellung Schritte in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform dieser Offenbarung dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es wird ein neuer Integrationsplan zum Vermeiden von Schaden an MTJ-Schichten aufgrund eines zu langen Kontakts mit Plasmaprozessen beschrieben. 1 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Standardverfahren zum Bilden einer magnetischen Tunnelkontakt- (MTJ)-Vorrichtung wie in den 2 und 3 im Querschnitt gezeigt, darstellt.
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Wie in 1 in einem ersten Schritt 101 gezeigt, ist ein CMOS-Substrat mit Durchkontaktierung hergestellt, um an die MTJ-Vorrichtung angeschlossen zu werden, die anschließend zu bilden ist. Das Substrat 10 wird in 2 gezeigt. Als Nächstes wird in Schritt 102 eine Bodenelektrode strukturiert. 2 stellt eine Bodenelektrode 12 und anschließend eine aufgebrachte und planarisierte dielektrische Schicht 14 dar. Als Nächstes werden in Schritt 103 die MTJ-Folienschichten unter Einschluss einer Keimschicht 16, einer Pinning-Schicht 18, einer Barriereschicht 20, einer freien Schicht 22 und einer Verschlussschicht 24 wie in 2 gezeigt, aufgebracht. Diese Schichten bilden den MTJ-Folienstapel 30.
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In Schritt 104 wird eine Fotoresist-Struktur zum Strukturieren der MTJ-Vorrichtung hergestellt. 2 stellt eine strukturierte harte Maske 32 dar. In Schritt 105 wird der MTJ-Stapel geätzt. 3 stellt das Ätzen des MTJ-Stapels dar, die die Keimschicht 16 enthält. Der magnetische Folienstapel wird unter Verwenden der harten Maske geätzt. Die MTJ-Schichten sind sehr dünn und können während des Plasma-Ätzens schnell beschädigt werden. In dem standardmäßigen MRAM-Ätzprozess können die Ätzplasmen die Schichten physikalisch oder chemisch beschädigen oder können ein erneutes Aufbringen von metallhaltigen Rückständen verursachen. Dies kann auf die niedrige Ätzselektivität und die Nicht-Flüchtigkeit von Nebenprodukten zurückzuführen sein, die während des Ätzprozesses gebildet werden. Derartige Rückstände können wie durch 35 in 3 gezeigt entlang der Seitenwand des strukturierten Folienstapels aufgebaut werden und einen leitenden Pfad bilden.
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Dieser leitende Pfad oder die beschädigten Schichten können elektrische Kurzschlüsse innerhalb einer MRAM-Vorrichtung, z. B. zwischen den magnetischen Schichten, die durch die Tunnelschicht getrennt sind, hervorrufen oder können die Leistung der MRAM-Vorrichtung beeinträchtigen oder die MRAM-Vorrichtung kann überhaupt nicht funktionieren.
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Die Grundidee dieser Offenbarung besteht in der Schaffung eines Integrationsplans eines neuen Prozesses zum Minimieren des physikalischen oder chemischen Schadens an den magnetischen Schichten und zum Reduzieren der erneuten Aufbringung von metallhaltigen Rückständen. Die Bodenschicht einer magnetischen Speichervorrichtung ist die Keimschicht. Der Zweck der Keimschicht besteht in der Förderung des Wachstums der großen Kristallkörner und mitunter ebenfalls im Bereitstellen der ordnungsgemäßen kristallografischen Ausrichtung. Die Keimschicht muss dick genug sein, um diese Zwecke zu erfüllen. Sie könnte ungefähr 1/3 der Dicke des gesamten MTJ-Stapels betragen. Aufgrund dieser Dicke dauert das Ätzen der Keimschicht mitunter lange und erfordert eine lange Ätzzeit, um zu bestätigen, dass auf der Oberfläche kein Rückstand verblieben ist. Dieser lange Kontakt mit Ätzgasen kann an anderen kritischen Schichten, z. B. der Pinning-Schicht, der Barriereschicht und der freien Schicht, physikalischen oder chemischen Schaden verursachen und kann wie in 3 dargestellt ebenfalls eine erneute Aufbringung von metallhaltigen Rückständen 35 entlang der Seitenwand verursachen. Wenn die Ätzzeit reduziert werden kann, können auch der physikalische oder chemische Schaden und die erneute Aufbringung entlang der Seitenwand reduziert werden.
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Ein Schlüsselmerkmal dieser Offenbarung ist die Kombination des Ätzprozesses der Keimschicht mit dem Ätzen der Bodenelektrode. Die Keimschicht wird zusammen mit der Aufbringung der Bodenelektrode aufgebracht.
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4 ist ein Ablaufdiagramm eines ersten bevorzugten Ausführungsprozesses dieser Offenbarung. Siehe ebenfalls 5-8a und 8b. In Schritt 401 ist ein CMOS-Substrat mit Durchkontaktierungen aufgebaut, um an die MTJ-Vorrichtung angeschlossen zu werden, die anschließend zu bilden ist. Das Substrat 10 wird in 5 gezeigt. Als Nächstes werden in Schritt 402 eine Bodenelektrode und eine Keimschicht strukturiert. 5 stellt eine Bodenelektroden-Schicht 12, eine Keimschicht 16 und eine Schutzschicht 17, wie z.B. Ta oder TiN, dar, die als eine harte Maske zum Ätzen der Keimschicht zu verwenden ist. Die Bodenelektrode und die Keimschicht können unter Verwenden de Keimschicht als eine harte Maske zum Ätzen der Bodenelektroden oder getrennt unter Verwenden von zwei fotolithografischen Schritten strukturiert und anschließend planarisiert werden. Die Fotoresist-Struktur 42 wird in 5 gezeigt.
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6 zeigt die strukturierte Bodenelektrode 12 und die Keimschicht 16. Die dielektrische Schicht 14 wird wie in 7 gezeigt aufgebracht und planarisiert. Auch die Schutzschicht 17 wird durch chemisches, mechanisches Polieren (CMP) oder einen anderen Planarisierungsprozess entweder bevor oder nachdem die dielektrische Schicht 14 gebildet wird, entfernt. Die Schutzschicht 17 kann ebenfalls während der Kathodenzerstäubung vor dem Aufbringen der MTJ-Folie entfernt werden. Vor dem Aufbringen der MTJ-Folie wird die Keimschicht freigelegt, wie z. B. während des Planarisierungsschritts.
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Nunmehr werden in Schritt 403 die MTJ-Folienschichten unter Einschluss der Pinning-Schicht 18, der Barriereschicht 20, der freien Schicht 22 und der Verschlussschicht 24, wie in 7 gezeigt, aufgebracht. Die erste Schicht des Stapels wird die Keimschicht 16 direkt kontaktieren. Diese Schichten bilden den MTJ-Folienstapel 30. Die harte Maskenschicht 32 wird oben auf dem MTJ-Schichtstapel aufgebracht.
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In Schritt 404 wird eine Fotoresist-Struktur zum Strukturieren der MTJ-Vorrichtung hergestellt, und die Struktur wird auf die harte Maske 32 übertragen. In Schritt 405 wird der MTJ-Stapel geätzt. 8 stellt das Ätzen des MTJ-Stapels dar. Da die Keimschicht 16 bereits strukturiert wurde, wird die Ätzzeit des Tunnelkontaktes erheblich reduziert. Somit werden dort ein geringerer Ätzschaden und weniger erneutes Aufbringen auf der Seitenwand erfolgen. Die vor-strukturierte Schicht kann größer als, gleich wie oder etwas kleiner sein als die MTJ-Vorrichtung. 8a zeigt eine Keimschicht, die größer ist als die MTJ-Vorrichtung und 8b zeigt eine Keimschicht, die kleiner ist als die MTJ-Vorrichtung. In dem Fall der gleichen oder kleineren Keimschicht wird die erneute Metallaufbringung auf der Seitenwand sogar noch stärker reduziert, da während des Verätzens nur das dielektrische Material 14 freigelegt wird.
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9 ist ein Ablaufdiagramm eines zweiten bevorzugten Ausführungsprozesses dieser Offenbarung. Siehe ebenfalls 10 - 13. In Schritt 901 ist ein CMOS-Substrat mit Durchkontaktierungen aufgebaut, um an die MTJ-Vorrichtung angeschlossen zu werden, die anschließend zu bilden ist. Das Substrat 10 wird in 10 gezeigt. Als Nächstes werden in Schritt 902 eine Bodenelektrode und eine Teil-Keimschicht strukturiert. 10 stellt eine Bodenelektroden-Schicht 12, eine Keimschicht 16a und eine Schutzschicht 17, wie z.B. Ta oder TiN, dar, die als eine harte Maske zum Ätzen der Keimschicht 5 zu verwenden ist.
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Die Bodenelektrode und die Keimschicht können unter Verwenden der Keimschicht als eine harte Maske zum Ätzen der Bodenelektrode oder getrennt unter Verwenden von zwei Fotolithografie-Schritten strukturiert und anschließend planarisiert werden. Zwischen ungefähr 60 % und 80 % und bevorzugt ungefähr 80 % der gewünschten Keimschicht-Dicke können als Schicht 16a aufgebracht werden. 20 % der Dicke werden als Schicht 16b aufgebracht.
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Wenn eine dünne Keimschicht zusammen mit einer MTJ-Folie aufgebracht wird, kann sie besser als eine Pufferschicht für ein kontinuierliches Kristallwachstum zwischen der Keimschicht und der MTJ-Folie fungieren.
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Nunmehr wird das Aufbringen und das Strukturieren des Großteils der Keimschicht den Vorteil des Reduzierens der Plasmakontakt-Zeit bieten und dabei gleichzeitig eine dünner Pufferschicht für das kontinuierliche Kristallwachstum bereitstellen, wenn die MTJ-Schichten aufgebracht werden.
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11 zeigt die strukturierte Bodenelektrode 12 und die Keimschicht 16a.
Die dielektrische Schicht 14 wird wie in 12 gezeigt aufgebracht und planarisiert. Die Schutzschicht 17 wird durch chemisches, mechanisches Polieren (CMP) oder einen anderen Ebnungsprozess entweder bevor oder nachdem die dielektrische Schicht 14 gebildet wird, entfernt. Die Schutzschicht 17 kann ebenfalls während einer Kathodenzerstäubung vor dem Aufbringen der MTJ-Folie entfernt werden. Die Keimschicht 16a wird freigelegt, wie z. B. durch den Ebnungsschritt.
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Nunmehr wird in Schritt 903 der Rest der Keimschicht 16b, ungefähr 20 % der gewünschten Keimschichtdicke, bei direktem Kontaktieren der ersten Keimschicht 16a, gefolgt von den restlichen MTJ-Folienschichten unter Einschluss der Pinning-Schicht 18, der Barriereschicht 20, der freien Schicht 22 und der Verschlussschicht 24 wie in 12 aufgebracht. Diese Schichten bilden den MTJ-Folienstapel 30. Die harte Maskenschicht 32 wird oben auf dem MTJ-Schichtstapel aufgebracht.
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In Schritt 904 wird eine Fotoresist-Struktur, die zum Strukturieren der MTJ-Vorrichtung hergestellt ist, auf die harte Maske 32 übertragen. In Schritt 905 wird der MTJ-Stapel geätzt. 13 stellt das Ätzen des MTJ-Stapels dar. Da nur eine dünne Keimschicht 16b zusammen mit dem Rest der MTJ-Folienschichten zu ätzen ist, wird die Ätzzeit des Tunnelkontaktes erheblich reduziert. Somit werden dort ein geringerer Ätzschaden und weniger erneutes Aufbringen auf der Seitenwand erfolgen. Wie in der ersten Ausführungsform kann die vor-strukturierte Keimschicht 16a größer als, gleich wie oder etwas kleiner sein als die MTJ-Vorrichtung.
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In dieser zweiten Ausführungsform werden die Tunnelkontakt-Schichten oben auf einer durchgehenden Keimschicht wachsen; allerdings wird die Ätzzeit erheblich reduziert sein, da der Großteil der Keimschicht-Materialien zusammen mit der Bodenelektrode vor dem MTJ-Ätzen geätzt werden wird. Daher werden dort ein geringerer Ätzschaden und weniger erneutes Aufbringen auf der Seitenwand erfolgen.
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Das Aufbringen der Keimschicht zusammen mit der Bodenelektroden-Schicht und deren Zusammenstrukturieren wird die Ätzzeit der MTJ-Vorrichtung reduzieren und somit den Ätzschaden und die erneute Metallaufbringung entlang der MTJ-Seitenwand reduzieren. Dies sollte das Problem eines elektrischen Kurzschlusses erheblich verbessern und ebenfalls die Leistung der Vorrichtung verbessern. Die Option, die Keimschicht in gleicher Breite oder schmaler als die MTJ-Vorrichtung zu strukturieren, reduziert die erneute Metallaufbringung entlang der Seitenwand noch weiter. Anstatt des Aufbringens der gesamten Keimschicht entlang der Bodenelektrode wird optional der Großteil der Keimschicht, ungefähr 80 %, entlang der Bodenelektroden-Schicht aufgebracht und die Keimschicht und die Bodenelektroden-Schicht werden zusammen strukturiert. Auf diese Weise wird nur eine dünne Keimschicht entlang der anderen MTJ-Folienstapelschichten aufgebracht, um die Ätzzeit der MTJ-Vorrichtung zu reduzieren und somit zu einem geringeren Ätzschaden und einer reduzierten erneuten Metallaufbringung entlang der MTJ-Seitenwand führen. Die Keimschicht kann ungefähr 1/3 der Dicke des gesamten MTJ-Stapels betragen. Das Entfernen des Ätzens der Keimschicht vor dem Aufbringen der MTJ-Schichten kann die Ätzzeit des MTJ-Stapels um bis zu einer Hälfte reduzieren.
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Obwohl die bevorzugte Ausführungsform dieser Offenbarung dargestellt wurde und diese Form im Einzelnen beschrieben wurde, wird dem Fachmann problemlos klar sein, dass verschiedene Abänderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist der Offenbarung oder vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6849465 [0004]
- US 9373782 [0004]
