DE112018003714T5

DE112018003714T5 - Ätzfreie selbstausgerichtete magnettunnelkontakt- (mtj) gerätestruktur

Info

Publication number: DE112018003714T5
Application number: DE112018003714.2T
Authority: DE
Inventors: Jesmin Haq; Tom Zhong; Zhongjian Teng
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: US10069064B1; WO2019018069A1; KR102330561B1; KR20200031667A; CN110915011A; DE112018003714B4; CN110915011B

Abstract

Ein Prozessablauf zum Bilden einer Magnettunnelkontakt- (MTJ) Zelle (47), die an einer darunterliegenden unteren Elektrode BE (35, 36) selbstausgerichtet ist, ist offenbart. Die BE besteht aus einer unteren BE-Schicht (35), die eine erste Breite (w1) aufweist, und einer oberen (zweiten) BE-Schicht (36) mit einer zweiten Breite (w2), wobei w2 > w1. Vorzugsweise weist BE eine T-Form auf. Ein Stapel MTJ-Schichten, der eine oberste Hartmaske (46) umfasst, ist auf der BE abgeschieden und weist aufgrund des selbstausgerichteten Abscheidungsprozesses eine Breite w2 auf. Ein Dummy-MTJ-Stapel (49) ist ebenfalls um die erste BE-Schicht herum gebildet. Ein Ionenstrahlätzen, bei dem sich Ionen in einem Einfallswinkel von < 90° bezüglich des Substrats befinden, wird verwendet, um überschüssiges Material auf der Seitenwand zu entfernen. Danach wird eine Verkapselungsschicht (80) abgeschieden, um die MTJ-Zelle zu isolieren, und einen Spalt zwischen der ersten BE-Schicht und dem Dummy-MTJ-Stapel zu füllen.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Diese Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden eines Arrays von MTJ-Zellen, wobei jede MTJ-Zelle durch einen selbstausgerichteten Prozess auf einer strukturierten unteren Elektrode abgelegt ist, die die Breite der MTJ-Zelle definiert, und damit eine Verbesserung des magnetoresistiven Verhältnisses und anderer magnetischer Eigenschaften darstellt, indem MTJ-Seitenwandschaden durch konventionelle Ätzprozesse vermieden wird, die verwendet werden, um eine Maskenstruktur durch einen MTJ-Schichtenstapel zu übertragen.
HINTERGRUND
Ein MTJ-Speicherelement wird auch als eine MTJ-Zelle oder MTJ bezeichnet und stellt einen Schlüsselbestandteil in magnetischen Aufnahmevorrichtungen und in Speichervorrichtungen wie magnetischen Direktzugriffspeichern (MRAM) und Spin-Torque-Transfer- (STT)-MRAM dar. Das Herstellungsverfahren und das Integrationsschema mit einer komplementären Siliziumoxidhalbleiter- (CMOS) Substruktur sind zwei der kritischen Faktoren, die für erfolgreiche kommerzielle Produktion von MRAM erforderlich sind. Diese neue Art von nichtflüchtigem Speicher ist ein Ersatz für DRAM, SRAM und Flash. Im MRAM-Design, das Speicherelement ist der Magnettunnelkontakt (MTJ), der aus zwei ferromagnetischen Schichten besteht, die durch eine dünner Isolierungsschicht getrennt sind, die als Tunnelbarriereschicht bezeichnet wird. Eine der ferromagnetischen Schichten weist eine rechtwinklige magnetische Anisotropie (PMA) auf oder ist durch eine antiferromagnetische Schicht festgesteckt, die auf einen Ausrichtung in der Ebene mit einem festen magnetischen Moment eingestellt ist. Die Ausrichtung der anderen ferromagnetischen Schicht, die als eine freie Schicht bezeichnet wird, kann frei zwischen einer zur festgesteckten Schicht parallelen und einer antiparallelen Richtung umschalten. Wenn die magnetischen Momente der beiden ferromagnetischen Schichten parallel sind, ist der Widerstand des MTJ geringer als bei einer antiparallelen Ausrichtung und diese beiden Ausrichtungen entsprechen zwei Speicherzuständen. Der Widerstand einer MTJ-Zelle wird durch Betreiben des entsprechenden Transistors gemessen, der Strom von einer Bitlinie durch den MTJ an eine Sourcelinie oder umgekehrt fließen lässt. Das magnetoresistive Verhältnis wird durch dR/R ausgedrückt, wobei dR der Unterschied des Widerstands zwischen den beiden Speicherzuständen ist, wenn ein Strom durch den MTJ fließt, und R der Mindestwiderstandswert ist.
Ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von MTJs auf einem Substrat ist der Ätztransfer einer Struktur in einer darüberliegenden Hartmaske durch einen MTJ-Schichtenstapel zum Bilden mehrerer MTJ-Zellen mit einer kritischen Dimension d, die in Vorrichtungen auf dem Stand der Technik wesentlich weniger als 100 nm von einer Draufsicht entfernt ist. Einige der MTJ-Schichten weisen eine Dicke auf, die bis zu 10 bis 20 Ångstrom dünn ist. Wie in 1 gezeigt, weist der MTJ-Stapel typischerweise eine Seed-Schicht 21, eine festgesteckte Schicht 22, eine Tunnelbarriereschicht 23, eine freie Schicht 24, eine Abdeckschicht 25, und eine Hartmaskenschicht 26, die sequenziell auf einer unteren Elektrode 11 gebildet sind. Die Abdeckschicht kann ein Metalloxid sein, um PMA in der freien Schicht zu verbessern, während die Hartmaske üblicherweise ein Metall wie Ta ist, das bei nachfolgenden physischen und chemischen Ätzungen als eine Schutzschicht dient. Die untere Elektrode, die auch als Bitlinie bekannt ist, ist von anderen Bitlinien (nicht dargestellt) durch die Isolierungsschicht 12 isoliert und auf einer CMOS-Substruktur 10 gebildet, die allgemein aus Transistoren, Durchkontaktierungen und anderen Komponenten besteht. Die MRAM-Vorrichtungsherstellung verlangt eine Strukturierung des MTJ-Stapels durch eine oder mehrere reaktive Ionenätz- (RIE) oder Ionenstrahlätz- (IBE) Schritte. Zuerst wird eine Photomaskenstruktur 27, die eine kritische Dimension d aufweist, auf der Hartmaske gebildet. Ein erster Ätzschritt wird eingesetzt, um die Form in der Photomaske durch die Hartmaske zu übertragen und damit die Seitenwand 26s zu bilden.
Mit Verweis auf 2 dient die Hartmaske 26 als eine Schutzmaske während eines oder mehrerer Ätzschritte, die die Form und kritische Dimension in der Hartmaske durch die verbleibenden Schichten in dem MTJ-Stapel übertragen und damit die MTJ-Zelle 20n bilden. Die dünnen MTJ-Schichten werden neben der Seitenwand 26s, die sich von einer oberen Fläche der Hartmaske zur oberen Fläche 11t der unteren Elektrode erstreckt, leicht beschädigt. Weiterhin führt die Neuabscheidung einer Metallschicht 30 entlang der Seitenwand des MTJ durch die nichtflüchtige Art der Ätznebenprodukte beispielsweise zu einem Kurzschluss um die Tunnelbarriereschicht 23. So wird die Leistung der MRAM-Vorrichtung verringert oder sie kann nichtfunktional werden. Dementsprechend ist die wichtigste Herausforderung für die MRAM-Zellherstellung die Strukturierung des MTJ-Stapels ohne Beschädigung oder Kurzschluss der Vorrichtung.
Der Ätztransferprozess durch den MTJ-Schichtenstapel stellt eine Herausforderung dar, da es eine Vielzahl von Materialien gibt (magnetische Legierungen, nichtmagnetische Metalle und dielektrische Folien), die jeweils eine unterschiedliche Ätzrate aufweisen, wenn sie IBE mit Ar oder konventionellem CH₃OH-basiertem RIE unterzogen werden. Es ist darauf zu achten, eine Hartmaske 26 mit einer wesentlich geringeren Ätzrate als der der zugrundeliegenden Schichten im MTJ-Stapel 20 zu wählen.
Weiterhin führt Methanol-RIE zur chemischem und Plasmaschaden auf den MTJ-Seitenwänden, wobei jedoch eine minimale Neuabscheidung von geätztem Material an den Seitenwänden erfolgt. Für größere Vorrichtungen ist der beschädigte Bereich gering im Vergleich mit dem unbeschädigten Bereich und nicht notwendigerweise kritisch. Bei einer Abskalierung der Vorrichtungsgröße, wobei d unter 100 nm sinkt, wird jedoch die Menge des beschädigten Bereichs wesentlich und verringert die magnetischen Eigenschaften des MTJ. Andererseits erzeugt IBE keine chemischen Schäden und hinterlässt minimalen Plasmaschaden, führt jedoch zu einer hohen Menge an neu abgeschiedenem Material auf den MTJ-Seitenwänden. Eine Neuabscheidung auf der MTJ-Seitenwand ist die wichtigste Überlegung für IBE, insbesondere bei hochdichten Arrays mit eingeschränktem Abstand zwischen MTJ-Zellen. Eine erhöhte Zelldichte schränkt den Einfallswinkel des Ionenstrahls ein und kann neu abgeschiedenes Material an der Seitenwand hinterlassen, was zu einem Kurzschluss der Vorrichtungen führt.
Daher ist ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Array von MTJ-Zellen erforderlich, das die Strukturierung einer Hartmaske auf einem MTJ-Schichtenstapel und nachfolgendes Ätzen durch den darunterliegenden MTJ-Stapel, vermeidet. Insbesondere ist ein Verfahren gewünscht, das eine MTJ-Strukturierung erlaubt, ohne die Seitenwände ionischen oder chemischen Spezies auszusetzen, die die MTJ-Schichten beschädigen können.
KURZDARSTELLUNG
Ein Ziel dieser Offenbarung ist das Bereitstellen eines Verfahrens zum Abscheiden aller MTJ-Schichten in einer Speichervorrichtung, sodass kein nachfolgender Strukturierungsschritt erforderlich ist, um die Form und kritische Dimension des MTJ zu bestimmen.
Ein zweites Ziel dieser Offenbarung ist das Bereitstellen eines Prozessablaufs dem ersten Ziel entsprechend, der auch den Durchsatz verbessert, und die Filmbelastung und belastungsbezogene Mängel verringert, die mit einem konventionellen Verfahren der Strukturierung eines fortlaufend abgeschiedenen Films in einem unstrukturierten MTJ-Schichtenstapel assoziiert ist.
Nach einer Ausführungsform wird das erste Ziel erreicht, indem zuerst ein unterer Elektroden-(BE) Schichtenstapel mit einer ersten (unteren) Schicht und einer zweiten (oberen) Schicht auf einer oberen Fläche eines Substrats abgeschieden wird. Das Substrat umfasst einen Transistor zum Steuern eines Stroms durch den MTJ, und Durchkontaktierungen, die jeden Transistor mit einer Bitlinie unter jeder unteren Elektrode verbinden. Die ersten und zweiten BE-Schichten bestehen aus verschiedenen Materialien, sodass eine nachfolgende Strukturierung und isotropische Ätzungssequenz mehrere untere Elektroden bildet, die jeweils eine T-Form oder Unterschneidungsform aufweisen, wobei die obere BE-Schicht eine größere Breite aufweist als die der unteren BE-Schicht. In einer alternativen Ausführungsform wird die zweite BE-Schicht durch eine Seed-Schicht ersetzt, die auch als die unterste Schicht in der MTJ-Zelle dient. Nachfolgend wird eine optionale Isolierungsschicht konform an den Seiten der ersten BE- und zweiten BE- (oder Seed-) Schichten abgeschieden.
In dem folgenden Schritt werden eine Seed-Schicht, eine festgesteckte Schicht, eine Tunnelbarriereschicht, eine freie Schicht, eine Abdeckschicht und eine Hartmaske sequenziell auf der zweiten BE-Schicht abgeschieden, oder die obigen Schichten ohne die Seed-Schicht sind in einer alternativen Ausführungsform auf der Seed-Schicht abgeschieden. Aufgrunddessen ist eine MTJ-Zelle an jeder zweiten BE-Schicht (oder an jeder Seed-Schicht) selbstausgerichtet und ein Dummystapel von MTJ-Schichten wird auf dem Substrat der oberen Fläche um die erste BE-Schicht herum gebildet. Die T-Form der unteren Elektrode verhindert jedoch, dass der Dummy-MTJ-Stapel tatsächlich mit der ersten BE-Schicht in Kontakt kommt. Aufgrund des selbstausgerichteten Prozesses während der Abscheidung der MTJ-Schichten ist kein weiterer Strukturierungsprozess notwendig, um die Form und Größe der MTJ-Zellen zu bestimmen. Die Breite der zweiten BE-Schicht oder Seed-Schicht definiert die kritische Dimension der MTJ-Zelle.
Da es zu einem Aufbau von leitfähigem Material entlang der MTJ-Seitenwände während der Abscheidung der MTJ-Schichten kommt, wird ein gewinkeltes Ionenstrahlätzen (IBE) vorzugsweise nach Abscheiden des MTJ-Stapels ausgeführt, und umfasst das Drehen des Substrats, während ein leitfähiges Material von den Seitenwänden zugeschnitten wird. Als nächstes wird ein Dielektrikum, das auch als Verkapselungsschicht bezeichnet wird, abgeschieden, um die Spalten zwischen aneinander angrenzenden MTJ-Zellen und die Spalten zwischen jeder ersten BE-Schichtseitenwand und einem umgebenden Dummy-MTJ-Schichtenstapel zu füllen. Eine chemisch-mechanische Politur (CMP) kann eingesetzt werden, um eine obere Fläche auf der Verkapselungsschicht zu bilden, die mit einer oberen Fläche der Hartmaske an jeder MTJ-Zelle koplanar ist.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht, die ein konventionelles Verfahren des Verwendens einer strukturierten Photoresistmaske zum Ätzen einer Hartmaske auf einem MTJ-Schichtenstapel zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht des MTJ-Stapels in 1, nachdem ein Ätzprozess die Hartmaskenstruktur durch die verbleibenden MTJ-Schichten nach einem konventionellen MTJ-Herstellungsverfahren überträgt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die die ersten und zweiten unteren Elektroden- (BE) Schichten abbilden, die auf einem Substrat einer hierin beschriebenen Ausführungsform entsprechend gebildet sind.
4 bis 5 sind Querschnittsansichten der BE-Schichten in 3 nach Abscheiden einer Hartmaske auf der zweiten BE-Schicht und ein Strukturierungsverfahren und nachfolgende Ätzschritte werden verwendet, um eine T-Form zu bilden, wo die zweite BE-Schicht nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung eine größere Breite aufweist als die erste BE-Schicht.
6 ist eine Querschnittsansicht der BE-Schichten in 5 nach Entfernen der Hartmaske und Bilden einer optionalen Isolierungsschicht auf den Seitenwänden der ersten und zweiten BE-Schichten nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
7 ist eine Querschnittsansicht der Zwischenstruktur in 5 nach Entfernen der Hartmaske, und ein Stapel MTJ-Schichten wird abgeschieden und nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung selbst an der zweiten BE-Schicht ausgerichtet.
8 ist eine Querschnittsansicht der MTJ in 7 nach Einsetzen eines IBE zum Entfernen von leitfähigen Resten entlang der Seitenwand der MTJ-Schichten nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
9 ist eine Querschnittsansicht der MTJ-Zelle in 8 nach dem Abscheiden einer Verkapselungsschicht zu elektrischen Isolierungszwecken.
10a ist eine Querschnittsansicht der Zwischen-MTJ-Zelle in 9 nach Verwenden eines CMP-Prozesses zum Planarisieren einer oberen Fläche der Verkapselungsschicht nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
10b ist eine alternative Ausführungsform der Zwischen-MTJ-Zelle in 10a, wobei eine Isolierungsschicht an der Seitenwand und der unteren Fläche der zweiten BE-Schicht und an der Seitenwand der ersten BE-Schicht gebildet ist.
11 ist eine Draufsicht mehrerer MTJ-Zellen, die jeweils eine runde Form aufweisen, in einem Array von Zeilen und Spalten nach dem CMP-Prozess in 10a oder 10b nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
12 ist eine Querschnittsansicht, die eine erste BE-Schicht und eine Seed-Schicht anzeigt, die nach einer hierin beschriebenen Ausführungsform sequenziell auf einem Substrat gebildet sind.
13 bis 14 sind Querschnittsansichten der Struktur in 12 nach Abscheiden einer Hartmaske auf der ersten BE-Schicht und ein Strukturierungsverfahren und nachfolgende Ätzschritte werden verwendet, um eine T-Form der unteren Elektrode zu bilden, wo die Seed-Schicht nach einer zweiten Ausführungsform dieser Offenbarung eine größere Breite aufweist als die erste BE-Schicht.
15 bis 18a sind Querschnittsansichten, die die Prozesse darstellen, die zuvor jeweils in 7 bis 10a gezeigt wurden, mit der Ausnahme, dass eine Seed-Schicht die zweite BE-Schicht nach einer zweiten Ausführungsform dieser Offenbarung ersetzt.
18b ist eine alternative Ausführungsform der MTJ-Zelle in 18a, wobei eine Isolierungsschicht an der Seitenwand und der unteren Fläche der Seed-Schicht und an der Seitenwand der ersten BE-Schicht gebildet ist.
19 zeigt eine Querschnittsansicht eines Zwischenschritts während des Bildens der MTJ-Zelle in 18b, wobei die Dielektrikumschicht an Seitenwänden der strukturierten unteren Elektrode vor dem Abscheiden der MTJ-Schichten gebildet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung ist ein Verfahren des Bildens einer MTJ-Zelle, die an einer unteren Elektrodenschicht oder einer darunterliegenden Seed-Schicht selbst ausgerichtet ist, wodurch die Notwendigkeit eines Strukturierungsschritts nach Abscheiden des MTJ-Schichtenstapels vermieden wird. Wenn auch nur eine MTJ-Zelle in den Zeichnungen mit Querschnittsansichten dargestellt ist, erkennt ein Fachmann auf dem Gebiet, dass mehrere MTJs in einer typischen Speichervorrichtungsstruktur gebildet werden. Die Begriffe „MTJ“ und MTJ-Zelle“ werden bei Verweis auf einen MTJ-Schichtenstapel mit einer kritischen Dimension, die durch eine Seitenwand bestimmt wird, und auf einer unteren Elektrode in einem MRAM, STT-MRAM, oder in einer spintronischen Vorrichtung, einschließlich aber nicht beschränkt auf einen Spin-Torque-Oszillator (STO), gebildet ist, austauschbar verwendet.
Mit Verweis auf 10a ist eine Querschnittsansicht einer abgeschlossenen MTJ-Zelle 47 dargestellt, die an einer zweiten unteren Elektroden- (BE) Schicht 36 selbstausgerichtet ist, sodass die MTJ-Seitenwand 47s eine planare Fläche mit der BE-Seitenwand 36s nach einer ersten Ausführungsform dieser Offenbarung bildet. Die zweite BE-Schicht wird auf einer ersten BE-Schicht 35 gebildet und weist eine Breite w auf, die größer als die Breite b der Basis 35b der ersten BE-Schicht ist. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Seitenwand 35s an der ersten BE-Schicht im Wesentlichen vertikal, wobei die obere Fläche 35t davon auch die Breite b aufweist. In anderen Ausführungsformen können die Seitenwände 35s so geneigt sein, dass die obere Fläche 35t eine Breite von weniger als w aber mehr als b aufweist, wo die Basis 35b an das Substrat 10 angrenzt. Die z-Achse ist eine Dickerichtung und rechtwinklig zu den Ebenen der Schichten in der MTJ-Zelle. Die Richtungen der x-Achse und y-Achse verlaufen in der Ebene jeder MTJ-Schicht. Das Substrat kann eine mehrschichtige Struktur sein, die aus mehreren Transistoren besteht, wobei jeder Transistor mit einer unteren Elektrodenbasis durch eine Bitlinie und Durchkontaktierungen (nicht dargestellt) verbunden ist.
Die MTJ-Zelle 47 umfasst eine Seed-Schicht 41, eine abgesteckte oder Referenzschicht 42, eine Tunnelbarriere 43, eine freie Schicht 44, eine Abdeckschicht 45, und eine Hartmaske 46, die sequenziell auf der zweiten BE-Schicht 36 gebildet werden. Jede der festgesteckten Schicht und der freien Schicht weisen vorzugsweise eine PMA mit einer Magnetisierung auf, die in der positiven oder negativen z-Achsenrichtung ausgerichtet sind. Die Seed-Schicht kann eine oder mehrere Zwischenschichten umfassen und besteht aus einem oder mehreren aus NiCr, Ta, Ru, Ti, TaN, Cu, Mg oder anderen Materialien, die typischerweise verwendet werden, um eine glatte und einheitliche Körnungsstruktur in sich überlagernden Schichten umfassen, und vorzugsweise die PMA in der festgesteckten Schicht verbessern. In Ausführungsformen, in denen die Seitenwände 36s, 47s eine im Wesentlichen vertikale Fläche bilden, ist die Breite w der zweiten BE-Schicht im Wesentlichen in den darüberliegenden MTJ-Schichten gehalten.
Die festgesteckte Schicht 42 kann eine synthetische antiparallele (SyAP) Konfiguration aufweisen, die durch AP2/Ru/AP1 dargestellt ist, wobei die antiferromagnetische Koppelungsschicht aus Ru, Rh, oder Ir etwa zwischen einer magnetischen AP2-Schicht und einer magnetischen APi-Schicht (nicht dargestellt) eingesetzt ist. Die AP2-Schicht, die auch als die äußere festgesteckte Schicht bezeichnet wird, wird auf der Seed-Schicht 41 gebildet, während AP1 die innere festgesteckte Schicht ist und typischerweise die Tunnelbarriere 43 kontaktiert. Die AP1- und AP2-Schichten können aus CoFe, CoFeB, Co oder einer Kombination davon bestehen. In anderen Ausführungsformen kann die Referenzschicht ein laminierter Stapel mit intrinsischer PMA wie etwa (Co/Ni)_n, (CoFe/Ni)_n, (Co/NiFe)_n, (Co/Pt)_n, (Co/Pd)_n, oder dergleichen sein, wobei n die Laminierungszahl ist. Weiterhin kann eine Übergangsschicht wie etwa CoFeB oder Co zwischen der obersten Schicht in dem laminierten Stapel und der Tunnelbarriereschicht eingesetzt sein.
Die Tunnelbarriereschicht 43 ist vorzugsweise ein Metalloxid, das eines aus MgO, TiOx, AlTiO, MgZnO, Al₂O₃, ZnO, ZrOx, HfOx oder MgTaO ist. Bevorzugter wird MgO als die Tunnelbarriereschicht gewählt, weil MgO das höchste magnetoresistive Verhältnis bereitstellt, vor allem, wenn es etwa zwischen zwei CoFeB-Schichten eingesetzt ist.
Die Freie Schicht 44 kann Co, Fe, CoFe oder eine Legierung davon mit einem oder beiden von B und Ni sein, oder ein mehrschichtiger Stapel, der eine Kombination aus einer oder mehreren der zuvor genannten Zusammensetzungen darstellt. In einer anderen Ausführungsform kann die freie Schicht eine Schicht aufweisen, die ein nichtmagnetisches Moment verwässert, wie etwa Ta oder Mg, die zwischen zwei CoFe- oder CoFeB-Schichten eingesetzt ist, die ferromagnetisch gekoppelt sind. In einer alternativen Ausführungsform weist die freie Schicht eine SyAP-Konfiguration wie FL1/Ru/FL2 auf, wobei FL1 und FL2 zwei magnetische Schichten sind, die antiferromagnetisch gekoppelt sind, oder ist ein laminierter Stapel wie (Co/Ni)_n mit inhärenter PMA, die zuvor bezüglich der Referenzschichtzusammensetzung beschrieben ist.
Die Abdeckschicht 45 ist vorzugsweise ein Metalloxid wie MgO oder ein anderes Metalloxid, das die PMA in der freien Schicht 44 induziert oder verstärkt. Die Hartmaske 46 besteht typischerweise auf einem oder mehr als Ta, Ru, TaN, Ti, TiN und W. Es sollte sich verstehen, dass andere Hartmaskenmaterialien, einschließlich MnPt, gewählt werden können, um während eines chemisch-mechanischen Politur- (CMP) Prozesses, der eine obere Fläche 46t erzeugt, die mit der oberen Fläche 80t der Verkapselungsschicht koplanar ist, einen hohen Ätzwiderstand relativ zu der umgehenden Verkapselungsschicht bereitzustellen.
Die Speichervorrichtung, die aus der MTJ-Zelle 47 und unteren Elektrodenschichten 35, 36 besteht, ist von angrenzenden MTJ-Zellen (nicht dargestellt) durch die Verkapselungsschicht 80 isoliert, die eine obere Fläche 80t aufweist, die koplanar mit der oberen Fläche 46t der Hartmaskenschicht 46 ist. Die Verkapselungsschicht kontaktiert die obere Fläche 10t des Substrats und auch die separate Seitenwand 35s der ersten BE-Schicht 35 von dem Dummy-MTJ-Stapel 49, der die erste BE-Schicht umgibt. Der Dummy-MTJ-Stapel umfasst dieselben Schichten 41 bis 46, die in der MTJ-Zelle vorhanden sind, ist jedoch inaktiv, da es keine elektrische Verbindung mit anderen leitfähigen Komponenten in der Speichervorrichtung gibt. Ein wichtiges Merkmal ist, dass die untere Elektrode im Wesentlichen die Form eines T aufweist, wobei b beträchtlich weniger ist als w, um einen Spalt g zwischen der Seitenwand 49s des Dummy-MTJ und der Seitenwand 35s bereitstellt, wodurch verhindert wird, dass Metall- oder Legierungsschichten in dem Dummy-MTJ mit der ersten BE-Schicht in Kontakt kommen und eine elektronische Verbindung damit aufbauen.
Die Verkapselungsschicht 80 besteht aus einem Dielektrikum, das ein oder mehr aus einem Metallkarbid, Metallnitrid, Metalloxynitrid oder Metallkarbonitrid ist, wie etwa SiN, SiO₂, SiON, MgO, Al₂O₃, AlN, BN, BON, BCN, SiC oder dergleichen, das durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaverstärkte CVD (PECVD), Ionenstrahlabscheidung (IBD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) abgeschieden wird. In einigen Ausführungsformen kann die Verkapselungsschicht eine erste Unterschicht umfassen, die die Seitenwände 47s, 49s, 35s und 36s kontaktiert, und eine zweite Unterschicht auf der ersten Unterschicht (nicht dargestellt).
10b zeigt eine alternative Ausführungsform, die alle Merkmale in 10a aufweist und eine weitere Dielektrikumschicht 37 an den Seitenwänden 35s, 36s, und an einer unteren Fläche 36b der zweiten BE-Schicht umfasst. Die Dielektrikumschicht ist vorzugsweise konform und weist eine Seitenwand 37s auf, die neben der Seitenwand 36s liegt, und aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder dergleichen besteht, das die untere Elektrode elektrisch isoliert. Aufgrunddessen weist der MTJ 47 in der ersten Ausführungsform eine Breite w1 auf, die größer ist als w, wobei w1 durch die Breite der zweiten BE-Schicht 36 und die Dicke der Dielektrikumschicht 37 definiert ist. In anderen Worten, die MTJ-Zelle ist selbstausgerichtet an der zweiten BE-Schicht und der Dielektrikumschicht, sodass die MTJ-Seitenwand 47s koplanar zur Seitenwand 37s ist.
Nach einer zweiten Ausführungsform dieser Offenbarung aus 18a wird die MTJ-Struktur in 10a durch Ersetzen der zweiten BE-Schicht 36 durch die Seed-Schicht 41 modifiziert. In anderen Worten, die Seed-Schicht kontaktiert die obere Fläche 35t der ersten BE-Schicht und weist eine Breite w auf, die größer ist als die Breite b der ersten BE-Schichtbasis 35b. Hier sind die überlagernden Schichten 42 bis 46, die zuvor beschrieben wurden, an der Seed-Schicht selbstausgerichtet und bilden die MTJ-Zelle 47, die die Seed-Schicht umfasst. Andere Merkmale der ersten Ausführungsform bleiben erhalten, einschließlich der Verkapselungsschicht 80 mit der oberen Fläche 80t, die koplanar mit der oberen Fläche 46t der Hartmaske 46 ist. Vorzugsweise kontaktiert die Seed-Schicht eine obere Fläche 35t der ersten BE-Schicht, und bildet eine T-Form mit der ersten BE-Schicht, um zu verhindern, dass der umgebende Dummy-MTJ-Stapel 48 die Seitenwand 35s kontaktiert. Es ist zu beachten, dass der Dummy-MTJ-Stapel keine Seed-Schicht mehr aufweist, die die obere Fläche 10t des Substrats 10 kontaktiert. Stattdessen ist die festgesteckte Schicht 42 die unterste Schicht in dem Dummy-MTJ-Stapel, die die Schichten 42 bis 46 umfasst und die Seitenwand 48s aufweist. Die Seitenwand 41s der Seed-Schicht in der MTJ-Zelle 47 ist koplanar mit der Seitenwand 47s1 an den Seiten der darüberliegenden MTJ-Schichten 42 bis 46.
18b zeigt eine alternative Ausführungsform, die alle Merkmale in 18a aufweist und eine weitere Dielektrikumschicht 37 an den Seitenwänden 35s, 41s, und an einer unteren Fläche 41b der Seed-Schicht umfasst. Die Isolierungsschicht ist, wie zuvor beschrieben, vorzugsweise eine konforme Schicht mit der Seitenwand 37s beben der Seitenwand 41s, und isoliert elektrisch die erste BE-Schicht 35 und die Seed-Schicht 41. In diesem Fall weist der MTJ 47 in der ersten Ausführungsform eine Breite w1 auf, die größer ist als w, wobei w1 durch die Breite der Seed-Schicht und die Dicke der Dielektrikumschicht 37 definiert ist. So ist die MTJ-Zelle an der Seed-Schicht und der Dielektrikumschicht selbstausgerichtet, sodass die Seitenwand 37s koplanar zur MTJ-Seitenwand 47s1 ist.
Diese Offenbarung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen der MTJ-Zellen, die in 10a und 18a dargestellt sind. Ein erster Satz Zeichnungen, die als 3 bis 9 dargestellt sind, zeigt eine Sequenz von Schritten, die verwendet werden, um die MTJ-Zelle 47 in 10a herzustellen. Es wird angenommen, dass dieses Verfahren Vorteile im Vergleich mit dem Stand der Technik aufweist, weil eine geringere Anzahl von Prozessschritten erforderlich ist, um eine selbstausgerichtete MTJ-Zelle zu erzeugen, die die magnetischen Eigenschaften des MTJ erhält, während Schäden an der MTJ-Seitenwand vermieden werden. Dementsprechend sind die Kosten, die mit der Herstellung der MTJ-Zelle verbunden sind, wesentlich geringer.
Mit Verweis auf 3 werden eine erste BE-Schicht 35 und eine zweite BE-Schicht 36 sequenziell auf dem Substrat 10 abgeschieden. Die erste BE-Schicht weist eine Dicke t1 auf und wird aus Ta, TaN, Ti oder TiN gewählt. Die zweite BE-Schicht weist eine Dicke t2 auf, wobei t2 < ti, und ist vorzugsweise eines aus Ni, NiCr, Ru oder NiFeCr. Es ist wichtig, dass t1 größer als Dicke t3 des Dummy-MTJ-Stapels 49 (10a) ist, um zu verhindern, dass ein oberer Abschnitt des Dummy-MTJ in den nachfolgenden Verarbeitungsschritten mit der zweiten BE-Schicht 36 in Kontakt kommt.
In 4 werden eine Hartmaske 38, die beispielsweise aus Siliziumoxid oder Siliziumoxynitrid hergestellt sind, und die Photoresistschicht 50 sequenziell auf der zweiten BE-Schicht 36 gebildet. Die Photoresistschicht wird mit einem konventionellen Photolithographieverfahren strukturiert, um die Seitenwand 50s zu ergeben. Die strukturierte Schicht weist eine Breite w in der x-Achsenrichtung auf. In einigen Ausführungsformen bildet die Seitenwand in der Draufsicht eine runde Form (nicht dargestellt), sodass eine Dimension (Länge) w auch in der Richtung der y-Achse gebildet wird. In anderen Ausführungsformen weist die Seitenwand eine im Wesentlichen elliptische Form auf, wobei die Länge in der y-Achsenrichtung ungleich der Breite entlang der x-Achse ist. Während eines ersten Ätzschritts wird ein RIE, das etwa ein Fluorokarbongas und eine RF-Energie im Bereich von 100 bis 1500 Watt umfasst, eingesetzt, um Abschnitte der Hartmaske zu entfernen, die nicht durch die Photoresistschicht (Maske) geschützt sind, wodurch die Seitenwand 38s gebildet wird, die koplanar mit der Seitenwand 50s ist. Das erste RIE endet an einer oberen Fläche 36t der zweiten BE-Schicht.
Mit Verweis auf 5 kann die Photoresistschicht durch einen konventionellen Sauerstoffplasmaprozess entfernt werden. Dann wird ein zweites RIE durchgeführt und kann aus CH₃OH oder einem anderen Oxidationsmittel und einem Edelgas wie Ar bestehen, um selektiv Abschnitte der zweiten BE-Schicht zu entfernen und an einer oberen Fläche der ersten BE-Schicht 35 zu stoppen, wodurch die Seitenwand 36s erzeugt wird, die koplanar zur Seitenwand 38s ist. Danach wird ein drittes RIE, das ein isotropes Ätzen ist, eingesetzt, um vorteilhaft das T-förmige Profil für die untere Elektrode zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das dritte RIE Fluorokarbonplasma und entfernt die Hartmaske, wodurch die obere Fläche 36t der zweiten BE-Schicht offengelegt wird. Die zweite BE-Schicht und das Substrat sind wesentlich widerstandsfähiger gegen das Fluorokarbonplasma als die erste BE-Schicht, sodass die zweite BE-Schicht die Breite w erhält und der dritte RIE-Schritt an der oberen Fläche 10t des Substrats endet. Abhängig von den Ätzbedingungen und der Zusammensetzung der ersten BE-Schicht 35, kann das dritte RIE eine geneigte Seitenwand 35s erzeugen, wo die Breite an der ersten oberen Fläche 35t der BE größer ist als die Breite b an der Basis 35b, aber dennoch geringer ist als w.
Mit Verweis auf 6 kann eine optionale Dielektrikumschicht 37 konform durch ein chemisches Gasphasenabscheidungs- (CVD) Verfahren auf der ersten Seitenwand 35s der BE-Schicht und der zweiten Seitenwand 36s der BE-Schicht abgeschieden werden. Die Dielektrikumschicht besteht aus SiO₂, SiN, SiON oder einem anderen Material wie Aluminiumoxid, und dient dazu, beide Schichten in der unteren Elektrode gegen leitfähiges Material zu isolieren, das durch Sputtern abgeschieden wird, wenn die MTJ-Schichten in einem nachfolgenden Schritt gebildet werden. Es ist zu beachten, dass ein Sputterätzen eingesetzt werden kann, um die optionale Dielektrikumschicht von über der oberen Fläche 36t der zweiten BE-Schicht 36 zu entfernen.
Mit Verweis auf 7 werden die MTJ-Schichten 41 bis 46 sequenziell in einem DC-Sputterabscheidungssystem abgeschieden, das ultrahohe Vakuum-DC-Magnetronsputterkammern mit mehreren Zielen und mindestens einer Oxidationskammer umfasst. Üblicherweise umfasst der Sputterabscheidungsprozess ein Edelgas wie Argon und einen Basisdruck zwischen 5 × 10^-8 und 5 × 10^-9 torr. Für die Tunnelbarriereschicht 43 und die Abdeckschicht 45 kann der Prozess des Bildens einer Metalloxidschicht das Abscheiden einer ersten Metallschicht und das Durchführen eines natürlichen Oxidationsprozesses umfassen, um die erste Metallschicht in Metalloxid umzuwandeln. In einigen Ausführungsformen wird eine zweite Metallschicht auf der Metalloxidschicht abgeschieden, um die Tunnelbarriereschicht zu bilden. Während eines nachfolgenden Temperschritts wird die zweite Metallschicht durch Absorption von Sauerstoff aus der Metalloxidschicht und anderen angrenzenden Schichten oxidiert.
Der Prozess des Bildens einer selbstausgerichteten MTJ-Zelle 47 auf der zweiten BE-Schicht 36 führt auch zum Bilden des Dummy-MTJ-Stapels 49 auf dem Substrat 10, und um die erste BE-Schicht 35 herum. So bildet der Dummy-MTJ-Stapel in einer Draufsicht (nicht dargestellt) eine Ringform um den MTJ 47. Es gibt einen Spalt 60 zwischen der Seitenwand 49s des Dummy-MTJ-Stapels und der ersten BE-Schichtseitenwand 35s. Weiterhin bildet sich eine Seitenwandschicht 40, die aus Material von MTJ-Schichten 41 bis 46 besteht, auf der Seitenwand 36s und auf der Seitenwand 47s, die aus den Seitenwänden 41s bis 46s auf jeder der MTJ-Schichten besteht. Die Seitenwandschicht 40 muss entfernt werden, bevor der Herstellungsprozess abgeschlossen wird, da leitfähige Materialien darin dazu neigen, einen Kurzschlusspfad um die Tunnelbarriereschicht 43 in der MTJ-Zelle zu bilden. Es ist zu beachten, dass die Neigung 49s des Dummy-MTJ-Stapels üblicherweise nichtvertikal ist, sodass die oberste Schicht 46 an der oberen Fläche 10t des Substrats eine kleinere Breite aufweist als die Seed-Schicht 41. Die nichtvertikale Neigung ist ein Ergebnis eines langsamen Aufbaus der Seitenwandschicht 40. Wenn die Seitenwandschicht nach außen wächst, kommt es zu einem größeren Schatteneffekt, der die Abscheidung von gesputtertem Material auf Abschnitten des Dummy-MTJ direkt unter der Schicht 40 verhindert.
Mit Verweis auf 8 wird ein IBE ausgeführt, wobei die Ionen 71 in einem einfallenden Winkel α minus 90° in Richtung der Seitenwände 36s, 47s gelenkt werden. In einigen Ausführungsformen kann der Einfallswinkel während des IBE variiert werden. Dieser IBE-Schritt umfasst ein Edelgas, das eines oder mehr aus Ar, Kr, Ne und Xe ist, und das Drehen des Werkstücks (Wafers), auf dem der MTJ-Schichtenstapel und das Substrat gebildet werden. Die Drehung 70 kann in konstanter kreisförmiger Richtung erfolgen, oder eine wischende Bewegung umfassen, wobei der Wafer in einer ersten Periode in einer ersten Richtung gedreht wird, und dann in einer zweite Periode in einer entgegengesetzten Richtung gedreht wird. Weiterhin kann Sauerstoff zu Ar zugegeben werden, um metallisches Material in der Seitenwandschicht 40 zu oxidieren, das dann flüchtiger und in einer Umgebung mit verringertem Druck leichter entfernbar wird. Dementsprechend wird die Seitenwandschicht von der MTJ-Zelle entlang der Seitenwände 36s, 47s entfernt, indem IBE-Bedingungen wie ≤ 200 eV und eine Prozesszeit von typischerweise weniger als 1 Minute eingesetzt wird, die kein Überätzen verlangt.
Es ist zu beachten, dass ein IBE-Prozess in einem konventionellen MTJ-Herstellungsschema, in dem eine MTJ-Seitenwand gebildet wird, eine wesentliche Überätzzeit verlangt da keine Ätzselektivität der Hartmaske bezüglich der darunterliegenden MTJ-Schichten vorliegt, die eine kombinierte Dicke aufweist, die allgemein im Bereich der Hundert nm liegt. In der beispielhaften Ausführungsform ist ein Überätzen nicht erforderlich, da der IBE-Schritt effektiv ein Reinigungsschritt ist, um eine relativ dünne Seitenwandschicht 40 zu entfernen. Nachfolgend ist die verringerte IBE-Prozesszeit ein weiterer Faktor bei der Verbesserung des Durchsatzes im Vergleich mit einem konventionellen Schema, das ein MTJ-Ätzen mit Überätzzeit verlangt, um eine MTJ-Seitenwand zu bilden.
Mit Verweis auf 9 wird die Verkapselungsschicht 80 durch ein CVD-, PVD- oder PECVD-Verfahren abgeschieden, beispielsweise auf der MTJ-Zelle 47, dem Dummy-MTJ 49, und auf offenliegenden Abschnitten des Substrats der oberen Fläche 10t. Der Abscheidungsprozess umfasst typischerweise eine erhöhte Temperatur, die vorzugsweise bei ≤ 400 °C liegt, um eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften in dem MTJ zu verhindern. Die Verkapselungsschicht deckt die obere Fläche 46t der Hartmaske 46 ab und füllt die Spalte 60 zwischen der ersten BE-Schicht 35 und dem Dummy-MTJ-Stapel 49. Der Verkapselungsprozess kann in einer Kammer innerhalb des Sputterabscheidungstools ausgeführt werden, um den Durchsatz zu verbessern.
Danach kann ein chemisch-mechanischer Politur- (CMP) Prozess eingesetzt werden, um eine obere Fläche 80t auf der Verkapselungsschicht zu bilden, die mit einer oberen Fläche 46t auf der Hartmaske 46 koplanar ist, wie in 10a gezeigt. Aufgrunddessen wird die obere Fläche der Hartmaske offengelegt, sodass Kontakt mit einer darüberliegenden oberen Elektrode in einem nachfolgenden Schritt erfolgt. Es sollte verstanden werden, dass die MTJ-Struktur in 10b durch Beginnen mit der strukturierten unteren Elektrode in 6 und Folgen der Sequenz der zuvor mit Verweis auf 7 bis 9 beschriebenen Schritte hergestellt werden kann.
Mit Verweis auf 11 werden mehrere MTJ-Zellen 47, die durch den Prozessablauf dieser Offenbarung gebildet sind, in einer Draufsicht angezeigt. Die MTJ-Zellen sind in Zeilen und Spalten innerhalb des entstehenden MTJ-Arrays angeordnet. Auch, wenn die MTJ-Zellen mit einer runden Form dargestellt sind, können die MTJs in anderen Ausführungsformen elliptische Formen oder auch polygonale Formen aufweisen. Allgemein werden Millionen von MTJ-Zellen in einem Speicherarray gebildet, aber nur vier davon sind hier illustriert, um die Zeichnung zu vereinfachen.
Danach wird eine obere Elektrodenschicht, die aus mehreren parallelen leitfähigen Linien (nicht dargestellt) besteht, durch ein konventionelles Verfahren auf den MTJ-Zellen 47 und der Verkapselungsschicht 80 gebildet, wie von einem Fachmann zu erkennen ist. Eine obere Elektrodenleitung kontaktiert die obere Fläche 46t der Hartmaske. Leitfähige Linien in der oberen Elektrodenschicht werden vorzugsweise entlang der y-Achsenrichtung gebildet, die orthogonal zu leitfähigen (Bit-) Leitungen (nicht dargestellt) entlang der x-Achsenrichtung in dem Substrat 10 ist.
Eine Prozesssequenz zum Herstellen der MTJ-Zelle 47 in 18a ist in 12 bis 17 illustriert und ähnlich wie die Sequenz in 3 bis 5 und 7 bis 9, außer, dass eine kürzere Gesamtprozesszeit erforderlich ist. Insbesondere ist ein Schlüsselmerkmal, das in 12 gezeigt ist, dass die Seed-Schicht 41 allgemein auf der ersten BE-Schicht 35 abgeschieden werden kann, bevor der Strukturierungsschritt erfolgt, um die Breite der unteren Elektrode zu definieren. So besteht die untere Elektrode in dieser Ausführungsform effektiv aus einer unteren ersten BE-Schicht und einer oberen Seed-Schicht. Hier kann die Seed-Schicht eines oder mehr aus Ni, NiCr, Ru oder NiFeCr umfassen, während die erste BE-Schicht Ta, TaN, Ti, TiN oder ein anderes Material umfassen kann, das eine Ätzrate aufweist, die wesentlich größer ist als die der Seed-Schicht in einem nachfolgenden isotropen RIE-Schritt, der die Seitenwand 35s erzeugt.
Der Durchsatz wird im Vergleich mit der ersten Ausführungsform verbessert, weil die Seed-Schicht vorteilhaft in einem anderen Sputterabscheidungstool oder einer anderen Prozesskammer desselben Sputterabscheidungstools abgeschieden wird wie MTJ-Schichten 42 bis 46 in einem späteren selbstausgerichteten Prozessschritt. Typischerweise ist die Abscheidungszeit für MTJ-Schichten 41 bis 46 die Engstelle bezüglich der Gesamtprozesszeit. Durch Erhalt derselben Anzahl von Sputterabscheidungstools zum Minimieren von Kosten werden MTJ-Zellen mit einer kürzeren Gesamtprozesszeit abgeschlossen, da der MTJ-Stapel, der in dem selbstausgerichteten Prozess gebildet ist, eine Schicht weniger aufweist als in der vorherigen Ausführungsform, da die Seed-Schicht 41 effektiv Teil der unteren Elektrode ist.
Mit Verweis auf 13 werden eine Hartmaske 38, die zuvor beschrieben ist, und die Photoresistschicht 50 sequenziell auf der Seed-Schicht 41 gebildet. Die Photoresistschicht wird dann strukturiert, eine Photoresistmaske mit Seitenwand 50s und Breite w bereitzustellen. Ein erster RIE-Prozess, der beispielsweise ein Fluorokarbon und eine RF-Energie von 100 bis 1500 Watt umfasst, wird eingesetzt, um offenliegende Regionen der Hartmaske zu entfernen, die nicht durch die Photoresistmaske geschützt sind, und ergibt dadurch Seitenwand 38s, die mit Seitenwand 50s koplanar ist.
Mit Verweis auf 14 wird ein zweites RIE, das aus Ar und MeOH bestehen kann, verwendet, um Abschnitte der Seed-Schicht 41 zu entfernen, die nicht durch die Hartmaske 38 geschützt sind, um die Seed-Schichtseitenwand 41s zu bilden, die koplanar zur Seitenwand 38s ist. Allgemein wird vor dem zweiten RIE Schritt die Photoresistschicht 50 mit einem Sauerstoffplasmaentfernungsprozess entfernt. Danach wird ein drittes RIE, das ein isotropes Ätzen ist, eingesetzt, um vorteilhaft das T-förmige Profil für die untere Elektrode zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das dritte RIE Fluorokarbonplasma, das die Hartmaske entfernt und die obere Fläche 41t offenlegt. Die Seed-Schicht (und das Substrat) sind wesentlich widerstandsfähiger gegen das Fluorokarbonplasma als die erste BE-Schicht, sodass die Seed-Schicht die Breite w erhält und der dritte RIE-Schritt an der oberen Fläche 10t des Substrats endet. In der beispielhaften Ausführungsform weist die Seitenwand 35s ein im Wesentlichen vertikales Profil auf. Abhängig von den Ätzbedingungen und der Zusammensetzung der ersten BE-Schicht 35, kann das dritte RIE eine geneigte Seitenwand 35s erzeugen, wo die Breite an der ersten oberen Fläche 35t der BE kleiner als w aber breiter als b an der Basis 35b.
Mit Verweis auf 15 werden die MTJ-Schichten 42 bis 46 sequenziell in einem Sputterabscheidungstool auf der oberen Fläche 41t der Seed-Schicht abgeschieden. Hier sind die zuvor genannten MTJ-Schichten an der Seed-Schicht 41 statt an einer zweiten BE-Schicht selbst ausgerichtet. Die Seitenwände 42s bis 46s sind koplanar und kollektiv als Seitenwand 47s1 gezeigt, die koplanar zur Seed-Schichtseitenwand 41s ist. Wie in der vorherigen Ausführungsform ist eine Seitenwandschicht 40, die aus Material aus MTJ-Schichten 42 bis 46 besteht, üblicherweise auf den Seitenwänden 41s, 47s1 gebildet. Weiterhin ist ein Dummy-MTJ-Stapel 48, der aus MTJ-Schichten 42 bis 46 besteht, mit Seitenwand 48s an der oberen Fläche 10t des Substrats um die erste BE-Schicht 35 herum gebildet und von der Seitenwand 35s durch den Spalt 61 getrennt. Ein weiterer Vorteil des Ersetzens der zweiten BE-Schicht durch die Seed-Schicht 41 in dieser Ausführungsform ist, dass der Dummy-MTJ-Stapel eine Dicke t4 aufweist, die geringer als t3 des Dummy-MTJ-Stapels in der vorherigen Ausführungsform ist. Aufgrunddessen ist die obere Fläche 48t des Dummy-MTJ einen größeren Abstand von der Seed-Schicht 41 in MTJ 47 entfernt, wenn die BE-Schicht die Dicke t1 erhält. und alle MTJ-Schichten weisen dieselbe Dicke auf, wie in der ersten Ausführungsform.
In 16 wird ein IBE-Schritt der aus Ionen 71, die in einem Einfallswinkel α von weniger als 90° bezüglich der Seitenwand 47s1 gelenkt sind, und einer Drehung 70 des Substrats 10 besteht, eingesetzt, um die Seitenwandschicht 40 zu entfernen und saubere Seitenwände 41s, 47s1 bereitzustellen. Wie zuvor erwähnt, verlangt das IBE kein Überätzen und erfolgt üblicherweise in weniger als 180 Sekunden und mit einer Spannung von ≤ 200 eV.
Bezüglich 17 wird die Verkapselungsschicht 80 auf der MTJ-Zelle 47, Dummy-MTJ 48, und auf offenliegenden Abschnitten des Substrats 10 abgeschieden, wodurch der Spalt 61 gefüllt und die MTJ-Zelle von angrenzenden MTJ-Zellen (nicht dargestellt) isoliert wird. Eine obere Fläche 80t2 der Verkapselungsschicht über der oberen Fläche 46t der Hartmaske ist allgemein weiter von dem Substrat 10 entfernt als Abschnitte 8oti über dem Dummy-MTJ-Stapel 48. In einem nachfolgenden Schritt kann ein CMP-Prozess verwendet werden, um die Hartmaske 46 durch Bilden einer oberen Fläche 80t der Verkapselungsschicht, die koplanar mit der oberen Fläche 46t ist, offenzulegen.
Die alternative MTJ-Struktur aus 18b kann unter Verwendung eines Prozessablaufs gebildet werden, der mit der T-förmigen unteren Elektrode in 14 beginnt und dann konform die Dielektrikumschicht 37 durch ein CVD-Verfahren abscheidet, um die untere Elektrodenstruktur zu ergeben wie in 19 dargestellt. Dann wird die Sequenz der Schritte gefolgt, die in 15 bis 17 dargestellt ist. In diesem Fall sind die MTJ-Schichten 42 bis 46 an der Seed-Schicht 41 und Schicht 37 selbstausgerichtet und weisen aufgrund des Vorhandenseins der Dielektrikumschicht, die auf der Seitenwand 41s abgeschieden ist, eine Breite w1 auf, die größer als Breite w der Seed-Schicht ist.
Ein weiterer Vorteil der ersten und zweiten Ausführungsformen, die jeweils in 10a und 18a dargestellt sind, und der alternativen Ausführungsformen in 10b und 18b, ist, dass die MTJ-Schichten in segmentierten Inseln abgeschieden werden, die jeweils eine Breite w oder w1 aufweisen, die typischerweise kleiner als 100 nm ist, sind, statt als allgemein abgeschiedener (fortlaufender) Film über mehreren Millimetern. Dementsprechend werden Filmbelastungen und belastungsbezogene Mängel im Vergleich mit konventionellen MTJ-Zellherstellungsverfahren wesentlich verringert.
Während diese Offenbarung besonders mit Verweis auf die bevorzugte Ausführungsform davon dargestellt und beschrieben wird, verstehen Fachleute auf dem Gebiet, dass verschiedene Änderungen der Form und Details ohne Abweichung von dem Geist und Umfang dieser Offenbarung erfolgt.

Claims

Beansprucht wird:
Speicherstruktur, umfassend: (a) eine untere Elektrode (BE), umfassend eine erste BE-Schicht in Kontakt mit einem Substrat und eine zweite BE-Schicht, die an eine obere Fläche der ersten BE-Schicht angrenzt, wobei die BE im Wesentlichen die Form eines T aufweist, wobei die erste BE-Schicht eine Seitenwand und eine obere Fläche, die eine Breite aufweist, die wesentlich geringer als eine zweite Breite der zweiten BE-Schicht ist, aufweist, und die zweite BE-Schicht eine zweite Seitenwand aufweist, die im Wesentlichen orthogonal bezüglich des Substrats ausgerichtet ist; und (b) ein Magnettunnelkontakt- (MTJ) Schichtenstapel, der auf einer oberen Fläche der zweiten BE-Schicht gebildet ist und die zweite Breite aufweist, und eine Seitenwand, die koplanar zu der zweiten-BE Seitenwand ist, wobei der MTJ-Stapel an der unteren Elektrode selbstausgerichtet ist.
Speicherstruktur aus Anspruch 1, wobei der MTJ-Stapel eine MTJ-Zelle ist, die eine unterste Seed-Schicht auf der zweiten BE-Schicht, eine Tunnelbarriereschicht, die zwischen einer festgesteckten Schicht und einer freien Schicht festgesteckt ist, und eine oberste Hartmaske aufweist.
Speicherstruktur aus Anspruch 1, wobei die zweite BE-Schicht als eine Seed-Schicht für den MTJ-Stapel dient, der eine Tunnelbarriereschicht, die zwischen einer freien Schicht und einer festgesteckten Schicht gebildet wird, und eine oberste Hartmaske umfasst, und zusammen mit dem MTJ-Stapel eine MTJ-Zelle bildet.
Speicherstruktur aus Anspruch 1, ferner umfassend einen Dummy-MTJ-Schichtenstapel, der elektrisch von dem MTJ-Schichtenstapel und BE isoliert ist und auf einer oberen Fläche des Substrats gebildet ist, und die erste BE-Schicht umgibt, sodass eine Seitenwand des Dummy-MTJ-Stapels von der ersten BE-Seitenwand durch einen Spalt getrennt ist.
Speicherstruktur aus Anspruch 4, wobei die Speicherstruktur ferner eine Verkapselungsschicht umfasst, die den MTJ-Stapel von angrenzenden MTJ-Schichtenstapeln isoliert, und wobei die Verkapselungsschicht den Spalt zwischen dem Dummy-MTJ-Schichtenstapel und der ersten BE-Schicht füllt.
Speicherstruktur aus Anspruch 4, wobei die erste BE-Schicht aus Ta, TaN, Ti oder TiN besteht und eine erste Dicke aufweist, die größer als eine Dicke des Dummyschichtenstapels ist.
Speicherstruktur aus Anspruch 6, wobei die zweite BE-Schicht aus Ni, NiCr, Ru oder NiFeCr besteht und eine zweite Dicke aufweist, die geringer als die erste Dicke ist.
Speicherstruktur, umfassend: (a) eine untere Elektrode (BE), umfassend eine erste BE-Schicht in Kontakt mit einem Substrat und eine obere zweite BE-Schicht, die an eine obere Fläche der ersten BE-Schicht angrenzt, wobei die BE im Wesentlichen die Form eines T aufweist, wobei die erste BE-Schicht eine Seitenwand und eine obere Fläche, die eine Breite aufweist, die wesentlich geringer als eine zweite Breite der zweiten BE-Schicht ist, aufweist, und die zweite BE-Schicht eine zweite Seitenwand aufweist, die im Wesentlichen orthogonal bezüglich des Substrats ausgerichtet ist; (b) eine Dielektrikumschicht, die konform auf der zweiten BE Seitenwand und einer unteren Fläche der zweite BE-Schicht, und auf der ersten BE-Schichtseitenwand gebildet wird, und eine dritte Seitenwand aufweist, die neben der zweiten BE-Seitenwand liegt, die orthogonal bezüglich des Substrats ausgerichtet ist; und (c) ein Magnettunnelkontakt- (MTJ) Schichtenstapel, der an der zweiten BE-Schicht und Dielektrikumschicht selbstausgerichtet ist, sodass eine Seitenwand an dem MTJ-Stapel koplanar zu der dritten Seitenwand ist und die Breite jedes der MTJ-Schichtenstapel größer als die zweite Breite ist.
Speicherstruktur aus Anspruch 8, wobei der MTJ-Stapel eine MTJ-Zelle ist, die eine unterste Seed-Schicht auf der zweiten BE-Schicht, eine Tunnelbarriereschicht, die zwischen einer festgesteckten Schicht und einer freien Schicht festgesteckt ist, und eine oberste Hartmaske aufweist.
Speicherstruktur aus Anspruch 8, wobei die zweite BE-Schicht als eine Seed-Schicht für den MTJ-Stapel dient, der eine Tunnelbarriereschicht, die zwischen einer freien Schicht und einer festgesteckten Schicht gebildet wird, und eine oberste Hartmaske umfasst und zusammen mit dem MTJ-Stapel eine MTJ-Zelle bildet.
Speicherstruktur aus Anspruch 8, ferner umfassend einen Dummy-MTJ-Schichtenstapel, der elektrisch von dem MTJ-Schichtenstapel und BE isoliert ist und auf einer oberen Fläche des Substrats gebildet ist und die erste BE-Schicht umgibt, sodass eine Seitenwand des Dummy-MTJ-Stapels von der ersten BE-Seitenwand durch einen Spalt getrennt ist.
Speicherstruktur aus Anspruch 11, wobei die Speicherstruktur ferner eine Verkapselungsschicht umfasst, die den MTJ-Schichtenstapel von angrenzenden MTJ-Schichtenstapeln isoliert, und wobei die Verkapselungsschicht den Spalt zwischen dem Dummy-MTJ-Stapel und der ersten BE-Schicht füllt.
Speicherstruktur aus Anspruch 11, wobei die erste BE-Schicht aus Ta, TaN, Ti oder TiN besteht und eine erste Dicke aufweist, die größer als eine Dicke des Dummy-MTJ-Schichtenstapels ist.
Speicherstruktur aus Anspruch 13, wobei die zweite BE-Schicht aus Ni, NiCr, Ru oder NiFeCr besteht und eine zweite Dicke aufweist, die geringer als die erste Dicke ist.
Verfahren zum Bilden einer Magnettunnelkontakt- (MTJ) Zelle, umfassend: (a) Bilden einer strukturierten unteren Elektrode (BE), wobei die BE eine erste BE-Schicht, die eine obere Fläche eines Substrats kontaktiert und eine erste Breite (w1) und eine erste Seitenwand aufweist, und eine zweite BE-Schicht mit einer zweiten Breite (w2) aufweist, die auf einer oberen Fläche der ersten BE-Schicht gebildet ist, wobei w2 > w1, und die eine zweite Seitenwand aufweist, die im Wesentlichen orthogonal bezüglich des Substrats ausgerichtet ist, wodurch im Wesentlichen eine T-Form für die strukturierte untere Elektrode gebildet wird; (b) Sputterabscheidung eines MTJ-Schichtenstapels, der an der zweiten BE-Schicht selbstausgerichtet ist, sodass der MTJ-Stapel die zweite Breite aufweist und eine Seitenwand aufweist, die koplanar zur zweiten Seitenwand der zweiten BE-Schicht ist; und (c) Reinigen der MTJ-Seitenwand durch Ausführen eines Ionenstrahlätzens, das aus Ionen mit einem Einfallswinkel von weniger als 90° bezüglich der MTJ-Seitenwand und Drehen des Substrats besteht.
Verfahren aus Anspruch 15, wobei das Bilden der strukturierten BE umfasst: (a) sequenzielles Abscheiden der ersten BE-Schicht, zweiten BE-Schicht und einer Hartmaske auf dem Substrat; (b) Bilden einer Photomaske auf der Hartmaske, gefolgt von Ausführen eines ersten Ätzprozesses zum Bilden einer Hartmaskenseitenwand, die an einer oberen Fläche der zweiten BE-Schicht endet; (c) Durchführen eines zweiten Ätzschritts zum Bilden der zweiten BE-Seitenwand, die auf der oberen Fläche der ersten BE-Schicht endet; und (d) Durchführen eines dritten Ätzens, das ein isotroper Prozess ist, um selektiv Abschnitte der ersten BE-Schicht zu entfernen und damit die obere Fläche des Substrats offenzulegen und die erste BE-Seitenwand mit einer ersten Breite zu bilden.
Verfahren aus Anspruch 16, wobei der zweite Ätzschritt ein reaktives Ionenätzen ist, das ein Edelgas, MeOH und eine RF-Energie umfasst, die ein Plasma erzeugt.
Verfahren aus Anspruch 16, wobei die erste BE-Schicht aus Ta, TaN, Ti oder TiN besteht und die zweite BE-Schicht aus Ni, NiCr, Ru oder NiFeCr besteht.
Verfahren aus Anspruch 15, wobei die zweite BE-Schicht eine Seed-Schicht ist und zusammen mit dem MTJ-Schichtenstapel eine MTJ-Zelle bildet.
Verfahren zum Bilden einer Magnettunnelkontakt- (MTJ) Zelle, umfassend: (a) Bilden einer strukturierten unteren Elektrode (BE), wobei die BE eine erste BE-Schicht aufweist, die eine obere Fläche eines Substrats kontaktiert und eine erste Breite (w1) und eine erste Seitenwand aufweist, und eine zweite BE-Schicht mit einer zweiten Breite (w2), die auf einer oberen Fläche der ersten BE-Schicht gebildet ist, wobei w2 > w1, und die eine zweite Seitenwand aufweist, die im Wesentlichen orthogonal bezüglich des Substrats ausgerichtet ist; (b) Bilden einer konformen Dielektrikumschicht auf den ersten und zweiten Seitenwänden und mit einer dritten Seitenwand, die neben der zweiten Seitenwand liegt, wobei die dritte Seitenwand orthogonal an dem Substrat ausgerichtet ist; (c) Sputterabscheiden eines MTJ-Schichtenstapels auf der zweiten BE-Schicht, wobei der MTJ-Stapel an der zweiten BE-Schicht und der Dielektrikumschicht selbstausgerichtet ist und eine Seitenwand aufweist, die koplanar zu der dritten Seitenwand ist; und (d) Reinigen der MTJ-Seitenwand durch Ausführen eines Ionenstrahlätzens, das aus Ionen mit einem Einfallswinkel von weniger als 90° bezüglich der MTJ-Seitenwand und Drehen des Substrats besteht.
Verfahren aus Anspruch 20, wobei das Bilden der strukturierten BE umfasst: (a) sequenzielles Abscheiden der ersten BE-Schicht, zweiten BE-Schicht und dann einer Hartmaske auf dem Substrat; (b) Bilden einer Photomaske auf der Hartmaske, und dann Ausführen eines ersten Ätzens zum Bilden einer Hartmaskenseitenwand, die an der oberen Fläche der zweiten BE-Schicht endet; (c) Durchführen eines zweiten Ätzschritts, der die zweite Seitenwand bildet und auf einer oberen Fläche der ersten BE-Schicht endet; und (d) Durchführen eines dritten Ätzens, das ein isotroper Prozess ist, um selektiv Abschnitte der ersten BE-Schicht zu entfernen und damit die obere Fläche des Substrats offenzulegen und die erste BE-Seitenwand mit einer ersten Breite zu bilden.
Verfahren aus Anspruch 21, wobei das zweite Ätzen ein reaktives Ionenätzen ist, das ein Edelgas, MeOH und eine RF-Energie umfasst, die ein Plasma erzeugt.
Verfahren aus Anspruch 21, wobei die erste BE-Schicht aus Ta, TaN, Ti oder TiN besteht und die zweite BE-Schicht aus Ni, NiCr, Ru oder NiFeCr besteht.
Verfahren aus Anspruch 20, wobei die zweite BE-Schicht eine Seed-Schicht ist und zusammen mit dem MTJ-Schichtenstapel eine MTJ-Zelle bildet.