DE112018005611B4

DE112018005611B4 - OXIDATION VON SEITENWÄNDEN EINER FREIEN SCHICHT UND ABSTANDSHALTERUNTERSTÜTZTES ÄTZEN VON MAGNETISCHEN TUNNEL-ÜBERGÄNGEN (MTJs) FÜR MAGNETORESISTIVE HOCHLEISTUNGS-DIREKTZUGRIFFSSPEICHERVORRICHTUNGEN (MRAM)

Info

Publication number: DE112018005611B4
Application number: DE112018005611.2T
Authority: DE
Inventors: Yi Yang; Dongna Shen; Yu-Jen Wang
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2038-10-19
Also published as: KR102381009B1; WO2019079553A1; CN111566831A; US10134981B1; DE112018005611T5; CN111566831B; KR20200062342A

Abstract

Magnetische Tunnelübergangsstruktur, MTJ-Struktur, aufweisend:(a) einen ersten Schichtstapel, der eine Keimschicht (11), eine gepinnte Schicht (12) und eine Tunnelsperrschicht (13) umfasst, die nacheinander auf einem Substrat (10) ausgebildet sind und eine erste Breite (d) aufweisen, die durch eine erste Seitenwand (24) bestimmt wird, die im Wesentlichen orthogonal zu einer obere Oberfläche (10t) des Substrats (10) ausgerichtet ist;(b) einen zweiten Schichtstapel aufweisend:(1) eine freie Schicht (FL), die auf der Tunnelsperrschicht (13) ausgebildet ist, wobei die FL einen ferromagnetischen mittleren Abschnitt (14) und oxidierte äußere Abschnitte (14x) aufweist, die jeweils eine Grenzfläche (14s) mit dem mittleren FL-Abschnitt (14) bilden, wobei die oxidierten äußeren FL-Abschnitte (14x) eine von oben nach unten zunehmende Breite aufweisen; und(2) eine Deckschicht (15) über dem mittleren FL-Abschnitt (14), wobei der mittlere FL-Abschnitt (14) und die Deckschicht (15) eine Breite der freien Schicht, FLW, aufweisen, wobei die FLW kleiner als die erste Breite (d) ist, und die Deckschicht (15) eine zweite Seitenwand (20) aufweist, die mit der Grenzfläche (14s) koplanar ist; und(c) einen dielektrischen Abstandshalter (21s), der an die zweite Seitenwand (20) grenzt und eine Oberseite (14t) der oxidierten äußeren FL-Abschnitte (14x) kontaktiert, wobei der dielektrische Abstandshalter (21s) eine äußere Oberfläche aufweist, die eine dritte Seitenwand (23) mit einer äußeren Oberfläche des oxidierten äußeren FL-Abschnitts (14x) bildet, und der dielektrische Abstandshalter (21s) eine mit zunehmender Distanz von einer Oberseite (15t) der Deckschicht (15) zunehmende Breite aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Bilden eines oxidierten äußeren Abschnitts einer freien Schicht und eines darüberliegenden Abstandshalters, der an eine Deckschicht grenzt, um elektrische Kurzschlüsse sowie chemische und physische Schäden an MTJ-Seitenwänden zu verhindern, die in der Regel durch herkömmliche reaktive Ionenätzprozesse (RIE-Prozesse) und Ionenstrahlätzprozesse (IBE-Prozesse) verursacht werden, die zum Bilden mehrerer MTJ-Zellen verwendet werden, wodurch ein verbessertes magnetoresistives Verhältnis und eine größere Pin-Stärke der gepinnten Schicht auf der freien Schicht in jedem MTJ ermöglicht werden.
US 2005 / 0 277 206 A1 offenbart eine MTJ-Struktur, aufweisend eine gepinnte Schicht auf einem Substrat, eine Tunnelsperrschicht auf der gepinnten Schicht, eine freie Schicht auf der Tunnelsperrschicht und eine Deckschicht auf der freien Schicht, wobei die freie Schicht einen ferromagnetischen mittleren Abschnitt und oxidierte äußeren Abschnitte aufweist und die Deckschicht über dem mittleren Abschnitt der freien Schicht angeordnet ist. Der mittlere Abschnitt der freien Schicht und die Deckschicht eine Breite aufweisen, die kleiner als die Breite der Tunnelsperrschicht und der gepinnten Schicht ist. Ein dielektrischer Abstandshalter ist an einer Seitenwand der Deckschicht und auf einer Oberseite der oxidierten äußeren Abschnitte der freien Schicht ausgebildet.
Weiterer Stand der Technik zum Gegenstand der Erfindung ist beispielsweise zu finden in US 2016 / 0 248 003 A1 , US 2016 / 0 225 979 A1 und US 2013 / 0 221459 A1 .
HINTERGRUND
Ein MTJ-Speicherelement wird auch als MTJ-Zelle bezeichnet und ist eine Schlüsselkomponente in magnetischen Aufzeichnungsvorrichtungen und in Speichervorrichtungen wie zum Beispiel MRAM und Spin Torque Transfer-MRAM (STT-MRAM). Ein wichtiger Schritt bei der Herstellung eines Arrays von MTJ-Zellen ist der Ätztransfer einer Struktur in einer darüberliegenden Hartmaske durch einen MTJ-Schichtstapel hindurch, um ein Array von MTJ-Zellen mit einer kritischen Abmessung (Critical Dimension, CD) zu bilden, die in modernen Vorrichtungen - in einer Draufsicht gesehen - wesentlich kleiner als 100 nm ist. An dem Ätztransferprozess sind in der Regel mehrere Ätzschritte beteiligt, die RIE und/oder IBE umfassen.
Ein MTJ-Schichtstapel enthält zwei ferromagnetische Schichten, die als die freie Schicht (Free Layer, FL) und die gepinnte Schicht (Pinned Layer, PL) bezeichnet werden, sowie eine Tunnelsperrschicht, die eine oder mehrere dielektrische Schichten zwischen der FL und der PL umfasst. Leitfähige Schichten (Elektroden) über und unter dem Stapel aus PL, Tunnelsperre und FL dienen als elektrische Verbindungen zu einer Bitleitung und einer Sourceleitung, die sich über bzw. unter dem MTJ befinden. Die PL hat eine feste Magnetisierung, bevorzugt in einer Richtung senkrecht zur Ebene (senkrechte magnetische Anisotropie oder PMA (Perpendicular Magnetic Anisotropy)), während sich die FL frei zu einer Richtung drehen kann, die parallel (P) oder antiparallel (AP) zur Magnetisierungsrichtung der PL verläuft, wodurch ein Speicherzustand von „0“ oder „1“ für den MTJ hergestellt wird. Das magnetoresistive Verhältnis (DRR) wird durch dR/R ausgedrückt, wobei dR die Widerstandsdifferenz zwischen den magnetischen Zuständen P und AP ist, wenn ein Strom durch den MTJ fließt, und R der minimale Widerstandswert ist. Die unterste MTJ-Schicht ist gewöhnlich eine nichtmagnetische Keimschicht, die ein gleichmäßiges Wachstum in den darüber liegenden Schichten fördert und die PMA in der darüber liegenden PL oder FL verstärkt. Eine Deckschicht (auch als oberste Elektrode bezeichnet), wie zum Beispiel Ta, wird in der Regel als die oberste MTJ-Schicht gebildet und dient als eine Schutzschicht während der nachfolgenden physikalischen und chemischen Ätzungen.
Präzise Strukturierungstechniken, einschließlich Photolithographie und RIE, sind in der Regel daran beteiligt, Millionen MTJ-Zellen in einem MRAM-Array zu definieren. Der Ätzprozess zum Übertragen der Struktur in einer Photoresistmaske durch den darunter liegenden MTJ-Schichtstapel hindurch ist eine Herausforderung, da sich in einem MTJ-Schichtstapel vielfältige Materialien (magnetische Legierungen, nichtmagnetische Metalle und dielektrische Filme) befinden, die jeweils eine unterschiedliche Ätzrate aufweisen, wenn sie IBE oder RIE unterzogen werden. Außerdem werden aufgrund einer chemischen Reaktion während des RIE Abschnitte der MTJ-Schichten, die an die Seitenwand grenzen, schnell beschädigt, da sie Feuchtigkeit, Sauerstoff und anderen Oxidationsmitteln wie zum Beispiel Methanol ausgesetzt sind, wodurch die DRR und die Koerzitivfeldstärke (He) gesenkt werden. Dieser Schaden ist zellengrößenabhängig, das heißt, das Problem wird mit abnehmender Zellgröße immer gravierender.
Um chemische Schäden an MTJ-Seitenwänden zu vermeiden, wurden rein physikalische Ätztechniken wie zum Beispiel Ar-basiertes RIE oder IBE angewandt. Aufgrund ihrer nichtflüchtigen Natur können sich jedoch Metalle, wie zum Beispiel Ta, von der oberen und der unteren Elektrode her, oder ferromagnetisches Material von der PL oder der FL her, leicht wieder an Seitenwänden des MTJ ablagern und einen elektrischen Kurzschluss verursachen, der die Vorrichtung unbrauchbar macht. Aufgrund der hochenergetischen Ionen beim physikalischen Ätzen können auch physische Schäden an den Seitenwänden entstehen. Um physische Schäden an der Seitenwand oder wiederabgelagerte Materialien zu entfernen, sind zusätzliche Schritte wie zum Beispiel horizontales RIE- oder IBE-Trimmen verwendet worden, aber diese zusätzlichen Schritte erhöhen jedoch die Herstellungskosten und die Taktzeit. Die Machbarkeit des Oberflächentrimmens wird auch durch die Dichte der MTJ-Zellen begrenzt.
Ein weiteres Problem bei der konventionellen MTJ-Ätzverarbeitung ist, dass die Volumen (Breite × Dicke) der FL und der PL gleich oder im Wesentlichen gleich sind. Das heißt, wenn die Zellengröße unter 60 nm schrumpft, so wird die PL-Magnetisierung zu schwach, um den internen magnetischen Zustand der FL zu stabilisieren. Außerdem wird die Datenspeicherfähigkeit beeinträchtigt, wenn die PL-Größe und die Energiesperre (Energy Barrier, EB) weiter abnehmen. Es ist zu beachten, dass die EB in einer magnetischen Schicht mit der thermischen Stabilität (Δ) zusammenhängt, wie in Gleichung (1) unten gezeigt. $A = kV / kBT$
wobei k eine Konstante ist, V das Volumen der magnetischen Schicht (PL) ist, kB die Boltzmann-Konstante ist, und T die Temperatur ist.
Um die oben beschriebenen Probleme zu beseitigen, die mit der herkömmlichen MTJ-Strukturierungstechnologie verbunden sind, sind neue Herstellungsprozessabläufe erforderlich, damit MTJ-Zellen mit einer CD von wesentlich weniger als 60 nm gebildet werden können, wobei die magnetischen Eigenschaften wie zum Beispiel DRR, die Integrität der MTJ-Seitenwände und die Pin-Kraft der PL auf der FL erhalten bleiben. Außerdem muss die neue Fertigungssequenz einen hohen Durchsatz und niedrige Kosten haben, um zu anderen Speichervorrichtungen konkurrenzfähig zu sein.
KURZDARSTELLUNG
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung einer MTJ-Zelle, die eine Struktur aufweist, die elektrische Kurzschlüsse verhindert und chemische Schäden an den Seitenwänden der gepinnten und freien Schichten vermeidet, wodurch die magnetischen Eigenschaften, einschließlich des magnetoresistiven Verhältnisses und der He, im Vergleich zu herkömmlichen Designs verbessert werden.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung einer MTJ-Zelle, die die erste Aufgabe erfüllt und außerdem eine gepinnte Schicht mit verbesserter Datenspeicherfähigkeit und erhöhter Pin-Kraft auf der freien Schicht aufweist, insbesondere für MTJ-Zellen mit einer CD < 60 nm.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Strukturieren eines MTJ-Stacks, dergestalt, dass RIE oder IBE keine Abschnitte der freien Schicht und der gepinnten Schicht beschädigen, die für die Leistung der Vorrichtung in der resultierenden MTJ-Zelle verantwortlich sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die ersten beiden Aufgaben mit einem MTJ-Schichtstapel erreicht, der mindestens eine gepinnte Schicht, eine freie Schicht, eine Tunnelsperre zwischen der freien und der gepinnten Schicht und eine oberste Deckschicht, auch als oberste Elektrode bezeichnet, aufweist. In einigen Ausführungsformen wird eine Keimschicht als die unterste MTJ-Schicht verwendet. Der MTJ-Stapel ist als eine Zelle mit einer Dicke in einer Richtung senkrecht zur Ebene konfiguriert und hat Breiten der Schichten, die die Breite der freien Schicht (Free Layer Width, FLW) in einer Ebenenrichtung enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die optionale Keimschicht, die gepinnte Schicht und die Tunnelsperrschicht nacheinander auf einer unteren Elektrode gebildet und haben eine erste Breite (w1) und eine erste Seitenwand, die im Wesentlichen orthogonal zur Oberseite (der oberen Oberfläche) der unteren Elektrode ausgerichtet ist. Die freie Schicht berührt eine Oberseite der Tunnelsperre, und eine Deckschicht mit einer orthogonal zur Oberseite der freien Schicht ausgerichteten Seitenwand wird auf der freien Schicht gebildet. Ein wesentliches Merkmal ist, dass die freie Schicht einen oxidierten äußeren Abschnitt und einen ferromagnetischen mittleren Abschnitt hat, der die FLW definiert. Der mittlere FL-Abschnitt grenzt an den äußeren Abschnitt an einer Grenzfläche, die im Wesentlichen koplanar mit der Seitenwand der Deckschicht ist. Somit haben der mittlere FL-Abschnitt und die Deckschicht jeweils eine zweite Breite, die der FLW entspricht, wobei FLW < w1. Darüber hinaus wird auf einer Oberseite des äußeren FL-Abschnitts ein dielektrischer Abstandshalter gebildet, der an die Seitenwand der Deckschicht grenzt.
Bei einigen Ausführungen gibt es eine Seitenwandschicht, die wiederabgeschiedenes Material oder beschädigtes Material von der IBE oder RIE umfasst, das an Außenflächen des Abstandhalters und des äußeren FL-Abschnitts sowie an die erste Seitenwand grenzt. Allerdings berühren die mittleren Abschnitte der FL-Schicht und der gepinnten Schicht, die für die Leistung der Vorrichtung verantwortlich sind, nicht die Seitenwandschicht, so dass DRR und He im Vergleich zu herkömmlichen MTJ-Designs verbessert werden. Des Weiteren hat, da w1 > FLW, die gepinnte Schicht eine größere Pin-Kraft auf der FL als im Stand der Technik, wo w1 im Wesentlichen gleich FLW ist.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen der oben erwähnten MTJ-Zelle. Bevorzugt werden die optionale Keimschicht, die gepinnte Schicht, die Tunnelsperrschicht, die FL und die Deckschicht nacheinander auf der unteren Elektrode (Bottom Electrode, BE) gebildet. Anschließend wird eine untere Antireflexionsbeschichtung (Bottom Anti-Reflective Coating, BARC) oder eine dielektrische Antireflexionsbeschichtung (Dielectric Anti-Reflective Coating, DARC) auf der Deckschicht abgeschieden. Auf der BARC bzw. der DARC wird eine Photoresistschicht gebildet und wird strukturartig durch ein Photolithographieverfahren belichtet. Nach der Behandlung mit einer Photoresist-Entwicklerlösung umfasst die resultierende Photoresiststruktur mehrere Photoresistinseln und dient als eine Ätzmaske für einen nachfolgenden Ätzprozess, in dem RIE oder IBE verwendet werden, das eine Struktur durch die BARC oder die DARC und die Deckschicht hindurch transferiert. Eine erste Seitenwand wird auf der BARC oder der DARC und auf der Deckschicht gebildet und stoppt auf der FL-Oberseite.
Danach wird ein Plasma, das aus O₂, O₃ oder einem Gemisch davon mit N₂, NH₃, H₂O oder einem anderen Oxidationsmittel generiert wird, verwendet, um äußere Abschnitte der FL zu oxidieren, die nicht durch die darüberliegende Deckschicht geschützt werden. Dementsprechend werden die äußeren FL-Abschnitte in oxidierte FL-Abschnitte umgewandelt, die an den mittleren FL-Abschnitt grenzen, und die Photoresistmaske wird entfernt. Die Grenzfläche ist praktisch eine Verlängerung der ersten Seitenwand und ist im Wesentlichen mit dieser Seitenwand koplanar. Als Nächstes wird ein dielektrischer Abstandshalter über der teilweise gebildeten MTJ-Zelle abgeschieden, und wird im folgenden Schritt durch ein vertikales Ätzen entfernt, mit Ausnahme eines Abschnitts der äußeren FL-Abschnitte nahe der Deckschicht. Der Abstandhalter grenzt somit an die erste Seitenwand und verbreitert sich mit zunehmender Distanz von einer Ecke der BARC- oder DARC-Oberfläche aus. Die teilweise gebildete MTJ-Zelle wird dann mit RIE und/oder IBE geätzt, um Abschnitte der oxidierten FL, der Tunnelsperrschicht und der gepinnten Schicht zu entfernen, die nicht durch den Abstandshalter oder die Deckschicht geschützt werden, wodurch eine zweite Seitenwand auf der Tunnelsperrschicht, der gepinnten Schicht und der Keimschicht gebildet wird, die auf der unteren Elektrode stoppt. Zusätzlich wird die BARC oder DARC entfernt, um die Oberseite der Deckschicht freizulegen. Die zweite Seitenwand verläuft im Wesentlichen orthogonal zu der BE-Oberseite und bestimmt die Breite der gepinnten Schicht, die größer als die FLW ist. Die Außenflächen des oxidierten Abschnitts der FL und des an die Deckschicht grenzenden Abstandshalters bilden eine dritte Seitenwand, die mit der zweiten Seitenwand nahe der Oberseite der Tunnelsperrschicht verbunden ist.
In der Regel wird eine Seitenwandschicht, die wiederabgeschiedene MTJ-Materialien umfasst, an der zweiten und der dritten Seitenwand gebildet. Der mittlere FL-Abschnitt, der die Grenzfläche mit der oxidierten FL enthält, und ein mittlerer Abschnitt der gepinnten Schicht, die die Leistung der Vorrichtung bestimmen, werden jedoch nicht durch die Seitenwandschicht beschädigt oder beeinträchtigt. Danach wird eine Verkapselungsschicht, die eine oder mehrere dielektrische Schichten umfasst, abgeschieden, um Räume zwischen benachbarten MTJ-Zellen zu füllen. Ein chemisch-mechanisches Polieren (CMP) oder ein anderer Planarisierungsschritt wird verwendet, um eine Oberseite auf der Verkapselungsschicht zu bilden, die koplanar zur Oberseite der Deckschicht verläuft.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Querschnittsansicht einer MTJ-Zelle, die gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbaren gebildet wurde, wobei die freie Schicht oxidierte äußere Abschnitte und eine Breite in einem mittleren ferromagnetischen Abschnitt aufweist, die geringer ist als die Breite der gepinnten Schicht und die Breite der Tunnelsperrschicht.
2 ist eine Querschnittsansicht eines MTJ-Schichtstapels, auf dem eine Photoresiststruktur gebildet wurde, und repräsentiert einen ersten Schritt zum Herstellen einer MTJ-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine Querschnittsansicht des MTJ-Stapels in 2, nachdem ein Ätzschritt verwendet wurde, um die Photoresiststruktur durch eine Deckschicht und eine BARC- oder DARC-Hartmaske hindurch zu transferieren, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4 ist eine Querschnittsansicht des MTJ-Stapels in 3, nachdem eine Sauerstoffplasmabehandlung verwendet wurde, um äußere Abschnitte einer freien Schicht zu oxidieren, die nicht durch die Deckschicht geschützt werden, gemäß einer im vorliegenden Text beschriebenen Ausführungsform.
5 ist eine Querschnittsansicht des MTJ-Stapels in 4, nachdem eine dielektrische Abstandshalterschicht auf den oxidierten Abschnitten der freien Schicht und der Hartmaske abgeschieden wurde, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 ist eine Querschnittsansicht des MTJ-Stapels von 5, nachdem ein weiterer Ätzschritt verwendet wurde, um die Abstandshalterschicht zu entfernen, mit Ausnahme entlang der Seitenwände der Hartmaske und der Deckschicht, gemäß einer im vorliegenden Text beschriebenen Ausführungsform.
7 ist eine Querschnittsansicht des MTJ-Stapels in 6, nachdem ein selbstausrichtendes Ätzen Seitenwände auf allen MTJ-Schichten unter dem Abstandshalter und eine Seitenwandschicht in der fertigen MTJ-Zelle gebildet hat, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
8 ist eine Querschnittsansicht der MTJ-Zelle in 7 nach dem Abscheiden einer Verkapselungsschicht und dem Planarisieren zum elektrischen Isolieren der MTJ-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung.
9 ist eine Draufsicht auf mehrere MTJ-Zellen, die eine Kreisform in einem Array von Reihen und Spalten aufwiesen, gemäß einer im vorliegenden Text beschriebenen Ausführungsform.
10 ist eine Querschnittsansicht einer MTJ-Zelle, die gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbaren gebildet wurde, wobei die freie Schicht oxidierte äußere Abschnitte und eine Breite in einem mittleren ferromagnetischen Abschnitt aufweist, die geringer ist als die Breite der gepinnten Schicht und die Breite der Tunnelsperrschicht.
11-14 sind Querschnittsansichten, die Zwischenschritte während der Herstellung der MTJ-Zelle in 10 zeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung ist eine MTJ-Zelle, wobei eine freie Schicht oxidierte äußere Abschnitte aufweist, die eine Grenzfläche mit einem mittleren Abschnitt, der eine FLW aufweist, bilden, wobei die FLW kleiner ist als die Breite der Tunnelsperre und der gepinnten Schicht, und ein dielektrischer Abstandshalter auf den oxidierten äußeren FL-Abschnitten gebildet wird und an die Seitenwand einer Deckschicht grenzt, dergestalt, dass die Seitenwand und die Grenzfläche koplanar sind und ein elektrischer Kurzschluss vermieden wird. Die vorliegende Offenbarung umfasst auch einen Prozess zum Herstellen der oben angesprochenen MTJ-Zelle, wobei IBE- oder RIE-Ätzungen weder den mittleren FL-Abschnitt noch einen inneren Abschnitt der gepinnten Schicht, die für die Leistung der Vorrichtung verantwortlich sind, physisch oder chemisch beschädigen. Obgleich in den Zeichnungen nur eine einzelne MTJ-Zelle gezeigt ist, leuchtet dem Fachmann ein, dass in einer typischen Speichervorrichtungsstruktur mehrere MTJ-Zellen gebildet werden. Ein Prozess, wie im vorliegenden Text definiert, kann einen oder mehrere Schritte umfassen. Die Ebenen der MTJ-Schichten verlaufen in Richtung der x-Achse und der y-Achse, während die Dicke jeder Schicht in Richtung der z-Achse verläuft.
In der verwandten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/595,484 offenbarten wir ein Verfahren zum Ätzen eines MTJ-Schichtstapels, das sowohl ein Edelgas als auch ein Oxidationsmittel umfasst, um chemische Schäden an den MTJ-Seitenwänden und die Bildung von wiederabgeschiedenem Material an den MTJ-Seitenwänden, was einen elektrischen Kurzschluss verursachen kann, zu minimieren. In der Praxis ist es sehr schwierig, chemische Schäden an den Seitenwänden oder wiederabgeschiedenes Material daran vollständig zu verhindern. Infolge dessen werden häufig zusätzliche Schritte zum Trimmen der Seitenwände mit horizontaler RIE oder IBE verwendet, die zu höheren Fertigungskosten und Taktzeiten führen. Darüber hinaus haben konventionelle MTJ-Zellendesigns im Wesentlichen gleiche Volumen (Breite) für die FL-Schicht und die gepinnten Schicht. In dem Maße, wie die Größe der MTJ-Zellen unter 60 nm sinkt, wird die Magnetisierung der Pin-Schicht zu schwach, um den magnetischen Zustand der FL zu stabilisieren. Außerdem nimmt die Energiesperre (EB) der gepinnten Schicht ab und wirkt sich negativ auf die Datenspeicherfähigkeit aus.
In der verwandten Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/465,644 offenbarten wir einen Prozess, mit dem ein MTJ so strukturiert werden kann, dass die Breite der gepinnten Schicht wesentlich größer ist als die FLW. Allerdings ist ein IBE-Trimmen der FL erforderlich, nachdem die MTJ-Seitenwand gebildet wurde, um beschädigtes Material zu entfernen. Besonders bevorzugt wird ein MTJ-Strukturierungsprozess gewünscht, bei dem nach dem Bilden der MTJ-Seitenwand kein IBE-Trimmen ausgeführt wird, um den Durchsatz zu verbessern und die Produktionskosten zu minimieren.
In 1 ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in einem MTJ-Zellendesign gezeigt, das die Probleme beseitigt, die mit konventionellen MTJ-Zellen und den Herstellungsverfahren des Standes der Technik verbunden sind, da die Zellengröße in Vorrichtungen der neuesten Art unter 60 nm sinkt. Die MTJ-Zelle wird auf einem Substrat gebildet, das in einer Ausführungsform eine untere Elektrode (BE) 10 in einer Speichervorrichtung umfasst. Die BE kann eine Mehrschichtstruktur sein und ist in der Regel in eine dielektrische Schicht (nicht gezeigt) eingebettet. Darüber hinaus gibt es in der Regel weitere Vorrichtungsschichten (nicht gezeigt) unter der BE, wie zum Beispiel eine Bitleitung (oder Sourceleitung), die elektrisch mit der BE verbunden ist.
Die MTJ-Zelle umfasst einen Stapel von Schichten 11-15, die auf einem Substrat gebildet sind, das eine untere Elektrode (BE) 10 mit einer Oberseite von 10t sein kann. In der beispielhaften Ausführungsform werden die Keimschicht 11, die gepinnte Schicht 12, die Tunnelsperrschicht 13, die freie Schicht (FL) 14 und die Deckschicht 15 nacheinander auf der BE gebildet. Ein wesentliches Merkmal ist, dass die Schichten 11-13 eine Seitenwand 24 haben, die im Wesentlichen orthogonal zur Oberseite 10t ausgerichtet ist und eine Breite d der gepinnten Schichten definiert, die größer ist als die FLW in einem mittleren Abschnitt 14 der freien Schicht. Es ist zu beachten, dass die Deckschicht 15 eine Seitenwand 20 hat, die ebenfalls im Wesentlichen orthogonal zur Oberseite 10t ausgerichtet ist und die mit der Grenzfläche 14s zwischen dem mittleren FL-Abschnitt und den äußeren oxidierten Abschnitten 14x koplanar ist. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Differenz (d - FLW) mindestens 2 nm (20 Ängström), und in einigen MTJ-Zellen ist sie wesentlich größer als 2 nm (20 Ängström), was bedeutet, dass die Basisbreite e des äußeren Abschnitts 14x mindestens 1 nm (10 Ängström) auf jeder Seite des mittleren FL-Abschnitts beträgt. Darüber hinaus haben die äußeren FL-Abschnitte einen stöchiometrischen Oxidationszustand, bei dem im Wesentlichen alle Metallatome vollständig oxidiert sind. Der Vorteil, eine Breite der gepinnten Schicht zu haben, die wesentlich größer als die FLW ist, besteht darin, dass die gepinnte Schicht eine ausreichende Magnetisierung aufrecht erhält, um das magnetische Moment der FL zu stabilisieren, insbesondere wenn die FLW unter 60 nm sinkt. Darüber hinaus nimmt die Energiesperre der gepinnten Schicht nicht wie bei der kleineren FL ab und bietet daher eine verbesserte Datenspeicherfähigkeit im Vergleich zu den MTJ-Zellen des Standes der Technik, bei denen die FLW nahe der Breite der gepinnten Schicht liegt.
Weitere Merkmale der MTJ-Zelle der ersten Ausführungsform sind ein dielektrischer Abstandshalter 21s, der auf den äußeren oxidierten FL-Abschnitten 14x und an der Seitenwand 20 gebildet wird. Der dielektrische Abstandshalter dient als ein Puffer, um zu verhindern, dass leitfähige Materialien in der Seitenwandschicht 22 einen elektrischen Kurzschluss in der MTJ-Zelle verursachen. Es ist zu beachten, dass die Seitenwandschicht während eines IBE- oder RIE-Schrittes abgeschieden wird, der die Seitenwand 24 bildet, wie in einem späteren Abschnitt erläutert wird. Der oben erwähnte Ätzschritt generiert auch die Seitenwand 23 an Außenflächen des dielektrischen Abstandshalters 21s und äußeren oxidierten FL-Abschnitten 14x. Es ist zu beachten, dass sich die Seitenwand 23 in einem Winkel α von der Ecke 15c der Deckschichtoberseite 15t erstreckt, wobei α größer als 0° ist, aber je nach der gewünschten Basisbreite e weniger als 30° betragen kann, und mit der Seitenwand 24 nahe einer Oberseite der Tunnelsperrschicht 13 verbunden ist.
Es versteht sich, dass die Seitenwandschicht 22 eine Breite b hat, die je nach Art der zum Generieren der Seitenwand 24 verwendeten IBE oder RIE im Bereich von 0,5 - 1 nm (5-10 Ängström) liegen kann und magnetische Metalle oder Legierungen von der gepinnten Schicht 12 und Metalle oder Legierungen von der Keimschicht 11 und BE 10 umfasst. Eine ähnliche Seitenwandschicht in einem herkömmlichen MTJ könnte leicht einen elektrischen Kurzschluss verursachen, wenn sie einen Pfad um die Tunnelsperrschicht 13 bildet, und die magnetische Leistung verschlechtern. Das Vorhandensein des Abstandshalters 21s und der äußeren oxidierten FL-Abschnitte 14x verhindert jedoch eine elektrische Verbindung zu der MTJ-Zelle oberhalb der Tunnelsperrschicht, was im Wesentlichen die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen in der vorliegenden Offenbarung ausschließt. Die Seitenwandschicht kann auch äußere Abschnitte der gepinnten Schicht und der Keimschicht enthalten, die während einer IBE oder RIE, die die Seitenwand 24 bildet, chemisch beschädigt oder teilweise oxidiert werden. In der vorliegenden Offenbarung umfasst ein mittlerer Abschnitt der gepinnten Schicht, der eine Breite nahe der FLW (innerhalb der Strichlinien 11c) aufweist und in erster Linie für die Leistung der Vorrichtung verantwortlich ist, weder die Seitenwandschicht, noch grenzt er an diese. Dementsprechend wird die magnetische Leistung im Vergleich zu Regimes des Standes der Technik, die eine einzige Seitenwand entlang aller MTJ-Schichten haben und bei denen eine Seitenwandschicht an der einzigen Seitenwand gebildet wird, verbessert.
Die Seitenwandschicht 22 hat eine Außenseite 22s, die in einigen Ausführungsformen im Wesentlichen parallel zu der Seitenwand 24 unter einer Oberseite der Tunnelsperrschicht 13 und parallel zu der Seitenwand 23 über der Oberseite der Tunnelsperrschicht ausgebildet wird. Wie in einem späteren Abschnitt noch beschrieben wird, wird in der Regel eine Verkapselungsschicht abgeschieden, um benachbarte MTJ-Zellen zu isolieren. Die Verkapselungsschicht kann eine oder mehrere dielektrische Schichten umfassen, wobei mindestens eine dielektrische Schicht an die Außenseite 22s grenzt. Da die Seitenwandschicht keinen nachteiligen Einfluss auf die MTJ-Leistung hat, besteht keine Notwendigkeit, die Schicht durch einen IBE- oder RIE-Trimmschritt vor der Verkapselung zu entfernen, wodurch der Durchsatz gegenüber herkömmlichen Prozessregimes verbessert wird.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch einen Prozess zum Herstellen der in 1 gezeigten MTJ-Zelle. Wesentliche Aspekte des Prozessablaufs werden in Bezug auf die in den 2-7 gezeigten Schritte beschrieben.
Wie in 2 gezeigt, wird der MTJ-Stapel 1 auf dem Substrat 10 abgeschieden und hat in der beispielhaften Ausführungsform eine Boden-Spin-Valve-Konfiguration, bei der eine optionale Keimschicht 11, die gepinnte Schicht 12, die Tunnelsperrschicht 13, die FL 14 und die Deckschicht 15 nacheinander auf dem Substrat gebildet werden. Sowohl die gepinnte Schicht als auch die FL haben bevorzugt PMA mit einer Magnetisierung, die in einer positiver oder negativen z-Achsen-Richtung ausgerichtet ist. In anderen Ausführungsformen kann mindestens eine zusätzliche Schicht in dem oben angesprochenen MTJ-Stapel enthalten sein, wie zum Beispiel eine Hk-Verstärkungsschicht, die eine Metalloxidschicht zwischen der FL und der Deckschicht ist, die die PMA in der freien Schicht verstärkt. Die Keimschicht kann eines oder mehrere von NiCr, Ta, Ru, Ti, TaN, Cu, Mg oder anderen Materialien umfassen, die in der Regel verwendet werden, um eine ebenmäßige, gleichförmige Kornstruktur in darüberliegenden Schichten zu unterstützen.
Die gepinnte Schicht 12 kann eine synthetische antiparallele (SyAP) Konfiguration haben, die durch AP2/Ru/AP1 repräsentiert wird, wobei eine antiferromagnetische Kopplungsschicht, die zum Beispiel aus Ru, Rh oder Ir hergestellt ist, zwischen einer magnetischen AP2-Schicht und einer magnetischen AP1-Schicht (nicht gezeigt) angeordnet wird. Die AP2-Schicht, die auch als die äußere gepinnte Schicht bezeichnet wird, wird auf der Keimschicht gebildet, während AP1 die innere gepinnte Schicht ist und in der Regel die Tunnelsperrschicht berührt. Die AP1-Schicht und die AP2-Schicht können CoFe, CoFeB, Co oder eine Kombination davon umfassen. In anderen Ausführungsformen kann die Referenzschicht ein laminierter Stapel mit inhärenter PMA sein, wie zum Beispiel (Co/Ni)_n, (CoFe/Ni)_n, (Co/NiFe)_n, (Co/Pt)_n, (Co/Pd)_n oder dergleichen, wobei n die Laminierungszahl ist. Darüber hinaus kann eine Übergangsschicht wie zum Beispiel CoFeB oder Co zwischen der obersten Schicht in dem Laminatstapel und der Tunnelsperrschicht eingefügt werden.
Die Tunnelsperrschicht 13 ist bevorzugt eine Metalloxidschicht, die eines oder mehrere von MgO, TiOx, AlTiO, MgZnO, Al2O3, ZnO, ZrOx, HfOx und MgTaO umfasst. Besonders bevorzugt wird MgO als die Tunnelsperrschicht gewählt, da es das höchste magnetoresistive Verhältnis bietet, insbesondere wenn es zum Beispiel zwischen zwei CoFeB-Schichten angeordnet wird.
Die freie Schicht 14 kann Co, Fe, CoFe oder eine Legierung davon mit B und/oder Ni sein, oder ein mehrschichtiger Stapel, der eine Kombination der oben angesprochenen Zusammensetzungen umfasst. In einer anderen Ausführungsform kann die FL eine das nichtmagnetische Moment verdünnende Schicht, wie zum Beispiel Ta oder Mg, aufweisen, die zwischen zwei CoFe- oder CoFeB-Schichten, die ferromagnetisch gekoppelt sind, eingefügt sein. In einer alternativen Ausführungsform hat die FL eine SyAP-Konfiguration, wie zum Beispiel FL1/Ru/FL2, wobei FL1 und FL2 zwei magnetische Schichten sind, die antiferromagnetisch gekoppelt sind, oder ist ein laminierter Stapel mit inhärenter PMA, wie zuvor in Bezug auf die Zusammensetzung der gepinnten Schichten beschrieben wurde.
Die Deckschicht 15 dient auch als Hartmaske während nachfolgender Ätzschritte, die zum Herstellen mehrerer MTJ-Zellen verwendet werden, und umfasst in der Regel eines oder mehrere von Ta, Ru, TaN, Ti, TiN und W. Es versteht sich, dass auch andere Deckschichtmaterialien, einschließlich MnPt oder leitfähige Oxide wie zum Beispiel RuOx, gewählt werden können, um eine hohe Ätzselektivität relativ zu darunterliegenden MTJ-Schichten während eines Ätzschrittes zu erreichen, der die Breite der gepinnten Schicht in den fertigen MTJ-Zellen definiert und der auf dem Substrat 10 stoppt. Alle Schichten in dem MTJ-Stapel können in einer Gleichstrom-Sputterkammer eines Sputtersystems abgeschieden werden, wie zum Beispiel eines Sputterabscheidungssystems Anelva C-7100, das Ultrahochvakuum-Gleichstrommagnetron-Sputterkammern mit mehreren Zielen und mindestens eine Oxidationskammer enthält. Gewöhnlich wird bei der Sputterabscheidung ein Argon-Sputtergas und ein Basisdruck zwischen 666,612 × 10^-8 und 666,612 × 10^-9 Pa (5 × 10^-8 und 5 × 10^-9 Torr) verwendet.
Sobald alle Schichten 11-15 gebildet wurden, kann der MTJ-Stapel 1 durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen etwa 360°C bis 400°C über einen Zeitraum von bis zu mehreren Stunden getempert werden, um eine bcc-Struktur in der gepinnten Schicht, der FL und der Tunnelsperrschicht zu züchten, wodurch die PMA in der gepinnten Schicht und der FL verstärkt wird. Es wird auch davon ausgegangen, dass die übereinstimmende Kristallstruktur in den oben angesprochenen Schichten das magnetoresistive Verhältnis in MTJ-Zellen verbessert, die durch einen anschließenden Strukturierungsprozess gebildet werden.
Als einen ersten Schritt in dem MTJ-Strukturierungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung werden eine BARC- oder DARC-Schicht 16 und eine Photoresistschicht nacheinander auf die Deckschicht 15 aufgebracht. Die BARC oder DARC mit der Oberseite 16t hat einen Brechungsindex, der die Lichtreflexion während des anschließenden strukturartigen Belichtens minimiert, so dass die Bildung gleichmäßigerer Photoresistinseln 40 mit weniger CD-Variation in der strukturierten Photoresistschicht gebildet werden können. Als Nächstes wird ein Photolithographieprozess, der eine konventionelle strukturartige Belichtungs- und Entwicklersequenz umfasst, verwendet, um eine Struktur in der Photoresistschicht zu bilden, das mehrere Inseln mit Seitenwand 40s enthält. Wie später noch durch eine Draufsicht in 9 angedeutet wird, sind die Inseln in einem Array mit mehrerer Reihen und Spalten angeordnet. In 2 ist jedoch nur eine einzige Insel gezeigt, um die Zeichnung zu vereinfachen. Jede Insel hat eine kritische Abmessung w, die in einigen Ausführungsformen zwischen 10 nm und 60 nm beträgt und die der CD entspricht, die in Speichervorrichtungen des Standes der Technik benötigt wird. Es ist zu beachten, dass einige Vorrichtungen kreisförmig sind, so dass w sowohl in Richtung der x-Achse als auch in Richtung der y-Achse gebildet wird. Allerdings kann die Form der Insel 40 in der Draufsicht eine Ellipse oder ein Polygon sein, so dass sich die Abmessung der y-Achse von der Abmessung der x-Achse
Wie in 3 gezeigt, wird ein erster Ätzschritt 29 verwendet, der eine IBE sein kann, wobei Ionen aus einem oder mehreren von Ar, Kr, Xe oder Ne generiert werden, oder RIE mit einem Fluorkohlenwasserstoff- oder Fluorchlorkohlenwasserstoffgas umfassen kann, um die Form der Insel 40 durch die BARC- oder DARC-Schicht 16 und die Deckschicht 15 hindurch zu transferieren. Darüber hinaus kann die IBE oder RIE auch O2 enthalten. Dementsprechend wird die Seitenwand 20 gebildet und ist eine Verlängerung der Seitenwand 40s auf eine Oberseite 14t der FL 14. Es ist zu beachten, dass die CD w in Ausführungsformen, bei denen die Seitenwand 20 im Wesentlichen orthogonal zu der FL-Oberseite verläuft, in den Schichten 15, 16 praktisch dupliziert wird.
In einigen Ausführungen wird ein Passivierungsschritt ausgeführt, der umfasst, unmittelbar nach Abschluss der anfänglichen RIE oder IBE und ohne Unterbrechung des Vakuums, Sauerstoffplasma aufzubringen oder Sauerstoff in die Prozesskammer einzuleiten, um eine glattere Seitenwand 20 zu generieren.
Bei den im vorliegenden Text beschriebenen Ausführungsformen versteht es sich, dass IBE in der Regel das Drehen des Werkstücks (Wafers) umfasst, auf dem der MTJ-Schichtstapel und das Substrat gebildet sind. Außerdem kann der Einfalls- oder Eindringwinkel der auf das Substrat 10 gerichteten Edelgasionen zwischen 0° und 90° variiert werden. Bei der RIE hingegen wird ein stationärer Wafer verwendet, und das resultierende Plasma ist auf eine 90°-Richtung (orthogonal zur Waferfläche) beschränkt.
Wie in 4 gezeigt, umfasst ein wesentliches Merkmal gemäß einem Prozess der vorliegenden Offenbarung einen Schritt 30, wobei Plasma, das aus reinem O₂, O₃ oder einem Gemisch davon mit einem oder mehreren von N2, NH3, H2O und H2O2 oder einem anderen Oxidationsmittel umfasst, unter RIE-Bedingungen erzeugt und zum Oxidieren der äußeren Abschnitte 14x der FL, die nicht durch die Deckschicht 15 bedeckt sind, verwendet wird. Infolge dessen wird die FLW durch die Breite des mittleren FL-Abschnitts 14, der einen ferromagnetischen Charakter behält, definiert. Die Grenzfläche 14s wird zwischen den FL-Abschnitten 14, 14x gebildet und wird unterhalb, und koplanar zu, der Seitenwand 20 ausgerichtet. Eine niedrige Vorspannungsleistung unter 50 Watt wird bevorzugt verwendet, um zu verhindern, dass Ionen oder Plasma in die darunterliegende gepinnte Schicht eindringen und einen Abschnitt davon oxidieren. Bevorzugt umfassen die RIE-Bedingungen eine Strömungsrate des Oxidationsmittels von 10 bis 500 Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm), eine HF-Leistung von 50 bis 500 Watt, eine Vorspannungsleistung < 50 Watt, und einen Kammerdruck von 0.667 bis 6.666Pa (5 bis 50 mTorr).
Alternativ kann Schritt 30 eine natürliche Oxidation, eine thermische Oxidation oder andere bekannte Oxidationsverfahren umfassen, um oxidierte äußere FL-Abschnitte 14x zu erhalten. Zum Beispiel kann die natürliche Oxidation eine Strömungsrate des Oxidationsmittels von 100 bis 10000 sccm umfassen. Außerdem umfasst eine thermische Oxidation bevorzugt ein Oxidationsmittel, das reines O2 oder O3 oder eine Kombination davon mit einem oder mehreren von N2, NH3, H2O und H2O2 ist. In einigen Ausführungsformen wird die thermische Oxidation mit einer Strömungsrate des Oxidationsmittels von 100 bis 10000 Standardkubikzentimetern pro Minute und einer Erwärmung auf eine Temperatur von 100°C bis 400°C ausgeführt.
Wie zuvor angesprochen, dienen die äußeren oxidierten FL-Abschnitte als ein isolierender Puffer, um elektrische Kurzschlüsse und chemische Schäden an dem mittleren FL-Abschnitt 14 zu verhindern, der für die Vorrichtungsleistung, einschließlich DRR und He, verantwortlich ist. In Schritt 30 wird auch die Photoresiststruktur einschließlich der Insel 40 entfernt.
Wie in 5 zu sehen, wird eine dielektrische Schicht 21, die Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Siliziumcarbid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Tantaloxid oder ein anderes Metalloxid, Metalloxynitrid, Metallnitrid oder ein Metallcarbid umfasst, und eine Dicke von mindestens 5 nm (50 Ängström) aufweist, auf den Oberseiten 14t, 16t und an der Seitenwand 20 durch ein physikalisches Aufdampfungsverfahren (PVD), ein chemisches Aufdampfungsverfahren (CVD) oder ein plasmaverstärktes CVD-Verfahren (PECVD) abgeschieden. Bevorzugt wird CVD verwendet, um die dielektrische Beschichtung an der Seitenwand 20 zu maximieren. Die dielektrische Schicht ist in der Regel nicht konform, das heißt, dass eine Dicke t auf der Oberseite 16t in der Regel größer ist als ihre Dicke an der Seitenwand 20.
Danach wird, wie in 6 veranschaulicht, ein vertikales Ätzen 31 (IBE oder RIE) ausgeführt, das die dielektrische Schicht 21 auf der Oberseite 16t und von einem beträchtlichen Abschnitt der Oberseite 14t entfernt. Bevorzugt erbringt der Ätzschritt 31 einen dielektrischen Abstandshalter, der im Folgenden als Abstandshalter 21s bezeichnet wird, auf einem Abschnitt der Oberseite 14t der oxidierten äußeren FL-Abschnitte 14x und an der Seitenwand 20. Der Abstandhalter berührt die obere BARC- oder DARC-Ecke 16c an der Oberseite 16t und hat eine zunehmend größer werdende Breite, bis er eine Breite c von mindestens 1 nm (10 Ängström) an der Oberseite 14t erreicht. Der IBE- oder RIE-Schritt 31 kann auf Ionen oder Plasma basieren, die aus einem Fluorkohlenwasserstoff, Chlor oder Argon generiert werden. Die Abstandshalter 21s und die Schichten 15, 16 dienen als eine Ätzmaske für den nächsten Ätzschritt durch die restlichen Schichten 11-13 und 14x in dem MTJ-Stapel hindurch.
Wie in 7 gezeigt, wird der Ätzschritt 32 ausgeführt und umfasst IBE, RIE oder eine Kombination davon. In einer bevorzugten Ausführungsform basiert der Ätzschritt 32 auf Ionen oder Plasma, die bzw. das aus einem Edelgas, das eines von Ar, Kr, Ne oder Xe ist, und einem Oxidationsmittel, das eines oder mehrere von Methanol, Ethanol, O2, H2O2, H2O, N2O oder CO ist, generiert werden. Dementsprechend wird die Seitenwand 24 auf der Tunnelsperrschicht 13, der gepinnten Schicht 12 und der Keimschicht 11 gebildet und stoppt auf der Oberseite 10t des Substrats. Die BARC- bzw. DARC-Schicht 16 und ein Abschnitt der oxidierten äußeren FL-Abschnitte 14x, die nicht durch den Abstandshalter 21s bedeckt werden, werden ebenfalls entfernt. Es ist zu beachten, dass die Seitenwand 24 auf den Schichten 11-13 mit der Seitenwand 23 auf den äußeren FL-Abschnitten 14x und dem Abstandshalter 21s nahe einer Oberseite der Tunnelsperrschicht verbunden ist. In Schritt 32 wird die Breite der gepinnten Schicht d ermittelt, die in bevorzugten Ausführungsformen wesentlich größer als die FLW ist. Die Tunnelsperre und die optionale Keimschicht haben ebenfalls die Breite d. In anderen Ausführungsformen kann entweder ein IBE oder ein RIE auf der Basis eines Edelgases oder eines Oxidationsmittels für den Ätzschritt 32 verwendet werden. In Abhängigkeit von den RIE- oder IBE-Bedingungen kann die Basisbreite e der äußeren FL-Abschnitte kleiner als die maximale Abstandshalterbreite c vor dem Ätzen 32 sein, aber beträgt bevorzugt mindestens 1 nm (10 Ängström) auf jeder Seite des mittleren FL-Abschnitts 14.
In Ausführungsformen, bei denen der Ätzschritt 32 RIE-Bedingungen umfasst, wird Plasma bevorzugt mit einer HF-Leistung zwischen 600 Watt und 3000 Watt bei einer Temperatur nahe Raumtemperatur induziert und gehalten. Außerdem kann die an eine obere Elektrode angelegte HF-Leistung eine andere sein als die an eine untere Elektrode in der RIE-Prozesskammer angelegte HF-Leistung. Bei bestimmten IBE- oder RIE-Bedingungen kann die Seitenwand 24 im Wesentlichen orthogonal zur Oberseite 10t verlaufen, wie in der beispielhaften Ausführungsform angedeutet. Des Weiteren wird die Seitenwandschicht 22, die eine Breite b von bis zu etwa 0,5 bis 1 nm (5 bis 10 Ängström) aufweist, allgemein an der Seitenwand 23 und der Seitenwand 24 infolge des Ätzschrittes 32 gebildet. Die Seitenwandschicht umfasst wiederabgeschiedenes Material von den Schichten 11-13, der äußeren oxidierten FL 14x und von dem Substrat 10. Wenn der Ätzschritt 32 ein Oxidationsmittel umfasst, so kann die Seitenwandschicht auch beschädigte Abschnitte der Schichten 11-13 umfassen, die aus der Oxidation resultieren. Es versteht sich, dass in Abhängigkeit von der Strukturdichte (Abstand zwischen MTJ-Zellen) die untere Schicht 11 zwischen MTJ-Zellen mit größerem Abstand im Allgemeinen vor der unteren Schicht 11 zwischen MTJ-Zellen mit engerem Abstand entfernt wird. Infolge dessen kann der Ätzschritt 32 einen Abschnitt des Substrats entfernen, der zwischen den MTJ-Zellen mit größerem Abstand frei liegt, während Regionen der Oberseite 10t letztendlich zwischen MTJ-Zellen, die einen kleineren Abstand aufweisen, freigelegt werden.
Es ist zu beachten, dass der Ätzschritt 32 ein selbstausrichtender Prozess ist, was bedeutet, dass zum Herstellen der Seitenwand 24 kein Photolithografieprozess erforderlich ist. Somit werden Überlagerungsprobleme, die beim Strukturieren einer gepinnten Schicht unter einer bereits strukturierten FL besonders schwer zu lösen wären, mit der im vorliegenden Text definierten MTJ-Strukturierungssequenz vermieden. Da die MTJ-Strukturierungssequenz besser gesteuert wird, indem die Leistungsvariabilität beseitigt wird, die mit der Seitenwandschicht 22 einher geht, die aktive Abschnitte der FL-Schicht und der gepinnten Schicht in Vorrichtungen des Standes der Technik berührt oder umfasst, haben wir festgestellt, dass auch der MTJ-Schaltstrom gleichmäßiger ist.
Wie in 8 zu sehen, wird eine Verkapselungsschicht 25, die ein dielektrisches Material umfasst, an der Seitenwandschicht 22 und auf der Oberseite 15t in der MTJ-Zelle in 7 und in anderen MTJ-Zellen (nicht gezeigt) in dem Speicherarray abgeschieden. Bevorzugt hat die Verkapselungsschicht eine Dicke von 5-250 nm und ist eines oder mehrere von einem Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Siliziumcarbid, Metallnitrid, Metalloxid, Metalloxynitrid, Metallcarbonitrid, einschließlich beispielsweise SiO_YN_Z, AlO_YN_Z, TiO_YN_Z, SiC_YN_Z, MgO, TaO_Y und AlO_Y, wobei y + z > 0. Bevorzugt wird die Verkapselungsschicht durch PVD, CVD, Ionenstrahlabscheidung (Ion Beam Deposition, IBD) oder Atomschichtabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) abgeschieden, ohne das Vakuum in der zuvor für den Ätzschritt 32 verwendeten Prozesskammer zu unterbrechen.
Danach wird ein chemisch-mechanischer Polierprozess (CMP-Prozess) oder eine andere Planarisierungsverfahren ausgeführt, um eine Oberseite 25t auf der Verkapselungsschicht zu bilden, die mit der Oberseite 15t auf der Deckschicht 15 koplanar ist. Bei einigen Ausführungsformen entfernt der CMP-Prozess jede nach dem Ätzschritt 32 verbliebene DARC- oder BARC-Schicht 16.
Wie in 9 zu sehen, werden die mehreren Inselformen der MTJ-Zellen, die durch den Prozessablauf der vorliegenden Offenbarung gebildet werden, in einer Draufsicht nach dem CMP oder einem alternativen Planarisierungsprozess gezeigt. MTJ-Zellen an der Oberseite 15t haben eine Breite w und Länge v. Wie zuvor erläutert, sind die MTJ-Zellen mit einer Kreisform gezeigt, wobei w = v ist; sie können in anderen Ausführungsformen aber auch elliptische oder polygonale Formen haben, dergestalt, dass w ungleich v ist. Allgemein werden Millionen von MTJ-Zellen in einem Array aus Reihen und Spalten gebildet, aber zum Vereinfachen der Zeichnung werden hier nur vier gezeigt.
Danach wird eine obere leitfähige Schicht, die mehrere parallele leitfähige Leitungen (nicht gezeigt) umfasst, durch ein konventionelles Verfahren auf den MTJ-Zellen und der Verkapselungsschicht 25 gebildet, wie der Fachmann weiß. Dementsprechend kann ein Schreibstrom zum Umschalten des magnetischen Zustands in der FL oder ein Lesestrom zum Detektieren des tatsächlichen magnetischen Zustands in der Vorrichtung durch eine MTJ-Zelle von einer oberen leitfähigen Leitung zu der unteren Elektrode 10 oder in umgekehrter Richtung geleitet werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung, die in 10 gezeigt ist, wird das MTJ in 1 so modifiziert, dass eine MTJ-Zelle mit dem Einfügen einer Hk-Verstärkungsschicht 17 entsteht, die mit einer Oberseite des mittleren FL-Abschnitts 14 und einer Unterseite der Deckschicht 15 in Kontakt steht. Die Seitenwand 20 erstreckt sich nun von der Deckschichtoberseite 15t zur FL-Oberseite 14t und bestimmt eine Außenfläche der Hk-Verstärkungsschicht, die eine Breite im Wesentlichen gleich der FLW hat. Außerdem grenzt der dielektrische Abstandshalter 21s von der Deckschichtoberseite bis zur FL-Oberseite an die Seitenwand 20.
Wie in 11 zu sehen, ist ein erster Schritt bei der Herstellung der MTJ-Zelle in 10 das Bilden des MTJ-Stapels 2, wobei eine optionale Keimschicht 11, die gepinnte Schicht 12, die Tunnelsperrschicht 13, die FL 14, die Hk-Verstärkungsschicht 17 und die Deckschicht 15 nacheinander auf das Substrat 10 abgeschieden werden. Die Hk-Verstärkungsschicht ist bevorzugt ein Metalloxid wie zum Beispiel MgO oder ein anderes Metalloxid, das bereits in Bezug auf die Zusammensetzung der Tunnelsperre erwähnt wurde. Die Hk-Verstärkungsschicht wird vorteilhafterweise zum Verbessern der thermischen Stabilität verwendet, indem eine zweite FL/Metalloxid-Grenzfläche (zusätzlich zu der FL/Tunnelsperre-Grenzfläche) gebildet wird, wodurch der PMA innerhalb der FL erhöht wird. Nachdem eine BARC oder eine DARC 16 auf der Deckschicht abgeschieden wurde, wird eine Photoresiststruktur einschließlich der Insel 40 mit einer Seitenwand 40s auf der Deckschichtoberseite 16t, ähnlich der ersten Ausführungsform, gebildet.
Danach werden der Ätzschritt 29 und die zuvor beschriebene Plasmaoxidation 30 ausgeführt, um die in 12 veranschaulichte MTJ-Zellen-Zwischenstruktur zu generieren. Es ist zu beachten, dass sich die Seitenwand 20 von der Oberseite der BARC oder DARC 16 zur Oberseite 14t der äußeren oxidierten FL-Abschnitte 14x erstreckt. Oder anders ausgedrückt: Jede der Schichten 15-17 hat eine Breite w, die im Wesentlichen gleich der Breite FLW in dem mittleren FL-Abschnitt 14 ist, der eine Grenzfläche 14s mit den äußeren oxidierten FL-Abschnitten hat.
Als Nächstes wird, wie in 13 gezeigt, eine dielektrische Schicht abgeschieden, und dann wird ein vertikales Ätzen verwendet, um den dielektrischen Abstandshalter 21s zu bilden, der an die Seitenwand 20 auf der Hk-Verstärkungsschicht 17, der Deckschicht 15 und der BARC oder DARC 16 grenzt. Der dielektrische Abstandshalter hat mit zunehmender Distanz von der oberen Ecke 16c eine zunehmend größere Breite, bis er die Breite c an der Oberseite 14t auf den oxidierten äußeren FL-Abschnitten 14x erreicht.
In 14 ist eine verkapselte MTJ-Zelle gezeigt, nachdem die MTJ-Zwischenzelle in 13 geätzt wurde, um die Seitenwand 24 zu bilden, eine Verkapselungsschicht 25 abgeschieden wurde, und ein Planarisierungsschritt ausgeführt wurde, wie zuvor mit Bezug auf die 7-8 in der ersten Ausführungsform beschrieben. Somit behält die MTJ-Zelle gemäß der zweiten Ausführungsform alle Merkmale und Vorteile der ersten Ausführungsform bei. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Hk-Verstärkungsschicht 17 den zusätzlichen Vorteil einer höheren thermischen Stabilität realisiert, um vor unbeabsichtigtem Umschalten der Magnetisierung der freien Schicht (nicht gezeigt) von einer (+) z-Achsen-Richtung zu einer (-) z-Achsen-Richtung, oder umgekehrt, aufgrund von Streufeldern oder Hochtemperaturbedingungen zu schützen.
Bei allen im vorliegenden Text offenbarten Ausführungsformen ist die Breite der gepinnten Schicht wesentlich größer als die FLW. Dementsprechend wird davon ausgegangen, dass die Datenspeicherfähigkeit in der MTJ-Zelle im Vergleich zu MTJ-Zellen des Standes der Technik, die eine FLW aufweisen, die im Wesentlichen gleich der Breite der gepinnten Schicht ist, verbessert wird, da die gepinnte Schicht eine größere Stabilisierung der FL-Magnetisierung erlaubt, insbesondere für FLW-Werte < 60 nm.

Claims

Magnetische Tunnelübergangsstruktur, MTJ-Struktur, aufweisend: (a) einen ersten Schichtstapel, der eine Keimschicht (11), eine gepinnte Schicht (12) und eine Tunnelsperrschicht (13) umfasst, die nacheinander auf einem Substrat (10) ausgebildet sind und eine erste Breite (d) aufweisen, die durch eine erste Seitenwand (24) bestimmt wird, die im Wesentlichen orthogonal zu einer obere Oberfläche (10t) des Substrats (10) ausgerichtet ist; (b) einen zweiten Schichtstapel aufweisend: (1) eine freie Schicht (FL), die auf der Tunnelsperrschicht (13) ausgebildet ist, wobei die FL einen ferromagnetischen mittleren Abschnitt (14) und oxidierte äußere Abschnitte (14x) aufweist, die jeweils eine Grenzfläche (14s) mit dem mittleren FL-Abschnitt (14) bilden, wobei die oxidierten äußeren FL-Abschnitte (14x) eine von oben nach unten zunehmende Breite aufweisen; und (2) eine Deckschicht (15) über dem mittleren FL-Abschnitt (14), wobei der mittlere FL-Abschnitt (14) und die Deckschicht (15) eine Breite der freien Schicht, FLW, aufweisen, wobei die FLW kleiner als die erste Breite (d) ist, und die Deckschicht (15) eine zweite Seitenwand (20) aufweist, die mit der Grenzfläche (14s) koplanar ist; und (c) einen dielektrischen Abstandshalter (21s), der an die zweite Seitenwand (20) grenzt und eine Oberseite (14t) der oxidierten äußeren FL-Abschnitte (14x) kontaktiert, wobei der dielektrische Abstandshalter (21s) eine äußere Oberfläche aufweist, die eine dritte Seitenwand (23) mit einer äußeren Oberfläche des oxidierten äußeren FL-Abschnitts (14x) bildet, und der dielektrische Abstandshalter (21s) eine mit zunehmender Distanz von einer Oberseite (15t) der Deckschicht (15) zunehmende Breite aufweist.
MTJ nach Anspruch 1, wobei die erste Breite (d) mindestens 2 nm größer als die FLW ist, so dass eine Breite einer Unterseite der äußeren oxidierten FL-Abschnitte (14x) mindestens 1 nm auf jeder Seite des mittleren FL-Abschnitts (14) beträgt.
MTJ nach Anspruch 2, wobei die FLW weniger als 60 nm beträgt.
MTJ nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (10) eine untere Elektrode in einer Speichervorrichtung ist.
MTJ nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der dielektrische Abstandshalter (21s) Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Siliziumcarbid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Tantaloxid, ein Metalloxid, Metalloxynitrid, Metallcarbid oder Metallnitrid enthält.
MTJ nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die dritte Seitenwand (23) mit der ersten Seitenwand (24) nahe einer Oberseite der Tunnelsperrschicht (13) verbunden ist.
MTJ nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Schichtstapel des Weiteren eine Hk-Verstärkungsschicht (17) aufweist, die die FLW aufweist, eine Oberseite des mittleren FL-Abschnitts (14) und eine Unterseite der Deckschicht (15) kontaktiert und durch die zweite Seitenwand (20) begrenzt ist.
MTJ nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die oxidierten äußeren FL-Abschnitte (14x) einen stöchiometrischen Oxidationszustand aufweisen.
Verfahren zum Herstellen einer Zelle mit magnetischem Tunnelübergang, MTJ, umfassend: (a) Bereitstellen eines MTJ-Schichtstapels aufweisend eine Keimschicht (11), eine gepinnte Schicht (12), eine Tunnelsperrschicht (13) und eine freie Schicht (FL) (14), die nacheinander auf einem Substrat (10) gebildet werden, und eine oberste Deckschicht (15); (b) Strukturieren der Deckschicht (15), um eine erste Seitenwand (20) darauf und eine erste Breite (w) zu bilden; (c) Oxidieren von äußeren Abschnitten der FL (14x), die nicht durch die Deckschicht (15) bedeckt sind, wodurch eine Grenzfläche (14s) zwischen den oxidierten äußeren FL-Abschnitten (14x) und einem mittleren FL-Abschnitt (14) gebildet wird, wobei die Grenzfläche (14s) mit der ersten Seitenwand (20) koplanar ist, so dass der mittlere FL-Abschnitt (14) die erste Breite (w) aufweist; (d) Bilden eines dielektrischen Abstandshalters (21s) auf den oxidierten äußeren FL-Abschnitten (14x) und auf der ersten Seitenwand (20); und (e) Ausführen eines selbstausrichtenden Ätzens, wobei der dielektrische Abstandshalter (21s) und die Deckschicht (15) als eine Ätzmaske dienen, um eine zweite Seitenwand (24) auf der Tunnelsperrschicht (13), der gepinnten Schicht (12) und einer Keimschicht (11) zu erhalten, so dass die gepinnte Schicht (12) eine zweite Breite (d) aufweist, die wesentlich größer als die erste Breite (w) ist, und eine dritte Seitenwand (23) an Außenflächen der oxidierten äußeren FL-Abschnitte (14x) und des dielektrischen Abstandshalters (21s) zu erhalten, so dass die dritte Seitenwand (23) mit der zweiten Seitenwand (24) nahe einer Oberseite der Tunnelsperrschicht (13) verbunden ist, wobei die oxidierten äußeren FL-Abschnitte (14x) eine von oben nach unten zunehmende Breite aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend Bilden einer Hk-Verstärkungsschicht (17) auf der freien Schicht (14) und in Kontakt mit einer Unterseite der obersten Deckschicht (15) in Schritt (a), wobei die erste Seitenwand (20) auf der Deckschicht (15) und der Hk-Verstärkungsschicht (17) als Ergebnis von Schritt (b) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Strukturieren der Deckschicht (15) umfasst: (a) Bilden einer unteren Antireflexionsbeschichtung, BARC, oder einer dielektrischen Antireflexionsbeschichtung, DARC (16), auf der Deckschicht (15); (b) Bilden einer Photoresistschicht auf der BARC oder DARC (16), und Strukturieren der Photoresistschicht, um eine Photoresistinsel (40) zu erhalten, die die erste Breite (w) aufweist, und (c) Ausführen eines Ionenstrahlätzens, IBE, oder eines reaktiven Ionenätzens, RIE, um die erste Breite (w) in der Photoresistinsel (40) durch die BARC oder DARC (16) und durch die Deckschicht (15) hindurch zu transferieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Bilden der oxidierten äußeren FL-Abschnitte (14x) mit einer natürlichen Oxidation, einer thermischen Oxidation oder Plasma auf Sauerstoffbasis ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die natürliche Oxidation ein Oxidationsmittel umfasst, das reines O2 oder O3 oder eine Kombination davon mit einem oder mehreren von N2, NH3, H2O und H2O2 ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die natürliche Oxidation durch eine Strömungsrate des Oxidationsmittels von 100 bis 10000 Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die natürliche Oxidation ein Oxidationsmittel umfasst, das reines O2 oder O3 oder eine Kombination davon mit einem oder mehreren von N2, NH3, H2O und H2O2 ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die thermische Oxidation eine Strömungsrate des Oxidationsmittels von 100 bis 10.000 sccm und das Erwärmen auf eine Temperatur von 100°C bis 400°C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Plasma auf Sauerstoffbasis ein Oxidationsmittel umfasst, das reines O2 oder O3 oder eine Kombination davon mit einem oder mehreren von N2, NH3, H2O und H2O2 ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Plasma auf Sauerstoffbasis durch reaktive Ionenätzbedingungen generiert wird, die eine Strömungsrate des Oxidationsmittels von 10 bis 500 sccm, eine HF-Leistung von 50 bis 500 Watt, eine Vorspannungsleistung < 50 Watt und einen Kammerdruck von 0,067 bis 6,67 Pa umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei das Bilden des dielektrischen Abstandshalters (21s) mit einem Prozess ausgeführt wird, der umfasst: (a) Abscheiden einer dielektrischen Schicht (21) auf den oxidierten äußeren FL-Abschnitten (14x), der ersten Seitenwand (20) und einer Oberseite (16t) der BARC oder DARC; und (b) Ausführen eines vertikalen IBE oder RIE (31), um die dielektrische Schicht (21) auf der BARC oder DARC (16) und von einem Abschnitt der Oberseite auf den oxidierten äußeren FL-Abschnitten (14x) zu entfernen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19, wobei eine Seitenwandschicht (22), die wiederabgeschiedenes Material und/oder beschädigte Abschnitte der Keimschicht (11), der gepinnten Schicht (12) und der Tunnelsperrschicht (13) umfasst, auf der zweiten und der dritten Seitenwand (24, 23) im Ergebnis des selbstausrichtenden Ätzens gebildet wird, und wobei die Seitenwandschicht (22) einen mittleren Abschnitt der gepinnten Schicht (12), der eine Breite aufweist, welche im Wesentlichen gleich der ersten Breite (w) ist, nicht kontaktiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 20, ferner umfassend: Abscheiden einer Verkapselungsschicht (25), die die MTJ-Zelle von benachbarten MTJ-Zellen elektrisch isoliert; und Planarisieren der Verkapselungsschicht (25), so dass sie eine Oberseite (25t) aufweist, die mit einer Oberseite (15t) der Deckschicht (15) koplanar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 21, wobei die zweite Breite (d) um mindestens 2 nm größer als die erste Breite (w) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 22, wobei die erste Breite (w) weniger als etwa 60 nm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 22, wobei das Oxidieren der äußeren FL-Abschnitte (14x) die Photoresistschicht einschließlich der Photoresistinsel (40) entfernt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 24, wobei das Ausführen des selbstausrichtenden Ätzens die DARC oder die BARC (16) entfernt.