DE60222095T2 - Schliessblock für mram-elektroden - Google Patents

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DE60222095T2
DE60222095T2 DE60222095T DE60222095T DE60222095T2 DE 60222095 T2 DE60222095 T2 DE 60222095T2 DE 60222095 T DE60222095 T DE 60222095T DE 60222095 T DE60222095 T DE 60222095T DE 60222095 T2 DE60222095 T2 DE 60222095T2
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10B61/00Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • GPHYSICS
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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung ist im Allgemeinen auf Magnetspeichervorrichtungen zum Speichern von digitaler Information und genauer gesagt auf Verfahren und Strukturen zum Einschließen von Magnetfeldern, die durch diese Vorrichtungen erzeugt werden, gerichtet.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Der digitale Speicher, der am meisten bei Computern und Computer-Systemkomponenten verwendet wird, ist der dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM = dynamic random access memory), bei dem in Kondensatoren gespeicherte Spannung digitale Bits von Information darstellt. Elektrische Leistung muss an diese Speicher geliefert werden, um die Information aufrechtzuerhalten, weil ohne häufige Auffrischzyklen die gespeicherte Ladung in den Kondensatoren dissipiert und die Information verloren geht. Speicher, die ständig Leistung erfordern, sind als flüchtige Speicher bekannt.
  • Nichtflüchtige Speicher benötigen keine Auffrischzyklen, um ihre gespeicherte Information zu konservieren, sodass sie weniger Leistung als flüchtige Speicher konsumieren. Es gibt viele Anwendungen, wie beispielsweise bei Mobiltelefonen oder bei Steuersystemen von Automobilen, bei denen nichtflüchtige Speicher bevorzugt werden oder erforderlich sind.
  • Magnetische Direktzugriffspeicher (MRAMs = magnetic random access memories) sind nichtflüchtige Speicher. Digitale Bits von Information werden als alternative Richtungen der Magnetisierung in einem Magnetspeicherelement oder Zelle gespeichert. Die Speicherelemente können einfache dünne ferromagnetische Filme oder komplexere geschichtete magnetische Dünnschichtstrukturen sein, wie beispielsweise Tunnel-Magnet-Widerstandselemente (TMR-Elemente) oder Riesen-Magnet-Widerstands-Elemente (GMR-Elemente).
  • Speicher-Array-Strukturen werden im Allgemeinen aus einem ersten Satz von parallelen leitenden Leitungen gebildet, die durch eine Isolierschicht abgedeckt werden, über der ein zweiter Satz von parallelen leitenden Leitungen senkrecht zu den ersten Leitungen liegt. Jeder dieser beiden Sätze von Leitungen kann die Bitleitungen und der andere die Wortleitungen sein. Bei der einfachsten Konfiguration werden die Magnetspeicherzellen zwischen den Bitleitungen und den Wortleitungen an ihren Schnittpunkten angeordnet.
  • Kompliziertere Strukturen mit Transistoren- oder Diodenkonfigurationen können ebenfalls verwendet werden. Wenn Strom durch eine Bitleitung oder eine Wortleitung fließt, erzeugt er ein Magnetfeld um die Leitung. Die Arrays sind ausgestaltet, sodass jede leitende Leitung lediglich ein Teil des Feldes liefert, das benötigt wird, um die Magnetisierung der Speicherzellen umzukehren. Ein Umschalten tritt lediglich an jenen Schnittpunkten auf, bei denen sowohl Wort- als auch Bitleitungen Strom führen. Keine der beiden Leitung kann selbst ein Bit umschalten; lediglich jene Zellen, die durch sowohl Bit- als auch Wortleitungen adressiert werden, können umgeschaltet werden.
  • Magnetspeicher-Arrays können als Teil von integrierten Schaltungen (ICs = integrated circuits) mit Dünnschichttechnologie angefertigt werden. Wie für jede IC-Vorrichtung ist es bedeutsam, so wenig Platz wie möglich zu verwenden. Indem jedoch die Packungsdichte erhöht wird, sind Kompromisse zu berücksichtigen. Wenn die Größe einer Speicherzelle verringert wird, wird das Magnetfeld erhöht, das erforderlich ist, um in die Zelle zu schreiben, was es schwieriger macht, das Bit zu schreiben. Wenn die Breite und Dicke von Bitleitungen und Wortleitungen verringert werden, gibt es eine höhere Stromdichte, die Elektromigrationsprobleme in den Leitern verursachen kann. Außerdem wird, wenn leitende Leitungen näher zusammen angeordnet werden, die Möglichkeit von Nebensprechen zwischen einer leitenden Leitung und einer Zelle benachbart der adressierten Zelle erhöht. Wenn dies wiederholt auftritt, wird das gespeicherte Magnetfeld der benachbarten Zelle durch Magnetdomänenkriechen erodiert, und die Information in der Zelle kann unlesbar gemacht werden.
  • Um zu vermeiden, Zellen benachbart zu den adressierten zu beeinflussen, müssen die den Bit- und Wortleitungen zugeordnete Felder stark lokalisiert sein. Einige Schemata, um Magnetfelder zu lokalisieren, die von leitenden Leitungen entstehen, wurden beim Stand der Technik gelehrt.
  • Bei dem U.S.-Patent Nr. 5 039 655 lehrte Pisharody ein Verfahren zum magnetischen Abschirmen von leitenden Leitungen in einem Dünnschichtmagnet-Array-Speicher an drei Seiten mit einem supraleitenden Film. Bei oder nahe der Temperatur von flüssigem Stickstoff (d.h. unter der supraleitenden Übergangstemperatur) weisen supraleitende Materialien den Meissner-Effekt auf, bei dem perfekte Leiter nicht durch ein angelegtes Magnetfeld durchdrungen werden können. Obwohl dies wirksam ist, zu verhindern, dass der Magnetfluss die leitende Leitung von benachbarten Zellen erreicht, ist ihre Nützlichkeit auf jene Anwendungen begrenzt, bei denen sehr niedrige Temperaturen aufrechterhalten werden können.
  • Bei dem U.S.-Patent Nr. 5 956 267 , das hier als das '267-Patent bezeichnet wird, lehrten Hurst u.a. ein Verfahren zum Lokalisieren des Magnetflusses einer unteren Elektrode für einen magnetoresistiven Speicher durch Verwenden eines Magnetwächters (magnetic keeper). Ein geschichteter Stapel mit Barriereschicht/weichmagnetische Materialschicht/Barriereschicht wurde als eine teilweise oder volle Auskleidung entlang eines Damaszier-Grabens in einer Isolierschicht aufgebracht. Leitendes Material wurde über der Auskleidung aufgebracht, um den Graben zu füllen. Überschüssiges leitendes Material und Auskleidungsschichten, die auf der Isolierschicht waren oder sich über diese erstreckten, wurden durch Polieren entfernt. Somit kleidete das Wächtermaterial untere und Seitenoberflächen des unteren Leiters aus, wobei die obere Oberfläche des Leiters, die dem Bit gegenüberliegt, frei von dem Wächtermaterial gelassen wird.
  • Der Prozess des '267-Patents hilft beim Einschließen des Magnetfelds der Zelle und beim Vermeiden von Nebensprechen zwischen Bits. Ein Bedarf existiert jedoch für weitere Verbesserungen beim Absenken des Schreibstroms für ein gegebenes Magnetfeld. Durch Absenken des Stroms, der erforderlich ist, um in eine gegebene Zelle zu schreiben, wird die Zuverlässigkeit der Zelle verbessert.
  • Das WO 00/10172 offenbart ein Speicherzellen-Array mit einer ersten und einer zweiten Leitung, an deren Kreuzungspunkt ein Speicherelement mit magnetoresistiver Wirkung angeordnet ist. Ein Joch wird bereitgestellt, das eine der Leitungen umgibt und magnetisierbares Material mit einer Permeabilität von mindestens 10 enthält. Das Joch wird auf eine solche Art und Weise angeordnet, dass ein Magnetfluss im Wesentlichen durch das Speicherelement geschlossen wird.
  • Das US 5 940 319 offenbart eine MRAM-Vorrichtung mit Magnetspeicherelementen und einer Schaltungsanordnung zum Steuern der Magnetspeicherelemente. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Transistor, der auf einem Substrat integriert ist und mit einem Magnetspeicherelement auf der Schaltungsanordnung durch einen Steckerleiter und eine Leiterleitung gekoppelt ist. Die Schaltungsanordnung wird zuerst gemäß dem CMOS-Prozess und dann den Magnetspeicherelementen angefertigt. Eine Digitleitung und Bitleitung werden unter bzw. auf dem Magnetspeicherelement platziert und aktiviert, um auf das Magnetspeicherelement zuzugreifen. Diese Leitungen werden durch eine Schicht mit hoher Permeabilität mit Ausnahme einer Oberfläche umschlossen, die einem Magnetspeicherelement gegenüberliegt, das ein Magnetfeld zu dem Magnetspeicherelement hin abschirmt und fokussiert.
  • Das JP 2000 090658 offenbart ein Magnetspeicherelement mit einem Substrat und einem Magnetwiderstands-Effektfilm, der über dem Substrat ausgebildet ist. Der Magnetowiderstand-Effektfilm umfasst eine erste Magnetschicht und eine zweite Magnetschicht, die durch eine Nicht-Magnetschicht getrennt sind. Ein Magnetfeld wird an die erste Magnetschicht angelegt, um die Magnetisierungsrichtung der ersten Magnetschicht einzustellen, um Information zu schreiben/aufzuzeichnen. Eine ferromagnetische Flusssteuerschicht wird bereitgestellt, um den Fluss des angelegten Magnetfelds auf die erste Magnetschicht zu konzentrieren.
  • Das WO 02/41367 offenbart eine selbstausgerichtete Magnetmantel-Bitleitungsstruktur für ein magnetoresistives Speicherelement und ihr Verfahren zur Bildung werden offenbart, wobei die selbstausgerichtete Magnetmantel-Bitleitungsstruktur sich in einem Graben erstreckt und ein leitendes Material, Magnetmantelseitenwände und eine Magnetmantelkappe umfasst. Die Magnetmantelseitenwände umgeben zumindest teilweise das leitende Material, und die Magnetmantelkappe ist zumindest im Wesentlichen innerhalb des Grabens mit Bezug auf das obere Ende des Grabens ausgenommen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, wie in den unabhängigen Ansprüchen definiert ist.
  • In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung wird ein Magnetspeicher-Array bereitgestellt. Das Array umfasst eine Reihe von oberen Elektroden in Damaszier-Gräben, wobei jede obere Elektrode in Kontakt mit einem oberen Magnetwächter auf mindestens einer äußeren Oberfläche jeder oberen Elektrode ist, eine Reihe von unteren Elektroden, die senkrecht zu den oberen Elektroden und Bitregionen angeordnet sind, die gegen Magnetfelder empfindlich und zwischen den oberen Elektroden und den unteren Elektroden an den Schnittpunkten der oberen Elektroden lokalisiert sind. Die Bitregionen können mehrschichtige Tunnel-Magnet-Widerstandsstrukturen (TMR-Strukturen) oder Riesen-Magnetwiderstandsstrukturen (GMR-Strukturen) aufweisen.
  • In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Magnetspeichervorrichtung in einer integrierten Schaltung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine untere Elektrode über einem Halbleitersubstrat, eine Region, die gegen Magnetfelder empfindlich ist, über der unteren Elektrode, und eine obere Elektrode in einem Damaszier-Graben in einer Isolierschicht. Die obere Elektrode umfasst eine untere Oberfläche, die zu der Bitregion hin liegt, eine obere Oberfläche, die von der Bitregion wegliegt und zwei Seitenoberflächen, die von der Bitregion Wegliegen. Die Vorrichtung umfasst ebenfalls einen Magnetwächter, der in Kontakt mit mindestens einer Oberfläche der oberen Elektrode ist.
  • In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Magnetwächter für einen oberen Leiter einer magnetische Direktzugriffsspeichervorrichtung (MRAM-Vorrichtung) bereitgestellt. Der Magnetwächter umfasst eine Magnetschicht, die sich entlang der Seitenwände des oberen Leiters erstreckt. Es gibt eine Barriereschicht zwischen der Magnetschicht und der umgebenden Isolierschicht. Die Barriereschicht kann ebenfalls zwischen einem unteren Rand der Magnetschicht und dem darunter liegenden Magnetspeicherelement kommen. Bei einigen Ausführungsformen ist der obere Leiter eine leitende Wortleitung in einem Damaszier-Graben und aus Kupfer hergestellt. Die Barriereschicht kann aus Tantal gebildet sein, und die Magnetschicht kann aus Kobalteisen gebildet sein.
  • In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein oberer Leiter in einem Graben in einer Isolierschicht über einer Magnetspeichervorrichtung bereitgestellt. Als Teil des oberen Leiters wird eine Magnetmaterialauskleidungsschicht entlang jeder Seitenwand des Grabens zwischen den leitenden Material und der Isolierschicht bereitgestellt. Die obere Oberfläche der Auskleidungsschicht neigt sich nach unten, von wo sie die Isolierschicht trifft, bis zu wo sie das leitende Material trifft.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst der obere Leiter ebenfalls eine erste Barriereschicht zwischen der Magnetmaterialauskleidungsschicht und jeder Seitenwand des Grabens. Die obere Oberfläche der ersten Barriereschicht neigt sich nach unten, von wo sie die Isolierschicht trifft, bis zu wo sie die magnetische Auskleidungsschicht trifft. Bei einem anderen Aspekt umfasst der obere Leiter ebenfalls eine zweite Barriereschicht zwischen der Magnetmaterialauskleidungsschicht und dem leitenden Material. Die obere Oberfläche der zweiten Barriereschicht neigt sich nach unten, von wo sie die Magnetauskleidungsschicht trifft, bis zu wo sie das leitende Material trifft.
  • Bei noch einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst der obere Leiter ebenfalls eine obere Magnetmaterialschicht über der oberen Oberfläche des leitenden Materials und in Kontakt mit den Magnetmaterialauskleidungsschichten entlang der Seitenwände des Grabens. Außerdem kann es eine obere Barriereschicht über mindestens einem zentralen Abschnitt der Magnetmaterialoberschicht geben.
  • Eine erfindungsgemäße Ausführungsform ist ein Verfahren zum Bilden eines Magnetwächters für eine obere Elektrode in einer Magnetdirektzugriffsspeichervorrichtung (MRAM-Vorrichtung). Das Verfahren umfasst ein Aufbringen einer Isolierschicht über einem Magnetspeicherelement, Ätzen eines Damaszier-Grabens in die Isolierschicht über dem Magnetspeicherelement, Füllen des Grabens mit einem leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, Planarisieren, um das leitende Material über der Isolierschicht zu entfernen und das leitende Material in dem Graben zu lassen, und Aufbringen eines Magnetmaterials über dem leitenden Material nach dem Planarisieren. Eine Ausführungsform des Prozesses umfasst ferner ein Bilden einer Ausnehmung in einer oberen Oberfläche der leitenden Schicht nach dem Planarisieren des leitenden Materials, jedoch vor dem Aufbringen der gestapelten Schichten. Die Ausnehmung kann durch einen selektiven Ätzprozess gebildet werden. Das Verfahren kann ferner ein Bilden einer Anfangsbarriereschicht als eine Grabenauskleidung nach Ätzen des Damaszier-Grabens und vor dem Füllen des Grabens mit leitendem Material umfassen. Das Verfahren kann ferner ein Bilden einer Magnetmaterialschicht und dann ein Bilden einer oberen Barriereschicht über der Anfangsbarriereschicht als eine vollständige Grabenauskleidung umfassen.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform ist ein Verfahren zum Bilden eines Magnetwächters für eine obere Elektrode in einem Magnetdirektzugriffsspeicher (MRAM). Das Verfahren umfasst ein Aufbringen einer Isolierschicht über einem Magnetspeicherelement, Ätzen eines Damaszier-Grabens in die Isolierschicht über dem Magnetspeicherelement, Auskleiden des Grabens mit einem Magnetmaterial, selektives Entfernen des Magnetmaterials von einem Boden des Grabens und Füllen des Grabens mit einem leitenden Material. Die Auskleidung des Grabens kann ferner ein Bilden einer ersten Barriereauskleidungsschicht vor dem Auskleiden des Grabens mit dem Magnetmaterial und Bilden einer zweiten Barriereauskleidungsschicht nach dem Auskleiden des Grabens mit dem Magnetmaterial umfassen. Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ferner ein Aufbringen von gestapelten Schichten einer ersten Barriereschicht, einer Magnetschicht und einer zweiten Barriereschicht auf einer oberen Oberfläche des leitenden Materials.
  • Eine erfindungsgemäße Ausführungsform umfasst ferner ein Auskleiden des Bodens und der Seitenwände des Grabens mit einer ersten Barriereschicht vor dem Auskleiden des Bodens und der Seitenwände des Grabens mit dem Magnetmaterial, Auskleiden des Bodens und der Seitenwände des Grabens mit einer zweiten Barriereschicht nach dem Auskleiden des Bodens und der Seitenwände des Grabens mit dem Magnetmaterial, und vor dem Füllen des Grabens mit einem leitenden Material selektives Entfernen der ersten Barriereschicht, des Magnetmaterials und der zweiten Barriereschicht von dem Boden des Grabens und von einer oberen Oberfläche der Isolierschicht, sodass es im Wesentlichen kein Magnetmaterial an dem Boden des Grabens gibt, und sodass die obere Oberfläche der Isolierschicht im Wesentlichen flach ist.
  • Eine erfindungsgemäße Ausführungsform umfasst ferner ein Auskleiden des Bodens und der Seitenwände des Grabens mit einer ersten Barriereschicht vor dem Auskleiden des Bodens und der Seitenwände des Grabens mit dem Magnetmaterial, vor dem Füllen des Grabens mit einem leitenden Material, selektives Entfernen der ersten Barriereschicht und das Magnetmaterials von dem Boden des Grabens und von einer oberen Oberfläche der Isolierschicht, sodass es im Wesentlichen kein Magnetmaterial an dem Boden des Grabens gibt und sodass die obere Oberfläche der Isolierschicht im Wesentlichen flach ist, selektives Ätzen einer Ausnehmung in einer oberen Oberfläche des leitenden Materials, das den Graben füllt, sodass die Ausnehmung unter einer flachen Ebene der oberen Oberfläche die Isolierschicht ist, Aufbringen einer zweiten Barriereschicht auf der oberen Oberfläche der Isolierschicht und auf der Ausnehmung in der oberen Oberfläche des leitenden Materials, Aufbringen des Magnetmaterials auf der zweiten Barriereschicht und Planarisieren über der Isolierschicht, um die zweite Barriereschicht und das Magnetmaterial von der oberen Oberfläche der Isolierschicht zu entfernen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Figuren sind dazu bestimmt, zu helfen, die Erfindung darzustellen jedoch nicht einzuschränken, und sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Die veranschaulichte Ausführungsform umfasst Bitleitungen unten an den Figuren und Wortleitungen oben an den Figuren. Der Fachmann wird erkennen, dass es viele weitere mögliche Konfigurationen für MRAM-Strukturen gibt, die aus den in der Erfindung dargelegten Lehren Vorteil ziehen können.
  • 1A ist ein Querschnitt einer teilweise angefertigten MRAM-Struktur, die die untere Elektrode, die Bitregion und die darüber liegende Isolierschicht zeigt, bevor die obere Elektrode angefertigt wird.
  • 1B veranschaulicht die teilweise angefertigte MRAM-Struktur von 1, nachdem ein Damaszier-Graben in die Isolierschicht geätzt wurde.
  • 2 ist ein Querschnitt, der den Damaszier-Graben von 1B zeigt, der mit einem Barrierematerial ausgekleidet und mit Kupfer gefüllt ist.
  • 3A ist ein Querschnitt, der eine Deckschicht mit einem Stapel aus Barriere-/Magnet-/Barrierematerialien, die über der Struktur von 2 aufgebracht sind, in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 3B zeigt die Struktur von 3A nach Strukturieren und Ätzen, um die Barriere und den Magnetmaterialstapel über und geringfügig weiter als die Leitung übrig zu lassen, in der die obere Elektrode ausgebildet ist.
  • 4A veranschaulicht die Struktur von 2, nachdem das leitende Material der oberen Elektrode geätzt wurde, um eine Ausnehmung in der oberen Elektrode zu bilden, in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • 4B zeigt die Struktur von 4A, nachdem eine Deckschicht, die einen Stapel aus Barriere/Magnet/Barrierematerialien umfasst, über der ausgenommenen oberen Elektrode aufgebracht wurde.
  • 4C veranschaulicht die Struktur von 4B nach dem Planarisieren.
  • 5A veranschaulicht die Struktur von 1B, nachdem ein Stapel aus Barriere/Magnet/Barrierematerialien aufgebracht wurde, um den Damaszier-Graben auszukleiden, in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung der Erfindung.
  • 5B zeigt die Struktur von 5A, nachdem ein Abstandshafter-Ätzen die horizontalen Abschnitte des aufgebrachten Stapels von Schichten entfernt hat.
  • 5C ist ein Querschnitt der Struktur von 5B, nachdem eine leitende Deckschicht aufgebracht wurde, um den Graben zu füllen.
  • 5D zeigt die Struktur von 5C nach der Planarisierung der leitenden Schicht.
  • 6A veranschaulicht die Struktur von 1B, nachdem Barriere- und Magnetschichten aufgebracht wurden, um den Damaszier-Graben auszukleiden, in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
  • 6B ist ein Querschnitt einer teilweise angefertigten MRAM-Struktur, bei der das leitende Material selektiv ausgenommen wurde, in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
  • 6C ist ein Querschnitt, der die Struktur von 6B zeigt, nachdem eine Deckschicht, die eine Magnetmaterialschicht und eine Barriereschicht umfasst, über dem ausgenommenen leitenden Material und der Isolierschicht aufgebracht wurde.
  • 6D ist ein Querschnitt, der die Struktur von 6C nach dem Planarisieren zeigt, um die Barriere und den Magnetmaterialstapel über der Isolierschicht zu entfernen.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Obwohl Aluminium allgemein als ein Leiter bei Halbleitervorrichtungen verwendet wird, hat Aluminium Schwierigkeiten, die hohen elektrischen Stromanforderungen von Magnetspeichervorrichtungen zu erfüllen, ohne unter einer Beschädigung aufgrund von Elektromigration zu leiden. Kupfer ist für hohe Stromanwendungen geeigneter, weil es gegen Elektromigration widerstandsfähiger ist. Wohingegen Aluminiumleitungen durch Strukturierung mit Photoresist und Trockenätzen angefertigt werden können, ist es schwierig, Kupfer trocken zu ätzen. Kupferleitungen werden somit vorzugsweise durch einen Damaszier-Prozess angefertigt. Gräben werden in einer Isolierschicht ausgebildet, eine Kupferschicht wird aufgebracht, um den Graben zu überfüllen, und das überschüssige Kupfer wird durch Herunterpolieren auf die Oberfläche der Isolierschicht entfernt.
  • Wie oben erläutert ist, stellt das '267-Patent Magnetwächter für untere Elektroden bereit, die durch einen Damaszier-Prozess angefertigt werden. Die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen stellen Magnetwächter in verschiedenen Konfigurationen für obere Elektroden, die durch einen Damaszier-Prozess hergestellt werden, in integrierten Magnetspeichervorrichtungen bereit. Der Prozess des '267-Patents ist jedoch nicht zum Bilden von Wächtern für eine obere Elektrode geeignet.
  • Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können mit Bezug auf die Figuren verstanden werden. Obwohl lediglich einzelne Magnetspeicherstrukturen in den Figuren gezeigt werden, wird ersichtlich sein, dass die dargestellten einzelnen Zellen für ähnliche Strukturen repräsentativ sind, die über einem Speicher-Array wiederholt werden. 1A und 1B zeigen im Querschnitt eine teilweise angefertigte MRAM-Zelle, die als ein Startpunkt zum Beschreiben der hier enthaltenen Ausführungsformen verwendet werden wird.
  • Die Speicherzelle umfasst eine untere Elektrodenstruktur 10, die ferner eine untere leitende Leitung 12 umfasst, die quer über die Seite läuft und vorzugsweise aus Kupfer hergestellt ist. Die untere Elektrodenstruktur 10 ähnelt typischerweise einem Halbleitersubstrat (nicht gezeigt). Eine Barriereschicht 14 umschließt vorzugsweise die Kupferleitung an allen vier Seiten entlang ihrer Länge. Die Barriereschicht 14 kann ein Material, wie beispielsweise Tantal (Ta) umfassen, das die Diffusion von Kupfer verhindert und mit der Herstellung der integrierten Schaltung kompatibel ist. Bei dieser Querschnittsansicht wird die Kupferleitung nahe der Mitte entlang ihrer langen Achse geschnitten, sodass lediglich die Abschnitte der Barriereschicht, die die untere leitende Leitung 12 entlang einer oberen Oberfläche 18 und einer unteren Oberfläche 20 auskleiden, sichtbar sind. Die Auskleidung entlang einer Seite der Leitung ist über der Ebene der Seite und entlang der anderen Seite der Leitung unter der Ebene der Seite. Bei einer bevorzugten Ausführungsform (und gemäß dem Stand der Technik) wird die obere Oberfläche 18 der unteren leitenden Leitung 12 lediglich durch die Barriereschicht 14 abgedeckt, wobei jedoch die untere Oberfläche 20 und die beiden Seitenoberflächen ferner durch eine Sandwich-Struktur ausgekleidet sind, die eine Barriereschicht/weichmagnetische Materialschicht/Barriereschicht umfasst, die als ein Magnetwächter für die untere leitende Leitung 12 in Übereinstimmung mit den Lehren des '267-Patents dient. Ein „Magnetwächter", wie hier verwendet, umfasst mindestens eine Magnetmaterialschicht, wobei bei den bevorzugten Ausführungsformen der Magnetwächter ebenfalls eine oder zwei Barriereschichten aufweist. Es gibt vorzugsweise kein Magnetmaterial auf der oberen Oberfläche der unteren leitenden Leitung 12, das zu einer Magnetspeicherzelle hin liegt, oder ein Bit 24, das mit einer Barriereschicht 28 abgedeckt und in einer Isolierschicht 26 ausgebildet ist. Das Magnetmaterial zwischen der unteren leitenden Leitung 12 und dem Bit 24 würde das Magnetfeld von der unteren leitenden Leitung 12 stören, das auf das Bit 24 wirkt.
  • Bei 1A und 1B ist, ebenso wie bei nachstehend erläuterten Ausführungsformen, die untere Elektrode entlang der unteren leitenden Leitung 12 ausgebildet, die als eine Bitleitung bei den dargestellten „Kreuzpunkt"-Schaltungskonfigurationen dient. Bei anderen Anordnungen wird der Fachmann ohne weiteres erkennen, dass die Bitleitung über dem Bitelement und die Wortleitung darunter gebildet werden kann, und dass das Bit ebenfalls mit einem Transistor oder einer Diode verriegelt werden kann.
  • Das Bit 24 kann jede Magnetstruktur sein, die Bits von Information speichert, die durch die Richtung oder Polarität der Magnetisierung definiert ist, einschließlich dünner ferromagnetischer Filme oder komplexerer geschichteter magnetischer Dünnschichtstrukturen, wie beispielsweise Tunnel-Magnet-Widerstandselement (TMR-Elmente) oder Riesen-Magnet-Widerstandselemente (GMR-Elemente).
  • Die bevorzugte Magnetspeicherzelle ist eine TMR-Struktur. Die dargestellte TMR-Struktur umfasst eine erste ferromagnetische Schicht 30 gefolgt von einer Isolierschicht 32 und einer zweiten ferromagnetischen Schicht 34. Eine bekannte beispielhafte TMR-Struktur umfasst innerhalb der ersten ferromagnetischen Schicht 30 eine Reihe von Unterschichten mit Ta/Ni-Fe/Fe-Mn/Ni-Fe. Die Isolierschicht 32 der dargestellten Ausführungsform umfasst Aluminiumoxid vorzugsweise in einer Dicke zwischen etwa 0,5 nm und 2,5 nm. Die zweite ferromagnetische Schicht 34 umfasst vorzugsweise Unterschichten aus Ni-Fe/Ta. Wie in 1B gezeigt ist, überlagert die Barriereschicht 28 vorzugsweise die zweite ferromagnetische Schicht 34.
  • Der TMR-Stapel kann durch jedes geeignete Verfahren gebildet werden, wobei er jedoch vorzugsweise als ein Stapel von Deckschichten gebildet und dann in eine Mehrzahl von Zellen für das Array strukturiert wird. Die Isolierschicht 26, vorzugsweise aus Siliziumnitrid oder einer Form von Siliziumoxid, wird dann darauf aufgebracht und zurückpoliert (z.B. durch chemisch-mechanische Planarisierung), um die obere Oberfläche des TMR-Stapels freizulegen. Eine weitere Isolierschicht 36, die typischerweise eine Form von Siliziumoxid umfasst, wird über der Isolierschicht 26 und dem Bit 24 aufgebracht. Alternativ kann eine einzelne Isolierschicht den Platz der beiden dargestellten Schichten 26, 36 einnehmen.
  • Mit Bezug auf 1B wird ein Graben 38 in die Isolierschicht 36 als ein erster Schritt beim Verwenden des Damaszier-Prozesses geätzt, um die obere Elektrode oder Wortleitung für das Bit 24 zu bilden. Wie in 1B gezeichnet ist, läuft der Graben 38, der die Wortleitung enthalten wird, in und aus der Seite, senkrecht zu der unteren Elektrodenstruktur 10 und durchläuft somit verschiedene Zellen in dem Array. Bei der Darstellung von 1B wird der Boden des Grabens 38 in Kontakt mit der Barriereschicht 28 auf der oberen Oberfläche des Bits 24 als eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt.
  • Bei einer anderen Anordnung kann der Graben flacher sein, wobei ein dünner Abschnitt der isolierenden Silikonoxidschicht zwischen dem Boden des Grabens und dem Oberteil der Magnetzelle gelassen wird.
  • Ein MRAM, der mit einer oberen Elektrode 40 ohne Magnetwächter angefertigt ist, wird in 2 gezeigt. Die untere Elektrodenstruktur 10 ist vorzugsweise mit mindestens einer Barriereschicht und bevorzugterweise mit der Magnetwächterstruktur ausgekleidet, die oben mit Bezug auf 1A beschrieben ist. Mit 1B als ein Startpunkt umfasst der geätzte Graben 38 vorzugsweise eine Tiefe von etwa 100–300 nm und ist etwa 200 nm bei den dargestellten Ausführungsformen. Die Breite des Grabens 38 ist vorzugsweise etwa 100–300 nm, und ist etwa 200 nm bei den dargestellten Ausführungsformen. Eine Barriereschicht 42 wird aufgebracht, um den Graben 38 auszukleiden. Das bevorzugte Barrierematerial ist Tantal, obwohl jedes leitende Material, das eine gute Diffusionsbarriere ist zum Einschließen von Kupfer ist, geeignet ist. Die Dicke der Barriereschicht ist vorzugsweise etwa 1–20 nm, bevorzugterweise etwa 2–10 nm und ist etwa 5 nm bei den dargestellten Ausführungsformen. Ein relativ leitendes Material 44 wird aufgebracht, um den Graben 38 zu füllen und die obere Elektrode 40 zu bilden (entlang einer Wortleitung bei der dargestellten Konfiguration). Das bevorzugte Material ist Kupfer, wobei jedoch andere leitende Materialien, wie beispielsweise Aluminium, Gold oder Silber, ebenfalls verwendet werden können. Das Kupfer kann in einem Zwei-Schrittprozess aufgebracht werden, bei dem zuerst eine Keimschicht durch physikalische Dampfabscheidung aufgebracht und dann der Graben vollständig durch Elektroplattieren gefüllt wird. Alternativ kann das Kupfer vollständig durch physikalische Dampfabscheidung aufgebracht werden.
  • In 2 wurden die obere Oberfläche der Isolierschicht 36 und eine obere Oberfläche 48 der oberen Elektrode 40 planarisiert, um überschüssiges Barriere- und leitendes Material zu entfernen und um die obere Oberfläche 48 der oberen Elektrode 20 bündig mit der oberen Oberfläche 46 der Isolierschicht 36 zu machen. Bei den bevorzugten Ausführungsformen umfasst die obere Elektrode ebenfalls Magnetwächterstrukturen, die helfen, Magnetfelder innerhalb jeder Zelle über dem Array einzuschließen. Die nachstehenden Ausführungsformen benutzen die Strukturen von 1B oder 2 als Startpunkte.
  • Die Ausführungsformen, die folgen, umfassen Magnetwächterstrukturen, die vielschichtig sind, einschließlich sowohl Barriereschichten als auch weichmagnetische Materialschichten. Obwohl dies eine bevorzugte Anordnung ist, sollte ersichtlich sein, dass die Barriereschicht(en) nicht vorhanden sein muss (müssen), wobei die Magnetmaterialschicht ebenfalls als eine Diffusionsbarriere für Kupfer zusätzlich dazu dient, als ein Magnetwächter zu dienen. Somit umfasst der Begriff „Magnetwächter", wie hier verwendet, mindestens eine Magnetmaterialschicht und vorzugsweise ebenfalls eine oder mehrere Barriereschichten. Alternative Strukturen umfassen einfach eine einzelne Magnetmaterialschicht als den Magnetwächter oder die Magnetmaterialschicht und lediglich eine Barriereschicht. Die letztere Anordnung wird in 6A6D gezeigt.
  • Strukturierter Teilwächter
  • Eine relativ einfache Konfiguration für einen Magnetwächter für eine Wortleitung wird bei der ersten Ausführungsform gezeigt, die in 3A und 3B dargestellt wird. Diese Ausführungsform kann mit 2 als ein Startpunkt verstanden werden. Bei der dargestellten Ausführungsform wird ein Stapel 50 von Deckschichten über der planarisierten oberen Oberfläche aufgebracht, wie in 3A gezeigt ist, obwohl es möglich ist, diesen Wächter allein mit einer Magnetmaterialschicht alleine zu bilden. Eine erste Schicht 52 ist eine Barriereschicht. Eine zweite Schicht 54 ist ein Magnetmaterial, das vorzugsweise ein weichmagnetisches Material wie beispielsweise Permalloy (Ni-Fe) oder Kobalteisen (Co-Fe) ist. Eine dritte Schicht 56 ist eine weiter Barriereschicht. Vorzugsweise entsprechen die Barriereschichten Ta. Die Dicke jeder Schicht in dem Stapel ist vorzugsweise etwa 1–20 nm, bevorzugterweise 2–10 nm und am bevorzugtesten 5 nm. Die Schichten in dem Stapel 50 können durch jedes geeignete Verfahren aufgebracht werden. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Schichten durch physikalische Dampfabscheidung alle in dem gleichen Cluster-Werkzeug gebildet.
  • Der Stapel 50 wird mit Standard-Photolithographie-Verfahren strukturiert und geätzt, wobei vorzugsweise ein strukturierter Teilwächter über dem Bereich gelassen wird, der die Speicherzelle definiert. Bei einer anderen Anordnung wird der Wächter strukturiert, um sich entlang der oberen Oberfläche der oberen Elektrode 40 zu erstrecken, die in und aus der Seite läuft, wie in dem Querschnitt von 3B gezeigt ist. Bei noch einer anderen (und nicht gezeigten) Anordnungsform kann der Deckstapel strukturiert und geätzt werden, um sich über ein gesamtes Array mit Öffnungen lediglich über (nicht gezeigten) Durchgangslöchern in der Isolierschicht 36 zu erstrecken.
  • Die überlagernde Struktur wird hier als ein Teilwächter 58 bezeichnet, weil sie nicht sämtliche externen Oberflächen des oberen Leiters oder der oberen Elektrode 40 überlagert. „Externe Oberflächen", wie hier verwendet, bezieht sich auf alle Oberflächen der oberen Elektrode 40, die nicht dem Bit 24 oder dem TMR-Stapel bei der dargestellten Ausführungsform gegenüberliegen.
  • Selbstausgerichteter Teilwächter
  • 4A zeigt den ersten Schritt bei der Bildung eines selbstausgerichteten Teilwächters von der oberen Elektrodenstruktur von 2 in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform. Gleiche Bezugsziffern werden für Elemente benutzt, die jenen der vorhergehenden Ausführungsform entsprechen. Eine Ausnehmung 60 wird in der oberen Oberfläche der leitenden Leitung 44 durch ein selektives Ätzen gebildet, das vorzugsweise ein Nass-Ätzen ist. Beispielsweise wird eine Lösung aus Eisessigsäure und Salpetersäure in einem Verhältnis von 10:1 (Azetat:Stickstoff) Kupfer 44 im Gegensatz zu der Isolierschicht 36 und der Barriereschicht 42 selektiv ätzen. Für andere Materialien kann der Fachmann ohne weiteres eine geeignete selektive Chemie bestimmen. Die Tiefe der Ausnehmung 60 ist zwischen etwa 5 nm und 100 nm, bevorzugterweise zwischen etwa 10 nm und 30 nm und am bevorzugtesten etwa 15 nm.
  • In 4B wird ein Magnetmaterial in die Ausnehmung 60 aufgebracht. Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Stapel 50 aus Deckschichten über der Ausnehmung 60 und der oberen Oberfläche 46 der Isolierschicht 36 aufgebracht. Der dargestellte Stapel 50 umfasst eine erste Barriereschicht 52, eine Magnetmaterialschicht 54 und eine zweite Barriereschicht 56. Vorzugsweise entsprechen die Barriereschichten 52, 56 Ta. Die Magnetschicht umfasst vorzugsweise ein weichmagnetisches Material, wie beispielsweise Permalloy (Ni-Fe), und bevorzugterweise Co-Fe. Die Dicke jeder Schicht in dem Stapel ist vorzugsweise etwa 1–20 nm, bevorzugterweise 2–10 nm und am bevorzugtesten etwa 5 nm. Die Schichten in dem Stapel 50 können auf jede geeignete Art und Weise gebildet werden, wobei sie jedoch vorzugsweise durch physikalische Dampfabscheidung alle in dem gleichen Cluster-Werkzeug gebildet werden.
  • Mit Bezug auf 4C wird die Struktur zurückgeätzt, vorzugsweise planarisiert, bevorzugterweise durch chemischmechanisches Polieren, das eine flache obere Oberfläche 62 bündig mit der oberen Oberfläche 46 der Isolierschicht 36 zurücklässt. Die Planarisierung lässt einen selbstausgerichteten Teilwächter 64 innerhalb der Ausnehmung 60 über der obersten Elektrode oder der oberen Elektrode zurück.
  • Der selbstausgerichtete Teilwächter 64 wird als solcher bezeichnet, weil er auf die obere Elektrode 40 ohne einen Maskierschritt beschränkt ist. Der Wächter ist ein Teilwächter, weil er lediglich eine von drei möglichen externen Oberflächen der oberen Elektrode abdeckt.
  • Abstandshalterwächter
  • Eine dritte Ausführungsform der aktuellen Erfindung wird in 5A5D dargestellt. Der Startpunkt für diese Ausführungsform ist das teilweise angefertigte MRAM, das zuvor mit Bezug auf 1B beschrieben wurde, wobei der Graben 36 für die obere Elektrode geätzt wurde. Zumindest ein Magnetmaterial kleidet den Graben 38 aus. Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Stapel 50 von Schichten, einschließlich der Magnetmaterialschicht 54 ebenso wie die Barriereschichten 52, 56 mit guter Konformität über der oberen Oberfläche 46 und in dem Graben 38 aufgebracht, wie in 5A gezeigt ist. Ein selektives Abstandshalter-Ätzen wird durchgeführt, um die horizontalen Abschnitte 66, 68, 70 des Stapels 50 zu entfernen. Das selektive Ätzen kann ein Ätzen mit einer physikalischen (Sputter)-Komponente, wie beispielsweise Argon-Ionenätzen oder ein chlorbasiertes oder fluorbasiertes reaktives Ionenätzen umfassen, wie für den Fachmann offensichtlich ist.
  • 5B zeigt die verbleibenden Abschnitte der Schichten 52, 54, 56 entlang der vertikalen Seitenwände 72 des Grabens 38 nach Anwendung des Abstandshalter-Ätzens. Vorzugsweise wird zumindest die gesamte weichmagnetische Materialschicht 54 von dem Boden des Grabens 38 vor dem Fortsetzen entfernt, weil das verbleibende Material die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld der Wortleitung und dem Bit 24 unterbrechen oder blockieren kann. Obwohl bei der dargestellten Ausführungsform der gesamte Stapel 50 entfernt von den horizontalen Abschnitten gezeigt wird, womit eine vollständige Entfernung der Magnetschicht 54 von diesen Abschnitten gewährleistet wird, ist ersichtlich, dass das Abstandshalter-Ätzen ebenfalls einen Teil der unteren Barriereschicht 52 über dem Bit 24 übriglassen kann. Ein Abstandshalterwächter 73 wird zurückgelassen, der die vertikalen Seitenwände 72 auskleidet.
  • In 5C wird dann eine Schicht aus leitendem Material 74, vorzugsweise Kupfer, aufgebracht, um den Graben 38 zu füllen.
  • In 5D wird das leitende Material 74 vorzugsweise durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert, das überschüssiges leitendes Material entfernt und das leitende Material 74 in dem Graben 38 übrig lässt, wobei externe Seitenwände-Oberflächen durch den Abstandshalterwächter 73 abgedeckt werden, wobei die obere Elektrode 40 der dritten Ausführungsform fertiggestellt wird. Die Planarisierung lässt die obere Oberfläche 48 der oberen Elektrode 40 bündig mit der oberen Oberfläche 46 der Isolierschicht 36.
  • Selbstausgerichteter Wächter
  • Ein selbstausgerichteter Wächter 88 wird in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform mit Bezug auf 6A6D beschrieben. Diese Ausführungsform ist dem Abstandshalterwächter 73 ähnlich, wie oben mit Bezug auf 5D beschrieben wurde. Die vierte Ausführungsform verwendet lediglich zwei Schichten in der Magnetwächterstruktur. Alternativ kann der selbstausgerichtete Wächter mit dem Drei-Schichtstapel hergestellt werden, der für die obigen Ausführungsformen beschrieben wurde, oder eine Einzelschicht kann sowohl als die Magnetschicht als auch die Barrierefunktion dienen. Der Startpunkt für diese Ausführungsform ist das teilweise angefertigte MRAM, das zuvor mit Bezug auf 1B beschrieben wurde, wobei der Graben 38 für die. obere Elektrode geätzt wurde.
  • Mit Bezug auf 6A werden die Barriereschicht 52 und die Magnetmaterialschicht 54 mit guter Konformität über der oberen Oberfläche 46 der Isolierschicht 36 und in dem Graben 38 aufgebracht. Vorzugsweise entspricht die Barriereschicht 52 Ta. Die Magnetschicht umfasst vorzugsweise ein weichmagnetisches Material, wie beispielsweise Permalloy (Ni-Fe). Co-Fe wird insbesondere zur Verwendung bei diesem Zwei-Schichtstapel bevorzugt, wodurch die Magnetmaterialschicht 54 Kupfer direkt kontaktieren wird (siehe 6C). Ein selektives Abstandshalter-Ätzen wird durchgeführt, um die horizontalen Abschnitte 76, 78, 80 der Barriereschicht 52 und der Magnetmaterialschicht 54 zu entfernen. Das selektive Ätzen umfasst ein Ätzen mit einer physikalischen (Sputter) Komponente, wie beispielsweise Argon-Ionenätzen oder ein chlorbasiertes oder fluorbasiertes reaktives Ionenätzen, wie für den Fachmann offensichtlich ist. Vorzugsweise wird mindestens die gesamte weichmagnetische Materialschicht 54 von dem Boden des Grabens 38 vor dem Fortsetzen entfernt, weil das verbleibende Material die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld der Wortleitung und dem Bit 24 unterbrechen oder blockieren kann.
  • 6B zeigt die verbleibenden Abschnitte der Schichten 52, 54 entlang der vertikalen Seitenwände 72 des Grabens nach dem selektiven Abstandshalter-Ätzen, ebenso wie anschließende Durchkontaktlochfüll- und Ausnehmungsschritte, die nachstehend erläutert werden. Obwohl die dargestellte Ausführungsform zeigt, dass sämtliches Material von den Schichten 52, 54 von horizontalen Abschnitten entfernt wird, womit eine vollständige Entfernung der Magnetschicht 54 von allen Abschnitten gewährleistet wird, ist ersichtlich, dass das Abstandshalter-Ätzen ebenfalls Teil der Barriereschicht 52 über dem Bit 24 zurücklassen kann.
  • Wie bei anderen Ausführungsformen gezeigt ist, wird eine Schicht aus leitendem Material 74, vorzugsweise Kupfer, aufgebracht, um den Graben zu füllen, und die obere Oberfläche wird vorzugsweise durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert. Überschüssiges leitendes Material wird entfernt, wobei leitendes Material 74 innerhalb des Grabens und der Barriere 52 und den Magnetschichten 54 entlang der vertikalen Seitenwände 72 zurückgelassen wird. Das leitende Material erstreckt sich entlang eines Grabens in und aus der Seite, wobei es als eine obere Leitung 74 dient, mit einer Wortleitung bei der dargestellten Anordnung.
  • Ein selektives Ätzen wird durchgeführt, um eine Ausnehmung 82 in der oberen Oberfläche der oberen Leitung 74 zu erzeugen, wie in 6B gezeigt ist. Das Ätzen wird vorzugsweise durch einen Nass-Ätzprozess durchgeführt. Beispielsweise wird eine Lösung aus Eisessigsäure und Salpetersäure in einem Verhältnis von 10:1 (Azetat:Stickstoff) die obere Leitung 74 im Gegensatz zu der Isolierschicht 36 selektiv ätzen. Alternativ kann die Ausnehmung 82 durch Ausdehnen des vorhergehenden chemisch-mechanischen Polierens und Verwenden einer geeigneten selektiven Chemie mit dem Polieren durchgeführt werden. Für andere Materialien kann der Fachmann ohne weiteres eine geeignete selektive Chemie bestimmen.
  • In 6C wird zumindest ein Magnetmaterial und vorzugsweise eine zweite Reihe von Deckschichten, die den oberen Abschnitt des Magnetwächters für diese Ausführungsform umfassen, über der oberen Oberfläche aufgebracht, wobei die Ausnehmung 82 gefüllt wird. Vorzugsweise ist die erste Schicht 54 ein weichmagnetisches Material, wie beispielsweise Co-Fe, und die zweite Schicht 52 eine Barriereschicht, wie beispielsweise eine Schicht aus Ta.
  • 6D zeigt die Struktur nach dem chemisch-mechanischen Polieren, um das überschüssige Magnetwächtermaterial zu entfernen. Die obere Leitung 74 wird entlang drei Seiten mit der Magnetmaterialschicht 54 und der Barriereschicht 52 ausgekleidet. Zeckmäßigerweise wird das Magnetmaterial als eine kontinuierliche Schicht 54 um die drei Seiten der oberen Leitung 74 gebildet. Die dem Bit 24 gegenüberliegende Elektrodenoberfläche 84 weist keine Magnetmaterialauskleidung auf. Eine obere Oberfläche 86 der Struktur ist vorzugsweise bündig mit der oberen Oberfläche 46 der umgebenden Isolierschicht 36, was es leichter macht, eine weitere Verarbeitung durchzuführen.
  • Der selbstausgerichtete Wächter 88 wird als solcher bezeichnet, weil er auf die obere Leitung 74 ohne einen Maskierschritt begrenzt ist. Dieser Wächter wird nicht Teilwächter genannt, weil er alle drei Oberflächen abdeckt, die für Magnetwächterauskleidung geeignet sind.
  • Es ist ersichtlich, dass die in 6A6D dargestellte vierte Ausführungsform eine Kombination der zweiten und dritten Ausführungsformen mit einer Modifikation an zwei Schichten in der Magnetwächterstruktur anstatt von drei darstellt. Auf ähnliche Weise kann die dritte Ausführungsform mit der ersten Ausführungsform kombiniert werden, wodurch ebenfalls Wächtermaterial auf drei externen Oberflächen der oberen Elektrode bereitgestellt wird, ohne Magnetfelder zwischen der oberen Elektrode und dem darunter liegenden Magnetbit zu blockieren. Außerdem sollte ersichtlich sein, dass die Barriereschicht nicht notwendig ist, um die Magnetwächterfunktion durchzuführen und die Magnetfelder einzuschließen. Alternative Strukturen umfassen einfach eine einzelne Magnetmaterialschicht als den Magnetwächter oder die Magnetmaterialschicht einer oder mehrerer Barriereschichten. Die Erfindung wie hier bei den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, stellt ein Verfahren zum Anfertigen einer Magnetschicht in einer Anzahl von Strukturen für eine leitende Leitung in einem Damaszier-Graben bereit, wobei die untere Oberfläche des Grabens keinen Wächter aufweist. Dies hat eine besondere Anwendung für obere Elektroden in Magnetspeichervorrichtungen. Der Wächter lokalisiert das die leitende Leitung umgebende Magnetfeld, sodass lediglich die/das gewünschte oder bestimmte Magnetspeicherzelle oder Bit, die/das adressiert wird, durch das Feld relativ beeinflusst wird. Der Wächter enthält den Magnetfluss und richtet ihn zu der Magnetspeicherstruktur hin, womit die wirksame Stromdichte abgesenkt wird, die zum Schreiben in das Bit erforderlich ist. Benachbarte Bits, die nicht die nicht adressiert werden, empfangen verhältnismäßig weniger von dem ungewünschten Magnetfeld, und Elektromigration wird verringert. Dies hilft beim Komprimieren der Ausgestaltung von Magnetspeicher-Arrays in kleinere Abmessungen ohne Funktionalität zu opfern.
  • Die vorliegend offenbarten Ausführungsformen sind daher in allen Aspekten als darstellend und nicht einschränkend zu betrachten. Der Umfang der Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die vorhergehende Beschreibung angegeben, und alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Bereichs der Äquivalenz davon kommen, sind bestimmt, darin eingeschlossen zu sein.

Claims (46)

  1. Magnetspeichervorrichtung in einer integrierten Schaltung, wobei die Magnetspeichervorrichtung eine untere Elektrode (10) über einem Halbleitersubstrat und eine Bitregion (24) aufweist, die gegen Magnetfelder empfindlich ist, wobei die Bitregion (24) über der unteren Elektrode (10) ausgebildet ist; gekennzeichnet durch einen Magnetwächter (54/52); und eine obere Elektrode (74) in einem Damaszier-Graben (38), der in einer Isolierschicht (36) ausgebildet ist, wobei die obere Elektrode (74) eine untere Oberfläche, die zu der Bitregion (24) hin liegt, eine obere Oberfläche, die von der Bitregion (24) weg liegt, und zwei Seitenoberflächen, die von der Bitregion (24) weg liegen, aufweist, wobei die obere Oberfläche der oberen Elektrode (74) eine Ausnehmung (82) festlegt, die angepasst ist, um mindestens einen Abschnitt des Magnetwächters (54/52) unterzubringen; wobei der Magnetwächter (54/52) einen zweischichtigen Stapel mit einer Barriereschicht (52) und einer Magnetmaterialschicht (54) umfasst, wobei die Magnetmaterialschicht (54) in direktem Kontakt mit der oberen Elektrode (74) ist.
  2. Magnetspeicher-Array gemäß Anspruch 1, bei dem die Bitregion (24) einer mehrschichtigen Tunnel-Magnetowiderstandsstruktur (TMR-Struktur) entspricht.
  3. Magnetspeicher-Array gemäß Anspruch 1, bei dem die Bitregion (24) einer mehrschichtigen Riesen-Magnet-Widerstandsstruktur (GMR-Struktur) entspricht.
  4. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der eine obere Oberfläche der Bitregion (24) in elektrischem Kontakt mit der oberen Elektrode (74) in dem Damaszier-Graben (38) ist.
  5. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner mit einem Barrierematerial (52), das den Damaszier-Graben (38) auskleidet.
  6. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der das Barrierematerial (52) Tantal ist.
  7. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die obere Elektrode (74) Kupfer ist.
  8. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Magnetwächter (54/52) ebenfalls in Kontakt mit den beiden Seitenoberflächen der oberen Elektrode (74) ist.
  9. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Ausnehmung (82) zwischen etwa 5 und 100 nm tief ist.
  10. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Ausnehmung (82) zwischen etwa 10 und 30 nm tief ist.
  11. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Magnetwächter (54/52) ferner Löcher für entsprechende Durchkontaktierungen aufweist, die in der Isolierschicht (36) vorhanden sind.
  12. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Magnetwächter (54/52) ferner eine magnetische Auskleidungsschicht (54), die sich entlang Seitenwänden der oberen Elektrode (74) erstreckt, und eine Barriere-Auskleidungsschicht (52) zwischen der Isolierschicht (36) und der magnetische Auskleidungsschicht (54) umfasst, wobei die magnetische Auskleidungsschicht (54) in direktem Kontakt mit der oberen Elektrode (74) ist, und wobei die Barriere-Auskleidungsschicht (52) ebenfalls zwischen einem unteren Rand der magnetischen Auskleidungsschicht (54) und der Bitregion (24) liegt.
  13. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der die Bitregion (24) eine Tunnel-Magnet-Widerstands-Bitstruktur (TMR-Bitstruktur) umfasst und eine obere Oberfläche der TMR-Bitstruktur in elektrischem Kontakt mit einer unteren Oberfläche der oberen Elektrode (74) ist.
  14. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der die obere Elektrode (74) eine leitende Wortleitung in einem Damaszier-Graben (38) umfasst.
  15. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der die obere Elektrode (74) Kupfer umfasst.
  16. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der eine Tiefe des Damaszier-Grabens (38) zwischen etwa 100 und 300 nm ist.
  17. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der eine Tiefe des Damaszier-Grabens (38) zwischen etwa 180 und 220 nm ist.
  18. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der eine Breite des Damaszier-Grabens (38) zwischen etwa 100 und 300 nm ist.
  19. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der eine Breite des Damaszier-Grabens (38) zwischen etwa 180 und 220 nm ist.
  20. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der die Grabenauskleidung der Barriereschicht (52) Tantal und die magnetische Auskleidungsschicht (54) Kobalt-Eisen umfasst.
  21. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 20, bei der die Barriere-Auskleidungsschicht (52) und die magnetische Auskleidungsschicht (54) jeweils zwischen etwa 1 und 20 nm dick sind.
  22. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 20, bei der die Barriere-Auskleidungsschicht (52) und die magnetische Auskleidungsschicht (54) jeweils zwischen etwa 2 und 10 nm dick sind.
  23. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Magnetwächter (54/52) umfasst: eine Magnetmaterial-Auskleidungsschicht (54) entlang jeder Seitenwand des Damaszier-Grabens (38); und wobei sich eine obere Oberfläche der Auskleidungsschicht (54) nach unten von einem Außenrand der Auskleidungsschicht, die nicht höher als eine obere Oberfläche (46) der Isolierschicht (36) ist, zu einem Innenrand der Auskleidungsschicht (54) hin neigt.
  24. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 23, bei der die obere Oberfläche des Außenrands der Auskleidungsschicht (54) ungefähr gleich mit der oberen Oberfläche (46) der Isolierschicht (36) ist.
  25. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 23, ferner mit einer ersten Barriereschicht (52) zwischen der Magnetmaterial-Auskleidungsschicht (54) und jeder Seitenwand des Damaszier-Grabens (38), wobei sich eine obere Oberfläche der ersten Barriereschicht (52) nach unten von einem Außenrand der ersten Barriereschicht (52), die näherungsweise gleich mit der oberen Oberfläche (46) der Isolierschicht (36) ist, zu einem Innenrand neigt, der näherungsweise gleich mit der oberen Oberfläche der Magnetauskleidungsschicht (54) ist.
  26. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 25, ferner mit einer zweiten Barriereschicht (52) zwischen der Magnetmaterial-Auskleidungsschicht (54) und der oberen Elektrode (74), wobei sich eine obere Oberfläche der zweiten Barriereschicht (52) nach unten von einem Außenrand der zweiten Barriereschicht (52), die näherungsweise gleich mit der oberen Oberfläche des Innenrands der Auskleidungsschicht ist, zu einem Innenrand der Barriereschicht (52) hin neigt.
  27. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 25, bei der der Magnetwächter (54/52) in Kontakt mit der oberen Oberfläche der Magnetmaterial-Auskleidungsschicht entlang jeder Seitenwand des Grabens (38) ist, wobei sich eine obere Oberfläche des Magnetwächters (54/52) nicht höher als die obere Oberfläche (46) der Isolierschicht (36) erstreckt.
  28. Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 27, bei der der Magnetwächter (54/52) eine näherungsweise flache obere Oberfläche bildet, die kontinuierlich und näherungsweise koplanar mit der oberen Oberfläche (46) der Isolierschicht (36) ist.
  29. Verfahren zum Bilden eines Magnetwächters für eine obere Elektrode in einer magnetischen Direktzugriffspeichervorrichtung (MRAM-Vorrichtung), wobei das Verfahren umfasst: Abscheiden einer Isolierschicht (36) über einer Bitregion (24); Ätzen eines Damaszier-Grabens (38) in die Isolierschicht (36) über der Bitregion (24); Füllen des Grabens (38) mit einem leitenden Material (74) für die obere Elektrode; Planarisieren, um das leitende Material (74) von über der Isolierschicht (36) zu entfernen und das leitende Material (74) in dem Graben (38) zu lassen; gekennzeichnet durch Bilden einer Ausnehmung (82) in einer oberen Oberfläche der leitenden Schicht (74) nach Planarisieren des leitenden Materials (74); Abscheiden eines Magnetmaterials (54) über dem leitenden Material (74) nach Planarisieren des leitenden Materials (74) und nach Bilden der Ausnehmung (82), wobei das Magnetmaterial in direktem Kontakt mit dem leitenden Material (74) gebildet wird; und Abscheiden einer Barriereschicht (52) über dem Magnetmaterial (54).
  30. Verfahren gemäß Anspruch 29, ferner mit selektiven Ätzen des leitenden Materials (74), um die Ausnehmung (82) zu bilden.
  31. Verfahren gemäß Anspruch 30, bei dem das selektive Ätzen nasses Ätzen umfasst.
  32. Verfahren gemäß Anspruch 31, bei dem das selektive Ätzen nasses Ätzen mit einer Lösung aus Eisessigsäure und Salpetersäure in einem Verhältnis von etwa 10:1 (Azetat:Salpeter) umfasst.
  33. Verfahren gemäß Anspruch 30, bei dem das selektive Ätzen selektives Ätzen mit chemisch-mechanischem Polieren umfasst.
  34. Verfahren gemäß Anspruch 29, ferner mit Füllen des Grabens (38) mit Kupfer als das leitende Material.
  35. Verfahren gemäß Anspruch 34, ferner mit Abscheiden einer Kupferkeimschicht mit physikalischer Dampfabscheidung und Elektroplattieren von Kupfer über der Kupferkeimschicht, um den Graben (38) mit Kupfer zu füllen.
  36. Verfahren gemäß Anspruch 29, ferner mit Bilden einer anfänglichen Barriere-Auskleidungsschicht (52) als eine Grabenauskleidung nach Ätzen des Damaszier-Grabens (38) jedoch vor Füllen des Grabens (38) mit leitendem Material (74).
  37. Verfahren gemäß Anspruch 29, ferner mit: Auskleiden des Grabens (38) mit einer Magnetmaterial-Auskleidung (54); und selektives Entfernen der Magnetmaterial-Auskleidung (54) von einem Boden des Grabens (38).
  38. Verfahren gemäß Anspruch 37, bei dem das selektive Entfernen des Magnetmaterials (54) von dem Boden des Grabens (38) ein selektives Ätzen mit einer physikalischen Ätzkomponente umfasst.
  39. Verfahren gemäß Anspruch 38, ferner mit Argon-Ionenstrahlätzen, um selektiv zu ätzen.
  40. Verfahren gemäß Anspruch 38, bei dem das selektive Ätzen von der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Chlor-basierten reaktiven Ionenätzen und einem Flor-basierten reaktiven Ionenätzen besteht.
  41. Verfahren gemäß Anspruch 37, bei dem das Magnetspeicherelement eine mehrschichtige Tunnel-Magnetowiderstandsstruktur (TMR-Struktur) ist.
  42. Verfahren gemäß Anspruch 41, bei dem die TMR-Struktur eine erste ferromagnetische Schicht (30), eine Isolierschicht (32) und eine zweite ferromagnetische Schicht (34) umfasst.
  43. Verfahren gemäß Anspruch 42, bei dem die erste ferromagnetische Schicht (30) eine Reihe von Unterschichten mit Ta/Ni-Fe/Fe-Mn/Ni-Fe aufweist.
  44. Verfahren gemäß Anspruch 42, ferner mit Bilden der Isolierschicht (32) aus Aluminiumoxid.
  45. Verfahren gemäß Anspruch 42, bei dem die zweite ferromagnetische Schicht (34) Unterschichten aus Ni-Fe/Ta umfasst.
  46. Verfahren gemäß Anspruch 37, bei dem das leitende Material (74) Kupfer ist.
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