JP2022502844A - 磁気トンネル接合部への上部接点を形成する方法 - Google Patents

Abstract

本開示の実施形態は、メモリデバイスにおいて使用される構造体を製作するための方法に関する。より具体的には、本開示の実施形態は、メモリデバイスにおいてＭＴＪ構造体を製作するための方法に関する。一実施形態では、該方法は、ＭＴＪ構造体を形成することと、ＭＴＪ構造体の上部及び側部へ封入層を堆積させることと、封入層上に誘電体材料を堆積させることと、化学機械平坦化（ＣＭＰ）プロセスによって、ＭＴＪ構造体の上部に配置された誘電体材料及び封入層を除去して、ＭＴＪ構造体の上部を露出させることと、ＭＴＪ構造体上に接触層を堆積させることを含む。該方法は、エッチングプロセスの代わりにＣＭＰプロセスを利用して、ＭＴＪ構造体の上部を露出させる。これにより、ＭＴＪ構造体の損傷を回避し、ＭＴＪ構造体と接触層との間の電気的接触を改善するようになる。【選択図】図１

Description

［０００１］本開示の実施形態は、メモリデバイスにおいて使用される構造体を製造するための方法に関する。より具体的には、本開示の実施形態は、メモリデバイスにおいて磁気トンネル接合構造体を製造するための方法に関する。

［０００２］磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（magnetoresistive random access memory：ＭＲＡＭ）は、電子電荷の代わりに抵抗値を用いてデータを記憶するＭＲＡＭセルのアレイを含むメモリデバイスの一種である。概して、各ＭＲＡＭセルは、磁気トンネル接合（magnetic tunnel junction：ＭＴＪ）構造体を含む。ＭＴＪ構造体は、論理状態「０」又は「１」を表すために調節可能な抵抗を有し得る。ＭＴＪ構造体は、通常、薄い非磁性層（例えば、トンネルバリア層）によって分離された２つの強磁性層を含む。上部接触層及び底部接触層を利用して、ＭＴＪ構造体を挟み、これにより、電流がＭＴＪ構造体を通して流れ得る。

［０００３］ＭＴＪ構造体の層は、通常、上位のブランケット膜として連続的に堆積される。様々なエッチングプロセスによって層が連続的にパターニングされる。この様々なエッチングプロセスでは、ＭＴＪ構造体を形成するために、１つ以上の層が部分的に又は全体的に除去される。しかしながら、エッチングプロセスがＭＴＪ構造体を損傷する場合があり、上部電極への電気接触が悪くなる恐れがある。

［０００４］したがって、ＭＴＪ構造を形成するための改善された方法が必要とされている。

［０００５］本開示の実施形態は、メモリデバイスにおいて使用される構造体を製作するための方法に関する。より具体的には、本開示の実施形態は、メモリデバイスにおいてＭＴＪ構造を製作するための方法に関する。一実施形態では、該方法は、第１の接触層上に磁気トンネル接合構造体を形成することと、磁気トンネル接合構造体の上部及び側部へ封入層を堆積させることと、化学機械平坦化プロセスによって、磁気トンネル接合の上部に配置された封入層を除去して、磁気トンネル接合構造体の上部を露出させることと、磁気トンネル接合構造体上に第２の接触層を堆積させることを含む。

［０００６］別の実施形態では、該方法は、第１の接触層上に磁気トンネル接合構造体を形成することと、磁気トンネル接合構造体の上部及び側部へ封入層を堆積させることと、封入層上に誘電体材料を堆積させることと、化学機械平坦化プロセスによって、磁気トンネル接合の上部に配置された誘電体材料及び封入層を除去して、磁気トンネル接合構造体の上部を露出させることと、磁気トンネル接合構造体上に第２の接触層を堆積させることを含む。

［０００７］別の実施形態では、該方法は、第１の接触層上に磁気トンネル接合構造体を形成することと、磁気トンネル接合構造体の上部及び側部へ封入層を堆積させることであって、封入層が、窒化炭化ケイ素を含む、封入層を堆積させることと、封入層上に誘電体材料を堆積させることと、誘電体材料の一部及び封入層の一部を除去して、ビア及びビア上のトレンチを形成することであって、磁気トンネル接合構造体の上部が露出させられる、ビア及びビア上のトレンチを形成すること、トレンチ及びビアにおいて第２の接触層を堆積させることを含む。

［０００８］本開示の上述の特徴を詳細に理解することができるように、上記で簡単に要約された本開示のより具体的な説明は、実施形態を参照することによって、得ることができる。そのうちの幾つかの実施形態は添付の図面で例示されている。しかし、添付図面は例示的な実施形態のみを示すものであり、したがって、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、その他の等しく有効な実施形態も許容され得ることに留意されたい。

構造体を形成するための方法のフロー図である。 図１の方法の様々な段階における構造体の概略断面図を示す。 構造体を形成するための方法のフロー図である。 図３の方法の様々な段階における構造体の概略断面図を示す。

［００１３］理解を容易にするために、可能な場合には、図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号が使用された。ある実施形態の要素及び特徴は、さらなる記述がなくても、他の実施形態に有益に組み込むことができると考えられている。

［００１４］本開示の実施形態は、メモリデバイスにおいて使用される構造体を製作するための方法に関する。より具体的には、本開示の実施形態は、メモリデバイスにおいてＭＴＪ構造体を製作するための方法に関する。一実施形態では、該方法は、ＭＴＪ構造体を形成することと、ＭＴＪ構造体の上部及び側部へ封入層を堆積させることと、封入層上に誘電体材料を堆積させることと、化学機械平坦化（ＣＭＰ）プロセスによって、ＭＴＪ構造体の上部に配置された誘電体材料及び封入層を除去して、ＭＴＪ構造体の上部を露出させることと、ＭＴＪ構造体上に接触層を堆積させることを含む。該方法は、エッチングプロセスの代わりにＣＭＰプロセスを利用して、ＭＴＪ構造体の上部を露出させる。これにより、ＭＴＪ構造体の損傷を回避し、ＭＴＪ構造体と接触層との間の電気的接触を改善するようになる。

［００１５］図１は、構造体２００を形成するための方法１００のフロー図である。図２Ａから図２Ｅは、図１の方法１００の種々の段階における構造体２００の概略断面図を示す。方法１００は、動作１０２で開始する。動作１０２では、図２Ａに示されるように、ＭＴＪ構造体２０４を形成する。ＭＴＪ構造体２０４は、接触層２０２上に形成される。接触層２０２は、金属などの導電性材料から製作される。例えば、接触層２０２は、銅、コバルト、タングステン、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、窒化タングステン、又は他の適切な材料から製作される。ＭＴＪ構造体２０４は、第１の磁性層２０６、第１の磁性層２０６の上に配置された非磁性層２０８、非磁性層２０８の上に配置された第２の磁性層２１０、及び第２の磁性層２１０の上に配置されたキャップ層２１２を含む。第１の磁性層２０６及び第２の磁性層２１０は、ドーパント（例えば、ホウ素ドーパント、酸素ドーパント、又は他の適切な材料）を有する金属合金などの強磁性材料から製作される。金属合金は、ニッケル含有材料、プラチナ含有材料、Ｒｕ含有材料、コバルト含有材料、タンタル含有材料、及びパラジウム含有材料であってもよい。強磁性材料の適切な例としては、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｐｔ、ＴａＮ、ＮｉＦｅＯｘ、ＮｉＦｅＢ、ＣｏＦｅＯｘＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＮｉＯｘＢ、ＣｏＢＯｘ、ＦｅＢＯｘ、ＣｏＦｅＮｉＢ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ、ＴａＯｘ等が含まれる。非磁性層２０８は、トンネル接合磁気抵抗（tunnel junction magnetoresistive：ＴＭＲ）センサ用の誘電体材料から、又は巨大磁気抵抗（giant magnetoresistive：ＧＭＲ）センサ用の導電性材料から製作されてもよい。ＭＴＪ構造体２０４がＴＭＲセンサである場合、非磁性層２０８は、ＭｇＯ、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、又は他の適切な材料から製作される。ＭＴＪ構造体２０４がＧＭＲセンサである場合、非磁性層２０８は、銅、銀、モリブデン、タンタル、タングステン、又は他の適切な材料から製作される。キャップ層２１２は、ルテニウム、イリジウム、タンタル、タングステン、チタン、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタン、酸化マグネシウム、又は他の適切な材料から製作されてもよい。

［００１６］ＭＴＪ構造体２０４の層２０６、２０８、２１０、２１２は、接触層２０２上に連続的にブランケット堆積され、その後、１つ又は複数のエッチングプロセスによってパターニングされ得る。堆積プロセスは、任意の適切なプロセス（例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセス、及び／又は物理的気相堆積（ＰＶＤ）プロセス）であってもよい。エッチングプロセスは、反応性イオンエッチング（reactive ion etching：ＲＩＥ）プロセスのような任意の適切なエッチングプロセスであってもよい。

［００１７］次に、動作１０４では、図２Ｂに示すように、ＭＴＪ構造体２０４の上部２１３及び側部２１５に封入層２１４を堆積させる。封入層２１４は、誘電体材料から製造される。封入層２１４は、窒素含有材料、炭素含有材料、又は酸化物含有材料から製作され得る。封入層２１４を形成する適切な例示的な材料には、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、窒化ケイ素（ＳｉＣＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、アモルファスカーボン、オキシ炭化ケイ素（ＳｉＯＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が含まれる。封入層２１４は、原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスによって形成されてもよく、封入層２１４は、共形層であってもよい。

［００１８］次に、動作１０６では、図２Ｃに示されるように、誘電体材料２１６を封入層２１４上に堆積させる。誘電体材料２１６は、層間誘電体（inter-layer dielectric：ＩＬＤ）であってもよく、酸化ケイ素などの酸化物から製作されてもよい。動作１０８では、図２Ｄに示されるように、ＭＴＪ構造体２０４の上部２１３に配置された誘電体材料２１６の一部及びＭＴＪ構造体２０４の上部２１３に配置された封入層２１４の一部が、ＣＭＰプロセスによって除去され、ＭＴＪ構造体２０４の上部２１３が露出する。ＭＴＪ構造体２０４の側部２１５は、封入層２１４によって覆われたままである。ＭＴＪ構造体２０４を露出させるために利用される従来のエッチングプロセスとは異なり、ＣＭＰプロセスは、ＭＴＪ構造体２０４の損傷を回避し、ＭＴＪ構造体２０４と接触層２１８との間の電気的接触を改善するようになる（図２Ｅ参照）。

［００１９］次に、動作１１０では、図２Ｅに示されるように、接触層２１８が、ＭＴＪ構造体２０４の上部２１３に堆積される。接触層２１８は、接触層２０２と同じ材料から製作されてもよい。接触層２１８は、封入層２１４及び誘電体材料２１６上に配置されてもよい。接触層２１８は、最初にブランケット堆積され、その後、エッチングプロセスによってパターニングされ得る。

［００２０］図３は、構造体４００を形成するための方法３００のフロー図である。図４Ａから図４Ｅは、図３の方法３００の様々な段階における構造体４００の概略断面図を示す。方法３００は、動作３０２で開始する。動作３０２では、図４Ａに示されるように、ＭＴＪ構造体４０４を形成する。ＭＴＪ構造体４０４は、接触層４０２上に形成される。接触層４０２は、金属などの導電性材料から製作される。接触層４０２は、図２Ａに示す接触層２０２と同じ材料から製作されてもよい。ＭＴＪ構造体４０４は、第１の磁性層４０６、第１の磁性層４０６の上に配置された非磁性層４０８、非磁性層４０８の上に配置された第２の磁性層４１０、及び第２の磁性層４１０の上に配置されたキャップ層４１２を含む。第１の磁性層４０６及び第２の磁性層４１０は、ドーパント（例えば、ホウ素ドーパント、酸素ドーパント、又は他の適切な材料）を有する金属合金などの強磁性材料から製作される。金属合金は、ニッケル含有材料、プラチナ含有材料、Ｒｕ含有材料、コバルト含有材料、タンタル含有材料、及びパラジウム含有材料であってもよい。強磁性材料の適切な例としては、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｐｔ、ＴａＮ、ＮｉＦｅＯｘ、ＮｉＦｅＢ、ＣｏＦｅＯｘＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＮｉＯｘＢ、ＣｏＢＯｘ、ＦｅＢＯｘ、ＣｏＦｅＮｉＢ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ、ＴａＯｘ等が含まれる。非磁性層４０８は、ＴＭＲセンサ用の誘電体材料から、又はＧＭＲセンサ用の導電性材料から製作されてもよい。ＭＴＪ構造体４０４がＴＭＲセンサである場合、非磁性層４０８は、ＭｇＯ、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、又は他の適切な材料から製作される。ＭＴＪ構造体４０４がＧＭＲセンサである場合、非磁性層４０８は、銅、銀、モリブデン、タンタル、タングステン、又は他の適切な材料から製作される。キャップ層４１２は、ルテニウム、イリジウム、タンタル、タングステン、チタン、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタン、酸化マグネシウム、又は他の適切な材料から製作されてもよい。

［００２１］ＭＴＪ構造４０４の層４０６、４０８、４１０、４１２は、接触層４０２に連続的にブランケット堆積され、その後、１つ又は複数のエッチングプロセスによってパターニングされ得る。堆積プロセスは、ＣＶＤプロセス、ＰＥＣＶＤプロセス、及び／又はＰＶＤプロセスなどの任意の適切なプロセスであってもよい。エッチングプロセスは、ＲＩＥプロセスのような任意の適切なエッチングプロセスであってもよい。

［００２２］次に、動作３０４では、図４Ｂに示すように、ＭＴＪ構造体４０４の上面４１３及び側面４１５上に封入層４１４を堆積させる。封入層４１４は、誘電体材料４１６に対して優れたエッチング選択性を有する誘電体材料から製作される（図４Ｃ）。一実施形態では、封入層４１４は、ＳｉＣＮから製作される。封入層４１４は、原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスによって形成されてもよく、封入層４１４は、共形層であってもよい。

［００２３］次に、動作３０６では、図４Ｃに示されるように、誘電体材料４１６を封入層４１４上に堆積する。誘電体材料４１６は、ＩＬＤであってもよく、酸化ケイ素などの酸化物から製作されてもよい。誘電体材料４１６は、ＣＭＰプロセスによって平坦化され得る。動作３０８では、図４Ｄに示されるように、ＭＴＪ構造体４０４の上部４１３に配置され、ＭＴＪ構造体４０４の側部４１５を囲む誘電体材料４１６の一部は、１つ又は複数のエッチングプロセスによって除去される。１つ又は複数のエッチングプロセスは、さらにＭＴＪ構造体４０４の上部４１３に配置された封入層４１４の一部を除去し、ＭＴＪ構造体４０４の上部４１３が露出される。一実施形態では、単一のエッチングプロセスを実行して、誘電体材料４１６の一部及び封入層４１４の一部を除去し、開口４１８を形成する。別の実施形態では、図４Ｄに示されるように、ビア４２０を形成する第１のエッチングプロセス、及びビア４２０上にトレンチ４２２を形成する第２のエッチングプロセスを含むデュアルダマシンプロセス（dual damascene process）が行われる。ＭＴＪ構造体４０４の側部４１５は、封入層４１４によって覆われたままである。封入層４１４が、誘電体材料４１６に対して優れたエッチング選択性を有する（すなわち、誘電体材料４１６と比べて遙かに遅いエッチング速度を有する）誘電体材料から製作されるので、ＭＴＪ構造体４０４は、誘電体材料４１６のエッチングの間に損傷を受けない。

［００２４］次に、動作３１０では、図４Ｅに示されるように、接触層４２４を、開口４１８（又はビア４２０及びトレンチ４２２）内に、且つＭＴＪ構造体４０４の上部４１３に堆積させる。接触層４２４は、接触層４０２と同じ材料から製作されてもよい。接触層４２４は、電気化学めっき（Electrochemical Plating：ＥＳＣ）プロセスによって形成され得る。接触層４２４は、誘電体材料４１６と同一平面上にあるように、ＣＭＰプロセスによって平坦化されてもよい。

［００２５］ＭＴＪ構造体を露出するためにＣＭＰプロセスを用いることにより、ＭＴＪ構造体は損傷を受けない。代替的に、封入層として層間誘電体に対して優れたエッチング選択性を有する材料を使用することによって、エッチングプロセスでＭＴＪ構造体を露出させるために層間誘電体を除去しても、ＭＴＪ構造体は損傷を受けない。

［００２６］上記は、本開示の実施形態を対象としているが、本開示の他の実施形態及びさらなる実施形態は、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく考案されてもよい。本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

1. 第１の接触層上に磁気トンネル接合構造体を形成することと、
   前記磁気トンネル接合構造体の上部及び側部へ封入層を堆積させることと、
   化学機械平坦化プロセスによって、前記磁気トンネル接合の前記上部に配置された前記封入層を除去して、前記磁気トンネル接合構造体の前記上部を露出させることと、
   前記磁気トンネル接合構造体上に第２の接触層を堆積させること
   を含む方法。
2. 前記磁気トンネル接合構造体が、第１の磁性層、第２の磁性層、及び前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された非磁性層を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記磁気トンネル接合が、前記第２の磁性層上に配置されたキャップ層をさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記封入層が、窒化ケイ素、窒化炭化ケイ素、二酸化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、炭化ケイ素、アモルファスカーボン、オキシ炭化ケイ素、酸化アルミニウム、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記第２の接触層が、銅、コバルト、タングステン、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、又は窒化タングステンを含む、請求項１に記載の方法。
6. 第１の接触層上に磁気トンネル接合構造体を形成することと、
   前記磁気トンネル接合構造体の上部及び側部へ封入層を堆積させることと、
   前記封入層上に誘電体材料を堆積させることと、
   化学機械平坦化プロセスによって、前記磁気トンネル接合の前記上部に配置された前記誘電体材料及び前記封入層を除去して、前記磁気トンネル接合構造体の前記上部を露出させることと、
   前記磁気トンネル接合構造体上に第２の接触層を堆積させること
   を含む方法。
7. 前記磁気トンネル接合構造体が、第１の磁性層、第２の磁性層、及び前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された非磁性層を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記非磁性層が、ＭｇＯ、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、又はＡｌ_２Ｏ_３を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記非磁性層が、銅、銀、モリブデン、タンタル、又はタングステンを含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記磁気トンネル接合が、前記第２の磁性層上に配置されたキャップ層をさらに含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記キャップ層が、ルテニウム、イリジウム、タンタル、タングステン、チタン、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタン、又は酸化マグネシウムを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記封入層が、窒化ケイ素、窒化炭化ケイ素、二酸化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、炭化ケイ素、アモルファスカーボン、オキシ炭化ケイ素、酸化アルミニウム、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む、請求項６に記載の方法。
13. 前記誘電体材料が、酸化物を含む、請求項６に記載の方法。
14. 第１の接触層上に磁気トンネル接合構造体を形成することと、
    前記磁気トンネル接合構造体の上部及び側部へ封入層を堆積させることであって、当該封入層が、窒化炭化ケイ素を含む、封入層を堆積させることと、
    前記封入層上に誘電体材料を堆積させることと、
    前記誘電体材料の一部及び前記封入層の一部を除去して、ビア及び前記ビア上のトレンチを形成することであって、前記磁気トンネル接合構造体の前記上部が露出させられる、ビア及び前記ビア上のトレンチを形成すること
    前記トレンチ及び前記ビアにおいて第２の接触層を堆積させること
    を含む方法。
15. 前記磁気トンネル接合構造体が、第１の磁性層、第２の磁性層、及び前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された非磁性層を含む、請求項１４に記載の方法。

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