RU2694289C1 - Method of forming copper distribution with a thick cobalt-containing insert in the structure of devices operating based on magnetic tunnel junction - Google Patents
Method of forming copper distribution with a thick cobalt-containing insert in the structure of devices operating based on magnetic tunnel junction Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694289C1 RU2694289C1 RU2018134305A RU2018134305A RU2694289C1 RU 2694289 C1 RU2694289 C1 RU 2694289C1 RU 2018134305 A RU2018134305 A RU 2018134305A RU 2018134305 A RU2018134305 A RU 2018134305A RU 2694289 C1 RU2694289 C1 RU 2694289C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- cobalt
- deposition
- layer
- groove
- Prior art date
Links
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 113
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 106
- 239000010949 copper Substances 0.000 title claims abstract description 106
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 99
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 title claims abstract description 97
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 97
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 59
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 28
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title abstract description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 54
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 51
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 19
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 32
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 13
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 claims description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 5
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 claims description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 21
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 10
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 abstract description 7
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 6
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 5
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 4
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 238000005289 physical deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/28—Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИTECHNICAL FIELD
Способ формирования медной разводки с толстой кобальтсодержащей вкладкой в структуре устройств, работающих на основе магнитного туннельного перехода, относится к технологиям изготовления полупроводниковых приборов, например, типа MRAM (magneto-resistive random-access memory), магнитных сенсоров и т.п.The method of forming copper wiring with a thick cobalt-containing inlay in the structure of devices operating on the basis of a magnetic tunnel junction relates to the manufacturing techniques of semiconductor devices, for example, the type of MRAM (magneto-resistive random-access memory), magnetic sensors, etc.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Для изготовления некоторых устройств, работающих на основе магнитных туннельных переходов, для переключения направления намагниченности слоя хранения используют силовые линии магнитного поля, формируемые током, проходящим через медные канавки. Силовые линии магнитного поля, возникающего при протекании тока по канавкам, используются для управления работой ячеек магнитно-резистивной оперативной памяти (MRAM) и магнитных сенсоров. Для локализации магнитного поля в ячейке в определенном направлении на боковых стенках медной канавки формируют ферромагнитную вкладку. Ферромагнитная вкладка играет роль экрана (зеркала) для магнитного поля. Благодаря этому, распределение магнитного поля не равномерно вдоль периметра медного проводника, а направлено строго на магнитную ячейку. Локальная направленность позволяет снизить величину тока, протекающего по проводнику, т.к. величина магнитного поля, достаточная для переключения ячейки, в случае с рассеиваемым полем достигается при значительно большей величине тока, чем при локализации магнитного поля отражением с помощью ферромагнитной вкладки. Это в свою очередь значительно снижает тепловую нагрузку и потребление энергии. Выбор кобальта и кобальтсодержащих материалов в качестве ферромагнитного материала, который может быть использован в качестве ферромагнитной вкладки в канавке при формировании разводки, обусловлен тем, что как кобальт, так и кобальтсодержащие материалы, при их использование в качестве ферро-магнитной вкладкй, наиболее эффективно направляют магнитное поле на ячейку.For the manufacture of some devices operating on the basis of magnetic tunnel junctions, the magnetic field lines generated by the current passing through the copper grooves are used to switch the direction of the magnetization of the storage layer. The lines of force of the magnetic field that occurs when current flows through the grooves are used to control the operation of MRAM cells and magnetic sensors. To localize the magnetic field in the cell in a certain direction, a ferromagnetic insert is formed on the side walls of the copper groove. The ferromagnetic tab plays the role of a screen (mirror) for a magnetic field. Due to this, the distribution of the magnetic field is not uniform along the perimeter of the copper conductor, but is directed strictly to the magnetic cell. Local directivity reduces the amount of current flowing through the conductor, because the magnitude of the magnetic field, sufficient to switch the cell, in the case of a scattered field is achieved with a much larger current than with the localization of the magnetic field by reflection using a ferromagnetic insert. This in turn significantly reduces heat load and energy consumption. The choice of cobalt and cobalt-containing materials as a ferromagnetic material, which can be used as a ferromagnetic insert in the groove during wiring formation, is due to the fact that both cobalt and cobalt-containing materials, when used as a ferro-magnetic insert, most effectively direct the magnetic field per cell.
Давно известны стандартные способы формирования медной разводки с кобальтсодержащей вкладкой в структуре устройств, работающих на основе магнитного туннельного перехода, когда используют технологический процесс гальванического осаждения меди для формирования проводящего материала, создающего магнитное поле (описано, например, в заявки США заявке № US20040175845, приоритет 03.03.2003 (https://patents.google.com/patent/US20040175845)). Общими с известным изобретением для формирования разводки являются следующие признаки – формирование канавки, в которой последовательно создаются сначала первый барьерный слой, содержащий Та в пределах канавки, затем поверх него создают затравочный слой меди, на котором путем осаждения формируют слой меди, на который путем электрохимического осаждения наносят слой мягкого магнитного материала с последующим формированием второго барьерного слоя и завершают формированием металлического слоя поверх второго барьерного слоя с последующим удалением первого барьерного слоя, первого затравочного слоя, слоя магнитомягкого материала и металлического слоя за пределами канавки. Поскольку и сам кобальт, и кобальтсодержащие материалы имеют как магнитные, так и барьерные свойства (свойства диффузионного барьера для меди), это позволяет снизить количество формирующих разводку слоев. Таким образом в известном уровне техники и заявленном изобретении при формировании медной разводки с кобальтовой (кобальтсодержащей) вкладкой общими будут лишь признаки, характеризующие часть слоев (их комбинацию), в частности, процесс формирования разводки с кобальтовой вкладкой осуществляют в следующей последовательности. Сначала осуществляют травление канавки в слое оксида кремния на полупроводнике (Фиг. 1), после чего осуществляют осаждение вкладки кобальта. Затем производят осаждение затравочного слоя меди, который становится основой для гальванического осаждения меди (Фиг. 2). Для формирования слоев разводки используют такие методы осаждения как электрохимическое, электролизное осаждение, химическое, физическое осаждение из паровой фазы, осаждение атомных слоев. Из-за особенностей процессов гальванического осаждения меди, образуются дефекты, распределенные по объему нанесенного слоя кобальта, которые могут влиять на конфигурацию силовых линий магнитного поля. При осуществлении гальванического осаждения меди, из-за кислотного состава используемых химических растворов происходит растворение кобальта, образование пустот между медным слоем и оксидом и рост количества дефектов. Standard methods for the formation of copper wiring with a cobalt-containing inlay in the structure of devices operating on the basis of a magnetic tunnel junction, when using a galvanic copper deposition process to form a conductive material that creates a magnetic field (described, for example, in US application number US20040175845, priority 03.03, have long been known .2003 (https://patents.google.com/patent/US20040175845)). Common to the known invention for the formation of the wiring are the following signs - the formation of a groove in which the first barrier layer containing Ta within the groove is sequentially created first, then a copper layer is created on top of it, on which a copper layer is formed on which by electrochemical deposition put a layer of soft magnetic material with the subsequent formation of the second barrier layer and complete the formation of a metal layer on top of the second barrier layer followed by removal of the first barrier layer, the first seed layer, the layer of magnetic material and the metal layer outside the groove. Since both cobalt and cobalt-containing materials have both magnetic and barrier properties (diffusion barrier properties for copper), this reduces the number of wiring layers. Thus, in the prior art and in the claimed invention, when forming copper wiring with a cobalt (cobalt-containing) inset, only signs characterizing part of the layers (their combination) will be common, in particular, the process of forming wiring with a cobalt inset is carried out in the following sequence. First, etching of the groove in the silicon oxide layer on the semiconductor is performed (FIG. 1), followed by deposition of the cobalt insert. Then, a seed layer of copper is deposited, which becomes the basis for the galvanic deposition of copper (Fig. 2). For the formation of layers of wiring using such methods of deposition as electrochemical, electrolysis deposition, chemical, physical deposition from the vapor phase, the deposition of atomic layers. Due to the peculiarities of the galvanic deposition of copper, defects are formed, distributed over the volume of the deposited cobalt layer, which can affect the configuration of the magnetic field lines. When galvanic copper is deposited, due to the acid composition of the chemical solutions used, cobalt dissolves, voids form between the copper layer and the oxide, and the number of defects increases.
Количество дефектов может изменяться при изменении условий технологического процесса, но ни один из известных подходов с использованием метода гальванического осаждения меди и формирования толстой вкладки кобальта для локализации направления магнитного поля в определенном направлении не работает и не позволяет существенно снизить количество дефектов.The number of defects can vary with changing process conditions, but none of the known approaches using the method of electroplating copper and forming a thick cobalt insert to localize the direction of the magnetic field in a certain direction does not work and does not significantly reduce the number of defects.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF INVENTION
Задачей заявленного решения является - снизить количество или вообще исключить формирование дефектов, возникающих в результате коррозии (растворения) кобальта (кобальтсодержащего материала) (300) в процессе гальванического осаждения меди (500) при осуществлении химико-механической полировки (ХМП) меди и кобальта (кобальтсодержащего материала) на поверхности канавки (Фиг. 3) при создании структуры устройства, работающего на основе магнитного туннельного перехода типа MRAM, магнитного сенсора и т.п. The objective of the stated solution is to reduce the number of or eliminate the formation of defects resulting from corrosion (dissolution) of cobalt (cobalt-containing material) (300) in the process of galvanic copper deposition (500) when performing chemical-mechanical polishing (CMP) of copper and cobalt (cobalt-containing material) on the surface of the groove (Fig. 3) when creating the structure of the device operating on the basis of a magnetic tunnel junction of the MRAM type, magnetic sensor, etc.
Техническим результатом изобретения, способ формирования медной разводки с толстой кобальтсодержащей вкладкой в структуре устройств, работающих на основе магнитного туннельного перехода, является устранение вышеописанных дефектов в слое кобальта (кобальтсодержащего материала), которые появляются в результате гальванического осаждения меди и/или после процесса химико-механической полировки структуры медной канавки с кобальтовой (кобальтсодержащей) вкладкой. Установлено, что указанный технический результат можно достичь тремя вариантами осуществления способа.The technical result of the invention, the method of forming copper wiring with a thick cobalt-containing inlay in the structure of devices operating on the basis of a magnetic tunnel junction, is the elimination of the above-described defects in the cobalt layer (cobalt-containing material), which appear as a result of galvanic copper deposition and / or after a chemical-mechanical process polishing the structure of the copper groove with a cobalt (cobalt-containing) tab. It is established that this technical result can be achieved in three variants of the method.
Для достижения технического результата важно удалить кобальт (кобальтсодержащий материал) (300) с поверхности оксида кремния (100) так, чтобы при этом кобальт (кобальтсодержащий материал) и медь оставались только в канавке. Это можно сделать, используя методы химико-механической полировки (ХМП) или травления перед началом процесса гальванического осаждения меди в определенных сочетаниях. Кобальтсодержащая вкладка может содержать материал из группы Co, CoFe, CoхFeуBz (x+y+z=1), CoхFeуBz TakZl (x+y+z+k+l=1), CoхZryTaz (x+y+z=1), CoхFeySiOz (x+y+z=1). Далее для упрощения изложения сущности и осуществления вариантов изобретения будет упоминаться по тексту просто кобальт как равнозначный кобальтсодержащим материалам или кобальтсодержащей вкладке, поскольку с использованием материалов указанной выше группы достигаются аналогичные результаты.To achieve a technical result, it is important to remove cobalt (cobalt-containing material) (300) from the surface of silicon oxide (100) so that at the same time cobalt (cobalt-containing material) and copper remain only in the groove. This can be done using methods of chemical-mechanical polishing (CMP) or etching before the beginning of the process of electroplating copper deposition in certain combinations. Cobalt-containing tab can contain material from the group Co, CoFe, Co x Fe at B z (x + y + z = 1), Co x Fe at B z Ta k Z l (x + y + z + k + l = 1) , Co x Zr y Ta z (x + y + z = 1), Co x Fe y SiO z (x + y + z = 1). Further, to simplify the presentation of the essence and implementation of embodiments of the invention, simply cobalt will be referred to as cobalt-containing materials or cobalt-containing tab, since similar results are achieved using the above-mentioned materials.
Заявленный процесс формирования медной разводки с толстой кобальтсодержащей вкладкой в структуре устройств, работающих на основе магнитного туннельного перехода, характеризуется тем, что может включать в себя технологические этапы в следующей последовательности (Фиг. 4):The claimed process of forming copper wiring with a thick cobalt-containing inset in the structure of devices operating on the basis of a magnetic tunnel junction is characterized by the fact that it may include technological steps in the following sequence (Fig. 4):
- травление канавки в диоксиде кремния (100) на полупроводнике (кремнии); - etching grooves in silicon dioxide (100) on a semiconductor (silicon);
- осаждение кобальтовой вкладки (300);- deposition of cobalt tabs (300);
- осаждение затравочного слоя меди (400), например, методом магнетронного распыления для последующего осаждения меди методом гальванического осаждения. - deposition of the seed layer of copper (400), for example, by the method of magnetron sputtering for the subsequent deposition of copper by the method of galvanic deposition.
По первому варианту изобретения ХМП затравочного слоя меди и кобальта процесс делится на 2 этапа. In the first embodiment of the invention, the CMP seed layer of copper and cobalt process is divided into 2 stages.
На первом этапе после осаждения затравочного слоя меди (400), используя ХМП, полностью удаляют кобальт (300) с верхней поверхности SiO2 (100) (Фиг. 5). После этого осуществляют гальваническое осаждение меди (500) (Фиг. 6). At the first stage, after deposition of a seed layer of copper (400) using CMP, cobalt (300) is completely removed from the upper surface of SiO 2 (100) (Fig. 5). After that, galvanic deposition of copper (500) is carried out (Fig. 6).
На втором этапе осуществляют ХМП путем удаления меди с верхней поверхности канавки и верхней поверхности SiO2 (Фиг. 7).In the second stage, CMP is performed by removing copper from the upper surface of the groove and the upper surface of SiO 2 (Fig. 7).
В результате формируется канавка с медью (медной разводкой) и вкладкой кобальта без дефектов.As a result, a groove with copper (copper wiring) and a cobalt insert without defects is formed.
По второму варианту изобретения кобальтовую вкладку (300) формируют между двумя барьерными слоями Ta(TaN) или Ti(TiN) (200) под затравочным слоем меди (400), а далее осуществляют осаждение меди, методом гальванического осаждения (500) (Фиг. 8). Для этого варианта осуществляется только один процесс ХМП. According to the second variant of the invention, a cobalt insert (300) is formed between two Ta (TaN) or Ti (TiN) barrier layers (200) under a seed layer of copper (400), and then copper is deposited using a galvanic deposition method (500) (Fig. 8). ). For this option, only one CMP process is performed.
В результате формируется канавка с медью (медной разводкой) и вкладкой кобальта без дефектов.As a result, a groove with copper (copper wiring) and a cobalt insert without defects is formed.
По третьему варианту изобретения в начале создают стандартную структуру с канавкой, заполненной кобальтовой вкладкой (300), далее осаждают толстый затравочный слой меди (400), без дальнейшего использования процесса электрохимического осаждения меди. Это означает, что для потенциальной защиты кобальта от коррозии в верхней части стенки канавки дополнительно увеличивают толщину затравочного слоя, при этом, если величина канавки позволяет, толщина затравочного слоя может быть увеличена до толщины более 2000 нм, что фактически и позволяет избежать процесса гальванического осаждения меди (Фиг. 9), использовать для достижения результата только один процесс ХМП, во время которого удаляют медь и кобальт с поверхности оксида кремния, осуществляют формирование канавки с медью (медной разводкой) и вкладкой кобальта без дефектов.According to the third variant of the invention, at the beginning they create a standard structure with a groove filled with a cobalt insert (300), then a thick seed layer of copper (400) is deposited, without further using the process of electrochemical deposition of copper. This means that, in order to potentially protect the cobalt from corrosion in the upper part of the groove wall, the seed layer thickness is additionally increased, and if the groove size allows, the seed layer thickness can be increased to a thickness of more than 2000 nm, which actually avoids the process of galvanic copper deposition. (Fig. 9), to use only one CMP process to achieve the result, during which copper and cobalt are removed from the silicon oxide surface, a groove with copper (copper wiring) is formed and a cobalt tab without defects.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙLIST OF DRAWINGS
Фиг. 1. Схематическое изображение поперечного сечения структуры MRAM при формировании кобальтсодержащей вкладки стандартным способом.FIG. 1. Schematic representation of the cross-sectional structure of the MRAM during the formation of a cobalt-containing tab in the standard way.
Фиг. 2. Схематическое изображение поперечного сечения структуры MRAM, изображенной на фиг. 1, но уже с осажденной медью (500) методом гальванического осаждения.FIG. 2. A schematic cross-section of the MRAM structure shown in FIG. 1, but already with precipitated copper (500) by the method of galvanic deposition.
Фиг. 3. Схематическое изображение поперечного сечения структуры, изображенной на фиг. 2 с кобальтсодержащей вкладкой и удалёнными вследствие химико-механической полировки меди и кобальта с верхней поверхности канавки и SiO2. FIG. 3. A schematic cross-section of the structure shown in FIG. 2 with a cobalt-containing insert and removed due to chemical-mechanical polishing of copper and cobalt from the upper surface of the groove and SiO 2.
Фиг. 4. Схематическое изображение поперечного сечения структуры MRAM с канавкой, заполненной кобальтсодержащей вкладкой, и затравочным слоем меди в начале технологического процесса по первому варианту изобретения.FIG. Fig. 4. Schematic representation of the cross section of an MRAM structure with a groove filled with a cobalt-containing inset and a seed layer of copper at the beginning of the process in the first embodiment of the invention.
Фиг. 5. Первый этап полировки структуры, изображенной на фиг.4, удаление кобальта и затравочного слоя до оксида кремния по первому варианту изобретения.FIG. 5. The first stage of polishing the structure shown in figure 4, the removal of cobalt and the seed layer to silica in the first embodiment of the invention.
Фиг. 6. Гальваническое осаждение меди после первого этапа полировки структуры, изображенной на фиг. 5 по первому варианту изобретения.FIG. 6. Electroplating of copper after the first stage of polishing the structure shown in FIG. 5 in the first embodiment of the invention.
Фиг. 7. Схематическое изображение поперечного сечения структуры MRAM с канавкой, заполненной медью, после второго этапа ХМП по первому варианту изобретения.FIG. 7. Schematic representation of the cross-sectional structure of the MRAM with a groove filled with copper, after the second stage of the CMP according to the first embodiment of the invention.
Фиг. 8. Схематическое изображение поперечного сечения структуры MRAM с канавкой, заполненной кобальтсодержащей вкладкой, заключенной между двумя барьерными слоями Ta(TaN) или Ti(TiN) под затравочным слоем меди, и после гальванического осаждения меди по второму варианту изобретения.FIG. 8. Schematic representation of a cross section of an MRAM structure with a groove filled with a cobalt-containing inset, sandwiched between two Ta (TaN) or Ti (TiN) barrier layers under the seed copper layer, and after galvanic copper deposition of the second embodiment of the invention.
Фиг. 9. Схематическое изображение поперечного сечения структуры MRAM с канавкой, заполненной кобальтсодержащей вкладкой, и толстым затравочным слоем меди, без процесса электрохимического осаждения меди по третьему варианту изобретения. FIG. 9. Schematic representation of a cross section of an MRAM structure with a groove filled with a cobalt-containing insert and a thick seed layer of copper, without an electrochemical copper deposition process according to the third embodiment of the invention.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯEXAMPLES OF IMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Заявленный способ формирования медной разводки с толстой кобальтсодержащей вкладкой в структуре устройств, работающих на основе магнитного туннельного перехода, характеризуется тем, что включает в себя стандартные технологические стадии (могут применяться различные известные стандартные технологические методы формирования слоев и ХМП) в следующей последовательности (Фиг. 4):The claimed method of forming copper wiring with a thick cobalt-containing inlay in the structure of devices operating on the basis of a magnetic tunnel junction is characterized by the fact that it includes standard technological stages (various known standard technological methods of forming layers and CMP can be used) in the following sequence (Fig. 4 ):
- травление канавки, например, методом плазмо–химического травления, в результате чего в объеме SiO2 кремниевой подложки, протравливается канавка глубиной 300-500 нм (100); - etching the groove, for example, by plasma – chemical etching, resulting in a 300–500 nm (100) depth groove in the SiO 2 volume of the silicon substrate;
- осаждение кобальтсодержащей вкладки (300), например, методом магнетронного распыления до достижения толщины слоя 5 – 100 нм (при этом толщина кобальтсодержащего материала на стенках канавки может достигать 5 – 100 нм);- deposition of cobalt-containing inlays (300), for example, by magnetron sputtering until a layer thickness of 5-100 nm is reached (the thickness of the cobalt-containing material on the walls of the groove can reach 5-100 nm);
- осаждение затравочного слоя меди (400), например, методом магнетронного распыления (слой является затравочным для последующего осаждения меди методом гальванического осаждения). - the deposition of the seed layer of copper (400), for example, by the method of magnetron sputtering (the layer is the seed for the subsequent deposition of copper by the method of galvanic deposition).
При осуществлении первого варианта изобретения далее осуществляют ХМП затравочного слоя меди и кобальтсодержащего материала, при этом процесс делится на 2 этапа. When implementing the first embodiment of the invention, the CMP of the seed layer of copper and cobalt-containing material is further carried out, and the process is divided into 2 stages.
На первом этапе после осаждения затравочного слоя меди, используя ХМП, полностью удаляют кобальтсодержащий материал (300) и затравочный слой меди (400) с верхней поверхности канавки (Фиг. 5). При этом слой кобальтсодержащего материала удаляется с верхней поверхности SiO2 и канавки (100) и остается только на боковых стенках канавки. Затем осуществляют гальваническое осаждение меди (500) (Фиг. 6). Кобальтсодержащая вкладка по первому варианту осуществления изобретения может содержать любой материал из группы Co, CoFe, CoхFeуBz (x+y+z=1), CoхFeуBz TakZl (x+y+z+k+l=1), CoхZryTaz (x+y+z=1), CoхFeySiOz (x+y+z=1) с достижением аналогичного результата.At the first stage, after the deposition of a seed layer of copper using CMP, the cobalt-containing material (300) and the seed copper layer (400) are completely removed from the upper surface of the groove (Fig. 5). In this case, the layer of cobalt-containing material is removed from the upper surface of SiO2 and the groove (100) and remains only on the side walls of the groove. Then carry out the galvanic deposition of copper (500) (Fig. 6). The cobalt-containing tab according to the first embodiment of the invention may contain any material from the group Co, CoFe, Co x Fe y B z (x + y + z = 1), Co x Fe y B z Ta k Z l (x + y + z + k + l = 1), Co x Zr y Ta z (x + y + z = 1), Co x Fe y SiO z (x + y + z = 1) with the achievement of a similar result.
На втором этапе ХМП осуществляют удаление меди. (Фиг. 7). At the second stage of the CMP, copper is removed. (Fig. 7).
В результате формируется канавка с медью и вкладкой кобальта без дефектов по первому варианту осуществления изобретения.As a result, a groove is formed with copper and a cobalt insert without defects according to the first embodiment of the invention.
При осуществлении второго варианта изобретения кобальтсодержащую вкладку формируют между барьерными слоями типа Ta/TaN и/или Ti/TiN (200) (в любой последовательности), которые создают на установке для магнетронного распыления, при этом барьерный слой Ta/TaN или Ti/TiN осаждается толщиной от 5 до 25 нм, а кобальтсодержащий материал толщиной от 5 нм до 100 нм (300). После чего тем же способом осаждается затравочный слой меди (400) толщиной от 400 до 700 для последующего гальванического осаждения меди (500). Далее осаждается медь, методом гальванического осаждения.When implementing the second embodiment of the invention, a cobalt-containing inlay is formed between Ta / TaN and / or Ti / TiN (200) barrier layers (in any order) that are created on a magnetron sputtering unit, while the Ta / TaN or Ti / TiN barrier layer is deposited thickness from 5 to 25 nm, and cobalt-containing material thickness from 5 nm to 100 nm (300). After that, the same method precipitates a seed layer of copper (400) with a thickness from 400 to 700 for subsequent galvanic deposition of copper (500). Further copper is precipitated by electroplating.
С помощью процесса ХМП, осуществляют удаление меди. В результате осуществления изобретения по второму варианту формируется канавка, заполненная медью и вкладкой из кобальтсодержащего материала, без дефектов в оксиде кремния (Фиг. 8). Более того, использование структуры слоев по второму варианту обеспечивает дополнительные результаты - лучшую адгезию и взаимную диффузию материалов, что в свою очередь повышает надежность электроснабжения создаваемой структуры. Кобальтсодержащая вкладка по второму варианту осуществления изобретения может содержать любой материал из группы Co, CoFe, CoхFeуBz (x+y+z=1), CoхFeуBz TakZl (x+y+z+k+l=1), CoхZryTaz (x+y+z=1), CoхFeySiOz (x+y+z=1) с достижением аналогичного результата.Using the CMP process, copper removal is performed. As a result of carrying out the invention, according to the second embodiment, a groove is formed, filled with copper and a tab of cobalt-containing material, free of defects in silicon oxide (Fig. 8). Moreover, the use of the structure of the layers according to the second variant provides additional results - better adhesion and interdiffusion of materials, which in turn increases the reliability of power supply of the structure being created. The cobalt-containing tab according to the second embodiment of the invention may contain any material from the group Co, CoFe, Co x Fe y B z (x + y + z = 1), Co x Fe y B z Ta k Z l (x + y + z + k + l = 1), Co x Zr y Ta z (x + y + z = 1), Co x Fe y SiO z (x + y + z = 1) with the achievement of a similar result.
При осуществлении третьего варианта изобретения ХМП затравочного слоя меди и кобальтсодержащего материала процесс ХМП осуществляется за один шаг. В начале ХМП создают стандартную структуру с канавкой глубиной 300-500 нм в объеме SiO2 кремниевой подложки, заполняют ее кобальтсодержащей вкладкой методом магнетронного распыления до достижения толщиной 5 – 100 нм, и осаждают толстый затравочный слой меди методом магнетронного распыления. В верхней части стенки канавки дополнительно возможно увеличение толщины затравочного слоя, при этом, если величина канавки позволяет, толщина затравочного слоя может быть увеличена до толщины порядка 1000 нм и более 2000 нм, что фактически позволяет избежать процесса гальванического осаждения меди (Фиг. 9). После чего получившийся толстый затравочный слой меди (400) и кобальтcсодержащий слой (300) удаляют в процессе ХМП в рамках одного этапа с поверхности SiO2, при этом медь и кобальтсодержащая вкладка остаются только внутри канавки. Благодаря тому, что гальваническое осаждение меди не потребовалось для заполнения канавки, исключается этап гальванического осаждения меди, который является основной причиной возникновения коррозии кобальтсодержащего материала (роста числа дефектов). В результате чего достигается заявленный результат при осуществлении изобретения по третьему варианту. Кобальтсодержащая вкладка по третьему варианту осуществления изобретения может содержать любой материал из группы Co, CoFe, CoхFeуBz (x+y+z=1), CoхFeуBz TakZl (x+y+z+k+l=1), CoхZryTaz (x+y+z=1), CoхFeySiOz (x+y+z=1) с достижением аналогичного результата.When implementing the third embodiment of the invention, the CMP seed layer of copper and cobalt-containing material, the CMP process is carried out in one step. At the beginning of the CMP, a standard structure is created with a groove of 300-500 nm in depth in the SiO 2 volume of the silicon substrate, filled with cobalt-containing inlays by magnetron sputtering until reaching a thickness of 5 - 100 nm, and a thick seed layer of magnetron sputtering is deposited. In the upper part of the groove wall, it is additionally possible to increase the thickness of the seed layer, while if the size of the groove allows, the thickness of the seed layer can be increased to a thickness of about 1000 nm and more than 2000 nm, which actually avoids the process of galvanic copper deposition (Fig. 9). After that, the resulting thick seed layer of copper (400) and the cobalt-containing layer (300) are removed during the CMP process in one step from the SiO 2 surface, while the copper and cobalt-containing insert remain only inside the groove. Due to the fact that galvanic deposition of copper was not required to fill the groove, the stage of galvanic copper deposition, which is the main cause of corrosion of the cobalt-containing material (increase in the number of defects), is excluded. As a result, the claimed result is achieved when carrying out the invention in the third embodiment. The cobalt-containing tab according to the third embodiment of the invention may contain any material from the group Co, CoFe, Co x Fe y B z (x + y + z = 1), Co x Fe y B z Ta k Z l (x + y + z + k + l = 1), Co x Zr y Ta z (x + y + z = 1), Co x Fe y SiO z (x + y + z = 1) with the achievement of a similar result.
Claims (43)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018134305A RU2694289C1 (en) | 2018-09-28 | 2018-09-28 | Method of forming copper distribution with a thick cobalt-containing insert in the structure of devices operating based on magnetic tunnel junction |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018134305A RU2694289C1 (en) | 2018-09-28 | 2018-09-28 | Method of forming copper distribution with a thick cobalt-containing insert in the structure of devices operating based on magnetic tunnel junction |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2694289C1 true RU2694289C1 (en) | 2019-07-11 |
Family
ID=67309085
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018134305A RU2694289C1 (en) | 2018-09-28 | 2018-09-28 | Method of forming copper distribution with a thick cobalt-containing insert in the structure of devices operating based on magnetic tunnel junction |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2694289C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2723233C1 (en) * | 2019-12-26 | 2020-06-09 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Крокус Наноэлектроника" (Ооо "Крокус Наноэлектроника") | Method of forming a fixed distribution of induced magnetic field in a magnetic structure formed in an integrated circuit, and an integrated circuit comprising a magnetic structure |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5695810A (en) * | 1996-11-20 | 1997-12-09 | Cornell Research Foundation, Inc. | Use of cobalt tungsten phosphide as a barrier material for copper metallization |
US6413788B1 (en) * | 2001-02-28 | 2002-07-02 | Micron Technology, Inc. | Keepers for MRAM electrodes |
RU2230391C2 (en) * | 2002-03-21 | 2004-06-10 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Process of manufacture of self-aligned built-in copper metallization of in tegrated circuits |
US20040175845A1 (en) * | 2003-03-03 | 2004-09-09 | Molla Jaynal A. | Method of forming a flux concentrating layer of a magnetic device |
RU2486632C2 (en) * | 2011-07-20 | 2013-06-27 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Method for manufacturing of improved multilevel copper metallisation using dielectrics with ultra low dielectric constant (ultra low-k) |
RU2548523C1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-04-20 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники (АО "НИИМЭ") | Method for manufacturing of multilevel copper metallisation with ultralow value of dielectric constant for intralayer insulation |
US20170243830A1 (en) * | 2015-12-14 | 2017-08-24 | International Business Machines Corporation | Semiconductor device interconnect structures formed by metal reflow process |
-
2018
- 2018-09-28 RU RU2018134305A patent/RU2694289C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5695810A (en) * | 1996-11-20 | 1997-12-09 | Cornell Research Foundation, Inc. | Use of cobalt tungsten phosphide as a barrier material for copper metallization |
US6413788B1 (en) * | 2001-02-28 | 2002-07-02 | Micron Technology, Inc. | Keepers for MRAM electrodes |
RU2230391C2 (en) * | 2002-03-21 | 2004-06-10 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Process of manufacture of self-aligned built-in copper metallization of in tegrated circuits |
US20040175845A1 (en) * | 2003-03-03 | 2004-09-09 | Molla Jaynal A. | Method of forming a flux concentrating layer of a magnetic device |
RU2486632C2 (en) * | 2011-07-20 | 2013-06-27 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Method for manufacturing of improved multilevel copper metallisation using dielectrics with ultra low dielectric constant (ultra low-k) |
RU2548523C1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-04-20 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники (АО "НИИМЭ") | Method for manufacturing of multilevel copper metallisation with ultralow value of dielectric constant for intralayer insulation |
US20170243830A1 (en) * | 2015-12-14 | 2017-08-24 | International Business Machines Corporation | Semiconductor device interconnect structures formed by metal reflow process |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2723233C1 (en) * | 2019-12-26 | 2020-06-09 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Крокус Наноэлектроника" (Ооо "Крокус Наноэлектроника") | Method of forming a fixed distribution of induced magnetic field in a magnetic structure formed in an integrated circuit, and an integrated circuit comprising a magnetic structure |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11631806B2 (en) | Method of integration of a magnetoresistive structure | |
TWI282162B (en) | Magnetic yoke structures in MRAM devices to reduce programming power consumption and a method to make the same | |
US7033881B2 (en) | Method for fabricating magnetic field concentrators as liners around conductive wires in microelectronic devices | |
WO2011049623A1 (en) | A novel bit line preparation method in mram fabrication | |
JPWO2013027406A1 (en) | Magnetoresistive element manufacturing method and magnetoresistive film processing method | |
CN110050355A (en) | Reluctance machine and its method | |
JP2006508544A (en) | Magnetoelectronic device and method for forming the same | |
CN101640183A (en) | Method for forming integrated circuit structure | |
EP1807864A2 (en) | Magnetoresistive random access memory device structures and methods for fabricating the same | |
TWI392013B (en) | Dry etching method and manufacturing method of magnetic memory device | |
WO2022021619A1 (en) | Manufacturing method for memory cell and manufacturing method for mram | |
CN101510525B (en) | Method of formation for integrated circuit structure | |
RU2694289C1 (en) | Method of forming copper distribution with a thick cobalt-containing insert in the structure of devices operating based on magnetic tunnel junction | |
CN109545744B (en) | Method for manufacturing magnetic random access memory unit array and peripheral circuit connecting line | |
KR20150126358A (en) | Planarization method, substrate treatment system, mram manufacturing method, and mram element | |
CN107527994A (en) | A kind of MTJ bilayer side wall and forming method thereof | |
US20190207106A1 (en) | Method for manufacturing high density magnetic random access memory devices using diamond like carbon hard mask | |
US20190392879A1 (en) | MAGNETIC MEMORY ELEMENT HAVING MgO ISOLATION LAYER | |
US7334317B2 (en) | Method of forming magnetoresistive junctions in manufacturing MRAM cells | |
RU2723233C1 (en) | Method of forming a fixed distribution of induced magnetic field in a magnetic structure formed in an integrated circuit, and an integrated circuit comprising a magnetic structure | |
TW202025526A (en) | Methods to form top contact to a magnetic tunnel junction | |
CN112086555B (en) | Method for preparing magnetic tunnel junction cell array | |
CN109524406A (en) | A kind of forming method of embedded flash memory structure | |
TWI469219B (en) | A method for reducing a roughness of a surface of a metal thin film | |
JP2016181682A (en) | Method of protecting top surface of layer in semiconductor structure |