TWI742523B - 形成用於沉積磁穿隧接面的極平滑底電極表面的方法及包含磁穿隧接面的結構 - Google Patents
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Abstract
提供一種處理序列以提供用於在其上沉積磁穿隧接面的極平滑(0.2nm或更小)底電極表面。在一具體例中，此序列包括透過容積層沉積接著圖案化並蝕刻而形成底電極墊。氧化物接著沉積在形成的底電極墊上方且被向後研磨以暴露底電極墊。接在預清洗操作後，底電極拋光層接著沉積在其上方。底電極拋光層接著暴露於CMP處理以改良表面粗糙度。接著在底電極拋光層上方執行MTJ沉積。
Description
本文揭示的具體例係關於形成磁穿隧接面，與更明確地關於形成用於在其上沉積磁穿隧接面的極平滑底電極表面。
磁穿隧接面(MTJ)堆疊通常沉積在底電極上方。習知序列包括使用鑲嵌(damascene)處理在底部通孔上方形成底電極。氧化物沉積在底部通孔上方，接著被圖案化以形成用於底電極的開口。接著在開口中沉積金屬以形成底電極。使用化學機械研磨(CMP)以研磨底電極的上表面向後至氧化物的上表面。底電極修整(touch-up)層接著沉積在底電極與氧化物上方並且被研磨。
鑲嵌處理的一個問題是當使用CMP研磨底電極材料時形成的步驟。在氧化物與底電極界面處的此步驟對於MTJ的效能是不利的。此外，底電極修整層必須沉積為相較於所期望的更大的厚度以容納控制此層的CMP的困
難。底電極修整層的增加厚度同時不利地影響用於形成MTJ的蝕刻處理。再者，底電極修整層的增加厚度要求MTJ尺寸需要為大於底電極墊，以避免在MTJ蝕刻期間之底電極材料的過量暴露。
因此，有著對於形成用於在其上沉積MTJ的極平滑底電極表面的處理的需求。
提供一種處理序列以提供用於在其上沉積磁穿隧接面的極平滑(0.2奈米(nm)或更小)底電極表面。在一具體例中，此序列包括透過容積層沉積接著圖案化並蝕刻而形成底電極墊。氧化物接著沉積在形成的底電極墊上方且被向後研磨以暴露底電極墊。接在預清洗操作後，底電極拋光層(buff layer)接著沉積在其上方。底電極拋光層接著暴露於CMP處理以改良表面粗糙度。接著在底電極拋光層上方執行MTJ沉積。
在另一具體例中，揭示一種形成MTJ結構的方法，其中MTJ結構尺寸是小於、等於或大於底電極墊的尺寸。
在又另一具體例中，揭示一種結構，此結構包括具有複數個導電通孔於其上的基板、安置於複數個導電通孔上方的複數個底電極墊、安置於複數個底電極墊之間的介電材料、安置於複數個底電極墊與介電材料上方的底電極拋光層、及安置於複數個底電極墊的一個或多個的上方的複數個MTJ結構。
提供一種處理序列以提供用於在其上沉積磁穿隧接面的極平滑(0.2 nm或更小)底電極表面。在一具體例中，此序列包括透過容積層沉積接著圖案化並蝕刻而形成底電極墊。氧化物接著沉積在形成的底電極墊上方且被向後研磨以暴露底電極墊。接在預清洗操作後，底電極拋光層接著沉積在其上方。底電極拋光層接著暴露於CMP處理以改良表面粗糙度。接著在底電極拋光層上方執行MTJ沉積。
在一具體例中，用於形成具有極平滑底電極表面的底電極的處理流程100被提供並顯示在圖1中。處理流程100開始於操作110，在具有導電通孔形成於其上的基板上，沉積耐火金屬的毯覆層。接著，操作120包括圖案化並蝕刻耐火金屬層，以形成一或多個底電極墊。在操作130處，介電材料接著沉積在一或多個底電極墊上方。在操作140處，化學機械研磨介電材料，以暴露一或多個底電極墊。在操作150處，底電極拋光層沉積在介電材料與暴露的一或多個底電極墊上方。最後，在操作160處，化學機械研磨底電極拋光層。
在另一具體例中，用於形成具有極平滑底電極表面的底電極的處理流程200被提供並顯示在圖2中。在操作210處，具有銅或其他導電材料的通孔形成於其上的進入的基板被引導進入此處理流程。在操作220處，諸如耐火金屬或金屬氮化物的導電材料的毯覆沉積形成在銅通孔上方。耐火金屬或金屬氮化物可選自鉭、氮化鉭、鎢、氮化鎢、或前述物的組合。諸如鈦或氮化鈦的其他金屬或金屬氮化物可被沉積及以耐火金屬或金屬氮化物覆蓋。在操作230處，毯覆層接著被圖案化與蝕刻以形成底電極墊。在操作240處，氧化物或其他介電材料接著沉積在底電極上方。在操作250處，接在氧化物沉積後，使用CMP研磨氧化物至停止於底電極之上。在操作260處，接在預清洗操作後，諸如耐火金屬或金屬氮化物的導電材料的底電極拋光層接著沉積在暴露的底電極墊與氧化物之上。耐火金屬或金屬氮化物可選自鉭、氮化鉭、鎢、氮化鎢、或前述物的組合。接著，在操作270處，使用CMP研磨底電極拋光層，以增加遍布底電極墊表面的均勻度及降低來自於結構的底部的粗糙物。在操作280處，接著執行MTJ沉積序列以在其上形成MTJ堆疊。
本文揭示的形成磁穿隧接面(MTJ)結構的方法提供MTJ結構的形成，其中MTJ尺寸是小於、等於或大於底電極墊的尺寸。
圖3是繪示根據本文揭示的處理序列的一具體例形成的結構300(諸如具有記憶體部分314與邏輯部分316的記憶體裝置)的剖面視圖。本發明的處理序列的一實例包括在基板上方做為底電極墊304與底電極拋光層308的氮化鉭的沉積，此基板具有在其上的導電材料的通孔302。較佳地使用物理氣相沉積而沉積氮化鉭。可調整氮氣氣流以達成接近1：1的化學計量比。例如，在物理氣相沉積期間，藉由增加氮氣流動，可達成此期望的化學計量比。做為一實例，可藉由帶有氮氣氣流的鉭靶材的反應性濺射而沉積氮化鉭層。可使用的範例沉積系統是在Endura®處理平台上的EnCoRe II Ta(N)腔室，其可從位於加州聖克拉拉的應用材料公司獲得。當化學計量比接近1：1，經沉積的表面粗糙度已經顯示出改良。例如，當化學計量比接近1：1，可達成經沉積的低於約0.75 nm的表面粗糙度。使用低向下力CMP處理可改良氮化鉭層的表面粗糙度。例如，接在CMP處理之後，其中施加約每平方英吋1磅(1 psi)的向下力，可達成小於0.2 nm的表面粗糙度。從約1 psi的低向下力至達到約3 psi的高向下力的CMP處理可達成良好成果。可執行根據本文揭示的態樣的CMP處理，藉由使用在Reflexion® LK Prime處理系統上的氧化鈰系漿料，其可從位於加州聖克拉拉的應用材料公司獲得。
此外，具有接近1：1的化學計量比的氮化鉭的電阻展示出約6至7歐姆/平方(ohms/sq)之間的低電阻。此外，沉積在氮化鉭層上的MTJ堆疊310展示出相較於沉積在具有較低化學計量比的氮化鉭層上的MTJ堆疊更高的穿隧磁阻(TMR)。
在圖2所示的序列中，毯覆氮化鉭層被沉積，然後圖案化與蝕刻以形成底電極墊304。可執行氮化鉭蝕刻，藉由使用在Centura®平台上的AdvantEdge Mesa腔室上的氯(Cl2
)系蝕刻化學品，其可從位於加州聖克拉拉的應用材料公司獲得。諸如氧化矽的氧化物306或其他介電材料接著沉積在形成的底電極墊304上方，並使用高向下力CMP處理(例如約3 psi)被研磨。可沉積氧化矽，藉由使用Producer® PECVD系統上的四乙氧基矽烷(TEOS)系或矽烷系化學品，其可從位於加州聖克拉拉的應用材料公司獲得。對於使用氧化鈰系漿料的高與低向下力CMP處理兩者，達成超過100：1的氧化物對氮化鉭選擇性。為了改善產量，可使用諸如3 psi的高向下力以將氧化物306向後研磨至底電極墊304。此選擇性提供在底電極墊上可預測的停止點，造成較少的凹陷或階梯形成。從0.1 psi至5 psi的研磨頭向下力壓強可被使用用於氧化物移除。期望1500 Å/分或更大的移除速率以改善產量。
接在CMP處理後以移除過量氧化物並暴露底電極墊304，接在預清洗操作後，接著沉積氮化鉭底電極拋光層308。諸如氬(Ar)系電漿處理的預清洗操作可執行在Endura®平台上的PC XT腔室上，其可從位於加州聖克拉拉的應用材料公司獲得。底電極拋光層308可沉積至約2與約10 nm之間的厚度。一旦底電極拋光層308被沉積，底電極拋光層308經受CMP處理以移除在其表面上的任何粗糙物(尖銳特徵或其他不連續物)。CMP處理較佳為使用在Reflexion® LK Prime處理系統上的氧化鈰系漿料而執行的約1 psi或更小的低向下力CMP處理。可使用約10 RPM與約300 RPM之間的頭旋轉與約10 RPM與約300 RPM之間的平台旋轉以達成非對稱表現以及平坦化。可執行墊調整以提供速率穩定性與良好缺陷(刮痕)表現於2至11磅(lbs)。為了消耗品成本(cost-of-consumables(CoC))以及起始速率提升，可使用在約50毫升/分至約500毫升/分之間的漿料流動。可執行持續約10秒至約120秒之間的墊/晶圓清洗用於缺陷減少。MTJ堆疊310接著沉積在底電極墊304與底電極拋光層308上方，並進一步處理以在底電極墊304上方形成一或多個MTJ裝置(如圖示的312A、312B兩個)。
因此，結構300包括具有在其上的複數個導電通孔302的基板、安置在複數個導電通孔302上方的複數個底電極墊304、氧化物306或其他介電材料安置在複數個底電極墊304之間、安置在複數個底電極墊304與氧化物306上方的底電極拋光層308、及安置在複數個底電極墊304的一或多個上方的複數個MTJ結構312A、312B，如圖3所示。各MTJ結構的尺寸可大於、等於或小於各底電極墊304的尺寸。如圖3所示，第一MTJ結構312A大於底電極墊304，而第二MTJ結構312B小於底電極墊304。
已經發現執行在底電極拋光層上的低向下力CMP處理提供0.2 nm或更小的改良的表面粗糙度。較佳地，用於低向下力CMP處理的移除速率小於每分鐘500埃(500 Å/分)。形成在底電極拋光層(其已使用低向下力CMP而被研磨)上的MTJ裝置具有高於75%的矯頑磁力(Oe)與相較於沒有使用本文所揭示在底電極拋光層上的CMP處理而形成的裝置相對較高的穿隧磁阻(TMR)。此外，具有較佳MTJ膜平坦度已經展現出較佳的裝置效能。MTJ膜平坦度至少部分地是由如本文揭示的低表面粗糙度底電極拋光層所造成。此外，沉積薄(小於10 nm)底電極拋光層的能力使得MTJ尺寸的形成可小於、大於或等於底電極墊尺寸。
儘管前述是關於本發明的具體例，但在不悖離本發明的基本範疇下可構思出本發明的其他與進一步具體例，而本發明的範疇是由接下來的申請專利範圍所決定。
100:處理流程
110,120,130,140,150:操作
200:處理流程
210,220,230,240,250,260,270,280:操作
300:結構
302:導電通孔
304:底電極墊
306:氧化物
308:底電極拋光層
310:MTJ堆疊
312A,312B:MTJ結構
314:記憶體部分
316:邏輯部分
簡短總結於上之本發明的更明確的說明，可藉由參照具體例(一部分繪示於隨附圖式中)，而可更詳細地理解本發明的上述特徵。然而，將注意到隨附圖式僅繪示範例具體例且因而不被當作限制本發明的範疇，且本發明可容許其他等效態樣。
圖1是用於MTJ沉積的底電極形成的處理流程。
圖2是用於MTJ沉積的底電極形成的另一處理流程。
圖3是根據本文揭示的處理序列的一具體例而形成的結構的剖面視圖。
為了促進理解，儘可能地已經使用相同的元件符號指稱圖式中共通的相同元件。意於一態樣的元件與特徵可有利地併入其他具體例中，而不需要進一步說明。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
300:結構
302:導電通孔
304:底電極墊
306:氧化物
308:底電極拋光層
310:MTJ堆疊
312A,312B:MTJ結構
314:記憶體部分
316:邏輯部分
Claims (20)
- 一種形成一底電極表面的方法，包含以下步驟：在一基板上沉積一導電材料的一毯覆層，該基板具有形成在該基板上的多個導電通孔，該導電材料的該毯覆層包含一耐火金屬或一金屬氮化物的一者或多者；圖案化並蝕刻該導電材料的該毯覆層，以形成一或多個底電極墊；在該一或多個底電極墊上方沉積一介電材料；化學機械研磨該介電材料以停止在該一或多個底電極墊上並暴露該一或多個底電極墊；預清洗該介電材料與暴露的該一或多個底電極墊；在該介電材料與暴露的該一或多個底電極墊上方沉積一底電極拋光層(buff layer)；以及化學機械研磨該底電極拋光層。
- 如請求項1所述之方法，其中該底電極拋光層沉積至約2nm與約10nm之間的一厚度。
- 如請求項1所述之方法，其中該導電材料的該毯覆層或該底電極拋光層的一者或多者是氮化鉭。
- 如請求項3所述之方法，其中使用1psi或更小的一向下力化學機械研磨該底電極拋光層。
- 如請求項3所述之方法，其中該氮化鉭被沉積於接近1：1的一化學計量比。
- 如請求項1所述之方法，其中該導電材料的 該毯覆層包含鉭、氮化鉭、鎢、氮化鎢或前述物的組合。
- 如請求項6所述之方法，其中該導電材料的該毯覆層包含被該耐火金屬或該金屬氮化物的一者或多者所覆蓋的鈦或氮化鈦的一者或多者。
- 如請求項6所述之方法，其中該一或多個底電極墊或該底電極拋光層的一者或多者包含鉭、氮化鉭、鎢、氮化鎢或前述物的組合。
- 如請求項1所述之方法，其中該介電材料是一氧化物。
- 一種形成磁穿隧接面(MTJ)結構的方法，其中一第一MTJ結構尺寸大於一第一底電極墊的一尺寸，及一第二MTJ結構尺寸小於一第二底電極墊的一尺寸。
- 如請求項10所述之方法，其中該第一與第二底電極墊包含鉭、氮化鉭、鎢、氮化鎢或前述物的組合。
- 如請求項10所述之方法，其中該第一與第二底電極墊包含被一耐火金屬或一金屬氮化物的一者或多者所覆蓋的鈦或氮化鈦的一者或多者。
- 一種包含多個磁穿隧接面(MTJs)的結構，包含：一基板，該基板具有在該基板上的複數個導電通孔；複數個底電極墊，該複數個底電極墊安置在該複數個導電通孔上方； 一介電材料，該介電材料安置在該複數個底電極墊之間；一底電極拋光層，該底電極拋光層安置在該複數個底電極墊與該介電材料上方，該複數個底電極墊或該底電極拋光層的至少一個包含鉭、氮化鉭、鎢、氮化鎢、鈦、氮化鈦或前述物的組合；以及複數個MTJ結構，該複數個MTJ結構安置在該複數個底電極墊的一個或多個的上方。
- 如請求項13所述之結構，其中該底電極拋光層的一表面粗糙度小於約0.2nm。
- 如請求項13所述之結構，其中該底電極拋光層的一厚度在約2nm與10nm之間。
- 如請求項13所述之結構，其中該等MTJ結構的至少一者的一尺寸小於該等底電極墊的至少一者的一尺寸。
- 如請求項13所述之結構，其中該等MTJ結構的至少一者的一尺寸大於該等底電極墊的至少一者的一尺寸。
- 如請求項13所述之結構，其中該等MTJ結構的至少一者的一尺寸等於該等底電極墊的至少一者的一尺寸。
- 如請求項13所述之結構，其中該底電極拋光層包含氮化鉭。
- 如請求項13所述之結構，其中該等底電極 墊的至少一者的一尺寸小於、等於、或大於該複數個導電通孔的至少一個導電通孔的一尺寸。
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