用于改進型磁阻式隨機存取存儲器工藝的垂直磁性隧道結的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種形成包括垂直MTJ(磁性隧道結)的磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)器件的方法。該方法包括在底部電極層上方形成磁性隧道結(MTJ)。頂部電極層形成在MTJ的上表面的上方，并且硬掩模形成在頂部電極層的上表面的上方。執(zhí)行第一蝕刻穿過未被硬掩模掩蔽的頂部電極層和MTJ的未被硬掩模掩蔽的區(qū)域，以形成頂部電極和蝕刻的MTJ。形成側壁間隔件，側壁間隔件從硬掩?；蝽敳侩姌O的上表面、沿著頂部電極和蝕刻的MTJ的側壁延伸，到達底部電極的上表面之下的位置處或與底部電極的上表面大致齊平的位置處。還提供生成的MRAM器件結構。本發(fā)明提供了用于改進型磁阻式隨機存取存儲器工藝的垂直磁性隧道結。
【專利說明】
用于改進型磁阻式隨機存取存儲器工藝的垂直磁性隧道結
技術領域
[0001] 本發(fā)明一般地設及半導體技術領域，更具體地，設及磁阻式隨機存取存儲器及其 制造方法。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)在的許多電子器件都包含電子存儲器。電子存儲器可W是易失性存儲器或非易 失性存儲器。非易失性存儲器能夠在失電時儲存數(shù)據(jù)，然而易失性存儲器不能在失電時儲 存數(shù)據(jù)。由于磁阻式隨機存取存儲器（MRAM)優(yōu)于目前的電子存儲器的優(yōu)勢，所W該MRAM 是下一代電子存儲器的一種有前景的候選者。與目前的諸如閃速隨機存取存儲器的非易失 性存儲器相比，MRAM通常更快并且具有更好的耐用性。與目前的諸如動態(tài)隨機存取存儲器 值RAM)和靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM)的易失性存儲器相比，MRAM通常具有類似的性能和 密度，但是MRAM具有更低的功耗。

【發(fā)明內容】

[0003] 為了解決現(xiàn)有技術中所存在的缺陷，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于制造 磁阻式隨機存取存儲器（MRAM)單元的方法，所述方法包括：在底部電極層上方形成磁性隧 道結（MTJ);在所述MTJ的上表面的上方形成頂部電極層；在所述頂部電極層的上表面的上 方形成硬掩模；執(zhí)行第一蝕刻，穿過未被所述硬掩模掩蔽的所述頂部電極層和未被所述硬 掩模掩蔽的所述MTJ的區(qū)域，W形成頂部電極和蝕刻的MTJ 及形成側壁間隔件，所述側 壁間隔件從所述硬掩模或所述頂部電極的上表面沿著所述頂部電極和所述蝕刻的MTJ的 側壁延伸，到達所述底部電極層的上表面之下的位置處或與所述底部電極層的上表面齊平 的位置處。
[0004] 在該方法中，所述MTJ包括：第一鐵磁層；絕緣阻擋層，設置在所述第一鐵磁層上 方；W及第二鐵磁層，設置在所述絕緣阻擋層上方，其中，所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁 層的磁極性垂直于介于所述絕緣阻擋層與所述第一鐵磁層或所述第二鐵磁層之間的界面。 陽〇化]在該方法中，將所述第一鐵磁層配置為在至少兩種磁極性之間切換，并且所述第 二鐵磁層具有固定磁極性。
[0006] 在該方法中，形成所述側壁間隔件包括：在所述硬掩模上方形成所述側壁間隔層， 并且加襯里于所述硬掩模的上表面和側壁W及所述蝕刻的MTJ的側壁；W及在所述側壁間 隔層中執(zhí)行第二蝕刻，W形成所述側壁間隔件。
[0007] 在該方法中，所述第二蝕刻還蝕刻所述底部電極層的橫向延伸件，W形成底部電 極。
[0008] 該方法還包括：形成第一覆蓋層，所述第一覆蓋層沿著所述側壁間隔件、所述底部 電極的側壁W及所述硬掩模的側壁和上表面延伸；形成第二覆蓋層，所述第二覆蓋層沿著 所述第一覆蓋層的側壁和上表面延伸；W及在所述第二覆蓋層的上表面和側壁上方沉積層 間介電（ILD)層。
[0009] 該方法還包括：光圖案化并且蝕刻所述ILD層，W形成通孔開口和溝槽；W及利用 金屬層來分別填充所述通孔開口和所述溝槽，W形成TEVA(頂部電極通孔）和金屬溝槽。
[0010] 在該方法中，所述TEVA延伸穿過所述第一覆蓋層、所述第二覆蓋層和所述硬掩 模，W鄰接所述頂部電極。
[0011] 該方法還包括：執(zhí)行CMP (化學機械拋光）工藝W暴露所述頂部電極的上表面，并 且形成平坦的頂面；W及在所述平坦的頂面上方沉積頂部金屬，并且所述頂部金屬鄰接所 述頂部電極。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種磁阻式隨機存取存儲器（MRAM)單元，包括： 磁性隧道結（MTJ)，設置在底部電極上方；頂部電極，設置在所述MTJ的上表面的上方；側壁 間隔件，設置在所述底部電極的上表面的上方，鄰接所述MTJ的外部側壁，并且鄰接所述頂 部電極的外部側壁，其中，所述側壁間隔件通過基本均勻的寬度從所述底部電極的上表面 向上延伸至所述頂部電極的上表面；W及第一覆蓋層，鄰接所述側壁間隔件和所述底部電 極的外部側壁。
[0013] 在該MRAM單元中，所述MTJ包括：第一鐵磁層；絕緣阻擋層，設置在所述第一鐵磁 層上方；W及第二鐵磁層，設置在所述絕緣阻擋層上方，其中，所述第一鐵磁層和所述第二 鐵磁層的磁極性垂直于介于所述絕緣阻擋層與所述第一鐵磁層或所述第二鐵磁層之間的 界面。
[0014] 在該MRAM單元中，所述第一鐵磁層具有可變磁極性，并且所述第二鐵磁層具有固 定磁極性。
[0015] 該MRAM單元還包括：硬掩模，設置在所述頂部電極上方，其中，所述第一覆蓋層沿 著所述硬掩模的上表面和側壁延伸；第二覆蓋層，沿著所述第一覆蓋層的上表面和側壁延 伸；層間介電（ILD)層，設置在所述第二覆蓋層上方；金屬溝槽，設置在所述ILD層中；W及 頂部電極通孔（TEVA)，從所述金屬溝槽延伸穿過所述第二覆蓋層、所述第一覆蓋層和所述 硬掩模中的每一個，W鄰接所述頂部電極。
[0016] 該MRAM單元，還包括：第二覆蓋層，鄰接所述MTJ的相對側上的所述第一覆蓋層的 外部側壁；層間介電（ILD)層，設置在所述第二覆蓋層上方，其中，所述頂部電極、所述側壁 間隔件、所述第一覆蓋層、所述第二覆蓋層和所述ILD層的上表面構成基本平坦的頂面；W 及頂部金屬，設置在所述平坦的頂面上方，并且鄰接所述頂部電極的整個表面區(qū)域。
[0017] 在該MRAM單元中，所述第一鐵磁層包括厚度在大約8A和大約BA之間的范圍內 的化Pt (鐵-銷）或Co化B (鉆、鐵和棚的合金）；所述第二鐵磁層包括Co (鉆）、Ni (儀）、 Ru (釘）的單層或多層；W及所述第二覆蓋層包括TEOS (正娃酸乙醋）。
[0018] 該MRAM單元還包括：底部電極通孔度EVA)，設置在介電層中；W及介電保護層，設 置在所述介電層上方，并且具有所述BEVA上面的開口。
[0019] 在該MRAM單元中，所述底部電極位于所述介電保護層上方，并且鄰接穿過所述開 口的所述邸VA。
[0020] 在該MRAM單元中，所述MTJ和所述頂部電極一起構成具有基本對齊的垂直側壁的 垂直堆疊件；W及所述垂直堆疊件的占位面積小于所述底部電極的占位面積。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種磁阻式隨機存取存儲器（MRAM)單元，包括： 底部電極，設置在具有開口的介電保護層上方；自由層，被配置為在至少兩種不同的磁極性 之間切換，并且設置在所述底部電極上方；絕緣阻擋層，設置在所述自由層上方；固定層， 具有固定磁極性，并且設置在所述絕緣阻擋層上方，其中，所述自由層和所述固定層的磁極 性垂直于介于所述絕緣阻擋層與所述固定層或所述自由層之間的界面；頂部電極，設置在 所述固定層上方；硬掩模，設置在所述頂部電極的上表面的上方；側壁間隔件，通過基本均 勻的寬度從所述底部電極的上表面延伸至所述頂部電極的上表面或所述硬掩模的上表面； 第一覆蓋層，在所述側壁間隔件、所述底部電極的側壁和所述硬掩模上方延伸；W及后道工 序度EOL)金屬化堆疊件，包括：第一金屬化層和第二金屬化層，堆疊在所述MRAM單元的相 對側上；第一通孔，從所述底部電極延伸至所述第一金屬化層，其中，所述第一通孔設置在 第一介電層中，并且所述底部電極延伸穿過所述開口，W鄰接所述第一通孔；和第二通孔， 從所述頂部電極延伸至所述第二金屬化層，其中，所述第二通孔設置在第二介電層中。
[0022] 在該MRAM單元中，所述第二金屬化層設置在所述MRAM單元的整個上表面的上方， W鄰接所述頂部電極。
【附圖說明】
[0023] 當結合附圖進行閱讀時，根據(jù)下面詳細的描述可W更好地理解本發(fā)明的各個方 面。應該強調的是，根據(jù)工業(yè)中的標準實踐，各種部件沒有被按比例繪制。實際上，為了清 楚的討論，各種部件的尺寸可W被任意增加或減少。
[0024] 圖IA示出了根據(jù)本發(fā)明的包括垂直磁性隧道結（MTJ)的MRAM單元的一些實施例 的截面圖。
[0025] 圖IB示出了根據(jù)本發(fā)明的包括垂直MTJ的MRAM單元的一些實施例的截面圖。
[0026] 圖2示出了包括具有垂直MTJ的MRAM單元的集成電路的一些實施例的截面圖。
[0027] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于制造 MRAM單元的方法的一些實施例的流程圖。
[0028] 圖4至圖14A、圖14B示出了根據(jù)圖3的方法的一系列漸進式制造步驟的一系列截 面圖。
【具體實施方式】
[0029] 本發(fā)明提供了許多不同實施例或實例，用于實現(xiàn)本發(fā)明的不同特征。W下將描述 組件和布置的特定實例W簡化本發(fā)明。當然，運些僅是實例并且不意欲限制本發(fā)明。例如， 在W下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可W包括W直接接觸的方式形成第一部 件和第二部件的實施例，也可W包括附加部件形成在第一部件和第二部件之間使得第一部 件和第二部件不直接接觸的實施例。另外，本發(fā)明可W在多個實例中重復參考標號和/或 字符。運種重復是為了簡化和清楚的目的，并且其本身不指示所討論的各個實施例和/或 配置之間的關系。
[0030] 此外，為了便于描述，本文中可W使用諸如"在…下方"、"在…下面"、"下部"、 "在…上面"、"上部"等空間關系術語，W便描述如圖所示的一個元件或部件與另一元件（多 個元件）或部件（多個部件）的關系。除圖中所示的方位之外，空間關系術語意欲包括使用 或操作過程中的器件的不同方位。裝置可W W其它方式定位（旋轉90度或在其他方位）， 并且在本文中使用的空間關系描述符可同樣地作相應地解釋。
[0031] 而且，為了易于描述，本文可W使用"第一"、"第二"、"第等，W區(qū)分附圖或一系 列附圖中的不同元件。"第一"、"第二"、"第="等并不意欲描述對應的元件。因此，結合第 一附圖所描述的"第一介電層"沒有必要對應于結合另一附圖所描述的"第一介電層"。
[0032] 磁阻式隨機存取存儲器（MRAM)單元包括上部和下部電極W及布置在上部和下部 電極之間的磁性隧道結（MTJ)。MTJ包括上部和下部鐵磁層W及布置在上部和下部鐵磁層 之間的阻擋層，其中上部和下部鐵磁層示出為自由鐵磁層和固定鐵磁層。固定鐵磁層具有 恒定的或固定磁極性，固定鐵磁層通常被布置在電極層之一與固定層之間的反鐵磁層固 定。自由層可W在兩種或多種不同的磁極性之間切換，運些磁極性中的每一種都代表數(shù)據(jù) 單元，諸如數(shù)據(jù)的比特位。
[0033] 在一些MRAM單元中，自由層和固定層的磁極性位于彼此相同的水平面中，使自由 層與固定層關于水平面平行或反向平行（取決于數(shù)據(jù)比特位的值），運被稱為"面內"MTJ結 構。在傳統(tǒng)的面內MTJ結構中，蝕刻后檢查的關鍵尺寸（AEICD)小。因此，在面內MTJ單元 中，存在上部電極上方的有限空間W將頂部電極通孔（TEVA)接合在上部電極上。因此，為 了提供接合TEVA的足夠空間，上部電極包括具有較大面積的上部和具有較小面積的基底 部，該上部保留在該基底部上。運種MRAM單元的缺點在于，上部電極很厚，W包含基底部和 上部，并且該厚度導致MRAM單元具有大的階梯高度。因為該大的階梯高度，MRAM單元需要 相對較厚的介電層（通常是超低k介電巧LK)層），W覆蓋MT J結構。在最初沉積之后，低 k介電材料通常需要固化工藝，W增加其多孔性、降低其k值并且改善其機械強度。較厚的 ELK層將引起差的固化。此外，當ELK層較厚時，還需要化學機械拋光（CM巧工藝，W平坦化 ELK層。然而，差的固化和厚的ELK層將導致差的CMP均勻性，從而導致制造工藝中導致很 多問題。
[0034] 鑒于W上所述，本申請設及用于制造包括垂直MTJ(P-MTJ)結構的MRAM單元的結 構和方法。P-MTJ具有比面內MTJ更大的AEICD，因此有足夠空間W用于接合TEVA。在垂直 MTJ結構中，自由層和固定層的磁極性被定向為垂直于形成該自由層和固定層的水平面。因 此，垂直MTJ結構中的自由層和固定層關于豎直/垂直平面平行或反向平行（取決于存儲 的二進制值）。此外，由于較小的切換電流和較快的切換速度，所W P-MTJ具有優(yōu)勢。
[0035] 有利地，通過形成具有P-MTJ的MRAM，在MRAM單元上方有足夠的空間來接合 TEVA，因此可W避免與形成具有較窄的基底部和較寬的頂部的上部電極相關聯(lián)的處理步 驟。此外，省略了較厚的ELK層的需要，因此還省略了 ELK層CMP工藝。運有助于減少制造 MRAM單元的總成本。而且，較薄的ELK和較小的頂部電極還有助于使MRAM單元具有減小的 階梯高度。運種處理方法還與邏輯后道工序高度兼容。
[0036] 參考圖1A，提供了具有垂直MTJ的MRAM單元102a的一些實施例的截面圖100曰。 例如，MRAM單元102a位于設置在介電層106中的底部電極通孔度EVA) 104上方，將該介電 層106用作蝕刻停止層。在一些實施例中，介電層106包括超低k巧LK)介電層。橫向間隔 開的介電保護層108a和108b設置在半導體襯底202的上表面的上方。將MRAM單元102a 的底部電極110布置在介電保護層108a和108b上方，并且通過邸VA 104將底部電極110 電禪合至BE化金屬化堆疊件的第一金屬化層（未示出）。例如，底部電極110可W是導電 材料，諸如氮化鐵、氮化粗、鐵、粗或上述材料的兩種或多種的組合。此外，例如，底部電極 110的厚度可W為約10皿至100皿。例如，BEVA 104可W是金屬，諸如銅、金、侶、鶴或它們 的組合。在一些實施例中，介電保護層108a和108b包括碳化娃（SiC)。
[0037] MTJ 112堆疊在底部電極110上方。MTJ 112具有比底部電極110更小的占位面 積。由于占位面積的不同，MTJ 112和底部電極110共同限定平臺（Iedge)IllDMTJ 112包 括：第一鐵磁層114 ;絕緣阻擋層116,設置在第一鐵磁層114上方；化及第二鐵磁層118,設 置在絕緣阻擋層116上方。在一些實施例中，第一鐵磁層114是具有代表數(shù)據(jù)單元的可變 磁極性的自由層。例如，可變磁極性在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間切換，第一狀態(tài)和第二狀態(tài) 分別代表二進制"0"和二進制"1"。在一些實施例中，第二鐵磁層118是具有固定磁極性的 固定層。在一些實施例中，反鐵磁層（未示出）布置在固定層（118)的下面，并且反鐵磁層 通常鄰接固定層（118)的下表面和絕緣阻擋層116的上表面。反鐵磁層將固定層固定為恒 定的或固定磁極性。在一些實施例中，第一鐵磁層114包括化Pt (鐵-銷）或Co化B (鉆、 鐵和棚的合金），第一鐵磁層114具有的厚度在大約8A和大約13A之間的范圍內，并且第 二鐵磁層包括Co (鉆）、Ni (儀）、Ru (釘）的單層或多層。絕緣阻擋層116在第一鐵磁層 114和第二鐵磁層118之間提供電隔離，同時在適當?shù)臈l件下仍允許電子隧穿通過絕緣阻 擋層116。例如，絕緣阻擋層116可W是氧化儀或氧化侶（如，Al2〇3)。此外，例如，絕緣阻 擋層116的厚度可W約為0. 5皿至2皿。
[0038] 在工作中，通常通過測量MTJ 112的電阻來讀取第一鐵磁層114的可變磁極性。由 于磁性隧道效應，所WMTJ 112的電阻隨著可變磁極性而變化。此外，在工作中，通常使用 自旋轉移力矩（STT)效應來改變或切換可變磁極性。根據(jù)STT效應，電流流經(jīng)MTJ 112, W 感應自固定層（118)至自由層（114)的電子流。隨著電子穿過固定層（118)，電子的自旋 被極化。當自旋極化的電子到達自由層（114)時，自旋極化的電子將力矩施加于可變磁極 性并且切換可變磁極性的狀態(tài)。用于讀取或改變可變磁極性的其他的方法也是經(jīng)得起檢驗 的（amen油Ie)。此外，第一鐵磁層114和第二鐵磁層118的磁化極性垂直于介于制造MTJ 112 (即，垂直MTJ)絕緣阻擋層116與第一鐵磁層114或第二鐵磁層118之間的界面。
[0039] MRAM單元102a的頂部電極120布置在第二鐵磁層118上方。例如，頂部電極120 可W是導電材料，諸如氮化鐵、氮化粗、鐵、粗或上述材料的一種或多種的組合。此外，例如， 頂部電極120的厚度可W是大約10皿至100皿。頂部電極120具有與MTJ 112相同的占位 面積。頂部電極120和MTJ 112-起形成具有基本對齊的垂直側壁的垂直堆疊件121。垂 直堆疊件121的占位面積小于底部電極110的占位面積。
[0040] 還存在側壁間隔件124a和124b，并且側壁間隔件124a和124b從頂部電極120的 上表面，沿著頂部電極120和MTJ 112的側壁延伸，到達平臺111的上表面W下的位置處或 與平臺111的上表面大致齊平的位置處。在一些實施例中，側壁間隔件124a和124b包括 SiN(氮化娃）。第一覆蓋層126a和12化沿著側壁間隔件124a和124b的外部側壁、底部 電極110的側壁W及介電保護層108a和108b的上表面延伸。在一些實施例中，第一覆蓋 層126a和12化包括SiC。第二覆蓋層128a和128b沿著第一覆蓋層126a和12化的暴露 的外部側壁（沿著長度）延伸。在一些實施例中，第二覆蓋層128a和128b包括TEOS (正娃 酸乙醋）。層間介電（ILD)層130a和13化分別設置在第二覆蓋層128a和128b上方。在 一些實施例中，ILD層130a和13化包括ELK介電層（即，介電常數(shù)k小于3. 9的電介質）， 諸如未滲雜的娃酸鹽玻璃、滲氣的二氧化娃、滲碳的二氧化娃、多孔二氧化娃或旋涂聚合物 電介質（諸如，聚降冰片締、苯并環(huán)下締、氨基硅氧烷化S曲或甲基娃倍半氧燒（MSQ))。頂 部金屬132是第二金屬化層（未示出）的一部分，并且頂部金屬132設置在MRAM單元102a 的整個上表面的上方。在一些實施例中，頂部金屬132包括銅、金、侶、鶴或它們的組合。
[0041] 參考圖1B，提供了具有P-MTJ的MRAM單元102b的一些實施例的截面圖10化。運 里，與附圖1不同，硬掩模122設置在頂部電極120上方。硬掩模122限定頂部電極120和 下面的MTJ 112的占位面積。在一些實施例中，硬掩模包括USG(未滲雜的娃玻璃）。運里， 側壁間隔件124a和124b沿著硬掩模122的上表面開始延伸。第一覆蓋層126鄰接側壁間 隔件124a和124b的外部側壁和上表面、硬掩模122的上表面、底部電極110的外部側壁，并 且進一步延伸至第一介電保護層108a和第二介電保護層108b的上表面的上方。頂部電極 通孔燈EVA) 134從頂部電極層120延伸穿過硬掩模122、第一覆蓋層126、第二覆蓋層128和 ILD層130,到達金屬溝槽136。金屬溝槽136是第二金屬化層（未示出）的一部分。TEVA 134將MRAM單元102b電禪合至第二金屬化層。例如，TEVA 134和金屬溝槽136可W是金 屬，諸如銅、侶、鶴或它們的組合。
[0042] 有利地，垂直堆疊件121的占位面積足W在MRAM單元102b上方形成TEVA。如之 后更詳細的描述的，與傳統(tǒng)的方法相比，MTJ 112的鐵磁層的垂直的各向異性有利地允許較 薄的MRAM單元（102a和102b)，運允許有較薄的ILD層130, W在之后的邸化金屬化處理 步驟中保護MTJ 112。較薄的ILD層130也不需要CMP工藝。因此，分別如圖IA和圖IB所 示，MRAM單元102a和10化的形成提供了具有降低的制造成本的更好的MRAM操作。
[0043] 參考圖2,提供了集成電路的一些實施例的截面圖200。集成電路包括襯底202。 例如，襯底202可W是塊狀襯底（如，塊狀娃襯底）或絕緣體上娃（SOI)襯底。一個或多個 淺溝槽隔離（STI)區(qū)204設置在襯底202中，并且兩個字線晶體管206、208設置在STI區(qū) 204之間。STI區(qū)204可W是或者還包括襯底202中的填充氧化物的溝槽。
[0044] 字線晶體管206、208彼此平行延伸，并且字線晶體管206、208包括字線柵極210、 字線介電層212、字線側壁間隔件層214和源極/漏極區(qū)216。字線柵極210布置在對應的 字線介電層212上方，并且通過對應的字線側壁間隔件層214加襯里于字線柵極210。源 極/漏極區(qū)216嵌入襯底202的介于字線柵極210與STI區(qū)204之間的表面內。例如，字 線柵極210可W是滲雜多晶娃或金屬，諸如氮化鐵或氮化粗。例如，字線介電層212可W是 氧化物，諸如二氧化娃。例如，字線側壁間隔件層214可W是SiN。例如，源極/漏極區(qū)216 對應于襯底202的滲雜區(qū)。
[0045] BE化金屬化堆疊件218布置在襯底202上方。BE化金屬化堆疊件218包括：多個 ILD層130、220 ;-對MRAM單元102b 及多個金屬化層222、224。根據(jù)圖IB描述了 MRAM 單元102b，并且MRAM單元102b布置在ILD層130、220內。金屬化層222、224包括金屬線 226、228,并且還布置在ILD層130、220內。金屬線226、228包括源極線226,被布置為平 行于字線晶體管208,并且被布置在字線晶體管208之間。此外，金屬線226、228包括位線 228,對應于MRAM單元10化的該位線228彼此平行延伸并且橫向垂直于字線晶體管208。 例如，ILD層130、220可W是低k電介質，諸如未滲雜的娃酸鹽玻璃或氧化物（諸如，二氧 化娃）。在一些實施例中，最底部的ILD層220是氧化物，并且另一個ILD層130是低k電 介質。例如，金屬化層222、224可W是金屬，諸如銅或侶。
[0046] 接觸件230從金屬化層222延伸至源極/漏極區(qū)216,并且通孔104、134、232在金 屬化層222、224與MRAM單元102b之間延伸。接觸件230和通孔104、134、232延伸穿過布 置在ILD層130、220與金屬化層222、224之間的介電層106、234 (蝕刻停止層）。在一些實 施例中，接觸件230和通孔104、134、232具有不同的形狀。例如，接觸件230和通孔134、 232可W具有逐漸變小的寬度，然而通孔104具有均勻的寬度。例如，介電層106、234 (蝕刻 停止層）可W是ELK電介質。例如，接觸件230和通孔104、134、232可W是金屬，諸如銅、 金或鶴。
[0047] 參考圖3,流程圖300示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的用于制造包括具有P-MTJ 的MRAM單元的半導體結構的方法的一些實施例的流程圖。應該理解，示出的方法并非解釋 為限制的意思，并且用于形成具有P-MTJ的MRAM單元的替換方法也可W在本發(fā)明所考慮的 范圍內。
[0048] 在框302中，在半導體襯底上方形成介電保護層。
[0049] 在框304中，在底部電極上方形成MTJ。MTJ包括夾置在第一鐵磁層和第二鐵磁層 之間的絕緣阻擋層，其中第一和第二鐵磁層的磁極性垂直于介于絕緣阻擋層與第一鐵磁層 或第二鐵磁層之間的界面。在一些實施例中，第一鐵磁層是自由層，并且第二鐵磁層是固定 層。
[0050] 在框306中，在MTJ的上表面的上方形成頂部電極層。
[0051] 在框308中，在頂部電極層上方形成硬掩模。
[0052] 在框310中，執(zhí)行第一蝕刻穿過頂部電極層、穿過MTJ的未被硬掩模掩蔽的區(qū)域， W形成頂部電極和蝕刻的MTJ。
[0053] 在框312中，形成側壁間隔件，該側壁間隔件從硬掩模上方、沿著頂部電極和蝕刻 的MTJ的側壁延伸，到達底部電極的上表面的下面的位置處或與底部電極的上表面大致齊 平的位置處。
[0054] 在框314中，形成第一覆蓋層，該第一覆蓋層沿著側壁間隔件的上表面和側壁、底 部電極的側壁W及硬掩模的上表面延伸，之后形成第二覆蓋層，該第二覆蓋層沿著第一覆 蓋層的側壁和上表面延伸。 陽化日]在框316中，在第二覆蓋層上方形成ILD層。
[0056] 框318a和320a示出了如何將電接觸件形成為到達頂部電極的一個實例。在框 318a中，在ILD層上方執(zhí)行CMP，W暴露頂部電極的上表面，并且形成平坦的頂面。在框320a 中，在平坦的頂面上方沉積頂部金屬。
[0057] 框318b和32化示出了如何將電接觸件形成為到達頂部電極的替代的實例。在框 318b中，執(zhí)行第二蝕刻，W形成通孔開口和溝槽。在框32化中，在通孔開口和溝槽中沉積金 屬，W分別形成鄰接頂部電極的TEVA(頂部電極通孔）和金屬溝槽。
[0058] 有利地，由于方法300不包括擴大的或較大的頂部電極的形成，所W方法300包括 數(shù)量減少的處理步驟。上述方法還有助于使ILD層W及整個MRAM單元具有減小的厚度，從 而省略了附加的CMP步驟。該方法導致了簡單并且節(jié)省成本的結構。
[0059] 雖然本文將所公開的方法（如，通過流程圖300所描述的方法）示出并描述為一 系列的操作或行為，但是應該理解，所示出的運些操作或行為的順序并非解釋為限制的意 思。例如，一些操作可W與脫離本文所示和/或所描述的其他的操作或行為W不同的順序 和/或同時進行。此外，可W不要求所有示出的操作都用于實施本文所描述的一個或多個 方面或實施例，并且可W在一個或多個單獨的操作和/或階段中進行本文所描述的一個或 多個操作。
[0060] 參考圖4至圖14A、圖14B，提供了在制造的多個階段中的具有MRAM單元的半導體 結構的一些實施例的截面圖，W說明圖3的方法。盡管結合該方法描述了圖4至圖14A、圖 14B，但是應該理解，圖4至圖14A、圖14B所公開的結構并不限于該方法，而是圖4至圖14A、 圖14B所公開的結構可W作為獨立于該方法的結構而單獨存在。類似地，盡管結合圖4至 圖14AU4B描述了該方法，但是應該理解，該方法并不限于圖4至圖14A、圖14B所公開的結 構，而是該方法可W獨立于圖4至圖14A、圖14B所公開的結構而單獨存在。
[0061] 圖4示出了對應于操作302的一些實施例的截面圖400。
[0062] 如圖4所示，介電保護層108形成在設置于介電層106中的底部電極通孔 度EVA) 104上方。在一些實施例中，介電層106用作蝕刻停止層，并且例如，介電層106由 ELK或氧化物形成。在一些實施例中，介電保護層108包括SiC,該介電保護層的厚度約為 200A。在一些實施例中，BEVA 104包括金屬，諸如銅、金或鶴。
[0063] 圖5示出了對應于操作302的一些實施例的截面圖500。
[0064] 如圖5所示，在介電保護層108上方執(zhí)行第一蝕刻，W形成開口 502。在一些實施 例中，用于執(zhí)行第一蝕刻的工藝包括：形成掩蔽介電保護層108圍繞開口 502的區(qū)域的第一 光刻膠層504。然后，根據(jù)第一光刻膠層504,將蝕刻劑506 (如，濕蝕刻劑或等離子體蝕刻 劑）應用于介電保護層108, W形成開口 502。蝕刻之后去除第一光刻膠層504。 陽0化]圖6示出了對應于操作304和306的一些實施例的截面圖600。
[0066] 如圖6所示，底部電極層110'形成在介電保護層108上方，磁性隧道結（MU) 112' 形成在底部電極層110'的上表面的上方，并且頂部電極層120'形成在MTJ 112'的上表面 的上方。例如，底部電極層110'可W是導電材料，諸如氮化鐵、氮化粗、鐵、粗或上述材料的 一種或多種的組合，并且底部電極層110'鄰接邸VA 104。此外，例如，底部電極層110'的 厚度可W為約10皿至100皿。MTJ 112'包括第一鐵磁層114'、絕緣阻擋層116'和第二鐵 磁層118'。在一些實施例中，將第一鐵磁層114'配置為在至少兩種磁極性之間切換，并且 第二鐵磁層118'具有固定磁極性。在一些實施例中，第一鐵磁層114'包括厚度在介于大 約8A和大約i 3A之間的范圍內的化Pt或Co化B，并且第二鐵磁層118'包括Co、Ni或Ru 的單層或多層。在一些實施例中，例如，頂部電極層120'可W是導電材料，諸如氮化鐵、氮 化粗、鐵、粗或上述材料的一種或多種的組合。此外，例如，頂部電極層120'的厚度可W為 約10皿至大約100皿。底部電極層110'、MTJ 112'和頂部電極層120' -起形成MRAM堆 疊件602。
[0067] 圖案化的硬掩模堆疊件604也設置在頂部電極層120'的上表面的上方。圖案化 的硬掩模堆疊件604包括按照運個順序堆疊的硬掩模層122'、先進圖膜（APF) 606和介電 膜608。根據(jù)與光刻工藝相適合的折射率來選擇圖案化的硬掩模堆疊件604的運=層。在 一些實施例中，硬掩模層122'包括厚度約為i350A的USG，APF 606具有約為1800A的厚 度，并且介電膜608包括厚度約為450A的SiON (氮氧化娃）。可W使用諸如化學汽相沉積 (CVD)或物理汽相沉積（PVD)的合適的沉積技術來形成底部電極層110'、MTJ 112'、頂部電 極層120'和圖案化的硬掩模堆疊件604。 W側 圖7示出了對應于操作308的一些實施例的截面圖700。
[0069] 如圖7所示，圖案化硬掩模堆疊件604,通過在適當位置處的圖案化的硬掩模堆疊 件來執(zhí)行第二蝕刻。第二蝕刻進行至穿過硬掩模層122'的區(qū)域。在一些實施例中，第二蝕 刻包括在預定的持續(xù)時間段內應用濕蝕刻劑或等離子體蝕刻劑702。
[0070] 圖8示出了對應于操作310的一些實施例的截面圖800。 陽071] 如圖8所示，穿過未被硬掩模122掩蔽的頂部電極層120'和未被硬掩模122掩 蔽的MTJ 112'的區(qū)域執(zhí)行第S蝕刻，到達底部電極層110'，W形成頂部電極120和蝕刻 的MTJ 112。在一些實施例中，用于執(zhí)行第二蝕刻的工藝包括：在足夠的持續(xù)時間段內將蝕 刻劑802 (如，濕蝕刻劑或等離子體蝕刻劑）應用于MRAM堆疊件602, W蝕刻到底部電極層 110'。蝕刻劑802通常選擇性地蝕刻頂部電極層120'和MTJ 112'，而將硬掩模122和底部 電極層110'基本保留在適當位置處。在一些實施例中，蝕刻劑802可W腐蝕剩余的硬掩模 122。 陽072] 圖9和圖10示出了對應于操作312的一些實施例的截面圖900和1000。 陽073] 如圖9所示，側壁間隔層124形成在硬掩模122和底部電極層110'上方，并且加襯 里于硬掩模122的上表面和側壁W及蝕刻的MTJ 112的側壁。在一些實施例中，可W通過 任何合適的沉積技術來形成側壁間隔層124,并且通常共形地形成側壁間隔層124。此外， 例如，側壁間隔層124可W由氮化娃、碳化娃或上述材料的一種或多種的組合形成。甚至更 具體地，例如，側壁間隔層124可W形成為具有大約500A的厚度。 陽074] 如圖10所示，在側壁間隔層124中執(zhí)行第四蝕刻，W將側壁間隔層124回蝕刻至 硬掩模122的頂面之下或與硬掩模122的頂面大致齊平，W去除側壁間隔層124的橫向伸 展件。第四蝕刻還蝕刻底部電極層110'的橫向伸展件，W形成底部電極110。在一些實施 例中，用于執(zhí)行第四蝕刻的工藝包括：在足W蝕刻穿過側壁間隔層124和底部電極層110' 的厚度的預定時間段內，將側壁間隔層124暴露于蝕刻劑1002。通常相對于硬掩模122與 介電保護層108a和108b，蝕刻劑1002優(yōu)先選擇側壁間隔層124和底部電極層110'。在一 些實施例中，蝕刻劑1002可W腐蝕硬掩模122。在一些實施例中，間隔件124a、124b的上部 的外部拐角可W是圓形的，而不是圖10所示的方形。
[0075] 有利地，垂直MTJ 112具有足夠的空間W在頂部電極120上方接合TEVA。因此，不 需要用于形成較大的頂部電極的附加處理步驟。硬掩模122保留在頂部電極120上方，W 沿著垂直平面提供隔離。 陽076] 圖11示出了對應于操作314的一些實施例的截面圖1100。
[0077] 如圖11所示，第一覆蓋層126形成在介電保護層108a和108b上方，并且加襯里 于對底部電極110的側壁、硬掩模122的上表面W及側壁間隔件124a和124b的外部側壁 和上表面。在一些實施例中，第一覆蓋層126包括SiC。第二覆蓋層128形成在第一覆蓋層 126上方，并且加襯里于第一覆蓋層126的外部側壁和上表面。在一些實施例中，第二覆蓋 層128包括TE0S。在一些實施例中，可W通過任何合適的沉積技術來形成第一覆蓋層126 和第二覆蓋層128,并且通常共形地形成該第一覆蓋層126和第二覆蓋層128。
[0078] 圖12示出了對應于操作316的一些實施例的截面圖1200。 陽0巧]如圖12所示，ILD層130形成在第二覆蓋層128上方。在一些實施例中，可W通 過任何合適的沉積技術來形成ILD層130,并且通常共形地形成該ILD層。此外，例如，ILD 層130可W由ELK介電層形成，并且該ILD層的厚度為約％50,4。通常跟隨在沉積ELK介 電層之后的是固化工藝，W增加其多孔性、降低其k值并且改善其機械強度。
[0080] 有利地，由于頂部電極120比面內MTJ結構薄，所W較薄的ILD層130形成在第二 覆蓋層128上方。運消除了用于平坦化厚的ILD層的CMP工藝的需要。 陽0川圖13A和圖14A示出了一個實施例的形成期間的截面圖，并且圖13B和圖14B示 出了本發(fā)明的不同實施例的形成期間的截面圖。
[0082] 圖13A示出了對應于操作318a的一些實施例的截面圖1300曰。
[0083] 如圖13A所示，在ILD層130上方執(zhí)行CMP工藝1302,直到暴露頂部電極120的上 表面，運導致了平坦的頂面1304的形成。CMP工藝1302拋光去除ILD層130、第一覆蓋層 126和第二覆蓋層128的上部，運分別將它們劃分為ILD層130a和13化、第一覆蓋層126a 和12化W及第二覆蓋層128a和128b。
[0084] 圖14A示出了對應于操作320a的一些實施例的截面圖1400a。 陽0化]如圖14A所示，頂部金屬132形成在平坦的頂面1304上方。頂部金屬是第二金屬 化層（未示出）的一部分，并且該頂部金屬鄰接頂部電極120的整個表面區(qū)域，W提供與 MRAM單元102a的電連接。在一些實施例中，頂部金屬包括鶴或銅。
[0086] 圖13B示出了對應于操作318b的一些實施例的截面圖1300b。
[0087] 如圖13B所示，通過一種或多種光刻工藝來形成通孔開口 134'和溝槽136'?？?W通過第五蝕刻來形成通孔開口 134'，該第五蝕刻延伸穿過ILD層130、第二覆蓋層128、 第一覆蓋層126和硬掩模122,并且停止在頂部電極120中。形成溝槽136'的工藝可W包 括：利用ILD層130上面的適當位置中的圖案化的光刻膠（未示出）對ILD層130上執(zhí)行 第六蝕刻。第五和第六蝕刻可W包括干蝕刻（如，等離子體蝕刻劑、RIE蝕刻劑等）或濕蝕 刻（如，氨氣酸作為蝕刻劑）。
[0088] 圖14B示出了對應于操作32化的一些實施例的截面圖1400b。
[0089] 如圖14B所示，在一些實施例中，金屬層沉積在通孔開口 134'和溝槽136'上方， 隨后，通過CMP工藝來形成TEVA 134和金屬溝槽136。在一些實施例中，TEVA 134和金屬 溝槽136包括鶴或銅。金屬溝槽136是第二金屬化層（未示出）的一部分，并且TEVA 134 將MRAM單元10化電連接至第二金屬化層。在一些實施例中，可W通過鑲嵌或雙鑲嵌工藝 來形成TEVA 134。
[0090] 因此，通過W上所述可W理解，本發(fā)明提供了用于制造磁阻式隨機存取存儲器 (MRAM)單元的一種方法，該方法包括：在底部電極層上方形成磁性隧道結（MTJ)。頂部電極 層形成在MTJ的上表面的上方，并且硬掩模形成在頂部電極層的上表面的上方。執(zhí)行第一 蝕刻，穿過未被硬掩模掩蔽的頂部電極層和未被硬掩模掩蔽的MTJ的區(qū)域，W形成頂部電 極和蝕刻的MTJ。形成側壁間隔件，側壁間隔件從硬掩?；蝽敳侩姌O的上表面沿著頂部電極 和蝕刻的MTJ的側壁延伸，到達底部電極層的上表面之下的位置處或與底部電極層的上表 面大致齊平的位置處。
[0091] 在其他實施例中，本發(fā)明提供了一種磁阻式隨機存取存儲器（MRAM)單元，包括： 設置在底部電極上方的磁性隧道結（MTJ)。頂部電極設置在MTJ的上表面的上方。側壁間 隔件設置在底部電極的上表面的上方，并且側壁間隔件鄰接MTJ的外部側壁和頂部電極的 外部側壁。側壁間隔件通過基本均勻的寬度從底部電極的上表面向上延伸至頂部電極的上 表面。設置第一覆蓋層，第一覆蓋層鄰接側壁間隔件和底部電極的外部側壁。
[0092] 在又一個實施例中，本發(fā)明提供一種磁阻式隨機存取存儲器（MRAM)單元，包括： 底部電極，設置在具有開口的介電保護層上方。自由層配置為在至少兩種不同的磁極性之 間切換并設置在底部電極上方。絕緣阻擋層設置在自由層上方，并且具有固定磁極性的固 定層設置在絕緣阻擋層上方。自由層和固定層的磁極性垂直于介于絕緣阻擋層與固定層或 自由層之間的界面。頂部電極設置在固定層上方，并且硬掩膜設置在頂部電極的上表面的 上方。側壁間隔件被布置為通過基本均勻的寬度從底部電極的上表面延伸至頂部電極的上 表面或硬掩模的上表面。第一覆蓋層被設置為在側壁間隔件的上方延伸，并且沿著底部電 極和硬掩模的側壁延伸。金屬化堆疊件的后道工序度EOL)包括堆疊在MRAM單元的相對側 上的第一金屬化層和第二金屬化層。從底部電極延伸至第一金屬化層的第一通孔設置在第 一介電層中。底部電極延伸穿過開口 W鄰接第一通孔，并且從頂部電極延伸至第二金屬化 層的第二通孔設置在第二介電層中。
[0093] 上面論述了若干實施例的部件，使得本領域普通技術人員可W更好地理解本發(fā)明 的各個方面。本領域普通技術人員應該理解，可W很容易地使用本發(fā)明作為基礎來設計或 更改其他用于達到與運里所介紹實施例相同的目的和/或實現(xiàn)相同優(yōu)點的處理和結構。本 領域普通技術人員也應該意識到，運種等效構造并不背離本發(fā)明的精神和范圍，并且在不 背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可W進行多種變化、替換W及改變。
【主權項】
1. 一種用于制造磁阻式隨機存取存儲器（MRAM)單元的方法，所述方法包括： 在底部電極層上方形成磁性隧道結（MTJ); 在所述MTJ的上表面的上方形成頂部電極層； 在所述頂部電極層的上表面的上方形成硬掩模； 執(zhí)行第一蝕刻，穿過未被所述硬掩模掩蔽的所述頂部電極層和未被所述硬掩模掩蔽的 所述MTJ的區(qū)域，以形成頂部電極和蝕刻的MTJ ;以及 形成側壁間隔件，所述側壁間隔件從所述硬掩?；蛩鲰敳侩姌O的上表面沿著所述頂 部電極和所述蝕刻的MTJ的側壁延伸，到達所述底部電極層的上表面之下的位置處或與所 述底部電極層的上表面齊平的位置處。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述MTJ包括： 第一鐵磁層； 絕緣阻擋層，設置在所述第一鐵磁層上方；以及 第二鐵磁層，設置在所述絕緣阻擋層上方，其中，所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層的 磁極性垂直于介于所述絕緣阻擋層與所述第一鐵磁層或所述第二鐵磁層之間的界面。3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，將所述第一鐵磁層配置為在至少兩種磁極性之 間切換，并且所述第二鐵磁層具有固定磁極性。4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，形成所述側壁間隔件包括： 在所述硬掩模上方形成所述側壁間隔層，并且加襯里于所述硬掩模的上表面和側壁以 及所述蝕刻的MTJ的側壁；以及 在所述側壁間隔層中執(zhí)行第二蝕刻，以形成所述側壁間隔件。5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，所述第二蝕刻還蝕刻所述底部電極層的橫向延 伸件，以形成底部電極。6. 根據(jù)權利要求5所述的方法，還包括： 形成第一覆蓋層，所述第一覆蓋層沿著所述側壁間隔件、所述底部電極的側壁以及所 述硬掩模的側壁和上表面延伸； 形成第二覆蓋層，所述第二覆蓋層沿著所述第一覆蓋層的側壁和上表面延伸；以及 在所述第二覆蓋層的上表面和側壁上方沉積層間介電（ILD)層。7. 根據(jù)權利要求6所述的方法，還包括： 光圖案化并且蝕刻所述ILD層，以形成通孔開口和溝槽；以及 利用金屬層來分別填充所述通孔開口和所述溝槽，以形成TEVA(頂部電極通孔）和金 屬溝槽。8. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，所述TEVA延伸穿過所述第一覆蓋層、所述第二覆 蓋層和所述硬掩模，以鄰接所述頂部電極。9. 一種磁阻式隨機存取存儲器（MRAM)單元，包括： 磁性隧道結（MTJ)，設置在底部電極上方； 頂部電極，設置在所述MTJ的上表面的上方； 側壁間隔件，設置在所述底部電極的上表面的上方，鄰接所述MTJ的外部側壁，并且鄰 接所述頂部電極的外部側壁， 其中，所述側壁間隔件通過基本均勻的寬度從所述底部電極的上表面向上延伸至所述 頂部電極的上表面；以及 第一覆蓋層，鄰接所述側壁間隔件和所述底部電極的外部側壁。10. -種磁阻式隨機存取存儲器（MRAM)單元，包括： 底部電極，設置在具有開口的介電保護層上方； 自由層，被配置為在至少兩種不同的磁極性之間切換，并且設置在所述底部電極上 方； 絕緣阻擋層，設置在所述自由層上方； 固定層，具有固定磁極性，并且設置在所述絕緣阻擋層上方，其中，所述自由層和所述 固定層的磁極性垂直于介于所述絕緣阻擋層與所述固定層或所述自由層之間的界面； 頂部電極，設置在所述固定層上方； 硬掩模，設置在所述頂部電極的上表面的上方； 側壁間隔件，通過基本均勻的寬度從所述底部電極的上表面延伸至所述頂部電極的上 表面或所述硬掩模的上表面； 第一覆蓋層，在所述側壁間隔件、所述底部電極的側壁和所述硬掩模上方延伸；以及 后道工序（BEOL)金屬化堆疊件，包括： 第一金屬化層和第二金屬化層，堆疊在所述MRAM單元的相對側上； 第一通孔，從所述底部電極延伸至所述第一金屬化層，其中，所述第一通孔設置在第一 介電層中，并且所述底部電極延伸穿過所述開口，以鄰接所述第一通孔；和 第二通孔，從所述頂部電極延伸至所述第二金屬化層，其中，所述第二通孔設置在第二 介電層中。
【文檔編號】H01L27/22GK105977376SQ201510831564
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年11月25日
【發(fā)明人】游文俊, 凃國基, 張至揚, 陳俠威, 楊晉杰, 石昇弘, 朱文定, 廖鈺文
【申請人】臺灣積體電路制造股份有限公司