低蚀刻率自对准磁穿隧接面装置结构制造方法及图纸

公开了用于形成自对准于旗下的底部电极BE(35,36)的一种磁穿隧接面(MTJ)单元(47)的制程流程。底部电极包括具有第一宽度(wl)的下底部电极层(35)及具有第二宽度(w2)的上(第二)底部电极层(36)，其中w2大于w1。底部电极优选具有T形。磁穿隧接面堆叠层包括最上层硬遮罩(46)，其沉积于底部电极上并因为自对准沉积制程而具有宽度w2。虚置磁穿隧接面堆叠(49)也形成在第一底部电极层的周围。使用离子对基板的入射角度小于90°的离子束蚀刻，以移除侧壁上的多余材料。其后，沉积封装层(80)，将磁穿隧接面单元绝缘，并填充第一底部电极层与虚置磁穿隧接面堆叠之间的间隙。

Structure of low etching rate self aligned MTJ device

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】低蚀刻率自对准磁穿隧接面装置结构
本文涉及一种形成磁穿隧接面单元阵列的方法，其中每个磁穿隧接面单元通过自对准制程而沉积在定义磁穿隧接面单元的宽度的图形化底部电极上，借此通过由用于通过磁穿隧接面堆叠层转移遮罩图案的传统蚀刻制程造成的磁穿隧接面侧壁损伤的避免，提供磁阻率及其他磁性性质的改善。
技术介绍
磁穿隧接面(MagneticTunnelJunction，MTJ)存储元件也称为磁穿隧接面单元或磁穿隧接面，其是磁性记录装置及例如磁性随机存取存储器(magneticrandomaccessmemory，MRAM)及自旋转移力矩式(SpinTorqueTransfer，STT)磁性随机存取存储器的存储装置中的关键元件。制造方法及具有互补式金属氧化物半导体(complementarysiliconoxidesemiconductor，CMOS)次结构的整合方案是成功实现磁性随机存取存储器商业化生产所需的两个关键因素。这种新型的非易失性存储器将替代动态随机存取存储器(DynamicRandomAccessMemory，DRAM)、静态随机存取存储器(StaticRandomAccessMemory，SRAM)及快闪存储器(flashmemory)。在磁性随机存取存储器的设计中，存储元件是磁穿隧接面(MTJ)，其由两个铁磁层组成，两个铁磁层之间被称为穿隧能障层的薄绝缘层隔开。铁磁层之一具有垂直磁异向性(perpendicularmagneticanisotropy，PMA)，或者被设置为固定磁矩面内定向的反铁磁层钉扎(pinned)。另一个铁磁层的定向称为自由层，其方向可以在与被钉扎层平行和反平行的方向之间自由切换。当两个铁磁层的磁矩平行时，磁穿隧接面的电阻比反平行时更低，而这两种定向对应于两个存储状态。磁穿隧接面单元的电阻是通过给对应的晶体管供电来测量的，该晶体管使电流从位元线通过磁穿隧接面流向源线(sourceline)，反之亦然。磁阻比以dR/R表示，其中dR是当电流流过磁穿隧接面时两个存储状态之间的电阻差，R是最小电阻值。在基板上制造磁穿隧接面阵列的重要步骤是通过磁穿隧接面堆叠层在上方的硬遮罩中蚀刻图案的转移，以形成具有临界尺寸d的多个磁穿隧接面单元。从俯视图来看，现有技术中的装置基本上小于100nm。一些磁穿隧接面层的厚度小至至如图1所示，磁穿隧接面堆叠通常具有依序形成在底部电极11上的晶种层21、被钉扎层22、穿隧能障层23、自由层24、盖层25及硬遮罩层26。盖层可以是金属氧化物以增强自由层中的垂直磁异向性，而硬遮罩通常是例如钽(Ta)的金属，其在随后的物理及化学蚀刻期间用作保护层。底部电极也称为位元线，通过绝缘层12与其他位元线(未显示)绝缘，并形成在通常由晶体管、导孔和其他元件组成的CMOS子结构10上。磁性随机存取存储器装置的制造需要通过一个或多个反应离子蚀刻(ReactiveIonEtch，RIE)或离子束蚀刻(IonBeamEtch，I底部电极)步骤对磁穿隧接面堆叠进行图案化。首先，在硬遮罩上形成具有临界尺寸d的光罩图案27。采用第一蚀刻步骤以通过硬遮罩转移光罩中的形状，从而形成侧壁26s。参考图2，在一个或多个蚀刻步骤期间，硬遮罩26用作保护遮罩，蚀刻步骤将硬遮罩中的形状及临界尺寸通过磁穿隧接面堆叠中的其余层转移，从而形成磁穿隧接面单元20n。薄的磁穿隧接面层容易在从硬遮罩的顶面延伸到底部电极的顶面11t的侧壁26s附近损坏。此外，由于蚀刻副产物的非挥发性性质，沿着磁穿隧接面的侧壁的金属层30的再沉积导致例如穿隧能障层23周围的短路。因此，磁性随机存取存储器装置的性能下降或可能无法正常工作。因此，对于磁性随机存取存储器单元制造而言，最重要的挑战是在不损坏或使装置短路的情况下对磁穿隧接面堆叠进行图案化。通过磁穿隧接面堆叠的蚀刻转移制程具有挑战性，因为当使用氩(Ar)进行离子束蚀刻或传统基于CH3OH的反应离子蚀刻时，有多种材料(磁性合金、非磁性金属及介电薄膜)的蚀刻速率各不相同。必须注意选择蚀刻速率远低于磁穿隧接面堆叠20中的下层的硬遮罩26。而且，尽管蚀刻的材料在侧壁上的再沉积最少，但是甲醇反应离子蚀刻会对磁穿隧接面侧壁造成化学及等离子体破坏。对于大尺寸的装置，与未损坏的区域相比，损坏的区域较小，并且可能并不严重。但是，随着装置尺寸的缩小，其中d小于100nm，损坏区域的数量将变得很大，并降低磁穿隧接面的磁性能。另一方面，离子束蚀刻不会产生化学损害，而有最小的等离子体损坏，但会在磁穿隧接面侧壁上产生大量的再沉积材料。在磁穿隧接面侧壁处的再沉积是离子束蚀刻的关键问题，尤其是对于磁穿隧接面单元之间间距有限的高密度阵列而言。增加的电池密度将限制离子束的入射角，并可能在侧壁上留下再沉积的材料，从而导致装置短路。因此，需要一种用于制造磁穿隧接面单元阵列的改进方法，此方法避免在磁穿隧接面堆叠层上图案化硬遮罩，并且避免随后蚀刻穿过下方的磁穿隧接面堆叠。尤其，期望一种能够使磁穿隧接面图案化而不会使侧壁受到离子或化学物质的影响，其中离子或化学物质可能会损坏磁穿隧接面层。
技术实现思路
本文的一个目的是提供一种用于在存储器装置中沉积所有磁穿隧接面层的方法，使得不需要随后的图案化步骤来确定磁穿隧接面的形状和临界尺寸。本文的第二目的是提供根据第一目的的制程流程，其还可提高产量，并减少薄膜应力及与应力相关的缺陷，这些缺陷与在未图案化的磁穿隧接面堆叠层中对连续沉积的薄膜进行图案化的常规方法有关。根据一实施例，通过首先在基板的顶面上沉积具有第一(底部)层及第二(上方)层的底部电极(底部电极)叠层来实现第一目的。基板包括控制流过磁穿隧接面的电流的晶体管，以及将每个晶体管与每个底部电极下方的位元线连接的导孔。第一底部电极层及第二底部电极层包括不同的材料，使得随后的图案化及等向性蚀刻依序形成多个底部电极，每个底部电极具有T形或底切形状，其中上方底部电极层的宽度大于下方底部电极层的宽度。在替代实施例中，第二底部电极层被晶种层代替，该晶种层也用作磁穿隧接面单元中的最底层。此后，可选择的绝缘层共形地沉积在第一底部电极层及第二底部电极层(或晶种层)的侧面。在接下来的步骤中，依序沉积晶种层、被钉扎层、穿隧能障层、自由层、盖层及硬遮罩在第二底部电极层上，或在替代实施例中，上述没有晶种层的层被沉积在晶种层上。结果，磁穿隧接面单元与每个第二底部电极层(或每个晶种层)自对准，并且在第一底部电极层周围的基板顶面上形成虚置磁穿隧接面堆叠层。然而，底部电极的T形会阻止虚置磁穿隧接面堆叠实际接触第一底部电极层。由于在磁穿隧接面层的沉积过程中会进行自对准，因此无需进一步的图案化制程即可确定磁穿隧接面单元的形状及尺寸。第二底部电极层或晶种层的宽度定义了磁穿隧接面单元的临界尺寸。由于在沉积磁穿隧接面层期间会沿着磁穿隧接面侧壁累积导电材料，因此优选的在沉积磁穿隧接面堆叠之后执行具有角度的离子束蚀刻，并且包括在侧壁修整导电材料的同时旋转基板。接着，沉积也称为封装层的介电材料以填充相邻的磁穿隧接面单元之间的间隙，以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种存储器结构，包括：/n(a)一底部电极，其包括一第一底部电极层及一第二底部电极层，该第一底部电极层与一基板接触，该第二底部电极层与该第一底部电极层的一顶面邻接，其中该底部电极实质上呈一T形，其中该第一底部电极层具有一侧壁及一顶面，该顶面的一第一宽度实质上小于该第二底部电极层的一第二宽度，该第二底部电极层具有一第二侧壁，该第二侧壁相对于该基板实质上垂直对齐；以及/n(b)多层的一磁穿隧接面堆叠，该磁穿隧接面堆叠形成在该第二底部电极层的顶面上，该磁穿隧接面堆叠具有该第二宽度及与该第二底部电极侧壁共平面的一侧壁，其中该磁穿隧接面堆叠与该底部电极自对准。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170718 US 15/653,1801.一种存储器结构，包括：
(a)一底部电极，其包括一第一底部电极层及一第二底部电极层，该第一底部电极层与一基板接触，该第二底部电极层与该第一底部电极层的一顶面邻接，其中该底部电极实质上呈一T形，其中该第一底部电极层具有一侧壁及一顶面，该顶面的一第一宽度实质上小于该第二底部电极层的一第二宽度，该第二底部电极层具有一第二侧壁，该第二侧壁相对于该基板实质上垂直对齐；以及
(b)多层的一磁穿隧接面堆叠，该磁穿隧接面堆叠形成在该第二底部电极层的顶面上，该磁穿隧接面堆叠具有该第二宽度及与该第二底部电极侧壁共平面的一侧壁，其中该磁穿隧接面堆叠与该底部电极自对准。


2.如权利要求1所述的存储器结构，其中该磁穿隧接面堆叠是一磁穿隧接面单元，该磁穿隧接面单元具有一最底层的晶种层、一穿隧能障层及一最上层的硬遮罩，该最底层的晶种层在该第二底部电极层上，该穿隧能障层形成在一被钉扎层与一自由层之间。


3.如权利要求1所述的存储器结构，其中该第二底部电极层用作该磁穿隧接面堆叠的一晶种层，该磁穿隧接面堆叠包括形成在一自由层与一被钉扎层之间的穿隧能障层以及一最上层的硬遮罩，且该第二底部电极层与该磁穿隧接面堆叠一起形成一磁穿隧接面单元。


4.如权利要求1所述的存储器结构还包括多层的一虚置磁穿隧接面堆叠，该虚置磁穿隧接面堆叠与该磁穿隧接面堆叠及该底部电极电性绝缘，该虚置磁穿隧接面堆叠形成在该基板的一顶面上，并围绕该第一底部电极层，使得该虚置磁穿隧接面堆叠的一侧壁与该第一底部电极侧壁通过一间隙分开。


5.如权利要求4所述的存储器结构，其中该存储器结构还包括一封装层，该封装层使该磁穿隧接面堆叠与相邻的多层的该磁穿隧接面堆叠绝缘，其中该封装层填充该虚置磁穿隧接面堆叠与该第一底部电极层之间的该间隙。


6.如权利要求4所述的存储器结构，其中该第一底部电极层包括Ta、TaN、Ti或TiN，且该第一底部电极层具有一第一厚度，该第一厚度大于多层的该虚置堆叠的一厚度。


7.如权利要求6所述的存储器结构，其中该第二底部电极层包括Ni、NiCr、Ru或NiFeCr，并具有一第二厚度，且该第二厚度小于该第一厚度。


8.一种存储器结构，包括：
(a)一底部电极，其包括一第一底部电极层及一上方的第二底部电极层，该第一底部电极层与一基板接触，该第二底部电极层与该第一底部电极层的一顶面邻接，其中该底部电极实质上呈一T形，其中该第一底部电极层具有一侧壁及一顶面，该顶面的一第一宽度实质上小于该第二底部电极层的一第二宽度，该第二底部电极层具有一第二侧壁，该第二侧壁相对于该基板实质上垂直对齐；
(b)一介电层，该介电层共形地形成在该第二底部电极侧壁与该第二底部电极层的一底面上以及该第一底部电极层的侧壁上，该介电层具有与该第二底部电极侧壁相邻的一第三侧壁，该第三侧壁相对于该基板实质上垂直对齐；以及
(c)多层的一磁穿隧接面堆叠，该磁穿隧接面堆叠与该第二底部电极层及该介电层自对准，以使该磁穿隧接面堆叠上的一侧壁与该第三侧壁共平面，且该磁穿隧接面堆叠的每个层的宽度大于该第二宽度。


9.如权利要求8所述的存储器结构，其中该磁穿隧接面堆叠是一磁穿隧接面单元，该磁穿隧接面单元具有一最底层的晶种层、一穿隧能障层及一最上层的硬遮罩，该最底层的晶种层在该第二底部电极层上，该穿隧能障层形成在一被钉扎层与一自由层之间。


10.如权利要求8所述的存储器结构，其中该第二底部电极层用作该磁穿隧接面堆叠的一晶种层，该磁穿隧接面堆叠包括形成在一自由层与一被钉扎层之间的穿隧能障层以及一最上层的硬遮罩，且该第二底部电极层与该磁穿隧接面堆叠一起形成一磁穿隧接面单元。


11.如权利要求8所述的存储器结构还包括多层的一虚置磁穿隧接面堆叠，该虚置磁穿隧接面堆叠与该磁穿隧接面堆叠及该底部电极电性绝缘，该虚置磁穿隧接面堆叠形成在该基板的一顶面上，并围绕该第一底部电极层，使得该虚置磁穿隧接面堆叠的一侧壁与该第一底部电极侧壁通过一间隙分开。


12.如权利要求11所述的存储器结构，其中该存储器结构还包括一封装层，该封装层使该磁穿隧接面堆叠与相邻的多层的该磁穿隧接面堆叠绝缘，其中该封装层填充该虚置磁穿隧接面堆叠与该第一底部电极层之间的该间隙。


13.如权利要求11所述的存储器结构，其中该第一底部电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰斯明·哈克，锺汤姆，滕忠健，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71