CN102376651A

CN102376651A - 提高mram中的mtj金属间电介质的填充能力的方法

Info

Publication number: CN102376651A
Application number: CN2010102615178A
Authority: CN
Inventors: 吴金刚; 倪景华; 于书坤; 李锦�
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2030-08-24
Also published as: CN102376651B

Abstract

本发明公开了一种提高MRAM中的磁隧道结MTJ(Magnetic TunnelJunction)金属间电介质的填充能力的方法，该方法通过将MTJ单元膜刻蚀成楔形状后再在其上沉积MTJ保护刻蚀阻挡层，并进一步通过回蚀法将所述MTJ保护刻蚀阻挡层的凸悬结构去除，从而使得后续沉积IMD时，IMD能均匀地填充，从而避免了空洞的产生，并且由于该方法不需要在高温条件下进行，从而避免了高温对MTJ造成的衰退，提高了MRAM的性能。

Description

提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法

技术领域

本发明涉及磁性随机访问存储器(MRAM)技术领域，尤其涉及一种提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法。

背景技术

磁性随机访问存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)是一种非挥发性的存储器，所谓“非挥发性”是指关掉电源后，仍可以保持记忆完整。在性能方面，MRAM拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入，是一种“全功能”的固态存储器。因而，其应用前景非常可观，有望主导下一代存储器市场。

MRAM一般包括***驱动电路及多个磁性存储单元，所述磁性存储单元由一个穿通晶体管和一个磁阻隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)组成。并且，为了与CMOS集成电路制备工艺相兼容，通常来说，所述MTJ是插在CMOS集成电路的两层金属层之间的，例如插在第一层金属层与第二层金属层之间，所述两层金属层之间通过金属通孔(via)相连。

然而，由于MRAM在写入时需要较大的驱动电流，这一点对减小单元大小、隔离***电路和降低功耗都产生了不利影响。降低驱动电流的一个方法是减小MTJ的尺寸。但是当MTJ的尺寸比上一层via的尺寸还小时，会使得在刻蚀上一层via时，本来应该在刻蚀到MTJ时停止刻蚀的，却沿着上一层via超出MTJ的部分继续刻蚀，导致上一层via与下一层的金属层短路，从而严重影响MRAM的性能。

为了解决上一层via与下一层的金属层短路的问题，提出在MTJ上覆盖一层保护刻蚀阻挡层，从而避免过刻蚀短路问题，该保护刻蚀阻挡层为氮化硅层(SiN)或氮掺杂的碳化硅层(NDC，Nitrogen Dopped Silicon Carbite)。然而，由于MRAM中的MTJ具有高的图形密度(pattern density)和高的纵横比(aspectratio)，使得SiN或NDC在覆盖过程中存在严重的凸悬(overhang)现象，从而使得在接下来淀积MTJ金属间介质层(IMD，Inter-Metal Dielectric)时容易产生空洞(void)问题，造成短路。关于凸悬现象请参考图1，图1为在MTJ上覆盖保护刻蚀阻挡层存在的凸悬现象的示意图，如图1所示，当在MTJ103上沉积保护刻蚀阻挡层106时，由于MTJ103的图形密度大，即两MTJ103之间的间隔小，同时由于MTJ103的图形具有高的纵横比，而保护刻蚀阻挡层106在MTJ顶部的沉积速率大于在侧壁的沉积速率，造成保护刻蚀阻挡层106在MTJ103的顶部的厚度远大于其在侧壁的厚度，从而向侧面突出，形成凸悬现象，使得在接下来淀积金属间介质层(IMD，Inter-Metal Dielectric)时，两MTJ103之间的部分IMD填充不进去，产生空洞(void)，可能造成电路短路。其中，该MTJ103是制备在第一层金属层101上，第一层金属层101之间通过绝缘介质层102进行隔离，所述绝缘介质层102为掺碳的氧化硅；并且在所述MTJ103的上部还沉积了一层帽盖层(capping layer)105，在所述MTJ103的下部还沉积了一层籽晶层(seed layer)104，所述MTJ保护刻蚀阻挡层106沉积在所述帽盖层(cappinglayer)105上。所述帽盖层(capping layer)105与所述籽晶层(seed layer)104为导电材料，所述帽盖层(capping layer)105的作用为保护MTJ103，同时使MTJ103与上一层via接触更好；所述籽晶层(seed layer)104有利于MTJ103膜均匀生长，同时使MTJ103与所述第一层金属层101接触更好。

因此，如何提高MTJ中的IMD的填充能力，使其不产生空洞，成为一个非常关键的问题。

为了解决这一问题，现有的一种方法是提高IMD的沉积温度，然而MRAM的制备温度不得超过350℃，这是因为当温度超过350℃后，MTJ的磁性会衰减，从而严重影响MRAM的性能。

现有的另一种方法是采用高密度等离子体(HDP，High Density Plasma)化学气相淀积(CVD)工艺来沉积IMD，该方法形成的IMD具有较高的填充能力，可以有效地避免IMD空洞问题。但是HDP CVD存在以下问题：

(1)在HDP CVD中，高填充能力的IMD介质层通常需要在高温下形成，且温度一般超过400℃，而MRAM的制备温度不得超过350℃；

(2)对12英寸半导体加工厂来说，其后段工艺通常采用大马士革结构(damascene)，该工艺不存在IMD填充步骤，从而没有HDP仪器，因此若在MRAM的制备过程中引入HDP CVD，将会引发一些工艺流程控制问题，并且会大大增加MRAM的制备成本。

因此，如何在低于350℃的温度下，提高MTJ中的IMD的填充能力，使其不产生空洞，成为目前业界亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，以解决现有的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法通常需要高温条件，而当温度超过350℃后，MTJ的磁性会衰减，从而严重影响MRAM的性能的问题。

为解决上述问题，本发明提出一种提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其中所述MRAM包括MTJ磁性存储单元，所述MTJ磁性存储单元沉积在集成电路的第一金属层与第二金属层之间，所述第一金属层包括多个第一金属及隔离所述多个第一金属的介质层，该方法包括如下步骤：

(100)在所述第一金属层上沉积MTJ单元膜；

(200)对所述MTJ单元膜进行光刻和刻蚀，形成多个楔形MTJ磁性存储单元；

(300)沉积MTJ保护刻蚀阻挡层，沉积后的所述MTJ保护刻蚀阻挡层具有凸悬结构；

(400)对所述MTJ保护刻蚀阻挡层进行回蚀，去除所述凸悬结构，且回蚀后所述MTJ保护刻蚀阻挡层的侧墙厚度为第一厚度；

(500)沉积IMD；以及

(600)对所述IMD进行光刻和刻蚀，形成通孔和第二金属层。

可选的，所述多个楔形MTJ磁性存储单元中的每个楔形MTJ磁性存储单元的侧面与底面的夹角为68°～85°。

可选的，所述每个楔形MTJ磁性存储单元的侧面与底面的夹角为75°～80°。

可选的，所述步骤(400)的工艺条件为：

气体流量：CHF₃，10～50sccm；O₂，5～50sccm；Ar，0～1000sccm；

功率：0～400W；

压力：5～60mTorr。

可选的，所述第一厚度大于所述通孔超出所述楔形MTJ磁性存储单元的最大偏移值d_max。

可选的，所述d_max＝d₁+d₂+d₃+d₄，其中，d₁为通孔的版图关键尺寸超出楔形MTJ磁性存储单元的版图关键尺寸的大小，d₂为通孔的实际工艺关键尺寸的上限与通孔的版图标准关键尺寸之差，d₃为楔形MTJ磁性存储单元的版图标准关键尺寸与楔形MTJ磁性存储单元的实际工艺关键尺寸下限之差，d₄为曝光时通孔与楔形MTJ磁性存储单元之间的最差套刻精度。

可选的，所述沉积IMD的温度小于350℃。

可选的，所述IMD的材料为掺碳的氧化硅或基于SiH4制备的低温氧化硅或低温TEOS。

可选的，所述MTJ磁性存储单元包括籽晶层、位于所述籽晶层上的MTJ主体以及位于所述MTJ主体上的帽盖层。

可选的，所述帽盖层的材料为导电材料。

可选的，所述帽盖层的材料为Ta或Pt或Co或Fe或Ru或Al或W或Ti或TiN或TaN或Ni或NiFe中的一种或几种。

可选的，所述籽晶层的材料为导电材料。

可选的，所述籽晶层的材料为Ta或Pt或Co或Fe或Ru或Al或W或Ti或TiN或TaN或Ni或NiFe中的一种或几种。

可选的，所述MTJ保护刻蚀阻挡层为氮化硅层或氮掺杂的碳化硅层。

本发明由于采用以上的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明通过将MTJ单元膜刻蚀成楔形状，使得在所述楔形MTJ磁性存储单元的侧壁上沉积所述MTJ保护刻蚀阻挡层变得相对容易；并进一步通过回蚀法，将所述MTJ保护刻蚀阻挡层的凸悬结构去除，从而使得IMD易于均匀填充，避免了空洞的产生；

(2)采用本发明提供的方法制备MRAM，不需要高温条件，从而有利于提高MRAM的性能；

(3)采用本发明提供的方法制备MRAM，使得与所述楔形MTJ磁性存储单元接触的通孔以及***驱动电路的通孔可以同时进行刻蚀，从而节省了一个掩模版，降低了成本。

附图说明

图1为在MTJ上覆盖保护刻蚀阻挡层存在的凸悬现象的示意图；

图2为本发明实施例提供的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法的步骤流程图；

图3为本发明实施例提供的在所述第一金属层上沉积MTJ单元膜的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的对所述MTJ单元膜进行刻蚀后的结构示意图；

图5本发明实施例提供的沉积MTJ保护刻蚀阻挡层后的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的对所述MTJ保护刻蚀阻挡层进行回蚀后的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的沉积IMD后的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的形成通孔和第二金属层后的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，该方法通过将MTJ单元膜刻蚀成楔形状后再在其上沉积MTJ保护刻蚀阻挡层，并进一步通过回蚀法将所述MTJ保护刻蚀阻挡层的凸悬结构去除，从而使得后续沉积IMD时，IMD能均匀地填充，从而避免了空洞的产生，并且由于该方法不需要在高温条件下进行，从而避免了高温对MTJ造成的衰退，提高了MRAM的性能。

请参考图2，图2为本发明实施例提供的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法的步骤流程图，如图2所示，本发明实施例提供的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法包括如下步骤：

(100)在所述第一金属层上沉积MTJ单元膜；关于这一步骤请参考图3，图3为本发明实施例提供的在所述第一金属层上沉积MTJ单元膜的结构示意图，如图3所示，所述MTJ单元膜包括籽晶层203、位于所述籽晶层203上的MTJ主体204以及位于所述MTJ主体204上的帽盖层205；且所述MTJ单元膜沉积在第一金属层上，所述第一金属层包括多个第一金属201及隔离所述多个第一金属201的介质层202；

(200)对所述MTJ单元膜进行光刻和刻蚀，形成多个楔形MTJ磁性存储单元；关于这一步骤请参考图4，其中图4为本发明实施例提供的对所述MTJ单元膜进行刻蚀后的结构示意图，如图4所示，所述MTJ单元膜进行光刻和刻蚀后，形成多个楔形MTJ磁性存储单元(本图中只示意了两个)，所述每个楔形MTJ磁性存储单元的侧面与底面的夹角为θ；

(300)沉积MTJ保护刻蚀阻挡层，沉积后的所述MTJ保护刻蚀阻挡层具有凸悬结构；关于这一步骤，请参考图5，图5本发明实施例提供的沉积MTJ保护刻蚀阻挡层后的结构示意图，如图5所示，沉积后的所述MTJ保护刻蚀阻挡层206具有凸悬结构；

(400)对所述MTJ保护刻蚀阻挡层进行回蚀，去除所述凸悬结构，且回蚀后所述MTJ保护刻蚀阻挡层的侧墙厚度为第一厚度；关于这一步骤请参考图6，图6为本发明实施例提供的对所述MTJ保护刻蚀阻挡层进行回蚀后的结构示意图，如图6所示，回蚀后，所述MTJ保护刻蚀阻挡层206的凸悬结构已去除，并且回蚀后所述MTJ保护刻蚀阻挡层206的侧墙厚度为第一厚度d；

(500)沉积IMD；关于这一步骤请参考图7，图7为本发明实施例提供的沉积IMD后的结构示意图，如图7所示，经过回蚀后，IMD207能均匀地沉积在所述MTJ保护刻蚀阻挡层206上，不存在空洞现象；以及

(600)对所述IMD进行光刻和刻蚀，形成通孔和第二金属层；关于这一步骤请参考图8，图8为本发明实施例提供的形成通孔和第二金属层后的结构示意图，如图8所示，所述楔形MTJ磁性存储单元位于所述第一金属层中的第一金属201与第二金属层中的第二金属209之间，由于在所述楔形MTJ磁性存储单元上沉积了MTJ保护刻蚀阻挡层206，因而所述通孔208只刻蚀到所述楔形MTJ磁性存储单元为止，防止了所述通孔208与所述第一金属201短路或者通孔208直接接触到MTJ主体204造成短路和污染。

进一步地，所述多个楔形MTJ磁性存储单元中的每个楔形MTJ磁性存储单元的侧面与底面的夹角θ为68°～85°，优选地，所述每个楔形MTJ磁性存储单元的侧面与底面的夹角θ为75°～80°，从而使得所述MTJ保护刻蚀阻挡层206能较好的沉积在所述楔形MTJ磁性存储单元的侧壁。

进一步地，所述步骤(400)的工艺条件为：

气体流量：CHF₃，10～50sccm；O₂，5～50sccm；Ar，0～1000sccm；

功率：0～400W；

压力：5～60mTorr。

进一步地，所述第一厚度d大于所述通孔208超出所述楔形MTJ磁性存储单元的最大偏移值d_max，从而防止回蚀过程中可能对所述楔形MTJ磁性存储单元造成损伤，并且避免在接下来的通孔208的刻蚀过程中造成通孔208过刻蚀，引起所述通孔208与所述第一金属201短路或者通孔208直接接触到MTJ主体204造成短路和污染。

进一步地，所述d_max＝d₁+d₂+d₃+d₄，其中，d₁为通孔208的版图关键尺寸超出楔形MTJ磁性存储单元的版图关键尺寸的大小，d₂为通孔208的实际工艺关键尺寸的上限与通孔208的版图标准关键尺寸之差，d₃为楔形MTJ磁性存储单元的版图标准关键尺寸与楔形MTJ磁性存储单元的实际工艺关键尺寸下限之差，d₄为曝光时通孔208与楔形MTJ磁性存储单元之间的最差套刻精度，从而包含了所有可预测的工艺偏差的最大尺寸。

进一步地，所述沉积IMD207的温度小于350℃，从而不会对MTJ主体204造成磁性衰退。

进一步地，所述IMD207的材料为掺碳的氧化硅或基于SiH4制备的低温氧化硅或低温TEOS，从而可以在相对较低的温度下形成，避免在其形成过程中对MTJ主体204造成磁性衰退。

进一步地，所述帽盖层205的材料为导电材料，从而使其与所述通孔208接触更好。

进一步地，所述帽盖层205的材料为Ta或Pt或Co或Fe或Ru或Al或W或Ti或TiN或TaN或Ni或NiFe中的一种或几种。

可进一步地，所述籽晶层203的材料为导电材料，从而使其与所述第一金属201接触更好。

进一步地，所述籽晶层203的材料为Ta或Pt或Co或Fe或Ru或Al或W或Ti或TiN或TaN或Ni或NiFe中的一种或几种。

进一步地，所述MTJ保护刻蚀阻挡层206为氮化硅层或氮掺杂的碳化硅层。

在本发明的一个具体实施例中，所述MTJ磁性存储单元是形成在所述第一金属层与所述第二金属层之间，然而应该认识到，根据实际情况，所述MTJ磁性存储单元还可以形成在集成电路中的其它两层相邻金属层之间，如第三层金属层与第四层金属层之间。

在本发明的一个具体实施例中，所述步骤(400)中采用的反应气体为CHF₃及O₂，然而应该认识到，根据实际情况，所述CHF₃可以采用CF₄或CH₂F₂来替代，所述O₂可以采用CO₂或CO来替代。

综上所述，本发明提供了一种提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，该方法通过将MTJ单元膜刻蚀成楔形状后再在其上沉积MTJ保护刻蚀阻挡层，并进一步通过回蚀法将所述MTJ保护刻蚀阻挡层的凸悬结构去除，从而使得后续沉积IMD时，IMD能均匀地填充，从而避免了空洞的产生，并且由于该方法不需要在高温条件下进行，从而避免了高温对MTJ造成的衰退，提高了MRAM的性能。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其中，所述MRAM包括MTJ磁性存储单元，所述MTJ磁性存储单元沉积在集成电路的第一金属层与第二金属层之间，所述第一金属层包括多个第一金属及隔离所述多个第一金属的介质层，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(100)在所述第一金属层上沉积MTJ单元膜；

(500)沉积IMD；以及

(600)对所述IMD进行光刻和刻蚀，形成通孔和第二金属层。

2.如权利要求1所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述多个楔形MTJ磁性存储单元中的每个楔形MTJ磁性存储单元的侧面与底面的夹角为68°～85°。

3.如权利要求2所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述每个楔形MTJ磁性存储单元的侧面与底面的夹角为75°～80°。

4.如权利要求1所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述步骤(400)的工艺条件为：

气体流量：CHF₃，10～50sccm；O₂，5～50sccm；Ar，0～1000sccm；

功率：0～400W；

压力：5～60mTorr。

5.如权利要求1所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述第一厚度大于所述通孔超出所述楔形MTJ磁性存储单元的最大偏移值d_max。

6.如权利要求5所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述d_max＝d₁+d₂+d₃+d₄，其中，d₁为通孔的版图关键尺寸超出楔形MTJ磁性存储单元的版图关键尺寸的大小，d₂为通孔的实际工艺关键尺寸的上限与通孔的版图标准关键尺寸之差，d₃为楔形MTJ磁性存储单元的版图标准关键尺寸与楔形MTJ磁性存储单元的实际工艺关键尺寸下限之差，d₄为曝光时通孔与楔形MTJ磁性存储单元之间的最差套刻精度。

7.如权利要求1所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述沉积IMD的温度小于350℃。

8.如权利要求7所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述IMD的材料为掺碳的氧化硅或基于SiH₄制备的低温氧化硅或低温TEOS。

9.如权利要求1所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述MTJ磁性存储单元包括籽晶层、位于所述籽晶层上的MTJ主体以及位于所述MTJ主体上的帽盖层。

10.如权利要求9所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述帽盖层的材料为导电材料。

11.如权利要求10所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述帽盖层的材料为Ta或Pt或Co或Fe或Ru或Al或W或Ti或TiN或TaN或Ni或NiFe中的一种或几种。

12.如权利要求9所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述籽晶层的材料为导电材料。

13.如权利要求12所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述籽晶层的材料为Pt或Pt或Co或Fe或Ru或Al或W或Ti或TiN或TaN或Ni或NiFe中的一种或几种。

14.如权利要求1所述的提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法，其特征在于，所述MTJ保护刻蚀阻挡层为氮化硅层或氮掺杂的碳化硅层。