CN104347797B

CN104347797B - 磁性随机存储器及其制造方法

Info

Publication number: CN104347797B
Application number: CN201310323978.7A
Authority: CN
Inventors: 曾贤成
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2018-12-25
Anticipated expiration: 2033-07-29
Also published as: CN104347797A

Abstract

本发明提供了一种磁性随机存储器及其制造方法，其中，所述磁性随机存储器的制造方法包括：提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有接触孔；对所述接触孔执行金属填充；在金属填充后的半导体衬底的表面形成导电层；刻蚀所述导电层形成导线；在形成导线后的半导体衬底的表面形成MTJ层；刻蚀所述MTJ层形成MTJ存储单元。本发明磁性随机存储器的制造方法中，在金属填充后的半导体衬底的表面增加了一层非常平整的导电层，MTJ层沉积在所述导电层的表面，使得刻蚀形成的MTJ存储单元不会出现Mx波纹。

Description

磁性随机存储器及其制造方法

技术领域

本发明涉及随机存储器技术领域，特别涉及一种磁性随机存储器及其制造方法。

背景技术

随机存取存储器(RAM)能够读和写，通常用于存放各种输入／输出的程序、数据、中间运算结果以及存放与外界交换的信息。比如，计算机的随机存取存储器(RAM)，开机时，操作***和应用程序的所有正在运行的数据和程序都会放置其中，并且随时可以对存放在里面的数据进行修改和存取。目前，常用的随机存取存储器(RAM)包括静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。但是，静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）都属于挥发性的存储器性，需要持续供电，一旦***断电，存放在里面的所有数据和程序都会自动清空掉，并且再也无法恢复。

磁性随机存储器（MRAM）的结构包括控制晶体管和插在两条金属线之间的磁性隧道结存储单元（MTJ）。磁性随机存储器（MRAM）的磁性不会因为掉电而消失，所以它不像一般SRAM和DRAM一样具有易失性，而是能够在掉电以后继续保持其内容，是一种非挥发性的存储器。

而且，磁性随机存储器（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，具有高速、省电、可无限次重写、不易失的优点，已经成为随机存储器发展的主要方向。

磁性随机存储器（MRAM）的制造方法通常是先在半导体衬底上制备CMOS器件，然后进行金属互连，在金属互连的过程中在相邻两层金属之间形成磁性隧道结（MTJ）存储单元。但是，在制造过程中发现，MTJ存储单元容易出现Mx波纹，如图1所示，衬底1上面形成的MTJ存储单元2是三层结构，包括上下各一层磁层和中间的介电层，MTJ存储单元截面中出现了Mx波纹3，即上下磁层和介电层之间的连接面有起伏，不是水平面。出现Mx波纹会影响开关电流，造成MTJ存储单元性能下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁性随机存储器的制造方法，以解决现有技术中MTJ存储单元产生Mx波纹的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁性随机存储器的制造方法所述磁性随机存储器的制造方法包括：

提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有接触孔；

对所述接触孔执行金属填充；

在金属填充后的半导体衬底的表面形成导电层；

刻蚀所述导电层形成导线；

在形成导线后的半导体衬底的表面形成MTJ层；

刻蚀所述MTJ层形成MTJ存储单元。

优选的，在所述的磁性随机存储器的制造方法中，所述导电层采用的材料是TaN。

优选的，在所述的磁性随机存储器的制造方法中，所述导电层采用的材料是TaN/Ta/Al。

优选的，在所述的磁性随机存储器的制造方法中，所述导电层采用的材料是TaN/Al。

优选的，在所述的磁性随机存储器的制造方法中，所述TaN是通过PVD或者MOCVD工艺形成的。

优选的，在所述的磁性随机存储器的制造方法中，所述Al是通过溅射工艺形成的。

优选的，在所述的磁性随机存储器的制造方法中，所述Ta是通过溅射工艺形成的。

优选的，在所述的磁性随机存储器的制造方法中，所述MTJ存储单元包括依次连接的第一磁层、介电层和第二磁层。

优选的，在所述的磁性随机存储器的制造方法中，所述第一磁层采用的材料和第二磁层采用的材料均是导电材料。

优选的，在所述的磁性随机存储器的制造方法中，所述金属填充的材料是铜。

本发明还提供一种磁性随机存储器，所述磁性随机存储器包括：

半导体衬底，所述半导体衬底具有接触孔；

形成于所述接触孔内的金属层；

形成于所述金属层上的导线；

形成于所述导线上的MTJ存储单元。

优选的，在所述的磁性随机存储器中，所述导线采用的材料是TaN。

优选的，在所述的磁性随机存储器中，所述导线采用的材料是TaN/Ta/Al。

优选的，在所述的磁性随机存储器中，所述导线采用的材料是TaN/Al。

优选的，在所述的磁性随机存储器中，所述TaN是通过PVD或者MOCVD工艺形成的。

优选的，在所述的磁性随机存储器中，所述Al和Ta均是通过溅射工艺形成的。

优选的，在所述的磁性随机存储器中，所述Ta是通过溅射工艺形成的。

优选的，在所述的磁性随机存储器中，所述MTJ存储单元包括依次连接的第一磁层、介电层和第二磁层。

优选的，在所述的磁性随机存储器中，所述第一磁层采用的材料和第二磁层采用的材料均是导电材料。

优选的，在所述的磁性随机存储器中，所述金属层采用的材料是铜。

综上所述，本发明磁性随机存储器及其制造方法中，通过在半导体衬底的表面增加了一层非常平整的导电层，使得MTJ存储单元形成于所述导电层的表面，避免了因为MTJ层的沉积表面不平整而导致的Mx波纹。

附图说明

图1是现有技术中MTJ存储单元的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种磁性随机存储器的制造方法的工艺流程图。

图3是本发明实施例的磁性随机存储器在金属填充后的结构示意图；

图4是本发明实施例的磁性随机存储器形成导电层后的结构示意图；

图5是本发明实施例的磁性随机存储器在MTJ层沉积之前的结构示意图；

图6是本发明实施例的磁性随机存储器形成MTJ层后的结构示意图；

图7是本发明实施例的磁性随机存储器形成MTJ存储单元后的结构示意图；

图8是本发明实施例中MTJ存储单元的结构示意图。

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磁性随机存储器及其制造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例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

按照现有的磁性随机存储器的制造方法，MTJ存储单元经常出现Mx波纹，影响开关电流。发明人对此进行了深入的研究，发现造成现有的磁性随机存储器的制造方法中MTJ存储单元出现Mx波纹的原因在于，MTJ层所沉积的表面不够平整。

MTJ存储单元一般沉积在相邻的两层金属层之间，比如，在第一层金属层和第二层金属层之间沉积形成MTJ存储单元，其基本过程如下：在具有介质层和接触孔的半导体衬底上进行金属填充，形成第一层金属层，金属填充的材料一般采用铜；接着，在半导体衬底的表面进行MTJ层沉积，MTJ层沉积之后进行刻蚀在介质层的上面形成MTJ存储单元，MTJ存储单元的位置与接触孔的位置错开；然后，在MTJ存储单元上形成第二层金属层。

然而，在金属填充形成第一层金属层之后需要经过化学机械研磨（CMP）或电抛光（ECP）处理，在表面处理过程中铜晶粒会与研磨液中的酸性或碱性物质发生反应，边缘的铜晶粒更容易被腐蚀，造成第一层金属层的表面不平整。而MTJ层要求在非常平整的表面上进行沉积，如果第一层金属层的表面不够平整，会影响MTJ层的内部结构，导致MTJ存储单元出现Mx波纹。而且，此后还会经过高温条件的工艺步骤，高温工艺会使得铜晶粒变大，进一步加剧表面不平整，使得Mx波纹更加明显。

综上，造成现有的MTJ存储单元出现Mx波纹的原因在于，MTJ层沉积的表面不平整。为了解决上述问题，本申请提出了如下技术方案：

请参考图2，其为本发明实施例的一种磁性随机存储器的制造方法的工艺流程图。如图2所示，所述磁性随机存储器的制造方法包括：

S10：提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有接触孔；

S11：对所述接触孔执行金属填充；

S12：在金属填充后的半导体衬底的表面形成导电层；

S13：刻蚀所述导电层形成导线；

S14：在形成导线后的半导体衬底的表面形成MTJ层；

S15：刻蚀所述MTJ层形成MTJ存储单元。

具体的，提供一半导体衬底10，所述半导体衬底10具有介质层11和接触孔。其中，介质层11采用的材料可以是NDC和BD、SiN和TEOS或者FSG。

接着，对所述接触孔执行金属填充，金属填充采用的材料是铜（Cu）。金属填充之后，接触孔内形成了金属层12。金属填充过程还包括化学机械研磨，即在接触孔内填充金属后，对形成的金属层12进行表面处理。请参考图3，其为本发明实施例的磁性随机存储器在金属填充后的结构示意图，在半导体衬底10的接触孔内形成了金属层12。

之后，在金属填充后的半导体衬底10的表面形成导电层13。请参考图3，其为本发明实施例的磁性随机存储器形成导电层后的结构示意图。如图4所示，导电层13覆盖在金属层12和半导体衬底10的表面。

然后，刻蚀导电层13形成导线16。其中，导线16的宽度大于接触孔的宽度，能够完全覆盖接触孔。形成导线16之后，在被刻蚀的区域继续生长介质层，生长的材料与介质层11的材料相同。请参考图5，其为本发明实施例的磁性随机存储器在MTJ层沉积之前的结构示意图。如图5所示，导线16之间通过介质层相互隔离，而且导线16覆盖在金属层12的上面。

在本发明实施例中，导电层13采用的材料是氮化钽（TaN）。在本发明其他实施例中，导电层13还可以采用氮化钽/钽/铝（TaN/Ta/Al）、氮化钽/铝（TaN/Al）或者除铜以外的其他金属材料，其中，铝（Al）和钽（Ta）及其他除铜以外的其他金属材料都是通过溅射工艺形成，氮化钽（TaN）一般采用物理气相沉积（PVD）或者金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）形成。

接着，在形成导线16后的半导体衬底10的表面沉积形成MTJ层14。如图6所示，MTJ层14覆盖在导线16和介质层的上面。形成MTJ层14的工艺可以采用现有技术中的工艺方法，形成的MTJ层14包括依次连接的第一磁层、介电层和第二磁层，是三层结构（图中未示出）。其中，第一磁层和第二磁层采用的材料是导电材料。形成MTJ层14时首先要形成BEC层，MTJ层14形成于BEC层的上面。为了避免后续形成的膜层出现Mx波纹，BEC层的平整度要求在10埃以下。

最后，对MTJ层14进行光刻和刻蚀，在导线16的上面形成MTJ存储单元15，即磁性隧道结存储单元。请参考图7，其为本发明实施例的磁性随机存储器形成MTJ存储单元后的结构示意图。如图7所示，MTJ存储单元15的位置在导线16的上面，与接触孔的位置错开。

形成MTJ存储单元15之后，通过传统的工艺方法执行其他工艺步骤，从而完成磁性随机存储器的制造。

相应的，本实施例还提供了一种磁性随机存储器。请继续参考图7，所述磁性随机存储器包括：

半导体衬底10，所述半导体衬底10具有接触孔；形成于所述接触孔内的金属层12；形成于所述金属层12上的导线16；形成于所述导线16上的MTJ存储单元15。

具体的，所述半导体衬底10具有介质层11和接触孔，在所述接触孔内形成金属层12，所述金属层12采用的材料是铜，所述介质层11采用的材料可以是NDC和BD、SiN和TEOS或者FSG。导线16的宽度大于接触孔的宽度，能够完全覆盖接触孔，导线16之间形成有介质层。MTJ存储单元15形成与所述导线16的上面，MTJ存储单元15的位置与所述接触孔的位置错开。所述MTJ存储单元15包括依次连接的第一磁层、介电层和第二磁层，其中第一磁层采用的材料和第二磁层采用的材料均是导电材料。

磁性随机存储器还包括BEC层，所述BEC层形成于MTJ存储单元15和导线16之间。所述BEC层的平整度在10埃以下，以避免后续在BEC层上形成的MTJ存储单元15出现Mx波纹。

在本发明实施例中，导线16采用的材料是氮化钽（TaN）。在本发明其他实施例中，其中，所述导线16还可以采用氮化钽/钽/铝（TaN/Ta/Al）、氮化钽/铝（TaN/Al）或者除铜以外的其他金属材料，其中，铝（Al）和钽（Ta）及其他除铜以外的其他金属材料都是通过溅射工艺形成，氮化钽（TaN）一般采用物理气相沉积（PVD）或者金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）形成。

请参考图8，其为本发明实施例中MTJ存储单元的结构示意图。如图8所示，MTJ存储单元15包括三层结构，层与层之间连接面20没有起伏不平，基本上都是水平面，MTJ存储单元15的截面没有出现Mx波纹。

综上，在本发明实施例提供的磁性随机存储器及其制造方法中，在金属层的上面增加了一层非常平整的导电层，使得MTJ存储单元沉积在导电层的表面，而不是金属层的表面，形成的MTJ存储单元不会出现Mx波纹。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种磁性随机存储器的制造方法，其特征在于，包括：

提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有接触孔；

对所述接触孔执行金属填充；

在金属填充后的半导体衬底的表面形成导电层；

刻蚀所述导电层形成导线；

在形成导线后的半导体衬底的表面形成BEC层，在所述BEC层上形成MTJ层，其中，所述BEC层的平整度在10埃以下；

刻蚀所述MTJ层形成MTJ存储单元；

其中，所述导线的宽度大于所述接触孔的宽度，能够完全覆盖所述接触孔，所述MTJ存储单元位于所述导线之上，与所述接触孔错开。

2.如权利要求1所述的磁性随机存储器的制造方法，其特征在于，所述导电层采用的材料是TaN。

3.如权利要求1所述的磁性随机存储器的制造方法，其特征在于，所述导电层采用的材料是TaN/Ta/Al。

4.如权利要求1所述的磁性随机存储器的制造方法，其特征在于，所述导电层采用的材料是TaN/Al。

5.如权利要求2至4中任一项所述的磁性随机存储器的制造方法，其特征在于，所述TaN是通过PVD或者MOCVD工艺形成的。

6.如权利要求3至4中任一项所述的磁性随机存储器的制造方法，其特征在于，所述Al是通过溅射工艺形成的。

7.如权利要求3所述的磁性随机存储器的制造方法，其特征在于，所述Ta是通过溅射工艺形成的。

8.如权利要求1所述的磁性随机存储器的制造方法，其特征在于，所述MTJ存储单元包括依次连接的第一磁层、介电层和第二磁层。

9.如权利要求8所述的磁性随机存储器的制造方法，其特征在于，所述第一磁层采用的材料和第二磁层采用的材料均是导电材料。

10.如权利要求1所述的磁性随机存储器的制造方法，其特征在于，所述金属填充的材料是铜。

11.一种磁性随机存储器，其特征在于，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底具有接触孔；

形成于所述接触孔内的金属层；

形成于所述金属层上的导线；

形成于所述导线上的BEC层，形成于所述BEC层上的MTJ存储单元；

其中，所述BEC层的平整度在10埃以下，所述导线的宽度大于所述接触孔的宽度，能够完全覆盖所述接触孔，所述MTJ存储单元位于所述导线之上，与所述接触孔错开。

12.如权利要求11所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述导线采用的材料是TaN。

13.如权利要求11所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述导线采用的材料是TaN/Ta/Al。

14.如权利要求11所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述导线采用的材料是TaN/Al。

15.如权利要求12至14中任一项所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述TaN是通过PVD或者MOCVD工艺形成的。

16.如权利要求13至14中任一项所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述Al和Ta均是通过溅射工艺形成的。

17.如权利要求13所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述Ta是通过溅射工艺形成的。

18.如权利要求11所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述MTJ存储单元包括依次连接的第一磁层、介电层和第二磁层。

19.如权利要求18所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述第一磁层采用的材料和第二磁层采用的材料均是导电材料。

20.如权利要求11所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述金属层采用的材料是铜。