DE102021106961A1

DE102021106961A1 - Struktur und verfahren für mram-vorrichtungen

Info

Publication number: DE102021106961A1
Application number: DE102021106961.0A
Authority: DE
Inventors: Tsung-Chieh Hsiao; Po-Sheng LU; Wei-Chih Wen; Liang-Wei WANG; Yu-Jen Wang; Dian-Hau Chen; Yen-Ming Chen
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2022-05-05
Also published as: US20230389447A1; TW202218205A; CN114079002A; US12004431B2; TWI807394B; US20220140228A1; KR102650778B1; KR20220058377A

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung weist Folgendes auf: eine untere Elektrode; ein MTJ-Element (MTJ: magnetischer Tunnelkontakt) über der unteren Elektrode; eine obere Elektrode über dem MTJ-Element; und einen Seitenwand-Abstandshalter, der an das MTJ-Element angrenzt, wobei die untere Elektrode, die obere Elektrode und/oder der Seitenwand-Abstandshalter ein magnetisches Material aufweisen.

Description

Prioritätsanspruch
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 30. Oktober 2020 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 63/198.620 , die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist.
Hintergrund
Die IC-Industrie (IC: integrierter Halbleiter-Schaltkreis) hat ein exponentielles Wachstum erfahren. Technologische Fortschritte bei IC-Materialien und -Entwürfen haben Generationen von ICs hervorgebracht, wobei jede Generation kleinere und komplexere Schaltkreise als die vorhergehende Generation hat. Im Laufe der IC-Evolution hat die Funktionsdichte (d. h., die Anzahl von miteinander verbundenen Vorrichtungen je Chipfläche) im Allgemeinen zugenommen, während die Strukturgröße (d. h., die kleinste Komponente oder Leitung, die mit einem Herstellungsverfahren erzeugt werden kann) abgenommen hat. Dieser Prozess der Verkleinerung bietet im Allgemeinen Vorteile durch die Erhöhung der Produktionsleistung und die Senkung der zugehörigen Kosten. Diese Verkleinerung hat aber auch die Komplexität der Bearbeitung und Herstellung von ICs erhöht.
Ein Fortschritt bei Entwurf und Fertigung von ICs ist die Entwicklung eines nichtflüchtigen Speichers (NVM) und insbesondere eines magnetischen Direktzugriffsspeichers (MRAM) gewesen. Bei einigen Implementierungen kann der MRAM eine Leistung bieten, die mit der eines flüchtigen statischen Direktzugriffsspeichers (SRAM) vergleichbar ist, und kann, bei einem niedrigeren Energieverbrauch, eine Dichte bieten, die mit der eines flüchtigen dynamischen Direktzugriffsspeichers (DRAM) vergleichbar ist. Im Vergleich zu einem NVM-Flash-Speicher bietet ein MRAM einen schnelleren Zugriff und zeigt eine geringere Qualitätsminderung im Zeitverlauf. Eine MRAM-Zelle wird von einem magnetischen Tunnelkontakt (MTJ; engl.: magnetic tunnel junction) gebildet, der zwei ferromagnetische Schichten aufweist, die durch eine dünne Isolationssperrschicht getrennt sind und durch Tunnelung von Elektronen zwischen den zwei ferromagnetischen Schichten durch die Isolationssperrschicht funktionieren. Zwar sind bestehende Ansätze bei der Herstellung von MRAM-Vorrichtungen bisher im Großen und Ganzen für ihren angestrebten Zweck geeignet gewesen, aber sie sind noch nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend. Es ist zum Beispiel wünschenswert, eine verbesserte Abschirmung für MRAM-Vorrichtungen gegen magnetische Interferenz bereitzustellen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung lässt sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind und nur der Erläuterung dienen. Vielmehr können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.

Die 1A und 1B zeigen perspektivische Darstellungen einer Halbleitervorrichtung mit einem darin integrierten MRAM. 1C zeigt eine Schnittansicht der Halbleitervorrichtung der 1A und 1B gemäß einer Ausführungsform.
Die 2A bis 2H zeigen Schnittansichten eines Teils der Halbleitervorrichtung der 1A bis 1C gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Die 3A und 3B zeigen ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit einer darin integrierten MRAM-Matrix gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G, 4H, 4I, 4J, 4K, 4K-1, 4L, 4L-1, 4M, 4M-1, 4N und 4N-1 zeigen Schnittansichten einer Halbleiterstruktur während eines Herstellungsprozesses entsprechend dem Verfahren der 3A und 3B gemäß einigen Ausführungsformen.

Detaillierte Beschreibung
Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element hergestellt werden können, sodass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können entsprechend interpretiert werden. Außerdem soll, wenn eine Anzahl oder ein Bereich von Anzahlen mit den Begriffen „etwa“, „ungefähr“ und dergleichen beschrieben wird, der Begriff Anzahlen umfassen, die innerhalb von bestimmten Abweichungen (z. B. innerhalb von ± 10 % oder anderen Abweichungen) der angegebenen Anzahl liegen, entsprechend dem Wissen eines Fachmanns in Anbetracht der hier beschriebenen speziellen Technologie, wenn nicht anders angegeben. Zum Beispiel umfasst der Begriff „etwa 5 nm“ den Abmessungsbereich von 4,5 nm bis 5,5 nm, 4,0 nm bis 5,0 nm, usw.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleitervorrichtungen und deren Herstellungsverfahren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Bereitstellen einer Halbleitervorrichtung mit einer Matrix von MRAM-Vorrichtungen (oder -Zellen), wobei jede MRAM-Vorrichtung eine magnetische Abschirmung zum Verbessern des Verhaltens der MRAM-Vorrichtung gegenüber magnetischer Interferenz aufweist. Die magnetische Abschirmung kann als ein magnetisches Material in einer unteren Elektrode, in einem Seitenwand-Abstandshalter und/oder in einer oberen Elektrode bereitgestellt werden.
Bei einigen Ausführungsformen sind die MRAM-Vorrichtungen in einem Speichervorrichtungsbereich (oder MRAM-Bereich) der Halbleitervorrichtung vorgesehen, und Logikvorrichtungen sind in einem Logikvorrichtungsbereich (oder Logikbereich) der Halbleitervorrichtung vorgesehen. Der Speichervorrichtungsbereich kann eine Matrix von MRAM-Vorrichtungen aufweisen, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die MRAM-Vorrichtungen in derselben Zeile sind mit einer gemeinsamen Wortleitung verbunden, und die MRAM-Vorrichtungen in derselben Spalte sind mit einer gemeinsamen Bitleitung verbunden. Die Matrix kann mit den Logikvorrichtungen des Logikbereichs verbunden werden und von diesen gesteuert werden.
Die MRAM-Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung können über einer Halbleiterstruktur hergestellt werden, die ein Halbleitersubstrat aufweist. Auf dem Halbleitersubstrat können bestimmte Vorrichtungen hergestellt werden, wie etwa Feldeffekttransistoren (FETs), die zugehöriges Gate-, Source- und Drain-Elemente haben. Auf der Halbleiterstruktur können außerdem eine oder mehrere Schichten eines mehrschichtigen Interconnects (oder MLI) angeordnet werden, der horizontal verlaufende leitfähige Leitungen (z. B. Metallisierungsschichten) und vertikal verlaufende leitfähige Durchkontaktierungen aufweist. Der MLI kann eine oder mehrere der Vorrichtungen (z. B. FETs), die auf dem Substrat hergestellt sind, miteinander verbinden. Bei einer Ausführungsform wird mindestens eine Metallisierungsschicht des MLI auf der Halbleiterstruktur hergestellt, während andere Metallisierungsschichten des MLI nach (z. B. über) der MRAM-Vorrichtung hergestellt werden können, die wie später beschrieben hergestellt wird. Mit anderen Worten, die MRAM-Vorrichtung ist in einer Metallisierungsschicht des MLI angeordnet.
Die 1A und 1B zeigen perspektivische Darstellungen einer Halbleitervorrichtung 200 mit einer MRAM-Matrix 250. Insbesondere zeigt 1A einen Baustein der MRAM-Matrix 250, und zwar eine MRAM-Zelle 249 mit einem MTJ 150 (oder einem MTJ-Stapel 150). Der MTJ 150 weist eine obere ferromagnetische Platte 152 und eine untere ferromagnetische Platte 154 auf, die durch eine dünne Isolierschicht 156, die auch als eine Tunnelsperrschicht bezeichnet wird, getrennt sind. Eine der beiden ferromagnetischen Platten (z. B. die untere ferromagnetische Platte 154) ist eine magnetische Schicht, die an eine antiferromagnetische Schicht gepinnt ist, während die andere ferromagnetische Platte (z. B. die obere ferromagnetische Platte 152) eine „freie“ magnetische Schicht ist, deren Magnetfeld auf einen von zwei oder mehr Werten zum Speichern eines von zwei oder mehr entsprechenden Datenzuständen geändert werden kann.
Der MTJ 150 verwendet eine Tunnel-Magnetoresistenz (TMR) zum Speichern von Magnetfeldern auf der oberen und der unteren ferromagnetischen Platte 152 und 154. Bei einer ausreichend dünnen Isolierschicht 156 (z. B. mit einer Dicke von etwa 10 nm oder weniger) können Elektronen von der oberen ferromagnetischen Platte 152 zu der unteren ferromagnetischen Platte 154 tunneln. Daten können auf vielfältige Weise in die Zellen geschrieben werden. Bei einem Verfahren wird ein Strom zwischen der oberen und der unteren ferromagnetischen Platte 152 und 154 ein Strom durchgeleitet, der ein Magnetfeld induziert, das in der freien Magnetschicht (z. B. der oberen ferromagnetischen Platte 152) gespeichert wird. Bei einem anderen Verfahren wird ein Spin-Transfer-Torque (STT) verwendet, bei dem ein Spin-orientierter oder -polarisierter Elektronenfluss zum Ändern des Magnetfelds in der freien Magnetschicht in Bezug auf die gepinnte Magnetschicht verwendet wird. Es können auch andere Verfahren zum Schreiben von Daten verwendet werden. Alle Datenschreibverfahren umfassen jedoch ein Ändern des Magnetfelds in Bezug auf die gepinnte Magnetschicht.
Der elektrische Widerstand des MTJ 150 ändert sich auf Grund des magnetischen Tunneleffekts entsprechend den Magnetfeldern, die in der oberen und der unteren ferromagnetischen Platte 152 und 154 gespeichert sind. Wenn zum Beispiel die Magnetfelder der oberen und der unteren ferromagnetischen Platte 152 und 154 orientiert sind (oder sich in derselben Richtung erstrecken), ist der MTJ 150 in einem niederohmigen Zustand (d. h., in einem logischen Zustand „o“). Wenn die Magnetfelder der oberen und der unteren ferromagnetischen Platte 152 und 154 in entgegengesetzten Richtungen orientiert sind, ist der MTJ 150 in einem hochohmigen Zustand (d. h., in einem logischen Zustand „1“). Die Richtung des Magnetfelds der oberen ferromagnetischen Platte 152 kann durch Durchleiten eines Stroms durch den MTJ 150 geändert werden. Durch Messen des elektrischen Widerstands zwischen der oberen und der unteren ferromagnetischen Platte 152 und 154 kann eine mit dem MTJ 150 verbundene Leseschaltung zwischen den Zuständen 0 und 1 unterscheiden. 1A zeigt außerdem, dass die obere ferromagnetische Platte 152 eines MTJ 150 mit einer Bitleitung verbunden ist, die untere ferromagnetische Platte 154 des MTJ 150 mit einer Source (oder einem Drain) eines Transistors in einer Transistorstruktur 101 verbunden ist, der Drain (oder die Source) des Transistors mit einer Versorgungsleitung (SL) verbunden ist, und das Gate des Transistors mit einer Wortleitung (WL) verbunden ist. Der MTJ 150 ist über die Bitleitung, die Wortleitung und die Versorgungsleitung zugreifbar (d. h., er kann über diese gelesen oder beschrieben werden). Da für den MTJ 150 eine Magnetisierung zum Speichern von binären digitalisierten Informationen verwendet wird, besteht die Gefahr, dass seine Daten durch starke magnetische Fremdfelder gestört werden können. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Strukturen bereitzustellen, die den MTJ 150 gegen Einflüsse von magnetischen Fremdfeldern schützen können.
1B zeigt eine MRAM-Matrix 250, die M Zeilen (Wörter) und N Spalten (Bits) von MRAM-Zellen (oder MRAM-Vorrichtungen) 249 umfasst. Jede MRAM-Zelle 249 weist einen MTJ 150 auf. Wortleitungen WL₁, WL₂, ... WL_M erstrecken sich quer über jeweilige Zeilen von MRAM-Zellen 249, und Bitleitungen BL₁, BL₂, ... BL_N erstrecken sich entlang Spalten von MRAM-Zellen 249.
1C zeigt eine Schnittansicht der Halbleitervorrichtung 200 entlang der Bitleitungsrichtung der MRAM-Matrix 250 (d. h., entlang der Linie B - B von 1B), wobei die MRAM-Matrix 250 und Logikvorrichtungen 252 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in derselben Figur gezeigt sind. In 1C ist die MRAM-Matrix 250 in einem MRAM-Bereich 100A vorgesehen, während die Logikvorrichtungen 252 in einem Logikbereich 100B vorgesehen sind. Die Logikvorrichtungen 252 können zum Implantieren einer Lese-/Schreiblogik zum Zugreifen auf die MRAM-Matrix 250 oder zum Ausführen anderer Funktionen verwendet werden. Der MRAM-Bereich 100A und der Logikbereich 100B haben eine gemeinsame Transistorstruktur 101 in oder auf einem Halbleitersubstrat 100.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Halbleitersubstrat 100 unter anderem ein Siliziumsubstrat (wie etwa ein Siliziumwafer) sein. Alternativ kann das Substrat 100 Folgendes umfassen: einen anderen elementaren Halbleiter, wie etwa Germanium; einen Verbindungshalbleiter, wie etwa Siliziumcarbid, Galliumarsen, Galliumphosphid, Indiumphosphid, Indiumarsenid und/oder Indiumantimonid; einen Legierungshalbleiter, wie etwa SiGe, GaAsP, AlInAs, AlGaAs, GaInAs, GaInP und/oder GaInAsP; und/oder Kombinationen davon. Bei einer weiteren Alternative ist das Halbleitersubstrat 100 ein Halbleiter-auf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat). Bei anderen Alternativen kann das Halbleitersubstrat 100 eine dotierte Epitaxialschicht, eine Gradient-Halbleiterschicht und/oder eine Halbleiterschicht über einer anderen Halbleiterschicht einer anderen Art sein, wie etwa eine Siliziumschicht auf einer Siliziumgermaniumschicht. Das Halbleitersubstrat 100 kann dotierte Bereiche, wie etwa eine p-Wanne, eine n-Wanne oder Kombinationen davon, aufweisen oder auch nicht.
Das Halbleitersubstrat 100 weist außerdem stark dotierte Bereiche, wie etwa Sources 103 und Drains 105, zumindest teilweise in dem Halbleitersubstrat 100 auf. Ein Gate 107 ist über einer Oberseite des Halbleitersubstrats 100 und zwischen der Source 103 und dem Drain 105 angeordnet. In einer Zwischenschichtdielektrikum-Schicht (ILD-Schicht) 109 sind Kontaktstifte 108 hergestellt, die mit der Transistorstruktur 101 elektrisch verbunden werden können. Bei einigen Ausführungsformen wird die ILD 109 auf dem Halbleitersubstrat 100 hergestellt. Die ILD 109 kann mit verschiedenen Verfahren zum Herstellen dieser Schichten hergestellt werden, z. B. chemische Aufdampfung (CVD), chemische Aufdampfung bei Tiefdruck (LPCVD), plasmaunterstützte CVD (PECVD), Sputtern und physikalische Aufdampfung (PVD), thermisches Aufwachsen und dergleichen. Die ILD 109 kann aus verschiedenen dielektrischen Materialien hergestellt werden, wie etwa einem Oxid, einem Oxidnitrid, Siliziumdioxid (Si02), einem stickstoffhaltigen Oxid (z. B. einem stickstoffhaltigen Si02), einem Stickstoff-dotierten Oxid (z. B. einem N₂-implantierten SiO₂), Siliziumoxidnitrid (Si_xO_yN_z) und dergleichen. Die Transistoren in der Transistorstruktur 101 können planare oder nicht-planare Transistoren, wie etwa FinFET- oder GAA-Transistoren (GAA: Gate-all-around), sein.
Bei einigen Ausführungsformen wird eine flache Grabenisolation (STI) 111 zum Definieren und elektrischen Isolieren von benachbarten Transistoren vorgesehen. In dem Halbleitersubstrat 100 werden mehrere STIs 111 hergestellt. Die STI 111 kann zum Beispiel ein Oxid, ein Oxidnitrid, Siliziumdioxid (Si02), ein stickstoffhaltiges Oxid (z. B. stickstoffhaltiges SiO₂), ein Stickstoff-dotiertes Oxid (z. B. N₂-implantiertes SiO₂), Siliziumoxidnitrid (Si_xO_yN_z) und dergleichen aufweisen. Die STI 111 kann auch aus einem geeigneten Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante oder einem High-k-Material hergestellt werden, wobei k größer als oder gleich etwa 8 ist, wie etwa Titanoxid (Ti_xO_y, z. B. TiO₂), Tantaloxid (Ta_xO_y, z. B. Ta₂O₅) und dergleichen. Alternativ kann die STI 111 auch aus einem geeigneten Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante oder einem Low-k-Material hergestellt werden, wobei k kleiner als oder gleich etwa 4 ist.
1C zeigt außerdem, dass die Halbleitervorrichtung 200 eine mehrschichtige Interconnect-Struktur (MLI-Struktur) 308 über der Transistorstruktur 101 aufweist. Die Interconnect-Struktur 308 weist drei benachbarte Metallschichten 302, 304 und 306 und weitere Metallschichten (nicht dargestellt) auf. Zum Beispiel sind bei einigen Ausführungsformen Metallschichten über der Metallschicht 306 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen sind zum Beispiel eine oder mehrere Metallschichten unter der Metallschicht 302 angeordnet. Die Metallschicht 302 ist eine N-te Metallschicht über einer Oberseite der Transistorstruktur 101, während die Metallschichten 304 und 306 eine (N+1)-te Metallschicht bzw. eine (N+2)-te Metallschicht sind. Daher werden die Metallschichten 302, 304 und 306 bei einigen Ausführungsformen auch als Metallschichten MN, M_N+1 und M_N+2 bezeichnet. Die Anzahl N kann eine natürliche Zahl sein. Zum Beispiel kann N 3, 4, 5, 6 oder eine andere natürliche Zahl sein. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die MRAM-Zellen 249 in der Metallschicht 304 implementiert.
Die Metallschicht 302 weist eine Zwischenmetall-Dielektrikumschicht (IMD-Schicht) 206 und Metallleitungen 208 in dem MRAM-Bereich 100A und dem Logikbereich 100B auf. Die IMD-Schicht 206 kann ein Oxid, wie etwa Siliziumdioxid, ein dielektrisches Low-k-Material, wie etwa ein Kohlenstoff-dotiertes Oxid, oder ein dielektrisches Extrem-low-k-Material sein, wie etwa poröses Kohlenstoff-dotiertes Siliziumdioxid. Die Metallleitungen 208 können aus einem Metall, wie etwa Aluminium, Kupfer oder Kombinationen davon, hergestellt werden.
Die Metallschicht 304 weist eine Sperrschicht 210 auf, die sich durch den MRAM-Bereich 100A und den Logikbereich 100B erstreckt. Die Sperrschicht 210 kann bei verschiedenen Ausführungsformen zum Beispiel ein oder mehrere dielektrische Materialien aufweisen, wie etwa Si₃N₄, SiON, SiC, SiCN oder eine Kombination davon. In dem MRAM-Bereich 100A weist die Metallschicht 304 außerdem die MRAM-Zellen 249 auf, die von einer oder mehreren dielektrischen Schichten 210, 212, 214 und 216 umschlossen sind. In dem Logikbereich 100B weist die Metallschicht 304 außerdem Metalldurchkontaktierungen 213 und Metallleitungen 217 auf, die von einer oder mehreren dielektrischen Schichten 210 und 215 umschlossen sind. Die verschiedenen Komponenten der Metallschicht 304 werden später näher beschrieben.
Bei einer Ausführungsform weist die dielektrische Schicht 212 ein metallbasiertes dielektrisches Material auf, wie etwa Aluminiumoxid (d. h., AlO_x, wie etwa Al₂O₃). Bei einer Ausführungsform weist die dielektrische Schicht 214 ein dielektrisches Low-k-Material auf, wie etwa ein Siliziumoxid-basiertes dielektrisches Low-k-Material. Zum Beispiel kann die dielektrische Schicht 214 undotiertes Silicatglas (USG) oder dotiertes Siliziumoxid, wie etwa Borphosphorsilicatglas (BPSG), Kieselglas (FSG), Phosphorsilicatglas (PSG), Borsilicatglas (BSG) und/oder andere geeignete dielektrische Materialien, aufweisen. Bei einer Ausführungsform weist die dielektrische Schicht 216 ein oder mehrere oxidbasierte dielektrische Materialien auf, wie etwa Siliziumdioxid, TEOS-Oxid (TEOS: Tetraethylorthosilicat), USG oder dotiertes Siliziumoxid, wie etwa BPSG, FSG, PSG, BSG und/oder andere geeignete dielektrische Materialien.
Bei der vorliegenden Ausführungsform weist jede MRAM-Zelle 249 eine untere Elektrode (BE) 221 auf. Die BE 221 weist eine Untere-Elektrode-Durchkontaktierung (BEVA) 220 und eine leitfähige Sperrschicht 218 auf Seitenwänden und einer Unterseite der BEVA 220 auf. Die BE 221 kann bei alternativen Ausführungsformen eine oder mehrere weitere Schichten aufweisen. Die leitfähige Sperrschicht 218 kann direkt auf einer der Metallleitungen 208 in der Metallschicht 302 angeordnet werden, die mit einer Durchkontaktierung auf einem der Source/Drain-Elemente der Transistoren in der Transistorstruktur 101 verbunden ist (diese Verbindung ist in 1C nicht dargestellt; siehe 1A). Die BEVA 220 kann ein magnetisches Material (wie etwa ein ferromagnetisches Material oder eine andere Art von magnetischem Material) oder ein nichtmagnetisches Material, wie etwa Wolfram, Titan, Tantal, Wolfram, Wolframnitrid, Titannidrid, Tantalnitrid, eine Kombination davon, oder ein anderes geeignetes Metall oder eine andere geeignete Metallverbindung aufweisen. Beispiele für ferromagnetische Materialien sind Eisen, Nickel, Cobalt und deren Verbindungen. Die Sperrschicht 218 kann ein magnetisches Material (wie etwa Eisen, Nickel, Cobalt und deren Verbindungen) oder ein nichtmagnetisches Material, wie etwa Titannidrid oder Tantalnitrid, und/oder eine andere geeignete leitfähige Diffusionsbarriere aufweisen. Die Sperrschicht 218 ist zwischen der BEVA 220 und den umschließenden dielektrischen Schichten 210, 212 und 214 angeordnet. Die Verwendung eines magnetischen Materials in der Sperrschicht 218, der BEVA 220 oder in beiden ist effektiv beim Abschirmen des MTJ 150 gegen vertikale magnetische Fremdfelder (d. h., magnetische Felder, die sich vertikal entlang der z-Richtung auf und ab bewegen).
Bei der vorliegenden Ausführungsform weist jede MRAM-Zelle 249 außerdem Folgendes auf: eine untere leitfähige Hartmaske (HM) 222, die auf der BE 221 angeordnet ist; einen MTJ (oder MTJ-Stapel) 150, der auf der HM 222 angeordnet ist; und eine obere leitfähige HM 228, die auf dem MTJ 150 angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform können die HM 222 und die HM 228 jeweils ein Metallnitrid aufweisen, wie etwa TaN, TiN, Ti/TiN, TaN/TiN, Ta oder Kombinationen davon. Bei einigen Ausführungsformen kann der MTJ 150 ferromagnetische Schichten, MTJ-Abstandshalter und eine Verkappungsschicht aufweisen. Die Verkappungsschicht wird auf der ferromagnetischen Schicht hergestellt. Die ferromagnetischen Schichten können jeweils ein ferromagnetisches Material aufweisen, das ein Metall oder eine Metalllegierung sein kann, zum Beispiel Fe, Co, Ni, CoFeB, FeB, CoFe, FePt, FePd, CoPt, CoPd, CoNi, TbFeCo, CrNi oder dergleichen. Der MTJ-Abstandshalter kann ein nicht-ferromagnetisches Metall aufweisen, zum Beispiel Ag, Au, Cu, Ta, W, Mn, Pt, Pd, V, Cr, Nb, Mo, Tc, Ru oder dergleichen. Ein weiterer MTJ-Abstandshalter kann außerdem ein Isoliermaterial aufweisen, zum Beispiel Al₂O₃, MgO, TaO, RuO oder dergleichen. Die Verkappungsschicht kann ein nicht-ferromagnetisches Material aufweisen, das ein Metall oder ein Isoliermaterial sein kann, zum Beispiel Ag, Au, Cu, Ta, W, Mn, Pt, Pd, V, Cr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ir, Re, Os, Al₂O₃, MgO, TaO, RuO oder dergleichen. Die Verkappungsschicht kann einen Schreibstrom der assoziierten MRAM-Zelle 249 reduzieren. Die ferromagnetische Schicht kann als eine freie Schicht 152 ( 1A) funktionieren, deren magnetische Polarität oder Orientierung während der Schreiboperation der assoziierten MRAM-Zelle 249 geändert werden kann. Die ferromagnetischen Schichten und der MTJ-Abstandshalter können als eine feste oder gepinnte Schicht 154 (1A) funktionieren, deren magnetische Orientierung während des Betriebs der assoziierten MRAM-Zelle 249 nicht geändert werden kann. Bei anderen Ausführungsformen wird in Betracht gezogen, dass der MTJ 150 eine antiferromagnetische Schicht aufweisen kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform weist jede MRAM-Zelle 249 außerdem einen dielektrischen Abstandshalter 224 auf Seitenwänden des MTJ 150 und der HM 222 auf. Der Abstandshalter 224 kann ein oder mehrere dielektrische Materialien aufweisen, wie etwa Siliziumoxid (SiO_x), Siliziumnitrid (SiN_x), Siliziumoxidnitrid (Si_xO_yN_z) oder dergleichen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Schutz-Abstandshalter 226 über den dielektrischen Abstandshaltern 224 und über den Seitenwänden der HM 228 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen umschließen der dielektrische Abstandshalter 224, der Schutz-Abstandshalter 226 und die dielektrische Schicht 216 den MTJ 150 in einer Draufsicht mit einem Winkel von 360°. Bei einer Ausführungsform werden der dielektrische Abstandshalter 224, der Schutz-Abstandshalter 226 und die dielektrische Schicht 216 kollektiv als ein Seitenwand-Abstandshalter der MRAM-Zelle 249 bezeichnet. Bei einigen Ausführungsformen weist der Schutz-Abstandshalter 226 ein magnetisches Material, wie etwa Cobalt oder NiFe, auf. Die Verwendung eines magnetischen Materials in dem Schutz-Abstandshalter 226 ist effektiv beim Abschirmen des MTJ 150 gegen horizontale magnetische Fremdfelder (d. h., magnetische Felder in der x-y-Ebene). Bei einigen Ausführungsformen weist der Schutz-Abstandshalter 226 ein nichtmagnetisches Material auf, wie etwa Aluminiumoxid (Al₂O₃).
Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die Metallschicht 304 in dem Logikbereich 100B die Metalldurchkontaktierungen 213, die Metallleitungen 217 und die dielektrischen Schichten 210 und 215 auf. Die Metalldurchkontaktierungen 213 sind mit einigen der Metallleitungen 208 in der Metallschicht 302 elektrisch verbunden. Die dielektrische Schicht 215 kann ein Oxid, wie etwa Siliziumdioxid, ein dielektrisches Low-k-Material, wie etwa ein Kohlenstoff-dotiertes Oxid, oder ein dielektrisches Extrem-low-k-Material sein, wie etwa poröses Kohlenstoff-dotiertes Siliziumdioxid. Die Metalldurchkontaktierungen 213 und die Metallleitungen 217 können aus einem Metall, wie etwa Aluminium, Kupfer oder Kombinationen davon, hergestellt werden.
Die Metallschicht 306 weist leitfähige Strukturelemente (oder leitfähige Schichten) 260 und 262 auf, die von einer oder mehreren dielektrischen Schichten 230, 232 und 234 umschlossen sind. Die dielektrischen Schichten 230, 232 und 234 erstrecken sich quer über den MRAM-Bereich 100A und den Logikbereich 100B. Die leitfähigen Strukturelemente 260 und 262 in dem MRAM-Bereich 100A sind auf einem oder mehreren MTJs 150 angeordnet und sind mit diesen elektrisch verbunden. Die leitfähigen Strukturelemente 260 und 262 in dem Logikbereich 100B sind auf einer oder mehreren Metallleitungen 217 angeordnet und sind mit diesen elektrisch verbunden. Die verschiedenen Komponenten in der Metallschicht 306 werden später näher beschrieben.
Bei einer Ausführungsform weist die dielektrische Schicht 230 ein Material auf, das dem einen oder den mehreren Materialien der dielektrischen Schicht 210 gleicht oder ähnelt. Die dielektrische Schicht 230 kann zum Beispiel ein oder mehrere dielektrische Materialien aufweisen, wie etwa Si₃N₄, SiON, SiC, SiCN oder eine Kombination davon. Bei einer Ausführungsform weist die dielektrische Schicht 232 ein Material auf, das dem einen oder den mehreren Materialien der dielektrischen Schicht 212 gleicht oder ähnelt. Die dielektrische Schicht 232 kann zum Beispiel ein metallbasiertes dielektrisches Material aufweisen, wie etwa Aluminiumoxid (d. h. AlO_x, wie etwa Al₂O₃) oder andere Metalloxide. Bei einer Ausführungsform weist die dielektrische Schicht 234 ein dielektrisches Low-k-Material auf, wie etwa ein Siliziumoxid-basiertes dielektrisches Low-k-Material. Zum Beispiel weist die dielektrische Schicht 234 USG, BPSG, FSG, PSG, BSG und/oder andere geeignete dielektrische Materialien auf.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die leitfähigen Strukturelemente 260 Metalldurchkontaktierungen und/oder Metallleitungen, und die leitfähigen Strukturelemente 262 sind Sperrschichten auf Seitenwänden und Unterseiten der leitfähigen Strukturelemente 260. Bei einer Ausführungsform weisen die leitfähigen Strukturelemente 260 ein magnetisches Material (wie etwa Eisen, Nickel, Cobalt oder deren Verbindungen) oder ein nichtmagnetisches Material auf, wie etwa Aluminium, Kupfer oder Kombinationen davon. Bei einer Ausführungsform weisen die leitfähigen Strukturelemente 262 ein magnetisches Material (wie etwa Eisen, Nickel, Cobalt oder deren Verbindungen) oder ein nichtmagnetisches Material auf, wie etwa Titannidrid, Tantalnitrid und/oder eine andere geeignete kapazitive Diffusionssperre. Die Verwendung eines magnetischen Materials in den leitfähigen Strukturelementen 260, den leitfähigen Strukturelementen 262 oder in beiden ist effektiv beim Abschirmen des MTJ 150 gegen vertikale magnetische Fremdfelder (d. h., magnetische Felder, die sich vertikal entlang der z-Richtung auf und ab bewegen).
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die leitfähigen Strukturelemente 260 und 262 in dem MRAM-Bereich 100A Teil einer Bitleitung für die MRAM-Matrix 250. Jedes leitfähige Strukturelement 260 kann über einer Spalte von MRAM-Zellen 249 angeordnet sein, die dieselbe Bitleitung verwenden (siehe 1B). Bei einigen Ausführungsformen ist jedes leitfähige Strukturelement 260 über nur einer MRAM-Zelle 249 oder über einer Mehrzahl von zusammenhängenden MRAM-Zellen 249 (die eine Teilmenge einer Spalte von MRAM-Zellen 249 sein können) angeordnet, die die dieselbe Bitleitung verwenden. Bei einigen Ausführungsformen sind die leitfähigen Strukturelemente 260 und 262 direkt auf der leitfähigen HM 228 jeder MRAM-Zelle 249 in einer Spalte angeordnet und sind mit dieser elektrisch verbunden. Bei einigen Ausführungsformen sind die leitfähigen Strukturelemente 260 und 262 direkt auf dem MTJ 150 jeder MRAM-Zelle 249 in einer Spalte angeordnet und sind mit diesem elektrisch verbunden, wie in den 2E bis 2H gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen werden die leitfähigen Strukturelemente 260 und 262 auch als obere Elektrode (TE) 263 der MRAM-Zelle 249 bezeichnet.
Wie vorstehend dargelegt worden ist, können eine oder mehrere der Schichten/Strukturelemente 218, 220, 226, 260 und 262 ein magnetisches Material aufweisen, wie etwa Cobalt, Eisen, Nickel oder deren Verbindungen, z. B. NiFe. Dieses schirmt den MTJ 150 gegen äußere magnetische Interferenz ab, die z. B. von drahtlosen Ladegeräten für Mobiltelefone verursacht wird, die die Halbleitervorrichtung 200 aufnehmen. Bei einigen Ausführungsformen wird in der Halbleitervorrichtung 200 ein magnetisches Material in mindestens einer der Schichten/Strukturelemente 218, 220, 226, 260 und 262 verwendet. Bei einigen Ausführungsformen wird in der Halbleitervorrichtung 200 ein magnetisches Material in mindestens zwei der Schichten/Strukturelemente 218, 220, 226, 260 und 262 verwendet. Zum Beispiel wird in der Halbleitervorrichtung 200 ein magnetisches Material in einer der Schichten 218 und 220 verwendet, und ein anderes magnetisches Material wird in der Schicht 226 verwendet. Dieses schirmt den MTJ 150 gegen Interferenz durch vertikale und horizontale magnetische Fremdfelder ab. In ähnlicher Weise kann in der Halbleitervorrichtung 200 ein magnetisches Material in einer der Schichten 260 und 262 verwendet werden, und ein anderes magnetisches Material kann in der Schicht 226 verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen wird in der Halbleitervorrichtung 200 ein magnetisches Material in mindestens drei der Schichten/Strukturelemente 218, 220, 226, 260 und 262 verwendet. Zum Beispiel wird in der Halbleitervorrichtung 200 ein magnetisches Material in einer der Schichten 260 und 262 verwendet, ein anderes magnetisches Material wird in der Schicht 226 verwendet, und ein weiteres magnetisches Material wird in einer der Schichten 218 und 220 verwendet. Dieses schirmt den MTJ 150 gegen Interferenz durch vertikale und horizontale magnetische Fremdfelder ab. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die magnetischen Materialien der Schichten/Strukturelemente 218, 220, 226, 260 und 262 gleich oder voneinander verschieden sein.
Die 2A bis 2H zeigen außerdem verschiedene nicht-beschränkende Beispiele für die Halbleitervorrichtung 200, bei denen ein magnetisches Material in einer oder mehreren der Schichten/Strukturelemente 218, 220, 226, 260 und 262 verwendet wird. In 2A weist bei dieser Ausführungsform die Sperrschicht 218 eine Teilschicht 218b über einer Teilschicht 218a auf. Bei einer Ausführungsform weist die Teilschicht 218a TaN auf, und die Teilschicht 218b weist TiN auf. Der Schutz-Abstandshalter 226 weist ein magnetisches Material wie Co, NiFe oder eine Kombination davon auf. Der Schutz-Abstandshalter 226 ist zwischen die dielektrischen Abstandshalter 224 und 216 geschichtet. In einem Beispiel weist der dielektrische Abstandshalter 224 ein Nitrid, wie etwa Siliziumnitrid (Si₃N₄), auf, und der dielektrische Abstandshalter (oder die dielektrische Schicht 216) weist ein Oxid, wie etwa Siliziumdioxid, auf. Außerdem weist die Sperrschicht 262 eine Teilschicht 262b über einer Teilschicht 262a auf. Bei einer Ausführungsform weist die Teilschicht 262a Ta auf, und die Teilschicht 262b weist TaN auf. Bei einer Ausführungsform weist die BEVA 220 Wolfram auf, und das leitfähige Strukturelement 260 weist Kupfer auf.
In 2B weist bei dieser Ausführungsform die Sperrschicht 218 eine Teilschicht 218b über einer Teilschicht 218c auf, die über einer Teilschicht 218a angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform weist die Teilschicht 218a TaN auf, die Teilschicht 218b weist TiN auf, und die Teilschicht 218c weist ein magnetisches Material wie Co auf. Bei einer Ausführungsform weist die BEVA 220 ein magnetisches Material wie Co auf. Bei einer alternativen Ausführungsform weist die BEVA 220 ein nichtmagnetisches Material wie Wolfram auf. Bei einer Ausführungsform weist der Schutz-Abstandshalter 226 ein magnetisches Material wie Co, NiFe oder eine Kombination davon auf. Bei einer alternativen Ausführungsform weist der Schutz-Abstandshalter 226 ein nichtmagnetisches Material wie Al₂O₃ auf. Weitere Aspekte der Ausführungsform von 2B sind die Gleichen wie die der Ausführungsform von 2A.
In 2C weist bei dieser Ausführungsform die Sperrschicht 262 eine Teilschicht 262b über einer Teilschicht 262c auf, die über einer Teilschicht 262a angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform weist die Teilschicht 262a Ta auf, die Teilschicht 262b weist TaN auf, und die Teilschicht 262c weist ein magnetisches Material wie Co auf. Bei einer Ausführungsform weist die leitfähige Schicht 260 ein nichtmagnetisches Material wie Kupfer auf. Bei einer Ausführungsform weist der Schutz-Abstandshalter 226 ein magnetisches Material wie Co, NiFe oder eine Kombination davon auf. Bei einer alternativen Ausführungsform weist der Schutz-Abstandshalter 226 ein nichtmagnetisches Material wie Al₂O₃ auf. Weitere Aspekte der Ausführungsform von 2B sind die Gleichen wie die der Ausführungsform von 2A.
In 2D weist bei dieser Ausführungsform die Sperrschicht 218 eine Teilschicht 218b über einer Teilschicht 218c auf, die über einer Teilschicht 218a angeordnet ist. Außerdem weist die Sperrschicht 262 eine Teilschicht 262b über einer Teilschicht 262c auf, die über einer Teilschicht 262a angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform weist die Teilschicht 218a TaN auf, die Teilschicht 218b weist TiN auf, die Teilschicht 218c weist ein magnetisches Material wie Co auf, die Teilschicht 262a weist Ta auf, die Teilschicht 262b weist TaN auf, die Teilschicht 262C weist ein magnetisches Material wie Co auf, und der Schutz-Abstandshalter 226 weist ein magnetisches Material wie Co, NiFe oder eine Kombination davon auf. Somit ist der MTJ 150 (auf seinen Seitenwänden und Ober- und Unterseiten) von magnetischen Materialien umschlossen. Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die BEVA 220 und die leitfähige Schicht 260 jeweils zusätzlich ein magnetisches Material wie Co auf.
Die Ausführungsformen, die in den 2E bis 2H gezeigt sind, gleichen im Wesentlichen den Ausführungsformen, die in den 2A bis 2D gezeigt sind, mit der Ausnahme, dass die obere HM 228 bei den in den 2E bis 2H gezeigten Ausführungsformen entfernt ist und sich die leitfähigen Schichten 260 und 262 bis zu dem Platz zu erstrecken, den zuvor die obere HM 228 eingenommen hat. Bei den in den 2E bis 2H gezeigten Ausführungsformen kontaktiert die Sperrschicht 262 direkt den MTJ 150.
Die 3A und 3B zeigen ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 200 mit einer darin integrierten MRAM-Matrix und Logikelementen gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren 500 ist lediglich ein Beispiel, das die vorliegende Erfindung nicht über das hinaus beschränken soll, was explizit in den Ansprüchen dargelegt ist. Weitere Schritte können vor, während und nach dem Verfahren 500 vorgesehen werden, und bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens 500 können einige beschriebene Schritte ersetzt, weggelassen oder umgeordnet werden. Das Verfahren 500 wird nachstehend in Verbindung mit den 4A bis 4N-1 beschrieben, die verschiedene Schnittansichten der Halbleitervorrichtung 200 bei Herstellungsschritten gemäß dem Verfahren 500 zeigen.
In einem Schritt 502 wird bei dem Verfahren 500 (3A) eine Vorrichtungsstruktur 200 mit einer Metallschicht 302 und verschiedenen dielektrischen Schichten 210, 212 und 214, die über der Metallschicht 302 angeordnet sind, bereitgestellt, wie in 4A gezeigt ist. Obwohl es in 4A nicht dargestellt ist, weist die Vorrichtungsstruktur 200 weiterhin eine Transistorstruktur (wie etwa die Transistorstruktur 101 von 1C) auf, die in oder auf einem Substrat (wie etwa dem Substrat 100 von 1C) angeordnet ist. Die Metallschicht 302 ist die N-te Metallschicht über der Transistorstruktur, wobei N eine natürliche Zahl ist. Die Vorrichtungsstruktur 200 weist einen MRAM-Bereich 100A zum Herstellen einer MRAM-Matrix und einen Logikbereich 100B zum Herstellen von Logikvorrichtungen auf. Die Metallschicht 302 weist eine IMD-Schicht 206 und Metallleitungen 208 in dem MRAM-Bereich 100A und dem Logikbereich 100B auf. Die IMD-Schicht 206 kann ein Oxid, wie etwa Siliziumdioxid, ein dielektrisches Low-k-Material, wie etwa ein Kohlenstoff-dotiertes Oxid, oder ein dielektrisches Extrem-low-k-Material sein, wie etwa poröses Kohlenstoff-dotiertes Siliziumdioxid. Die Metallleitungen 208 können aus einem Metall, wie etwa Aluminium, Kupfer oder Kombinationen davon, hergestellt werden. Die IMD-Schicht 206 kann mit einem Abscheidungsverfahren, wie etwa physikalische Aufdampfung (PVD) oder chemische Aufdampfung (CVD), z. B. plasmaunterstützte chemische Aufdampfung (PECVD), hergestellt werden. Die Metallleitungen 208 können mit einem Abscheidungsverfahren wie PVD, CVD, ALD oder einem Plattierungsprozess hergestellt werden. Bei einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 210 ein oder mehrere dielektrische Materialien wie Si₃N₄, SiON, SiC, SiCN oder eine Kombination davon aufweisen, und sie kann durch PVD, CVD, ALD oder mit anderen geeigneten Verfahren mit einer Dicke von etwa 12 nm bis etwa 20 nm abgeschieden werden. Bei einer Ausführungsform weist die dielektrische Schicht 212 ein metallbasiertes dielektrisches Material auf, wie etwa Aluminiumoxid, und sie kann durch CVD, ALD oder mit anderen geeigneten Verfahren mit einer Dicke von etwa 2 nm bis etwa 6 nm abgeschieden werden. Bei einer Ausführungsform weist die dielektrische Schicht 214 ein Siliziumoxid-basiertes dielektrisches Material, wie etwa USG, auf, und sie kann durch CVD, PVD oder mit anderen geeigneten Verfahren mit einer Dicke von etwa 40 nm bis etwa 100 nm abgeschieden werden. Bleiben wir bei 4A. In den dielektrischen Schichten 210, 212 und 214 werden Durchkontaktierungsöffnungen 219 erzeugt, um Oberseiten der Metallleitungen 208 und der IMD-Schicht 206 freizulegen. Die Durchkontaktierungsöffnungen 219 können mit verschiedenen Verfahren, wie etwa Fotolithografie- und Ätzprozessen, erzeugt werden. Zum Beispiel kann ein Fotolithografieprozess zum Herstellen einer Ätzmaske verwendet werden, die dielektrischen Schichten 210, 212 und 214 werden durch die Ätzmaske geätzt, um die Durchkontaktierungsöffnungen 219 zu erzeugen, und anschließend wird die Ätzmaske entfernt.
In einem Schritt 504 werden bei dem Verfahren 500 (3A) in den Durchkontaktierungsöffnungen 219 eine BEVA 220 und eine Sperrschicht 218 hergestellt, die mit einigen der Metallleitungen 208 in dem MRAM-Bereich 100A elektrisch verbunden werden, wie in 4B gezeigt ist. Zum Beispiel wird in dem Schritt 504 die Sperrschicht 218 auf Oberflächen der Durchkontaktierungsöffnungen 219 abgeschieden, und über der Sperrschicht 218 wird die BEVA 220 abgeschieden. Anschließend kann in dem Schritt 504 ein CMP-Prozess (CMP: chemisch-mechanische Planarisierung) an der BEVA 220 und der Sperrschicht 218 durchgeführt werden, wodurch überschüssige Materialien auf der Oberseite der dielektrischen Schicht 214 entfernt werden. Die Sperrschicht 218 kann ein magnetisches Material wie Co oder ein nichtmagnetisches Material wie Titannidrid, Tantalnitrid oder eine andere geeignete leitfähige Diffusionsbarriere aufweisen, und sie kann durch ALD, PVD, CVD oder mit anderen geeigneten Abscheidungsverfahren abgeschieden werden. Die BEVA 220 kann ein magnetisches Material wie Co oder ein nichtmagnetisches Material wie Wolfram, Titan, Tantal, Wolframnitrid, Titannidrid, Tantalnitrid, eine Kombination davon oder ein anderes geeignetes Metall oder eine andere geeignete Metallverbindung aufweisen, und sie kann durch CVD, PVD, ALD, Plattierung oder mit anderen geeigneten Abscheidungsverfahren abgeschieden werden.
In einem Schritt 506 werden bei dem Verfahren 500 (3A) eine untere leitfähige HM-Schicht 222, ein MTJ-Stapel 150 und eine obere leitfähige HM-Schicht 228 über der dielektrischen Schicht 214, der Sperrschicht 218 und der BEVA 220 abgeschieden, wie in 4C gezeigt ist. Insbesondere wird die HM-Schicht 222 mit der BEVA 220 elektrisch verbunden. Bei einer Ausführungsform kann die HM-Schicht 222 ein Metallnitrid wie TaN, TiN, Ti/TiN, TaN/TiN, Ta oder eine Kombination davon aufweisen, und sie kann durch CVD, ALD oder mit anderen geeigneten Abscheidungsverfahren abgeschieden werden. Die HM-Schicht 222 kann bei einigen Ausführungsformen mit einer Dicke von etwa 1 nm bis etwa 8 nm hergestellt werden. Der MTJ-Stapel 150 kann durch CVD, PVD, ALD oder mit anderen geeigneten Abscheidungsverfahren abgeschieden werden, und er kann bei einigen Ausführungsformen eine Dicke von etwa 20 nm bis etwa 50 nm haben. Bei einer Ausführungsform kann die HM-Schicht 228 ein Metallnitrid wie TaN, TiN, Ti/TiN, TaN/TiN, Ta oder eine Kombination davon aufweisen, und sie kann durch CVD, ALD oder mit anderen geeigneten Abscheidungsverfahren abgeschieden werden. Die HM-Schicht 228 kann bei einigen Ausführungsformen mit einer Dicke von etwa 10 nm bis etwa 25 nm hergestellt werden.
In einem Schritt 508 werden bei dem Verfahren 500 (3A) die HM-Schicht 222, der MTJ-Stapel 150 und die HM-Schicht 228 zu einzelnen MRAM-Zellen 249 strukturiert. In dem Schritt 508 kann zum Beispiel mit Fotolithografie- und Ätzprozessen eine Ätzmaske 402 hergestellt werden, die Bereiche der HM-Schicht 228, die einzelnen MRAM-Zellen 249 entsprechen, bedeckt und den Rest der HM-Schicht 228 unbedeckt lässt, wie in 4D gezeigt ist. Dann werden in dem Schritt 508 die HM-Schicht 228, der MTJ-Stapel 150, die HM-Schicht 222 und die dielektrische Schicht 214 durch die Ätzmaske 402 geätzt, um einzelne MRAM-Zellen 249 herzustellen, wie in 4E gezeigt ist. Der Ätzprozess kann ein Nassätzprozess, ein Trockenätzprozess, eine resistive Ionenätzung oder ein anderer geeigneter Ätzprozess sein. Anschließend wird die Ätzmaske 402 durch Ätzen, Stripping, Ablösung oder mit anderen geeigneten Verfahren entfernt.
In einem Schritt 510 wird bei dem Verfahren 500 (3A) ein dielektrischer Abstandshalter 224 über den Seitenwänden der MRAM-Zellen 249 hergestellt, wie in 4F gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen wird der Abstandshalter 224 als Teil der MRAM-Zellen 249 angesehen. Zum Beispiel kann in dem Schritt 510 eine dielektrische Schutzschicht durch CVD, ALD oder mit anderen geeigneten Verfahren über der Vorrichtungsstruktur 200 in dem MRAM-Bereich 100A und dem Logikbereich 100B abgeschieden werden, und dann wird die dielektrische Schutzschicht anisotrop geätzt, um sie von der Oberseite der dielektrischen Schicht 214 und von der Oberseite der HM-Schicht 228 zu entfernen. Teile der dielektrischen Schicht 214 verbleiben auf den Seitenwänden der MRAM-Zellen 249 und werden zu den Abstandshaltern 224. Der Abstandshalter 224 kann ein oder mehrere dielektrische Materialien wie Siliziumoxid (SiO_x), Siliziumnitrid (SiN_x), Siliziumoxidnitrid (Si_xO_yN_z) oder dergleichen aufweisen. Der Abstandshalter 224 kann bei verschiedenen Ausführungsformen eine oder mehrere Schichten aus den dielektrischen Materialien aufweisen.
In einem Schritt 512 wird bei dem Verfahren 500 (3A) über dem dielektrischen Abstandshalter 224 und der dielektrischen Schicht 214 ein Schutz-Abstandshalter (oder eine Schutzschicht) 226 hergestellt, und über dem Schutz-Abstandshalter 226 in dem MRAM-Bereich 100A wird eine dielektrische Schicht (oder ein weiterer dielektrischer Abstandshalter) 216 hergestellt, wie in 4G gezeigt ist. Der Schritt 512 kann zum Beispiel Folgendes umfassen: Abscheiden des Schutz-Abstandshalters 226 und der dielektrischen Schicht 216 in dem MRAM-Bereich 100A und dem Logikbereich 100B; Herstellen einer Ätzmaske mit Fotolithografie- und Ätzprozessen, wobei die Ätzmaske den MRAM-Bereich 100A bedeckt und den Logikbereich 100B nicht bedeckt; Ätzen des Schutz-Abstandshalters 226 und der dielektrischen Schichten 216, 214 und 212 durch die Ätzmaske, bis die dielektrische Schicht 210 in dem Logikbereich 100B freigelegt ist; und Entfernen der Ätzmaske. Der Schutz-Abstandshalter 226 kann durch CVD, ALD oder mit anderen geeigneten Verfahren abgeschieden werden. Die dielektrische Schicht 216 kann durch CVD, PVD oder mit anderen geeigneten Verfahren abgeschieden werden. Der Schutz-Abstandshalter 226 und die dielektrischen Schichten 216, 214 und 212 können durch Nassätzung, Trockenätzung, reaktive Ionenätzung oder mit anderen geeigneten Verfahren geätzt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Schutz-Abstandshalter 226 ein magnetisches Material wie Co oder NiFe oder ein nichtmagnetisches Material wie Al₂O₃ aufweisen.
Nachdem der Schutz-Abstandshalter 226 und die dielektrischen Schichten 216, 214 und 212 geätzt worden sind, wird in dem Schritt 512 außerdem eine dielektrische Schicht 215 in dem Logikbereich 100B hergestellt, wie in 4H gezeigt ist. Die dielektrische Schicht 215 kann ein Oxid, wie etwa Siliziumdioxid, ein dielektrisches Low-k-Material, wie etwa ein Kohlenstoff-dotiertes Oxid, oder ein dielektrisches Extrem-low-k-Material sein, wie etwa poröses Kohlenstoff-dotiertes Siliziumdioxid. Die dielektrische Schicht 215 kann durch CVD, PVD oder mit anderen geeigneten Verfahren abgeschieden werden. Außerdem wird in dem Schritt 512 ein CMP-Prozess durchgeführt, um die Oberseiten der dielektrischen Schichten 215 und 216, des Schutz-Abstandshalters 226 und der HM 228 zu planarisieren.
In einem Schritt 514 werden bei dem Verfahren 500 (3A) Metalldurchkontaktierungen 213 und Metallleitungen 217 in dem Logikbereich 100B hergestellt, wie in 4I gezeigt ist. Die Metalldurchkontaktierungen 213 und die Metallleitungen 217 können mit einem Single-Damascene-Prozess, einem Dual-Damascene-Prozess oder anderen geeigneten Verfahren hergestellt werden. Der Schritt 514 kann zum Beispiel Folgendes umfassen: Ätzen von Löchern und/oder Gräben in der dielektrischen Schicht 215, um die Oberseite der Metallleitungen 208 freizulegen; Abscheiden eines oder mehrerer Metalle in die Löcher und/oder Gräben; und Durchführen eines CMP-Prozesses an dem einen oder den mehreren Metallen. Teile des einen oder der mehreren Metalle, die in den Löchern und/oder Gräben verbleiben, werden zu den Metalldurchkontaktierungen 213 und den Metallleitungen 217. Die Metalldurchkontaktierungen 213 und die Metallleitungen 217 können Aluminium, Kupfer oder andere geeignete niederohmige Metalle aufweisen, und sie können durch PVD, CVD, ALD, Plattierung oder mit anderen geeigneten Verfahren abgeschieden werden. Nach Beendigung des Schritts 514 sind die Oberseiten der Metallleitungen 217 im Wesentlichen koplanar mit der Oberseite der HM 228. Mit den Schritten 504 bis 514 wird also die Metallschicht 304 über der Metallschicht 302 hergestellt.
In einem Schritt 516 werden bei dem Verfahren 500 (3B) dielektrische Schichten 230, 232 und 234 über der Metallschicht 304 in dem MRAM-Bereich 100A und dem Logikbereich 100B abgeschieden, wie in 4J gezeigt ist. Bei einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 230 ein oder mehrere dielektrische Materialien, wie etwa ein Nitrid (z. B. Siliziumnitrid) oder Siliziumcarbid, aufweisen, und sie kann durch ALD, CVD, PVD oder mit anderen geeigneten Verfahren abgeschieden werden. Die dielektrische Schicht 230 kann bei einigen Ausführungsformen eine Dicke von etwa 10 nm bis etwa 15 nm haben. Bei einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 232 ein metallbasiertes dielektrisches Material, wie etwa Aluminiumoxid (d. h., AlO_x, wie etwa Al₂O₃), aufweisen, und sie kann durch ALD, CVD, PVD oder mit anderen geeigneten Verfahren abgeschieden werden. Die dielektrische Schicht 232 kann bei einigen Ausführungsformen eine Dicke von etwa 4 nm bis etwa 10 nm haben. Bei einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 234 USG oder dotiertes Siliziumoxid, wie etwa BPSG, FSG, PSG, BSG und/oder andere geeignete dielektrische Materialien, aufweisen, und sie kann durch CVD, PVD oder mit anderen geeigneten Verfahren abgeschieden werden. Die dielektrische Schicht 234 kann bei einigen Ausführungsformen eine Dicke von etwa 40 nm bis etwa 100 nm haben.
In einem Schritt 518 wird bei dem Verfahren 500 (3B) eine Ätzmaske 404 über der dielektrischen Schicht 234 hergestellt, wie in 4J gezeigt ist. Die Ätzmaske 404 stellt Öffnungen 406 über dem MRAM-Bereich 100A und dem Logikbereich 100B bereit. Bei einer Ausführungsform weist die Ätzmaske 404 ein Material auf, das in einem Ätzprozess eine Ätzselektivität in Bezug auf die dielektrischen Schichten 234, 232 und 230 hat. Die Ätzmaske 404 kann bei einer Ausführungsform zum Beispiel eine Resiststruktur aufweisen und kann unter der Resiststruktur weiterhin eine strukturierte Hartmaske aufweisen. Die strukturierte Hartmaske kann bei einer Ausführungsform zum Beispiel Titannidrid aufweisen und kann eine Dicke von etwa 10 nm bis etwa 40 nm haben. Der Schritt 518 kann Folgendes umfassen: Abscheiden einer Hartmaskenschicht über der dielektrischen Schicht 234; Aufbringen eines Fotoresists über der Hartmaskenschicht; Durchführen einer Fotolithografie (wie etwa Belichten und Entwickeln) an der Fotoresistschicht, um eine Resiststruktur zu erzeugen; und Ätzen der Hartmaskenschicht durch die Resiststruktur, um eine strukturierte Hartmaske herzustellen. Die strukturierte Hartmaske und die Resiststruktur bilden gemeinsam die Ätzmaske 404.
In einem Schritt 520 werden bei dem Verfahren 500 (3B) die dielektrischen Schichten 234, 232 und 230 durch die Ätzmaske 404 geätzt, um die MRAM-Zellen 249 in dem MRAM-Bereich 100A und die Metallleitungen 217 in dem Logikbereich 100B freizulegen. Die 4K und 4K-1 zeigen eine resultierende Struktur 200 gemäß einer Ausführungsform. 4K zeigt die Struktur 200 entlang der Linie B - B von 1B (d. h., entlang der x-Richtung), und 4K-1 zeigt die Struktur 200 entlang der Linie A - A von 1B (d. h., entlang der y-Richtung, die senkrecht zu der x-Richtung ist). Bei einer Ausführungsform können in dem Schritt 520 mehrere Ätzprozesse durchgeführt werden, die so konzipiert sind, dass sie jede der dielektrischen Schichten 234, 232 und 230 getrennt ätzen. Der Schritt 520 kann zum Beispiel Folgendes umfassen: Durchführen eines ersten Ätzprozesses, der so konzipiert ist, dass er die dielektrische Schicht 234 ätzt und die Ätzmaske 404 nur minimal bis gar nicht ätzt; Durchführen eines zweiten Ätzprozesses, der so konzipiert ist, dass er die dielektrische Schicht 232 ätzt und die Ätzmaske 404 nur minimal bis gar nicht ätzt; und Durchführen eines dritten Ätzprozesses, der so konzipiert ist, dass er die dielektrische Schicht 230 ätzt und die Ätzmaske 404 nur minimal bis gar nicht ätzt. Die mehreren Ätzprozesse können Nassätzung, Trockenätzung oder eine Kombination davon umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann mit einem Ätzprozess in dem Schritt 520 mehr als eine dielektrische Schicht geätzt werden.
Bei einigen alternativen Ausführungsformen wird auch die HM 228 geätzt, und die Oberseite des MTJ 150 wird freigelegt, wie in den 4M und 4M-1 gezeigt ist, die die Struktur 200 entlang der Linie B - B bzw. der Linie A - A von 1B zeigen. Wie in den 4K, 4K-1, 4M und 4M-1 gezeigt ist, werden in dem Schritt 520 die Öffnungen 406 in die dielektrischen Schichten 234, 232 und 230 hinein verlängert, um die MRAM-Zellen 249 und die Metallleitungen 217 freizulegen. Anschließend kann die Ätzmaske 404 entfernt werden.
In einem Schritt 522 werden bei dem Verfahren 500 (3B) leitfähige Schichten 262 und 260 in den Öffnungen 406 hergestellt. Zum Beispiel können in dem Schritt 522 eine oder mehrere Sperrschichten 262 in die Öffnungen 406 abgeschieden werden, und über den Sperrschichten 262 und in die Öffnungen 406 können eine oder mehrere metallische Materialien 260 abgeschieden werden, wie in den 4L und 4L-1 gezeigt ist, die die Struktur 200 entlang der Linie B - B bzw. der Linie A - A von 1B zeigen. Bei Ausführungsformen, bei denen die HM 228 in dem Schritt 520 teilweise oder vollständig entfernt wird (wie es in den 4M und 4M-1 gezeigt ist), füllen die Schichten 260 und 262 außerdem einen Raum direkt über dem MTJ 150 und zwischen dem Schutz-Abstandshalter 226 auf zwei gegenüberliegenden Seitenwänden der MRAM-Zelle 249, wie in den 4N und 4N-1 gezeigt ist, die die Struktur 200 entlang der Linie B - B bzw. der Linie A - A von 1B zeigen. Bei einer Ausführungsform weist die leitfähige Schicht 260 ein magnetisches Material (wie etwa Cobalt) oder ein nichtmagnetisches Material wie Aluminium, Kupfer oder Kombinationen davon auf. Bei einer Ausführungsform weist die leitfähige Schicht 262 ein magnetisches Material (wie etwa Cobalt) oder ein nichtmagnetisches Material wie Titannidrid, Tantalnitrid und/oder eine andere geeignete leitfähige Diffusionsbarriere auf. Die leitfähigen Schichten 260 und 262 können durch CVD, PVD, ALD, Plattierung oder mit anderen geeigneten Verfahren abgeschieden werden. Anschließend wird in dem Schritt 522 ein CMP-Prozess an den leitfähigen Schichten 260 und 262 durchgeführt, um sie von der Oberseite der dielektrischen Schicht 234 zu entfernen. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird bei dem Verfahren 500 ein magnetisches Material in mindestens einer der Schichten oder Strukturelemente 218, 220, 226, 260 und 262 verwendet.
In einem Schritt 524 wird bei dem Verfahren 500 (3B) ein weiterer Herstellungsprozess an der Vorrichtung 200 durchgeführt. Zum Beispiel werden eine oder mehrere Metallschichten über der Metallschicht 306 hergestellt, eine oder mehrere Passivierungsschichten werden hergestellt, und weitere Back-End-Prozesse werden durchgeführt.
Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die jedoch nicht beschränkend sein sollen, bieten zahlreiche Vorzüge für eine Halbleitervorrichtung und deren Herstellung. Zum Beispiel wird bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Halbleitervorrichtung mit einer Matrix von MRAM-Zellen in einem MRAM-Bereich bereitgestellt. Jede MRAM-Zelle weist eine magnetische Abschirmung zum Abschirmen der MRAM-Zelle gegen magnetische Fremdfelder auf, wodurch die Zuverlässigkeit der MRAM-Zelle verbessert wird. Die magnetische Abschirmung kann als ein magnetisches Material in einer unteren Elektrode, in einem Seitenwand-Abstandshalter und/oder in einer oberen Elektrode bereitgestellt werden. Ein magnetisches Material in der unteren oder der oberen Elektrode kann eine vertikale magnetische Interferenz blockieren, während ein magnetisches Material in dem Seitenwand-Abstandshalter eine horizontale magnetische Interferenz blockieren kann. Die MRAM-Zellen der vorliegenden Erfindung können als eine eigenständige Speichervorrichtung implementiert werden, oder sie können als eine eingebettete Speichervorrichtung, die mit Logikvorrichtungen integriert ist, implementiert werden. Außerdem kann die Herstellung dieser Halbleitervorrichtung problemlos in bestehende Halbleiter-Herstellungsprozesse integriert werden.
Bei einem beispielhaften Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf eine Halbleitervorrichtung gerichtet. Die Halbleitervorrichtung weist Folgendes auf: eine untere Elektrode; ein MTJ-Element (MTJ: magnetischer Tunnelkontakt) über der unteren Elektrode; eine obere Elektrode über dem MTJ-Element; und einen Seitenwand-Abstandshalter, der an das MTJ-Element angrenzt, wobei die untere Elektrode, die obere Elektrode und/oder der Seitenwand-Abstandshalter ein magnetisches Material aufweisen.
Bei einer Ausführungsform der Halbleitervorrichtung weist die obere Elektrode das magnetische Material auf. Bei einer weiteren Ausführungsform wird das magnetische Material als eine Sperrschicht unter einer leitfähigen Schicht abgeschieden. Bei einer Ausführungsform weist die leitfähige Schicht Kupfer auf. Bei einer weiteren Ausführungsform weist die obere Elektrode eine Sperrschicht mit Tantal und eine leitfähige Schicht aus dem magnetischen Material auf, die über der Sperrschicht hergestellt ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Halbleitervorrichtung weist die untere Elektrode das magnetische Material auf. Bei einer noch weiteren Ausführungsform weist die untere Elektrode eine Sperrschicht aus dem magnetischen Material und ein über der Sperrschicht abgeschiedenes leitfähiges Material auf. Bei einer noch weiteren Ausführungsform weist die untere Elektrode eine Sperrschicht mit TiN und/oder TaN auf, und über der Sperrschicht wird das magnetische Material abgeschieden.
Bei einer Ausführungsform der Halbleitervorrichtung weist der Seitenwand-Abstandshalter mehrere Schichten auf, wobei eine der Schichten das magnetische Material aufweist. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das magnetische Material Co oder NiFe. Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist das magnetische Material zwischen einem Nitrid-Abstandshalter und einem Oxid-Abstandshalter angeordnet.
Bei einer Ausführungsform der Halbleitervorrichtung weisen mindestens zwei der Komponenten untere Elektrode, obere Elektrode und Seitenwand-Abstandshalter ein oder mehrere magnetische Materialien auf. Bei einer weiteren Ausführungsform weisen alle Komponenten untere Elektrode, obere Elektrode und Seitenwand-Abstandshalter ein oder mehrere magnetische Materialien auf.
Bei einem weiteren beispielhaften Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf eine Halbleitervorrichtung gerichtet, die Folgendes aufweist: eine untere Elektrode; ein MTJ-Element (MTJ: magnetischer Tunnelkontakt) über der unteren Elektrode; eine obere Elektrode über dem MTJ-Element; und einen Seitenwand-Abstandshalter, der an das MTJ-Element angrenzt, wobei der Seitenwand-Abstandshalter ein magnetisches Material aufweist.
Bei einer Ausführungsform der Halbleitervorrichtung ist das magnetische Material Co und/oder NiFe. Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Seitenwand-Abstandshalter einen Stapel aus einem Nitrid-Abstandshalter, dem magnetischen Material und einem Oxid-Abstandshalter auf. Bei einer noch weiteren Ausführungsform weisen die untere Elektrode und/oder die obere Elektrode ein anderes magnetisches Material auf.
Bei einem noch weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren mit den folgenden Schritten gerichtet: Erzeugen einer ersten Durchkontaktierungsöffnung in einer ersten dielektrischen Schicht; Herstellen einer ersten Sperrschicht in der ersten Durchkontaktierungsöffnung; Herstellen einer ersten leitfähigen Schicht über der ersten Sperrschicht und in der ersten Durchkontaktierungsöffnung; und Abscheiden eines MTJ-Stapels (MTJ: magnetischer Tunnelkontakt) über der ersten leitfähigen Schicht, der ersten Sperrschicht und der ersten dielektrischen Schicht, wobei der MTJ-Stapel mit der ersten leitfähigen Schicht elektrisch verbunden wird. Das Verfahren umfasst weiterhin Folgendes: Strukturieren des MTJ-Stapels, sodass ein strukturierter MTJ-Stapel entsteht; Abscheiden eines Nitrid-Abstandshalters über Seitenwänden des strukturierten MTJ-Stapels; Abscheiden eines Schutz-Abstandshalters über dem Nitrid-Abstandshalter; Abscheiden eines Oxid-Abstandshalters über dem Schutz-Abstandshalter; Abscheiden einer zweiten dielektrischen Schicht über dem Oxid-Abstandshalter und dem strukturierten MTJ-Stapel; Erzeugen einer zweiten Durchkontaktierungsöffnung in der zweiten dielektrischen Schicht; Herstellen einer zweiten Sperrschicht in der zweiten Durchkontaktierungsöffnung; und Herstellen einer zweiten leitfähigen Schicht über der zweiten Sperrschicht und in der zweiten Durchkontaktierungsöffnung, wobei die zweite leitfähige Schicht mit dem MTJ-Stapel elektrisch verbunden wird und die erste Sperrschicht, die erste leitfähige Schicht, der Schutz-Abstandshalter, die zweite Sperrschicht und/oder die zweite leitfähige Schicht ein magnetisches Materialien aufweisen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das magnetische Material Co. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren vor dem Strukturieren des MTJ-Stapels weiterhin ein Abscheiden einer Hartmaskenschicht mit TiN über dem MTJ-Stapel, wobei das Erzeugen der zweiten Durchkontaktierungsöffnung ein Entfernen eines in der zweiten Durchkontaktierungsöffnung freiliegenden Teils der Hartmaskenschicht umfasst, wodurch eine Oberseite des MTJ-Stapels freigelegt wird.
Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63/198620 [0001]

Claims

Halbleitervorrichtung mit: einer unteren Elektrode; einem MTJ-Element über der unteren Elektrode; einer oberen Elektrode über dem MTJ-Element; und einem Seitenwand-Abstandshalter, der an das MTJ-Element angrenzt, wobei die untere Elektrode, die obere Elektrode und/oder der Seitenwand-Abstandshalter ein magnetisches Material aufweisen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die obere Elektrode das magnetische Material aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei das magnetische Material als eine Sperrschicht unter einer leitfähigen Schicht abgeschieden wird.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die leitfähige Schicht Kupfer aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die obere Elektrode eine Sperrschicht mit Tantal und eine leitfähige Schicht aus dem magnetischen Material aufweist, die über der Sperrschicht hergestellt ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere Elektrode das magnetische Material aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die untere Elektrode eine Sperrschicht aus dem magnetischen Material und ein über der Sperrschicht abgeschiedenes leitfähiges Material aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die untere Elektrode eine Sperrschicht mit TiN und/oder TaN aufweist und über der Sperrschicht das magnetische Material abgeschieden ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Seitenwand-Abstandshalter mehrere Schichten aufweist, wobei eine der Schichten das magnetische Material aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei das magnetische Material Co oder NiFe ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das magnetische Material zwischen einem Nitrid-Abstandshalter und einem Oxid-Abstandshalter angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei der Komponenten untere Elektrode, obere Elektrode und Seitenwand-Abstandshalter ein oder mehrere magnetische Materialien aufweisen.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Komponenten untere Elektrode, obere Elektrode und Seitenwand-Abstandshalter ein oder mehrere magnetische Materialien aufweisen
Halbleitervorrichtung mit: einer unteren Elektrode; einem MTJ-Element über der unteren Elektrode; einer oberen Elektrode über dem MTJ-Element; und einem Seitenwand-Abstandshalter, der an das MTJ-Element angrenzt, wobei der Seitenwand-Abstandshalter ein magnetisches Material aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, wobei das magnetische Material Co und/oder NiFe ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Seitenwand-Abstandshalter einen Stapel aus einem Nitrid-Abstandshalter, dem magnetischen Material und einem Oxid-Abstandshalter aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, 15 oder 16, wobei die untere Elektrode und/oder die obere Elektrode ein anderes magnetisches Material aufweisen.
Verfahren mit den folgenden Schritten: Erzeugen einer ersten Durchkontaktierungsöffnung in einer ersten dielektrischen Schicht; Herstellen einer ersten Sperrschicht in der ersten Durchkontaktierungsöffnung; Herstellen einer ersten leitfähigen Schicht über der ersten Sperrschicht und in der ersten Durchkontaktierungsöffnung; Abscheiden eines MTJ-Stapels über der ersten leitfähigen Schicht, der ersten Sperrschicht und der ersten dielektrischen Schicht, wobei der MTJ-Stapel mit der ersten leitfähigen Schicht elektrisch verbunden wird; Strukturieren des MTJ-Stapels, sodass ein strukturierter MTJ-Stapel entsteht; Abscheiden eines Nitrid-Abstandshalters über Seitenwänden des strukturierten MTJ-Stapels; Abscheiden eines Schutz-Abstandshalters über dem Nitrid-Abstandshalter; Abscheiden eines Oxid-Abstandshalters über dem Schutz-Abstandshalter; Abscheiden einer zweiten dielektrischen Schicht über dem Oxid-Abstandshalter und dem strukturierten MTJ-Stapel; Erzeugen einer zweiten Durchkontaktierungsöffnung in der zweiten dielektrischen Schicht; Herstellen einer zweiten Sperrschicht in der zweiten Durchkontaktierungsöffnung; und Herstellen einer zweiten leitfähigen Schicht über der zweiten Sperrschicht und in der zweiten Durchkontaktierungsöffnung, wobei die zweite leitfähige Schicht mit dem MTJ-Stapel elektrisch verbunden wird und die erste Sperrschicht, die erste leitfähige Schicht, der Schutz-Abstandshalter, die zweite Sperrschicht und/oder die zweite leitfähige Schicht ein magnetisches Material aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das magnetische Material Co umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, das vor dem Strukturieren des MTJ-Stapels weiterhin ein Abscheiden einer Hartmaskenschicht mit TiN über dem MTJ-Stapel umfasst, wobei das Erzeugen der zweiten Durchkontaktierungsöffnung ein Entfernen eines in der zweiten Durchkontaktierungsöffnung freiliegenden Teils der Hartmaskenschicht umfasst, wodurch eine Oberseite des MTJ-Stapels freigelegt wird.