專利名稱：用于磁性隨機存取存儲裝置的自對準導電線及其形成方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及半導體器件處理，更具體地說涉及用于基于FET的磁性隨機存取存儲裝置的自對準導電線及其形成方法。
背景技術：
磁性(或磁電阻)隨機存取存儲器(MRAM)是一種可能替代動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)作為計算裝置的標準存儲器的非易失性隨機存取存儲器技術。MRAM作為非易失性RAM的使用最終將允許“即時(instant on)”系統(tǒng)，只要這種系統(tǒng)一接通它就可使用，由此省去了例如常規(guī)PC在系統(tǒng)加電過程中將引導數(shù)據從硬盤驅動器轉印到易失性DRAM所需的時間。
磁性存儲元件(也稱為隧道磁電阻或TMR裝置)包括具有通過非磁性層(阻擋層)分隔的并被設置成磁性隧道結(MTJ)的鐵磁層的結構。數(shù)字信息在存儲元件中被存儲并表示為磁性層中的磁化矢量的方向。更具體地說，一個磁性層(也稱為參考層)的磁矩被固定或釘扎，而其它磁性層(也稱為“自由”層)的磁矩可以在相對于參考層的固定磁化方向相同的方向和相反的方向之間切換。自由層的磁矩的取向也稱為“平行”和“逆平行”狀態(tài)，其中平行狀態(tài)指自由和參考層的相同磁對準，而逆平行狀態(tài)指與其間的磁對準(方向)相反。
根據自由層的磁狀態(tài)(平行或逆平行)，磁性存儲元件響應在隧道結阻擋層上施加的電壓具有兩個不同的電阻值。TMR裝置的特定的電阻因此反映了自由層的磁化狀態(tài)，其中在磁化是平行的時電阻為“低”，而在磁化是逆平行的時為“高”。因此，電阻變化的檢測允許MRAM裝置提供存儲在磁性存儲元件中的信息(即讀操作)。此外，通過在特定的方向上施加雙向電流對MRAM單元進行寫，以便以平行或逆平行狀態(tài)磁性地對準自由層。
實際的MRAM裝置例如可以具有交叉點單元(XPC)結構，其中每個單元位于在一個水平面平面上的平行導電字線和在另一水平面平面上的垂直行進的感測線之間的交叉點上。這種特定的結構是有利的，即單元的設計有助于增加該裝置的陣列單元密度。然而，與交叉點MRAM陣列的實際操作相關的一個困難涉及特定單元的感測，假設在陣列中的每個單元通過幾個平行泄漏路徑耦合到其它的單元。在一個交叉點上看見的電阻等于在其它的行和列上與存儲器單元的電阻并聯(lián)的交叉點上的存儲器單元的電阻，因此可能難以精確測量它。
因此，MRAM裝置也以基于場效應晶體管(FET)的結構制造。在基于FET的結構中，除了MTJ之外，每個MRAM單元包括與其關聯(lián)的存取晶體管。通過保持存取晶體管在非導電狀態(tài)下不被讀取的單元中，防止了寄生裝置電流流經這些其它單元?；贔ET的結構和基于XPC的結構的折衷是與存取晶體管的位置和附加的金屬化線關聯(lián)的面積損失。
在常規(guī)形成的基于FET的MRAM裝置中，MTJ通常形成在將MTJ的底部橫向地連接到存取FET(通過通孔、金屬化線和接觸面積栓)的導電金屬帶上。此外，金屬硬掩膜(hardmask)的相對厚的層形成在MTJ的頂部以使溝槽蝕刻步驟可用于形成連接到該單元的上部金屬化層。如果金屬硬掩膜太薄，則上部金屬化層的溝槽的形成也可以結束暴露金屬帶(例如通過比如“微刻溝(microtrenching)”)。這將又使隨后形成的上部金屬材料填充接觸金屬帶，因此在MTJ上短路并破壞存儲元件。在另一方面，具有太厚的硬掩膜將增加上部金屬化層和MTJ之間的距離，由此增加產生切換磁化存儲元件之狀態(tài)的磁場所需的電流電平。
因為減少器件基本規(guī)則和更小的布線尺寸的趨勢，理想的是能夠使基于FET的MRAM裝置的上部金屬化層面更加接近MTJ元件，但不增加使上部金屬化層面與該裝置的金屬帶部分短路的危險。

發(fā)明內容
通過用于基于場效應晶體管(FET)的磁性隨機存取存儲器(MRAM)裝置的自對準的保護性導電線結構克服已有技術中前文討論的缺陷和不足，這種導電線結構包括導電地耦合到下部金屬化線的橫向金屬帶。磁性隧道結(MTJ)疊層形成在金屬帶上，并且金屬屏蔽形成在MTJ疊層上，該金屬屏蔽相對于金屬帶自對準。上部金屬化線導電地耦合到金屬屏蔽，其中金屬屏蔽在上部金屬化線的形成過程中用作蝕刻停止件。


參考示例性附圖，其中相似的元件在幾幅附圖中類似地編號。
附圖1所示為常規(guī)地形成的基于FET的MRAM裝置的剖視圖；附圖2所示為附圖1的MRAM裝置的上部金屬化層面溝槽的形成的詳細視圖，特別地示出了“微溝刻”現(xiàn)象；以及附圖3(a)至3(f)所示為根據本發(fā)明的實施例形成具有自對準導電線的基于FET磁性隨機存取存儲裝置的示例性過程。
具體實施例方式
本發(fā)明公開了一種形成基于FET的磁性存儲裝置的方法，其中自對準金屬屏蔽結合位于磁性存儲元件的底部的導電帶而形成。此外，金屬帶被用于將存儲元件耦合到設置于該元件下面的存取晶體管。因此在后面的處理步驟中(特別是其中為接觸磁性存儲元件的頂部而對上部金屬化溝槽進行蝕刻的步驟)金屬屏蔽提供了對金屬帶的保護。這種保護防止了存儲元件短路，以及提供了允許上部金屬化線形成得更靠近頂部存儲元件的附加優(yōu)點。這進一步使得對切換存儲元件所需的電流量的要求更加寬松。
首先參考附圖1，所示為常規(guī)地形成的基于FET的MRAM裝置100的剖視圖。更具體地說，附圖1所示為設置在下部金屬化層面和上部金屬化層面之間的基于FET的存儲元件102的一部分。在所描述的實例中，下部金屬化層面對應于MRAM裝置100的第一金屬化層面(M1)，而上部金屬化層面對應于MRAM裝置100的第二金屬化層面(M2)。然而，本領域普通技術人員認識到，單個存儲元件也可以形成在該裝置100內的其它層之間(例如在M2和M3之間)。
如附圖1所示，存儲元件102包括具有帶非磁性層(例如氧化物)的下部磁性層104和形成在其頂部的上部磁性層的MTJ疊層(總體地示作層106)。雖然單元102位于在字線108和位線110之間的對應交叉部分上，但是單元102的底部部分不與字線108直接電接觸，與XPC結構不同。相反，單元102形成在金屬帶112的頂部，該金屬帶112用于將單元102通過通孔柱銷116與下部層面金屬化線114互連。線114又實現(xiàn)通過接觸面柱銷118將單元102連接到相關的襯底層面存取晶體管(未示)。
如前文所示，附圖1的常規(guī)的基于FET的單元結構提供了用作位于單元102的頂層和位線110之間互連的相對較厚的金屬硬掩膜120(例如，在大約1700埃()的數(shù)量級)。裝置100的剩余部分(以122總體地表示)代表用于層面間隔離的絕緣(例如電介質)層。應該注意，在這一點上在附圖1所示的裝置100的M2層面(即在虛線上的附圖部分)為說明的目的已經旋轉了90°，這在下文將更加明顯。本領域普通技術人員將會認識到，由于在M1和M2上的金屬化線彼此垂直，因此在M2上的位線110實際上沿附圖1的頂部水平地設置。此外，附圖1也示出了裝置100的周邊區(qū)域124以便說明在下部金屬層面M1、上部金屬層面M2和連接通孔柱銷V1之間的關系。
還如前文所描述，已有的方法在TJ元件的頂部上使用相對較大厚度的金屬硬掩膜120以使定時的溝槽蝕刻可用于界定M2位線100。希望在達到金屬硬掩膜120之后但在暴露金屬帶112之前蝕刻終止。隨著人們進一步渴望使裝置小型化和降低功耗，減小布線尺寸相應地需要減小在位線和MTJ疊層之間的距離。然而，作為不可避免的蝕刻非均勻性和微刻溝效應的結果，在不造成與金屬帶短路的危險下，不能隨意地使M2層面靠近MTJ疊層的頂部。微刻溝效應在附圖2中說明?？梢韵嘈牛贛2溝槽形成的蝕刻處理過程中，由于沿著邊緣的電荷效應使得它的外部邊緣接收相對更大的離子轟擊。因此，在M2溝槽的外部邊緣126上的附加蝕刻(延伸到硬掩膜120的外部邊緣之外)導致了不規(guī)則的溝槽形狀，其中在外部邊緣上在M2和金屬帶112之間存在更小的間隙。同樣地，在硬掩膜120的厚度方面的極大減小導致了裝置短路的危險性增加。
因此，根據本發(fā)明的一種實施例，公開了一種具有自對準導電線的基于FET的磁性隨機存取存儲裝置，其中在存儲元件上形成的附加金屬硬掩膜具有與在存儲元件下面的金屬帶相同的形狀。金屬硬掩膜由此用作阻止M2溝槽形成到達存儲元件的頂部之下的深度并防止與金屬帶短路的屏蔽。因此，這種金屬屏蔽允許薄得多的MTJ金屬硬掩膜的形成和在M2和MTJ之間的距離的相應減小，由此對于給定量的位線電流得到了更高的磁場強度。此外，由于使用了更薄的硬掩膜，在MTJ硬掩膜蝕刻方面，該過程允許更好的圖形轉印保真度。
示例性處理序列在附圖3(a)至3(f)中示出。為了簡潔，在M1金屬化層面之下的FET和其它相關的通孔/連接都被省去。一般地說，在形成該裝置直至部分完成在附圖3(a)中所示的結構的處理步驟都可以根據常規(guī)的技術生產。具體地，在金屬化的M1層面上形成的線優(yōu)選包括在電介質304(比如二氧化硅)中形成的銅填充的溝槽302。此外，金屬帶通孔306通過金屬鑲嵌處理形成在另一電介質308中。
首先，金屬底層310用于金屬帶的形成中。然后，活性磁性疊層材料(以312總體地表示)在導電硬掩膜蓋層314之后淀積在金屬底層310上。在優(yōu)選實施例中，帶金屬底層和硬掩膜蓋層都是基于鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)的材料。然而，其它類似的適合材料比如氮化鈦(TiN)、鎢(W)、鉑(Pt)等也都可以使用。此外，硬掩膜蓋層314的初始厚度優(yōu)選選擇在大約500，雖然根據特定的存儲元件設計的特定需要，這可以調節(jié)到在大約100至大約500的范圍內。應該注意的是，已有的裝置處理填充通常利用非常厚的金屬硬掩膜蓋層(例如大約1700)。
本發(fā)明的處理流程的示例性處理流程實施例與以附圖3(b)中所示的方式進行常規(guī)處理不同。光致抗蝕劑(未示)(或者光致抗蝕劑加上適合的硬掩膜)被用于通過蓋層314和磁性疊層312而不通過帶金屬底層310蝕刻來界定隧道結316。這種光刻法和蝕刻步驟由此在適合于通過來自相關的M1和M2布線(即字線和位線)的磁場切換的區(qū)域中界定了存儲元件。因為本發(fā)明的實施例使用相對薄的金屬硬掩膜蓋層314，因此存儲元件界定蝕刻簡單得多，由此在圖形轉印中允許更高的保真性。在通過磁性層312進行蝕刻之后，電介質膜318被淀積以封裝隧道結存儲元件316。
關于用于電介質膜318的電介質材料(例如，氮化硅、氧化硅、碳化硅、低K材料等)的選擇具有相當大的靈活性，只要電介質適合于通過化學機械平面化(CMP)或通過內腐蝕平面化進行隨后的拋光即可。因此，電介質材料可以被選擇為使存儲元件的性能最佳，與考慮處理兼容性相反。在電介質淀積之后，CMP步驟用于將在隧道結金屬硬掩膜314頂部的電介質拋光，僅剩下(例如)硬掩膜厚度的原始500中的大約200。在變型實施例中，(不同的金屬硬掩膜材料和厚度)，剩余厚度可以根據CMP的有效性變化。然而，應該理解的是，金屬硬掩膜材料和厚度的選擇對于處理流程的成功不是重要問題，而是僅僅在隨后形成的M2布線和存儲元件之間最終產生的間隔方面影響裝置的性能。
如附圖3(c)，CMP拋光步驟之后淀積金屬“屏蔽”層320，以及用于隨后的屏蔽層320的構圖的任何適當?shù)挠惭谀?22。在優(yōu)選的實施例中，屏蔽層320也是Ta或TaN，厚度大約為200。然而，對于屏蔽材料，變型實施例可以利用其它的材料和厚度，只要它們易于蝕刻即可，并且在適合于蝕刻電介質材料比如氧化硅、氮化硅、低-K材料等的環(huán)境中時適合于用作蝕刻停止件。此外，理想的是，能夠將屏蔽層320的厚度保持最小，這將影響在M2布線和存儲元件之間的距離。也如附圖3(c)所示，如果光致抗蝕劑不適合于單獨使用，則適合厚度的電介質膜322可以用作在屏蔽層320的頂部上的硬掩膜。
現(xiàn)在參考附圖3(d)，在所述屏蔽和掩膜層的淀積之后，金屬帶的形狀通過屏蔽層材料320、中間電介質318和在底層材料310之下的帶金屬以使所得的金屬屏蔽324與橫向金屬帶326重疊的自對準方式被構圖。雖然這個構圖一般通過活性離子蝕刻實施，但是可以通過其它的技術比如濕化學蝕刻或離子銑削完成。在帶構圖蝕刻步驟之后，在不損壞隧道結存儲元件的情況下，也可以執(zhí)行濕化學蝕刻清潔或其它的適合的干化學蝕刻清潔。由于這時完全封裝了存儲元件，因為可適于改善要淀積的隨后的層的粘合的任何化學清潔，該存儲元件其性能將不會降低。
如附圖3(e)所示，如果需要，封裝粘性電介質328的附加層形成在屏蔽324的頂部上(以及沿著屏蔽324和帶326的側面)。然后，淀積上部金屬化(M2)層面電介質330，它可以包括例如氮化硅、氧化硅、碳化硅、低K的材料等，或者包括一個或多個這種材料的多層。在M2層面電介質淀積之后，執(zhí)行CMP步驟以使它的頂部表面平面化到距屏蔽324的頂部適合的距離。這個距離一般通過M2電介質厚度和CMP拋光時間的初始選擇確定，并且將由此導致M2金屬厚度的自動確定。
最后，附圖3(f)所示為M2金屬溝槽(即單元位線的形成)的形成和填充，其中位線332通過導電屏蔽324而與存儲元件316的頂部接觸。此外，為了說明的目的，M2溝槽相對于下部裝置層面旋轉90度。應該理解的是，在位線332和存儲元件疊層316的頂部之間的距離由在疊層316頂部的TaN隧道結硬掩膜314的厚度和屏蔽324的厚度界定。由于在所示的實施例中，硬掩膜314和屏蔽314的總厚度是在大約400到大約500的數(shù)量級，因此位線332設置得相對靠近存儲元件316，由此有利于存儲元件的低電流布線。此外，由于屏蔽324用作M2溝槽的蝕刻停止件，因此M2填充的淀積不會通過接觸帶326而使存儲元件疊層316分路。
因此，應該理解的是使用保護性上部屏蔽金屬有利于在金屬帶326之上的設定距離處以很好地界定的蝕刻停止件在電介質330中蝕刻M2溝槽。通過適當?shù)剡x擇金屬屏蔽材料、M2層面電介質和RIE處理參數(shù)，可以實現(xiàn)在電介質和金屬屏蔽之間的極高的選擇性，以使M2溝槽蝕刻在薄的屏蔽金屬上立即停止。然后以金屬填充M2溝槽(例如，通過銅鑲嵌技術)，由此得到如附圖3(f)中所示的自對準結構。此外，蝕刻磁性存儲元件時這種處理過程增強了圖形轉印保真性，在該磁性存儲元件中允許使用更薄的掩膜材料。改進的圖形轉印導致改善了存儲元件陣列的均勻性，由此提高了產量并允許縮小到更小的尺寸。
雖然V1通孔的形成在示例性處理流程中還沒有被描述，但是通過使用在本領域中普通技術人員公知的已有技術容易加以增添。此外，在增添M2溝槽(以及任何V1通孔)中的金屬之前，可以添加濕或干化學清潔步驟以改善接觸可靠性和導電性。因為屏蔽結構324完全覆蓋隧道結疊層316和在MTJ蝕刻過程中可能形成的任何側壁殘余，因此屏蔽結構324在清潔步驟的過程中有效地保護隧道結疊層316的質量不會降低。
還應該注意，存儲元件可以置于相對于硅表面除了在M1和M2層面之間以外的位置。同樣地術語“M1”和“M2”的使用并不希望將存儲元件限制到在硅表面之上的第一和第二布線層面之間的位置。
雖然針對分路的磁性存儲元件的問題提出了上文公開的示例性的實施例，但是也可以設想在此公開的原理也可用于其它半導體器件，這些半導體器件要求與上面比如二極管、鐵電存儲器和雙向開關半導體器件等等接觸。此外，雖然示例性的實施例描述了水平地延伸以連接到不直接在存儲元件之下的通孔的橫向金屬帶，所述的處理流程也可適用于其中通孔被直接包括在存儲元件之下的裝置。
雖然本發(fā)明參考優(yōu)選的實施例已經進行了描述，但是本領域普通技術人員應該理解的是在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下可以進行各種修改和對它的元件進行等效替代。此外，在不脫離本發(fā)明的實質范圍的前提下可以進行許多修改以使特定的情況或材料適合于本發(fā)明的教導。因此，希望本發(fā)明并不限于在此作為實施本發(fā)明而設計的最佳模式的特定的實施例，但本發(fā)明包括在附加的權利要求的范圍內的所有工業(yè)實用性本發(fā)明的公開方案在半導體器件處理領域中具有工業(yè)實用性，特別是在半導體存儲裝置比如磁性隨機存取存儲器(MRAM)的形成中具有工業(yè)實用性。
權利要求
1.一種用于基于場效應晶體管(FET)的磁性隨機存取存儲器(MRAM)裝置的導電線結構，包括導電地耦合到下部金屬化線(302)的橫向金屬帶(326)；形成在所述金屬帶(326)上的磁性隧道結(MTJ)疊層(316)；形成在所述MTJ疊層(316)上的金屬屏蔽(324)，所述金屬屏蔽(324)相對于所述金屬帶(326)自對準；以及導電地耦合到所述金屬屏蔽(324)的上部金屬化線(332)，其中所述金屬屏蔽(324)在所述上部金屬化線(332)的形成過程中用作蝕刻停止件。
2.權利要求1所述的結構，其中所述MTJ疊層(316)進一步包括形成在下部磁性層(104)和上部磁性層(106)之間的非磁性層(106)；和形成在所述上部磁性層(106)上的金屬硬掩膜層(314)；其中在所述上部金屬化線(322)和所述上部磁性層(106)之間的距離由所述金屬硬掩膜層(314)和所述金屬屏蔽(324)的總厚度界定。
3.權利要求2所述的結構，其中所述金屬硬掩膜層(314)和所述金屬屏蔽(324)的所述總厚度是大約400至大約500埃。
4.權利要求1所述的結構，其中所述金屬屏蔽(324)包括如下材料中的一種材料鉭、氮化鉭、氮化鈦、鎢、鉑和包括前述材料中至少一種的組合物。
5.權利要求1所述的結構，其中所述金屬硬掩膜層(314)和所述金屬帶(326)包括如下材料中的一種材料鉭、氮化鉭、氮化鈦、鎢、鉑和包括前述材料中至少一種的組合物。
6.權利要求1所述的結構，其中所述下部金屬化線(302)形成在MRAM裝置的第一金屬化層面(M1)上，所述上部金屬化線(332)形成在MRAM裝置的第二金屬化層面(M2)上。
7.權利要求1所述的結構，進一步包括形成在下部金屬化層面(M1)上并與所述下部金屬化線(114)相鄰的字線(108)，所述字線(108)與所述橫向金屬帶(326)電絕緣，所述字線(108)設置在所述MTJ疊層(316)之下；其中所述上部金屬化線(332)包括單個MRAM單元(102)的位線(110)，所述單元(102)也包括所述MTJ疊層(316)和所述字線(108)。
8.一種形成權利要求1所述的導電線結構的方法，該方法包括在金屬底層(310)上形成磁性疊層(312)，所述金屬底層(310)與所述下部金屬化線(302)導電接觸；在所述磁性疊層(312)上形成金屬硬掩膜層(314)；對所述磁性疊層(312)和所述金屬硬掩膜層(314)進行構圖以形成所述磁性隧道結(MTJ)疊層(316)；以電介質材料(318)封裝所述MTJ疊層(316)并將所述電介質材料(318)平面化到所述金屬硬掩膜(314)；在所述電介質材料和所述金屬硬掩膜(314)上形成金屬屏蔽層(320)；對所述金屬屏蔽層(320)和所述金屬底層(310)進行構圖以形成與所述金屬帶(326)自對準的所述金屬屏蔽(324)；和在所述金屬屏蔽(324)上形成所述上部金屬化線(332)，其中所述金屬屏蔽(324)在所述上部金屬化線(332)的形成過程中用作蝕刻停止件。
9.權利要求8所述的方法，其中所述金屬硬掩膜層(314)在其上形成金屬屏蔽層(320)之前被平面化到大約200埃的厚度。
10.權利要求8所述的方法，其中所述MTJ疊層(316)進一步包括形成在下部磁性層(104)和上部磁性層(106)之間的非磁性層(106)；和形成在所述上部磁性層(306)上的所述金屬硬掩膜層(314)；其中在所述上部金屬化線(322)和所述上部磁性層(106)之間的距離由所述金屬硬掩膜層(314)和所述金屬屏蔽(324)的總厚度界定。
11.權利要求10所述的方法，其中所述金屬硬掩膜層(314)和所述金屬屏蔽(324)的所述總厚度是大約400至大約500埃。
12.權利要求11所述的方法，其中所述金屬硬掩膜層(314)在其平面化之前被淀積在大約500埃的初始厚度。
13.權利要求8所述的方法，其中所述金屬屏蔽層(320)包括如下材料中的一種材料鉭、氮化鉭、氮化鈦、鎢、鉑和包括前述材料中至少一種的組合物。
14.權利要求8所述的方法，進一步包括在所述金屬屏蔽層(320)和所述金屬底層(310)的所述構圖之后，以封裝電介質(308)封裝所述自對準的金屬屏蔽(324)和所述金屬帶(326)；和在所述封裝電介質(308)上淀積上部金屬化層面電介質(330)。
15.權利要求8所述的方法，其中在所述金屬底層(310)和下部金屬化線(302)之間的所述導電接觸通過金屬帶通孔(306)形成。
全文摘要
一種用于基于場效應晶體管(FET)的磁性隨機存取存儲器(MRAM)裝置的導電線結構包括導電地耦合到下部金屬化線(302)的橫向金屬帶(326)。磁性隧道結(MTJ)疊層(316)形成在金屬帶(326)上，以及金屬屏蔽(324)形成在所述MTJ疊層(316)上，該金屬屏蔽(324)相對于所述金屬帶(326)自對準。上部金屬化線(332)導電地耦合到金屬屏蔽(324)，其中金屬屏蔽(324)在上部金屬化線(332)的形成的過程中用作蝕刻停止件。
文檔編號H01L29/00GK1820375SQ03826963
公開日2006年8月16日 申請日期2003年6月24日 優(yōu)先權日2003年6月24日
發(fā)明者邁克爾·C·加迪斯 申請人:國際商業(yè)機器公司