專利名稱：集成電路的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于半導(dǎo)體存儲元件，且特別是有關(guān)于磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存
(Magnetoresistive Random Access Memory; MRAM)元件及其希隨方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體使用在電子應(yīng)用性商品的集成電路中，這些電子應(yīng)用性商品例如 包括無線電、電視、行動電話與個人計(jì)算元件。 一種類型的半導(dǎo)體元件為半 導(dǎo)體存儲元件，例如動態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(DRAM)或閃存(Flash Memory),該二 種內(nèi)存均利用電荷來存儲信息。
半導(dǎo)體存儲元件的更新近的發(fā)展包括自旋電子元件(SpinElectronics),其
結(jié)合,導(dǎo)體科技、磁性材料與元件。電子的自旋用來表示"1"或"0"的狀 態(tài)，其中電子的自旋是透過他們的磁矩而非電子的電荷。 一種這樣的自旋電 子元件為磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元件100，有時稱為磁性隨機(jī)存取內(nèi)存，如圖1 所示，其中該磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元件100包括定位為不同方向的導(dǎo)線(字線 WL與位線BL),例如在不同金屬層中互相垂直。這些導(dǎo)線將磁性堆疊或磁 性隧道結(jié)(MTJ)102夾在中間，其中磁性堆疊或磁性隧道結(jié)102作為磁性存儲 單元(magnetic memory cell)。圖1示出了現(xiàn)有交叉點(diǎn)磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元 件100陣列的部分透視圖。磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元件100包括半導(dǎo)體晶片，且 該半導(dǎo)體晶片至少包括一襯底(未示出)。該襯底具有第一絕緣層(也未示出) 沉積在其上、以及多個第一導(dǎo)線或字線WL形成在第一絕緣層中，例如在第 一線路層中。
在交叉點(diǎn)磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元件100中，每個存儲單元或磁性隧道結(jié)102 設(shè)置在一字線WL上或與該字線WL鄰接。每個存儲單元或磁性隧道結(jié)102 包括三層第一磁性層ML1、隧道層(或隧道阻擋層)TL、與第二磁性層ML2。 第一磁性層ML1位于字線WL上并鄰接該字線WL。第一磁性層ML1通常 稱為硬磁層或固定層，因?yàn)榈谝淮判詫覯L1的磁方位是固定的。隧道層(或隧道阻擋層)TL形成在第一磁性層ML1上，其中隧道層(或隧道阻擋層)TL 至少包括薄介電層。第二磁性層ML2形成在隧道層TL上。第二磁性層ML2 通常稱為軟磁層或自由層，因?yàn)榈诙判詫覯L2的磁方位可沿著一或二方向 進(jìn)行切換。第一磁性層ML1與第二磁性層ML2可包括一或多層材料層。
每個磁性隧道結(jié)102鄰接位于第二磁性層ML2上或與第二磁性層ML2 鄰接的第二導(dǎo)線或位線BL,也如圖1所示，其中位線BL設(shè)置的方向不同于 字線WL的方向，例如位線BL可垂直于字線WL。數(shù)個磁性隧道結(jié)102所 構(gòu)成的磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元件100陣列包括多個字線WL、多個位線BL以 及多個磁性隧道結(jié)102，其中這些字線WL互相平行且其走向?yàn)榈谝环较颍?這些位線BL互相平行且其走向?yàn)榈诙较?，第二方向不同于第一方向，?磁性隧道結(jié)102設(shè)置在每個字線WL與位線BL之間。位線BL顯示在磁阻 隨機(jī)存取內(nèi)存元件100陣列的頂端，而字線WL顯示在磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元 件100陣列的底部時，替代性地，字線WL可設(shè)置在磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元件 100陣列的頂端，而位線BL可設(shè)置在磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元件100陣列的底
磁性隧道結(jié)102的阻值取決于第二磁性層ML2的磁矩相對于第一磁性層 ML1的磁矩的方位。磁性隧道結(jié)102單元的阻值取決于力矩的相對方位。舉 例而言，若第一磁性層ML1與第二磁性層ML2的方位為同一方向，如圖2B 所示，磁性隧道結(jié)102單元的阻值Rc低。若第一磁性層ML1與第二磁性層 ML2的方位為之方向相反，如圖2C所示，磁性隧道結(jié)102單元的阻值Rc 高。利用磁性隧道結(jié)單元的這兩種狀態(tài)來存儲數(shù)字信息(邏輯"1"或"0"、 高或低電阻、或反之亦然)。
第一磁性層ML1的定位通常在制造過程中就完成。磁性隧道結(jié)102單元 的信息存儲在第二磁性層ML2中。如圖2A所示，電流IWL與IBL分別通 過字線WL與位線BL而提供磁場，需要該磁場來將信息存儲在第二磁性層 ML2中。位線BL與字線WL電流的疊置磁場具有切換第二磁性層ML2的 磁矩與改變磁性隧道結(jié)102單元的存儲狀態(tài)的能力。
相較于傳統(tǒng)半導(dǎo)體存儲元件，例如動態(tài)隨機(jī)存取存儲元件，磁阻隨機(jī)存 取內(nèi)存元件的一有利特征為磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元件為非揮發(fā)性。舉例而言， 相較于采用動態(tài)隨機(jī)存取存儲元件的傳統(tǒng)個人計(jì)算機(jī)，采用磁阻隨機(jī)存取內(nèi)
7存元件的個人計(jì)算機(jī)(PC)并不具有長"開機(jī)"時間。而且，磁阻隨機(jī)存取內(nèi) 存元件不需啟動且具有"記憶(remrmbering)"所存儲的數(shù)據(jù)的能力(也稱 為非揮發(fā)性內(nèi)存)。除了非揮發(fā)性以外，磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元件具有提供動態(tài) 隨機(jī)存取存儲元件的密度與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(SRAM)元件的速度的能力。因 此，磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元件具有可取代電子應(yīng)用性商品中的閃存、動態(tài)隨機(jī) 存取內(nèi)存與靜態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存元件的潛力，其中在未來的電子應(yīng)用性商品中 需要內(nèi)存元件。
隨著集成電路的尺寸的縮減，磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元件的制作面臨一些問 題。在這些磁性隧道結(jié)102形成后，各自的晶片暴露在外界環(huán)境下。因此， 磁性隧道結(jié)102的材料易于氧化，因而磁性隧道結(jié)102的側(cè)壁部分會遭到氧 化。這會對磁性隧道結(jié)102的性能造成負(fù)面影響。特別是，磁性隧道結(jié)102 的磁滯回線(R-Hloop)會變傾斜。當(dāng)磁性隧道結(jié)102的尺寸隨著集成電路的尺 寸的縮減而縮小時，這樣的問題會更惡化，因?yàn)樵庋趸牟糠忠殉蔀榇判运?道結(jié)102的較大部分。
更進(jìn)一步的問題為磁性隧道結(jié)102中的內(nèi)應(yīng)力對其性能的影響。在磁性 隧道結(jié)102形成后，工藝相關(guān)的固有應(yīng)力殘留在磁性隧道結(jié)102中。已知這 些內(nèi)應(yīng)力會影響磁性隧道結(jié)102的性能。這些應(yīng)力可能并不位在所需的方向 或具有令人滿意的強(qiáng)度。理論上，在磁性隧道結(jié)102形成后，后退火處理可 降低內(nèi)應(yīng)力。然而，該一程序并無法保證內(nèi)應(yīng)力的降低。因此，需要新的磁 性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)及其制造方法，以解決以上所討論的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種集成電路的制造方法，其在破 除真空前，先形成介電覆蓋層在磁性隧道結(jié)單元上，因此不僅磁性隧道結(jié)單 元的有害氧化可獲得實(shí)質(zhì)消除，而且介電覆蓋層的內(nèi)應(yīng)力可至少抵銷磁性隧 道結(jié)單元的內(nèi)應(yīng)力的一部分。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種集成電路的制造方法，包括形成多 個磁性隧道結(jié)層；蝕刻這些磁性隧道結(jié)層，以形成一磁性隧道結(jié)單元；以及 形成一介電覆蓋層在磁性隧道結(jié)單元的多個側(cè)壁上，其中形成介電覆蓋層的 步驟與蝕刻磁性隧道結(jié)層的步驟是原處(in-situ)進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明又提出一種集成電路的制造方法，包括提供
一半導(dǎo)體襯底；提供一生產(chǎn)機(jī)臺，該生產(chǎn)機(jī)臺至少包括一第一蝕刻反應(yīng)室、 一第二蝕刻反應(yīng)室以及一沉積反應(yīng)室；形成一下電極層在半導(dǎo)體襯底上；形 成多個磁性隧道結(jié)層在下電極層上；形成一硬掩膜層在磁性隧道結(jié)層上；在 第一蝕刻反應(yīng)室中，蝕刻硬掩膜層，以形成一圖形化硬掩膜層；在第二蝕刻 反應(yīng)室中，蝕刻磁性隧道結(jié)層，以形成多個磁性隧道結(jié)單元，其中蝕刻這些 磁性隧道結(jié)層與蝕刻硬掩膜層的步驟是原處進(jìn)行；在沉積反應(yīng)室中，形成一 介電覆蓋層在這些磁性隧道結(jié)單元上，其中介電覆蓋層覆蓋這些磁性隧道結(jié) 單元的多個側(cè)壁，且其中蝕刻磁性隧道結(jié)層的步驟與形成介電覆蓋層的步驟 是原處進(jìn)行；以及圖形化下電極層，以形成多個下電極位于半導(dǎo)體襯底上， 其中這些下電極形成一 陣列。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提出一種集成電路的制造方法，包括形成 多個磁性隧道結(jié)層；蝕刻這些磁性隧道結(jié)層，以形成多個磁性隧道結(jié)單元， 其中這些磁性隧道結(jié)單元具有多個內(nèi)應(yīng)力；以及形成一介電覆蓋層在這些磁 性隧道結(jié)單元的多個側(cè)壁上。前述介電覆蓋層具有一非中性應(yīng)力以抵銷磁性 隧道結(jié)單元的內(nèi)應(yīng)力。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種集成電路，包括一磁性隧道結(jié)單元； 以及一介電覆蓋層鄰接于磁性隧道結(jié)單元的多個側(cè)壁。該介電覆蓋層具有一 非中性應(yīng)力，而磁性隧道結(jié)單元的內(nèi)應(yīng)力實(shí)質(zhì)中性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明又提出一種集成電路，包括一磁性隧道結(jié)單 元； 一上電極位于磁性隧道結(jié)單元上；以及一介電覆蓋層鄰接于磁性隧道結(jié) 單元的多個側(cè)壁，其中磁性隧道結(jié)單元的側(cè)壁實(shí)質(zhì)未遭氧化。
通過在破除真空前，先形成介電覆蓋層在磁性隧道結(jié)單元上，磁性隧道 結(jié)單元的有害氧化可獲得實(shí)質(zhì)消除。


為了更完全了解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)參照下面的描述并結(jié)合所附附圖， 其中
圖1是一種傳統(tǒng)磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存陣列的透視圖，該磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存 陣列具有數(shù)個字線與位線位于每個存儲單元的下方與上方；圖2A至圖2C是單一磁阻隨機(jī)存取存儲單元以及用以程序化該單元的電
流；
圖3是制造本發(fā)明的實(shí)施例的生產(chǎn)機(jī)臺；
圖4至圖20是在制造本發(fā)明的實(shí)施例中的數(shù)個中間階段的上視圖與剖面
圖21A至圖21C是數(shù)個示范磁性隧道結(jié)單元40的上視圖及其對應(yīng)寬度
主要組件符號說明
10:晶片20:襯底
22:介電層24:下電極層
25:下電極26:磁性隧道結(jié)層
261:針扎層262:人造反鐵磁層
263:人造反鐵磁層264:人造反鐵磁層
265:隧道阻擋層266:自由層
28:上電極層30:底部抗反射覆蓋層
32:光刻膠36:上電極
40:磁性隧道結(jié)單元401:層
402:層403:層
404:層405:層
406:層46:介電覆蓋層
46!:層462:層
48:開口50:介電層
51:蝕刻終止層52:上緣
53:介電層55:過孔開口
58:上接觸60:絕緣層
80:過孔/接觸開口82:過孔/接觸
86:開口
100:磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存元件
102:磁性隧道結(jié)200:生產(chǎn)機(jī)臺202:傳送反應(yīng)室204:蝕刻反應(yīng)室
206:蝕刻反應(yīng)室208:沉積反應(yīng)室
210:真空鎖BL:位線
D:差距H:高度
IBL:電流IWL:電流
Ml:金屬化層M2:金屬化層
M3:金屬化層MLh第一磁性層
ML2:第二磁性層Rc-阻值
RWL:讀取字線T:厚度
TL:隧道層W:寬度
w':寬度WBL:寫入位線
WL:字線WWL:寫入字線
具體實(shí)施例方式
本較佳實(shí)施例的制造與應(yīng)用將詳細(xì)討論如下-然而，應(yīng)該了解的一點(diǎn)是， 本發(fā)明提供許多可應(yīng)用的創(chuàng)新概念，這些創(chuàng)新概念可在各種特定背景中加以 體現(xiàn)。所討論的特定實(shí)施例僅用以舉例說明制造與應(yīng)用本發(fā)明的特定方式， 并非用以限制本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明提供一種新穎的磁性隧道結(jié)及其制造方法。在此圖示出本發(fā)明的 制造實(shí)施例的中間階段。本發(fā)明內(nèi)所有的各種視圖與示范實(shí)施例中，相同參 照號碼用以標(biāo)示相同組件。
圖3示出了用以制作本發(fā)明的實(shí)施例的生產(chǎn)機(jī)臺200。生產(chǎn)機(jī)臺200包 括用以傳送晶片的傳送反應(yīng)室202、用以蝕刻晶片上的成分的蝕刻反應(yīng)室204 與206、以及沉積反應(yīng)室208。生產(chǎn)機(jī)臺200還包括真空鎖(loadlock)210，用 以將晶片載入和載出傳送反應(yīng)室。晶片可透過傳送反應(yīng)室202而傳送在蝕刻 反應(yīng)室204及206、與沉積反應(yīng)室208之間。在傳送期間，傳送反應(yīng)室202、 蝕刻反應(yīng)室204及206、與沉積反應(yīng)室208較佳是維持抽真空狀態(tài)。
請參照圖4，提供晶片10，其中晶片10包括襯底20。襯底20較佳是一 半導(dǎo)體襯底，其中在襯底20上形成有數(shù)個有源器件，例如晶體管(未示出)。 磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存的控制電路與程序化電路(未示出)也形成在襯底20上。
ii形成介電層22，再形成過孔(vias)或接觸(contacts)(未示出)穿過介電層 22。介電層22可由介電常數(shù)值小于約3.9的低介電常數(shù)介電材料所組成。介 電層22的介電常數(shù)值甚至可小于約2.8。接著，形成下電極層24在介電層 22上。下電極層24的材料可為導(dǎo)電材料，包括鉭、氮化鉭等等。在一示范 實(shí)施例中，下電極層24的厚度范圍介于約150A至約350A之間。雖然未示出， 但下電極層24包括多個延伸部延伸進(jìn)入介電層22并與下方的特征電性連接。 在后續(xù)圖形化下電極層24中，每個延伸部包括在最終的下電極25之一，如 圖14所示。
圖5示出了數(shù)個磁性隧道結(jié)層26的形成、上電極層28的形成、以及光 刻膠32的應(yīng)用與圖形化。這些磁性隧道結(jié)層26可包括由數(shù)個材料的不同組 合所構(gòu)成的各種層。在一示范實(shí)施例中，這些磁性隧道結(jié)層26包括針扎層 (Pinning Layer) 26i、人造反鐵磁層(Synthetic Anti-ferro-magnetic Layers) 262、 263與264、隧道阻擋層265、以及自由層266。在一示范實(shí)施例中，針扎層26, 是由鉑錳合金(PtMn)所組成，且針扎層26,的厚度范圍介于約100A至約250A 之間(例如150A);人造反鐵磁層262是由鈷鐵合金(OFe)所組成，且人造反鐵 磁層262的厚度范圍介于約20A至約60A之間(例如30A);人造反鐵磁層263 是由釕(Rn)所組成，且人造反鐵磁層263的厚度范圍介于約數(shù)個A至約數(shù)十A 之間(例如8A);人造反鐵磁層264是由硼化鈷鐵(CoFeB)所組成，且人造反鐵 磁層264的厚度約為數(shù)十A(例如30A);隧道阻擋層26s是由氧化銜MgO)所組 成，且隧道阻擋層265的厚度范圍介于約數(shù)個A至約數(shù)十A之間(例如IOA); 自由層266是由硼化鈷鐵(CoFeB)所組成，且自由層266的厚度范圍介于約數(shù) 個A至約數(shù)十A之間(例如20A)。人造反鐵磁層264具有一方向的磁矩，該磁 矩的方向?yàn)獒樤鷮?6,所固定。自由層266的磁矩可經(jīng)程序化，而使得所形成 的磁性隧道結(jié)單元的電阻在高電阻與低電阻之間變換。
上電極層28形成在磁性隧道結(jié)層26上，且可由鉭、氮化鉭或其它導(dǎo)電 材料所組成。接著，形成光刻膠32，并圖形化該光刻膠32。光刻膠32的剩 余部分也形成一個陣列?？蛇x擇性地形成底部抗反射覆蓋層(BARC)30，例如 有機(jī)抗反射覆蓋層或無機(jī)抗反射覆蓋層，在光刻膠32的下方。底部抗反射覆 蓋層30的材料可為氮氧化硅、富含硅的氧化物、包括碳氧化硅(SiOC)的無氮 抗反射覆蓋材料、或上述材料的組合。
12接著，將圖5所示的晶片10載入蝕刻反應(yīng)室204中(請參照圖3)。接下 來，蝕刻底部抗反射覆蓋層30與上電極層28，而形成數(shù)個上電極36，如圖 6所示。這些上電極36也形成一個陣列，且用以作為圖形化下方各層的硬掩 膜。在一示范實(shí)施例中，上電極層28是由鉭所組成，且蝕刻劑可包括含齒素 化合物，例如四氟化碳(CF4)。接下來，例如也在蝕刻反應(yīng)室204中進(jìn)行灰化， 以去除光刻膠32與底部抗反射覆蓋層30。所形成的晶片10如圖7所示。在 一實(shí)施例中，是利用含氧氣體來進(jìn)行灰化工藝。在其它實(shí)施例中，是利用不 含氧工藝氣體，例如氮與氫的組合氣體，來進(jìn)行灰化工藝。利用不含氧工藝 氣體，有利于實(shí)質(zhì)消減自由層266的氧化。
接下來，透過傳送反應(yīng)室202將晶片10從蝕刻反應(yīng)室204傳送至蝕刻反 應(yīng)室206(請參照圖3)。由于在整個傳送過程中，傳送反應(yīng)室202、蝕刻反應(yīng) 室204與206均為抽真空，因此晶片10保持在真空環(huán)境中，而不會暴露在外 界有害物質(zhì)下，例如氧、水氣等等。接著，利用經(jīng)圖形化的抗反射覆蓋層(未 示出)或上電極36作為硬掩膜來圖形化磁性隧道結(jié)層26。在整個描述中，蝕 .刻上電極層28與蝕刻磁性隧道結(jié)層26的步驟稱為"原處(In-situ)"進(jìn)行，以 表示在這兩個步驟之間并無真空破除(Vacuum Break)發(fā)生。在一示范實(shí)施例 中，蝕刻劑包括烷醇(Alkanols)，例如甲醇(CH30H)、乙醇與丁醇、或碳的氧 化物與含氨化合物的組合(例如， 一氧化碳與氨)。對應(yīng)地，如圖8所示，磁 性隧道結(jié)層26的剩余部分構(gòu)成數(shù)個磁性隧道結(jié)單元40，這些磁性隧道結(jié)單 元40包括層40,、 402、 403 、 404、 405與406,其中下標(biāo)1至6的每一個用以 表示分別源自各磁性隧道結(jié)層26的特征。
在一示范實(shí)施例中，磁性隧道結(jié)單元40的寬度W(請參照圖9)介于約 30nm與約200nm之間，且這些磁性隧道結(jié)單元40與各自上方的上電極36 相加的高度H(請參照圖8)約為100nm。磁性隧道結(jié)單元40的寬度W定義為 磁性隧道結(jié)單元的最大尺寸。 一些示范寬度W示出在圖21A、圖21B與圖 21C，這些附圖示出了一些示范磁性隧道結(jié)單元40的上視圖。然而，熟悉本 領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解到，整個描述所記載的尺寸僅用以舉例說明，而這些 尺寸可隨著集成電路的尺寸的縮減而下降。
接著，透過傳送反應(yīng)室202將晶片10傳送至沉積反應(yīng)室208(請參照圖 3)。再次，由于在整個傳送過程中，傳送反應(yīng)室202、蝕刻反應(yīng)室206與沉積反應(yīng)室208均為抽真空，因此晶片IO可免受外界有害物質(zhì)，例如氧、水氣 等等的負(fù)面影響。在沉積反應(yīng)室208中，形成介電覆蓋層46，所形成的結(jié)構(gòu) 如圖9所示。在整個描述中，蝕刻磁性隧道結(jié)層26與形成介電覆蓋層46的 步驟稱為"原處(In-situ)"進(jìn)行，以表示在這兩個步驟之間并無真空破除發(fā)生。 "原處"這一個用詞也可表示在蝕刻磁性隧道結(jié)層26與形成介電覆蓋層46 的步驟之間，晶片IO僅暴露在含氧與水氣的程度遠(yuǎn)低于外界空氣的環(huán)境下， 甚至晶片IO可暴露在高達(dá)一個標(biāo)準(zhǔn)氣壓的壓力下。在該例子中，在環(huán)境中氧 與水氣程度的重量百分比較佳是小于在對應(yīng)外界空氣中氧與水氣的重量百分 比的約10%。在該例子中，無真空破除發(fā)生在蝕刻磁性隧道結(jié)層26與形成 介電覆蓋層46的步驟之間，且氧、水氣等等的分壓小于約15托(Torr)， 較佳是小于10—3托(Torr)，更佳是小于10'5托(Torr)。介電覆蓋層46可 包括廣為人知的介電材料，例如氮化硅、碳化硅、碳摻雜的氮化硅、碳摻雜 的氧化硅、氮氧化硅及上述介電材料的組合。介電覆蓋層46也可為復(fù)合層而 包括二或更多層，例如層46t與462，其中層46,與462是由不同材料所組成， 介電覆蓋層46可例如為氮化硅/碳化硅的堆疊。在該例子中，制作層462時可 在含相當(dāng)程度的氧、水氣等等的環(huán)境下進(jìn)行。
圖10示出了介電覆蓋層46與下電極層24的圖形化。介電覆蓋層46的 剩余部分覆蓋在每個磁性隧道結(jié)單元40的頂部與側(cè)壁上。圖形化下電極層 24，而形成數(shù)個下電極25。請注意雖然并未示出，但每個下電極25可包括 一部分延伸進(jìn)入介電層22并與下方的特征電性連接(細(xì)節(jié)請參照圖20)。
磁性隧道結(jié)單元40可具有工藝引發(fā)的內(nèi)應(yīng)力。 一般而言，磁性隧道結(jié)單 元40均具有易軸(Easy Axis)(舉例而言，若磁性隧道結(jié)單元40從上方觀之具 有橢圓形的形狀，則磁性隧道結(jié)單元40的易軸為橢圓的長軸)。若磁矩適當(dāng) 對準(zhǔn)易軸，可協(xié)調(diào)地進(jìn)行磁性隧道結(jié)單元的力矩的轉(zhuǎn)換，因此可增進(jìn)轉(zhuǎn)換的 一致性。然而，磁性隧道結(jié)單元40的內(nèi)應(yīng)力可能造成易軸從預(yù)期方向脫離， 該預(yù)期方向例如為長軸。因此，難以預(yù)測易軸，也難以將易軸對準(zhǔn)所需方向。 因此，介電覆蓋層46較佳是具有內(nèi)應(yīng)力，且該內(nèi)應(yīng)力較佳是不大于約3GPa， 如此可施加一應(yīng)力來抵銷磁性隧道結(jié)單元40中的內(nèi)應(yīng)力。在本發(fā)明的一實(shí)施 例中，因?yàn)檫@樣的抵銷，磁性隧道結(jié)單元40中的內(nèi)應(yīng)力至少可獲得縮減，且 可能實(shí)質(zhì)消減至例如約lMPa或更小。在整個描述中，具有實(shí)質(zhì)無壓縮與無
14拉伸應(yīng)力的特征稱為中性(Neutral)。在一示范實(shí)施例中，若磁性隧道結(jié)單元 40具有內(nèi)壓縮應(yīng)力，介電覆蓋層46較佳是具有拉伸應(yīng)力。相反地，若磁性 隧道結(jié)單元40具有內(nèi)拉伸應(yīng)力，則介電覆蓋層46較佳是具有壓縮應(yīng)力。在 其它實(shí)施例中，介電覆蓋層46的應(yīng)力實(shí)際上會增加磁性隧道結(jié)單元40中的 應(yīng)力。最終的結(jié)果是將易軸對準(zhǔn)所想要的方向，并改善磁性隧道結(jié)單元40 的性能。
介電覆蓋層46的厚度T較佳是足夠大，以施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)力并提供絕緣。 另一方面，厚度T應(yīng)不能太大以致造成工藝?yán)щy。如熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員 將理解的，若介電覆蓋層46本身的應(yīng)力較小，或者磁性隧道結(jié)單元40的內(nèi) 應(yīng)力較大時，介電覆蓋層46需要較厚一些。厚度T較佳要足夠大，以在后 續(xù)介電覆蓋層46的去除工藝后，使所形成的間隙壁寬度W'(請參照圖11 與圖12)不大于磁性隧道結(jié)單元40的寬度W的約二倍。在一示范實(shí)施例中， 介電覆蓋層46的厚度T介于約20A與約lkA之間，取決于介電覆蓋層46本 身的應(yīng)力與磁性隧道結(jié)單元40的內(nèi)應(yīng)力?？蛇M(jìn)行實(shí)驗(yàn)以決定介電覆蓋層46 的最理想應(yīng)力與最理想厚度。
在該技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者將了解到，介電覆蓋層46中所產(chǎn)生的應(yīng) 力與工藝條件有關(guān)，各種的壓縮與拉伸應(yīng)力可由相同介電材料產(chǎn)生。例如， 利用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)所沉積的氮化硅可具有拉伸應(yīng)力。同樣地， 利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積的氮化硅可具有壓縮應(yīng)力。而 且，縱使利用相同方法與相同材料所形成，工藝條件，例如溫度，也可能影 響所形成的介電覆蓋層46中的應(yīng)力。形成介電覆蓋層46的沉積溫度較佳是 低于約450°C，例如介于約20(TC與35(TC之間。該沉積溫度甚至可介于約20 。C與約12(TC之間。低沉積溫度有利于降低各層磁性隧道結(jié)單元40之間的內(nèi) 擴(kuò)散，因此這些磁性隧道結(jié)單元40的性能可獲得改善。其它可應(yīng)用來制作介 電覆蓋層46的方法包括旋轉(zhuǎn)涂布、低溫化學(xué)氣相沉積、激光融蝕沉積(Laser Ablation Deposition)等等。在本例子中，介電覆蓋層46包括超過一層，例如 由不同材料組成的層46,與462，且層46,與462可具有不同應(yīng)力。因此，在 無介電覆蓋層46下測定獲得磁性隧道結(jié)單元40的內(nèi)應(yīng)力后，即可選擇形成 介電覆蓋層46的一些工藝條件，以在所形成的介電覆蓋層46中產(chǎn)生相反于 磁性隧道結(jié)單元40的內(nèi)應(yīng)力的一應(yīng)力。通過介電覆蓋層46的保護(hù)，磁性隧道結(jié)單元40可與外界有害物質(zhì)，例 如氧、水氣隔離，因此可將磁性隧道結(jié)單元40移出真空環(huán)境而不會造成磁性 隧道結(jié)單元40的側(cè)壁的氧化。在圖11中，圖形化介電覆蓋層46以形成數(shù)個 開口48，而暴露出每個上電極36的一部分。在后續(xù)步驟中，可在開口48中 形成接觸。
圖12與圖13示出了暴露出上電極36的另一些實(shí)施例。在圖12中，沉 積另一介電層50在介電覆蓋層46上，并完全填滿磁性隧道結(jié)單元40之間的 間隙，其中介電層50可為氧化層，該氧化層至少包括含碳的氧化硅、含氟氧 化硅、碳化硅、或用以形成內(nèi)金屬介電質(zhì)的具有介電常數(shù)低于約3.2的低介 電常數(shù)介電材料(例如聚亞酰胺等等)。介電層50的材料較佳是不同于介電覆 蓋層46的材料，雖然介電層50的材料與介電覆蓋層46的材料可相同。相同 的介電層50也可間隙填充(gap-filled)在圖ll所示的結(jié)構(gòu)中。在圖13中，進(jìn) 行去除工藝，例如回蝕刻或化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)，直至暴露出上電極36的上 表面。介電覆蓋層46的剩余部分的上緣52較佳是高于磁性隧道結(jié)單元40， 如此一來，沒有一個磁性隧道結(jié)單元40暴露在外界環(huán)境之下-差距D較佳 是介于磁性隧道結(jié)單元40與上電極36的聯(lián)合高度H的約1/5與約3/4之間， 以確保暴露出上電極36的上表面，但不暴露出磁性隧道結(jié)單元40的側(cè)壁。
圖14與圖15示出了暴露出上電極36的另一些實(shí)施例。請參照圖14， 可毯覆式地形成非必須的蝕刻終止層51與另一介電層53。介電層53可由與 介電層51實(shí)質(zhì)相同的材料所組成，介電層53的材料可包括含碳的氧化硅、 碳化硅、含氮的氧化物、氮化硅、氮氧化硅、或介電常數(shù)低于約4.2的介電 材料。介電層53也可由氧化硅或聚亞酰胺所組成。對介電層53進(jìn)行化學(xué)機(jī) 械研磨直至達(dá)到所需的厚度。接下來，如圖15所示，通過蝕刻穿過介電層 53與蝕刻終止層51，來形成數(shù)個過孔開口 55而暴露出上電極36的上表面。 接著，可在過孔開口 55中填入導(dǎo)電材料而形成接觸插塞(未示出)。
圖16與圖17示出了暴露出上電極36的又一些實(shí)施例。該實(shí)施例的初始 結(jié)構(gòu)可與圖12所示的結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)相同，其中另一介電層50(用以形成內(nèi)金屬介 電質(zhì))沉積在介電覆蓋層46上，且完全填滿磁性隧道結(jié)單元40之間的間隙。 接下來，在圖16中，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨直至達(dá)預(yù)設(shè)厚度。接著，蝕刻介電層 50，以形成數(shù)個過孔/接觸開口80，其中介電覆蓋層46作為蝕刻終止層。接下來，如圖17所示，透過過孔/接觸開口 80蝕刻介電覆蓋層46，而暴露出 上電極36的上表面。接著，形成數(shù)個過孔/接觸82在這些過孔/接觸開口 80中。
圖18與圖19示出了暴露出上電極36的又一些實(shí)施例。該實(shí)施例的初始 結(jié)構(gòu)可與圖12所示的結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)相同，其中另一介電層50(用以形成內(nèi)金屬介 電質(zhì))沉積在介電覆蓋層46上，且完全填滿磁性隧道結(jié)單元40之間的間隙。 進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，直至暴露出介電覆蓋層46的上表面。在化學(xué)機(jī)械研磨步 驟中，介電覆蓋層46作為化學(xué)機(jī)械研磨的終止層。所形成的結(jié)構(gòu)如圖18所 示。接下來，如圖19所示，蝕刻介電覆蓋層46，以形成數(shù)個開口86。在后 續(xù)的工藝步驟中，可形成過孔/接觸(未示出)在這些開口 86中。
圖20示出了例示出晶片10中的磁性隧道結(jié)單元的位置的示范實(shí)施例的 剖面圖。在該說明示范實(shí)施例中，磁性隧道結(jié)單元40形成在第三金屬化層 M3上方的介電層中。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解到，磁性隧道結(jié)單元40 可形成在位于其它金屬化層上方的介電層中。透過在下金屬化層Ml、金屬 化層M2至金屬化層M3中的過孔與金屬墊，下電極25將磁性隧道結(jié)單元 40連接至控制晶體管。上接觸58將上電極36與磁性隧道結(jié)單元40連接至 寫入位線(Write Bitline)WBL。寫入字線(Write Wordline)WWL形成在磁性隧 道結(jié)單元40的下方，且通過絕緣層60而與下電極25隔開。而讀取字線RWL 則設(shè)置在襯底20上方的金屬化層Ml中。
本發(fā)明的實(shí)施例具有許多有利特征。首先，在磁性隧道結(jié)單元暴露在外 界環(huán)境之前，通過形成介電覆蓋層來保護(hù)磁性隧道結(jié)單元的側(cè)壁，側(cè)壁的有 害的氧化、以及由此而對磁性隧道結(jié)單元所造成的不利的性能下降均可獲得 實(shí)質(zhì)消除。該一特點(diǎn)特別有助于運(yùn)用先進(jìn)科技，例如65nm及以下尺寸，所 制作的磁性隧道結(jié)單元，在這些磁性隧道結(jié)單元中，遭氧化的部分可能為磁 性隧道結(jié)單元的相當(dāng)大的部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果已顯現(xiàn)出磁性隧道結(jié)單元的磁滯回 線(R-Hloop)為實(shí)質(zhì)完美的方形，表示其具有優(yōu)異的轉(zhuǎn)換能力。其次，介電覆 蓋層的應(yīng)力可獲得調(diào)整，因此在交錯型(Cross-type)與自旋矩傳輸(Spin Torque Transfer STT)型的磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存應(yīng)用中，均可得到較佳的磁性隧道結(jié)性 會巨，例如較高的阻值變化率(MRratio)、較小的寫入電流(Writing Current)、與 較佳的可靠度保證均勻性(Reliability Assurance Uniformity)。
17當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的 情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形， 但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種集成電路的制造方法，其特征在于，至少包括形成多個磁性隧道結(jié)層；蝕刻所述磁性隧道結(jié)層，以形成一磁性隧道結(jié)單元；以及形成一介電覆蓋層在該磁性隧道結(jié)單元的多個側(cè)壁上，其中形成該介電覆蓋層的步驟與蝕刻所述磁性隧道結(jié)層的步驟是原處進(jìn)行。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路的制造方法，其特征在于，在蝕刻所 述磁性隧道結(jié)層的步驟與形成該介電覆蓋層的步驟的間隔期間，該集成電路 位于一真空環(huán)境。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成電路的制造方法，其特征在于，蝕刻所述 磁性隧道結(jié)層的步驟與形成該介電覆蓋層的步驟是在一生產(chǎn)機(jī)臺中進(jìn)行，且 該生產(chǎn)機(jī)臺具有該真空環(huán)境，其中在蝕刻所述磁性隧道結(jié)層的步驟與形成該 介電覆蓋層的步驟的間隔期間，該磁性隧道結(jié)單元位于該生產(chǎn)機(jī)臺中。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成電路的制造方法，其特征在于，該生產(chǎn)機(jī) 臺至少包括一第一反應(yīng)室、 一第二反應(yīng)室與一傳送反應(yīng)室，且其中蝕刻所述 磁性隧道結(jié)層的步驟是在該第一反應(yīng)室中進(jìn)行，形成該介電覆蓋層的步驟是 在該第二反應(yīng)室中進(jìn)行，其中該磁性隧道結(jié)單元透過該傳送反應(yīng)室而從該第 一反應(yīng)室傳送至該第二反應(yīng)室。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路的制造方法，其特征在于，還至少包括形成一硬掩膜層在所述磁性隧道結(jié)層上；以及在蝕刻所述磁性隧道結(jié)層的步驟前，蝕刻該硬掩膜層以形成一圖形化硬 掩膜，其中在蝕刻該硬掩膜層的步驟與蝕刻所述磁性隧道結(jié)層的步驟的間隔 期間，該集成電路位于一真空環(huán)境。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路的制造方法，其特征在于，該磁性隧 道結(jié)單元具有一內(nèi)應(yīng)力，且其中形成該介電覆蓋層的步驟至少包括調(diào)整多個工藝條件，以在該介電覆蓋層中產(chǎn)生另一應(yīng)力。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的集成電路的制造方法，其特征在于，在形成該 介電覆蓋層的步驟后，該磁性隧道結(jié)單元中的一總應(yīng)力小于lMPa。
8、 一種集成電路的制造方法，其特征在于，至少包括 提供一半導(dǎo)體襯底；提供一生產(chǎn)機(jī)臺，該生產(chǎn)機(jī)臺至少包括一第一蝕刻反應(yīng)室、 一第二蝕刻 反應(yīng)室以及一沉積反應(yīng)室；形成一下電極層在該半導(dǎo)體襯底上；形成多個磁性隧道結(jié)層在該下電極層上；形成一硬掩膜層在所述磁性隧道結(jié)層上；在該第一蝕刻反應(yīng)室中，蝕刻該硬掩膜層，以形成一圖形化硬掩膜層； 在該第二蝕刻反應(yīng)室中，蝕刻所述磁性隧道結(jié)層，以形成多個磁性隧道 結(jié)單元，其中蝕刻所述磁性隧道結(jié)層與蝕刻該掩膜幕層的步驟是原處進(jìn)行；在該沉積反應(yīng)室中，形成一介電覆蓋層在所述磁性隧道結(jié)單元上，其中 該介電覆蓋層覆蓋所述磁性隧道結(jié)單元的多個側(cè)壁，且其中蝕刻所述磁性隧 道結(jié)層的步驟與形成該介電覆蓋層的步驟是原處進(jìn)行；以及圖形化該下電極層，以形成多個下電極位于該半導(dǎo)體襯底上，其中所述 下電極形成一陣列。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成電路的制造方法，其特征在于，還至少包括形成一介電層在該介電覆蓋層上；以及去除該圖形化硬掩膜層上方的該介電層與該介電覆蓋層的多個部分，其 中該介電覆蓋層的多個剩余部分的多個上緣低于該圖形化硬掩膜層的一上表 面、且高于所述磁性隧道結(jié)單元的多個上表面。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成電路的制造方法，其特征在于，還至少 包括測定所述磁性隧道結(jié)單元的一內(nèi)應(yīng)力，其中該內(nèi)應(yīng)力是在無該介電覆蓋 層下所獲得的應(yīng)力；以及選擇形成該介電覆蓋層的多個工藝條件，以在該介電覆蓋層中產(chǎn)生一應(yīng) 力，其中該介電覆蓋層中的該應(yīng)力相反于所述磁性隧道結(jié)單元的該內(nèi)應(yīng)力。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成電路的制造方法，其特征在于，該介電 覆蓋層至少包括多個材料，且所述材料選自于實(shí)質(zhì)上由多個含氮化合物與多 個含碳化合物所組成的一族群，且其中進(jìn)行形成該介電覆蓋層的步驟時是利用溫度低于45(TC的低壓化學(xué)氣相沉積工藝。
12、 一種集成電路的制造方法，其特征在于，至少包括 形成多個磁性隧道結(jié)層；蝕刻所述磁性隧道結(jié)層，以形成多個磁性隧道結(jié)單元，其中所述磁性隧 道結(jié)單元具有多個內(nèi)應(yīng)力；以及形成一介電覆蓋層在所述磁性隧道結(jié)單元的多個側(cè)壁上，其中該介電覆 蓋層具有一非中性應(yīng)力以抵銷所述磁性隧道結(jié)單元的所述內(nèi)應(yīng)力。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的集成電路的制造方法，其特征在于，在形 成該介電覆蓋層的步驟后，所述磁性隧道結(jié)單元中的所述內(nèi)應(yīng)力小于lMPa。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的集成電路的制造方法，其特征在于，該介電 覆蓋層至少包括多個材料，且所述材料選自于實(shí)質(zhì)上由多個含氮化合物與多 個含碳化合物所組成的一族群。
15、 根據(jù)權(quán)利要其12所述的集成電路的制造方法，其特征在于，蝕刻所 述磁性隧道結(jié)層的步驟與形成該介電覆蓋層的步驟是原處進(jìn)行。
16、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的集成電路的制造方法，其特征在于，還至少 包括形成一硬掩膜層在所述磁性隧道結(jié)層上；在蝕刻所述磁性隧道結(jié)層的步驟前，蝕刻該硬掩膜層以形成多個硬掩膜， 其中蝕刻該硬掩膜層的步驟與蝕刻所述磁性隧道結(jié)層的步驟是原處進(jìn)行。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的集成電路的制造方法，其特征在于，蝕刻該 硬掩膜層的步驟與蝕刻所述磁性隧道結(jié)層的步驟是在一相同生產(chǎn)機(jī)臺的二反 應(yīng)室中進(jìn)行。
18、 根據(jù)權(quán)利要其12所述的集成電路的制造方法，其特征在于，還至少包括形成一介電層在該介電覆蓋層上； 對該介電層進(jìn)行一化學(xué)機(jī)械研磨； 蝕刻該介電層與該介電覆蓋層，以形成一開口；以及 將一導(dǎo)電材料填入該開口中。
19、 根據(jù)權(quán)利要其18所述的集成電路的制造方法，其特征在于，在該化 學(xué)機(jī)械研磨期間，該介電覆蓋層作為一化學(xué)機(jī)械研磨終止層。
20、根據(jù)權(quán)利要求18所述的集成電路的制造方法，其特征在于，在蝕刻該介電層的步驟期間，該介電覆蓋層作為一蝕刻終止層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成電路的制造方法，包括形成多個磁性隧道結(jié)層；蝕刻這些磁性隧道結(jié)層，以形成一磁性隧道結(jié)單元；以及形成一介電覆蓋層在磁性隧道結(jié)單元的多個側(cè)壁上，其中形成介電覆蓋層的步驟與蝕刻磁性隧道結(jié)層的步驟是原處進(jìn)行。
文檔編號H01L21/82GK101515566SQ20081009327
公開日2009年8月26日 申請日期2008年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月18日
發(fā)明者莊育灶, 王泳弘, 王郁仁, 蔡嘉雄 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司