磁性隨機存儲器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種磁性隨機存儲器及其制造方法，其中，所述磁性隨機存儲器的制造方法包括：提供一半導體襯底，所述半導體襯底具有接觸孔；對所述接觸孔執(zhí)行金屬填充；在金屬填充后的半導體襯底的表面形成導電層；刻蝕所述導電層形成導線；在形成導線后的半導體襯底的表面形成MTJ層；刻蝕所述MTJ層形成MTJ存儲單元。本發(fā)明磁性隨機存儲器的制造方法中，在金屬填充后的半導體襯底的表面增加了一層非常平整的導電層，MTJ層沉積在所述導電層的表面，使得刻蝕形成的MTJ存儲單元不會出現(xiàn)Mx波紋。
【專利說明】磁性隨機存儲器及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隨機存儲器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種磁性隨機存儲器及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨機存取存儲器(RAM)能夠讀和寫，通常用于存放各種輸入/輸出的程序、數(shù)據(jù)、中間運算結(jié)果以及存放與外界交換的信息。比如，計算機的隨機存取存儲器(RAM)，開機時，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的所有正在運行的數(shù)據(jù)和程序都會放置其中，并且隨時可以對存放在里面的數(shù)據(jù)進行修改和存取。目前，常用的隨機存取存儲器(RAM)包括靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)和動態(tài)隨機存儲器(DRAM)。但是，靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)和動態(tài)隨機存儲器(DRAM)都屬于揮發(fā)性的存儲器性，需要持續(xù)供電，一旦系統(tǒng)斷電，存放在里面的所有數(shù)據(jù)和程序都會自動清空掉，并且再也無法恢復。
[0003]磁性隨機存儲器(MRAM)的結(jié)構(gòu)包括控制晶體管和插在兩條金屬線之間的磁性隧道結(jié)存儲單元(MTJ)。磁性隨機存儲器(MRAM)的磁性不會因為掉電而消失，所以它不像一般SRAM和DRAM —樣具有易失性，而是能夠在掉電以后繼續(xù)保持其內(nèi)容，是一種非揮發(fā)性的存儲器。
[0004]而且，磁性隨機存儲器(MRAM)擁有靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)的高速讀取寫入能力，以及動態(tài)隨機存儲器(DRAM)的高集成度，具有高速、省電、可無限次重寫、不易失的優(yōu)點，已經(jīng)成為隨機存儲器發(fā)展的主要方向。
[0005]磁性隨機存儲器(MRAM)的制造方法通常是先在半導體襯底上制備CMOS器件，然后進行金屬互連，在金屬互連的過程中在相鄰兩層金屬之間形成磁性隧道結(jié)(MTJ)存儲單元。但是，在制造過程中發(fā)現(xiàn)，MTJ存儲單元容易出現(xiàn)Mx波紋，如圖1所示，襯底I上面形成的MTJ存儲單元2是三層結(jié)構(gòu)，包括上下各一層磁層和中間的介電層，MTJ存儲單元截面中出現(xiàn)了 Mx波紋3，即上下磁層和介電層之間的連接面有起伏，不是水平面。出現(xiàn)Mx波紋會影響開關(guān)電流，造成MTJ存儲單元性能下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種磁性隨機存儲器的制造方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中MTJ存儲單元產(chǎn)生Mx波紋的問題。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種磁性隨機存儲器的制造方法所述磁性隨機存儲器的制造方法包括:
[0008]提供一半導體襯底，所述半導體襯底具有接觸孔；
[0009]對所述接觸孔執(zhí)行金屬填充；
[0010]在金屬填充后的半導體襯底的表面形成導電層；
[0011]刻蝕所述導電層形成導線；
[0012]在形成導線后的半導體襯底的表面形成MTJ層；
[0013]刻蝕所述MTJ層形成MTJ存儲單元。
[0014]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器的制造方法中，所述導電層采用的材料是TaN。
[0015]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器的制造方法中，所述導電層采用的材料是TaN/Ta/Al。
[0016]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器的制造方法中，所述導電層采用的材料是TaN/Al。
[0017]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器的制造方法中，所述TaN是通過PVD或者MOCVD工藝形成的。
[0018]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器的制造方法中，所述Al是通過濺射工藝形成的。
[0019]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器的制造方法中，所述Ta是通過濺射工藝形成的。
[0020]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器的制造方法中，所述MTJ存儲單元包括依次連接的第一磁層、介電層和第二磁層。
[0021]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器的制造方法中，所述第一磁層采用的材料和第二磁層采用的材料均是導電材料。
[0022]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器的制造方法中，所述金屬填充的材料是銅。
[0023]本發(fā)明還提供一種磁性隨機存儲器，所述磁性隨機存儲器包括:
[0024]半導體襯底，所述半導體襯底具有接觸孔；
[0025]形成于所述接觸孔內(nèi)的金屬層；
[0026]形成于所述金屬層上的導線；
[0027]形成于所述導線上的MTJ存儲單元。
[0028]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器中，所述導線采用的材料是TaN。
[0029]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器中，所述導線采用的材料是TaN/Ta/Al。
[0030]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器中，所述導線采用的材料是TaN/Al。
[0031]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器中，所述TaN是通過PVD或者MOCVD工藝形成的。
[0032]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器中，所述Al和Ta均是通過濺射工藝形成的。
[0033]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器中，所述Ta是通過濺射工藝形成的。
[0034]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器中，所述MTJ存儲單元包括依次連接的第一磁層、介電層和第二磁層。
[0035]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器中，所述第一磁層采用的材料和第二磁層采用的材料均是導電材料。
[0036]優(yōu)選的，在所述的磁性隨機存儲器中，所述金屬層采用的材料是銅。
[0037]綜上所述，本發(fā)明磁性隨機存儲器及其制造方法中，通過在半導體襯底的表面增加了一層非常平整的導電層，使得MTJ存儲單元形成于所述導電層的表面，避免了因為MTJ層的沉積表面不平整而導致的Mx波紋。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中MTJ存儲單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖2是本發(fā)明實施例的一種磁性隨機存儲器的制造方法的工藝流程圖。
[0040]圖3是本發(fā)明實施例的磁性隨機存儲器在金屬填充后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖4是本發(fā)明實施例的磁性隨機存儲器形成導電層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖5是本發(fā)明實施例的磁性隨機存儲器在MTJ層沉積之前的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖6是本發(fā)明實施例的磁性隨機存儲器形成MTJ層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖7是本發(fā)明實施例的磁性隨機存儲器形成MTJ存儲單元后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖8是本發(fā)明實施例中MTJ存儲單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0046]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提出的磁性隨機存儲器及其制造方法作進一步詳細說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。
[0047]按照現(xiàn)有的磁性隨機存儲器的制造方法，MTJ存儲單元經(jīng)常出現(xiàn)Mx波紋，影響開關(guān)電流。發(fā)明人對此進行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)造成現(xiàn)有的磁性隨機存儲器的制造方法中MTJ存儲單元出現(xiàn)Mx波紋的原因在于，MTJ層所沉積的表面不夠平整。
[0048]MTJ存儲單元一般沉積在相鄰的兩層金屬層之間，比如，在第一層金屬層和第二層金屬層之間沉積形成MTJ存儲單元，其基本過程如下:在具有介質(zhì)層和接觸孔的半導體襯底上進行金屬填充，形成第一層金屬層，金屬填充的材料一般采用銅；接著，在半導體襯底的表面進行MTJ層沉積，MTJ層沉積之后進行刻蝕在介質(zhì)層的上面形成MTJ存儲單元，MTJ存儲單元的位置與接觸孔的位置錯開；然后，在MTJ存儲單元上形成第二層金屬層。
[0049]然而，在金屬填充形成第一層金屬層之后需要經(jīng)過化學機械研磨(CMP)或電拋光(ECP)處理，在表面處理過程中銅晶粒會與研磨液中的酸性或堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，邊緣的銅晶粒更容易被腐蝕，造成第一層金屬層的表面不平整。而MTJ層要求在非常平整的表面上進行沉積，如果第一層金屬層的表面不夠平整，會影響MTJ層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導致MTJ存儲單元出現(xiàn)Mx波紋。而且，此后還會經(jīng)過高溫條件的工藝步驟，高溫工藝會使得銅晶粒變大，進一步加劇表面不平整，使得Mx波紋更加明顯。
[0050]綜上，造成現(xiàn)有的MTJ存儲單元出現(xiàn)Mx波紋的原因在于，MTJ層沉積的表面不平整。為了解決上述問題，本申請?zhí)岢隽巳缦录夹g(shù)方案:
[0051]請參考圖2，其為本發(fā)明實施例的一種磁性隨機存儲器的制造方法的工藝流程圖。如圖2所示，所述磁性隨機存儲器的制造方法包括:
[0052]SlO:提供一半導體襯底，所述半導體襯底具有接觸孔；
[0053]Sll:對所述接觸孔執(zhí)行金屬填充；
[0054]S12:在金屬填充后的半導體襯底的表面形成導電層；
[0055]S13:刻蝕所述導電層形成導線；
[0056]S14:在形成導線后的半導體襯底的表面形成MTJ層；
[0057]S15:刻蝕所述MTJ層形成MTJ存儲單元。
[0058]具體的，提供一半導體襯底10，所述半導體襯底10具有介質(zhì)層11和接觸孔。其中，介質(zhì)層11采用的材料可以是NDC和BD、SiN和TEOS或者FSG。
[0059]接著，對所述接觸孔執(zhí)行金屬填充，金屬填充采用的材料是銅(Cu)。金屬填充之后，接觸孔內(nèi)形成了金屬層12。金屬填充過程還包括化學機械研磨，即在接觸孔內(nèi)填充金屬后，對形成的金屬層12進行表面處理。請參考圖3，其為本發(fā)明實施例的磁性隨機存儲器在金屬填充后的結(jié)構(gòu)示意圖，在半導體襯底10的接觸孔內(nèi)形成了金屬層12。
[0060]之后，在金屬填充后的半導體襯底10的表面形成導電層13。請參考圖3，其為本發(fā)明實施例的磁性隨機存儲器形成導電層后的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，導電層13覆蓋在金屬層12和半導體襯底10的表面。
[0061]然后，刻蝕導電層13形成導線16。其中，導線16的寬度大于接觸孔的寬度，能夠完全覆蓋接觸孔。形成導線16之后，在被刻蝕的區(qū)域繼續(xù)生長介質(zhì)層，生長的材料與介質(zhì)層11的材料相同。請參考圖5，其為本發(fā)明實施例的磁性隨機存儲器在MTJ層沉積之前的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，導線16之間通過介質(zhì)層相互隔離，而且導線16覆蓋在金屬層12的上面。
[0062]在本發(fā)明實施例中，導電層13采用的材料是氮化鉭(TaN)。在本發(fā)明其他實施例中，導電層13還可以采用氮化鉭/鉭/鋁(TaN/Ta/Al)、氮化鉭/鋁(TaN/Al)或者除銅以外的其他金屬材料，其中，鋁(Al)和鉭(Ta)及其他除銅以外的其他金屬材料都是通過濺射工藝形成，氮化鉭(TaN) —般采用物理氣相沉積(PVD)或者金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)形成。
[0063]接著，在形成導線16后的半導體襯底10的表面沉積形成MTJ層14。如圖6所示，MTJ層14覆蓋在導線16和介質(zhì)層的上面。形成MTJ層14的工藝可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的工藝方法，形成的MTJ層14包括依次連接的第一磁層、介電層和第二磁層，是三層結(jié)構(gòu)(圖中未示出)。其中，第一磁層和第二磁層采用的材料是導電材料。形成MTJ層14時首先要形成BEC層，MTJ層14形成于BEC層的上面。為了避免后續(xù)形成的膜層出現(xiàn)Mx波紋，BEC層的平整度要求在10埃以下。
[0064]最后，對MTJ層14進行光刻和刻蝕，在導線16的上面形成MTJ存儲單元15，即磁性隧道結(jié)存儲單元。請參考圖7，其為本發(fā)明實施例的磁性隨機存儲器形成MTJ存儲單元后的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示，MTJ存儲單元15的位置在導線16的上面，與接觸孔的位置錯開。
[0065]形成MTJ存儲單元15之后，通過傳統(tǒng)的工藝方法執(zhí)行其他工藝步驟，從而完成磁性隨機存儲器的制造。
[0066]相應(yīng)的，本實施例還提供了一種磁性隨機存儲器。請繼續(xù)參考圖7，所述磁性隨機存儲器包括:
[0067]半導體襯底10，所述半導體襯底10具有接觸孔；形成于所述接觸孔內(nèi)的金屬層12 ;形成于所述金屬層12上的導線16 ;形成于所述導線16上的MTJ存儲單兀15。
[0068]具體的，所述半導體襯底10具有介質(zhì)層11和接觸孔，在所述接觸孔內(nèi)形成金屬層12，所述金屬層12采用的材料是銅，所述介質(zhì)層11采用的材料可以是NDC和BD、SiN和TEOS或者FSG。導線16的寬度大于接觸孔的寬度，能夠完全覆蓋接觸孔，導線16之間形成有介質(zhì)層。MTJ存儲單元15形成與所述導線16的上面，MTJ存儲單元15的位置與所述接觸孔的位置錯開。所述MTJ存儲單元15包括依次連接的第一磁層、介電層和第二磁層，其中第一磁層采用的材料和第二磁層采用的材料均是導電材料。
[0069]磁性隨機存儲器還包括BEC層，所述BEC層形成于MTJ存儲單元15和導線16之間。所述BEC層的平整度在10埃以下，以避免后續(xù)在BEC層上形成的MTJ存儲單元15出現(xiàn)Mx波紋。
[0070]在本發(fā)明實施例中，導線16采用的材料是氮化鉭(TaN)。在本發(fā)明其他實施例中，其中，所述導線16還可以采用氮化鉭/鉭/鋁(TaN/Ta/Al)、氮化鉭/鋁(TaN/Al)或者除銅以外的其他金屬材料，其中，鋁(Al)和鉭(Ta)及其他除銅以外的其他金屬材料都是通過濺射工藝形成，氮化鉭(TaN) —般采用物理氣相沉積(PVD)或者金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)形成。
[0071]請參考圖8,其為本發(fā)明實施例中MTJ存儲單元的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖8所示，MTJ存儲單元15包括三層結(jié)構(gòu)，層與層之間連接面20沒有起伏不平，基本上都是水平面，MTJ存儲單元15的截面沒有出現(xiàn)Mx波紋。
[0072]綜上，在本發(fā)明實施例提供的磁性隨機存儲器及其制造方法中，在金屬層的上面增加了一層非常平整的導電層，使得MTJ存儲單元沉積在導電層的表面，而不是金屬層的表面，形成的MTJ存儲單元不會出現(xiàn)Mx波紋。
[0073]上述描述僅是對本發(fā)明較佳實施例的描述，并非對本發(fā)明范圍的任何限定，本發(fā)明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)上述揭示內(nèi)容做的任何變更、修飾，均屬于權(quán)利要求書的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種磁性隨機存儲器的制造方法，其特征在于，包括: 提供一半導體襯底，所述半導體襯底具有接觸孔； 對所述接觸孔執(zhí)行金屬填充； 在金屬填充后的半導體襯底的表面形成導電層； 刻蝕所述導電層形成導線； 在形成導線后的半導體襯底的表面形成MTJ層； 刻蝕所述MTJ層形成MTJ存儲單元。
2.如權(quán)利要求1所述的磁性隨機存儲器的制造方法，其特征在于，所述導電層采用的材料是TaN。
3.如權(quán)利要求1所述的磁性隨機存儲器的制造方法，其特征在于，所述導電層采用的材料是 TaN/Ta/Al。
4.如權(quán)利要求1所述的磁性隨機存儲器的制造方法，其特征在于，所述導電層采用的材料是TaN/Al。
5.如權(quán)利要求2至4中任一項所述的磁性隨機存儲器的制造方法，其特征在于，所述TaN是通過PVD或者MOCVD工藝形成的。
6.如權(quán)利要求3至4中任一項所述的磁性隨機存儲器的制造方法，其特征在于，所述Al是通過濺射工藝形成的。
7.如權(quán)利要求3所述的磁性隨機存儲器的制造方法，其特征在于，所述Ta是通過濺射工藝形成的。
8.如權(quán)利要求1所述的磁性隨機存儲器的制造方法，其特征在于，所述MTJ存儲單元包括依次連接的第一磁層、介電層和第二磁層。
9.如權(quán)利要求1所述的磁性隨機存儲器的制造方法，其特征在于，所述第一磁層采用的材料和第二磁層采用的材料均是導電材料。
10.如權(quán)利要求1所述的磁性隨機存儲器的制造方法，其特征在于，所述金屬填充的材料是銅。
11.一種磁性隨機存儲器，其特征在于，包括: 半導體襯底，所述半導體襯底具有接觸孔； 形成于所述接觸孔內(nèi)的金屬層； 形成于所述金屬層上的導線； 形成于所述導線上的MTJ存儲單元。
12.如權(quán)利要求11所述的磁性隨機存儲器，其特征在于，所述導線采用的材料是TaN。
13.如權(quán)利要求11所述的磁性隨機存儲器，其特征在于，所述導線采用的材料是TaN/Ta/Al。
14.如權(quán)利要求11所述的磁性隨機存儲器，其特征在于，所述導線采用的材料是TaN/Al。
15.如權(quán)利要求12至14中任一項所述的磁性隨機存儲器，其特征在于，所述TaN是通過PVD或者MOCVD工藝形成的。
16.如權(quán)利要求13至14中任一項所述的磁性隨機存儲器，其特征在于，所述Al和Ta均是通過濺射工藝形成的。
17.如權(quán)利要求13所述的磁性隨機存儲器，其特征在于，所述Ta是通過濺射工藝形成的。
18.如權(quán)利要求11所述的磁性隨機存儲器，其特征在于，所述MTJ存儲單元包括依次連接的第一磁層、介電層和第二磁層。
19.如權(quán)利要求11所述的磁性隨機存儲器，其特征在于，所述第一磁層采用的材料和第二磁層采用的材料均是導電材料。
20.如權(quán)利要求11所述的磁性隨機存儲器，其特征在于，所述金屬層采用的材料是銅。
【文檔編號】H01L43/08GK104347797SQ201310323978
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月29日
【發(fā)明者】曾賢成 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司