磁阻式随机存取存储器结构的制作方法

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发涉及一种磁阻式随机存取存储器，更具体言之，其涉及一种具有特殊超低介电系数(ultra low-k,ulk)层结构与材料比例分布的磁阻式随机存取存储器结构。背景技术：2.已知，磁阻(magnetoresistance,mr)效应是材料的电阻随着外加磁场的变化而改变的效应，其物理量的定义是，在有无磁场下的电阻差除以原先的电阻，用以代表电阻变化率。目前，磁阻效应已被成功地运用在硬盘生产上，具有重要的商业应用价值。此外，利用巨磁电阻物质在不同的磁化状态下具有不同电阻值的特点，还可以制成磁阻式随机存取存储器(magnetoresistive random access memory,mram)，其优点是在不通电的情况下可以持续保留存储的数据。3.磁阻式随机存取存储器(magnetoresistive random access memory,mram)为近年来获得高度关注的一种新式存储器，其整合了目前各式存储器的优点，例如可比拟静态随机存取存储器(sram)的存取速度、闪存存储器(flash)的非挥发性与低耗电、动态随机存取存储器(dram)的高密度以及耐久性，而且可与目前半导体后段制作工艺整合制作，因此有潜力成为半导体芯片主要使用的存储器。4.磁阻式随机存取存储器包括设置在上、下层内连线结构之间的一存储器堆叠结构，其中包含一磁隧穿结(magnetic tunneling junction,mtj)。不同于传统存储器是通过存储电荷来存储数据，磁阻式随机存取存储器的操作是通过对mtj施以一外加磁场来控制mtj的磁化方向而获得不同的隧穿磁阻(tunneling magnetoresistive,tmr)来存储数字数据。技术实现要素：5.本发明提出了一种磁阻式随机存取存储器结构，其特点在于其超低介电系数层的表面部位会因为回蚀刻制作工艺而掺杂有氟成分，且特别的制作工艺步骤使得该存储器区与该逻辑区交界处的该超低介电系数层的表面具有凹痕。6.本发明的其一面向在于提出一种磁阻式随机存取存储器结构，包括一基底、多个磁阻式随机存取存储器单元，位于该基底上，其中该些磁阻式随机存取存储器单元位于一存储器区中，该存储器区与逻辑区邻接、以及一超低介电系数层，覆盖在该些磁阻式随机存取存储器单元上，其中位于该存储器区与该逻辑区交界处的该超低介电系数层的表面具有凹痕。7.本发明的另一面向在于提出一种磁阻式随机存取存储器结构，包括一基底、多个磁阻式随机存取存储器单元，位于该基底上，其中该些磁阻式随机存取存储器单元位于一存储器区中，该存储器区与逻辑区邻接、以及一超低介电系数层，覆盖在该些磁阻式随机存取存储器单元上，其中该超低介电系数层具有一氟掺杂的表面部位，该超低介电系数层中的硅成分比例、氢成分比例以及碳成分比例从该超低介电系数层的表面往内部递增至其各自的水平后持平，该超低介电系数层中的氧成分比例从该超低介电系数层的表面往内部递减至一水平后持平，该超低介电系数层中的氟成分比例从该超低介电系数层的表面往内部递增直至一深度后开始递减至零。8.本发明的这类目的与其他目的在阅者读过下文中以多种图示与绘图来描述的优选实施例的细节说明后应可变得更为明了显见。附图说明9.本说明书含有附图并于文中构成了本说明书的一部分，使阅者对本发明实施例有进一步的了解。该些图示描绘了本发明一些实施例并连同本文描述一起说明了其原理。在该些图示中：10.图1至图5为本发明实施例一磁阻式随机存取存储器的制作流程的截面示意图；以及11.图6为本发明实施例磁阻式随机存取存储器的超低介电系数(ulk)层的深度对其成分比例的曲线图。12.需注意本说明书中的所有图示都为图例性质，为了清楚与方便图示说明之故，图示中的各部件在尺寸与比例上可能会被夸大或缩小地呈现，一般而言，图中相同的参考符号会用来标示修改后或不同实施例中对应或类似的元件特征。13.主要元件符号说明14.100ꢀꢀꢀꢀ金属间介电层15.100aꢀꢀꢀ存储器区16.100bꢀꢀꢀ逻辑区17.102ꢀꢀꢀꢀ停止层18.104ꢀꢀꢀꢀ介电层19.104aꢀꢀꢀ表面20.106ꢀꢀꢀꢀ金属互连层21.108ꢀꢀꢀꢀ导孔件22.110ꢀꢀꢀꢀ下电极层23.112ꢀꢀꢀꢀ磁隧穿结叠层24.114ꢀꢀꢀꢀ上电极层25.116ꢀꢀꢀꢀ磁阻式随机存储器单元26.118ꢀꢀꢀꢀ衬层27.120ꢀꢀꢀꢀ原子层沉积介电层28.120aꢀꢀꢀ凹痕29.120bꢀꢀꢀ凸起30.122ꢀꢀꢀꢀ超低介电系数层31.122aꢀꢀꢀ表面部位32.123ꢀꢀꢀꢀ双镶嵌凹槽33.124ꢀꢀꢀꢀ停止层34.126ꢀꢀꢀꢀ金属间介电层35.128ꢀꢀꢀꢀ停止层36.d1ꢀꢀꢀꢀꢀ深度37.m3,m4ꢀꢀ金属互连层38.v2,v3ꢀꢀ导孔件具体实施方式39.现在下文将详细讲述本发明的实施范例，其绘示在随附的图示中让阅者得以了解与施作本发明揭露，并知晓其技术功效。需注意下文仅是以范例的方式来进行说明，其并未要限定本发明的揭露内容。本揭露书中的多种实施例以及该些实施例中的各种特征在不互相冲突抵触的情况下可以多种不同的方式来加以组合与重设。在不悖离本揭露书的精神与范畴的原则下，各种对于本发明揭露内容的修改、对应物、或是改良手段等应都能为本技术领域的相关技艺人士所理解，且意欲含括在本发明揭露的范畴内。40.应该容易理解的是，本文中的「在...上面」、「在...之上」及「在...上方」的含义应该以最宽泛的方式来解释，使得「在...上面」不仅意味着「直接在某物上」，而且还包括在某物上且两者之间具有中间特征或中间层，并且「在...之上」或「在...上方」不仅意味着在某物之上或在某物上方的含义，而且还可以包括两者之间没有中间特征或中间层(即直接在某物上)的含义。41.此外，为了便于描述，可以在说明书使用诸如「在...下面」、「在...之下」、「较低」、「在...之上」、「较高」等空间相对术语来描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系，如附图中所表示者。除了附图中描绘的方向之外，这些空间相对术语旨在涵盖使用或操作中的装置的不同方位或方向。该装置可以其他方式定向(例如以旋转90度或以其它方向来定向)，并且同样能相应地以说明书中所使用的空间相关描述来解释。42.请参照图1至图5，图1至图5为根据本发明实施例一磁阻式随机存储器(mram)的制作方法的截面示意图。如图1所示，首先提供一基底(未图示)，如以半导体材料所构成的基底，其中半导体材料可选自由硅、锗、硅锗化合物、硅碳化物以及砷化镓等材料所构成的群组。基底上较佳界定有存储器区100a以及逻辑区100b，其分别用来设置存储器阵列与逻辑电路(例如字符线或周边电路)。需注意本发明的重点在于磁阻存储器区100a上的磁阻式随机存储器单元的结构与相关制作工艺。43.复参照图1，基底上依序形成有金属间介电层(imd)100、停止层102、以及介电层104等层结构，其可采用化学气相沉积(cvd)或是等离子体辅助式化学气相沉积(pecvd)制作工艺来形成。在本发明实施例中，金属间介电层100可为较下方互连层级(例如第二金属层m2)中的金属间介电层，其材料较佳为超低介电常数(ultra low-k,ulk)材料，如多孔性的碳氧化硅(sioc)。金属间介电层100中可形成有金属互连层106，如第二金属层m2。停止层102的材料较佳为氮碳化硅(sicn)、氮掺杂碳化物层(nitrogen doped carbide,ndc)或是氮化硅等，可作为制作上层接触孔时的蚀刻停止层。介电层104的材料较佳为四乙氧基硅烷(tetraethoxysilane,teos)，但不局限于此。44.复参照图1，介电层104上形成有多个磁阻式随机存储器单元116，其中每个磁阻式随机存储器单元116由下而上包含下电极层110、磁隧穿结叠层112以及上电极层114，并通过导孔件(via)108穿过下方的介电层104与停止层102电连接到存储器区100a中的金属互连层106。在本发明实施例中，下电极层110、磁隧穿结叠层112以及上电极层114可以使用物理气相沉积(pvd)在同一腔体中临场(in-situ)形成。在本发明实施例中，下电极层110的材料较佳包含导电材料，例如氮化钽(tan)，但不局限于此，根据本发明其他实施例，下电极层110又可包含钽(ta)、铂(pt)、铜(cu)、金(au)、铝(al)或其组合。上电极层114的材料则较佳为氮化钛(tin)。金属互连层106与导孔件108的材料则可选自由钨(w)、铜(cu)、铝(al)、钛铝合金(tial)、钴钨磷化物(cowp)等所构成的群组，但不局限于此。45.在本发明实施例中，磁隧穿结叠层112为一多层结构，其可能包含晶种层、固定层(pinned layer)、参考层、隧穿阻障层、自由层、以及金属隔层等结构。概略言之，固定层可以是由反铁磁性(antiferromagnetic,afm)材料所构成者，例如铁锰(femn)、铂锰(ptmn)、铱锰(irmn)、氧化镍(nio)等，用以固定或限制邻近层的磁矩方向。隧穿阻障层可由包含氧化物的绝缘材料所构成，例如氧化铝(alox)或氧化镁(mgo)，但均不局限于此。自由层可以是由铁磁性材料所构成者，例如铁、钴、镍或其合金如钴铁硼(cofeb)，但不限于此。其中，自由层的磁化方向会受外部磁场而「自由」改变。由于磁隧穿结叠层112的结构并非本发明重点，图中一律以磁隧穿结叠层112来概括上述该些多层结构。46.在本发明实施例中，个别的磁阻式随机存储器单元116可利用光刻暨蚀刻制作工艺图案化上电极层114、磁隧穿结叠层112以及下电极层110来界定。其中，可先使用反应性离子蚀刻制作工艺(reactive ion etching,rie)并搭配氧化硅硬掩模层来图案化上电极层114，如此产生的侧壁副产物较少。接着，再使用离子束蚀刻制作工艺(ion beam etching,ibe)图案化磁隧穿结叠层112与下电极层110来界定出磁阻式随机存储器单元116。此离子束蚀刻制作工艺同时会移除部分的介电层104。由于离子束蚀刻制作工艺的特性，蚀刻后剩余的介电层104的表面104a较佳会略低于导孔件108的上表面且会呈现一弧形或曲面。47.复参照图1，在图案化制作工艺后，磁阻式随机存储器单元116以及介电层104的表面还会形成一共形的衬层118，其材料较佳包含氮化硅，但又可依据制作工艺需求选用其他介电材料，例如可包含氧化硅、氮氧化硅或氮碳化硅。衬层118具有均匀的厚度，其覆盖住磁阻式随机存储器单元116与介电层104等部位来提供保护与隔绝功效，但露出磁阻式随机存储器单元116的上电极层114。之后，在衬层118上还会形成一原子层沉积介电层120，其材质可包含但不局限于例如四乙氧基硅烷(tetraethyl orthosilicate,teos)、氧化硅、氮化硅或其组合。相较于现有技术直接使用超低介电常数(ulk)材料来覆盖磁阻式随机存储器单元116的作法，本实施例使用原子层沉积(atomic layer deposition,ald)制作工艺来形成额外的介电层可以有效避免空隙在磁阻式随机存储器单元116之间产生，达到较高的表面覆盖性质。位于存储器区100a周围的原子层沉积介电层120的表面会呈曲面型态下凹延伸至存储器区100a与逻辑区100b的边界处，并与下方衬层118与介电层104的侧面齐平。48.复参照图1，除了上述结构外，整个基底表面上还会毯覆一超低介电系数(ulk)层122，其覆盖了整个存储器区100a与逻辑区100b。超低介电系数层122的材料可为多孔性的碳氧氢化硅(sicoh)，其可通过cvd制作工艺来形成。需注意原子层沉积介电层120与超低介电系数层122的介电常数不同。在本发明实施例中，由于存储器区100a上设置有导孔件108与磁阻式随机存储器单元116的缘故，形成超低介电系数层122后的存储器区100a与逻辑区100b表面会有相当大的高度差异，不利于后续制作工艺的进行。49.对此，请参照图2。在超低介电系数层122形成后，进行一光刻制作工艺移除位于存储器区100a(或字符线区)上部分的超低介电系数层122。此光刻制作工艺可包含通过光刻制作工艺在存储器区100a以外的区域，例如逻辑区100b上，形成一图案化光致抗蚀剂(或掩模，未图示)，该光致抗蚀剂裸露出存储器区100a上的超低介电系数层122。之后，以该光致抗蚀剂为蚀刻掩模对超低介电系数层122进行一异向性的蚀刻制作工艺，移除存储器区100a上一定后厚度的超低介电系数层122。需注意在本发明实施例中，该蚀刻制作工艺后仍会有一定厚度的超低介电系数层122余留在存储器区100a的原子层沉积介电层120与磁阻式随机存储器单元116上。再者，由于此蚀刻制作工艺的缘故，存储器区100a与逻辑区100b交界处的超低介电系数层122在靠近存储器区100a的这一侧会形成凹痕120a特征，而在靠近存储器区100b的这一侧会形成凸起120b特征，这是由于原本的超低介电系数层122在该交界处的高低落差过大的缘故。50.在本发明实施例中，由于该凸起120b特征与回蚀刻后的表面仍有相当大的高度落差，后续仍需进行一些处理来消除该高度差异。现在请参照图3，在该回蚀刻制作工艺后，接着在超低介电系数层122上形成一有机平坦化层(organic planarization layer,opl)124。有机平坦化层124的目的是平坦化超低介电系数层122的表面，其材料可为旋涂碳、有机介电层(odl)、抗反射涂层(barc)或是光致抗蚀剂等，厚度约为1000～3000埃，可通过旋涂制作工艺形成在超低介电系数层122上并填满其上的凹痕120a。51.请参照图4。形成有机平坦化层124后，接着进行一回蚀刻制作工艺移除有机平坦化层124。需注意在本发明实施例中，此回蚀刻制作工艺对有机平坦化层124与其下方的超低介电系数层122会有相同的蚀刻速率。故此，在移除有机平坦化层124的同时，该回蚀刻制作工艺也会移除部分的超低介电系数层122，并在蚀刻后得到平坦的表面。从图4中可以看到，超低介电系数层122原有的凸起120b特征在该回蚀刻制作工艺后会被移除，且仍会有一定厚度的超低介电系数层122余留在存储器区100a的原子层沉积介电层120与磁阻式随机存储器单元116上，且凹痕120a特征仍会存在于存储器区100a与逻辑区100b的交界处。在其他实施例中，该回蚀刻制作工艺也有可能不会完全移除凸起120b特征，而是使其高度降低。回蚀刻制作工艺后，可选择性地进行灰化制作工艺移除凹痕120a中残余的有机平坦化层124。52.经过此步骤，存储器区100a与逻辑区100b大体上会具有相同的表面高度，以提供平坦表面供后续制作工艺的进行。需注意在本发明实施例中，蚀刻过后的超低介电系数层122的表面部位(图中虚线以上的部位)122a的成分会受到该回蚀刻制作工艺的影响而改变，其如图6所示。图6为超低介电系数层122的深度对其成分比例的曲线图，图中的x轴代表了从超低介电系数层122的表面往内部的垂直深度，y轴则代表了在该深度值所对应的超低介电系数层122中碳(c)、氢(h)、硅(si)、氧(o)以及氟(f)等成分的比例。从图中可以看到，在本发明实施例中，位于超低介电系数层122表面的碳、氢、硅、氧等成分的比例接近相同。其中，碳、氢、硅等成分的比例会从超低介电系数层122的顶面往内部递增，直至达到其各自的水平(即固有的成分比例)后持平，而氧成分比例会从超低介电系数层122的顶面往内部递减，直至达到其固有水平后持平。大体上，超低介电系数层122中碳成分的固有比例会大于氢成分的固有比例，复又大于硅成分的固有比例与氧成分的固有比例。在本发明实施例中，超低介电系数层122中还会有少量的氟成分存在，该氟成分的比例会从超低介电系数层122的顶面往内部递增，直至在深度d1达到峰值，之后氟成分比例会开始递减至零。53.在本发明实施例中，超低介电系数层122会有上述氟成分比例的曲线的原因在于前述的回蚀刻制作工艺。由于回蚀刻制作工艺中等离子体离子的轰击效应以及使用含有碳氢氟化合物(cfxhy)的蚀刻气体的缘故，超低介电系数层122中本来就存有的碳、氢、硅等成分的比例会从超低介电系数层122的表面往内部逐渐增加至其固有水平，氧成分比例则会因为该碳、氢、硅等成分比例的增加而反向逐渐减少至其固有水平。另一方面，原先超低介电系数层122中不具有的氟成分，其比例会因为等离子体离子轰击而从表面向内部递增而在深度d1达到峰值，超过该深度d1后回蚀刻制作工艺的影响逐步减小，使得氟成分比例递减，最终回到其原本的0％。54.复参照图4。在回蚀刻平坦化后，接着在超低介电系数层122中形成一双镶嵌凹槽123，其包含一导孔与一金属互连层的外型。双镶嵌凹槽123可采用双镶嵌制作工艺来形成，其会连通至下方逻辑区100b中的金属互连层106，如第二金属层m2。之后，于双镶嵌凹槽123中填入所需的金属材料，例如包含钛(ti)、氮化钛(tin)、钽(ta)、氮化钽(tan)等的阻障层以及选自钨(w)、铜(cu)、铝(al)、钛铝合金(tial)、钴钨磷化物(cowp)等低电阻材料或其组合的低阻抗金属层。接着进行一平坦化制作工艺，例如以化学机械研磨制作工艺去除表面部位122a以上的金属材料，以形成包含导孔件v2与金属互连层m3的双镶嵌结构，导孔件v2电连接下方逻辑区100b中的金属互连层106。55.请参照图5。导孔件v2与金属互连层m3形成后，接着依序在表面部位122a与金属互连层m3表面形成另一停止层124与金属间介电层126。停止层124的材质与停止层102相同，可为氮碳化硅(sicn)、氮掺杂碳化物层(ndc)或是氮化硅等。金属间介电层126的材料与超低介电系数层122相同，可为超低介电常数(ulk)材料。停止层124与金属间介电层126形成后，接着再次进行上述的双镶嵌制作工艺形成上层的导孔件v3与金属互连层m4。其中位于存储器区100a上方的导孔件v3会与磁阻式随机存储器单元116的上电极层114电连接，位于逻辑区100b上方的导孔件v3会与下层的金属互连层m3电连接。导孔件v3与金属互连层m4形成后可再于金属间介电层126的表面形成另一停止层128，并可再重复上述制作导孔件与金属互连层的步骤。56.以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。









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