專利名稱：磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)中改善磁堆棧表面粗糙度的雙層化學(xué)機(jī)械拋光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)單元的制造，特別地，本發(fā)明涉及一種利用雙層化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)制程以改善磁性層間界面粗糙度的MRAM單元的制造方法。
背景技術(shù)：
相較于傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取(DRAM)與閃速存儲(chǔ)(FLASH)存儲(chǔ)器，磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)單元具有非易失性、可封裝為三維單元、低功率消耗、制程簡單及便宜等優(yōu)點(diǎn)，MRAM的結(jié)構(gòu)包括多個(gè)存儲(chǔ)器單元、或存儲(chǔ)器單元數(shù)組以及多個(gè)數(shù)字(digit)與位線交叉點(diǎn)；一般所使用的MRAM單元是由一磁性隧道接合(MagneticTunnel Junction，MTJ)、絕緣晶體管、以及數(shù)字與位線交叉點(diǎn)所構(gòu)成，交叉點(diǎn)堆棧將該絕緣晶體管連接至該MTJ裝置、連接至該位線、以及連接至用于產(chǎn)生部分磁場以編程該MRAM單元的該數(shù)字線。
MRAM是利用鐵磁材料的磁化相對(duì)取向來存儲(chǔ)信息，磁阻式隧道接合裝置需要平滑的隧道阻障(tunnel barrier)以呈現(xiàn)最佳的性能；表面粗糙度將改變磁化相對(duì)取向，磁化相對(duì)取向的此一改變(corruption)即為熟知的“尼爾耦合(Neel coupling)”，且為界面表面粗糙度所導(dǎo)致的殘余磁性，如圖1所示。粗糙的隧道阻障會(huì)誘生尼爾耦合而使該磁阻式裝置產(chǎn)生切換磁場偏移，降低了在存儲(chǔ)器數(shù)組中的該裝置的操作容限(operatingmargin)；此外，若隧道接合的厚度是落在表面粗糙度的尺度范圍內(nèi)時(shí)，在磁性堆棧沉積期間則可能經(jīng)由該隧道接合而產(chǎn)生金屬短路。實(shí)際上，盡管在沉積該磁性隧道接合金屬堆棧之前，先利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)處理基板，仍會(huì)產(chǎn)生這樣的粗糙度。
在CMP后的平滑度與阻障層所使用的材料類型有關(guān)，在此處，所謂的阻障層是與此層至接線導(dǎo)體金屬污染的擴(kuò)散阻值(diffusion resistance)有關(guān)，其使此阻障層的功能與該裝置電子阻障層得以有所區(qū)別。此阻障層常用的一種材料是氮化鉭(TaN)，其它常用的材料則為釕(Ru)、鉭(Ta)與氮化鈦(TiN)等單一膜層，或是由上述材料組合而成的膜層，以產(chǎn)生平滑的表面，因而減少尼爾耦合的有害效應(yīng)。
在該金屬堆棧下方的緩沖層的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是，在該裝置圖案化(patterning)期間必須移除該緩沖層。然舉例而言，由于對(duì)下方介電材料、或是對(duì)磁阻裝置下方的導(dǎo)線層中所使用的曝露銅的高度選擇性，因而一般皆難以蝕刻氮化鈦；此外，亦難以均勻拋光一薄金屬層以在晶圓表面上產(chǎn)生既平滑、而殘余厚度又均勻的表面。
因此，在此領(lǐng)域中仍需要一種可以降低此一表面粗糙度的MRAM單元制造方法，以消除上述的尼爾耦合與金屬短路等問題；在此領(lǐng)域中亦需要一種在降低殘余金屬厚度的不均勻性時(shí)仍可提供平滑表面的制程。

發(fā)明內(nèi)容
經(jīng)由利用本發(fā)明即可克服上述問題。本發(fā)明是直接與一種制造磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元的制作方法有關(guān)，該方法包含下列步驟一種用以制造一磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元的方法，包含下列步驟提供一半導(dǎo)體基板，其包含至少一導(dǎo)體，該導(dǎo)體是嵌埋于一介電材料中，所述導(dǎo)體的上表面與所述介電材料的上表面共面；在所述導(dǎo)體與所述介電材料上沉積一第一材料；在所述第一材料上沉積一第二材料，其中所述第二材料的拋光速率與所述第一材料不同；利用化學(xué)機(jī)械拋光方式實(shí)質(zhì)上移除所述第二材料；沉積一第一磁性層、一非磁性隧道接合阻障層與一第二磁性層；以及利用光顯影制程圖案化所述第一材料、所述第一磁性層、所述非磁性隧道接合阻障層與所述第二磁性層。


本發(fā)明的新穎特征以及本發(fā)明的組件特性特別于附錄的權(quán)利要求書中加以說明，附圖僅為說明之用而非以實(shí)際尺度繪制；此外，在附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相似的特征。而關(guān)于本發(fā)明本身的組織結(jié)構(gòu)與操作方法，皆可參考下述詳細(xì)說明與伴隨的參考附圖而被了解，其中圖1a至圖1b為一部份制造完成的MRAM單元截面示意圖，其說明了由于界面粗糙度所產(chǎn)生的相對(duì)磁化取向的改變；圖2a至圖2e說明了一種已知的MRAM單元形成方法；圖3a至圖3d說明了根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的一種MRAM單元形成方法。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明將通過參考附圖而加以說明；在附圖中利用簡單的方式顯示并示意說明了不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)想，以更詳細(xì)地說明本發(fā)明，舉例而言，所述附圖并不代表實(shí)際尺度；此外，附圖中以矩形為例說明了不同構(gòu)想的結(jié)構(gòu)的垂直截面，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員足可了解實(shí)際結(jié)構(gòu)的較細(xì)部特征，同時(shí)，本發(fā)明并不受限于任何特定形狀的結(jié)構(gòu)。
圖1a表示一部份制造完成的MRAM單元，其說明了由于界面粗糙度所產(chǎn)生的相對(duì)磁化取向的改變。詳細(xì)而言，圖1a顯示一部份制造完成的MRAM單元，該MRAM單元包含形成該MRAM單元下電極的非磁性導(dǎo)體2，還包含了阻障層3、固定磁性層4、非磁形隧道阻障層5與自由磁性層6；而該隧道阻障層5表面則常產(chǎn)生界面粗糙7的問題。由此一表面粗糙度對(duì)磁化相對(duì)取向造成的改變(corruption)即為熟知的“尼爾耦合(Neel coupling)”，且其導(dǎo)致與主要磁矩(Dominant Magnetic Moment)方向不同的殘余磁矩(Remnant Magnetic Moment)，如圖1b所示。此一尼爾耦合效應(yīng)產(chǎn)生了該磁阻式裝置的切換磁場偏移，而降低了在存儲(chǔ)器陣列中的該裝置的操作容限(operating margin)。
盡管在沉積該磁性隧道接合金屬堆棧之前，先利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)處理基板，仍會(huì)產(chǎn)生這樣的界面粗糙度。圖2a至圖2e說明了一種磁性隧道接合金屬堆棧的典型制程；圖2a說明一部份制造完成金屬堆棧，其中介電層10已圖案化(patterned)并蝕刻(etched)而形成溝渠，以襯材11作為所述溝渠的襯層后再沉積導(dǎo)電性材料12于其中；一般而言，傳導(dǎo)性材料12為銅，而襯材11為氮化鉭(TaN)。
圖2b說明了在以化學(xué)機(jī)械拋光方式移除多余的導(dǎo)電性材料12與襯材11后所形成的部分制造完成的金屬堆棧；在圖2c中，在介電材料10與導(dǎo)體12上全面沉積一阻障層13，一般的阻障層13為氮化鉭(TaN)，且一般沉積厚度為500。
接著利用CMP處理使阻障層13變得平滑，以提供磁阻式金屬堆棧沉積的一平滑表面；然而，不均勻的拋光速率經(jīng)常導(dǎo)致剩余阻障層13的厚度變化，如圖2d所示。在接下來蝕刻阻障層13時(shí)，阻障層13的某些部分會(huì)因而蝕刻不足而導(dǎo)致導(dǎo)體間短路，而阻障層13的其它部分則因過度蝕刻而破壞了下方的界電層10。
從圖2e即可了解所述問題，其表示在蝕刻阻障層13、沉積剩余的金屬堆棧層(總稱為膜層15)、以光顯影方式而利用金屬罩幕16來蝕刻罩幕16暴露區(qū)域中的阻障層13與其它金屬堆棧層15后所形成的部分制造完成的MRAM。在圖2e所示的部分制造完成的MRAM的區(qū)域a中，CMP后的阻障層13太厚，因此無法蝕刻完全，而剩下會(huì)形成導(dǎo)體間短路的阻障層13a；在圖2e所示的區(qū)域b中，CMP厚的阻障層13則太薄，因此會(huì)被過度蝕刻而導(dǎo)致介電材料10自導(dǎo)體間被移除。此外，經(jīng)拋光的導(dǎo)體12的表面粗糙度會(huì)轉(zhuǎn)移至該隧道阻障層與所述磁性層間的界面，導(dǎo)致圖1所示的界面粗糙7。
通過使用本發(fā)明的方法即可減輕與導(dǎo)體與阻障層拋光相關(guān)的上述問題。圖3a至圖3d說明了本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例；在圖3a中，導(dǎo)體112已形成于介電材料110中，而在導(dǎo)體112與介電材料110間，一般皆沉積一襯材111；在通過CMP方式將導(dǎo)體112平面化之后，即全面性沉積一第一阻障層113，并接著在第一阻障層113上全面沉積一第二阻障層114。
第一阻障層113最好是由與第二阻障層114不同的材料所形成；較佳為，第一阻障層113的拋光速率明顯比第二阻障層114更低，以形成關(guān)于第一阻障層113的一拋光選擇性。換言之，第一阻障層113的拋光速率最好是每分鐘200至300，而第二阻障層114的拋光率最好是每分鐘800至1200，因而形成約1∶4的拋光選擇性。
同樣應(yīng)對(duì)第一阻障層113的材料加以選擇以于拋光時(shí)獲得非常平滑的表面；在一較佳實(shí)施例中，第一阻障層113是氮化鉭(TaN)，而第二阻障層114是鉭(Ta)；在另一較佳實(shí)施例中，第一阻障層113可為通過化學(xué)氣相沉積(CVD)方式所沉積而得的氮化鈦(TiN)，而第二阻障層114則為由物理氣相沉積(PVD)沉積而成的氮化鈦(TiN)。
利用較佳的CMP條件來達(dá)成下述的不同拋光速率向下力約1至5psi、載臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度約30至80rpm、以及載體旋轉(zhuǎn)速度約30至80rpm；且可使用如SubaIVTM上的IC1000TM、或IC1000TMk型溝槽上的IC1000TM等型號(hào)的拋光墊(Rodel，Inc.所提供的產(chǎn)品型號(hào))以及商用的硅研磨漿料。
在圖3c中，利用CMP方式拋光并本質(zhì)上移除第二阻障層114，以暴露第一阻障層113并于第一阻障層113上產(chǎn)生非常平滑的一表面；而在遺留一部份的第一阻障層113時(shí)，最好是完全移除第二阻障層114。在圖3d中，金屬堆棧層115是沉積在阻障層113上，且利用光顯影方式來移除由該金屬罩幕116所暴露區(qū)域中的金屬堆棧115與阻障層113。由于阻障層113已被均勻拋光，因此不會(huì)產(chǎn)生阻障層113蝕刻不足而導(dǎo)致導(dǎo)體112間短路的區(qū)域，亦不會(huì)產(chǎn)生阻障層113過度蝕刻而導(dǎo)致介電材料110過度被移除的區(qū)域。此外，由于阻障層113已被拋光地非常均勻，因此在金屬堆棧115中的隧道阻障層與磁性層間的界面處便不會(huì)出現(xiàn)界面粗糙，藉以消除上述的尼爾耦合的問題。
本發(fā)明已結(jié)合一較佳實(shí)施例與其它替代實(shí)施例而加以說明，本發(fā)明可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員施以修飾，并不脫離本發(fā)明與如附權(quán)利要求所述的保護(hù)范圍。
附圖標(biāo)記說明2 非磁性導(dǎo)體3 阻障層4 固定磁性層5 非磁性隧道阻障層6 自由磁性層7 界面粗糙Dominant Magnetic Moment主要磁矩Remnant Magnetic Moment 殘余磁矩10 介電質(zhì)10b11 襯材12 導(dǎo)電性材料13 阻障層13b 阻障層15 金屬堆棧層16 金屬罩幕110 介電材料111 襯材112 導(dǎo)體113 第一阻障層114 第二阻障層115 金屬堆棧層116 金屬罩幕
權(quán)利要求
1.一種用以制造一磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元的方法，包含下列步驟提供一半導(dǎo)體基板，其包含至少一導(dǎo)體，該導(dǎo)體是嵌埋于一介電材料中，所述導(dǎo)體的上表面與所述介電材料的上表面共面；在所述導(dǎo)體與所述介電材料上沉積一第一材料；在所述第一材料上沉積一第二材料，其中所述第二材料的拋光速率與所述第一材料不同；利用化學(xué)機(jī)械拋光方式實(shí)質(zhì)上移除所述第二材料；沉積一第一磁性層、一非磁性隧道接合阻障層與一第二磁性層；以及利用光顯影制程圖案化所述第一材料、所述第一磁性層、所述非磁性隧道接合阻障層與所述第二磁性層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一材料是氮化鉭，而所述第二材料是鉭。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一材料是氮化鉭且以一化學(xué)氣相沉積制程沉積而成，而所述第二材料是氮化鈦且以一物理氣相沉積制程沉積而成。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述導(dǎo)體是由銅形成。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述基板還包含一襯材，其位于所述導(dǎo)體與所述介電材料之間。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二材料是通過化學(xué)機(jī)械拋光方式移除，其移除速率約為所述第一材料的移除速率的4倍。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述化學(xué)機(jī)械拋光方式是以向下力約1～5psi、載臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度約30～80rpm、以及載體旋轉(zhuǎn)速度約30～80rpm的方式實(shí)施。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二材料是通過化學(xué)機(jī)械拋光方式移除，而其速率為每分鐘約800～1200。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一材料的一部份也同樣由所述化學(xué)機(jī)械拋光方式移除。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一材料是通過化學(xué)機(jī)械拋光方式移除，而其速率為每分鐘約200～300。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用以制造磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)單元的方法，其可解決因隧道接合層與磁性層間界面粗糙而產(chǎn)生的尼爾耦合問題。所述方法包含了在導(dǎo)體上沉積第一與第二阻障層，其中該第一阻障層的拋光速率與該第二阻障層的拋光速率不同；接著利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方式本質(zhì)上移除該第二阻障層，而留下非常平滑且均勻的第一阻障層。當(dāng)接著在經(jīng)拋光的第一阻障層上形成磁性堆棧時(shí)，界面粗糙度便不會(huì)轉(zhuǎn)移至該隧道接合層，因此不會(huì)產(chǎn)生磁化改變。
文檔編號(hào)H01L27/22GK1729538SQ200380102827
公開日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2003年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月6日
發(fā)明者G·科斯特里尼, J·P·赫梅爾, M·克里斯南, 劉嘉成 申請(qǐng)人:因芬尼昂技術(shù)股份公司, 國際商業(yè)機(jī)器公司