[發(fā)明專利]提高M(jìn)RAM中的MTJ金屬間電介質(zhì)的填充能力的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010261517.8
• 申請日: 2010-08-24
• 公開（公告）號: CN102376651A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳金剛;倪景華;于書坤;李錦
• 申請（專利權(quán)）人: 中芯國際集成電路制造(上海)有限公司
• 主分類號: H01L21/8247
• 分類號: H01L21/8247;H01L21/762
• 代理公司: 上海思微知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31237
• 代理人: 屈蘅;李時(shí)云

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(MRAM)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種提高M(jìn)RAM中的MTJ金屬間電介質(zhì)的填充能力的方法。

背景技術(shù)

磁性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(MRAM，Magnetic?Random?Access?Memory)是一種非揮發(fā)性的存儲(chǔ)器，所謂“非揮發(fā)性”是指關(guān)掉電源后，仍可以保持記憶完整。在性能方面，MRAM擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)的高速讀取寫入能力，以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)的高集成度，而且基本上可以無限次地重復(fù)寫入，是一種“全功能”的固態(tài)存儲(chǔ)器。因而，其應(yīng)用前景非常可觀，有望主導(dǎo)下一代存儲(chǔ)器市場。

MRAM一般包括外圍驅(qū)動(dòng)電路及多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元，所述磁性存儲(chǔ)單元由一個(gè)穿通晶體管和一個(gè)磁阻隧道結(jié)(MTJ，Magnetic?Tunnel?Junction)組成。并且，為了與CMOS集成電路制備工藝相兼容，通常來說，所述MTJ是插在CMOS集成電路的兩層金屬層之間的，例如插在第一層金屬層與第二層金屬層之間，所述兩層金屬層之間通過金屬通孔(via)相連。

然而，由于MRAM在寫入時(shí)需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，這一點(diǎn)對減小單元大小、隔離外圍電路和降低功耗都產(chǎn)生了不利影響。降低驅(qū)動(dòng)電流的一個(gè)方法是減小MTJ的尺寸。但是當(dāng)MTJ的尺寸比上一層via的尺寸還小時(shí)，會(huì)使得在刻蝕上一層via時(shí)，本來應(yīng)該在刻蝕到MTJ時(shí)停止刻蝕的，卻沿著上一層via超出MTJ的部分繼續(xù)刻蝕，導(dǎo)致上一層via與下一層的金屬層短路，從而嚴(yán)重影響MRAM的性能。

為了解決上一層via與下一層的金屬層短路的問題，提出在MTJ上覆蓋一層保護(hù)刻蝕阻擋層，從而避免過刻蝕短路問題，該保護(hù)刻蝕阻擋層為氮化硅層(SiN)或氮摻雜的碳化硅層(NDC，Nitrogen?Dopped?Silicon?Carbite)。然而，由于MRAM中的MTJ具有高的圖形密度(pattern?density)和高的縱橫比(aspectratio)，使得SiN或NDC在覆蓋過程中存在嚴(yán)重的凸懸(overhang)現(xiàn)象，從而使得在接下來淀積MTJ金屬間介質(zhì)層(IMD，Inter-Metal?Dielectric)時(shí)容易產(chǎn)生空洞(void)問題，造成短路。關(guān)于凸懸現(xiàn)象請參考圖1，圖1為在MTJ上覆蓋保護(hù)刻蝕阻擋層存在的凸懸現(xiàn)象的示意圖，如圖1所示，當(dāng)在MTJ103上沉積保護(hù)刻蝕阻擋層106時(shí)，由于MTJ103的圖形密度大，即兩MTJ103之間的間隔小，同時(shí)由于MTJ103的圖形具有高的縱橫比，而保護(hù)刻蝕阻擋層106在MTJ頂部的沉積速率大于在側(cè)壁的沉積速率，造成保護(hù)刻蝕阻擋層106在MTJ103的頂部的厚度遠(yuǎn)大于其在側(cè)壁的厚度，從而向側(cè)面突出，形成凸懸現(xiàn)象，使得在接下來淀積金屬間介質(zhì)層(IMD，Inter-Metal?Dielectric)時(shí)，兩MTJ103之間的部分IMD填充不進(jìn)去，產(chǎn)生空洞(void)，可能造成電路短路。其中，該MTJ103是制備在第一層金屬層101上，第一層金屬層101之間通過絕緣介質(zhì)層102進(jìn)行隔離，所述絕緣介質(zhì)層102為摻碳的氧化硅；并且在所述MTJ103的上部還沉積了一層帽蓋層(capping?layer)105，在所述MTJ103的下部還沉積了一層籽晶層(seed?layer)104，所述MTJ保護(hù)刻蝕阻擋層106沉積在所述帽蓋層(cappinglayer)105上。所述帽蓋層(capping?layer)105與所述籽晶層(seed?layer)104為導(dǎo)電材料，所述帽蓋層(capping?layer)105的作用為保護(hù)MTJ103，同時(shí)使MTJ103與上一層via接觸更好；所述籽晶層(seed?layer)104有利于MTJ103膜均勻生長，同時(shí)使MTJ103與所述第一層金屬層101接觸更好。

因此，如何提高M(jìn)TJ中的IMD的填充能力，使其不產(chǎn)生空洞，成為一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。

為了解決這一問題，現(xiàn)有的一種方法是提高IMD的沉積溫度，然而MRAM的制備溫度不得超過350℃，這是因?yàn)楫?dāng)溫度超過350℃后，MTJ的磁性會(huì)衰減，從而嚴(yán)重影響MRAM的性能。

現(xiàn)有的另一種方法是采用高密度等離子體(HDP，High?Density?Plasma)化學(xué)氣相淀積(CVD)工藝來沉積IMD，該方法形成的IMD具有較高的填充能力，可以有效地避免IMD空洞問題。但是HDP?CVD存在以下問題：

(1)在HDP?CVD中，高填充能力的IMD介質(zhì)層通常需要在高溫下形成，且溫度一般超過400℃，而MRAM的制備溫度不得超過350℃；