TWI814942B - 半導體元件及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種製作半導體元件的方法，其主要先形成一磁性穿隧接面(magnetic tunneling junction,MTJ)堆疊結構於一基底上且MTJ堆疊結構包含一固定層設於基底上、一阻障層設於固定層上以及一自由層設於阻障層上，然後去除部分該MTJ堆疊結構，形成一第一遮蓋層於該MTJ堆疊結構側壁，再去除該第一遮蓋層以及該MTJ堆疊結構以形成一第一MTJ以及一第二MTJ。
Description
本發明揭露一種半導體元件及其製作方法，尤指一種磁阻式隨機存取記憶體(Magnetoresistive Random Access Memory,MRAM)及其製作方法。
已知，磁阻(magnetoresistance,MR)效應係材料的電阻隨著外加磁場的變化而改變的效應，其物理量的定義，是在有無磁場下的電阻差除上原先電阻，用以代表電阻變化率。目前，磁阻效應已被成功地運用在硬碟生產上，具有重要的商業應用價值。此外，利用巨磁電阻物質在不同的磁化狀態下具有不同電阻值的特點，還可以製成磁性隨機存儲器(MRAM)，其優點是在不通電的情況下可以繼續保留存儲的數據。
上述磁阻效應還被應用在磁場感測(magnetic field sensor)領域，例如，行動電話中搭配全球定位系統(global positioning system,
GPS)的電子羅盤(electronic compass)零組件，用來提供使用者移動方位等資訊。目前，市場上已有各式的磁場感測技術，例如，異向性磁阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)感測元件、巨磁阻(GMR)感測元件、磁穿隧接面(magnetic tunneling junction,MTJ)感測元件等等。然而，上述先前技藝的缺點通常包括：較佔晶片面積、製程較昂貴、較耗電、靈敏度不足，以及易受溫度變化影響等等，而有必要進一步改進。
本發明一實施例揭露一種製作半導體元件的方法，其主要先形成一磁性穿隧接面(magnetic tunneling junction,MTJ)堆疊結構於一基底上且MTJ堆疊結構包含一固定層設於基底上、一阻障層設於固定層上以及一自由層設於阻障層上，然後去除部分該MTJ堆疊結構，形成一第一遮蓋層於該MTJ堆疊結構側壁，再去除該第一遮蓋層以及該MTJ堆疊結構以形成一第一MTJ以及一第二MTJ。
本發明另一實施例揭露一種半導體元件，其主要包含一磁性穿隧接面(magnetic tunneling junction,MTJ)設於一基底上，該MTJ包含一固定層設於該基底上、一阻障層設於該固定層上以及一自由層設於該阻障層上，其中該自由層之臨界尺寸不同於該固定層之臨界尺寸。
12:基底
14:MTJ區域
16:金屬內連線結構
18:金屬間介電層
20:金屬內連線
22:下電極
24:固定層
26:參考層
28:阻障層
30:自由層
32:第一自由層
34:停止層
36:第二自由層
38:MTJ堆疊結構
40:上電極
42:硬遮罩
44:凹槽
46:第一遮蓋層
48:第二遮蓋層
50:MTJ
52:MTJ
54:第一側壁子
56:第二側壁子
58:第三側壁子
60:第四側壁子
62:第三遮蓋層
64:金屬間介電層
66:金屬內連線
第1圖至第7圖為本發明一實施例製作一半導體元件之方式示意圖。
請參照第1圖至第7圖，第1圖至第7圖為本發明一實施例製作一半導體元件，或更具體而言一MRAM單元之方式示意圖。如1圖至第8圖所示，首先提供一基底12，例如一由半導體材料所構成的基底12，其中半導體材料可選自由矽、鍺、矽鍺複合物、矽碳化物(silicon carbide)、砷化鎵(gallium arsenide)等所構成之群組，且基底12上較佳定義有一磁性穿隧接面(magnetic tunneling junction,MTJ)區域14以及一邏輯區域(圖未示)。
基底12上可包含例如金氧半導體(metal-oxide semiconductor,MOS)電晶體等主動元件、被動元件、導電層以及例如層間介電層(interlayer dielectric,ILD)等介電層覆蓋於其上。更具體而言，基底12上可包含平面型或非平面型(如鰭狀結構電晶體)等MOS電晶體元件，其中MOS電晶體可包含閘極結構(例如金屬閘極)以及源極/汲極區域、側壁子、磊晶層、接觸洞蝕刻停止層等電晶體元件，層間介電層可設於基底12上並覆蓋MOS電晶體，且層間介電層可具有複數個接觸插塞電連接MOS電晶體之閘極以及/或源極/汲極區域。由於平面型或非平面型電晶體與層間介電層等相關製程均為本領域所熟知技藝，在此不另加贅述。
然後於MTJ區域14以及邏輯區域的層間介電層上依序形成
金屬內連線結構16電連接前述之接觸插塞，其中金屬內連線結構16包含一金屬間介電層18以及金屬內連線20鑲嵌於金屬間介電層18中。在本實施例中，金屬內連線結構16中的各金屬內連線20較佳包含一接觸洞導體(via conductor)，其中各金屬內連線20均可依據單鑲嵌製程或雙鑲嵌製程鑲嵌於金屬間介電層18中並彼此電連接。例如各金屬內連線20可更細部包含一阻障層以及一金屬層，其中阻障層可選自由鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)以及氮化鉭(TaN)所構成的群組，而金屬層可選自由鎢(W)、銅(Cu)、鋁(Al)、鈦鋁合金(TiAl)、鈷鎢磷化物(cobalt tungsten phosphide，CoWP)等所構成的群組，但不侷限於此。由於單鑲嵌或雙鑲嵌製程乃本領域所熟知技藝，在此不另加贅述。此外在本實例中，金屬間介電層18較佳包含氧化矽而金屬內連線20較佳包含鎢，但不侷限於此。
接著可先形成一下電極22於金屬間介電層18表面，一由固定層(pinned layer)24、參考層(reference layer)26、阻障層(barrier layer)28及自由層(free layer)30所構成的MTJ堆疊結構38於下電極22上以及一上電極40及一硬遮罩42於MTJ堆疊結構38上，其中自由層30又細部包含第一自由層32設於阻障層28上、停止層34設於第一自由層32上以及第二自由層36設於停止層34上。
在本實施例中，下電極層22與上電極40較佳包含導電材料，例如但不侷限於鉭(Ta)、鉑(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、鋁(Al)或其組合。固定層24可以是由反鐵磁性(antiferromagnetic,AFM)材料所構成者，例如鐵錳(FeMn)、鉑錳(PtMn)、銥錳(IrMn)、氧化鎳(NiO)等，用以固定
或限制鄰近層的磁矩方向。參考層26較佳設於固定層24與阻障層28之間，其可包含由鐵磁性材料所構成者，例如鐵、鈷、鎳或其合金如鈷鐵硼(cobalt-iron-boron,CoFeB)，但不限於此。阻障層28可由包含氧化物之絕緣材料所構成，例如氧化鋁(AlOx)或氧化鎂(MgO)，但均不侷限於此。自由層30包括第一自由層32與第二自由層36可以是由鐵磁性材料所構成者，例如鐵、鈷、鎳或其合金如鈷鐵硼(cobalt-iron-boron,CoFeB)，但不限於此。其中，自由層30的磁化方向會受外部磁場而「自由」改變。另外第一自由層32與第二自由層36之間的停止層34較佳包含鉭，硬遮罩42則較佳包含氧化矽或氮化矽。
如第2圖所示，然後進行一圖案轉移製程，例如可先利用一圖案化遮罩如圖案化光阻藉由蝕刻去除部分硬遮罩42、部分上電極40以及部分自由層30或更具體而言自由層30中的部分第二自由層36以形成凹槽44暴露出停止層34表面。
如第3圖所示，接著進行一氧化製程形成第一遮蓋層46於上電極40與自由層30上。更具體而言，本階段所進行的氧化製程較佳以氧氣浸泡方式氧化上電極40與自由層30側壁以及凹槽44正下方的停止層34與第一自由層32以形成由氧化金屬所構成的第一遮蓋層46，其中第一遮蓋層46所包含的氧化金屬材料較佳依據所接觸的材料層而有所不同，例如若上電極40由鉭所構成則接觸上電極40的第一遮蓋層46較佳包含氧化鉭。另外由於氧化製程較佳完全氧化凹槽44正下方的停止層34與第一自由層32，因此所形成的第一遮蓋層46除了設於上電極40側壁、第二自由層36側壁、停止層34側壁以及第一自由層32側壁外又
接觸阻障層28上表面。
隨後如第4圖所示，形成一第二遮蓋層48於硬遮罩42以及第一遮蓋層46上，其中第二遮蓋層48較佳共形的填入凹槽44內但不填滿凹槽44。在本實施例中，第二遮蓋層48較佳包含氮化矽，但不侷限於此。
如第5圖所示，然後可在不額外形成遮罩的情況下進行一道或一道以上蝕刻製程去除部分第二遮蓋層48、部分第一遮蓋層46、硬遮罩42、部分上電極40、部分阻障層28、部分參考層26、部分固定層24、部分下電極22甚至部分金屬間介電層18以形成複數個MTJ 50、52於基底12上，並同時形成第一側壁子54及第二側壁子56於自由層30及上電極40旁，其中由第一遮蓋層46所轉變而成具有L形剖面的第一側壁子54側壁以及由第二遮蓋層48轉變而成具有I形剖面的第二側壁子56側壁較佳切齊阻障層28、參考層26、固定層24及下電極22側壁且硬遮罩42較佳於蝕刻製程中被完全去除。
在本實施例中，用來形成上述MTJ 50、52的蝕刻製程可包含反應性離子蝕刻製程(reactive ion etching,RIE)以及/或離子束蝕刻製程(ion beam etching,IBE)等手段。由於離子束蝕刻製程的特性，剩餘的金屬間介電層18上表面可能略低於兩側金屬內連線20上表面且金屬間介電層18上表面可呈現一弧形或曲面(未示於圖中)。
隨後如第6圖所示，進行另一氧化製程並搭配進行一選擇性
回蝕刻製程形成一第三側壁子58於第一側壁子54、阻障層28、參考層26、固定層24以及下電極22側壁，同時形成一第四側壁子60於第三側壁子58上方的第二側壁子56旁。如同前述所形成的第一側壁子54，本階段利用氧化製程所形成的第三側壁子58與第四側壁子60較佳依據所接觸的材料層而包含不同的氧化材料，其中設於阻障層28、參考層26、固定層24以及下電極22旁的第三側壁子58較佳依據所接觸的材料包含不同的氧化金屬，而設於第二側壁子56旁的第四側壁子60則較佳包含不同氧化介電材料。例如若下電極22由鉭所構成則接觸下電極22的第三側壁子58較佳包含氧化鉭，而若第二側壁子56由氮化矽所構成則接觸第二側壁子56的第四側壁子60則較佳包含氮氧化矽。
然後如第7圖所示，形成一第三遮蓋層62於上電極40、第二側壁子56、第三側壁子58以及第四側壁子60上。在本實施例中，第三遮蓋層62較佳包含一無氫介電層，例如可包含但不侷限於氧化鋁、氧化鋯、氧化鉭、氮化鋁或其組合。接著形成一層或多層金屬間介電層64於MTJ 50、52上並覆蓋第三遮蓋層62，進行一道或一道以上微影暨蝕刻製程去除部分金屬間介電層64形成接觸洞(圖未示)，再填入導電材料於各接觸洞內並搭配平坦化製程如化學機械研磨製程以形成金屬內連線66連接各上電極40。至此即完成本發明一實施例之一半導體元件的製作。
在本實施例中，設於金屬間介電層64內的各金屬內連線66均可依據單鑲嵌製程或雙鑲嵌製程鑲嵌於金屬間介電層內。例如各金屬內連線66可更細部包含一阻障層以及一金屬層，其中阻障層可選自
由鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)以及氮化鉭(TaN)所構成的群組，而金屬層可選自由鎢(W)、銅(Cu)、鋁(Al)、鈦鋁合金(TiAl)、鈷鎢磷化物(cobalt tungsten phosphide，CoWP)等所構成的群組，但不侷限於此。由於單鑲嵌或雙鑲嵌製程乃本領域所熟知技藝，在此不另加贅述。至此即完成本發明一實施例之半導體元件的製作。
請再參照第7圖，第7圖又揭露本發明一實施例之一半導體元件之結構示意圖。如第7圖所示，半導體元件主要包含至少一MTJ例如MTJ 50設於基底12上、下電極22設於MTJ 50下方以及上電極40設於MTJ 50上方，其中MTJ 50包含一固定層24、一參考層26設於固定層24上、一阻障層28設於參考層26上以及一自由層30設於阻障層28上且自由層30的臨界尺寸較佳不同於固定層24的臨界尺寸。
從細部來看，上電極40寬度較佳等於自由層30寬度，自由層30寬度較佳小於阻障層28寬度，自由層30寬度小於參考層26寬度，自由層30寬度小於固定層24寬度，其中自由層30又細部包含第一自由層32、停止層34及第二自由層36，第一自由層32、停止層34及第二自由層36三者較佳包含相同寬度，且阻障層28、參考層26及固定層24三者包含相同寬度。
半導體元件又包含第一側壁子54、第二側壁子56、第三側壁子58及第四側壁子60設於MTJ 50側壁，其中第一側壁子54較佳設於自由層30與上電極40側壁，第二側壁56子較佳設於第一側壁子54側壁，第三側壁子58較佳設於阻障層28、參考層26及固定層24側壁，第四側
壁子60則設於第二側壁子56旁且位於第三側壁子58正上方，其中第一側壁子54側壁與第二側壁子56側壁較佳切齊阻障層28、參考層26及固定層24側壁而第四側壁子60側壁則較佳切齊第三側壁子58側壁。在本實施例中第一側壁子54較佳包含L形剖面，而第二側壁子56、第三側壁子58及第四側壁子60分別具有I形剖面。此外半導體元件又包含一遮蓋層如第三遮蓋層62設於MTJ 50上方並覆蓋第一側壁子54與第二側壁子56頂部及第三側壁子58與第四側壁子60側壁，其中第三遮蓋層62較佳包含一無氫介電層，例如可包含但不侷限於氧化鋁、氧化鋯、氧化鉭、氮化鋁或其組合。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
12:基底
14:MTJ區域
16:金屬內連線結構
18:金屬間介電層
20:金屬內連線
22:下電極
24:固定層
26:參考層
28:阻障層
30:自由層
32:第一自由層
34:停止層
36:第二自由層
38:MTJ堆疊結構
40:上電極
50:MTJ
52:MTJ
54:第一側壁子
56:第二側壁子
58:第三側壁子
60:第四側壁子
62:第三遮蓋層
64:金屬間介電層
66:金屬內連線
Claims (20)
- 一種製作半導體元件的方法，其特徵在於，包含：形成一磁性穿隧接面(magnetic tunneling junction,MTJ)堆疊結構於一基底上；去除部分該MTJ堆疊結構；形成一第一遮蓋層於該MTJ堆疊結構側壁；以及同時去除部分該第一遮蓋層以及部分該MTJ堆疊結構以形成一第一MTJ以及一第二MTJ。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該MTJ堆疊結構包含一固定層設於該基底上、一阻障層設於該固定層上以及一自由層設於該阻障層上，該方法包含：形成一上電極於該MTJ堆疊結構上；去除該上電極以及該自由層；形成該第一遮蓋層於該上電極以及該自由層側壁；以及去除該第一遮蓋層、該阻障層以及該固定層以形成該第一MTJ以及該第二MTJ。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該自由層包含：一第一自由層設於該阻障層上；一停止層設於該第一自由層上；以及一第二自由層設於該停止層上。
- 如申請專利範圍第3項所述之方法，另包含：形成一硬遮罩於該上電極上；去除該硬遮罩、該上電極以及該第二自由層；以及形成該第一遮蓋層於該上電極側壁、該第二自由層側壁、該停止層側壁、該第一自由層側壁以及該阻障層上表面。
- 如申請專利範圍第4項所述之方法，另包含：形成一第二遮蓋層於該硬遮罩以及該第一遮蓋層上；以及去除該第二遮蓋層、該第一遮蓋層、該硬遮罩、該阻障層以及該固定層以形成一第一側壁子以及一第二側壁子於該自由層及該上電極旁。
- 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該第一側壁子側壁切齊該阻障層側壁。
- 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該第二側壁子側壁切齊該阻障層側壁。
- 如申請專利範圍第5項所述之方法，另包含：進行一氧化製程形成一第三側壁子於該阻障層以及該固定層側壁；以及形成一第三遮蓋層於該上電極、該第二側壁子以及該第三側壁子上。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，另包含進行該氧化製程形成一第四側壁子於該第三側壁子上。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第三遮蓋層包含一無氫介電層。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，另包含進行一氧化製程形成該第一遮蓋層。
- 一種半導體元件，其特徵在於，包含：一磁性穿隧接面(magnetic tunneling junction,MTJ)設於一基底上，該MTJ包含：一固定層設於該基底上；一阻障層設於該固定層上；以及一自由層設於該阻障層上，其中該自由層底表面之臨界尺寸不同於該阻障層頂表面之臨界尺寸。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體元件，其中該自由層寬度小於該固定層寬度。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體元件，另包含一參考層設於該阻障層以及該固定層之間。
- 如申請專利範圍第14項所述之半導體元件，其中該自由層 寬度小於該參考層寬度。
- 如申請專利範圍第14項所述之半導體元件，其中該自由層以及該參考層包含相同材料。
- 如申請專利範圍第14項所述之半導體元件，另包含：一第一側壁子設於該自由層側壁；一第二側壁子設於該第一側壁子上；以及一第三側壁子設於該參考層側壁以及該固定層側壁。
- 如申請專利範圍第17項所述之半導體元件，其中該第一側壁子包含L形。
- 如申請專利範圍第17項所述之半導體元件，另包含一遮蓋層設於該第三側壁子側壁。
- 如申請專利範圍第19項所述之半導體元件，其中該遮蓋層包含一無氫介電層。
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