本發(fā)明的實(shí)施例涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù):
半導(dǎo)體使用在用于包括收音機(jī)、電視機(jī)、移動(dòng)電話(huà)和個(gè)人計(jì)算設(shè)備的電子應(yīng)用的集成電路中。已知的半導(dǎo)體器件的一種類(lèi)型是諸如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(dram)或閃存器(兩者都是利用電荷存儲(chǔ)信息)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件。
在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器器件中的一個(gè)最近的發(fā)展涉及自旋電子,它結(jié)合了半導(dǎo)體技術(shù)以及磁性材料和器件。電子的自旋極化,而不是電子的電荷,是用來(lái)表示“1”或“0”的狀態(tài)。這樣的自旋電子器件是自旋力矩轉(zhuǎn)移(stt)磁性隧道結(jié)(mtj)器件。
mtj器件包括自由層、隧道層和釘扎層。通過(guò)施加穿過(guò)隧道層的電流可以逆轉(zhuǎn)自由層的磁化方向,這將導(dǎo)致自由層內(nèi)注入的極化電子對(duì)自由層的磁化施加所謂的自旋力矩。釘扎層具有固定的磁化方向。當(dāng)電流從自由層至釘軋層的方向流動(dòng)時(shí),電子在相反的方向流動(dòng),即,從釘軋層到自由層。在經(jīng)過(guò)釘軋層后,電子被極化至與釘軋層相同的磁化方向;流動(dòng)穿過(guò)隧道層;并且然后進(jìn)入并積聚在自由層中。最終,自由層的磁化平行于釘扎層的磁化,且mtj器件將處于低電阻狀態(tài)。電流引起的電子注入稱(chēng)作主要注入。
當(dāng)施加從釘扎層流動(dòng)至自由層的電流時(shí),電子在從自由層至釘扎層的方向流動(dòng)。具有與釘軋層的磁化方向相同的極化的電子能夠流動(dòng)穿過(guò)隧道層并且進(jìn)入釘軋層。相反地,具有不同于釘軋層的磁化的極化的電子將被釘軋層反射(阻擋)并且將在自由層中積聚。最終,自由層的磁化變成與釘扎層的磁化反平行,且mtj器件將處于高電阻狀態(tài)。由電流引起的各自的電子注入稱(chēng)為次要注入。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括:底電極通孔(beva),包括:襯墊層,位于所述底電極通孔的溝槽的底部和側(cè)壁上方;以及電鍍的銅,位于所述襯墊層上方,填充所述底電極通孔的所述溝槽;再生層,位于所述底電極通孔上;以及磁性隧道結(jié)(mtj)層,位于所述再生層上方;其中,所述再生層覆蓋所述襯墊層的頂面和所述電鍍的銅的頂面。
本發(fā)明的另一實(shí)施例提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括:邏輯區(qū);以及存儲(chǔ)器區(qū),包括:第n金屬層;第(n+m)金屬層,位于所述第n金屬層上方,n和m是正整數(shù);以及磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(mram)結(jié)構(gòu),位于所述第n金屬層和所述第(n+m)金屬層之間,其中,所述磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)包括銅。
本發(fā)明的又一實(shí)施例提供了一種制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法,所述方法包括:在介電層中形成底電極通孔(beva)孔;在所述底電極通孔孔上方形成襯墊層;在所述襯墊層上電鍍銅并且填充所述底電極通孔孔;在所述銅上方實(shí)施第一平坦化;以及在所述銅上方形成磁性隧道結(jié)(mtj)層。
附圖說(shuō)明
當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí),從以下詳細(xì)描述可最佳地理解本發(fā)明的各個(gè)方面。應(yīng)該注意,根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐,各個(gè)部件未按比例繪制。實(shí)際上,為了清楚的討論,各種部件的尺寸可以被任意增大或減小。
圖1a是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖1b是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的在一個(gè)操作中制造的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖4a至圖4k是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的在各個(gè)操作中制造的第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖5a至圖5e是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的在各個(gè)操作中制造的第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖;
圖6至圖14是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的在接著圖4a至圖4k的各個(gè)操作中制造的第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實(shí)施方式
以下公開(kāi)內(nèi)容提供了許多用于實(shí)現(xiàn)所提供主題的不同特征的不同實(shí)施例或?qū)嵗?。下面描述了組件和布置的具體實(shí)例以簡(jiǎn)化本發(fā)明。當(dāng)然,這些僅僅是實(shí)例,而不旨在限制本發(fā)明。例如,在以下描述中,在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接觸的方式形成的實(shí)施例,并且也可以包括在第一部件和第二部件之間可以形成額外的部件,從而使得第一部件和第二部件可以不直接接觸的實(shí)施例。此外,本發(fā)明可在各個(gè)實(shí)例中重復(fù)參考標(biāo)號(hào)和/或字符。該重復(fù)是為了簡(jiǎn)單和清楚的目的,并且其本身不指示所討論的各個(gè)實(shí)施例和/或配置之間的關(guān)系。
而且,為了便于描述,在此可以使用諸如“在…下方”、“在…下面”、“下”、“在…之上”、“上”等空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)以描述如圖所示的一個(gè)元件或部件與另一個(gè)(或另一些)元件或部件的關(guān)系。除了圖中所示的方位外,空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。裝置可以以其他方式定向(旋轉(zhuǎn)90度或在其他方位上),并且在此使用的空間相對(duì)描述符可以同樣地作出相應(yīng)的解釋。
盡管描述本發(fā)明寬泛范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值,在具體實(shí)例中描述的數(shù)值盡可能精確地報(bào)道。然而,任何數(shù)值固有地包含某些必然誤差,該誤差由在各自的測(cè)試測(cè)量結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差產(chǎn)生。同樣,正如此處使用的術(shù)語(yǔ)“約”一般意味著在給定值或范圍的10%、5%、1%或0.5%內(nèi)??蛇x地,術(shù)語(yǔ)“約”意味著在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以考慮到的可接受的平均標(biāo)準(zhǔn)誤差內(nèi)。除了在操作/工作的實(shí)例中,或除非另有明確規(guī)定,所有的數(shù)值范圍、總額、值和百分比,例如用于材料數(shù)量、持續(xù)時(shí)間、溫度、操作條件、數(shù)額以及本發(fā)明此處公開(kāi)的其他型似物,應(yīng)該被理解為在所有情況下被術(shù)語(yǔ)“約”修改。因此,除非有相反規(guī)定,本發(fā)明和所附權(quán)利要求所描述的數(shù)值參數(shù)是可以根據(jù)要求改變的近似值。至少,每個(gè)數(shù)值參數(shù)應(yīng)該至少被解釋為根據(jù)報(bào)告的有效數(shù)字的數(shù)目,并應(yīng)用普通的四舍五入技術(shù)。此處范圍可以表示為從一個(gè)端點(diǎn)到另一個(gè)端點(diǎn)或在兩個(gè)端點(diǎn)之間。此處公開(kāi)的所有范圍包括端點(diǎn),除非另有說(shuō)明。
cmos結(jié)構(gòu)中的嵌入式mram單元已經(jīng)不斷地發(fā)展。具有嵌入式mram單元的半導(dǎo)體電路包括mram單元區(qū)和與mram單元區(qū)分開(kāi)的邏輯區(qū)。例如,mram單元區(qū)可以定位在上述半導(dǎo)體電路的中心處,而邏輯區(qū)可以定位在半導(dǎo)體電路的周?chē)?。注意,前面的陳述并不旨在進(jìn)行限制。在本發(fā)明的預(yù)期范圍中包括關(guān)于mram單元區(qū)和邏輯區(qū)的其他布置。
在mram單元區(qū)中,晶體管結(jié)構(gòu)可以設(shè)置在mram結(jié)構(gòu)下。在一些實(shí)施例中,mram單元嵌入在后段制程(beol)操作中制備的金屬化層中。例如,在mram單元區(qū)和邏輯區(qū)中的晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)置在在前段制程操作中制備的常用半導(dǎo)體襯底中,并且在一些實(shí)施例中上述兩個(gè)區(qū)域中的晶體管結(jié)構(gòu)大致相同。mram單元可以嵌入在金屬化層的任何位置,例如,在平行于半導(dǎo)體襯底的表面水平地分布的相鄰的金屬線(xiàn)層之間。例如,嵌入式meam可以位于mram單元區(qū)中的4th金屬線(xiàn)層和第五金屬線(xiàn)層之間。水平地轉(zhuǎn)移到邏輯區(qū),第四金屬線(xiàn)層經(jīng)由第四金屬通孔連接到第五金屬線(xiàn)層。換言之,考慮到mram單元區(qū)和邏輯區(qū),嵌入式mram占有至少一部分第五金屬線(xiàn)層和第四金屬通孔的厚度。此處提供的金屬線(xiàn)層的數(shù)量不進(jìn)行限制。通常地,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解,mram位于第n金屬線(xiàn)層和第(n+1)金屬線(xiàn)層之間,其中n是大于或等于1的整數(shù)。
嵌入式mram包括由鐵磁材料構(gòu)成的磁性隧道結(jié)(mtj)。底電極和頂電極電耦接至mtj以用于信號(hào)/偏壓傳輸。接著先前提供的實(shí)例,底電極進(jìn)一步連接至第n金屬線(xiàn)層,而頂電極進(jìn)一步連接至第(n+1)金屬線(xiàn)層。
通常地,mram的底電極包括底電極通孔(beva)和處于beva之上而mtj之下的部分。由于高度粗糙的beva表面會(huì)將所述的形態(tài)攜帶至mtj層,因此beva的表面粗糙度是至關(guān)重要的,相對(duì)于存儲(chǔ)性能,其極度需要平整的膜。換言之,如果利用最佳的生長(zhǎng)技術(shù)或平坦化技術(shù)的beva的表面不夠平滑,mram性能可能?chē)?yán)重退化。
實(shí)施通常的tin/tan化學(xué)汽相沉積(cvd)以填充beva孔并通過(guò)諸如化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)的平坦化操作獲得平坦的表面。但是,由于tin或tan的晶格密度是不均勻的,將會(huì)形成錐形形狀的優(yōu)選晶粒生長(zhǎng)區(qū),使得beva孔的部分頂面凸起?,F(xiàn)有的方法僅對(duì)beva表面應(yīng)用cmp操作以平坦化凸起。然而,即使可以通過(guò)cmp操作來(lái)減輕凸起,晶格密度的均勻性問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致后續(xù)沉積的底電極部分再次凸起。因此,凸起增加了mtj的粗糙度,這會(huì)降低mram的性能。除了上述晶粒生長(zhǎng)的限制,由于cvd填充的限制,tin/tancvd填充的beva經(jīng)常在beva的頂面處形成接縫。類(lèi)似地,接縫提高了所述表面的粗糙度并且將所述的形態(tài)攜帶至mtj層。
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例,提供了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以具有通過(guò)電鍍操作而不是cvd形成的beva。例如,通過(guò)電鍍銅填充beva孔并且接著進(jìn)行多階段cmp操作以獲得期望的beva表面粗糙度。在一些實(shí)施例中,半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有節(jié)點(diǎn)16nm或以下的部件。
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例,提供了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以具有通過(guò)額外的再生層覆蓋的電鍍的beva。在beva表面上方進(jìn)一步沉積再生層以消除在諸如cmp的平坦化操作后在電鍍的beva和周?chē)慕殡妼又g的異質(zhì)界處不可避免地產(chǎn)生的階梯狀輪廓。
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例,提供一種在此描述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法。
參照?qǐng)D1a,圖1a是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)10的截面圖。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)10包括晶體管結(jié)構(gòu)101和金屬化結(jié)構(gòu)101’。在一些實(shí)施例中,晶體管結(jié)構(gòu)101的半導(dǎo)體襯底100可以是但不限于例如硅襯底。在實(shí)施例中,襯底100是半導(dǎo)體襯底,諸如硅襯底,但是它可以包括諸如硅鍺、碳化硅、砷化鎵等的其他半導(dǎo)體材料。在本實(shí)施例中,半導(dǎo)體襯底100是p型半導(dǎo)體襯底(p襯底)或包括硅的n型半導(dǎo)體襯底(n襯底)??蛇x地,襯底100包括諸如鍺的另一元素半導(dǎo)體;包括碳化硅、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦、和/或銻化銦的化合物半導(dǎo)體;包括sige、gaasp、alinas、algaas、gainas、gainp、和/或gainasp的合金半導(dǎo)體;或其組合。在另一可選實(shí)施例中,半導(dǎo)體襯底100是絕緣體上半導(dǎo)體(soi)。在其他可選實(shí)施例中,半導(dǎo)體襯底100可以包括摻雜的外延層、梯度半導(dǎo)體層和/或諸如硅鍺層上的硅層的覆蓋另一不同類(lèi)型的半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層。半導(dǎo)體襯底100可以或者可以不包括諸如p阱、n阱或它們的組合的摻雜區(qū)。
半導(dǎo)體襯底100還包括至少部分在半導(dǎo)體襯底100中的諸如源極103和漏極105的重?fù)诫s區(qū)。柵極107設(shè)置在半導(dǎo)體襯底100的頂面上方和源極103和漏極105之間。接觸插塞108形成在層間電介質(zhì)(ild)109中,并可電耦接至晶體管結(jié)構(gòu)101。在一些實(shí)施例中,ild109形成在半導(dǎo)體襯底100上??赏ㄟ^(guò)諸如化學(xué)汽相沉積(cvd)、低壓cvd(lpcvd)、等離子體增強(qiáng)的cvd(pecvd)、濺射和物理汽相沉積(pvd)、熱生長(zhǎng)等的用于形成這樣的層的各種技術(shù)來(lái)形成ild109。半導(dǎo)體襯底100上的ild109可以由各種介電材料形成并且可以是例如氧化物(例如,ge的氧化物)、氮氧化物(例如,gap的氮氧化物)、二氧化硅(sio2)、含氮的氧化物(例如,含氮的sio2)、摻雜氮的氧化物(例如,n2注入的sio2)、氮氧化硅(sixoynz)等。
圖1a示出在半導(dǎo)體襯底100中具有摻雜區(qū)的平面晶體管。然而,本發(fā)明不限于此。諸如finfet結(jié)構(gòu)的任何非平面晶體管可以具有凸起的摻雜區(qū)。
在一些實(shí)施例中,提供了淺溝槽隔離(sti)111以限定和電隔離相鄰的晶體管。在半導(dǎo)體襯底100中形成多個(gè)sti111??梢蕴峁┯珊线m的介電材料形成的sti111以將晶體管與諸如其它晶體管的相鄰的半導(dǎo)體器件電隔離。例如,sti111可以包括氧化物(例如,ge的氧化物)、氮氧化物(例如,gap的氮氧化物)、二氧化硅(sio2)、含氮的氧化物(例如,含氮的sio2)、摻雜氮的氧化物(例如,n2注入的sio2)、氮氧化硅(sixoynz)等。sti111還可以由諸如氧化鈦(tixoy,例如,tio2)、氧化鉭(taxoy,例如,ta2o5)、鈦酸鍶鋇(bst,batio3/srtio3)等任何合適的“高介電常數(shù)”或“高k”材料形成,其中k大于或等于約8。可選地,sti111也可以由任何合適的“低介電常數(shù)”或“低k”介電材料形成,其中k小于或等于約4。
參考圖1a,在晶體管結(jié)構(gòu)101上設(shè)置金屬化結(jié)構(gòu)101’。因?yàn)榈趎金屬層121可以不是晶體管結(jié)構(gòu)101上方的第一金屬層,省略的部分金屬化結(jié)構(gòu)101'由點(diǎn)表示。mram結(jié)構(gòu)130設(shè)置在第n金屬線(xiàn)121'和第(n+1)金屬線(xiàn)123'之間?;ミB結(jié)構(gòu)包括多個(gè)金屬層,即m1、m2…mn。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中,術(shù)語(yǔ)“金屬層”是指在同一層中的金屬線(xiàn)的集合。金屬層m1至mn形成在金屬間電介質(zhì)(imd)125中,imd125可以由諸如未摻雜的硅酸鹽玻璃(usg)、氟化硅酸鹽玻璃(fsg)、低k介電材料等氧化物形成。低k介電材料可以具有低于3.8的k值,但是imd125的介電材料也可以接近3.8。在一些實(shí)施例中,低k介電材料的k值低于約3.0,并可以低于約2.5??梢酝ㄟ^(guò)例如電鍍、化學(xué)鍍、高密度電離金屬等離子體(imp)沉積、高密度感應(yīng)耦合等離子體(icp)沉積、濺射、物理汽相沉積(pvd)、化學(xué)汽相沉積(cvd)、低壓化學(xué)汽相沉積(lpcvd)、等離子體增強(qiáng)的化學(xué)汽相沉積(pecvd)等各種技術(shù)來(lái)形成第n金屬通孔122。
在圖1a中,mram結(jié)構(gòu)130至少包括底電極通孔(beva)132、再生層134、底電極131、頂電極133和mtj135。beva132位于第n金屬線(xiàn)121’上。在一些實(shí)施例中,可以對(duì)beva132的頂面應(yīng)用諸如化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)操作的平坦化操作。在一些實(shí)施例中,beva132溝槽擁有被包括sic141和富硅氧化物(sro)142圍繞的梯形凹槽??蛇x地,sro142可被替換或與正硅酸乙酯(teos)結(jié)合。在一些實(shí)施例中,beva132可以包括諸如金屬的導(dǎo)電材料。在beva132溝槽上方襯里襯墊層161。再生層134位于beva132和襯墊層161上。在一些實(shí)施例中,襯墊層161選為在其上電鍍的材料的晶種層。例如,如果包括beva的材料包括銅,則襯墊層161可以是電鍍的銅的晶種層。例如,襯墊層161可以包括tan或ta。再生層134可以包括tin、tan、w、al、ni、co、cu或它們的組合。在一些實(shí)施例中,可以對(duì)再生層134的頂面應(yīng)用諸如cmp操作的平坦化操作。在一些實(shí)施例中,再生層134的材料不同于beva132的材料。在一些實(shí)施例中,再生層134的厚度在從約
底電極131位于再生層134上。在一些實(shí)施例中,底電極131可以包括諸如tin、tan的氮化物、ta或ru。mtj135位于底電極131上。如圖1a所示,諸如氮化物層的保護(hù)層127保護(hù)mtj135的側(cè)壁。在一些實(shí)施例中,mtj135的頂面具有在從約2埃
在圖1a中,第(n+1)金屬線(xiàn)123'被除了imd125以外的sic141和sro143圍繞。在一些實(shí)施例中,保護(hù)層127包括氮化硅。在一些實(shí)施例中,可以在保護(hù)層127上方設(shè)置介電層129。在一些實(shí)施例中,可以在sic141上方設(shè)置sro143,圍繞第(n+1)金屬線(xiàn)123’。
在一些實(shí)施例中,mram結(jié)構(gòu)130的beva132與摻雜區(qū)電耦接。在一些實(shí)施例中,摻雜區(qū)是漏極105或源極103。在另外的實(shí)施例中,mram結(jié)構(gòu)130的beva132與柵極107電耦接。在一些實(shí)施例中,半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)10的柵極107可以是多晶硅柵極或金屬柵極。
參照?qǐng)D1b,圖1b的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)20類(lèi)似于圖1a的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)10,除了圍繞beva132的介電堆疊件是單層。在一些實(shí)施例中,單層可以是例如富硅氧化物(sro)層的氧化物層。
參照?qǐng)D2,半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)30可以是包括mram單元區(qū)100a和邏輯區(qū)100b的半導(dǎo)體電路。mram單元區(qū)100a和邏輯區(qū)100b的每個(gè)都具有位于半導(dǎo)體襯底100中的晶體管結(jié)構(gòu)101。在一些實(shí)施例中,mram單元區(qū)100a和邏輯區(qū)100b中的晶體管結(jié)構(gòu)101大致相同。mram單元區(qū)100a的細(xì)節(jié)參照?qǐng)D1a和圖1b的描述。在邏輯區(qū)100b中,第n金屬線(xiàn)121’通過(guò)第n金屬層121的第n金屬通孔122連接至第(n+1)金屬線(xiàn)123’。在一些實(shí)施例中,用例如銅、金或其它合適的金屬或合金的導(dǎo)電材料填充金屬線(xiàn)和金屬通孔以形成多個(gè)導(dǎo)電通孔。位于不同金屬層中的金屬線(xiàn)和金屬通孔形成由大致純銅(例如,銅的重量百分比大于約90%,或大于約95%)或銅合金組成的互連結(jié)構(gòu),并且可以使用單和/或雙鑲嵌操作形成。金屬線(xiàn)和金屬通孔可以是,或者可以不是,大致無(wú)鋁。比較mram單元區(qū)100a和邏輯區(qū)100b,mram結(jié)構(gòu)130的厚度基本上等于第n金屬通孔122的厚度t2和部分第(n+1)金屬線(xiàn)123’的厚度t1的總和。在一些實(shí)施例中,金屬線(xiàn)123’可以是第(n+m)金屬線(xiàn),其中m可以是大于1的任何整數(shù)。
圖3至圖14是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的在各個(gè)階段中制造的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。在圖3中,提供了具有預(yù)定的mram單元區(qū)100a和邏輯區(qū)100b的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中,晶體管結(jié)構(gòu)預(yù)先形成在半導(dǎo)體襯底中(圖3中未示出)。集成電路器件可以經(jīng)歷進(jìn)一步的cmos或mos技術(shù)處理以形成本領(lǐng)域已知的各種部件。例如,也可以形成諸如硅化物區(qū)的一個(gè)或多個(gè)接觸插塞。接觸部件可以耦接至源極和漏極。接觸部件包括諸如硅化鎳(nisi)、硅化鎳鉑(niptsi)、硅化鎳鉑鍺(niptgesi)、硅化鎳鍺(nigesi)、硅化鐿(ybsi)、硅化鉑(ptsi)、硅化銥(irsi)、硅化鉺(ersi)、硅化鈷(cosi)、其它合適的導(dǎo)電材料和/或它們的組合的硅化物材料。在實(shí)例中,通過(guò)硅化(自對(duì)準(zhǔn)硅化)操作形成接觸部件。
在晶體管結(jié)構(gòu)上方的介電層136中圖案化第n金屬線(xiàn)121’。在一些實(shí)施例中,可以由具有沉積在圖案化的介電層136上方的cu晶種層的電鍍操作形成第n金屬線(xiàn)121’。在另外的實(shí)施例中,可以通過(guò)例如化學(xué)鍍、高密度電離金屬等離子體(imp)沉積、高密度感應(yīng)耦合等離子體(icp)沉積、濺射、物理汽相沉積(pvd)、化學(xué)汽相沉積(cvd)、低壓化學(xué)汽相沉積(lpcvd)、等離子體增強(qiáng)的化學(xué)汽相沉積(pecvd)等各種技術(shù)來(lái)形成第n金屬線(xiàn)121’。實(shí)施平坦化操作以暴露第n金屬線(xiàn)121’的頂面和介電層136的頂面。
在圖4a中,阻擋層140是以包括sic層141、teos/sro層142的介電堆疊件的形式,并且sic層141是在mram單元區(qū)100a和邏輯區(qū)100b兩者中的第n金屬線(xiàn)121’的頂面和介電層136的頂面上方沉積的毯狀物??赏ㄟ^(guò)諸如化學(xué)汽相沉積(cvd)、低壓cvd(lpcvd)、等離子體增強(qiáng)的cvd(pecvd)、濺射和物理汽相沉積(pvd)、熱生長(zhǎng)等各種技術(shù)來(lái)形成阻擋層140。
在圖4b中,在阻擋層140上方圖案化光刻膠層(未示出)以暴露mram結(jié)構(gòu)的beva孔132’。如圖4b所示,通過(guò)合適的干蝕刻操作在阻擋層140中形成兩個(gè)beva孔132’。在一些實(shí)施例中,本操作中的干蝕刻包括采用含氟氣體的反應(yīng)離子蝕刻(rie)。在一些實(shí)施例中,本干蝕刻操作可以是在傳統(tǒng)的cmos技術(shù)的金屬化結(jié)構(gòu)中形成通孔溝槽的任何合適的介電蝕刻。參照?qǐng)D4b所示的邏輯區(qū)100b,光刻膠層(未示出)保護(hù)阻擋層140,從而使得與mram單元區(qū)100a中的對(duì)應(yīng)部分相對(duì)的第n金屬層121’的頂面沒(méi)有暴露。
在圖4c中,襯墊層161是襯里mram單元區(qū)100a中的beva孔132'上方和邏輯區(qū)100b中的阻擋層140上方的毯狀物。接著,進(jìn)行beva材料132的沉積以設(shè)置在襯墊層161和阻擋層140上方。beva材料132可以包括諸如金屬的導(dǎo)電材料。在一些實(shí)施例中,beva材料132可以是電鍍的銅。在一些實(shí)施例中,在電鍍操作中實(shí)施beva材料132的過(guò)填充。例如,采用從約50nm至約800nm的厚度t3以過(guò)填充beva孔。注意,考慮最小化電鍍的凹痕效應(yīng)來(lái)確定厚度t3。由于beva孔132的存在,需要過(guò)填充的厚度t3比約50nm更大,以有效地最小化電鍍操作后在beva孔132上方產(chǎn)生的凹痕。
在圖4e中,然后回蝕刻襯墊層161和沉積的beva材料132至與阻擋層140的頂面平齊。接著,進(jìn)行諸如多步驟cmp的更精細(xì)的平坦化操作以形成beva132的平坦的銅表面。在圖4e至圖4g中,采用具有不同選擇性的漿料的三步驟cmp以獲得平坦的銅表面。在圖4e中,第一選擇性去除包括使用對(duì)銅比對(duì)襯墊層161具有更高的選擇性的第一漿料。在一些實(shí)施例中,第一漿料包括h2o2、苯并三唑(bta)、羧酸和研磨劑。如圖4e所示,第一漿料消耗銅比消耗襯墊層161更快,使得銅填充的beva132上方呈現(xiàn)凹陷。
在圖4f中,第二選擇性去除包括使用對(duì)襯墊層161比對(duì)銅具有更高的選擇性的第二漿料。在一些實(shí)施例中,第二漿料包括h2o2、苯并三唑(bta)、ph調(diào)節(jié)劑、羧酸和研磨劑。第二漿料消耗襯墊層161比消耗銅更快,使得去除襯墊層161而不消耗很多暴露的銅。
在圖4g中,第三選擇性去除包括使用對(duì)襯墊層161比對(duì)銅具有更高的選擇性的第三漿料。在一些實(shí)施例中,第三漿料包括h2o2、抑制劑、ph調(diào)節(jié)劑、羧酸和研磨劑。第三漿料消耗介電堆疊件的一個(gè)比消耗銅更快,例如,使得去除sic141而不消耗很多暴露的銅。
從圖4e至圖4g,通過(guò)第二和第三選擇性去除補(bǔ)償在第一選擇性去除中產(chǎn)生的銅的凹陷,其中圍繞凹陷的銅表面的其他材料的去除比銅更快。在圖4g中,在cmp后,可以有效地緩解銅表面的凹陷效應(yīng)。
參照?qǐng)D4h,在沉積的beva材料132和阻擋層140上方形成的再生層134是毯狀的。沉積的再生層134可以包括tin、tan、w、al、ni、co、cu或它們的組合。在一些實(shí)施例中,通過(guò)原子層沉積(ald)操作可以將再生層134沉積到預(yù)定的厚度。如圖4i所示,可選地,通過(guò)化學(xué)汽相沉積(cvd)操作將再生層134沉積到一定厚度并且然后通過(guò)cmp操作平坦化到預(yù)定的厚度。如先前所討論的,通過(guò)最小化位于beva材料上方的凹陷(由于輕微凹陷)來(lái)確定所沉積的再生層134的厚度。在一些實(shí)施例中,cmp后,再生層的厚度可以在從約
在圖4j中,圖案化再生層134以覆蓋beva的銅表面和襯墊層161表面以及接近beva的部分介電層(141、142)。覆蓋再生層134以消除位于之前所述的三種材料(即,例如銅、tan或ta、sro或teos)之間的異質(zhì)界處的階梯高度。由于先前使用的cmp漿料對(duì)這三種材料擁有不同的去除速率,再生層的形成提供了補(bǔ)償異質(zhì)界之間的不同階梯高度的統(tǒng)一的平坦的表面。因此,再生層134應(yīng)至少覆蓋上述兩個(gè)異質(zhì)界,一個(gè)位于銅和襯墊層161之間,一個(gè)位于襯墊層161和介電層(例如,sro142)之間。
在圖4j中,在再生層134上沉積底電極131。底電極131可以包括tin、tan、ta或ru。可以通過(guò)例如高密度電離金屬等離子體(imp)沉積、高密度感應(yīng)耦合等離子體(icp)沉積、濺射、物理汽相沉積(pvd)、化學(xué)汽相沉積(cvd)、低壓化學(xué)汽相沉積(lpcvd)、等離子體增強(qiáng)的化學(xué)汽相沉積(pecvd)等各種技術(shù)來(lái)形成沉積的底電極131。
然后,在底電極131上方以多材料堆疊的形式(在圖4j中未示出)沉積mtj135。在一些實(shí)施例中,mtj135具有在從約
接著mtj135的形成,在mtj135上方沉積頂電極133??梢酝ㄟ^(guò)例如高密度電離金屬等離子體(imp)沉積、高密度感應(yīng)耦合等離子體(icp)沉積、濺射、物理汽相沉積(pvd)、化學(xué)汽相沉積(cvd)、低壓化學(xué)汽相沉積(lpcvd)、等離子體增強(qiáng)的化學(xué)汽相沉積(pecvd)等各種技術(shù)來(lái)形成頂電極133。在一些實(shí)施例中,頂電極133可以包括tin、tan、ta或ru。
參照?qǐng)D4k,在頂電極133上方形成掩模層(未示出)以確保mram結(jié)構(gòu)的形成。掩模層可以具有多層結(jié)構(gòu),其可以包括例如,氧化物層、先進(jìn)的圖案化薄膜(apf)層和氧化物層。可以通過(guò)例如高密度電離金屬等離子體(imp)沉積、高密度感應(yīng)耦合等離子體(icp)沉積、濺射、物理汽相沉積(pvd)、化學(xué)汽相沉積(cvd)、低壓化學(xué)汽相沉積(lpcvd)、等離子體增強(qiáng)的化學(xué)汽相沉積(pecvd)等各種技術(shù)來(lái)形成每個(gè)氧化物層、apf層和氧化物層。在一些實(shí)施例中,掩模層配置為圖案化mtj135、頂電極133、底電極131和再生層134。在一些實(shí)施例中,通過(guò)rie形成mtj135和頂電極133以從截面觀(guān)察時(shí)具有梯形形狀。
圖5a和圖5c的詳細(xì)描述可以參照先前在圖4a至圖4c中的描述。注意在圖5a和圖5b中,圍繞beva孔132’的介電層是單介電層。在一些實(shí)施例中,單介電層包括例如sro的氧化物。
在圖5d至圖5e中,采用具有不同選擇性的漿料的兩步驟cmp以獲得平坦的銅表面。在圖5d中,第一選擇性去除包括使用對(duì)銅比對(duì)襯墊層161具有更高的選擇性的第一漿料。在一些實(shí)施例中,第一漿料包括h2o2、苯并三唑(bta)、羧酸和研磨劑。如圖5d所示,第一漿料消耗銅比消耗襯墊層161更快,使得銅填充的beva132上方呈現(xiàn)凹陷。
在圖5e中,第二選擇性去除包括使用對(duì)襯墊層161比對(duì)銅具有更高的選擇性的第二漿料。在一些實(shí)施例中,第二漿料包括h2o2、抑制劑、ph調(diào)節(jié)劑、羧酸和研磨劑。第二漿料消耗襯墊層161比消耗銅更快,使得去除襯墊層161而不消耗很多暴露的銅。
從圖5d至圖5e,由第二選擇性去除補(bǔ)償在第一選擇性去除中產(chǎn)生的銅的凹陷,其中圍繞凹陷的銅表面的其他材料的去除比銅更快。在圖5e中,在cmp后,可以有效地緩解銅表面的凹陷效應(yīng)。
參照?qǐng)D6,圖6示出接著圖4k的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在mtj135和頂電極133上方共形地形成保護(hù)層127。在一些實(shí)施例中,保護(hù)層127具有從約
在圖7中,對(duì)介電層129實(shí)施平坦化工藝,因此使得介電層129的頂面在mram單元區(qū)100a和邏輯區(qū)100b是大致平坦的。如圖10所示,在平坦化操作后,從介電層129暴露頂電極133的頂面。注意無(wú)論頂電極是單層或組合層,頂電極133的頂面應(yīng)由tin或tan組成。
在圖8至圖10中,如圖8所示,通過(guò)回蝕刻操作從邏輯區(qū)100b去除阻擋層140、保護(hù)層127和介電層129的上部。因此,mram單元區(qū)100a的高度大于邏輯區(qū)100b的高度。在圖9中,形成介電層-低k-介電層復(fù)合180以共形地覆蓋mram單元區(qū)100a和邏輯區(qū)100b。在圖9中可以觀(guān)察到階梯差異181,因此,實(shí)施如圖10所示的回蝕刻操作以獲得大致平坦的頂面用于接著在mram單元區(qū)100a和邏輯區(qū)100b兩者中的溝槽的形成。注意在上述平坦化操作后,介電層-低k-介電層復(fù)合180的介電層183基本保留在邏輯區(qū)100b中。介電層183有意地保持以充當(dāng)用于后續(xù)溝槽形成的保護(hù)層。在光刻膠剝離操作期間,介電層183可以保護(hù)低k介電層免受酸性溶液的損壞。
在圖11中,在平坦化的電介質(zhì)表面上方圖案化光刻膠(未示出)以為金屬線(xiàn)和金屬通孔形成溝槽。例如,在mram單元區(qū)100a中,在mram結(jié)構(gòu)130上方形成第(n+1)金屬線(xiàn)溝槽123a,暴露mram結(jié)構(gòu)130的頂電極133的頂面。在邏輯區(qū)100b中,在第n金屬線(xiàn)121’上方形成第n金屬通孔溝槽和第(n+1)金屬線(xiàn)溝槽(結(jié)合123b),暴露第n金屬線(xiàn)121’的頂面。
在圖12和圖13中,通過(guò)例如傳統(tǒng)的雙鑲嵌操作用導(dǎo)電金屬填充金屬線(xiàn)溝槽/金屬通孔溝槽(此后稱(chēng)為“溝槽”)。通過(guò)電鍍操作,用導(dǎo)電材料填充圖案化的溝槽,并且使用化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)操作、蝕刻操作或它們的組合從表面去除過(guò)量的部分導(dǎo)電材料。下面提供了電鍍溝槽的細(xì)節(jié)??梢杂蓋,并且更優(yōu)選地由包括alcu(統(tǒng)稱(chēng)為cu)的銅(cu)形成第(n+1)金屬線(xiàn)123’。在一個(gè)實(shí)施例中,使用本領(lǐng)域常見(jiàn)的雙鑲嵌操作形成第(n+1)金屬線(xiàn)123’。首先,穿過(guò)低k介電層蝕刻溝槽??梢酝ㄟ^(guò)諸如電感耦合等離子體(icp)蝕刻的等離子體蝕刻操作來(lái)實(shí)施該操作。然后,可以在溝槽側(cè)壁上沉積介電襯層(未示出)。在實(shí)施例中,襯層材料可包括氧化硅(siox)或氮化硅(sinx),其可通過(guò)諸如物理汽相沉積(pvd)或包括等離子體增強(qiáng)的化學(xué)汽相沉積(pecvd)的化學(xué)汽相沉積(cvd)的等離子體沉積操作來(lái)形成。接著,在溝槽中鍍cu的晶種層。注意可以在頂電極133的頂面上方鍍cu的晶種層。然后在溝槽中沉積一層銅,接著諸如通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)來(lái)進(jìn)行銅層的平坦化,向下到低k介電層的頂面。暴露的銅層和介電層可以共表面。
如圖13所示的在去除過(guò)量的導(dǎo)電金屬的平坦化操作后,第(n+1)金屬線(xiàn)123’形成在mram單元區(qū)100a和邏輯區(qū)100b兩者中,以及第n金屬通孔122形成在邏輯區(qū)100b中。在圖14中,在低k介電層中形成后續(xù)阻擋層141和第(n+1)金屬通孔溝槽以及第(n+2)金屬線(xiàn)溝槽。后續(xù)處理可進(jìn)一步包括在襯底上方形成各種接觸件/通孔/線(xiàn)和多層互連部件(例如,金屬層和層間電介質(zhì)),各種接觸件/通孔/線(xiàn)和多層互連部件配置為連接集成電路器件的各個(gè)部件或結(jié)構(gòu)。額外的部件可以提供至包括形成的金屬柵極結(jié)構(gòu)的器件的電連接。例如,多層互連件包括諸如傳統(tǒng)的通孔或接觸件的垂直互連件和諸如金屬線(xiàn)的水平互連件。各個(gè)互連部件可以實(shí)施為包括銅、鎢和/或硅化物的各種導(dǎo)電材料。在一個(gè)實(shí)例中,鑲嵌和/或雙鑲嵌操作用于形成銅相關(guān)的多層互連結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括底電極通孔(beva),位于beva上的再生層以及位于再生層上方的磁性隧道結(jié)(mtj)。beva包括位于beva的溝槽的底部和側(cè)壁上方的襯墊層,以及位于襯墊層上方電鍍的銅,填充beva的溝槽。再生層覆蓋襯墊層的頂面和電鍍的銅的頂面。
在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中,其中,所述再生層的材料由tin、tan、w、al、ni、co、cu或它們的組合構(gòu)成。
在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中,還包括位于所述底電極通孔上方的底電極,設(shè)置在所述再生層上。
在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中,還包括位于所述底電極通孔上方的底電極,設(shè)置在所述再生層上,其中,所述底電極包括tin、tan、ta、ru或它們的組合。
在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中,其中,所述底電極通孔被由至少兩個(gè)介電層組成的介電堆疊件圍繞。
在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中,其中,所述底電極通孔被單介電層圍繞。
在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中,其中,所述底電極通孔、所述再生層和所述磁性隧道結(jié)層位于第n金屬層和第(n+1)金屬層之間,n是正整數(shù)。
在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中,其中,所述襯墊層是用于所述電鍍的銅的晶種層。
本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括邏輯區(qū)和存儲(chǔ)器區(qū)。存儲(chǔ)器區(qū)包括第n金屬層,位于第n金屬層上方的第(n+m)金屬層,n和m為正整數(shù),以及位于第n金屬層和第(n+m)金屬層之間的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(mram)結(jié)構(gòu)。mram結(jié)構(gòu)包括銅。
在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中,其中,所述磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的底電極通孔(beva)包括銅。
在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中,其中,所述磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的底電極通孔(beva)包括銅,還包括:介電層,圍繞所述底電極通孔;以及再生層,位于所述底電極通孔上方和接近所述底電極通孔的部分所述介電層上方。
在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中,其中,所述磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的底電極通孔(beva)包括銅,還包括:介電層,圍繞所述底電極通孔;以及再生層,位于所述底電極通孔上方和接近所述底電極通孔的部分所述介電層上方,還包括位于所述銅和所述介電層之間的鉭(ta)層。
在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中,其中,所述磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的底電極通孔(beva)包括銅,還包括:介電層,圍繞所述底電極通孔;以及再生層,位于所述底電極通孔上方和接近所述底電極通孔的部分所述介電層上方,其中,所述再生層包括tin、tan、w、al、ni、co或cu。
本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了一種用于制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括在介電層中形成底電極通孔(beva),在beva孔上方形成襯墊層,在襯墊層上電鍍銅并且填充beva孔,對(duì)銅實(shí)施第一平坦化,以及在銅上方形成磁性隧道結(jié)(mtj)層。
在上述方法中,還包括:在所述第一平坦化后,在所述銅上方形成再生層;以及在所述再生層上方實(shí)施第二平坦化。
在上述方法中,其中,形成所述再生層包括實(shí)施化學(xué)汽相沉積(cvd)操作。
在上述方法中,其中,所述第一平坦化包括使圍繞底電極通孔的所述介電層變薄。
在上述方法中,其中,所述第一平坦化包括:在所述銅和所述襯墊層之間實(shí)施第一選擇性去除,其中,所述銅比所述襯墊層消耗得更快;以及在所述銅和所述襯墊層之間實(shí)施第二選擇性去除,其中,所述襯墊層比所述銅消耗得更快。
在上述方法中,其中,所述第一平坦化包括:在所述銅和所述襯墊層之間實(shí)施第一選擇性去除,其中,所述銅比所述襯墊層消耗得更快;以及在所述銅和所述襯墊層之間實(shí)施第二選擇性去除,其中,所述襯墊層比所述銅消耗得更快,所述第一平坦化還包括:在所述銅和所述介電層之間實(shí)施第三選擇性去除,其中,所述介電層比所述銅消耗得更快。
在上述方法中,其中,所述電鍍銅包括以從50nm至800nm的厚度過(guò)填充所述底電極通孔孔。
上面概述了若干實(shí)施例的特征,使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明的各方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解,他們可以容易地使用本發(fā)明作為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)或修改用于實(shí)施與在此所介紹實(shí)施例相同的目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)勢(shì)的其他工藝和結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該意識(shí)到,這種等同構(gòu)造并不背離本發(fā)明的精神和范圍,并且在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下,在此他們可以做出多種變化、替換以及改變。
此外,本申請(qǐng)的范圍不旨在限制于說(shuō)明書(shū)中所述的工藝、機(jī)器、制造、物質(zhì)組成、工具、方法和步驟的特定實(shí)施例。作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明應(yīng)很容易理解,根據(jù)本發(fā)明可以利用現(xiàn)有的或今后開(kāi)發(fā)的用于實(shí)施與本文所述相應(yīng)實(shí)施例基本上相同的功能或者獲得基本上相同的結(jié)果的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。因此,所附權(quán)利要求預(yù)期在其范圍內(nèi)包括這樣的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。