(57)【要約】  上部に磁気トンネル接合を堆積するための超平滑（０．２ｎｍ以下）底部電極面をもたらす処理シーケンスが提供される。一実施形態では、シーケンスは、バルク層堆積によって底部電極パッドを形成した後にパターニングとエッチングを行うことを含む。次に酸化物は、形成された底部電極パッドの上に堆積され、また、底部電極パッドを露出するまで研磨される。次に、その上に底部電極バフ層が上部に堆積され、予洗浄操作が続く。底部電極バフ層は次に、表面粗度を改善するため、ＣＭＰ処理にさらされる。次に、ＭＴＪ堆積が底部電極バフ層の上で行われる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部電極面を形成するための方法であって、
上部に形成された導電性ビアを有する基板上に高融点金属のブランケット層を堆積することと、
一又は複数の底部電極パッドを形成するため、前記高融点金属の層のパターニングとエッチングを行うことと、
前記一又は複数の底部電極パッドの上に誘電体材料を堆積することと、
前記一又は複数の底部電極パッドを露出するため、前記誘電体材料を化学機械的に研磨することと、
前記誘電体材料と露出した前記一又は複数の底部電極パッドの上に底部電極バフ層を堆積することと、
前記底部電極バフ層を化学機械的に研磨することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記底部電極バフ層は約２ｎｍから約１０ｎｍまでの厚さに堆積される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記高融点金属のブランケット及び前記底部電極バフ層のうちの一又は複数は窒化タンタルである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記底部電極バフ層は、１ｐｓｉ以下の下向きの力を用いて化学機械的に研磨される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記窒化タンタルは、１：１にほぼ近い化学量論で堆積される、請求項３に記載の方法
【請求項６】
前記高融点金属は、タンタル、窒化タンタル、タングステン、窒化タングステン、又はこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記底部電極パッド及び前記底部電極バフ層のうちの一方又は両方は、タンタル、窒化タンタル、タングステン、窒化タングステン、又はこれらの組み合わせからなる群から形成される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造を形成する方法であって、ＭＴＪ構造のサイズは底部電極パッドのサイズよりも小さい、等しい、或いは大きい、ＭＴＪ構造を形成する方法。
【請求項９】
前記ＭＴＪ構造のサイズは、前記底部電極パッドのサイズよりも小さい、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ＭＴＪ構造のサイズは、前記底部電極パッドのサイズに等しい、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記底部電極パッドは、タンタル、窒化タンタル、タングステン、窒化タングステン、又はこれらの組み合わせからなる群から形成される、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
上部に複数の導電性ビアを有する基板と、
前記複数の導電性ビアの上に配置された複数の底部電極パッドと、
前記複数の底部電極パッドの間に配置された誘電体材料と、
前記複数の底部電極パッド及び前記誘電体材料の上に配置された底部電極バフ層と、
前記複数の底部電極パッドの一又は複数の上に配置された複数のＭＴＪ構造と、
を備える構造。
【請求項１３】
前記底部電極の表面粗さは、約０．２ｎｍ未満である、請求項１２に記載の構造。
【請求項１４】
前記底部電極バフ層の厚さは、約２ｎｍから約１０ｎｍまでである、請求項１２に記載の構造。
【請求項１５】
前記ＭＴＪ構造の少なくとも１つのサイズは、前記底部電極パッドの少なくとも１つのサイズ以下である、請求項１２に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］  本書に記載の実施形態は磁気トンネル接合の形成に関し、より具体的には、上部に磁気トンネル接合を堆積するための超平滑底部電極面の形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の記載
［０００２］  磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックは、一般的に底部電極の上に堆積される。従来のシーケンスは、ダマシン処理を用いて底部ビアの上に底部電極を形成することを含む。酸化物は底部ビアの上に堆積され、次に底部電極用の開口部を形成するためパターニングされる。次に、底部電極を形成するため、開口部に金属が堆積される。底部電極の上面を研磨して、酸化物の上面に戻すため、化学機械研磨（ＣＭＰ）が用いられる。底部電極のタッチアップ層は次に底部電極と酸化物の上に堆積され、研磨される。
【０００３】
［０００３］  ダマシン処理の１つの問題点は、ＣＭＰを用いて底部電極材料を研磨する際に、段差が形成されることである。酸化物と底部電極との界面でのこの段差は、ＭＴＪの性能に弊害をもたらす。加えて、底部電極タッチアップ層は、当該層のＣＭＰを制御する際の難しさに対処するため、所望よりも厚めに堆積させなければならない。この底部電極タッチアップ層の厚さが増すと、ＭＪＴの形成に用いられるエッチング処理にさらに悪影響を及ぼす。さらには、底部電極タッチアップ層の厚さが増すと、ＭＴＪエッチング中の底部電極材料の過剰な露出を避けるためには、ＭＴＪサイズを底部電極パッドよりも大きくすることが必要になる。
【０００４】
［０００４］  したがって、上部にＭＪＴを堆積させるためには、超平滑底部電極面を形成するプロセスが必要になる。
【発明の概要】
【０００５】
［０００５］  上部に磁気トンネル接合を堆積するための超平滑（０．２ナノメートル（ｎｍ）以下）底部電極面をもたらすための処理シーケンスが提供される。一実施形態では、シーケンスは、バルク層堆積によって底部電極パッドを形成した後にパターニングとエッチングを行うことを含む。次に酸化物は、形成された底部電極パッドの上に堆積され、また、底部電極パッドを露出するまで研磨される。次に、その上に底部電極バフ層が上部に堆積され、予洗浄操作が続く。底部電極バフ層は次に、表面粗度を改善するため、ＣＭＰ処理にさらされる。次に、ＭＴＪ堆積が底部電極バフ層の上で行われる。
【０００６】
［０００６］  別の実施形態では、ＭＪＴ構造のサイズが底部電極パッドのサイズよりも小さい、等しい、或いは大きい、ＭＴＪ構造を形成する方法が開示される。
【０００７】
［０００７］  さらに別の実施形態では、上部に複数の導電性ビアを有する基板と、複数の導電性ビアの上に配置された複数の底部電極パッドと、複数の底部電極パッドの間に配置された誘電体材料と、複数の底部電極パッド及び誘電体材料の上に配置された底部電極バフ層と、複数の底部電極パッドの一又は複数の上に配置された複数のＭＴＪ構造とを含む構造が開示される。
【０００８】
［０００８］  上述の本開示の特徴を詳細に理解しうるように、上記で簡単に要約された本開示のより具体的な説明が、実施形態を参照することによって得られ、一部の実施形態は、付随する図面に例示されている。しかしながら、添付図面は例示的な実施形態を示しているにすぎず、したがって、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、その他の等しく有効な態様も許容されうることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ＭＴＪ堆積のための底部電極形成の処理フローである。
【図２】ＭＴＪ堆積のための底部電極形成の別の処理フローである。
【図３】本書で開示された処理シーケンスの一実施形態により形成された構造の断面図である。
【００１０】
［００１２］  理解を容易にするために、可能な場合には、図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。一態様の要素及び特徴は、さらなる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれうると想定される。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［００１３］  上部に磁気トンネル接合を堆積するための超平滑（０．２ｎｍ以下）底部電極面をもたらすための処理シーケンスが提供される。一実施形態では、シーケンスは、バルク層堆積によって底部電極パッドを形成した後にパターニングとエッチングを行うことを含む。次に酸化物は、形成された底部電極パッドの上に堆積され、また、底部電極パッドを露出するまで研磨される。次に、その上に底部電極バフ層が上部に堆積され、予洗浄操作が続く。底部電極バフ層は次に、表面粗度を改善するため、ＣＭＰ処理にさらされる。次に、ＭＴＪ堆積が底部電極バフ層の上で行われる。
【００１２】
［００１４］  一実施形態では、超平滑底部電極面を有する底部電極を形成するための処理フロー１００が提供され、図１に示される。処理フロー１００は、操作１１０で、上部に形成された導電性ビアを有する基板上に高融点金属のブランケット層を堆積することから始まる。次に、操作１２０は、一又は複数の底部電極パッドを形成するための高融点金属層のパターニングとエッチングを含む。誘電体材料は次に、操作１３０で、一又は複数の底部電極パッドの上に堆積される。誘電体材料は、操作１４０で、一又は複数の底部電極パッドを露出するため、化学機械的に研磨される。操作１５０で、底部電極バフ層は、誘電体材料並びに露出した一又は複数の底部電極パッドの上に堆積される。最後に、操作１６０で、底部電極バフ層は化学機械的に研磨される。
【００１３】
［００１５］  別の実施形態では、超平滑底部電極面を有する底部電極を形成するための処理フロー２００が提供され、図２に示される。操作２１０では、上部に銅又は他の導電性材料のビアを有する搬入基板が処理フローに導入される。高融点金属又は金属窒化物などの導電性材料のブランケット堆積は、操作２２０で、銅ビアの上に形成される。高融点金属又は金属窒化物は、タンタル、窒化タンタル、タングステン、窒化タングステン、又はこれらの組み合わせから選択されうる。チタン、窒化チタンなどの他の金属又は金属窒化物が堆積可能で、高融点金属又は金属窒化物によってキャップされうる。操作２３０では、ブランケット層は、底部電極パッドを形成するため、パターニングされ、エッチングされる。酸化物、又は他の誘電体材料は次に、操作２４０で、底部電極の上に堆積される。操作２５０では、酸化物堆積後に、底部電極上で停止するように、酸化物はＣＭＰを用いて研磨される。高融点金属又は金属窒化物などの導電性材料の底部電極バフ層は次に、露出した底部電極パッド及び酸化物の上に堆積され、その後、操作２６０で予洗浄操作が行われる。高融点金属又は金属窒化物は、タンタル、窒化タンタル、タングステン、窒化タングステン、又はこれらの組み合わせから選択されうる。次に、操作２７０で、底部電極パッド面全体にわたって均一性を高め、構造の底部に由来する凹凸を低減するため、底部電極バフ層はＣＭＰを用いて研磨される。次に、操作２８０で、上部にＭＴＪスタックを形成するため、ＭＴＪ堆積シーケンスが実行される。
【００１４】
［００１６］  本書に開示した磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造の形成方法は、ＭＪＴサイズが底部電極パッドのサイズよりも小さい、等しい、或いは大きい、ＭＴＪ構造を形成するために提供される。
【００１５】
［００１７］  図３は、本書に開示した処理シーケンスの実施形態にしたがって形成されたメモリ部分３１４と論理部分３１６を有するメモリデバイスなどの構造３００を示す断面図である。本開示の処理シーケンスの一実施例は、上部に導電性材料のビア３０２を有する基板の上に、底部電極パッド３０４及び底部電極バフ層３０８として堆積された窒化タンタルを含む。窒化タンタルは、物理的気相堆積を用いて堆積されることが望ましい。窒素ガス流は、１：１に近づく化学量論を実現するように調整可能である。この所望の化学量論は、例えば、物理的気相堆積中の窒素の流れを高めることによって、実現可能である。一実施例として、窒化タンタル層は、窒素ガス流を用いたタンタルターゲットの反応性スパッタリングによって堆積可能である。使用可能な例示的な堆積システムは、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｉｎｃ．から入手可能なＥｎｄｕｒａ（登録商標）処理プラットフォーム上のＥｎＣｏＲｅ  ＩＩ  Ｔａ（Ｎ）チャンバである。堆積した表面粗さは、化学量論が１：１に近づくにつれて改善することが示された。例えば、堆積時に約０．７５ｎｍ未満の表面粗さは、化学量論が１：１に近づくにつれて改善可能となる。窒化タンタル層の表面粗さは、弱い下向きの力のＣＭＰ処理を用いて改善可能である。例えば、０．２ｎｍ未満の表面粗さは、約１ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の下向きの力が加えられるＣＭＰ処理を受けて実現されうる。約１ｐｓｉの弱い下向きの力から最大で約３ｐｓｉまでの強い下向きの力でＣＭＰ処理することによって、良い結果を実現することができる。本書に開示の態様によるＣＭＰ処理は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｉｎｃ．から入手可能なＲｅｆｌｅｘｉｏｎ（登録商標）ＬＫ  Ｐｒｉｍｅ処理システムでセリア（Ｃｅｒｉａ）ベースのスラリを用いて実行可能である。
【００１６】
［００１８］  さらに、１：１にほぼ近い化学量論を有する窒化タンタルの抵抗は、約６〜７オーム／スクウェアの低い抵抗値を示す。さらに、窒化タンタル層の上に堆積したＭＴＪスタック３１０は、低い化学量論比を有する窒化タンタル層の上に堆積したＭＴＪスタックよりも、高いトンネル磁気抵抗を示す。
【００１７】
［００１９］  図２に示したシーケンスでは、ブランケット窒化タンタル層が堆積され、次のパターニング及びエッチングが行われて底部電極パッド３０４を形成する。窒化タンタルエッチングは、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｉｎｃ．から入手可能なＣｅｎｔｕｒａ（登録商標）プラットフォーム上のＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ  Ｍｅｓａチャンバでの塩素（Ｃｌ２）ベースの化学エッチングを用いて実行可能である。酸化ケイ素などの酸化物３０６、又は別の誘電体材料は次に、形成された底部電極パッド３０４上に堆積され、強い下向きの力（例えば、約３ｐｓｉ）のＣＭＰ処理を用いて研磨される。酸化ケイ素は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｉｎｃ．から入手可能なＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）ＰＥＣＶＤシステム上で、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）ベースの、又はシランベースの化合物を用いて堆積することができる。１００：１を超える酸化物対窒化タンタルの選択性（ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）が、セリアベースのスラリを用いた、強い下向きの力のＣＭＰ処理と弱い下向きの力のＣＭＰ処理の両方で実現される。スループットを改善するため、３ｐｓｉ程度の強い下向きの力を用いて、酸化物３０６を研磨して底部電極パッド３０４まで戻すことができる。選択性は、底部電極パッド上に予測可能な停止位置をもたらし、結果的にディッシング又はステップ形成を少なくすることができる。酸化物の除去には、０．１ｐｓｉから５ｐｓｉまでの下向き圧力の研磨ヘッドを使用することができる。スループットを改善するためには、１５００Å／ｍｉｎ以上の除去速度が望ましい。
【００１８】
［００２０］  過剰な酸化物を除去し、底部電極パッド３０４を露出するＣＭＰ処理に続いて、窒化タンタル底部電極バフ層３０８が堆積され、その後、予洗浄操作が行われる。アルゴン（Ａｒ）ベースのプラズマ処理などの予洗浄操作は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｉｎｃ．から入手可能なＥｎｄｕｒａ（登録商標）プラットフォーム上のＰＣ  ＸＴチャンバで実行可能である。底部電極バフ層３０８は、約２ｎｍから約１０ｎｍまでの厚さで堆積可能である。底部電極バフ層３０８が堆積されると、底部電極バフ層はその表面上の凹凸（尖った特徴又はその他の不連続部分）を取り除くため、ＣＭＰ処理が施される。ＣＭＰ処理は、Ｒｅｆｌｅｘｉｏｎ（登録商標）ＬＫ  Ｐｒｉｍｅ処理システム上でセリアベースのスラリを用いて行われる、約１ｐｓｉ以下の弱い下向きの力のＣＭＰ処理であることが望ましい。非対称なパフォーマンスと平坦化を実現するため、約１０ＲＰＭから約３００ＲＰＭまでのヘッド回転、及び約１０ＲＰＭから約３００ＲＰＭまでのプラテン回転が使用可能である。２ｌｂｓから１１ｌｂｓで安定した速度と良好なディフェクト（スクラッチ）性能を提供するため、パッド調整が実行されうる。消耗品のコスト（ＣｏＣ）のため、また初速度を高めるため、約５０ｍｌ／ｍｉｎから約５００ｍｌ／ｍｉｎのスラリ流量が使用されうる。ディフェクトを低減するため、パッド／ウエハのすすぎは、約１０秒から約１２０秒の間、実行されうる。次に、ＭＴＪスタック３１０は底部電極パッド３０４と底部電極バフ層３０８の上に堆積され、底部電極パッド３０４の上に一又は複数のＭＴＪデバイス（３１２Ａ、３１２Ｂとして２つを示す）を形成するために更に処理される。
【００１９】
［００２１］  したがって、構造３００は、図３に示したように、上部に複数の導電性ビア３０２を有する基板と、複数の導電性ビア３０２の上に配置された複数の底部電極パッド３０４と、複数の底部電極パッド３０４の間に配置された酸化物３０６又は他の誘電体材料と、複数の底部電極パッド３０４及び酸化物３０６の上に配置された底部電極バフ層３０８と、複数の底部電極パッド３０４の一又は複数の上に配置された複数のＭＴＪ構造３１２Ａ、３１２Ｂとを含む。各ＭＴＪ構造のサイズは、底部電極パッド３０４よりも大きい、等しい、或いは小さいことがありうる。図３に示したように、第１のＭＴＪ構造３１２Ａは底部電極パッド３０４よりも大きく、第２のＭＴＪ構造３１２Ｂは底部電極パッド３０４よりも小さい。
【００２０】
［００２２］  底部電極バフ層で実施された弱い下向きの力のＣＭＰ処理は、０．２ｎｍ以下の表面粗さの改善をもたらすことが明らかになった。弱い下向きの力のＣＭＰ処理の除去速度は毎分５００オングストローム（Å／ｍｉｎ）以下であることが望ましい。弱い下向きの力のＣＭＰ処理を用いて研磨された底部電極バフ層に形成されたＭＴＪデバイスは、本書で開示した底部電極バフ層上でのＣＭＰ処理を用いずに形成されたデバイスよりも、７５％高い保磁力（Ｏｅ）と比較的高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を有する。さらに、改善されたＭＴＪ膜の平滑性により、デバイス性能の向上が認められた。ＭＴＪ膜の平滑性は、本書で開示しているように、底部電極バフ層の低い表面粗さに由来する。さらに、１０ｎｍ未満の薄い底部電極バフ層を堆積する能力により、底部電極パッドサイズよりも小さい、大きい、或いは等しいＭＴＪサイズの形成が可能になる。
【００２１】
［００２３］  上記の説明は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲を逸脱しなければ、本開示の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されてよく、本開示の範囲は以下の特許請求の範囲によって決まる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
2019530985.tif 000006
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2019530985.tif 000008
2019530985.tif 000009
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