專利名稱：磁電子器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及磁電子器件，更具體地涉及用于磁電子器件中的覆層導(dǎo)體及用于制造覆層導(dǎo)體的方法。
背景技術(shù)：
磁電子器件、自旋電子器件和自旋子(spintronics)器件是對于使用由電子自旋引起的主要效應(yīng)的器件來說是同義術(shù)語。磁電子效應(yīng)用于多種信息器件中，并提供非易失性的、可靠的、耐輻射的、以及高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和恢復(fù)。多種磁電子信息器件包括、但不局限于磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)、磁傳感器以及用于磁盤驅(qū)動(dòng)器的讀取/寫入磁頭。
通常，磁電子信息器件構(gòu)造有一陣列的磁電子元件(例如，巨磁阻(GMR)元件或磁隧道結(jié)(MTJ)元件)，磁電子元件形成在還可以包含各種半導(dǎo)體器件、例如MOSFET的襯底中。通過由載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁場對磁電子元件編程。一般地，在交點(diǎn)矩陣中排列兩個(gè)載流導(dǎo)體，一個(gè)形成在磁電子元件下面，而另一個(gè)形成在磁電子元件頂部，以提供用于磁電子元件編程的磁場。
先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝常使用銅金屬互連用于載流導(dǎo)體。形成頂部銅金屬互連的優(yōu)選方法是采用雙金屬鑲嵌或鑲嵌工藝，在此期間在介電層中構(gòu)圖并蝕刻一溝槽，隨后在溝槽內(nèi)淀積銅層。一般用化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)除去任何過量的銅。在形成銅金屬互連之后，可以除去周圍的介電層以用于在互連上淀積覆層。覆層常用于聚焦互連對磁電子元件的磁通量。
常用于除去介電層的一種方法是干等離子體蝕刻。然而，銅金屬互連和襯底中的半導(dǎo)體器件可以累積來自等離子體的電荷，等離子體可以產(chǎn)生損壞半導(dǎo)體器件的過電壓或過電流狀態(tài)。例如，如果半導(dǎo)體器件是MOSFET并且銅金屬互連電耦合到MOSFET的柵極、源極或漏極的話，那么等離子體感應(yīng)電荷可以注入熱載流子到柵極氧化物內(nèi)，由此引起器件性能偏移。
因此，最好提供一種用于制造利用于磁電子器件中的覆層導(dǎo)體的改進(jìn)方法。還最好提供一種不有害影響耦合到其上的器件的覆層導(dǎo)體。結(jié)合附圖，通過隨后的說明和附加權(quán)利要求，本發(fā)明的其它理想特征和特性將變得顯而易見。


下列附圖是說明性的具體實(shí)施例，而因此不限制本發(fā)明的范圍，但在此展現(xiàn)出來以協(xié)助提供正確的理解。附圖不必按比例繪制(除非有所規(guī)定)并意圖在下列詳細(xì)說明中結(jié)合說明來使用。下文中將結(jié)合附圖來介紹本發(fā)明，其中相同參考數(shù)字指示相同部件，并且圖1-9示意性地示例了根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例用于制造覆層導(dǎo)體的方法的截面圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件的一部分的放大透視圖；圖11是圖10的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件的一部分導(dǎo)體的放大圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的螺旋電感器的頂視圖；以及圖13是圖12的螺旋電感器的線圈的截面圖。
具體實(shí)施例方式
下列詳細(xì)說明的僅是示范性實(shí)施例，并不意圖限制本發(fā)明或本發(fā)明的應(yīng)用和用途。相反，下列說明提供了便利的舉例說明，用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的示范性實(shí)施例。在不脫離如附加權(quán)利要求中所闡明的本發(fā)明的范圍的情況下，在元件的功能和排列方面可以作出對所描述實(shí)施例的各種變化。此外，沒有意圖要用在本發(fā)明任何示范性實(shí)施例的前述背景技術(shù)中所展現(xiàn)的任何理論來進(jìn)行約束。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)回到附圖，圖1-9示例了根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例用于制造利用于磁電子器件中的覆層導(dǎo)體的方法。磁電子器件可以包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、磁性傳感器、電感器、用于磁盤驅(qū)動(dòng)器的讀取/寫入磁頭、以及利用載流導(dǎo)體的磁性的任何其它器件。參考圖1，通過提供襯底10、例如半導(dǎo)體襯底，可以開始該方法。襯底10可以包括電路，例如讀出放大器、晶體管、例如巨磁阻(GMR)元件或磁隧道結(jié)(MTJ)元件的磁電子元件、以及數(shù)字電路，為簡化說明該電路沒有示出。
導(dǎo)電阻擋層12形成在襯底10上。導(dǎo)電阻擋層12可以包括鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭硅(TaSiN)或表現(xiàn)出適合于在等離子體蝕刻期間分布電荷的導(dǎo)電特性的任何其它材料，如下面所述。導(dǎo)電阻擋層12具有優(yōu)選在大約100至2000埃范圍內(nèi)的厚度。
在本發(fā)明的一個(gè)示范性實(shí)施例中，蝕刻阻擋層14可以形成在導(dǎo)電阻擋層12上。蝕刻阻擋層14可以由半導(dǎo)體工業(yè)中所公知和利用的任何合適的蝕刻終止材料形成、例如對氟(F)基化學(xué)組成有選擇性的材料，或蝕刻終止層14可以由提供用于阻擋蝕刻工藝的端點(diǎn)信號的材料形成。對提供理想蝕刻選擇性的合適的蝕刻終止材料的例子包括具有100埃至500埃范圍內(nèi)厚度的氧化鋁(AlO2)和氮化鋁(AlN)、或可以用于提供端點(diǎn)信號的氮化硅(SiN)或氧氮化硅(SiON)層。
然后可以在蝕刻終止層14上淀積介電層16。介電層16一般由任何合適類型的絕緣材料形成，例如氧化硅(SiO2)、原硅酸四乙酯(TEOS)、氮化硅(SiN)或其它低K介電材料。
參考圖2，通過構(gòu)圖和蝕刻可以除去一部分介電層16以在介電層16內(nèi)形成一個(gè)或一個(gè)以上的溝槽18。應(yīng)明白，溝槽18可以是適合于形成有效覆層導(dǎo)體的任何長度和高度，如下面更詳細(xì)說明?？梢岳脴?biāo)準(zhǔn)蝕刻技術(shù)、例如以等離子體的干蝕刻來蝕刻介電層16。蝕刻介電層16，直到利用蝕刻終止層14來終止蝕刻，蝕刻終止層14如前面所述形成作為不能順從用于蝕刻介電層16的蝕刻工藝的一層材料，或表明由端點(diǎn)探測信號引起終止蝕刻的材料的變化。然后，可以利用用于除去蝕刻終止層14的任何合適的蝕刻技術(shù)來蝕刻蝕刻終止層14大約到導(dǎo)電阻擋層12以完成溝槽18的形成。
轉(zhuǎn)到圖3，在溝槽18內(nèi)形成導(dǎo)電線20。在本發(fā)明的一個(gè)示范性實(shí)施例中，導(dǎo)電線20可以由銅(Cu)、鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)等、或其組合的合金形成。優(yōu)選地，導(dǎo)電線20由銅形成。在本發(fā)明的一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施例中，導(dǎo)電線20可以由幾層形成，例如阻擋層22、籽晶層24和導(dǎo)電芯26。首先，阻擋層22可以被淀積在溝槽18內(nèi)。阻擋層22可以由Ta、TaN、TaSiN、鈷(Co)、釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、或任何其它合適的貴金屬形成，其不容易形成自然氧化物以及阻礙或防止導(dǎo)電芯26的性能擴(kuò)散進(jìn)或相反不利地與周圍材料反應(yīng)?？梢岳梦锢砥嗟矸e(PVD)、離子化金屬等離子體(IMP)、化學(xué)汽相淀積(CVD)或半導(dǎo)體工業(yè)中所公知的任何其它合適的技術(shù)來淀積阻擋層22。接著，利用PVD、IMP、CVD或半導(dǎo)體工業(yè)中公知的任何其它合適的技術(shù)來淀積籽晶層24。接下來，通過電鍍淀積，在溝槽18內(nèi)形成導(dǎo)電芯26。合起來，籽晶層24和芯線26形成導(dǎo)電系統(tǒng)28。籽晶層24和導(dǎo)電芯26可以由銅、鋁、金、銀等或其組合合金構(gòu)成。優(yōu)選地，籽晶層24和導(dǎo)電芯26由銅形成。在淀積導(dǎo)電芯26之后，例如用化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)等，可以除去溝槽18上方區(qū)域內(nèi)的任何過量金屬。
參考圖4，除去介電層16直到蝕刻終止層14?？梢酝ㄟ^例如利用氟基化學(xué)成分的干等離子體蝕刻工藝、濕化學(xué)蝕刻工藝、或其組合來除去介電層16。如果通過干等離子體蝕刻除去介電層16，那么可以通過導(dǎo)電阻擋層12來抑制和/或分配任何等離子體感應(yīng)放電，由此減少或消除對形成在襯底10中的半導(dǎo)體器件的任何損壞。
接著，如圖5中所示例的，可以利用選擇性淀積工藝、例如電鍍或化學(xué)鍍，在導(dǎo)電線20的側(cè)面和頂部表面上形成磁通量集中器30。如果采用電鍍淀積工藝，那么導(dǎo)電阻擋層12用作電極以承載電流用于電鍍工藝。蝕刻終止層14用于阻礙或共同防止電鍍發(fā)生在相鄰的露出導(dǎo)電線20之間，由此防止其之間電短路。因此，淀積工藝產(chǎn)生自對準(zhǔn)到導(dǎo)電線20上的磁通量集中器30。
磁通量集中器30包括磁通量集中層34。磁通量集中層34具有集中由在導(dǎo)電線20內(nèi)流經(jīng)的電流所產(chǎn)生的磁通量的特性。磁通量集中層34是具有高導(dǎo)磁性的電導(dǎo)通磁材料，例如具有大約80％的鎳對20％的鐵的比率的鐵化鎳(NiFe)，或具有足夠高導(dǎo)磁性以集中磁通量在理想?yún)^(qū)域中或在冶金學(xué)上與其余材料結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的任何合適的材料。
在本發(fā)明的另一個(gè)示范性實(shí)施例中，磁通量集中器30還可以包括形成在導(dǎo)電線20上面以及磁通量集中層34下面的第一阻擋層。第一阻擋層32可以由難熔金屬材料形成，例如鈷(Co)、鐵化鈷(CoFe)、釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、或其它合適的材料。
在本發(fā)明又一示范性實(shí)施例中，磁通量集中器30還可以包括淀積在磁通量集中層34上面的第二阻擋層36。第二阻擋層36可以包括Ru、Rh、Pd和Co中的至少一種，包括含有Ru、Rh、Pd和Co的合適材料，例如磷硼化鈷(CoPB)、鎢化鈷(CoT)、硼化鈷(CoB)、磷化鈷(CoP)，等等。
在另一示范性實(shí)施例中，暫時(shí)先參考圖9，可以在磁通量集中層34上淀積第二磁通量集中層50。第二磁通量集中層50可以由能形成磁通量集中層34而能選擇具有與磁通量集中層34不同的磁和材料特性的任何材料形成，由此可以提供更大的適應(yīng)性以控制磁通量集中器30的特性。例如，第二磁通量集中層50可以具有不同于磁通量集中層34的不同的導(dǎo)磁性、不同的矯頑磁性、不同的厚度或任何數(shù)目的其它磁或材料特性。
轉(zhuǎn)回到圖5，在形成磁通量集中器30之后，露出蝕刻終止層14的部分38?，F(xiàn)在參考圖6，通過工藝，例如對磁通量集中器30的材料和對導(dǎo)電阻擋層12有選擇性的濕化學(xué)蝕刻，可以除去蝕刻終止層14的露出部分38。在除去蝕刻終止層14的露出部分38之后，露出導(dǎo)電阻擋層12的部分40。
參考圖7，可以除去導(dǎo)電阻擋層12的露出部分40?？梢酝ㄟ^短干等離子體蝕刻、物理濺射、濕蝕刻或任何其它合適的工藝來除去露出部分40。從而，如圖7中所示例的，形成了覆層導(dǎo)體42。覆層導(dǎo)體42包括導(dǎo)電阻擋層12、形成在導(dǎo)電阻擋層12上面的導(dǎo)電線20、以及形成在導(dǎo)電線20上面的磁通量集中器30。
參考圖8，可以在磁通量導(dǎo)體30上面淀積鈍化層44。任何常規(guī)鈍化材料可以用于形成鈍化層44。
圖10示例了根據(jù)本發(fā)明另一示范性實(shí)施例的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件60的一部分的放大透視圖。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件60包括多個(gè)磁存儲(chǔ)單元62、其中每一個(gè)都磁性耦合覆層導(dǎo)體42，使得由覆層導(dǎo)體42產(chǎn)生的磁場可以用于編程(program)多個(gè)磁存儲(chǔ)單元62。磁存儲(chǔ)單元62可以是巨磁阻(GMR)元件或磁隧道結(jié)(MTJ)元件。磁存儲(chǔ)單元62可以形成在任何合適的襯底66上，例如半導(dǎo)體襯底，其可以含有任何合適的半導(dǎo)體器件(未示出)，例如晶體管、位和/或數(shù)據(jù)線、輸入/輸出電路、數(shù)據(jù)/地址解碼器，等等。
圖11示例了覆層導(dǎo)體42的放大圖。具有與圖7相同的參考數(shù)字的圖11的元件與相應(yīng)的圖7的元件相同。覆層導(dǎo)體42包括導(dǎo)電阻擋層12、覆蓋導(dǎo)電阻擋層12的導(dǎo)電線20、以及覆蓋導(dǎo)電線20的磁通量集中器30。
應(yīng)明白，本發(fā)明不局限用于例如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的磁電子信息器件，而還可以用于其它磁電子器件，例如電感器和利用載流導(dǎo)體的磁特性的其它器件。圖12和13示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例所形成的螺旋電感器70的頂視圖和截面圖。螺旋電感器70制作在襯底72上，例如襯底72可以是由硅(Si)、鍺(Ge)、絕緣體上硅(SOI)形成的半導(dǎo)體襯底。介電材料層74形成在襯底72上面。介電材料層74可以由二氧化硅、原硅酸四乙酯(TEOS)或任何其它合適的介電材料形成。介電材料層74覆蓋在螺旋線圈76上。具有與圖7相同的參考數(shù)字的圖13的元件與相應(yīng)的圖7的元件相同。螺旋線圈76包括導(dǎo)電阻擋層12、覆蓋導(dǎo)電阻擋層12的導(dǎo)電線20、以及覆蓋導(dǎo)電線20的磁通量集中器30?？梢岳脜⒖紙D1-9的上述工藝來形成導(dǎo)電阻擋層12、導(dǎo)電線20和磁通量集中器30。
通過上述說明，應(yīng)明白，提供一種用于制造利用于磁電子器件中的覆層導(dǎo)體的方法，該方法展現(xiàn)出已在上述背景技術(shù)和說明中所展現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)以及還展現(xiàn)出將對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的優(yōu)點(diǎn)。此外，當(dāng)在上述說明中已展現(xiàn)出優(yōu)選示范性實(shí)施例時(shí)，應(yīng)明白，在實(shí)施例中存在大量的變化。最后，應(yīng)明白，這些實(shí)施例僅是優(yōu)選的示范性實(shí)施例，并不意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍、應(yīng)用和構(gòu)造。相反，上述詳細(xì)的說明提供給本領(lǐng)域技術(shù)人員用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明優(yōu)選示范性實(shí)施例的便捷路線。要明白，在不脫離如附加權(quán)利要求中所闡明的本發(fā)明的范圍的情況下，在示范性優(yōu)選實(shí)施例中所描述的元件的功能和排列方面可以作出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種用于制造利用于磁電子器件中的覆層導(dǎo)體的方法，該方法包括如下步驟提供襯底；在所述襯底上面形成導(dǎo)電阻擋層；在所述導(dǎo)電阻擋層上面形成介電層；在所述介電層的一部分內(nèi)形成導(dǎo)電線；除去所述介電層；以及在所述導(dǎo)電線上面形成磁通量集中器。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中，形成磁通量集中器包括在所述導(dǎo)電阻擋層的第一部分上面形成所述磁通量集中器，以及露出所述導(dǎo)電阻擋層的第二部分，其中，磁通量集中器包括一層鐵化鎳(NiFe)，并且其中，形成所述導(dǎo)電線包括在所述介電層中構(gòu)圖并蝕刻溝槽，以及在所述溝槽內(nèi)形成所述導(dǎo)電線，所述導(dǎo)電線包括銅、鋁、金和銀中的至少一種；所述方法進(jìn)一步包括除去所述導(dǎo)電阻擋層的所述第二部分；以及在所述導(dǎo)電阻擋層上面以及在所述介電層下面形成蝕刻終止層，其中，形成導(dǎo)電線的步驟包括在所述蝕刻終止層的一部分內(nèi)形成導(dǎo)電線，其中，所述導(dǎo)電阻擋層包括鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦和氮化鉭硅中的至少一種。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中，形成磁通量集中器的步驟包括在所述導(dǎo)電線上面形成第一磁通量集中層和在所述第一磁通量集中層上面形成第二磁通量集中層，其中，形成的所述第一和第二磁通量集中層具有不同的磁特性和不同的材料特性中的至少一種。
4.一種含有覆層導(dǎo)體的磁電子器件，該覆層導(dǎo)體包括導(dǎo)電阻擋層；覆蓋在所述導(dǎo)電阻擋層上面的導(dǎo)電線；以及覆蓋在所述導(dǎo)電線上面的磁通量集中器。
5.如權(quán)利要求4的磁電子器件，其中，所述導(dǎo)電阻擋層包括鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭硅(TaSiN)中的至少一種，其中，所述導(dǎo)電線包括銅(Cu)、鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)中的至少一種，以及其中，所述磁通量集中器包括由NiFe形成的磁通量集中層。
6.如權(quán)利要求4的磁電子器件，其中，所述磁通量集中器包括第一和第二集中層，所述第一和第二磁通量集中層具有不同的磁特性和不同的材料特性中的至少一種。
7.如權(quán)利要求4的磁電子器件，其中，所述磁通量集中器包括覆蓋所述導(dǎo)電線的阻擋層和覆蓋所述阻擋層的磁通量集中層，所述阻擋層包括鈷(Co)、鐵化鈷(CoFe)、釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)中的至少一種。
8.如權(quán)利要求4的磁電子器件，其中，所述磁通量集中器包括磁通量集中層和覆蓋所述磁通量集中層的阻擋層，所述阻擋層包括釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)和鈷(Co)中的至少一種。
9.一種隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件，包括襯底；形成在所述襯底中的多個(gè)磁電子元件；磁性耦合到所述多個(gè)磁電子元件中的每一個(gè)上的覆層導(dǎo)體，所述覆層導(dǎo)體包括覆蓋所述襯底的導(dǎo)電阻擋層；覆蓋在所述導(dǎo)電阻擋層上面的導(dǎo)電線；以及覆蓋在所述導(dǎo)電線上面的磁通量集中器。
10.如權(quán)利要求9的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中，所述多個(gè)磁電子元件中的每一個(gè)包括巨磁阻元件和磁隧道結(jié)元件之一，其中，所述導(dǎo)電阻擋層包括鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦和氮化鉭硅中的至少一種，以及其中，磁通量集中器包括鐵化鎳(NiFe)。
全文摘要
提供一種用于制造利用于磁電子器件中的覆層導(dǎo)體(42)的方法。該方法包括提供襯底(10)以及在襯底(10)上面形成導(dǎo)電阻擋層(12)。介電層(16)形成在導(dǎo)電阻擋層(12)上面，并且導(dǎo)電線(20)形成在一部分介電層(16)內(nèi)。除去介電層(16)，并在導(dǎo)電線(20)上面形成磁通量集中器(30)。
文檔編號G11C11/15GK1717799SQ200380104188
公開日2006年1月4日 申請日期2003年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月27日
發(fā)明者馬克·A·杜爾拉姆, 杰弗里·H·貝克, 布賴恩·R·布徹, 馬克·F·德赫爾雷拉, 約翰·J·蒂′烏爾索, 厄爾·D·富克斯, 格雷戈里·W·格里恩凱維希, 凱利·W·凱勒, 杰伊納爾·A·莫拉, J·杰克·任, 尼古拉斯·D·里佐 申請人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司