[发明专利]提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁性随机访问存储器(MRAM)技术领域，尤其涉及一种提高MRAM中的MTJ金属间电介质的填充能力的方法。

背景技术

磁性随机访问存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)是一种非挥发性的存储器，所谓“非挥发性”是指关掉电源后，仍可以保持记忆完整。在性能方面，MRAM拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入，是一种“全功能”的固态存储器。因而，其应用前景非常可观，有望主导下一代存储器市场。

MRAM一般包括外围驱动电路及多个磁性存储单元，所述磁性存储单元由一个穿通晶体管和一个磁阻隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)组成。并且，为了与CMOS集成电路制备工艺相兼容，通常来说，所述MTJ是插在CMOS集成电路的两层金属层之间的，例如插在第一层金属层与第二层金属层之间，所述两层金属层之间通过金属通孔(via)相连。

然而，由于MRAM在写入时需要较大的驱动电流，这一点对减小单元大小、隔离外围电路和降低功耗都产生了不利影响。降低驱动电流的一个方法是减小MTJ的尺寸。但是当MTJ的尺寸比上一层via的尺寸还小时，会使得在刻蚀上一层via时，本来应该在刻蚀到MTJ时停止刻蚀的，却沿着上一层via超出MTJ的部分继续刻蚀，导致上一层via与下一层的金属层短路，从而严重影响MRAM的性能。

为了解决上一层via与下一层的金属层短路的问题，提出在MTJ上覆盖一层保护刻蚀阻挡层，从而避免过刻蚀短路问题，该保护刻蚀阻挡层为氮化硅层(SiN)或氮掺杂的碳化硅层(NDC，Nitrogen Dopped Silicon Carbite)。然而，由于MRAM中的MTJ具有高的图形密度(pattern density)和高的纵横比(aspectratio)，使得SiN或NDC在覆盖过程中存在严重的凸悬(overhang)现象，从而使得在接下来淀积MTJ金属间介质层(IMD，Inter-Metal Dielectric)时容易产生空洞(void)问题，造成短路。关于凸悬现象请参考图1，图1为在MTJ上覆盖保护刻蚀阻挡层存在的凸悬现象的示意图，如图1所示，当在MTJ103上沉积保护刻蚀阻挡层106时，由于MTJ103的图形密度大，即两MTJ103之间的间隔小，同时由于MTJ103的图形具有高的纵横比，而保护刻蚀阻挡层106在MTJ顶部的沉积速率大于在侧壁的沉积速率，造成保护刻蚀阻挡层106在MTJ103的顶部的厚度远大于其在侧壁的厚度，从而向侧面突出，形成凸悬现象，使得在接下来淀积金属间介质层(IMD，Inter-Metal Dielectric)时，两MTJ103之间的部分IMD填充不进去，产生空洞(void)，可能造成电路短路。其中，该MTJ103是制备在第一层金属层101上，第一层金属层101之间通过绝缘介质层102进行隔离，所述绝缘介质层102为掺碳的氧化硅；并且在所述MTJ103的上部还沉积了一层帽盖层(capping layer)105，在所述MTJ103的下部还沉积了一层籽晶层(seed layer)104，所述MTJ保护刻蚀阻挡层106沉积在所述帽盖层(cappinglayer)105上。所述帽盖层(capping layer)105与所述籽晶层(seed layer)104为导电材料，所述帽盖层(capping layer)105的作用为保护MTJ103，同时使MTJ103与上一层via接触更好；所述籽晶层(seed layer)104有利于MTJ103膜均匀生长，同时使MTJ103与所述第一层金属层101接触更好。

因此，如何提高MTJ中的IMD的填充能力，使其不产生空洞，成为一个非常关键的问题。

为了解决这一问题，现有的一种方法是提高IMD的沉积温度，然而MRAM的制备温度不得超过350℃，这是因为当温度超过350℃后，MTJ的磁性会衰减，从而严重影响MRAM的性能。

现有的另一种方法是采用高密度等离子体(HDP，High Density Plasma)化学气相淀积(CVD)工艺来沉积IMD，该方法形成的IMD具有较高的填充能力，可以有效地避免IMD空洞问题。但是HDP CVD存在以下问题：

(1)在HDP CVD中，高填充能力的IMD介质层通常需要在高温下形成，且温度一般超过400℃，而MRAM的制备温度不得超过350℃；