磁通道結存儲單元及其製造方法
2023-10-05 22:03:14
專利名稱：磁通道結存儲單元及其製造方法
技術領域：
本發明涉及半導體存儲器，尤其涉及一種磁通道結(MTJ)存儲單元、具有該磁通道結存儲單元的磁性隨機存儲器(MRAM)及所述磁通道結存儲單元的製造方法。
背景技術：
磁性隨機存取存儲器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)是一種靜態隨機存儲器，它擁有高速讀取和寫入能力，以及動態隨機存儲器的高集成度，而且基本上可以無限次地重複寫入。MRAM包括電晶體和存儲數據的磁通道結(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)存儲單元。MRAM是一種利用這些MTJ單元的特性來寫數據的存儲設備。圖1示出了現有技術中的磁通道結存儲單元的結構示意圖。磁通道結存儲單元 100包括下電極110、磁通道結120和上電極130。下電極110和上電極130可以是鉭(Ta) 電極或氮化鈦(TiN)電極。磁通道結120包括順序地堆疊在下電極110之上的釘扎層121、 隧道阻擋層122以及記錄層123。釘扎層121和記錄層123均由鐵磁性材料製成。隧道阻擋層122通常非常薄，其材料為氧化鎂或氧化鋁等。上電極130堆疊在記錄層123之上。在寫入記錄信息時，在下電極110和上電極130中通入電流，且電流通過磁通道結 120。該電流在下電極110和上電極130間產生磁場，藉助於該磁場使磁通道結120中的記錄層123的磁化方向反轉。根據釘扎層121和記錄層123的磁化的相對配置是平行還是反平行來記錄二進位信息。圖2示出了現有技術形成磁通道結存儲單元的上電極開口的示意圖。如圖2所示， 在包含下電極210的介電層240上形成磁通道結220，其中磁通道結220位於下電極210的正上方。形成磁通道結220的方法為先順序地形成釘扎材料層、隧道阻擋材料層以及記錄材料層，然後通過光刻工藝形成磁通道結220。然後，沉積介電層250，並在介電層250中、 磁通道結220的正上方刻蝕形成容納上電極的開口 230。最後在開口 230內填充導電材料， 形成上電極。當對MRAM執行寫入操作時，電流密度必須滿足一定的數值才能實現寫入數據。磁通道結的面積越大，所需的寫電流也越大，這樣才能滿足寫入操作所需的電流密度。這勢必會導致在執行寫操作時增大MRAM的功耗。此外，磁通道結的面積較大還會降低MRAM的存儲密度，因此要求磁通道結具有較小的線寬。如圖2所示，由於磁通道結220的線寬較小，因此在刻蝕開口 230的過程中會對磁通道結220兩側的介電層進行刻蝕。這可能會使下電極 110和隨後形成的上電極之間由於介電層的缺損而電連接，導致磁通道結存儲單元失效。因此，需要一種磁通道結存儲單元及其製造方法，在不增大磁通道結的線寬的前提下，克服由於介電層的缺損而導致上下電極之間形成電連接的問題，從而避免磁通道結存儲單元失效。
發明內容
在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式
部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。為了解決刻蝕形成上電極的開口時對介電層造成缺損的問題，本發明提供了一種磁通道結存儲單元，包括下電極；上電極，位於所述下電極的上方；磁通道結，夾置在所述下電極和所述上電極之間；以及側壁結構，形成在所述磁通道結兩側。優選地，所述側壁結構的寬度與所述磁通道結的寬度之和大於等於所述上電極的寬度。優選地，所述側壁結構包含至少一層氧化物層和至少一層氮化物層，其中所述至少一層氧化物層中的每一層和所述至少一層氮化物層中的每一層交替排列，並且所述側壁結構的最內層為氧化物層。優選地，所述側壁結構包含一層氧化物層和一層氮化物層，並且所述側壁結構的
最內層為氧化物層。優選地，所述氮化物層的材料為氮化矽或摻碳的氮化矽。優選地，在所述下電極未被所述磁通道結覆蓋的上表面以及所述磁通道結與所述側壁結構之間還包含阻擋層。本發明還提供一種製造磁通道結存儲單元的方法，包括提供下電極；在所述下電極上形成磁通道結；在所述磁通道結兩側形成側壁結構；以及在所述磁通道結上形成上電極。優選地，所述側壁結構的寬度與所述磁通道結的寬度之和大於等於所述上電極的寬度。優選地，形成所述側壁結構的方法包括在所述下電極和所述磁通道結上形成至少一層氧化物層和至少一層氮化物層，其中所述至少一層氧化物層中的每一層和所述至少一層氮化物層中的每一層交替排列，並且最內層為氧化物層；以及刻蝕所述至少一層氧化物層和所述至少一層氮化物層，形成所述側壁結構。優選地，形成所述側壁結構的方法包括在所述下電極和所述磁通道結上依次形成一層氧化物層和一層氮化物層；以及刻蝕所述氧化物層和所述氮化物層，形成所述側壁結構。優選地，所述氮化物層的材料為氮化矽或摻碳的氮化矽。優選地，形成所述上電極的方法包括在所述下電極和形成有所述側壁結構的所述磁通道結上形成介電層；在所述介電層中所述磁通道結的正上方形成開口 ；在所述開口中填充導電材料，形成所述上電極。 優選地，所述方法還包括在所述下電極和所述磁通道結上形成阻擋層。本發明還提供一種磁性隨機存儲器，其特徵在於，所述磁性隨機存儲器包含所述磁通道結存儲單元。根據本發明的磁通道結存儲單元包含形成在磁通道結兩側的側壁結構，因此可以防止在刻蝕形成容納上電極的開口過程中，對上下電極之間的介電層進行刻蝕。其中，側壁結構的寬度與磁通道結的寬度之和大於等於上電極的寬度，可以在刻蝕過程中有效阻擋刻蝕氣體對介電層的刻蝕。另外，磁通道結存儲單元還可以包含阻擋層，以防止後續工藝對磁通道結的汙染和損壞。該阻擋層還可以用作後續製作容納上電極的開口的刻蝕停止層。
本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用於理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述，用來解釋本發明的原理。在附圖中，圖1是現有技術中的磁通道結存儲單元的結構示意圖；圖2是現有技術形成磁通道結存儲單元的上電極開口的示意圖；圖3A是根據本發明一個實施方式的磁通道結存儲單元的剖視圖；圖;3B是根據本發明另一個實施方式的磁通道結存儲單元的剖視圖；圖4A-4E示出了根據本發明一個實施方法的磁通道結存儲單元的製作流程中各步驟的剖視圖；圖5為根據本發明一個實施方式製作磁通道結存儲單元的流程圖。
具體實施例方式在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員來說顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對於本領域公知的一些技術特徵未進行描述。為了徹底了解本發明，將在下列的描述中提出詳細的結構和步驟，以便說明本發明的磁通道結存儲單元及其製造方法，以避免由於介電層的缺損而導致上下電極之間電連接。顯然，本發明的施行並不限定於半導體領域的技術人員所熟習的特殊細節。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。圖3A是根據本發明一個實施方式的磁通道結存儲單元的剖視圖。磁通道結存儲單元300包括磁通道結320、側壁結構380、上電極330和下電極310。圖3A示出的磁通道結320包含釘扎層321、隧道阻擋層322以及記錄層323。然而，磁通道結320可以具有多種結構，不限於此處所列舉的三層結構。上電極330位於下電極310的上方，磁通道結320夾置在下電極310和上電極330 之間。為了增大磁通道結存儲單元的密度和存儲容量，降低磁通道結存儲單元的功耗，磁通道結320的線寬較小，因此通常上電極330和下電極310的寬度大於磁通道結320的寬度。在磁通道結320兩側形成有側壁結構380，以防止在刻蝕形成容納上電極330的開口過程中，對上電極330和下電極310之間的介電層進行刻蝕。優選地，側壁結構380的寬度Qd)與磁通道結320的寬度之和大於等於上電極 330的寬度，以在刻蝕過程中有效阻擋刻蝕氣體對介電層的刻蝕。側壁結構380可以為包含至少一層氧化物層(未示出)和至少一層氮化物層(未示出)。至少一層氧化物層中的每一層和至少一層氮化物層中的每一層交替排列，並且側壁結構380的最內層為氧化物層。所述最內層為離磁通道結320最近的一層。舉例來說，側壁結構380包括依次形成在磁通道結320兩側的氧化物層和氮化物層，或者包括依次形成在磁通道結320兩側的氧化物層、氮化物層和氧化物層，等等。其中，氮化物層的材料可以為氮化矽或摻碳的氮化矽。優選地，側壁結構380包含一層氧化物層和一層氮化物層，其中氧化物層位於磁通道結320的側表面上。在側壁結構380、上電極330和下電極310周圍包圍著介電層350，用於使磁通道結存儲單元300與周圍的器件彼此絕緣。介電層350通常選用低k材料，以改善由於特徵尺寸不斷減小和金屬連線高寬比增加導致互連電容快速上升，而引起的串擾等問題。圖;3B是根據本發明另一個實施方式的磁通道結存儲單元的剖視圖。磁通道結存儲單元300還包含阻擋層340，阻擋層340位於下電極310未被磁通道結320覆蓋的上表面以及磁通道結320與側壁結構380之間。阻擋層340的作用在於，第一，可以防止介電層 360擴散到磁通道結320中而汙染磁通道結320 ；第二，可以避免後續形成側壁結構的工藝對磁通道結320造成損傷；第三，阻擋層340可以用作後續製作容納上電極330的開口的刻蝕停止層。阻擋層340的材料為氮化物，厚度大約為100-500埃。本發明還提出一種製造磁通道結存儲單元的方法，包括提供下電極；在下電極上形成磁通道結；在磁通道結兩側形成側壁結構；以及在磁通道結上形成上電極。下面將具體描述圖3B所示的磁通道結存儲單元的製造方法。圖4A-4E示出了根據本發明一個實施方法的磁通道結存儲單元的製作流程中各步驟的剖視圖。如圖4A所示，提供下電極410，在下電極410上形成磁通道結420。優選地，磁通道結420位於下電極410的正上方。下電極410由介電層450包圍。優選地，還可以形成覆蓋下電極410和磁通道結420的阻擋層440，其中，阻擋層440的材料為氮化物，厚度為 100-500 埃。下面參照圖4B-4C來具體描述在下電極410和磁通道結420上形成有阻擋層440 的優選實施方式中，形成側壁結構的方法。在本發明的其它實施方式中，當不包含形成阻擋層440的步驟時，以下形成在阻擋層440上的各種層結構將直接形成在下電極410和磁通道結420上。在本發明的其它實施方式中，形成所述各種層結構的方法和步驟與以下優選實施方式中介紹的方法和步驟相同，因此不再贅述。如圖4B所示，在阻擋層440上依次形成一層氧化物層481和一層氮化物層482。 其中氧化物層481的厚度大約為100-300埃，氮化物層482的厚度大約為200-500埃。氮化物層482的材料可以為氮化矽或摻碳的氮化矽。可選地，可以在阻擋層440上形成至少一層氧化物層和至少一層氮化物層。至少一層氧化物層中的每一層和至少一層氮化物層中的每一層交替排列，並且最內層為氧化物層。所述最內層為離阻擋層440最近的一層。舉例來說，可以在阻擋層440上依次形成氧化物層、氮化物層和氧化物層，或者在阻擋層440上依次形成氧化物層、氮化物層、氧化物層和氮化物層，等等。如圖4C所示，刻蝕氧化物層481和氮化物層482，在磁通道結420兩側形成側壁結構480。對氧化物層481的刻蝕和氮化物層482的刻蝕可以採用幹法刻蝕。例如，刻蝕氧化物層481時，主要的刻蝕氣體可以使用CF4。刻蝕的氮化物層482時，主要的刻蝕氣體可以使用( 或CF4。如圖4D所示，在磁通道結420上形成容納上電極的開口 470。具體步驟為在側壁結構480和阻擋層440上形成介電層460，並在介電層460中、磁通道結420上形成開口 470，開口 470用於容納上電極。優選地，開口 470位於磁通道結420的正上方。如圖4Ε所示，在開口 470內填充導電材料，形成上電極430，完成磁通道結存儲單元的製作。圖5為根據本發明一個實施方式製作磁通道結存儲單元的流程圖。在步驟501中，提供下電極，在下電極上形成磁通道結，在下電極和磁通道結上形成阻擋層。在步驟502 中，在阻擋層上形成一層氧化物層和一層氮化物層。在步驟503中，刻蝕氧化物層和氮化物層，在磁通道結兩側形成側壁結構。在步驟504中，在側壁結構和阻擋層上形成介電層，並在介電層中、磁通道結上形成容納上電極的開口。在步驟505中，在開口內填充導電材料， 形成上電極，完成磁通道結存儲單元的製作。可以用本領域技術人員公知的任意方法形成上述各種層結構和其他結構。還需要理解的是，當提到某一層位於另一層或襯底「上」或「下」時，此層可以直接位於另一層或襯底的「上」或「下」，或者其間也可以出現中間層。綜上所述，根據本發明的磁通道結存儲單元包含形成在磁通道結兩側的側壁結構，因此可以防止在刻蝕形成容納上電極的開口過程中，對上下電極之間的介電層進行刻蝕。其中，側壁結構的寬度與磁通道結的寬度之和大於等於上電極的寬度，可以在刻蝕過程中有效阻擋刻蝕氣體對介電層的刻蝕。另外，磁通道結存儲單元還可以包含阻擋層，以防止後續工藝對磁通道結的汙染和損壞。該阻擋層還可以用作後續製作容納上電極的開口的刻蝕停止層。根據本發明的磁通道結存儲單元可用於磁性隨機存儲器。由於以上描述了磁通道結存儲單元，並且其它部件都是公知的，因此省略對根據本發明的磁性隨機存儲器的結構描述。根據本發明的磁性隨機存儲器可用於例如用戶電子產品，如個人計算機、可攜式計算機、遊戲機、蜂窩式電話、個人數字助理、攝像機、數位相機、手機等各種電子產品中，尤其是射頻產品中。本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明並不局限於上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的權利要求書及其等效範圍所界定。
權利要求
1.一種磁通道結存儲單元，包括 下電極；上電極，位於所述下電極的上方；磁通道結，夾置在所述下電極和所述上電極之間；以及側壁結構，形成在所述磁通道結兩側。
2.如權利要求1所述的磁通道結存儲單元，其特徵在於，所述側壁結構的寬度與所述磁通道結的寬度之和大於等於所述上電極的寬度。
3.如權利要求1所述的磁通道結存儲單元，其特徵在於，所述側壁結構包含至少一層氧化物層和至少一層氮化物層，其中所述至少一層氧化物層中的每一層和所述至少一層氮化物層中的每一層交替排列，並且所述側壁結構的最內層為氧化物層。
4.如權利要求1所述的磁通道結存儲單元，其特徵在於，所述側壁結構包含一層氧化物層和一層氮化物層，並且所述側壁結構的最內層為氧化物層。
5.如權利要求3或4所述的磁通道結存儲單元，其特徵在於，所述氮化物層的材料為氮化矽或摻碳的氮化矽。
6.如權利要求1所述的磁通道結存儲單元，其特徵在於，在所述下電極未被所述磁通道結覆蓋的上表面以及所述磁通道結與所述側壁結構之間還包含阻擋層。
7.一種製造磁通道結存儲單元的方法，包括 提供下電極；在所述下電極上形成磁通道結； 在所述磁通道結兩側形成側壁結構；以及在所述磁通道結上形成上電極。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述側壁結構的寬度與所述磁通道結的寬度之和大於等於所述上電極的寬度。
9.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，形成所述側壁結構的方法包括在所述下電極和所述磁通道結上形成至少一層氧化物層和至少一層氮化物層，其中所述至少一層氧化物層中的每一層和所述至少一層氮化物層中的每一層交替排列，並且最內層為氧化物層；以及刻蝕所述至少一層氧化物層和所述至少一層氮化物層，形成所述側壁結構。
10.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，形成所述側壁結構的方法包括 在所述下電極和所述磁通道結上依次形成一層氧化物層和一層氮化物層；以及刻蝕所述氧化物層和所述氮化物層，形成所述側壁結構。
11.如權利要求9或10所述的方法，其特徵在於，所述氮化物層的材料為氮化矽或摻碳的氮化矽。
12.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，形成所述上電極的方法包括 在所述下電極和形成有所述側壁結構的所述磁通道結上形成介電層； 在所述介電層中所述磁通道結的正上方形成開口；在所述開口中填充導電材料，形成所述上電極。
13.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括在所述下電極和所述磁通道結上形成阻擋層。
14.一種磁性隨機存儲器，其特徵在於，所述磁性隨機存儲器包含如權利要求1所述的磁通道結存儲單元。
15.一種包含如權利要求14所述的磁性隨機存儲器的電子設備，其中所述電子設備選自個人計算機、可攜式計算機、遊戲機、蜂窩式電話、個人數字助理、攝像機和數位相機。
全文摘要
本發明涉及一種磁通道結存儲單元及其製造方法，所述磁通道結存儲單元包括下電極；上電極，位於所述下電極的上方；磁通道結，夾置在所述下電極和所述上電極之間；以及側壁結構，形成在所述磁通道結兩側。根據本發明的磁通道結存儲單元在不增大磁通道結的線寬的前提下，能克服由於介電層的缺損而導致上下電極之間形成電連接的問題，從而避免磁通道結存儲單元失效。
文檔編號H01L43/02GK102376871SQ201010263258
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月19日 優先權日2010年8月19日
發明者張海洋, 胡敏達, 韓秋華 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司