在平坦化電極上的磁性隧道結的製作方法
2023-05-31 17:42:56
專利名稱：在平坦化電極上的磁性隧道結的製作方法
技術領域：
本發明一般來說涉及存儲器裝置。更具體來說，本發明涉及磁性隨機存取存儲器(MRAM)。
背景技術：
與常規隨機存取存儲器(RAM)晶片技術不同，在磁性RAM(MRAM)中，數據並不存儲 為電荷，而是替代地通過存儲元件的磁性極化而存儲。存儲元件由通過隧穿層所分開的兩個鐵磁層形成。所述兩層中的一者具有設置成特定極性的至少一個釘扎磁性極化(或固定層)。更改另一磁性層(或自由層)的磁極性以使其表示「I」(即，針對固定層的反平行極性)或「O」(即，針對固定層的平行極性)。具有固定層、隧穿層和自由層的一個此裝置為磁性隧道結(MTJ)。MTJ的電阻取決於自由層的磁極性(相較於固定層的磁極性)。由個別可尋址MTJ的陣列建置例如MRAM的存儲器裝置。常規地，MTJ經由底部電極接觸底部金屬。所述底部電極經由最小特徵開口接觸所述底部金屬。MTJ放置在底部電極上遠離與底部金屬接觸的位置，以降低MTJ中的表面粗糙度。因此，底部電極在寬度上比MTJ的大小延伸地大。結果，底部電極的增加的接觸電阻產生高電阻。另外，底部電極的延伸寬度產生增加的面積開銷和位單元大小。隨著位單元大小減小,與底部金屬接觸的大小減小且降低製造可靠性。另外，隨著位單元大小減小，由於種入和填充底部金屬的挑戰，電阻增加。增加的電阻導致常規MTJ的敏感度的損耗。因此，需要一種具有較小位單元大小和較低電阻率的MTJ。
發明內容
根據本發明的一個方面，一種磁性隧道結(MTJ)包含底部金屬。所述MTJ還包含在所述底部金屬上的底部電極。所述MTJ進一步包含在所述底部電極上的材料堆疊。所述材料堆疊小於所述底部電極且與所述底部金屬實質上對準。所述MTJ還包含在所述材料堆疊上的頂部電極。根據本發明的另一方面，一種用於製造磁性隧道結裝置的方法包含將第二絕緣層沉積在底部金屬周圍和第一絕緣層上。所述方法還包含圖案化所述第二絕緣層以暴露所述底部金屬。所述方法進一步包含在圖案化所述第二絕緣層之後將底部電極沉積在所述底部金屬上以覆蓋所述底部金屬。所述方法還包含平坦化所述底部電極。所述方法進一步包含在平坦化所述底部電極之後將MTJ層沉積在所述底部電極上。
根據本發明的又一方面，一種用於製造磁性隧道結裝置的方法包含將第二絕緣層沉積在底部金屬周圍和第一絕緣層上。所述方法還包含圖案化所述第二絕緣層以暴露所述底部金屬。所述方法進一步包含在圖案化所述第二絕緣層之後將底部電極沉積在所述底部金屬上以覆蓋所述底部金屬。所述方法還包含平坦化所述底部電極。所述方法進一步包含在平坦化所述底部電極之後將MTJ層沉積在所述底部電極上。根據本發明的另一方面，一種磁性隧道結(MTJ)包含底部金屬。所述MTJ還包含用於在所述底部金屬上耦合的裝置。所述MTJ進一步包含在所述耦合裝置上的材料堆疊。所述材料堆疊經圖案化為小於所述耦合裝置的大小，且所述材料堆疊與所述底部金屬實質上對準。所述MTJ還包含在所述材料堆疊上的頂部電極。上文已相當廣泛地概述了本發明的特徵和技術優點，以便可更好地理解以下的[具體實施方式
]。將在下文中描述本發明的額外特徵和優點。所屬領域的技術人員應了解，本發明可容易用作修改或設計用於進行本發明的相同目的的其它結構的基礎。所屬領 域的技術人員還應認識到，此些等效構造不脫離如在附加權利要求書中所闡述的本發明的教示。當結合附圖進行考慮時，從以下描述將更好地理解被認為是本發明的特性的新穎特徵(皆關於其組織和操作方法)以及其它目標和優點。然而，應明確地理解，諸圖中的每一者僅出於說明和描述的目的而提供，且不希望作為本發明的限制的界定。
為了更完整地理解本發明，現參考結合隨附圖式的以下描述。圖1A-1H是說明製造根據一個實施例的直接接觸的MTJ的橫截面圖。圖2是說明根據一個實施例的具有下層的直接接觸的MTJ裝置的橫截面圖。圖3是說明根據一個實施例的具有蝕刻止擋層的直接接觸的MTJ裝置的橫截面圖。圖4是圖示可有利地使用本發明的實施例的示範性無線通信系統的框圖。圖5是說明根據一個實施例的用於半導體組件的電路、布局和邏輯設計的設計工作站的電路圖。
具體實施例方式可將磁性隧道結(MTJ)裝置製造成具有用於MTJ的底部電極的大接觸開口以允許MTJ與底部金屬直接接觸。所述大接觸開口允許較小位單元大小和較高合格率。較小位單元大小減少包含直接接觸的MTJ裝置的磁性隨機存取存儲器(MRAM)裝置的總裸片面積。另夕卜，MTJ裝置放置在與底部金屬實質上對準的底部電極上。放置與底部金屬實質上對準的MTJ裝置降低接觸電阻且增強MTJ裝置的敏感度。製造直接接觸的MTJ還簡化了集成和製造過程以實現較高合格率。圖1A-1H是說明製造根據一個實施例的直接接觸的MTJ的橫截面圖。圖IA說明在絕緣體沉積和圖案化之後的部分完整的MTJ裝置。絕緣體104沉積在絕緣體102上。絕緣體102圍繞可具有可調整寬度的底部金屬122。使用第一掩模圖案化絕緣體104以產生開口 140，所述開口 140暴露底部金屬122以用於與底部電極124接觸。圖IB說明根據一個實施例的在底部電極沉積之後的部分完整的MTJ裝置。底部電極124沉積在絕緣體104、絕緣體102和底部金屬122上，且可為(例如)鉭、銅、鎢、氮化鉭或氮化鉭/鉭雙層。根據一個實施例，如果選擇鎢或銅用於底部電極124，那麼實現較高導電性和較低電阻率。另外，鎢和銅比其它導電金屬容易平坦化。底部電極124在圖IA中經圖案化的開口 140中接觸底部金屬122。在另一實施例中，接觸側壁和底部界面由擴散勢
壘·覆蓋。底部電極124與底部金屬122之間的大接觸降低了接觸電阻。較低電阻改進MTJ裝置100的讀取與寫入過程兩者。舉例來說，在讀取操作期間，敏感度為MTJ裝置100的電阻改變除以MTJ裝置100的總電阻。降低較大接觸的MTJ裝置100的總電阻增加電阻改變的相對貢獻。另外，在寫入操作期間，降低跨越底部金屬122與底部電極124的接觸的電壓降，從而降低用於寫入操作的供應電壓量。在寫入操作期間降低的供應電壓增加MTJ裝置100的可靠性且減少MTJ裝置100的功率消耗。圖IC說明根據一個實施例的在底部電極平坦化之後的部分完整的MTJ裝置。使 用(例如)化學機械拋光來平坦化底部電極124以從絕緣體104實質上去除底部電極124。另外，底部電極124的平坦化在底部電極124上產生實質上扁平表面以用於MTJ層(尚未圖示)。圖ID說明在MTJ層沉積之後的部分完整的MTJ裝置。MTJ層126可為(例如)鐵磁層/隧道勢壘層/鐵磁層多層堆疊。根據一個實施例，MTJ層126為反鐵磁體/合成反鐵磁參考層/隧道勢壘/自由層(例如，PtMn/CoFe/Ru/CoFeB/MgO/CoFeB) 0另外，可將罩蓋層(capping layer)(未圖示)放置在MTJ層126上。底部電極124的實質上扁平表面降低MTJ層126的表面粗糙度，且改進MTJ裝置100的磁性和電性質。根據一個實施例，MTJ層126在從後段工藝(back-end-of-line，BE0L)設備轉移之後沉積在專用MTJ工具中。圖IE說明根據一個實施例的在頂部電極層沉積之後的部分完整的MTJ裝置。使用第二掩模來圖案化MTJ層126。經圖案化MTJ層126的位置與底部金屬122實質上對準。在圖案化之後，沉積絕緣體106使其圍繞MTJ層126。根據一個實施例，絕緣體106經沉積，且經回蝕而與MTJ層126相齊。頂部電極128沉積在MTJ層126和絕緣體106上。頂部電極128可為(例如)鉭、氮化鉭、鈦或氮化鈦。圖IF說明根據一個實施例的在頂部電極圖案化之後的部分完整的MTJ裝置。使用第三掩模來圖案化頂部電極128。頂部電極128可為與底部電極124不同的大小(儘管圖示為相同大小)。頂部電極128的大小部分地確定絕緣體106保留在MTJ層126的側面上的大小。較大頂部電極128在絕緣體106的蝕刻期間導致較大量絕緣體106經定位而直接圍繞MTJ層126。因此，MTJ層126的側壁對於較大頂部電極128比較小頂部電極128接收來自絕緣體106的更多保護。頂部電極128應足夠大，使得對應絕緣體106保護MTJ層126的側壁。根據一個實施例，頂部電極128的寬度可為100-200nm。圖IG說明根據一個實施例的在絕緣體沉積之後的部分完整的MTJ裝置。沉積絕緣體108使其圍繞絕緣體106和頂部電極128。根據一個實施例,絕緣體108經沉積,且經回蝕而與頂部電極128相齊。圖IH說明根據一個實施例的在頂部金屬形成之後的部分完整的MTJ裝置。絕緣體110和頂部金屬130沉積在頂部電極128和絕緣體108上，使得頂部金屬130與頂部電極128形成電接觸。根據一個實施例，可沉積絕緣體110，且圖案化用於頂部金屬130的開口，接著將頂部金屬130沉積在所述開口中。頂部金屬130可為(例如)銅或鋁。在頂部金屬130、頂部電極128、MTJ層126、底部電極124與底部金屬122之間形成電路徑。所述電路徑可用於傳遞用於MTJ裝置100的讀取操作的感測電流和/或用於MTJ裝置100的寫入操作的寫入電流。圖2是說明根據一個實施例的具有下層的直接接觸的MTJ裝置的橫截面圖。下層202可沉積在底部電極124上以促進所要的MTJ微結構(例如，特定結晶結構)。下層202可為(例如)鉭。可使用第二掩模或第三掩模來圖案化下層202。根據使用第二掩模的實施例，下層202與MTJ層126的大小實質上相同。根據使用第三掩模的實施例，下層202與頂部電極128的大小實質上相同。另外,底部金屬122的寬度可調整。
圖3是說明根據一個實施例的具有蝕刻止擋層的直接接觸的MTJ裝置的橫截面圖。蝕刻止擋層302可沉積在絕緣體102上以防止在圖案化絕緣體104期間蝕刻絕緣體102。即，在過度蝕刻絕緣體104期間，可蝕刻絕緣體102，從而導致稍後經圖案化的底部電極124、MTJ層126和頂部電極128的表面粗糙度和不良電特性。沉積在絕緣體102上的蝕刻止擋層302相較於絕緣體104以降低的速率蝕刻，從而實質上減少蝕刻絕緣體102。另夕卜，底部金屬122的寬度可調整。如上文所揭示的直接接觸的MTJ允許較小位單元大小和較高合格率。另外，以平坦化底部電極填充的大接觸開口降低MTJ的接觸電阻。降低的接觸電阻改進讀取與寫入過程兩者。一種用於直接接觸的MTJ的製造過程具有簡單集成和高合格率。圖4是圖示可有利地使用本發明的實施例的示範性無線通信系統400的框圖。出於說明的目的，圖4圖示三個遠程單元420、430和450以及兩個基站440。將認識到，無線通信系統可具有更多的遠程單元和基站。遠程單元420、430和450包含IC裝置425A、425C和425B，所述IC裝置425A、425C和425B包含所揭示的MTJ裝置。將認識到，含有IC的任何裝置還可包含此處所揭示的MTJ裝置，包含基站、切換裝置和網絡設備。圖4圖示從基站440到遠程單元420、430和450的前向鏈路信號480，和從遠程單元420、430和450到基站440的反向鏈路信號490。在圖4中，遠程單元420圖示為行動電話，遠程單元430圖示為可攜式計算機，且遠程單元450圖示為在無線本地環路系統中的固定位置遠程單元。舉例來說，遠程單元可為行動電話、手持型個人通信系統(PCS)單元、例如個人數據助理的可攜式數據單元、具備GPS功能的裝置、導航裝置、機頂盒、音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、例如儀表讀取設備的固定位置數據單元，或存儲或檢索數據或計算機指令的任何其它裝置，或其任何組合。儘管圖4說明根據本發明的教示的遠程單元，但本發明不限於這些示範性所說明單元。本發明的實施例可適當地用於包含MTJ裝置的任何裝置中。圖5是說明用於例如上文所揭示MTJ的半導體組件的電路、布局和邏輯設計的設計工作站的電路圖。設計工作站500包含含有作業系統軟體、支持文件、和例如Cadence或OrCAD的設計軟體的硬碟501。設計工作站500還包含顯示器以有助於電路510或例如MTJ的半導體組件512的設計。提供存儲媒體504以用於有形地存儲電路設計510或半導體組件512。電路設計510或半導體組件512可以例如⑶SII或GERBER的文件格式存儲在存儲媒體504上。存儲媒體504可為⑶-R0M、DVD、硬碟、快閃記憶體或其它適當裝置。此外，設計工作站500包含用於從存儲媒體504接受輸入或將輸出寫入到存儲媒體504的驅動設備503。記錄在存儲媒體504上的數據可指定邏輯電路配置、光刻掩模的圖案數據、或例如電子束光刻的串列寫入工具的掩模圖案數據。數據可進一步包含例如與邏輯模擬相關聯的時序圖或網狀電路的邏輯驗證數據。在存儲媒體504上提供數據通過減少用於設計半導體晶片的製程的數目來有助於電路設計510或半導體組件512的設計。對於固件和/或軟體實施而言，可通過執行本文中所描述的功能的模塊(例如，程序、函式，等等)來實施所述方法。有形地體現指令的任何機器可讀媒體均可用於實施本文中所描述的方法。舉例來說，軟體代碼可存儲在存儲器中且由處理器單元來執行。存儲器可實施在處理器單元內或處理器單元外部。本文所使用的術語「存儲器」指代長期存儲器、短期存儲器、易失性存儲器、非易失性存儲器或其它存儲器中的任何類型，且不限於任何特定存儲器類型或存儲器數目，或指代存儲器存儲於其上的媒體類型。如果以固件和/或軟體加以實施，那麼所述功能可作為一個或一個以上指令或代碼而存儲在計算機可讀媒體上。實例包含通過數據結構加以編碼的計算機可讀媒體和通過電腦程式加以編碼的計算機可讀媒體。計算機可讀媒體包含物理計算機存儲媒體。存儲媒體可為可由計算機存取的任何可用媒體。通過實例而非限制，此些計算機可讀媒體可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光碟存儲裝置、磁碟存儲裝置或其它磁性存儲裝置，或可用以存儲呈指令或數據結構形式的所要程序代碼且可通過計算機加以存取的任何其它媒體；如本文中所使用，磁碟和光碟包含壓縮光碟(CD)、雷射光碟、光學光碟、數字通用光碟(DVD)、軟性磁碟和藍光光碟，其中磁碟通常以磁性方式再現數據，而光碟通過雷射以光學方式再現數據。上述各物的組合還應包含在計算機可讀媒體的範圍內。除了存儲在計算機可讀媒體上之外，指令和/或數據還可作為信號而被提供在包含於通信設備中的傳輸媒體上。舉例來說，通信設備可包含具有指示指令和數據的信號的收發器。指令和數據經配置以使一個或一個以上處理器實施權利要求書中所概述的功能。儘管已陳述特定電路，但所屬領域的技術人員將了解，並非需要全部所揭示電路來實踐本發明。此外，未描述某些眾所周知的電路，以便集中關注本發明。儘管已詳細描述本發明及其優點，但應理解，可在不脫離如附加權利要求書所界定的本發明的技術的情況下，對本發明進行各種改變、取代和更改。舉例來說，關於襯底或電子裝置使用例如「上方」和「下方」的相關術語。當然，如果使襯底或電子裝置反轉，那麼「上方」變成「下方」，且「下方」變成「上方」。另外，如果定向為側向，那麼「上方」和「下方」可指代襯底或電子裝置的側面。此外，本發明的範圍不希望限於本說明書中所描述的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法和步驟的特定實施例。如所屬領域的技術人員將容易從本發明了解，根據本發明，可利用當前存在或稍後待開發的執行與本文中所描述的對應實施例實質上相同的功能或實現實質上相同的結果的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法或步驟。因此，附加權利要求書希望在其範圍內包含此些過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法或步驟。
權利要求
1.一種磁性隧道結，其包括 底部金屬； 底部電極，其在所述底部金屬上； 材料堆疊，其在所述底部電極上，所述材料堆疊小於所述底部電極且與所述底部 金屬實質上對準；以及 頂部電極，其在所述材料堆疊上。
2.根據權利要求I所述的磁性隧道結，其中所述頂部電極的寬度介於IOOnm到150nm。
3.根據權利要求I所述的磁性隧道結，其中所述底部電極為選自由以下各者組成的群組的材料鎢、銅、鉭和氮化鉭。
4.根據權利要求I所述的磁性隧道結，其中所述底部電極具有實質上扁平表面。
5.根據權利要求I所述的磁性隧道結，其進一步包括在所述底部電極與所述材料堆疊之間的下層。
6.根據權利要求I所述的磁性隧道結，其進一步包括與所述底部金屬的一部分鄰近的蝕刻止擋層，所述底部電極在所述蝕刻止擋層和所述底部金屬上。
7.根據權利要求I所述的磁性隧道結，其中所述材料堆疊包括第一鐵磁層、隧道勢壘層和第二鐵磁層。
8.根據權利要求I所述的磁性隧道結，其中所述磁性隧道結集成到磁性隨機存取存儲器MRAM中。
9.根據權利要求8所述的磁性隧道結，其中所述MRAM經集成到以下各者中的至少一者中機頂盒、音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、導航裝置、通信裝置、個人數字助理PDA、固定位置數據單元和計算機。
10.一種用於製造磁性隧道結裝置的方法，其包括 將第二絕緣層沉積在底部金屬周圍和第一絕緣層上； 圖案化所述第二絕緣層以暴露所述底部金屬； 在圖案化所述第二絕緣層之後將底部電極沉積在所述底部金屬上以覆蓋所述底部金屬； 平坦化所述底部電極；以及 在平坦化所述底部電極之後將MTJ層沉積在所述底部電極上。
11.根據權利要求10所述的方法，其進一步包括 圖案化所述MTJ層； 在圖案化所述MTJ層之後將第三絕緣層沉積在所述MTJ層周圍； 將頂部電極沉積在所述第三絕緣層和所述經圖案化的MTJ層上； 圖案化所述頂部電極和所述第三絕緣層； 將第四絕緣層沉積在所述第三絕緣層和所述頂部電極周圍； 將第五絕緣層沉積在所述第四絕緣層和所述頂部電極上； 圖案化所述第五絕緣層的開口以暴露所述頂部電極；以及 在所述第五絕緣層的所述開口中將頂部金屬沉積在所述頂部電極上，所述頂部金屬與所述底部金屬實質上對準。
12.根據權利要求11所述的方法，其中圖案化所述第二絕緣層包括用第一掩模圖案化，圖案化所述MTJ層包括用第二掩模圖案化，且圖案化所述頂部電極包括用第三掩模圖案化。
13.根據權利要求10所述的方法，其中圖案化所述第二絕緣層包括蝕刻所述第二絕緣層直到暴露蝕刻止擋層為止。
14.根據權利要求10所述的方法，其進一步包括在沉積MTJ層之前將下層沉積在所述底部電極上。
15.根據權利要求10所述的方法，其進一步包括將所述磁性隧道結裝置集成到以下各者中的至少一者中機頂盒、音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、導航裝置、通信裝置、個人數字助理PDA、固定位置數據單元和計算機。
16.一種用於製造磁性隧道結裝置的方法，其包括以下步驟 將第二絕緣層沉積在底部金屬周圍和第一絕緣層上； 圖案化所述第二絕緣層以暴露所述底部金屬；在圖案化所述第二絕緣層之後將底部電極沉積在所述底部金屬上以覆蓋所述底部金屬； 平坦化所述底部電極；以及 在平坦化所述底部電極之後將MTJ層沉積在所述底部電極上。
17.根據權利要求16所述的方法，其進一步包括將所述磁性隧道結裝置集成到以下各者中的至少一者中機頂盒、音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、導航裝置、通信裝置、個人數字助理PDA、固定位置數據單元和計算機。
18.一種磁性隧道結，其包括 底部金屬； 用於在所述底部金屬上耦合的裝置； 材料堆疊，其在所述耦合裝置上，所述材料堆疊經圖案化為小於所述耦合裝置的大小，且所述材料堆疊與所述底部金屬實質上對準；以及頂部電極，其在所述材料堆疊上。
19.根據權利要求18所述的磁性隧道結，其中所述耦合裝置具有實質上扁平表面。
20.根據權利要求18所述的磁性隧道結，其中所述磁性隧道結經集成到以下各者中的至少一者中機頂盒、音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、導航裝置、通信裝置、個人數字助理PDA、固定位置數據單元和計算機。
全文摘要
製造一種直接接觸的磁性隧道結MTJ，其具有較低電阻、改進的合格率和較簡單的製造。所述較低電阻改進所述MTJ中的讀取與寫入過程兩者。將所述MTJ層(126)沉積在底部電極(124)上且與底部金屬(122)對準。可鄰近所述底部金屬而沉積蝕刻止擋層(302)，以防止圍繞所述底部金屬的絕緣體過度蝕刻。在沉積所述MTJ層之前平坦化所述底部電極以提供實質上扁平表面。另外，可在所述MTJ層之前將下層(202)沉積在所述底部電極上以促進MTJ的所要特性。
文檔編號H01L43/12GK102754233SQ201180005887
公開日2012年10月24日 申請日期2011年1月14日 優先權日2010年1月15日
發明者升·H·康, 徐華南, 朱曉春, 李康浩, 李霞, 陳維川 申請人:高通股份有限公司