磁場整形導體的製作方法
2024-02-15 01:57:15
專利名稱：磁場整形導體的製作方法
技術領域：
本發明涉及至少有一個電導體的一種集成電路布局及其製造方法，當電流流過這一電導體時產生作用於該電路布局至少另外一部分的磁場。
背景技術：
這種集成電路布局公知的它具有至少一個電導體，當電流流過這一電導體時產生作用於這一電路布局的至少另外一部分的磁場，這種集成電路布局例如採用磁耦(magnetocouplers)或者電流傳感器的形式。在這種布局中，有電流流過的導體產生磁場，在電路布局中通過另外一部分檢測到這個磁場，這另外一部分是例如形成為用於測量產生的磁場的測量元件。
最近開發的一種集成電路布局是一種磁性或磁阻的隨機存取存儲器(MRAM)單元。目前，MRAM被許多公司看作快閃記憶體的替代品。它具有替代除最快的靜態RAM(SRAM)存儲器以外所有存儲器的潛力。這使得MRAM非常適合作為片上系統(SoC)的嵌入式存儲器。它是一種非易失性的存儲器(NVM)器件，這意味著不需要電力就可保持存儲的信息。相對於大多數其它類型的存儲器來說，這一點被看作是一個優點。
MRAM概念最初是在美國的Honeywell公司發展起來的，它將磁多層器件中的磁化方向用作信息存儲器，而將得到的阻值差用於讀出信息。與所有的存儲器器件一樣，MRAM陣列中的每個單元都必須能夠保存代表「1」或「0」的至少兩個二進位狀態。
存在不同種類的磁阻(MR)效應，其中巨型磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)目前是最重要的。GMR效應和TMR或者磁隧道結(MTJ)或者自旋相關隧道(SDT)效應提供了實現只添加(a.o.)非易失性磁存儲器的可能性。這些器件包括一疊薄膜，其中至少兩層是鐵磁性的或亞鐵磁性的薄膜，且由一層非磁性中間層分隔開。GMR是具有導體中間層結構的磁阻，TMR是具有電介質中間層結構的磁阻。如果在兩個鐵磁性或亞鐵磁性膜中間放上非常薄的導體(GMR)，那麼，這種複合多層結構的有效平面電阻(in-plane resistance)，在這些膜的磁化方向平行的時候最小，在這些膜的磁化方向反平行的時候最大。如果在兩個鐵磁性或亞鐵磁性膜中間放上薄電介質中間層(TMR)，那麼，當這些膜的磁化方向平行的時候，將觀測到膜之間的隧道電流最大(或者因此阻值最小)，當這些膜的磁化方向反平行的時候，膜之間的隧道電流最小(或者因此阻值最大)。
通常用上述結構從平行變到反平行磁化強度狀態時阻值的百分比增量來測量磁阻。TMR器件比GMR結構能提供更高百分比的磁阻，與GMR器件相比，能夠形成非常小的尺寸並且只需要非常小的傳感電流，因此，具有以更高的局部解析度(partial resolution)和低功耗測量小信號的潛力。與好的GMR單元中10～14％的磁阻相比，新近的結果表明TMR給出了超過40％的磁阻。
典型的MRAM器件包括多個磁阻存儲器元件，例如排列在陣列中的磁隧道結(MTJ)元件。MTJ存儲器元件一般包括一個分層結構，這種結構包括定位(或固定(pinned))層、自由層和它們之間的電介質隔層。磁性材料的固定層具有總是指向同一方向的磁化強度矢量。自由層的磁化強度矢量相對自由，但是在外界磁場為零時，它被限制在該層的易磁化軸之內，易磁化軸主要是由元件的物理尺寸決定的。在沒有外界磁場時，自由層的磁化強度矢量指向兩個方向之一與固定層的磁化強度方向平行或反平行，該磁化強度方向和所述易磁化軸一致。MRAM的基本原理是以剩磁磁化強度方向為基礎來存儲二進位數據信息，例如「0」和「1」。這就是為什麼磁數據是非易失性的，不會改變，直到受到外部磁場的影響。
MRAM的存儲原理基於例如磁隧道結(MTJ)單元中自由磁層的剩磁磁化強度方向，也就是當磁化力(外部磁場)已經減小到零時，材料中保持的磁化強度。
存儲數據是通過施加磁場，從而導致自由層中的磁性材料磁化成兩種可能的存儲態之一完成的。當MRAM單元分層結構的自由層被磁化為與固定層的磁化強度方向相同時(這些磁化強度方向是平行的)，數據是兩個二進位數值中的一個，例如「0」，相反，如果兩個鐵磁性層的磁化強度方向是反平行的，那麼這個數據是另一個二進位數值，例如「1」。這些磁場是通過使電流流過在這些磁結構外部的帶線(字線和位線)而產生的。在包括多個MRAM單元的MRAM陣列中，基本正交的線在每個存儲位的下面和上面通過，用來承載產生切換場(switching field)的電流。因此，信息的寫入是通過在所選單元的區域內交叉的數字線和位線上同時發送電流脈衝完成的。數字線和位線也叫作字線和位線。電流脈衝按照以下方式在交叉點上產生得到的磁場，即使得只有被尋址的單元暴露在能夠切換自由層磁化強度的足夠強的場中，而其它單元不受影響。每個單元都被設計成只有一條線有電流時不會切換，但是當電流同時流過在所選單元處交叉的兩條線時，根據該電流線上的電流方向和存儲單元的狀態，該單元發生切換。
存儲在MRAM存儲器單元中的信息的讀出是建立在隧道磁阻(TMR)效應基礎之上的。數據的讀出是在沒有施加任何磁場時，通過檢測單元中的阻值變化來實現的。利用分層結構的阻值隨著取向是否平行而改變這一事實，該系統能夠區別數據的兩個二進位值，例如「0」或者「1」。最普通的MRAM設計是1T1MTJ(每個MTJ單元1個電晶體)類型的，如圖1所示。存儲器陣列10包括正交的位線BL1、BL2、BL3和數字線DL1、DL2、DL3，位線和數字線分別在磁隧道結(MTJ)疊層11上、下各自構圖成兩個金屬層。位線BL1、BL2、BL3與這些單元的難磁化軸平行，它在易磁化軸方向上產生磁場，而數字線DL1、DL2、DL3則在難磁化軸方向上產生磁場。在某些設計中這種關係可以相反，即，位線可以產生難磁化軸磁場，而數字線可以產生易磁化軸磁場。對所選單元11s的寫入是通過同時施加電流脈衝通過在單元11s處交叉的相應位線BL2和數字線DL1來完成的。得到的場的方向與單元11s的自由層的易磁化軸成45°角。在這個角度上，自由層的切換場最小，因而可以用最小的電流完成寫入。
MRAM的一個問題是在寫操作期間，直導體線20(即數字線DL1、DL2、DL3或位線BL1、BL2、BL3)產生的磁場是相當不均勻的。圖2A給出了場分布21的示意圖，這個場分布21是沿著一條線測量出來的，這條線垂直於導體線20比如數字線DL1跨過MTJ。當導體線20承載沿縱向也就是根據圖1所示軸的Z方向的電流時，沿導體線橫向的磁場分量具有鐘形分布，該橫向與自由層的平面也就是X方向的Hx場平行。這個場在導體20的中間最強，朝向邊緣急劇減弱。減弱的量取決於導體和測量面之間的距離，可以是大約30％，如圖2A中的實例所示。在圖2A所示的實例中，例如，導體20在X方向的寬度是1000nm，在Y方向的高度是300nm。在這個實例中從導體20的頂面到計算磁場的平面的距離是170nm，它對應於MRAM陣列中數字線的頂面與MTJ元件之間的典型距離。假設有10mA的電流流過導體20。
很明顯，寫入磁場的不均勻性不利於MRAM元件自由層的磁化強度在寫入期間一致轉動(coherent rotation)，這是因為該層的不同部分會有不同的磁場強度。這會給磁切換帶來困難。因而，為了較好地切換MRAM單元自由層的磁化強度方向，需要更大的電流，因為更大的電流通過導體20會產生更強的磁場。鐘形的另外一個缺點是它不利於元件的切換順序。這一點在下文將詳細說明。
從微磁仿真和磁力顯微鏡(MFM)這種微磁觀察可知，在MRAM單元中自由層這種小鐵磁元件30裡，在剩磁狀態下，由於元件30自身去磁場的作用，在元件30的末端仍有一些磁化方向的偏離。在矩形元件30中有兩個常見的磁化模式，它們是圖3A所示的C型和圖3B所示的S型。圖3A和圖3B所示的元件30的尺寸是320×160nm2，圖示模式是利用Landau-Lifshitz-Gibert微磁仿真器計算出來的。當方向與圖3A和圖3B中箭頭指示的當前磁化強度方向相反的一個均勻場施加在元件30這種元件上時，首先，接近元件30末端部分31的磁矩會轉動，這個末端部分朝著中心部分32擴展，隨後是中心部分32的磁矩完全切換。顯然，這種鐘形場分布不利於這種順序，因為必須首先轉動的末端部分31與中心部分32相比是暴露在相當弱的磁場中的，而中心部分32隻有在末端部分31完全轉動後才能切換。這種結果是與更均勻的場相比，元件30僅僅在較強的平均磁場下才會切換。
減小磁場不均勻性的一個簡單方法是加大導線20的寬度，同時將元件30放在線20的中心區域，這是因為兩個原因(1)實際只使用鐘形分布的中心部分時場的不均勻性較小，(2)從元件30到導體20的距離固定時，導體20越寬，場分布變得就越平坦。當導體20的寬度比到元件30的距離大很多(或相當多)時，例如導體的寬度比距離大10倍或更多時，分布不再是鐘形的，而是在中心區域有相當平坦的一個臺地。這一點在圖2B中說明，圖2B中示出了兩條曲線22、23。曲線22對應於圖2A中的曲線21，也就是導體20的尺寸和導體20與測量平面之間的距離與圖2A中的相同。曲線23說明的情形是導體20和測量平面之間的距離保持相同，但這時導體20的寬度是曲線22對應的導體20寬度的6倍。對於曲線22和23兩種情形，導體20的高度一樣。在曲線22的情形中，10mA的電流流過導體20。為了產生足以與第一種情況相比的磁場，41mA的電流流過導體20。能夠看出第二種情況下在曲線23中得到了相當平坦的一部分。但是，擴大導體20的寬度不是所需要的，因為除了喪失比如MRAM陣列10的可伸縮性外，用同樣的電流流過導體20，隨著導體20寬度增加，場強按照雙曲線方式下降。實際上，元件30的寬度一般是導體20寬度的50～80％。在這種幾何形狀下，在導體20中心部分上面第一距離處的位置與MTJ元件邊緣之上第一距離處的位置之間，仍然存在大約15～20％的場強變化。
在EP-1195820中描述了減小由電流流過導體所產生的磁場的不均勻性的另一種可能。根據這份文獻，在面向受到產生的磁場作用的電路部分的那一面，導體上有一個凹口或凹陷，或者一個減小了電導率的區域。該文獻規定了指定區域內有效導體幾何形狀的變化，從而規定了要改變的要在其中傳輸電流的區域。這是通過與相鄰部分的厚度或直徑相比，用凹口減小導體的部分或中心區域的厚度或直徑來實現的。凹口區域影響了場分布，所以在中心區域場分布稍微平坦一些。但是，在所述解決方案中，這點改善並不明顯，並且實現過程相當複雜。此外，在相同的外形尺寸和電流情況下，凹口導體產生的平均磁場比正常導體產生的強度要低。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種方法和裝置，用於獲得更加均勻的磁場，該磁場由流過導體的電流產生。
上述目的是通過本發明的方法和設備實現的。
第一方面，本發明提供一種集成電路布局，它具有至少一個電導體，當電流流過該電導體時產生磁場，產生的磁場作用於該電路布局的至少另外一部分。該電導體具有第一側面朝向所述電路布局的至少另外一部分，還包括一條導電材料主線，以及與其第一側面相連，磁性材料製造的至少一條場整形帶。由於這一場整形帶，使得所述電導體上磁場分布的不均勻性得以減小。
所述至少一條場整形帶可以用導磁率為100或更高的材料製成。鐵磁材料的導磁率能夠達到數十萬。導磁率越高，場整形帶的場整形特性越好。此外，這一材料還可以用具有1kA/m或更低矯頑磁力的材料製造。
所述導電材料可以是金屬，比如銅，或者是合金。所述磁性材料可以是例如透磁合金。
在所述導電材料主線和磁性帶之間的分界面上，所述電導體還可以包括第一附著層。在磁性帶一個側面，所述電導體還可以包括第二附著層，這個側面和附著所述電導體第一側面的那一面相對。所述第一和/或第二附著層可以用比如Ta這種金屬製造，儘管在它能夠附著良好的情況下這種材料不是真的很重要。
所述電導體在它的縱向有一長度，所述磁性帶可以伸展到所述電導體的大部分長度。所述至少一個磁性材料帶在所述電導體的長度上也可以換成包括多個分離的磁性材料段，以便減小形狀各向異性，於是當橫向施加磁場時，會導致該帶較高的導磁率。在這種情況下，這些段可以具有低的縱橫比，即比1大但是大得不太多。
所述電導體在它的橫向有一寬度，相對於它的寬度，所述磁性帶基本上可以位於所述電導體的中心。
可以提供至少兩個電導體，它們位於兩個不同的平面上，以一個角度互相交叉，所述另一部分位於這兩個平面之間，並且所述另一部分位於兩個電導體的交叉點。於是，所述另一部分只會受到所述兩個電導體產生的合成磁場的影響；單個導體的磁場不是強到會對所述另外部分有明顯影響。
所述至少兩個電導體的一些或全部可以有一磁性帶。
所述另外部分可以是例如MRAM器件。由於存在所述場整形帶而重新整形了的場分布，改善了MRAM器件隨切換磁場方向的切換或轉動。
第二方面，本發明提供一種方法，用於產生具有至少一個電導體的集成電路布局，當電流流過該電導體時產生磁場，該磁場作用於所述電路布局的至少另外一部分。該方法包括-提供一條導電材料主線，形成所述電導體的一部分，所述電導體具有第一側面朝向所述電路布局的至少另外一部分，以及-通過提供所述至少一個磁性帶附著在所述電導體的第一側面上，對鄰近所述第一側面的所述磁場整形。
至少一條磁性帶可以用具有100或更高導磁率的材料製成。所述磁性帶的材料具有1kA/m或更低的矯頑磁力。
所述導電材料的主線可以通過金屬鑲嵌工藝(damascene process)提供。
本發明的方法還可以包括在所述主線和所述帶之間提供第一附著層。這種方法還可以包括在所述帶背離所述電導體第一側面的一個側面上提供第二附著層。
本發明的方法還可以包括在所述電導體的長度上形成帶的多個分離段。
通過以下詳細說明，同時結合附圖，本發明的這些和其它特徵、功能和優點將顯而易見，這些附圖用舉例的方法說明本發明的原理。這裡的描述只是用作實例，並不是要限制本發明的範圍。以下引用的標號涉及附圖。
圖1是一個普通1T1MTJ MRAM設計的透視圖，包括多個存儲器單元和正交的位線與數字線。磁隧道結(MTJ)放置在位線和數字線的交叉區域。MTJ的底部電極用過孔V連接到用於讀取這些存儲器單元的選擇電晶體上。
圖2A說明作為與電流垂直的方向上位置的函數，由電流流過直導體所產生的與電流方向垂直的方向上的磁場分量。
圖2B示出了導體寬度對磁場曲線形狀的影響。
圖3A和3B示出了小鐵磁元件在剩磁狀態下的兩個普通磁化模式。圖3A的情況叫做C型，圖3B的情況叫做S型。
圖4是一個透視圖，示出了本發明一個實施例中的一個複合導體，它包括一主導體，主導體上附著一個高導磁率軟磁材料的薄帶。
圖5A和5B是示意圖，分別示出了在傳統導體和本發明一個具體實施例中的導體情況下的磁通量線和場分布。由於在主導體頂部的高導磁率材料帶，鐘形分布被重新整形為M形分布。
圖6A和6B示出了仿真得到的2維X分量磁場圖像，分別對應於純銅導體以及相同的導體上面附著2nm Ta/10nm Py/2nm Ta組成的夾層帶，其中的Py是指透磁合金。
圖7示出了純銅導體與本發明的實施例中具有不同Py厚度的複合導體的場分布比較。
圖8示出了本發明第二個實施例中複合導體的透視圖，該複合導體包括一主導體，主導體上附著有一高導磁率的軟磁材料帶，這個帶被分段，用來減小沿著帶方向的形狀各向異性。
圖9A～9D示出了本發明中用於生產本發明一個實施例中的複合導體(數字線)的一個方法實施例的不同步驟。其中的尺寸不是按比例畫的。
圖10A～10D示出了本發明中用於生產本發明另一個實施例中的複合導體(位線)的第二個實施例的不同步驟。其中的尺寸不是按比例畫的。
在不同的圖中，相同的標號指的是相同或類似的元件。
具體實施例方式
現在結合具體實施例並參考特定的附圖來描述本發明，但是本發明不受它們的限制，而是僅僅由權利要求來限定。所述附圖只是示意性的，而不是限制性的。在這些附圖中，為了進行說明，可能把有些元件的尺寸放大了，沒有按比例畫出。在本說明書和權利要求中用到術語「包括」，它並不排除其它的元件或步驟。當涉及單數名詞時所用的不定冠詞或定冠詞，例如「一」或「一個」，「這個」，也包括多個該名詞，除非有其它具體說明。
另外，在本說明書和權利要求中的術語第一、第二等等，是用來區別相似元件，不是必須按所述順序排列。需要明白的是所用的那些術語在適當的情況下是可以互換的，這裡描述的本發明的實施例可以按其它的次序工作，不只是按這裡的描述或圖示。
此外，在本說明書和權利要求中的術語頂部、底部、上面、下面等等，只是用於描述，未必是描述相對位置。需要明白的是所用的那些術語在適當的情況下是可以互換的，這裡描述的本發明的實施例可以按其它的方向工作，不只是按這裡的描述或圖示。
根據本發明，包括不同材料的複合導體40用於減小電流流過導體40產生的磁場例如MRAM陣列中寫入場的不均勻性。
如圖4所示，本發明一個實施例中的導體40包括用導電材料例如Cu製造的主導體線41，在它的表面有幾nm厚，例如1～10nm厚，用高導磁率軟磁材料比如透磁合金製造的薄帶42，所述透磁合金是用鎳和鐵製造的合金，在下文中用Py表示。典型的透磁合金組成是80％的Ni和20％的Fe。另一個實例是超透磁合金，它的組成是80％的Ni、15％的Fe和5％的Mo。這種材料的另一個實例是CoFe合金，它包含90％的Co和10％的Fe。材料的(相對)導磁率是材料攜帶磁通量的能力與空氣或真空相比的比率，按照定義，空氣或真空的導磁率是1。本發明所述的高導磁率材料是指具有至少100的導磁率的材料。軟磁材料是指那些具有小於～1kA/m(12.5Oe)低矯頑磁力的鐵磁材料。磁性材料的矯頑磁力是在正方向上飽和之後，材料的磁化強度減小為0所需要的負磁場的值。
導體40是電路布局，特別是集成電路布局的一部分，當電流流過導體40時產生磁場，該磁場作用於電路布局的至少另外一部分。高導磁率軟磁材料的薄帶42放置在導體線41的表面上，朝向受磁場作用的電路布局的另外一部分。為了提高高導磁率軟磁帶42和導體線41之間的附著力，在高導磁率軟磁帶42和導體線41之間的界面上可以施加第一附著層43。為了提高高導磁率軟磁帶42和絕緣體材料之間的附著力，可以在高導磁率軟磁帶42的頂部施加第二附著層44，該絕緣材料將在下一步驟中沉積在整個結構上。這些附著層可以用耐熱金屬製成，比如Ta、Mo、W、Ti，或者用它們的化合物，比如TiN製成，根據附著層兩邊要附著的材料而定，並且這些附著層可以有幾個nm厚。但是也可以將合適的其它金屬、合金或化合物作為附著層。
由於帶42的高導磁率，它可充當場整形器來改變導體線41在帶42那側的空間磁場分布。如圖5B所示，帶42將一部分磁通量線50拖進它的內部，給剛好在它上方的區域留下較少的磁通量線50(較小的通量密度)，從而在帶42的邊緣外釋放這些通量線50。結果是在導體線41的中心部分磁場受到了抑制，而靠近帶42的邊緣，磁場得到了增強。在圖5B的底部說明這一點。高導磁率帶42隻是重新分配了導體線41頂部表面之上的磁通量密度，並沒有減少總的通量線。由於在圖5B中場分布51與圖5A中相比呈相對的形狀，因此用相同磁場分布寬度內最大的場變化量ΔH表示的磁場分布的不均勻性明顯地減小了。帶42具有低矯頑磁力(磁性柔度)是優選的，以便確保複合導體產生的磁場精確地跟隨導體中流過的電流變化而沒有明顯的磁滯效應。
圖6A和圖6B示出了兩種情況下導體產生的磁場圖像(X場分量)的一個仿真實例(a)純銅導體20和(b)相同的導體線41，上面附著有2nm Ta/10nm Py/2nm Ta組成的夾層43、42、44。在仿真過程中還將導電性和Ta/Py/Ta疊層產生的自身場也考慮在內。帶箭頭的線表明集成電路布局的另一部分例如MRAM元件要放在上面的平面，產生的磁場將作用於所述另一部分。僅僅作為一個實例，從這個平面到導體表面的距離是170nm。導體20、41的橫截面是1000×300nm2即使高導磁率軟磁帶42隻有幾nm厚，它的作用也是非常顯著的。圖7示出了本發明中具有不同Py厚度的幾個情形的場分布。這些分布是在圖6中帶箭頭的線所表明的平面上計算出來的。說明中厚度的單位是nm。這些曲線表明Py帶42越厚，它的作用越明顯。假設MRAM元件的寬度是500nm(圖7中用兩條垂直的虛線表示)，可以看出使用5nm厚的Py帶42，場的均勻性從用純銅導體20(曲線70)的14.5％，降低到用複合導體40(曲線71)的7.1％。這些曲線表明，對於包括例如MRAM元件的空間中最佳的磁場均勻性，5nm的Py是最佳厚度。取決於導體線41與產生的磁場所作用的元件之間的距離、導體40和元件的寬度以及高導磁率軟磁帶42的材料，可以選擇帶42合適的厚度和寬度。帶42的寬度對磁場的形狀有影響，所以當帶42變寬時，場分布的兩個尖峰距離更遠，並且它們之間的谷變得更深。
除了改善元件所在處磁場的均勻性以外，與中心區域相比，本發明中的場分布更加有利於元件末端區域的磁轉動，如圖7所示，元件末端區域的磁場比中心區域更強，這使得切換過程更容易了。
上述圖6的仿真是用2D模型完成的。實際上，高導磁率帶42在導體線41的縱向延伸(如圖4所示)，從而沿著帶42產生非常強的形狀各向異性。顯然，這個形狀各向異性不是所希望的，因為在橫向施加所述場時，它將導致帶42的低導磁率，這裡的情況就是這樣。到此為止所提到的導磁率應該是接近大塊值(bulk value)，這個大塊值是在大樣(big sample)裡測量得到的，它不會明顯受到樣品形狀和尺寸影響。如果這個磁體變小，並且更重要的是具有大的縱橫比，那麼由於退磁作用，沿著不同的軸測量得到的B-H曲線也不同。舉例來說，如果沿著縱向(易磁化軸)測量，磁化強度曲線比沿著橫向(難磁化軸)測量得到的要陡。因此，作為B-H曲線斜率的所述導磁率隨著磁化處理的方向和磁體的縱橫比而改變。對於更高的導磁率，首選的是減小帶的形狀各向異性。因此，依照本發明的另一個實施例，帶42可以分割成多個帶區域42a、42b、42c、42d，以減小形狀各向異性。第一和第二附著層43、44，如果存在，將被分段為第一和第二附著區43a、43b、43c、43d、44a、44b、44c、44d。這一點在圖8中說明。同理，附著層也與磁性帶42一起分割，因為事實上分段是在做出帶42的同時完成的。
存在許多可能的處理方法來實現本發明的實施例中的複合導體。下面給出一些實例。
製作方法的第一個實施例在圖9A～9D中說明。可以將它用於製作MRAM單元中的數字線，也就是在MTJ疊層下面的金屬層中的那些導體。
利用例如Cu製作的主導體線可以用圖9A所示的金屬鑲嵌技術(damascene technique)製造。在這種情況下，首先提供基底90。在本發明的實施例中，術語「基底」可以包括能使用的在下面的，或者在它的上面可以形成器件、電路或者外延層的，任何材料或任意的多種材料。在其它的替換實施例中，這個「基底」可以包括半導體基底，比如摻雜矽、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、磷化銦(InP)、鍺(Ge)或鍺化矽(SiGe)基底。除半導體基底部分外，這個「基底」還可以包括像SiO2或Si3N4層這種絕緣層。於是，基底這個術語還包括玻璃上的矽(silicon-on-glass)、藍寶石上的矽(silicon-onsapphire)基底。於是將術語「基底」用來一般性地定義在所關心的層或者部分下面的那些層的元件。這個「基底」也可以是在上面形成一層的任何其它基礎，例如玻璃或金屬層。下面將參考矽處理，因為矽半導體是普遍採用的，但是，技術人員會明白本發明可以在其它半導體材料系統的基礎上實現，並且技術人員能夠選擇合適的材料，作為下面描述的電介質和導電材料的等價物。另外，所述「基底」還可以是集成電路製造中途的一部分，例如，在生產線的前端處理之後的矽晶片，它已經包括電晶體和基於半導體的其它器件。對MRAM來說情況尤其如此，因為MRAM結構位於兩個連續互連層之間，而它是在生產線的後端處理的。
在基底的頂部，提供第一電介質層91，比如SiO2層。金屬鑲嵌工藝是用來將金屬線刻劃在使它們彼此隔離的電介質中的一種工藝，不是通過光刻和蝕刻，而是通過化學機械平面化或拋光(CMP)。在這種工藝中，首先用光刻在電介質材料層中形成溝槽形狀的金屬線圖案。然後沉積金屬，填充得到的溝槽，然後通過CMP將多餘的金屬去掉。這樣就形成了主導體92，如圖9A所示。
其後，在主導體92和第一電介質層91的頂部提供一個高導磁率材料層93。在圖9B所示的實例中，這個高導磁率軟磁材料層93包括一個Ta/Py/Ta疊層，但是這個層可以用任何其它合適的材料或材料疊層製成。附著層(比如所給實例中的Ta層)可以存在或不存在。通過使用抗蝕劑94的光刻步驟，將高導磁率軟磁帶95限定下來。然後利用溼或幹蝕刻(例如濺射蝕刻、離子束蝕刻、活性離子蝕刻等)將層93蝕刻出來，如圖9C所示，蝕刻在Cu-SiO2表面停止。結果在圖9C中說明。然後去掉抗蝕劑94，用SiO2這種絕緣層96覆蓋晶片，接下來用CMP工藝打平表面，如圖9D所示，以便能夠進一步處理，比如在包含MRAM器件的集成電路布局情形中，提供MTJ疊層並構造MTJ元件。在絕緣層的頂部，或者其它選擇，可以形成集成電路布局的其它部分。
製造方法的第二個實施例在圖10A～10D中說明。可以將它用來製造MRAM單元中的位線，也就是位於MTJ疊層之上金屬層中的那些導體。
對於這種位線所述製造順序是反過來的，即首先產生高導磁率軟磁帶，然後是主導體線。在下面的基底90上面構成了集成電路相關部分例如MTJ 100，並且利用絕緣材料101例如SiO2將集成電路相關部分例如MTJ 100隔離以後，對表面進行CMP處理，其中的基底90可以包括能夠使用的在下面的任何一種或多種材料，或者包括所關心的層或者部分下面的那些層的元件，如圖10A所示。
然後，在集成電路相關部分例如MTJ 100的頂部提供一層高導磁率的軟磁材料層93。在圖10B所示的實例中，這一高導磁率的軟磁材料層93包括Ta/Py/Ta構成的一個疊層，但是這個高導磁率的層93也可以由任何其它合適的材料或材料疊層構成。附著層(比如所給實例中的Ta層)可以存在也可以不存在。通過使用抗蝕劑94的光刻步驟，做出高導磁率帶95。然後利用溼或幹蝕刻(例如濺射蝕刻、離子束蝕刻、活性離子蝕刻等)蝕刻出層93，如圖10C所示，蝕刻在SiO2表面停止(圖10C)。
然後去掉抗蝕劑94，用一個絕緣體層102比如SiO2覆蓋晶片。採用金屬鑲嵌工藝在電介質材料102中提供金屬線。首先用光刻在電介質材料層102中做出金屬線的溝槽圖案。然後沉積金屬，填充所得溝槽，接下來通過CMP去掉多餘的金屬。這樣就得到了形成的主導體92，如圖10D所示。
根據沒有在附圖中示出的本發明的另一個實施例，也可以給金屬提供一個塗敷層(cladding layer)，詳見WO 02/41367。這種塗敷層通常覆蓋導體的3個側面，留下第4側面外露。外露的側面面對MTJ元件，將所述帶放置在這個第4側面。塗敷層增強了導體平面上半空間的場，例如大約使場強加倍。這是因為塗敷層將大部分通量線集中到導體線外露一側之上的半個空間，給下半個空間剩下很少的通量線。確切的增加量取決於塗敷層厚度。在最佳情況下，這個數值接近於兩倍。如果沒有透磁合金帶，它的場分布仍是鐘形的。通過增加透磁合金帶，場分布將按上述方法重新整形為M形。
應該明白，儘管在這裡針對本發明的器件描述了優選實施例、具體結構和配置以及材料，但是在不背離本發明的範圍和精神的基礎上，可以對形式和細節進行各種改變和修改。
權利要求
1.具有至少一個電導體(40)的一種集成電路布局，當電流流過該導體時產生磁場，該磁場作用於該電路布局的至少另外一部分，該電導體(40)具有第一側面，該側面朝向所述電路布局的至少另外一部分，其中所述電導體(40)包括導電材料主線(41)，以及連接到它的第一側面的用磁性材料製成的至少一條場整形帶(42)。
2.如權利要求1所述的集成電路布局，其中所述帶(42)用導磁率為100或更高的材料製成。
3.如權利要求1所述的集成電路布局，其中所述帶(42)用具有1kA/m或更低矯頑磁力的材料製成。
4.如權利要求1所述的集成電路布局，其中所述磁性材料是透磁合金。
5.如權利要求1所述的集成電路布局，所述電導體(40)在它的縱向具有一長度，其中所述磁性帶(42)延伸到所述電導體(40)的大部分長度上。
6.如權利要求1所述的集成電路布局，所述電導體(40)在它的縱向具有一長度，其中磁性材料的所述至少一條帶(42)包括所述電導體(40)長度上多個分離的磁性材料段(42a、42b、42c、42d)。
7.如權利要求1所述的集成電路布局，所述電導體(40)在它的橫向具有一寬度，其中所述磁性帶(42)相對於所述電導體的寬度基本上放置在所述電導體(40)的中間。
8.如權利要求1所述的集成電路布局，其中提供至少兩個電導體，將它們放置在兩個不同的平面內，以一個角度互相交叉，所述另外一部分放置在這兩個不同的平面之間，並且所述另外一部分放置在兩個電導體的交叉點上。
9.如權利要求8所述的集成電路布局，其中所述至少兩個電導體全部配置了磁性帶(42)。
10.如權利要求8所述的集成電路布局，其中所述另外一部分是MRAM器件。
11.產生具有至少一個電導體(40)的集成電路布局的一種方法，當電流流過所述電導體時，它產生磁場，該磁場作用於所述電路布局的至少另外一部分，該方法包括-提供一條導電材料主線(41)，形成所述電導體(40)的一部分，所述電導體(40)具有第一側面，該側面朝向所述電路布局的至少另外一部分，以及-通過提供附著在所述電導體(41)的第一側面上的至少一條磁性帶(42)，對鄰近所述第一側面的所述磁場整形。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述至少一條磁性帶是用導磁率為100或更高的材料製成的。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述磁性帶是用具有1kA/m或更低矯頑磁力的材料製成的。
14.如權利要求11所述的方法，其中所述導電材料的主線(41)是通過金屬鑲嵌工藝提供的。
15.如權利要求11所述的方法，還包括在所述電導體(40)的長度上形成多個分離段(42a)。
全文摘要
本發明提供至少有一個電導體(40)的一種集成電路布局，當電流流過該電導體時產生磁場，該磁場作用於所述電路布局的至少另外一部分。這個電導體(40)具有第一側面朝向所述電路布局的至少另外一部分，並且包括一導電材料主線(41)，以及連接到它的第一側面用磁性材料製成的至少一條場整形帶(42)。由於這條場整形帶(42)，減小了所述電導體(40)之上磁場分布的不均勻性。
文檔編號G11C11/16GK1864228SQ200480029115
公開日2006年11月15日 申請日期2004年10月1日 優先權日2003年10月6日
發明者金·潘勵 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司