磁性隨機存取存儲器及其製造方法
2023-06-14 06:39:51
專利名稱：磁性隨機存取存儲器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及半導體存儲器，特別是磁性隨機存取存儲器及其製造方法。
背景技術：
磁性隨機存取存儲器(MRAM)通常包括用作開關器件的電晶體和用於存儲數據的磁性隧道結單元(磁性隧道結單元)。磁性隧道結單元包含頂部導電層、磁性隧道結單元主體層、底部導電層，其中，磁性隧道結單元主體層由固定磁性材料層、隧道絕緣材料層和自由磁性材料層交替堆疊而成。磁性隧道結單元主體層是三層或多層結構，其中自由磁性材料層(FL)和固定磁性材料層(PL)由超薄隧道絕緣材料層(例如由氧化鋁或氧化鎂形成) 隔開，以及頂部導電層和底部導電層。固定磁性材料層的作用是磁化方向被固定，並與自由磁性材料層的磁化方向進行對比，自由磁性材料層的磁化方向可編程。在對磁性存取存儲器進行寫入操作時，自由層的磁化可編程為相對於固定層的磁化平行(邏輯「0」狀態)，表現為低阻態；或者反平行(邏輯「1」狀態)，表現為高阻態，從而實現兩個存儲狀態。在「讀取」的過程中，通過比較磁性隧道結單元的電阻與標準單元的電阻，讀出磁性隨機存取存儲器的狀態。磁性隨機存取存儲器的結構在公開號為CN1637927A的中國專利中有比較詳細的說明。磁性隨機存取存儲器可以分為存儲單元區域120和外圍驅動電路區域130兩個部分，圖1為現有磁性隨機存取存儲器的結構示意圖，如圖1所示，磁性隨機存取存儲器包含包括電晶體(圖中未標出)和導電插塞107的襯底100，電晶體可以控制磁性隧道結單元以及控制電路中的電流，存儲單元區域的導電插塞107將存儲單元區域的電晶體與存儲單元區域的第一填充金屬層105電連接，第一填充金屬層105與磁性隧道結單元相電連接，從而將磁性隧道結單元與存儲單元區域的導電插塞107相電連接，磁性隧道結單元由頂部導電層112、底部導電層111以及磁性隧道結單元主體層104組成，第一導電插塞103將磁性隧道結單元與存儲單元區域的第二填充金屬層101相電連接。外圍驅動電路區域的導電插塞107將外圍驅動電路區域的電晶體與外圍驅動電路區域的第一填充金屬層105電連接， 外圍驅動電路區域的第一填充金屬層105與外圍驅動電路區域的第二填充金屬層101通過第二導電插塞102電連接。對於磁性隨機存取存儲器而言，磁性隧道結單元需要與存儲單元區域的導電插塞 107對準，否則，第一金屬層105不能將磁性隧道結單元與存儲單元區域的導電插塞107相電連接，直接後果是磁性隨機存取存儲器內不能形成電流迴路，或者電阻過大，從而影響器件的性能。現有的磁性隨機存取存儲器的製造過程，為了實現磁性隧道結單元與存儲單元區域120的導電插塞107的對準，需要在形成第一金屬層105之後，增加額外的工藝步驟以形成可用的對準標記，所增加的工藝步驟至少需要增加一層光罩，增加一層光罩，會增加一系列的相關工藝，比如光刻、刻蝕、清洗、量測、目檢等等，所以半導體的價格成本直接決定於光罩的層數，也就是說，現有的磁性隨機存取存儲器不僅製造工藝複雜，而且成本較高。在
4公開號為CN101252143A的中國專利中提到了形成磁性隧道結單元結構的多種技術，但是仍然沒有解決上述問題。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種可以直接實現磁性隧道結單元與存儲單元區域120 的導電插塞的對準的磁性隨機存取存儲器的製造方法。相應地，本發明還提供一種磁性隨機存取存儲器。為解決上述問題，本發明提供的磁性隨機存取存儲器的製造方法包括以下步驟提供包含導電插塞的襯底。在襯底表面形成與存儲單元區域導電插塞位置對應的磁性隧道結單元。在襯底表面形成覆蓋磁性隧道結單元的第一介質層。 在第一介質層內形成與外圍驅動電路區域導電插塞位置對應的第一開口，採用第一導電材料填充所述第一開口形成第一填充金屬層。平坦化所述第一填充金屬層和第一介質層直至暴露出磁性隧道結單元。形成覆蓋所述第一介質層、磁性隧道結單元和第一填充金屬層的第二介質層。在第二介質層內形成與磁性隧道結單元相電連接的第一導電插塞，與第一填充金屬層相電連接的第二導電插塞。另外，本發明還提供一種磁性隨機存儲器，本發明所提供的磁性隨機存儲器分為存儲單元區域和外圍驅動電路區域。其中包括襯底(襯底包含導電插塞和電晶體)，位於襯底表面的第一介質層，位於存儲單元區域的導電插塞表面和襯底表面、且位於存儲單元區域的第一介質層內的、且與存儲單元區域的導電插塞電連接的磁性隧道結單元，位於外圍驅動電路區域的第一介質層內的第一填充金屬層，且所述磁性隧道結單元表面、第一填充金屬層表面和第一介質層表面齊平，覆蓋所述第一填充金屬層、所述磁性隧道結單元和所述第一介質層的第二介質層。位於存儲單元區域的第二介質層內的、與所述磁性隧道結單元電連接的第一導電插塞，位於外圍驅動電路區域的第二介質層內的、與第一填充金屬層電連接的第二導電插塞。與現有技術相比，本發明具有以下優點可以直接實現磁性隧道結單元與存儲單元區域的導電插塞的對準，而不需要增加額外的工藝步驟以形成可用的對準標記。本發明節約了生產成本，提高了生產效率。
圖1是現有磁性隨機存取存儲器的結構示意圖；圖2是本發明所提供的磁性隨機存取存儲器製造方法的實施例的示意性流程圖；圖3至圖10是本發明所提供的磁性隨機存取存儲器製造方法的實施例的示意圖。
具體實施例方式由背景技術可知，現有的磁性隨機存取存儲器為了實現磁性隧道結單元與存儲單元區域120的導電插塞107的對準，需要在形成第一金屬層105之後，增加額外的工藝步驟以形成可用的對準標記，製造工藝複雜，而且成本高。
本發明的發明人經過研究發現光刻工藝曝光時不同層間的對準通常是根據前層對準標記的物理形貌高低起伏進行或者是根據前層對準標記中不同材料對光的反射率和透射率不同來進行的(如前層對準標記分別包含透明材料和不透明材料)。因為磁性隧道結單元材料是不透光的，光線無法透過磁性隧道結單元材料照射到前層對準標記上，所以無法利用不同材料對光的反射和透射的不同來進行對準，又因為在現有技術中，用電鍍的方法在襯底表面第一介質層內及第一介質層上生長第一填充金屬層時金屬會較均勻覆蓋在整個介質層表面，並且電鍍方法製備的金屬層較厚，在對金屬進行化學機械研磨形成第一填充金屬層之後整個矽片表面非常平整，前層對準標記不存在物理形貌的高低起伏，前層對準標記的對準功能被破壞，所以做下一層的磁性隧道結單元光刻工藝時也無法使用前層對準標記的物理形貌高低起伏來進行對準。本發明的發明人針對上述問題進行研究，在本發明中提供一種可以實現磁性隧道結單元與其前層襯底中導電插塞直接對準的磁性隨機存取存儲器製造方法，並且利用本發明所提供的磁性隨機存取存儲器製造方法可以在一個步驟得到位於存儲單元區域和外圍驅動電路區域的兩個導電插塞。圖2為本發明所提供的磁性隨機存取存儲器製作方法的流程示意圖，本發明提供的磁性隨機存取存儲器製造方法包括步驟S101，提供包含導電插塞的襯底。步驟S102，在襯底表面形成與存儲單元區域導電插塞位置對應的磁性隧道結單兀。步驟S103，在襯底表面形成覆蓋磁性隧道結單元的第一介質層。步驟S104，在第一介質層內形成與外圍驅動電路區域導電插塞位置對應的第一開口，採用第一導電材料填充所述第一開口形成第一填充金屬層。步驟S105，平坦化所述第一填充金屬層和第一介質層直至暴露出磁性隧道結單兀。步驟S106，形成覆蓋所述第一介質層、磁性隧道結單元和第一填充金屬層的第二介質層。步驟S107，在第二介質層內同時形成與磁性隧道結單元相電連接的第一導電插塞，以及與第一填充金屬層相電連接的第二導電插塞。本發明直接在存儲單元區域的襯底表面形成磁性隧道結單元，前層對準標記在進行光刻工藝時的對準功能不會被破壞，所以可以對準磁性隧道結單元與襯底中的導電插塞；另外，在本發明中，第一導電插塞與第二導電插塞深度相同，所以可以在一個步驟中形成第一導電插塞與第二導電插塞，有效地提高了生產效率。下文結合實施例和附圖對本發明做進一步的描述。在下面闡述了許多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明能夠以很多不同於在此描述的其它方式來實現，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下作類似推廣，因此本發明不受下面公開的事實方式的限制。其次，本發明利用示意圖進行詳細描述，在詳述本發明的實施例時，為了便於說明，標識器件結構的剖面圖不會依一般比例作局部放大，而且所示示意圖只是實例，因此不應限制本發明的保護範圍。此外，在實際製作中應該包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。參考圖3，提供包含導電插塞107的襯底100。襯底100分為存儲單元區域120和外圍驅動電路區域130，所述襯底100可以選自 N型矽襯底、P型矽襯底、絕緣層上的矽(SOI)等襯底，所述襯底100內還可以包括電晶體， 在存儲器中，電晶體通常用作開關，控制磁性隧道結單元的工作狀態以及電路中的電流。所述導電插塞107將電晶體的源/漏極與後續形成的磁性隧道結單元及第一填充金屬層105電連接。如圖4所示，在襯底100表面形成與存儲單元區域120導電插塞107位置對應的
磁性隧道結單元。所述磁性隧道結單元包括依次位於導電插塞107表面的底部導電層111、磁性隧道結單元主體層104、頂部導電層112，所述磁性隧道結單元主體層104由固定磁性材料層 (未圖示)、隧道絕緣材料層(未圖示)和自由磁性材料層(未圖示)交替堆疊而成。其中，所述磁性隧道結單元主體層104是三層或多層結構，在本實施例中，所述磁性隧道結單元主體層104是三層結構，包括固定磁性材料層(未圖示)、隧道絕緣材料層 (未圖示)和自由磁性材料層(未圖示)。在其它實施例中，也可以是由磁性材料層、隧道絕緣材料層、自由磁性材料層交替堆疊而成的多層結構，比如，磁性隧道結單元主體層104 是由第一固定磁性材料層、第一隧道絕緣材料層、第一自由磁性材料層、第二固定磁性材料層、第二隧道絕緣材料層、第二自由磁性材料層依次堆疊而組成的六層結構。本實施例中。 底部導電層、磁性隧道結單元膜和頂部導電層的總厚度遠小於襯底100表面的對準標記的物理形貌起伏高度，所以不會破壞對準標記的對準性能。在本實施例中形成磁性隧道結單元的步驟包括在襯底100上形成底部導電薄膜，並對底部導電薄膜進行化學機械研磨。其中，形成底部導電薄膜可以採用物理氣相沉積法或者化學氣相沉積法。底部導電薄膜選用的材料可以是Ta、Pt、Co、Fe、Ru、Al、W、Ti、TiN、TaN, Ni, NiFe 中的任意一種，所形成的底部導電薄膜111的厚度是40A ~500A。進行化學機械研磨有利於在底部導電薄膜與後續形成的磁性隧道結單元主體層薄膜之間形成光滑的界面，從而形成平整的磁性材料層和隧道絕緣材料層界面，並且實現良好的電接觸。之後，採用化學氣相沉積法在底部導電薄膜表面依次沉積固定磁性材料薄膜、隧道絕緣材料薄膜、自由磁性材料薄膜、頂部導電薄膜。接著，在頂部導電薄膜表面形成第一光刻膠圖案(圖中未示出)，並以第一光刻膠圖案為掩膜，依次刻蝕頂部導電薄膜、自由磁性材料薄膜、隧道絕緣材料薄膜、固定磁性材料薄膜、底部導電薄膜，形成由底部導電層 111、固定磁性材料層(未圖示)、隧道絕緣材料層(未圖示)、自由磁性材料層(未圖示)、 頂部導電層112構成的磁性隧道結單元。所述磁性隧道結單元俯視面方向的截面可以是橢圓形、圓形、環形或者其他形狀。其中，所述固定磁性材料薄膜的材料選自Co、Fe、Ru、B或含Co的合金材料、含Ru 的合金材料、含狗的合金材料、含B的合金材料，其厚度範圍是10 ~ 200A,所述隧道阻擋薄膜的材料選自Al2O3或MgO，其厚度範圍是5 ~ 100A,所述自由磁性材料薄膜的材料選自Co、Fe、Ru、B或含Co的合金材料、含Ru的合金材料、含！^的合金材料、含B的合金材料，其厚度範圍是10 ~200入。所述頂部導電薄膜的材料選自Ta、Pt、Co、Fe、Ru、Al、W、Ti、TiN、TaN、Ni、NiFe 中的任意一種，所述頂部導電薄膜的厚度為700 ~ 2100A。在本發明的其他實施例中，固定磁性材料層與自由磁性材料層可以是堆疊結構， 比如固定磁性材料層是由緩衝層、釘扎層和磁化方向固定的磁性層構成。在前述步驟中，由於利用氣相沉積法形成底部導電薄膜、固定磁性材料薄膜、隧道絕緣材料薄膜、自由磁性材料薄膜、頂部導電薄膜的過程中，底部導電薄膜、固定磁性材料薄膜、隧道絕緣材料薄膜、自由磁性材料薄膜、頂部導電薄膜的厚度可以比較精確地控制， 且底部導電薄膜、固定磁性材料薄膜、隧道絕緣材料薄膜、自由磁性材料薄膜、頂部導電薄膜厚度之和遠小於對準標記的高度，而且對準標記的溝槽寬度很大，不會被生長的薄膜填滿，仍然具有物理形貌高低起伏的結構，所以可以利用對準標記進行對準。這些氣相沉積法製備的磁性隧道結單元薄膜不同於電鍍法製備的第一填充金屬層薄膜，不會把對準標記的溝槽填平。綜上，本發明解決了在現有技術中，磁性隧道結單元進行光刻工藝時與前層(存儲區域的第一填充金屬層或襯底中的導電插塞)對準標記不易對準的問題。參考圖5，在襯底100表面形成覆蓋磁性隧道結單元的第一介質層。第一介質層可以是單層結構，也可以是多層堆疊結構，在本發明的一個實施例中所述第一介質層包括第一刻蝕阻擋層113和在第一刻蝕阻擋層表面形成的第一金屬間介質層110。第一介質層的作用是隔離在後續步驟中形成的第一填充金屬層114和磁性隧道結單元，所述第一刻蝕阻擋層113的另外一個作用是在後續刻蝕第一介質層形成第一填充金屬層114的過程中刻蝕深度工藝上容易控制，不會一直刻蝕下去，刻蝕到襯底導電插塞 107以下太多。所述第一刻蝕阻擋層113的材料選自氮化矽，碳化矽，優選的是氮摻雜的碳化矽。所述第一金屬間介質層110的材料選自摻碳的氧化矽或基於SiH4製備的低溫氧化矽或低溫TE0S，優選的是摻碳的氧化矽。還需要說明的是，如果第一介質層與磁性隧道結單元的高度差太大，在後續平坦化處理工藝中可能無法將磁性隧道結單元上表面的第一介質層全部去除，導致磁性隧道結單元與後續形成的第一導電插塞接觸不良。如果與磁性隧道結單元的高度差太小，這樣磁性隧道結單元的高度較高，在存儲單元區域內形成覆蓋磁性隧道結單元的第一介質層時， 磁性隧道結單元之間容易出現孔洞(void)，這樣後續刻蝕形成第一導電插塞時容易直接刻蝕到襯底上的襯底導電插塞，最後容易造成第一導電插塞與襯底導電插塞電接觸，磁性隧道結單元被短路。本發明的發明人經過研究發現300 ~ 800A是第一介質層與磁性隧道結單元的高度差的一個比較理想的範圍，在本發明的一個實施例中，第一介質層與磁性隧道結單元的高度差是500入。如圖6所示，在第一介質層內形成與外圍驅動電路區域130的導電插塞107位置對應的第一開口，採用第一導電材料填充所述第一開口形成第一填充金屬層114。具體包括在第一金屬間介質層110表面形成第二光刻圖案(圖中未示出)，第二光刻圖案的開口與外圍驅動電路區域130的導電插塞107相對應；以第二光刻圖案為掩膜，對第一金屬間介質層110進行刻蝕，直至暴露出第一刻蝕阻擋層113 ；
去除第一刻蝕阻擋層113，形成第一開口 ；採用第一導電材料填充所述第一開口，形成第一填充金屬層114。在本發明的一個實施例中，刻蝕第一金屬間介質層110可以採用現有的幹法刻蝕技術，在該步刻蝕中，對第一金屬間介質層110的刻蝕速度大於對第一刻蝕阻擋層113的刻蝕速度，以保護不會一直刻蝕到所述襯底100表面下太深。去除第一刻蝕阻擋層113可以採取現有的刻蝕工藝，比如化學溼法刻蝕或幹法刻蝕，在本發明的實施例中採用的是幹法刻蝕，在該步刻蝕中，第一刻蝕阻擋層刻蝕阻擋層 113的刻蝕速度大於襯底100材料的刻蝕速度，以保護所述襯底100表面不被破壞。所述第一填充金屬層114的材料可以選擇多種導電材料，本發明的一個實施例中選擇的是金屬銅。在本發明的一個實施例中採用電化學電鍍的方法以金屬銅填充所述第一開口。如圖7所示，對所述第一填充金屬層114進行平坦化處理，直至磁性隧道結單元頂部導電層112保留400 ~ 1800A。在本發明的一個實施例中，磁性隧道結單元頂部導電層 112保留550A。本發明的一個實施例中平坦化處理用的是化學機械研磨法。經過平坦化處理，所述磁性隧道結單元表面、第一填充金屬層114表面和第一介質層Iio表面齊平，而現有工藝中，第一填充金屬層114表面與磁性隧道結單元表面位於不同平面，導致後續形成的第一導電插塞118、第二導電插塞119深度不相同，需要通過兩個步驟分別形成第一導電插塞118、第二導電插塞119，而在本發明中，後續將形成的第一導電插塞118、第二導電插塞119深度相同，可以同步形成第一導電插塞118和第二導電插塞 119。從而提高生產效率，節約生產成本。為了確保磁性隧道結單元與後續形成的第一導電插塞108有良好的電接觸，在所述平坦化處理過程中，磁性隧道結單元的頂部導電層112 —般保留400 ~ 1800A。需要說明的是，磁性隧道結單元周圍的第一刻蝕阻擋層113不僅不會影響後續工藝，而且有利於在為形成第一導電插塞118而進行刻蝕時作為磁性隧道結單元的保護刻蝕阻擋層以及各磁性隧道結單元之間的絕緣保護。如圖8所示，形成覆蓋所述第一介質層、磁性隧道結單元和第一填充金屬層114的第二介質層。所述第二介質層的高度範圍是3000 ~ 6000Λ,所述第二介質層可以是單層結構， 也可以是多層堆疊結構。在本發明的一個實施例中，所述第二介質層包含第二刻蝕阻擋層 106和第二金屬間介質層109，所述第二刻蝕阻擋層106是用化學氣相沉積法形成的氮摻雜的碳化矽，所述第二金屬間介質層109是用化學氣相沉積法形成的摻碳的氧化矽。所述第二介質層的作用是電隔離後續工藝中形成的第一導電插塞118、第二導電插塞119。所述第二刻蝕阻擋層106的另一個作用是保護磁性隧道結單元和第一填充金屬層114在後續的刻蝕工藝中不被破壞。參考圖9，在第二介質層內形成與磁性隧道結單元相電連接的第一導電插塞118， 與第一填充金屬層相電連接的第二導電插塞119。在本發明的第一個實施中，形成第一導電插塞118、第二導電插塞119的步驟包括
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在第二介質層表面形成第三光刻膠圖案(圖中未示出)，第三光刻膠圖案的開口分別與磁性隧道結單元和第一填充金屬層114的位置相對應；以第三光刻膠圖案為掩膜刻蝕第二金屬間介質層109，直至暴露出第二刻蝕阻擋層106，在存儲單元區域120和外圍驅動電路區域130形成第二開口 ；去除所述第二開口暴露出的第二刻蝕阻擋層106，直至暴露第一填充金屬層114 和磁性隧道結單元；以第二導電材料填充所述第二開口形成第一導電插塞118、第二導電插塞119。刻蝕第二金屬間介質層109採用的可以是現有的幹法刻蝕技術，在該步刻蝕中， 對第二金屬間介質層109的刻蝕速度大於對第二刻蝕阻擋層106的刻蝕速度，以保護所述磁性隧道結單元和所述第一填充金屬層114不被破壞。去除第二刻蝕阻擋層106可以採取現有的刻蝕技術，比如化學溼法刻蝕或幹法刻蝕，在本發明的實施例中採用的是幹法蝕法，在該步刻蝕中，對第二刻蝕阻擋層106的刻蝕速度大於對所述磁性隧道結單元頂部導電層和對所述第一填充金屬層114的刻蝕速度，以保護所述磁性隧道結單元和所述第一填充金屬層114。在本實施例中，用電化學電鍍的方法，選擇金屬銅填充所述第二開口形成第一導電插塞118、第二導電插塞119，在其他的實施例中還可以採用其他導電材料填充第二開口形成第一導電插塞118、第二導電插塞119。所述將在後續工藝形成的部件，包括任何需要與磁性隧道結單元或/和第一填充金屬層114建立電連接的部件，比如其它金屬層、電阻、電容、導電插塞等，或者其它外部裝置。請參考圖10，在本發明的另外一個實施中，形成所述第一導電插塞118、第二導電插塞119的步驟還包括在第一導電插塞118表面形成與第一導電插塞118相電連接的第二填充金屬層115，在第二導電插塞表面119形成與第二導電插塞119相電連接的第二填充金屬層115。具體步驟為在第二介質層表面形成第三光刻膠圖案(圖中未示出)，第三光刻膠圖案的開口分別與磁性隧道結單元和第一填充金屬層114的位置相對應；以第三光刻膠圖案為掩膜刻蝕第二金屬間介質層109，直至暴露出第二刻蝕阻擋層106，在存儲單元區域 120和外圍驅動電路區域130形成第二開口 ；在第二介質層表面形成第四光刻膠圖案(圖中未示出)，第四光刻膠圖案的開口與第二開口的位置相對應；以第四光刻膠圖案為掩膜刻蝕第二金屬間介質層109，在存儲單元區域120和外圍驅動電路區域130形成第三開口， 所述第三開口的深度小於所述第二開口的深度，所述第三開口的寬度大於等於所述第二開口的寬度；去除所述第二開口暴露出的第二刻蝕阻擋層106，直至暴露第一填充金屬層114 和磁性隧道結單元；以第二導電材料填充所述第二開口、第三開口形成第一導電插塞118、 第二導電插塞119以及第二金屬層115。在本發明的一個實施例中，所述第二導電材料選擇的是銅，以電化學電鍍的方法使用第二導電材料填充所述第三開口形成第二填充金屬層115。所述第二金屬層115可以用於與外部電路建立電連接。當然，在本發明的其他實施例中，第一導電插塞、第二導電插塞沿俯視面的橫截面的形狀也可以是圓形，環形，或者其他形狀。綜上，利用本發明所提供的磁性隨機存儲器製造方法，可以直接實現磁性隧道結單元與其前層襯底中導電插塞的對準，並且利用本發明所提供的磁性隨機存取存儲器製造方法可以在一個步驟得到位於存儲單元區域和外圍驅動電路區域的兩個導電插塞。利用本發明所提供的磁性隨機存儲器製造方法減少了工藝步驟，降低了工藝成本。本發明還提供一種磁性隨機存取存儲器，包括存儲單元區域120和與外圍驅動電路區域130，還包括包含導電插塞107和電晶體的襯底100，位於襯底100表面的第一介質層，位於存儲單元區域120的導電插塞表面和襯底表面，位於存儲單元區域120的第一介質層內的、且與存儲單元區域120的導電插塞107電連接的磁性隧道結單元，位於存儲單元區域130的導電插塞表面和襯底表面，位於外圍驅動電路區域130的第一介質層內的第一填充金屬層114，且所述磁性隧道結單元表面、第一填充金屬層表面114和第一介質層表面齊平，覆蓋所述第一填充金屬層114、所述磁性隧道結單元和所述第一介質層的第二介質層， 位於存儲單元區域120的第二介質層內的、與所述磁性隧道結單元電連接的第一導電插塞 118，位於外圍驅動電路區域130的第二介質層內的、與第一填充金屬層114電連接的第二導電插塞119。所述磁性隧道結單元包含依次位於導電插塞表面的底部導電層111、磁性隧道結單元主體層104、頂部導電層。磁性隧道結單元主體層104由固定磁性材料層、隧道絕緣材料層和自由磁性材料層交替堆疊而成。所述磁性隧道結單元主體層104是三層或多層結構，且所述磁性隧道結單元與存儲單元區域導電插塞對準。所述的第一介質層包括第一刻蝕阻擋層和在第一刻蝕阻擋層表面形成的第一金屬間介質層。所述第一刻蝕阻擋層的材料為氮摻雜的碳化矽。所述第一金屬間介質層材料選自摻碳的氧化矽或基於SiH4製備的低溫氧化矽或低溫TEOS。如圖9所示，在本發明的一個實施例中，本發明所提供的磁性隨機存取存儲器包括存儲單元區域120和外圍驅動電路區域130，還包括包含導電插塞107和電晶體的襯底 100，位於襯底100表面的第一介質層，位於存儲單元區域120的導電插塞107表面和襯底 100表面、且位於存儲單元區域120的第一介質層內的、且與存儲單元區域120的導電插塞 107電連接的磁性隧道結單元，位於外圍驅動電路區域130的導電插塞107表面和襯底100 表面，位於外圍驅動電路區域130的第一介質層內的第一填充金屬層114，所述第一填充金屬層114與位於外圍驅動電路區域130的導電插塞107相電連接，且所述磁性隧道結單元表面、第一填充金屬層114表面和第一介質層表面齊平，覆蓋所述第一填充金屬層114、所述磁性隧道結單元和所述第一介質層的第二介質層，位於存儲單元區域120的第二介質層內的、與所述磁性隧道結單元電連接的第一導電插塞118，位於外圍驅動電路區域的第二介質層內的、與第一填充金屬層電連接的第二導電插塞119。磁性隧道結單元包含依次位於導電插塞表面的底部導電層111、磁性隧道結單元主體層104、頂部導電層112。磁性隧道結單元主體層104由固定磁性材料層、隧道絕緣材料層和自由磁性材料層交替堆疊而成。所述磁性隧道結單元與存儲單元區域120導電插塞 107對準。第一導電插塞118、第二導電插塞119沿俯視面方向的截面是圓形。
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如圖10所示，在本發明的另一個實施例中，本發明所提供的磁性隨機存取存儲器包括存儲單元區域120和外圍驅動電路區域130，還包括包含導電插塞107和電晶體的襯底100，位於襯底100表面的第一介質層，位於存儲單元區域120的導電插塞107表面和襯底100表面、位於存儲單元區域120的第一介質層內的、且與存儲單元區域120的導電插塞 107電連接的磁性隧道結單元，位於外圍驅動電路區域130的導電插塞107表面和襯底100 表面，位於外圍驅動電路區域130的第一介質層內的第一填充金屬層114，且所述磁性隧道結單元表面、第一填充金屬層114表面和第一介質層表面齊平，覆蓋所述第一填充金屬層 114、所述磁性隧道結單元和所述第一介質層的第二介質層，位於存儲單元區域120的第二介質層內的、與所述磁性隧道結單元電連接的第一導電插塞118，與第一導電插塞118相電連接的第二填充金屬層115，位於外圍驅動電路區域130的第二介質層內的、與第一填充金屬層電連接的第二導電插塞119，與第二導電插塞119相電連接的第二填充金屬層115。磁性隧道結單元包含依次位於導電插塞表面的底部導電層111、磁性隧道結單元主體層104、 頂部導電層112，所述磁性隧道結單元主體層104由固定磁性材料層、隧道絕緣材料層和自由磁性材料層交替堆疊而成，所述磁性隧道結單元主體層104是三層或多層結構，且所述磁性隧道結單元與存儲單元區域120導電插塞107對準。與現有磁性隨機存取存儲器比較，本發明所提供的磁性隨機存取存儲器擁有結構簡單，製作工藝簡單，成本低廉等優點。雖然本發明以較佳實施例披露如上，但是本發明並非限定於此。任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種變更和修改而不脫離本發明的保護範圍，因此本發明的保護範圍以權力要求所限定的範圍為準。
權利要求
1.一種磁性隨機存取存儲器的製造方法，所述存儲器包含存儲單元區域和外圍驅動電路區域，其特徵在於，包括提供包含導電插塞的襯底；在襯底表面形成與存儲單元區域導電插塞對應的磁性隧道結單元；在襯底表面形成覆蓋磁性隧道結單元的第一介質層；在第一介質層內形成與外圍驅動電路區域導電插塞位置對應的第一開口，採用第一導電材料填充所述第一開口形成第一填充金屬層；平坦化所述第一填充金屬層和第一介質層直至暴露出磁性隧道結單元；形成覆蓋所述第一介質層、磁性隧道結單元和第一填充金屬層的第二介質層；在第二介質層內同時形成與磁性隧道結單元相電連接的第一導電插塞，以及與第一填充金屬層相電連接的第二導電插塞。
2.依據權利要求1的磁性隨機存取存儲器的製造方法，其特徵在於，所述的第一介質層包括第一刻蝕阻擋層和在第一刻蝕阻擋層表面形成的第一金屬間介質層。
3.依據權利要求2的磁性隨機存取存儲器的製造方法，其特徵在於，所述第一刻蝕阻擋層的材料為氮摻雜的碳化矽。
4.依據權利要求2的磁性隨機存取存儲器的製造方法，其特徵在於，所述第一金屬間介質層材料選自摻碳的氧化矽或基於SiH4製備的低溫氧化矽或低溫TE0S。
5.依據權利要求1的磁性隨機存取存儲器的製造方法，其特徵在於，所述的第二介質層可為單一覆蓋層或者為多層堆疊結構。
6.依據權利要求1的磁性隨機存取存儲器的製造方法，其特徵在於，所述第二介質層包含第二刻蝕阻擋層和在第二刻蝕阻擋層表面形成的第二金屬間介質層。
7.依據權利要求6的磁性隨機存取存儲器的製造方法，其特徵在於，所述第二刻蝕阻擋層材料為氮摻雜的碳化矽。
8.依據權利要求6的磁性隨機存取存儲器的製造方法，其特徵在於，所述第二金屬間介質層材料選自摻碳的氧化矽或基於SiH4製備的低溫氧化矽或低溫TE0S。
9.依據權利要求1的磁性隨機存取存儲器的製造方法，其特徵在於，所述磁性隧道結單元包含依次位於導電插塞表面的底部導電層、磁性隧道結單元主體層、頂部導電層，其中，磁性隧道結單元主體層由固定磁性材料層、隧道絕緣材料層和自由磁性材料層交替堆疊而成，且所述磁性隧道結單元與存儲單元區域導電插塞對準。
10.依據權利要求1或者9的磁性隨機存取存儲器的製造方法，其特徵在於，所述磁性隧道結單元主體層是三層或者多層結構。
11.依據權利要求1的磁性隨機存取存儲器的製造方法，其特徵在於，所述的第一介質層為單一覆蓋層或者為多層堆疊結構。
12.一種磁性隨機存取存儲器，包括存儲單元區域和外圍驅動電路區域，還包括襯底， 襯底包含導電插塞，位於襯底表面的第一介質層；位於存儲單元區域的導電插塞表面和襯底表面、且位於存儲單元區域的第一介質層內的、且與存儲單元區域的導電插塞電連接的磁性隧道結單元；位於外圍驅動電路區域的第一介質層內的第一填充金屬層；且所述磁性隧道結單元表面、第一填充金屬層表面齊平；覆蓋所述第一填充金屬層、所述磁性隧道結單元和所述第一介質層的第二介質層； 位於存儲單元區域的第二介質層內的、與所述磁性隧道結單元電連接的第一導電插塞；位於外圍驅動電路區域的第二介質層內的、與第一填充金屬層電連接的第二導電插O
13.依據權利要求12的磁性隨機存取存儲器，其特徵在於，所述的第一介質層包括第一刻蝕阻擋層和在第一刻蝕阻擋層表面形成的第一金屬間介質層。
14.依據權利要求13的磁性隨機存取存儲器的製造方法，其特徵在於，所述第一刻蝕阻擋層的材料為氮摻雜的碳化矽。
15.依據權利要求13的磁性隨機存取存儲器的製造方法，其特徵在於，所述第一金屬間介質層材料選自摻碳的氧化矽或基於SH4製備的低溫氧化矽或低溫TE0S。
全文摘要
一種磁性隨機存取存儲器(MRAM)的製造方法，包括，提供包含導電插塞的襯底；在襯底表面形成與存儲單元區域導電插塞對應的磁性隧道結單元；在襯底表面形成覆蓋磁性隧道結單元的第一介質層；在第一介質層內形成與外圍驅動電路區域導電插塞位置對應的第一開口，採用第一導電材料填充所述第一開口形成第一填充金屬層；平坦化所述第一填充金屬層和第一介質層直至暴露出磁性隧道結單元；形成覆蓋所述第一介質層、磁性隧道結單元和第一填充金屬層的第二介質層；在第二介質層內形成與磁性隧道結單元相電連接的第一導電插塞，與第一填充金屬層相電連接的第二導電插塞。本發明還提供利用上述方法得到的磁性隨機存取存儲器。
文檔編號G11C11/15GK102446541SQ201010508919
公開日2012年5月9日 申請日期2010年10月13日 優先權日2010年10月13日
發明者於書坤, 倪景華, 李錦 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司