CN108550694A - 磁阻随机存取存储器单元及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体存储器件。该器件包括：具有反铁磁材料并设置在第一电极上方的固定层；设置在该固定层上方的被固定层；设置在该被固定层上方的隧道层，设置在该隧道层上方的自由层以及设置在该自由层上方的保护层。该保护层包括金属氧化物和金属氮化物材料。本发明提供磁阻随机存取存储器单元及其制造方法。
Description
本申请是分案申请，其母案申请的申请号为201310294412.6、申请日为2013年07月12日、发明名称为“磁阻随机存取存储器单元及其制造方法”。
技术领域
本发明涉及磁阻随机存取存储器单元及其制造方法。
背景技术
在集成电路(IC)器件中，磁阻随机存取存储器(MRAM)是一种用于下一代嵌入式存储器件的新兴技术。MRAM是一种包括MRAM单元阵列的存储器件，每一个该MRAM单元使用电阻值而非电荷存储数据位。每个MRAM单元包括磁隧道结(“MTJ”)单元，该磁隧道结(“MTJ”)单元的电阻可以被调整，以代表逻辑“0”或逻辑“1”。该MTJ单元包括反铁磁(“AFM”)固定层，铁磁固定层，或固定层，薄隧道层以及铁磁自由层。该MTJ单元的电阻，可以通过改变该铁磁自由层的磁矩相对于固定磁层的方向被调整。特别的，当铁磁自由层的磁矩与铁磁固定层的磁矩平行的时候，该MTJ单元的电阻是低的，对应于逻辑0，反之，当该铁磁自由层的磁矩与铁磁固定层的磁矩不平行的时候，该MTJ单元的电阻是高的，对应于逻辑1。该MTJ单元在顶部和底部电极之间连接，并且可以检测到从一个电极到另一个流过该MTJ单元的电流，以确定电阻，进而确定逻辑状态。然而，在制造的蚀刻过程中，对该MTJ单元的各种损坏，包括对该自由铁磁层和该隧道层的损坏，将导致该MTJ单元性能低下。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种半导体存储器件，包括：位于第一电极上方的固定层；设置在所述固定层上方的被固定层；设置在所述被固定层上方的隧道层；设置在所述隧道层上方的自由层；设置在所述自由层上方的保护层；以及设置在所述保护层上方的第二电极。
在上述器件中，其中，所述固定层包括选自由铂锰(PtMn)，铱锰(IrMn)，铑锰(RhMn)以及铁锰(FeMn)组成的组的反铁磁(AFM)材料。
在上述器件中，其中，所述被固定层包括选自由钴-铁-硼(CoFeB)，钴-铁-钽(CoFeTa)，镍铁(NiFe)，钴(Co)，钴铁(CoFe)，钴铂(CoPt)，钴钯(CoPd)，铁铂(FePt)以及这些的合金组成的组的铁磁材料。
在上述器件中，其中，所述被固定层包括选自由钴-铁-硼(CoFeB)，钴-铁-钽(CoFeTa)，镍铁(NiFe)，钴(Co)，钴铁(CoFe)，钴铂(CoPt)，钴钯(CoPd)，铁铂(FePt)以及这些的合金组成的组的铁磁材料，其中，所述被固定层包括：第一铁磁子层；设置在所述第一铁磁子层上的分隔子层；以及设置在所述分隔子层上的第二铁磁子层。
在上述器件中，其中，所述隧道层包括选自由镁(Mg)，氧化镁(MgO)，氧化铝(AlO)，氮化铝(AlN)以及氮氧化铝(AlON)组成的组的材料。
在上述器件中，其中，所述自由层包括选自由钴-铁-硼(CoFeB)，钴-铁-钽(CoFeTa)，镍铁(NiFe)，钴(Co)，钴铁(CoFe)，钴铂(CoPt)，钴钯(CoPd)，铁铂(FePt)以及这些的合金组成的组的铁磁材料。
在上述器件中，其中，所述保护层包括金属氧化物或者金属氮化物材料。
在上述器件中，其中，所述保护层包括金属氧化物或者金属氮化物材料，其中，所述金属氧化物材料或所述金属氮化物材料的金属选自由铍(Be)，镁(Mg)，铝(Al)，钛(Ti)，钨(W)，锗(Ge)，铂(Pt)以及这些的合金组成的组。
在上述器件中，其中，所述保护层包括金属氧化物或者金属氮化物材料，其中，所述金属氮化物材料的氮浓度由所述半导体存储器件的隧道磁电阻(TMR)和电阻区(RA)的目标决定。
在上述器件中，其中，所述保护层包括金属氧化物或者金属氮化物材料，其中，所述金属氧化物材料的氧浓度由所述半导体存储器件的隧道磁电阻(TMR)和电阻区(RA)的目标决定。
在上述器件中，其中，所述保护层形成的厚度在大约3埃至大约20埃的范围内。
在上述器件中，其中，所述第一电极和所述第二电极各自包括选自由钽(Ta)，钛(Ti)，铂(Pt)，钌(Ru)和氮化钽(TaN)组成的组的材料。
根据本发明的另一方面，还提供了一种半导体存储器件，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底上方的第一电极；位于所述第一电极上方的反铁磁层；具有设置在所述反铁磁层上方的多个膜的被固定层，所述被固定层具有铁磁材料；设置在所述被固定层上方的隧道层；设置在所述隧道层上方的自由层，所述自由层具有铁磁材料；以及设置在所述自由层上方的保护层。
在上述器件中，其中，所述保护层包括含有金属氧化物或金属氮化物的材料。
在上述器件中，其中，所述保护层包括含有金属氧化物或金属氮化物的材料，其中，所述金属氧化物或所述金属氮化物的金属选自由铍(Be)，镁(Mg)，铝(Al)，钛(Ti)，钨(W)，锗(Ge)，铂(Pt)以及这些的合金组成的组。
在上述器件中，其中，所述保护层包括含有金属氧化物或金属氮化物的材料，其中：所述金属氧化物材料的氧浓度由所述半导体存储器件的隧道磁电阻(TMR)和电阻区(RA)的目标决定；并且所述金属氮化物材料的氮浓度由所述半导体存储器件的隧道磁电阻(TMR)和电阻区(RA)的目标决定。
根据本发明的又一方面，还提供了一种制造磁阻随机存取存储器(MRAM)单元的方法，包括：在底部电极上方形成固定层；在所述固定层上方形成被固定层；在所述被固定层上方形成隧道层；在所述隧道层上方形成自由层；在所述自由层上方形成保护层；在所述保护层上方形成顶部电极；以及通过图案化和蚀刻所述顶部电极，所述保护层，所述自由层，所述隧道层，所述被固定层，所述固定层以及所述底部电极形成磁隧道结(MTJ)堆叠结构。
在上述方法中，其中，形成所述保护层包括在物理汽相沉积(PVD)工具中实施沉积，所述方法进一步包括：在沉积过程中引入氧以形成金属氧化物保护层；并且根据所述磁阻随机存取存储器(MRAM)单元的隧道磁电阻(TMR)和电阻区(RA)的目标调整所述金属氧化物保护层的氧浓度。
在上述方法中，其中，形成所述保护层包括在物理汽相沉积(PVD)工具中实施沉积，所述方法进一步包括：在沉积过程中引入氮以形成金属氮化物保护层；并且根据所述磁阻随机存取存储器(MRAM)单元的隧道电磁电阻(TMR)和电阻区(RA)的目标调整所述金属氮化物保护层的氮浓度。
在上述方法中，其中，形成所述保护层包括在物理汽相沉积(PVD)工具中实施沉积，所述方法进一步包括：在沉积过程中引入氧以形成金属氧化物保护层；并且根据所述磁阻随机存取存储器(MRAM)单元的隧道磁电阻(TMR)和电阻区(RA)的目标调整所述金属氧化物保护层的氧浓度，其中，所述金属氧化物保护层中的金属包括选自由铍(Be)，镁(Mg)，铝(Al)，钛(Ti)，钨(W)，锗(Ge)，铂(Pt)以及这些的合金组成的组的材料。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述将更好地理解本发明的各方面。应该强调，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的规格可能被任意增大或缩小。
图1是一种用于制造根据本发明的各方面构造的半导体存储器件的示例方法的流程图。
图2和3是处于制造阶段，根据图1所述方法构造的示例半导体存储器件的截面图。
具体实施方式
应该理解，为了实施本发明的不同部件，以下公开提供了许多不同的实施例或实例。以下描述元件和布置的特定实例以简化本公开。当然这些仅仅是实例并不打算限定。此外，在以下描述中，在第二工艺之前实施第一工艺可能包括：其中第二工艺在第一工艺之后立即实施的实施例，还可能包括：其中额外的工艺可能在第一和第二工艺之间实施的实施例。为了简单和清晰，各种部件可以按不同规格任意描绘。此外，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可能包括：其中第一部件和第二部件以直接接触形成的实施例，还可能包括：其中额外的部件可能在第一和第二部件之间形成的实施例，使得第一和第二部件可能并不直接接触。
进一步，空间相对的术语，诸如：“在…之下”，“在…下方”，“下部的”，“在…上方”，“上部的”以及类似的术语，可能在这里被使用，以便于描述如图所示一个元件或部件同另外的元件或部件的关系。除了图中所描述的方向，所述空间相对的术语旨在包括使用或操作中的器件的不同方向。例如，如果图中的器件被翻转，那么被描述为“在其他元件或部件下方”或“在其他元件或部件之下”的元件，将被指向为“在其他元件或部件上方”。因此，示例性术语“在…下方”可以包括上方和下方的方向两者。装置可以另被指向(旋转90度或在其他方向)，而在这里所使用的空间相对的描述符可以被相应类似的解读。
图1是制造按照本发明的各方面构造的MRAM器件的方法100的流程图。为了实例，方法100将被关于图2所示的MRAM器件200描述。MRAM器件200是一种非易失性随机存取存储器(RAM)的一部分，诸如：自旋转移矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)。在实施例中，MRAM器件200包括：一叠被设计和配置以具有磁隧道结(MTJ)功能的材料层。
MRAM器件200在半导体衬底上形成，诸如硅衬底或者其他合适的半导体衬底。MRAM器件200包括导电材料的第一电极(或底部电极)210。在实施例中，第一电极210包括钛(Ti)。在其他实施例中，第一电极可以包括用于形成这种电极的其他合适的材料，诸如钽(Ta)，铂(Pt)或钌(Ru)。第一电极210可以通过物理汽相沉积法(PVD或者溅射法)或者其他合适的工艺形成。
参见图1和2，方法100通过在所述第一电极210上方形成固定层(pinning layer)220开始于步骤102。在实施例中，固定层220包括反铁磁(AFM)材料。在反铁磁材料层220中，原子或分子的磁矩以正常模式排列，相邻的旋转指向相反方向。在一个实例中，固定层220包括铂锰(PtMn)。在另外的实例中，固定层220包括：铱锰(IrMn)，铑锰(RhMn)以及铁锰(FeMn)。在另外的实例中，固定层220的厚度在大约100埃到大约200埃之间。固定层220通过合适的沉积技术形成，诸如PVD。
方法100通过在固定层220上方形成被固定层(pinned layer)230继续到步骤104。在实施例中，被固定层230包括铁磁材料层，诸如：钴铁硼(CoFeB)。铁磁材料层230形成永久磁铁和/或与磁铁表现出很强的相互作用。或者，铁磁材料层230包括其他材料，诸如CoFeTa，NiFe，Co，CoFe，CoPt，CoPd，FePt，或Ni，Co和Fe的合金。举例来说，CoFeB薄膜通过PVD，或者其他合适的工艺形成。
被固定层230包括多层结构。在实施例中，被固定层230包括被分隔层234插入的第一被固定层(或底部被固定层)232和第二被固定层(或顶部被固定层)236。在该实施例中，第一被固定层232被安置在固定层220上。在又一个实施例中，第一被固定层232包括铁磁材料。在一个实例中，第一被固定层232中的铁磁材料包括CoFeB薄膜。铁磁材料层也可以包括其他材料，诸如CoFeTa，NiFe，Co，CoFe，CoPt，CoPd，FePt，或Ni，Co和Fe的合金。
分隔层234被安置在第一被固定层232上。在实施例中，分隔层234包括钌(Ru)。或者，分隔层234可以包括其他合适的材料，诸如Ti，Ta，Cu，或Ag。分隔层234可以通过PVD工艺，或其他合适的工艺形成。
第二被固定层236被安置在分隔层234上。作为实施例，第二被固定层236包括同第一被固定层230的铁磁材料层实质上类似的铁磁材料层。例如，第二被固定层236包括CoFeB薄膜。第二被固定层可以通过PVD，或者其他加工方法形成。
在另外的实施例中，被固定子层232具有第一铁磁材料的第一薄膜和在第一铁磁材料的第一薄膜上的第二铁磁材料的第二薄膜。分隔子层234在第一被固定子层232上形成，并且第二被固定子层236在隔离子层234上形成。第二被固定子层236包括第一铁磁材料的第三薄膜和在第一铁磁材料的第三薄膜上的第二铁磁材料的第四薄膜。在示出的实施例中，被固定层230包括CoFeB薄膜(第一薄膜)，CoFe(第二薄膜)，Ru层(分隔层)，CoFeB薄膜(第三薄膜)以及CoFe层(第四薄膜)堆叠在一起的组合。在一个实例中，第一薄膜和第四薄膜之间的每个膜具有的厚度在大约10埃至大约30埃的范围内。每个薄膜可以具有同被固定层的其他薄膜不同的厚度。然而，应该认识到，被固定层230可以使用其他种类的适合实施固定铁磁层的材料和材料的组合实施。
方法100通过在被固定层230上形成隧道层240继续到步骤106。隧道层240包括镁(Mg)。或者，隧道层240可以包括氧化镁(MgO)，氧化铝(AlO)，氮化铝(AlN)，氮氧化铝(AlON)，或其他合适的材料。在另外的实施例中，隧道层240包括MgO第一膜和在第一膜上方的Mg第二膜，其可以通过Mg沉积，Mg氧化和Mg沉积形成。隧道层240足够薄，在对MRAM器件200施加偏压时，使得电子可以隧道贯通。在实施例中，隧道层240的厚度在大约5埃至大约15埃的范围内。隧道层240可以通过PVD形成。
方法100通过在隧道层240上形成自由层250继续到步骤108。自由层250可以包括铁磁材料，但它没有被固定，因为并没有反铁磁材料与自由层相邻。因此，该层的磁场方向是自由的，故称为自由层。自由层250可以包括与被固定层230中使用的铁磁材料类似的铁磁材料。在一个实施例中，铁磁自由层250的磁化方向可以自由旋转，与被固定铁磁层230的被固定磁化平行或非平行。在实施例中，自由层250包括CoFeB薄膜。在一个实例中，CoFeB可以具有以(CoxFe1-x)80B20表示的组成，其中，x是合金摩尔分数，并且范围在0和100之间，而下标“80”和“20”也是摩尔分数。在另外的实例中，CoFeB可以具有以Co20Fe60B20表示的组成。自由层250可以通过诸如PVD的工艺形成。特别地，自由层250可以通过用于形成其他下面的层(诸如隧道层240)的同样的PVD工具形成。
方法100通过在自由层250上形成保护层260继续到步骤110。保护层260包括薄金属氧化物或金属氮化物层。金属氧化物(或金属氮化物)保护层中的金属包括铍(Be)，镁(Mg)，铝(Al)，钛(Ti)，钨(W)，锗(Ge)，铂(Pt)以及他们的合金。选择保护层260的材料，使得它在随后的蚀刻中具有足够的抗蚀刻性，其随后将详细描述。选择保护层260的厚度，使得它可以在随后的蚀刻中为自由层250提供足够的保护，并达到MRAM器件200的隧道磁电阻(TMR)的目标。例如，保护层260的厚度在从大约3埃至大约20埃的范围内。保护层260可以通过PVD沉积，并伴随着在金属沉积过程中引入氧气以形成金属氧化物保护层260。或者，在金属沉积过程中提供氮气并形成金属氮化物保护层260。例如，首先通过溅射形成金属膜，之后通过应用氧等离子体把它转化成金属氧化物膜。保护层260的氧(或氮)浓度由MRAM器件200的TMR和电阻区(RA)的目标预定。
方法100通过在保护层260上形成第二电极(或顶部电极)270继续到步骤112。顶部电极270包括导电材料。顶部电极270在组成和沉积方面可以与底部电极210类似。在所描述的实施例中，顶部电极270包括Ta。在另外的实施例中，顶部电极270包括TaN。而在其他的实施例中，顶部电极270可以包括其他合适的材料，诸如钛(Ti)，铂(Pt)或钌(Ru)。顶部电极270为用于预设计的电布线的互连结构提供一个器件到其他部分的电连接。顶部电极层270可以通过PVD工艺形成。
参见图3，磁隧道结(MTJ)堆叠结构300通过图案化工艺在MRAM器件200中形成。在实施例中，硬掩模层在第二电极270上沉积，之后通过光刻和蚀刻工艺图案化。通过使用图案化的硬掩模作为蚀刻掩模，顶部电极270的各层，保护层260，自由层250，隧道层240，被固定层230以及固定层220被蚀刻(被称为MTJ堆叠蚀刻)从而形成多MTJ堆叠结构300。MTJ堆叠蚀刻包括干蚀刻，湿蚀刻，或干蚀刻与湿蚀刻的组合。干蚀刻工艺可以实施含氟气体(例如，CF4，SF6，CH2F2，CHF3，和/或C2F6)，含氯气体(例如，Cl2，CHCl3，CCl4，和/或BCl3)，含溴气体(例如，HBr和/或CHBR3)，含碘气体，其他合适的气体和/或等离子体，和/或它们的组合。MTJ堆叠蚀刻可以包括多步骤蚀刻以获得蚀刻选择性，流动性以及需要的蚀刻轮廓。硬掩模层在蚀刻之后可以被去除。在另外的实施例中，硬掩模在蚀刻之后保留在MTJ堆叠件上。
根据上面的讨论，本发明提供具有在自由层250的顶部上形成的保护层260的磁隧道结(MTJ)堆叠件。借由保护层260，可以观测到MRAM器件200的临界电流密度(Jc)，TMR以及数据保持的改进。应该认为，在MTJ堆叠蚀刻过程中，具有足够的抗蚀刻性的保护层260为自由层250和隧道层240提供保护，特别是保护它们免受边缘损坏。
本发明提供磁阻随机存取存储器(MRAM)单元的许多不同的实施例，其相对于现有技术上提供了一种或更多的改进。在实施例中，MRAM单元包括设置在第一电极上方的固定层，设置在固定层上方的被固定层，设置在被固定层上方的隧道层，设置在隧道层上方的自由层，设置在自由层上方的保护层以及设置在保护层上方的第二电极。
另外的实施例是用于磁阻随机存取存储器(MRAM)单元的磁隧道结(MTJ)堆叠件。MTJ堆叠件包括半导体衬底，在半导体衬底上形成的第一电极，在第一电极上设置的反铁磁层，在反铁磁层上方设置的被固定层以及具有铁磁材料的被固定层。MTJ堆叠件还包括在被固定层上方设置的隧道层。MTJ堆叠件还包括在隧道层上设置的自由层，并且该自由层具有铁磁材料。MTJ堆叠件还包括在自由层上方设置的保护层。
而在另外的实施例中，制造MTJ堆叠件的方法包括提供底部电极，在底部电极上方形成固定层，在固定层上方形成被固定层，在被固定层上方形成隧道层，在隧道层上方形成自由层，在自由层上方形成保护层，在保护层上方形成顶部电极。该方法还包括通过图案化和蚀刻顶部电极，保护层，自由层，隧道层，被固定层，固定层以及底部电极形成磁隧道结(MTJ)堆叠结构。
应该理解，以上列举的实施例和步骤的各种不同的组合可以以各种顺序或平行使用，而并没有特别的步骤是关键或要求的。此外，在这里使用了术语“电极”，应该认识到，该术语包括“电极接触”的概念。此外，以上关于一些实施例所示出和讨论的部件可以与以上关于其他实施例所示出和讨论的部件组合。相应的，所有这种修改旨在包含于本发明的范围内。
以上概述了许多实施例的部件。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与这里所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的处理和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。
Claims (10)
1.一种制造磁阻随机存取存储器(MRAM)单元的方法，包括：
在底部电极上方形成固定层；
在所述固定层上方形成被固定层；
在所述被固定层上方形成隧道层；
在所述隧道层上方形成自由层；
在所述自由层上方形成保护层，其中，所述保护层提供抗蚀刻性，以保护所述自由层和所述隧道层免受边缘损坏，形成所述保护层包括在物理汽相沉积(PVD)工具中实施沉积，在沉积过程中引入氮以形成金属氮化物保护层，其中，根据所述磁阻随机存取存储器(MRAM)单元的隧道电磁电阻(TMR)和电阻区(RA)的目标调整所述金属氮化物保护层的氮浓度；
在所述保护层上方形成顶部电极；以及
通过图案化和蚀刻所述顶部电极，所述保护层，所述自由层，所述隧道层，所述被固定层，所述固定层以及所述底部电极形成磁隧道结(MTJ)堆叠结构。
2.根据权利要求1所述的制造磁阻随机存取存储器单元的方法，其中，
所述金属氮化物的金属选自于由铍(Be)，镁(Mg)，铝(Al)，钛(Ti)，钨(W)，锗(Ge)，铂(Pt)以及这些的合金组成的组。
3.根据权利要求1所述的制造磁阻随机存取存储器单元的方法，其中，所述保护层的厚度在3埃至20埃的范围内。
4.根据权利要求1所述的制造磁阻随机存取存储器单元的方法，其中，所述蚀刻包括干蚀刻、湿蚀刻、或干蚀刻与湿蚀刻的组合。
5.根据权利要求1所述的制造磁阻随机存取存储器单元的方法，其中，干蚀刻工艺可以实施含氟气体、含氯气体、含溴气体、含碘气体、等离子体、和/或它们的组合。
6.根据权利要求5所述的制造磁阻随机存取存储器单元的方法，其中，所述含氟气体包括CF4、SF6、CH2F2、CHF3、和/或C2F6。
7.根据权利要求5所述的制造磁阻随机存取存储器单元的方法，其中，含氯气体包括Cl2、CHCl3、CCl4、和/或BCl3。
8.根据权利要求5所述的制造磁阻随机存取存储器单元的方法，其中，所述含溴气体包括HBr和/或CHBR3。
9.根据权利要求1所述的制造磁阻随机存取存储器单元的方法，其中，所述蚀刻可以包括多步骤蚀刻以获得蚀刻选择性、流动性以及需要的蚀刻轮廓。
10.根据权利要求1所述的制造磁阻随机存取存储器单元的方法，其中，在所述固定层上方形成被固定层包括：
在所述固定层上方形成第一铁磁子层；
在所述第一铁磁子层上形成分隔子层；以及
在所述分隔子层上形成第二铁磁子层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180918 |