CN111435703A - 磁隧穿结装置及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磁隧穿结装置及其形成方法，该磁隧穿结装置包含两个磁隧穿结元件以及一磁屏蔽层。两个磁隧穿结元件并排设置。磁屏蔽层设置于两个磁隧穿结元件之间。一种形成前述磁隧穿结装置的方法包含有下述步骤。首先，形成一层间层，其中层间层包含一磁屏蔽层。接着，蚀刻层间层，以形成凹槽于层间层中。接续，填入磁隧穿结元件于凹槽中。或者，一种形成前述磁隧穿结装置的方法包含有下述步骤。首先，形成一磁隧穿结层。之后，图案化磁隧穿结层，以形成磁隧穿结元件。而后，形成一层间层于磁隧穿结元件之间，其中层间层包含一磁屏蔽层。

Description

磁隧穿结装置及其形成方法
技术领域
本发明涉及一种磁隧穿结装置及其形成方法，且特别是涉及一种具有磁屏蔽层的磁隧穿结装置及其形成方法。
背景技术
磁阻式随机存取存储器(MRAM)是一种包含磁阻式随机存取存储器单元的存储器件，磁阻式随机存取存储器单元利用电阻值代替电荷存储数据。每个磁阻式随机存取存储器单元包含磁性隧穿结(MTJ)单元，磁性隧穿结单元的电阻可以被调节为代表逻辑状态“0”或“1”。
按照惯例，磁性隧穿结单元由固定磁层、自由磁层、和配置在前两者之间的隧穿层组成。磁性隧穿结单元的电阻可以通过根据固定磁层的磁矩改变自由磁层的磁矩来调节。当自由磁层的磁矩与固定磁层的磁矩平行时，磁性隧穿结单元的电阻低，然而当自由磁层的磁矩与固定磁层的磁矩反平行时，磁性隧穿结单元的电阻高。磁性隧穿结单元连接在顶部电极和底部电极之间，并且从一个电极向另一个电极流经磁性隧穿结的电流可以被检测以确定电阻，从而确定磁性隧穿结的逻辑状态。
发明内容
本发明提出一种磁隧穿结装置及其形成方法，其形成磁屏蔽层于磁隧穿结元件之间，以屏蔽各磁隧穿结元件产生的杂散磁场，能避免各磁隧穿结元件受到杂散磁场影响。
本发明提供一种磁隧穿结装置，包含两个磁隧穿结元件以及一磁屏蔽层。两个磁隧穿结元件并排设置。磁屏蔽层设置于两个磁隧穿结元件之间。
本发明提供一种形成磁隧穿结装置的方法，包含有下述步骤。首先，形成一层间层，其中层间层包含一磁屏蔽层。接着，蚀刻层间层，以形成凹槽于层间层中。接续，填入磁隧穿结元件于凹槽中。
本发明提供一种形成磁隧穿结装置的方法，包含有下述步骤。首先，形成一磁隧穿结层。之后，图案化磁隧穿结层，以形成磁隧穿结元件。而后，形成一层间层于磁隧穿结元件之间，其中层间层包含一磁屏蔽层。
基于上述，本发明提出一种磁隧穿结装置及其形成方法，其设置一磁屏蔽层于磁隧穿结元件之间。具体而言，磁隧穿结元件可直接设置于磁屏蔽层中；或者，磁隧穿结元件设置于一层间介电层中，而磁屏蔽层可与层间介电层堆叠排列；或者，磁屏蔽层直接顺应覆盖磁隧穿结元件的侧壁；或者，磁隧穿结元件设置于一层间介电层中，而磁屏蔽层设置于层间介电层的空隙中。如此一来，本发明所提出的磁隧穿结装置可屏蔽磁隧穿结元件所产生的杂散磁场，避免杂散磁场影响磁隧穿结元件自身的磁矩。
附图说明
图1为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图；
图2为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图；
图3为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图；
图4为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图；
图5为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图；
图6为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图；
图7为本发明优选实施例中磁隧穿结装置的剖面示意图；
图8为本发明优选实施例中磁隧穿结装置的剖面示意图；
图9为本发明优选实施例中磁隧穿结装置的剖面示意图；
图10为本发明优选实施例中磁隧穿结装置的剖面示意图；
图11为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图；
图12为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图；
图13为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图；
图14为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图；
图15为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图；
图16为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图；
图17为本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图。
主要元件符号说明
10：金属线
12：阻障层
20：插塞
22：阻障层
24：金属
30、30’、630、630’、730：绝缘层
120：介电层
130：盖层
140、640：第一介电层
150、150’、250、450、550、650：层间层
152、152’、252、350、452、552、652、652’、752：磁屏蔽层
154’、454、654、654’、750：层间介电层
154a、154’a、254a、554a：下层间介电层
154b、154’b、254b、554b：上层间介电层
160、260、360、460、560、660：磁隧穿结元件
162、662、662’：底电极
164、264、464、564、664、664’：固定层
166、266、466、566、666、666’：隧穿阻障层
168、268、468、568、668、668’：自由层
169、669、669’：顶电极
660’：磁隧穿结层
754：盖层
R1、R2：凹槽
T1、T2、T3、T4：界面
V：空隙
具体实施方式
图1～图6绘示本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图。如图1所示，形成一介电层120于例如一基底(未绘示)上，其中介电层120可例如为一氧化层，其可例如为一金属层间介电层，但本发明不以此为限。本实施例仅绘示一磁阻式随机存取存储器区中的介电层120，而磁阻式随机存取存储器区则包含本发明的磁阻式随机存取存储器单元位于其中，但介电层120也可同时形成于例如逻辑区以及对准标志区等其他未绘示的区域。多个金属线10形成于介电层120中，以向上连接各磁隧穿结装置。图示中绘示两个金属线10，但金属线10的个数不限于此。金属线10可例如包含铜，且一阻障层12可再围绕各金属线10，其中阻障层12可例如为一氮化钽层，但本发明不限于此。
形成一盖层130以及一第一介电层140于介电层120上，且第一介电层140及盖层130具有插塞20分别连接金属线10。盖层130可例如为一含碳的氮化硅层，而第一介电层140可例如为一氧化层，但本发明不以此为限。形成盖层130以及第一介电层140的方法可例如为：先全面覆盖一盖层(未绘示)以及一第一介电层(未绘示)于介电层120上；再图案化盖层以及第一介电层而形成凹槽R1于盖层130以及第一介电层140中，并暴露出金属线10；接着，形成插塞20填满凹槽R1，其中各插塞20包含一阻障层22以及一金属24。形成阻障层22以及金属24填满凹槽R1的方法可例如为：以一阻障层材料(未绘示)顺应覆盖凹槽R1以及第一介电层140，金属(未绘示)填满凹槽R1，再例如以平坦化制作工艺移除超出凹槽R1的金属以及阻障层材料，而形成阻障层22以及金属24，其中阻障层22围绕金属24。阻障层22可例如为一钛层、一氮化钛层或一钛/氮化钛层，金属24可包含钨，但本发明不限于此。
接着，形成一层间层150’覆盖第一介电层140以及插塞20。本实施例的层间层150’至少包含一磁屏蔽层152’。在本实施例中，层间层150’包含磁屏蔽层152’以及一层间介电层154’，其中磁屏蔽层152’以及层间介电层154’堆叠排列。在一实施例中，层间介电层154’可包含一下层间介电层154’a以及一上层间介电层154’b由下而上堆叠，其中下层间介电层154’a、上层间介电层154’b以及磁屏蔽层152’堆叠排列，但本发明不以此为限。在本实施例中，下层间介电层154’a以及上层间介电层154’b夹置磁屏蔽层152’。层间介电层154’可例如为一氧化层，而磁屏蔽层152’则可例如由抗磁性材料所组成，其例如为一介电抗磁性材料层或一金属抗磁性材料层等，以屏蔽磁场或者将原来会经过磁隧穿结元件中的自由层的磁场改道，但本发明不以此为限。另外，磁屏蔽层152’也可改为一镍铁合金磁屏蔽(Mumetal)层等顺磁性材料层，其可例如为一镍铁钼合金(FeNi80Mo5)层，直接包覆磁隧穿结元件，以将磁隧穿结元件所产生的杂散磁场隔绝在一封闭空间中。
如图2所示，例如以一干蚀刻制作工艺等制作工艺蚀刻层间层150’，以形成凹槽R2于一层间层150中，并暴露出插塞20，其中层间层150包含由下而上堆叠的一下层间介电层154a、一磁屏蔽层152以及一上层间介电层154b。
如图3～图4所示，可选择性形成绝缘层30，覆盖凹槽R2。绝缘层30可例如为一氧化层或一氮化层等介电材质层，但本发明不限于此。在本实施例中，绝缘层30仅覆盖凹槽R2的侧壁。详细而言，如图3所示，先形成一绝缘层30’顺应覆盖插塞20、凹槽R2的侧壁以及层间层150。如图4所示，例如以蚀刻等方法移除覆盖插塞20及层间层150上的绝缘层30’，而形成绝缘层30覆盖凹槽R2的侧壁，并暴露出插塞20以及层间层150。
而后，填入磁隧穿结元件160于凹槽R2中，如图5～图6所示。各磁隧穿结元件160由下而上可包含堆叠的一底电极162、一固定层164、一隧穿阻障层166、一自由层168以及一顶电极169。如图5所示，先全面依序堆叠底电极162、固定层164、隧穿阻障层166、自由层168以及顶电极169于凹槽R2中以及层间层150上。接着，移除位于层间层150上的底电极162、固定层164、隧穿阻障层166、自由层168以及顶电极169，而保留位于凹槽R2中底电极162、固定层164、隧穿阻障层166、自由层168以及顶电极169，如图6所示。如此一来，本发明则设置并排的磁隧穿结元件160，且磁屏蔽层152设置于磁隧穿结元件160之间。磁屏蔽层152可屏蔽各磁隧穿结元件160所产生的杂散磁场，能避免各磁隧穿结元件160受到杂散磁场影响。
承上所述，磁屏蔽层152’可例如由抗磁性材料所组成。当磁屏蔽层152为一介电抗磁性材料层，由于磁屏蔽层152本身不导电，则磁屏蔽层152可直接覆盖或接触两个磁隧穿结元件160。因而，可不形成绝缘层30。当磁屏蔽层152为一金属抗磁性材料层或一镍铁合金磁屏蔽(Mu metal)层等，则需要形成绝缘层30设置于磁屏蔽层152以及磁隧穿结元件160之间，以将磁屏蔽层152以及磁隧穿结元件160电性绝缘。
再者，本实施例的磁屏蔽层152夹置于下层间介电层154a以及上层间介电层154b之间，且磁屏蔽层152(水平)重叠固定层164，以防止各磁隧穿结元件160中的固定层164所产生的杂散磁场向上影响自由层168等材料层。较佳者，磁屏蔽层152重叠固定层164以及隧穿阻障层166的一界面T1，以及自由层168以及隧穿阻障层166的一界面T2的至少之一，如此可阻挡自固定层164所发出的杂散磁场向上影响自由层168。在本实施例中，磁屏蔽层152则重叠固定层164以及隧穿阻障层166的界面T1，但本发明不以此为限。如图7所示，一层间层250中的一磁屏蔽层252夹置于一下层间介电层254a以及一上层间介电层254b之间，且磁屏蔽层252(水平)重叠隧穿阻障层266以及自由层268的一界面T3，以防止各磁隧穿结元件260中的固定层264所产生的杂散磁场穿透磁屏蔽层252影响自由层268。
磁屏蔽层152/252与各磁隧穿结元件160/260中的固定层164/264、隧穿阻障层166/266及自由层168/268的(水平)重叠关系，视实际需要而定，以有效屏蔽由各层产生的杂散磁场。如图8所示，磁隧穿结元件360之间也可全为磁屏蔽层350，以有效屏蔽杂散磁场。或者，如图9所示，一层间层450中的一磁屏蔽层452堆叠于一层间介电层454上，且磁屏蔽层452重叠磁隧穿结元件460的隧穿阻障层466以及自由层468，其中磁屏蔽层452重叠隧穿阻障层466及固定层464之间的一界面T4。或者，如图10所示，一层间层550中的一下层间介电层554a、一磁屏蔽层552及一上层间介电层554b由下而上堆叠排列，其中磁屏蔽层552与磁隧穿结元件560的隧穿阻障层566重叠，以阻挡固定层564的杂散磁场经过隧穿阻障层566影响自由层568。以上均为本发明应用的实施例，但本发明不限于此。
另外，本发明也可改由先形成磁隧穿结元件，再形成磁屏蔽层的方法。图11～图14绘示本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图。如图11所示，介电层120、金属线10、阻障层12、盖层130、第一介电层140以及插塞20的结构及形成方法与图1相同，故不再赘述。接着，全面形成一磁隧穿结层660’覆盖第一介电层140，其中磁隧穿结层660’可包含由下而上堆叠的一底电极662’、一固定层664’、一隧穿阻障层666’、一自由层668’以及一顶电极669’。接着，图案化磁隧穿结层660’，以形成磁隧穿结元件660，其中各磁隧穿结元件660包含由下而上堆叠的一底电极662、一固定层664、一隧穿阻障层666、一自由层668以及一顶电极669，如图12所示。
如图13～图14所示，形成一层间层650于磁隧穿结元件660之间。层间层650必然包含一磁屏蔽层652，以达到本发明的屏蔽杂散磁场的作用。再者，可选择性形成一绝缘层630于磁隧穿结元件660以及磁屏蔽层652之间，以将磁屏蔽层652与磁隧穿结元件660电性绝缘。详细而言，如图13所示，可先选择性形成一绝缘层630’顺应覆盖磁隧穿结元件660，形成一磁屏蔽层652’顺应覆盖磁隧穿结元件660(或绝缘层630’)，再形成一层间介电层654’全面覆盖磁隧穿结元件660以及磁屏蔽层652’。如图14所示，平坦化层间介电层654’、磁屏蔽层652’以及绝缘层630’，以暴露出磁隧穿结元件660，且形成绝缘层630以及层间层650，其中层间层650包含磁屏蔽层652以及一层间介电层654。因而，形成本发明所需的设置磁屏蔽层652于磁隧穿结元件660之间的结构。本实施例的磁屏蔽层652及绝缘层630具有U形剖面结构，且磁屏蔽层652及绝缘层630系顺应覆盖磁隧穿结元件660及一第一介电层640。
磁屏蔽层652可例如由抗磁性材料所组成。当磁屏蔽层652为一介电抗磁性材料层，由于磁屏蔽层652本身不导电，故磁屏蔽层652可直接覆盖或接触磁隧穿结元件660。因而，可不形成绝缘层630。当磁屏蔽层652为一金属抗磁性材料层或一镍铁合金磁屏蔽(Mumetal)层等，则需要将绝缘层630设置于磁屏蔽层652以及磁隧穿结元件660之间，以将磁屏蔽层652以及磁隧穿结元件660电性绝缘。
另外，本发明也可改为将磁屏蔽层填入磁隧穿结元件之间的层间层中。图15～图17绘示本发明优选实施例中形成磁隧穿结装置的方法的剖面示意图。如图15所示，介电层120、金属线10、阻障层12、盖层130、第一介电层140、插塞20以及磁隧穿结元件660的结构及形成方法与图12相同，故不再赘述。接着，可依序形成选择性的一绝缘层(未绘示)以及一层间介电层(未绘示)顺应覆盖磁隧穿结元件660，再图案化层间介电层(未绘示)以及绝缘层(未绘示)，以形成选择性的一绝缘层730以及一层间介电层750于磁隧穿结元件660之间。之后，蚀刻层间介电层750以及绝缘层730，而形成一空隙V于层间介电层750中。如图16所示，填入一磁屏蔽层752于空隙V中。磁屏蔽层752可例如由抗磁性材料或镍铁合金磁屏蔽材料所组成。之后，如图17所示，可再形成一盖层754填满磁屏蔽层752上的空隙V，其中盖层754较佳与层间介电层750包含相同材料，但本发明不以此为限。如此，则能形成磁屏蔽层752于磁隧穿结元件660之间。
综上所述，本发明提出一种磁隧穿结装置及其形成方法，其设置一磁屏蔽层于磁隧穿结元件之间，以屏蔽磁隧穿结元件所产生的杂散磁场，避免杂散磁场影响磁隧穿结元件自身的磁矩。详细而言，磁隧穿结元件可直接设置于磁屏蔽层中；或者，磁隧穿结元件设置于一层间介电层中，而磁屏蔽层可与层间介电层堆叠排列；或者，磁屏蔽层直接顺应覆盖磁隧穿结元件的侧壁；或者，磁隧穿结元件设置于一层间介电层中，而磁屏蔽层设置于层间介电层的空隙中。另外，一绝缘层可再选择性设置于磁屏蔽层与磁隧穿结元件之间，以将磁屏蔽层与磁隧穿结元件电性绝缘。
再者，本发明也提出形成磁隧穿结装置的方法，其可包含先形成磁屏蔽层再填入磁隧穿结元件，先形成磁隧穿结元件再形成磁屏蔽层于磁隧穿结元件之间，或将磁屏蔽层填入磁隧穿结元件之间的层间介电层的空隙中等。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种磁隧穿结装置，其特征在于，包含：
两个磁隧穿结元件，并排设置；以及
磁屏蔽层，设置于该两个磁隧穿结元件之间。
2.如权利要求1所述的磁隧穿结装置，其中该两个磁隧穿结元件设置于一层间介电层中。
3.如权利要求2所述的磁隧穿结装置，其中该层间介电层包含下层间介电层以及上层间介电层，由下而上堆叠，其中该下层间介电层、该上层间介电层以及该磁屏蔽层堆叠排列。
4.如权利要求3所述的磁隧穿结装置，其中各该两个磁隧穿结元件包含由下而上堆叠的底电极、固定层、隧穿阻障层、自由层以及顶电极。
5.如权利要求4所述的磁隧穿结装置，其中该磁屏蔽层重叠该固定层以及该隧穿阻障层的界面，以及该自由层以及该隧穿阻障层的界面的至少之一。
6.如权利要求4所述的磁隧穿结装置，其中该磁屏蔽层重叠该隧穿阻障层、该固定层以及该隧穿阻障层，或该自由层以及该隧穿阻障层。
7.如权利要求3所述的磁隧穿结装置，其中该下层间介电层以及该上层间介电层夹置该磁屏蔽层。
8.如权利要求1所述的磁隧穿结装置，其中该磁屏蔽层包含金属抗磁性材料层或镍铁合金磁屏蔽层，且绝缘层设置于该磁屏蔽层以及该两个磁隧穿结元件之间，以将该磁屏蔽层以及该两个磁隧穿结元件电性绝缘。
9.如权利要求8所述的磁隧穿结装置，其中该绝缘层覆盖该两个磁隧穿结元件的侧壁。
10.如权利要求1所述的磁隧穿结装置，其中该磁屏蔽层包含介电抗磁性材料层，其中该磁屏蔽层覆盖该两个磁隧穿结元件。
11.如权利要求1所述的磁隧穿结装置，其中该磁屏蔽层包含金属抗磁性材料层或镍铁合金磁屏蔽层，其中一绝缘层及该磁屏蔽层依序覆盖该两个磁隧穿结元件。
12.如权利要求2所述的磁隧穿结装置，其中该磁屏蔽层设置于该层间介电层的空隙中。
13.一种形成磁隧穿结装置的方法，包含：
形成层间层，其中该层间层包含磁屏蔽层；
蚀刻该层间层，以形成凹槽于该层间层中；以及
填入磁隧穿结元件于该些凹槽中。
14.如权利要求13所述的形成磁隧穿结装置的方法，其中全部的该层间层为该磁屏蔽层。
15.如权利要求13所述的形成磁隧穿结装置的方法，其中该层间层包含下层间介电层以及上层间介电层由下而上堆叠，其中该下层间介电层、该上层间介电层以及该磁屏蔽层堆叠排列。
16.如权利要求13所述的形成磁隧穿结装置的方法，在填入该些磁隧穿结元件于该些凹槽中之前，还包含：
形成绝缘层，覆盖该些凹槽。
17.一种形成磁隧穿结装置的方法，包含：
形成磁隧穿结层；
图案化该磁隧穿结层，以形成磁隧穿结元件；以及
形成层间层于该些磁隧穿结元件之间，其中该层间层包含磁屏蔽层。
18.如权利要求17所述的形成磁隧穿结装置的方法，其中形成该层间层于该些磁隧穿结元件之间的步骤，包含：
形成层间介电层于该些磁隧穿结元件之间；
蚀刻该层间介电层，以形成空隙于该层间介电层中；以及
填入该磁屏蔽层于该空隙中。
19.如权利要求17所述的形成磁隧穿结装置的方法，其中形成该层间层于该些磁隧穿结元件之间的步骤，包含：
形成该磁屏蔽层，顺应覆盖该些磁隧穿结元件；
形成层间介电层全面覆盖该些磁隧穿结元件以及该磁屏蔽层；以及
平坦化该层间介电层以及该磁屏蔽层，以暴露出该些磁隧穿结元件。
20.如权利要求19所述的形成磁隧穿结装置的方法，在形成该磁屏蔽层之前，还包含：
形成绝缘层，顺应覆盖该些磁隧穿结元件，因而该绝缘层将该磁屏蔽层与该些磁隧穿结元件电性绝缘，且在平坦化该层间介电层以及该磁屏蔽层时也平坦化该绝缘层。
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