CN116940214A - 一种磁性随机存取存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁性随机存取存储器(MRAM)及其制备方法，MRAM包括：基底；底电极，所述底电极设置在所述基底一侧；磁性隧道结，设置在所述底电极远离所述基底的一侧；硬掩膜层，设置在所述磁性隧道结远离所述基底的一侧；保护层，所述保护层包括多个带有通孔的第一盖帽，所述第一盖帽包裹所述底电极的侧壁、所述磁性隧道结的侧壁和所述硬掩膜层的侧壁，所述第一盖帽的通孔允许所述硬掩膜层顶部露出；磁屏蔽层，所述磁屏蔽层包括多个第二盖帽，所述第二盖帽包裹所述第一盖帽的侧壁和顶部。本申请实施例的MRAM采用位元级别的磁屏蔽保护，保护效果好，体积小、重量轻、运输方便、外围电路的工作不受影响，其制备方法工艺简单、成本低。
Description
技术领域
本申请涉及但不限于半导体器件领域，尤指一种磁性随机存取存储器及其制备方法。
背景技术
磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)是一种磁性存储器，其核心存储器件是磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)，MRAM依靠MTJ中磁性层的磁化方向存储数据。MTJ的磁性材料对外磁场比较敏感，外磁场干扰可能改变存储数据的状态，因此若应用场合的磁场较强，MTJ具有磁场暴露风险，则需要对MTJ进行磁屏蔽保护。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本申请的保护范围。
本申请提供了一种磁性随机存取存储器(MRAM)及其制备方法，该磁性随机存取存储器采用位元级别的磁屏蔽保护，保护效果好，MRAM的体积小、重量轻、运输方便、外围电路的工作不受影响，其制备方法工艺简单、成本低。
本申请提供了一种磁性随机存取存储器，包括：
基底；
底电极，所述底电极设置在所述基底一侧；
磁性隧道结，所述磁性隧道结设置在所述底电极远离所述基底的一侧；
硬掩膜层，所述硬掩膜层设置在所述磁性隧道结远离所述基底的一侧；
保护层，所述保护层包括多个带有通孔的第一盖帽，所述第一盖帽包裹所述底电极的侧壁、所述磁性隧道结的侧壁和所述硬掩膜层的侧壁，所述第一盖帽的通孔允许所述硬掩膜层顶部露出；
磁屏蔽层，所述磁屏蔽层包括多个第二盖帽，所述第二盖帽包裹所述第一盖帽的侧壁和顶部。
在本申请实施例中，所述磁屏蔽层的厚度可以为20nm至60nm。
在本申请实施例中，所述第二盖帽可以为桶状或者带有通孔的桶状或环形筒状，并且当所述第二盖帽带有通孔时，所述第二盖帽的通孔允许所述硬掩膜层顶部露出。
在本申请实施例中，所述磁屏蔽层可以包括绝缘的磁屏蔽层和导电的磁屏蔽层中的任意一种或多种。
在本申请实施例中，所述磁屏蔽层的材料可以包括Fe、Co、Ni、Cu、Si、Pt、Zn、Ti、Ta、W、Al、Cr、FeCo、FeN、FeNi、FeNiMo、FeSiAl、Fe2O3、FeSiB、SmCo和NdFeB中的任意一种或多种。
在本申请实施例中，所述磁屏蔽层可以为单层或多层。
在本申请实施例中，所述第一盖帽可以为环形筒状，设置在所述底电极的侧壁、所述磁性隧道结的侧壁和所述硬掩膜层的侧壁上。
在本申请实施例中，所述保护层可以包括基层和所述第一盖帽，所述基层设置在所述基底一侧未被所述底电极覆盖的表面上，所述第一盖帽可以为环形筒状或带有通孔的桶状。
在本申请实施例中，所述保护层的材料可以包括SiN、SiO、AlOx、SiC和SiCN中的任意一种或多种。
在本申请实施例中，所述保护层的厚度可以为15nm至30nm。
在本申请实施例中，所述磁性随机存取存储器还可以包括顶部导线；
所述顶部导线设置在所述磁屏蔽层远离所述基底的一侧；或者，所述顶部导线设置在所述硬掩膜层远离所述基底的一侧；
其中，所述磁屏蔽层包括导电的磁屏蔽层，所述顶部导线与所述导电的磁屏蔽层电连接，所述硬掩膜层伸出所述保护层外与所述磁屏蔽层连接；或者，所述顶部导线穿过所述磁屏蔽层和所述保护层与所述硬掩膜层电连接。
在本申请实施例中，所述顶部导线可以为双大马士革结构或单大马士革结构。
本申请还提供了如上所述的磁性随机存取存储器的制备方法，包括：
S10：提供基底，在所述基底上依次设置底电极层、磁性隧道结层和初始硬掩膜层，对所述底电极层、所述磁性隧道结层和所述初始硬掩膜层进行图案化刻蚀，得到图案化的底电极、磁性隧道结和硬掩膜层的阵列；
S20：在所述基底未被所述底电极覆盖的表面、所述底电极远离所述基底一侧的侧壁、所述磁性隧道结远离所述基底一侧的侧壁以及所述硬掩膜层远离所述基底一侧的侧壁和顶部设置初始保护层；
S30：使所述初始保护层形成多个带有通孔的第一盖帽，得到保护层；
S40：在所述第一盖帽的侧壁和顶部、所述硬掩膜层的顶部以及相邻两个第一盖帽之间的基底表面上设置初始磁屏蔽层；
S50：采用自对准刻蚀法对所述初始磁屏蔽层进行刻蚀，使得所述初始磁屏蔽层的剩余部分形成包括所述第二盖帽的磁屏蔽层。
在本申请实施例中，步骤S50可以包括：
S51：在所述初始磁屏蔽层远离所述基底的一侧设置中间介质层；
S52：采用自对准刻蚀法对所述中间介质层和所述初始磁屏蔽层进行刻蚀，使得所述初始磁屏蔽层的剩余部分形成包括所述第二盖帽的所述磁屏蔽层。
在本申请实施例中，步骤S30可以包括：
S31：采用自对准刻蚀法对所述初始保护层进行刻蚀，使得所述初始保护层的剩余部分形成环形筒状的第一盖帽，得到所述保护层；或者，
S31’：在所述初始保护层上开设通孔，得到包括基层和第一盖帽的所述保护层，所述第一盖帽为环形筒状或带有通孔的桶状。
在本申请实施例中，所述制备方法还可以包括：在步骤S50之后，
S60：在相邻的两个所述第二盖帽之间的表面和顶部填充介质，形成介质层；
S70：在所述介质层中设置通孔，并使顶部导线通过所述介质层的通孔与所述磁屏蔽层电连接；或者，在所述介质层和所述磁屏蔽层的第二盖帽中设置通孔，并使顶部导线通过所述介质层、所述第二盖帽和所述第一盖帽的通孔与所述硬掩膜层电连接。
在本申请实施例中，所述自对准刻蚀法可以为垂直刻蚀或倾斜刻蚀。
在本申请实施例中，所述倾斜刻蚀的倾斜角可以不超过30度，例如可以在10至30度之间。
在本申请实施例中，所述自对准刻蚀法可以为物理刻蚀或化学刻蚀。
在本申请实施例中，所述自对准刻蚀法可以包括采用等离子体刻蚀对所述保护层和所述保护层进行刻蚀，所述等离子体刻蚀可以包括化学反应刻蚀、离子束刻蚀和原子层刻蚀中的任意一种或多种。
在本申请实施例中，所述等离子体刻蚀采用的等离子体可以为电感耦合等离子体。
在本申请实施例中，所述等离子体的密度非均一性可以小于2％，所述等离子体的方向非均一性可以小于5％。
本申请实施例的磁性随机存取存储器(MRAM)及其制备方法采用位元级别的磁屏蔽保护，即采用磁屏蔽层仅仅将MTJ位元封装保护起来，保护效果好，MRAM的体积小、重量轻、运输方便、外围芯片及电路的工作不受影响，其制备方法不需要光罩，工艺简单、成本低，且利用共性沉积和自对准刻蚀图案化，能提供几乎全包围的磁屏蔽保护。
磁屏蔽层可以产生微弱的水平偏置磁场施加在自由层上，能够降低MRAM的写入电流，提升写入效率。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例的MRAM的结构示意图；
图2为本申请实施例的MRAM的制备工艺流程图；
图3-1为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-2为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-3为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-4为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-5为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-6为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-7为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-8为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-9为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-10为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-11为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-12为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-13为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-14为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图3-15为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图；
图4为本申请实施例的MRAM的磁屏蔽层对水平方向外磁场的磁屏蔽效果示意图；
图5为图4的俯视图；
图6为本申请实施例的MRAM的磁屏蔽层对垂直方向外磁场的磁屏蔽效果示意图。
10-基底；11-电介质；12-底部导线；20-底电极；30-磁性隧道结；40-硬掩膜层；50-保护层；50’-初始保护层；51-第一盖帽；52-基层；60-磁屏蔽层；60’-初始磁屏蔽层；61-第二盖帽；70-顶部导线；80-晶体管；90-中间介质层；91-第三盖帽；100-介质层。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
MRAM产品可以采用材料封装级强化的方案来实现抗磁场强化，即采用软磁性材料制成的罩壳将MRAM的整个芯片封装起来，仅露出MRAM的外围电路。但是这种磁屏蔽保护方案会大大增加MRAM相关产品的体积和重量，导致MRAM产品笨重、无法精密化和集成化，而且需要的磁性材料较多，封装工艺复杂，增加了MRAM产品的生产成本，另外在嵌入式MRAM应用中，磁屏蔽封装壳体会严重限制和影响外围芯片及电路的工作。
本申请实施例提供一种磁性随机存取存储器。图1为本申请实施例的MRAM的结构示意图。如图1所示，所述磁性随机存取存储器包括：基底10、底电极20、磁性隧道结30、硬掩膜层40、保护层50和磁屏蔽层60。
所述底电极20设置在所述基底10一侧；
所述磁性隧道结30设置在所述底电极20远离所述基底10的一侧；
所述硬掩膜层40设置在所述磁性隧道结30远离所述基底10的一侧；
所述保护层50包括多个带有通孔的第一盖帽51，所述第一盖帽51包裹所述底电极20的侧壁、所述磁性隧道结30的侧壁和所述硬掩膜层40的侧壁，所述第一盖帽51的通孔允许所述硬掩膜层40顶部露出；
所述磁屏蔽层60包括多个第二盖帽61，所述第二盖帽61包裹所述第一盖帽的侧壁和顶部。
在本申请实施例中，所述磁屏蔽层的厚度可以为20nm至60nm，例如，可以为20nm、30nm、40nm、50nm或60nm。
在本申请实施例中，所述第二盖帽可以带有通孔，此时所述第二盖帽可以为带有通孔的桶状或环形筒状，并且所述第二盖帽的通孔允许所述硬掩膜层顶部露出。
在本申请实施例中，所述第二盖帽可以不带有通孔，此时所述第二盖帽可以为桶状。
在本申请实施例中，所述磁屏蔽层可以包括绝缘的磁屏蔽层和导电的磁屏蔽层中的任意一种或多种。
在本申请实施例中，所述磁屏蔽层的材料可以包括Fe、Co、Ni、Cu、Si、Pt、Zn、Ti、Ta、W、Al、Cr、FeCo、FeN、FeNi、FeNiMo、FeSiAl、Fe2O3、FeSiB、SmCo和NdFeB中的任意一种或多种。
在本申请实施例中，所述磁屏蔽层可以为单层或多层。
在本申请实施例中，所述第一盖帽可以为环形筒状，设置在所述底电极的侧壁、所述磁性隧道结的侧壁和所述硬掩膜层的侧壁上。
在本申请实施例中，所述保护层可以由多个环形筒状的所述第一盖帽形成。
在本申请实施例中，所述保护层可以包括基层和所述第一盖帽，所述基层设置在所述基底一侧未被所述底电极覆盖的表面上，所述第一盖帽可以为环形筒状或带有通孔的桶状。
在本申请实施例中，所述保护层的材料可以包括SiN、SiO、AlOx、SiC和SiCN中的任意一种或多种。
在本申请实施例中，所述保护层的厚度可以为15nm至30nm，例如，可以为15nm、17nm、20nm、23nm、25nm、28nm、30nm。
在本申请实施例中，如图1所示，所述磁性随机存取存储器还可以包括顶部导线70；所述顶部导线70可以设置在所述磁屏蔽层60远离所述基底10的一侧；或者，所述顶部导线70可以设置在所述硬掩膜层40远离所述基底10的一侧。
在本申请实施例中，所述磁屏蔽层可以包括导电的磁屏蔽层，此时所述顶部导线可以设置在所述磁屏蔽层远离所述基底的一侧并且与所述导电的磁屏蔽层电连接，所述硬掩膜层伸出所述保护层外与所述磁屏蔽层连接。
在本申请实施例中，所述顶部导线可以穿过所述磁屏蔽层和所述保护层与所述硬掩膜层电连接，此时所述顶部导线可以设置在所述硬掩膜层远离所述基底的一侧，而且所述磁屏蔽层可以包括绝缘的磁屏蔽层和导电的磁屏蔽层中的任意一种或多种。
可以根据需要选择使磁屏蔽层导电或不导电。磁屏蔽层导电可以增加电容，但会降低谱写速度，因此低速谱写的可以选择导电的磁性屏蔽层；高速谱写的可以选择不导电的磁屏蔽层。
在本申请实施例中，所述顶部导线可以为双大马士革结构或单大马士革结构，例如，可以为通过在顶部通孔(Top Via,TV)中填充顶部金属(Top Metal,TM)形成的TV+TM的双大马士革结构或通过直接开设沟道(trench)并在沟道中填充金属形成的单大马士革结构。所述顶部导线还可以设置为与位线电连接。
在本申请实施例中，所述磁性隧道结可以包括多个膜层；例如，所述磁性隧道结可以包括参考层、势垒层和自由层；又例如，所述磁性隧道结可以包括合成反铁磁层、参考层、势垒层和自由层；再例如，所述磁性隧道结可以包括合成反铁磁层、铁磁耦合层、参考层、势垒层和自由层。
在本申请实施例中，所述磁性隧道结的总厚度可以为15nm至30nm，并且具有底部钉扎(Bottom Pinned)结构，例如，所述磁性隧道结的总厚度可以为20nm。
在本申请实施例中，所述参考层具有磁极化不变性，参考层可以包括[Co/Ni]nCo/(Ru或Ir)/Co[Ni/Co]m、[Co/Pd]nCo/(Ru或Ir)/Co[Pd/Co]m、或[Co/Pt]nCo/(Ru或Ir)/Co[Pt/Co]m的超晶格多层膜结构，0≤m≤3，2≤n≤7，并可以通过晶格隔断层实现与钴铁硼(CoFeB)、铁化钴(CoFe)/钴铁硼(CoFeB)、铁化钴(CoFe)/镍铁合金(NiFe)、硼化钴(CoB)或硼化铁(FeB)的铁磁耦合；所述参考层的总厚度可以为4nm至15nm。
在本申请的实施例中，所述势垒层的材料可以为非磁性金属氧化物，例如，可以为氧化镁(MgO)、氧化镁锌(MgZnO)、氧化镁硼(MgBO)、氧化镁铝(MgAlO)，优选为氧化镁(MgO)；所述势垒层的厚度可以为0.5nm至2.5nm。
在本申请实施例中，所述自由层具有可变磁极化，自由层的材料可以为钴铁硼(CoFeB)、CoFe/钴铁硼(CoFeB)、铁(Fe)/钴铁硼(CoFeB)、钴铁硼(CoFeB)/钨(W)/钴铁硼(CoFeB)、钴铁硼(CoFeB)/钼(Mo)/钴铁硼(CoFeB)；所述自由层的厚度可以为0.8nm至2.3nm。
在本申请实施例中，如图1所示，所述基底10可以包括电介质11和设置在所述电介质11中的多个底部通孔，所述底部通孔中设置有底部导线12，例如底部金属导线。
在本申请实施例中，所述底电极的材料可以包括Ta、TaN、W、WN、Ti、TiN、Co、Cu、Al和Pt中的任意一种或多种，例如，所述底电极的材料可以为TaN或TiN。所述底电极可以为单层或多层。
在本申请实施例中，所述硬掩膜层(Hard Mask,HM)的材料可以包括Ta、TaN、W、WN、Ti、TiN、Co、Cu、Al和Pt中的任意一种或多种；所述硬掩膜层的厚度可以为20nm至100nm，例如，可以为20nm、40nm、50nm、60nm、80nm、100nm。
在本申请实施例中，如图1所示，所述存储器还可以包括多个晶体管80，所述底部导线12一端与所述晶体管80电连接，所述底部导线12另一端与所述存储位元电连接。
本申请实施例还提供如上所述的磁性随机存取存储器的制备方法。图2为本申请实施例的MRAM的制备工艺流程图。如图2所示，所述制备方法可以包括：
S10：提供基底，在所述基底上依次设置底电极层、磁性隧道结层和初始硬掩膜层，对所述底电极层、所述磁性隧道结层和所述初始硬掩膜层进行图案化刻蚀，得到图案化的底电极、磁性隧道结和硬掩膜层的阵列；
S20：在所述基底未被所述底电极覆盖的表面、所述底电极远离所述基底一侧的侧壁、所述磁性隧道结远离所述基底一侧的侧壁以及所述硬掩膜层远离所述基底一侧的侧壁和顶部设置初始保护层；
S30：使所述初始保护层形成多个带有通孔的第一盖帽，得到保护层；
S40：在所述第一盖帽的侧壁和顶部、所述硬掩膜层的顶部以及相邻两个第一盖帽之间的基底表面上设置初始磁屏蔽层；
S50：采用自对准刻蚀法对所述初始磁屏蔽层进行刻蚀，使得所述初始磁屏蔽层的剩余部分形成包括所述第二盖帽的磁屏蔽层。
图3-1至图3-15为本申请实施例的MRAM的制备方法的中间步骤得到的中间品的结构示意图。
如图3-1至图3-5所示，所述制备方法可以包括：
S10：提供基底10，所述基底10包括电介质11和设置在所述电介质11中的多个底部通孔，所述底部通孔中设置有底部导线12；在所述基底10上依次设置底电极层、磁性隧道结层和初始硬掩膜层，对所述底电极层、所述磁性隧道结层和所述初始硬掩膜层进行图案化刻蚀，得到图案化的底电极20、磁性隧道结30和硬掩膜层40的阵列，如图3-1所示；
S20：在所述基底10未被所述底电极20覆盖的表面、所述底电极20远离所述基底10一侧的侧壁、所述磁性隧道结30远离所述基底10一侧的侧壁以及所述硬掩膜层40远离所述基底10一侧的侧壁和顶部设置初始保护层50’，如图3-2所示；
S30：使所述初始保护层50’形成多个带有通孔的第一盖帽51，得到保护层50，如图3-3所示；
S40：在所述第一盖帽51的侧壁和顶部、所述硬掩膜层40的顶部以及相邻两个第一盖帽51之间的基底10表面上设置初始磁屏蔽层60’，如图3-4所示；
S50：采用自对准刻蚀法对所述初始磁屏蔽层60’进行刻蚀，使得所述初始磁屏蔽层60’的剩余部分形成包括所述第二盖帽61的磁屏蔽层60，如图3-5所示。
在本申请实施例中，步骤S50可以包括：
S51：在所述初始磁屏蔽层远离所述基底的一侧设置中间介质层；
S52：采用自对准刻蚀法对所述中间介质层和所述初始磁屏蔽层进行刻蚀，使得所述初始磁屏蔽层的剩余部分形成包括所述第二盖帽的所述磁屏蔽层。
在本申请实施例中，步骤S52可以包括：
S521：采用自对准刻蚀法对所述中间介质层进行刻蚀，使得所述中间介质层的剩余部分形成多个包裹所述初始磁屏蔽层的盖帽(所述初始磁屏蔽层的盖帽包裹所述第一盖帽)的第三盖帽；
S522：以所述第三盖帽为掩膜，采用自对准刻蚀法对所述初始磁屏蔽层进行刻蚀，使得所述初始磁屏蔽层的剩余部分形成包括所述第二盖帽的所述磁屏蔽层。
在本申请实施例中，如图3-6至图3-8所示，步骤S50可以包括：
S51：在所述初始磁屏蔽层60’远离所述基底的一侧设置中间介质层90，如图3-6所示；
S521：采用自对准刻蚀法对所述中间介质层90进行刻蚀，使得所述中间介质层90的剩余部分形成多个包裹所述初始磁屏蔽层60’的第二盖帽61(所述初始磁屏蔽层60’形成在保护层50上，因此具有包裹所述第一盖帽51的第二盖帽61)的第三盖帽91，如图3-7所示；
S522：以所述第三盖帽91为掩膜，采用自对准刻蚀法对所述初始磁屏蔽层60’进行刻蚀，使得所述初始磁屏蔽层60’的剩余部分形成包括所述第二盖帽61的所述磁屏蔽层60，如图3-8所示。
在本申请实施例中，步骤S50完成后，所述中间介质层90可以完全被刻蚀掉，如图3-5所示；也可以剩余所述第二盖帽61顶部的部分，如图3-8所示。
在本申请实施例中，步骤S521中，可以通过倾斜溅射形成所述中间介质层。倾斜溅射可以使中间介质层顶部的厚度大于侧壁和底部的厚度，从而增加后续对初始磁屏蔽层进行自对准刻蚀时的自对准效果，使得初始磁屏蔽层的顶部和侧壁能保留的更多。
在本申请实施例中，如图3-9至图3-11所示，所述制备方法还可以包括：在步骤S50之后，
S60：在相邻的两个所述第二盖帽61之间的表面和顶部填充介质，形成介质层100，如图3-9所示；
S70：在所述介质层100中设置通孔，并使顶部导线70通过所述介质层100的通孔与所述磁屏蔽层60电连接，如图3-10所示；或者，在所述介质层100和所述磁屏蔽层60的第二盖帽61中设置通孔，并使顶部导线70通过所述介质层100、所述第二盖帽61和所述第一盖帽51的通孔与所述硬掩膜层40电连接，如图3-11所示。
在本申请实施例中，所述中间介质层的材料与所述介质层的材料可以相同或不同。
在本申请实施例中，所述制备方法还可以包括：
S80：将所述基底10的底部导线12与晶体管80电连接，得到如图1所示的MRAM。
在本申请实施例中，步骤S30可以包括：
S31：采用自对准刻蚀法对所述初始保护层50’进行刻蚀，使得所述初始保护层50’的剩余部分形成环形筒状的第一盖帽51，得到所述保护层50；或者，
S31’：在所述初始保护层50’上开设通孔，得到包括基层和第一盖帽的所述保护层，所述第一盖帽为环形筒状或带有通孔的桶状。
在本申请实施例中，步骤S31’中，所述第一盖帽51的通孔可以在形成初始保护层50’之后、形成初始磁屏蔽层60’之前开设，或者在步骤S70中开设贯通所述介质层100、所述第二盖帽61和所述第一盖帽51的通孔。
在本申请实施例中，如图3-1、图3-2和图3-12至图3-15所示，当步骤S30为步骤S31’时，所述制备方法可以包括：
S10：提供基底10，所述基底10包括电介质11和设置在所述电介质11中的多个底部通孔，所述底部通孔中设置有底部导线12；在所述基底10上依次设置底电极层、磁性隧道结层和初始硬掩膜层，对所述底电极层、所述磁性隧道结层和所述初始硬掩膜层进行图案化刻蚀，得到图案化的底电极20、磁性隧道结30和硬掩膜层40的阵列，如图3-1所示；
S20：在所述基底10未被所述底电极20覆盖的表面、所述底电极20远离所述基底10一侧的侧壁、所述磁性隧道结30远离所述基底10一侧的侧壁以及所述硬掩膜层40远离所述基底10一侧的侧壁和顶部设置初始保护层50’，如图3-2所示；
S40’：在所述初始保护层50’远离所述基底10的一侧设置初始磁屏蔽层60’，如图3-12所示；
S50’：采用自对准刻蚀法对所述初始磁屏蔽层60’进行刻蚀，使得所述初始磁屏蔽层60’的剩余部分形成包括所述第二盖帽61的磁屏蔽层60，如图3-13所示；
S60’：在相邻的两个所述第二盖帽61之间的表面和顶部填充介质，形成介质层100，如图3-14所示；
S70’：在所述介质层100、所述磁屏蔽层60的第二盖帽61和所述初始保护层50’中设置通孔，使得所述初始保护层50’的剩余部分形成包括多个带有通孔的第二盖帽51和基层52的保护层50，并使顶部导线70通过所述介质层100、所述第二盖帽61和所述第一盖帽51的通孔与所述硬掩膜层40电连接，如图3-15所示。
在本申请实施例中，所述制备方法还可以包括：对所述磁屏蔽层进行退火或磁场退火处理。
在本申请实施例中，所述自对准刻蚀法可以为垂直刻蚀或倾斜刻蚀。倾斜刻蚀可以使刻蚀后膜层的侧壁残留的材料分布不对称。
在本申请实施例中，可以根据待刻蚀膜层的侧壁调节所述倾斜刻蚀的倾斜角，所述倾斜刻蚀的倾斜角一般不超过30度，例如，可以在10度至30度之间。
在本申请实施例中，所述自对准刻蚀法可以为物理刻蚀或化学刻蚀。
在本申请实施例中，所述自对准刻蚀法可以包括采用等离子体刻蚀对所述保护层和所述保护层进行刻蚀，所述等离子体刻蚀包括化学反应刻蚀、离子束刻蚀和原子层刻蚀中的任意一种或多种。
在本申请实施例中，所述等离子体刻蚀采用的等离子体可以为电感耦合等离子体。电感耦合等离子体技术可以提升等离子体密度。
在本申请实施例中，所述等离子体的密度非均一性可以小于2％，所述等离子体的方向非均一性可以小于5％。
在本申请实施例中，步骤S10中，对所述硬掩膜层进行图案化刻蚀的方法可以为化学反应刻蚀和/或物理反应刻蚀法。
在本申请实施例中，步骤S10中，对所述磁性隧道结层进行图案化刻蚀时可以使刻蚀停止在所述底电极层上，刻蚀方法可以为离子束刻蚀(Ion Beam Etching,IBE)法。所述离子束刻蚀工艺的离子源气体可以选自Ne、Ar、Kr、Xe中的任意一种或多种。
在本申请实施例中，步骤S20中，可以采用原子层沉积(Atomic LayerDeposition,ALD)工艺设置所述初始保护层。采用ALD工艺得到的初始保护层致密且侧壁覆盖率好。
在本申请实施例中，步骤S60中，可以采用化学气相沉积(Chemical VaporDeposition,CVD)工艺填充介质形成所述介质层。所述介质层的材料可以为SiOx等低K材料。
在本申请实施例中，步骤S70中，可以通过光刻法在所述介质层中设置通孔，并在通孔中填充金属层和对所述金属层进行平坦化(例如，可以通过CMP进行平坦化)，得到所述顶部导线。
自对准刻蚀法主要利用各向异性刻蚀原理。在各向异性刻蚀中，刻蚀速率与等离子体束流的方向相关，一般垂直于等离子体方向刻蚀速率较高，平行于等离子体束流方向刻蚀速率较低。
本申请实施例的磁性随机存取存储器的制备方法采用自对准刻蚀法对初始磁屏蔽层进行刻蚀，具有以下优势：
(1)实现了MRAM位元级别的磁屏蔽保护，屏蔽效果良好，而且MRAM的体积小、重量轻、运输方便、外围芯片及电路的工作不受影响；
(2)利用共性沉积和自对准刻蚀图案化，能提供几乎全包围的磁屏蔽保护；
(3)不需要额外的光罩，MRAM的制造成本较低；
(4)额外收益：磁性屏蔽层可以产生微弱的水平偏置磁场施加在自由层上，能够降低MRAM的写入电流，提升写入效率。
图4为本申请实施例的MRAM的磁屏蔽层对水平方向外磁场的磁屏蔽效果示意图；图5为图4的俯视图；图6为本申请实施例的MRAM的磁屏蔽层对垂直方向外磁场的磁屏蔽效果示意图。
可以看出，无论是水平方向外磁场还是垂直方向外磁场，磁屏蔽层的第二盖帽都可以起到很好的屏蔽效果，实现了MRAM位元级别的磁屏蔽保护。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (11)
1.一种磁性随机存取存储器，其特征在于，包括：
基底；
底电极，所述底电极设置在所述基底一侧；
磁性隧道结，所述磁性隧道结设置在所述底电极远离所述基底的一侧；
硬掩膜层，所述硬掩膜层设置在所述磁性隧道结远离所述基底的一侧；
保护层，所述保护层包括多个带有通孔的第一盖帽，所述第一盖帽包裹所述底电极的侧壁、所述磁性隧道结的侧壁和所述硬掩膜层的侧壁，所述第一盖帽的通孔允许所述硬掩膜层顶部露出；
磁屏蔽层，所述磁屏蔽层包括多个第二盖帽，所述第二盖帽包裹所述第一盖帽的侧壁和顶部。
2.根据权利要求1所述的磁性随机存取存储器，其中，所述磁屏蔽层的厚度为20nm至60nm；
任选地，所述第二盖帽为桶状或者带有通孔的桶状或环形筒状，并且当所述第二盖帽带有通孔时，所述第二盖帽的通孔允许所述硬掩膜层顶部露出。
3.根据权利要求1所述的磁性随机存取存储器，其中，所述磁屏蔽层包括绝缘的磁屏蔽层和导电的磁屏蔽层中的任意一种或多种；
任选地，所述磁屏蔽层的材料包括Fe、Co、Ni、Cu、Si、Pt、Zn、Ti、Ta、W、Al、Cr、FeCo、FeN、FeNi、FeNiMo、FeSiAl、Fe2O3、FeSiB、SmCo和NdFeB中的任意一种或多种；
任选地，所述磁屏蔽层为单层或多层。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁性随机存取存储器，其中，
所述第一盖帽为环形筒状，设置在所述底电极的侧壁、所述磁性隧道结的侧壁和所述硬掩膜层的侧壁上；或者，
所述保护层包括基层和所述第一盖帽，所述基层设置在所述基底一侧未被所述底电极覆盖的表面上，所述第一盖帽为环形筒状或带有通孔的桶状。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁性随机存取存储器，其中，所述保护层的材料包括SiN、SiO、AlOx、SiC和SiCN中的任意一种或多种；
任选地，所述保护层的厚度为15nm至30nm。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的磁性随机存取存储器，还包括顶部导线；
所述顶部导线设置在所述磁屏蔽层远离所述基底的一侧；或者，所述顶部导线设置在所述硬掩膜层远离所述基底的一侧；
其中，所述磁屏蔽层包括导电的磁屏蔽层，所述顶部导线与所述导电的磁屏蔽层电连接，所述硬掩膜层伸出所述保护层外与所述磁屏蔽层连接；或者，所述顶部导线穿过所述磁屏蔽层和所述保护层与所述硬掩膜层电连接；
任选地，所述顶部导线为双大马士革结构或单大马士革结构。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的磁性随机存取存储器的制备方法，其特征在于，包括：
S10：提供基底，在所述基底上依次设置底电极层、磁性隧道结层和初始硬掩膜层，对所述底电极层、所述磁性隧道结层和所述初始硬掩膜层进行图案化刻蚀，得到图案化的底电极、磁性隧道结和硬掩膜层的阵列；
S20：在所述基底未被所述底电极覆盖的表面、所述底电极远离所述基底一侧的侧壁、所述磁性隧道结远离所述基底一侧的侧壁以及所述硬掩膜层远离所述基底一侧的侧壁和顶部设置初始保护层；
S30：使所述初始保护层形成多个带有通孔的第一盖帽，得到保护层；
S40：在所述第一盖帽的侧壁和顶部、所述硬掩膜层的顶部以及相邻两个第一盖帽之间的基底表面上设置初始磁屏蔽层；
S50：采用自对准刻蚀法对所述初始磁屏蔽层进行刻蚀，使得所述初始磁屏蔽层的剩余部分形成包括所述第二盖帽的磁屏蔽层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，步骤S50包括：
S51：在所述初始磁屏蔽层远离所述基底的一侧设置中间介质层；
S52：采用自对准刻蚀法对所述中间介质层和所述初始磁屏蔽层进行刻蚀，使得所述初始磁屏蔽层的剩余部分形成包括所述第二盖帽的所述磁屏蔽层。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其中，步骤S30包括：
S31：采用自对准刻蚀法对所述初始保护层进行刻蚀，使得所述初始保护层的剩余部分形成环形筒状的第一盖帽，得到所述保护层；或者，
S31’：在所述初始保护层上开设通孔，得到包括基层和第一盖帽的所述保护层，所述第一盖帽为环形筒状或带有通孔的桶状。
10.根据权利要求7所述的制备方法，还包括：在步骤S50之后，
S60：在相邻的两个所述第二盖帽之间的表面和顶部填充介质，形成介质层；
S70：在所述介质层中设置通孔，并使顶部导线通过所述介质层的通孔与所述磁屏蔽层电连接；或者，在所述介质层和所述磁屏蔽层的第二盖帽中设置通孔，并使顶部导线通过所述介质层、所述第二盖帽和所述第一盖帽的通孔与所述硬掩膜层电连接。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的制备方法，其中，所述自对准刻蚀法为垂直刻蚀或倾斜刻蚀；
任选地，所述倾斜刻蚀的倾斜角不超过30度，还任选地在10至30度之间；
任选地，所述自对准刻蚀法为物理刻蚀或化学刻蚀；
任选地，所述自对准刻蚀法包括采用等离子体刻蚀对所述保护层和所述保护层进行刻蚀，所述等离子体刻蚀包括化学反应刻蚀、离子束刻蚀和原子层刻蚀中的任意一种或多种；
任选地，所述等离子体刻蚀采用的等离子体为电感耦合等离子体；
任选地，所述等离子体的密度非均一性小于2％，所述等离子体的方向非均一性小于5％。
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|---|---|---|---|
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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