CN118019436A - 磁性存储器器件保护膜及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了磁性存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)芯片核心器件磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)相关的特殊结构以及其制造工艺。具体为用物理气相沉积方法形成MTJ侧壁保护薄膜的器件结构以及其制备工艺。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路中存储器芯片领域，具体涉及的是新一代集成电路中非挥发性存储器的主要种类、磁性存储器的重要器件磁隧道结的特殊保护膜及其制造方法。
背景技术
基于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的随机存取存储器(比如SRAM、DRAM等)的待机能耗(亦即挥发性)随器件的小尺寸化而变得越来越严重。新一代集成电路中的存储器芯片需要使用具有非挥发性的新原理器件。基于自旋电子器件磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)的磁性存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)是最有希望在新一代集成电路中大规模应用的存储器芯片。
组成MRAM的MTJ由两层磁性薄膜(其中一层自旋方向固定，一层自旋方向可控制翻转用于信息写入)夹一层绝缘隧道层(通常为MgO)构成。两层磁性薄膜的自旋方向相反与平行会形成高低电阻态，正好对应数字信息的0与1。MTJ的制造方法主要为：先制备MTJ的多层薄膜，再蚀刻成器件，这之后再对器件进行保护。通常的半导体工艺中，MTJ侧壁的保护方法为采用氧化方式或者氮化物方式。然而，因为MTJ通常是由十多层或者更多的金属薄膜以及氧化隧道层组成，上述氧化方式或者氮化物的方式形成的保护膜都容易对MTJ薄膜产生不纯物污染等影响，比如氧或者氮会扩散到MTJ的某层或者多层薄膜中，降低MTJ的自由层的磁各向异性以及隧道磁阻性能，从而降低MRAM性能。
发明内容
鉴于上述背景，本发明提出了一种新的磁性存储器器件结构及其制造工艺。主要内容为：
本发明提出了一种磁性存储器器件，其结构特征在于：所述磁性存储器器件包括两层磁性薄膜结构体、夹设于所述两层磁性薄膜结构体之间的非磁性薄膜结构体、所述两层磁性薄膜结构体以及所述两层磁性薄膜结构体之间的非磁性薄膜结构体的侧面环绕一层氧化镁绝缘体薄膜、以及所述氧化镁绝缘体薄膜外侧的绝缘薄膜。
上述特征基于磁隧道结MTJ的基本结构，在MTJ中，两层磁性薄膜结构体分别被称为自由层(又称记录层)与固定层(又称钉扎层)。自由层与固定层通常都是由铁磁性薄膜比如CoFeB合金为主体的多层结构。但也可以用反铁磁性薄膜作为自由层或者固定层的主体。两层磁性薄膜结构体之间的非磁性薄膜结构体主要包括使上述器件形成磁隧道结MTJ的绝缘材料(包括MgO、Al2O3等)，但也可以包含使上述器件形成巨磁阻效应的自旋阀的非磁性金属材料(比如铜等)。
在上述基础上，更进一步细化了磁性存储器器件，其特征在于：所述磁性薄膜结构体以及夹设于所述两层磁性薄膜结构体之间的非磁性薄膜结构体可采用单一材料组成的单层薄膜和多种材料组成的多层叠加膜中的任意一种结构。
因为现在实用化的MTJ等磁存储器件基本上都是由多种材料构成的多层薄膜组成。上述对磁性存储器器件细化是对薄膜结构体进行了补充说明。需要强调的是，通常的半导体工艺中，MTJ侧壁的保护方法为采用氧化方式或者氮化物方式，但都有不纯物(氮、氧)扩散到MTJ中，造成性能劣化，本发明中，MTJ的外层的保护膜为用物理气相沉积(PVD)制备的MgO薄膜。因为MgO本身就是MTJ的组成部分，故与MTJ的各金属层具有匹配性，不会产生不纯物污染。
针对上述具有MgO保护膜的MTJ磁性存储器器件结构，提出了下列制造方法，其特征在于，包含以下主要步骤：
(1.1)制备底部电极，并在底部电极上制备第一磁性薄膜结构体的薄膜；
(1.2)在第一磁性薄膜结构体上制备非磁性薄膜结构体的薄膜；
(1.3)在非磁性薄膜结构体上制备第二磁性薄膜结构体的薄膜；
(1.4)在第二磁性薄膜结构体上制备顶部电极材料薄膜；
(1.5)在顶部电极材料薄膜上制备蚀刻用保护薄膜；
(1.6)将上述薄膜蚀刻成单个器件；
(1.7)在上述蚀刻过程后用物理气相沉积形成一层薄的氧化镁绝缘薄膜；
(1.8)在上述氧化镁上面再沉积其它绝缘体；
(1.9)用化学机械研磨去研磨电极层上面的蚀刻用保护薄膜、氧化镁绝缘薄膜、以及其它绝缘体，至露出顶部电极，形成上述磁存储器器件与外界的电流通路。
附图说明
图1为本发明的实施例之一，即具有MgO侧壁保护膜的MTJ器件的示意图。
图2为本发明的工艺实施例之一，即形成MTJ的多层薄膜的示意图。
图3为本发明的工艺实施例之一，即形成MTJ的多层薄膜后进行蚀刻形成MTJ器件的示意图。
图4为本发明的工艺实施例之一，即在上述MTJ上面用物理气相沉积形成MgO保护膜的示意图。
图5为本发明的实施例之一，即本发明中具有MgO薄膜保护侧壁的MTJ器件的一种结构示意图。
图6为本发明的工艺实施例之一，即在物理气相沉积形成的MgO的上面进一步形成其它的绝缘隔离层的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并对实施方式举例说明，对本发明进行描述。
图1为本发明的实施例之一，即具有MgO侧壁保护膜的MTJ器件的示意图。12为第一磁性薄膜结构体的薄膜，通常为MTJ器件的固定层。该层为由多层膜组成，其主要构成为自旋方向可以固定的铁磁体CoFeB合金，以及用于固定其自旋方向的反铁磁薄膜(IrMn合金、PtMn合金等)或者Co与Pt的多层膜等。13为非磁性薄膜结构体的薄膜，通常为MgO薄膜用于隧道层。此处MgO也可以为其它可用于作为隧道层的绝缘材料比如Al2O3，以及用于巨磁阻效应的非磁性金属(比如Cu、Al)。隧道层还可以为镁铝氧合金等能充当隧道层的材料。14为第二磁性薄膜结构体的薄膜，通常为MTJ器件的自由层。该层由多层膜组成，其主要成为自旋方向可以控制翻转(用于信息写入)的铁磁体CoFeB合金，用于增加热稳定性的MgO薄膜，以及用于调节自由层磁特性的非磁性材料Ru等。需要指出的是，12的固定层与14的自由层可以互换，亦即当12为自由层的时候，14为固定层，也可以组成MTJ器件。17为本发明中最主要部分用物理气相沉积制备的MgO。因为MgO本身为非磁性薄膜结构体的薄膜的主要组成，不会对第一磁性薄膜结构体、非磁性薄膜结构体的薄膜、第二磁性薄膜结构体、以及电极材料薄膜产生污染，所以MgO能作为保护膜。因为上述理由，相对于传统工艺中利用的氧化技术形成MTJ器件侧壁的保护薄膜或者沉积绝缘氮化膜形成MTJ器件侧壁的保护薄膜，本发明的MgO保护薄膜具有优势。另外，因为所用的PVD通常可以蚀刻MTJ的腔体(比如反应离子蚀刻RIE以及离子束蚀刻IBE)相连，所以可以在蚀刻MTJ后直接进行保护膜沉积，从而避免保护膜暴露到受到大气中组分的污染。18为沉积的其它绝缘物比如氧化硅或者氮化硅。这之后，25、17、与18通常是通过化学机械研磨方法研磨形成共面。MTJ顶部、底部电极通常为CMOS的金属配线层的部分，也即属于半导体工艺中Back end of line(BEOL)工序。需要指出的是，作为自由层的铁磁体亦可以为反铁磁性材料。自由层与固定层可以由同一材料同一结构构成，也可由不同材料或者不同结构构成。
图2为本发明的实施例之一，即形成MTJ的多层薄膜的示意图。其中1为底部电极，可以为金属(比如Al，Cu等)以及合金(比如TaN，TiN等)。底部电极通常形成于CMOS的金属配线层，也即半导体工艺中的Back end of line(BEOL)工序。2为第一磁性薄膜结构体的薄膜，通常为MTJ器件的固定层。该层为由多层膜组成，其主要成为自旋方向可以固定的CoFeB合金，以及用于固定其自旋方向的反铁磁薄膜(IrMn合金、PtMn合金等)或者Co与Pt的多层膜等。3为非磁性薄膜结构体的薄膜，通常为MgO薄膜用于隧道层。此处MgO也可以为其它可用于作为隧道层的绝缘材料比如Al2O3，以及用于巨磁阻效应的非磁性金属(比如Cu、Al)。隧道层还可以为镁铝氧合金等能充当隧道层的材料。4为第二磁性薄膜结构体的薄膜，通常为MTJ器件的自由层。该层由多层膜组成，其主要成为自旋方向可以控制翻转(用于信息写入)的CoFeB合金，用于增加热稳定性的MgO薄膜，以及用于调节自由层磁特性的非磁性材料Ru等。需要指出的是，12的固定层与14的自由层可以互换，亦即当12为自由层的时候，14为固定层，也可以组成MTJ器件。5为顶部电极材料薄膜，类似底部电极，可以为金属(比如Al，Cu等)以及合金(比如TaN，TiN等)。6为用于保护MTJ的硬光罩掩模(比如氮化硅)。
图3为本发明的实施例之一，即形成MTJ的多层薄膜(图2)后进行蚀刻形成MTJ器件的示意图。其中1为底部电极，可以为金属(比如Al，Cu等)以及合金(比如TaN，TiN等)。12为第一磁性薄膜结构体的薄膜，通常为MTJ器件的固定层。该层为由多层膜组成，其主要成为自旋方向可以固定的CoFeB合金，以及用于固定其自旋方向的反铁磁薄膜(IrMn合金、PtMn合金等)或者Co与Pt的多层膜等。13为非磁性薄膜结构体的薄膜，通常为MgO薄膜用于隧道层。此处MgO也可以为其它可用于作为隧道层的绝缘材料比如Al2O3。14为第二磁性薄膜结构体的薄膜，通常为MTJ器件的自由层。该层由多层膜组成，其主要成为自旋方向可以控制翻转的CoFeB合金，以及用于增加热稳定性的MgO薄膜，以及用于调节自由层磁特性的非磁性材料Ru等。15为顶部电极材料薄膜，可以为金属(比如Al，Cu等)以及合金(比如TaN，TiN等)。16用于保护MTJ的硬掩模(比如氮化硅)。需要指出的是，本实施例中底部电极1并没有被蚀刻，在实际的制造过程中，1也可能部分或者全部被产生其上面结构相同的蚀刻，亦即1的形状会有多种变化。另外，通常半导体的蚀刻比较难形成图3的圆柱形状，而通常形成的是圆台形状。
图4为本发明的工艺实施例之一，即在图3的基础上通过PVD形成7(MgO薄膜保护层)。需要指出的是，此处通常用PVD形成MgO会更好，但用CVD形成MgO也具有可能性。此处，MgO以外的其它的金属氧化物，如果其不与MTJ的组分发生化学反应(或者不扩散到MTJ组分中形成污染)，且在MTJ形成工艺中不产生特别变化的话，也可以作为保护膜起到MgO一样的功能。
图5为在图4的基础上进一步沉积形成绝缘物对器件进行隔离保护。此处应考虑介电常数(越低越好)以及与后期工艺的兼容性，通常会选择氧化硅与氮化硅等。注意，在特殊应用中也应考虑到磁特性。
图6为本发明的实施例之一，即新结构磁性存储器结构的示意图。图5经过化学机械研磨CMP研磨后，形成图6的结构。其中1为底部电极，可以为金属(比如Al，Cu等)以及合金比如(TaN，TiN等)。底部电极通常形成于CMOS的金属配线层，也即半导体工艺中的Back endof line(BEOL)工序。12为第一磁性薄膜结构体的薄膜，通常为MTJ器件的固定层。该层为由多层膜组成，其主要构成为自旋方向可以固定的铁磁体CoFeB合金，以及用于固定其自旋方向的反铁磁薄膜(IrMn合金、PtMn合金等)或者Co与Pt的多层膜等。13为非磁性薄膜结构体的薄膜，通常为MgO薄膜用于隧道层。此处MgO也可以为其它可用于作为隧道层的绝缘材料比如Al2O3，以及用于巨磁阻效应的非磁性金属(比如Cu、Al)。隧道层还可以为镁铝氧合金等能充当隧道层的材料。14为第二磁性薄膜结构体的薄膜，通常为MTJ器件的自由层。该层由多层膜组成，其主要成为自旋方向可以控制翻转(用于信息写入)的铁磁体CoFeB合金，用于增加热稳定性的MgO薄膜，以及用于调节自由层磁特性的非磁性材料Ru等。需要指出的是，12的固定层与14的自由层可以互换，亦即当12为自由层的时候，14为固定层，也可以组成MTJ器件。25为顶部电极材料薄膜，可以为金属(比如Al，Cu等)或者合金(比如TaN，TiN等)。17为本发明中最主要部分用物理气相沉积制备的MgO。因为MgO本身为非磁性薄膜结构体的薄膜的主要组成，不会对第一磁性薄膜结构体、非磁性薄膜结构体的薄膜、第二磁性薄膜结构体、以及电极材料薄膜产生污染，所以MgO能作为保护膜。因为上述理由，相对于传统工艺中利用的氧化技术形成MTJ器件侧壁的保护薄膜或者沉积绝缘氮化膜形成MTJ器件侧壁的保护薄膜，本发明的MgO保护薄膜具有优势。另外，因为所用的PVD通常可以蚀刻MTJ的腔体(比如反应离子蚀刻RIE以及离子束蚀刻IBE)相连，所以可以在蚀刻MTJ后直接进行保护膜沉积，从而避免保护膜暴露到受到大气中组分的污染。18为沉积的其它绝缘物比如氧化硅或者氮化硅。这之后，25、17、与18通常是通过化学机械研磨方法研磨形成共面。MTJ顶部、底部电极通常为CMOS的金属配线层的部分，也即属于半导体工艺中Back end of line(BEOL)工序。需要指出的是，作为自由层的铁磁体亦可以为反铁磁性材料。自由层与固定层可以由同一材料同一结构构成，也可由不同材料或者不同结构构成。
以上所有实施例仅表达了本发明的某种实施方式，描述较为具体，但并不能理解其为对发明专利范围的限制。应指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种磁性存储器器件，其结构特征在于：所述磁性存储器器件包括两层磁性薄膜结构体、夹设于所述两层磁性薄膜结构体之间的非磁性薄膜结构体、所述两层磁性薄膜结构体以及所述两层磁性薄膜结构体之间的非磁性薄膜结构体的侧面环绕一层氧化镁绝缘体薄膜、以及所述氧化镁绝缘体薄膜外侧的绝缘薄膜。
2.如权利要求1磁性存储器器件，其特征在于：所述磁性薄膜结构体以及夹设于所述两层磁性薄膜结构体之间的非磁性薄膜结构体可采用单一材料组成的单层薄膜和多种材料组成的多层叠加膜中的任意一种结构。
3.一种如权利要求1至2任一项所述的磁性存储器器件的制造方法，其特征在于，包含以下主要步骤：
(1.1)制备底部电极，并在底部电极上制备第一磁性薄膜结构体的薄膜；
(1.2)在第一磁性薄膜结构体上制备非磁性薄膜结构体的薄膜；
(1.3)在非磁性薄膜结构体上制备第二磁性薄膜结构体的薄膜；
(1.4)在第二磁性薄膜结构体上制备顶部电极材料薄膜；
(1.5)在顶部电极材料薄膜上制备蚀刻用保护薄膜；
(1.6)将上述薄膜蚀刻成单个器件；
(1.7)在上述蚀刻过程后用物理气相沉积形成一层薄的氧化镁绝缘薄膜；
(1.8)在上述氧化镁上面再沉积其它绝缘体；
(1.9)用化学机械研磨去研磨电极层上面的蚀刻用保护薄膜、氧化镁绝缘薄膜、以及其它绝缘体，至露出顶部电极，形成上述磁存储器器件与外界的电流通路。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |