DE102019116497A1

DE102019116497A1 - Magnetischer direktzugriffsspeicher und herstellungsverfahren davon

Info

Publication number: DE102019116497A1
Application number: DE102019116497.4A
Authority: DE
Inventors: Ji-Feng Ying; Vincent Hou
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2020-01-02
Also published as: US20210265424A1; US11659718B2; TWI690098B; KR102312212B1; US20230269951A1; KR20200001516A; CN110649156A; CN110649156B; US11004901B2; US20200152701A1; TW202002345A; US10541269B2; US20190393265A1

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung weist eine magnetische Direktzugriffsspeicher(MRAM)-zelle auf. Die MRAM-Zelle weist eine erste Magnetschicht, die über einem Substrat angeordnet ist, eine erste nichtmagnetische Materialschicht, die aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt und über der ersten Magnetschicht angeordnet ist, eine zweite Magnetschicht, die über der ersten nichtmagnetischen Materialschicht angeordnet ist, und eine zweite nichtmagnetische Materialschicht, die über der zweiten Magnetschicht angeordnet ist, auf. Die zweite Magnetschicht weist mehrere magnetische Materialstücke auf, die voneinander getrennt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine magnetische Direktzugriffsspeicher(MRAM, Magnetic Random Access Memory)-vorrichtung und genauer auf eine MRAM-Vorrichtung basierend auf einer Magnettunnelübergangszelle, die mit einer Halbleitervorrichtung gebildet ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein MRAM bietet einem flüchtigen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM, Static Random Access Memory) eine vergleichbare Leistung und einem flüchtigen dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM, Dynamic Random Access Memory) eine vergleichbare Dichte mit geringerem Stromverbrauch. Im Vergleich zu einem NVM(Non-Volatile Memory, Nichtflüchtigen Speicher)-Flash-Speicher bietet ein MRAM viel schnellere Zugriffszeiten und leidet unter einer minimalen Verschlechterung im Verlaufe der Zeit, während ein Flash-Speicher nur eine begrenzte Anzahl an Malen wiederbeschrieben werden kann. Eine MRAM-Zelle ist durch einen Magnettunnelübergang (MTJ, Magnetic Tunnel Junction) gebildet, der zwei ferromagnetische Schichten umfasst, welche durch eine dünne Isolierbarriere getrennt sind, und arbeitet durch Tunneln von Elektronen zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten durch die Isolierschicht.
Figurenliste

1A ist eine schematische Ansicht einer MTJ MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
1B ist eine schematische Querschnittsansicht des MTJ-Filmstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2A und 2B zeigen schematische Querschnittsansichten von Magnetschichten des MTJ-Filmstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3A und 3B zeigen Operationen des MTJ-Filmstapels. 3C und 3D zeigen Operationen des MTJ-Filmstapels.
4A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm eines MTJ MRAM, 4B zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Speicherzelle des MTJ MRAM und 4C zeigt ein Speicherzellenlayout des MTJ MRAM.
5A zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils der MTJ-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 5B und 5C zeigen Draufsichten (Ansichten von oben) eines Teils der MTJ-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6A, 6B, 6C, 6D und 6E zeigen Querschnittsansichten eines Teils der MTJ-Zelle gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
7A, 7B, 7C, 7D und 7E zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die eine MRAM-Zelle aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
8A und 8B zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die eine MRAM-Zelle aufweist, gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 8C und 8D zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die eine MRAM-Zelle aufweist, gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
9 zeigt eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung, die MRAM-Zellen aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
10A, 10B und 10C zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
11A und 11B zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
12A und 12B zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM aufweist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
13A und 13B zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM aufweist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
14A und 14B zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM aufweist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
15A und 15B zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die einen MRAM aufweist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass die folgende Offenbarung viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren von verschiedenen Merkmalen der Erfindung bereitstellt. Spezifische Ausführungsformen oder Beispiele von Komponenten und Anordnungen werden nachstehend beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und sollen nicht einschränkend sein. Zum Beispiel sind die Abmessungen der Elemente nicht auf den offenbarten Bereich oder die offenbarten Werte beschränkt, sondern können von Prozessbedingungen und/oder gewünschten Eigenschaften der Vorrichtung abhängen. Ferner kann die Bildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, in welchen das erste und zweite Merkmal in direktem Kontakt gebildet sind, und auch Ausführungsformen umfassen, in welchen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und zweiten Merkmal gebildet sein können, so dass das erste und zweite Merkmal möglicherweise nicht in direktem Kontakt stehen. Verschiedene Merkmale können der Einfachheit und Klarheit wegen willkürlich in verschiedenen Maßstäben gezeichnet werden. In den beigefügten Zeichnungen können einige Schichten/Merkmale der Einfachheit wegen weggelassen sein.
Ferner können räumlich bezogene Begriffe, wie etwa „unter,“ „unterhalb,“ „untere/r/s,“ „oberhalb,“ „oberer“ und dergleichen, hierin zur einfacheren Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu (einem) anderen Element(en) oder Merkmal(en) zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Die räumlich bezogenen Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung bei der Verwendung oder dem Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet (um 90 Grad gedreht oder mit anderen Ausrichtungen) sein und die räumlich bezogenen Deskriptoren, die hierin verwendet werden, können ebenfalls dementsprechend interpretiert werden. Zusätzlich kann der Ausdruck „hergestellt aus“ entweder „umfassend“ oder „bestehend aus“ bedeuten. Ferner können in dem folgenden Herstellungsprozess eine oder mehrere zusätzliche Operationen in/zwischen den beschriebenen Operationen vorhanden sein und kann die Reihenfolge der Operationen geändert werden. In der vorliegenden Offenbarung bedeutet ein Ausdruck „eine/r/s von A, B und C“ „A, B und/oder C“ (A, B, C, A und B, A und C, B und C, oder A, B und C) und bedeutet nicht ein Element von A, ein Element von B und ein Element von C, soweit nicht das Gegenteil beschrieben wird.
Bei einem Betrieb von MRAM-Vorrichtungen sind der Schreibstrom, die Schreibspannung und/oder die Schreibleistung Schlüsselunterscheidungsfaktoren. Wenn die Vorrichtungen herunter skalieren, nimmt die Fähigkeit, Antriebsstrom und -spannung zuzuführen, allgemein ab. Für mobile und viele andere Anwendungen ist der Stromverbrauch auch ein Schlüsselfaktor. Je niedriger die Schreibspannung, der Schreibstrom und/oder die Schreibleistung sind, umso flexibler wird die Systemgestaltung und wird die Vorrichtungsleistung verbessert. Die benötigte Stromdichte zum Schalten der freien Magnetschicht (Jc) und die Widerstandsfähigkeit der freien Magnetschicht (Ra) sind allgemein intrinsische Eigenschaften in Verbindung mit der Zusammensetzung, der Struktur und den Schnittstellen der freien Magnetschicht. Daher kann das Verringern des Schreibstroms, der Schreibspannung und -leistung durch Entwickeln der Zusammensetzung, Struktur und Schnittstellen der freien Magnetschicht erzielt werden. Dies ist jedoch ziemlich schwierig. Ein anderer Schlüsselunterscheidungsfaktor ist die kritische Dimension (CD, Critical Dimension) der MRAM-Vorrichtungen. Je kleiner die CD ist, umso höher wird die potentielle Speicherkapazität. Wenn die freie Magnetschicht idealerweise als eine durchgehende einzelne Schicht aus magnetischen Metallmaterialien hergestellt ist, wird die gesamte Schicht als eine magnetische Domäne betrachtet, wobei die Spins der gesamten Schicht stark miteinander gekoppelt sind. In Wirklichkeit ist es unvermeidbar, über mehrere Domänen in der freien Magnetschicht zu verfügen. Dementsprechend kann bei den MRAM-Vorrichtungen die Mehrheit der MRAM-Zellen eine Domäne aufweisen, während einige der MRAM-Zellen mehrere Domänen in der freien Magnetschicht aufweisen können. Die MRAM-Zellen mit mehreren Domänen würden Tailing-Bits bei der MRAM-Eigenschaftsverteilung hervorrufen. Mit kleiner werdender CD werden mehr Tailing-Bits in dieser Kategorie vorhanden sein, wobei das Tailing-Verhalten verschärft wird, wobei es eine deutliche Hürde für CD-Skalieren wird.
In der vorliegenden Offenbarung weist die freie Magnetschicht eine getrennte Struktur mit mehreren magnetischen Materialstücken, die voneinander getrennt sind, auf. Anstelle einer durchgehenden einzelnen Schicht aus magnetischen Metallmaterialien werden getrennte Körner, die durch eine nichtmagnetische Trennschicht isoliert sind, als die freie Magnetschicht verwendet.
1A ist eine schematische Ansicht einer MTJ MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, und 1B ist eine schematische Querschnittsansicht des MTJ-Filmstapels. Der MTJ-Filmstapel 100 ist zwischen einer unteren Metallschicht Mx und einer oberen Metallschicht My einer Halbleitervorrichtung angeordnet. Die Metallschichten Mx und My werden verwendet, um ein Element mit einem anderen Element bei einer Halbleitervorrichtung zu verbinden, die auf einer unterschiedlichen Ebene oberhalb von einem Substrat gebildet ist. Ferner ist die untere Metallschicht Mx mit einer Schaltvorrichtung SW gekoppelt, welche durch einen MOS FET einschließlich eines planaren MOS FET, eines Fin FET, eines Gate-all-around (GAA) FET oder beliebiger sonstiger Schaltvorrichtungen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, gebildet sein kann. Ein Steueranschluss (z. B. ein Gate-Anschluss des FET) der Schaltvorrichtung ist mit einer Wortleitung gekoppelt. Die obere Metallschicht My ist mit einer Bitleitung gekoppelt. In einigen Ausführungsformen ist die Schaltvorrichtung SW zwischen der oberen Metallschicht My und der Bitleitung angeordnet.
Der MTJ-Filmstapel 100, der in 1B gezeigt ist, weist eine erste Elektrodenschicht 110, die mit der unteren Metallschicht Mx gekoppelt ist, und eine zweite Elektrodenschicht 155, die mit der oberen Metallschicht My gekoppelt ist, auf. Eine MTJ-Funktionsschicht 101 ist zwischen der ersten Elektrodenschicht 110 und der zweiten Elektrodenschicht 155 angeordnet.
Die MTJ-Funktionsschicht 101 umfasst eine zweite gepinnte Magnetschicht 130, eine freie Magnetschicht 140 und eine Tunnelsperrschicht 135, die aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist und zwischen der zweiten gepinnten Magnetschicht 130 und der freien Magnetschicht 140 angeordnet ist. Die freie Magnetschicht 140 und die zweite gepinnte Magnetschicht 130 weisen ein oder mehrere ferromagnetische Materialien auf, die jeweils magnetisch ausgerichtet werden können. Die zweite gepinnte Magnetschicht 130 ist derart ausgebildet, dass die magnetische Ausrichtung fix ist und nicht auf ein typisches Magnetfeld reagieren wird. In einigen Ausführungsformen liegt die Dicke der freien Magnetschicht 140 in einem Bereich von ungefähr 0,8 nm bis ungefähr 1,5 nm. In einigen Ausführungsformen liegt die Dicke der zweiten gepinnten Magnetschicht 130 in einem Bereich von ungefähr 0,8 nm bis ungefähr 2,0 nm.
Die Tunnelsperrschicht 135 umfasst eine relativ dünne Oxidschicht, die in der Lage ist, die freie Magnetschicht 140 elektrisch von der zweiten gepinnten Magnetschicht 130 mit geringen Potentialen zu isolieren und in der Lage ist, Strom durch Elektronentunneln mit höheren Potentialen zu leiten. In einigen Ausführungsformen weist die Tunnelsperrschicht 135 Magnesiumoxid (MgO) auf, das eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,5 nm bis ungefähr 1,2 nm aufweist.
Die MTJ-Funktionsschicht 101 umfasst ferner eine antiferromagnetische Schicht 125, wie in 1B gezeigt. Die antiferromagnetische Schicht 125 wird verwendet, um die magnetische Ausrichtung der zweiten gepinnten Magnetschicht 130 zu fixieren. Die antiferromagnetische Schicht 125 weist Ruthenium (Ru) oder irgendein anderes geeignetes antiferromagnetisches Material auf. In einigen Ausführungsformen liegt die Dicke der antiferromagnetischen Schicht 125 in einem Bereich von ungefähr 0,4 nm bis ungefähr 1,0 nm.
Die MTJ-Funktionsschicht 101 umfasst ferner eine erste gepinnte Magnetschicht 120 und eine zweite gepinnte Magnetschicht 130, die beide ein oder mehrere magnetische Materialien aufweisen, wie in 1B gezeigt.
Die erste Elektrodenschicht 110 ist auf der unteren Metallschicht Mx gebildet, die zum Beispiel aus Cu, Al, W, Co, Ni und/oder einer Legierung davon hergestellt ist, und die obere Metallschicht My, die zum Beispiel aus Cu, Al, W, Co, Ni und/oder einer Legierung davon hergestellt ist, ist auf der zweiten Elektrodenschicht 155 gebildet.
Die zweite gepinnte Magnetschicht 130 umfasst mehrere Schichten aus magnetischen Materialien. Wie in 2A gezeigt ist, umfasst in einigen Ausführungsformen die zweite gepinnte Magnetschicht 130 vier Schichten 1301, 1302, 1303 und 1304, wobei die Schicht 1304 die Tunnelsperrschicht 135 berührt und die Schicht 1301 die antiferromagnetische Schicht 125 berührt. In einigen Ausführungsformen weist die Schicht 1301 (die unterste Schicht) eine Mehrfachschichtstruktur aus Kobalt (Co) und Platin (Pt) auf. In einigen Ausführungsformen liegt eine Dicke der Kobaltschicht in einem Bereich von ungefähr 0,3 nm bis ungefähr 0,6 nm und liegt eine Dicke der Platinschicht in einem Bereich von ungefähr 0,2 nm bis ungefähr 0,5 nm. Die Dicke der Kobaltschicht kann dieselbe wie die der Platinschicht oder größer sein. Die Kobaltschichten und die Platinschichten werden abwechselnd gestapelt, so dass die Gesamtdicke der Schicht 1301 in einem Bereich von ungefähr 2,0 nm bis ungefähr 5,0 nm in einigen Ausführungsformen liegt. Die Schicht 1302 umfasst eine Kobaltschicht, die eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,4 nm bis ungefähr 0,6 nm aufweist. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Schicht 1301 die Kobaltschicht und ist die Schicht 1302 die Mehrfachschicht der Kobaltschichten und der Platinschichten, wie zuvor dargelegt. In dieser Offenbarung bedeutet eine „Element-“chicht allgemein, dass der Inhalt des „Elements“ mehr als 99 % beträgt.
Die Schicht 1303 ist eine Abstandshalterschicht. Die Dicke der Abstandshalterschicht 1303 liegt in einem Bereich von ungefähr 0,2 nm bis ungefähr 0,5 nm in einigen Ausführungsformen. Die Schicht 1304 umfasst eine Kobalteisenbor(CoFeB)-schicht, eine Kobalt/Palladium(CoPd)-Schicht und/oder eine Kobalteisen(CoFe)-schicht. Die Dicke der Schicht 1304 liegt in einem Bereich von ungefähr 0,8 nm bis ungefähr 1.5 nm in einigen Ausführungsformen.
Die erste gepinnte Magnetschicht 120 umfasst mehrere Schichten aus magnetischen Materialien. Wie in 2B gezeigt ist, umfasst in einigen Ausführungsformen die erste gepinnte Magnetschicht 120 zwei Schichten 1201 und 1202, wobei die Schicht 1202 die antiferromagnetische Schicht 125 berührt. In einigen Ausführungsformen weist die Schicht 1201 eine Mehrfachschichtstruktur aus Kobalt (Co) und Platin (Pt) auf. In einigen Ausführungsformen liegt eine Dicke der Kobaltschicht in einem Bereich von ungefähr 0,3 nm bis ungefähr 0,6 nm und liegt eine Dicke der Platinschicht in einem Bereich von ungefähr 0,2 nm bis ungefähr 0,5 nm. Die Dicke der Kobaltschicht kann dieselbe wie die der Platinschicht oder größer sein. Die Kobaltschichten und die Platinschichten werden abwechselnd gestapelt, so dass die Gesamtdicke der Schicht 1201 in einem Bereich von ungefähr 5,0 nm bis ungefähr 10,0 nm in einigen Ausführungsformen liegt. Die Schicht 1202 umfasst eine Kobaltschicht, die eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,4 nm bis ungefähr 0,6 nm aufweist.
Die freie Magnetschicht 140 umfasst eine Kobalteisenbor(CoFeB)-schicht, eine Kobalt/Palladium(CoPd)-Schicht und/oder eine Kobalteisen(CoFe)-schicht, die eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,1 nm bis ungefähr 2,0 nm in einigen Ausführungsformen aufweisen. In anderen Ausführungsformen liegt die Dicke der freien Magnetschicht 140 in einem Bereich von 0,2 nm bis 1,5 nm. In bestimmten Ausführungsformen liegt die Dicke der freien Magnetschicht 140 in einem Bereich von 0,.2 nm bis 1,0 nm. Die detaillierten Strukturen der freien Magnetschicht 140 werden weiter unten beschrieben werden.
Die MTJ-Funktionsschicht 101 umfasst ferner eine Keimschicht 115, die auf der ersten Elektrodenschicht 110 gebildet ist, eine Deckschicht 145, die auf der freien Magnetschicht 140 gebildet ist, und eine Diffusionssperrschicht 150, die auf der Deckschicht 145 gebildet ist, wie in 1B gezeigt. Die Deckschicht 145 weist ein dielektrisches Material, wie etwa Magnesiumoxid, Siliziumoxid oder Aluminiumoxid, und eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,5 nm bis ungefähr 1,5 nm in einigen Ausführungsformen auf. Die Diffusionssperrschicht 150 ist aus demselben oder einem anderen Material wie die Deckschicht 145 hergestellt und weist ein dielektrisches Material, wie etwa Magnesiumoxid, Siliziumoxid oder Aluminiumoxid, und eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,5 nm bis ungefähr 1,5 nm in einigen Ausführungsformen auf. Wenn die Diffusionssperrschicht 150 aus demselben Material wie die Deckschicht hergestellt ist, wird eine der Diffusionssperrschicht 150 oder der Deckschicht 145 weggelassen.
Die erste Elektrodenschicht 110 weist ein leitfähiges Material, wie etwa ein Metall (z. B. Ta, Mo, Co, Pt, Ni), auf, um den Widerstand der ersten gepinnten Magnetschicht 120 zu verringern, insbesondere zur Programmierung. Die zweite Elektrodenschicht 155 weist auch ein leitfähiges Material, wie etwa ein Metall, auf, um die Widerstandsfähigkeit während dem Lesen zu verringern.
Die gepinnte Magnetschicht, die freie Magnetschicht und die antiferromagnetische Schicht können durch physikalische Dampfabscheidung (PVD, Physical Vapor Deposition), molekulare Strahlepitaxie (MBE, Molecular Beam Epitaxy), gepulste Laserabscheidung (PLD, Pulsed Laser Deposition), Atomschichtabscheidung (ALD, Atomic Layer Deposition), Elektronenstrahl(e-beam)-epitaxie, chemische Dampfabscheidung(CVD, Chemical Vapor Deposition) oder abgeleitete CVD-Prozesse, einschließlich Niederdruck-CVD (LPCVD, Low-Pressure Chemical Vapor Deposition), CVD mit ultrahohem Vakuum (UHVCVD, Ultrahigh Vacuum CVD), CVD mit verringertem Druck (RPCVD, Reduced Pressure CVD) oder beliebigen Kombinationen davon oder irgendein anderes geeignetes Filmabscheidungsverfahren gebildet werden. Die Tunnelsperrschicht und die Diffusionssperrschicht können auch durch CVD, PVD oder ALD oder irgendein anderes geeignetes Filmabscheidungsverfahren gebildet werden.
3A-3D zeigen eine Speicheroperation der MTJ-Zellen. Wie in 3A-3D gezeigt ist, weist die MTJ-Zelle eine gepinnte Magnetschicht 10, eine Tunnelsperrschicht 15 und eine freie Magnetschicht 20 auf. Die gepinnte Magnetschicht 10 entspricht der zweiten gepinnten Magnetschicht 130 oder der Kombination der ersten gepinnten Magnetschicht 120, der antiferromagnetischen Schicht 125 und der zweiten gepinnten Magnetschicht 130 von 1B. Die Tunnelsperrschicht 15 entspricht der Tunnelsperrschicht 135 von 1B und die freie Magnetschicht 20 entspricht der freien Magnetschicht 140 von 1B. In 3A-3D sind die verbleibenden Schichten weggelassen. Eine Stromquelle 30 ist in Reihe mit der MTJ-Struktur gekoppelt. Die Zellengröße (die größte Breite des MTJ-Stapels) in einer Draufsicht liegt in einem Bereich von ungefähr 10 nm bis ungefähr 100 nm in einigen Ausführungsformen.
In 3A sind die gepinnte Magnetschicht 10 und die freie Magnetschicht 20 magnetisch in Gegenrichtungen ausgerichtet. In einigen Ausführungsformen sind die Drehrichtungen der gepinnten Magnetschicht 10 und der freien Magnetschicht 20 parallel zu der Filmstapelrichtung (senkrecht zu der Oberfläche der Filme). In 3B sind die gepinnte Magnetschicht 10 und die freie Magnetschicht 20 magnetisch in derselben Richtung ausgerichtet. In anderen Ausführungsformen sind die Drehrichtungen der gepinnten Magnetschicht 10 und der freien Magnetschicht 20 senkrecht zu der Filmstapelrichtung (parallel zu der Oberfläche der Filme), wie in 3C und 3D gezeigt. In 3C sind die gepinnte Magnetschicht 10 und die freie Magnetschicht 20 magnetisch in Gegenrichtungen ausgerichtet, während in 3D die gepinnte Magnetschicht 10 und die freie Magnetschicht 20 magnetisch in derselben Richtung ausgerichtet sind.
Wenn derselbe Stromwert I_C gezwungen wird, durch die MTJ-Zelle durch die Stromquelle 30 zu fließen, wird festgestellt, dass die Zellenspannung V₁ in dem Fall von 3A (oder 3C) höher als die Zellenspannung V₂ in dem Fall von 3B (oder 3D) ist, da der Widerstand einer entgegengesetzt ausgerichteten MTJ-Zelle, die in 3A (oder 3C) gezeigt ist, größer als der Widerstand einer gleich ausgerichteten MTJ-Zelle ist, die in 3B (oder 3D) gezeigt ist. Binäre logische Daten („0“ und „1“) können in einer MTJ-Zelle gespeichert und abgerufen werden basierend auf der Zellausrichtung und des resultierenden Widerstands. Da die gespeicherten Daten keine Speicherenergiequelle benötigen, ist ferner die Zelle nichtflüchtig.
4A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm eines MTJ MRAM-Arrays 50. Jede Speicherzelle umfasst eine MTJ-Zelle Mc und einen Transistor Tr, wie etwa einen MOS FET. Das Gate des Transistors Tr ist mit einer der Wortleitungen WL₁... WL_m gekoppelt und ein Drain (oder eine Source) des Transistors Tr ist mit einem Ende der MTJ-Zelle Me gekoppelt, und ein anderes Ende der MTJ-Zelle ist mit einer der Bitleitungen BL_n, BL_n+1 und BL_n+a gekoppelt. Ferner sind in einigen Ausführungsformen Signalleitungen (nicht gezeigt) zum Programmieren benachbart zu den MTJ-Zellen bereitgestellt.
Eine Speicherzelle wird durch Aktivieren der Wortleitung jener Zelle, Zwängen eines Lesestroms durch die Bitleitung jener Zelle und dann Messen der Spannung auf jener Bitleitung gelesen. Um zum Beispiel den Zustand einer Ziel-MTJ-Zelle zu lesen, wird die Wortleitung aktiviert, um den Transistor Tr einzuschalten. Die freie Magnetschicht der Ziel-MTJ-Zelle wird dabei mit einer der fixen Potentialleitungen SL_n, SL_n+1 und SL_n+2., z. B. der Masse, durch den Transistor Tr gekoppelt. Als Nächstes wird der Lesestrom auf die Bitleitung gezwängt. Da nur der gegebene Lesetransistor Tr eingeschaltet wird, fließt der Lesestrom durch die Ziel-MTJ-Zelle zu der Masse. Die Spannung der Bitleitung wird dann gemessen, um den Zustand („0“ oder „1“) der Ziel-MTJ-Zelle zu bestimmen. Wie in 4A gezeigt ist, weist in einigen Ausführungsformen jede MTJ-Zelle einen Lesetransistor Tr auf. Daher wird diese Art von MRAM-Architektur 1T1R genannt. In anderen Ausführungsformen sind zwei Transistoren einer MTJ-Zelle zugeordnet, wobei sie ein 2T1R-System bilden. Es können andere Zellenarraykonfigurationen eingesetzt werden.
4B zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Speicherzelle des MTJ MRAM und 4C zeigt ein Speicherzellenlayout des MTJ MRAM.
Wie in 4B und 4C gezeigt ist, ist die MTJ-Zelle MTJ oberhalb von einer Schaltvorrichtung SW, wie etwa einem MOS FET, angeordnet. Das Gate Gate des MOSFET ist eine Wortleitung WL oder mit einer Wortleitung gekoppelt, die durch eine Metallschicht gebildet ist. Die untere Elektrode Mx der MTJ-Zelle ist mit einem Drain des MOS FET gekoppelt, das in einer aktiven Region AR gebildet ist, und eine Source des MOS FET, die in der aktiven Region AR gebildet ist, ist mit der Source-Leitung SL gekoppelt. Die obere Elektrode der MTJ-Zelle ist mit einer Bitleitung BL gekoppelt. In einigen Ausführungsformen kann die Source-Leitung SL durch die Metallschichten M1 und M2 gebildet sein und kann die Bitleitung BL durch eine Metallschicht M₃ gebildet sein. In bestimmten Ausführungsformen ist eine von mehreren Metallverdrahtungen eine einzelne Vorrichtungsschicht, und in anderen Ausführungsformen sind eine oder mehrere Metallverdrahtungen zwei oder mehrere Vorrichtungsschichten.
5A zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils der MTJ-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Es können Material, eine Konfiguration, Abmessungen und/oder Prozesse in den folgenden Ausführungsformen eingesetzt werden, die dieselben oder ähnlich wie die vorherigen Ausführungsformen sind, die mit 1A-4C beschrieben wurden, und eine ausführliche Erläuterung davon kann weggelassen werden.
5A zeigt eine gepinnte Magnetschicht (zweite gepinnte Magnetschicht) 130, eine Tunnelsperrschicht 135, eine freie Magnetschicht 140 und eine Deckschicht 145. In der vorliegenden Offenbarung weist die freie Magnetschicht 140 mehrere magnetische Materialstücke 140P auf, die durch eine Trennschicht 142 voneinander getrennt sind. In der vorliegenden Offenbarung ist die freie Magnetschicht 140 nicht eine einzelne, integrierte laminierte Schicht. In bestimmten Ausführungsformen ist die Trennschicht 142 aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt. In bestimmten Ausführungsformen ist die Trennschicht 142 aus einem dielektrischen Material, wie etwa Magnesiumoxid, Siliziumoxid oder Aluminiumoxid, hergestellt.
In einigen Ausführungsformen ist ein nichtmagnetisches Material der Trennschicht 142 dasselbe wie das nichtmagnetische Material der Tunnelsperrschicht 135. In anderen Ausführungsformen unterscheidet sich das nichtmagnetische Material der Trennschicht 142 von dem nichtmagnetischen Material der Tunnelsperrschicht 135. In einigen Ausführungsformen ist das nichtmagnetische Material der Trennschicht 142 dasselbe wie das nichtmagnetische Material der Deckschicht 145. In anderen Ausführungsformen unterscheidet sich das nichtmagnetische Material der Trennschicht 142 von dem nichtmagnetischen Material der Decksperrschicht 135. In bestimmten Ausführungsformen sind das nichtmagnetische Material der Trennschicht 142, das nichtmagnetische Material der Tunnelsperrschicht 135 und das nichtmagnetische Material der Deckschicht 145 dasselbe. Wie in 5A gezeigt ist, ist ferner in einigen Ausführungsformen die Trennschicht 142 in direktem Kontakt mit der Tunnelsperrschicht 135 gebildet. Die Trennschicht 142 ist amorph in einigen Ausführungsformen und ist ein- oder polykristallin in anderen Ausführungsformen.
Wie in 5B und 5C gezeigt ist, sind die mehreren magnetischen Materialstücke 140P Inseln, die von der Trennschicht 142 umgeben sind. In einigen Ausführungsformen sind die Formen und/oder Größen der Inseln 140P gleichmäßig. Die Größe ist eine maximale Breite des magnetischen Materialstücks 140P in einigen Ausführungsformen. In einigen Ausführungsformen beträgt die Abweichung (30) der Größen weniger als ungefähr 0,2 nm. Die Abweichung 30 wird zum Beispiel anhand von Messungen von 10 magnetischen Materialstücken 140P berechnet.
In anderen Ausführungsformen sind die Formen und/oder Größen der Inseln 140P willkürlich. In einigen Ausführungsformen sind die Formen kreisförmig, oval, wolkenförmig und/oder weisen eine undefinierte Form auf, wie in 5C gezeigt. Die Größe der Inseln 140P ist die maximale Breite der Insel in einer Draufsicht.
In einigen Ausführungsformen liegt die durchschnittliche Größe jedes der mehreren magnetischen Materialstücke 140P in einer Draufsicht in einem Bereich von ungefähr 0,5 nm bis ungefähr 20 nm und liegt in einem Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 10 nm in anderen Ausführungsformen. In einigen Ausführungsformen ist die Abweichung (30) der Größen geringer als ungefähr 1 nm. Die Abweichung 30 wird zum Beispiel anhand von Messungen von 10 magnetischen Materialstücken 140P berechnet.
In einigen Ausführungsformen liegt der durchschnittliche Raum zwischen benachbarten magnetischen Materialstücken in einer Draufsicht in einem Bereich von ungefähr 0,2 nm bis ungefähr 10 nm und liegt in einem Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 5 nm in anderen Ausführungsformen.
Die Dicke, welche die durchschnittliche Höhe der mehreren Stücke (z. B. 10 Stücke) des magnetischen Materials ist, liegt in einem Bereich von ungefähr 0,2 nm bis ungefähr 1,5 nm. In bestimmten Ausführungsformen liegt die Dicke der freien Magnetschicht 140 in einem Bereich von ungefähr 0,2 nm bis ungefähr 1,0 nm. In einigen Ausführungsformen sind die Höhen der mehreren magnetischen Materialstücke willkürlich.
In einigen Ausführungsformen weisen die magnetischen Materialstücke 140P willkürliche magnetische Richtungen auf. In bestimmten Ausführungsformen weist jedes der magnetischen Materialstücke 140P eine magnetische Domäne auf und/oder ist aus einem einzelnen Kristall hergestellt.
In einigen Ausführungsformen liegt ein Verhältnis von Bereichen der mehreren magnetischen Materialstücke 140P, die die erste nichtmagnetische Schicht in einer Draufsicht abdecken, zu einem Bereich der Tunnelsperrschicht 135 innerhalb von einer MRAM-Zelle in einem Bereich von ungefähr 0,5 bis ungefähr 0,9. Mit anderen Worten werden ungefähr 50-90 % der Oberfläche der Tunnelsperrschicht 135 innerhalb von einer MRAM-Zelle von der freien Magnetschicht 140P abgedeckt. In anderen Ausführungsformen liegt das Verhältnis in einem Bereich von ungefähr 0,6 bis ungefähr 0,8.
6A-6E zeigen Querschnittsansichten eines Teils der MTJ-Zelle gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
In einigen Ausführungsformen weisen die magnetischen Materialstücke 140P eine verjüngte Säulenform mit einer Breite an der Oberseite, die kleiner als eine Breite an der Unterseite ist, auf, wie in 6A gezeigt. In einigen Ausführungsformen weisen die magnetischen Materialstücke 140P eine verjüngte Säulenform mit einer Breite an der Oberseite, die größer als eine Breite an der Unterseite ist, auf, wie in 6B gezeigt. In anderen Ausführungsformen weisen die magnetischen Materialstücke 140P eine säulenförmige Fassform mit der größten Breite an der Mitte auf, wie in 6C gezeigt. In anderen Ausführungsformen weisen die magnetischen Materialstücke 140P eine säulenförmige Nadelkissenform mit der kleinsten Breite an der Mitte auf, wie in 6D gezeigt. In einigen Ausführungsformen sind die Querschnittsformen der magnetischen Materialstücke 140P willkürlich, wie in 6E gezeigt.
7A-7E zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die eine MRAM-Zelle aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Es versteht sich, dass zusätzliche Operationen vor, während und nach den Prozessen, die durch 7A-7E gezeigt sind, bereitgestellt werden können und einige der nachstehend beschriebenen Operationen durch zusätzliche Ausführungsformen des Verfahrens ersetzt oder entfernt werden können. Es können Material, eine Konfiguration, Abmessungen und/oder Prozesse in den folgenden Ausführungsformen eingesetzt werden, die dieselben oder ähnlich wie die vorherigen Ausführungsformen sind, die mit 1A-6E beschrieben wurden, und eine ausführliche Erläuterung davon kann weggelassen werden.
Wie in 7A gezeigt ist, ist eine erste Magnetschicht 130 über einem Substrat (z. B. 201, das in 9 gezeigt ist) gebildet, und ist eine erste nichtmagnetische Materialschicht 135 über der ersten Magnetschicht 130 gebildet. Die erste Magnetschicht 130 kann durch PVD einschließlich eines Sputterverfahrens, ALD und/oder CVD oder beliebige sonstige Filmbildungsverfahren gebildet werden. Die erste nichtmagnetische Materialschicht 135 kann durch CVD, PVD oder ALD oder beliebige sonstige geeignete Filmabscheidungsverfahren gebildet werden.
Wie in 7B gezeigt ist, wird als Nächstes eine zweite Magnetschicht 140 über der ersten nichtmagnetischen Materialschicht 135 gebildet. Die zweite Magnetschicht 140 kann durch CVD, PVD oder ALD oder irgendein anderes geeignetes Filmabscheidungsverfahren gebildet werden. In bestimmten Ausführungsformen wird ein Sputterverfahren verwendet. In einigen Ausführungsformen liegt eine Filmabscheidungsrate in einem Bereich von ungefähr 0,01 nm/Sek bis ungefähr 0,5 nm/Sek. Wenn die Dicke der zweiten Magnetschicht 140 geringer als eine kritische Dicke ist, kann die zweite Magnetschicht 140 mehrere magnetische Materialstücke (Inseln) aufweisen, wie in 7B gezeigt.
Darauffolgend wird eine zweite nichtmagnetische Materialschicht 142 über der zweiten Magnetschicht 140 gebildet, wie in 7C gezeigt. Da die zweite Magnetschicht 140 aus Inseln gebildet ist, füllt die zweite nichtmagnetische Materialschicht 142 die Räume zwischen den magnetischen Materialstücken (Inseln) und ist in direktem Kontakt mit freigelegten Oberflächenabschnitten der ersten nichtmagnetischen Materialschicht 135 gebildet. In einigen Ausführungsformen ist die zweite nichtmagnetische Materialschicht 142 auf der Ebene des höchsten Abschnitts der zweiten Magnetschicht 140 oder niedriger gebildet. In anderen Ausführungsformen ist die zweite nichtmagnetische Materialschicht 142 auf einer höheren Ebene als der höchste Abschnitt der zweiten Magnetschicht 140 gebildet, und somit sind die mehreren magnetischen Materialstücke vollständig in der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht 142 eingebettet. Die zweite nichtmagnetische Materialschicht 142 kann durch CVD, PVD oder ALD oder irgendein anderes geeignetes Filmabscheidungsverfahren gebildet werden.
Wie in 7D gezeigt ist, ist ferner eine dritte nichtmagnetische Materialschicht 145 als die Deckschicht über der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht 142 und der zweiten Magnetschicht 140 gebildet. Die dritte nichtmagnetische Materialschicht 145 kann durch CVD, PVD oder ALD oder irgendein anderes geeignetes Filmabscheidungsverfahren gebildet werden.
Darauffolgend werden die dritte nichtmagnetische Materialschicht 145, die zweite nichtmagnetische Materialschicht 142, die zweite Magnetschicht 140, die erste nichtmagnetische Materialschicht 135 und die erste Magnetschicht 130 durch Verwenden von einer oder mehreren Lithographie- und Ätzoperationen strukturiert, wie in 7E gezeigt. In einigen Ausführungsformen werden vor der Strukturierung eine oder mehrere zusätzliche Schichten über der dritten nichtmagnetischen Materialschicht 145 gebildet.
8A und 8B zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die eine MRAM-Zelle aufweist, gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
In einigen Ausführungsformen wird, nachdem die zweite Magnetschicht 140 gebildet ist, eine dritte (oder die zweite) nichtmagnetische Schicht 145 in einer einzelnen Filmbildungsoperation gebildet, so dass die mehreren magnetischen Materialstücke vollständig in der dritten (zweiten) nichtmagnetischen Materialschicht 145 eingebettet sind. Wie in 8B gezeigt ist, werden dann die dritte (zweite) nichtmagnetische Materialschicht 145, die zweite Magnetschicht 140, die erste nichtmagnetische Materialschicht 135 und die erste Magnetschicht 130 durch Verwenden von einer oder mehreren Lithographie- und Ätzoperationen strukturiert.
8C und 8D zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung, die eine MRAM-Zelle aufweist, gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
In einigen Ausführungsformen wird, nachdem die zweite Magnetschicht 140 gebildet ist, eine Glühoperation durchgeführt. Wenn die zweite Magnetschicht 140 als eine nicht-getrennte Schicht 141 gebildet ist, wie in 8C gezeigt, wird durch die Glühoperation die nicht-getrennte Schicht zu mehreren magnetischen Materialstücken 140P, wie in 8D gezeigt.
In einigen Ausführungsformen liegt die Glühtemperatur in einem Bereich von ungefähr 400 °C bis ungefähr 800 °C. In bestimmten Ausführungsformen liegt die Glühtemperatur in einem Bereich von ungefähr 400 °C bis ungefähr 600 °C während ungefähr 5 Minuten bis ungefähr 90 Minuten. In anderen Ausführungsformen liegt die Glühtemperatur in einem Bereich von ungefähr 600 °C bis ungefähr 800 °C während ungefähr 5 Sekunden bis ungefähr 30 Minuten. Die Glühoperation kann Lampenglühen unter Verwendung einer Infrarotlampe oder Laserglühen sein.
In einigen Ausführungsformen kann die Dicke der zweiten Magnetschicht 140 durch wellenlängendispersive Röntgenfluoreszenz (WDXRF, Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence) gemessen werden.
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines MTJ MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Es können Material, eine Konfiguration, Abmessungen und/oder Prozesse in den folgenden Ausführungsformen eingesetzt werden, die dieselben oder ähnlich wie die vorherigen Ausführungsformen sind, die durch 1A-4D beschrieben wurden, und eine ausführliche Erläuterung davon kann weggelassen werden.
Wie in 9 gezeigt ist, sind die MTJ-Zellen eines MRAM über einem Substrat 201 angeordnet. Die Zellengröße (die größte Breite des MTJ-Stapels) in einer Draufsicht liegt in einem Bereich von ungefähr 10 nm bis ungefähr 100 nm in einigen Ausführungsformen.
Die MTJ-Zellen eines MRAM sind über einem Substrat 201 angeordnet. In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 201 einen geeigneten elementaren Halbleiter, wie etwa Silizium, Diamant oder Germanium; einen geeigneten Legierungs- oder Verbundhalbleiter, wie etwa Gruppe-IV-Verbundhalbleiter (Siliziumgermanium (SiGe), Siliziumcarbid (SiC), Siliziumgermaniumcarbid (SiGeC), GeSn, SiSn, SiGeSn), Gruppe-III-V-Verbundhalbleiter (z. B., Galliumarsenid (GaAs), Indiumgalliumarsenid (InGaAs), Indiumarsenid (InAs), Indiumphosphid (InP), Indiumantimonid (InSb), Galliumarsenphosphid (GaAsP) oder Galliumindiumphosphid (GaInP)) oder dergleichen. Ferner kann das Substrat 201 eine Epitaxieschicht (Epi-Schicht) aufweisen, welche zur Leistungssteigerung gestreckt werden kann, und/oder eine Silizium-auf-Isolator(SOI, Silicon-On-Isolator)-Struktur aufweisen.
Diverse elektronische Vorrichtungen (nicht gezeigt), wie etwa Transistoren (z. B. MOS FET), sind auf dem Substrat 201 angeordnet. Der MOS FET kann einen planaren MOS FET, einen Fin FET und/oder einen Gate-all-around FET umfassen. Eine erste dielektrische Zwischen(ILD, Interlayer Dielectric)-schicht 210 ist über dem Substrat 201 angeordnet, um die elektronischen Vorrichtungen abzudecken. Die erste ILD-Schicht 210 kann als eine dielektrische Zwischenmetall(IMD, Inter-Metal Dielectric)-schicht bezeichnet werden. Die erste ILD-Schicht 210 umfasst eine oder mehrere dielektrische Schichten, wie etwa Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, fluordotiertes Silikatglas (FSG), Low-k-Dielektrika, wie etwa kohlenstoffdotierte Oxide, Extremely-Low-k-Dielektrika, wie etwa poröses kohlenstoffdotiertes Siliziumdioxid, ein Polymer, wie etwa Polyimid, Kombinationen von diesen oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen ist die erste ILD-Schicht 210 durch einen Prozess, wie etwa CVD, fließfähige CVD (FCVD) oder einen Spin-on-Glas-Prozess gebildet, wenngleich ein beliebiger akzeptabler Prozess verwendet werden kann. Darauffolgend wird ein Planarisierungsprozess, wie etwa chemisch-mechanisches Polieren (CMP), und/oder ein Rückätzprozess oder dergleichen durchgeführt.
Ferner ist eine untere Metallverdrahtung 213 zum Beispiel durch einen Damaszenen-Prozess gebildet. Die untere Metallverdrahtung 213 weist eine oder mehrere Schichten aus leitfähigem Material, wie etwa Cu, eine Cu-Legierung, Al oder beliebige sonstige geeignete leitfähige Materialien, auf. Jede der MTJ-Zellen ist über der unteren Metallverdrahtung 213 angeordnet, wie in 9 gezeigt. Wenngleich 9 drei MTJ-Zellen zeigt, ist die Anzahl der MTJ-Zellen nicht auf Drei beschränkt.
Wie in 9 gezeigt ist, ist eine erste Isolierschicht 220 als eine Ätzstoppschicht auf der ersten ILD-Schicht 210 gebildet. In einigen Ausführungsformen weist die erste Isolierschicht 220 ein Material, das sich von der ersten ILD-Schicht 210 unterscheidet und Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder ein beliebiges sonstiges geeignetes Material umfasst, auf. Die Dicke der ersten Isolierschicht 220 liegt in einem Bereich von ungefähr 10 nm bis ungefähr 25 nm in einigen Ausführungsformen.
Eine zweite ILD-Schicht 225 ist über der ersten Isolierschicht 220 gebildet. Die zweite ILD-Schicht umfasst eine oder mehrere dielektrische Schichten, wie etwa Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, fluordotiertes Silikatglas (FSG), Low-k-Dielektrika, wie etwa kohlenstoffdotierte Oxide, Extremely-Low-k-Dielektrika, wie etwa poröses kohlenstoffdotiertes Siliziumdioxid, ein Polymer, wie etwa Polyimid, Kombinationen von diesen oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen sind das Material für die erste ILD-Schicht 210 und das Material für die zweite ILD-Schicht 225 dieselben. In anderen Ausführungsformen werden verschiedene dielektrische Materialien für die erste ILD-Schicht 210 und die zweite ILD-Schicht 225 verwendet.
In einigen Ausführungsformen ist eine Durchkontaktierung 219 in Kontakt mit der unteren Metallverdrahtung 215 gebildet und verläuft durch die zweite ILD-Schicht 225 und die erste Ätzstoppschicht 220 hindurch. In einigen Ausführungsformen weist die Durchkontaktierung 219 eine Liner-Schicht 215 und eine Körperschicht 217 auf. Die Liner-Schicht 215 umfasst eine oder mehrere Schichten aus Ti, TiN, Ta oder TaN oder ein anderes geeignetes Material, und die Körperschicht 217 umfasst eine oder mehrere Schichten aus W, Cu, Al, Mo, Co, Pt, Ni und/oder eine Legierung davon oder ein anderes geeignetes Material in einigen Ausführungsformen.
Eine MRAM-Zelle weist eine untere Elektrode 254, einen MTJ-Filmstapel 255 und eine obere Elektrode 256 auf, wie in 9 gezeigt. Die untere Elektrode 254, der MTJ-Filmstapel 255 und die obere Elektrode 256 entsprechen der ersten Elektrode 110, der MTJ-Funktionsschicht 101 und der zweiten Elektrode 155 von 1B. Die MRAM-Zellenstruktur weist eine verjüngte Form auf, wie in 9 gezeigt. Die Breite der MRAM-Zellenstruktur an der Unterseite (die untere Elektrode 254) ist größer als die Breite an der Oberseite (die obere Elektrode 256). Die Dicke der unteren Elektrode 254 liegt in einem Bereich von ungefähr 5 nm bis ungefähr 20 nm in einigen Ausführungsformen. Die Dicke des MTJ-Filmstapels 255 liegt in einem Bereich von ungefähr 15 nm bis ungefähr 50 nm einigen Ausführungsformen.
In einigen Ausführungsformen ist eine erste Isolierabdeckschicht 227 als eine Seitenwandabstandshalterschicht auf gegenüberliegenden Seitenwänden der MRAM-Zellenstruktur gebildet. Die erste Isolierabdeckschicht 227 umfasst eine oder mehrere Schichten aus Isoliermaterial. In einigen Ausführungsformen wird ein nitridbasiertes Isoliermaterial verwendet. In bestimmten Ausführungsformen ist das nitridbasierte Isoliermaterial ein siliziumnitridbasiertes Isoliermaterial, wie etwa Siliziumnitrid, SiON, SiCN und SiOCN. Die Dicke T1 der ersten Isolierabdeckschicht 227 liegt in einem Bereich von ungefähr 5 nm bis ungefähr 30 nm in einigen Ausführungsformen und liegt in einem Bereich von ungefähr 10 nm bis ungefähr 20 nm in anderen Ausführungsformen.
Ferner ist eine zweite Isolierabdeckschicht 280 über der ersten Isolierabdeckschicht 227 gebildet. Die zweite Isolierabdeckschicht 280 umfasst eine oder mehrere Schichten eines Isoliermaterials, das sich von der ersten Isolierabdeckschicht 227 unterscheidet. In einigen Ausführungsformen wird ein aluminiumbasiertes Isoliermaterial verwendet. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das aluminiumbasierte Isoliermaterial Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxynitrid, Aluminiumcarbid und/oder Aluminiumoxycarbid. Die Dicke T2 der zweiten Isolierabdeckschicht 280 ist geringer als die Dicke T1 der ersten Isolierabdeckschicht in einigen Ausführungsformen. Die Dicke T2 liegt in einem Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 10 nm in einigen Ausführungsformen und liegt in einem Bereich von ungefähr 3 nm bis ungefähr 5 nm in anderen Ausführungsformen.
Ferner ist eine dritte ILD-Schicht 230 in Räumen zwischen den MRAM-Zellenstrukturen angeordnet. Die dritte ILD-Schicht 230 umfasst eine oder mehrere dielektrische Schichten, wie etwa Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, fluordotiertes Silikatglas (FSG), Low-k-Dielektrika, wie etwa kohlenstoffdotierte Oxide, Extremely-low-k-Dielektrika, wie etwa poröses kohlenstoffdotiertes Siliziumdioxid, ein Polymer, wie etwa Polyimid, Kombinationen von diesen oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen sind das Material für die erste ILD-Schicht 210, das Material für die zweite ILD-Schicht 225 und das Material für die dritte ILD-Schicht 230 dieselben. In anderen Ausführungsformen sind mindestens zwei von diesen aus verschiedenen dielektrischen Materialien hergestellt.
Ferner ist eine vierte ILD-Schicht über der dritten ILD-Schicht 230 angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist die vierte ILD-Schicht eine Mehrfachschichtstruktur und umfasst eine erste dielektrische Schicht 235 als eine Ätzstoppschicht, die auf der dritten ILD-Schicht 230 gebildet ist, eine zweite dielektrische Schicht 237, die auf der ersten dielektrischen Schicht 235 gebildet ist, und eine dritte dielektrische Schicht 240, die auf der zweiten dielektrischen Schicht gebildet ist. In anderen Ausführungsformen ist die vierte ILD-Schicht eine Zweischichtstruktur ohne eine der ersten oder zweiten dielektrischen Schicht.
In einigen Ausführungsformen sind die erste dielektrische Schicht 235 und die zweite dielektrische Schicht 237 aus einem anderen Material als die dritte dielektrische Schicht 240 hergestellt und umfassen eine oder mehrere Schichten aus Siliziumnitrid, SiON, SiOCN, SiCN, SiC oder einem beliebigen anderen geeigneten Material. In einigen Ausführungsformen sind die erste dielektrische Schicht 235 und die zweite dielektrische Schicht 237 aus voneinander verschiedenen Materialien hergestellt.
Die dritte dielektrische Schicht 240 umfasst eine oder mehrere dielektrische Schichten, wie etwa Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, fluordotiertes Silikatglas (FSG), Low-k-Dielektrika, wie etwa kohlenstoffdotierte Oxide, Extremely-low-k-Dielektrika, wie etwa poröses kohlenstoffdotiertes Siliziumdioxid, ein Polymer, wie etwa Polyimid, Kombinationen von diesen oder dergleichen.
In einigen Ausführungsformen sind das Material für die erste ILD-Schicht 210, das Material für die zweite ILD-Schicht 225, das Material für die dritte ILD-Schicht 230 und das Material für die dritte dielektrische Schicht 240 dieselben. In anderen Ausführungsformen sind mindestens zwei von diesen aus verschiedenen dielektrischen Materialien hergestellt. Die Dicke der dritten dielektrischen Schicht 240 ist größer als die Dicke der ersten und zweiten dielektrischen Schicht 235 und 237 in einigen Ausführungsformen.
Ein leitfähiger Kontakt 245 ist in Kontakt mit der oberen Elektrode 256 gebildet, wie in 9 gezeigt. Der leitfähige Kontakt 245 ist derselbe oder ähnlich wie die untere Metallverdrahtung 213 und/oder die Durchkontaktierung 219 und ist zum Beispiel aus Cu, Al, Ta, Ti, Mo, Co, Pt, Ni, W, TiN und/oder TaN und/oder einer Legierung davon oder einem anderen geeigneten Material hergestellt.
Wie in 9 gezeigt ist, fluchtet die obere Fläche der oberen Elektrode 256 im Wesentlichen mit den oberen Flächen der ersten Isolierabdeckschicht 227 und/oder der zweiten Isolierabdeckschicht 280 in einigen Ausführungsformen.
10A-15B zeigen verschiedene Stufen eines sequentiellen Herstellungsprozesses einer Halbleitervorrichtung, die einen MRAM aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Es versteht sich, dass zusätzliche Operationen vor, während und nach den Prozessen, die durch 10A-15F gezeigt sind, bereitgestellt werden können und einige der nachstehend beschriebenen Operationen durch zusätzliche Ausführungsformen des Verfahrens ersetzt oder entfernt werden können. Es können Material, eine Konfiguration, Abmessungen und/oder Prozesse in den folgenden Ausführungsformen eingesetzt werden, die dieselben oder ähnlich wie die vorherigen Ausführungsformen sind, die mit 1A-9 beschrieben wurden, und eine ausführliche Erläuterung davon kann weggelassen werden.
Wie in 10A gezeigt ist, sind untere Metallverdrahtungen 213 in der ersten ILD-Schicht 210 über dem Substrat 201 gebildet. In einigen Ausführungsformen werden Durchkontaktierungen 207 unter den unteren Metallverdrahtungen 213 bereitgestellt. Wie in 10B gezeigt ist, wird dann eine erste Isolierschicht als eine Ätzstoppschicht 220 über der Struktur von 10A gebildet und wird eine zweite ILD-Schicht 225 über der ersten Isolierschicht 220 gebildet. Wie in 10B gezeigt ist, werden ferner Durchkontaktierungsöffnungen 222 gebildet, um die obere Fläche der unteren Metallverdrahtungen 213 freizulegen, indem eine oder mehrere Lithographie- und Ätzoperationen verwendet werden. Darauffolgend wird eine Durchkontaktierung 219 gebildet, die die Schichten 215 und 217 aufweist, wie in 10C gezeigt. Es werden eine oder mehrere Filmbildungsoperationen, wie etwa CVD, PVD einschließlich Sputtern, ALD, elektrochemische Plattierung und/oder Elektroplattierung, durchgeführt, und es wird eine Planarisierungsoperation, wie etwa CMP, durchgeführt, um die Durchkontaktierungen 219 herzustellen.
Wie in 11A gezeigt ist, werden dann eine erste leitfähige Schicht 254A für die untere Elektrode 254, eine gestapelte Schicht 255A für den MTJ-Filmstapel 255 und eine zweite leitfähige Schicht 256A für die obere Elektrode 256 sequentiell gebildet. In einigen Ausführungsformen wird eine Hartmaskenschicht 300 auf der zweiten leitfähigen Schicht 256A gebildet. Die gestapelte Schicht 255A umfasst mindestens eine erste Magnetschicht 130, eine erste nichtmagnetische Materialschicht 135, eine zweite Magnetschicht 140 und eine zweite und/oder dritte nichtmagnetische Materialschicht 142, 145.
Durch Verwenden von einer oder mehreren Lithographie- und Ätzoperationen wird der Filmstapel, der in 11A gezeigt ist, in eine MRAM-Zellenstruktur strukturiert, die die untere Elektrode 254, den MTJ-Filmstapel 255 und die obere Elektrode 256 aufweist, wie in 11B gezeigt. In einigen Ausführungsformen wird nach dem Strukturieren der zweiten leitfähigen Schicht 256A, der gestapelten Schicht 255A und der ersten leitfähigen Schicht 256A die zweite ILD-Schicht 225 teilweise ausgespart. Das Maß D1 der Aussparung liegt in einem Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 30 nm in einigen Ausführungsformen.
Wie in 12A gezeigt ist, wird darauffolgend eine erste Isolierabdeckschicht 227 gebildet, um die MRAM-Zellenstruktur abzudecken. Die erste Isolierabdeckschicht 227 kann durch CVD, PVD oder ALD oder irgendein anderes geeignetes Filmabscheidungsverfahren gebildet werden. In einigen Ausführungsformen ist die erste Isolierabdeckschicht 227 durch CVD, PVD oder ALD in einem Temperaturbereich von weniger als ungefähr 150 °C, wie etwa einem Bereich von ungefähr 100 °C bis ungefähr 150 °C, gebildet. Wenn die erste Isolierabdeckschicht 227 bei einer höheren Temperatur, wie etwa einem Bereich von ungefähr 200 °C bis ungefähr 300 °C (oder mehr) gebildet wird, kann der Filmbildungsprozess einen Schaden an dem MTJ-Filmstapel 255 hervorrufen, da die erste Isolierabdeckschicht 227 direkt auf dem MTJ-Filmstapel 255 gebildet ist. Wie in 12A gezeigt ist, ist die erste Isolierabdeckschicht 227 konform gebildet.
Wie in 12B gezeigt ist, wird dann eine zweite Isolierabdeckschicht 280 gebildet, um die MRAM-Zellenstruktur abzudecken. Die zweite Isolierabdeckschicht 280 kann durch CVD, PVD oder ALD oder irgendein anderes geeignetes Filmabscheidungsverfahren gebildet werden. Wie in 12B gezeigt ist, ist die zweite Isolierabdeckschicht 280 konform gebildet. Wie zuvor dargelegt wurde, weist die zweite Isolierabdeckschicht 280 ein aluminiumbasiertes Isoliermaterial in einigen Ausführungsformen auf. Das aluminiumbasierte Isoliermaterial, wie etwa AlO (Al₂O₃), AlN, AlC, AlOC und AlON, kann durch die folgenden Operationen gebildet werden. Zunächst wird eine Aluminiumschicht auf der ersten Isolierabdeckung 227 gebildet. Die Aluminiumschicht wird zum Beispiel durch metallorganische CVD (MOCVD) oder ALD unter Verwendung von Trimethylaluminium (TMA) gebildet. Dann wird eine Plasmabehandlung unter Verwendung von NH₃, CO₂ und/oder CO-Gasen über der Aluminiumschicht durchgeführt, um die Aluminiumschicht in AlO, AlN, AlC, AlOC oder AlON zu wandeln. Die Konzentrationen von Al, O, C und/oder N in der plasmabehandelten Aluminiumschicht sind nicht gleichmäßig, insbesondere entlang der vertikalen Richtung. Die AlON-Schicht kann aus zwei Schichten aus AlO und AlN hergestellt sein. In einigen Ausführungsformen verbleibt eine dünne Schicht aus Aluminium, die eine Dicke von weniger als ungefähr 1 nm aufweist, auf der Unterseite der Schicht. Es kann eine chemische Oxidation der Aluminiumschicht unter Verwendung einer Oxidationslösung eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen können die AlO-, AlOC-, AlC-, AlN- und/oder AlON-Schicht direkt durch CVD, PVD oder ALD oder ein anderes geeignetes Verfahren durch Verwendung von geeigneten Quellgasen gebildet werden. In einigen Ausführungsformen wird die zweite Isolierabdeckschicht 280 durch CVD, PVD oder ALD in einem Temperaturbereich von ungefähr 300 °C bis ungefähr 450 °C gebildet. Wenngleich eine niedrigere Bildungstemperatur (z. B. niedriger als 300 °C) eingesetzt werden kann, da die erste Isolierabdeckschicht 227 den MTJ-Filmstapel 255 abdeckt, beschädigt eine höhere Bildungstemperatur (ungefähr 300 °C bis ungefähr 450 °C) möglicherweise nicht den MTJ-Filmstapel 255. In einigen Ausführungsformen wird anderes dielektrisches Material als aluminiumbasiertes Isoliermaterial (z. B. Siliziumnitrid, SiC, SiON oder SiCN) als die zweite Isolierabdeckschicht 280 verwendet. In einigen Ausführungsformen wird die zweite Isolierabdeckschicht 280 nicht verwendet.
Wie in 13A gezeigt ist, wird als Nächstes eine dielektrische Materialschicht 230A für die dritte ILD-Schicht 230 gebildet, um die zweite Isolierabdeckschicht 280 vollständig abzudecken. In einigen Ausführungsformen wird eine Rückätzoperation auf der dielektrischen Materialschicht 230A durchgeführt und wird dann eine CMP-Operation durchgeführt, wie in 13B gezeigt. Da die Selektivität für die CMP-Operation zwischen der zweiten Isolierabdeckschicht 280 und der dritten ILD-Schicht 230 hoch ist, kann die CMP-Operation die zweite Isolierabdeckschicht 280 als eine Stoppschicht verwenden. Wenn die CMP-Operation an der oberen Fläche der zweiten Isolierabdeckschicht 280 stoppt, ist es möglich, ein Überätzen der dritten ILD-Schicht 230 zu verhindern, und somit fluchtet die obere Fläche der zweiten Isolierabdeckschicht 280 oberhalb der MRAM-Zellenstruktur im Wesentlichen mit den oberen Flächen der dritten ILD-Schicht 230 in einigen Ausführungsformen.
Wie in 14A gezeigt ist, wird darauffolgend eine vierte ILD-Schicht, die eine erste dielektrische Schicht 235, eine zweite dielektrische Schicht 237 und eine dritte dielektrische Schicht 240 umfasst, über der Struktur von 14B gebildet. Die dielektrischen Schichten der vierten ILD-Schicht können durch CVD, PVD oder ALD oder ein anderes geeignetes Filmbildungsverfahren gebildet werden. In einigen Ausführungsformen wird die dritte dielektrische Schicht 240 durch einen Prozess, wie etwa CVD, fließfähige CVD (FCVD) oder ein Spin-on-Glas-Prozess, gebildet, wenngleich ein beliebiger akzeptabler Prozess verwendet werden kann. Darauffolgend wird ein Planarisierungsprozess, wie etwa chemisch-mechanisches Polieren (CMP), und/oder ein Rückätzprozess oder dergleichen durchgeführt.
Wie in 14B gezeigt ist, werden dann Kontaktöffnungen 242 durch Verwendung von einer oder mehreren Lithographie- und Ätzoperationen gebildet. Da die Selektivität bei der Ätzoperation zwischen der zweiten Isolierabdeckschicht 280 und der vierten ILD-Schicht hoch ist, kann die Ätzoperation die zweite Isolierabdeckschicht 280 als eine Ätzstoppschicht verwenden.
Wie in 15A und 15B gezeigt ist, werden als Nächstes ein Teil der zweiten Isolierabdeckschicht 280 und ein Teil der ersten Isolierabdeckschicht 227 durch Trocken- und/oder Nassätzen entfernt, wobei die obere Elektrode 256 freigelegt wird. In einigen Ausführungsformen wird ein Teil der zweiten Isolierabdeckschicht 280 entfernt und wird dann ein Teil der ersten Isolierabdeckschicht 227 entfernt. In einigen Ausführungsformen werden eine oder mehrere Nassätzoperationen verwendet. In bestimmten Ausführungsformen wird eine Nassätzoperation durchgeführt, um die zweite Isolierabdeckschicht 280 zu entfernen, und wird eine Trockenätzoperation durchgeführt, um die erste Isolierabdeckschicht 227 zu entfernen. In anderen Ausführungsformen wird auch eine Nassätzoperation durchgeführt, um die erste Isolierabdeckschicht 227 zu entfernen. Durch Verwendung von Nassätzen ist es möglich, den Schaden an dem MTJ-Filmstapel 255 zu unterdrücken.
Wie in 15B gezeigt ist, werden darauffolgend die Kontaktöffnungen 242 mit einem leitfähigen Material gefüllt, um leitfähige Kontakte 245 zu bilden, die die freigelegte obere Elektrode 256 berühren.
Es versteht sich, dass die Vorrichtung, die in 11B gezeigt ist, weiteren Halbleiterprozessen unterzogen wird, um verschiedene Merkmale, wie etwa Zwischenverbindungsmetallschichten, dielektrische Schichten, Passivierungsschichten usw., zu bilden.
Es versteht sich, dass nicht alle Vorteile notwendigerweise hierin erörtert worden sind, kein bestimmter Vorteil für alle Ausführungsformen oder Beispiele benötigt wird und andere Ausführungsformen oder Beispiele unterschiedliche Vorteile bieten können.
In den vorliegenden Ausführungsformen werden mehrere magnetische Materialstücke als eine freie Magnetschicht (eine getrennte Schicht) verwendet. Diese Struktur kann das Wesen der Gestaltung der freien Magnetschicht von einer vorgegebenen einzelnen Domäne zu vorgegebenen mehreren Domänen ändern. Wenn die Größe der Domänen, oder Körner, viel kleiner als die Vorrichtungs-CD (z. B. eine Zellengröße) ist und die magnetischen Materialstücke eng verteilt sind, wird ein Vorrichtungs-CD-Herunterskalieren keine offensichtliche Auswirkung auf die Eigenschaftsverteilung haben. Wenn zum Beispiel die Stromdichte zum Schalten der freien Magnetschicht (Jc) und die Widerstandsfähigkeit der freien Magnetschicht (Ra) dieselben sind, können der Schreibstrom, die Schreibspannung und die Schreibleistung mit dem gesamten Querschnitt der Magnetkörner verringert (herunterskaliert) werden. Aus diesem Grund kann die getrennte freie Magnetschichtstruktur einen schwächeren Schreibstrom, eine geringere Schreibspannung und Schreibleistung aufweisen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Magnetdirektzugriffsspeicher(MRAM)-zelle eine erste Magnetschicht über einem Substrat gebildet. Eine erste nichtmagnetische Materialschicht wird über der ersten Magnetschicht gebildet. Eine zweite Magnetschicht wird über der ersten nichtmagnetischen Materialschicht gebildet. Eine zweite nichtmagnetische Materialschicht wird über der zweiten Magnetschicht gebildet. Die zweite nichtmagnetische Materialschicht, die zweite Magnetschicht, die erste nichtmagnetische Materialschicht und die erste Magnetschicht werden strukturiert, wobei die MRAM-Zelle gebildet wird. Die zweite Magnetschicht in der MRAM-Zelle weist mehrere magnetische Materialstücke auf, die voneinander getrennt sind. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen sind die mehreren magnetischen Materialstücke durch ein nichtmagnetisches Material voneinander getrennt. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen wird eine dritte nichtmagnetische Materialschicht weiter über der zweiten Magnetschicht gebildet, bevor die zweite nichtmagnetische Materialschicht gebildet wird, wobei die mehreren magnetischen Materialstücke getrennt werden. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen ist das nichtmagnetische Material der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht dasselbe wie das nichtmagnetische Material, das die mehreren magnetischen Materialstücke trennt. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen unterscheidet sich das nichtmagnetische Material der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht von dem nichtmagnetischen Material, das die mehreren magnetischen Materialstücke trennt. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen ist das nichtmagnetische Material, das die mehreren magnetischen Materialstücke trennt, ein dielektrisches Material. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen wird die dritte nichtmagnetische Materialschicht in direktem Kontakt mit der ersten nichtmagnetischen Materialschicht gebildet. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen sind die Größen der mehreren magnetischen Materialstücke in einer Draufsicht willkürlich. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen sind die Höhen der mehreren magnetischen Materialstücke willkürlich. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen liegt eine Dicke der zweiten Magnetschicht in einem Bereich von 0,2 nm bis 1,5 nm. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen liegt eine Größe von jedem der mehreren magnetischen Materialstücke in einer Draufsicht in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen liegen Räume zwischen benachbarten magnetischen Materialstücken in einer Draufsicht in einem Bereich von 0,2 nm bis 5 nm. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen weist jedes der mehreren magnetischen Materialstücke eine magnetische Domäne auf.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer MRAM-Zelle eine erste Magnetschicht über einem Substrat gebildet, wird eine erste nichtmagnetische Materialschicht über der ersten Magnetschicht gebildet, wird eine zweite Magnetschicht über der ersten nichtmagnetischen Materialschicht gebildet und wird eine zweite nichtmagnetische Materialschicht über der zweiten Magnetschicht und in direktem Kontakt mit der ersten nichtmagnetischen Materialschicht gebildet. Die zweite nichtmagnetische Materialschicht, die zweite Magnetschicht, die erste nichtmagnetische Materialschicht und die erste Magnetschicht werden strukturiert, wobei die MRAM-Zelle gebildet wird. Die zweite Magnetschicht in der MRAM-Zelle weist mehrere Inseln aus magnetischem Material auf, die voneinander getrennt sind. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen sind die mehreren Inseln aus magnetischem Material durch die zweite nichtmagnetische Materialschicht voneinander getrennt. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen ist eine Dicke der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht größer als eine größte Höhe der mehreren Inseln aus magnetischem Material. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen ist die zweite nichtmagnetische Materialschicht aus MgO hergestellt. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen weist jede der mehreren Inseln aus magnetischem Material eine magnetische Domäne auf.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer MRAM-Zelle eine erste Magnetschicht über einem Substrat gebildet, wird eine erste nichtmagnetische Materialschicht über der ersten Magnetschicht gebildet, wird eine zweite Magnetschicht über der ersten nichtmagnetischen Materialschicht gebildet, wird eine Glühoperation auf der zweiten Magnetschicht durchgeführt und wird eine zweite nichtmagnetische Materialschicht über der zweiten Magnetschicht gebildet. Die zweite nichtmagnetische Materialschicht, die zweite Magnetschicht, die erste nichtmagnetische Materialschicht und die erste Magnetschicht werden strukturiert, wobei die MRAM-Zelle gebildet wird. Die zweite Magnetschicht in der MRAM-Zelle weist mehrere magnetische Materialstücke auf, die voneinander getrennt sind. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen liegt eine Glühtemperatur der Glühoperation in einem Bereich von 400 °C bis 800 °C.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine Halbleitervorrichtung eine Magnetdirektzugriffsspeicher(MRAM)-zelle auf. Die MRAM-Zelle weist Folgendes auf: eine erste Magnetschicht, die über einem Substrat angeordnet ist, eine erste nichtmagnetische Materialschicht, die aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt und über der ersten Magnetschicht angeordnet ist, eine zweite Magnetschicht, die über der ersten nichtmagnetischen Materialschicht angeordnet ist, und eine zweite nichtmagnetische Materialschicht, die über der zweiten Magnetschicht angeordnet ist. Die zweite Magnetschicht weist mehrere magnetische Materialstücke auf, die voneinander getrennt sind. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen sind die mehreren magnetischen Materialstücke durch ein nichtmagnetisches Material voneinander getrennt. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen ist ein nichtmagnetisches Material der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht dasselbe wie das nichtmagnetische Material, das die mehreren magnetischen Materialstücke trennt. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen unterscheidet sich ein nichtmagnetisches Material der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht von dem nichtmagnetischen Material, das die mehreren magnetischen Materialstücke trennt. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen ist ein nichtmagnetisches Material der ersten nichtmagnetischen Materialschicht dasselbe wie das nichtmagnetische Material, das die mehreren magnetischen Materialstücke trennt. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen unterscheidet sich ein nichtmagnetisches Material der ersten nichtmagnetischen Materialschicht von dem nichtmagnetischen Material, das die mehreren magnetischen Materialstücke trennt. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen sind die erste nichtmagnetische Materialschicht, die zweite nichtmagnetische Materialschicht und das nichtmagnetische Material, das die mehreren magnetischen Materialstücke trennt, aus demselben Material hergestellt. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen ist das nichtmagnetische Material, das die mehreren magnetischen Materialstücke trennt, ein dielektrisches Material. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen ist das dielektrische Material Magnesiumoxid. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen sind die Größen der mehreren magnetischen Materialstücke in einer Draufsicht willkürlich. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen sind die Höhen der mehreren magnetischen Materialstücke willkürlich. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen liegt eine Dicke der zweiten Magnetschicht in einem Bereich von 0,2 nm bis 1,5 nm. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen liegt eine Größe von jedem der mehreren magnetischen Materialstücke in einer Draufsicht in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen liegen Räume zwischen benachbarten magnetischen Materialstücken in einer Draufsicht in einem Bereich von 0,2 nm bis 5 nm. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen weisen die mehreren magnetischen Materialstücke willkürliche magnetische Richtungen auf. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen liegt ein Verhältnis von Bereichen der mehreren magnetischen Materialstücke, die die erste nichtmagnetische Schicht abdecken, zu einem Bereich der ersten nichtmagnetischen Schicht in einem Bereich von 0,5 bis 0,9. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen weist jedes der mehreren magnetischen Materialstücke eine magnetische Domäne auf. In einer oder mehreren der vorherigen und folgenden Ausführungsformen ist eine Breite von jedem der mehreren magnetischen Materialstücke ungleichmäßig entlang einer vertikalen Richtung.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine Halbleitervorrichtung eine MRAM-Zelle auf. Die MRAM-Zelle weist eine MRAM-Zellenstruktur auf, die über einem Substrat angeordnet ist. Die MRAM-Zellenstruktur weist eine untere Elektrode, einen magnetischen Tunnelübergangs(MTJ, Magnetic Tunnel Junction)-stapel und eine obere Elektrode auf. Die MRAM-Zellenstruktur weist eine erste Isolierabdeckschicht, die Seitenwände der MRAM-Zellenstruktur abdeckt, eine zweite Isolierabdeckschicht, die über der ersten Isolierabdeckschicht angeordnet ist, eine dielektrische Schicht und einen leitfähigen Kontakt, der die obere Elektrode berührt, auf. Die erste Isolierabdeckschicht ist aus einem nitridbasierten Isoliermaterial hergestellt. Die zweite Isolierabdeckschicht ist aus einem aluminiumbasierten Isoliermaterial hergestellt, das sich von dem nitridbasierten Isoliermaterial unterscheidet. Der MTJ-Stapel weist Folgendes auf: eine gepinnte Magnetschicht, die über einem Substrat angeordnet ist, eine Tunnelsperrschicht, die über der ersten Magnetschicht angeordnet ist, eine freie Magnetschicht, die über der Tunnelsperrschicht angeordnet ist, und eine Deckschicht, die über der zweiten Magnetschicht angeordnet ist. Die zweite Magnetschicht weist mehrere Inseln aus magnetischem Material auf, die voneinander getrennt sind.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein MRAM eine Matrix von MRAM-Zellen auf. Die MRAM-Zelle weist Folgendes auf: eine erste Magnetschicht, die über einem Substrat angeordnet ist, eine erste nichtmagnetische Materialschicht, die aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt und über der ersten Magnetschicht angeordnet ist, eine zweite Magnetschicht, die über der ersten nichtmagnetischen Materialschicht angeordnet ist, und eine zweite nichtmagnetische Materialschicht, die über der zweiten Magnetschicht angeordnet ist. Die zweite Magnetschicht weist mehrere magnetische Materialstücke auf, die durch die zweite nichtmagnetische Materialschicht voneinander getrennt und in dieser eingebettet sind.
Das Vorherige fasst Merkmale von mehreren Ausführungsformen oder Beispielen zusammen, so dass ein Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Ein Fachmann sollte erkennen, dass er die vorliegende Offenbarung einfach als Grundlage zur Gestaltung oder Modifizierung anderer Prozesse und Strukturen zum Ausführen derselben Zwecke und/oder Erzielen derselben Vorteile der Ausführungsformen oder Beispiele, die hierin vorgestellt werden, verwenden kann. Ein Fachmann sollte auch realisieren, dass sich solche äquivalenten Konstruktionen nicht von dem Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung entfernen, und dass er verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen hierin vornehmen kann, ohne sich von dem Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu entfernen.

Claims

Beansprucht wird:
Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Direktzugriffsspeicher(MRAM)-zelle, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden einer ersten Magnetschicht über einem Substrat; Bilden einer ersten nichtmagnetischen Materialschicht über der ersten Magnetschicht; Bilden einer zweiten Magnetschicht über der ersten nichtmagnetischen Materialschicht; Bilden einer zweiten nichtmagnetischen Materialschicht über der zweiten Magnetschicht; und Strukturieren der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht, der zweiten Magnetschicht, der ersten nichtmagnetischen Materialschicht und der ersten Magnetschicht, wobei die MRAM-Zelle gebildet wird, wobei die zweite Magnetschicht in der MRAM-Zelle mehrere magnetische Materialstücke aufweist, die voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mehreren magnetischen Materialstücke durch ein nichtmagnetisches Material voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend das Bilden einer dritten nichtmagnetischen Materialschicht über der zweiten Magnetschicht vor dem Bilden der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht, wobei die mehreren magnetischen Materialstücke getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das nichtmagnetische Material der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht dasselbe wie das nichtmagnetische Material ist, das die mehreren magnetischen Materialstücke trennt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei sich das nichtmagnetische Material der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht von dem nichtmagnetischen Material unterscheidet, das die mehreren magnetischen Materialstücke trennt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 5, wobei das nichtmagnetische Material, das die mehreren magnetischen Materialstücke trennt, ein dielektrisches Material ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 6, wobei die dritte nichtmagnetische Materialschicht in direktem Kontakt mit der ersten nichtmagnetischen Materialschicht gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Größen der mehreren magnetischen Materialstücke in einer Draufsicht willkürlich sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Höhen der mehreren magnetischen Materialstücke willkürlich sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Dicke der zweiten Magnetschicht in einem Bereich von 0,2 nm bis 1,5 nm liegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Größe von jedem der mehreren magnetischen Materialstücke in einer Draufsicht in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm liegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Räume zwischen benachbarten magnetischen Materialstücken in einer Draufsicht in einem Bereich von 0,2 nm bis 5 nm liegen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jedes der mehreren magnetischen Materialstücke eine magnetische Domäne aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Direktzugriffsspeicher(MRAM)-zelle, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden einer ersten Magnetschicht über einem Substrat; Bilden einer ersten nichtmagnetischen Materialschicht über der ersten Magnetschicht; Bilden einer zweiten Magnetschicht über der ersten nichtmagnetischen Materialschicht; Bilden einer zweiten nichtmagnetischen Materialschicht über der zweiten Magnetschicht und in direktem Kontakt mit der ersten nichtmagnetischen Materialschicht; und Strukturieren der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht, der zweiten Magnetschicht, der ersten nichtmagnetischen Materialschicht und der ersten Magnetschicht, wobei die MRAM-Zelle gebildet wird, wobei die zweite Magnetschicht in der MRAM-Zelle mehrere Inseln aus magnetischem Material aufweist, die voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die mehreren Inseln aus magnetischem Material durch die zweite nichtmagnetische Materialschicht voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei eine Dicke der zweiten nichtmagnetischen Materialschicht größer als eine größte Höhe der mehreren Inseln aus magnetischem Material ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 14 bis 16, wobei die zweite nichtmagnetische Materialschicht aus MgO hergestellt ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 14 bis 17, wobei jede der mehreren Inseln aus magnetischem Material eine magnetische Domäne aufweist.
Halbleitervorrichtung, die eine magnetische Direktzugriffsspeicher(MRAM)-zelle aufweist, wobei die MRAM-Zelle Folgendes umfasst: eine erste Magnetschicht, die über einem Substrat angeordnet ist; eine erste nichtmagnetische Materialschicht, die aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt und über der ersten Magnetschicht angeordnet ist; eine zweite Magnetschicht, die über der ersten nichtmagnetischen Materialschicht angeordnet ist; und eine zweite nichtmagnetische Materialschicht, die über der zweiten Magnetschicht angeordnet ist; wobei die zweite Magnetschicht mehrere magnetische Materialstücke aufweist, die voneinander getrennt sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 19, wobei die mehreren magnetischen Materialstücke durch ein nichtmagnetisches Material voneinander getrennt sind.