磁性随机存取存储器及其制造方法技术

本发明专利技术的实施例提供了磁性随机存取存储器及其制造方法。磁性随机存取存储器的存储单元包括设置在第一金属层与第二金属层之间的多层。多层中的至少一层包括从由铱层、铱层和氧化铱层的双层结构、铱‑钛氮化物层、铱层和钽层的双层结构、以及铱和钽的二元合金层组成的组中选择的一种。

MAGNETIC RAM AND ITS MANUFACTURING METHOD

【技术实现步骤摘要】
磁性随机存取存储器及其制造方法
本专利技术的实施例涉及磁性随机存取存储(MRAM)器件，并且更具体地涉及基于由半导体器件形成的磁性隧道结型单元的磁性RAM器件及其形成方法。
技术介绍
MRAM提供与易失性静态随机存取存储器(SRAM)相当的性能和相对于易失性动态随机存取存储器(DRAM)的相当的密度和较低的功耗。与非易失性存储器(NVM)闪存相比，MRAM提供更快的存取时间并且随着时间的推移遭受最小的劣化，而闪存只能重写有限的次数。MRAM单元由包括两个铁磁层的磁性隧道结型(MTJ)形成，所述两个铁磁层通过薄绝缘阻挡层间隔开，并且通过电子在两个铁磁层之间穿过绝缘阻挡层的隧穿来进行操作。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种磁性随机存取存储器的存储单元，所述存储单元包括设置在第一金属层与第二金属层之间的多层，其中，所述多层中的至少一层包括从由铱层、铱层和氧化铱层的双层结构、铱-钛氮化物层、铱层和钽层的双层结构、以及铱和钽的二元合金层组成的组中选择的一种。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括具有多个磁性存储单元的磁性随机存取存储器(MRAM)，其中：所述多个磁性存储单元中的每一个均包括设置在第一金属层与第二金属层之间的多层，以及所述多层中的至少一层包括从由铱层、铱层和氧化铱层的双层结构、铱-钛氮化物层、铱层和钽层的双层结构、以及铱和钽的二元合金层组成的组中选择的一种。根据本专利技术的又一个方面，提供了一种制造磁性随机存取存储器的方法，所述方法包括：形成第一电极层；在所述第一电极层上方形成晶种层；在所述晶种层上方形成钉扎磁性层；在所述钉扎磁性层上方形成隧穿阻挡层；在所述隧穿阻挡层上方形成自由磁性层；在所述自由磁性层上方形成覆盖层；在所述覆盖层上方形成扩散阻挡层；以及在所述扩散阻挡层上方形成第二电极层，其中：所述第一电极层、所述晶种层、所述扩散阻挡层和所述第二电极层中的至少一个包括从由铱层、铱层和氧化铱层的双层结构、铱-钛氮化物层、铱层和钽层的双层结构以及铱和钽的二元合金层组成的组中选择的一种。附图说明图1A是根据本专利技术的实施例的MTJMRAM单元的示意图。图1B是根据本专利技术的实施例的MTJ膜堆叠件的示意性截面图。图2A、图2B和图2C示出根据本专利技术的实施例的MTJ膜堆叠件的磁性层的示意性截面图。图3是根据本专利技术的另一实施例的MTJ膜堆叠件的示意性截面图。图4A和图4B示出MTJ单元的存储操作。图4C和图4D示出MTJ单元的存储操作。图5示出MRAM阵列。图6A、图6B和图6C示出根据本专利技术的实施例的包括MRAM的半导体器件的顺序制造工艺的各个阶段。图7A和图7B示出根据本专利技术的实施例的包括MRAM的半导体器件的顺序制造工艺的各个阶段。图8A和图8B示出根据本专利技术的实施例的包括MRAM的半导体器件的顺序制造工艺的各个阶段。图9A和图9B示出根据本专利技术的实施例的包括MRAM的半导体器件的顺序制造工艺的各个阶段。具体实施方式应该理解的是，以下公开内容提供了用于实现本专利技术的不同特征的许多不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的特定实施例或实例以简化本专利技术。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本专利技术。例如，元件的尺寸不限于所公开的范围或数值，而是可以取决于工艺条件和/或器件的期望特性。此外，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，并且也可以包括插入在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。为了简单和清楚起见，各种部件可以以不同比例任意地绘制。在附图中，为了简化的目的，可以省略一些层/部件。此外，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下方”、“在…之下”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在此使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。此外，术语“由...制成”可以表示“包括”或“由......组成”。此外，在以下制造工艺中，在所描述的操作中/之间可以存在一个或多个附加操作，并且操作顺序可以被改变。在本专利技术中，短语“A、B和C中的一个”意味着“A、B和/或C”(A，B，C，A和B，A和C，B和C，或A、B和C)，并且除非另有说明，短语“A、B和C中的一个”并不意味着来自A的一个元件、来自B的一个元件和来自C的一个元件。MRAM单元包括含有磁性层的多个层的膜堆叠件。在一些MRAM器件中，根据磁性设计，可能需要在磁性层之间插入一个或多个非磁性间隔层以优化磁性相互作用。MRAM单元的膜堆叠件经常遭受不利的扩散问题，其中来自晶种层和/或间隔层的金属扩散到MTJ的功能层中，从而对磁性隧道功能造成不利影响。根据膜堆叠件设计中扩散问题的严重性，可能需要将一个或多个扩散阻挡层插入膜堆叠件中以使不利的扩散现象最小化。此外，在MTJMRAM单元中，除了隧穿阻挡层之外，膜堆叠件内的每一层都需要导电以最大化读/写窗口。在这些要求下，重要的是适当地选择能够提供期望的特定晶体结构和取向并且不会破坏功能层的磁性相互作用的晶种层、间隔层和/或扩散阻挡层的材料。此外，晶种层、间隔层和扩散阻挡层应该是光滑的、无取向特性(无定形的)、导电的和非磁性的。MTJMRAM单元的磁性隧道功能取决于MTJ膜的特定的晶体结构和取向。为了在MTJ膜中具有所需的晶体结构和取向，整个膜堆叠件需要在光滑的、无定形、导电非磁性晶种层上生长。在各种材料中，钽(Ta)最广泛地用作晶种层，钽(Ta)可以容易地生长为光滑且无定形的层。但是，Ta容易扩散到MTJ膜中，对磁性隧穿功能造成不利影响。此外，在MTJ膜中经常使用诸如钼(Mo)的非磁性间隔层，但Mo膜也表现出其他的扩散问题。除了钽(Ta)和钼(Mo)之外，钴(Co)、铂(Pt)和/或镍(Ni)可以用作晶种层或间隔层，但是它们也扩散到MTJ膜的隧穿阻挡层中，隧穿阻挡层是金属氧化物层(例如，MgO)。而且，Ta可以与氧化层内部的氧反应，引起金属氧化物晶体结构和取向从期望状态变化。扩散原子插入MgO晶格中也会增加其应力，这可能导致MgO晶格质量随热老化而劣化。晶体磁性层从MgO层的晶格生长，或者将其用作生长模板。因此，Ta、Mo、Co、Pt、Ni和其他晶种或间隔层材料扩散到MTJ的隧穿阻挡层中也防止了相邻的磁性金属层达到其期望的晶体结构和取向。在本专利技术中，在磁性随机存取存储器的存储单元中，存储单元包括多个层的膜堆叠件，并且多个层中的至少一个包括铱。更具体地，晶种层、间隔层和扩散阻挡层中的至少一个包括铱。图1A是根据本专利技术的实施例的MTJMRAM单元的示意图。MTJ膜堆叠件100设置在半导体器件的下金属层Mx和上金属层My之间。金属层Mx和My用于将一个元件连接至形成在衬底上方不同层级处的半导体器件中的另一元件。此外，下金属层Mx连接至开关器件SW，该开关器件SW可以由MOSFET形成，该MOSFET包括但不限于平面型MOSFET、鳍式FET、全环绕栅极(GAA)FET、或任何其他开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性随机存取存储器的存储单元，所述存储单元包括设置在第一金属层与第二金属层之间的多层，其中，所述多层中的至少一层包括从由铱层、铱层和氧化铱层的双层结构、铱‑钛氮化物层、铱层和钽层的双层结构、以及铱和钽的二元合金层组成的组中选择的一种。

【技术特征摘要】
2017.11.10 US 62/584,529;2018.02.27 US 15/906,9011.一种磁性随机存取存储器的存储单元，所述存储单元包括设置在第一金属层与第二金属层之间的多层，其中，所述多层中的至少一层包括从由铱层、铱层和氧化铱层的双层结构、铱-钛氮化物层、铱层和钽层的双层结构、以及铱和钽的二元合金层组成的组中选择的一种。2.根据权利要求1所述的存储单元，其中，所述多层包括由第一导电材料制成的第一电极层和由第二导电层制成的第二电极层，所述多层中的剩余层布置在所述第一电极层与所述第二电极层之间。3.根据权利要求2所述的存储单元，其中，所述第一电极层和所述第二电极层中的至少一个包括铱。4.根据权利要求3所述的存储单元，其中，所述第一电极层和所述第二电极层中的至少一个包括从由铱层和氧化铱层的双层结构、铱-钛氮化物层、铱层和钽层的双层结构、以及铱和钽的二元合金层组成的组中选择的至少一种。5.根据权利要求2所述的存储单元，其中，所述多层包括设置在所述第一电极层上方的晶种层，以及所述晶种层包括从由铱层、铱层和钽层的双层结构、以及铱和钽的二元合金层组成的组中选择的至少一种。6.根据利要求5所述的存储单元，其中：所述多层包括设置在所述晶种层上方的钉扎磁性层、由非磁性材料制成并且设置在所述钉扎磁性层上方的隧穿阻挡层、设置在所述隧穿阻挡层上方的自由磁性层、以及设置在所述自由磁性层上方的扩散阻挡层，以及所述扩散阻挡层包括从由铱层、铱层和钽层的双层结构、以及铱和钽的二元合金层组成的组中选择的至少一种。7.一种半导体器件，所述半导体器件包括具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛宝华，应继锋，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71