磁阻式随机存取存储器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及制造带有多个磁性隧道结(MTJ)单元的磁阻式随机存取存储器(MRAM)的方法。该方法包括形成底部导电层，形成抗铁磁性层，和在底部导电层和抗铁磁性层上方形成隧道层。该方法进一步包括在隧道层上方形成自由磁层，该自由磁层具有磁矩，该磁矩与可通过施加电磁场进行调节的方向对准，以及在自由磁层上方形成顶部导电层。该方法进一步包括实施至少一种光刻工艺去除抗铁磁性层、隧道层、自由磁层和顶部导电层未被光刻胶层覆盖的部分，直到底部导电层暴露以及去除MTJ单元的至少一个侧壁的一部分。本发明专利技术还提供一种磁阻式随机存取存储器。

【技术实现步骤摘要】
磁阻式随机存取存储器及其制造方法
本专利技术大体上涉及一种磁阻式随机存取存储器(MRAM)，更具体而言，涉及一种带有磁性隧道结(MTJ)单元的MRAM单元，磁性隧道结(MTJ)单元具有连续的隧道层。
技术介绍
MRAM是一种包含MRAM单元的存储器件，MRAM单元利用电阻值代替电荷储存数据。每个MRAM单元包含磁性隧道结(MTJ)单元，磁性隧道结(MTJ)单元的电阻可以被调节为代表逻辑状态“0”或“1”。MTJ是MRAM器件的核心元件，MTJ的形成对任何MRAM产品至关重要。按照惯例，MTJ单元由固定磁层、自由磁层、和配置在前两者之间的隧道层组成。MTJ单元的电阻可以通过根据固定磁层的磁矩改变自由磁层的磁矩来调节。当自由磁层的磁矩与固定磁层的磁矩平行时，MTJ单元的电阻低，然而当自由磁层的磁矩与固定磁层的磁矩反平行时，MTJ单元的电阻高。MTJ单元连接在顶部电极和底部电极之间，并且从一个电极向另一个电极流经MTJ的电流可以被检测以确定电阻，从而确定MTJ的逻辑状态。图1是由MTJ单元102组成的典型MRAM单元100的截面图，MTJ单元102通过顶部电极106与位线104连接，并且通过底部电极110和接触件112与MOS器件116的源极/漏极掺杂区108连接。写入线114位于MTJ单元102的下方，用于在写入操作期间产生电磁场以改变MTJ单元102的电阻。在读取操作中，MOS器件116选择通过流经位线104，顶部电极106，MTJ单元102，底部电极110和接触件112到达源极或漏极掺杂区118的电流。位线104处检测到的电流与参照对比以确定MTJ单元102的电阻是否代表高或低状态。由于MRAM不利用电荷存储数据，相较于其他类型的存储器(诸如静态随机存取存储器(SRAM)，动态随机存取存储器(DRAM)和闪速存储器)，MRAM消耗较低的功率，并且漏电流更少。图2-图4是MTJ单元在制造中的截面图。参考图2，底部导电层202，抗铁磁性层204，固定层206，隧道层208，自由磁层210和顶部导电层212的堆叠形成在半导体衬底(未在图中示出)之上。抗铁磁性层204将固定层206的磁矩规定在一个方向，自由磁层210的磁矩可通过实施外部电磁力改变。光刻胶层214形成在顶部导电层212上以确定MTJ单元的制造宽度。实施将光刻胶层214用作掩模的蚀刻工艺以去除顶部导电层212未被光刻胶层214覆盖的部分。蚀刻工艺到达自由磁层210的顶面之后，剥离光刻胶层214，得到图3中示出的结构。为了使MTJ单元与其相邻单元分隔，实施将顶部导电层212用作硬掩模的另一个蚀刻工艺(优选干法蚀刻)以去除自由磁层210，隧道层208，固定层206和抗铁磁性层204的未被顶部导电层212覆盖的部分。当蚀刻工艺到达底部导电层202的顶面时停止，得到的结构如图4所示。用于形成MTJ单元的传统蚀刻工艺的一个缺点是MTJ单元容易受到短路可靠性问题的影响。蚀刻工艺通常在室中实施，等离子体被引入室以轰击待制造的MTJ单元的表面。最终，可能有残留的导电材料残留在图4示出的完成的MTJ单元的侧壁上。这些残留的导电材料可能在底部导电层202和顶部导电层212之间绕过隧道层208导电，从而导致MTJ单元失灵。用于形成MTJ单元的传统蚀刻工艺的另一个缺点是顶部导电层212和光刻胶层214厚。为了蚀刻，MTJ单元相对厚，因为它由多层组成，包括自由磁层210，隧道层208，固定层206和抗铁磁性层204。由于顶部导电层212用作硬掩模，顶部导电层212在蚀刻工艺中被消耗。顶部导电层212要足够厚以保证有足够的顶部导电层212在蚀刻之后仍然保留在自由磁层210上。同样地，光刻胶层214要足够厚以保证有足够的光刻胶层214在蚀刻后仍保留在顶部导电层212上。这便对MRAM的制造提出挑战，尤其是当MRAM在超过45nm的导体宽度上持续收缩。用于形成MTJ单元的传统蚀刻工艺的又一个缺点是顶部导电层212的顶面可能通过蚀刻变成圆形，从而提高了在其上形成接触件的难度。在蚀刻工艺中，顶部导电层212的转角要比其他部分蚀刻得快。因此，在导电层212上恰当地形成接触件很困难，因此增加了可靠性问题。因此，需要的是一种能够解决传统工艺中出现的短路和掩模厚度问题的制造MRAM的方法。
技术实现思路
本专利技术涉及一种MRAM技术。一个实施例包括一种制造带有多个存储单元的磁阻式随机存取存储器(MRAM)器件的方法。该方法包括形成固定磁层，该固定磁层具有以预定方向固定的磁矩；在固定磁层上形成隧道层；在隧道层上形成自由磁层，自由磁层具有磁矩，该磁矩与可通过施加电磁场进行调节的方向对准；在自由磁层上形成部分覆盖自由磁层的硬掩模；并且为了限定一个或多个磁性隧道结(MTJ)单元，使自由磁层的未被硬掩模覆盖的部分去磁化。根据本专利技术的一个方面提供了一种制造带有多个磁性隧道结(MTJ)单元的磁阻式随机存取存储器(MRAM)的方法包括：形成底部导电层；形成抗铁磁性层；形成位于所述底部导电层和所述抗铁磁性层上方的隧道层；形成位于所述隧道层上方的自由磁层，所述自由磁层具有磁矩，所述磁矩与可通过施加电磁场进行调节的方向对准；形成位于所述自由磁层上方的顶部导电层；实施至少一种光刻工艺去除所述抗铁磁性层、所述隧道层、所述自由磁层和所述顶部导电层未被光刻胶层覆盖的部分，直到所述底部导电层暴露；以及去除所述MTJ单元的至少一个侧壁的一部分。在上述方法中，去除所述MTJ单元的至少一个侧壁的一部分之后，在所述MTJ单元上形成保护层以密封所述MTJ单元。在上述方法中，去除所述MTJ单元的至少一个侧壁的一部分之后，在所述MTJ单元上形成保护层以密封所述MTJ单元，在所述保护层上方形成硬掩模。在上述方法中，去除所述MTJ单元的至少一个侧壁的一部分之后，在所述MTJ单元上形成保护层以密封所述MTJ单元，所述保护层的厚度在大约15埃至50埃之间。在上述方法中，其中去除所述MTJ单元的至少一个侧壁的一部分的步骤包括使用干式蚀刻工艺。在上述方法中，其中去除MTJ单元的至少一个侧壁的部分的步骤包括实施湿式蚀刻工艺。根据本专利技术的又一方面，还提供了一种磁阻式随机存取存储器(MRAM)器件，包括磁性隧道结(MTJ)单元，所述MTJ单元包括：底部导电层；抗铁磁性层；位于所述底部导电层和所述抗铁磁性层上方的隧道层；位于所述隧道层上方的自由磁层；位于所述自由磁层上方的顶部导电层；所述顶部导电层的直径比位于所述顶部导电层和所述底部导电层之间的层的直径大。在上述MRAM器件中，其中所述MTJ单元被保护层密封。在上述MRAM器件中，其中所述MTJ单元被保护层密封，其中所述保护层的厚度是约15至50埃。在上述MRAM器件中，其中所述MTJ单元被保护层密封，其中所述保护层包含NiFeHf。在上述MRAM器件中，其中所述MTJ单元被保护层密封，其中所述保护层是复合层。在上述MRAM器件中，其中所述MTJ单元被保护层密封，其中所述MTJ单元进一步被硬掩模层覆盖。在上述MRAM器件中，其中所述MTJ单元被保护层密封，其中所述MTJ单元进一步被硬掩模层覆盖，其中所述硬掩模层的厚度是400至600埃。在上述MRAM器件中，其中所述隧道层包含Al2O3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造带有多个磁性隧道结(MTJ)单元的磁阻式随机存取存储器(MRAM)的方法包括：形成底部导电层；形成抗铁磁性层；形成位于所述底部导电层和所述抗铁磁性层上方的隧道层；形成位于所述隧道层上方的自由磁层，所述自由磁层具有磁矩，所述磁矩与可通过施加电磁场进行调节的方向对准；形成位于所述自由磁层上方的顶部导电层；实施至少一种光刻工艺去除所述抗铁磁性层、所述隧道层、所述自由磁层和所述顶部导电层未被光刻胶层覆盖的部分，直到所述底部导电层暴露；以及去除所述MTJ单元的至少一个侧壁的一部分。

【技术特征摘要】
2012.04.20 US 13/452,2301.一种制造带有多个磁性隧道结(MTJ)单元的磁阻式随机存取存储器(MRAM)的方法包括：形成底部导电层；形成抗铁磁性层；形成位于所述底部导电层和所述抗铁磁性层上方的固定层；形成位于所述固定层上方的隧道层；形成位于所述隧道层上方的自由磁层，所述自由磁层具有磁矩，所述磁矩与可通过施加电磁场进行调节的方向对准；形成位于所述自由磁层上方的顶部导电层；实施至少一种光刻工艺去除所述抗铁磁性层、所述隧道层、所述自由磁层和所述顶部导电层未被光刻胶层覆盖的部分，直到所述底部导电层暴露；以及去除所述磁性隧道结单元的至少一个侧壁的一部分；用包含NiFeHf的保护层密封所述磁性隧道结单元，其中，所述保护层的每一层都覆盖所述底部导电层、所述抗铁磁性层、所述固定层、所述隧道层、所述自由磁层、以及覆盖所述顶部导电层的底面和侧面。2.根据权利要求1所述的制造带有多个磁性隧道结单元的磁阻式随机存取存储器的方法，去除所述磁性隧道结单元的至少一个侧壁的一部分之后，在所述磁性隧道结单元上形成保护层以密封所述磁性隧道结单元。3.根据权利要求2所述的制造带有多个磁性隧道结单元的磁阻式随机存取存储器的方法，在所述保护层上方形成硬掩模。4.根据权利要求2所述的制造带有多个磁性隧道结单元的磁阻式随机存取存储器的方法，所述保护层的厚度在15埃至50埃之间。5.根据权利要求1所述的制造带有多个磁性隧道结单元的磁阻式随机存取存储器的方法，其中去除所述磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晨祐，刘世昌，蔡嘉雄，
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：