磁性隧道結(mtj)存儲元件和具有mtj的自旋轉移力矩磁阻隨機存取存儲器(stt-mram)單元的制作方法
【專利說明】磁性隧道結(MTJ)存儲元件和具有MTJ的自旋轉移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)單元
[0001 ] 分案申請的相關信息
[0002]本案是分案申請。該分案的母案是申請日為2010年2月2日、申請號為201080005027.X、發明名稱為“磁性隧道結(MTJ)存儲元件和具有MTJ的自旋轉移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)單元”的發明專利申請案。
技術領域
[0003]所揭示的實施例涉及自旋轉移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)單元和其形成方法。更特定來說，示范性實施例是針對可用于STT-MRAM單元中的磁性隧道結(MTJ)存儲元件和其形成方法。
【背景技術】
[0004]磁阻隨機存取存儲器(MRAM)為使用磁性元件的非易失性存儲器技術。舉例來說，自旋轉移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)使用當電子穿過薄膜(自旋過濾器)時變得自旋極化的電子。STT-MRAM還被稱為自旋轉移力矩RAM(STT-RAM)、自旋力矩轉移磁化切換RAM(Spin-RAM)和自旋動量轉移(SMT-RAM)。
[0005]圖1說明常規STT-MRAM位單元100。所述STT-MRAM位單元100包括磁性隧道結(MTJ)存儲元件105、晶體管110、位線120和字線130。如圖1中所說明，所述MT J存儲元件是由(例如)由絕緣(穿隧勢皇)層分離的釘扎層和自由層形成，所述釘扎層和所述自由層中的每一者可保持磁場或極化。所述自由層的極化可顛倒以使得所述釘扎層與所述自由層的極性大體上對準或相反。穿過所述MTJ的電路徑的電阻將視所述釘扎層和自由層的極化的對準而變化。如已知的，此電阻變化可用于編程和讀取所述位單元100。所述STT-MRAM位單元100還包括源極線140、讀出放大器150、讀取/寫入電路160和位線基準170。所屬領域的技術人員將了解，所述存儲器單元100的操作和構造在此項技術中為已知的。舉例來說，關于此類存儲器單元的額外細節提供于M.Hosomi等人的“具有自旋轉移力矩磁阻磁化開關的新穎的非易失性存儲器:自旋RAM(A Novel Nonvolatile Memory with Spin Transfer TorqueMagnetoresistive Magnetizat1n Switching: Spin-RAM)” (IEDM會議的會議錄(2005))中，其全部內容以引用的方式并入本文中。
[0006]參看圖2(a)到圖2(c)，常規MTJ存儲元件一般通過以下步驟形成:首先圖案化底部固定層；形成單鑲嵌結構；沉積穿隧勢皇/自由層/頂部電極堆疊；以及執行化學機械拋光(CMP)步驟。
[0007]舉例來說，如圖3所示，常規MTJ存儲元件一般通過使用物理氣相沉積(PVD)在金屬堆疊(例如，互連件40)的頂部金屬層(例如，M3)上沉積MTJ和硬掩模層堆疊而形成。所述MTJ和硬掩模層堆疊通常包括可(例如)由鉭形成的底部電極層50、釘扎層60、穿隧勢皇層90、自由層100和可(例如)由Ta/TaN或Ti/TiN形成的硬掩模或上部電極層110。
[0008]在常規方法中，第一步驟通常包括沉積底部電極層50(例如，Ta)、釘扎層60、穿隧勢皇90、自由層100和硬掩模層(Ta/TaN、Ti/TN)。釘扎層60可包括一個或一個以上層或膜(例如，釘扎層堆疊)。接下來，使所述MTJ堆疊在真空中經受磁性退火工藝。接著使用光刻技術將圖案施加到所述MT J堆疊。所述經圖案化的單元大小可大于最終大小。前述層中的每一者可包含一個或一個以上層或膜。
[0009]接下來，蝕刻所述MTJ堆疊。蝕刻工藝包括:修整光致抗蝕劑大小和圖案硬掩模，剝離光致抗蝕劑，蝕刻自由層100，和蝕刻釘扎層60以及底部電極層50。接下來，清潔所述MT J堆疊。所述清潔工藝通常與低k和MTJ清潔相容。接下來，沉積鈍化層以保護MT J存儲元件和層間電介質70。可能需要組合堆疊與低沉積溫度以保護MTJ且促進MTJ與ILD之間的粘合。最終，使用較不具侵蝕性的化學機械拋光(CMP)來拋光MTJ與ILD以防止分層。
[0010]如圖3所示，根據常規方法形成的常規STT-MRAM位單元包括襯底10、字線20和與Vss(未圖示)的觸點30。底部電極層50形成于互連件40的頂部金屬層上。釘扎層60、穿隧勢皇層90、自由層100和頂部電極110形成于底部電極層50上。ILD層70形成于MTJ單元上。

【發明內容】

[0011]示范性實施例是針對自旋轉移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)單元和其形成方法。更特定來說，實施例涉及STT-MRAM單元的磁性隧道結(MTJ)存儲元件和其形成方法。
[0012]舉例來說，示范性實施例是針對一種存儲器裝置，其具有磁性隧道結(MTJ)存儲元件，所述MTJ存儲元件包含:底部電極;釘扎層，其鄰近于所述底部電極;電介質層，其包封所述底部電極和所述釘扎層的一部分，其中所述電介質層包括界定鄰近于所述釘扎層的一部分的孔的側壁;穿隧勢皇，其鄰近于所述釘扎層；自由層，其鄰近于所述穿隧勢皇；以及頂部電極，其鄰近于所述自由層，其中所述底部電極和/或所述釘扎層在第一方向上的寬度大于所述釘扎層與所述穿隧勢皇之間的接觸區域在所述第一方向上的寬度。
[0013]另一示范性實施例是針對一種形成存儲器裝置的方法，所述存儲器裝置具有磁性隧道結(MTJ)存儲元件，所述方法包含:在襯底上形成底部電極;在所述底部電極上形成釘扎層;在所述底部電極和所述釘扎層上沉積電介質層;在所述電介質層中圖案化具有側壁的孔并將所述孔向下蝕刻到所述釘扎層;在所述孔的第一部分中沉積穿隧勢皇層以在所述釘扎層上產生穿隧勢皇;在所述孔的第二部分中沉積自由層以使得所述自由層位于所述穿隧勢皇上；以及在所述自由層上沉積頂部層。
[0014]示范性實施例是針對一種存儲器裝置，其具有磁性隧道結(MTJ)存儲元件，所述MTJ存儲元件包含:用于電連接所述MTJ存儲元件的底部導電裝置;用于保持第一極化的第一磁性裝置，所述第一磁性裝置鄰近于所述底部導電裝置；用于包封所述底部導電裝置和所述第一磁性裝置的一部分的第一絕緣裝置，其中所述第一絕緣裝置包括界定鄰近于所述第一磁性裝置的一部分的孔的側壁；用于保持第二極化的第二磁性裝置，其中所述第二極化是可顛倒的；用于使在所述第一磁性裝置和所述第二磁性裝置之間流動的電流穿隧的第二絕緣裝置，所述第二絕緣裝置分離所述第一磁性裝置和所述第二磁性裝置；以及用于電連接所述MTJ存儲元件的頂部導電裝置，所述頂部導電裝置鄰近于所述第二磁性裝置，其中所述底部導電裝置和/或所述第一磁性裝置在第一方向上的寬度大于所述第一磁性裝置與所述第二絕緣裝置之間的接觸區域在所述第一方向上的寬度。
[0015]另一示范性實施例包含一種形成存儲器裝置的方法，所述存儲器裝置具有磁性隧道結(MTJ)存儲元件，所述方法包含:用于在襯底上形成底部電極的步驟;用于在所述底部電極上形成釘扎層的步驟；用于在所述底部電極和所述釘扎層上沉積電介質層的步驟；用于在所述電介質層中圖案化具有側壁的孔并將所述孔向下蝕刻到所述釘扎層的步驟;用于在所述孔的第一部分中沉積穿隧勢皇層以在所述釘扎層上產生穿隧勢皇的步驟;用于在所述孔的第二部分中沉積自由層以使得所述自由層位于所述穿隧勢皇上的步驟；以及用于在所述自由層上沉積頂部層的步驟。
【附圖說明】
[0016]呈現附圖以輔助描述實施例，且提供附圖僅用于說明所述實施例而非對其加以限制。
[0017]圖1說明常規自旋轉移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)單元