垂直stt-mram的磁性屏蔽的制作方法
【专利摘要】本发明涉及垂直STT-MRAM的磁性屏蔽。一种存储器具有垂直自旋转移矩（STT）磁性随机访问存储器（MRAM）单元的阵列，其中每个单元具有磁性层堆叠。磁性屏蔽物设置在单元之间并且具有至少磁性层堆叠的高度的最小高度。
【专利说明】垂直STT-MRAM的磁性屏蔽
【背景技术】
[0001]垂直自旋转移矩(STT)磁性随机访问存储器(MRAM)是基于磁阻的嵌入式非易失性存储器技术。
[0002]图1图示了耦合到晶体管120的垂直STT-MRAM堆叠110的示意图100。不同于把数据存储为电荷的典型RAM技术，MRAM数据由磁阻元件存储。通常，磁阻元件由两个磁性层制成，每个磁性层保持磁化。一个层(“固定层”或“钉住层”110A)的磁化的磁性取向被固定，并且另一层(“自由层”110C)的磁化可以被自旋极化编程电流来改变。因此，编程电流可以使两个磁性层的磁性取向:在相同方向，从而提供跨越这些层的较低电阻(“O”状态)；或者在相反方向，从而提供跨越这些层的较高电阻(“I”状态)。自由层IlOC的磁性取向的切换和产生的跨越磁性层的高或低的电阻状态提供用于典型MRAM单元的写和读操作。
[0003]磁性层堆叠110连同分别位于自由层顶上和固定层下方的顶和底部电极(未示出)被称为磁性隧道结(MTJ)。编程电流通常流动通过访问晶体管120和MTJ。固定层极化编程电流的电子自旋，并且随着自旋极化电流穿过MTJ，转矩被创建。自旋极化电子电流通过对自由层施加转矩来与自由层交互。当穿过MTJ的自旋极化电子电流的转矩大于临界切换电流密度时，由自旋极化电子电流施加的转矩足以切换自由层的磁化。因此，自由层的磁化可以与钉住层以相同或相反方向被对准，并且跨越MTJ的电阻状态被改变。
[0004]图2图示了 STT-MRAM单元200的示意图，其可以被制作为形成以包括多个行和列的网格样式或者以各种其它布置(依赖于系统需要和制作技术)的存储器单元阵列。STT-MRAM单元200包括磁性层堆叠210、底部电极290、顶部电极295、位线220、源极线230、访问晶体管240、字线250、读/写电路260、感测放大器270和位线参考280。
[0005]编程电流被施加用于STT-MRAM单元200的写操作。为了发起编程电流，读/写电路260可以生成到达位线220和源极线230的写电流。位线220和源极线230之间的电压的极性确定磁性层堆叠210中自由层的磁化的切换。一旦自由层210C根据编程电流的自旋极性被磁化，则编程状态被写入到STT-MRAM单元200。
[0006]为了读STT-MRAM单元200，读/写电路260生成通过磁性层堆叠210和晶体管240到达位线220和源极线230的读电流。STT-MRAM单元200的编程状态依赖于跨越磁性层堆叠210的电阻，其可以由位线220和源极线230之间的电压差来确定。在一些实施例中，电压差可以与参考280比较并且被感测放大器270放大。
[0007]竖直外部磁场可以影响导致不期望的位倒转的自由层的磁矩。扰乱存储信息仅需要几百奥斯特(Oe)的竖直磁场。垂直STT-MRAM的许多应用需要更高的磁性鲁棒性。
[0008]面内STT-MRAM，与垂直STT-MRAM相反，易受到水平外部磁场的影响。这是因为面内STT-MRAM由如下编程电流写入，该编程电流使两个磁性层的磁性取向水平平行或逆平行。使用位于管芯顶部和底部上的磁性屏蔽物，可以增加面内STT-MRAM相对于外部磁场的稳定性。然而，这个磁性屏蔽概念仅适用于面内STT-MRAM，不适用垂直STT-MRAM。对于垂直STT-MRAM应用，竖直磁场是有意义的。所以，垂直STT-MRAM应用需要有效屏蔽竖直外部磁场。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1图示耦合到晶体管的垂直STT-MRAM堆叠的示意图。
[0010]图2图示存储器单元的示意图。
[0011]图3图示根据示例性实施例的垂直STT-MRAM单元阵列的顶视图。
[0012]图4A-4B图示根据示例性实施例的垂直STT-MRAM单元阵列的侧视图。
[0013]图5图示均一磁场中的磁性屏蔽材料。
[0014]图6A-6E图示根据示例性实施例的均一磁场中的垂直STT-MRAM单元的磁通密度绘图。
[0015]图7A-7F图示根据示例性实施例的用于制造垂直STT-MRAM单元阵列的方法。
【具体实施方式】
[0016]本公开涉及具有垂直自旋转移矩(STT)磁性随机访问存储器(MRAM)单元的阵列的存储器，其中每个单元具有磁性层堆叠。磁性屏蔽物设置在这些单元之间并且具有至少磁性层堆叠的高度的最小高度。
[0017]图3图示根据示例性实施例的垂直STT-MRAM单元阵列300的顶视图。保护具有偶极子310的每个单元免受竖直外部磁场的影响的磁性屏蔽物320位于单元310之间。
[0018]图4A图示根据示例性实施例的垂直STT-MRAM单元的阵列400A的侧视图。STT-MRAM阵列400A包括形成于氧化物410中的金属Mx 420。金属Mx 420是图2中示出的磁性层堆叠210和晶体管240之间的金属导线。底部电极430沉积在金属Mx 420上。磁性层堆叠440沉积在底部电极430上，磁性层堆叠440由固定磁性层440A和自由磁性层440C以及它们之间的隧道氧化物层440B构成。出于简化的目的，附图示出了具有堆叠层440A、440C和隧道氧化物层440B的每个磁性层堆叠440，但是如已知的那样，实际上存在附加的层。顶部电极450A形成在磁性层堆叠440上。介电衬里460沉积在磁性屏蔽物470上,介电衬里460具有足够大的厚度来提供与磁性屏蔽物470的电隔离。磁性屏蔽物470A优选地放置为尽可能接近磁性层堆叠440以增加其保护STT-MRAM单元免受竖直磁场影响的效率。而且，磁性屏蔽物470A优选地定位为相对于磁性层堆叠440内的自由磁性层440C的水平和竖直对称布置中的至少一个。隔离层465沉积在磁性屏蔽物470A上。最后，沉积在氧化物90中的金属M (x+1)层480位于隔离层465的顶上。金属M (x+1)层480是图2中示出的位线220。顶部电极450A通过通孔467确保磁性堆叠层440C和金属M (χ+l)层480之间的电接触。如本领域普通技术人员应当意识到的，阵列400A的元件不一定按比例绘制。
[0019]图4B图示根据另一示例性实施例的垂直STT-MRAM单元的阵列400B的侧视图。STT-MRAM阵列400B类似于图4A的阵列400A，除了顶部电极450和磁性屏蔽物470被不同地定形。更具体来说，磁性屏蔽物470B不像图4A中示出的那样被定形为矩形，而是替代地被定形为具有形成在其每个顶部边缘处的水平突起。顶部电极450B被定形为其上部直径小于磁性层堆叠440的直径，以便容纳磁性屏蔽物470B的水平突起，或“鼻状物”。当然，在电极450B和磁性屏蔽物470B之间仍然存在使用衬里460的电隔离。图4B的其它元件类似于图4A的元件，并且因此它们的描述为简短起见在这里被省略。如阵列400A —样，阵列400B的元件不一定按比例绘制。
[0020]图5图示均一磁场中的磁性屏蔽材料。如可以看见的,磁性屏蔽材料520收集(减少、沉没)外部磁场。通常，该材料具有特定属性，诸如高磁导率、很少或没有磁矫顽力以及大饱和磁化。
[0021]高磁导率(通常至少10000)是优选的，但是50000和140000之间是实际的。磁导率是屏蔽物支持磁场在自身内形成的能力的度量。通过具有高磁导率，磁性屏蔽物收集竖直磁场线，因此降低在其周围的磁场。
[0022]磁性屏蔽材料还优选具有很少或没有剩磁。剩磁是外部磁场移除之后材料中留下的磁化。
[0023]大饱和磁化(通常在500mT到1.5T (特斯拉)的范围中)是优选的。饱和是当所施加的外部磁场中的增加不能进一步增加材料的磁化，所以整体磁通密度稳定时所达到的状态。
[0024]磁性屏蔽物的材料可能包括一个或多个铁磁体层。这包括镍(Ni)、铁(Fe)和钴(Co )的合金(例如，镍铁(NiFe )、镍铁钴(NiFeCo )、钴铁(CoFe ))，各种组合的NiFe和Co等的其它相对较高磁导率合金、掺杂的无定形铁磁合金和其它材料。材料可以包含钥和铬的添加剂，例如Mu-金属(Ni+Fe)，其是由近似77%的镍，16%的铁，5%的铜和2%的铬或钥构成的一系列镍-铁合金。而且，可以使用表征为亚铁磁体或铁氧体的材料。本领域技术人员应当意识到磁性屏蔽物可以由适合于收集外部磁场的预期目的的任何材料构成。
[0025]图6A-6E图不根据不例性实施例的均一磁场中的垂直STT-MRAM磁性层堆叠610的磁通密度绘图。
[0026]图6A图示具有0.5特斯拉(T)(其等价于400000安培每米(A/m))磁通密度的均一磁场中的垂直STT-MRAM磁性层堆叠610的磁通密度绘图600A。在这个图中不包括磁性屏蔽物以便它可以被用作与后面的图比较的基准。如从该图顶部中的密度绘图600A可以看到的，STT-MRAM单元附近的磁通密度是192000A/m。该图底部图示相同磁通的曲线图。如所示的,磁性层堆叠610在里面把磁通集中成比外部施加的磁场(-0.5T)更高的值(-0.6T)。磁性层堆叠的更远的外部，磁通稳定在-0.5T。
[0027]图6B图示根据示例性实施例的在其附近具有水平磁性屏蔽物620B的垂直STT-MRAM磁性层堆叠610的磁通密度绘图600B。提供的均一磁场与图6A中的磁场相同。为了实现对STT-MRAM磁性层堆叠610的高效磁性屏蔽，优选的是，磁性屏蔽物620B被放置为紧密靠近STT-MRAM磁性层堆叠610以便在STT-MRAM磁性层堆叠610的附近收集尽可能多的外部磁场。如在该图的上部中的密度绘图600B可以看到的，STT-MRAM磁性层堆叠610和磁性屏蔽物620B之间的空间中的磁通密度减小到105000A/m。该图的下部中的曲线图示出了磁性屏蔽物620B中的磁通密度增加到-0.6T，由此，STT-MRAM磁性层堆叠610和磁性屏蔽物620B之间的空间中的磁通密度减小到-0.4T。而且，曲线图的最左边区域中的磁通密度显著小于图6A中相应的磁通。这是因为磁性屏蔽物620B沉没磁通密度，由此减小周围区域中的磁通密度。
[0028]图6C图示根据示例性实施例的具有与图6B的磁性屏蔽物相比具有更高的高度的磁性屏蔽物620B的垂直STT-MRAM磁性层堆叠610的磁通密度绘图600C。提供的均一磁场与图6A中的磁场相同。为了实现对STT-MRAM磁性层堆叠610的高效磁性屏蔽，优选的是，磁性屏蔽物高度高于要保护的STT-MRAM磁性层堆叠610的磁性层堆叠430。在一个示例性实施例中，磁性屏蔽物620C是位于磁性单元堆叠下方和上方的金属导线之间的最大可能闻度。
[0029]如可以从该图的上部中的密度绘图600C看到的，STT-MRAM磁性层堆叠610和磁性屏蔽物620C之间的空间中的磁通密度减小到115000A/m。该图的下部中的曲线图示出了磁性屏蔽物620C中的磁通密度增加到-1.75T，由此，STT-MRAM磁性层堆叠610和磁性屏蔽物620C之间的空间中的磁通密度减小到仅-0.25T。而且，曲线图的最左边区域中的磁通密度显著小于图6B中相应的磁通。如上面提到的，这是因为磁性屏蔽物620C沉没磁通密度，由此减小周围区域中的磁通密度。
[0030]图6D图示根据示例性实施例的具有与图6B和6C的磁性屏蔽物相比具有更大水平屏蔽宽度的磁性屏蔽物620C的垂直STT-MRAM磁性层堆叠610的磁通密度绘图600D。提供的均一磁场与图6A中的磁场相同。为了实现对STT-MRAM磁性层堆叠610的高效磁性屏蔽，优选的是，屏蔽物的水平宽度足够大以填充未被边界磁性层堆叠占据的空间。在一个示例性实施例中，磁性屏蔽物620D填充STT-MRAM单元之间的尽可能多的空间。
[0031]如可以从该图的上部中的密度绘图600D看到的，STT-MRAM磁性层堆叠610和磁性屏蔽物620D之间的空间中的磁通密度减小到仅24000A/m。该图的下部中的曲线图示出了磁性屏蔽物620D中的磁通密度增加到-1.0T,由此，STT-MRAM磁性层堆叠610和磁性屏蔽物620D之间的空间中的磁通密度减小到几乎0T。而且，曲线图的最左边区域中的磁通密度显著小于图6C中相应的磁通。再次，这是因为磁性屏蔽物620D沉没磁通密度，由此减小周围区域中的磁通密度。
[0032]图6E图示根据示例性实施例的类似于图6D的磁性屏蔽物的具有更大水平屏蔽宽度的、但是另外包括位于左上角的鼻状物的磁性屏蔽物620E的垂直STT-MRAM磁性层堆叠610的磁通密度绘图600E。提供的均一磁场与图6A中的磁场相同。
[0033]如可以从该图的上部中的密度绘图600E看到的，STT-MRAM磁性层堆叠610和磁性屏蔽物620E之间的空间中的磁通密度减小到仅14000A/m。该图的下部中的曲线图示出了磁性屏蔽物620E中的磁通密度增加到-1.0T,由此，STT-MRAM磁性层堆叠610和磁性屏蔽物620E之间的空间中的磁通密度减小到几乎0T。而且，曲线图的最左边区域中的磁通密度显著小于图6D中相应的磁通。这归因于磁性屏蔽物620E的鼻状物，其进一步折射磁场线，并且因此提高屏蔽。
[0034]图7A-7F图示根据示例性实施例的用于制造垂直STT-MRAM单元阵列的方法。为了成本有效，在制程前端(FEOL)处理期间，磁性屏蔽物应当被集成在单元阵列中。
[0035]图7A图示STT-MRAM 700A，其包括形成在氧化物410中的金属Mx 420。底部电极430沉积在氧化物410和金属Mx 420的层上。由磁性层440A、440C以及它们之间隧道氧化物层440B构成的磁性层堆叠440沉积在底部电极430上。顶部电极450A沉积在磁性层堆叠440上。
[0036]图7B图示在构造STT-MRAM 700A之后、使用硬掩膜并且刻蚀以形成个体MTJ的STT-MRAM阵列700B，MTJ由底部电极430、具有层440A、440B、440C的MRAM堆叠以及顶部电极450A构成。
[0037]图7C图示在介电衬里460沉积在STT-MRAM阵列700B上用于电隔离之后的STT-MRAM 阵列 700C。
[0038]图7D图示在磁性屏蔽物470A沉积在其上之后的STT-MRAM阵列700D。磁性屏蔽物470A经受化学机械平面化(CMP)，其中介电衬里460充当CMP停止层。
[0039]图7E图示在隔离层465沉积在磁性屏蔽物470A上之后的STT-MRAM阵列700E。
[0040]图7F图示在隔离层465顶上使用沟槽和通孔过程在氧化物490中形成金属M(χ+l)层480之后的STT-MRAM阵列700F。这个沟槽和通孔过程在金属M (x+1) 480和顶部电极450A之间通过通孔467形成电接触。要注意STT-MRAM阵列700F等价于图4A的STT-MRAM 阵列 400A。
[0041]技术人员应当意识到图7A-7F的个体层如何形成以便产生图4A的STT-MRAM单元400A，并且还意识到可以存在多于一种方式来形成这些层。为简短起见，并且为了不会不必要地模糊本公开的各方面，用于制造垂直STT-MRAM单元400A的阵列的方法的更详细描述被省略。
[0042]另外，技术人员还将从上面的描述意识到如何制造图4B的垂直STT-MRAM单元400B的阵列。所以，进一步详细描述在这里被认为是不必要的。
[0043]虽然上文已结合示例性实施例进行了描述，但是要理解术语“示例性”仅意指作为示例，而不是最好的或优选的。因此，本公开意图覆盖可以包括在本公开的范围内的替代物、修改和等价物。
[0044]虽然本文中已图示和描述了具体实施例，但是将被本领域普通技术人员意识到的是，在不脱离本申请的范围的情况下，各种替代和/或等价实施方式可以替换示出和描述的具体实施例。这个申请意图覆盖本文中讨论的具体实施例的任何变更或变型。
【权利要求】
1.一种存储器，包括: 垂直自旋转移矩(STT)磁性随机访问存储器(MRAM)单元的阵列，其中每个单元具有磁性层堆叠；以及 磁性屏蔽物，设置在所述单元之间并且具有至少所述磁性层堆叠的高度的最小高度，以便由此屏蔽所述单元免受存储器外部磁场的影响。
2.根据权利要求1的存储器，其中所述磁性屏蔽物的高度比所述磁性层堆叠的高度闻。
3.根据权利要求1的存储器，其中所述磁性屏蔽物被定形为具有形成在其顶部边缘中的至少一个处的水平突起。
4.根据权利要求3的存储器，其中所述单元中的至少一个具有形成在所述磁性层堆叠上方的电极，并且所述电极的上部的直径小于磁性层堆叠的直径，以便容纳所述磁性屏蔽物的水平突起。
5.根据权利要求1的存储器，其中所述磁性屏蔽物的所述高度是在位于所述单元上方和下方的位线和源极线之间可能的最大高度。
6.根据权利要求1的存储器，其中所述磁性屏蔽物被定位成相对于所述磁性层堆叠内的自由磁性层的水平和竖直对称布置中的至少一个。
7.根据权利要求1的存储器，其中所述磁性屏蔽物具有至少10000的磁导率。
8.根据权利要求1的存储器，其中所述磁性屏蔽物具有在50000和140000之间的磁导率。
9.根据权利要求1的存储器，其中所述磁性屏蔽物由一层或多层铁磁体构成。
10.根据权利要求9的存储器，其中铁磁体包括选自由以下各项构成的合金的组中的合金:镍(Ni)、铁(Fe)和/或钴(Co)。
11.根据权利要求1的存储器，其中所述磁性屏蔽物包括亚铁磁体和铁氧体中的至少一种。
12.根据权利要求1的存储器，其中所述磁性屏蔽物包括一层或多层不同的材料。
13.根据权利要求1的存储器，其中所述磁性屏蔽物基本上没有磁矫顽力。
14.根据权利要求1的存储器，还包括: 介电衬里，设置在所述单元和所述磁性屏蔽物之间，并且具有足够大的厚度来提供电隔离。
15.根据权利要求1的存储器，其中设置在所述单元之间的所述磁性屏蔽物的水平宽度足够大以填充未被边界磁性堆叠和任何介电衬里占据的空间。
16.—种产生存储器的方法,包括: 提供垂直自旋转移矩(STT)磁性随机访问存储器(MRAM)单元堆叠； 刻蚀所述单元堆叠以形成单元的阵列，其中每个单元具有磁性层堆叠；以及 在所述单元之间沉积磁性屏蔽物， 其中所述磁性屏蔽物具有至少所述磁性层堆叠的高度的最小高度。
17.根据权利要求16的方法，还包括: 在沉积所述磁性屏蔽物之前，在所述单元的阵列上沉积介电衬里；以及 平面化所述磁性屏蔽物到所述介电衬里。
18.根据权利要求16的方法，其中所述平面化是化学机械平面化(CMP)，并且所述介电衬里是CMP停止层。
19.根据权利要求16的方法，其中所述磁性屏蔽物的高度比所述磁性层堆叠的高度闻。
20.—种存储器，包括: 自旋转移矩(STT)磁性随机访问存储器(MRAM)单元的阵列，其中每个单元具有磁性层堆置；以及 磁性屏蔽物，设置在所述单元之间并且具有至少所述磁性层堆叠的高度的最小高度，以便由此屏蔽所述单元免受存储器外部磁场的影响。
【文档编号】G11C11/15GK104518080SQ201410500816
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】R.阿林格, K.霍夫曼, K.克诺布洛赫, R.施特伦茨 申请人:英飞凌科技股份有限公司