专利名称：能够降低编程能耗的用在mram设备中的磁轭结构及其生产方法
技术领域：
本发明涉及先进的非挥发性磁性RAM(MRAM)设备，具体地说，本发明涉及用在MRAM设备中的磁性隧道结(MTJ，即magnetic tunnelingjunction)磁轭结构。
1997年6月17日授权于Gallagher等人的美国专利5640343“Magneticmemory array using magnetic tunnel Junnction devices in the memory cells”提供了MTJ设备的一般背景信息，并且解释了该设备如何写入和读取。
2001年2月6日授权于Chen等人的美国专利6183859“Low resistanceMTJ”描述了低电阻磁性RAM的制造方法。
2001年10月16日授权于Naji等人的6304477“Content addressablemagnetic random access memory”描述了具有差分标签程序位线(differentialtag program bit line)和匹配线的MRAM。
在MRAM结构中制造磁轭结构的方法包括制备基底；在基底上形成第一个导线；制造MTJ堆栈，包括制造环绕第一个导线的第一个磁轭结构；在MTJ堆栈上形成第二个导线；制造环绕第二个导线的第二个磁轭结构；在用上述步骤得到的结构上沉积氧化物层；和金属化该结构。
本发明的目的是提供低功率的MRAM。
本发明的另一个目的是提供用在MRAM中的磁轭结构。
本发明的内容概述和目的部分是为了使人快速了解本发明的本质。参考连同附图的本发明优选实施方案的详述部分可以更透彻地理解本发明。
图2和3示出用于本发明的MTJ MRAM的磁轭结构。
图4-13示出本发明方法的优选实施方案中的连续步骤。
图14示出用本发明的方法制造的MRAM阵列。
图15-21示出本发明方法的替代性实施方案中的连续步骤。
一种基本的磁性隧道结MRAM元件是由下述层构成的反铁磁(AF)层；铁磁(FM)自旋层(pinned layer)、绝缘隧道间隙层和铁磁自由层，这些层形成磁阻堆栈。另外，提供的底部和顶部导线能够促进读写功能。
图1示出MRAM元件10、夹层结构的磁性隧道结(MTJ)12和位于基底14上的相关感测电路。本申请中使用的术语“基底”包括硅基底和在硅基底上制造的所有导电、半导电和绝缘材料层。另外，在基底上可以制造有MOS晶体管，并作为制备基底的一部分。图1的总体结构包括导线，如包覆在马蹄形磁轭结构18中的位线16和同样包覆在马蹄形磁轭结构22中的字线20、和MOS晶体管26相连的通路24。MTJ 12包括AF自旋层28，FM自旋层30，绝缘间隙层32，隧道阻挡层34，FM自由层36、38，和底电极40。晶种层(seed layer)和顶盖层(capping layer)将在本申请的后面描述。表1列举出每一层的系列参数。
表1
字线(WL)20外面环绕着磁导率约为1000的磁轭结构42的软磁材料。计算结果证明这种环绕磁轭结构能够使编程电流降至μA范围内，假定磁性自由层厚度如表1所示，则能够在磁性自由层中产生20Oe的编程场。如果不存在磁轭结构，则同样的结构中编程电流约为4mA。
现在参照图2描述本发明的第一种磁轭结构的构造。硅基底14可以是n型或p型硅，在基底14上沉积厚度约为500nm-1000nm的二氧化硅层42。蚀刻氧化物层42，形成深度约为400nm-900nm的沟槽，具体深度取决于氧化物层的厚度，但是要在基底上留有约100nm厚的氧化物。用溅射法沉积厚度约为200nm的NiFe层44。用CVD法沉积另一个二氧化硅层46，然后沉积铜阻挡层48，铜阻挡层48可以是TiN或WN，在铜阻挡层48上沉积铜导线20。用CMP修平该结构，以除去过多的铜，然后蚀刻铜阻挡层48。该结构形成图案后用光致抗蚀剂部分覆盖以覆盖导线20。用离子铣削蚀刻法(ion milling etching process)除去NiFe层。用二氧化硅层50覆盖曝光表面，然后用CMP修平该结构以露出导线。然后在导线20上形成MTJ堆栈12。
图4-13更详细地示出用于本发明的MRAM的磁轭结构的制造方法中的连续步骤。图4示出硅基底14，其上可以形成有一个或多个MOS晶体管。按照上述方法形成字线(WL)20，并包覆在第一个磁轭结构22中。在本申请中称为第一个导线的WL可以用合适的金属制成，如用铝、铜或铂，但是优选用铜，其厚度约为400nm-900nm。在本发明的这个实施方案中，在WL 20上制造MTJ堆栈12，MTJ堆栈12含有表1中列举的材料层，各个材料层的沉积厚度列举在表1中。
如图5所示，WL和MTJ堆栈被氧化物层56覆盖，氧化物层56是用CVD法沉积的，其厚度约为50nm-100nm。
如图6所示，氧化物层形成图案后进行蚀刻，以曝光部分MTJ堆栈。
如图7所示，在该结构上沉积厚度约为100nm的NiFe层58。该层作为下一步磁轭电镀用的晶种层。
如图8所示，施加光致抗蚀剂60并沉积另一个NiFe层62，使NiFe的总厚度约为1000nm。
如图9所示，剥去光致抗蚀剂并离子铣削NiFe以除去覆盖氧化物的NiFe，在先前除去了氧化物的那些部分结构上留下更厚的NiFe层。
如图10所示，用CVD法沉积厚度约为50nm-100nm的氧化物层64，氧化物层64完全覆盖该结构。
如图11所示，在位线沟槽68中形成金属阻挡层66，位线沟槽中充填有金属如铜以形成位线(EL)16，位线16在本申请中称为第二个导线。用化学机械抛光(CMP)法将该结构抛光。
如图12所示，在该结构上沉积厚度约为100nm的氧化物层70。将氧化物掩蔽后蚀刻，打开NiFe层磁触点的顶部。沉积厚度约为200nm的另一个NiFe层72。NiFe元件62和72形成BL 16的包覆结构18，包覆结构18和包覆结构22都是马蹄形。
如图13所示，该结构形成图案后，在图左侧通过离子铣削除去NiFe。图右侧上的NiFe材料是晶体管26的连接器。通过适当金属化完成和修整该结构。BL和WL可以互换，即，BL可以形成为第二个导线，而WL可以形成为第一个导线，因此，这些结构及其磁轭结构的制造方法也可以互换。
现在结合图14-21描述本发明的另一种制造MRAM的方法。参看图14，该图所示的结构是顶视图，示出其余图15-21的取向。在图15-21中，每一个图的左侧都是平行于BL的沿A-A的横截面图，右侧都是平行于WL的沿B-B的横截面图。同样，在根据本发明制造磁轭结构80的方法中，第一个步骤是制备基底82。基底可以是n型或p型硅片，其上制造有MOS晶体管，如图15所示，在基底上形成厚度约为500nm-1000nm的氧化物层84。氧化物层84形成图案后用双大马士革波状花纹覆饰法(dual damasceneprocess)蚀刻，用CVD或PVD法沉积用于WL 86的金属。沉积的金属可以是铝、铜或铂。Ta、NiMn、CoFe；Ta、FeMn、CoFe；或Ta、NiFe、FeMn、CoFe的固定磁层堆栈88的沉积厚度约为45nm-55nm，沉积厚度约为1nm-2nm的AlxOy层90，形成隧道阻挡层。然后沉积厚度约为7nm-12nm的NiFe自由磁层92，随后沉积厚度约为500nm-1000nm的氮化硅层94。该结构形成图案后蚀刻，得到图15所示的储存堆栈结构。
沉积厚度约为800nm-1400nm的氧化物层96。用CMP法修平该结构，得到图16所示的结构。用光致抗蚀剂覆盖该结构后用双大马士革波状花纹覆饰法形成深度约为500nm-1000nm的合适通路和沟槽，以此形成BL沟槽98。然后与氮化硅层94一样蚀刻氧化物层96，形成图17所示的结构。
参看图18，用CVD法将铜沉积在BL沟槽中，形成BL 100，并用CMP法修整。用湿蚀法除去氮化硅层94，形成图19所示的结构。沉积厚度约为500nm-1000nm的第二个自由磁层102，第二个自由磁层102叠加在BL上，并且充填除去氮化物后剩下的沟槽。用光致抗蚀剂覆盖部分第二个自由磁层后用蚀刻法除去其余部分，得到图20所示的结构。
参看图21，沉积厚度约为1000nm-2000nm的钝化氧化物层104，然后金属化该结构(图中未示出)，从而完成本发明的磁轭结构。该结构可以倒转，即，BL可以在MR堆栈的底面上，而WL可以在堆栈的顶面上。
至此，本发明已经公开了能够降低编程能耗的可用在MRAM设备中的磁轭结构及本发明的磁轭结构的生产方法。应当理解的是，在所附权利要求书所定义的本发明的保护范围内，可以对本发明进行进一步的改动和变化。
权利要求
1.一种MRAM设备，其包括基底；多个包括位线和字线的导线；和包括一对磁轭结构的MTJ堆栈，其中，所说的每一个磁轭结构都环绕导线。
2.根据权利要求1的MRAM设备，其中，所说的磁轭结构是马蹄形。
3.根据权利要求1的MRAM设备，其中，所说的基底包括和所说的多个导线中的一个相连的MOS晶体管。
4.根据权利要求1的MRAM设备，其中，所说的MTJ堆栈包括AF自旋层、FM自旋层、绝缘间隙层、隧道阻挡层、两个FM自由层、底电极、晶种层和顶盖层。
5.根据权利要求1的MRAM设备，其中，所说的磁轭结构依次包括氧化物层、NiFe层和环绕相关导线的氧化物层。
6.根据权利要求5的MRAM设备，其中，所说的磁轭结构包括位于所说的NiFe层和所说的导线之间的铜阻挡层，其中，所说的铜阻挡层由选自TiN和WN的材料制成。
7.根据权利要求1的MRAM设备，其中，所说的基底包括MOS晶体管，第一个导线形成在基底上，并且被包覆磁轭结构所环绕；和其中所说的MTJ堆栈包括选自Ta、NiMn、CoFe；Ta、FeMn、CoFe；和Ta、NiFe、FeMn、CoFe磁层的固定磁层；其中所说的MTJ堆栈还包括隧道阻挡层和自由磁层。
8.根据权利要求7的MRAM设备，其中，所说的自由磁层选自NiFe和CoFe磁层。
9.根据权利要求1的MRAM设备，其中，MRAM需要的编程电流为μA范围。
10.一种制造用在MRAM结构中的磁轭结构的方法，其包括如下步骤a)制备基底；b)在基底上形成第一个导线；c)制造MTJ堆栈，包括制造环绕第一个导线的第一个磁轭结构；d)在MTJ堆栈上形成第二个导线；e)制造环绕第二个导线的第一个磁轭结构；f)在该结构上沉积氧化物层；和g)将步骤a)-f)得到的结构金属化。
11.根据权利要求10的方法，其中，所说的在基底上形成第一个导线的步骤b)包括在基底上形成位线，和其中所说的在MTJ堆栈上形成第二个导线的步骤d)包括在MTJ堆栈上形成字线。
12.根据权利要求10的方法，其中，所说的在基底上形成第一个导线的步骤b)包括在基底上形成字线，和其中所说的在MTJ堆栈上形成第二个导线的步骤d)包括在MTJ堆栈上形成位线。
13.根据权利要求10的方法，其中，所说的制备基底的步骤a)包括在基底上制造MOS晶体管；还包括将MOS晶体管与第一个和第二个导线中的一个相连接。
14.根据权利要求10的方法，其中，所说的制造第一个磁轭结构的步骤c)和所说的制造第二个磁轭结构的步骤e)包括制造马蹄形结构。
15.根据权利要求10的方法，其中，所说的制造第一个和第二个磁轭结构的步骤c)和步骤e)包括依次沉积氧化物层、沉积NiFe层和沉积环绕相关导线的氧化物层。
16.根据权利要求15的方法，其中，所说的制造第一个和第二个磁轭结构的步骤c)和步骤e)包括制造位于NiFe层和相关导线之间的铜阻挡层，其中，铜阻挡层由选自TiN和WN的材料制成。
17.根据权利要求10的方法，其中，所说的制备基底的步骤a)包括在基底上制造MOS晶体管；和其中所说的制造MTJ堆栈的步骤b)包括制造选自Ta、NiMn、CoFe；Ta、FeMn、CoFe；和Ta、NiFe、FeMn、CoPe磁层的固定磁层；还包括制造隧道阻挡层和制造自由磁层。
18.根据权利要求17的方法，其中，所说的制造自由磁层包括制造选自NiFe和CoFe磁层的层。
19.根据权利要求10的方法，其包括制造编程电流为μA范围的MRAM。
全文摘要
一种MRAM设备，其包括基底；多个包括位线和字线的导线；和包括一对磁轭结构的MTJ堆栈，其中，所说的每一个磁轭结构都环绕导线。一种制造用在MRAM结构中的磁轭结构的方法，其包括制备基底；在基底上形成第一个导线；制造MTJ堆栈，包括制造环绕第一个导线的第一个磁轭结构；在MTJ堆栈上形成第二个导线；制造环绕第二个导线的第二个磁轭结构；在该结构上沉积氧化物层；和金属化该结构。
文档编号H01L43/08GK1435841SQ03103460
公开日2003年8月13日 申请日期2003年1月30日 优先权日2002年1月31日
发明者潘威, 许胜籘 申请人:夏普株式会社