Mram器件及其制作方法

专利名称：Mram器件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及存储器领域，更具体地，涉及MRAM器件及其制作方法。
背景技术：
MRAM(磁阻随机存取存储器)是一种非易失性的计算机内存，能够存储一些比特的数字信息(二进制的O或I)。在传统的RAM元件中，数字数据被存储为电荷，而MRAM则通过磁存储元件中的电阻状态(高电阻或低电阻)将数字数据存储为比特态(O或1)，该状态无需恒定的电功率保持自己的状态。例如，磁性存储器件的实例可以包括固定(稳定)磁层、自由(可变)磁层、以及在固定(pinned)磁层和自由磁层之间插入的非磁导电阻挡层。固定层和自由层的磁场相对的排列方式决定了在固定磁层和自由磁层之间插入的阻挡层的电阻状态(高电阻或低电阻)。通过将自由层的磁状态改变为与固定磁层相匹配、或相对抗，来控制MRAM器件的电阻状态的改变。将自由层的磁定向与固定层的磁定向相匹配，在阻挡层中创建低电阻状态，则存储的记忆比特信息等于二进制值，例如，I。在磁自由层和磁固定层之间的相反的磁定向(自由层的磁定向与固定层的磁定向相反)在阻挡层中创造了高电阻态，贝1J存储的记忆比特信息等于二进制值，例如，O。MRAM器件通常是通过在半导体器件中的两个电极之间放置固定层、阻挡层、以及自由层形成的。MRAM器件可以具有设置和信息检索的操作，如读取、写入-1 (设定值=I)、和写入-0(明确设定值=O)。写入操作，也称为编程操作，将电脉冲应用于电极，从而造成电流在器件的固定层和自由层之间流动。根据电流流动的方向，自由层的磁定向会改变，从而与固定层的磁定向相匹配或相对抗。通过测量MRAM器件的固定层和自由层之间的电阻，整个电极完成读取操作。

发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种磁阻随机存取存储器(MRAM)，包括:固定磁层；阻挡层，与固定磁层相邻；以及巨磁阻(GMR)结构，与阻挡层相邻，GMR结构包括第一磁层、第二磁层、和在第一磁层和第二磁层之间插入的导电层,第一磁层俯视时具有与第二磁层不同的尺寸。该MRAM进一步包括:第一电极，电连接到固定磁层；第二电极，电连接到GMR结构的第一磁层；以及第三电极，电连接到GMR结构的第二磁层。其中，第一电极和第二电极在俯视时沿第一磁层的纵轴设置。其中，第一磁层比第二磁层更靠近阻挡层，第二磁层比第一磁层更厚。其中，第二磁层的形状具有长度比宽度是大约I到大约3.5的纵横比。其中，固定磁层、阻挡层、以及第一磁层在俯视时具有相同的长度和宽度，导电层和第二磁层在俯视 时具有相同的长度和宽度。其中，固定磁层和阻挡层在俯视时具有相同的长度和宽度，第一磁层、导电层和第二磁层在俯视时具有相同的长度和宽度。其中，MRAM处于低电阻状态，以及GMR结构的磁定向与固定层的磁定向平行。其中，MRAM处于高电阻状态，以及GMR结构的磁定向与固定层的磁定向反向平行。其中，MRAM能够读取在第二磁层和固定层之间的电阻状态。本发明还提供了一种磁阻随机存取存储器(MRAM)，包括:固定层；阻挡层，与固定层相邻；巨磁阻(GMR)结构，与阻挡层相邻，GMR结构包括第一磁层、第二磁层、和在第一磁层和第二磁层之间插入的导电层；第一写入电极，连接到第一磁层；以及第二写入电极，连接到第二磁层。其中，在俯视时，第一磁层的形状具有长度比宽度是大约I到大约3.5的纵横比。其中，在俯视时，第一磁层的长度大于第二磁层的长度。其中,在俯视时，第一磁层的长度大于固定层的长度。其中，固定层是多层结构。此外，还提供了一种磁阻随机存取存储器(MRAM)，包括:固定层；阻挡层，与固定层相邻；第一磁层，与阻挡层相邻；导电层，与第一磁层相邻；第二磁层，与导电层相邻；第一电极，直接连接到第一磁层·；以及第二电极，直接连接到第二磁层。其中，MRAM能够读取第二磁层和固定层之间的电阻状态。其中，固定层和阻挡层具有与第一磁层相同的长度和宽度。其中，第一磁层、导电层、以及第二磁层在俯视时具有大于固定层的宽度。该MRAM进一步包括,第三电极连接到固定层。


为了更好地理解实施例及其优点，现将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中:图1-6B是根据本发明的一个实施例示出的形成相变存储器的方法；以及图7A-7B是根据另一个实施例示出的MRAM器件；以及图8A-8D是根据一个实施例示出的设置/清除内存状态(写入)和读取内存状态；以及图9是根据一个实施例示出的MRAM阵列。
具体实施例方式下面，详细讨论本发明的实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例仅仅示出制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本公开的范围。图1-6B根据一个实施例示出了存储器件形成过程的各个中间阶段。首先参考图1，根据一个实施例，晶圆100的一部分具有介电层110，其包括第一电极124。应当指出的是，第一电极124可以电连接到在底层衬底(未显示)上形成的电子电路(未显示)，和/或电连接到外部连接件(未显示)。例如，在图1所示的实施例中，第一电极124可以电连接到晶体管的源区/漏区，通过接触(未显示)形成在底层衬底上。以这种方式，晶体管可以用于控制随后形成的存储器件的状态读取。
在一个实施例中，电路可以进一步包括形成在衬底上的电子器件，该电子器件上覆盖有一个或多个介电层。在介电层之间可以形成金属层，以路由电子器件之间的电信号。在一个或多个介电层中也可以形成电子器件。一般地，层间电介质(ILD)和金属间介电层(IMD)以及相关的金属化层被用于互连底层衬底上形成的电子电路，并且提供外部电连接。介电层110可以由，例如，低K介电材料(如，磷硅酸玻璃(PSG)，硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、氟硅酸盐玻璃(FSG)、SiOxCy、旋涂玻璃、旋涂聚合物、硅碳材料、及其化合物、复合材料和组合等)以任何合适的方法(如，旋涂、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD))形成。应当指出的是，介电层110可以包括多个介电层。第一电极124可以通过任何合适的工艺形成在介电层110中，包括波形花纹(damascene)工艺。波形花纹工艺一般涉及将层(例如，介电层110)沉积到衬底的上方，并且在该层上形成掩膜(未显示)。掩膜的图案化可以使用，例如，光刻和蚀刻技术，其包括沉积光刻胶材料、掩膜生成、暴光、和显影，以露出即将被移除的部分介电层110。剩余的光刻胶材料用以在后续处理步骤中(如，蚀刻)保护底层材料。在一个实施例中，使用光刻胶材料创建图案化的掩膜，从而界定第一电极124。可以使用蚀刻工艺，例如，各向异性或各向同性蚀刻工艺(如，各向异性的干蚀刻工艺)，形成开口。在蚀刻工艺之后，可以将任何剩余的光刻胶材料移除，然后，可以使用导电材料填充开口，并且，多余的导电材料可以使用平坦化工艺移除，例如，使用化学机械抛光(CMP)工艺。也可以使用其他工艺，例如，电镀、蚀刻，双波形花纹等。第一电极124可以由任何合适的导电材料形成，例如，高导低阻金属、兀素金属、过渡金属等，包括金属或具有一个或多个Al、AlCu, Cu、T1、TiN、W等的金属合金。进一步地，第一电极124可以包括阻挡层/粘附层，以防止在第一电极124和周围的介电层之间的扩散，以及提供更好的附着力。例如，第一电极124可以通过物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、旋涂沉积、或其他合适的方法形成。应当指出的是，第 一电极124的位置和形状仅供参考。另外，第一电极124可以包括导线和/或再分配线，以将第一电极124延长，横向经过覆盖的内存结构。图2根据一个实施例示出了固定层120、阻挡层130、第一铁磁层140的形成。固定层120可以是单层或多层结构。例如，在一个实施例中，固定层120包括一层磁性材料，例如，CoFe, CoFeB, NiFe, Co, Fe, Ni等，并且具有大约40A到大约200A的厚度。在另一个实施例中，固定层120可以包括多个层，例如，由合适的反铁磁材料(如，PtMn,NiMn, IrMn,FeMn等)形成的底层，或者由磁性材料(如，C0Fe、C0FeB、NiFe、C0、Fe、Ni等)形成的覆盖层。在本实施例中，反铁磁层底层可以具有大约40A到大约200人的厚度，覆盖磁层具有大约40A到大约200A厚度。在另一个实施例中，固定层120可以包括反铁磁层和覆盖巨磁阻结构。反铁磁层可以包括合适的反铁磁材料，例如，PtMn> NiMn> IrMn、FeMn等，并且具有大约40AJ1」大约200A厚度。覆盖巨磁阻结构可以包括两个具有干预导电层的磁层。例如，这两个磁层可以由任何磁性材料形成，例如，CoFe、CoFeB、NiFe、Co、Fe、N1、FeB、FePt等，并且可以具有大约IOA到大约 )θΑ的厚度。干预(intervening)导电层可以由任何合适的导电材料形成,如Cu、Ru、Ta等，并且可以具有大约5人到大约20人的厚度。然而，其他实施例可以采用不同的材料、层数、厚度等。
例如，阻挡层130可以是介电材料，例如，MgO, Al2O3等。在一个实施例中，阻挡层130可以具有大约5 A到大约30A的厚度。在一个实施例中，第一铁磁层140可以由任何合适的磁性材料形成，例如，CoFeB,NiFe、C0、Fe、N1、FeB、FePt等，并且可以具有大约15A到大约50A的厚度。第一铁磁层140可以通过任何合适的工艺形成，例如，CVD、PVD、或ALD。图3根据一个实施例不出了固定层120、阻挡层130、和第一铁磁层140的图案。一般地，可以采用光刻技术将这些层图案化，通过形成图案化的掩膜来保护固定层120、阻挡层130、和第一铁磁层140的所需部分。随后，可以使用一个或多个可接受的技术移除暴露部分，例如，使用各向异性刻蚀。然后，在晶圆100上可以形成第二介电层115。第二介电层115可以包括，例如，低-K介电材料(如，PSG、BPSG、FSG、SiOxCy、旋涂玻璃、旋涂聚合物、硅碳材料、二氧化硅、TE0S、及其化合物、复合物和组合物等)由任何合适的方法(如，旋涂、CVD、PECVD)形成。应当指出的是，第二介电层115可以包括多个介电层。可以实施平坦化工艺，例如，CMP工艺，以暴露第一铁磁层140的上表面，从而产生如图3所示的结构。图4根据一个实施例示出了间隔层220和第二铁磁层230的形成。间隔层220可以是导电层，并且可以由任何合适的导电材料形成，包括金属材料，例如，Cu、Ru、Ta、及其结合等。在一个实施例中，间隔层220可以具有大约5A到大约20A的厚度。在一个实施例中，间隔层220的厚度小于第一铁磁层140的厚度。第二铁磁层230可以由任何合适的铁磁材料(如，CoFeB、NiFe、Co、Fe、N1、FeB、FePt等)形成，并且可以形成大约IOA至大约50人的厚度。图5根据一个实施例示出了图案化的间隔层220和第二铁磁层230。间隔层220和第二铁磁层230可以使用与如图3所示的固定层120、阻挡层130、以及第一铁磁层140类似的方式进行图案化。例如，可以形成掩膜，并且可以使用光刻技术将该掩膜图案化，以露出不需要的部分间隔层220和第二铁磁层230。可以使用一个或多个蚀刻工艺将间隔层220和第二铁磁层230的露出部分移除，以形成如图5所示的结构。第三介电层135可以使用与以上所讨论的第二介电层115相类似的材料和工艺形成。在一个实施例中，第一铁磁层140、间隔层220、和第二铁磁层230形成GMR(巨磁阻，giant magnetoresistance)结构。可以看出，实施例使用GMR结构，以取代MRAM器件的自由层。应当指出的是，在图5所示的实施例中，将第二铁磁层230和间隔层220图案化，使其具有与底层的第一铁磁层140不同的宽度。如下图6A和6B所示，以这种方式，可以很容易电接触到第一铁磁层140。如上所述，固定层120还可以包括GMR结构。固定层120在本实施例中包括第一GMR结构，以及由第一铁磁层140、间隔层220、第二铁磁层230形成第二 GMR结构。图6A和6B根据一个实施例分别不出了在形成第四介电层145、第二电极324、和第三电极224之后的截面图和平面图，其中图6A是沿图6B的线A-A'形成的截面图。第四介电层145可以使用与上述第二介电层115类似的材料和工艺形成。然后，通过第四介电层145可以形成第二电极324，通过第三介电层135和第四介电层145可以形成第三电极224，从而，分别向第二铁磁层230和第一铁磁层140提供电接触。图6A和6B根据一个实施例进一步不出了各种电极和层的相对位置。例如，加入了距离D1、D2、D3以示出底 部图案化的层(如，固定层120、阻挡层130、第一铁磁层140)与顶部图案化的层(如，间隔层220、第二铁磁层230)，以及与第三电极224的相对位置。图6B示出了平面图，并且示出了底部图案化的层(如，固定层120、阻挡层130、以及第一铁磁层140)的椭圆形图案的尺寸，使其具有长度B和宽度A，以及顶部图案化的层(例如，间隔层220、第二铁磁层230)的椭圆形图案的尺寸，使其具有长度b和宽度a。在一个实施例中，距离Dl (从底部图案化的层的边缘到顶部图案化的层的侧部边缘的横向距离)可以具有从大约Onm到大约(B-b)/4nm的值。距离D2(顶部图案化的层和第三电极224之间的横向距离)可以具有从大约IOnm到大约(B_b)/4nm的范围。距离D3(从第三电极224到底部图案化的层的侧部边缘的横向距离)可以具有从大约Onm到大约(B_b)/4nm的值。在一个实施例中，第一电极124、第二电极324、以及第三电极224可以沿椭圆形的中心线设置，例如，沿中心线的A/2。在一个实施例中，纵横比b/a和B/A可以在大约I到大约3.5的范围。在一个实施例中，a可以是从大约IOnm到大约lOOnm。应当指出的是，上述形状、尺寸、距离、相对位置、比率仅供参考。在其他实施例中，可以采用不同的形状(如，圆形、方形、长方形等)、尺寸、相对位置、比率等。图7A和7B根据另一个实施例分别示出了截面图和平面图，其中图7A是沿图7B的线B-B'形成的截面图。在本实施例中，固定层120、阻挡层130、第一铁磁层140、间隔层220、以及第二铁磁层230的方向在分层的工艺中已经发生了逆转。本实施例可以使用与以上所讨论的相类似的工艺和材料。图7A和图7B根据一个实施例还示出了相对距离Dl、D2、D3、以及相对尺寸A、B、a、和b。在一个实施例中，这些距离和尺寸可以具有与以上讨论的图6A和6B相似的值，其中，在本实施例 中，底部图案化的层包括第一铁磁层140、间隔层220和第二铁磁层230，顶端图案化层包括固定层120和阻挡层130。图8A-8D根据一个实施例示出了存储单元的一个操作。应当指出的是，该操作参考图6A和6B所示的实施例进行描述。在本实施例中，第一电极124用作读取位线(BL)、第二电极324用作写入源线(SL)、以及第三电极224用作写入BL。图8A示出了一个“写入O”的过程，其中，电流的流动方向是从第三电极224(电连接到第一铁磁层140)到第二电极324(电连接到第二铁磁层230)，将GMR结构的磁定向从反向平行排列改变为关于固定层120的磁定向的平行排列，从而创建了低电阻器件状态。由于GMR结构的低电阻，这有效地降低了转换自由层(GMR结构)的磁化所需的电流。另夕卜，穿过阻挡层130的较小的电压，降低了超过击穿电压的机会，从而降低了损坏阻挡层的机会。图SB示出了“写入I”的过程，其电流的流动方向与“写入O”的过程的电流流动方向相反。在“写入I”的过程中，电流从第二电极324(电连接到第二铁磁层230)到第三电极224(电连接到第一铁磁层140),将GMR结构的磁定向从平行排列改变为关于固定层120的磁定向上的反向平行排列，从而创建了高电阻器件状态。电流通过GMR结构的过程绕过了电流需要通过阻挡层130和固定层120的过程。由于GMR结构具有较低的电阻，有效地降低了转换自由层(GMR结构)的磁化所需的电流。另外，穿过阻挡层130的较小的电压，减少了超过击穿电压的机会，从而减少了损坏阻挡层130的机会。图8C和8D示出了器件读取过程的各种实施例。在一个实施例中，如图8C所示，读取过程通过在第一电极124(电连接到固定层120)和第二电极324(电连接到第二铁磁层230)之间施加一个小的电压并且采样电流，检测MRAM器件的电阻状态(高或低)。在另一各实施例中，如图8D所示，读取过程通过在第一电极124(电连接到固定层120)和第二电极224(电连接到第一磁层140)之间施加一个小的电压并且采样电流，检测MRAM器件的电阻状态(高或低)。由于小的电压需要执行读取，读取的过程对阻挡击穿电压的影响不大。另外，从存储器件中读取，或写入到存储器件中均具有单独的电极，从而可以实现更高速的读取/写入访问，以在器件中存储数据。可以将上述图6A和6B所示的类似的读取/写入过程用于图7A和7B所示的实施例中。例如，如图7A所示，可以利用器件的第一电极124(电连接到第二铁磁层230)和第二电极324(电连接到固定层120)将写入过程引入。在一个实施例中，可以利用第一电极124(电连接到第二铁磁层230)和第二电极324(电连接到固定层120)执行读取。在另一个实施例中，可利用第一电极124(电连接到第二铁磁层230)和第三电极224(电连接到第一磁层140)读取器件。图9根据一个实施例示出了 MRAM器件阵列，例如，上述MRAM器件。写入BL线连接到图6A所示的器件的 第二电极324，写入SL线连接到第三电极224，以及读取BL线连接到第一电极124。在一个实施例中，提供了 MRAM。该MRAM包括固定磁层、与固定磁层相邻的阻挡层、与阻挡层相邻的GMR结构。该GMR结构包括第一磁层、第二磁层、第一磁层和第二磁层之间的导电层。在俯视时，第一磁层具有与第二磁层不同的尺寸。在另一个实施中，提供了 MRAM。该MRAM包括固定层、与固定层相邻的阻挡层、与阻挡层相邻的GMR结构。该GMR结构包括第一磁层、第二磁层、第一磁层和第二磁层之间的导电层。该MRAM还包括连接到第一磁层的第一写入电极，以及连接到第二磁层的第二写入电极。在另一个实施例中，提供了 MRAM。该MRAM包括固定层、与固定层相邻的阻挡层、与阻挡层相邻的第一磁层、与第一磁层相邻的导电层、与导电层相邻的第二磁层、直接连接到第一磁层的第一电极、直接连接到第二磁层的第二电极。尽管已经详细地描述了本发明及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。例如，在本发明的范围内可以变化不同类型的材料和工艺。而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。
权利要求
1.一种磁阻随机存取存储器(MRAM)，包括: 固定磁层； 阻挡层，与所述固定磁层相邻；以及 巨磁阻(GMR)结构，与所述阻挡层相邻，所述GMR结构包括第一磁层、第二磁层、和在所述第一磁层和所述第二磁层之间插入的导电层，所述第一磁层俯视时具有与所述第二磁层不同的尺寸。
2.根据权利要求1所述的MRAM，进一步包括: 第一电极，电连接到所述固定磁层； 第二电极，电连接到所述GMR结构的所述第一磁层；以及 第三电极，电连接到所述GMR结构的所述第二磁层。
3.根据权利要求2所述的MRAM，其中，所述第一电极和所述第二电极在俯视时沿所述第一磁层的纵轴设置。
4.根据权利要求1所述的MRAM，其中，所述第一磁层比所述第二磁层更靠近所述阻挡层，所述第二磁层比所述第一磁层更厚。
5.根据权利要求1所述的MRAM，其中，所述第二磁层的形状具有长度比宽度是大约I到大约3.5的纵横比。
6.根据权利要求1所述的MRAM，其中，所述固定磁层、所述阻挡层、以及所述第一磁层在俯视时具有相同的长度和宽度，所述导电层和所述第二磁层在俯视时具有相同的长度和览度。
7.根据权利要求1所述的MRAM，其中，所述固定磁层和所述阻挡层在俯视时具有相同的长度和宽度，所述第一磁层、所述导电层和所述第二磁层在俯视时具有相同的长度和宽度。
8.根据权利要求1所述的MRAM，其中，所述MRAM处于低电阻状态，以及所述GMR结构的磁定向与所述固定层的磁定向平行。
9.一种磁阻随机存取存储器(MRAM)，包括: 固定层； 阻挡层，与所述固定层相邻； 巨磁阻(GMR)结构，与所述阻挡层相邻，所述GMR结构包括第一磁层、第二磁层、和在所述第一磁层和所述第二磁层之间插入的导电层； 第一写入电极，连接到所述第一磁层；以及 第二写入电极，连接到所述第二磁层。
10.一种磁阻随机存取存储器(MRAM)，包括: 固定层； 阻挡层，与所述固定层相邻； 第一磁层，与所述阻挡层相邻； 导电层，与所述第一磁层相邻； 第二磁层，与所述导电层相邻； 第一电极，直接连接到所述第一磁层；以及 第二电极，直接连接到所述第二磁层。
全文摘要
本发明涉及一种磁阻随机存取存储器(MRAM)器件及其制造方法。该MRAM器件包括磁固定层、用作自由层的复合GMR结构、将固定和GMR层分离的非磁阻挡层。该阻挡层用以减少自由层和GMR结构的磁连接，以及提供用于保持器件中的二进制数据(0或1)的电阻状态(高或低)。GMR结构提供物理电极连接，以实现设置/清除内存的功能，其与物理电极连接实现存储器件的读取功能分开。
文档编号H01L43/08GK103247753SQ20121024492
公开日2013年8月14日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年2月2日
发明者江典蔚, 于淳, 高雅真 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司