专利名称：磁随机存取存储器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种存储器及其制造方法，特别是涉及包含磁隧道结(MTJ)单元的磁随机存取存储器(MRAM)及其制造方法。
背景技术：
MRAM是一种存储器件，其利用MTJ单元的电阻根据上和下磁膜的磁化方向而变化的现象读写数据，上和下磁膜在MTJ单元中由绝缘膜隔开。
图1是传统MRAM中MTJ单元的横截面图。
如图1所示，传统的MRAM M1包括下电极10上顺序形成的非晶缓冲膜12和钉扎膜14，该钉扎膜是半铁磁膜。在钉扎膜14上形成被钉扎膜16。被钉扎膜16包括第一铁磁膜16a、金属膜16b、第二铁磁膜16c，它们顺序形成在钉扎膜14的整个表面上。图1中，第一和第二铁磁膜16a和16c中的箭头表示磁场的方向。可以看出，第一铁磁膜16a中的磁场方向与第二铁磁膜16c中的磁场方向相反。
通常，包括在其上和其下分别设置磁性膜的金属膜的膜，例如前述被钉扎膜16，被称为合成反铁磁(SAF)膜。在SAF膜中，因金属膜的厚度，上和下磁性膜的自旋方向被固定成反平行态。在SAF膜中，上和下磁性膜间的交换偏磁(exchange bias)超过了1000Oe。因此，SAF膜的热稳定性优于单层磁性膜的热稳定性。因此，SAF膜被广泛用作MTJ单元的被钉扎膜。
图1中，在被钉扎膜16的第二铁磁膜16c上形成隧道膜22，然后在隧道膜22上顺序形成自由磁性膜24和覆盖膜26。自由磁性膜24的磁场方向由外部磁场决定，覆盖膜26保护自由磁性膜24。
MTJ单元产生杂散磁场，其由第一铁磁膜16a和/或第二铁磁膜16c引起并影响自由铁磁膜24。当自由磁性膜24转变时杂散磁场引起扭折(kink)。
特别地，当自由磁性膜24转变时，杂散磁场影响自由磁性膜24的一部分(特别是外部)。结果，自由磁性膜24的被杂散磁场影响到的部分异常操作，从而其比其它部分延后转变或者变成极为不同的磁化状态。
杂散磁场的影响依赖于构成MTJ单元M1的元件的厚度。例如，图2到图5示出了根据MTJ单元M1的元件的厚度的杂散磁场对自由磁性膜24的转变特性的影响。
图2示出当作为被钉扎膜16的下磁性膜的第一铁磁膜16a比作为上磁性膜的第二铁磁膜16c厚时(在下文，在第一情形中)，自由磁性膜24的转变特性。
图2中，附图标记C1和C2表示第一磁化状态指示单元和第二磁化状态指示单元(在下文，第一和第二指示单元)，其指示第一情形中自由磁性膜24与第一和第二铁磁膜16a和16c的磁化状态。在第一和第二指示单元C1和C2中，最底下的两个箭头指出第一铁磁膜16a的磁化状态，中间的箭头指出第二铁磁膜16b的磁化状态，最上面的箭头指出自由磁性膜24的磁化状态。
参照图2，在第一情形中，在自由磁性膜24的转变特性曲线中存在自由磁性膜24异常转变的区域P1，并且转变磁场移位。
相反地，图3示出了当第二铁磁膜16c比第一铁磁膜16a厚时(在下文，在第二情形中)自由磁性膜24的转变特性。
图3中，附图标记C3和C4表示第三磁化状态指示单元和第四磁化状态指示单元(在下文，第三和第四指示单元)，其指示第二情形中自由磁性膜24与第一和第二铁磁膜16a和16c的磁化状态。在第三和第四指示单元C3和C4中，最底下的箭头指出第一铁磁膜16a的磁化状态，中间的两个箭头指出第二铁磁膜16c的磁化状态，最上面的箭头指出自由磁性膜24的磁化状态。
参见图3，在第二情形中，在自由磁性膜24的转变特性曲线的右下部分中存在自由磁性膜24异常转变的区域P4，并且转变磁场移位。
图4示出当第一铁磁膜16a与第二铁磁膜16c同样厚且二者都较厚时(在下文，在第三情形中)自由磁性膜24的转变特性。
图4中，附图标记C5和C6表示第五磁化状态指示单元和第六磁化状态指示单元(在下文，第五和第六指示单元)，其指示第三情形中自由磁性膜24与第一和第二铁磁膜16a和16c的磁化状态。在第五和第六指示单元C5和C6中，最底下的两个箭头指出第一铁磁膜16a的磁化状态，中间的两个箭头指出第二铁磁膜16c的磁化状态，最上面的箭头指出自由磁性膜24的磁化状态。
参见图4，在第三情形中，在自由磁性膜24的转变特性曲线的左和右部分中存在自由磁性膜24异常转变的区域P2和P3，并且转变磁场移位。
图5示出当第一铁磁膜16a与第二铁磁膜16c同样厚且二者都较薄时(在下文，在第四情形中)自由磁性膜24的转变特性。
图5中，附图标记C7和C8表示第七磁化状态指示单元和第八磁化状态指示单元(在下文，第七和第八指示单元)，其指示自由磁化膜24与第一和第二铁磁膜16a和16c的磁化状态。在第七和第八指示单元C7和C8中，最底下的箭头指出第一铁磁膜16a的磁化状态，中间的箭头指出第二铁磁膜16c的磁化状态，最上面的箭头指出自由磁性膜24的磁化状态。
参见图5，在第四情形中，尽管与第一至第三情形不同，在自由磁性膜24的转变特性曲线中没有自由磁性膜24异常转变的区域，但转变磁场依然移位。
发明内容
本发明提供一种MRAM，其在自由磁性膜的转变特性曲线中不包括扭折，即不包括自由磁性膜异常转变的区域，并防止了转变磁场的移位。
本发明还提供一种制造前述MRAM的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种MRAM，它包括开关器件和与开关器件连接的MTJ单元，MTJ单元包括被钉扎膜，其包括金属膜及围绕金属膜的磁性膜。
磁性膜可包含第一磁性膜和第二磁性膜，其中第一磁性膜的外部与第二磁性膜的外部接触。这里，第一磁性膜和第二磁性膜可以由相同的磁性材料形成。
同样，磁性膜的布置在金属膜上的部分的厚度与磁性膜的布置在金属膜下的部分的厚度不同。
根据本发明的另一方面，提供一种制造MRAM的方法，此方法包括在衬底上形成开关器件；在衬底上形成层间电介质来覆盖开关器件；通过顺序叠置下电极、缓冲膜、钉扎膜、第一磁性膜、金属膜、第二磁性膜、隧道膜、自由磁性膜和覆盖膜在层间电介质的预定区域上形成层叠结构(stackstructure)，以致层叠结构连接开关器件；以及使层叠结构中第一磁性膜与第二磁性膜接触。
层叠结构的形成包含在层间电介质中形成接触孔以露出开关器件；以导电插塞填充接触孔；在层间电介质上顺序形成覆盖导电插塞的下电极、缓冲膜、钉扎膜、第一磁性膜、金属膜、第二磁性膜、隧道膜、自由磁性膜、以及覆盖膜；在覆盖膜上形成光致抗蚀剂图案，从而定义层间电介质的预定区域；利用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模蚀刻层叠在层间电介质上的膜；以及除去光致抗蚀剂图案。
将第一磁性膜设置成接触第二磁性膜包含除去金属膜的外部。利用对金属膜有高蚀刻选择性的蚀刻剂除去金属膜的外部。
在层叠结构的形成中，第一磁性膜与第二磁性膜形成至不同厚度。
根据本发明的另一方面，提供一种制造MRAM的方法，该方法包含在衬底中形成开关器件；在衬底上形成层间电介质来覆盖层间电介质；通过顺序叠置下电极、缓冲膜、自由磁性膜、隧道膜、第一磁性膜、金属膜、第二磁性膜、钉扎膜和覆盖膜在层间电介质的预定区域上形成层叠结构，以致层叠结构连接开关器件；以及使层叠结构中第一磁性膜与第二磁性膜接触。其中，层叠结构的形成包含在层间电介质中形成接触孔以露出开关器件；以导电插塞填充接触孔；在层间电介质上顺序形成覆盖导电插塞的下电极、缓冲膜、自由磁性膜、隧道膜、第一磁性膜、金属膜、第二磁性膜、钉扎膜、以及覆盖膜；在覆盖膜上形成光致抗蚀剂图案，从而定义层间电介质的预定区域；利用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模蚀刻在层间电介质上叠置的膜；以及除去光致抗蚀剂图案。
根据本发明的MARM能够阻止转变场的移位或者杂散磁场所引起的扭折，从而提高了MRAM的可靠性。
本发明的上述及其它特征和优点通过参照附图详细描述其示例性实施例将变得更加清楚，其中图1是传统MRAM中包括的MTJ单元的横截面图；图2至5是曲线图，示出根据图1中所示的MTJ单元的SAF膜的厚度的自由磁性膜的转变特性；图6是依照本发明一实施例的MRAM中包括的MTJ单元的横截面图；
图7是曲线图，示出图6所示的MTJ单元的自由磁性膜的转变特性；图8是依照本发明另一实施例的MRAM中包括的MTJ单元的横截面图；以及图9至11是示出制造图6所示的MTJ单元的方法的横截面图。
具体实施例方式
现在将参照附图更充分地说明本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。附图中，为了清楚起见夸大了膜的厚度和区域。
依照本发明实施例的MRAM的MTJ单元的结构将得以说明。
实施例1参照图6，它示出了依照本发明一实施例的MRAM中包含的MTJ单元(cell)，MTJ单元M2包含缓冲膜42和钉扎膜44，它们在下电极40上顺序形成。缓冲膜42可为非晶膜，钉扎膜44可以是半铁磁膜(semi-ferromagneticfilm)。被钉扎膜46设置在钉扎膜44上。被钉扎膜46包含第一和第二材料膜46a和46b。第一材料膜46a是预定厚度的半铁磁膜，例如CoFe膜。被钉扎膜46的第二材料膜46b布置在第一材料膜46a中。第二材料膜46b延伸至第一材料膜46a的外部附近。第二材料膜46b被第一材料膜46a围绕。第一材料膜46a的位于第二材料膜46b上的部分(在下文，第一材料膜46a的上部)优选地与第一材料膜46a的布置在其下的部分(在下文，第一材料膜46a的下部)厚度相同，但是也可以不同。第二材料膜46b可以由钌或其它金属形成。
因为在被钉扎膜46中第一材料膜46a包围第二材料膜46b，所以第一材料膜46a中产生的磁场形成围绕第二材料膜46b的闭合回路，如箭头A所示。这样，因被钉扎膜46中产生的杂散磁场被减至最小，所以杂散磁场对外部的影响可以忽略。薄隧道膜48形成在被钉扎膜46上，自由磁性膜50和覆盖膜52顺序叠置在隧道膜48上。自由磁性膜50的磁化方向根据外部磁场的方向而改变，覆盖膜52保护自由磁性膜50。
如上所述，被钉扎膜46具有一结构以致于将杂散磁场的强度除去或减到最小。从而，当自由磁性膜50转变时，杂散磁场在自由磁性膜50上的影响可以忽略。
在依照本实施例的MTJ单元M2中，外部磁场(特别是被钉扎膜46中产生的磁场)对自由磁性膜50的影响能够被切断，因此当自由磁性膜50转变时转变场的移位或者扭折能够被防止。
图7是曲线图，示出图6所示的MTJ单元的自由磁性膜的转变特性。
在图7中，附图标记C9和C10表示第九磁化状态指示单元和第十磁化状态指示单元(在下文，第九和第十指示单元)，它们示出图6所示的MTJ单元M2的自由磁化膜50和被钉扎膜46的磁场。
在第九和第十指示单元C9和C10中，尽管图6中第一材料膜46a的上部被示作与其下部同样厚，但是也可以将第一材料膜46a的上部和下部形成为不同厚度。换句话说，图7的结果可得以应用，而与第一材料膜46a的上部和下部的厚度无关。
在图7中，附图标记G1表示自由磁性膜50的转变特性曲线。如图7所示，除了在磁极化的饱和区域内之外，转变特性曲线G1是对称的。图7的结果表明，在自由磁性膜50的转变过程中转变磁场(switching field)不移位。
与图2至5所示的传统转变特性曲线相比，转变特性曲线G1更接近理想形式。也就是说，除转变磁场外，没有其它磁场(例如杂散磁场)影响自由磁场50的转变。
实施例2图8是按照本发明另一实施例的MRAM中包括的MTJ单元的横截面图。
在这个实施例中，包含钉扎膜和被钉扎膜的磁性膜布置在隧道膜上，而自由磁性膜布置在其下。
特别是，如图8所示，缓冲膜42布置在下电极40上，自由磁性膜50和隧道膜48顺序叠置在缓冲膜42上。被钉扎膜46、钉扎膜44和覆盖膜52顺序叠置在隧道膜48上。被钉扎膜46包含第一材料膜46a和包含在第一材料膜46a之中的第二材料膜46b。于是，上电极(未示出)被布置在覆盖膜52上。
下面，将描述包含图6所示的MTJ单元M2的MRAM的制造方法。因为除了形成MTJ单元M2的过程外的所有其它过程可按照常规方法执行，所以关于它们的描述将被省略掉。
如图9所示，在衬底(未示出)上形成层间电介质(ILD)以覆盖晶体管，在ILD 100中形成接触孔102以露出晶体管的一部分。接着，接触孔102以导电插塞104填充，在ILD上形成下电极40以覆盖导电插塞104的整个表面。尽管图中没有示出，但是还可在导电插塞104和下电极40间形成垫导电膜(pad conductive film)以连接它们。在下电极40上顺序形成缓冲膜42和钉扎膜44。缓冲膜42由非晶材料形成，而钉扎膜44由半铁磁材料形成。第一磁性膜106、金属膜108、第二磁性膜110顺序叠置在钉扎膜44上。第一、二磁性膜106和110可由相同的铁磁膜形成。例如，第一、二磁性膜106和110可由CoFe形成。金属膜108可由钌形成。第一、二磁性膜106和110以及金属膜108构成如图6所示的被钉扎膜46。第二磁性膜110形成之后，隧道膜48、自由磁性膜50、以及覆盖膜52顺序形成在第二磁性膜110上。在覆盖膜52上形成光致抗蚀剂图案P，从而定义MTJ单元。利用光致抗蚀剂图案P作为蚀刻掩模蚀刻叠置在ILD 100上的材料膜40、42、44、106、108、110、48、50、以及52，直到露出ILD 100。此后，除去光致抗蚀剂图案P，执行适当的清洗和干燥过程。
这样，如图10所示，在ILD 100上形成了层叠结构S，其通过导电插塞104与晶体管连接，并包含前述的膜40、42、44、106、108、110、48、50、以及52。
形成层叠结构S后，利用对金属膜108有高蚀刻选择性的蚀刻剂湿蚀刻层叠结构S一预定时间。湿蚀刻被执行从而除去金属膜108的外部，并持续直到金属膜108的外部被除去且第一磁性膜106的外部接触第二磁性膜110的外部。
结果，如图11所示，第一、二磁性膜106和110变成围绕金属膜108的单一磁性膜120，并且包括包含磁性膜120和金属膜108的被钉扎膜130的MTJ单元在ILD 100上完成了。
此时，在参考图11所述的前述的MRAM的制造方法中，自由磁性膜50可以在包含钉扎膜44和被钉扎膜130的磁性膜之前叠置。
例如，缓冲膜42、自由磁性膜50、以及隧道膜48可以顺序叠置在下电极40上，然后被钉扎膜130、钉扎膜44、以及覆盖膜52可以顺序叠置在隧道膜48上。每一材料膜的叠置过程的详细描述与上面的描述相同。
如前所述，在依照本发明的MRAM中，被用作MTJ单元的被钉扎膜的SAF膜包含金属膜和包围金属膜的磁性膜，从而磁性膜在金属膜周围形成闭合回路(closed loop)。于是，由于磁性膜中形成的磁场也形成闭合回路，所以被钉扎膜引起的杂散磁场被最小化以不影响自由磁性膜的功能。因此，依照本发明的MRAM能够阻止转变磁场的移位或杂散场引起的扭折，从而提高了MRAM的可靠性。
虽然本发明已参照其优选实施例得以具体显示和说明，但是应理解，本发明的范围不限于上文对本发明的详细描述，其仅仅是说明性的，而该范围由所附权利要求公开的主题限定。例如，本领域技术人员可利用除湿蚀刻外的蚀刻工艺来形成前述MTJ单元，并在叠置第一磁性膜106、金属膜108、以及第二磁性膜110时，构图金属膜108，使得金属膜108被第一和第二磁性膜106和110围绕。
权利要求
1.一种MRAM，其包括开关器件和与该开关器件连接的MTJ单元，该MTJ单元包含一被钉扎膜，该被钉扎膜包括金属膜和围绕该金属膜的磁性膜。
2.如权利要求1所述的MRAM，其中该磁性膜包含第一磁性膜和第二磁性膜，其中该第一磁性膜的外部与该第二磁性膜的外部接触。
3.如权利要求2所述的MRAM，其中该第一磁性膜和该第二磁性膜由相同的磁性材料形成。
4.如权利要求1所述的MRAM，其中该磁性膜的设置在该金属膜上的部分的厚度与该磁性膜的设置在该金属膜下的部分的厚度不同。
5.一种制造MRAM的方法，该方法包括在衬底中形成开关器件；在该衬底上形成层间电介质从而覆盖该开关器件；通过顺序叠置下电极、缓冲膜、钉扎膜、第一磁性膜、金属膜、第二磁性膜、隧道膜、自由磁性膜和覆盖膜在该层间电介质的预定区域上形成层叠结构，从而该层叠结构连接所述开关器件；以及使该层叠结构中该第一磁性膜与该第二磁性膜接触。
6.如权利要求5所述的方法，其中该层叠结构的形成包括在该层间电介质中形成接触孔，从而露出该开关器件；以导电插塞填充该接触孔；在该层间电介质上顺序形成覆盖该导电插塞的下电极、缓冲膜、钉扎膜、第一磁性膜、金属膜、第二磁性膜、隧道膜、自由磁性膜、以及覆盖膜；在该覆盖膜上形成光致抗蚀剂图案，从而定义该层间电介质的该预定区域；利用该光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模蚀刻叠置在该层间电介质上的所述膜；以及除去该光致抗蚀剂图案。
7.如权利要求5所述的方法，其中使该第一磁性膜与该第二磁性膜接触包括除去该金属膜的外部。
8.如权利要求5所述的方法，其中在该层叠结构的形成过程中，该第一磁性膜和该第二磁性膜被形成至不同厚度。
9.如权利要求7所述的方法，其中利用对该金属膜有高蚀刻选择性的蚀刻剂除去该金属膜的该外部。
10.一种制造MRAM的方法，该方法包括在衬底中形成开关器件；在该衬底上形成层间电介质，从而覆盖该层间电介质；通过顺序叠置下电极、缓冲膜、自由磁性膜、隧道膜、第一磁性膜、金属膜、第二磁性膜、钉扎膜和覆盖膜在该层间电介质的预定区域上形成层叠结构，从而该层叠结构连接所述开关器件；以及使该层叠结构中该第一磁性膜与该第二磁性膜接触。
11.如权利要求10所述的方法，其中该层叠结构的形成包括在该层间电介质中形成接触孔，从而露出该开关器件；以导电插塞填充该接触孔；在该层间电介质上顺序形成覆盖该导电插塞的下电极、缓冲膜、自由磁性膜、隧道膜、第一磁性膜、金属膜、第二磁性膜、钉扎膜以及覆盖膜；在该覆盖膜上形成光致抗蚀剂图案，从而定义该层间电介质的该预定区域；利用该光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模蚀刻在该层间电介质上叠置的所述膜；以及除去所述光致抗蚀剂图案。
12.如权利要求10所述的方法，其中使该第一磁性膜与该第二磁性膜接触包括除去该金属膜的外部。
13.如权利要求10所述的方法，其中在该层叠结构的形成过程中，该第一磁性膜和该第二磁性膜被形成至不同厚度。
14.如权利要求12所述的方法，其中该金属膜的该外部利用对于该金属膜具有高蚀刻选择性的蚀刻剂来去除。
全文摘要
本发明涉及一种磁随机存取存储器(MRAM)及其制造方法。该MRAM包括开关器件和与该开关器件相连的MTJ单元，其特点是包括一被钉扎膜，该被钉扎膜包括一金属膜及围绕该金属膜的一磁性膜。
文档编号H01L21/8246GK1637927SQ20041001048
公开日2005年7月13日 申请日期2004年10月25日 优先权日2003年10月24日
发明者朴祥珍, 金泰完, 朴玩濬, 李将银 申请人:三星电子株式会社