专利名称：使用两个掩模的磁性隧道结元件的制造方法
技术领域：
本发明涉及磁性随机存取存储器，且明确地说，涉及自旋力矩转移磁性随机存取 存储器及与标准集成电路制造过程集成的方法。
背景技术：
与常规随机存取存储器(RAM)芯片技术不同，在磁性RAM(MRAM)中，数据并非存储 为电荷，而是替代地通过存储元件(磁性隧道结(即，MTJ))的磁性极化来存储。所述元件 由两个铁磁板形成，每一铁磁板可保持一个磁场，所述两个铁磁板由薄绝缘层分离。所述两 个板中的一者为被设定为特定极性的永久磁体；另一“可写”板的磁化极性将改变以匹配足 够强的外场的磁化极性。存储器装置由此类“单元”的栅格构建。通过测量单元的电阻来完成读取。常规上通过向相关联的晶体管供电来选择特定 单元，所述相关联的晶体管将来自电源线的电流通过所述单元切换到接地。归因于隧穿磁 阻效应，单元的电阻归因于两个板中的场的定向而改变。通过测量所得电流，可确定任一特 定单元内部的电阻，且自此可确定可写板的极性。常规上，如果两个板具有相同极性，则这 被视为状态“0 ”，而如果所述两个板具有相反极性，则电阻将较高且被视为状态“ 1 ”。存储器系统的成本的一个重要决定因素为组件的密度。较小组件及每个“单元”具 有较少组件意味着较多“单元”可封装到单一芯片上，这又意味着较多芯片可同时从单一硅 晶片产生且以较低成本及改进的良率来制造。另外，制造过程流程影响成本，其中较多掩模处理导致增加的总制造成本。当常规 MRAM的制造需要仅专用于磁性隧道结(MTJ)结构的制造的许多掩模处理时，成本进一步增 加。因为处理成本是实施集成电路装置中的特征集成的重要考虑因素，所以设计及过程流 程中的任何消除掩模及相关联处理的改进均是有利的。一个掩模处理中的差异可节约大量 成本。因此，需要用于在半导体制造过程流程中集成MRAM制造的经改进的方法。此外，放 松临界尺寸特征的对准的任何设计将为合乎需要的。
发明内容
一种使用两个光掩模处理将磁性随机存取存储器(MRAM)制造过程集成到标准后 段工艺(BEOL)集成电路制造中的方法。在一个方面中，一种用于使用两个掩模形成用于磁性随机存取存储器(MRAM)的 磁性隧道结(MTJ)装置的方法包括在具有第一互连金属化物的衬底上沉积与所述第一互 连金属化物连通的第一电极、MTJ层及第二电极。所述方法还包括用第一掩模界定所述MTJ层中的至少一些及所述第二电极；及在第二电极上沉积第三电极。所述方法进一步包 括用比第一掩模大的第二掩模界定所述第一电极及所述第三电极。在另一方面中，一种用于磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性隧道结(MTJ)结构具 有带有第一互连金属化物的衬底。所述结构还包括耦合到所述第一互连金属化物的第一电 极及MTJ层。所述MTJ层中的至少一者耦合到所述第一电极。所述结构进一步包括耦合到 所述MTJ层中的至少另外一者的第二电极，所述第二电极基于第一掩模而具有与MTJ层中 的至少一些相同的横向尺寸。所述结构另外包括耦合到所述第二电极的第三电极，所述第 三电极基于第二掩模而具有与所述第一电极相同的横向尺寸。所述结构还具有耦合到所述 第三电极的第二互连金属化物。在又一方面中，一种用于磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性隧道结(MTJ)结构包 括第一互连装置，其用于与至少一个控制装置连通；第一电极装置，其用于耦合到所述第 一互连装置；及MTJ装置，其用于存储数据。所述MTJ装置耦合到所述第一电极装置。所述 结构进一步包括第二电极装置，其用于耦合到所述MTJ装置；及第三电极装置，其用于耦 合到所述第二电极装置。所述第二电极装置基于第一掩模而具有与MTJ装置相同的横向尺 寸。所述第三电极装置基于第二掩模而具有与第一电极装置相同的横向尺寸。所述结构还 具有用于耦合到第三电极装置及至少一个其它控制装置的第二互连装置。
前文已相当广泛地概述了本发明的实施例的特征及技术优点以使得可较好地理 解随后对本发明的详细描述。下文将描述形成本发明的权利要求书的标的物的额外特征及 优点。所属领域的技术人员应了解，所揭示的概念及特定实施例可易于用作用于修 改或设 计其它结构来实行本发明的相同目的的基础。所属领域的技术人员还应认识到，所述等效 构造并不脱离如在所附权利要求书中陈述的本发明的精神及范围。当结合附图考虑时，从 以下描述将更好地理解被认为是本发明所特有的新颖特征(关于其组织及操作方法)以及 其它目的及优点。然而，应明确理解，仅出于说明及描述的目的而提供各图中的每一者，且 其并不打算作为对本发明的限制的界定。
为了较全面地理解本发明，现参考结合附图所作的以下描述。图1为展示可有利地使用本发明的实施例的示范性无线通信系统的框图。图2为说明根据本发明的实施例的用于半导体后段工艺(BEOL)过程流程中的 MRAM的电路、布局、逻辑设计及集成的设计工作站的框图。图3为根据本发明的实施例的可嵌入在半导体后段工艺(BEOL)过程流程中的用 于形成MTJ结构的示范性示意过程流程。图4为根据图3的实施例而制造的示范性不对称MTJ结构的横截面图。图5为根据图3的实施例而制造的示范性对称MTJ结构的横截面图。
具体实施例方式本发明揭示一种磁性隧道结(MTJ)装置及其形成方法。在一个实施例中，揭示一 种自旋力矩转移(STT) MTJ。图1展示可有利地使用本发明的实施例的示范性无线通信系统100。出于说明的目的，图1展示三个远程单元120、130及150以及两个基站140。将认识到常规无线通信系 统可具有更多远程单元及基站。远程单元120、130及150包括STT MRAM装置125A、125B及 125C，其为如以下进一步所论述的本发明的实施例。图1展示从基站140到远程单元120、 130及150的前向链路信号180及从远程单元120、130及150到基站140的反向链路信号 190。 在图1中，远程单元120经展示为移动电话，远程单元130经展示为便携式计算 机，且远程单元150经展示为无线本地环路系统中的固定位置远程单元。举例来说，所述 远程单元可为移动电话、手持式个人通信系统(PCS)单元、例如个人数据助理等便携式数 据单元、导航装置(例如具备GPS功能的装置)、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单 元、例如仪表读取设备等固定位置数据单元，或存储或检索数据或计算机指令的任何其它 装置，或其任何组合。虽然图1说明根据本发明的教示的远程单元，但本发明不限于这些示 范性所说明单元。所揭示的装置可适当地用于包括MRAM装置的任何装置中。图2为说明用于所揭示的半导体集成电路的电路、布局及逻辑设计的设计工作站 的框图。设计工作站200包括硬盘201，所述硬盘201含有操作系统软件、支持文件及例如 CADENCE或ORCAD等设计软件。设计工作站200还包括显示器202以促进电路设计210的设 计。电路设计210可为如以上所揭示的存储器电路。提供存储媒体204用于以有形方式存 储电路设计210。电路设计210可以例如GDSII或GERBER等文件格式存储于存储媒体204 上。存储媒体204可为CD-R0M、DVD、硬盘、快闪存储器或其它适当装置。此外，设计工作站 200包括驱动设备203用于接受来自存储媒体204的输入或将输出写入到存储媒体204。记录于存储媒体204上的数据可指定逻辑电路配置、光刻掩模的图案数据或例如 电子束平版印刷等串行写入工具的掩模图案数据。所述数据可进一步包括例如与逻辑仿真 相关联的时序图或网状电路等逻辑验证数据。提供存储媒体204上的数据通过减少用于设 计半导体IC的过程的数目而促进电路设计210的设计。在本发明中，MRAM装置及制造所述MRAM装置的方法利用仅仅两个掩模以形成 MTJ0大体上应用所述方法以制造STT MRAM。这潜在地致使能够大幅降低将存储器嵌入集 成电路产品中的成本。图3为可嵌入在半导体BEOL过程中的用以形成MTJ MRAM结构的处理的一个实施 例的示意性过程流程。层间电介质ILD 36将MTJ层与先前已在后段工艺(BEOL)过程流程中所制造的外 围装置(未图示)分离。形成于ILD 36中的互连金属化物37提供到控制装置(例如，与 MTJ相关联的存取晶体管)的连接。1 以包括互连金属化物37及第一 ILD 36的表面开始，将一连串层安置于所述表 面上，所述层包括导电第一电极30、参考固定磁性层堆叠32 (包括固定反铁磁层及合成反 铁磁层，其均未展示于图3中)、隧道阻挡层12、自由层11及第二电极6。在一个实施例中， 互连金属化物37将MTJ连接到源极线。在ILD 36与第一接触层30之间不存在常规电介质阻挡层。为了补偿常规电介质 阻挡层的缺失，第一电极30可为例如钽(Ta)等难熔金属。互连金属化物37可为铜，且钽 为用于阻断铜扩散到周围材料中的极佳阻挡层材料。换句话说，钽阻断金属(例如铜)在 互连金属化物37中的扩散，从而减少或消除对常规电介质阻挡层的需要。另外，在ILD 36及互连金属化物37上沉积钽层为互补金属氧化物半导体(CMOS)制造所常见的过程友好型集成方案。2 使用第一掩模处理来蚀刻且图案化各种上部层及电极，包括隧道阻挡层12、自 由层11及第二电极6，但不包括参考固定磁性层堆叠32。在替代实施例(以下论述)中， 还可能发生用第一掩模移除参考固定磁性层堆叠32的一部分且图案化参考固定磁性层堆 叠32。继续，界定核心MTJ “堆叠”结构，且其包括隧道阻挡层12、自由层11及导电第二电 极6。3:将电介质钝化阻挡层40安置于包括MTJ堆叠在内的整个表面上。可使用(例 如)化学机械抛光(CMP)来对电介质钝化阻挡层40进行平面化(未图示)以暴露导电第 二电极6。4:在所述平面化结构上沉积第三电极15。如同电极金属化物30、6的情况，电极 金属化物15可选自包括例如钽(Ta)等难熔金属在内的各种金属。5:使用第二掩模处理来蚀刻且界定所述组件的平面尺寸，所述组件包括第三电极 15、电介质钝化阻挡层40 (围绕第二电极6、自由层11及隧道阻挡层12)、参考固定磁性层 堆叠32及第一电极30，下至由ILD 36及互连金属化物37所界定的表面。可注意到，第二 掩模的对准不受临界尺寸对齐约束，且在放置由第二掩模所界定的部分中存在相当大的宽 容度，只要第二掩模大体上定位于由第一掩模及互连金属化物37所界定的部分上方即可。6 在包括经界定的MTJ堆叠在内的整个表面上沉积钝化阻挡层8。可为(例如) 碳化硅或氮化硅的钝化阻挡层8为用于保护以免于被湿气或其它物质穿透的非常致密的 膜。因此，钝化阻挡层8包封、钝化并保护MTJ堆叠。此外，钝化阻挡层8还为电介质阻挡 层，其用以保护ILD 36且可用作CMOS过程(例如后续BEOL过程中的逻辑电路制造)中的 蚀刻终止层。应注意，常规电介质阻挡层在此再出现作为钝化阻挡层8，但是较晚在过程中 再出现。钝化阻挡层8具有额外功能，如以下所描述。电介质阻挡层的各种层可(例如)由金属氧化物、金属碳化物或金属氮化物形成。 举例来说，阻挡层材料可为SiOx、SiC及SiN。可(例如)基于易受各种蚀刻剂影响或抵抗 各种蚀刻剂的需要而进行所述选择。7 可沉积第二 ILD 44以充分地埋藏所得结构，且接着对其进行平面化以暴露钝 化阻挡层8。接着使用标准金属化掩模(现为BEOL过程的一部分，且并非为MTJ集成过程 所特定)以在电介质钝化阻挡层8中界定沟槽42以暴露第三电极15。可将例如位线互连 件等另一互连金属化物35安置于孔42中以与第三电极15连通。金属互连件35可为铜或 BEOL过程流程所常见的另一导电金属。ILD 44将MTJ层与可在BEOL过程流程的后续部分中所制造的外围装置(未图示) 分离。互连金属化物35提供到在BEOL过程流程的后续部分中所制造的装置的连接。另外，MTJ堆叠不必临界地与互连金属化物37或35对准。即，可在不需要对齐临 界尺寸的情况下定位所述MTJ，只要MTJ堆叠元件12、11及6定位于经图案化的第一电极 30与第三电极15之间。图4(其中MTJ堆叠经展示为在互连金属化物37上方居中)仅用 于示范性说明。举例来说，如图5中所见，MTJ堆叠可偏离中心。在例如互连金属化物37等金属与例如ILD 36等绝缘体之间的抛光速率不同且出 现例如“凹陷”等抛光人为产物的情况下，可在需要的情况下随后对第一电极30及/或参考固定磁性层堆叠32进行平面化以提供足够平坦的表面用于形成隧道阻挡层12及自由层 11以实现对层厚度及质量的控制，因为这两个层(11及12)可能为约lnm。图3中所展示的MTJ结构可称为不对称MTJ。在图3的过程流程中，使用第 一掩模 形成堆叠，所述堆叠包括导电第二电极6、自由层11及隧道阻挡层12，但不包括参考固定磁 性层堆叠32或第一电极30。使用第二掩模形成参考固定磁性层堆叠32及第一电极30。然而，如图4中所见，同一掩模集合可用以形成被描述为“对称”的替代MTJ结构。 因此，如果使用第一掩模，可通过扩展蚀刻过程以包括参考固定磁性层堆叠32但不包括第 一电极30而实现“对称”结构。如之前(即，在“不对称”配置中)，使用第二掩模来图案化 第一电极30。在过程流程的此示范性变型中，仅等同地图案化第一电极30及第三电极15 以对称地将介入磁性隧道结元件32、12及11以及第二电极6夹在第一电极30与第三电极 15之间。参考固定磁性层堆叠32具有与隧道阻挡层12、自由层11及导电电极6相同的尺 寸(除厚度之外)。第一优点为消除一个临界尺寸掩模。第二优点在于MTJ堆叠(即，导电第二电极 6、自由层11、固定层12及(任选地)参考固定磁性层堆叠32)的关键层通过在单一掩模步 骤中形成而自对准。第三优点为可将MTJ堆叠放置于金属化互连件37正上方。这允许较 紧密的装置间距密度。第四优点在于所述过程相对于现有技术MTJ形成在数目上较少，从 而降低了过程成本，且与集成电路BEOL处理兼容。换句话说，所述过程为“集成友好的”。额外优点为用于在BEOL半导体集成电路设计系统中集成STT MRAM制造过程的设 计结构的形成，其可通过根据操作系统软件、支持文件及例如CADENCE或ORCAD等设计软件 执行设计操作而在计算机工作站上操作。如本发明中所陈述的MRAM可与例如微处理器等逻辑电路一起操作。可将所述 MRAM集成到使用所述微处理器的装置中。举例来说，所述MRAM可为通信装置的一部分。当 然，在不脱离本发明的范围及精神的情况下，所述MRAM可包括其它类型的电路。虽然已详细描述了本发明及其优点，但应理解在不脱离如所附权利要求书所界定 的本发明的精神及范围的情况下，可在本文中进行各种改变、替代及变更。此外，本申请案 的范围并不希望限于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法及步骤的特 定实施例。如所属领域的技术人员将易于从本申请案的揭示内容了解到的，可根据本发明 利用当前存在或日后将开发的执行与本文中所描述的对应实施例大体上相同的功能或实 现与其大体上相同的结果的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利 要求书既定在其范围内包括此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。
权利要求
1.一种用于使用两个掩模形成用于磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性隧道结(MTJ) 装置的方法，其包含在包含第一互连金属化物的衬底上沉积与所述第一互连金属化物连通的第一电极、 MTJ层及第二电极；用第一掩模至少界定所述MTJ层中的至少一者及所述第二电极； 在所述第二电极上沉积第三电极；及用比所述第一掩模大的第二掩模界定所述第一电极及所述第三电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述界定所述MTJ层中的至少一些包含用所述第 一掩模界定隧道阻挡层及自由层；且界定所述第一电极及第二电极进一步包含用所述第二掩模界定参考固定磁性层堆叠。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述界定所述MTJ层中的至少一些包含用所述第 一掩模界定隧道阻挡层、自由层及参考固定磁性层堆叠。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在沉积所述第三电极之前在所述经界定的MTJ层及经界定的第二触点上沉积第一电 介质钝化阻挡层；及在沉积所述第三电极之前平面化所述第一电介质钝化阻挡层以暴露所述经界定的MTJ 堆叠的所述第二电极。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包含在经界定的触点及所述衬底上沉积第二电介质钝化阻挡层； 在所述第二电介质钝化阻挡层上沉积层间电介质层；及在至少所述第二电介质钝化阻挡层中形成第二互连金属化物，所述第二金属互连件与 所述第三电极连通。
6 一种用于磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性隧道结(MTJ)结构，其包含 衬底，其包含第一互连金属化物；第一电极，其耦合到所述第一互连金属化物； 多个MTJ层，所述MTJ层中的至少一者耦合到所述第一电极； 第二电极，其耦合到所述MTJ层中的至少另外一者，所述第二电极基于第一掩模而具 有与所述MTJ层中的至少一些相同的横向尺寸；第三电极，其耦合到所述第二电极，所述第三电极基于第二掩模而具有与所述第一电 极相同的横向尺寸；及第二互连金属化物，其耦合到所述第三电极。
7 根据权利要求6所述的MTJ结构，其进一步包含第一电介质钝化阻挡层，其位于所述MTJ层及第二电极上。
8.根据权利要求7所述的MTJ结构，其中所述至少一些MTJ层包含固定磁化层、绝缘隧 道阻挡层及铁磁自由层。
9.根据权利要求7所述的MTJ结构，其中所述至少一些MTJ层包含绝缘隧道阻挡层及铁磁自由层。
10.根据权利要求7所述的MTJ结构，其中所述第一电极为钽。
11.根据权利要求7所述的MTJ结构，其进一步包含第二电介质钝化层，所述第二电介质钝化层沉积于所述第一电极、所述第三电极及所述衬底上。
12.根据权利要求11所述的MTJ结构，其中所述衬底进一步包含第一层间电介质层。
13.根据权利要求8所述的MTJ结构，其中所述固定磁化层包含合成反铁磁层及反铁磁层。
14.根据权利要求7所述的MTJ结构，其集成到自旋力矩转移(STT)MRAM中。
15.根据权利要求14所述的MTJ结构，其中所述STTMRAM集成到至少一个半导体裸片中。
16.根据权利要求14所述的MTJ结构，其中所述STTMRAM集成到选自由以下各项组成 的群组的装置中机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、通信装置、个人数 字助理(PDA)、固定位置数据单元、微处理器及计算机。
17.一种用于使用两个掩模形成用于磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性隧道结(MTJ) 装置的方法，其包含以下步骤在包含第一互连金属化物的衬底上沉积与所述第一互连金属化物连通的第一电极、 MTJ层及第二电极；用第一掩模界定所述MTJ层中的至少一些及所述第二电极； 在所述第二电极上沉积第三电极；及用比所述第一掩模大的第二掩模界定所述第一电极及所述第三电极。
18.一种用于磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性隧道结(MTJ)结构，其包含 第一互连装置，其用于与至少一个控制装置连通；第一电极装置，其用于耦合到所述第一互连装置； MTJ装置，其用于存储数据，所述MTJ装置耦合到所述第一电极装置； 第二电极装置，其用于耦合到所述MTJ装置，所述第二电极装置基于第一掩模而具有 与所述MTJ装置相同的横向尺寸；第三电极装置，其用于耦合到所述第二电极装置，所述第三电极装置基于第二掩模而 具有与所述第一电极装置相同的横向尺寸；及第二互连装置，其用于耦合到所述第三电极装置及至少一个其它控制装置。
19.根据权利要求18所述的MTJ结构，其集成到自旋力矩转移(STT)MRAM中。
20.根据权利要求19所述的MTJ结构，其中所述STTMRAM集成到至少一个半导体裸片中。
21.根据权利要求19所述的MTJ结构，其中所述STTMRAM及微处理器集成到选自由以 下各项组成的群组的装置中机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、通信 装置、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元及计算机。
全文摘要
一种用于使用两个掩模形成用于磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性隧道结(MTJ)的方法包括在含有暴露的第一互连金属化物(37)的层间电介质层(36)上沉积第一电极(30)、固定磁化层(32)、隧穿阻挡层(12)、自由磁化层(11)及第二电极(6)。在所述第一互连金属化物上通过第一掩模界定MTJ结构，所述MTJ结构包括所述隧道阻挡层、自由层及第二电极。第一钝化层(40)包封所述MTJ结构，使所述第二电极暴露。沉积与所述第二电极接触的第三电极(15)。使用第二掩模以图案化较大结构，所述较大结构包括所述第三电极、所述第一钝化层、所述固定磁化层及所述第一电极。第二电介质钝化层(8)覆盖所述经蚀刻的多个层、所述第一层间电介质层及所述第一互连金属化物。
文档编号H01L43/12GK102007614SQ200980112999
公开日2011年4月6日 申请日期2009年4月15日 优先权日2008年4月18日
发明者升·H·康, 李霞, 顾时群, 马修·M·诺瓦克 申请人:高通股份有限公司