交叉矩阵列式磁性随机存储器制造工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及存储器件领域，尤其涉及一种交叉矩阵列式磁性随机存储器制造工 -H- 〇
【背景技术】
[0002] 近年来人们利用磁性隧道结（MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的特性做成磁性 随机存储器，即为MRAM(Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一种新型固态非易失 性记忆体，它有着高速读写的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它 可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势皇层；磁性参考层，位于 隧道势皇层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当磁性记忆层与磁性参考层之间的磁化强 度矢量方向平行或反平行时，MTJ元件的电阻态也相应分别为低阻态或高阻态。这样测量 MTJ元件的电阻态即可得到存储的信息。
[0003] 已有一种方法可以得到高的磁电阻（MR，Magneto Resistance)率：在非晶结构的 磁性膜的表面加速晶化形成一层晶化加速膜。当此层膜形成后，晶化开始从隧道势皇层一 侧形成，这样使得隧道势皇层的表面与磁性表面形成匹配，这样就可以得到高MR率。
[0004] 一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型 MRAM :在两条交叉的电流线的交汇处产生磁场，可改变MTJ元件的磁性记忆层的磁化强度 方向。自旋转移矩磁性随机存储器（STT-MRAM，Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory)则采用完全不同的写操作，它利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极 化的电子流把它的角动量转移给磁性记忆层中的磁性材料。磁性记忆层的容量越小，需要 进行写操作的自旋极化电流也越小。所以这种方法可以同时满足器件微型化与低电流密 度。STT-MRAM具有高速读写、大容量、低功耗的特性，有潜力在电子芯片产业，尤其是移动芯 片产业中，替代传统的半导体记忆体以实现能源节约与数据的非易失性。
[0005] 对于目前的面内型STT-MRAM(其中MTJ元件的易磁化方向在面内）来说，受面内 型MTJ元件的特性所限，单一元件尺寸一般较大，并且相邻MTJ元件需要有较大间距，以避 免相互间的磁场干扰。因此，限制了面内型STT-MRAM产品集成度的提升。
[0006] 垂直型磁性隧道结（PMTJ，Perpendicular Magnetic Tunnel Junction)即磁矩垂 直于衬底表面的磁性隧道结，在这种结构中，由于两个磁性层的磁晶各向异性比较强（不 考虑形状各向异性），使得其易磁化方向都垂直于层表面。在同样的条件下，元件尺寸可以 做得比面内型MTJ元件更小，易磁化方向的磁极化误差可以做的很小，并且MTJ元件尺寸的 减小使所需的切换电流也可相应减小。另一方面，在存储器阵列中，相邻垂直型MTJ的安 全间距较之面内型MTJ也可大为缩小。从而垂直型STT-MRAM(pSTT-MRAM，perpendicular Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory)较之面内型 STT-MRAM，其集成 度有非常大的提升空间。
[0007] 但在现有的STT-MRAM结构中，每个记忆单元的MTJ元件通常会连接一个三极管作 为电流流向选择器，如使用MOS管，通过MOS管的导通和截止以实现电流导向，从而可以通 过相应的写电流来设置MTJ元件的高、低电阻态，也即写入了存储信息，以及根据读电流的 大小来判断MTJ元件的电阻态，也即读出了存储信息。
[0008] 对于面内型STT-MRAM来说，基于面内型MTJ元件的尺寸及其相互间距的要求，三 极管的尺寸不是提高面内型STT-MRAM集成度的主要瓶颈，或者说缩小三极管的尺寸，对于 面内型STT-MRAM集成度的提升程度有限。目前已有一些针对面内型STT-MRAM集成度提升 的技术方案，如专利号为US6868003B2的美国专利中，面内型STT-MRAM使用PN结二极管取 代三极管作为电流流向选择器，由于面内型STT-MRAM占用面积较大，存储芯片的集成度没 有实质性的提高；同时读写电流也较大，PN结二极管也不宜做小。
[0009] 对于垂直型STT-MRAM来说，情况却与面内型STT-MRAM恰恰相反，垂直型MTJ元 件的尺寸及其相互间距较之面内型MTJ元件已大为缩小，此时集成度的提升几乎完全取决 于三极管的尺寸大小，即使使用当前最先进的工艺（线宽），三极管的尺寸仍远大于垂直型 MTJ元件，同时三极管制造工艺相对也比较复杂，提高了产品的制造成本。垂直型STT-MRAM 目前仍采用三极管作为电流流向选择器，从而使其集成度的提升一直依赖于先进工艺（线 宽）的升级。
[0010] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种高集成、高性能、成本节省的STT-MRAM 制造工艺。
【发明内容】
[0011] 为实现上述目的，本发明提供了一种磁性随机存储器制造工艺，包括：
[0012] 形成底电极；
[0013] 在所述底电极顶部形成磁记忆单元阵列，其中包括制备多层薄膜形成串联的PN 结和磁性隧道结；本文中所述的"顶部"或"顶"表示相应结构中远离衬底基片的一侧；
[0014] 在所述磁记忆单元阵列顶部形成顶电极。
[0015] 进一步地，所述底电极的形成包括：
[0016] 沉积底电极金属层和硬掩膜一；
[0017] 光刻底电极；
[0018] 刻蚀底电极；
[0019] 沉积电介质一；
[0020] 表面平坦化。
[0021 ] 进一步地，所述磁记忆单元阵列的形成包括：
[0022] 在所述底电极顶部制备构成所述PN结和所述磁性隧道结的薄膜，其中先制备构 成所述PN结的薄膜再沉积构成所述磁性隧道结的薄膜，或者先沉积构成所述磁性隧道结 的薄膜再制备构成所述PN结的薄膜；
[0023] 沉积硬掩膜二；
[0024] 光刻磁记忆单元阵列；
[0025] 刻蚀磁记忆单元阵列；
[0026] 沉积电介质二；
[0027] 表面平坦化。
[0028] 进一步地，所述顶电极的形成包括：
[0029] 在所述磁记忆单元阵列顶部沉积顶电极金属层和硬掩膜三；
[0030] 光刻顶电极；
[0031] 刻蚀顶电极；
[0032] 沉积电介质三；
[0033] 表面平坦化。
[0034] 进一步地，所述磁性隧道结包括层叠设置的磁性参考层、隧道势皇层和磁性记忆 层。由下至上，可以依次是磁性参考层、隧道势皇层和磁性记忆层，也可以依次是磁性记忆 层、隧道势皇层和磁性参考层。本文中所述的"上"和"下"的相对位置，"上"较于"下"更 远离衬底基片。
[0035] 进一步地，所述PN结的基材采用Si、Ge、SiGe或SiC，其中N型层通过掺杂V价元 素形成，P型层通过掺杂III价元素形成。
[0036] 进一步地，所述PN结的基材采用GaAs或InP，其中N型层通过掺杂VI价元素形 成，P型层通过掺杂II价元素形成。
[0037] 进一步地，所述顶电极和/或所述底电极包括金属层Cu ;或是包括多层结构TaN/ Ta/Cu/Ta/TaN 或 TiN/Ti/Cu/Ti/TiN，其中 Cu 顶部的 TaN/Ta 或 TiN/Ti 作为硬掩膜。
[0038] 进一步地，所述PN结和所述磁性隧道结的形成分别使用一次光刻。
[0039] 进一步地，所述底电极限定了若干第一向导线，所述顶电极限定了与所述若干第 一向导线交叉设置的若干第二向导线，从而所述若干第一向导线和所述若干第二向导线限 定了若干交叉节点；每个所述交叉节点均设置有一磁记忆单元，所述磁记忆单元分别与其 所处交叉节点处的第一向导线和第二向导线电连接。
[0040] 根据本发明所制得的交叉矩阵列式磁性随机存储器，利用半导体二极管替代三极 管作为磁记忆单元中的电流流向选择器，实现了将复杂的供电网路改用简单的交叉式供电 方式，从而本发明极大的简化了 MRAM的生产工艺、降低了成本，并且可以极大地提高存储 芯片的集成度，特别是对于PSTT-MRAM产品。
[0041] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以 充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【附图说明】
[0042] 图1是本发明的较佳实施例的工艺流程图；
[0043] 图2是底电极金属层沉积后的结构示意图；
[0044] 图3是光刻底电极后的结构示意图；
[0045] 图4是底电极制备完成后的结构示意图；
[0046] 图5是图4结构的顶面示意图；
[0047] 图6是PN结薄膜沉积后的结构示意图；
[0048] 图7是MTJ薄I旲丨几积后的结构不意图；
[0049] 图8是光刻磁记忆单元阵列后的结构示意图；
[0050] 图9是磁记忆单元阵列制备完成后的结构示意图；
[0051] 图10是图9结构的顶面示意图；
[0052] 图11是顶电极制备完成后的结构示意图；
[0053] 图12是图11结构的顶面示意图；
[0054] 图13是先加工MTJ薄膜再加工PN结薄膜的结构示意图，其中PN结薄膜先制备N 型半导体层再制备P型半导体层；
[0055] 图14是先加工MTJ薄膜再加工PN结薄膜的结构示意图，其中PN结薄膜先制备P 型半导体层再制备N型半导体层；
[0056] 图15是一种交叉矩阵列式随机存储器的的立体结构示意图。
【具体实施方式】
[0057] 在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、 "右"、"垂直"、"水平"、"顶"、"底""内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系 为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或 暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为 对本发明的限制。
[0058] 图1是本实施例的磁性随机存储器制备工艺流