專利名稱：Mram體系結(jié)構(gòu)和利用所述體系結(jié)構(gòu)來制備mram存儲器的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及磁存儲器，尤其涉及為非易失性磁隨機存取存儲器(magnetic random access memory，MRAM)提供體系結(jié)構(gòu)(architecture)的方法和系統(tǒng)，該非易失性磁隨機存取存儲器可減小單元尺寸，簡化制備過程并且改進編程效率。
背景技術(shù)：
在常規(guī)的磁阻隨機存取存儲器(magnetoresistive random accessmemories，MRAM)裝置中，存儲器單元一般由諸如銅線或鋁線的載流導線所感應的磁場編程。通常，采用兩個垂直的互連(interconnects)，一個位于磁存儲器裝置之上，而第二個位于所述磁存儲器裝置之下。圖1描述了包含兩條常規(guī)導線10和12的常規(guī)MRAM體系結(jié)構(gòu)。常規(guī)的MRAM體系結(jié)構(gòu)還包含存儲器單元11、導電層1100、導電立柱(stud)8、接地線7、導電塞(plug)5和晶體管13，所述晶體管13包含柵極6、源極3和漏極4。常規(guī)的導線10和12是垂直的，用于將數(shù)據(jù)寫入到常規(guī)的磁存儲元件11中。所示出的常規(guī)磁存儲元件11是磁隧道結(jié)(magnetic tunneling junction，MTJ)堆疊11，其位于常規(guī)導線10和12的交點并且在常規(guī)導線10和12之間。常規(guī)的導線10和常規(guī)的導線12常常分別被稱為常規(guī)的字線10和常規(guī)的位線12。
常規(guī)的MTJ堆疊11主要包含具有可變磁矢量(未示出)的自由層1104、具有固定磁矢量(未示出)的固定層(pinned layer)1102和在這兩個磁層1102和1104之間的絕緣體1103。同樣包括在常規(guī)MTJ堆疊11內(nèi)的層1101通常是籽晶層(seed layers)和反鐵磁層的合成物(composite)，所述反鐵磁層強耦合到所述固定的磁層。
在寫入期間，常規(guī)位線12中的位線電流和通過字線10的字線電流在自由層1104上產(chǎn)生兩個磁場。響應于由位線電流和字線電流所產(chǎn)生的磁場，自由層1104中的磁矢量將指向一個取決于所述位線電流和字線電流的方向和幅度的方向。一般說來，寫入零(0)所要求的位線電流方向與寫入一(1)時的不同。在讀取期間，晶體管13被導通，并且小隧穿電流流過常規(guī)的MTJ堆疊11。測量流過常規(guī)MTJ堆疊11的電流量或者跨過所述常規(guī)MTJ堆疊11的電壓降以確定存儲器單元的狀態(tài)。在某些設計中，晶體管13由二極管代替，或者完全被省略，并且MTJ堆疊11與字線10直接接觸。
盡管使用位線12和字線10的常規(guī)體系結(jié)構(gòu)起作用，然而本領域的普通技術(shù)人員會很容易地認識到對于圖1所示的體系結(jié)構(gòu)來說，位線電流和字線電流的幅度在幾個毫安的量級。對于許多存儲器應用而言，希望有更小的寫入電流。
圖2示出了用于解決這個問題的一個常規(guī)體系結(jié)構(gòu)。圖2所示出的體系結(jié)構(gòu)包含與圖1中的元件相似的元件。因此，諸如常規(guī)MTJ堆疊11’和常規(guī)MTJ堆疊11的這些元件被類似地標記。例如，在美國專利No.5,659,499、No.5,940,319、No.6,211,090、No.6,153,443和美國專利申請公布No.2002/0127743中描述了這種常規(guī)的體系結(jié)構(gòu)，上述專利及專利申請描述了在不面對MTJ 11的三個表面上用軟磁覆層(soft magnetic cladding layer)來封裝位線和字線。如圖2所示，字線10和位線12均由兩部分組成分別為銅芯線(copper core)1001和1201，以及分別為軟磁覆層1002和1202。相對于圖1中的常規(guī)體系結(jié)構(gòu)，軟磁覆層1202和1002可以將與I1和I2相關(guān)的磁通量集中到MTJ堆疊11上，并且可減小在不面對MTJ堆疊11的其它表面上的磁場。實驗數(shù)據(jù)表明用圖2所描述的常規(guī)體系結(jié)構(gòu)可明顯改進寫入效率。
盡管圖2所示的常規(guī)MRAM體系結(jié)構(gòu)起作用，但是本領域的普通技術(shù)人員會很容易地認識到制備包含線10’和12’的常規(guī)MRAM的過程是極其復雜的。常規(guī)的制備過程要求9個薄膜沉積步驟、5個光刻步驟、6個蝕刻步驟和1個化學機械拋光(chemical mechanicalpolishing，CMP)步驟。此外，沒有一個過程可以與其它CMOS過程共享。另外，需要嚴格控制某些過程，諸如CMP過程和幾個薄膜沉積和蝕刻過程，以獲得所設計的性能。除成本考慮之外，復雜的制備過程對按比例縮小尺寸以提高密度提出了重大的挑戰(zhàn)。
因此，需要一種用于提供改進的MRAM體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法，所述改進的MRAM體系結(jié)構(gòu)具有更簡單的制備過程以及改進的性能。本發(fā)明旨在解決這種需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于提供磁存儲器中的磁存儲器單元的方法和系統(tǒng)。所述方法和系統(tǒng)包括提供每個磁存儲器元件，為每個磁存儲器元件提供第一寫入線和第二寫入線。磁存儲器元件具有頂部和底部。第一寫入線在磁存儲器元件之下并且與磁存儲器元件的底部電連接。第二寫入線在磁存儲器元件之上。第二寫入線與磁存儲器元件電絕緣并且與第一寫入線成一角度。
在優(yōu)選實施例中，連接磁元件頂部和優(yōu)選為鎢的導電立柱的薄膜使得磁隧道結(jié)裝置和選擇裝置之間的連接更為方便，其中所述選擇裝置優(yōu)選為選擇晶體管，所述導電立柱連接到所述選擇晶體管的漏極。優(yōu)選為位線的第一寫入線優(yōu)選具有比其寬度小得多的厚度。位線和磁存儲器元件可在一個沉積序列中在同一個沉積機器中沉積，而不用破壞真空?？稍谕粋€光刻和蝕刻步驟中定義位線的寬度和磁存儲器元件在相同方向上的尺寸。在定義了磁存儲器元件的尺寸并且建立了磁隧道結(jié)和隔離晶體管之間的連接之后，優(yōu)選沉積硬掩模材料層以防止磁隧道結(jié)裝置在進一步的加工期間被損壞。所述硬掩模材料層還優(yōu)選地被用作化學機械拋光過程的終止層，可能在加工寫入字線之前需要所述化學機械拋光過程。通過控制硬掩模層的厚度來獲得字線和磁隧道結(jié)裝置之間的精確間隔。
依照這里所公開的系統(tǒng)和方法，本發(fā)明提供了一種具有改進的效率和可按比例縮小性(scalability)并且更易于制備的磁存儲器。


圖1示出了包括常規(guī)MTJ MRAM單元的常規(guī)體系結(jié)構(gòu)。
圖2示出了包括常規(guī)MTJ MRAM單元的另一常規(guī)體系結(jié)構(gòu)的三維視圖，并且位線和字線具有磁覆層。
圖3示出了包括MTJ MRAM單元的體系結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖4示出了本發(fā)明MRAM單元的一個實施例的剖視圖。
圖5a示出了依照本發(fā)明用于提供本發(fā)明MRAM裝置的方法的一個實施例的高級流程圖。
圖5b示出了依照本發(fā)明用于提供本發(fā)明MRAM裝置的方法的優(yōu)選實施例。
圖6a、6b和6c分別示出了在光刻和蝕刻過程定義了位線的幾何結(jié)構(gòu)(geometry)之后，本發(fā)明MRAM體系結(jié)構(gòu)的一個實施例的一部分的剖視圖、俯視圖和側(cè)視圖。
圖7a、7b和7c分別示出了在沿著MTJ/位線堆疊的邊緣形成側(cè)壁介電隔片之后，MRAM體系結(jié)構(gòu)的一個實施例的一部分的剖視圖、俯視圖和側(cè)視圖。
圖8a、8b和8c分別示出了在定義了MTJ單元的幾何結(jié)構(gòu)并建立了MTJ和立柱之間的連接之后，MRAM體系結(jié)構(gòu)的一個實施例的一部分的剖視圖、俯視圖和側(cè)視圖。
圖9是本發(fā)明MRAM體系結(jié)構(gòu)的第二實施例的剖視圖，所述MRAM體系結(jié)構(gòu)具有通孔，用于連接MTJ頂部和用光刻步驟所形成的立柱。
圖10是本發(fā)明MRAM體系結(jié)構(gòu)的第三實施例的剖視圖，其中MTJ正好位于立柱之上。
圖11是本發(fā)明MRAM體系結(jié)構(gòu)的第四實施例的剖視圖，其中MTJ堆疊不與立柱重疊。
圖12是本發(fā)明MRAM體系結(jié)構(gòu)的第五實施例的剖視圖，其中MTJ堆疊具有固定層，并且所述固定層在堆疊的底部，而自由層在堆疊的頂部。
圖13是本發(fā)明MRAM體系結(jié)構(gòu)的第六實施例的剖視圖，其中位線由磁性材料制成并且用作MTJ裝置的基準(reference)層(或固定層)。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及磁存儲器的改進。在專利申請及其要求的背景下給出以下描述，以使本領域的普通技術(shù)人員能夠?qū)嵤┎⑹褂帽景l(fā)明。對優(yōu)選實施例的各種修改對于本領域內(nèi)的那些技術(shù)人員來說是顯而易見的，并且這里的一般原理可應用于其它實施例。因而，本發(fā)明并不意在受限于所示的實施例，而是應被給予與這里所描述的原理和特征相一致的最寬范圍。
序列號為60/431/742、名稱為“利用磁寫入線的MRAM存儲器(MRAM MEMORIES UTILIZING MAGNETIC WRITE LINES)”、轉(zhuǎn)讓給本申請受讓人的一并待決的美國專利申請描述了一種MRAM體系結(jié)構(gòu)，所述MRAM體系結(jié)構(gòu)解決了在常規(guī)的MRAM裝置中所遇到的許多問題。申請人特此通過參考而結(jié)合上述一并待決的申請。圖3示出了在上述一并待決的申請中描述的基本結(jié)構(gòu)的一個實施例。圖3所描述的MRAM體系結(jié)構(gòu)包括優(yōu)選為MTJ堆疊90的磁元件90、形成在襯底80中的選擇裝置81、位線82、寫入線83、導電立柱87、連接立柱96和接地線97。選擇裝置81優(yōu)選為包括柵極84、源極85和漏極86的FET晶體管。MTJ堆疊包括層91，所述層91包括籽晶層，并優(yōu)選包括反鐵磁層。MTJ堆疊還包括具有固定磁矢量(未示出)的固定層92、隧穿層93、具有可變磁矢量的自由層94和優(yōu)選為非磁隔片層95的導電蓋層(conductive capping layer)95。
磁寫入線82包括軟磁材料，并且通過非磁隔片層95與MTJ堆疊90的自由層94隔開。在一個實施例中，寫入線83也是磁性的。磁寫入線82優(yōu)選基本上或完全由軟磁材料組成。另外，至少與覆層相對的芯線包括軟磁層。由于磁寫入線82和自由層94之間的間隔很小，所以自由層94的磁矢量靜磁強耦合到磁寫入線82的磁矢量。這種靜磁耦合促進了自由層磁矢量的旋轉(zhuǎn)幅度。從而，提高了寫入效率。
盡管在上述一并待決的申請中描述的MRAM體系結(jié)構(gòu)能夠較好地實現(xiàn)其所要達到的目的，然而本領域的普通技術(shù)人員會很容易地認識到制備可能仍然是復雜的。磁寫入線82的磁矢量之間的磁耦合的功能取決于磁寫入線82是在平面上擺開的。這種情況會對制備過程提出重大的挑戰(zhàn)。另外，蝕刻和封裝MTJ堆疊90、以及將線82與MTJ堆疊90連接的過程也是非常關(guān)鍵且困難的過程。因此非常希望能提供一種MRAM體系結(jié)構(gòu)，其能以簡化的晶片加工來制備，但仍然提供高寫入效率、可按比例縮小性以及較小的單元尺寸。
本發(fā)明提供了一種用于提供磁存儲器中的磁存儲器單元的方法和系統(tǒng)。所述方法和系統(tǒng)包括提供每個磁存儲器元件，為每個磁存儲器元件提供第一寫入線和第二寫入線。磁存儲器元件具有頂部和底部。第一寫入線在磁存儲器元件之下并且與磁存儲器元件的底部電連接。第二寫入線在磁存儲器元件之上。第二寫入線與磁存儲器元件電絕緣并且與第一寫入線成一角度。
將要就特定類型的磁存儲器單元、特定的材料以及特定的元件配置來描述本發(fā)明。例如，將在示意性的磁隨機存取存儲器(MRAM)單元的背景下描述本發(fā)明。然而，本領域的普通技術(shù)人員會認識到本發(fā)明不限于任何特定的磁存儲器裝置。因此，本領域的普通技術(shù)人員會很容易地認識到此方法和系統(tǒng)對于符合本發(fā)明的其它磁存儲器單元、其它材料和配置也有效。作為替代(instead)，本發(fā)明適用于其它的磁存儲器裝置，特別是其中希望降低工藝復雜性，減小單元尺寸并且提高寫入效率的那些磁存儲器裝置。例如，盡管MTJ堆疊被描述為包括單磁層(single magnetic layers)，但是這并不妨礙使用其它的材料、其它的合金和合成層。另外，盡管本發(fā)明是在金屬-氧化物-半導體(MOS)裝置和磁隧道結(jié)(MTJ)裝置的背景下描述的，但是本領域的普通技術(shù)人員會很容易地認識到本發(fā)明并不限于這樣的裝置。作為替代，在修改或不修改存儲器體系結(jié)構(gòu)的情況下，可以類似地使用其它適當?shù)难b置，例如雙極結(jié)晶體管裝置和自旋閥巨磁阻存儲器元件。本領域的普通技術(shù)人員還會很容易地認識到盡管用術(shù)語“字線”和“位線”來描述本發(fā)明，但是為了清楚起見，它們還用于指代在特定位置和方向的特定線。然而，本領域的普通技術(shù)人員會很容易地認識到這些術(shù)語僅用于參考目的，并且可用寫入線的其它名稱來替換或代替。
為了更具體地描述本發(fā)明，參照圖4，其示出了本發(fā)明的MRAM單元的一個實施例。所示出的MRAM單元優(yōu)選為包含MRAM單元陣列的MRAM的一部分。MRAM單元包括磁存儲器元件11、位線109和字線113。磁存儲器元件11可以是常規(guī)的存儲器元件，但是優(yōu)選為MTJ堆疊11。位線109電連接到MTJ堆疊11的較低部分，而字線113位于MTJ堆疊11之上并且與MTJ堆疊11電絕緣。位線109與字線113成一定角度，優(yōu)選為九十度。MTJ堆疊11位于位線109和字線113之間的交點。在MRAM中，磁存儲器元件優(yōu)選位于位線109和字線113的交點。MRAM單元還優(yōu)選包括形成在襯底100中的選擇裝置101、接地線105、接地線105的導電立柱104、導電立柱107、將導電立柱107與位線109分離的絕緣層108、隔片110A和110B、導電層111、絕緣體112和電介質(zhì)114。選擇裝置101優(yōu)選為包括漏極102、源極103和柵極106的選擇晶體管101。
在優(yōu)選實施例中，位線109是磁性的，例如由軟磁材料組成，或是具有交替的軟磁層和非磁層的疊層結(jié)構(gòu)(laminated structure havingalternating soft magnetic and non-magnetic layers)。不論在那種情況下，位線109的芯線都可以被認為是磁性的。然而，在替換實施例中，位線109可以是非磁性的，或者可以具有非磁性的芯線和鐵磁性的覆層。更具體地說，位線109優(yōu)選具有幾個納米至數(shù)百納米的范圍內(nèi)的厚度。在優(yōu)選實施例中，預計位線109攜帶毫安量級的電流。因此，具有良好電遷移阻力的金屬材料是優(yōu)選用于位線109的材料的候選者。另外，位線109的晶體和晶粒結(jié)構(gòu)也是要考慮的因素，因為位線109的晶體和晶粒結(jié)構(gòu)可能影響自由層1104的磁性能。位線109還可以由軟磁材料制成以促進其寫入效率，這一方案在上述一并待決的專利申請中被詳細地論述過。為了同時優(yōu)化晶體的、電的和磁性能的不同方面，位線109可以是不同種類材料的多層結(jié)構(gòu)，諸如磁層和非磁金屬層的疊層(nonmagnetic metallic layers laminated with magnetic layer)。用于位線的非磁材料可包括但不限于Al、Cu、Au、W、Ti、Ta、Mo或其合金。TiSi2、WSi2、CoSi2、TiW和TiN也可以是位線109的候選材料，如果需要這些種類的材料的特定性能。如果想要磁位線109，那么諸如Co、Fe、Ni或其合金的磁性材料是候選材料。
所示出的字線113是由非磁性金屬材料制成的簡單導線。為了提高寫入效率，可以在不面對MTJ堆疊11的三個表面上用軟磁覆層來封裝字線113。字線113的軟磁覆層可以與字線113的其余部分電連接，或者可以通過介電層(未示出)與字線113的其余部分絕緣。在這種情況下，覆層可以是跨過多根字線的連續(xù)膜形式。
位線109具有垂直于頁面的長軸，而字線113具有在頁面平面內(nèi)的長軸。MTJ堆疊11至少包括自由層1104、隧穿層1103和固定層1102。自由層1104的易磁化軸(未示出)優(yōu)選基本上平行于字線113的長軸。MTJ堆疊11通常包括與固定層1102的表面接觸且不與隧穿層1103接觸的反鐵磁(AFM)材料層(未示出)。AFM材料用來固定固定層1102中的磁化方向。然而，為簡單起見，在圖4中省略了AFM層。導電層111是將MTJ堆疊連接到選擇晶體管的薄膜導體，所述選擇晶體管包括漏極102、源極103和柵極106。絕緣層108將位線109與立柱107絕緣。立柱107優(yōu)選為將導電層111連接到選擇晶體管101的漏極102的金屬塞。因此，選擇晶體管101優(yōu)選電連接到MTJ堆疊11的頂部。字線113通過絕緣層112與MTJ裝置電絕緣。側(cè)壁絕緣隔片110A和110B封裝MTJ堆疊11的側(cè)面，以防止薄膜導體111和自由層1104以及位線109之間的短路。絕緣層108使位線109與立柱107絕緣。
圖4中描述的MRAM單元可用數(shù)據(jù)來編程，并且如下來讀取。為了編程MTJ單元11，將電流輸送到字線113。與字線電流相關(guān)的磁場使自由層1104的磁化轉(zhuǎn)離易磁化軸方向。在字線電流仍存在的情況下，將電流輸送到位線109。如果由位線電流所生成的場足夠大并且其最大分量與自由層1104的磁化方向相反，那么在去除字線電流和位線電流(及其相關(guān)的場)之后，自由層磁化位于新的方向。由此完成數(shù)據(jù)編程序列。應注意，在數(shù)據(jù)編程期間關(guān)閉選擇晶體管101以保護MTJ堆疊11。讀取時，開啟選擇晶體管101以允許小電流從位線109流過接地線105，穿過自由層1104、隧穿層1103、固定層1102、導電層111、立柱107，到達選擇晶體管101。將跨過MTJ堆疊11的電壓降與參考值相比較以確定MTJ裝置的狀態(tài)以及因此所存儲的數(shù)據(jù)。高電阻狀態(tài)可用來表示“1”，而低電阻狀態(tài)可用來表示“0”。
圖5a描述了本發(fā)明的方法200的一個實施例的高級流程圖，用于提供本發(fā)明的MRAM裝置。方法200優(yōu)選在已經(jīng)提供了選擇裝置101、立柱107和絕緣層108之后開始。本領域的普通技術(shù)人員會很容易地認識到方法200可適于制備多個MRAM單元。此外，方法200可具有更少的和/或不同的步驟。通過步驟202沉積較低的寫入線的層，所述較低的寫入線優(yōu)選為位線109。在優(yōu)選實施例中，步驟202包括沉積磁層以使位線109為磁位線。然而，在替換實施例中，步驟202可包括沉積具有或不具有鐵磁覆層的非磁層。通過步驟204在寫入線層之上提供多個磁存儲器元件層。磁存儲器元件層的底部電連接到第一寫入線層。通過步驟206，從磁存儲器元件層和第一寫入線層來定義磁元件11和位線109。從而，磁元件11和位線109在位線109的寬度方向上具有相同的尺寸。通過步驟208在磁元件11之上提供第二寫入線，優(yōu)選為字線113。步驟208中所提供的字線與磁存儲器元件電絕緣并且與第一寫入線成一角度。
圖5b示出了依照本發(fā)明來制備MRAM單元的方法210的優(yōu)選實施例。圖6a-8c示出了在制備期間本發(fā)明的MRAM單元的一個實施例。因此，將結(jié)合圖6a-8c來描述方法210。參照圖5b-8c，本領域的普通技術(shù)人員會很容易地認識到方法210可以適于制備多個MRAM單元。此外，方法210可具有更少的和/或不同的步驟。通過步驟212在CMOS晶片上制備選擇晶體管101和立柱107，優(yōu)選使用常規(guī)的CMOS工藝。通過步驟213，用化學機械拋光(CMP)過程獲得平坦且光滑的表面。然后，優(yōu)選將晶片送到物理氣相沉積(PVD)機器上進行步驟214、216和218。然而，在另一實施例中，可以使用一個或多個其它的設備。通過步驟214沉積絕緣層108。絕緣層108使位線109與立柱107絕緣。因此，在選擇用于絕緣層108的材料時應當考慮到良好的覆蓋率(coverage)和絕緣。此外，位線109和MTJ堆疊11的光滑度和晶粒結(jié)構(gòu)可能會受到絕緣層108的性能的影響。因此，在優(yōu)選實施例中，應優(yōu)化層108的材料和沉積條件以使位線109和MTJ堆疊11獲得良好的電性能和磁性能。此外，用于絕緣層108的蝕刻過程不應侵蝕(attack)下面的介電材料114。因此，絕緣層108應包括不同于它下面的層的材料。因此，絕緣層108的材料的候選者包括但不限于諸如SiO2、Si3N4、Al2O3和AlN的材料。
通過步驟216沉積位線109的材料。如上所述，位線109的材料可以是非磁性的、鐵磁性的或二者皆是。通過步驟218沉積磁元件層，所述磁元件層包括但不限于自由層1104、介電隧穿層1103和固定層1102。在優(yōu)選實施例中，在步驟218沉積的磁元件層還包括固定層1102的籽晶層和反鐵磁層。
在步驟216和218中沉積了MTJ堆疊11材料和位線109結(jié)構(gòu)之后，通過步驟220進行光刻和蝕刻過程以定義位線109的寬度。在步驟220，還將MTJ堆疊11蝕刻成與位線82相同的寬度。因此，可以實現(xiàn)沿著位線109寬度(圖4中的水平位置)完美對準位線109和MTJ堆疊11。因為優(yōu)選垂直側(cè)剖面(vertical side profile)，所以在步驟220中，與濕蝕刻過程相比，優(yōu)選對MTJ/位線堆疊進行離子束研磨(ion beam milling)或反應離子束蝕刻(reactive ion beam etching)的各向異性蝕刻。如果使用了具有顯著離子轟擊的離子研磨過程或RIE過程，那么就可能需要犧牲的掩模層用于在步驟220中進行的蝕刻過程。相比于MTJ堆疊11和位線109，掩模層材料應該具有較低的濺射產(chǎn)出率(low sputter yield)。圖6a示出的是在蝕刻過程之后MRAM單元的剖視圖。為了清楚起見，省略了選擇晶體管101。圖6b和6c分別是在相同階段的三個MRAM單元的俯視圖和側(cè)視圖。描述了立柱108、絕緣層108、位線109和MTJ堆疊11。
然后優(yōu)選地將包含MRAM單元的晶片送到CVD機器以便進一步加工。通過步驟222，沉積用于形成側(cè)壁隔片110A和110B的介電材料層。推薦用于絕緣層108的相同類型的介電材料可以用于絕緣隔片110A和110B。為了獲得對絕緣層108下的介電層114的良好蝕刻選擇性，層108和110A和110B的材料不同于絕緣層108下面的介電材料114。作為例子，如果在層108下面的介電材料114是Si3N4，那么層108和110A和110B可以由SiO2制成。用C4F8+CO或C5F5作為蝕刻氣體，SiO2相對于Si3N4的蝕刻選擇性可達到10比1。與PVD過程相比，沉積隔片110A和110B的材料優(yōu)選使用CVD過程，以獲得良好的臺階覆蓋率(step coverage)。在步驟222的沉積過程之后，通過步驟224，優(yōu)選使用各向異性的RIE以將平坦區(qū)域(plain field)內(nèi)的介電材料蝕刻掉，而留下沿著MTJ堆疊11和位線109的組合的邊緣的絕緣側(cè)壁110A和110B。制備側(cè)壁隔片的過程在CMOS工業(yè)中是熟知的，在這里將不進一步描述。圖7a示出了在晶片加工此時MRAM單元的剖視圖。圖6b和6c分別描述在相同階段的三個MRAM單元的俯視圖和側(cè)視圖。在圖7a-7c中，描述了側(cè)壁隔片110A和110B。
通過步驟226，然后將薄膜導體層沉積在晶片上以形成導電層111。優(yōu)選使用CVD過程以獲得良好的臺階覆蓋率，盡管PVD過程也能夠產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。為了簡化用于從所沉積的層定義導電層111的蝕刻過程，優(yōu)選難熔金屬，諸如W、Ta、Mo。導電層111的膜厚優(yōu)選在幾個納米至幾百納米的范圍內(nèi)。如果該層還被設計成用于蝕刻MTJ堆疊11的掩模層，那么就需要較厚的膜以補償與MTJ蝕刻過程相關(guān)的厚度損耗。通過步驟228定義薄膜導體111和MTJ堆疊11的幾何結(jié)構(gòu)，優(yōu)選使用光刻技術(shù)。應注意，除邊緣之外，可以在同一個光刻過程中定義MTJ堆疊11和導電層109的尺寸，其中，在所述邊緣處導電層111從MTJ堆疊11的側(cè)面下來以與立柱108相接觸。優(yōu)選地是，首先優(yōu)化蝕刻氣體和蝕刻條件，以便在步驟228中如所希望的那樣來蝕刻導電層111。優(yōu)選用各向同性的蝕刻過程來蝕刻導電層11，因為通常需要既清除(clean up)平坦區(qū)域又清除沿MTJ堆疊11邊緣的區(qū)域。然后優(yōu)選改變蝕刻氣體和蝕刻條件來繼續(xù)步驟228，以便將導電層111作為掩模層來蝕刻MTJ堆疊11。在晶片加工此時，圖8a、8b和8c分別示出了三個MRAM單元的剖視圖、俯視圖和側(cè)視圖。由此，描述了在步驟228進行蝕刻之后所剩余的導電層111。
通過步驟230，然后沉積用于絕緣體112的硬掩模材料的薄層。在優(yōu)選實施例中，進行CVD過程來沉積絕緣體112。該硬掩模層，絕緣層112，優(yōu)選由氮化硅或類似物形成，將被用作MTJ堆疊11上的CMP終止層。在沉積了諸如SiO2的另一層電介質(zhì)材料之后，通過步驟232進行CMP過程以準備一平面來制備字線113。預期硬掩模層絕緣體112會在CMP過程中保護MTJ堆疊，并且在整個晶片上形成自由層1104和字線113之間的均勻間隔。然后通過步驟234提供字線113。圖4示出了在完成字線113之后MRAM單元的剖視圖。
在制備顯示在圖4中的本發(fā)明MRAM單元第一實施例的方法210中，沒有用光刻過程來形成側(cè)壁隔片110A和110B。作為替代，在步驟222進行CVD介電層沉積，接著在步驟224進行各向異性蝕刻過程，以便暴露出MTJ堆疊11及立柱107上的金屬表面，讓薄膜導體112進行接觸。
圖9示出了本發(fā)明的MRAM單元的第二實施例。MRAM單元的許多組件都類似于圖4-8c中所描述的那些組件。因此，這些組件被類似地標記。例如，位線109’對應于圖4-8c中所描述的位線109。參照圖9，進行光刻過程并接著進行蝕刻過程，將MTJ堆疊11及立柱107’上的金屬表面暴露出來。因此，對應于圖4中側(cè)壁隔片110A和110B的絕緣層110’不僅沿MTJ堆疊的邊緣存在，而且還存在于其它區(qū)域。然而，因為如上所述形成了在絕緣層110’中的孔(aperture)以便暴露出MTJ堆疊11和立柱107’，所以在薄膜導體111’接觸立柱107’和MTJ裝置頂部的地方，絕緣層110’并不存在。
返回參照圖4，示意在本發(fā)明MRAM單元的第一實施例中的另一特征是，將MTJ堆疊11和位線109部分放置在立柱109之上且部分放置在介電層114的表面上。盡管圖4所描述的MRAM單元較好地實現(xiàn)了其所要達到的目的，然而此布局(layout)的潛在問題是，立柱107的金屬表面和介電層114的表面可能不具有相同的光滑度。另外，由于在CMP過程中一般被稱為“碟形(dishing)”的現(xiàn)象，導致兩個區(qū)域107和114的表面可能不在相同的水平面上。另外，在兩個區(qū)域107和114中的晶粒結(jié)構(gòu)也不同。因此，生長在立柱108表面上的MTJ堆疊11和位線109的那部分可能不同于生長在電介質(zhì)表面上的MTJ堆疊11和位線109的那部分。該差異可能會對MRAM裝置的性能造成負面影響。
圖10示出了可以解決該潛在問題的本發(fā)明MRAM單元的第三實施例。圖10中所示出的MRAM單元的許多組件都類似于圖4-8c中所描述的那些組件。因此，這些組件被類似地標記。例如，位線109”對應于圖4-8c中描述的位線109。在圖10描述的MRAM單元中，MTJ堆疊11”和位線109”完全地位于立柱107”之上，并且完全脫離了電介質(zhì)114”的表面。調(diào)節(jié)立柱107的大小以便適應MTJ堆疊11的尺寸。由此，在圖10所描述的實施例中，立柱107”包括兩個部分，立柱107”和頂部107A”。
圖11示出了本發(fā)明MRAM單元的第四實施例。圖11中所示出的MRAM單元的許多組件都類似于圖4-8c中所描述的那些組件。因此，這些組件被類似地標記。例如，位線109對應于圖4-8c中描述的位線109。在圖11描述的實施例中，MTJ堆疊11和位線109完全位于介電層114的表面上。
在圖4所描述的實施例中，在沉積自由層1104之后沉積固定層1102。圖12示出了本發(fā)明的MRAM單元的第五實施例。圖12中所示出的MRAM單元的許多組件都類似于圖4-8c中所描述的組件。因此，這些組件被類似地標記。例如，位線109””對應于圖4-8c中描述的位線109。在圖12描述的MRAM中，在固定層1102’之后沉積MTJ堆疊11’的自由層1104’。雖然圖4所描述的第一實施例允許在位線109和自由層1104之間具有小間距，但圖12所描述的第五實施例允許固定層1102’具有與位線109””相同的橫向形狀，而不必從電的角度沿位線109””的方向被切成段。
圖13示出了本發(fā)明的MRAM單元的第六實施例。圖13中所示出的MRAM單元的許多組件都類似于圖4-8c中所描述的那些組件。因此，這些組件被類似地標記。例如，位線109”對應于圖4-8c中描述的位線109。在圖13描述的實施例中，從MTJ堆疊11”去掉圖13所描述的第六實施例中的固定層1102。作為替代，位線109由磁性材料制成并且既作為位線又作為固定層起作用。由此，直接在MTJ堆疊11其余部分下的那部分位線109”作為MTJ堆疊11”的固定層起作用。磁位線109”可以具有反鐵磁(AFM)固定層以便通過交換耦合來固定位線109”的磁化方向，或者利用形狀各向異性來保持磁化方向基本上沿著位線109”的長軸。如果利用AFM固定層，那么AFM層可以使位線109”的磁化方向沿著其長軸或者垂直于其長軸。
因此，圖4和6a-13中所描述的MRAM存儲器提供了一種MRAM體系結(jié)構(gòu)，其可用更簡單的過程來制備，諸如圖5a-5b中所描述的那些過程。另外，該簡化的制備過程和MRAM體系結(jié)構(gòu)使得可將MRAM單元的尺寸更好地按比例縮小到更小。此外，特別是在使用了一根或多根磁寫入線或磁覆層寫入線的情況下，該MRAM體系結(jié)構(gòu)提供了改進的寫入效率，兼具更好的可按比例縮小性和簡化的制備過程。
本發(fā)明已經(jīng)公開了一種方法和系統(tǒng)，用于提供具有改進的效率和簡化的制備過程的磁存儲器。盡管已經(jīng)依照所示出的實施例描述了本發(fā)明，然而本領域內(nèi)的普通技術(shù)人員會很容易地認識到可以對所述實施例進行變化，并且那些變化是在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，本領域內(nèi)的普通技術(shù)人員可以進行許多修改，而不脫離隨附的權(quán)利要求的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁隨機存取存儲器單元，包括具有頂部和底部的磁存儲器元件；在所述磁存儲器元件之下的第一寫入線，所述第一寫入線與所述磁存儲器元件的底部電連接；在所述磁存儲器元件之上的第二寫入線，所述第二寫入線與所述磁存儲器元件電絕緣并且與所述第一寫入線成一角度。
2.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器單元，其中所述角度是九十度。
3.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器單元，還包括位于磁存儲器元件下面并與所述磁存儲器元件的頂部電連接的選擇裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的磁隨機存取存儲器單元，其中所述磁存儲器元件是磁隧道結(jié)裝置，包括具有可變磁矢量的自由層、具有固定磁矢量的固定層、以及在所述自由層和固定層之間的薄絕緣隧穿層。
5.如權(quán)利要求4所述的磁隨機存取存儲器單元，其中所述具有固定磁矢量的固定層在自由層之后沉積并且位于所述薄絕緣隧穿層之上。
6.如權(quán)利要求4所述的磁隨機存取存儲器單元，其中所述固定層在自由層之前沉積并且位于所述薄絕緣隧穿層之下。
7.如權(quán)利要求6所述的磁隨機存取存儲器單元，其中所述固定層具有與所述第一寫入線基本上相同的橫向形狀。
8.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器單元，其中所述第二寫入線進一步包括中央部分和邊緣區(qū)域，所述邊緣區(qū)域包括不面對磁存儲器元件，所述邊緣區(qū)域包括鐵磁覆層，由此將所述磁存儲器元件附近的磁場集中起來。
9.如權(quán)利要求8所述的磁隨機存取存儲器單元，其中所述鐵磁覆層與所述第二寫入線的中央部分電絕緣。
10.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器單元，其中所述第一寫入線包括軟磁材料。
11.如權(quán)利要求10所述的磁隨機存取存儲器單元，其中所述第一寫入線與所述磁存儲器元件靜磁耦合。
12.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器單元，其中所述第一寫入線是多層結(jié)構(gòu)，包括至少一個非磁層以及鄰近所述至少一個非磁層的至少一個軟磁層。
13.如權(quán)利要求12所述的磁隨機存取存儲器單元，其中所述至少一個軟磁層包括多個軟磁層，所述至少一個非磁層包括多個非磁層，并且所述多個軟磁層中的每一個由所述多個非磁層中的每一個來交替。
14.如權(quán)利要求3所述的磁隨機存取存儲器單元，還包括具有橫向幾何結(jié)構(gòu)的導電立柱，所述立柱用于電連接所述磁元件和選擇裝置，并且位于所述磁存儲器元件和選擇裝置之間；并且其中所述磁存儲器元件形成在由所述立柱的橫向幾何結(jié)構(gòu)所勾劃的區(qū)域內(nèi)。
15.如權(quán)利要求3所述的磁隨機存取存儲器單元，還包括具有橫向幾何結(jié)構(gòu)的導電立柱，所述立柱用于電連接所述磁元件和選擇裝置，并且位于所述磁存儲器元件和選擇裝置之間；并且其中所述磁存儲器元件形成在由所述立柱的橫向幾何結(jié)構(gòu)所勾劃的區(qū)域外。
16.如權(quán)利要求3所述的磁隨機存取存儲器單元，還包括具有橫向幾何結(jié)構(gòu)的導電立柱，所述立柱用于電連接所述磁元件和選擇裝置，并且位于所述磁存儲器元件和選擇裝置之間；并且其中所述磁存儲器元件部分地形成在由所述立柱的橫向幾何結(jié)構(gòu)所勾劃的區(qū)域內(nèi)。
17.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器單元，其中所述第一寫入線包括至少一層鐵磁材料；并且其中所述磁元件是包括固定層的磁隧道結(jié)裝置，第一寫入線的所述至少一層的一部分作為固定層起作用。
18.一種磁隨機存取存儲器，包括多個磁存儲器元件，所述多個磁存儲器元件中的每一個都具有頂部和底部；在所述多個磁存儲器元件之下的第一多根寫入線，所述第一多根寫入線的寫入線與所述多個磁存儲器元件的相應磁存儲器元件的底部電連接；在所述多個磁存儲器元件之上的第二多根寫入線，所述第二多根寫入線與所述多個磁存儲器元件電絕緣，所述第二多根寫入線與所述第一多根寫入線成一角度，所述多個磁存儲器元件位于所述第一多根寫入線和第二多根磁寫入線之間的交點。
19.一種用于提供磁隨機存取存儲器單元的方法，包括步驟(a)提供第一寫入線層；(b)在所述第一寫入線層之上提供多個磁存儲器元件層，所述多個磁存儲器元件層的一部分與所述第一寫入線層電連接；(c)從所述多個磁存儲器元件層和第一寫入線層來定義磁存儲器元件和第一寫入線；(d)在所述磁存儲器元件之上提供第二寫入線，所述第二寫入線與所述磁存儲器元件電絕緣并且與所述第一寫入線成一角度。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述角度是九十度。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括步驟(e)提供選擇裝置，所述選擇裝置在提供所述多個磁存儲器元件層之前存在；以及(f)提供導電層，用于將所述選擇裝置電連接到所述磁存儲器元件的頂部。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述提供多個磁存儲器元件層的步驟(b)進一步包括步驟(b1)提供具有可變磁矢量的自由層；(b2)提供具有固定磁矢量的固定層；以及(b3)提供在所述自由層和固定層之間的薄絕緣隧穿層。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述提供固定層的步驟(b2)進一步包括步驟(b2i)在已經(jīng)沉積了所述自由層和薄絕緣隧穿層之后沉積所述固定層。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述提供固定層的步驟(b2)進一步包括步驟(b2i)在沉積所述自由層和薄絕緣隧穿層之前沉積所述固定層。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述固定層具有與所述第一寫入線基本上相同的橫向形狀。
26.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述提供第二寫入線的步驟(d)進一步包括步驟(d1)用非磁材料提供所述第二寫入線的中央部分；以及(d2)用鐵磁覆層提供所述第二寫入線的邊緣區(qū)域，所述邊緣區(qū)域包括不面對所述磁存儲器元件，由此將緊接所述磁存儲器元件的磁場集中起來。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述鐵磁覆層與所述第二寫入線的中央部分電絕緣。
28.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述提供第一寫入線層的步驟(a)進一步包括步驟(a1)沉積軟磁材料。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述第一寫入線與所述磁存儲器元件靜磁耦合。
30.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第一寫入線是多層結(jié)構(gòu)，并且其中所述第一寫入線層提供步驟(a)進一步包括步驟(a1)提供至少一個非磁層；以及(a2)提供鄰近所述至少一個非磁層的至少一個軟磁層。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中所述至少一個軟磁層包括多個軟磁層，所述至少一個非磁層包括多個非磁層，并且所述多個軟磁層中的每一個由所述多個非磁層中的每一個來交替。
32.如權(quán)利要求21所述的方法，還包括步驟(g)提供具有橫向幾何結(jié)構(gòu)的導電立柱，所述立柱用于電連接所述磁元件和選擇裝置，并且位于所述磁存儲器元件和選擇裝置之間；并且其中所述磁存儲器元件形成在由所述立柱的橫向幾何結(jié)構(gòu)所勾劃的區(qū)域內(nèi)。
33.如權(quán)利要求21所述的方法，還包括步驟(g)提供具有橫向幾何結(jié)構(gòu)的導電立柱，所述立柱用于電連接所述磁元件和選擇裝置，并且位于所述磁存儲器元件和選擇裝置之間；并且其中所述磁存儲器元件形成在由所述立柱的橫向幾何結(jié)構(gòu)所勾劃的區(qū)域外。
34.如權(quán)利要求21所述的方法，還包括步驟(g)提供具有橫向幾何結(jié)構(gòu)的導電立柱，所述立柱用于電連接所述磁元件和選擇裝置，并且位于所述磁存儲器元件和選擇裝置之間；并且其中所述磁存儲器元件部分地形成在由所述立柱的橫向幾何結(jié)構(gòu)所勾劃的區(qū)域內(nèi)。
35.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述提供第一寫入線層的步驟(a)進一步包括步驟(a1)提供至少一層鐵磁材料；并且其中所述磁元件是包括固定層的磁隧道結(jié)裝置，第一寫入線的所述至少一層的一部分作為固定層起作用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于提供磁存儲器中的磁存儲器單元的方法和系統(tǒng)。所述方法和系統(tǒng)包括提供每個磁存儲器元件，為每個磁存儲器元件提供第一寫入線和第二寫入線。磁存儲器元件具有頂部和底部。第一寫入線在磁存儲器元件之下并且與磁存儲器元件的底部電連接。第二寫入線在磁存儲器元件之上。第二寫入線與磁存儲器元件電絕緣并且與第一寫入線成一角度。所述磁存儲器單元允許簡化的制備過程，減小的單元尺寸以及改進的編程效率。
文檔編號H01L29/76GK1791984SQ200480013279
公開日2006年6月21日 申請日期2004年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月31日
發(fā)明者石西增 申請人:磁旋科技公司