[發明專利]磁阻式隨機存取存儲器及其制造方法

有效

• 申請號: 201210520868.5
• 申請日: 2012-12-06
• 公開（公告）號: CN103378287B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發明（設計）人: 徐晨祐;劉世昌;蔡嘉雄
• 申請（專利權）人: 臺灣積體電路制造股份有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/12
• 代理公司: 北京德恒律治知識產權代理有限公司 11409
• 代理人: 章社杲;孫征

技術領域

本發明大體上涉及一種磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)，更具體而言，涉及一種帶有磁性隧道結(MTJ)單元的MRAM單元，磁性隧道結(MTJ)單元具有連續的隧道層。

背景技術

MRAM是一種包含MRAM單元的存儲器件，MRAM單元利用電阻值代替電荷儲存數據。每個MRAM單元包含磁性隧道結(MTJ)單元，磁性隧道結(MTJ)單元的電阻可以被調節為代表邏輯狀態“0”或“1”。MTJ是MRAM器件的核心元件，MTJ的形成對任何MRAM產品至關重要。

按照慣例，MTJ單元由固定磁層、自由磁層、和配置在前兩者之間的隧道層組成。MTJ單元的電阻可以通過根據固定磁層的磁矩改變自由磁層的磁矩來調節。當自由磁層的磁矩與固定磁層的磁矩平行時，MTJ單元的電阻低，然而當自由磁層的磁矩與固定磁層的磁矩反平行時，MTJ單元的電阻高。MTJ單元連接在頂部電極和底部電極之間，并且從一個電極向另一個電極流經MTJ的電流可以被檢測以確定電阻，從而確定MTJ的邏輯狀態。

圖1是由MTJ單元102組成的典型MRAM單元100的截面圖，MTJ單元102通過頂部電極106與位線104連接，并且通過底部電極110和接觸件112與MOS器件116的源極/漏極摻雜區108連接。寫入線114位于MTJ單元102的下方，用于在寫入操作期間產生電磁場以改變MTJ單元102的電阻。在讀取操作中，MOS器件116選擇通過流經位線104，頂部電極106，MTJ單元102，底部電極110和接觸件112到達源極或漏極摻雜區118的電流。位線104處檢測到的電流與參照對比以確定MTJ單元102的電阻是否代表高或低狀態。由于MRAM不利用電荷存儲數據，相較于其他類型的存儲器(諸如靜態隨機存取存儲器(SRAM)，動態隨機存取存儲器(DRAM)和閃速存儲器)，MRAM消耗較低的功率，并且漏電流更少。

圖2-圖4是MTJ單元在制造中的截面圖。參考圖2，底部導電層202，抗鐵磁性層204，固定層206，隧道層208，自由磁層210和頂部導電層212的堆疊形成在半導體襯底(未在圖中示出)之上。抗鐵磁性層204將固定層206的磁矩規定在一個方向，自由磁層210的磁矩可通過實施外部電磁力改變。光刻膠層214形成在頂部導電層212上以確定MTJ單元的制造寬度。

實施將光刻膠層214用作掩模的蝕刻工藝以去除頂部導電層212未被光刻膠層214覆蓋的部分。蝕刻工藝到達自由磁層210的頂面之后，剝離光刻膠層214，得到圖3中示出的結構。

為了使MTJ單元與其相鄰單元分隔，實施將頂部導電層212用作硬掩模的另一個蝕刻工藝(優選干法蝕刻)以去除自由磁層210，隧道層208，固定層206和抗鐵磁性層204的未被頂部導電層212覆蓋的部分。當蝕刻工藝到達底部導電層202的頂面時停止，得到的結構如圖4所示。

用于形成MTJ單元的傳統蝕刻工藝的一個缺點是MTJ單元容易受到短路可靠性問題的影響。蝕刻工藝通常在室中實施，等離子體被引入室以轟擊待制造的MTJ單元的表面。最終，可能有殘留的導電材料殘留在圖4示出的完成的MTJ單元的側壁上。這些殘留的導電材料可能在底部導電層202和頂部導電層212之間繞過隧道層208導電，從而導致MTJ單元失靈。

用于形成MTJ單元的傳統蝕刻工藝的另一個缺點是頂部導電層212和光刻膠層214厚。為了蝕刻，MTJ單元相對厚，因為它由多層組成，包括自由磁層210，隧道層208，固定層206和抗鐵磁性層204。由于頂部導電層212用作硬掩模，頂部導電層212在蝕刻工藝中被消耗。頂部導電層212要足夠厚以保證有足夠的頂部導電層212在蝕刻之后仍然保留在自由磁層210上。同樣地，光刻膠層214要足夠厚以保證有足夠的光刻膠層214在蝕刻后仍保留在頂部導電層212上。這便對MRAM的制造提出挑戰，尤其是當MRAM在超過45nm的導體寬度上持續收縮。

用于形成MTJ單元的傳統蝕刻工藝的又一個缺點是頂部導電層212的頂面可能通過蝕刻變成圓形，從而提高了在其上形成接觸件的難度。在蝕刻工藝中，頂部導電層212的轉角要比其他部分蝕刻得快。因此，在導電層212上恰當地形成接觸件很困難，因此增加了可靠性問題。

因此，需要的是一種能夠解決傳統工藝中出現的短路和掩模厚度問題的制造MRAM的方法。

發明內容