[發明專利]磁阻隨機存取存儲器單元及其制造方法

在審

• 申請號: 201310294412.6
• 申請日: 2013-07-12
• 公開（公告）號: CN103594618A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 吳國銘;鄭凱文;蔡正原;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;H01L43/02;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

本發明涉及磁阻隨機存取存儲器單元及其制造方法。

背景技術

在集成電路（IC）器件中，磁阻隨機存取存儲器（MRAM）是一種用于下一代嵌入式存儲器件的新興技術。MRAM是一種包括MRAM單元陣列的存儲器件，每一個該MRAM單元使用電阻值而非電荷存儲數據位。每個MRAM單元包括磁隧道結（“MTJ”）單元，該磁隧道結（“MTJ”）單元的電阻可以被調整，以代表邏輯“0”或邏輯“1”。該MTJ單元包括反鐵磁(“AFM”）固定層，鐵磁固定層，或固定層，薄隧道層以及鐵磁自由層。該MTJ單元的電阻，可以通過改變該鐵磁自由層的磁矩相對于固定磁層的方向被調整。特別的，當鐵磁自由層的磁矩與鐵磁固定層的磁矩平行的時候，該MTJ單元的電阻是低的，對應于邏輯0，反之，當該鐵磁自由層的磁矩與鐵磁固定層的磁矩不平行的時候，該MTJ單元的電阻是高的，對應于邏輯1。該MTJ單元在頂部和底部電極之間連接，并且可以檢測到從一個電極到另一個流過該MTJ單元的電流，以確定電阻，進而確定邏輯狀態。然而，在制造的蝕刻過程中，對該MTJ單元的各種損壞，包括對該自由鐵磁層和該隧道層的損壞，將導致該MTJ單元性能低下。

發明內容

為了解決現有技術中存在的問題，根據本發明的一個方面，提供了一種半導體存儲器件，包括：位于第一電極上方的固定層；設置在所述固定層上方的被固定層；設置在所述被固定層上方的隧道層；設置在所述隧道層上方的自由層；設置在所述自由層上方的保護層；以及設置在所述保護層上方的第二電極。

在上述器件中，其中，所述固定層包括選自由鉑錳（PtMn），銥錳（IrMn），銠錳（RhMn）以及鐵錳（FeMn）組成的組的反鐵磁（AFM）材料。

在上述器件中，其中，所述被固定層包括選自由鈷-鐵-硼（CoFeB），鈷-鐵-鉭（CoFeTa），鎳鐵（NiFe），鈷（Co），鈷鐵（CoFe），鈷鉑（CoPt），鈷鈀（CoPd），鐵鉑（FePt）以及這些的合金組成的組的鐵磁材料。

在上述器件中，其中，所述被固定層包括選自由鈷-鐵-硼（CoFeB），鈷-鐵-鉭（CoFeTa），鎳鐵（NiFe），鈷（Co），鈷鐵（CoFe），鈷鉑（CoPt），鈷鈀（CoPd），鐵鉑（FePt）以及這些的合金組成的組的鐵磁材料，其中，所述被固定層包括：第一鐵磁子層；設置在所述第一鐵磁子層上的分隔子層；以及設置在所述分隔子層上的第二鐵磁子層。

在上述器件中，其中，所述隧道層包括選自由鎂（Mg），氧化鎂（MgO），氧化鋁(AlO），氮化鋁（AlN）以及氮氧化鋁(AlON）組成的組的材料。

在上述器件中，其中，所述自由層包括選自由鈷-鐵-硼（CoFeB），鈷-鐵-鉭（CoFeTa），鎳鐵（NiFe），鈷（Co），鈷鐵（CoFe），鈷鉑（CoPt），鈷鈀（CoPd），鐵鉑（FePt）以及這些的合金組成的組的鐵磁材料。

在上述器件中，其中，所述保護層包括金屬氧化物或者金屬氮化物材料。

在上述器件中，其中，所述保護層包括金屬氧化物或者金屬氮化物材料，其中，所述金屬氧化物材料或所述金屬氮化物材料的金屬選自由鈹（Be），鎂（Mg），鋁（Al），鈦（Ti），鎢（W），鍺（Ge），鉑（Pt）以及這些的合金組成的組。

在上述器件中，其中，所述保護層包括金屬氧化物或者金屬氮化物材料，其中，所述金屬氮化物材料的氮濃度由所述半導體存儲器件的隧道磁電阻（TMR）和電阻區(RA）的目標決定。

在上述器件中，其中，所述保護層包括金屬氧化物或者金屬氮化物材料，其中，所述金屬氧化物材料的氧濃度由所述半導體存儲器件的隧道磁電阻（TMR）和電阻區（RA）的目標決定。

在上述器件中，其中，所述保護層形成的厚度在大約3埃至大約20埃的范圍內。

在上述器件中，其中，所述第一電極和所述第二電極各自包括選自由鉭（Ta），鈦（Ti），鉑（Pt），釕（Ru）和氮化鉭（TaN）組成的組的材料。

根據本發明的另一方面，還提供了一種半導體存儲器件，包括：半導體襯底；位于所述半導體襯底上方的第一電極；位于所述第一電極上方的反鐵磁層；具有設置在所述反鐵磁層上方的多個膜的被固定層，所述被固定層具有鐵磁材料；設置在所述被固定層上方的隧道層；設置在所述隧道層上方的自由層，所述自由層具有鐵磁材料；以及設置在所述自由層上方的保護層。

在上述器件中，其中，所述保護層包括含有金屬氧化物或金屬氮化物的材料。