[發明專利]用于多步驟磁性隧道結(MTJ)蝕刻的替代導電硬掩模

有效

• 申請號: 201580015190.7
• 申請日: 2015-03-16
• 公開（公告）號: CN106104830B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: Y·陸;C·樸;W-C·陳
• 申請（專利權）人: 高通股份有限公司
• 主分類號: H01L43/12
• 分類號: H01L43/12;H01L43/02;H01L43/08
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司31100
• 代理人: 亓云

技術領域

本公開一般涉及磁性隧道結(MTJ)器件。更具體地，本公開涉及制造高密度磁性隨機存取存儲器(MRAM)設備陣列。

背景

與常規的隨機存取存儲器(RAM)芯片技術不同，在磁性RAM(MRAM)中，通過存儲元件的磁化來存儲數據。存儲元件的基本結構包括由薄的隧穿阻擋分隔開的金屬鐵磁層。通常，位于阻擋下方的鐵磁層(例如，釘扎層)具有固定在特定方向上的磁化。隧穿阻擋以上的鐵磁磁性層(例如，自由層)具有可被更改以表示或“1”或“0”的磁化方向。例如，在自由層磁化與固定層磁化反平行時可表示“1”。另外，在自由層磁化與固定層磁化平行時可表示“0”，反之亦然。具有固定層、隧穿層和自由層的一種此類器件是磁性隧道結(MTJ)。MTJ的電阻取決于自由層磁化和固定層磁化是彼此平行還是彼此反平行。存儲器設備(諸如MRAM)是從可個體尋址的MTJ陣列構建的。

為了將數據寫入常規MRAM，通過MTJ來施加超過臨界切換電流的寫電流。施加超過臨界切換電流的寫電流改變自由層的磁化方向。當寫電流以第一方向流動時，MTJ可被置于或者保持在第一狀態，其中其自由層磁化方向和固定層磁化方向在平行取向上對準。當寫電流以與第一方向相反的第二方向流動時，MTJ可被置于或者保持在第二狀態，其中其自由層磁化和固定層磁化呈反平行取向。

為了讀取常規MRAM中的數據，讀電流可經由用于將數據寫入MTJ的相同電流路徑來流經該MTJ。如果MTJ的自由層和固定層的磁化彼此平行地取向，則MTJ呈現平行電阻。該平行電阻不同于在自由層和固定層的磁化以反平行取向時MTJ將呈現的電阻(反平行)。在常規MRAM中，由MRAM的位單元中的MTJ的這兩個不同電阻定義兩種相異的狀態。這兩個不同的電阻表示由該MTJ存儲邏輯“0”值還是邏輯“1”值。

MRAM是使用磁性元件的非易失性存儲器技術。例如，自旋轉移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)使用當穿過薄膜(自旋過濾器)時變為自旋極化的電子。STT-MRAM也被稱為自旋轉移力矩RAM(STT-RAM)、自旋力矩轉移磁化切換RAM(Spin-RAM)、和自旋動量轉移(SMT-RAM)。

磁性隨機存取存儲器的位單元可被布置成包括存儲器元件(例如，MRAM情形中的MTJ)模式的一個或多個陣列。自旋轉移力矩磁性隨機存取存儲器(STT-MRAM)是具有非易失性優勢的新興非易失性存儲器。具體地，STT-MARM以比片下動態隨機存取存儲器(DRAM)更高的速度操作。另外，STT-MRAM具有比嵌入式靜態隨機存取存儲器(eSRAM)更小的芯片尺寸、無限讀/寫耐久性、以及低陣列漏泄電流。

概述

根據本公開的一方面的制造磁性隧道結(MTJ)裝置的方法包括在該MTJ的第一導電硬掩模上、第一電極層上、以及磁性層上共形沉積第一間隔體層。第一間隔體層的第一部分被沉積在第一導電硬掩模的側壁上且該間隔體層的第二部分被沉積在第一導電硬掩模的表面上。該方法還包括選擇性地去除第一間隔體層的第二部分以在介電層內創建凹槽，該凹槽與第一間隔體層的第一部分對準。根據本公開的這一方面，該方法還包括用導電材料填充凹槽以在第一間隔體層的第一部分上和第一導電硬掩模上形成第二導電硬掩模。

根據本公開的一方面的MTJ裝置包括第二電極層上的第一導電硬掩模。第二電極層在MTJ層的堆疊上且電耦合至該MTJ層的堆疊。MTJ裝置包括第一導電硬掩模的側壁、第二電極層的側壁、以及MTJ層堆疊的表面上的第一間隔體。根據本公開的這一方面，MTJ裝置還包括與第一間隔體的側壁對準的第二導電硬掩模。第二導電硬掩模在第一導電硬掩模上并且在第一間隔體上。

根據本公開的另一方面的MTJ裝備包括用于掩蓋耦合至MTJ層的堆疊的第一電極層以及用于提供至第一電極層的導電路徑的第一裝置。第一掩蓋裝置鄰接第一電極層。MTJ裝備還包括用于保護第一裝置的側壁的裝置。保護裝置鄰接第一裝置的側壁、第一電極層的側壁、以及MTJ層的堆疊的表面。根據本公開的這一方面，MTJ裝備還包括用于掩蓋MTJ磁性層的堆疊以及用于電耦合至第一導電路徑的第二裝置。第二裝置與第一裝置的側壁對準并鄰接第一裝置的表面。