專利名稱：自旋力矩轉(zhuǎn)移磁性隧道結(jié)架構(gòu)和集成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電子電路，且具體來(lái)說(shuō)，涉及磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)和 與標(biāo)準(zhǔn)集成電路集成的方法。
背景技術(shù)：
與常規(guī)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)芯片技術(shù)不同，在磁性RAM(MRAM)中，數(shù)據(jù) 不存儲(chǔ)為電荷，而是改為通過(guò)存儲(chǔ)元件的磁性極化而存儲(chǔ)。所述元件由兩個(gè)磁性極化板 形成，所述兩個(gè)磁性極化板中的每一者可維持由薄絕緣層分隔的磁性極化場(chǎng)，其一起形 成磁性隧道結(jié)(MTJ)。兩個(gè)板中的一者是設(shè)定為特定極性的永久磁體(下文中為“固定 層”)；另一板(下文中為“自由磁化層”或“自由層”)的極化將改變以匹配足夠強(qiáng) 的外部場(chǎng)的極化?？蓮倪@些“單元”的柵格建置存儲(chǔ)器裝置。通過(guò)測(cè)量單元的MTJ的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)讀取MRAM單元的極化狀態(tài)。通過(guò)向?qū)?lái) 自供電線的電流經(jīng)由MTJ切換到接地的相關(guān)聯(lián)晶體管供電而以常規(guī)方式選擇特定單元。 歸因于隧道磁阻效應(yīng)，單元的電阻歸因于MTJ的兩個(gè)磁性層中的極化的相對(duì)定向而改 變。通過(guò)測(cè)量所得電流，可確定任何特定單元內(nèi)部的電阻，且從此可確定自由可寫(xiě)層的 極性。如果兩個(gè)層具有相同極化，則認(rèn)為此意味狀態(tài)“0”，且電阻是“低”的，而如 果兩個(gè)層具有相反的極化，則電阻將為較高的且此意味狀態(tài)“1”。使用多種技術(shù)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到單元。在常規(guī)MRAM中，外部磁場(chǎng)由接近于所述單 元的導(dǎo)線中的電流提供，其足夠強(qiáng)以對(duì)準(zhǔn)自由層。自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)MRAM使用自旋 對(duì)準(zhǔn)(“極化”)電子來(lái)直接扭轉(zhuǎn)自由層的磁疇。具體來(lái)說(shuō)，此種經(jīng)極化電子通過(guò)施加 足夠的力矩以重新對(duì)準(zhǔn)(例如，反轉(zhuǎn))自由層的磁化而流入到自由層中。存儲(chǔ)器系統(tǒng)成本的一個(gè)重要決定因素是組件的密度。每一單元的較小組件和較 少組件使得較多單元能夠封裝于單一芯片上，其又意味著更多芯片可從單一半導(dǎo)體晶片 同時(shí)產(chǎn)生且以較低成本和改進(jìn)的良率進(jìn)行制造。然而，將集成電路縮放到較高裝置間距 密度在制造此類裝置的多個(gè)層時(shí)增大對(duì)掩模對(duì)齊的關(guān)鍵尺寸的需求。另外，制造工藝流程影響成本。制造MRAM的常規(guī)過(guò)程是復(fù)雜的，從而需要 許多掩模僅專用于制造磁性隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)。因此，需要用于MRAM制造的改進(jìn)方 法，尤其在制造過(guò)程可在放寬的掩模對(duì)齊要求的情況下集成到常規(guī)半導(dǎo)體BEOL(后段工 藝)工藝流程中時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
揭示一種磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)裝置和一種將MRAM裝置的制造過(guò)程 集成到標(biāo)準(zhǔn)后段工藝(BEOL)集成電路制造中的方法。在一方面中，一種用于磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)裝置的磁性隧道結(jié)(MTJ) 裝置包括具有第一金屬互連的襯底；以及形成于襯底上的第一電介質(zhì)鈍化阻擋層。第一 電介質(zhì)鈍化阻擋層具有用第一掩模圖案形成以暴露第一金屬互連的第一接觸通路。所述 裝置還包括形成于第一電介質(zhì)鈍化阻擋層和第一接觸通路上的第一電極層、形成于第一 電極層上的固定磁化層、形成于固定磁化層上的隧道阻擋層，和形成于隧道阻擋層上的 自由磁化層。第一電極層與第一金屬互連連通。所述裝置還包括形成于自由磁化層上的 第二電極層。至少所述第二電極層和所述自由磁化層具有基于第二掩模圖案的形狀且定 位于第一接觸通路上方。所述裝置進(jìn)一步包括形成于固定磁化層上和隧道阻擋層、自由 磁化層和第二電極層周圍的第二電介質(zhì)鈍化阻擋層。所述第二電介質(zhì)鈍化阻擋層僅部分 地覆蓋第二電極層。第二電介質(zhì)鈍化阻擋層和固定磁化層的至少一第一部分具有基于第 三掩模圖案的形狀。在另一方面中，一種用于將磁性隧道結(jié)(MTJ)裝置集成到集成電路中的方法包 括在半導(dǎo)體后段工藝(BEOL)工藝流程中提供具有第一層間電介質(zhì)層和第一金屬互連的 襯底。所述方法包括在襯底上沉積具有用第一掩模圖案形成以暴露第一金屬互連的第一 接觸通路的第一電介質(zhì)鈍化阻擋層。所述方法進(jìn)一步包括在第一層間電介質(zhì)層、第一金 屬互連和第一電介質(zhì)鈍化阻擋層上方沉積與第一金屬互連連通的第一電極層，在第一電 極層上沉積固定磁化層，在固定磁化層上沉積隧道阻擋層，在隧道阻擋層上沉積自由磁 化層，且在自由磁化層上沉積第二電極層。所述方法仍進(jìn)一步包括在第一接觸通路上方 用第二掩模圖案來(lái)圖案化MTJ堆疊，其中MTJ堆疊包括自由磁化層和第二電極層。所述 方法還包括在MTJ堆疊周圍沉積第二電介質(zhì)鈍化阻擋層。第二電介質(zhì)鈍化阻擋層經(jīng)形成 以使第二電極層暴露。所述方法還包括在第二電介質(zhì)鈍化阻擋層上沉積與第二電極層連 通的第三電極層。所述方法進(jìn)一步包括用第三掩模圖案來(lái)圖案化第一電極層、固定磁化 層中的至少一部分和第二電介質(zhì)鈍化阻擋層。在又一方面中，一種用于磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)的磁性隧道結(jié)(MTJ)結(jié) 構(gòu)具有用于與至少一個(gè)控制裝置連通的第一互連裝置。所述結(jié)構(gòu)還具有用于經(jīng)由使用第 一掩模形成于電介質(zhì)鈍化阻擋物中的接觸通路耦合到第一互連裝置的第一電極裝置。所 述結(jié)構(gòu)包括用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的MTJ裝置，所述MTJ裝置耦合到第一電極裝置。MTJ裝置 的一部分的橫向尺寸由第二掩模界定。所述結(jié)構(gòu)還具有用于耦合到MTJ裝置的第二電極 裝置，所述第二電極裝置具有與MTJ裝置的由第二掩模界定的部分相同的橫向尺寸。所 述結(jié)構(gòu)具有第三電極裝置和第二互連裝置。第三電極裝置用于耦合到第二電極裝置。第 三電極裝置、MTJ裝置的一部分和第一電極裝置具有基于第三掩模的形狀。第二互連裝 置用于耦合到第三電極裝置和至少一個(gè)其它控制裝置。前文已相當(dāng)廣泛地概述了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)以便可更好地理解對(duì)以下實(shí) 施例的詳細(xì)描述。將在下文中描述形成本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)的標(biāo)的物的實(shí)施例的額外特 征和優(yōu)點(diǎn)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，所揭示的概念和特定實(shí)施例可容易地利用為用 于修改或設(shè)計(jì)用于進(jìn)行本發(fā)明的相同目的的其它結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)了解，此類等效構(gòu)造不脫離如所附權(quán)利要求書(shū)中闡述的本發(fā)明的精神和范圍。將在結(jié)合 附圖考慮時(shí)從以下描述更好地理解據(jù)信為本發(fā)明的特性的關(guān)于其組織和操作方法兩者的 新穎特征，以及其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。然而，應(yīng)明確理解，所述圖中的每一者僅出于說(shuō)明和 描述目的而提供僅且無(wú)意作為對(duì)本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例的限制的界定。


為了更完整地理解本發(fā)明，現(xiàn)參考結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述。圖1是展示可有利地采用本發(fā)明的實(shí)施例的示范性無(wú)線通信系統(tǒng)的框圖。圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于半導(dǎo)體后段工藝(BEOL)工藝流程中的 MRAM的電路、布局、邏輯設(shè)計(jì)和集成的設(shè)計(jì)工作站的框圖。圖3是展示MTJ結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方案的框圖。圖4是展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性MTJ結(jié)構(gòu)的框圖。圖5是形成圖4中展示的MTJ結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的示范性工藝的示意說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式揭示用于磁性RAM (MRAM)裝置的架構(gòu)和與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體電路后段工藝(BEOL) 制造過(guò)程集成的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，所揭示的MTJ和形成方法與常規(guī)MRAM有關(guān)。 在另一實(shí)施例中，揭示自旋力矩轉(zhuǎn)移(STT)MRAM。圖1展示可有利地采用本發(fā)明的實(shí)施例的示范性無(wú)線通信系統(tǒng)100。出于說(shuō)明 的目的，圖1展示三個(gè)遠(yuǎn)程單元120、130和150以及兩個(gè)基站140。將認(rèn)識(shí)到，常規(guī) 無(wú)線通信系統(tǒng)可具有更多遠(yuǎn)程單元和基站。遠(yuǎn)程單元120、130和150包括MRAM和/ 或STTMRAM存儲(chǔ)器裝置125A、125B和125C，其為如下文進(jìn)一步論述的本發(fā)明的實(shí)施 例。圖1展示從基站140和遠(yuǎn)程單元120、130和150的前向鏈路信號(hào)180和從遠(yuǎn)程單元 120、130和150到基站140的反向鏈路信號(hào)190。在圖1中，將遠(yuǎn)程單元120展示為移動(dòng)電話，將遠(yuǎn)程單元130展示為便攜式計(jì)算 機(jī)，且將遠(yuǎn)程單元150展示為無(wú)線本地環(huán)路系統(tǒng)中的固定位置遠(yuǎn)程單元。舉例來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn) 程單元可為移動(dòng)電話、手持式個(gè)人通信系統(tǒng)(PCS)單元、例如個(gè)人數(shù)據(jù)助理的便攜式數(shù) 據(jù)單元、導(dǎo)航裝置(例如，具有GPS能力的裝置)、機(jī)頂盒、音樂(lè)播放器、視頻播放器、 娛樂(lè)單元、例如儀表讀取設(shè)備的固定位置數(shù)據(jù)單元、或存儲(chǔ)或檢索數(shù)據(jù)或計(jì)算機(jī)指令的 任何其它裝置，或其任何組合。雖然圖1根據(jù)本發(fā)明的教示說(shuō)明遠(yuǎn)程單元，但本發(fā)明不 限于這些示范性的所說(shuō)明單元?？稍诎∕RAM裝置的任何裝置中合適地采用所揭示裝 置。圖2是說(shuō)明用于所揭示半導(dǎo)體集成電路的電路、布局和邏輯設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工作站 的框圖。設(shè)計(jì)工作站200包括含有操作系統(tǒng)軟件、支持文件和例如CADENCE或ORCAD 的設(shè)計(jì)軟件的硬盤201。設(shè)計(jì)工作站200還包括顯示器202以促進(jìn)電路設(shè)計(jì)210的設(shè)計(jì)。 電路設(shè)計(jì)210可為如上文所揭示的存儲(chǔ)器電路。提供存儲(chǔ)媒體204以用于有形地存儲(chǔ)電 路設(shè)計(jì)210。電路設(shè)計(jì)210可以例如GDSII或GERBER的文件格式存儲(chǔ)于存儲(chǔ)媒體204 上。存儲(chǔ)媒體204可為CD-ROM、DVD、硬盤、快閃存儲(chǔ)器，或其它適當(dāng)裝置。此外， 設(shè)計(jì)工作站200包括用于接受來(lái)自存儲(chǔ)媒體204的輸入或向存儲(chǔ)媒體204寫(xiě)入輸出的驅(qū)動(dòng)設(shè)備203。記錄于存儲(chǔ)媒體204上的數(shù)據(jù)可規(guī)定邏輯電路配置、用于光刻掩模的圖案數(shù)據(jù) 或用于例如電子束光刻的串行寫(xiě)入工具的掩模圖案數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可進(jìn)一步包括例如與邏輯 仿真相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖或網(wǎng)狀電路的邏輯驗(yàn)證數(shù)據(jù)。在存儲(chǔ)媒體204上提供數(shù)據(jù)通過(guò)減少 設(shè)計(jì)半導(dǎo)體IC的工藝數(shù)目而促進(jìn)電路設(shè)計(jì)210的設(shè)計(jì)。為說(shuō)明常規(guī)MTJ結(jié)構(gòu)中的制造問(wèn)題，圖3展示如可以常規(guī)方式制造的MTJ裝置 300的實(shí)施方案。作為后段工藝(BEOL)工藝流程的部分，金屬互連301形成于層間電 介質(zhì)層(ILD 302)中的通路中。舉例來(lái)說(shuō)，ILD 302將磁性隧道結(jié)MTJ 303與例如晶體 管的開(kāi)關(guān)裝置分開(kāi)。將電介質(zhì)阻擋層304安置于ILD 302上，其中對(duì)應(yīng)于金屬互連301的位置而形成 通路305。電介質(zhì)阻擋物的各種層可(例如)由金屬氧化物、金屬碳化物或金屬氮化物形 成。舉例來(lái)說(shuō)，阻擋物材料可為SiOx、SiC、SiN。可(例如)基于對(duì)容易受各種蝕刻劑 影響或耐各種蝕刻劑的要求而作出選擇。使用第一掩模形成對(duì)應(yīng)于金屬互連301的位置 的通路305。用以形成第一電極306的金屬化可安置于通路305中以接觸金屬互連301。形成MTJ 303的層的堆疊沉積于第一電極306上。層的堆疊包括參考層307 (其 可為固定層和反鐵磁層，未個(gè)別展示)、隧道阻擋層308和自由層309。第二電極310提 供于自由層309上。MTJ 303和第二電極310將共同稱為MTJ堆疊。第二(“堆疊”) 掩模和一系列蝕刻產(chǎn)生如圖3中展示的MTJ堆疊。電介質(zhì)鈍化阻擋層311囊封MTJ 303 堆疊，其后可應(yīng)用平面化以使電介質(zhì)鈍化阻擋層311變平且暴露第二電極310。用以形成第三電極312的第三金屬化層可安置于經(jīng)平面化的電介質(zhì)鈍化阻擋層 311上方，從而與第二電極310電接觸。用以形成第一電極306、第二電極310和第三電 極312的金屬化可選自包括例如鉭(Ta)的耐火金屬的各種金屬。鉭歸因于其合意特性通 常作為擴(kuò)散阻擋物應(yīng)用到標(biāo)準(zhǔn)BEOL。電介質(zhì)阻擋層313安置于第三電極312上方。接著應(yīng)用第三掩模以圖案化并界定 電介質(zhì)阻擋層313、第三電極312、電介質(zhì)鈍化阻擋層311和第一電極306的橫向范圍， 如圖3中所展示。額外過(guò)程可包括標(biāo)準(zhǔn)后段工藝(BEOL)過(guò)程。舉例來(lái)說(shuō)，可將另一電介質(zhì)層(作 為鈍化或ILD層)314沉積于電介質(zhì)阻擋層313和電介質(zhì)阻擋層304上。在電介質(zhì)阻擋層 313和電介質(zhì)層314中形成通路。用金屬填充通路以提供金屬互連315從而接觸第三電極 312，如圖3中所展示。對(duì)于上文關(guān)于圖3描述的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)若干問(wèn)題。第一掩模需要與金 屬互連301精密地對(duì)準(zhǔn)以確保第一電極306接觸金屬互連301。堆疊掩模(用以界定MTJ 堆疊)也需要精密地對(duì)準(zhǔn)，以避免靠近金屬互連301和對(duì)應(yīng)通路305 (由第一掩模形成) 而放置MTJ堆疊，且確保MTJ堆疊的層的適當(dāng)界定和對(duì)齊。從一個(gè)掩模到下一掩模的一 連串關(guān)鍵尺寸對(duì)準(zhǔn)可超出容限且對(duì)良率和因此的成本具有不利影響。此外，電介質(zhì)阻擋層304可與第一電極306相當(dāng)或比第一電極306厚。因此， 第一電極306的階梯覆蓋歸因于靠近通路305的附近的拓?fù)渥兓赡懿涣钊藵M意。換句 話說(shuō)，第一電極306與金屬互連301之間的電接觸可能不充分。因此，應(yīng)避免接近通路 305的邊緣制造MTJ堆疊以保證MTJ 303的所有層在沉積時(shí)是厚度均一且平坦的。否則可能不利地?fù)p害MTJ 303的質(zhì)量和可靠性。可能出現(xiàn)MTJ 303的某些層約為lnm，例如 阻擋層308，其易受損害且對(duì)拓?fù)錁O為敏感。然而，增大MTJ 303與通路305之間的橫 向間隔以將MTJ 303與通路305的拓?fù)涓綦x并確保平坦度可能不合意地需要較多襯底空 間。同等重要的是，從MTJ 303穿過(guò)第一電極306到金屬互連301的額外電流路徑距離 將至少歸因于第一電極306的薄片電阻率而增大接觸電阻。在自旋力矩轉(zhuǎn)移(STT)MRAM中，在寫(xiě)入模式中由流經(jīng)結(jié)(即，在參考層307 與自由層309之間穿過(guò)隧道通過(guò)阻擋層308)的電流直接調(diào)制自由層309的磁化。視電子 如何流動(dòng)而定，可寫(xiě)入狀態(tài)0或狀態(tài)1，因?yàn)殡娮与娏鹘?jīng)自旋極化，其設(shè)定自由層極化。 關(guān)于常規(guī)MRAM，在讀取模式中通過(guò)確定穿過(guò)兩個(gè)磁性層(參考層307和自由層309，其 相對(duì)極化可為并行或反并行的)之間的阻擋層308的電子隧穿電阻而確定裝置結(jié)的電流。圖4說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的MTJ裝置400。在此實(shí)施例(如下文更詳 細(xì)地描述)中，僅一個(gè)掩模界定MTJ結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵的選定納米級(jí)特征，但掩模對(duì)準(zhǔn)并非關(guān) 鍵尺寸。剩余掩模和相關(guān)聯(lián)的工藝受益于放寬的關(guān)鍵尺寸要求。所述工藝與半導(dǎo)體后段 工藝(BEOL)工藝流程是集成兼容的。此外，縮放為較小MTJ大小的單元可導(dǎo)致較快的 切換速度、較高的驅(qū)動(dòng)電流密度、較低的絕對(duì)電流和功率、MTJ參考堆疊層的改進(jìn)的穩(wěn) 定性，和減少的雜散磁場(chǎng)效應(yīng)。MTJ裝置400實(shí)施于STT MRAM中，但MTJ裝置400 可替代地適用于常規(guī)MRAM。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，整個(gè)裝置制造過(guò)程(即，包括前段工藝(FEOL)和后 段工藝(BEOL)兩者)的MTJ制造部分經(jīng)結(jié)構(gòu)化以允許包括用于形成MTJ裝置的至少納 米級(jí)部分(包括至少第二電極層410、自由層409和隧道阻擋層408，下文詳細(xì)進(jìn)行描述) 的工藝流程。額外工藝流程的此部分僅使用對(duì)于特征大小為關(guān)鍵的一個(gè)掩模。所述一 個(gè)掩模對(duì)放置對(duì)準(zhǔn)不敏感。額外工藝流程的第二部分使用含有MTJ裝置的較大結(jié)構(gòu)元件 (即，參考層407(其可為固定反鐵磁層和合成反鐵磁(SAF)層，未個(gè)別展示)、第一電 極406和第三電極412，下文也詳細(xì)描述)的兩個(gè)掩模，其中掩模對(duì)準(zhǔn)是相對(duì)非關(guān)鍵的。 因此，提供將MRAMMTJ集成到用于制造集成電路的BEOL工藝流程中的方法，其中在 放置對(duì)準(zhǔn)為相對(duì)非關(guān)鍵的情形下采用一個(gè)裝置大小關(guān)鍵尺寸掩模和兩個(gè)額外掩模。第一掩模打開(kāi)電介質(zhì)阻擋層404中的第一接觸通路(還稱為種子開(kāi)口)405以暴 露子層中的金屬互連401，其中接觸通路開(kāi)口可實(shí)質(zhì)上大于金屬互連401。所述掩模允許 大的接觸通路開(kāi)口提供大的平面區(qū)域以在后續(xù)制造過(guò)程中容易地定位較小的MTJ結(jié)構(gòu)， 借此放寬關(guān)鍵對(duì)準(zhǔn)對(duì)齊，且改進(jìn)待沉積的參考磁化層407的均一性和穩(wěn)定性。用另一掩 模(還稱為“第三”掩模)形成大于接觸通路405的第一電極406，因此確保與金屬互連 401和與先前形成的電路(即，在MTJ裝置400下方)的重疊和接觸，且在不要求關(guān)鍵掩 模對(duì)準(zhǔn)的情形下重疊接觸通路405 (由電介質(zhì)阻擋層404形成)的環(huán)繞緣?？墒褂门c用以形成第一電極406的相同掩模來(lái)圖案化參考層407。參考層407 和第一電極406大于MTJ的納米級(jí)部分。較大參考層407和接觸通路區(qū)域確保在裝置的 使用期限期間固定磁性參考場(chǎng)的較大穩(wěn)定性，且將參考層407的邊緣處的邊緣場(chǎng)(fringing field)遠(yuǎn)離MTJ的納米級(jí)部分的自由層409而放置以減少雜散場(chǎng)效應(yīng)。產(chǎn)生兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)假如納米級(jí)MTJ部分經(jīng)放置而遠(yuǎn)離任何拓?fù)涮卣?例如，與接 近阻擋層接觸通路405的緣的參考層/第一電極407/406的重疊相關(guān)聯(lián)的邊緣)，則用以連接到金屬互連401的第一電極406的對(duì)準(zhǔn)因此是非關(guān)鍵的，且納米級(jí)MTJ部分在參考 層407上的放置是非關(guān)鍵的。當(dāng)金屬互連形成工藝需要平面化時(shí)，納米級(jí)MTJ部分可經(jīng) 定位以也避免此區(qū)域。MTJ的納米級(jí)部分包括隧道阻擋層408和自由層409，稱為“堆疊”。堆疊可 進(jìn)一步包括與自由層409接觸的與隧道阻擋層408相對(duì)的第二電極410。使用第二掩模來(lái) 圖案化和蝕刻堆疊。在另一實(shí)施例中，使用第三掩模來(lái)形成隧道阻擋層408，借此使得隧 道阻擋層408在表面區(qū)域和形狀上與參考層407和第一電極406實(shí)質(zhì)上相同?？梢杂糜趫D案化參考層407和第一電極406的相同第三掩模來(lái)圖案化第三電極 412，其再次為非關(guān)鍵對(duì)準(zhǔn)。接觸通路405形成于電介質(zhì)阻擋物404中，且由第一掩模圖案界定。接觸通路 405大于形成于圖3中展示的常規(guī)結(jié)構(gòu)中的通路305。第一電極406形成于第一層間電介 質(zhì)(ILD)402、電介質(zhì)阻擋物404和金屬互連401上方，與大接觸通路405的邊緣重疊。 即，第一電極406與形成接觸通路405的邊界的電介質(zhì)阻擋物404的緣重疊。與圖3中 展示的通路305和金屬互連301的實(shí)例相比，將接觸通路405定位于金屬互連401上方對(duì) 相對(duì)于金屬互連401的位置不敏感。因此，用以形成接觸通路405的第一掩模的放置準(zhǔn) 確度并非關(guān)鍵尺寸，從而改進(jìn)了此工藝的可靠性和良率。結(jié)構(gòu)中所包括的例如電介質(zhì)阻擋物404等電介質(zhì)阻擋物的各種層可由(例如) 金屬氧化物、金屬碳化物或金屬氮化物形成。舉例來(lái)說(shuō)，阻擋物材料可為SiOx、SiC、 SiN。可基于對(duì)容易受各種蝕刻劑影響或耐各種蝕刻劑的需要作出選擇。在發(fā)生任何圖案化之前將參考層407沉積于從中形成第一電極406的金屬化上 方。另外，隧道阻擋層408、自由層409和(任選地)用于第二電極410的金屬層可依次 形成于參考層407上方?？稍趩我还に囍杏玫诙谀D案化層408、409、410，且所述 層依次經(jīng)適當(dāng)蝕刻以形成MTJ “堆疊”。鑒于堆疊的尺寸可為納米級(jí)的，且具有關(guān)鍵尺 寸，所以掩模的放置并非關(guān)鍵尺寸。假如接觸通路405的區(qū)域已被選擇為適當(dāng)大的，則 堆疊可在通路接觸通路405的緣處的第一電極406和參考層407的階梯邊緣內(nèi)或遠(yuǎn)離所述 階梯邊緣形成。如果金屬互連401中的凹陷并不顯著，則堆疊可還定位于金屬互連401 的位置上方。作為適于示范性STT MRAM MTJ的尺寸的實(shí)例，對(duì)于65nm和45nm的技術(shù)節(jié) 點(diǎn)來(lái)說(shuō)，金屬互連401可為約70nm。第一電極406和參考層407可具有由通路接觸通路 405界定的平面部分為至少70nm的尺寸。MRAM的單元大小可受第一電極406或第三 電極412的大小影響。因此，接觸通路405可能比通路305大。只要在第一電極406與 金屬互連401之間存在導(dǎo)電接觸，就進(jìn)一步放寬關(guān)鍵尺寸對(duì)齊。MTJ裝置400包括第二(局部)電介質(zhì)鈍化阻擋層411以隔離堆疊與第三電極層 412。在對(duì)準(zhǔn)上是非關(guān)鍵的且大于接觸通路405的第三掩模從第三電極層412向下到第一 電極406而圖案化MTJ結(jié)構(gòu)。MTJ裝置400還包括全局電介質(zhì)鈍化阻擋層416以囊封先 前形成和蝕刻的層。全局電介質(zhì)鈍化阻擋層416禁止進(jìn)入(或來(lái)自)結(jié)的關(guān)鍵層的污染 物滲透，所述關(guān)鍵層包括電極406、410、412、固定參考層407、自由層409和隧道阻擋 層 408。通過(guò)可實(shí)質(zhì)上為BEOL工藝流程的后續(xù)過(guò)程而完成MTJ裝置400 (例如)以平面化結(jié)構(gòu)且使用(例如)金屬互連415提供到其它電路的電連接性?？闪私?，可作為源極 線和位線來(lái)應(yīng)用金屬互連401和415。圖5說(shuō)明用于根據(jù)一個(gè)實(shí)施例形成MRAM MTJ裝置400的示范性工藝500。過(guò) 程1是形成MRAM MTJ裝置400的方法插入到標(biāo)準(zhǔn)BEOL工藝流程中的點(diǎn)，且過(guò)程8是 常規(guī)BEOL工藝流程繼續(xù)的點(diǎn)。過(guò)程1 使用第一電介質(zhì)鈍化阻擋層404涂覆包含具有含有金屬互連401的通孔 通路的ILD 402的襯底。第一掩模圖案打開(kāi)具有選定大小、至少與金屬互連401重疊并 比金屬互連401大的接觸通路405。接著以一連串層涂覆襯底用于第一電極406的電 極層金屬化、磁化參考層407、隧道阻擋層408、自由層409和用于第二電極410的第二
金屬化層。過(guò)程2 第二掩模圖案(“堆疊”掩模)界定MTJ裝置的關(guān)鍵(或納米級(jí))部 分。在一個(gè)實(shí)施例中，關(guān)鍵部分的大小比接觸通路405小。在此實(shí)施例中，基于第二掩 模圖案化第二電極410、自由層409和隧道阻擋層408。由于僅少數(shù)層經(jīng)蝕刻且MTJ的相 對(duì)較薄部分經(jīng)處理，因此此蝕刻過(guò)程較易控制(例如，相對(duì)于底切、過(guò)度蝕刻等)，且所 述過(guò)程固有地自對(duì)準(zhǔn)。在此實(shí)施例中，用第二掩模圖案來(lái)圖案化隧道阻擋層408。在另 一實(shí)施例中(未圖示)，如過(guò)程6中所描述用第三掩模圖案來(lái)圖案化隧道阻擋層408。第 二掩模可經(jīng)配置而以橢圓形狀來(lái)圖案化關(guān)鍵部分，從而增強(qiáng)在兩個(gè)極化狀態(tài)中自由層409 與磁化參考層407之間的極化對(duì)準(zhǔn)/反對(duì)準(zhǔn)。在一個(gè)實(shí)施例中，在第二掩模過(guò)程期間蝕 刻參考層407的一部分。舉例來(lái)說(shuō)，可蝕刻SAF層的全部或一部分。如果合成反鐵磁 (SAF)層的全部均被蝕刻，則還可蝕刻固定反鐵磁層的小部分。過(guò)程3:在界定MTJ裝置400的關(guān)鍵部分后，第二電介質(zhì)鈍化阻擋層411經(jīng)沉積 以使關(guān)鍵部分絕緣且囊封關(guān)鍵部分。第二電介質(zhì)鈍化阻擋層411可通常為氮化硅、氧化 硅或另一電介質(zhì)材料。視其它制造過(guò)程的特性而定，其可為與電介質(zhì)鈍化阻擋層404相 同的材料，或可為另一絕緣材料。過(guò)程4:所沉積的第二電介質(zhì)鈍化阻擋物411表面經(jīng)平面化以暴露第二電極 410。過(guò)程5:因?yàn)榈诙姌O410的尺寸可能較小(即，納米級(jí))，所以在襯底的表面 上沉積額外金屬化以稍后經(jīng)圖案化從而形成第三電極412。第三電極412接觸第二電極 410。過(guò)程6 第三掩模過(guò)程圖案化MTJ裝置400的從第三電極412向下到第一電極 406且包括第二電介質(zhì)鈍化阻擋物411的單元?？蓱?yīng)用一系列材料選擇性蝕刻以從第三電 極412垂直向下到(但不包括)電介質(zhì)阻擋層404而提供網(wǎng)狀單元形狀(如由第三掩模確 定)。雖然圖4展示用于圖案化第三電極412的相同掩模過(guò)程，但不同掩?？扇芜x地用以 形成具有不同形狀和大小的第三電極(如果需要)。過(guò)程7:接著將全局電介質(zhì)鈍化阻擋層416沉積于整個(gè)暴露表面上方，以進(jìn)一步 “遮蓋”過(guò)程6中形成的結(jié)構(gòu)。全局電介質(zhì)鈍化阻擋層416可為與電介質(zhì)阻擋層404相 同的材料，或其可為不同的材料。示范性材料包括碳化硅、氮化硅、氧化硅和其組合。過(guò)程8 第二層間電介質(zhì)(ILD) 414沉積于全局電介質(zhì)鈍化阻擋層416上方且經(jīng) 平面化(如果過(guò)量沉積)，以在納米級(jí)MTJ結(jié)構(gòu)上方直接暴露鈍化阻擋層416的一部分。經(jīng)平面化的ILD 414可充當(dāng)襯底，在BEOL工藝流程內(nèi)在所述襯底上建立裝置功能性的額 外層級(jí)。用以圖案化MTJ堆疊的相同掩模(即，第二掩模)或另一掩?？扇芜x地用以在 過(guò)程7中所形成的電介質(zhì)鈍化阻擋層416中圖案化接觸通路?；蛘?，可使用另一 BEOL 規(guī)定的掩模。接觸通路準(zhǔn)許形成金屬互連415。掩模對(duì)齊并非關(guān)鍵的，且不需要直接置 放于MTJ堆疊上方。然而，可通過(guò)此類直接置放而減小接觸電阻。可了解，所揭示的結(jié)構(gòu)和方法為“制造友好型”，原因在于三個(gè)掩模中的僅一 者用以界定關(guān)鍵尺寸元件。此外，三個(gè)掩模的對(duì)準(zhǔn)對(duì)齊并非關(guān)鍵尺寸要求。另外，由于 有提供更均一的固定磁化場(chǎng)的大得多的參考層，在存儲(chǔ)器操作期間控制自由層的極化變 得較容易。另一優(yōu)點(diǎn)是改進(jìn)的縮放性關(guān)鍵自由層部分的較小MTJ結(jié)構(gòu)的制造準(zhǔn)許較高的 驅(qū)動(dòng)電流密度(和較低的絕對(duì)電流)，從而導(dǎo)致較快切換，同時(shí)較大的參考層改進(jìn)了穩(wěn)定 性。又一優(yōu)點(diǎn)是改進(jìn)的良率，因?yàn)榉椒ㄝ^不易遭受原本在需要較大數(shù)目掩模之間的 關(guān)鍵尺寸對(duì)齊的情形下可能出現(xiàn)的工藝誘發(fā)的缺陷和損壞。雖然已詳細(xì)描述本發(fā)明和其優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)理解，可在不脫離如由所附權(quán)利要求書(shū) 界定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下在本文中作出各種改變、替換和更改。舉例來(lái)說(shuō)， 雖然已在論述中使用了讀取操作，但預(yù)想本發(fā)明同等地適用于寫(xiě)入操作。此外，本申請(qǐng) 案的范圍無(wú)意限于說(shuō)明書(shū)中所描述的工藝、機(jī)器、制造、物質(zhì)組成、手段和方法的特定 實(shí)施例。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將從本發(fā)明的實(shí)施例容易了解，可根據(jù)本發(fā)明利用當(dāng)前 存在或稍后待開(kāi)發(fā)的執(zhí)行與本文所描述的對(duì)應(yīng)實(shí)施例實(shí)質(zhì)上相同的功能或?qū)崿F(xiàn)與本文所 描述的對(duì)應(yīng)實(shí)施例實(shí)質(zhì)上相同的結(jié)果的工藝、機(jī)器、制造、物質(zhì)組成、手段和方法。因 此，所附權(quán)利要求書(shū)意欲在其范圍內(nèi)包括所述工藝、機(jī)器、制造、物質(zhì)組成、手段和方 法。
權(quán)利要求
1.一種用于磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)裝置的磁性隧道結(jié)(MTJ)裝置，其包含 襯底，其具有第一金屬互連；第一電介質(zhì)鈍化阻擋層，其形成于所述襯底上，所述第一電介質(zhì)鈍化阻擋層具有用 第一掩模圖案形成以暴露所述第一金屬互連的第一接觸通路；第一電極層，其形成于所述第一電介質(zhì)鈍化阻擋層和所述第一接觸通路上，所述第 一電極層與所述第一金屬互連連通；固定磁化層，其形成于所述第一電極層上； 隧道阻擋層，其形成于所述固定磁化層上； 自由磁化層，其形成于所述隧道阻擋層上；第二電極層，其形成于所述自由磁化層上，至少所述第二電極層和所述自由磁化層 具有基于第二掩模圖案的形狀且位于所述第一接觸通路上方；以及第二電介質(zhì)鈍化阻擋層，其形成于所述固定磁化層上和所述隧道阻擋層、所述自 由磁化層和所述第二電極層周圍，所述第二電介質(zhì)鈍化阻擋層僅部分覆蓋所述第二電極 層，所述第二電介質(zhì)鈍化阻擋層和所述固定磁化層的至少第一部分具有基于第三掩模圖 案的形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性隧道結(jié)裝置，其中隧道阻擋層形狀是基于所述第二掩模 圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性隧道結(jié)裝置，其中所述第一接觸通路至少與所述第一金屬互連一樣寬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性隧道結(jié)裝置，其中所述固定磁化層的至少第二部分具有 由所述第二掩模圖案界定的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性隧道結(jié)裝置，其進(jìn)一步包含形成于所述第二電介質(zhì)鈍化 阻擋層上的第三電極層，所述第三電極層與所述第二電極層連通，所述第三電極層具有 由所述第三掩模圖案界定的形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁性隧道結(jié)裝置，其進(jìn)一步包含安置于所述第三電極層上方 的全局電介質(zhì)鈍化阻擋層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁性隧道結(jié)裝置，其進(jìn)一步包含 第二層間電介質(zhì)，其沉積于所述全局電介質(zhì)鈍化阻擋層上；以及通路，其在所述全局電介質(zhì)鈍化阻擋層中以暴露所述第三電極層的一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性隧道結(jié)裝置，其中所述第二掩模圖案具有橢圓體形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性隧道結(jié)裝置，其中所述MRAM裝置是自旋力矩轉(zhuǎn)移 (STT)MRAM 裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性隧道結(jié)裝置，其集成到半導(dǎo)體裸片中。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性隧道結(jié)裝置，其集成到選自由以下各物組成的群組的 裝置中機(jī)頂盒、音樂(lè)播放器、視頻播放器、娛樂(lè)單元、導(dǎo)航裝置、通信裝置、個(gè)人數(shù) 字助理(PDA)、固定位置數(shù)據(jù)單元和計(jì)算機(jī)。
12.—種用于將磁性隧道結(jié)(MTJ)裝置集成到集成電路中的方法，其包含在半導(dǎo)體后段工藝(BEOL)工藝流程中提供具有第一層間電介質(zhì)層和第一金屬互連 的襯底；在所述襯底上沉積具有用第一掩模圖案形成以暴露所述第一金屬互連的第一接觸通 路的第一電介質(zhì)鈍化阻擋層；在所述第一層間電介質(zhì)層、所述第一金屬互連和所述第一電介質(zhì)鈍化阻擋層上方沉 積與所述第一金屬互連連通的第一電極層，在所述第一電極層上沉積固定磁化層，在所 述固定磁化層上沉積隧道阻擋層，在所述隧道阻擋層上沉積自由磁化層，且在所述自由 磁化層上沉積第二電極層；在所述第一接觸通路上方用第二掩模圖案來(lái)圖案化MTJ堆疊，其中所述MTJ堆疊包 含所述自由磁化層和所述第二電極層；在所述MTJ堆疊周圍沉積第二電介質(zhì)鈍化阻擋層，其中所述第二電介質(zhì)鈍化阻擋層 經(jīng)形成以使所述第二電極層暴露；在所述第二電介質(zhì)鈍化阻擋層上沉積與所述第二電極層連通的第三電極層；以及 用第三掩模圖案來(lái)圖案化所述第一電極層、所述固定磁化層的至少一部分和所述第 二電介質(zhì)鈍化阻擋層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中圖案化所述MTJ堆疊進(jìn)一步包括用所述第二 掩模圖案來(lái)圖案化所述隧道阻擋層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其進(jìn)一步包含用所述第三掩模圖案來(lái)圖案化所述隧 道阻擋層。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其進(jìn)一步包含用所述第三掩模圖案來(lái)圖案化所述第三電極層。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其進(jìn)一步包含制造與所述第三電極層連通的第二金屬互連。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其進(jìn)一步包含在用所述第三掩模圖案進(jìn)行圖案化之 后在所述第三電極層上方沉積全局電介質(zhì)鈍化阻擋層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其進(jìn)一步包含 在所述全局電介質(zhì)鈍化阻擋層上沉積第二層間電介質(zhì)；平面化所述第二層間電介質(zhì)以在所述第三電極層上方暴露所述全局電介質(zhì)鈍化阻擋 層；以及在所述全局電介質(zhì)鈍化阻擋層中形成第二接觸通路以暴露所述第三電極層的一部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中將所述集成電路應(yīng)用于選自由以下各物組成的 群組的電子裝置中機(jī)頂盒、音樂(lè)播放器、視頻播放器、娛樂(lè)單元、導(dǎo)航裝置、通信裝 置、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、固定位置數(shù)據(jù)單元和計(jì)算機(jī)，所述集成電路集成到所述電子 裝置中。
20.—種用于磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)的磁性隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)，其包含 第一互連裝置，其用于與至少一個(gè)控制裝置連通；第一電極裝置，其用于通過(guò)使用第一掩模形成于電介質(zhì)鈍化阻擋物中的接觸通路而 耦合到所述第一互連裝置；MTJ裝置，其用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，所述MTJ裝置耦合到所述第一電極裝置，所述MTJ裝 置的一部分的橫向尺寸由第二掩模界定；第二電極裝置，其用于耦合到所述MTJ裝置，所述第二電極裝置具有與所述MTJ裝 置的由所述第二掩模界定的所述部分相同的橫向尺寸；第三電極裝置，其用于耦合到所述第二電極裝置，所述第三電極裝置、所述MTJ裝 置的一部分和所述第一電極裝置具有基于第三掩模的形狀；以及第二互連裝置，其用于耦合到所述第三電極裝置和至少一個(gè)其它控制裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的MTJ結(jié)構(gòu)，其集成到自旋力矩轉(zhuǎn)移(STT)MRAM半導(dǎo)體 裸片中。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的MTJ結(jié)構(gòu)，其中所述MTJ結(jié)構(gòu)集成到選自由以下各物組 成的群組的裝置中機(jī)頂盒、音樂(lè)播放器、視頻播放器、娛樂(lè)單元、導(dǎo)航裝置、通信裝 置、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、固定位置數(shù)據(jù)單元和計(jì)算機(jī)。
23.—種用于將磁性隧道結(jié)(MTJ)裝置集成到集成電路中的方法，其包含以下步驟在半導(dǎo)體后段工藝(BEOL)工藝流程中提供具有第一層間電介質(zhì)層和第一金屬互連 的襯底；在所述襯底上沉積具有用第一掩模圖案形成以暴露所述第一金屬互連的第一接觸通 路的第一電介質(zhì)鈍化阻擋層；在所述第一層間電介質(zhì)層、所述第一金屬互連和所述第一電介質(zhì)鈍化阻擋層上方沉 積與所述第一金屬互連連通的第一電極層，在所述第一電極層上沉積固定磁化層，在所 述固定磁化層上沉積隧道阻擋層，在所述隧道阻擋層上沉積自由磁化層，且在所述自由 磁化層上沉積第二電極層；在所述第一接觸通路上方用第二掩模圖案來(lái)圖案化MTJ堆疊，其中所述MTJ堆疊包 含所述自由磁化層和所述第二電極層；在所述MTJ堆疊周圍沉積第二電介質(zhì)鈍化阻擋層，其中所述第二電介質(zhì)鈍化阻擋層 經(jīng)形成以使所述第二電極層暴露；在所述第二電介質(zhì)鈍化阻擋層上沉積與所述第二電極層連通的第三電極層；以及 用第三掩模圖案來(lái)圖案化所述第一電極層、所述固定磁化層的至少一部分和所述第 二電介質(zhì)鈍化阻擋層。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中將所述集成電路應(yīng)用于選自由以下各物組成的 群組的電子裝置中機(jī)頂盒、音樂(lè)播放器、視頻播放器、娛樂(lè)單元、導(dǎo)航裝置、通信裝 置、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、固定位置數(shù)據(jù)單元和計(jì)算機(jī)，所述集成電路集成到所述電子 裝置中。
全文摘要
一種在半導(dǎo)體后段工藝(BEOL)工藝流程中用于磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)的磁性隧道結(jié)(MTJ)裝置包括第一金屬互連(401)，其用于與至少一個(gè)控制裝置連通；以及第一電極(406)，其用于通過(guò)使用第一掩模形成于電介質(zhì)鈍化阻擋物(404)中的通路而耦合到所述第一金屬互連。所述裝置還包括耦合到所述第一電極的用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的MTJ堆疊(407、408、409)，所述MTJ堆疊的一部分具有基于第二掩模的橫向尺寸。由所述第二掩模界定的所述部分在接觸通路上方。第二電極(410)耦合到所述MTJ堆疊且也具有與由所述第二掩模界定的橫向尺寸相同的橫向尺寸。所述第一電極(406)和所述MTJ堆疊的一部分(407)由第三掩模界定。第二金屬互連(415)耦合到所述第二電極和至少一個(gè)其它控制裝置。
文檔編號(hào)H01L27/22GK102017208SQ200980113890
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月21日
發(fā)明者升·H·康, 朱曉春, 李康浩, 李霞, 顧時(shí)群 申請(qǐng)人:高通股份有限公司