本

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
大體有關(guān)于形成內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)的方法及內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)，且更特別的是，有關(guān)于以例如超越40納米的先進(jìn)技術(shù)尺度形成包括磁性隨機(jī)存取內(nèi)存技術(shù)的內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

目前，半導(dǎo)體及磁性儲(chǔ)存技術(shù)為最常用數(shù)據(jù)儲(chǔ)存技術(shù)中的一些。半導(dǎo)體內(nèi)存使用基于半導(dǎo)體的電路組件，例如晶體管或電容器，來儲(chǔ)存信息，而常見半導(dǎo)體內(nèi)存芯片可能包含數(shù)百萬個(gè)此類電路組件。半導(dǎo)體內(nèi)存存在揮發(fā)性及非揮發(fā)性兩種形式。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，主要儲(chǔ)存器(primarystorage)幾乎只由動(dòng)態(tài)揮發(fā)性半導(dǎo)體內(nèi)存或動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(dram)組成。在本世紀(jì)初以來，一種習(xí)稱閃存的非揮發(fā)性半導(dǎo)體內(nèi)存已穩(wěn)定地得到作為用于家庭計(jì)算機(jī)的脫機(jī)儲(chǔ)存器的份額。非揮發(fā)性半導(dǎo)體內(nèi)存也使用于在各種先進(jìn)電子設(shè)備及專用計(jì)算機(jī)中的輔助儲(chǔ)存器。

在磁性內(nèi)存中，信息的儲(chǔ)存是利用磁性層、膜或表面的不同磁化模式。與dram相反，磁性儲(chǔ)存器為非揮發(fā)性，并且磁性儲(chǔ)存器的較早實(shí)作利用可能含有一或更多記錄傳感器(recordingtransducer)用于存取存入鍍磁表面的信息的一或更多讀寫頭，在此讀寫頭只覆蓋該表面的一部分，使得該頭或媒體或兩者相對移動(dòng)，以便存取數(shù)據(jù)。

可視為聯(lián)合dram與磁性內(nèi)存技術(shù)的概念為所謂的磁電阻隨機(jī)存取內(nèi)存(mram)。mram類型的內(nèi)存單元(memorycell)在設(shè)計(jì)上類似dram類型的內(nèi)存單元，但是不同點(diǎn)在于mram使用磁性儲(chǔ)存組件來儲(chǔ)存信息，而不是如同dram單元以電容器上的電荷來儲(chǔ)存信息。因此，不像dram會(huì)隨著時(shí)間而失去電荷，mram為非揮發(fā)性內(nèi)存設(shè)備，它不必如同dram技術(shù)以讀取每個(gè)單一內(nèi)存單元以及重寫每個(gè)單一內(nèi)存單元的內(nèi)容的方式來刷新(refresh)內(nèi)存芯片的內(nèi)存單元。

這對于未來發(fā)展是重要的沖擊。例如，在考慮下一代的內(nèi)存設(shè)備時(shí)，亦即，超越40納米的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，例如，超越28納米，dram單元的縮放要求更頻繁地刷新個(gè)別內(nèi)存單元，導(dǎo)致dram內(nèi)存結(jié)構(gòu)的耗電量更大。相比之下，mram單元永遠(yuǎn)不必刷新，而是在電源關(guān)掉時(shí)保存它的內(nèi)存，因?yàn)椴恍枰粩嗟墓β始橙?powerdraw)用于儲(chǔ)存mram內(nèi)存設(shè)備的數(shù)據(jù)。

也值得比較mram與另一常見內(nèi)存系統(tǒng)，快閃ram。如同mram，快閃在除去電源時(shí)不會(huì)失去它的記憶，這使得它在小型設(shè)備的“硬盤更換”很常見，例如數(shù)字音頻播放器或數(shù)字相機(jī)。關(guān)于讀取，快閃及mram有極類似的電力需求，然而，關(guān)于寫入/重寫，快閃的重寫使用隨著時(shí)間蓄積于電荷幫浦(chargepump)的大脈沖電壓(約10v)，這很耗能又耗時(shí)。此外，電流脈沖使快閃單元物理衰變，這意謂閃存在必須更換之前只能寫入有限的次數(shù)。相比之下，mram的寫入只需要比讀取稍微多一點(diǎn)的電力，并且電壓沒有變化，可排除電荷幫浦的需要。這導(dǎo)致操作更快，耗電量更低，以及相比于閃存，mram有無限長的“壽命”。

一般而言，mram需要較少“穩(wěn)定時(shí)間(settlingtime)”，因?yàn)閙ram操作是基于測量電壓而不是如同dram操作是基于電荷或電流。即使與閃存比較，明顯的差異是mram設(shè)備的寫入時(shí)間甚至比閃存設(shè)備的寫入時(shí)間快數(shù)千倍。在這點(diǎn)上，目前在效能上可與mram競爭的唯一內(nèi)存技術(shù)為靜態(tài)ram(sram)。不過，sram內(nèi)存單元由配置成正反器的一系列晶體管組成，通常是4個(gè)或6個(gè)晶體管，這使得整合密度低于dram、閃存及mram。因此，盡管mram不完全與sram一樣快，然而它允許較高的整合密度，甚至因此在運(yùn)用sram技術(shù)的應(yīng)用是有吸引力的，亦即，有極低電力需求的應(yīng)用。

整體上，mram有與sram類似的效能，與dram類似的密度，但是耗電量遠(yuǎn)低于dram，而且更快且相比于閃存，不會(huì)隨著時(shí)間劣化。這種特征組合使得mram作為能取代sram、dram及快閃的“通用內(nèi)存”具有吸引力。

看看現(xiàn)有mram內(nèi)存單元的基本設(shè)計(jì)，所謂“磁性信道接面”(mtj)用來形成內(nèi)存單元結(jié)構(gòu)，如同dram單元結(jié)構(gòu)，它是用晶體管控制。一般而言，mtj是由用當(dāng)作隧道阻障(tunnelbarrier)的薄絕緣層隔開而各自可保持磁化的兩個(gè)鐵磁盤(ferromagneticplate)形成。在mtj中，這兩片中的一者經(jīng)組配成對于特定極性為永久磁鐵組，它常被稱為“磁性釘扎層”(magneticpinnedlayer)，同時(shí)另一片被組配成它的磁化可變到與磁性釘扎層的磁化平行或反平行的磁化方向，此另一層常被稱為“無磁層”。這種組態(tài)也被稱為自旋閥(spinvalve)而且為mram位的最簡單結(jié)構(gòu)。從由此類“單元”組成的柵格可建立mram內(nèi)存設(shè)備。

在如上述的mram單元中，實(shí)現(xiàn)讀取操作可通過測量單元的電阻，其中通常通過供電給相關(guān)晶體管來選定特定單元，通過該單元使電流從電源線切換到接地。以下為利用效果之一：由于磁場隧道效應(yīng)(magnetictunneleffect)，單元的電阻基于場在磁性釘扎層及無磁層中的定向而改變。通過測量所得電流，可測定任何特定單元內(nèi)的電阻，以及從而測定可寫片的磁化極性。通常，如果這兩個(gè)磁盤有相同的極性，可視為意思為“1”，同時(shí)如果這兩個(gè)磁盤有相反的極性，則為表示“0”的較高電阻。

可用不同的方式進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)于mram單元的寫入過程。在一寫入技術(shù)(‘古典技術(shù)’)中，各個(gè)單元位在彼此配置成直角、與該單元平行、一個(gè)在單元上方而另一個(gè)在單元下方的一對寫入線之間。當(dāng)電流穿經(jīng)所述寫入線時(shí)，在接面建立誘發(fā)磁場且被無磁層拾取。此技術(shù)受害于數(shù)個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)樗枰喈?dāng)大的電流以產(chǎn)生場且使得它在低電力用途上比較沒有吸引力。此外，在按比例縮小單元的尺寸時(shí)，誘發(fā)場在社區(qū)域中與相鄰單元重迭的風(fēng)險(xiǎn)增加，因此，錯(cuò)誤寫入的風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，此類單元需要相當(dāng)大的最小尺寸。

根據(jù)另一技術(shù)，自旋轉(zhuǎn)移扭矩(stt)或自旋轉(zhuǎn)移切換的應(yīng)用是利用自旋對齊(“極化”)電子以直接施加扭矩于磁疇(domain)。具體而言，如果流入磁性層的電子必須改變它們的自旋，這將形成會(huì)被轉(zhuǎn)移到鄰層的扭矩。因此，寫入單元所需的電流量可降低，使得它大約與讀取過程的相同。

有人擔(dān)心，‘古典’類型的mram單元在高密度會(huì)有由寫入期間的電流需要量引起的麻煩，這是stt避免的問題。因此之故，stt擁護(hù)者期待可使用于65納米及更小的設(shè)備的技術(shù)。缺點(diǎn)是需要維持自旋相干性。整體上，相比于古典的寫入技術(shù)，stt需要相對低的寫入電流。關(guān)于stt-mram，可縮放性不是問題，因?yàn)閟tt切換所需的電流可隨著設(shè)備大小而減少。

一般而言，需要高整合密度stt-mram單元的設(shè)計(jì)以滿足以下要求。關(guān)于第一個(gè)要求，重要的是要有信號(hào)使得兩個(gè)狀態(tài)(低電阻與高電阻)可完全分離。功能stt-mram的第二個(gè)要求是它有低電阻，或更具體而言，電阻與接面面積(ra)的乘積低(在此參數(shù)a為設(shè)備的面積)。通過增加隧道阻障厚度來實(shí)現(xiàn)低電阻與高電阻的高度差異是相對容易的，但是接面面積(ra)幾乎會(huì)倍數(shù)增加。接面面積(ra)的數(shù)值實(shí)際取決于隧道阻障的崩潰電壓的數(shù)值，該崩潰電壓為在損壞之前可施加于mtj的臨界電壓。因此，無磁層的切換應(yīng)在到達(dá)崩潰電壓之前發(fā)生。第三個(gè)準(zhǔn)則有關(guān)于要求存入mram的信息有持續(xù)10年穩(wěn)定性的熱穩(wěn)定性。stt-mram技術(shù)的第四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是要根據(jù)所用晶體管的大小來限制切換電流，因?yàn)檩^小的切換電流有助于實(shí)現(xiàn)用于有尺度化晶體管的stt-mram的大儲(chǔ)存容量。最后，用不妥協(xié)cmos整合的適當(dāng)制程實(shí)現(xiàn)stt-mram技術(shù)的上述要求是高度合意的。

此外，關(guān)于磁性釘扎層及無磁層，存在兩個(gè)基本概念。根據(jù)第一概念，磁性層可具有面內(nèi)磁化(in-planemagnetization)，其中磁性層有與磁性層的厚度方向垂直的磁化。替換地，根據(jù)第二概念，磁性層有與磁性層的厚度方向平行的磁化。盡管使用第一概念的mram技術(shù)是成熟的且用于90納米的生產(chǎn)，然而使用第二概念的mram單元，亦即，有平行磁化的磁性層，仍處于研究階段。應(yīng)注意，這兩個(gè)概念的磁性材料工程很不一樣。關(guān)于第一概念，亦即，有面內(nèi)(垂直)磁化的磁性層，這個(gè)概念在40納米以下不能縮放，因?yàn)榇呕臒岱€(wěn)定性(磁化的溫度誘發(fā)切換)隨著mram組件大小而縮放而且在約40納米處到達(dá)下限。此外，根據(jù)第二概念(有平行磁化)制成的mram的熱穩(wěn)定性隨著mram單元幾何的形狀各向異性(為用于面內(nèi)磁性層的橢圓形形狀)而縮放，導(dǎo)致mram組件需要額外面積。目前，根據(jù)第二概念制作其磁化平行于磁性層的厚度方向的mram似乎為20納米以下技術(shù)的較佳選項(xiàng)，因?yàn)橛糜谇袚Q磁化的內(nèi)在能障(磁性各向異性)較大而且不取決于mram單元幾何。不過，如使用于第二概念具有垂直磁性各向異性的材料更貴且制程期間的處理至為關(guān)鍵。

鑒于以上說明，最好提供一種有較小尺度的面內(nèi)磁化的功能mram概念，特別是在小于40納米的尺度。

發(fā)明內(nèi)容

為供基本理解本發(fā)明內(nèi)容的一些方面，提出以下簡化的總結(jié)。此總結(jié)并非本發(fā)明的窮舉式總覽。它不是想要確認(rèn)本發(fā)明的關(guān)鍵或重要組件或者是描繪本發(fā)明的范疇。唯一的目的是要以簡要的形式提出一些概念作為以下更詳細(xì)的說明的前言。

在第一方面，本發(fā)明內(nèi)容提供一種形成內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)的方法。根據(jù)本文的一些示意具體實(shí)施例，該方法包括下列步驟：提供形成于一晶圓基板上面的一介電層，在該介電層中形成至少兩個(gè)溝槽，該等至少兩個(gè)溝槽沿著與該晶圓基板的一上表面實(shí)質(zhì)垂直的一第一方向完全穿過該介電層，形成一非磁性薄層于該等至少兩個(gè)溝槽的側(cè)壁上，形成一第一磁性層于覆蓋該等側(cè)壁的該非磁性薄層上，相對于該非磁性薄層及該第一磁性層選擇性地移除該介電層，其中在移除該介電層時(shí)形成至少4個(gè)第一垂直堆棧，各個(gè)堆棧由沿著垂直于該第一方向的一第二方向堆棧的該非磁性薄層與該第一磁性層形成，形成一第二磁性層于該等第一垂直堆棧的側(cè)壁上，其中形成數(shù)個(gè)第二垂直堆棧，各個(gè)第二垂直堆棧有插在該第一磁性層與該第二磁性層之間的該非磁性薄層，以及嵌入該等第二垂直堆棧于金屬材料中，其中形成與該第一磁性層接觸的一第一電性接觸以及與該第二磁性層接觸的一第二電性接觸。

在本發(fā)明內(nèi)容的第二方面中，提供一種內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)。根據(jù)本文的一些示意具體實(shí)施例，該內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)包括一晶圓基板；一磁性信道接面(mtj)，其包含一第一磁性層、一第二磁性層及一非磁性薄層，該第一磁性層、該第二磁性層及該非磁性薄層沿著垂直于該晶圓基板的一上表面的一第一方向堆棧，該mtj形成于該上表面上面，該非磁性層插在該第一磁性層與該第二磁性層之間；電性耦合至該第一磁性層的一第一接觸；以及電性耦合至該第二磁性層的一第二接觸。

附圖說明

參考以下結(jié)合附圖的說明可明白本發(fā)明內(nèi)容，其中類似的組件是以相同的組件符號(hào)表示。

圖1a至1k根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例示意圖標(biāo)形成內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)的制程流程；

圖2根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例示意圖標(biāo)多個(gè)內(nèi)存單元的上視圖；以及

圖3根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例示意圖標(biāo)一內(nèi)存設(shè)備。

盡管揭示于本文的專利目標(biāo)容易做成各種修改及替代形式，本文仍以附圖為例圖示幾個(gè)本發(fā)明的特定具體實(shí)施例且詳述其中的細(xì)節(jié)。不過，應(yīng)了解本文所描述的特定具體實(shí)施例不是想要把本發(fā)明限定成本文所揭示的特定形式，反而是，本發(fā)明是要涵蓋落在如隨附權(quán)利要求所界定的本發(fā)明精神及范疇內(nèi)的所有修改、等價(jià)及替代性陳述。

具體實(shí)施方式

以下描述本發(fā)明的各種示意具體實(shí)施例。為了清楚說明，本專利說明書沒有描述實(shí)際具體實(shí)作的所有特征。當(dāng)然，應(yīng)了解，在開發(fā)任一此類的實(shí)際具體實(shí)施例時(shí)，必需做許多與具體實(shí)作有關(guān)的決策以達(dá)成開發(fā)人員的特定目標(biāo)，例如遵循與系統(tǒng)相關(guān)及商務(wù)有關(guān)的限制，這些都會(huì)隨著每一個(gè)具體實(shí)作而有所不同。此外，應(yīng)了解，此類開發(fā)既復(fù)雜又花時(shí)間，但為本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明內(nèi)容后即可實(shí)作的例行工作。

此時(shí)以參照附圖來描述本發(fā)明內(nèi)容。示意圖標(biāo)于附圖的各種結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)及設(shè)備是僅供解釋以及避免本領(lǐng)域技術(shù)人員所現(xiàn)有的細(xì)節(jié)混淆本發(fā)明。盡管如此，仍納入附圖用來描述及解釋本發(fā)明內(nèi)容的示意實(shí)施例。應(yīng)使用與相關(guān)技藝技術(shù)人員所熟悉的意思一致的方式理解及解釋用于本文的字匯及詞組。本文沒有特別定義的術(shù)語或詞組(亦即，與本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的普通或慣用意思不同的定義)是想要用術(shù)語或詞組的一致用法來暗示。在這個(gè)意義上，希望術(shù)語或詞組具有特定的意思時(shí)(亦即，不同于本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的意思)，則會(huì)在本專利說明書中以直接明白地提供特定定義的方式清楚地陳述用于該術(shù)語或詞組的特定定義。

本發(fā)明內(nèi)容可用來形成半導(dǎo)體設(shè)備于芯片上或中。根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例，該半導(dǎo)體設(shè)備實(shí)質(zhì)上可為fet，例如，mosfet或mos設(shè)備。在參考mos設(shè)備時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，盡管使用措詞“mos設(shè)備”，然而無意限制含金屬柵極材料及/或含氧化物柵極介電材料。此外，如揭示于本文的半導(dǎo)體設(shè)備可制造成為p型信道m(xù)os晶體管或pmos晶體管和n型通道晶體管或nmos晶體管；可制成有或沒有遷移率增強(qiáng)應(yīng)力源特征(stressorfeature)或應(yīng)變誘發(fā)特征的這兩種晶體管。應(yīng)注意，使用有應(yīng)力及無應(yīng)力的pmos及nmos設(shè)備，電路設(shè)計(jì)者可混合及匹配設(shè)備類型，以利用各設(shè)備類型的最佳特性使得它們最適合設(shè)計(jì)中的半導(dǎo)體設(shè)備。

本發(fā)明內(nèi)容的內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)有關(guān)于可利用先進(jìn)技術(shù)制成的設(shè)備，亦即，應(yīng)用于小于100納米的近似技術(shù)節(jié)點(diǎn)的技術(shù)，例如，小于50納米或小于35納米，例如，28納米或以下。在讀完本申請后，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容，可推行小于或等于45納米的基本規(guī)則，例如，28納米或以下。在一示意具體實(shí)施例中，本發(fā)明內(nèi)容提出可具有最小長度尺寸及/或?qū)挾瘸叽缧∮?00納米的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體設(shè)備，例如，小于50納米或小于35納米或小于28納米。例如，本發(fā)明內(nèi)容可揭示利用45納米技術(shù)或以下制成的設(shè)備結(jié)構(gòu)，例如，28納米或甚至更低。

在審閱本發(fā)明內(nèi)容后，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，如以下在說明本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例時(shí)所述，內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)包含一內(nèi)存設(shè)備，例如mtj結(jié)構(gòu)，以及半導(dǎo)體設(shè)備，例如pmos設(shè)備或nmos設(shè)備。

在本發(fā)明內(nèi)容的第一方面的一些示意具體實(shí)施例中，該方法可包括：提供形成于一晶圓基板上面的一介電層，在該介電層中形成至少兩個(gè)溝槽，該等至少兩個(gè)溝槽沿著與該晶圓基板的一上表面實(shí)質(zhì)垂直的一第一方向完全穿過該介電層，形成一非磁性薄層于該等至少兩個(gè)溝槽的側(cè)壁上，形成一第一磁性層于覆蓋該等側(cè)壁的該非磁性薄層上，相對于該非磁性薄層及該第一磁性層選擇性地移除該介電層，其中在移除該介電層時(shí)形成至少4個(gè)第一垂直堆棧，各個(gè)堆棧由沿著垂直于該第一方向的一第二方向堆棧的該非磁性薄層與該第一磁性層形成，形成一第二磁性層于該等第一垂直堆棧的側(cè)壁上，其中形成數(shù)個(gè)第二垂直堆棧，各個(gè)第二垂直堆棧有插在該第一磁性層與該第二磁性層之間的該非磁性薄層，嵌入該等第二垂直堆棧于金屬材料中，其中形成與該第一磁性層接觸的一第一電性接觸以及與該第二磁性層接觸的一第二電性接觸，提供有耦合至一字符線的一柵極、一源極及一漏極的一mosfet設(shè)備，形成該介電層于該mosfet設(shè)備上面，以及提供包含該mosfet設(shè)備和該等第二垂直堆棧中的一者的一內(nèi)存單元，其中形成該內(nèi)存單元是通過使該第一及該第二接觸中的一者電性耦合至該源極與該漏極中的一者，以及使該第一及該第二接觸中的另一者電性耦合至一位線。根據(jù)本文的一些特殊示意實(shí)施例，該mosfet設(shè)備可為一nmos設(shè)備以及該第二接觸可電性耦合至該nmos設(shè)備的該漏極，同時(shí)該第二接觸可電性耦合至該位線。

根據(jù)第二方面的一些示意具體實(shí)施例，該內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)可包括一晶圓基板；一mtj，其包含一第一磁性層、一第二磁性層及一非磁性薄層，該第一磁性層、該第二磁性層及該非磁性薄層沿著垂直于該晶圓基板的一上表面的一第一方向堆棧，該mtj形成于該上表面上面，該非磁性層插在該第一磁性層與該第二磁性層之間；電性耦合至該第一磁性層的一第一接觸；電性耦合至該第二磁性層的一第二接觸；有一柵極、一源極及一漏極的一mosfet設(shè)備，該柵極耦合至一字符線，該mosfet設(shè)備形成于該晶圓基板上面，使該第一及該第二接觸中的一者耦合至該源極與該漏極中的一者的一第一導(dǎo)電線，以及使該第一及該第二接觸中的另一者耦合至一位線的一第二導(dǎo)電線。根據(jù)本文的一些特殊實(shí)施例，該mosfet設(shè)備可為nmos設(shè)備，而該第一導(dǎo)電線可使該第二接觸耦合至該nmos設(shè)備的該漏極，同時(shí)該第二導(dǎo)電線可使該第二接觸耦合至該位線。

根據(jù)第一及第二方面的一些示意實(shí)施例，該第一及該第二磁性層可由有不同磁矯頑性的鐵磁材料形成。替換地，該第二磁性層可與在該第二磁性層中誘發(fā)一交換偏置(exchangebias)的一反鐵磁材料耦合。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，該交換偏置在雙層(或多層)的磁性材料中發(fā)生，在此反鐵磁薄膜的硬磁化特性造成鐵磁膜的軟磁化曲線移位元。

根據(jù)第一及第二方面的一些示意實(shí)施例，該第一磁性層的厚度可小于第二磁性層的厚度。

根據(jù)第一及第二方面的一些示意實(shí)施例，該第一磁性層可具有大于該第二磁性層的磁矯頑性(magneticcoercivity)。

根據(jù)第一及第二方面的一些示意實(shí)施例，該非磁性薄層的厚度可在約2至50埃之間(或約0.2至5納米)。

根據(jù)第一及第二方面的一些示意具體實(shí)施例，該非磁性薄層可由氧化鎂形成。這不會(huì)對本發(fā)明內(nèi)容施加任何限制而且可使用其它材料，例如，氧化鋁及其類似者。

在下文中，描述本發(fā)明內(nèi)容與圖1a至1k有關(guān)的一些示意具體實(shí)施例。圖1a示意圖標(biāo)半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)在制造示意內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)期間的早期階段的一部分1。

根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例，圖示部分1可包含在后段制程(beol)加工期間于至少一半導(dǎo)體設(shè)備(未圖示)形成于晶圓基板(未圖示)(例如，塊狀基板或soi基板)上之后形成的層間介電(ild)層3。根據(jù)一些示意實(shí)施例，ild層3可包含低k介電材料(亦即，相對于二氧化硅有小介電常數(shù)或k值的材料，從而k小于3.5)且可形成于絕緣材料薄層5上，例如阻障低k(所謂blok)材料，或本技藝現(xiàn)有的任何其它適當(dāng)絕緣材料，例如氮化硅或氧化硅。這不會(huì)對本發(fā)明內(nèi)容施加任何限制，而且本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，可考慮soi基板的主動(dòng)半導(dǎo)體層而不是ild層3，在此層5為埋藏氧化物(box)材料層。因此，無意限制本發(fā)明內(nèi)容，然而以下說明會(huì)利用ild層3與絕緣材料的薄層5。

圖1b示意圖標(biāo)在進(jìn)行圖案化制程以圖案化ild層3及薄層5后的更進(jìn)一步制造階段的部分1，其中形成穿過ild層3及薄層5的溝槽7。根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例，可用現(xiàn)有圖案化制程形成溝槽7，例如沉積阻劑材料(未圖示)，經(jīng)由現(xiàn)有微影方法來圖案化阻劑材料(未圖示)，進(jìn)行各向異性蝕刻制程，例如，反應(yīng)性離子蝕刻(rie)制程，以蝕刻穿過ild層3及薄層5的溝槽，以及移除阻劑材料(未圖示)。

圖1c示意圖示在通過進(jìn)行共形沉積制程(例如，ald)沉積一層絕緣材料9于圖案化ild層3及圖案化薄層5上面后的更進(jìn)一步制造階段的部分1。根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例，經(jīng)沉積的絕緣材料9可為氧化鎂與氧化鋁中的一者及其類似者。例如，該層絕緣材料9可具有在約2至50埃之間的厚度。

圖1d示意圖示在進(jìn)行各向異性蝕刻制程用以從ild層3的上表面除去絕緣材料層9的水平方向部分(horizontallyorientedportion)(圖1c)后的更進(jìn)一步制造階段的部分1，其中暴露ild層3的上表面4u，以及溝槽7的底部，從而留下覆蓋絕緣材料層9的溝槽7側(cè)壁4s。因此，在此階段，如圖1d所示，絕緣層的剩余部分(以下用9a標(biāo)示)仍位在溝槽7中而覆蓋溝槽7的側(cè)壁4s。

圖1e示意圖示在通過進(jìn)行共形沉積制程沉積第一磁性材料13于ild層3上面及溝槽7中后的更進(jìn)一步制造階段的部分1。根據(jù)本文的一些示意實(shí)施例，第一磁性材料13可為cofe合金與cofeb合金中的一者，它可能包括稀土物種及/或過渡金屬物種，例如tbfeco、gdfeco等等。根據(jù)一些示意實(shí)施例，經(jīng)沉積第一磁性材料13的厚度范圍可約為10?；蚋?，例如15?；蚋?，例如約20埃及更多。

圖1f示意圖示在各向異性蝕刻制程完成后的更進(jìn)一步制造階段的部分1，該各向異性蝕刻制程從ild層3上表面4u以及從溝槽7底部除去第一磁性材料13的水平方向部分。結(jié)果，ild層3的上表面4u暴露以及第一磁性層的剩余部分(以下以13a表示)形成于在溝槽7內(nèi)的絕緣材料層9a上。

圖1g示意圖示在選擇性蝕刻制程完成后的更進(jìn)一步制造階段的部分1，以及該選擇性蝕刻制程相對于絕緣材料層9a、第一磁性層13a及薄層5選擇性地移除ild層3。因此，在圖示于圖1g的階段可留下實(shí)質(zhì)垂直堆棧，例如第一垂直堆棧17，第一垂直堆棧17由沿著與第一磁性層13a及絕緣材料層9a的厚度平行的方向d1堆棧的第一磁性層13a及絕緣材料層9a形成。亦即，垂直堆棧17的方向?yàn)榕c方向d1垂直的方向d2。

圖1h示意圖示在通過進(jìn)行共形沉積制程(例如，ald)沉積第二磁性材料19于第一垂直堆棧17上面后的更進(jìn)一步制造階段的部分1。第二磁性材料19與第一磁性材料(圖1e中的13)實(shí)質(zhì)不同的地方在于：相比于第一磁性材料，第二磁性材料19的磁矯頑性、靜止磁化(restmagnetization)及飽和磁化中的至少一者可實(shí)質(zhì)較小。根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例，該第一磁性材料可為硬磁性材料以及該第二磁性材料可為軟磁性材料，特別是在與第一磁性材料相比時(shí)。替換地或附加地，經(jīng)沉積的第二磁性材料19的厚度可實(shí)質(zhì)大于第一磁性層15的厚度。

圖1i示意圖示在進(jìn)行各向異性蝕刻制程以及從第一垂直堆棧上表面以及從溝槽7底部除去經(jīng)沉積的第二磁性材料19的水平方向部分后的更進(jìn)一步制造階段的部分1。這導(dǎo)致形成包含由第一磁性層13a、絕緣材料層9a及第二磁性層部分19-1形成的堆棧的第二實(shí)質(zhì)垂直堆棧23，其中絕緣材料層9a是插在其間。

圖1i所示，可形成另一第二磁性層部分19-2作為第二垂直堆棧23的一部分，使得第二磁性層部分19-2可直接位在第一磁性層13a上。在讀完本申請后，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，可提供包含第一磁性層13a、第二磁性層部分19-2、第一磁性層部分19-1及絕緣材料層11的第二垂直堆棧23，其中絕緣材料層9a插在第一磁性層13a、第二磁性層部分19-1之間。

圖1j示意圖示在進(jìn)行電極材料填充制程(未圖標(biāo))后的更進(jìn)一步制造階段的部分1，其中可沉積電極材料25，電極材料25填充設(shè)在第二垂直堆棧23之間的溝槽，其中用電極材料25過填(overfill)在第二垂直堆棧23之間的空間。電極材料25可由任何一種導(dǎo)電材料或數(shù)種導(dǎo)電材料的組合制成。在一示意具體實(shí)施例中，該電極材料可為鉑、鋁、銅或其類似者。

圖1k示意圖示在進(jìn)行研磨制程27(參考圖1j)(例如，化學(xué)機(jī)械研磨(cmp)制程)以及暴露第二垂直堆棧的上表面后的更進(jìn)一步制造階段的部分1。

根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例，可形成用于提供至第一磁性層13a的電性接觸(經(jīng)由第二磁性層部分19-2)的第一接觸c1以及接觸第二磁性層部分19-1的第二接觸c2。

請參考圖1k，包含由第一磁性層13a、第二磁性層部分19-2、第二磁性層部分19-1(其中絕緣材料層9a插在第一磁性層13a、第二磁性層部分19-1之間)形成的第二垂直堆棧23的內(nèi)存單元結(jié)構(gòu)有接觸c1、c2提供分別至第一磁性層13a及第二磁性層部分19-1中的一者的電性連接。根據(jù)本文的一些示意實(shí)施例，第二磁性層部分19-1可為有固定磁化的磁性釘扎層，同時(shí)第一磁性層13a可對應(yīng)至有軟磁性質(zhì)的無磁層，亦即由軟磁性材料制成的一層。

圖2示意圖標(biāo)mram設(shè)備結(jié)構(gòu)的一示意具體實(shí)施例的上視圖，其中提供單一內(nèi)存單元mram1、mram2…mramn。各個(gè)mram單元可包含第一接觸(圖2中mram1的接觸c1)，第二接觸(圖2中mram1的c2)，第一磁性層(圖2中mram1的13a)，第二磁性層部分(圖2中mram1的19-1)，以及絕緣阻障層(圖2中mram1的9a)。在讀完本申請后，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，沿著垂直于圖示剖面的方向(亦即，進(jìn)出圖紙的平面)，mosfet設(shè)備(未圖示于圖2)可設(shè)置于每一個(gè)內(nèi)存單元mram1至mramn的下面，mosfet設(shè)備(未圖示于圖2)控制各個(gè)內(nèi)存單元。

接下來，根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例，描述內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)的操作。圖3的橫截面圖示意圖標(biāo)內(nèi)存設(shè)備結(jié)構(gòu)30，其包含內(nèi)存單元301(或mtj設(shè)備)與控制內(nèi)存單元301的示意mosfet設(shè)備302。

在讀完本申請后，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，mosfet設(shè)備302，例如，可根據(jù)本技藝所現(xiàn)有的前段制程(feol)加工形成且可設(shè)置于內(nèi)存單元301下面，亦即，如本技藝所現(xiàn)有，當(dāng)所欲金屬化層在beol加工中形成于mosfet302上面或上方時(shí)，內(nèi)存單元301可形成于其中。

根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例，內(nèi)存單元301可包含電性耦合至接觸mtj結(jié)構(gòu)的第一磁性層305(例如，第二磁性層部分19-1)的第一接觸304(例如，c1)的位線303，該mtj結(jié)構(gòu)有用插在第一及第二磁性層305及307之間的介電層306(例如，絕緣材料層11)與第一磁性層305分離的第二磁性層307(例如，第一磁性層15)。可由也可電性耦合至mosfet設(shè)備302的漏極接觸309的第二接觸308(例如，c2)提供至第二磁性層307的電性連接。該mosfet設(shè)備有電性耦合至字符線310的柵極313，以及可電性耦合至源極線312的源極接觸311。在圖示實(shí)施例中，第二接觸308(例如，c2)物理接觸位在第一磁性層15上的第二磁性層部分19-2。如圖2描述且以括號(hào)標(biāo)示的具體實(shí)施例的對應(yīng)物是僅供圖解說明而且不會(huì)對本發(fā)明內(nèi)容施加任何限制，如以下所述。

為了讀出位狀態(tài)，例如“1”或“0”，測量本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例的mtj設(shè)備的磁阻(magnetoresistance)(控制耦合至mosfet設(shè)備302的字符線310使得mosfet設(shè)備302處于連接狀態(tài)，亦即，在電流流過mosfet設(shè)備302時(shí))。在讀完本申請后，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，揭示于本文的mtj設(shè)備可經(jīng)操作及組配成第一及第二磁性層305、307中的任一可用作mtj設(shè)備的“磁性釘扎”層(有硬磁特性)同時(shí)第一及第二磁性層305、307中的另一者可用作mtj設(shè)備的“無磁性”層(有軟磁性質(zhì))。當(dāng)無磁層(圖3的第一及第二磁性層305、307中的一者有軟磁性質(zhì))的磁化與磁性釘扎層(圖3的第一及第二磁性層305、307中的另一者有硬磁特性)的磁化有相同的方向時(shí)，內(nèi)存單元(圖3中的301)的電阻會(huì)低，因?yàn)橹挥猩贁?shù)電子的自旋依存散射(spindependentscattering)。不過，當(dāng)無磁層及磁性釘扎層的磁化互相反平行(亦即，關(guān)于圖3，第一及第二磁性層305及307的磁化互相反平行)時(shí)，少數(shù)及多數(shù)電子兩者會(huì)被散射，導(dǎo)致電阻較大的狀態(tài)。

寫入操作可包含通過位線(圖3的303)施加電流至內(nèi)存單元(同時(shí)圖3的mosfet設(shè)備302處于連接狀態(tài))。當(dāng)電流流過mtj結(jié)構(gòu)(圖3中，其包含第一、第二磁性層305、307和介電層306)時(shí)，在電流充分高于無磁層的切換閥值時(shí)，無磁層的磁化可因stt而逆轉(zhuǎn)。作為一實(shí)施例，假設(shè)mtj設(shè)備經(jīng)組配成第一磁性層305為磁性釘扎層以及第二磁性層307為無磁層。在該示意實(shí)施例中，電流可供給至mtj是因?yàn)殡娏魇紫裙┙o至磁性釘扎層305，其具有固定在第一方向的磁化而使電流中的電子的自旋沿著第一方向?qū)R。有在第一方向自旋的電子的此極化電流隨后可供給至無磁層307而使無磁層307的磁化與磁性釘扎層305的磁化方向沿著第一方向?qū)R。

在讀完本申請后，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，與有面內(nèi)磁化的現(xiàn)有mram單元相反，根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的各種方面的內(nèi)存單元可提供小覆蓋面積(footprintarea)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，盡管以下描述stt結(jié)構(gòu)，這不會(huì)對本發(fā)明內(nèi)容施加任何限制，反而可選擇古典設(shè)計(jì)。

在讀完本申請后，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，盡管描述有軟、硬磁性質(zhì)的磁性材料作為第一及第二磁性材料的mtj，然而這不會(huì)對本發(fā)明內(nèi)容施加任何限制。例如，可提供與第一及第二磁性層中的一者接觸的反鐵磁層，第一及第二磁性層則提供作為軟磁性層及反鐵磁層釘扎升高耦合軟磁性層的磁矯頑性構(gòu)成耦合層的硬磁特性，另一層(未耦合至反鐵磁層)實(shí)現(xiàn)無磁層。發(fā)生此效應(yīng)是由于在雙層(或多層)磁性材料中的交換偏置，在此反鐵磁薄膜的硬磁化特性造成鐵磁膜的軟磁化曲線移位元。

在讀完本申請后，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的一些示意具體實(shí)施例用于制造mram單元的制程流程可結(jié)合從mram制程得知的制程組件與從finfet加工得知的制程組件。例如，當(dāng)在一些示意具體實(shí)施例中可提供beolild層之后，可蝕刻穿過ild層(替換地，soi基板的主動(dòng)半導(dǎo)體層)的溝槽/通孔以及開放底下的blok層(替換地，soi基板的box層)。在此背景下，blok是指埋藏的低k層。然后，可用各向異性沉積制程，例如原子層沉積(ald)，沉積介電層(“隧道阻障層”)。替換地，可跳過此制程以及在沉積第一磁性材料時(shí)與后面制程結(jié)合。由于外加各向異性蝕刻制程，因此，在從ild層的水平區(qū)移除介電層(“隧道阻障層”)后，可沉積制造中的mram單元的第一磁性層(可能用類似ald的各向異性沉積制程)，接著是可移除在晶圓的所有水平區(qū)上的第一磁性層的各向異性蝕刻制程。接下來，可移除在mram區(qū)中的ild層(例如，用包含hf的蝕刻制程)，留下第一磁性層及隧道阻障作為垂直堆棧。隨后，可沉積第二磁性材料，以及在從水平區(qū)除去第二磁性材料后，可形成對應(yīng)至圖1i的第二垂直堆棧的垂直堆棧。在用電極材料(例如，銅)填充在垂直堆棧之間的空間后，平坦化制程可形成mram電極以及可得到如圖1k所示的結(jié)構(gòu)。

以上所揭示的特定具體實(shí)施例均僅供圖解說明，因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員在受益于本文的教導(dǎo)后顯然可以不同但等效的方式來修改及實(shí)施本發(fā)明。例如，可用不同的順序完成以上所提出的制程步驟。此外，除非在以下權(quán)利要求有提及，否則不希望本發(fā)明受限于本文所示的構(gòu)造或設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。因此，顯然可改變或修改以上所揭示的特定具體實(shí)施例而所有此類變體都被認(rèn)為仍然是在本發(fā)明的范疇與精神內(nèi)。應(yīng)注意，在本專利說明書及隨附權(quán)利要求中使用例如“第一”、“第二”、“第三”或“第四”的用語描述各種制程或結(jié)構(gòu)只是用來作為該等步驟/結(jié)構(gòu)的簡寫參考而且不一定暗示該等步驟/結(jié)構(gòu)的進(jìn)行/形成按照該有序序列。當(dāng)然，取決于確切的權(quán)利要求語言，可能需要或不需要該等制程的有序序列。因此，本文提出權(quán)利要求書尋求保護(hù)。