交叉矩陣列式磁性隨機(jī)存儲器制造工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及存儲器件領(lǐng)域，尤其涉及一種交叉矩陣列式磁性隨機(jī)存儲器制造工 -H- 〇
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來人們利用磁性隧道結(jié)（MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的特性做成磁性 隨機(jī)存儲器，即為MRAM(Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一種新型固態(tài)非易失 性記憶體，它有著高速讀寫的特性。鐵磁性MTJ通常為三明治結(jié)構(gòu)，其中有磁性記憶層，它 可以改變磁化方向以記錄不同的數(shù)據(jù)；位于中間的絕緣的隧道勢皇層；磁性參考層，位于 隧道勢皇層的另一側(cè)，它的磁化方向是不變的。當(dāng)磁性記憶層與磁性參考層之間的磁化強(qiáng) 度矢量方向平行或反平行時(shí)，MTJ元件的電阻態(tài)也相應(yīng)分別為低阻態(tài)或高阻態(tài)。這樣測量 MTJ元件的電阻態(tài)即可得到存儲的信息。
[0003] 已有一種方法可以得到高的磁電阻（MR，Magneto Resistance)率：在非晶結(jié)構(gòu)的 磁性膜的表面加速晶化形成一層晶化加速膜。當(dāng)此層膜形成后，晶化開始從隧道勢皇層一 側(cè)形成，這樣使得隧道勢皇層的表面與磁性表面形成匹配，這樣就可以得到高M(jìn)R率。
[0004] 一般通過不同的寫操作方法來對MRAM器件進(jìn)行分類。傳統(tǒng)的MRAM為磁場切換型 MRAM :在兩條交叉的電流線的交匯處產(chǎn)生磁場，可改變MTJ元件的磁性記憶層的磁化強(qiáng)度 方向。自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機(jī)存儲器（STT-MRAM，Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory)則采用完全不同的寫操作，它利用的是電子的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移，即自旋極 化的電子流把它的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給磁性記憶層中的磁性材料。磁性記憶層的容量越小，需要 進(jìn)行寫操作的自旋極化電流也越小。所以這種方法可以同時(shí)滿足器件微型化與低電流密 度。STT-MRAM具有高速讀寫、大容量、低功耗的特性，有潛力在電子芯片產(chǎn)業(yè)，尤其是移動(dòng)芯 片產(chǎn)業(yè)中，替代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體記憶體以實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約與數(shù)據(jù)的非易失性。
[0005] 對于目前的面內(nèi)型STT-MRAM(其中MTJ元件的易磁化方向在面內(nèi)）來說，受面內(nèi) 型MTJ元件的特性所限，單一元件尺寸一般較大，并且相鄰MTJ元件需要有較大間距，以避 免相互間的磁場干擾。因此，限制了面內(nèi)型STT-MRAM產(chǎn)品集成度的提升。
[0006] 垂直型磁性隧道結(jié)（PMTJ，Perpendicular Magnetic Tunnel Junction)即磁矩垂 直于襯底表面的磁性隧道結(jié)，在這種結(jié)構(gòu)中，由于兩個(gè)磁性層的磁晶各向異性比較強(qiáng)（不 考慮形狀各向異性），使得其易磁化方向都垂直于層表面。在同樣的條件下，元件尺寸可以 做得比面內(nèi)型MTJ元件更小，易磁化方向的磁極化誤差可以做的很小，并且MTJ元件尺寸的 減小使所需的切換電流也可相應(yīng)減小。另一方面，在存儲器陣列中，相鄰垂直型MTJ的安 全間距較之面內(nèi)型MTJ也可大為縮小。從而垂直型STT-MRAM(pSTT-MRAM，perpendicular Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory)較之面內(nèi)型 STT-MRAM，其集成 度有非常大的提升空間。
[0007] 但在現(xiàn)有的STT-MRAM結(jié)構(gòu)中，每個(gè)記憶單元的MTJ元件通常會(huì)連接一個(gè)三極管作 為電流流向選擇器，如使用MOS管，通過MOS管的導(dǎo)通和截止以實(shí)現(xiàn)電流導(dǎo)向，從而可以通 過相應(yīng)的寫電流來設(shè)置MTJ元件的高、低電阻態(tài)，也即寫入了存儲信息，以及根據(jù)讀電流的 大小來判斷MTJ元件的電阻態(tài)，也即讀出了存儲信息。
[0008] 對于面內(nèi)型STT-MRAM來說，基于面內(nèi)型MTJ元件的尺寸及其相互間距的要求，三 極管的尺寸不是提高面內(nèi)型STT-MRAM集成度的主要瓶頸，或者說縮小三極管的尺寸，對于 面內(nèi)型STT-MRAM集成度的提升程度有限。目前已有一些針對面內(nèi)型STT-MRAM集成度提升 的技術(shù)方案，如專利號為US6868003B2的美國專利中，面內(nèi)型STT-MRAM使用PN結(jié)二極管取 代三極管作為電流流向選擇器，由于面內(nèi)型STT-MRAM占用面積較大，存儲芯片的集成度沒 有實(shí)質(zhì)性的提高；同時(shí)讀寫電流也較大，PN結(jié)二極管也不宜做小。
[0009] 對于垂直型STT-MRAM來說，情況卻與面內(nèi)型STT-MRAM恰恰相反，垂直型MTJ元 件的尺寸及其相互間距較之面內(nèi)型MTJ元件已大為縮小，此時(shí)集成度的提升幾乎完全取決 于三極管的尺寸大小，即使使用當(dāng)前最先進(jìn)的工藝（線寬），三極管的尺寸仍遠(yuǎn)大于垂直型 MTJ元件，同時(shí)三極管制造工藝相對也比較復(fù)雜，提高了產(chǎn)品的制造成本。垂直型STT-MRAM 目前仍采用三極管作為電流流向選擇器，從而使其集成度的提升一直依賴于先進(jìn)工藝（線 寬）的升級。
[0010] 因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種高集成、高性能、成本節(jié)省的STT-MRAM 制造工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種磁性隨機(jī)存儲器制造工藝，包括：
[0012] 形成底電極；
[0013] 在所述底電極頂部形成磁記憶單元陣列，其中包括制備多層薄膜形成串聯(lián)的PN 結(jié)和磁性隧道結(jié)；本文中所述的"頂部"或"頂"表示相應(yīng)結(jié)構(gòu)中遠(yuǎn)離襯底基片的一側(cè)；
[0014] 在所述磁記憶單元陣列頂部形成頂電極。
[0015] 進(jìn)一步地，所述底電極的形成包括：
[0016] 沉積底電極金屬層和硬掩膜一；
[0017] 光刻底電極；
[0018] 刻蝕底電極；
[0019] 沉積電介質(zhì)一；
[0020] 表面平坦化。
[0021 ] 進(jìn)一步地，所述磁記憶單元陣列的形成包括：
[0022] 在所述底電極頂部制備構(gòu)成所述PN結(jié)和所述磁性隧道結(jié)的薄膜，其中先制備構(gòu) 成所述PN結(jié)的薄膜再沉積構(gòu)成所述磁性隧道結(jié)的薄膜，或者先沉積構(gòu)成所述磁性隧道結(jié) 的薄膜再制備構(gòu)成所述PN結(jié)的薄膜；
[0023] 沉積硬掩膜二；
[0024] 光刻磁記憶單元陣列；
[0025] 刻蝕磁記憶單元陣列；
[0026] 沉積電介質(zhì)二；
[0027] 表面平坦化。
[0028] 進(jìn)一步地，所述頂電極的形成包括：
[0029] 在所述磁記憶單元陣列頂部沉積頂電極金屬層和硬掩膜三；
[0030] 光刻頂電極；
[0031] 刻蝕頂電極；
[0032] 沉積電介質(zhì)三；
[0033] 表面平坦化。
[0034] 進(jìn)一步地，所述磁性隧道結(jié)包括層疊設(shè)置的磁性參考層、隧道勢皇層和磁性記憶 層。由下至上，可以依次是磁性參考層、隧道勢皇層和磁性記憶層，也可以依次是磁性記憶 層、隧道勢皇層和磁性參考層。本文中所述的"上"和"下"的相對位置，"上"較于"下"更 遠(yuǎn)離襯底基片。
[0035] 進(jìn)一步地，所述PN結(jié)的基材采用Si、Ge、SiGe或SiC，其中N型層通過摻雜V價(jià)元 素形成，P型層通過摻雜III價(jià)元素形成。
[0036] 進(jìn)一步地，所述PN結(jié)的基材采用GaAs或InP，其中N型層通過摻雜VI價(jià)元素形 成，P型層通過摻雜II價(jià)元素形成。
[0037] 進(jìn)一步地，所述頂電極和/或所述底電極包括金屬層Cu ;或是包括多層結(jié)構(gòu)TaN/ Ta/Cu/Ta/TaN 或 TiN/Ti/Cu/Ti/TiN，其中 Cu 頂部的 TaN/Ta 或 TiN/Ti 作為硬掩膜。
[0038] 進(jìn)一步地，所述PN結(jié)和所述磁性隧道結(jié)的形成分別使用一次光刻。
[0039] 進(jìn)一步地，所述底電極限定了若干第一向?qū)Ь€，所述頂電極限定了與所述若干第 一向?qū)Ь€交叉設(shè)置的若干第二向?qū)Ь€，從而所述若干第一向?qū)Ь€和所述若干第二向?qū)Ь€限 定了若干交叉節(jié)點(diǎn)；每個(gè)所述交叉節(jié)點(diǎn)均設(shè)置有一磁記憶單元，所述磁記憶單元分別與其 所處交叉節(jié)點(diǎn)處的第一向?qū)Ь€和第二向?qū)Ь€電連接。
[0040] 根據(jù)本發(fā)明所制得的交叉矩陣列式磁性隨機(jī)存儲器，利用半導(dǎo)體二極管替代三極 管作為磁記憶單元中的電流流向選擇器，實(shí)現(xiàn)了將復(fù)雜的供電網(wǎng)路改用簡單的交叉式供電 方式，從而本發(fā)明極大的簡化了 MRAM的生產(chǎn)工藝、降低了成本，并且可以極大地提高存儲 芯片的集成度，特別是對于PSTT-MRAM產(chǎn)品。
[0041] 以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以 充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0042] 圖1是本發(fā)明的較佳實(shí)施例的工藝流程圖；
[0043] 圖2是底電極金屬層沉積后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖3是光刻底電極后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045] 圖4是底電極制備完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046] 圖5是圖4結(jié)構(gòu)的頂面示意圖；
[0047] 圖6是PN結(jié)薄膜沉積后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048] 圖7是MTJ薄I旲丨幾積后的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0049] 圖8是光刻磁記憶單元陣列后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050] 圖9是磁記憶單元陣列制備完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0051] 圖10是圖9結(jié)構(gòu)的頂面示意圖；
[0052] 圖11是頂電極制備完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0053] 圖12是圖11結(jié)構(gòu)的頂面示意圖；
[0054] 圖13是先加工MTJ薄膜再加工PN結(jié)薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖，其中PN結(jié)薄膜先制備N 型半導(dǎo)體層再制備P型半導(dǎo)體層；
[0055] 圖14是先加工MTJ薄膜再加工PN結(jié)薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖，其中PN結(jié)薄膜先制備P 型半導(dǎo)體層再制備N型半導(dǎo)體層；
[0056] 圖15是一種交叉矩陣列式隨機(jī)存儲器的的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0057] 在本發(fā)明的實(shí)施方式的描述中，需要理解的是，術(shù)語"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、 "右"、"垂直"、"水平"、"頂"、"底""內(nèi)"、"外"、"順時(shí)針"、"逆時(shí)針"等指示的方位或位置關(guān)系 為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或 暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為 對本發(fā)明的限制。
[0058] 圖1是本實(shí)施例的磁性隨機(jī)存儲器制備工藝流