磁存儲器和制造磁存儲器的方法
【專利摘要】根據(jù)一個實施例，磁存儲器包括：包括第一金屬的第一金屬層；在第一金屬層上的第二金屬層，第二金屬層包括比第一金屬更易被氧化的第二金屬，第二金屬層具有接觸第一金屬層的第一側(cè)壁部，第二金屬層具有在第一側(cè)壁部上面的第二側(cè)壁部，第二側(cè)壁部從第一側(cè)壁部后退；在第二金屬層上的磁阻元件；在磁阻元件上的第三金屬層；以及接觸磁阻元件的側(cè)壁部和第二金屬層的第二側(cè)壁部的第一材料，第一材料包括第二金屬的氧化物。
【專利說明】磁存儲器和制造磁存儲器的方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2014年3月11日提交的美國臨時專利申請N0.61/951，414的權(quán)益，其全部內(nèi)容在此通過引用而被包含。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]在此所述的實施例一般涉及磁存儲器和制造磁存儲器的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]在自旋注入寫入類型的磁存儲器中，例如自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機存取存儲器(STT-MRAM)，磁阻元件的磁化反轉(zhuǎn)所需的電流通過電流密度限定。也就是說，該類型的磁存儲器具有磁化反轉(zhuǎn)所需的電流根據(jù)磁阻元件的尺寸的減小而減小的可伸縮性。另外，如果是垂直磁化類型，其中磁阻元件的剩余磁化強度的磁化方向垂直于薄膜表面，則磁化反轉(zhuǎn)所需的電流可進一步減小。因此，自旋注入寫入類型的磁存儲器是下一代存儲器的熱門之一。
[0005]然而，為了使自旋注入類型的磁存儲器付諸實際應(yīng)用，需要解決磁阻元件關(guān)于加工的問題。例如，磁阻元件包括具有可變磁化強度的磁層(存儲層)、具有不變磁化強度的磁層(參考層)和在上述磁層之間的絕緣層(隧道勢皇層)。這是磁阻元件的基本結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0006]圖1是示出磁阻元件的示例的透視圖；
[0007]圖2是沿著圖1中的線I1-1I的剖視圖；
[0008]圖3A和圖3B是示出頂銷式磁阻元件的剖視圖；
[0009]圖4A和圖4B是示出底銷式磁阻元件的剖視圖；
[0010]圖5-圖10是示出磁阻元件的制造方法的示例的剖視圖；
[0011]圖11是示出實施例與比較例之間的對比的圖；
[0012]圖12是示出存儲單元作為其應(yīng)用的示例的剖視圖；
[0013]圖13A和圖13B是示出如圖12所示的磁阻元件的示例的剖視圖；
[0014]圖14是示出存儲單元陣列的示例的平面圖；
[0015]圖15是沿著圖14中的線XV-XV的剖視圖；
[0016]圖16是沿著圖14中的線XV1-XVI的剖視圖；
[0017]圖17是沿著圖14中的線XVI1-XVII的剖視圖；
[0018]圖18是示出如圖14-圖17所示的存儲單元陣列的等效電路的電路圖；
[0019]圖19和圖20是示出制造裝置的示例的方框圖。
【具體實施方式】
[0020]一般地，根據(jù)一個實施例，磁存儲器包括:包括第一金屬的第一金屬層;在第一金屬層上的第二金屬層，第二金屬層包括比第一金屬更易被氧化的第二金屬，第二金屬層具有接觸第一金屬層的第一側(cè)壁部，第二金屬層具有在第一側(cè)壁部上面的第二側(cè)壁部，第二側(cè)壁部從第一側(cè)壁部分后退;在第二金屬層上的磁阻元件;在磁阻元件上的第三金屬層;接觸磁阻元件的側(cè)壁部和第二金屬層的第二側(cè)壁部的第一材料，第一材料包括第二金屬;覆蓋第一材料的間隔層;接觸間隔層的側(cè)壁部和第二金屬層的第一側(cè)壁部的第二材料，第二材料包括第一金屬；以及覆蓋第一金屬層、第二金屬層、磁阻元件、第三金屬層、第一材料、間隔層和第二材料的保護層。
[0021]1.磁阻元件
[0022 ]將說明用作磁存儲器中的存儲單元的磁阻元件的示例。
[0023](I)結(jié)構(gòu)
[0024]圖1示出磁阻元件的示例。圖2是沿著圖1中的線I1-1I的剖視圖。然而，在圖1中，為了闡明圖1中用標號11-17表示的元件之間的位置關(guān)系，省略了圖2中用標號18、19、20和標記PL表示的元件。
[0025]更具體地，第一金屬層11包括難于氧化的不易氧化金屬，諸如W、Ta、Ru或Ti。第一金屬層11可被提供為化合物，諸如TaN或TiN。另外，第一金屬層11可被提供為接觸插頭、電極或互連器。
[0026]第二金屬層12被設(shè)置在第一金屬層11上。而且，第二金屬層包括比第一金屬更容易被氧化的易氧化金屬，諸如々1、86、]\%工3、51、83、5(3、￥、1^、21或!^。第二金屬層11可被提供為化合物，諸如HfB、MgAlB、HfAlB、ScAlB、ScHfB或HfMgB。第二金屬層12可包括堆疊結(jié)構(gòu)。
[0027]金屬是不易氧化金屬還是易氧化金屬可基于例如它的標準電極電勢來確定。更具體地，如果第二金屬層12包括標準電極電勢比第一金屬層11中的第一金屬的標準電極電勢低的第二金屬，則第二金屬可被定義為易氧化金屬。另一方面，如果第一金屬層11包括標準電極電勢比第二金屬層12中的第二金屬的標準電極電勢高的第一金屬，則第一金屬可被定義為不易氧化金屬。
[0028]第二金屬層12包括與第一金屬層11接觸的第一側(cè)壁部A、以及位于第一側(cè)壁部A的內(nèi)側(cè)并且在比第一側(cè)壁部A更高的位置處的第二側(cè)壁部B。第一側(cè)壁部A和第二側(cè)壁部B的每一個被定義為具有15°或更小的傾斜角Θ的側(cè)表面。
[0029]通過這種方式，由于第二金屬層12包括第一側(cè)壁部A和第二側(cè)壁部B，因此，在第二金屬層12上提供的具有疊層結(jié)構(gòu)的底部穩(wěn)定。因此，可防止該疊層結(jié)構(gòu)倒塌。
[0030]底層13被提供在第二金屬層12上。磁阻元件MTJ被提供在底層13上。提供底層13以使磁阻元件MTJ成形。優(yōu)選地，底層13包括MgO或一種氮化物，例如，AlN、MgN、ZrN、NbN、SiN和AlTiN0
[0031]磁阻元件MTJ包括第一磁層14、非磁層(隧道勢皇層)15和第二磁層16，第一磁層14位于底層13上，非磁層15位于第一磁層14上，第二磁層16位于非磁層15上。第一磁層14和第二磁層16中的一個是具有不變磁化強度的參考層，另一個是具有可變磁化強度的存儲層。
[0032]應(yīng)當注意，不變磁化強度意味著磁化強度的方向在寫入前或?qū)懭牒蟛蛔兓?，可變磁化強度意味著磁化強度的方向可在寫入前或?qū)懭牒笙喾吹刈兓?br>[0033]另外，寫入意味著自旋轉(zhuǎn)移寫入，其中，使自旋注入電流(自旋極化電子)流經(jīng)磁阻元件MTJ，從而向存儲層的磁化強度提供自旋力矩。
[0034]在磁阻元件MTJ包括作為存儲層的第一磁層14和作為參考層的第二磁層16的情況下，該磁阻元件MTJ被稱為頂銷式磁阻元件MTJ。圖3A和圖3B示出了頂銷式磁阻元件MTJ的磁化狀態(tài)。另一方面，在磁阻元件MTJ包括作為參考層的第一磁層14和作為存儲層的第二磁層16的情況下，該磁阻元件MTJ被稱為底銷式磁阻元件MTJ。圖4A和圖4B示出了底銷式磁阻元件MT J的磁化狀態(tài)。
[0035]優(yōu)選地，第一磁層14和第二磁層16具有垂直磁化強度，S卩，在第一磁層14和第二磁層16堆疊在一起的垂直方向上的剩余磁化強度。圖3A和圖4A示出了具有垂直磁化強度的磁阻元件MTJ的磁化狀態(tài)。然而，第一磁層14和第二磁層16可具有面內(nèi)磁化強度，S卩，在與第一磁層14和第二磁層16堆疊的方向垂直的方向上的剩余磁化強度。圖3B和圖4B示出了具有面內(nèi)磁化強度的磁阻元件MTJ的磁化狀態(tài)。
[0036]磁阻元件MTJ的阻抗取決于存儲層和參考層由于磁阻的影響而相對于彼此的磁化強度的方向。例如，如果存儲層和參考層處于存儲層和參考層的磁化強度的方向彼此相同的平行狀態(tài)，則磁阻元件MTJ的阻抗低，如果存儲層和參考層處于存儲層和參考層的磁化強度方向彼此相反的反平行狀態(tài)，則磁阻元件MTJ的阻抗高。
[0037]第一磁層14和第二磁層16包括例如CoFeB、MgFeO或CoFeB和MgFeO的疊層。如果磁阻元件具有垂直磁化強度，則優(yōu)選地，第一磁層14和第二磁層16具有:具有垂直磁各向異性的TbCoFe、其中Co和Pt被堆疊在一起并且具有垂直磁各向異性的人工晶格、被正則化成LI。并具有垂直磁各向異性的FePt等。在這種情況下，在第一磁層14和非磁層15之間或者在非磁層15和第二磁層16之間，可提供CoFeB作為接口層。
[0038]非磁層15包括例如MgO或A10。另外，非磁層15可被提供為氮化物，例如Al、S1、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Zr 或 Hf 的氮化物。
[0039]在磁阻元件11\1上提供第三金屬層17。另外，第三金屬層17包括例如胃、了&、1?11、1^、TaN或TiN。
[0040]另外，第三金屬層17用作電極，此外，當磁阻元件MTJ被圖案化時用作掩膜。也就是說，優(yōu)選地，第三金屬層17由具有低電阻和滿意的擴散、刻蝕和研磨公差的材料形成，例如，Ta和Ru的疊層。
[0041]第一再沉積層18與磁阻元件MTJ的側(cè)壁部和第二金屬層12的第二側(cè)壁部B接觸。第一再沉積層18是絕緣的，以防止第一磁層14和第二磁層16中的短路故障。例如，第一再沉積層18包括第二金屬層12中的易氧化金屬的氧化物。
[0042]間隔層19覆蓋第一再沉積層18。另外，間隔層19包括諸如氧化物或氮化物的絕緣層。
[0043]第二再沉積層20與間隔層19的側(cè)壁部和第二金屬層12的第一側(cè)壁部A接觸。另外，第二再沉積層20包括第一金屬層11中的不易氧化金屬。第二再沉積層20可包括第一金屬層11中的不易氧化金屬中的氧化物。
[0044]在與第一金屬層11的上表面平行的方向上，第一再沉積層18和第二再沉積層20各個具有Inm或更小的厚度。這是因為第一再沉積層18和第二再沉積層20是由第一金屬層11和第二金屬層20中的金屬形成并且通過刻蝕一次蒸發(fā)的再沉積層。
[0045]在與第一金屬層11的上表面平行的方向上，第一側(cè)壁部A到第二側(cè)壁部B的距離基本上等于間隔層19的寬度。這是因為第二金屬層12的上部(第二側(cè)壁部B)采用第三金屬層17作為掩膜進行刻蝕，而第二金屬層12的下部(第一側(cè)壁部A)采用第三金屬層17和間隔層19作為掩膜進行刻蝕。
[0046]本實施例在磁阻元件MTJ在與第一金屬層11的上表面平行的方向上的尺寸小于第一金屬層11的情況下是有效的。這是因為在上述的情況下，當磁阻元件MTJ通過僅僅執(zhí)行一次刻蝕來圖案化時，露出第一金屬層11的上表面，并形成不易氧化金屬的再沉積層。
[0047]通過這種方式，根據(jù)本實施例，在與第一金屬層11的上表面平行的方向上，如從部分X開始測量的第一磁層14和第二磁層16的寬度，即第一磁層14和第二磁層16的與非磁層15接觸的部分的寬度，基本上彼此相等。因此，與如從部分X開始測量的第一磁層14和第二磁層16的寬度，S卩第一磁層14和第二磁層16的與非磁層15接觸的部分的寬度，彼此不同的情況相比，可減小磁阻元件MTJ之間在MR比例上的變化。另外，與非磁層15的側(cè)壁部接觸的第一再沉積層18包括第二金屬層12中的易氧化金屬。因此，第一再沉積層18通過對易氧化金屬進行氧化而容易絕緣。也就是說，有效地防止了第一磁層14和第二磁層16的電短路故障。此外，包括第一金屬層11中的不易氧化金屬的第二再沉積層20與間隔層19接觸，因此，第一磁層14和第二磁層16的電短路故障由于不易氧化金屬或者不易氧化金屬的氧化不充分而不會發(fā)生。
[0048]因此，在本實施例的結(jié)構(gòu)中，防止了在磁阻元件中發(fā)生電短路故障，并減小了磁阻元件MTJ之間在MR比例上的變化。因此，可實現(xiàn)具有高可靠性的磁存儲器。
[0049]2.制造磁存儲器的方法。
[0050]將說明制造包括在圖1和圖2中示出的磁阻元件的磁存儲器的方法。
[0051 ]首先，如圖5所不，第一金屬層11、第二金屬層12、底層13、第一磁層14、非磁層15和第二磁層16通過例如化學氣象沉積(CVD)法堆疊在一起。然后，通過CVD和光刻工藝(PEP)在第二磁層16上形成用作硬掩膜層的第三金屬層17。
[0052]接著，如圖6所示，將執(zhí)行第一刻蝕過程。
[0053]第一刻蝕過程通過執(zhí)行物理刻蝕(諸如離子束刻蝕(IBE))和反應(yīng)刻蝕(諸如反應(yīng)離子刻蝕(RIE))來實施。在將IBE應(yīng)用于第一刻蝕過程的情況下，例如，Ne、Ar、Kr、Xe、N或O用作在IBE中使用的離子束的元素。
[0054]第一刻蝕過程意在采用第三金屬層17作為掩膜來對磁阻元件MTJ、底層13和第二金屬層12進行刻蝕。
[0055]在這種情況下，由于磁阻元件MTJ通過僅僅一次刻蝕來圖案化，因此，可使其形狀更接近理想形狀。也就是說，磁阻元件MTJ的側(cè)壁部的傾斜度可被設(shè)置為15°或更小。另外，在與第一金屬層11的上表面平行的方向上，可使如從部分X開始測量的第一磁層14和第二磁層16的寬度(S卩，第一磁層14和第二磁層16的與非磁層15接觸的部分的寬度)基本彼此相等。因此，可減小磁阻元件MTJ之間在MR比例上的變化。
[0056]另外，當?shù)诙饘賹?2的中間部分由于以下原因出現(xiàn)時，停止第一刻蝕過程:
[0057]在第一刻蝕過程中，通過控制離子束的例如入射角、能量等，在刻蝕期間，在除去附著到側(cè)壁部的第一再沉積層18’時，磁阻元件MTJ被圖案化。
[0058]然而，在第一刻蝕過程中，很難完全除去將被最后刻蝕的金屬層的再沉積物。
[0059]因此，在將被最后刻蝕的金屬層是包括不易氧化金屬的第一金屬層11的情況下，第一金屬層中的不易氧化金屬重新附著到磁阻元件MTJ的側(cè)壁部，最后，形成第一再沉積層
18, ο
[0060]很難通過氧化來完全絕緣包括不易氧化金屬的第一再沉積層18\因此，在第一磁層14和第二磁層16中發(fā)生電短路故障。
[0061]鑒于以上所述，在本實施例中，將被最后刻蝕的金屬是包括易氧化金屬的第二金屬層12。更具體地，如上所述，當?shù)竭_第二金屬層12的中間部分時，停止第一刻蝕過程。在這種情況下，第二金屬層12中的易氧化金屬重新附著到磁阻元件MTJ的側(cè)壁部，最后，形成包含易氧化金屬的第一再沉積層18'。
[0062]包含易氧化金屬的第一再沉積層18'可通過氧化完全絕緣。因此，可以防止第一磁層14和第二磁層16的電短路故障。
[0063]通過執(zhí)行第一刻蝕過程，可以使第二金屬層12具有第二寬壁B。也就是說，包含第二金屬層12中的易氧化金屬的第一再沉積層18'與磁阻元件MTJ的側(cè)壁部和第二金屬層12的第二側(cè)壁部B接觸。第二側(cè)壁部B相對于與第一金屬層11的上表面垂直的軸線的傾斜度是15°或更小。
[0064]其后，由于氧化(例如，熱氧化)，第一再沉積層18'被轉(zhuǎn)變成易氧化金屬的氧化物。因此，如圖7所示，包括易氧化金屬的氧化物的第一再沉積層18在磁阻元件MTJ的側(cè)表面上形成。
[0065]接著，如圖8所示，通過CVD和RIE，形成間隔層19以覆蓋第一再沉積層18。間隔層19包括氧化硅、氮化硅等。
[0066]由于間隔層19用作掩膜層，因此，在與第一金屬層11的上表面平行的方向上，間隔層19具有比至少第一再沉積層18的寬度(例如，Inm)更大的寬度。優(yōu)選地，在與第一金屬層11的上表面平行的方向上，間隔層19具有比Inm大且比1nm小的寬度。
[0067]接著，如圖9所示，執(zhí)行第二刻蝕過程。
[0068]第二刻蝕過程通過執(zhí)行物理刻蝕(諸如IBE)或反應(yīng)刻蝕(諸如RIE)來實施，與第一亥丨J蝕過程相同。在將IBE應(yīng)用于第二刻蝕過程的情況下，例如，Ne、Ar、Kr、Xe、N或O用作在IBE中使用的離子束的元素。
[0069]第二刻蝕過程意在采用第三金屬層17和間隔層19作為掩膜來刻蝕第一再沉積層18和第二金屬層12。
[0070]當?shù)谝唤饘賹?1的上表面出現(xiàn)時，停止第二刻蝕過程。也就是說，執(zhí)行第二刻蝕過程，直到第二金屬層12的刻蝕完全結(jié)束，S卩，第一金屬層11的上表面露出。
[0071]這是因為磁存儲器包括磁阻元件的陣列。也就是說，當?shù)谝辉俪练e層18和第二金屬層12被刻蝕時，磁存儲器中的磁阻元件可彼此電斷開。
[0072]當執(zhí)行第二刻蝕過程時，使第二金屬層12具有第一側(cè)壁部A。第一側(cè)壁部A與第一金屬層11接觸。第二側(cè)壁部B以如從第一側(cè)壁部A回退的方式定位。第一側(cè)壁部A相對于與第一金屬層11的上表面垂直的軸線的傾斜度是15°或更小。
[0073]在第二刻蝕過程中，由于第二金屬層12被完全刻蝕，因此，將被最后刻蝕的金屬層是第一金屬層U。因此，包括第一金屬層11中的不易氧化金屬的第二再沉積層20與間隔層19的側(cè)壁部和第二金屬層12的第一側(cè)壁部A接觸。
[0074]然而，由于第二再沉積層20不與磁阻元件MTJ的非磁層15的側(cè)壁部接觸，因此，在第一磁層14和第二磁層16中不發(fā)生電短路故障。
[0075]最后，如圖10所示，通過CVD，形成保護層PL以覆蓋第一金屬層11、第二金屬層12、磁阻元件MTJ、第三金屬層17、第一再沉積層18、間隔層19和第二再沉積層20。
[0076]通過上述制造方法，完全形成包括在圖1和圖2中示出的磁阻元件的磁存儲器。其后，例如，包括磁存儲器的晶片暴露在空氣中。
[0077]提供如圖10所示的保護層PL以防止經(jīng)過以上過程的磁阻元件MTJ被空氣中的氧氣氧化。因此，優(yōu)選地，保護層PL包括具有隔絕氧氣的特性的層，例如由氮化物(諸如SiN、AlN或HfN)形成的層。另外，優(yōu)選地，在與第一金屬層11的上表面平行的方向上，保護層PL具有1nm或更大的寬度。
[0078]3.本實施例和比較例
[0079]圖11是示出本實施例與比較例之間的對比的圖。
[0080]在圖中，用相同的編號和標記來表示與圖1和圖2中的元件對應(yīng)的元件。
[0081 ]在本實施例中，當包括易氧化金屬的第二金屬層12的中間部分出現(xiàn)時，停止第一刻蝕過程，并執(zhí)行第二刻蝕過程，采用第三金屬層17和間隔層19作為掩膜。這種過程稱為“半側(cè)壁過程”。
[0082]在這種情況下，如上所述，可以實現(xiàn)防止磁阻元件MTJ的電短路故障和磁阻元件MTJ的MR比例的提高。
[0083]相反，在比較例N0.1中，在單個刻蝕過程中執(zhí)行磁阻元件MTJ的刻蝕。因此，雖然磁阻元件MTJ可被圖案化成具有理想形狀，但是，包含第一金屬層11中的不易氧化金屬的第二再沉積層20在非磁層15的側(cè)壁部上形成。
[0084]因此，在比較例N0.1中，第二再沉積層20的氧化是不充分的，因此，存在在磁阻元件MTJ中發(fā)生電短路故障的情況。另一方面，如果再沉積層20被長時間充分氧化，以變成完全氧化物，則磁阻元件MT J的第一磁層14和第二磁層16被氧化以降低MR比例。
[0085]在比較例N0.2中，當非磁層(隧道勢皇層)15的上表面出現(xiàn)時，停止第一刻蝕過程，并執(zhí)行第二刻蝕過程，采用第三金屬層17和間隔層19作為掩膜。這種過程稱為“停止于隧道勢皇過程”。
[0086]在這種情況下，磁阻元件MTJ的電短路故障可如在本實施例中的那樣防止。然而，在與第一金屬層11的上表面平行的方向上，第一磁層14的寬度比第二磁層16的任何部分的寬度更大。也就是說，第一磁層14和第二磁層16的與非磁層15接觸的部分具有不同的寬度。因此，MR比例變化。
[0087]另外，在比較例N0.2中，在第一刻蝕過程后，第一磁層14還可通過離子注入而部分地失活。然而，在這種情況下，由于增加了離子注入過程，因此，增加了制造成本。
[0088]在本實施例中，具有理想形狀的磁阻元件可不破壞其特性地形成。在這點上，本實施例優(yōu)于比較例N0.1和N0.2。
[0089]4.應(yīng)用示例
[0090]圖12是示出磁存儲器中的存儲單元的示例。
[0091]在本示例中，磁存儲器中的存儲單元包括選擇晶體管(例如，F(xiàn)ET)ST和磁阻元件MTJ，其對應(yīng)于上述實施例中的磁阻元件MTJ。
[0092]選擇晶體管ST被設(shè)置在半導體基板21中的有效區(qū)域AA中。有效區(qū)域AA被半導體基板21中的元件隔離絕緣層22包圍。在本示例中，元件隔離絕緣層22具有淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)。
[0093]選擇晶體管ST包括在半導體基板21中的源極/漏極擴散層23a和23b、在擴散層之間的溝道上的柵極絕緣層24、以及在柵極絕緣層24上的柵電極25。柵電極25用作字線。
[0094]層間絕緣層(例如，氧化硅層)26覆蓋選擇晶體管ST。在層間絕緣層26中設(shè)置接觸插頭BEC和BCl。另外，接觸插頭BEC和BCl對應(yīng)于包括不易氧化金屬(例如，W、Ta、Ru和Ti之一)的第一金屬層11。
[0095]層間絕緣層26的上表面是平的，在第一金屬層11上設(shè)置第二金屬層12。第二金屬層12包括易氧化金屬，例如，Al、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Zr和Hf之一。另外，第二金屬層12通過用作接觸插頭BEC的第一金屬層11而連接到選擇晶體管ST的源極/漏極擴散層23a。
[0096]在第二金屬層12上的底層13上設(shè)置磁阻元件MTJ。進一步地，在磁阻元件MTJ上設(shè)置第三金屬層17。第三金屬層17用作例如在處理磁阻元件MTJ中使用的硬掩膜層。
[0097]保護層(例如，氮化硅層)PL覆蓋磁阻元件MTJ的側(cè)壁部。
[0098]層間絕緣層(例如，氧化硅層)27被設(shè)置在保護層PL上，并覆蓋磁阻元件MTJ。層間絕緣層27的上表面是平的，并在層間絕緣層27上設(shè)置位線BLl和BL2。位線BLl通過接觸插頭TEC連接到第三金屬層17。位線BL2通過接觸插頭BC2連接到接觸插頭BCl。
[0099]在本實施例中，在與半導體基板11的表面平行的方向上，磁阻元件MTJ具有比接觸插頭BEC的尺寸更小的尺寸。
[0100]圖13A和圖13B示出了如圖12所示的磁阻元件MTJ的示例。
[0101 ]如圖13A所示的結(jié)構(gòu)在以下方面不同于如圖1和圖2所示的結(jié)構(gòu):第一磁層14是存儲層，第二磁層16是參考層，偏移消除層SCL和覆蓋層CAP是新添加的。
[0102]如圖13B所示的結(jié)構(gòu)在以下方面不同于如圖1和圖2所示的結(jié)構(gòu):第一磁層14是存儲層，第二磁層16是參考層，偏移消除層SCLl、SCL2和覆蓋層CAP是新添加的。
[0103]如圖13B所示的結(jié)構(gòu)是底部偏移消除結(jié)構(gòu)，其中，偏移消除層SCLl剛好位于用作存儲層的第一磁層14的下面。在這種情況下，剛好在用作參考層的第二磁層16上面的偏移消除層SCL2可被省略。
[0104]如圖13A所示的偏移消除層SCL和如圖13B所示的偏移消除層SCL1、SCL2的每一個具有其中η個包括Co層和Pt層的層被堆疊在一起的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可用[Co/Pt]n來表示。
[0105]另一方面，如圖13A和圖13B所示的結(jié)構(gòu)與如圖1和圖2所示的結(jié)構(gòu)相同。例如，用于形成第一金屬層11、第二金屬層12、第三金屬層17、底層13和磁阻元件MTJ的材料如用圖1和圖2所描述的。因此，在如圖13A和13B所示的結(jié)構(gòu)中，與圖1和圖2所示的結(jié)構(gòu)的元件相同的元件將用與如圖1和圖2中所示的結(jié)構(gòu)相同的標號和標記來表示，并勝率其詳細的說明。
[0106]參考圖13A和圖13B，偏移消除層SCUSCL1和SCL2具有不可變且垂直的磁化強度。偏移消除層SCL、SCLl和SCL2的磁化強度的方向與參考層15的相反。因此，偏移消除層SCL、SCLl和SCL2取消由于來自第二磁層(參考層)16的雜散磁場而發(fā)生的第一磁層(存儲層)14的磁化反轉(zhuǎn)特性(磁滯曲線)的偏移(變化)。
[0107]覆蓋層CAP被設(shè)置在偏移消除層SCL和上電極16之間，或者在偏移消除層SCL和上電極16之間。覆蓋層CAP用作防止偏移消除層SCL與上電極16之間或者偏移消除層SCL2與上電極16之間的反應(yīng)的緩沖層。覆蓋層CAP包括例如Pt、W、Ta或Ru。
[0108]應(yīng)當注意，在如圖13A和圖13B所示的結(jié)構(gòu)中，還在層間絕緣層26和接觸插頭BEC上形成第二再沉積層20。
[0109]第二再沉積層20具有非常小的厚度(彡lnm)。它不是充滿了元件的連續(xù)層，S卩，它部分地包括元件。然而，在圖中，第二再沉積層20被示為單個連續(xù)層，以便易于理解描述。
[0110]因此，第二再沉積層20變成如非磁層15的非常薄的層中的電短路故障的原因；然而，它不會引起在兩個彼此充分隔離的磁阻元件中的電短路故障。
[0111]然而，為了可靠地防止這種故障，第二再沉積層20可被轉(zhuǎn)變成不易氧化金屬的氧化物。
[0112]圖14-圖18示出了磁隨機存取存儲器的存儲單元陣列區(qū)域的示例。圖14是存儲單元陣列區(qū)域的平面圖，圖15是沿著圖14中的線XV-XV的剖視圖，圖16是沿著圖14中的線XV1-XVI的剖視圖，圖17是沿著圖14中的線XVI1-XVII的剖視圖。圖18示出存儲單元陣列區(qū)域中的等效電路。
[0113]在圖14-圖18中，與圖12和圖13中的元件相同的元件用相同的標記來表示。
[0114]將針對所謂兩晶體管一元件類型的存儲單元區(qū)域MA進行說明，其中，每個存儲單元MC包括兩個選擇晶體管ST和一個磁阻元件MTJ。然而，這并不意味著本實施例限于這種類型。也就是說，本實施例可應(yīng)用于其它類型的存儲單元陣列區(qū)域MA，例如，一晶體管一元件類型的存儲單元區(qū)域MA和交叉點類型的存儲單元陣列區(qū)域MA。
[0115]在半導體基板21上，多個存儲單元MC被排列成陣列。每個存儲單元MC包括在半導體基板21上的兩個選擇晶體管ST和共同連接到這兩個選擇晶體管ST的一個磁阻元件MTJ。
[0116]每個選擇晶體管ST包括在半導體基板21中的源極/漏極擴散層23a、23b、以及在源極/漏極擴散層23a和23b之間的溝道上的用作柵極電極的字線WL。字線WL在第二方向上延伸，并連接到字線驅(qū)動器31。
[0117]磁阻元件MTJ被設(shè)置在源極/漏極擴散層23a之上，并與其連接。位線BLl被設(shè)置在磁阻元件MTJ之上，并與其連接。另外，位線BLl在第一方向上延伸，并連接到位線驅(qū)動器/下沉區(qū)32。
[0118]位線BL2被設(shè)置在源極/漏極擴散層23b之上，并與其連接。在執(zhí)行讀取操作時，位線BL2也用作例如連接到檢測放大器的源線SL。另外，位線BL2在第一方向上延伸，并連接到位線驅(qū)動器/下沉區(qū)和讀取電路33。
[0119]該示例的存儲單元陣列的布圖是一個例子，可被適當?shù)匦薷?。例如，在該例中，由于存儲單元陣列區(qū)域MA從位于半導體基板21之上的一側(cè)來看，源極/漏極擴散層23a、23b、磁阻元件MTJ和位線BLl在第二方向上相對于彼此偏移。然而，它們是否相對于彼此偏移、它們的偏移量等可適當?shù)馗淖儭?br>[0120]此外，在該示例中，位線BLl和位線BL2被形成在不同的互連層中；然而，它們可形成在單個互連層中。
[0121]5.制造設(shè)備
[0122]在上述的制造方法中，優(yōu)選地，執(zhí)行形成包括磁阻元件的疊層結(jié)構(gòu)的過程(例如，CVD)、第一和第二刻蝕過程(例如，IBE)以及氧化第一再沉積層的過程(例如，熱氧化)，以使得它們不在外部空氣(氧氣)中。
[0123]因此，如例如圖19所示的，在單個制造裝置40中提供第一室Cl、第二室C2和第三室C3。在第一室Cl中，執(zhí)行第一和第二刻蝕過程;在第二室C2中，執(zhí)行氧化第一再沉積層的過程，在第三室C3中，形成包括磁阻元件的疊層結(jié)構(gòu)。
[0124]在這種情況下，第三室C3也可應(yīng)用于形成間隔層和保護層。另外，優(yōu)選地，第一室Cl也可應(yīng)用于在磁阻元件的側(cè)壁部上以自校準方式形成間隔層的刻蝕(例如，RIE)。
[0125]制造裝置40的特征在于在空間中不包含氧氣，晶片可在第一室Cl至第三室C3之間傳遞。也就是說，制造方法可在單個制造裝置中實施，以使得它不在外部空氣中。
[0126]圖20示出了制造裝置的變形。
[0127]在該變形中，在第一室Cl中執(zhí)行IBE。也就是說，可在第一室Cl中執(zhí)行第一和第二刻蝕過程。在第二室C2中執(zhí)行RIE。也就是說，可在第二室C2中執(zhí)行用于在磁阻元件的側(cè)壁部上以自校準方式形成間隔層的刻蝕。
[0128]在第三室C3中執(zhí)行CVD和氧化。也就是說，可在第三室C3中執(zhí)行包括磁阻元件、間隔層、保護層等的疊層結(jié)構(gòu)的形成。另外，第一再沉積層可在第三室C3中進行氧化。
[0129]在如圖19和圖20所示的制造裝置中，晶片的傳遞根據(jù)上述的制造方法的過程由控制器41來控制?？刂破?1控制將在第一室Cl至第三室C3中執(zhí)行的過程以及晶片的傳遞。
[0130]6.結(jié)論
[0131]根據(jù)本實施例，可以通過防止在磁阻元件中發(fā)生電短路故障和防止MR比例的變化來實現(xiàn)具有高可靠性的磁存儲器。
[0132]盡管已經(jīng)描述了某些實施例，但這些實施例只通過示例的方式來呈現(xiàn)，并不意在限制本發(fā)明的范圍。實際上，本文描述的新穎實施例可以通過各種其它形式來體現(xiàn);另外，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，可對本文描述的實施例的形式進行各種省略、替換和改變。所附的權(quán)利要求及其等同意在覆蓋這樣的形式或修改，以落入本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種磁存儲器，包括: 第一金屬層，其包括第一金屬； 在所述第一金屬層上的第二金屬層，所述第二金屬層包括比所述第一金屬更易被氧化的第二金屬，所述第二金屬層具有接觸所述第一金屬層的第一側(cè)壁部，所述第二金屬層具有在所述第一側(cè)壁部上面的第二側(cè)壁部，所述第二側(cè)壁部從所述第一側(cè)壁部后退； 在所述第二金屬層上的磁阻元件； 在所述磁阻元件上的第三金屬層； 第一材料，其接觸所述磁阻元件的側(cè)壁部和所述第二金屬層的第二側(cè)壁部，所述第一材料包括所述第二金屬； 間隔層，其覆蓋所述第一材料；以及 第二材料，其接觸所述間隔層的側(cè)壁部和所述第二金屬層的第一側(cè)壁部，所述第二材料包括所述第一金屬。2.如權(quán)利要求1所述的存儲器，還包括: 保護層，其覆蓋所述第一金屬層、所述第二金屬層、所述磁阻元件、所述第三金屬層、所述第一材料、所述間隔層和所述第二材料，所述保護層包括氮化物。3.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其中， 所述第二金屬具有比所述第一金屬的標準電極電勢低的標準電極電勢。4.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其中， 所述第一材料包括所述第二金屬的氧化物。5.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其中， 所述第二材料包括所述第一金屬的氧化物。6.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其中， 所述第一材料和所述第二材料的每一個在與所述第一金屬層的上表面平行的方向上具有Inm或更小的厚度。7.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其中， 所述第一側(cè)壁部和所述第二側(cè)壁部的每一個相對于與所述第一金屬層的上表面垂直的軸線具有15°或更小的傾斜度。8.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其中， 從所述第一側(cè)壁部到所述第二側(cè)壁部的寬度在與所述第一金屬層的上表面平行的方向上基本等于所述間隔層的寬度。9.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其中， 所述磁阻元件在與所述第一金屬層的上表面平行的方向上具有比所述第一金屬層的尺寸更小的尺寸。10.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其中， 所述第二金屬層在與所述第一金屬層的上表面平行的方向上具有比所述第一金屬層的尺寸更小的尺寸。11.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其中， 所述第一金屬層是與選擇晶體管的源極/漏極區(qū)接觸的接觸插頭。12.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其中， 所述第一金屬包括W、Ta、Ru和Ti之一。13.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其中， 所述第二金屬包括 Al、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Zr 和 Hf 之一。14.如權(quán)利要求1所述的存儲器，還包括: 底層，其在所述第二金屬層和所述磁阻元件之間，所述底層包括180、41^、]\^1'1、2.、NbN、SiN 和 AlTiN 之一。15.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其中， 所述磁阻元件包括:在所述第二金屬層上的第一磁層、在所述第一磁層上的非磁層和在所述非磁層上的第二磁層。16.如權(quán)利要求15所述的存儲器，其中， 所述第一磁層和所述第二磁層的每一個在所述第一磁層和所述第二磁層堆疊的方向上具有剩余磁化強度。17.如權(quán)利要求15所述的存儲器，其中， 所述第一磁層具有可變磁化強度，以及所述第二磁層具有不變磁化強度。18.如權(quán)利要求17所述的存儲器，其中， 所述磁阻元件包括在所述第二磁層和所述第三磁層之間提供的偏移消除層，所述偏移消除層具有與所述第二磁層的磁化強度相反的不變磁化強度。19.一種制造磁存儲器的方法，所述方法包括: 形成包括第一金屬的第一金屬層； 在所述第一金屬層上形成第二金屬層，所述第二金屬層包括比所述第一金屬更易被氧化的第二金屬； 在所述第二金屬層上形成磁阻元件； 在所述磁阻元件上形成第三金屬層； 執(zhí)行第一刻蝕過程，其通過使用所述第三金屬層作為掩膜來刻蝕所述磁阻元件和所述第二金屬層，所述第一刻蝕過程在所述第二金屬層的中間停止，所述第二金屬層通過執(zhí)行所述第一刻蝕過程而具有第二側(cè)壁部； 氧化所述磁阻元件； 在所述磁阻元件的側(cè)壁部上形成間隔層；以及 執(zhí)行第二刻蝕過程，其通過使用所述間隔層和所述第三金屬層作為掩膜來刻蝕所述第二金屬層，所述第二金屬層通過執(zhí)行所述第一刻蝕過程而具有第一側(cè)壁部，所述第二側(cè)壁部從所述第一側(cè)壁部后退。20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中， 通過執(zhí)行所述第一刻蝕過程，在所述磁阻元件的所述側(cè)壁部和所述第二金屬層的所述第二側(cè)壁部上形成包括所述第二金屬的第一材料， 所述第一材料通過氧化所述磁阻元件來改變所述第二金屬的氧化物；以及 通過執(zhí)行所述第二刻蝕過程，在所述間隔層的側(cè)壁部和所述第二金屬層的所述第一側(cè)壁部上形成包括所述第一金屬的第二材料。21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中， 所述第一刻蝕過程和所述第二刻蝕過程在第一室中執(zhí)行，氧化所述磁阻元件在第二室中執(zhí)行，所述第一金屬層、所述第二金屬層、所述磁阻元件、所述第三金屬層和所述間隔層在第三室中形成，在所述第一室、所述第二室和所述第三室之間傳送包括所述磁存儲器的晶片在沒有氧氣的房間中執(zhí)行。22.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括: 在半導體基板上形成選擇晶體管； 形成覆蓋所述選擇晶體管的層間絕緣層；以及 在所述層間絕緣層中形成所述第一金屬層， 其中所述第一金屬層是與所述選擇晶體管的源極/漏極區(qū)接觸的接觸插頭。23.如權(quán)利要求19所述的方法，其中， 所述第一刻蝕過程和所述第二刻蝕過程的每一個通過離子束刻蝕來執(zhí)行。
【文檔編號】H01L21/3065GK106062945SQ201480076776
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年6月24日
【發(fā)明人】園田康幸, 中山昌彥, 李敏碩, 吉川將壽, 杉浦邦晃, 黃智煥
【申請人】株式會社東芝, Sk海力士公司