專利名稱：具有磁屏蔽層的磁存儲器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁存儲器件及其制造方法，更具體地說，涉及這樣一種磁存儲器件及其制造方法，該器件通過電流磁場寫入每一位，并且響應(yīng)與一個單元的磁化狀態(tài)相對應(yīng)的電阻變化讀出“1”或“0”的信息。
背景技術(shù)：
近來已經(jīng)提出利用了磁致電阻效應(yīng)的MRAM(磁性隨機存取存儲器)作為存儲元件。MRAM的特征在于，為了將數(shù)據(jù)寫入一個存儲單元中，采用電流磁場來改變鐵磁物質(zhì)的磁化方向。在MRAM中，采用TMR(隧道磁致電阻，Tunneling Magneto Resistive)效應(yīng)的MTJ(磁性隧道結(jié)，Magnetic Tunneling Junction)可以響應(yīng)于電阻數(shù)值的變化而提取“1”或“0”的信息。作為“1”和“0”之間的電阻差的該MTJ元件的MR(磁致電阻)比幾乎達到50％，這就極大地促進了MRAM的實際應(yīng)用。
為了在具有磁致電阻元件比如MTJ元件的存儲單元中產(chǎn)生可寫入信息的電流磁場，必須向?qū)懢€路提供足夠大的寫電流。目前，寫電流達到每根寫線路大約幾個mA-10mA。形體尺寸上的進一步縮小縮短了磁致電阻元件之間的距離。這就意味著較大寫電流的產(chǎn)生會影響選定單元附近的單元。
解決這個問題的一種技術(shù)是“磁屏蔽”。根據(jù)這種技術(shù)，只有電流磁場線路或電流磁場線路和磁致電阻元件兩者都覆蓋有磁性部件。通過與磁軛相同的效應(yīng)將由電流磁場線路產(chǎn)生的磁場集中在選定的單元上。這樣通過較小寫電流就可以將信息寫入選定的單元中。
在日本專利申請公開No.11-238377中披露了這種技術(shù)的一個已知示例。在該實施方案中，如圖61所示，元件隔離氧化膜72選擇性地形成在半導(dǎo)體基底71上。MOSFET73選擇性地形成在元件隔離氧化膜72之間。MOSFET73的源極/漏極擴散層通過接點74、76和78以及第一、第二和第三線路層75、77、79與GMR(巨磁致電阻)元件80連接。用于通過電流磁場在GMR元件80中寫入信息的上下字線81和82與該GMR元件80間隔開地形成在該GMR元件80的上方和下方。由非導(dǎo)電鐵氧體材料制成的磁屏蔽層83形成作為鈍化薄膜，該薄膜覆蓋著存儲單元陣列的整個表面。
現(xiàn)有技術(shù)可以通過非導(dǎo)電鐵氧體材料來屏蔽磁屏蔽層83外面的雜散磁場。該現(xiàn)有技術(shù)還可以將由寫入布線81和82產(chǎn)生的磁場聚集在用作記錄部分的GMR元件的磁層上。
但是，該現(xiàn)有技術(shù)在防止小尺寸的磁存儲器中的相鄰單元之間泄漏的磁場所引起的錯寫方面效果較差。該現(xiàn)有技術(shù)不能令人滿意地將由電流磁場線路產(chǎn)生的磁場聚集在磁性部件上。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的第一方面的磁存儲器件，它包括沿著第一方向延伸的第一線路層、設(shè)置在所述第一線路層上方的存儲元件、設(shè)置在所述存儲元件上并且沿著與所述第一方向不同的第二方向延伸的第二線路層，以及形成在每個第二線路層的側(cè)面和存儲元件的側(cè)面上的第一屏蔽層。
根據(jù)本發(fā)明第二方面的磁存儲器件制造方法，它包括以下步驟形成沿著第一方向延伸的第一線路層；在所述第一線路層上方選擇性地形成存儲元件；圍繞著所述存儲元件形成第一絕緣層；在所述第一絕緣層和存儲元件上形成沿著與所述第一方向不同的第二方向延伸的第二線路層；用所述第二線路層作為掩模除去第一絕緣層的沒有被第二線路層覆蓋的部分；并且在所述第二線路層上面形成第一屏蔽層。
附圖的簡要說明

圖1A為根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的磁存儲器件的立體圖；圖1B為沿著圖1A中的IB-IB線剖開的磁存儲器件的剖視圖；圖1C為沿著圖1A中的IC-IC線剖開的磁存儲器件的剖視圖；圖2A和2B分別為根據(jù)本發(fā)明每個實施方案的具有單隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的MTJ元件的剖視圖；圖3A和3B分別為根據(jù)本發(fā)明每個實施方案的具有雙隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的MTJ元件的剖視圖；圖4A為制造本發(fā)明第一實施方案的磁存儲器件的一個步驟的立體圖；圖4B為沿著圖4A中的IVB-IVB線剖開的磁記錄器件的剖視圖；圖4C為沿著圖4A中的IVC-IVC線剖開的磁記錄器件的剖視圖；圖5A為制造本發(fā)明第一實施方案的磁存儲器件的在圖4A之后的步驟的立體圖；圖5B為沿著圖5A中的VB-VB線剖開的磁記錄器件的剖視圖；圖5C為沿著圖5A中的VC-VC線剖開的磁記錄器件的剖視圖；圖6A為制造本發(fā)明第一實施方案的磁存儲器件的在圖5A之后的步驟的立體圖；圖6B為沿著圖6A中的VIB-VIB線剖開的磁記錄器件的剖視圖；圖6C為沿著圖6A中的VIC-VIC線剖開的磁記錄器件的剖視圖；圖7A為制造本發(fā)明第一實施方案的磁存儲器件的在圖6A之后的步驟的立體圖；圖7B為沿著圖7A中的VIIB-VIIB線剖開的磁記錄器件的剖視圖；圖7C為沿著圖7A中的VIIC-VIIC線剖開的磁記錄器件的剖視圖；
圖8A為制造本發(fā)明第一實施方案的磁存儲器件的在圖7A之后的步驟的立體圖；圖8B為沿著圖8A中的VIIIB-VIIIB線剖開的磁記錄器件的剖視圖；圖8C為沿著圖8A中的VIIIC-VIIIC線剖開的磁記錄器件的剖視圖；圖9A為制造本發(fā)明第一實施方案的磁存儲器件的在圖8A之后的步驟的立體圖；圖9B為沿著圖9A中的IXB-IXB線剖開的磁記錄器件的剖視圖；圖9C為沿著圖9A中的IXC-IXC線剖開的磁記錄器件的剖視圖；圖10A為制造本發(fā)明第一實施方案的磁存儲器件的在圖9A之后的步驟的立體圖；圖10B為沿著圖10A中的XB-XB線剖開的磁記錄器件的剖視圖；圖11A、12A、13A、14A和15A為制造本發(fā)明第二實施方案的磁存儲器件的步驟的沿著第一線路層延伸的方向的剖視圖；圖11B、12B、13B、14B和15B為制造本發(fā)明第二實施方案的磁存儲器件的步驟的沿著第二線路層延伸的方向的剖視圖；圖16A為根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的磁存儲器件沿著第一線路層延伸的方向的剖視圖；圖16B為根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的磁存儲器件沿著第二線路層延伸的方向的剖視圖；圖17A、18A、19A、20A和21A為制造本發(fā)明第三實施方案的磁存儲器件的步驟的沿著第一線路層延伸的方向的剖視圖；圖17B、18B、19B、20B和21B為制造本發(fā)明第三實施方案的磁存儲器件的步驟的沿著第二線路層延伸的方向的剖視圖；圖22A為根據(jù)本發(fā)明第四實施方案的磁存儲器件的立體圖；圖22B為沿著圖22A中的XXIIB-XXIIB線剖開的磁存儲器件的剖視圖；
圖22C為沿著圖22A中的XXIIC-XXIIC線剖開的磁存儲器件的剖視圖；圖23A為根據(jù)本發(fā)明第四實施方案的磁存儲器件的立體圖；圖23B為沿著圖23A中的XXIIIB-XXIIIB線剖開的磁存儲器件的剖視圖；圖23C為沿著圖23A中的XXIIIC-XXIIIC線剖開的磁存儲器件的剖視圖；圖24A為根據(jù)本發(fā)明第五實施方案的磁存儲器件沿著第一線路層延伸的方向的剖視圖；圖24B為根據(jù)本發(fā)明第五實施方案的磁存儲器件沿著第二線路層延伸的方向的剖視圖；圖25A為制造本發(fā)明第五實施方案的磁存儲器件的步驟的沿著第一線路層延伸的方向的剖視圖；圖25B為制造本發(fā)明第五實施方案的磁存儲器件的步驟的沿著第二線路層延伸的方向的剖視圖；圖26A為根據(jù)本發(fā)明第六實施方案的磁存儲器件沿著第一線路層延伸的方向的剖視圖；圖26B為根據(jù)本發(fā)明第六實施方案的磁存儲器件沿著第二線路層延伸的方向的剖視圖；圖27A為制造本發(fā)明第六實施方案的磁存儲器件的步驟的沿著第一線路層延伸的方向的剖視圖；圖27B為制造本發(fā)明第六實施方案的磁存儲器件的步驟的沿著第二線路層延伸的方向的剖視圖；圖28為根據(jù)本發(fā)明第七實施方案的磁存儲器件的剖視圖；圖29為制造本發(fā)明第七實施方案的步驟的剖視圖；圖30A和30B為本發(fā)明第七實施方案的具有二極管作為開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖；圖31A和31B為本發(fā)明第七實施方案的具有MOSFET作為開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖；
圖32為根據(jù)本發(fā)明第八實施方案的磁存儲器件的剖視圖；圖33為制造根據(jù)本發(fā)明第八實施方案的步驟的剖視圖；圖34A和34B為本發(fā)明第八實施方案的具有二極管作為開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖；圖35A和35B為本發(fā)明第八實施方案的具有MOSFET作為開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖；圖36為本發(fā)明第八實施方案的另一種磁存儲器件的剖視圖，其中每個第二線路層的磁屏蔽層是分開的；圖37A和37B為本發(fā)明第八實施方案的具有二極管作為開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖，其中每個第二線路層的磁屏蔽層是分開的；圖38A和38B為本發(fā)明第八實施方案的具有MOSFET作為開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖，其中每個第二線路層的磁屏蔽層是分開的；圖39為根據(jù)本發(fā)明第九實施方案的磁存儲器件的剖視圖；圖40為制造根據(jù)本發(fā)明第九實施方案的步驟的剖視圖；圖41A和41B為本發(fā)明第九實施方案的具有二極管作為開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖；圖42A和42B為本發(fā)明第九實施方案的具有MOSFET作為開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖；圖43為本發(fā)明第九實施方案的另一種磁存儲器件的剖視圖，其中每個第二線路層的磁屏蔽層是分開的；圖44A和44B為本發(fā)明第九實施方案的具有二極管作為開關(guān)元件的另一種磁存儲器件的剖視圖，其中每個第二線路層的磁屏蔽層是分開的；圖45A和45B為本發(fā)明第九實施方案的具有MOSFET作為開關(guān)元件的另一種磁存儲器件的剖視圖，其中每個第二線路層的磁屏蔽層是分開的；圖46為本發(fā)明第九實施方案的再一種磁存儲器件的剖視圖，其中每個第二線路層的磁屏蔽層是分開的并且形成在第二線路層上面；
圖47A和47B為根據(jù)本發(fā)明第九實施方案的具有二極管作為開關(guān)元件的再一種磁存儲器件的剖視圖，其中每個第二線路層的磁屏蔽層是分開的并且形成在第二線路層上面；圖48A和48B為根據(jù)本發(fā)明第九實施方案的具有MOSFET作為開關(guān)元件的再一種磁存儲器件的剖視圖，其中每個第二線路層的磁屏蔽層是分開的并且形成在第二線路層上面；圖49、50、51和52為制造根據(jù)本發(fā)明第十實施方案的磁存儲器件的步驟的立體圖；圖53A和53B為根據(jù)本發(fā)明第十一實施方案的沒有任何開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖；圖54A和54B為根據(jù)本發(fā)明第十一實施方案的具有二極管作為開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖；圖55A和55B為根據(jù)本發(fā)明第十一實施方案的具有MOSFET作為開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖；圖56A和56B為根據(jù)本發(fā)明第十二實施方案的沒有任何開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖；圖57A和57B為根據(jù)本發(fā)明第十二實施方案的具有二極管作為開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖；圖58A和58B為根據(jù)本發(fā)明第十二實施方案的具有MOSFET作為開關(guān)元件的磁存儲器件的剖視圖；圖59和60為根據(jù)本發(fā)明第十三實施方案的磁存儲器件的剖視圖；圖61為傳統(tǒng)磁存儲器件的剖視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案涉及一種磁存儲器件(MRAM磁隨機存取存儲器)，該存儲器件采用了利用了TMR(隧道磁致電阻)效應(yīng)的MTJ(磁性隧道結(jié))元件作為存儲元件。
下面將參照附圖的幾個視圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案進行說明。在以下說明書中，相同的附圖標記在所有附圖中表示相同的部件。
在第一實施方案中，磁屏蔽層形成在第二線路層附近上面，從而覆蓋著MTJ元件和第二線路層。該實施方案沒有使用任何開關(guān)元件。
圖1A為根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的磁存儲器件的立體圖。圖1B為沿著圖1A中的IB-IB線剖開的磁存儲器件的剖視圖。圖1C為沿著圖1A中的IC-IC線剖開的磁存儲器件的剖視圖。下面將對根據(jù)第一實施方案的磁存儲器件的結(jié)構(gòu)進行說明。
如圖1A、1B和1C所示，在根據(jù)第一實施方案的磁存儲器件中，第一和第二線路層(wiring layer)13和20沿著不同的方向延伸。與相應(yīng)的第一和第二線路層13和20電連接的每個MTJ元件18設(shè)置在位于第一和第二線路層13和20之間的結(jié)點處。磁屏蔽層21形成為覆蓋每個MTJ元件18的側(cè)面以及每個第二線路層20的上面和側(cè)面。磁屏蔽層21連續(xù)地形成在相鄰的第二線路層20上。
MTJ元件18沿著第一線路層13延伸的方向的寬度X等于第二線路層20的寬度。MTJ元件18沿著第二線路層20延伸的方向的的寬度Y等于第一線路層13的寬度。因此，MTJ元件18沿著第二線路層20延伸的方向的側(cè)面和第二線路層20沿著這個方向的側(cè)面形成幾乎沒有任何臺階的平面。磁屏蔽層21形成為覆蓋這個平面。層間介電薄膜19填充了MTJ元件之間的間隔。層間介電薄膜19和MTJ元件的薄膜厚度彼此幾乎相等。
在第一實施方案中，磁屏蔽層21連續(xù)形成在相鄰的第二線路層20上。磁屏蔽層21優(yōu)選采用一種絕緣材料。這是因為，如果將由導(dǎo)電材料制成的磁屏蔽層21連續(xù)形成在第二線路層20上的話，則相鄰的第二線路層20通過該磁屏蔽層21電連接，或使按每個單元隔開的MTJ元件被電連接起來。
也就是說，磁屏蔽層21是一種絕緣磁層。該絕緣磁層的材料示例有絕緣的鐵氧體以及金屬-非金屬納米顆粒薄膜例如(Fe、Co)-(B、Si、Hf、Zr、Sm、Ta、Al)-(F、O、N)薄膜。更具體地說，絕緣的鐵氧體包括選自Mn-Zn-鐵氧體、Ni-Zn-鐵氧體、MnFeO、CuFeO、FeO和NiFeO中的至少一種材料。
在該第一實施方案中，第一和第二線路層13和20適當?shù)叵嗷ソ徊嬉员阈纬纱笮蛦卧嚵?。但是，第一和第二線路層13和20可以不必相互交叉，只要它們沿著不同的方向延伸就可以。
MTJ元件18由三層構(gòu)成磁固定層(磁層)14，其磁化方向是固定的；隧道結(jié)層(非磁層)15；以及磁記錄層(磁層)16，其磁化方向是反向的。磁固定層14和磁記錄層16的位置可以交換。MTJ元件18可以采取一種由一個隧道結(jié)層15形成的單隧道結(jié)結(jié)構(gòu)或者一種由兩個隧道結(jié)層15形成的雙隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。下面將對具有單隧道結(jié)結(jié)構(gòu)和雙隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的MTJ元件18進行舉例說明。
在圖2A中所示的具有單隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的MTJ元件包括通過順序堆疊模板層(template layer)101、初始鐵磁層102、反鐵磁層103和基準鐵磁層104而獲得的磁固定層14；形成在磁固定層14上的隧道結(jié)層15；以及通過將自由鐵磁層105和接觸層106順序堆疊在隧道結(jié)層15上而獲得的磁記錄層16。
具有在圖2B中所示的單隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的MTJ元件18包括通過順序堆疊模板層(template layer)101、初始鐵磁層102、反鐵磁層103、鐵磁層104′、非磁層107和鐵磁層104″而獲得的磁固定層14；形成在磁固定層14上的隧道結(jié)層15；以及通過將鐵磁層105′、非磁層107、鐵磁層105″和接觸層106順序堆疊在隧道結(jié)層15上而獲得的磁記錄層16。
在圖2B中所示的MTJ元件18引入了一種由磁固定層14中的鐵磁層104′、非磁層107和鐵磁層104″構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)以及一種由磁記錄層16中的鐵磁層105′、非磁層107和鐵磁層105″構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)。這種MTJ元件18可以提供一種更適用于小型化的單元結(jié)構(gòu)，其中，鐵磁體中磁極的產(chǎn)生與圖2A所示的MTJ元件18相比受到了抑制。
在圖3A中所示的具有一種雙隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的MTJ元件18包括通過順序堆疊模板層101、初始鐵磁層102、反鐵磁層103和基準鐵磁層104而獲得的第一磁固定層14a；形成在磁固定層14a上的第一隧道結(jié)層15a；形成在第一隧道結(jié)層15a上的磁記錄層16；形成在磁記錄層16上的第二隧道結(jié)層15b；以及通過將基準鐵磁層104、反鐵磁層102和接觸層106順序堆疊在第二隧道結(jié)層15b上而獲得的第二磁固定層14b。
具有在圖3B中所示的單隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的MTJ元件18包括通過順序堆疊模板層101、初始鐵磁層102、反鐵磁層103和基準鐵磁層104而獲得的第一磁固定層14a；形成在第一磁固定層14a上的第一隧道結(jié)層15a；通過將鐵磁層16′、非磁層107和鐵磁層16″順序堆疊在第一隧道結(jié)層15a上而獲得的磁記錄層16；形成在磁記錄層16上的第二隧道結(jié)層15b以及通過將鐵磁層104′、非磁層107、鐵磁層104″、反鐵磁層103、初始鐵磁層102和接觸層106順序堆疊在第二隧道結(jié)層15b上而獲得的第二磁固定層14b。
在圖3B中所示的MTJ元件18引入了一種組成磁記錄層16的鐵磁層16′、非磁層107和鐵磁層16″的三層結(jié)構(gòu)以及一種由第二磁固定層14b中的鐵磁層104′、非磁層107和鐵磁層104″構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)。這種MTJ元件18可以提供一種更適用于小型化的單元結(jié)構(gòu)，其中鐵磁體中磁極的產(chǎn)生與圖3A所示的MTJ元件18相比受到了抑制。
具有這種雙隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的MTJ元件18可以在更高的偏壓下工作，并且在施加相同的外部偏壓的條件下其MR(磁致電阻)比(狀態(tài)“1”和“0”之間的電阻變化比例)與具有單隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的MTJ元件18相比降低得更少。該雙隧道結(jié)結(jié)構(gòu)更有利于從單元中讀出信息。
具有單或雙隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的MTJ元件18例如是采用以下材料形成的。
磁固定層14、14a和14b和磁記錄層16的材料示例有Fe、Co、Ni以及它們的合金，具有高自旋極化性的磁鐵，氧化物例如CrO2和RXMnO3-y(R稀土元素，XCa、Ba、Cr)以及惠斯勒合金例如NiMnSb和PtMnSb。這些磁性材料只要它們不會喪失鐵磁性則可以稍微包含有非磁性元素例如Ag、Cu、Au、Al、Mg、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Ir、W、Mo或者Nb。
構(gòu)成部分磁固定層14、14a或14b的反鐵磁層103的材料的優(yōu)選示例有Fe-Mn、Pt-Mn、Pt-Cr-Mn、Ni-Mn、NiO和Fe2O3。
隧道結(jié)層15、15a和15b的材料示例有各種電介質(zhì)例如Al2O3、SiO2、MgO、AlN、Bi2O3、MgF2、CaF2、SrTiO2和AlLaO3。這些電介質(zhì)可以包含氧、氮或氟缺陷。
圖4A、4B、4C至圖9A、9B和9C顯示出制造本發(fā)明第一實施方案的磁存儲器件的步驟。下面將對第一實施方案的磁存儲器件制造方法進行說明。
如圖4A、4B和4C所示，將第一層間介電薄膜12和第一線路層13形成在半導(dǎo)體基底11上。更具體地說，利用RIE(反應(yīng)離子蝕刻，reactive ion etching)方法將第一線路層13形成為一種所要求的圖案。將第一層間介電薄膜12形成在第一線路層13上。采用CMP(化學(xué)機械拋光)或深腐蝕(etch-back)方法使第一層間介電薄膜12平面化(planarize)直到暴露出第一線路層13的表面。
如圖5A、5B和5C所示，將磁固定層14沉積在第一層間介電薄膜12和第一線路層13上。將隧道結(jié)層15沉積在磁固定層14上。將磁記錄層16沉積在隧道結(jié)層15上。磁固定層14、隧道結(jié)層15和磁記錄層16形成一種TMR材料層17。
如圖6A、6B和6C所示，使用掩模(未示出)選擇性地對該TMR材料層17進行蝕刻以形成按每個單元隔開的島狀MTJ元件18。將第二層間介電薄膜19形成在第一層間介電薄膜12、MTJ元件18和第一線路層13上。利用CMP或深腐蝕方法使該第二層間介電薄膜19平面化直到暴露出每個MTJ元件18的表面。
如圖7A、7B和7C所示，與第一線路層13延伸的方向垂直地將第二線路層20形成在MTJ元件18和第二層間介電薄膜19上。
如圖8A、8B和8C所示，采用第二線路層20作為掩模除去在第二線路層20之間暴露出的第二層間介電薄膜19，直到暴露出第一層間介電薄膜12和第一線路層13。
如圖9A、9B和9C所示，將磁屏蔽層21形成在第二線路層20、第一層間介電薄膜12和第一線路層13上。磁屏蔽層21的薄膜厚度最好是第二線路層20之間的間距S的1/2，以便防止覆蓋著相鄰的第二線路層20的側(cè)面的磁屏蔽層21接觸。
如圖1A、1B和1C所示，將第三層間介電薄膜22沉積在磁屏蔽層21上，從而完成了一個MRAM存儲單元陣列。
在采用MTJ元件18作為存儲元件的MRAM中，按如下方式寫入和讀出數(shù)據(jù)。
在數(shù)據(jù)寫入中，給所選定的第一和第二線路層13和20兩個都提供寫電流以產(chǎn)生出電流磁場。在位于第一和第二線路層13和20之間的結(jié)點處將兩個電流磁場的組合磁場施加在MTJ元件18上。其磁化翻轉(zhuǎn)閾值低于磁固定層14的磁記錄層16的磁化翻轉(zhuǎn)。磁固定層14和磁記錄層16的磁化方向變成相互平行(例如，狀態(tài)“0”)或者彼此反向平行(例如狀態(tài)“1”)。
在數(shù)據(jù)讀取中，給其中寫入了狀態(tài)“0”或“1”的MTJ元件18提供電流，根據(jù)MTJ的電阻值差異來確定出該數(shù)據(jù)是“1”或是“0”。
根據(jù)該第一實施方案，磁屏蔽層21覆蓋著第二線路層20的上面和側(cè)面以及其中利用第二線路層20寫入了數(shù)據(jù)的MTJ元件18的側(cè)面。磁屏蔽層21表現(xiàn)出足夠的磁軛效應(yīng)而使得由第二線路層20所產(chǎn)生的電流磁場能夠有效地施加到選定的單元上。由于可以降低寫電流，所以可以提供一種能夠降低能耗的MRAM。
通過用磁屏蔽層21覆蓋第二線路層20和MTJ元件18，從而可以有效地屏蔽掉泄漏到沿著第一線路層13延伸的方向設(shè)置的相鄰MTJ元件18上的磁場，從而抑制了錯寫。
通過使用絕緣磁屏蔽層21，該磁屏蔽層21不必在相鄰第二線路層20之間分開。第二線路層20之間的間距不必較大，并且存儲單元的形體尺寸可以縮小。
該第一實施方案采用了MTJ元件18作為存儲元件。該實施方案與使用由兩個磁層和夾在它們之間的一層導(dǎo)電層形成的GMR(巨磁致電阻)元件相比可以獲得更大的讀取信號和更高的讀取操作速度。
第一和第二線路層13和20、MTJ元件18和第二層間介電薄膜19以自對準(self-alignment)的方式形成，因此提供了一種適于小型化的MRAM。
在該第二實施方案中，將磁屏蔽層形成在相鄰的第二線路層上，從而覆蓋著MTJ元件和第二線路層。該實施方案使用了二極管作為開關(guān)元件。
圖10A和10B為根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的磁存儲器件的剖視圖。圖10A為磁存儲器件的沿著第一線路層延伸的方向的剖視圖。圖10B為磁存儲器件的沿著第二線路層延伸的方向的剖視圖。下面將對該第二實施方案的磁存儲器件的結(jié)構(gòu)進行說明。要注意的是，將只對與第一實施方案不同的結(jié)構(gòu)進行說明。
如圖10A和10B所示，將二極管32作為讀電流開關(guān)元件插入在第一線路層13和MTJ元件18之間。二極管32具有與MTJ元件18幾乎相同的形狀。也就是說，該二極管32沿著每個第二線路層20延伸的方向的側(cè)面、MTJ元件18沿著第二線路層20延伸的方向的側(cè)面以及第二線路層20沿著這個方向的側(cè)面形成一個幾乎沒有任何臺階的平面。在相鄰的第二線路層上方，磁屏蔽層21連續(xù)地形成在這個平面以及第二線路層20的上表面上。
磁屏蔽層21形成在第二線路層20和MTJ元件的至少側(cè)面上就足夠了，并且不必總是形成在二極管32的側(cè)面上。磁屏蔽層21連續(xù)地形成在相鄰的第二線路層20的上面，并且最好采用一種絕緣材料。
圖11A和11B至圖15A和15B為制造本發(fā)明第二實施方案的磁存儲器件的步驟的剖視圖。下面將對第二實施方案的磁存儲器件制造方法進行說明。與第一實施方案相同的步驟將進行簡要的說明。
如圖11A和11B所示，將第一層間介電薄膜12和第二線路層13形成在半導(dǎo)體基底11上。
如圖12A和12B所示，將二極管材料層31形成在第一層間介電薄膜12和第一線路層13上。將由磁固定層14、隧道結(jié)層15和磁記錄層16構(gòu)成的TMR材料層17形成在二極管材料層31上。
如圖13A和13B所示，使用掩模(未示出)對TMR材料層17和二極管層31進行選擇性蝕刻以形成在每個單元中隔離的島狀MTJ元件和二極管32。將第二層間介電薄膜19形成在MTJ元件18和第一線路層13上。采用CMP或深腐蝕方法使層間介電薄膜19平面化直到暴露出每個MTJ元件18的表面。
如圖14A和14B所示，與第一線路層13延伸的方向垂直地將第二線路層20形成在MTJ元件18和第二層間介電薄膜19上。
如圖15A和15B所示，使用第二線路層20作為掩模除去在第二線路層20之間暴露出的第二層間介電薄膜19直到暴露出第一層間介電薄膜12和第一線路層13。之后，將磁屏蔽層21形成在第二線路層20、第一層間介電薄膜12和第一線路層13上。
如圖10A和10B所示，將第三層間介電薄膜22沉積在磁屏蔽層21上，從而完成一個MRAM存儲單元陣列。
該第二實施方案除了可以獲得與第一實施方案相同的效果之外還可以具有以下效果。
該第一實施方案采用了矩陣結(jié)構(gòu)，并且在數(shù)據(jù)讀取中電流會泄漏到選定單元之外的單元上。該泄漏電流會降低讀信號的S/N比(信噪比)或讀取速度。在該第二實施方案中，將二極管32設(shè)置成開關(guān)元件，并且利用二極管32進行整流，從而可以只將讀電流提供給選定的單元。該第二實施方案可以改善讀信號的S/N比并且提高讀取速度。
在該第三實施方案中，將磁屏蔽層形成在相鄰的第二線路層上面，從而覆蓋著MTJ元件和這些第二線路層。該實施方案使用晶體管作為開關(guān)元件。
圖16A和16B為根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的磁存儲器件的剖視圖。圖16A為磁存儲器件的沿著第一線路層延伸的方向的剖視圖。圖16B為磁存儲器件的沿著第二線路層延伸的方向的剖視圖。下面將對根據(jù)該第三實施方案的磁存儲器件的結(jié)構(gòu)進行說明。要注意的是，將只對與第一實施方案不同的結(jié)構(gòu)進行說明。
如圖16A和16B所示，在第三實施方案中，將MOSFET44設(shè)置成讀電流開關(guān)元件。形成與MOSFET44的源極/漏極擴散層43連接的接點45。形成與接點45連接的MTJ元件18的下電極48。該下電極48與第一線路層13間隔開，并且與MTJ元件18電連接。下電極48沿著每個第二線路層20延伸的方向的側(cè)面、MTJ元件18沿著第二線路層20延伸的側(cè)面以及第二線路層20沿著這個方向的側(cè)面形成一個幾乎沒有任何臺階的平面。在相鄰的第二線路層20上方，磁屏蔽層21連續(xù)地形成在這個平面和第二線路層20的上表面上。
磁屏蔽層21形成在第二線路層20和MTJ元件的至少側(cè)面上就足夠了，并且不必總是形成在MOSFET44的側(cè)面上。磁屏蔽層21連續(xù)地形成在相鄰第二線路層20的上面，并且最好采用一種絕緣材料。
圖17A和17B至圖21A和21B為制造根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的磁存儲器件的步驟的剖視圖。下面將對根據(jù)第二實施方案的磁存儲器件制造方法進行說明。與第一實施方案相同的步驟將進行簡要的說明。
如圖17A和17B所示，將門電極42選擇性地隔著門極絕緣薄膜41形成在半導(dǎo)體基底11上。源極和漏極擴散層43在半導(dǎo)體基底11中形成于門電極42兩側(cè)。這樣，形成了MOSFET44，作為開關(guān)元件。形成第一層間介電薄膜12和第一線路層13，并且將第四層間介電薄膜46形成在第一層間介電薄膜12和第一線路層13上。形成接點45，并且使之與源極/漏極擴散層43連接。
如圖18A和18B所示，在第四層間介電薄膜46和接點45上形成下電極材料層47。將由磁固定層14、隧道結(jié)層15和磁記錄層16構(gòu)成的TMR材料層17形成在下電極材料層47上。
如圖19A和19B所示，使用掩模(未示出)對TMR材料層17進行選擇性蝕刻以形成按每個單元隔離的島狀MTJ元件。選擇性地對下電極材料層47進行蝕刻以形成具有所要求形狀的下電極48。在MTJ元件18、下電極48和第四層間介電薄膜46上形成第二層間介電薄膜19。采用CMP或深腐蝕方法使層間介電薄膜19平面化直到暴露出每個MTJ元件18的表面。
如圖20A和20B所示，與第一線路層13延伸的方向垂直地將第二線路層20形成在MTJ元件18和第二層間介電薄膜19上。
如圖21A和21B所示，使用第二線路層20作為掩模除去在第二線路層20之間暴露出的第二層間介電薄膜19直到暴露出第四層間介電薄膜46。之后，將磁屏蔽層21形成在第二線路層20和第四層間介電薄膜46上。
如圖16A和16B所示，將第三層間介電薄膜22沉積在磁屏蔽層21上，從而完成一個MRAM存儲單元陣列。
該第三實施方案除了可以獲得與第一實施方案相同的效果之外還可以具有以下效果。
第一實施方案采用了矩陣結(jié)構(gòu)，并且在數(shù)據(jù)讀取中電流會泄漏到選定單元之外的單元上。該泄漏電流會降低讀信號的S/N比(信噪比)或讀取速度。在該第三實施方案中，設(shè)置MOSFET44作為開關(guān)元件，從而可以只將讀電流提供給選定的單元。該第二實施方案可以改善讀信號的S/N比并且提高讀取速度。
讀取開關(guān)是MOSFET44，這可以與通常的CMOS工藝兼容。該讀取開關(guān)可以很容易應(yīng)用在邏輯電路中構(gòu)建有如第三實施方案所述的存儲單元的情況中。
第四實施方案是第一實施方案的改進方案，其中每個第二線路層的磁屏蔽層是分開的。
圖22A為根據(jù)本發(fā)明第四實施方案的磁存儲器件的立體圖。圖22B為沿著圖22A中的XXIIB-XXIIB線剖開的磁存儲器件的剖視圖。圖22C為沿著圖22A中的XXIIC-XXIIC線剖開的磁存儲器件的剖視圖。下面將對根據(jù)第四實施方案的磁存儲器件的結(jié)構(gòu)進行說明。要注意的是，將只對與第一實施方案不同的結(jié)構(gòu)進行說明。
如圖22A、22B和22C所示，在該第四實施方案中，只在每個第二線路層20和每個MTJ元件18的側(cè)面上形成有磁屏蔽層21a。在每個第二線路層20上方或者在相鄰第二線路層20之間沒有任何磁屏蔽層21a。換句話說，每個第二線路層的磁屏蔽層21a是分開的。磁屏蔽層21a最好采用一種絕緣材料，以便防止MTJ元件18的上下磁層14和16之間出現(xiàn)短路。
圖23A、23B和23C分別為制造本發(fā)明第四實施方案的磁存儲器件的步驟的立體圖和剖視圖。下面將對根據(jù)第四實施方案的磁存儲器件制造方法進行說明。與第一實施方案相同的步驟的說明將省略。
如圖2A、2B、2C至圖9A、9B和9C所示，磁屏蔽層21形成為覆蓋著第二線路層20和MTJ元件18。
如圖23A、23B和23C所示，通過垂直各向異性蝕刻(verticalanisotropic etching)例如RIE除去形成在每個第二線路層20的上表面上的磁屏蔽層21和形成在位于第二線路層20之間的第一層間介電薄膜12和第一線路層13上的磁屏蔽層21。只在MTJ元件18、第二層間介電薄膜19和第二線路層20的側(cè)表面上留有磁屏蔽層21a。
如圖22A、22B和22C所示，將第三層間介電薄膜22沉積在磁屏蔽層21a、第二線路層20、第一線路層13和第一層間介電薄膜12上，從而完成一個MRAM存儲單元陣列。
該第四實施方案可以獲得與第一實施方案相同的效果。
第五實施方案是第二實施方案的改進方案，其中每個第二線路層的磁屏蔽層是分開的。
圖24A和24B為根據(jù)本發(fā)明第五實施方案的磁存儲器件的剖視圖。圖24A為根據(jù)本發(fā)明第五實施方案的磁存儲器件沿著第一線路層延伸的方向的剖視圖。圖24B為根據(jù)本發(fā)明第五實施方案的磁存儲器件沿著第二線路層延伸的方向的剖視圖。下面將對根據(jù)第五實施方案的磁存儲器件的結(jié)構(gòu)進行說明。要注意的是，將只對與第二實施方案不同的結(jié)構(gòu)進行說明。
如圖24A和24B所示，在該第五實施方案中，只將磁屏蔽層21a形成在每個二極管32、每個第二線路層20和每個MTJ元件18的側(cè)表面上。在每個第二線路層20或在相鄰第二線路層20之間沒有形成任何磁屏蔽層21a。也就是說，每個第二線路層20的磁屏蔽層21a是分開的。磁屏蔽層21a最好采用一種絕緣材料，以便防止MTJ元件18的上下磁層14和16之間出現(xiàn)短路。
磁屏蔽層21a形成在第二線路層20和MTJ元件的至少側(cè)面上就足夠了，并且不必總是形成在二極管32的側(cè)面上。
圖25A和25B為制造本發(fā)明第五實施方案的磁存儲器件的步驟的剖視圖。下面將對根據(jù)第五實施方案的磁存儲器件制造方法進行說明。與第二實施方案相同的步驟說明將省略掉。
如圖11A和11B至圖15A和15B所示，磁屏蔽層21形成為覆蓋著二極管32、第二線路層20和MTJ元件18。
如圖25A和25B所示，通過垂直各向異性蝕刻例如RIE除去形成在每個第二線路層20的上表面上的磁屏蔽層21和形成在位于第二線路層20之間的第一層間介電薄膜12和第一線路層13上的磁屏蔽層21。只在MTJ元件18、第二層間介電薄膜19和第二線路層20的側(cè)表面上留有磁屏蔽層21a。
如圖24A和24B所示，將第三層間介電薄膜22沉積在磁屏蔽層21a、第二線路層20、第一線路層13和第一層間介電薄膜12上，從而完成一個MRAM存儲單元陣列。
該第五實施方案可以獲得與第二實施方案相同的效果。
該第六實施方案是第三實施方案的改進方案，其中磁屏蔽層在每個第二線路層中是分開的。
圖26A和26B為根據(jù)本發(fā)明第六實施方案的磁存儲器件的剖視圖。圖26A為根據(jù)本發(fā)明第六實施方案的磁存儲器件沿著第一線路層延伸的方向的剖視圖。圖26B為根據(jù)本發(fā)明第六實施方案的磁存儲器件沿著第二線路層延伸的方向的剖視圖。下面將對根據(jù)第六實施方案的磁存儲器件的結(jié)構(gòu)進行說明。要注意的是，將只對與第三實施方案不同的結(jié)構(gòu)進行說明。
如圖26A和26B所示，在該第六實施方案中，只將磁屏蔽層21a形成在每個下電極48、每個第二線路層20和每個MTJ元件18的側(cè)表面上。在每個第二線路層20上或在相鄰第二線路層20之間沒有形成任何磁屏蔽層21a。也就是說，每個第二線路層20的磁屏蔽層21a是分開的。磁屏蔽層21a最好采用一種絕緣材料，以便防止MTJ元件18的上下磁層14和16之間出現(xiàn)短路。
磁屏蔽層21a形成在第二線路層20和MTJ元件18的至少側(cè)面上就足夠了，并且不必總是形成在下電極48的側(cè)面上。
圖27A和27B為在制造根據(jù)本發(fā)明第六實施方案的磁存儲器件中的步驟的剖視圖。下面將對根據(jù)第六實施方案的磁存儲器件制造方法進行說明。與第三實施方案相同的步驟說明將省略掉。
如圖17A和17B至圖21A和21B所示，磁屏蔽層21形成為覆蓋著下電極48、第二線路層20和MTJ元件18。
如圖27A和27B所示，通過垂直各向異性蝕刻例如RIE除去形成在每個第二線路層20的上表面上的磁屏蔽層21和形成在位于第二線路層20之間的第一層間介電薄膜12和第一線路層13上的磁屏蔽層21。只在MTJ元件18、第二層間介電薄膜19和第二線路層20的側(cè)表面上留有磁屏蔽層21a。
如圖26A和26B所示，將第三層間介電薄膜22沉積在磁屏蔽層21a、第二線路層20、第一線路層13和第一層間介電薄膜12上，從而完成一個MRAM存儲單元陣列。
該第六實施方案可以獲得與第三實施方案相同的效果。
第七實施方案是第一實施方案的另一個改進方案，其中，與第四實施方案類似，每個第二線路層的磁屏蔽層是分開的，并且在第二線路層上也形成磁屏蔽層。
圖28為根據(jù)本發(fā)明第七實施方案的磁存儲器件的剖視圖。下面將對根據(jù)第七實施方案的磁存儲器件的結(jié)構(gòu)進行說明。要注意的是，將只對與第一實施方案不同的結(jié)構(gòu)進行說明。
如圖28所示，根據(jù)第七實施方案的磁存儲器件包括形成在每個第二線路層20和每個MTJ元件18的側(cè)表面上的第一磁屏蔽層21a和形成在第二線路層20上的第二磁屏蔽層51。磁屏蔽層21a沒有形成在相鄰第二線路層20之間，并且與第四實施方案類似，按每個第二線路層20分開。第一磁屏蔽層21a最好采用一種絕緣材料，以便防止MTJ元件18的上下磁層14和16之間出現(xiàn)短路。該第二磁屏蔽層不限于絕緣材料，它可以采用導(dǎo)電材料。
在第二磁屏蔽層51采用導(dǎo)電材料的情況中，導(dǎo)電磁層的材料示例有Ni-Fe合金、Co-Fe合金、Co-Fe-Ni合金、Co-(Zr、Hf、Nb、Ta、Ti)基的非晶態(tài)材料以及(Co、Fe、Ni)-(Si、B)-(P、Al、Mo、Nb、Mn)基的非晶態(tài)材料。
圖29為制造根據(jù)本發(fā)明第七實施方案的磁存儲器件的步驟的剖視圖。下面將對根據(jù)第七實施方案的磁存儲器件制造方法進行說明。與第一實施方案相同的步驟的說明將省略掉。
如圖2A、2B、2C至8A、8B和8C所示，使用第二線路層20作為掩模來除去在第二線路層20之間暴露出的第二層間介電薄膜19直到暴露出第一層間介電薄膜12和第一線路層13。
如圖29所示，將磁屏蔽層51形成在每個第二線路層20上。磁屏蔽層21形成為覆蓋著磁屏蔽層51、第二線路層20和MTJ元件18。
如圖28所示，通過垂直各向異性蝕刻例如RIE除去形成在每個第二線路層20的上表面上的磁屏蔽層21和形成在位于第二線路層20之間的第一層間介電薄膜12和第一線路層13上的磁屏蔽層21。在MTJ元件18、第二層間介電薄膜19和第二線路層20的側(cè)表面上留有磁屏蔽層21a。在第二線路層20上留有磁屏蔽層51。之后，將第三層間介電薄膜22沉積在磁屏蔽層51、第一線路層13和第一中間介質(zhì)薄膜12上，從而完成一個MRAM存儲單元陣列。
該第七實施方案可以獲得與第三實施方案相同的效果。
與第四實施方案類似，每個相鄰第二線路層20的磁屏蔽層21a和51是分開的。磁屏蔽層51的材料不限于絕緣材料，它可以是一種導(dǎo)電材料。這能夠改善對磁屏蔽層51的材料的選擇。
在該第七實施方案中，磁屏蔽層51形成在第二線路層20上。該實施方案與第四實施方案相比能夠提高抑制錯寫以及將磁場聚集在選定單元上的效果。
該第七實施方案應(yīng)用在第一實施方案的結(jié)構(gòu)上，但是并不限于此。該第七實施方案還可以應(yīng)用在如圖30A和30B所示與第二實施方案類似的具有二極管32作為開關(guān)元件的磁存儲器件上。該第七實施方案還可以應(yīng)用在在如圖31A和31B所示與第三實施方案類似的具有MOSFET44作為開關(guān)元件的磁存儲器件上。
該第八實施方案是第一實施方案的再一個改進方案，其中每個第二線路層和每個MTJ元件的側(cè)表面覆蓋有絕緣層，并且磁屏蔽層形成在相鄰第二線路層上。
圖32為根據(jù)本發(fā)明第八實施方案的磁存儲器件的剖視圖。下面將對根據(jù)該第八實施方案的磁存儲器件的結(jié)構(gòu)進行說明。要注意的是，將只對與第一實施方案不同的結(jié)構(gòu)進行說明。
如圖32所示，在根據(jù)該第八實施方案的磁存儲器件中，將側(cè)壁絕緣層61形成在每個第二線路層20和每個MTJ元件18的側(cè)表面上。將磁屏蔽層51形成在第二線路層20上。磁屏蔽層21形成為覆蓋著側(cè)壁絕緣層61和磁屏蔽層51。該第八實施方案利用了側(cè)壁絕緣層61來使相鄰的第二線路層20和相鄰的MTJ元件18電絕緣。因此，磁屏蔽層21連續(xù)地形成在相鄰第二線路層20上。
當磁屏蔽層51采用例如一種絕緣材料時，磁屏蔽層21不限于絕緣材料而是可以使用導(dǎo)電材料。另一方面，當磁屏蔽層51采用例如一種導(dǎo)電材料時，磁屏蔽層21最好采用一種絕緣材料以便防止相鄰第二線路層20之間出現(xiàn)短路。
磁屏蔽層51不必總是形成在第二線路層20上，并且磁屏蔽層21可以直接形成在第二線路層20上。
圖33為制造本發(fā)明第八實施方案的磁存儲器件的步驟的剖視圖。下面將對根據(jù)該第八實施方案的磁存儲器件制造方法進行說明。與第一實施方案相同的步驟的說明將省略掉。
如圖2A、2B和2C至8A、8B和8C所示，使用第二線路層20作為掩模除去在第二線路層20之間暴露出的第二層間介電薄膜19直到暴露出第一層間介電薄膜12和第一線路層13。
如圖33所示，將磁屏蔽層51形成在每個第二線路層20上。將側(cè)壁絕緣層61形成在第二層間介電薄膜19(未示出)、第二線路層20和MTJ元件18的側(cè)表面上。
如圖32所示，磁屏蔽層21形成為覆蓋著磁屏蔽層51和側(cè)壁絕緣層61。將第三層間介電薄膜22沉積在磁屏蔽層21上，從而完成一個MRAM存儲單元陣列。
該第八實施方案可以獲得與第一實施方案相同的效果。
在該第八實施方案中，側(cè)壁絕緣層61覆蓋著第二線路層20和MTJ元件18的側(cè)表面。即使磁屏蔽層21連續(xù)地形成在相鄰第二線路層20上，該磁屏蔽層21也不限于絕緣材料，而是可以采用一種導(dǎo)電材料。這就能夠改善該磁屏蔽層21的材料的選擇。
該第八實施方案應(yīng)用在第一實施方案的結(jié)構(gòu)上，但是并不限于此。該第八實施方案還可以還可以應(yīng)用在如圖34A和34B所示與第二實施方案類似的具有二極管32作為開關(guān)元件的磁存儲器件上。該第七實施方案還可以應(yīng)用在在如圖35A和35B所示與第三實施方案類似的具有MOSFET44作為開關(guān)元件的磁存儲器件上。
在圖30、34A、34B、35A和35B中，磁屏蔽層21連續(xù)地形成在相鄰第二線路層20上，但是并不限于此。例如，如圖36、37A、37B、38A和38B所示，通過從相鄰第二線路層20之間以及從磁屏蔽層51除去磁屏蔽層21，可以使該磁屏蔽層21在每個第二線路層20中分開。在該情況中，磁屏蔽層21和51可以采用絕緣材料或是導(dǎo)電材料。

該第九實施方案是第一實施方案的再一個改進方案，其中每個MTJ元件的側(cè)表面覆蓋有絕緣層，并且磁屏蔽層形成在相鄰第二線路層上。
圖39為根據(jù)本發(fā)明第九實施方案的磁存儲器件的剖視圖。下面將對根據(jù)該第九實施方案的磁存儲器件的結(jié)構(gòu)進行說明。要注意的是，將只對與第一實施方案不同的結(jié)構(gòu)進行說明。
如圖39所示，在根據(jù)該第九實施方案的磁存儲器件中，每個第二線路層20的寬度大于每個MTJ元件的寬度。側(cè)壁絕緣層19a形成在從第二線路層20的側(cè)表面凹入的MTJ元件18的側(cè)表面上。磁屏蔽層21形成為覆蓋著側(cè)壁絕緣層19a和第二線路層20。磁屏蔽層21連續(xù)地形成在相鄰第二線路層20上。
在該第九實施方案中，當由導(dǎo)電材料制成的磁屏蔽層21形成在相鄰第二線路層20上時，通過側(cè)壁絕緣層19a使沿著第一線路層13延伸的方向彼此相鄰的MTJ元件18電隔離。但是，相鄰的第二線路層20沒有電隔離。由此，在該第九實施方案中該磁屏蔽層21最好采用一種絕緣材料。
圖40為在制造根據(jù)本發(fā)明第九實施方案的磁存儲器件中的步驟的剖視圖。下面將對根據(jù)該第九實施方案的磁存儲器件制造方法進行說明。與第一實施方案相同的步驟的說明將省略掉。
如圖2A、2B和2C至6A、6B和6C所示，在每個單元中形成隔離的島狀MTJ元件18。將第二層間介電薄膜19形成在MTJ元件18和第一線路層13上。采用CMP或深腐蝕方法使第二層間介電薄膜19平面化直到暴露出每個MTJ元件18的表面。
如圖40所示，與第一線路層13延伸的方向垂直地將第二線路層20形成在MTJ元件18和第二層間介電薄膜19上。這時，每個第二線路層20的寬度大于MTJ元件18。
如圖39所示，用第二線路層20作為掩模除去在第二線路層20之間暴露出的第二層間介電薄膜19直到暴露出第一層間介電薄膜12和第一線路層13。結(jié)果，由第二層間介電薄膜19在MTJ元件18的側(cè)表面上形成側(cè)壁絕緣層19a。將磁屏蔽層21形成在第二線路層20、第一層間介電薄膜12和第一線路層13上。將第三層間介電薄膜22沉積在磁屏蔽層21上，從而完成一個MRAM存儲單元陣列。
該第九實施方案可以獲得與第一實施方案相同的效果。
該第九實施方案應(yīng)用在第一實施方案的結(jié)構(gòu)上，但是并不限于此。該第九實施方案還可以應(yīng)用在如圖41A和41B所示與第二實施方案類似的具有二極管32作為開關(guān)元件的磁存儲器件上。該第七實施方案還可以應(yīng)用在在如圖42A和42B所示與第三實施方案類似的具有MOSFET44作為開關(guān)元件的磁存儲器件上。
在圖39、41A、41B、42A和42B中，磁屏蔽層21連續(xù)地形成在相鄰第二線路層20上，但是并不限于此。例如，如圖43、44A、44B、45A和45B所示，通過從相鄰第二線路層20之間以及從磁屏蔽層51中除去磁屏蔽層21，從而可以使該磁屏蔽層21按每個第二線路層20分開。在該情況中，磁屏蔽層21和51可以采用絕緣材料或是導(dǎo)電材料。
在圖43、44A、44B、45A和45B中，在第二線路層20上沒有留下磁屏蔽層21，但是并不限于此。例如，如圖46、47A、47B、48A和48B所示，磁屏蔽層51可以形成在第二線路層20上。在該情況中，磁屏蔽層21和51可以采用絕緣材料或是導(dǎo)電材料。這些結(jié)構(gòu)可以進一步提高抑制錯寫和將磁場聚集在選定單元上的效果。
第十實施方案提供與第一實施方案相同的結(jié)構(gòu)，只是MTJ元件的圖案成形(paterning)方法不同。
圖49-52為制造本發(fā)明第十實施方案的磁存儲器件的步驟的立體圖。下面將對根據(jù)該第十實施方案的磁存儲器件制造方法進行說明。與第一實施方案相同的那些步驟將進行簡要的說明如圖49所示，與第一實施方案類似，將第一層間介電薄膜12和第一線路層13形成在半導(dǎo)體基底11上。將由磁固定層14、隧道結(jié)層15和磁記錄層16構(gòu)成的TMR材料層17形成在第一層間介電薄膜12和第一線路層13上。使用掩模(未示出)對TMR材料層17進行選擇性地蝕刻以形成沿著第一線路層13延伸的方向延伸的筆直的TMR材料層17。將第二層間介電薄膜19形成在TMR材料層17和第一層間介電薄膜12上。采用CMP或深腐蝕方法使第二層間介電薄膜19平面化直到暴露出TMR材料層17的表面。
如圖50所示，與第一線路層13延伸的方向垂直地將第二線路層20形成在TMR材料層17和第二層間介電薄膜19上。
如圖51所示，使用第二線路層20作為掩模除去在第二線路層20之間暴露出的第二層間介電薄膜19和TMR材料層17直到暴露出第一層間介電薄膜12和第一線路層13。因此，形成按每個單元隔離的島狀MTJ元件18。
如圖52所示，將磁屏蔽層21形成在第二線路層20、第一層間介電薄膜12和第一線路層13上。
與第一實施方案類似，如圖1A、1B和1C所示，將第三層間介電薄膜22沉積在磁屏蔽層21上，從而完成一個MRAM存儲單元陣列。
該第十實施方案可以獲得與第一實施方案相同的效果。
在第十實施方案中，首先對MTJ元件18加工圖案，形成一種筆直的形狀，然后將其以與第二線路層20自對準(self-alignment)的方式進行加工。該方法可以形成例如一種矩形MTJ元件18，該元件原來不能只通過平版印刷來實現(xiàn)。通過降低例如磁化翻轉(zhuǎn)閾值，可以降低寫電流大小?？梢砸种芃TJ元件18之間的形狀差異，并且可以抑制在MTJ元件18之間的寫電流閾值的差異。從而可以形成這樣一種存儲器，其中所有存儲單元的能耗降低并且寫錯誤幾乎不會出現(xiàn)。
在上述說明中，根據(jù)第十實施方案的制造方法應(yīng)用在第一實施方案上。但是，該方法還可以應(yīng)用在第二至第八實施方案上，只要第二線路層和MTJ元件具有相同的寬度。
該第十一實施方案涉及第一至第三實施方案的改進方案，其中不僅第二線路層而且還有第一線路層都覆蓋有磁屏蔽層。
圖53A、53B、54A、54B、55A和55B為根據(jù)本發(fā)明第十一實施方案的磁存儲器件的剖視圖。圖53A和53B顯示出第一實施方案的再一個改進方案，其中沒有設(shè)置任何開關(guān)元件。圖54A和54B顯示出第二實施方案的一個改進方案，其中設(shè)置二極管32作為開關(guān)元件。圖55A和55B顯示出第三實施方案的一個改進方案，其中設(shè)置晶體管44作為開關(guān)元件。下面將對根據(jù)第十一實施方案的磁存儲器件的結(jié)構(gòu)進行說明。要注意的是，將只對與第一實施方案不同的結(jié)構(gòu)進行說明。
如圖53A、53B、54A、54B、55A和55B所示，在根據(jù)第十一實施方案的磁存儲器件中，將磁屏蔽層62形成在第一線路層13的底部和側(cè)表面上。該磁屏蔽層62按每個單元分開，并且可以由絕緣或?qū)щ姴牧闲纬伞?br> 當?shù)谝痪€路層13具有一種鑲嵌(damascene)結(jié)構(gòu)時，通過例如以下方法形成磁屏蔽層62。將第一布線槽形成在絕緣薄膜12中。將磁屏蔽層62形成在該槽中，并且將第一布線材料層形成在磁屏蔽層62上。采用CMP或深腐蝕方法使磁屏蔽層62和材料層平面化直到暴露出絕緣薄膜12的表面。從而，可以獲得這樣一種結(jié)構(gòu)，其中磁屏蔽層62形成在第一線路層13的底面和側(cè)面上。
該第十一實施方案可以獲得與第一實施方案相同的效果。
在該第十一實施方案中，第一線路層13的底面和側(cè)面覆蓋有磁屏蔽層62。磁屏蔽層62具有磁軛效應(yīng)并且使得由第一線路層13所產(chǎn)生的電流磁場能夠有效地施加在選定的單元上。因此可以降低提供給第一線路層13的寫電流，并且可以進一步降低能耗。
通過用磁屏蔽層62覆蓋第一線路層13，從而可以有效地屏蔽泄漏到沿著第二線路層20延伸的方向設(shè)置的相鄰MTJ元件18上的磁場。
磁屏蔽層62按每個相鄰第一線路層13分開。磁屏蔽層62的材料并不限于絕緣材料，而是可以是一種導(dǎo)電材料。這可以改善磁屏蔽層62的材料的選擇。

該第十二實施方案是第十一實施方案的改進方案，其中磁屏蔽層夾在金屬阻擋層之間。
圖56A、56B、57A、57B、58A和58B為根據(jù)本發(fā)明第十二實施方案的磁存儲器件的剖視圖。圖56A和56B顯示出第一實施方案的再一個改進方案，其中沒有設(shè)置任何開關(guān)元件。圖57A和57B顯示出第二實施方案的另一個改進方案，其中設(shè)置二極管32作為開關(guān)元件。圖58A和58B顯示出第三實施方案的另一個改進方案，其中設(shè)置晶體管44作為開關(guān)元件。下面將對根據(jù)第十二實施方案的磁存儲器件的結(jié)構(gòu)進行說明。要注意的是，將只對與第一實施方案不同的結(jié)構(gòu)進行說明。
如圖53A、53B、54A、54B、55A和55B所示，在根據(jù)第十二實施方案的磁存儲器件中，形成在第二線路層20的上表面和側(cè)面上的磁屏蔽層21夾在金屬阻擋層63和64之間。形成在第一線路層13的底面和側(cè)面上的磁屏蔽層62夾在金屬阻擋層65和66之間。
形成在磁屏蔽層21和62的內(nèi)表面上的金屬阻擋層63和65由例如Co或CoFe材料制成。形成在磁屏蔽層21和62的外表面上的金屬阻擋層64和66由例如Ta、TaN或TaSiN材料制成。
當?shù)谝痪€路層13為鑲嵌結(jié)構(gòu)時，通過例如以下方法形成磁屏蔽層62以及金屬阻擋層65和66。將第一布線槽形成在絕緣薄膜12中。將金屬阻擋層66、磁屏蔽層62和金屬阻擋層65順序形成在該槽中。將第一布線材料層形成在磁屏蔽層62上。采用CMP或深腐蝕方法使磁屏蔽層62和材料層平面化直到暴露出絕緣薄膜12的表面。從而，夾在金屬阻擋層65和66之間的磁屏蔽層62就形成在第一線路層13的底面和側(cè)面上。
該第十二實施方案可以獲得與第十一實施方案相同的效果。
由于在磁屏蔽層21和62的內(nèi)外表面上形成有金屬阻擋層63、64、65和66，所以該第十二實施方案具有以下效果。
夾在第二線路層20和磁屏蔽層21之間的金屬阻擋層63可以抑制磁屏蔽層21和第二線路層20之間的反應(yīng)。該金屬阻擋層63可以提高磁屏蔽性能(磁軛性能)并且抑制第二線路層20的線路電阻(wiringresistance)的增加。
夾在磁屏蔽層21和層間介電薄膜22之間的金屬阻擋層64可以改善磁屏蔽層21和用作上薄膜的層間介電薄膜22之間的附著性能。該金屬阻擋層64可以防止磁屏蔽層21的屏蔽材料向?qū)娱g介電薄膜22擴散。
夾在第一線路層13和磁屏蔽層62之間的金屬阻擋層65可以抑制磁屏蔽層62和第一線路層13之間的反應(yīng)。該金屬阻擋層65可以提高磁屏蔽性能(磁軛性能)并且抑制第一線路層20的線路電阻的增加。
夾在磁屏蔽層62和層間介電薄膜12之間的金屬阻擋層66可以改善磁屏蔽層62和用作下薄膜的層間介電薄膜62之間的附著性能。該金屬阻擋層66可以防止磁屏蔽層62的屏蔽材料向?qū)娱g介電薄膜12擴散。
該第十三實施方案是沒有任何開關(guān)元件的磁存儲器件的改進方案。
圖59和60為根據(jù)本發(fā)明第十三實施方案的磁存儲器件的立體圖。下面將對根據(jù)第十三實施方案的磁存儲器件的結(jié)構(gòu)進行說明。要注意的是，將主要對與圖53A和53B不同的結(jié)構(gòu)進行說明。
在圖59所示的結(jié)構(gòu)中，第一線路層13分成寫入字線13a和讀出字線13b。寫入字線13a例如與第二線路層(位線)20垂直地延伸并且與MTJ元件18間隔開。讀出字線13b在相同的平面上與寫入字線13a平行地延伸，并且通過下金屬層67和接點68與MTJ元件18連接。磁屏蔽層62a和62b形成在寫入和讀出字線13a和13b的側(cè)面和底面上。
同樣，在圖60所示的結(jié)構(gòu)中，第一線路層13分成寫入字線13a和讀出字線13b。寫入字線13a例如與第二線路層(位線)20垂直地延伸并且與MTJ元件18間隔開。磁屏蔽層62a形成在寫入字線13a的側(cè)面和底面上。讀出字線13b與寫入字線13a平行地延伸，并且設(shè)置成在MTJ元件18和寫入字線13a之間與MTJ元件18接觸。
該第十三實施方案可以獲得與第十一實施方案相同的效果。
在該第十三實施方案中，第一線路層13分成寫入字線13a和讀出字線13b。與如圖53A和53B所示的簡單交叉點結(jié)構(gòu)相比，讀出信號可以設(shè)定得更大以提高讀取速度。
由于寫入和讀取線部分地分開，所以在寫入中沒有任何電壓偏壓施加在隧道結(jié)層15上，從而提高了可靠性。
在該第三實施方案中，沒有任何開關(guān)元件，可以降低單元尺寸并且有利于多層結(jié)構(gòu)的開發(fā)。
那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將很容易了解其它優(yōu)點和改進。因此，本發(fā)明的更廣義的范圍并不限于在這里所示和所述的具體內(nèi)容和代表性實施方案。因此，在不脫離由所附權(quán)利要求及其等同方案所限定的總體發(fā)明內(nèi)容的精神或范圍的情況下可以作出各種變化的方案。
權(quán)利要求
1.一種磁存儲器件，它包括第一線路層，它沿著第一方向延伸；存儲元件，它設(shè)置在所述第一線路層上方；第二線路層，它設(shè)置在所述存儲元件上并且沿著與第一方向不同的第二方向延伸；以及第一屏蔽層，它形成在所述每個第二線路層的側(cè)面和存儲元件的側(cè)面上。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第一屏蔽層形成在所述每個第二線路層的側(cè)面和上表面以及存儲元件的側(cè)面上，并且連續(xù)地形成在各第二線路層上面。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第一屏蔽層包括一絕緣磁層。
4.如權(quán)利要求3所述的器件，所述絕緣磁層由一種絕緣的鐵氧體形成。
5.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述每個線路層的側(cè)面和存儲元件的側(cè)面基本上形成一個平面，并且所述第一屏蔽層形成在該平面上。
6.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述存儲元件包括至少由第一磁層、第二磁層和非磁層形成的MTJ元件。
7.如權(quán)利要求6所述的器件，其中所述MTJ元件是一種具有一個非磁層的單結(jié)結(jié)構(gòu)或者是一種具有兩個非磁層的雙結(jié)結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求6所述的器件，其中所述第一和第二磁層具有不同的磁化翻轉(zhuǎn)閾值；并且為了在MTJ元件中寫入數(shù)據(jù)，將第一和第二磁層的磁化方向置為彼此平行或者彼此反向平行。
9.如權(quán)利要求6所述的器件，其中所述MTJ元件的電阻值根據(jù)第一和第二磁層的磁化方向是彼此平行或者彼此反向平行而變化，并且根據(jù)電阻值的變化來讀出被寫在MTJ元件中的數(shù)據(jù)。
10.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括有第一絕緣層，該層沿著第二方向設(shè)置在存儲元件的側(cè)面上并且其厚度等于存儲元件。
11.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括二極管，它形成在第一線路層和存儲元件之間。
12.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括與存儲元件連接的晶體管，并且其中所述存儲元件與所述第一線路層間隔開。
13.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括形成在所述每個第二線路層的上表面上的第二屏蔽層。
14.如權(quán)利要求13所述的器件，其中所述第一屏蔽層包括一個絕緣磁層。
15.如權(quán)利要求13所述的器件，其中所述第二屏蔽層包括絕緣磁層或?qū)щ姶艑印?br> 16.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括第二屏蔽層，它形成在所述每個第二線路層的上表面上；以及第二絕緣層，它形成在所述每個第二線路層的側(cè)面和存儲元件的側(cè)面與第一屏蔽層之間。
17.如權(quán)利要求16所述的器件，其中所述第一屏蔽層包括絕緣磁層或?qū)щ姶艑印?br> 18.如權(quán)利要求16所述的器件，其中所述第二屏蔽層包括絕緣磁層或?qū)щ姶艑印?br> 19.如權(quán)利要求16所述的器件，其中所述第一屏蔽層形成在第二絕緣層的側(cè)面以及第二屏蔽層的上表面上，并且連續(xù)地形成在各第二線路層上。
20.如權(quán)利要求19所述的器件，其中所述第二屏蔽層包括一個絕緣磁層，并且所述第一屏蔽層包括一個絕緣磁層或?qū)щ姶艑印?br> 21.如權(quán)利要求19所述的器件，其中所述第二屏蔽層包括一導(dǎo)電磁層，并且所述第一屏蔽層包括一絕緣磁層。
22.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括第三絕緣層，該層形成在存儲元件的側(cè)面和第一屏蔽層之間，所述第三絕緣層的側(cè)面與第二線路層的側(cè)面基本上平行。
23.如權(quán)利要求22所述的器件，其中所述存儲元件沿著第一方向的寬度小于所述每個第二線路層的寬度。
24.如權(quán)利要求22所述的器件，其中所述第一屏蔽層包括絕緣磁層或者導(dǎo)電磁層。
25.如權(quán)利要求22所述的器件，其中所述第一屏蔽層形成在所述每個第二線路層的側(cè)面和上表面以及第三絕緣層的側(cè)面上，并且連續(xù)地形成在各第二線路層之間。
26.如權(quán)利要求25所述的器件，其中所述第一屏蔽層包括一絕緣磁層。
27.如權(quán)利要求22所述的器件，還包括第二屏蔽層，該層形成在所述每個第二線路層的上表面上。
28.如權(quán)利要求27所述的器件，其中所述第一屏蔽層包括絕緣磁層和導(dǎo)電磁層。
29.如權(quán)利要求27所述的器件，其中所述第二屏蔽層包括絕緣磁層或?qū)щ姶艑印?br> 30.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括第三屏蔽層，該層形成在第一線路層的下表面和側(cè)面上。
31.如權(quán)利要求30所述的器件，其中所述第三屏蔽層包括絕緣磁層或?qū)щ姶艑印?br> 32.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括第一和第二金屬阻擋層，這些阻擋層夾著所述第一屏蔽層。
33.如權(quán)利要求30所述的器件，還包括第三和第四金屬阻擋層，這些阻擋層夾著所述第三屏蔽層。
34.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括第三線路層，該層設(shè)置在與第一線路層相同的平面上，與所述第一線路層平行地延伸，與存儲元件連接，并且用作讀出線路。
35.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括第四線路層，它設(shè)置在第一線路層和存儲元件之間，與所述第一線路層平行地延伸，與所述存儲元件連接，并且用作讀出線路。
36.一種磁存儲器件制造方法，它包括形成沿著第一方向延伸的第一線路層；選擇性地將存儲元件形成在第一線路層上方；在存儲元件周圍形成第一絕緣層；在所述第一絕緣層和存儲元件上形成沿著與所述第一方向不同的第二方向延伸的第二線路層；用第二線路層作為掩模除去第一絕緣層的沒有覆蓋第二線路層的部分；并且將第一屏蔽層形成在第二線路層上。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述第一屏蔽層形成的薄膜厚度不大于第二線路層之間的間距的1/2。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述存儲元件包括至少由第一磁層、第二磁層和非磁層形成的MTJ元件。
39.如權(quán)利要求36所述的方法，還包括在所述第一線路層和存儲元件之間形成二極管。
40.如權(quán)利要求36所述的方法，還包括形成與所述存儲元件連接的晶體管。
41.如權(quán)利要求36所述的方法，還包括，在形成所述第一屏蔽層之后，從所述每個第二線路層的上表面，并從各第二線路層之間除去第一屏蔽層，在所述每個第二線路層的側(cè)面和存儲元件的側(cè)面上留下所述第一屏蔽層。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其中通過各向異性蝕刻除去所述第一屏蔽層。
43.如權(quán)利要求36所述的方法，還包括在形成第一屏蔽層之前，在所述每個第二線路層的上表面上形成第二屏蔽層；并且在形成所述第一屏蔽層之后，從第二屏蔽層的上表面，并從各第二線路層之間除去所述第一屏蔽層，在所述每個第二線路層的側(cè)面和存儲元件的側(cè)面上留下所述第一屏蔽層。
44.如權(quán)利要求36所述的方法，在形成所述第一屏蔽層之前還包括在所述每個第二線路層的上表面上形成第二屏蔽層；并且在所述每個第二線路層的側(cè)面以及所述存儲元件的側(cè)面上形成第二絕緣層。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，在形成所述第一屏蔽層之后還包括從所述第二屏蔽層的上表面，并從所述各第二線路層之間除去所述第一屏蔽層，在所述第二絕緣層的側(cè)面上留下所述第一屏蔽層。
46.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述第二線路層如此形成，使所述每個第二線路層的寬度設(shè)定得大于存儲元件沿著第一方向的寬度；用所述線路層作為掩模除去所述第一絕緣層的沒有覆蓋所述第二線路層的部分，在存儲元件的側(cè)面上留下所述第一絕緣層，所述存儲元件從所述每個第二線路層的側(cè)表面凹入；并且所述第一屏蔽層形成在所述每個第二線路層的側(cè)面和上表面以及所述第一絕緣層的側(cè)面上。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，還包括，在形成所述第一屏蔽層之后，從第二屏蔽層的上表面，并從各第二線路層之間除去所述第一屏蔽層，在所述第一絕緣層的側(cè)面上以及所述每個第二線路層的側(cè)面上留下所述第一屏蔽層。
48.如權(quán)利要求47所述的方法，還包括，在形成所述第一屏蔽層之前，在所述每個第二線路層的上表面上形成所述第二屏蔽層。
49.一種磁存儲器件制造方法，它包括形成沿著第一方向延伸的第一線路層；在第一線路層上方形成沿著第一方向延伸的筆直的存儲元件；在存儲元件周圍形成第一絕緣層；在所述第一絕緣層和存儲元件上形成沿著與所述第一方向不同的第二方向延伸的第二線路層；用第二線路層作為掩模除去第一絕緣層和存儲元件的沒有覆蓋第二線路層的部分，從而將所述存儲元件形成為島狀；并且在第二線路層上形成第一屏蔽層。
全文摘要
一種磁存儲器件包括第一線路層，它沿著第一方向延伸；存儲元件，它設(shè)置在所述第一線路層上方；第二線路層，它設(shè)置在所述存儲元件上并且沿著與第一方向不同的第二方向延伸；以及第一屏蔽層，它形成在所述每個第二線路層的側(cè)面和存儲元件的側(cè)面上。
文檔編號G11C11/00GK1427414SQ0215701
公開日2003年7月2日 申請日期2002年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月18日
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