一種基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件及制造方法
【專利摘要】一種基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件，它形成多個(gè)MTJ層疊，各個(gè)MTJ由參考層、勢(shì)壘層和自由層組成；參考層的磁化方向固定或通過連接釘扎層固定，自由層的磁化方向通過注入自旋極化電流在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換；多個(gè)MTJ通過金屬隔離層串聯(lián)，感應(yīng)線設(shè)置在上述結(jié)構(gòu)附近，從而在各個(gè)MTJ處產(chǎn)生不同輔助磁場(chǎng)，以影響其磁化方向翻轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)換電流；通過施加不同方向、大小的電流與磁場(chǎng)，分別將各個(gè)MTJ切換至所需電阻狀態(tài)，進(jìn)而利用器件不同的總電阻狀態(tài)存儲(chǔ)多位數(shù)據(jù)；一種基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件的制造方法，它有七大步驟。本發(fā)明在提高STT-MRAM存儲(chǔ)密度的同時(shí)，也降低了制造過程中的工藝難度與生產(chǎn)成本。
【專利說明】一種基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件及制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件及制造方法，它包含一種由 多個(gè)磁隧道結(jié)（MagneticTunnelJunction，MTJ)組成的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，屬于非易失性磁存儲(chǔ)器

【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM)因其非易失性、無限次讀寫、低功耗、高速度等優(yōu)點(diǎn) 受到學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。更進(jìn)一步，基于自旋轉(zhuǎn)移力矩（SpinTransferTorque, STT)的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器STT-MRAM無需外界磁場(chǎng)作用，通過注入自旋計(jì)劃電流即可改變MTJ自 由層的磁化方向，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。因此，在進(jìn)一步突破功耗、穩(wěn)定性、讀寫速度、存儲(chǔ)容量等 瓶頸方面，STT-MRAM體現(xiàn)出巨大的研究及應(yīng)用價(jià)值。
[0003]MTJ主要分為基于垂直磁各向異性（PerpendicularMagneticAnisotropy，PMA) 的MTJ與基于面內(nèi)磁各向異性（In-PlaneMagneticAnisotropy)的MTJ，而后者在尺寸 及功耗等方面更具優(yōu)勢(shì)。MTJ-般包括非磁性金屬材料構(gòu)成的底電極、鐵磁材料構(gòu)成的參 考層、金屬氧化物構(gòu)成的勢(shì)壘層、鐵磁材料構(gòu)成的自由層，以及非磁性金屬材料構(gòu)成的頂電 極。其中，參考層可能需要反鐵磁材料構(gòu)成的釘扎層固定磁化方向。當(dāng)參考層與自由層的 磁化方向平行時(shí)，MTJ呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)"0" ；反平行時(shí)則呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，可存 儲(chǔ)數(shù)據(jù)"1"。
[0004] 目前，STT-MRAM-般使用IT (Transistor) 1MTJ結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)1位數(shù)據(jù)，而多級(jí)單元存 儲(chǔ)器件可以利用多個(gè)MTJ在一個(gè)單元中多于2位或以上數(shù)據(jù)，從而擴(kuò)大存儲(chǔ)容量并降低功 耗。一種常用的此類器件為串聯(lián)型多級(jí)單元結(jié)構(gòu)，利用多個(gè)組成相同、截面尺寸相異的MTJ 實(shí)現(xiàn)多級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，但其制造工藝十分繁瑣，且會(huì)造成器件性能下降。另一方面，相關(guān)研究 表明，通過施加外界磁場(chǎng)作為輔助，可以減小磁化方向翻轉(zhuǎn)需要的轉(zhuǎn)換電流，從而降低進(jìn)一 步降低STT-MRAM的存儲(chǔ)功耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 1?發(fā)明目的：
[0006] 針對(duì)上述【背景技術(shù)】中傳統(tǒng)多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件制造遇到的相關(guān)問題，本發(fā)明提供 了一種基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件及制造方法。該磁存儲(chǔ)器件在提高STT-MRAM 存儲(chǔ)密度的同時(shí)，將降低制造過程中的工藝難度與生產(chǎn)成本。通過減少制造過程中的刻蝕 次數(shù)，將確保該器件的性能不受影響。另一方面，本發(fā)明將通過金屬感應(yīng)線產(chǎn)生磁場(chǎng)輔助 MTJ改變磁化方向，使STT-MRAM的功耗降低，并增加其設(shè)計(jì)與操控的靈活性。
[0007] 2?技術(shù)方案：
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0009] (1)-種基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件，其特征是形成多個(gè)磁隧道結(jié) (MagneticTunnelJunction,MTJ)層疊，各個(gè)MTJ由參考層、勢(shì)魚層和自由層組成。其中， 參考層的磁化方向固定或通過連接釘扎層固定，自由層的磁化方向可以通過注入自旋極化 電流在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。當(dāng)參考層與自由層的磁化方向平行時(shí)，MTJ呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，可 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)"〇"；反平行時(shí)則呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)"1"。多個(gè)MTJ通過金屬隔離層串 聯(lián)，感應(yīng)線設(shè)置在上述MTJ結(jié)構(gòu)周圍，將位置調(diào)整為適宜，從而在各個(gè)MTJ處產(chǎn)生不同輔助 磁場(chǎng)，影響其磁化方向翻轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)換電流。通過施加不同方向、大小的電流與磁場(chǎng)，可 以分別將各個(gè)MTJ切換至所需電阻狀態(tài)，進(jìn)而利用器件不同的總電阻狀態(tài)存儲(chǔ)多位數(shù)據(jù)。 例如，兩個(gè)MTJ組成的磁存儲(chǔ)器件至多能夠獲得4種總電阻狀態(tài)，即可寫入2位數(shù)據(jù)00、01、 10、11。
[0010] 在該磁存儲(chǔ)器件中，自由層可能包括鐵磁材料鈷鐵硼（CoFeB)、鈷鐵（CoFe)、釕 (Ru)、鈷（Co)、鈷/鉬（Co/Pt)或鈷/鈀（Co/Pd)等，勢(shì)壘層選自、但不限于金屬氧化物材 料氧化鎂（MgO)、氧化鋁（A1203)，參考層可能包括鐵磁材料CoFeB、CoFe、Ru、Co、Co/Pt或 Co/Pd等。其中，參考層的磁化方向可能需要通過反鐵磁材料構(gòu)成的釘扎層固定，包括鉬錳 (PtMn)、銥猛（IrMn)、Co/Pt或Co/Pd等。磁存儲(chǔ)器件上、下通過頂電極、底電極與外圍電路 相連，可能使用非磁性金屬線材料鉭（Ta)、Ru、鉬（Pt)或鋁（A1)等。感應(yīng)金屬線可以位于 磁存儲(chǔ)器件上、下或一側(cè)的絕緣層中，可以使用二氧化硅（Si02)、氮化硅（SiN)或其他材料。 一條感應(yīng)金屬線可以由兩個(gè)或多個(gè)磁存儲(chǔ)器件共用。作用模式方面，可以固定輔助磁場(chǎng)，通 過調(diào)整寫電流完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；也可以將寫電流固定，利用不同輔助磁場(chǎng)寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)。
[0011] 各個(gè)MTJ可以基于垂直磁各向異性（PerpendicularMagneticAnisotropy，PMA)， 也可以基于面內(nèi)磁各向異性（In-PlaneMagneticAnisotropy),即最廣泛的理解為包括兩 種磁各向異性的多種組合形式。所對(duì)應(yīng)的MTJ截面形狀可以選自、但不限于圓形、橢圓形及 長(zhǎng)方形，一般為納米級(jí)，如直徑為40nm的圓柱體。
[0012] (2)另一方面，本發(fā)明提供基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件制造方法，并根據(jù) 部分實(shí)施例給出示例流程圖，見圖6。具體制造流程表述如下（圖5):
[0013] 步驟一：圖5(a)中，基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體前端工藝形成絕緣層500及底部電接觸 502 (如通孔），使用化學(xué)機(jī)械平坦化等工藝將該層平坦化后，在上方通過磁控濺射等工藝 沉積包含MTJUMTJ2的金屬多層膜結(jié)構(gòu)。
[0014] 步驟二：通過超高磁場(chǎng)真空退火固定參考層510的磁化方向。
[0015] 步驟三：圖5(b)中，掩膜522利用化學(xué)氣象沉積、電子束光刻及反應(yīng)離子束刻蝕等 方式獲得。通過掩模522刻蝕金屬多層膜結(jié)構(gòu)至自由層106結(jié)束，形成器件100中MTJ1、 MTJ2形態(tài)，底電極504被保留，如圖5(c)。該步驟使用反應(yīng)離子束刻蝕、感應(yīng)耦合等離子體 刻蝕、離子束刻蝕或其他方式。
[0016]步驟四：絕緣層524通過化學(xué)氣象沉積或其他方式被沉積在上述步驟形成的結(jié)構(gòu) 上方，如圖5(d)。
[0017] 步驟五：利用EBL形成圖案化的掩模526a、536b，如圖5(d)，分別用于刻蝕金屬感 應(yīng)線120及底電極102。
[0018] 步驟六：圖5 (f)中，絕緣層528通過化學(xué)氣象沉積或其他方式被沉積在上述步驟 形成的結(jié)構(gòu)上方，用于器件100的隔離與保護(hù)。
[0019] 步驟七：圖5(g)中，利用大馬士革或其他工藝在絕緣層528上方形成與頂電極 118連通的頂部電接觸530,使器件100與外圍電路相連。該步驟涉及紫外光刻、反應(yīng)離子 束刻蝕、電子束蒸鍍及化學(xué)機(jī)械平坦化等方式。
[0020] 構(gòu)成磁存儲(chǔ)器件的各個(gè)MTJ可以具有相同截面尺寸，其形態(tài)通過一次刻蝕即可完 成，不僅能夠降低工藝難度與生產(chǎn)成本，也可以緩解二次沉積等負(fù)面效應(yīng)進(jìn)而提高器件性 能。特別地，當(dāng)各個(gè)MTJ完全相同時(shí)，由于引入磁場(chǎng)輔助，同樣可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)。
[0021] 3?優(yōu)點(diǎn)和功效：
[0022] 本發(fā)明提供一種基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件，該器件由多個(gè)堆疊的MTJ 及附近的金屬感應(yīng)線構(gòu)成。相比于傳統(tǒng)的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì)：
[0023] (1)本發(fā)明為多級(jí)單元存儲(chǔ)器件，即可以在一個(gè)STT-MRAM單元當(dāng)中多于1位數(shù)據(jù)。 因此，本發(fā)明可以大幅提高存儲(chǔ)密度并降低功耗。
[0024] (2)傳統(tǒng)STT-MRAM單純地基于自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)，當(dāng)注入的自旋極化電流達(dá)到 MTJ固有的轉(zhuǎn)換電流時(shí)，自由層的磁化方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)。本發(fā)明通過增加磁場(chǎng)的方式輔助MTJ 改變磁化方向，可以在一定程度上減小轉(zhuǎn)換電流，從而使磁存儲(chǔ)器的功耗降低。
[0025] (3)通過調(diào)整金屬感應(yīng)線與MTJ之間的垂直距離及MTJ的組成與結(jié)構(gòu)，可以獲得不 同大小的轉(zhuǎn)換電流。將相鄰總電阻狀態(tài)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換電流差值最大化，能夠降低數(shù)據(jù)寫入的 錯(cuò)誤概率。通過調(diào)整勢(shì)壘層厚度，可以獲得相鄰差值最適宜的總電阻狀態(tài)，從而降低數(shù)據(jù)讀 取的錯(cuò)誤概率。此外，本發(fā)明在磁存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)與操控方面具有較高的靈活性。
[0026] (4)傳統(tǒng)串聯(lián)型多級(jí)單元結(jié)構(gòu)利用相同MTJ的不同截面尺寸實(shí)現(xiàn)多級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 在生產(chǎn)過程中，該類器件需要通過多次刻蝕形成各個(gè)MTJ形態(tài)，在增加工藝成本與繁瑣程 度的同時(shí)加劇二次沉積等負(fù)面效應(yīng)，導(dǎo)致磁存儲(chǔ)器件性能下降。本發(fā)明增設(shè)磁場(chǎng)作為輔助， 使由相同MTJ組成的磁存儲(chǔ)器件能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)，從而有利于該類器件的制造與使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 附圖示出了本發(fā)明的部分實(shí)施例及相關(guān)制造過程：
[0028] 圖1為基于部分實(shí)施例的磁場(chǎng)輔助多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件100及其層次結(jié)構(gòu)。
[0029] 圖2(a)為器件100初始狀態(tài)的示意圖。
[0030] 圖2(b)為輔助以外加磁場(chǎng)，將寫電流注入器件100,MTJ1翻轉(zhuǎn)為反平行狀態(tài)的示 意圖。
[0031] 圖2(c)為伴隨寫電流繼續(xù)增大，MTJ2翻轉(zhuǎn)為反平行狀態(tài)的示意圖。
[0032] 圖2(d)為改變外加磁場(chǎng)方向，將寫電流由另一側(cè)注入器件100,MTJ1返回至低電 阻狀態(tài)的示意圖。
[0033] 圖2(e)為伴隨寫電流繼續(xù)增加，MTJ2返回至低電阻狀態(tài)，器件100恢復(fù)圖2(a)所 示初始狀態(tài)的示意圖。
[0034] 圖3為基于其他實(shí)施例的磁場(chǎng)輔助多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件300及其層次結(jié)構(gòu)。
[0035] 圖4為基于其他實(shí)施例的磁場(chǎng)輔助多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件400及其層次結(jié)構(gòu)。
[0036] 圖5 (a)表示基于CMOS前端工藝形成絕緣層及底部電接觸（如通孔），平坦化后沉 積金屬多層膜結(jié)構(gòu)。
[0037] 圖5(b)表不在上述金屬多層膜上方形成用于刻蝕MTJ1、MTJ2的掩膜。
[0038] 圖5(c)表示刻蝕完成器件100中MTJUMTJ2的形態(tài)。
[0039] 圖5⑷表示在器件100外圍沉積絕緣層，并制作用于刻蝕底電極及金屬感應(yīng)線的 掩模。
[0040] 圖5(e)表示刻蝕完成金屬感應(yīng)線及底電極的形態(tài)。
[0041] 圖5(f)表示在器件100外圍沉積絕緣層。
[0042] 圖5 (g)表示在器件100上方形成頂部電接觸。
[0043] 圖6是根據(jù)部分實(shí)施例給出的磁場(chǎng)輔助多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件的制造流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0044] 參照附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)。附圖均為示意圖。其中涉及的各功 能層或區(qū)域的厚度非實(shí)際尺寸、工作模式中的電流、電阻及電壓值也非實(shí)際值。在此公開了 詳細(xì)的示例性的實(shí)施例，其特定的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和功能細(xì)節(jié)僅是表示描述示例實(shí)施例的目的， 因此，可以多種可選擇的形式來實(shí)施本發(fā)明，且本發(fā)明不應(yīng)該被理解為僅僅局限于在此提 出的示例實(shí)施例，而是應(yīng)該覆蓋落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變化、等價(jià)物與替換物。
[0045] 圖1所示的磁場(chǎng)輔助多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件100是根據(jù)本發(fā)明部分實(shí)施例給出的示 例結(jié)構(gòu)。磁存儲(chǔ)器件100主要包括基于垂直磁各向異性的磁隧道結(jié)MTJ1、MTJ2,及其附近 的金屬感應(yīng)線120。
[0046] MTJ1由自由層104、勢(shì)壘層106、參考層108組成，并通過底電極102與底部電接觸 相連。其中，參考層108的磁化方向固定，自由層104的磁化方向在自旋極化電流的作用下 發(fā)生翻轉(zhuǎn)，當(dāng)二者平行時(shí)，MTJ1呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)R1P，可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)"0" ；反平行時(shí)呈現(xiàn)高電阻 狀態(tài)R1AP，可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)"1"。MTJ2由自由層112、勢(shì)壘層114、參考層116組成，其下通過金屬 隔離層110與MTJ1相連，其上為頂電極118 ;其作用機(jī)制與MTJ1相同。
[0047] 金屬感應(yīng)線120位于底電極102 -側(cè)的絕緣材料122中，并調(diào)整為適宜位置。例 如，與自由層1〇4、112的垂直距離分別為40nm、50nm。通入電流I后，將在MTJ處產(chǎn)生與磁 化方向平行的垂直磁場(chǎng)分量B。而在外界磁場(chǎng)及垂直注入MTJ的電流作用下，熱穩(wěn)定性 因子A= 其中，與IC(^MTJ固有的熱穩(wěn)定性因子、轉(zhuǎn)換 磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)換電流，H。=B。相關(guān)實(shí)驗(yàn)例表明，轉(zhuǎn)換電流I。在外界磁場(chǎng)作用下減小約15-30%。 調(diào)整金屬感應(yīng)線120與MTJUMTJ2之間的垂直距離，可以獲得不同大小的轉(zhuǎn)換電流Ia、IC2 ; 當(dāng)相鄰轉(zhuǎn)換電流之間的差值相等時(shí)，數(shù)據(jù)寫入的錯(cuò)誤概率將達(dá)到最小。
[0048] 下面結(jié)合本示例結(jié)構(gòu)100及圖2(a)?（e)具體說明磁場(chǎng)輔助多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器 件的作用模式。
[0049] (1)器件100的初始狀態(tài)如圖2 (a)所示，MTJ1、MTJ2處于低電阻狀態(tài)R1P、R2P，利 用R1P+R2P#儲(chǔ)數(shù)據(jù)"00"。例如，將垂直紙面向內(nèi)的電流202通入金屬感應(yīng)線120,在MTJ1、 MTJ2處將產(chǎn)生平行磁化方向向上的垂直磁場(chǎng)分量，Ic減小且Ia〈IC2。
[0050] (2)將寫電流204由MTJ2注入器件100,如圖2(b)所示，當(dāng)幅度達(dá)到I^AP時(shí)，MTJ1 自由層104的磁化方向首先翻轉(zhuǎn)為與參考層108反平行的狀態(tài)，即高電阻狀態(tài)R1AP，MTJ2仍 保持低電阻狀態(tài)，R1AP+R2P存儲(chǔ)數(shù)據(jù)"01"。
[0051] (3)見圖2 (C)，寫電流206增至IpAP，MTJ2翻轉(zhuǎn)為高電阻狀態(tài)R2AP，R1AP+R2AP存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)"11"。
[0052] (4)此時(shí)，改變通入金屬感應(yīng)線120的電流方向，電流208于MTJ產(chǎn)生的垂直磁場(chǎng) 分量平行磁化方向向下。將寫電流210由MTJ1注入器件100,如圖2(d)所示，當(dāng)幅度達(dá)到I貧4時(shí)，MTJ1返回至低電阻狀態(tài)R1P，R1P+R2AP存儲(chǔ)數(shù)據(jù)"10"。
[0053] (5)見圖2(e)，寫電流212達(dá)到I貧-p，MTJ2返回至低電阻狀態(tài)R2P，則器件100恢 復(fù)圖2 (a)所示初始狀態(tài)，即存儲(chǔ)數(shù)據(jù)"00"。
[0054] 在部分實(shí)施例中，可能需要通過連續(xù)產(chǎn)生磁場(chǎng)并施加寫電流才能將目標(biāo)數(shù)據(jù)寫入 磁存儲(chǔ)器件。例如，當(dāng)初始狀態(tài)為"01"，則寫入"10"必須執(zhí)行上述（3)、（4)兩步。
[0055] 特別地，若MTJ1、MTJ2完全相同，利用增加外界磁場(chǎng)而非改變截面面積的方式， 可以將I1CQ =I2CQ調(diào)整為IC1〈IC2，實(shí)現(xiàn)三級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（2RP -"〇〇"，RP+RAP -"〇1"或"1〇"， 2RAP - " 11"）。這在一定程度上降低了工藝難度。
[0056] 需要指出，在本發(fā)明涉及的所有實(shí)施例中，組成磁存儲(chǔ)器件的各個(gè)MTJ，其材料、結(jié) 構(gòu)、形狀可以相同，也可以不同，數(shù)量可以多于兩個(gè)。
[0057] 各個(gè)MTJ可以基于垂直磁各向異性，也可以基于面內(nèi)磁各向異性（In-Plane MagneticAnisotropy)。應(yīng)廣泛理解為包括兩種磁各向異性的多種組合形式。各個(gè)MTJ的 自由層包括鈷鐵硼（CoFeB)、鈷鐵（CoFe)、釕（Ru)、鈷（Co)、鈷/鉬（Co/Pt)、鈷/鈀（Co/Pd) 或其他材料，一般厚度為〇?5nm，典型厚度為0. 8?1. 3nm;勢(shì)魚層選自、但不限于氧化鎂 (MgO)、氧化鋁（A1203)，典型厚度為 0 ?2nm;參考層包括CoFeB、CoFe、Ru、Co、Co/Pt、Co/Pd 或其他材料，典型厚度為〇?l〇nm;底電極、頂電極、金屬隔離層及感應(yīng)金屬線包括鉭（Ta)、 Ru、鉬（Pt)、鋁（A1)或其他材料。其中，參考層的磁化方向可能需要以釘扎層固定，包括鉬 錳（PtMn)、銥錳（IrMn)、Co/Pt、Co/Pd或其他材料，典型厚度為0?30nm?？梢园凑沼上轮?上依次為自由層/勢(shì)壘層/參考層的次序進(jìn)行沉積，也可以是參考層/勢(shì)壘層/自由層的 次序。截面形狀可以選自、但不限于圓形、橢圓形及長(zhǎng)方形。
[0058] 感應(yīng)金屬線可以位于磁存儲(chǔ)器件一側(cè)的絕緣層中，也可以位于底電極以下、頂電 極以上的絕緣層中。絕緣層使用二氧化硅（Si02)、（SiN)或其他材料。一條感應(yīng)金屬線可 以由兩個(gè)或多個(gè)磁存儲(chǔ)器件共用。作用模式方面，可以固定輔助磁場(chǎng)，通過調(diào)整寫電流完成 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；也可以將寫電流固定，利用不同輔助磁場(chǎng)寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)。
[0059] 圖3為根據(jù)本發(fā)明其他實(shí)施例給出的一個(gè)示例結(jié)構(gòu)300。在MTJ2上方放置金屬 隔離層310及MTJ3,金屬感應(yīng)線318位于自由層312所在層次的絕緣層316中。在0. 8? 1. 3nm范圍內(nèi)對(duì)自由層302、306、312厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，使轉(zhuǎn)換電流間具有一定梯度。通過在 0. 8?1.6nm范圍內(nèi)調(diào)整勢(shì)壘層304、308、314厚度，可以獲得相鄰差值最適宜的總電阻狀 態(tài)，從而降低數(shù)據(jù)讀取的錯(cuò)誤概率。利用磁場(chǎng)輔助自旋轉(zhuǎn)移力矩作用，可以向磁存儲(chǔ)器件 300寫入3位數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際需要，可以在MTJ3上方繼續(xù)疊加MTJ。
[0060] 圖4為根據(jù)本發(fā)明其他實(shí)施例給出的另一個(gè)示例結(jié)構(gòu)400。MTJUMTJ2是基于面 內(nèi)各向異性的磁隧道結(jié)，按照由下至上依次為參考層/勢(shì)壘層/自由層的形式給出。自由層 406、412及勢(shì)壘層404、410的厚度根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)換電流及電阻的實(shí)際需要確定。參考層402、408 的磁化方向通過下方的釘扎層固定。金屬感應(yīng)線416位于頂電極414上方的絕緣層418中， 通入電流后將在MTJ處產(chǎn)生面內(nèi)磁場(chǎng)分量，輔助其磁化方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)進(jìn)而寫入2位數(shù)據(jù)。 [0061] 另一方面，本發(fā)明提供基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件制造方法。具體 包括使用磁控濺射、分子束外延等方法在襯底上形成金屬多層膜結(jié)構(gòu)，使用紫外光刻 (Ultra-VioletLithography,UVL)、電子束光刻（ElectronBeamLithography,EBL)、反應(yīng) 離子束刻蝕（ReactiveIonEtching,RIE)、感應(yīng)稱合等離子體刻蝕（InductivelyCoupled Plasma,ICP)、離子束刻蝕（IonBeamEtching,IBE)等方法形成磁存儲(chǔ)器件形態(tài)及金屬感 應(yīng)線，使用化學(xué)氣象沉積（ChemicalVaporDeposition,CVD)、離子束沉積等方法形成絕緣 層，使用電子束蒸鍍、化學(xué)機(jī)械平坦化（ChemicalMechanicalPolishing,CMP)等方法形成 頂部電接觸。
[0062] 圖5(a)?（g)為磁存儲(chǔ)器件100在部分實(shí)施例中各個(gè)制造步驟的形態(tài)結(jié)構(gòu)。
[0063] 步驟一：圖5(a)中，基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體前端工藝形成絕緣層500及底部電接觸 502 (如通孔），使隨后形成的磁存儲(chǔ)器件與下方CMOS電路相連。使用CMP等工藝將該層平 坦化后，在上方依次沉積底電極504、自由層506、勢(shì)壘層508、參考層510、金屬隔離層512、 自由層514、勢(shì)壘層516、參考層517及頂電極520,即包含MTJUMTJ2的金屬多層膜結(jié)構(gòu)。
[0064] 步驟二：通過超高磁場(chǎng)真空退火固定參考層510的磁化方向，外加磁場(chǎng)設(shè)置約1T， 溫度為250?400°C?；诖怪贝鸥飨虍愋缘腗TJ可能不需要磁場(chǎng)退火。
[0065] 步驟三：圖5 (b)中，掩膜522利用CVD、EBL及RIE等方式獲得。該掩模522已被 圖案化并將用于刻蝕MTJ1、MTJ2。掩模522材料為Si02，形態(tài)取決于MTJ1、MTJ2,如直徑 40nm、厚度100nm的圓柱。在其他實(shí)施例中，掩模522也可以是光刻膠或金屬等材料。通過 掩模522刻蝕金屬多層膜結(jié)構(gòu)至自由層106結(jié)束，形成器件100中MTJUMTJ2形態(tài)，底電極 504被保留，如圖5(c)。該步驟使用RIE、ICP、IBE或其他方式，可能加入氯氣（Cl2)、甲醇 (CH30H)、一氧化碳/氨氣（C0/NH3)等化學(xué)氣體作為輔助。
[0066] 步驟四：絕緣層524通過CVD或其他方式被沉積在上述步驟形成的結(jié)構(gòu)上方，如圖 5(d)。絕緣層524材料為SiN。
[0067] 步驟五：利用EBL形成圖案化的掩模526a、536b，如圖5(d)，分別用于刻蝕金屬感 應(yīng)線120及底電極102。掩膜524為光刻膠（如HSQ)，并在通過RIE、ICP、IBE或其他方式 完成刻蝕后去除，如圖5(e)。在其他實(shí)施例中，掩模524也可以是Si02等材料。
[0068] 步驟六：圖5(f)中，絕緣層528通過CVD或其他方式被沉積在上述步驟形成的結(jié) 構(gòu)上方，用于器件100的隔離與保護(hù)。絕緣層528材料為Si02。
[0069]步驟七：圖5(g)中，利用大馬士革或其他工藝在絕緣層528上方形成與頂電極 118連通的頂部電接觸530,使器件100與外圍電路相連。該步驟涉及UVL、RIE、電子束蒸 鍍及CMP等方式，底部電接觸502、頂部電接觸530使用Cu、Al或其他材料。
[0070] 基于MTJ的傳統(tǒng)多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件一般利用相同MTJ的不同截面尺寸實(shí)現(xiàn)多級(jí) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在生產(chǎn)過程中，該類器件需要重復(fù)步驟三依次形成各個(gè)MTJ形態(tài)，在增加工藝成 本與繁瑣程度的同時(shí)加劇二次沉積等負(fù)面效應(yīng)，導(dǎo)致磁存儲(chǔ)器件性能下降。相較而言，本發(fā) 明增設(shè)磁場(chǎng)作為輔助，使由相同MTJ組成的磁存儲(chǔ)器件能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)，從而有利于該 類器件的制造與使用。另一方面，通過改變金屬感應(yīng)線120的位置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)MTJ轉(zhuǎn) 換電流的調(diào)控，可以在一定程度上降低寫入功耗與錯(cuò)誤概率。
[0071]圖6是根據(jù)實(shí)施例給出的示例流程圖。
[0072]雖然已經(jīng)結(jié)合部分實(shí)施例描述了基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件的制造方 法，但本發(fā)明并不覺限于公開的實(shí)施例。在實(shí)際制造過程中，各個(gè)步驟的工藝選擇、順序排 列等視具體情況確定，且均包含于本發(fā)明公開的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件，其特征在于：它是形成復(fù)數(shù)個(gè)磁隧道結(jié) MTJ層疊，各個(gè)MTJ由參考層、勢(shì)壘層和自由層組成；其中，參考層的磁化方向固定或通過連 接釘扎層固定，自由層的磁化方向通過注入自旋極化電流在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換；當(dāng)參考層 與自由層的磁化方向平行時(shí)，MTJ呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)"0";反平行時(shí)則呈現(xiàn)高電阻狀 態(tài)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)" 1";復(fù)數(shù)個(gè)MTJ通過金屬隔離層串聯(lián)，感應(yīng)線設(shè)置在上述MTJ結(jié)構(gòu)周圍，適當(dāng) 調(diào)整位置，從而在各個(gè)MTJ處產(chǎn)生不同輔助磁場(chǎng)，影響其磁化方向翻轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)換電流； 通過施加不同方向、大小的電流與磁場(chǎng)，分別將各個(gè)MTJ切換至所需電阻狀態(tài)，進(jìn)而利用器 件不同的總電阻狀態(tài)存儲(chǔ)多位數(shù)據(jù)； 在該磁存儲(chǔ)器件中，自由層包括鐵磁材料鈷鐵硼CoFeB、鈷鐵CoFe、釕Ru、鈷Co、鈷/鉬 Co/Pt或鈷/鈕Co/Pd,勢(shì)魚層選自、但不限于金屬氧化物材料氧化鎂MgO、氧化錯(cuò)A1203，參 考層包括鐵磁材料鈷鐵硼CoFeB、鈷鐵CoFe、釕Ru、鈷Co、鈷/鉬Co/Pt或鈷/鈀Co/Pd ;其 中，參考層的磁化方向需要通過反鐵磁材料構(gòu)成的釘扎層固定，包括鉬錳PtMn、銥錳IrMn、 Co/Pt或Co/Pd ;磁存儲(chǔ)器件上、下通過頂電極、底電極與外圍電路相連，使用非磁性金屬線 材料鉭Ta、釕Ru、鉬Pt或鋁A1 ;感應(yīng)金屬線位于磁存儲(chǔ)器件上、下或一側(cè)的絕緣層中，使用 二氧化硅Si02、氮化硅SiN或其他材料；一條感應(yīng)金屬線由兩個(gè)或多個(gè)磁存儲(chǔ)器件共用，作 用模式方面，固定輔助磁場(chǎng)，通過調(diào)整寫電流完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；也能將寫電流固定，利用不同 輔助磁場(chǎng)寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)； 各個(gè)MTJ基于垂直磁各向異性，也能基于面內(nèi)磁各向異性，即最廣泛的理解為包括兩 種磁各向異性的多種組合形式；所對(duì)應(yīng)的MTJ截面形狀選自、但不限于圓形、橢圓形及長(zhǎng)方 形，為納米級(jí)。
2. -種基于磁場(chǎng)輔助的多級(jí)單元磁存儲(chǔ)器件的制造方法，其特征在于：該方法具體步 驟如下： 步驟一：基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體前端工藝形成絕緣層（500)及底部電接觸（502)，使用化學(xué)機(jī) 械平坦化工藝將該層平坦化后，在上方通過磁控濺射工藝沉積包含MTJ1、MTJ2的金屬多層 膜結(jié)構(gòu)； 步驟二：通過超高磁場(chǎng)真空退火固定參考層（510)的磁化方向； 步驟三：掩膜（522)利用化學(xué)氣象沉積、電子束光刻及反應(yīng)離子束刻蝕方式獲得；通過 掩模（522)刻蝕金屬多層膜結(jié)構(gòu)至自由層（106)結(jié)束，形成器件（100)中MTJUMTJ2形態(tài)， 底電極（504)被保留，該步驟使用反應(yīng)離子束刻蝕、感應(yīng)耦合離子體刻蝕、離子束刻蝕或其 他方式； 步驟四：絕緣層（524)通過化學(xué)氣象沉積或其他方式被沉積在上述步驟形成的結(jié)構(gòu)上 方； 步驟五：利用電子束光刻EBL形成圖案化的掩模（526a)、（536b)，分別用于刻蝕金屬感 應(yīng)線（120)及底電極（102); 步驟六：絕緣層（528)通過化學(xué)氣象沉積或其他方式被沉積在上述步驟形成的結(jié)構(gòu)上 方，用于器件（100)的隔離與保護(hù)； 步驟七：利用大馬士革或其他工藝在絕緣層（528)上方形成與頂電極（118)連通的頂 部電接觸（530)，使器件（100)與外圍電路相連；該步驟涉及紫外光刻、反應(yīng)離子束刻蝕、電 子束蒸鍍及化學(xué)機(jī)械平坦化方式。
【文檔編號(hào)】H01L43/12GK104362165SQ201410529868
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】王夢(mèng)醒, 張雨, 郭瑋, 趙巍勝 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)