交叉矩陣列式磁性隨機(jī)存儲(chǔ)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(chǔ)器件領(lǐng)域，尤其涉及一種交叉矩陣列式磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器制造工 -H- 〇
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)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(chǔ)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(xiě)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(shì)皇層；磁性參考層，位于 隧道勢(shì)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(cè)量 MTJ元件的電阻態(tài)即可得到存儲(chǔ)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(kāi)始從隧道勢(shì)皇層一 側(cè)形成，這樣使得隧道勢(shì)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(guò)不同的寫(xiě)操作方法來(lái)對(duì)MRAM器件進(jìn)行分類。傳統(tǒng)的MRAM為磁場(chǎng)切換型 MRAM :在兩條交叉的電流線的交匯處產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(chǔ)器（STT-MRAM，Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory)則采用完全不同的寫(xiě)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(xiě)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(xiě)、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(duì)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(lái)說(shuō)，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(chǎng)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(chǔ)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(guò)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(guò)相應(yīng)的寫(xiě)電流來(lái)設(shè)置MTJ元件的高、低電阻態(tài)，也即寫(xiě)入了存儲(chǔ)信息，以及根據(jù)讀電流的 大小來(lái)判斷MTJ元件的電阻態(tài)，也即讀出了存儲(chǔ)信息。
[0008] 對(duì)于面內(nèi)型STT-MRAM來(lái)說(shuō)，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(shuō)縮小三極管的尺寸，對(duì)于 面內(nèi)型STT-MRAM集成度的提升程度有限。而對(duì)于垂直型STT-MRAM情況卻恰恰相反，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(duì)也比較復(fù)雜，提高了產(chǎn)品的制造成本。
[0009] 因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開(kāi)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】

[0010] 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(chǔ)器制造工藝，包括：
[0011] 形成底電極；
[0012] 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)的磁性 隧道結(jié)和導(dǎo)電層1/氧化物/導(dǎo)電層2三層結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)電層1/氧化物/導(dǎo)電層2三層結(jié) 構(gòu)的氧化物是金屬氧化物、半導(dǎo)體材料的氧化物，所述導(dǎo)電層1/氧化物/導(dǎo)電層2三層結(jié) 構(gòu)的導(dǎo)電層1和/或?qū)щ妼?是金屬、金屬合金、金屬氮化物或金屬硼化物；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)；
[0013] 在所述磁記憶單元陣列頂部形成頂電極。
[0014] 進(jìn)一步地，所述底電極的形成包括：
[0015] 沉積底電極金屬層和硬掩膜一；
[0016] 光刻底電極；
[0017] 刻蝕底電極；
[0018] 沉積電介質(zhì)一；
[0019] 表面平坦化。
[0020] 進(jìn)一步地，所述磁記憶單元陣列的形成包括：
[0021] 在所述底電極頂部沉積構(gòu)成所述導(dǎo)電層1/氧化物/導(dǎo)電層2三層結(jié)構(gòu)和所述磁 性隧道結(jié)的薄膜，其中先沉積構(gòu)成所述導(dǎo)電層1/氧化物/導(dǎo)電層2三層結(jié)構(gòu)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)的薄膜再沉積構(gòu)成所述導(dǎo)電 層1/氧化物/導(dǎo)電層2三層結(jié)構(gòu)的薄膜；
[0022] 沉積硬掩膜二；
[0023] 光刻磁記憶單元陣列；
[0024] 刻蝕磁記憶單元陣列；
[0025] 沉積電介質(zhì)二；
[0026] 表面平坦化。
[0027] 進(jìn)一步地，所述頂電極的形成包括：
[0028] 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；
[0029] 光刻頂電極；
[0030] 刻蝕頂電極；
[0031] 沉積電介質(zhì)三；
[0032] 表面平坦化。
[0033] 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(shì)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(shì)皇層和磁性記憶層，也可以依次是磁性記憶 層、隧道勢(shì)皇層和磁性參考層。本文中所述的"上"和"下"的相對(duì)位置，"上"較于"下"更 遠(yuǎn)離襯底基片。
[0034] 進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電層1/氧化物/導(dǎo)電層2三層結(jié)構(gòu)的氧化物包括金屬Cu、Cr、 Co、Nb、Ni、Cd、Al、Fe、Hf、Ti、Ta、Mg、W、Zr、Zn、ZnMg 的氧化物或 ITO 或 Si 的氧化物。
[0035] 進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電層1/氧化物/導(dǎo)電層2三層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層1和/或?qū)щ妼? 包括 Pt、Ti、Ti/Pt、Pt/Ti、Ta、Hf、Ru、Ag、Ni、Al、Au、W、Cr、Zn、Cu、Mo、Co、Fe 或 Nb 元素 金屬，或包括上述任兩種以上元素金屬的合金，或包括上述任一元素金屬的氮化物，或包括 上述任兩種以上元素金屬的合金的氮化物，或包括上述任一元素金屬的晶態(tài)或非晶態(tài)硼化 物，或包括上述任兩種以上元素金屬的合金的晶態(tài)或非晶態(tài)硼化物。
[0036] 進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電層1/氧化物/導(dǎo)電層2三層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層1和導(dǎo)電層2分別 包括與所述導(dǎo)電層1/氧化物/導(dǎo)電層2三層結(jié)構(gòu)的氧化物相鄰設(shè)置的氧阻止層（Oxygen Barrier Layer)或吸氧層（Oxygen Getting Layer)，以阻擋氧離子向所述導(dǎo)電層1