专利名称：磁性隧道结(mtj)存储元件和具有mtj的自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(stt-mram)单元的制作方法
技术领域：
所揭示的实施例涉及自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)单元和其形成方法。更特定来说，示范性实施例是针对可用于STT-MRAM单元中的磁性隧道结(MTJ)存储元件和其形成方法。
背景技术：
磁阻随机存取存储器(MRAM)为使用磁性元件的非易失性存储器技术。举例来说， 自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)使用当电子穿过薄膜(自旋过滤器)时变得自旋极化的电子。STT-MRAM还被称为自旋转移力矩RAM (STT-RAM)、自旋力矩转移磁化切换RAM(Spin-RAM)和自旋动量转移(SMT-RAM)。图1说明常规STT-MRAM位单元100。所述STT-MRAM位单元100包括磁性隧道结 (MTJ)存储元件105、晶体管110、位线120和字线130。如图1中所说明，所述MTJ存储元件是由(例如)由绝缘(穿隧势垒)层分离的钉扎层和自由层形成，所述钉扎层和所述自由层中的每一者可保持磁场或极化。所述自由层的极化可颠倒以使得所述钉扎层与所述自由层的极性大体上对准或相反。穿过所述MTJ的电路径的电阻将视所述钉扎层和自由层的极化的对准而变化。如已知的，此电阻变化可用于编程和读取所述位单元100。所述 STT-MRAM位单元100还包括源极线140、读出放大器150、读取/写入电路160和位线基准 170。所属领域的技术人员将了解，所述存储器单元100的操作和构造在此项技术中为已知的。举例来说，关于此类存储器单元的额外细节提供于M. Hosomi等人的“具有自旋转移力矩磁阻磁化开关的新颖的非易失性存储器自旋RAM(A Novel Nonvolatile Memory with Spin Transfer Torque Magnetoresistive Magnetization SwitchinR Spin-RAM)，，(IEDM 会议的会议录U005))中，其全部内容以引用的方式并入本文中。参看图2 (a)到图2 (c)，常规MTJ存储元件一般通过以下步骤形成首先图案化底部固定层；形成单镶嵌结构；沉积穿隧势垒/自由层/顶部电极堆叠；以及执行化学机械抛光(CMP)步骤。举例来说，如图3所示，常规MTJ存储元件一般通过使用物理气相沉积(PVD)在金属堆叠(例如，互连件40)的顶部金属层(例如，M3)上沉积MTJ和硬掩模层堆叠而形成。 所述MTJ和硬掩模层堆叠通常包括可(例如)由钽形成的底部电极层50、钉扎层60、穿隧势垒层90、自由层100和可(例如)由Ta/TaN或Ti/TiN形成的硬掩模或上部电极层110。在常规方法中，第一步骤通常包括沉积底部电极层50(例如，Ta)、钉扎层60、穿隧势垒90、自由层100和硬掩模层(Ta/TaN、Ti/TN)。钉扎层60可包括一个或一个以上层或膜(例如，钉扎层堆叠)。接下来，使所述MTJ堆叠在真空中经受磁性退火工艺。接着使用光刻技术将图案施加到所述MTJ堆叠。所述经图案化的单元大小可大于最终大小。前述层中的每一者可包含一个或一个以上层或膜。接下来，蚀刻所述MTJ堆叠。蚀刻工艺包括修整光致抗蚀剂大小和图案硬掩模，剥离光致抗蚀剂，蚀刻自由层100，和蚀刻钉扎层60以及底部电极层50。接下来，清洁所述 MTJ堆叠。所述清洁工艺通常与低k和MTJ清洁相容。接下来，沉积钝化层以保护MTJ存储元件和层间电介质70。可能需要组合堆叠与低沉积温度以保护MTJ且促进MTJ与ILD之间的粘合。最终，使用较不具侵蚀性的化学机械抛光(CMP)来抛光MTJ与ILD以防止分层。如图3所示，根据常规方法形成的常规STT-MRAM位单元包括衬底10、字线20和与 Vss (未图示)的触点30。底部电极层50形成于互连件40的顶部金属层上。钉扎层60、穿隧势垒层90、自由层100和顶部电极110形成于底部电极层50上。ILD层70形成于MTJ 单元上。
发明内容
示范性实施例是针对自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)单元和其形成方法。更特定来说，实施例涉及STT-MRAM单元的磁性隧道结(MTJ)存储元件和其形成方法。举例来说，示范性实施例是针对一种存储器装置，其具有磁性隧道结(MTJ)存储元件，所述MTJ存储元件包含底部电极；钉扎层，其邻近于所述底部电极；电介质层，其包封所述底部电极和所述钉扎层的一部分，其中所述电介质层包括界定邻近于所述钉扎层的一部分的孔的侧壁；穿隧势垒，其邻近于所述钉扎层；自由层，其邻近于所述穿隧势垒；以及顶部电极，其邻近于所述自由层，其中所述底部电极和/或所述钉扎层在第一方向上的宽度大于所述钉扎层与所述穿隧势垒之间的接触区域在所述第一方向上的宽度。另一示范性实施例是针对一种形成存储器装置的方法，所述存储器装置具有磁性隧道结(MTJ)存储元件，所述方法包含在衬底上形成底部电极；在所述底部电极上形成钉扎层；在所述底部电极和所述钉扎层上沉积电介质层；在所述电介质层中图案化具有侧壁的孔并将所述孔向下蚀刻到所述钉扎层；在所述孔的第一部分中沉积穿隧势垒层以在所述钉扎层上产生穿隧势垒；在所述孔的第二部分中沉积自由层以使得所述自由层位于所述穿隧势垒上；以及在所述自由层上沉积顶部层。示范性实施例是针对一种存储器装置，其具有磁性隧道结(MTJ)存储元件，所述 MTJ存储元件包含用于电连接所述MTJ存储元件的底部导电装置；用于保持第一极化的第一磁性装置，所述第一磁性装置邻近于所述底部导电装置；用于包封所述底部导电装置和所述第一磁性装置的一部分的第一绝缘装置，其中所述第一绝缘装置包括界定邻近于所述第一磁性装置的一部分的孔的侧壁；用于保持第二极化的第二磁性装置，其中所述第二极化是可颠倒的；用于使在所述第一磁性装置和所述第二磁性装置之间流动的电流穿隧的第二绝缘装置，所述第二绝缘装置分离所述第一磁性装置和所述第二磁性装置；以及用于电连接所述MTJ存储元件的顶部导电装置，所述顶部导电装置邻近于所述第二磁性装置，其中所述底部导电装置和/或所述第一磁性装置在第一方向上的宽度大于所述第一磁性装置与所述第二绝缘装置之间的接触区域在所述第一方向上的宽度。另一示范性实施例包含一种形成存储器装置的方法，所述存储器装置具有磁性隧道结(MTJ)存储元件，所述方法包含用于在衬底上形成底部电极的步骤；用于在所述底部电极上形成钉扎层的步骤；用于在所述底部电极和所述钉扎层上沉积电介质层的步骤；用于在所述电介质层中图案化具有侧壁的孔并将所述孔向下蚀刻到所述钉扎层的步骤；用于在所述孔的第一部分中沉积穿隧势垒层以在所述钉扎层上产生穿隧势垒的步骤；用于在所述孔的第二部分中沉积自由层以使得所述自由层位于所述穿隧势垒上的步骤；以及用于在所述自由层上沉积顶部层的步骤。
呈现附图以辅助描述实施例，且提供附图仅用于说明所述实施例而非对其加以限制。图1说明常规自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)单元阵列。图2(a)为常规STT-MRAM单元的横截面图。图2 (b)为根据图2 (a)的常规STT-MRAM单元的一部分的放大图。图2(c)为根据图2(a)的常规MTJ单元的放大图。图3为常规STT-MRAM位单元的示意性横截面图。图4到图7为在各种制造阶段期间的STT-MRAM位单元的示意性横截面图。图8为STT-MRAM位单元的示意性横截面图。图9为展示形成STT-MRAM位单元的示范性方法的流程图。图10为STT-MRAM位单元的MTJ存储元件的示意性横截面图。图11为STT-MRAM位单元的MTJ存储元件的示意性横截面图。图12为STT-MRAM位单元的MTJ存储元件的示意性横截面图。图13为STT-MRAM位单元的MTJ存储元件的示意性横截面图。
具体实施例方式在针对特定实施例的以下描述以及相关图式中揭示本发明的示范性方面。可在不偏离本发明的范围的情况下设计出替代实施例。此外，将不详细描述或将省略实施例的众所周知的元件以便不混淆所述实施例的相关细节。词“示范性”在本文中用以指“充当一实例、例子或说明”。没有必要将本文中描述为“示范性”的任何实施例解释为比其它实施例优选或有利。同样，术语“实施例”并不要求所有实施例均包括所论述的特征、优点或操作模式。本文中所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，且无意限制实施例。如本文中所使用，单数形式“一”和“所述”意欲还包括复数形式，除非上下文另有清楚指示。应进一步理解，术语“包含”和/或“包括”在本文中使用时指定所陈述的特征、 整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或一个以上其它特征、整体、步骤、 操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。所揭示的实施例认识到，在常规方法下，可能难以控制MTJ的底部电极上的蚀刻终止。而且，蚀刻后不全面清洁可能在MTJ侧壁上留下聚合物残余物，其中的一些可能为导电的且可产生泄漏路径，进而减小磁阻(MR)比。此外，在MTJ侧壁附近的势垒氧化物层可能受工艺流程(即，灰化和清洁工艺)影响，进而在MTJ侧壁附近产生较厚的穿隧势垒。较厚的穿隧势垒的影响对于按比例缩小的特征来说将是显著的。示范性实施例有益地允许减小在生产工艺中使用的掩模的数目。举例来说，可使用两个光掩模来代替三个掩模。而且，根据所述实施例，对于例如钉扎层与穿隧势垒之间和自由层与穿隧势垒之间的界面等关键尺寸来说，不需要重金属蚀刻工艺。此外，可减小或消除侧壁聚合物纵梁(stringer)诱发的泄漏通路(leakage pass)。此外，根据所述实施例，MTJ的穿隧势垒未暴露于灰化和清洁工艺。此外，所述实施例与常规方法相比可提供较大的底部固定层，此可最小化底部固定层对顶部自由层的杂散场影响。参看图4到图11，现将描述形成自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)单元的方法的示范性实施例和STT-MRAM单元的实施例。图4展示根据示范性实施例形成的部分STT-MRAM位单元的示意性横截面图。所述STT-MRAM位单元具有衬底10、字线20、与Vss (未图示)的触点30和互连件40，互连件 40包括(例如)通过通孔互连件VI、V2和V3彼此串联连接的金属层Ml、M2和M3 (例如， Cu或W)。电介质(例如，氧化物层)填充在互连件40的各层周围。(例如)使用化学机械抛光(CMP)技术对所述互连件40的顶部金属层M3进行抛光。所属领域的技术人员将认识到，可对金属层或通孔的任何层级进行抛光以用于在其上形成所述MTJ存储元件。如图5所示，所述示范性实施例包括通过(例如)在互连件40的经抛光顶部金属层M3上沉积底部电极层150(例如，Ta)和钉扎层160来形成MTJ底部电极。所述钉扎层 160包括层堆叠(即，多个层)。接下来，使底部电极层150和钉扎层160在真空中经受磁性退火工艺。接着使用光刻技术将图案施加到所述MTJ电极。接下来，将底部电极层150 和钉扎层160向下蚀刻到氧化物层，且接着进行清洁以形成个别底部电极，如图5所示。底部电极层150和钉扎层160经说明为与所述互连件40偏移。然而，可提供其它布置。举例来说，底部电极层150和钉扎层160可与互连件40对准。底部电极层150、钉扎层160和互连件40的大小也不限于所说明的布置。举例来说，底部电极层150和钉扎层160的大小可大于、小于或等于互连件40的大小。根据一示范性实施例，未应用光刻和蚀刻技术来形成所述MTJ存储元件的任何关键尺寸。即，穿隧势垒190(例如，见图7)与钉扎层160(例如，见图5)和自由层200(例如， 见图7)的界面未暴露于任何蚀刻或清洁，借此避免常规方法的前述问题中的一些。接下来，如图6所示，层间电介质(ILD) 70沉积于底部电极层150和钉扎层160上， 且孔180经图案化并被蚀刻到所述ILD 70中向下一直到所述钉扎层160。参看图10，底部电极层150和钉扎层160的尺寸Xl可大于钉扎层160与穿隧势垒190之间的接触区域的尺寸X2，此允许在将孔180图案化并蚀刻到ILD 70中时的较大容限。ILD 70可与填充在互连件40周围的电介质相同或不同。图7说明在ILD 70和孔180上形成穿隧势垒190、自由层200和顶部电极210。特定来说，如图7所示，穿隧势垒190形成于ILD 70和孔180上，以使得穿隧势垒190的一部分安置在孔180的侧壁上且垂直于所述底部电极(例如，底部电极层150和钉扎层160)。 自由层200接着形成于穿隧势垒190上，以使得自由层200的一部分也垂直于底部电极层 150和钉扎层160。顶部电极210形成于安置于孔180中的自由层200的至少一部分上，借此至少填充孔180的剩余部分。如图7所示，顶部电极210可形成于整个自由层200上。接下来，示范性方法(例如)通过抛光(例如，化学机械抛光(CMP))来移除安置于孔180上方的穿隧势垒190、自由层200和顶部电极210的若干部分。如图8所示，形成具有MTJ存储元件的STT MRAM位单元。
示范性实施例有益地允许减小在工艺中使用的光掩模的数目。举例来说，可使用两个光掩模来代替三个掩模。而且，根据所述实施例，对于关键尺寸来说，不需要重金属蚀刻工艺。此外，可减小或消除侧壁聚合物纵梁诱发的泄漏通路。此外，根据所述实施例，MTJ的穿隧势垒未暴露于灰化和清洁工艺。此外，所述实施例与常规方法相比可提供较大的底部固定层，此可使底部固定层对顶部自由层的杂散场影响最小化。图9为展示根据一实施例的形成STT-MRAM位单元的示范性方法的流程图。所述方法包括在金属层上沉积底部电极层和钉扎层(例如，910)，以及图案化并蚀刻所述底部电极层和所述钉扎层以形成所述MTJ存储元件的底部电极(例如，920)。接下来，所述方法包括在所述底部电极层和所述钉扎层上沉积电介质层(例如，930)，和在所述电介质层中图案化一孔并将所述孔向下蚀刻到所述钉扎层(例如，940)。所述方法进一步包括在所述孔上沉积穿隧势垒、自由层和顶部电极，其中所述穿隧势垒和所述自由层中的一者的一部分沿着所述孔的侧壁且垂直于所述底部电极层和所述钉扎层而安置(例如，950)。此外，所述方法包括移除安置于所述孔的开口上方的所述穿隧势垒、所述自由层和所述顶部电极的若干部分(例如，960)。根据示范性方法，可提供经隔离的MTJ存储元件。如上文所解释，示范性实施例有益地允许减小在工艺中使用的光掩模的数目。举例来说，可使用两个光掩模来代替三个掩模。而且，根据所述示范性实施例，对于关键尺寸来说，不需要重金属蚀刻工艺。此外，可减小或消除侧壁聚合物纵梁诱发的泄漏通路。此外，根据所述实施例，MTJ的穿隧势垒未暴露于灰化和清洁工艺。此外，所述实施例与常规方法相比可提供较大的底部固定层，此可最小化底部固定层对顶部自由层的杂散场影响。举例来说，如图10所示，磁性隧道结(MTJ)存储元件的一实施例包括底部电极层 150和钉扎层160，钉扎层160邻近于底部电极层150(例如，在底部电极层150上方或之上)。电介质层70包封底部电极层150和钉扎层160的一部分，其中电介质层70包括界定邻近于钉扎层160的一部分(例如，在钉扎层160的一部分的上方或暴露钉扎层160的一部分)的孔180(例如，见图6)的侧壁。穿隧势垒190邻近于钉扎层160(例如，在钉扎层 160上方或之上)。自由层200邻近于穿隧层190(例如，在穿隧层190上方或之上)。顶部电极210邻近于自由层200 (例如，在自由层200上方或之上)。如图10的实施例所示，底部电极层150和/或钉扎层160的尺寸Xl可大于钉扎层160与穿隧势垒190之间的接触区域的尺寸X2，此允许在将孔180图案化并蚀刻到ILD70 中以用于收纳穿隧势垒190、自由层200和顶部电极210时的较大容限。而且，如图10所示，穿隧势垒190和自由层200中的一者的一部分沿着孔180的侧壁且垂直于底部电极层 150和钉扎层160而安置。顶部电极210填充孔180的邻近于自由层200 (例如，在自由层 200上方或之上)的一部分。所属领域的技术人员将认识到，在其它实施例中，底部电极层150和/或钉扎层 160的尺寸可等于或小于穿隧势垒190，如图11示范性地展示。如图11所示，穿隧势垒190 和自由层200中的一者的一部分沿着孔180的侧壁且垂直于底部电极层150和钉扎层160 而安置。顶部电极210填充孔180的邻近于自由层200 (例如，在所述自由层200上方或之上)的一部分。相比而言，在常规MTJ存储元件和其形成方法中，底部电极层50、钉扎层60、穿隧势垒层90、自由层100和顶部电极110经受图案化和蚀刻，此导致底部电极层50、钉扎层 60、穿隧势垒层90、自由层100和顶部电极110中的每一者具有相同尺寸X0，如图12所示。 而且，在常规MTJ存储元件中，在MTJ侧壁附近的势垒氧化物层可能受工艺流程(S卩，灰化和清洁工艺)影响，进而在MTJ侧壁附近产生较厚的穿隧势垒90，如图13所示。较厚的穿隧势垒90的影响对于按比例缩小的特征来说将为显著的。根据示范性方法，可提供经隔离的MTJ存储元件。如上文所解释，示范性实施例有益地允许减小在工艺中使用的光掩模的数目。举例来说，可使用两个光掩模来代替三个掩模。而且，根据所述示范性实施例，对于关键尺寸来说，不需要重金属蚀刻工艺。此外，可减小或消除侧壁聚合物纵梁诱发的泄漏通路。此外，根据所述实施例，MTJ的穿隧势垒未暴露于灰化和清洁工艺，借此减少或避免了在所述MTJ的侧壁附近的穿隧势垒的变厚。此外，所述实施例与常规方法相比可提供较大的底部固定层，此可使底部固定层对顶部自由层的杂散场影响最小化。应了解，包括本文中所描述的MTJ存储元件的存储器装置可被包括于移动电话、 便携式计算机、手持式个人通信系统(PCQ单元、例如个人数据助理(PDA)等便携式数据单元、具有GPS功能的装置、导航装置、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、例如仪表读取设备等固定位置数据单元、或存储或检索数据或计算机指令的任何其它装置，或其任何组合内。因此，本发明的实施例可合适地被应用于包括有效集成电路(其包括具有如本文中所揭示的MTJ存储元件的存储器)的任何装置中。前述所揭示的装置和方法可经设计且可配置成存储于计算机可读媒体上的⑶SII 和GERBER计算机文件。这些文件又被提供给基于这些文件制造装置的制造处置器。所得产品为半导体晶片，其接着被切割为半导体裸片且被封装到半导体芯片中。所述芯片接着用于上述装置中。因此，实施例可包括包含指令的机器可读媒体或计算机可读媒体，所述指令在由处理器执行时将所述处理器和任何其它协作元件转变为用于执行如由所述指令实现的本文中所描述的功能性的机器。虽然前述揭示内容展示说明性实施例，但应注意，可在不偏离如所附权利要求书界定的本发明的范围的情况下在本文中作出各种改变和修改。无需以任何特定次序执行根据本文中所描述的实施例的方法权利要求项的功能、步骤和/或动作。此外，虽然可能以单数描述或主张所述实施例的元件，但除非明确规定限于单数，否则还预期复数。
权利要求
1.一种具有磁性隧道结(MTJ)存储元件的存储器装置，所述MTJ存储元件包含 底部电极；钉扎层，其邻近于所述底部电极；电介质层，其包封所述底部电极和所述钉扎层的一部分，其中所述电介质层包括界定邻近于所述钉扎层的一部分的孔的侧壁； 穿隧势垒，其邻近于所述钉扎层； 自由层，其邻近于所述穿隧势垒；以及顶部电极，其邻近于所述自由层，其中所述底部电极和/或所述钉扎层在第一方向上的宽度大于所述钉扎层与所述穿隧势垒之间的接触区域在所述第一方向上的宽度。
2.根据权利要求1所述的存储器装置，其中所述穿隧势垒和所述自由层中的一者的一部分沿着所述孔的侧壁且垂直于所述底部电极和所述钉扎层而安置。
3.根据权利要求1所述的存储器装置，其中所述顶部电极填充所述孔在所述自由层上方的一部分。
4.根据权利要求1所述的存储器装置，其中所述穿隧势垒具有带第一和第二支腿的U 形横截面，且其中所述第一支腿沿着所述孔的所述侧壁延伸。
5.根据权利要求4所述的存储器装置，其中所述自由层具有U形横截面且嵌套于所述 U形穿隧势垒内。
6.根据权利要求1所述的存储器装置，其中所述存储器装置应用于其中集成有所述存储器装置的电子装置中，所述电子装置选自由以下各物组成的群组机顶盒、音乐播放器、 视频播放器、娱乐单元、导航装置、通信装置、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元和计算机。
7.根据权利要求1所述的存储器装置，其中所述存储器装置是自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)。
8.一种形成具有磁性隧道结(MTJ)存储元件的存储器装置的方法，所述方法包含 在衬底上形成底部电极；在所述底部电极上形成钉扎层；在所述底部电极和所述钉扎层上沉积电介质层；在所述电介质层中图案化具有侧壁的孔并将所述孔向下蚀刻到所述钉扎层； 在所述孔的第一部分中沉积穿隧势垒层以在所述钉扎层上产生穿隧势垒； 在所述孔的第二部分中沉积自由层以使得所述自由层位于所述穿隧势垒上；以及在所述自由层上沉积顶部层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述底部电极和/或所述钉扎层在第一方向上的宽度大于所述钉扎层与所述穿隧势垒之间的接触区域在所述第一方向上的宽度。
10.根据权利要求8所述的方法，其中沿着所述孔的所述侧壁且垂直于所述底部电极和所述钉扎层而形成所述穿隧势垒和所述自由层中的一者的一部分。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述顶部电极在所述自由层上填充所述孔的剩余部分。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述穿隧势垒具有带第一和第二支腿的U形横截面，且其中所述第一支腿沿着所述孔的所述侧壁延伸。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述自由层具有U形横截面且嵌套于所述U形穿隧势垒内。
14.根据权利要求8所述的方法，其进一步包含在所述沉积所述电介质层之前清洁所述底部电极层和所述钉扎层。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包含在所述清洁之前图案化并蚀刻所述底部电极和所述钉扎层。
16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包含在所述图案化并蚀刻所述底部电极和所述钉扎层之前使所述底部电极和所述钉扎层在真空中经受磁性退火工艺。
17.根据权利要求8所述的方法，其中将所述穿隧势垒、所述自由层和所述顶部电极沉积于所述电介质层和所述孔上。
18.根据权利要求8所述的方法，其包括移除安置于所述孔的开口上方的所述穿隧势垒、所述自由层和所述顶部电极的若干部分。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述移除所述穿隧势垒、所述自由层和所述顶部电极的所述若干部分包括对安置于所述孔的所述开口上方的所述穿隧势垒、所述自由层和所述顶部电极的所述若干部分进行化学机械抛光。
20.根据权利要求8所述的方法，其中将所述存储器装置应用于其中集成有所述存储器装置的电子装置中，所述电子装置选自由以下各物组成的群组机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、通信装置、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元和计算机。
21.根据权利要求8所述的方法，其中所述存储器装置是自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)。
22.—种具有磁性隧道结(MTJ)存储元件的存储器装置，所述MTJ存储元件包含用于电连接所述MTJ存储元件的底部导电装置；用于保持第一极化的第一磁性装置，所述第一磁性装置邻近于所述底部导电装置；用于包封所述底部导电装置和所述第一磁性装置的一部分的第一绝缘装置，其中所述第一绝缘装置包括界定邻近于所述第一磁性装置的一部分的孔的侧壁；用于保持第二极化的第二磁性装置，其中所述第二极化是可颠倒的；用于使在所述第一磁性装置与所述第二磁性装置之间流动的电流穿隧的第二绝缘装置，所述第二绝缘装置分离所述第一磁性装置和所述第二磁性装置；以及用于电连接所述MTJ存储元件的顶部导电装置，所述顶部导电装置邻近于所述第二磁性装置，其中所述底部导电装置和/或所述第一磁性装置在第一方向上的宽度大于所述第一磁性装置与所述第二绝缘装置之间的接触区域在所述第一方向上的宽度。
23.根据权利要求22所述的存储器装置，其中所述第二绝缘装置和所述第二磁性装置中的一者的一部分沿着所述孔的侧壁且垂直于所述底部导电装置和所述第一磁性装置而安置。
24.根据权利要求22所述的存储器装置，其中所述顶部导电装置填充所述孔在所述第二磁性装置上方的一部分。
25.根据权利要求22所述的存储器装置，其中所述第二绝缘装置具有带第一和第二支腿的U形横截面，且其中所述第一支腿沿着所述孔的所述侧壁延伸。
26.根据权利要求25所述的存储器装置，其中所述第二磁性装置具有U形横截面且嵌套于所述U形第二绝缘装置内。
27.根据权利要求22所述的存储器装置，其中所述存储器装置应用于其中集成有所述存储器装置的电子装置中，所述电子装置选自由以下各物组成的群组机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、通信装置、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元和计算机。
28.根据权利要求22所述的存储器装置，其中所述存储器装置是自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)。
29.一种形成具有磁性隧道结(MTJ)存储元件的存储器装置的方法，所述方法包含 用于在衬底上形成底部电极的步骤；用于在所述底部电极上形成钉扎层的步骤； 用于在所述底部电极和所述钉扎层上沉积电介质层的步骤；用于在所述电介质层中图案化具有侧壁的孔并将所述孔向下蚀刻到所述钉扎层的步骤；用于在所述孔的第一部分中沉积穿隧势垒层以在所述钉扎层上产生穿隧势垒的步骤；用于在所述孔的第二部分中沉积自由层以使得所述自由层位于所述穿隧势垒上的步骤·’以及用于在所述自由层上沉积顶部层的步骤。
30.根据权利要求四所述的方法，其中所述底部电极和/或所述钉扎层在第一方向上的宽度大于所述钉扎层与所述穿隧势垒之间的接触区域在所述第一方向上的宽度。
31.根据权利要求四所述的方法，其中沿着所述孔的所述侧壁且垂直于所述底部电极和所述钉扎层而形成所述穿隧势垒和所述自由层中的一者的一部分。
32.根据权利要求四所述的方法，其中所述顶部电极填充所述孔在所述自由层上方的剩余部分。
33.根据权利要求四所述的方法，其中所述穿隧势垒具有带第一和第二支腿的U形横截面，且其中所述第一支腿沿着所述孔的所述侧壁延伸。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述自由层具有U形横截面且嵌套于所述U形穿隧势垒内。
35.根据权利要求四所述的方法，其进一步包含用于在所述沉积所述电介质层之前清洁所述底部电极层和所述钉扎层的步骤。
36.根据权利要求35所述的方法，其进一步包含用于在所述清洁之前图案化并蚀刻所述底部电极和所述钉扎层的步骤。
37.根据权利要求36所述的方法，其进一步包含用于在所述图案化并蚀刻所述底部电极和所述钉扎层之前使所述底部电极和所述钉扎层在真空中经受磁性退火工艺的步骤。
38.根据权利要求四所述的方法，其中将所述穿隧势垒、所述自由层和所述顶部电极沉积于所述电介质层和所述孔上。
39.根据权利要求四所述的方法，其包括用于移除安置于所述孔的开口上方的所述穿隧势垒、所述自由层和所述顶部电极的若干部分的步骤。
40.根据权利要求四所述的方法，其中将所述存储器装置应用于其中集成有所述存储器装置的电子装置中，所述电子装置选自由以下各物组成的群组机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、通信装置、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元和计算机。
41.根据权利要求四所述的方法，其中所述存储器装置是自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)。
全文摘要
自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)位单元的磁性隧道结存储元件包括底部电极层(150)；钉扎层(160)，其邻近于所述底部电极层；电介质层(70)，其包封所述底部电极层和所述钉扎层的一部分，所述电介质层包括界定邻近于所述钉扎层的一部分的孔的侧壁；穿隧势垒(190)，其邻近于所述钉扎层；自由层(200)，其邻近于所述穿隧势垒；以及顶部电极(210)，其邻近于所述自由层，其中所述底部电极层和/或钉扎势垒在第一方向上的宽度大于所述钉扎层与所述穿隧势垒之间的接触区域在所述第一方向上的宽度。还揭示形成STT-MRAM位单元的方法。
文档编号H01L27/22GK102292815SQ201080005027
公开日2011年12月21日 申请日期2010年2月2日 优先权日2009年2月2日
发明者升·H·康, 朱晓春, 顾时群 申请人:高通股份有限公司