專利名稱：用于具有氧吸收保護層的mram器件的結(jié)構(gòu)和方法
用于具有氧吸收保護層的MRAM器件的結(jié)構(gòu)和方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地來說，涉及一種用于具有氧吸收保護層的MRAM器件的結(jié)構(gòu)和方法。
背景技術(shù)：
在集成電路(IC)器件中，磁性隨機存取存儲器(MRAM)是用于下一代嵌入式存儲器件的新興技術(shù)。MRAM是包括MRAM單元陣列的存儲器件，其中，每個MRAM單元都使用阻抗值而不是電荷來存儲數(shù)據(jù)位。每個MRAM單元都包括磁隧道結(jié)(“MTJ”)單元，可以將磁隧道結(jié)單元的阻抗調(diào)整為表示邏輯“O”或邏輯“I”。傳統(tǒng)地，MTJ單元都包括反鐵磁(“AFM”) 牽制層、鐵磁固定(fixed,or pinned)層、薄遂穿阻擋層和自由鐵磁層。MTJ單元的阻抗可以通過改變自由鐵磁層的磁矩相對于固定磁性層的磁矩的方向來調(diào)整。具體地，當(dāng)自由鐵磁層的磁矩與鐵磁固定層的磁矩平行時，MTJ單元的阻抗較低，這對應(yīng)于邏輯0，而當(dāng)自由鐵磁層的磁矩與鐵磁固定層的磁矩逆平行時，MTJ單元的阻抗較高，這對應(yīng)于邏輯I。MTJ單元連接在頂部電極和底部電極之間，并且可以檢測從一個電極到另一電極流經(jīng)MTJ單元的電流以確定阻抗，因此確定其邏輯狀態(tài)。
然而，與自由層相鄰的包含氧的材料層可以在后段工藝(“BE0L”)制造工藝期間實施的高溫工藝過程中擴散到自由層。由于來自氧化物保護層的氧化效應(yīng)，擴散的氧將大幅降低自由層的磁性能。具體地，來自氧的損害將顯著增加電阻面積(“RA”)，并降低MTJ 單元的磁阻百分比(
因此，期望提供沒有上述缺陷的改進STT-MRAM結(jié)構(gòu)及其制造方法。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于MRAM 器件的MTJ疊層，所述MTJ疊層包括固定鐵磁層，位于牽制層上方；隧穿阻擋層，位于所述固定鐵磁層上方；自由鐵磁層，位于所述隧穿阻擋層上方；導(dǎo)電氧化物層，位于所述自由鐵磁層上方；以及基于氧的保護層，位于所述導(dǎo)電氧化物層上方。
該MTJ疊層還包括擴散阻擋層，夾置在所述自由鐵磁層和所述導(dǎo)電氧化物層之間。
在該MTJ疊層中，所述基于氧的保護層包括氧化鎂(MgO)和氧化鋁(AlO)中的一種。
在該MTJ疊層中，所述導(dǎo)電氧化物層包括摻雜錫的氧化銦(ITO)、氧化釕(RuO)、氧化鈦(TiO)、氧化鉭(TaO)、氧化鎵鋅(GaZnO)、氧化鋁鋅(AlZnO)和氧化鐵(FeO)中的一種。
在該MTJ疊層中，所述導(dǎo)電氧化物層具有大約50人或者更小的厚度。
該MTJ疊層還包括擴散阻擋層。
在該MTJ疊層中，所述擴散阻擋層包括鈦和鉭中的一種。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于MRAM器件的MTJ疊層的保護層，所述保護層設(shè)置在所述MTJ疊層的自由鐵磁層的上方，并包括擴散阻擋層，具有金屬；導(dǎo)電氧化物層，設(shè)置在所述擴散阻擋層的上方；以及基于氧的保護層，位于所述導(dǎo)電氧化物層的上方。
在該保護層中，所述基于氧的保護層包括電介質(zhì)氧化物層。
在該保護層中，所述電介質(zhì)氧化物層包括氧化鎂(MgO)和氧化鋁(AlO)中的一種。
在該保護層中，所述導(dǎo)電氧化物層包括摻雜錫的氧化銦(ITO)、氧化釕(RuO)、氧化鈦(TiO)、氧化鉭(TaO)、氧化鎵鋅(GaZnO)、氧化鋁鋅(AlZnO)和氧化鐵(FeO)中的一種。
在該保護層中，所述導(dǎo)電氧化物層包括金屬的氧化物。
在該保護層中，所述導(dǎo)電氧化物層具有大約50人或者更小的厚度。
在該保護層中，所述擴散阻擋層包括鈦和鉭中的一種。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種制造用于MRAM器件的MTJ疊層的方法，包括 形成設(shè)置在牽制層上方的固定鐵磁層；形成設(shè)置在所述固定鐵磁層上方的隧穿阻擋層；形成設(shè)置在所述隧穿阻擋層上方的自由鐵磁層；沉積設(shè)置在所述自由鐵磁層上方的金屬層； 以及形成設(shè)置在所述金屬層上方的基于氧的保護層。
該方法還包括實施高溫工藝，將所述金屬層的至少一部分轉(zhuǎn)換為所述導(dǎo)電氧化物層。
在該方法中，沉積所述金屬層包括沉積摻雜錫的銦(IT)、釕(Ru)、鈦(Ti)、鉭 (Ta)、鎵鋅(GaZn)、 鋁鋅(AlZn)和鐵(Fe)中的一種。
在該方法中，轉(zhuǎn)換所述金屬層的至少一部分包括將所述金屬層的至少一部分轉(zhuǎn)換為摻雜錫的氧化銦(ITO)、氧化釕(RuO)、氧化鈦(TiO)、氧化鉭(TaO)、氧化鎵鋅(GaZnO)、 氧化招鋅(AlZnO)和氧化鐵(FeO)中的一種。
在該方法中，所述導(dǎo)電氧化物層具有大約50人或者更小的厚度。
該方法還包括在所述自由鐵磁層和所述金屬層之間形成擴散阻擋層，所述擴散阻擋層包括另一種金屬。
在該方法中，所述擴散阻擋層包括鈦和鉭中的一種。
在該方法中，形成所述基于氧的保護層包括沉積電介質(zhì)氧化物層。
在該方法中，形成所述基于氧的保護層包括沉積氧化鎂(MgO)和氧化鋁(AlO)中的一種。


當(dāng)結(jié)合附圖進行閱讀時，根據(jù)下面詳細(xì)的描述可以更好地理解本發(fā)明的各個方面。應(yīng)該強調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實踐，各種部件沒有被按比例繪制。實際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增加或減少。
圖1是根據(jù)本發(fā)明在各個實施例中的多個方面構(gòu)造的半導(dǎo)體存儲器件的制造方法的流程圖。
圖2至圖4是示出根據(jù)本發(fā)明在一個實施例中的多個方面構(gòu)造的處于各個制造階段的半導(dǎo)體存儲器件的實施例的截面圖。
圖5至圖6是示出根據(jù)本發(fā)明在另一實施例中的多個方面構(gòu)造的處于各個制造階段的半導(dǎo)體存儲器件的實施例的截面圖。
圖7至圖9是示出根據(jù)本發(fā)明在另一實施例中的多個方面構(gòu)造的處于各個制造階段的半導(dǎo)體存儲器件的實施例的截面圖。
具體實施方式
應(yīng)該理解，以下發(fā)明提供了用于實施本發(fā)明不同特征的許多不同的實施例或?qū)嵗?。以下描述部件和配置的具體實例以簡化本發(fā)明。當(dāng)然，這些僅是實例，而不用于限制的目的。此外，本發(fā)明可以在各個實例中重復(fù)參考標(biāo)號和/或字母。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的而且其本身沒有規(guī)定所述各種實施例和/或結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。
另外，為了容易描述，本文可能使用空間相對術(shù)語，諸如“在...下方”、“在...以下”、“下部”、“上”、“上部”等，以描述如附圖所示的一個元件或部件與另一元件或部件的關(guān)系?？臻g相對術(shù)語用于包括除圖中所示定向之外的使用或操作中器件的不同定向。例如， 如果圖中的器件被反轉(zhuǎn)，則描述為的元件在其他元件或部件以下或下方的元件被定向為在其他元件或部件之上。因此，示例性術(shù)語“在...以下”可以包括之上和之下的定向。裝置可以以其他方式定向(旋轉(zhuǎn)90度或者處于其他定向)，因此本文所使用的空間相對描述可類似地進行解釋。
圖1是根據(jù)本發(fā)明在各個實施例中的多個方面構(gòu)造的半導(dǎo)體存儲器件的制造方法50的流程圖。圖2至圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的多個方面構(gòu)造的處于各個制造階段的半導(dǎo)體存儲器件100的實施例的截面圖。圖5至圖6是示出根據(jù)本公開的多個方面構(gòu)造的處于各個制造階段的半導(dǎo)體存儲器件120的另一實施例的截面圖。圖7至圖9是示出根據(jù)本公開的多個方面構(gòu)造的處于各個制造階段的半導(dǎo)體存儲器件130的另一實施例的截面圖。 參照圖1至圖9，根據(jù)各個實施例統(tǒng)一描述半導(dǎo)體存儲器件及其制造方法。
參照圖2，半導(dǎo)體存儲器件100是一個自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁性隨機存取存儲器 (STT-MRAM)的一部分。在一個實施例中，半導(dǎo)體存儲器件100包括被設(shè)計和配置為用作磁隧道結(jié)(MTJ)的材料層的疊層。
半導(dǎo)體存儲器件100形成在諸如硅襯底的半導(dǎo)體襯底上方或者可選地形成在其他適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體襯底上方。半導(dǎo)體存儲器件100包括導(dǎo)電材料的第一電極(或底部電極)102。在一個實施例中,第一電極102包括鉭(Ta)。在其他實施例中,第一電極可包括用于形成這種電極的其他適當(dāng)材料，諸如鉬(Pt)或釕(Ru)。第一電極102可通過物理氣相沉積(PVD或濺射)形成，或者可選地通過其他適當(dāng)工藝形成。在另一個實施例中，第一電極102具有范圍在大約100埃至大約300埃之間的厚度。
參照圖1和圖2，方法50開始于步驟52，其中，在第一電極102的上方形成牽制層 104。在一個實施例中，牽制層104包括反鐵磁(AFM)材料。在反鐵磁材料中，原子或分子的磁矩通過指向相反方向的相鄰自旋以規(guī)則圖案對準(zhǔn)。在一個實例中，反鐵磁層104包括鉬鎂(PtMn)。在其他實例中，反鐵磁層104包括銥鎂(“ IrMn”)、銠鎂(“RhMn”)和鐵鎂 (“FeMn”)。在另一實例中，反鐵磁層具有范圍在大約100埃至大約200埃之間的厚度。牽制層104通過適當(dāng)?shù)某练e技術(shù)(諸如PVD)來形成。
仍然參照圖1和圖2，方法50前進到步驟54，其中，在牽制層104的上方形成固定層106。在一個實施例中，固定層106包括鐵磁材料層，因此還被稱為固定鐵磁層。鐵磁材料可以形成永久磁鐵和/或顯示出與磁鐵較強的相互作用。在一個實施例中，鐵磁材料106 包括鈷-鐵-硼(CoFeB)膜。鐵磁材料層可以可選地包括其他材料，諸如CoFeTa、NiFe、Co、 CoFe、CoPt、CoPcU FePt或者N1、Co和Fe的合金。作為一個實例，通過PVD形成CoFeB膜， 或者可選地通過其他適當(dāng)工藝來形成。
固定層106可以可選地包括具有三層結(jié)構(gòu)的合成反鐵磁(SAF)層。在一個實施例中，固定層106包括中間插入隔離層的第一固定層(或底部固定層)和第二固定層(或頂部固定層)。在該實施例中，第一固定層被設(shè)置在牽制層104上。在又一實施例中，第一固定層包括鐵磁材料。在一個實例中，第一固定層中的鐵磁材料包括CoFeB膜。鐵磁材料層可以可選地包括其他材料,諸如CoFeTa、NiFe、Co、CoFe、CoPt、CoPcUFePt或者N1、Co和Fe 的合金。第一固定層可具有范圍在大約15埃和大約35埃之間的厚度。
隔離層設(shè)置在第一固定層上方。在一個實施例中，隔離層包括釕(Ru)?？蛇x地，隔離層可包括其他適當(dāng)?shù)牟牧希T如T1、Ta、Cu或Ag。在一個實例中，隔離層具有范圍在大約 5埃和大約10埃之間的厚度。隔離層可以通過CVD工藝或另一種適當(dāng)工藝來形成。
第二固定層被設(shè)置在隔離層上方。作為一個實施例，第二固定層包括基本上類似于第一固定層的鐵磁材料層。例如，第二固定層包括鈷-鐵-硼(CoFeB)膜。在一個實例中，第二固定層具有范圍在大約15埃和大約35埃之間的厚度。第二固定層可通過PVD或其他可選處理方法來形成。
在另一可選實施例中，固定層106包括具有多層膜的SAF層。固定層106包括中間插入隔離層的第一固定層和第二固定層。第一固定層和第二固定層中的至少一個包括兩層或多層鐵磁膜。具體地，第一固定層包括第一鐵磁材料的第一膜和第二鐵磁材料的第二膜。第二固定層包括第一鐵磁材料的第三膜和第二鐵磁材料的第四膜。
因此，利用合成AFM形成的固定層提供了較大的交換偏置(exchange bias)。在一個實施例中，固定層1 06包括疊層的一起的CoFeB膜(第一膜)、CoFe (第二膜)、Ru層(隔離層)、CoFeB膜(第四膜)和CoFe層(第四膜)的組合。在一個實例中，第一膜至第四膜的每一個都具有范圍在大約10埃至大約30埃之間的厚度。每個膜都具有不同于其他膜的厚度，用于增強固定層的性能。然而，應(yīng)該意識到，固定層106可使用其他類型的材料以及適合于實施固定鐵磁層的材料組合來實施。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該意識到，牽制層104的目的在于通過反鐵磁耦合固定(fix or pin)固定鐵磁層106的磁化方向。
仍然參照圖1和圖2，方法50前進到步驟56，其中，在固定層106上方形成遂穿阻擋層(或阻擋層)108。阻擋層108包括非磁材料。在一個實施例中，阻擋層108包括氧化鎂(MgO)。可選地，阻擋層108可包括氧化鋁(AlO)、氮化鋁(AlN)、氮氧化鋁(AlON)或其他適當(dāng)?shù)姆谴挪牧?。在另一實施例中，阻擋?08包括第一膜(MgO)和第一膜上方的第二膜(Mg)，其可以通過Mg沉積、Mg氧化和Mg沉積來形成。阻擋層108足夠薄，使得當(dāng)施加偏壓時，電子可以隧道貫通阻擋層。在一個實施例中，阻擋層108具有范圍在大于5埃至大約 15埃之間的厚度。阻擋層108可通過PVD形成。例如，使用設(shè)置在濺射室中的鎂靶材和氧氣以形成氧化鎂?？蛇x地，首先通過濺射形成鎂膜，然后通過應(yīng)用氧等離子體將鎂膜轉(zhuǎn)換為 MgO膜。在阻擋層的另一實施例中，通過濺射形成第一鎂膜，然后通過施加氧氣將第一鎂膜轉(zhuǎn)換為MgO膜，然后通過濺射在MgO層上方沉積第二 Mg層。
仍然參照圖1和圖2，方法前進到步驟58，其中，在阻擋層108上方形成自由層 110。自由層110還包括鐵磁層但其不固定。因此，層的磁性取向是自由的，因此被稱為自由層或者自由鐵磁層。自由層Iio可包括鐵磁材料，諸如在固定層106中使用的鐵磁材料。 如本領(lǐng)域技術(shù)人員意識的，自由鐵磁層110的磁化方向與固定層106的固定磁化方向平行或逆平行地自由旋轉(zhuǎn)。隧道電流根據(jù)兩個鐵磁層106和110的相對磁化方向而垂直地流經(jīng)隧道阻擋層108。
在一個實施例中，自由層110包括CoFeB膜。在一個實例中，CoFeB可具有以 (CoxFe1J8ciB2ci表示的組成成分，其中，X為合金摩爾分?jǐn)?shù)并且范圍在O和100之間。下標(biāo) “80”和“20”也是摩爾分?jǐn)?shù)。在另一實例中，CoFeB可具有以C02ciFe6tlB2O表示的組成成分。 自由層110可具有范圍在大約10埃和大約20埃之間的厚度。自由層110可通過諸如PVD 的工藝來形成。
自由層可包括不同材料的兩層或多層鐵磁膜，并且可以通過相鄰鐵磁膜之間的隔離層夾置在中間。在一個可選實施例中，自由層Iio包括設(shè)置在阻擋層108上方的第一鐵磁膜和設(shè)置在第一鐵磁膜上方的第二鐵磁膜。具體地，第一鐵磁膜包括具有第一矯頑性的硬鐵磁材料。在一個實例中，第一鐵磁膜包括CoFeB膜。硬鐵磁材料層可具有范圍在大約10埃和大約20埃之間的厚度。第一鐵磁膜可通過諸如PVD的工藝形成。第二鐵磁膜包括具有第二矯頑性的軟鐵磁材料，其中，第二矯頑性小于第一鐵磁膜的第一矯頑性。在一個實例中，第二鐵磁膜包括鎳鐵(NiFe)膜。軟鐵磁材料層可具有小于第一鐵磁膜的厚度的厚度。第二鐵磁膜可通過諸如PVD的工藝形成。隔離層可以附加地形成在第一鐵磁膜和第二鐵磁膜之間。隔離層可包括Ta、Ru、銅(Cu)、其他適當(dāng)材料或它們的組合。
參照圖1和圖3，方法50前進到步驟60，其中，在自由層110的上方形成氧吸收層 112。氧吸收層112設(shè)置在自由層110上方。在一個實施例中，氧吸收層112包括諸如純金屬或金屬合金的金屬，其能夠吸收氧并避免氧擴散到自由層110，從而保護自由層110免受氧的劣化。此外，氧吸收層112包括能夠在后續(xù)高溫工藝中吸收氧之后轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電氧化物的金屬(純金屬或金屬合金)。在各個實施例中，氧吸收層112包括摻雜錫的銦(IT)、釕 (Ru)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎵鋅(GaZn)、鋁鋅(AlZn)或鐵(Fe)。
仍然參照圖1和圖3，方法50前進到步驟62，其中，在氧吸收層112的上方形成基于氧的保護層114?；谘醯谋Ｗo層114包括基于氧的化合物。在本實施例中，例如，基于氧的保護層114包括諸如氧化鎂(MgO)或氧化鋁(AlO)的電介質(zhì)氧化物層?；谘醯谋Ｗo層可以可選地包括氧化鉭(TaO)或氧化鈦(TiO)。基于氧的保護層114可以有效地減小開關(guān)電流密度，然而，由于在BEOL制造工藝期間所施加的高溫引起的來自氧化物保護層的氧化效應(yīng)通常導(dǎo)致MRAM的自旋扭矩轉(zhuǎn)移(“STT”)性能的嚴(yán)重劣化，尤其導(dǎo)致自由層的磁性能的嚴(yán)重劣化。
氧吸收層112和基于氧的保護層114形成保護層。包括氧吸收層112可以有效地減小MTJ疊層的Rhigh、Rlow, Vsw+和Vsw-特性，并在BEOL高溫工藝期間提供良好的界面穩(wěn)定性。
仍然參照圖1和圖3，方法50前進到步驟64，其中，在基于氧的保護層114上方形成頂部電極116。在一個實施例中，頂部電極116包括鉭?？蛇x地，頂部電極116包括其他適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料以將器件電連接至用于電布線的互連結(jié)構(gòu)的其他部分。在一個實施例中，頂部電極可通過PVD工藝形成。
參照圖1和圖4，在各個BEOL高溫工藝66之后，氧吸收層112被轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電氧化物層118。由此形成的存儲器件100包括夾置在自由層110和基于氧的保護層114之間的導(dǎo)電氧化物層118。在各個實施例中，導(dǎo)電氧化物層118包括摻雜錫的氧化銦(ITO)、氧化釕 (RuO)、氧化鈦(TiO)、氧化鉭(TaO)、氧化鎵鋅(GaZnO)、氧化鋁鋅(AlZnO)或氧化鐵(FeO)。在一個實施例中，導(dǎo)電氧化物層118可具有大約50人或者更小的厚度。應(yīng)該注意，氧吸收層112將沉積作為導(dǎo)電膜，并且在BEOL高溫工藝之后從金屬膜轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電氧化物層118。
可以在方法50之前、之間和/或之后實施其他步驟。在一個實例中，將上面形成的材料疊層進一步進行圖案化以形成一個或多個MTJ。在另一實例中，諸如場效應(yīng)晶體管的各種有源器件可以通過離子注入、退火和其他工藝形成在襯底中。在另一實例中，包括金屬線和通孔/接觸的各種互連部件可以形成在襯底上方以向包括一個或多個MTJ的各種器件提供電布線，形成功能集成電路。以下參照圖5和圖6提供方法50和由此形成的半導(dǎo)體存儲器件120的另一實施例。參照圖1和圖5，形成各種MTJ材料層，包括牽制層104、固定層106、阻擋層108、自由層110和基于氧的保護層114。因此，氧吸收層112a形成在自由層110和基于氧的保護層 114之間。氧吸收層112a的厚度大于氧吸收層112的厚度。參照圖1和圖6，在各個BEOL 高溫工藝66之后，僅氧吸收層112a的一部分被轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電氧化物層122。氧吸收層112a 的另一部分112b保留在導(dǎo)電氧化物層122和自由層110之間。如此形成的存儲器件120 包括氧吸收層112b和氧吸收層112b上方的導(dǎo)電氧化物層122。氧吸收層112b和導(dǎo)電氧化物層122夾置在自由層110和基于氧的保護層114之間。具體地，氧吸收層112b包括金屬或金屬合金，而導(dǎo)電氧化物層122包括對應(yīng)金屬或金屬合金的氧化物。例如，當(dāng)氧吸收層 112b包括摻雜錫的銦(IT)時，導(dǎo)電氧化物層122包括摻雜錫的氧化銦(ITO)。在另一實例中，當(dāng)氧吸收層112b包括釕時，然后，導(dǎo)電氧化物層122包括氧化釕
下面參照圖7至圖9提供了方法50和由此形成的半導(dǎo)體存儲器件130的另一實施例。在本實施例中，通過步驟68和70替換步驟60。參照圖1和圖7，通過對應(yīng)的步驟52 至58形成各種MTJ材料層，包括牽制層104、固定層106、阻擋層108和自由層110。然后， 方法50前進到步驟68，其中，在自由層110上方形成擴散阻擋層132。在一個實施例中，擴散阻擋層132可包括諸如鈦(Ti)或鉭(Ta)的金屬。擴散阻擋層132可以通過PVD沉積。
參照圖1和圖8，方法100前進到步驟70，其中，在擴散阻擋層132的上方形成氧吸收層112。氧吸收層112類似于器件100中的氧吸收層112。在一個實施例中，氧吸收層 112包括能夠吸收氧的金屬或金屬合金。此外，氧吸收層112包括金屬或金屬合金，在隨后的高溫工藝中吸收氧之后該金屬或金屬合金能夠轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電氧化物。在各個實施例中，氧吸收層 112 包括 IT、Ru、T1、Ta、GaZruAlZn 或 Fe。
仍然參照圖1和圖8，方法50前進到步驟62，其中，在氧吸收層112的上方形成基于氧的保護層114，之后是步驟64，其中，在基于氧的保護層114上方形成頂部電極116。這些步驟類似于根據(jù)組成成分和沉積形成器件100的相應(yīng)步驟。
參照圖1和圖9，在各個BEOL高溫工藝66之后，氧吸收層112被轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電氧化物層118。由此形成的存儲器件130包括夾置在自由層110和基于氧的保護層114之間的導(dǎo)電氧化物118。在各個實施例中，導(dǎo)電氧化物層118包括IT0、Ru0、Ti0、Ta0、GaZn0、AlZn0或FeO。在一個實施例中，導(dǎo)電氧化物層118可具有大約50人或者更小的厚度。上面公開了 MRAM器件及其制造方法的各個實施例。例如，各個實施例中通過所公開方法制造的MTJ導(dǎo)致對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，諸如圖4中的存儲器件100、圖6中的存儲器件120或者圖9中的存儲器件130。具體地，MTJ疊層包括自由層上方的保護層。在一個實施例中，保護層包括基于氧的保護層和導(dǎo)電氧化物層。在另ー實施例中，保護層包括基于氧的保護層、導(dǎo)電氧化物層和擴散阻擋層。在另ー實施例中，保護層包括導(dǎo)電氧化物層和導(dǎo)電氧化物層上方的電介質(zhì)氧化物層。在另ー實施例中，保護層包括金屬層、金屬層上方的導(dǎo)電氧化物層和導(dǎo)電氧化物上方的電介質(zhì)氧化物層。應(yīng)該意識到，MTJ疊層中包括基于氧的保護層減小了其中包括的寫電流密度(Jc+和Jc-);然而，保護層還増加了高阻抗(Rap)和低阻抗(Rp)，并降低了 MRAM器件的MR%。氧吸收層(諸如層112)有效地吸收從基于氧的保護層·114擴散的氧并改善了 MR%，同時由于層的導(dǎo)電性而保持低Rap和Rp。設(shè)置在自由層110上方的擴散阻擋層132進ー步改善了 MR%和He。本發(fā)明提供了用于MRAM器件的MTJ疊層的一個實施例。MTJ疊層包括牽制層上方的固定鐵磁層、固定鐵磁層上方的隧穿阻擋層、隧穿阻擋層上方的自由鐵磁層、自由鐵磁層上方的導(dǎo)電氧化物層和導(dǎo)電氧化物層上方的基于氧的保護層。在一個實例中，MTJ疊層還包括擴散阻擋層，設(shè)置在自由鐵磁層和導(dǎo)電氧化物層之間。在另ー實例中，基于氧的保護層包括氧化鎂(MgO)和氧化鋁(AlO)中的ー種。在又ー實例中，導(dǎo)電氧化物層包括摻雜錫的氧化銦(ITO)、氧化釕(RuO)、氧化鈦(TiO)、氧化鉭(TaO)、氧化鎵鋅(GaZnO)、氧化鋁鋅(AlZnO)和氧化鐵(FeO)中的ー種。在又ー實例中，導(dǎo)電氧化物層具有大約50人或者更小的厚度。在又ー實例中，MTJ疊層還包括擴散阻擋層。在又ー實例中，擴散阻擋層包括鈦和鉭中的ー種。本公開還提供了用于MARM器件的MTJ疊層的保護層的實施例。保護層設(shè)置在MTJ疊層的自由鐵磁層的上方并包括具有金屬的擴散阻擋層；導(dǎo)電氧化物層設(shè)置在擴散阻擋層的上方；以及導(dǎo)電氧化物層的上方的基于氧的保護層。在一個實例中，基于氧的保護層包括電介質(zhì)氧化物層。在另ー實例中，電介質(zhì)氧化物層包括氧化鎂(MgO)和氧化鋁(AlO)中的ー種。在另ー實例中，導(dǎo)電氧化物層包括摻雜錫的氧化銦(ITO)、氧化釕(RuO)、氧化鈦(TiO)、氧化鉭(TaO)、氧化鎵鋅(GaZnO)、氧化鋁鋅(AlZnO)和氧化鐵(FeO)中的ー種。在另ー實例中，導(dǎo)電氧化物層包括在擴散阻擋層中使用的金屬的氧化物。在另ー
實例中，導(dǎo)電氧化物層具有大約50 A或者更小的厚度。在另ー實例中，擴散層包括鈦和鉭中的ー種。本發(fā)明還提供了制造用于MRAM器件的MTJ疊層的方法。該方法包括形成設(shè)置在牽制層上方的固定鐵磁層；形成設(shè)置在固定鐵磁層上方的遂穿阻擋層；形成設(shè)置在遂穿阻擋層上方的自由鐵磁層；沉積設(shè)置在自由鐵磁層上方的金屬層；以及形成設(shè)置在金屬層上方的基于氧的保護層。在一個實例中，該方法還包括實施高溫エ藝，將金屬層的至少一部分轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電氧化物層。在另ー實例中，沉積金屬層包括沉積摻雜錫的銦(IT)、釕(Ru)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎵鋅(GaZn)、鋁鋅(AlZn)和鐵(Fe)中的ー種。在另ー實例中，轉(zhuǎn)換金屬層的至少一部分包括將金屬層的至少一部分轉(zhuǎn)換為摻雜錫的氧化銦(ITO)、氧化釕(RuO)、氧化鈦(TiO)、氧化鉭(TaO)、氧化鎵鋅(GaZnO)、氧化招鋅(AlZnO)和氧化鐵(FeO)中的ー種。在另ー實例中，導(dǎo)電氧化物層具有大約50人或者更小的厚度。在另ー實例中，該方法還包括在自由鐵磁層和金屬層之間形成擴散阻擋層，擴散阻擋層包括另ー金屬，諸如鈦和鉭中的ー種。在另ー實例中，形成基于氧的保護層包括沉積電介質(zhì)氧化物層。在另ー實例中，形 成基于氧的保護層包括沉積氧化鎂(MgO)和氧化鋁(AlO)中的ー種。上文概述了多個實施例的特征。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，他們可以容易地將本發(fā)明作為基礎(chǔ)來設(shè)計或修改用于執(zhí)行與本文所引入實施例相同的目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)點的其他エ藝和結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)該意識到，這種等效構(gòu)造沒有背離本發(fā)明的主g和范圍，并且他們可以進行各種改變、替換和修改而不背離本發(fā)明的主g和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于MRAM器件的MTJ疊層，所述MTJ疊層包括 固定鐵磁層，位于牽制層上方； 隧穿阻擋層，位于所述固定鐵磁層上方； 自由鐵磁層，位于所述隧穿阻擋層上方； 導(dǎo)電氧化物層，位于所述自由鐵磁層上方；以及 基于氧的保護層，位于所述導(dǎo)電氧化物層上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MTJ疊層，還包括擴散阻擋層，夾置在所述自由鐵磁層和所述導(dǎo)電氧化物層之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MTJ疊層，其中，所述基于氧的保護層包括氧化鎂(MgO)和氧化鋁(AlO)中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MTJ疊層，其中，所述導(dǎo)電氧化物層包括摻雜錫的氧化銦(ITO)、氧化釕(RuO)、氧化鈦(TiO)、氧化鉭(TaO)、氧化鎵鋅(GaZnO)、氧化鋁鋅(AlZnO)和氧化鐵(FeO)中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MTJ疊層，其中，所述導(dǎo)電氧化物層具有大約50人或者更小的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MTJ疊層，還包括擴散阻擋層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MTJ疊層，其中，所述擴散阻擋層包括鈦和鉭中的一種。
8.一種用于MRAM器件的MTJ疊層的保護層，所述保護層設(shè)置在所述MTJ疊層的自由鐵磁層的上方，并包括 擴散阻擋層，具有金屬； 導(dǎo)電氧化物層，設(shè)置在所述擴散阻擋層的上方；以及 基于氧的保護層，位于所述導(dǎo)電氧化物層的上方。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的保護層，其中，所述基于氧的保護層包括電介質(zhì)氧化物層。
10.一種制造用于MRAM器件的MTJ疊層的方法，包括 形成設(shè)置在牽制層上方的固定鐵磁層； 形成設(shè)置在所述固定鐵磁層上方的隧穿阻擋層； 形成設(shè)置在所述隧穿阻擋層上方的自由鐵磁層； 沉積設(shè)置在所述自由鐵磁層上方的金屬層；以及 形成設(shè)置在所述金屬層上方的基于氧的保護層。
全文摘要
本發(fā)明為用于具有氧吸收保護層的MRAM器件的結(jié)構(gòu)和方法，提供了用于MRAM器件的MTJ疊層。MTJ疊層包括固定鐵磁層，位于牽制層上方；隧穿阻擋層，位于固定鐵磁層上方；自由鐵磁層，位于隧穿阻擋層上方；導(dǎo)電氧化物層，位于自由鐵磁層上方；以及基于氧的保護層，位于導(dǎo)電氧化物層上方。本發(fā)明還提供了一種用于具有氧吸收保護層的MRAM器件的結(jié)構(gòu)和方法。
文檔編號H01L43/12GK103022342SQ201210100208
公開日2013年4月3日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月24日
發(fā)明者陳志明, 高雅真, 劉明德, 喻中一, 蔡正原, 林春榮 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司