[发明专利]用于多步骤磁性隧道结(MTJ)蚀刻的替代导电硬掩模

说明书

技术领域

本公开一般涉及磁性隧道结(MTJ)器件。更具体地，本公开涉及制造高密度磁性随机存取存储器(MRAM)设备阵列。

背景

与常规的随机存取存储器(RAM)芯片技术不同，在磁性RAM(MRAM)中，通过存储元件的磁化来存储数据。存储元件的基本结构包括由薄的隧穿阻挡分隔开的金属铁磁层。通常，位于阻挡下方的铁磁层(例如，钉扎层)具有固定在特定方向上的磁化。隧穿阻挡以上的铁磁磁性层(例如，自由层)具有可被更改以表示或“1”或“0”的磁化方向。例如，在自由层磁化与固定层磁化反平行时可表示“1”。另外，在自由层磁化与固定层磁化平行时可表示“0”，反之亦然。具有固定层、隧穿层和自由层的一种此类器件是磁性隧道结(MTJ)。MTJ的电阻取决于自由层磁化和固定层磁化是彼此平行还是彼此反平行。存储器设备(诸如MRAM)是从可个体寻址的MTJ阵列构建的。

为了将数据写入常规MRAM，通过MTJ来施加超过临界切换电流的写电流。施加超过临界切换电流的写电流改变自由层的磁化方向。当写电流以第一方向流动时，MTJ可被置于或者保持在第一状态，其中其自由层磁化方向和固定层磁化方向在平行取向上对准。当写电流以与第一方向相反的第二方向流动时，MTJ可被置于或者保持在第二状态，其中其自由层磁化和固定层磁化呈反平行取向。

为了读取常规MRAM中的数据，读电流可经由用于将数据写入MTJ的相同电流路径来流经该MTJ。如果MTJ的自由层和固定层的磁化彼此平行地取向，则MTJ呈现平行电阻。该平行电阻不同于在自由层和固定层的磁化以反平行取向时MTJ将呈现的电阻(反平行)。在常规MRAM中，由MRAM的位单元中的MTJ的这两个不同电阻定义两种相异的状态。这两个不同的电阻表示由该MTJ存储逻辑“0”值还是逻辑“1”值。

MRAM是使用磁性元件的非易失性存储器技术。例如，自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)使用当穿过薄膜(自旋过滤器)时变为自旋极化的电子。STT-MRAM也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)。

磁性随机存取存储器的位单元可被布置成包括存储器元件(例如，MRAM情形中的MTJ)模式的一个或多个阵列。自旋转移力矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)是具有非易失性优势的新兴非易失性存储器。具体地，STT-MARM以比片下动态随机存取存储器(DRAM)更高的速度操作。另外，STT-MRAM具有比嵌入式静态随机存取存储器(eSRAM)更小的芯片尺寸、无限读/写耐久性、以及低阵列漏泄电流。

概述

根据本公开的一方面的制造磁性隧道结(MTJ)装置的方法包括在该MTJ的第一导电硬掩模上、第一电极层上、以及磁性层上共形沉积第一间隔体层。第一间隔体层的第一部分被沉积在第一导电硬掩模的侧壁上且该间隔体层的第二部分被沉积在第一导电硬掩模的表面上。该方法还包括选择性地去除第一间隔体层的第二部分以在介电层内创建凹槽，该凹槽与第一间隔体层的第一部分对准。根据本公开的这一方面，该方法还包括用导电材料填充凹槽以在第一间隔体层的第一部分上和第一导电硬掩模上形成第二导电硬掩模。

根据本公开的一方面的MTJ装置包括第二电极层上的第一导电硬掩模。第二电极层在MTJ层的堆叠上且电耦合至该MTJ层的堆叠。MTJ装置包括第一导电硬掩模的侧壁、第二电极层的侧壁、以及MTJ层堆叠的表面上的第一间隔体。根据本公开的这一方面，MTJ装置还包括与第一间隔体的侧壁对准的第二导电硬掩模。第二导电硬掩模在第一导电硬掩模上并且在第一间隔体上。

根据本公开的另一方面的MTJ装备包括用于掩盖耦合至MTJ层的堆叠的第一电极层以及用于提供至第一电极层的导电路径的第一装置。第一掩盖装置邻接第一电极层。MTJ装备还包括用于保护第一装置的侧壁的装置。保护装置邻接第一装置的侧壁、第一电极层的侧壁、以及MTJ层的堆叠的表面。根据本公开的这一方面，MTJ装备还包括用于掩盖MTJ磁性层的堆叠以及用于电耦合至第一导电路径的第二装置。第二装置与第一装置的侧壁对准并邻接第一装置的表面。