包含由不同方法形成的中间氧化层的MRAM及制造方法

摘要

提供一种包含由不同的方法形成的中间氧化层的磁性随机存取存储器(MRAM)及其制造方法。MRAM包含由一下磁性层，一防氧化层，一隧穿氧化层，及一上磁性层形成的一磁性隧道结(MTJ)。隧穿氧化层由原子层淀积(ALD)法形成，其它材料层，尤其是防氧化层由与原子层淀积法不同的方法形成。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体存储器件及其制造方法，尤其是涉及包含由不同的方法形成的中间氧化层的磁性随机存取存储器(MRAM)及制造该MRAM的方法。

背景技术

磁性随机存取存储器(MRAM)是利用根据包括MTJ层的两个磁性层的磁化方向改变磁性隧道结(MTJ)层的阻值的现象来读写数据的存储器件。

MRAM可以高度集成和像动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)那样进行高速运算以及具有不需刷新过程就可长期储存数据的非易失特性。

图1是说明MRAM总体结构的剖视图。如图1所示，MRAM通常包括进行开关过程的晶体管T和电连接到晶体管T并写入如“0”和“1”数据的一个MTJ层S。

参照图1，在制造MRAM的常规方法中，包括栅极的栅叠置(gatestacking)材料12，及位于栅叠置材料12两侧的源区14和漏区16分别地形成在半导体衬底10上。栅叠置材料12和源区14及漏区16在半导体衬底10上共同形成进行开关过程的晶体管T，参考标记11表示场氧化层。接着，覆盖晶体管T的层间绝缘层18形成在半导体衬底10上。形成层间绝缘层18之后，在栅叠置材料12上部中被层间绝缘层18覆盖的数据线20平行于栅叠置材料12形成。在层间绝缘层18中形成暴露漏区16的接触孔22。然后，用导电插塞24填充接触孔22，以及在层间绝缘层18上形成接触导电插塞24顶表面的衬垫导电层26。更具体地说，衬垫导电层26在数据线20之上形成。

此外，在衬垫导电层26的一区域上形成对应于数据线20的MTJ层S，以及在形成MTJ层S的材料上形成覆盖衬垫导电层26及MTJ层的第二层间绝缘层28。在第二层间绝缘层28中形成暴露MTJ层S上层的通过孔30。在垂直于栅极和数据线20的方向在第二层间绝缘层28上形成填充通过孔30的位线32。

图1MRAM中包含的MTJ层S以图2和3所示的方式形成。

也就是，如图2所示，在衬垫导电层26的指定区域中依次形成下磁性层S1，隧穿阻挡层S2，以及上磁性层S3，然后，在上磁性层S3上形成限定其内将要形成MTJ层S区域的掩模图形M。

在下磁性层S1上通过淀积诸如铝层AL的金属层并氧化该金属层形成隧穿阻挡层S2。为了氧化该金属层，可以使用等离子氧化，UV氧化，自然氧化及臭氧氧化中的一种。

此后，如图3所示，在衬垫导电层26上通过利用作为蚀刻掩模的掩模图形M，以与配置它们相反的顺序来蚀刻上述依次形成的材料层而完整地形成MTJ层，此后再移除掩模图形M。可以用氩气的离子蚀刻(milling)，氯气干法蚀刻及反应性离子蚀刻的一种以与依次形成的材料层相反的次序蚀刻依次形成的材料层。另外，MTJ层S可以通过剥离的方法形成。

总之，MRAM的隧穿阻挡层S2能够均匀形成且没有与自旋相关的隧穿缺陷。

如上所述，在传统方法中通过利用等离子氧化，UV氧化，自然氧化及臭氧氧化中的一种方法氧化金属层形成了MRAM的隧穿阻挡层S2。然而，随金属层上的氧化过程产生了一些问题。

具体地说，当利用等离子氧化法氧化金属层时，损坏了位于金属层下的构成下磁性层S1的薄层界面，由此，降低了MTJ层S的磁性电阻(MR)率或MRAM的稳定性。

此外，当利用除等离子氧化方法之外的方法氧化金属层时，可能改变隧穿阻挡层S2的厚度均匀性。随着金属层厚度均匀性的变化，隧穿阻挡层S2厚度均匀性的变化显著地改变了MRAM的特性，例如，磁性电阻率，这一变化在制造过程中不可避免。

对上述问题的一个解决方法是利用原子层淀积(ALD)法形成MRAM的MTJ层S。

通过ALD法形成MRAM的MTJ层S的情况中，可以形成具有均匀厚度的目标材料层即隧穿阻挡层S2。然而，由于改变了目标材料层界面及位于目标材料层下的材料层的特性，从而降低了磁性电阻率。

发明内容

本发明提供一种磁性随机存取存储器(MRAM)，在磁性随机存取存储器(MRAM)中，磁性隧道结(MTJ)层的隧穿氧化层具有均匀厚度，其防止了由于设置在MTJ层下面的损坏了的底层而引起的磁性电阻(MR)率的降低。

另外，本发明也提供了一种制造MRAM的方法。

按照本发明的一个方面，提供一种MRAM，在一个存储单元中具有一个晶体管及一个MTJ层，其中MTJ层通过依次叠置一下磁性层，一防氧化层，一隧穿氧化层及一上磁性层而成。

防氧化层可以由AlO_x层形成，隧穿氧化层可以由AlO_x层，Al_xHf_1-xO_y及Fe₃O₄之一形成。

隧穿氧化层可以有一重复结构，重复结构中的各成分依次叠置在每个原子层单位中。

按照本发明的另一个方面，提供一种在一个存储单元中具有一个晶体管及一个MTJ层的MRAM的制造方法，其中MTJ层通过依次叠置一下磁性层，一防氧化层，一隧穿氧化层及一上磁性层而成，其中隧穿氧化层是利用原子层淀积(ALD)法形成，上述三种材料层中的至少防氧化层用与ALD法不同的方法形成。

防氧化层可采用溅射工艺由AlO_x层形成。下磁性层和上磁性层可采用溅射工艺和ALD法形成。

隧穿氧化层可以由AlO_x层，Al_xHf_1-xO_y及Fe₃O₄层之一形成。

结果，隧穿氧化层形成具有能够容易调整的均匀厚度。因而，容易调整MTJ层的电阻以及能够减小存储单元间的电阻变化。进而，通过消除形成隧穿氧化层时下磁性层中的损伤来阻止磁性电阻率的减小。

附图说明

通过参考附图详细描述优选实施例，本发明的上述及其它特性和优点将变得更加明显。

图1是说明磁性随机存取存储器(MRAM)总体结构的剖视图。

图2是依照结构形成次序而形成图1中MRAM磁性隧道结(MTJ)层的结构及形成方法的剖视图。

图3是相继说明图1中MRAM的MTJ层的剖视图。

图4是依据本发明的一个实施例包括通过不同的方法形成的中间氧化层的MRAM的剖视图。

图5-8是相继说明依据本发明的一个实施例包括通过不同的方法形成的中间氧化层的MRAM的MTJ层的形成方法的剖视图。

图9是说明为了测定依据本发明的实施例包括通过不同的方法形成的中间氧化层的MRAM的特性而用于试验例的MTJ层的结构剖视图。

图10是相比于图9的MTJ层，作为调整层的MTJ层的剖视图。

图11是依据偏压(偏置电压)说明图10的MTJ层中电阻变化的曲线图。

图12是依据偏压说明图9中MTJ层电阻及磁性电阻(MR)率的曲线图；以及

图13是当预定的偏压施加至图9的MTJ层时依据施加到MTJ层的磁场变化来说明电阻变化的曲线图。

具体实施方式

参照示例性实施例示出的附图更充分地描述本发明。然而，此发明可以多种不同形式体现并且不应认作对这里所提出各实施例的限定；更确切地说，提供这些实施例以便本公开更彻底和完整，并且将本发明的概念充分地传达给本领域技术人员。为了清楚起见，夸张了附图中构件的形式。为了易于理解，在使用相同的参考标记的地方，尽可能表示各图共有的相同构件。

下面对依据本发明一个实施例的磁性随机存取存储器(MRAM)予以解释。

图4是依据本发明的实施例包括通过不同的方法形成的中间氧化层的MRAM的剖视图。

参照图4，在半导体衬底40中设置有源区(AA)和场区(FA)，在FA中形成场氧化层42。包含栅叠置材料44、源区46、漏区48的晶体管在AA中形成，AA位于两个FA之间。覆盖晶体管的第一层间绝缘层50在半导体衬底40上形成，对应于栅叠置材料44的数据线52在第一层间绝缘层50上形成。

数据线52是用来对MTJ层62写入数据的磁场生成构件。当预定电流施加至数据线52以写入数据时，环绕数据线52产生通过MTJ层62的磁场。在这种情况下，晶体管处于断开状态。

覆盖数据线52的第二层间绝缘层54在第一层间绝缘层50上形成。与数据线52和栅叠置材料44隔开一预定距离的接触孔56形成在第一层间绝缘层50和第二层间绝缘层54上。晶体管的漏区48通过填充了导电插塞58的接触孔56暴露出来。衬垫导电层60与导电插塞58的顶部接触并在第二层间绝缘层54中的数据线52之上延伸。衬垫导电层60通过依次淀积钛(Ti)层和氮化钛(TiN)层形成。在对应于数据线52的衬垫导电层60的预定区域中形成MTJ层62。MTJ层62包括一籽晶层(未示出)，一下磁性层62a，一防氧化层62b，一隧穿氧化层62c，一上磁性层62d，以及一帽盖层(未示出)。下磁性层62a通过依次叠置一钉轧(pinning)层和一被钉轧(pinned)层形成。籽晶层可以为单层或双层。当籽晶层是单层时，最好是钽(Ta)层。钉轧层可以是一抗铁磁层，例如，一IrMn层，被钉轧层可以是一铁电层，例如一CoFe层。上磁性层62d可以是一铁磁层(即下文的自由铁磁层)，在该铁电层中，根据所施加的磁场，磁性极化方向是自由变化的。例如，上磁性层62d可以由NiFe层形成。

磁性层62a和上磁性层62d的结构可以互换。例如，下磁性层62a可以是自由铁磁层，以及上磁性层62d可以通过依次叠置一被钉轧层和一钉轧层形成。在这种情况下，下磁性层62a可以是NiFe层，相应地，被钉轧层和钉轧层可以分别是一CoFe层和一IrMn层。

帽盖层是意欲通过位线70接触MT层62。帽盖层是由具有低接触电阻的金属层形成，例如，一钽(Ta)或钌(Ru)层。防氧化层62b是用来防止下磁性层62a的界面损坏，例如，当形成隧穿氧化层62c时，下磁性层62a的界面被氧化。防氧化层62b是第一氧化铝层AlO_x，例如，Al₂O₃层。隧穿氧化层62c通过原子层淀积(ALD)法形成，该方法不同于用来形成防氧化层62b的方法。即，隧穿氧化层62c最好是由具有预定厚度的氧化层形成，例如，第二氧化铝层AlO_x。然而，它可以是Al_xHf_1-xO_y或Fe₃O₄层。另外，第二氧化铝层AlO_x可以是但不限定为Al₂O₃层。

MTJ层62不仅可以应用于图4的MRAM而且也可以应用于其它的MRAM，例如包括位于MTJ层62之上的数据线52及位于MTJ层62下方的位线70的MRAM。

覆盖衬垫导电层60和MTJ层62的第三层间绝缘层64在第二层间绝缘层54上形成。暴露MTJ层62的通过孔66在第三层间绝缘层64上形成。另外，填充通过孔66并与MTJ层62接触的位线70在第三层间绝缘层64上形成。位线70可垂直于数据线52及栅叠置材料44。

下面，通过参考图4-8解释具有上述构件的MRAM的制造方法。

参照图4，有源区(AA)和场区(FA)限定于半导体衬底40中并且用于器件隔离的场氧化层42在FA中形成。包括栅极的栅叠置材料44形成在AA上。源区46和漏区48形成在栅叠置材料44两侧的AA上。从而，晶体管完全形成在半导体衬底40上。当在MTJ层62中写入数据时晶体管处在断开状态，当从MTJ层62读出数据时晶体管处在导通状态。

然后，覆盖晶体管的第一层间绝缘层50在半导体衬底40上形成。数据线52在第一层间绝缘层50上的栅叠置材料44之上的预定区域上形成并平行于栅叠置材料44。数据线52是用来在MTJ层62中写数据，当写数据时一预定电流施加于此。覆盖数据线52的第二层间绝缘层54形成在第一层间绝缘层50上。然后，暴露半导体衬底40的指定区域的接触孔56形成于第一层间绝缘层50及第二层间绝缘层54中。通过接触孔56暴露出晶体管的漏区48。用导电插塞58填充接触孔56之后，在第二层间绝缘层54上形成衬垫导电层60。然后，衬垫导电层60与导电插塞58的顶表面接触并在数据线52之上延伸。MTJ层62最好是在数据线52之上的衬垫导电层60的预定区域上形成。

现在，通过参考图5-8解释形成MTJ层62的具体步骤。

参照图5，在衬垫导电层60上形成籽晶层61，在籽晶层61上形成包含一钉轧层及一被钉轧层的下磁性层62a。下磁性层62a的这两层是采用溅射法或离子束淀积(IBD)法形成。下磁性层62a中各层的具体例子在前面已经提及，因此下面省略了介绍。

接着，一金属层62b’形成于下磁性层62a上，在后面的工序中金属层62b’将用作防氧化层。金属层62b’可以采用溅射法由一铝层Al形成。然后，采用预定的方法，如等离子氧化法，氧化金属层62b’。结果，防氧化层62b，例如铝氧化层AlO_x，形成于图6所示的下磁性层62a的顶层即被钉轧层上。防氧化层62b是中间氧化层之一，位于下磁性层62a和上磁性层62d之间。

参照图7，一隧穿氧化层62c，上磁性层62d和帽盖层63依次地形成在防氧化层62b上。作为中间氧化层之一的隧穿氧化层62c最好是由ALD法形成，最好是使用溅射方法形成上磁性层62d。

下面介绍使用第二氧化铝层AlO_x和ALD方法形成隧穿氧化层62c的具体步骤。

具有防氧化层62b的半导体衬底40装载在预定温度保持在150℃和500℃之间，最好是400℃的ALD装置的晶片台上。此后，包括第一反映构件铝Al的第一前体(precursor)的一预定量被提供给ALD装置并起化学反应被吸收进防氧化层62b的表面。具体来说，第一前体是包括铝基和碳氢系列基的化合物，例如，Al(CH₃)₃，Al(CH₂-CH₂-…-CH₃)₃，或是具有由CH₂-CH₂-…-CH₃替代Al(CH₂-CH₂-…-CH₃)₃的一个H的化合物。当ALD装置通风时，提供给ALD装置的、在防氧化层62b的表面没有被化学吸收的第一前体，从ALD装置释放出来。然后，用来氧化防氧化层62b上的第一前体的第一反应构件Al的第二前体的预定量提供给ALD装置。第二前体可以由H₂O和O₃之一形成，最好是由H₂O形成。

然后，第一前体和第二前体相互进行化学反应。因此，由第一前体的(-CH₃)₃基和第二前体H之间发生反应而得到的反应副产品3CH₄如下面化学反应式中所示形成，反应副产品3CH₄被挥发。从而，在防氧化层62b上形成隧穿氧化层62c，即氧化铝层AlO_x。

<化学反应式>

在防氧化层62b上形成氧化铝层AlO_x之后，通过抽空ALD装置，从ALD装置除去了挥发物质和其它副产品。上述过程重复进行直至得到具有所需厚度的氧化铝层AlO_x。

参照图7，上磁性层62是自由铁磁层。自由铁磁层可以由单一铁磁层形成或由至少两个依次叠置的铁磁层形成。在前面的情况中，自由铁磁层可以由NiFe层形成。

在隧穿氧化层62c上形成上磁性层62d及帽盖层63后，一感光层(未示出)置于帽盖层63上。然后，采用一般的光刻工艺构图感光层形成感光图形80，感光图形80限定了将形成图4中MTJ层62的区域。用感光图形80作为一蚀刻掩模以相反的次序蚀刻叠置在衬垫导电层60上的材料层61，62a，62b，62c，62d及63。图7中的虚线表示蚀刻方向。蚀刻过程继续到暴露出衬垫导电层60为止，此后通过灰化和剥离去除感光图形80。

图8说明了上述的蚀刻过程完成以及感光图形80被去除后，所得材料的剖面图。参照图8，包括籽晶层61、下磁性层62a、中间氧化层62b和62c以及上磁性层62d的MTJ层62形成于衬垫导电层60的预定区域内。

这里，参照图4，MTJ层62形成于衬垫导电层60的预定区域内，然后，覆盖了衬垫导电层60和MTJ层62的第三层间绝缘层64形成于第二层间绝缘层54上。此外，暴露MTJ层62的通过孔66形成于第三层间绝缘层64内，此后，在第三层间绝缘层64上形成填充通过孔66的位线70。

<实验例>

为了测量MTJ层的特性，例如磁性电阻率，形成了如图9所示的本发明的MTJ层。进而，为了与本发明的MTJ层的特性进行比较，一常规的MTJ层也如图10所示形成。

如图9所示，根据本发明，采用溅射法由钽层形成MTJ层中的籽晶层61。下磁性层62a为一自由铁磁层，采用溅射法由NiFe层形成下磁性层62a。形成中间氧化层的防氧化层62b和隧穿氧化层62c由一AlO_x层形成。防氧化层62b是通过使用溅射工艺形成金属层Al之后，使金属层Al氧化而形成的，隧穿氧化层62c是用ALD方法形成的。此外，使用溅射法，上磁性层62d通过依次叠置分别作为被钉轧层和钉轧层的一CoFe层62d’和一IrMn层62d”而形成。籽晶层61和帽盖层可以用钌代替。

根据图9中本发明的实施例，图10的常规的MTJ层是由从MTJ层中去除防氧化层62b而形成。

图11-13是说明常规的MTJ层和本发明MTJ层特性的曲线图。

具体来说，图11示出了根据偏压常规MTJ层的电阻变化的第一和第二曲线G1和G2。第一曲线G1说明了当上磁性层和下磁性层的磁化方向相同时电阻的变化，第二曲线G2说明了当上磁性层和下磁性层的磁化方向相反时电阻的变化。

参照图11，在不考虑上磁性层和下磁性层的磁化方向时，第一和第二曲线G1和G2重叠，由此显示常规的MTJ层的电阻是相同的。因此，常规的MTJ层的磁性电阻率为0％。

图12示出了根据偏压本发明的MTJ层的电阻变化的第三和第四曲线G3和G4，而第五曲线G5示出了磁性电阻率的变化。具体来说，第三曲线G3表明当上磁性层和下磁性层的磁化方向相反时的电阻变化，第四曲线G4表明当上磁性层和下磁性层的磁化方向相同时的电阻变化。

参照图12，与图11的第一和第二曲线G1和G2不同，第三和第四曲线G3和G4分隔开一预定距离。这意味着随着上磁性层和下磁性层的磁化方向，本发明的MTJ层的电阻是不同的，因而，本发明的MTJ层具有第五曲线G5所示的一预定的磁性电阻率。

参照第五曲线G5，在预定的偏压例如是100mV时，本发明的MTJ层的磁性电阻率是0.13或13％。无论上磁性层和下磁性层的磁化方向相同或相反，利用磁性电阻率能够校验。即无论记录的数据是“1”或“0”都可以检测出来。

图13示出了表示当偏压固定为一预定值，例如是400mV时，随着施加到MTJ层的磁场H的变化，本发明MTJ层的电阻变化的第六和第七曲线G6和G7。尽管第六和第七曲线G6和G7为连续的单一曲线，但是为便于介绍对它们分别进行说明。

第六曲线G6说明了为了使MTJ层的上磁性层和下磁性层的磁化方向相同，当逐渐减少施加到MTJ层H的磁场H的强度直至为“0”时，然后为了使上磁性层和下磁性层的磁化方向相反，当逐渐增加磁场H的强度时本发明MTJ层的电阻变化。

磁场H的强度变为“0”之后，当磁场H在与初始相反的方向中增强时，上磁性层和下磁性层的磁化方向变得彼此相反。因而，本发明MTJ层的电阻如第六曲线G6所示增加。然而，当磁场H的强度不断增加至例如接近-300(Oe)时，本发明MTJ层的上磁性层和下磁性层的磁化方向又变得相同，结果，本发明MTJ层的电阻减小。第六曲线G6的平坦的左部表示这种情况。

第七曲线G7说明了从第六曲线G6的平坦的左部的右端开始的电阻变化。即，第七曲线G7说明了当逐渐减少施加到MTJ层H的磁场H的强度至“0”，以及接着在上磁性层和下磁性层的磁化方向又变得相同之后，在相反的方向中逐渐增加磁场H的强度时的本发明MTJ层的电阻变化。

如上所述，依据本发明优选实施例的MRAM包括由ALD法形成的隧穿氧化层及位于隧穿氧化层下的用溅射法形成的防氧化层。当通过ALD法形成隧穿氧化层时，防氧化层防止了下磁性层的界面的氧化。因此，在形成均匀厚度的隧穿氧化层的同时，防止了MTJ层磁性电阻率的减小。

然而，本发明可以体现为许多不同形式，不应构成这里陈述的实施例的限定；更确切地说，提供这些实施例以便本公开彻底和完整，并将本发明的概念充分转达给本领域的技术人员。例如，包含隧穿氧化层62c和防氧化层62b的MTJ层62的下磁性层62a和上磁性层62d可以有不同的结构。另外，依据本发明示例性实施例的MTJ层可以以不同结构应用到具有数据线52和位线70的MRAM中。隧穿氧化层62c也可以由不同类型的氧化层及起相同作用的其它非氧化层形成。防氧化层62b也可以由不同于AlO_x的氧化层或非氧化层形成。

虽然参照本发明的示例性实施例详细地示出和描述了本发明，但是应该理解在不脱离如下列权利要求限定的本发明的精神和范围内，本领域的普通技术人员可以对其内的形式和细节进行多种改变。