形成内存设备结构的方法及内存设备结构技术

本发明专利技术提供一种形成内存设备结构的方法及内存设备结构，该内存设备结构包括：一晶圆基板；一磁性隧道结(MTJ)，其由一第一磁性层、一第二磁性层及一非磁性薄层形成，该第一磁性层、该第二磁性层及该非磁性薄层沿着垂直于该晶圆基板的一上表面的一第一方向堆栈，该MTJ形成于该上表面上面，该非磁性层插在该第一磁性层与该第二磁性层之间；电性耦合至该第一磁性层的一第一接触；以及电性耦合至该第二磁性层的一第二接触。

Method of Forming Memory Device Structure and Memory Device Structure

【技术实现步骤摘要】
形成内存设备结构的方法及内存设备结构本申请是申请号为201610920471.3，申请日为2016年10月21日，专利技术名称为“形成内存设备结构的方法及内存设备结构”的中国专利申请的分案申请。
本
技术实现思路
大体有关于形成内存设备结构的方法及内存设备结构，且更特别的是，有关于以例如超越40纳米的先进技术尺度形成包括磁性随机存取内存技术的内存设备结构。
技术介绍
目前，半导体及磁性储存技术为最常用数据储存技术中的一些。半导体内存使用基于半导体的电路组件，例如晶体管或电容器，来储存信息，而常见半导体内存芯片可能包含数百万个此类电路组件。半导体内存存在挥发性及非挥发性两种形式。在现代计算机中，主要储存器(primarystorage)几乎只由动态挥发性半导体内存或动态随机存取内存(DRAM)组成。在本世纪初以来，一种习称闪存的非挥发性半导体内存已稳定地得到作为用于家庭计算机的脱机储存器的份额。非挥发性半导体内存也使用于在各种先进电子设备及专用计算机中的辅助储存器。在磁性内存中，信息的储存是利用磁性层、膜或表面的不同磁化模式。与DRAM相反，磁性储存器为非挥发性，并且磁性储存器的较早实作利用可能含有一或更多记录传感器(recordingtransducer)用于存取存入镀磁表面的信息的一或更多读写头，在此读写头只覆盖该表面的一部分，使得该头或媒体或两者相对移动，以便存取数据。可视为联合DRAM与磁性内存技术的概念为所谓的磁电阻随机存取内存(MRAM)。MRAM类型的内存单元(memorycell)在设计上类似DRAM类型的内存单元，但是不同点在于MRAM使用磁性储存组件来储存信息，而不是如同DRAM单元以电容器上的电荷来储存信息。因此，不像DRAM会随着时间而失去电荷，MRAM为非挥发性内存设备，它不必如同DRAM技术以读取每个单一内存单元以及重写每个单一内存单元的内容的方式来刷新(refresh)内存芯片的内存单元。这对于未来发展是重要的冲击。例如，在考虑下一代的内存设备时，亦即，超越40纳米的技术节点，例如，超越28纳米，DRAM单元的缩放要求更频繁地刷新个别内存单元，导致DRAM内存结构的耗电量更大。相比之下，MRAM单元永远不必刷新，而是在电源关掉时保存它的内存，因为不需要不断的功率汲取(powerdraw)用于储存MRAM内存设备的数据。也值得比较MRAM与另一常见内存系统，快闪RAM。如同MRAM，快闪在除去电源时不会失去它的记忆，这使得它在小型设备的“硬盘更换”很常见，例如数字音频播放器或数字相机。关于读取，快闪及MRAM有极类似的电力需求，然而，关于写入/重写，快闪的重写使用随着时间蓄积于电荷帮浦(chargepump)的大脉冲电压(约10V)，这很耗能又耗时。此外，电流脉冲使快闪单元物理衰变，这意谓闪存在必须更换之前只能写入有限的次数。相比之下，MRAM的写入只需要比读取稍微多一点的电力，并且电压没有变化，可排除电荷帮浦的需要。这导致操作更快，耗电量更低，以及相比于闪存，MRAM有无限长的“寿命”。一般而言，MRAM需要较少“稳定时间(settlingtime)”，因为MRAM操作是基于测量电压而不是如同DRAM操作是基于电荷或电流。即使与闪存比较，明显的差异是MRAM设备的写入时间甚至比闪存设备的写入时间快数千倍。在这点上，目前在效能上可与MRAM竞争的唯一内存技术为静态RAM(SRAM)。不过，SRAM内存单元由配置成正反器的一系列晶体管组成，通常是4个或6个晶体管，这使得整合密度低于DRAM、闪存及MRAM。因此，尽管MRAM不完全与SRAM一样快，然而它允许较高的整合密度，甚至因此在运用SRAM技术的应用是有吸引力的，亦即，有极低电力需求的应用。整体上，MRAM有与SRAM类似的效能，与DRAM类似的密度，但是耗电量远低于DRAM，而且更快且相比于闪存，不会随着时间劣化。这种特征组合使得MRAM作为能取代SRAM、DRAM及快闪的“通用内存”具有吸引力。看看现有MRAM内存单元的基本设计，所谓“磁性隧道结”(MTJ)用来形成内存单元结构，如同DRAM单元结构，它是用晶体管控制。一般而言，MTJ是由用当作隧道阻障(tunnelbarrier)的薄绝缘层隔开而各自可保持磁化的两个铁磁盘(ferromagneticplate)形成。在MTJ中，这两片中的一者经组配成对于特定极性为永久磁铁组，它常被称为“磁性钉扎层”(magneticpinnedlayer)，同时另一片被组配成它的磁化可变到与磁性钉扎层的磁化平行或反平行的磁化方向，此另一层常被称为“无磁层”。这种组态也被称为自旋阀(spinvalve)而且为MRAM位的最简单结构。从由此类“单元”组成的栅格可建立MRAM内存设备。在如上述的MRAM单元中，实现读取操作可通过测量单元的电阻，其中通常通过供电给相关晶体管来选定特定单元，通过该单元使电流从电源线切换到接地。以下为利用效果之一：由于磁场隧道效应(magnetictunneleffect)，单元的电阻基于场在磁性钉扎层及无磁层中的定向而改变。通过测量所得电流，可测定任何特定单元内的电阻，以及从而测定可写片的磁化极性。通常，如果这两个磁盘有相同的极性，可视为意思为“1”，同时如果这两个磁盘有相反的极性，则为表示“0”的较高电阻。可用不同的方式进行写入数据于MRAM单元的写入过程。在一写入技术(‘古典技术’)中，各个单元位在彼此配置成直角、与该单元平行、一个在单元上方而另一个在单元下方的一对写入线之间。当电流穿经所述写入线时，在接面建立诱发磁场且被无磁层拾取。此技术受害于数个缺点，因为它需要相当大的电流以产生场且使得它在低电力用途上比较没有吸引力。此外，在按比例缩小单元的尺寸时，诱发场在社区域中与相邻单元重迭的风险增加，因此，错误写入的风险增加。因此，此类单元需要相当大的最小尺寸。根据另一技术，自旋转移扭矩(STT)或自旋转移切换的应用是利用自旋对齐(“极化”)电子以直接施加扭矩于磁畴(domain)。具体而言，如果流入磁性层的电子必须改变它们的自旋，这将形成会被转移到邻层的扭矩。因此，写入单元所需的电流量可降低，使得它大约与读取过程的相同。有人担心，‘古典’类型的MRAM单元在高密度会有由写入期间的电流需要量引起的麻烦，这是STT避免的问题。因此之故，STT拥护者期待可使用于65纳米及更小的设备的技术。缺点是需要维持自旋相干性。整体上，相比于古典的写入技术，STT需要相对低的写入电流。关于STT-MRAM，可缩放性不是问题，因为STT切换所需的电流可随着设备大小而减少。一般而言，需要高整合密度STT-MRAM单元的设计以满足以下要求。关于第一个要求，重要的是要有信号使得两个状态(低电阻与高电阻)可完全分离。功能STT-MRAM的第二个要求是它有低电阻，或更具体而言，电阻与接面面积(RA)的乘积低(在此参数A为设备的面积)。通过增加隧道阻障厚度来实现低电阻与高电阻的高度差异是相对容易的，但是接面面积(RA)几乎会倍数增加。接面面积(RA)的数值实际取决于隧道阻障的崩溃电压的数值，该崩溃电压为在损坏之前可施加于MTJ的临界电压。因此，无磁层的切换应在到达崩溃电压之前发生。第三个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内存设备结构，其包含：一晶圆基板；一磁性隧道结(MTJ)，置于该晶圆基板的上表面上方，该磁性隧道结包含一第一磁性层、侧边相邻该第一磁性层的一第二磁性层、及置于该第一磁性层与该第二磁性层之间的一非磁性层；一第一接触，电性耦合至该第一磁性层；以及一第二接触，电性耦合至该第二磁性层；其中，该第一磁性层、该非磁性层及该第二磁性层包含一实质垂直的层堆栈，该层堆栈沿着实质垂直于该晶圆基板的该上表面的第一方向延伸。

【技术特征摘要】
2015.10.21 US 14/918,7361.一种内存设备结构，其包含：一晶圆基板；一磁性隧道结(MTJ)，置于该晶圆基板的上表面上方，该磁性隧道结包含一第一磁性层、侧边相邻该第一磁性层的一第二磁性层、及置于该第一磁性层与该第二磁性层之间的一非磁性层；一第一接触，电性耦合至该第一磁性层；以及一第二接触，电性耦合至该第二磁性层；其中，该第一磁性层、该非磁性层及该第二磁性层包含一实质垂直的层堆栈，该层堆栈沿着实质垂直于该晶圆基板的该上表面的第一方向延伸。2.如权利要求1所述的内存设备结构，其中，该第一磁性层及该第二磁性层的至少一者包含钴铁(CoFe)合金与钴铁硼(CoFeB)合金的一者。3.如权利要求1所述的内存设备结构，其中，该第一磁性层包含具有第一磁矫顽性的第一铁磁材料，且该第二磁性层包含具有不同于该第一磁矫顽性的第二磁矫顽性的第二铁磁材料。4.如权利要求1所述的内存设备结构，其中，该第二磁性层耦合一反铁磁材料，该反铁磁材料适应于诱发该第二磁性层中的一交换偏置。5.如权利要求1所述的内存设备结构，其中，该第一磁性层的厚度小于该第二磁性层的厚度。6.如权利要求5所述的内存设备结构，其中，该第一磁性层具有第一磁矫顽性，且该第二磁性层具有小于该第一磁矫顽性的第二磁矫顽性。7.如权利要求1所述的内存设备结构，其中，该非磁性层的厚度在0.2至5纳米之间。8.如权利要求1所述的内存设备结构，其中，该非磁性层包含氧化镁与氧化铝的其中一者。9.一种内存设备结构，其包含：一晶圆基板；一磁性隧道结(MTJ)，置于该晶圆基板的上表面上方，该磁性隧道结包含一第一磁性层、侧边相邻该第一磁性层的一第二磁性层、及置于该第一磁性层与该第二磁性层之间的一非磁性层，其中，该第一磁性层、该非磁性层及该第二磁性层包含实质垂直的层堆栈，该层堆栈沿着实质垂直于该晶圆基板的该上表面的第一方向延伸；一第一接触，电性耦合至该第一磁性层；一第二接触，电性耦合至该第二磁性层；一MOSFET设备，置于该晶圆基板的上方，该MOSFET设备包含有一源极、一漏极及一栅极，该栅极耦合至一字...

【专利技术属性】
技术研发人员：瑞夫·理查，蒋育德，拉恩·亚恩，
申请(专利权)人：格罗方德半导体公司，
类型：发明
国别省市：开曼群岛,KY