阅读说明：本技术 磁阻随机存取存储单元 (Magnetoresistive random access memory cell ) 是由 王慧琳 曾译苇 王明俊 翁宸毅 谢晋阳 张境尹 王裕平 林建廷 刘盈成 施易安 于 2019-01-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种磁阻随机存取存储单元,其包含：一基底,其上具有一介电层；一导孔,设于该介电层中；一柱状堆叠,设于该导孔上,该柱状堆叠包含一底电极、一磁隧穿结层,设于该底电极上,以及一顶电极,设于该磁隧穿结层上；以及一间隙壁层,设于该柱状堆叠的侧壁上,其中该顶电极凸出于该间隙壁的一顶面。(The invention discloses a magnetic resistance random access memory unit, which comprises: a substrate having a dielectric layer thereon; a via hole in the dielectric layer; a columnar stack disposed on the via, the columnar stack comprising a bottom electrode, a magnetic tunneling junction layer disposed on the bottom electrode, and a top electrode disposed on the magnetic tunneling junction layer; and a spacer layer disposed on the sidewall of the columnar stack, wherein the top electrode protrudes from a top surface of the spacer.)

磁阻随机存取存储单元

技术领域

本发明涉及半导体元件技术领域，特别是涉及一种自旋转移力矩式磁阻随机存取存储单元(STT-MRAM cell)结构。

背景技术

如本领域中已知，自旋转移力矩式磁阻随机存取存储器(spin-transfer torquemagneto-resistance random access memory，STT-MRAM)是最近在存储器技术领域中十分受到关注的非挥发性存储器，其具有优于传统磁阻随机存取存储器的若干优点，例如，包括更高的耐用性、更低的功耗和更快的操作速度。

在两个铁磁层(ferromagnetic layer)间具有薄绝缘层的磁隧穿结(magnetotunnel junction，MTJ)中，隧穿阻值(tunnel resistance TMR)会根据两个铁磁层的相对磁化方向而变化。磁阻随机存取存储器具有利用隧穿磁阻(tunnel magnetoresistance，TMR)效应的磁隧穿结结构的半导体元件，能以矩阵排列成存储器单元。

发明内容

本发明提供了一种改良的自旋转移力矩式磁阻随机存取存储单元(STT-MRAMcell)结构。

本发明一方面提供一种磁阻随机存取存储单元，包含：一基底，其上具有一介电层；一导孔，设于该介电层中；一柱状堆叠，设于该导孔上，该柱状堆叠包含一底电极、一磁隧穿结层，设于该底电极上，以及一顶电极，设于该磁隧穿结层上；以及一间隙壁层，设于该柱状堆叠的侧壁上，其中该顶电极凸出于该间隙壁的一顶面。

根据本发明一实施例，所述顶电极包含钌金属层以及钽金属层，设于该钌金属层上。所述顶电极在该间隙壁层的该顶面上方具有一顶点朝上的圆锥体外型。

根据本发明另一实施例，所述顶电极包含钌金属层以及氮化钛金属层，设于该钌金属层上。所述顶电极包含一上凸的曲形顶面轮廓。

为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举优选实施方式，并配合所附的附图，作详细说明如下。然而如下的优选实施方式与附图仅供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1为本发明一实施例所绘示的一种磁阻随机存取存储单元的剖面示意图；

图2为本发明另一实施例所绘示的一种磁阻随机存取存储单元的剖面示意图；

图3为本发明又另一实施例所绘示的一种磁阻随机存取存储单元的剖面示意图；

图4为本发明又另一实施例所绘示的一种磁阻随机存取存储单元的剖面示意图。

主要元件符号说明

1、1a、2、2a 磁阻随机存取存储单元

10 基底

30 柱状堆叠

30a 侧壁

40 柱状堆叠

40a 侧壁

50 双镶嵌金属内连线结构

100 介电层堆叠

110 介电层

111 下层金属内连线结构

112 停止层

120 介电层

120a 外表面

121 导孔

123 凹陷结构

130 层间介电层

140 停止层

150 层间介电层

310 底电极

320 磁隧穿结层

330 顶电极

330a 圆锥体外型

331 钌金属层

332 钽金属层

340 间隙壁

340a 顶面

410 底电极

420 磁隧穿结层

430 顶电极

430a 上凸的曲形顶面轮廓

431 钌金属层

432 氮化钛金属层

510 介层插塞

520 金属导线

具体实施方式

在下文中，将参照附图说明细节，该些附图中的内容也构成说明书细节描述的一部分，并且以可实行该实施例的特例描述方式来绘示。下文实施例已描述足够的细节使该领域的一般技术人士得以具以实施。

当然，也可采行其他的实施例，或是在不悖离文中所述实施例的前提下作出任何结构性、逻辑性、及电性上的改变。因此，下文的细节描述不应被视为是限制，反之，其中所包含的实施例将由随附的权利要求来加以界定。

请参阅图1，其为依据本发明一实施例所绘示的一种磁阻随机存取存储单元的剖面示意图。如图1所示，磁阻随机存取存储单元1包含一基底10例如，硅基底，其上具有一介电层堆叠100，包括，但不限于，介电层110、停止层112、介电层120、层间介电层130、停止层140及层间介电层150。例如，介电层110可以是超低介电常数(ultralow-k)材料层，介电层120可以是氧化硅层，但不限于此。例如，停止层112、140可以是氮掺杂碳化硅(nitrogen-doped silicon carbide)层或氮化硅层，但不限于此。例如，停止层140是氮掺杂碳化硅层。

根据本发明一实施例，介电层110中可以形成有下层金属内连线结构111。在介电层120中则设有导孔121。根据本发明一实施例，下层金属内连线结构111可以是铜导线，导孔可以是钨金属导孔，但不限于此。

根据本发明一实施例，在导孔121上，设有柱状堆叠30。根据本发明一实施例，柱状堆叠30包含底电极310、磁隧穿结(magnetic tunneling junction,MTJ)层320，设于底电极310上，以及顶电极330，设于磁隧穿结层320上。根据本发明一实施例，底电极310的宽度大于导孔121的宽度(或孔径)。底电极310可以包含例如但不局限于钽(Ta)、铂(Pt)、铜(Cu)、金(Au)、铝(Al)等。根据本发明一实施例，柱状堆叠30的侧壁30a从底电极310往上渐缩至顶电极330。

MTJ层320的复层结构为已知技术，故其细节不另赘述。例如，MTJ层320可以包括固定层(fixed layer)、自由层(free layer)及遮盖层(capping layer)，但不限于此。固定层可以是由反铁磁性(antiferromagnetic,AFM)材料所构成者，例如铁锰(FeMn)、铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)、氧化镍(NiO)等，用以固定或限制邻近层的磁矩方向。自由层可以是由铁磁性材料所构成者，例如铁、钴、镍或其合金如钴铁硼(cobalt-iron-boron,CoFeB)，但不限于此。

根据本发明一实施例，顶电极330包含钌(Ru)金属层331以及钽(Ta)金属层332，设于钌金属层331上。

根据本发明一实施例，磁阻随机存取存储单元1另包含间隙壁层340，设于柱状堆叠30的侧壁30a上。根据本发明一实施例，间隙壁层340可以是氮化硅间隙壁层。根据本发明一实施例，间隙壁层340具有介于约300埃至约600埃的厚度。根据本发明一实施例，顶电极330凸出于间隙壁340的顶面340a。

根据本发明一实施例，介电层120围绕着导孔121且具有渐缩的外表面120a。根据本发明一实施例，间隙壁层340延伸至介电层120的渐缩的外表面120a。根据本发明一实施例，底电极310直接接触导孔121及围绕导孔121的介电层120。根据本发明一实施例，顶电极330在间隙壁层340的顶面340a之上具有顶点朝上的圆锥体外型330a。

根据本发明一实施例，层间介电层130，覆盖介电层120、柱状堆叠30及间隙壁层340。停止层140，设于层间介电层130上。层间介电层150，设于停止层140上。在层间介电层150、停止层140及层间介电层130中埋设有双镶嵌(dual damascene)金属内连线结构50。双镶嵌金属内连线结构50包含介层插塞510及与介层插塞510一体形成的金属导线520。双镶嵌金属内连线结构50可以是以铜双镶嵌(copper dual damascene)制作工艺形成的。铜双镶嵌制作工艺为已知技术，故其细节不另赘述。

根据本发明一实施例，介层插塞510直接与顶电极330电连接。根据本发明一实施例，介层插塞510完全覆盖住顶电极330的圆锥体外型330a的部分，并且可以覆盖住部分的间隙壁层340的顶面340a。

图1中的另一个特征是间隙壁层340是经过蚀刻形成的，且仅形成在柱状堆叠30的侧壁30a上及稍微向下延伸至介电层120的向上渐缩的外表面120a。在各向异性干蚀刻间隙壁层340过程中，会在介电层120上形成凹陷结构123。

请参阅图2，其为依据本发明另一实施例所绘示的一种磁阻随机存取存储单元的剖面示意图，其中相同的区域、材料层或元件仍沿用相同的符号来表示。

如图2所示，磁阻随机存取存储单元1a结构上大致上与图1中的磁阻随机存取存储单元1相同，差异在于磁阻随机存取存储单元1a的间隙壁层340完整覆盖住介电层120的表面，而未被蚀刻掉，因此也不会形成如图1中的介电层120上的凹陷结构123。此外，介层插塞510需穿过间隙壁层340，与顶电极330的圆锥体外型330a的部分电连接。

请参阅图3，其为依据本发明又另一实施例所绘示的一种磁阻随机存取存储单元的剖面示意图，其中相同的区域、材料层或元件仍沿用相同的符号来表示。

如图3所示，磁阻随机存取存储单元2结构上大致上与图1中的磁阻随机存取存储单元1相同，差异在于仅在于柱状堆叠的顶电极不相同。磁阻随机存取存储单元2的柱状堆叠40包含底电极410、磁隧穿结(MTJ)层420，设于底电极410上，以及顶电极430，设于磁隧穿结层420上。根据本发明一实施例，顶电极430包含钌金属层431以及氮化钛(TiN)金属层432，设于钌金属层431上。

根据本发明一实施例，磁阻随机存取存储单元2同样包含间隙壁层340，设于柱状堆叠40的侧壁40a上。根据本发明一实施例，间隙壁层340可以是氮化硅间隙壁层。根据本发明一实施例，间隙壁层340具有介于约300埃至约600埃的厚度。根据本发明一实施例，顶电极430凸出于间隙壁340的顶面340a。

根据本发明一实施例，介电层120围绕着导孔121且具有渐缩的外表面120a。根据本发明一实施例，间隙壁层340延伸至介电层120的渐缩的外表面120a。根据本发明一实施例，底电极410直接接触导孔121及围绕导孔121的介电层120。根据本发明一实施例，顶电极430在间隙壁层340的顶面340a之上具有上凸的曲形顶面轮廓430a。

请参阅图4，其为依据本发明又另一实施例所绘示的一种磁阻随机存取存储单元的剖面示意图，其中相同的区域、材料层或元件仍沿用相同的符号来表示。

如图4所示，磁阻随机存取存储单元2a结构上大致上与图3中的磁阻随机存取存储单元2相同，差异在于磁阻随机存取存储单元2a的间隙壁层340完整覆盖住介电层120的表面，而未被蚀刻掉，因此也不会形成如图3中的介电层120上的凹陷结构123。此外，介层插塞510需穿过间隙壁层340，与顶电极430的上凸的曲形顶面轮廓430a的部分电连接。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。