[发明专利]使用单个掩模形成磁性隧道结的方法

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请案主张宋·H·康(Seung H.Kang)等人于2008年4月21日申请的标题为“STTMRAM的单掩模MTJ集成(ONE-MASK MTJ INTEGRATION FOR STT MRAM)”的第61/046,517号临时申请案的优先权，该案以全文引用的方式明确地并入本文中。

技术领域

本发明涉及集成电子电路，且确切地说，涉及自旋转移力矩(STT)磁性随机存取存储器(MRAM)及与标准集成电路进行集成的方法。

背景技术

与常规随机存取存储器(RAM)芯片技术不同，在磁性RAM(MRAM)中，数据不是存储为电荷，而是通过存储元件的磁性极化来存储。所述元件由两个磁性极化板形成，所述两个磁性极化板中的每一者可维持由薄绝缘层分隔的磁性极化场，其一起形成磁性隧道结(MTJ)。两个板中的一者是设置为特定极性的永久磁体(下文中为“固定层”)；另一板(下文中为“自由层”)的极化将改变以匹配足够强的外部场的极化。存储器装置可由所述“单元”的栅格建置。

读取MRAM单元的极化状态是通过测量单元的MTJ的电阻来实现。(常规上)通过向将来自供电线的电流经由MTJ切换到接地的相关联的晶体管供电而选择特定单元。归因于隧穿磁阻效应，单元的电阻归因于MTJ的两个磁性层中的极化的相对定向而改变。通过测量所得电流，可确定任何特定单元内部的电阻，且由此可确定自由可写层的极性。如果两个层具有相同极化，则认为此意味着状态“0”，且电阻为“低”的，而如果两个层具有相反的极化，则电阻将为较高的且此意味着状态“1”。

使用多种方案将数据写入到单元。在常规MRAM中，外部磁场由接近所述单元的导线中的电流提供，所述电流足够强以对准自由层。

自旋转移力矩(STT)MRAM使用自旋对准(“极化”)的电子来直接扭转自由层的磁畴。经由此机制向单元进行写入的电流小于用于常规MRAM的写入电流。此外，不需要外部磁场，从而使得相邻单元大致不受杂散场影响。此写入电流随着存储器单元大小按比率缩小而进一步降低，这一点随着半导体技术持续向较高装置间距密度缩放而成为关键益处。

存储器系统成本的一个重要决定因素是芯片上组件的密度。每一“单元”的较小组件及较少组件意味着可将较多“单元”封装于单个芯片上，这又意味着较多芯片可由单个半导体晶片同时产生且以较低成本及改善的良率进行制造。

另外，制造工艺流程影响成本，其中较多掩模工艺促成增加的总制造成本。当常规MRAM的制造需要仅专用于制造磁性隧道结(MTJ)结构的许多掩模工艺时，成本进一步增加。因为加工成本是实施集成电路装置中特征的集成的重要考虑因素，所以在设计及工艺流程中消除掩模及相关联工艺的任何改善均是有利的。单掩模工艺中的差异可节省显著成本。因此，需要用于将MRAM制造集成于半导体制造工艺流程中的改善的方法。此外，放宽临界尺寸特征的对准的任何设计均将为合意的。

发明内容

将磁性随机存取存储器(MRAM)磁性隧道结(MTJ)的制造工艺及结构集成到标准后段工艺(BEOL)集成电路制造中的方法包括单个光掩模。

在一方面中，一种方法将磁性隧道结(MTJ)装置集成到集成电路中。所述方法包括在半导体后段工艺(BEOL)工艺流程中提供具有第一层间电介质层及至少第一金属互连件的衬底。所述方法还包括在第一层间电介质层及第一金属互连件上方沉积多个磁性隧道结材料层。所述方法进一步包括使用单掩模工艺由所述材料层界定耦合到第一金属互连件的磁性隧道结堆叠。所述磁性隧道结堆叠集成到集成电路中。

在另一方面中，磁性隧道结装置在包括至少磁性随机存取存储器(MRAM)的集成电路(IC)中。所述装置包括具有第一金属互连件的衬底；以及与第一金属互连件连通的磁性隧道结堆叠。磁性隧道结堆叠是使用单掩模工艺而界定。所述装置还包括与磁性隧道结堆叠连通的第二金属互连件。磁性隧道装置集成到IC中。

在又一方面中，用于磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性隧道结(MTJ)结构包括用于与至少一个控制装置连通的第一互连装置；及用于耦合到第一互连装置的第一电极装置。所述装置还包括用于存储数据的MTJ装置，及用于耦合到MTJ装置的第二电极装置。MTJ装置耦合到第一电极装置。第一及第二电极装置基于第一掩模具有与MTJ装置相同的横向尺寸。所述装置进一步包括用于耦合到第二电极装置及至少一个其它控制装置的第二互连装置。