[发明专利]用于具有氧吸收保护层的MRAM器件的结构和方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及半导体领域，更具体地来说，涉及一种用于具有氧吸收保护层的MRAM器件的结构和方法。

背景技术

在集成电路(IC)器件中，磁性随机存取存储器(MRAM)是用于下一代嵌入式存储器件的新兴技术。MRAM是包括MRAM单元阵列的存储器件，其中，每个MRAM单元都使用阻抗值而不是电荷来存储数据位。每个MRAM单元都包括磁隧道结(“MTJ”)单元，可以将磁隧道结单元的阻抗调整为表示逻辑“0”或逻辑“1”。传统地，MTJ单元都包括：反铁磁(“AFM”)牵制层、铁磁固定(fixed，or pinned)层、薄遂穿阻挡层和自由铁磁层。MTJ单元的阻抗可以通过改变自由铁磁层的磁矩相对于固定磁性层的磁矩的方向来调整。具体地，当自由铁磁层的磁矩与铁磁固定层的磁矩平行时，MTJ单元的阻抗较低，这对应于逻辑0，而当自由铁磁层的磁矩与铁磁固定层的磁矩逆平行时，MTJ单元的阻抗较高，这对应于逻辑1。MTJ单元连接在顶部电极和底部电极之间，并且可以检测从一个电极到另一电极流经MTJ单元的电流以确定阻抗，因此确定其逻辑状态。

然而，与自由层相邻的包含氧的材料层可以在后段工艺(“BEOL”)制造工艺期间实施的高温工艺过程中扩散到自由层。由于来自氧化物保护层的氧化效应，扩散的氧将大幅降低自由层的磁性能。具体地，来自氧的损害将显著增加电阻面积(“RA”)，并降低MTJ单元的磁阻百分比(“MR％”)。

因此，期望提供没有上述缺陷的改进STT-MRAM结构及其制造方法。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种用于MRAM器件的MTJ叠层，所述MTJ叠层包括：固定铁磁层，位于牵制层上方；隧穿阻挡层，位于所述固定铁磁层上方；自由铁磁层，位于所述隧穿阻挡层上方；导电氧化物层，位于所述自由铁磁层上方；以及基于氧的保护层，位于所述导电氧化物层上方。

该MTJ叠层还包括：扩散阻挡层，夹置在所述自由铁磁层和所述导电氧化物层之间。

在该MTJ叠层中，所述基于氧的保护层包括氧化镁(MgO)和氧化铝(AlO)中的一种。

在该MTJ叠层中，所述导电氧化物层包括掺杂锡的氧化铟(ITO)、氧化钌(RuO)、氧化钛(TiO)、氧化钽(TaO)、氧化镓锌(GaZnO)、氧化铝锌(AlZnO)和氧化铁(FeO)中的一种。

在该MTJ叠层中，所述导电氧化物层具有大约或者更小的厚度。

该MTJ叠层还包括扩散阻挡层。

在该MTJ叠层中，所述扩散阻挡层包括钛和钽中的一种。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于MRAM器件的MTJ叠层的保护层，所述保护层设置在所述MTJ叠层的自由铁磁层的上方，并包括：扩散阻挡层，具有金属；导电氧化物层，设置在所述扩散阻挡层的上方；以及基于氧的保护层，位于所述导电氧化物层的上方。

在该保护层中，所述基于氧的保护层包括电介质氧化物层。

在该保护层中，所述电介质氧化物层包括氧化镁(MgO)和氧化铝(AlO)中的一种。

在该保护层中，所述导电氧化物层包括掺杂锡的氧化铟(ITO)、氧化钌(RuO)、氧化钛(TiO)、氧化钽(TaO)、氧化镓锌(GaZnO)、氧化铝锌(AlZnO)和氧化铁(FeO)中的一种。

在该保护层中，所述导电氧化物层包括金属的氧化物。

在该保护层中，所述导电氧化物层具有大约或者更小的厚度。

在该保护层中，所述扩散阻挡层包括：钛和钽中的一种。

根据本发明的又一方面，提供了一种制造用于MRAM器件的MTJ叠层的方法，包括：形成设置在牵制层上方的固定铁磁层；形成设置在所述固定铁磁层上方的隧穿阻挡层；形成设置在所述隧穿阻挡层上方的自由铁磁层；沉积设置在所述自由铁磁层上方的金属层；以及形成设置在所述金属层上方的基于氧的保护层。

该方法还包括：实施高温工艺，将所述金属层的至少一部分转换为所述导电氧化物层。

在该方法中，沉积所述金属层包括：沉积掺杂锡的铟(IT)、钌(Ru)、钛(Ti)、钽(Ta)、镓锌(GaZn)、铝锌(AlZn)和铁(Fe)中的一种。

在该方法中，转换所述金属层的至少一部分包括：将所述金属层的至少一部分转换为掺杂锡的氧化铟(ITO)、氧化钌(RuO)、氧化钛(TiO)、氧化钽(TaO)、氧化镓锌(GaZnO)、氧化铝锌(AlZnO)和氧化铁(FeO)中的一种。