[发明专利]包括嵌入式磁性隧道结的逻辑芯片

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及半导体器件的领域，并且具体而言，涉及具有嵌入式存储器的逻辑芯片。

背景技术

将存储器直接集成到逻辑芯片(例如，微处理器芯片)上使得与具有物理上分开的逻辑芯片和存储芯片相比能够获得更宽的总线和更高的运行速度。这种存储器可以包括传统的基于电荷的存储器技术，例如动态随机存取存储器(DRAM)和NAND闪存存储器。

附图说明

根据所附权利要求、一个或多个示例性实施例的以下具体实施方式、以及相对应的附图，本发明的实施例的特征和优点将变得显而易见，在附图中：

图1描绘了本发明的实施例中的包括嵌入式磁性隧道结的逻辑芯片。

图2-23描绘了本发明的实施例中的用于制造包括嵌入式磁性隧道结的逻辑芯片的工艺。

图24描绘了本发明的实施例中的磁性隧道结。

图25描绘了用于本发明的实施例中的系统。

具体实施方式

现在将参照附图，其中类似的结构可以设有类似的后缀附图标记。为了更清楚的示出各实施例的结构，本文中所包括的附图是集成电路结构的图示表示。因此，所制造的集成电路结构的实际外观(例如在显微照片中)可以看起来不同，然而仍然包含了所示出的实施例的所要求保护的结构。此外，附图可以仅示出对理解所示出的实施例有用的结构。可能不包括本领域已知的附加结构，以保持附图的清楚性。“实施例”、“各种实施例”等指示所描述的(多个)实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是并非每个实施例都必需包括特定特征、结构或特性。一些实施例可以具有针对其它实施例所描述的特征中的一些或全部或者无此特征。“第一”、“第二”、“第三”等描述共同的对象并且指示相似对象的不同实例被提及。这种形容词不暗示所描述的对象必须采用时间上、空间上的给定顺序、排名或任何其它方式。“连接”可以指示元件彼此直接物理或电接触，并且“耦合”可以指示元件彼此协作或相互作用，但是它们可以或可以不直接物理或电接触。同样，虽然相似或相同的数字可以用于表示不同图片中的相同或相似的部分，但是这样做并不表示包括相似或相同数字的所有图片组成单个或相同实施例。可以参照所示的X-Z坐标系来理解诸如“上面”、“下面”、“在…上方”和“在…下方”等的术语，并且可以参照X-Y坐标系或非Z坐标系来理解诸如“相邻”等的术语。

如上所述，将存储器直接集成到逻辑芯片上具有优点。这种存储器可以包括DRAM和NAND闪存存储器。然而，DRAM和NAND闪存存储器具有与越来越精确的电荷布局和感测要求有关的可缩放性问题，并且因此将基于电荷的存储器直接嵌入到高性能逻辑芯片上在例如亚20nm的技术节点方面是有问题的。

实施例包括集成有存储器的逻辑芯片；然而存储器缩放到比传统的基于电荷的存储器可能具有的几何形状更小的几何形状。在一个实施例中，存储器是自旋转移矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)，其依靠电阻率而非电荷作为信息载体。更具体地，实施例包括嵌入在逻辑芯片(例如，处理器)的后端互连层内的至少一个STT-MRAM存储器。至少一个STT-MRAM存储器可以包括具有至少一个磁性隧道结(MTJ)的至少一个STT-MRAM阵列。除STT-MRAM之外的诸如电阻式RAM(RRAM)等的其它存储器用于其它实施例中。

实施例将STT-MRAM集成在逻辑芯片内，其中存储器包括MTJ，其具有上MTJ层、下MTJ层、以及与上MTJ层和下MTJ层直接接触的隧道势垒；其中上MTJ层包括上MTJ层侧壁，并且下MTJ层包括与上MTJ层水平偏移的下MTJ侧壁。另一个实施例包括包含MTJ的存储器区域、以及位于衬底上的逻辑区域；其中水平面与MTJ相交，第一层间电介质(ILD)材料与MTJ相邻，并且第二ILD材料包括在逻辑区域中，第一和第二ILD材料彼此不等同。本文中描述了其它实施例。

图1描绘了实施例中的包括嵌入式MTJ的逻辑芯片。尽管MTJ可以包括多层非常薄的金属薄膜，但是出于讨论的目的，在图1中MTJ薄膜堆叠体可以被分成四个部分：“底部MTJ”140(MTJ的底层)、“隧道势垒”135、“顶部MTJ”125(MTJ的顶层)、以及硬掩模层130。图1示出了全部包括在M2金属层165中的三个MTJ。三个MTJ被包括在硅衬底195以及总体上由层190表示的各累积层上。出于讨论的目的，三个MTJ被示出为嵌入在M2165中，但是三个MTJ还可以被嵌入在诸如金属层M1180、M3150等的其它互连层中。