[发明专利]磁性存储单元及其制作方法

说明书

本发明公开一种磁性存储单元及其制作方法，其中该磁性存储单元包含一基底，具有一存储区；一选择晶体管，设于基底上的存储区内；一第一介电层，设于基底上，其中第一介电层覆盖存储区和选择晶体管；一接垫，设于第一介电层中，其中接垫位于第一水平面且电连接选择晶体管的漏极区；一第二介电层，覆盖第一介电层和接垫；一柱状存储器堆叠，设于第二介电层中，其中柱状存储器堆叠包含电耦合至接垫的底电极，以及电耦合至第二介电层上的位线的上电极；以及一源极线，设于第一介电层中，其中源极线位于第二水平面且电连接选择晶体管的源极区。

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器(spin-transfer torque magnetoresistive random access memory，STT-MRAM)结构及其制作方法。

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(STT-MRAM)等磁性存储器装置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。

在传统设计中，MTJ位单元阵列的源极线(source line，SL)被布置为与位线(bitline，BL)平行。然而，在传统设计中，由于通孔和金属间隔规则，源极线(SL)和位线(BL)之间没有直接和平行的重叠。因此，受限于金属和通孔间隔规则，传统设计的最小位单元尺寸不能再减小或最小化。

因为存储器包括至少数十万个存储单元，所以只要稍微减小每个存储单元中的面积就可以导致存储器密度的显著提升。由此可知，目前该技术领域仍需要一种MRAM存储单元结构，具有更小的MRAM存储单元面积，来改善MRAM存储器阵列密度。

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器(STT-MRAM)结构及其制作方法，能解决上述先前技术的不足。

本发明一方面披露一种磁性存储单元，包含一基底，具有一存储区。在所述基底上的所述存储区内设有一选择晶体管。在所述基底上设有一第一介电层，其中，所述第一介电层覆盖所述存储区和所述选择晶体管。在所述第一介电层中设置有一接垫，其中，所述接垫位于一第一水平面且电连接至所述选择晶体管的一漏极区。所述第二介电层覆盖所述第一介电层和所述接垫。在所述第二介电层中设置有一柱状存储器堆叠，其中，所述柱状存储器堆叠包含电耦合至所述接垫的一底电极、电耦合至设置于所述第二介电层上的位线的一上电极，以及介于所述底电极和所述上电极之间的一磁隧穿结。在所述第一介电层中设置有一源极线，其中，所述源极线位于一第二水平面且电连接至所述选择晶体管的一源极区，其中，所述第二水平面低于所述第一水平面。

依据本发明实施例，所述接垫位于第一金属层中。依据本发明实施例，所述源极线可以位于一第零金属层中且接近所述接垫，但不限于此。依据本发明实施例，所述第零金属层为一钨金属层，且所述第一金属层为一镶嵌铜层。

依据本发明实施例，所述第二介电层可以包含氮掺杂碳化硅层、硅氧层，以及超低介电常数材料层。所述磁性存储单元另包含一介层插塞，设于所述硅氧层和所述氮掺杂碳化硅层中，且所述介层插塞电连接所述底电极和所述接垫，例如，所述介层插塞可以是钨金属介层插塞。

依据本发明实施例，另包含一字符线，设于所述基底上且电连接至所述选择晶体管的一栅极，其中，所述字符线沿着一第一方向延伸。所述源极线沿着所述第一方向延伸，且所述位线沿着一第二方向延伸，且所述第二方向垂直于所述第一方向。