磁阻式随机存取存储器结构及其制作方法与流程

1.本发明涉及磁阻式随机存取存储器结构及其制作方法，特别是涉及一种避免磁性隧穿结变形的存储器结构及其制作方法。


背景技术：

2.许多现代电子装置具有电子存储器。电子存储器可以是挥发性存储器或非挥发性存储器。非挥发性存储器在无电源时也能够保留所存储的数据，而挥发性存储器在电源消失时失去其存储数据。磁阻式随机存取存储器(mram)因其优于现今电子存储器的特性，在下一世代的非挥发性存储器技术中极具发展潜力而备受期待。
3.磁阻式随机存取存储器并非以传统的电荷来存储位信息，而是以磁性阻抗效果来进行数据的存储。结构上，磁阻式随机存取存储器包括一数据层(data layer)以及一参考层(reference layer)，其中数据层是由一磁性材料所构成，而在写入操作时，经由外加的磁场，数据层即可在相反的两种磁性状态中切换，用于存储位信息。参考层则通常是由已固定磁性状态的磁性材料所构成，而难以被外加磁场改变。
4.然而，现有的磁阻式随机存取存储器制作工艺仍有诸多缺点需要进一步改进。例如，磁性隧穿结因为周边材料层的应力影响而变形。因此，该领域仍需要改良的磁阻式随机存取存储器元件制作方法和结构，以解决前述问题。


技术实现要素：

5.根据本发明的一优选实施例，一种磁阻式随机存取存储器结构，包含一介电层，一第一磁阻式随机存取存储器、一第二磁阻式随机存取存储器和一第三磁阻式随机存取存储器设置在介电层上，其中第二磁阻式随机存取存储器位于第一磁阻式随机存取存储器和第三磁阻式随机存取存储器之间，第二磁阻式随机存取存储器包含一磁性隧穿结，二个间隙分别位于第一磁阻式随机存取存储器和第二磁阻式随机存取存储器之间以及位于第二磁阻式随机存取存储器和第三磁阻式随机存取存储器之间，二个伸张应力材料块分别设置于各个间隙中，一第一压缩应力层环绕并接触磁性隧穿结的全部侧壁，一第二压缩应力层覆盖各个间隙的开口并且接触伸张应力材料块。
6.根据本发明的另一优选实施例，一种磁阻式随机存取存储器结构的制作方法，包含：提供一介电层，在介电层上设置有一第一磁阻式随机存取存储器、一第二磁阻式随机存取存储器和一第三磁阻式随机存取存储器设，其中第二磁阻式随机存取存储器位于第一磁阻式随机存取存储器和第三磁阻式随机存取存储器之间，二个间隙分别位于第一磁阻式随机存取存储器和第二磁阻式随机存取存储器之间以及位于第二磁阻式随机存取存储器和第三磁阻式随机存取存储器之间，第二磁阻式随机存取存储器包含一磁性隧穿结，然后形成一第一压缩应力层覆盖第一磁阻式随机存取存储器、第二磁阻式随机存取存储器、第三磁阻式随机存取存储器和介电层，之后形成一伸张应力材料层覆盖第一压缩应力层并且填入间隙中，接着移除在间隙之外的伸张应力材料层以形成二个伸张应力材料块分别设置于
间隙中，最后形成一第二压缩应力层覆盖各个间隙的开口并且接触伸张应力材料块。
7.根据本发明的又一优选实施例，一种磁阻式随机存取存储器结构，包含一介电层，多个磁阻式随机存取存储器设置于介电层上并且磁阻式随机存取存储器排列成一列，其中磁阻式随机存取存储器中包含一最末磁阻式随机存取存储器设置于前述列中的最末，一虚置磁阻式随机存取存储器设置于介电层上并且位于最末磁阻式随机存取存储器的一侧，一个间隙位于虚置磁阻式随机存取存储器和最末磁阻式随机存取存储器之间，一第一压缩应力层接触间隙的侧壁，一伸张应力材料块设置于间隙中，一第二压缩应力层覆盖间隙的开口并且接触伸张应力材料块，其中第二压缩应力层具有压缩应力，多个金属内连线结构分别电连接各个磁阻式随机存取存储器。
8.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
9.图1至图6为本发明的一优选实施例所绘示的一种磁阻式随机存取存储器结构的制作方法的示意图；
10.图7为本发明的另一优选实施例所绘示的回蚀刻步骤的示意图；
11.图8为本发明的又一优选实施例所绘示的回蚀刻步骤的示意图；
12.图9为本发明的另一优选实施例所绘示的一种磁阻式随机存取存储器结构的示意图；
13.图10为本发明的又一优选实施例所绘示的一种磁阻式随机存取存储器结构的示意图。
14.主要元件符号说明
15.10:介电层
16.12:上电极
17.14:磁性隧穿结
18.15:下电极
19.16：下导线
20.18:间隙
21.20:金属内连线
22.22:第一压缩应力层
23.24:伸张应力材料层
24.26:伸张应力材料块
25.28:第二压缩应力层
26.30:光致抗蚀剂
27.32:层间介电层
28.34:金属内连线
29.36:金属内连线结构
30.100:磁阻式随机存取存储器结构
31.a:存储器区
32.b:周边电路区
33.m1:第一磁阻式随机存取存储器
34.m2:第二磁阻式随机存取存储器
35.m3:第三磁阻式随机存取存储器
36.dm:虚置磁阻式随机存取存储器
具体实施方式
37.图1至图6为根据本发明的一优选实施例所绘示的一种磁阻式随机存取存储器结构的制作方法。图7为根据本发明的另一优选实施例所绘示的回蚀刻步骤。图8为根据本发明的又一优选实施例所绘示的回蚀刻步骤。
38.如图1所示，首先提供一介电层10，介电层划分为一存储器区a和一周边电路区b。在存储器区a内的介电层10上设置有多个磁阻式随机存取存储器排列成一阵列(array)，举例而言一第一磁阻式随机存取存储器m1、一第二磁阻式随机存取存储器m2和一第三磁阻式随机存取存储器m3由右至左排成一列并且设置在介电层10上，第二磁阻式随机存取存储器m2位于第一磁阻式随机存取存储器m1和第三磁阻式随机存取存储器m3之间，此外，第一磁阻式随机存取存储器m1设置于上述列中的最末位置，因此第一磁阻式随机存取存储器m1也是上述列中的最末磁阻式随机存取存储器。此外，一虚置磁阻式随机存取存储器dm设置于介电层10上并且位于第一磁阻式随机存取存储器m1的一侧。
39.另外，第一磁阻式随机存取存储器m1、第二磁阻式随机存取存储器m2、第三磁阻式随机存取存储器m3和虚置磁阻式随机存取存储器dm都分别由一上电极12、一磁性隧穿结14和一下电极15所组成。数个间隙18分别位于两个相邻的磁阻式随机存取存储器之间，例如间隙18可位于虚置磁阻式随机存取存储器dm和第一磁阻式随机存取存储器m1之间、第一磁阻式随机存取存储器m1和第二磁阻式随机存取存储器m2之间、第二磁阻式随机存取存储器m2和第三磁阻式随机存取存储器m3之间。
40.此外在介电层10中设置有多个金属内连线20，金属内连线20通过下导线16电连接第一磁阻式随机存取存储器m1的下电极15、第二磁阻式随机存取存储器m2的下电极15、第三磁阻式随机存取存储器m3的下电极15和虚置磁阻式随机存取存储器dm的下电极15。
41.接着形成一第一压缩应力层22覆盖第一磁阻式随机存取存储器m1、第二磁阻式随机存取存储器m2、第三磁阻式随机存取存储器m3、虚置磁阻式随机存取存储器dm和介电层10，其中第一压缩应力层22具有压缩应力，因为具有压缩应力的材料层中的孔洞会较小，因此可以把水气或氧气阻挡在第一压缩应力层22之外，因此将第一压缩应力层22覆盖在第一磁阻式随机存取存储器m1、第二磁阻式随机存取存储器m2、第三磁阻式随机存取存储器m3和虚置磁阻式随机存取存储器dm上时，可以用来防止水气和氧气侵入第一磁阻式随机存取存储器m1、第二磁阻式随机存取存储器m2、第三磁阻式随机存取存储器m3和虚置磁阻式随机存取存储器dm。根据本发明之优选实施例，第一压缩应力层22较佳具有50埃以上的厚度即可有效防止水气和氧气入侵。此外，第一压缩应力层22包含氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或是其它绝缘材料，根据本发明的一优选实施例，第一压缩应力层22为氮化硅。
42.如图2所示，回蚀刻第一压缩应力层22使得第一压缩应力层22变薄并且移除部分
的第一压缩应力层22。此外可视产品需求调整回蚀刻的程度，例如在图2中，经过回蚀后第一压缩应力层22依然完全覆盖第一磁阻式随机存取存储器m1、第二磁阻式随机存取存储器m2、第三磁阻式随机存取存储器m3和虚置磁阻式随机存取存储器dm，也就是说第一压缩应力层22覆盖第一磁阻式随机存取存储器m1的整个侧壁和顶表面、第二磁阻式随机存取存储器m2的整个侧壁和顶表面、第三磁阻式随机存取存储器m3的整个侧壁和顶表面和虚置磁阻式随机存取存储器dm的整个侧壁和顶表面，此外所有间隙18都被完全被第一压缩应力层22覆盖。
43.如图7所示，根据本发明的另一优选实施例，回蚀刻第一压缩应力层22直到第一磁阻式随机存取存储器m1的顶表面、第二磁阻式随机存取存储器m2的顶表面、第三磁阻式随机存取存储器m3的顶表面和虚置磁阻式随机存取存储器dm的顶表面曝露出来，上述顶表面包含了第一磁阻式随机存取存储器m1的上电极12、第二磁阻式随机存取存储器m2的上电极12、第三磁阻式随机存取存储器m3的上电极12和虚置磁阻式随机存取存储器dm的上电极12。
44.如图8所示，根据本发明的另一优选实施例，回蚀刻第一压缩应力层22直到第一磁阻式随机存取存储器m1的顶表面、第二磁阻式随机存取存储器m2的顶表面、第三磁阻式随机存取存储器m3的顶表面和虚置磁阻式随机存取存储器dm的顶表面和间隙18的底部曝露出来。在图2、图7至图8中的回蚀刻，其重点在于回蚀刻后至少保留部分的第一压缩应力层22环绕并接触第一磁阻式随机存取存储器m1的磁性隧穿结14的全部侧壁、第二磁阻式随机存取存储器m2的磁性隧穿结14的全部侧壁、第三磁阻式随机存取存储器m3的磁性隧穿结14的全部侧壁、虚置磁阻式随机存取存储器dm的磁性隧穿结14的全部侧壁。如此才能有效地防止水气和氧气进入磁性隧穿结14。
45.虽然第一压缩应力层22可以防止水气和氧气进入磁性隧穿结，然而磁性隧穿结14中的结构中不论是自由层(free layer)、参考层(reference layer)或是在自由层和参考层之间用来调整磁铁膜之间的交换耦合能量(interlayer exchange coupling,iec)的iec材料层和形成垂直磁矩的倾向因子(perpendicular magnetic anisotropic,pma)pma材料层，都是由纯金属膜构成，因为纯金属弹性模数(elastic modulus)比较低，位于磁性隧穿结14侧壁上的自由层、参考层和iec材料层、pma材料层或是其它由纯金属构成的材料层，都会因为被第一压缩应力层22接触而变形，然而磁性隧穿结14中间的自由层、参考层和iec材料层、pma材料层或是其它由纯金属构成的材料层因为没有被第一压缩应力层22接触，所以不会变形，如此不对称的形状将会造成磁阻式随机存取存储器效能不稳定。
46.因此后续本发明将提供解决变形的方法，下面步骤将以图2回蚀刻的结果为例接续说明。如图3所示，形成一伸张应力材料层24覆盖第一压缩应力层22并且填入各个间隙18中，伸张应力材料层24包含氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或是其它绝缘材料，根据本发明的一优选实施例，伸张应力材料层24为氧化硅。如图4所示，移除在各个间隙18之外的伸张应力材料层24，剩余在各个间隙18中的伸张应力材料层24则成为伸张应力材料块26。伸张应力材料块26的材料和伸张应力材料层24的材料相同。此外伸张应力材料块26中的伸张应力的绝对值和第一压缩应力层22的压缩应力的绝对值相同、或其差值小于一预定值，此预定值将视磁性隧穿结14中的金属材料的抗形变能力而定。伸张应力材料块26中的伸张应力可以降低或抵消第一压缩应力层22对磁性隧穿结14侧壁上的压缩应力，防止上述纯金属膜的变
形问题。
47.请继续参阅图4，形成一第二压缩应力层28覆盖各个间隙18的开口并且接触各个伸张应力材料块26以及覆盖第一磁阻式随机存取存储器m1、第二磁阻式随机存取存储器m2、第三磁阻式随机存取存储器m3、虚置磁阻式随机存取存储器dm和位于周边电路区b的第一压缩应力层22。和第一压缩应力层22雷同，由于第二压缩应力层28具有压缩应力，因此可以将水气或氧气阻挡在第二压缩应力层28之外，如此可避免气或氧气进入伸张应力材料块26中。因为当伸张应力材料块26吸收了水气和氧气，其伸张应力就会下降，甚至会转变为压缩应力，因此使用第二压缩应力层28保护伸张应力材料块26是必要的。此外第二压缩应力层28的厚度小于等于第一压缩应力层22的厚度，根据本发明的一优选实施例，第二压缩应力层28的厚度约为10埃。
48.如图5所示，形成一光致抗蚀剂30覆盖存储器区a，然后进行一蚀刻制作工艺移除位于周边电路区b上的第一压缩应力层22和第二压缩应力层28。视不同的产品需求，也可以省略图5中移除周边电路区b上的第一压缩应力层22和第二压缩应力层28的步骤，也就是保留周边电路区b上的第一压缩应力层22和第二压缩应力层28。后续步骤将以移除周边电路区b上第一压缩应力层22和第二压缩应力层28为例接续说明。
49.如图6所示，去除光致抗蚀剂30，形成层间介电层32覆盖存储器区a和周边电路区b，之后形成多个金属内连线34穿过层间介电层32，金属内连线34各自接触第一磁阻式随机存取存储器m1的上电极12、第二磁阻式随机存取存储器m2的上电极12、第三磁阻式随机存取存储器m3的上电极12，此外金属内连线34也设置在周边电路区b。值得注意的是：虚置磁阻式随机存取存储器dm有一侧没有伸张应力材料块26，因此虚置磁阻式随机存取存储器dm的磁性隧穿结14侧壁有一侧依然是受到压缩应力，另一侧则是没有应力，造成了两侧应力不匹配，所以可让虚置磁阻式随机存取存储器dm在实际操作上不能导通，以避免虚置磁阻式随机存取存储器dm电性不稳定而影响整体磁阻式随机存取存储器的效能。因此在本实施例中，通过不在虚置磁阻式随机存取存储器dm的上电极14上方设置金属内连线34的方式，让虚置磁阻式随机存取存储器dm不导通。根据本发明之另一优选实施例，也可以通过不在虚置磁阻式随机存取存储器dm的下电极15下方设置金属内连线20的方式让虚置磁阻式随机存取存储器dm不导通。
50.如图6所示，根据本发明之优选实施例一种磁阻式随机存取存储器结构100包含一介电层10，介电层10上设置有多个磁阻式随机存取存储器排列成一列，举例而言一第一磁阻式随机存取存储器m1、一第二磁阻式随机存取存储器m2和一第三磁阻式随机存取存储器m3由右至左排成一列并且设置在介电层10上，第二磁阻式随机存取存储器m2位于第一磁阻式随机存取存储器m1和第三磁阻式随机存取存储器m3之间，此外，第一磁阻式随机存取存储器m1设置于上述列中的最末位置，因此第一磁阻式随机存取存储器m1也是上述列中的最末磁阻式随机存取存储器。此外，一虚置磁阻式随机存取存储器dm设置于介电层10上并且位于第一磁阻式随机存取存储器m1的一侧。第一磁阻式随机存取存储器m1、第二磁阻式随机存取存储器m2、第三磁阻式随机存取存储器m3和虚置磁阻式随机存取存储器dm都分别由一上电极12、一磁性隧穿结14和一下电极15所组成。数个间隙18分别位于虚置磁阻式随机存取存储器dm和第一磁阻式随机存取存储器m1之间、第一磁阻式随机存取存储器m1和第二磁阻式随机存取存储器m2之间、第二磁阻式随机存取存储器m2和第三磁阻式随机存取存储
器m3之间。
51.此外，多个金属内连线结构36，分别电连接各个磁阻式随机存取存储器，详细来说金属内连线结构36包含金属内连线20和金属内连线34，金属内连线20设置于介电层10中，例如多个金属插塞分别接触并电连接第一磁阻式随机存取存储器m1的下电极15、第二磁阻式随机存取存储器m2的下电极15、第三磁阻式随机存取存储器m3的下电极15和虚置磁阻式随机存取存储器dm的下电极15。
52.多个金属内连线34各自接触并电连接第一磁阻式随机存取存储器m1的上电极12、第二磁阻式随机存取存储器m2的上电极12、第三磁阻式随机存取存储器m3的上电极12，值得注意的是：虚置磁阻式随机存取存储器dm的上电极12上没有金属内连线34。
53.如图8所示一第一压缩应力层22环绕并接触第一磁阻式随机存取存储器m1的磁性隧穿结14的全部侧壁、第二磁阻式随机存取存储器m2的磁性隧穿结14的全部侧壁、第三磁阻式随机存取存储器m3的磁性隧穿结14的全部侧壁和虚置磁阻式随机存取存储器dm的磁性隧穿结14的全部侧壁，此时第一磁阻式随机存取存储器m1的顶表面可以不被第一压缩应力层22覆盖，同样地第二磁阻式随机存取存储器m2的顶表面、第三磁阻式随机存取存储器m3的顶表面和虚置磁阻式随机存取存储器dm的顶表面也可以不被第一压缩应力层22覆盖。另外间隙18的底部也可以不被第一压缩应力层22覆盖。
54.根据本发明的另一优选实施例，如图7所示，第一压缩应力层22除了如图8中环绕磁性隧穿结14的全部侧壁之外，也覆盖了间隙18的底部。
55.根据本发明的又一优选实施例，请再度参阅图6，除了如图7中覆盖环绕磁性隧穿结14的全部侧壁和间隙18的底部之外，第一压缩应力层22也可以覆盖第一磁阻式随机存取存储器m1的顶表面、第二磁阻式随机存取存储器m2的顶表面、第三磁阻式随机存取存储器m3的顶表面和虚置磁阻式随机存取存储器dm的顶表面。
56.请继续参阅图6，数个伸张应力材料块26分别设置于各个间隙18中，伸张应力材料块26的伸张应力可以降低或抵消第一压缩应力层22对磁性隧穿结14侧壁上的压缩应力，防止磁性隧穿结14侧壁的变形问题。第一压缩应力层22覆盖伸张应力材料块26的底部。伸张应力材料块26中的伸张应力的绝对值和第一压缩应力层22的压缩应力的绝对值相同、或其差值小于一预定比例值，此预定比例将视磁性隧穿结14中的金属材料的抗形变能力而定。举例而言，若第一压缩应力层22应力值为-100mpa，伸张应力材料块26的应力值可为70至130mpa，其差值小于30％。依磁性隧穿结14、上电极12及下电极15中的金属材料抗形变能力而异，差值可介于0％至50％之间。根据本发明之优选实施例，在第一压缩应力层22和伸张应力材料块26的应力彼此中和的情况下，磁性隧穿结14的侧壁没有因应力造成形变。
57.一第二压缩应力层28覆盖各个间隙18的开口并且接触各个伸张应力材料块26。第二压缩应力层28的厚度较佳不大于第一压缩应力层22的厚度。第一压缩应力层22的厚度较佳不小于50埃，第二压缩应力层28的厚度较佳为10埃。第一压缩应力层22、第二压缩应力层28和伸张应力材料块26的材料可以包含氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或是其它绝缘材料，根据本发明的一优选实施例，伸张应力材料块26为氧化硅，第一压缩应力层22和第二压缩应力层28都是氮化硅。
58.请参阅图9，图9为根据本发明的另一优选实施例所绘示的一种磁阻式随机存取存储器结构，其中具有相同功能和位置的元件将使用和图6中相同的标号。图9的磁阻式随机
存取存储器结构和图6中的磁阻式随机存取存储器结构的差异仅在于第一压缩应力层22没有覆盖第一磁阻式随机存取存储器m1的顶表面、第二磁阻式随机存取存储器m2的顶表面、第三磁阻式随机存取存储器m3的顶表面和虚置磁阻式随机存取存储器dm的顶表面，其余元件的位置和材料都相同，在此不再赘述。
59.请参阅图10，图10为根据本发明的又一优选实施例所绘示的一种磁阻式随机存取存储器结构，其中具有相同功能和位置的元件将使用和图6中相同的标号。图10的磁阻式随机存取存储器结构和图6中的磁阻式随机存取存储器结构之差异仅在于第一压缩应力层22只环绕磁性隧穿结14的全部侧壁，其余元件的位置和材料都相同，在此不再赘述。
60.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。