專利名稱：包括均勻厚度隧道膜的磁隨機存取存儲器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體存儲器件及其制造方法，更確切的說，涉及一種磁隨機存取存儲器及其制造方法。
背景技術(shù)：
磁隨機存取存儲器(magnetic random access memory，MRAM)是利用磁性隧道結(jié)(magnetic tunneling junction，MTJ)單元的電阻根據(jù)MTJ單元磁化方向而變化的特性來讀寫數(shù)據(jù)的存儲器件。
MRAM如動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)一樣是高度集成的，能象靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)一樣高速操作。并且，在沒有刷新時，象快閃存儲器件一樣長時間保存數(shù)據(jù)。也就是說，MRAM具備非易失性和易失性存儲器件的優(yōu)點。
常規(guī)上，MRAM由晶體管T和電連接到晶體管的MTJ層構(gòu)成。晶體管T執(zhí)行轉(zhuǎn)換作用，而數(shù)據(jù)(也就是“0”和“1”)被記錄在MTJ層。
更確切的說，參見圖1，常規(guī)的MRAM在襯底10上具有包含柵電極的柵極疊層12。在柵極疊層12的相對側(cè)的襯底10中形成源極區(qū)和漏極區(qū)14和16。形成在襯底10上的柵極疊層12以及源極和漏極區(qū)14和16構(gòu)成晶體管T。形成于襯底10上的場氧化物膜11將晶體管T與相鄰的晶體管(未示出)分開。在襯底10上形成覆蓋晶體管T和場氧化物膜11的層間絕緣層18。層間絕緣層18中在柵極疊層12上方形成數(shù)據(jù)線20。平行于柵極疊層12的數(shù)據(jù)線20與柵極疊層12分開。層間絕緣層18中形成暴露源極區(qū)14的接觸孔22。接觸孔22由導(dǎo)電插塞24填充。在層間絕緣層18上形成與導(dǎo)電插塞24的上表面接觸的襯墊導(dǎo)電層26。襯墊導(dǎo)電層26形成在數(shù)據(jù)線20之上。MTJ層S形成在襯墊導(dǎo)電層26上并在數(shù)據(jù)線20的正上方。第二層間絕緣層28形成為覆蓋MTJ層S和襯墊導(dǎo)電層26。在第二層間絕緣層28中形成通孔30用以暴露MTJ層S。形成在第二層間絕緣層28上的位線32垂直于柵極疊層12和數(shù)據(jù)線20，并且通過通孔30接觸到MTJ層S。
圖2是圖1的MRAM中MTJ層S的結(jié)構(gòu)圖。參見圖2，常規(guī)MRAM中的MTJ層S包括在襯墊導(dǎo)電層26上順序堆疊的下層磁膜S1、S2和S3，隧道膜S4，以及上層磁膜S5和S6。下層磁膜S1、S2和S3是下層電極S1、釘扎磁膜S2和被釘扎磁膜S3。隧道膜S4是氧化鋁膜。使用等離子體氧化方法、UV氧化方法、自然氧化法和臭氧氧化法中的一種，將形成于被釘扎磁膜S3上的鋁膜氧化來形成該氧化鋁膜。上層磁膜S5和S6是自由鐵磁膜S5和覆蓋膜S6。
上述的常規(guī)MRAM有以下缺點。第一，如圖2所示，形成下層電極S1時出現(xiàn)的晶界34傾向于經(jīng)過釘扎磁膜S2和被釘扎磁膜S3延伸到隧道膜S4。如果晶界34穿過被釘扎磁膜S3，在形成隧道膜S4的氧化過程中，氧沿著晶界34擴散到被釘扎磁膜S3并氧化被釘扎磁膜S3的相鄰區(qū)域。這將導(dǎo)致在接觸晶界34的區(qū)域和不接觸晶界34的區(qū)域之間造成隧道膜S4厚度的不同。
圖3是該結(jié)果實施例的隧道電極顯微鏡(TEM)圖像。圖3中，下層電極S1由鉭/釕形成，釘扎磁膜S2由IrMn形成，被釘扎磁膜S3由合成人造鐵磁體(synthetic artificial ferromagnetic，SAF)形成。隧道膜S4是厚度為15的氧化鋁膜，自由鐵磁膜S5由CoFe形成。從圖3中明顯看出，遇到晶界34的隧道膜S4的厚度t2比沒有遇到晶界34的隧道膜S4的厚度t1要厚。
如果隧道膜S4的厚度不均勻，薄區(qū)域會引起脆弱點。當在隧道膜S4中存在脆弱點時，電流會集中于脆弱點，這樣會大大降低隧道膜S4的絕緣擊穿電壓。而且，轉(zhuǎn)換的一致性降低，單元電阻和MR也會降低。而且，因為晶界34的分布在單元和單元間通常不同，所以脆弱點的分布在單元和單元間的分布也是不同的。因此，每個單元可具有不同的電阻。所以，單元間電阻和MR的偏差增大。
常規(guī)MRAM的第二個缺點是隧道膜S4不平坦。為簡單起見，圖2中描繪的隧道膜S4是平的，但實際上，隧道膜S4是不平的，如圖4所示。也就是說，下層電極S1中形成的波浪性表面?zhèn)魉偷结斣拍2、被釘扎磁膜S3，以及最后的隧道膜S4。因此，隧道膜S4如下層電極S1一樣有相同的波形。當隧道膜S4有波浪形表面時，由于在被釘扎磁膜S3和自由鐵磁膜S5之間的尼爾耦合(Neel coupling)，極大的變換了用于轉(zhuǎn)換鐵磁膜S5的轉(zhuǎn)換場。當記錄或讀數(shù)據(jù)時，該問題會引起錯誤。
圖4顯示了當在隧道膜S4上出現(xiàn)有幅度為h，頻率為λ的波時，由尼爾耦合引起的問題。在圖4，符號tF代表在隧道膜S4上堆疊的自由鐵磁膜S5的厚度，tS代表隧道膜S4的厚度。同時，HM代表轉(zhuǎn)換自由鐵磁膜S5的磁場(switching magnetic field，轉(zhuǎn)換磁場)，HN代表由因為隧道膜S4波浪的尼爾耦合產(chǎn)生的并在轉(zhuǎn)換磁場中引起變換的磁場(shift magnetic field，變換磁場)。轉(zhuǎn)換磁場HM的變換程度根據(jù)變換磁場HN的幅度變化。
因為Neel耦合的變換磁場HN可以表達如下[公式1]HN=π2h22λtFMPexp(-2π2tS/λ)]]>因為變換磁場HN的存在，耦合能量密度JN可以表述如下[公式2]JN=π2h22λMFMPexp(-2π2tS/λ)]]>參考數(shù)學公式1和2，隧道膜S4的波長λ越短，變換磁場HN和耦合能量密度JN越大。相反的，波長λ越長，變換磁場HN和耦合能量密度JN越小。
在常規(guī)的MTJ層中，因為隧道膜S4不平整，在自由鐵磁膜S5中的變換磁場HN增加了自由鐵磁膜S5的矯頑磁性，并使得轉(zhuǎn)換自由鐵磁膜S5的磁場改變了變換磁場HN的幅度那樣大。這將導(dǎo)致MTJ層記錄或讀數(shù)據(jù)的錯誤，因此，降低常規(guī)MRAM器件的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有平整、均勻厚度隧道膜的MTJ層的MRAM。本發(fā)明還提供了制造該MRAM的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種具有包括一個晶體管和連接到晶體管的MTJ層的單元的MRAM，其中，MTJ層包括下層電極，下層磁膜，具有均勻厚度、無波的隧道膜，以及上層磁膜，其中下層電極包括第一下層電極和無定形的第二下層電極。
第一下層電極可以是具有平整表面的金屬電極和金屬化合物電極中的一種。第二下層電極可以是無定形金屬電極和無定形金屬化合物電極之一。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種具有包括一個晶體管和連接到晶體管的MTJ層的單元的MRAM，其中，MTJ層包括下層電極、平整膜、下層磁膜、隧道膜、和上層磁膜。
下層電極可以是具有平整表面的金屬電極和金屬化合物電極中的一種。平整膜可以是無定形的金屬電極和無定形的金屬化合物電極中的一種。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種制造MRAM的方法，MRAM中的存儲單元包括晶體管和連接到晶體管的MTJ層，該方法包括順序地在連接到晶體管的襯墊層上形成第一下層電極和無定形第二下層電極，在第二下層電極上形成下層磁膜，在下層磁膜上形成無波、均勻厚度的隧道膜，在隧道膜上形成上層磁膜，以及通過以相反順序蝕刻材料膜，以預(yù)定的圖案將堆疊在襯墊層上的材料膜構(gòu)圖。
在第二下層電極形成之前，可使第一下層電極的表面變平。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種制造MRAM的方法，MRAM中的存儲單元包括晶體管和連接到晶體管的MTJ層，該方法包括在連接到晶體管的襯墊層上形成下層電極，在下層電極上形成平整膜，在平整膜上形成下層磁膜，在下層磁膜上形成無波、均勻厚度的隧道膜，在隧道膜上形成上層磁膜，以及通過以相反順序蝕刻被堆疊膜，以預(yù)定的圖案對形成在襯墊層上的材料膜構(gòu)圖。
在根據(jù)本發(fā)明的MRAM中，因為隧道膜無波并具有均勻厚度，會減少單元間的電阻偏差，增加單元電阻和MR，并增加絕緣擊穿電壓。并且，因為可以減少由Neel耦合引起的變換磁場HN，將減少自由鐵磁膜的磁場變換和自由鐵磁膜的矯頑磁力。因此，可以更可靠地記錄和讀取數(shù)據(jù)。


通過參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的上述和其它特點和優(yōu)點將會變得更加明顯，其中圖1是常規(guī)MRAM的剖視圖；。
圖2是圖1中所示的MRAM的MTJ(磁隧道結(jié))層的剖視圖；圖3是圖2中所示的MTJ層的TEM圖像；。
圖4是表示由圖2所示的MTJ層的隧道氧化膜中的波引起的NeeL耦合的示意圖；。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的MTJ層的剖視圖；。
圖6是圖5中所示的部分MTJ層的TEM圖像；。
圖7是含有MTJ層的常規(guī)MRAM和根據(jù)本發(fā)明實施例含有MTJ層的三種不同MRAM的電阻特性-磁場的曲線圖；。
圖8是含有MTJ層的常規(guī)MRAM和根據(jù)本發(fā)明實施例含有MTJ層的三種不同MRAM的MR特性-磁場的曲線圖；。
圖9是含有MTJ層的常規(guī)MRAM和根據(jù)本發(fā)明實施例含有MTJ層的三種不同MRAM的絕緣擊穿電壓的曲線圖；。
圖10是含有MTJ層的常規(guī)MRAM的電阻偏差曲線圖；。
圖11和12是根據(jù)本發(fā)明實施例，含有MTJ層的兩種不同MRAM的電阻偏差曲線圖；。
圖13和14是根據(jù)本發(fā)明，形成MRAM方法的第一實施例的步驟的剖視圖；以及圖15至17是根據(jù)本發(fā)明，形成MRAM方法的第二實施例的步驟的剖視圖。
具體實施例方式
以下，參考附圖，根據(jù)本發(fā)明的磁隨機存取存儲器(MRAM)及其制造方法的優(yōu)選實施例將會得到更充分的描述。在附圖中，為清楚起見，會夸大膜的厚度和區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明實施例的MRAM中，磁隧道結(jié)(MTJ)層具有新穎性、創(chuàng)造性的結(jié)構(gòu)，而MRAM的其它部分具有常規(guī)結(jié)構(gòu)。因此，重點會放在描述MTJ層上。
參考圖5，在導(dǎo)電襯墊層40上形成的MTJ層包括順序堆疊的下層電極(種子膜)42a，平整膜42b，釘扎鐵磁層42c，被釘扎鐵磁層42d，具有均勻厚度、無波的隧道膜42e，自由鐵磁膜42f，和覆蓋膜42g。導(dǎo)電襯墊層40連接到MOSFET(未示出)的源極，MOSFET是轉(zhuǎn)換裝置。
下層電極42a由一層或兩層金屬膜形成，該金屬諸如鉭(Ta)、鈦(Ti)、或鉭/釕(Ta/Ru)。可替代的是，下層電極42a可以由金屬化合物形成，諸如氮化鈦(TiN)或鈦/氮化鈦(Ti/TiN)。當下層電極42a由金屬化合物形成時，電極的表面是很平整的。
平整膜42b防止堆疊在下層電極42a上的層采用下層電極42a的波形。在下層電極42a上形成的波的大小從平整膜42b的底部到平整膜42b的表面越變越小，最后，平整膜42b的表面是平整無波的。因此，順序堆疊在平整膜42b上的釘扎鐵磁膜42c和被釘扎鐵磁膜42d的表面變得平整。因為隧道膜42e在被釘扎鐵磁膜42d的平整表面上形成，隧道膜42e是平整無波并具有均勻厚度的。平整膜42b可以是無定形金屬膜，無定形金屬化合物膜，諸如CoZrNb膜(CZN膜)，或無定形RE-TM化合物膜，諸如CoTb膜、CoFeTb膜、或CoZr膜。
而且，因為平整膜42b由細小晶粒形成，其阻止晶界34延伸到堆疊在平整膜42b上的各層，晶界34是在形成圖2描述的下層電極42a時形成的。
由于平整膜42b，隧道膜42e無波并具有均勻厚度。隧道膜42e可以由氧化鋁膜(AlOX)，氧化鋁鉿膜(AlxHf1-xOy)，氧化鎂膜(MgO)，氧化釔膜(YOX)和氟化鈣膜(CaFx)中的一種形成。
同時，下層電極42a和平整膜42b可以整合成一個電極。在這種情況下，下層電極42a成為第一下層電極，平整膜42b成為第二下層電極。釘扎鐵磁膜42c和被釘扎鐵磁膜42d可以整合成下層磁膜，自由鐵磁膜42f和覆蓋膜42g可以整合成上層磁膜。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例，含有圖5描繪的MTJ層的隧道膜42e的部分材料膜的TEM圖像。參見圖6，可以看出，隧道膜42e所有地方都是無波、均勻厚度的。
參見數(shù)學公式1和2，可以看出，波長λ越大，變換磁場HN和耦合能量密度JN越小。而且，當隧道膜42e無波并具有均勻厚度，即波長λ為無限大時，變換磁場HN和耦合能量密度JN為0。如圖6所示，本發(fā)明的MTJ層的隧道膜42e無波。因此，數(shù)學公式1和2中的波長λ設(shè)置為無限大，表明由于本發(fā)明中MTJ層42e的Neel耦合引起的變換磁場HN和耦合能量密度JN可以被忽略。
圖7表示常規(guī)MRAM和根據(jù)本發(fā)明實施例的三種不同MRAM的電阻特性。在圖7中，符號■代表當MTJ層的下層電極、釘扎磁膜、和被釘扎磁膜分別由Ta/Ru、IrMn和SAF形成時，常規(guī)MRAM的電阻特性。符號●代表根據(jù)本發(fā)明實施例，當MTJ層的下層電極、平整膜、釘扎鐵磁膜、和被釘扎鐵磁膜分別由Ta/Ru、CZN、IrMn和SAF形成時，MRAM的電阻特性(此后稱為第一電阻特性)。同樣，符號代表根據(jù)本發(fā)明實施例，當MTJ層的下層電極、平整膜、釘扎鐵磁膜、和被釘扎鐵磁膜分別由Ta、CZN(38)、IrMn和SAF形成時，MRAM的電阻特性(此后稱為第二電阻特性)。最后，符號▲代表根據(jù)本發(fā)明實施例，當MTJ層的下層電極、平整膜、釘扎鐵磁膜、和被釘扎鐵磁膜分別由Ta、CZN(14)、IrMn和SAF形成時，MRAM的電阻特性(此后稱為第三電阻特性)。
參見圖7，可以看出，第一到第三電阻特性的電阻特性優(yōu)越于常規(guī)MRAM的電阻特性。而且，可以看出，電阻特性-磁場從第一電阻特性到第三電阻特性越來越好。
圖8表示常規(guī)MRAM和根據(jù)本發(fā)明實施例的三種不同MRAM的MR特性。可從圖8中看出，根據(jù)本發(fā)明MRAM的MR特性(●、▲和)比常規(guī)MRAM的MR特性(■)優(yōu)越。也就是說，本發(fā)明MRAM的MR比常規(guī)MRAM大得多。在圖8中，符號■代表當MTJ層的下層電極、釘扎鐵磁膜、和被釘扎鐵磁膜分別由Ta/Ru膜、IrMn膜和SAF膜形成時的常規(guī)MRAM。符號●代表根據(jù)本發(fā)明實施例，當MTJ層的下層電極、平整膜、釘扎鐵磁膜、被釘扎鐵磁膜分別由Ta/Ru、CZN、IrMn和SAF形成時的MRAM。符號代表根據(jù)本發(fā)明實施例，當MTJ層的下層電極、平整膜、釘扎鐵磁膜、被釘扎鐵磁膜分別由Ta、CZN(38)、IrMn和SAF形成時的MRAM。最后，符號▲代表根據(jù)本發(fā)明實施例，當MTJ層的下層電極、平整膜、釘扎鐵磁膜、和被釘扎鐵磁膜分別由Ta、CZN(14)、IrMn和SAF形成時的MRAM。
圖9表示了含有MTJ層的常規(guī)MRAM和根據(jù)本發(fā)明實施例含有MTJ層的三種不同MRAM的絕緣擊穿電壓。在圖9中，BE1代表下層電極由Ta/Ru形成的常規(guī)MRAM。BE2代表根據(jù)本發(fā)明實施例，當下層電極由Ta/Ru/CZN(14)形成時的MRAM(此后稱為第一絕緣擊穿電壓)。BE3代表根據(jù)本發(fā)明實施例，當下層電極由Ta/CZN(14)形成時的MRAM(此后稱為第二絕緣擊穿電壓)。BE4代表根據(jù)本發(fā)明實施例，當下層電極由Ta/CZN(38)形成時的MRAM(此后稱為第三絕緣擊穿電壓)。
參見圖9，可以看出，根據(jù)常規(guī)技術(shù)的絕緣擊穿電壓BE1是1.4V，而第一絕緣擊穿電壓BE2是1.5V，該電壓略高于常規(guī)MRAM。也可以看出，第二絕緣擊穿電壓BE3是1.7～1.8V，該電壓比常規(guī)技術(shù)的BE1高得多，第三絕緣擊穿電壓BE4是1.5～1.8V。所有情況下，本發(fā)明的MRAM的絕緣擊穿電壓都要高于常規(guī)MRAM的絕緣擊穿電壓。
圖10表示當下層電極由Ta/Ru形成時，常規(guī)MRAM間的電阻偏差。圖11表示當下層電極由Ta/CZN形成時，根據(jù)本發(fā)明實施例形成的MRAM之間的電阻偏差(此后稱為第一電阻偏差)。圖12表示當下層電極由平整過的TiN和CZN形成時，根據(jù)本發(fā)明實施例形成的MRAM之間的電阻偏差(此后稱為第二電阻偏差)。表1總結(jié)了圖10到11繪制的電阻偏差數(shù)據(jù)。
表1


參見表1，可以看出，第二電阻偏差(9.86)高于常規(guī)MRAM的電阻偏差。然而，相關(guān)于第二電阻偏差的平均電阻值(217.57)的幅度要比常規(guī)MRAM的平均電阻值(66.56)大的多。
因此，考慮本發(fā)明MRAM的STD/R的比率和常規(guī)MRAM的STD/R的比率要比比較本發(fā)明MRAM的STD和常規(guī)MRAM的STD更為可取。
可以看出，電阻偏差(8.00)與常規(guī)MRAM的一般電阻值(66.56)的比率為0.12，而第二電阻偏差(9.86)與本發(fā)明的平均電阻值(217.57)的比率僅為0.05。同時，第一電阻偏差(6.98)與本發(fā)明的平均電阻值(115.48)的比率為0.06。這些結(jié)果顯示，根據(jù)本發(fā)明的MRAM間的電阻偏差比常規(guī)MRAM的電阻偏差要低得多。
表2總結(jié)了根據(jù)常規(guī)技術(shù)和本發(fā)明實施例的MRAM的MR偏差數(shù)據(jù)。


參見表2，可以看出，本發(fā)明的MRAM間的平均MR值要大于常規(guī)MRAM間的平均MR值。然而，本發(fā)明MRAM間的標準偏差和標準偏差與平均MR的比值比常規(guī)的MRAM都小。從這些結(jié)果，可以說，根據(jù)本發(fā)明的MRAM的MR相關(guān)特性大大優(yōu)越于常規(guī)技術(shù)的MR相關(guān)特性。
現(xiàn)在，將描述具有圖5中所示的根據(jù)本發(fā)明的MTJ層的MRAM的制造方法。在MTJ層形成之前，本發(fā)明的MRAM可以按照常規(guī)方法形成。因此，以下的描述將從連接到MOSFET的導(dǎo)電襯墊層上的MTJ層的形成開始。
<第一實施例>
參見圖13，在連接到MOSFET源極區(qū)的導(dǎo)電襯墊層40上形成下層電極42a。下層電極42a由單膜或堆疊的雙膜構(gòu)成的金屬電極形成。當下層電極42a由單膜形成時，優(yōu)選是由例如鉭的金屬形成，但也可由其它金屬形成。當下層電極42a由雙膜形成時，最好是由諸如鉭/釕的金屬形成，但也可由其它金屬形成。在下層電極42a上以預(yù)定的厚度形成平整膜42b。平整膜42b可用作下層電極的一部分。在這種情況下，下層電極42a成為第一下層電極，平整膜42b成為第二下層電極。平整膜42b可以由無定形金屬或從CZN、CoTb、CoFeTb、和CoZr選出的無定形RE-TM化合物形成。平整膜42b由細小晶粒形成。因此，當在下層電極42a上形成平整膜42b時，下層電極42a的晶界就不會延伸進入上面各層。共同構(gòu)成下層磁膜的釘扎鐵磁膜42c和被釘扎鐵磁膜42d在平整膜42b上順序形成。釘扎鐵磁膜42c由諸如IrMn膜的化合物磁膜形成。被釘扎鐵磁膜42d由SAF膜形成。由釘扎鐵磁膜42c和被釘扎鐵磁膜42d組成的下層磁膜可以通過將IrMn膜、CoFe膜、Ru膜、和CoFe膜順序堆疊形成。
接下來，以預(yù)定的厚度在被釘扎鐵磁膜42d上形成隧道膜42e。因為平整膜42b，下層電極42a的波不會影響上面各層的形狀，下層電極42a的晶界也不會侵入上面各層。因此，在隧道膜42e的所有區(qū)域，都可形成具有一致的厚度，無波或脆弱點的隧道膜42e。隧道膜42e可以是氧化鋁膜(AlOX)，但也可以是氧化鋁鉿膜(AlxHf1-xOy)，氧化鎂膜(MgO)，氧化釔(YOX)膜和氟化鈣膜(CaFx)中的一種。自由鐵磁膜42f和覆蓋膜42g在隧道膜42e上順序形成。自由鐵磁膜42f可以是從由CoFe、以及CoFe和NiFe組成的組中選出的由含鐵(Fe)化合物形成的雙膜。覆蓋膜42g可以由釕(Ru)膜形成，或者也可以由其它金屬膜或金屬化合物膜形成。在覆蓋膜42g上形成第一感光膜PR1。第一感光膜PR1定義了形成根據(jù)本發(fā)明MTJ層的區(qū)域。
使用第一感光膜PR1作為蝕刻掩模對覆蓋膜42g的露出部分進行蝕刻。蝕刻一直進行到露出襯墊層40。然后，通過灰化和剝離去除第一感光膜PR1。此后，執(zhí)行清洗和干燥過程。最后，如圖14所描述，根據(jù)本發(fā)明實施例的MTJ層42在導(dǎo)電襯墊層40上形成了。
<第二實施例>
在第二實施例中，與第一實施例重疊的工藝描述將不再重復(fù)。
參見圖15，在導(dǎo)電襯墊層40上形成下層電極60。下層電極60可以由金屬化合物電極形成，諸如氮化鈦(TiN)電極。之后，平整下層電極60的表面。為平整下層電極60的表面，優(yōu)選的是使用化學機械拋光方法，但也可以使用其它平整方法。
將下層電極60的表面平整之后，如圖16所示，在下層電極60上形成平整膜42b。然后，順序形成釘扎和被釘扎鐵磁膜42c和42d，隧道膜42e，自由鐵磁膜42f，和覆蓋膜42g。接著，在覆蓋膜42g上形成第二感光膜PR2。接著，使用第二感光膜PR2作為蝕刻掩模對堆疊的各膜進行順序蝕刻直到露出襯墊層40。在去除第二感光膜PR2之后，執(zhí)行清洗和干燥工藝。
接著，在襯墊層40上就形成了MTJ層62，其包括由具有平整表面的金屬化合物形成的下層電極以及在下層電極上形成的平整膜。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的MRAM中，在下層電極(種子膜)上提供的平整膜防止下層電極上堆疊的膜具有下層電極的波形，并防止下層電極中形成的晶界延伸進入下層電極上堆疊的各層。因此，因為平整膜，可以在下層磁膜和上層磁膜之間形成無波或無脆弱點、具有均勻厚度的隧道膜。因此，在根據(jù)本發(fā)明的MRAM中，單元間的電阻偏差降低了，單元電阻、MR、RA(面積電阻)和絕緣擊穿電壓增加了。同時，因為由Neel耦合引起的變換磁場HN降低了，自由鐵磁膜磁場的變換和自由鐵磁膜的矯頑磁性也降低了。因此，數(shù)據(jù)讀/記錄的可靠性增加了。
雖然參考其優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了特別說明和描述，但本發(fā)明不應(yīng)構(gòu)造于這些實施例的限制中。本發(fā)明可以不同形式體現(xiàn)。例如，MTJ層的上層磁膜和下層磁膜可以以不同形式形成。同時，隧道膜可以被與氧化膜執(zhí)行相同功能的非氧化膜代替。同樣，在氧化金屬膜以形成隧道膜時，可以開發(fā)防止金屬膜下的材料膜氧化的方法。而且，依靠形成下層電極的材料，平整膜的材料并不必是無定形的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求和等效物定義。
權(quán)利要求
1.一種具有包括晶體管和連接到該晶體管的磁性隧道結(jié)(MTJ)層的單元的磁隨機存取存儲器，其中所述MTJ層包括下層電極；下層磁膜；具有均勻厚度、無波的隧道膜；以及上層磁膜；其中所述下層電極包括第一下層電極和無定形第二下層電極。
2.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第一下層電極是具有平整表面的金屬電極和金屬化合物電極中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第二下層電極是無定形金屬電極和無定形金屬化合物電極中的一種。
4.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器，其中所述隧道膜是由氧化鋁(AlOX)膜，氧化鋁鉿(AlxHf1-xOy)膜，氧化鎂(MgO)膜，氧化釔(YOX)膜，和氟化鈣(CaFx)膜構(gòu)成的組中選出的一種。
5.如權(quán)利要求3所述的磁隨機存取存儲器，其中所述無定形金屬化合物電極是無定形RE-TM化合物電極。
6.一種具有包括晶體管和連接到該晶體管的MTJ層的單元的磁隨機存取存儲器，其中所述MTJ層包括下層電極；平整膜；下層磁膜；具有均勻厚度、無波的隧道膜；以及上層磁膜。
7.如權(quán)利要求6所述的磁隨機存取存儲器，其中所述下層電極是具有平整表面的金屬電極和金屬化合物電極中的一種。
8.如權(quán)利要求6所述的磁隨機存取存儲器，其中所述平整膜是無定形金屬電極和無定形金屬化合物電極中的一種。
9.如權(quán)利要求8所述的磁隨機存取存儲器，其中所述無定形金屬化合物電極是無定形RE-TM化合物電極。
10.如權(quán)利要求6所述的磁隨機存取存儲器，其中所述隧道膜是由氧化鋁(AlOX)膜，氧化鋁鉿(AlxHf1-xOy)膜，氧化鎂(MgO)膜，氧化釔(YOX)膜，和氟化鈣(CaFx)膜構(gòu)成的組中選出的一種。
11.一種制造磁隨機存取存儲器的方法，該磁隨機存取存儲器具有包括晶體管和連接到該晶體管的MTJ層的單元，該方法包括在連接到該晶體管的襯墊層上順序形成第一下層電極和無定形第二下層電極；在所述第二下層電極上形成下層磁膜；在所述下層磁膜上形成無波、均勻厚度的隧道膜；在所述隧道膜上形成上層磁膜；以及通過以相反順序蝕刻所述堆疊的膜，以預(yù)定的圖案對堆疊在所述襯墊層上的膜構(gòu)圖。
12.如權(quán)利要求11所述的制造磁隨機存取存儲器的方法，其中，所述第二下層電極是無定形金屬膜和無定形金屬化合物膜中的一種。
13.如權(quán)利要求12所述的制造磁隨機存取存儲器的方法，其中，所述無定形金屬化合物膜是無定形RE-TM化合物膜。
14.如權(quán)利要求11所述的制造磁隨機存取存儲器的方法，其中，所述隧道膜是由氧化鋁(AlOX)膜，氧化鋁鉿(AlxHf1-xOy)膜，氧化鎂(MgO)膜，氧化釔(YOX)膜，和氟化鈣(CaFx)膜構(gòu)成的組中選出的一種。
15.如權(quán)利要求11所述的制造磁隨機存取存儲器的方法，其中，在形成所述第二下層電極之前，將所述第一下層電極的表面平整化。
16.一種制造磁隨機存取存儲器的方法，該磁隨機存取存儲器具有包括晶體管和連接到該晶體管的MTJ層的單元，該方法包括在連接到所述晶體管的襯墊層上形成下層電極；在所述下層電極上形成平整膜；在所述平整膜上形成下層磁膜；在所述下層磁膜上形成無波、均勻厚度的隧道膜；在所述隧道膜上形成上層磁膜；以及通過以相反順序蝕刻所述堆疊的膜，以預(yù)定的圖案對堆疊在所述襯墊層上的膜構(gòu)圖。
17.如權(quán)利要求16所述的制造磁隨機存取存儲器的方法，其中，所述平整膜是無定形金屬膜和無定形金屬化合物膜中的一種。
18.如權(quán)利要求16所述的制造磁隨機存取存儲器的方法，其中，所述無定形金屬化合物膜是無定形RE-TM化合物膜。
19.如權(quán)利要求16所述的制造磁隨機存取存儲器的方法，其中，所述隧道膜是由氧化鋁(AlOX)膜，氧化鋁鉿(AlxHf1-xOy)膜，氧化鎂(MgO)膜，氧化釔(YOX)膜，和氟化鈣(CaFx)膜構(gòu)成的組中選出的一種。
全文摘要
提供一種磁隨機存取存儲器(MRAM)和制造該MRAM的方法，該MRAM具有包括晶體管和連接到晶體管的MTJ層的單元，該MTJ層具有均勻厚度的隧道膜。MTJ層包括下層電極；下層磁膜；具有均勻厚度、無波的隧道膜；以及上層磁膜，并且下層電極包括第一下層電極和無定形第二下層電極。在下層電極和下層磁膜之間還可以形成無定形平整膜。
文檔編號H01L21/8246GK1607607SQ200410095199
公開日2005年4月20日 申請日期2004年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月26日
發(fā)明者樸祥珍, 金泰完 申請人:三星電子株式會社