СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ФИКСИРОВАННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАВЕДЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В МАГНИТНОЙ СТРУКТУРЕ, ФОРМИРУЕМОЙ В ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЕ, И ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ МАГНИТНУЮ СТРУКТУРУ
METHOD OF FORMING A FIXED DISTRIBUTION OF INDUCED MAGNETIC FIELD IN A MAGNETIC STRUCTURE FORMED IN AN INTEGRATED CIRCUIT, AND AN INTEGRATED CIRCUIT COMPRISING A MAGNETIC STRUCTURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к электротехнике, в частности к области производства полупроводниковых интегральных схем (ИС), применяемых при создании магнитных ячеек, таких как, например, ячейки магниторезистивной памяти (MRAM) и магнитных сенсоров, работающих на основе эффекта туннельного магнитосопротивления (TMR).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известны решения, направленные на формирование дополнительного барьерного слоя в дамасском процессе изготовления медной металлизации в ИС, при котором используют выборочное травление медной разводки в межуровневом диэлектрике ИС с последующим заполнением образованных углублений металлическим материалом (патент US 7190079 B2, IBM, 13.03.2007).
Известное решение устраняет проблему диффузии меди в верхние диэлектрические слои путем формирования замкнутого контура обкладки медного проводника, в частности за счет формирования медных линий методом одинарного или двойного дамасского процесса, где медный проводник ограничивается снизу и с боков барьерным слоем, преимущественно из Ta/TaN или Ti/TiN, и затем, методом химического травления меди, формируются  углубления в меди, которые в последствии заполняются барьерным металлическим слоем, замыкая обкладку медной линий со всех сторон в ИС.
Заявленное изобретение заключается в том, что используя подход, описанный в патенте US 7190079 B2, можно формировать магнитный слой с заданной анизотропией формы, встроенный в медную металлизацию, который будет создавать фиксированное распределение наведенного магнитного поля в области ячейки памяти MRAM или ячейки магнитных сенсоров, работающих на основе эффекта туннельного магнитосопротивления. Это поле предлагается использовать для балансировки свободного слоя в случае, если вектор постоянного магнитного потока направлен вдоль оси легкого намагничивания (англ. easy axis) свободного слоя, и в случае его перпендикулярного направления по отношению к оси легкого намагничивания - снижение затрат энергии на перемагничивание свободного слоя.
Известный принцип из указанного выше изобретения предлагается использовать и для немагнитных структур, формируемых в интегральной схеме. Например, формирование фиксированного распределения наведенного магнитного поля в области токовых линии в ИС.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Перемагничивание ферромагнетика заключается в изменении его намагниченности на противоположную. Это достигается изменением величины и направления магнитного поля, в котором он находится. Намагниченность, которая остается у ферромагнетика, если, предварительно его намагнитив до насыщения, выключить магнитное поле, называют остаточной намагниченностью. (Козлов В.И. Магнитная индукция в ферромагнетиках // МГУ. Москва. 2005.)
Для решения технической проблемы, заключающейся в сохранении остаточной намагниченности в свободном слое (ферромагнетике) заявленное изобретение позволяет сформировать постоянные внешние магнитные потоки, направленные на магнитную ячейку, чтобы сбалансировать свободный слой ячейки и предотвратить его спонтанное перемагничивание. Настоящее изобретение также позволяет снизить затраты энергии на перемагничивание свободного слоя ячейки, путем создания дополнительного постоянного магнитного поля вдоль оси сложного намагничивания (англ. hard axis).
Техническим результатом является формирование постоянного распределения магнитного поля в свободном слое в магнитной ячейке, за счет создания постоянных магнитов вблизи ячейки, которые формируют дополнительные магнитные поля. Это может использоваться как для балансировки свободного слоя ячейки (смещение полей переключения), так и для снижения затрачиваемой энергии при переключении ячейки, за счет меньшего спинового вращательного момента, который позволяет облегчить перемагничивание свободного слоя ячейки.
Заявленное изобретение осуществляется за счет выполнения способа формирования дополнительного постоянного магнитного поля для ячейки магнитного элемента, расположенного в ИС, включающего в себя следующие этапы:
- формирование траншей в межуровневом диэлектрическом слое ИС, сформированном на подложке;
- заполнение медью сформированных траншей методом гальванического осаждения;
- формирование слоя медной разводки, утопленной внутрь диэлектрика подложки, путем удаления излишков слоя меди с поверхности диэлектрического слоя методом химико-механической полировки (ХМП) с формированием планарной поверхности подложки;
- формирование углублений в слое медной разводки с помощью избирательного травления слоя медной разводки жидкостным способом травления меди;
- заполнение сформированных углублений слоем магнитного материала методом вакуумного напыления с последующей ХМП, причем сформированный магнитный слой обеспечивает дополнительное постоянное магнитное поле, ориентированное на ячейку магнитного элемента.
В одном из частных вариантов осуществления способа магнитный слой наносится с помощью вакуумного напыления.
В другом частном варианте осуществления способа метод жидкостного травления меди осуществляется с применением кислотного раствора.
В другом частном варианте осуществления способа слой магнитного материала наносится толщиной от 10 нм до 2 мкм.
В другом частном варианте осуществления способа магнитный материал выбирается из группы: Co, NiFe, NiFeCo,  CoFe, CoFeB, CoFeTa, CoFeHf, CoFeNb, CoFeC, CoFeTaC.
В другом частном варианте осуществления способа магнитный элемент представляет собой ячейку магниторезистивной памяти в устройстве памяти MRAM или ячейку магнитного сенсора, работающего на основе эффекта туннельного магнитосопротивления (TMR).
Заявленное изобретение также реализуется с помощью интегральной схемы, выполненной с помощью вышеприведенного способа и содержащей магнитную структуру, выполненную в виде MRAM или магнитного сенсора, работающую на основе эффекта TMR.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует принцип формирование траншей в слое диэлектрике.
Фиг. 2 иллюстрирует способ выборочного травления меди.
Фиг. 3 – Фиг. 4 иллюстрируют способ заполнение траншей с вытравленным слоем меди магнитным материалом.
Фиг. 5 иллюстрирует ИС с магнитным элементом и направлением магнитных потоков.
Фиг. 6 иллюстрирует вид сверху сформированной ИС.
Фиг. 7 – Фиг. 8 иллюстрируют частные примеры выполнения конструкции ИС.
Фиг. 9 иллюстрирует пример изготовления ИС, с размещение магнитной ячейки на медной разводке.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 – Фиг. 4 представлен принцип формирования ИС (10) согласно предложенному изобретению. В межуровневом диэлектрическом уровне подложки (100) будущей ИС (10) формируются траншеи (101), которые в последствии заполняются слоем меди (102) для формирования разводки ИС (10). Слой меди (102) с поверхности диэлектрика (100) удаляется методом химико-механической полировки (ХМП), оставляя поверхность подложки (100) планарной. Медь остается в траншее диэлектрика (101) формируя слой металлической разводки (102), утопленный внутрь диэлектрика подложки (100).
Как показано на Фиг. 2 с помощью жидкостного способа травления меди, что позволяет избирательно травить медь (102) по отношению к диэлектрику (100), формируются углубления в траншеях (110). Такой метод может быть основан на использовании раствора, содержащего около 0,5 % об. уксусной кислоты и 0,3% об. перекиси водорода. Предварительно раствор готовится в ванне с растворением около 8–9 ч/млн (мг/л) Cu+2, а затем распыляется на пластину. Скорость травления меди составляет примерно от 300 до 1000 А/мин.
Согласно Фиг. 3 в образованный промежуток в траншеях (110) , заполненных медью (102), наносится слой магнитного материала (103). Слой магнитного материала (103) может наноситься с помощью вакуумного напыления (англ. PVD), данный способ обычно используется для нанесения тонких пленок металла. Но могут применяться и другие способы, например, гальваническое осаждение или атомно-слоевое осаждение.
Слой магнитного материала (103) осаждается по всей поверхности подложки (100), заполняя углубления в траншеях (110). Магнитный материал может выбираться из группы: Co, NiFe, NiFeCo,  CoFe, CoFeB, CoFeTa, CoFeHf, CoFeNb, CoFeC, CoFeTaC или любой другой пригодный тип многокомпонентных сплавов.
Как представлено на Фиг. 4 – Фиг. 5 далее выполняется этап химико-механической полировки, планаризующей поверхность. Поскольку слой магнитного материала (103) заполняет углубления в медной траншее (102), сформированной в межуровневом диэлектрике (110) подложки (100), то после проведения операции ХМП магнитного слоя, остатки этого слоя (103) остаются в углублениях меди, образуя внедренный слой толщиной от 10 нм до 2 мкм (толщина внедренного магнитного слоя определяется глубиной углубления 110).
Направление намагниченности магнитного материала (103) в каждой траншее (110) будет задаваться анизотропией формы магнитного слоя, который в свою очередь повторяет форму медной линии (фигуры) (102). Так как толщина магнитного слоя намного меньше его геометрических размеров, то вектор намагниченности будет лежать в плоскости, вдоль оси легкого намагничивания.
После этого осуществляется формирование магнитного элемента (104), выполняемого в виде ячейки памяти MRAM или ячейки магнитного сенсора на основе эффекта TMR. Способ формирования магнитного элемента (104) выполняется известным из уровня техники способом, в частности, с помощью вакуумного напыления слоев, формирующих магнитно-туннельный переход (англ. MTJ),  и формированием ячеек памяти с помощью плазмо-химического травления MTJ стека с использованием жесткой маски. Такой способ формирования магнитного элемента (104) известен из уровня техники, например, из патента US 6831312 B2 (Freescale Semiconductor, Inc., 14.12.2004).
Как представлено на Фиг. 5 – Фиг. 6 магнитный поток, создаваемый слоем (103), будет оказывать влияние на магнитный элемент (ячейку) (104) и, соответственно, на намагниченность свободного слоя (104). Свободный слой ячейки (104) предназначен для хранения информации. Считывание информации осуществляется измерением электрического сопротивления ячейки (104). Вследствие эффекта туннельного магнитосопротивления (TMR), электрическое сопротивление ячейки (104) изменяется в зависимости от взаимной ориентации намагниченностей в слоях. По величине протекающего тока, можно определить сопротивление ячейки (104), и как следствие, полярность перезаписываемого слоя (свободного слоя).
Обычно, одинаковая ориентация намагниченности в слоях элемента интерпретируется как «0», в то время как противоположное направление намагниченности слоёв, характеризующееся более высоким сопротивлением — как «1».  Это фиксированное распределение наведенного магнитного поля от слоев (103), позволяет сбалансировать свободный слой ячейки (104) и предотвратить его спонтанное  перемагничивание.
На Фиг. 7 – Фиг. 8 представлены частные примеры выполнения ИС (10) с магнитным элементом (104). Траншеи (110) со слоем магнитного материала (103) поверх слоя меди (102) могут изготавливаться различной формы, в частности, как представлено на Фиг. 7 U-образной формы. На Фиг. 8 представлен пример ИС (10), в которой траншеи (110) с магнитным материалом (103) могут располагаться под различными углами к элементу (104), также они могут выполняться различного размера и формы.
На Фиг. 9 представлен пример ИС (10), в котором магнитная ячейка (104) размещается непосредственно на слое (102) медной разводки. Такой подход требует последующего этапа дамасского процесса с использованием дополнительной фотолитографической маски, для формирования медной линии (105), на которой будет располагаться магнитный элемент (104), после того как магнитные встроенные слои (103) уже сформированы.
Представленное описание заявленного решения раскрывает лишь предпочтительные примеры его реализации и не должно трактоваться как ограничивающее иные, частные примеры его осуществления, не выходящие за рамки объема правовой охраны, которые являются очевидными для специалиста соответствующей области техники.