[發明專利]半導體器件和形成該半導體器件的方法

無效

• 申請號: 200710097021.X
• 申請日: 2007-04-17
• 公開（公告）號: CN101090129A
• 公開（公告）日: 2007-12-19
• 發明（設計）人: 戴維·W.·亞伯拉罕;斯圖亞特·S.·帕金;丹尼爾·C.·沃爾里奇;斯蒂芬·L.·布朗
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: H01L27/22
• 分類號: H01L27/22;H01L21/82;H01L43/08;H01L43/12;G11C11/15;G11C11/16;H01F10/32
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 秦晨

技術領域

本發明主要涉及集成電路，更具體而言涉及用于磁阻隨機存取存儲器電路的磁隧道結。

背景技術

磁阻隨機存取存儲器(MRAM)是一種存儲器技術，常用磁隧道結(MTJ)存儲信息。基礎MTJ包括被釘扎層、介入隧道阻擋層和自由層。通常，被釘扎層包括一層或多層沉積在反鐵磁體層上的被釘扎鐵磁體亞層。被釘扎層與反鐵磁體層的交互作用在被釘扎鐵磁體亞層中建立了穩定的磁取向，盡管外加的磁場達到幾百或上千奧斯特。自由層包括簡單的鐵磁材料薄層或含有鐵磁體和分隔件亞層的多層結構。隧道阻擋層常通過生長于被釘扎層和自由層之間的薄金屬亞層(通常為Al或Mg)的氧化或是氧化物或氮化物層的沉積而形成。另外，基礎MTJ也可以包括一層或多層覆蓋層和生長層。覆蓋層可以用作多種用途。它可以用于改善自由層的磁特性，充當熱擴散阻擋層和/或允許對MTJ器件改善的粘附力。另一方面，生長層通常在MTJ底端附近出現，并被設計成用于促進隨后沉積的層的高質量生長。

MTJ的阻抗或高或低，取決于自由層對被釘扎層的相對極化(平行或反平行)。如果層的磁極化彼此相互平行，則通過隧道阻擋層的阻抗通常是比較低的，然而，如果層的磁極化是反平行的，阻抗通常較高。為了開關MTJ器件(即寫入存儲器單元)，利用穿過位于器件附近的字線和位線的芯片上電流脈沖，特定磁場脈沖序列施加到MTJ。該特定磁場脈沖序列取決于自由層含有一層還是多于一層鐵磁體亞層。例如，D.Worledge在2006年1月份第50卷第1期的IBM?Journal?ofResearch?and?Development上發表的起始頁為第69頁的“Single-Domain?Mode?for?Toggle?MRAM”一文中，對寫入包含自由層的MTJ進行了描述，該自由層具有單一鐵磁體亞層(通常利用Stoner-Wohlfarth方法進行轉換)，在此引用，作為參考。例如，在上述引用的雜志論文以及專利號為6,545,906題名為“Method?of?Writingto?Scalable?Magnetoresistance?Random?Access?Memory?Element”的美國專利中，對寫入包含自由層的MTJ進行了描述，該自由層具有兩層鐵磁體亞層(通常稱作觸發或旋轉轉換)，在此引用，作為參考。

在外部磁場存在情況下沉積的鐵磁體亞層的特征在于由外部磁場方向和強度決定的磁各向異性軸。即，當隨后暴露在平行和垂直于亞層中某一磁各向異性軸而施加的外部磁場時，亞層顯示了行為上明顯的差別。亞層的磁力矩矢量在零外加磁場下沿著其磁各向異性軸指向。另外，當外部磁場沿著平行于亞層各向異性軸的方向施加到亞層時，亞層更容易在磁極化之間轉換。因此，獲得MTJ中高質量轉換的關鍵之一在于準確地控制上述磁各向異性。

很明顯，發明人近來已觀察到MTJ中的生長層可以影響隨后沉積的鐵磁體層中磁各向異性方向上的最終散布。在許多實例中，這種影響是相當大的。因此，對具有允許準確控制鐵磁體層中磁各向異性的結構的觸發類型MTJ存在著需求。這樣，可以對MTJ的磁轉化特征進行最優化。

發明內容

本發明通過提供一種新型的觸發類型MTJ致力于上述認定的需求，該MTJ包括具有準確控制的磁各向異性軸的鐵磁體層。上述準確控制有利地導致了最優化的磁轉換特征。

根據本發明的實施例，形成于字線與位線之間的半導體器件包括生長層、形成于生長層上的反鐵磁層、形成于反鐵磁層上的被釘扎層、形成于被釘扎層上的隧道阻擋層，以及形成于隧道阻擋層上的自由層。字線與位線基本上彼此垂直排列。依次地，生長層包括鉭，其厚度大于大約75埃。另外，被釘扎層包括一層或多層被釘扎鐵磁體亞層。隧道阻擋層包括氧化鎂。最后，自由層包括兩層或多層自由鐵磁體亞層，每個自由鐵磁體亞層具有磁各向異性軸，其方向與字線和位線成大約45度。

在優選的實施例中，在字線與位線之間形成的MTJ包括(從底端到頂端)：100氮化鉭/100鉭/120銥錳合金/15鈷鐵合金/13氧化鎂/40鈷鐵合金/60釕/50鈷鐵合金/100氮化鉭。鈷鐵合金層是鐵磁性的，且各層依共同的磁各向異性軸生成，該軸與字線和位線成大約45度。有利地，該TMJ顯示了優良的觸發-轉換特征及高磁阻。

結合附圖閱讀下列詳述，本發明的上述及其他特性和優勢將會顯而易見。

附圖說明

圖1顯示了根據本發明優選實施例的MTJ的橫截面圖。

圖2顯示了圖1中MTJ的平面圖。