[發明專利]磁隧道結及其形成方法

有效

• 申請號: 201110397317.X
• 申請日: 2011-12-02
• 公開（公告）號: CN103137849A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 三重野文健
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L43/02
• 分類號: H01L43/02;H01L43/08;H01L43/12
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 駱蘇華

技術領域

本發明涉及半導體制造技術領域，尤其涉及一種磁隧道結及其形成方法。

背景技術

近年來，由于磁存儲器(Magnetic?Random?Access?Memory，MRAM)具有短的讀寫時間，非易失性和功耗低的特點，磁存儲器作為適用于計算機或通訊機器等信息處理設備上的存儲裝置而備受關注。

現有技術的磁存儲器通過施加磁場，將信息存儲到磁隧道結(MagneticTunnel?Junction，MTJ)結構中，并通過測量MTJ的電流讀取信息。具體地，所述MTJ由兩磁性材料層以及位于所述兩磁性材料層之間的絕緣層構成。

現有技術的磁存儲器的結構，包括：用作開關器件的晶體管和用于存儲數據的磁隧道結單元。其中，所述磁隧道結的結構請參考圖1，磁隧道結單元包含頂部導電層113、磁隧道結單元主體(Magnetic?tunnel?junction，MTJ)110、底部導電層101，其中，磁隧道結單元主體110由固定磁性材料層(PL)105、隧道絕緣材料層107和自由磁性材料層(FL)109交替堆疊而成。所述磁隧道結單元主體110是三層或多層結構，其中所述磁隧道結單元主體110還可以包括：位于所述自由磁性材料層109表面的第一隧道絕緣材料層111，用于將所述自由磁性材料層109和頂部導電層113隔開；位于所述底部導電層101表面的第二隧道絕緣材料層103，用于將所述固定磁性材料層105和底部導電層101隔開。

其中，所述固定磁性材料層105的作用是磁化方向被固定，并與自由磁性材料層109的磁化方向進行對比，自由磁性材料層109的磁化方向可編程。在對磁性存取存儲器進行寫入操作時，自由磁性材料層109的磁化可編程為相對于固定磁性材料層105的磁化平行(邏輯“0”狀態)，表現為低阻態；或者反平行(邏輯“1”狀態)，表現為高阻態，從而實現兩個存儲狀態。在“讀取”的過程中，通過比較磁隧道結單元的電阻與標準單元的電阻，讀出磁性隨機存取存儲器的狀態。

然而，隨著工藝節點的進一步減小，現有技術形成的磁存儲器的可靠性低，無法進一步滿足工業需求。

更多關于磁存儲器中磁隧道結的結構請參考公開號為“US20070176251A1”的美國專利。

發明內容

本發明解決的問題是提供一種磁隧道結及其形成方法，形成的磁存儲器的可靠性高。

為解決上述問題，本發明的實施例提供了一種磁隧道結，包括：

半導體襯底，位于所述半導體襯底內的開口；

固定磁性材料層，位于所述開口的底部和部分側壁；

隧道絕緣材料層，覆蓋所述固定磁性材料層和部分開口的側壁；

自由磁性材料層，位于所述開口內、且覆蓋所述隧道絕緣材料層。

可選地，所述固定磁性材料層的材料為CoFe或CoFeB；所述自由磁性材料層的材料為CoFe或CoFeB。

可選地，所述隧道絕緣材料層的材料為氧化鎂、氧化鍶、氧化鋇或氧化鐳。

可選地，還包括：底部電極層，位于所述開口的底部和部分側壁，所述固定磁性材料層覆蓋所述底部電極層；頂部電極層，覆蓋所述自由磁性材料層，且填充滿所述開口。

可選地，所述底部電極層的材料為Ta、PtMn或Ru；所述頂部電極層的材料為Ta、PtMn或Ru。

相應的，本發明的實施例還提供了一種磁隧道結的形成方法，包括：

提供半導體襯底，所述半導體襯底內形成有開口；

形成位于所述開口的底部和部分側壁的固定磁性材料層；

形成覆蓋所述固定磁性材料層和部分開口的側壁的隧道絕緣材料層；

形成位于所述開口內、且覆蓋所述隧道絕緣材料層的自由磁性材料層。

可選地，所述固定磁性材料層和自由磁性材料層的形成工藝包括還原金屬氯化物的化學氣相沉積工藝。

可選地，所述還原金屬氯化物的化學氣相沉積工藝的工藝參數包括：頻率為2-4MHz，功率為200-500W，壓力為0.01-0.1Torr，溫度為250-350℃，Cl₂的流量為500-2000sccm。

可選地，所述還原金屬氯化物的化學氣相沉積工藝的步驟為：提供金屬板，所述金屬板放置在開口上方；等離子態的氯氣與所述金屬板發生反應，形成氣態的金屬氯化物；所述氣態的金屬氯化物中的金屬與開口底部的材料相結合，形成中間層；所述氣態的金屬氯化物與所述中間層反應，在所述開口底部形成固定磁性材料層和/或自由磁性材料層。