一种新型的磁隧穿结器件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种新型的磁隧穿结器件及其制造方法。本发明专利技术可以使用大马士革工艺来制造MTJ，避免了蚀刻工艺带来的对器件的损伤和由此付出的昂贵的代价。在一些实施例中，在MTJ的第一部分和第二部分的一部分之间设置间隔物，由此防止了MTJ的隧穿绝缘层在随后的工艺中受到损伤，由此大幅度提高了成品的良率。在另外一些实施例中，本发明专利技术还通过改进MTJ的杯形结构来提高信号质量和减小磁力线泄露。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种磁隧穿结器件及其制造方法。背景描述MRAM(Magnetic Random Access Memory)是一种非易失性的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。近来的MRAM基于磁隧穿结(Magnetic TunnelJunction, MTJ)结构以及其电子自旋极化隧穿效应来实现其存储功能。故此，对磁隧穿结的研究引起了人们极大的关注。此外，磁隧穿结在传感器应用方面也有重要的价值。附图1-5示出了现有的MTJ技术。图1所示的结构包括完成的半导体器件103 (此处仅示例性地示出其一部分)，位于完成的半导体器件103上的第一电介质层100，嵌入在第一电介质层100中与完成的半导体器件103接触的钨插塞101，以及位于第一电介质层100上的第二电介质层102。图2示出了在第二电介质层102中形成开口，并在开口中形成MTJ 104。如图2所示，MTJ 104包括顶部电极1041、人工合成的第一反铁磁材料层(SAF) 1042、隧穿绝缘层1043、人工合成的第二反铁磁材料层(SAF) 1044、反铁磁钉扎层1045、底部电极1046。第一 SAF 1042包括第一自由子层(铁磁材料)、非铁磁金属材料层(例如Ru)和第二自由子层(铁磁材料)。由于第一 SAF 1042包括了这样的三层结构，故此磁力线将如图所示地在该三层结构中循环，减少了磁力线的泄露。第二 SAF 1044同样也具备了类似的三层结构。值得注意的是，尽管在附图2中显示了第二 SAF 1044被位于其之下的反铁磁钉扎层1045所钉扎，然而，在某些实际应用中，也可以不钉扎第二 SAF 1044，因此可以略去反铁磁钉扎层1045。 此外，尽管附图中示出了以相同方向循环的磁力线，然而，这仅仅是示例性的，人工合成的第一反铁磁材料层(SAF) 1042中的磁力线循环的方向也可以反转。不同的磁力线循环方向可以分别代表存储I或O。图2示出的是优化的MTJ结构。在图2之后，利用掩模对MTJ104进行图案化。例如，蚀刻MTJ 104，仅保留其位于接触101上的一部分，如图3所示。在传统MTJ工艺中，采用FIB或等离子蚀刻法等蚀刻方法以降低成本，并且期望得到最小化的MTJ图案。随后，如图4所示，沉积电介质层105，并进行平坦化，填充开口。最后，如图5所示，在开口中为MTJ104形成电接触，例如钨插塞，并在第二电介质层102上布置金属层106。在现有技术中，通常认为，上述MTJ的多层结构中，各层材料薄(1-1Onm)且都在真空中沉积因此一次沉积完成全部多层结构并依次蚀刻多层结构成图型最能避免污染.多次沉积而成的多层结构应当尽可能地彼此依次进行，而不应当在形成该多层结构的过程中加入其他工艺。另一方面，在本领域中公知的是，隧穿绝缘层1043的厚度大约只有1-2纳米。当如图3中进行蚀刻时，蚀刻步骤将暴露隧穿绝缘层1043，并且隧穿绝缘层1043的边缘将被蚀刻工艺所破坏，如图3中虚线部分所示。更具体地，隧穿绝缘层1043两侧均是导电的金属层(例如，磁性材料层1042和1044)，由于隧穿绝缘层1043的厚度仅有1_2纳米，因此在进行蚀刻时，一旦隧穿绝缘层1043的结构遭到破坏，则位于隧穿绝缘层1043两侧的导电层将会相互接触，造成了短路。这对于存储器的MTJ来说是相当不利的。被破坏的隧穿绝缘层1043将带来高的漏电流和存储数据的错误率。故此，在现有技术中，以蚀刻工艺为基础的MTJ的良率低且制造成本较高。上述这些都增加了制造MTJ的成本。此外，随着半导体器件尺寸的日益减小，也希望使用尺寸缩小的MTJ结构。可以使用简化的MTJ结构以缩小尺寸并降低成本。因此，可以使用单层的铁磁材料来代替图2中的三层的SAF 1042和第二 SAF 1044。然而，这会导致了信号质量下降。换言之，由于磁性材料层由多层变为单层，导致了信号的强度较弱，并且磁力线没有形成封闭的回路，因此将会面临磁力线泄露的问题，并导致信号的保持时间缩短。这对于制造存储器元件是十分不利的。考虑到上述和其他方面，申请人创造性地提出了本专利技术的技术方案。
技术实现思路
根据本专利技术的一方面，提供了一种磁隧穿结器件，包括具有多层结构的磁隧穿结，其特征在于所述磁隧穿结具有多层结构的第一部分，位于所述第一部分上的多层结构的第二部分，以及位于所述第一部分的一部分和第二部分的一部分之间的间隔物。优选地，所述磁隧穿结器件还包括第一电介质层，在所述第一电介质层中具有开口 ；所述磁隧穿结位于所述开口中，并且具有杯形形状；所述间隔物在所述杯形的磁隧穿结的侧壁部分上位于所述第一部分和第二部分之间。优选地，其中所 述间隔物与磁隧穿结的隧穿绝缘层邻接，并且位于所述隧穿绝缘层与底部电极之间。优选地，其中所述间隔物与磁隧穿结的隧穿绝缘层邻接，并且位于所述隧穿绝缘层与顶部电极之间。优选地，其中所述磁隧穿结的第一部分包括底部电极、第一磁性材料层，所述磁隧穿结的第二部分包括隧穿绝缘层、第二磁性材料层和顶部电极。优选地，其中所述磁隧穿结的第一部分包括底部电极、第一磁性材料层和隧穿绝缘层，所述磁隧穿结的第二部分包括第二磁性材料层和顶部电极。优选地，所述磁隧穿结器件进一步包括位于所述底部电极和第一磁性材料层之间的反铁磁钉扎层。优选地，其中所述磁隧穿结与所述开口是共形的。优选地，其中所述磁隧穿结具有位于所述开口侧壁上的侧壁部分和位于所述开口底部的底部部分。优选地，其中所述杯形的MTJ是通过大马士革工艺形成在所述开口中的。优选地，其中所述间隔物的厚度为MTJ的隧穿绝缘层厚度的约10倍至30倍。优选地，其中所述间隔物的厚度为MTJ的隧穿绝缘层厚度的约15倍至20倍。优选地，其中所述第一磁性材料层和第二磁性材料层是合成的反铁磁材料层。优选地，其中所述第一磁性材料层和第二磁性材料层是单层的磁性材料层。优选地，所述磁隧穿结器件还包括填充所述杯形磁隧穿结的第二电介质层；在所述杯形的磁隧穿结中与磁隧穿结的顶部电极接触的电接触；位于所述磁隧穿结上的金属层，所述金属层与所述电接触电连接。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种制造磁隧穿结器件的方法，包括在完成的半导体器件上形成具有开口的第一电介质层；在所述开口中形成多层结构的磁隧穿结的第一部分；在所述第一部分的一部分上形成间隔物；形成磁隧穿结的第二部分。优选地，其中利用大马士革工艺形成所述磁隧穿结，所述利用大马士革工艺形成磁隧穿结的步骤进一步包括在所述开口中顺序地沉积底部电极、第一磁性材料层，所述底部电极和第一磁性材料层构成磁隧穿结的第一部分；所述磁隧穿结的第一部分的侧壁上形成间隔物；顺序地沉积隧穿绝缘层、第二磁性材料层、顶部电极，所述隧穿绝缘层、第二磁性材料层和顶部电极构成磁隧穿结的第二部分。优选地，其中利用大马士革工艺形成所述磁隧穿结，所述利用大马士革工艺形成磁隧穿结的步骤进一步包括在所述开口中顺序地沉积底部电极、第一磁性材料层、隧穿绝缘层，所述底部电极、第一磁性材料层和隧穿绝缘层构成磁隧穿结的第一部分；所述磁隧穿结的第一部分的侧壁上形成间隔物；顺序地沉积第二磁性材料层、顶部电极，所述第二磁性材料层和顶部电极构成磁隧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁隧穿结器件，包括具有多层结构的磁隧穿结，其特征在于：所述磁隧穿结具有多层结构的第一部分，位于所述第一部分上的多层结构的第二部分，以及位于所述第一部分的一部分和第二部分的一部分之间的间隔物。

【技术特征摘要】
1.一种磁隧穿结器件，包括具有多层结构的磁隧穿结，其特征在于 所述磁隧穿结具有多层结构的第一部分，位于所述第一部分上的多层结构的第二部分，以及位于所述第一部分的一部分和第二部分的一部分之间的间隔物。2.根据权利要求1所述的磁隧穿结器件，进一步包括 第一电介质层，在所述第一电介质层中具有开口 ； 所述磁隧穿结位于所述开口中，并且具有杯形形状； 所述间隔物在所述杯形的磁隧穿结的侧壁部分上位于所述第一部分和第二部分之间。3.根据权利要求2所述的磁隧穿结器件，其中所述间隔物与磁隧穿结的隧穿绝缘层邻接，并且位于所述隧穿绝缘层与底部电极之间。4.根据权利要求2所述的磁隧穿结器件，其中所述间隔物与磁隧穿结的隧穿绝缘层邻接，并且位于所述隧穿绝缘层与顶部电极之间。5.根据权利要求2所述的磁隧穿结器件，其中所述磁隧穿结的第一部分包括底部电极、第一磁性材料层，所述磁隧穿结的第二部分包括隧穿绝缘层、第二磁性材料层和顶部电极。6.根据权利要求2所述的磁隧穿结器件，其中所述磁隧穿结的第一部分包括底部电极、第一磁性材料层和隧穿绝缘层，所述磁隧穿结的第二部分包括第二磁性材料层和顶部电极。7.根据权利要求5或6所述的磁隧穿结器件，进一步包括位于所述底部电极和第一磁性材料层之间的反铁磁钉扎层。8.根据权利要求2所述的磁隧穿结器件，其中所述磁隧穿结与所述开口是共形的。9.根据权利要求8所述的磁隧穿结器件，其中所述磁隧穿结具有位于所述开口侧壁上的侧壁部分和位于所述开口底部的底部部分。10.根据权利要求2-9中任意一项所述的磁隧穿结器件，其中所述杯形的MTJ是通过大马士革工艺形成在所述开口中的。11.根据权利要求1所述的磁隧穿结器件，其中所述间隔物的厚度为MTJ的隧穿绝缘层厚度的约10倍至30倍。12.根据权利要求1所述的磁隧穿结器件，其中所述间隔物的厚度为MTJ的隧穿绝缘层厚度的约15倍至20倍。13.根据权利要求5或6所述的磁隧穿结器件，其中所述第一磁性材料层和第二磁性材料层是合成的反铁磁材料层。14.根据权利要求5或6所述的磁隧穿结器件，其中所述第一磁性材料层和第二磁性材料层是单层的磁性材料层。15.根据权利要求2-14中任意...

【专利技术属性】
技术研发人员：季明华，三重野文健，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造北京有限公司，
类型：发明
国别省市：