半导体结构及其形成方法技术

一种半导体结构及其形成方法，形成方法包括：提供固定磁层；在所述固定磁层上形成隧穿势垒层；在所述隧穿势垒层上形成自由磁层；在所述自由磁层上形成第一盖帽层，所述第一盖帽层的材料包括二维材料。本发明专利技术实施例中，在所述自由磁层上形成第一盖帽层，第一盖帽层能够提供额外的垂直各向异性，所述第一盖帽层的材料包括二维材料，二维材料具有较低的电阻率，能够降低半导体结构工作时写入的功耗，有利于实现半导体结构的微型化，且二维材料具有较长的自选扩散长度，有利于提高半导体结构的写入效率，有利于提高半导体结构的电学性能。有利于提高半导体结构的电学性能。有利于提高半导体结构的电学性能。

【技术实现步骤摘要】
半导体结构及其形成方法


[0001]本专利技术实施例涉及半导体制造领域，尤其涉及一种半导体结构及其形成方法。

技术介绍

[0002]磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)是一种非挥发性的磁性随机存储器，所谓“非挥发性”是指关掉电源后，仍可以保持记忆完整。MRAM器件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，磁性随机存取存储器是一种“全动能”的固态存储器。因而，其应用前景非常可观，有望主导下一代存储器市场。
[0003]MRAM是一种包括MRAM单元阵列的存储器件，每一个该MRAM单元使用电阻值而非电荷存储数据位。每个MRAM单元包括磁隧道结(MTJ)单元，该磁隧道结(MTJ)单元的电阻可以被调整，以代表逻辑“0”或逻辑“1”。该MTJ单元包括固定磁层，隧穿势垒层以及磁自由磁层。该MTJ单元的电阻，可以通过改变该磁自由磁层的磁矩相对于固定磁层的方向被调整。特别的，当磁自由磁层的磁矩与固定磁层的磁矩平行的时候，该MTJ单元的电阻是低的，对应于逻辑0，反之，当该磁自由磁层的磁矩与固定磁层的磁矩不平行的时候，该MTJ单元的电阻是高的，对应于逻辑1。该MTJ单元在顶部和底部电极之间连接，并且可以检测到从一个电极到另一个流过该MTJ单元的电流，以确定电阻，进而确定逻辑状态。
[0004]磁隧道结(MTJ)中的隧道磁阻(TMR)效应是开发磁阻随机存取存储器(MRAM)，磁传感器和新型可编程逻辑器件的关键。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例解决的问题是提供一种半导体结构及其形成方法，提升半导体结构中磁隧道结单元的磁阻比，从而提升半导体结构的电学性能。
[0006]为解决上述问题，本专利技术实施例提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供固定磁层；在所述固定磁层上形成隧穿势垒层；在所述隧穿势垒层上形成自由磁层；在所述自由磁层上形成第一盖帽层，所述第一盖帽层的材料包括二维材料。
[0007]可选的，形成所述自由磁层的步骤包括：在所述隧穿势垒层上形成第一自由分层；在所述第一自由分层上形成间隔层；在所述间隔层上形成第二自由分层。
[0008]可选的，采用原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺或者电化学电镀工艺形成所述间隔层。
[0009]可选的，形成所述间隔层采用的反应物包括醇类前驱体。
[0010]可选的，所述间隔层的材料包括所述二维材料。
[0011]可选的，所述二维材料包括：石墨烯、二硫化钼和硅烯中的一种或多种。
[0012]可选的，形成所述间隔层的步骤中，所述间隔层的厚度为0.2纳米至1纳米。
[0013]可选的，形成所述第一盖帽层的步骤中，所述第一盖帽层的厚度为2纳米至3纳米。
[0014]可选的，采用原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺或者电化学电镀工艺形成所述
第一盖帽层。
[0015]可选的，所述半导体结构的形成方法还包括：形成所述自由磁层后，形成所述第一盖帽层前，在所述自由磁层上形成第二盖帽层。
[0016]可选的，所述第二盖帽层的材料包括MgO、AlO、AlN和AlON中的一种或多种。
[0017]可选的，所述半导体结构的形成方法包括：形成所述第二盖帽层后，在所述自由磁层上形成第一盖帽层前，在所述自由磁层上形成界面层。
[0018]可选的，所述界面层的厚度为1纳米至3纳米。
[0019]可选的，所述界面层的材料包括FeCo、CoNi、CoFeB、FeB、FePt、FePd，以及Fe、Co、Ni的合金。
[0020]可选的，采用原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺或者电化学电镀工艺形成所述界面层。
[0021]相应的，本专利技术实施例还提供一种半导体结构，包括：固定磁层；隧穿势垒层，位于所述固定磁层上；自由磁层，位于所述隧穿势垒层上；第一盖帽层，位于所述自由磁层上，所述第一盖帽层的材料包括二维材料。
[0022]可选的，自由磁层包括第一自由分层、位于所述第一自由分层上的间隔层以及位于所述间隔层上的第二自由分层。
[0023]可选的，所述间隔层的材料包括所述二维材料。
[0024]可选的，所述半导体结构还包括：第二盖帽层，位于所述自由磁层和所述第一盖帽层之间。
[0025]可选的，所述第二盖帽层的材料包括MgO、AlO、AlN和AlON中的一种或多种。
[0026]可选的，所述半导体结构还包括：界面层，位于所述第一盖帽层和所述第二盖帽层之间。
[0027]可选的，所述界面层的材料包括FeCo、CoNi、CoFeB、FeB、FePt、FePd，以及Fe、Co、Ni的合金。
[0028]与现有技术相比，本专利技术实施例的技术方案具有以下优点：
[0029]本专利技术实施例所提供的半导体结构的形成方法中，在所述自由磁层上形成第一盖帽层，第一盖帽层能够提供额外的垂直各向异性，所述第一盖帽层的材料包括二维材料，二维材料具有较低的电阻率，能够降低半导体结构工作时写入的功耗，有利于实现半导体结构的微型化，且二维材料具有较长的自选扩散长度，有利于提高半导体结构的写入效率，有利于提高半导体结构的电学性能。
[0030]可选方案中，形成所述自由磁层的步骤包括：在所述隧穿势垒层上形成第一自由分层；在所述第一自由分层上形成间隔层；在所述间隔层上形成第二自由分层。通常在形成所述第一盖帽层后，对所述固定磁层、隧穿势垒层以及自由磁层进行退火处理。所述间隔层形成在第一自由分层和第二自由分层之间，所述间隔层的材料结构稳定，在对所述退火处理的过程中，间隔层中的原子不易扩散至第一自由分层和第二自由分层中，第一自有分层和第二自由分层中的原子不易扩散至间隔层中，第一自由分层和第二自由分层中晶体原子排列的方向不易发生改变，使得所述半导体结构具有较高的磁各向异性和较高的隧道磁阻效应。
附图说明
[0031]图1示出了一种半导体结构的结构示意图；
[0032]图2示出了另一种半导体结构的结构示意图；
[0033]图3至图6是本专利技术半导体结构的形成方法第一实施例中各步骤对应的结构示意图；
[0034]图7是本专利技术半导体结构的形成方法第二实施例中各步骤对应的结构示意图；
[0035]图8是本专利技术半导体结构的形成方法第三实施例中各步骤对应的结构示意图。
具体实施方式
[0036]目前所形成的半导体结构仍有性能不佳的问题。现结合一种半导体结构的结构示意图分析半导体结构性能不佳的原因。
[0037]图1，示出了一种半导体结构的结构示意图。
[0038]如图1所示，所述半导体结构包括：固定磁层1；隧穿势垒层2，位于所述固定磁层1上；自由磁层3，位于所述隧穿势垒层2上；第一盖帽层4，位于所述自由磁层3上。
[0039]所述第一盖帽层4能够提供额外的垂直各向异性，使得半导体结构具有较大的磁阻比，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：提供固定磁层；在所述固定磁层上形成隧穿势垒层；在所述隧穿势垒层上形成自由磁层；在所述自由磁层上形成第一盖帽层，所述第一盖帽层的材料包括二维材料。2.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述自由磁层的步骤包括：在所述隧穿势垒层上形成第一自由分层；在所述第一自由分层上形成间隔层；在所述间隔层上形成第二自由分层。3.如权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，采用原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺或者电化学电镀工艺形成所述间隔层。4.如权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述间隔层采用的反应物包括醇类前驱体。5.如权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述间隔层的材料包括所述二维材料。6.如权利要求1或5所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述二维材料包括：石墨烯、二硫化钼和硅烯中的一种或多种。7.如权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述间隔层的步骤中，所述间隔层的厚度为0.2纳米至1纳米。8.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述第一盖帽层的步骤中，所述第一盖帽层的厚度为2纳米至3纳米。9.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，采用原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺或者电化学电镀工艺形成所述第一盖帽层。10.如权利要求1或2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述半导体结构的形成方法还包括：形成所述自由磁层后，形成所述第一盖帽层前，在所述自由磁层上形成第二盖帽层。11.如权利要求10所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第二盖帽层的材料包括MgO、AlO、AlN和AlON中的一种或多种。12.如权利要求10所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨成成，
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：