磁随机存取存储器中的磁隧道结(MTJ)制造技术

公开了可以作为磁随机存取存储器单元使用的磁隧道结(MTJ)的方法和装置。MTJ包括自由层和绝缘层。MTJ还包括具有第一区、第二区和第三区的固定层。第二区具有第一长度和第一厚度，以及第一区和第三区具有第二长度和第二厚度。第一厚度与第二厚度的比率可以大于1.2。第二长度与第一长度的比率大于0.5。第一厚度可以大于固定层材料的自旋扩散长度。这样形成的MTJ导致MTJ的隧穿磁电阻比增大而临界切换电流降低。本发明专利技术提供了磁随机存取存储器中的磁隧道结(MTJ)。

【技术实现步骤摘要】
磁随机存取存储器中的磁隧道结(MTJ)
本专利技术涉及半导体存储器器件，具体而言，涉及磁随机存取存储器中的磁隧道结及其形成方法。
技术介绍
一些半导体器件包括用于储存信息的存储器器件。半导体存储器器件中的最新发展是磁随机存取存储器(MRAM)器件。MRAM器件包括设置在不同方向上的导线(字元线和位元线)，例如，在不同的金属层中相互垂直。导线夹在包括磁隧道结(MTJ)的电阻式MRAM单元之间，MTJ充当磁存储器单元。MRAM单元是一种能够储存数字信息位元(二进制0或1)的非易失性存储器形式。MRAM数字数据存储不像在传统的RAM元件中按照电荷进行存储，而是通过诸如不需要恒定电功率以保持其状态的MTJ的磁存储元件中的电阻状态(高电阻或低电阻)或者磁性状态来存储位元状态(是0或1)。在MRAM单元的读取操作中，通过经由流经MTJ的感应电流感应MTJ的磁性状态(电阻水平)来读取信息。对于MRAM单元的写入操作，通过对MTJ施加电流以切换MTJ的磁化将磁性状态变成预先定义的磁性状态来写入信息。对于要改变状态的MTJ，通过MTJ的电流必须大于MTJ的临界切换电流并且更快的切换需要更高的切换电流。对于具有较低临界切换电流的MTJ，较低的切换电流可以用于MTJ的写入操作从而降低功耗。因此，降低MTJ的临界切换电流的方法是值得关注的。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，一方面，本专利技术提供了一种用于磁随机存取存储器单元的结构，包括：自由层，具有第一长度；绝缘层，紧靠所述自由层；以及固定层，包括第一区、第二区和第三区，其中，所述第二区紧靠所述绝缘层并且邻近于所述第一区和所述第三区，所述第二区具有所述第一长度和第一厚度，并且所述第一区和所述第三区具有第二长度和第二厚度。在所述的结构中，所述第一厚度与所述第二厚度的比率约大于1.2。在所述的结构中，所述第二长度与所述第一长度的比率大于0.5。在所述的结构中，所述自由层包含CoFeB、NiFe、Co、Fe、Ni、FeB或者FePt。在所述的结构中，所述固定层包含CoFe、CoFeB或者CoFeB/Ru/CoFeB/PtMn。在所述的结构中，所述绝缘层包含MgO或者A12O3。在所述的结构中，所述第一厚度大于所述固定层材料的自旋扩散长度(SDL)。在所述的结构中，所述第一厚度大于所述固定层材料的自旋扩散长度(SDL)，其中，所述第一厚度在所述固定层材料的1倍SDL至约1.2倍SDL的范围内。在所述的结构中，所述第一厚度大于所述固定层材料的自旋扩散长度(SDL)，其中，所述第二厚度在所述固定层材料的0.8倍SDL至约1倍SDL的范围内。所述的结构还包括紧靠所述固定层的抗铁磁性材料(AFM)层，所述AFM层具有大于所述第一长度的第三长度。所述的结构还包括紧靠所述固定层的抗铁磁性材料(AFM)层，所述AFM层具有大于所述第一长度的第三长度，其中，所述AFM层由铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)或者其他抗铁磁性材料形成。所述的结构还包括紧靠所述固定层的抗铁磁性材料(AFM)层，所述AFM层具有大于所述第一长度的第三长度，其中，所述AFM层的厚度介于约10埃和10000埃之间。所述的结构还包括紧靠所述固定层的抗铁磁性材料(AFM)层，所述AFM层具有大于所述第一长度的第三长度，所述的结构还包括连接至所述自由层的第一电极和连接至所述AFM层的第二电极。另一方面，本专利技术还提供了一种形成磁隧道结(MTJ)的方法，包括：形成包括第一区、第二区和第三区的固定层，其中，邻近于所述第一区和所述第三区的所述第二区具有第一长度和第一厚度，并且所述第一区和所述第三区具有第二长度和第二厚度；在所述固定层的所述第二区的顶部上形成具有所述第一长度的绝缘层；以及在所述绝缘层的顶部上形成具有所述第一长度的自由层。在所述的方法中，所述第一厚度与所述第二厚度的比率大于1.2。在所述的方法中，所述第二长度与所述第一长度的比率大于0.5。在所述的方法中，所述自由层包含CoFeB、NiFe、Co、Fe、Ni、FeB或者FePt。在所述的方法中，所述固定层包含CoFe、CoFeB或者CoFeB/Ru/CoFeB/PtMn。在所述的方法中，所述绝缘层包含MgO或者Al2O3。在所述的方法中，所述第一厚度大于所述固定层材料的自旋扩散长度(SDL)。附图说明为了更充分地理解本专利技术及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：图1(a)至图1(b)示出MTJ的截面图；以及图2(a)至图2(b)示出包括MTJ和两个电极的MRAM单元。除非另有说明，不同附图中的相应标号和符号通常是指相应部件。绘制附图用于清楚地示出各个实施例的相关方面且不必按比例绘制。具体实施方式在下面详细论述本专利技术的实施例的制造和使用。然而，应该理解，本专利技术的实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的构思。所论述的具体实施例仅是制造和使用本专利技术的示例性具体方式，而不用于限制本专利技术的范围。如将在下面示出的，公开了充当磁随机存取存储器(MRAM)单元的磁隧道结(MTJ)。MTJ包括具有若干不同厚度区域的固定层，其导致MTJ的隧穿磁电阻(TMR)比增大而临界切换电流降低。图1(a)示出可以用作MRAM单元的MTJ100的示例性截面图。MTJ100包括自由层111、紧靠自由层111的绝缘层121和固定层131。固定层131包括第一区1311、第二区1312和第三区1313，其中第二区1312紧靠绝缘层121并且邻近于第一区1311和第三区1313。自由层111、绝缘层121和第二区1312具有基本上相同的第一长度L1。第一区1311和第三区1313具有第二长度L2。第二区1312具有第一厚度T，其中第一区1311和第三区1313具有第二厚度t。固定层131的长度是第一区1311、第二区1312和第三区1313的长度的总和。层141是紧靠固定层131并且与固定层131具有基本上相同长度的抗铁磁性材料(AFM)层。可以通过溅射或者离子束沉积、物理汽相沉积或者化学汽相沉积形成MTJ100中的层，诸如层111、层121、层131和层141。一般地，可以采用光刻技术通过形成经图案化的掩模以保护AFM层141、固定层131、绝缘层121和自由层111的期望部分来图案化这些层。然后可以采用一种或多种可接受的技术诸如采用各向异性蚀刻来去除暴露部分。在其他实施例中，可以采用分子束外延、离子束外延等以图案化模式来沉积一个或多个层。对于图1(a)中示出的MTJ100的实施例，没有按比例绘制长度和厚度。相反，它们仅用于说明的目的且不是限制性的。自由层111的第一长度L1的示例长度可以介于1.0纳米(nm)和1.0微米(μm)之间。自由层111的其他长度也是可能的。第一厚度T与第二厚度t的比率可以约大于1.2。类似地，第二长度L2与第一长度L1的比率可以约大于0.5，这可以简化MTJ沉积工艺。这样形成的MTJ的实施例可以具有适当的固定层厚度和长度以增大隧穿磁电阻(TMR)比并降低临界切换电流。如图1(a)中示出的，MTJ100的两个铁磁层111和131通过可以充当隧穿阻挡层的薄绝缘层121分开。固定(fixed或pinned)层131是铁磁层，它的磁性取向在与其相关的MRAM单元的操本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于磁随机存取存储器单元的结构，包括：自由层，具有第一长度；绝缘层，紧靠所述自由层；以及固定层，包括第一区、第二区和第三区，其中，所述第二区紧靠所述绝缘层并且邻近于所述第一区和所述第三区，所述第二区具有所述第一长度和第一厚度，并且所述第一区和所述第三区具有第二长度和第二厚度。

【技术特征摘要】
2012.03.02 US 13/410,7141.一种用于磁随机存取存储器单元的结构，包括：自由层，具有第一长度；绝缘层，紧靠所述自由层；以及固定层，包括第一区、第二区和第三区，其中，所述第二区紧靠所述绝缘层并且邻近于所述第一区和所述第三区，所述第二区具有所述第一长度和大于固定层材料的自旋扩散长度SDL的第一厚度，并且所述第一区和所述第三区具有第二长度和第二厚度，其中，所述第二厚度小于所述第一厚度，其中，所述第二长度与所述第一长度的比率大于0.5，以降低所述磁随机存取存储器单元的临界切换电流并且增大遂穿磁电阻比；抗铁磁材料AFM层，紧靠所述固定层，所述AFM层具有大于所述第一长度的第三长度；第一电极，连接至所述自由层，第二电极，连接至所述AFM层，其中，所述第二电极的横向延伸小于所述AFM层的横向延伸，且所述第一电极的横向延伸小于所述自由层的横向延伸，其中，所述第二厚度在所述固定层材料的0.8倍SDL至1倍自旋扩散长度SDL的范围内。2.根据权利要求1所述的用于磁随机存取存储器单元的结构，其中，所述第一厚度与所述第二厚度的比率大于1.2。3.根据权利要求1所述的用于磁随机存取存储器单元的结构，其中，所述自由层包含CoFeB、NiFe、Co、Fe、Ni、FeB或者FePt。4.根据权利要求1所述的结构，其中，所述固定层包含CoFe、CoFeB或者CoFeB/Ru/CoFeB/PtMn。5.根据权利要求1所述的用于磁随机存取存储器单元的结构，其中，所述绝缘层包含MgO或者Al2O3。6.根据权利要求1所述的用于磁随机存取存储器单元的结构，其中，所述第一厚度在所述固定层材料的1倍SDL至1.2倍SDL的范围内。7.根据权利要求1所述的用于磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑凯文，于淳，陈志明，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：