[发明专利]一种新型的磁隧穿结器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明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 Tunnel Junction，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1或0。

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MTJ 104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(1-10nm)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发明的技术方案。

发明内容

根据本发明的一方面，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。