[发明专利]半导体器件和形成该半导体器件的方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及集成电路，更具体而言涉及用于磁阻随机存取存储器电路的磁隧道结。

背景技术

磁阻随机存取存储器(MRAM)是一种存储器技术，常用磁隧道结(MTJ)存储信息。基础MTJ包括被钉扎层、介入隧道阻挡层和自由层。通常，被钉扎层包括一层或多层沉积在反铁磁体层上的被钉扎铁磁体亚层。被钉扎层与反铁磁体层的交互作用在被钉扎铁磁体亚层中建立了稳定的磁取向，尽管外加的磁场达到几百或上千奥斯特。自由层包括简单的铁磁材料薄层或含有铁磁体和分隔件亚层的多层结构。隧道阻挡层常通过生长于被钉扎层和自由层之间的薄金属亚层(通常为Al或Mg)的氧化或是氧化物或氮化物层的沉积而形成。另外，基础MTJ也可以包括一层或多层覆盖层和生长层。覆盖层可以用作多种用途。它可以用于改善自由层的磁特性，充当热扩散阻挡层和/或允许对MTJ器件改善的粘附力。另一方面，生长层通常在MTJ底端附近出现，并被设计成用于促进随后沉积的层的高质量生长。

MTJ的阻抗或高或低，取决于自由层对被钉扎层的相对极化(平行或反平行)。如果层的磁极化彼此相互平行，则通过隧道阻挡层的阻抗通常是比较低的，然而，如果层的磁极化是反平行的，阻抗通常较高。为了开关MTJ器件(即写入存储器单元)，利用穿过位于器件附近的字线和位线的芯片上电流脉冲，特定磁场脉冲序列施加到MTJ。该特定磁场脉冲序列取决于自由层含有一层还是多于一层铁磁体亚层。例如，D.Worledge在2006年1月份第50卷第1期的IBM Journal ofResearch and Development上发表的起始页为第69页的“Single-Domain Mode for Toggle MRAM”一文中，对写入包含自由层的MTJ进行了描述，该自由层具有单一铁磁体亚层(通常利用Stoner-Wohlfarth方法进行转换)，在此引用，作为参考。例如，在上述引用的杂志论文以及专利号为6,545,906题名为“Method of Writingto Scalable Magnetoresistance Random Access Memory Element”的美国专利中，对写入包含自由层的MTJ进行了描述，该自由层具有两层铁磁体亚层(通常称作触发或旋转转换)，在此引用，作为参考。

在外部磁场存在情况下沉积的铁磁体亚层的特征在于由外部磁场方向和强度决定的磁各向异性轴。即，当随后暴露在平行和垂直于亚层中某一磁各向异性轴而施加的外部磁场时，亚层显示了行为上明显的差别。亚层的磁力矩矢量在零外加磁场下沿着其磁各向异性轴指向。另外，当外部磁场沿着平行于亚层各向异性轴的方向施加到亚层时，亚层更容易在磁极化之间转换。因此，获得MTJ中高质量转换的关键之一在于准确地控制上述磁各向异性。

很明显，发明人近来已观察到MTJ中的生长层可以影响随后沉积的铁磁体层中磁各向异性方向上的最终散布。在许多实例中，这种影响是相当大的。因此，对具有允许准确控制铁磁体层中磁各向异性的结构的触发类型MTJ存在着需求。这样，可以对MTJ的磁转化特征进行最优化。

发明内容

本发明通过提供一种新型的触发类型MTJ致力于上述认定的需求，该MTJ包括具有准确控制的磁各向异性轴的铁磁体层。上述准确控制有利地导致了最优化的磁转换特征。

根据本发明的实施例，形成于字线与位线之间的半导体器件包括生长层、形成于生长层上的反铁磁层、形成于反铁磁层上的被钉扎层、形成于被钉扎层上的隧道阻挡层，以及形成于隧道阻挡层上的自由层。字线与位线基本上彼此垂直排列。依次地，生长层包括钽，其厚度大于大约75埃。另外，被钉扎层包括一层或多层被钉扎铁磁体亚层。隧道阻挡层包括氧化镁。最后，自由层包括两层或多层自由铁磁体亚层，每个自由铁磁体亚层具有磁各向异性轴，其方向与字线和位线成大约45度。

在优选的实施例中，在字线与位线之间形成的MTJ包括(从底端到顶端)：100氮化钽/100钽/120铱锰合金/15钴铁合金/13氧化镁/40钴铁合金/60钌/50钴铁合金/100氮化钽。钴铁合金层是铁磁性的，且各层依共同的磁各向异性轴生成，该轴与字线和位线成大约45度。有利地，该TMJ显示了优良的触发-转换特征及高磁阻。

结合附图阅读下列详述，本发明的上述及其他特性和优势将会显而易见。

附图说明

图1显示了根据本发明优选实施例的MTJ的横截面图。

图2显示了图1中MTJ的平面图。