[发明专利]磁阻式随机存取存储器结构及其形成方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及半导体结构，更具体地，涉及磁阻式随机存取存储器结构及其形成方法。

背景技术

在集成电路（IC）器件中，磁阻式随机存取存储器（MRAM）是下一代非易失性存储器器件的新兴技术。MRAM是包括MRAM单元阵列的存储器结构。使用电阻而不是电子电荷读取每个单元中数据位。具体而言，每个MRAM单元包括磁性隧道结（MTJ）元件，并且MTJ元件的电阻可调节以表示逻辑“0”或者逻辑“1”。MTJ元件包括通过隧道绝缘层隔离的一个铁磁固定层和一个铁磁自由层。MTJ元件的电阻通过改变铁磁自由层的磁矩相对于铁磁固定层的磁矩的方向来调节。使用低电阻和高电阻以指示数字信号“1”或者“0”，从而允许数据存储。

从应用的角度来看，MRAM具有许多优点。与其他非易失性存储结构相比，MRAM具有简单的单元结构和CMOS逻辑可比工艺，从而使制造复杂性和成本得以降低。虽然有上述吸引人的特性，但是也存在与开发MRAM相关的大量挑战。现已实施各种针对这些MRAM的配置和材料的技术以试图进一步改进器件性能。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种磁阻式随机存取存储器（MRAM）结构，包括：

底部电极结构；

位于所述底部电极结构上方的磁性隧道结（MTJ）元件，所述MTJ元件包括：

位于所述底部电极结构上方的反铁磁材料层；

位于所述反铁磁材料层上方的铁磁固定层；

位于所述铁磁固定层上方的隧道层；和

位于所述隧道层上方的铁磁自由层，所述铁磁自由层具有第一部分和消磁的第二部分；以及

位于所述第一部分上方的顶部电极结构。

在可选实施例中，所述铁磁自由层的所述消磁的第二部分包括氧和氮中的至少一种。

在可选实施例中，所述铁磁自由层的所述消磁的第二部分包括钴、镍、铁、硼、氧和氮中的至少一种。

在可选实施例中，所述MRAM结构还包括位于所述顶部电极结构的侧壁表面上方和所述铁磁自由层的所述消磁的第二部分上方的保护间隔件。

在可选实施例中，所述保护间隔件包括氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化硅和低k介电材料中的至少一种。

在可选实施例中，所述铁磁自由层的第一部分可配置为相对于所述铁磁固定层的第二磁矩的方向改变第一磁矩的方向，并且所述消磁的第二部分的第一磁矩恒定。

根据本发明的另一方面，还提供了一种磁阻式随机存取存储器（MRAM）结构，包括：

底部电极结构；

位于所述底部电极结构上方的磁性隧道结（MTJ）元件，所述MTJ元件包括：

位于所述底部电极结构上方的反铁磁材料层；

位于所述反铁磁材料层上方的铁磁固定层；

位于所述铁磁固定层上方的隧道层；和

位于所述隧道层上方的铁磁自由层，所述铁磁自由层具有第一部分和经过处理的第二部分；

位于所述铁磁自由层的第一部分上方的顶部电极结构，所述顶部电极结构具有侧壁表面；以及

位于所述顶部电极结构的侧壁表面上方以及所述铁磁自由层的所述经过处理的第二部分上方的保护间隔件。

在可选实施例中，所述铁磁自由层的所述经过处理的第二部分包括氧和氮中的至少一种。

在可选实施例中，所述铁磁自由层的所述经过处理的第二部分包括钴、镍、铁、硼、氧和氮中的至少一种。

在可选实施例中，所述保护间隔件包括氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化硅和低k介电材料中的至少一种。

在可选实施例中，所述铁磁自由层的所述经过处理的第二部分的第一磁矩相对于所述铁磁固定层的第二磁矩的方向恒定。

在可选实施例中，所述保护间隔件的侧壁表面与所述MTJ元件的侧壁表面基本对准。

根据本发明的又一方面，还提供了一种形成磁阻式随机存取存储器（MRAM）结构的方法，所述方法包括：

提供反铁磁材料层、位于所述反铁磁材料层上方的固定层、位于所述固定层上方的隧道层、位于所述隧道层上方的铁磁自由层以及位于所述铁磁自由层上方的顶部电极层；

蚀刻所述顶部电极层以形成顶部电极结构并且暴露所述铁磁自由层的一部分；

对所述铁磁自由层的暴露部分进行处理；

在所述顶部电极结构和所述铁磁自由层的被处理部分上方形成保护层；