[发明专利]用于垂直磁隧道结(pMTJ)的应变工程的方式以及所得到的结构

说明书

描述用于垂直磁隧道结(pMTJ)的应变工程的方式以及所得到的结构。在示例中，存储器结构包括设置在衬底上方的垂直磁隧道结(pMTJ)元件。横向应变诱导材料层设置在pMTJ元件上。层间介电(ILD)层与pMTJ元件和横向应变诱导材料层两者横向相邻地设置。ILD层具有与横向应变诱导材料层的最上表面共面或者基本上共面的最上表面。

技术领域

本发明的实施例处于集成电路制作领域，以及尤其是垂直磁隧道结(pMTJ)的应变工程的方式以及所得到的结构。

背景技术

在过去数十年，集成电路中特征的缩放（scaling）已成为日益增长的半导体工业背后的驱动力。对越来越小特征的缩放实现半导体芯片的有限固定面积上的功能单元的增加密度。例如，缩小晶体管尺寸允许在芯片上结合增加数量的存储器装置，从而制作带有增加容量的产品。但是，针对越来越大容量的驱动并非没有问题。优化每个装置的性能的必要性变得越来越重要。

非易失性嵌入式存储器(例如具有非易失性的芯片上嵌入式存储器)能够实现能量和计算效率。但是，可存在对传统自旋扭矩转移磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)集成的密度限制，以适应大写入切换电流和选择晶体管要求。具体来说，传统STT-MRAM由于提供充分自旋电流的驱动晶体管要求而具有单元尺寸限制。此外，这种存储器与基于常规磁隧道结(MTJ)的装置的大写入电流(> 100 µA)和电压(> 0.7 V)要求关联。

磁隧道结(MTJ)装置(其通常包括通过隧穿阻挡层所分隔的固定磁层和自由磁层)利用称作隧穿磁阻(TMR)的现象。对于包括通过薄绝缘隧道层所分隔的两个铁磁层的结构，与假如两个磁层的磁化不处于平行取向(不平行或者反平行取向)相比，当它们的磁化处于平行取向时，电子将更可能隧穿通过隧道材料层。因此，pMTJ能够在电阻的两种状态之间切换，即，具有低电阻的一种状态以及具有高电阻的一种状态。电阻的差异越大，则TMR比越高：(RAP-Rp)/Rp* 100 %，其中Rp和RAP分别是磁化的平行和反平行对齐的电阻。TMR比越高，则位能够越容易可靠地与pMTJ电阻状态关联地存储。因此，给定pMTJ的TMR比是采用pMTJ堆叠的自旋转移扭矩存储器(STTM)的重要性能度量。

对于STTM装置，电流感应磁化切换可用来设置位状态。第一(自由)铁磁层的极化状态能够经由自旋转移扭矩现象相对于第二(固定)铁磁层的固定极化来切换，从而使pMTJ的状态能够通过电流的施加来设置。电子的角动量(自旋)可经过一个或多个结构和技术(例如直流、自旋霍耳效应等)来极化。这些自旋极化电子能够将其自旋角动量转移成自由层的磁化，并且使它进动。因此，自由磁层的磁化能够通过超过某个临界值的电流的脉冲(例如持续大约1-10纳秒)来切换，而固定磁层的磁化保持不变（只要电流脉冲低于与固定层架构关联的某个更高阈值）。

具有磁电极(其具有垂直(在衬底的平面之外)的磁易轴)的MTJ具有实现比平面内变体要更高密度的存储器的潜能。一般来说，当自由磁层充分薄时，垂直磁各向异性(PMA)能够通过由相邻层(例如氧化镁(MgO))所建立的界面垂直各向异性来实现在自由磁层中。但是，薄层通常与相对低矫顽场Hc关联。因此，能够针对给定磁层厚度增加Hc的技术和结构是有利的，例如以改进pMTJ稳定性。

因此，在基于pMTJ的非易失性存储器阵列的领域中仍然需要显著改进。

附图说明

图1示出按照本发明的实施例、制作pMTJ装置(包括应变工程层)的方法中的各种操作的截面图。

图2示出按照本发明的一些实施例的pMTJ装置的截面图。

图3是示出按照本发明的实施例、在敷层（blanket）MTJ堆叠中的自由层矫顽性如何随硬掩模或顶部电极层的本征应力改变(如经由溅射压力所控制)的图表。

图4是按照本发明的实施例、采用不同本征硬掩模或顶部电极应力所制作的pMTJ装置的自由层矫顽性的图表。