半导体器件和形成该半导体器件的方法

专利名称：半导体器件和形成该半导体器件的方法
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。


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。
图3显示了阐明用于转换图1中MTJ的磁场脉冲序列的图。
图4A显示了无钽生长层的测试薄膜堆叠(film stack)的Kerr磁力测定信号与平行于磁各向异性轴方向施加的外部磁场的函数关系。
图4B显示了无钽生长层的测试薄膜堆叠的Kerr磁力测定信号与垂直于磁各向异性轴方向施加的外部磁场的函数关系。
图5A显示了具有100钽生长层的测试薄膜堆叠的Kerr磁力测定信号与平行于磁各向异性轴方向施加的磁场的函数关系。
图5B显示了具有100钽生长层的测试薄膜堆叠的Kerr磁力测定信号与平行于磁各向异性轴方向施加的外部磁场的函数关系。
图6显示了当垂直于测试薄膜堆叠磁各向异性轴方向施加的外部磁场存在时，Kerr磁力测定回路的开口百分比与钽生长层厚度的函数关系。
图7显示了图1中MTJ响应图3中磁场脉冲序列的磁阻。
具体实施例方式
参照本发明的说明性的实施例对本发明进行描述。因此，可以对此处描述的实施例进行大量的修改和变动，而结果仍属于本发明的范畴。规定或应当推断出对所描述的特殊实施例没有限制。
还应当指出附图中显示的各层和/或区域可以不按比例，另外，通常用于集成电路中的一种类型的一层或多层和/或区域，为防止赘述，可以不在给定的图中明确显示。这不意味着没有明确显示的层和/或区域会从实际的集成电路中省略。
规定此处使用的“层”这个词包括事物的任何分层。层可以包括单一材料或不同材料的几个亚层。另外，当通常产生于MRAM中的某一量级的外加磁场存在的情况下，铁磁体薄膜被称作“被钉扎”，此时其磁力矩基本上是不自由于旋转。另一方面，铁磁体薄膜被称作“自由”，此时其磁力矩可以被通常产生于MRAM中某一量级的外加磁场所旋转。
图1阐明了根据本发明优选实施例简化的MTJ100剖面图。MTJ被夹在字线102和位线104之间。字线位于MTJ的顶端，位线位于MTJ的底端，尽管本发明还为字线和位线考虑其它可供选择的结构。
MTJ100包括被钉扎层110和自由层120。隧道阻挡层130位于上述两层之间。依次地，自由层包括三个亚层，更具体而言，下自由铁磁体亚层122和上自由铁磁体亚层124，被分隔件亚层126所隔离。分隔件亚层可以交换耦合自由铁磁体亚层或仅作为非磁性分隔件。反铁磁层140位于被钉扎层110的下方。另外，MTJ进一步包括了直接生成于反铁磁层140下方的生长层150，以及下和上覆盖层160和170。下和上覆盖层分别形成了位于MTJ和字线102及位线104之间的界面。
在MTJ1 00中，下和上覆盖层160、170优选包括大约100氮化钽(TaN)。氮化钽充当许多金属元素的热扩散阻挡层，包括用于字线和位线的普通元素铜。另一方面，分隔件层150优选包括大约100钽(Ta)。反铁磁层140优选包括大约120的铱和锰的组合(IrMn)。另外，分隔件亚层126优选包括大约60钌(Ru)。被钉扎层110以及自由铁磁体亚层122、124优选包括掺硼钴铁合金(CoFeB)，因而使上述层具有铁磁性。被钉扎层优选厚度为大约15，而下和上自由铁磁体亚层优选厚度分别为大约40和大约50。这些铁磁体层的磁各向异性轴可以在沉积过程中通过施加均匀的外部磁场建立。
MTJ 100中的隧道阻挡层130包括氧化镁(MgO)。隧道阻挡层的厚度优选为大约13，但其他适合的厚度仍属于本发明范畴。MTJ中氧化镁隧道阻挡层的使用和形成已经在例如申请号为10/884,696题名为“Magnetic Tunnel Barriers and Associated Magnetic TunnelJunctions with High Tunneling Magnetoresistance”的美国专利中描述过了，在此引用，作为参考。氧化镁隧道阻挡层的沉积可以通过例如首先沉积一层非常薄的镁金属(例如，大约3)，然后在有氧的情况下沉积附加的镁。有利地，当适当地结合入MTJ，氧化镁隧道阻挡层显示高磁阻特性。超过例如100％的隧道磁阻(即，MTJ电阻在较高和较低电阻状态下的差)可通过使用MgO隧道阻挡层容易的达到。
应该指出的是许多上述材料选择、厚度和沉积方法仅仅说明了优选的实施例，因此，其他材料选择、厚度和沉积方法将仍属于本发明的范畴。例如，分隔件亚层126可以不包括钌，可能包括铜、铬、钼、铌、钨、锇、铱或钽，或是这些的组合。在本发明范畴内对优选实施例可能的变更将为本领域技术人员所熟知。
以上所描述的元素的沉积方法将为半导体加工领域技术人员所熟知。元素的沉积可通过例如在传统的半导体加工中易于应用的物理汽相沉积和/或离子束沉积技术。这些沉积技术在许多容易获得参考资料进行了详细的描述，包括例如R.F.Bunshah编撰的在1994由NoyesPublications出版的Handbook of Deposition Technologies for Filmsand Coatings，Science，Technology and Applications一书第二版，在此引用，作为参考。
由于其铁磁特性，每个被钉扎层110和自由铁磁体亚层122、124具有一个关联的磁力矩矢量，分别如图1中箭头111、123和125所示。在没有外部磁场的影响下，这些磁力矩矢量趋向于平行于它们各自铁磁体层的磁各向异性轴排列。由于两极耦合与由分隔件亚层126提供的任何交换耦合二者的复合，自由磁力矩矢量123、125将彼此趋向于保持反平行。
图1所示的优选实施例中，当通常产生于MTJ 100中的某一量级的外加磁场存在的情况下，被钉扎磁力矩矢量111不自由旋转。上述对旋转限制的发生主要是因为被钉扎层110与相邻的反铁磁层140之间的耦合。被钉扎层因此作为参考。另一方面，在有外加磁场存在的情况下，自由磁力矩矢量123、125自由旋转，该磁场可以由字线102和位线104内电流产生。因而，为了存储数字信息，自由层120内的自由磁力矩矢量的方向担任起建立MTJ的状态的任务。
而且，优选配置被钉扎层110和自由铁磁体亚层122，124，使其具有磁各向异性轴，其方向与字线102和位线104的方向成大约45度。该方向允许利用特定的字线和位线电流序列对自由磁力矩矢量123、125进行转换，详细描述于下。图2显示了带有字线和位线的MTJ100的简化平面图。字线和位线优选彼此垂直。另外，该图清晰地显示了自由磁力矩矢量与字线/位线之间的45度角。字线和位线中的正电流的方向在图2中也分别以Iw和Ib显示。字线和位线中的正电流分别产生了圆周磁场Hw和Hb。
类似于图1所示自由层120的三层结构可以利用触发-写操作进行转换。该写操作详细描述于先前已经引述并引用作为参考的美国专利，专利号为6,545,906。简单地说，通过使用字线102与位线104中的特定同步电流脉冲序列实现触发-写操作。图3显示了具有正和负电流极性的上述电流脉冲导致的外加磁场Hw和Hb。在时间to，字线和位线中无电流，自由磁力矩矢量123、125保持其方位沿着自由磁亚层122、124的磁各向异性轴的方向，并与字线102和位线104的方向成45度。在时间t1，字线电流开启，因而产生了磁场Hw，自由磁力矩矢量开始沿顺时针或逆时针旋转，这取决于字线电流的极性，使得自身的取向以剪形状态与上述外加场方向名义垂直。稍后在时间t2，开启位线电流同时字线电流保持开启。位线中的附加电流导致自由磁力矩矢量与由字线电流诱发的旋转相同方向进一步旋转。在上述时间点，自由磁力矩矢量与平均外加磁场方向Hw+Hb名义上垂直，该磁场方向与字线和位线成45度。
在时间t3，切断字线电流，使得自由磁力矩矢量123、125只有通过位线104产生的外加磁场Hb才能进一步旋转。此时，磁力矩矢量通常已经被旋转越过其难磁化轴不稳定点(hard axis instabilitypoints)。因此，在时间t4，当切断位线电流，自由磁力矩矢量将趋向于再次沿着自由磁亚层122、124的磁各向异性轴排列。在上述时间点，自由磁力矩矢量已经被旋转180度，MTJ 100已经被触发。
如前所述，生长层成分和厚度的认真选择将对随后沉积的铁磁体层中的磁各向异性方向上的散布产生重大影响。为了确定最优的生长层结构，在与以上描述的优选MTJ实施例相关的覆盖(blanket)薄膜堆叠上进行了Kerr磁力测定研究。一些薄膜堆叠不包括钽生长层，而其他的薄膜堆叠包括各种厚度的钽生长层。利用Kerr磁力测定研究MRAM器件中铁磁体薄膜的磁各向异性在许多参考资料中进行了描述包括，例如，D.W.Abraham等人在2006年1月份第50卷第1期的IBM Journal of Research and Development上发表的起始页为第55页的“Rapid-turnaround Characterization Methods for MRAMDevelopment”一文，在此引用，作为参考。
简单地说，Kerr磁力测定测量所研究的磁性材料表面反射光的极化旋转与外加磁场的函数关系。Kerr信号与测试试样的磁力矩成比例，尽管没有可利用的基本标定常数以给出试样每极化旋转量磁力矩的量化测量。然而，对于给定试样或一组相似试样，Kerr信号与平行于光束的试样磁力矩成比例，并且系列内所有试样具有相同的标定常数。有商业Kerr磁力计可以利用。某一商业制造商例如ADETechnologies(Westwood，Massachusetts)。
图4A和4B显示了无钽生长层薄膜堆叠的Kerr磁力测定测量结果。更具体而言，所研究的薄膜堆叠包括(从底端至顶端)100TaN/120 IrMn/15 CoFeB/18 MgO/35 CoFeB。比较而言，图5A和5B显示了含有100 Ta生长层的薄膜堆叠相似的Kerr磁力测定测量结果。更具体而言，上述薄膜堆叠包括(从底端至顶端)100TaN/100 Ta/120 IrMn/15 CoFeB/18 MgO/35 CoFeB。在所有实例中，铁磁体层(即，CoFeB层)是在外加磁场的影响下沉积的，以在上述薄膜中限定共同的磁各向异性轴。图4A和5A显示了Kerr信号与平行于铁磁体层中磁各向异性轴方向施加到试样的磁场的函数关系。另一方面，图4B和5B显示了相同试样Kerr信号与沿着垂直于铁磁体层中磁各向异性轴的轴施加的外部磁场的函数关系。在每个实例中，外加磁场从一极扫向另一极(正极向负极，负极向正极)反复几次以产生所示的回路。
图4A和5A中所示的回路的方形度以及图4B和5B中所示回路的开口尺寸暗示了相关样品中磁各向异性的控制程度。图4A中回路的圆角和图4B回路中相对较大的开口暗示了跨越无钽生长层试样中铁磁体层的磁各向异性方向上大的散布。因此，如果上述薄膜堆叠被采用于MTJ中，其特征将会是低劣的触发-转换特性。相反，图5A中回路的方形度和图5B中回路的紧密度暗示了在磁各向异性方向具有非常小散布的高质量铁磁体薄膜。当上述薄膜堆叠结合入MTJ如MTJ100，将会因贯穿试样的磁各向异性方向的一致性而显示优良的触发-转换特性。
图6显示了薄膜堆叠Kerr磁力测定测量结果的总结，薄膜堆叠包括100 TaN/x Ta/120 IrMn/15 CoFeB/18 MgO/35CoFeB，其中，x＝0、50、75、100、125和150。图6中的y轴是Kerr信号回路中的开口百分比，其中，外加磁场沿着垂直铁磁体层中磁各向异性轴的轴施加。因此，图6包含从图4B(无钽生长层，x＝0)和图5B(100 Ta生长层，x＝100)中回路获得的数据。图6清楚地显示了通过使用厚度大于大约75的钽生长层可以获得磁各向异性方向基本上更好的散布控制。
图7显示了MTJ 100的触发-写数据。如上所述，上述MTJ具有厚度为100的钽生长层150。试验以高电阻状态(即，被钉扎层磁力矩矢量111和下自由铁磁体亚层磁力矩矢量123彼此反平行的状态)下的MTJ开始。在这些试验中，字线102和位线104被沿着带有逐渐增大的电流脉冲的正向被扫描穿过图3所示的盒子图样。图7中标记为Hbox的x轴显示了每个由字线和位线产生的磁场的量级。将会观察到MTJ开始在电流脉冲的每一扫描波的电阻状态之间来回转换，此时Hbox等于大约125奥斯特。有利地，上述触发-转换行为暗示了上述MTJ设计可以成功地在现代集成电路中实施，同时不超过典型字线和位线驱动电路电流产生能力。如上所述，如果钽生长层厚度小于75，与图7显示的特性比较，触发特性将基本上是劣等的。
应该指出的是可以采利用此处描述的设备和方法形成集成电路。在形成集成电路过程中，多个相同的单元片通常是在半导体晶片上以重复的图形制成的。每个单元片包括根据此处所描述的本发明实例形成的器件，也可以包括其他结构或电路。单个单元片从晶片上切割或切片，然后封装成集成电路。本领域的技术人员知道怎样切割晶片和封装单元片以生产集成电路。这样制造出来的集成电路被认为是本发明的一部分。
另外，需要强调的是，尽管本发明的说明性实施例已经在此处参照附图进行了描述，还是要明白本发明不限于那些精确的实例，本领域技术人员可以进行各种其他的变更和修改，而不会偏离附加权利要求书的范畴。
权利要求
1.半导体器件，在字线和位线之间形成，字线和位线基本上彼此垂直排列，该半导体器件包括生长层，生长层包括钽且厚度大于约75；反铁磁体层，反铁磁体层形成于生长层上；被钉扎层，被钉扎层形成于反铁磁体层上并包括一层或多层被钉扎铁磁体亚层；隧道阻挡层，隧道阻挡层形成于被钉扎层上并包括氧化镁；以及自由层，自由层形成于隧道阻挡层上并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与字线和位线成大约45度角取向的磁各向异性轴。
2.根据权利要求1的半导体器件，其中该半导体器件包括磁隧道结。
3.根据权利要求1的半导体器件，其中数据可通过触发-写操作写入半导体器件。
4.根据权利要求1的半导体器件，其中反铁磁体层包括铱和锰。
5.根据权利要求1的半导体器件，其中被钉扎层和自由层中至少一个包括铁和钴。
6.根据权利要求1的半导体器件，其中至少一个被钉扎层和自由层中至少一个包括硼。
7.根据权利要求1的半导体器件，其中自由层包括形成于隧道阻挡层上的下自由铁磁体亚层以及通过分隔件亚层与下自由铁磁体亚层隔离的上自由铁磁体亚层。
8.根据权利要求7的半导体器件，其中当没有外部磁场施加到半导体器件时，下和上自由铁磁体亚层的磁力矩矢量彼此反平行取向。
9.根据权利要求7的半导体器件，其中分隔件亚层包括铜、铬、钼、钌、铌、钨、锇、铱或钽，或是它们的组合。
10.根据权利要求1的半导体器件，其中被钉扎层包括形成于反铁磁层上的下被钉扎铁磁体亚层以及通过反铁磁耦合亚层与下被钉扎铁磁体亚层隔离的上被钉扎铁磁体亚层。
11.根据权利要求10的半导体器件，其中第一和第二被钉扎铁磁体亚层的磁力矩矢量彼此反平行。
12.根据权利要求1的半导体器件，其中被钉扎层包括三层或多层被钉扎铁磁体亚层。
13.根据权利要求1的半导体器件，其中与包含自由层和隧道阻挡层的界面的平面基本上平行的平面内的自由层的最小尺度小于大约200纳米。
14.集成电路，包括至少一个半导体器件，该至少一个半导体器件形成于字线与位线之间，字线和位线基本上彼此垂直排列，该至少一个半导体器件包括生长层，生长层包括钽并且厚度大于约75；反铁磁体层，反铁磁体层形成于生长层上；被钉扎层，被钉扎层形成于反铁磁体层上并包括一层或多层被钉扎铁磁体亚层；隧道阻挡层，隧道阻挡层形成于被钉扎层上并包括氧化镁；以及自由层，自由层形成于隧道阻挡层上并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与字线和位线成大约45度角取向的磁各向异性轴。
15.根据权利要求14的集成电路，其中半导体器件包括磁隧道结。
16.根据权利要求14的集成电路，其中集成电路包括磁阻随机存取存储器电路。
17.形成字线与位线之间的半导体器件的方法，字线和位线基本上彼此垂直排列，该方法包括以下步骤形成生长层，生长层包括钽并且其厚度大于大约75；在生长层上形成反铁磁体层；在反铁磁体层上形成被钉扎层，被钉扎层包括一层或多层被钉扎铁磁体亚层；在被钉扎层上形成隧道阻挡层，隧道阻挡层包括氧化镁；以及在隧道阻挡层上形成自由层，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与字线和位线成大约45度角取向的磁各向异性轴。
18.根据权利要求17的方法，其中形成生长层的步骤包括物理汽相沉积。
19.根据权利要求17的方法，其中形成两层或多层自由铁磁体亚层中的至少一层的步骤包括有外加磁场存在情况下的物理汽相沉积。
20.根据权利要求17的方法，其中形成隧道阻挡层的步骤包括离子束沉积。
全文摘要
半导体器件和形成该半导体器件的方法。形成于字线和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体层、形成于反铁磁体层上的被钉扎层、形成于被钉扎层上的隧道阻挡层、形成于隧道阻挡层上的自由层。字线和位线基本上彼此垂直排列。依次地，生长层包括钽并且其厚度大于大约75。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与字线和位线成大约45度的磁各向异性轴。半导体器件可以包括，例如，用于磁阻随机存取存储器(MRAM)电路的磁隧道结。
文档编号H01L21/70GK101090129SQ20071009702
公开日2007年12月19日 申请日期2007年4月17日 优先权日2006年6月14日
发明者戴维·W.·亚伯拉罕, 斯图亚特·S.·帕金, 丹尼尔·C.·沃尔里奇, 斯蒂芬·L.·布朗 申请人:国际商业机器公司