磁随机存取存储器中的磁隧道结(MTJ)的制作方法与工艺

本发明涉及半导体存储器器件，具体而言，涉及磁随机存取存储器中的磁隧道结及其形成方法。

背景技术：
一些半导体器件包括用于储存信息的存储器器件。半导体存储器器件中的最新发展是磁随机存取存储器(MRAM)器件。MRAM器件包括设置在不同方向上的导线(字元线和位元线)，例如，在不同的金属层中相互垂直。导线夹在包括磁隧道结(MTJ)的电阻式MRAM单元之间，MTJ充当磁存储器单元。MRAM单元是一种能够储存数字信息位元(二进制0或1)的非易失性存储器形式。MRAM数字数据存储不像在传统的RAM元件中按照电荷进行存储，而是通过诸如不需要恒定电功率以保持其状态的MTJ的磁存储元件中的电阻状态(高电阻或低电阻)或者磁性状态来存储位元状态(是0或1)。在MRAM单元的读取操作中，通过经由流经MTJ的感应电流感应MTJ的磁性状态(电阻水平)来读取信息。对于MRAM单元的写入操作，通过对MTJ施加电流以切换MTJ的磁化将磁性状态变成预先定义的磁性状态来写入信息。对于要改变状态的MTJ，通过MTJ的电流必须大于MTJ的临界切换电流并且更快的切换需要更高的切换电流。对于具有较低临界切换电流的MTJ，较低的切换电流可以用于MTJ的写入操作从而降低功耗。因此，降低MTJ的临界切换电流的方法是值得关注的。

技术实现要素：
为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种用于磁随机存取存储器单元的结构，包括：自由层，具有第一长度；绝缘层，紧靠所述自由层；以及固定层，包括第一区、第二区和第三区，其中，所述第二区紧靠所述绝缘层并且邻近于所述第一区和所述第三区，所述第二区具有所述第一长度和第一厚度，并且所述第一区和所述第三区具有第二长度和第二厚度。在所述的结构中，所述第一厚度与所述第二厚度的比率约大于1.2。在所述的结构中，所述第二长度与所述第一长度的比率大于0.5。在所述的结构中，所述自由层包含CoFeB、NiFe、Co、Fe、Ni、FeB或者FePt。在所述的结构中，所述固定层包含CoFe、CoFeB或者CoFeB/Ru/CoFeB/PtMn。在所述的结构中，所述绝缘层包含MgO或者A12O3。在所述的结构中，所述第一厚度大于所述固定层材料的自旋扩散长度(SDL)。在所述的结构中，所述第一厚度大于所述固定层材料的自旋扩散长度(SDL)，其中，所述第一厚度在所述固定层材料的1倍SDL至约1.2倍SDL的范围内。在所述的结构中，所述第一厚度大于所述固定层材料的自旋扩散长度(SDL)，其中，所述第二厚度在所述固定层材料的0.8倍SDL至约1倍SDL的范围内。所述的结构还包括紧靠所述固定层的抗铁磁性材料(AFM)层，所述AFM层具有大于所述第一长度的第三长度。所述的结构还包括紧靠所述固定层的抗铁磁性材料(AFM)层，所述AFM层具有大于所述第一长度的第三长度，其中，所述AFM层由铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)或者其他抗铁磁性材料形成。所述的结构还包括紧靠所述固定层的抗铁磁性材料(AFM)层，所述AFM层具有大于所述第一长度的第三长度，其中，所述AFM层的厚度介于约10埃和10000埃之间。所述的结构还包括紧靠所述固定层的抗铁磁性材料(AFM)层，所述AFM层具有大于所述第一长度的第三长度，所述的结构还包括连接至所述自由层的第一电极和连接至所述AFM层的第二电极。另一方面，本发明还提供了一种形成磁隧道结(MTJ)的方法，包括：形成包括第一区、第二区和第三区的固定层，其中，邻近于所述第一区和所述第三区的所述第二区具有第一长度和第一厚度，并且所述第一区和所述第三区具有第二长度和第二厚度；在所述固定层的所述第二区的顶部上形成具有所述第一长度的绝缘层；以及在所述绝缘层的顶部上形成具有所述第一长度的自由层。在所述的方法中，所述第一厚度与所述第二厚度的比率大于1.2。在所述的方法中，所述第二长度与所述第一长度的比率大于0.5。在所述的方法中，所述自由层包含CoFeB、NiFe、Co、Fe、Ni、FeB或者FePt。在所述的方法中，所述固定层包含CoFe、CoFeB或者CoFeB/Ru/CoFeB/PtMn。在所述的方法中，所述绝缘层包含MgO或者Al2O3。在所述的方法中，所述第一厚度大于所述固定层材料的自旋扩散长度(SDL)。附图说明为了更充分地理解本发明及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：图1(a)至图1(b)示出MTJ的截面图；以及图2(a)至图2(b)示出包括MTJ和两个电极的MRAM单元。除非另有说明，不同附图中的相应标号和符号通常是指相应部件。绘制附图用于清楚地示出各个实施例的相关方面且不必按比例绘制。具体实施方式在下面详细论述本发明的实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明的实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的构思。所论述的具体实施例仅是制造和使用本发明的示例性具体方式，而不用于限制本发明的范围。如将在下面示出的，公开了充当磁随机存取存储器(MRAM)单元的磁隧道结(MTJ)。MTJ包括具有若干不同厚度区域的固定层，其导致MTJ的隧穿磁电阻(TMR)比增大而临界切换电流降低。图1(a)示出可以用作MRAM单元的MTJ100的示例性截面图。MTJ100包括自由层111、紧靠自由层111的绝缘层121和固定层131。固定层131包括第一区1311、第二区1312和第三区1313，其中第二区1312紧靠绝缘层121并且邻近于第一区1311和第三区1313。自由层111、绝缘层121和第二区1312具有基本上相同的第一长度L1。第一区1311和第三区1313具有第二长度L2。第二区1312具有第一厚度T，其中第一区1311和第三区1313具有第二厚度t。固定层131的长度是第一区1311、第二区1312和第三区1313的长度的总和。层141是紧靠固定层131并且与固定层131具有基本上相同长度的抗铁磁性材料(AFM)层。可以通过溅射或者离子束沉积、物理汽相沉积或者化学汽相沉积形成MTJ100中的层，诸如层111、层121、层131和层141。一般地，可以采用光刻技术通过形成经图案化的掩模以保护AFM层141、固定层131、绝缘层121和自由层111的期望部分来图案化这些层。然后可以采用一种或多种可接受的技术诸如采用各向异性蚀刻来去除暴露部分。在其他实施例中，可以采用分子束外延、离子束外延等以图案化模式来沉积一个或多个层。对于图1(a)中示出的MTJ100的实施例，没有按比例绘制长度和厚度。相反，它们仅用于说明的目的且不是限制性的。自由层111的第一长度L1的示例长度可以介于1.0纳米(nm)和1.0微米(μm)之间。自由层111的其他长度也是可能的。第一厚度T与第二厚度t的比率可以约大于1.2。类似地，第二长度L2与第一长度L1的比率可以约大于0.5，这可以简化MTJ沉积工艺。这样形成的MTJ的实施例可以具有适当的固定层厚度和长度以增大隧穿磁电阻(TMR)比并降低临界切换电流。如图1(a)中示出的，MTJ100的两个铁磁层111和131通过可以充当隧穿阻挡层的薄绝缘层121分开。固定(fixed或pinned)层131是铁磁层，它的磁性取向在与其相关的MRAM单元的操作期间可以不发生改变。自由层111也是铁磁层，它的磁极性或者磁性取向在与其相关的MRMA单元的写入操作期间可以发生改变。固定层131和自由层111的磁场的相对排列(alignment)决定介于固定层131和自由层111之间的绝缘层121的电阻状态(高电阻或者低电阻)。通过检测MTJ的电阻状态读取MTJ100中储存的数字信息。当自由层111和固定层131的磁性取向是彼此反平行的(AP)，存在第一存储状态(例如，逻辑“1”)。当自由层111和固定层131的磁性取向是彼此平行的(P)，存在第二存储状态(例如，逻辑“0”)。当电流流经MTJ时，可以通过感应电阻来感应自由层111和固定层131的磁性取向以读取MTJ中储存的数据。为了改变MTJ的状态，通过对自由层施加电流以切换自由层的磁化来改变自由层的磁极性。如图1(a)中示出的，将AFM层141连接至固定层131。AFM层141与固定层131具有基本上相同的长度或者具有大于固定层第二区的长度的第三长度。应用AFM层141从而以固定的方向保持或者“固定”固定层131的磁性取向。形成的AFM层141可以具有合适的厚度，作为实例，厚度可以介于约10埃和10000埃之间。AFM层141可以由期望的任何合适的抗铁磁性材料形成。实例包括铂锰(PtMn)和铱锰(IrMn)。可以通过在固定层131上放置或者沉积薄介电材料来形成绝缘层121。形成的绝缘层121可以具有合适的厚度，作为实例，厚度可以介于约1埃和40埃之间。绝缘层121可以由期望的任何合适的介电材料形成。实例包括氧化镁(MgO)、铝氧化物(AlOx或者Al2O3)或者钛氧化物(TiOx或者TiO2)。自由层111的磁性取向与固定层131的磁性取向呈P或者AP。形成的自由层111可以具有合适的厚度，作为实例，厚度可以介于约1nm和1μm之间。自由层111可以由期望的任何合适的铁磁材料形成。实例包括钴铁硼(CoFeB)、CoFe、镍铁(NiFe)、Co、Fe、Ni、FeB或者FePt。自由层111也可以包括复合铁磁层。固定层131可以由任何合适的铁磁材料或者包括铁、CoFe、CoFeB的合金或者像CoFeB/Ru/CoFeB/PtMn的复合层形成。固定层131可以包括如图1(a)中示出的单个固定铁磁层。固定层可以包括具有不同元素组分的多个子层。具有多个子层的这种实施例在图1(b)中示出，其中层131和231都是在AFM层141和绝缘层121之间堆叠在一起的固定层。邻近于绝缘层121并且具有第一长度的固定层131的第二区1312可以具有大于固定层材料的自旋扩散长度(SDL)的第一厚度。为了使注入电流的自旋极化最大化，当固定层131包含CoFeB材料时，固定层的厚度必须大于CoFeB的SDL。其他实例可以包括，第一厚度在固定层材料的SDL的1.0倍至约1.2倍的范围内。类似地，固定层131的第一区1311和第三区1313具有第二厚度，其可以在固定层材料的SDL的0.8倍至约1.0倍的范围内。固定层131的表面可以不受任何特定的几何形状或者物理设计的限制。作为另一实例，如果固定层和/或自由层的截面结构是圆形或者椭圆形，这些尺寸可以包括直径或半径、周长或者这两者。如果固定层和/或自由层的截面结构是多边形，尺寸可以包括边长、边之间的夹角、高度、和/或宽度、或它们的任何组合。在图2(a)中示出，可以形成第一电极211和第二电极212。第一电极211邻近于自由层111，而第二电极212邻近于AFM层141。可以通过任何合适的工艺包括镶嵌工艺在介电层中形成电极211和电极212。也可以采用其他工艺，诸如沉积和蚀刻、双镶嵌等。第一电极211和第二电极212可以由任何合适的导电材料(诸如高导电低电阻金属、元素金属、过渡金属等，包括Ta、TaN、Al、AlCu、Cu、Ti、TiN、W等中的一种或多种的金属或者金属合金)或者掺杂多晶硅形成。此外，第一电极211和第二电极212可以包括阻挡/粘着层以在第一电极211和第二电极212和周围的介电层之间防止扩散并且提供更好的粘着性。可以例如通过物理汽相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、旋涂沉积或者其他合适的方法形成第一电极211和第二电极212。如图2(a)中示出的，提供第一电极211和第二电极212的位置和形状仅用于说明的目的并且不是限制性的。此外，第一电极211和第二电极212可以包括用于横向地延伸第一电极211和第二电极212经过上覆的存储器结构的的导线和/或再分布线。图2(b)示出包括如图2(a)中示出的示例性MTJ的示例性MRAM单元400。当将自由层111连接至第一电极211时，AFM层141连接至第二电极212。将存取控制晶体管102的漏极(D)连接至第二电极212。可以以存储器阵列提供MRAM单元400并且将其用作记忆存储器用于需要电子存储器的任何类型的系统，举例来说，诸如计算机处理单元(CPU)或者基于处理器的系统。可以提供金属氧化物半导体(通常为n型MOS，即，NMOS)存取晶体管102以控制MTJ的读取和写入。将位元线101(VBL)连接至第一电极211。将存取晶体管102的漏极(D)连接至第二电极212。将写入线103(VWL)连接至存取晶体管102的栅极(G)。将存取晶体管102的源极(S)连接至电压电源(VSS)104。当读取储存在MTJ中的数据时，激活存取晶体管102的位元线(VBL)101从而允许电流流经电极211和电极212之间的MTJ。通过由施加到位元线(VBL)101的电压除以所测电流测量得到的低电阻与自由层111和固定层131之间的平行(P)取向有关。较高电阻与自由层111和固定层131之间的反平行(AP)取向有关。当向MTJ写入数据时，通过激活写入线(VWL)103来激活存取晶体管102的栅极(G)。在位元线(VBL)101和源极线(VSS)104之间施加电压差。结果，在漏极(D)和源极(S)之间产生写入电流(I)。如果磁性取向从AP变成P，产生从第一电极211流向第二电极212的写入电流(IAP-P)，这使自由层111的磁性取向相对于固定层131变成平行的(P)。如果磁性取向由P变成AP，产生从第二电极212流向第一电极211的写入电流(IP-AP)，这使自由层111的磁性取向相对于固定层131变成反平行的(AP)。可以对上面的MTJ结构进行各种修改。可以以任何取向或者轴，包括垂直的(如示出的)、水平的、或者成角度的提供MTJ结构。此外，MTJ层的截面可以具有任何期望的形状，包括矩形、其他多边形或者椭圆形。包括固定层和自由层的MTJ层可以具有不同的形状或者结构。根据各个层的组分和使用的蚀刻，可以改变放置或者沉积某些层的顺序。也将意识到，在上面的实施例中形成这些层的层顺序和材料仅是示例性的。此外，在一些实施例中，可以放置或者沉积其他层(未示出)并且对其进行处理以形成部分MTJ器件或者形成衬底上的其他结构。在其他实施例中，如本领域技术人员已知的那样，这些层可以采用可选的沉积、图案化、以及蚀刻材料和工艺来形成，可以以不同顺序进行放置或者沉积，或者由不同材料组成。此外，MTJ可以设置在任何电子器件中用于储存数据。MTJ器件可以设置在MRAM电路中用于储存数据，其中可以将这些数据储存在MTJ中，可以从MTJ中读取这些数据，和/或将这些数据写入到MTJ中。根据本文中公开的实施例的MTJ可以包括或者集成在半导体管芯和/或任何其他器件(包括电子器件)中。这些器件的实例包括但不限于机顶盒、娱乐设备、导航器件、通讯器件、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元、移动位置数据单元、手机、移动电话、电脑、便携式电脑、台式电脑、监视器、电脑显示器、电视机、调谐器、收音机、卫星收音机、音乐播放器、数字音乐播放器、便携式音乐播放器、视频播放器、数字视频播放器、数字视频光盘(DVD)播放器和便携式数字视频播放器。还注意到，对本文中任何示例性实施例中所述的操作步骤进行描述以提供实例和论述。除了示出的顺序外，可以以许多不同的顺序实施所描述的操作。此外，在单个操作步骤中描述的操作实际上可以在若干不同的步骤中实施。此外，可以将在示例性实施例中论述的一个或多个操作步骤组合起来。本领域普通技术人员也将理解，可以使用各种不同的科技和技术中的任何一种来表示信息和信号。例如，在上面整个说明书中可能提及的数据、指令、命令、信息、信号、位元、符号和芯片可以通过电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子、或者它们的任意组合来表示。总体而言，提供对本发明的描述使本领域技术人员能够制造或者使用本发明。对本发明的各种修改对于本领域技术人员是显而易见的，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下本文中所限定的一般原理可以适用于其他变化。因此，本发明预期并不限于本文中所述的实例和设计，而是与本文中公开的原理和新特征的最广泛的范围一致。