CN102938257B - 磁隧道结、其制作方法及含磁隧道结的存储单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁隧道结，包括材质为非磁性材料的穿隧绝缘层、设置于所述穿隧绝缘层一侧的固定铁磁层、设置于所述穿隧绝缘层另一侧的自由铁磁层；所述自由铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角分别与所述固定铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、固定铁磁层的所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角呈错位设置。本发明还提供了此磁隧道结的制作方法及含磁隧道结的存储单元。采用本发明的磁隧道结及含此磁隧道结的存储单元，可以避免磁隧道结发生泄漏电流、绝缘层低击穿电压等问题，以及避免这些问题导致的磁隧道结过早被击穿。

Description

磁隧道结、其制作方法及含磁隧道结的存储单元

技术领域

本发明涉及一种磁阻随机存取存储器，尤其涉及一种磁隧道结、其制作方法及含磁隧道结的存储单元。

背景技术

磁阻随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)由多个磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)及多个控制晶体管组成。图1A与图1B示出了现有技术中磁阻随机存取存储器的其中一个单元，由于目的在于说明磁阻随机存取存储器的原理，因此没有按比例制图。

最简化的磁隧道结包括三层结构，位于上方的自由铁磁层11，位于中间的穿隧绝缘层12，位于下方的固定铁磁层13。当自由铁磁层11的磁化方向与固定铁磁层13的磁化方向一致时，磁隧道结的电阻最小；当自由铁磁层11的磁化方向与固定铁磁层13的磁化方向相差180度时，磁隧道结的电阻最大。因此，可以利用将自由铁磁层11的磁化方向与固定铁磁层13的磁化方向一致时定义为存储“0”，将自由铁磁层11的磁化方向与固定铁磁层13的磁化方向相差180度定义为存储“1”，或者相反定义来使用磁隧道结存储信息。

磁隧道结的写入方法有两种，第一种写入方法称为磁场感应写入，对应的磁阻随机存取存储器结构如图1A所示，一般磁隧道结还包括上电极5与下电极6，上电极5位于自由铁磁层11的上方，下电极6位于固定铁磁层13的下方。在上电极5上方还置有字线3，下电极6下方置有位线4，其中，字线3与位线4垂直90度放置。字线3与上电极5以绝缘层(图中未显示)隔开而无电连接，位线4与下电极6以绝缘层(图中未显示)隔开而无电连接。自由铁磁层11的矫顽力小于固定铁磁层13的矫顽力。第一种写入方法对应的写入过程为：当控制晶体管2处于关闭状态时，在字线3与位线4施加选中电压使有电流通过(也称写入电流)，所述电流流过时，各自产生磁场，使位于字线3与位线4的交叉点的磁隧道结的自由铁磁层11感受到最大磁感应强度以改变自由铁磁层11的磁化方向。由于固定铁磁层13的矫顽力大于自由铁磁层11的矫顽力，所以固定铁磁层13的磁化方向固定而不改变。若写入电流方向同时反向，则自由铁磁层11感受到的最大磁感应强度方向翻转，因此数位“0”和“1”可由“磁感应强度方向不同方式”写入磁隧道结。写入电流不能太大，以避免影响不位于两者交叉点的磁隧道结的磁化方向，也不会影响那些处于“半选择”状态的磁隧道结的磁化方向，“半选择”状态为只有字线3或位线4两者之一中有电流。

另一种磁隧道结的写入方法是采用电流写入。用于电流写入的磁阻随机存取存储器的其中一个单元如图1B所示，与图1A所示结构不同的是，字线3与上电极5电连接，位线4与控制晶体管2的栅极电连接。采用电流写入的原理是基于自旋转移矩(Spin TransferTorque，STT)效应。具体地，若写入电流由固定铁磁层向自由铁磁层流过时，只有自旋方向与固定铁磁层的磁化方向相同的电子才能通过固定铁磁层与穿隧绝缘层进入自由铁磁层，从而改变自由铁磁层的磁化方向与固定铁磁层相同，假如记此为写入“0”；如果要写入“1”，则翻转电流方向，使电流由自由铁磁层向固定铁磁层流过，此时仍为只有自旋方向与固定铁磁层的磁化方向相同的电子才能通过，而自旋方向与固定铁磁层的相反的电子则留在自由铁磁层，因此，自由铁磁层中磁化方向与固定铁磁层相反，而写入了“1”。第二种写入方法对应的写入过程为：当在字线3与位线4施加选中电压，选中的控制晶体管2处于开启状态，并有电流(也称写入电流)通过控制晶体管2、下电极6、磁隧道结、上电极5，进入字线3。当写入电流大于某一临界值时，可改变自由铁磁层11磁化方向。当写入电流方向反向时，则自由铁磁层11磁化方向也翻转，因此数位“0”和“1”可由”电流方向不同方式”写入磁隧道结。写入电流不能太大，以避免影响字线3附近的磁隧道结的磁化方向或击穿选中的磁隧道结。

磁隧道结的读取过程：以图1A对应的磁阻随机存取存储器为例，参见图1C，控制晶体管2处于开启状态时，检测电流，也称读取电流，比写入电流要小，其通过下电极6、磁隧道结、上电极5，然后与参考电流7相比较，差值经过放大器8放大后，来判断磁隧道结的电阻为大还是小，进行判断存储的是“0”还是“1”。检测电流要足够小，从磁隧道结各层垂直方向上流时不至产生杂磁场以影响自由铁磁层11与邻近磁隧道结的磁化方向。

然而现有的磁隧道结的结构，如图1A所示，自由铁磁层11与固定铁磁层13在垂直各层方向上的边缘平齐，图1A、1B、1C的区域Q所示的部分磁性隧道结的剖面结构放大后如图2所示，即自由铁磁层11的外边缘与穿隧绝缘层12平面形成的凸角111、固定铁磁层13的外边缘与穿隧绝缘层12平面形成的凸角131垂直相对。这种结构的磁隧道结在读取过程中读取电流大部分从垂直相对的边和凸角流过，导致磁隧道结在使用过程中无法辩示存储数据、击穿电压比较低、经常发生泄漏电流、使用可靠性和寿命比较短。

同样地，如图1B所示的磁隧道结的结构，在电流写入读取过程中大部分电流从垂直相对的边和凸角流过，这会导致磁隧道结在写入过程中无法写入有效正确数据、读取过程中无法辩示存储数据，且使用过程中击穿电压低、经常发生泄漏电流、使用可靠性和寿命比较短等问题。

有鉴于此，实有必要提出一种新的磁隧道结其制作方法，避免现有技术中的磁隧道结的泄漏电流、低击穿电压等问题导致磁隧道结过早被击穿。

发明内容

本发明解决的问题是提出一种新的磁隧道结其制作方法，以避免现有技术中的磁隧道结的泄漏电流、低击穿电压等问题，从而避免这些问题导致的磁隧道结过早被击穿。

为解决上述问题，本发明提供一种磁隧道结，包括：

穿隧绝缘层，所述穿隧绝缘层材质为非磁性材料；

固定铁磁层，设置于所述穿隧绝缘层的一侧；

自由铁磁层，设置于所述穿隧绝缘层的另一侧；其特征在于，所述自由铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角分别与所述固定铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、固定铁磁层的所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角呈错位设置。

可选地，所述穿隧绝缘层、所述固定铁磁层、所述自由铁磁层两两平行，所述自由铁磁层平面区域整体位于所述固定铁磁层平面区域内。

可选地，所述磁隧道结还包括：反铁磁层，设置于所述固定铁磁层异于所述穿隧绝缘层的一侧。

可选地，所述穿隧绝缘层的材质为Al₂O₃、MgO、SiO₂或Si₃N₄中至少一种，所述穿隧绝缘层厚度范围为1-3纳米。

可选地，所述固定铁磁层为复合结构，包括：第一铁磁层与第二铁磁层，及位于所述第一铁磁层与所述第二铁磁层之间的第一耦合层。

可选地，所述自由铁磁层为复合结构，包括：第三铁磁层与第四铁磁层，及位于所述第三铁磁层与所述第四铁磁层之间的第二耦合层。

可选地，所述磁隧道结还包括：上电极与下电极，其中所述上电极位于所述第三铁磁层异于所述第二耦合层的一侧，所述下电极位于所述反铁磁层异于所述固定铁磁层的一侧。

可选地，所述磁隧道结的自由铁磁层为杯形结构。

本发明还提供一种包含上述任意一项技术特征所述的磁隧道结的存储单元。

可选地，所述存储单元还包括：控制磁隧道结读写的晶体管。

本发明还提供一种磁隧道结的制作方法，包括：

形成固定铁磁层；

在所述固定铁磁层上淀积第二层间介电层；

在所述第二层间介电层上形成第二开口，所述第二开口的底面整体位于所述固定铁磁层的平面区域内；

在所述第二开口内依次形成穿隧绝缘层与自由铁磁层，以形成杯状的穿隧绝缘层与自由铁磁层。

可选地，形成固定铁磁层，包括：

提供半导体基底，所述半导体基底至少包含一暴露的导电插塞；

在所述半导体基底上淀积第一层间介电层；

在所述第一层间介电层上形成第一开口，所述第一开口暴露出所述半导体基底上的导电插塞；

淀积固定铁磁层；

去除所述第一开口外的固定铁磁层，并保留位于所述第一开口内的固定铁磁层的至少部分以与导电插塞形成电连接。

可选地，所述方法还包括：

在所述自由铁磁层上淀积第三层间介电层；

化学机械研磨所述第三层间介电层直到所述第二开口外面区域的自由铁磁层磨掉为止。

可选地，化学机械研磨第三层间介电层步骤之后，还依次进行通孔和导电插塞的制作。

可选地，进行导电插塞的制作步骤后还进行金属互连层的制作，所述金属互连层电连接所述导电插塞。

可选地，在所述第一开口内形成下电极，然后进行所述淀积固定铁磁层的步骤。

可选地，在所述下电极上形成反铁磁层，之后进行所述淀积固定铁磁层的步骤。

可选地，依次形成穿隧绝缘层与自由铁磁层步骤后还进行淀积上电极的步骤。

可选地，第一层间介电层的厚度范围为0.3-1微米，第二层间介电层的厚度范围为0.3-1微米。

可选地，第二层间介电层的厚度范围为0.3-1微米，第三层间介电层的厚度范围为0.3-1微米。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用了将所述自由铁磁层沿各层排列方向伸长的边线与所述固定铁磁层沿各层排列方向伸长的边线错开，即自由铁磁层的外边缘与非磁性层平面形成的凸角、固定铁磁层的外边缘与非磁性层平面形成的凸角不垂直相对，因此现有技术中的磁隧道结的垂直相对的凸角在读取或采用电流写入过程中由于尖端放电等原因引起的磁隧道结发生泄漏电流、低击穿电压等问题可以避免，使得磁隧道结不容易过早被击穿。

进一步地，所述磁隧道结的自由铁磁层为杯形结构，使自由铁磁层内的磁力线形成闭合，避免漏磁影响其它磁隧道结的磁化方向。

在固定铁磁层上淀积第二层间介电层，在第二层间介电层上形成第二开口，所述第二开口的底面整体位于所述固定铁磁层的平面区域内，简单有效地保证后续在第二开口内形成的穿隧绝缘层、自由铁磁层整体位于所述固定铁磁层平面区域内，进而实现边与边、凸角与凸角错位的设置。另外，第二开口的设置，使得穿隧绝缘层与自由铁磁层作薄层沉积的过程中，简单、有效地形成杯状结构，以在自由铁磁层在形成磁力线闭合。

附图说明

图1A是现有技术中一种结构的磁阻随机存取存储器的一个单元对应的写入过程意图；

图1B是现有技术中另一种结构的磁阻随机存取存储器的一个单元对应的写入过程意图；

图1C是图1A所示的单元的读取过程意图；

图2是图1A、1B、1C的区域Q的放大结构的剖面示意图；

图3是本发明具体实施例提供的磁隧道结的结构示意图；

图4是本发明具体实施例提供的磁隧道结横截面示意图；

图5是本发明具体实施例提供的另一种磁隧道结横截面示意图；

图6是具有侧壁的结构的自由铁磁层可以减少外漏的磁力线的原理示意图；

图7是本发明具体实施例提供的磁隧道结的制作方法流程示意图；

图8-图16是图7中制作方法的中间步骤形成的磁隧道结示意图；

图17是图7中制作方法最终形成的磁隧道结示意图；

图18-图20是图17中磁隧道结外围电路的第一种形成方法过程中的中间结构示意图；

图21是图17中磁隧道结外围电路第一种形成完成后的最终结构示意图；

图22是图17中磁隧道结外围电路的第一种形成方法的流程示意图；

图23是图17中磁隧道结外围电路的第二种形成方法过程中的中间结构示意图；

图24是是图17中磁隧道结外围电路第二种形成完成后的最终结构示意图

图25是图17中磁隧道结外围电路的第二种形成方法的流程示意图；

图26是含图17中的磁隧道结的存储单元的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术里描述的，图1所示结构的磁隧道结在使用过程中击穿电压比较低，经常发生泄漏电流等问题。依本发明的发明人分析，其原因在于：自由铁磁层11与固定铁磁层13的材质都为含磁性材质的金属或合金，都是电的良导体；由于器件小型化的趋势，目前普遍使用的穿隧绝缘层12的厚度一般只有1-3纳米；在读取或采用电流写入过程中，磁隧道结垂直方向上施加有选中电压，而棱角地方的电场强度相对于平坦区域的电场强度更密集。如图2所示的自由铁磁层11凸角111，固定铁磁层13凸角131在各层的排布方向(图中的竖直方向)上距离很近，在读取或采用电流写入过程中电流大部分从垂直相对的边和凸角流过，导致磁隧道结在使用过程中无法辩示或写入存储数据；因此厚度比较薄的穿隧绝缘层12在垂直相对的边和凸角附近易被击穿，经常发生泄漏电流，这些问题会最终导致磁隧道结过早被摧毁失效。

本发明将自由铁磁层外缘的沿各层排布方向上的边线与固定铁磁层的在垂直磁隧道结各层方向上的边错开，即自由铁磁层的外边缘与非磁性层平面形成的凸角、固定铁磁层的外边缘与非磁性层平面形成的凸角不垂直相对，达到了避免自由铁磁层与固定铁磁层在垂直各层方向上的边缘平齐的目的；因此由于边缘平齐造成的垂直相对的边和凸角由于尖端放电等原因引起的磁隧道结发生泄漏电流、低击穿电压等问题也同时可以避免，使得磁隧道结不容易过早失效。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，由于重点在于说明本发明的原理，所以没有按比例制图。

图3所示为本发明具体实施例提供的磁隧道结，包括：

穿隧绝缘层42，所述穿隧绝缘层42材质为非磁性材料；

固定铁磁层41，设置于所述穿隧绝缘层42之下；

自由铁磁层43，设置于所述穿隧绝缘层42之上；所述自由铁磁层43平面区域整体位于所述固定铁磁层41平面区域内；穿隧绝缘层42、固定铁磁层41、自由铁磁层43相互平行。

需要说明的是，自由铁磁层43平面区域整体位于所述固定铁磁层41平面区域内是指自由铁磁层43在平行磁隧道结各层方向上的边缘，称“内边缘”，都距固定铁磁层41在平行磁隧道结各层方向上的边缘，称“外边缘”一定距离。自由铁磁层43平面区域整体位于所述固定铁磁层41平面区域内是将自由铁磁层43的凸出顶角与固定铁磁层41的凸出顶角错开的一种方式。为了实现自由铁磁层43与固定铁磁层41的边与凸角分别错开，也可以将固定铁磁层41平面区域整体位于所述自由铁磁层43平面区域内，如此也可以避免在读取或采用电流写入过程中电流大部分从垂直相对的边和凸角流过。

以下对磁隧道结的各层结构做介绍，参见图4所示的磁隧道结的截面示意图，其中各层厚度仅供示意方便描述。所述磁隧道结还包括：反铁磁层44，设置于所述固定铁磁层41之下，所述反铁磁层44用于在磁隧道结写入过程中固定所述固定铁磁层41的磁化方向，避免由于所述固定铁磁层41的矫顽力不够大导致受位线或/字线中的电流流过时产生的感应磁场的方向影响而改变磁化方向。反铁磁层44的材质可以选择包含Pt或Mn的合金，其厚度大于固定铁磁层41。

在具体实施过程中，所述穿隧绝缘层42可以为Al₂O₃、SiO₂、Si₃N₄或MgO，一般厚度大约在1-3纳米。在图4中，穿隧绝缘层42无须与自由铁磁层43在垂直各层方向上的边缘平齐，也无须与固定铁磁层41在垂直各层方向上的边缘平齐，但所述穿隧绝缘层42的尺寸至少需保证自由铁磁层43与固定铁磁层41绝缘；由于磁隧道结的最终结构中，所述穿隧绝缘层42、自由铁磁层43与固定铁磁层41是由第二层间介电层22与第三层间介电层23等绝缘材质包埋，因此，穿隧绝缘层42最终在平面方向上尺寸大于自由铁磁层43或固定铁磁层41的部分也不需去除。

所述固定铁磁层41可以为单层铁磁结构，也可以为复合结构。复合结构包括：第一铁磁层411与第二铁磁层413，及位于所述第一铁磁层411与所述第二铁磁层413之间的第一耦合层412。所述固定铁磁层41为复合结构可以使固定铁磁层41内，具体地，如图4所示，在第一铁磁层411与第二铁磁层413间形成磁力线闭合。所述磁力线闭合可以避免外漏的磁力线造成磁隧道结之间磁化方向受影响。固定铁磁层41，也称为钉扎层。在具体实施过程中，所述固定铁磁层41为复合结构时，各层厚度大约为5-30纳米。

同样地，所述自由铁磁层43也可以为单层磁性材料结构或复合结构。具体地，所述复合结构可以包括：第三铁磁层431与第四铁磁层433，及位于所述第三铁磁层431与所述第四铁磁层433之间的第二耦合层432。第一耦合层412与第二耦合层432的材质都可以选择非磁性材料物质，例如Ru。第一铁磁层411、第二铁磁层413、第三铁磁层431及第四铁磁层433可以选择包含Fe、Co或Ni为主的合金；例如CoFeB，CoFe，如图4所示，在第三铁磁层431与第四铁磁层433间形成磁力线闭合。所述磁力线闭合可以避免外漏的磁力线造成磁隧道结之间磁化方向受影响。在具体实施过程中，所述自由铁磁层43为复合结构时，各层厚度大约为5-30纳米。

具体实施中，所述磁隧道结一般由导电插塞形成接触用于完成读取过程。为了增强导电效果，磁隧道结还可以包括：上电极45与下电极46，其中所述上电极45位于所述第三铁磁层431之上，所述下电极46位于所述反铁磁层44之下。若省去电极材料的上电极45与/或下电极46时，读取过程由导电插塞形成电连接。

为使各磁化层在各自平面内形成易磁力感应方向，在上述任一技术方案里描述的自由铁磁层43与固定铁磁层41在平面方向可以设计成椭圆形结构。

更进一步地，如图5所示截面，所述自由铁磁层43可以为包含侧壁及底面的结构，如此结构似不带把手的杯形结构。所述杯形结构的底面仍可以为圆形、椭圆形、方形等结构。所述杯形结构可以使得在自由铁磁层43内的磁力线可以闭合，减少外漏的磁力线干扰邻近磁隧道结的磁化方向。以椭圆形的杯底结构为例，其中长轴对应易磁化方向，图6示出了具有侧壁的结构的自由铁磁层43可以减少外漏的磁力线的原理：如使用磁感应方式写入，位线及字线分别与椭圆的长轴成45度夹角，此时位线与字线中电流各自产生的磁感应强度叠加后得到的磁感应强度H矢量方向与自由铁磁层43的易磁化方向平行；由于磁感应强度H的作用，侧壁及杯底的自由铁磁层43被磁化，磁化方向用虚线标示，其中，杯底的磁化程度要远大于侧壁的磁化程度，若无侧壁存在，则杯底的自由铁磁层43的电磁感应强度需要在临近区域中形成磁感应强度回路，这部分存在于临近区域中的磁感应强度会干扰临近的磁隧道结的磁化方向；本实施例中设置了侧壁结构，这部分原本存在于临近区域中的磁感应强度(参见图6中的细实线所示)会通过磁导率远大于空气的自由铁磁层43侧壁，与杯底的磁感应强度形成磁感应强度回路，换句话说，侧壁的自由铁磁层43将原本游离在空气中且会干扰临近的磁隧道结的磁化方向的磁感应强度限制在侧壁中。此外，需要说明的是，被限制在侧壁内的磁感应强度，参见图6中的细实线所示，与由于磁感应强度H的作用而使得侧壁被磁化所产生的磁感应强度(参见图6中的虚线所示)的方向相反，二者叠加后，使得侧壁内的磁化程度很弱，进一步不会干扰临近的磁隧道结的磁化方向。如采用电流写入方式，原理与采用电磁感应方向写入相同，自由铁磁层43的磁化方向由于自旋电子的进入或剩余而被翻转，侧壁的自由铁磁层43将原本游离在空气中且会干扰临近的磁隧道结的磁化方向的磁感应强度限制在侧壁中。

本发明还提供一种存储单元，包含上述任一技术特征所述的磁隧道结、控制所述磁隧道结进行写入及读出的选择装置，所述选择装置可以为晶体管。

以下结合附图7对图5中所示的磁隧道结的制作方法进行描述。

首先执行S10，提供半导体基底2，所述半导体基底2包含暴露的导电插塞21，所述半导体基底2的上表面经平坦化，如图8所示。形成此包含暴露的导电插塞21半导体基底2为本领域技术人员公知技术，在此不在赘述。

执行S15，半导体基底2及导电插塞21的上表面淀积第一层间介电层22如图9所示结构。第一层间介电层22的厚度范围为0.3-1微米，材质可以为氧化硅、氮化硅。该厚度范围及材质可以使得磁隧道结的淀积第一层间介电层22步骤与CMOS的制作介电层步骤兼容，即可以通过插入现有的CMOS制作流程中得以完成本步骤。淀积第一层间介电层22工艺为本领域技术人员公知技术。

执行S20，蚀刻所述第一层间介电层22直至暴露所述半导体基底2的导电插塞21形成第一开口51，形成如图10所示的结构。上述蚀刻具体包括在第一层间介电层22上形成图案化光刻胶，然后使用例如干法刻蚀。这些为本领域技术人员公知技术，在此不予赘述。

执行S21，在第一开口及保留的第一层间介电层22上淀积下电极46，如图11所示。下电极46材质可以为Cu或Pt。淀积下电极46工艺为本领域技术人员公知技术，本步骤为非必要步骤。当省略本步骤时，使用导电插塞21与固定铁磁层41，或反铁磁层44形成电连接。

接着执行S22，在下电极46上淀积反铁磁层44，如图11所示。反铁磁层44的材质可以为Pt或Mn的合金。淀积反铁磁层44工艺为本领域技术人员公知技术，此步骤为非必要步骤。当省略本步骤时，使用导电插塞21与固定铁磁层41形成电连接。

执行S25，在反铁磁层44上淀积固定铁磁层41，如图11所示。

在具体实施时，固定铁磁层41为单层结构则只需执行一次步骤S25。

若固定铁磁层为复合结构，则需要依次淀积各复合层，图11所示为三层结构，分别为第二铁磁层413、第一耦合层412与第一铁磁层411。第二铁磁层413与第一铁磁层411材质可以为Mn和Fe，第一耦合层412材质可以为Ru。淀积单层固定铁磁层41及依次淀积第二铁磁层413、第一耦合层412、第一铁磁层411工艺均为本领域技术人员公知技术。

执行S30，保留所述导电插塞21及附近区域的固定铁磁层41、反铁磁层44及下电极46，上述区域以外区域的固定铁磁层41、反铁磁层44及下电极46都蚀刻掉，形成如图12所示结构。利用模版进行上述选择性蚀刻工艺，例如干法刻蚀，为本领域技术人员公知技术。本实施例中，第一开口51的底部宽度大于保留的固定铁磁层41反铁磁层44及下电极46的截面宽度，保留的固定铁磁层41反铁磁层44及下电极46的区域至少要与半导体基底20上的导电插塞21形成电连接。需要说明的是，反铁磁层44及下电极46，在实际应用中可省略不要。省略时，使用导电插塞21与固定铁磁层41形成电连接。

执行S35，在固定铁磁层41、第一层间介电层22上淀积第二层间介电层23及平坦化第二层间介电层23。第二层间介电层23的材质可与第一层间介电层22相同(如为氧化硅、氮化硅)，淀积第二层间介电层23工艺为本领域技术人员公知技术。平坦化后的第二层间介电层23与第一层间介电22约同高，如图13所示的结构，所述平坦化工艺为CMP。

执行S40，至少蚀刻掉所述导电插塞21上的第二层间介电层23形成第二开口52，所述第二开口52的底部整体位于所述固定铁磁层41的平面区域之内，形成如图14所示结构。上述蚀刻，具体可以包括在第二层间介电层23上形成图案化光刻胶，然后使用例如干法刻蚀，为本领域技术人员公知技术。

执行S45，依次淀积穿隧绝缘层42、自由铁磁层43，如图15所示。

与固定铁磁层41类似，在具体实施时，自由铁磁层43为单层结构则只需执行一次步骤S45。

若自由铁磁层为复合结构，则需要依次淀积各复合层，图15所示为三层结构，分别为第四铁磁层433、第二耦合层432与第三铁磁层431。第四铁磁层433与第三铁磁层431材质可以为Fe、Co和Ni，第二耦合层432材质可以为Ru。淀积单层自由铁磁层43及依次淀积第四铁磁层433、第二耦合层432、第三铁磁层431工艺均为本领域技术人员公知技术。

执行S46，淀积上电极45，如图15所示。上电极45材质可以为Cu或Pt，淀积上电极45工艺为本领域技术人员公知技术，本步骤为非必要步骤。当省略本步骤时，使用后续形成外围电路过程中的导电插塞与自由铁磁层43形成电连接。

执行步骤S50，在上电极45上淀积第三层间介电层24，如图16所示。所述第三层间介电层24材质可以为二氧化硅，第三层间介电层24的厚度范围为0.3-1微米。可以理解的是，省略上电极45时，在自由铁磁层43上淀积第三层间介电层24。

执行步骤S55，平坦化所述第三层间介电层24直到所述第二开口52外面区域的自由铁磁层43磨掉为止，形成的结构如图17所示。所述平坦化工艺可以为CMP。此时，自由铁磁层43已在第二开口52内形成包含侧壁的杯状结构。

执行步骤S60，对磁隧道结进行强磁场中退火，所述退火温度大约为350度，所述退火工艺为本领域技术人员公知技术。所述退火步骤可以使固定铁磁层41的磁化方向固定。

至此图5中所示的磁隧道结已制作完毕。

需要指出的是，步骤S45执行过程中淀积的穿隧绝缘层42，也可以在步骤S25，在反铁磁层44上淀积固定铁磁层41执行完后，淀积穿隧绝缘层42，这样形成的磁隧道结的穿隧绝缘层42与固定铁磁层41在垂直各层方向上的边缘平齐。但是随后会执行S30，至少保留所述导电插塞21上的穿隧绝缘层42、固定铁磁层41、反铁磁层44、下电极46，利用模版蚀刻掉其它区域的穿隧绝缘层42、固定铁磁层41、反铁磁层44、下电极46，所述保留的绝缘层42处理时候需特别小心，因为绝缘层42厚度只有1-3纳米，其上存在缺陷时也容易引起磁性隧道结易被击穿。

磁隧道结为了实现功能，还需要连结到外围电路。所述外围电路的制作方法有两种。一种制作方法参见图22所示流程图，首先执行步骤S61，利用模版形成通孔开口并蚀刻掉通孔里的第三层间介电层24(结合图17)，形成如图18所示结构。需要说明的是，所述通孔后续用来制作导电插塞，所以，只要导电插塞与所述磁隧道结形成电连接，具体地，与上电极45形成电连接；因此，可以通过去除第二开口52内的第三层间介电层24形成通孔，也可以在第三层间介电层24上开一个小于第二开口52的孔，所述保留的第三层间介电层24起绝缘作用。形成通孔工艺及蚀刻介电层为本领域技术人员公知技术。接着执行步骤S65，采用大马士革工艺，在图18所示的结构上淀积导电插塞材质例如钨，采用CMP去除掉多余的钨，实现制作与上电极45相连的导电插塞25如图19所示。之后执行步骤S70，如图20所示，淀积一层金属材质，例如铜，然后利用模版形成与导电插塞25相连的金属互连层26如图21所示。形成导电插塞和金属互连层的大马士革工艺为本领域技术人员公知技术。

在同一半导体基底上的其它区域可以制作其它类型半导体器件，例如COMS，本发明提供的另一种制作外围电路的方法可以将磁隧道结的制作方法与COMS器件的钨塞及金属互连线制作兼容，具体流程图见图25。具体地，执行步骤S62，在图17所示的结构上淀积第四层间介电层27并平坦化，材质例如为二氧化硅，如图23所示。之后执行步骤S63，利用模版至少蚀刻掉所述导电插塞上的第三介电层24与第四层间介电层27直至上电极45露出；当省略上电极45时，蚀刻至自由铁磁层43露出；具体地，利用模版形成通孔开口并蚀刻掉通孔里的第三层间介电层24及第四介电层27，当然COMS器件区的第四层间介电层27根据需要保留以形成隔绝钨塞的绝缘间隔。之后执行S65’-S70，磁隧道结部分形成图24所示的结构，CMOS器件区形成了钨塞及金属互连线，步骤S65’与步骤S65不同的是，由于步骤S62形成了第四介电层27，步骤S63未完全去除该层，因此在图17所示的结构基础上多出第四介电层27；步骤S65’通过在上述结构上淀积导电插塞材质例如钨，采用CMP去除掉多余的钨，实现制作与上电极45相连的导电插塞25。形成导电插塞和金属互连层的大马士革工艺为本领域技术人员公知技术。需要说明的是，执行步骤S63，利用模版至少蚀刻掉所述导电插塞上的第四层间介电层24中只要暴露上电极45或自由铁磁层43，通过上电极45或自由铁磁层43与导电插塞形成电连接即可，不必一定通过导电插塞正上方的上电极45或自由铁磁层43才能形成电连接。

步骤S62与S63的制作过程都与CMOS的后端制程(BEOL)相同，因此，形成图17所示的磁隧道结后，之后的工艺都与CMOS的工艺相兼容，磁隧道结与CMOS外围电路可以同时完成。

此外，磁隧道结完成存储(写入)及读取数据功能时，还需要一个控制存储或写入的开关，例如：晶体管，如图26所示。所述晶体管为最简单的CMOS晶体管，包括：栅极31，隔绝栅极31与半导体基底的绝缘层32，源区33，漏区34，其中，漏区34与导电插塞21连通；通过在栅极31上加正压或负压可以导通或关闭此晶体管。读取数据功能时，此选中晶体管导通，源区33与漏区34的载流子使电流流入导电插塞21，进入磁隧道结，与参考电流取差并放大差值后，可以完成读取磁隧道结步骤。栅极31不加电压或加相反电压时，此晶体管不导通，导电插塞21无电流流过。磁隧道结的写入，可由受选中位线与字线中的电流产生的感应磁场磁化自由铁磁层，完成写入步骤。磁隧道结的写入，也可由选中晶体管导通，使电流进入磁隧道结来磁化自由铁磁层完成写入步骤。

与现有技术相比，本发明提供的磁隧道结具有以下优点：

(1)采用将自由铁磁层在垂直磁隧道结各层方向上的边错开固定铁磁层的在垂直磁隧道结各层方向上的边，即自由铁磁层的外边缘与非磁性层平面形成的凸角、固定铁磁层的外边缘与非磁性层平面形成的凸角不垂直相对，以避免自由铁磁层与固定铁磁层在垂直各层方向上的边缘平齐的目的；使得现有技术中的问题可以避免，如磁隧道结在读取过程中读取电流大部分从垂直相对的边和凸角流过，导致的磁隧道结在使用过程中无法辩示存储数据、击穿电压比较低、经常发生泄漏电流、使用可靠性和寿命比较短等问题。

(2)采用杯形结构的设计，可增加磁隧道结的磁场闭合和减少干扰临近的磁隧道结，因此能增加磁隧道结的集成密度。

(3)固定或\且自由铁磁层采用三层结构的设计，在固定或\且自由铁磁层内部形成截面方向的闭合磁力线回路，所述磁力线闭合可以避免外漏的磁力线造成磁隧道结之间磁化方向受影响。

需要说明的是，(2)中采用杯形结构与(3)中固定或\且自由铁磁层采用三层结构的设计都是为了增加磁隧道结的磁场闭合和减少干扰临近的磁隧道结，因此，如果采用杯形结构的设计足以达到对临近的磁隧道结未形成干扰，可以不采用(3)中的三层结构，只采用单层结构，这样可以节省工序，降低磁隧道结制作成本。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (19)

1.一种磁隧道结，包括：

穿隧绝缘层，所述穿隧绝缘层材质为非磁性材料；

固定铁磁层，设置于所述穿隧绝缘层的一侧，所述固定铁磁层呈平面；

自由铁磁层，设置于所述穿隧绝缘层的另一侧；其特征在于，所述自由铁磁层为杯形结构，杯形结构的杯底与所述固定铁磁层平行，杯形结构的开口远离所述固定铁磁层；所述自由铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角分别与所述固定铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、固定铁磁层的所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角呈错位设置。

2.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，所述穿隧绝缘层、所述固定铁磁层、所述自由铁磁层的杯底两两平行，所述自由铁磁层杯底区域整体位于所述固定铁磁层平面区域内。

3.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，所述磁隧道结还包括：反铁磁层，设置于所述固定铁磁层异于所述穿隧绝缘层的一侧。

4.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，所述穿隧绝缘层的材质为Al₂O₃、MgO、SiO₂或Si₃N₄中至少一种，所述穿隧绝缘层厚度范围为1-3纳米。

5.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，所述固定铁磁层为复合结构，包括：第一铁磁层与第二铁磁层，及位于所述第一铁磁层与所述第二铁磁层之间的第一耦合层。

6.根据权利要求3所述的磁隧道结，其特征在于，所述自由铁磁层为复合结构，包括：第三铁磁层与第四铁磁层，及位于所述第三铁磁层与所述第四铁磁层之间的第二耦合层。

7.根据权利要求6所述的磁隧道结，其特征在于，所述磁隧道结还包括：上电极与下电极，其中所述上电极位于所述第三铁磁层异于所述第二耦合层的一侧，所述下电极位于所述反铁磁层异于所述固定铁磁层的一侧。

8.一种磁隧道结的制作方法，其特征在于，包括：

形成固定铁磁层，所述固定铁磁层呈平面；

在所述固定铁磁层上淀积第二层间介电层；

在所述第二层间介电层上形成第二开口，所述第二开口的底面整体位于所述固定铁磁层的平面区域内；

在所述第二开口内依次形成穿隧绝缘层与自由铁磁层，以形成杯状的穿隧绝缘层与自由铁磁层。

9.根据权利要求8所述的磁隧道结的制作方法，其特征在于，形成固定铁磁层，包括：

提供半导体基底，所述半导体基底至少包含一暴露的导电插塞；

在所述半导体基底上淀积第一层间介电层；

在所述第一层间介电层上形成第一开口，所述第一开口暴露出所述半导体基底上的导电插塞；

淀积固定铁磁层；

去除所述第一开口外的固定铁磁层，并保留位于所述第一开口内的固定铁磁层的至少部分以与导电插塞形成电连接。

10.根据权利要求8所述的磁隧道结的制作方法，其特征在于，还包括：

在所述自由铁磁层上淀积第三层间介电层；

化学机械研磨所述第三层间介电层直到所述第二开口外面区域的自由铁磁层磨掉为止。

11.根据权利要求10所述的磁隧道结的制作方法，其特征在于，化学机械研磨第三层间介电层步骤之后，还依次进行通孔和导电插塞的制作。

12.根据权利要求11所述的磁隧道结的制作方法，其特征在于，进行导电插塞的制作步骤后还进行金属互连层的制作，所述金属互连层电连接所述导电插塞。

13.根据权利要求9所述的磁隧道结的制作方法，其特征在于，在所述第一开口内形成下电极，然后进行所述淀积固定铁磁层的步骤。

14.根据权利要求13所述的磁隧道结的制作方法，其特征在于，在所述下电极上形成反铁磁层，之后进行所述淀积固定铁磁层的步骤。

15.根据权利要求8所述的磁隧道结的制作方法，其特征在于，依次形成穿隧绝缘层与自由铁磁层步骤后还进行淀积上电极的步骤。

16.根据权利要求9所述的磁隧道结的制作方法，其特征在于，第一层间介电层的厚度范围为0.3-1微米，第二层间介电层的厚度范围为0.3-1微米。

17.根据权利要求10所述的磁隧道结的制作方法，其特征在于，第二层间介电层的厚度范围为0.3-1微米，第三层间介电层的厚度范围为0.3-1微米。

18.一种包含权利要求1-7任意一项所述的磁隧道结的存储单元。

19.根据权利要求18所述的存储单元，其特征在于，所述存储单元还包括：控制磁隧道结读写的晶体管。