CN104037321B - 伸长的磁阻式隧道结结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁阻式隧道结(MTJ)器件，包括形成到衬底上的伸长的MTJ结构，所述MTJ结构包括磁性基准层和隧道阻挡层。所述MTJ结构还包括设置到所述隧道阻挡层上的多个分离的自由磁区。所述伸长的MTJ结构的长宽比为使得所述磁性基准层的磁场以单一方向固定。本发明还公开了一种伸长的磁阻式隧道结结构。

Description

伸长的磁阻式隧道结结构
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及伸长的磁阻式隧道结结构。
背景技术
磁阻式隧道结(MTJ)是基于器件内的磁性材料的状态改变它的电阻状态的器件。MTJ器件包括两个铁磁层之间的薄电阻层。一个磁层可以称为基准层。另一磁层可以称为自由层。基准层的磁矩通常保持相同的方向。相反，通过穿过结施加电压，自由层的磁矩方向可被反转。当自由层和基准层的磁矩相同时，电子可以更容易地以隧道方式穿透薄电阻层。在这种状态下，所述结具有相对较低的电阻率。
通过施加相反极性的电压，自由层的磁矩可转换为与基准层的磁矩的方向相反。在这种状态下，电子以隧道方式穿过电阻层更难，导致所述结具有相对较高的电阻率。不同的电阻状态可用于存储逻辑值。期望尽力在本领域进行改进。
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，提供了一种磁阻式隧道结(MTJ)器件，包括：
形成到衬底上的伸长的MTJ结构，所述MTJ结构包括：
磁性基准层；
隧道阻挡层；以及
多个分离的自由磁区，设置到所述隧道阻挡层上；
其中，设置所述伸长的MTJ结构的长宽比，使得所述磁性基准层的磁场以单一方向固定。
在可选实施例中，所述伸长的MTJ结构的长宽比至少为30。
在可选实施例中，所述伸长的MTJ器件的端部包括储存区，所述储存区的宽度大于所述伸长结构的宽度。
在可选实施例中，所述储存区为菱形。
在可选实施例中，菱形的所述储存区的边缘的长度约为伸长结构的宽度的1.25倍。
在可选实施例中，所述储存区为椭圆形。
在可选实施例中，所述磁性自由区的长宽比不小于1，其长度方向平行于伸长结构的伸长长度方向。
在可选实施例中，所述器件进一步包括多个顶部接触件，每个顶部接触件都连接至一个磁性自由层。
在可选实施例中，所述器件进一步包括形成为穿过所述缓冲层到达所述磁性基准层的多个底部接触件，每个底部接触件都设置在所述分离的磁性自由层中的一个的下方以便形成MTJ元件。
根据本发明的另一方面，还提供了一种磁阻式隧道结(MTJ)存储器阵列，所述存储器阵列包括：
形成到衬底上的多条伸长线，每条线均包括：
磁性基准层；
隧道阻挡层；以及
沿所述隧道阻挡层形成的多个分离的自由磁区，每个自由磁区都形成一个存储元件；
其中，设置伸长的MTJ结构的长宽比，使得所述磁性基准层的磁场以单一方向固定。
在可选实施例中，所述伸长线的长宽比至少为30。
在可选实施例中，所述伸长线的每个端部都包括储存区，所述储存区的宽度大于所述伸长线的宽度。
在可选实施例中，所述储存区为菱形或者多边形。
在可选实施例中，菱形的所述储存区的边缘的长度约为伸长结构的宽度的1.25倍。
在可选实施例中，所述储存区为椭圆形。
在可选实施例中，每条所述伸长线均与相邻的伸长线对准。
在可选实施例中，每条所述伸长线均相对于相邻的伸长线偏移。
根据本发明的又一方面，还提供了一种用于形成磁阻式隧道结(MTJ)器件的方法，所述方法包括：
将缓冲层形成到衬底上；
将磁性基准层形成到所述缓冲层上；
将隧道阻挡层形成到所述磁性基准层上；
将多个分离的自由磁区形成到所述隧道阻挡层上；
其中，所述缓冲层、基准层以及隧道阻挡层都被图案化以形成伸长结构，设置所述伸长结构的长宽比，使得所述磁性基准层以单磁向固定。
在可选实施例中，所述伸长结构的端部包括储存区，所述储存区的宽度大于所述伸长结构的宽度。
在可选实施例中，所述方法进一步包括：向所述储存区施加磁场以设置所述磁性基准层的磁向。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。
图1A是示出根据本文描述的原理的一个实例的伸长MTJ结构的示例性截面图的图。
图1B是示出根据本文描述的原理的一个实例的伸长MTJ结构的示例性俯视图的图。
图2A是示出根据本文描述的原理的一个实例的用于MTJ器件的示例性好磁滞回线的图。
图2B是示出根据本文描述的原理的一个实例的用于MTJ器件的示例性坏磁滞回线的图。
图3A是示出根据本文描述的原理的一个实例的具有菱形储存区的伸长MTJ结构的示例性俯视图的图。
图3B是示出根据本文描述的原理的一个实例的具有椭圆形储存区的伸长MTJ结构的示例性俯视图的图。
图4A是示出根据本文描述的原理的一个实例的对准的伸长MTJ结构的示例性俯视图的图。
图4B是示出根据本文描述的原理一个实例的偏移的伸长MTJ结构的示例性俯视图的图。
图5是示出根据本文描述的原理一个实例的包括顶部和底部接触件的伸长MTJ结构的示例性截面图的图。
图6是示出根据本文描述的原理一个实例的用于形成伸长MTJ结构的示例性方法的流程图。
具体实施方式
可以理解，下面公开的内容提供了许多不同的实施例或者实例，用以实现本发明的不同特征。下面描述组件或者布置的具体实例以简化本发明。当然它们仅为举例说明而并不旨在限制本发明。此外，说明书中所跟随的第二处理之前的第一处理的执行可包括在第一处理之后立即执行第二处理的实施例，也可以包括在第一和第二处理之间执行另外的处理的实施例。为了简化和清楚起见，各种部件也可以以不同的比例任意绘制。此外，第一部件形成在第二部件上方或者在第二部件上可以包括第一部件与第二部件形成为直接接触的实施例，也可以包括在第一部件和第二部件之间形成另外部件以使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。
此外，在此可使用诸如“在…之下”、“在…下面”、“下面的”、“在…上面”、以及“上面的”等的空间关系术语，以容易地描述如图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除图中所示的方位之外，空间关系术语将包括使用或操作中的装置的各种不同的方位。例如，如果翻转图中所示的装置，则被描述为在其他元件或部件“下面”或“之下”的元件将被定位为在其他元件或部件的“上面”。因此，示例性术语“在…下面”能够包括在上面和在下面的方位。装置可以以其它方式定位(旋转90度或在其他方位)，并且通过在此使用的空间关系描述符进行相应地解释。
图1A是示出伸长MTJ结构100的示例性截面图的图。形成在衬底102上的MTJ结构100包括缓冲层104、磁性基准层106、隧道阻挡层110以及自由磁层，该自由磁层包括多个分离的自由磁区108。每个自由磁区108用于不同的MTJ存储元件。
衬底102可由诸如硅的半导体材料制造。衬底102可用于支承除伸长MTJ结构100外的一些部件。缓冲层104形成在衬底102上以对形成磁性基准层106的工艺有帮助，形成磁性基准层106可以使用外延工艺来实施。磁性基准层106可由各种材料制造，包括但不限于CoFeB、CoFeTa、NiFe、Co、CoFe、CoPt、CoPd、FePt或者Ni、Co和Fe的其他合金。
传统的MTJ结构具有包括固定层和被固定层的基准层。固定层为反铁磁(AFM)材料层。反铁磁材料为以下的材料：其原子或者分子的磁矩排列成使得形成相邻原子或者分子旋转指向相反方向的图案。被固定层包括具有磁矩被反铁磁固定层以特定方向固定的铁磁层。因此，基准层在MTJ器件的工作期间不改变它的磁矩。
然而，使用伸长的磁性基准层，不需要反铁磁固定层。这是因为磁性基准层106的伸长特性可用作固定机构以单一方向固定磁性基准层106的磁矩。通过使用伸长特性，当沿伸长方向施加磁场时，磁矩的方向可以沿整个伸长结构设置。在一些实例中，伸长结构可具有至少30的长宽比。
传统MTJ结构具有用于每个分离自由层的分离基准层。这些分离的基准层在边缘产生影响自由层的漏磁场。这造成如图2B中所示的坏的磁滞回线。然而，使用伸长的磁性基准层106，而不是分离基准层，有效消除了漏磁场，并且自由磁区108不受漏磁场的不利影响。因此，如图2A中所示，磁滞回线变好。
隧道阻挡层110可由电阻材料形成，例如，氧化物材料。例如，隧道阻挡层110可由镁(Mg)、氧化镁(MgO)、氧化铝(AlO)、氮化铝(AlN)以及氮氧化铝(AlON)制成。隧道阻挡层110可通过合适的沉积方法形成。
自由磁区108也由铁磁材料制造。与基准层106不同，由于没有与自由层关联的固定机构，自由层的磁矩方向在MTJ器件结构的工作期间可在各种条件下改变。当自由磁区108的磁矩与基准层106的磁矩的方向相同时，电子可穿过隧道阻挡层110隧道。这导致自由磁区108和基准层106之间的隧道阻挡层110的区域具有相对较低的电阻状态。因此，在施加合适极性的电压的情况下，可流经电流。
在施加正极性电压的情况下，自由磁区108的磁矩的方向可设置成与基准层106的磁矩的方向相反。在这种状态下，电子很难穿过隧道阻挡层110。这导致自由磁区108和基准层之间的隧道阻挡层110的区域具有相对较高的电阻状态。不同的电阻状态可用于表示为数字数值。例如，高电阻状态可用于表示为数字‘0’，而低电阻状态可用于表示为数字‘1’。
除具有伸长特性之外，MTJ结构可在一端或者两端包括储存区112。储存区112使得磁矩为圆形，因此伸长带106两端没有漏磁场产生。因此，储存区112附近的自由磁区108不受漏磁场影响。
在一个实例中，伸长结构可通过沉积通用缓冲层104、通用磁性基准层106以及通用隧道阻挡层形成。然后光阻材料可施加到隧道阻挡层。然后，光阻材料可通过光掩模暴露于光源。光掩模可被图案化以便当光刻胶被显影时，它可覆盖呈伸长结构形状的隧道阻挡层110的区域。然后，剩余的曝光区可被蚀刻掉。具体地，蚀刻可向下延伸穿过隧道阻挡层110、磁性基准层106以及缓冲层104至衬底。然后自由磁区108可沉积在伸长结构的隧道阻挡层的顶部上。其他方法可用于形成图1A示出和上面描述的结构。
图1B是示出伸长MTJ结构100的示例性俯视图的图。在这种实例中，储存区示例为菱形。另外，自由磁区108为椭圆形。根据某些示例性实例，自由磁区108的长度大于其宽度。例如，自由磁区108的长宽比可在大约1至4范围内。这有助于磁性基准层具有好的磁滞回线。
磁滞是输出受当前的输入和过去的条件影响的系统的性质。如果至这种系统的输入交替增加和减小，那么输出趋于形成环。由于MTJ器件内部的铁磁材料，MTJ器件显示为磁滞。因此，由于穿过结的电压在正电压和负电压之间交替，输出呈现为回线。
图2A是示出用于MTJ器件的示例性好磁滞回线200的图。根据某些示例性实例，垂直轴线表示电阻而水平轴线204表示自由磁区的磁矩。回线具有高电阻状态206以及低电阻状态208。当磁矩的方向为负时(与基准层的磁矩的方向相反)，那么所述器件将为高电阻状态206。所述器件将保持这样，直到施加的电压反转该方向(与基准层的磁矩的方向平行)，因而使其具有足够的正极性以使得电子以隧道方式穿过，从而造成低电阻状态208。所述器件也保持在该种状态，直到施加的电压反转磁矩的方向足够以禁止电子隧道穿过并且器件转换回高电阻状态206，。
图2B是示出MTJ结构的示例性坏磁滞回线210的图。如上所述，自由磁层和磁性基准层之间的偶极相互作用可能不利地影响磁滞回线。尤其是，不以零为中心的磁滞回线是坏磁滞回线。坏磁滞回线不利地影响MTJ器件的开关特性。
图3A是示出具有菱形储存区的伸长MTJ结构的示例性俯视图的图。在该实例中，菱形是边缘与伸长结构100成45度角的方形。根据某些示例性实例，菱形储存区302的边缘长度304可以为伸长结构的宽度306的大约1.25倍。
如上所述，储存区有助于设置工艺以固定伸长基准层的磁矩。在该实例中，将磁场施加到储存区302的一个或者两个。当俯视时，这种磁场为顺时针方向312。这导致伸长的磁性基准层的磁矩为指向左侧的方向308。也指向左侧并且与基准层平行的自由磁区108将会处于低电阻状态。相反，指向相反方向的自由磁区108将为高电阻状态。
图3B是示出具有椭圆形储存区314的伸长MTJ结构的示例性俯视图的图。这种储存区314的执行可与图3A中示出的储存区302类似。具体地，当俯视时，顺时针磁场312导致伸长的磁性基准层具有指向左侧的磁矩。储存区可成形为各种形状。例如，可以使用各种多边形、圆形或者椭圆形。
图4A是示出对准的伸长MTJ阵列400的示例性俯视图的图。根据某些示例性实例，存储器阵列可以通过一行中形成多条线404来制造。每条线404与图1A和图1B中示出的伸长结构对应。在该实例中，线与相邻的线对准。每条线与相邻的线间隔指定的距离402。距离402可在考虑包括两条相邻线之间的图案限制和串扰问题的多种因素下设置。
图4B是示出偏移的伸长MTJ阵列410的示例性俯视图的图。根据某些示例性实例，每条线404可相对于相邻线偏移。这种偏移可被图案化。具体地，每一其他线404可偏移一定距离414。这可使线与线之间的距离412减小，从而得到整体较高的密度阵列。另外，由于储存区的偏移，使得相邻储存区之间存在较小的串扰。
图5是示出包括顶部和底部接触件的伸长MTJ结构的示例性截面图的图。如上所述，MTJ存储元件利用自由磁区108和磁性基准层106之间的隧道阻挡层110的电阻状态来存储数据。这种电阻状态受自由磁区108的磁矩影响。可通过施加诸如电压的各种电气条件来改变自由磁区108的磁矩。因此，为了施加电压，形成连接至自由磁区108和磁性基准层106的接触件502、504。
顶部接触件502将自由磁区108连接至施加要求的电压以设置或者读取在特定区域的隧道阻挡层的电阻状态的电路。底部接触件穿过衬底102和缓冲层104形成以连接至磁性基准层106。底部接触件504也连接至施加要求的电压以设置或者读取在特定区域的隧道阻挡层的电阻状态的电路。
接触件502、504形成MTJ存储元件508的部分以用于每个自由磁区108。通过在相应的顶部接触件502和底部接触件504之间施加电压，如果自由磁区108在合适的状态，电流506可以流过隧道阻挡层。然而，仅四个自由磁区108沿伸长结构示出。实际的伸长结构可具有更大数量的自由磁区。
图6是用于形成伸长MTJ结构的示例性方法600的流程图。根据某些示例性实例，所述方法包括将缓冲层形成到衬底上的步骤602。所述方法进一步包括将磁性基准层形成到缓冲层上的步骤604。所述方法还包括将隧道阻挡层形成到磁性基准层上的步骤606。所述方法还包括将多个分离的自由磁区形成到隧道阻挡层上的步骤608。缓冲层、基准层以及隧道阻挡层每个都被图案化以形成伸长结构，设置所述结构的长宽比，使得磁性基准层以单磁性方向固定。
根据一些示例性实例，一种磁阻式隧道结(MTJ)器件包括形成到衬底上的伸长MTJ结构，所述MTJ结构包括磁性基准层和隧道阻挡层。MTJ器件还包括设置到隧道阻挡层上的多个分离的自由磁区。设置伸长MTJ结构的长宽比，使得磁性基准层的磁场以单一方向固定。
根据一些示例性实例，一种磁阻式隧道结(MTJ)存储器阵列包括多个形成到衬底上的伸长线。每条线包括磁性基准层、隧道阻挡层以及沿隧道阻挡层形成的多个分隔开的自由磁区，每一个自由磁区形成一个存储元件。设置伸长MTJ结构的长宽比，使得磁性基准层的磁场以单一方向固定。
一种用于形成磁阻式隧道结(MTJ)器件的方法，包括：将缓冲层形成到衬底上，将磁性基准层形成到缓冲层上，将隧道阻挡层形成到磁性基准层上，以及将一些分离的自由磁区形成到隧道阻挡层上。缓冲层、基准层以及隧道阻挡层每个都被图案化以形成伸长结构，设置所述结构的长宽比，使得磁性基准层以单磁性向固定。
应当理解，上面列出的实施例以及步骤的各种不同组合可以以各种顺序或并列使用，并且并无特别的步骤是决定性的或必须的。外，尽管在此使用了术语“电极”，可以意识到该术语包括“电极接头”的概念。此外，上面针对一些实施例示出或讨论的特征可以与针对其他实施例示出或讨论的特征相结合。因此所有此类的修改都被包括在本发明的范围内。
上面论述了若干实施例的概述特征。本领域技术人员应了解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与这里所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的处理和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (17)

1.一种磁阻式隧道结(MTJ)器件，包括：
形成到衬底上的伸长的磁阻式隧道结结构，所述磁阻式隧道结结构包括：
磁性基准层，其中，所述磁性基准层不包括固定层；
隧道阻挡层；
多个分离的自由磁区；和
储存区，位于所述伸长的磁阻式隧道结结构的端部，所述储存区的宽度大于所述伸长的磁阻式隧道结结构的宽度，
其中，每个所述自由磁区设置到伸长的所述隧道阻挡层上并且设置在两个所述储存区之间；
其中，设置所述伸长的磁阻式隧道结结构的长宽比，使得所述磁性基准层的磁场以单一方向固定。
2.根据权利要求1所述的磁阻式隧道结器件，其中，所述伸长的磁阻式隧道结结构的长宽比至少为30。
3.根据权利要求1所述的磁阻式隧道结器件，其中，所述储存区为菱形。
4.根据权利要求3所述的磁阻式隧道结器件，其中，菱形的所述储存区的边缘的长度约为伸长结构的宽度的1.25倍。
5.根据权利要求1所述的磁阻式隧道结器件，其中，所述储存区为椭圆形。
6.根据权利要求1所述的磁阻式隧道结器件，其中，所述自由磁区的长宽比不小于1，其长度方向平行于伸长结构的伸长长度方向。
7.根据权利要求1所述的磁阻式隧道结器件，进一步包括多个顶部接触件，每个顶部接触件都连接至一个磁性自由层。
8.根据权利要求7所述的磁阻式隧道结器件，进一步包括形成为穿过缓冲层到达所述磁性基准层的多个底部接触件，每个底部接触件都设置在分离的所述磁性自由层中的一个的下方以便形成磁阻式隧道结元件，其中，所述缓冲层位于所述磁性基准层下方。
9.一种磁阻式隧道结(MTJ)存储器阵列，所述磁阻式隧道结存储器阵列包括：
形成到衬底上的多条伸长线，每条线均包括：
磁性基准层，其中，所述磁性基准层不包括固定层；
隧道阻挡层；
沿所述隧道阻挡层形成的多个分离的自由磁区，每个自由磁区都形成一个存储元件；和
储存区，位于所述伸长线的每个端部，所述储存区的宽度大于所述伸长线的宽度，
其中，每个所述自由磁区设置到伸长的所述隧道阻挡层上并且设置在两个所述储存区之间；
其中，设置伸长的磁阻式隧道结结构的长宽比，使得所述磁性基准层的磁场以单一方向固定。
10.根据权利要求9所述的磁阻式隧道结存储器阵列，其中，所述伸长线的长宽比至少为30。
11.根据权利要求9所述的磁阻式隧道结存储器阵列，其中，所述储存区为多边形。
12.根据权利要求11所述的磁阻式隧道结存储器阵列，其中，所述储存区为菱形，菱形的所述储存区的边缘的长度约为伸长结构的宽度的1.25倍。
13.根据权利要求9所述的磁阻式隧道结存储器阵列，其中，所述储存区为椭圆形。
14.根据权利要求9所述的磁阻式隧道结存储器阵列，其中，每条所述伸长线均与相邻的伸长线对准。
15.根据权利要求9所述的磁阻式隧道结存储器阵列，其中，每条所述伸长线均相对于相邻的伸长线偏移。
16.一种用于形成磁阻式隧道结(MTJ)器件的方法，所述方法包括：
将缓冲层形成到衬底上；
将磁性基准层形成到所述缓冲层上，其中，所述磁性基准层不包括固定层；
将隧道阻挡层形成到所述磁性基准层上；
将多个分离的自由磁区形成到所述隧道阻挡层上；
其中，所述缓冲层、磁性基准层以及隧道阻挡层都被图案化以形成伸长结构，设置所述伸长结构的长宽比，使得所述磁性基准层以单磁向固定，并且所述伸长结构的端部包括储存区，所述储存区的宽度大于所述伸长结构的宽度；
其中，每个所述自由磁区设置到伸长的所述隧道阻挡层上并且设置在两个所述储存区之间。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：向所述储存区施加磁场以设置所述磁性基准层的磁向。
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