CN113013323A - 半导体结构及其形成方法、半导体器件 - Google Patents
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Abstract
一种半导体结构及其形成方法，形成方法包括：形成隧穿氧化膜，形成隧穿氧化膜的步骤包括：依次形成多个子隧穿氧化膜；形成子隧穿氧化膜的步骤包括：形成初始子隧穿氧化膜；对初始子隧穿氧化膜进行氧化处理，使初始子隧穿氧化膜转化为子隧穿氧化膜。本发明实施例依次形成多个子隧穿氧化膜以形成隧穿氧化膜，初始子隧穿氧化膜的厚度较薄，因此，有利于保证初始子隧穿氧化膜在所述氧化处理的过程中能够完全被氧化、并提高氧化处理的均匀性，从而有利于提高氧原子在子隧穿氧化膜中的分布均匀性、改善子隧穿氧化膜材料中的晶格结构，相应提高了隧穿氧化膜的薄膜质量，进而在后续图形化隧穿氧化膜以形成隧穿氧化层后，有利于提升隧穿氧化层的薄膜质量。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体制造领域，尤其涉及一种半导体结构及其形成方法、半导体器件。
背景技术
磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)是一种非挥发性的磁性随机存储器，所谓“非挥发性”是指关掉电源后，仍可以保持记忆完整。MRAM器件拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入，磁性随机存取存储器是一种“全动能”的固态存储器。因而，其应用前景非常可观，有望主导下一代存储器市场。
在MRAM器件中，通过存储元件的磁性状态存储数据。MRAM单元通常由一个晶体管和一个磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)共同组成一个存储单元。所述MTJ结构包括至少两个电磁层以及用于隔离所述两个电磁层的隧穿氧化层(Tunneling layer)。所述两个电磁层可以维持由绝缘层分隔的两个磁性极化场，其中之一为固定磁性层，或称为被钉扎(pinned)层，其极化方向是固定的：另一个是自由转动磁性层，其极化方向可以外部场的变化而改变。当两个电磁层的极化方向平行时，流经MTJ结构的隧穿电流具有最大值，MTJ结构单元电阻较低：当两个磁性层的极化方向反平行时，流经MTJ结构的穿电流具有最小值，MTJ结构单元电阻较高。通过测量MRAM单元的电阻来读取信息，这就是MTJ结构的工作原理。
其中，隧穿氧化层(Tunneling layer)的薄膜质量对于MRAM器件的性能具有至关重要的影响。此外，除了MRAM器件，隧穿氧化层还应用于其他类型的MOS器件中，例如：3D与非门闪存(NAND Flash Memory)器件、非门闪存(NOR Flash Memory)、静态随机存取存储器(SRAM)等器件，而且，这些器件中的隧穿氧化层对于器件的性能也有着重要的影响。
发明内容
本发明实施例解决的问题是提供一种半导体结构及其形成方法、半导体器件，提升隧穿氧化层的薄膜质量。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种半导体结构的形成方法，包括：形成隧穿氧化膜，形成所述隧穿氧化膜的步骤包括：依次形成多个子隧穿氧化膜；形成所述子隧穿氧化膜的步骤包括：形成初始子隧穿氧化膜；对所述初始子隧穿氧化膜进行氧化处理，使所述初始子隧穿氧化膜转化为所述子隧穿氧化膜。
相应的，本发明实施例还提供一种半导体结构，包括：隧穿氧化层，所述隧穿氧化层包括多层依次堆叠的子隧穿氧化层。
相应的，本发明实施例还提供一种半导体器件，包括：前述的半导体结构。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：
本发明实施例的半导体结构的形成方法中，形成所述隧穿氧化膜的步骤包括：依次形成多个子隧穿氧化膜；与所述隧穿氧化膜仅为一层膜层的方案相比，本发明实施例依次形成多个子隧穿氧化膜以形成所述隧穿氧化膜，在形成所述初始子隧穿氧化膜的过程中，所述初始子隧穿氧化膜的厚度更薄，因此，在对所述初始子隧穿氧化膜进行氧化处理的过程中，有利于保证所述初始子隧穿氧化膜能够完全被氧化、以及提高所述氧化处理的均匀性，从而有利于提高氧原子在所述子隧穿氧化膜中的分布均匀性、并改善所述子隧穿氧化膜材料中的晶格结构，相应提高了所述隧穿氧化膜的薄膜质量，进而在后续图形化隧穿氧化膜以形成隧穿氧化层后，有利于提高隧穿氧化层的薄膜质量。
附图说明
图1至图7是一种半导体结构的形成方法中各步骤对应的结构示意图；
图8至图21是本发明半导体结构的形成方法一实施例中各步骤对应的结构示意图。
具体实施方式
目前所形成的器件仍有性能不佳的问题。以下以MRAM器件为示例，结合一种半导体结构的形成方法分析器件性能不佳的原因。
图1至图7示出了一种半导体结构的形成方法中各步骤对应的结构示意图。
参考图1，提供基底1；在所述基底1上形成介电层2。
参考图2，形成贯穿所述介电层2的导电插塞3。
参考图3，在介电层2上形成电极层4，所述电极层4覆盖所述导电插塞3。
继续参考图3，在所述电极层4上形成磁向参考膜5。
参考图4，在所述磁向参考膜5上形成初始隧穿氧化膜6。
参考图5，对所述初始隧穿氧化膜6进行氧化处理，使所述初始隧穿氧化膜6转化为隧穿氧化膜7。
参考图6，在所述隧穿氧化膜7上形成磁向自由膜8，所述磁向自由膜8、隧穿氧化膜7以及所述磁向参考膜5构成初始磁性隧道结叠层结构9。
参考图7，图形化初始磁性隧道结叠层结构9，形成磁性隧道结叠层结构10。
在图形化初始磁性隧道结叠层结构9后，剩余的磁向参考膜5作为磁向参考层，剩余的隧穿氧化膜7作为隧穿氧化层(tunneling oxide)，剩余的磁向自由膜8作为磁向自由层。其中，隧穿氧化层用于隔离磁向自由层和磁向参考层，隧穿氧化层的薄膜质量对磁性隧道结(MTJ)的性能有着至关重要的影响。
发明人发现，所述方法形成的磁性隧道结的性能不佳，导致MRAM器件的性能也不佳。发明人通过进一步研究发现，所述方法形成的隧穿氧化层的薄膜质量不佳，从而容易影响MTJ的性能。具体地说，所述方法形成隧穿氧化膜7的步骤中，对初始隧穿氧化膜6进行氧化处理的均匀性较差，导致隧穿氧化膜7内部的结晶质量较差，隧穿氧化膜7中的内部缺陷较多，这些缺陷导致隧穿氧化层对磁向自由层和磁向参考层之间的隔离效果变差，进而容易发生漏电流的问题，导致形成的磁性隧道结和MRAM器件的性能不佳。
为了解决所述技术问题，本发明实施例的半导体结构的形成方法中，形成所述隧穿氧化膜的步骤包括：依次形成多个子隧穿氧化膜；与所述隧穿氧化膜仅为一层膜层的方案相比，本发明实施例依次形成多个子隧穿氧化膜以形成所述隧穿氧化膜，在形成初始子隧穿氧化膜的过程中，所述初始子隧穿氧化膜的厚度更薄，因此，在对所述初始子隧穿氧化膜进行氧化处理的过程中，有利于保证初始子隧穿氧化膜能够完全被氧化、以及提高所述氧化处理的均匀性，从而有利于提高氧原子在所述子隧穿氧化膜中的分布均匀性、并改善所述子隧穿氧化膜材料中的晶格结构，相应提高了所述隧穿氧化膜的薄膜质量，进而在后续图形化隧穿氧化膜形成隧穿氧化层后，有利于提高隧穿氧化层的薄膜质量。
为使本发明实施例的上述目的、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例做详细的说明。
图8至图21是本发明半导体结构的形成方法一实施例中各步骤对应的结构示意图。
参考图8，提供基底。
所述基底用于为后续工艺制程提供工艺平台。
本实施例中，所述基底用于为形成磁性随机存取存储器(Magnetic RandomAccess Memory，MRAM)提供工艺平台。具体地，所述MRAM器件为自旋转移矩磁阻式随机存取存储器(Spin Transfer Torque-MRAM，STT-MRAM)。
在其他实施例中，所述基底还可以为形成其他类型的MOS器件，例如：3D与非门闪存(NAND Flash Memory)器件、非门闪存(NOR Flash Memory)、静态随机存取存储器(SRAM)等器件提供工艺平台。本发明在此不做限定。
本实施例中，基底中形成有晶体管。其中，晶体管可以为NMOS晶体管和PMOS晶体管中的一种或两种。
具体地，晶体管包括栅极结构、位于栅极结构两侧基底中的源漏掺杂区。
本实施例中，基底中还形成有层间介质层、以及贯穿层间介质层且与源漏掺杂区相接触的接触孔插塞，层间介质层覆盖源漏掺杂区的表面以及栅极结构的侧壁。基底中还可以形成其他类型的半导体器件，基底中还可以形成有电阻结构、导电结构等功能结构。
本实施例中，基底中还形成有第一金属层间介质层100，第一金属层间介质层100位于层间介质层上且覆盖接触孔插塞。
第一金属层间介质层100用于实现后段制程中金属互连线之间的电隔离。
本实施例中，第一金属层间介质层100的材料为低k介质材料(低k介质材料指相对介电常数大于或等于2.6且小于等于3.9的介质材料)、超低k介质材料(超低k介质材料指相对介电常数小于2.6的介质材料)、氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等介电材料。
具体地，第一金属层间介质层100的材料为低k介质材料，有利于降低后段互连结构之间的寄生电容，进而有利于减小后段RC延迟。
相应地，本实施例中，第一金属层间介质层100中形成有互连线110，互连线110与接触孔插塞电连接，从而实现源漏掺杂区与外部电路或其他互连结构以及部件的电连接。
本实施例中，互连线110为第一金属层(M1)，第一金属层指的是与接触孔插塞最接近的金属层。在其他实施例中，互连线还可以为其他层的金属层，互连线可以通过互连结构与接触孔插塞实现电连接。
本实施例中，互连线110的材料为铜。在其他实施例中，根据实际的工艺，互连线的材料还可以为钨、铝、钴等导电材料。
继续参考图8，在基底上形成介电层120。
后续步骤还包括：形成贯穿介电层120的第一导电插塞，介电层120用于实现相邻第一导电插塞之间的电性隔离。介电层120还用于实现后续电极层与互连线110之间的隔离。本实施例中，介电层120形成在第一金属层间介质层100上且覆盖互连线110。
介电层120的材料为低k介质材料、超低k介质材料、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或碳氧化硅等介电材料。本实施例中，介电层120的材料为低k介质材料，有利于降低后段互连结构之间的寄生电容，进而有利于减小后段RC延迟。具体地，介电层120的材料为SiCOH。
本实施例中，介电层120的厚度为
例如：
等。在其他实施例中，介电层的厚度还可以为其他数值，本发明在此不做限定。
参考图9，形成贯穿所述介电层120的第一导电插塞130。
第一导电插塞130用于实现基底中的晶体管与后续电极层的电连接。
本实施例中，第一导电插塞130贯穿介电层120且与互连线110相接触，从而通过互连线110，与基底中的晶体管实现电连接。
第一导电插塞130的材料可以为Cu、W、Al、TiN、TaN、Ti中的一种获多种。本实施例中，第一导电插塞130的材料为Cu。
本实施例中，形成第一导电插塞130的步骤包括：形成贯穿介电层120的导电通孔(图未示)；在导电通孔中填充第一导电插塞130。
参考图10，在所述介电层120上形成电极层140，所述电极层140覆盖所述第一导电插塞130。本实施例中，电极层140为底电极(Bottom Electrode，BE)，电极层140用于电连接第一导电插塞130与后续磁性隧道结叠层结构。
电极层140的材料为氮化钽、钽、钛和氮化钛中的一种或多种。本实施例中，电极层140为单层结构，电极层140的材料为氮化钽。
本实施例中，采用原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)工艺形成电极层140。原子层沉积工艺是基于原子层沉积过程的自限制(Self-limiting)反应过程，沉积所得薄膜可以达到单层原子的厚度，选用原子层沉积工艺有利于对电极层140的厚度进行精确控制，此外，通过ALD工艺制备的薄膜具有结合强度好、膜层厚度一致、成分均匀性好、保形性好等的特点，有利于提高电极层140的厚度均一性和薄膜质量。在其他实施例中，根据实际的工艺，还可以采用物理气相沉积工艺或其他合适的工艺形成电极层。
本实施例中，电极层140的厚度为2nm～50nm，例如：3nm，15nm，40nm等。在其他实施例中，电极层的厚度还可以为其他数值，本发明在此不做限定。
继续参考图10，在所述电极层140上形成磁向参考膜160。
磁向参考膜160用于经后续图形化工艺形成磁向参考层。
因此，磁向参考膜160的磁化方向是固定的，从而使得后续磁向参考层能够作为后续磁向自由层的磁化方向参考层。
磁向参考膜160的材料为铁磁金属材料，例如：CoFeB或CoFe。
本实施例中，磁向参考膜160的厚度为0.5nm～5nm，例如：2nm，4nm，4.5nm等。在其他实施例中，磁向参考膜的厚度还可以为其他数值，本发明在此不做限定。
需要说明的是，本实施例中，在形成电极层140后，在形成磁向参考膜160之前，半导体结构的形成方法还包括：在电极层140上形成缓冲层150。相应地，磁向参考膜160形成在缓冲层150上。
缓冲层(Buffer layer)150用于改善电极层140的表面粗糙度和界面缺陷，从而为形成磁向参考膜160、隧穿氧化膜以及磁向自由膜提供良好的生长界面，提高磁向参考膜160、隧穿氧化膜和磁向自由膜的晶格生长质量。
缓冲层150的材料可以为Ru、Pt或Hf中的一种或多种。本实施例中，缓冲层150的材料为Ru。
本实施例中，缓冲层150的厚度为0.5nm～5nm，例如：3nm，3.6nm，4.2nm等。在其他实施例中，缓冲层的厚度还可以为其他数值，本发明在此不做限定。
参考图11至图17，在所述磁向参考膜160上形成隧穿氧化膜180，形成所述隧穿氧化膜180的步骤包括：在所述磁向参考膜160上依次形成多个子隧穿氧化膜175；形成所述子隧穿氧化膜175的步骤包括：形成初始子隧穿氧化膜170；对所述初始子隧穿氧化膜170进行氧化处理，使所述初始子隧穿氧化膜转化为所述子隧穿氧化膜175。
本发明实施例通过依次形成多个子隧穿氧化膜175以形成所述隧穿氧化膜180，与仅形成一层初始隧穿氧化膜、再对初始隧穿氧化膜进行氧化处理以形成隧穿氧化膜的方案相比，本实施例在形成所述初始子隧穿氧化膜170的过程中，所述初始子隧穿氧化膜170的厚度更薄，因此，在对所述初始子隧穿氧化膜170进行氧化处理的过程中，有利于保证所述初始子隧穿氧化膜170能够完全被氧化、以及提高所述氧化处理的均匀性，从而有利于提高氧原子在所述子隧穿氧化膜175中的分布均匀性、并改善所述子隧穿氧化膜175材料中的晶格结构，相应提高了所述隧穿氧化膜180的薄膜质量(例如：结晶质量)，进而在后续图形化隧穿氧化膜180形成隧穿氧化层后，有利于隧穿氧化层的薄膜质量。
本实施例中，所述隧穿氧化膜180形成在磁向参考膜160上，后续步骤还包括：在隧穿氧化膜180上形成磁向自由膜，所述磁向参考膜160、隧穿氧化膜190以及磁向自由膜用于后续形成磁性隧道结叠层结构；本实施例提供的半导体结构的形成方法有利于提高隧穿氧化膜180的薄膜质量，从而有利于提高MTJ(磁性隧道结)的性能，例如：提升隧道磁电阻比率(Tunnel magnetoresistance ratio，TMR ratio)、减小漏电流等，MRAM器件的相应也得到了提升。
在其他的实施例中，当所述隧穿氧化膜用于形成其他类型的器件时，例如：3D与非门闪存器件、非门闪存、静态随机存取存储器等，本实施例提供的半导体结构的形成方法通过提高隧穿氧化膜的形成质量，也有利于提高器件的性能。
本实施例中，多个子隧穿氧化膜175依次堆叠在磁向参考膜160上。
以下结合附图对本实施例形成子隧穿氧化膜175的步骤进行详细说明。
如图11所示，在形成初始子隧穿氧化膜170。
初始子隧穿氧化膜170用于经后续图形化工艺，形成隧穿氧化层。
初始子隧穿氧化膜170用于经氧化处理，转化为子隧穿氧化膜175。
本实施例中，初始子隧穿氧化膜170的材料为Mg。在其他实施例中，初始子隧穿氧化膜的材料还可以为Sr、Ba、Ra、Si、Al、Hf、Ni、Gd、Ta、Mo、Ti或W等材料。
初始子隧穿氧化膜170的厚度不宜过小，否则容易影响初始子隧穿氧化膜170的薄膜质量，例如：易导致初始子隧穿氧化膜170的薄膜连续性较差；初始子隧穿氧化膜170的厚度不宜过大，否则容易降低后续氧化处理对初始子隧穿氧化膜170的均匀性，进而易降低对子隧穿氧化膜175材料中的晶格结构以及结晶质量的改善效果。为此，本实施例中，形成初始子隧穿氧化膜170的步骤中，初始子隧穿氧化膜170的厚度为
至
具体地，为使得初始子隧穿氧化膜170的厚度更小，从而进一步提高隧穿氧化膜180中的氧原子分布均匀性，本实施例中，初始子隧穿氧化膜170的厚度可以为
例如：
等。
本实施例中，形成初始子隧穿氧化膜170的工艺包括物理气相沉积工艺。其他实施例中，形成初始子隧穿氧化膜的工艺还可以包括溅射(sputtering)工艺等其他合适的工艺，本发明在此不对形成初始子隧穿氧化膜的工艺进行限定。
如图12所示，对初始子隧穿氧化膜170进行氧化处理，使初始子隧穿氧化膜转化为子隧穿氧化膜175。
本实施例中形成的初始子隧穿氧化膜170的厚度较小，氧化处理中的采用的含氧气体易于进入到初始子隧穿氧化膜170中，从而有利于保证初始子隧穿氧化膜170能够被完全氧化、并提高氧原子在初子隧穿氧化膜中175的纵向分布均匀性，相应有利于提高隧穿氧化膜中氧原子的分布均匀性，进而提高隧穿氧化膜中晶格取向的一致性和结晶质量。
本实施例中，进行氧化处理的工艺包括干氧氧化工艺。在其他的实施例中，根据实际的工艺要求，还可以采用湿氧氧化工艺、原位氧化工艺等其他合适的氧化工艺进行氧化处理，本发明在此不对进行氧化处理的工艺进行限定。
本实施例中，在氧气氛围中进行氧化处理。在其他实施例中，还可以在臭氧氛围或其他合适的氧化气体氛围中进行氧化处理，本发明在此不对氧化处理采用的氧化气体进行限定。
相应地，进行氧化处理后，子隧穿氧化膜175的材料为MgO。在形成多个子隧穿氧化膜175后，所形成的隧穿氧化膜180的材料相应也为MgO。
在其他实施例中，根据初始子隧穿氧化膜的材料，在氧化处理后，子隧穿氧化膜的材料还可以为SrO、BaO、RaO、SiO2、Al2O3、HfO2、NiO、GdO、Ta2O5、MoO2、TiO2或WO2等材料。
氧化处理的温度不宜过低，否则容易降低氧化处理对初始子隧穿氧化膜170的氧化效率，而且还容易出现初始子隧穿氧化膜170未被完全氧化的问题，进而易导致子隧穿氧化膜175的薄膜质量不佳；氧化处理的温度也不宜过高，否则容易对基底中的半导体器件的性能产生影响。为此，本实施例中，氧化处理的温度为150℃至300℃，例如：160℃、200℃、230℃、280℃等。
氧化处理采用的氧化气体流量不宜过小，否则容易降低氧化处理对初始子隧穿氧化膜170的氧化效率，还容易出现初始子隧穿氧化膜170未被完全氧化的问题，进而导致子隧穿氧化膜175的结晶均匀性不佳；氧化气体的气体流量也不宜过大，否则容易在将初始子隧穿氧化膜170完全氧化后，还容易氧化其他膜层。为此，本实施例中，在氧气氛围中进行氧化处理，氧气的气体流量为20sccm至2000sccm，例如：50sccm、80sccm、100sccm、700sccm等。
氧化处理的时间不宜过短，否则容易出现初始子隧穿氧化膜170未被完全氧化的问题；氧化处理的时间也不宜过长，否则在将初始子隧穿氧化膜170氧化后还容易氧化其他膜层，易增加工艺风险，降低工艺稳定性。为此，本实施例中，氧化处理的处理时间为2秒至30秒，例如：6秒、9秒、13秒、20秒等。
本实施例中，在氧化处理后，本实施例中，子隧穿氧化膜175的厚度为
至
例如：
等。
需要说明的是，结合参考图13，本实施例中，形成所述子隧穿氧化膜175的步骤还包括：在对初始子隧穿氧化膜170进行氧化处理后，进行退火处理200。
退火处理200用于修复子隧穿氧化膜175中的晶格缺陷，从而提高子隧穿氧化膜175的晶格质量、以及结晶化均匀性，进而提高子隧穿氧化膜175的薄膜质量，隧穿氧化膜180的晶格质量以及结晶化均匀性相应也得到了提高。
具体地，与前述的氧化处理相比，退火处理200的温度较高，在经过高温的退火处理200后，有利于使得氧原子在子隧穿氧化膜175中分布的更加均匀；另外，如果子隧穿氧化膜175材料的内部存在晶体缺陷，在高温的退火处理200的过程中，内部的晶体缺陷能够重组，从而减少子隧穿氧化膜175中的内部缺陷，且使得子隧穿氧化膜175材料的内部晶格取向更为一致，有利于进一步提高子隧穿氧化膜175的薄膜质量。
退火处理200的退火温度不宜过低，否则容易导致退火处理200对子隧穿氧化膜175中的晶格缺陷起到修复效果不明显；退火处理200的退火温度也不宜过高，否则容易对前段制程中形成的器件的性能产生影响，例如：影响掺杂剖面、引起热应力缺陷等。为此，本实施例中，退火处理200的退火温度为500℃至900℃，例如：560℃、580℃、610℃、635℃、890℃等。
退火处理200的退火时间不宜过短，否则容易降低退火处理200对子隧穿氧化膜175中的晶格缺陷的修复效果；退火处理200的退火时间也不宜过长，否则半导体结构暴露在高温环境下的时间过长，容易增加热量作用的深度，进而容易对前段制程中形成的半导体器件的性能产生影响，易增加工艺风险、产生副作用。为此，本实施例中，退火处理200的退火时间为0.01秒至1秒。
本实施例中，进行退火处理200的工艺包括尖峰退火(spike anneal)工艺。尖峰退火工艺能够以极快的升温速度升高到设定的温度后，又以较快的降温速度冷却，从而在修复子隧穿氧化膜175的晶格缺陷的同时，有利于保证半导体结构保持在高温下的作用时间较短，进而减小对半导体器件性能的影响。在其他实施例中，根据实际的工艺，还可以采用其他合适的退火工艺进行退火处理，例如：快速热退火(Rapid Thermal Anneal，RTA)工艺、激光热退火工艺等，本发明在此不对进行退火处理的工艺进行限定。
结合参考图11至图17，本实施例中，以在所述磁向参考膜160上依次形成4个子隧穿氧化膜175为例进行说明。在其他实施例中，根据实际工艺对隧穿氧化膜厚度以及性能的要求，还可以形成其他数量的子隧穿氧化膜。
本实施例中，所述隧穿氧化膜180的厚度为
至
在其他实施例中，根据实际的工艺要求，隧穿氧化膜还可以为其他厚度。
参考图18，在所述隧穿氧化膜180上形成磁向自由膜185，所述磁向自由膜185、隧穿氧化膜180以及磁向参考膜160构成初始磁性隧道结叠层结构190。
初始磁性隧道结叠层结构190用于经后续图形化工艺后，形成磁性隧道结叠层结构。
磁向自由膜185的磁化方向有两个稳定的取向，分别与磁向参考膜160的磁化方向平行或相反，从而使得磁性隧道结能够处于低阻态或高阻态。
磁向自由膜185的材料也为铁磁金属材料，例如：CoFeB或CoFe等。
继续参考图18，本实施例中，在形成磁向自由膜185后，半导体结构的形成方法还包括：在磁向自由膜185上形成顶电极层195。
顶电极层195用于实现后续磁性隧道结与外部电路或其他互连结构、部件之间的电连接。顶电极层195的材料为氮化钽、钽、钛和氮化钛中的一种或多种。本实施例中，顶电极层195为单层结构，顶电极层195的材料为氮化钽。
本实施例中，采用原子层沉积工艺形成顶电极层195。通过选用原子层沉积工艺，有利于对顶电极层195的厚度进行精确控制，此外，通过原子层沉积工艺制备的薄膜具有结合强度好、膜层厚度一致、成分均匀性好、保形性好等的特点，有利于提高顶电极层195的厚度均一性和薄膜质量。其他实施例中，根据实际工艺，还可以采用物理气相沉积工艺或其他合适的工艺形成顶电极层。
参考图19，图形化所述初始磁性隧道结叠层结构190，形成磁性隧道结叠层结构240。
本实施例中，图形化初始磁性隧道结叠层结构190的步骤包括：依次图形化磁向自由膜185、隧穿氧化膜180以及磁向参考膜160，剩余的磁向自由膜185作为磁向自由层(freelayer)230，剩余的隧穿氧化膜180作为隧穿氧化层(tunneling barrier layer)220，剩余的磁向参考膜160作为磁向参考层(reference layer)210，磁向参考层210、位于磁向参考层210上的隧穿氧化层220以及位于隧穿氧化层220上的磁向自由层230构成磁性隧道结叠层结构240。
其中，图形化后剩余的子隧穿氧化膜175作为子隧穿氧化层21，多个依次堆叠于所述磁向参考层210上的子隧穿氧化层21构成所述隧穿氧化层220。
由前述可知，本实施例形成的隧穿氧化膜180的晶格质量(例如：结晶化均匀性、晶格取向一致性)较好，所述隧穿氧化膜180的薄膜质量较好，隧穿氧化层220的薄膜质量也较高，从而使得磁性隧道结(MTJ)的性能得到了提高，例如：提高了隧道磁电阻比率，进而提升了MRAM器件的性能。
在其他的实施例中，当隧穿氧化层用于形成其他类型的器件时，例如：3D与非门闪存器件、非门闪存、静态随机存取存储器等，本实施例提供的半导体结构的形成方法通过提高隧穿氧化层的形成质量，也有利于提高器件的性能。
本实施例中，采用干法刻蚀工艺，例如：各向异性干法刻蚀工艺，图形化初始磁性隧道结叠层结构190。各向异性干法刻蚀工艺具有各向异性刻蚀的特性，刻蚀剖面的控制性较好，有利于提高磁性隧道结叠层结构240的剖面形貌质量，且干法刻蚀工艺的刻蚀精度高，有利于提高图形化工艺的图形传递精度。
本实施例中，图形化初始磁性隧道结叠层结构190的步骤中，图形化缓冲层150和位于缓冲层150上的初始磁性隧道结叠层结构190。
此外，本实施例中，在图形化初始磁性隧道结叠层结构190的步骤中，还图形化顶电极层195和电极层140，从而实现顶电极层195之间的电隔离、以及电极层140之间的电隔离。
本实施例中，形成磁性隧道结叠层结构240后，形成方法还包括：
参考图20，在磁性隧道结叠层结构240的侧壁上形成侧墙250。
侧墙250用于对磁性隧道结叠层结构240起到保护的作用，尤其是对隧穿氧化层220起到保护作用，防止外界的水汽、金属离子等杂质对隧穿氧化层220产生污染或干扰，进而有利于提高MRAM器件的稳定性和可靠性。
侧墙250的材料包括SiN、SiC和SiCN中的一种或多种。
继续参考图20，在侧墙250侧部的介电层120上形成填充介质层260。
填充介质层260用于实现相邻磁性隧道结叠层结构240之间的电隔离。
本实施例中，填充介质层260的材料包括SiN、SiO2、SiON、SiOC、SiCOH和SiCN中的一种或多种。本实施例中，采用沉积工艺，形成填充介质层260。沉积工艺可以为低温原子层沉积工艺
参考图21，在填充介质层260和磁性隧道结叠层结构240上形成第二金属层间介质层270；形成贯穿第二金属层间介质层270的第二导电插塞280，第二导电插塞280与顶电极层195相接触。
第二金属层间介质层270用于实现第二导电插塞280之间的电隔离。
关于第二金属层间介质层270的相关描述，可参考前述对第一金属层间介质层120的具体描述，本实施例在此不再赘述。
第二导电插塞280与顶电极层195相接触，从而通过顶电极层195与磁性隧道结叠层结构240实现电连接，进而实现磁性隧道结叠层结构240与外部电路或其他互连结构、部件之间的电连接。
关于第二导电插塞280的相关描述，可参考前述对第一导电插塞130的具体描述，本实施例在此不再赘述。
相应的，本发明还提供一种半导体结构。参考图21，示出了本发明半导体结构一实施例的结构示意图。
所述半导体结构包括：隧穿氧化层220，所述隧穿氧化层220包括多层依次堆叠的子隧穿氧化层21。
本发明实施例提供的半导体结构中，隧穿氧化层220包括多层依次堆叠的子隧穿氧化层21，子隧穿氧化层21通过对子隧穿氧化膜图形化形成，且子隧穿氧化膜通过先形成初始子隧穿氧化膜、再对初始子隧穿氧化膜进行氧化处理形成，与隧穿氧化层仅为一层膜层的方案相比，子隧穿氧化层21的厚度更小，因此初始子隧穿氧化膜的厚度也较小，在对初始子隧穿氧化膜进行氧化处理以形成子隧穿氧化膜的过程中，有利于保证初始子隧穿氧化膜能够完全被氧化以及提高氧化处理的均匀性，从而提高氧原子在子隧穿氧化膜中的分布均匀性并改善子隧穿氧化膜材料中的晶格结构，也就是说，子隧穿氧化层21中的氧原子分布均匀性较高、结晶质量较好，相应提高了隧穿氧化层220的薄膜质量。
本实施例中，所述半导体结构还包括：基底；介电层120，位于所述基底上；第一导电插塞130，贯穿所述介电层120；电极层140，位于所述介电层120上且覆盖所述第一导电插塞130；磁向参考层210，位于所述电极层140上。
因此，本实施例中，所述隧穿氧化层220位于所述磁向参考层210上。
相应的，本实施例中，半导体结构还包括：磁向自由层230，位于隧穿氧化层210上。其中，磁向参考层210、位于磁向参考层210上的隧穿氧化层220、以及位于隧穿氧化层210上的磁向自由层230构成磁性隧道结叠层结构240。
本发明实施例提供的隧穿氧化层210的薄膜质量较好，从而有利于提高MTJ(磁性隧道结)的性能，例如：提高隧道磁电阻比率(Tunnel magnetoresistance ratio，TMRratio)、减小漏电流，MRAM器件的性能相应也得到了提升。
在其他的实施例中，当隧穿氧化层用于其他类型的器件中时，例如：3D与非门闪存器件、非门闪存、静态随机存取存储器等，本实施例提供的半导体结构的中的隧穿氧化层的薄膜质量较高，也有利于提高器件的性能。
基底用于为半导体结构的形成提供工艺平台。本实施例中，基底中形成有晶体管。其中，晶体管可以为NMOS晶体管和PMOS晶体管中的一种或两种。
具体地，晶体管包括栅极结构、位于栅极结构两侧基底中的源漏掺杂区。
本实施例中，基底中还形成有层间介质层、以及贯穿层间介质层且与源漏掺杂区相接触的接触孔插塞，层间介质层覆盖源漏掺杂区的表面以及栅极结构的侧壁。基底中还可以形成其他类型的半导体器件，基底中还可以形成有电阻结构、导电结构等功能结构。
本实施例中，基底中还形成有第一金属层间介质层100，第一金属层间介质层100位于层间介质层上且覆盖接触孔插塞。
第一金属层间介质层100用于实现后段制程中金属互连线之间的电隔离。
本实施例中，第一金属层间介质层100的材料为低k介质材料，有利于降低后段互连结构之间的寄生电容，进而有利于减小后段RC延迟。
相应地，本实施例中，第一金属层间介质层100中形成有互连线110，互连线110与接触孔插塞电连接，从而实现源漏掺杂区与外部电路或其他互连结构以及部件的电连接。
本实施例中，互连线110为第一金属层(M1)。在其他实施例中，互连线还可以为其他层的金属层，互连线可以通过互连结构与接触孔插塞之间实现电连接。本实施例中，互连线110的材料为铜。
介电层120用于实现相邻第一导电插塞130之间的电性隔离。介电层120还用于实现电极层140与互连线110之间的隔离。
本实施例中，介电层120的材料为低k介质材料，有利于降低后段互连结构之间的寄生电容，进而有利于减小后段RC延迟。具体地，介电层120的材料为SiCOH。本实施例中，介电层120的厚度为
第一导电插塞130用于实现基底中的晶体管与电极层140的电连接。
本实施例中，第一导电插塞130贯穿介电层120且与互连线110相接触，从而通过互连线110与基底中的晶体管实现电连接。
本实施例中，所述第一导电插塞130的材料为Cu。
本实施例中，所述电极层140为底电极，所述电极层140用于使磁性隧道结叠层结构240与所述第一导电插塞130之间实现电连接。
本实施例中，所述电极层140为单层结构，电极层140的材料为氮化钽。
本实施例中，所述电极层140的厚度为2nm～50nm。
磁向参考层210的磁化方向是固定的，从而够作为磁向自由层230的磁化方向参考层。磁向参考层210的材料为铁磁金属材料，例如：CoFeB或CoFe。
本实施例中，所述磁向参考层210的厚度为0.5nm～5nm，例如：2nm，4nm，4.5nm等。在其他实施例中，所述磁向参考膜的厚度还可以为其他数值，本发明在此不做限定。。
本实施例中，所述半导体结构还包括：缓冲层150，位于所述电极层140和所述磁向参考层210之间。
所述缓冲层150用于改善电极层140的表面粗糙度和界面缺陷，从而为形成磁向参考层210、隧穿氧化层220以及磁向自由层230提供良好的生长界面，提高磁向参考层210、隧穿氧化层220以及磁向自由层230的晶格质量。
本实施例中，所述缓冲层150的材料为Ru。
本实施例中，所述缓冲层150的厚度为0.5nm～5nm。
所述隧穿氧化层220包括多层依次堆叠的子隧穿氧化层21，从而有利于提高隧穿氧化层220中的氧原子分布均匀性、晶格取向一致性、以及结晶质量，进而减小隧穿氧化层220中的内部缺陷、提高隧穿氧化层220的薄膜质量，有利于改善MTJ的磁通比(TMR)、减小漏电流，进而提升MRAM器件的性能。
本实施例中，所述隧穿氧化层220的材料为MgO。在其他实施例中，所述隧穿氧化层的材料还可以为SrO、BaO、RaO、SiO2、Al2O3、HfO2、NiO、GdO、Ta2O5、MoO2、TiO2或WO2等材料。
子隧穿氧化层21的厚度不宜过小，否则易导致子隧穿氧化层21的薄膜连续性较差；子隧穿氧化层21的厚度也不宜过大，否则容易导致提高隧穿氧化层220中氧原子的分布均匀性、结晶质量等的效果不明显，进而易降低对隧穿氧化层220薄膜质量的改善效果。为此，本实施例中，子隧穿氧化层21的厚度为
至
例如：
等。
本实施例中，隧穿氧化层220的厚度为
至
在其他实施例中，根据实际的工艺要求，隧穿氧化层还可以为其他厚度。
本实施例中，以隧穿氧化层220包括4个依次堆叠的子隧穿氧化层21作为一种示例进行说明。在其他实施例中，根据实际工艺对隧穿氧化层性能的要求，隧穿氧化层还可以包括其他数量的子隧穿氧化层。
所述磁向自由层230的磁化方向有两个稳定的取向，分别与所述磁向参考层210的磁化方向平行或相反，从而使得磁性隧道结能够处于低阻态或高阻态。
所述磁向自由层230的材料也为铁磁金属材料，例如：CoFeB或CoFe。
本实施例中，半导体结构还包括：顶电极层195，位于磁向自由层230上。
顶电极层195用于实现磁性隧道结与外部电路或其他互连结构、部件之间的电连接。
本实施例中，顶电极层195为单层结构，顶电极层195的材料为氮化钽。
半导体结构还包括：侧墙250，位于磁性隧道结叠层结构240的侧壁上；填充介质层260，位于侧墙250侧部的介电层120上。
侧墙250用于对磁性隧道结叠层结构240起到保护的作用，尤其是对隧穿氧化层220起到保护作用，防止外界的水汽、金属离子等杂质对隧穿氧化层产生污染或干扰，进而有利于提高MRAM器件的稳定性和可靠性。
侧墙250的材料包括SiN、SiC和SiCN中的一种或多种。
所述填充介质层260用于实现相邻磁性隧道结叠层结构240之间的电隔离。
填充介质层260的材料包括SiN、SiO2、SiON、SiOC、SiCOH和SiCN中的一种或多种。
所述半导体结构还包括：第二金属层间介质层270，位于所述填充介质层260和磁性隧道结叠层结构240上；第二导电插塞280，贯穿所述第二金属层间介质层270且与所述顶电极层195相接触。
第二金属层间介质层270用于实现第二导电插塞280之间的电隔离。
第二导电插塞280与顶电极层195相接触，从而通过所述顶电极层195与磁性隧道结叠层结构240实现电连接。
相应地，本发明还提供一种半导体器件，包括前述的半导体结构。
由前述可知，所述半导体结构的隧穿氧化层220中氧原子分布均匀性较高、结晶质量较好，隧穿氧化层220的内部缺陷少、薄膜质量较高，从而有利于提高所述半导体器件的性能。
本实施例中，半导体器件为MRAM器件。具体地，MRAM器件为STT-MRAM器件。本发明实施例提供的隧穿氧化层220的薄膜质量较高，相应提高了MTJ的性能，例如：提高了隧道磁电阻比率、减小漏电流，本实施例中的MRAM器件的性能也得到了提升。
在其他的实施例中，当半导体器件为其他类型的器件中时，例如：3D与非门闪存器件、非门闪存、静态随机存取存储器等，本实施例提供的半导体结构的中的隧穿氧化层的薄膜质量较高，也有利于提高半导体器件的性能。
所述半导体结构可以采用前述实施例所述的形成方法所形成，也可以采用其他形成方法所形成。对本实施例所述半导体结构的具体描述，可参考前述实施例中的相应描述，本实施例在此不再赘述。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (20)
1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
形成隧穿氧化膜，形成所述隧穿氧化膜的步骤包括：依次形成多个子隧穿氧化膜；形成所述子隧穿氧化膜的步骤包括：形成初始子隧穿氧化膜；对所述初始子隧穿氧化膜进行氧化处理，使所述初始子隧穿氧化膜转化为所述子隧穿氧化膜。
2.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述子隧穿氧化膜的步骤还包括：在对所述初始子隧穿氧化膜进行氧化处理后，进行退火处理。
3.如权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，进行所述退火处理的工艺包括尖峰退火工艺。
4.如权利要求3所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述退火处理的工艺参数包括：退火温度为500℃至900℃，退火时间为0.01秒至1秒。
5.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述初始子隧穿氧化膜的步骤中，所述初始子隧穿氧化膜的厚度为
至
6.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，进行所述氧化处理的工艺包括干氧氧化工艺。
7.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，在氧气氛围中进行所述氧化处理，所述氧化处理的工艺参数包括：温度为150℃至300℃，氧气的气体流量为20sccm至2000sccm，处理时间为2秒至30秒。
8.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述初始子隧穿氧化膜的工艺包括物理气相沉积工艺。
9.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述隧穿氧化膜的厚度为
至
10.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述初始子隧穿氧化膜的材料包括Mg、Sr、Ba、Ra、Si、Al、Hf、Ni、Gd、Ta、Mo、Ti或W。
11.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，在形成所述隧穿氧化膜之前，所述半导体结构的形成方法还包括：
提供基底；在所述基底上形成介电层；形成贯穿所述介电层的导电插塞；在所述介电层上形成电极层，所述电极层覆盖所述导电插塞；在所述电极层上形成磁向参考膜；
形成所述隧穿氧化膜的步骤中，所述隧穿氧化膜形成在所述磁向参考膜上；
在形成所述隧穿氧化膜后，所述半导体结构的形成方法还包括：在所述隧穿氧化膜上形成磁向自由膜，所述磁向自由膜、隧穿氧化膜以及所述磁向参考膜构成初始磁性隧道结叠层结构；图形化所述初始磁性隧道结叠层结构，形成磁性隧道结叠层结构。
12.如权利要求11所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述半导体结构的形成方法还包括：在形成所述电极层后，在所述电极层上形成磁向参考膜之前，在所述电极层上形成缓冲层；
所述磁向参考膜形成在所述缓冲层上；
图形化所述初始磁性隧道结叠层结构的步骤中，图形化所述缓冲层和位于所述缓冲层上的初始磁性隧道结叠层结构。
13.如权利要求11所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，采用干法刻蚀工艺，图形化所述初始磁性隧道结叠层结构。
14.一种半导体结构，其特征在于，包括：
隧穿氧化层，所述隧穿氧化层包括多层依次堆叠的子隧穿氧化层。
15.如权利要求14所述的半导体结构，其特征在于，所述隧穿氧化层的厚度为
至
16.如权利要求14所述的半导体结构，其特征在于，所述隧穿氧化层的材料包括MgO、SrO、BaO、RaO、SiO2、Al2O3、HfO2、NiO、GdO、Ta2O5、MoO2、TiO2或WO2。
17.如权利要求14所述的半导体结构，其特征在于，所述子隧穿氧化层的厚度为
至
18.如权利要求14所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构还包括：基底；介电层，位于所述基底上；导电插塞，贯穿所述介电层；电极层，位于所述介电层上且覆盖所述导电插塞；磁向参考层，位于所述电极层上；
所述隧穿氧化层位于所述磁向参考层上；
所述半导体结构还包括：磁向自由层，位于所述隧穿氧化层上；
其中，所述磁向参考层、位于所述磁向参考层上的隧穿氧化层、以及位于所述隧穿氧化层上的磁向自由层构成磁性隧道结叠层结构。
19.一种半导体器件，其特征在于，包括：如权利要求14至18任一项所述的半导体结构。
20.如权利要求19所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括磁阻式随机存取存储器。
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Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04219923A (ja) * | 1990-12-19 | 1992-08-11 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体基板の製造方法 |
| CN1194430A (zh) * | 1997-03-26 | 1998-09-30 | 富士通株式会社 | 铁磁性隧道结磁传感器 |
| US6347049B1 (en) * | 2001-07-25 | 2002-02-12 | International Business Machines Corporation | Low resistance magnetic tunnel junction device with bilayer or multilayer tunnel barrier |
| CN1551358A (zh) * | 2003-04-23 | 2004-12-01 | ���ǵ�����ʽ���� | 包含由不同方法形成的中间氧化层的mram及制造方法 |
| CN1743514A (zh) * | 2005-08-11 | 2006-03-08 | 周永宗 | 中性、惰性气氛中晶体的退火处理方法 |
| CN1988199A (zh) * | 2005-12-20 | 2007-06-27 | 中国科学院物理研究所 | 一种适于器件化的磁性隧道结及其用途 |
| CN101079376A (zh) * | 2006-05-22 | 2007-11-28 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 半导体器件的制造方法 |
| CN101246856A (zh) * | 2007-02-13 | 2008-08-20 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | Sonos快闪存储器的制作方法 |
| US20090268351A1 (en) * | 2008-04-28 | 2009-10-29 | Zeltser Alexander M | Tunnel magnetoresistance (tmr) structures with mgo barrier and methods of making same |
| US20120128870A1 (en) * | 2010-11-22 | 2012-05-24 | Headway Technologies, Inc. | Tmr device with improved mgo barrier |
| CN102569078A (zh) * | 2010-12-16 | 2012-07-11 | 中芯国际集成电路制造(北京)有限公司 | 一种闪存单元形成方法 |
| CN102687297A (zh) * | 2009-12-28 | 2012-09-19 | 佳能安内华股份有限公司 | 磁阻元件的制造方法 |
| CN103000805A (zh) * | 2011-09-09 | 2013-03-27 | 克罗科斯科技公司 | 具有改进的隧穿势垒的磁隧道结 |
| CN103137857A (zh) * | 2011-12-02 | 2013-06-05 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 隧道绝缘材料层的形成方法及形成装置 |
| CN105551994A (zh) * | 2016-02-17 | 2016-05-04 | 上海华力微电子有限公司 | 一种验证快闪存储器隧穿氧化层可靠性的方法 |
| CN107623033A (zh) * | 2016-07-13 | 2018-01-23 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 多沟道全包围栅极器件及其制造方法 |
| CN108028315A (zh) * | 2015-07-20 | 2018-05-11 | 海德威科技公司 | 用于磁性装置的高温退火后具有低缺陷率的磁性隧道结 |
| CN109841727A (zh) * | 2017-11-24 | 2019-06-04 | 三星电子株式会社 | 制造磁阻随机存取存储器器件的方法 |
-
2019
- 2019-12-19 CN CN201911320044.1A patent/CN113013323A/zh active Pending
Patent Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04219923A (ja) * | 1990-12-19 | 1992-08-11 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体基板の製造方法 |
| CN1194430A (zh) * | 1997-03-26 | 1998-09-30 | 富士通株式会社 | 铁磁性隧道结磁传感器 |
| US6347049B1 (en) * | 2001-07-25 | 2002-02-12 | International Business Machines Corporation | Low resistance magnetic tunnel junction device with bilayer or multilayer tunnel barrier |
| CN1551358A (zh) * | 2003-04-23 | 2004-12-01 | ���ǵ�����ʽ���� | 包含由不同方法形成的中间氧化层的mram及制造方法 |
| CN1743514A (zh) * | 2005-08-11 | 2006-03-08 | 周永宗 | 中性、惰性气氛中晶体的退火处理方法 |
| CN1988199A (zh) * | 2005-12-20 | 2007-06-27 | 中国科学院物理研究所 | 一种适于器件化的磁性隧道结及其用途 |
| CN101079376A (zh) * | 2006-05-22 | 2007-11-28 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 半导体器件的制造方法 |
| CN101246856A (zh) * | 2007-02-13 | 2008-08-20 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | Sonos快闪存储器的制作方法 |
| US20090268351A1 (en) * | 2008-04-28 | 2009-10-29 | Zeltser Alexander M | Tunnel magnetoresistance (tmr) structures with mgo barrier and methods of making same |
| CN102687297A (zh) * | 2009-12-28 | 2012-09-19 | 佳能安内华股份有限公司 | 磁阻元件的制造方法 |
| US20120128870A1 (en) * | 2010-11-22 | 2012-05-24 | Headway Technologies, Inc. | Tmr device with improved mgo barrier |
| CN102569078A (zh) * | 2010-12-16 | 2012-07-11 | 中芯国际集成电路制造(北京)有限公司 | 一种闪存单元形成方法 |
| CN103000805A (zh) * | 2011-09-09 | 2013-03-27 | 克罗科斯科技公司 | 具有改进的隧穿势垒的磁隧道结 |
| CN103137857A (zh) * | 2011-12-02 | 2013-06-05 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 隧道绝缘材料层的形成方法及形成装置 |
| CN108028315A (zh) * | 2015-07-20 | 2018-05-11 | 海德威科技公司 | 用于磁性装置的高温退火后具有低缺陷率的磁性隧道结 |
| CN105551994A (zh) * | 2016-02-17 | 2016-05-04 | 上海华力微电子有限公司 | 一种验证快闪存储器隧穿氧化层可靠性的方法 |
| CN107623033A (zh) * | 2016-07-13 | 2018-01-23 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 多沟道全包围栅极器件及其制造方法 |
| CN109841727A (zh) * | 2017-11-24 | 2019-06-04 | 三星电子株式会社 | 制造磁阻随机存取存储器器件的方法 |
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