CN113328033A - 半导体结构及其形成方法 - Google Patents
半导体结构及其形成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113328033A CN113328033A CN202010129546.2A CN202010129546A CN113328033A CN 113328033 A CN113328033 A CN 113328033A CN 202010129546 A CN202010129546 A CN 202010129546A CN 113328033 A CN113328033 A CN 113328033A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- forming
- alloy seed
- tunnel junction
- seed layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 123
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 63
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 261
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 159
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 156
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 93
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 68
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 56
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims abstract description 45
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 37
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 28
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 72
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 72
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 72
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 65
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 claims description 19
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 16
- 241001239379 Calophysus macropterus Species 0.000 claims description 15
- 229910016024 MoTa Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 15
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 12
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 12
- 229910017109 AlON Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 5
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 abstract description 23
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 18
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 13
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 538
- 239000010408 film Substances 0.000 description 18
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 16
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 13
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 12
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 10
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 10
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 10
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 9
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 8
- MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N tantalum nitride Chemical compound [Ta]#N MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 6
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 5
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 5
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 5
- 229910005335 FePt Inorganic materials 0.000 description 4
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 239000010944 silver (metal) Substances 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 3
- 238000000635 electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002441 CoNi Inorganic materials 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 FeB Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002546 FeCo Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910015187 FePd Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 239000006249 magnetic particle Substances 0.000 description 2
- 239000005300 metallic glass Substances 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 2
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000001552 radio frequency sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/01—Manufacture or treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/80—Constructional details
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
Abstract
一种半导体结构及其形成方法，形成方法包括：提供基底；在基底上形成电极层；在电极层上形成合金种子层；在合金种子层上形成磁性隧道结叠层结构。本发明实施例中，通常在形成磁性隧道结叠层结构后，会对磁性隧道结叠层结构进行退火处理，在退火处理的过程中，合金种子层中的原子不易扩散至磁性隧道结叠层结构的隧穿势垒层中，进而隧穿势垒层的材料更易转变成单晶态，使得磁性隧道结叠层结构具有较大磁阻比；此外，通过控制合金种子层中各原子之间的比例，能够使得合金种子层经过退火处理后，合金种子层顶面的面粗糙度不易提高，磁性隧道结叠层结构的各个膜层之间界面的面粗糙度不易提高，有利于磁性隧道结叠层结构具有较大的磁阻比。
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。
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。
MRAM是一种包括MRAM单元阵列的存储器件，每一个该MRAM单元使用电阻值而非电荷存储数据位。每个MRAM单元包括磁隧道结(MTJ)单元，该磁隧道结(MTJ)单元的电阻可以被调整，以代表逻辑“0”或逻辑“1”。该MTJ单元包括固定磁层，隧穿势垒层以及磁自由层。该MTJ单元的电阻，可以通过改变该磁自由层的磁矩相对于固定磁层的方向被调整。特别的，当磁自由层的磁矩与固定磁层的磁矩平行的时候，该MTJ单元的电阻是低的，对应于逻辑0，反之，当该磁自由层的磁矩与固定磁层的磁矩不平行的时候，该MTJ单元的电阻是高的，对应于逻辑1。该MTJ单元在顶部和底部电极之间连接，并且可以检测到从一个电极到另一个流过该MTJ单元的电流，以确定电阻，进而确定逻辑状态。
磁隧道结(MTJ)中的隧道磁阻(TMR)效应是开发磁阻随机存取存储器(MRAM)，磁传感器和新型可编程逻辑器件的关键。
发明内容
本发明实施例解决的问题是提供一种半导体及其形成方法，提升半导体结构的电学性能。
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：提供基底；在所述基底上形成电极层；在所述电极层上形成合金种子层；在所述合金种子层上形成磁性隧道结叠层结构。
可选的，所述合金种子层的材料包括MoTa合金。
可选的，形成所述合金种子层的步骤中，所述合金种子层中Mo和Ta的原子数量比为1至5。
可选的，形成所述合金种子层的步骤中，所述合金种子层的厚度为
至
可选的，采用等离子增强原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺形成所述合金种子层。
可选的，采用射频磁控溅射工艺或者直流磁控溅射工艺形成所述合金种子层。
可选的，采用射频磁控溅射工艺或者直流磁控溅射工艺形成所述合金种子层的工艺参数包括：溅射离子包括Ar，靶材包括Mo靶材和Ta靶材，或者MoTa合金靶材，工艺温度为20℃至350℃，腔室压强为100mTorr至500mTorr。
可选的，形成所述磁性隧道结叠层结构的步骤包括：形成固定磁层；在所述固定磁层上形成隧穿势垒层；在所述隧穿势垒层上形成磁自由层；形成所述固定磁层的步骤包括：在所述合金种子层上形成第一反铁磁层；在所述第一反铁磁层上形成第一耦合层；在所述第一耦合层上形成第二反铁磁层；在所述第二反铁磁层上形成第二耦合层；在所述第二耦合层上形成被钉扎层。
可选的，所述第一耦合层的材料包括非钽金属。
可选的，所述第二耦合层的材料包括非钽金属。
可选的，所述隧穿势垒层的材料包括MgO、AlO、AlN或AlON。
可选的，所述半导体结构的形成方法还包括：在形成所述磁性隧道结叠层结构后，对所述磁性隧道结叠层结构进行退火处理。
相应的，本发明实施例还提供一种半导体结构，包括：基底；电极层，位于所述基底上；合金种子层，位于所述电极层上；磁隧道结单元，位于所述合金种子层上。
可选的，所述合金种子层的材料包括MoTa合金。
可选的，所述合金种子层中Mo和Ta的原子数量比为1至5。
可选的，所述合金种子层的厚度为
至
可选的，所述合金种子层的粗糙度小于
可选的，所述磁隧道结单元包括：固定磁层、位于所述固定磁层上的隧穿势垒层以及位于所述隧穿势垒层上的磁自由层；所述固定磁层包括第一反铁磁层、位于所述第一反铁磁层上的第一耦合层、位于所述第一耦合层上的第二反铁磁层、位于所述第二反铁磁层上的第二耦合层以及位于所述第二耦合层上的被钉扎层。
可选的，所述第一耦合层的材料包括非钽金属。
可选的，所述第二耦合层的材料包括非钽金属。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：
本发明实施例所提供的半导体结构的形成方法中，通常在形成所述磁性隧道结叠层结构后，会对所述磁性隧道结叠层结构进行退火处理。在退火处理的过程中，所述合金种子层中的原子不易扩散至磁性隧道结叠层结构的隧穿势垒层中，进而所述隧穿势垒层的材料更易转变成单晶态，使得所述磁性隧道结叠层结构具有较大磁阻比；此外，通过控制合金种子层中各原子之间的比例，能够使得合金种子层经过退火处理后，合金种子层顶面的面粗糙度不易提高，从而所述磁性隧道结叠层结构受到合金种子层顶面的面粗糙度的影响较小，磁性隧道结叠层结构的各个膜层之间界面的面粗糙度不易提高，因此，所述磁性隧道结叠层结构的各个膜层之间仍具有较大的垂直各向异性，有利于所述磁性隧道结叠层结构具有较大的磁阻比。综上，种子层包括合金材料，能够提高所述磁性隧道结叠层结构的隧穿磁阻比，使得半导体结构具有优异的电学性能。
附图说明
图1一种半导体结构的结构示意图；
图2为对磁隧道结进行退火处理后，种子层表面的电镜图
图3至图12，以及图14和图15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；
图13是对磁性隧道结叠层结构进行退火处理后，所述合金种子层顶面的电镜图。
具体实施方式
目前所形成的半导体结构仍有性能不佳的问题。现结合一种半导体结构的结构示意图分析半导体结构性能不佳的原因。
图1，示出了一种半导体结构的结构示意图。
参考图1，所述半导体结构包括：第一电极(图中未示出)；种子层1，位于所述第一电极上；固定磁层2位于所述种子层1上，所述固定磁层包括：第一反铁磁层3、位于所述第一反铁磁层3上的第一耦合层4、位于所述第一耦合层4上的第二反铁磁层5、位于所述第二反铁磁层5上的第二耦合层6以及位于所述第二耦合层6上的被钉扎层7；隧穿势垒层8，位于所述固定磁层2上；自由磁层9，位于所述隧穿势垒层8上；盖帽层10，位于所述自由磁层9上。
需要说明的是，所述固定磁层2、隧穿势垒层8以及自由磁层9构成磁隧道结，为了提高磁隧道结的磁阻比，通常会对磁隧道结进行退火处理。
图2为对磁隧道结进行退火处理后，种子层1表面的电镜图。通常种子层1的材料包括Ta。从图2中可知，经过退火处理后，所述种子层1中的Ta原子的晶格变大(如A所示)，导致种子层1表面的粗糙度较大，从而所述磁隧道结易受到种子层1顶面的面粗糙度的影响，磁隧道结的各个膜层之间界面的面粗糙度较高，因此，所述磁隧道结的各个膜层之间的垂直各向异性较差，导致磁隧道结的磁阻比较小。
此外，Ta的扩散能力较强，在退火的过程中，种子层1中的Ta易穿过固定磁层2扩散至隧穿势垒层8中，在退火的过程中，隧穿势垒层8中的金属氧化物不易由多晶态转变成单晶态，导致磁隧道结的隧道磁阻(TMR)效应较弱。
为了解决所述技术问题，本发明实施例提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供基底；在所述基底上形成电极层；在所述电极层上形成合金种子层；在所述合金种子层上形成磁性隧道结叠层结构。
本发明实施例所提供的半导体结构的形成方法中，通常在形成所述磁性隧道结叠层结构后，会对所述磁性隧道结叠层结构进行退火处理。在退火处理的过程中，所述合金种子层中的原子不易扩散至磁性隧道结叠层结构的隧穿势垒层中，进而所述隧穿势垒层的材料更易转变成单晶态，使得所述磁性隧道结叠层结构具有较大磁阻比；此外，通过控制合金种子层中各原子之间的比例，能够使得合金种子层经过退火处理后，合金种子层顶面的面粗糙度不易提高，从而所述磁性隧道结叠层结构受到合金种子层顶面的面粗糙度的影响较小，磁性隧道结叠层结构的各个膜层之间界面的面粗糙度不易提高，因此，所述磁性隧道结叠层结构的各个膜层之间仍具有较大的垂直各向异性，有利于所述磁性隧道结叠层结构具有较大的磁阻比。综上，种子层包括合金材料，能够提高所述磁性隧道结叠层结构的隧穿磁阻比，使得半导体结构具有优异的电学性能。
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3至图15是本发明实施例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3，提供基底。
所述基底用于为形成磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access 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(SpinTransfer Torque-MRAM，STT-MRAM)。
所述基底包括：第一金属层间介质层100和位于所述第一金属层间介质层100中的互连线101。
第一金属层间介质层100用于电隔离互连线101。
本实施例中，所述第一金属层间介质层100的材料为低k介质材料，有利于降低互连线101之间的寄生电容，减小后段RC延迟。
需要说明的是，所述基底还包括晶体管，所述第一金属层间介质层100通常形成在晶体管上，所述晶体管包括栅极结构、位于栅极结构两侧的源漏掺杂区，所述基底中还形成有与所述源漏掺杂区相接触的接触孔插塞(图中未示出)。
所述互连线101用于与所述接触孔插塞连接。
本实施例中，所述互连线101为第一金属层(M1)，所述第一金属层指的是与接触孔插塞最接近的金属层。
本实施例中，所述互连线101的材料为铜。在其他实施例中，根据实际的工艺，所述互连线的材料还可以为钨、铝、钴等导电材料。
所述基底还包括：介电层102，位于所述第一金属层间介质层100上，且覆盖所述互连线101；导电插塞103，贯穿所述介电层102，所述导电插塞103与所述互连线101连接。
介电层102，用于电隔离导电插塞103。
本实施例中，所述介电层102的材料为低k介质材料、超低k介质材料、氧化硅、氮化硅或氮氧化硅、碳氧化硅等介电材料。
具体地，所述介电层102的材料为低k介质材料，有利于降低导电插塞103之间的寄生电容，进而有利于减小后段RC延迟。具体地，所述介电层102的材料为SiCOH。
后续在所述基底上形成底电极，所述导电插塞103用于实现所述基底中的接触孔插塞与底电极电连接。
所述导电插塞103的材料可以为Cu、W、Al、TiN、TaN、Ti中的一种获多种。本实施例中，所述导电插塞103的材料为Cu。
参考图4，在所述基底上形成电极层104。
本实施例中，所述电极层104为底电极(Bottom Electrode，BE)，所述电极层104用于使后续磁性隧道结叠层结构与所述导电插塞103实现电连接。
具体的，所述电极层104的材料包括氮化钽(TaN)、钽(Ta)、钛(TiN)和氮化钛(TiN)中的一种或多种。本实施例中，所述电极层104为单层结构，所述电极层104的材料包括氮化钽。
本实施例中，采用原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)工艺形成所述电极层104。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，因为原子层沉积工艺在每个周期内可精确地沉积一个原子层，所以选用原子层沉积工艺有利于对电极层104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，有利于提高所述电极层104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形成所述电极层。
参考图5，在所述电极层104上形成合金种子层105。
后续在所述合金种子层105上形成磁性隧道结叠层结构，通常在形成所述磁性隧道结叠层结构后，会对磁性隧道结叠层结构进行退火处理来提高所述磁性隧道结叠层结构的磁阻比。在退火处理的过程中，所述合金种子层105中的原子不易扩散至磁性隧道结叠层结构的隧穿势垒层中，进而所述隧穿势垒层的材料更易转变成单晶态，使得所述磁性隧道结叠层结构具有较大隧穿磁阻比；此外，通过控制合金种子层105中各原子之间的比例，能够使得合金种子层105经过退火处理后，合金种子层105顶面的面粗糙度不易提高，从而所述磁性隧道结叠层结构受到合金种子层105顶面的面粗糙度的影响较小，磁性隧道结叠层结构的各个膜层之间界面的面粗糙度不易提高，因此，所述磁性隧道结叠层结构的各个膜层之间仍具有较大的垂直各向异性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)，有利于所述磁性隧道结叠层结构具有较大的磁阻比。综上，合金种子层105包括合金材料，能够提高所述磁性隧道结叠层结构的隧穿磁阻比，使得半导体结构具有优异的电学性能。
所述合金种子层105顶面具有较高的平整度和光滑度，从而能够为后续形成磁性隧道结叠层结构提供良好的界面态，使磁性隧道结叠层结构的形成质量较好。
本实施例中，所述合金种子层105的材料包括MoTa合金。MoTa合金为连续的无序固溶体，MoTa合金性能稳定，热导率低，在高温下MoTa合金中的Mo和Ta原子不易扩散至后续形成的磁性隧道结叠层结构的隧穿势垒层中，进而在退火过程中，所述隧穿势垒层的材料更易转变成单晶态，使得所述磁性隧道结叠层结构具有较大隧穿磁阻比。且Mo的电阻较小，与Ta的种子层相比，本实施例中，所述合金种子层105的电阻较小。
需要说明的是，所述合金种子层105中的Mo和Ta的原子数量比不宜过大也不宜过小。在后续退火处理的过程中，与Mo相比，Ta的晶格易变大。若所述Mo和Ta的原子数量过小，也就是说合金种子层105中的Ta原子的占比过高，在退火的过程中，Ta原子的晶格变大，会导致所述合金种子层105的顶面的面粗糙度过大，所述合金种子层105的粗糙度变化，会传递至所述磁性隧道结叠层结构中，从而磁性隧道结叠层结构中各个膜层之间界面的粗糙度变大，导致所述磁性隧道结叠层结构的各个膜层之间的垂直各向异性变小，进而导致所述磁性隧道结叠层结构具有较小的磁阻比。与Ta原子相比，Mo原子的粘附性较差，若所述Mo和Ta的原子数量比过大，合金种子层105的粘附性较差，后续形成在合金种子层105上的缓冲层107的形成质量较差，进而后续形成在缓冲层107上的磁性隧道结叠层结构的形成质量较差，合金种子层105的不易为后续形成磁性隧道结叠层结构提供良好的界面态。本实施例中，所述合金种子层105中Mo和Ta的原子数量比为1至5。
需要说明的是，形成所述合金种子层105的步骤中，所述合金种子层105不宜过厚也不宜过薄。若所述合金种子层105过厚，易花费过多的工艺时间来形成所述合金种子层105，且还会导致所述后续形成的磁性隧道结叠层结构的电性发生偏移，不利于提高磁性隧道结叠层结构的磁阻比。所述电极层104的材料包括氮化钽，若所述合金种子层105过薄，在退火过程中，Ta易穿过所述合金种子层105，扩散至后续形成的隧穿势垒层中，隧穿势垒层中的金属氧化物不易转变成单晶态，导致所述磁性隧道结叠层结构的磁阻比较小。本实施例中，形成所述合金种子层105的步骤中，所述合金种子层105的厚度为
至
本实施例中，采用物理气相沉积工艺(Physical Vapor Deposition，PVD)形成所述合金种子层105。物理气相沉积工艺具有沉积温度低、沉积速度快、沉积层的成分和结构可以控制、操作简单、高效率低成本的优点，且物理气相沉积工艺与现有机台和工艺流程的兼容度高。
具体的，所述物理气相沉积工艺包括射频磁控溅射工艺(RF sputtering)或者直流磁控溅射工艺(DC sputtering)形成所述合金种子层105。
本实施例中，采用直流磁控溅射工艺形成所述合金种子层105。其他实施例中，还可以采用射频磁控溅射工艺形成所述合金种子层。
采用直流磁控溅射工艺形成所述合金种子层105的步骤包括：在腔室中直流电压的正极设置靶材，在腔室中施加直流电压，往腔室中通入反应气体，反应气体在腔室中被电离形成等离子，等离子在直流电压作用下轰击靶材，靶材中被轰击出来的原子沉积在所述电极层104上，形成所述合金种子层105。
本实施例中，所述腔室中正极设置Mo靶材和Ta靶材。通过调整Mo靶材和Ta靶材的数量比，能够调整形成的合金种子层105中的Mo和Ta原子的数量比。其他实施例中，腔室中还可以设置MoTa合金靶材。
本实施例中，采用直流磁控溅射工艺形成所述合金种子层105的过程中，溅射离子包括Ar。其他实施例中还可以包括He。
需要说明的是，采用直流磁控溅射工艺形成合金种子层105的过程中，工艺温度不宜过高也不宜过低。若所述工艺温度过高，合金种子层105中的Ta原子的晶格尺寸过大，导致形成的合金种子层105的表面粗糙度较大，不易为后续形成磁性隧道结叠层结构提供良好的界面态，导致磁性隧道结叠层结构的形成质量较差，因此磁性隧道结叠层结构的磁阻比较小。若所述工艺温度过低，形成合金种子层105的过程中，Mo和Ta不易相互扩散，导致合金种子层105各个区域的Mo和Ta的原子数量比不一致，所述合金种子层105的均一性较差，相应的导致后续形成的磁性隧道结叠层结构各个区域的均一性较差。本实施例中，工艺温度为20℃至350℃。
需要说明的是，采用直流磁控溅射工艺形成合金种子层105的过程中，腔室压强不宜过高也不宜过低。若所述腔室压强过低，易导致溅射离子轰击Mo靶材产生Mo原子的沉积速率过慢，从而合金种子层105的晶体取向不易一致，导致形成的合金种子层105的致密度较差。若所述腔室压强过高，含Mo靶材中被轰击出来的Mo原子在沉积的过程中碰撞激烈，易导致形成的合金种子层105顶面的粗糙度过大。本实施例中，腔室压强为100mTorr至500mTorr。
在另一些实施例中，还可以采用原子层沉积工艺(Atomic Layer Deposition，ALD)或化学气相沉积工艺(chemical vapor deposition，CVD)形成所述合金种子层。
参考图6至图11，在所述合金种子层105上形成磁性隧道结叠层结构。
磁性隧道结叠层结构后续形成磁隧道结单元做准备。
具体的，所述磁性隧道结叠层结构的形成步骤包括：
如图6至图10所示，在所述合金种子层105上形成固定磁层106(Pinning Layer)(如图10所示)。
所述固定磁层106具有固定的磁方向。
本实施例中，所述固定磁层106包括：第一反铁磁层1061(antiferro-magnetic，AFM)、位于所述第一反铁磁层1061上的第一耦合层1062、位于所述第一耦合层1062上的第二反铁磁层1063、位于所述第二反铁磁层1063上的第二耦合层1064以及位于所述第二耦合层1064上的被钉扎层1065(fix layer)。
如图6所示，在所述合金种子层105上形成第一反铁磁层(syntheticantiferromagnet，SAF)1061。
在半导体结构工作时，所述第一反铁磁层1061用于固定后续形成的所述被钉扎层的磁化方向，避免由于所述被钉扎层的矫顽力不够大，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。
具体的，所述第一反铁磁层1061包括交错沉积的Co层和Pt层构成的叠层结构。所述第一反铁磁层1061中Co层和Pt层的数量越多，相应的第一反铁磁层1061的垂直各向异性越强。
本实施例中，采用物理气相沉积工艺形成所述第一反铁磁层1061。其他实施例中，还可以采用化学气相沉积工艺或者原子层沉积工艺形成所述第一反铁磁层。
需要说明的是，形成所述合金种子层105后，形成所述固定磁层前，在所述合金种子层105上形成，缓冲层107。
所述缓冲层107用于改善合金种子层105的表面粗糙度和界面缺陷，为形成磁性隧道结叠层结构提供良好的生长界面，提高磁性隧道结叠层结构中各个膜层的晶格生长质量，使得所述磁性隧道结叠层结构具有较大的磁阻比。
具体的，所述缓冲层107的材料包括Ru、Pt和Hf中的一种或多种。本实施例中，所述缓冲层107的材料包括Pt。
如图7所示，在所述第一反铁磁层1061上形成第一耦合层1062。
在半导体结构工作时，第一耦合层1062使第一反铁磁层1061与后续形成的第二反铁磁层磁性耦合在一起，有利于提高固定磁层的垂直各向异性，能够更好的固定后续形成的被钉扎层的电子旋向。
具体的，第一耦合层1062的材料包括非钽金属。第一耦合层1062的材料包括非钽金属的意思是，所述第一耦合层1062不含有Ta元素，从而降低了第一耦合层1062中的原子扩散至后续形成隧穿势垒层中的概率，在后续退火过程中，隧穿势垒层的材料更易转变成非晶态。本实施例中，第一耦合层1062包括钌(Ru)。其他实施例中，第一耦合层还可以包括其他合适的材料，诸如Ti，Cu，或Ag。
本实施例中，采用物理气相沉积工艺形成所述第一耦合层1062。其他实施例中，还可以采用化学气相沉积或者原子层沉积工艺形成所述第一耦合层。
如图8所示，在所述第一耦合层1062上形成第二反铁磁层1063。
所述第二反铁磁层1063用与第一反铁磁层1061的磁性耦合在一起，有利于增加固定磁层106与后续形成的磁自由层的垂直各向异性，使得后续形成的磁性隧道结叠层结构具有较大的磁阻比。
具体的，所述第二反铁磁层1063包括交错沉积的Co层和Pt层构成的叠层结构。所述第二反铁磁层1063中Co层和Pt层的数量越多，相应的，第二反铁磁层1063的垂直各向异性越强。
本实施例中，采用物理气相沉积工艺形成所述第二反铁磁层1063。其他实施例中，还可以采用化学气相沉积或者原子层沉积工艺形成所述第二反铁磁层。
如图9所示，在所述第二反铁磁层1063上形成第二耦合层1064。
在半导体结构工作时，第二耦合层1064能够将第一反铁磁层1061和第二反铁磁层1062，与后续形成的被钉扎层反铁磁性地耦合，所述第一反铁磁层1061、第二反铁磁层1062以及被钉扎层之间形成磁力线闭合。所述磁力线闭合可以避免外漏的磁力线造成后续形成的磁隧道结单元磁化方向受影响。
具体的，第二耦合层1064的材料包括非钽金属。第二耦合层1064的材料包括非钽金属的意思是，所述第二耦合层1064不含有Ta元素，从而降低了第一耦合层1062中的原子扩散至后续形成隧穿势垒层中的概率，在后续退火过程中，隧穿势垒层的材料更易转变成非晶态。本实施例中，第二耦合层1064包括钌(Ru)。其他实施例中，第二耦合层还可以包括其他合适的材料，诸如Ti，Cu，或Ag。
本实施例中，采用物理气相沉积工艺形成所述第二耦合层1064。其他实施例中，还可以采用化学气相沉积或者原子层沉积工艺形成所述第二耦合层。
如图10所示，在所述第二耦合层1064上形成被钉扎层1065。
被钉扎层1065具有较强的矫顽力，不易受到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。
所述被钉扎层1065包括含Fe的材料。具体的，所述被钉扎层1065的材料包括：FeCoB、CoFeTa、NiFe和FePt中的一种或多种。本实施例中，所述被钉扎层1065的材料包括FeCoB。
本实施例中，采用物理气相沉积工艺形成所述被钉扎层1065。其他实施例中，还可以采用化学气相沉积或者原子层沉积工艺形成所述被钉扎层。
如图11，所述磁性隧道结叠层结构的形成步骤还包括：在所述固定磁层106上形成隧穿势垒层108。
隧穿势垒层108用于固定磁层106和后续形成的磁自由层之间的电隔离，同时在适当的条件下允许电子隧穿通过隧穿势垒层108。
具体的，所述隧穿势垒层108的材料包括MgO、AlO、AlN或AlON。本实施例中，所述隧穿势垒层108的材料包括MgO。
本实施例中，采用电子束蒸发工艺(Electron Beam Evaporation，EBE)形成所述隧穿势垒层108。其他实施例中，还可以采用原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺形成所述隧穿势垒层。
如图12所示，所述磁性隧道结叠层结构的形成步骤还包括：在所述隧穿势垒层108上形成磁自由层109。
所述磁自由层109、隧穿势垒层108以及固定磁层106构成磁性隧道结叠层结构，所述磁性隧道结叠层结构为后续形成磁隧道结单元做准备。需要说明的是，所述磁性隧道结叠层结构的磁阻比较大，相应的后续形成的磁隧道结单元的磁阻比较大。
所述磁自由层109具有自由的磁取向，在磁隧道结单元工作时，通常使用自旋转移力矩(STT)效应来改变或切换磁自由层109的磁极性，与所述固定磁层106的磁化方向平行或相反，从而使得磁隧道结单元能够处于低阻态或高组态。
本实施例中，所述磁自由层109的材料包括FeCo、CoNi、CoFeB、FeB、FePt、FePd，以及Fe、Co、Ni的合金。
本实施例中，采用物理气相沉积工艺形成所述磁自由层109。其他实施例中，还可以采用化学气相沉积或者原子层沉积工艺形成所述磁自由层。
参考图13，所述半导体结构的形成方法还包括：在形成所述磁性隧道结叠层结构后，对所述磁性隧道结叠层结构进行退火处理。图13，为对所述磁性隧道结叠层结构进行退火处理后合金种子层105表面的电镜图，合金种子层105表面的粗糙度很小，通过电镜图难以观察到退火后晶格尺寸变大的晶粒。
退火处理能够使得所述隧穿势垒层108中的MgO由多晶态转变成单晶态，使得磁性隧道结叠层结构的磁阻比变大，隧道磁阻(TMR)效应较强；且退火处理能够使得固定磁层106和磁自由层109中的磁性粒子被磁化，使得所述固定磁层106和磁自由层109中的磁性粒子的自旋方向有序，也使得后续形成的磁隧道结单元的隧道磁阻(TMR)效应较强。
退火处理后，在所述磁性隧道结叠层结构上形成非磁绝缘层和盖帽层，在形成非磁绝缘层和盖帽层前，对所述磁性隧道结叠层结构进行退火处理，使得非磁绝缘层和盖帽层中的离子不易扩散至隧穿势垒层108中，有利于提高磁性隧道结叠层结构的磁阻比。
需要说明的是，在退火处理的过程中，合金种子层105中Ta原子和Mo原子的晶粒没有显著的增大，所述合金种子层105顶面的粗糙度变大的不显著，从而所述磁性隧道结叠层结构受到合金种子层105顶面粗糙度的影响较小，磁性隧道结叠层结构的各个膜层之间界面的面粗糙度不易提高，因此，所述磁性隧道结叠层结构的各个膜层之间仍具有较大的垂直各向异性，有利于所述磁性隧道结叠层结构具有较大的磁阻比。
本实施例中，通过强磁场退火的方式进行退火。
参考图14，在所述磁自由层109上形成非磁绝缘层110。
非磁绝缘层110使得磁场和电场被包含在磁自由层109与固定磁层106之间。在半导体结构工作时，非磁绝缘层110有助于减小磁隧道结单元从一个取向(例如，平行取向)切换到另一取向(例如，反平行取向)的切换电流密度。
具体的，所述非磁绝缘层110的材料包括MgO、AlO、AlN或AlON。本实施例中，所述非磁绝缘层110的材料包括MgO。
本实施例中，采用物理气相沉积工艺形成所述非磁绝缘层110。其他实施例中，还可以采用化学气相沉积或者原子层沉积工艺形成所述非磁绝缘层。
继续参考图14，在所述非磁绝缘层110上形成盖帽层111。
在后续过程中，对所述磁性隧道结叠层结构进行图形化处理，形成磁隧道结单元。在刻蚀过程中，所述盖帽层111能够保护所述磁性隧道结叠层结构的顶部，使得形成的磁隧道结单元的顶部不易受损伤。
本实施例中，所述盖帽层111为叠层结构。所述盖帽层111为叠层结构能够更好的对磁性隧道结叠层结构起到保护。具体的，所述盖帽层111的材料包Ru层和Ta层构成的叠层结构。其他实施例中，所述盖帽层111还可以为单层结构，仅包括Ta层或者仅包括Ru层。
参考图15，所述半导体结构的形成方法还包括：形成盖帽层111后，对所述磁性隧道结叠层结构进行图形化处理，形成多个磁隧道结单元200。
具体的，形成磁隧道结单元200的过程中：还图形化电极层104、合金种子层105、非磁绝缘层110以及盖帽层111。
本实施例中，采用干法刻蚀进行图形化处理。干法刻蚀工艺具有各向异性刻蚀特性，具有较好的刻蚀剖面控制性，有利于使所述磁隧道结单元200的形貌满足工艺需求，且在干法刻蚀的过程中，能够以介电层102为刻蚀停止位置，不易对介电层102中的导电插塞103造成损伤；此外，通过更换刻蚀气体，能够在同一刻蚀设备中刻蚀磁性隧道结叠层结构、电极层104、合金种子层105、非磁绝缘层110以及盖帽层111，简化了工艺步骤。
相应的，本发明实施例还提供一种半导体结构。参考图15，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：基底；电极层104，位于所述基底上；合金种子层105，位于所述电极层104上；磁隧道结单元200，位于所述合金种子层105上。
本发明实施例所提供的半导体结构中，所述磁隧道结单元200是通过对磁性隧道结叠层结构进行图形化形成的，在所述图形化之前，通常对所述磁性隧道结叠层结构进行退火处理，在退火处理的过程中，所述合金种子层105中的原子不易扩散至磁性隧道结叠层结构的隧穿势垒层中，进而所述隧穿势垒层的材料更易转变成单晶态，从而磁性隧道结叠层结构具有较大磁阻比，相应的所述磁隧道结单元200具有较大磁阻比；此外，通过控制合金种子层105中各原子之间的比例，能够使得合金种子层105经过退火处理后，合金种子层105顶面的面粗糙度不易提高，从而所述磁性隧道结叠层结构受到合金种子层105顶面的面粗糙度的影响较小，磁性隧道结叠层结构的各个膜层之间界面的面粗糙度不易提高，因此，所述磁性隧道结叠层结构的各个膜层之间仍具有较大的垂直各向异性，有利于使磁性隧道结叠层结构具有较大磁阻比，相应的磁隧道结单元200具有较大的磁阻比。综上，合金种子层105，能够提高所述磁隧道结单元200的隧穿磁阻比，使得半导体结构具有优异的电学性能。
所述基底包括：第一金属层间介质层100和位于所述第一金属层间介质层100中的互连线101。
第一金属层间介质层100用于电隔离互连线101。
本实施例中，所述第一金属层间介质层100的材料为低k介质材料，有利于降低互连线101之间的寄生电容，减小后段RC延迟。
需要说明的是，所述基底还包括晶体管，所述第一金属层间介质层100通常形成在晶体管上，所述晶体管包括栅极结构、位于栅极结构两侧的源漏掺杂区，所述基底中还形成有与所述源漏掺杂区相接触的接触孔插塞(图中未示出)。
所述互连线101用于与所述接触孔插塞连接。
本实施例中，所述互连线101为第一金属层(M1)，所述第一金属层指的是与接触孔插塞最接近的金属层。
本实施例中，所述互连线101的材料为铜。在其他实施例中，根据实际的工艺，所述互连线的材料还可以为钨、铝、钴等导电材料。
所述基底还包括：介电层102，位于所述第一金属层间介质层100上。
所述介电层102形成在所述第一金属层间介质层100上，且覆盖所述互连线101；导电插塞103，贯穿所述介电层102，所述导电插塞103与所述互连线101连接。
介电层102，用于电隔离导电插塞103。
本实施例中，所述介电层102的材料为低k介质材料、超低k介质材料、氧化硅、氮化硅或氮氧化硅、碳氧化硅等介电材料。
具体地，所述介电层102的材料为低k介质材料，有利于降低导电插塞103构之间的寄生电容，进而有利于减小后段RC延迟。具体地，所述介电层102的材料为SiCOH。
所述导电插塞103用于实现所述基底中的接触孔插塞与电极层104电连接。
所述导电插塞103的材料可以为Cu、W、Al、TiN、TaN、Ti中的一种获多种。本实施例中，所述导电插塞103的材料为Cu。
所述电极层104为底电极(Bottom Electrode，BE)，所述电极层104用于使磁隧道结单元200与所述导电插塞103实现电连接。
具体的，所述电极层104的材料包括氮化钽(TaN)、钽(Ta)、钛(TiN)和氮化钛(TiN)中的一种或多种。本实施例中，所述电极层104为单层结构，所述电极层104的材料包括氮化钽。
在退火处理后，所述合金种子层105顶面仍具有较高的平整度和光滑度，使得磁隧道结单元200中各膜层之间的界面的面粗糙度较小，因此，所述磁隧道结单元200的各个膜层之间仍具有较大的垂直各向异性，有利于所述磁隧道结单元200具有较大的磁阻比。
本实施例中，所述合金种子层105的材料包括MoTa合金。MoTa合金为连续的无序固溶体，MoTa合金性能稳定，热导率低，MoTa合金中的Mo和Ta原子不易扩散至隧穿势垒层108中，进而所述隧穿势垒层中108中单晶态的金属氧化物的含量较高，使得所述磁隧道结单元200具有较大隧穿磁阻比。且Mo的电阻较小，与Ta的种子层相比，本实施例中，所述合金种子层105的电阻较小，有利于降低半导体结构的功耗。
需要说明的是，所述合金种子层105中的Mo和Ta的原子数量比不宜过大也不宜过小。若所述Mo和Ta的原子数量过小，也就是说合金种子层105中的Ta原子的占比过高，在退火后，Ta原子的晶格变大，会导致所述合金种子层105的顶面的面粗糙度过大，所述合金种子层105的粗糙度变化，会传递至所述磁隧道结单元200中，从而磁隧道结单元200中各个膜层之间界面的粗糙度变大，导致所述磁隧道结单元200的各个膜层之间的垂直各向异性变小，进而导致所述磁隧道结单元200具有较小的磁阻比。若所述Mo和Ta的原子数量过大，合金种子层105的粘附性较差，磁隧道结单元200位于所述合金种子层105上，导致所述磁性隧道结叠层结构的形成质量较差。本实施例中，所述合金种子层105中Mo和Ta的原子数量比为1至5。
需要说明的是，所述合金种子层105不宜过厚也不宜过薄。若所述合金种子层105过厚，形成所述合金种子层105的工艺时间过长，且还会导致所述磁隧道结单元200的电性发生偏移，不利于提高磁性隧道结叠层结构的磁阻比。所述电极层104的材料包括氮化钽，若所述合金种子层105过薄，Ta易穿过所述合金种子层105，扩散至隧穿势垒层108中，导致所述磁隧道结单元200的磁阻比较小。本实施例中，形所述合金种子层105的厚度为
至
磁隧道结单元200用于作为基本的存储单元。
所述磁隧道结单元200包括：固定磁层106、位于所述固定磁层106上的隧穿势垒层108以及位于所述隧穿势垒层108上的磁自由层109。
所述固定磁层106具有固定的磁方向。
其中，所述固定磁层106包括第一反铁磁层1061、位于所述第一反铁磁层1061上的第一耦合层1062、位于所述第一耦合层1062上的第二反铁磁层1063、位于所述第二反铁磁层1063上的第二耦合层1064以及位于所述第二耦合层1064上的被钉扎层1065。
在半导体结构工作时，所述第一反铁磁层1061用于固定被钉扎层1065的磁化方向，避免由于所述被钉扎层1065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。
具体的，所述第一反铁磁层1061包括交错沉积的Co层和Pt层构成的叠层结构。所述第一反铁磁层1061中Co层和Pt层的数量越多，相应的第一反铁磁层1061的垂直各向异性越强。
在半导体结构工作时，第一耦合层1062使第一反铁磁层1061与第二反铁磁层1063磁性耦合在一起，有利于提高固定磁层106的垂直各向异性，能够更好的固定被钉扎层1065的电子旋向。
具体的，第一耦合层1062的材料包括非钽金属。第一耦合层1062的材料包括非钽金属的意思是，所述第一耦合层1062不含有Ta元素，从而降低了第一耦合层1062中的原子扩散至隧穿势垒层108中的概率，所述隧穿势垒层108中非晶态的金属氧化物的含量较高。本实施例中，第一耦合层1062包括钌(Ru)。其他实施例中，第一耦合层还可以包括其他合适的材料，诸如Ti，Cu，或Ag。
所述第二反铁磁层1063用与第一反铁磁层1061的磁性耦合在一起，有利于增加固定磁层106与磁自由层109的垂直各向异性，使得磁隧道结单元200具有较大的磁阻比。
具体的，所述第二反铁磁层1063包括交错沉积的Co层和Pt层构成的叠层结构。所述第二反铁磁层1063中Co层和Pt层的数量越多，相应的第二反铁磁层1063的垂直各向异性越强。
在半导体结构工作时，第二耦合层1064能够将第一反铁磁层1061和第二反铁磁层1062，与被钉扎层1065反铁磁性地耦合，在第一反铁磁层1061和第二反铁磁层1062，与被钉扎层1065之间形成磁力线闭合。所述磁力线闭合可以避免外漏的磁力线造成磁隧道结单元200磁化方向受影响。
具体的，第二耦合层1064的材料包括非钽金属。第二耦合层1064的材料包括非钽金属的意思是，所述第二耦合层1064不含有Ta元素，从而降低了第一耦合层1062中的原子扩散至隧穿势垒层108中的概率，所述隧穿势垒层108中非晶态的金属氧化物的含量较高。本实施例中，第二耦合层1064包括钌(Ru)。其他实施例中，第二耦合层还可以包括其他合适的材料，诸如Ti，Cu，或Ag。
被钉扎层1065具有较强的矫顽力，不易受到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。
所述被钉扎层1065包括含Fe的材料。具体的，所述被钉扎层1065的材料包括：FeCoB、CoFeTa、NiFe和FePt中的一种或多种。本实施例中，所述被钉扎层1065的材料包括FeCoB。
所述半导体结构还包括：缓冲层107，位于所述合金种子层105与固定磁层106之间。
所述缓冲层107用于改善合金种子层105的表面粗糙度和界面缺陷，使得磁隧道结单元200的形成质量较好，使得所述磁隧道结单元200具有较大的磁阻比。
具体的，所述缓冲层107的材料包括Ru、Pt和Hf中的一种或多种。本实施例中，所述缓冲层107的材料包括Pt。
隧穿势垒层108用于固定磁层106和磁自由层109之间的电隔离，同时在适当的条件下允许电子隧穿通过隧穿势垒层108。
具体的，所述隧穿势垒层108的材料包括MgO、AlO、AlN或AlON。本实施例中，所述隧穿势垒层108的材料包括MgO。
所述磁自由层109具有自由的磁取向，在磁隧道结单元200工作时，通常使用自旋转移力矩(STT)效应来改变或切换磁自由层109的磁极性，与所述固定磁层106的磁化方向平行或相反，从而使得磁隧道结单元200能够处于低阻态或高组态。
本实施例中，所述磁自由层109的材料包括FeCo、CoNi、CoFeB、FeB、FePt、FePd，以及Fe、Co、Ni的合金。
非磁绝缘层110使得磁场和电场被包含在磁自由层109与固定磁层106之间。在半导体结构工作时，非磁绝缘层110有助于减小磁隧道结单元200从一个取向(例如，平行取向)切换到另一取向(例如，反平行取向)的切换电流密度。
具体的，所述非磁绝缘层110的材料包括MgO、AlO、AlN或AlON。本实施例中，所述非磁绝缘层110的材料包括MgO。
所述半导体结构还包括：所述盖帽层111，位于所述非磁绝缘层110上。
所述盖帽层111能够保护所述磁隧道结单元200的顶部不易受损伤。
本实施例中，所述盖帽层111为叠层结构。所述盖帽层111为叠层结构能够更好的对磁性隧道结叠层结构起到保护。具体的，所述盖帽层111的材料包Ru层和Ta构成的叠层结构。其他实施例中，所述盖帽层111还可以为单层结构，仅包括Ta层或者仅包括Ru层。
本实施例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：
提供基底；
在所述基底上形成电极层；
在所述电极层上形成合金种子层；
在所述合金种子层上形成磁性隧道结叠层结构。
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，所述合金种子层的材料包括MoTa合金。
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，形成所述合金种子层的步骤中，所述合金种子层中Mo和Ta的原子数量比为1至5。
4.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述合金种子层的步骤中，所述合金种子层的厚度为
至
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，采用等离子增强原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺形成所述合金种子层。
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，采用射频磁控溅射工艺或者直流磁控溅射工艺形成所述合金种子层。
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，采用射频磁控溅射工艺或者直流磁控溅射工艺形成所述合金种子层的工艺参数包括：溅射离子包括Ar，靶材包括Mo靶材和Ta靶材，或者MoTa合金靶材，工艺温度为20℃至350℃，腔室压强为100mTorr至500mTorr。
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，形成所述磁性隧道结叠层结构的步骤包括：形成固定磁层；在所述固定磁层上形成隧穿势垒层；在所述隧穿势垒层上形成磁自由层；
形成所述固定磁层的步骤包括：
在所述合金种子层上形成第一反铁磁层；
在所述第一反铁磁层上形成第一耦合层；
在所述第一耦合层上形成第二反铁磁层；
在所述第二反铁磁层上形成第二耦合层；
在所述第二耦合层上形成被钉扎层。
9.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第一耦合层的材料包括非钽金属。
10.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第二耦合层的材料包括非钽金属。
11.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述隧穿势垒层的材料包括MgO、AlO、AlN或AlON。
12.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述半导体结构的形成方法还包括：在形成所述磁性隧道结叠层结构后，对所述磁性隧道结叠层结构进行退火处理。
13.一种半导体结构，其特征在于，包括：
基底；
电极层，位于所述基底上；
合金种子层，位于所述电极层上；
磁隧道结单元，位于所述合金种子层上。
14.如权利要求13所述的半导体结构，其特征在于，所述合金种子层的材料包括MoTa合金。
15.如权利要求14所述的半导体结构，其特征在于，所述合金种子层中Mo和Ta的原子数量比为1至5。
16.如权利要求13所述的半导体结构，其特征在于，所述合金种子层的厚度为
至
17.如权利要求13所述的半导体结构，其特征在于，所述合金种子层的粗糙度小于
18.如权利要求13所述的半导体结构，其特征在于，所述磁隧道结单元包括：固定磁层、位于所述固定磁层上的隧穿势垒层以及位于所述隧穿势垒层上的磁自由层；
所述固定磁层包括第一反铁磁层、位于所述第一反铁磁层上的第一耦合层、位于所述第一耦合层上的第二反铁磁层、位于所述第二反铁磁层上的第二耦合层以及位于所述第二耦合层上的被钉扎层。
19.如权利要求18所述的半导体结构，其特征在于，所述第一耦合层的材料包括非钽金属。
20.如权利要求18所述的半导体结构，其特征在于，所述第二耦合层的材料包括非钽金属。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010129546.2A CN113328033A (zh) | 2020-02-28 | 2020-02-28 | 半导体结构及其形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010129546.2A CN113328033A (zh) | 2020-02-28 | 2020-02-28 | 半导体结构及其形成方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113328033A true CN113328033A (zh) | 2021-08-31 |
Family
ID=77412762
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010129546.2A Pending CN113328033A (zh) | 2020-02-28 | 2020-02-28 | 半导体结构及其形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113328033A (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09180150A (ja) * | 1995-10-26 | 1997-07-11 | Kubota Corp | 金属薄膜型磁気記録媒体 |
| CN1985377A (zh) * | 2004-07-26 | 2007-06-20 | 飞思卡尔半导体公司 | 磁隧道结元件结构和用于制造该结构的方法 |
| CN1996466A (zh) * | 2006-01-04 | 2007-07-11 | 日立环球储存科技荷兰有限公司 | 垂直磁记录介质和使用该磁记录介质的磁存储器 |
| CN103515528A (zh) * | 2012-06-25 | 2014-01-15 | 希捷科技有限公司 | 包括钽合金层的器件 |
| US20140242418A1 (en) * | 2012-04-20 | 2014-08-28 | Alexander Mikhailovich Shukh | Scalable Magnetoresistive Element |
| KR20150089220A (ko) * | 2014-01-27 | 2015-08-05 | 한양대학교 산학협력단 | 수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 |
| CN106256028A (zh) * | 2014-04-28 | 2016-12-21 | 高通股份有限公司 | 用于垂直磁各向异性材料的具有均匀晶体织构的平滑晶种层 |
| CN110710009A (zh) * | 2017-05-19 | 2020-01-17 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 降低磁性装置中的薄膜粗糙度的多层结构 |
| CN110741487A (zh) * | 2017-04-03 | 2020-01-31 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 对于具有垂直磁异向性的磁性装置应用在高温退火后保持矫顽磁场 |
-
2020
- 2020-02-28 CN CN202010129546.2A patent/CN113328033A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09180150A (ja) * | 1995-10-26 | 1997-07-11 | Kubota Corp | 金属薄膜型磁気記録媒体 |
| CN1985377A (zh) * | 2004-07-26 | 2007-06-20 | 飞思卡尔半导体公司 | 磁隧道结元件结构和用于制造该结构的方法 |
| CN1996466A (zh) * | 2006-01-04 | 2007-07-11 | 日立环球储存科技荷兰有限公司 | 垂直磁记录介质和使用该磁记录介质的磁存储器 |
| US20140242418A1 (en) * | 2012-04-20 | 2014-08-28 | Alexander Mikhailovich Shukh | Scalable Magnetoresistive Element |
| CN103515528A (zh) * | 2012-06-25 | 2014-01-15 | 希捷科技有限公司 | 包括钽合金层的器件 |
| KR20150089220A (ko) * | 2014-01-27 | 2015-08-05 | 한양대학교 산학협력단 | 수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 |
| CN106256028A (zh) * | 2014-04-28 | 2016-12-21 | 高通股份有限公司 | 用于垂直磁各向异性材料的具有均匀晶体织构的平滑晶种层 |
| CN110741487A (zh) * | 2017-04-03 | 2020-01-31 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 对于具有垂直磁异向性的磁性装置应用在高温退火后保持矫顽磁场 |
| CN110710009A (zh) * | 2017-05-19 | 2020-01-17 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 降低磁性装置中的薄膜粗糙度的多层结构 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11631806B2 (en) | Method of integration of a magnetoresistive structure | |
| US8779538B2 (en) | Magnetic tunneling junction seed, capping, and spacer layer materials | |
| CN102013454B (zh) | 非易失性存储器件的制造方法 | |
| US10249817B2 (en) | Magnetic device | |
| CN101859870B (zh) | 半导体存储装置 | |
| WO2015141673A1 (ja) | 磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気メモリ | |
| US8772845B2 (en) | Technique for smoothing an interface between layers of a semiconductor device | |
| CN103545443A (zh) | 磁性器件及其制造方法 | |
| US10903416B2 (en) | Alloy thin films exhibiting perpendicular magnetic anisotropy | |
| US10858730B2 (en) | Multilayer thin films exhibiting perpendicular magnetic anisotropy | |
| US20160020386A1 (en) | Method of manufacturing magnetic device | |
| US11545617B2 (en) | Method of fabricating magnetic memory device | |
| US20170338402A1 (en) | Noble metal cap layer for a metal oxide cap of a magnetic tunnel junction structure | |
| KR20200034930A (ko) | 자기 디바이스 및 자기 랜덤 액세스 메모리 | |
| JP2024523775A (ja) | 側壁ポリマースペーサを有するワイドベース磁気トンネル接合デバイス | |
| US20170186944A1 (en) | Enhancement of spin transfer torque magnetoresistive random access memory device using hydrogen plasma | |
| US20220246842A1 (en) | Method for manufacturing a magnetic random-access memory device using post pillar formation annealing | |
| US8786038B2 (en) | Semiconductor storage device and method of manufacturing the same | |
| CN113328035B (zh) | 半导体结构及其形成方法 | |
| CN113328033A (zh) | 半导体结构及其形成方法 | |
| US10468171B1 (en) | Integrated circuits with magnetic tunnel junctions and methods of producing the same | |
| US10256399B2 (en) | Fabricating a cap layer for a magnetic random access memory (MRAM) device | |
| CN112993151A (zh) | 半导体结构及其形成方法 | |
| CN114156406A (zh) | 半导体结构及其形成方法 | |
| CN112993152A (zh) | 半导体结构及其形成方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |