一種磁隧道結(jié)、其制造方法及含磁隧道結(jié)的存儲(chǔ)單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別是涉及一種磁隧道結(jié)、其制造方法及含磁隧道結(jié)的存儲(chǔ)單元。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，要求半導(dǎo)體器件向輕、薄、短小化發(fā)展，同時(shí)也意味著半導(dǎo)體器件向高速、高集成度、低功率消耗方向發(fā)展。因此要對(duì)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展需求。磁阻內(nèi)存(Magnetic Random Access Memory, MRAM)由于具有高速、低電壓、高密度、非易失性等優(yōu)點(diǎn)，成為市場(chǎng)關(guān)注的存儲(chǔ)器之一。
[0003]MRAM是通過施加磁場(chǎng)，將信息存儲(chǔ)到磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junct1n, MTJ)結(jié)構(gòu)中，并通過測(cè)量通過MTJ的電流讀取信息的技術(shù)。具體地，所述MTJ由兩鐵磁層以及位于所述兩鐵磁層之間的金屬氧化層構(gòu)成。在公告號(hào)為CN1402254C的中國(guó)專利中就公開了一種用于存儲(chǔ)裝置的MTJ結(jié)構(gòu)。
[0004]隨著MTJ技術(shù)的發(fā)展,本領(lǐng)域出現(xiàn)了一種納米環(huán)形的磁隧道結(jié)(Nano-ring-typeMagnetic Tunnel Junct1n, NR-MTJ)結(jié)構(gòu)，NR-MTJ具有減小磁噪音和增加存儲(chǔ)容量等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合參考圖1和參考圖2，分別示出了現(xiàn)有技術(shù)中納米環(huán)形磁隧道結(jié)的立體示意圖和俯視示意圖，所述納米環(huán)形磁隧道結(jié)為一多層膜結(jié)構(gòu)，具體地，由下及上依次包括第一鐵磁層101、金屬氧化層102、第二鐵磁層103，所述多層膜結(jié)構(gòu)還包括貫穿所述第一鐵磁層101、金屬氧化層102、第二鐵磁層103的貫穿孔，所述貫穿孔中填充有圓柱狀的介質(zhì)層，所述第一鐵磁層101、金屬氧化層102、第二鐵磁層103均為圓環(huán)形，所述納米環(huán)形磁隧道結(jié)的各層的徑向尺寸均在納米量級(jí)(例如25nm)的范圍內(nèi)。專利CN200710094480.2亦揭示了一種環(huán)形磁隧道結(jié)及其制造方法。
[0005]在對(duì)上述橫剖面為環(huán)形(內(nèi)圓外圓)的磁隧道結(jié)進(jìn)行電流寫入時(shí)，希望的磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)方向如圖3A所示，但是自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)效應(yīng)會(huì)使得環(huán)形磁隧道結(jié)的狀態(tài)有時(shí)不穩(wěn)定，可能自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到圖3B-3D中所示的不希望的方向，此時(shí)對(duì)磁隧道結(jié)施加電流時(shí)磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)方向會(huì)偏離正常狀態(tài)，而且磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)亦會(huì)不受控制，如圖4A示出了橫剖面為環(huán)形的磁隧道結(jié)的磁場(chǎng)與磁阻曲線圖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種貫穿孔為橢圓柱體的納米環(huán)形磁隧道結(jié)、其制造方法及含磁隧道結(jié)的存儲(chǔ)單元，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中環(huán)形磁隧道結(jié)狀態(tài)不穩(wěn)定的問題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種納米環(huán)形磁隧道結(jié)，其特征在于，所述納米環(huán)形磁隧道結(jié)至少包括:
[0008]隧穿氧化層，所述隧穿氧化層材料為金屬氧化物；
[0009]上磁性層，設(shè)置于所述隧穿氧化層的上部；
[0010]下磁性層，設(shè)置于所述隧穿氧化層的下部，其中，所述上磁性層、所述隧穿氧化層和所述下磁性層的外圍形成為一柱體；
[0011]橢圓柱形貫穿孔，豎向貫穿所述上磁性層、所述隧穿氧化層和所述下磁性層。
[0012]優(yōu)選地，所述柱體的幾何軸線與所述橢圓柱形貫穿孔的幾何軸線重合。
[0013]優(yōu)選地，所述橢圓柱形貫穿孔中填充有介質(zhì)層。
[0014]優(yōu)選地，所述柱體為圓柱體或橢圓柱體。
[0015]優(yōu)選地，所述柱體為圓柱體，所述圓柱體的直徑范圍為100?300納米，所述橢圓柱形貫穿孔的長(zhǎng)軸范圍為50?200納米，短軸范圍為25?100納米。
[0016]優(yōu)選地，所述橢圓柱形貫穿孔的長(zhǎng)軸與短軸之比A:B滿足1:1 <A:B< 1:2。
[0017]優(yōu)選地，所述磁隧道結(jié)還包括上電極和下電極，其中，上電極與上磁性層電連接，下電極與下磁性層電連接。
[0018]相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種納米環(huán)形磁隧道結(jié)的制造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0019]在下電極上形成自下向上依次包括下磁性層、隧穿氧化層和上磁性層的磁隧道結(jié)；
[0020]在所述磁隧道結(jié)上方形成具有圓柱形開口的第一阻擋層；
[0021]在所述圓柱形開口中沉積第一介質(zhì)層且研磨平；
[0022]在所述第一介質(zhì)層上方形成第二阻擋層；蝕刻所述第二阻擋層，直至貫穿所述第一介質(zhì)層，形成橢圓柱形貫穿孔；
[0023]修整所述第一介質(zhì)層，使所述第一介質(zhì)層形成圓柱形外周，其中，所述圓柱形開口的直徑與所述圓柱形外周的直徑相同；
[0024]以所述第一介質(zhì)層為掩膜蝕刻所述磁隧道結(jié)，直至形成外圓內(nèi)橢圓的環(huán)形柱體；
[0025]在所述環(huán)形柱體中沉積第二介質(zhì)層，在所述第二介質(zhì)層上形成覆蓋于所述磁隧道結(jié)上的上電極。
[0026]優(yōu)選地，在所述磁隧道結(jié)上方形成具有圓柱形開口的第一阻擋層包括:
[0027]在所述磁隧道結(jié)上方形成第一阻擋層；
[0028]在所述第一阻擋層上形成第一光刻膠層，定義出環(huán)形磁隧道結(jié)的外徑形狀及尺寸；
[0029]以所述第一光刻膠層為掩膜蝕刻所述第一阻擋層，形成圓柱形開口，其中，所述圓柱形開口的直徑與所述環(huán)形磁隧道結(jié)的外徑相同；
[0030]去除所述第一光刻膠層。
[0031]優(yōu)選地，在所述第一介質(zhì)層上方形成第二阻擋層包括:
[0032]在所述第一介質(zhì)層上方形成第二阻擋層；
[0033]在所述第二阻擋層上形成第二光刻膠層，定義出環(huán)形磁隧道結(jié)的內(nèi)橢圓的形狀及尺寸。
[0034]優(yōu)選地，蝕刻所述第二阻擋層，直至貫穿所述第一介質(zhì)層包括:
[0035]以所述第二光刻膠層為掩膜蝕刻所述第二阻擋層，直至貫穿所述第一介質(zhì)層；
[0036]去除所述第二光刻膠層。
[0037]優(yōu)選地，修整所述第一介質(zhì)層進(jìn)一步包括通過灰化方法對(duì)所述第一介質(zhì)層進(jìn)行修難
iF.0
[0038]優(yōu)選地，在所述環(huán)形柱體中沉積第二介質(zhì)層，在所述第二介質(zhì)層上形成覆蓋于所述磁隧道結(jié)上的上電極進(jìn)一步包括:
[0039]在所述環(huán)形柱體的橢圓形貫穿孔內(nèi)和外周沉積第二介質(zhì)層；
[0040]研磨掉多余的第二介質(zhì)層，以露出磁隧道結(jié)的上表面；
[0041]以及形成覆蓋于磁隧道結(jié)和第二介質(zhì)層上的上電極。
[0042]優(yōu)選地，所述第一阻擋層至少包括硬掩膜層和蝕刻止刻層。
[0043]優(yōu)選地，所述硬掩膜層選自氮化硅、氧化硅、無定形碳、氫化的無定形碳、低摩擦碳中的一者或其組合，所述蝕刻止刻層為氮碳化硅。
[0044]優(yōu)選地，所述硬掩膜層包括非功能型碳。
[0045]相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種包括本發(fā)明所述的納米環(huán)形磁隧道結(jié)的的存儲(chǔ)單
J Li ο
[0046]如上所述，本發(fā)明的一種磁隧道結(jié)、其制造方法及含磁隧道結(jié)的存儲(chǔ)單元具有以下有益效果:本發(fā)明利用了磁隧道結(jié)的形狀各向異性特征，制造出內(nèi)橢圓外圓的環(huán)形磁隧道結(jié)，該橢圓環(huán)形結(jié)構(gòu)中的奧斯特場(chǎng)輔助翻轉(zhuǎn)和反磁化核的容易形成，導(dǎo)致臨界電流密度相對(duì)降低，從而增加了磁隧道結(jié)的熱穩(wěn)定性以及加快了反磁化核形成和磁反轉(zhuǎn)，并且降低了驅(qū)動(dòng)電流密度和臨界電流值及功耗。
【附圖說明】
[0047]圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中納米環(huán)形磁隧道結(jié)的立體示意圖。
[0048]圖2顯示為圖1所示納米環(huán)形磁隧道結(jié)的俯視示意圖。
[0049]圖3A顯示為環(huán)形磁隧道結(jié)希望的磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)方