半导体结构及其形成方法

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单元包括底部铁磁结构、非磁绝缘层以及顶部铁磁结构。该MTJ单元的电阻可以通过改变该顶部铁磁结构的磁矩相对于底部铁磁结构的方向被调整。特别的，当顶部铁磁结构的磁矩与底部铁磁结构的磁矩平行的时候，该MTJ单元的电阻是低的，对应于逻辑“0”，反之，当该顶部铁磁结构的磁矩与底部铁磁结构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。

磁隧道结中的隧道磁阻(TMR)效应是开发磁性随机存取存储器、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；在所述基底上形成底部铁磁结构；在所述底部铁磁结构上形成缓冲材料层和非磁绝缘层；在所述非磁绝缘层上形成顶部铁磁结构。

相应的，本发明实施例还提供一种半导体结构，包括：基底；底部铁磁结构，位于所述基底上；缓冲材料层和非磁绝缘层，位于所述底部铁磁结构上；顶部铁磁结构，位于所述非磁绝缘层上。

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，所述底部铁磁结构和顶部铁磁结构通常均包括FeCoB，所述缓冲材料层通常形成在所述非磁绝缘层的下方，所述缓冲材料层能够阻挡底部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层中；或者，缓冲材料层通常形成在所述非磁绝缘层的上方，所述缓冲材料层能够阻挡顶部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层中；或者，缓冲材料层同时形成在所述非磁绝缘层的下方和所述非磁绝缘层的上方，所述缓冲材料层能够阻挡底部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层中，所述缓冲材料层能够阻挡顶部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层中。上述三种情况下，非磁绝缘层不易受到B离子的影响，具有较高的磁阻比，后续对所述底部铁磁结构、缓冲材料层、非磁绝缘层和顶部铁磁结构图形化后形成多个磁隧道结单元，从而在半导体结构工作时，使得所述磁隧道结单元的隧道磁阻效应较强，有利于提高半导体结构的电性性能。

附图说明

图1一种半导体结构的结构示意图；

图2至图9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10是磁隧道结单元的原理示意图。

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：衬底10，所述衬底10中具有互连结构16；底部电极11位于所述衬底10上，且所述底部电极11与所述互连结构16连接；底部铁磁结构12，位于所述底部电极11上；非磁绝缘层13，位于所述底部铁磁结构12上；顶部铁磁结构14，位于所述非磁绝缘层13上；第二电极15位于所述顶部铁磁结构14上。

所述底部铁磁结构12和顶部铁磁结构14的材料通常均包括FeCoB，在形成所述顶部铁磁结构14后，通常还对所述半导体结构进行退火处理，在进行退火处理的过程中，所述底部铁磁结构12和顶部铁磁结构14中的FeCoB中的B离子运动加快，容易扩散至所述非磁绝缘层13中，非磁绝缘层13受到B离子的影响，非磁绝缘层13的磁阻比降低，使得所述底部铁磁结构12、非磁绝缘层13以及顶部铁磁结构14构成的磁隧道结单元的隧道磁阻(TMR)效应较弱，从而导致半导体结构的电学性能较差。

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；在所述基底上形成底部铁磁结构；在所述底部铁磁结构上形成缓冲材料层和非磁绝缘层；在所述非磁绝缘层上形成顶部铁磁结构。

本发明实施例所提供的半导体结构的形成方法中，所述底部铁磁结构和顶部铁磁结构的材料通常均包括FeCoB，所述缓冲材料层形成在所述非磁绝缘层的下方，所述缓冲材料层能够阻挡底部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层中；或者，缓冲材料层形成在所述非磁绝缘层的上方，所述缓冲材料层能够阻挡顶部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层中；或者，缓冲材料层同时形成在所述非磁绝缘层的下方和所述非磁绝缘层的上方，所述缓冲材料层能够阻挡底部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层中，所述缓冲材料层能够阻挡顶部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层中。上述三种情况下，非磁绝缘层不易受到B离子的影响，具有较高的磁阻比，后续对所述底部铁磁结构、缓冲材料层、非磁绝缘层和顶部铁磁结构图形化后形成多个磁隧道结单元，从而在半导体结构工作时，使得所述磁隧道结单元的隧道磁阻效应较强，有利于提高半导体结构的电性性能。

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2至图9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2，提供基底100，所述基底100包括介质层101和位于所述介质层101中的导电结构102。

所述基底100用于为后续形成磁隧道结(MTJ)单元提供工艺平台。

本实施例中，所述介质层101底部可以形成有晶体管、电阻结构以及导电结构等功能结构。其中，所述晶体管可以为NMOS晶体管和PMOS晶体管中的一种或两种，具体的，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等功能结构。

所述介质层101用于实现导电结构102之间，以及介质层101底部的器件与后续形成的磁隧道结单元之间的电隔离。

具体地，所述介质层101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。

本实施例中，所述介质层101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。在其他实施例中，根据实际的工艺，所述介质层还可以为金属层间介质层(IMD)。

导电结构102底端与所述介质层101底部的所述晶体管中的源漏掺杂区连接，所述导电结构102的顶端用于与后续形成的磁隧道结单元的电连接。

本实施例中，所述导电结构102的材料为铜。在其他实施例中，所述导电结构的材料还可以为钴、钨等其他导电材料。

参考图3，在所述导电结构102上形成底部铁磁结构(Pinning Layer)103。

所述底部铁磁结构103具有固定的磁方向。所述底部铁磁结构103用于与后续形成的非磁绝缘层以及顶部铁磁结构的图形化以形成磁隧道单元做准备。

本实施例中，底部铁磁结构103包括被反铁磁层(antiferro-magnetic，AFM)1031和位于所述反铁磁层1031上的被钉扎层(fix layer)1032。

在磁隧道结单元写入过程中，所述反铁磁层1031用于固定所述被钉扎层1032的磁化方向，避免由于所述被钉扎层1032的矫顽力不够大，而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，反铁磁层1031的材料包括：铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)、铑锰(RhMn)、铁锰(FeMn)、Pt合金以及Mn的合金中的一种或多种。本实施例中，所述反铁磁层1031的材料包括铂锰(PtMn)。

本实施例中，采用物理气相沉积工艺(Physical Vapor Deposition，PVD)形成所述反铁磁层1031。物理气相沉积工艺具有沉积温度低(常在550℃以下)、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。其他实施例中，还可以采用化学气相沉积(chemical vapordeposition，CVD)或者原子层沉积工艺(Atomic Layer Deposition，ALD)形成所述反铁磁层。

所述被钉扎层1032包括含Fe的材料。具体的，所述被钉扎层1032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1032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1032。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。

在形成所述底部铁磁结构103的步骤中，在形成反铁磁层1031后，形成所述被被钉扎层1032前，还在所述反铁磁层1031上形成第一耦合层1033。

在半导体结构工作时，第一耦合层1033使反铁磁层1031与被钉扎层1032能够反铁磁性地耦合，在反铁磁层1031与被钉扎层1032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之间磁化方向受影响。

具体的，第一耦合层1033由非磁性导电材料组成，本实施例中，第一耦合层1033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，Ta，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1033。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。

所述半导体结构的形成方法还包括：提供基底后，形成所述底部铁磁结构103前，在所述导电结构102上形成第一电极104。

所述第一电极104为下电极(Bottom Electrode，BE)，所述第一电极104用于与后续形成的磁隧道结单元电连接。

本实施例中，所述第一电极104的材料包括氮化钽(TaN)、钽(Ta)、钛(Ti)和氮化钛(TiN)中的一种或多种。本实施例中，所述第一电极104为单层结构，所述第一电极104的材料为钽。

本实施例中，采用原子层沉积工艺形成所述第一电极104。原子层沉积工艺包括进行多次的原子层沉积循环，有利于提高第一电极104的平坦度和厚度均一性，从而提高了所述第一电极104的形成质量，进而使得后续形成在所述第一电极104上的底部铁磁结构的平坦度和厚度均一性较好。在其他实施例中，还可以采用化学气相沉积工艺形成所述第一电极。

参考图4至图6，在所述底部铁磁结构103上形成缓冲材料层和非磁绝缘层108。

所述底部铁磁结构103和后续形成的顶部铁磁结构的材料通常均包括FeCoB，所述缓冲材料层形成在所述非磁绝缘层108的下方，所述缓冲材料层能够阻挡底部铁磁结构103中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中；或者，缓冲材料层形成在所述非磁绝缘层108的上方，所述缓冲材料层能够阻挡顶部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中；或者，缓冲材料层同时形成在所述非磁绝缘层108的下方和所述非磁绝缘层108的上方，所述缓冲材料层能够阻挡底部铁磁结构103中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中，所述缓冲材料层能够阻挡顶部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中。上述三种情况下，非磁绝缘层108不易受到B离子的影响，具有较高的磁阻比，后续对所述底部铁磁结构103、缓冲材料层、非磁绝缘层108和顶部铁磁结构图形化后形成多个磁隧道结单元，从而在半导体结构工作时，使得所述磁隧道结单元的隧道磁阻效应较强，有利于提高半导体结构的电性性能。

本实施例中，将位于所述非磁绝缘层108下方的所述缓冲材料层作为第一缓冲材料层105，将位于所述非磁绝缘层108上方的所述缓冲材料层作为第二缓冲材料层109。

需要说明的是，本实施例中，在所述底部铁磁结构103上形成缓冲材料层和非磁绝缘层108的步骤包括：形成所述第一缓冲材料层105；在所述第一缓冲材料层105上形成非磁绝缘层108；在所述非磁绝缘层108上形成第二缓冲109。

如图4所示，在所述底部铁磁结构103上形成第一缓冲材料层105。

所述第一缓冲材料层105的材料包括非磁性绝缘材料。

本实施例中，所述第一缓冲材料层105的材料包括BN。BN的热稳定性好，因此在后续进行的退火过程中，不易分解，第一缓冲材料层105中的B不易扩散至后续形成的非磁绝缘层中；且BN通常为菱方晶格或立方晶格结构，因此BN的晶格较小，BN晶格之间的间隙小，从而使第一缓冲材料层105能够起到阻挡所述底部铁磁结构103中B穿过的作用，使得所述非磁绝缘层的磁阻比较大。此外，BN不易与铁族金属或合金发生反应，也就是说第一缓冲材料层105不易与底部铁磁结构103发生反应，使得第一缓冲材料层105阻挡稳定性好。

本实施例中，采用等离子增强原子层沉积工艺(Plasma enhanced Atomic LayerDeposition，PEALD)形成所述第一缓冲材料层105。通过等离子增强原子层沉积工艺，所述第一缓冲材料层105以原子层的形式形成于所述底部铁磁结构103的表面，因此有利于提高所述第一缓冲材料层105沉积速率的均匀性、厚度均一性以及致密性，有利于降低第一缓冲材料层105中产生针孔、空洞、龟裂等缺陷的概率；此外，原子层沉积工艺的工艺温度通常较低，因此还有利于减小了热预算(Thermal Budget)，降低介质层101底部的器件发生性能偏移的概率。其他实施例中，还可以采用化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺形成所述第一缓冲材料层105。

需要说明的是，形成所述第一缓冲材料层105的步骤中，所述第一缓冲材料层105不宜过厚也不宜过薄。若所述第一缓冲材料层105过薄，第一缓冲材料层105难以阻挡底部铁磁结构103中的B扩散至非磁绝缘层中，导致后续退火过程中，非磁绝缘层中非晶态的MgO含量不易提高，导致所述磁隧道结单元的隧道磁阻效应较强，且在磁隧道结单元工作时，不能很好的阻隔电子对非磁绝缘层实现电子隧穿，从而磁隧道结单元难以控制高阻态和低阻态的切换，导致磁隧道结单元的磁阻比较差。若所述第一缓冲材料层105过厚，不利于提高第一缓冲材料层105的形成效率，进而不易提高半导体结构的形成速率，且若所述第一缓冲材料层105过厚，在后续磁隧道结单元工作时，难以实现电子隧穿，导致不能方便的使磁隧道结单元进行高阻态和低阻态的切换。本实施例中，形成所述第一缓冲材料层105的步骤中，所述第一缓冲材料层105的厚度为

参考图5，在所述第一缓冲材料层105上形成非磁绝缘层108。

非磁绝缘层108用于底部铁磁结构103和后续形成的顶部铁磁结构之间的电隔离，同时在适当的条件下允许电子隧穿通过非磁绝缘层108。

具体的，所述非磁绝缘层108的材料包括MgO、AlO、AlN或AlON。本实施例中，所述非磁绝缘层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)形成所述非磁绝缘层108。电子束蒸发工艺是采用电子束加热单晶的金属氧化物从而使所述单晶的金属氧化物熔融或升华气化，沉积于底部铁磁结构103上经冷却后获得高纯度的非磁绝缘层108。其他实施例中，还可以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非磁绝缘层。

需要说明的是，采用电子束蒸发工艺形成所述非磁绝缘层108的步骤中，温度不宜过大也不宜过小。若所述温度过大，金属氧化物在电子束加热下，熔融或升华的过快，易导致第一缓冲材料层105上各处的非磁绝缘层108的厚度均一性较差，易增加工艺风险、降低工艺稳定性，增加热预算。若所述温度过小，金属氧化物在电子束加热下，熔融或升华的过慢，导致腔室中气态的金属氧化物的含量较低，相应的在所述第一缓冲材料层105上沉积非磁绝缘层108的速度过慢，不易提高半导体结构的形成速率。本实施例中，采用电子束蒸发工艺形成所述非磁绝缘层108的步骤中，温度为300℃至500℃。

需要说明的是，在所述第一缓冲材料层105上形成非磁绝缘层108的步骤中，所述非磁绝缘层108不宜过厚也不宜过薄。若所述非磁绝缘层108过厚，需要对磁隧道结单元施加足够大的偏压，才能够使得电子对非磁绝缘层108实现电子隧穿，不能方便的使得磁隧道结单元进行高阻态和低阻态的切换，不利于降低磁隧道结单元的能耗，导致半导体结构的电学性能较差。若所述非磁绝缘层108过薄，在磁隧道结单元工作时，不能很好的阻隔电子对非磁绝缘层108实现电子隧穿，从而磁隧道结单元难以控制高阻态和低阻态的切换，导致磁隧道结单元的磁阻比较差。本实施例中，在所述第一缓冲材料层105上形成非磁绝缘层108的步骤中，所述非磁绝缘层108的厚度为1纳米至3纳米。

参考图6，在所述非磁绝缘层108上形成第二缓冲材料层109。

本发明实施例所提供的半导体结构的形成方法中，顶部铁磁结构的材料通常均包括FeCoB，所述第二缓冲材料层109能够阻挡顶部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中，从而在半导体结构工作时，非磁绝缘层108不易受到B离子的影响，具有较高的磁阻比，使得所述磁隧道结单元的隧道磁阻效应较强，有利于提高半导体结构的电性性能。

所述第二缓冲材料层109的材料包括非磁性绝缘材料。所述第二缓冲材料层109能够和第一缓冲材料层105以及非磁绝缘层108一起实现底部铁磁结构103和后续形成的顶部铁磁结构之间的电隔离，同时在适当的条件下允许电子隧穿通过第一缓冲材料层105、非磁绝缘层108以及第二缓冲材料层109。

本实施例中，所述第二缓冲材料层109的材料包括BN。BN的热稳定性好，因此在后续进行的退火过程中，不易分解，第二缓冲材料层109中的B不易扩散至非磁绝缘层108中；且BN通常为菱方晶格或立方晶格结构，因此BN的晶格较小，BN晶格之间的间隙小，从而第二缓冲材料层109能够起到阻挡所述顶部铁磁结构中B穿过的作用，使得所述非磁绝缘层108的磁阻比较大。此外，BN不易与铁族金属或合金发生反应，也就是说缓冲材料层不易与后续形成的顶部铁磁结构发生反应，能够使得第二缓冲材料层109阻挡稳定性好。

本实施例中，采用等离子增强原子层沉积工艺(Plasma enhanced Atomic LayerDeposition，PEALD)形成所述第二缓冲材料层109。通过等离子增强原子层沉积工艺，所述第二缓冲材料层109以原子层的形式形成于所述非磁绝缘层108的表面，因此有利于提高所述第二缓冲材料层109沉积速率的均匀性、厚度均一性以及致密性，有利于降低第二缓冲材料层109中产生针孔、空洞、龟裂等缺陷的概率；此外，原子层沉积工艺的工艺温度通常较低，因此还有利于减小了热预算(Thermal Budget)，降低介质层101底部的器件发生性能偏移的概率。其他实施例中，还可以采用化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺形成所述第二缓冲材料层109。

需要说明的是，形成所述第二缓冲材料层109的步骤中，所述第二缓冲材料层109不宜过厚也不宜过薄。若所述第二缓冲材料层109过薄，第二缓冲材料层109难以阻挡顶部铁磁结构中的B扩散至非磁绝缘层108中，在后续退火过程中，非磁绝缘层108中非晶态的MgO含量不易提高，导致所述磁隧道结单元的隧道磁阻效应较强，且在磁隧道结单元工作时，不能很好的阻隔电子对非磁绝缘层108实现电子隧穿，从而磁隧道结单元难以控制高阻态和低阻态的切换，导致磁隧道结单元的磁阻比较差。若所述第二缓冲材料层109过厚，不利于提高第二缓冲材料层109的形成效率，进而不易提高半导体结构的形成速率，且若所述第二缓冲材料层109过厚，在后续磁隧道结单元工作时，难以实现电子隧穿，导致不能方便的使磁隧道结单元进行高阻态和低阻态的切换。本实施例中，形成所述第二缓冲材料层109的步骤中，所述第二缓冲材料层109的厚度为

需要说明的是，在其他实施例中，在所述底部铁磁结构上形成缓冲材料层和非磁绝缘层的步骤包括：形成所述缓冲材料层；在所述缓冲材料层上形成非磁绝缘层。

所述缓冲材料层能够阻挡底部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层中，非磁绝缘层不易受到B离子的影响，具有较高的磁阻比，后续对所述底部铁磁结构、缓冲材料层、非磁绝缘层和顶部铁磁结构图形化后形成多个磁隧道结单元，从而在半导体结构工作时，使得所述磁隧道结单元的隧道磁阻效应较强，有利于提高半导体结构的电性性能。

在另一些实施例中，在所述底部铁磁结构上形成缓冲材料层和非磁绝缘层的步骤包括：形成所述非磁绝缘层；形成所述非磁绝缘层后，形成所述缓冲材料层。

缓冲材料层通常形成在所述非磁绝缘层的上方，所述缓冲材料层能够阻挡顶部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层中。非磁绝缘层不易受到B离子的影响，具有较高的磁阻比，后续对所述底部铁磁结构、缓冲材料层、非磁绝缘层和顶部铁磁结构图形化后形成多个磁隧道结单元，从而在半导体结构工作时，使得所述磁隧道结单元的隧道磁阻效应较强，有利于提高半导体结构的电性性能。

参考图7，在所述非磁绝缘层108上形成顶部铁磁结构106

具体的，在所述第二缓冲材料层109上形成顶部铁磁结构106。

所述顶部铁磁结构106、缓冲材料层、非磁绝缘层105以及底部铁磁结构103为后续形成磁隧道结单元做准备。

所述顶部铁磁结构106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)效应来改变或切换顶部铁磁结构106的磁极性，与所述底部铁磁结构103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。根据STT效应，电流流经磁隧道结单元，以感应自底部铁磁结构103至顶部铁磁结构106的电子流。随着电子穿过底部铁磁结构103，电子的自旋被极化。当自旋极化的电子到达顶部铁磁结构106时，自旋极化的电子将力矩施加于顶部铁磁结构106并且切换顶部铁磁结构106的状态。

本实施例中，所述顶部铁磁结构106包括第一自由层1061和位于第一自由层1061上的第二自由层1062。所述第一自由层1061与第二自由层1062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之间磁化方向受影响。

具体的，所述第一自由层1061的材料包括FeCo、CoNi、CoFeB、FeB、FePt、FePd，以及Fe、Co、Ni的合金。本实施例中，所述第一自由层1061的材料包括CoFeB。

本实施例中，采用物理气相沉积工艺形成所述第一自由层1061。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自由层。

所述第二自由层1062的材料包括FeCo、CoNi、CoFeB、FeB、FePt、FePd，以及Fe、Co、Ni的合金。本实施例中，第二自由层1062的材料包括Co和Ni的合金。

本实施例中，采用物理气相沉积工艺形成所述第二自由层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二自由层。

所述半导体结构的形成方法还包括：在形成所述顶部铁磁结构106后，对所述底部铁磁结构103、缓冲材料层、非磁绝缘层108以及顶部铁磁结构106进行退火处理。

退火处理使得底部铁磁结构103的被钉扎层1032中，以及顶部铁磁结构106的第一自由层1061中的FeCoB由非晶态的转变成单晶态，所述非磁绝缘层108中的MgO由多晶态转变成单晶态，使得磁隧道结单元的隧道磁阻(TMR)效应较强；且退火处理能够使得底部铁磁结构103和顶部铁磁结构106中的磁性粒子被磁化，使得所述底部铁磁结构103和顶部铁磁结构106中的磁性粒子的自旋方向有序，使得后续形成的磁隧道结单元的隧道磁阻(TMR)效应较强。

退火处理导致底部铁磁结构103中的B离子，以及顶部铁磁结构106中的B离子扩散速度加快。所述第一缓冲材料层105能够阻挡底部铁磁结构103中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中，所述第二缓冲材料层109能够阻挡顶部铁磁结构106中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中，从而在半导体结构工作时，非磁绝缘层108不易受到B离子的影响，具有较高的磁阻比，使得后续形成的磁隧道结单元的隧道磁阻效应较强，有利于提高半导体结构的电性性能。

本实施例中，可以通过强磁场退火的方式进行退火。

参考图8，在所述顶部铁磁结构106上形成第二电极107。

所述第二电极107为上电极(Top Electrode，TE)，所述第二电极107用于使磁隧道结单元与后续形成在磁隧道结单元上的金属层实现电连接。

本实施例中，所述第二电极107的材料为氮化钽(TaN)、钽(Ta)、钛(Ti)和氮化钛(TiN)中的一种或多种。本实施例中，所述第二电极107为单层结构，所述第二电极107的材料为钽。

参考图9和图10，所述半导体结构的形成方法还包括：形成所述第二电极107后，对所述底部铁磁结构103、缓冲材料层、非磁绝缘层108以及顶部铁磁结构106进行图形化处理，形成多个磁隧道结单元200。其中图10是磁隧道结单元的原理示意图。

具体的，形成磁隧道结单元200的过程中：还图形化第一电极104以及第二电极107。

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，能够以介质层101为刻蚀停止位置，不易对介质层101中的导电结构102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第一电极104、底部铁磁结构103、缓冲材料层、非磁绝缘层108、顶部铁磁结构106以及第二电极107，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9，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100；底部铁磁结构103，位于所述基底100上；缓冲材料层和非磁绝缘层108，位于所述底部铁磁结构103上；顶部铁磁结构106，位于所述非磁绝缘层108上。

所述底部铁磁结构103和顶部铁磁结构106的材料通常均包括FeCoB，所述缓冲材料层位于所述非磁绝缘层108的下方，所述缓冲材料层能够阻挡底部铁磁结构103中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中；或者，缓冲材料层位于所述非磁绝缘层108的上方，所述缓冲材料层能够阻挡顶部铁磁结构106中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中；或者，缓冲材料层同时位于所述非磁绝缘层108的下方和所述非磁绝缘层108的上方，所述缓冲材料层能够阻挡底部铁磁结构103中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中，所述缓冲材料层能够阻挡顶部铁磁结构106中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中。上述三种情况下，非磁绝缘层108不易受到B离子的影响，具有较高的磁阻比，所述底部铁磁结构103、缓冲材料层、非磁绝缘层108和顶部铁磁结构106作为磁隧道结单元200，从而在半导体结构工作时，使得所述磁隧道结单元的隧道磁阻效应较强，有利于提高半导体结构的电性性能。

本实施例中，将位于所述非磁绝缘层108下方的所述缓冲材料层作为第一缓冲材料层105，将位于所述非磁绝缘层108上方的所述缓冲材料层作为第二缓冲材料层109。

需要说明的是，本实施例中，所述非磁绝缘层108的下方形成有第一缓冲材料层105；所述非磁绝缘层108的上方形成有第二缓冲材料层109。

所述基底100用于为工艺制程提供工艺平台。基底100包括介质层101和位于所述介质层101中的导电结构102。

本实施例中，所述介质层101底部可以有晶体管、电阻结构以及导电结构等功能结构。其中，所述晶体管可以为NMOS晶体管和PMOS晶体管中的一种或两种，具体的，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等功能结构。

所述介质层101用于实现导电结构102之间，以及介质层101底部的器件与磁隧道结单元200之间的电隔离。

具体地，所述介质层101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。

本实施例中，所述介质层101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。在其他实施例中，根据实际的工艺，所述介质层还可以为金属层间介质层(IMD)。

导电结构102底端与所述介质层101底部的所述晶体管中的源漏掺杂区连接，所述导电结构102的顶端用于与磁隧道结单元200的电连接。

本实施例中，所述导电结构102的材料为铜。在其他实施例中，所述导电结构的材料还可以为钴、钨等其他导电材料。

所述底部铁磁结构103具有固定的磁方向。

本实施例中，底部铁磁结构103包括被反铁磁层1031和位于所述反铁磁层1031上的被钉扎层1032。

在磁隧道结单元200写入过程中，所述反铁磁层1031用于固定所述被钉扎层1032的磁化方向，避免由于所述被钉扎层1032的矫顽力不够大，而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，反铁磁层1031的材料包括：铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)、铑锰(RhMn)、铁锰(FeMn)、Pt合金以及Mn的合金中的一种或多种。本实施例中，所述反铁磁层1031的材料包括铂锰(PtMn)。

所述被钉扎层1032包括含Fe的材料。具体的，所述被钉扎层1032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1032的材料包括FeCoB。

所述半导体结构还包括：第一电极，位于所述导电结构102和所述底部铁磁结构103之间。

所述第一电极104为下电极(Bottom Electrode，BE)，所述第一电极104用于与磁隧道结单元200电连接。

本实施例中，所述第一电极104的材料为氮化钽(TaN)、钽(Ta)、钛(Ti)和氮化钛(TiN)中的一种或多种。本实施例中，所述第一电极104为单层结构，所述第一电极104的材料为钽。

所述第一缓冲材料层105能够阻挡底部铁磁结构103中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中，从而在半导体结构工作时，非磁绝缘层108不易受到来自底部铁磁结构103中的B离子的影响，具有较高的磁阻比，使得磁隧道结单元200的隧道磁阻效应较强，有利于提高半导体结构的电性性能。

所述第一缓冲材料层105的材料包括非磁性绝缘材料。

本实施例中，所述第一缓冲材料层105的材料包括BN。BN的稳定性好，因此不易分解，第一缓冲材料层105中的B不易扩散至非磁绝缘层108中；且BN通常为菱方晶格或立方晶格结构，因此BN的晶格较小，BN晶格之间的间隙小，从而第一缓冲材料层105能够起到阻挡所述底部铁磁结构103中B穿过的作用，使得所述非磁绝缘层的磁阻比较大。此外，BN不易与铁族金属或合金发生反应，也就是说第一缓冲材料层105不易与底部铁磁结构103发生反应，使得第一缓冲材料层105阻挡稳定性好。

需要说明的是，所述第一缓冲材料层105不宜过厚也不宜过薄。若所述第一缓冲材料层105过薄，第一缓冲材料层105难以阻挡底部铁磁结构103中的B扩散至非磁绝缘层108中，导致非磁绝缘层108中非晶态的MgO的含量降低，导致所述磁隧道结单元200的隧道磁阻效应较差，且在磁隧道结单元200工作时，不能很好的阻隔电子对非磁绝缘层108实现电子隧穿，从而磁隧道结单元200难以控制高阻态和低阻态的切换。若所述第一缓冲材料层105过厚，不利于提高第一缓冲材料层105的形成效率，进而不易提高半导体结构的形成速率，且若所述第一缓冲材料层105过厚，在磁隧道结单元200工作时，难以实现电子隧穿，导致不能方便的使磁隧道结单元200进行高阻态和低阻态的切换。本实施例中，所述第一缓冲材料层105的厚度为

非磁绝缘层108用于底部铁磁结构103和顶部铁磁结构106之间的电隔离，同时在适当的条件下允许电子隧穿通过非磁绝缘层108。

具体的，所述非磁绝缘层108的材料包括MgO、AlO、AlN或AlON。本实施例中，所述非磁绝缘层108的材料包括MgO。

需要说明的是，所述非磁绝缘层108不宜过厚也不宜过薄。若所述非磁绝缘层108过厚，需要对磁隧道结单元200施加足够大的偏压，才能够使得电子对非磁绝缘层108实现电子隧穿，不能方便的使得磁隧道结单元200进行高阻态和低阻态的切换，不利于降低磁隧道结单元200的能耗，导致半导体结构的电学性能较差。若所述非磁绝缘层108过薄，在磁隧道结单元200工作时，不能很好的阻隔电子对非磁绝缘层108实现电子隧穿，从而磁隧道结单元200难以控制高阻态和低阻态的切换，导致磁隧道结单元200的磁阻比较差。本实施例中，所述非磁绝缘层108的厚度为1纳米至3纳米。

所述第二缓冲材料层109能够阻挡顶部铁磁结构106中的B离子扩散至所述非磁绝缘层108中，从而在半导体结构工作时，非磁绝缘层108不易受到B离子的影响，具有较高的磁阻比，使得所述磁隧道结单元200的隧道磁阻效应较强，有利于提高半导体结构的电性性能。

所述第二缓冲材料层109的材料包括非磁性绝缘材料。所述第二缓冲材料层109能够和第一缓冲材料层105以及非磁绝缘层108一起实现，底部铁磁结构103和顶部铁磁结构106之间的电隔离，同时在适当的条件下允许电子隧穿通过第一缓冲材料层105、非磁绝缘层108以及第二缓冲材料层109。

本实施例中，所述第二缓冲材料层109的材料包括BN。BN的稳定性好，不易分解，第二缓冲材料层109中的B不易扩散至非磁绝缘层108中；且BN通常为菱方晶格或立方晶格结构，因此BN的晶格较小，BN晶格之间的间隙小，使得第二缓冲材料层109能够起到阻挡所述顶部铁磁结构106中B穿过的作用，使得所述非磁绝缘层108的磁阻比较大。此外，BN不易与铁族金属或合金发生反应，也就是缓冲材料层108不易与顶部铁磁结构106发生反应，能够使得第二缓冲材料层109阻挡稳定性好。

需要说明的是，所述第二缓冲材料层109不宜过厚也不宜过薄。若所述第二缓冲材料层109过薄，第二缓冲材料层109难以阻挡顶部铁磁结构106中的B扩散至非磁绝缘层108中，导致非磁绝缘层108中非晶态的MgO的含量降低，导致所述磁隧道结单元200的隧道磁阻效应较差，且在磁隧道结单元200工作时，不能很好的阻隔电子对非磁绝缘层108实现电子隧穿，从而磁隧道结单元200难以控制高阻态和低阻态的切换。若所述第二缓冲材料层109过厚，不利于提高第二缓冲材料层109的形成效率，进而不易提高半导体结构的形成速率，且若所述第二缓冲材料层109过厚，在磁隧道结单元200工作时，难以实现电子隧穿，导致不能方便的使磁隧道结单元200进行高阻态和低阻态的切换。本实施例中，所述第二缓冲材料层109的厚度为

所述顶部铁磁结构106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)效应来改变或切换顶部铁磁结构106的磁极性，与所述底部铁磁结构103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。根据STT效应，电流流经磁隧道结单元200，以感应自底部铁磁结构103至顶部铁磁结构106的电子流。随着电子穿过底部铁磁结构103，电子的自旋被极化。当自旋极化的电子到达顶部铁磁结构106时，自旋极化的电子将力矩施加于顶部铁磁结构106并且切顶部铁磁结构106的状态。

本实施例中，所述顶部铁磁结构106包括第一自由层1061和位于第一自由层1061上的第二自由层1062。所述第一自由层1061与第二自由层1062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之间磁化方向受影响。

具体的，所述第一自由层1061的材料包括FeCo、CoNi、CoFeB、FeB、FePt、FePd，以及Fe、Co、Ni的合金。本实施例中，所述第一自由层1061的材料包括CoFeB。

所述第二自由层1062的材料包括FeCo、CoNi、CoFeB、FeB、FePt、FePd，以及Fe、Co、Ni的合金。本实施例中，第二自由层1062的材料包括Co和Ni的合金。

所述半导体结构还包括：第二电极107，位于所述顶部铁磁结构106上。

所述第二电极107为上电极(Top Electrode，TE)，所述第二电极107用于使磁隧道结单元200与形成在磁隧道结单元200上的金属层实现电连接。

本实施例中，所述第二电极107的材料为氮化钽(TaN)、钽(Ta)、钛(Ti)和氮化钛(TiN)中的一种或多种。本实施例中，所述第二电极107为单层结构，所述第二电极107的材料为钽。

需要说明的是，在其他实施例中，所述半导体结构仅有一层缓冲材料层；非磁绝缘层位于所述缓冲材料层上。

所述缓冲材料层能够阻挡底部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层中，非磁绝缘层不易受到B离子的影响，具有较高的磁阻比，从而在半导体结构工作时，使得所述磁隧道结单元的隧道磁阻效应较强，有利于提高半导体结构的电性性能。

在另一些实施例中，所述半导体结构仅有一层缓冲材料层，非磁绝缘层位于所述缓冲材料层上。

缓冲材料层形成在所述非磁绝缘层的上方，所述缓冲材料层能够阻挡顶部铁磁结构中的B离子扩散至所述非磁绝缘层中。非磁绝缘层不易受到B离子的影响，具有较高的磁阻比，从而在半导体结构工作时，使得所述磁隧道结单元的隧道磁阻效应较强，有利于提高半导体结构的电性性能。

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。