具有雙隧道勢壘的磁器件及其制造方法
【專利摘要】一種雙隧道勢壘磁元件具有位于第一隧道勢壘與第二隧道勢壘之間的自由磁層、以及在所述第二隧道勢壘上方的電極。兩步蝕刻處理使得可以在第一蝕刻之后在所述電極和第二隧道勢壘的側壁上形成封裝材料，以防止當執(zhí)行第二蝕刻以移除自由層的一部分時對第一隧道勢壘的損傷。
【專利說明】具有雙隧道勢壘的磁器件及其制造方法
【技術領域】
[0001]本文中所描述的示例性實施例一般涉及集成磁器件，更具體地，涉及具有雙隧道勢壘的磁傳感器和磁阻存儲器。
【背景技術】
[0002]磁電子器件、自旋電子器件和自旋電子學器件是用于利用主要由電子自旋引起的效應的器件的同義詞。磁電子在許多信息器件中使用以提供非易失性的、可靠的、防輻射的、高密度的數(shù)據(jù)存儲和檢索。許多磁電子信息器件包括，但不限于，磁阻隨機存取存儲器(MRAM)、磁傳感器、和/或用于盤驅動器的讀取/寫入頭。
[0003]典型地，MRAM包括磁阻存儲器元件的陣列。每個磁阻存儲器元件典型地具有包括通過各個非磁層分離的多個磁層的結構(諸如磁隧道結(MTJ))，并且表現(xiàn)出取決于該器件的磁狀態(tài)的電阻。信息被存儲為磁層中的磁化矢量的方向。一個磁層中的磁化矢量是磁固定或釘扎(Pin)的，而另一磁層的磁化方向可以自由地在分別被稱為“平行”狀態(tài)和“反平行”狀態(tài)的相同方向與相反方向之間切換(switch)。對應于平行磁狀態(tài)和反平行磁狀態(tài)，磁存儲器元件分別具有低電阻狀態(tài)和高電阻狀態(tài)。因此，電阻的檢測使得磁阻存儲器元件(諸如MTJ器件)可以提供存儲在該磁存儲器元件中的信息。存在用于對自由層進行編程的兩種完全不同的方法:場切換和自旋扭矩切換。在場切換MRAM中，鄰近于MTJ位元(bit)的載流線用于產生作用于自由層上的磁場。在自旋扭矩MRAM中，利用通過MTJ本身的電流脈沖實現(xiàn)切換。自旋極化的隧穿電流所傳載的自旋角動量引起自由層的反轉，其中最終狀態(tài)(平行或反平行)由電流脈沖的極性確定。已知自旋扭矩轉移(transfer)在MTJ器件和被構圖或者以其它方式布置使得電流基本上垂直于界面流動的巨磁阻器件中發(fā)生，并且當電流基本上垂直于疇壁流動時,在簡單的線狀結構中發(fā)生。表現(xiàn)出磁阻的任何這樣的結構具有成為自旋扭矩磁阻存儲器元件的可能。切換自由層的磁狀態(tài)所需的平均電流被稱為臨界電流(Ic)。臨界電流密度(Jc)是位元的每面積的平均臨界電流(Jc = Ic/A)，其中A是面積，并且由電路供給的切換存儲器陣列中的自旋扭矩MRAM元件的電流是寫入電流(Iw)。為使較小的存取晶體管可以用于每個位元單元并且可以生產較高密度、較低成本的存儲器，減小Iw是可取的。降低Jc、而不降低擊穿電壓Vbd是可取的，在擊穿電壓Vbd下，隧道勢壘擊穿。隧道勢壘擊穿在整個隧道勢壘中是不可逆的劣化，使得磁阻和自旋扭矩可靠性大大地降低。
[0004]通過針對恒定的Jc降低位元的面積來減小Ic減小了分離自由層的兩個穩(wěn)定狀態(tài)的磁能勢魚Eb。Eb與自由層材料的磁化Ms、自由層的各向異性Hk以及自由層體積(volume)V成比例。減小面積明顯地減小V，并因此明顯地減小Eb。減小Eb影響MRAM的非易失性，使得自由層在該部件的操作壽命期間并經由溫度范圍中的熱波動而切換成為可能。因此，減小隧道勢壘的面積而不減小自由層的面積將是有利的。
[0005]為了減小寫入電流，一些自旋扭矩MRAM元件融入了雙自旋過濾器(DSF)結構，其中，MTJ疊層(stack)包括兩個不同的自旋極化層(自由層的每側一個)，以通過自由層上的增大的自旋扭矩改進自旋扭矩轉移效率來降低Jc，從而導致較低的寫入電流。與在單隧道勢壘器件中所發(fā)現(xiàn)的相比，雙自旋過濾器器件具有用于提供較低的Jc以及在電流上升/下降方向上更對稱的寫入電流的兩個隧道勢壘。
[0006]雙自旋過濾器器件要求自由層的任一側的自旋極化固定層具有相反的磁化方向，使得當電流向上或向下流過器件時，來自這兩個固定層中的每個的自旋扭矩效應將一起作用以將自由層磁化切換到所期望的方向。
[0007]類似于DSF結構的另一結構是雙隧道勢壘結構(DTB)。像DSF那樣，該結構在自由層的任一側具有隧道勢壘，但是與DSF不同，磁固定層僅在一側。該結構已顯示出對位元寫入所需的電壓和擊穿發(fā)生的電壓的比率的改進。該比率提供更大的操作余裕(margin)或電壓(或電流Iw)，因此是有利的。
[0008]因此，可取的是提供一種自旋扭矩磁阻存儲器元件，其具有導致切換狀態(tài)和極化電流的對稱性改進的對稱隧道勢壘，上隧道勢壘不因蝕刻穿過自由層而受損。此外，從隨后的與附圖以及前述【技術領域】和【背景技術】結合進行的詳細描述和所附權利要求，示例性實施例的其它可取的特征和特性將變得清楚。

【發(fā)明內容】

[0009]兩步蝕刻處理使得可以在第一蝕刻之后在電極和第二隧道勢壘的側壁上形成封裝材料，以防止當執(zhí)行第二蝕刻以移除自由層的一部分來制造磁器件時對第一隧道勢壘的損傷。
[0010]在第一示例性實施例中，一種在基板上制造磁元件的方法，所述磁元件包括:在所述基板上方形成第一電極；在所述第一電極上方形成第一隧道勢壘；在所述第一隧道勢壘上方形成自由磁層；在所述自由磁層上形成第二隧道勢壘；在所述第二隧道勢壘上方形成第二電極；穿過所述第二電極的第一部分并且部分地穿過所述第二隧道勢壘的第一部分執(zhí)行第一蝕刻，以暴露所述第二隧道勢壘的限定場的表面；其中，所述第二電極和所述第二隧道勢壘的第二部分限定側壁；在所述側壁和所述場上形成封裝材料；以及穿過所述場中的封裝材料并且穿過所述自由層的第一部分和所述第二隧道勢壘的第一部分的剩余部分執(zhí)行第二蝕刻。
[0011]第二示例性實施例描述了在基板上制造磁元件，所述磁元件包括:在所述基板上方形成第一電極；在所述第一電極上方形成第一隧道勢壘；在所述第一隧道勢壘上方形成自由磁層；在所述自由磁層上形成第二隧道勢壘；在所述第二隧道勢壘上方形成第二電極；穿過所述第二電極的第一部分、穿過所述第二隧道勢壘的第一部分并且部分地穿過所述自由磁層的第一部分執(zhí)行第一蝕刻，以暴露所述自由磁層的限定場的表面；其中，所述第二電極、所述第二隧道勢壘以及所述自由磁層的第二部分限定側壁；在所述側壁和所述場上形成封裝材料；以及穿過所述場中的封裝材料并且穿過所述自由層的剩余的第一部分執(zhí)行第二蝕刻。
[0012]第三示例性實施例包括形成在基板上的磁元件，所述基板具有限定平面的表面，所述磁元件包括:在所述表面上的第一電極；在所述第一電極上方的第一隧道勢壘，所述第一電極和所述第一隧道勢壘包括第一部分和第二部分；覆蓋所述基板的第二部分且具有平行于所述平面的第一尺寸的、所述第一隧道勢壘上方的自由磁層；在所述自由磁層上方的第二隧道勢壘；在所述第二隧道勢壘上方的第二電極，所述第二隧道勢壘和所述第二電極限定側壁；以及在所述側壁上的封裝材料，其中，所述第二電極和所述第二隧道勢壘具有平行于所述平面的、等于或小于所述第一尺寸的第二尺寸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]在下文中將結合以下附圖描述本發(fā)明，其中，相似的編號表示相似的元件，并且
[0014]圖1是典型的自旋扭矩磁阻存儲器元件的截面；
[0015]圖2-5是根據(jù)示例性實施例的用于制造自旋扭矩磁阻存儲器元件的處理的截面；
[0016]圖6是圖3-5的用于制造自旋扭矩磁阻存儲器元件的處理的根據(jù)示例性實施例的流程圖；
[0017]圖7-10是根據(jù)另一示例性實施例的用于制造自旋扭矩磁阻存儲器元件的處理的截面；以及
[0018]圖11是圖7-9的用于制造自旋扭矩磁阻存儲器元件的處理的根據(jù)另一示例性實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0019]以下的詳細描述在本質上僅僅是例示性的，并非意圖限制本主題或本申請的實施例以及這樣的實施例的使用。本文中被描述為示例性的任何實現(xiàn)不一定要被解讀為較其它實現(xiàn)是優(yōu)選的或有利的。此外，無意受到前面的【技術領域】、【背景技術】、
【發(fā)明內容】
或以下詳細描述中所呈現(xiàn)的任何明示的或隱含的理論的限制。
[0020]為了例示的簡單和清楚，附圖描繪了各種實施例的總體結構和/或構造方式?？梢允∪ス奶卣骱图夹g的描述和細節(jié)，以避免不必要地模糊其它特征。附圖中的元件不一定按比例繪制:一些特征的尺寸(dimension)可以相對于其它元件擴大以幫助增進示例性的實施例的理解。
[0021]諸如“第一”、“第二”、“第三”等的枚舉術語可以用于在類似的元件之間進行區(qū)分，并且不一定用于描述特定的空間或時間順序。如此使用的這些術語在適當?shù)那闆r下是可互換的。本文中所描述的發(fā)明的實施例例如能夠以除了本文中所例示的或以其它方式描述的那些次序外的次序使用。
[0022]術語“包括”、“包含”、“具有”及其任何變型同義地被使用以表示非排他性的包含。術語“示例性”從“示例”的意義上、而非“理想”的意義上被使用。
[0023]為了保持簡潔，在本文中可以不描述本領域技術人員已知的傳統(tǒng)技術、結構和原理，包括，例如，標準的磁隨機存取存儲器(MRAM)處理技術、磁的基本原理、以及存儲器件的基本操作原理。
[0024]總的來講，描述了一種用于制造具有雙隧道勢壘的磁器件結構的方法和結構。自由層位于隧道勢壘之間，并且電極在上隧道勢壘或第二隧道勢壘上方。兩步蝕刻處理使得可以在第一蝕刻之后在電極和第二隧道勢壘的側壁上形成封裝材料，以防止當執(zhí)行第二蝕刻以移除自由層的一部分(并且可能地，自由層的一部分以及到達第一隧道勢壘中的某一深度)時對第二(較高)隧道勢壘的損傷。第一蝕刻移除電極和第二隧道勢壘兩者的第一部分，其中，在自由磁層的第二部分上方的第二電極和第二隧道勢壘的第二部分限定側壁。封裝材料形成在側壁和自由磁層的第一部分上。第二蝕刻移除自由層的第一部分及其上的封裝材料。第一蝕刻減小切換自由層所需的電流水平，第二蝕刻限定自由層的能量勢壘。
[0025]兩個隧道勢壘的大小的獨立控制對于優(yōu)化自由層的各種自旋扭矩性質(諸如Ic、Eb和Vbd)是有利的。自旋扭矩器件取決于電流中分散在自由層中的極化電子。通過角動量守恒，來自一旦極化、然后隨機取向的分散電子的角動量進入自由層的磁化方向，使得它重新取向。如果隧道勢壘的大小存在顯著不對稱，則例如通過使極化電流受到約束以使得它不到達自由層的邊緣，極化電流中可以存在顯著不對稱。因此，另外，每個隧道勢壘的大小的獨立控制還將對兩個自由層狀態(tài)提供Ic的獨立控制。然而，Eb將由自由層的大小和一個隧道勢壘的大小限定，而Ic將受到另一隧道勢壘的大小影響。這將分離并控制Eb和Ic。另外，雙自旋過濾器和雙隧道勢壘結構兩者在隨后的自由層處理期間具有暴露的上隧道勢壘。該自由層蝕刻可以引起對上隧道勢壘的不受控損傷，從而導致次優(yōu)的自旋扭矩效應。開發(fā)獨立地控制并保護上隧道勢壘的處理因此將是有利的。
[0026]在本描述的過程中，根據(jù)例示各個示例性實施例的不同圖，相似的編號用于識別相似的元件。
[0027]自旋扭矩效應對于本領域技術人員是已知的。簡要地講，在電子通過其中第一磁層比第二磁層穩(wěn)定得多的磁/非磁/磁三層結構中的第一磁層之后，電流變?yōu)樽孕龢O化。第一層與第二層相比的更高穩(wěn)定性可以由包括以下因素的幾個因素中的一個或多個確定:由于厚度或磁化而導致磁矩更大、耦合到鄰近的反鐵磁層、如SAF結構中那樣耦合到另一鐵磁層、或高磁各向異性。自旋極化電子越過非磁間隔物，然后，通過自旋角動量守恒，對第二磁層施加自旋扭矩，該自旋扭矩引起它的磁矩的進動，并且如果電流在正確的方向上，還使得切換到不同的穩(wěn)定的磁狀態(tài)。當從第一層移動到第二層的自旋極化的電子的凈電流超過第一臨界電流值時，第二層將將它的磁取向切換為與第一層的磁取向平行。如果相對極性的偏置被施加，則從第二層到第一層的凈電子流將將第二層的磁取向切換為與第一層的磁取向反平行，前提條件是電流的大小高于第二臨界電流值。這個反向方向上的切換涉及這些電子的一小部分從間隔物與第一磁層之間的界面反射并且在整個非磁間隔物上來回行進以與第二磁層相互作用。
[0028]磁阻是材料根據(jù)其磁狀態(tài)改變其電阻的值的性質。典型地，對于具有通過導電或隧穿的間隔物分離的兩個鐵磁層的結構，當?shù)诙艑拥拇呕c第一磁層的磁化反平行時，電阻最高，當它們平行時，電阻最低。
[0029]圖1是如轉讓給本公開的受讓人的美國申請?zhí)?3/158，171中所公開的雙隧道勢壘MRAM器件100的側截面圖。實際上，MRAM架構或器件將包括典型地以列和行的矩陣組織的許多MRAM器件100。示例性的MRAM位元結構(或“疊層”)100通常包括分別通過隧道勢壘108和110與頂部電極104和底部電極106分離的自由磁層(或“自由層”)102。隧道勢壘108和110中的任何一個或兩個可以是電介質，典型地，諸如MgO或AlOx的氧化物。為了清楚的目的，在圖中沒有示出一些常用層，包括各種保護蓋層、種子層和底層基板(其可以是傳統(tǒng)的半導體基板或任何其它合適的結構)。對于下述示例性的實施例，底部電極106是鐵磁極化器，而頂部電極104可以是非鐵磁材料或鐵磁極化器?？商娲?，僅頂部電極可以是鐵磁極化器。通常，如本行業(yè)所公知的，鐵磁極化器將包括釘扎層、釘扎磁層、耦合間隔層、以及鄰近于隧道勢壘的固定磁層(這些在圖1中均未示出)。[0030]圖2-5是根據(jù)示例性實施例制造的MRAM器件200的側截面圖，其中，兩個電極是自旋極化器，導致可以被稱為雙自旋過濾器MTJ的器件(非自旋過濾器結構在圖7-10中描述)。示例性的雙自旋過濾器MTJ位元結構(或“疊層”)200通常包括分別經由隧道勢壘208和210與頂部電極204和底部電極206分離的自由磁層(或“自由層”)202。層208和210都是電介質。
[0031]底部電極206具有當自由層202在其兩個或更多個穩(wěn)定狀態(tài)之間切換時不改變的固定磁化狀態(tài)。在實際的實施例中，底部電極206可以包括形成在導體222上的、用于便于在其上形成由反鐵磁材料(例如，IrMn、PtMn或FeMn)制成的釘扎層214的模板或種子層212。模板/種子層212優(yōu)選為非磁材料，例如，Ta、TaN, Al、Ru，但也可以是磁材料，例如，NiFe或CoFe。模板/種子層212可以包括兩個層，或者在導體222為后面的層提供所期望的生長特性的情況下，可以省略模板/種子層212。器件200的底部電極206包括通過耦合層228和213反鐵磁耦合的三個鐵磁層216、226和220。釘扎層214確定形成在其上的釘扎鐵磁層216的磁矩的取向。鐵磁層226通過稱合層228與釘扎層216反鐵磁耦合，使得在沒有外部場時它們的磁矩取向反平行，并且固定層220通過耦合層213與鐵磁層226反鐵磁耦合，使得在沒有外部場時它們的磁矩取向反平行。鐵磁層216、226和220可以由任何合適的磁材料形成，諸如元素N1、Fe、Co中的至少一種或者它們的合金，它們的合金包括融入了額外的元素(諸如B、C、Ta、V、Zt和其它)以及所謂的半金屬鐵磁體(諸如NiMnSb、PtMnSb> Fe3O4或CrO2)的合金。在一個實施例中，例如,釘扎磁層216和鐵磁層
220包括20-50A的CoFe,固定鐵磁層220包括大約20-30人的CoFeB,自由磁層202包括
大約20-35A的CoFeB。耦合層228和213由任何合適的非磁材料形成，包括元素Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cu、Cr中的至少一種或它們的組合。這樣的合成反鐵磁結構對于本領域技術人員是已知的，因此，本文中將不詳細描述它們的操作。底部電極被選擇為具有器件200中的三個鐵磁層的合成反鐵磁體(SAF)，而頂部電極204被選擇為具有兩個鐵磁層的SAF，使得當在如下所述的對于MTJ疊層的典型條件下處理時，固定層220的磁化方向和頂部固定層232的磁化方向將基本上是反平行的。
[0032]在這些圖示中，箭頭用于對于各個層指示磁矩或磁化的方向。頂部固定層220和底部固定層232的磁化方向典型地在強施加磁場中使用高溫退火來設置。在退火期間，鐵磁層與強磁場對齊。當場退火完成時，反鐵磁釘扎材料(諸如釘扎層214中所使用的反鐵磁釘扎材料)在所施加的場的方向上將交換偏置提供給鄰近的鐵磁釘扎層。
[0033]頂部電極204包括兩個鐵磁層232與234之間的非磁層(“間隔層”或“耦合層”)230。鐵磁層232和234的磁矩通過耦合層230反鐵磁耦合，使得在沒有外部場時它們的磁矩取向是反平行的。頂部釘扎層244可以被用于以釘扎層214對釘扎層216定向的方式相同的方式對鐵磁層234的磁矩定向。在場退火之后，釘扎材料將使頂部釘扎層234和底部釘扎層216在相同的方向上偏置。由于形成底部電極的SAF具有的鐵磁層比頂部電極具有的鐵磁層多一個，所以底部固定層220的磁化將被設置在與頂部固定層232的磁化反平行的方向上，從而提供用于增加來自兩個固定層對轉移到自由層202的自旋扭矩的貢獻的必要的磁配置。
[0034]頂部電極204是SAF，因為它包括通過非磁耦合層分離的兩個鐵磁層，該耦合層的厚度被選擇為在這兩個鐵磁層之間提供強的反鐵磁耦合。對于頂部電極204中的層的有用材料與用于底部電極206的材料相同。在一個實施例中，例如，頂部釘扎磁層234包括
20-30 A的CoFe，鐵磁固定層232包括大約20-30A的CoFeB0
[0035]對于固定層220和232的磁矩期望的是相對不受來自自由層202的自旋轉移扭矩的影響，使得當施加寫入電流時，僅自由層202的方向改變。與自由層202相比，每個SAF結構中的層之間的強耦合和SAF的大磁量使得固定層穩(wěn)定。對于釘扎材料的強交換耦合除了限定參考方向之外還有助于額外的穩(wěn)定性。
[0036]第一導體222和第二導體224由能夠導電的任何合適的材料形成。例如，導體222、224可以由元素Al、Cu、Ta、TaNx、Ti中的至少一種或它們的組合形成。各種鐵磁層可以包括具有如上所述的所期望的鐵磁性質的任何合適的材料。有利的是使自由層所經歷的凈磁率禹合(net magnetic coupling)接近為零,使得自由層的切換特性對稱。這可以通過調整頂部電極和底部電極中的每個鐵磁層的厚度來實現(xiàn)。由于本領域中已知的各種機理，典型在固定層與自由層之間存在鐵磁耦合。當頂部固定層和底部固定層二者都存在并且如器件200中所不那樣在相反的方向上取向時,一個固定層的鐵磁層間I禹合與另一個固定層的鐵磁層間耦合相反，從而減小凈耦合。由于在層的構圖邊緣處形成的極點，典型地在構圖的磁結構中的層之間存在反鐵磁耦合。由于SAF結構中的每個層的磁化與SAF中的最接近的另一鐵磁層的磁化相反，所以它們對彼此具有抵消效果。在如器件200中所示包括三層SAF的底部電極中，中間鐵磁層226典型地被設計為具有比鐵磁層216和220高的磁矩，使得由層226創(chuàng)建的偶極場基本上抵消由層216和220創(chuàng)建的偶極場。在優(yōu)化的結構中，層厚度被調整使得自由層所經歷的所有的耦合源的總和接近于零。
[0037]在一個實施例中，耦合層228、213、230包括具有大約8A的厚度的Ru。在可替代的實施例中，耦合層中的一些或全部可以包括在連續(xù)的磁膜之間不生成任何的反平行耦合、而是僅僅在磁膜之間引起交換解耦的材料，諸如Ti或Ta。在該實施例中，由于在每個層的構圖邊緣處產生的靜磁偶極場，鐵磁SAF層將被反鐵磁耦合。這些替代耦合層對于被構圖為小于大約30nm的尺寸的器件將是有用的，因為這種類型的靜磁耦合對于較小的構圖形狀更強。
[0038]自由磁層202由具有兩個或更多個穩(wěn)定的磁狀態(tài)的鐵磁材料形成。例如，自由磁元件202可以由包括元素N1、Fe和Co中的至少一種的各種鐵磁合金形成。額外的元素被添加到合金以提供改進的磁、電氣或微結構性質。與傳統(tǒng)的MRAM器件一樣，自由磁元件202的磁化方向確定該元件的電阻(resistance)。在實踐中，對于兩狀態(tài)器件，自由磁元件202的磁化方向平行于或反平行于固定磁層的磁化，從而導致表示“O”位元狀態(tài)或“ I”位元狀態(tài)的低電阻或高電阻。此外，自由磁元件202可以具有面內磁化，而鐵磁自旋極化器具有面外磁化。
[0039]自由磁層202具有限定其磁化的自然軸或“默認”軸的磁化易軸。當MRAM器件200處于沒有電流從導體222施加于導體224的穩(wěn)定狀態(tài)條件下時，自由磁元件202的磁化將自然地沿著它的易軸指向。MRAM器件200被合適地配置為對于自由磁元件202建立特定的易軸方向。從圖2的角度來講，自由磁元件202的易軸指向右或左。在實踐中，MRAM器件200利用自由磁層202中的各向異性(諸如形狀、結晶或界面各向異性)來實現(xiàn)各個易軸的取向。本領域技術人員理解，一些材料具有強的垂直各向異性，該強的垂直各向異性可以用于使具有兩個磁狀態(tài)的自由層沿著垂直易軸放置，所以這兩個磁狀態(tài)在圖2中向上和向下。對于這樣的器件，還使用一個或多個垂直固定層。
[0040]除了傳載寫入電流之外，導體222和224還用作用于MRAM器件200的數(shù)據(jù)讀取導體。在這一點上，可以根據(jù)傳統(tǒng)技術讀取MRAM器件200中的數(shù)據(jù):小電流流過MRAM器件200和電極224，并且對該電流進行測量以確定MRAM器件200的電阻是相對高還是相對低。讀取電流遠小于通過自旋扭矩切換自由層所需的電流，以便避免由讀取單元(cell)而引起的干擾。
[0041]在實踐中，MRAM器件200可以利用替代的和/或額外的元件，并且圖2中所描繪的元件中的一個或多個可以被實現(xiàn)為子元件的復合結構或組合。圖2中所示的層的特定布置僅表示本發(fā)明的一個合適的實施例。
[0042]在制造MRAM結構200期間，按次序沉積或以其它方式形成每個后續(xù)層(S卩，層222、212、214、216、228、226、213、220、210、202、208、232、230、234、244、224)，并且根據(jù)半導體行業(yè)中已知的各種傳統(tǒng)技術中的任何一種，通過選擇性沉積、光刻處理和蝕刻來限定每個MRAM位元。在各個固定磁層和自由磁層的沉積期間，可以提供磁場以設置層的優(yōu)選的易磁化軸(即，經由感應各向異性)。類似地，在沉積后的高溫退火步驟期間所施加的強磁場可以用于感應對于任何反鐵磁釘扎材料的優(yōu)選的釘扎方向和優(yōu)選的易軸。
[0043]在形成MRAM位元中，期望向下蝕刻穿過層224、244、234、230、232、208和202，到達下隧道勢壘210 ;然而，用于蝕刻穿過自由層202的蝕刻材料可以使上隧道勢壘208氧化或受損。為了保護上隧道勢壘，根據(jù)第一示例性實施例，使用蝕刻-封裝-蝕刻處理。
[0044]參照圖3，蝕刻化學制劑(chemistry) 302 蝕刻穿過層 224、244、234、230、232、208，創(chuàng)建MRAM位元304。例如，通過在自由層處跟蹤蝕刻化學制劑中的鎂痕量(trace)來停止該蝕刻。封裝材料402 (圖4)沉積在層224、244、234、230、232、208的側壁404上，并且可選地沉積在自由層202的表面406 (其可以被稱為場)上。封裝材料可以是例如鋁、氮化硅、氧化硅或鎂。隨后可以使封裝材料氧化。
[0045]在垂直方向502上執(zhí)行第二蝕刻(圖5)以從自由層202的表面406蝕刻掉封裝材料402并且蝕刻掉自由層202，以暴露下隧道勢壘210。側壁404上的封裝材料402保護上隧道勢壘208在第二蝕刻期間不受損。另外，可以通過控制封裝層402和404的厚度來相對于下隧道勢壘210控制上隧道勢壘208的截面面積。優(yōu)選地，下隧道勢壘具有比上隧道勢壘的截面面積大I倍、小5倍的截面面積。
[0046]參照圖6，用于制造具有雙隧道勢壘的磁器件的方法600包括:在基板上方形成602第一電極；在第一電極上方形成604第一隧道勢壘；在第一隧道勢壘上方形成606自由磁層；在自由磁層上形成608第二隧道勢壘；在第二隧道勢壘上方形成610第二電極；穿過第二電極的第一部分和第二隧道勢壘的第一部分、至少到達自由磁層執(zhí)行612第一蝕刻(自由磁層也可以被部分或完全蝕刻)，其中，第二隧道勢壘和第二電極的第二部分限定側壁；在側壁上形成614封裝材料；并且執(zhí)行616第二蝕刻以移除自由層的暴露部分及其上的封裝材料。
[0047]在本領域(例如，美國專利N0.7，605，437)中已知的是，可以存在消除頂部釘扎層244并改為設計電極204以作為“非釘扎”SAF工作的優(yōu)點?？梢酝ㄟ^將磁非對稱性設計到結構中，諸如SAF232與234的鐵磁層之間的矩不平衡，來設置非釘扎SAF的磁取向。盡管圖5的雙自旋過濾器器件具有自旋扭矩和加熱效應來自兩個隧道勢壘層208、210的對稱結構，但是下面(圖7-10)描述的雙隧道勢壘器件具有自旋扭矩效應僅來自一個隧道勢壘層、而加熱效應來自兩個隧道勢壘層的非對稱結構。
[0048]圖7是另一示例性實施例的MRAM器件700的側截面圖，其中，隧道勢壘208和下面的層(包括層222、212、214、216、228、226、210、202)類似于圖2-5的前面的實施例中所描述的那些(DTB結構典型地將僅具有兩個磁層，導致如前面描述的實施例中所示的那樣層213和220被從電極206移除)。根據(jù)本實施例700，非鐵磁層730形成在隧道勢壘208上，導體224形成在非鐵磁層730上方。該雙隧道勢壘結構不是雙自旋過濾器，因為它具有使隧穿電子僅在一側極化的鐵磁層。然而，發(fā)現(xiàn)，由隧道勢壘208形成的頂部隧道結使得切換自由層所需的臨界電流Ic能夠顯著減小，即使頂部電極730不是鐵磁的。改進可以由隧穿隧道勢壘208的電子對自由層的磁加熱、以及由頂部隧道勢壘208與自由層202的表面之間的界面造成的垂直界面各向異性而引起。由于頂部電極730不是鐵磁的，所以由隧道勢壘208形成的結的磁阻(MR)為零，并且該結將是雙隧道勢壘器件中的非主導結(non-dominant junction)。雙勢魚結構700是有用的，因為它提供雙自旋過濾器結構200的許多益處，但是具有更簡單、更薄的頂部電極，從而使得材料疊層構圖到器件中會容易得多。如本行業(yè)的技術人員已知的，在另一示例性實施例中可替代地，底部電極206可以在隧道勢壘208上方，而非鐵磁層730將位于隧道勢壘210下方。
[0049]在形成MRAM位元804 (圖8)中，期望向下蝕刻穿過層224、730、702，到達下隧道勢壘210 ;然而，用于蝕刻穿過自由層202的蝕刻材料可以使上隧道勢壘208的邊緣氧化或受損。為了保護上隧道勢壘，根據(jù)第一示例性實施例，使用蝕刻-封裝-蝕刻處理。
[0050]參照圖8，蝕刻化學制劑302蝕刻穿過層224、730，創(chuàng)建MRAM位元804。例如，通過在自由層處跟蹤蝕刻化學制劑中的鎂痕量來停止該蝕刻。封裝材料902(圖9)沉積在層224,730的側壁904上，并且沉積在自由層202的表面706 (其可以被稱為場)上。封裝材料可以是例如氮化硅或鎂，但是優(yōu)選地是鋁。隨后可以使封裝材料氧化。
[0051]在垂直方向1002上執(zhí)行第二蝕刻(圖10)以從自由層202的表面706蝕刻掉封裝材料902并且蝕刻掉自由層202，以暴露下隧道勢壘210?？商娲?，該第二蝕刻無需準確地在下隧道勢壘210處停止，可以一點也不蝕刻下隧道勢壘210、蝕刻下隧道勢壘210的一些或全部。第二蝕刻化學制劑優(yōu)選地更具有選擇性，并且將不沖穿下隧道勢壘(蝕刻減速)。側壁904上的封裝材料902保護上隧道勢壘208在第二蝕刻期間不受損。
[0052]可能期望使兩個隧道勢壘210、208的截面面積相同，即，具有對稱性，以便防止極化電流中的不對稱性。鋁優(yōu)選作為封裝材料402，因為所期望的鋁的厚度較小。因此，上隧道勢壘208的截面面積盡管略小，但足以接近下隧道勢壘210的截面面積?？商娲?，沉積條件和封裝材料402的選擇控制兩個隧道勢壘208、210的相對大小。結果可以通過厚度和封裝材料402的選擇來選定。
[0053]圖11是例示用于制造具有高磁阻和低臨界電流密度的MRAM器件的處理1100的示例性實施例的流程圖。應當意識到，處理1100可以包括任何數(shù)量的額外的或替代的任務，圖11中所示的任務無需以所例示的順序執(zhí)行，并且處理1100可以融入到具有本文中沒有詳細描述的額外的功能的更全面的過程或處理中。而且，可以從處理1000的實施例省去圖11中所示的任務中的一個或多個，只要所意圖的總體功能保持完整無缺即可。
[0054]用于形成具有第一隧道勢壘與第二隧道勢壘之間的自由層以及第二隧道勢壘上方的電極的雙隧道勢壘磁元件的方法1100包括:蝕刻1102穿過電極和第二隧道勢壘兩者的第一部分到達自由磁層以暴露自由層的第一部分，其中，自由層的第二部分上方的第二隧道勢壘和第二電極的第二部分限定側壁；在側壁和自由層的第一部分上形成1104封裝材料；并且蝕刻掉1106自由層的第一部分及其上的封裝材料。
[0055]盡管已經在前面的詳細描述中呈現(xiàn)了至少一個示例性實施例，但是應當意識到，存在大量的變型。還應當意識到，一個示例性實施例或多個示例性實施例僅僅是示例，并非意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍、適用性和配置。相反，前面的詳細描述將為本領域技術人員提供用于實現(xiàn)本發(fā)明的示例性實施例的傳統(tǒng)線路圖，要理解，可以在不脫離如所附權利要求中所闡述的本發(fā)明的范圍的情況下在示例性實施例中所描述的元件的功能和布置上進行各種改變。
【權利要求】
1.一種在基板上制造磁元件的方法，所述磁元件包括: 在所述基板上方形成第一電極； 在所述第一電極上方形成第一隧道勢壘； 在所述第一隧道勢壘上方形成自由磁層； 在所述自由磁層上形成第二隧道勢壘； 在所述第二隧道勢壘上方形成第二電極； 穿過所述第二電極的第一部分并且部分地穿過所述第二隧道勢壘的第一部分執(zhí)行第一蝕刻，以暴露所述第二隧道勢壘的限定場的表面； 其中，所述第二電極和所述第二隧道勢壘的第二部分限定側壁； 在所述側壁和所述場上形成封裝材料；以及 穿過所述場中的封裝材料并且穿過所述自由層的第一部分和所述第二隧道勢壘的第一部分的剩余部分執(zhí)行第二蝕刻。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括使所述封裝材料氧化。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，形成所述封裝材料包括由從包含氮化硅和氧化硅的組中選擇的材料中的一種形成所述封裝材料。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，形成所述封裝材料包含形成氧化鋁。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，形成所述封裝材料包含形成氧化鎂。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，執(zhí)行所述第一蝕刻包括利用從包含CHF3、Cl或HBr的組中選擇的化學制劑中的一種進行蝕刻。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括在與所述自由磁層相對的一側形成鄰近所述第一隧道勢壘的第一固定磁層，并且在與所述磁自由層相對的一側形成鄰近于所述第二隧道勢壘的第二固定磁層。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述自由磁層的第一部分具有大于所述第二隧道勢壘的面積的I倍且小于所述第二隧道勢壘的面積的5倍的面積。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，執(zhí)行第一蝕刻限定所述第二隧道勢壘和所述第二電極中電流被約束通過的區(qū)域，執(zhí)行第二蝕刻限定所述自由磁層的區(qū)域。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括在與所述自由磁層相對的一側形成鄰近所述第一隧道勢壘的固定磁層。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括在與所述自由磁層相對的一側形成鄰近所述第二隧道勢壘的第一固定磁層。
12.—種在基板上制造磁元件的方法,所述磁元件包括: 在所述基板上方形成第一電極； 在所述第一電極上方形成第一隧道勢壘； 在所述第一隧道勢壘上方形成自由磁層； 在所述自由磁層上形成第二隧 道勢壘； 在所述第二隧道勢壘上方形成第二電極； 穿過所述第二電極的第一部分、穿過所述第二隧道勢壘的第一部分并且部分地穿過所述自由磁層的第一部分執(zhí)行第一蝕刻，以暴露所述自由磁層的限定場的表面； 其中，所述第二電極、所述第二隧道勢壘以及所述自由磁層的第二部分限定側壁；在所述側壁和所述場上形成封裝材料；以及 穿過所述場中的封裝材料并且穿過所述自由層的剩余的第一部分執(zhí)行第二蝕刻。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中，形成所述封裝材料包含形成氧化鋁。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中，形成所述封裝材料包括由從包含氮化硅和氧化硅的組中選擇的材料中的一種形成所述封裝材料。
15.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中，形成所述封裝材料包含形成氧化鎂。
16.根據(jù)權利要求12所述的方法，還包括在與所述自由磁層相對的一側形成鄰近所述第一隧道勢壘的第一固定磁層，并且在與所述自由磁層相對的一側形成鄰近于所述第二隧道勢壘的第二固定磁層。
17.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中，所述自由磁層的第二部分具有等于所述自由磁層的第一部分的面積的I倍且小于所述自由磁層的第一部分的面積的5倍的面積。
18.根據(jù)權利要求12所述的方法，還包括在與所述自由磁層相對的一側形成鄰近所述第一隧道勢壘的固定磁層。
19.根據(jù)權利要求12所述的方法，還包括在與所述自由磁層相對的一側形成鄰近所述第二隧道勢壘的第一固定磁層。
20.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中，執(zhí)行第一蝕刻限定所述第二隧道勢壘、所述第二電極以及所述自由層的第一部分中電流被約束通過的區(qū)域，執(zhí)行第二蝕刻限定所述自由磁層的第二部分的區(qū)域。
21.—種形成在基板上的磁元件，所述基板具有限定平面的表面，所述磁元件包括: 在所述表面上的第一電極； 在所述第一電極上方的第一隧道勢壘，所述第一電極和所述第一隧道勢壘包括第一部分和第二部分； 覆蓋所述基板的第二部分且具有平行于所述平面的第一尺寸的、所述第一隧道勢壘上方的自由磁層； 在所述自由磁層上方的第二隧道勢壘； 在所述第二隧道勢壘上方的第二電極，所述第二隧道勢壘和所述第二電極限定側壁；以及 在所述側壁上的封裝材料， 其中，所述第二電極和所述第二隧道勢壘具有平行于所述平面的、等于或小于所述第一尺寸的第二尺寸。
22.根據(jù)權利要求21所述的磁元件，其中，所述封裝材料包含氧化材料。
23.根據(jù)權利要求21所述的磁元件，其中，所述封裝材料包括從包含氮化硅和氧化硅的組中選擇的材料中的一種。
24.根據(jù)權利要求21所述的磁元件，其中，所述封裝材料包含氧化鋁。
25.根據(jù)權利要求21所述的磁元件，其中，所述封裝材料包含氧化鎂。
26.根據(jù)權利要求21所述的磁元件，其中，所述第一電極包括在與所述自由磁層相對的一側鄰近所述第一隧道勢壘的第一固定磁層，并且所述第二電極包括在與所述自由磁層相對的一側鄰近所述第二隧道勢壘的第二固定磁層。
27.根據(jù)權利要求21所述的磁元件，其中，所述自由磁層具有多于所述第二隧道勢壘的面積的1倍且小于所述第二隧道勢壘的面積的5倍的面積。
【文檔編號】G11C11/15GK103946997SQ201280057583
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年10月1日 優(yōu)先權日:2011年9月30日
【發(fā)明者】S·阿加沃爾, K·納蓋爾, J·簡斯基 申請人:艾沃思賓技術公司