本發(fā)明是關(guān)于一種電子裝置，尤其關(guān)于具有復(fù)數(shù)垂直堆棧之磁穿隧接面之三維磁穿隧接面數(shù)組。

背景技術(shù)：

1975年業(yè)界發(fā)現(xiàn)穿隧式磁阻(TMR)效應(yīng)。此效應(yīng)是在一磁穿隧接面中被觀察到，所謂的「磁穿隧接面」是由兩鐵磁體及包夾于兩鐵磁體之間的一穿隧阻障層所構(gòu)成。從此之后，許多不同的電子裝置應(yīng)用便大量研究磁穿隧接面?；诖糯┧斫用娴膬纱笾饕獞?yīng)用為硬盤的讀寫頭以及新式的非揮發(fā)性內(nèi)存MRAM(磁性隨機(jī)存取內(nèi)存)。為了滿足快速增長的高儲存容量及低成本的需求，業(yè)界總是在縮小電子組件中的線寬、節(jié)距及薄膜厚度(大致而言，縮小技術(shù)節(jié)點(diǎn))，藉此增加單一芯片中的組件密度及降低每一芯片的成本。然而，隨著組件微縮日漸接近物理極限，業(yè)界面對無法再更進(jìn)一步微縮的困境。因此，業(yè)界需要一種能在相同芯片大小及技術(shù)節(jié)點(diǎn)下增加組件密度的組件設(shè)計方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了在相同芯片大小及技術(shù)節(jié)點(diǎn)下增加組件密度，本發(fā)明提供各種方法、組件單元及數(shù)組。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明之一態(tài)樣提供一種電子裝置，其包含一第一電極、一固定層、一U形自由層、夾置于該固定層與該U形自由層之間的一穿隧層、及嵌于該U形自由層中的一第二電極。該第一電極具有一軸向，該軸向沿著實質(zhì)上垂直于一基板之一主動表面的一方向延伸。該固定層、該穿隧層、及該U形自由層是設(shè)于該第一電極與該第二電極之間并構(gòu)成一磁穿隧接面。

根據(jù)本發(fā)明之一實施例，該U形自由層具有一垂直部，該垂直部是沿著實質(zhì)上垂直于該主動表面的該方向延伸。該垂直部與該固定層之磁化方向可實質(zhì)上平行或垂直于該主動表面。

根據(jù)本發(fā)明之一實施例，該電子裝置更包含該基板上的一通孔及實質(zhì)上垂直于該主動表面的一溝槽。該固定層是順形地設(shè)置于該通孔的內(nèi)表面上且該第一電極填滿該通孔。一凹穴及一另一凹穴沿著不同水平位準(zhǔn)自該溝槽突伸。該U形自由層是順形地設(shè)置于該凹穴的內(nèi)表面上，一另一U形自由層是順形地設(shè)置于該另一凹穴的內(nèi)表面上。一另一第二電極是嵌于該另一U形自由層中。該固定層、該穿隧層、該U形自由層及該另一U形自由層構(gòu)成垂直堆棧之復(fù)數(shù)磁穿隧接面。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明之另一態(tài)樣提供一種電子裝置，其包含一第一電極、一固定層、一U形自由層、夾置于該固定層與該U形自由層之間的一U形穿隧層、及嵌于該U形自由層中的一第二電極。該第一電極具有一軸向，該軸向沿著實質(zhì)上垂直于一基板之一主動表面的一方向延伸。該固定層、該U形穿隧層、及該U形自由層是設(shè)于該第一電極與該第二電極之間并構(gòu)成一磁穿隧接面。

根據(jù)本發(fā)明之一實施例，該U形自由層具有一垂直部，該垂直部是沿著實質(zhì)上垂直于該主動表面的該方向延伸。該垂直部與該固定層之磁化方向可實質(zhì)上平行或垂直于該主動表面。

根據(jù)本發(fā)明之一實施例，該電子裝置更包含該基板上的一通孔及實質(zhì)上垂直于該主動表面的一溝槽。該固定層是順形地設(shè)置于該通孔的內(nèi)表面上且該第一電極填滿該通孔。一凹穴及一另一凹穴沿著不同水平位準(zhǔn)自該溝槽突伸。該U形穿隧層與該U形自由層是順形地設(shè)置于該凹穴的內(nèi)表面上，一另一U形穿隧層與一另一U形自由層是順形地設(shè)置于該另一凹穴的內(nèi)表面上。一另一第二電極是嵌于該另一U形自由層中。該固定層、該U形穿隧層、該U形自由層、該另一U形穿隧層、及該另一U形自由層構(gòu)成垂直堆棧之復(fù)數(shù)磁穿隧接面。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明之更另一態(tài)樣提供一種三維磁穿隧接面數(shù)組，其包含一第一電極、一固定層之一第一部分、一第一自由層、夾置于該固定層之該第一部分與該第一自由層之間的一穿隧層之一第一部分、一第二電極之一第一部分、該固定層之一第二部分、一第二自由層、夾置于該固定層之該第二部分與該第二自由層之間的該穿隧層之一第二部分、及該第二電極之一第二部分。該第一電極具有一軸向，該軸向沿著實質(zhì)上垂直于一基板之一主動表面的一方向延伸。該固定層之該第一部分、該穿隧層之該第一部分、及該第一自由層是設(shè)置于該第一電極與該第二電極之該第一部分之間并構(gòu)成一第一磁穿隧接面。該固定層之該第二部分、該穿隧層之該第二部分、及該第二自由層是設(shè)置于該第一電極與該第二電極之該第二部分之間并構(gòu)成一第二磁穿隧接面。該第一磁穿隧接面與該第二磁穿隧接面是沿著該第一電極垂直堆棧。

根據(jù)本發(fā)明之一實施例，該三維磁穿隧接面數(shù)組更包含該基板上之一通孔。該固定層與該穿隧層是順形地設(shè)置于該通孔的內(nèi)表面上且該第一電極填滿該通孔。

根據(jù)本發(fā)明之一實施例，該三維磁穿隧接面數(shù)組更包含該基板上的一溝槽，一第一凹穴與一第二凹穴是沿著不同水平位置自該溝槽突伸。該第一自由層為U形且是順形地形成于該第一凹穴的內(nèi)表面上。該第二自由層為U形且是順形地形成于該第二凹穴的內(nèi)表面上。

為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)更能明顯易懂，下文將以實施例并配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下。需注意的是，所附圖式中的各組件僅是示意，并未按照各組件的實際比例進(jìn)行繪示。

附圖說明

圖1、2A、3A、4A、5A、6A、7A及8為沿著上視圖11-16之裁切線A-A’裁切所獲得之橫剖面圖，其例示根據(jù)本發(fā)明第一實施例之三維磁穿隧接面數(shù)組(3D MTJ數(shù)組)的制造方法，其中第一電極是于第二電極之前形成。

圖1、2B、3B、4B、5B、6B、7B及8為沿著上視圖11-16之裁切線A-A’裁切所獲得之橫剖面圖，其例示根據(jù)本發(fā)明第二實施例之3D MTJ數(shù)組的制造方法，其中第一電極是于第二電極之后形成。

圖8為根據(jù)本發(fā)明一實施例之一3D MTJ數(shù)組的橫剖面圖。

圖9為根據(jù)本發(fā)明之第三實施例之3D MTJ數(shù)組制造方法所制造之3D MTJ數(shù)組的橫剖面圖，其中穿隧層是形成于復(fù)數(shù)溝槽中而非形成于復(fù)數(shù)通孔中。

圖10顯示根據(jù)本發(fā)明之一實施例之圖8中之3D MTJ數(shù)組的一磁穿隧接面單元(MTJ單元)的概略橫剖面圖。

圖11-12顯示根據(jù)本發(fā)明之一實施例之圖8中之3D MTJ數(shù)組沿著不同水平位準(zhǔn)所取的概略布局上視圖及剖面圖。

圖13-14顯示根據(jù)本發(fā)明之另一實施例之圖8中之3D MTJ數(shù)組沿著不同水平位準(zhǔn)所取的概略布局上視圖及剖面圖。

圖15-16顯示根據(jù)本發(fā)明之更另一實施例之圖8中之3D MTJ數(shù)組沿著不同水平位準(zhǔn)所取的概略布局上視圖及剖面圖。

具體實施方式

下面將詳細(xì)地說明本發(fā)明的較佳實施例，舉凡本文中所述的組件、組件子部、結(jié)構(gòu)、材料、配置等皆可不依說明的順序或所屬的實施例而任意搭配成新的實施例，此些實施例當(dāng)屬本發(fā)明之范疇。

本發(fā)明的實施例及圖示眾多，為了避免混淆，類似的組件是以相同或相似的標(biāo)號示之；為避免畫面過度復(fù)雜及混亂，重復(fù)的組件僅標(biāo)示一處，他處則以此類推。又，在詳細(xì)的上視圖或橫剖面圖中僅顯示部分布局圖案作為例示，但熟知此項技藝者當(dāng)了解，完整的布局圖案可包含復(fù)數(shù)所示之部分布局圖案及其他未顯示的布局圖案。

本申請案中所討論的所有磁穿隧接面(MTJ)、磁穿隧接面單元(MTJ單元)、及三維磁穿隧接面數(shù)組(3D MTJ數(shù)組)，無論是其本身或是其與電子組件如晶體管、電阻、電容器、或不同功能之電路的組合，皆被視為是電子裝置且落在本發(fā)明的發(fā)明范疇內(nèi)。

現(xiàn)參考圖1、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8及圖11-16討論本發(fā)明之第一實施例。圖1、2A、3A、4A、5A、6A、7A與8為沿著上視圖11-16之裁切線A-A’裁切所獲得之橫剖面圖，其例示根據(jù)本發(fā)明第一實施例之3D MTJ數(shù)組的制造方法，其中第一電極是于第二電極之前形成。圖11-12顯示根據(jù)本發(fā)明之一實施例之圖8中之3D MTJ數(shù)組沿著不同水平位準(zhǔn)所取的概略布局上視圖及剖面圖。圖13-14顯示根據(jù)本發(fā)明之另一實施例之圖8中之3D MTJ數(shù)組沿著不同水平位準(zhǔn)所取的概略布局上視圖及剖面圖。圖15-16顯示根據(jù)本發(fā)明之更另一實施例之圖8中之3D MTJ數(shù)組沿著不同水平位準(zhǔn)所取的概略布局上視圖及剖面圖。

首先參考圖1，提供具有主動表面101的基板100。在一實施例中，基板100為單晶硅基板。在各種實施例中，基板100可以是絕緣層上覆硅(SOI)基板，或是在集成電路制造過程中任何階段期間的半完成晶圓。在主動表面101上沿著實質(zhì)上平行主動表面101的不同水平位準(zhǔn)形成復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a’、200b’)、(200a”、200b”)。膜層200’代表選擇性提供之額外數(shù)組雙層200a與200b。膜層200a、200a’、200a”使用第一介電材料而膜層200b、200b’、200”使用第二介電材料且第一介電材料是不同于第二介電材料，因此膜層200a、200a’、200a”又被稱為第一介電層200a、200a’、200a”而膜層200b、200b’、200”又被稱為第二介電層200b、200b’、200”。第一介電材料「不同于」第二介電材料是指具有/不具有摻質(zhì)的相同材料、具有/不具有孔隙的相同材料、具有不同結(jié)晶取向的相同材料、或不同材料。在一實施例中，交替堆棧的第一介電層200a、200a’、200a”與第二介電層200b、200b’、200”在相同蝕刻條件下如相同的蝕刻劑(復(fù)數(shù)蝕刻劑)及/或相同壓力及/或射頻功率下可具有高蝕刻選擇比。例如，第一介電層可包含氧化物材料如二氧化硅(SiO2)、旋涂玻璃(spin-on glass,SOG)、由四乙氧基硅烷(TEOS)所制成的氧化硅、富氧之氧化硅、或上述者的任意組合，第二介電層可包含氮化物或碳化物材料如氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、碳化硅(SiC)、碳氧化硅(SiOC)、碳氮化硅(SiCN)、或上述者的任意組合。例如，第一介電層可包含一種低介電常數(shù)(low-k)材料如美商應(yīng)用材料所開發(fā)之商品black dimondTM、美商陶式化學(xué)所開發(fā)之商品SiLKTM、SiOC(碳氧化硅)、含氟或孔洞之氧化硅、或上述者的任意組合，第二介電層可包含另一種低介電常數(shù)(low-k)材料。本文中所用之「低介電常數(shù)(low-k)」一詞是指低于二氧化硅之介電常數(shù)(約3.9)的介電常數(shù)值。一般而言，選擇第二介電層(200b、200b’、200”)所用之第二介電材料時應(yīng)考慮其介電常數(shù)(k值)、黏著性(adhesion ability)、結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度、及是否可被濕式蝕刻劑所蝕刻等因素。在一實施例中，第一介電層(200a、200a’、200a”)的每一層及第二介電層(200b、200b’、200”)的每一層在剛沉積完時皆具有相同的厚度。在另一實施例中，第一介電層(200a、200a’、200a”)的每一層在剛沉積完時具有第一沉積厚度，第二介電層(200b、200b’、200”)的每一層在剛沉積完時具有第二沉積厚度，且第一沉積厚度是不同于第二沉積厚度。文中所用之「剛沉積完時具有…沉積厚度」是指在沉積完成后立即量測到的厚度，其不同于在沉積完成后又進(jìn)行了進(jìn)一步處理后所量測到的厚度，其中進(jìn)一步處理例如是UV固化、熱處理、濕式清理、氧化處理、氮化處理、電漿處理、及/或其他處理如蝕刻處理、及/或研磨處理。又，本發(fā)明不限于第一介電層與第二介電層的重復(fù)堆棧，本發(fā)明尚包含具有至少第一介電層與第二介電層的薄膜堆棧。例如，第一介電層、第二介電層、及第三介電層的重復(fù)堆棧亦落入本發(fā)明的范疇內(nèi)。例如，第二介電層可包含具有不同特性及/或功能的復(fù)數(shù)種介電材料/介電層。

接著參考圖2A與圖11，藉由至少一干式蝕刻制程尤其是異向性干式蝕刻制程形成貫穿復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a’、200b’)、(200a”、200b”)并暴露基板100的復(fù)數(shù)通孔H1-Hn(圖11的部分布局上視圖中僅顯示通孔H1-H9，圖2A的部分橫剖面圖中僅顯示通孔H1與H2)。數(shù)字n為代表所形成之通孔之?dāng)?shù)目的整數(shù)。通孔H1-Hn延著實質(zhì)上垂直于基板100之主動表面101的軸向延伸且在上視圖中可具有例如如圖11中所示的矩形形狀(后續(xù)將配合圖11-16詳細(xì)討論)。值得注意的是，由于各種制程變異，通孔H1-Hn的內(nèi)表面可能并非如圖2A中所示地平坦且垂直于主動表面101。例如，通孔H1-Hn的內(nèi)表面可能會因為第一介電材料與第二介電材料之間的些許蝕刻率差異而呈鋸齒狀。例如，通孔H1-Hn的內(nèi)表面可能會因為用以蝕刻高深寬比之通孔H1-Hn的特定蝕刻程序而呈圓齒狀(scalloped)。例如，通孔H1-Hn的內(nèi)表面可能會因為蝕刻所造成的傾斜輪廓(tapered profile)而不完全垂直于主動表面101。然而在一較佳實施例中，選擇用以形成通孔H1-Hn的蝕刻條件俾使通孔H1-Hn的內(nèi)表面為平滑的且在第一介電層(200a、200a’、200a”)與第二介電層(200b、200b’、200b”)之間的邊界處為連續(xù)的。亦值得注意的是，由于光學(xué)效應(yīng)及/或其他因素，在微影及蝕刻制程后所得到之通孔H1-Hn在上視圖中的真實形狀可能不是完美的矩形。例如，通孔H1-Hn在上視圖中具有圓角化的形狀如圓角化的矩形。

接下來參考圖3A及圖11，依序?qū)⒋┧韺?01、固定層302、選擇性的反鐵磁層(AFM層)303及選擇性的緩沖層304順形地形成在通孔H1-Hn的內(nèi)表面上。穿隧層301可包含氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、或可在MTJ中提供穿隧層功能的任何材料。穿隧層301應(yīng)為厚度均勻的薄層，其厚度可介于數(shù)埃至數(shù)奈米之間。由于MTJ單元的穿隧阻抗是主要受到穿隧層的質(zhì)量與厚度所支配，穿隧層301在整個基板100各處及每一通孔內(nèi)應(yīng)具有極均勻的厚度且應(yīng)避免小孔與腫塊的存在，以在MTJ數(shù)組的復(fù)數(shù)MTJ單元之間達(dá)到最小的阻抗差異。固定層302可包含鐵磁材料如鈷-鐵-硼(CoFeB)三元材料、鈷-鐵-鉭(CoFeTa)三元材料、鎳-鐵(NiFe)二元材料、鈷(Co)、鈷-鐵(CoFe)二元材料、鈷-鉑(CoPt)二元材料、鈷-鈀(CoPd)二元材料、鐵-鉑(FePt)二元材料、鎳(Ni)、鈷(Co)與鐵(Fe)的合金、或具有高磁穿隧效應(yīng)與高磁異向性的任何鐵磁材料。AFM層303包含反鐵磁材料如含錳(Mn)材料且是與固定層302反鐵磁地耦合，以在固定層達(dá)到固定的磁化方向且自遠(yuǎn)處觀察幾乎零凈磁矩。固定層亦可選擇性的以兩層或兩層以上的鐵磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)(heterostructure)所組成。選擇性的緩沖層304可包含非磁性材料如釕(Ru)及/或鉭(Ta)以作為AFM層303與后續(xù)形成之第一電極(后續(xù)將參考圖3A討論之)之間的黏著層及/或阻障層。穿隧層301、固定層302、選擇性的AFM層303及選擇性的緩沖層304可藉由化學(xué)氣相沉積制程尤其是原子層沉積制程或藉由物理氣相沉積尤其是平面磁控濺射制程或離子束沉積制程所形成。

再次參考圖3A及圖11，形成第一導(dǎo)電材料填充通孔H1-Hn并進(jìn)行至少一平坦化制程如化學(xué)機(jī)械研磨制程以移除通孔H1-Hn外多余的穿隧層301、固定層302、選擇性的AFM層303、選擇性的緩沖層304及第一導(dǎo)電材料，藉此在基板100各處達(dá)到全局平坦的表面并形成填充于通孔H1-Hn中的復(fù)數(shù)圖案化第一電極305。意即，穿隧層301、固定層302、選擇性的AFM層303、選擇性的緩沖層304及復(fù)數(shù)第一電極305的裸露表面實質(zhì)上與第二介電層200b”的上表面切齊。由于在化學(xué)機(jī)械研磨制程期間常會進(jìn)行過研磨(over polishing)以確保通孔外的材料皆被移除，第二介電層200b”在化學(xué)機(jī)械研磨制程后可能會有些許的厚度損失。為了避免補(bǔ)償?shù)诙殡妼?00b”在化學(xué)機(jī)械研磨后的厚度損失，可增加第二介電層200b”的沉積厚度，使其比第二介電層200b’的厚度更厚。意即，第二介電層200b”可比第二介電層200b’更厚，因此亦比第二介電層200b更厚。第一導(dǎo)電材料可為集成電路之內(nèi)聯(lián)機(jī)常用之具有低電阻率的導(dǎo)電材料如摻雜多晶硅、鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)、上述者的合金、或III-V族組件或內(nèi)存組件之電極常用的導(dǎo)電材料如鉻-金(CrAu)二元材料或鋁-金(AlAu)二元材料。第一導(dǎo)電材料可藉由電鍍制程、真空鍍膜制程、或化學(xué)氣相沉積制程所形成。由于欲移除復(fù)雜的薄膜堆棧(301-305)，因此可能必須采用多個化學(xué)機(jī)械研磨制程或具有不同研磨條件的多步驟化學(xué)機(jī)械研磨制程以達(dá)到高產(chǎn)量與均勻移除，其中上述之研磨條件例如是研漿種類、下壓力、及/或pH值。

接下來參考圖4A及圖11，藉由至少一干式蝕刻制程尤其是異向性干式蝕刻制程在復(fù)數(shù)通孔旁形成貫穿復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a’、200b’)、(200a”、200b”)并暴露基板100的復(fù)數(shù)溝槽T1-Tm(圖11之部分布局上視圖中僅顯示溝槽T1-T2，圖4A中僅顯示一溝槽T1)。數(shù)字m為代表所形成之溝槽之?dāng)?shù)目的整數(shù)且其可與數(shù)字n相同或相異。溝槽T1-Tm延著實質(zhì)上垂直于基板100之主動表面101的軸向延伸且在上視圖中可具有例如如圖11中所示的矩形形狀。溝槽T1-Tm在上視圖與橫剖面圖中的形狀可能會受到上述類似的制程變異與因素所影響(請參考形成通孔H1-Hn的段落)，導(dǎo)致其在橫剖面圖中不完美的側(cè)壁輪廓及上視圖中的不完美形狀。

現(xiàn)參考圖11-16，其提供復(fù)數(shù)溝槽與復(fù)數(shù)通孔之不同局部布局實例。值得注意的是，此些布局沿著裁切線所取的橫剖面圖是相同的。又，布局圖11-16中所示之布局與結(jié)構(gòu)可以相同的方法(即圖1、2A、3A、4A、5A、6A、7A與8所例示之方法、或圖1、2B、3B、4B、5B、6B、7B與8所例示之方法)但不同的光罩制造，其中光罩能將對應(yīng)的布局圖案轉(zhuǎn)移至材料層。圖11-16的布局與結(jié)構(gòu)亦可以圖9所代表的方法制造。因此，除非特別說明，否則此些布局所共享的方法步驟將參考圖11-12解釋且此些方法步驟可應(yīng)用至所有布局。復(fù)數(shù)溝槽與復(fù)數(shù)通孔之一例示性布局中，一溝槽可對應(yīng)至復(fù)數(shù)通孔。例如，如圖11之局部布局圖中所示，一矩形溝槽T1可被兩行通孔(通孔H1、H2、H4、H5、H7與H8)所包夾。復(fù)數(shù)溝槽與復(fù)數(shù)通孔可以其他方式配置。例如，如圖13中所示，復(fù)數(shù)行溝槽如(T1’、T3’、T5’)及(T2’、T4’、T6’)與復(fù)數(shù)行通孔如(H1’、H4’、H7’)、(H2’、H5’、H8’)及(H3’、H6’、H9’)是交替配置。例如，如圖15中所示，一矩形溝槽T4”可被至少四個矩形通孔H2”、H4”、H5”與H7”所圍繞。每一矩形溝槽T1’-Tq’(T1”-Tx”，其中q與x為整數(shù))及每一矩形通孔H1’-Hr’(H1”-Hy”，其中r與y為整數(shù))可具有相同的尺寸如上視圖中的面積或長寬?；蛘呷鐖D11中所示，每一矩形溝槽T1-Tm與每一矩形通孔H1-Hn可具有不同的尺寸。在圖4A與圖11的情況中，一溝槽是小于一通孔。然而，本發(fā)明并不限于上述列舉的情況，本發(fā)明可采用各種形狀、尺寸、數(shù)目、及排列之溝槽與通孔的組合。

接下來參考圖5A及圖11-16，進(jìn)行至少一等向性蝕刻尤其是濕式蝕刻以經(jīng)由溝槽T1-Tm(圖5A中僅顯示一溝槽T1)選擇性地移除部分的復(fù)數(shù)第一介電層(200a、200a’、200a”)。在一較佳實施例中，此濕式蝕刻對于第一介電層具有高蝕刻率但對于第二介電層(200b、200b’、200b”)只有極低的蝕刻率。如圖5A中所示，在圍繞溝槽T1-Tm之部分復(fù)數(shù)第一介電層之區(qū)域處形成凹穴1-p(圖5A中僅顯示凹穴1-6)。數(shù)字p為代表形成之凹穴之?dāng)?shù)目的整數(shù)。值得注意的是，凹穴1-6在圖5A的橫剖面圖中被顯示為彼此分離的六個獨(dú)立凹穴，但事實上在上視圖中凹穴1、凹穴2與凹穴3是分別實體連接至凹穴4、凹穴5與凹穴6(圖標(biāo)未顯示)。更具體而言，沿著第一介電層200a”的水平位準(zhǔn)取一上視圖(未顯示)，凹穴1與凹穴4為一矩形環(huán)狀空洞的兩個部分，此矩形空洞后續(xù)會被填滿且其圍繞溝槽T1；類似地沿著第一介電層200a’的水平位準(zhǔn)取一上視圖(未顯示)，凹穴2與凹穴5為一矩形環(huán)狀空洞的兩個部分，此矩形空洞后續(xù)會被填滿且其亦圍繞溝槽T1；且類似地沿著第一介電層200a的水平位準(zhǔn)取一上視圖(未顯示)，凹穴3與凹穴6為一矩形環(huán)狀空洞的兩個部分，此矩形空洞后續(xù)會被填滿且其亦圍繞溝槽T1。凹穴1-p的數(shù)目取決于復(fù)數(shù)溝槽與復(fù)數(shù)通孔的布局以及有多少組復(fù)數(shù)雙層如(200a、200b)或(200a’、200b’)或(200a”、200b”)。在圖11與12所示的實施例中，一個溝槽如溝槽T1是受到六個通孔H1、H4、H7、H2、H5與H8(排列于兩行中)夾置，因此一個矩形環(huán)狀空洞(圖標(biāo)未顯示)包含六個凹穴。在圖13與14所示的實施例中，一個溝槽如溝槽T3’受到兩個通孔H4’與H5’夾置，因此在此情況中一個矩形環(huán)狀空洞(圖標(biāo)未顯示)包含兩個凹穴。在圖15與16所示的實施例中，一個溝槽如溝槽T4”是受到四個通孔H2”、H4”、H5”與H7”夾置，因此在此情況中一個矩形環(huán)狀空洞包含四個凹穴。亦應(yīng)注意，包含復(fù)數(shù)凹穴之一空洞的形狀取決于溝槽的形狀。矩形溝槽會導(dǎo)致矩形環(huán)狀空洞。然而，由于對應(yīng)溝槽附近的環(huán)境，空洞可能不是完美的圓形或矩形。一個凹穴是由第一介電層內(nèi)的一個溝槽與一個通孔所定義。因此，一個空洞內(nèi)所形成之凹穴的數(shù)目是由緊密相鄰于一溝槽之復(fù)數(shù)通孔的數(shù)目所決定。又，凹穴1、凹穴2與凹穴3暴露出順形形成于通孔H1之內(nèi)表面之穿隧層301之一表面的不同區(qū)域，而凹穴4、凹穴5與凹穴6暴露出順形形成于通孔H2之內(nèi)表面之穿隧層301之一表面的不同區(qū)域。每一凹穴自一溝槽如溝槽T1突伸的水平凹穴深度取決于該溝槽與緊密相鄰之一通孔之間的距離。每一凹穴的垂直凹穴高度取決于對應(yīng)之第一介電層(200a、200a’、200a”)的厚度。在一較佳實施例中，溝槽T1與通孔H1之間的距離是實質(zhì)上等于溝槽T1與通孔H2之間的距離。類似地，在一較佳實施例中，在此階段中第一介電層(200a、200a’、200a”)的厚度是實質(zhì)上彼此相等。此處所指之「實質(zhì)上」一詞可涵蓋因無法避免之制程容裕/變異所造成之偏離期望結(jié)果的差異。例如，由于微影制程的對準(zhǔn)失準(zhǔn)，溝槽T1與通孔H1之間的距離可能不等于溝槽T1與通孔H2之間的距離。例如，第一介電層(200a、200a’、200a”)的厚度可能會因為沉積設(shè)備之間的調(diào)校問題而有所不同。

接下來參考圖6A，依序?qū)⒆杂蓪?01及選擇性的緩沖層402順形地形成在溝槽T1-Tm之內(nèi)表面及凹穴1-p之內(nèi)表面上。接著，形成第二導(dǎo)電材料403填充溝槽T1-Tm及凹穴1-p并進(jìn)行至少一平坦化制程如化學(xué)機(jī)械研磨制程以移除溝槽T1-Tm外多余的自由層401、選擇性的緩沖層402及第二導(dǎo)電材料403，藉此在基板100各處形成實質(zhì)上全局平坦的表面。意即，穿隧層301、固定層302、選擇性的AFM層303、選擇性的緩沖層304及第一電極305之經(jīng)研磨后的上表面以及自由層401、選擇性的緩沖層402及第二導(dǎo)電材料403之經(jīng)研磨后之上表面是與第二介電層200b”之經(jīng)研磨后的上表面切齊。自由層401可包含鐵磁材料如鈷-鐵-硼(CoFeB)三元材料、鈷-鐵-鉭(CoFeTa)三元材料、鎳-鐵(NiFe)二元材料、鈷(Co)、鈷-鐵(CoFe)二元材料、鈷-鉑(CoPt)二元材料、鈷-鈀(CoPd)二元材料、鐵-鉑(FePt)二元材料、鎳(Ni)、鈷(Co)與鐵(Fe)的合金、或具有低矯頑性與高熱穩(wěn)定性的任何鐵磁材料。自由層亦可選擇性的以兩層或兩層以上的鐵磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)(heterostructure)所組成，以增加其熱穩(wěn)定性。選擇性的緩沖層402可包含非磁性材料如釕(Ru)及/或鉭(Ta)及/或鈦(Pt)以作為自由層401與第二導(dǎo)電材料403之間的黏著層及/或阻障層。自由層401及選擇性的緩沖層402可藉由化學(xué)氣相沉積制程尤其是原子層沉積制程或藉由物理氣相沉積尤其是平面磁控濺射制程或離子束沉積制程所形成。第二導(dǎo)電材料可為集成電路之內(nèi)聯(lián)機(jī)常用之具有低電阻率的導(dǎo)電材料如摻雜多晶硅、鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)、上述者的合金、或III-V族組件或內(nèi)存組件之電極常用的導(dǎo)電材料如鉻-金(CrAu)二元材料或鋁-金(AlAu)二元材料。第二導(dǎo)電材料可藉由電鍍制程、真空鍍膜制程、或化學(xué)氣相沉積制程所形成。由于欲移除復(fù)雜的薄膜堆棧(401-403)，因此可能必須采用多個化學(xué)機(jī)械研磨制程或具有不同研磨條件的多步驟化學(xué)機(jī)械研磨制程以達(dá)到高產(chǎn)量與均勻移除。

接著參考圖7A及圖11-16，進(jìn)行至少一異向性蝕刻制程以移除填充于溝槽T1-Tm中之第二導(dǎo)電材料403以及順形形成在溝槽T1-Tm之側(cè)壁上之自由層401與選擇性的緩沖層402但留下位于凹穴1-p(圖7A中僅顯示凹穴1-6)中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402。更具體而言，在此階段，留在一個空洞中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402已和留在另一個空洞中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402彼此實體分離且電性隔離。然而，在相同空洞但不同凹穴如凹穴1與凹穴4中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402仍分別為一體的結(jié)構(gòu)。例如，包含凹穴1與凹穴4之空洞中的第二導(dǎo)電材料403為一個矩形環(huán)狀的一體結(jié)構(gòu)(未顯示于圖11-16中)。自由層401及選擇性的緩沖層402亦分別如此(未顯示于圖11-16中)。接著，在基板上形成一圖案化屏蔽如一圖案化光阻以保護(hù)復(fù)數(shù)凹穴中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402并進(jìn)行至少一蝕刻制程以移除空洞內(nèi)非凹穴處的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402。換言之，原本分別為一體結(jié)構(gòu)之每一空洞中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402已被區(qū)段化而變成離散的部件。結(jié)果如圖12、14及16中所示，一個凹穴中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402已和另一個凹穴中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402電性隔離。留在復(fù)數(shù)凹穴如凹穴1-p中的第二導(dǎo)電材料403變成了嵌于復(fù)數(shù)凹穴中的復(fù)數(shù)第二電極如第二電極4031-403p(圖7A中僅顯示第二電極4031-4036)。值得注意的是，由于圖11-12、圖13-14及圖15-16的不同布局，分別用于圖11-12、圖13-14及圖15-16的圖案化屏蔽的形狀亦可能不同。在圖11-12的實施例中，利用圖案化屏蔽來保留與通孔如通孔H1緊密相鄰之部分第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402，但移除通孔之間如通孔H1與H4之間的部分第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402。類似地，圖13-14及圖15-16的實施例中，利用圖案化屏蔽來保留與通孔如通孔H1’與H1”緊密相鄰之部分第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402，但移除通孔之間如通孔H1’與H4’之間及通孔H1”與H4”之間的部分第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402。藉此，形成在一個溝槽(一個凹穴)與一個通孔之間的一個MTJ單元可被獨(dú)立地接取(讀入、讀取等)。在圖11-12的實施例中，一個溝槽如溝槽T1被6個通孔如通孔H1、H2、H4、H5、H7與H8夾置，因此相同空洞中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402的每一者被區(qū)段化為6個子部(圖12中僅顯示兩個子部)。類似地，在圖13-14的實施例中，一個溝槽如溝槽T1’被兩個通孔如通孔H1’與H2’夾置，因此相同空洞中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402的每一者被區(qū)段化為如圖14所示的兩個子部。又類似地，在圖15-16的實施例中，一個溝槽如溝槽T1”被4個通孔如通孔H1”、H2”、H4”與圖16未顯示的另一通孔所圍繞，因此相同空洞中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402的每一者被區(qū)段化為如圖16所示的4個子部。

接著參考圖8及圖11-16，在溝槽T1-Tm中形成絕緣材料404填充溝槽T1-Tm并填充空洞內(nèi)無第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402的空間。進(jìn)行至少一平坦化制程如化學(xué)機(jī)械研磨制程以移除多余的絕緣材料404，在基板100各處達(dá)到實質(zhì)上全局平坦的表面。現(xiàn)在完成了根據(jù)本發(fā)明之第一實施例之包含復(fù)數(shù)MTJ單元如單元C1-Cp(后面將詳細(xì)討論)之3D MTJ數(shù)組。類似地，完成了根據(jù)本發(fā)明之第一實施例之針對圖13-14及圖15-16之布局的3D MTJ數(shù)組。為了完成集成電路可進(jìn)行更進(jìn)一步的制造制程如形成訊號傳遞及供給電壓用之內(nèi)聯(lián)機(jī)、形成封裝相關(guān)的接合墊與鈍化層等。MTJ單元如單元C1-Cp中的每一者皆包含復(fù)數(shù)通孔如通孔H1-Hn中之一通孔內(nèi)的部分穿隧層301、固定層302、選擇性的AFM層303、選擇性的緩沖層304與第一電極305以及嵌于復(fù)數(shù)凹穴如凹穴1-p中之一凹穴內(nèi)的部分自由層401與選擇性的緩沖層402及一第二電極。順形形成在復(fù)數(shù)凹穴如凹穴1-p中之一凹穴之內(nèi)表面上的部分自由層401被稱為一U形自由層401。類似地，順形形成在復(fù)數(shù)凹穴如凹穴1-p中之一凹穴之內(nèi)表面上的部分緩沖層402被稱為一U形緩沖層402。重要的是，為了使一第一介電層內(nèi)的第二電極如第一介電層200a內(nèi)的第二電極4033與4036和另一第一介電層內(nèi)的第二電極如第一介電層200a’內(nèi)的第二電極4032與4035實體分離且電性隔離，必須要完全移除溝槽如溝槽T1-Tm中尤其是位于復(fù)數(shù)第二介電層內(nèi)的第二導(dǎo)電材料403。類似地，為了相同的理由，必須要完全移除溝槽如溝槽T1-Tm中尤其是位于復(fù)數(shù)第二介電層內(nèi)的自由層401與選擇性的緩沖層402。從沿著第二介電層200b”之水平位準(zhǔn)所取之上視圖11、13與15可見一般，即缺乏自由層401、選擇性的緩沖層402與第二導(dǎo)電材料403。

現(xiàn)參考圖1、2B、3B、4B、5B、6B、7B與8及圖11-16討論本發(fā)明之第二實施例。圖1、2B、3B、4B、5B、6B、7B與8為沿著上視圖11-16之裁切線A-A’裁切所獲得之橫剖面圖，其例示根據(jù)本發(fā)明第二實施例之3D MTJ數(shù)組的制造方法，其中第二電極是于第一電極之前形成。圖11-12顯示根據(jù)本發(fā)明之一實施例之圖8中之3D MTJ數(shù)組沿著不同水平位準(zhǔn)所取的概略布局上視圖及剖面圖。圖13-14顯示根據(jù)本發(fā)明之另一實施例之圖8中之3D MTJ數(shù)組沿著不同水平位準(zhǔn)所取的概略布局上視圖及剖面圖。圖15-16顯示根據(jù)本發(fā)明之更另一實施例之圖8中之3D MTJ數(shù)組沿著不同水平位準(zhǔn)所取的概略布局上視圖及剖面圖。

首先參考圖1，類似于第一實施例，提供具有主動表面101的基板100，復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a’、200b’)、(200a”、200b”)是形成于主動表面101上。基板100及復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a’、200b’)、(200a”、200b”)的細(xì)節(jié)如其材料與特性請參考第一實施例。類似地，本發(fā)明不限于第一介電層與第二介電層的重復(fù)堆棧，本發(fā)明尚包含具有至少第一介電層與第二介電層的薄膜堆棧。

接下來參考圖2B及圖11，藉由至少一干式蝕刻制程尤其是異向性干式蝕刻制程形成貫穿復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a’、200b’)、(200a”、200b”)并暴露基板100的復(fù)數(shù)溝槽T1-Tm(圖11之部分布局上視圖中僅顯示溝槽T1-T2，圖2B中僅顯示一溝槽T1)。復(fù)數(shù)溝槽T1-Tm的細(xì)節(jié)如形狀、尺寸、數(shù)目及排列等請參考第一實施例。

接著參考圖3B及圖11，進(jìn)行至少一等向性蝕刻尤其是濕式蝕刻以經(jīng)由溝槽T1-Tm(圖3B中僅顯示一溝槽T1)選擇性地移除部分的復(fù)數(shù)第一介電層(200a、200a’、200a”)。在一較佳實施例中，此濕式蝕刻對于第一介電層能提供高蝕刻率但對于第二介電層(200b、200b’、200b”)僅提供極低的蝕刻率。結(jié)果如圖3B中所示，在圍繞溝槽T1-Tm之部分復(fù)數(shù)第一介電層之區(qū)域處形成凹穴1-p(圖3B中僅顯示凹穴1-6)。值得注意的是，相較于借著裸露(停止于)順形形成在通孔內(nèi)表面上之穿隧層301之表面的不同區(qū)域而形成復(fù)數(shù)凹穴的第一實施例，在此第二實施例中藉由控制蝕刻制程如使用時間控制模式之蝕刻制程來形成復(fù)數(shù)凹穴。為了達(dá)到經(jīng)精心設(shè)計的布局如上視圖11、13與15中所示的部分布局，應(yīng)仔細(xì)控制每一凹穴的水平深度。凹穴1-p的細(xì)節(jié)如其形狀、尺寸、及排列方式請參考第一實施例及圖11、13與15。

接下來參考圖4B，依序?qū)⒆杂蓪?01及選擇性的緩沖層402順形地形成在溝槽T1-Tm之內(nèi)表面及凹穴1-p之內(nèi)表面上。接著，形成第二導(dǎo)電材料403填充溝槽T1-Tm及凹穴1-p并進(jìn)行至少一平坦化制程如化學(xué)機(jī)械研磨制程移除溝槽T1-Tm外多余的自由層401、選擇性的緩沖層402與第二導(dǎo)電材料403，藉此在基板100各處達(dá)到實質(zhì)上全局平坦的表面。意即，自由層401、選擇性的緩沖層402與第二導(dǎo)電材料403之研磨后的上表面和第二介電層200b”之研磨后的上表面實質(zhì)切齊。自由層401、選擇性的緩沖層402與第二導(dǎo)電材料403的細(xì)節(jié)如其材料、形成方式及特性請參考第一實施例。

接著參考圖5B及圖11-16，進(jìn)行至少一異向性蝕刻制程以移除填充于溝槽T1-Tm(圖5B中僅顯示溝槽T1)中之第二導(dǎo)電材料403以及順形形成在溝槽T1-Tm之側(cè)壁上之自由層401與選擇性的緩沖層402但留下位于復(fù)數(shù)凹穴如凹穴1-p(圖5B中僅顯示凹穴1-6)中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402。接著，在基板上形成一圖案化屏蔽如一圖案化光阻以保護(hù)復(fù)數(shù)凹穴中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402并進(jìn)行至少一蝕刻制程以移除空洞內(nèi)非凹穴處的第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402。因此如圖12、14與16中所示，一凹穴中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401及選擇性的緩沖層402是與另一凹穴中的導(dǎo)電材料403、自由層401及選擇性的緩沖層402實體分離且電性隔離。換言之，每一空洞中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401及選擇性的緩沖層402是根據(jù)凹穴的預(yù)定位置而受到區(qū)段化。針對圖11-12、圖13-14及圖15-16之不同布局之凹穴排列及材料區(qū)段化的細(xì)節(jié)請參考第一實施例。

接下來參考圖6B及圖11-16，在溝槽T1-Tm中形成絕緣材料404填充溝槽T1-Tm并填充空洞內(nèi)無第二導(dǎo)電材料403、自由層401與選擇性的緩沖層402的空間。進(jìn)行至少一平坦化制程如化學(xué)機(jī)械研磨制程以移除多余的絕緣材料404，以在整個基板100上達(dá)成實質(zhì)上的全局平坦的表面。

接下來參考圖7B及圖11-16，藉由至少一干式蝕刻制程尤其是異向性干式蝕刻制程形成貫穿復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a’、200b’)、(200a”、200b”)并暴露基板100的復(fù)數(shù)通孔H1-Hn(圖11的部分布局上視圖中僅顯示通孔H1-H9，圖7B的部分橫剖面圖中僅顯示通孔H1與H2)。應(yīng)了解，所形成之復(fù)數(shù)通孔H1-Hn與復(fù)數(shù)凹穴相鄰而裸露順形形成在復(fù)數(shù)凹穴之垂直側(cè)壁上之自由層401之表面的復(fù)數(shù)區(qū)域。這可借著精準(zhǔn)的微影對準(zhǔn)及/或形成復(fù)數(shù)通孔H1-Hn后對復(fù)數(shù)通孔H1-Hn額外進(jìn)行擴(kuò)大而達(dá)到。通孔H1-Hn的幾何特征請參考第一實施例。復(fù)數(shù)通孔相對于復(fù)數(shù)溝槽之配置及通孔H1-Hn的細(xì)節(jié)請參考第一實施例及圖11-12、圖13-14及圖15-16之布局說明。

接著參考圖8及圖11-16，依序?qū)⒋┧韺?01、固定層302、選擇性的反鐵磁層(AFM層)303及選擇性的緩沖層304順形地形成在通孔H1-Hn的內(nèi)表面上。接下來，形成第一導(dǎo)電材料填充通孔H1-Hn并進(jìn)行至少一平坦化制程如化學(xué)機(jī)械研磨制程移除通孔H1-Hn外多余的穿隧層301、固定層302、選擇性的AFM層303、選擇性的緩沖層304、及第一導(dǎo)電材料，藉此在基板100各處達(dá)到實質(zhì)上全局平坦的表面并形成填充于通孔H1-Hn中的復(fù)數(shù)圖案化第一電極305。至此已完成根據(jù)本發(fā)明之第二實施例之包含復(fù)數(shù)MTJ單元如MTJ單元C1-Cp(后續(xù)將詳細(xì)討論)的3D MTJ數(shù)組。類似地，完成根據(jù)本發(fā)明之第二實施例之具有圖13-14及圖15-16之布局之復(fù)數(shù)MTJ單元的3D MTJ數(shù)組。為了完成集成電路可進(jìn)行更進(jìn)一步的制造制程如形成訊號傳遞及供給電壓用之內(nèi)聯(lián)機(jī)、形成封裝相關(guān)的接合墊與鈍化層等。穿隧層301、固定層302、選擇性AFM層303、選擇性的緩沖層304、及第一導(dǎo)電材料的細(xì)節(jié)如其材料與特性請參考第一實施例。

本發(fā)明之包含復(fù)數(shù)MTJ單元如單元C1-Cp之3D MTJ數(shù)組可依本發(fā)明之第一實施例(通孔如通孔H1-Hn是于溝槽如溝槽T1-Tm之前形成)或本發(fā)明之第二實施例(通孔是于溝槽之后形成)制造。對于第一及第二實施例而言，順形形成于通孔內(nèi)表面上的穿隧層301必須和順形形成在凹穴內(nèi)表面上的自由層401實體接觸，其中凹穴是自對應(yīng)至該通孔的溝槽(通常與該通孔緊密相鄰)的內(nèi)表面突伸。為了確保穿隧層301與自由層401之間的實體接觸，在第一實施例中利用穿隧層301作為蝕刻停止層并采用適當(dāng)程度的過蝕刻來蝕刻形成凹穴。又，雖然圖11-12、圖13-14與圖15-16顯示不同布局之上視圖，但此些上視圖沿著裁切線A-A’所取之橫剖面圖皆相同且可依第一及第二實施例制造完成。

現(xiàn)在參考第一實施例、第二實施例及圖9討論本發(fā)明之第三實施例。圖9為根據(jù)本發(fā)明第三實施例之3D MTJ數(shù)組之制造方法所形成之另一3D MTJ數(shù)組的橫剖面圖，在此方法中穿隧層是形成于溝槽中而非形成在通孔中。

首先，參考第一實施例(圖1、2A、3A、4A、5A、6A、7A)討論第三實施例?，F(xiàn)在參考圖1與9，提供具有主動表面101的基板100，復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a’、200b’)、(200a”、200b”)是形成于主動表面101上。接著參考圖2A、9及11-16，藉由至少一干式蝕刻制程形成貫穿復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a’、200b’)、(200a”、200b”)并暴露基板100的復(fù)數(shù)通孔H1-Hn(圖2A及9之部分橫剖面圖中僅顯示通孔H1與H2，圖11-16提供更多布局細(xì)節(jié))。接著參考圖3A及9，依序?qū)⒐潭▽?02、選擇性的反鐵磁層(AFM層)303及選擇性的緩沖層304順形地形成在通孔H1-Hn的內(nèi)表面上，并形成第一導(dǎo)電材料填充通孔H1-Hn。進(jìn)行至少一平坦化制程如化學(xué)機(jī)械研磨制程移除通孔H1-Hn外多余的固定層302、選擇性的AFM層303、選擇性的緩沖層304與第一導(dǎo)電材料，藉此在基板100各處達(dá)到實質(zhì)上全局平坦的表面并形成填充于通孔H1-Hn中的復(fù)數(shù)圖案化第一電極305。值得注意的是，在此階段，第一實施例(圖3A)與第三實施例(圖9)之間的主要差異在于是否形成穿隧層301。在第一實施例中穿隧層301是形成于通孔H1-Hn中，但在此第三實施例中通孔H1-Hn中并無穿隧層301。接著參考圖4A、9及11-16，藉由至少一干式蝕刻制程在復(fù)數(shù)通孔旁形成貫穿復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a’、200b’)、(200a”、200b”)并暴露基板100的復(fù)數(shù)溝槽T1-Tm(圖4A與9中僅顯示一溝槽T1，圖11-16提供更多布局細(xì)節(jié))。接下來參考圖5A、9及11-16，進(jìn)行至少一等向性蝕刻尤其是濕式蝕刻以經(jīng)由溝槽T1-Tm選擇性地移除部分的復(fù)數(shù)第一介電層(200a、200a’、200a”)，藉此在圍繞溝槽T1-Tm之部分復(fù)數(shù)第一介電層之區(qū)域處形成凹穴1-p(圖5A及9中僅顯示凹穴1-6)。接著參考圖6A及9，依序?qū)⒋┧韺?01、自由層401及選擇性的緩沖層402順形地形成在溝槽T1-Tm之內(nèi)表面及凹穴1-p之內(nèi)表面上。然后形成第二導(dǎo)電材料403填充溝槽T1-Tm及凹穴1-p并進(jìn)行至少一平坦化制程如化學(xué)機(jī)械研磨制程以移除溝槽T1-Tm外多余的穿隧層301、自由層401、選擇性的緩沖層402及第二導(dǎo)電材料403，藉此在基板100各處達(dá)到實質(zhì)上全局平坦的表面。值得注意的是，在此階段，第一實施例(圖6A)與第三實施例(圖9)之間的主要差異在于是否形成穿隧層301。在第一實施例中穿隧層301并非形成于溝槽T1-Tm中，但在第三實施例中穿隧層301是形成于溝槽T1-Tm。接下來參考圖7A、9及11-16，進(jìn)行至少一異向性蝕刻制程以移除填充于溝槽T1-Tm中之第二導(dǎo)電材料403以及順形形成在溝槽T1-Tm之側(cè)壁上之穿隧層301、自由層401與選擇性的緩沖層402但留下位于凹穴1-p(圖7A中僅顯示凹穴1-6)中的第二導(dǎo)電材料403、穿隧層301、自由層401與選擇性的緩沖層402。由于穿隧層301是由至少一絕緣材料所構(gòu)成，在此階段可選擇性地移除穿隧層301。意即，穿隧層301可留在溝槽T1-Tm的側(cè)壁上(未顯示)。接著在基板上形成一圖案化屏蔽如一圖案化光阻以保護(hù)復(fù)數(shù)凹穴中的第二導(dǎo)電材料403、穿隧層301、自由層401與選擇性的緩沖層402并進(jìn)行至少一蝕刻制程以移除空洞內(nèi)非凹穴處的第二導(dǎo)電材料403、穿隧層301、自由層401與選擇性的緩沖層402。接著參考圖9及11-16，在溝槽T1-Tm中形成絕緣材料404填充溝槽T1-Tm并填充空洞內(nèi)無第二導(dǎo)電材料403、穿隧層301、自由層401與選擇性的緩沖層402的空間。進(jìn)行至少一平坦化制程如化學(xué)機(jī)械研磨制程以移除多余的絕緣材料404，在基板100各處達(dá)到實質(zhì)上全局平坦的表面?，F(xiàn)在完成了根據(jù)本發(fā)明之第三實施例之包含復(fù)數(shù)MTJ單元如圖9中所示之單元C1*-Cp*的3D MTJ數(shù)組。除了形成穿隧層301與移除穿隧層301之外，參考第一實施例所討論的所有細(xì)節(jié)皆可應(yīng)用至此第三實施例。由于對穿隧層301所作的改變，每一MTJ單元如圖9中所示之C1*-Cp*將具有U形穿隧層301。

類似地，根據(jù)本發(fā)明第三實施例之包含復(fù)數(shù)MTJ單元如圖9中所示之C1*-Cp*的3D MTJ數(shù)組亦可依第二實施例(圖1、2B、3B、4B、5B、6B、7B)之方法制造。第三實施例(圖9)與第二實施例之間的差異亦在于形成穿隧層301與移除穿隧層301。具體而言，為了制造第三實施例之結(jié)構(gòu)，可對第二實施例進(jìn)行下列修改：在圖4B之階段，在自由層401與選擇性的緩沖層402之前形成穿隧層301使穿隧層301順形形成在溝槽T1-Tm之內(nèi)表面及凹穴1-p之內(nèi)表面上，然后對已形成的穿隧層301、自由層401、選擇性的緩沖層402及第二導(dǎo)電材料403進(jìn)行平坦化；在圖5B之階段，可移除溝槽T1-Tm之側(cè)壁上的穿隧層301或可將穿隧層301留在溝槽T1-Tm之側(cè)壁上，并且移除在空洞中未受到圖案化屏蔽保護(hù)之穿隧層301；及在圖9階段，不在通孔H1-Hn中形成穿隧層301。除了形成穿隧層301與移除穿隧層301之外，參考第一或第二實施例所討論的所有細(xì)節(jié)皆可應(yīng)用至此第三實施例。

現(xiàn)在將參考圖8、10及10-16討論根據(jù)本發(fā)明一實施例之MTJ單元及包含復(fù)數(shù)MTJ單元的3D MTJ數(shù)組。圖8為根據(jù)本發(fā)明之一實施例之一3D MTJ數(shù)組的橫剖面圖。圖10為根據(jù)本發(fā)明之一實施例之圖8所示之3D MTJ數(shù)組的一MTJ單元的概略橫剖面圖。圖11-16顯示根據(jù)本發(fā)明之不同實施例之圖8中之3D MTJ數(shù)組沿著不同水平位準(zhǔn)所取的布局上視圖。

參考圖8及11-16，提供單晶半導(dǎo)體材料基板100如單晶硅基板。在不同的實施例中，基板100可以是絕緣層上覆硅(SOI)基板，或是在集成電路制造過程中任何階段期間的半完成晶圓?；?00具有主動表面101如其上形成有各種主動組件及/或被動組件的前表面，主動表面101沿著水平方向延伸?；?00通?？删哂?00mm、300mm、450mm、或更大的直徑或?qū)挾?。然而本發(fā)明并不限于此。基板100可具有非上述的任何形狀、材料、及/或尺寸。復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a、200b’)、(200a”、200b”)是設(shè)置于主動表面101上。復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a’、200b’)、(200a”、200b”)的細(xì)節(jié)如其材料及特性請參考第一與第二實施例。本發(fā)明之3D MTJ數(shù)組是設(shè)置于復(fù)數(shù)雙層200’、(200a、200b)、(200a’、200b’)、(200a”、200b”)內(nèi)。本發(fā)明之3D MTJ數(shù)組包含順形地形成在通孔H1-Hn(圖7中僅顯示兩個通孔H1與H2，圖9中僅顯示8個通孔H1-H8，圖11中僅顯示9個通孔H1’-H9’)之一通孔之內(nèi)表面上之一穿隧層301的一部分、一固定層302的一部分、一選擇性的AFM層303的一部分、與一選擇性的緩沖層304的一部分以及填充于通孔H1-Hn之一通孔內(nèi)之一第一電極305的一部分。由于前述所討論之通孔H1-Hn的形狀與位向，每一個第一電極305在上視圖中可具有矩形形狀且沿著實質(zhì)上垂直于基板100之主動表面101的軸向方向延伸。由于有n個通孔，因此有n個第一電極。穿隧層301、固定層302、選擇性的AFM層303、選擇性的緩沖層304及第一電極305的細(xì)節(jié)如其材料、形成方式及特性等請參考第一與第二實施例。

參考圖8，本發(fā)明之3D MTJ數(shù)組更包含順形地形成在凹穴1-p之一凹穴之內(nèi)表面上的一U形自由層401與一U形選擇性的緩沖層402以及嵌于凹穴1-p之一凹穴中的一第二電極如第二電極4031(圖8中僅顯示6個凹穴)。如前所討論，凹穴1-p是借著經(jīng)由復(fù)數(shù)溝槽移除部分第一介電層200a、200a’、200a”所形成，因此復(fù)數(shù)第一介電層內(nèi)的凹穴1-p是自對應(yīng)的溝槽朝向?qū)?yīng)的通孔突伸且位于不同水平位準(zhǔn)處的凹穴是藉由第二介電層200b、200b’、200b”垂直分離。因此，嵌于凹穴1-p中的復(fù)數(shù)第二電極是設(shè)置于復(fù)數(shù)第一介電層內(nèi)且位于不同水平位準(zhǔn)處的第二電極藉由復(fù)數(shù)第二介電層而彼此垂直分離。

又，如前所討論且由圖8及圖12、14與16更可見，每一空洞中之第二導(dǎo)電材料403、自由層401及選擇性的緩沖層402是依凹穴的預(yù)定位置(一凹穴是形成于一溝槽與一通孔之間)而被區(qū)段化。因此，一凹穴中的第二導(dǎo)電材料403、自由層401及選擇性的緩沖層402是與另一凹穴中的導(dǎo)電材料403、自由層401及選擇性的緩沖層402實體分離且電性隔離。如前面參考第一實施例所解釋，復(fù)數(shù)凹穴及復(fù)數(shù)第二電極的數(shù)目是取決于復(fù)數(shù)通孔及復(fù)數(shù)溝槽的布局。

參考圖8，第一電極305的第一部分、一第二電極如嵌于凹穴1中之第二電極4031、穿隧層301的第一部分、固定層302的第一部分、及夾置于第一電極305的第一部分與第二電極之間的一U形自由層401構(gòu)成一MTJ單元如圖8中所示之MTJ單元C1；第一電極305的第二部分、一第二電極如嵌于凹穴2中之第二電極4032、穿隧層301的第二部分、固定層302的第二部分、及夾置于第一電極305的第一部分與第二電極之間的一U形自由層401構(gòu)成一MTJ單元如圖8中所示之MTJ單元C2；圖8中所示之其他MTJ單元C3-C6則依此類推。本發(fā)明之3D MTJ數(shù)組包含復(fù)數(shù)MJT單元如圖8中所示之單元C1-C6，復(fù)數(shù)MJT單元的配置方式不只水平地橫跨基板100亦沿著第一電極305垂直堆棧。一般而言，每一第一電極305可被獨(dú)立地電接取(讀取、寫入、施加電壓、汲取電流等)，每一第二電極如第二電極4031可被獨(dú)立地電接取或圍繞/鄰近相同溝槽的復(fù)數(shù)第二電極可被共同電接取例如第二電極4034與位在相同第一介電層中的另一第二電極可被共同電接取。在任一上述情況中，電選擇一第一電極如溝槽T1中的第一電極305以及一第二電極如嵌于凹穴1中的第二電極4031可電接取一MTJ單元如MTJ單元C1。是以，經(jīng)由讀取或?qū)懭氩僮鳎崛丝勺x取或?qū)懭氡景l(fā)明之3D MTJ數(shù)組的一MTJ單元?；蛘?，可獨(dú)立電接取根據(jù)本發(fā)明之一實施例之一MTJ單元內(nèi)的任何導(dǎo)電或半導(dǎo)體層或共同接取多個MTJ單元內(nèi)的任何導(dǎo)電或半導(dǎo)體層，藉此使本發(fā)明之MTJ單元成為一多端組件(multi-terminal device)如三端組件(three-terminal device)。上述及下列針對MTJ單元及數(shù)組所解釋的操作原理亦適用于圖9中所示的3D MTJ數(shù)組。

參考圖10，其提供本發(fā)明之一簡化的MTJ單元C1以解釋各種類型的MTJ單元及其可能的操作模式。簡化的MTJ單元C1包含：一第一電極305，具有沿著實質(zhì)上垂直于基板100之主動表面101的方向延伸的一軸向(基板100及主動表面101并未顯示于圖10中)；嵌于一U形自由層401(因此亦嵌于對應(yīng)的凹穴1)中的一第二電極4031；一固定層302；一穿隧層301；及夾置于該第一電極305與該第二電極4031之間的該U形自由層401。U形自由層401具有實質(zhì)上垂直于基板100之主動表面101的一垂直部(圖10中標(biāo)有箭頭的部分)。當(dāng)固定層302及U形自由層401之垂直部的磁化方向是如圖10中的箭頭所示沿著固定層302及U形自由層401之垂直部的厚度方向(即實質(zhì)上垂直于第一電極305的軸向且平行于主動表面101)時，簡化的MTJ單元C1之固定層302及U形自由層401的垂直部具有面外磁化(out-of-plane magnetization)?；蛘撸喕腗TJ單元C1之固定層302及U形自由層401的垂直部具有面內(nèi)磁化(in-plane magnetization)。在面內(nèi)磁化的情況中，固定層302及U形自由層401之垂直部的磁化方向是垂直于固定層302及U形自由層401之厚度方向(即實質(zhì)上平行于第一電極305的軸向且垂直于主動表面101)。應(yīng)注意，在本發(fā)明的MTJ單元中矩形第二電極4031的長邊側(cè)應(yīng)處于實質(zhì)上垂直于主動表面101的方向，使得U形自由層401的垂直部與穿隧層301能有較大的接觸面積，故整個U形自由層401的磁化方向是由與穿隧層301接觸的部分(即垂直部)所支配。無論是面外磁化或面內(nèi)磁化型的MTJ單元C1，MTJ單元C1皆可具有兩個可能的狀態(tài)：固定層302及U形自由層401之垂直部的磁化方向相同(以圖10中所示的面外磁化型為例，當(dāng)固定層302及U形自由層401之垂直部的磁化方向皆指向例如左側(cè)時)時的狀態(tài)，此狀態(tài)被稱為平行態(tài)(parallel state)；或固定層302及U形自由層401之垂直部的磁化方向相反(以圖10中所示的面外磁化型為例，當(dāng)固定層302及U形自由層401之垂直部的磁化方向一左一右時)時的狀態(tài)，此狀態(tài)被稱為反平行態(tài)(antiparallel state)。上述兩種狀態(tài)中的一者會導(dǎo)致較低的電阻值而兩種狀態(tài)中的另一者會導(dǎo)致明顯較高的電阻值。經(jīng)由第一電極305與第二電極401施加電流可讀出MTJ單元C1的狀態(tài)。意即，借著對一第一電極與一對應(yīng)的第二電極施加電流可獨(dú)立分別讀取本發(fā)明之3D MTJ數(shù)組的每一MTJ單元。

為了達(dá)到上述的兩種狀態(tài)，可選擇不同的磁切換機(jī)制。傳統(tǒng)上，第一種機(jī)制使電流通過第二電極4031而產(chǎn)生一外加磁場以改變自由層401(U形自由層401之垂直部)的磁化方向。固定層302通常具有較高的切換場，因此外加磁場無法輕易地改變其磁化方向而使得其磁化方向總是指向相同方向。另一方面，自由層401具有較小的切換場，因此取決于外加磁場，自由層401的磁化方向能自由指向和固定層302之磁化方向相同的方向或和固定層302之磁化方向相反的方向。第二種機(jī)制使相反方向的電流通過第一電極305與第二電極4031，藉由自旋翻轉(zhuǎn)力矩(Spin Torque Transfer,STT)效應(yīng)而改變自由層401(U形自由層401之垂直部)的磁化方向?；蛘?，可在第一電極305與第二電極4031之間施加正電壓或負(fù)電壓，藉由電壓控制之磁異向性(Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy,VCMA)方法改變自由層401(U形自由層401之垂直部)的磁化方向?；蛘撸墒闺娏魍ㄟ^第二電極4031，藉由自旋翻轉(zhuǎn)力矩(Spin Transfer Torque,STT)或自旋軌道力矩(Spin-Orbit Torque,SOT)效應(yīng)或自旋霍爾效應(yīng)(Spin-Hall Effect,SHE)或拉希巴效應(yīng)(Rashba Effect)改變自由層401(U形自由層401之垂直部)的磁化方向。亦可采用其他效應(yīng)如巨旋霍爾效應(yīng)(giant spin Hall effect,GSHE)。

本發(fā)明之穿隧層、自由層、固定層、反鐵磁層、緩沖層中的每一者不限于單一材料的均質(zhì)單層結(jié)構(gòu)；只要能達(dá)到如其名稱所指的功能，上述的每一層可以多種材料之迭層、或相同材料但不同組成比例的迭層、或相同材料但組成比例變異的單層實施。

本發(fā)明之MTJ單元的第一電極及第二電極(及其他電終端，若存在其他電終端)最后可電連接字符線及位線(及其他適合的操作電壓或組件)。因此，本發(fā)明之3-D MTJ數(shù)組、適當(dāng)聯(lián)機(jī)系統(tǒng)與適當(dāng)電路設(shè)計的整合方案可應(yīng)用至各種組態(tài)的磁性隨機(jī)存取內(nèi)存(MRAM)，此些組態(tài)可包含但不限于一晶體管搭配一MTJ(1T1M)的組態(tài)、一晶體管搭配兩MTJ(1T2M)的組態(tài)等。采取本發(fā)明之3-D MTJ數(shù)組的MRAM可受惠于本發(fā)明之垂直單元堆棧及緊密通孔與溝槽布局的好處，在較小的芯片尺寸中達(dá)到較高的儲存密度。其亦可和各種不同功能的邏輯如AND、OR、NOR、NAND等組合，應(yīng)用至數(shù)字或模擬電路。

簡化的MTJ單元C1顯示一個MTJ單元的基本結(jié)構(gòu)。然而，本發(fā)明之MTJ單元可采用能達(dá)到磁穿隧效應(yīng)的各種薄膜堆棧。例如，可將額外的膜層如晶種層及/或阻障層添加至薄膜堆棧中。例如，自由層401可被兩層由間隔層所分隔的鐵電層所取代。例如，固定層302可單獨(dú)存在而毋需選擇性AFM層303的協(xié)助。本發(fā)明借著使MTJ單元沿著實質(zhì)上垂直于基板表面的方向垂直堆棧及有利的溝槽-通孔布局設(shè)計，能提供高密度的3D MTJ數(shù)組。

上述實施例僅是為了方便說明而舉例，雖遭所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員任意進(jìn)行修改，均不會脫離如權(quán)利要求書中所欲保護(hù)的范圍。