本公開一般涉及磁性器件，更具體地涉及多柵極(majority gate)器件，諸如自旋轉矩磁性器件(STMG)。

公開背景

當前CMOS邏輯電路的問題之一是在縮小器件時功耗密度增加。代替CMOS邏輯的主要候選之一是磁化被用作信號而不是電荷的自旋電子學。使用自旋電子學的性質，可構建被稱為“多柵極器”的一種類型的器件，更具體地自旋轉矩多柵極(STMG)。STMG是其輸出取決于其多個輸入的大多數(shù)的邏輯器件。

在如2011年8月IEEE電子器件快報32(8)中所公布的Nikonov等人的題為“對自旋轉矩多柵極邏輯的建議(Proposal of a Spin Torque Majority Gate Logic)”中的文章中，公開了具有垂直磁化的自旋多柵極器件的可能布局。該布局在圖1中以頂部平面視圖形式且在圖2中以側視圖形式示意性地示出。自旋轉矩多柵極由共用自由(可切換)鐵磁(FM)層202(在基板100上)以及在其上的納米柱218、219中的每一個納米柱中的四個獨立的固定FM層2181、2182、2183組成—三個用于輸入218而一個用于輸出219。自由FM層202和固定FM層2181、2182、2183被非磁性間隔層204分開。箭頭指示磁化方向。該器件的操作基于自旋轉矩轉移。該器件通過將正或負電壓施加給每一個輸入納米柱218來操作，其由此確定流經(jīng)每一個納米柱218的電流的方向和所得自旋轉矩。每一個輸入納米柱的相應邏輯狀態(tài)對于正向輸入電壓的負值分別為邏輯“0”和“1”。由此，取決于輸入信號且對應于邏輯“0”和“1”的輸出信號，自由FM層202還可處于向上或向下磁化(由箭頭2021示出，在圖2中為‘向下’)的兩個狀態(tài)之一中。取決于自由FM層磁化方向和施加給輸入柱的電壓，自旋轉矩用來使柵極保持在其狀態(tài)中或者使其切換到相反的狀態(tài)。力矩的大多數(shù)確定結果(即，輸出信號)。磁化狀態(tài)通過經(jīng)由輸出柱219測量自由202和固定層2191之間的隧道磁電阻(TMR)來檢測。

典型地，具有垂直各向異性(PMA)的頂釘扎(top-pinned)的MTJ優(yōu)選地用于輸入和輸出柱，因為它們的針對更小特征尺寸的經(jīng)改進的縮放性。

然而，此類磁性疊層的制作不是直接的。頂釘扎的MTJ需要部分地蝕刻以實現(xiàn)具有PMA的獨立的共用自由層202，該共用自由層在不同的輸入柱218和輸出柱219之間共享。這要求蝕刻工藝在非磁性間隔層204(典型地具有約1nm的厚度的MgO)上選擇性地停止?？梢匀菰S在非磁性間隔層204頂部上沒有磁性或導電殘留層。不幸的是，蝕刻物質的滲透是幾納米的數(shù)量級，并且由此可容易地滲透在非磁性間隔層204中并且甚至通過非磁性間隔層204。對非磁性間隔層204且對共用自由層202和非磁性間隔層204之間的分界的損害將造成PMA的損耗、隧道磁電阻(TMR)的損耗，并且因此產(chǎn)生非功能性STMG器件。

因此，需要克服這些問題并提供經(jīng)改進的STMG器件。

公開內容

本公開的實施例的目的是提供一種經(jīng)改進的多柵極器件以及一種此類器件的制造方法。

根據(jù)第一發(fā)明性發(fā)明，公開了一種多柵極器件，包括：一組有區(qū)別的輸入?yún)^(qū)域；輸出區(qū)域；每一個區(qū)域包括夾在自由層疊層和硬層之間的非磁性層，自由層疊層包括籽層上的主體PMA層；在主體PMA層上，磁性層與非磁性層接觸；以及每一個區(qū)域至少共享主體PMA層和籽層。主體PMA層和籽層由此是輸入?yún)^(qū)域和輸出區(qū)域的共用層。

根據(jù)實施例，每一個區(qū)域還可共享磁性層。

根據(jù)實施例，每一個區(qū)域還可共享非磁性層。

根據(jù)實施例，每一個區(qū)域還可共享硬層的氧化部分。

根據(jù)實施例，主體PMA層可包括雙層的預定重復，該雙層包括第一層和第二層。

根據(jù)實施例，預定重復可以是兩次或更多次。

根據(jù)實施例，第一層和第二層可具有在0.2nm和2nm的范圍內的厚度。

根據(jù)實施例，第一層可包含F(xiàn)eB、Fe、Co、FeCo中的任一種而第二層包含Ni、Pd、Pt、Tb、TbCo、TbFe中的任一種。

根據(jù)實施例，主體PMA層可包含F(xiàn)ePt、CoPt、TbCoFe合金和MnxAy合金中的任一種，其中A從Al、Ga或GE中挑選并且0<x、y。

根據(jù)實施例，自由磁性層可進一步包括夾在磁性層和本征主體PMA多層之間的分界層。

根據(jù)實施例，每一個區(qū)域還可共享分界層。

根據(jù)實施例，分界層可包含適于增強磁性層的紋理且提供主體PMA層和磁性層之間的鐵磁耦合的材料。

根據(jù)實施例，分界層可包含從Ta、Mo、W、V、Ru挑選的材料或者從CoFeBX、CoX、FeX、FeCoX中的任一種挑選的合金，其中X從Ta、Mo、W、V、Ru中的任一種挑選。

根據(jù)實施例，籽層可包含Pt、Ru、Ta、NiCr、Hf、TaN、W、Mo中的任一種、以及其任何組合。

根據(jù)實施例，磁性層可包含F(xiàn)e、CoFe、CoFeB、FeB、CoB中的任一種、以及其任何組合。

根據(jù)實施例，區(qū)域可包括圖案化柱。圖案化柱包括非共享層。非共享層可包括硬層；或者硬層和非磁性層；或者硬層、非磁性層和分界層、或者硬層、非磁性層、分界層和自由層；或者硬層、非磁性層、分界層、自由層和主體PMA層的頂部。

根據(jù)第二發(fā)明性發(fā)明，公開了一種多柵極器件的制造方法，該方法包括：設置層的疊層，包括：設置籽層；在籽層上設置本征主體PMA多層；在本征主體PMA多層上設置鐵磁層；在鐵磁層上設置非磁性層；在非磁性層上設置硬層；形成一組有區(qū)別的輸入?yún)^(qū)域和一個輸出區(qū)域，包括圖案化硬層的至少一部分。

根據(jù)實施例，該方法可進一步包括：在設置鐵磁層的步驟之前，在本征主體PMA多層上設置界面層。

根據(jù)實施例，形成一組有區(qū)別的輸入?yún)^(qū)域和輸出區(qū)域可進一步包括：圖案化硬層、以及在圖案化硬層之后圖案化非磁性層。

根據(jù)實施例，形成一組有區(qū)別的輸入?yún)^(qū)域和輸出區(qū)域可進一步包括：在圖案化非磁性層之后圖案化鐵磁層。

根據(jù)實施例，形成一組有區(qū)別的輸入?yún)^(qū)域和輸出區(qū)域可進一步包括：氧化硬層的非圖案化部分。

根據(jù)本公開的多柵極器件的優(yōu)點在于，多柵極器件可被縮小到比使用CMOS晶體管實現(xiàn)的多柵極器更小的尺寸。

根據(jù)本公開的多柵極器件的優(yōu)點在于，它可與當前CMOS制造技術和當前蝕刻技術兼容以圖案化所建議的布局。

根據(jù)本公開的多柵極器件的優(yōu)點在于，該器件是極其可縮放的。

根據(jù)本公開的多柵極器件的優(yōu)點在于，該器件以大的有效各向異性(即，大的熱穩(wěn)定性)來工作。因此，保持時間可以是大的；可制成非易失性的邏輯器件。這意味著它不遭受備用功率耗散。

根據(jù)本公開的多柵極器件的優(yōu)點在于，它具有與輸入組合無關的可靠的切換行為。

根據(jù)本公開的多柵極器件的優(yōu)點在于，它可與當前光刻處理兼容，其中維持該器件的緊湊性的關鍵尺寸可以是大的。

優(yōu)點在于，可構建非常緊湊的邏輯電路。這些邏輯器件可在金屬層(線/互連的后端)中制作，并且可與前端中(即，在晶體管級)的邏輯層組合。這具有允許器件的三維堆疊的優(yōu)點。

根據(jù)本公開的多柵極器件的優(yōu)點在于，它包括CMOS可兼容的材料。

附圖簡述

所有附圖旨在解說本公開的一些方面和實施例。所描述的附圖只是示意性的并且是非限制性的。

圖1示出在現(xiàn)有技術中已知的交叉桿式(crossbar)STMG器件的示意性俯視圖。

圖2示出在現(xiàn)有技術中已知的交叉桿式STMG器件的示意性側視圖。

圖3示出根據(jù)本公開的實施例的多柵極器件的示意性側視圖。

圖4-5示出根據(jù)本公開的替換實施例的多柵極器件的示意性側視圖。

圖6示出與常規(guī)現(xiàn)有技術磁性疊層(圖6B)相比的根據(jù)本公開的實施例的包括(混合)自由層的磁性疊層(圖6A、C)。

圖7A-B和圖8示出根據(jù)本公開的實施例的磁性疊層的磁矩的實驗結果。

圖9示出根據(jù)本公開的實施例的磁性疊層的實驗TOF-SIMS結果。

圖10示出根據(jù)本公開的實施例的磁性疊層的磁矩的實驗結果。

圖11示出根據(jù)本公開的實施例的多柵極器件的層的疊層的示意性視圖。

圖12-13示出根據(jù)本公開的替換實施例的多柵極器件的示意性側視圖。

解說性實施例的詳細描述

本公開將針對特定實施例且參考某些附圖進行描述，但是本公開不限于此。所描述的附圖只是示意性的并且是非限制性的。在附圖中，一些元件的尺寸可放大并且出于解說性的目的不按比例繪制。尺寸和相對尺寸沒有對應于本公開實踐的實際縮減。

此外，說明書中的術語“第一”、“第二”等等用于在類似的元件之間進行區(qū)分，并且不一定用于時間地、空間地、以排序或以任何其他方式描述順序。應當理解，如此使用的術語在適當?shù)沫h(huán)境下是可互換的，并且本文中所描述的本公開的實施例能夠以不同于本文中所描述或所解說的順序操作。

此外，說明書中的術語“頂部”、“之下”等等用于描述性的目的并且不一定用于描述相對位置。應當理解，如此使用的術語在適當?shù)沫h(huán)境下是可互換的，并且本文中所描述的本公開的實施例能夠以不同于本文中所描述或所解說的取向操作。

在本文中所提供的描述中，闡述大量具體細節(jié)。然而，應當理解可在沒有這些具體細節(jié)的情況下實踐本公開的實施例。在其他實例中，為了不混淆對本說明書的理解，未詳細地示出熟知的電路、結構和技術。

在附圖或說明書中引用‘+’的任何地方，對應于具有向下磁化的參考鐵磁層，它意味著施加正電壓，導致向上磁化或者以其它方式而言意指自旋轉矩‘向上(UP)’。在附圖或說明書中引用‘-’的任何地方，對應于具有向下磁化的參考鐵磁層，施加負電壓，導致向下磁化或者以其它方式而言意指自旋轉矩‘向下(DOWN)’。本領域技術人員清楚的是，對具有向上磁化的參考鐵磁層施加相反的電壓。在此情況下，施加正電壓(‘+’)導致向下磁化或以其它方式而言意指自旋轉矩‘向下’，并且施加負電壓(‘-’)導致向上磁化或者以其它方式而言為自旋轉矩‘向上’。

在參考‘平面外’時，這意味著磁疇正指‘向上’或‘向下’(即，鐵磁層的(表面)平面外)，但是當然該疇壁在平面中(即，在(表面)平面的平面中)。為了容易理解，三維笛卡兒坐標系可與定義(自由鐵磁層的)表面平面的(x、y)以及定義‘向上’或‘向下’磁化狀態(tài)的z軸一起使用。

每一個輸入?yún)^(qū)域和輸出區(qū)域對應于自由鐵磁材料的磁疇，每一個磁疇具有磁化狀態(tài)。如果兩個或三個輸入?yún)^(qū)域具有‘向上’的磁化，那么與輸出區(qū)域相對應的磁疇的磁化應當‘向上’，等于三個輸入?yún)^(qū)域的主磁化。如果兩個或三個輸入?yún)^(qū)域具有‘向下’的磁化，那么與輸出區(qū)域相對應的磁疇的磁化應當‘向下’，等于三個輸入?yún)^(qū)域的主磁化。

在使用術語“圖案化”的任何地方，它優(yōu)選涉及光刻步驟，包括通過掩模曝光光致抗蝕劑層和延展所曝光的光致抗蝕劑層以形成圖案化光致抗蝕劑并且此后使用所曝光的光致抗蝕劑層作為掩模來蝕刻下面的材料以由此在下面的材料中形成圖案化結構。合適的蝕刻化學制劑對本領域技術人員而言是熟知的。光刻圖案化可涉及浸沒光刻，紫外(UV)、深紫外(DUV)或極紫外(EUV)光刻，電子束(e-束)光刻。替換地，定向自組裝(DSA)可用于圖案化。

參考圖3、4、5、12、13，現(xiàn)在將更詳細地解釋根據(jù)本公開的不同實施例的多柵極器件。

圖3示意性地示出多柵極器件2，包括三個分離的輸入?yún)^(qū)域11、12、13和一個輸出區(qū)域14。這些區(qū)域可被形成為柱。這些柱可具有圓形，但是形狀不限于此。(輸入和輸出)柱被彼此間隔開一距離地定位。由此，這些區(qū)域彼此有區(qū)別。例如，這些柱可被定位在諸如對本領域技術人員而言已知的交叉桿中(參見圖1中的布局)。如對本領域技術人員而言已知的，區(qū)域(柱)的數(shù)量可變化并且由此不限于三個輸入?yún)^(qū)域(柱)。根據(jù)實施例，多柵極器件包括至少兩個輸入?yún)^(qū)域和一個輸出區(qū)域，更優(yōu)選地三個輸入?yún)^(qū)域和一個輸出區(qū)域。STMG的輸出柱假設與大多數(shù)輸入柱相同的邏輯狀態(tài)(“0”或“1”)。共用自由層的磁化通過自旋轉矩切換到與輸入柱的主磁化相對應的狀態(tài)，這由經(jīng)過輸入柱的主電流確定。

雖然輸入和輸出區(qū)域彼此間隔一距離，但是根據(jù)實施例，它們可共享不同的層或者共同地具有不同的層，如將進一步解釋的。

每一個區(qū)域(即，每一個輸入?yún)^(qū)域11、12、13和輸出區(qū)域14)包括夾在鐵磁軟層(或者也稱為自由層200)和鐵磁硬層30、31、32、33、34(典型地包括固定層和釘扎層–未示出)之間的非磁性層40、41、42、43、44。自由層200、非磁性層40、41、42、43、44、以及固定層30、31、32、33、34經(jīng)常也被稱為磁隧道結(MTJ)。因此，每一個輸入?yún)^(qū)域和輸出區(qū)域各自包括MTJ。根據(jù)實施例，優(yōu)選具有垂直磁各向異性(PMA)的頂釘扎的MTJ，因為它們針對更小的特征尺寸具有PMA技術的經(jīng)改進的縮放性的優(yōu)點。在具有垂直磁各向異性的頂釘扎的MTJ的情況下，PMA意味著MTJ的自由層是MTJ的底層，由此在底電極側的非磁性層下方，而MTJ的硬層在頂電極側的非磁性層上方。硬層的磁化方向是固定的，而自由層的磁化方向可通過使驅動電流經(jīng)過它而改變，該驅動電流通過硬層的磁化來自旋極化。當硬層和自由層的磁化方向平行時，MTJ元件處于低電阻。當硬層和自由層的磁化方向反向平行時，MTJ元件處于高電阻。

非磁性層40、41、42、43經(jīng)常也被稱為隧穿間隔層或阻擋層。根據(jù)實施例，非磁性層40、41、42、43優(yōu)選包括MgO。同樣，其他絕緣材料可用于非磁性層，諸如AlxOy、TixOy、ZnxOy(0<x、y)。

根據(jù)實施例，硬層30、31、32、33、34可包括多個層，諸如舉例而言釘扎層(未示出)上的固定鐵磁層。每一個輸入?yún)^(qū)域11、12、13和輸出區(qū)域14包括在不同的區(qū)域之間有區(qū)別的硬層31、32、33、34。以其他方式而言硬層31、32、33、34在不同的區(qū)域之間不是共用或共享的。從制造過程，每一個區(qū)域的硬層可由相同的材料制成并且由此可以是在中間器件中而非在根據(jù)本公開的最終器件中的共享層將變得清楚。然而，在制造STMG器件期間，硬層將被圖案化以由此形成不同的輸入和輸出區(qū)域(進一步看出)。

根據(jù)實施例，多柵極器件2的自由層疊層200包括籽層70、籽層上的主體PMA層50、以及主體PMA層上的鐵磁層20，鐵磁層與非磁性層40接觸。

至少籽層70和主體PMA層50在不同的或有區(qū)別的輸入和輸出區(qū)域之間是共用或共享的。這些層保持未圖案化，這意味著它們未圖案化以形成柱并且由此還未蝕刻以形成柱。這例如在圖3中示出，其中籽層70和其上的主體PMA層50對于每一個輸入?yún)^(qū)域11、12、13和輸出區(qū)域14都是共用或共享的。自由層疊層200還可在說明書中被進一步稱為混合自由層。

在輸入?yún)^(qū)域11、12、13的自由層疊層200的磁化的逆轉經(jīng)由對作為自由層疊層200的一部分的磁性層20起作用的自旋轉矩轉移(自旋極化電流)而發(fā)生。由于與下面的主體PMA層鐵磁耦合，將建立自由層疊層200的磁化的切換，并且磁疇將經(jīng)由共用/共享的主體PMA層50向輸出區(qū)域14傳播。

根據(jù)實施例，多柵極器件2可進一步包括主體PMA層和磁性層20之間的分界層60。分界層(其還可被稱為夾層(IL))用作結晶增強層以確保有期望紋理的鐵磁層(20)的結晶以獲得PMA和TMR。在MgO的情況下，要求鐵磁材料(諸如CoFeB)的(001)取向。IL還應當通過鐵磁夾層交換耦合將主體PMA層50與磁性層20耦合。根據(jù)實施例，分界層可包含從Ta、Mo、W、V、Ru挑選的材料或者從CoFeBX、CoX、FeX、FeCoX中的任一種挑選的合金，其中X從Ta、Mo、W、V、Ru中的任一種挑選。

根據(jù)實施例，主體PMA層可包括多層，或者可包括主體PMA材料，或者可包括兩者。

根據(jù)實施例，主體PMA多層可包括雙層重復兩次或更多次，該雙層包括第一層和第二層。第一層可包含F(xiàn)eB、Fe、Co、FeCo中的任一種而第二層可包含Ni、Tb、CoTb、TbFe、或(但是不太優(yōu)選)Pd、Pt中的任一種。第一層的厚度和第二層的厚度可在0.2至2nm的范圍內。主體PMA多層的示例可以是[Co(0.3nm/Ni(0.6nm))]₄，其是Co/Ni雙層重復四次，其中Co層具有0.3nm的厚度而Ni層具有0.6nm的厚度。

多層的PMA可通過修改主體PMA多層的參數(shù)(諸如通過調整雙層厚度、通過調整雙層的重復次數(shù)、通過調整籽層材料和/或籽層厚度)來調整。優(yōu)點在于，主體PMA層是可調整的并且PMA可同等地調整，由此實現(xiàn)快速切換和/或低功率操作。

根據(jù)實施例，主體PMA層可包括主體PMA材料(諸如所允許的MnxAy)，其中A從Al、Ga或Ge(x、y>0)中的任一種挑選。替換的主體PMA材料可以是FePt、CoPt、TbCoFe合金。合金的PMA可通過修改諸如主體PMA材料的化學計量含量之類的主體PMA材料的參數(shù)(例如，通過調整Ga或Ge相對于Mn的化學計量含量)來調整。

進一步地，在說明書中，針對MRAM應用呈現(xiàn)根據(jù)本公開的MTJ疊層的實驗結果。由于針對高密度存儲器應用，STMG器件的PMA不像MRAM器件的PMA那么嚴格，因此這些結果還證明根據(jù)本公開的多柵極器件將具有極好的器件性質(更加寬松但是足夠的PMA和TMR)?，F(xiàn)在將更詳細地描述根據(jù)本公開的多柵極器件的主要差別和優(yōu)點。

根據(jù)本公開的多柵極器件用于邏輯操作而不用于非易失性存儲器應用，諸如MRAM疊層。因此，自由層的熱穩(wěn)定性(其與PMA和TMR性質鏈接)沒有MRAN疊層嚴格。發(fā)明人已經(jīng)驚喜地發(fā)現(xiàn)根據(jù)本公開的混合自由層是多柵極器件的極好的候選。根據(jù)本公開的多柵極器件以及更具體地根據(jù)實施例的混合自由層200的優(yōu)點在于，它提供在調整到更低PMA和/或TMR值時的大量自由度(如STMG器件所要求的)。這對功耗和切換速度的折衷是有益的。進一步描述對混合自由層200的調整，但是根據(jù)實施例可涉及調整混合自由層的厚度、調整混合自由層的材料性質；更具體地調整主體PMA層和/或磁性層和/或分界層和/或籽層的厚度、調整主體PMA層和/或磁性層和/或分界層和/或籽層的材料性質、或者調整主體PMA多層的層數(shù)、和/或調整其組合的多層的第一和/或第二層的材料和/或厚度。

此外，根據(jù)本公開的多柵極器件的優(yōu)點在于，對MRAM疊層有害的復雜和挑戰(zhàn)性的圖案化/蝕刻工藝流程提供根據(jù)本公開的多柵極器件的解決方案，因為要求不太嚴格的磁性性質(更低的PMA)。即使由于對柱的圖案化可能損害根據(jù)本公開的實施例的自由層200，它也不會危害多柵極器件的功能或性質。

根據(jù)實施例，公開了一種多柵極器件的制造方法。

多柵極器件2的輸入?yún)^(qū)域11、12、13和輸出區(qū)域14可共同地具有不同的層，或者以其他方式而言可共享不同的層。至少硬層31、32、33、34對不同的(輸入和輸出)區(qū)域應當是不一樣的，因為該層是導電的并且不能引起這些區(qū)域或柱之間的任何電氣短路。這通過首先提供包括多柵極器件2的所有必要層的層的疊層3并且此后通過圖案化該疊層中的一個或多個層形成輸入和輸出區(qū)域或柱來實現(xiàn)。

在圖11中，示出用于制造多柵極器件的根據(jù)實施例的層的疊層。在底電極100上設置籽層70。在籽層上可設置主體PMA層50，該層在該示例中是多層51/52。在主體PMA層上可設置任選的分界層60。在任選的分界層60上設置鐵磁層。多柵極器件的共用自由層疊層200由層的該子疊層形成。在自由層疊層200上設置非磁性層40。在其上設置硬層30，該硬層可進一步包括不同的層，諸如合成反鐵磁(SAF)結構(如例如在圖6A中所示的)。在頂部可設置頂電極90?？赏ㄟ^本領域技術人員熟知的沉積技術(諸如濺射和外延生長)來設置不同的層。

在層的該疊層3中，需要設置一組輸入?yún)^(qū)域11、12、13和一個輸出區(qū)域14。這可通過圖案化由此形成有區(qū)別的(輸入和輸出)柱來完成。

根據(jù)實施例，包括蝕刻的圖案化步驟(其可涉及一個或多個圖案化步驟)可在層的疊層中的不同級停止。

根據(jù)實施例，蝕刻可在非磁性層40之前停止，因此在硬層30中由此將硬層30的頂部圖案化成有區(qū)別的硬層31、32、33、34且保留未圖案化硬層30的其余下部。根據(jù)實施例，可執(zhí)行附加處理35(諸如舉例而言氧處理)，在這些柱之間的硬層30'的其余未圖案化部分從磁性層轉換到絕緣非磁性層，如圖12所示。

根據(jù)替換實施例，蝕刻可在非磁性層40上停止，由此將全部的硬層30圖案化成有區(qū)別的硬層31、32、33、34，如圖13所示。根據(jù)這些實施例，對于所有輸入和輸出區(qū)域，共享自由層疊層200。

根據(jù)替換實施例，蝕刻可在主體PMA層50上停止，如圖3所示，或者如果存在于任選的分界層60上，如圖4所示。根據(jù)這些實施例，對于所有輸入和輸出區(qū)域不完全共享自由層疊層200，而是對于所有輸入和輸出區(qū)域只有籽層、主體PMA層、以及如果存在任選的分界層60共用。

根據(jù)替換實施例，蝕刻可在磁性層20上停止，如圖5所示。在此情況下，硬層30和非磁性層41、42、43、44被圖案化并且限定不同的輸入和輸出柱。

至少籽層和主體PMA層應當在有區(qū)別的輸入和輸出區(qū)域之間共享，以其他方式而言，這些層應當保持未圖案化，因為主體PMA層用作輸入和輸出柱通過其連接的共用鐵磁層。甚至可能容許蝕刻或損害主體PMA層的一部分，只要其余部分仍然具有足夠的PMA以用作共用自由PMA層即可。由于所使用的層是主體PMA材料，因此去除其一部分將不會毀壞其余部分的PMA。

根據(jù)本公開的多柵極器件2的優(yōu)點在于，它提供關于有區(qū)別的輸入和輸出區(qū)域之間的共享(未圖案化)層的大的靈活性。

多柵極器件的制造方法的優(yōu)點在于，提供關于圖案化輸入?yún)^(qū)域和輸出區(qū)域(或柱)的大量靈活性?？赏ㄟ^朝著主體PMA層或者分界層或者甚至硬層的磁性層選擇性地蝕刻來圖案化輸入?yún)^(qū)域(柱)和輸出區(qū)域。

由于主體PMA層是用于將輸入?yún)^(qū)域的主磁化傳播到輸出區(qū)域的關鍵層，因此可圖案化在主體PMA層的頂部的所有層并且由此去除如從現(xiàn)有技術多柵極器件已知的缺點(即，蝕刻非磁性層和不同區(qū)域之間的電氣短路的問題)。

在如圖2所示的現(xiàn)有技術多柵極器件1中，蝕刻工藝要求在非磁性層上選擇性地停止，因為在非磁性層頂部不容許磁性導電殘余物，這是因為這可誘發(fā)有區(qū)別的輸入?yún)^(qū)域和/或輸出區(qū)域之間的電氣短路。此類現(xiàn)有技術MTJ元件的制作工藝典型地涉及沉積層(硬層、隧穿阻擋層和自由層)的疊層，之后圖案化層的疊層。圖案化MTJ元件是在MTJ技術中制作的最關鍵方面之一，因為這涉及蝕刻層的疊層的部分，由此在此類疊層中使用的幾乎所有層形成非易失性副產(chǎn)品。蝕刻工藝由此可將殘余物保留在圖案化層上，這些殘余物引起例如電氣短路、MTJ元件的腐蝕和劣化。其在MTJ元件的側壁上的沉積對存儲器器件性能可能有害的。因為非磁性層是薄(約1nm)的，蝕刻物質容易滲透通過非磁性層,并且損害下面的共用自由層和非磁性層之間的分界，由此引起PMA和TMR的損耗。

實驗結果

具有垂直磁各向異性(PMA)的自旋轉移轉矩磁性隨機存取存儲器(STT-MRAM)已經(jīng)吸引了對常規(guī)存儲器，象動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)和嵌入式靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)，的替換的很多關注。垂直STT-MRAM的優(yōu)點在于，其非易失性、短存取時間、低切換電流和潛在的縮放性。垂直STT-MRAM的關鍵組件是具有垂直磁易軸的磁隧道結(MTJ)。為了滿足以上提及的要求，垂直MTJ中的自由層(FL)應當針對低切換電流具有低阻尼常數(shù)并且針對高熱穩(wěn)定性(Δ)具有大的每單位面積有效磁各向異性能量(K^eff_U×t)。共同地使用基于CoFeB/MgO的自由層。報告高達0.5erg/cm²的K^eff_U×t以及低達0.004的阻尼常數(shù)值，這使得其對具有低達30nm的關鍵尺寸的存儲器應用是有吸引力的。然而，由于其垂直磁各向異性是分界介接(mediate)的，因此CoFeB厚度無法進一步地增加。由此，基于CoFeB/MgO的自由層的K^eff_U×t無法增加到1.0erg/cm²以上，更不用說對于其中施加兩個MgO/CoFeB分界的自由層，所謂的雙MgO自由層。這些自由層不會滿足對高熱穩(wěn)定性的請求，因為隨位密度增加，器件尺寸降低到20nm和以下。接著已經(jīng)探索具有主體PMA的大量新材料作為替換FL、象[Co/X](X＝Pt,Ni,Pd)多層(ML)、L1₀-FePt⁹和MnZ(Z＝Ga,Ge)合金?；贛n的赫斯勒(Heusler)合金富有高度挑戰(zhàn)性，因為它們要求在外延生長期間的準確合成控制以確保誘發(fā)大PMA的所需晶體結構。至此，具有Mn₃Ge的MTJ示出非常低的TMR(<25％)12、13。對于[Co/Pt]ML，它通過[Co/Pt]被展示作為具有高K^eff_U×t值的MgO阻擋物的垂直MTJ的FL的一部分，但是[Co/Pt]FL中的Pt將大的自旋軌道耦合施加給電子并且因此增加阻尼常數(shù)，這導致大切換電流。出于以上相同的原因，排除FePt合金。除[Co/Pt]之外，[Co/Ni]已經(jīng)被研究和視為有前景的替換FL材料，因為其大的自旋極化、相對較低的阻尼和高PMA的組合。[Co/Ni]已經(jīng)被用作非定形Al₂O₃阻擋物MTJ中的電極，產(chǎn)生<10％的TMR值。[Co/Ni]已經(jīng)被生長成與MgO阻擋物直接接觸以形成自旋閥，但是不報告磁傳輸(magnetotransport)性質。簡而言之，在不危及TMR的情況下如何增加MgO阻擋物MTJ中的FL PMA尚未解決。我們第一次通過使用[Co/Ni]/CoFeB混合FL設計來展示具有1.25erg/cm²的K^eff_U×t的165％TMR MTJ疊層。我們對其磁性和切換行為進行報告。討論[Co/Ni]下方的籽層的影響。正確的籽選擇對實現(xiàn)高熱穩(wěn)定性自由層應用的[Co/Ni]是至關重要的。

具有作為垂直合成反鐵磁(p-SAF)的[Co/Pt]ML的頂釘扎(TP)垂直MTJ在室溫下通過Canon Anelva EC7800工具中的物理氣相沉積在平滑的基于TaN的底電極(BE)上就地沉積。這些疊層在圖6A-C中示意性地示出。為了參考，沉積如圖6B所示的具有傳統(tǒng)CoFeB FL的MTJ疊層。具有全部MTJ疊層沉積的所有晶片接受在1T的磁場中在300攝氏度下退火達30分鐘。對于籽層研究，如圖6C所示的Hf(1nm)/NiCr(2nm)和Pt(3nm)籽上的[Co/Ni]疊層4在室溫下在相同的工具中沉積，并且隨后在N₂中在快速熱退火(RTA)設置中在各個溫度下退火達30分鐘，以供比較。[Co/Ni]、全部MTJ疊層和混合FL(圖6A)的磁性性質通過微觀振動樣品磁強計(VSM)被表征?；旌螰L的每單位面積飽和磁化(Ms)只源自混合FL的垂直小磁滯環(huán)路，而其各向異性場(HK)通過比較全部疊層的平面內滯后環(huán)路與參考疊層的平面內滯后環(huán)路來計算。TMR和RA測量使用Capres設置經(jīng)由平面內電流隧穿方法(CIPT)來完成。

將[Co/Ni]集成到MgO阻擋物MTJ中是重要的，因為其fcc(111)晶體結構與電子帶匹配中的MgO(001)不兼容。結果，CoFeB應當保持在與MgO的分界處以實現(xiàn)高TMR。這使得夾層(IL)的使用是必要的，因為一方面需要將CoFeB的結晶與[Co/Ni]的fcc(111)解耦，而另一方面需要將它們鐵磁地耦合，因此它們表現(xiàn)為一個FL。實際上，當Ta IL不存在于[Co/Ni]和CoFeB之間時，觀察自由層磁化中的平面內組分(圖7A)，我們將其歸因于CoFeB的不當結晶。注意，參考層還損失PMA，指示甚至MgO結晶受到下面[Co/Ni]的影響。在[Co/Ni]和CoFeB之間插入Ta層之后，MTJ疊層示出不同功能層的PMA和清楚的切換，如圖7A所示。圖7B中的FL的小磁滯環(huán)路中的一步切換還證明CoFeB和[Co/Ni]鐵磁地耦合并用作0.4nm的Ta IL厚度的單個FL，其足夠厚以使CoFeB與[Co/Ni]在結構上分離，同時使它們鐵磁地耦合。最佳Ta厚度范圍符合CoFeB/Ta/[Co/Pt]系統(tǒng)的更早報告的值。圖7B中的具有0.4nm的Ta IL的混合FL示出大PMA，其K^effu×t被計算為0.76erg/cm²。不幸的是，在NiCr籽上生長的混合FL的切換是不突兀的，并且觀察大矯頑場(H_c～400Oe)(參見圖7B)。

NiCr籽上的[Co/Ni]更早被報告為底釘扎的MTJ中的釘扎層，其中期望大矯頑力，即硬磁性行為。相反，對于FL應用，要求軟磁性行為和高垂直度(squareness)以確保低切換電流和對器件級的窄切換貢獻。具有幾乎與[Co/Ni]匹配(9％)的晶格的替換籽是Pt，其可通過沉積如圖6C所示的[Co/Ni]疊層來研究。圖8分別示出沉積在NiCr和Pt籽上的[Co/Ni]的垂直滯后環(huán)路。因為沉積的[Co/Ni]在兩個籽層上都示出PMA并且它們具有類似的Ms(數(shù)據(jù)未示出)。在退火之后，對于NiCr籽Ms降低且矯頑力增加，而對于Pt籽Ms和矯頑力保持恒定。NiCr籽上的[Co/Ni]具有大矯頑力(H_c～2000Oe)，但是其切換是領結式的，具有比Pt上的MLs更低的垂直度。在NiCr籽的情況下的大矯頑力的原因是形成Co-Ni-Cr合金。非磁性材料(Cr)擴散到[Co/Ni]中可影響飽和磁化，因為形成非磁相(Co_62.5-Ni₃₀-Cr_7.5合金被已知為具有與其Co-Ni等同物31相比更小的MS和更大的矯頑力的硬磁體)。實際上，在飛行時間二次離子質譜分析儀(ToF-SIMS)給出的退火之前和之后的Cr的深度分布指示在退火之后顯著數(shù)量的Cr從NiCr籽擴散到[Co/Ni]中。在Pt籽的情況下，擴散到[Co/Ni]中也發(fā)生，但是限于籽的一部分并且未知曉Co-Ni-Pt合金來形成硬磁性材料。此外，Pt籽上的[Co/Ni]的PMA受到與Pt籽直接接觸的特定材料，Co或Ni，的影響。這指示在退火之后[Co/Ni]和Pt之間的分界得以維持并且有限的擴散已經(jīng)發(fā)生。實際上，針對Pt/[Co/Ni]的情況發(fā)現(xiàn)2:2×10⁶erg/cm³的K^eff_U而針對Pt/[Ni/Co]疊層只發(fā)現(xiàn)1.5×10⁶erg/cm³的K^eff_U。在Pt/[Co/Ni]的情況下，[Co/Ni]受益于已知誘發(fā)Co中的強PMA的額外Pt/Co分界。

當使用Pt籽替代NiCr籽時，[Co/Ni]沉積順序開始于Co實現(xiàn)了高PMA的混合FL，其在退火之后具有軟磁和高垂直度的切換行為。當集成到TP MTJ疊層中時，具有Pt籽層的混合FL的切換示出低矯頑力(H_c<100Oe)和高垂直度，如圖10中所解說的。表格I將具有Pt籽上的[Co/Ni]-CoFeB混合FL的TP MTJ疊層的性質(圖6(a))與具有傳統(tǒng)CoFeB FL的TP MTJ疊層的性質(參見圖6(b))進行比較。

表格I：MTJ疊層與傳統(tǒng)和混合FL之間的磁傳輸性質的比較

在兩種情況下，CoFeB厚度為1nm。在不懲罰TMR和RA的情況下，混合FL的K^eff_U×t達到1.25erg/cm²。獲得165％的TMR值。值甚至略高于參考疊層，指示[Co/Ni]增加自由層的極化效率。如果使用更多的Co和Ni子層，K^eff_U×t則可容易地達到高達2.0erg/cm²的值，但是可預期由增加的粗糙度引起的TMR的降低并且可能要求沉積工藝的進一步優(yōu)化。在宏自旋模型中，1.25erg/cm²的K^eff_U×t值在室溫下為直徑低至16nm的器件提供大于60的熱穩(wěn)定性因子，這使得混合自由層為高密度MRAM應用的可視路線。

總之，展示了具有[Co/Ni]-CoFeB混合自由層設計的高TMR垂直MTJ。當沉積在NiCR籽上時，混合FL示出大矯頑力和低垂直度，這歸因于在退火期間Cr在[Co/Ni]多層中的擴散。在使用Pt籽時實現(xiàn)低矯頑力和高垂直度。集成在高TMR TP MTJ疊層中，獲得165％TMR疊層的高熱穩(wěn)定性(1.25erg/cm²的K^eff_U×t)的FL?；旌献杂蓪釉O計實現(xiàn)次20nm的STT-MRAM疊層所需的高熱穩(wěn)定性。