专利名称：：用自旋力矩转移写入的磁性随机存取存储器及其制造方法
技术领域：
：本发明大体上是关于磁性随机存取存储器(magneticrandomaccessmemory,MRAM)，且更明确地说，是关于借由自旋力矩转移来编程的磁性随机存取存储器的新颖结构，以及制造此结构的方法。
背景技术：
：现有非挥发性磁性随机存取存储器是借由使用交叉点磁场切换(cross-pointmagneticfieldswitching)而操作的。场借由电流通过配置于元件上下方的位线而产生。在元件中用作可写入板(writableplate)的铁磁性自由层(ferromagneticfreelayer)具有小于由位线产生的磁场的矫顽场(coercivityfield)。结果，铁磁性自由层的磁化方向被更改以与磁场方向对准。然而，由于需要大的电流，所以此操作方法限制按比例縮小MRAM元件的能力。当将多个元件配置成MRAM阵列时，由于一元件的磁场也影响邻近MRAM元件的铁磁性自由层，所以操作另外具有写入干扰的问题。另一方面，MRAM元件也可使用用于写入操作的被称为自旋力矩转移的方法。操作视流经磁性穿隧接面(magnetictunneljunction,MTJ)堆迭的电流密度而非电流振幅而定。MTJ堆迭基本上包含铁磁性自由层以及具有固定磁化方向的参考层(referencelayer)。电子穿过参考层且极化自旋。由于电子自参考层流经铁磁性自由层，所以电子基于兰道-李佛西兹-吉尔伯特(Landau-Lifshitz-Gilbert,LLG)方程式的旋进(precessing)以及阻尼(damping)项的调节来逐渐改变铁磁性自由层的磁化方向。另外，借由使用通过MTJ堆迭的自旋力矩转移电流，经编程的单元可在无干扰的情况下被写入。此允许自写入，亦即不需要使用额外的位线来写入。结果，可更进一步地来按比例縮小MRAM元件。MTJ堆迭也可利用第二参考层。第二参考层具有与第一参考层的磁化方向相反的磁化方向。自由层后来的磁化方向因而借由在写入操作期间电子流经存储器元件的方向来判定。举例而言，对于流经第一参考层至第二参考层的电流而言，自由层的磁化方向与第一参考磁体的磁化方向对准。所需的自旋力矩转移电流密度强烈地视MTJ堆迭的大小而定。然而，由于MTJ堆迭变得较小，所以元件遭受由超顺磁性引起的存储器信息损失。由于需要高写入电流密度来实现自由层的变化，所以热能实质上足以使材料中的原子磁矩(atomicmagneticmoment)随机变动。此现象不仅有助于铁磁性自由层的失稳，且亦有助于参考磁体的失稳。在MRAM阵列中的写入干扰问题亦持续。因此，需要使用需要低写入电流密度且在元件本身以及阵列中能够保持稳定磁性状态的MRAM元件。
发明内容本发明的第一实施例包括一种纳米磁性元件(nano-magneticdevice)。这种元件包括具有第一磁化方向(magnetizationdirection)且具有中心轴(centralaxis)的第一硬磁体(hardmagnet)。元件还包括借由介电衬垫(liner)与第一硬磁体分离的第二硬磁体。第二硬磁体具有与第一硬磁体的第一磁化方向相反的第二磁化方向以及中心轴，使得当第一硬磁体与第二硬磁体对准时，经由第一以及第二硬磁体来形成封闭磁通量回路(magneticfluxlo叩)。上述元件另外包括具有中心轴的铁磁性自由层(freelayer)。自旋力矩转移电流沿着第一以及第二硬磁体以及铁磁性自由层的中心轴而传递，且影响铁磁性自由层的磁化方向。可将多个此等元件连接至芯片，以形成用于磁性随机存取存储器的阵列。本发明的另一实施例包括一种制备用于纳米磁性元件的装置的方法。装置需要第一硬磁体、柱(pillar)、后来沉积的薄金属层以及后来沉积的第二硬磁体。第一磁体具有已知的第一磁化方向以及柱形状。至于上述柱包含绝缘体层、铁磁性自由层、CMP终止层(CMPst叩layer)以及硬掩模(hardmask)。第二硬磁体具有与第一硬磁体的第一磁化方向相反的第二磁化方向。这种方法包括使硬掩模縮减，再蚀刻CMP终止层、铁磁性自由层以及绝缘体层的柱以与硬掩模相符，接着将第二硬磁体以及薄金属层蚀刻成一个柱形状，使得图案对准于第一硬磁体形状。结合附图来阅读将能更好地理解本发明的较佳实施例的上述
发明内容以及以下实施方式。为了达成说明本发明的目的，在图式中示出目前为较佳的实施例。然而，应理解，本发明不限于所示的精确配置以及手段。图1示出本发明的实施例的基本结构的横截面。图2示出本发明的实施例的更详细的横截面。图3-11大体上示出根据本发明的较佳实施例制造MRAM元件的过程。图12示出本发明的实施例的横截面。主要元件符号说明10:第一硬磁体12:绝缘体层14:铁磁性自由层16:介电衬垫18:薄金属层20:第二硬磁体22、24:位线26:CMP终止层28:硬掩模30、32:抗蚀膜具体实施例方式图1示出本发明的实施例的基本结构的横截面。在写入操作期间，电流脉冲自一硬磁体穿过MRAM元件结构、铁磁性自由结构以及第二硬磁体。电流密度的范围为约105A/cn^至约107A/cm2，且脉冲持续时间的范围为约0.1ns至100ns。不像其中每一层为平坦的且具有与其他层相同的宽度的先前技术，图l示7出两个硬磁体相对于铁磁性自由结构大得多。此赋能利用低电流密度来进行元件编程。更改磁化方向所需的电流密度遵照方程式J=JcQ[1-(KT/E)ln(7"o/Vp)]，其中E=MsVHk/2JU、K(波兹曼常数)以及T。为常数，rp(脉冲持续时间)、T(温度)、Ms(饱和磁化(saturationmagnetization)),V(元件容积)以及H"异向性场(anisotropicfield))为可变参数。对于两个大的硬磁体而言，Hk以及V是高的。1/mi宽度的两个硬磁体需要大于107A/cn^的电流密度以改变磁化方向。相反地，较小的铁磁性自由结构具有相对低的Hk以及V。所需电流密度约为105或106A/cm2。因此，两个硬磁体的成比例的大容积使元件更稳定。同时，较小的铁磁性自由层允许使用较低的电流密度，借此进一步有助于元件的磁稳定(stabilization)。图2示出如在MRAM阵列中连接至承载执行MRAM写入的电流脉冲的位线22以及24的本发明的实施例的详细横截面。第一硬磁体10连接至在图2中沿着x轴示出的位线22。第一硬磁体IO可由高矫顽性材料构造，包括诸如CoFe或Co的3d过渡铁磁性材料或合金，诸如SmCo的硬磁体材料，或混合结构，例如，沉积于Cr上的Co。矫顽性(coercivity)的范围为约100Oe至约1T(10,000Oe)。或者，第一硬磁体10可由交换偏移耦接(exchange-biascoupled)铁磁材料构造。此包括关于反铁磁性结构的铁磁体。反铁磁性材料可为诸如FeMn、IrMn或PtMn的反铁磁性物质，诸如CoFe/Rr/CoFe的合成反铁磁性结构，或两者的组合。与所用的材料无关，第一硬磁体10应具有在约10nm至约200nm的范围内的总厚度。在图2中，将绝缘体层12示出于第一硬磁体10的中心轴的上方。此结构包括诸如Al203或MgO的材料，且厚度的范围为约0.8nm至约4nm。绝缘体层12将第一硬磁体10与铁磁性自由层14分离。铁磁性自由层14可为诸如CoFe、CoFeB、NiFeSiB或NiFe的单一铁磁性层，或可为多层结构如CoFeB/Ru/CoFeB。每一层的厚度的范围为约1nm至约10nm。铁磁性自由层14的矫顽性低于第一硬磁体10的矫顽性，如低于50Oe。而薄金属层18是用在写入期间传导来自第二硬磁体20的电子自旋信息(message)且防止铁磁性自由层14与第二硬磁体20之间的磁性耦接。由Ru、Ir、Pt、Cu或Ag组成的此金属层18(例如)应覆盖厚度小于约3nm的构造(topology)。第二硬磁体20可由类似于第一硬磁体IO的材料的材料构造。在较佳实施例中，第一硬磁体10为诸如IrMn/CoFeB/Ru/CoFeB的交换偏移耦接多层结构(multilayer),且第二硬磁体20为诸如CoFe的具有高矫顽性的铁磁性单一层。在所有实施例中，第二硬磁体20必须具有与第一硬磁体10的磁化方向相反的磁化方向。第二硬磁体20连接至在图2中沿着y轴示出的位线24。第一硬磁体10以及第二硬磁体20与薄金属层18之间剩余的空间可由介电衬垫来填充。衬垫厚度的范围可为约50nm至约200nm。在较佳实施例中，介电质为Si02。图3-11大体上示出根据本发明的较佳实施例制造MRAM元件的过程。请参看图3，沉积第一硬磁体10、绝缘体结构12及铁磁性自由层14。CMP终止层26可为金属性的或绝缘的。硬掩模28放置于CMP终止层26的顶上。在较佳实施例中，若硬掩模28及稍后沉积的介电衬垫(在下文论述)包含Si02且CMP的研磨浆为Ce02，则终止层26由SiN组成。终止层26的厚度应为约10腿。在较佳实施例中，硬掩模28为SiO2，且厚度的范围为约50nm至约300nm。经图案化的抗蚀膜30的厚度范围也为约50nm至约300nm。在较佳实施例中，经图案化的抗蚀膜30为柱形状，诸如椭圆形、眼睛形状或圆形。请参看图4，蚀刻绝缘体结构12、铁磁性自由层14、CMP终止层26及硬掩模28至经图案化的抗蚀膜30。可使用基于F化学物的配方借由反应式离子蚀刻(reactive-ion-etch,RIE)方法来蚀刻硬掩模28及CMP终止层26。接着可使用具有多个步骤的配方，以蚀刻铁磁性自由层14及绝缘体12。可能的化学物包括Cl2、BC13、NF3、CF4、CHF3、CO、02、Ar及/或N2。在较佳实施例中，使用RIE。另外可使用时间模式或终点检测方法，以在第一硬磁体IO上终止。请参看图5，将第一硬磁体IO蚀刻为锥形轮廓。可使用利用Cl2、BC13、NF3、CF4、CHF3、CO、02、Ar及/或N2的钝化支配RIE配方。然而，CO及02可减少，且BCl3及CHF3可增加。时间模式或终点检测方法可用于终止蚀刻制程。为了移除聚合物，可利用02等离子体去除及借由EKC265进行的湿式剥除(wetstrip)。请参看图6，使用适合的溶剂来使硬掩模28尺寸縮减。在较佳实施例中，在縮减后，硬掩模28的临界尺寸的范围为约10nm至约60nm。此是自小于约150nm的预縮减尺寸(pre-shrinksize)而下降的。若使用SiN硬掩模，则溶剂可为时间模式控制下的热磷酸。在较佳实施例中，硬掩模为Si02，且溶剂可为时间模式控制下的稀HF或缓冲HF。请参看图7，再次蚀刻绝缘体结构12、铁磁性自由层14及CMP终止层26以与縮减的硬掩模28相符。可使用多步骤配方。对于CMP终止层26而言，可能的化学物包括CF4、CHF3、CH3F、CO、02、Ar及/或N2。在较佳实施例中，在精调参数(fine-tunedparameter)的情况下使用RIE。蚀刻铁磁性自由层14及绝缘体结构12的可能的化学物包括Cl2、BC13、NF3、CF4、CHF3、CO、02、Ar及/或N2。可使用时间模式或终点检测方法以在第一硬磁体IO上终止。在较佳实施例中，在精调参数的情况下使用RIE。请参看图8，将厚介电衬垫16沉积于整个构造上方。在较佳实施例中，介电质为借由诸如化学气相沉积(chemicalvapordeposition,CVD)或等离子体增强CVD的方法而沉积的Si02。请继续参看图9，使用介电构造CMP制程来暴露CMP终止层26，而不损坏铁磁性自由结构。在较佳实施例中，研磨浆为Ce02，使得研磨选择性足够高以在CMP终止层26上终止。需要阵列附近的许多虚设图案(dummypattern)(未显示于图9中)来检测研磨的进程。在CMP制程之后，需要洗涤清洁剂来移除遗留的微粒残渣。请参看图10，借由(例如)湿式蚀刻或干式蚀刻来移除来自图9的CMP终止层26。在较佳实施例中，为SiN的CMP终止层使用借由磷酸进行的湿式蚀刻。对铁磁性自由层14及介电衬垫16的蚀刻选择性是足够的。接着，将薄金属层18沉积于构造上方。将第二硬磁体20沉积于金属层18上方。可借由在沉积期间施加磁场来感应磁化方向。第二经图案化的抗蚀膜32类似于第一经图案化的抗蚀膜30，因为其为柱形状的，如椭圆形、眼睛形状或圆形。然而，临界尺寸的范围为约50nm至约300nm，且必须大于第一硬磁体10的临界尺寸。请参看图ll,可使用多步骤配方来蚀刻第二硬磁体20及薄金属层18。可能的化学物包括Cl2、BC13、NF3、CF4、CHF3、CO、02、Ar及/或N2。在较佳实施例中，在精调参数的情况下使用RIE。可使用时间模式或终点检测方法以在过度蚀刻时在介电衬垫上终止。在蚀刻之后，使用02等离子体去除及借由EKC265进行的湿式剥除来移除所有聚合物。图12则是显示具有在第一硬磁体10及第二硬磁体20中指示的磁化方向的完成的存储器元件。相反的磁化方向及两个硬磁体10及20的相符形状使得磁通量经由磁体10及20形成圆形回路。此回路使能量稳定，以满足麦克斯韦(Maxwell)第二方程式divB=0。硬磁体10及20的这种自稳定对准可防止邻近的元件受到磁通量干扰。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。权利要求1.一种纳米磁性元件，其特征在于包括(a)一第一硬磁体，具有一第一磁化方向且具有一中心轴；(b)一第二硬磁体，其借由一介电衬垫与所述第一硬磁体分离，所述第二硬磁体具有与所述第一硬磁体的所述第一磁化方向相反的一第二磁化方向且具有一中心轴，使得在所述第一硬磁体与所述第二硬磁体对准时，经由所述第一硬磁体及第二硬磁体来形成一封闭磁通量回路；以及(c)一铁磁性自由层，具有一中心轴，使得一自旋力矩转移电流沿着所述第一硬磁体、所述第二硬磁体及所述铁磁性自由层的所述中心轴而传递，且影响所述铁磁性自由层的磁化方向。2.如权利要求1所述的纳米磁性元件，其特征在于，所述铁磁性自由层被制作成会被所述第一硬磁体及所述第二硬磁体封闭的尺寸。3.如权利要求2所述的纳米磁性元件，其特征在于，所述铁磁性自由层具有小于50Oe的矫顽性。4.如权利要求2所述的纳米磁性元件，其特征在于，所述铁磁性自由层为CoFe或CoFeB。5.如权利要求1所述的纳米磁性元件，其特征在于，所述第一硬磁体为交换偏移耦接多层铁磁性材料。6.如权利要求1所述的纳米磁性元件，其特征在于，所述第二硬磁体为具有大于1000e的矫顽性的铁磁性单一层。7.如权利要求1所述的纳米磁性元件，其特征在于，还包括(d)—绝缘体层，位于所述第一硬磁体与所述铁磁性自由层之间。8.如权利要求7所述的纳米磁性元件，其特征在于，所述绝缘体层为A1203或MgO。9.如权利要求7所述的纳米磁性元件，其特征在于，还包括(e)—薄金属层，接触所述铁磁性自由层及所述第二硬磁体。10.如权利要求9所述的纳米磁性元件，其特征在于，所述薄金属层为Ru或Ir。11.如权利要求9所述的纳米磁性元件，其特征在于，所述介电衬垫将所述第一硬磁体与未接触所述铁磁性自由层的所述薄金属层的所有部分分离。12.—种由多数个纳米磁性元件构成的装置，其特征在于，每一纳米磁性元件包括(a)—第一硬磁体，具有一第一磁化方向且具有一中心轴；(b)—第二硬磁体，其借由一介电衬垫与所述第一硬磁体分离，所述第二硬磁体具有与所述第一硬磁体的所述第一磁化方向相反的一第二磁化方向且具有一中心轴，使得在所述第一硬磁体与所述第二硬磁体对准时，经由所述第一硬磁体及所述第二硬磁体来形成一封闭磁通量回路；以及(C)一铁磁性自由层，其具有一中心轴，使得一自旋力矩转移电流沿着所述第一硬磁体、所述第二硬磁体及所述铁磁性自由层的所述中心轴来传递，且影响所述铁磁性自由层的磁化方向，每一纳米磁性元件连接至一芯片，以形成用于一磁性随机存取存储器中的阵列。13.—种制备用于纳米磁性元件中的装置的方法，所述装置包括一第一硬磁体、一柱、后来沉积的一薄金属层及后来沉积的一第二硬磁体，所述第一硬磁体具有一第一磁化方向及一柱形状，所述柱包括一绝缘体层、一铁磁性自由层、一CMP终止层及一硬掩模，所述第二硬磁体具有与所述第一硬磁体的所述第一磁化方向相反的一第二磁化方向，所述方法包括(a)使所述硬掩模缩减；(b)蚀刻所述CMP终止层、所述铁磁性自由层及所述绝缘体层的所述柱以与所述硬掩模相符；以及(c)将所述第二硬磁体及所述薄金属层蚀刻成一柱形状，使得图案与所述第一硬磁体形状对准。14.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于，步骤(a)还包括使所述硬掩模自小于150nm的尺寸缩减为10nm至60nm的硬掩模尺寸。15.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)包括蚀刻所述第二硬磁体，使一第二硬磁体尺寸大于一第一硬磁体尺寸。16.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)包括蚀刻所述第二硬磁体，使第二硬磁体尺寸为50nm至300nm。17.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述柱形状为椭圆形、眼睛形状及圆形其中之一。全文摘要本发明涉及用自旋力矩转移写入的磁性随机存取存储器及其制造方法。纳米磁性元件包括具有第一磁化方向且具有中心轴的第一硬磁体。元件还包括借由介电衬垫与第一硬磁体分离的第二硬磁体。第二硬磁体具有与第一硬磁体的第一磁化方向相反的第二磁化方向及中心轴，使得在第一硬磁体与第二硬磁体对准时，经由第一及第二硬磁体来形成封闭磁通量回路。元件另外包括具有中心轴的铁磁性自由层。自旋力矩转移电流沿着第一及第二硬磁体及铁磁性自由层的中心轴传递，且影响铁磁性自由层的磁化方向。文档编号H01L43/08GK101192646SQ20071018028公开日2008年6月4日申请日期2007年10月15日优先权日2006年12月1日发明者何家骅申请人:旺宏电子股份有限公司