专利名称：磁存储单元与其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种磁存储单元及其制造方法，且特别涉及一种具有较为宽大的磁性下电极可产生较佳均匀性外露磁场的磁存储单元及其制造方法。
背景技术：
磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，底下简称“MRAM”)具有非易失、高密集度、高读写速度、抗辐射线等等优点。写入数据时，一般所使用的方法为两条电流线，也就是位线(Bit Line)与写入字符线(Write Word Line)，感应磁场所交集选择到的存储单元(MemoryCell)，通过改变存储层磁性材料的磁化方向，来更改其磁电阻值。而在读取存储数据时，让选择到的磁存储单元流入电流，从读取的电阻值可以判定存储数据的数字值。
此磁存储单元，为多层磁性金属材料的堆栈结构其结构是由软铁磁材料(Soft Magnetic Layer)层、穿隧能障绝缘层(Tunnel Barrier layer)、硬铁磁材料(Hard Magnetic Layer)层与非磁性导电层(Nonmagnetic conductor)所堆栈组成。通过两层铁磁材料的磁化方向平行或反平行，以决定存储“0”或“1”的状态。
由于磁存储单元在制造的时候，工艺不易控制，使得在一个MRAM存储器产品内部的每一位，形状可能不一致，而对于磁存储单元而言，边缘(End domain)的控制又甚为重要，所以每一个位的写入磁场大小会因此不一致，造成了现今磁存储器写入选择性(Write Selectivity)不佳的现象，使得磁存储器的量产工程甚为困难。
在美国第6,545,906号专利中，采用与传统交错型写入(Cross Selection)模式不同的拴扣型写入模式(Toggle Mode)，将磁存储器的写入选择性大幅的提高，使得磁存储器更接近量产化的阶段。然而由于拴扣型特殊的写入模式，仍需要较大的写入磁场，造成了此类产品写入电流过大，与外围系统搭配应用困难的问题。
另外，在常用技术中，美国第6,633,498号专利提出在两条写入线产生的磁场(字符线磁场HW与位线磁场HD)的合向量方向加入一个外加磁场(HBIAS)，可以将拴扣型写入特性曲线调整，达成省电的功效，也就是从原来的图1的区域120转变为如图2的区域220，有显著的效果。一般而言，要达到一个外加磁场的效果，可以在存储器包装时，加入永久磁铁或电磁铁的方法达成，然而，最简单的就是使用下电极的人造反铁磁固定层(SAF)厚度的差异，造成一个外露磁场，此厚度的差异越大，造成的外露磁场也越强。然而，这种方法会有限制，当外露磁场达到一定程度之后，自由层的稳定性将变得相当差。
当外加一个很强的外露磁场(HBIAS)时，在存储单元的边缘处(Enddomain)，其极化向量(Magnetization)可能会呈现不规则角度分布，如图3所示，为磁存储单元300，在由铁磁材料层所组成的第一自由层(Free1)310与第二自由层(Free2)330之间有非磁性导电层(例如Ru，Ta，Cu或其它可耦合的隔离层)320。而另外由铁磁材料层所组成的上固定(Top Pinned，底下简称“TP”)层350与下固定(Bottom Pinned，底下简称“BP”)层370之间有非磁性导电层(Ru，Ta，Cu或其它可耦合的隔离层)360。而第二自由层(Free2)330与TP层350之间有穿隧能障绝缘层(Tunnel Barrier layer)340，可为AlOx，MgO或其它高介电层。而如上所述，当外露磁场(HBIAS)太强时，如图示的第一自由层310与第二自由层330，特别是比较接近的第二自由层330，其边缘处(End domain)的其极化向量呈现不规则角度分布。在如此一来，将会造成磁性元件翻转的困难度以及增加许多写入的错误率。
而传统的磁性随机存取存储器(MRAM)的磁存储单元工艺，是采取一次蚀刻截断所有磁性膜的方式。例如传统具有单层自由层的磁性穿隧元件(Magnetic Tunneling Junction，底下简称“MTJ”)而言，如图4所示，此磁性穿隧元件(MTJ)包括由上电极(Top Electrode)410与铁磁自由(FreeMagnetic，底下简称“FM”)层420所组成的第一扇区，以及由上固定层(TopPinned Layer)442、磁性耦合间隔层444与下固定层(Bottom PinnedLayer)446所组成的第二扇区，以及在第一扇区与第二扇区之间的穿隧绝缘层430，而此穿隧绝缘层430可由Al2O3或MgO所组成。而磁性耦合间隔层444如附图中的钌(Ruthenium，底下简称“Ru”)层。而MTJ是建构在下电极定义(BE)层之上，而此下电极定义(BE)层包括反铁磁层(PtMn)450与下电极(Bottom Electrode)460所组成。而此磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性穿隧元件(MTJ)是采取一次蚀刻截断所有磁性膜的方式部分，也就是对上电极410、铁磁自由层420、穿隧绝缘层430、上固定层442、磁性耦合间隔层444与下固定层446等直接以蚀刻的方式形成。
而又例如传统具有三明治形式的人造反铁层自由层(SAF Free Layer)的磁性穿隧元件(MTJ)而言，如图5所示，此磁性穿隧元件(MTJ)包括由上电极510、第一人造反铁磁自由(SAF)层520、穿隧绝缘层530与第二人造反铁磁固定(SAF)层540所组成。而第一人造反铁磁自由(SAF)层520包括第一铁磁自由(FM)层522、磁性耦合间隔层(Ru)524与第二铁磁自由(FM)层526所组成。而第二人造反铁磁固定(SAF)层540则是由上固定层(TopPinned Layer)542、磁性耦合间隔层(Ru)544与下固定层(Bottom PinnedLayer)546所组成。而MTJ是建构在下电极定义(BE)层之上，而此下电极定义(BE)层包括反铁磁层(PtMn)层550与下电极560所组成。而此磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性穿隧元件(MTJ)是采取一次蚀刻截断所有磁性膜的方式部分，也就是对上电极510、第一人造反铁磁自由(SAF)层520、穿隧绝缘层530、第二人造反铁磁固定(SAF)层540等直接以蚀刻的方式形成。
由图4与图5两种不同结构的磁性随机存取存储器(MRAM)的磁存储单元制造方法可知，这种工艺方式形成的磁性元件，在自由层的边缘处，将会感受相当强的磁场，使得自由层的边缘处(End domain)区域的其极化向量呈现不规则角度分布，如图3所示，如此一来，将会造成磁性元件翻转的困难度。
发明内容
本发明所提出的磁存储单元，采用与自由层大小不同的人造反铁磁下电极固定层，可通过增加光刻掩膜对准的方式，达成各种形状的磁性下电极，由于较为宽大的磁性下电极，可以产生较佳均匀性的外露磁场，使得自由层的End Domain区域极化向量分布正常，达到较佳的翻转特性。
本发明的另一种实施例，采用自对准的工艺方式，达成与自由层形状相似且较宽大的磁性下电极，利用这种方式，可以摒除不同光刻掩膜层次对准时的偏差，达成较佳的工艺均匀性。
通过本发明所提出的磁存储单元，调整适当的磁性下电极外露磁场，可以让整个自由层不同位置感受实体上相同的外加磁场，可以达成非常低的写入磁场特性。
为达上述目的，本发明提出一种磁存储单元，包括磁性自由扇区、穿遂绝缘层、人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)与下电极定义(BE)层。其中穿遂绝缘层介于磁性自由扇区与人造反铁磁下电极固定层的中间。下电极定义(BE)层位于人造反铁磁下电极固定层的下方。磁性自由扇区的宽度小于人造反铁磁下电极固定层。
上述磁存储单元，其磁性自由扇区包括上电极与自由层或是人造反铁磁自由层(SAF Free Layer)。
上述磁存储单元，其中磁性自由扇区的宽度小于人造反铁磁下电极固定层部分有间隙壁形成于磁性穿隧元件侧壁。
上述磁存储单元，其中人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)的形状可以是长方形、圆形或是椭圆形。
为达上述目的，本发明提出一种磁存储单元的制造方法。在此方法中，首先，进行磁性结构的前段工艺，形成下电极物质层、人造反铁磁下电极固定物质层、穿遂绝缘物质层与磁性自由扇区堆栈结构，其中穿遂绝缘物质层介于磁性自由扇区物质层与人造反铁磁下电极固定物质层之间。而下电极物质层位于人造反铁磁下电极固定物质层的下方。接着对磁性自由扇区物质层进行蚀刻，并以穿遂绝缘物质层为第一蚀刻中止层，形成磁性自由扇区。而后利用光刻掩膜工艺，并以下电极物质层当第二蚀刻中止层，定义出穿遂绝缘层与能够产生外露磁场的人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)。而人造反铁磁下电极固定层的宽度大于磁性自由扇区的宽度。之后进行下电极物质层的图案化以形成下电极定义(BE)以及形成位线(BL)。
为达上述目的，本发明提出一种磁存储单元的制造方法。在此方法中，首先，进行磁性结构的前段工艺，形成下电极物质层、人造反铁磁下电极固定物质层、穿遂绝缘物质层与磁性自由扇区堆栈结构。此穿遂绝缘物质层介于磁性自由扇区物质层与人造反铁磁下电极固定物质层之间，而下电极物质层位于人造反铁磁下电极固定物质层的下方。对磁性自由扇区物质层进行蚀刻，并以穿遂绝缘物质层为第一蚀刻中止层，形成磁性自由扇区。形成薄膜层于磁性自由扇区上方，并利用回蚀刻的方式，于磁性自由扇区侧壁形成间隙壁。以下电极物质层当第二蚀刻中止层，并利用间隙壁为自对准蚀刻，定义出能够产生外露磁场的人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)。此人造反铁磁下电极固定层的宽度大于磁性自由扇区的宽度为间隙壁的宽度。进行下电极物质层的图案化以形成下电极定义(BE)以及形成位线(BL)。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1是说明一种公知的在拴扣型写入特性曲线示意图。
图2是说明加入一个外加磁场(HBIAS)后改变的拴扣型写入特性曲线的示意图。
图3是说明当外加一个很强的外露磁场(HBIAS)时，在存储单元的边缘处(End domain)，其极化向量(Magnetization)可能会呈现不规则角度分布。
图4是说明传统具有单层自由层的磁性穿隧元件(MTJ)结构示意图。
图5是说明传统具有三明治形式的人造反铁层自由层(SAF FreeLayer)的磁性穿隧元件(MTJ)结构示意图。
图6是说明本发明第一实施例的具有单层自由层的磁性穿隧元件(MTJ)结构示意图。
图7是说明本发明第一实施例的具有三明治形式的人造反铁磁自由层(SAF Free Layer)的磁性穿隧元件(MTJ)结构示意图。
图8是说明本发明第一实施例的磁性穿隧元件(MTJ)的制造流程。
图9是说明本发明第一实施例的正面光刻掩膜布局示意图。
图10是说明本发明第二实施例的具有单层自由层的磁性穿隧元件(MTJ)结构示意图。
图11是说明本发明第二实施例的具有三明治形式的人造反铁磁自由层(SAF Free Layer)的磁性穿隧元件(MTJ)结构示意图。
图12是说明本发明第二实施例的磁性穿隧元件(MTJ)的制造流程。
图13是说明本发明第二实施例的正面光刻掩膜布局示意图。
图14A是说明一般拴扣型磁存储单元的特性图。
图14B是说明运用本发明实施例的磁存储单元特性图。
主要元件标记说明300磁存储单元310第一自由层(Free1)320非磁性导电层330第二自由层(Free2)340穿隧能障绝缘层(Tunnel Barrier layer)350上固定(Top Pinned)层360非磁性导电层370下固定(Bottom Pinned)层
410上电极420铁磁自由层430穿隧绝缘层442上固定层444磁性耦合间隔层446下固定层450反铁磁层460下电极MTJ磁性穿隧元件510上电极520第一人造反铁磁自由(SAF)层522第一铁磁自由(FM)层524磁性耦合间隔层(Ru)526第二铁磁自由(FM)层530穿隧绝缘层540第二人造反铁磁固定(SAF)层542上固定层544磁性耦合间隔层546下固定层550反铁磁层(PtMn)层560下电极610上电极620铁磁自由层630穿遂绝缘层
640人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)642上固定层644磁性耦合间隔层646下固定层650反铁磁层660下电极710上电极720第一人造反铁磁自由(SAF)层722第一铁磁自由层724磁性耦合间隔层(Ru)726第二铁磁自由层730穿隧绝缘层740人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)742上固定层744磁性耦合间隔层746下固定层750反铁磁层760下电极910字符线(WWL)920下电极定义(BE)920930人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)940下电极接点(BEC)950磁性自由扇区960位线(BL)
1010上电极1020铁磁自由层1030穿遂绝缘层1040人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)1042上固定层1044磁性耦合间隔层1046下固定层1050反铁磁层1060下电极1110上电极1120第一人造反铁磁自由(SAF)层1130穿隧绝缘层1140人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)1142上固定层1144磁性耦合间隔层1146下固定层1150反铁磁层1160下电极1310字符线(WWL)1360位线(BL)具体实施方式
本发明所提出的磁存储单元，采用与自由层大小不同的人造反铁磁下电极固定层，可通过增加光刻掩膜对准的方式，达成各种形状的下电极(如长方形)，由于较为宽大的磁性下电极，可以产生较佳均匀性的外露磁场，使得自由层的End Domain区域极化向量分布正常，达到较佳的翻转特性。
本发明的另一种实施例，采用自对准的工艺方式，达成与自由层形状相似且较宽大的磁性下电极，利用这种方式，可以摒除不同光刻掩膜层次对准时的偏差，达成较佳的工艺均匀性。通过本发明所提出的磁存储单元，调整适当的磁性下电极外露磁场，可以让整个自由层不同位置感受实体上相同的外加磁场，可以达成非常低的写入电流特性。
磁存储单元，是由磁性多层膜所组成，一般而言，需要有下电极、缓冲层(例如NiFe或NiFeCr)、反铁磁层(例如PtMn或MnIr)、铁磁固定层或人造反铁磁固定层(例如CoFe/Ru/CoFe)、穿隧绝缘层(例如AlOx或MgO)、铁磁自由层(例如NiFe/CoFe，CoFeB或是人造反铁磁自由层)，以及上电极等。
第一实施例本实施例的磁性元件，可以为单一自由层，如图6所示，或是三明治形式的人造反铁层自由层(SAF Free Layer)，如图7，底下将详细说明。而磁性元件主要判别数据状态的方式，是介于穿隧绝缘层(Al2O3或MgO)两侧的铁磁层，依据此两铁磁层的平行反平行排列，以决定储存于存储单元的数据。
具有单层自由层的磁性穿隧元件(Magnetic Tunneling Junction，底下简称“MTJ”)而言，如图6所示，包括磁性自由扇区、穿隧绝缘层、人造反铁磁固定层与下电极所组成。磁性自由扇区包括上电极(Top Electrode)610、铁磁自由(Free Magnetic，底下简称“FM”)层620。而铁磁自由层620例如由NiFe/CoFe、CoFeB或是人造反铁磁自由层等所组成。此穿遂绝缘层630可由Al2O3或是MgO所组成，用以隔绝底下较为宽大能够产生外露磁场的人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)640。而此人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)640则包括铁磁固定层或人造反铁磁固定层(例如CoFe/Ru/CoFe)等等，如图所示的上固定层(Top Pinned Layer)642、磁性耦合间隔层644与下固定层(Bottom Pinned Layer)646。此磁性耦合间隔层644可以为钌(Ruthenium，底下简称“Ru”)、铜(Copper)或钽(Ta)等物质所组成。而底下则由下电极660、缓冲层(例如NiFe或NiFeCr)及反铁磁层(例如PtMn或MnIr)650所组成的下电极定义(BE)。
本发明所提出的磁存储单元，主要结构上为磁性自由扇区的宽度小于人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)640，如图所示两者差距有延伸部。如此可增加光刻掩膜对准的方式，达成各种形状的下电极(如长方形)，由于较为宽大的磁性下电极，可以产生较佳均匀性的外露磁场，使得磁性穿隧元件(MTJ)的自由层的End Domain区域极化向量分布正常，达到较佳的翻转特性。并且能通过上固定层642与下固定层646厚度的调整，而使得磁性穿隧元件(MTJ)的自由层的翻转场能够变小。而此人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)640的形状可以是长方形、圆形或是椭圆形。除此之外，此人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)640亦能由磁性自由扇区的自由层自对准而得到的形状，底下将在不同制成步骤中说明。
具有三明治形式的人造反铁磁自由层(SAF Free Layer)的磁性穿隧元件(MTJ)，如图7所示，包括磁性自由扇区、穿隧绝缘层、人造反铁磁固定层与下电极所组成。磁性自由扇区包括上电极710、第一人造反铁层自由(SAF)层720。而底下则是穿隧绝缘层730及人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)740。而第一人造反铁层自由(SAF)层720，包括第一铁磁自由层722、磁性耦合间隔层(Ru)724与第二铁磁自由层726。而穿遂绝缘层730，此可由Al2O3或是MgO所组成，用以隔绝底下较为宽大能够产生外露磁场的人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)740。而此人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)740则包括铁磁固定层或人造反铁磁固定层(例如CoFe/Ru/CoFe)等等，如图所示的上固定层(Top Pinned Layer)742、磁性耦合间隔层744与下固定层(Bottom Pinned Layer)746。此磁性耦合间隔层744可以为钌(Ruthenium，底下简称“Ru”)、铜(Copper)或钽(Ta)等物质所组成。而底下则由下电极760、缓冲层(例如NiFe或NiFeCr)及反铁磁层(例如PtMn或MnIr)750所组成的下电极定义(BE)。
本发明所提出的磁存储单元，主要结构上为磁性自由扇区的宽度小于人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)740。如此可增加光刻掩膜对准的方式，达成各种形状的下电极(如长方形)，由于较为宽大的磁性下电极，可以产生较佳均匀性的外露磁场，使得磁性穿隧元件(MTJ)的自由层的EndDomain区域极化向量分布正常，达到较佳的翻转特性。并且能通过上固定层742与下固定层746厚度的调整，而使得磁性穿隧元件(MTJ)的自由层的翻转场能够变小。而此人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)740的形状可以是长方形、圆形或是椭圆形。除此之外，此人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)740亦能由磁性穿隧元件(MTJ)的自由层自对准而得到的形状，底下将在不同制成步骤中说明。
本发明的第一种实施例的具有单层自由层的磁性穿隧元件(MTJ)的制造流程，如图8所示。首先完成磁性结构的前段工艺，包括前端(Front end)互补式氧化物金属半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，底下简称“CMOS”)工艺的步骤802、写入字符线(Write Word Line，底下简称“WWL”)形成工艺的步骤804、下电极接点(Bottom Electrode Contact，底下简称“BEC”)形成的步骤806、下电极沉积(Deposition)工艺的步骤808与磁性穿隧元件(MTJ)的堆栈沉积形成的步骤810。
而如接着的步骤812，当对磁性元件蚀刻的时候，首先，以穿遂绝缘层当蚀刻中止层(Etching Stop Layer)。接着如步骤814，利用一道光刻掩膜工艺，并以下电极定义(BE)当蚀刻中止层，定义出较为宽大能够产生外露磁场的人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)。之后，如步骤816，完成下电极定义(BE)图案化，以及后续的位线(BL)工艺，包括步骤818的内金属介电(Intermetal Dielectric，“IMD”)层的沉积与步骤820的位线(BL)形成的工艺。
本发明第一种实施例的正面光刻掩膜布局示意图，如图9所示，其中磁性元件的易轴(Easy Axis)与字符线(WWL)910、位线(BL)960呈45度排列，即所谓的拴扣型写入模式(Toggle Write)布局方式。在此布局示意图中，磁性自由扇区950下方，形成较为宽大的人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)930，而铁磁下电极固定层(SAF-BE)930下方则是下电极定义(BE)920与下电极接点(BEC)940，如此布局将可达成非常低写入电流的效果。
第二实施例本实施例的磁性元件，可以为单一自由层，如图10所示，或是三明治形式的人造反铁磁自由层(SAF Free Layer)，如图11，底下将详细说明。
本实施例的具有单层自由层的磁性穿隧元件(MTJ)，如图10所示，包括磁性自由扇区、穿隧绝缘层、人造反铁磁固定层与下电极所组成。磁性自由扇区包括上电极1010、铁磁自由层1020。而铁磁自由层1020例如由NiFe/CoFe、CoFeB或是人造反铁磁自由层等所组成。穿遂绝缘层1030可由Al2O3或是MgO所组成，用以隔绝底下较为宽大能够产生外露磁场的人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)1040。而此铁磁下电极固定层(SAF-BE)1040则包括铁磁固定层或人造反铁磁固定层(例如CoFe/Ru/CoFe)等等，如图所示的上固定层(Top Pinned Layer)1042、磁性耦合间隔层1044与下固定层(Bottom Pinned Layer)1046。而底下则由下电极1060、缓冲层(例如NiFe或NiFeCr)及反铁磁层(例如PtMn或MnIr)1050所组成的下电极定义(BE)。
本实施例所提出的磁存储单元，主要结构上为磁性自由扇区的宽度小于人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)1040，而由于采用自对准的工艺，因此增加了间隙壁(Spacer)形成于上电极1010与铁磁自由层1020的侧边，而以穿遂绝缘层1030为蚀刻中止层。
本实施例的具有三明治形式的人造反铁磁自由层(SAF Free Layer)的磁性穿隧元件(MTJ)，如图11所示，包括磁性自由扇区、穿隧绝缘层、人造反铁磁固定层与下电极所组成。磁性自由扇区包括上电极1110、第一人造反铁磁自由(SAF)层1120。而底下则是穿隧绝缘层1130及人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)1140。而穿遂绝缘层1130，此可由Al2O3或是MgO所组成，用以隔绝底下较为宽大能够产生外露磁场的人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)1140。而此人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)1140则包括铁磁固定层或人造反铁磁固定层(例如CoFe/Ru/CoFe)等等，如图所示的上固定层(Top Pinned Layer)1142、磁性耦合间隔层1144与下固定层(BottomPinned Layer)1146。此磁性耦合间隔层1144可以为钌(Ruthenium，底下简称“Ru”)、Cu或Ta物质所组成。而底下则由下电极1160、缓冲层(例如NiFe或NiFeCr)及反铁磁层(例如PtMn或MnIr)1150所组成的下电极定义(BE)。
本发明所提出的磁存储单元，主要结构上为磁性自由扇区的宽度小于铁磁下电极固定层(SAF-BE)1140。而由于采用自对准的工艺，因此增加了间隙壁(Spacer)形成于上电极1110与第一人造反铁层自由(SAF)层1120的侧边，而以穿遂绝缘层1130为蚀刻中止层。
本发明的第二种实施例的磁性穿隧元件(MTJ)的制造流程，如图12所示。在此第二个实施例中，为了避免不同层次光刻掩膜对准的偏差，采取如图12所示的制造流程。首先完成磁性结构的前段工艺，包括前端(Frontend)互补式氧化物金属半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor，底下简称“CMOS”)工艺的步骤1202、写入字符线(WriteWord Line，底下简称“WWL”)形成工艺的步骤1204、下电极接点(BottomElectrode Contact，底下简称“BEC”)形成的步骤1206、下电极(BE)沉积(Deposition)制成的步骤1208与磁性穿隧元件(MTJ)的堆栈沉积形成的步骤1210。
在磁性元件蚀刻的时候，如步骤1212，首先以穿遂绝缘层当蚀刻中止层(Stop Layer)。之后，如步骤1214的间隙壁(Spacer)的形成工艺，先镀上一层薄膜，接下来回蚀刻(Etch Back)，通过此层厚度控制形成隔离层(Spacer)外扩自由层的宽度。而后如步骤1216，定义出与自由层形状相似且较为宽大的外露磁场磁性下电极(SAF-BE)，接下来如步骤1218，对下电极(BE)进行图案化以形成下电极定义(BE)，而后为形成位线(BL)的工艺包括步骤1220的内金属介电(Intermetal Dielectric，“IMD”)层的沉积与步骤1222的位线(BL)形成的工艺。
第二个实施例的正面光刻掩膜布局如图13所示，其中磁性元件的易轴(Easy Axis)与字符线(WWL)1310、位线(BL)1360呈45度排列，即所谓的拴扣型写入模式(Toggle Write)布局方式。在此布局示意图中，磁性自由扇区下方，形成较为宽大的人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)1330，而人造反铁磁下电极固定层(SAF-BE)1330下方则是下电极定义(BE)1320与下电极接点(BEC)1340，如此布局将可达成非常低写入电流的效果。
本发明所提出的磁存储单元，采用与自由层大小不同的铁磁下电极固定层，可通过增加光刻掩膜对准的方式，达成各种形状的下电极(如长方形)，由于较为宽大的磁性下电极，可以产生较佳均匀性的外露磁场，使得自由层的End Domain区域极化向量分布正常，达到较佳的翻转特性。另一种实施例为采用自对准的工艺方式，达成与自由层形状相似且较宽大的磁性下电极，利用这种方式，可以摒除不同光刻掩膜层次对准时的偏差，达成较佳的工艺均匀性。通过本发明所提出的磁性存储单元，调整适当的磁性下电极外露磁场，可以让整个自由层不同位置感受实体上相同的外加磁场，可以达成非常低的写入磁场特性。此发明不仅适用于如图6～13的拴扣型实施例，而在存储单元的自由层写入机制为一般的交错型写入(Cross Selection)模式，可以通过本发明造成的宽大磁性下电极形成自由层处较为均匀的磁场分布，达成较佳的翻转特性。
随着元件的微缩化，外露磁场对于磁存储单元的End Domain影响程度将会变得更加厉害，通过本发明的方式，能够使得整个自由层不同位置感受相同的外加磁场，所以磁性元件可以持续的微缩下去。
而根据模拟的结果，如图14A的一般拴扣型磁存储单元在磁性自由扇区与人造反铁磁固定下电极相同宽度，且外加磁场较弱时的特性图。而比较图14B所示的运用本发明实施例的磁存储单元在人造反铁磁固定下电极的宽度大于磁性自由扇区，且在较强的外加磁场下，此较强的外加磁场，即在人造反铁磁的两铁磁层厚度差异较大时。从图14A与图14B的比较可知，一般拴扣型磁存储单元的拴扣操作有效区域，与本发明的磁存储单元拴扣操作有效区域相比之下小非常多，且本发明可拥有较窄的错误区间。这是由于本发明所形成宽大磁性下电极，形成自由层处较为均匀的磁场分布，达成较佳的翻转特性。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与改进，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种磁存储单元，其特征是包括磁性自由扇区；穿遂绝缘层；人造反铁磁下电极固定层，其中该穿遂绝缘层介于该磁性自由扇区与该人造反铁磁下电极固定层的中间；以及下电极定义层，位于该人造反铁磁下电极固定层的下方，其中该磁性自由扇区的宽度小于人造反铁磁下电极固定层。
2.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该磁性自由扇区包括上电极与自由层。
3.根据权利要求2所述的磁存储单元，其特征是该自由层可由NiFe/CoFe或CoFeB组成。
4.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该磁性自由扇区包括上电极与具有三明治形式的人造反铁磁自由层。
5.根据权利要求4所述的磁存储单元，其特征是该人造反铁磁自由层包括第一铁磁自由层、磁性耦合间隔层与第二铁磁自由层。
6.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该穿遂绝缘层可由AlOx或是MgO所组成。
7.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该人造反铁磁下电极固定层包括上固定层、磁性耦合间隔层与下固定层。
8.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该下电极定义层包括反铁磁层与下电极。
9.根据权利要求8所述的磁存储单元，其特征是该反铁磁层可由PtMn或MnIr所组成。
10.根据权利要求8所述的磁存储单元，其特征是该反铁磁层与该下电极之间包括缓冲层。
11.根据权利要求10所述的磁存储单元，其特征是该缓冲层可由NiFe或NiFeCr所组成。
12.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该磁性自由扇区的宽度小于人造反铁磁下电极固定层部分有间隙壁形成于该磁性自由扇区侧壁。
13.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该人造反铁磁下电极固定层的形状可以是长方形、圆形或是椭圆形。
14.一种磁存储单元的制造方法，其特征是包括进行磁性结构的前段工艺，形成下电极物质层、人造反铁磁下电极固定物质层、穿遂绝缘物质层与磁性自由扇区堆栈结构，其中该穿遂绝缘物质层介于该磁性自由扇区与该人造反铁磁下电极固定物质层之间，而该下电极物质层位于该人造反铁磁下电极固定物质层的下方；对该磁性自由扇区物质进行蚀刻，并以该穿遂绝缘物质层为第一蚀刻中止层，形成该磁性自由扇区；利用光刻掩膜工艺，并以该下电极物质层当第二蚀刻中止层，定义出穿遂绝缘层与能够产生外露磁场的人造反铁磁下电极固定层，其中该人造反铁磁下电极固定层的宽度大于该磁性自由扇区的宽度；进行下电极物质层的图案化以形成下电极定义；以及形成位线。
15.根据权利要求14所述的磁存储单元的制造方法，其特征是该磁性自由扇区包括上电极与自由层。
16.根据权利要求14所述的磁存储单元，其特征是该磁性自由扇区包括上电极与具有三明治形式的人造反铁磁自由层。
17.根据权利要求16所述的磁存储单元，其特征是该人造反铁磁自由层包括第一铁磁自由层、磁性耦合间隔层与第二铁磁自由层。
18.根据权利要求14所述的磁存储单元，其特征是该人造反铁磁下电极固定层包括上固定层、磁性耦合间隔层与下固定层。
19.根据权利要求14所述的磁存储单元，其特征是该人造反铁磁下电极固定层的形状可以是长方形、圆形或是椭圆形。
20.一种磁存储单元的制造方法，其特征是包括进行磁性结构的前段工艺，形成下电极物质层、人造反铁磁下电极固定物质层、穿遂绝缘物质层与磁性自由扇区堆栈结构，其中该穿遂绝缘物质层介于该磁性自由扇区与该人造反铁磁下电极固定物质层之间，而该下电极物质层位于该人造反铁磁下电极固定物质层的下方；对该磁性自由扇区物质进行蚀刻，并以该穿遂绝缘物质层为第一蚀刻中止层，形成该磁性自由扇区；形成薄膜层于该磁性自由扇区上方，并利用回蚀刻的方式，于该磁性自由扇区侧壁形成间隙壁；以该下电极物质层当第二蚀刻中止层，并利用该间隙壁为光刻掩膜，定义出穿遂绝缘层与能够产生外露磁场的人造反铁磁下电极固定层，其中该人造反铁磁下电极固定层的宽度大于该磁性自由扇区的宽度为间隙壁的宽度；进行下电极物质层的图案化以形成下电极定义；以及形成位线。
21.根据权利要求20所述的磁存储单元的制造方法，其特征是该磁性自由扇区包括上电极与自由层。
22.根据权利要求20所述的磁存储单元，其特征是该磁性自由扇区包括上电极与具有三明治形式的人造反铁磁自由层。
23.根据权利要求22所述的磁存储单元，其特征是该人造反铁磁自由层包括第一铁磁自由层、磁性耦合间隔层与第二铁磁自由层。
24.根据权利要求20所述的磁存储单元，其特征是该人造反铁磁下电极固定层包括上固定层、磁性耦合间隔层与下固定层。
25.根据权利要求20所述的磁存储单元，其特征是该人造反铁磁下电极固定层的形状可以是长方形、圆形或是椭圆形。
全文摘要
磁存储单元与其制造方法。采用与自由层大小不同的铁磁下电极固定层，由于较为宽大的磁性下电极，可以产生较佳均匀性的外露磁场，使得自由层的边缘处(End Domain)区域极化向量分布正常，达到较佳的翻转特性。上述工艺亦可使用自对准的工艺方式达成。而调整适当的磁性下电极外露磁场，可以让整个自由层不同位置感受实体上相同的外加磁场，可以达成磁存储单元非常低的拴扣型写入电流特性。
文档编号G11C11/16GK101022032SQ200610003148
公开日2007年8月22日 申请日期2006年2月16日 优先权日2006年2月16日
发明者洪建中, 朱健刚, 高明哲 申请人:财团法人工业技术研究院