自旋轨道磁性记忆体及其制造方法与流程

文档序号：17814219发布日期：2019-06-05 21:24阅读：186来源：国知局

本发明是有关于一种自旋轨道磁性记忆体，特别是有关于一种具有均匀超薄金属层的自旋轨道磁性记忆体及其制造方法。

背景技术：

自旋轨道磁性记忆体(sotmram)为可提升操作速度达1ns与达成无限操作次数的磁性记忆体技术，被视为承接自旋磁性记忆体(sttmram)的重要技术。自旋霍尔效应在厚度3nm的超薄重金属层可达到最高效率，因此，制程如何达到高均匀性的3nm金属层结构，将是此技术能否量产的关键。

技术实现要素：

为克服自旋轨道磁性记忆体(sotmram)常用结构；顶部固定层的磁性穿隧接面元件(top-pinnedlayermtj)且蚀刻必需停于超薄自旋霍尔金属层上结构，因蚀刻制程导致底层超薄重金属层受损，并致操作特性不均甚至元件失效等问题，本发明提供一种具有均匀超薄重金属层的自旋轨道磁性记忆体(sotmram)及其制造方法。

本发明的一实施例，提供一种自旋轨道磁性记忆体(spin-orbittorquemram，sotmram)，包括：一自旋霍尔金属层；一自由磁性层(freelayer)，设置于该自旋霍尔金属层上；一阻障层(barrierlayer)，设置于该自由磁性层上，其中该阻障层包括一第一区域与一第二区域，该第二区域位于该第一区域的两侧，且该第二区域的厚度等于或小于该第一区域的厚度；一固定层(pinnedlayer)，设置于该阻障层的该第一区域上。

本发明的一实施例，提供一种自旋轨道磁性记忆体(spin-orbittorquemram，sotmram)，包括：一自旋霍尔金属层；一自由磁性层(freelayer)，设置于该自旋霍尔金属层上，其中该自由磁性层包括一第一区域与一第二区域，该第二区域位于该第一区域的两侧，且该第二区域的厚度等于或小于该第一区域的厚度；一阻障层(barrierlayer)，设置于该自由磁性层的该第一区域上；一固定层(pinnedlayer)，设置于该阻障层上。

本发明的一实施例，提供一种自旋轨道磁性记忆体(spin-orbittorquemram，sotmram)的高效率元件制造方法，包括下列步骤：提供一自旋霍尔金属层；设置一自由磁性层于该自旋霍尔金属层上，其中该自由磁性层包括一第一区域与一第二区域，该第二区域位于该第一区域的两侧；设置一阻障层于该自由磁性层上，其中该阻障层包括一第一区域与一第二区域，该第二区域位于该第一区域的两侧，且该阻障层的该第一区域位于该自由磁性层的该第一区域上，该阻障层的该第二区域位于该自由磁性层的该第二区域上；设置一固定层于该阻障层上；设置一图案化光阻层于该固定层上；以该图案化光阻层为一罩幕，蚀刻该固定层，以露出该阻障层的该第二区域。

本发明提出一种使蚀刻制程停止于阻障层(barrierlayer)任一厚度或底部自由磁性层(freelayer)任一厚度的顶部固定层磁性穿隧接面元件(top-pinnedlayermtj)结构，作为开发最优化自旋轨道磁性记忆体(sotmram)制程技术的元件。利用顶部固定层与阻障层氧化物之间或阻障层氧化物与自由磁性层之间的材料蚀刻选择比来维持膜层均匀性，最后通过阻障层或自由磁性层的残留材料，达保护下层超薄重金属层作用。此元件结构不仅可利用自旋霍尔效应(spin-halleffect)产生上、下自旋电流的分裂，并可通过自旋轨道效应，完成自由磁性层的磁矩翻转特性，同时，亦可克服过去sot元件结构的顶部固定层磁性穿隧接面元件(top-pinnedlayermtj)因蚀刻制程导致底层超薄重金属层受损，并致操作特性不均甚至元件失效等问题，此元件结构可大幅提升自旋轨道磁性记忆体(sotmram)的制作良率。

为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体的剖面示意图；

图2a-图2b是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体制造方法的剖面示意图；

图3是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体的剖面示意图；

图4a-图4b是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体制造方法的剖面示意图；

图5是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体的剖面示意图；

图6a-图6b是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体制造方法的剖面示意图；

图7是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体的剖面示意图；

图8a-图8b是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体制造方法的剖面示意图；

图9是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体的上视图；

图10是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体的上视图；

图11a-图11d是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体的上视图；

图12a-图12d是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体的上视图；

图13是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体的电性测试图；以及

图14是根据本发明的一实施例，一种自旋轨道磁性记忆体的电性测试图。

【符号说明】

10自旋轨道磁性记忆体；

12自旋霍尔金属层；

14自由磁性层；

16阻障层；

18固定层；

20自由磁性层的第一区域；

22自由磁性层的第二区域；

24阻障层的第一区域；

26阻障层的第二区域；

28图案化光阻层；

30磁性穿隧接面元件；

h1自由磁性层的第一区域的厚度；

h2自由磁性层的第二区域的厚度；

h3阻障层的第一区域的厚度；

h4阻障层的第二区域的厚度。

具体实施方式

请参阅图1，根据本发明的一实施例，揭示一种自旋轨道磁性记忆体(spin-orbittorquemagnetoresistiverandomaccessmemory，sotmram)10。图1为自旋轨道磁性记忆体10的剖面示意图。

在本实施例中，自旋轨道磁性记忆体(sotmram)10包括自旋霍尔金属层12、自由磁性层(freelayer)14、阻障层(barrierlayer)16、以及固定层(pinnedlayer)18。

自由磁性层14设置于自旋霍尔金属层12上。自由磁性层14包括第一区域20与第二区域22，第二区域22位于第一区域20的两侧，且第二区域22的厚度h2等于第一区域20的厚度h1。

阻障层16包括第一区域24与第二区域26，第二区域26位于第一区域24的两侧。阻障层16的第一区域24设置于自由磁性层14的第一区域20上，阻障层16的第二区域26设置于自由磁性层14的第二区域22上。

固定层18设置于阻障层16的第一区域24上。

阻障层16的第二区域26的厚度h4等于第一区域24的厚度h3。

在部分实施例中，自旋霍尔金属层12以可产生大的自旋霍尔效应的重金属材料为主，例如钽金属(ta)、铂金属(pt)、铪金属(hf)、钨金属(w)、锆金属(zr)、或上述金属的合金所构成。

在部分实施例中，自旋霍尔金属层12的厚度大约小于10纳米。

在部分实施例中，自由磁性层14可由单层或复合层结构所构成。

在部分实施例中，自由磁性层14可由例如铁金属(fe)、钴金属(co)、镍金属(ni)、钆金属(gd)、铽金属(tb)、钴铁硼(cofeb)合金、或钴铁(cofe)合金的单层结构所构成。

在部分实施例中，自由磁性层14可由例如钴铁硼(cofeb)合金/钽金属(ta)/钴铁硼(cofeb)合金的复合层结构或钴铁(cofe)合金/钽金属(ta)/钴铁(cofe)合金的复合层结构所构成。

在部分实施例中，自由磁性层14的第一区域20的厚度h1大约介于1纳米至约3纳米厚度范围之间。

在部分实施例中，阻障层16可由例如氧化镁(mgo)或氧化铝(alox)所构成。

在部分实施例中，阻障层16的第一区域24的厚度h3大约介于0.5纳米至约2纳米厚度范围之间。

在部分实施例中，固定层18可由单层或复合层结构所构成。

在部分实施例中，固定层18可由例如钴铁(cofe)合金、钴铁硼(cofeb)合金、或钴镍(coni)合金的单层结构所构成。

在部分实施例中，固定层18可由例如钴金属(co)/铂金属(pt)的复合层结构、钴金属(co)/镍金属(ni)的复合层结构、或钴金属(co)/钯金属(pd)的复合层结构所构成。

在自旋轨道磁性记忆体10中，自由磁性层14、阻障层16与固定层18构成磁性穿隧接面(magnetictunneljunction，mtj)元件30。

在本实施例中，图案化固定层18的形状可包括圆形、椭圆形、正方形、或矩形，以上视图观之。

在部分实施例中，磁性穿隧接面(mtj)元件30可设置于自旋霍尔金属层12上的任意位置，并不需限定。

请参阅图2a-图2b，根据本发明的一实施例，揭示一种自旋轨道磁性记忆体10的制造方法。图2a-图2b为自旋轨道磁性记忆体10制造方法的剖面示意图。

如图2a所示，首先，提供自旋霍尔金属层12。

之后，设置自由磁性层14于自旋霍尔金属层12上。自由磁性层14包括第一区域20与第二区域22，第二区域22位于第一区域20的两侧。

之后，设置阻障层16于自由磁性层14上。阻障层16包括第一区域24与第二区域26，第二区域26位于第一区域24的两侧，且阻障层16的第一区域24位于自由磁性层14的第一区域20上，阻障层16的第二区域26位于自由磁性层14的第二区域22上。

之后，设置固定层18于阻障层16上。

之后，设置图案化光阻层28于固定层18上。

之后，以图案化光阻层28为罩幕，蚀刻固定层18，以露出阻障层16的第二区域26，之后，移除图案化光阻层28，如图2b所示。

在部分实施例中，可通过等离子蚀刻(plasmaetching，pe)制程、反应离子蚀刻(reactiveionetching，rie)制程、离子束蚀刻(ionbeametching，ibe)制程、或感应耦合等离子蚀刻(inductivelycoupledplasmaetching，icpe)制程，蚀刻固定层18。

在部分实施例中，可通过反应离子蚀刻(rie)制程，蚀刻固定层18。

在部分实施例中，反应离子蚀刻(rie)制程的蚀刻气体可包括一氧化碳、氨气、氧气、氢气、氟气及氩气。

在本实施例中，于蚀刻制程，通过该元件材料的蚀刻率差异，并同时搭配使用终点侦测器(endpointdetector，epd)，来控制与决定蚀刻制程的停止时间，以使阻障层16的第二区域26能维持一期望厚度，即，阻障层16的第二区域26的厚度h4相当于第一区域24的厚度h3。

至此，即完成本实施例自旋轨道磁性记忆体10的制作。

请参阅图3，根据本发明的一实施例，揭示一种自旋轨道磁性记忆体(spin-orbittorquemagnetoresistiverandomaccessmemory，sotmram)10。图3为自旋轨道磁性记忆体10的剖面示意图。

在本实施例中，自旋轨道磁性记忆体(sotmram)10包括自旋霍尔金属层12、自由磁性层(freelayer)14、阻障层(barrierlayer)16、以及固定层(pinnedlayer)18。

固定层18设置于阻障层16的第一区域24上。

阻障层16的第二区域26的厚度h4小于第一区域24的厚度h3，举例来说，阻障层16的第二区域26的厚度h4大约是第一区域24的厚度h3的一半。

在部分实施例中，在阻障层16的第二区域26的厚度h4小于第一区域24的厚度h3的前提下，阻障层16的第二区域26的厚度h4与第一区域24的厚度h3两者之间可为任何比例关系。

在部分实施例中，自旋霍尔金属层12的厚度大约小于10纳米。

在部分实施例中，自由磁性层14可由单层或复合层结构所构成。

在部分实施例中，自由磁性层14的第一区域20的厚度h1大约介于1纳米至约3纳米厚度范围之间。

在部分实施例中，阻障层16可由例如氧化镁(mgo)或氧化铝(alox)所构成。

在部分实施例中，阻障层16的第一区域24的厚度h3大约介于0.5纳米至约2纳米厚度范围之间。

在部分实施例中，固定层18可由单层或复合层结构所构成。

在部分实施例中，固定层18可由例如钴铁(cofe)合金、钴铁硼(cofeb)合金、或钴镍(coni)合金的单层结构所构成。

在自旋轨道磁性记忆体10中，自由磁性层14、阻障层16与固定层18构成磁性穿隧接面(magnetictunneljunction，mtj)元件30。

在本实施例中，图案化固定层18与阻障层16的第一区域24的形状可包括圆形、椭圆形、正方形、或矩形，以上视图观之。

在部分实施例中，磁性穿隧接面(mtj)元件30可设置于自旋霍尔金属层12上的任意位置，并不需限定。

请参阅图4a-图4b，根据本发明的一实施例，揭示一种自旋轨道磁性记忆体10的制造方法。图4a-图4b为自旋轨道磁性记忆体10制造方法的剖面示意图。

如图4a所示，首先，提供自旋霍尔金属层12。

之后，设置自由磁性层14于自旋霍尔金属层12上。自由磁性层14包括第一区域20与第二区域22，第二区域22位于第一区域20的两侧。

之后，设置固定层18于阻障层16上。

之后，设置图案化光阻层28于固定层18上。

之后，以图案化光阻层28为罩幕，蚀刻固定层18，以露出阻障层16的第二区域26。

之后，持续蚀刻阻障层16的第二区域26，以使阻障层16的第二区域26的厚度h4小于第一区域24的厚度h3。

之后，移除图案化光阻层28，如图4b所示。

在部分实施例中，可通过反应离子蚀刻(rie)制程，蚀刻固定层18及阻障层16。

在部分实施例中，反应离子蚀刻(rie)制程的蚀刻气体可包括一氧化碳、氨气、氧气、氢气、氟气及氩气。

在部分实施例中，固定层18与阻障层16的蚀刻选择比大约为3：1或以上。

在本实施例中，于蚀刻制程，通过该元件材料的蚀刻率差异，并同时搭配使用终点侦测器(endpointdetector，epd)，来控制与决定蚀刻制程的停止时间，以使阻障层16的第二区域26能维持一期望厚度，即，阻障层16的第二区域26的厚度h4小于第一区域24的厚度h3。

至此，即完成本实施例自旋轨道磁性记忆体10的制作。

请参阅图5，根据本发明的一实施例，揭示一种自旋轨道磁性记忆体(spin-orbittorquemagnetoresistiverandomaccessmemory，sotmram)10。图5为自旋轨道磁性记忆体10的剖面示意图。

在本实施例中，自旋轨道磁性记忆体(sotmram)10包括自旋霍尔金属层12、自由磁性层(freelayer)14、阻障层(barrierlayer)16、以及固定层(pinnedlayer)18。

阻障层16设置于自由磁性层14的第一区域20上。

固定层18设置于阻障层16上。

阻障层16未覆盖自由磁性层14的第二区域22，即，上述实施例中的阻障层16的第二区域26的厚度实质上为0。

在部分实施例中，自旋霍尔金属层12的厚度大约小于10纳米。

在部分实施例中，自由磁性层14可由单层或复合层结构所构成。

在部分实施例中，自由磁性层14的第一区域20的厚度h1大约介于1纳米至约3纳米厚度范围之间。

在部分实施例中，阻障层16可由例如氧化镁(mgo)或氧化铝(alox)所构成。

在部分实施例中，阻障层16的厚度大约介于0.5纳米至约2纳米厚度范围之间。

在部分实施例中，固定层18可由单层或复合层结构所构成。

在部分实施例中，固定层18可由例如钴铁(cofe)合金、钴铁硼(cofeb)合金、或钴镍(coni)合金的单层结构所构成。

在自旋轨道磁性记忆体10中，自由磁性层14、阻障层16与固定层18构成磁性穿隧接面(magnetictunneljunction，mtj)元件30。

在本实施例中，图案化固定层18与阻障层16的形状可包括圆形、椭圆形、正方形、或矩形，以上视图观之。

在部分实施例中，磁性穿隧接面(mtj)元件30可设置于自旋霍尔金属层12上的任意位置，并不需限定。

请参阅图6a-图6b，根据本发明的一实施例，揭示一种自旋轨道磁性记忆体10的制造方法。图6a-图6b为自旋轨道磁性记忆体10制造方法的剖面示意图。

如图6a所示，首先，提供自旋霍尔金属层12。

之后，设置自由磁性层14于自旋霍尔金属层12上。自由磁性层14包括第一区域20与第二区域22，第二区域22位于第一区域20的两侧。

之后，设置固定层18于阻障层16上。

之后，设置图案化光阻层28于固定层18上。

之后，以图案化光阻层28为罩幕，蚀刻固定层18，以露出阻障层16的第二区域26。

之后，持续蚀刻阻障层16的第二区域26，直至露出自由层14的第二区域22为止。

之后，移除图案化光阻层28，如图6b所示。

在部分实施例中，可通过反应离子蚀刻(rie)制程，蚀刻固定层18及阻障层16。

在部分实施例中，反应离子蚀刻(rie)制程的蚀刻气体可包括一氧化碳及氨气、氧气、氢气、氟气及氩气。

在部分实施例中，固定层18与阻障层16的蚀刻选择比大约为3：1或以上。

在本实施例中，于蚀刻制程，通过该元件材料的蚀刻率差异，并同时搭配使用终点侦测器(endpointdetector，epd)，来控制与决定蚀刻制程的停止时间，以使自由磁性层14的第二区域22能维持一期望厚度，即，自由磁性层14的第二区域22的厚度h2相当于第一区域20的厚度h1。

至此，即完成本实施例自旋轨道磁性记忆体10的制作。

请参阅图7，根据本发明的一实施例，揭示一种自旋轨道磁性记忆体(spin-orbittorquemagnetoresistiverandomaccessmemory，sotmram)10。图7为自旋轨道磁性记忆体10的剖面示意图。

在本实施例中，自旋轨道磁性记忆体(sotmram)10包括自旋霍尔金属层12、自由磁性层(freelayer)14、阻障层(barrierlayer)16、以及固定层(pinnedlayer)18。

自由磁性层14设置于自旋霍尔金属层12上。自由磁性层14包括第一区域20与第二区域22，第二区域22位于第一区域20的两侧。

阻障层16设置于自由磁性层14的第一区域20上。

固定层18设置于阻障层16上。

自由磁性层14的第二区域22的厚度h2小于第一区域20的厚度h1，举例来说，自由磁性层14的第二区域22的厚度h2大约是第一区域20的厚度h1的一半。

在部分实施例中，在自由磁性层14的第二区域22的厚度h2小于第一区域20的厚度h1的前提下，自由磁性层14的第二区域22的厚度h2与第一区域20的厚度h1两者之间可为任何比例关系。

在部分实施例中，自旋霍尔金属层12的厚度大约小于10纳米。

在部分实施例中，自由磁性层14可由单层或复合层结构所构成。

在部分实施例中，自由磁性层14的第一区域20的厚度h1大约介于1纳米至约3纳米厚度范围之间。

在部分实施例中，阻障层16可由例如氧化镁(mgo)或氧化铝(alox)所构成。

在部分实施例中，阻障层16的厚度大约介于0.5纳米至约2纳米厚度范围之间。

在部分实施例中，固定层18可由单层或复合层结构所构成。

在部分实施例中，固定层18可由例如钴铁(cofe)合金、钴铁硼(cofeb)合金、或钴镍(coni)合金的单层结构所构成。

在自旋轨道磁性记忆体10中，自由磁性层14、阻障层16与固定层18构成磁性穿隧接面(magnetictunneljunction，mtj)元件30。

在本实施例中，图案化固定层18、阻障层16与自由磁性层14的第一区域20的形状可包括圆形、椭圆形、正方形、或矩形，以上视图观之。

在部分实施例中，磁性穿隧接面(mtj)元件30可设置于自旋霍尔金属层12上的任意位置，并不需限定。

请参阅图8a-图8b，根据本发明的一实施例，揭示一种自旋轨道磁性记忆体10的制造方法。图8a-图8b为自旋轨道磁性记忆体10制造方法的剖面示意图。

如图8a所示，首先，提供自旋霍尔金属层12。

之后，设置自由磁性层14于自旋霍尔金属层12上。自由磁性层14包括第一区域20与第二区域22，第二区域22位于第一区域20的两侧。

之后，设置固定层18于阻障层16上。

之后，设置图案化光阻层28于固定层18上。

之后，以图案化光阻层28为罩幕，蚀刻固定层18，以露出阻障层16的第二区域26。

之后，持续蚀刻阻障层16的第二区域26，直至露出自由层14的第二区域22的厚度h2小于第一区域20的厚度h1。

之后，移除图案化光阻层28，如图8b所示。

在部分实施例中，可通过反应离子蚀刻(rie)制程，蚀刻固定层18、阻障层16、及自由磁性层14。

在部分实施例中，反应离子蚀刻(rie)制程的蚀刻气体可包括一氧化碳及氨气、氧气、氢气、氟气及氩气。

在部分实施例中，固定层18与阻障层16的蚀刻选择比大约为3：1或以上。

在部分实施例中，阻障层16与自由磁性层14的蚀刻选择比大约为1：3或以上。

在本实施例中，于蚀刻制程，通过该元件材料的蚀刻率差异，并同时搭配使用终点侦测器(endpointdetector，epd)，来控制与决定蚀刻制程的停止时间，以使自由磁性层14的第二区域22能维持一期望厚度，即，自由磁性层14的第二区域22的厚度h2小于第一区域20的厚度h1。

至此，即完成本实施例自旋轨道磁性记忆体10的制作。

在部分实施例中，自旋霍尔金属层12的厚度大约小于10纳米。

在部分实施例中，自由磁性层14可由单层或复合层结构所构成。

在部分实施例中，自由磁性层14的厚度大约介于1纳米至约3纳米厚度范围之间。

在部分实施例中，阻障层16可由例如氧化镁(mgo)或氧化铝(alox)所构成。

在部分实施例中，阻障层16的厚度大约介于0.5纳米至约2纳米厚度范围之间。

在部分实施例中，固定层18可由单层或复合层结构所构成。

在部分实施例中，固定层18可由例如钴铁(cofe)合金、钴铁硼(cofeb)合金、或钴镍(coni)合金的单层结构所构成。

在自旋轨道磁性记忆体10中，自由磁性层14、阻障层16与固定层18构成磁性穿隧接面(magnetictunneljunction，mtj)元件30。

在本实施例中，图案化固定层18、阻障层16与自由磁性层14的形状可包括圆形、椭圆形、正方形、或矩形，以上视图观之。

在部分实施例中，磁性穿隧接面(mtj)元件30可设置于自旋霍尔金属层12上的任意位置，并不需限定。

请参阅图9，根据本发明的一实施例，揭示一种自旋轨道磁性记忆体(spin-orbittorquemagnetoresistiverandomaccessmemory，sotmram)10。图9为自旋轨道磁性记忆体10的上视图。

在本实施例中，自旋轨道磁性记忆体(sotmram)10包括自旋霍尔金属层12以及磁性穿隧接面(magnetictunneljunction，mtj)元件30。

磁性穿隧接面元件30设置于自旋霍尔金属层12上。