專利名稱：磁存儲單元與其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁存儲單元及其制造方法，且特別涉及一種具有較為寬大的磁性下電極可產(chǎn)生較佳均勻性外露磁場的磁存儲單元及其制造方法。
背景技術(shù)：
磁性隨機存取存儲器(Magnetic Random Access Memory，底下簡稱“MRAM”)具有非易失、高密集度、高讀寫速度、抗輻射線等等優(yōu)點。寫入數(shù)據(jù)時，一般所使用的方法為兩條電流線，也就是位線(Bit Line)與寫入字符線(Write Word Line)，感應磁場所交集選擇到的存儲單元(MemoryCell)，通過改變存儲層磁性材料的磁化方向，來更改其磁電阻值。而在讀取存儲數(shù)據(jù)時，讓選擇到的磁存儲單元流入電流，從讀取的電阻值可以判定存儲數(shù)據(jù)的數(shù)字值。
此磁存儲單元，為多層磁性金屬材料的堆棧結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)是由軟鐵磁材料(Soft Magnetic Layer)層、穿隧能障絕緣層(Tunnel Barrier layer)、硬鐵磁材料(Hard Magnetic Layer)層與非磁性導電層(Nonmagnetic conductor)所堆棧組成。通過兩層鐵磁材料的磁化方向平行或反平行，以決定存儲“0”或“1”的狀態(tài)。
由于磁存儲單元在制造的時候，工藝不易控制，使得在一個MRAM存儲器產(chǎn)品內(nèi)部的每一位，形狀可能不一致，而對于磁存儲單元而言，邊緣(End domain)的控制又甚為重要，所以每一個位的寫入磁場大小會因此不一致，造成了現(xiàn)今磁存儲器寫入選擇性(Write Selectivity)不佳的現(xiàn)象，使得磁存儲器的量產(chǎn)工程甚為困難。
在美國第6,545,906號專利中，采用與傳統(tǒng)交錯型寫入(Cross Selection)模式不同的拴扣型寫入模式(Toggle Mode)，將磁存儲器的寫入選擇性大幅的提高，使得磁存儲器更接近量產(chǎn)化的階段。然而由于拴扣型特殊的寫入模式，仍需要較大的寫入磁場，造成了此類產(chǎn)品寫入電流過大，與外圍系統(tǒng)搭配應用困難的問題。
另外，在常用技術(shù)中，美國第6,633,498號專利提出在兩條寫入線產(chǎn)生的磁場(字符線磁場HW與位線磁場HD)的合向量方向加入一個外加磁場(HBIAS)，可以將拴扣型寫入特性曲線調(diào)整，達成省電的功效，也就是從原來的圖1的區(qū)域120轉(zhuǎn)變?yōu)槿鐖D2的區(qū)域220，有顯著的效果。一般而言，要達到一個外加磁場的效果，可以在存儲器包裝時，加入永久磁鐵或電磁鐵的方法達成，然而，最簡單的就是使用下電極的人造反鐵磁固定層(SAF)厚度的差異，造成一個外露磁場，此厚度的差異越大，造成的外露磁場也越強。然而，這種方法會有限制，當外露磁場達到一定程度之后，自由層的穩(wěn)定性將變得相當差。
當外加一個很強的外露磁場(HBIAS)時，在存儲單元的邊緣處(Enddomain)，其極化向量(Magnetization)可能會呈現(xiàn)不規(guī)則角度分布，如圖3所示，為磁存儲單元300，在由鐵磁材料層所組成的第一自由層(Free1)310與第二自由層(Free2)330之間有非磁性導電層(例如Ru，Ta，Cu或其它可耦合的隔離層)320。而另外由鐵磁材料層所組成的上固定(Top Pinned，底下簡稱“TP”)層350與下固定(Bottom Pinned，底下簡稱“BP”)層370之間有非磁性導電層(Ru，Ta，Cu或其它可耦合的隔離層)360。而第二自由層(Free2)330與TP層350之間有穿隧能障絕緣層(Tunnel Barrier layer)340，可為AlOx，MgO或其它高介電層。而如上所述，當外露磁場(HBIAS)太強時，如圖示的第一自由層310與第二自由層330，特別是比較接近的第二自由層330，其邊緣處(End domain)的其極化向量呈現(xiàn)不規(guī)則角度分布。在如此一來，將會造成磁性元件翻轉(zhuǎn)的困難度以及增加許多寫入的錯誤率。
而傳統(tǒng)的磁性隨機存取存儲器(MRAM)的磁存儲單元工藝，是采取一次蝕刻截斷所有磁性膜的方式。例如傳統(tǒng)具有單層自由層的磁性穿隧元件(Magnetic Tunneling Junction，底下簡稱“MTJ”)而言，如圖4所示，此磁性穿隧元件(MTJ)包括由上電極(Top Electrode)410與鐵磁自由(FreeMagnetic，底下簡稱“FM”)層420所組成的第一扇區(qū)，以及由上固定層(TopPinned Layer)442、磁性耦合間隔層444與下固定層(Bottom PinnedLayer)446所組成的第二扇區(qū)，以及在第一扇區(qū)與第二扇區(qū)之間的穿隧絕緣層430，而此穿隧絕緣層430可由Al2O3或MgO所組成。而磁性耦合間隔層444如附圖中的釕(Ruthenium，底下簡稱“Ru”)層。而MTJ是建構(gòu)在下電極定義(BE)層之上，而此下電極定義(BE)層包括反鐵磁層(PtMn)450與下電極(Bottom Electrode)460所組成。而此磁性隨機存取存儲器(MRAM)的磁性穿隧元件(MTJ)是采取一次蝕刻截斷所有磁性膜的方式部分，也就是對上電極410、鐵磁自由層420、穿隧絕緣層430、上固定層442、磁性耦合間隔層444與下固定層446等直接以蝕刻的方式形成。
而又例如傳統(tǒng)具有三明治形式的人造反鐵層自由層(SAF Free Layer)的磁性穿隧元件(MTJ)而言，如圖5所示，此磁性穿隧元件(MTJ)包括由上電極510、第一人造反鐵磁自由(SAF)層520、穿隧絕緣層530與第二人造反鐵磁固定(SAF)層540所組成。而第一人造反鐵磁自由(SAF)層520包括第一鐵磁自由(FM)層522、磁性耦合間隔層(Ru)524與第二鐵磁自由(FM)層526所組成。而第二人造反鐵磁固定(SAF)層540則是由上固定層(TopPinned Layer)542、磁性耦合間隔層(Ru)544與下固定層(Bottom PinnedLayer)546所組成。而MTJ是建構(gòu)在下電極定義(BE)層之上，而此下電極定義(BE)層包括反鐵磁層(PtMn)層550與下電極560所組成。而此磁性隨機存取存儲器(MRAM)的磁性穿隧元件(MTJ)是采取一次蝕刻截斷所有磁性膜的方式部分，也就是對上電極510、第一人造反鐵磁自由(SAF)層520、穿隧絕緣層530、第二人造反鐵磁固定(SAF)層540等直接以蝕刻的方式形成。
由圖4與圖5兩種不同結(jié)構(gòu)的磁性隨機存取存儲器(MRAM)的磁存儲單元制造方法可知，這種工藝方式形成的磁性元件，在自由層的邊緣處，將會感受相當強的磁場，使得自由層的邊緣處(End domain)區(qū)域的其極化向量呈現(xiàn)不規(guī)則角度分布，如圖3所示，如此一來，將會造成磁性元件翻轉(zhuǎn)的困難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所提出的磁存儲單元，采用與自由層大小不同的人造反鐵磁下電極固定層，可通過增加光刻掩膜對準的方式，達成各種形狀的磁性下電極，由于較為寬大的磁性下電極，可以產(chǎn)生較佳均勻性的外露磁場，使得自由層的End Domain區(qū)域極化向量分布正常，達到較佳的翻轉(zhuǎn)特性。
本發(fā)明的另一種實施例，采用自對準的工藝方式，達成與自由層形狀相似且較寬大的磁性下電極，利用這種方式，可以摒除不同光刻掩膜層次對準時的偏差，達成較佳的工藝均勻性。
通過本發(fā)明所提出的磁存儲單元，調(diào)整適當?shù)拇判韵码姌O外露磁場，可以讓整個自由層不同位置感受實體上相同的外加磁場，可以達成非常低的寫入磁場特性。
為達上述目的，本發(fā)明提出一種磁存儲單元，包括磁性自由扇區(qū)、穿遂絕緣層、人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)與下電極定義(BE)層。其中穿遂絕緣層介于磁性自由扇區(qū)與人造反鐵磁下電極固定層的中間。下電極定義(BE)層位于人造反鐵磁下電極固定層的下方。磁性自由扇區(qū)的寬度小于人造反鐵磁下電極固定層。
上述磁存儲單元，其磁性自由扇區(qū)包括上電極與自由層或是人造反鐵磁自由層(SAF Free Layer)。
上述磁存儲單元，其中磁性自由扇區(qū)的寬度小于人造反鐵磁下電極固定層部分有間隙壁形成于磁性穿隧元件側(cè)壁。
上述磁存儲單元，其中人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)的形狀可以是長方形、圓形或是橢圓形。
為達上述目的，本發(fā)明提出一種磁存儲單元的制造方法。在此方法中，首先，進行磁性結(jié)構(gòu)的前段工藝，形成下電極物質(zhì)層、人造反鐵磁下電極固定物質(zhì)層、穿遂絕緣物質(zhì)層與磁性自由扇區(qū)堆棧結(jié)構(gòu)，其中穿遂絕緣物質(zhì)層介于磁性自由扇區(qū)物質(zhì)層與人造反鐵磁下電極固定物質(zhì)層之間。而下電極物質(zhì)層位于人造反鐵磁下電極固定物質(zhì)層的下方。接著對磁性自由扇區(qū)物質(zhì)層進行蝕刻，并以穿遂絕緣物質(zhì)層為第一蝕刻中止層，形成磁性自由扇區(qū)。而后利用光刻掩膜工藝，并以下電極物質(zhì)層當?shù)诙g刻中止層，定義出穿遂絕緣層與能夠產(chǎn)生外露磁場的人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)。而人造反鐵磁下電極固定層的寬度大于磁性自由扇區(qū)的寬度。之后進行下電極物質(zhì)層的圖案化以形成下電極定義(BE)以及形成位線(BL)。
為達上述目的，本發(fā)明提出一種磁存儲單元的制造方法。在此方法中，首先，進行磁性結(jié)構(gòu)的前段工藝，形成下電極物質(zhì)層、人造反鐵磁下電極固定物質(zhì)層、穿遂絕緣物質(zhì)層與磁性自由扇區(qū)堆棧結(jié)構(gòu)。此穿遂絕緣物質(zhì)層介于磁性自由扇區(qū)物質(zhì)層與人造反鐵磁下電極固定物質(zhì)層之間，而下電極物質(zhì)層位于人造反鐵磁下電極固定物質(zhì)層的下方。對磁性自由扇區(qū)物質(zhì)層進行蝕刻，并以穿遂絕緣物質(zhì)層為第一蝕刻中止層，形成磁性自由扇區(qū)。形成薄膜層于磁性自由扇區(qū)上方，并利用回蝕刻的方式，于磁性自由扇區(qū)側(cè)壁形成間隙壁。以下電極物質(zhì)層當?shù)诙g刻中止層，并利用間隙壁為自對準蝕刻，定義出能夠產(chǎn)生外露磁場的人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)。此人造反鐵磁下電極固定層的寬度大于磁性自由扇區(qū)的寬度為間隙壁的寬度。進行下電極物質(zhì)層的圖案化以形成下電極定義(BE)以及形成位線(BL)。
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。


圖1是說明一種公知的在拴扣型寫入特性曲線示意圖。
圖2是說明加入一個外加磁場(HBIAS)后改變的拴扣型寫入特性曲線的示意圖。
圖3是說明當外加一個很強的外露磁場(HBIAS)時，在存儲單元的邊緣處(End domain)，其極化向量(Magnetization)可能會呈現(xiàn)不規(guī)則角度分布。
圖4是說明傳統(tǒng)具有單層自由層的磁性穿隧元件(MTJ)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是說明傳統(tǒng)具有三明治形式的人造反鐵層自由層(SAF FreeLayer)的磁性穿隧元件(MTJ)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是說明本發(fā)明第一實施例的具有單層自由層的磁性穿隧元件(MTJ)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是說明本發(fā)明第一實施例的具有三明治形式的人造反鐵磁自由層(SAF Free Layer)的磁性穿隧元件(MTJ)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是說明本發(fā)明第一實施例的磁性穿隧元件(MTJ)的制造流程。
圖9是說明本發(fā)明第一實施例的正面光刻掩膜布局示意圖。
圖10是說明本發(fā)明第二實施例的具有單層自由層的磁性穿隧元件(MTJ)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11是說明本發(fā)明第二實施例的具有三明治形式的人造反鐵磁自由層(SAF Free Layer)的磁性穿隧元件(MTJ)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12是說明本發(fā)明第二實施例的磁性穿隧元件(MTJ)的制造流程。
圖13是說明本發(fā)明第二實施例的正面光刻掩膜布局示意圖。
圖14A是說明一般拴扣型磁存儲單元的特性圖。
圖14B是說明運用本發(fā)明實施例的磁存儲單元特性圖。
主要元件標記說明300磁存儲單元310第一自由層(Free1)320非磁性導電層330第二自由層(Free2)340穿隧能障絕緣層(Tunnel Barrier layer)350上固定(Top Pinned)層360非磁性導電層370下固定(Bottom Pinned)層
410上電極420鐵磁自由層430穿隧絕緣層442上固定層444磁性耦合間隔層446下固定層450反鐵磁層460下電極MTJ磁性穿隧元件510上電極520第一人造反鐵磁自由(SAF)層522第一鐵磁自由(FM)層524磁性耦合間隔層(Ru)526第二鐵磁自由(FM)層530穿隧絕緣層540第二人造反鐵磁固定(SAF)層542上固定層544磁性耦合間隔層546下固定層550反鐵磁層(PtMn)層560下電極610上電極620鐵磁自由層630穿遂絕緣層
640人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)642上固定層644磁性耦合間隔層646下固定層650反鐵磁層660下電極710上電極720第一人造反鐵磁自由(SAF)層722第一鐵磁自由層724磁性耦合間隔層(Ru)726第二鐵磁自由層730穿隧絕緣層740人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)742上固定層744磁性耦合間隔層746下固定層750反鐵磁層760下電極910字符線(WWL)920下電極定義(BE)920930人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)940下電極接點(BEC)950磁性自由扇區(qū)960位線(BL)
1010上電極1020鐵磁自由層1030穿遂絕緣層1040人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)1042上固定層1044磁性耦合間隔層1046下固定層1050反鐵磁層1060下電極1110上電極1120第一人造反鐵磁自由(SAF)層1130穿隧絕緣層1140人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)1142上固定層1144磁性耦合間隔層1146下固定層1150反鐵磁層1160下電極1310字符線(WWL)1360位線(BL)具體實施方式
本發(fā)明所提出的磁存儲單元，采用與自由層大小不同的人造反鐵磁下電極固定層，可通過增加光刻掩膜對準的方式，達成各種形狀的下電極(如長方形)，由于較為寬大的磁性下電極，可以產(chǎn)生較佳均勻性的外露磁場，使得自由層的End Domain區(qū)域極化向量分布正常，達到較佳的翻轉(zhuǎn)特性。
本發(fā)明的另一種實施例，采用自對準的工藝方式，達成與自由層形狀相似且較寬大的磁性下電極，利用這種方式，可以摒除不同光刻掩膜層次對準時的偏差，達成較佳的工藝均勻性。通過本發(fā)明所提出的磁存儲單元，調(diào)整適當?shù)拇判韵码姌O外露磁場，可以讓整個自由層不同位置感受實體上相同的外加磁場，可以達成非常低的寫入電流特性。
磁存儲單元，是由磁性多層膜所組成，一般而言，需要有下電極、緩沖層(例如NiFe或NiFeCr)、反鐵磁層(例如PtMn或MnIr)、鐵磁固定層或人造反鐵磁固定層(例如CoFe/Ru/CoFe)、穿隧絕緣層(例如AlOx或MgO)、鐵磁自由層(例如NiFe/CoFe，CoFeB或是人造反鐵磁自由層)，以及上電極等。
第一實施例本實施例的磁性元件，可以為單一自由層，如圖6所示，或是三明治形式的人造反鐵層自由層(SAF Free Layer)，如圖7，底下將詳細說明。而磁性元件主要判別數(shù)據(jù)狀態(tài)的方式，是介于穿隧絕緣層(Al2O3或MgO)兩側(cè)的鐵磁層，依據(jù)此兩鐵磁層的平行反平行排列，以決定儲存于存儲單元的數(shù)據(jù)。
具有單層自由層的磁性穿隧元件(Magnetic Tunneling Junction，底下簡稱“MTJ”)而言，如圖6所示，包括磁性自由扇區(qū)、穿隧絕緣層、人造反鐵磁固定層與下電極所組成。磁性自由扇區(qū)包括上電極(Top Electrode)610、鐵磁自由(Free Magnetic，底下簡稱“FM”)層620。而鐵磁自由層620例如由NiFe/CoFe、CoFeB或是人造反鐵磁自由層等所組成。此穿遂絕緣層630可由Al2O3或是MgO所組成，用以隔絕底下較為寬大能夠產(chǎn)生外露磁場的人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)640。而此人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)640則包括鐵磁固定層或人造反鐵磁固定層(例如CoFe/Ru/CoFe)等等，如圖所示的上固定層(Top Pinned Layer)642、磁性耦合間隔層644與下固定層(Bottom Pinned Layer)646。此磁性耦合間隔層644可以為釕(Ruthenium，底下簡稱“Ru”)、銅(Copper)或鉭(Ta)等物質(zhì)所組成。而底下則由下電極660、緩沖層(例如NiFe或NiFeCr)及反鐵磁層(例如PtMn或MnIr)650所組成的下電極定義(BE)。
本發(fā)明所提出的磁存儲單元，主要結(jié)構(gòu)上為磁性自由扇區(qū)的寬度小于人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)640，如圖所示兩者差距有延伸部。如此可增加光刻掩膜對準的方式，達成各種形狀的下電極(如長方形)，由于較為寬大的磁性下電極，可以產(chǎn)生較佳均勻性的外露磁場，使得磁性穿隧元件(MTJ)的自由層的End Domain區(qū)域極化向量分布正常，達到較佳的翻轉(zhuǎn)特性。并且能通過上固定層642與下固定層646厚度的調(diào)整，而使得磁性穿隧元件(MTJ)的自由層的翻轉(zhuǎn)場能夠變小。而此人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)640的形狀可以是長方形、圓形或是橢圓形。除此之外，此人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)640亦能由磁性自由扇區(qū)的自由層自對準而得到的形狀，底下將在不同制成步驟中說明。
具有三明治形式的人造反鐵磁自由層(SAF Free Layer)的磁性穿隧元件(MTJ)，如圖7所示，包括磁性自由扇區(qū)、穿隧絕緣層、人造反鐵磁固定層與下電極所組成。磁性自由扇區(qū)包括上電極710、第一人造反鐵層自由(SAF)層720。而底下則是穿隧絕緣層730及人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)740。而第一人造反鐵層自由(SAF)層720，包括第一鐵磁自由層722、磁性耦合間隔層(Ru)724與第二鐵磁自由層726。而穿遂絕緣層730，此可由Al2O3或是MgO所組成，用以隔絕底下較為寬大能夠產(chǎn)生外露磁場的人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)740。而此人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)740則包括鐵磁固定層或人造反鐵磁固定層(例如CoFe/Ru/CoFe)等等，如圖所示的上固定層(Top Pinned Layer)742、磁性耦合間隔層744與下固定層(Bottom Pinned Layer)746。此磁性耦合間隔層744可以為釕(Ruthenium，底下簡稱“Ru”)、銅(Copper)或鉭(Ta)等物質(zhì)所組成。而底下則由下電極760、緩沖層(例如NiFe或NiFeCr)及反鐵磁層(例如PtMn或MnIr)750所組成的下電極定義(BE)。
本發(fā)明所提出的磁存儲單元，主要結(jié)構(gòu)上為磁性自由扇區(qū)的寬度小于人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)740。如此可增加光刻掩膜對準的方式，達成各種形狀的下電極(如長方形)，由于較為寬大的磁性下電極，可以產(chǎn)生較佳均勻性的外露磁場，使得磁性穿隧元件(MTJ)的自由層的EndDomain區(qū)域極化向量分布正常，達到較佳的翻轉(zhuǎn)特性。并且能通過上固定層742與下固定層746厚度的調(diào)整，而使得磁性穿隧元件(MTJ)的自由層的翻轉(zhuǎn)場能夠變小。而此人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)740的形狀可以是長方形、圓形或是橢圓形。除此之外，此人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)740亦能由磁性穿隧元件(MTJ)的自由層自對準而得到的形狀，底下將在不同制成步驟中說明。
本發(fā)明的第一種實施例的具有單層自由層的磁性穿隧元件(MTJ)的制造流程，如圖8所示。首先完成磁性結(jié)構(gòu)的前段工藝，包括前端(Front end)互補式氧化物金屬半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，底下簡稱“CMOS”)工藝的步驟802、寫入字符線(Write Word Line，底下簡稱“WWL”)形成工藝的步驟804、下電極接點(Bottom Electrode Contact，底下簡稱“BEC”)形成的步驟806、下電極沉積(Deposition)工藝的步驟808與磁性穿隧元件(MTJ)的堆棧沉積形成的步驟810。
而如接著的步驟812，當對磁性元件蝕刻的時候，首先，以穿遂絕緣層當蝕刻中止層(Etching Stop Layer)。接著如步驟814，利用一道光刻掩膜工藝，并以下電極定義(BE)當蝕刻中止層，定義出較為寬大能夠產(chǎn)生外露磁場的人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)。之后，如步驟816，完成下電極定義(BE)圖案化，以及后續(xù)的位線(BL)工藝，包括步驟818的內(nèi)金屬介電(Intermetal Dielectric，“IMD”)層的沉積與步驟820的位線(BL)形成的工藝。
本發(fā)明第一種實施例的正面光刻掩膜布局示意圖，如圖9所示，其中磁性元件的易軸(Easy Axis)與字符線(WWL)910、位線(BL)960呈45度排列，即所謂的拴扣型寫入模式(Toggle Write)布局方式。在此布局示意圖中，磁性自由扇區(qū)950下方，形成較為寬大的人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)930，而鐵磁下電極固定層(SAF-BE)930下方則是下電極定義(BE)920與下電極接點(BEC)940，如此布局將可達成非常低寫入電流的效果。
第二實施例本實施例的磁性元件，可以為單一自由層，如圖10所示，或是三明治形式的人造反鐵磁自由層(SAF Free Layer)，如圖11，底下將詳細說明。
本實施例的具有單層自由層的磁性穿隧元件(MTJ)，如圖10所示，包括磁性自由扇區(qū)、穿隧絕緣層、人造反鐵磁固定層與下電極所組成。磁性自由扇區(qū)包括上電極1010、鐵磁自由層1020。而鐵磁自由層1020例如由NiFe/CoFe、CoFeB或是人造反鐵磁自由層等所組成。穿遂絕緣層1030可由Al2O3或是MgO所組成，用以隔絕底下較為寬大能夠產(chǎn)生外露磁場的人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)1040。而此鐵磁下電極固定層(SAF-BE)1040則包括鐵磁固定層或人造反鐵磁固定層(例如CoFe/Ru/CoFe)等等，如圖所示的上固定層(Top Pinned Layer)1042、磁性耦合間隔層1044與下固定層(Bottom Pinned Layer)1046。而底下則由下電極1060、緩沖層(例如NiFe或NiFeCr)及反鐵磁層(例如PtMn或MnIr)1050所組成的下電極定義(BE)。
本實施例所提出的磁存儲單元，主要結(jié)構(gòu)上為磁性自由扇區(qū)的寬度小于人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)1040，而由于采用自對準的工藝，因此增加了間隙壁(Spacer)形成于上電極1010與鐵磁自由層1020的側(cè)邊，而以穿遂絕緣層1030為蝕刻中止層。
本實施例的具有三明治形式的人造反鐵磁自由層(SAF Free Layer)的磁性穿隧元件(MTJ)，如圖11所示，包括磁性自由扇區(qū)、穿隧絕緣層、人造反鐵磁固定層與下電極所組成。磁性自由扇區(qū)包括上電極1110、第一人造反鐵磁自由(SAF)層1120。而底下則是穿隧絕緣層1130及人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)1140。而穿遂絕緣層1130，此可由Al2O3或是MgO所組成，用以隔絕底下較為寬大能夠產(chǎn)生外露磁場的人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)1140。而此人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)1140則包括鐵磁固定層或人造反鐵磁固定層(例如CoFe/Ru/CoFe)等等，如圖所示的上固定層(Top Pinned Layer)1142、磁性耦合間隔層1144與下固定層(BottomPinned Layer)1146。此磁性耦合間隔層1144可以為釕(Ruthenium，底下簡稱“Ru”)、Cu或Ta物質(zhì)所組成。而底下則由下電極1160、緩沖層(例如NiFe或NiFeCr)及反鐵磁層(例如PtMn或MnIr)1150所組成的下電極定義(BE)。
本發(fā)明所提出的磁存儲單元，主要結(jié)構(gòu)上為磁性自由扇區(qū)的寬度小于鐵磁下電極固定層(SAF-BE)1140。而由于采用自對準的工藝，因此增加了間隙壁(Spacer)形成于上電極1110與第一人造反鐵層自由(SAF)層1120的側(cè)邊，而以穿遂絕緣層1130為蝕刻中止層。
本發(fā)明的第二種實施例的磁性穿隧元件(MTJ)的制造流程，如圖12所示。在此第二個實施例中，為了避免不同層次光刻掩膜對準的偏差，采取如圖12所示的制造流程。首先完成磁性結(jié)構(gòu)的前段工藝，包括前端(Frontend)互補式氧化物金屬半導體(Complementary Metal-OxideSemiconductor，底下簡稱“CMOS”)工藝的步驟1202、寫入字符線(WriteWord Line，底下簡稱“WWL”)形成工藝的步驟1204、下電極接點(BottomElectrode Contact，底下簡稱“BEC”)形成的步驟1206、下電極(BE)沉積(Deposition)制成的步驟1208與磁性穿隧元件(MTJ)的堆棧沉積形成的步驟1210。
在磁性元件蝕刻的時候，如步驟1212，首先以穿遂絕緣層當蝕刻中止層(Stop Layer)。之后，如步驟1214的間隙壁(Spacer)的形成工藝，先鍍上一層薄膜，接下來回蝕刻(Etch Back)，通過此層厚度控制形成隔離層(Spacer)外擴自由層的寬度。而后如步驟1216，定義出與自由層形狀相似且較為寬大的外露磁場磁性下電極(SAF-BE)，接下來如步驟1218，對下電極(BE)進行圖案化以形成下電極定義(BE)，而后為形成位線(BL)的工藝包括步驟1220的內(nèi)金屬介電(Intermetal Dielectric，“IMD”)層的沉積與步驟1222的位線(BL)形成的工藝。
第二個實施例的正面光刻掩膜布局如圖13所示，其中磁性元件的易軸(Easy Axis)與字符線(WWL)1310、位線(BL)1360呈45度排列，即所謂的拴扣型寫入模式(Toggle Write)布局方式。在此布局示意圖中，磁性自由扇區(qū)下方，形成較為寬大的人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)1330，而人造反鐵磁下電極固定層(SAF-BE)1330下方則是下電極定義(BE)1320與下電極接點(BEC)1340，如此布局將可達成非常低寫入電流的效果。
本發(fā)明所提出的磁存儲單元，采用與自由層大小不同的鐵磁下電極固定層，可通過增加光刻掩膜對準的方式，達成各種形狀的下電極(如長方形)，由于較為寬大的磁性下電極，可以產(chǎn)生較佳均勻性的外露磁場，使得自由層的End Domain區(qū)域極化向量分布正常，達到較佳的翻轉(zhuǎn)特性。另一種實施例為采用自對準的工藝方式，達成與自由層形狀相似且較寬大的磁性下電極，利用這種方式，可以摒除不同光刻掩膜層次對準時的偏差，達成較佳的工藝均勻性。通過本發(fā)明所提出的磁性存儲單元，調(diào)整適當?shù)拇判韵码姌O外露磁場，可以讓整個自由層不同位置感受實體上相同的外加磁場，可以達成非常低的寫入磁場特性。此發(fā)明不僅適用于如圖6～13的拴扣型實施例，而在存儲單元的自由層寫入機制為一般的交錯型寫入(Cross Selection)模式，可以通過本發(fā)明造成的寬大磁性下電極形成自由層處較為均勻的磁場分布，達成較佳的翻轉(zhuǎn)特性。
隨著元件的微縮化，外露磁場對于磁存儲單元的End Domain影響程度將會變得更加厲害，通過本發(fā)明的方式，能夠使得整個自由層不同位置感受相同的外加磁場，所以磁性元件可以持續(xù)的微縮下去。
而根據(jù)模擬的結(jié)果，如圖14A的一般拴扣型磁存儲單元在磁性自由扇區(qū)與人造反鐵磁固定下電極相同寬度，且外加磁場較弱時的特性圖。而比較圖14B所示的運用本發(fā)明實施例的磁存儲單元在人造反鐵磁固定下電極的寬度大于磁性自由扇區(qū)，且在較強的外加磁場下，此較強的外加磁場，即在人造反鐵磁的兩鐵磁層厚度差異較大時。從圖14A與圖14B的比較可知，一般拴扣型磁存儲單元的拴扣操作有效區(qū)域，與本發(fā)明的磁存儲單元拴扣操作有效區(qū)域相比之下小非常多，且本發(fā)明可擁有較窄的錯誤區(qū)間。這是由于本發(fā)明所形成寬大磁性下電極，形成自由層處較為均勻的磁場分布，達成較佳的翻轉(zhuǎn)特性。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的更動與改進，因此本發(fā)明的保護范圍當視權(quán)利要求所界定者為準。
權(quán)利要求
1.一種磁存儲單元，其特征是包括磁性自由扇區(qū)；穿遂絕緣層；人造反鐵磁下電極固定層，其中該穿遂絕緣層介于該磁性自由扇區(qū)與該人造反鐵磁下電極固定層的中間；以及下電極定義層，位于該人造反鐵磁下電極固定層的下方，其中該磁性自由扇區(qū)的寬度小于人造反鐵磁下電極固定層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲單元，其特征是該磁性自由扇區(qū)包括上電極與自由層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁存儲單元，其特征是該自由層可由NiFe/CoFe或CoFeB組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲單元，其特征是該磁性自由扇區(qū)包括上電極與具有三明治形式的人造反鐵磁自由層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁存儲單元，其特征是該人造反鐵磁自由層包括第一鐵磁自由層、磁性耦合間隔層與第二鐵磁自由層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲單元，其特征是該穿遂絕緣層可由AlOx或是MgO所組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲單元，其特征是該人造反鐵磁下電極固定層包括上固定層、磁性耦合間隔層與下固定層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲單元，其特征是該下電極定義層包括反鐵磁層與下電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁存儲單元，其特征是該反鐵磁層可由PtMn或MnIr所組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁存儲單元，其特征是該反鐵磁層與該下電極之間包括緩沖層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的磁存儲單元，其特征是該緩沖層可由NiFe或NiFeCr所組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲單元，其特征是該磁性自由扇區(qū)的寬度小于人造反鐵磁下電極固定層部分有間隙壁形成于該磁性自由扇區(qū)側(cè)壁。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲單元，其特征是該人造反鐵磁下電極固定層的形狀可以是長方形、圓形或是橢圓形。
14.一種磁存儲單元的制造方法，其特征是包括進行磁性結(jié)構(gòu)的前段工藝，形成下電極物質(zhì)層、人造反鐵磁下電極固定物質(zhì)層、穿遂絕緣物質(zhì)層與磁性自由扇區(qū)堆棧結(jié)構(gòu)，其中該穿遂絕緣物質(zhì)層介于該磁性自由扇區(qū)與該人造反鐵磁下電極固定物質(zhì)層之間，而該下電極物質(zhì)層位于該人造反鐵磁下電極固定物質(zhì)層的下方；對該磁性自由扇區(qū)物質(zhì)進行蝕刻，并以該穿遂絕緣物質(zhì)層為第一蝕刻中止層，形成該磁性自由扇區(qū)；利用光刻掩膜工藝，并以該下電極物質(zhì)層當?shù)诙g刻中止層，定義出穿遂絕緣層與能夠產(chǎn)生外露磁場的人造反鐵磁下電極固定層，其中該人造反鐵磁下電極固定層的寬度大于該磁性自由扇區(qū)的寬度；進行下電極物質(zhì)層的圖案化以形成下電極定義；以及形成位線。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的磁存儲單元的制造方法，其特征是該磁性自由扇區(qū)包括上電極與自由層。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的磁存儲單元，其特征是該磁性自由扇區(qū)包括上電極與具有三明治形式的人造反鐵磁自由層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的磁存儲單元，其特征是該人造反鐵磁自由層包括第一鐵磁自由層、磁性耦合間隔層與第二鐵磁自由層。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的磁存儲單元，其特征是該人造反鐵磁下電極固定層包括上固定層、磁性耦合間隔層與下固定層。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的磁存儲單元，其特征是該人造反鐵磁下電極固定層的形狀可以是長方形、圓形或是橢圓形。
20.一種磁存儲單元的制造方法，其特征是包括進行磁性結(jié)構(gòu)的前段工藝，形成下電極物質(zhì)層、人造反鐵磁下電極固定物質(zhì)層、穿遂絕緣物質(zhì)層與磁性自由扇區(qū)堆棧結(jié)構(gòu)，其中該穿遂絕緣物質(zhì)層介于該磁性自由扇區(qū)與該人造反鐵磁下電極固定物質(zhì)層之間，而該下電極物質(zhì)層位于該人造反鐵磁下電極固定物質(zhì)層的下方；對該磁性自由扇區(qū)物質(zhì)進行蝕刻，并以該穿遂絕緣物質(zhì)層為第一蝕刻中止層，形成該磁性自由扇區(qū)；形成薄膜層于該磁性自由扇區(qū)上方，并利用回蝕刻的方式，于該磁性自由扇區(qū)側(cè)壁形成間隙壁；以該下電極物質(zhì)層當?shù)诙g刻中止層，并利用該間隙壁為光刻掩膜，定義出穿遂絕緣層與能夠產(chǎn)生外露磁場的人造反鐵磁下電極固定層，其中該人造反鐵磁下電極固定層的寬度大于該磁性自由扇區(qū)的寬度為間隙壁的寬度；進行下電極物質(zhì)層的圖案化以形成下電極定義；以及形成位線。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的磁存儲單元的制造方法，其特征是該磁性自由扇區(qū)包括上電極與自由層。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的磁存儲單元，其特征是該磁性自由扇區(qū)包括上電極與具有三明治形式的人造反鐵磁自由層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的磁存儲單元，其特征是該人造反鐵磁自由層包括第一鐵磁自由層、磁性耦合間隔層與第二鐵磁自由層。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的磁存儲單元，其特征是該人造反鐵磁下電極固定層包括上固定層、磁性耦合間隔層與下固定層。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的磁存儲單元，其特征是該人造反鐵磁下電極固定層的形狀可以是長方形、圓形或是橢圓形。
全文摘要
磁存儲單元與其制造方法。采用與自由層大小不同的鐵磁下電極固定層，由于較為寬大的磁性下電極，可以產(chǎn)生較佳均勻性的外露磁場，使得自由層的邊緣處(End Domain)區(qū)域極化向量分布正常，達到較佳的翻轉(zhuǎn)特性。上述工藝亦可使用自對準的工藝方式達成。而調(diào)整適當?shù)拇判韵码姌O外露磁場，可以讓整個自由層不同位置感受實體上相同的外加磁場，可以達成磁存儲單元非常低的拴扣型寫入電流特性。
文檔編號G11C11/16GK101022032SQ200610003148
公開日2007年8月22日 申請日期2006年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月16日
發(fā)明者洪建中, 朱健剛, 高明哲 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院