TW202027308A - 磁阻裝置及其方法 - Google Patents

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TW202027308A TW108137686A TW108137686A TW202027308A TW 202027308 A TW202027308 A TW 202027308A TW 108137686 A TW108137686 A TW 108137686A TW 108137686 A TW108137686 A TW 108137686A TW 202027308 A TW202027308 A TW 202027308A
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Abstract

本揭示案之態樣係針對包括具有增加之高度直徑比之區的磁阻堆疊。本揭示案之例示性磁阻堆疊(例如，在一磁穿隧接面(MTJ)磁阻裝置中使用)包括一或多個多層合成反鐵磁結構(SAF)或合成鐵磁結構(SyF)以便提高該SAF或SyF之穩定性，例如，對於較小尺寸之MTJ。

Description

磁阻裝置及其方法
本揭示案尤其係關於磁阻堆疊及結構、包括所揭示之磁阻堆疊及結構的裝置及用於製作及使用所揭示之磁阻堆疊及結構的方法。
本文中描述及說明了許多發明以及彼等發明之許多態樣及實施例。在一個態樣中，本揭示案係關於磁阻堆疊(例如，磁阻記憶體裝置之部分、磁阻感測器/變換器裝置等)及製造所描述之磁阻堆疊的方法。本揭示案之例示性磁阻堆疊(例如，在磁穿隧接面(MTJ)磁阻裝置中使用)包括一或多個多層合成反鐵磁結構(SAF)或合成鐵磁結構(SyF)以便提高SAF或SyF之穩定性，例如，對於小尺寸之MTJ。
簡言之，在記憶體裝置(例如，磁阻隨機存取記憶體(MRAM))中使用之磁阻堆疊包括安置於「固定」磁區(下文中被稱作「固定區」)與「自由」磁區(下文中被稱作「自由區」)之間的至少一個非磁性層(例如，至少一個介電層或非磁性但導電之層)，該等區各自包括鐵磁材料之一或多個層。可藉由切換、程式設計及/或控制自由區之磁性層中的磁化向量之方向來將資訊儲存於磁阻記憶體堆疊中。可藉由向磁阻記憶體堆疊施加寫入信號(例如，引導一或多個電流脈衝通過磁阻記憶體堆疊或自旋霍爾材料等)來切換及/或程式設計(例如，經由自旋轉移扭矩(STT)、自旋軌道扭矩(SOT)等)自由區之磁化向量的方向。相比之下，固定區之磁性層中的磁化向量磁性固定在預定方向。當與非磁性層毗鄰之自由區之磁化向量的方向同與非磁性層毗鄰之固定區之磁化向量的方向相同時， 該磁阻記憶體堆疊具有第一磁性狀態及對應之第一電阻狀態(例如，低電阻狀態)。相反地，當自由區的與非磁性層毗鄰之磁化向量的方向與固定區的與非磁性層毗鄰之磁化向量的方向相反時，該磁阻記憶體堆疊具有第二磁性狀態及對應之第二電阻狀態(例如，高電阻狀態)。磁阻記憶體堆疊之磁性狀態係藉由偵測該堆疊之電阻(例如，藉由引導「讀取電流」通過該堆疊)而確定或讀取。
應注意，雖然本揭示案中之例示性實施例在本文中係在MTJ堆疊/結構之背景下進行描述及/或說明，但實施例亦可在巨磁阻(GMR)堆疊/結構中實施，在GMR堆疊/結構中導體(例如，銅)安置於兩個鐵磁區/層/材料之間。實際上，本揭示案之實施例亦可與其他類型之磁阻堆疊(及/或結構)結合使用，其中此類堆疊包括固定區、自由區、中間區等。為簡明起見，將不會在GMR或其他磁阻堆疊/結構的背景下具體地重複論述及說明一但此類論述及說明將被解釋為完全適用於GMR及其他堆疊/結構。
在磁性記憶體裝置(例如，MRAM)朝向較小處理節點前進以例如增加密度時，單獨之MTJ小塊大小(例如，直徑)必須在橫向上縮小以適應小塊之間的較緊密之間距及空間。然而，隨著MTJ小塊之大小及/或縱橫比減小，其形狀之磁各向異性亦減小。由於形狀各向異性減小，MTJ之能量障壁亦可能減小。然而，隨著能量障壁減小，MTJ小塊之資料保持及/或熱穩定性亦可能會減小或以其他方式受損。通常，可藉由(例如)更改自由區之組成或自由區之厚度來增加自由區之垂直各向異性或磁矩來校正(或以其他方式補償)MTJ小塊之能量障壁的減小。然而，如此亦可能會升高MTJ小塊之臨界電流。具有高臨界電流之MTJ小塊在寫入及/或重置操作期間會遭受較大量之週期性損壞及惡化。類似地，固定區即便在較小MTJ尺寸時亦應為磁性穩定的以(例如)防止歸因於不穩定SAF而發生固定區磁化翻轉，或在MRAM裝置之回流製程時應為磁性穩定的，此要求SAF結構中之兩個磁性層之間的高磁各向異性或耦合強度。
本揭示案之實施例可針對用於增加合成反鐵磁結構(SAF)之穩定性的裝置及方法，例如，在較小尺寸之MTJ小塊(例如具有相對較小直徑之MTJ小塊)中。然而，本揭示案之範疇藉由所附申請專利範圍而非藉由所得裝置或方法之任何特性來界定。
10:第一電極
14:磁區
16:耦合區
18:磁區
20:固定區
22:過渡區
24:參考區
30:中間區
50:自由區
70:第二電極
100:MTJ小塊
110:第一電極
114:鐵磁區
114a-114:n+1鐵磁區
115:種子區
116:耦合區
116a-116n:耦合區
120:固定區
120’:固定區
120”:固定區
122:過渡區
124:參考區
130:中間區
130a-130b:中間區
135:間隔區
140:蓋層區
150:自由區
150a-150e:自由區
152:SAF耦合區
152a-152d:SAF耦合區
153:SyF耦合區
153a-153e:SyF耦合區
154:鐵磁區
154a-154f:鐵磁區
170:第二電極
200:MTJ小塊
210:邏輯部分
220:磁阻裝置部分
300:MTJ小塊
400:積體電路(IC)裝置
可結合附圖中說明之態樣來實施本揭示案之實施例。此等圖式示出當前發明之不同態樣，且在適當時，說明不同圖中之相似結構、部件、材料及/或元件的元件符號被類似地標示。應理解，除了明確地示出之彼等結構、部件及/或元件以外的結構、部件及/或元件之各種組合被設想到且屬於本揭示案之範疇內。
為了簡單地且清楚地進行說明，圖式繪示了本文中描述之各種實施例之一般結構及/或建構方式。為了便於說明，圖式將所說明之磁阻堆疊之不同層/區繪示為具有均一厚度及具有直線邊緣之明確邊界。然而，熟習此項技術者將認識到，實際上，不同層可具有非均一厚度。且，在毗鄰層之間的界面處，此等層之材料可一起成合金，或遷移至一種或另一種材料中，使其邊界不明確及/或模糊。可省去熟知特徵(例如，互連等)及技術之描述及細節以免掩蓋其他特徵。圖中之元件不必按比例繪製。一些特徵之尺寸可相對於其他特徵誇示以改良對例示性實施例之理解。截面圖為被提供來幫助說明各種區/層之相對位置且描述各種處理步驟的簡化圖。熟習此項技術者將瞭解，截面圖不按比例繪製且不應被視為表示不同區/層之間的比例關係。此外，雖然某些區/層及特徵被示出為具有90度直角邊緣，但實際上或在實踐中，此類區/層可更「圓化」及/或緩和地傾斜。
另外，熟習此項技術者將理解，雖然在圖中示出了具有清楚界面之 多個層，但在一些情況中，隨著時間過去及/或暴露於高溫下，該等層中之一些層的材料可能會遷移至其他層之材料中或與其他層之材料相互作用以在此等層之間呈現出更模糊之界面。應注意，即便未明確地提及，但參考一個實施例描述之態樣亦可適用於其他實施例且可與其他實施例一起使用。
此外，在本文中描述及說明了許多實施例。本揭示案既不限於任何單個態樣或其實施例，亦不限於此類態樣及/或實施例之任何組合及/或排列。此外，本揭示案之每個態樣及/或其實施例可單獨地使用或與本揭示案之其他態樣及/或其實施例中之一或多者結合使用。為簡潔起見，在本文中並未單獨地論述及/或說明某些排列及組合。明顯地，本文中被描述為「例示性」之實施例或實現方式將不會被理解為(例如)比其他實施例或實現方式較佳或有利。而是，意欲反映或指示如此描述之實施例為「例示性」實施例。另外，儘管圖式及此書面揭示看似按照特定建構次序(例如，自下而上)描述了所揭示之磁阻堆疊，但應理解，所繪示之磁阻堆疊可具有不同之次序(例如，相反次序(亦即，自上而下))。舉例而言，固定區可形成於自由區之上或上方，該自由區轉而可形成於本揭示案之***層之上或上方。
圖1示出繪示根據本揭示案之一實施例的例示性MTJ小塊之各種區的截面圖；
圖2示出繪示根據本揭示案之一實施例的圖1之MTJ小塊之例示性固定區的截面圖；
圖3A示出繪示根據本揭示案之一實施例的例示性MTJ小塊之各種區的截面圖；
圖3B示出繪示根據本揭示案之一實施例的圖3A之MTJ小塊之例示性固定區的截面圖；
圖4A示出繪示根據本揭示案之一實施例的例示性MTJ小塊之各種 區的截面圖；
圖4B示出繪示根據本揭示案之一實施例的圖4A之MTJ小塊之例示性固定區的截面圖；
圖4C示出繪示根據本揭示案之一實施例的圖4A之MTJ小塊之例示性固定區的截面圖；
圖5示出繪示根據本揭示案之一實施例的例示性MTJ小塊之各種區的截面圖；
圖6A至圖6H示出繪示圖4A及圖5之MTJ小塊之例示性自由區的截面圖；
圖7為示出根據本揭示案之一實施例的製作例示性磁阻裝置之例示性方法的簡化流程圖；
圖8為例示性積體電路(IC)裝置之示意圖，該IC裝置包括邏輯部分及磁阻裝置部分。
圖9為在磁阻記憶體單元組態中的電連接至選擇裝置(例如，存取電晶體)之例示性磁阻記憶體堆疊的示意圖；並且
圖10A至圖10B分別為包括離散記憶體裝置及嵌入式記憶體裝置之積體電路的示意性框圖，該等記憶體裝置各自包括MRAM(在一個實施例中，MRAM代表具有根據本揭示案之某些實施例之態樣的複數個磁阻記憶體堆疊的MRAM之一或多個陣列)。
如先前所闡釋，雖然截面圖(例如，圖1、圖2、圖3A、圖3B、圖4A至圖4C、圖5及圖6A至圖6H)之單獨層及/或區被示出為具有清晰的很明確之邊界的不同層，但通常，兩個毗鄰層之材料在界面處(在層之間)隨著時間過去及/或暴露於高溫下可能會擴散至彼此中，且呈現出該兩個單獨層之材料的合金或組合的界面區。因此，雖然此等圖中之所有層或區可在此等層或區形成之後即刻 呈現或可辨別，但在一些實施例中，可能難以在截面圖中辨別此等區中之一些。在一些實施例中，此等層中之一些可呈現為具有較高濃度之一元素或一材料的界面區。
相關申請案之交叉引用
本申請案主張2018年10月18日申請之美國臨時申請案No.62/747,441的優先權，該案以引用方式整體併入本文中。
應注意，本文中揭示之所有數值(包括所有揭示之厚度值、極限值及範圍)相對於所揭示之數值可具有±10%之偏差(除非指定不同之偏差)。舉例而言，被揭示為「t」單位厚之層的厚度可自(t-0.1t)至(t+0.1t)單位而變化。另外，所有相對術語，諸如「約」、「實質上」、「大約」等，用於指示±10%之可能偏差(除非另有指示或指定另一個偏差)。此外，在申請專利範圍中，(例如)所描述之層/區之厚度及原子組成之值、極限值及/或範圍表示該值、極限值及/或範圍±10%。應注意，本揭示案中論述之例示性厚度值為在沈積之後即刻預計的層厚度之值(亦即，非量測值)(基於沈積條件等)。如熟習此項技術者將認識到，層或區之此等剛沈積厚度在進一步處理(例如，暴露於高溫下等)之後可能會改變(例如，藉由層間擴散等)。
除非另外指示，否則本文中使用之所有術語、記號及其他科學術語或專門用語具有與熟習本揭示案所屬領域者通常理解之含義相同的含義。本文中描述或提及之一些部件、結構及/或過程係熟習此項技術者完全理解的且通常使用習知方法來使用。因此，將不會詳細地描述此等部件、結構及過程。本文中引用之所有專利、申請案、公開申請案及其他公開案以引用方式整體併入。若本揭示案中陳述之定義或描述與此等參考文獻中之定義及/或描述相反或不一致，則本揭示案中陳述之定義及/或描述比以引用方式併入本文中之參考文獻中的彼 等定義及/或描述佔優勢。本文中描述或提及之參考文獻無一者被承認為本揭示案之先前技術。
應注意，本文中陳述之描述的性質僅為說明性的而不意欲限制主題之實施例或此等實施例之應用及使用。本文中被描述為例示性之任何實現方式將不會被理解為比其他實現方式較佳或有利。而是，術語「例示性」以實例或「說明性」而非「理想」之意義來使用。術語「包含」、「包括」「具有」、「擁有」及其任何變體係同義地使用以表示或描述非排他性包括。因而，使用此類術語之裝置或方法不僅包括彼等元件或步驟，且亦可包括未明確地列出的或係此類裝置及方法所固有之其他元件及步驟。另外，術語「第一」、「第二」及其類似者在本文中未表示任何次序、數量或重要性，而是用於將一個元件與另一個元件區分開。類似地，相對定向之術語，諸如「頂部」、「底部」等係參考描述圖中所示之結構的定向來使用。此外，術語「一」及「一個」在本文中不表示數量之限制，而是表示所提及之項中之至少一者的存在。
在本揭示案中，術語「區」通常用於指代一或多個層。亦即，一區(如本文中所使用)可包括單個材料層(沈積、膜、塗層等)或彼此層疊地堆疊之多個材料層(亦即，多層結構)。另外，雖然在下文之描述中，所揭示之磁阻堆疊之一些區及/或層係用特定名稱(蓋頂區、參考區、過渡區等)來提及，但此僅為了便於描述且不意欲作為該層之功能性描述。此外，雖然下文之描述及圖式看似繪示了層相對於彼此之某些定向，但熟習此項技術者將理解，此類描述及繪示僅為例示性的。舉例而言，儘管自由區被繪示為在中間區上方，但在一些態樣中，整個磁阻堆疊可翻轉，使得中間區在自由區上方。
在一個例示性態樣中，本揭示案之磁阻堆疊可實施為自旋扭矩磁阻隨機存取記憶體(「MRAM」)元件(「記憶體元件」)。在此類態樣中，該磁阻堆疊可包括位於(或夾在)兩個鐵磁區之間以形成磁穿隧接面(MTJ)裝置(或MTJ型 裝置)的中間區。在MTJ裝置中，該中間區可為隧道障壁且可包括絕緣材料，諸如，例如介電材料。然而，如先前所闡釋，雖然在本文中未明確地描述，但在其他實施例中，該中間區可為導電材料，例如，銅、金或其合金。在此類其他實施例中，其中該磁阻堆疊包括位於兩個鐵磁區之間以形成巨磁阻(GMR)或GMR型裝置的導電材料。
在安置於中間區之任一側的兩個鐵磁區中，一個鐵磁區可為磁性「固定」(或「釘紮」)區，且另一個鐵磁區可為磁性「自由」區。術語「自由」意欲指代具有一磁矩向量之鐵磁區，該磁矩向量可回應於用於切換該磁矩向量之外加磁場或自旋極化電流而顯著地改變或移動。另一方面，詞語「固定」及「釘紮」用於指代具有一磁矩向量之鐵磁區，該磁矩向量不會回應於此類外加磁場或自旋極化電流而顯著地移動。可藉由對磁阻記憶體堆疊施加寫入信號(例如，一或多個電流脈衝)來切換及/或程式設計(例如，經由自旋轉移扭矩(STT)、自旋軌道扭矩(SOT)或因為電流通過附近導體而產生之磁場)自由鐵磁區之磁化向量的方向。如本領域中所知，所描述之磁阻堆疊之電阻可基於與非磁性層毗鄰之自由區的磁化方向(例如，磁矩之方向)是同與非磁性層毗鄰之固定區的磁化方向(例如，磁矩之方向)平行對準(P)抑或反向平行對準(AP)而改變。通常，若該兩個區具有相同之磁化對準(亦即，處於P磁性狀態)，則所得的相對較低之電阻(RL)被視為數字「0」，而若該對準係反向平行(亦即，處於AP磁性狀態)，則所得的相對較高之電阻(RH)被視為數字「1」。記憶體裝置(諸如MRAM)可包括按行及列之陣列排列的多個此類磁阻堆疊，該等磁阻堆疊可被稱作記憶體單元或元件。藉由量測通過每個單元之電流，可「讀取」每個單元之電阻且因此讀取儲存於記憶體陣列中之資料。
磁阻比(MR)為磁阻堆疊在其高與低電阻狀態之間的電阻變化之比率MR=(RH-RL)/RL，其中RL及RH分別為磁阻堆疊在低及高電阻狀態下之電阻。 MR指示在記憶體元件被「讀取」時信號之強度。對於具有強讀取信號之MTJ型磁阻堆疊，較大之MR(例如，單獨電阻RH與RL之間的較大差值)係所要的。當磁阻堆疊之中間層為由介電材料製成之隧道障壁時，可藉由電阻面積乘積(RA)來量測電阻。
圖1為具有例示性MTJ小塊100之例示性MTJ裝置1000之一部分的截面圖。MTJ小塊100可耦接或以其他方式連接至存取電晶體T(或其他合適之選擇裝置，諸如，例如二極體)及各種導體(例如，源極線導體、字線導體、位元線導體等)，該等導體可攜載一或多個控制信號且提供對MTJ小塊100之存取(例如，以對MTJ小塊100進行讀取及寫入)。MTJ裝置1000可在任何合適應用中使用，包括例如在記憶體組態中使用。MTJ小塊100可包括具有彼此層疊堆疊之多個層及/或區的磁阻堆疊。如圖1中所示，MTJ小塊100之磁阻堆疊包括位於固定區20與自由區50之間的中間區30(中間區在MTJ裝置中包括介電材料且用作隧道障壁)。在一些實施例中，如圖1中所示，MTJ小塊100可形成於第一電極10(例如，底部電極)與第二電極70(例如，頂部電極)之間。第一電極10及第二電極70可包括導電材料，且可為MTJ裝置1000之導電互連(例如，通孔、跡線、線等)之部分(或與之實體接觸)。雖然任何導電材料可用於第一電極10及第二電極70，但在一些實施例中，可使用金屬，諸如鉭(Ta)、鈦(Ti)、鎢(W)或此等元素之複合物或合金(例如，氮化鉭合金)。在一些實施例中，可去除第一電極10及/或第二電極70，且MTJ小塊100可與MTJ裝置1000之金屬化結構(例如，線、通孔等)直接接觸。
雖然圖1中未示出，但電極10可形成於半導體基板(例如，矽基板等)之平坦表面上，該表面上形成有IC裝置(例如，CMOS裝置，諸如，例如電晶體等)。在一些實施例中，第一電極10在其與上覆區(例如，固定區20)之界面處可包括種子層。在製作期間，該種子層可幫助在電極10上形成上覆區。該種 子層可包括以下各項中之一或多者：鎳(Ni)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鐵(Fe)、釕(Ru)、鉑(Pt)、鉭(Ta)及其合金(例如，包含鎳(Ni)及/或鉻(Cr)之合金)。在一些實施例中，可去除種子層，且電極10之頂面自身可充當種子層。
參看圖2，在一些實施例中，固定區20可包括多個層。應注意，為清楚起見，在圖2中僅示出包括固定區20之某些層。熟習此項技術者將容易地認識到，一或多個額外層、界面區域及/或區可包括在固定區20內且/或可安置於固定區20之層及固定區20之任一側的所繪示之例示性區之間。固定區20可為安置於電極10之上或上方的固定的、未釘紮之合成反鐵磁(SAF)區。固定的、未釘紮之SAF區可包括藉由耦合區16分隔之至少兩個磁區14、18(例如，鐵磁區)。鐵磁區14、18有時分別可被稱作反向平行層1(AP1)及反向平行層2(AP2)。雖然在圖2中繪示了兩個磁區14、18，但在一些實施例中，如之後將參看圖3A、圖3B、圖4A至圖4C及圖5更詳細地描述，固定區20可包括多個重複之鐵磁(亦即，AP1及AP1)區及耦合區以形成高SAF區。如本文中使用，詞語「高」係指高度類似於或大於寬度(亦即，在垂直於基板之方向上的垂直尺寸相對於MTJ小塊之橫向尺寸)的SAF區。鐵磁區14、18可包括鐵磁元素鎳(Ni)、鐵(Fe)及鈷(Co)中之一或多者，包括具有元素鈀(Pd)、鉑(Pt)、鎳(Ni)及其合金中之一或多者的合金或工程材料，且耦合區16可為包括非鐵磁材料(諸如，例如銥(Ir)、釕(Ru)、錸(Re)或銠(Rh))之反向平行(AF)耦合區。
在一些實施例中，鐵磁區14、18中之一者或兩者可包括磁性多層結構，該磁性多層結構包括第一鐵磁材料(例如，鈷(Co))及第二鐵磁材料(例如，鎳(Ni))或順磁材料(例如，鉑(Pt))之多個層。在一些實施例中，鐵磁區14、18亦可包括(例如)具有以下各項中之一或多者之合金或工程材料：鈀(Pd)、鉑(Pt)、鎂(Mg)、錳(Mn)及鉻(Cr)。另外或替代地，在一些實施例中，固定區20可包括一個或多個合成鐵磁結構(SyF)。在一些實施例中，固定區20可具有在約8Å與約 300Å、約15Å與約110Å、大於或等於8Å、大於或等於15Å、小於或等於300Å或者小於或等於110Å之範圍內的厚度。將在下文更詳細地描述具有多個SAF層的本揭示案之實施例。
在一些實施例中，如圖2中所示，固定區20亦可包括一或多個額外層，諸如，例如安置於固定區20與上覆區(例如，圖1之區30)之間的界面處之過渡區22及/或參考區24。過渡區22及/或參考區24可包括一或多個材料層，該一或多個材料層尤其在製作期間促進/改良上覆中間區30之生長。在一個實施例中，參考區24可包括以下各項中之一或多者(例如，全部)：鈷(Co)、鐵(Fe)及硼(B)(例如，在合金中-諸如無定形合金(例如，CoFeB或CoFeBTa或CoFeTa))。且，過渡區22可包括非鐵磁過渡金屬，諸如鉭(Ta)、鈦(Ti)、鎢(W)、釕(Ru)、鈮(Nb)、鋯(Zr)及/或鉬(Mo)或其合金。一般言之，過渡區22及參考區24可具有任何厚度。在一些實施例中，參考區24之厚度(t)可為約6至13Å、較佳為約8至12Å且更佳為約9至11Å，且過渡區22之厚度可為約1至8Å、較佳為約1.5至5Å且更佳為約2.5至3.5Å。應注意，在一些實施例中，過渡區22及參考區24可提供於MTJ小塊100之固定區20中。在一些實施例中，可去除過渡區22。
如先前所闡釋，雖然圖2(及圖1)將該堆疊之不同區示出為不同之層，但此僅為簡化。舉例而言，雖然在製作期間可順序地且單獨地形成(例如，沈積、沈積及氧化等)圖2之固定區20的不同區，但如熟習此項技術者將認識到，構成各種區之材料在後續處理(例如，高溫處理操作，諸如退火等)期間可能會與毗鄰區之材料成合金(例如，混合、擴散至毗鄰區之材料中等)。因此，熟習此項技術者將認識到，雖然圖2之固定區20(及圖1之MTJ裝置100)的不同區剛在此等區形成之後可能看似為具有清晰界面之單獨區，但在後續處理操作之後，該等不同區之材料可能會一起成合金以形成在不同區之界面處具有較高濃度之不同材料的單個合金固定區20。因此，在一些情況中，可能難以在完成之 MTJ小塊100及MTJ裝置1000中辨別出固定區20(及其他區)之不同區。
重新參看圖1，自由區50或儲存區可安置於固定區20「上方」，其中中間區30形成於固定區20與自由區50之間。圖1中繪示之固定區20及自由區50的相對定向僅為例示性的，且熟習此項技術者將容易地認識到自由區50亦可安置於固定區20下方。如先前所闡釋，所形成之中間區30的類型取決於正製作之裝置的類型。在MTJ小塊中，中間區30可包括用作MTJ小塊100之隧道障壁的介電材料。中間區30可形成於固定區20之表面上(或上方)，且自由區50可形成於中間區30之表面上(或上方)。一般言之，可使用現在已知之任何技術(例如，沈積、濺射、蒸鍍等)或之後開發之任何技術來在固定區20之上或上方形成中間區30。在一些實施例中，中間區30可包括氧化物材料，諸如，例如氧化鎂(MgOx)或氧化鋁(AlOx(例如，Al2O3))，且可藉由材料沈積及氧化等多個步驟來形成。在2018年4月19日申請之美國專利申請案第15/957,333號中描述了形成中間區30之例示性方法，該案之全文以引用方式併入本文中。
一般言之，中間區30可具有任何厚度。在一些實施例中，中間區30可具有約8.5至14.1Å、較佳為約9.6至13.0Å且更佳為約9.8至12.5Å之厚度。在一些實施例中，中間區30可具有約3至14Å、或約5至12Å或約6至10Å之厚度。雖然圖1中未示出，但在一些實施例中，亦可在自由區50與中間區30之間的界面處提供界面材料(例如，鐵(Fe)、鈷鐵合金(CoFe)等)之粉塵。沈積為(例如)材料之不連續拼塊(如與將會破壞配合層之間的交換之連續層相反)的此界面材料可能會導致所得MTJ小塊100的相對較高之垂直磁各向異性(PMA)。在一些實施例中，亦可在固定區20與中間區30之間的界面處提供界面材料(例如，鈷(Co)、鐵(Fe)或其合金等)之粉塵。
重新參看圖1，自由區50可包括任何鐵磁合金。在一些實施例中，自由區50之鐵磁合金可包括鈷(Co)、鐵(Fe)及硼(B)(被稱作CoFeB)。應注意， 圖1中所示之自由區50的組態僅為例示性的，且許多其他組態係可能的。不管自由區50之具體組態如何，如先前所闡釋，可藉由外加磁場或自旋扭矩電流來移動或切換自由區50中之磁向量(或磁矩)。雖然自由區50在圖1中被示出為單個層，但此僅為例示性的。與固定區20類似，自由區50亦可包括彼此層疊地堆疊之多個層。
在自旋扭矩轉移(STT)MTJ裝置中，藉由驅動電流脈衝(I)通過該堆疊來完成對自由區50之磁化方向的切換。電流脈衝(I)之極性決定了自由區之最終磁化狀態(亦即，P或AP)。舉例而言，在一個方向上(例如，自固定區20朝向自由區50)引導具有足夠量值之電流I可將自由區50切換為AP狀態(亦即，使自由區之磁化狀態與固定區之磁化狀態反向平行)。且，在相反方向上(例如，自自由區朝向固定區)引導穿隧電流(I)可將自由區之磁化狀態改變為與固定區之磁化狀態平行(亦即，P)。
自旋扭矩效應係熟習此項技術者已知的。來自一個磁區之自旋極化電流穿過非磁性中間區30且隨後經由自旋角動量之守恆而對另一個磁區施加自旋扭矩。電流I之方向表示電子流之相反方向。電流(I)在其通過磁鐵/非磁體/磁體三層結構(例如，圖1之固定區20/中間區30/自由區50結構)中之第一磁性層(亦即，對於圖1中所示之電流I的方向，為固定區20)之後被自旋極化，其中藉由本領域中已知之許多方法中之任一者將固定區20實質上固定於其磁定向。由於固定區20之磁化固定，因此其磁化不會切換。一小部分電子隨後將反射離開固定區20且往回行進穿過中間區30且與自由區50相互作用且對自由區50施加自旋扭矩。在此種情況中，自旋扭矩用於將自由區50之磁定向切換為與固定區20之磁定向反向平行(AP)。若施加相反極性(例如，在與圖1中之箭頭之方向相反的方向上)之電流，則電流先穿過自由區50到固定區20，亦即電子穿過固定區20，橫穿非磁性中間區30，且隨後經由自旋角動量之守恆而對自由區50施 加自旋扭矩。在此種情況中，自旋扭矩用於將自由區50之磁定向切換為與固定區20之磁定向反向平行(P)。自旋扭矩切換僅在電流I之量值超過MTJ小塊100之臨界電流IC時才發生。在典型MTJ裝置1000中，電路使用之自旋扭矩切換電流I(被稱作寫入電流IW)被選擇為稍高於裝置1000中之多個MTJ小塊100的平均IC，使得在施加電流IW時，所有MTJ小塊100將可靠地切換。在自MTJ小塊100讀取資料時，小電流(例如，讀取電流)流經MTJ小塊100，且偵測MTJ小塊100之電阻(例如，RMin(RL)、RMax(RH)等)。類似地，自旋軌道扭矩切換需要與MTJ小塊100之自由區50接觸的自旋霍爾材料。藉由施加通過自旋霍爾材料之電流，歸因於自旋軌道耦合，自旋電流被注入自由區50中，因此可視所施加之電流極性而將自由區50切換到P或AP狀態。
切換自由區之磁性狀態所需的平均電流可被稱作臨界電流(Ic)。臨界電流密度(Jc)為MTJ小塊按面積算之平均臨界電流(Jc=Ic/A)，其中A為面積，且藉由電路供應的用於切換記憶體陣列中之自旋扭矩MRAM元件的電流為寫入電流(Iw)。臨界電流指示將資料「寫入」磁阻記憶體單元中所需之電流(或磁阻記憶體單元之寫入電流)。如熟習此項技術者將認識到，寫入電流可大於臨界電流。舉例而言，在一些情況中，寫入電流可為臨界電流之約1.4至1.6倍。減小所需之寫入電流為所要的，尤其使得較小之存取電晶體可用於每個記憶體單元，且可製造較高密度、較低成本之記憶體。
對於恆定Jc藉由降低MTJ小塊之面積來減小Ic會減小將自由區之兩個穩定狀態分離的磁能量障壁Eb。Eb與自由區材料之飽和磁化量Ms、自由區之各向異性Hk及自由區體積成比例。減小面積可能會減小體積且因此減小Eb。減小Eb會影響MRAM之非易失性，使得自由區可能經由在溫度範圍中之熱波動且在該部件之操作壽命期間非所要地進行切換。對於較小之MTJ尺寸，因此可能需要高自由區以在面積減小時保持較高體積，此對應地可能會增加形 狀各向異性以達成較高Eb。為了包括較高自由區，亦可能需要較高固定區，其中形狀磁各向異性可有助於降低SAF翻轉之機率。
通常，在MRAM及相關磁性感測器技術中，固定區為合成反鐵磁(SAF)。SAF結構一般包括藉由間隔區分隔的具有實質上類似之磁矩的兩個鐵磁區(例如，如上文所描述，鐵磁區14、18)，該分隔區在該兩個鐵磁區之間提供反鐵磁耦合(例如，如上文所描述，間隔區16)。歸因於反鐵磁耦合，在缺少外加磁場之情況下，鐵磁層之力矩可指向相反方向。SAF之強度通常按飽和場Hsat來表達，飽和場為迫使該等層之力矩彼此平行所需的場。對於防止SAF翻轉，亦即，兩個磁性層之磁化方向改變180度同時仍反鐵磁地耦合，大的磁各向異性及飽和場為較佳的。
為了具有足以在實際上使用之磁剛性，SAF結構可能需要展現出高飽和場以及高翻轉場，以確保在自由區切換時固定SAF之磁矩不會切換。因此，可能希望SAF區穩定且不會對磁場過於敏感。
在MTJ小塊之尺寸減小以實現較高MTJ小塊密度時，可能希望增加MTJ區(例如，自由區及/或固定區)之高度以便增加形狀各向異性。各向異性可能主要係由SAF區中使用之材料的選擇決定，然而，對於較小尺寸之MTJ小塊，歸因於所使用之材料量較少，自該等材料得到之各向異性可能不足夠。因此，本揭示案之實施例可操縱單獨區之形狀以便增加各向異性。
舉例而言，在自由區及/或SAF區之尺寸減小時增加自由區及/或固定SAF區之高度可維持較高之各向異性。因此，為了達成較小之MTJ尺寸，可使用高自由區以便增加形狀各向異性，以實現小MTJ小塊之較高能量障壁。類似地，如上文所論述，可能需要高SAF區以便增加SAF之體積以便產生更穩定之場，藉此增加SAF區之穩定性(例如，藉由增加能量障壁及/或增加翻轉場)。
然而，增加構成SAF區之磁區(例如，如上文所論述，鐵磁區AP1、 AP2)的高度可能會改變耦合場，導致SAF之AP1層與AP2層之間的減小之交換耦合場。AP1層及AP2層可能會產生影響自由區之磁場，此對於穩定性而言可能係非所要的，因此可能需要平衡AP1層與AP2層之間的力矩以獲得穩定SAF，或最小化或以其他方式調整來自SAF的對自由區施加之磁場。
本揭示案之實施例可藉由提供SAF區來解決上述問題中之至少一些，該SAF區具有增加之總高度但其中SAF區內之單獨層並未顯著地增加。舉例而言，替代包括具有增加厚度之層的一個SAF，可使用多個SAF或具有重複之AP區及耦合區之SAF以便增加SAF區體積，而不會增加單獨SAF層之高度且因此不會增加單獨SAF層之磁場。因此，如下文詳細地描述，本揭示案之態樣係針對多層SAF。
圖3A繪示例示性MTJ小塊200，該MTJ小塊具有第一電極110(例如，底部電極)、種子區115、鐵磁區114a(例如，SAF之AP1層)、耦合區116、鐵磁區114b(例如，SAF之AP2層)、過渡區122、參考區124、中間區130a、自由區150、另一個中間區130b、間隔區135、蓋層區140及第二電極170(頂部電極)。熟習此項技術者將理解，前述列表中之一或多個區可被省去或以其他方式與毗鄰區結合。鐵磁區114a(AP1)、耦合區116、鐵磁區114b(AP2)、過渡區122及參考區124可形成固定SAF區120。如上文所闡釋，區之確切佈置及包括/排除可改變，例如，可去除第一電極110及/或第二電極170，且MTJ小塊200可與MTJ裝置之金屬化結構(例如，線、通孔等)直接接觸，或可去除種子區115，且電極110之頂面自身可用作種子層。
如圖3B中所示，MTJ 200之固定SAF區120可藉由合併AP區及耦合區之重複層而非實質上增加任何單獨AP區及/或耦合區之高度而具有增加之高度。圖3B示出圖3A之MTJ小塊200的固定SAF區120之例示性部分A的近視截面圖。如圖3B中所繪示，固定SAF區120視SAF區之所要高度而包括 任何合適數目個交替AP區114(例如，區114a、114b)及耦合區116，該所要高度可視MTJ 200之直徑寬度尺寸而定或以其他方式隨MTJ 200之直徑寬度尺寸而變。圖3B繪示AP1區114a、耦合區116a、AP2區114b、耦合區116b、AP3區114c、耦合區116c等，直至達到所要數目之耦合區及AP區(例如，耦合區116n及APn+1區114n+1)為止。一旦在SAF中包括所要數目個耦合區及AP區以達成高固定區120，即可在SAF中之APn+1區之頂部上包括過渡區122及/或參考區124。可設想到，本文中描述之SAF區的重複層(例如，多個鐵磁區及/或多個耦合區)可由相同材料形成或可由不同材料形成及/或可具有實質上相同之厚度或不同厚度，或其任何組合。舉例而言，不同鐵磁區可具有相同或不同之組成及/或厚度，且/或不同耦合區可具有相同或不同之組成及/或厚度。
圖4A繪示另一個例示性MTJ小塊200，該MTJ小塊具有第一電極110(底部電極)、種子區115、鐵磁區114a(AP1)、耦合區116、鐵磁區114b(AP2)、過渡區122、參考區124、中間區130a、自由區150、另一個中間區130b、蓋層區140及第二電極170(頂部電極)。鐵磁區114a、耦合區116、鐵磁區114b、過渡區122及參考區124可形成固定區120。固定區120可為SAF，該SAF尤其包括AP1、耦合區116及AP2。如上文所闡釋，區之確切佈置及包括/排除可改變，例如，可去除第一電極110及/或第二電極170，且MTJ小塊200可與MTJ裝置之金屬化結構(例如，線、通孔等)直接接觸，或可去除種子區115，且電極110之頂面自身可用作種子層。
若MTJ小塊200之自由區150具有增加之高度，則如上文所描述，所得之高自由區150可能需要具有增加之高度的高SAF區。在一些實施例中，自由區150及/或SAF區之高度可約為MTJ小塊200之0.7至5倍。在一些實施例中，自由區150及/或SAF區之高度可約為MTJ小塊200之0.8至4倍。舉例而言，可能希望將MTJ小塊200之尺寸減小為例如約10nm至30nm寬，例如， 減小為約10nm、15nm、20nm或25nm寬，而非例如約60nm至100nm寬。若使用20nm之MTJ小塊200，則可使用高度大於約20nm之自由區150及/或SAF區，例如，約30nm至40nm高。若使用10nm之MTJ小塊200，則可使用高度大於約10nm之自由區150及/或SAF區，例如，約20nm至40nm高。
同樣，增加固定SAF區之高度可藉由(a)增加SAF區之磁性層的厚度(圖4A)或(b)包括耦合區116及AP區114a、114b之多個層(圖4B)來完成。圖4B繪示歸因於AP區114a、114b之增加高度而具有低飽和場(Hsat)之高SAF固定區120’。增加AP區114a、114b之高度可導致AP區114a、114b之間的減小之互換耦合場，導致不穩定SAF(易於翻轉磁矩方向)，藉此可能導致與自由區150之非所要耦合。相比之下，圖4B繪示在構成固定區120”之SAF內的多個重複、交替之AP區114對(例如，114a/114b、114c/114d及114e/114f)及耦合區116(例如，116a至116e)。因為SAF固定區120”內之每個區的高度未實質上增加，所以經由該等區中之每一者的耦合保持相對較高，且可藉由調整每個AP區之厚度使藉由每個區產生之較小磁場彼此偏移。此外，可藉由來自耦合區116之強耦合層材料或每個AP層之本徵磁各向異性來進一步提高SAF穩定性。
圖5繪示一實施例，示出雙MTJ小塊300之多層SAF。在圖5中，使用兩個單獨之SAF固定區-頂部SAF『T』及底部SAF『B』。頂部SAF『T』包括一個標準SAF(包括兩個AP區114之間的耦合區116)，而底部SAF『B』包括具有兩個耦合區116a/116b及三個AP區114a/114b/114c之多層SAF，每個AP區為與其毗鄰磁區反鐵磁耦合之114。兩個參考區124之磁化可具有設定為相反方向之磁化。舉例而言，AP1-底部及AP1-頂部與其各別SAF中之其他磁區相比可具有大力矩。可施加大磁場(大於SAF之飽和磁場Hsat)(如由MTJ小塊300右邊之箭頭指示)，因此所有磁區之磁化可沿著磁場方向對準。當移除磁場時，具有大力矩之AP1-底部及AP1-頂部區可保持為與所施加磁場相同之方向， 且其他磁區之磁化可保持相同(AP3底部及參考區124)或可旋轉180度(AP2底部、AP2頂部及參考區124)以允許其與其毗鄰磁區反鐵磁地對準，因此兩個參考區124可具有在相反方向上之磁化。參考區124可具有彼此不同之相對厚度，例如，與自由區150之耦合場或來自底部SAF B之參考區124的MR可大於頂部SAF T之參考區124的MR。如圖5中所示，可使用多個SAF區以便增加MTJ小塊內之SAF區的高度，且在所使用之多個SAF區中，一或多個SAF區可合併AP區及耦合區之重複層，進一步增加MTJ小塊中包括之SAF區的高度。此MTJ可為有或無釘紮層之平面內MTJ。
如先前所論述，高自由區及高SAF固定區之高度至少部分視所使用之MTJ之材料及/或自由區及SAF固定區之寬度而定。舉例而言，自由區及/或固定區之高度可類似於或大於自由區及/或固定區之寬度。舉例而言，自由區及/或固定區之高度與寬度之比可在0.8至4之範圍內，較佳為1至3。
圖6A至圖6H繪示根據本揭示案之態樣的例示性自由區150a至150h(該等自由區可對應於例如MTJ小塊200、300之自由區150)。如先前已描述，本揭示案之實施例可另外或替代地包括具有增加之高度的多層自由區。增加自由區之高度可包括(a)增加自由區之磁性層的厚度及/或(b)包括夾在鐵磁區之間的耦合區之多個層。
自由區內之每個鐵磁區可包括與該自由區內之其他鐵磁區相同或不同之材料，及/或可具有與該自由區內之其他鐵磁區相同或不同之厚度。此外，單個自由區內之每個耦合區可包括與堆疊內之其他耦合區相同或不同之材料及/或相同或不同之厚度。在需要時，可調整每個耦合區之材料及/或厚度以在與耦合區毗鄰之鐵磁層之間提供反鐵磁耦合(例如，以形成SAF區)或在與耦合區毗鄰之鐵磁區之間提供鐵磁耦合(例如，以形成SyF區)。SAF區與SyF區可適合於單獨地或組合起來產生相對較高之自由區。舉例而言，多個SAF區及SyF區可 組合在單個堆疊中以產生高自由區之一部分。
可經由選擇耦合區之材料、厚度或材料與厚度來調整自由區中之耦合的強度及類型。可調整耦合之強度及類型以例如調整自由區之自旋轉移扭矩切換效能。另外或替代地，可選擇耦合區之材料及/或厚度以在耦合區與毗鄰鐵磁區之間的界面處促進或提供強垂直磁各向異性。另外或替代地，可選擇耦合區材料及/或厚度以在耦合區之頂部上提供或促進鐵磁區之生長，此可有利地導致該鐵磁區之阻尼常數減小且因此減小整個自由區之阻尼，減小之阻尼與低STT切換電流要求對應。
雖然圖6A至圖6H繪示了例示性自由區150a至150h，每個自由區包括藉由SAF耦合區152或SyF耦合區153分隔之給定數目個鐵磁區154，但應理解，在自由區中可包括藉由耦合區152或153分隔之任何合適數目個鐵磁區154，例如，以達成自由區的所要之高度或高度與寬度之比。
圖6A繪示例示性SAF自由區150a，該SAF自由區包括在第一鐵磁區154a與第二鐵磁區154b之間的耦合區152。耦合區152可包括適合於製作自由區150a(SAF區)之材料及厚度(例如，使得鐵磁區154a及154b反鐵磁地耦合，如由毗鄰於每個區之相反箭頭所指示)。
圖6B繪示例示性SyF自由區150b，該SyF自由區包括在第一鐵磁區154a與第二鐵磁區154b之間的耦合區153。耦合區153可包括適合於製作自由區150a、SyF區之材料及厚度(例如，使得鐵磁區154a及154b鐵磁地耦合，如由毗鄰於每個區之平行箭頭所指示)。
圖6C繪示另一個例示性SAF自由區150c，該SAF自由區包括藉由耦合區152a、152b、152c、152d、152e分隔之鐵磁區154a、154b、154c、154d、154e、154f。鐵磁區154a、154b、154c、154d、154e、154f中之每一者與鄰近之鐵磁區反鐵磁耦合，從而在自由區150c內產生多個SAF區之堆疊。
圖6D繪示另一個例示性SyF自由區150d，該SyF自由區包括藉由耦合區153a、153b、153c、153d、153e分隔之鐵磁區154a、154b、154c、154d、154e、154f。鐵磁區154a、154b、154c、154d、154e、154f中之每一者與鄰近之鐵磁區鐵磁耦合，從而在自由區150d內產生多個SyF區之堆疊。
圖6E繪示另一個例示性自由區150e，該自由區包括藉由耦合區152a、153a、152b、153b、152c分隔之鐵磁區154a、154b、154c、154d、154e、154f。鐵磁區154a、154b、154c、154d、154e、154f中之每一者與鄰近之鐵磁區鐵磁地或反鐵磁地耦合，從而在自由區150e內產生組合之SAF區及SyF區之堆疊(如由毗鄰於自由區150e之平行/反向平行箭頭之圖案所指示)。
圖6F繪示另一個例示性自由區150f，該自由區包括藉由耦合區153a、152a、153b、152b、153c分隔之鐵磁區154a、154b、154c、154d、154e、154f。鐵磁區154a、154b、154c、154d、154e、154f中之每一者與鄰近之鐵磁區鐵磁地或反鐵磁地耦合(按與自由區150e中之鐵磁/反鐵磁耦合之圖案相反的圖案)，從而在自由區150f內產生組合之SAF區及SyF區之另一個堆疊(如由毗鄰於自由區150f之平行/反向平行箭頭之圖案所指示)。
圖6G繪示另一個例示性自由區150g，該自由區包括藉由耦合區153a、153b、152、153c、153d分隔之鐵磁區154a、154b、154c、154d、154e、154f。鐵磁區154a、154b、154c、154d、154e、154f中之每一者與鄰近之鐵磁區鐵磁地或反鐵磁地耦合，從而在自由區150g內產生組合之SAF區及SyF區之堆疊(如由毗鄰於自由區150g之平行/反向平行箭頭之圖案所指示)。具體言之，僅一個耦合區152反鐵磁地耦合毗鄰之鐵磁區154c、154d，而每個其他耦合區153a、153b、153c、153d鐵磁地耦合其毗鄰之鐵磁區。
圖6H繪示另一個例示性自由區150h，該自由區包括藉由耦合區152a、152b、153、152c、152d分隔之鐵磁區154a、154b、154c、154d、154e、 154f。鐵磁區154a、154b、154c、154d、154e、154f中之每一者與鄰近之鐵磁區鐵磁地或反鐵磁地耦合，從而在自由區150h內產生組合之SAF區及SyF區之堆疊(如由毗鄰於自由區150h之平行/反向平行箭頭之圖案所指示)。具體言之，且與關於自由區150g繪示之圖案相反，僅一個耦合區153鐵磁地耦合毗鄰之鐵磁區154c、154d，而每個其他耦合區152a、152b、152c、152d反鐵磁地耦合毗鄰之鐵磁區。
圖6A至圖6H中繪示之自由區150a至150h可各自展現出特定之臨界電流、自旋轉移扭矩臨界切換電流效率、垂直磁各向異性及/或可使其適合於用作MTJ小塊(例如，MTJ小塊200、300)中之自由區的其他特性。
自由區150a至150h中之任一者(或任何其他相似之自由區)中的鐵磁區154(例如，154a、154b、154c、154d、154e、154f)可包括例如鐵磁元素鎳(Ni)、鐵(Fe)及鈷(Co)中之一或多者，包括具有以下各項中之一或多者之合金或工程材料：鈀(Pd)、鉑(Pt)、鎳(Ni)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎢(W)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、硼(B)、碳(C)或其合金(例如，CoFeB、CoFeNiB、CoFeMoB、FeB、CoB、NiB等)。在一些實施例中，鐵磁區154可包括磁性多層結構，該磁性多層結構包括第一鐵磁材料(例如，鈷(Co))及第二鐵磁材料(例如，鎳(Ni))或順磁材料(例如，鉑(Pt))之多個層。另外或替代地，鐵磁區154可包括(例如)具有以下各項中之一或多者之合金或工程材料：鈀(Pd)、鉑(Pt)、鎂(Mg)、錳(Mn)及鉻(Cr)。
自由區150a至150h中之耦合區的合適材料可包括例如鉭(Ta)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、鉿(Hf)、鎢(W)、銥(Ir)、釕(Ru)、鋨(Os)、鉑(Pt)、鈀(Pd)等。另外或替代地，自由區150a至150h中之耦合區可包括一種或多種氧化物、氮化物或氮氧化物，諸如氧化鋁(AlOx)、氧化鎂(MgOx)、氧化釕(RuOx)、氧化鉬(MoOx)、氧化鎢(WOx)、氧化鉻(CrOx)、氧化鉿(HfOx)、氧化鋯(ZrOx)、氧化鉭(TaOx)及/或氧化鈦(TiOx)。另外或替代地，耦合區可包括 氧化鎂([A])(Mg[A]Ox)，其中X可為鎢(W)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、鋁(Al)及類似者，有利地，此類氧化物可有助於提供垂直磁各向異性及提供具有低電阻面積(RA)乘積之區。
圖7繪示根據本揭示案之製作(圖1、圖2、圖3A、圖4A、圖5及圖6A至圖6H之)MTJ小塊100、200、300之例示性方法301的流程圖。首先可藉由任何合適製程在半導體基板之後端(具有電路之表面)上形成第一電極(例如，底部電極10、110)(步驟310)。隨後可在電極10、110之暴露表面之上或上方形成固定區20、120(步驟320)。在其中固定區20、120為包括多個堆疊SAF區之多層SAF的實施例中，可藉由在電極10、110之表面之上或上方提供(例如，順序地)包括固定區20、120之不同區(耦合區1至n及AP1、AP2、...APn+1)來形成固定區20、120。隨後可在固定區20、120之暴露表面之上或上方形成中間區30、130(步驟330)。隨後可在中間區30、130之暴露表面之上或上方形成自由區50、150(其可為高自由區)(步驟340)。在其中自由區50、150為多層SAF、SyF或組合SAF/SyF堆疊之實施例中，可藉由提供(例如，順序地提供)包括自由區50、150之不同區來形成自由區50、150。現在可在自由區50、150之暴露表面上形成第二電極70、170(步驟350)。如熟習此項技術者將容易認識到，可適當地修改方法301以用於形成任何額外之層或區。
可使用任何合適製程來形成MTJ小塊100、200、300之不同區。在一些實施例中，形成不同區可包括藉由例如物理氣相沈積(例如，離子束濺射、磁控濺射等)、化學氣相沈積、電漿增強化學氣相沈積等來沈積該區之材料。該等區中之一些或全部的形成亦可涉及根據半導體產業中已知之各種習知技術中之任一者的已知處理步驟，諸如，例如選擇性沈積、光微影處理、蝕刻、退火等。在一些實施例中，在固定區及/或自由區20、120及50、150之沈積期間，可施加磁場以設定該區之較佳易磁化軸(例如，經由誘發各向異性)。類似地，可使用 在沈積後高溫退火步驟期間施加之強磁場來誘發任何反鐵磁釘紮材料或交換耦合釘紮材料之較佳易磁化軸及/或較佳釘紮方向。由於此等技術係熟習此項技術者已知的，因此此處未對其進行更詳細描述。
磁阻裝置可與其他電路一起包括在積體電路上。在此類情況中，可能希望使與磁阻裝置相關聯之處理步驟及結構同與周圍電路相關聯之處理步驟及電路特徵一致。換言之，可能希望將磁阻裝置之製造整合於用於製造積體電路之標準過程流中以最小化在製造期間所需之額外處理步驟及材料的數目。舉例而言，雖然與建置磁阻裝置相關聯之一些處理步驟及材料可能係此類裝置特定的，但在製造磁阻裝置過程中使用之其他處理步驟及材料亦可用於製造周圍電路。作為一具體實例，被沈積及圖案化以形成磁阻裝置之頂部電極及/或底部電極的導電層亦可用於在標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)過程流程中形成連接跡線及層間連接。在積體電路的包括磁阻裝置之部分中使用之層間介電質可為在積體電路之其餘部分中使用的相同之標準過程流程層間介電質。此類重複使用去除了對額外磁阻裝置特定處理及材料之需要。
圖8示出包括邏輯部分210及磁阻裝置部分220之例示性積體電路(IC)裝置400。邏輯部分210可包括通常使用習知過程流程製造之邏輯電路及其他電路。磁阻裝置部分220可包括一或多個磁阻裝置，諸如，例如磁性記憶體裝置(MRAM)、磁性感測器、磁性變換器等。為簡潔起見，磁阻裝置部分220在下文被稱作記憶體部分220。磁阻裝置部分220可包括任何合適之磁阻裝置。邏輯部分210可包括可使用複數個金屬層(通常被稱作M1、M2、M3等)來相互耦合之邏輯電路元件。該多個金屬層可在垂直方向上相互間隔開且藉由介電材料(被稱作層間介電質或ILD)分隔。為了在此等多個金屬層(及電路元件)之間提供電耦合，可貫穿將毗鄰金屬層分隔開之ILD形成通孔。通孔為ILD中之孔或開口，其中沈積或以其他方式提供了導電材料以便在ILD之任一側的兩個金屬層之間 提供電路徑。在一些態樣中，ILD可包圍IC裝置400之通孔及/或互連接線且使之絕緣。
可使用任何合適方法來形成本文中描述的MTJ小塊及MTJ裝置之不同區。由於可用於形成不同區之合適的積體電路製作技術(例如，沈積、濺射、蒸鍍、電鍍等)係熟習此項技術者已知的，因此此處未對其進行詳細描述。在一些實施例中，形成該等區中之一些可涉及薄膜沈積製程，包括但不限於物理氣相沈積技術，諸如離子束濺射及磁控濺射。而且，形成薄絕緣層(例如，中間區30，其形成隧道障壁)可涉及來自氧化物標靶之物理氣相沈積，諸如藉由射頻(RF)濺射、或藉由先沈積薄金屬膜再進行氧化步驟，諸如氧電漿氧化、氧自由基氧化或藉由暴露於低壓氧環境中而進行之自然氧化。
在一些實施例中，所描述之磁阻堆疊(例如，磁阻堆疊100、200、300)的區中之一些或全部的形成亦可涉及根據半導體產業中已知之各種習知技術中之任一者的已知處理步驟，諸如，例如選擇性沈積、光微影處理、蝕刻等。在一些實施例中，在所揭示之「固定」區及/或自由區之沈積期間，可施加磁場以設定該區之較佳易磁化軸(例如，經由誘發各向異性)。類似地，可使用在沈積後高溫退火步驟期間施加之強磁場來誘發任何反鐵磁釘紮材料之較佳易磁化軸及較佳釘紮方向。
如上文間接提到的，可在感測器架構或記憶體架構(及其他架構)中實施本揭示案之磁阻裝置，包括本文中描述之一或多個切換幾何形狀。舉例而言，如圖9中所示，在記憶體組態中，該等磁阻裝置可電連接至存取電晶體且經組態以耦接或連接至各種導體，該等導體可攜載一或多個控制信號。本揭示案之磁阻裝置可在任何合適應用中使用，包括例如在記憶體組態中使用。在此類情況中，該等磁阻裝置可形成為包括離散記憶體裝置(例如，如圖10A中所示)或其中具有邏輯之嵌入式記憶體裝置(例如，如圖10B中所示)的積體電路，該等記憶體裝置 各自包括MRAM，在一個實施例中，MRAM代表具有根據本文中揭示之某些實施例之某些態樣的複數個磁阻堆疊的MRAM之一或多個陣列。
本揭示案之態樣係針對一種MTJ小塊。該MTJ小塊可包括一SAF固定區，該SAF固定區包括複數個反向平行區及複數個耦合區，其中每個耦合區安置於該複數個反向平行區中之兩者之間，且其中該SAF固定區之高度大於或等於該SAF固定區之寬度。另外，在一些情況中，該SAF固定區之高度可大於約10nm。另外或替代地，該SAF固定區之高度可在約20nm與約40nm之間。另外或替代地，該SAF固定區可包括至少四個反向平行區。在一些情況中，該MTJ小塊可包括一自由區，其中該自由區之高度約等於該SAF固定區之高度。另外或替代地，該SAF固定區之高度可為該SAF固定區之寬度的1至3倍。
另外或替代地，該SAF固定區可為一第一SAF固定區，且該MTJ小塊可進一步包括：一第二SAF固定區，該第二SAF固定區包括兩個反向平行區及安置於該等反向平行區之間的一耦合區；及一自由區，其中該第一SAF固定區及該第二SAF固定區可安置於該自由區之相對側上。另外或替代地，每個耦合區可包含銥、釕、錸或銠中之一者。
在本揭示案之其他態樣中，一種MTJ小塊可包括一SAF固定區，該SAF固定區包括：複數個反向平行區，其中每個反向平行區包括一第一鐵磁材料及一第二鐵磁材料之複數個層；及複數個耦合區，其中每個耦合區安置於該複數個反向平行區中之兩者之間，且其中該SAF固定區之一高度大於或等於該SAF固定區之一寬度。另外或替代地，該第一鐵磁材料及該第二鐵磁材料中之每一者可包括鈷、鎳及鐵中之至少一者。另外或替代地，每個反向平行區可進一步包括包含鈀、鉑、鎂、錳及鉻中之一或多者的一合金或工程材料。另外或替代地，該MTJ小塊之一寬度可在約10nm與約30nm之間。
在本揭示案之一些態樣中，一種MTJ小塊可包括一SAF固定區，該 SAF固定區包括複數個反向平行區及複數個耦合區，其中每個耦合區安置於該複數個反向平行區中之兩者之間。該MTJ小塊可進一步包括一自由區，該自由區包括複數個鐵磁區及複數個耦合區，其中每個耦合區安置於該複數個鐵磁區中之兩者之間。該MTJ小塊可進一步包括一中間區，該中間區安置於該SAF固定區與該自由區之間，其中該SAF固定區之一高度大於或等於該SAF固定區之一寬度，且該自由區之一高度大於或等於該自由區之一寬度。
另外或替代地，該自由區可包括合成反鐵磁耦合區與合成鐵磁耦合區。另外或替代地，該自由區可正好包括一個合成反鐵磁耦合區。另外或替代地，該自由區可包括不超過兩個合成鐵磁耦合區。另外或替代地，該自由區可包括呈一交替組態之合成反鐵磁耦合區與合成鐵磁耦合區。另外或替代地，該自由區中之該複數個耦合區中之每一者可包含以下各項中之一者：鋁、鎂、鉭、鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鉬、鉿、鎢、銥、釕、鈀、錸、銠、鋨、鉑或其一合金。另外或替代地，該自由區之該高度可約等於該SAF固定區之該高度。
本揭示案之態樣可包括一種製備一MTJ小塊之方法。該方法可包括：藉由交替地沈積反向平行區及耦合區而在一基板上形成一多層SAF固定區；在該SAF固定區上面形成一中間區；及藉由交替地沈積鐵磁區及耦合區而在該中間區上面形成一多層自由區。
在一些情況中，形成一多層SAF固定區之步驟可包括沈積至少三個反向平行區。另外或替代地，形成一多層自由區之步驟可包括沈積至少三個鐵磁區。另外或替代地，該形成一多層自由區之步驟包括沈積至少一個耦合區以鐵磁地耦合兩個毗鄰之鐵磁區。另外或替代地，該形成一多層自由區之步驟可進一步包括沈積至少一個耦合區以反鐵磁地耦合兩個毗鄰之鐵磁區。另外或替代地，該形成一多層自由區之步驟可包括沈積至少一個耦合區，該耦合區包含以下各項中之一或多者：鋁、鎂、鉭、鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鉬、鉿、鎢、銥、釕、鈀、 錸、銠、鋨、鉑及/或其合金、氧化物、氮化物及/或氮氧化物。
雖然已詳細地說明及描述了本揭示案之各種實施例，但熟習此項技術者將容易地明瞭，在不脫離本揭示案之情況下可進行各種修改。
10:第一電極
20:固定區
30:中間區
50:自由區
70:第二電極
100:MTJ小塊
1000:MTJ裝置

Claims (25)

  1. 一種磁穿隧接面(MTJ)小塊，其包括：
    一合成反鐵磁(SAF)固定區，該SAF固定區包括：
    複數個反向平行區；及
    複數個耦合區，其中每個耦合區安置於該複數個反向平行區中之兩者之間，且其中該SAF固定區之一高度大於或等於該SAF固定區之一寬度。
  2. 如申請專利範圍第1項之MTJ小塊，其中該SAF固定區之該高度大於約10nm。
  3. 如申請專利範圍第1項之MTJ小塊，其中該SAF固定區之該高度係在約20nm與約40nm之間。
  4. 如申請專利範圍第1項之MTJ小塊，其中該SAF固定區包括至少四個反向平行區。
  5. 如申請專利範圍第1項之MTJ小塊，其進一步包括：一自由區，其中該自由區之一高度約等於該SAF固定區之該高度。
  6. 如申請專利範圍第1項之MTJ小塊，其中該SAF固定區之該高度為該SAF固定區之該寬度的1至3倍。
  7. 如申請專利範圍第1項之MTJ小塊，其中該SAF固定區為一第一SAF固定區，且進一步包括：
    一第二SAF固定區，該第二SAF固定區包括：
    兩個反向平行區；及
    一耦合區，該耦合區安置於該等反向平行區之間；及
    一自由區，其中該第一SAF固定區及該第二SAF固定區安置於該自由區之相對側上。
  8. 如申請專利範圍第1項之MTJ小塊，其中每個耦合區包含銥、釕、 錸或銠中之一者。
  9. 一種磁穿隧接面(MTJ)小塊，其包括：
    一合成反鐵磁(SAF)固定區，該SAF固定區包括：
    複數個反向平行區，其中每個反向平行區包括一第一鐵磁材料及一第二鐵磁材料之複數個層；及
    複數個耦合區，
    其中每個耦合區安置於該複數個反向平行區中之兩者之間，且其中該SAF固定區之一高度大於或等於該SAF固定區之一寬度。
  10. 如申請專利範圍第9項之MTJ小塊，其中該第一鐵磁材料及該第二鐵磁材料中之每一者包括鈷、鎳及鐵中之至少一者。
  11. 如申請專利範圍第9項之MTJ小塊，其中每個反向平行區進一步包括包含鈀、鉑、鎂、錳及鉻中之一或多者的一合金或工程材料。
  12. 如申請專利範圍第9項之MTJ小塊，其中該MTJ小塊之一寬度係在約10nm與約30nm之間。
  13. 一種磁穿隧接面(MTJ)小塊，其包括：
    一合成反鐵磁(SAF)固定區，該SAF固定區包括：
    複數個反向平行區；及
    複數個耦合區，其中每個耦合區安置於該複數個反向平行區中之兩者之間；
    一自由區，該自由區包括：
    複數個鐵磁區；及
    複數個耦合區，其中每個耦合區安置於該複數個鐵磁區中之兩者之間；及
    一中間區，該中間區安置於該SAF固定區與該自由區之間，
    其中該SAF固定區之一高度大於或等於該SAF固定區之一寬度，且該自 由區之一高度大於或等於該自由區之一寬度。
  14. 如申請專利範圍第13項之MTJ小塊，其中該自由區包括合成反鐵磁耦合區與合成鐵磁耦合區。
  15. 如申請專利範圍第14項之MTJ小塊，其中該自由區正好包括一個合成反鐵磁耦合區。
  16. 如申請專利範圍第14項之MTJ小塊，其中該自由區包括不超過兩個合成鐵磁耦合區。
  17. 如申請專利範圍第13項之MTJ小塊，其中該自由區包括呈一交替組態之合成反鐵磁耦合區與合成鐵磁耦合區。
  18. 如申請專利範圍第13項之MTJ小塊，其中該自由區中之該複數個耦合區中之每一者包含以下各項中之一者：鋁、鎂、鉭、鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鉬、鉿、鎢、銥、釕、鈀、錸、銠、鋨、鉑或其一合金。
  19. 如申請專利範圍第13項之MTJ小塊，其中該自由區之該高度約等於該SAF固定區之該高度。
  20. 一種製備一磁穿隧接面(MTJ)小塊之方法，該方法包括：
    藉由交替地沈積反向平行區及耦合區而在一基板上形成一多層合成反鐵磁(SAF)固定區；
    在該SAF固定區上面形成一中間區；及
    藉由交替地沈積鐵磁區及耦合區而在該中間區上面形成一多層自由區。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中形成一多層SAF固定區之步驟包括沈積至少三個反向平行區。
  22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中形成一多層自由區之步驟包括沈積至少三個鐵磁區。
  23. 如申請專利範圍第20項之方法，其中形成一多層自由區之該步 驟包括沈積至少一個耦合區以鐵磁地耦合兩個毗鄰之鐵磁區。
  24. 如申請專利範圍第23項之方法，其中形成一多層自由區之該步驟進一步包括沈積至少一個耦合區以反鐵磁地耦合兩個毗鄰之鐵磁區。
  25. 如申請專利範圍第20項之方法，其中形成一多層自由區之該步驟包括沈積至少一個耦合區，該耦合區包含以下各項中之一或多者：鋁、鎂、鉭、鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鉬、鉿、鎢、銥、釕、鈀、錸、銠、鋨、鉑或其合金、氧化物、氮化物或氮氧化物。
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