具有双隧道势垒的磁器件及其制造方法技术

一种双隧道势垒磁元件具有位于第一隧道势垒与第二隧道势垒之间的自由磁层、以及在所述第二隧道势垒上方的电极。两步蚀刻处理使得可以在第一蚀刻之后在所述电极和第二隧道势垒的侧壁上形成封装材料，以防止当执行第二蚀刻以移除自由层的一部分时对第一隧道势垒的损伤。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有双隧道势垒的磁器件及其制造方法
本文中所描述的示例性实施例一般涉及集成磁器件，更具体地，涉及具有双隧道势垒的磁传感器和磁阻存储器。
技术介绍
磁电子器件、自旋电子器件和自旋电子学器件是用于利用主要由电子自旋引起的效应的器件的同义词。磁电子在许多信息器件中使用以提供非易失性的、可靠的、防辐射的、高密度的数据存储和检索。许多磁电子信息器件包括，但不限于，磁阻随机存取存储器(MRAM)、磁传感器、和/或用于盘驱动器的读取/写入头。典型地，MRAM包括磁阻存储器元件的阵列。每个磁阻存储器元件典型地具有包括通过各个非磁层分离的多个磁层的结构(诸如磁隧道结(MTJ))，并且表现出取决于该器件的磁状态的电阻。信息被存储为磁层中的磁化矢量的方向。一个磁层中的磁化矢量是磁固定或钉扎(pin)的，而另一磁层的磁化方向可以自由地在分别被称为“平行”状态和“反平行”状态的相同方向与相反方向之间切换(switch)。对应于平行磁状态和反平行磁状态，磁存储器元件分别具有低电阻状态和高电阻状态。因此，电阻的检测使得磁阻存储器元件(诸如MTJ器件)可以提供存储在该磁存储器元件中的信息。存在用于对自由层进行编程的两种完全不同的方法：场切换和自旋扭矩切换。在场切换MRAM中，邻近于MTJ位元(bit)的载流线用于产生作用于自由层上的磁场。在自旋扭矩MRAM中，利用通过MTJ本身的电流脉冲实现切换。自旋极化的隧穿电流所传载的自旋角动量引起自由层的反转，其中最终状态(平行或反平行)由电流脉冲的极性确定。已知自旋扭矩转移(transfer)在MTJ器件和被构图或者以其它方式布置使得电流基本上垂直于界面流动的巨磁阻器件中发生，并且当电流基本上垂直于畴壁流动时，在简单的线状结构中发生。表现出磁阻的任何这样的结构具有成为自旋扭矩磁阻存储器元件的可能。切换自由层的磁状态所需的平均电流被称为临界电流(Ic)。临界电流密度(Jc)是位元的每面积的平均临界电流(Jc＝Ic/A)，其中A是面积，并且由电路供给的切换存储器阵列中的自旋扭矩MRAM元件的电流是写入电流(Iw)。为使较小的存取晶体管可以用于每个位元单元并且可以生产较高密度、较低成本的存储器，减小Iw是可取的。降低Jc、而不降低击穿电压Vbd是可取的，在击穿电压Vbd下，隧道势垒击穿。隧道势垒击穿在整个隧道势垒中是不可逆的劣化，使得磁阻和自旋扭矩可靠性大大地降低。通过针对恒定的Jc降低位元的面积来减小Ic减小了分离自由层的两个稳定状态的磁能势垒Eb。Eb与自由层材料的磁化Ms、自由层的各向异性Hk以及自由层体积(volume)V成比例。减小面积明显地减小V，并因此明显地减小Eb。减小Eb影响MRAM的非易失性，使得自由层在该部件的操作寿命期间并经由温度范围中的热波动而切换成为可能。因此，减小隧道势垒的面积而不减小自由层的面积将是有利的。为了减小写入电流，一些自旋扭矩MRAM元件融入了双自旋过滤器(DSF)结构，其中，MTJ叠层(stack)包括两个不同的自旋极化层(自由层的每侧一个)，以通过自由层上的增大的自旋扭矩改进自旋扭矩转移效率来降低Jc，从而导致较低的写入电流。与在单隧道势垒器件中所发现的相比，双自旋过滤器器件具有用于提供较低的Jc以及在电流上升/下降方向上更对称的写入电流的两个隧道势垒。双自旋过滤器器件要求自由层的任一侧的自旋极化固定层具有相反的磁化方向，使得当电流向上或向下流过器件时，来自这两个固定层中的每个的自旋扭矩效应将一起作用以将自由层磁化切换到所期望的方向。类似于DSF结构的另一结构是双隧道势垒结构(DTB)。像DSF那样，该结构在自由层的任一侧具有隧道势垒，但是与DSF不同，磁固定层仅在一侧。该结构已显示出对位元写入所需的电压和击穿发生的电压的比率的改进。该比率提供更大的操作余裕(margin)或电压(或电流Iw)，因此是有利的。因此，可取的是提供一种自旋扭矩磁阻存储器元件，其具有导致切换状态和极化电流的对称性改进的对称隧道势垒，上隧道势垒不因蚀刻穿过自由层而受损。此外，从随后的与附图以及前述
和
技术介绍
结合进行的详细描述和所附权利要求，示例性实施例的其它可取的特征和特性将变得清楚。
技术实现思路
两步蚀刻处理使得可以在第一蚀刻之后在电极和第二隧道势垒的侧壁上形成封装材料，以防止当执行第二蚀刻以移除自由层的一部分来制造磁器件时对第一隧道势垒的损伤。在第一示例性实施例中，一种在基板上制造磁元件的方法，所述磁元件包括：在所述基板上方形成第一电极；在所述第一电极上方形成第一隧道势垒；在所述第一隧道势垒上方形成自由磁层；在所述自由磁层上形成第二隧道势垒；在所述第二隧道势垒上方形成第二电极；穿过所述第二电极的第一部分并且部分地穿过所述第二隧道势垒的第一部分执行第一蚀刻，以暴露所述第二隧道势垒的限定场的表面；其中，所述第二电极和所述第二隧道势垒的第二部分限定侧壁；在所述侧壁和所述场上形成封装材料；以及穿过所述场中的封装材料并且穿过所述自由层的第一部分和所述第二隧道势垒的第一部分的剩余部分执行第二蚀刻。第二示例性实施例描述了在基板上制造磁元件，所述磁元件包括：在所述基板上方形成第一电极；在所述第一电极上方形成第一隧道势垒；在所述第一隧道势垒上方形成自由磁层；在所述自由磁层上形成第二隧道势垒；在所述第二隧道势垒上方形成第二电极；穿过所述第二电极的第一部分、穿过所述第二隧道势垒的第一部分并且部分地穿过所述自由磁层的第一部分执行第一蚀刻，以暴露所述自由磁层的限定场的表面；其中，所述第二电极、所述第二隧道势垒以及所述自由磁层的第二部分限定侧壁；在所述侧壁和所述场上形成封装材料；以及穿过所述场中的封装材料并且穿过所述自由层的剩余的第一部分执行第二蚀刻。第三示例性实施例包括形成在基板上的磁元件，所述基板具有限定平面的表面，所述磁元件包括：在所述表面上的第一电极；在所述第一电极上方的第一隧道势垒，所述第一电极和所述第一隧道势垒包括第一部分和第二部分；覆盖所述基板的第二部分且具有平行于所述平面的第一尺寸的、所述第一隧道势垒上方的自由磁层；在所述自由磁层上方的第二隧道势垒；在所述第二隧道势垒上方的第二电极，所述第二隧道势垒和所述第二电极限定侧壁；以及在所述侧壁上的封装材料，其中，所述第二电极和所述第二隧道势垒具有平行于所述平面的、等于或小于所述第一尺寸的第二尺寸。附图说明在下文中将结合以下附图描述本专利技术，其中，相似的编号表示相似的元件，并且图1是典型的自旋扭矩磁阻存储器元件的截面；图2-5是根据示例性实施例的用于制造自旋扭矩磁阻存储器元件的处理的截面；图6是图3-5的用于制造自旋扭矩磁阻存储器元件的处理的根据示例性实施例的流程图；图7-10是根据另一示例性实施例的用于制造自旋扭矩磁阻存储器元件的处理的截面；以及图11是图7-9的用于制造自旋扭矩磁阻存储器元件的处理的根据另一示例性实施例的流程图。具体实施方式以下的详细描述在本质上仅仅是例示性的，并非意图限制本主题或本申请的实施例以及这样的实施例的使用。本文中被描述为示例性的任何实现不一定要被解读为较其它实现是优选的或有利的。此外，无意受到前面的
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技术介绍
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技术实现思路
或以下详细描述中所呈现的任何明示的或隐含的理论的限制。为了例示的简单和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在基板上制造磁元件的方法，所述磁元件包括：在所述基板上方形成第一电极；在所述第一电极上方形成第一隧道势垒；在所述第一隧道势垒上方形成自由磁层；在所述自由磁层上形成第二隧道势垒；在所述第二隧道势垒上方形成第二电极；穿过所述第二电极的第一部分并且部分地穿过所述第二隧道势垒的第一部分执行第一蚀刻，以暴露所述第二隧道势垒的限定场的表面；其中，所述第二电极和所述第二隧道势垒的第二部分限定侧壁；在所述侧壁和所述场上形成封装材料；以及穿过所述场中的封装材料并且穿过所述自由层的第一部分和所述第二隧道势垒的第一部分的剩余部分执行第二蚀刻。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.30 US 13/250,3611.一种在基板上制造磁元件的方法，所述方法包括：在所述基板上方形成第一电极；在所述第一电极上方形成第一隧道势垒；在所述第一隧道势垒上方形成自由磁层；在所述自由磁层上形成第二隧道势垒；在所述第二隧道势垒上方形成第二电极；穿过(i)所述第二电极的第一部分和(ii)所述第二隧道势垒的第一部分执行第一蚀刻，以暴露所述自由磁层的表面；其中，所述第二电极和所述第二隧道势垒的第二部分限定侧壁；在所述侧壁和所述自由磁层的表面上形成封装材料；以及穿过(i)所述自由磁层的表面上的封装材料和(ii)所述自由磁层的第一部分执行第二蚀刻，以由此暴露所述第一隧道势垒的表面。2.根据权利要求1所述的方法，还包括使所述封装材料氧化。3.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述封装材料包括由从包含氮化硅和氧化硅的组中选择的材料中的一种形成所述封装材料。4.根据权利要求1所述的方法，形成所述封装材料包含形成氧化铝。5.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述封装材料包含形成氧化镁。6.根据权利要求1所述的方法，其中，执行所述第一蚀刻包括利用从包含CHF3、Cl或HBr的组中选择的化学制剂中的一种进行蚀刻。7.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述第一电极还包括在所述第一隧道势垒的与所述自由磁层相对的一侧形成邻近所述第一隧道势垒的第一固定磁层，并且形成所述第二电极还包括在所述第二隧道势垒的与所述自由磁层相对的一侧形成邻近于所述第二隧道势垒的第二固定磁层。8.根据权利要求1所述的方法，其中，在蚀刻之后，所述第一隧道势垒包括大于所述第二隧道势垒的截面面积的1倍且小于所述第二隧道势垒的截面面积的5倍的截面面积。9.根据权利要求1所述的方法，其中，执行所述第一蚀刻限定所述第二隧道势垒和所述第二电极中电流被约束通过的区域，并且其中，执行所述第二蚀刻限定所述自由磁层中电流被约束通过的区域。10.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述第一电极还包括在所述第一隧道势垒的与所述自由磁层相对的一侧形成邻近所述第一隧道势垒的固定磁层。11.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述第二电极还包括在所述第二隧道势垒的与所述自由磁层相对的一侧形成邻近所述第二隧道势垒的第一固定磁层。12.一种在基板上制造磁元件的方法，所述方法包括：在所述基板上方形成第一电极；在所述第一电极上方形成第一隧道势垒；在所述第一隧道势垒上方形成自由磁层；在所述自由磁层上形成第二隧道势垒；在所述第二隧道势垒上方形成第二电极；(i)穿过所述第二电极的第一部分和所述第二隧道势垒的第一部分并且(ii)部分地穿过所述自由磁层的第一部分执行第一蚀刻，以暴露所述自由磁层的第一表面；其中，所述第二电极、所述第二隧道势垒以及所述自由磁层的第二部分限定侧壁；在所述侧壁和所述自由磁层的暴露的第一表面上形成封装材料；以及穿过所述自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·阿加沃尔，K·纳盖尔，J·简斯基，
申请(专利权)人：艾沃思宾技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US