用于制造包括厚有源磁性层的自旋电子器件的工艺制造技术

本发明专利技术的一个方面涉及一种制造自旋电子器件的工艺，该自旋电子器件包括至少一个非磁性间隔件、参考层和包括至少一个磁柱的存储层，该工艺包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制造包括厚有源磁性层的自旋电子器件的工艺


[0001]本专利技术的
是自旋电子学领域。本专利技术涉及一种用于制造包括厚磁性层的自旋电子器件的方法，特别是具有自旋转移矩(STT)或自旋轨道矩(SOT)的磁性随机存取存储器(MRAM)、使用自旋转移矩(STT)或自旋轨道矩(SOT)的磁场传感器和射频组件的制造。

技术介绍

[0002]最常被用作工作存储器的存储器，DRAM(动态随机存取存储器)和SRAM(静态随机存取存储器)是易失性的，也就是说，它们必须持续地被供应电压以保存信息。这些存储器由于其尺寸减小导致漏电流增加而具有越来越多的能量消耗问题，特别是在静态模式下。
[0003]这些存储器的替代方案是非易失性的闪速(FLASH)存储器。但其使用的一个主要缺点是其写入耐久性限制为至多100,000次循环。
[0004]因此，已经开发了具有各种成熟度的其他类型的非易失性存储器，特别是相变随机存取存储器(PCRAM)、导电桥随机存取存储器(CBRAM)或代替氧化物随机存取存储器(OxRAM)、铁电随机存取存储器(FeRAM)和磁性随机存取存储器(MRAM)。除了根据铁电材料中的偶极电矩取向原理操作的FeRAM之外，所有其他存储器都使用可变电阻材料。每个信息位都被存储在可变电阻元件中，并由该存储元件的电阻值进行编码(通常逻辑电平“0”对应于高电阻值，并且逻辑电平“1”对应于低电阻值)。
[0005]特别是在MRAM中，存储元件是具有隧道磁阻效应的磁性隧道结。在MRAM中写入归结为将隧道结的磁电极之一(被指定为存储层的电极)的磁化取向为平行或反平行于被指定为参考层的固定磁化的第二电极的磁化。
[0006]在第一个MRAM系列中，写入是通过磁场脉冲完成的。自2006年以来，名为Toggle MRAM的EVERSPIN
TM
公司的市售产品已经使用这种写入方法。然而，这些存储器的密度被限制在几Mbits，因为产生磁场脉冲所需的电流(～10mA)无法使得可以深入到小于90nm的技术节点。
[0007]目前最受关注的第二个MRAM系列是通过自旋转移矩(STT)写入的MRAM系列。这些被称为STT
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MRAM。自旋转移现象由Slonczewski(Slonczewski,J.C.，1996，“Current driven excitations of magnetic multilayers”，J.Magn.Magn.Mater.159,L1
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L7)和Berger(Berger,L.，1996，“Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current”,Phys.Rev.B 54,4828
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4830)预测，并且利用这种现象来切换磁性层磁化的可能性在2000年首次通过实验证明(Katine,J.A.、F.J.Albert、R.A.Buhrman、E.B.Myers和D.C.Ralph，2000年，“Current
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driven magnetization reversal and spin
‑
wave excitations in Co/Cu/Co pillars”，Phys.Rev.Lett.84，3149
‑
3152)。
[0008]使用自旋转移矩(STT)在磁性隧道结中写入提供了更好的配置，尤其是当密度很重要时，也就是说当存储器是小尺寸(通常小于50nm直径)时。
[0009]现有技术的STT
‑
MRAM使用具有垂直各向异性的磁性隧道结作为存储元件。在这些磁性隧道结中，磁各向异性源于磁性金属/氧化物界面处发生的电子杂化现象，氧化物是形
成结的隧道势垒的材料，通常是MgO。
[0010]为了制造在非易失性存储器中或在其他自旋电子元件(例如磁性逻辑单元(MLU)或磁场传感器)中使用的这些磁性隧道结，文献FR3027453B1(B.DIENY等人[FR])提出了一种用于制造用于存储器或逻辑电路的电阻器件的方法。
[0011][图1]表示此器件。它描述了一种用于将磁性隧道结120纳米结构化的方法，以使得可以避免蚀刻磁性堆叠(特别是磁性隧道结)。根据该文献的制造方法在于：在预蚀刻的金属柱110或这样的柱阵列上沉积该堆叠120。在通过物理沉积方法(例如阴极溅射)沉积堆叠的过程中，材料纳米结构在被沉积时本身自然地在预蚀刻柱的顶部上。在生产基于磁性隧道结的MRAM(磁性随机存取存储器)类型的存储单元的情况下，通过在每个柱的顶部处执行的沉积来形成存储点。
[0012]然而，这种制造方法仅限于磁性隧道结的存储层很薄的情况。在这种情况下，存储层和隧道势垒之间的界面处的界面垂直各向异性被存储层的形状各向异性部分地抵消，这有利于平面各向异性。因此，有效的各向异性降低。即使使用插入在两个隧道势垒之间的存储层，当隧道结的尺寸变得小于三十纳米左右时，有效的各向异性也不足以确保足够长的存储器保留(根据工业要求通常为十年左右)。此外，这种各向异性根据温度而变化很大(通常在100℃上至少变化40％)，这对于存储器在很宽的温度范围内的操作(诸如，例如对于必须操作在
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40℃和+150℃之间的汽车应用)来说是麻烦的。
[0013]最近，K.Watanabe等人(K.Watanabe、B.Jinnai、S.Fukami、H.Sato和H.Ohno，“Shape anisotropy revisited in single
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digit nanometer magnetic tunnel junctions”，2018年2月14日，自然通讯9，文章编号：663)和N.Perrissin等人(N.Perrissin、S.Lequeux、N.Strelkov、L.Vila、L.Buda
‑
Prejbeanu、S.Auffret、R.C.Sousa、I.L.Prejbeanu、B.Dieny，“Highly thermally stable sub
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20nm magnetic random
‑
access memory based on perpendicular shape anisotropy”，Nanoscale，2018年10月，12187
‑
12195，DOI:10.1039/C8NR01365A)提出了一种用于存储器单元的磁性隧道结，其中存储层的厚度已显著增加到与其直径相同数量级的值，从而使得可以受益于面外各向异性(或PSA，垂直形状各向异性)，增加了氧化物/磁性金属界面处存在的界面各向异性。因此，界面各向异性和形状各向异性都有利于磁化的面外取向，这极大地增强了有效的各向异性，从而使得可以在维持足够保留的同时减小存储点的尺寸。这使得可以增加存储层的热稳定性，从而扩展存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种自旋电子器件的制造方法，该自旋电子器件至少包括非磁性间隔件、参考层和包括至少一个磁柱的存储层，该方法包括以下步骤：
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在衬底上沉积至少一个牺牲层，所述牺牲层的厚度至少等于期望形成的该柱的厚度，所述衬底包括在所述衬底的表面上露出的至少一个导电区；
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形成至少一个扩口形腔体，穿越所述牺牲层，所述牺牲层的基部面向所述衬底的所述导电区的表面；
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在所述腔体中沉积至少一个磁性层，所述磁性层的厚度至少等于期望形成的磁柱的厚度；
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消除所述腔体外部的多余的磁性层并且将所述磁性层的表面平坦化以达到目标磁柱厚度；
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去除所述牺牲层的至少一部分以从其余的磁性层形成至少一个磁柱，该至少一个磁柱形成所述自旋电子器件的所述存储层的全部或部分；
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至少沉积所述非磁性间隔件和所述参考层，以使得每个磁柱至少被所述非磁性间隔件和所述参考层覆盖；
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利用介电材料填充所述磁柱之间的空间；
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执行抛光以消除在先前步骤时沉积的多余的介电填充材料，以便触及覆盖所述柱的元件的上表面；
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在覆盖所述磁柱的元件的表面上形成电接触。2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，执行至少沉积所述非磁性间隔件和所述参考层的步骤，以使得每个磁柱还被...

【专利技术属性】
技术研发人员：伯纳德，
申请(专利权)人：国家科学研究中心CNRS，
类型：发明
国别省市：