磁存储单元与其制造方法技术

磁存储单元与其制造方法。采用与自由层大小不同的铁磁下电极固定层，由于较为宽大的磁性下电极，可以产生较佳均匀性的外露磁场，使得自由层的边缘处（Ｅｎｄ　　Ｄｏｍａｉｎ）区域极化向量分布正常，达到较佳的翻转特性。上述工艺亦可使用自对准的工艺方式达成。而调整适当的磁性下电极外露磁场，可以让整个自由层不同位置感受实体上相同的外加磁场，可以达成磁存储单元非常低的拴扣型写入电流特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种磁存储单元及其制造方法，且特别涉及一种具有较为宽大的磁性下电极可产生较佳均匀性外露磁场的磁存储单元及其制造方法。
技术介绍
磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，底下简称“MRAM”)具有非易失、高密集度、高读写速度、抗辐射线等等优点。写入数据时，一般所使用的方法为两条电流线，也就是位线(Bit Line)与写入字符线(Write Word Line)，感应磁场所交集选择到的存储单元(MemoryCell)，通过改变存储层磁性材料的磁化方向，来更改其磁电阻值。而在读取存储数据时，让选择到的磁存储单元流入电流，从读取的电阻值可以判定存储数据的数字值。此磁存储单元，为多层磁性金属材料的堆栈结构其结构是由软铁磁材料(Soft Magnetic Layer)层、穿隧能障绝缘层(Tunnel Barrier layer)、硬铁磁材料(Hard Magnetic Layer)层与非磁性导电层(Nonmagnetic conductor)所堆栈组成。通过两层铁磁材料的磁化方向平行或反平行，以决定存储“0”或“1”的状态。由于磁存储单元在制造的时候，工艺不易控制，使得在一个MRAM存储器产品内部的每一位，形状可能不一致，而对于磁存储单元而言，边缘(End domain)的控制又甚为重要，所以每一个位的写入磁场大小会因此不一致，造成了现今磁存储器写入选择性(Write Selectivity)不佳的现象，使得磁存储器的量产工程甚为困难。在美国第6,545,906号专利中，采用与传统交错型写入(Cross Selection)模式不同的拴扣型写入模式(Toggle Mode)，将磁存储器的写入选择性大幅的提高，使得磁存储器更接近量产化的阶段。然而由于拴扣型特殊的写入模式，仍需要较大的写入磁场，造成了此类产品写入电流过大，与外围系统搭配应用困难的问题。另外，在常用技术中，美国第6,633,498号专利提出在两条写入线产生的磁场(字符线磁场HW与位线磁场HD)的合向量方向加入一个外加磁场(HBIAS)，可以将拴扣型写入特性曲线调整，达成省电的功效，也就是从原来的图1的区域120转变为如图2的区域220，有显著的效果。一般而言，要达到一个外加磁场的效果，可以在存储器包装时，加入永久磁铁或电磁铁的方法达成，然而，最简单的就是使用下电极的人造反铁磁固定层(SAF)厚度的差异，造成一个外露磁场，此厚度的差异越大，造成的外露磁场也越强。然而，这种方法会有限制，当外露磁场达到一定程度之后，自由层的稳定性将变得相当差。当外加一个很强的外露磁场(HBIAS)时，在存储单元的边缘处(Enddomain)，其极化向量(Magnetization)可能会呈现不规则角度分布，如图3所示，为磁存储单元300，在由铁磁材料层所组成的第一自由层(Free1)310与第二自由层(Free2)330之间有非磁性导电层(例如Ru，Ta，Cu或其它可耦合的隔离层)320。而另外由铁磁材料层所组成的上固定(Top Pinned，底下简称“TP”)层350与下固定(Bottom Pinned，底下简称“BP”)层370之间有非磁性导电层(Ru，Ta，Cu或其它可耦合的隔离层)360。而第二自由层(Free2)330与TP层350之间有穿隧能障绝缘层(Tunnel Barrier layer)340，可为AlOx，MgO或其它高介电层。而如上所述，当外露磁场(HBIAS)太强时，如图示的第一自由层310与第二自由层330，特别是比较接近的第二自由层330，其边缘处(End domain)的其极化向量呈现不规则角度分布。在如此一来，将会造成磁性元件翻转的困难度以及增加许多写入的错误率。而传统的磁性随机存取存储器(MRAM)的磁存储单元工艺，是采取一次蚀刻截断所有磁性膜的方式。例如传统具有单层自由层的磁性穿隧元件(Magnetic Tunneling Junction，底下简称“MTJ”)而言，如图4所示，此磁性穿隧元件(MTJ)包括由上电极(Top Electrode)410与铁磁自由(FreeMagnetic，底下简称“FM”)层420所组成的第一扇区，以及由上固定层(TopPinned Layer)442、磁性耦合间隔层444与下固定层(Bottom PinnedLayer)446所组成的第二扇区，以及在第一扇区与第二扇区之间的穿隧绝缘层430，而此穿隧绝缘层430可由Al2O3或MgO所组成。而磁性耦合间隔层444如附图中的钌(Ruthenium，底下简称“Ru”)层。而MTJ是建构在下电极定义(BE)层之上，而此下电极定义(BE)层包括反铁磁层(PtMn)450与下电极(Bottom Electrode)460所组成。而此磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性穿隧元件(MTJ)是采取一次蚀刻截断所有磁性膜的方式部分，也就是对上电极410、铁磁自由层420、穿隧绝缘层430、上固定层442、磁性耦合间隔层444与下固定层446等直接以蚀刻的方式形成。而又例如传统具有三明治形式的人造反铁层自由层(SAF Free Layer)的磁性穿隧元件(MTJ)而言，如图5所示，此磁性穿隧元件(MTJ)包括由上电极510、第一人造反铁磁自由(SAF)层520、穿隧绝缘层530与第二人造反铁磁固定(SAF)层540所组成。而第一人造反铁磁自由(SAF)层520包括第一铁磁自由(FM)层522、磁性耦合间隔层(Ru)524与第二铁磁自由(FM)层526所组成。而第二人造反铁磁固定(SAF)层540则是由上固定层(TopPinned Layer)542、磁性耦合间隔层(Ru)544与下固定层(Bottom PinnedLayer)546所组成。而MTJ是建构在下电极定义(BE)层之上，而此下电极定义(BE)层包括反铁磁层(PtMn)层550与下电极560所组成。而此磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性穿隧元件(MTJ)是采取一次蚀刻截断所有磁性膜的方式部分，也就是对上电极510、第一人造反铁磁自由(SAF)层520、穿隧绝缘层530、第二人造反铁磁固定(SAF)层540等直接以蚀刻的方式形成。由图4与图5两种不同结构的磁性随机存取存储器(MRAM)的磁存储单元制造方法可知，这种工艺方式形成的磁性元件，在自由层的边缘处，将会感受相当强的磁场，使得自由层的边缘处(End domain)区域的其极化向量呈现不规则角度分布，如图3所示，如此一来，将会造成磁性元件翻转的困难度。
技术实现思路
本专利技术所提出的磁存储单元，采用与自由层大小不同的人造反铁磁下电极固定层，可通过增加光刻掩膜对准的方式，达成各种形状的磁性下电极，由于较为宽大的磁性下电极，可以产生较佳均匀性的外露磁场，使得自由层的End Domain区域极化向量分布正常，达到较佳的翻转特性。本专利技术的另一种实施例，采用自对准的工艺方式，达成与自由层形状相似且较宽大的磁性下电极，利用这种方式，可以摒除不同光刻掩膜层次对准时的偏差，达成较佳的工艺均匀性。通过本专利技术所提出的磁存储单元，调整适当的磁性下电极外露磁场，可以让整个自由层不同位置感受实体上相同的外加磁场，可以达成非常低的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁存储单元，其特征是包括：磁性自由扇区；穿遂绝缘层；人造反铁磁下电极固定层，其中该穿遂绝缘层介于该磁性自由扇区与该人造反铁磁下电极固定层的中间；以及下电极定义层，位于该人造反铁磁下电极固定层的下方，其中该 磁性自由扇区的宽度小于人造反铁磁下电极固定层。

【技术特征摘要】
1.一种磁存储单元，其特征是包括磁性自由扇区；穿遂绝缘层；人造反铁磁下电极固定层，其中该穿遂绝缘层介于该磁性自由扇区与该人造反铁磁下电极固定层的中间；以及下电极定义层，位于该人造反铁磁下电极固定层的下方，其中该磁性自由扇区的宽度小于人造反铁磁下电极固定层。2.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该磁性自由扇区包括上电极与自由层。3.根据权利要求2所述的磁存储单元，其特征是该自由层可由NiFe/CoFe或CoFeB组成。4.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该磁性自由扇区包括上电极与具有三明治形式的人造反铁磁自由层。5.根据权利要求4所述的磁存储单元，其特征是该人造反铁磁自由层包括第一铁磁自由层、磁性耦合间隔层与第二铁磁自由层。6.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该穿遂绝缘层可由AlOx或是MgO所组成。7.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该人造反铁磁下电极固定层包括上固定层、磁性耦合间隔层与下固定层。8.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该下电极定义层包括反铁磁层与下电极。9.根据权利要求8所述的磁存储单元，其特征是该反铁磁层可由PtMn或MnIr所组成。10.根据权利要求8所述的磁存储单元，其特征是该反铁磁层与该下电极之间包括缓冲层。11.根据权利要求10所述的磁存储单元，其特征是该缓冲层可由NiFe或NiFeCr所组成。12.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该磁性自由扇区的宽度小于人造反铁磁下电极固定层部分有间隙壁形成于该磁性自由扇区侧壁。13.根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征是该人造反铁磁下电极固定层的形状可以是长方形、圆形或是椭圆形。14.一种磁存储单元的制造方法，其特征是包括进行磁性结构的前段工艺，形成下电极物质层、人造反铁磁下电极固定物质层、穿遂绝缘物质层与磁性自由扇区堆栈结构，其中该穿遂绝缘物质层介于该磁性自由扇区与该人造反铁磁下电极固定物质层之间，而该下电极物质层位于该人造反铁磁下电极固定物质层的下方；对该磁性自由扇区物质进行蚀刻，并以该穿遂绝缘物质层为第一蚀刻中止层，形成该磁性自由扇区；利用光刻掩膜工艺，并以该下电极物质层当第二蚀刻中止层，定义出穿遂绝缘层与能够产生外露磁场的人造反铁磁下电极固定层，...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪建中，朱健刚，高明哲，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]