CN101241755A - 利用磁畴壁移动的半导体器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用磁畴壁移动的半导体器件以及该半导体器件的制造方法。该半导体器件包括设置在衬底上且具有多个磁畴的磁性层，以及使磁性层中的磁畴壁移动的能量供应单元。该磁性层平行于衬底而形成，且包括沿磁性层纵向交替形成的多个凸起部和多个凹陷部。该磁性层具有台阶形态以保证在一位单元中磁畴壁的可靠移动。

Description

利用磁畴壁移动的半导体器件及其制造方法

技术领域

本发明的装置和方法涉及一种半导体器件且，更具体地，涉及一种利用磁畴壁移动(magnetic domain wall movement)的半导体器件及其制造方法。

背景技术

数据存储器件大致分为关闭电源时失去所有记录的数据的易失性数据存储器件和关闭电源时保留数据的非易失性数据存储器件。

非易失性数据存储器件包括硬盘驱动器(HDD)和非易失性随机存取存储器(RAM)。HDD包括读和写头以及旋转的数据记录媒介，且可以存储100吉比特或更多的数据。但是，类似于HDD的具有旋转部分的器件有一个问题是其随着时间的流逝而磨损，并且因此，存在操作故障的可能性，因此降低了可靠性。

因此，作为解决前述常规非易失性数据存储器件缺陷的方法，已经进行了多个关于利用磁畴壁移动的新型数据存储器件的研究和开发。

现在将描述在磁性物质中的磁畴和磁畴壁。然后，将描述利用磁畴和磁畴壁的存储器件。

构成铁磁体的微小的磁性区域称为磁畴。磁畴中电子的旋转，即，磁矩的方向是相同的。磁畴的尺寸和磁化方向可以通过磁性物质的形状、尺寸和特性以及外能而得到适当的控制。

磁畴壁是具有与另一磁畴磁化方向不同的磁畴的边界部分。磁畴壁可以通过外部磁场或通过向磁性物质施加的电流而移动。

磁畴壁移动的原理可以应用到例如HDD的数据存储器件。即，当磁性物质中对应于具体数据而磁化的磁畴通过读/写头而移动时，读/写数据的操作成为可能。这种情况下，不直接地旋转记录媒介也能进行读/写操作。因此，常规HDD的磨损和故障问题可以得到解决。在美国专利第6834005B1中公开了应用磁畴壁移动原理的数据存储器件的例子。

此外，磁畴壁移动原理可以应用到例如非易失性RAM的存储器中。即，可以读/写数据“0”或“1”的非易失性存储器件能通过利用这样的原理实现：磁性物质中的电压根据磁性物质中的磁畴壁的移动而改变，其中该磁性物质具有沿特定方向磁化的磁畴以及磁畴壁。这样，由于可以通过在线型磁性物质中流过特定电流而改变磁畴壁的位置来读和写数据，所以可以实现具有简单结构的高度集成的器件。因此，当应用磁畴壁移动原理时，具有很大存储容量的存储器的制造成为可能。在公开号为10-2006-0013476的韩国专利和美国专利第6781871B2中公开了将磁畴壁移动原理应用到类似于RAM的存储器中的实例。

但是，利用磁畴壁移动的半导体器件的发展仍然处于初始阶段，且为了使其应用于实际中，一些问题仍要解决。其中一个问题涉及磁畴壁的可靠性。

为了获得在磁畴壁的移动中的可靠性，使用了人造凹口(notch)。图1是如在韩国专利第10-2006-0013476中公开的其中形成有多个凹口的相关技术磁性层200的平面图。图1中的附图标记20和25分别表示磁畴和磁畴壁。虽然图1中的磁畴壁25为二维描述，但实际上是三维实体。

参考图1，凹口是分别在相关技术的磁性层200的两侧形成的缩进，且用于钉扎磁畴壁的移动。即，凹口允许磁畴壁以1位为单位移动。

但是，在只有几十个纳米宽度和厚度的磁性层中形成凹口非常困难。更困难的是形成一致距离、尺寸和形状的凹口。如果凹口的距离、尺寸和形状不一致，钉扎磁畴壁移动的磁场强度(即，钉扎磁场的强度)将不同，所以相应器件的特性也将不一致。

此外，当凹口平行于衬底形成时，由于曝光工艺的局限性，难以减小凹口之间的距离。这等同于难于减小位尺寸。

因此，当使用凹口时，难以实现器件的高集成度和磁畴壁的可靠移动。

发明内容

本发明示范性实施例提供一种使用磁畴壁移动的半导体器件，具有可靠的磁畴壁移动、同时避免凹口导致的问题。

本发明还提供一种制造上述半导体器件的方法。

依照本发明的一方面，提供一种半导体器件，包括：设置在衬底上且具有多个磁畴的磁性层；以及使磁性层中的磁畴壁移动的能量供应单元，其中磁性层平行于衬底而形成，且包括沿磁性层纵向交替形成的凸起部(prominence)和凹陷部(depression)。

多个绝缘层图案进一步设置于衬底和凸起部之间。当在衬底和凸起部之间提供绝缘图案时，磁性层可以与衬底和绝缘层图案的表面共形地(conformally)形成。

对应于凸起部的衬底部分可以突出。当对应于凸起部的衬底部分突出时，磁性层可以与衬底表面共形地形成。

衬底可以包括平坦化表面。

在磁性层两端的凸起部或凹陷部具有的长度可大于其它凸起部和凹陷部的长度。

在磁性层两端的凸起部或凹陷部的长度可以是磁性层宽度的1-3倍。

其它凸起部和凹陷部可以具有磁性层宽度1-2倍的节距(pitch)。

第一电极和第二电极分别形成在磁性层的一端和另一端，为磁性层提供电流。

依照本发明的另一方面，提供一种利用磁畴壁移动的半导体器件的制造方法，该方法包括：在衬底上形成虚拟图案(dummy pattern)；在衬底上于虚拟图案的任一侧形成绝缘层图案；移除虚拟图案；以及在衬底和绝缘层图案上形成磁性层。

虚拟图案可以是线型图案。该虚拟图案也可以是具一致间隔线的多线图案(multi-line pattern)。

该虚拟图案可以用硅形成。

该绝缘层图案可以用氮化硅形成。

该方法进一步包括在形成绝缘层图案之后且在虚拟图案移除之前蚀刻虚拟图案和绝缘层图案的上面部分。

依照本发明另一方面，提供一种利用磁畴壁移动的半导体器件的制造方法，该方法包括：在衬底上以相同厚度形成磁性层；在磁性层上形成第一图案；在磁性层上的第一图案的任一侧形成第二图案；以及利用第二图案作为蚀刻掩模蚀刻磁性层的一部分厚度。

第一图案可以是横越磁性层的线图案。

第一图案可以是具有一致间隔线的多线图案。

第一图案可以用硅形成。

第二图案可以用氮化硅形成。

该方法进一步包括在形成第二图案之后且在第一图案移除之前蚀刻第一和第二图案的上面部分。

该方法进一步包括在蚀刻磁性层部分厚度之后移除第二图案。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显，附图中：

图1是相关技术的磁性层的平面图；

图2是依照本发明示范性实施例的利用磁畴壁移动的半导体器件的局部透视图；

图3A到3F是阐述依照本发明示范性实施例的利用磁畴壁移动的半导体器件的制造方法的截面图；

图4到6是阐述依照本发明示范性实施例的半导体器件的磁性层不同形态的截面图；

图7是依照本发明另一示范性实施例的利用磁畴壁移动的半导体器件的局部透视图；以及

图8A到8G是阐述依照本发明另一示范性实施例的利用磁畴壁移动的半导体器件的制造方法的截面图。

具体实施方式

现在将参考示出本发明示范性实施例的附图，更全面的描述符合本发明的利用磁畴壁移动的半导体器件及其制造该半导体器件的方法。在附图中，为了清楚而放大了层和区域的厚度。

图2是依照本发明示范性实施例的利用磁畴壁移动的半导体器件的局部透视图。

参考图2，依照本发明示范性实施例的半导体器件包括形成于衬底1上且具有多个磁畴的磁性层300、及包括第一和第二晶体管T1和T2且为移动磁性层300中的磁畴壁(磁畴的壁)提供能量的单元。该磁性层300平行于衬底1而形成，且包括沿着磁性层300纵向交替形成的凸起部4和凹陷部5。凸起部4和凹陷部5的宽度可以与磁性层300的宽度相同。

多个绝缘层图案3可以形成于衬底1和凸起部4之间。这种情况下，磁性层300形成得与衬底1和绝缘层图案3的表面共形。替代插入绝缘层图案3，对应于凸起部4的衬底1的部分可以制作成突出。这种情况下，磁性层300形成得与衬底1的表面共形。

至少可提供多个凸起部4和凹陷部5其中之一。

设置于磁性层300任一端部上的凸起部4或凹陷部5的长度可以长于其它凸起部4或凹陷部5的长度。特别地，位于磁性层300任一端部的该凸起部或者凹陷部的长度可以是磁性层300宽度的1-3倍。图2中，位于磁性层300任一端部的该凹陷部的长度显示为与磁性层300宽度相同。

其它凸起部和凹陷部的节距可以与磁性层300的宽度相同，或者其它凸起部和凹陷部的节距可以是磁性层300宽度的1-2倍。这里，节距是两个相邻凸起部或者两个相邻的凹陷部的中心之间的长度。

提供用于移动磁畴壁的能量可以是电流或磁场的形式。

在用于移动磁畴壁的能量是电流的情况下，第一和第二电极400a和400b可以分别设置于磁性层300的一端和另一端。第一和第二电极400a和400b可以分别连接到第一和第二晶体管T1和T2、或者交流电流发生器(未示出)。第一和第二晶体管T1和T2或者交流电流发生器构成了利用第一和第二电极400a和400b供应能量以移动磁畴壁的单元的实例。

虽然没有示出，但是读头和写头可以进一步提供在磁性层300的中部。该读头和写头可以整体形成，且可以提供在磁性层300的任一端部之一而不是在中部。当提供这样的读头和写头时，符合本发明示范性实施例的半导体器件是记录器件(recording device)。如果，替代读头和写头，提供用于选择磁性层300特定位置的字线和位线，则符合本发明的半导体器件是存储器件(memory device)。

以下，将描述符合本发明示范性实施例的利用磁畴壁移动的半导体器件的制造方法。

图3A到3F是示出符合本发明示范性实施例的利用磁畴壁移动的半导体器件的制造工艺的步骤的截面图。

参考图3A，虚拟图案2形成于衬底1上。该虚拟图案2可以是以规则间隔分离的多个线的图案。虚拟图案2的材料可以是硅，虚拟图案2的节距可以是2F，F是特性尺寸(feature size)。这种情况下，F是将在后序工艺中形成的磁性层的宽度，且可以是曝光工艺要求的最小线宽度。

参考图3B，绝缘层3’形成于衬底1上以覆盖虚拟图案2。该绝缘层3’可以是氮化硅层(SixNy)，且可以形成得与衬底1和虚拟图案2的表面共形。

参考图3C，该绝缘层3’被各向异性蚀刻，例如，使用反应离子蚀刻(RIE)，以暴露虚拟图案2的上部表面和衬底1的一部分。从而，绝缘层图案3在虚拟图案2的任一侧形成于衬底1上。绝缘层图案3的节距是F，且两绝缘层图案3之间的间隙是F/2。

参考图3D，虚拟图案2的上部和绝缘层图案3的上部使用化学机械抛光(CMP)而蚀刻。该CMP是可选的工艺。

参考图3E，虚拟图案2使用湿法或干法蚀刻工艺而移除。该湿法或干法蚀刻是由硅材料制成的虚拟图案2的选择性蚀刻工艺。

参考图3F，磁性层300形成于衬底1和绝缘层图案3的表面上之后，磁性层300被构图成线。磁性层300平行于衬底1而形成，且形成了具有多个凸起部4和多个凹陷部5的磁性层300。该凸起部4和凹陷部5沿着磁性层300的纵向交替形成。凸起部4和凹陷部5的节距是F，且凸起部4和凹陷部5的长度大约是F/2。这里，虽然未示出，但是在磁性层300任一端的凸起部或凹陷部的长度可以长于其它凸起部或凹陷部的长度。磁性层300任一端的凸起部或凹陷部的长度制作得较长的原因是保证其上形成的电极的接触裕量(contact margin)。

其次，虽然未示出，但是第一和第二电极可以形成于磁性层300任一端部，用以移动磁畴壁。移动磁畴壁的装置可以采用其它形式。

以上描述的本发明示范性实施例中，虚拟图案2用于在衬底上1上形成具有F节距的绝缘层图案3，且之后磁性层300形成于衬底1和绝缘层图案3的表面上。因此，形成了具有交替的凸起部4和凹陷部5的磁性层300，其中凸起部4和凹陷部5的节距分别为F，且凸起部4和凹陷部5的长度大约是F/2。

在符合本发明当前的示范性实施例的半导体器件中，凸起部4和凹陷部5交替设置，从而保证了磁畴壁在一位单位的移动的可靠性。即，凸起部4和凹陷部5的每一个台阶部分可以实现相关技术中凹槽的相同功能。这种情况下，磁畴壁钉扎在台阶部分。另一方面，除台阶部分之外的部分，即，凸起部4的中央部分和凹陷部5的中央部分可以实现凹槽的相同功能。这种情况下，磁畴壁钉扎在凸起部4和凹陷部5的中央部分。磁畴壁的钉扎位置取决于磁性层的形式。

图4到6是阐述符合本发明示范性实施例的半导体器件磁性层的不同形式的截面图。在图4到6中描述了磁性层300a、300b和300c以及绝缘层图案3a’、3b’和3c’各自部分的尺寸。磁性层300a、300b和300c各自部分的尺寸取决于磁性层的材料、形成条件和台阶覆盖(step coverage)。图4到6中的附图标记1代表衬底。

磁性层的本征能(intrinsic energy)是自旋交换能、晶体各向异性能和静磁能之间相互作用的结果。凹凸状磁性层的磁畴壁在特定位置具有较低能量。如上文所述，磁畴壁的钉扎位置可以依照磁性层的形式而改变，所以通过调节磁性层的形式，磁畴壁能够钉扎在所期望的位置。

当磁畴壁钉扎在凸起部(或凹陷部)的中央部分时，该凸起部(或凹陷部)的中央部分是一位。另一方面，当磁畴壁钉扎在凸起部和凹陷部的台阶部分时，该台阶部分是一位。因此，在使用符合本发明示范性实施例的磁畴壁移动的半导体器件中，该磁畴壁能够可靠地钉扎在位单元中。这里，一位的尺寸可以大约是F×(F/2)。当磁性层之间的距离是F时，符合本发明示范性实施例的半导体器件的存储单元尺寸可以大约为2F×(F/2)＝1F²。符合本发明示范性实施例的半导体器件的位和存储单元尺寸大约是依照相关技术的工艺能够形成的位和存储单元尺寸的一半。

图7是依照本发明另一示范性实施例的利用磁畴壁移动的半导体器件的局部透视图。除了在依照本发明当前实施例的半导体器件的衬底和磁性层之间没有绝缘层之外，半导体器件的其它结构，除磁性层平坦的下表面外，都与参考图2所描述的前述实施例的半导体器件的结构相同。因此，在图2和7中用相同的附图标记代表相同的元件。

参考图7，符合本发明示范性实施例的半导体器件的磁性层600a的下表面是平坦化的。而且，凸起部4和凹陷部5的节距是磁性层600a宽度的1-2倍。

图8A到8G是示出了符合本发明另一示范性实施例的利用磁畴壁移动的半导体器件的制造工艺步骤的截面图。

参考图8A，具有一致厚度的磁性层600形成于衬底1上。之后，第一图案2a形成于磁性层600上。该第一图案2a可以是横越磁性层600的线图案，且可以是具有一致间隔线的多线图案。该第一图案2a的材料可以是硅，且第一图案2a的节距可以是2F。

参考图8B，绝缘层3”形成于磁性层600上以覆盖第一图案2a。该绝缘层3”可以是氮化硅(SixNy)层，且可以形成得与磁性层600和第一图案2a的表面共形。

参考图8C，例如使用RIE方法各向异性地蚀刻该绝缘层3”，以暴露第一图案2a的上表面和磁性层600的一部分。从而，第二图案3a在第一图案2a的任一侧形成于磁性层600上。第二图案3a的节距是F，且第二图案3a间的间隔是F/2。

参考图8D，第一图案2a和第二图案3a的上部通过CMP而蚀刻，该CMP是可选工艺。

参考图8E，该第一图案2a通过湿法或干法蚀刻工艺而移除。该湿法或干法蚀刻工艺选择性地蚀刻由硅材料制成的第一图案。

参考图8F，第二图案3a用作蚀刻掩模来蚀刻磁性层600部分厚度。因此，形成了具有多个凸起部4和多个凹陷部5的磁性层600a，同时下表面是平坦化的。凸起部4和凹陷部5沿着磁性层600a纵向交替设置。凸起部4的节距和凹陷部5的节距是F，且凸起部4和凹陷部5的长度大约是F/2。这里，虽然未示出，但是在磁性层600a的任一端的凸起部或者凹陷部的长度可以长于其它凸起部或凹陷部的长度。在磁性层600a的端部形成的凸起部或凹陷部的长度长于其它凸起部或凹陷部的原因是保证其上将形成的电极的接触裕量。

参考图8G，移除第二图案3a。之后，第一和第二电极(未示出)可以分别形成于磁性层600a的任一端，以用于移动磁畴壁。可替代地使用用于移动磁畴壁的其它装置。

在符合本发明当前示范性实施例的使用移动磁畴壁的半导体器件中，相对于磁性层600a的台阶位置，磁畴壁可以可靠地在位单元中移动。但是，因为符合本发明示范性实施例的半导体器件的磁性层600a的下表面是平坦化的，而不像前述实施例，全部凸起部4或凹陷部5都变成磁畴壁区域。因此，符合本发明示范性实施例的半导体器件的存储单元的尺寸小于本发明前述示范性实施例中的半导体器件的存储单元尺寸。因此，依照本发明前述实施例的半导体器件的制造方法比这些实施例的方法更适合高集成。

如上所述，依照本发明的利用磁畴壁移动的半导体器件的磁性层具有台阶形式。由于一致的突出磁性层，保证了在位单元中磁畴壁的可靠移动。

具有F节距的绝缘层图案形成在衬底上之后，磁性层形成得与衬底和绝缘层图案的表面共形，所以可以获得的集成度是形成凹槽的常规方法的两倍。因为依照本发明示范性实施例的半导体器件的存储单元尺寸是1F²，当F是30nm时，可以制造具有记录密度为100GB/cm²的高集成的半导体器件。

而且，本发明能够形成具有磁畴壁的高可靠移动的半导体器件，避免了相关技术中形成凹口导致的制造问题和器件均一性的损失。因为形成凹口困难，获得均一性就更难。所以，符合本发明的利用磁畴壁移动的半导体器件更加显示出适用于大规模生产和可重复性。

通过参考相应示范性实施例已经详细地展示和描述了本发明，可以理解的是那些本领域技术人员可以在不背离本发明下列权利要求所定义的范围和精神的情况下，在形式和细节上作出各种改变。例如，符合本发明的半导体器件可以是根据需要的如HDD的存储器件，如RAM的内存器件，或者逻辑器件。且，在每种情况下，其它元件可以有多种变化。而且，符合本发明的半导体器件的制造方法不局限于以上所描述的方法，且凸起部和凹陷部的节距和形式可以作多种方式的改变。

Claims (24)

1.一种半导体器件，包括：

设置在衬底上且具有多个磁畴的磁性层；以及

供应能量从而在所述磁性层中移动磁畴壁的单元，其中所述磁性层平行于衬底而形成且包括沿磁性层纵向交替形成的多个凸起部和多个凹陷部。

2、如权利要求1的半导体器件，还包括进一步设置于所述衬底和凸起部之间的多个绝缘层图案。

3、如权利要求2的半导体器件，其中所述磁性层形成得与所述衬底和绝缘层图案的表面共形。

4、如权利要求1的半导体器件，其中所述衬底的部分相应于突出的所述凸起部。

5、如权利要求4的半导体器件，其中所述磁性层形成为与所述衬底表面共形。

6、如权利要求1的半导体器件，其中所述衬底包括平坦化的表面。

7、如权利要求1的半导体器件，其中所述磁性层两端处的凸起部或凹陷部具有的长度大于其它凸起部或凹陷部的长度。

8、如权利要求7的半导体器件，其中所述磁性层两端的凸起部或凹陷部具有的长度是所述磁性层的宽度的1-3倍。

9、如权利要求7的半导体器件，其中所述其它凸起部具有的节距是所述磁性层宽度的1-2倍。

10、如权利要求7的半导体器件，其中所述其它凹陷部具有的节距是所述磁性层宽度的1-2倍。

11、如权利要求1的半导体器件，其中第一电极和第二电极分别形成于所述磁性层的一端和另一端，用以给所述磁性层提供电流。

12、一种制造利用磁畴壁移动的半导体器件的方法，该方法包括：

在衬底上形成虚拟图案；

在所述虚拟图案的任一侧于所述衬底上形成绝缘层图案；

移除所述虚拟图案；以及

在所述衬底和绝缘层图案上形成磁性层。

13、如权利要求12的方法，其中虚拟图案是线型图案。

14、如权利要求12的方法，其中虚拟图案是具有一致间隔的线的多线图案。

15、如权利要求12的方法，其中虚拟图案由硅形成。

16、如权利要求12的方法，其中绝缘层图案由氮化硅形成。

17、如权利要求12的方法，还包括在形成所述绝缘层图案之后且在移除所述虚拟图案之前，蚀刻所述虚拟图案和绝缘层图案的上部。

18、一种制造利用磁畴壁移动的半导体器件的方法，该方法包括：

在衬底上形成具有一致厚度的磁性层；

在磁性层上形成第一图案；

在所述第一图案任一侧于所述磁性层上形成第二图案；

移除第一图案；以及

使用第二图案作为蚀刻掩模而蚀刻所述磁性层的一部分厚度。

19、如权利要求18的方法，其中第一图案是横越磁性层的线图案。

20、如权利要求19的方法，其中第一图案是具有一致间隔的线的多线图案。

21、如权利要求18的方法，其中第一图案由硅形成。

22、如权利要求18的方法，其中第二图案由氮化硅形成。

23、如权利要求18的方法，还包括在形成所述第二图案之后且在移除所述第一图案之前，蚀刻所述第一和第二图案的上部。

24、如权利要求18的方法，还包括在蚀刻所述磁性层的部分厚度之后移除所述第二图案。

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