CN103579497B - 磁性结、磁存储器、用于提供磁性结的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了磁性结、磁存储器、用于提供磁性结的方法和系统。该方法和设备在基板上提供包括磁性结的磁存储器。该设备包括RIE室和离子研磨室。RIE室和离子研磨室被耦接使得磁存储器可在RIE室和离子研磨室之间移动而不将磁存储器暴露到周围环境。该方法提供磁性结层和在磁性结层上的硬掩模层。硬掩模利用RIE由硬掩模层形成。磁性结层在RIE之后被离子研磨，而不在RIE之后将磁存储器暴露到周围环境。离子研磨磁性结层限定每个磁性结的至少部分。可以提供磁性结。磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。自由层具有不大于20纳米的宽度并在写电流流过磁性结时可转换。
Description
背景技术
磁存储器，特别地磁随机存取存储器(MRAM)，由于它们对高读/写速度的潜力、良好的耐久性、非易失性和在操作期间低的功耗而引起人们越来越多的兴趣。MRAM能够利用磁材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移力矩随机存取存储器(STT-RAM)。STT-RAM利用磁性结，该磁性结被驱动经过该磁性结的电流至少部分地写入。驱动经过磁性结的自旋极化电流对磁性结中的磁矩施加自旋力矩。结果，具有对自旋力矩敏感的磁矩的层可以被转换到期望的状态。
例如，图1示出了常规的STT-RAM 5，其包括常规的磁隧道结(MTJ)10。常规的MTJ10分隔开一节距，并具有宽度w。典型地，该节距为至少200至300纳米或更大。MTJ 10的宽度典型地为约90至120纳米或更大。然而，例如距最近的MTJ至少300纳米或更大的孤立的MTJ10可以制造在22纳米或更大的量级上。常规的MTJ 10典型地位于底接触(未示出)上，采用常规的籽层12，并包括常规的反铁磁(AFM)层14、常规的被钉扎层16、常规的隧道阻挡层18、常规的自由层20和常规的覆盖层22。顶接触(未示出)典型地位于MTJ 10上。电介质的覆盖层24典型地覆盖MTJ 10。
为了转换常规自由层20的磁化21，电流在CPP(电流垂直于平面)方向上驱动。当足够的电流被驱动在顶接触和底接触之间时，常规的自由层20的磁化21可以转换为平行于或反平行于常规的被钉扎层16的磁化17。磁构造上的差异对应于不同的磁致电阻，因此对应于常规的MTJ 10的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和逻辑“1”)。因此，通过读取常规的MTJ 10的隧道磁致电阻(TMR)，能够确定常规的MTJ的状态。
图2示出了用于制造常规的STT-RAM 5中的常规MTJ 10的常规方法50。用于MTJ 10的堆叠通过步骤52被沉积和掩模。例如，层12、14、16、18、20和22可以沉积得跨过晶片的表面。还沉积硬掩模层。硬掩模可以包括诸如Ta或W的材料。
用于STT-RAM 5的图案通过步骤54采用反应离子蚀刻(RIE)转移到硬掩模。典型地，对应于MTJ 10的光致抗蚀剂图案提供在硬掩模上。光致抗蚀剂掩模覆盖其中期望形成MTJ的区域。在RIE室中，适合于硬掩模的反应气体以低的压力引入，典型地在几微托的数量级上。例如，F或Cl可以用于Ta或W硬掩模。然后，在步骤54中执行RIE以化学地去除硬掩模层被光致抗蚀剂掩模暴露的部分。因此，光致抗蚀剂掩模中显影的图案可以在步骤54中精确地转移到硬掩模。
一旦执行了RIE，包含存储器5的晶片通过步骤56从RIE室移除且转移到离子研磨室。在步骤56期间，晶片典型地暴露到周围环境。换言之，存储器5暴露到空气。然后MTJ通过步骤58经由有角度的离子研磨限定。为了执行步骤58，离子研磨室被抽真空，典型地至10- 5Torr以下。期望低的压力以允许例如来自离子枪的离子到达晶片的表面并去除MTJ堆叠被硬掩模暴露的部分。与步骤54中执行的RIE相反，步骤58被认为是物理的而不是化学的工艺。因此，期望步骤58中采用的离子不与堆叠的层12、14、16、18和20化学反应。常规的覆盖层24可以然后通过步骤60沉积。常规的STT-RAM 5的制造可以于是完成。
尽管可以制造常规的STT-RAM 5，但是存在缺点。在步骤58中以一角度的离子研磨会限制常规的STT-RAM 5的节距可被减小的程度。此外，已经确定，方法50的产率会是低的。例如，常规的MTJ 10的电特性上会具有大的变化。例如，隧道磁致电阻(TMR)和常规的MTJ10的电阻与面积乘积(resistance area product，RA)会不同。这些差异会是足够大的，使得常规的STT-RAM 5不能使用。因此，常规方法50的产率会是低的。
因而，需要一种方法和系统，可以改善基于自旋转移力矩的存储器的性能，减小其性能上的变化，因此提高其产率。这里描述的方法和系统解决这样的需求。
发明内容
方法和设备在基板上提供包括磁性结的磁存储器。该设备包括RIE室和离子研磨室。RIE室和离子研磨室被耦接使得磁存储器可在RIE室和离子研磨室之间移动而不暴露磁存储器到外部环境。在一个方面中，方法包括提供用于磁性结的磁性结层和在磁性结层上提供硬掩模层。方法还包括利用RIE由硬掩模层形成硬掩模以及在RIE之后离子研磨磁性结层，而在RIE之后没有将磁存储器暴露到外部环境。离子研磨磁性结层的步骤限定每个磁性结的至少部分。在另一个方面中，提供磁性结。磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。自由层具有不大于20纳米的宽度并在写电流流过磁性结时可转换。
附图说明
图1示出了包括常规磁性结的常规磁存储器。
图2示出了制造用于常规磁存储器的磁性结的常规方法。
图3示出了用于制造磁存储器的磁性结的设备的示范性实施例。
图4示出了用于制造磁存储器的磁性结的设备的另一个示范性实施例。
图5示出了用于制造磁存储器的磁性结的设备的另一个示范性实施例。
图6示出了利用所述设备制造磁存储器中的磁性结的方法的示范性实施例。
图7示出了可经由自旋转移来转换的磁性结的示范性实施例。
图8示出了可经由自旋转移来转换的磁性结的另一个示范性实施例。
图9示出了可经由自旋转移来转换的磁性结的另一个示范性实施例。
图10示出了采用磁插入层且可经由自旋转移来转换的磁性结的另一个示范性实施例
图11示出了用于制造可经由自旋转移来转换的磁性结的方法的示范性实施例。
图12至图16示出了可经由自旋转移来转换的磁性结在制造期间的示范性实施例。
图17示出了在存储单元的存储器元件中利用磁性结的存储器的示范性实施例。
具体实施方式
示范性实施例涉及可在磁器件诸如磁存储器中使用的磁性结以及采用这样的磁性结的器件。给出下面的描述以使得本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并在专利申请及其要求的背景下提供。对示范性实施例以及这里描述的一般原理和特征的各种修改将易于变得显然。示范性实施例主要在特定实施中提供的特定方法和系统方面进行描述。然而，方法和系统在其它实施中将有效操作。诸如“示范性实施例”、“一个实施例”和“另一个实施例”的术语可以指的是相同或不同的实施例以及多个实施例。实施例将关于具有特定部件的系统和/或装置进行描述。然而，系统和/或装置可以包括比示出的更多或更少的部件，并且可以进行这些部件的布置和类型的变化而不脱离本发明的范围。示范性实施例也将在具有某些步骤的特定方法的背景下进行描述。然而，该方法和系统对于与示范性实施例不一致的具有不同和/或另外的步骤以及不同顺序的步骤的方法有效操作。因此，本发明并不意在被限于所示的实施例，而是被给予与这里描述的原理和特征一致的最宽范围。
用于提供磁性结以及利用该磁性结的磁存储器的方法和设备被描述。示范性实施例提供一种方法和设备，该方法和设备在基板上提供包括磁性结的磁存储器。该设备包括RIE室和离子研磨室。RIE室和离子研磨室被耦接使得磁存储器可在RIE室和离子研磨室之间移动而不暴露磁存储器到外部环境。在一个方面中，该方法包括提供用于磁性结的磁性结层以及在磁性结层上提供硬掩模层。该方法还包括利用RIE由硬掩模层形成硬掩模以及在RIE之后离子研磨磁性结层，而在RIE之后没有将磁存储器暴露到外部环境。离子研磨磁性结层的步骤限定每个磁性结的至少部分。在另一个方面中，提供磁性结。该磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。自由层具有不大于20纳米的宽度，并在写电流流过磁性结时可转换。
示范性实施例在具有一定成分的特定磁性结和磁存储器的背景下描述。本领域普通技术人员将容易认识到，本发明与具有与本发明不同的其它和/或另外成分和/或其它特征的磁性结和存储器的使用一致。该方法和系统还在对自旋转移现象、磁性结、其他物理现象和制造技术的当前理解的背景下描述。因此，本领域普通技术人员将容易认识到，该方法和系统的表现的理论解释是基于自旋转移、磁性结、其他物理现象和制造技术的该当前理解进行。然而，这里描述的方法和系统不依赖于特定的物理解释。本领域普通技术人员还将易于认识到，该方法和系统在与基板具有特定关系的结构的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将易于认识到，该方法和系统与其它的结构一致。此外，该方法和系统在某些层为合成和/或简单的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将易于认识到，所述层可以具有另外的结构。此外，该方法和系统在具有特定层的磁性结和/或子结构的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将易于认识到，也可以采用具有与该方法和系统不同的另外和/或不同层的磁性结和/或子结构。而且，一定的成分被描述为磁性的、铁磁性的和亚铁磁的。如这里使用的，术语磁性的可以包括铁磁的、亚铁磁的或类似的结构。因此，如这里所使用的，术语“磁性的”或“铁磁的”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。该方法和系统还在单个磁性结和子结构的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将易于认识到，该方法和系统与具有多个磁性结并使用多个子结构的磁存储器的使用一致。此外，如这里所用的，“平面内”基本上在磁性结的一个或多个层的平面内或与其平行。相反地，“垂直”对应于基本上与磁性结的一个或多个层垂直的方向。
图3是示出用于制造磁存储器的磁性结的设备100的示范性实施例的方框图。设备100可以是并入另外部件的较大系统的部分。备选地，设备100可以为独立的系统。为了清楚起见，图3中仅示出了设备100的某些部件。设备100包括被连接的反应离子蚀刻(RIE)室102和离子研磨室104。在某些实施例中，中心互锁室(未示出)可以在RIE室102和离子研磨室104之间。RIE室102是其中执行RIE的腔室。因此，RIE室构造为在制造期间允许用于去除器件的层的部分的化学相互作用。RIE室102还可以包括气体输送系统以将反应气体引入到RIE室102中。
设备100还包括在限定磁性结中使用的离子研磨室104。离子研磨室104可以因此包括诸如离子枪的离子源(未示出)并可以被抽真空至适合于离子研磨的极低压力。
还示出了分别用于RIE室102和离子研磨室104的真空系统110-1和110-2。示出两个真空系统110-1和110-2，因为RIE室102和离子研磨室104可以具有不同的要求。更具体地，离子研磨室104会期望在高得多的真空(即更低的压力)下运行，从而保证来自离子源的离子能够到达正在制造的器件。此外，因为RIE室102通常包含在RIE中使用的反应气体，所以会期望具有分开的真空系统110-1和110-2。会期望使这样的气体与离子研磨室104的任何部分包括真空系统110-2隔离。然而，在其它实施例中，单个真空系统可以用于室102和104二者。
除了构造为用于它们各自的工艺步骤外，RIE室102和离子研磨室104还被连接。更具体地，RIE室102和离子研磨室104被耦接，使得磁存储器可在RIE室102和离子研磨室104之间移动而不暴露磁存储器到外部环境(即，系统100外面的大气)。因此，RIE室102和离子研磨室104二者可在真空下，用于在室102和104之间转移包含正被制造的器件的基板。此外，某些转移机构(未示出)也可以是设备100的部分。转移机构可以用于在室102和104之间移动磁存储器，而室102和104与周围环境隔离(例如，在真空下)。
在所示的实施例中，RIE室102和离子研磨室104没有被直接连接。因此，转移管子或类似的部件可以连接室102和104。在其它实施例中，RIE室102可以直接连接到离子研磨室104。在这样的实施例中，门或类似的机构可以在使用期间分开室102和104。因此，不同的工艺可以分别在室102或104之一中执行而不影响其它室104或102。
设备可以用于改善磁存储器中的磁性结的制造。例如，可以执行RIE，接着对基板上的器件执行离子研磨，而不暴露磁器件到外部环境。类似地，也可以执行离子研磨，接着对基板上的器件执行RIE，而不暴露磁器件到外部环境。这可以导致磁性结的改善的性能。例如，已经确定，在图2所示的常规方法50中，在执行RIE之后会再沉积硬掩模材料。硬掩模可以由诸如W或Ta的材料制造。所执行的RIE可以采用诸如F或Cl的情况。会发生诸如WF或WCl的材料再沉积。已经确定，当磁存储器在步骤54中暴露到外部环境时，F或Cl会与空气中的水蒸气反应，形成HF或HCl。这些化合物酸性很强，会损坏磁材料的下层堆叠。因此，自由层20、阻挡层18和/或被钉扎层16会被损坏。常规的磁性结10的性能会受损。相反，采用系统100可以允许发生硬掩模或其它的RIE以及磁性结的离子研磨而不暴露到外部环境。因此，可以避免形成酸。因此，可以避免对磁性结的损伤。采用设备100可以因此增强采用设备100形成的磁性结的性能。
图4是示出用于制造磁存储器的磁性结的设备100'的示范性实施例的方框图。设备100'可以是并入另外的部件的较大系统的部分。备选地，设备100'可以为独立的系统。为了清楚起见，在图4中仅示出了设备100'的某些部件。设备100'类似于设备100。设备100'包括RIE室102'和离子研磨室104'，它们分别类似于RIE室102和离子研磨室104。因此，室102'和104'的结构和功能可以分别类似于室102和104的结构和功能。
设备100'还包括互锁室106和沉积室108。在某些实施例中，室106和/或108可以被省略。互锁室106耦接在RIE室102'和离子研磨室104'之间。离子研磨室104'连接到沉积室106。在备选的实施例中，互锁室106可以为直接连接到室102、104和108的中心室。互锁室106也可以是用于设备100'的装载/卸载的中心入口。然而，在其它实施例中，一个或多个其它室102'、104'和/或108可以具有直接装载或卸载基板的入口。在所示的实施例中，每个室102'、140'、106和108分别具有其自己的真空系统110-1'、110-2'、110-3和110-4。在其它实施例中，一个或多个真空系统110-1'、110-2'、110-3和/或110-4可以被结合以抽真空多个室。
互锁室106可以与周围环境隔离，例如利用真空系统110-3。此外，互锁室106可以有助于磁存储器在RIE室102'和离子研磨室104'之间的移动而不暴露到周围环境。例如，互锁室106可以被抽真空，并且磁存储器从RIE室102'移动到互锁室。然后，RIE室102'可以与互锁室106隔离。然后，磁存储器可以从互锁室106移动到离子研磨室104'。沉积室108也连接到离子研磨室104'，使得磁存储器可以在离子研磨室104'和沉积室108之间移动而不暴露到外部环境。此外，因为磁存储器可以在RIE室102'和离子研磨室104'之间移动而不暴露到外部环境，并且因为磁存储器可以在离子研磨室104'和沉积室108之间移动而不暴露到外部环境，所以磁存储器可以在RIE室102'和沉积室108之间移动而不暴露到外部环境。
设备100'共享设备100的益处。特别地，可以执行RIE接着是离子研磨和/或执行离子研磨接着是RIE而不在工艺之间暴露磁存储器到外部环境。由于上述的原因，这可以导致具有改善性能的磁性结。而且，诸如覆盖层的层可以在RIE和/或离子研磨之后沉积而不在工艺之间暴露磁存储器到外部环境。因此，可以减少或消除对正在形成的磁器件的进一步损坏。
图5是示出用于制造磁存储器的磁性结的设备100"的示范性实施例的方框图。设备100"可以是并入另外的部件的较大系统的部分。备选地，设备100"可以为独立的系统。为了清楚起见，在图5中仅示出了设备100"的某些部件。设备100"类似于设备100和100'。设备100"包括RIE室102"、离子研磨室104"、互锁室106'和沉积室108'，它们分别类似于RIE室102/102'、离子研磨室104/104'、互锁室106和沉积室108。因此，室102"、104"、106'和108'的结构和功能可以分别类似于室102/102'、104/104'、106和108的结构和功能。
互锁室106'对于所有的室102"、104"和108'处于中心。因此，磁存储器可以从一个室102"、104"和/或106'移动到另一个室102"、104"和/或106'而不暴露磁存储器到外部环境。因此，可以执行对于室102"、104"和106'的RIE、离子研磨和沉积工艺中的任何一个而不在工艺之间暴露磁存储器到外部环境。
设备100"还包括单个真空系统110"，其类似于组合110-1和110-2以及组合110-1'、110-2'、110-3和110-4。因此，真空系统110"抽真空室102"、104"、106'和/或108'中的任何一个或多个。在另一个实施例中，真空系统110"可以如系统100或100'中被分成一个或多个单独的部件。
设备100"共享设备100/100'的益处。特别地，可以执行RIE接着离子研磨和/或执行离子研磨接着RIE而不在工艺之间暴露磁存储器到外部环境。由于上述的原因，这可以导致具有改善性能的磁性结。而且，诸如覆盖层的层可以在RIE和/或离子研磨之后沉积而不在工艺之间暴露磁存储器到外部环境。因此，可以减少或消除对正在形成的磁器件的进一步损坏。
图6示出了采用所述设备制造磁存储器中的磁性结的方法150的示范性实施例。为了简单起见，某些步骤可以被省略、结合、插入和/或以另外的顺序执行。方法150在设备100的背景下描述。然而，方法150可以用于诸如设备100'、100"的其它设备和/或另外的类似设备。此外，方法150可以被包括在磁存储器的制造中。因此，方法150可以用于制造STT-RAM或其它的磁存储器。被制造的磁性结在写电流通过磁性结时可在多个稳定磁状态之间转换。
磁性结层通过步骤152提供。步骤152可以包括以期望的厚度沉积期望的材料。步骤152包括沉积任何的籽层、钉扎(例如，反铁磁)层、被钉扎层、非磁间隔层和自由层。在某些实施例中，步骤152包括提供单个被钉扎层、诸如MgO的阻挡层和自由层。在某些这样的实施例中，步骤152还包括沉积诸如MgO的第二阻挡层和第二被钉扎层。还可以沉积第一和第二钉扎层。被钉扎层和/或自由层可以为SAF(合成反铁磁)。
硬掩模层还通过步骤154提供。硬掩模可以例如包括W和/或Ta。步骤154可以包括在磁性结层上毯式(blanket)沉积硬掩模层。步骤152和154可以在设备100中执行，例如如果沉积室是设备100的部分。
硬掩模通过步骤156利用RIE由硬掩模层形成。步骤156的RIE可以在RIE室102中执行。步骤156中执行的RIE可以采用在一毫托的数量级的压力的反应气体。
在步骤156中执行RIE之后，磁性结通过步骤158利用离子研磨被至少部分地限定。在某些实施例中，磁性结被完全地限定。因此，步骤152中提供的用于磁性结的所有层在步骤158中被研磨穿过。在其它实施例中，这些层被部分地研磨穿过。磁性结的限定可以采用其它工艺完成，包括但不限于另外的离子研磨和/或另外的RIE。
步骤158的离子研磨可以在离子研磨室104中执行。因此，步骤158的离子研磨被执行而不在RIE和离子研磨之间暴露磁存储器(以及因此被形成的磁器件)到周围环境。步骤156的RIE中采用的气体被基本上防止干扰离子研磨。在某些实施例中，步骤167的RIE中采用的气体基本上被防止进入离子研磨室104。例如，离子研磨可以在10-8至10-9Torr的量级的压力下进行。在磁存储器转移到室102之前，RIE室102可以被抽真空到与离子研磨室104基本上相同的压力。在某些实施例中，当磁存储器可以从RIE室102移动到离子研磨室104时，室102和104二者处于真空下。备选地，RIE室102可以被抽真空并且引入惰性气体。然后，磁存储器可以移动到离子研磨室104，该离子研磨室104优选地包括处于类似压力的惰性气体。然后，离子研磨室104能够被抽真空且进行离子研磨。在另一个实施例中，室102和104之间的转移可以以另外的方式进行。然而，磁存储器可以在室102和104之间转移而不暴露磁存储器(因此，磁器件)到外部环境，基本上对步骤156和158中的工艺没有不利的影响。
覆盖层可以通过步骤160被可选地沉积。覆盖层可以为电介质。例如，可以采用硅氧化物、硅氮化物和/或铝氧化物。覆盖层可以用于保护磁性结的侧面不受损坏。在某些实施例中，覆盖层在离子研磨步骤之后沉积，在离子研磨步骤158之后不暴露磁存储器到周围环境。
然后，方法150可以继续以完成磁器件的制造。在某些实施例中，这包括完成磁性结层的部分的去除以限定磁性结。这可以包括执行该结构的另外的离子研磨和/或另外的RIE。还可以沉积另外的覆盖层。可以执行这些工艺的某些或全部而不暴露磁存储器到周围环境。例如，磁存储器可以在室102/102'/102"、104/104'/104"、106/106'和/或108/108'之间移动而不打开系统100/100'/100"。
方法150可以共享设备100、100'和/或100"的益处。特别地，可以制造具有改善的性能且减少性能变化的磁存储器。因此，可以提高方法150的产率。
图7示出了包括磁性结210的磁存储器200的示范性实施例，该磁性结210可采用自旋转移来转换并可以采用方法150和/或设备100、100'和/或100"制造。为了清楚起见，图7没有按比例。磁存储器包括基板201，其可以具有这里制造的另外的部件。例如，诸如晶体管的选择器件、导电线和/或其它结构可以形成在基板中。磁性结210包括籽层212、被钉扎层214、非磁间隔层216、自由层218、可选的第二非磁间隔层220、可选的第二被钉扎层222和覆盖层224。在所示的实施例中，被钉扎层214被自身钉扎，因此不需要外部钉扎层。然而，在其它实施例中，诸如AFM层的钉扎层可以被提供以固定或钉扎被钉扎层214和222的磁矩。通常，如果被钉扎层214和222的磁矩在平面内，则会采用钉扎层，但是如果被钉扎层214和222的磁矩垂直于平面，则不会采用钉扎层。磁性结210还构造为，当写电流流过磁性结200时允许自由层218在稳定的磁状态之间转换。因此，自由层218可以是利用自旋转移力矩可转换的。尽管示出了两个被钉扎层214和222以及两个非磁间隔层216和220，但是在另一个实施例中，可以包括仅一个非磁间隔层216或220和仅一个被钉扎层214或222。
非磁间隔层216和/或220可以为隧道阻挡层、导体或在自由层218和被钉扎层214和/或222中表现出磁阻的其它结构。但是，非磁间隔层216和220可以但不是必须具有类似的结构。例如，层216和220二者可以为隧道阻挡层，或者一个可以为隧道阻挡层，而另一个为导体。在某些实施例中，非磁间隔层216和220每个为晶体MgO的隧道阻挡层。在这样的实施例中，MgO籽层204可以用于改善磁性结200的TMR和其它特性。这是假设存在MgO籽层来改善隧道阻挡层220的晶体结构。
尽管示出为简单层，但是自由层218和/或被钉扎层212和/或222可以包括多个层。例如，层214、218和222的一个或多个可以为SAF，包括通过诸如Ru的薄层反铁磁或铁磁耦合的磁层。在这样的SAF中，可以采用插入有Ru或其它材料的薄层的多个磁层。层214、218和222的一个或多个也可以为另外的多层。尽管磁化没有在图7中示出，但是自由层218和/或被钉扎层230可以每个具有超过平面外退磁能的垂直各向异性能量。因此，自由层210和/或被钉扎层212和222可以每个具有其垂直于平面取向的磁矩。在其它实施例中，层214、218和/或220的磁矩每个在平面内。自由层218、被钉扎层214和/或被钉扎层222的磁矩的其它取向是可以的。
因为磁性结210可以采用方法150和/或设备100、100'和/或100'制造，所以可以获得方法150和/或设备100、100'和/或100"的益处。特别地，磁性结210可以具有改善的性能和/或减小的性能变化。此外，制造方法150可以允许磁性结210的减小的临界尺寸。例如，磁性结210可以具有不大于20纳米的直径(或最小临界尺寸)。此外，存储器200可以具有200纳米或更小的相邻磁性结210之间的较小距离(例如，行或列节距)。在某些实施例中，该节距不大于100纳米。在某些这样的实施例中，该节距不大于90纳米。在所示的实施例中，步骤160的覆盖层被省略或还没有被提供。因此，除了上述的益处之外，可以提供更紧密的存储器。
图8示出了包括磁性结210'的磁存储器200'的示范性实施例，该磁性结210'采用自旋转移来转换并可以采用方法150和/或设备100、100'和/或100"制造。为了清楚起见，图8没有按比例。磁存储器200'类似于磁存储器200。磁存储器200'在设备100、100'和100"以及方法150的背景下描述。基板201'和磁性结210'分别类似于基板201和磁性结210。因此，类似的层被类似地标示。磁性结210'包括可选的籽层212'、被钉扎层214'、非磁间隔层216'、自由层218'、另一非磁间隔层220'、被钉扎层222'和覆盖层224'，它们分别类似于层212、214、216、218、220、222和224。因此，可选的籽层212'、被钉扎层214'、非磁间隔层216'、自由层218'、另一非磁间隔层220'、被钉扎层222'和覆盖层224'的几何形状、晶体结构、材料和特性分别类似于层212、214、216、218、220、222和224的那些。此外，基板201'可以类似于基板201。尽管示出了两个被钉扎层214'和222'以及两个非磁间隔层216'和220'，但是在另一个实施例中，可以包括仅一个非磁间隔层216'或220'和仅一个被钉扎层214'或222'。
此外，磁性结210'包括覆盖层230。在磁性结210'被完全限定之后，覆盖层230在步骤160中被沉积。因此，覆盖层230基本上覆盖磁性结210'的侧面。在某些实施例中，覆盖层230是诸如硅氮化物、硅氧化物和/或铝氧化物的电介质。然而，可以采用另外的电介质。在所示的实施例中，在结210'已经被研磨之后，覆盖层230在步骤160中沉积，而不在离子研磨和覆盖层230沉积之间暴露存储器200'到外部环境。
因为磁性结210'可以采用方法150和/或设备100、100'和/或100"制造，所以可以获得方法150和/或设备100、100'和/或100"的益处。特别地，磁性结210'可以具有改善的性能和/或减小的性能变化。此外，制造方法150可以允许磁性结210'的减小的临界尺寸。例如，磁性结210'可以具有不大于20纳米的较小临界尺寸。存储器200'可以具有200纳米或更小的相邻磁性结210'之间的较小距离(例如，行或列节距)。在某些实施例中，该节距不大于100纳米。在某些这样的实施例中，该节距不大于90纳米。因此，除了上述的益处之外，可以提供更紧密的存储器。
图9示出了包括磁性结210"的磁存储器200"的示范性实施例，磁性结210"可采用自旋转移来转换并可以采用方法150和/或设备100、100'和/或100"制造。为了清楚起见，图9没有按比例。磁存储器200"类似于磁存储器200'和200。磁存储器200"在设备100、100'和100"以及方法150的背景下描述。基板201"和磁性结210"分别类似于基板201/201'和磁性结210/210'。因此，类似的层被类似地标示。磁性结210"包括可选的籽层212"、被钉扎层214"、非磁间隔层216"、自由层218"、另一非磁间隔层220"、被钉扎层222"、覆盖层224"和覆盖层230'，它们分别类似于层212/212'、214/214'、216/216'、218/218'、220/220'、222/222'、224/224'和230。因此，可选的籽层212"、被钉扎层214"、非磁间隔层216"、自由层218"、另一非磁间隔层220"、被钉扎层222"、覆盖层224"和覆盖层230'的几何形状、晶体结构、材料和特性分别类似于层212/212'、214/214'、216/216'、218/218'、220/220'、222/222'、224/224'和230的那些。此外，基板201"可以类似于基板201/201'。尽管示出了两个被钉扎层214"和222"以及两个非磁间隔层216"和220"，但是在另一个实施例中，可以包括仅一个非磁间隔层216"或220"和仅一个被钉扎层214"或222"。
磁性结210"包括覆盖层230'和再沉积232。更具体地，磁性结210"在步骤158中被部分地研磨穿过，并在步骤160中沉积覆盖层230'。在所示的实施例中，磁性结210"在步骤158中被研磨直到非磁间隔层216"和被钉扎层214"之间的界面。然而，在另一个实施例中，研磨可以终止在另一层中或在另外的界面处。于是完成了限定磁性结210"。例如，可以执行另外的离子研磨和/或RIE。然而，在层214"和212"的部分的去除期间，形成再沉积232。
因为磁性结210"可以采用方法150和/或设备100、100'和/或100"制造，所以可以获得方法150和/或设备100、100'和/或100"的益处。特别地，磁性结210"可以具有改善的性能和/或减小的性能变化。此外，制造方法150可以允许磁性结210"的减小的临界尺寸。例如，磁性结210"可以具有不大于20纳米的较小临界尺寸。存储器200"可以具有200纳米或更小的相邻磁性结210'之间的较小距离(例如，行或列节距)。在某些实施例中，该节距不大于100纳米。在某些这样的实施例中，该节距不大于90纳米。因此，除了以上描述的益处之外，可以提供更紧密的存储器。
图10示出了包括磁性结210"′的磁存储器200"′的示范性实施例，该磁性结210"′可利用自旋转移来转换并可以采用方法150和/或设备100、100'和/或100"制造。为了清楚起见，图10没有按比例。磁存储器200"类似于磁存储器200'和200。磁存储器200"在设备100、100'和100"以及方法150的背景下描述。基板201"′和磁性结210"′分别类似于基板201/201'/201"和磁性结210/210'/210"。因此，类似的层被类似地标示。磁性结210"′包括可选的籽层212"′、被钉扎层214"′、非磁间隔层216"′、自由层218"′、另一非磁间隔层220"′、被钉扎层222"′、覆盖层224"′、覆盖层230"和再沉积232'，它们分别类似于层212/212'/212"、214/214'/214"、216/216'/216"、218/218'/218"、220/220'/220"、222/222'/222"、224/224'/224"、230/230'和232。因此，可选的籽层212"′、被钉扎层214"′、非磁间隔层216"′、自由层218"′、另一非磁间隔层220"′、被钉扎层222"′、覆盖层224"′、覆盖层230"和232'的几何形状、晶体结构、材料和特性分别类似于层212/212'/212"、214/214'/214"、216/216'/216"、218/218'/218"、220/220'/220"、222/222'/222"、224/224'/224"、230/230'和232的那些。此外，基板201"′可以类似于基板201/201'/201"。尽管示出了两个被钉扎层214"′和222"′以及两个非磁间隔层216"′和220"′，但是在另一个实施例中，可以包括仅一个非磁间隔层216"′或220"′以及仅一个被钉扎层214"′或222"′。
磁性结210"′包括覆盖层230"、再沉积232'和另外的覆盖层234。更具体地，磁性结210"′在步骤158中被部分地研磨穿过，并且覆盖层230'在步骤160中沉积。在所示的实施例中，磁性结210"′在步骤158中被研磨直到非磁间隔层216"′和被钉扎层214"′之间的界面。然而，在另一个实施例中，研磨可以终止在另一层中或在另一界面处。于是完成了限定磁性结210"′。例如，可以执行另外的离子研磨和/或RIE。然而，在去除层214"′和212"′的部分期间，形成再沉积232'。然后，沉积另外的覆盖层234。
因为磁性结210"′可以采用方法150和/或设备100、100'和/或100"制造，所以可以获得方法150和/或设备100、100'和/或100"的益处。特别地，磁性结210"′可以具有改善的性能和/或减小的性能变化。此外，制造方法150可以允许磁性结210"′的减小的临界尺寸。例如，磁性结210"′可以具有不大于20纳米的较小的临界尺寸。存储器200"′可以具有200纳米或更小的相邻磁性结210'之间的较小距离(例如，行或列节距)。在某些实施例中，该节距不大于100纳米。在某些这样的实施例中，该节距不大于90纳米。因此，除了以上描述的益处之外，可以提供更密集的存储器。
图11示出了用于制造磁存储器中的磁性结的方法170的示范性实施例。为了简单起见，某些步骤可以被省略、结合、插入和/或以另外的顺序执行。方法170在设备100"的背景下描述。然而，方法170可以用于诸如设备100、100'的其它设备和/或另外的类似设备。此外，方法150可以被包括在磁存储器的制造中。因此，方法150可以用于制造STT-RAM或其它磁存储器。图12-16是示出在采用方法170的制造期间磁存储器250的示范性实施例的示意图。为了清楚起见，图12-16没有按比例，并且省略了存储器250的部分。方法170和器件250也在特定层的背景下描述。然而，在某些实施例中，这样的层可以包括多个子层。当写电流流过磁性结时，被制造的磁性结可在多个稳定的磁状态之间转换。
磁性结层通过步骤172提供。步骤172可以包括以期望的厚度沉积期望的材料。步骤172包括沉积任何的籽层、钉扎(例如，反铁磁)层、被钉扎层、非磁间隔层和自由层。在某些实施例中，步骤172包括提供单个被钉扎层、诸如MgO的阻挡层和自由层。在某些这样的实施例中，步骤172还包括沉积诸如MgO的第二阻挡层和第二被钉扎层。还可以沉积第一和第二钉扎层。被钉扎层和/或自由层可以为SAF。此外，还可以提供邻接自由层和/或被钉扎层的高自旋极化层，诸如CoFeB。因此，步骤172类似于步骤152。
硬掩模层还通过步骤174提供。硬掩模可以例如包括W、Ta和/或另一层。步骤174可以包括在磁性结层上毯式沉积硬掩模层。因此，步骤174类似于方法150的步骤154。步骤172和174可以在设备100"中进行，例如在沉积室108'中。
硬掩模通过步骤176利用RIE由硬掩模层形成。步骤176的RIE可以在RIE室102"中进行。步骤176中进行的RIE可以采用在1毫托的量级的压力下的反应气体。图12示出了在已经执行步骤176之后的磁存储器250。因此，基板251位于可选的籽层262、被钉扎层264、高自旋极化CoFeB层266、非磁间隔层268、自由层270、第二非磁间隔层272、第二高自旋极化CoFeB层274、被钉扎层276和覆盖层278之下。这些层262、264、268、270、272和274分别类似于磁性结210/210'/210"/210"′的层212/212'/212"/212"″、214/214'/214"/214"″、216/216'/216"/216"″、218/218'/218"/218"″、220/220'/220"/220"″、222/222'/222"/222"″和224/224'/224"/224"″。还示出了硬掩模252。硬掩模252在形成磁性结260中要使用。磁性结260具有用于存储器的临界尺寸d和节距p。硬掩模252采用RIE室102"中进行的RIE由单个层形成。
在完成RIE之后，磁存储器250通过步骤178从RIE室102"转移到离子研磨室104"并被部分地离子研磨。实施此转移而不暴露磁存储器250到外部环境。因此，该转移可以在真空处、在惰性气体存在下或以另外的类似方式发生。离子研磨以离开垂直于磁存储器250的表面的角度进行。典型地，该角度是大约20度。在所示的实施例中，磁性结被部分地限定。因此，在步骤178中仅研磨穿过在步骤172中提供的用于磁性结的层262、264、266、268、270、272、274、276和278的一部分。步骤178的离子研磨被进行而不在RIE和离子研磨之间暴露基板(以及因此被形成的磁性结260)到周围环境。
覆盖层通过步骤180沉积。覆盖层可以为电介质。例如，可以采用硅氧化物、硅氮化物和/或铝氧化物。覆盖层在离子研磨步骤之后被沉积而在离子研磨步骤178之后不暴露磁存储器到周围环境。例如，磁存储器250可以从离子研磨室104"移动到沉积室108'，并且覆盖层在沉积室108'中沉积。图13示出了在进行步骤180之后的磁存储器250。在所示的实施例中，覆盖层278'和被钉扎层276'已经被限定。此外，覆盖层280已经被沉积。
通过步骤182执行另外的RIE而不暴露磁存储器250到外部环境。步骤182可以通过将磁存储器250从沉积室108'转移到RIE室102"来进行。该转移可以在真空下、在惰性气体的存在下或者以另外类似的方式。图14示出了已经进行步骤182之后的磁存储器250。因此，层268'、270'、272'和274'已经被限定用于磁性结260。此外，再沉积282已形成在磁性结260的侧面上。
然后，磁存储器通过步骤184被再次离子研磨。进行离子研磨而不暴露磁存储器250到外部环境。步骤184可以通过将磁存储器250从RIE室102"转移到离子研磨室104"来进行。该转移可以在真空下、在惰性气体存在下或以另外类似的方式。图15示出了在已经进行步骤184之后的磁存储器250。因此，层266'、264'和262'已经被限定。因此，已经形成磁性结260。
覆盖层通过步骤186沉积。覆盖层可以为电介质。例如，可以采用硅氧化物、硅氮化物和/或铝氧化物。覆盖层在离子研磨步骤184之后沉积，而不在离子研磨步骤184之后暴露磁存储器到周围环境。例如，磁存储器250可以从离子研磨室104"移动到沉积室108'，并在沉积室108'中沉积覆盖层。图16示出了在进行步骤186之后的磁存储器250。覆盖层284已经被沉积。因此，即使磁存储器250暴露到外部环境，磁性结260也没有暴露到外部环境。磁存储器250可以从设备100"移除而不损坏磁性结260。应注意，在所示的实施例中，后面限定的层具有较大的临界尺寸，由于存在覆盖层280/280'和再沉积282/282'。在其它实施例中，再沉积层282/282'和/或覆盖层280/280'的某些或全部可以在步骤之间被去除。
如果磁性结260通过步骤186还没有被完全限定，则可以重复步骤182、184和186以完全限定磁性结260。因此，磁性结260可以采用混合工艺限定，该混合工艺包括RIE、离子研磨和覆盖层的沉积的结合。
采用方法170，可以形成磁性结260。因为磁性结260被限定而不暴露磁存储器250到外部环境，所以可以减少对磁性结260的损伤。例如，HF、HCl或类似化合物的形成可以被减少或消除，因为再沉积282没有暴露到外部环境。在磁性结260已经被限定之后，覆盖层284可以包封再沉积282'。因此，可以防止对磁性结260的另外的损伤。因此，可以提高磁性结260的性能，并改善方法170的产率。此外，可以实现具有较小临界尺寸和/较小节距的磁性结。例如，临界尺寸可以不大于20纳米。在某些实施例中，节距可以不大于200纳米。在某些这样的实施例中，节距可以不大于100纳米。
图17示出了在存储单元的存储器元件中利用磁性结的存储器的示范性实施例。磁性结200、200'、200"、200"′和/或260可以在磁存储器中使用。图17示出一个这样的存储器300的示范性实施例。磁存储器300包括读/写列选择驱动器302和306以及字线选择驱动器304。应注意，可以提供其它的和/或不同的部件。存储器300的存储区域包括磁存储单元310。每个磁存储单元包括至少一个磁性结312和至少一个选择器件314。在某些实施例中，该选择器件314是晶体管。磁性结312可以包括一个或多个磁性结200、200'、200"、200"′和/或260。尽管每个单元310示出了一个磁性结312，但是在其它实施例中，每个单元可以提供另外数量的磁性结312。
磁性结312采用方法150和/或170形成，并可以采用设备100、100'或100"形成。因此，可以减小磁存储器300的节距和单元尺寸。因此，可以形成较高密度的磁存储器300。此外，因为磁性结310不太可能被损坏，所以可以改善磁存储器300的产率。
已经描述了用于提供磁性结的方法和设备、磁性结以及包括该磁性结的存储器。方法和系统已经根据示出的示范性实施例描述，本领域普通技术人员将容易认识到，可以对实施例进行改变，并且任何变化将会在该方法和系统的精神和范围内。因此，本领域普通技术人员可以进行许多修改而不脱离权利要求的精神和范围。
Claims (11)
1.一种用于在基板上制造包括多个磁性结的磁存储器的设备，该设备包括：
反应离子蚀刻(RIE)室；以及
离子研磨室；
所述RIE室和所述离子研磨室被耦接使得所述磁存储器可在所述RIE室和所述离子研磨室之间移动而不将所述磁存储器暴露到周围环境。
2.如权利要求1所述的设备，还包括：
互锁室，与所述RIE室和所述离子研磨室连接，所述互锁室可与所述周围环境隔离且允许所述磁存储器在所述RIE室和所述离子研磨室之间移动而不暴露到周围环境。
3.如权利要求2所述的设备，还包括：
沉积室，至少与所述离子研磨室连接，使得所述磁存储器可在所述离子研磨室和所述沉积室之间移动。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述沉积室与所述RIE室连接，使得所述磁存储器可在所述沉积室和所述RIE室之间移动而不将所述磁存储器暴露到周围环境。
5.一种在基板上提供用于磁存储器中的至少一个磁性结的方法，所述磁性结被构造为当写电流流过所述磁性结时可在多个稳定的磁状态之间转换，该方法包括：
提供用于所述至少一个磁性结的多个磁性结层；
在所述多个磁性结层上提供硬掩模层；
利用反应离子蚀刻(RIE)由所述硬掩模层形成硬掩模；
在进行所述RIE之后离子研磨所述多个磁性结层而不在所述RIE之后暴露所述磁存储器到周围环境，离子研磨所述多个磁性结层的步骤限定所述至少一个磁性结的每个的至少一部分。
6.如权利要求5所述的方法，还包括：
在离子研磨所述多个磁性结层的步骤之后在所述至少一个磁性结上提供覆盖层，而不在离子研磨所述多个磁性结层的步骤之后暴露所述磁存储器到周围环境。
7.如权利要求6所述的方法，其中离子研磨所述多个磁性结层的步骤限定所述至少一个磁性结的每个。
8.如权利要求6所述的方法，其中离子研磨的步骤仅限定所述至少一个磁性结的每个的一部分，该方法还包括：
在提供所述覆盖层的步骤之后进行至少一个另外的RIE，而不在提供所述覆盖层的步骤之后暴露所述磁存储器到周围环境。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述多个磁性结层包括第一参考层、第一阻挡层、自由层、第二阻挡层和第二自由层，其中离子研磨的步骤限定第二参考层，所述至少一个另外的RIE限定所述第二阻挡层、所述自由层和所述第一阻挡层的至少一部分。
10.如权利要求8所述的方法，还包括：
在执行所述至少一个另外的RIE的步骤之后执行至少一个另外的离子研磨，所述至少一个另外的离子研磨限定所述至少一个磁性结的另外部分，而不在执行所述至少一个另外的RIE之后暴露所述磁存储器到周围环境。
11.如权利要求9所述的方法，还包括：
在执行所述至少一个另外的离子研磨的步骤之后提供至少一个另外的覆盖层，而不在提供所述至少一个另外的离子研磨的步骤之后暴露所述磁存储器到周围环境。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |