DE112018004617T5

DE112018004617T5 - MgO-Deckschicht mit niedrigem Widerstand für senkrecht magnetisierte magnetische Tunnelübergänge

Info

Publication number: DE112018004617T5
Application number: DE112018004617.6T
Authority: DE
Inventors: Sahil Patel; Guenole Jan; Ru-Ying Tong; Vignesh SUNDAR; Dongna Shen; Yu-Jen Wang; Po-Kang Wang; Huanlong Liu
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-07-16
Anticipated expiration: 2038-12-08
Also published as: WO2019118288A1; KR102424639B1; US10522745B2; US11696511B2; CN111566832A; US20190189910A1; US10797232B2; KR20200085882A; US20200136025A1; DE112018004617B4; CN111566832B; US20210020831A1

Abstract

Offenbart ist ein magnetischer Tunnelübergang (MTJ), wobei eine freie Schicht (FL) eine Grenzfläche mit einer ersten Metalloxidschicht (Mox-Schicht) und einem zweiten Metalloxid (Tunnelbarriere) aufweist, um in der FL senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen werden leitfähige Metallkanäle hergestellt aus einem Edelmetall in der Mox, welche MgO ist, gebildet, um parasitären Widerstand zu verringern. In einer zweiten Ausführungsform wird eine diskontinuierliche MgO-Schicht mit einer Mehrzahl von Inseln als die Mox-Schicht gebildet, und eine nichtmagnetische Hartmaskenschicht wird abgeschieden/aufgebracht, um Räume zwischen benachbarten Inseln zu füllen und Kurzschlusspfade durch das Mox zu bilden. In einer weiteren Ausführungsform werden Endabschnitte zwischen den Seiten eines mittleren Mox-Abschnitts und der MTJ-Seitenwand reduziert, um Kurzschlusspfade zu bilden, indem eine reduzierende Metallschicht auf Mox-Seitenwände abgeschieden wird, oder indem ein Reduktionsprozess mit Formiergas, H2 oder einer reduzierenden Spezies ausgeführt wird.

Description

VERWANDTE PATENTANMELDUNGEN
Diese Anmeldung bezieht sich auf folgende Dokumente: US-Patent 8,981,505 ; US-Patent 9,006,704 ; und US-Patent 9,230,571 , welche einem gemeinsamen Anmelder erteilt worden sind und hierin durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen werden.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) aufweisend eine freie Schicht, welche eine Grenzfläche mit einer Tunnelbarriereschicht und einer Metalloxiddeckschicht aufweist, und insbesondere eine Verringerung des Deckschichtwiderstands, um die Verringerung des magnetoresistiven Verhältnisses durch Abnahme des parasitären Widerstands, welche bei einer Deckschicht aufweisend einen vollständig oxidierten Zustand auftritt, abzuschwächen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Senkrecht magnetisierte MTJ (p-MTJ) sind eine wichtige derzeit aufkommende Technologie zur Verwendung als eingebettete Magnetdirektzugriffsspeicher-Anwendungen (MRAM-Anwendungen) und eigenständige MRAM-Anwendungen. P-MTJ-MRAM-Technologie unter Verwendung von Spin-Torque-MRAM (STT-MRAM) zum Schreiben von Speicherbits wurde durch J.C. Slonczewski in „Stromgesteuerte Anregung magnetischer Mehrfachschichten“, J. Magn. Magn. Mater. V 159, L1 - L7 (1996), beschrieben und steht stark im Wettbewerb mit bestehenden Halbleiterspeichertechnologien, wie zum Beispiel SRAM, DRAM und Flash-Speicher.
Sowohl MRAM als auch STT-MRAM weisen ein MTJ-Element basierend auf einem Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt) auf, wobei ein MTJ-Schichtenstapel eine Konfiguration aufweist, bei welcher zwei ferromagnetische Schichten durch eine dünne isolierende Tunnelbarriereschicht getrennt sind. Eine der ferromagnetischen Schichten, welche als die angeheftete (pinned) Schicht bezeichnet wird, weist ein magnetisches Moment auf, welches in einer Richtung außerhalb der Ebene, wie zum Beispiel der Richtung +z, wenn die Ebene jeder der Schichten in den x-Achsen- und y-Achsenrichtungen angelegt ist, festgelegt ist. Die zweite ferromagnetische Schicht weist eine Magnetisierungsrichtung außerhalb der Ebene auf, welche sich frei entweder zur Richtung +z (paralleler oder P-Zustand) oder zur Richtung -z (antiparalleler oder AP-Zustand) drehen kann. Der Unterschied des Widerstands zwischen dem P-Zustand (Rp) und dem AP-Zustand (Rap) ist gekennzeichnet durch die Gleichung (Rap-Rp)/Rp, und ist auch als DRR bekannt. Für MTJ-Bauelemente ist es wichtig, dass sie einen großen DRR-Wert aufweisen, vorzugsweise höher als 1, da DRR in direktem Zusammenhang mit der Lesereserve für das Speicherbit steht, beziehungsweise damit, wie einfach es ist, zwischen dem P-Zustand und dem AP-Zustand (0- oder 1-Bits) zu unterscheiden. Wenn die freie Schicht eine Magnetisierungsrichtung lotrecht zur Ebene des Films aufweist, ist der kritische Strom (I_C), der benötigt wird, um das Magnetelement umzuschalten, direkt proportional zum senkrechten Anisotropiefeld, wie in Gleichung (1) angegeben, in welcher e die Elektronenladung ist, α eine Gilbert-Dämpfungskonstante ist, Ms die Sättigungsmagnetisierung der freien Schicht ist, h die reduzierte Plank-Konstante ist, g das gyromagnetische Verhältnis ist, Hk_eff,⊥ das Anisotropiefeld außerhalb der Ebene des zu schaltenden Magnetbereichs ist und V das Volumen der freien Schicht ist: $i_{c} = \frac{α e M s V H_{k h ⊥}}{g h}$
Der Wert Δ = kV / k_BT ist ein Maß für die thermische Stabilität des Magnetelements, wobei kV auch als E_b oder die Energiebarriere zwischen den zwei Magnetzuständen (P und AP) bekannt ist, k_B die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur ist. Für funktionale MRAM-Produkte muss die freie Schicht (Informationsspeicherschicht) eine ausreichend hohe E_b aufweisen, um sich dem Schalten aufgrund thermischer und magnetischer Umgebungsschwankungen zu widersetzen. Diese Energiebarriere gegen zufälliges Schalten hängt mit der Stärke der senkrechten magnetischen Anisotropie (PMA) der freien Schicht zusammen. Ein praktischer Weg zum Erlangen einer starken PMA ist durch Grenzflächen-PMA an einer Grenzfläche zwischen einer freien CoFeB-Schicht und einer MgO-Tunnelbarriereschicht gegeben. Eine noch höhere PMA wird durch Bilden einer zweiten MgO-Grenzfläche für zusätzliche Grenzflächen-PMA an der in Bezug auf die Tunnelbarriere gegenüberliegenden Seite der freien Schicht erzielt. Somit wird die gesamte PMA in der freien Schicht mit einem MgO/CoFeB/MgO-Stapel im p-MTJ optimiert, wodurch sich E_b erhöht.
1 zeigt einen herkömmlichen p-MTJ 1, wobei eine optionale Impfschicht 11, eine angeheftete Schicht 12, eine Tunnelbarriere 13, eine freie Schicht 14, eine Metalloxiddeckschicht 17 und eine Hartmaske 16 nacheinander auf einem Substrat, welches zum Beispiel eine untere Elektrode 10 in einer MRAM-Struktur ist, gebildet. Leider ist eine Folge der Benutzung einer MgO-Deckschicht das Hinzufügen parasitären Widerstands zum p-MTJ-Bauelement. Gleichung (2) zeigt den Effekt des Beitrags des Deckschichtwiderstands zum gesamten MTJ-Widerstand, während Gleichung (3) die Auswirkung auf den DRR-Wert angibt. $DRR = \frac{R_{AP} - R_{P}}{R_{P}} {wobei R}_{AP} = R_{AP}^{barrier} + R_{AP}^{cap} {und R}_{P} = R_{P}^{barrier} + R_{P}^{cap} .$
Da gilt $R_{AP}^{cap} =_{P}^{cap}$
$DRR = \frac{R_{AP}^{barrier} + R_{AP}^{cap} - (R_{P}^{barrier} + R_{P}^{cap})}{R_{P}^{barrier} + R_{P}^{cap}} = \frac{R_{AP}^{barrier} - R_{P}^{barrier}}{R_{P}^{barrier} + R_{P}^{cap}}$
Zusammengefasst ausgedrückt verursacht der durch die Metalloxiddeckschicht verursachte Serienwiderstand $(R_{AP}^{cap} {und R}_{P}^{cap})$
eine Verringerung der DRR, wodurch sich die MRAM-Bitlesereserve effektiv verringert, sowie die Schreibspannung des Bits durch Hinzufügen eines Serienwiderstands erhöht. Da eine MgO-Deckschicht oder dergleichen erforderlich ist, um eine starke PMA für eine verbesserte thermische Stabilität zu erzielen, wird eine verbesserte p-MTJ-Struktur benötigt, sodass eine starke PMA aufrechterhalten wird, während der Beitrag des Serienwiderstands von der Deckschicht deutlich verringert wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist das Reduzieren des Deckschichtwiderstands und des Produkts Widerstand x Fläche (RA) für p-MTJ-Nanosäulen, wobei eine Metalloxidschicht eine Grenzfläche sowohl mit unteren und oberen Flächen einer freien Schicht aufweist, wodurch DRR verbessert und die Schreibspannung verringert wird, während eine hohe PMA für thermische Stabilität aufrechterhalten bleibt.
Eine zweite Aufgabe ist das Bereitstellen eines Verfahrens zum Bilden des p-MTJ der ersten Aufgabe, welches problemlos in der Speichervorrichtungsfertigung umgesetzt werden kann. Gemäß der vorliegenden Offenbarung gibt es eine Mehrzahl von Schemata, mit welchen die zuvor genannten Aufgaben erzielt werden. In einer ersten Ausführungsform, in welcher eine freie Schicht zwischen einer Tunnelbarriereschicht und einer Metalloxiddeckschicht gebildet wird, weist die Metalloxidschicht vorzugsweise eine beträchtliche Anzahl nichtoxidierter Metallatome auf, sodass zwischen der oberen und der unteren Fläche der Metalloxidschicht (leitfähige) Metallkanäle angeordnet sind, um den Widerstand darin zu senken. Somit können zum Beispiel nichtoxidierte Mg-Pfade innerhalb einer MgO-Schicht gebildet werden. In alternativen Ausführungsformen kann vor der Oxidation von Mg ein Edelmetall (NM) gemeinsam mit Mg abgeschieden werden, oder ein Mg/NM/Mg-Stapel kann vor der Oxidation gebildet werden, oder ein Prozess umfassend Mg-Abscheidung und Oxidation, dann NM-Abscheidung und dann Mg-Abscheidung und Oxidation wird dazu verwendet, leitfähige NM-Pfade innerhalb einer MgO-Schicht zu schaffen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird ein Metall, wie zum Beispiel Mg, als eine diskontinuierliche Schicht in Form von Inseln auf der freien Schicht durch eine physikalische Aufdampfung (PVD) gebildet. Danach wird ein Oxidationsschritt ausgeführt, um die unregelmäßigen Inselformen in eine diskontinuierliche MgO-Schicht umzuwandeln. In der Folge wird eine nichtmagnetische Metallhartmaskenschicht abgeschieden/aufgebracht, um Metallpfade durch die diskontinuierliche MgO-Schicht zu bilden, um den resistiven Beitrag der MgO-Deckschicht zum gesamten RA-Produkt des p-MTJ zu verringern.
Gemäß einer dritten Ausführungsform werden äußere Abschnitte einer kontinuierlichen MgO-Deckschicht, welche in der Nähe von MTJ-Nanosäulenseitenwänden gebildet werden, verringert, um leitfähige Pfade rund um den mittleren Abschnitt der MgO-Schicht bereitzustellen. Äußere Metalloxidabschnitte können durch die Anwendung von Formiergas, H2 oder einer Reduktionsmittelspezies während des p-MTJ-Ätzprozesses verringert werden. In einigen Ausführungsformen werden die äußeren Abschnitte der MgO-Schicht an p-MTJ-Seitenwänden durch Kontakt mit einem Reduktionsmetall in einer nachfolgend abgeschiedenen Umhüllungsschicht zu einem nichtoxidierten Zustand reduziert. Zum Beispiel kann Sauerstoff in der MgO-Schicht in die Umhüllungsschicht diffundieren und dadurch den Sauerstoffgehalt in äußeren Abschnitten der MgO-Schicht im p-MTJ senken.
Die vorliegenden Offenbarung umfasst auch ein Verfahren zum Bilden einer Metalloxidschicht mit verringertem spezifischen Widerstand als bei den zuvor genannten Ausführungsformen. Zum Beispiel können die äußeren Abschnitte einer MgO-Deckschicht in der dritten Ausführungsform teilweise zu einem nichtstöchiometrischen Oxidationszustand reduziert werden oder vollständig zu Mg reduziert werden, indem die MTJ-Ätzung unterbrochen wird, nachdem eine Seitenwand entlang der Deckschicht gebildet worden ist. Dann wird eine Formiergasbehandlung, H₂-Behandlung, Exposition gegenüber einer reduzierenden Spezies oder Abscheidung einer reduzierenden Metallschicht ausgeführt, bevor die p-MTJ-Ätzung fortgesetzt wird, um eine Seitenwand entlang der freien Schicht, der Tunnelbarriereschicht und darunterliegenden Schichten zu bilden. In der Folge behält die MgO-Tunnelbarriere einen im wesentlichen stöchiometrischen Oxidationszustand bei, um DRR zu optimieren.
In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, welche sich auf obere Spin-Ventilkonfigurationen für den p-MTJ beziehen, wird die freie Schicht zwischen einer darunterliegenden Metalloxidschicht, welche als eine Hk-verbessernde Schicht bezeichnet wird, und einer darüberliegenden Tunnelbarriereschicht gebildet. Wie bei den zuvor beschriebenen unteren Spin-Ventilausführungsformen weist die Metalloxidschicht leitfähige Kanäle auf, welche sich zwischen deren oberer und unterer Fläche erstrecken, um einen elektrischen Kurzschlusspfad als ein Mittel zum Senken parasitären Widerstands bereitzustellen.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht, welche einen senkrecht magnetisierten magnetischen Tunnelübergang (p-MTJ) zeigt, in welchem gemäß dem Stand der Technik eine freie Schicht zwischen zwei gleichförmigen Metalloxidschichten gebildet ist.
2 ist eine Querschnittsansicht eines p-MTJ gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei leitfähige Kanäle innerhalb der Metalloxidschicht gebildet sind und eine obere Fläche der freien Schicht kontaktieren.
3a zeigt die Sputterabscheidung eines Edelmetalls auf einer Metall- oder Metalloxidschicht, und 3b zeigt die Sputterabscheidung einer Metall- oder Metalloxidschicht auf dem Schichtenstapel von 3a.
4 ist eine Querschnittsansicht eines p-MTJ gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei eine diskontinuierliche Schicht von Metalloxidinseln auf einer freien Schicht gebildet ist, um das RA-Produkt in einer p-MTJ-Nanosäule zu verringern.
5 ist eine Draufsicht der Metallinseln von 4, und zeigt Räume zwischen Inseln, welche mit einer nachfolgend abgeschiedenen Metallschicht gefüllt sind.
6 ist eine Querschnittsansicht eines p-MTJ gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und zeigt einen mittleren Abschnitt einer Metalloxidschicht mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Sauerstoffgehalt und äußere Abschnitte, welche einen Sauerstoffgehalt, welcher wesentlich geringer als ein stöchiometrischer Sauerstoffgehalt ist, aufweisen.
7 - 12 sind Querschnittsansichten, welche einen Prozess zum Bilden eines p-MTJ mit einer unteren Spin-Ventilkonfiguration, welche in 6 gezeigt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen.
13 - 15 sind Querschnittsansichten, welche ein alternatives Verfahren zum Bilden der p-MTJ-Struktur von 6 zeigen.
16 ist eine Querschnittsansicht eines p-MTJ aufweisend eine obere Spin-Ventilkonfiguration, welche eine Modifikation des p-MTJ von 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
17 ist eine Querschnittsansicht eines p-MTJ mit einer oberen Spin-Ventilkonfiguration, welche eine Modifikation des p-MTJ von 6 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
18 ist eine Querschnittsansicht, welche einen nichtstrukturierten p-MTJ-Schichtenstapel zeigt, in welchem eine freie Schicht zwischen einer Tunnelbarriere und einer Metalloxidschicht aufweisend eine Mehrzahl leitfähiger Kanäle darin gebildet ist.
19 ist eine Querschnittsansicht des p-MTJ-Stapels von 18 nachdem ein Prozessablauf gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet worden ist, um eine p-MTJ-Nanosäule zu erzeugen, wobei die Metalloxidschicht einen mittleren Abschnitt mit leitfähigen Kanälen und zwei Endabschnitte in einem im Wesentlichen reduzierten Oxidationszustand aufweist.
20 ist eine Tabelle, welche die freie Energie der Oxidbildung für verschiedene Elemente auflistet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft obere MTJ-Nanosäulen und die Fertigung derselben, wobei eine freie Schicht eine erste Grenzfläche zu einer Tunnelbarriereschicht und eine zweite Grenzfläche zu einer Metalloxidschicht bildet, und leitfähige Kanäle innerhalb der oder rund um die Metalloxidschicht gebildet werden, um den parasitären Widerstand abzuschwächen und DRR in Zusammenhang mit einer einheitlichen Metalloxidschicht, welche keinen Tunnelmagnetowiderstandseffekt aufweist, zu senken. Obwohl die beispielhaften Ausführungsformen p-MTJ-Nanosäulen sowohl mit unteren Spin-Ventil- als auch mit oberen Spin-Ventilkonfigurationen zeigen, umfasst die vorliegende Offenbarung auch einen p-MTJ aufweisend eine Doppelspin-Ventilstruktur, wie Fachleute erkennen werden. Der p-MTJ kann in eine MRAM-, STT-MRAM-, Sensor-, Biosensor- oder sonstige Spintronik-Vorrichtung, wie zum Beispiel einen Spin-Torque-Oszillator (STO), eingebaut werden. In den Zeichnungen ist nur eine p-MTJ-Nanosäule abgebildet, typischerweise werden während der Fertigung einer Speichervorrichtung jedoch Millionen von p-MTJ-Nanosäulen in Reihen und Spalten auf einem Substrat angeordnet. Die Begriffe „Oxidationszustand“ und „Sauerstoffgehalt“ können bei der Beschreibung des Zustands der Metalloxidschicht austauschbar verwendet werden. Leitfähige Kanäle können eine Breite aufweisen, welche in einer Richtung, welche parallel zur Ebene der Metalloxidschicht angeordnet ist, eine Mehrzahl von Metallatomen beträgt. Eine obere Fläche für eine Schicht ist definiert als eine Fläche, welche vom Substrat abgewandt ist, während eine untere Fläche dem Substrat zugewandt ist. Eine Grenzfläche ist ein Grenzbereich aufweisend eine untere Fläche einer Schicht und eine angrenzende obere Fläche einer zweiten Schicht.
Im verwandten US-Patent 9,006,704 offenbarten wir eine Hk-verbessernde Schicht mit einer Metalloxidzusammensetzung, um senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) in einer angrenzenden freien Schicht zu verbessern, und in welcher in das Metalloxid leitfähige Teilchen aus Co, Fe, Ni oder dergleichen eingebettet sind, um den spezifischen Widerstand darin zu verringern. Außerdem offenbarten wir im verwandten US-Patent 9,230,571 eine STO-Struktur, wobei eine Deckschicht/Kappenschicht eine begrenzende Strompfad-Konfiguration (CCP-Konfiguration) aufweist, welche Metallkanäle innerhalb einer Metalloxidmatrix aufweist. Im Allgemeinen sind die Metallkanäle aus Cu hergestellt, bei welchem es sich um ein Metall handelt, welches sich vom Metall in der Metalloxidmatrix unterscheidet.
Nun haben wir zusätzliche Schemata gefunden, um parasitären Widerstand in einer Metalloxidschicht, welche eine Grenzfläche mit einer freien Schicht aufweist und an einer in Bezug auf eine Tunnelbarriereschicht gegenüberliegenden Seite der freien Schicht gebildet ist, zu verringern. Alle hierin beschriebenen Ausführungsformen umfassen das Bilden eines oder mehrere leitfähiger Pfade durch oder rund um die Metalloxidschicht, welche an eine obere oder eine untere Fläche der freien Schicht angrenzt. Obwohl jede der Ausführungsformen ein Schlüsselmerkmal aufweist, welches ein Senken des spezifischen Widerstands ermöglicht, sieht die vorliegende Offenbarung vor, dass ein Konzept eines Schemas in ein anderes Schema eingearbeitet werden kann, um eine Verringerung des Widerstands durch die Metalloxidschicht, wie später erklärt weiter zu verbessern.
Wie zuvor angegeben, fertigten die Erfinder eine p-MTJ-Nanosäule 1 im Einklang mit einem Aufzeichnungsprozessschema (POR-Schema) an, welche einen Schichtenstapel aufweist, in welchem eine freie Schicht 14 zwischen einer Tunnelbarriereschicht 13 und einer Metalloxiddeckschicht 17 angeordnet ist, um die PMA und die thermische Stabilität in der freien Schicht zu verbessern. Es wird jedoch eine verbesserte p-MTJ-Nanosäule benötigt, um den Effekt eines niedrigeren DRR-Werts in Folge des beträchtlichen Widerstandsbeitrags der Deckenschicht $R_{P}^{cap}$
zur Summe im Nenner auf der rechten Seite von Gleichung (3) zu verringern.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, welche in 2 als p-MTJ 2 gezeigt ist, haben wir herausgefunden, dass der spezifische Widerstand in einer Metalloxidschicht 17a deutlich verringert wird, indem Metallkanäle 15c oder leitfähige Pfade darin gebildet werden. P-MTJ 2 weist eine optionale Impfschicht 11 gebildet auf einer unteren Elektrode 10 auf, und eine Referenzschicht 12, eine Tunnelbarriere 13, eine freie Schicht 14, eine Metalloxidschicht 17a und eine Hartmaske 16 werden nacheinander auf der Impfschicht gebildet. Die Impfschicht umfasst eines oder mehrere der Materialien NiCr, Ta, Ru, Ti, TaN, Cu, Mg, oder andere Materialien, welche typischerweise dazu benutzt werden, eine glatte und einheitliche Kornstruktur in darüberliegenden Schichten zu begünstigen.
Die Referenzschicht 12 kann eine synthetische antiparallele Konfiguration (SyAP-Konfiguration) dargestellt durch AP2/Ru/AP1 aufweisen, wobei eine zum Beispiel aus Ru, Rh oder Ir hergestellte antiferromagnetische Kopplungsschicht zwischen einer AP2-Magnetschicht und einer AP1-Magnetschicht (nicht gezeigt) angeordnet ist. Die AP2-Schicht, welche auch als die äußere angeheftete (pinned) Schicht bezeichnet wird, wird auf der Impfschicht gebildet, während AP1 die innere angeheftete Schicht ist und typischerweise die Tunnelbarriere kontaktiert. Die AP1-Schicht und die AP2-Schicht können CoFe, CoFeB, Co oder eine Kombinationen daraus umfassen. In anderen Ausführungsform kann die Referenzschicht ein Lamellenstapel mit inhärenter PMA sein, wie zum Beispiel (Co/Ni)_n, (CoFe/Ni)_n, (Co/NiFe)_n, (Co/Pt)_n, (Co/Pd)_n oder dergleichen, wobei n die Laminatnummer ist. Ferner kann eine Übergangsschicht, wie zum Beispiel CoFeB oder Co, zwischen der obersten Schicht im Lamellenstapel und der Tunnelbarriereschicht 13 eingefügt werden.
Die Tunnelbarriereschicht 13 ist vorzugsweise ein Metalloxid aus der Gruppe umfassend MgO, TiOx, AlTiO, MgZnO, Al₂O₃, ZnO, ZrOx, MgAlOx, MgGaOx, HfOx oder MgTaO, oder ein Laminat aus einem oder mehreren der zuvor vorgenannten Metalloxide. Noch bevorzugter wird MgO als die Tunnelbarriereschicht ausgewählt, da es das höchste magnetoresistive Verhältnis (DRR) bereitstellt, insbesondere wenn es zum Beispiel zwischen zwei CoFeB-Schichten angeordnet ist.
Die freie Schicht 14 kann Co, Fe, CoFe oder eine Legierung daraus mit B und/oder Ni, oder ein Mehrschichtenstapel aufweisend eine Kombination aus den zuvor genannten Zusammensetzungen sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die freie Schicht eine nichtmagnetische momentabschwächende Schicht, wie zum Beispiel Ta oder Mg, eingefügt zwischen zwei nicht ferromagnetisch gekoppelte CoFe- oder CoFeB-Schichten, aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform weist die freie Schicht eine SyAP-Konfiguration, wie zum Beispiel FL1/Ru/FL2, auf, wobei FL1 und FL2 zwei magnetische Schichten sind, welche antiferromagnetisch gekoppelt sind, oder ist ein Lamellenstapel mit inhärenter PMA, wie zuvor in Bezug auf die Zusammensetzung der Referenzschicht beschrieben.
Die Hartmaske 16 ist nichtmagnetisch und umfasst im Allgemeinen ein oder mehrere leitfähige Metalle oder Legierungen aus der Gruppe umfassend Ta, Ru, TaN, Ti, TiN und W, ist aber nicht auf diese beschränkt. Es versteht sich, dass andere Hartmaskenmaterialien, wie zum Beispiel MnPt, ausgewählt werden können, um während eines Ätzprozesses, welcher MTJ-Nanosäulen mit Seitenwänden, welche an der unteren Elektrode enden, bildet, eine hohe Ätzselektivität gegenüber darunterliegenden MTJ-Schichten bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen ist die Hartmaske eine leitfähige nichtmagnetische Schicht aus einem oder mehreren der Materialien RuOx, ReOx, IrOx, MnOx, MoOx, TiOx und FeOx.
Vorzugsweise weist die Metalloxidschicht 17a eine Zusammensetzung ausgewählt aus der Gruppe umfassend MgO, AlOx, TiOx, MgTiOx, AlTiO, MgZnO, MgAlOx, ZnO, ZrOx, MgZrOx, HfOx, SrTiOx, BaTiOx, CaTiOx, LaAlOx, VOx und MgTaO auf, wobei das eine oder die mehreren Metalle in den zuvor genannten Metalloxiden ein Mi-Metall oder eine M1-Legierung ist/sind. Im Gegensatz zu einer CCP-Struktur umfassen die darin gebildeten Metallkanäle 15c in einigen Ausführungsformen dasselbe Mi-Metall oder dieselbe Mi-Legierung wie in der Metalloxidschicht. Somit werden Mg-Kanäle in einer MgO-Oxidschicht gebildet, indem zunächst eine Mg-Schicht auf der freien Schicht 14 abgeschieden/aufgebracht wird. Dann wird eine natürliche Oxidation (NOX) ausgeführt, wodurch eine beträchtliche Anzahl von Mg-Atomen nichtoxidiert bleiben (nichtstöchiometrischer Oxidationszustand), indem die Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs reduziert wird und/oder die Reaktionszeit im Vergleich zu einem Standard-NOX-Prozess, in welchem eine Mg-Schicht in eine MgO-Schicht mit einem stöchiometrischen Oxidationszustand (im Wesentlichen ohne verbleibende nichtoxidierte Mg-Atome) umgewandelt wird, verkürzt wird. Es ist zu beachten, dass die Kanäle nicht notwendigerweise eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung oder eine gleichmäßige Breite in der x-Achsen- und der y-Achsenrichtung aufweisen, jedoch jeder der Kanäle eine obere Fläche der freien Schicht und eine untere Fläche der Hartmaske 16 im p-MTJ 2, welcher eine untere Spin-Ventilkonfiguration aufweist, kontaktiert.
Die vorliegende Offenbarung sieht auch vor, dass die Metallkanäle 15c ein anderes Metall als in der Metalloxidschicht 17a umfassen können. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, in welcher MgO als das Metalloxid ausgewählt worden ist, wird eine erste Mg-Schicht auf der freien Schicht 14 abgeschieden, gefolgt von der Abscheidung einer Edelmetallschicht (NM-Schicht) auf der ersten Mg-Schicht, und dann einer zweiten Mg-Schicht auf der NM-Schicht. Sämtliche Schichten werden vorzugsweise durch RF- oder DC-Sputtern mittels eines herkömmlichen Prozesses aufgebracht. In der Folge wird ein Oxidationsschritt ausgeführt, um einen wesentlichen Anteil der aufgebrachten Mg-Atome zu oxidieren, um eine MgO-Matrix zu erlangen, in welcher NM-Kanäle ausgebildet sind. Es ist zu beachten, dass ein weiteres M1-Metall oder eine weitere M1-Legierung das Mg in der ersten A-Schicht von 3a und während der Abscheidung der zweiten A-Schicht in 3b ersetzen kann.
Bezugnehmend auf 3a ist der erste Abscheidungsschritt einer NM-Schicht auf einer Metallschicht (A) gezeigt. Es versteht sich, dass während der Abscheidung von NM-Atomen auf der ersten A-Schicht (M1-Metall- oder M1-Legierungsschicht) eine bestimmte Anzahl der A-Atome entfernt (nachgesputtert) und zusammen mit den NM-Atomen abgeschieden/aufgebracht werden. In der Folge kann die untere Schicht SP1 eine Mehrzahl von NM-Atomen enthalten, und die zweite Schicht SP2 kann nach der NM-Abscheidung eine Mehrzahl von A-Atomen umfassen. Als nächstes kann in 3b während der Abscheidung einer zweiten A-Schicht eine Anzahl von NM-Atomen von der zweiten Schicht entfernt und zusammen mit A-Atomen in der dritten oder obersten Schicht SP3 abgeschieden/aufgebracht werden. Somit kann ein Stapel von NM-Atomen von der unteren, der zweiten und der obersten Schicht SP1 - SP3 einen ersten Kanal 15c1 bilden, und ein zweiter Stapel von NM-Atomen bildet einen zweiten leitfähigen Kanal 15c2. Um die Zeichnung zu vereinfachen sind nur zwei Kanäle gezeigt. Vorzugsweise wird jedoch eine Mehrzahl von mehr als zwei Kanälen durch die Abfolge der hierin beschriebenen Sputterabscheidungsschritte erzeugt. Es versteht sich auch, dass die Breite eines oder mehrerer Kanäle durch eine Mehrzahl von NM-Atomen in einer oder mehreren der Schichten SP1 - SP3 bestimmt werden kann.
Bezugnehmend auf 20 weist Mg oder das Mi-Metall bzw. die M1-Legierung eine größere negative Energie der Oxidbildung auf, als die Edelmetalle, und wird während des Oxidationsschritts, welcher nach der zuvor erwähnten Abscheidungsabfolge ausgeführt wird, selektiv oxidiert. Folglich stellt das NM-Metall, welches eines oder mehrere aus der Gruppe umfassend Ag, Au, Pt, Au, Pd, Ru, Rh, Ir, Os, Mo, Fe, oder dergleichen ist/sind, nach dem Oxidationsschritt eine Mehrzahl leitfähiger Kanäle 15c in der MgO-Matrix (oder Mi-Metall- oder M1-Legierungsmatrix) bereit, um elektrische Kurzschlusspfade durch die Oxidmatrix 17a im p-MTJ 2 bereitzustellen. Vorzugsweise kontaktiert eine große Mehrheit der Metallkanäle die Hartmaske 16 und die freie Schicht 14. Das Vorhandensein isolierter NM-Atome, welche die Oxidmatrix umgibt, senkt jedoch auch den spezifischen Widerstand innerhalb der Metalloxidschicht.
In einigen Ausführungsformen (nicht gezeigt) wird die erste Mg-Schicht (oder eine andere M1-Metall- oder M1-Legierungsschicht) oxidiert, bevor die NM-Schicht abgeschieden/aufgebracht wird, und dann wird die zweite Mg-Schicht (oder eine andere Mi-Metall- oder M1-Legierungsschicht) auf der NM-Schicht abgeschieden, bevor ein zweiter Oxidationsschritt folgt. Jeder der Abscheidungsschritte der NM-Schicht auf der MgO-Schicht und der zweiten Mg-Schicht auf der NM-Schicht kann Abschnitte der MgO- beziehungsweise der NM-Schicht nachsputtern, um nach der zweiten Oxidation NM-Kanäle in einer MgO-Matrix zu erlangen. In anderen Ausführungsformen werden das NM-Metall und Mg (oder ein anderes Mi-Metall oder eine andere Mi-Legierung, welche zum Bilden einer Metalloxidmatrix verwendet werden) von einem einzigen Sputtertarget oder von getrennten Sputtertargets im Sputterabscheidungswerkzeug gemeinsam gesputtert (zerstäubt), bevor ein Oxidationsschritt ausgeführt wird, um Mg-Atome in eine MgO-Matrix mit NM-Kanälen darin umzuwandeln. In noch einer weiteren Ausführungsform kann eine erste MgO-Schicht (A-Schicht in 3a) durch Sputtern auf die freie Schicht 14 abgeschieden werden, gefolgt von der Abscheidung der NM-Schicht, nach welcher eine zweite A-Schicht (MgO-Schicht) durch Sputtern auf die NM-Schicht abgeschieden/aufgebracht wird, um den Schichtenstapel SP1 - SP3 in 3b zu bilden. Während der Abscheidung der zweiten MgO-Schicht wird eine Anzahl von NM-Atomen in der SP2-Schicht effektiv nachgesputtert und dann zusammen mit der zweiten MgO-Schicht abgeschieden, um eine MgO-Matrix (Stapel von A-Atomen) mit einer Mehrzahl von NM-Kanälen darin, welche die Pfade 15c1, 15c2 umfassen, zu erzeugen.
Gemäß 4 wird eine zweite Ausführungsform (p-MTJ 3) abgebildet, in welcher leitfähige Pfade in einer Metalloxidschicht gebildet werden, um die freie Schicht 14 elektrisch mit einer Metallschicht in der Hartmaske 16 zu verbinden. Hier wird eine diskontinuierliche Schicht umfassend ein Mi-Metall oder eine Mi-Metalllegierung auf der freien Schicht zum Beispiel durch ein Niederdruck-PVD-Verfahren gebildet. Bereits zuvor offenbarten wir in US-Patent 8,981,505 ein PVD-Verfahren zum Abscheiden einer diskontinuierlichen Mg-Schicht mit einer Dicke von 1 bis 3 Angstrom auf einer freien Schicht. Hier ist das Mi-Metall oder die Mi-Legierung vorzugsweise eines der Materialien Mg, MgAl, MgTi, MgGa, Ti, AlTi, MgZn, MgZr, Al, Zn, Zr, Hf, SrTi, BaTi, CaTi, LaAl, V oder MgTa, wie zuvor in der ersten Ausführungsform beschrieben. Als nächstes wird eine natürliche Oxidation (NOX) oder dergleichen ausgeführt, um das Metall oder die Metalllegierung zu oxidieren, wodurch eine Mehrzahl von Metalloxidinseln 15i mit Räumen, welche einen Abschnitt der oberen Fläche der freien Schicht 14 freilegen, dazwischen bereitgestellt wird, wie in 5 gezeigt. Danach wird die Hartmaske, welche ein nichtmagnetisches leitfähiges Material ist, auf den Metalloxidinseln abgeschieden/aufgebracht und füllt die Räume derart, dass die Hartmaske freiliegende Flächen der freien Schicht kontaktiert. In einigen Ausführungsformen weist die Hartmaske eine Mehrzahl von Schichten (nicht gezeigt) auf, jedoch mindestens die unterste Schicht in dem Hartmaskenstapel füllt die Räume zwischen benachbarten Metalloxidinseln 15i.
Eine Draufsicht in 5, in welcher die Hartmaske und darüberliegende Schichten entfernt worden sind, zeigt, dass die Metalloxidinseln 15i unregelmäßige Formen aufweisen und vorzugsweise einen Großteil der oberen Fläche der freien Schicht 14 bedecken. Zu beachten ist, dass die PVD-Abscheidung von Mg-Inseln typischerweise zum Beispiel bei einer Temperatur zwischen der Raumtemperatur und 400 °C in der Reaktionskammer erfolgt. Insbesondere verringert eine Erhöhung der PVD-Temperatur die Flächenabdeckung der Mg-Inseln. Die Obergrenze für die PVD-Temperatur beträgt in diesem Fall jedoch üblicherweise 400 °C, um die thermische Stabilität der freien Schicht nicht negativ zu beeinflussen. Wir haben herausgefunden, dass die PVD-Abscheidung einer diskontinuierlichen Mg-Schicht vorzugsweise zwischen der Raumtemperatur und 350 °C vorgenommen wird, um die Haftung an der freien Schicht zu optimieren und Inseln auf der oberen Fläche der freien Schicht zu bilden. Mit anderen Worten kann die Mg-Abscheidungstemperatur dazu verwendet werden, die Flächenabdeckung und die Haftung der nachfolgend gebildeten MgO-Inseln zu kontrollieren, wodurch die Kontaktfläche zwischen MgO und der freien Schicht und das Ausmaß der senkrechten Grenzflächenanisotropie an der Grenzfläche zwischen MgO und der freien Schicht abgestimmt wird. Folglich stehen der Beitrag des Serienwiderstands der Deckschicht (MgO-Inseln) und die PMA der freien Schicht in direktem Zusammenhang mit dem Prozentanteil der oberen Fläche der freien Schicht, welcher in Kontakt mit den MgO-Inseln angeordnet ist, sowie dem Prozentanteil der oberen Fläche der freien Schicht, welcher in Kontakt mit der leitfähigen Hartmaske 16 angeordnet ist. Hier ist insofern ein Kompromiss erforderlich, dass eine höhere Metalloxidflächenabdeckung größere PMA bedeutet, jedoch zu Lasten eines höheren Serienwiderstands geht. Es versteht sich, dass der Oxidationszustand der MgO-Inseln verringert werden kann, um den Beitrag des Serienwiderstands der Metalloxiddeckschicht 15i weiter zu senken.
Der gesamte RA-Wert für den p-MTJ 3 ergibt sich durch einen Beitrag von jeder der Metalloxidschichten und wird dargestellt durch die Gleichung RA_TOTAL = (RA_barrier + RA_cap), in welcher RA_barrier und RA_cap das Produkt Widerstand x Fläche für die Tunnelbarriere 13 beziehungsweise die Metalloxidinseln 15i ist. Der RA-Wert ist abhängig von der Dicke und dem Oxidationszustand einer Oxidschicht. Somit kann der RA-Wert niedriger eingestellt werden, indem wenn möglich eine dünnere Schicht für die Tunnelbarriere und die Metalloxidinseln sowie ein geringerer Oxidationszustand in einer oder beiden der Metalloxidschichten verwendet wird. Typischerweise sind die vorgenannten Schichten bereits soweit verdünnt, wie es mit der derzeitigen Technologie möglich ist, ohne anderer Eigenschaften zu opfern. Ferner verringert zum Beispiel das Senken des Oxidationszustands von stöchiometrischem MgO zu nichtstöchiometrischem MgO in den Schichten 13, 15i wie erwünscht den RA-Wert, verringert jedoch zugleich ungewollt das Ausmaß der senkrechten Grenzflächenanisotropie an Grenzflächen mit der freien Schicht, wodurch die PMA in der freien Schicht 14 gesenkt wird. Somit stellt die vorliegende Offenbarung eine attraktive Alternative dar, in welcher eine Mehrzahl leitfähiger Metallkanäle in der Metalloxiddeckschicht hergestellt werden kann, um die PMA in der freien Schicht im Wesentlichen zu erhalten, während der RA_cap-Beitrag zum RA_TOTAL gesenkt wird.
In einer weiteren Ausführungsform, welche in 6 gezeigt ist, ist eine untere Spin-Ventilkonfiguration für p-MTJ 4 abgebildet, wobei eine optionale Impfschicht 11, eine Referenzschicht 12, eine Tunnelbarriereschicht 13, eine freie Schicht 14, eine Deckschicht mit einem Metalloxidmittelabschnitt 17c und leitfähigen Endabschnitten 15e und eine Hartmaske 16 nacheinander auf der unteren Elektrode 10 gebildet werden. Ein Schlüsselmerkmal besteht darin, dass der Metalloxidabschnitt der Deckschicht auf eine Mitte der Deckschicht zwischen den Seiten 17e begrenzt und durch leitfähige Endabschnitt, welche aus demselben M1-Metall/derselben Mi-Legierung hergestellt ist, wie im Mittelabschnitt, von der Seitenwand 4s getrennt ist. Das Mi-Metall oder die M1-Legierung ist vorzugsweise eines der Materialien Mg, MgAl, MgTi, MgGa, Ti, AlTi, MgZn, MgZr, Al, Zn, Zr, Hf, SrTi, BaTi, CaTi, LaAl, V oder MgTa. Leitfähige Endabschnitte weisen eine Breite w von ungefähr 1 bis 10 nm und dieselbe Dicke t wie der Mittelabschnitt auf. Mit anderen Worten sieht die vorliegende Offenbarung vor, dass eine gleichmäßige Metalloxiddeckschicht auf der freien Schicht abgeschieden werden kann, jedoch im in der Folge zu einem Metall oder in einen nichtstöchiometrischen Oxidationszustand aufweisend eine beträchtliche Anzahl von Metallatomen in leitfähigen Endabschnitten nahe der Seitenwand 4s reduziert wird.
Eine Folge von Schritten ist in 7 - 12 gemäß eines Prozessablaufs zum Bilden leitfähiger Endabschnitte 15e und eines mittleren Metalloxidabschnitts 17c in der Deckschicht des p-MTJ 4 abgebildet. Bezugnehmend auf 7 werden eine Impfschicht 11, eine Referenzschicht 12, eine Tunnelbarriere 13 und eine freie Schicht 14 nacheinander auf der unteren Elektrode 10 gebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Mi-Metall- oder Mi-Legierungsschicht 15, wie zum Beispiel Mg, auf der freien Schicht abgeschieden/aufgebracht und danach ein natürlicher Oxidationsschritt 30 ausgeführt, wobei für einen Zeitraum im Bereich von rund 5 Sekunden bis 5 Minuten Sauerstoff in die Reaktionskammer eingeleitet wird.
8 zeigt einen Zwischenschritt bei der Fertigung des p-MTJ 4 nachdem die Mg-Schicht durch den NOX-Prozess in eine MgO-Deckschicht 17 umgewandelt worden ist, eine Hartmaske 16 auf der MgO-Schicht gebildet worden ist und eine Fotolackschicht auf die Hartmaske aufgebracht und strukturiert worden ist, um eine Fotolackmaskenschicht 40 mit einer Seitenwand 40s zu erlangen. Die Breite d ist eine kritische Dimension in der y-Achsenrichtung für den nachfolgend gebildeten p-MTJ 4. Eine Längsabmessung in der x-Achsenrichtung ist nicht gezeigt, kann jedoch gleich oder größer als d sein, um in einer Draufsicht eine im Wesentlichen kreisförmige beziehungsweise ovale Form zu erlangen. Ein reaktiver Ionenätzungsschritt (RIE-Schritt) wird benutzt, um die Fotolackseitenwand durch die Hartmaske zu übertragen und dann an der oberen Fläche 17t der Deckschicht zu stoppen. In der Folge ist eine Seitenwand 4s am p-MTJ 4 teilweise als eine Fortführung der Seitenwand 40s gebildet, und die kritische Dimension d wird in der Hartmaske dupliziert. Die Fotolackmaskenschicht wird dann durch ein herkömmliches Verfahren abgetragen.
Gemäß einer Ausführungsform in 9 wird eine zweite RIE umfassend ein zweites Prozessgas umfassend eines oder mehrere der Materialien Methanol, CO, NH₃ und Ar oder ein anderes Edelgas, dazu verwendet, die Struktur in der Hartmaske 16 durch die Deckschicht 17 zu übertragen, und erweitert dadurch die Seitenwand 4s von der oberen Fläche 16t bis zur oberen Fläche der freien Schicht 14t.
Bezugnehmend auf 10 wird in einer Reaktionskammer eine Reduktionsbehandlung 31 mit Formiergas oder Wasserstoff dazu benutzt, Abschnitte der Deckschicht nahe der Seitenwand 4s zu reduzieren, wodurch Endabschnitte 15e umfassend Mg gebildet werden. In einigen Ausführungsformen wird im Wesentlichen das gesamte MgO in der Nähe der p-MTJ-Seitenwand in der Deckschicht 17 zu Mg reduziert. In anderen Ausführungsform wird eine beträchtliche Menge des MgO in Mg umgewandelt, sodass eine Mehrzahl leitfähiger Pfade in Endabschnitten der Deckschicht geschaffen werden. Es ist zu beachten, dass sich in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der horizontalen Diffusion des Formiergases oder H2 durch die Deckschicht und den Reaktionsbedingungen hinsichtlich Zeit und Druck mit zunehmendem Abstand von der Seitenwand 4s eine niedrigere Konzentration von Mg-Atomen bilden kann. Die vorliegenden Offenbarung sieht vor, dass andere im Fachgebiet bekannte Reduktionsgase oder Reduktionsmittel anstelle von Formiergas oder Wasserstoff verwendet werden können. Zum Beispiel kann ein Plasma, welches eine reaktive Spezies umfassend eines oder mehrere der Materialien Wasserstoffradikal (H·), H+, OH- oder ein Hydroxylradikal (OH·) umfassen kann, und welches während des zweiten RIE-Schritts mit MeOH und Ar in der Reaktionskammer erzeugt wird, als das Reduktionsmittel während der Bildung der Seitenwand 4s entlang der Deckschicht 17 und während eines nachfolgenden Ätzschritts, welcher die Seitenwand bis zur oberen Fläche 10t des Substrats erweitert, dienen. Alternativ dazu kann die reaktive Spezies eines oder mehrere der Materialien CO, C oder CH₃, oder en C-H-Radikal (CH·, CH₂·, CH₃·, CH₄·), umfassen.
Bezugnehmend auf 11 wird ein dritter Ätzschritt ausgeführt, nachdem Endabschnitte 15e in der Deckschicht gebildet worden sind, wobei es sich um eine RIE mit MeOH und Ar handeln kann. Der dritte Ätzschritt überträgt die Struktur mit der kritischen Dimension d durch die freie Schicht, die Tunnelbarriereschicht 13, die Referenzschicht 12 und die Impfschicht 11, und stoppt an der oberen Fläche 10t der unteren Elektrode 10. In der Folge ist die Seitenwand 4s eine kontinuierliche Fläche von der oberen Fläche der Hartmaske 16t bis zur oberen Fläche der unteren Elektrode 10t. Obwohl der Seitenwandwinkel α in den beispielhaften Ausführungsformen als vertikal gezeigt ist, kann der Winkel α in anderen Ausführungsformen, in welchen die Breite der Impfschicht 11 größer ist als die Breite der Hartmaske 16, größer als 90° sein. Ein optionalen Sputter-Reinigungsschritt umfassend eine Ionenstrahlätzung (IBE) mit Ar kann dazu benutzt werden, vor dem Übergang zum nächsten Schritt jegliche Rückstände von der Seitenwand 4s zu entfernen.
Bezugnehmend auf 12 wird eine Umhüllungsschicht 19 auf der oberen Fläche der unteren Elektrode 10t und der angrenzenden Seitenwand 4s abgeschieden/aufgebracht, um die Zwischenräume zwischen p-MTJ 4 und benachbarten p-MTJs zu füllen. Dann kann ein chemisch-mechanischer Polierschritt (CMP-Schritt) dazu verwendet werden, eine obere Fläche 19t auf der Umhüllungsschicht zu bilden, welche mit der oberen Fläche 16t der Hartmaske komplanar ist. Danach wird eine obere Elektrodenschicht umfassend die obere Elektrode 20 auf der oberen Fläche der Hartmaske durch ein herkömmliches Verfahren gebildet. Es ist zu beachten, dass die Umhüllungsschicht Sauerstoff von Endabschnitten 15e der Deckschicht in Ausführungsformen absorbieren kann, in welchen sich die Endabschnitte in einem unteroxidierten Zustand befinden und während der vorherigen Exposition gegenüber einem Reduktionsmittel nicht vollständig in ein Metall oder eine Legierung umgewandelt worden sind, und insbesondere, wenn während oder nach dem Umhüllungsprozess zum Zwecke eines Temperns eine erhöhte Temperatur von bis zu 400 °C angewandt wird. In einigen Ausführungsformen umfasst die Umhüllungsschicht ein stark reduzierendes Metall, wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, Ta, Al, Mg, Ti, Hf, La, Y, Zr, Fe und B.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform zum Bilden von Endabschnitten 15e auf jeder der Seiten des mittleren Metalloxidabschnitts 17c der Deckschicht, welche in 13 - 15 dargestellt ist, beginnt der Reduktionsprozess mit der in 9 gezeigten Zwischenstruktur des p-MTJ und umfasst die Abscheidung einer Metallschicht 18 auf der oberen Fläche 16t und auf Seitenwänden 4s, nachdem der anfängliche Ätzschritt auf der oberen Fläche 14t der freien Schicht gestoppt worden ist. Vorzugsweise stellt die Abscheidung eine konforme Metallschicht mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Dicke bereit. Das Metall kann ein Reduktionsmittel sein, ist leitfähig, und umfasst vorzugsweise eines der Materialien Ta, Al, Mg, Ti, Hf, La, Y, Zr, Fe und B, und dient ferner als eine wirksame Maskenschicht während einer nachfolgenden Ätzung, welche die Seitenwand 4s' durch darunterliegende Schichten überträgt. Bezugnehmend auf 14 erweitert zum Beispiel eine RIE mit MeOH und Ar die Seitenwand 4s' durch die freie Schicht 14, die Tunnelbarriere 13, die Referenzschicht 12 und die Impfschicht 11, und stoppt an der oberen Fläche 10t. Die kritische Dimension d1 ist größer als d in der vorherigen Ausführungsform. Da das RIE-Plasma typischerweise im Wesentlichen orthogonal zum Substrat ausgerichtet ist, wird auch die freiliegende obere Fläche 18t1 über der oberen Fläche 14t entfernt, aber ein beträchtlicher Abschnitt der Metallschicht 18 verbleibt an der Seitenwand 4s entlang der Hartmaske 16 und der Metalloxiddeckschicht 17. In einigen Ausführungsformen wird auch der Abschnitt der Metallschicht mit der oberen Fläche 18t über der Hartmaske durch den RIE-Schritt entfernt.
Die Metallschicht dient als eine Umhüllungsschicht für die Hartmaske und die Metalloxiddeckschicht.
15 zeigt p-MTJ 4 nachdem die Umhüllungsschicht 19 auf den Seitenwänden 4s' gebildet worden ist, um die Öffnungen zwischen dem p-MTJ 4 und benachbarten p-MTJ zu füllen, und ein CMP-Prozess wird dazu benutzt, eine obere Fläche 19t auf der Umhüllungsschicht zu bilden, welche mit der oberen Fläche 18t der Metallschicht 18 und mit der oberen Fläche 16t der Hartmaske 16 komplanar ist. Die vorliegenden Offenbarung sieht vor, dass eine Festkörperreaktion zwischen dem reduzierenden Metall in der Metallschicht 18 und der Metalloxidschicht 17 eintritt, wobei Sauerstoff aus Metalloxidendabschnitten in die Metallschicht absorbiert wird, wodurch Endabschnitte 15e gebildet werden, welche einen im Vergleich zum ursprünglichen Oxidationszustand in der Deckschicht wesentlich reduzierten Oxidationszustand aufweisen. Die Festkörperreaktion kann während der Abscheidung der Metallschicht und während irgendeines Prozessschritts danach eintreten, umfassend das Tempern des p-MTJ 4 nach dem Bilden der Seitenwand 4s' entlang des gesamten Schichtenstapels oder während der Bildung der Umhüllungsschicht 19. Das Tempern kann während der Umhüllung erfolgen, wobei die Reaktionstemperatur nahe 400 °C sein kann, um die Festkörperreaktion rascher voranzutreiben. In Ausführungsformen, in welchen die Metallumhüllungsschicht 18 keinen Sauerstoff von der Metalloxidschicht 17 absorbiert, stellt die Umhüllungsschicht 18 den leitfähigen Kanal, welcher erforderlich ist, um einen elektrischen Kurzschluss der Metalloxidschicht 17 zu bewirken, bereit.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch eine Ausführungsform, in welcher der in 7 - 12 (oder in 13 - 15) gezeigte Reduktionsprozess auf eine Metalloxidschicht angewendet werden kann, welche bereits eine Mehrzahl darin gebildeter leitfähiger Kanäle aufweist. Zum Beispiel kann eine Metalloxidschicht 17 im p-MTJ-Schichtenstapel durch die Metalloxidschicht 17a mit einer Mehrzahl leitfähiger Kanäle 15c ersetzt werden, um den p-MTJ-Schichtenstapel in 16 bereitzustellen.
Wie in 17 gezeigt, folgen danach die Prozessschritte, welche in 8 - 11 dargestellt sind, um einen p-MTJ 4', welcher die Seitenwand 4x aufweiset, zu erlangen. Insbesondere weist der p-MTJ einen Metalloxidmittelabschnitt 17c' auf, welcher leitfähige Kanäle 15c darin aufweist, und der Mittelabschnitt ist von der Seitenwand durch Endabschnitte 15e mit einem Oxidationszustand, welcher im Wesentlichen geringer ist als der Oxidationszustand im Metalloxidmittelabschnitt, getrennt. In einigen Ausführungsformen sind die Endabschnitte wirksame leitfähige Kanäle des ersten Metalls oder der ersten Legierung M1 in der Metalloxidschicht 17c, während die leitfähigen Kanäle 15c ein zweites Metall umfassen, welches eines der zuvor beschriebenen Edelmetalle (NM) ist, sodass das erste Metall oder die erste Legierung eine Zusammensetzung aufweist, welche sich vom zweiten Metall unterscheidet.
In 18 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung abgebildet, welche sämtliche der Schichten von der ersten Ausführungsform in 2 beibehält, abgesehen davon, dass die Reihenfolge der Schichten unterschiedlich ist. Es ist eine obere Spin-Ventilkonfiguration für p-MTJ 5 gezeigt, wobei die Impfschicht 11, die Metalloxidschicht 17a mit darin gebildeten Metallkanälen 15c, die freie Schicht 14, die Tunnelbarriere 13, die Referenzschicht 12 und die Hartmaske 16 nacheinander auf der unteren Elektrode 10 gebildet werden. Metallkanäle erstrecken sich von einer oberen Fläche der Impfschicht bis zu einer unteren Fläche der freien Schicht. Wie zuvor erwähnt, können die Metallkanäle 15c dasselbe Metall oder dieselbe Legierung umfassen, wie in der Metalloxidschicht, oder können eine/s der zuvor beschriebenen Edelmetalle oder Legierungen sein. Ein Schlüsselmerkmal besteht darin, dass in der Metalloxidschicht elektrische Kurzschlusspfade 15c bereitgestellt sind, um den parasitären Widerstandsbeitrag der Metalloxidschicht 17a zum RA_TOTAL für den p-MTJ zu verringern. Die Metalloxidschicht bezieht sich hier auf eine Hk-verbessernde Schicht anstatt auf eine Deckschicht, da sich die PMA in der freien Schicht aufgrund der senkrechten Grenzflächenanisotropie, welche an der Grenzfläche der unteren Fläche der freien Schicht mit der darunterliegenden Metalloxidschicht erzeugt wird, erhöht.
In einer weiteren oberen Spin-Ventilausführungsform, welche in 19 gezeigt ist, ist die untere Spin-Ventilkonfiguration aus 6 modifiziert worden, indem sämtliche der p-MTJ-Schichten erhalten worden sind, aber die Reihenfolge der Abscheidung verändert worden ist, um einen p-MTJ 6 zu erlangen, wobei die Impfschicht 11, die Metalloxidschicht 17c mit Endabschnitten 15e, die freie Schicht 14, die Tunnelbarriere 13, die Referenzschicht 12 und die Hartmaske 16 nacheinander auf der unteren Elektrode 10 gebildet werden. Die Metalloxidschicht 17c wird als eine Hk-verbessernde Schicht betrachtet, da sie keine Deckschicht über der freien Schicht mehr ist. Endabschnitte 15e umfassen dasselbe Metall oder dieselbe Metalllegierung, wie in der Metalloxidschicht und stellen leitfähige Kanäle rund um eine mittleren Metalloxidabschnitt 17c bereit. Wie zuvor beschrieben werden die Endabschnitte durch die Exposition einer einheitlichen Metalloxidschicht gegenüber einem Reduktionsmittel oder einer reduzierenden Spezies, welche die Form einer Metallschicht (nicht gezeigt) aufgebracht auf der Seite einer geätzten Metalloxidschicht aufweisen kann, oder durch Ausführen eines Reduktionsprozesses mit Formiergas oder H2 oder mit einem oder beiden der zuvor beschriebenen Radikalen und Ionen, reduziert.
Sämtliche der hierin beschriebenen Ausführungsformen können in ein Fertigungsschema mit Standardwerkzeugen und -prozessen aufgenommen werden. RA_TOTAL für p-MTJ-Nanosäulen ist beträchtlich verringert, während DRR und die thermische Stabilität der freien Schicht im Wesentlichen aufrechterhalten bleiben, was einen Vorteil bei der Umsetzung von 64-MB- und 256-MB-STT-MRAM-Technologie sowie ähnlichen Spintronic-Vorrichtungen darstellt, in welchen sowohl der Schaltstrom als auch der RA-Wert, DRR und die thermische Stabilität kritische Parameter sind.
Obwohl die vorliegende Offenbarung insbesondere in Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform derselben gezeigt und beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass verschiedenste Änderungen von Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8981505 [0001, 0029]
US 9006704 [0001, 0016]
US 9230571 [0001, 0016]

Claims

Magnetelement in einer Speichervorrichtung, aufweisend: (a) eine Tunnelbarriereschicht, welche eine erste Metalloxidschicht gebildet zwischen einer Referenzschicht und einer freien Schicht ist; (b) eine zweite Metalloxidschicht umfassend ein Metall oder eine Legierung M1 und in Kontakt mit einer zweiten Fläche der freien Schicht, welche in Bezug auf die erste Fläche der freien Schicht, welche die Tunnelbarriereschicht kontaktiert, gegenüber angeordnet ist, und aufweisend eine Mehrzahl leitfähiger Pfade darin, welche sich von einer oberen Fläche zu einer unteren Fläche der zweiten Metalloxidschicht erstrecken und welche einen spezifischen Widerstand der zweiten Metalloxidschicht erheblich verringern; und (c) die freie Schicht (FL), in welcher der Kontakt der ersten und der zweiten Flächen der freien Schicht mit der Tunnelbarriere beziehungsweise der zweiten Metalloxidschicht senkrechte Grenzflächenanisotropie erzeugen, welche in einer senkrechten magnetischen Anisotropie (PMA) in der freien Schicht resultiert.
Magnetelement nach Anspruch 1, wobei das Metall oder die Legierung M1 eines der Materialien Mg, MgAl, MgTi, MgGa, Ti, AlTi, MgZn, MgZr, Al, Zn, Zr, Hf, SrTi, BaTi, CaTi, LaAl, V oder MgTa ist.
Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl leitfähiger Pfade das Metall oder die Legierung M1 umfasst.
Magnetelement nach Anspruch 1 wobei die Mehrzahl leitfähiger Pfade aus einem oder mehreren der Materialien Ag, Au, Pt, Au, Pd, Ru, Rh, Ir, Mo, Fe und Os hergestellt ist.
Magnetelement nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine oberste Schicht, welche eine Hartmaske gebildet auf der zweiten Metalloxidschicht ist, und eine Impfschicht mit einer unteren Fläche, welche eine untere Elektrode kontaktiert, und einer oberen Fläche, welche an die Referenzschicht angrenzt.
Magnetelement nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine oberste Schicht, welche eine Hartmaske gebildet auf der Referenzschicht ist, und eine Impfschicht mit einer unteren Fläche, welche eine untere Elektrode kontaktiert, und einer oberen Fläche, welche an zweite Metalloxidschicht angrenzt.
Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die Speichervorrichtung ein Magnetdirektzugriffsspeicher (MRAM), ein Spin-Torque-MRAM (STT-MRAM), ein Sensor, ein Biosensor oder ein Spin-Torque-Oszillator ist.
Magnetelement in einer Speichervorrichtung, aufweisend: (a) eine Tunnelbarriereschicht, welche eine erste Metalloxidschicht gebildet auf einer Referenzschicht ist; (b) eine freie Schicht mit einer oberen Fläche und gebildet auf der Tunnelbarriereschicht; (c) eine diskontinuierliche zweite Metalloxidschicht aufweisend eine Mehrzahl von Inseln auf der oberen Fläche der freien Schicht und mit Öffnungen zwischen benachbarten Inseln; und (d) eine nichtmagnetische Hartmaskenschicht gebildet auf der diskontinuierlichen zweiten Metalloxidschicht und auf Abschnitten der oberen Fläche der freien Schicht, welche durch die Öffnungen freigelegt sind.
Magnetelement nach Anspruch 8, wobei die zweite Metalloxidschicht MgO, AlOx, MgAlOx, MgTiOx, TiOx, AlTiOx, MgZnO, ZnO, ZrOx, HfOx oder MgTaO umfasst.
Magnetelement nach Patentanspruch 1, wobei die Hartmaskenschicht aus Ta, Ru, TaN, Ti, TiN oder W hergestellt ist, oder ein elektrisch leitfähiges Oxid ist, welches eines oder mehrere der Materialien RuOx, ReOx, IrOx, MnOx, MoOx, TiOx und FeOx umfasst.
Magnetelement in einer Speichervorrichtung, aufweisend: (a) eine Tunnelbarriereschicht, welche eine erste Metalloxidschicht gebildet zwischen einer Referenzschicht und ersten Fläche einer freien Schicht ist; (b) eine Deckschicht gebildet auf einer zweiten Fläche der freien Schicht, aufweisend (1) einen Mittelabschnitt, welcher eine zweite Metalloxidschicht mit einem ersten Oxidationszustand ist und ein Metall oder eine Legierung M1 umfasst, wobei die zweite Metalloxidschicht eine erste Dicke und zwei Seiten, welche orthogonal auf die zweite Fläche ausgerichtet sind, aufweist; und (2) zwei leitfähige Endabschnitte mit der ersten Dicke, welche an die zwei Seiten des Mittelabschnitts angrenzen, und wobei die zwei leitfähigen Endabschnitte das Metall oder die Legierung M1 umfassen oder das Metall oder die Legierung M1 sind, mit einem Oxidationszustand, welcher im deutlich geringer ist als der erste Oxidationszustand, wodurch ein elektrischer Kurzschlusspfad aufweisend eine erste Breite zwischen jeder der Seiten des Mittelabschnitts und einer Seitenwand des Magnetelements gebildet wird; und (c) die freie Schicht, wobei der Kontakt der ersten und der zweiten Fläche der freien Schicht mit der Tunnelbarriere beziehungsweise der zweiten Metalloxidschicht senkrechte Grenzflächenanisotropie erzeugen, welche in einer senkrechten magnetischen Anisotropie (PMA) in der freien Schicht resultiert.
Magnetelement nach Anspruch 11, wobei das Metall oder die Legierung M1 eines der Materialien Mg, MgAl, MgTi, MgGa, Ti, AlTi, MgZn, MgZr, Al, Zn, Zr, Hf, SrTi, BaTi, CaTi, LaAl, V oder MgTa ist.
Magnetelement nach Anspruch 11, ferner aufweisend eine oberste Schicht, welche eine Hartmaske gebildet auf der zweiten Metalloxidschicht und zwei leitfähigen Endabschnitten ist, und eine Impfschicht mit einer unteren Fläche, welche eine untere Elektrode kontaktiert, und einer oberen Fläche, welche an die Referenzschicht angrenzt.
Magnetelement nach Anspruch 11, ferner aufweisend eine oberste Schicht, welche eine Hartmaske gebildet auf der Referenzschicht ist, und eine Impfschicht mit einer unteren Fläche, welche eine untere Elektrode kontaktiert, und einer oberen Fläche, welche an die zweite Metalloxidschicht und zwei leitfähige Endabschnitte angrenzt.
Magnetelement nach Anspruch 11, wobei die zweite Metalloxidschicht ferner leitfähige Pfade aufweist, welche sich von einer oberen Fläche zu einer unteren Fläche der zweiten Metalloxidschicht erstrecken.
Magnetelement nach Anspruch 15, wobei die leitfähigen Pfade aus einem Edelmetall hergestellt sind, welches eines aus der Gruppe umfassend Ag, Au, Pt, Au, Pd, Ru, Rh, Ir, Mo, Fe und Os ist, und wobei sich das Edelmetall vom Metall oder der Legierung M1 unterscheidet.
Verfahren zum Bilden eines Magnetelements, umfassend: (a) Bereitstellen einer freien Schicht aufweisend eine obere Fläche und mit einer unteren Fläche, welche eine Tunnelbarriereschicht kontaktiert; (b) Bilden einer Metalloxidschicht umfassend ein Metall oder eine Legierung (M1) auf der oberen Fläche der freien Schicht, wobei die Metalloxidschicht eine Mehrzahl leitfähiger Kanäle aufweist, welche sich von einer oberen Fläche zu einer unteren Fläche derselben erstrecken, um leitfähige Pfade von der freien Schicht durch die Metalloxidschicht zu ermöglichen, und wobei durch den Kontakt mit der Tunnelbarriereschicht und der Metalloxidschicht senkrechte magnetische Anisotropie in der freien Schicht aufgebaut wird; und (c) Abscheiden einer leitfähigen nichtmagnetischen Schicht auf der Metalloxidschicht, wobei die leitfähige nichtmagnetische Schicht eine Hartmaskenschicht im Magnetelement ist und die Mehrzahl leitfähiger Kanäle kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Metalloxidschicht durch erstes Abscheiden einer Schicht eines Metalls oder einer Legierung (M1) auf der oberen Fläche der freien Schicht gebildet wird, bevor eine Oxidation derart ausgeführt wird, dass eine beträchtliche Anzahl von Atomen des Metalls oder der Legierung (M1) nicht oxidiert werden und die Mehrzahl leitfähiger Kanäle bilden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Metalloxidschicht und die Mehrzahl leitfähiger Kanäle durch einen Prozessablauf gebildet werden, welcher umfasst: (a) Abscheiden einer ersten Metall- oder Legierungsschicht (M1-Schicht) auf der oberen Fläche der freien Schicht; (b) Abscheiden einer nichtmagnetischen Schicht (NM) auf der ersten M1-Schicht, sodass eine Anzahl von Mi-Atomen nachgesputtert werden, um eine erste Teilschicht mit Mi- und NM-Atomen auf der freien Schicht und eine zweite Teilschicht umfassend Mi- und NM-Atome auf der ersten Teilschicht zu bilden; (c) Abscheiden einer zweiten M1-Schicht auf der zweiten Teilschicht, sodass eine Anzahl von NM-Atomen in der zweiten Teilschicht nachgesputtert werden, um eine dritte Teilschicht mit Mi- und NM-Atmen auf der zweiten Teilschicht zu bilden; und (d) Ausführen einer Oxidation, sodass eine beträchtliche Anzahl der Mi-Atome in der ersten, der zweiten und der dritten Teilschicht oxidiert werden, um die Metalloxidschicht zu bilden, und die NM-Atome nicht oxidiert werden, wodurch sie die Mehrzahl leitfähiger Kanäle bilden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Metall oder die Legierung M1 eines der Materialien MgAl, MgTi, MgGa, Ti, AlTi, MgZn, Al, Zn, Zr, Hf, SrTi, BaTi, CaTi, LaAl, V oder MgTa ist und die Mehrzahl leitfähiger Kanäle das Metall oder die Legierung M1 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Metall oder die Legierung M1 eines der Materialien Mg, Ti, AlTi, MgZn, Al, Zn, Zr, Hf oder MgTa ist und die NM-Atome in der Mehrzahl leitfähiger Kanäle eines oder mehrere der Materialien Ag, Au, Pt, Au, Pd, Ru, Rh, Ir, Mo, Fe und Os umfassen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Oxidation ein natürlicher Oxidationsprozess ist, welcher in einer Reaktionskammer ausgeführt wird und während eines Zeitraums von ungefähr 5 Sekunden bis 5 Minuten eine Sauerstoffströmungsgeschwindigkeit umfasst.
Verfahren zum Bilden eines Magnetelements, umfassend: (a) Bereitstellen einer freien Schicht aufweisend eine obere Fläche und mit einer unteren Fläche, welche eine Tunnelbarriereschicht kontaktiert; (b) Abscheiden einer diskontinuierlichen Metall- oder Legierungsschicht (M1-Schicht) aufweisend eine Mehrzahl von Inseln, welche einen wesentlichen Abschnitt der oberen Fläche der freien Schicht kontaktieren; (c) Ausführen einer Oxidation, sodass die Metall- oder Legierungsschicht (M1-Schicht) zu einer Metalloxidschicht oxidiert wird, welche einen stöchiometrischen oder einen nichtstöchiometrischen Oxidationszustand aufweist, und wobei die Mehrzahl von Inseln durch Öffnungen, welche einen Abschnitt der oberen Fläche der freien Schicht freilegen, getrennt sind; und (d) Abscheiden einer leitfähigen nichtmagnetischen Schicht auf der Metalloxidschicht und auf dem freiliegenden Abschnitt der oberen Fläche der freien Schicht, wobei die leitfähige nichtmagnetische Schicht eine Mehrzahl leitfähiger Kanäle durch die Metalloxidschicht bildet, und die Metalloxidschicht senkrechte magnetische Anisotropie in der freien Schicht erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Metall oder die Legierung M1 eines der Materialien MgAl, MgTi, MgGa, Ti, AlTi, MgZn, Al, Zn, Zr, Hf, SrTi, BaTi, CaTi, LaAl, V oder MgTa ist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die leitfähige nichtmagnetische Schicht aus Ta, Ru, TaN, Ti, TiN oder W hergestellt ist, oder ein elektrisch leitfähiges Oxid ist, welches eines oder mehrere der Materialien RuOx, ReOx, IrOx, MnOx, MoOx, TiOx und FeOx umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die diskontinuierliche Metall- oder Legierungsschicht (M1-Schicht) durch einen physikalischen Aufdampfungsprozess aufweisend eine Temperatur zwischen der Raumtemperatur und 350 °C abgeschieden wird.
Verfahren zum Bilden eines Magnetelements, umfassend: (a) Formen einer Referenzschicht, einer Tunnelbarriereschicht, einer freien Schicht, einer Deckschicht, welche eine Metalloxidschicht ist, und einer Hartmaskenschicht nacheinander auf einem Substrat; (b) Ausführen eines erste Ätzprozesses zum Bilden einer Seitenwand auf der Hartmaskenschicht und auf der Deckschicht, welche einen ersten Oxidationszustand aufweist; (c) Auftragen eines Reduktionsmittels, sodass Endabschnitte der Deckschicht zu einem Metall oder einer Legierung oder in einen nichtstöchiometrischen Oxidationszustand reduziert werden, welcher im Wesentlichen weniger Sauerstoffgehalt aufweist, als der erste Oxidationszustand in einem mittleren Metalloxidabschnitt der Deckschicht; und (d) Ausführen eines zweiten Ätzprozesses zum Erzeugen einer Seitenwand auf der freien Schicht, der Tunnelbarriereschicht und der Referenzschicht.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Metalloxidschicht MgO, AlOx, MgTiOx, MgAlOx, TiOx, AlTiOx, MgZnO, AlOx, ZnO, ZrOx, HfOx oder MgTaO umfasst.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Auftragen des Reduktionsmittels das Ausführen eines Reduktionsprozesses umfasst, wobei Formiergas, Wasserstoff oder eine reaktive Spezies , welche eines oder mehrere der Materialien Wasserstoffradikal (H·), H+, OH-, ein Radikal von CO, C oder CH₃, oder ein C-H-Radikal (CH·, CH₂·, CH₃·, CH₄·) oder ein Hydroxylradikal (OH·) auf die Seitenwand der Deckschicht aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Auftragen des Reduktionsmittels das Abscheiden einer reduzierenden Metallschicht auf der Hartmaske und auf der Seitenwand der Hartmaske und der Deckschicht umfasst, wobei die reduzierende Metallschicht Sauerstoff von den Endabschnitten der Deckschicht absorbiert.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei die zweite Ätzung eine Seitenwand auf der freien Schicht, der Tunnelbarriereschicht und der Referenzschicht bildet, welche eine kontinuierliche Fläche mit der Seitenwand an der Hartmaske und der Deckschicht bildet.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die zweite Ätzung eine Seitenwand auf der freien Schicht, der Tunnelbarriereschicht und der Referenzschicht bildet, welche eine kontinuierliche Fläche mit einer Seitenwand an der reduzierenden Metallschicht bildet.