TW201947793A - 半導體裝置 - Google Patents

Abstract

在此提供一種半導體裝置，包括半導體基板，自由磁性元件位於半導體基板上，自由磁性元件具有以域壁分隔之第一和第二磁域。第一磁體位於基板上靠近自由磁性元件的第一端部，並且具有第一極性和第一矯頑磁力值。第二磁體位於基板上靠近自由的磁性元件的第二端部，並且具有相對於第一極性反向平行的第二極性，和不同於第一矯頑磁力值的第二矯頑磁力值。

Description

半導體裝置

本揭示內容係關於自旋電子記憶體裝置。

自旋電子記憶體裝置已被提出作為人工神經網絡體系結構中的組件。

一種半導體裝置，包含：半導體基板、自由磁性元件、第一磁體、以及第二磁體。自由磁性元件位在半導體基板上。第一磁體位在半導體基板上相鄰於自由磁性元件的第一端部，並具有第一極性和第一矯頑磁力值。第二磁體位在半導體基板上相鄰於自由磁性元件的第二端部，並具有第二極性，其反向平行於第一極性，且第二磁體具有第二矯頑磁力值，其不同於第一矯頑磁力值，第一和該第二磁體被定位且用以在半導體裝置的操作期間，穩定化在自由磁體內的域壁。

100‧‧‧磁性穿隧接面

102‧‧‧鐵磁體

104‧‧‧鐵磁體

106‧‧‧穿隧阻障

108‧‧‧端子

110‧‧‧端子

200‧‧‧自旋電子記憶體裝置

202‧‧‧寫入層

204‧‧‧鐵磁性自由層

206‧‧‧釘紮鐵磁體

208‧‧‧釘紮鐵磁體

210‧‧‧域壁

212‧‧‧端子

400‧‧‧自旋電子記憶體裝置

402‧‧‧釘紮鐵磁體

404‧‧‧釘紮鐵磁體

406‧‧‧釘紮鐵磁體

500‧‧‧方法

502‧‧‧步驟

504‧‧‧步驟

506‧‧‧步驟

520‧‧‧記憶體裝置

522‧‧‧釘紮鐵磁體

524‧‧‧釘紮鐵磁體

526‧‧‧釘紮鐵磁體

528‧‧‧鐵磁性自由層

530‧‧‧穿隧阻障層

540‧‧‧半導體裝置

542‧‧‧基板

543‧‧‧通孔

544‧‧‧通孔

545‧‧‧通孔

546‧‧‧互連層

548‧‧‧重金屬層

550‧‧‧CoFeB磁性材料層

552‧‧‧MgO層

554‧‧‧CoFeB磁性材料層

556‧‧‧合成反鐵磁性材料層

558‧‧‧覆蓋層

560‧‧‧電極層

562‧‧‧介電層

564‧‧‧開口

566‧‧‧開口

568‧‧‧導電材料層

570‧‧‧通孔

572‧‧‧通孔

574‧‧‧互連

600‧‧‧方法

602‧‧‧步驟

604‧‧‧步驟

606‧‧‧步驟

608‧‧‧步驟

610‧‧‧步驟

612‧‧‧步驟

614‧‧‧步驟

620‧‧‧半導體裝置

640‧‧‧半導體裝置

642‧‧‧鐵磁體

644‧‧‧鐵磁體

646‧‧‧自由鐵磁性條

672‧‧‧CoFeB層

674‧‧‧覆蓋層

FD₁‧‧‧磁通密度

FD₂‧‧‧磁通密度

FM_1A‧‧‧磁力

FM_1B‧‧‧磁力

FM_1C‧‧‧磁力

FM_2A‧‧‧磁力

FM_2B‧‧‧磁力

FM_2C‧‧‧磁力

H_C1‧‧‧矯頑磁力

H_C2‧‧‧矯頑磁力

M_R1‧‧‧剩餘磁性

M_R2‧‧‧剩餘磁性

R₁‧‧‧電阻器

R₂‧‧‧電阻器

S₁‧‧‧磁滯迴線圈

S₂‧‧‧磁滯迴線圈

S_1A‧‧‧初始磁化曲線

S_2A‧‧‧初始磁化曲線

X‧‧‧座標軸

Y‧‧‧座標軸

Z‧‧‧座標軸

本揭示內容的各方面，可由以下的詳細描述並 與所附圖式一起閱讀，得到最佳的理解。值得注意的是，根據產業界的標準慣例，各個特徵並未按比例繪製。事實上，為了清楚地討論起見，各個特徵的尺寸可能任意地增加或減小。

第1A圖是磁性穿隧接面(MTJ)的側視圖。

第1B圖是第1A圖之磁性穿隧接面的等效電路示意圖。

第2A圖為一側視圖，顯示自旋電子記憶體裝置。

第2B圖為第2A圖的自旋電子記憶體裝置的等效電路示意圖。

第3圖顯示在振盪磁場中第一和第二磁性樣品的磁化與磁場強度之曲線。

第4圖為根據一實施方式，自旋電子記憶體裝置之側視圖。

第5圖為根據一實施方式之簡單流程圖，概述磁化第一和第二鐵磁體的方法。

第6圖為曲線圖，顯示在第5圖的製程之步驟期間，第一和第二鐵磁體的磁反應。

第7圖為顯示相對於測試樣品的直徑繪製的矯頑磁力值的圖表。

第8圖為根據另一實施方式，自旋電子記憶體裝置的側視圖。

第9圖為根據一實施方式，第8圖的記憶體裝置的示意性平面俯視圖，顯示記憶體裝置之元件的形狀和佈置。

第10圖為根據一替代的實施方式，第8圖的記憶體裝置的示意性平面俯視圖。

第11圖至第13圖為根據一實施方式，製造過程中各個階段之半導體裝置的側視圖，半導體裝置包括自旋電子記憶體裝置，其類似於第8圖的記憶體裝置。

第14圖為根據一實施方式，概述製造方法的流程圖。

第15圖為根據一實施方式，相應於第13圖所示的製造製程之階段的半導體裝置的側視圖，半導體裝置包括自旋電子記憶體裝置，其類似於第8圖的記憶體裝置。

第16圖為根據一實施方式，相應於第13圖所示的製造製程之階段的半導體裝置的側視圖，半導體裝置包括自旋電子記憶體裝置，其類似於第8圖的記憶體裝置。

第17圖為根據一實施方式，第16圖的半導體裝置在相同階段的平面俯視圖。

之後的揭示內容提供了許多不同的實施方式、或實施例，以實現所提供的標的之不同的特徵。以下描述組件和配置的具體實施例，以簡化本揭示內容。這些當然僅是實施例，並不意圖限定。例如，在隨後的描述中，第二特徵形成於第一特徵之上方、或是高於第一特徵，可能包括其中第一和第二特徵形成直接接觸的實施方式，並且還可能包括在第一和第二特徵之間可以形成附加的特徵，因此第一和第二特徵不為直接接觸的實施方式。此外，本揭示內容可能在 各個實施例中重複標示數字和/或字母。這樣的重複，是為了簡化和清楚起見，並不是意指所討論的各個實施方式之間和/或配置之間的關係。

在附圖中，空心箭頭用於指示在同一圖示中，相對於其他結構或區域的極性，在一結構或一區域內的磁性或電子自旋極性。這些箭頭並不旨在表示任何特定的極性，甚至也不表示極性的特定軸。在區域、結構、或範圍被稱為「平行」的情況下，這表示所指的元件的極性之方向基本上在同一方向且平行於相同的軸。用語「反向平行」指的是極性的方向不在同一個方向或沒有平行於相同的軸。雖然「反向平行」典型上表示一個極性的方向相對於另一個極性為180度，但是可能存在方向的角度的差異不是180度的情況。

此外，為了便於描述一個元件或特徵與另一個元件或特徵之間，如圖式中所繪示的關係，在此可能使用空間上的相對用語，諸如「之下」、「下方」、「低於」、「之上」、和「高於」等。除了圖示中繪示的方向之外，空間上的相對用語旨在涵蓋裝置在使用中或操作中的不同方向。設備可能有其他方向(旋轉90度或其他方向)，並且此處所使用的空間上相對用語也可相應地進行解釋。

在說明書和所附請求項中使用的單數形式的「一」、或「該」，包括複數個指示物，除非內容另有明確指示。亦應注意的是，用語「或」普遍上以包括「和/或」的意義使用，除非內容另有明確指示。

第1A圖是磁性穿隧接面(MTJ)100的側視圖， 而第1B圖是磁性穿隧接面的等效電路示意圖。磁性穿隧接面100由第一和第二鐵磁體102、104形成，第一和第二鐵磁體102、104由穿隧阻障106分隔。當在端子108和110處施加跨越磁性穿隧接面100的電位時，磁性穿隧接面表現為電阻器R₁，其具有取決於第一和第二鐵磁體102、104的相對極性之電阻值。例如，如果第一和第二鐵磁體102、104之各自的極性方向為相對的，亦即，如第1A圖所示的「反向平行」，電阻器R₁的電阻值會相對較高。另一方面，如果各自的極性具有相同的方向，亦即為平行的，則電阻器R₁的電阻值會相對較低。這種阻力上的差異是由於穿隧磁致電阻(TMR)造成的。相對高電阻和低電阻的實際歐姆值(ohmic values)取決於若干因素，包括第一和第二鐵磁體102、104、和穿隧阻障106的組成，第一和第二鐵磁體的尺寸，以及穿隧阻障的材料和厚度。

第2A圖為結構圖，顯示自旋電子記憶體裝置200，而第2B圖為自旋電子裝置的等效電路示意圖。R₂是電阻器。自旋電子記憶體裝置200包括寫入層202、鐵磁性自由層204、和第一釘紮鐵磁體102，第一釘紮鐵磁體102經由穿隧阻障106和自由層204隔開。鐵磁性自由層204具有經由域壁210分隔的相反極化的磁域(以在自由層204之內的箭頭表示)。自由層204的磁域經由第二和第三釘紮鐵磁體206、208而穩定，第二和第三釘紮鐵磁體206、208位在自由層204之各自的端部處。寫入端子212電性耦合至靠近第二釘紮鐵磁體206的寫入層202，並且接地端子110 電性耦合至靠近第三釘紮鐵磁體208的寫入層202。讀取端子108電性耦合至第一釘紮鐵磁體102。

經由在介於寫入端子212和接地端子110之間施加電位，執行自旋電子記憶體裝置200的編程。在寫入層202所產生的寫入電流產生自旋軌道轉矩，自旋軌道轉矩將域壁210向左移或向右移，這取決於相對於鐵磁性自由層204磁域方向之電位的極性。域壁210的距離或移動量取決於寫入電流的强度。當移除電位時，經由第二和第三釘紮鐵磁體206、208，穩定化將自由層204的磁域分隔之域壁210的位置，並且保持在由所產生的電流所建立的位置。當在跨越讀取端子108和接地端子110施加讀取電位時，產生讀取電流，讀取電流的值取決於經由第一釘紮鐵磁體102、穿隧阻障106、和鐵磁性自由層204所形成的跨越磁性穿隧接面的穿隧磁致電阻。穿隧磁致電阻又由域壁210的位置控制。

以上參照第1A圖、第1B圖、第2A圖、和第2B圖所述的記憶體裝置，顯示了因為此記憶體裝置具有保持類比值的能力，因此在人工神經網絡系統中用於形成突觸和神經元時，有顯著的應用前景。然而，發明人已體認到存在潛在的問題，這些問題可能會干擾這種裝置的生產，特別是生產具有反向平行極性之緊密定位的磁性元件。磁體的製造，通常經由首先形成合適磁性材料之元件，之後經由暴露於期望極性的強磁場來磁化元件。考慮到記憶體裝置的鐵磁體的尺寸非常小，可能橫跨小於幾百奈米(nm)，將一個極性的磁場施加到單一個鐵磁體上，而不影響附近的其它鐵磁體的 極性，是非常有挑戰性的。

發明人已體認到，如以下所述，經由提供具有不同矯頑磁力(coercivity)之值的磁性元件，一個磁性元件可以被磁化在一種極性而不會顯著地影響到相鄰之磁性元件的極性。

通常，當鐵磁材料的元件受到強磁場時，元件將被磁化，亦即，當磁場被移除時，元件將保持一些剩餘磁性。與磁場強度直接相關的磁化強度會變化，直至達到最大強度或「飽和」。相對於元件之場的極性，會決定剩餘磁性的磁極性。如果一元件被磁化為第一極性之後，此元件之後經受具有足夠強度的相反極性的磁場，則此元件將被消磁，然後再磁化為相反的極性。

第3圖為曲線圖，顯示在振盪磁場中，第一和第二磁性樣品的磁化與磁場強度(亦即：磁通密度)。每個樣品的磁化M在縱軸中示出，而場強度H在橫軸中示出。樣品最初從零被磁化，如各自的初始磁化曲線S_1A、S_2A所示。之後，第一和第二樣品之繪製的反應特徵依循各自的磁滯迴線圈S₁、S₂。迴線圈與縱軸M交叉的點，定義了各自樣本的剩餘磁性M_R1、M_R2，亦即，當磁場下降時，從足以使各自樣品飽和的磁通密度，至變為零時之樣品的剩餘磁性；迴線圈與橫軸H交叉的點，定義了各自樣品的矯頑磁力H_C1、H_C2，亦即將各個樣品的剩餘磁性減少到零所需的場強度。

為了本揭示內容的目的，「矯頑磁力」也可以想成是給定的磁性樣品當受到相反極性的磁場時，保持具有 第一極性的磁化之能力的量度，或者，換句話說，樣品經由相反磁場而消磁的阻抗之程度。本文所用的用於定義矯頑磁力之值的單位是奧斯特(oersted，Oe)，其等於在公分-克-秒系統(CGS系統)中，每麥斯威爾有一達因(one dyne per Maxwell)。如前所述，圖式中所用的空心箭頭表示在相同圖內所繪之元件的相對磁性極性或電子自旋極性。此外，箭頭大小用以表示矯頑磁力的相對值，亦即，大的箭頭表示此元件的矯頑磁力大於具有較小箭頭之元件的矯頑磁力值，等等。

第4圖為根據本揭示內容之一實施方式，自旋電子記憶體裝置400的側視圖。自旋電子記憶體裝置400包括寫入層202，在寫入層202之上形成鐵磁性自由層204，鐵磁性自由層204包括經由域壁210分隔的相反極化的磁域。第一釘紮鐵磁體402經由穿隧阻障106與自由層204分隔。第二和第三釘紮鐵磁體404、406位在自由層204之各自的端部處。讀取端子108電性耦合至第一釘紮鐵磁體402，而寫入端子212和接地端子110電性耦合至寫入層202的各自端部附近。寫入層202為導電材料，其中經由介於寫入端子211和接地端子110之間的流動的寫入電流產生自旋軌道轉矩。根據一實施方式，寫入層202為重金層或重金屬合金之層，諸如：Pt(鉑)、Ta(鉭)、PtMn(鉑錳)等。

用語「釘紮(pinned)」指的是元件的磁化為固定的、或是基本上為固定的，至少達到在該裝置的正常操作期間產生的磁場對該元件的磁化沒有影響的程度。相對而 言，「自由」磁性元件，諸如自由層204，配置為元件的磁化可以在操作期間被操控。

在第4圖的實施方式中，在製造製程期間控制記憶體裝置400的特性，諸如：第三釘紮鐵磁體406的矯頑磁力大於第二釘紮鐵磁體404的矯頑磁力，而第二釘紮鐵磁體404的矯頑磁力又大於第一釘紮鐵磁體402的矯頑磁力。鐵磁性自由層204，就其部分而言，矯頑磁力相對低於第一、第二、或第三釘紮鐵磁體402、404、406中的任何一個。在裝置製造之後，第一和第二釘紮鐵磁體402、404根據第一極性磁化，而第三釘紮鐵磁體以與第一極性反向平行的第二極性磁化。在釘紮鐵磁體的磁化之後並且在記憶體裝置400開始正常操作之前，經由施加具有適當強度和極性的寫入電流，域壁210被移動到磁性穿隧接面區域(亦即鐵磁性自由層204之與第一釘紮鐵磁體402直接地相對的部分)的邊緣附近或超出邊緣。這導致穿隧磁致電阻(TMR)處於最小值或者最大值，這取決於第一鐵磁體402和自由層204的接面區域的相對極性。這些穿隧磁致電阻的值(最小值或最大值)都可以被指定為裝置的零、空或未編程狀態。

讀取電流受限於由第一釘紮鐵磁體402、鐵磁性自由層204和穿隧阻障106的組合形成的磁性穿隧道接面(MTJ)的穿隧磁致磁阻(TMR)。穿隧磁致電阻的總電阻值基本上是三個並聯電阻的組合值：磁性穿隧接面的第一部分的電阻，在域壁210一側上，其中第一釘紮鐵磁體402和自由層204的域是平行的，其每單位面積的電阻相對較低；磁 性穿隧接面的第二部分的電阻，在域壁的相對側上，其中第一釘紮鐵磁體402和自由層204的域是反向平行的，其每單位面積的電阻相對較高；以及磁性穿隧接面的第三部分的電阻，由域壁本身佔據的部分，每單位面積的電阻介於磁性穿隧接面的第一部分和第二部分的電阻之間。域壁210的電阻基本上保持不變，並且因為域壁在寬度上僅有幾個分子，所以對總穿隧磁致電阻具有很小的影響。因此，總電阻值的控制主要由磁性穿隧接面的各自的第一部分和第二部分之第一和第二電阻支配。磁性穿隧接面的第一和第二部分的尺寸，以及從而它們在磁性穿隧電阻上的相對影響，隨著域壁210的移動而以相反的關係變化。

鐵磁性自由層204，就其本身而言，是相對不穩定的磁體。第二和第三釘紮鐵磁體404、406可以被視為是與自由層204形成的一個連續磁體，其具有由第二和第三鐵磁體404、406定義的磁極。這種連續的磁體在磁化不易受非預期性變化的影響，亦即，域壁210的非預期性運動比起在單獨的自由層更不易受影響。這只有在第二和第三釘紮鐵磁體404、406相對於彼此為反向平行的情況下才是可能的。

第5圖為根據一實施方式，概述用於磁化第一和第二鐵磁體之方法500的流程圖。為了此處討論之目的，可以假設第一和第二鐵磁體的磁性特性與上面參看第3圖討論的第一和第二鐵磁性樣品的磁性特性相似。第6圖為曲線圖，顯示在第5圖的製程的步驟期間，第一和第二鐵磁體的 磁反應。與上下文對應，第3圖的第一和第二鐵磁性樣品之特徵性的磁滯迴線圈的部分，也顯示在第6圖的S₁和S₂處。

根據第5圖的實施方式，在步驟502中，提供第一和第二鐵磁體，其具有各自的不同的矯頑磁力H_C1、H_C2，在本實施方式中，矯頑磁力H_C1、H_C2對應於第3圖的第一和第二鐵磁性樣品的矯頑磁力，以下詳細描述用於控制矯頑磁力的結構和方法。在步驟504中，第一和第二鐵磁體FM₁、FM₂，暴露於具有磁通密度FD₁的第一磁場，磁通密度FD₁足以使兩個鐵磁體都從非磁化狀態至在第一極性飽和，如圖6所示，在FM_1A和FM_2A處。

在步驟506中，第一和第二鐵磁體暴露於極性與第一磁場的極性相反的第二磁場，並且具有磁通密度FD₂，磁通密度FD₂大於第二鐵磁體的矯頑磁力H_C2但小於第一鐵磁體的矯頑磁力H_C1。第一和第二鐵磁體對第二磁場的反應，顯示在第6圖FM_1B和FM_2B處。當移除第二磁場時，第一和第二鐵磁體各自保持剩餘磁性，如分別在FM_1C和FM_2C處所示。

如在FM_1C處所示，因為第二磁場的磁通密度FD₂不超過第一鐵磁體的矯頑磁力H_C1，所以第一鐵磁體的剩餘磁性對於第二磁場的反應，只有從飽和狀態輕微地減小；第一鐵磁體仍保持在第一極性的強磁化。同時，第二磁場的磁通密度FD₂確實超過第二鐵磁體的矯頑磁力H_C2。因此，如在FM_2C處所示，第二鐵磁體在相反極性再磁化，並在此極性下保持强的剩餘磁性。這個過程的結果是，即使第 一和第二鐵磁體都經受相同的製程，它們磁化在相反的極性。

上述方法，在需要或必要磁化兩個或多個緊密定位的在相反極性的磁性元件，或快速磁化大量不同極性的磁性元件的情況下，具有特別的價值。例如，參看第4圖的記憶體裝置400，可以構想這種裝置可以作為記憶體陣列、人造神經網絡處理器、更為常規之處理器等的部分，形成在半導體材料基板之上，並且因此可能是數百萬或數十億的類似裝置中的其中之一，且因而此裝置的尺寸相應地微縮。發明人已經體認到，如果記憶體裝置的磁性元件類似於、或相同於標題為「全自旋人工神經網絡的建議：在鐵磁體中通過域壁運動模擬神經和突觸功能」的文獻所描述的那樣的磁性元件，至少一個元件將需要選擇性地暴露於足夠強度的磁場中以磁化此元件，同時需將此元件限制、聚焦或限制至一程度，以避免影響相同裝置的其他元件。考慮到可能涉及的尺寸和數量，特別是在商業系統的大規模生產中，這很可能至少是一個具有挑戰性、技術複雜和耗時的過程。發明人構想了一種裝置配置，其中提供了具有選定的不同矯頑磁力的磁性元件，這使得能夠應用上述參看第5圖和第6圖所描述的原理。根據這些原理，有效地且高效率地在基板上磁化每個磁性元件是可能的。

控制磁性元件的磁性特性，包括其矯頑磁力，可以用多種方式來執行。例如，根據一實施方式，第4圖的記憶體裝置400的釘紮鐵磁體，可以由不同的磁性材料和合 金來形成，特別是包括鐵、鎳和/或鈷的各種合金。許多不同的鐵磁性合金在本領域中是已知的，許多鐵磁性合金具有非常廣泛變化的磁性特性，並且納入在本揭示內容的範圍內。因此，根據一實施方式，選擇用於製造記憶體裝置400的合金，使得釘紮鐵磁體中的至少一個具有與其他鐵磁體不同的矯頑磁力。

發明人也體認到，將製造基於半導體的裝置和系統所需的製程最小化，是受期待的，並且因此使用相同的材料和製程，同時地製造許多或所有的鐵磁體，會是有益的。因此，根據另一個實施方式，提供了一種製造技術，其中經由選擇每個鐵磁體的形狀、尺寸、質量和/或縱橫比來選擇和控制鐵磁體的矯頑磁力。

已經進行了實驗，其中生產由鈷、鐵、和硼的合金(CoFeB)製成的磁性樣品並測試矯頑磁力。每個樣品的厚度為1.3奈米，直徑從大至約500奈米到小至約25奈米的大小變化。發現測試樣品的矯頑磁力之變化，從在具有最大直徑和最低縱橫比的樣品，其矯頑磁力為200奧斯特，至具有最小直徑和最高縱橫比的樣品，其矯頑磁力為3500奧斯特。根據一實施方式，記憶體裝置400的鐵磁體的矯頑磁力被選擇為大於大約500奧斯特，以降低釘紮元件之一的磁化可能被外部產生的磁場無意地影響的可能性，以及小於約3000奧斯特，以無需過多的費用或時間而實現釘紮元件的初始磁化。第7圖為顯示相對於樣品的直徑所繪製的磁頑磁力之值的圖表。所選擇之樣品的縱橫比(厚度/直徑)也在圖 表中顯示。如第7圖所示，CoFeB鐵磁體可以用介於0.0087至0.037之間的縱橫比製成，以提供介於500奧斯特和3000奧斯特之間的矯頑磁力。

第8圖為根據一實施方式，自旋電子記憶體裝置520的側視圖。記憶體裝置520在結構和操作上類似於上述參看第4圖的裝置400，並且包括寫入層202、鐵磁性自由層528、穿隧阻障106，以及第一、第二和第三釘紮鐵磁體522、524、526。類似地，還提供讀取端子、寫入端子、和接地端子108、212、110。然而，裝置400和520之間存在一些結構差異。例如，可以看出，在記憶體裝置520中，鐵磁性自由層528延伸穿過整個裝置，並且相應的穿隧阻障層530位在介於第二和第三鐵磁體524、526中的每一個與自由層之間。這些特徵主要是為了便於製造，下面將參照第11圖至第13圖進行說明。記憶體裝置520的另一個顯著特徵是，第一、第二和第三釘紮鐵磁體522、524、526具有各自不同的縱橫比，被選擇以提供各自不同的矯頑磁力。第三釘紮鐵磁體526具有最高的縱橫比和相應的最高矯頑磁力，而第一和第二釘紮鐵磁體522、524具有較低的縱橫比和相應的較低的矯頑磁力。因此，根據上述的方法500，第一、第二、和第三釘紮鐵磁體522、524、526被配置為被選擇性地磁化在至少兩個分離的極性。

根據一實施方式，第一和第二釘紮鐵磁體522、524為CoFeB磁體，具有介於0.0087和0.016之間的縱橫比，並且具有介於500和1000奧斯特之間的矯頑磁力。 第三鐵磁體526為CoFeB磁體，縱橫比在0.021和0.037奧斯特之間，矯頑磁力在介於2000和3000奧斯特之間。構想的其他的實施方式為，其中，可接受的矯頑磁力範圍不同於上述所定義的範圍，無論是出於必要性還是方便性。例如，可能是根據具體的設計標準，預期的操作條件、周圍結構等的情況。

根據一實施方式，鐵磁性自由層528為CoFeB磁體，並且穿隧阻障層106為MgO(氧化鎂)，已知氧化鎂與CoFeB鐵磁體之結合提供了在磁性穿隧接面中令人滿意的阻障層。本揭示內容不限於CoFeB鐵磁性自由層或MgO穿隧阻障層。所使用的具體材料是系統設計的內容，並且在適當的條件下，還有其他的材料組合可以令人滿意地實施為鐵磁性自由層和穿隧阻障層。這種合適材料的其他組合在本揭示內容的範圍內。

第9圖為根據一實施方式，第8圖的記憶體裝置520之平面俯視示意圖，顯示第一、第二、和第三釘紮鐵磁體522、524、526，以及鐵磁性自由層528的形狀和排列。第10圖為根據一替代的實施方式，第8圖的記憶體裝置520之平面俯視示意圖，其中第一、第二、和第三釘紮鐵磁體522、524、526在平面圖中是矩形的而不是圓形的。在一些系統中，記憶體裝置的元件為矩形或其他形狀是較好的，以便例如在陣列中更緊湊地定位，或者包容其他設計上的考量。因此構想了包括這些和其他裝置的元件在形狀和位置上之變化的實施方式。

第11圖至第13圖為根據一實施方式，在製造過程的各個階段，半導體裝置540的側視圖，半導體裝置540包括自旋電子記憶體裝置，其類似於上述記憶體裝置520。半導體裝置包括半導體材料基板542，其具有形成在半導體基底層中的主動和被動的電子元件，以及沉積在半導體基底層上方之附加的半導體材料、絕緣材料、以及互連。除了從金屬互連層546延伸到半導體材料基板542的中間表面的第一、第二、和第三通孔543、544、545之外，在此未詳細示出在半導體基板542中形成的這些和其他元件，因為它們根據已知的處理方法製造，並且不直接與在此所揭示的實施方式相關。然而，可理解的是，由於半導體裝置540的適當操作是需要的，互連層546的導線電性耦合於在基板內形成的電路。

首先參看第11圖，在以上描述的各種元件在半導體材料基板542中形成之後，在基板之上沉積各種層。重金屬層548沉積在基板542上，與第一和第二通孔543、544電性接觸，第一和第二通孔543、544將充當讀取和接地端子212、110。然後，依序各自沉積第一CoFeB磁性材料層550、MgO層552、第二CoFeB磁性材料層554、合成反鐵磁性材料層556、覆蓋層558、和電極層560。接著，如第12圖所示，執行第一蝕刻以暴露第一CoFeB磁性材料層550，並且在層552至層560中定義第一、第二、和第三釘紮鐵磁體522、524、和526，可理解的是，「蝕刻」包括在實際蝕刻製程之前沉積和圖案化光阻層，以及在蝕刻製程之後隨 後去除光阻層的剩餘部分，這些製程在本領域中是公知的。然後執行第二蝕刻，以暴露半導體材料基板542的表面，並在其上定義寫入層202和鐵磁性自由層528。經由第二蝕刻，第三通孔545也暴露在半導體材料基板542的表面處。

根據另一個實施方式，執行第一蝕刻以在整個堆疊層中定義重金屬層和鐵磁性自由層528的形狀，然後在第二蝕刻中定義第一、第二和第三釘紮鐵磁體522、524、526。在其他實施方式中，在單獨的蝕刻中定義重金屬層548，以便在一側或多側上延伸超出鐵磁性自由層528。

在第11圖至第13圖的實施方式中，第一、第二、和第三釘紮鐵磁體522之每一個包括堆疊，堆疊包括MgO層552、第二CoFeB磁性材料層554、合成反鐵磁性材料層556、覆蓋層558、和電極層560的相應部分。在第一釘紮鐵磁體522中的MgO層552的部分充當介於鐵磁性自由層528和第二CoFeB磁性材料層554的部分之間的穿隧阻障層106，並且共同形成磁性穿隧接面。合成反鐵磁性材料556起到保護和穩定下方的CoFeB磁性材料層554的磁化的作用，其本質上起了釘紮功能的部分，特別是對於第一釘紮鐵磁體522的情況，第一釘紮鐵磁體522經常受到讀取電流的影響。用作合成反鐵磁性材料之材料的實施例包括Co/Pt_x、Co/Ni_x、以及其他能夠穩定下方的磁性材料層554的磁化的材料。覆蓋層558作為導電鈍化層，以防止介於反鐵磁性材料556和電極層560之間的不良的化學性或電化學性相互作用，選擇覆蓋層558的材料以與在後面的步驟中形 成的讀取端子連接器進行可靠的電性耦合。用作覆蓋層的材料的實施例包括Ru(釕)、Ta(鉭)、和其他導電材料，其能夠防止反鐵磁材料和電極層之間的不良的化學性或電化學性相互作用。

形成第二和第三釘紮鐵磁體524、526的層面的堆疊中，通常只需要第二CoFeB磁性材料層554的相應部分，儘管其他層在一些實施方式中可以提供益處。然而，即使在不需要某些層的情況下，它們通常不會妨礙裝置的功能，並且經由從相同材料之層面形成所有三個鐵磁體，製造製程相當地流暢。類似地，在第二和第三釘紮鐵磁體524、526下方延伸鐵磁性自由層528不會不利地影響介於釘紮鐵磁體和自由層之間的磁耦合，並且消除了在形成釘紮鐵磁體之前圖案化自由層的需要。

現在參看第13圖，接下來沉積介電層562，然後進行蝕刻，以在第一鐵磁體522之上定義第一開口564，在基板542的表面處之第三導電通孔545之上定義第二開口566。在介電層562上沉積諸如金屬(例如銅、鋁等)的導電材料層568，並圖案化以形成經由互連574連接的第四和第五通孔570、572，從而將寫入端子108與第三通孔545電性耦合。

第14圖為根據一實施方式，概述製造方法600的流程圖。在步驟602中，在半導體基板上沉積層的堆疊，堆疊包括重金屬層、第一CoFeB層、MgO層、第二CoFeB層、反鐵磁性層、覆蓋層、以及電極層。接下來，在步驟604 中，蝕刻堆疊，以暴露第一CoFeB層，並且定義第一、第二、和第三釘紮鐵磁體。在步驟606中，執行第二蝕刻，以暴露半導體基板的表面，並且定義自由鐵磁體。然後，在步驟608中，沉積介電材料層，並且在步驟610中，進行蝕刻，以在第一釘紮鐵磁體之上形成開口並且在基板的表面處暴露電接觸。在步驟612中，沉積導電材料之層並圖案化，以電性連接第三釘紮鐵磁體與在基板的表面處的接觸。在步驟614中，在裝置之上沉積介電材料的保護層。

第15圖為根據一實施方式，半導體裝置620的側視圖，半導體裝置620包括自旋電子記憶體裝置，其類似於上述記憶體裝置520，並且在對應於第13圖所示之階段的製造製程的階段。半導體裝置620的製造製程類似於參看第11圖至第13圖和第14圖的製程流程所述的製造製程，但有一些例外。首先，第一蝕刻僅定義第一鐵磁體522。之後沉積附加的CoFeB層672和附加的覆蓋層674，之後進行蝕刻，以定義第二和第三鐵磁體524、526。從此點開始，如參照第11圖至第14圖所述之製程，繼續進行，從參看第13圖所描述的介電層562的沉積開始。

與第11圖至第14圖相比，第15圖包括附加的製程步驟。然而，與第11圖至第13圖的裝置540相比，在裝置620中省略第二和第三鐵磁體524、526的多餘層。這可能是有益的，例如，在那些多餘的元件產生一些不良效果的實施方式中。

第16圖為根據一實施方式，半導體裝置640的 側視圖，半導體裝置640包括自旋電子記憶體裝置，其類似於上述記憶體裝置520，並且在對應於第13圖所示的階段之製造製程的階段。第17圖為半導體裝置640在第16圖所示的製造階段的平面俯視圖。半導體裝置640的製造製程也類似於參照第11圖至第13圖和第14圖的製程流程所述的製造製程，除了下文之說明。首先，在沉積堆疊內剩餘的層之前，蝕刻第一CoFeB磁性材料層550，以定義將用作第一和第二鐵磁體642、644的區域，和在它們之間延伸的自由鐵磁性條646。沉積和蝕刻剩餘的層，以定義第一釘紮鐵磁體522，並且此後繼續參照第11圖至第14圖所描述的製程。第一和第二鐵磁體642、644的矯頑磁力，經由例如在第17圖中，第一蝕刻之後殘留的第一CoFeB磁性材料層550的的部分之形狀的選擇而控制。第一和第二鐵磁體642、644經由在自由鐵磁性條646的每個端部處的擴大區域而定義，這改變了那些部分的有效縱橫比。

需要注意的是，在以上所示的和描述的各種記憶體裝置(400、520、540等)中，三個釘紮鐵磁體中，示出在中間的鐵磁體其矯頑磁力低於其他任一個鐵磁體的矯頑磁力，而示出在右側的鐵磁體具有最高的矯頑磁力。另外，在每一個實施方式中所示的各個鐵磁體的極性與其他實施方式的相應磁體的極性相同。這樣做是為了簡單和明瞭，但並不意圖以任何方式限制請求項。還構想了包括各種其他配置的其他實施方式。例如，根據一實施方式，選擇至少一個釘紮鐵磁體的直徑並因此選擇縱橫比，以在記憶體裝置的讀 取循環期間提供特定的傳導特性。因此，視需要或方便而定，磁體的尺寸、縱橫比、和/或矯頑磁力可大於、等於、或小於其他一個或兩個鐵磁體的強度，這取決於裝置之所需的操作特性。

根據所揭示的原理，將具有反向平行極性的第一和第二釘紮或其他固定錨定磁體定位在自由磁性元件的相應端部處或附近，以用於穩定自由磁體的域壁。錨定磁體的特定極性是設計考量。釘紮讀取磁體位於自由磁體上方並且經由穿隧阻障材料(通常為氧化物)與自由磁體分離，以與穿隧阻障和自由磁體一起形成磁性穿隧接面。讀取磁體的特定極性也是設計考量。優選地，讀取磁體基本上互相平行於錨定磁體之一的極性，並且反向平行於錨定磁體之另一個。

上述磁化方法，特別是參看第4圖和第5圖，可以採用包容磁體的矯頑磁力和/或期望的相對極性之任何順序。例如，給定兩個錨定磁體和一個讀取磁體，至少一個錨定磁體將具有比其他兩個磁體更高或更低的矯頑磁力。在磁化過程中，簡單地選擇使所運用的第二磁場的强度為介於此磁體的矯頑磁力值和其他兩個磁體的矯頑磁力值之間。優選地，選擇錨定磁體中的一個的矯頑磁力為明顯地高於或低於其他兩個磁體的矯頑磁力，以便在暴露於第二磁化場期間降低較強的一個或兩個磁體的消磁化程度。

本揭示內容的實施方式說明了幾個有益的原理。例如，經由控制各個磁體的矯頑磁力，一個或多個鐵磁體可以以一種極性磁化而不改變另一個或多個反向平行鐵 磁體的磁極性。這在將一個極性的磁體與另一個極性的磁體隔離是不實用的情況下是特別有價值的。可以經由選擇形狀、特別是各自的鐵磁體的縱橫比來控制矯頑磁力。這在微電子裝置的製造中是有利的，因為它能夠使用眾所周知和理解的製程在半導體基板上形成大量的磁性結構，並且將它們各自的矯頑磁力作為形狀的函數而不是組成來控制。這降低了複雜性和成本。揭示了幾種方法，用於製造包含鐵磁體的裝置，鐵磁體的矯頑磁力經由選擇其縱橫比來控制。揭示了用於磁化反向平行磁體的其他方法。

根據一實施方式，提供了一種裝置，裝置包括半導體基板，自由磁性元件，其在半導體基板之上且具有由域壁分隔的第一和第二磁域，第一磁體，其位於基板上之靠近自由磁性元件的第一端部並具有第一極性和第一矯頑磁力值，以及第二磁體，位於基板上之靠近自由磁性元件的第二端部並具有反向平行於第一極性的第二極性，和不同於第一矯頑磁力值的第二矯頑磁力值。

根據一實施方式，提供了一種方法，方法包括，在第一極性磁飽和第一和第二磁性元件，第一和第二磁性元件經由將第一和第二磁性元件暴露於具有第一磁通密度的第一磁場而一起定位在基板上，然後，經由將第一和第二磁性元件暴露於具有第二磁通密度的第二磁場，第二磁通密度小於第一磁通密度，在反向平行於第一極性的第二磁極性再磁化第一磁性元件，而不改變第二磁性元件的極性。

根據另一實施方式，提供了一種製造方法，方 法包括，在半導體基板上形成自由磁性元件，在基板上靠近自由磁性元件的第一端部處形成具有第一矯頑磁力值的第一磁體，以及在基板上靠近自由磁性元件的第二端部處形成具有與第一矯頑磁力值不同的第二矯頑磁力值的第二磁體。

上述方法包括未詳細描述、但在半導體裝置的製造中是常見的製程。例如，描述了沉積多種不同組合物的層。應該理解的是，「沉積」一些類型的材料通常涉及氣相沉積過程，而對於其他類型，濺射沉積更為常見。在其他情況下，進行沉積一層面，可能需要在現有的層面上形成氧化物，或者在沉積另一種材料之後形成氧化物。在其他步驟中，蝕刻被理解為指的是光阻層的沉積和圖案化，之後，在蝕刻本身完成之後，移除殘留的光阻層。在本領域普通技術人員的能力範圍內，選擇並執行上述方法步驟中隱含的所有適當的處理步驟是容易的。

序數，例如：第一、第二、第三等，是根據常規的請求項實踐而在請求項中使用，亦即，為了明確區分所主張的元件或其特徵等。序數可能(儘管不一定)按照引入元件的順序進行簡單地分配。使用這些數字並不表示任何其他關係，諸如這些元件的操作順序、相對位置等。此外，用於表示請求項中的元件的序數，不應被假定為在指代此請求項所讀取的所揭露的實施方式的元件時，與在說明書中使用的數字相關，也不涉及與在不相關的請求項中指代類似的元件和特徵時所用的數字。

本揭示內容的摘要是作為提供根據本揭示內容 的一個實施方式的一些原理的簡要概述，但並非旨在作為本揭示內容的任何單個實施方式的完整或確定的描述，也不應該依賴於摘要以定義用於說明書或請求項中的用語。摘要不限制請求項的範圍。

以上概述了數個實施方式，以便本領域技術人員可以較佳地理解本揭示內容的各個方面。本領域的技術人員應理解，他們可能容易地使用本揭示內容，作為其他製程和結構之設計和修改的基礎，以實現與在此介紹的實施方式之相同的目的，和/或達到相同的優點。本領域技術人員亦應理解，與這些均等的建構不脫離本揭示內容的精神和範圍，並且他們可能在不脫離本揭示內容的精神和範圍的情況下，進行各種改變、替換、和變更。

在一些實施方式中的半導體裝置，包含：半導體基板、自由磁性元件、第一磁體、以及第二磁體。自由磁性元件位在半導體基板上。第一磁體位在半導體基板上相鄰於自由磁性元件的第一端部，並具有第一極性和第一矯頑磁力值。第二磁體位在半導體基板上相鄰於自由磁性元件的第二端部，並具有第二極性，其反向平行於第一極性，且第二磁體具有第二矯頑磁力值，其不同於第一矯頑磁力值，第一和該第二磁體被定位且用以在半導體裝置的操作期間，穩定化在自由磁體內的域壁。

根據一些實施方式之半導體裝置，更包含：第三磁體，相鄰於自由磁性元件，並經由穿隧阻障層與自由磁性元件分隔，第三磁體、自由磁性元件、以及穿隧阻障層配 置成使得半導體裝置的操作期間，電流其通過介於第三磁體與自由磁性元件之間的穿隧阻障層受到穿隧磁阻的限制，穿隧磁阻的歐姆值由在自由磁性元件內的域壁的位置而決定。

根據一些實施方式之半導體裝置，包含：寫入元件，位於基板上相對於第三磁體之自由磁性元件的一側上，並且配置以使得在半導體裝置的操作期間，以第一極性通過寫入元件的電流傾向於使域壁遠離第一磁體且朝向第二磁體移動，以及以與第一極性相反的第二極性通過寫入元件的電流傾向於使域壁遠離第二磁體並朝向第一磁體移動。

根據一些實施方式之半導體裝置，其中寫入元件位於基板上介於基板和自由磁性元件之間，並且自由磁性元件至少部分地位於寫入元件和第三磁體之間。

根據一些實施方式之半導體裝置，其中第一磁體和第二磁體由相同的材料製成，具有相同的厚度，並且具有彼此不同的縱橫比。

根據一些實施方式之半導體裝置，其中第一磁體和第二磁體由包括鈷、鐵、和硼的化合物製成。

根據一些實施方式之半導體裝置，其中第一磁體具有介於500奧斯特至100奧斯特之間的矯頑磁力，第二磁體具有介於1500奧斯特至3000奧斯特之間的矯頑磁力。

根據一些實施方式之半導體裝置，其中第一磁體和第二磁體由不同的磁性材料製成。

根據一些實施方式之半導體裝置，其中自由磁性元件、第一磁體、和第二磁體是記憶體單元的元件。

在一些實施方式中，製造半導體裝置的方法包含：經由將第一磁性元件和第二磁性元件暴露於具有第一磁通密度的第一磁場，在第一極性使第一磁性元件和第二磁性元件在基板上磁飽和；以及經由將第一磁性元件和第二磁性元件暴露於具有小於第一磁通密度的第二磁通密度的第二磁場，而在不改變第二磁性元件的極性的情況下在反向平行於該第一極性之第二極性再磁化第一磁性元件。

根據一些實施方式之製造半導體裝置的方法，將第一磁性元件和第二磁性元件暴露於具有小於第一磁通密度之第二磁通密度的第二磁場包含，將第一磁性元件和第二磁性元件暴露於具有第二磁通密度的第二磁場，其超過第一磁性元件的矯頑磁力但不超過第二磁性元件的矯頑磁力。

在一些實施方式中，製造半導體裝置的方法包含：在半導體基板上形成自由磁性元件；在基板上形成第一磁體，其靠近自由磁性元件的第一端部且具有第一矯頑磁力值；以及在基板上形成第二磁體，其靠近自由磁性元件的第二端部，且具有與第一矯頑磁力值不同的第二矯頑磁力值。

根據一些實施方式之製造半導體裝置的方法，其中第一磁體和第二磁體具有相對於彼此反向平行的極性。

根據一些實施方式之製造半導體裝置的方法，其中形成第一磁體包括形成具有第一極性的第一磁體；以及形成第二磁體包括形成具有第二極性的第二磁體，第二極性反向平行於第一極性。

根據一些實施方式之製造半導體裝置的方法， 包含：形成第三磁體，其在基板上相鄰於自由磁性元件；以及形成穿隧阻障層，其介於自由磁性元件和第三磁體之間。

根據一些實施方式之製造半導體裝置的方法，其中形成自由的磁性元件、形成第一磁體、形成第二磁體、形成第三磁體、以及形成穿隧阻障層，一起包含：在半導體基板上沉積第一CoFeB層；在第一CoFeB層A之上沉積MgO層；沉積第二CoFeB層；沉積電極層；定義第三磁體以包括第二CoFeB層和該電極層中的每一個的一部分；定義穿隧阻障層以包括MgO層的一部分；以及定義自由磁性元件以包括第一CoFeB層的一部分。

根據一些實施方式之製造半導體裝置的方法，其中定義第三磁體和定義穿隧阻障層一起包括：執行第一蝕刻，第一蝕刻定義在第一堆疊中的第三磁體和穿隧阻障層；以及定義自由磁性元件包含：執行第二蝕刻，第二蝕刻定義位在第一CoFeB層中的自由磁性元件，其中第一堆疊位在第一CoFeB層之上。

根據一些實施方式之製造半導體裝置的方法，其中形成第一磁體和形成第二磁體一起包含：定義第一磁體和第二磁體且包括執行第一蝕刻，其分別定義在第二和第三堆疊的第一磁體和第二磁體，第二和第三堆疊中的每一個位在自由磁性元件之上且包括MgO層、第二CoFeB層、和電極層的相應部分。

根據一些實施方式之製造半導體裝置的方法，其中形成第一磁體和形成第二磁體一起包含：在自由磁性元 件之上沉積第三CoFeB層；以及定義第一磁體和第二磁體，包括執行第三蝕刻，其分別地定義在第二堆疊和第三堆疊內的第一磁體和第二磁體，第二堆疊和第三堆疊中的每一個位在自由磁性元件之上並包括第三CoFeB層的相應部分。

根據一些實施方式之製造半導體裝置的方法，其中形成第一磁體和形成第二磁體一起包含：執行第二蝕刻，其包括以自由磁性元件在第一CoFeB層中定義第一磁體和第二磁體。

根據一些實施方式之製造半導體裝置的方法，更包含：在介於半導體基板和第一CoFeB層之間沉積重金屬層；在介於第二CoFeB層和電極層之間沉積反鐵磁性層；以及在反鐵磁性層和電極層之間沉積覆蓋層。

上述各個實施方式可以組合以提供進一步的實施方式。本說明書中提及和/或在應用數據表中，列出的所有美國專利案、公佈的美國專利申請案、美國專利申請案，外國專利案，外國專利申請案、和非專利出版物，通過引用整體併入本文。可以修改實施方式的各方面，如果必要的話，採用各專利案、申請案、和出版物的概念來提供進一步的實施方式。

根據以上的詳細描述，可以對這些實施方式做出這些和其他改變。一般而言，在以下的請求項中，所使用的用語不應該被解釋為將請求項限制為說明書中公開的具體實施方式和請求項，而是應該被解釋為包括所有可能的實 施方式，以及所請求標的之均等的全部範圍。因此，請求項不受本揭示內容的限制。

Claims (1)

1. 一種半導體裝置，包含：一半導體基板；一自由磁性元件，位在該半導體基板上；一第一磁體，位在該半導體基板上相鄰於該自由磁性元件的一第一端部，並具有一第一極性和一第一矯頑磁力值；以及一第二磁體，位在該半導體基板上相鄰於該自由磁性元件的一第二端部，並具有一第二極性，其反向平行於該第一極性，且該第二磁體具有一第二矯頑磁力值，其不同於該第一矯頑磁力值，該第一和該第二磁體被定位且用以在該半導體裝置的操作期間，穩定化在該自由磁體內的一域壁。