[发明专利]用于制造磁性结的自组装图案方法

说明书

描述了可用于磁性器件中的磁性结和一种用于提供磁性结的方法。提供图案化的晶种层。图案化的晶种层包括散布有绝缘基质的磁晶种岛。在图案化的晶种层之后提供磁阻堆栈的至少一部分。磁阻堆栈包括至少一个磁性分离层。磁性分离层包括至少一种磁性材料和至少一个绝缘体。该方法至少使磁阻堆栈的该部分退火，以使得该至少一个磁性分离层分离。磁性分离层的成分分离，使得磁性材料的部分与磁晶种岛对准，并且使得绝缘体的部分与绝缘基质对准。

相关申请的交叉引用

本申请要求转让给本申请的受让人的2017年5月30日递交的题为“SELF-ASSEMBLED PATTERNING PROCESS FOR MAGNETIC DEVICES SUCH AS SPIN TRANSFERTORQUE MAGNETIC RANDOM ACCESS MEMORIES”的美国临时专利申请62/512,656、以及2017年7月25日递交的题为“SELF-ASSEMBLED PATTERNING PROCESS FOR MAGNETIC DEVICESSUCH AS SPIN TRANSFER TORQUE MAGNETIC RANDOM ACCESS MEMORIES”的美国专利申请15/659,613的权益，并通过引用将其合并于此。

背景技术

磁性存储器，特别是磁性随机存取存储器(MRAM)，由于它们具有高读/写速度、优异的耐久性、非易失性和在操作期间的低功耗的潜力而引起越来越多的兴趣。MRAM可以利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移扭矩随机存取存储器(STT-MRAM)。STT-MRAM利用由通过磁性结驱动的电流至少部分地写入的磁性结。

传统的磁隧道结(MTJ)可以用于传统的STT-MRAM中。MTJ包括钉扎层、自由层以及钉扎层与自由层之间的隧穿势垒层。MTJ通常驻留在衬底上并且可以包括晶种层和覆盖层以及邻接钉扎层的反铁磁(AFM)钉扎层。MTJ下方的底部触点和MTJ上的顶部触点可以用于以电流垂直于平面(CPP)的方向驱动通过MTJ的电流。

钉扎层和自由层是磁性的。钉扎层的磁化被固定或钉在特定方向上。自由层具有可变的磁化。自由层和钉扎层均可以是单层或者包括多个层。钉扎层和自由层可以使其磁化方向垂直于层的平面(垂直于平面)或在层的平面中取向(平面内)。

为了切换传统自由层的磁化，使电流垂直于平面被驱动。电流变为自旋极化并在自由层的磁矩上施加自旋扭矩。当从顶部触点向底部触点驱动足够的电流时，传统自由层的磁化可以切换为平行于传统的底部钉扎层的磁化。当从底部触点向顶部触点驱动足够的电流时，自由层的磁化可以切换为与底部钉扎层的磁化反平行。磁配置的差异对应于不同的磁阻，并因此对应于常规MTJ的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和逻辑“1”)。

为了在STT-MRAM中制造传统的MTJ，将MTJ中的各层毯式地沉积在衬底的整个表面上。这些层形成MTJ堆栈。钉扎层、非磁性间隔层和自由层的各层都包含在MTJ堆栈中。诸如晶种层和/或覆盖层的附加层也可以是MTJ堆栈的一部分。一旦整个MTJ堆栈被沉积，则提供掩膜。掩膜覆盖将要形成MTJ的区域并且在MTJ之间具有孔隙。然后去除MTJ堆栈的暴露部分。这种去除可以通过诸如反应离子蚀刻(RIE)和/或离子铣削之类的工艺来完成。因此，单个MTJ是从MTJ堆栈限定的。然后可以完成STT-MRAM的制造。例如，可以形成绝缘填充物、导线和其他组件。

越来越需要高密度STT-MRAM器件。存储器单元之间的间距以及因此常规MTJ之间的间距继续缩小。MTJ堆栈的高度不一定随着间距的减小而减小。因此，纵横比(高度除以宽度或高度除以长度)可能会增加。随着MTJ之间的间距减小并且纵横比增加，制造可以变得更具挑战性。例如，离子铣削可能不能以更小的间距和更高的纵横比来限定MTJ。此外，由于MTJ具有多层的不同材料，因此目前没有单个RIE化学品可用于制造。因此，需要一种可以对基于自旋转移扭矩的存储器的制造进行改进的方法和系统。本文描述的方法和系统解决了这种需求。

发明内容