[go: up one dir, main page]

TWI864025B - 用於磁性隧道接面應用的頂緩衝層 - Google Patents

用於磁性隧道接面應用的頂緩衝層 Download PDF

Info

Publication number
TWI864025B
TWI864025B TW109120557A TW109120557A TWI864025B TW I864025 B TWI864025 B TW I864025B TW 109120557 A TW109120557 A TW 109120557A TW 109120557 A TW109120557 A TW 109120557A TW I864025 B TWI864025 B TW I864025B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
layer
mtj
substrate
disposed
junction
Prior art date
Application number
TW109120557A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202105385A (zh
Inventor
薛林
贊道 朴
志康 程
安在洙
瑪亨德拉 帕卡拉
Original Assignee
美商應用材料股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商應用材料股份有限公司 filed Critical 美商應用材料股份有限公司
Publication of TW202105385A publication Critical patent/TW202105385A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI864025B publication Critical patent/TWI864025B/zh

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036—Reactive sputtering
    • C23C14/0057—Reactive sputtering using reactive gases other than O2, H2O, N2, NH3 or CH4
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/067—Borides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
    • C23C14/541—Heating or cooling of the substrates
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/325—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being noble metal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H01F10/3259—Spin-exchange-coupled multilayers comprising at least a nanooxide layer [NOL], e.g. with a NOL spacer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/30—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE]
    • H01F41/302—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F41/305—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices applying the spacer or adjusting its interface, e.g. in order to enable particular effect different from exchange coupling
    • H01F41/307—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices applying the spacer or adjusting its interface, e.g. in order to enable particular effect different from exchange coupling insulating or semiconductive spacer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/32—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying conductive, insulating or magnetic material on a magnetic film, specially adapted for a thin magnetic film
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/32—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying conductive, insulating or magnetic material on a magnetic film, specially adapted for a thin magnetic film
    • H01F41/325—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying conductive, insulating or magnetic material on a magnetic film, specially adapted for a thin magnetic film applying a noble metal capping on a spin-exchange-coupled multilayer, e.g. spin filter deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Materials of the active region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/12—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys
    • H01F10/13—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals
    • H01F10/133—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals containing rare earth metals
    • H01F10/135—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals containing rare earth metals containing transition metals
    • H01F10/137—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals containing rare earth metals containing transition metals containing cobalt
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/26—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by the substrate or intermediate layers
    • H01F10/30—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by the substrate or intermediate layers characterised by the composition of the intermediate layers, e.g. seed, buffer, template, diffusion preventing, cap layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/329—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetisation of the free layer is switched by a spin-polarised current, e.g. spin torque effect
    • H10P72/0454—
    • H10P72/3302—
    • H10P72/3402—

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

本揭示案的實施例提供了用於針對MRAM應用在基板上製造磁性隧道接面(MTJ)結構的方法和設備。在一個實施例中，一種磁性隧道接面(MTJ)裝置結構包含：一接面結構，該接面結構設置於一基板上，該接面結構包括夾住一穿隧障礙層的一第一鐵磁層及一第二鐵磁層；一介電蓋層，該介電蓋層設置於該接面結構上；一金屬蓋層，該金屬蓋層設置於該接面結構上；及一頂緩衝層，該頂緩衝層設置於該金屬蓋層上。

Description

用於磁性隧道接面應用的頂緩衝層
本揭示案的實施例一般相關於用於在基板上形成頂緩衝層的製造處理，且更特定地相關於針對磁阻隨機存取記憶體(MRAM)應用用於在磁性隧道接面結構上形成非磁性材料的製造處理。
磁阻隨機存取記憶體(MRAM)是一種含有MRAM單元陣列的記憶體裝置，使用其電阻值而非電荷來儲存資料。通常，每個MRAM單元包含磁性隧道接面(MTJ)結構。MTJ結構可具有可調整電阻，以表示邏輯狀態「0」或「1」。MTJ結構通常包含磁性層的堆疊，具有一配置，其中兩個鐵磁層被薄的非磁性介電質(例如，絕緣穿隧層)隔開。利用頂電極和底電極夾住MTJ結構，使得電流可在頂和底電極之間流動。
一個鐵磁層(例如參考層)的特徵在於具有固定方向的磁化。其他鐵磁層(例如儲存層)的特徵在於磁化的方向在寫入裝置時變化，例如藉由施加磁場。在一些裝置中，可形成絕緣體材料(例如介電氧化物層)作為夾在鐵磁層之間的薄穿隧障礙層。通常將這些層依序沉積為重疊的覆蓋膜。隨後藉由各種蝕刻處理將鐵磁層和絕緣體材料圖案化，其中部分或全部移除一個或更多個層，以便形成裝置特徵。
當參考層和儲存層的各自的磁化反平行時，磁性隧道接面的電阻是高的，具有對應於高邏輯狀態「1」的電阻值Rmax 。另一方面，當各個磁化平行時，磁性隧道接面的電阻是低的，即具有對應於低邏輯狀態「0」的電阻值Rmin 。藉由將MRAM單元的電阻值與參考電阻值Rref 進行比較來讀取MRAM單元的邏輯狀態，Rref 是從參考單元或參考單元群組中得出的，且表示介於高邏輯狀態「1」及低邏輯狀態「0」之間的中間電阻值。
在製造常規的磁性隧道接面(MTJ)結構時，需要堆疊多個材料。然而，該等材料可具有不同的膜特性，導致不良的介面控制和管理，並最終在隨後的製造處理中導致膜剝離或鐵磁層的結晶不足。不良的介面控制可造成以不期待的方式形成膜接合結構或特性，例如不足的膜層結晶，從而導致裝置無法達到其預期效能。
因此，在本領域中需要用於製造用於MRAM應用的MTJ結構的改善的方法和設備。
本揭示案的實施例提供了用於針對MRAM應用在基板上製造磁性隧道接面(MTJ)結構的方法和設備。在一個實施例中，一種磁性隧道接面(MTJ)裝置結構包含：一接面結構，該接面結構設置於一基板上，該接面結構包括夾住一穿隧障礙層的一第一鐵磁層及一第二鐵磁層；一介電蓋層，該介電蓋層設置於該接面結構上；一金屬蓋層，該金屬蓋層設置於該接面結構上；及一頂緩衝層，該頂緩衝層設置於該金屬蓋層上。
在另一實施例中，一種用於形成一磁性隧道接面(MTJ)裝置結構的方法包含以下步驟：在一基板上形成一接面結構，其中該接面結構包括夾住一穿隧障礙層的一第一鐵磁層及一第二鐵磁層；在該接面結構上形成一介電蓋層；及在該基板上執行一冷卻處理。
在又一實施例中，一種用於形成一磁性隧道接面(MTJ)裝置結構的方法包含以下步驟：在一基板上形成一接面結構，其中該接面結構包括夾住一穿隧障礙層的一第一鐵磁層及一第二鐵磁層；在該接面結構上形成一介電蓋層；在該基板上執行一冷卻處理；在該介電蓋層上形成一金屬蓋層；及在該金屬蓋層上形成一非磁性層。
本揭示案的實施例一般提供一種用於針對MRAM應用形成設置於基板上的MTJ結構的設備和方法。在一個實施例中，如本文所述的MTJ結構具有設置在MTJ結構中的介電蓋層上的金屬蓋層上的頂緩衝層。在MTJ結構中形成介電蓋層之後，在介電蓋層上執行冷卻處理，以增強和控制隨後形成在其上的金屬蓋層的晶格結構。
圖1根據本揭示案的一個實施例圖示了適合於濺射沉積材料的示例性物理氣相沉積(PVD)腔室100(例如，濺射處理腔室)。合適的PVD腔室的範例包含ALPS® Plus和SIP ENCORE® PVD處理腔室，兩者均可從加州聖塔克拉拉的應用材料公司(Applied Materials)購得。可預期可從其他製造商獲得的處理腔室也可適用於執行本文所述的實施例。
圖1是根據一個實施例的沉積腔室100的示意性橫截面圖。沉積腔室100具有上側壁102、下側壁103、和蓋部分104，限定了封閉其內部空間106的主體105。適配器板107可設置於上側壁102和下側壁103之間。
基板支撐件(例如基座108)設置在沉積腔室100的內部空間106中。如箭頭145所指示，基板基座108可沿著軸147(基板基座108的軸件143定位處)旋轉。替代地，可在沉積處理期間根據需要將基板支撐基座108升高以旋轉。
在下側壁103中形成基板傳送端口109以用於將基板傳送進出內部空間106。
在一個實施例中，沉積腔室100包括濺射腔室，也稱為物理氣相沉積(PVD)腔室，能夠在基板(例如，基板101)上沉積例如鈦、氧化鋁、鋁、氮化鋁、鈧摻雜的氮化鋁、氮氧化鋁、鋯酸鈦酸鉛(PZT)、鈮酸鉀鈉(KNN)、鈮酸鋰、銅、鉭、氮化鉭、氮氧化鉭、氮氧化鈦、鎢、或氮化鎢。
氣體源110耦合到沉積腔室100以將處理氣體供應進入內部空間106。在一個實施例中，處理氣體可包含惰性氣體、非反應性氣體、和必要時的反應性氣體。氣體源110可提供的處理氣體的範例包含但不限於氬氣(Ar)、氦 (He)、氖氣(Ne)、氮氣(N2 )、和氧氣(O2 )等。
泵送裝置112耦合到沉積腔室100以與內部空間106連通，以控制內部空間106的壓力。在一個實施例中，沉積腔室100的壓力水平可維持在約1托或更低。在另一實施例中，沉積腔室100的壓力水平可維持在約500毫托或更低。在又一實施例中，沉積腔室100的壓力水平可維持在約1毫托和約300毫托。
蓋部分104可支撐濺射源114，例如靶。在一個實施例中，濺射源114可由含有以下項目的材料製成：鈦(Ti)、鉭(Ta)、釕(Ru)、銥(Ir)、鐵(Fe)、鎂(Mg)、鎢(W)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋁(Al)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鈧(Sc)、上述之合金、上述之組合等。在本文描繪的示例性實施例中，濺射源114可由釕(Ru)、銥(Ir)、鐵(Fe)、鎂(Mg)、或鈷(Co)製成。
濺射源114可耦合到包括用於濺射源114的電源117的源組件116。一組磁體119可鄰近濺射源114耦合，這增強了處理期間來自濺射源114的有效濺射材料。磁控管組件的範例包含電磁線性磁控管、蛇形磁控管、螺旋磁控管、雙數位化磁控管、矩形螺旋磁控管等。
附加的RF功率源180也可通過基座108(或稱為基板支撐件)耦合到沉積腔室100，以根據需求在濺射源114和基座108之間提供偏置功率。在一個實施例中，RF功率源180可具有約1 MHz及約100 MHz之間的頻率，例如約13.56 MHz。
准直儀118可位於濺射源114和基座108之間的內部空間106中。屏蔽管120可靠近准直儀118和蓋部分104的內部。准直儀118包含複數個孔隙以在內部空間106內引導氣體及/或材料通量。准直儀118可機械地和電性地耦合到屏蔽管120。在一個實施例中，准直儀118可例如藉由焊接處理機械地耦合到屏蔽管120，使得准直儀118與屏蔽管120成為一體。在另一實施例中，准直儀118可在腔室100內電性浮動。在另一實施例中，准直儀118可耦合至電性功率源及/或電性耦合到沉積腔室100的主體105的蓋部分104。
屏蔽管120可包含管狀主體121，具有在管狀主體121的上表面中形成的凹部122。凹部122提供與准直儀118的下表面的配合介面。屏蔽管120的管狀主體121可包含肩部區域123，具有小於管狀主體121的其餘部分的內直徑的內直徑。在一個實施例中，管狀主體121的內表面沿著錐形表面124徑向向內過渡到肩部區域123的內表面。屏蔽環126可設置在腔室100中，與屏蔽管120相鄰且位於屏蔽管120及適配器板107中間。屏蔽環126可至少部分地設置在由屏蔽管120的肩部區域123的相對側和適配器板107的內部側壁形成的凹部128中。
在一個態樣中，屏蔽環126包含軸向突出的環形側壁127，環形側壁127包含大於屏蔽管120的肩部區域123的外直徑的內直徑。徑向凸緣130從環形側壁127延伸。徑向凸緣130可相對於屏蔽環126的環形側壁127的內部直徑表面以大於約九十度(90°)的角度形成。徑向凸緣130包含在其下表面上形成的突出部132。突出部132可為從徑向凸緣130的表面以實質平行於屏蔽環126的環形側壁127的內部直徑表面的定向延伸的圓形脊部。突出部132一般適用以與在設置在基座108上的邊緣環136中形成的凹陷凸緣134配合。凹陷凸緣134可為在邊緣環136中形成的圓形凹槽。突出部132和凹陷凸緣134的卡合使屏蔽環126相對於基座108的縱軸置中。藉由基座108和機器人刀片(未展示)之間的協調定位校準，使基板101(展示為支撐在升降銷140上)相對於基座108的縱軸置中。以此方式，在處理期間，基板101可在沉積腔室100內置中，且屏蔽環126可徑向繞著基板101置中。
在操作中，其上具有基板101的機器人刀片(未展示)延伸穿過基板傳送端口109。可降低基座108以允許基板101傳送至從基座108延伸的升降銷140。可藉由耦合至基座108的驅動器142來控制基座108及/或升降銷140的上升及下降。基板101可被降低到基座108的基板接收表面144上。使用放置在基座108的基板接收表面144上的基板101，可在基板101上執行濺射沉積。邊緣環136可在處理期間與基板101電性絕緣。因此，基板接收表面144可包含大於邊緣環136與基板101相鄰的部分的高度的高度，從而防止基板101接觸邊緣環136。在濺射沉積期間，可藉由利用設置在基座108中的熱控制通道146來控制基板101的溫度。
在濺射沉積之後，可利用升降銷140將基板101升高到與基座108隔開的位置。升高的位置可靠近屏蔽環126和鄰近於適配器板107的反射器環148中的一個或兩個。適配器板107包含一個或更多個燈150，該等燈耦合在反射器環148的下表面和適配器板107的凹表面152的中間。燈150提供可見或近可見波長中的光及/或輻射能，例如在紅外(IR)及/或紫外(UV)光譜中的波長。來自燈150的能量在徑向上向內朝向基板101的背側(亦即，下表面)聚焦，以加熱基板101和沉積在其上的材料。圍繞基板101的腔室部件上的反射表面用於將能量聚焦朝向基板101的背側，並遠離會損失及/或不利用能量的其他腔室部件。適配器板107可耦合至冷卻劑源154以在加熱期間控制適配器板107的溫度。
在將基板101控制到所需溫度之後，將基板101降低到基座108的基板接收表面144上的位置。利用基座108中的熱控制通道146經由傳導可快速冷卻基板101。基板101的溫度可在幾秒鐘到約一分鐘的時間內從第一溫度陡降到第二溫度。可通過基板傳送端口109將基板101從沉積腔室100移除以進行進一步處理。可根據需要將基板101維持在期望的溫度範圍處，例如小於攝氏250度。
控制器198耦合至處理腔室100。控制器198包含中央處理單元(CPU) 160、記憶體158、和支援電路162。利用控制器198以控制處理順序、調節氣體從氣體源110流動進入沉積腔室100、及控制濺射源114的離子轟擊。CPU 160可為可使用於工業環境中的任何形式的通用電腦處理器。軟體例程可儲存在記憶體158中，例如隨機存取記憶體、唯讀記憶體、軟碟或硬碟驅動器、或其他形式的數位儲存。支援電路162常規地耦合到CPU 160且可包括快取、時脈電路、輸入/輸出子系統、電源等。當由CPU 160執行時，軟體例程將CPU轉換成控制沉積腔室100的專用電腦(控制器)198，使得根據本揭示案執行處理。也可由位於腔室100遠端的第二控制器(未展示)儲存及/或執行軟體例程。
在處理期間，從濺射源114濺射材料並沉積在基板101的表面上。濺射源114和基板支撐基座108被電源117或180相對彼此偏置，以維持由氣體源110提供的處理氣體形成的電漿。來自電漿的離子被加速朝向並撞擊濺射源114，導致靶材料從濺射源114移出。被移出的靶材料和處理氣體在基板101上形成含金屬的層，具有期望的成分。
圖2是示例性叢集處理系統200的示意性俯視平面圖，叢集處理系統200包含合併並集成在其中的一個或更多個處理腔室211、100、232、228、220。在一個實施例中，叢集處理系統200可為CENTURA® 或ENDURA® 整合處理系統，可從位於加州聖克拉拉的應用材料公司購得。可想到，其他處理系統(包含來自其他製造商的處理系統)可適用以從本揭示案中受益。
叢集處理系統200包含真空緊密處理平台204、工廠介面202、和系統控制器244。平台204包含複數個處理腔室211、100、232、228、220和耦合到真空基板傳送腔室236的至少一個負載鎖定腔室222。圖2中展示了兩個負載鎖定腔室222。工廠介面202藉由負載鎖定腔室222耦合到傳送腔室236。
在一個實施例中，至少一個處理腔室(例如，腔室211)是冷卻腔室。冷卻腔室211可控制位於其中的基板101的溫度。在一個範例中，冷卻腔室211可將基板101的溫度控制降至約攝氏負250度(例如，-250°C)和約攝氏負100度(例如，-100°C)之間的範圍。冷卻腔室211一般可將設置在其中的基板101的溫度控制在約攝氏負250度(例如，-300°C)至約攝氏50度(例如，50°C)之間。
在一個實施例中，工廠介面202包括至少一個對接站208和至少一個工廠介面機器人214，以便於基板的傳送。對接站208經配置以接受一個或更多個前開口統一艙(FOUP)。在圖2的實施例中展示了兩個FOUP 206A及B。具有設置在機器人214的一個末端上的刀片216的工廠介面機器人214經配置以將基板從工廠介面202經由負載鎖定腔室222傳送到處理平台204以用於處理。可選地，一個或更多個計量站218可連接到工廠介面202的終端226，以便於從FOUP 206A至B測量基板。
每個負載鎖定腔室222具有耦合到工廠介面202的第一端口和耦合到傳送腔室236的第二端口。負載鎖定腔室222耦合到將負載鎖定腔室222抽空及排氣的壓力控制系統(未展示)，以便於在傳送腔室236的真空環境與工廠介面202的實質大氣(例如，大氣壓力)環境之間通過基板。
傳送腔室236具有設置在其中的真空機器人230。真空機器人230具有能夠在負載鎖定腔室222、計量系統210和處理腔室211、100、232、228、220之間傳送基板224的刀片234。
在叢集處理系統200的一個實施例中，叢集處理系統200可包含一個或更多個處理腔室211、100、232、228、220，可為沉積腔室(例如，物理氣相沉積室、化學氣相沉積或其他沉積腔室)、退火腔室(例如，高壓退火腔室、RTP腔室、雷射退火腔室)、可加熱或冷卻基板的冷卻腔室或處理腔室、蝕刻腔室、可旋轉基板的定向腔室、清潔腔室、固化腔室、光刻曝光腔室、或其他類似類型的半導體處理腔室。在叢集處理系統200的一些實施例中，處理腔室211、100、232、228、220、傳送腔室236、工廠介面202及/或至少一個負載鎖定腔室222中的一個或更多個。在一個範例中，叢集處理系統200中的處理腔室211、100、232、228、220包括至少一個物理氣相沉積腔室(例如沉積腔室100)及一個冷卻腔室(例如冷卻腔室211)。
系統控制器244耦合到叢集處理系統200。系統控制器244(可包含計算裝置201或被包含在計算裝置201內)使用叢集處理系統200的處理腔室211、100、232、228、220的直接控制來控制叢集處理系統200的操作。替代地，系統控制器244可控制與處理腔室211、100、232、228、220和叢集處理系統200相關聯的電腦(或控制器)。在操作中，系統控制器244也使資料收集和來自各個腔室的反饋能夠最佳化叢集處理系統200的效能。
與上述計算裝置201非常相似，系統控制器244通常包含中央處理單元(CPU)238、記憶體240、和支援電路242。CPU 238可為可使用於工業環境中的任何形式的通用電腦處理器之其中一者。支援電路242常規地耦合到CPU 238且可包括快取、時脈電路、輸入/輸出子系統、電源等。軟體例程將CPU 238轉換成專用電腦(控制器)244。也可由位於叢集處理系統200遠端的第二控制器(未展示)儲存及/或執行軟體例程。
圖3描繪了根據本揭示案的一個實施例的流程圖，圖示了用於針對MRAM應用在基板上製造MTJ結構的處理300。注意，可將用於製造MTJ結構的處理300利用於自旋軌道扭矩(spin-orbit-torque)磁性隨機存取記憶體(SOT MRAM)、自旋轉移扭矩(spin-transfer-torque)磁性隨機存取記憶體(STT MRAM)及/或混合(或稱整合)自旋軌道扭矩磁性自旋轉移扭矩磁性隨機存取記憶體(SOT-STT MRAM)應用，特別是在自旋軌道扭矩磁性隨機存取記憶體(SOT MRAM)中。圖4是在由圖3的處理300製造的基板401上形成的MTJ結構的示意性橫截面圖。可預期的是，處理300可在合適的處理腔室中執行，例如圖1中所描繪的電漿處理腔室 100或圖2中所描繪的冷卻腔室211，均併入圖2中所描繪的叢集處理系統200中。也應注意，處理300可在其他合適的處理腔室中執行，包含來自其他製造商的處理腔室。
處理300藉由提供基板而始於操作302，例如基板401，具有設置在基板401上的膜堆疊455，可用以形成MTJ結構402，如圖4中所展示。基板401可包括金屬或玻璃、矽、介電塊狀材料和金屬合金或複合玻璃、晶體矽(例如，Si<100>或Si<111>)、氧化矽、應變矽、矽鍺、鍺、摻雜或未摻雜的多晶矽、摻雜或未摻雜的矽晶圓、及圖案化或未圖案化的晶圓絕緣體上矽(SOI)、碳摻雜的氧化矽、氮化矽、摻雜的矽、鍺、砷化鎵、玻璃或藍寶石。底座可具有各種尺寸，例如200mm、300mm、450mm或其他直徑，並且可為矩形或正方形面板。除非另有說明，本文描述的範例在具有200mm直徑、300mm直徑、或450mm直徑的基座基板的基板上進行。
磁性隧道接面(MTJ)402包含具有接面結構409的膜堆疊455，包含了夾住穿隧障礙層410的第一鐵磁層412和第二鐵磁層408。膜堆疊455進一步包含底緩衝層403、種子層404、及固定層450和阻擋層452形成在接面結構409下面。在一個範例中，可利用材料以形成底緩衝層403，包含CoFeB、Ta、TaN、W和WN。可由NiCr、Cr、CoFeB、Ta、Ru、上述之合金或組合製成種子層404。固定層450可包括幾種類型的固定層405、406、407中的一種或更多種，例如簡單的固定、反平行固定、自固定或 反鐵磁固定的感測器。在圖4中描繪的一個範例中，固定層450包含多層405、406、407，例如三個層。注意固定層450的數量可根據需要為任何數量。固定層450可由幾種磁性材料構成，例如具有摻雜劑的金屬合金，例如硼摻雜劑、氧摻雜劑或其他合適材料。金屬合金可為含鎳材料、含鉑材料、含Ru材料、含鈷材料、含鉭材料和含鈀材料。在圖4所描繪的範例中，固定層450包含夾住耦合層406的第一固定層405和第二固定層407。第一和第二固定層405、407及耦合層406的合適範例包含磁性材料，可包括以下一者或更多者：Ru、Ta、Co、Pt、TaN、NiFeOx、NiFeB、CoFeOxB、CoFeB、CoFe、NiOxB、CoBOx、FeBOx、CoFeNiB、CoPt、CoPd、TaOx等。在一個範例中，第一和第二固定層405、407由Co、Pt、Ni、Ir及/或Pd製成，且耦合層406由Ir、Ru、Ta、W、Mo及上述之合金或組合製成。
接面結構409進一步包含夾住穿隧障礙層410的磁性儲存層412和磁性參考層408。在隧道接面磁阻(TMR)感測器的情況下，穿隧障礙層410可為氧化物障礙層，或是，在巨大磁阻(GMR)感測器的情況下，穿隧障礙層410可為傳導層。當磁性隧道接面(MTJ)402經配置以形成TMR感測器時，則穿隧障礙層410可包括以下一者或更多者：MgO、HfO2、TiO2、TaOx、Al2O3或其他合適材料。在圖4中所描繪的實施例中，穿隧障礙層410可包括具有約1至約15埃厚度的MgO，例如約10埃。
磁性儲存層412和磁性參考層408可為含金屬的材料或磁性材料，例如以下一者或更多者：Mo、Ir、Ru、Ta、MgO、Hf、CoFe、CoFeB等。注意磁性儲存層412和磁性參考層408可根據需要由相同或不同的材料製成。
在操作304處，在接面結構409上形成介電蓋層414。介電蓋層414是可提供從接面結構409到隨後在其上形成的層的絕緣結構的介電層。在一個範例中，介電蓋層414是含金屬的介電層，例如MgO。介電蓋層414由合適的沉積技術形成，例如PVD、CVD等。在一個範例中，由圖1中所描繪的處理腔室100中執行的物理氣相沉積(例如，濺射處理)來形成介電蓋層414。
可藉由供應沉積氣體混合物至沉積腔室100以進行處理來執行介電蓋沉積處理，將電壓功率供應至濺射源114(例如，靶)以濺射形成介電蓋層414的材料。例如，供應給Mg靶的電壓功率以鎂離子的形式(例如Mg2+ ，可與來自沉積氣體混合物的反應元素反應)從濺射源114濺射金屬Mg源材料，從而形成所需的MgO以作為介電蓋層414。施加在濺射源114和基板支撐基座108之間的偏置功率維持了由處理腔室100中的氣體混合物形成的電漿。離子主要來自電漿轟擊中的氣體混合物及濺射源114濺射出的材料。可在濺射沉積處理期間變化氣體混合物及/或其他處理參數，以形成具有用於不同膜質量需求的期望膜性質的介電蓋層414。
在處理期間，可調節幾個處理參數。在一個實施例中，可在約100瓦及約20000瓦之間供應RF源功率。可在約50瓦及約5000瓦之間將RF偏置功率施加到基板支撐件。基板溫度可維持在約攝氏150度及約攝氏450度之間。
在操作306處，在接面結構409上形成介電蓋層414之後，在基板401上執行冷卻處理。可在系統200中所併入的冷卻腔室211中執行冷卻處理，使得可以預定的順序和序列來執行操作304和操作306處的處理(例如，沉積處理和冷卻處理)，而不會破壞真空，使得當從沉積腔室100傳送基板401至冷卻腔室211時，可將基板401維持在處理系統200中的真空下。
在一個實施例中，基板401被傳送到冷卻腔室211以執行冷卻處理，以將基板溫度降低到預定範圍。相信在基板上執行的冷卻處理可導致基板上的溫度快速下降，使得基板401上包含介電蓋層414和接面結構409中的層的膜層的膜性質可以相對更穩定的方式變更，使得這些膜層中的晶格結構可在隨後的沉積處理期間具有最小的影響。例如，相信在介電蓋層414的表面上以及在膜堆疊455上執行的冷卻處理可輔助以更穩定的方式重建其晶格結構。結果，當介電蓋層414和膜堆疊455經歷來自後續沉積處理的熱能時，介電蓋層414和膜堆疊455的晶格結構可維持期望的穩定方式而沒有明顯的晶格結構交替。
此外，由於介電蓋層414和膜堆疊455的穩定狀態也可輔助維持隨後在其沉積處理期間在其上形成的金屬蓋層416的穩定狀態。例如，當金屬蓋層416形成為非晶性結構時，介電蓋層414和膜堆疊455的穩定狀態也可輔助維持隨後形成在其上的金屬蓋層416的非晶狀態。
在一個實施例中，藉由將基板溫度維持在約攝氏負50度(-50℃)和約攝氏負250度(-250℃)之間的範圍內，在冷卻腔室211中執行冷卻處理，例如介於約攝氏負100度(-100℃)和約攝氏負250度(-250℃)之間。基板401可位於處理腔室211中的基板支撐件上，該基板支撐件可將基板溫度淬火到約攝氏負50度(-100℃)和約攝氏負250度(-250℃)之間的範圍。冷卻腔室211中的基板支撐件可具有冷卻元件，例如冷凝器、冷卻構件或液氮供應器，而可輔助將基板溫度快速降低至期望的低溫範圍。
在一個實施例中，冷卻處理可執行約50秒及約600秒之間。
在操作308處，在冷卻處理之後，執行金屬蓋層沉積處理以在介電蓋層414上形成金屬蓋層416。金屬蓋層416可為藉由在處理腔室中執行的PVD處理而形成的金屬材料，例如圖1中所描繪的PVD腔室100。因此，在操作306處在冷卻腔室211中的冷卻處理之後，基板401接著從冷卻腔室211被傳送回到處理系統200中併入的處理腔室100，而不破壞用於形成金屬蓋層416的真空。
在一個範例中，金屬蓋層416是釕(Ru)、銥(Ir)、上述之組合或上述之合金。可藉由將氣體混合物供應到處理腔室100以進行處理來形成金屬蓋層416，將電壓功率供應到濺射源114(例如，靶)以濺射形成金屬蓋層416的材料。例如，提供給Ru或Ir靶的電壓功率以鎂離子的形式從濺射源114濺射金屬Ru或Ir源材料，該等離子可被吸收在基板上以形成金屬蓋層416。在濺射源114及基板支撐基座108之間施加的偏置功率114維持由處理腔室100中的氣體混合物形成的電漿。離子主要來自電漿轟擊中的氣體混合物及濺射源114濺射出的材料。可在濺射沉積處理期間變化氣體混合物及/或其他處理參數，以形成具有用於不同膜質量需求的期望膜性質的金屬蓋層416。
在處理期間，可調節幾個處理參數。在一個實施例中，可在約100瓦及約20000瓦之間供應RF源功率。可在約50瓦及約5000瓦之間將RF偏置功率施加到基板支撐件。基板溫度可維持在約攝氏150度及約攝氏450度之間。
在操作310處，在金屬蓋層416上形成頂緩衝層420。頂緩衝層420輔助阻擋膜紋理、粗糙度、或其他來自頂硬遮罩層422的不期望的介面效應，之後會在頂緩衝層420上形成頂硬遮罩層422。頂緩衝層420可有效地用作緩衝及/或障礙結構，以便減低在沉積處理期間來自附近的層的干擾，例如頂硬遮罩層422到下方的金屬蓋層416。在形成MTJ結構402的同時，可在形成MTJ結構402中的膜層的不同製造處理期間執行退火處理。退火處理可輔助使MTJ結構402中的膜層結晶以形成期望的晶格結構。因此，形成的頂緩衝層420可在執行退火處理期間輔助減低來自頂硬遮罩層422到下方的金屬蓋層416或其他附近的層的紋理、接合或晶格結構干擾，如果有的話。
在一個實施例中，頂緩衝層420可為非磁性材料。非磁性材料提供與金屬蓋層420或磁性儲存層412的膜性質不同的膜性質，使得當進行熱處理時，來自下方的金屬蓋層420或磁性儲存層412的晶界及/或晶粒結構持續生長的可能性可有效地減低和最小化。結果，當圖案化和製造MTJ結構402時，頂硬遮罩層422可維持其膜完整性並提供良好的蝕刻遮罩效能以及蝕刻選擇性。
在一個範例中，針對頂緩衝層420選擇的非磁性材料可為介電材料、含金屬的介電層或具有或不具有金屬元素的絕緣材料。針對頂緩衝層420選擇非磁性材料以使與來自下方的金屬蓋層420及/或磁性儲存層412的磁性材料不可相容，從而增強頂硬遮罩層422與金屬蓋層420或磁性儲存層412之間的障礙和阻擋效能(例如，非磁性材料對磁性材料)。
在一個範例中，頂緩衝層420是含金屬的材料，例如CoFeB材料。選擇CoFeB材料中的硼(B)元素的摻雜劑濃度，使得所得到的頂緩衝層420可保持非磁性。在一個實施例中，材料中硼摻雜劑濃度按原子量計在約20%及約40%之間，例如約25%。CoFeB材料的受控的硼摻雜劑濃度可輔助將頂緩衝層420維持為非晶性結構。頂緩衝層420的非晶性結構也可阻擋從頂硬遮罩層422到下方的金屬蓋層420及/或磁性儲存層412的紋理干擾。頂緩衝層420的厚度被控制在約60 nm和約120 nm之間。
在一個範例中，也可在金屬蓋層420的沉積處理之後在圖1的處理腔室100中形成頂緩衝層420。因此，在圖2中描繪的處理系統200中併入的相同腔室或不同腔室中的金屬蓋層420之後，頂緩衝層420可連續地被保形。在一個實施例中，藉由向處理腔室100供應氣體混合物以用於處理來形成頂緩衝層420，將電壓功率供應給濺射源114(例如，靶)以濺射形成金屬蓋層416的材料。例如，供應給CoFe合金靶的電壓功率以Co離子及Fe離子的形式從濺射源114濺射金屬CoFe源材料，該等離子可能會與從氣體混合物中解離的硼離子發生反應，而在基板上形成具有所需硼濃度水平的CoFeB材料。在濺射源114和基板支撐基座108之間施加的偏置功率維持了由處理腔室100中的氣體混合物形成的電漿。離子主要來自電漿轟擊中的氣體混合物及濺射源114濺射出的材料。可在濺射沉積處理期間變化氣體混合物及/或其他處理參數，以形成具有用於不同膜質量需求的期望膜性質的頂緩衝層420。
在處理期間，可調節幾個處理參數。在一個實施例中，可在約100瓦及約20000瓦之間供應RF源功率。可在約50瓦及約5000瓦之間將RF偏置功率施加到基板支撐件。基板溫度可維持在約攝氏150度及約攝氏450度之間。
在一個範例中，可根據需要可選地將另一金屬材料(未展示)設置在頂緩衝層420的下方或上方，從由Ta、Mo、W、及Cr所組成的群組來選擇該金屬材料。
在操作312處，在形成頂緩衝層420之後，在頂緩衝層420上沉積頂硬遮罩層422。頂硬遮罩層422由CoFeB、MgO、Ta、W、Pt、CuBi、Mo、Ru、上述之合金、或上述之組合製成。頂硬遮罩層422設置在頂緩衝層420中，且稍後將在隨後的圖案化及/或蝕刻處理期間用作蝕刻遮罩層。在形成頂硬遮罩層422之後，執行圖案化處理(例如蝕刻處理)，以圖案化硬遮罩層422以及下面的膜層，以形成磁性隧道接面(MTJ)結構402。
據此，提供了形成用於MRAM的MTJ裝置結構的處理和設備。在一個範例中，MTJ結構具有頂緩衝層，該頂緩衝層設置在MTJ結構中的介電蓋層上的金屬蓋層上。頂緩衝層是非晶性層且為非磁性材料。頂緩衝層的一個範例是摻雜硼的CoFe材料(例如，CoFeB層)。此外，在MTJ結構中形成介電蓋層之後，在介電蓋層上執行冷卻處理，以增強和控制隨後在其上形成的金屬蓋層的晶格結構。
儘管前述內容針對本揭示案的實施例，在不脫離本揭示案的基本範圍的情況下，可設計本揭示案的其他和進一步的實施例。
100:處理腔室
101:基板
102:上側壁
103:下側壁
104:蓋部分
105:主體
106:內部空間
107:適配器板
108:基板支撐基座
109:基板傳送端口
110:氣體源
112:泵送裝置
114:濺射源
116:源組件
117:電源
118:准直儀
119:磁體
120:屏蔽管
121:管狀主體
122:凹部
123:肩部區域
124:錐形表面
126:屏蔽環
127:環形側壁
128:凹部
130:徑向凸緣
132:突出部
134:凹陷凸緣
136:邊緣環
140:升降銷
142:驅動器
143:軸件
144:基板接收表面
145:箭頭
146:熱控制通道
147:軸
148:反射器環
150:燈
152:凹表面
154:冷卻劑源
158:記憶體
160:CPU
162:支援電路
180:RF功率源
198:控制器
200:叢集處理系統
201:計算裝置
202:工廠介面
204:真空緊密處理平台
206A,206B:FOUP
208:對接站
210:計量系統
211:處理腔室
214:工廠介面機器人
216:刀片
218:計量站
220:處理腔室
222:負載鎖定腔室
224:基板
226:終端
228:處理腔室
230:真空機器人
232:處理腔室
234:刀片
236:傳送腔室
238:CPU
240:記憶體
242:支援電路
244:系統控制器
300:處理
302~312:操作
401:基板
402:MTJ結構
403:底緩衝層
404:種子層
405:固定層
406:固定層
407:固定層
408:第二鐵磁層
409:接面結構
410:穿隧障礙層
412:第一鐵磁層
414:介電蓋層
416:金屬蓋層
420:頂緩衝層
422:頂硬遮罩層
450:固定層
452:阻擋層
455:膜堆疊
為了獲得且可詳細理解本揭示案的上述特徵的方式，可藉由參考圖示於附圖中的實施例來對本揭示案進行更特定的描述，上面對本發明進行了簡要概述。
圖1描繪了用於實現本揭示案的一個實施例的沉積腔室的一個實施例；圖2描繪了用於實現本揭示案的一個實施例的叢集處理系統的另一實施例；
圖3描繪了根據本揭示案的一個實施例的流程圖，圖示了用於製造磁性隧道接面(MTJ)結構的方法；及
圖4是具有由圖3的方法製造的磁性隧道接面(MTJ)結構的基板的橫截面圖。
為了便於理解，盡可能地使用相同的參考數字來表示圖式中共有的相同元件。可預期的是，一個實施例的元件和特徵可有益地併入其他實施例中，而無需進一步敘述。
然而，應注意，附圖僅圖示了本揭示案的示例性實施例，因此不應被視為是對其範圍的限制，因為本揭示案可允許其他等效的實施例。
401:基板
402:MTJ結構
403:底緩衝層
404:種子層
405:固定層
406:固定層
407:固定層
408:第二鐵磁層
409:接面結構
410:穿隧障礙層
412:第一鐵磁層
414:介電蓋層
416:金屬蓋層
420:頂緩衝層
422:頂硬遮罩層
450:固定層
452:阻擋層
455:膜堆疊

Claims (17)

  1. 一種磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，包括：一基板；一種子層，該種子層設置於該基板上；一固定層(pinning layer)，該固定層設置於該種子層上，該固定層包括夾住一耦合層之一第一固定層及一第二固定層，其中該第一固定層、該第二固定層或二者包括Co及Ni；一接面結構，該接面結構設置於該種子層上，該接面結構包括夾住一穿隧障礙層的一第一鐵磁層及一第二鐵磁層；一介電蓋層，該介電蓋層設置於該接面結構上；一金屬蓋層，該金屬蓋層設置於該接面結構上；及一頂緩衝層，該頂緩衝層設置於該金屬蓋層上。
  2. 如請求項1所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，其中該頂緩衝層為非晶性(amorphous)。
  3. 如請求項1所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，其中該頂緩衝層為非磁性的。
  4. 如請求項1所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，其中該頂緩衝層為一介電材料、一金屬材料、或具有或不具有金屬摻雜劑的一絕緣材料。
  5. 如請求項1所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，其中該頂緩衝層為一CoFeB材料。
  6. 如請求項5所述之磁性隧道接面(MTJ)裝 置結構，其中該頂緩衝層的該CoFeB材料具有按原子量計的在約20%及約40%之間的一硼濃度。
  7. 如請求項5所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，進一步包括設置於該頂緩衝層下方或上方的另一金屬材料，其中該金屬材料係選自由Ta、Mo、W、及Cr所組成的群組。
  8. 如請求項1所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，進一步包括：一阻擋層，該阻擋層設置於該種子層及該固定層之間。
  9. 如請求項1所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，其中金屬蓋層為一Ru或Ir層。
  10. 一種磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，包括：一接面結構，該接面結構設置於一基板上，該接面結構包括夾住一穿隧障礙層之一第一鐵磁層及一第二鐵磁層；一介電蓋層，該介電蓋層設置於該接面結構上；一金屬蓋層，該金屬蓋層設置於該介電蓋層上；一金屬材料，該金屬材料設置於該金屬蓋層上，該金屬材料選自由Ta、Mo、W、及Cr所組成的群組；及一頂緩衝層，該頂緩衝層設置於該金屬材料上，該頂緩衝層包括一CoFeB材料。
  11. 如請求項10所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，進一步包括： 一種子層，該種子層設置於該結構上；及一固定層(pinning layer)，該固定層在該接面結構下方設置於該種子層上，該固定層包括夾住一耦合層之一第一固定層及一第二固定層。
  12. 如請求項11所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，其中該種子層包括Cr、Pt或前述者的組合。
  13. 如請求項12所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，其中當該種子層包括Cr時，該第一固定層包括Co及Ni。
  14. 如請求項12所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，其中該第一固定層包括：Co及Pt；或Co及Ni。
  15. 一種磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，包括：一基板；一種子層，該種子層設置於該基板上；一固定層(pinning layer)，該固定層設置於該種子層上，該固定層包括夾住一耦合層之一第一固定層及一第二固定層，其中該第一固定層、該第二固定層或二者包括Co及Ni；一接面結構，該接面結構設置於該種子層上，該接面結構包括夾住一穿隧障礙層的一第一鐵磁層及一第二鐵磁層；一介電蓋層，該介電蓋層設置於該接面結構上； 一金屬蓋層，該金屬蓋層設置於該介電蓋層上；及一頂緩衝層，該頂緩衝層設置於該金屬蓋層上，該頂緩衝層包括一CoFeB材料。
  16. 如請求項15所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，進一步包括一金屬材料，該金屬材料設置於該金屬蓋層上且設置於該頂緩衝層下方，該金屬材料選自由Ta、Mo、W、及Cr所組成的群組。
  17. 如請求項16所述之磁性隧道接面(MTJ)裝置結構，其中金屬蓋層為Ru、Ir或前述者的組合或前述者的合金。
TW109120557A 2019-06-21 2020-06-18 用於磁性隧道接面應用的頂緩衝層 TWI864025B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/448,709 2019-06-21
US16/448,709 US10923652B2 (en) 2019-06-21 2019-06-21 Top buffer layer for magnetic tunnel junction application

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202105385A TW202105385A (zh) 2021-02-01
TWI864025B true TWI864025B (zh) 2024-12-01

Family

ID=74037002

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109120557A TWI864025B (zh) 2019-06-21 2020-06-18 用於磁性隧道接面應用的頂緩衝層

Country Status (3)

Country Link
US (2) US10923652B2 (zh)
TW (1) TWI864025B (zh)
WO (1) WO2020256884A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11597999B2 (en) * 2020-02-24 2023-03-07 Sky Tech Inc. Method and device for decreasing generation of surface oxide of aluminum nitride
US12451175B2 (en) * 2021-07-23 2025-10-21 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd .. Memory device and formation method thereof
JP2024043290A (ja) * 2022-09-16 2024-03-29 キオクシア株式会社 磁気記憶装置
US12266384B2 (en) * 2023-01-05 2025-04-01 Headway Technologies, Inc. Tunneling magnetoresistance device with magnetically soft high moment free layer
CN117390733B (zh) * 2023-08-28 2024-06-11 中南大学 一种高速铁路隧道口缓冲结构设计方法及系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150008547A1 (en) * 2013-07-05 2015-01-08 Headway Technologies, Inc. Hybridized Oxide Capping Layer for Perpendicular Magnetic Anisotropy
TW201603016A (zh) * 2014-03-28 2016-01-16 英特爾股份有限公司 形成具有點接觸的自由磁性層之自旋轉移力矩記憶體的技術
US9337415B1 (en) * 2015-03-20 2016-05-10 HGST Netherlands B.V. Perpendicular spin transfer torque (STT) memory cell with double MgO interface and CoFeB layer for enhancement of perpendicular magnetic anisotropy

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6964928B2 (en) 2002-08-29 2005-11-15 Chentsau Ying Method for removing residue from a magneto-resistive random access memory (MRAM) film stack using a dual mask
US7750421B2 (en) 2007-07-23 2010-07-06 Magic Technologies, Inc. High performance MTJ element for STT-RAM and method for making the same
JP2009152333A (ja) * 2007-12-20 2009-07-09 Fujitsu Ltd 強磁性トンネル接合素子、磁気ヘッド、及び磁気記憶装置
US20130134032A1 (en) * 2008-06-25 2013-05-30 Canon Anelva Corporation Method of fabricating and apparatus of fabricating tunnel magnetic resistive element
WO2010029702A1 (ja) * 2008-09-09 2010-03-18 キヤノンアネルバ株式会社 磁気抵抗素子の製造方法、該製造方法に用いる記憶媒体
US8120126B2 (en) 2009-03-02 2012-02-21 Qualcomm Incorporated Magnetic tunnel junction device and fabrication
US7989224B2 (en) * 2009-04-30 2011-08-02 International Business Machines Corporation Sidewall coating for non-uniform spin momentum-transfer magnetic tunnel junction current flow
US9028910B2 (en) 2010-12-10 2015-05-12 Avalanche Technology, Inc. MTJ manufacturing method utilizing in-situ annealing and etch back
US9564582B2 (en) 2014-03-07 2017-02-07 Applied Materials, Inc. Method of forming magnetic tunneling junctions
KR20160004744A (ko) * 2014-07-04 2016-01-13 에스케이하이닉스 주식회사 반도체 메모리를 포함하는 전자 장치
US20160351799A1 (en) 2015-05-30 2016-12-01 Applied Materials, Inc. Hard mask for patterning magnetic tunnel junctions
US9741926B1 (en) 2016-01-28 2017-08-22 Spin Transfer Technologies, Inc. Memory cell having magnetic tunnel junction and thermal stability enhancement layer
GB2561790B (en) 2016-02-01 2021-05-12 Canon Anelva Corp Manufacturing method of magneto-resistive effect device
US10103196B2 (en) * 2016-08-30 2018-10-16 Micron Technology, Inc. Methods of forming magnetic memory cells, and methods of forming arrays of magnetic memory cells
US10170697B2 (en) * 2016-09-07 2019-01-01 International Business Machines Corporation Cryogenic patterning of magnetic tunnel junctions
KR102520472B1 (ko) 2016-09-09 2023-04-12 삼성전자주식회사 기판 처리 장치 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법
US10475987B1 (en) * 2018-05-01 2019-11-12 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Method for fabricating a magnetic tunneling junction (MTJ) structure
US11374170B2 (en) 2018-09-25 2022-06-28 Applied Materials, Inc. Methods to form top contact to a magnetic tunnel junction
US11056643B2 (en) * 2019-01-03 2021-07-06 International Business Machines Corporation Magnetic tunnel junction (MTJ) hard mask encapsulation to prevent redeposition

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150008547A1 (en) * 2013-07-05 2015-01-08 Headway Technologies, Inc. Hybridized Oxide Capping Layer for Perpendicular Magnetic Anisotropy
TW201603016A (zh) * 2014-03-28 2016-01-16 英特爾股份有限公司 形成具有點接觸的自由磁性層之自旋轉移力矩記憶體的技術
US9337415B1 (en) * 2015-03-20 2016-05-10 HGST Netherlands B.V. Perpendicular spin transfer torque (STT) memory cell with double MgO interface and CoFeB layer for enhancement of perpendicular magnetic anisotropy

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020256884A1 (en) 2020-12-24
US10923652B2 (en) 2021-02-16
TW202105385A (zh) 2021-02-01
US20200403152A1 (en) 2020-12-24
US11621393B2 (en) 2023-04-04
US20210119119A1 (en) 2021-04-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI864025B (zh) 用於磁性隧道接面應用的頂緩衝層
US12408557B2 (en) Methods for forming structures with desired crystallinity for MRAM applications
CN103403215B (zh) 制造设备
EP3531461A1 (en) Fabrication of large height top metal electrodes for sub-60 nm width magnetic tunnel junctions of magnetoresistive random access memory devices
US10921707B2 (en) Self-adaptive halogen treatment to improve photoresist pattern and magnetoresistive random access memory (MRAM) device uniformity
US20200161541A1 (en) Methods for forming structures for mram applications
KR20200126006A (ko) 조정가능한 높은 수직 자기 이방성을 갖는 자기 터널 접합들
TWI869393B (zh) 用於形成金屬容納材料的方法及儲存程式的電腦可讀儲存媒體
TWI750479B (zh) 磁性隧道接合及其製造方法
US10038138B1 (en) High temperature volatilization of sidewall materials from patterned magnetic tunnel junctions
US10910557B2 (en) Apparatus and methods of fabricating a magneto-resistive random access memory (MRAM) device