磁随机存储器（MRAM）因具有非易失性、低功耗以及高访问速度等特点，在未来新兴存储领域有着巨大的应用前景。尤其是基于自旋轨道矩（SOT）技术的MRAM存储器具有超高速、高耐久性的优势，更适合应用于高速缓存。然而在SOT-MRAM集成中存在几个关键的技术瓶颈，制约了其走向应用。隧道结的刻蚀工艺是其中一个关键的技术挑战和难点。在SOT隧道结（SOT-MTJ）刻蚀过程中，金属副产物的反溅使得MTJ的MgO隧穿势垒层（厚度~1 nm）短路，从而造成较低的器件良率。因此，台湾工研院、台积电、IMEC、Intel等全世界主要半导体研发机构和企业，都在SOT-MRAM刻蚀工艺上开展了大量工作，提供了良好的解决思路。然而，SOT-MRAM的刻蚀工艺依然是业界面临的一项重要技术挑战。
为了更好地解决SOT-MRAM的刻蚀技术难题以实现SOT-MTJ的高密度片上集成，同时研究不同的刻蚀工艺对器件磁电特性的影响，中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心罗军研究员课题组开发了一种基于垂直磁各向异性SOT-MTJ的刻蚀“停MgO”工艺（SOMP-MTJ），该工艺有效地解决了SOT-MRAM制造中的刻蚀短路问题。传统的SOT-MTJ刻蚀方法（NSOMP-MTJ）使刻蚀停止在底电极上（图1a,b），在刻蚀过程中MgO层极易附着金属，造成器件短路。课题组开发了刻蚀“停MgO”工艺，该工艺使MTJ刻蚀终点精确地停止在~1 nm厚的MgO层上（图 1c,d）。由于隧穿层MgO的侧壁从未暴露，从而避免了MgO层的短路。利用“停MgO”刻蚀工艺制备的SOT-MTJ器件阵列，晶圆的电阻良率可提升至100%，同时还提高了器件的TMR、电阻、矫顽力等关键参数的均匀性（图 2a,b）。另外，“停MgO”器件还具有更高的热稳定性、更低的翻转电流密度以及高达1 ns的翻转速度（图 2c,d）。该研究成果为高速、低功耗、高集成度SOT-MRAM的刻蚀技术问题提供了关键解决方案。
图1、（a）“停底电极”器件TEM图，（b）“停底电极”器件EDS图（c）“停MgO”器件TEM图，（d）“停MgO”器件EDS图
图2、“停底电极”器件（NSOMP-MTJ）和“停MgO”器件（SOMP）磁电特性对比结果。（a）TMR、Rp，（b）偏置场Hoff、矫顽场Hc，（c）热稳定性因子，（d）翻转电流密度的性能对比
基于本研究成果的论文“Enhancement of Magnetic and Electric Transport Performance of Perpendicular Spin-Orbit Torque Magnetic Tunnel Junction by Stop-on-MgO Etching Process”近日发表在著名的微电子领域权威期刊《电子器件快报》（IEEE Electron Device Letters，DOI: 10.1109/LED.2023.323683）上。中科院微电子所博士生赵磊为第一作者，中科院微电子所先导中心罗军研究员和杨美音副研究员为该文的通讯作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和企业有关项目的支持。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10016628
综合信息