磁隨機存儲器（MRAM）因具有非易失性、低功耗以及高訪問速度等特點，在未來新興存儲領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。尤其是基于自旋軌道矩（SOT）技術(shù)的MRAM存儲器具有超高速、高耐久性的優(yōu)勢，更適用于高速緩存。然而，在SOT-MRAM集成中存在技術(shù)瓶頸，制約了其走向應(yīng)用。隧道結(jié)的刻蝕工藝是關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)和難點之一。在SOT隧道結(jié)（SOT-MTJ）刻蝕過程中，金屬副產(chǎn)物的反濺使得MTJ的MgO隧穿勢壘層（厚度~1 nm）短路，從而造成較低的器件良率。半導(dǎo)體研發(fā)機構(gòu)和企業(yè)在SOT-MRAM刻蝕工藝上開展了研究，提供了良好的解決思路，而SOT-MRAM的刻蝕工藝依然是業(yè)界面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)。 

　　為了更好地解決SOT-MRAM的刻蝕技術(shù)難題以實現(xiàn)SOT-MTJ的高密度片上集成，同時探討不同的刻蝕工藝對器件磁電特性的影響，中國科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心研究員羅軍課題組開發(fā)出基于垂直磁各向異性SOT-MTJ的刻蝕“停MgO”工藝（SOMP-MTJ）。該工藝有效地解決了SOT-MRAM制造中的刻蝕短路問題。傳統(tǒng)的SOT-MTJ刻蝕方法（NSOMP-MTJ）使刻蝕停止在底電極上（圖1a、b），在刻蝕過程中MgO層極易附著金屬，造成器件短路。刻蝕“停MgO”工藝使MTJ刻蝕終點精確地停止在~1 nm厚的MgO層上（圖1c、d）。由于隧穿層MgO的側(cè)壁從未暴露，從而避免了MgO層的短路。利用“停MgO”刻蝕工藝制備的SOT-MTJ器件陣列，晶圓的電阻良率可提升至100%，同時提高了器件的TMR、電阻、矯頑力等關(guān)鍵參數(shù)的均勻性（圖2a、b）。另外，“停MgO”器件具有更高的熱穩(wěn)定性、更低的翻轉(zhuǎn)電流密度以及高達1 ns的翻轉(zhuǎn)速度（圖2c、d）。該成果為高速、低功耗、高集成度SOT-MRAM的刻蝕技術(shù)問題提供了關(guān)鍵解決方案。 

　　相關(guān)研究成果以Enhancement of Magnetic and Electric Transport Performance of Perpendicular Spin-Orbit Torque Magnetic Tunnel Junction by Stop-on-MgO Etching Process為題，發(fā)表在《電子器件快報》（IEEE Electron Device Letters）上。研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金、中科院等的支持。 

　　論文鏈接 

圖1.（a）“停底電極”器件TEM圖，（b）“停底電極”器件EDS圖，（c）“停MgO”器件TEM圖，（d）“停MgO”器件EDS圖。

　　圖2.“停底電極”器件（NSOMP-MTJ）和“停MgO”器件（SOMP）磁電特性對比結(jié)果。（a）TMR、R_p，（b）偏置場H_off、矯頑場H_c，（c）熱穩(wěn)定性因子，（d）翻轉(zhuǎn)電流密度的性能對比。