磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）因具有非易失性、低功耗以及高訪問(wèn)速度等特點(diǎn)，在未來(lái)新興存儲(chǔ)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。尤其是基于自旋軌道矩（SOT）技術(shù)的MRAM存儲(chǔ)器具有超高速、高耐久性的優(yōu)勢(shì)，更適合應(yīng)用于高速緩存。然而在SOT-MRAM集成中存在幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸，制約了其走向應(yīng)用。隧道結(jié)的刻蝕工藝是其中一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)和難點(diǎn)。在SOT隧道結(jié)（SOT-MTJ）刻蝕過(guò)程中，金屬副產(chǎn)物的反濺使得MTJ的MgO隧穿勢(shì)壘層（厚度~1nm）短路，從而造成較低的器件良率。因此，臺(tái)灣工研院、臺(tái)積電、IMEC、Intel等全世界主要半導(dǎo)體研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)，都在SOT-MRAM刻蝕工藝上開(kāi)展了大量工作，提供了良好的解決思路。然而，SOT-MRAM的刻蝕工藝依然是業(yè)界面臨的一項(xiàng)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(shí)現(xiàn)SOT-MTJ的高密度片上集成，同時(shí)研究不同的刻蝕工藝對(duì)器件磁電特性的影響，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心羅軍研究員課題組開(kāi)發(fā)了一種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(wèn)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(guò)程中MgO層極易附著金屬，造成器件短路。課題組開(kāi)發(fā)了刻蝕“停MgO”工藝，該工藝使MTJ刻蝕終點(diǎn)精確地停止在~1nm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(shí)還提高了器件的TMR、電阻、矯頑力等關(guān)鍵參數(shù)的均勻性（圖2a,b）。另外，“停MgO”器件還具有更高的熱穩(wěn)定性、更低的翻轉(zhuǎn)電流密度以及高達(dá)1ns的翻轉(zhuǎn)速度（圖2c,d）。該研究成果為高速、低功耗、高集成度SOT-MRAM的刻蝕技術(shù)問(wèn)題提供了關(guān)鍵解決方案。 

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(duì)比結(jié)果。（a）TMR、R_p，（b）偏置場(chǎng)H_off、矯頑場(chǎng)H_c，（c）熱穩(wěn)定性因子，（d）翻轉(zhuǎn)電流密度的性能對(duì)比

　　基于本研究成果的論文“Enhancement of Magnetic and Electric Transport Performance of Perpendicular Spin-Orbit Torque Magnetic Tunnel Junction by Stop-on-MgO Etching Process”近日發(fā)表在著名的微電子領(lǐng)域權(quán)威期刊《電子器件快報(bào)》（IEEE Electron Device Letters，DOI: 10.1109/LED.2023.323683）上。中科院微電子所博士生趙磊為第一作者，中科院微電子所先導(dǎo)中心羅軍研究員和楊美音副研究員為該文的通訊作者。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和企業(yè)有關(guān)項(xiàng)目的支持。 

　　論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10016628