用于MRAM应用的结构的形成方法

技术领域

本公开内容的实施方式涉及用以制造结构的方法，所述结构被用于磁阻性随机存取存储器(MRAM)应用。更具体而言，本公开内容的实施方式涉及用以制造磁性隧道结结构的方法，所述磁性隧道结结构用于MRAM应用。

背景技术

磁阻性随机存取存储器(magnetoresistive random access memory；MRAM)是含有MRAM单元阵列的一种存储器装置类型，其中MRAM单元使用其电阻值而非电荷来存储数据。通常，各MRAM单元包括磁性隧道结(magnetic tunnel junction；MTJ)结构。MTJ结构可具有可调整电阻以表示逻辑状态“0”或“1”。MTJ结构通常包括磁性层的堆叠，在所述堆叠的配置中，两个铁磁层被薄的非磁性电介质(如绝缘隧穿层)分隔。利用顶部电极和底部电极夹住MTJ结构，使得电流可在顶部电极与底部电极之间流动。

一个铁磁层(如，参考层)的特征在于具有固定方向的磁化。另一个铁磁层(如，存储层)的特征在于磁化的方向随着装置的写入(如，通过施加磁场)而变化。在某些装置中，可将绝缘体材料(如，介电氧化物层)形成为夹在所述铁磁层之间的薄隧穿阻挡层(tunneling barrier layer)。通常将这些层依序沉积为覆盖的披覆式膜。接着通过各种蚀刻处理来图案化铁磁层及绝缘体材料，其中部分地或全部地去除一个或多个层，以完成装置特征。

当参考层和储存层各自的磁化为反平行(antiparallel)时，磁性隧道结的电阻为高而具有对应于高逻辑状态“1”的电阻值R

自旋转移矩(spin-transfer-torque)磁性随机存取存储器(STT MRAM)和自旋轨道矩(spin-orbit-torque)磁性随机存取存储器(SOT MRAM)是不同的芯片架构，其各自具有自己的电气性能及能量效率。已广泛研究将自旋轨道矩磁性随机存取存储器SOT MRAM)用于MRAM应用。然而，当操作自旋轨道矩磁性随机存取存储器(SOT MRAM)时，也需要外部或内部产生的磁场。然而，这样的需求通常使制造过程复杂化，也升高了制造成本。因此，如何制造具有相对简单且低制造成本的结构自旋轨道矩磁性随机存取存储器(SOT MRAM)仍是一项挑战。

因此，在本领域中需要制造用于MRAM应用的MTJ结构的改良方法及设备。

发明内容

本公开内容的实施方式提供了在基板上制造用于MRAM应用的磁性隧道结(MTJ)结构的方法和设备，特别是用于自旋轨道矩磁性随机存取存储器(SOT MRAM)应用。在一个实施方式中，磁性隧道结(MTJ)装置结构包括：设置于基板上的磁性隧道结(MTJ)柱体结构，及围绕MTJ柱体结构的间隙。

在另一个实施方式中，用于形成磁性隧道结(MTJ)装置结构的方法包括以下步骤：图案化膜堆叠，该膜堆叠包含参考层、隧穿阻挡层及自由层，该自由层设置于隧穿阻挡上；图案化参考层及隧穿阻挡层，直到暴露自由层；形成间隔层，该间隔层覆盖经图案化的参考层及隧穿阻挡层的侧壁；于间隔层上形成介电层，该介电层覆盖间隔层；形成钝化层，该钝化层覆盖介电层；以及选择性地蚀刻钝化层及介电层的一部分，以形成间隙，该间隙围绕膜堆叠。

在又一实施方式中，磁性隧道结(MTJ)装置结构包括：间隔层，围绕经图案化的参考层及隧穿阻挡层，该隧穿阻挡层设置于经图案化的自由层上；以及间隙，围绕经图案化的自由层。

附图说明

因此，可以详细地理解本公开内容的上述特征的方式，可以通过参考实施方式获得上文简要概述的本公开内容的更具体的描述，其中一些实施方式在附图中示出。

图1描绘用于实践本公开内容的一个实施方式的处理腔室的一个实施方式；

图2描绘用于实践本公开内容的一个实施方式的群集处理系统的另一个实施方式；

图3描绘流程图，该流程图绘示根据本公开内容的一个实施方式的制造磁性隧道结(MTJ)结构以及后端互连结构的方法；

图4A至4J为处于图3的方法的各个阶段的基板的截面视图；

图5是形成在基板上的磁性隧道结(MTJ)结构的另一个实例的截面视图；和

图6A至6F为处于图5的方法的各个阶段的基板的截面视图；和

图7描绘磁性隧道结(MTJ)结构的俯视图的实施方式。

为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图中共有的相同元件。可预期到一个实施方式中公开的元件可在没有具体记载的情况下有益地用于其他实施方式。

然而，请注意，随附附图仅图解此公开内容的典型实施方式，因此不应被视为是对其范围的限制，本公开内容可与允许其他等效实施方式。

具体实施方式

本公开内容的实施方式大体上提供了用于形成设置于基板上用于MRAM应用的MTJ结构的设备和方法。本公开内容的实施方式可适用于MRAM应用，特别是自旋轨道矩磁性随机存取存储器(SOT MRAM)应用。在一个实施方式中，本文所述的MTJ结构具有限定在MTJ结构与相邻膜层邻近处的间隙(如，不连续的自由层或气隙)，使得可以向被隔离的MTJ柱体结构提供杂散磁场(stray magnetic field)。如此，可由设置在膜结构中的不连续自由层产生内在磁场(intrinsic magnetic field)。因此，可移去外部磁场产生，从而降低制造成本和复杂性。

图1为适于进行图案化处理来蚀刻膜堆叠的处理腔室100的一个范例的截面视图，其中膜堆叠设置于基板上。可适于与本文公开的教导一起使用的合适的处理腔室包括，例如，可购自美国加州圣克拉拉市的应用材料公司的

处理腔室100包括腔室主体102及盖体104，腔室主体102及盖体104封围内部空间106。典型地以铝、不锈钢或其他合适的材料制成腔室主体102。腔室主体102通常包括侧壁108及底部110。基板支撑基座进出口(未示出)通常限定于侧壁108中，并由狭缝阀选择性地密封，以协助基板103进出处理腔室100。排气口126限定于腔室主体102中并将内部空间106耦接至泵系统128。泵系统128通常包括一个或多个泵及节流阀，用以排除并调节处理腔室100的内部空间106的压力。在一个实施方式中，泵系统128将内部空间106内的压力维持在操作压力下，其中操作压力通常介于约10mTorr与约500Torr之间。

盖体104密封地支撑于腔室主体102的侧壁108上。可打开盖体104以容许过量至处理腔室100的内部空间106。盖体104包括窗142，窗142可有助于光学处理监控。在一个实施方式中，窗142由石英或其他合适的材料构成，所述合适的材料可透射由安装在处理腔室100外部的光学监控系统140所利用的信号。

光学监控系统140经安置以通过窗142检视腔室主体102的内部空间106及/或安置于基板支撑基座组件148上的基板103中的至少一者。在一个实施方式中，光学监控系统140耦接盖体104并有助于使用光学计量来提供信息的集成式沉积处理，其中所述信息使得能够进行处理调整来视需求补偿传入的基板图案特征不一致(如厚度等等)，及提供处理状态监控(如等离子体监控、温度监控等等)。可适用而从本公开内容得利的一种光学监控系统为可购自美国加州圣克拉拉市的应用材料公司的

气体面板(gas panel)158耦接处理腔室100，以将处理气体和/或清洁气体提供至内部空间106。在图1描绘的实例中，在盖体104中提供(inlet ports)入口132’、132”，以容许将气体从气体面板158输送至处理腔室100的内部空间106。在一个实施方式中，气体面板158适于通过入口132’、132”将氟化处理气体提供至处理腔室100的内部空间106中。在一个实施方式中，从气体面板158提供的处理气体包括至少氟化气体、氯和含碳气体、氧气、含氮气体及含氯气体。氟化及含碳气体的实例包括CHF

喷头组件130耦接盖体104的内部表面114。喷头组件130包括多个孔，所述孔容许气体从入口132’、132”经过喷头组件130以跨处理腔室100中的待处理基板103的表面的预定分布流入处理腔室100的内部空间106。

远程等离子体源177可视情况耦接气体面板158，以促进来自远程等离子体的气体混合物在进入内部空间106用于处理之前解离。RF源功率143通过匹配网络141耦接喷头组件130。RF源功率143通常能够在约50kHz至约200MHz的范围中的可调频率下产生达约3000W的功率。

喷头组件130还包括可透射光学计量信号的区域。透光区域或通道138适于允许光学监控系统140检视内部空间106和/或安置于基板支撑基座组件148上的基板103。通道138可以是形成或设置于喷头组件130中的一种材料、一孔或是多个孔，通道138实质上可透射由光学监控系统140产生并反射回光学监控系统140的能量的波长。在一个实施方式中，通道138包括窗142，以防止气体经由通道138泄漏。窗142可为蓝宝石板、石英板或其他合适的材料。窗142可替代地设置于盖体104中。

在一个实施方式中，喷头组件130经配置而具有多个区块，所述区块允许个别控制流入处理腔室100的内部空间106的气体。在图1所图解的实例中，喷头组件130分为内部区块134和外部区块136，内部区块134和外部区块136通过单独的入口132’、132”分别耦接气体面板158。

基板支撑基座组件148设置于气体分布(喷头)组件130下方的处理腔室100的内部空间106中。基板支撑基座组件148在处理期间固持基板103。基板支撑基座组件148通常包括穿过其中而设置的多个升降杆(未示出)，所述升降杆经配置以从基板支撑基座组件148升降基板103，并便于在常规方式中以机器人(未示出)交换基板103。内衬118可紧密地外接于基板支撑基座组件148的周围。

在一个实施方式中，基板支撑基座组件148包括安装板162、底座164及静电吸盘166。安装板162耦接腔室主体102的底部110，包括通道，所述通道用于将诸如流体、电力线和传感器引线之类的公用设备布线至底座164及静电吸盘166。静电吸盘166包含至少一个夹持电极180，用于将基板103保持在喷头组件130下方。静电吸盘166由吸盘功率源182驱动以产生静电力，所述静电力将基板103固持至吸盘表面，如常规已知般。或者，可通过夹持、真空或重力将基板103保持于基板支撑基座组件148。

底座164或静电吸盘166中的至少一个可包括至少一个可选的嵌入式加热器176、至少一个可选的嵌入式隔离器(isolator)174及多个导管168、170以控制基板支撑基座组件148的横向温度分布。导管168、170流体式耦接流体源172，而温度调节流体通过所述流体源172循环。加热器176由功率源178调节。利用导管168、170和加热器176来控制底座164的温度，从而加热和/或冷却静电吸盘166，并最终控制设置于静电吸盘166上的基板103的温度分布。可使用多个温度传感器190、192来监控静电吸盘166和底座164的温度。静电吸盘166可进一步包括多个气体通道(未示出)，如沟槽，所述气体通道形成于吸盘166的基板支撑基座支撑表面中并流体式耦接诸如He等热传递(或背侧)气体源。在操作中，可在受控的压力下提供背侧气体进入气体通道，以增进静电吸盘166与基板103之间的热传递。

在一个实作中，基板支撑基座组件148经配置作为阴极并包括电极180，所述电极180耦接多个RF功率偏压源184、186。RF偏压功率源184、186耦接在设置于基板支撑基座组件148中的电极180与另一个电极之间，所述另一个电极例如喷头组件130或腔室主体102的天花板(盖体104)。RF偏压功率激发并维持由设置在腔室主体102的处理区域中的气体形成的等离子体放电。

在图1描绘的实例中，双RF偏压功率源184、186通过匹配电路188耦接到设置于基板支撑基座组件148中的电极180。由RF偏压功率源184、186所产生的信号通过单一反馈(single feed)经由匹配电路188传递至基板支撑基座组件148，以将等离子体处理腔室100中所提供的气体混合物离子化，从而提供进行沉积或其他等离子体增强处理所需的离子能量。RF偏压功率源184、186通常能够产生具有从约50kHz至约200MHz的频率和约0瓦至约5000瓦之间的功率的RF信号。可将额外的偏压功率源189耦接至电极180，以控制等离子体的特性。

在操作的一个模式中，将基板103设置于等离子体处理腔室100中的基板支撑基座组件148上。通过喷头组件130将处理气体和/或气体混合物从气体面板158导入腔室主体102中。真空泵系统128可在去除沉积副产物的同时维持腔室主体102内部的压力。

控制器150耦接处理腔室100，以控制处理腔室100的操作。控制器150包括中央处理单元(CPU)152、存储器154及支持电路(support circuit)156，用于控制处理顺序并调节来自气体面板158的气流。CPU 152可为可用于工环境的任何形式的通用计算机处理器。软件例程可储存于存储器154中，例如随机存取存储器、只读存储器、软盘或硬盘驱动器，或其他形式的数字存储装置。支持电路156常规地耦接CPU 152且可包括高速缓存、时钟电路、输入/输出系统、电源等等。控制器150与处理腔室100的各种部件之间的双向通信可通过诸多信号缆线来处理。

图2为范例群集处理系统200的示意俯视平面图，该群集处理系统200包括并入且集成在其中的处理腔室211、221、232、228、100中的一个或多个。在一个实施方式中，群集处理系统200可为可购自美国加州圣克拉拉市的应用材料公司的

群集处理系统200包括真空密封处理平台204、工厂接口202及系统控制器244。平台204包括多个处理腔室211、221、232、228、100和至少一个装载锁定腔室222，所述装载锁定腔室222耦接真空基板传送腔室236。图2绘示两个装载锁定腔室222。工厂接口202由装载锁定腔室222耦接传送腔室236。

在一个实施方式中，工厂接口202包含至少一个对接站208及至少一个工厂接口机器人214，以促进基板的传送。对接站208经配置以接受一个或多个前开式标准舱(frontopening unified pod；FOUP)。图2的实施方式中显示两个FOUP 206A-B。具有叶片216的工厂接口机器人214(其中叶片216设置于机器人214的一个端部上)经配置以从工厂接口202通过装载锁定腔室222将基板传送至处理平台204以进行处理。视情况，一个或多个计量站218可连接至工厂接口202的终端226，以有助于测量来自FOUP 206A-B的基板。

各装载锁定腔室222具有第一端口及第二端口，所述第一端口耦接工厂接口202且所述第二端口耦接传送腔室236。装载锁定腔室222可耦接压力控制系统(未示出)，所述压力控制系统抽气并使装载锁定腔室222排气，以有助于在传送腔室236的真空环境与工厂接口202的实质上周围(如，大气)环境之间传送基板。

传送腔室236中设置有真空机器人230。真空机器人230具有叶片234，所述叶片234能够在装载锁定腔室222、计量系统210及处理腔室211、221、232、228、100之间传送基板224。

在群集处理系统200的一个实施方式中，群集处理系统200可包括一个或多个处理腔室211、221、232、228、100，其可为沉积腔室(如，物理气相沉积腔室、化学气相沉积或其他沉积腔室)、退火腔室(如，高压退火腔室、RTP腔室、激光退火腔室)、蚀刻腔室、清洁腔室、硬化腔室、光刻曝光腔室或其他类似型态的半导体处理腔室。在群集处理系统200的一些实施方式中，处理腔室211、221、232、228、100中的一个或多个、传送腔室236、工厂接口202和/或至少一个装载锁定腔室222。

系统控制器244耦接群集处理系统200。可包括计算装置201或可被包括在计算装置201内的系统控制器244可对群集处理系统200的处理腔室221、232、228、100进行直接控制而控制群集处理系统200的操作。或者，系统控制器244可控制与处理腔室211、221、232、228、220及群集处理系统200相关联的计算机(或控制器)。于操作中，系统控制器244也能够从个别腔室收集数据和反馈，以优化群集处理系统200的表现。

系统控制器244，就像上文所述的计算装置201，通常包括中央处理单元(CPU)238、存储器240及支持电路242。CPU 238可为可用于工环境的任何形式的通用计算机处理器之一。支持电路242常规地耦接CPU 238且可包含高速缓存、时钟电路、输入/输出系统、电源等等。软件例程将CPU 238转换为专用计算机(控制器)244。软件例程也可由位在群集处理系统200远程的第二控制器(未示出)存储和/或执行。

图3描绘根据本公开内容的一个实施方式的用于在基板上制造用于MRAM应用的MTJ结构的处理300的流程图。请注意，用于制造MTJ结构的处理300可用于自旋轨道矩磁性随机存取存储器(SOT MRAM)、自旋转移矩磁性随机存取存储器(STT MRAM)及/或混合式(或称集成式)自旋轨道矩磁性自旋转移矩磁性随机存取存储器(SOT-STT MRAM)等应用中，特别是在自旋轨道矩磁性随机存取存储器(SOT MRAM)中。图4A至4J为在图3的处理的多个阶段中形成于基板402上的MTJ结构的示意性截面视图。可预期到处理300可在合适的处理腔室中进行，如图1描绘的等离子体处理腔室100，或其他合适的处理腔室，包括沉积腔室、图案化腔室或并入图2所描绘的群集处理系统200的其他合适的处理腔室。还请注意，处理300可在合适的处理腔室中进行，包括那些来自其他制造商的处理腔室。

处理300通过提供基板而始于操作302，所述基板如具有形成于绝缘结构405中的互连结构(显示为404a、404b)的基板402，如图4A所示。可在并入图2所描绘的群集处理系统200的一个或多个处理腔室中形成互连结构404a、404b及绝缘结构405。在一个实施方式中，可进一步将互连结构404a、404b及绝缘结构405形成在底座(未示出)上，所述底座包含金属或玻璃、硅、电介质块体材料及金属合金或复合玻璃、晶态硅(如，Si<100＞或Si<111＞)、氧化硅、应变硅、硅锗、锗、经掺杂或未经掺杂的多晶硅、经掺杂或未经掺杂的硅晶片及经图案化或未经图案化的晶片、绝缘体上硅(SOI)、经碳掺杂的氧化硅、氮化硅、经掺杂的硅、锗、砷化镓、玻璃或蓝宝石。底座可具有各种尺寸，如200mm、300mm、450mm或其他直径，并且，可为矩形或方形面板。除非另有说明，否则本文所描述的实例是在具有200mm直径、300mm直径或450mm直径底座基板的基板上进行。

绝缘结构405可包含介电材料，如SiN、SiCN、SiO

于操作304，将膜堆叠450设置于基板402上，如图4B所示。可在并入图2所描绘的群集处理系统200的一个或多个处理腔室中形成膜堆叠450。膜堆叠450进一步包括依序形成于基板402上的自旋轨道矩(spin-orbit-torque；SOT)层406、自由层408及参考层412，自由层408及参考层412中间夹着隧穿阻挡层410。接着将合成反铁磁自由(SAF)层414形成于参考层412上，接着是硬掩模层416。尽管图4B至4J中描述的膜堆叠450仅包括六个层，但应注意到，可根据需要在膜堆叠450中进一步形成附加膜层或多重膜层。隧穿阻挡层410在隧道结磁阻性(tunnel junction magnetoresistive；TMR)传感器的例子中可为氧化物阻挡层，或在巨磁阻性(giant magnetoresistive；GMR)传感器的例子中可为传导层。当膜堆叠450经配置以形成TMR传感器时，则隧穿阻挡层410可包含MgO、HfO

自由层408及参考层412可为含金属材料或磁性材料，如Mo、Ir、Ru、Ta、MgO、Hf、Fe、CoFe、CoFeB等等。请注意，可视需求由相同或不同的材料来制造自由层408及参考层412。可由CoFeB、MgO、Ta、W、Pt、CuBi、Mo、Ru、Ir、前述者的合金或前述者的组合来制造SOT层406、合成反铁磁自由(SAF)层414及硬掩模层416。硬掩模层416设置在膜堆叠450中，且将在后续图案化和/或蚀刻处理期间用作蚀刻掩模层。

于操作304，首先进行第一图案化处理(如，蚀刻处理)以图案化硬掩模层416，接着进行第二图案化处理以图案化(如，蚀刻)被经图案化的硬掩模层416所暴露的膜堆叠450，形成部分磁性隧道结(MTJ)结构455，直到暴露出自由层408的表面，如图4C所示。可在并入图2所描绘的群集处理系统200中的图1描绘的处理腔室100中进行第一和第二图案化处理，或可在并入群集处理系统200中的一个或多个处理腔室中进行第一和第二图案化处理。请注意，欲在操作304处进行的图案化处理后，将经图案化的硬掩模层416留下并保持在膜堆叠450上，形成磁性隧道结(MTJ)结构455的一部分。用于图案化膜堆叠450的第一和第二图案化处理可包括数个步骤或不同配方，经配置以根据各层中包括的材料来供应不同的气体混合物或蚀刻剂以蚀刻不同的层。

在图案化期间，依序将蚀刻气体混合物或具有不同蚀刻物种的数种气体混合物供应至基板表面，以去除部分膜堆叠450，直到自由层408。

可通过时间或其他合适的方法来控制操作304处的图案化处理的终点。举例而言，可在进行达介于约200秒与约10分钟之间直到暴露自由层408(如图4C所示)后终止图案化处理。可视需求由端点检测器(如OES检测器或其他合适的检测器)的决定来终止图案化处理。

请注意，尽管在图案化膜堆叠450后所形成的部分成形的磁性隧道结(MTJ)结构455的轮廓具有垂直侧壁，但请注意磁性隧道结(MTJ)结构455可具有其他轮廓，如锥形轮廓或具有所需斜率的任何合适的侧壁轮廓。

于操作306，进行沉积处理以形成间隔层418覆盖部分地形成的磁性隧道结(MTJ)结构455，如图4D所示。可在并入图2所描绘的群集处理系统200中的一个或多个处理腔室中形成间隔层418。间隔层418可视需求为介电层，如SiN、SiOC、SiON、SiOC、SiO

将间隔层418共形地形成于基板402上，覆盖磁性隧道结(MTJ)结构455也覆盖暴露的自由层408。间隔层418具有介于约3nm与约30nm之间的厚度。

于操作308，进行图案化处理以图案化间隔层418，如图4E所示。间隔层418经图案化，以从硬掩模层416的顶表面和自由层408的顶表面去除间隔层418。因此，在操作308处的图案化处理后，间隔层418选择性地形成在磁性隧道结(MTJ)结构455的侧壁上。当完成磁性隧道结(MTJ)结构455的制造处理时，间隔层418可稍后形成为侧壁保护结构。

于操作310，接着将介电层420共形地形成于间隔层418上还有硬掩模层416及自由层408的暴露表面上，如图4F所示。介电层420可为氧化硅层，其可用于在往后的图案化处理期间对磁性隧道结(MTJ)结构455的侧壁提供增强的保护。在一个实例中，介电层420可视需求为绝缘材料，如SiN、SiOC、SiON、SiOC、SiO

于操作312，进行图案化处理来从磁性隧道结(MTJ)结构455移除部分介电层420，如图4G所示。持续进行图案化处理直到暴露出自由层408的顶表面及硬掩模层416的顶表面。图案化处理选择性地蚀刻介电层420，主要在磁性隧道结(MTJ)结构455的侧壁上留下介电层420，并主要覆盖在间隔层418形成的位置处。通过此，介电层420可对间隔层418提供增强的保护，还可创造对自由层408的接触表面区域435。当磁性隧道结(MTJ)结构455完全形成于基板402上时，这样的接触表面区域435将随后限定间隙(如，气隙)。

于操作314，接着将钝化层422形成于基板402上，如图4H所示。钝化层422可具有顶部分422b、侧壁部分422a及底部分422c。顶部分422b形成于硬掩模层116的顶表面上。如图4H所示，侧壁部分422a被形成而衬着介电层420，而底部分422c被形成于自由层408的顶表面上。钝化层422非共形地形成于基板402上，与侧壁部分422a的厚度相比，钝化层422的顶部分422b及底部分422c具有相对较高的厚度。在后续的蚀刻或图案化处理期间，钝化层422的不同位置之间的厚度变化可对基板402的不同位置提供不同程度的保护。因此，通过非共形地形成钝化层422，可刻意地以相对较薄的厚度形成钝化层422的侧壁部分422a，以便选择性地主要去除介电层420，而不会过度侵蚀钝化层422的顶部分422b及底部分422c。

在一个实例中，钝化层422也由不同于介电层420的绝缘材料制成。用于形成钝化层422及介电层420的不同材料可在随后的图案化处理期间辅助蚀刻选择性。在一个实例中，钝化层422可为绝缘材料，例如SiN、SiOC、SiON、SiOC、SiO

于操作316，进行侧向蚀刻处理以主要蚀刻钝化层422的侧壁部分422a以及衬着磁性隧道结(MTJ)结构455的侧壁的介电层420，如图4I所示。侧向蚀刻处理主要去除钝化层422的侧壁部分422a还有介电层420，将钝化层422的顶部分422b及底部分422c留在硬掩模层416及自由层上。钝化层422的保留部分(如，顶部分422b及底部分422c)可在稍后于后续图案化处理中用作蚀刻掩模层，以完成磁性隧道结(MTJ)结构455的形成。由于将钝化层422的顶部分422b及底部分422c保留在基板402上，以在后续图案化处理中协助将特征转移到自由层408内，可省去额外的光刻处理，因而降低了因光刻处理所致的错位(misalignment)的可能性。

操作316处的图案化处理去除了钝化层422的侧壁部分422a还有介电层420，在钝化层422的侧壁部分422a和介电层420曾经的位置处形成间隙430(如，气隙)，如图4I所示。由于介电层420被去除，故介电层420与自由层408接触的接触表面区域435被暴露而形成间隙430。间隙430的大小实质上类似于介电层420的厚度还有钝化层422的侧壁部分422a的厚度的组合。在一个实例中，间隙430可具有介于约10nm与约50nm之间的宽度。请注意，间隙可以是围绕磁性隧道结(MTJ)结构455的圆形结构(如，环形)。

于操作318，继续进行图案化处理以蚀刻由钝化层422的图案化底部分422c所暴露的自由层408，如图4J所示。图案化处理蚀刻自由层408，因而将形成在钝化层422的底部分422c中的间隙延伸进入自由层408。持续进行图案化处理直到暴露出SOT层406的顶表面434。因此，在操作318处的图案化处理后，完成磁性隧道结(MTJ)结构455，并接着在钝化层422的底部分422c和自由层408中形成间隙430。在描绘图4J图最终结构的图7所示的俯视图中，间隙430形成为围绕磁性隧道结(MTJ)结构455的圆形结构。钝化层422的顶部分422b保留在磁性隧道结(MTJ)结构455上，而钝化层422的底部分422c保留在介于互连结构404a、404b之间的基板402上。间隙430尤其使钝化层422和自由层408不连续，致使当磁化时，不连续的自由层408可以向磁性隧道结(MTJ)结构455提供杂散磁场(stray magnetic field)。通过此，可移去常规的外部磁场产生结构，如附加的自由层，或在不同方向(如，垂直于磁性隧道结(MTJ)结构455)上产生磁场的磁性层，以便降低制造成本、复杂性并且维持或甚至增进期望的装置性能。

由于间隔层418衬在磁性隧道结(MTJ)结构455的侧壁上且在自由层408上，限定于磁性隧道结(MTJ)结构455中的自由层408的宽度465大于间隔层418的厚度(如，包括所有侧壁)和经图案化的磁性隧道结(MTJ)结构455的宽度467的组合，其中经图案化的磁性隧道结(MTJ)结构455包括经图案化的隧穿阻挡层410、经图案化的参考层412、经图案化的合成反铁磁自由(SAF)层414及硬掩模层416。因此，所得的磁性隧道结(MTJ)结构455包括底部不连续的自由层408，所述自由层408的宽度465大于限定在磁性隧道结(MTJ)结构455中的其他层(如，隧穿阻挡层410、参考层412、合成反铁磁自由(SAF)层414及硬掩模层416)的宽度467。

图5描绘流程图的另一个实例，该流程图绘出根据本公开内容的一个实施方式的处理500，处理500用于在基板上制造供MRAM应用的MTJ结构。处理500以图4D的结构接续在图3的操作306之后进行。图6A至6F为在图5的处理的多个阶段中形成于基板402上的MTJ结构的示意性截面视图。

因此，在以图4D的结构进行图3的操作306之后，处理300从操作308继续进行，伴随着图4E至4J所绘制的结构。反之，可替代地，在以图4D的结构进行图3的操作306之后，可进行图5的处理500，以继续图4D的MTJ结构的制造。

处理500通过将介电层602形成在间隔层418上而不预先图案化间隔层418，而始于操作502，如图6A所示。遵循形成于基板上的间隔层418的轮廓，跨基板402共形地形成介电层602。类似地，与上文的介电层420相似，在此形成的介电层602是由与间隔层418不同的材料所制成。在一个实例中，间隔层418为SiN层或氮化碳硅，且介电层602为SiO

介电层602包括顶部分602b、侧壁部分602c及底部分602a。类似地，顶部分602b覆盖硬掩模层416的顶表面还有间隔层418。侧壁部分602c覆盖MTJ结构455的侧壁和间隔层418。底部分602a形成于间隔层418上也形成于自由层408的表面上。

于操作504，进行图案化处理以图案化介电层602，从磁性隧道结(MTJ)结构455去除介电层602的侧壁部分602c，如图6B所示。继续进行图案化处理，直到暴露出间隔层418层的顶表面604及底部上表面606。图案化处理选择性地蚀刻介电层602，主要在间隔层418及磁性隧道结(MTJ)结构455的侧壁618上留下介电层602的侧壁部分602c。通过此，介电层602的侧壁部分602c可对间隔层418的侧壁608提供增强的保护，还可创造对间隔层418的底部上表面606的接触表面区域615。当磁性隧道结(MTJ)结构455完全形成于基板402上时，这样的接触表面区域615将随后限定间隙(如，气隙)。

于操作506，接着将钝化层610形成于基板402上，如图6C所示。钝化层610可具有顶部分610a、侧壁部分610c及底部分610b。顶部分610a形成在间隔层418的顶表面604上。如图6C所示，侧壁部分610c被形成而衬着介电层602的侧壁部分602c，而底部分610b形成于间隔层418的底部上表面606上。类似于上文所述的钝化层422，钝化层610非共形地形成于基板402上，与侧壁部分610c的厚度相比，钝化层610的顶部分610a及底部分610b具有相对较高的厚度。在后续的蚀刻或图案化处理期间，钝化层610的不同位置之间的厚度变化可对基板402的不同位置提供不同程度的保护。因此，通过非共形地形成钝化层610，可刻意地以相对较薄的厚度形成钝化层610的侧壁部分610c，以便选择性地主要去除介电层602的侧壁部分602c，而不会过度侵蚀钝化层610的顶部分610a及底部分610b。

类似地，也由与介电层602不同的绝缘材料来形成钝化层610。在一个实例中，钝化层610可视需求为绝缘材料，如SiN、SiOC、SiON、SiOC、SiO

于操作508，进行侧向蚀刻处理以主要蚀刻钝化层610的侧壁部分610c以及衬着磁性隧道结(MTJ)结构455的侧壁的介电层602的侧壁部分602c，如图6D所示。侧向蚀刻处理主要去除钝化层610的侧壁部分610c还有介电层602的侧壁部分602c，将钝化层610的顶部分610a及底部分610b留在间隔层418上。钝化层610的保留部分(如，顶部分610a及底部分610b)可在稍后于后续图案化处理中用作蚀刻掩模层，以完成磁性隧道结(MTJ)结构455的形成。由于将钝化层610的610a及底部分610b保留在基板402上，以在后续图案化处理中协助将特征转移到间隔层418及自由层408内，可省去额外的光刻处理，因而降低了因光刻处理所致的错位(misalignment)的可能性。

操作508处的图案化处理去除了钝化层610的侧壁部分610c还有介电层602的侧壁部分602c，在介电层602的侧壁部分602c曾经的位置处形成间隙620(如，气隙)，如图6D所示。由于介电层602被去除，故介电层602与间隔层418接触的接触表面区域615被暴露而形成间隙620。间隙620的大小(如，宽度)实质上类似于钝化层610的侧壁部分610c的厚度还有介电层602的侧壁部分602c的厚度的组合。在一个实例中，间隙630可具有介于约10nm与约50nm之间的宽度。请注意，间隙可以是围绕磁性隧道结(MTJ)结构455的圆形结构(如，环形)，类似于上文所讨论的图7中所示的俯视图。

于操作510，使用钝化层610的底部分610b作为蚀刻掩模，进一步进行图案化处理以蚀刻间隔层418，因而将间隙626延伸到间隔层418中，如图6E所示。接着，于操作512，进一步进行图案化处理以蚀刻由经图案化的间隔层418所暴露的自由层408，如图6F所示，因而将间隙630延伸至自由层408内。图案化处理蚀刻自由层408，因而将间隙630延伸进入自由层408内。继续进行图案化处理直到暴露出SOT层406的顶表面628。因此，在操作512处的图案化处理后，完成磁性隧道结(MTJ)结构455，并接着在钝化层610的底部分610b、间隔层418和自由层408中形成间隙630。间隙630尤其使钝化层610、间隔层418和自由层408不连续，致使当磁化时，不连续的自由层408可以向磁性隧道结(MTJ)结构455提供杂散磁场(straymagnetic field)。通过此，可移去常规的外部磁场产生结构，如附加的自由层，或在不同方向(如，垂直于磁性隧道结(MTJ)结构455)上产生磁场的磁性层，以便降低制造成本、复杂性并且维持或甚至增进期望的装置性能。

因此，提供了用于形成MTJ装置结构的处理和设备，所述MTJ装置结构可用于MRAM，特别是用于自旋轨道矩(SOT)磁性随机存取存储器(SOT MRAM)应用。在一个实施方式中，当图案化用于形成MTJ结构的膜堆叠时，在MTJ结构周围形成间隙(如，气隙)。限定在MTJ结构与相邻膜层邻近处的间隙(如，不连续的自由层)使得可以向被隔离的MTJ柱体结构提供杂散磁场。通过此，可由设置在膜结构中的不连续自由层产生内在磁场。因此，可移去外部磁场产生，从而降低制造成本和复杂性。进而，因为利用来自MTJ柱体结构的经图案化的膜层来形成间隙，所以在图案化处理期间不需要额外的摄影处理，从而减少或消除在光刻处理期间发生错位的可能性。

尽管前文涉及本公开内容的实施方式，可在不背离所述实施方式的基本范围的情况下设计本公开内容的其他和进一步实施方式。