CN106605311A - 减少阻障层电阻面积(ra)的产品与磁性装置应用的垂直磁性各向异性(pma)的保护 - Google Patents

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Abstract

一种形成具穿隧阻障层的磁性隧穿接合，其公开具有高穿隧磁阻比与低电阻面积值，本方法于邻接穿隧阻障层上下表面的上、下磁性层保留垂直磁性各向异性；其关键特征在于第一镁金属层沉积于下磁性层后采用的最大氧气压力为10‑5托尔的被动氧化程序，第一镁金属层的下半部份(21)仍维持未氧化状态，来保护下磁性层于接续完成穿隧阻障层与磁性隧穿接合的氧化或退火步骤的实质氧化，最上层镁金属层可作为穿隧阻障层于沉积上磁性层前的最上层。

Description

减少阻障层电阻面积(RA)的产品与磁性装置应用的垂直磁性 各向异性(PMA)的保护
相关专利申请
本申请相关于下列案件：美国专利公告第8557407号专利、美国专利公告第8592927号专利、美国专利公告第8609262号专利、美国专利申请案公开第2012/0205758号、美国专利申请案公开第2013/0175644号，其皆让渡给予相同的受让人，并于此作为整体性来合并参考。
技术领域
本发明有关于一种高效能磁性隧穿接合(MTJ)单元，其包含有氧化物穿隧阻障层以及/或譬如为氧化镁的氧化物遮蔽层，特别指一种形成氧化物层的方法，来提供良好可写性与可靠性的低电阻面积(RA)产品，且保护(维持)于接合磁性层的接口垂直异向性。
背景技术
基于结合硅互补式金氧半场效晶体管与磁性隧穿接合技术的磁阻性随机存取记忆是目前主要新兴的技术，相对于现存的半导体内存，譬如为静态随机存取内存、动态随机存取内存、以及闪存相当有竞争力；相似地，C.Slonczewski于磁性多层的电流驱动激励一文(参见1996年磁学与磁性杂志第159卷L1-L7)中所描述于自旋转移力矩随机存取内存中自旋转量转移(自扭力)的磁化切换，由于其在千兆位元规格的铁电性装置(spintronicdevices)的应用，而于近年来激励起相当大的兴趣。
磁阻式随机存取记忆与自旋力矩磁阻式随机存取内存都具有基于穿隧式磁阻(TMR)效应的磁隧结组件，其中多堆栈层配置使得两个作为参考层与自由层的磁性层的磁性层层可以通过薄非磁介电层(可称为穿隧阻障层)来加以隔离，磁隧结组件一般形成于下电极(譬如为第一传导线)以及上电极(譬如为第二传导线)之间，且位于上电极覆盖下电极的位置上。
于自旋力矩磁阻式随机存取内存的各种设计中，一个或是两个参考层与自由层都具有垂直磁性各向异性(PMA)，穿隧阻障层通过产生自旋极化电流来贡献写入的功能，低电阻面积产品需要穿隧阻障层具有良好的可写性以及可靠度。理论上，写入磁阻式随机存取内存需要的电流密度，仅取决于自由层的特性，因此，穿隧阻障层的电阻面积的降低，意味着需要较少的电压来写入。此外，写入电压正比于写入操作过程中施加于穿隧阻障层的应力，过多的应力将导致耐久度的问题，举例来说，其将影响没有损坏穿隧阻障层的重复写入相同装置的写入可靠度。一般可理解尽管穿隧阻障层对抗电压的强度会随着电阻面积的降低而减少，写入电压的降低而加快，是故可通过降低穿隧阻障层的电阻面积值来提高其写入可靠度。自由层与穿隧阻障层之间良好的氧化接口会增强自由层的垂直磁性各向异性，于自由层上的氧化的覆盖层也可更进一步增强沿着自由层的第二接口的垂直磁性各向异性。
当自旋极化电流横跨以电流垂直平面(CPP)配置的磁性复合层时，入射于磁性层的电子的自旋角动量会与磁性层靠近磁性层与非磁性间隔物的接口的磁性动量进行交互作用，透过此作用，电子会转移部份自身的角动量至磁性层，当电流密度够大且复合层尺寸较小时，自旋极化电流会切换自由层的极化方向；自旋矩磁阻式随机存取内存与传统磁阻式随机存取内存的差异仅在于写入操作的机制，读取机制乃是相同的。
制作穿隧阻障层的一个重要的考虑为采用的氧化程序，需要将金属层转化为不具有裂痕的氧化物，使金属离子容易迁移，穿隧阻障层一般通过沉积与氧化薄镁金属层来形成，且需要具有低电阻面积来具良好的可靠度。于一个或是两个自由层与参考层的垂直磁性各向异性必须维持，还优化自旋力矩磁阻式随机存取内存的效能。原本的垂直磁性各向异性是来自磁性层与穿隧阻障层的接口，于接口上电子轨道具有较互补磁性层主体较少的对称，轨道能大部份维持于接口的平面上对于能量是有利的，而使得垂直磁性各向异性得以保留于磁性层。当成型穿隧阻障层的氧化条件太强时，磁性层与穿隧阻障层的界面会有部份氧化，而引发失去垂直磁性各向异性；因此，氧化程序必须巧妙设计并谨慎控制来保留垂直磁性各向异性于相邻的磁性层。
针对自旋力矩磁阻式随机存取内存应用，如同奈米磁铁的非常小的磁性隧穿接合组件必须具备有高穿隧磁阻比、或概略100％的电阻变化率dR/R、或低于20ohm-μm2的电阻面积(RA)，其中dR为磁性隧穿接合的最大电阻变化，而R为磁性隧穿接合的最小阻抗。于许多例子中，氧化镁因能较其他氧化物提供较多的磁阻值，而为较佳的穿隧阻障层材料。针对90奈米或是以下的技术的自旋力矩磁阻式随机存取内存的电阻面积与穿隧磁阻比的优化，增进穿隧阻障层的质量为保留垂直磁性向异性的必要手段。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种磁性隧穿接合组件，可满足进阶磁阻性随机存取内存与自旋矩磁阻性随机存取内存装置的需求，其中于一个或是两个磁性层的实质垂直磁性各向异性需要伴随着具有小于或等于20ohm-μm2的低电阻面积、以及大于100％的电阻变化率dR/R。
本发明的第二目的在于提供一种形成于第一目的的磁性隧穿接合的方法，其中穿隧阻障层通过氧化方法来制作，并能最小化或避免相邻磁性层的氧化，而能于其中保留垂直磁性各向异性，并致能高穿隧磁阻比。
根据本发明的一个实施例。前述目的可通过成型磁性隧穿接合组件来达成，其具有一堆栈，包含第一或下磁性层与第二或上磁性层，并受到实质包含金属氧化物的穿隧阻障层来加以分隔；金属氧化物可为氧化镁或是其他现有采用的金属氧化物、或一个或是一个以上的不同金属氧化物构成的层状物。此外，于下自旋阀配置中，下磁性层可为参考层、于上自旋阀配置中可为自由层、或是于三端子自旋转移切换装置中作为譬如极化层的其他功能层；进一步来说，一个或是两个下、上磁性层可以是合成反铁磁(SAF)复合层的部份，其包含两磁性层，横跨于非磁性层(一般为钌)并透过鲁德曼-基特尔-粕谷-吉田(RKKY)反应来反铁磁耦合。金属氧化物的制作可包含一个或是一个以上的氧化程序，其中第一步骤为具有氧气压力为10-5托尔的被动氧化、或实质小于后续氧化程序的一般为10-3托尔或更大的压力。于一方面来说，金属氧化物为氧化镁，于一个或是一个以上的氧化程序后，复合穿隧阻障层形成具有镁/氧化镁的配置；下镁金属层接触于下磁性层，并具有实质小于重迭氧化镁层的厚度。接续于初始被动氧化的氧化程序可涉及现有氧化程序，其包含但并不限定接续于沉积一个或是一个以上金属层，其中每一沉积金属层伴随着一般约为10-3托尔或是更大的氧气压力、或至少10-100倍高于初始被动氧化程序。因此，氧化镁层的下半部可通过被动氧化成型，而上半部份则可通过一个或是一个以上的现有方法，譬如为自然氧化(NOX)来形成、或是以譬如射频(RF)溅镀氧化镁来直接沉积，而无需额外的氧化程序。
金属氧化层可以是层状氧化物结构，包含两种不同金属或合金(M1、M2)，使其穿隧阻障层具有M1/M1Ox/M2Ox的配置，其中第一金属氧化物(M1Ox)是通过被动氧化方法来形成，第二金属氧化物M2Ox可利用直接沉积或是一种或一种以上现有包含氧气压力大于10-3托尔的氧化程序来完成；而M1、M2可为镁、镁锌合金、锌、铝、钛、铝钛合金、钴镁合金、钽、镁钽合金、铪或是锆，于退火候，穿隧阻障层具有M1Ox/M2Ox的配置。
本发明所公开也可推想到为双自旋阀的设计，具有参考层1/穿隧阻障层1/自由层/穿隧阻障层2/参考层2的堆栈、或是自由层1/穿隧阻障层1/参考层/穿隧阻障层2/自由层2的堆栈，其中两个穿隧阻障层可通过前述的氧化程序来完成；一个或是两个穿隧阻障层可为氧化镁、氧化镁锌、氧化锌、氧化铝、氧化钛、氧化铝钛、氧化钴镁、氧化钽、氧化镁钽、氧化铪、或是氧化锆，或是一个或两个穿隧阻障层也可具有前面描述的层状氧化物结构。
磁性隧穿接合堆栈完成后，利用沉积上磁性层于穿隧阻障层，然后沉积一个或是一个以上的譬如为覆盖层的重迭层、施行退火程序来增加其高穿隧磁阻比；于特定退火条件，穿隧阻障层的一个或是一个以上的金属氧化物层内的氧气，可以扩散进入下镁金属层，而形成均匀穿隧阻障层，其中金属氧化物较佳者为氧化镁，下、上磁性层间的接口可增进相邻磁性层的垂直磁性各向异性而提供更好的热稳定性。下镁金属层作为缓冲层来限制氧气到达下磁性层的总量，如此可避免不理想的氧化。另一方面，下镁金属层或M1层可避免下磁性层氧化而使垂直磁性各向异性降级，此外，也能实现较高的穿隧磁阻比。
于较佳实施例中，关于制作位于下自旋阀磁性隧穿接合配置的穿隧阻障层，具有1-6埃厚度的第一镁金属层沉积于参考层的上表面，参考层可以是本身具有垂直磁性各向异性，来增进接触于沿着参考层下表面的适当种子层；然后包含小于10-5托尔氧气压力的被动氧化会被施加，来氧化第一镁金属层的上半部份，而镁金属层沿着与参考层的接口仍旧维持未氧化状态。之后，穿隧阻障层成型程序接着会进行一个或一个以上的现有氧化程序，于一实施例中，第二镁金属层沉积于部份氧化的第一镁金属层，第二镁金属层通过第二氧化程序来使其实质完全氧化，其譬如为涉及氧气压力大于10-3托尔的自然氧化(NOX)。因此，第二氧化具有比第一被动氧化概略较强的氧化条件；选择自然氧化的条件使得氧气不会穿透较弱的氧化镁金属层，而来使其氧化。第三镁金属层可沉积于第二氧化镁层，接着自由层沉积于第三镁金属层、或是于氧化的第二金属氧化层，然后接续为一个或是一个以上譬如为覆盖层的层的成型，来完成磁性隧穿接合堆栈。最后，通过加热磁性隧穿接合堆栈至450℃、维持90分钟来实行退火程序，如此一来，第一、第三镁金属层吸收相邻第二氧化镁层的氧气，来形成氧化镁穿隧阻障层。
于第二实施例，第三镁金属层沉积于第二氧化镁层，并进行第三氧化程序来形成第三氧化镁层，接续沉积第四镁金属层、沉积自由层与一个或一个以上的重迭层、以及施加退火程序来形成参考层/氧化镁穿隧阻障层/自由层的配置，并完成磁性隧穿接合堆栈。于另一实施例中，于第二实施例中的第四镁金属层会被第四、氧化程序处理而形成第四氧化镁层，然后第五镁金属层、自由层与一个或是一个以上的重迭层进行沉积、并施行退火程序来形成氧化镁穿隧阻障层；于初始被动氧化之后的所有氧化程序，其氧气压力都至少为其100倍高，且氧化镁或金属氧化物层也可选择性地采用射频溅镀的方式来作为穿隧阻障层堆栈的最上层。
磁性隧穿接合堆栈改良先前技术，其于下自旋阀中最小化或是省去作为参考层的下磁性层的氧化，而能于下磁性层保留垂直磁性各向异性；换句话说，相较于现有磁性隧穿接合结构的过度氧化下磁性层所引起的垂直磁性各向异性丧失，垂直磁性各向异性可大幅增强。于下磁性层增强垂直磁性各向异性的优点在于具有较高的穿隧磁阻比、以及电阻面积的降低，其能有较佳的写入效能以及可靠度。
本发明所公开也包含自旋矩振荡器(STO)结构，通过相邻金属氧化层利用包含前面描述的被动氧化的氧化程序来形成，而使于自旋极化层的垂直磁性各向异性可予以保留与强化。
于另一实施例关于一种三端子装置，其中读取、写入电路受到位于自旋矩阵荡堆栈与射频产生器之间的导体层来加以隔离，穿隧阻障层可通过前述实施例来制作，并使用作为射频产生器堆栈的一层。
于又一实施例，其关于一种三端子自旋转移切换装置，其中读取、写入电路受到位于极化层、自由层与参考层的电端子所隔离，根据本发明所公开的实施例的氧化程序可以使用来制作位于读取电路的自由层与参考层之间的穿隧阻障层，以及写入电路的自由层与极化层之间的低电阻面积穿隧阻障层。
附图说明
图1为现有氧化方法形成金属氧化物穿隧阻障层的剖面示意图，其中氧气压力与处理时间大到引起裂痕，并延伸至下方磁性层。
图2为被动氧化程序的结果的剖面示意图，其中于下自旋阀配置中，在利用本发明所公开的第一实施例的初始穿隧阻障层氧化程序后，薄金属层会于下磁性层保留一个接口。
图3绘示沉积第二金属层于图2所形成的金属/金属氧化物穿隧阻障层堆栈的剖面示意图。
图4为图3的穿隧阻障层在使用本发明所公开的实施例的第二氧化程序后的第二金属层的剖面示意图。
图5为图4于沉积第三金属层于氧化的第二金属层后的剖面示意图。
图6为图4的复合穿隧阻障层的剖面示意图，其显示于沉积一个或是一个以上的金属层，并利用根据本发明所公开的实施例的一个或是一个以上氧化方法于部份氧化的第一金属层进行氧化。
图7为根据本发明所公开的穿隧阻障层的剖面示意图，其显示沉积最上层金属层于图6的穿隧阻障层结构上。
图8绘示形成自由层于根据本发明所公开的图7的穿隧阻障层上的剖面示意图。
图9为具下磁性层/穿隧阻障层/上磁性层堆栈的下自旋阀结构退火程序后的剖面示意图。
图10根据本发明所公开实施例的具有下自旋阀配置的磁性隧穿接合奈米柱的剖面示意图。
图11根据本发明所揭另一露实施例的具有上自旋阀配置的下磁性层被动氧化处理程序的剖面示意图。
图12部份成型磁性隧穿接合的剖面示意图，其中于上自旋阀配置中，金属/金属氧化堆栈与上磁性层形成于下磁性层。
图13为具下磁性层/穿隧阻障层/上磁性层堆栈的上自旋阀结构退火程序
图14绘示本发明所公开实施例具上自旋阀配置的磁性隧穿接合奈米柱的剖面示意图。
图15为双自旋阀结构剖面示意图，其中一个或是两个穿隧阻障层利用本发明所公开程序来形成。
图16为具下磁性层/穿隧阻障层/上磁性层堆栈的剖面示意图，其中穿隧阻障层具有根据本发明所公开的M1/M1Ox/M2Ox配置。
图17为具下磁性层/穿隧阻障层/上磁性层堆栈的剖面示意图，其中穿隧阻障层具有M1Ox/M2Ox配置，并接续以根据本发明所公开的退火程序来处理。
图18为自旋矩阵荡装置的剖面示意图，其中金属氧化层通过根据氧化程序来形成。
图19为三端子装置的剖面示意图，其中磁阻传感器的穿隧阻障层通过根据氧化程序来形成。
图20-21为三端子自旋转移切换装置的剖面示意图，其中一个或是两个穿隧阻障层与低电阻面积通过根据氧化程序来形成。
具体实施方式
本发明公开一种形成高效能磁性隧穿接合单元的方法，其应用于高密度磁阻性随机存取内存、自旋转矩磁阻性随机存取内存、或自旋转矩振荡器(STO)装置，其中通过采用穿隧阻障层成型程序来防止自由层与参考层实质氧化，来降低电阻面积与使垂直磁性各向异性较佳地保存于其中一个或是两个自由层与参考层。于此同时，第一接口(氧化层/参考层)以及第二界面(氧化层/自由层)可用来产生接口垂直异向性、并强化邻接磁性层的垂直磁性各向异性。
如同磁性装置需要较高的表面密度，磁性隧穿接合组件倾向于小型化，并针对包含参考/固定层、穿隧阻障层、以及自由层等各层于平面的尺寸、厚度来进行收缩；而其中控制穿隧阻障层的氧化程序对于产生于垂直磁性隧穿接合装置的具有低电阻面积的均匀穿隧阻障层尤其关键。于先前技术中，氧化镁及其他穿隧阻障层氧化物的成型，可以通过单一氧化或是多氧化程序依序施加于镁金属层、或是直接沉积于金属氧化物(氧化镁)层来完成，一般说来，氧化程序会涉及氧化条件为氧气压力大于10-3托尔，以达到想要的电阻面积以及穿隧磁阻比率。然而，现有氧化镁的制作并无法兼容于次世代的磁性隧穿接合单元，其位于穿隧阻障层上、下表面的磁性层较佳者需具有垂直磁性各向异性，来于维持高穿隧磁阻比率下增进较高的热稳定性。特别是位于钴铁硼/氧化镁/钴铁硼参考层/穿隧阻障层/自由层的设计中的钴铁硼层，其原先具有20-30埃的厚度范围，目前需要接近10埃或是更小来增加其垂直磁性各向异性的特性；因此，发展改进的氧化镁制造程序有其必要性，使其能兼容于新的参考层与新的自由层的设计需求。较高级别的控制需要和并入氧化镁(或是金属氧化物)的制造中，来避免或是最小化氧侵入相邻磁性层，其会降低金属氧化物层裂痕的数量而可能会降低譬如电阻面积值等特性。
如图1所示，现有沉积于参考层10的镁金属层11的氧化物12，使其产生裂痕13而形成氧化镁阻障层11a，且一定数量的裂痕延伸至参考层的界面14；由于氧化镁具有比镁金属较小的晶格因而会形成裂痕，裂痕允许氧于接续氧化过程中扩散进入譬如为钴铁硼磁化层，而导致不理想的电阻面积以穿隧磁阻比率。
我们发现了一种改良穿隧阻障层的程序，其可应用于氧化镁、或是其他譬如为氧化铝、氧化镁钽、氧化钛、氧化锌、以及原生钴铁硼氧化物的氧化物的成型；其关键点在于插入两个额外的步骤，包含有伴随涉及氧气压力10-5托尔或更低的被动氧化的薄金属(镁)层的沉积，以及此后伴随现有具有氧气压力至少10-3托尔的氧化的一个或是一个以上金属层的沉积。被动氧化于此定义为，于流体中，氧原子的动能基本上处于可于制造环境中重复的最小等级；一般来说，氧流体的压力于被动氧化过程中小于10-5托尔、较佳者为小于10-6托尔，于现有氧化方法，氧气流的压力通常高于10-3托尔，其至少为10-100倍被动氧化的压力。被动氧化所施加的非寻常弱的氧化条件可以使薄金属层的氧化的程度最小化，来防止氧扩散进入下方(底部)磁化层，并且避免裂痕延伸穿过薄金属层而至底部磁化层的上表面。
根据本发明的较佳实施例，薄金属层为镁，仅有镁金属层的上表面通过被动氧化来稍微氧化，而形成第一氧化镁层，因此，镁金属层的下半部以及下磁性层则仍维持未氧化状态，因此，稍微氧化的第一氧化镁层可以避免氧气于后续氧化程序中，于下磁性层引起大量的氧化，即便当标准氧化条件包含大于或等于10-3托尔的氧气压力，来氧化接续沉积金属层以完成穿隧阻障层的成型。一个或是一个以上额外的金属氧化层可形成于第一金属(镁)层的氧化上半部的上，此一个或一个以上额外的金属氧化层可以通过(a)譬如溅镀于金属氧化物标靶等现有方法来直接沉积金属氧化物、或是(b)沉积金属层，然后利用包含氧气压力至少10-3托尔的氧化程序来完成。其可以理解，当两个或是两个以上金属氧化层形成于第一金属层的氧化部份的上表面，任何结合或是重复的前述(a)以及(b)的步骤都能用来使用形成多金属氧化层；然而，被动氧化为关键的发现，用来使下磁性层的垂直磁性各向异性，相较于现有仅使用一个或是一个以上金属氧化层来制造穿隧阻障层有更佳的呈现。
如图2-6所示的第一实施例，采用一列步骤程序来制作穿隧阻障层，起始于沉积第一金属层于下磁性层并伴随被动氧化，然后第二金属层沉积并通过现有氧化方法来进行氧化；第三(上)金属层可沉积于氧化的第二金属层上，于实施范例中，镁金属可使用来作为穿隧阻障层制作的金属，然而，一个或是一个以上的金属，包含有铝、钽、锌、钛或是锡，都可以用来取代镁金属，举例来说，第一(下)金属层与上金属层可以包含有第一金属或合金，其中一个或是一个以上中间金属层可以选择为与第一金属或合金不同的第二金属或是合金；然而，为了提高产量，所有的金属层较佳者可选择相同的金属或合金。
如图2所示，其关于一种具下自旋阀配置的磁性隧穿接合，下磁性层为参考层10，可为钴、钴铁硼、或是包含两个或是以上的钴、铁、镍、硼的合金，其沉积于种子层8(见图10)；进一步来说，下磁性层可为具有譬如(钴/镍)n的下层状堆栈层的复合层，其中n为层数。层状堆栈层较佳为形成于种子层上，其具有上钴铁硼层(图中未示)来提供譬如为(钴/镍)n/钴铁硼配置；然而，也可选择(A1/A2)n层来取代(钴/镍)n，其中A1可为钴、铁化钴、或是钴铁R合金，其中R为铷、铑、钯、钛、锆、铪、镍、铬、镁、锰、或铜，而A2可以镍、钴化镍、铁化镍、铂、或钯；较佳者钴、钴铁硼、或是其合金位于下磁性层的最上层，且厚度小于20埃，来致能固有的垂直磁性各向异性，当于后续步骤形成于具有氧化镁或是金属氧化物的穿隧阻障层时则可被强化。
于图12为另一实施例关于上自旋阀配置，参考层10变成上磁性层，而自由层30则为下磁性层，于此例子中，上磁性层可具有钴铁硼/或(钴/镍)n或是钴铁硼/(A1/A2)n的配置，其中钴铁硼层接触于穿隧阻障层20的上表面。
回到图2，譬如为镁金属的第一金属层21具有介于1-6埃的厚度，其以溅镀沉积的方式来沉积于下磁性层，具有厚度小于1埃的镁薄膜很可能是不连续且相邻晶格间包含有垂直贯穿整个薄膜的空隙；另一方面，厚度大于6埃的镁金属层则可能无法于后续氧化以及/或退火步骤中完全氧化，其意味着沿着下磁性层的接口14的接口垂直异向性会因为缺乏金属氧化/磁性层接口而降级。
此公开的制作穿隧阻障层程序的关键特征为被动氧化程序16，其执行来转化镁金属层21的上半部为氧化镁，而下半部则仍旧维持不具裂痕的非氧化状态；上氧化镁层21a的优点在于后续现有氧气压力大于等于10-3托尔的氧化程序中，防止氧气侵入镁金属层21。如同前面所指出，氧气流于现有氧化过程的压力一般为本案第一镁金属层的被动氧化所采用的10倍、较佳者甚至为100倍大小，如此极端弱的氧化条件，具有最大氧气压力10-5托尔、以及较佳者为10-6托尔维持1000秒钟，可确保仅于第一镁金属层的上半部份氧化，而不会有贯穿整个第一镁金属层的裂痕。最大氧气压力可以通过密闭腔室的氧气压力来控制、或是于开孔腔室内控制氧气气流，其中氧化层21a会具有氧化痕迹15，但并不会接触于接口14。
请参阅图3，接续步骤为沉积第二镁金属层22于氧化层21a上，第二镁金属层22与所有后续的镁金属层的厚度都至少为1埃来构成连续的薄膜，第二镁金属层22的最大厚度则取决于穿隧阻障层所想要的电阻面积值、制作穿隧阻障层过程所沉积镁金属层的数量、以及第二氧化程序过程的氧化条件，其如绘示于图4的第一现有氧化程序。一般说来，电阻面积随着利用现有氧化程序来氧化的镁金属层的数量增加而变大。
如图4，第一现有氧化程序17可以是譬如为自然氧化(NOX)，藉以将整个第二镁金属层完全转化为氧化层，氧化后的第二镁金属层与第一镁金属层氧化的部份形成氧化镁层21b，较佳者，第一现有氧化程序17的氧气气流流速至少为1sccm持续10秒，其氧化条件相较于较弱的被动氧化16可视为中等程度。其也可选择性采取相对较强的氧化条件，譬如流体流速大于1sccm施加直到600秒、或是压力范围于0.1微托尔至1托尔。然而，第一现有氧化程序17不应当产生延伸到第一镁金属层21的裂痕、或是允许氧气于后续氧化第一镁金属层时。扩散穿过氧化镁层21a；第一镁金属层可以降低氧气于第一现有氧化程序17中穿过第二镁金属层22的能量，氧化镁层21a进一步防止自然氧化的氧气到达第一镁金属层21。金属氧化层的完整性，可以通过穿透式电子显微镜分析，来确认是否针对特定镁金属厚度的极端的特殊氧化条件会产生裂痕，换句话说，可通过穿透式电子显微镜(TEM)分析来观察是否氧化条件过强。
根据图5所绘示的实施例，其关于本发明所公开的一种涉及最少数量氧化程序来制作穿隧阻障层，最上层镁金属层23沉积于氧化镁层21b上，来形成具有镁/氧化镁/镁配置的复合穿隧阻障层20；如稍候描述，退火步骤(图中未示)可以于如图8所示的磁性隧穿接合堆栈完成后来施行，来引起氧由中间氧化镁层21b(或是如另一实施例中施行多现有氧化程序于氧化镁层21c)扩散至镁金属层21、23，因而形成氧化镁层21d来接触于下磁性层10以及上磁性层30(见图9)；另外，被动氧化也可以随着直接沉积氧化镁层来施行，提供穿隧阻障层成型程序的最少的氧化程序。
于图6的第二实施例，其接续施行于第3-4图的步骤行一次或一次以上，来使氧化镁层21c于厚度t1的未氧化的镁金属层21上具有厚度t2，因此，图6中的氧化镁层可以由第二镁金属层接续于第一现有氧化程序来加以沉积形成，然后第三镁金属层可以接续第二现有氧化程序来沉积形成(图中未示)；第二现有氧化也可以包含如前述的自然氧化条件。于此范例中，t2大于t1，但是于本发明的公开，也可采用t1大于t2的结构，因为众所皆知氧化镁具有较镁金属较小的晶格，举例来说，于实施例中，第一镁金属层的厚度为3-4埃，而第二、第三镁金属层则具有大约2埃的厚度，第二、第三镁金属层经过氧化后所得到的氧化镁层21c则会具有小于4埃厚度。其可以理解，氧化第二镁金属层所采用的压力与持续时间，可与氧化第三镁金属层所采用的压力与持续时间不同，进一步来说，一个或是两个第一与第二现有氧化程序可包含超过一个以上的步骤，譬如一个现有氧化程序可以包含具有第一氧气气流流速与压力的第一步骤、与包含具有不同于第一步骤的第二氧气气流流速与压力的第二步骤。其中尤其重要的是，成型氧化镁层21c过程中所采用的所有现有程序，相对于第一镁金属层所实行的被动氧化，其至少为10-100倍氧气压力的强度，来确保第二、三镁金属层可以完整氧化。
绘示于图6的中间穿隧阻障层结构也包含有第三实施例，第四镁金属层(图中未示)可以沉积于氧化的第三镁金属层，并于后续第三现有氧化程序中来氧化第四镁金属层；因此，最上方(第五)镁金属层(图中未示)可以沉积并维持未氧化的状态直到磁性隧穿接合堆栈层完成后的最佳退火程序。如同前面所指出，沉积并通过现有氧化程序来氧化的镁金属层的数量、以及每一个镁金属层厚度的调整会影响穿隧阻障层的电阻面积值；温度直达450℃、维持90分钟的退火程序可以于后面任何实施例的磁性隧穿接合沉积时或之后来施行。
本发明所公开实施例也可包含有穿隧阻障层的制作，其中氧化程序可以调整，使得现有氧化程序替代为第二被动氧化(PO)，因此，于制作穿隧阻障层过程中可以具有许多被动氧化的步骤。一方面来说，第一镁金属层可通过第一被动氧化来进行部份氧化，第二镁金属层可通过第一自然氧化程序来进行氧化，第三镁金属层可通过第二被动氧化于最上层镁金属层沉积的前来进行部份氧化，使其氧化程序表示为被动氧化/自然氧化/被动氧化。然而，第二镁金属层也可以通过第二被动氧化程序来进行部份氧化，第三镁金属层也可以通过自然氧化方法来进行氧化，而于最上层镁金属层沉积的前形成被动氧化/被动氧化/自然氧化的态样，并于后续退火步骤前维持非氧化状态。较佳者至少一个自然氧化程序会保留来确保足够量的氧气包含于氧化镁层内，使得退火过程中能够扩散进入镁金属层没有氧化的部份，形成基本上均匀的氧化镁穿隧阻障层、或是金属氧化物穿隧阻障层于金属为非镁的实施例。
其可以理解可将第三实施例加以调整，其中一个或是一个以上的自然氧化步骤可取代为被动氧化，根据制造的顺序，可沉积第一镁金属层并通过第一被动氧化程序来加以氧化，第二镁金属层可以沉积并通过第一自然氧化程序来氧化，第三镁金属层可以沉积并通过第二自然氧化程序来氧化，然后接续第四镁金属层可以沉积并于最上层镁金属层沉积的前，通过第二被动氧化程序来氧化；因此其氧化序图可表示为PO/NOX/NOX/PO，除了PO/NOX/NOX/PO顺序外，也可以使用表示为PO/PO/NOX/PO、PO/PO/PO/NOX、或PO/NOX/PO/PO的氧化顺序，其中至少一个氧化涉及到自然氧化程序，来确保有足够量的氧包含于穿隧阻障层堆栈中，以完成所有金属层的氧化，以及随后自由层形成、与退火程序。
本发明所公开实施例也可预期使被动氧化程序包含有氮气，如此一来沉积于穿隧阻障层堆栈的第一金属层的上半部份则会变成金属氮化物；第一金属层较佳者具有1-6埃的厚度，于另一实施例，氮气于缺少氧气的情况下来用于沉积第一金属氮化物层于第一金属层上。一般说来，金属氮化物可通过离子化氮原子以及氩气来击中金属标来而进行沉积，使得金属氮化物溅镀沉积于基材上；通过控制氮气流速能够改变氩气与离子化氮原子的比例，因而能够改变金属氮化物的内容，譬如为MgNx。此程序可定义为被动氮化程序，当排除氧气时，氮气的最大压力为10-5托尔，如此一来，下磁性层/第一金属层的接口不会与氮气反应，并形成第一金属/第一金属氮化物的堆栈。接续形成于金属氮化物或第一金属氮化物层，可以是利用现有氧化方法的金属层来制作的金属氧化物层，或是可通过直接沉积、或一个或一个以上的接续层具有金属氮氧化物或金属氮化物复合层。此后，最上层金属层可以沉积于底下金属氧化物、金属氮氧化物、或是金属氮化的上表面；于最上层金属层沉积过程或是上磁性层以及覆盖层接续完成于最上层金属层之后，可施行温度达到450℃持续90分钟的退火程序。
如图7所示，一旦于上述图6中的实施例的最后的现有氧化程序、或第二被动氧化完成后，最上层镁金属层23会被沉积于氧化镁层21c上，最后镁金属层的厚度t3较佳者为至少1埃，而厚度t3的最大值则部份由后续退火步骤的温度与时间来决定；尤其是厚度t3不应该厚到使得氧气无法由氧化镁层21c扩散进入镁金属层23的所有部份，因而使得其上表面23s的部份无法氧化，金属氧化物与上磁性层间的接口乃是于上磁性层形成最大垂直磁性各向异性的重要因素。如同前述，于沉积最上层镁金属层23过程会施加退火程序，此外，也可于磁性隧穿接合堆栈完成后施加第二退火程序。当退火程序的温度增加到450℃以及/或延长处理时间，氧气扩散进入镁金属层23的距离就会增加；其中相对较厚的镁金属层23(厚度t3大于3埃)，会对最终的电阻面积值有实质的贡献，因此，厚度t3较佳者为介于1-3埃之间。而于后续成型上磁性层与譬如为覆盖层的重迭层的步骤中，维持镁金属层21、23为非氧化状态是非常重要的，而使得氧气无法穿透，而氧化部份的下磁性层10与上磁性层30；因此，镁金属层21、23用以避免相邻磁性层被氧化，而不是作为穿隧阻障层的信道，而于稍候磁性隧穿接合堆栈完成后来变得完全氧化。
图8关于下自旋阀配置、磁性隧穿接合堆栈40，自由层30作为上磁性层来形成于最上层镁金属层23，于此中间结构，第一接口14具有譬如为钴铁硼/镁结构组成，第二接口也具有镁/钴铁硼结构组成；于另一态样，上磁性层包含有铁、或是两个或以上钴、铁、镍与硼所构成的合金。本发明所公开的实施例，其中自由层也可具有合成反铁磁性(SAF)配置，两铁磁层通过譬如为钌的层来分隔并构成反铁磁耦接；进一步来说，上磁性层可具有力矩稀释层，譬如为钽、镁形成于两磁性层间来构成铁磁性耦接。于另一实施例中，自由层可以是具有钴铁硼、钴、或是钴铁层的复合结构，具有沿着接口28的下表面、以及譬如为如同前述的(钴/镍)n或(A1/A2)n层状堆栈结构来形成于钴铁硼、钴、或钴铁层的上表面。
磁性隧穿接合堆栈40可更包含有覆盖层(图中未示)，其形成于自由层30的上表面30s，举例来说，覆盖层可包含一个或是一个以上的钌或钽，来于后续譬如为化学机械抛光来使磁性隧穿接合堆栈具有光滑上表面的步骤中，能保护自由层。于另一实施例中，覆盖层可为金属氧化物来沿着上表面30s产生接口垂直异向性，并强化上磁性层内的垂直磁性各向异性；根据本发明所公开，金属氧化物覆盖层可于穿隧阻障层成型程序来完成，因此，穿隧阻障层以及覆盖层都可以譬如为氧化镁，可通过伴随被动氧化程序之后的沉积第一镁金属层来完成。于覆盖层的第一金属层的下半部份依旧维持未氧化状态，来防止自由层被氧化，因此，至少第二镁金属层于现有氧化程序后来部份沉积于第一镁金属层。最上层镁金属层的成型，于覆盖层成型中可以被省略，因为并没有接续的沉积磁性层需要防止氧化；在前述接下来退火程序中，氧气由氧化镁金属层扩散进入覆盖层的下半部，而与上磁性层的上表面来形成有金属氧化物接口。于另一实施例，穿隧阻障层可以是由第一金属或合金所构成的譬如为氧化镁钽，而覆盖层可为譬如是氧化镁的第二金属或合金所构成。
如图9所示，施行退火程序来引起氧气于氧化镁层21c(见图8)中扩散至相邻的镁金属层，如此一来，氧化镁层21d会具有沿着第一接口14的下表面与沿着第二接口的上表面，来分别增强下磁性层10与上磁性层30的垂直磁性各向异性。退火程序包包含施加450℃、持续90分钟，当所产生的磁性隧穿接合结构要应用于互补式金氧半导体装置，其温度约400℃为佳。
根据图10所绘示的实施例，磁性隧穿接合奈米柱40n于磁性隧穿接合堆栈完成后来制作，并于现有图样化与蚀刻之后进行退火；于实施范例中，磁性隧穿接合奈米柱形成于譬如下电极的基板6上，其包含有位于基板上的种子层8、以及具有平坦上表面35s的最上层覆盖层35，侧壁38由上表面延伸至基板6，于图式中，x轴、y轴方向为各层所处的平面，而其厚度则沿着z轴方向来决定。磁性隧穿接合奈米柱的上表面35s由z轴方向来看可为圆形或是椭圆形，多个典型磁性隧穿接合奈米柱数组，可沿着基板的行、列方向来设计排列。
请参阅图11，其公开具上自旋阀结构的磁性隧穿接合的形成穿隧阻障层的方法，于此流程中，第一金属(镁)层21沉积于作为下磁性层的自由层30，因此，施行先前所描述的被动氧化可于第一金属层的上半部份平缓地氧化，来形成第一金属氧化层21a，而第一金属层的下半部份以及下磁性层则仍维持未氧化状态。
图12绘示一个或一个以上的金属层沉积于金属氧化层21a后的磁性隧穿接合结构，每一金属层通过前述现有氧化程序来进行氧化，形成包含第一金属氧化层的金属氧化层21c，其中一个现有氧化程序可以取代为第二被动氧化；然后沉积最上层金属层23，一旦位于穿隧阻障层的最上层金属层置放，就会沉积作为上磁性层的参考层10；上磁性层会与金属层23形成接口27、而下磁性层与第一金属层21间会形成界面16。
图13绘示图12的磁性隧穿接合结构执行退火程序后的状态，金属氧化物层21d即为穿隧阻障层，具有与下磁性层间的第一接口16、以及与上磁性层间的第二接口27，因为控制氧化程序涉及到制备穿隧阻障层，尤其是施加被动氧化于第一金属层，因此所保留于两磁性层的垂直磁性各向异性会增强。
于图14中，具上自旋阀结构的磁性隧穿接合包含有根据本发明公开实施例所形成的穿隧阻障层21d，所有层与图10所示的下自旋阀堆栈相同，仅磁性层10、30对调位置。
本发明所公开的另一实施例绘示于图15，磁性隧穿接合奈米柱70n具有双自旋阀结构，其包含位于第一参考层10a与自由层30之间的第一穿隧阻障层21d1、以及位于自由层30与第二参考层10b之间的第二穿隧阻障层21d2，两穿隧阻障层都可通过如同前面所描述，利用施加被动氧化于第一金属层的制作方法来完成；而双自旋阀也可具有表示为FL1/穿隧阻障层1/参考层/穿隧阻障层2/FL2的配置(图中未示)，其中FL1是第一自由层、而FL2是第二自由层，且两个穿隧阻障层21d1、21d2也可通过前述穿于穿隧阻障层21d的实施例来制作。
双自旋阀结构可通过下列方式制作，第二穿隧阻障层21d2形成于第一磁性层10a/第一穿隧阻障层21d1/磁性层30的配置堆栈，然后第三磁性层10b沉积于第二穿隧阻障层21d2。而关于第二穿隧阻障层21d2，第一金属层(图中未示)沉积于磁性层30，接续为具最大氧气压力10-5托尔持续1000秒的被动氧化；此被动氧化程序会将第一金属层上半部份氧化，而其下半部份与磁性层30的上表面则仍旧维持未氧化状态。然后一个或是一个以上的金属氧化层可通过前述实施例的方法来形成于氧化的上半部份；此后，于形成第三磁性层10b的前，最上层金属层沉积于金属氧化层的上表面，然后覆盖层35可形成于磁性层10b的上表面来完成磁性隧穿接合堆栈。于沉积第一金属层于两穿隧阻障层21d1、21d2过程中，可施加温度达到450℃持续90分钟的退火程序，或是也可于双自旋阀磁性隧穿接合的所有层完成后来施行退火。
根据图16所绘示的另一实施例，其为一种复合穿隧阻障层50，其中第一金属层(M1)21沉积，且其上半部份通过被动氧化来部份氧化，以形成表示为M1/M1Ox配置的第一金属氧化层21a，然后一个或是一个以上金属所组成的第二金属(M2)会加以沉积，其中M2为与M1不同的金属，并利用一个或是一个以上现有氧化程序来进行氧化，以形成第二金属氧化层22a；其中一个现有氧化程序可替代为第二被动氧化。通过M1或是M2组成的最上层金属层23接续沉积于金属氧化层22a。
于图17中，显示图16的磁性隧穿接合结构经过执行退火程序的状态，其中第一金属氧化层21e的形成，使得氧气扩散进入第一金属层21，然后氧化形成实质均匀的M1Ox层，构成M1/M1Ox堆栈。其也具有第二金属氧化层22b，其会使得氧气扩散进入最上层金属层23，然后氧化形成实质均匀的M2Ox层，构成M1Ox/最上层金属氧化物堆栈。因此，会形成复合穿隧阻障层50，其中至少第一金属氧化层通过包含施加被动氧化于第一金属层的程序来制作。
本发明所公开也可料想到关于自旋转矩振荡器装置，其中金属氧化层邻接于自旋极化(SP)层来制作，以保留强化的垂直磁性各向异性于自旋极化层；公开于美国专利公告第8,582,240号专利的自旋转矩振荡器(STO)装置，其中非磁性层形成相邻于自旋极化层，且振荡层可为金属氧化物。
请参阅图18，绘示基于垂直磁性纪录(PMR)的微波辅助磁性纪录写入器，其主极81具有相当大的局部磁场来于媒体位层84写入媒体位85，主极81的磁通量88穿过气体轴承表面(ABS)86-86并进入媒体位层84以及软性底层(SUL)87；部份的通量(图中未示)会回到写入头并通过写入屏蔽82来加以收集。针对典型的微波辅助磁性纪录写入器，主极所产生的磁量通并不够强到能够翻转媒体位的磁化89而来完成写入程序，然而，通过定位于主极以及写入屏蔽间的自旋矩振荡器(STO)83的辅助，则使其能够完成写入。
自旋矩振荡器包含有高力矩磁性层90、以及第二磁性层91，其较佳者为具有垂直磁性各向异性(PMA)，于各层82与90、90与91、91与81之间分别为非磁性层92、93、94，来避免相邻磁性层产生过强的磁性耦合。非磁性层94可为金属氧化物层，来与磁性层91间形成金属氧化/磁性层接口，而能于其间保留或是强化垂直磁性各向异性；相同地，非磁性层92也可为金属氧化物层，来保留或是强化于非磁性层90的垂直磁性各向异性。
外部电流源98建立一个横跨主极以及写入屏蔽的偏向电流，施加直流电将会导致电流流动由引脚101进入振荡层(OL)90，然后，穿过非磁性层93并于激化穿过引脚100的前进入自旋极化层91；电流源98所产生的电流会通过磁性层91自旋极化、与磁性层90交互作用、并产生自旋转移力矩，进而以于磁性层90，此后称为振荡层(OL)，引起具有进动角95的振荡。振荡层90的大角度振荡极化会产生通常数十千兆赫大小的射频(rf)，射频场(图中未示)与媒体位85的磁化交互作用，并使磁化振荡进入进动状态97，因此而降低媒体位85的矫顽场，而允许主极场88来切换。
本发明的重点特征在于提供金属氧化物，其由一个或是两个透过前述实施例的被动氧化程序来制作的非磁性层92、94所组成，如此一来，垂直磁性各向异性就会保留于相邻的磁性层内，即自旋极化层91或振荡层90。根据本发明的实施例，非磁性层94为金属氧化物，通过沉积于主极层的第一金属层透过施加被动氧化来成型，一个或是一个以上的金属氧化层于最上层金属层设置前形成于第一金属层的上半氧化部份；然后各层91、93、90、92依序于写入屏蔽制作前来形成。层92通过沉积第一金属层于振荡层90后施加被动氧化来形成，然后一个或是一个以上的金属氧化层于最上层金属层沉积前形成于层92的上半氧化部份，然后可于此时或是当最上层金属层沉积时，施加退火程序，如此一来，形成金属氧化层92、94的氧化程序则可妥善控制，避免实质氧化侵入自旋极化层91以及振荡层90。另一实施例，自旋矩振荡层可以相反顺序形成于主极层上；前述实施例的其他部份则保留，包含金属氧化层的组成、成型一个或是一个以上氧化层于氧化的第一金属层的方法、以及沉积最上层金属层或是所有自旋矩振荡层完成后所施加的退火程序。
本发明所公开的另一实施例，其关于垂直自旋矩振荡器(PSTO)装置，其中高密度自旋矩振荡电流由低密度射频所产生的电流来隔离，此部份详见美国专利公告第8,203,389号专利。尤其是于三终端装置的射频产生部份的穿隧阻障层，其可为譬如氧化镁的金属氧化层，通过前述实施例所描述方式来成型。
请参阅图19，绘示一种垂直自旋矩振荡器装置，其具有自旋矩振荡组件103以及射频产生组件104，于此后简称为射频产生器或是磁阻传感器，其通过非磁性层114来加以分隔；于第一方面，自旋矩振荡组件103为强大磁阻接合，包含有垂直磁性各向异性磁性层111，其最为磁性参考层(MRL)；以及包含熟知非磁性间隔物112的第一接合层、第二垂直磁性各向异性磁性层113a、以及软磁性层113b依序形成于磁性参考层的堆栈。垂直磁性各向异性磁性层111以及第二垂直磁性各向异性磁性层113a可为具有前述的(A1/A2)n层状结构所组成。
间隔物112可利用譬如为铜的导体材料来构成，或是具有限制电流信道(CCP)配置，其中铜信道形成于譬如为AlOX的氧化矩阵内；层113a、113b相互交换耦合，并形成复合磁性振荡层(MOL)，其中当施加垂直于各层平面的磁场时、且当垂直于各层平面由第一电端子122至第二电端子121的电流密度够大时，每层的磁化可自由振荡；高电流密度较佳者为每平方公分具有1x 107至1x 109安培，使其超过临界电流密度而于复合磁性振荡层引起自旋矩效应。其可理解由复合磁性振荡层与间隔物接口所激发的反射电子，会诱导于层113a、113b具显著平面上振幅的振荡状态；垂直磁性各向异性层113a具有与软磁性层113b相同的振荡频率，但是为较小的平面磁化组件，软磁性层113b可通过铁化钴或是铁化钴合金、及其复合物所组成。
非磁性导体层114较佳者为采用铜等金属、或是具有下平面接触于自旋矩振荡器103的最上层、以及射频产生器104的相邻于下层的上表面的合金所构成；较佳者，导体层114具有沿着平面x轴方向大于自旋矩振荡器或射频产生器的宽度，而能允许电性连接于第一电端子122。
根据实施例，射频产生器104为具有穿隧磁阻比配置的磁阻(MRL)传感器，其中磁性隧穿接合具有磁性感测层125、此后作为穿隧阻障层126的第二接合层、参考层127、交换耦合层128、固定层129、以及耦合效应层130，其依序形成于导体层114的上表面。当参考层127具有垂直磁性各向异性时，层128-130可选择性予以省略。磁性感测层125的重要特征需要具有概略50％的复合振荡层(113a、113b)的Mst值。
进一步来说，磁性感测层125可为单一层或是复合层，且静态磁性耦合于软磁性层113b，使得当于复合振荡层建立振荡状态时，振荡状态会诱发感测层具有概略与层113a、113b相同的频率。较佳者，于实施例中，磁阻传感器104与自旋矩振荡器103具有实质相同的宽度w，磁阻传感器垂直对位于自旋矩振荡器的上，使得侧壁103s、104s概略共面，而提供软磁性层113b与感测层125之间有效的静态磁性耦合。其一个重点方向在于穿隧阻障层126为金属氧化物，通过包含下列程序来制作：通过如同前面描述的被动氧化程序来进行第一金属层的部份氧化，来保留垂直磁性各向异性于磁性感测层125以及参考层127，且于其中一个实施例，层128-130可加以省略；如此一来，相较于现有垂直自旋矩振荡器装置，射频产生器104具有低电阻面积与高穿隧磁阻比，其中穿隧阻障层可通过现有氧化程序来制造。
于操作模式，外部磁场105施加于整个垂直自旋矩振荡器结构，其包含有自旋矩振荡器103以及射频产生器104，其(正)或(负)y轴方向以相同于磁场方向对位于磁阻层111、复合振荡层113a/113b、以及磁性感测层125的垂直磁性组件；较佳者，磁阻层111具有整个垂直平面磁化方向，而复合振荡层与磁性感测层的磁性部份倾斜并由薄膜平面朝外；当高密度电流由第一端子122进入第二端子121，电子会穿过复合振荡层至磁阻层111，部份的电子会由磁阻层/间隔物112的界面反射回到复合振荡层，来将复合振荡层的磁性由静态激发至显著的平面振荡。接着，于复合振荡层113a/113b的振荡平面磁化组件会于磁性感测层125产生振荡磁场，相较于复合振荡层，磁性感测层的平面磁性振荡具有180度的向位差，其意味着复合振荡层与磁性感测层为伪反铁磁耦合铁磁共振模式。因此，磁性感测层25为部份的磁阻传感器104，直流电流经第一电端子122与第三电端子120之间，由于磁性感测层与复合振荡层振荡之间的静态磁性耦合，使交流电压讯号由磁阻传感器的阻抗变化而可以由第一与第三端子之间产生。
根据另一实施例，三端子自旋转移切换装置绘示于图20，其可包含有穿隧阻障层以及低电阻面积阻障层，其使用被动氧化程序以及一个或是一个以上如前所述的自然氧化以及射频溅镀等方法来形成；相同的，三端子结构可见于先前美国专利公告第7,978,505号专利，包含极化层、自由层以及参考层的三磁性层利用两非磁性层来加以分隔。于图20，非磁性层214介于自由层213以及参考层215之间，其为具普通电阻面积的穿隧阻障层，来于读取电路221上产生读取信号，此电路可譬如包含自由层及其端子(电极202)、普通电阻面积穿隧阻障层、参考层及其端子(电极203)、以及读取信号源与侦测设定、感应放大器(图中未示)。非磁性层212介于自由层与极化层211之间，可为金属层或是低电阻面积穿隧阻障层，来产生切换写入电路220的自由层的自旋转移力矩，此电路可包含自由层及其端子(电极202)、金属间隔物或普通电阻面积穿隧阻障层、极化层及其端子(电极201)、以及写入电压源(图中未示)。写入与读取电路的分隔确保了写入电路，其写入电流可以比一般两端子装置来得大，于具一般电阻面积的读取电路产生合适读取信号时能具有低电阻面积；前面所公开的氧化程序也可以使用来制作一般电阻面积阻障层214来强化磁阻比并保留垂直磁性各向异性，且也可采用低电阻面积穿隧阻障层212的成型来更进一步降低电阻面积值。
绘示于图21的另一实施例，形成层211-215的顺序与绘示于图20的三端子装置相反，使得参考层215形成于最下层，接续为穿隧阻障层214、自由层213、金属或低电阻面积阻障层212、以及作为最上层的极化层；于此例子中，读取电路221包含附着于参考层的第一端子(电极201)、连接于自由层的第二端子(电极202)、以及位于第一、第二端子之间的层213-215；同时，写入电路包含有第二端子、附着于极化层的第三端子(电极203)、以及介于第二、第三端子之间的层211-213。
为了展示本发明穿隧阻障层制作方法的效能，建立磁性隧穿接合奈米柱于10兆位内存装置数组来执行实验，其具有参考层/氧化镁穿隧阻障层/自由层/覆盖层的配置，使用平面穿隧电流(CIPT)技术来测量堆栈的电阻面积与每一磁性隧穿接合奈米柱的磁阻比，于表一的所有例子，相邻于穿隧阻障层的上、下磁性层皆为钴铁硼，而覆盖层为氧化镁。
用于磁性隧穿接合的现有穿隧阻障层成型程序显示于表一的第1列，包含沉积三个具有厚度6.6埃(第一镁金属层)、3埃(第二镁金属层)、与2.5埃最上层的镁金属层，第一镁金属层通过自然氧化程序来进行氧化，其包含5sccm氧气流体维持80秒，而第二镁金属层通过两部份自然氧化程序来氧化，包含5sccm氧气流体维持20秒、以及氧气压力控制于1托尔维持600秒；接着第三镁金属层沉积于氧化的第二镁金属层，并形成覆盖层作为最上层，然后整个磁性隧穿接合进行400℃持续30分钟的退火程序，此即为常见的三磁性隧穿接合奈米柱结构。
第2列表示根据本发明所公开实施例所建立具有氧化镁穿隧阻障层的磁性隧穿接合，其关键特征在于第一镁金属层具有3.3埃厚度，且利用氧气气流压力小于10-6托尔、维持20秒钟的被动氧化(PO)方法来进行处理，然后沉积第二镁金属层使其具有3.3埃厚度，并执行5sccm氧气气流持续80秒的自然氧化程序，接着沉积第三镁金属层，并施加两部份的自然氧化程序，分别包含5sccm氧气气流持续20秒、以及压力控制于1托尔持续600秒；最后沉积具有2.5埃厚度的第四镁金属层，并于完成整个磁性隧穿接合堆栈后，使其结构进行400℃的退火。
第3列表示根据本发明所公开的另一实施例所建立具有氧化镁穿隧阻障层的磁性隧穿接合，其关键特征在于第一镁金属层具有2.75埃厚度，且利用氧气气流压力小于10-6托尔、维持20秒钟的被动氧化(PO)方法来进行处理，然后沉积第二镁金属层使其具有2.25埃厚度，并执行5sccm氧气气流持续80秒的自然氧化程序，接着沉积具有3埃厚度的第三镁金属层，并施加两部份的自然氧化程序，分别包含5sccm氧气气流持续20秒、以及18sccm持续500秒；然后沉积具有4.5埃厚度的第四镁金属层，并进行氧气气流5sccm、持续20秒的第三自然氧化程序；最后第五镁金属层沉积具有2.5埃厚度，并于完成整个磁性隧穿接合堆栈后，使其结构进行400℃的退火。
于表一的第1、2列，所有沉积镁金属层的厚度总共约为12埃，而第三例子(第3列的程序)则具有5个分隔的镁金属层，总共为15埃的厚度，而具有略高于第2列的电阻面积值，但是其仍旧低于第1列磁性隧穿接合的电阻面积值。
表一
具钴铁硼/氧化镁/钴铁硼/氧化镁配置的图样化磁性隧穿接合奈米柱经过400℃、30分钟退火后的磁性特性
比较位于第2列的磁性隧穿接合奈米柱与第1列的现有磁性隧穿接合，可清楚看出采用被动氧化作为制作穿隧阻障层的初始氧化程序的优点，特别是穿隧磁阻比由130％增加到140％，且电阻面积由20降低置12；且相当重要的是于穿隧磁阻比的增加，乃是由于钴铁硼磁性层中垂直磁性各向异性较佳的保存。第3列的磁性隧穿接合奈米柱，具有采用额外沉积镁金属层以及额外的自然氧化构成的穿隧阻障层，相较于第2列的磁性隧穿接合，其意欲产生具有稍微高的电阻面积的较厚氧化镁层。第3列的例子相对于第1列具有现有氧化镁穿隧阻障层，也具有较佳的穿隧磁阻比以及较低电阻面积；因此，可明显看出改良的穿隧阻障层成型程序，于制造各种穿隧阻障层的灵活性。
表一的结果显示了本发明所公开的穿隧阻障层的制作，可维持参考层与自由层的垂直磁性各向异性，并增强穿隧磁阻比；进一步来说，于磁性隧穿接合奈米柱至少400℃的热稳定性，经过400℃、30分钟退火程序后所量测的特性皆能达成匹配互补式金氧半导体程序的需求；而提高退火温度至约400℃，对于譬如为钴铁硼的结晶非晶硅磁性层会有所帮助，确保氧化镁穿隧阻障层具有较高的穿隧磁阻比。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故即凡依本发明申请范围所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (39)

1.一种形成磁性隧穿接合(MTJ)堆栈层的方法，其包含一位于两磁性层间的一穿隧阻障层，该方法包含有：
(a)提供一具垂直磁性各向异性(PMA)的下磁性层；
(b)沉积一第一金属层而形成一下磁性层/第一金属层界面；
(c)执行一具最大氧气压力为10-5托尔的第一被动氧化程序，该第一被动氧化程序氧化该第一金属层的一上半部份，而该第一金属层的一下半部份沿着该下磁性层/第一金属层接口仍维持未氧化状态；
(d)形成一个或一个以上的金属氧化层于该第一金属层的该氧化部份，其中该步骤(b)-(d)形成一穿隧阻障层；以及
(e)沉积一上磁性层于该穿隧阻障层的一上表面。
2.如权利要求1所述的方法，其中该第一被动氧化程序具有最大持续时间约为1000秒。
3.如权利要求1所述的方法，其中该第一金属层具有一厚度为1-6埃。
4.如权利要求1所述的方法，其中该一个或是一个以上的金属氧化层形成于该第一金属层的该氧化部份，通过一个或是一个以上的现有方法来成型，其包含有：
(a)直接沉积一金属氧化层；
(b)沉积一金属层，并接续以氧气压力至少10-3托尔来氧化全部或部份的该金属层；以及
(c)任何上述步骤(a)、(b)组合或重复。
5.如权利要求1所述的方法，其中该第一金属层与该一个或是一个以上的金属氧化层选自于由镁、铝、钽、钛、镍、锌、镁锌合金、铝钛合金、钴镁合金、以及镁钽合金所构成的组合的金属或合金。
6.如权利要求1所述的方法，其中该下磁性层为部份的一合成反铁磁(SAF)层，并透过一耦合层的鲁德曼-基特尔-粕谷-吉田(RKKY)反应来反铁磁耦合于一第二磁性层。
7.如权利要求1所述的方法，其中该上磁性层为部份的一合成反铁磁层，并透过一耦合层的鲁德曼-基特尔-粕谷-吉田(RKKY)反应来反铁磁耦合于一第二磁性层。
8.如权利要求1所述的方法，其中该被动氧化程序更包含有氮气。
9.如权利要求1所述的方法，其中至少其中一个形成于该第一金属层的该氧化部份的该一个或一个以上的金属氧化层更包含有氮，并具有一金属氮氧的组成。
10.如权利要求1所述的方法，更包含一于沉积该磁性隧穿接合堆栈过程中或之后的退火程序，该退火程序包含温度达到450℃、维持90分钟。
11.如权利要求1所述的方法，其中该第一金属层由不同于该一个或一个以上的金属氧化层的金属所组成。
12.如权利要求1所述的方法，更包含形成一覆盖层于该上磁性层。
13.如权利要求12所述的方法，其中该覆盖层为一金属氧化层，通过包含一个或是一个以上的一直接沉积方法、一被动氧化程序、或一包含氧气压力至少10-3托尔的氧化程序来形成。
14.如权利要求1所述的方法，更包含成型一双自旋阀磁性隧穿接合堆栈的程序，其包含有：
(a)形成一第二堆栈层于该上磁性层的一上表面，该第二堆栈通过下列步骤成型，包含有：
(1)沉积一第二金属层，接触于上磁性层的一上表面；
(2)执行一最大氧气压力约为10-5托尔的第二被动氧化程序，该第二被动氧化程序氧化该第二金属层的一上半部份，而该第二金属层的一下半部份于与该上磁性层的接口仍维持未氧化状态；以及
(3)形成一个或一个以上的金属氧化层于该第二金属层的该氧化部份，其中该步骤(1)-(3)形成一第二穿隧阻障层；以及
(b)沉积一第三磁性层于该第2穿隧阻障层的一上表面。
15.一种形成磁性隧穿接合(MTJ)堆栈层的方法，包含一位于两磁性层间的一穿隧阻障层，该方法包含有：
(a)提供一具垂直磁性各向异性的下磁性层；
(b)沉积一第一金属层而形成一下磁性层/第一金属层界面；
(c)执行一具最大氧气压力为10-5托尔的第一被动金属氮化沉积程序，该第一被动金属氮化沉积程序沉积一第一金属氮化层于该第一金属层，而该下磁性层/第一金属层接口仍维持未与氮气反应的状态；
(d)形成一个或一个以上的金属、金属氧化、金属氮氧化、或金属氮化层于该第一金属氮化层，其中该步骤(b)-(d)形成一穿隧阻障层；以及
(e)沉积一上磁性层于该穿隧阻障层的一上表面。
16.如权利要求15所述的方法，其中该第一金属层具有约1-6埃的厚度。
17.如权利要求15所述的方法，其中该第一金属层、该第一金属氮化层与该一个或是一个以上的金属、金属氧化、金属氮氧化、或金属氮化层选自于由镁、铝、钽、钛、镍、锌、镁锌合金、铝钛合金、钴镁合金、以及镁钽合金所构成的组合的金属或合金。
18.如权利要求13所述的方法，其中该第一金属层由不同于该一个或一个以上的金属、金属氧化、金属氮氧化、或金属氮化层的金属所组成。
19.一种形成自旋矩振荡器装置(STO)的方法，包含有：
(a)形成一第一金属氧化层于一基板，包含下列步骤：
(1)形成一第一金属氧化层于一基板并通过一具最大氧气压力为10-5托尔的第一被动氧化程序来加以氧化其一上半部份；以及
(2)形成一个或一个以上的金属氧化层于该第一金属层的该氧化部份；
(b)形成一自旋极化(SP)层于该金属氧化层的一上表面；
(c)形成一非磁性层于该自旋极化层；
(d)形成一振荡层(OL)于该非磁性层；以及
(e)形成一第二金属氧化层于该振荡层，其程序包含有：
(1)形成一第二金属氧化层于该振荡层并通过一具最大氧气压力为10-5托尔的第二被动氧化程序来加以氧化其一上半部份；以及
(2)形成一个或一个以上的金属或金属氧化层于该第二金属层的该氧化部份。
20.如权利要求19所述的方法，其中该第一与该第二被动氧化程序持续约1000秒，且该最大氧气压力可通过于一密闭腔室来直接控制、或是控制一开孔腔室内的一氧气气流流速。
21.如权利要求19所述的方法，其中该第一金属层与该第二金属层具有约为1-6埃的厚度。
22.如权利要求19所述的方法，其中该一个或是一个以上的金属氧化层形成于该第一金属层与该第二金属层的该氧化部份，通过一个或是一个以上的现有方法来成型，其包含有：
(a)直接沉积一金属氧化层；
(b)沉积一金属层，并接续以氧气压力至少10-3托尔来氧化全部或部份的该金属层；以及
(c)任何上述步骤(a)、(b)组合或重复。
23.如权利要求19所述的方法，其中该第一金属层、该第二金属层与该一个或是一个以上形成于该第一金属层与该第二金属层的氧化的上半部份的金属、金属氧化层选自于由镁、铝、钽、钛、镍、锌、镁锌合金、铝钛合金、钴镁合金、以及镁钽合金所构成的组合的金属或合金。
24.如权利要求19所述的方法，其中该被动氧化程序更包含有氮气。
25.如权利要求19所述的方法，其中该至少其中一个形成于该第一金属层的该氧化部份的该一个或一个以上的金属氧化层更包含有氮，并具有一金属氮氧的组成。
26.如权利要求19所述的方法，更包含一于成型该第二金属层之后的退火程序，该退火程序包含温度达到450℃、维持90分钟。
27.如权利要求19所述的方法，其中该第一金属层由不同于该第二金属层、或该一个或一个以上成型于该第一金属层的一氧化的上半部份的金属或金属氧化层的金属所组成。
28.如权利要求19所述的方法，其中该第二金属层由不同于该第一金属层、或该一个或一个以上成型于该第二金属层的一氧化的上半部份的金属或金属氧化层的金属所组成。
29.一种成型射频信号产生装置的方法，包含有：
(a)形成一具有一上表面的自旋矩振荡器(STO)，其包含有至少一磁性参考层(MRL)，接触于一第一端子、一磁性振荡层(MOL)、与一形成于该磁性参考层与该磁性振荡层之间的第一接合层；
(b)形成一非磁性层于该磁性振荡层，该非磁性层连接于一第二端子；
(c)形成一磁阻(MR)传感器于该非磁性间隔物，该磁阻传感器具有至少一磁性感测层，其静态磁性耦合于该磁性振荡层、一第二磁性参考层、以及一位于该磁性感测层与该第二磁性参考层之间的第二接合层，该金属氧化物通过以下步骤成型：
(1)沉积一第一金属层于该磁性感测层；
(2)通过最大氧气压力为10-5托尔的被动氧化程序来氧化该第一金属层的一上半部份；
(3)形成一个或一个以上的金属氧化层于该第一金属层的一氧化上半部份；以及
(d)形成一第三端子于该磁阻传感器，该磁性感测层具有一振荡状态，当一磁场以垂直于自旋矩振荡器的该上表面的方向施加于该自旋矩振荡器与该磁阻传感器，该磁性振荡层会诱发一振荡频率，同时一第一电流会流经于该第一与该第二端子之间，且静态磁性耦合会于磁性感测层产生具有一射频频率的磁性振荡，并于一第二电流流经该第二与该第三端子时，产生一横跨磁阻传感器的一变动电压。
30.如权利要求29所述的方法，其中该被动氧化程序持续约1000秒，且该最大氧气压力可通过于一密闭腔室来直接控制、或是控制一开孔腔室内的一氧气气流流速。
31.如权利要求29所述的方法，其中该第一金属层具有约为1-6埃的厚度。
32.如权利要求29所述的方法，其中该一个或是一个以上的金属氧化层形成于该第一金属层的该氧化部份，通过一个或是一个以上的现有方法来成型，其包含有：
(a)直接沉积一金属氧化层；
(b)沉积一金属层，并接续以氧气压力至少10-3托尔来氧化全部或部份的该金属层；以及
(c)任何上述步骤(a)、(b)组合或重复。
33.如权利要求29所述的方法，其中该第一金属层、与该一个或是一个以上形成于该第一金属层的氧化的上半部份的金属、金属氧化层选自于由镁、铝、钽、钛、镍、锌、镁锌合金、铝钛合金、钴镁合金、以及镁钽合金所构成的组合的金属或合金。
34.如权利要求29所述的方法，其中该被动氧化程序更包含有氮气。
35.如权利要求29所述的方法，其中该至少其中一个形成于该第一金属层的该氧化部份的该一个或一个以上的金属氧化层更包含有氮，并具有一金属氮氧的组成。
36.如权利要求29所述的方法，更包含一于成型该磁阻传感器之后的退火程序，该退火程序包含温度达到450℃、维持90分钟。
37.如权利要求29所述的方法，其中该第一金属层由不同于该一个或一个以上成型于该第一金属层的一氧化的上半部份的金属或金属氧化层的金属所组成。
38.一种形成三端子装置的方法，包含有：
(a)形成一下磁性，其作为一极化层并接触于一第一端子；
(b)形成一非磁性金属层或一低电阻面积穿隧阻障层于该极化层，其中该低电阻面积穿隧阻障层通过下列程序来形成：
(1)沉积一第一金属层于该下磁性层；
(2)通过最大氧气压力为10-5托尔的被动氧化程序来氧化该第一金属层的一上半部份；以及
(3)形成一个或一个以上的金属氧化层于该第一金属层的一氧化上半部份；
(c)沉积一中间层作为一自由层于该非磁性金属层或该低电阻面积穿隧阻障层上，该自由层接触于一第二端子，于一写入操作时，一电流会流经该第一端子与该第二端子之间；
(d)形成一穿隧阻障层于该自由层上，该穿隧阻障层由下列步骤来成型：
(1)沉积一第二金属层于该自由层；
(2)通过最大氧气压力为10-5托尔的被动氧化程序来氧化该第二金属层的一上半部份；以及
(3)形成一个或一个以上的金属氧化层于该第二金属层的一氧化上半部份；以及
(e)沉积一上磁性层作为一参考层于该穿隧阻障层，该参考层接触于一第三端子，于读取操作时，一电流流经该第二端子与该第三端子之间。
39.一种形成三端子装置的方法，包含有：
(a)形成一下磁性，其作为一参考层并接触于一第一端子；
(b)形成一穿隧阻障层于该参考层上，该穿隧阻障层由下列步骤来成型：
(1)沉积一第一金属层于该参考层；
(2)通过最大氧气压力为10-5托尔的被动氧化程序来氧化该第一金属层的一上半部份；以及
(3)形成一个或一个以上的金属氧化层于该第一金属层的一氧化上半部份；
(c)沉积一中间层作为一自由层于该穿隧阻障层上，该自由层接触于一第二端子，于一读取操作时，一电流会流经该第一端子与该第二端子之间；
(d)形成一非磁性金属层或一低电阻面积穿隧阻障层于该自由层，其中该低电阻面积穿隧阻障层通过下列程序来形成：
(1)沉积一第二金属层于该自由磁性层；
(2)通过最大氧气压力为10-5托尔的被动氧化程序来氧化该第二金属层的一上半部份；以及
(3)形成一个或一个以上的金属氧化层于该第二金属层的一氧化上半部份；以及
(e)沉积一上磁性层作为一参考层于该非磁性金属层或该低电阻面积穿隧阻障层，该极化层接触于一第三端子，于写入操作时，一电流流经该第二端子与该第三端子之间。
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