CN107546322B - 具有垂直磁力异向性的磁性结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有垂直磁力异向性的磁性结构及其制备方法。于铁磁层(FML)两侧加设两氧化界面，可导引出较高的PMA，本发明的FML的堆叠结构可改善上氧化层的氧化控制，其是通过依次交错沉积一个或是两个以上非磁性层于数个铁磁子层上来实现的，本发明所使用的非磁性层具有0.5～10埃的厚度，并具有高再溅镀率，能够使得FML的上表面保持平滑，抑制FML子层的结晶，且可与氧气反应，保护相邻的铁磁子层不进行有害氧化。本发明的FML可以于磁性隧穿接合(MTJ)中作为自由层或是参考层。

Description

具有垂直磁力异向性的磁性结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及具有垂直磁力异向性的磁性结构及其制备方法，该磁性结构具有堆叠的氧化层、铁磁层以及非磁性层的组合，用以改善其应用于磁性薄膜时的垂直磁力，进而改善其热稳定性，可以不受具有垂直磁力异向性的装置的动能、体积或是结晶异向性的影响。
背景技术
磁化方向垂直于薄膜平面的磁性薄膜于内存或是数据储存技术而言尚有许多的应用，譬如磁性硬盘、磁性随机存取内存(MRAM)或是磁域墙装置。
通过垂直磁力异向性(PMA)所产生的垂直磁化可以克服静磁力形状各向异性，有利于薄膜几何形状的平面磁化。
许多物理现象都能诱发PMA，譬如结晶异向性、表面或接口异向性以及磁弹性异向性，接口异向性产生于氧化层(OL、譬如氧化镁层)与铁磁层(FML、譬如铁、钴、铁化钴或钴铁硼层)之间的接口，在技术上尤为重要。的确，接口结构被广泛地使用于MRAM装置，其内存单元是基于磁性穿隧接合，每一个磁性穿隧都具有两个垂直于硅晶圆平面磁化的磁极，并且通过氧化穿隧阻障层来分隔。
除了前面提到的氧化与铁磁层外，磁性隧穿接合(MTJ)结构也可包含非铁磁金属(ML)或种子层的堆叠结构，与磁性隧穿接合的两磁极的其中之一来建立垂直磁力异向性(PMA)的最简单堆叠层，形成单一铁磁层于金属层上，然后沉积氧化层于铁磁层上，来形成由下而上的ML/FML/OL堆叠或是反向的OL/FML/ML堆叠结构。
一般使用于半导体工业的标准工艺，需要加热晶圆达到400℃的高温，并如同退火程序持续数个小时，因此，通过半导体程序建构的MTJ装置必须要能承受标准程序的温度以及时间，而不能于磁性以及/或磁致传输特性上有所劣化。
于方程式(1)中，机率(p)为波兹曼因子，热波动引起MTJ中的内存位于两对应于逻辑0与1的稳定状态间翻转，热稳定性是关于两状态(E)之间的能量阻障，其与方程式(2)中的波兹曼常数(kB)与绝对温度(T)有关。
(1)Boltzmann Factor＝p(E)＝e-△
(2)Thermal Stability＝△＝E/kBT
针对PMA，能量阻障E会随着储存(或自由)层的磁性异向性变化，对于均匀磁化反转机制，能量阻障E为等比于Keff·tFML的产物，其中tFML为铁磁层的厚度。
Keff为有效异向性常数(具有每单位体积能量的尺寸)。
Keff可以设为接口异向性与形状异向性的总和。
(3)Keff＝Interfacial Anisotropy+Shape Anisotropy
接口异向性为材料界面固有的，系表示为常数Ki(单位表面的能量)除以铁磁层的厚度；而形状异向性会降低热稳定性，如方程式(4)所展示。
(4)Shape Anisotropy＝-2πMs 2
其中Ms为饱和磁化强度，tFML为铁磁层的厚度，界面异向性引起PMA，而形状异向性降低PMA，简言之，
(5)Keff＝Ki/tFML-2πMs 2
因此，通过方程式(5)可使铁磁层厚度tFML变薄来增进热稳定性，然而，当tFML低于临界厚度则此模式无法适用；实验发现于低于临界厚度时，铁磁层会由于缺陷以及与相邻非磁性组件间的内部扩散而失去其磁化强度，因此，简单ML/FML/OL堆叠之热稳定性降低，于临界铁磁厚度时达到最大。
由于单一OL/FML接口的简单PMA堆叠只能提供较弱的PMA，接口异向性(Ki)并不够强到能支撑厚度高于大概15埃的铁磁层；此外，铁磁层与底下譬如为钽的金属层之间还有异常的内部扩散，该内部扩散会引起铁磁与金属层之间的接口变成磁“死”层，使得铁磁层的磁特性在tFML小于大概8埃时会劣化。对于简单堆叠接口结构，于临界铁磁厚度的热稳定性仅有大概0.2erg/cm2，其过小而无法实际应用。
目前，虽可通过两OL/FML接口来建立改良接口结构，形成OL/FML/OL的结构，可以导出较高的PMA，而可使用于较厚的铁磁层；然而，使用氧化的方式来形成第二氧化层的同时，确保不会也氧化铁磁层是非常困难的，其将很容易形成厚的磁死层、损失磁化强度、且增加磁性穿隧接合(MTJ)产品的阻抗区域。
因此，亟须一种具有两氧化/FML接口的改良MTJ，为参考层与自由层提供高的PMA，进一步来说，形成上(第二)OL的氧化需要较佳的控制来避免FML不必要的氧化而损失PMA。
发明内容
本发明的目的在于提供通过堆叠结构强化垂直磁力异向性的增强磁性隧穿接合用磁性材料。
本发明的第二目的在于提供制备上述磁性材料的方法。
根据一个实施例，MTJ具有形成于两氧化层之FML，而构成OL1/FML/OL2结构，其中FML具有两子层(FML1与FML2)成为FML1/NML/FML2结构，其中NML为非磁性层，而FML为自由层或参考层。
本发明公开了三种方法来改良现有磁性隧穿接合与热稳定性，首先为NML的再溅镀，其于沉积FML2的过程中具有相对较高的再溅镀率而可获得较平滑的铁磁层，相同的概念于相关专利申请第14/939,232号申请案公开，关于沉积具低再溅镀率的第二种子层于具高再溅镀率的第一种子层。
再者，NML的存在抑制了FML2的结晶化，如此一来，FML2具有较小的晶粒以及较薄的晶粒边界，其会降低氧气由上氧化层OL2扩散至底下的FML2层。
最后，NML相较于FML1与FML2子层为较高活性材料，因此，其会吸引氧气由OL2扩散至FML2。
另一实施例包含铁磁层，其包含三个FML子层以及两NML形成(由上而下或相反)之OL/FML1/NML/FML2/NML/FML3/OL结构。
第三实施例为包含重复交错的n+1个FML子层以及n个NML的铁磁层，由下而上或相反，此堆叠形成OL/FML1/NML1/…/FMLn/NMLn/FMLn+1/OL的结构；在第一、二与三实施例的变化中，位于最上或下方的OL层可取代为譬如钽、钨、钼、钌或镍铬合金的ML层，ML/FML层具有界面垂直磁力异向性PMA。
附图说明
图1为现有技术的具有下自旋阀结构的磁性隧穿接合的示意图，其应用于MRAM、自旋转换振荡器(STO)或读取/写入头。
图2为现有技术的上自旋阀结构的MTJ，其具有位于穿隧阻障层之上的参考层，其功能等同于图1。
图3a为于具下自旋阀结构的MTJ的穿隧阻障层与氧化覆盖层间形成有自由层的剖面图，其中自由层为层状，且包含形成于两根据本发明实施例的铁磁层(FML)之间的非磁性层(NML)。
图3b为于具下自旋阀结构的MTJ的种子层与穿隧阻障层间形成有参考层(RL)的剖面图，其中参考层为层状，且包含形成于两根据本发明实施例的铁磁子层(FML1以及FML2)之间的非磁性层(NML)。
图4a、图5a为本发明改良第3a图的实施例，其中自由层具有复数n个层状堆叠之非磁性层(NML)以及n+1个FML子层。
图4b、图5b为本发明改良第3b图的实施例，其中参考层具有复数n个层状堆叠之非磁性层(NML)以及n+1个FML子层。
图6、图9分别为具下自旋阀与上自旋阀结构的MTJ的剖视图，其中具有层状堆叠的NML与FML子层的自由层形成于根据本发明实施例的氧化层之间。
图7、图8分别为具下自旋阀与上自旋阀结构的MTJ的剖视图，其中具有层状堆叠的NML与FML子层的自由层形成于根据本发明实施例的氧化层与非磁性层之间。
图10、图13分别为具上自旋阀与下自旋阀结构的MTJ的剖视图，其中具有层状堆叠的NML与FML子层的参考层形成于根据本发明实施例的氧化层之间。
图11、图12分别为具上自旋阀与下自旋阀结构的MTJ的剖视图，其中具有层状堆叠的NML与FML子层的参考层形成于根据本发明实施例的氧化层与非磁性层之间。
图14、图15分别为具下自旋阀与上自旋阀结构的MTJ的剖视图，其中自由层掺杂有非磁性材料。
图16、图17分别为具上自旋阀与下自旋阀结构的MTJ的剖视图，其中参考层掺杂有非磁性材料。
图18至图20为制造具有根据本发明实施例的自由层的MTJ的依次步骤。
图21绘示磁化强度对应于磁场的示意图，其对应于图1的现有技术的OL/FML/OL堆叠结构的自由层的各种不同厚度以埃为单位的t。
图22绘示磁化强度对应于磁场的示意图，其对应于本发明实施例的OL/FML1(t1)/NML/FML2(t2)/OL堆叠结构的自由层的各种不同厚度以埃为单位的t，其中t1＝t2、t＝t1+t2。
图23绘示磁化强度对应于磁场的示意图，其对应于本发明另一实施例的OL/FML1(4埃)/NML1/FML2(t1)/NML2/FML3(t2)/OL堆叠结构的自由层的各种不同厚度以埃为单位的t，其中t1/t2＝3/4、t＝(4+t1+t2)。
图24绘示磁化强度对应于磁场的示意图，其对应于不具有NML层的自由层堆叠，经过400℃、5小时退火，说明FML厚度范围不会展示PMA的方形回路特性。
图25绘示磁化强度对应于磁场的示意图，其对应于具有两NML层的自由层堆叠，经过400℃、5小时退火。
[符号说明]
1 基板
2 种子层
10 参考层(RL)
10n FMLn
10n-1NMLn-1
10-1 参考层
10-2 参考层堆叠
11 参考层
15 氧化层
19 穿隧阻障层
20 自由层(FL)
20a FML1
20b NML1
20c FML2
20d NML2
20e FML3
20n FMLn
20n-1NMLn-1
20-1 自由层
20-2 自由层堆叠
20-3 自由层堆叠
21 自由层
22 自由层
40 覆盖层
40a 覆盖层
40b 覆盖层
40t 上表面
45 硬光罩
50 上电极
55 光阻层
55s 侧墙
60 MTJ
60s 侧墙
70 介电层
70t 上表面
具体实施方法
本发明公开了一种磁性隧穿接合(Magnetic Tunneling Junction；MTJ)磁性材料，其中至少有自由层、参考层或耦极层的其中之一具有垂直磁力异向性(perpendicularmagnetic anisotropy；PMA)，其可于譬如为微波辅助磁性纪录(microwave assistedmagnetic recording；MAMR)以及自旋力矩振荡器(STO)的电子自旋转装置(spintronicdevices)以及各种包含读取头传感器的自旋阀设计中，于高达400℃的譬如为嵌入磁电阻式随机存取记忆(MRAM)以及自旋转移力矩随机存取内存(STT-RAM)的处理中维持其垂直磁力异向性。
如相关美国专利第8,592,927号所公开的，磁性隧穿接合可包含有固定层、穿隧阻障层以及包含具有位于两磁性子层(FM1、FM2)之间的磁饱和减少(力矩稀释)层的复合自由层的磁性组件，其中FM1层具有形成具有穿隧阻障层的第一表面的表面、而FM2层具远离穿隧阻障层的表面，来形成具有垂直磁旋比增强层的第二表面，而可用以增加FM2层内的垂直异向性场。
于相关美国专利申请第14/939,232号申请案，申请人公开了一种改良的种子层堆叠，其中譬如为钴铁硼的具有晶型特性的低再溅镀率层是沉积于譬如为镁的高再溅镀率层上，来产生平滑效应以降低镁/钴铁硼/铬化镍结构的最上方铬化镍种子层上表面的峰值至峰值的粗糙度。因此铬化镍种子层具有平滑的上表面，通过穿透式电子显微镜(TEM)来量测，于100纳米的范围内其峰值至峰值厚度变化约为0.5纳米，相较于现有种子层薄膜于100纳米的范围内其峰值至峰值厚度变化约为2纳米。
申请人发现，前述相关申请案中所公开的MTJ结构，可根据以下的实施例来加以进一步改良，本发明所公开的MTJ包含有改良位于自由层或是参考层上的氧化层氧化控制的堆叠结构，自由层或参考层包含多重薄铁磁层(铁、钴、铁化钴、钴铁硼或其组合)，其沉积于n-1层具有高再溅镀率与低磁稀释效应交错的NML上。根据此实施例，MTJ具有形成于两氧化层间的FML，因而形成OL1/FML/OL2型态，其中FML具有FML1/NML/FML2的结构；相较于图1、图2的现有技术的磁性隧穿接合而能提供效能上的三种优点，NML的作用是三倍的。
首先，于FML1/NML/FML2结构中沉积FML2的过程中，NML具有相对较高的再溅镀率，而能获得较平滑的FML2铁磁层；于另一实施例中，FMLn层沉积于FMLn-1层上，可于FMLn层的上表面得到近似的平滑效应。
再者，NML层的存在抑制了FML2层的结晶，或是以更一般的说法，NMLn-1层抑制了重迭FMLn层的结晶，如此一来，FML2层(以及FMLn层)具有较小的晶粒以及较薄的晶格边界，而可降低氧由上氧化层OL2扩散至底下的FML2层。
最后，NML为较FML子层较高活性材料，因此，其会吸引氧由OL2扩散至FML2，如此一来，FML铁磁子层与特别是以n个FML子层与n-1个NML堆叠的上FMLn子层，将会有相较于现有技术较少的氧化，进而有较佳的磁阻率以及FML较好的热稳定性。
根据图3a中本发明所公开的一个实施例，自由层20-1具有FML1/NML1/FML2的结构，其中FML1 20a是由铁、钴、镍、铁化钴、硼化钴、硼化铁、钴铁硼、硼镍铁钴或其组合所构成，并沉积于氧化穿隧阻障层，此后称为穿隧阻障层19。穿隧阻障层为金属氧化物或是氮氧化物，包含有一个或是两个以上氧化或氮氧化层，其为硅、钡、钙、镧、锰、钒、铝、钛、锌、铪、镁、钽、硼、铜、铬中的一种或是两种以上的组合物。NML1为具有相对高再溅镀率的高活性材料，一般为譬如镁、铝、硼、钙、钡、锶、硅或碳等金属；接续的FML2 20c沉积于NML1 20b上，并为选自铁、钴、镍、铁化钴、硼化钴、硼化铁、钴铁硼、钴铁镍硼其中一种或两种以上的组合物。
相对于NML1具有低再溅镀的FML2的沉积，再溅镀于部份的NML1，而可于NML1及FML2上形成较平滑的上表面，如同相关申请案14/939,232中所描述，材料A相对于材料B的高再溅镀率，是来自于材料B的高键结能量与高原子数的其中之一或两个皆是。
FML2沉积之前的NML1的存在会抑制FML2的结晶，如此一来，FML2 20c会具有较小的晶粒以及较薄的晶格边界，而降低氧气由接续沉积覆盖氧化层40扩散至底下的FML2层。进一步而言，NML1 20b具有相较于FML2层较高活性的材料，因而使得NML1 20b吸引由上氧化层40扩散至FML2的氧气，因而防止FML2的氧化。
请参阅图3b，为本发明所公开的另一实施例，其中参考层10-1具有FML1/NML1/FML2的结构，其形成于种子层2以及穿隧阻障层19之间，种子层可包含有一个或是一个以上譬如相关专利申请14/939,232所描述的金属或合金或其它本技术领域所使用的材料。FML1、NML1以及FML2的组成已经于前面阐述，于本例子中，NML1通过吸引由FML2扩散至穿隧阻障层的氧气，来用以避免FML2的氧化；此外，所有前面描述关于形成FML1/NML1/FML2堆叠的优点也可套用于参考层10-1。
根据图4a的另一实施例，前面所描述的自由层层状堆叠20-1加以调整为自由层20-2，其通过依次沉积NML2 20d以及FML3 20e于FML2上，来形成FML1/NML1/FML2/NML2/FML3的结构。NML2可选自镁、铝、硼、钙、钡、锶、硅或碳，而FML3为铁、钴、镍、铁化钴、钴铁硼、硼化钴、硼化铁以及钴铁镍硼中的一种或是两种以上的组合物。覆盖层40接触于FML3 20e的上表面，当覆盖层为氧化物，则氧化物/FML3接口会诱发或增强于FML3的PMA。
于图4b中，图3b中的参考层堆叠10-2可以通过形成FML1/NML1/FML2/NML2/FML3堆叠于种子层2以及穿隧阻障层19之间来予以强化，换句话说，附加层NML2、FML3依次沉积于FML2上，来赋予参考层具有如同参考层堆叠10-1的优点。而邻接于上FML层上表面的氧化穿隧阻障层19的存在也会于上FML(FML3)诱发或是建立PMA。
于图5a中，为本发明所公开的另一实施例，前面所描述的自由层层状堆叠20-1加以调整为自由层20-3，其通过依次交错的方式沉积n-1层NML层20b、20n-1以及n层FML层20a、20c、20n于穿隧阻障层19上，来形成FML1/NML1…FMLn-1/NMLn-1/FMLn的结构。每一NML可选自镁、铝、硼、钙、钡、锶、硅或碳，而每一FML为铁、钴、镍、铁化钴、钴铁硼、硼化钴、硼化铁以及钴铁镍硼中的一种或是两种以上的组合物。覆盖层40接触于FMLn 20n的上表面，并且通过形成氧化物/FML3n接口而可诱发或增强PMA。
于图5b中，图3b中的参考层堆叠10-1可以通过形成参考层堆叠10-3来予以强化，其为n-1层NML层以及n层FML子层依次交错的方式沉积于种子层2上，来形成FML1/NML1…FMLn-1/NMLn-1/FMLn的结构。每一NML可选自镁、铝、硼、钙、钡、锶、硅或碳，而每一FML子层是为铁、钴、镍、铁化钴、钴铁硼、硼化钴、硼化铁以及钴铁镍硼中的一种或是两种以上的组合物。穿隧阻障层19接触于FMLn 20n的上表面，而可通过形成氧化层/FMLn的接口来增强或诱发其上的PMA；因此，沉积FML子层于NML上的程序重复数次来降低每一连续NML的结晶，而能提供每一FML子层上表面的平滑效果以及通过与可能由穿隧阻障层扩散至FMLn的氧气进行反应来防止FMLn的氧化。
于前述所有的实施例中，本发明预先考虑到其中一个或是两个以上的FMLn子层可包含譬如为(Co/X)m或(X/Co)m的层状堆叠，其中m为1-30、x为铂、钯、镍、钴化镍、镍/钯或铁化镍。另一方面，铁化钴或是CoFeR也可以取代层状堆叠中的钴，其中R为钼、镁、钽、钨或铬。
请参阅图6，本发明还包含一种实施例，其中MTJ包含形成于两氧化层之间的自由层堆叠20-1、20-2以及20-3，于实施范例中，自由层接触于穿隧通道19的上表面，并邻接于氧化覆盖层40a的下表面，氧化覆盖层可包含一个或是两个以上的氧化层，其为选自前述关于穿隧阻障层19的材料；于下自旋阀结构，种子层2、参考层11、穿隧阻障层、自由层以及覆盖层40a依次形成于基板1上，其可为MRAM的下电极、读取头感应器的下屏蔽或是STO装置的主极层。参考层可为合成反平行(synthetic antiparallel；SyAP)结构，其中譬如为钌的反铁磁耦合层形成于接触在种子层的下AP2铁磁层以及接触在穿隧阻障层的上AP1铁磁层(图中未示)之间，其中AP1、AP2层分别独立为钴、铁、镍、硼化钴、硼化铁、铁化钴、钴铁硼或钴铁镍硼中的一种或是两种以上的组合物，或是譬如为前述(Co/X)m或(X/Co)m的层状结构。上电极50形成于覆盖层，其可选择有譬如为铂化锰之硬光罩(图中未示)来设于覆盖层与上电极之间。其它实施例中，上电极可以为读取头感应器的上屏蔽或是STO装置之尾屏蔽(trailing shield)。
请参阅图7，其绘示另一下自旋阀MTJ，其中所有层保留与图6相同，除了氧化覆盖层取代为非磁性覆盖层40b，于部份实施例，覆盖层40b可以为钌、钨、钼、铬化镍以及钽中的一种或是两种以上的组合物，并包含有钌/钽以及钌/钽/钌的结构。
于图8中，其绘示本发明一个实施例的具有上自旋阀结构的MTJ，其中所有层保留与图7相同，除了自由层20-1(或20-2或20-3)与参考层11的位置对调，使得种子层2、自由层、穿隧阻障层19、参考层以及覆盖层40b依次形成于基板1上，种子层可为钨、钌、钽、钼与铬化镍中的一种或是两种以上的组合物。
于图9中，其绘示本发明根据图6来改良的另一上自旋阀结构，其中自由层20-1(或20-2或20-3)、穿隧阻障层19、参考层11以及覆盖层40b依次形成于基板1的选择性种子层2上，氧化层15可选自前述关于氧化覆盖层40a的材料；如此一来，会于自由层上与下表面以及穿隧阻障层与氧化层之间形成两氧化/自由层接口，而能强化自由层内的PMA。
请参阅图10，于上自旋阀MTJ中本发明也预先考虑参考层10-1(或10-2或10-3)可形成于两氧化层之间，于实施范例中，种子层2、自由层21、穿隧阻障层19、参考层以及氧化覆盖层40a依次形成于基板1上；自由层21可选择与前述参考层11相同的材料。于本实施例中，参考层具有与氧化穿隧阻障层的第一接口以及与氧化覆盖层的第二接口，因而能强化参考层内的PMA。
于图11中，其绘示另一下自旋阀MTJ，其保留图10中的所有层，除了氧化覆盖层取代为如前述的非磁性覆盖层40b。请参阅第12图，其绘示下自旋阀MTJ，其保留图11中的所有层，然而，自由层21与参考层10-1(或10-2或10-3)的位置对调，使得参考层、穿隧阻障层19、自由层、覆盖层40b依次形成于基板2。
于图13中，其绘示下自旋阀的另一实施例，其改良自图12中的MTJ，其中种子层2取代为氧化层15，使得参考层具有两氧化接口来增强其内的PMA。
根据绘示于图14中的另一实施例，非磁性材料由铁磁层(FML)吸引氧气，其可能为嵌入或掺杂于FML 22，而不是如前面实施例般形成n个FML子层以及n-1层NML的层状堆叠；依据掺杂于FML的浓度，非磁性材料吸引可能由相邻氧化层扩散入FML的反应效率可能会比先前涉及n个FML子层以及n-1层NML的层状堆叠的实施例来得低。此外，抑制FML结晶的优点也可能较前面实施例降低，因为本实施例并没有将低再溅镀率材料沉积于高再溅镀率材料上，前面描述沉积FML于NML上的平滑效果则不适用于此。
自由层22掺杂或嵌入镁、铝、硅、钙、锶、钡、碳或硼中的一种或是两种以上，其中非磁性材料于自由层内的浓度为0.1-30原子百分比，非磁性材料可通过共沉积程序来嵌入于自由层。非磁性材料具有磁稀效应，其意味着随着非磁性单元于自由层内浓度的增加，自由层的磁矩会降低。于实施范例中，选择性种子层2、参考层11、穿隧阻障层19、自由层、覆盖层依次形成于基板1，其中覆盖层可包含一种或是两种以上如同40b内的非磁性金属或是40a内的氧化材料。
于图15中，本发明也包含上自旋阀实施例，其中氧化层15、自由层22、穿隧阻障层19、参考层11以及覆盖层40b依次形成于基板1。
图16表示根据图15的上自旋阀MTJ来加以调整，其中掺杂自由层22取代先前描述的自由层21，而参考层12则掺杂有镁、铝、硅、钙、锶、碳、钡或硼中的一种或是两种以上的组合物，因此，MTJ堆叠具有种子层/自由层/穿隧阻障层/掺杂参考层/覆盖层的结构。
请参阅图17，其绘示有下自旋阀MTJ，其中氧化层15、掺杂参考层12、穿隧阻障层19、自由层21以及覆盖层40依次形成于基板1。
本发明也公开了制作上述MTJ的方法，其中铁磁层包含绘示于图3a至5b的FML子层与NML层的层状堆叠。于图18中，其绘示制造MTJ 60的中间步骤，依次形成种子层2、参考层11、穿隧阻障层19、自由层20-1(或20-2或20-3)以及氧化覆盖层40a于基板1，待MTJ全部层都通过现有技术的方法形成后，光阻层55涂布并图样化于覆盖层40a的上表面来形成侧墙55s，其可通过接续离子束蚀刻(IBE)透过MTJ 60转移，来于MTJ形成侧墙60s。
于图19中，譬如为氧化硅、氮化硅或铝的介电层70沉积一定量于覆盖层，然后执行化学机械抛光(CMP)程序来去除光阻层并形成上表面70t，其与覆盖层40a的上表面40t共面。
因此，于图20中，上电极50以本领域熟知的方法来形成于介电层70与覆盖层40a。
图21至图23绘示了各种堆叠于330℃持续30分钟进行退火的测试，并使用柯尔磁力测定(Kerr magnetometry)磁滞回路，磁化强度于磁场介于+1500与-1500奥(Oe)；增加与减少磁场的分支测量分别以虚线与实线表示，柯尔磁力测定讯号等比于垂直磁化强度。一个或是两个以上的FML的总厚度为厚度t，此些测试的图式的价值为回路的方形以及矫顽场的值。
数据显示，于广泛厚度范围增加一个NML(图22)或两个NML(图23)的矫顽场的改善，特别是于薄于12埃的层达成改良PMA。其对照于绘示于图21不具有NML的现有技术，FML会变得不连续并于小于12埃之下且丧失其PMA。
另一优点在于具有根据前述实施例所形成的自由层的磁性隧穿接合于热预算的改良，图24、图25显示不具有NML与具有两个NML堆叠的磁滞回路，两种堆叠都于400℃进行5小时的退火，其可通过图中方形与矫顽场的降低来指出不具有NML堆叠的磁特性会大幅劣化，磁讯号于层薄于14埃时大幅下降与消失，较厚层则没有展示出垂直磁力的方形回路的特性。对照于具有两NML之堆叠，其仍保有方形回路与非零的矫顽场，而指出此堆叠于400℃、5小时退火候仍保有良好的PMA。

Claims (22)

1.一种具有垂直磁力异向性的磁性结构，其特征在于，包含有位于一基板与一第一氧化层间的一铁磁层，该铁磁层包含有：
(a)一第一铁磁子层；
(b)一第一非磁性层，为锶、钡的其中之一；
(c)一第二铁磁子层；并形成该第一铁磁子层/该第一非磁性层/该第二铁磁子层的结构。
2.如权利要求1所述的磁性结构，其特征在于，该基板为一第二氧化层，接触于该第一铁磁子层的底面，且该第一氧化层接触于该第二铁磁子层的顶面，形成该第二氧化层/该第一铁磁子层/该第一非磁性层/该第二铁磁子层/该第一氧化层的结构。
3.如权利要求2所述的磁性结构，其特征在于，该第一氧化层为一磁旋比增强层，该第二氧化层为一穿隧阻障层，该铁磁层为一下自旋阀结构的一自由层或一上自旋阀结构的一参考层。
4.如权利要求1所述的磁性结构，其特征在于，该第一铁磁子层以及该第二铁磁子层分别独立为铁、钴、镍、铁化钴、钴铁硼、硼化钴、硼化铁、硼镍铁钴中的一种或是两种以上前述元素、化合物或合金的组合物。
5.如权利要求1所述的磁性结构，其特征在于，该第一氧化层为硅、钡、钙、镧、锰、钒、铝、钛、锌、铪、镁、钽、硼、铜以及铬中的一种或是两种以上的组合物的氧化物。
6.如权利要求2所述的磁性结构，其特征在于，该第一氧化层与该第二氧化层分别独立为硅、钡、钙、镧、锰、钒、铝、钛、锌、铪、镁、钽、硼、铜以及铬中的一种或是两种以上的组合物的氧化物。
7.如权利要求1所述的磁性结构，其特征在于，该第一铁磁子层以及该第二铁磁子层分别独立具有4～14埃的厚度。
8.如权利要求1所述的磁性结构，其特征在于，该第一非磁性层具有3～5埃的厚度。
9.如权利要求1所述的磁性结构，其特征在于，该铁磁层还包含有一第二非磁性层与一第三铁磁子层，并形成该第一铁磁子层/该第一非磁性层/该第二铁磁子层/该第二非磁性层/该第三铁磁子层的结构。
10.如权利要求9所述的磁性结构，其特征在于，该基板为一第二氧化层，接触于该第一铁磁子层的底面，且该第一氧化层接触于该第三铁磁子层的顶面，形成该第二氧化层/该第一铁磁子层/该第一非磁性层/该第二铁磁子层/该第二非磁性层/该第三铁磁子层/该第一氧化层的结构。
11.如权利要求9所述的磁性结构，其特征在于，该铁磁层还包含有多个附加铁磁子层与非磁性层，而具有相互交错的总数为s层的铁磁子层与s-1层的非磁性子层，形成该第一铁磁子层/该第一非磁性层/该第二铁磁子层/该第二非磁性层/该第三铁磁子层/…/第s-1个非磁性层/第s个铁磁子层的结构，其中s大于等于5。
12.一种具有垂直磁力异向性的磁性结构，其特征在于，包含有位于一非铁磁金属层与一第一氧化层间的一铁磁层，该铁磁层包含有：
(a)一第一铁磁子层；
(b)一第一非磁性层，为锶、钡的其中之一；
(c)一第二铁磁子层；并形成该第一铁磁子层/该第一非磁性层/该第二铁磁子层的结构。
13.如权利要求12所述的磁性结构，其特征在于，该第一氧化层接触于该第一铁磁子层的底面，该非铁磁金属层接触于该第二铁磁子层的顶面，形成该第一氧化层/该第一铁磁子层/该第一非磁性层/该第二铁磁子层/该非铁磁金属层的结构。
14.一种制造具有垂直磁力异向性的磁性结构的方法，其特征在于，包含有以下步骤：
(a)沉积一第一铁磁层于一穿隧阻障层上；
(b)沉积一具有一第一再溅镀率的非磁性层于该第一铁磁层上，该非磁性层为锶、钡的其中之一；
(c)沉积一第二铁磁层于该非磁性层上，其中该第二铁磁层具有一略小于该第一再溅镀率的第二再溅镀率，而于部份该非磁性层上引起再溅镀，来提供该第二铁磁层上表面的平滑效应；以及
(d)沉积一覆盖层于该第二铁磁层上表面。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包含有以下步骤：
(a)涂布一光阻层于该覆盖层的上表面并图样化该光阻层，得到图样化光阻层，并形成一侧墙；
(b)利用离子束蚀刻或活性离子蚀刻来去除部份该磁性结构，使其不再受到该图样化光阻层的保护，而形成一位于该磁性结构的侧墙；
(c)沉积一介电层，邻接于该磁性结构的该侧墙邻至高于该覆盖层；
(d)继续执行化学机械抛光程序来去除该图样化光阻层，并形成一与该覆盖层的上表面共面的一介电层上表面。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该介电层为二氧化硅或氮化硅。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该覆盖层为一氧化层，且为硅、钡、钙、镧、锰、钒、铝、钛、锌、铪、镁、钽、硼、铜以及铬中的一种或是两种以上的组合物的氧化物。
18.一种制造具有垂直磁力异向性的磁性结构的方法，其特征在于，包含有以下步骤：
(a)沉积一第一铁磁层于一基板上；
(b)沉积一具有一第一再溅镀率的非磁性层于该第一铁磁层上，该非磁性层为锶、钡的其中之一；
(c)沉积一第二铁磁层于该非磁性层上，其中该第二铁磁层具有一略小于该第一再溅镀率的第二再溅镀率，而于部份该非磁性层上引起再溅镀，来提供该第二铁磁层上表面的平滑效应；
(d)沉积一穿隧阻障层于该第二铁磁层上表面；以及
(e)沉积一覆盖层作为该磁性结构的最上层。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包含有以下步骤：
(a)涂布一光阻层于该覆盖层的一上表面并图样化该光阻层，得到图样化光阻层，并形成一侧墙；
(b)利用离子束蚀刻或活性离子蚀刻来去除部份该磁性结构，使其不再受到该图样化光阻层的保护，而形成一位于该磁性结构的侧墙；
(c)沉积一介电层，邻接于该磁性结构的该侧墙邻至高于该覆盖层；以及
(d)继续执行化学机械抛光程序来去除该图样化光阻层，并形成一与该覆盖层的上表面共面的一介电层上表面。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该介电层为二氧化硅。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该覆盖层为一氧化层，且为硅、钡、钙、镧、锰、钒、铝、钛、锌、铪、镁、钽、硼、铜以及铬中的一种或是两种以上的组合物的氧化物。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该基板为一种子层。
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