CN107690718B - 磁性隧道结 - Google Patents

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Abstract

一种磁性隧道结包括导电第一磁电极，所述导电第一磁电极包括磁记录材料。导电第二磁电极与所述第一电极隔开且包括磁参考材料。非磁性隧道绝缘体材料是在所述第一电极与所述第二电极之间。所述第一电极的所述磁记录材料包括第一结晶磁性区域，在一个实施例中，所述第一结晶磁性区域包括Co和Fe。在一个实施例中，所述第一电极包括第二非晶区域，所述第二非晶区域包括非晶XN，其中X是W、Mo、Cr、V、Nb、Ta、Al和Ti中的一或多个。在一个实施例中，所述第一电极包括第二区域，所述第二区域包括Co、Fe和N。

Description

磁性隧道结
技术领域
本文中所公开的实施例涉及磁性隧道结、形成磁性隧道结的磁电极的方法及形成磁性隧道结的方法。
背景技术
磁性隧道结是具有被薄的非磁性隧道绝缘体材料(例如，介电材料)隔开的两个导电磁电极的集成电路组件。绝缘体材料足够薄使得电子在适当条件下可通过绝缘体材料从一个磁电极隧穿到另一磁电极。在正常操作写入或擦除电流/电压下，磁电极中的至少一个可使其整体磁化方向在两种状态之间切换，且其通常被称为“自由”或“记录”电极。另一磁电极通常被称为“参考”、“固定”或“钉扎”电极，且当施加正常操作写入或擦除电流/电压时，其整体磁化方向将不切换。参考电极及记录电极电耦合到各自的导电节点。通过参考电极、绝缘体材料及记录电极在所述两个节点之间的电阻取决于记录电极相对于参考电极的磁化方向。因此，磁性隧道结可编程为至少两种状态中的一种，且可通过测量流过磁性隧道结的电流而感测所述状态。因为磁性隧道结可在两种导电状态之间经“编程”，所以已提出在存储器集成电路中使用所述磁性隧道结。另外，可在除存储器以外的逻辑或其它电路中使用磁性隧道结。
可通过电流引发的外部磁场或通过使用自旋极化电流以引起自旋转移磁矩(STT)效应而切换记录电极的整体磁化方向。电荷载流子(例如电子)具有被称为“自旋”的性质，自旋是所述载流子固有的少量角动量。电流通常是非极化的(具有约50％“自旋向上”及约50％“自旋向下”的电子)。自旋极化电流是一种带有明显更多的任一自旋电子的电流。通过使电流穿过某种磁性材料(有时也被称为极化器材料)，所述电流可产生自旋极化电流。如果自旋极化电流经引导到磁性材料中，那么自旋角动量可传输到所述材料，由此影响其磁化定向。如果自旋极化电流具有足够量值，那么此可用来激发振荡或甚至翻转(即，切换)磁性材料的定向/域方向。
Co与Fe的合金或其它混合物是一种被建议用作极化器材料和/或用作磁性隧道结中的记录电极的磁记录材料的至少部分的常见材料。更特定实例是CoxFeyBz，其中x及y各自是10到80且z是0到50，且可被缩写为CoFe或CoFeB。MgO是用于非磁性隧道绝缘体的理想材料。理想地，此些材料各自是具有体心立方(bcc)001晶格的结晶。可使用任何合适技术沉积此些材料，例如，通过物理气相沉积。可用来最终在此些材料中产生bcc 001晶格的一种技术包含最初形成将是非晶的CoFe且形成后即沉积包括MgO的隧道绝缘体材料。在沉积期间和/或沉积之后，理想地，MgO隧道绝缘体、CoFe及所述隧道绝缘体分别达成均匀的bcc 001晶格结构。
硼通常沉积为CoFe的部分以确保或提供CoFe的最初的非晶沉积。在沉积MgO期间或之后，通过在至少约250℃的温度下退火衬底而可使CoFe结晶化发生。此将引发形成的CoFe基体中的B原子扩散出去外以允许结晶化成bcc 001CoFe。Bcc 001MgO在CoFe的结晶化期间充当模板。然而，所完成的磁性隧道结构造中的B，具体来说，在CoFe/MgO界面处或MgO晶格内的B，非期望地降低磁性隧道结的隧道磁电阻(TMR)。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的包括磁性隧道结的衬底片段的图解剖视图。
图2是根据本发明的实施例的包括磁性隧道结的衬底片段的图解剖视图。
图3是根据本发明的实施例的包括磁性隧道结的衬底片段的图解剖视图。
图4是根据本发明的实施例的包括磁性隧道结的衬底片段的图解剖视图。
具体实施方式
本发明的实施例包含磁性隧道结。最初参考关于衬底片段10的图1来描述示范性实施例，且衬底片段10可包括半导体衬底。在本文献的上下文中，术语“半导体衬底”或“半导电衬底”被定义为意指包括半导电材料的任何构造，包含但不限于块状半导电材料，例如半导电晶片(单独地或在其上包括其它材料的组合件中)及半导电材料层(单独地或在包括其它材料的组合件中)。术语“衬底”是指任何支撑结构，包含但不限于上文所描述的半导电衬底。衬底片段10包括基座或衬底11，基座或衬底11展示已在其上形成立面堆栈的各种材料。材料可在图1所描绘的材料的旁边、立面向内或立面向外。例如，可在片段10附近某处或片段10内提供集成电路的其它部分或整体制造的组件。衬底11可包括导电(即，在此是电气学)、半导电或绝缘/绝缘体(即，在此是电气学)材料中的任何一或多种。无论如何，本文中所描述的任何材料、区域及结构可为同质的或非同质的，且无论如何，可连续地或不连续地上覆于任何材料。此外，除非另有说明，否则可使用任何合适技术或待开发技术来形成每一种材料，其中实例是原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、外延生长、扩散掺杂及离子植入。
磁性隧道结15是在衬底11上方，且包括导电第一磁(即，在此是亚铁磁性或铁磁性)电极25，电极25包括磁记录材料)及导电第二磁电极27与第一电极25隔开且包括磁参考材料)。非磁性隧道绝缘体材料22(例如，包括MgO、基本上由或由MgO组成)是在第一电极与第二电极之间。电极25和27分别可含有非磁性绝缘体、半导电和/或导电材料或区域。然而，即使电极可在其中具有固有的局部地非磁性和/或不导电的一或多个区域，但是当分别考虑时，电极25和27具有呈整体且集体有磁性及导电性的特性。此外，本文中引用“磁性”无需所陈述的磁性材料或区域在最初形成时有磁性，但需要所陈述的磁性材料或区域的一些部分在磁性隧道结的所完成电路构造中有功能方面的“磁性”。
组件25和27中的每一个的示范性最大厚度是约20埃到约150埃，且组件22的示范性最大厚度是约5埃到约25埃。在本文献中，“厚度”本身(前面无方向形容词)被定义为从不同组合物的紧邻材料或紧邻区域的最靠近的表面垂直穿过给定材料或区域的平均直线距离。另外，本文中所描述的各种材料及区域可具有大体上恒定的厚度或可变的厚度。除非另有指明，否则如果具有可变的厚度，那么厚度是指平均厚度。如本文中所使用，“不同组合物”仅需要两种所陈述的材料或区域的彼此可直接抵靠的所述部分化学地和/或物理地不同(例如如果此些材料或区域是非同质的)。如果两种所陈述的材料或区域彼此不直接抵靠，那么“不同组合物”仅需要两种所陈述的材料或区域的彼此最靠近的所述部分化学地和/或物理地不同(如果此些材料或区域是非同质的)。在本文献中，当所陈述的材料、区域或结构相对于彼此存在至少一些物理碰触接触时，材料、区域或结构“直接抵靠”另一者。相比之下，前面无“直接”的“上方”、“上”及“抵靠”包含“直接抵靠”以及其中中介材料、区域或结构引起所陈述的材料、区域或结构相对于彼此无物理碰触接触的构造。
电极25和27的立面位置可颠倒和/或可使用非立面堆栈的定向(例如，横向；对角线；立面、水平、对角线中的一或多个的组合等)。在本文献中，“立面”、“上部”、“下部”、“顶部”及“底部”是参考垂直方向。“水平”是指沿在制造期间衬底处理所相对的主要表面的大体方向，且“垂直”是大体正交于其的方向。此外，如本文中所使用的“垂直”及“水平”是相对于彼此大体上垂直的方向且独立于三维空间中衬底的定向。
第一电极25的磁记录材料包括第一结晶磁性区域20，所述第一结晶磁性区域包括Co和Fe。当在本文献中使用时材料或区域的“结晶”特性需要所陈述的材料或区域至少90％的体积结晶。在一个实施例中，第一结晶磁性区域20包括B(例如，Co45Fe45B10)且在一个替代实施例中不含B。在本文献中，“不含B”意指B原子是从0％到不到0.1％。第一结晶磁性区域20可包括Co和Fe，基本上由或由Co和Fe组成。第一结晶磁性区域20可包括Co、Fe和B，基本上由或由Co、Fe和B组成。当区域20在最初形成时包括15％或更多的B原子时，区域20可为非晶的。在后续处理期间，后续专用退火或固有高温暴露可使B从区域20移除，以使B原子浓度从0％到约10％，借此区域20变为结晶。在一个实施例中，非磁性隧道绝缘体材料22包括MgO，且第一结晶磁性区域20的Co和Fe直接抵靠非磁性隧道绝缘体材料22的MgO。在一个实施例中，当B是第一结晶磁性区域的部分且非磁性隧道绝缘体材料22包括MgO时，第一结晶磁性区域20的Co、Fe和B直接抵靠非磁性隧道绝缘体材料22的MgO。区域20的示范性厚度是约7埃到约20埃。
第一电极25包括第二非晶区域18，所述第二非晶区域18包括非晶XN，其中X是W、Mo、Cr、V、Nb、Ta、Al和Ti中的一或多个。N当然是氮，且XN并非意图必需暗指化学计量。当在本文献中使用时材料或区域的“非晶”特性需要所陈述的材料或区域至少90％的体积是非晶的。区域18可包括非晶XN，基本上由或由非晶XN组成。在一个实施例中，第二非晶区域18的非晶XN直接抵靠第一结晶磁性区域20的Co和Fe。在一个实施例中，当第一结晶磁性区域20包括B时，第二非晶区域18的非晶XN直接抵靠第一结晶磁性区域20的Co、Fe和B。在一个实施例中，X包括W、Mo、Cr、V、Nb、Ta、Al和Ti中的不止一个(即，两个或更多个)。在一个实施例中，非晶XN是化学计量的。在一个实施例中，非晶XN是非化学计量富N(例如，为了降低来自化学计量的XN的导电性)。在一个实施例中，包括非晶XN的第二非晶区域18具有不大于约10埃的最大厚度。
在一个实施例中，第一电极25包括(例如，通过区域18和20)与非磁性隧道绝缘体材料22隔开的非磁性的包括MgO的区域16。区域16可包括MgO，基本上由或由MgO组成。在一个实施例中，当包括MgO的区域16存在MgO时，所述MgO直接抵靠第二非晶区域18的非晶XN。当包括MgO的区域16存在示范性最大厚度时，所述厚度是约3埃到约10埃。
在一个实施例中，第一电极25包括第三结晶区域14，所述第三结晶区域14包括Co和Fe。在一个实施例中，第三结晶区域14包括B(例如，Co45Fe45B10)且在一个替代实施例中不含B。当区域14存在示范性最大厚度时，所述厚度是约4埃到约10埃。在一个实施例中，当存在区域14和16时，区域16的MgO直接抵靠第三结晶区域14的Co和Fe。在一个实施例中，当存在区域14和16且区域14包括B时，区域16的MgO直接抵靠第三结晶区域14的Co、Fe和B。包含材料14的目的是利于在其的沉积期间形成bcc 001MgO。包含材料16的目的是利于导电磁电极的磁性材料中的垂直的磁各向异性，其是一些磁性隧道结的所期望操作特征。与如上文所描述的区域20类似，当区域14在最初形成时包括15％或更多的B原子时，区域14可为非晶的。在后续处理期间，后续专用退火或固有高温暴露可使B从区域14移除，以使B原子浓度从0％到约10％，借此区域14变为结晶。
在一个实施例中，第一电极25包括非磁性金属区域12。实例包含一或多个元素金属及两种或更多种元素金属的合金。区域12的一种特定示范性材料是元素钽。当金属区域12存在示范性最大厚度时，所述厚度是约5埃到约500埃。
材料24被展示在隧道绝缘体材料22的外面且包括磁性隧道结15的第二导电磁电极27。如(仅)一个例子，材料24包括直接抵靠隧道绝缘体材料22的13埃的Co40Fe40B20(如最初沉积时的莫耳量，未必在最终构造中)、直接抵靠Co40Fe40B20的3埃的Ta及直接抵靠Ta的40埃的Co与Pd/Pt的合金/多层，其中在此实例中电极27用作磁参考电极。在此实例中此些材料集体构成其中的磁参考材料。
接下来参考关于衬底片段10a的图2来描述另一示范性实施例磁性隧道结15a。已适当使用来自上文所描述的实施例的类似参考符号，其中用后缀“a”指示一些构造差异。磁性隧道结15a被展示为缺少来自图1的区域14和16(未展示)。在一个实施例中，第二非晶区域18a的非晶XN直接抵靠非磁性金属区域12的金属。在一个实施例中，包括非晶XN的第二非晶区域18a具有不大于约50埃的最大厚度，且在此实施例中具有不小于约20埃的最小厚度。可在图2实施例中使用如上文所描述和/或展示于图1中的任何其它属性或方面。
通常在磁性隧道结中期望低所需的写入电流。降低磁记录材料的阻尼可降低所需的写入电流，且可通过降低来自磁记录材料的自旋泵浦而达成。可通过将XN并入如上文所描述的关于示范性图1和2实施例的磁性隧道结中而降低自旋泵浦，且由此降低所需的写入电流。
接下来参考关于衬底片段10b的图3来描述另一示范性实施例磁性隧道结15b。已适当使用来自上文所描述的实施例的类似参考符号，其中用后缀“b”或用不同参考符号指示一些构造差异。第一电极25b的磁记录材料包括第一结晶磁性区域21(未必包括Co和/或Fe)。在一个实施例中，第一结晶磁性区域21包括Co和Fe。在一个实施例中，第一结晶磁性区域21包括B(例如，Co45Fe45B10)且在一个替代实施例中不含B。第一结晶磁性区域21可包括Co和Fe，基本上由或由Co和Fe组成。第一结晶磁性区域21可包括Co、Fe和B，基本上由或由Co、Fe和B组成。在一个实施例中，当非磁性隧道绝缘体材料22包括MgO，当Co和Fe存在于第一结晶磁性区域21中时，Co和Fe直接抵靠非磁性隧道绝缘体材料22的MgO。在这样一个实施例中，当B是第一结晶磁性区域21的部分，当非晶Co、Fe和B存在于第一结晶磁性区域21中时，非晶Co、Fe和B直接抵靠非磁性隧道绝缘体材料22的MgO。区域21的示范性厚度是约7埃到约20埃。
第一电极25b包括第二区域19，所述第二区域19包括Co、Fe和N(例如，CoxFeyNz，其中x和y各自是10到80且z是0.1到50)。区域19可包括Co、Fe和N，基本上由或由Co、Fe和N组成。在一个实施例中，当第一结晶磁性区域21包括Co和Fe时，第一结晶磁性区域21的Co和Fe直接抵靠第二区域19的Co、Fe和N。在一个实施例中，第二区域19是非晶的。在一个实施例中，第二区域19是结晶的。无论第二区域19的最终是非晶态还是结晶态，理想地，第二区域19在最初形成时是非晶的。在一个实施例中，当第一结晶磁性区域21包括B时，第一结晶磁性区域21的Co、Fe和B直接抵靠第二区域19的Co、Fe和N。在一个实施例中，包括Co、Fe和N的第二区域19具有从约2埃到约15埃的最大厚度。
在一个实施例中，第一电极25b包括(例如，通过区域19和21)与非磁性隧道绝缘体材料22隔开的非磁性的包括MgO的区域16。区域16可包括MgO，基本上由或由MgO组成。当包括MgO的区域16存在示范性最大厚度时，所述厚度是约3埃到约10埃。
在一个实施例中，第一电极25b包括第三结晶区域14，所述第三结晶区域14包括Co和Fe。在一个实施例中，第三结晶区域14包括B(例如，Co45Fe45B10)且在一个替代实施例中不含B。当区域14存在示范性最大厚度时，所述厚度是约4埃到约10埃。在一个实施例中，当存在区域14和16时，区域16的MgO直接抵靠第三结晶区域14的Co和Fe。在一个实施例中，当存在区域14和16且区域14包括B时，区域16的MgO直接抵靠第三结晶区域14的Co、Fe和B。在一个实施例中，非晶金属区域17是在非磁性的包括MgO的区域16与包括Co、Fe和N的第二区域19之间。区域17的示范性非晶金属包含Ta、W、CoFeW和ZN中的一或多个(其中Z是W、Mo、Cr、V、Nb、Ta、Al和Ti中的一或多个)。区域17的示范性厚度是约1埃到约20埃。包含非晶金属区域17的目的是利于在其的沉积期间使第二区域19非晶生长。在一个实施例中，包括MgO的区域16的MgO不直接抵靠第二区域19的Co、Fe和N。如上述，包含材料14的目的是利于在其的沉积期间形成bcc 001MgO。包含材料16的目的是利于导电磁电极的磁性材料中的垂直的磁各向异性。在一个实施例中，第一电极25b包括非磁性金属区域12。
可在图3实施例中使用针对组件25/25a、27和22的描述于上文和/或展示于图1和2中的任何其它属性或方面。
接下来参考关于衬底片段10c的图4来描述另一示范性实施例磁性隧道结15c。已适当使用来自上文所描述的实施例的类似参考符号，其中用后缀“c”指示一些构造差异。磁性隧道结15c的第一电极25c被展示为缺少来自图3的区域14和16(未展示)。可在图4实施例中使用如上文所描述和/或展示于图3中的任何其它属性或方面。
磁性隧道结中所需的写入电流密度可被表示为
Figure GDA0001451670970000071
其中MS是饱和磁化强度，t是厚度，且HK是磁记录材料的垂直的磁各向异性。在如上文所描述的关于示范性图3和4实施例的磁性隧道结中使用包括Co、Fe和N的区域可在达成快速切换、良好保持性及低切换电流时能够实现低MSt与高HK的良好平衡。
总结
在一些实施例中，一种磁性隧道结包括导电第一磁电极，所述导电第一磁电极包括磁记录材料。导电第二磁电极与所述第一电极隔开且包括磁参考材料。非磁性隧道绝缘体材料是在所述第一电极与所述第二电极之间。所述第一电极的所述磁记录材料包括第一结晶磁性区域，所述第一结晶磁性区域包括Co和Fe。所述第一电极包括第二非晶区域，所述第二非晶区域包括非晶XN，其中X是W、Mo、Cr、V、Nb、Ta、Al和Ti中的一或多个。
在一些实施例中，一种磁性隧道结包括导电第一磁电极，所述导电第一磁电极包括磁记录材料。导电第二磁电极与所述第一电极隔开且包括磁参考材料。非磁性隧道绝缘体材料是在所述第一电极与所述第二电极之间。所述第一电极的所述磁记录材料包括第一结晶磁性区域，所述第一结晶磁性区域包括Co、Fe和B。所述第一电极包括第二非晶区域，所述第二非晶区域包括非晶XN，其中X是W、Mo、Cr、V、Nb、Ta、Al和Ti中的一或多个。所述磁记录材料的所述Co、Fe和B直接抵靠所述第二非晶区域的所述非晶XN。
在一些实施例中，一种磁性隧道结包括导电第一磁电极，所述导电第一磁电极包括磁记录材料。导电第二磁电极与所述第一电极隔开且包括磁参考材料。非磁性隧道绝缘体材料是在所述第一电极与所述第二电极之间。所述第一电极的所述磁记录材料包括第一结晶磁性区域。所述第一电极包括第二区域，所述第二区域包括Co、Fe和N。
在一些实施例中，一种磁性隧道结包括导电第一磁电极，所述导电第一磁电极包括磁记录材料。导电第二磁电极与所述第一电极隔开且包括磁参考材料。非磁性隧道绝缘体材料是在所述第一电极与所述第二电极之间。所述第一电极的所述磁记录材料包括第一结晶磁性区域，所述第一结晶磁性区域包括Co、Fe和B。所述第一电极包括第二区域，所述第二区域包括Co、Fe和N。所述磁记录材料的所述Co、Fe和B直接抵靠所述第二区域的所述Co、Fe和N。
已在遵守法规的情况下使用或多或少特定于结构特征及方法特征的语言来描述本文中所公开的主题。然而，应理解，因为本文中所公开的构件包括示范性实施例，所以权利要求书不限于所展示及所描述的特定特征。因此，权利要求书应被赋予如字面意思的全范围，且应根据等效原则进行适当解译。

Claims (20)

1.一种磁性隧道结，其包括：
导电第一磁电极，其包括磁记录材料；
导电第二磁电极，其与所述第一磁电极隔开且包括磁参考材料；
非磁性隧道绝缘体材料，其是在所述第一磁电极与所述第二磁电极之间；及
所述第一磁电极的所述磁记录材料包括第一结晶磁性区域，所述第一结晶磁性区域包括Co和Fe，且所述第一磁电极包括第二非晶区域，所述第二非晶区域包括非晶XN，其中X是W、Mo、Cr、V、Nb、Ta、Al和Ti中的一或多个；所述非晶XN是非化学计量的富N。
2.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中所述第一结晶磁性区域的所述Co和Fe直接抵靠所述第二非晶区域的所述非晶XN。
3.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中所述第一结晶磁性区域包括B。
4.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中所述第一结晶磁性区域不含B。
5.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中所述第二非晶区域由所述非晶XN组成。
6.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中包括非晶XN的所述第二非晶区域具有不大于10埃的最大厚度。
7.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中包括非晶XN的所述第二非晶区域具有不大于50埃的最大厚度。
8.根据权利要求7所述的磁性隧道结，其中包括非晶XN的所述第二非晶区域具有不小于20埃的最小厚度。
9.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中X包括W。
10.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中X包括Mo。
11.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中X包括Cr。
12.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中X包括V。
13.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中X包括Nb。
14.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中X包括Ta。
15.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中X包括Al。
16.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中所述非磁性隧道绝缘体材料包括MgO。
17.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其中所述非磁性隧道绝缘体材料不包括MgO。
18.一种磁性隧道结，其包括：
导电第一磁电极，其包括磁记录材料；
导电第二磁电极，其与所述第一磁电极隔开且包括磁参考材料；
非磁性隧道绝缘体材料，其是在所述第一磁电极与所述第二磁电极之间；
所述第一磁电极的所述磁记录材料包括第一结晶磁性区域，所述第一结晶磁性区域包括Co和Fe，且所述第一磁电极包括第二非晶区域，所述第二非晶区域包括非晶XN，其中X是W、Mo、Cr、V、Nb、Ta、Al和Ti中的一或多个；
所述第一磁电极包括非磁性金属区域，所述第二非晶区域的所述非晶XN直接抵靠所述非磁性金属区域的金属。
19.根据权利要求18所述的磁性隧道结，其中所述第二非晶区域的所述非晶XN直接抵靠所述第一结晶磁性区域的所述Co和Fe。
20.一种磁性隧道结，其包括：
导电第一磁电极，其包括磁记录材料；
导电第二磁电极，其与所述第一磁电极隔开且包括磁参考材料；
非磁性隧道绝缘体材料，其是在所述第一磁电极与所述第二磁电极之间；
所述第一磁电极的所述磁记录材料包括第一结晶磁性区域，所述第一结晶磁性区域包括Co和Fe，且所述第一磁电极包括第二非晶区域，所述第二非晶区域包括非晶XN，其中X是W、Mo、Cr、V、Nb、Ta、Al和Ti中的一或多个；以及
X包括W、Mo、Cr、V、Nb、Ta、Al和Ti中的不止一个。
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