CN108475725A - 可降低磁性装置的薄膜粗糙度的多层结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可降低磁性装置的薄膜粗糙度的多层结构、一种磁性穿隧接面以及一种形成磁性穿隧接面的方法，其中，可降低磁性装置的薄膜粗糙度的多层结构，包括：(a)一第一层，其由具有一第一键能的材料所制成，并具有一第一表面，该第一表面具有一“刚沉积的”第一峰间粗糙度；以及(b)一上面的第二层，其为非晶或纳米晶，并由具有大于该第一键能的一第二键能的材料所制成，使得该上面的第二层的沉积导致该第一层的再溅镀，以得到具有一第二峰间粗糙度的一第二表面的一第一层，该第二峰间粗糙度小于该“刚沉积的”的第一峰间粗糙度，该上面的第二层形成于该第二表面上，该上面的第二层具有一第三表面，该第三表面具有该第二峰间粗糙度。

Description

可降低磁性装置的薄膜粗糙度的多层结构

技术领域

本申请案相关于下列案件：美国专利公告第8,541,855号专利及美国专利公告第8,871,365号专利；两件专利皆让渡给予共同受让人，并在此以引用的方式结合于本文中。

本发明有关于利用具有垂直磁各向异性(PMA)的薄膜的磁性装置，且特别的是，有关于使用多层堆栈于种子层，来提高在遭受高达约400℃的高温半导体制程的嵌入式MRAM装置中所得磁性穿隧接面(MTJ)的热稳定性。

背景技术

磁性随机存取存储器(MRAM)具有基于MTJ堆栈中的穿隧磁阻(TMR)效应的读取功能，其中穿隧阻障层是形成在自由层与参考层间。当参考层具有固定的磁矩时，自由层通过响应于外场(介质场)切换其磁矩方向来作为一感测层。通过穿隧阻障层(绝缘层)的电阻会随着自由层磁矩相对于参考层磁矩的相对取向而变化，并由此提供代表自由层中的磁性状态的电信号。在MRAM中，MTJ形成在顶部导体(电极)和底部导体间。电流通过MTJ时，当自由层和参考层的磁化方向处于平行状态(“0”记忆状态)时会检测到较低的电阻，并且当它们处于反平行状态(“1”记忆状态)时会发现到较高的电阻。TMR比率被称为dR/R，其中R是MTJ的最小电阻，而dR是较低电阻值和较高电阻值间的差。穿隧阻障层的厚度通常约为10埃，使得通过穿隧阻障层的电流可以利用传导电子的量子力学穿隧来建立。

基于TMR效应的MRAM的另一种版本是指有关于自旋极化电流的自旋电子装置，即所谓的自旋转移力矩(STT)MRAM，且其公开在C.Slonczewski于“磁性多层的电流驱动激励”一文，参见磁学与磁性杂志，第159卷，L1-L7(1996年)。J-G.Zhu等人已经于“微波辅助磁记录”一文公开了所谓自旋转移振荡器(STO)的另一种自旋电子装置，参见IEEE磁性学刊，第44卷，第1期，第125-131页(2008年)，其中通过自旋转移动量效应，使得能够在垂直记录几何中明显低于介质矫顽力的磁头场进行记录。

自由层和参考层其中一者或两者具有垂直磁各向异性(PMA)的MTJ元件优于采用面内各向异性的MTJ元件，因为前者在较低的写入电流中具有优势，可提供相同的热稳定性，以及更高封装密度的可扩展性，这是未来MRAM应用的关键挑战之一。在具有PMA的MTJ中，自由层具有两个垂直于层的物理平面的较佳磁化方向。在没有外部影响的情况下，自由层的磁化或磁矩将与优选的两个方向中的一个对齐，表示二进制系统中的信息“1”或“0”。对于存储器应用程序，自由层的磁化方向在读取操作和空闲期间预期是保持不变，但是如果要储存的新信息与其当前存储器状态不同，则在写入操作期间会变成相反的方向。在空闲期间维持自由层磁化方向的能力称为数据保持或热稳定性。所需的稳定级别通常与存储器应用程序有关。典型的非挥发性存储器装置可能需要于125℃约保持10年的热稳定性。

此外，对于经常嵌入在互补硅氧化物半导体(CMOS)芯片中的MRAM装置，MTJ必须能够承受高达约400℃的高温处理条件，这通常被应用于CMOS结构中晶体管的低介电的介电薄膜的沉积过程。在大多数情况下，该温度超过MTJ或MRAM中最佳磁性能的最佳温度。MTJ通常在300-330℃的范围内退火，以获得所需的磁特性。

经由400℃处理后的结果，与例如仅将MTJ退火至330℃的条件相比，自由层的PMA一般会降低且热稳定性较低。在高温退火到400℃左右后的自由层的矫顽力也低于在300-330℃的退火后。然而，高温处理后矫顽力的保持是一个重要的要求。

因此，增加PMA和增强自由层的热稳定性以改善MTJ在高温下典型的半导体后端(BEOL)制程的性能是一个重大挑战。目前的MTJ结构不能满足进阶嵌入式MRAM装置的性能要求。因此，需要一种改良的MTJ堆栈来实现具有热稳定性至少为400℃的磁性层，且其中PMA保持在参考层和自由层中。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种磁性装置中的多层MTJ堆栈，其中邻接种子层的磁性层中的PMA在约400℃的高温处理至少30分钟后可以保持或增强。

本发明的第二目的是提供一种形成满足第一目的的MTJ堆栈的方法。

根据本发明的一个实施例，这些目的是通过配置具有种子层、参考层(RL)、穿隧阻障层和自由层(FL)的MTJ堆栈于种子层/RL/穿隧阻障层/FL的底部自旋阀配置中来实现。一个关键特征是种子层选择为多层堆栈。在一个实施例中，种子层是四层堆栈，其中最底层，例如Ta或TaN，其用于与基底或底部电极的良好黏合。第二种子层接触最底层的顶面且由于高的再溅镀速率特性而被选择。第二层较佳为Mg、Al、Si、C、B、Mn、Rb、Zn和Ti的其中一种，并且在沉积后通常具有基本上为不平坦的顶面。接下来，在第二层上形成第三种子层，第三种子层是具有比第二层更低的再溅镀速率的非晶材料。在第三层沉积过程中，第二层顶面的一部分由于高的反应速率而被去除，并被第三层代替，第三层的顶面具有较小的粗糙度(较好的峰间均匀性)。结果，第二种子层和第三种子层中的每一个都具有粗糙度减小的平滑顶面，并且其组合被称为“平滑层”。可以重现第二和第三种子层的堆栈。种子层堆栈中的最上层是用作覆盖PMA层的模板层。换句话说，最上层是由例如NiCr或NiFeCr的材料所制成，此材料具有(111)晶体取向，使得可在上覆磁性层中促进PMA，此上覆磁性层可以是底部自旋阀结构中的参考层或采用顶部自旋阀设计的MTJ中的自由层。由于在非晶的第三种子层上的平滑顶面，所以模板层也具有平滑的顶面，通过透射电子显微镜(TEM)测量技术来确定，其在100纳米的范围内的峰间粗糙度≤0.5纳米，相较现有技术的种子层薄膜在100纳米的范围内的峰间粗糙度为约2纳米。

在一个底部自旋阀的实施例中，在合成反平行(SyAP)堆栈中也被称为固定层的参考层邻接于模板层的顶面，并且较佳为具有由(Co/X)_n表示的层压堆栈衍生的固有PMA其中X是Pt、Pd、Ni、NiCo、Ni/Pt或NiFe，且n是2至30。另一方面，CoFe或CoFeR可以取代层压堆栈中的Co，其中R是Mo、Mg、Ta、W或Cr。形成在非晶层的平滑顶面上的平滑模板层，有利于用来在高达约400℃的高温处理之后维持或增强参考层中的PMA。

穿隧阻障层是形成在参考层上。在一个替代实施例中，例如CoFe/Co或CoFeB/Co的过渡层被插入参考层和穿隧阻障层间。穿隧阻障层较佳为Mg、MgZn、Ta、Ti、Zn、Al或AlTi中的一种或多种的氧化物、氮化物或氮氧化物。

在穿隧阻障层上形成自由层/覆盖层堆栈。自由层可以从描述参考层的相关内容中的层压组成的其中一种来选择。在另一个实施例中，自由层可以是Co、Fe、CoFe及其与Ni和B中的一种或两种的合金中的一种或多种。在另一方面，将例如Ta或Mg的磁矩稀释层(L)插入于例如在上述金属或合金中的一种中，以产生CoFeB/L/CoFeB配置。覆盖层可以包括金属氧化物，例如MgO，以通过在自由层/金属氧化物界面处产生垂直的界面各向异性来增强自由层中的PMA。此外，最上层可以是Ru和Ta中的一种或多种，以得到为MgO/Ru/Ta或类似者的覆盖层堆栈。

在第二实施例中，保留第一实施例中的MTJ层及其组成，但形成于由种子层/自由层/穿隧阻障层/参考层/覆盖层配置所代表的顶部自旋阀设计中。在此，种子层堆栈中的最上面的模板层邻接自由层的底面。

第三实施例保持来自第一实施例的底部自旋阀堆栈，并且进一步包括位于自由层和覆盖层间的间隔件/底层/PMA层堆栈，其中PMA层用作偶极层，以减小由来自参考层的偶极场所引起的自由层的次级切换环的偏移。间隔件可以是Ta，并且PMA层较佳为例如前述的(Co/X)_n的多层堆栈。底层为前述的多层种子堆栈，以便在高温处理之后将PMA保持在偶极层中。

在前述实施例中，种子层堆栈中的缓冲层是可选择的。因此，本发明预期具有高射频率的第二种子层可以接触基底的顶面或底部电极。此外，可以在基板上重现第二和第三种子层，以在沉积最上面的(模板)种子层之前得到层压结构。

设置好MTJ中的所有层后，可执行约400℃、30分钟的退火过程，以进一步改善PMA特性，并藉以增加磁性层中的Hc和Hk。之后，采用常规的处理程序，来制造顶部电极于MTJ堆栈上。

附图说明

图1是现有技术中种子层堆栈的剖面图，其中上面的模板层中呈现底部缓冲层中的粗糙顶面。

图2是根据本发明的一个实施例所提供的具有四层的种子层堆栈的剖面图。

图3a是根据本发明的第二个实施例所提供的种子层堆栈的剖面图，其于图2中省略最下面的缓冲层。

图3b是根据本发明的另一实施例所提供的种子层堆栈的剖面图，其中重现形成高再溅镀速率和低再溅镀速率(非晶)层。

图4是根据本发明的一个实施例所提供的具有底部自旋阀配置且包含形成种子层堆栈的磁性穿隧接面(MTJ)的剖面图。

图5是根据本发明的一个实施例所提供的具有顶部自旋阀配置以及种子层堆栈的MTJ的剖面图。

图6是根据本发明的一个实施例所提供的具有底部自旋阀配置并包含偶极层的MTJ的剖面图。

图7显示根据本发明的一个实施例所提供的使用较高再溅镀速率在种子层上溅镀沉积非晶种子层的过程。

图8是常规种子层/参考层堆栈以及本发明的种子层堆栈/参考层于400℃30分钟的退火后的克尔信号对比PMA场的关系图。

图9是图7的样品于390℃、300分钟的另外的退火后的克尔信号对比PMA场的关系图。

附图标记说明：1-MTJ；2-MTJ；3-MTJ；10-底部电极；20-缓冲层；20t-顶面；21-层；21a-高再溅镀速率层；21b-高再溅镀速率层；21r-顶面；21t-顶面；22-层；22a-低再溅镀率层；22b-低再溅镀率层；22t-顶面；23-模板层；23t-顶面；23s1-峰；23s2-谷；24-种子层堆栈；25-1-种子层堆栈；25-2-种子层堆栈；26-参考层；26a-AP2层；26b-中间耦合层；26c-AP1层；26m1-磁化；26m2-磁化；27-穿隧阻障层；28-自由层；28a-FL1层；28b-层；28c-FL2层；28m1-磁化；28m2-磁化；28t-顶面；29-覆盖层；30-顶部电极；31-间隔件；32-偶极层；50-曲线；50a-曲线；51-曲线；51a-曲线；r-范围；v1-峰间粗糙度；v2-峰间粗糙度；z-轴。

具体实施方式

本发明为一种MTJ，其中自由层、参考层或偶极层中的至少一个具有垂直磁各向异性(PMA)，此PMA能在磁性装置于400℃的处理过程中保持，且磁性装置例如为微波辅助磁记录(MAMR)和自旋转移振荡器(STO)，以及各种自旋阀设计，包括读取头传感器中的设计。通过在种子层堆栈上沉积磁性层来维持PMA，其中最上面的模板层具有非常平滑的顶面，如同此处所描述的，其是通过将模板层沉积在由具有高的再溅镀速率的下面的种子层以及具有低的再溅镀速率的上面的非晶层所构成的平滑层上。如本领域技术人员所理解的，种子层堆栈可以使用在基于底部自旋阀、顶部自旋阀或双自旋阀设计的装置中。

请参照图1，其绘示了发明人以前所制造的种子层堆栈的剖面图。种子层形成在例如为MRAM装置中的底部电极10的基底上，并且具有称为缓冲层20的底层，其被用于与基底良好的黏合。通常选择Ta或TaN作为缓冲层，并倾向于在其顶面20t具有相当大的粗糙度。上方的模板层23是由NiCr、NiFeCr或类似者所制成，其覆盖沉积在缓冲层上，并具有(111)晶体结构，以促进于上覆(Co/X)_n多层中的fcc(111)晶体取向。结果是，于顶面20t中的显著粗糙度基本上重现在模板层的顶面中，其中峰23s1是被薄膜中的谷23s2所隔开。在高温处理期间，于模板层顶面中基本上的峰间粗糙度与例如为参考层、自由层或偶极层的上覆磁性层(图中未示)中的PMA损失相关联。峰间粗糙度定义为峰23s1间在z轴方向上的平均差，并且在100纳米的范围r内是大约2纳米。

先前已在相关的美国公告专利第8,871,365号中描述了如何利用RL1/DL1/Ru/DL2/RL2或FL1/DL1/Ru/DL2/FL2配置来分别改善参考层和自由层中的热稳定性，其中R1和R2(或FL1和FL2)是两个具有PMA的磁性层，其通过中间Ru层来反铁磁耦合。分别与具有R1/Ru/R2或FL1/Ru/FL2堆栈的RL或FL相比，例如为Co或CoFe的防尘层(DL1和DL2)负责来增强热稳定性。

而在相关的美国公告专利第8,541,855号中也公开了Hf/NiCr或Hf/NiFeCr种子层如何改良上覆(Co/Ni)_n多层中的PMA。目前已经发现，在(Co/Ni)_n层压或类似者中的PMA可以在约400℃的高温处理期间可以通过种子层堆栈来保持，其促进最上面的模板层上形成更均匀的顶面。在这种情况下，术语“约400℃”是指由于执行退火或沉积过程的腔室中的温度波动或偏移，其温度可能超过400℃10-20℃一段时间。

根据如图2所示的第一实施例，本发明的种子层堆栈24包括如前所述的底层20和最上面的模板层23。然而，关键特征是所谓的“平滑层”结构，其具有堆栈层21/22，其中第二层21是由具有高的再溅镀速率的材料所制成，其形成在最底层的顶面20t上。层21较佳为Mg、Al、Si、C、B、Mn、Rb、Zn和Ti中的一种或多种，厚度为3至100埃，并且较佳为3至20埃。非晶或纳米晶(晶粒尺寸<5纳米)的层22是由TaN、SiN或CoFeM所制成，其中M是B、P、Ta、Zr、Si、Cu、Hf、Mo、W和Nb中的一种，其具有M含量导致CoFeM合金的非晶特征。较佳地，CoFeM合金在沉积时是非晶态的。层22具有1至100埃的厚度，较佳为2-15埃，并且具有比第二层21更低的再溅镀速率，使得层21的再溅镀速率为层22的2至30倍。

如本案说明书所定义的，再溅镀速率部分与键能相关，键能是分解键合原子所需的能量。因此，具有低键能的材料易于再溅镀，并且比具有较高键能的材料具有更高的再溅镀速率。例如，根据“化学键能数据手册”中的数值表，请参见Y.Luo，CRC Press，BocaRaton，FL，2007年；Mg-Mg的键能为11.3千焦耳/莫耳，而Fe-Fe的键能为118千焦耳/莫耳，Co-Co的键能为约127千焦耳/莫耳。由此可知，Mg和CoFe(或CoFeB)间的键能比约为1:10，以得出镁的再溅镀速率大约比CoFe大10倍。因此，层21中的材料具有第一键能，且第一键能小于层22中的材料的第二键能。

决定再溅镀速率的第二个重要因素是元素的原子序数(Z)。特别的是，当用于非晶或纳米晶层的材料具有比选用为层21的元素或合金更高的重量(更大的Z值)时，在层22的沉积过程中，层21中的材料更容易移位。因此，在层21为具有比层22中的材料更低的Z值和更小的键能的元素或合金的条件下，可实现更高的再溅镀速率比(层21/层22)。

由于再溅镀速率(键能)的差异，当非晶或纳米晶材料如图7中所示的沉积顺序来沉积时，第二层21的原子会从第二种子层的顶面移位并被层22的更均匀的薄膜所代替。换句话说，具有峰间粗糙度v1的第二层的“刚沉积的”顶面21r，当层22沉积在其上时，会变成具有基本上较小峰间粗糙度的平滑顶面21t。已经观察到在峰22t间的峰间粗糙度v2在100纳米范围r内仅为0.5纳米，并且在沉积层22之前，其基本上小于顶面21r在100纳米范围内约2纳米的峰间粗糙度v1。

请再回到图2，其显示出与底部种子层20不平坦(粗糙)的顶面20t相比，层21和22的顶面21t、22t分别具有相对平滑的轮廓。此外，平滑的顶面22t基本上再现于最上面的模板层23的顶面23t，其通常与底层的顶面相一致。如前所述，术语“平滑”当涉及顶面23t时，可以用在100纳米范围内的峰间粗糙度来描述。在这种情况下，TEM观察显示在顶面23t中大约0.5纳米的峰间粗糙度，这表示对于图1中所参考的模板层的峰23s1为2纳米的峰间粗糙度的值有基本上的改进。

在图3a所示的第二实施例中，可以省略底层20，以提供种子层堆栈25-1，其中高再溅镀速率层21接触基底10的顶面。沉积非晶或纳米晶层22的结果是，平滑层堆栈中的种子层都具有平滑的顶面21t、22t，其类似于如前面对第一实施例所述的模板层所发现的那样。因此，种子层堆栈25-1是具有21/22/23配置的三层，其中模板层23具有顶面23t和峰间粗糙度v2，其归因于在温度高达400℃的处理后的上覆磁性层中保持PMA，由后面章节可提供其数据支持。

本发明中也可以重现平滑层堆栈21/22，以得到由交替的层21和22所构成的迭层。于图3b中所示出的第三实施例，其中在基底10上形成第一高再溅镀速率层21a。在层21a上依次形成第一低再溅镀速率层22a、第二高再溅镀速率层21b、第二低再溅镀速率层22b以及模板层23，以提供种子层堆栈25-2的21a/22a/21b/22b/23配置。层21a、21b中的材料的键能小于层22a、22b中的材料的键能。在一些实施例中，层21a、21b可以由相同的元素或合金制成，并且层22a、22b是从相同的材料中选择。然而，本发明中层21a可以具有与层21b不同的组成，并且层22a可以具有与层22b不同的组成。

可以相信第三实施例与前面的实施例相比，其进一步改进了顶面23t的均匀性。在此种子层设计中，每个高溅渡速率层较佳具有3至20埃的厚度，并且具有非晶特性的每个低再溅镀率层22a、22b较佳具有2至15埃的厚度。应该理解的是，可以对应地修改第一实施例中的种子层结构，以将堆栈24中的层20和23间的每个层21、22中的一个替换为前述迭层的平滑层。此外，可以存在一个以上的重现的平滑层堆栈中的层21、22。

本发明还涵盖了一种磁性穿隧接面(MTJ)元件，其包含根据本文所述实施例的其中一个所形成的种子层堆栈。在示范性实施例中描述了底部自旋阀和顶部自旋阀。然而，本文所述的种子层实施例可以在其他自旋阀设计中实现，包括本领域技术人员所理解的双自旋阀结构。

请参照图4，MTJ 1形成在可为底部电极的基底10和顶部电极30间。如图中所示的底部自旋阀配置，其中种子层堆栈24、参考层26、穿隧阻障层27、自由层28和覆盖层29依序地形成在基板上。在一个较佳实施例中，参考层(RL)具有合成反平行(SyAP)堆栈，其包括接触种子层的顶面AP2层26a、例如Ru的中间耦合层26b和最上面的AP1层26c。较佳地，AP2和AP1层都具有PMA，使得磁化26m1、26m2分别在垂直于MTJ层的平面的方向上排列。AP2和AP1层中的每一个中的PMA可以是固有的，并源自层压堆栈(Co/X)_n，其中X是Pt、Pd、Ni、NiCo、Ni/Pt或NiFe，且n为2至30。另一方面，CoFe或CoFeR可以代替层压堆栈中的Co，且R是Mo、Mg、Ta、W或Cr中的一种。形成在非晶或纳米晶层的顶面上的平滑模板层有利于用来在高达约400℃的高温处理之后将PMA保持在参考层中。在替代实施例中，种子层堆栈25-1或25-2是用来替代堆栈24。

在其它实施例中，参考层26可具有由相关美国公告专利第8,871,365号中所公开的RL1/DL1/Ru/DL2/RL2表示的SyAP配置。在本发明中，R1对应于AP2层，并且R2为通过Ru层来反铁磁耦合的前述AP1层。

例如为CoFe/Co或CoFeB/Co的过渡层(图中未示)，可以形成在(Co/X)_n堆栈中的最上层迭层与穿隧阻障层27间。根据一个实施例，过渡层形成在(111)AP1层和(100)MgO穿隧阻障层间，并足够薄以保持AP1层的PMA性质，且足够厚以提供高磁阻(MR比)。Co较佳是用作过渡层中的最上层，并且与穿隧阻障层形成界面，因为它比CoFeB或CoFe层更耐氧化。由于CoFe/Co和CoFeB/Co层中的磁性特征，过渡层存在时被认为是参考层26的一部分。

穿隧阻障层27形成在参考层26上。穿隧阻障层较佳为Mg、MgZn、Ta、Ti、Zn、Al或AlTi中的一种或多种的氧化物、氮化物或氮氧化物。可通过调整金属氧化物层中的氧化的厚度和程度，来调整穿隧阻障层的电阻x面积(RA)值。可以相信模板层顶面23t的平滑度可在包括穿隧阻障层的MTJ1中的上覆层中基本上重现。

在穿隧阻障层上形成自由层/覆盖层堆栈。自由层28可以从参考层的相关描述中的层压组成中的一种来选择。在另一个实施例中，自由层可以是Co、Fe、CoFe及其与Ni和B中的一种或两种的合金中的一种或多种。在另一方面，将例如Ta或Mg和类似者的磁矩稀释层(L)插入例如前述金属或合金中的一种中，以产生CoFeB/L/CoFeB配置。此外，自由层(FL)可以具有FL1/DL1/Ru/DL2/FL2结构，其中FL1和FL2是两个磁性层或者如前所述具有PMA的迭层，其通过中间Ru层予以反铁磁耦合。如前所述，DL1和DL2是防尘层。

在一些实施例中，覆盖层29是例如MgO或MgTaOx的金属氧化物，以通过沿着与自由层的界面引起界面垂直各向异性，来增强自由层中的PMA。在其他实施例中，覆盖层具有为Ru和Ta中的一种或多种的最上层，以得到例如为Ru/Ta/Ru或MgO/Ru/Ta的覆盖层堆栈。

请参照图5，根据本发明所形成如MTJ 2所示的顶部自旋阀实施例。在基底10上形成种子层24(或25-1或25-2)，然后，在自由层上顺序设置自由层28、穿隧阻障层27、参考层26和覆盖层29。当参考层具有SyAP配置时，AP1层26c接触穿隧阻障层，且AP2层26a是参考层堆栈中的最上层。自由层接触种子层堆栈中的模板层的顶面23t，且具有平滑的顶面，其中与顶面23t相关联的峰间厚度变化值可以认为基本上可在自由层的顶面28t中重现。自由层可以包括两个磁性层FL1 28a和FL2 28c，其通过较佳为Ru的层28b来反铁磁耦合。于是，在FL1和FL2层中的磁化28m1和28m2分别垂直于层的平面并朝着相反的方向排列。FL1和FL2中的每一个可以是如先前关于参考层所述的(Co/X)_n迭层，或者FL1、FL2中的一个或两个可以是Co、Fe、CoFe及其与Ni和B的一种或两种的合金中的一种或多种。此外，自由层可以具有FL1/DL1/Ru/DL2/FL2配置。

在图6中所示的另一个底部自旋阀实施例中，通过在自由层28和覆盖层29间插入用作偶极层32的第二种子层堆栈25-1和PMA层，来修改MTJ 1以得到MTJ 3。于是，MTJ具有接触基底10顶面的第一种子层(SL1)堆栈24(或25-1或25-2)，并且第二种子层(SL2)堆栈接触间隔件31的顶面于SL1/RL/穿隧阻障层/FL/间隔件/SL2/偶极层/覆盖层配置中。间隔件是包括但不限于从自由层吸收氧的Ta和Mg的其中一种的材料。采用可选择为层24或25-2的第二种子层堆栈作为PMA层的底层，以在高温处理之后将PMA保持在其中。偶极层较佳为(Co/X)_n迭层，其构成是前述有关于MTJ 1中的层26的多层的其中一种。

本发明还包括在本文公开的实施例中形成种子层堆栈的方法。包括种子层的MTJ堆栈中的所有层可以沉积在例如Anelva C-7100溅镀沉积系统或类似者的溅镀系统的DC溅镀室中，所述溅镀系统包括具有多个靶材与至少一个氧化室的超高真空DC磁控溅镀室。一般来说，用于包括高再溅镀速率层21和低再溅镀速率层22的种子层堆栈的溅镀沉积过程包括例如Ar的惰性气体和5×10^-8至5×10^-9托间的基础压力。较低的压力能够沉积更均匀的薄膜。在沉积过程中，溅镀沉积室中的温度可以从100K°到400℃变化，并且施加到一个或多个靶材以形成每个种子层的正向功率通常在20瓦到5000瓦的范围内。

穿隧阻障层和用于覆盖层的金属层(当包含时)的制备，首先是沉积第一金属层，利用自然氧化(NOX)或自由基氧化(ROX)制程氧化第一金属层，然后，沉积第二金属层在氧化的第一金属层上。在随后的退火步骤中，氧会迁移到第二金属层中以氧化第二金属。在一些实施例中，在最上面的金属层被沉积之前，通过NOX或ROX制程将一个或多个另外的金属层沉积在穿隧阻障层堆栈中，并且每个另外的金属层都被氧化，然后，通过退火方式来氧化，以产生穿隧阻障层27。

一旦形成了MTJ中的所有层，就执行退火过程，此退火过程执行在包括330℃和400℃间的温度进行1分钟至10小时的时间。此后，可以将自旋阀堆栈予以图案化，以通过已知的光刻和蚀刻顺序在基底10上形成多个MTJ元件。在基底是底部电极的实施例中，底部电极在一些情况下与上面的自旋阀堆栈同时被图案化，以实现用于进阶技术设计中的更高密度的图案化结构。

实施例1

为了证明本发明的优点，在两个不同的种子层上制造具有PMA的(Co/Ni)_n多层堆栈，其中n＝3。参考样本中的种子层，代表图1结构，其形成TaN20/NiCr50堆栈于第一芯片上，其中TaN厚度为20埃，且NiCr厚度为50埃。取自图1的第二种子层实施例形成TaN20/Mg7/CoFeB10/NiCr50堆栈在第二芯片上，其中Mg(厚度为7埃)为高再溅镀速率层21，CoFeB(厚度为10埃)为非晶层22。每个芯片在400℃下退火30分钟，并使用克尔显微镜测量克尔信号与垂直场的关系，如图8所示，其中曲线50是来自参考芯片的信号，曲线51是从具有根据图2所示的第一实施例所形成的种子层堆栈的芯片所获得。这些曲线显示了PMA强度基本上是相同的。

此后，芯片在390℃下退火300分钟，并获得第二个克尔信号与垂直场的曲线图，如图9所示。根据曲线51a，与图2的第一次克尔测量相比，PMA只有轻微的下降。然而，如曲线50a所示，参考样品由于第二退火步骤而显示出显著的PMA降解。因此，本发明的种子层堆栈是有利于在约400℃的长时间加热期间将PMA基本上保持在上覆磁性层中，而参考样品在相同的退火期间下并不能维持基本的PMA。

实施例2

在第二个实验中，其证实了降低模板层顶面中峰间粗糙度的好处，此模板层顶面的提供是源自本发明的种子层堆栈、具有由发明人先前制造的TaN2O/Mg7/NiCr50配置的种子层堆栈来形成在基底上，且其中每层之后的数字是以埃为单位的厚度。为了比较，沉积具有根据第三实施例的21a/22a/21b/22b堆栈的迭压平滑层，并在其上沉积TaN/Mg/NiCr种子层堆栈，以得到Mg25/CoFeB20/Mg50/CoFeB20/TaN20/Mg7/NiCr50配置。通过使用TEM评估每个种子层堆栈，以确定最上面的NiCr层顶面的峰间粗糙度。可以发现，对于具有迭压平滑层的种子层堆栈，TaN/Mg/NiCr堆栈的2纳米的峰间粗糙度显著减小到仅0.5纳米。因此，通过在种子层堆栈中插入平滑层来实现更平滑的模板层顶面的优点，被认为是上覆磁性层中基本上可保持PMA在高温处理之后，此高温处理例如退火至400℃左右并达到延长一段时间，通常为1分钟至10小时。

在此所描述的实施例的种子层堆栈通过采用常规制程和材料来形成，没有任何显著的额外成本，并且可以容易地在制造环境中实施。

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。故即凡依本发明权利要求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保护范围内。

Claims (33)

1.一种可降低磁性装置的薄膜粗糙度的多层结构，其特征在于，包括：

(a)一第一层，其由具有一第一键能的材料所制成，并具有一第一表面，该第一表面具有一“刚沉积的”第一峰间粗糙度；以及

(b)一上面的第二层，其为非晶或纳米晶，并由具有大于该第一键能的一第二键能的材料所制成，使得该上面的第二层的沉积导致该第一层的再溅镀，以得到具有一第二峰间粗糙度的一第二表面的一第一层，该第二峰间粗糙度小于该“刚沉积的”的第一峰间粗糙度，该上面的第二层形成于该第二表面上，该上面的第二层具有一第三表面，该第三表面具有该第二峰间粗糙度。

2.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于，还包括一模板层，该模板层形成在该上面的第二层的该第三表面上且具有一顶面，该顶面具有该峰间粗糙度，该模板层具有一(111)晶体取向，以促进一上覆磁性层中的PMA。

3.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于，还包括具有该第一键能的一第三层与具有该第二键能的一第四层，该第三层与该上面的第二层的该第三表面接触，该第四层为非晶或纳米晶，且该第四层接触该第三层的一顶面。

4.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于，还包括一缓冲层，该缓冲层为Ta或TaN且形成在一基底上，该缓冲层接触该第一层的一底面。

5.如权利要求2所述的多层结构，其特征在于，该模板层为NiCr和NiFeCr的其中一种。

6.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于，该第一层为Mg、Al、Si、C、B、Mn、Rb、Zn和Ti的其中一种或多种。

7.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于，该上面的第二层为TaN、SiN和CoFeM合金的其中一种，其中M为B、P、Ta、Zr、Si、Cu、Hf、Mo、W和Nb的其中一种，其含量使得该CoFeM合金非晶能够沉积。

8.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于，该第一层的厚度为3至100埃。

9.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于，该上面的第二层的厚度为1至100埃。

10.如权利要求2所述的多层结构，其特征在于，该上覆磁性层接触该模板层的该顶面，且于具有一底部自旋阀配置的一磁性穿隧接面中作为一参考层，或者于具有一顶部自旋阀配置的一磁性穿隧接面中作为一种子层。

11.如权利要求1所述的多层结构，其特征在于，该上覆磁性层为于磁性随机存取存储器装置、自旋转移振荡器、自旋电子装置或读取头传感器中作为一参考层、自由层或偶极层。

12.一种磁性穿隧接面，其特征在于，包括：

(a)一第一种子层(SL1)堆栈，其包括：

(1)一平滑层，其形成在一基底上，该平滑层包括具有一第一再溅镀速率的一第一层以及为非晶或纳米晶且具有一第二再溅镀速率的一上面的第二层，其中该第一再溅镀速率比该第二再溅镀速率大约2至30倍；以及

(2)一模板层，其形成在该上面的第二层的顶面上，且该顶面具有约0.5纳米的峰间粗糙度，该模板层具有一(111)晶体取向，以促进一上覆磁性层中的PMA；

(b)一参考层(RL)；

(c)一自由层(FL)；以及

(d)一穿隧阻障层，其形成在该参考层和该自由层间。

13.如权利要求12所述的磁性穿隧接面，其特征在于，还包括一覆盖层，以及具有一SL1/RL/穿隧阻障层/FL/覆盖层配置的一底部自旋阀结构，或具有一SL1/FL/穿隧阻障层/RL/覆盖层配置的一顶部自旋阀结构。

14.如权利要求13所述的磁性穿隧接面，其特征在于，还包括接触该覆盖层的一底面的一偶极层，且一间隔件和第二种子层(SL2)堆栈包括该平滑层并形成在该底部自旋阀结构中的该FL和该偶极层间，以得到一SL1/RL/穿隧阻障层/FL/间隔件/SL2/偶极层/覆盖层配置。

15.如权利要求12所述的磁性穿隧接面，其特征在于，该平滑层还包括一第三层与一第四层，该第三层具有接触该上面的第二层的该顶面的该第一再溅镀速率，该第四层为具有该第二再溅镀速率的非晶或纳米晶，该第四层接触该第三层的一顶面。

16.如权利要求12所述的磁性穿隧接面，其特征在于，还包括一缓冲层，该缓冲层为Ta或TaN且形成在该基底上，该缓冲层接触该平滑层的一底面。

17.如权利要求12所述的磁性穿隧接面，其特征在于，该模板层为NiCr和NiFeCr的其中一种。

18.如权利要求11所述的磁性穿隧接面，其特征在于，该第一层为Mg、Al、Si、C、B、Mn、Rb、Zn和Ti的其中一种或多种。

19.如权利要求12所述的磁性穿隧接面，其特征在于，该上面的第二层为TaN、SiN和CoFeM合金的其中一种，其中M为B、P、Ta、Zr、Si、Cu、Hf、Mo、W和Nb的其中一种，其含量使得该CoFeM合金非晶能够沉积。

20.如权利要求12所述的磁性穿隧接面，其特征在于，该第一层的厚度为3至100埃。

21.如权利要求12所述的磁性穿隧接面，其特征在于，该上面的第二层的厚度为1至100埃。

22.如权利要求15所述的磁性穿隧接面，其特征在于，该第一层和该第三层中每一个的厚度为3至100埃，且该上面的第二层和该第四层中每一个的厚度为1至100埃。

23.一种形成磁性穿隧接面的方法，其特征在于，包括：

(a)形成一第一种子层(SL1)堆栈，包括：

(1)溅镀沉积具有一第一键能的一第一种子层于一基底上，该第一种子层具有一第一峰间粗糙度的一第一表面；

(2)溅镀沉积非晶或纳米晶且具有一第二键能的一第二种子层在该第一种子层上，该第二键能大于该第一键能，并导致该第一种子层上的一第二表面具有基本上小于该第一峰间粗糙度的一第二峰间粗糙度，且该第二种子层形成在该第二表面上，该第二种子层具有该第二峰间粗糙度的一第三表面；以及

(3)溅镀沉积一模板种子层在该第二种子层的该第三表面上，该模板种子层具有一(111)晶体取向且其一顶面具有该第二峰间粗糙度，并促进一上覆磁性层中的垂直磁各向异性；以及

(b)沉积该上覆磁性层与该模板层的该顶面接触。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，于该溅镀沉积该第一种子层之前，还包括溅镀沉积Ta或TaN的一缓冲层在该基底上。

25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该第二种子层的溅镀沉积过程包含将Ar的惰性气体、5×10^-8至5×10^-9托的基础压力、高达400℃的溅镀沉积室温度以及20瓦至5000瓦的正向功率施加于一个或多个靶材。

26.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该模板种子层为NiCr和NiFeCr的其中一种。

27.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该上覆磁性层是参考层，且该方法还包括形成一穿隧阻障层、一自由层和一覆盖层，以得到一SL1/RL/穿隧阻障层/FL/覆盖层于该MTJ中。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，于沉积该覆盖层之前，还包括形成一间隔件、包括该第一种子层堆栈的一第二种子层(SL2)以及在该自由层上的一偶极层。

29.如权利要求23所述的方法，其特征在于，形成该第一种子层堆栈，还包括溅镀沉积具有接触该第二种子层的一顶面的该第一键能的一第三种子层，然后，溅镀沉积具有该第二键能的一第四层于该第三种子层上。

30.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该第一种子层为Mg、Al、Si、C、B、Mn、Rb、Zn和Ti的其中一种或多种。

31.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该第二种子层为TaN、SiN和CoFeM合金的其中一种，其中M为B、P、Ta、Zr、Si、Cu、Hf、Mo、W和Nb的其中一种，其含量使得该CoFeM合金非晶得以沉积。

32.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该第一种子层的厚度为3至100埃。

33.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该第二种子层的厚度为1至100埃。