CN111200059A - 磁性隧道结堆叠及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁性隧道结堆叠及其制造方法。磁性隧道结堆叠包括：被钉扎层；主氧化物势垒层，位于所述被钉扎层上；自由层，位于所述主氧化物势垒层上；以及混合氧化物/金属盖层，位于所述自由层上。所述混合氧化物/金属盖层包括：第一氧化物层，位于所述自由层上；第二氧化物层，位于所述第一氧化物层上；以及金属盖层，位于所述第二氧化物层上，其中所述自由层不含硼(B)。

Description

磁性隧道结堆叠及其制造方法
相关申请的交叉参考
本申请与2018年2月6日提出申请的美国专利申请第15/590,101号相关，所述美国专利申请的全部内容并入本文供参考。
技术领域
本公开涉及磁性隧道结(magnetic tunnel junction，MTJ)，例如垂直磁性隧道结(perpendicular magnetic tunnel junction，p-MTJ)。
背景技术
传统的自旋力矩转移(spin torque transfer，STT)磁性随机存取存储器(magnetic random access memory，MRAM)通过使电荷电流(charge current)通过垂直磁性隧道结(p-MTJ)来存储代表二进制位的电荷状态，所述垂直磁性隧道结具有堆叠在自由磁性层与被钉扎(或固定)磁性层之间的隧道势垒(tunnel barrier)。电荷电流影响自由磁性层的磁矩(magnetic moment)，使其与被钉扎磁性层的磁矩(此不受电流影响)对准或反对准(anti-aligned)。由于磁矩的对准在没有电荷电流的情况下保持不变，因此MTJ堆叠表现为适于存储器存储的双稳态系统(bi-stable system)。
需要在p-MTJ中同时或同步获得低开关电流、足够的热稳定性及长的保持时间(retention time)。
在此背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，且因此其可包含不构成所属领域中的普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明实施例的一个方面指向一种磁性隧道结(MTJ)堆叠，所述磁性隧道结堆叠包括无硼自由层且在不牺牲长的数据保持时间及良好热稳定性的情况下具有低开关电流。
本发明实施例的另一方面指向一种形成磁性隧道结(MTJ)堆叠的方法。
根据本公开的一些实施例，一种磁性隧道结堆叠包括：被钉扎层(pinned layer)；主氧化物势垒层(main oxide barrier layer)，位于所述被钉扎层上；自由层，位于所述主氧化物势垒层上；以及混合氧化物/金属盖层，位于所述自由层上，其中所述混合氧化物/金属盖层包括：第一氧化物层，位于所述自由层上；第二氧化物层，位于所述第一氧化物层上；以及金属盖层，位于所述第二氧化物层上，其中所述自由层不含硼(B)。
所述自由层可包含CoxFe1-x(0<x<1)、CoFeNi、Co2FeAl、Co2MnSi、Co2FeMnSi、Co2FeSi、MnGa和/或MnGe。
所述第一氧化物层可包含第一氧化物，且所述第二氧化物层可包含第二氧化物，所述第二氧化物的能带间隙等于或大于所述第一氧化物的能带间隙。
所述第一氧化物层可包含选自AlOx、ZnOx、TiOx、VOx、GaOx、YOx、ZrOx、NbOx、HfOx、TaOx、SiOx、MgGaOx、Hf-Zr-Ox、Hf-Si-Ox、Zr-Si-Ox、Hf-Al-Ox、Zr-Al-Ox及In-Ga-Zn-O中的一种或多种氧化物。
所述第二氧化物层可包含选自MgO、MgAlO、MgTiO及AlOx中的一种或多种氧化物。
所述金属盖层可包含具有比所述第一氧化物层中的金属元素及所述第二氧化物层中的金属元素更高的氧化物形成吉布斯自由能(Gibbs free energy)的金属元素。
所述金属盖层可包含选自Ru、W、Mo、Co、Fe、Ni、CoFe、FeNi、CoNi、CoFeB、CoFeBMo及CoFeBW中的一种或多种金属。
所述混合氧化物/金属盖层可不含硼(B)。
所述第一氧化物层可为无定形层或半结晶层。
所述自由层的阻尼因子(damping factor)(α)可为约0.006或小于0.006。
所述自由层的阻尼因子(α)可为约0.004或小于0.004。
所述自由层可具有大于约80μemu/cm2的Mst及大于约+1kOe的Hk，从而提供适于被垂直磁化的自由层。
根据本公开的一些实施例，一种制造磁性隧道结堆叠的方法包括：在衬底上形成被钉扎层；在所述被钉扎层上形成主氧化物势垒层；在所述主氧化物势垒层上形成自由层；以及在所述自由层上形成混合氧化物/金属盖层，其中所述形成所述混合氧化物/金属盖层包括：在所述自由层上形成第一氧化物层；在所述第一氧化物层上形成第二氧化物层；以及在所述第二氧化物层上形成金属盖层，且其中所述自由层不含硼(B)。
所述形成所述第一氧化物层或所述形成所述第二氧化物层可通过直接溅射氧化物靶(oxide target)。
所述形成所述第一氧化物层或所述形成所述第二氧化物层可包括：沉积金属层、以及对所述金属层进行氧化以提供所述第一氧化物层或所述第二氧化物层。
所述第一氧化物层可包含第一氧化物，且所述第二氧化物层可包含第二氧化物，所述第二氧化物的能带间隙等于或大于所述第一氧化物的能带间隙。
所述第一氧化物层可包含选自AlOx、ZnOx、TiOx、VOx、GaOx、YOx、ZrOx、NbOx、HfOx、TaOx、SiOx、MgGaOx、Hf-Zr-Ox、Hf-Si-Ox、Zr-Si-Ox、Hf-Al-Ox、Zr-Al-Ox及In-Ga-Zn-O中的一种或多种氧化物。
所述第二氧化物层可包含选自MgO、MgAlO、MgTiO及AlOx中的一种或多种氧化物。
所述金属盖层可包含选自Ru、W、Mo、Co、Fe、Ni、CoFe、FeNi、CoNi、CoFeB、CoFeBMo及CoFeBW中的一种或多种金属。
所述第一氧化物层可具有约
Figure BDA0002273028690000031
到
Figure BDA0002273028690000032
的厚度。
所述自由层的阻尼因子(α)可为约0.006或小于0.006。
附图说明
附图与说明书一起示出本发明的示例性实施例，并且与所述说明一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明一些示例性实施例的p-MTJ堆叠的剖面示意图。
图2是示出根据本发明一些实施例的制造p-MTJ堆叠的工艺的流程图。
图3示出依据从参考p-MTJ堆叠的宽带铁磁共振(ferromagnetic resonance，FMR)测量中提取的频率而变化的线宽。
图4示出依据从根据本公开实施例的p-MTJ堆叠的宽带铁磁共振(FMR)测量中提取的频率而变化的线宽。
具体实施方式
在以下详细说明中，仅以例示方式示出并描述了本发明的某些示例性实施例。如所属领域的技术人员将认识到，本发明可以许多不同的形式实施，并且不应被解释为仅限于在本文中阐述的实施例。对各示例性实施例中的特征或方面的描述通常应被视为可适用于其他示例性实施例中的其他类似特征或方面。在说明书通篇中，相同的参考编号指示相同的元件。
图1是根据本发明一些示例性实施例的垂直磁性隧道结(p-MTJ)堆叠的剖面示意图。
参照图1，p-MTJ堆叠包括底层100、位于底层100上的被钉扎层210(例如，固定层或参考层)、位于被钉扎层210上的主氧化物势垒层220(也被称为非磁性隧道势垒层或非磁性层)、位于主氧化物势垒层220上的自由层230以及位于自由层230上的混合氧化物/金属盖层300。
底层100是用于沉积MTJ堆叠的衬底。底层100提供在上面形成被钉扎层210的表面。任何合适的材料及结构都可用作底层100。
被钉扎层210包含磁性材料，所述磁性材料表现出垂直于底层100与被钉扎层210之间的界面的固定磁化轴(例如，被钉扎轴或固定轴(permanent axis))。被钉扎层210可包含合适的磁性材料及非磁性材料，例如钴(Co)、铁(Fe)、钴铁合金(CoFe)、钴铁硼合金(例如，CoFeB)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)、钌(Ru)和/或铱(Ir)等。主氧化物势垒层220可包含非磁性材料，例如结晶氧化镁(MgO)和/或无定形氧化铝等。自由层230可包含磁性材料，并且可不含硼。
在传统的垂直磁性隧道结(p-MTJ)中，自由层通常含有硼(B)。含硼自由层更易于处理及加工。然而，含硼自由层倾向于具有较低的数据保持时间。此外，为了获得足够的(例如，高的)垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)，使用两个氧化物层来夹置含硼自由层。此外，为了获得足够的(例如，高的)隧道磁阻(tunnelingmagnetoresistance，TMR)，在自由层上或在自由层中间沉积硼吸收层。可使用退火工艺以使得硼能够从自由层扩散到邻近层，并且进一步扩散离开自由层与其邻近层之间的界面。
虽然在传统的p-MTJ中可通过上述结构及工艺减少自由层中硼的量，但在自由层中可能存在残余硼。此外，硼仍然存在于邻近自由层的吸收层和/或氧化物层中，并且可能导致保持时间减少。
在根据本公开实施例的p-MTJ堆叠中，自由层230不含硼且为无硼自由层。为无硼自由层230沉积的材料可包含3d过渡金属、其合金和/或赫斯勒合金(Heusler alloy)，例如CoxFe1-x(0≤x≤1)、CoFeNi、Co2FeAl、Co2MnSi、Co2FeMnSi、Co2FeSi、MnGa和/或MnGe。因此，可在主氧化物势垒层220上沉积不包括硼的二元合金、三元合金及其他合金，以形成无硼自由层230。换句话说，可为无硼自由层提供除硼之外的其他和/或额外的非磁性和/或磁性材料。举例来说，可利用元素Fe、元素Co、元素Ni、元素Mn、例如CoFe等含Fe合金、例如CoFe等含Co合金、含Ni合金、含Mn合金及赫斯勒合金(不包括硼)中的至少一者来形成无硼自由层230。无硼自由层230可包含上述材料，并且可为沉积的多晶、无定形或结晶-无定形复合材料。此外，无硼自由层230可具有高的垂直磁各向异性。自由层230的垂直磁各向异性能量可超过面外去磁能量(out-of-plane demagnetization energy)。因此，无硼自由层230的磁矩可为稳定的且垂直于平面(stable perpendicular-to-plane)。
可在相关的美国专利申请第15/590,101号中找到无硼自由层及其制作方法的额外实例，所述美国专利申请的公开内容全文并入本文供参考。
无硼自由层230可在后退火工艺(post annealing process)之后具有结晶结构。因为根据本公开的实施例在自由层230的形成中不包含硼，因此不需要硼吸收层，并且不需要将硼驱动到与自由层邻近的层的后退火工艺。此外，在不存在硼的情况下，p-MTJ堆叠具有更高的自由度，因为对硼扩散的精妙控制在获得高的隧道磁阻及高的垂直磁各向异性(PMA)的制造工艺中不再是问题(例如，主要问题)。
p-MTJ的一些可取性质包括低开关电流、足够的热稳定性和/或长的保持时间，以提高写入效率及数据保持。这些性质受自由层的饱和磁化强度(saturationmagnetization)、阻尼常数、各向异性场(anisotropy field)及其他性质的影响。举例来说，需要足够的饱和磁化强度及高的各向异性场以实现装置的长保持时间及热稳定性。
无硼自由层230具有高的垂直磁各向异性，从而在p-MTJ堆叠中提供足够的数据保持时间。举例来说，无硼自由层230可具有大于约80μemu/cm2、例如大于120μemu/cm2或大于180μemu/cm2的Mst以及大于+1kOe、例如大于+4kOe的Hk。当Mst值及Hk值在上述范围内时，自由层可例如以垂直于自由层的物理平面的优选磁化取向被(例如，容易地或适当地)垂直磁化。
根据本公开实施例的混合氧化物/金属盖层300包括：第一氧化物层310，位于自由层230上；第二氧化物层320，位于第一氧化物层310上；以及金属盖层330，位于第二氧化物层320上。
第一氧化物层310与无硼自由层230接触，且第二氧化物层320与第一氧化物层310接触。第一氧化物层310可由能带间隙与第二氧化物层320相似或小于第二氧化物层320的氧化物制成，从而使来自混合氧化物/金属盖层300的寄生电阻减小或最小化。
用于形成第一氧化物层310的氧化物的非限制性实例包括氧化铝(AlOx)、氧化锌(ZnOx)、氧化钛(TiOx)、氧化钒(VOx)、氧化镓(GaOx)、氧化钇(YOx)、氧化锆(ZrOx)、氧化铌(NbOx)、氧化铪(HfOx)、氧化钽(TaOx)、氧化硅(SiOx)、氧化镁镓(MgGaOx)、氧化铪锆(Hf-Zr-Ox)、氧化铪硅(Hf-Si-Ox)、氧化锆硅(Zr-Si-Ox)、氧化铪铝(Hf-Al-Ox)、氧化锆铝(Zr-Al-Ox)及氧化铟镓锌(In-Ga-Zn-O)。然而，本公开并不仅限于此，并且可利用任何合适的金属氧化物来形成第一氧化物层。
在根据本公开实施例的p-MTJ堆叠中，不使用硼来形成自由层。因此，在无硼自由层230与第一氧化物层310之间的界面附近不存在硼。
第二氧化物层320可包含比第一氧化物层310及金属盖层330更容易形成氧化物的金属。也就是说，与第一氧化物层310及金属盖层330相比，第二氧化物层320可包含具有最低的氧化物形成吉布斯自由能(即，最容易形成氧化物)的金属。用于形成第二氧化物层320的氧化物的非限制性实例包括氧化镁(MgO)、氧化镁铝(MgAlO)、氧化镁钛(MgTiO)及氧化铝(AlOx)。然而，本公开并不仅限于此，并且可利用任何合适的金属氧化物来形成第二氧化物层320。
第一氧化物层310可以是无定形层或半结晶层(或具有无定形及结晶复合结构的层)。也就是说，第一氧化物层310可不具有构成原子和/或分子的有序排列，或者可使具有构成原子和/或分子的有序排列的区域与没有这种有序排列的区域相混合。另一方面，无硼自由层230可以是结晶层(例如，具有结晶结构)或结晶-无定形复合层。通常，当结晶氧化物(用作第二氧化物层320，例如MgO、MgAlOx、MgTiOx等)直接沉积在结晶无硼自由层上时，相应的氧化物层可以是结晶的。因此，无硼自由层230与第二氧化物层320之间的晶格结构可能失配(mismatch)。当根据本公开实施例的具有无定形或半结晶结构的第一氧化物层310被插入在无硼自由层230与第二氧化物层320之间时，晶格结构的失配可被缓和或减小，从而减小这些层之间的界面处的张力。第一氧化物层310的插入(例如，将第二氧化物层320直接沉积在第一氧化物层310上)也可使第二氧化物层320成为无定形层或半结晶层。因此，第二氧化物层320也可以是无定形层或半结晶层(或具有无定形及结晶复合结构的层)。
第一氧化物层310可具有约
Figure BDA0002273028690000063
到
Figure BDA0002273028690000064
的厚度。举例来说，第一氧化物层310可具有约
Figure BDA0002273028690000066
到
Figure BDA0002273028690000065
的厚度。当第一氧化物层310的厚度在上述范围内时，可形成无定形层或半结晶层。第二氧化物层320可具有约
Figure BDA0002273028690000068
到
Figure BDA0002273028690000067
的厚度。举例来说，第二氧化物层320可具有约
Figure BDA00022730286900000610
到
Figure BDA0002273028690000069
的厚度。第一氧化物层310及第二氧化物层320的总厚度可以是约
Figure BDA00022730286900000611
到
Figure BDA00022730286900000612
金属盖层330可由具有比在第一氧化物层310及第二氧化物层320中使用的金属元素更高的氧化物形成吉布斯自由能(即，更难形成氧化物)的金属元素制成。因此，金属盖层330在高温退火时将不容易形成相应的氧化物，从而防止或抑制氧扩散出第一氧化物层310及第二氧化物层320。用于形成金属盖层330的金属的非限制性实例包括钌(Ru)、钨(W)、钼(Mo)、钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴铁(CoFe)、铁镍(FeNi)、钴镍(CoNi)、钴铁硼(CoFeB)、钴铁硼钼(CoFeBMo)及钴铁硼钨(CoFeBW)。然而，本公开并不仅限于此，且可利用任何合适的金属来形成金属盖层330。
混合氧化物/金属盖层300可具有比主氧化物势垒层220更低的电阻。第一氧化物层310及第二氧化物层320的总厚度可低于主氧化物势垒层220的厚度。
p-TMJ可能需要低开关电流、足够的热稳定性及长的保持时间所有这些性质，以提高写入效率及数据保持。根据本公开实施例的无硼自由层230具有高的垂直磁各向异性，从而提供足够的数据保持时间及热稳定性。开关电流Jc(即，切换自由层的磁矩所需的最低电流)可由以下方程式1表示：
方程式1
Figure BDA0002273028690000061
在方程式1中，分别来说，e表示电子电荷，μ0表示真空导磁率(vacuumpermeability)，t表示自由层厚度，Ms表示饱和磁化强度，η表示自旋转移效率(spintransfer efficiency)，
Figure BDA0002273028690000062
表示普朗克常数，α表示阻尼常数，且Hk表示各向异性场。根据本公开的实施例，由于足够的分布区磁化强度(areal magnetization)(厚度t与饱和磁化强度Ms的乘积)Mst及高的各向异性场Hk对于实现装置的长保持时间及热稳定性来说是可取的，因此减小阻尼常数α，以便获得低开关电流并提高功耗效率。
在根据本公开实施例的p-TMJ堆叠中，通过混合氧化物/金属盖层300修改无硼自由层230的阻尼常数。根据本公开实施例的阻尼常数可以是0.006或小于0.006。举例来说，阻尼常数可以是0.005或小于0.005、或者0.004或小于0.004。利用减小的阻尼常数，根据本公开实施例的p-TMJ堆叠同时或同步具有低开关电流、高保持时间及良好的热稳定性。
图2是示出根据本发明一些实施例的制造p-MTJ堆叠的工艺的流程图。
参照图2，在动作1002中，形成垂直磁性隧道结堆叠的被钉扎层210及主氧化物势垒层220以及位于被钉扎层210下方的其他合适层。可利用合适的沉积技术将被钉扎层210沉积在底层100上。沉积技术的非限制性实例包括化学气相沉积(chemical vapordeposition，CVD)、等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced CVD，PECVD)、射频化学气相沉积(radio-frequency CVD，RFCVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)、原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)、分子束沉积(molecular beamdeposition，MBD)、脉冲激光沉积(pulsed laser deposition，PLD)和/或液体源雾化化学沉积(liquid source misted chemical deposition，LSMCD)、溅射(sputtering)和/或镀覆(plating)。被钉扎层210可由合适的磁性材料及非磁性材料形成，例如钴(Co)、铁(Fe)、钴铁合金(CoFe)、钴铁硼合金(例如，CoFeB)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)、钌(Ru)和/或铱(Ir)等。
可利用合适的沉积技术在被钉扎层210上形成主氧化物势垒层220。沉积技术的非限制性实例包括化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、射频化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、分子束沉积和/或液体源雾化化学沉积、溅射和/或镀覆。主氧化物势垒层220可包含非磁性材料，例如结晶氧化镁(MgO)和/或无定形氧化铝等。
在动作1004中，沉积无硼自由层230。相关的美国专利申请第15/590,101号公开了用于形成无硼自由层的合适方法的实例，所述美国专利申请的公开内容全文并入本文。无硼自由层230可包含3d过渡金属、其合金和/或赫斯勒合金，例如CoxFe1-x(0≤x≤1)、CoFeNi、Co2FeAl、Co2MnSi、Co2FeMnSi、Co2FeSi、MnGa及MnGe。
在动作1006中，沉积第一氧化物层310。可通过直接溅射氧化物靶或者通过金属层的氧化来沉积第一氧化物层310。举例来说，可通过首先在无硼自由层上沉积金属层、且然后氧化所述金属层来形成第一氧化物层310。可利用合适的沉积技术在自由层230上沉积金属层。所述技术的非限制性实例包括化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、射频化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、分子束沉积、脉冲激光沉积和/或液体源雾化化学沉积、溅射和/或镀覆。然后可利用例如氧化工艺来氧化金属层，由此氧气在可介于例如约178K到约478K范围内的合适温度下在金属层上方流动，以将薄金属层氧化成金属氧化物层。第一氧化物层310可由能带间隙与第二氧化物层320相似或小于第二氧化物层320的氧化物制成，从而使来自混合氧化物/金属盖层300的寄生电阻减小或最小化。
第一氧化物层310可包含例如氧化铝(AlOx)、氧化锌(ZnOx)、氧化钛(TiOx)、氧化钒(VOx)、氧化镓(GaOx)、氧化钇(YOx)、氧化锆(ZrOx)、氧化铌(NbOx)、氧化铪(HfOx)、氧化钽(TaOx)、氧化硅(SiOx)、氧化镁镓(MgGaOx)、氧化铪锆(Hf-Zr-Ox)、氧化铪硅(Hf-Si-Ox)、氧化锆硅(Zr-Si-Ox)、氧化铪铝(Hf-Al-Ox)、氧化锆铝(Zr-Al-Ox)及氧化铟镓锌(In-Ga-Zn-O)。然而，本公开并不仅限于此，并且可利用任何合适的金属氧化物来形成第一氧化物层310。
在动作1008中，沉积第二氧化物层320。可通过直接溅射氧化物靶或者通过金属层的氧化来沉积第二氧化物层320。举例来说，可通过首先在无硼自由层上沉积金属层、且然后氧化所述金属层来形成第二氧化物层320。可利用合适的沉积技术在自由层230上沉积金属层。所述技术的非限制性实例包括化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、射频化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、分子束沉积、脉冲激光沉积和/或液体源雾化化学沉积、溅射和/或镀覆。然后可利用例如氧化工艺来氧化金属层，由此氧气在可介于例如约178K到约478K范围内的温度下在金属层上方流动，以将薄金属层氧化成金属氧化物层。第二氧化物层320可包含比第一氧化物层310及金属盖层330更容易形成氧化物的金属。也就是说，与第一氧化物层310及金属盖层330相比，第二氧化物层320可包含具有最低的氧化物形成吉布斯自由能(即，最容易形成氧化物)的金属。用于形成第二氧化物层320的氧化物的非限制性实例包括氧化镁(MgO)、氧化镁铝(MgAlO)、氧化镁钛(MgTiO)及氧化铝(AlOx)。然而，本公开并不仅限于此，并且可利用任何合适的金属氧化物来形成第二氧化物层320。
第一氧化物层310可以是无定形层或半结晶层(或具有无定形及结晶复合结构的层)。无硼自由层230可以是结晶层或结晶-无定形复合层。通常，当结晶氧化物(用作第二氧化物层320，例如MgO、MgAlOx、MgTiOx等)直接沉积在结晶无硼自由层上时，相应的氧化物层可以是结晶的。因此，无硼自由层230与第二氧化物层320之间的晶格结构可能失配。当根据本公开实施例的具有无定形或半结晶结构的第一氧化物层310被插入在无硼自由层230与第二氧化物层320之间时，晶格结构的失配可被缓和或减小，从而减小这些层之间的界面处的张力。第一氧化物层310的插入(例如，将第二氧化物层320直接沉积在第一氧化物层310上)也可使第二氧化物层320成为无定形层或半结晶层。因此，第二氧化物层320也可以是无定形层或半结晶层(或具有无定形及结晶复合结构的层)。
第一氧化物层310可具有约
Figure BDA0002273028690000091
到
Figure BDA0002273028690000092
的厚度。举例来说，第一氧化物层310可具有约
Figure BDA0002273028690000094
到
Figure BDA0002273028690000093
的厚度。当第一氧化物层310的厚度在上述范围内时，可形成无定形层或半结晶层。第二氧化物层320可具有约
Figure BDA0002273028690000096
到
Figure BDA0002273028690000095
的厚度。举例来说，第二氧化物层320可具有约
Figure BDA0002273028690000098
到
Figure BDA0002273028690000097
的厚度。第一氧化物层310及第二氧化物层320的总厚度可以是约
Figure BDA0002273028690000099
到
Figure BDA00022730286900000910
在动作1010中，沉积金属盖层330。金属盖层330可由具有比在第一氧化物层310及第二氧化物层320中使用的金属元素更高的氧化物形成吉布斯自由能(即，更难形成氧化物)的金属元素制成。因此，金属盖层330在高温退火时将不容易形成相应的氧化物，从而防止或抑制氧扩散出第一氧化物层310及第二氧化物层320。用于形成金属盖层330的金属的非限制性实例包括钌(Ru)、钨(W)、钼(Mo)、钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴铁(CoFe)、铁镍(FeNi)、钴镍(CoNi)、钴铁硼(CoFeB)、钴铁硼钼(CoFeBMo)及钴铁硼钨(CoFeBW)。然而，本公开并不仅限于此，且可利用任何合适的金属来形成金属盖层330。
在动作1012中，可在金属盖层330上沉积额外的金属层400和/或硬掩模。可利用任何合适的技术沉积所述额外的金属层400和/或硬掩模并且可由任何合适的材料来形成所述额外的金属层400和/或硬掩模。
可在合适的温度(例如，400℃)下对MTJ堆叠进一步进行后退火。第一氧化物层310及第二氧化物层320可在界面处相互扩散。由于自由层中不存在硼，因此MTJ堆叠具有热稳定性，具有高的垂直各向异性及低的(例如，超低的)阻尼常数。此外，混合氧化物/金属盖层不含硼(B)。也就是说，无硼自由层230、第一氧化物层310及第二氧化物层320以及这些层之间的界面都不含硼。
根据本公开实施例的阻尼常数可以是0.006或小于0.006。举例来说，阻尼常数可以是0.005或小于0.005、或者0.004或小于0.004。
图3示出依据从参考自由层堆叠的宽带铁磁共振(FMR)测量中提取的频率而变化的线宽。所述参考自由层堆叠具有底层/MgO/无硼自由层
Figure BDA00022730286900000911
Figure BDA00022730286900000912
/MgO/金属盖层以所述顺序堆叠并在400℃下退火30分钟形成的结构。在此参考自由层堆叠中，不包括第一氧化物层。根据图3中的数据及利用振动样品磁力计(vibrating-sample magnetometer)的单独测量，计算出图3的自由层具有以下参数：Mst＝183.7μemu/cm2、α＝0.0067且Hk＝7.37kOe。
图4示出依据从根据本公开实施例的自由层堆叠的宽带铁磁共振(FMR)测量中提取的频率而变化的线宽。所述自由层堆叠具有底层/MgO/无硼自由层
Figure BDA0002273028690000101
/第一氧化物层/MgO/金属盖层以所述顺序堆叠并在400℃下退火30分钟形成的结构。此处，除了包括第一氧化物层之外，图4的自由层堆叠使用与图3的自由层堆叠相同的底层、被钉扎层、无硼自由层、被钉扎层与无硼自由层之间的MgO以及金属盖层。根据图4中的数据及利用振动样品磁力计的单独测量，计算出图4的自由层(或自由层堆叠)具有以下参数：Mst＝177.8μemu/cm2、α＝0.0031且Hk＝8.2kOe。
比较图4所示的自由层堆叠与图3所示的自由层堆叠，示出了根据本公开实施例的自由层堆叠(例如，包括第一金属氧化物层及第二金属氧化物层)具有显著较低的阻尼常数α，同时保持足够高的Mst及高Hk。因此，根据本公开实施例的自由层堆叠同步具有长的保持时间、良好的热稳定性及低的临界电流密度。
应当理解，尽管在本文中可能使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受到这些用语的限制。这些用语用来区分一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分。因此，在不背离本发明概念的精神及范围的情况下，以下论述的第一元件、组件、区域、层或部分可被称为第二元件、组件、区域、层或部分。
此外，还应理解，当一个层被称为“位于”两个层“之间”时，所述层可以是所述两个层之间的唯一层，或者也可存在一个或多个中间层。
在本文中所使用的术语是为了描述特定的实施例，而并不是旨在限制本发明概念。在本文中所使用的单数形式“一(a及an)”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚指示。应进一步理解，当在本说明书中使用用语“包括(include及including)”和/或“包含(comprises及comprising)”时，是指定所陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。在本文中所使用的用语“和/或”包括一个或多个相关列出项中的任何及所有组合。在元件列表之后使用“中的至少一者”等表达时，是修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的个别元件。此外，在描述本发明概念的实施例时使用“可”是指“本发明概念的一个或多个实施例”。
应理解，当一个元件或层被称为“位于另一元件或层上”、“连接到另一元件或层”、“耦合到另一元件或层”或“邻近另一元件或层”时，所述元件或层可直接位于所述另一元件或层上、直接连接到所述另一元件或层、直接耦合到所述另一元件或层或直接邻近所述另一元件或层，或者可存在一个或多个中间元件或层。当一个元件或层被称为“直接位于另一元件或层上”、“直接连接到另一元件或层”、“直接耦合到另一元件或层”或“紧邻另一元件或层”时，不存在中间元件或层。
在本文中所使用的“实质上”、“约”及类似用语被用作近似用语，而不是用作程度用语，并且旨在解释所属领域中的普通技术人员将认识到的测量值或计算值的固有变化。
在本文中所使用的用语“使用(use、using及used)”可被认为分别与用语“利用(utilize、utilizing及utilized)”同义。
虽然已经示出了p-MTJ，但本公开的实施例并不仅限于此。具有无硼自由层的其他磁性隧道结可利用混合氧化物/金属盖层。
根据本文中所描述的本发明实施例的p-MTJ和/或任何其他相关装置或组件可利用任何合适的硬件、固件(例如，应用专用集成电路)、软件或软件、固件及硬件的合适组合来实现。举例来说，p-MTJ的各种组件可形成在一个集成电路(integrated circuit，IC)芯片上或形成在单独的集成电路芯片上。此外，p-MTJ的各种组件可在柔性印刷电路膜、载带封装(tape carrier package，TCP)、印刷电路板(printed circuit board，PCB)上实现，或者形成在同一衬底上。此外，p-MTJ的各种组件可以是在一个或多个计算装置中的一个或多个处理器上运行的进程(process)或线程(thread)，所述进程或线程执行计算机程序指令并与其他系统组件交互作用以执行本文中所述的各种功能。
虽然已经特别参照本发明的说明性实施例详细描述了本发明，但在本文中描述的实施例并不旨在为穷举的或将本发明的范围限制到所公开的确切形式。本发明所属领域及技术中的技术人员将认识到，在不有意背离如在以上权利要求及其等效形式中所阐述的本发明的原理、精神及范围的情况下，可对所描述的组装及操作的结构及方法进行更改及变化。

Claims (21)

1.一种磁性隧道结堆叠，包括：
被钉扎层；
主氧化物势垒层，位于所述被钉扎层上；
自由层，位于所述主氧化物势垒层上；以及
混合氧化物/金属盖层，位于所述自由层上，
其中所述混合氧化物/金属盖层包括：
第一氧化物层，位于所述自由层上；
第二氧化物层，位于所述第一氧化物层上；以及
金属盖层，位于所述第二氧化物层上，
其中所述自由层不含硼。
2.根据权利要求1所述的磁性隧道结堆叠，其中
所述第一氧化物层包含第一氧化物，且
所述第二氧化物层包含第二氧化物，所述第二氧化物的能带间隙等于或大于所述第一氧化物的能带间隙。
3.根据权利要求1所述的磁性隧道结堆叠，其中所述第一氧化物层包含选自AlOx、ZnOx、TiOx、VOx、GaOx、YOx、ZrOx、NbOx、HfOx、TaOx、SiOx、MgGaOx、Hf-Zr-Ox、Hf-Si-Ox、Zr-Si-Ox、Hf-Al-Ox、Zr-Al-Ox及In-Ga-Zn-O中的一种或多种氧化物。
4.根据权利要求1所述的磁性隧道结堆叠，其中所述第二氧化物层包含选自MgO、MgAlO、MgTiO及AlOx中的一种或多种氧化物。
5.根据权利要求1所述的磁性隧道结堆叠，其中所述金属盖层包含具有比所述第一氧化物层中的金属元素及所述第二氧化物层中的金属元素更高的氧化物形成吉布斯自由能的金属元素。
6.根据权利要求1所述的磁性隧道结堆叠，其中所述金属盖层包含选自Ru、W、Mo、Co、Fe、Ni、CoFe、FeNi、CoNi、CoFeB、CoFeBMo及CoFeBW中的一种或多种金属。
7.根据权利要求1所述的磁性隧道结堆叠，其中所述混合氧化物/金属盖层不含硼。
8.根据权利要求1所述的磁性隧道结堆叠，其中所述第一氧化物层是无定形层或半结晶层。
9.根据权利要求1所述的磁性隧道结堆叠，其中所述第二氧化物层是无定形层或结晶层或半结晶层。
10.根据权利要求1所述的磁性隧道结堆叠，其中所述自由层包括CoxFe1-x、CoFeNi、Co2FeAl、Co2MnSi、Co2FeMnSi、Co2FeSi、MnGa及MnGe中的至少一者，其中0<x<1。
11.根据权利要求1所述的磁性隧道结堆叠，其中所述自由层的阻尼因子约为0.006或小于0.006。
12.根据权利要求1所述的磁性隧道结堆叠，其中所述自由层具有大于约80μemu/cm2的磁化强度及大于+1kOe的各向异性场。
13.一种制造磁性隧道结堆叠的方法，所述方法包括：
在被钉扎层上形成主氧化物势垒层；
在所述主氧化物势垒层上形成自由层；以及
在所述自由层上形成混合氧化物/金属盖层，
其中形成所述混合氧化物/金属盖层包括：
在所述自由层上形成第一氧化物层；
在所述第一氧化物层上形成第二氧化物层；以及
在所述第二氧化物层上形成金属盖层，且
其中所述自由层不含硼。
14.根据权利要求13所述的方法，其中形成所述第一氧化物层或形成所述第二氧化物层是通过直接溅射氧化物靶。
15.根据权利要求13所述的方法，其中形成所述第一氧化物层或形成所述第二氧化物层包括：
沉积金属层，以及
对所述金属层进行氧化以提供所述第一氧化物层或所述第二氧化物层。
16.根据权利要求13所述的方法，其中
所述第一氧化物层包含第一氧化物，且
所述第二氧化物层包含第二氧化物，所述第二氧化物的能带间隙等于或大于所述第一氧化物的能带间隙。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一氧化物层包含选自AlOx、ZnOx、TiOx、VOx、GaOx、YOx、ZrOx、NbOx、HfOx、TaOx、SiOx、MgGaOx、Hf-Zr-Ox、Hf-Si-Ox、Zr-Si-Ox、Hf-Al-Ox、Zr-Al-Ox及In-Ga-Zn-O中的一种或多种氧化物。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二氧化物层包含选自MgO、MgAlO、MgTiO及AlOx中的一种或多种氧化物。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述金属盖层包含选自Ru、W、Mo、Co、Fe、Ni、CoFe、FeNi、CoNi、CoFeB、CoFeBMo及CoFeBW中的一种或多种金属。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一氧化物层具有约
Figure FDA0002273028680000031
到
Figure FDA0002273028680000032
的厚度。
21.根据权利要求13所述的方法，其中所述自由层的阻尼因子约为0.006或小于0.006。
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