CN111615756A - 自旋力矩转移（stt）-磁性随机存取存储器（mram）之氮化物盖层 - Google Patents
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Abstract
公开一种磁性穿隧结(MTJ)，其中自由层(FL)与第一金属氧化物(垂直非等向性增强层)及第二金属氧化物(穿隧阻障)的第一及第二界面各别产生垂直磁非等向性(PMA)以增加热稳定性。在一些实施例中，盖层为导电金属氮化物(例如，MoN)相对于第一界面接触垂直非等向性增强层的相反表面，相较于TiN盖层，减少氧及氮的相互扩散并保持可接受的电阻面积(RA)乘积。在其他实施例中，盖层可以包括绝缘氮化物，例如AlN，其与导电金属合金以最小化RA。此外，可以在盖层与垂直非等向性增强层之间插入金属缓冲层。因此，减少电性短路并且增加磁阻比。
Description
相关专利申请
本申请与以下相关：案卷号:HT16-025，申请号：15/461779,申请日为2017年3月17日；以及案卷号：HT17-034，申请号：15/728818,申请日为2017年10月10日；其与本案具有相同受让人，且其整体内容通过引用方式并入本公开。
技术领域
本公开有关于一种磁性元件，包括一自由层，其与穿隧阻障层及垂直非等向性增强层交界，并与氮化物盖层交界以避免氧气扩散从垂直非等向性增强层扩散出来，并使金属及氮通过垂直非等向性增强层到达自由层的扩散最小化，从而在盖层导电时，维持可接受的磁阻比(magnetoresistive ratio,DRR)，并降低电阻面积(resistance×area,RA)乘积。
背景技术
MRAM是基于硅互补式金属氧化物半导体(CMOS)与磁性穿隧结(MTJ)技术的整合，是一项新兴的主要技术，相较于现有的半导体存储器(例如SRAM、DRAM及快闪存储器)极具竞争力。此外，J.C.Slonczewski在“多层磁性材料的电流驱动激发”(J.Magn.Magn.Mater.V159,L1-L7(1996))中描述的自旋转移力矩(spin-transfer torque,STT)磁化切换，促进了自旋电子装置的发展，例如千兆级的STT-MRAM。
场式MRAM及STT-MRAM都具有基于穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance,TMR)效应的MTJ元件。其中，堆叠层中具有两个铁磁(ferromagnetic,FM)层由非磁性介电薄层分隔的配置。FM层为钉扎层，其磁矩在第一方向上固定，而另一FM层称为自由层(FL)，其磁矩可沿与第一方向平行(P状态)或反平行(AP状态)的方向自由旋转，分别对应于“0”或“1”磁性状态。与传统的MRAM相比，STT-MRAM具有避免半选择问题及在邻接单元之间写入干扰的优点。自旋转移效应源自铁磁-间隔物-铁磁多层的自旋相关的电子传输性质。当自旋极化电流在垂直于平面(CPP)的电流中穿过磁性多层时，入射在FM层上的电子的自旋角动量与FM层与非磁性间隔物之间的界面附近的FM层的磁矩相互作用。通过这种相互作用，电子将一部分角动量传递给FL。因此，如果电流密度足够高并且多层膜的尺寸小，则自旋极化电流可以切换FL的磁化方向。
P-MTJs是在钉扎层及FL中具有垂直磁非等向性(PMA)的MTJ单元，且是建构STT-MRAM及其他自旋电子装置的基础。一般来说，在钉扎层及FL之间存在一个称为穿隧阻障层的非磁性穿隧氧化物层。当FL具有PMA时，将FL及p-MTJ从P状态切换到AP状态(或反之亦然)所需的临界电流(ic)与垂直磁非等向性场成正比，如方程式(1)所示：
Δ＝kV/kBT值是FL的热稳定性，其中kV也称为Eb或P和AP磁态之间的能量阻障，kB是Boltzmann常数，T是温度。热稳定性是垂直非等向性场的函数，如方程式(2)所示：
FL的垂直非等向性场(Hk)在方程式(3)中表示为：
其中Ms是饱和磁化，d是自由层的厚度，Hfc，x是垂直方向上的晶体非等向性场，
是FL顶表面及底表面的表面垂直非等向性。由于FL必须能够在CMOS制造所需的退火制程中承受400℃的温度，这种高温要求导致新的p-MTJ设计，其中FL具有更大的PMA。增强FL中PMA的一种方法是在其顶面及底面形成金属氧化物界面。因此，除了与穿隧阻障层的第一FL界面之外，第二FL界面形成所谓的垂直非等向性增强层，以产生方程式(3)中较高的表面垂直非等向性。
由于垂直非等向性增强层通常氧化不全以最小化p-MTJ单元中的RA，从上层盖层或硬掩模的金属或其他物种趋向于通过垂直非等向性增强层中的空位迁移到FL并降低DRR。DRR表示为dR/R，其中dR是P和AP状态之间的电阻差，R是P状态的电阻。DRR越大意味着读取裕度(margin)越高。此外，氧可能迁移出垂直非等向性增强层，从而降低FL/垂直非等向性增强层界面处的表面垂直非等向性，从而导致FL热稳定性降低。因此，需要一种改良的p-MTJ结构以维持垂直非等向性增强层的完整性，从而维持FL的热稳定性，同时提供进阶存储器设计中高磁性能所需的DRR及RA数值，其中临界尺寸(FL宽度)大抵小于100nm。
发明内容
本公开的一个目的是提供一种p-MTJ，其中金属及其他物种从硬掩模层或盖层通过垂直非等向性增强层迁移至在底部自旋阀结构中的FL，以及从晶种层或底部电极(BE)通过垂直非等向性增强层至顶部自旋阀结构中的FL的阻障得以改善。
本公开的第二目的是根据第一目的提供一种改进的阻障，其中阻障也大抵最小化氧气从垂直非等向性增强层扩散至盖层/硬掩模或至晶种层/BE。
本公开的第三目的是根据前两个目的提供一种具有与CMOS制造相容的形成p-MTJ的制程流程方法。
根据一个实施例，这些目的通过提供一种氮化物或氮氧化物盖层来实现，盖层作为具有底部自旋阀配置的p-MTJ中的垂直非等向性增强层和硬掩模之间的阻障。因此，在可以是底部电极(BE)的基板上依序地形成可选的晶种层、钉扎层、穿隧阻障层、FL、垂直非等向性增强层、氮化物或氮氧化物盖层以及硬掩模。钉扎层优选地具有合成反平行(SyAP)配置，其中外部AP2层与晶种层接触，或在没有晶种层的情况下为BE，并且内部AP1层邻接穿隧阻障层。此外，在AP1和AP2层之间有一个反铁磁(AF)耦合层。因此，FL具有与穿隧阻障层的第一界面，以及与垂直非等向性增强层的第二界面，垂直非等向性增强层可以是金属氧化物或金属氧氮化物。
第一实施例的关键特征为盖层组成，其盖层为金属氮化物或金属氧氮化物，其中金属(M1)选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo及W，以提供导电氮化物(M1N)或氧氮化物(M1ON)，相较于对应的金属氧化物有利于最小化RA。此外，可以在垂直非等向性增强层与导电氮化物或氮氧化物盖层之间插入作为金属缓冲的粉层(dusting layer)，以减少与垂直非等向性增强层/M1N界面或垂直非等向性增强层/M1ON界面相关的相互扩散。优选地，粉层是M1金属、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta或W中的一种或多种。
根据第二实施例，盖层可以包括绝缘金属(M2)氮化物或氧氮化物，其中M2是B、Al、Si、Ga、In或TI中的一种，与导电金属或合金(M3)合金化，M3是选自Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种，以赋予所得的M2M3氮化物(M2M3N)或M2M3氮氧化物(M2M3ON)导电性。可以在垂直非等向性增强层与M2M3N或M2M3ON盖层之间设置由一种或多种M1金属形成的除尘(缓冲)层。
根据第三实施例，盖层包括绝缘的M2氮化物或M2氮氧化物，其中形成了与垂直非等向性增强层及硬掩模接触的导电路径。优选地，导电路径由上述的一种或多种M3金属形成。此外，在垂直非等向性增强层和盖层之间可以包括M1粉层。
本公开还包括具有顶部自旋阀配置的p-MTJ结构，其中可选的晶种层、氮化物或氧氮化物阻障层、垂直非等向性增强层、FL、穿隧阻障层、钉扎层及硬掩模依序形成在基板上。氮化物或氧氮化物阻障层可以具有M1N或M1ON、M2M3N或M2M3ON的组成，或者具有在M2N或M2ON层中形成的具有M3导电路径的复合物。在每个示例中，可以在阻障层和垂直非等向性增强层之间包括缓冲层，以防止在阻障层/垂直非等向性增强层界面处的相互扩散。
本公开还包括一种制造具有根据上述实施例之一的结构的具有金属氮化物或金属氧氮化物盖层的p-MTJ的方法。一般来说，在单一步骤中溅射沉积M1N、M1ON、M2M3N及M2M3ON层。然而，可以采用多重步骤制程，其中首先溅射沉积M1或M2M3层，然后使用涉及氮化或氮氧化的第二步骤以分别形成氮化物或氮氧化物。在M2N或M2ON层中形成M3导电路径是通过以下一系列步骤完成的：(1)沉积M3层，(2)在M3层上沉积M2层，以及(3)用等离子体进行氮化或氮氧化，或通过离子注入的第一步骤及退火制程的第二步骤进行氮化或氮氧化。
附图说明
图1根据本公开的第一实施例，为包括在垂直非等向性增强层与硬掩模之间具有氮化物盖层的磁性穿隧结(p-MTJ)的截面图。
图2根据本公开的第二实施例，为包括在垂直非等向性增强层与硬掩模之间具有下方缓冲层及上方氮化物盖层堆叠的p-MTJ的截面图。
图3根据本公开的第三实施例，为包括氮化物盖层的p-MTJ的截面图，其中在垂直非等向性增强层与硬掩模之间形成导电电流路径。
图4根据本公开的第四实施例，为图3中的p-MTJ的截面图，其改以在垂直非等向性增强层与氮化物盖层之间包括缓冲层。
图5根据本公开的第五实施例，为具有顶部自旋阀配置的p-MTJ的截面图，其中在晶种层与垂直非等向性增强层之间形成氮化物阻障层。
图6根据本公开的第六实施例，为图5中的p-MTJ的截面图，其改以在氮化物阻障层与垂直非等向性增强层之间包括缓冲层。
图7根据本公开的第七实施例，为具有顶部自旋阀配置的p-MTJ的截面图，其中在晶种层与垂直非等向性增强层之间形成其中具有电流导电路径的氮化物阻障层。
图8根据本公开的第八实施例，为图7中的p-MTJ的截面图，其改以在垂直非等向性增强层与氮化物阻障层之间包括缓冲层。
图9a-9d根据本公开实施例，为点线图显示出根据本公开实施例形成在垂直非等向性增强层与硬掩模之间具有不同氮化物阻障层的p-MTJ所测量的磁滞回线(hysteresisloops)。
图10为多个金属形成氧化物的自由能的表格。
图11-14根据本公开实施例，为截面图绘示在金属氮化物或金属氮氧化物基质中形成导电路径的多个方法。
图15根据本公开实施例，为存储器阵列的俯视图，其中多个p-MTJ单元被封装层绝缘。
具体实施方式
本公开为一种p-MTJ结构及其制造方法，其中形成在垂直非等向性增强层和硬掩模(或晶种层)之间的阻障层通过大抵最小化氧气从垂直非等向性增强层的扩散以减少电性短路及提高DRR，并减少金属或氮通过垂直非等向性增强层扩散到邻接的自由层。本公开涉及具有底部自旋阀和顶部自旋阀配置或双自旋阀配置的p-MTJ结构。可以将p-MTJ结合在MRAM、STT-MRAM或其他自旋电子装置中，例如自旋力矩振荡器、自旋霍尔效应装置、磁性传感器及生物传感器。每个p-MTJ层的厚度在z轴方向上，并且每个层的平面形成在x轴和y轴方向上。用语“阻障层”和“盖层”可以互换使用。
在相关的专利申请号15/461,779中，我们公开了一种MTJ结构，其中自由层与第一氧化物层(穿隧阻障层)形成第一界面，并且与优选为MgO的第二氧化物层(垂直非等向性增强层)形成第二界面，以提高PMA及热稳定性。另外，将TiN阻障层插入在垂直非等向性增强层与上方的硬掩模之间，以保持MgO层的完整性。然而，能量色散X光光谱(EDS)显示在MgO/TiN界面广泛的相互扩散，显示TiN层中存在氧，而FL中存在氮。
在本公开中，我们公开了一种改良的阻障层，其阻障层被设计为大抵减少来自垂直非等向性增强层的氧扩散，并显著地最小化金属或氮通过垂直非等向性增强层扩散进入FL。当用另一种金属代替TiN阻障中的Ti时，我们考虑的一个重要概念是，此替代金属优选比Ti具有更低的氧亲和力，这与图10所示较低的(负较少)氧化物形成自由能是一致的。第二，通过在垂直非等向性增强层和金属氮化物/氮氧化物阻障层之间插入金属缓冲层，可以在一定程度上减轻金属氮化物阻障层对垂直非等向性增强层及FL的影响。尽管优选导电金属氮化物/氮氧化物阻障层，但如果与导电金属形成合金或通过绝缘阻障层基质形成导电路径，则绝缘金属氮化物/氮氧化物是可行的。
参照图1，以具有底部自旋阀配置的p-MTJ 1的形式绘示本公开的第一实施例，其中，可选的晶种层11、钉扎层12、穿隧阻障层13、FL 14、垂直非等向性增强层15、金属氮化物或氮氧化物盖层16及硬掩模17依序形成在基板10上。在一些实施例中，基板可以是STT-MRAM或另一自旋电子装置中的底部电极(BE)。BE通常嵌入在绝缘层(未示出)中，并且电性连接到由下方的电晶体驱动的位元线或字元线(未示出)。
晶种层11为单层或多层，并且可以包括NiCr、Ta、Ru、Ti、TaN、Cu、Mg中的一种或多种或通常用于促进上方层光滑且均匀的晶粒结构的其他材料。钉扎层12可以具有由AP2/AFC层/AP1表示的SyAP配置，其中例如由Ru、Rh或Ir形成的AF耦合(AFC)层被夹设在AP2磁性层和AP1磁性层之间(未示出)。当AP1层邻接穿隧阻障层13时，AP2层接触晶种层(或BE)。AP1及AP2层可以包括CoFe、CoFeB、Co或其组合。在其他实施例中，钉扎层可以是具有固有PMA的积层堆叠，例如(Co/Ni)n、(CoFe/Ni)n、(Co/NiFe)n、(Co/Pt)n、(Co/Pd)n或相似物，其中n是叠层数。此外，可以在积层堆叠的最上层与穿隧阻障层之间插入过渡层，例如CoFeB或Co。
在优选的实施例中，穿隧阻障层13是通过溅射沉积MgO靶材而形成的MgO，或通过沉积一层或多层Mg层，然后用已知的自由基氧化(radical oxidation,ROX)或自然氧化(natural oxidation,NOX)方法氧化一层或多层Mg层。然而，本领域已知的其他金属氧化物或金属氮氧化物可以与MgO一起使用或代替MgO使用。例如，穿隧阻障可以包括Al2O3、MgAlO、TiOx、AlTiO、MgZnO、Al2O3、ZnO、ZrOx、HfOx或MgTaO。本公开也预先考虑穿隧阻障可以是一种或多种前述金属氧化物的叠层。
FL 14的厚度为5至
为单层或多层结构，是Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoB及FeB中的一种或多种，或其合金包括CoFeNi及CoFeNiB，其中Fe的含量大于磁性元素/成分的总含量的50原子％(富铁)。例如，在Co(100-x)FexB层中，x大于50原子％。在其他实施例中，FL可以包括具有高结晶非等向性能量常数(Ku)的材料，其材料具有固有的PMA，包括哈斯勒(Heusler)合金、有序L10或L11材料及稀土合金。哈斯勒合金包括Ni2MnZ、Pd2MnZ、Co2MnZ、Fe2MnZ、Co2FeZ、Mn3Ge、Mn2Ga及相似物，其中Z为Si、Ge、Al、Ga、In、Sn及Sb中的一种。有序L10或L11材料具有组成，例如MnAI、MnGa或RT，其中R为Rh、Pd、Pt、Ir或其合金，T为Fe、Co、Ni或其合金。稀土合金包括但不限于TbFeCo、GdCoFe、FeNdB或SmCo。
由于穿隧阻障(金属氧化物)13和垂直非等向性增强层(金属氧化物)15分别与底表面和顶表面形成界面的这种配置，FL 14具有强烈的垂直表面非等向性，
及
分别位于第一及第二介面，有助于增强前述的方程式(3)中的
项。
根据一个实施例，垂直非等向性增强层15是金属氧化物或金属氮氧化物层，具有控制的厚度及氧化态以使其RA乘积小于穿隧阻障层13中MgO层的厚度及氧化态，以使DRR的降低最小化。因此，垂直非等向性增强层可以为单层，其为Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V及Hf中的一种或多种的氧化物或氮氧化物。此外，垂直非等向性增强层可以为包括一种或多种上述金属氧化物或氮氧化物的叠层。在所有实施例中，垂直非等向性增强层可以具有化学计量或非化学计量的氧含量。化学计量被定义为氧化态，其中金属氧化物中大抵所有非金属晶格位都被氧占据，而在非化学计量氧化态下，存在多个未被占据的晶格位。
MTJ 1的关键特征为盖层16具有金属氮化物或金属氮氧化物组成。根据第一实施例，盖层包括金属或合金(M1)，其中金属或合金优选地是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo及W中的一种或多种，以提供导电氮化物(M1N)或氮氧化物(M1ON)，以最小化RA对p-MTJ的贡献。应注意的是，p-MTJ的总RA值由金属氧化物及金属氮化物/氮氧化物层中的每一层的贡献而定，并由方程式RATOTAL＝(RA13+RA15+RA16)表示，其中RA13、RA15及RA16分别是穿隧阻障层、垂直非等向性增强层及盖层的RA乘积。优选RATOTAL小于5ohm-μm2以获得最佳的p-MTJ性能。由于对总量的最大贡献来自于穿隧阻障层，而垂直非等向性增强层经常氧化不全以避免超过所需的RATOTAL，RA16应提供最小的RA贡献，理想情况下应接近零。
盖层有益处地作为氧从邻接的垂直非等向性增强层15中迁移出来的阻障层，并且优选地具有5至
的厚度。在其他实施例中，盖层的厚度可以高达
因此，金属或合金M1对氧的亲和力应小于Mg的亲和力，因为优选地将垂直非等向性增强层选择为MgO。优选地，M1应为图10中所列的一种或多种元素，相较于Mg，其形成氧化物具有较少负数的自由能。更优选地，M1应具有比Ti较少负数的氧化物形成自由能，因为发现与垂直非等向性增强层邻接的Ti缓冲层降低了DRR，这归因于垂直非等向性增强层的吸氧性。
可以通过包括N及Ar物种的反应性环境中溅射沉积M1靶材来形成M1N盖层，其中“物种”一词被定义为离子或自由基。M1N(或M1ON)层可以具有非化学计量的氮化态，其中金属氮化物基质具有未被M1或N原子占据的空位。因此，我们发现当以0.6：1(于MoN中较高的N含量)与5：1(于MoN中较低的N含量)之间的Ar：N流量比例进行沉积时，在FL 14中会发现显著的PMA，以得到FL/垂直非等向性增强层15及盖层16的FL/MgO/MoN叠层。
同样重要的是，使氮从盖层穿过垂直非等向性增强层并进入FL 14的迁移最小化，以不降低DRR。详细而言，氮从M1N或M1ON盖层的迁移应小于从相同厚度的TiN。如前所述，我们发现氮确实在包括FL/MgO/TiN叠层的p-MTJ中迁移到FL中，其中MgO是垂直非等向性增强层，而TiN是盖层。据信上述M1金属及合金在这方面提供了改进。
替代地，盖层16可以包括绝缘金属(M2)氮化物或氮氧化物，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及TI中的一种，与导电金属或合金(M3)合金化，M3选自Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种，以赋予所得的M2M3氮化物(M2M3N)或M2M3氮氧化物(M2M3ON)导电性。M2M3N或M2M3ON层可以通过使用N2流及RIE条件产生等离子体，并在反应腔室中溅射沉积M2及M3靶材形成，或存在氮等离子体的情况下通过溅射M2M3合金形成。
硬掩模17可以包含一层或多层。例如，硬掩模可以是Ta或Ru的单层，或者具有Ru/Ta或Ru/Ta/Ru配置。然而，本公开不限于特定配置，这意味着本领域中使用的其他硬掩模材料是可接受的。一般来说，在图案化p-MTJ的期间，硬掩模可以作为RIE或IBE蚀刻掩模，并且还作为化学机械抛光(CMP)步骤的阻障，其步骤通常用于平坦化用于绝缘p-MTJ单元的封装层。
根据图2所示并显示为p-MTJ 2的本公开的第二实施例，通过在垂直非等向性增强层15和盖层之间插入金属缓冲层18，可以进一步减少氮从盖层16向FL 14的迁移。另外，先前关于p-MTJ 1所描述的所有方面都保留在具有侧壁2s的p-MTJ 2中。可以认为，也被称为粉层的缓冲层中的金属晶格，其吸收氮或与氮反应，而不允许氮扩散至垂直非等向性增强层及其之上。优选地，粉层为先前描述的M1元素中的一种或多种，其对氧的亲和力较Mg低，并且更优选地，其氧亲和力小于根据图10的Ti的氧亲和力。金属缓冲层也具有导电性，以防止RATOTAL出现不希望的增加。在一些实施例中，金属缓冲层的厚度为0.3至
优选地，金属缓冲层具有形成连续膜所需的最小厚度约
因此，根据第二实施例的金属缓冲层/盖层堆叠可以具有M1/M1N、M1/M1ON、M1/M2M3N或M1/M2M3ON配置。
应当理解，在本文所示的所有示例性实施例中，p-MTJ侧壁与BE顶表面10t大抵正交。在其他实施例中，取决于在p-MTJ的图案形成期间用来产生侧壁的RIE或IBE条件，p-MTJ侧壁可以相对于顶表面10t形成介于65度至90度之间的角度。
本公开还包括图3中描绘的第三实施例，其中具有侧壁3s的p-MTJ 3为p-MTJ 2的修改。详细而言，M3金属或合金在绝缘的M2N或M2ON基体16x中形成导电路径19，而不是与氮化物M2或氮氧化物M2形成合金。当M3不与M2氮化物或氮氧化物形成合金时，或者如果M2M3N或M2M3ON盖层中的最大M3含量不足以产生可接受的导电性(最小RA)，则此方法是理想的。在后续的部分中提供了一种在M2N或M2ON基质中形成导电路径的方法。导电路径可在平面内方向上具有从单个原子到多个原子变化的尺寸(宽度)。优选地，每个路径从垂直非等向性增强层15延伸至硬掩模17。此外，路径不一定与基板10正交，而是可以具有除了大抵垂直或垂直于平面的方向之外的平面内分量。
根据图4所示的第四实施例，其中p-MTJ 4具有侧壁4s，第三实施例中的p-MTJ被修改为包括先前关于第二实施例描述的金属缓冲层18。再次，缓冲层有利于大抵减少氮从盖层16x的金属M2氮化物或氮氧化物部分迁移至垂直非等向性增强层15及FL 14。从第二实施例保留缓冲层的所有方面，包括厚度及M1金属成分。
在图5所示的第五实施例中，通过保留所有p-MTJ层以修改图1中的底部自旋阀配置，但改变沉积顺序以产生具有侧壁5s并具有顶部自旋阀配置的p-MTJ 5，其中，在BE 10上依序形成晶种层11、阻障层16、垂直非等向性增强层15、FL 14、穿隧阻障层13、钉扎层12及硬掩模17。FL继续与穿隧阻障层具有第一界面并且与垂直非等向性增强层具有第二界面以增强FL中的PMA。在这种情况下，当钉扎层具有SyAP配置(未示出)时，内部AP1层接触穿隧阻障层的顶表面，而外部AP2层邻接硬掩模的底表面。应注意的是，对于所有顶部自旋阀实施例，用语“盖层”被“阻障层”取替，因为层16不再位于FL及垂直非等向性增强层之上，而是在所述层之下。
在图6中描绘了第六实施例，其中p-MTJ 2中的所有层被保留但以不同的顺序堆叠以产生具有侧壁6s并且具有顶部自旋阀配置的p-MTJ 6。详细而言，在阻障层16和垂直非等向性增强层15之间插入金属缓冲层18，以减少氮从M1N、M1ON、M2M3N或M2M3ON阻障层扩散至垂直非等向性增强层及FL中。因此，在BE 10上依序形成晶种层11、阻障层16、缓冲层18、垂直非等向性增强层15、FL 14、穿隧阻障层13、钉扎层12及硬掩模17。
在图7所示的第七实施例中，图3中的p-MTJ 3被重新配置以提供具有侧壁7s的p-MTJ 7，其中在BE 10上依序形成晶种层11、在其中形成有导电路径19的绝缘基质16x、垂直非等向性增强层15、FL 14、穿隧阻障层13、钉扎层12及硬掩模17。
根据图8所示的第八实施例，其中p-MTJ 8具有侧壁8s，第七实施例中的p-MTJ被修改为包括前述的金属缓冲层18。缓冲层有利于大抵减少氮从绝缘基质16x的金属M2氮化物或氮氧化物部分迁移至垂直非等向性增强层15及FL 14。从第六实施例保留缓冲层的所有方面，包括厚度及M1金属成分。
本公开还包括制造本文所述的p-MTJ单元的方法。本文所述的p-MTJ单元中的所有层可以在Anelva C-7100薄膜溅射系统或相似系统中形成，其通常包括多个物理气相沉积(PVD)腔室，每个腔室可以容纳五个靶材，一个氧化腔室及一个溅射蚀刻腔室。通常，溅射沉积制程包括稀有气体，例如氩气，并且除非需要在氧化腔室中形成穿隧阻障或垂直非等向性增强层，否则不包括氧气。一旦将p-MTJ堆叠中的所有层都放在底部电极上，在约360℃至400℃温度的高温退火可以在真空烘箱中进行1至5小时，以将非结晶穿隧阻障及垂直非等向性增强层以及非结晶FL转变为结晶层，以在穿隧阻障/FL/垂直非等向性增强层堆叠中进行晶格匹配以提升DRR。
此后，可以通过常规的微影图案化制程以及本领域现有的反应性离子蚀刻(RIE)及/或离子束蚀刻(IBE)制程以制造p-MTJ单元的阵列。随后，沉积封装层(未示出)以使p-MTJ单元电性绝缘。通常采用化学机械抛光(CMP)制程在封装层上形成光滑的表面，其表面与每个p-MTJ单元中的硬掩模的上表面共平面。然后，在p-MTJ阵列及封装层上形成包括多条导线(例如位元线或字元线)的顶部电极阵列(未示出)，以继续进行磁性装置的制造。在读取或写入操作期间，电流从BE穿过p-MTJ到达顶部导线，或者反向流动。
关于在图3-4中所示的金属氮化物或金属氮氧化物基质16x中形成导电路径19，可以采用相似于在相关申请号为15/728,818中描述的形成掺杂金属氧化物层的方法。根据第11图所示的一个实施例，在化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子体辅助CVD(PECVD)方法产生的反应气体环境中，在M2N基质中形成由M3金属或合金形成的导电路径，其中M3物种、M2物种及氮物种N同时被导向垂直非等向性增强层15的顶表面15t，并在其上反应形成膜。可以在CVD、PVD或PECVD期间，或在随后促进M3扩散及聚集的退火步骤期间形成导电路径。应当理解，当需要M2ON基质时，反应性气体环境还包括氧物种。
根据图12所示的第二实施例，在第一步骤期间，在垂直非等向性增强层15上沉积具有顶表面16t的M2层16m。然后，执行第二步骤，其中将先前实施例中提到的反应性气体环境限制为氮物种N及M3物种，从而在M2N基质16x中提供导电M3通道19，或限于N、O及M1物种以在图3的M2ON基质中形成M3通道。替代地，可以首先将M2层沉积在金属缓冲层(未示出)上，然后进行第二步骤，使用N及M3物种(或N、O及M1物种)，分别在图4中的M2N或M2ON基质中产生导电M3通道。
在图13所示的第三实施例，其中在垂直非等向性增强层上沉积M2N或M2ON层16x。之后，如图3所示，产生包括M3物种的反应气体环境，并与层16x反应以在其中提供导电通道19。替代地，图13所示的方法表示将M3物种离子注入到M2N或M2ON层中。之后可以使用一个或多个退火步骤来形成导电M3通道。
在图14所示的又一个实施例中，在垂直非等向性增强层上形成三层16x1/16d/16x2的堆叠，之后沉积硬掩模17。应注意的是，层16x1、16x2是M2N或M2ON层，而层16d是M3层。可选地，可以省略16x1及16x2层其中之一以提供双层堆叠。此后，一个或多个退火步骤使M3扩散至M2N或M2ON层中，以在图3所示的M2N或M2ON基质16x中形成导电通道19。
在所有实施例中，通过涉及在硬掩模顶表面17t上的光阻掩模(未示出)中形成图案的常规顺序以图案化p-MTJ 1-8，之后采用一个或多个IBE或RIE步骤将图案转移通过p-MTJ堆叠以分别形成侧壁1s-8s。
图15是在对具有最上层17的p-MTJ堆叠进行图案化，并且沉积且平坦化封装层20以将行与列的阵列中的相邻p-MTJ绝缘之后的俯视图。在示例性实施例中，每个p-MTJ具有临界尺寸w可以小于100nm的圆形。在其他实施例中，每个p-MTJ可以具有椭圆形或多边形形状。
根据本公开实施例在p-MTJ中插入金属氮化物层的性能取决于先形成p-MTJ堆叠层，其中将CoFeB钉扎层、MgO穿隧阻障层、CoFeB FL、MgO垂直非等向性增强层及金属氮化物层沉积在基板上。在室温下测量图案化p-MTJ堆叠的磁滞回线，并在图9a显示相关申请号15/461,779中公开的TiN盖层的磁滞回线作为参考，以及在图9b-9d分别显示根据第一实施例形成并在图1所示的MoN、WN及AlN层的磁滞回线。所有的示例都显示FL中的PMA以及急剧的切换。每个p-MTJ为具有100nm宽度的圆形，并且金属氮化物盖层的目标厚度为
在第二实验中，根据本公开图2所示的第二实施例，在p-MTJ中将厚度为
的Mo缓冲层插入在目标厚度为
的M1N盖层与MgO垂直非等向性增强层之间。实验结果整理在下方表1中。应注意的是，非TiN盖层的厚度尚未最佳化，且进一步的研究预期提供相对于TiN盖层增进的DRR、更高的Hc及更低的RA中的一种或多种。标准化的Hc栏显示具有Mo/M1N堆叠的p-MTJ观察到最佳的Hc，但可能与提供最大DRR的示例不对应。
表1具有晶种层/CoFeB/MgO/CoFeB/MgO/缓冲层/盖层配置的p-MTJ的磁性特性
我们确认根据图2中的第二实施例，在金属氮化物(M1N)盖层和MgO垂直非等向性增强层之间插入金属缓冲层对于减少M1N和MgO之间的相互扩散是有效的。详细而言，当在MgO垂直非等向性增强层和厚度为
的TiN层之间插入Mo缓冲层时，相较于现有技术的MgO/TiN堆叠，DRR增加了10％。此外，根据第二实施例，当在MgO垂直非等向性增强层和厚度为
的MoN层之间插入Mo缓冲层时，相较于没有缓冲层的MoN盖层，DRR增加了3％。应注意的是，表1中的所有结果均已标准化，并与TiN盖层的相对值1.00进行比较。Rp与RATOTAL有关、Vc为开关电压的量度以及Hc为保磁力(coercivity)。
本文描述的所有实施例可以通过标准机台(tools)及制程结合至制造方案中。通过观察到更高的DRR及FL PMA以及更少的电性短路，以达到整体磁性性能的显著提高，同时保持或降低RA以进一步改善64Mb及256Mb的STT-MRAM技术以及相关的自旋电子装置，其中开关电流、RA、DRR、FL PMA及热稳定性都是关键参数。由于每单位生产时间可以使用的组件更多，因此减少电性短路可以达到更高的装置产率及更低的制造成本。当使用根据第一实施例的MoN盖层代替先前在相关申请号15/461,779中公开的TiN盖层时，我们观察到装置良品(80nm p-MTJ单元)的百分比从6％显著增加到26％。
以上绘示与描述本公开优选的实施例，在本公开所属技术领域中具有通常知识者应理解，在不悖离本公开的精神与权利要求下，可作各种的更动。
Claims (43)
1.一种垂直磁性穿隧结(p-MTJ)，包括：
(a)一穿隧阻障层，为一第一金属氧化物层；
(b)一垂直非等向性增强层，为一第二金属氧化物层或一金属氮氧化物层；
(c)一自由层(FL)，该自由层具有一第一表面与该穿隧阻障层形成一第一界面，该自由层具有一第二表面与该垂直非等向性增强层形成一第二界面，其中该第一界面及第二界面各别在该自由层中产生垂直磁非等向性(PMA)；以及
(d)一金属氮化物或金属氮氧化物盖层或阻障层，接触该垂直非等向性增强层与该第二界面相反的一侧。
2.如权利要求1所述的垂直磁性穿隧结，其中该自由层为单层或多层，该自由层为Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoB、FeB、CoFeNi及CoFeNiB或其合金中的一种或多种，其中Fe含量大于磁性元素/成分总含量的50原子％(富铁)。
3.如权利要求1所述的垂直磁性穿隧结，其中该自由层为一种哈斯勒合金，为Ni2MnZ、Pd2MnZ、Co2MnZ、Fe2MnZ、Co2FeZ、Mn3Ge或Mn2Ga中的一种，其中Z为Si、Ge、Al、Ga、In、Sn及Sb中的一种，或该自由层为一有序的L10或L11材料，为MnAI、MnGa或RT中的一种，其中R为Rh、Pd、Pt、Ir或其合金，T为Fe、Co、Ni或其合金，或该自由层为TbFeCo、GdCoFe、FeNdB或SmCo的稀土合金。
4.如权利要求1所述的垂直磁性穿隧结，其中该垂直非等向性增强层中的该金属为Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V及Hf中的一种或多种，且该垂直非等向性增强层为单层或叠层。
5.如权利要求1所述的垂直磁性穿隧结，其中该盖层或阻障层具有M1N或M1ON组成，其中M1为金属或合金，为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的垂直磁性穿隧结，其中该盖层或阻障层具有M2M3N或M2M3ON组成，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及TI中的一种，M3为Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的垂直磁性穿隧结，其中该盖层或阻障层包括M2N或M2ON基质，具有M3金属形成的多个导电路径，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及Tl中的一种，M3为Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的垂直磁性穿隧结，其中该自由层的厚度约为5至
9.如权利要求1所述的垂直磁性穿隧结，其中该穿隧阻障层为MgO、Al2O3、MgAlO、TiOx、AlTiO、MgZnO、Al2O3、ZnO、ZrOx、HfOx及MgTaO中的一种或其叠层。
10.如权利要求1所述的垂直磁性穿隧结，其中还包括与该穿隧阻障层邻接的一钉扎层，其中该垂直磁性穿隧结为磁阻式随机存取存储器(MRAM)、自旋力矩转移-磁性随机存取存储器(STT-MRAM)、自旋力矩振荡器、自旋霍尔效应装置、磁性传感器或生物传感器的一部分。
11.一种垂直磁性穿隧结(p-MTJ)结构，包括：
(a)一穿隧阻障层，为一第一金属氧化物层；
(b)一垂直非等向性增强层，为一第二金属氧化物层或一金属氮氧化物层；
(c)一自由层(FL)，该自由层具有一第一表面与该穿隧阻障层形成一第一界面，该自由层具有一第二表面与该垂直非等向性增强层形成一第二界面，其中该第一界面及第二界面各别在该自由层中产生垂直磁非等向性(PMA)；以及
(d)一金属氮化物或金属氮氧化物盖层或阻障层；以及
(e)一金属缓冲层，具有一第一表面与该垂直非等向性增强层接触，及一第二表面邻接该盖层或阻障层。
12.如权利要求11所述的磁性元件，其中该自由层为单层或多层，该自由层为Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoB、FeB、CoFeNi及CoFeNiB或其合金中的一种或多种，其中Fe含量大于磁性元素/成分总含量的50原子％(富铁)。
13.如权利要求11所述的垂直磁性穿隧结，其中该自由层为一种哈斯勒(Heusler)合金，为Ni2MnZ、Pd2MnZ、Co2MnZ、Fe2MnZ、Co2FeZ、Mn3Ge或Mn2Ga中的一种，其中Z为Si、Ge、Al、Ga、In、Sn及Sb中的一种，或该自由层为一有序的L10或L11材料，为MnAI、MnGa或RT中的一种，其中R为Rh、Pd、Pt、Ir或其合金，T为Fe、Co、Ni或其合金，或该自由层为TbFeCo、GdCoFe、FeNdB或SmCo的稀土合金。
14.如权利要求11所述的垂直磁性穿隧结，其中该垂直非等向性增强层中的该金属为Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V及Hf中的一种或多种，且该垂直非等向性增强层为单层或叠层。
15.如权利要求11所述的垂直磁性穿隧结，其中该盖层或阻障层具有M1N或M1ON组成，其中M1为金属或合金，为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
16.如权利要求11所述的垂直磁性穿隧结，其中该盖层或阻障层具有M2M3N或M2M3ON组成，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及TI中的一种，M3为Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
17.如权利要求11所述的垂直磁性穿隧结，其中该盖层或阻障层包括M2N或M2ON基质，具有M3金属或合金形成的多个导电路径，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及Tl中的一种，M3为Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
18.如权利要求11所述的垂直磁性穿隧结，其中该自由层的厚度约为5至
19.如权利要求11所述的垂直磁性穿隧结，其中该穿隧阻障层为MgO、Al2O3、MgAlO、TiOx、AlTiO、MgZnO、Al2O3、ZnO、ZrOx、HfOx及MgTaO中的一种或其叠层。
20.如权利要求11所述的垂直磁性穿隧结，还包括与该穿隧阻障层邻接的一钉扎层，其中该垂直磁性穿隧结为磁阻式随机存取存储器(MRAM)、自旋力矩转移-磁性随机存取存储器(STT-MRAM)、自旋力矩振荡器、自旋霍尔效应装置、磁性传感器或生物传感器的一部分。
21.如权利要求11所述的垂直磁性穿隧结，其中该金属缓冲层为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
22.一种形成垂直磁性穿隧结(p-MTJ)的方法，包括：
(a)形成一穿隧阻障层于一基板上；
(b)沉积一自由层(FL)于该穿隧阻障层上；
(c)形成一垂直非等向性增强层于该自由层上，该垂直非等向性增强层为一金属氧化物或金属氮氧化物；以及
(d)形成一金属氮化物或金属氮氧化物盖层于该垂直非等向性增强层上。
23.如权利要求22所述的方法，其中该垂直非等向性增强层中的该金属为Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V及Hf中的一种或多种，且该垂直非等向性增强层为单层或叠层。
24.如权利要求22所述的方法，其中该盖层具有M1N或M1ON组成，其中M1为金属或合金，为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
25.如权利要求22所述的方法，其中该盖层具有M2M3N或M2M3ON组成，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及TI中的一种，M3为Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
26.如权利要求22所述的方法，其中该盖层包括M2N或M2ON基质，具有M3金属或合金形成的多个导电路径，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及Tl中的一种，M3为Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种
27.一种形成垂直磁性穿隧结(p-MTJ)的方法，包括：。
(a)形成一穿隧阻障层于一基板上；
(b)沉积一自由层(FL)于该穿隧阻障层上；
(c)形成一垂直非等向性增强层于该自由层上，该垂直非等向性增强层为一金属氧化物或金属氮氧化物；
(d)沉积一金属缓冲层于该垂直非等向性增强层上；以及
(e)形成一金属氮化物或金属氮氧化物盖层于该金属缓冲层上。
28.如权利要求27所述的方法，其中该垂直非等向性增强层中的该金属为Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V及Hf中的一种或多种，且该垂直非等向性增强层为单层或叠层。
29.如权利要求27所述的方法，其中该盖层具有M1N或M1ON组成，其中M1为金属或合金，为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
30.如权利要求27所述的方法，其中该盖层具有M2M3N或M2M3ON组成，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及TI中的一种，M3为Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
31.如权利要求27所述的方法，其中该盖层包括M2N或M2ON基质，具有M3金属或合金形成的多个导电路径，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及Tl中的一种，M3为Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种
32.如权利要求27所述的方法，其中该金属缓冲层为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
33.一种形成垂直磁性穿隧结(p-MTJ)的方法，包括：
(a)形成一金属氮化物或金属氮氧化物阻障层于一基板上；
(b)形成一垂直非等向性增强层于该阻障层上，该垂直非等向性增强层为一金属氧化物或金属氮氧化物；
(c)沉积一自由层(FL)于该垂直非等向性增强层上；以及
(d)形成一穿隧阻障层于该自由层上。
34.如权利要求33所述的方法，其中该垂直非等向性增强层中的该金属为Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V及Hf中的一种或多种，且该垂直非等向性增强层为单层或叠层。
35.如权利要求33所述的方法，其中该阻障层具有M1N或M1ON组成，其中M1为金属或合金，为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
36.如权利要求33所述的方法，其中该阻障层具有M2M3N或M2M3ON组成，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及TI中的一种，M3为Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
37.如权利要求33所述的方法，其中该阻障层包括M2N或M2ON基质，具有M3金属或合金形成的多个导电路径，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及Tl中的一种，M3为Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
38.一种形成垂直磁性穿隧结(p-MTJ)的方法，包括：
(a)形成一金属氮化物或金属氮氧化物阻障层于一基板上；
(b)沉积一金属缓冲层于该阻障层上；
(c)形成一垂直非等向性增强层于该阻障层上，该垂直非等向性增强层为一金属氧化物或金属氮氧化物；
(d)沉积一自由层(FL)于该垂直非等向性增强层上；以及
(e)形成一穿隧阻障层于该自由层上。
39.如权利要求38所述的方法，其中该垂直非等向性增强层中的该金属为Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V及Hf中的一种或多种，且该垂直非等向性增强层为单层或叠层。
40.如权利要求38所述的方法，其中该阻障层具有M1N或M1ON组成，其中M1为金属或合金，为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
41.如权利要求38所述的方法，其中该阻障层具有M2M3N或M2M3ON组成，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及TI中的一种，M3为Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
42.如权利要求38所述的方法，其中该阻障层包括M2N或M2ON基质，具有M3金属或合金形成的多个导电路径，其中M2为B、Al、Si、Ga、In及Tl中的一种，M3为Pt、Au、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Co、Fe、Mn、Ru、Rh、Ir、Ni、Pd、Zn、Cu、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
43.如权利要求38所述的方法，其中该金属缓冲层为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的一种或多种。
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