CN112928202A - 磁性隧道结结构及其应用的磁性随机存储器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器，所述磁性隧道结结构包括三亚层的多层材料结构形成的覆盖层。本申请通过多层覆盖层结构设计及其工艺，增加来源于覆盖层与自由层界面效应的自由层磁垂直各向异性，并可在结电阻面积积缩小的前提下，保持相对较高的隧穿磁阻率，同时避免覆盖层在沉积或/和退火工艺中，被沉积的金属损伤自由层/底部覆盖层的界面而导致的磁垂直各向异性减弱的风险，以保持热稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及存储器技术领域，特别是关于一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器。
背景技术
磁性随机存储器(Magnetic random access memory，MRAM)在具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy；PMA)的磁性隧道结(Magnetic tunnel junction；MTJ)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或者“1”和“0”，在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向会保持不变；在写的过程中，如果与现有状态不相同的信号输入时，则自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生一百八十度的翻转。磁随机存储器的自由层磁化方向保持不变的能力叫做数据保存能力或者是热稳定性，在不同的应用情况中要求不一样，对于一个典型的非易失存储器(Non-volatile Memory，NVM)而言，例如：应用于汽车电子领域，数据保存能力要求是在125℃或150℃的条件下可以保存数据至少十年，在外磁场翻转，热扰动，电流扰动或读写多次操作时，都会造成数据保持能力或者是热稳定性的降低。
热稳定性因子(Thermal Stability factor)则可以表示为如下的公式：
其中，Keff为自由层的有效各向能量密度，V为自由层的体积，KV为体各向异性常数Ms为自由层饱和磁化率，Nz垂直方向的退磁化常数，t为自由层的厚度，Ki为界面各向异性常数，DMTJ为磁性随机存储器的关键尺寸(一般指自由层的直径)，As为刚度积分交换常数，Dn为由层翻转过程中反向核的尺寸(一般指反向核的直径)，V为自由层的体积，KB为波尔兹曼常数，T为温度。实验表明当自由层的厚度较厚时表现为面内各向异性，较薄时，表现为垂直各向异性，KV一般可以忽略不计，而退磁能对垂直各向异性的贡献为负值，因此垂直各向异性完全来自界面效应(Ki)。
更进一步地，
则有，
其中,HK为垂直有效各向异性场。要保证足够高的热稳定性因子Δ,在体积缩小的前提小，对HK的要求越来越高。
为了提升MRAM的存储密度与满足更高技术节点的CMOS的电路要求，磁性隧道结的关键尺寸(Critical Dimension，CD)越来越小，相对的，磁性隧道结的电阻面积积(Resistance Area Product，RA)也越来越小。在磁性隧道关键尺寸减小的同时，要求保证足够高的隧穿磁阻率(Tunnel Magnetoresistance Ratio，TMR)，以保证较高的读取速度。为了减小RA，通常会减小底部覆盖层的厚度，但晶体结构会急剧变差，后续沉积的金属覆盖层，容易在沉积或/和后续的退火工艺中，穿过覆盖层而到达自由层与覆盖层的界面，影响MTJ 单元结构的界面特性，使热稳定性变差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种的多层覆盖层的磁性隧道结结构及磁性随机存储器。
本申请的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
依据本申请提出的一种磁性隧道结结构，设置于磁性随机存储单元，所述磁性隧道结通过溅射沉积形成，并于沉积后进行热退火处理。所述磁性隧道结由上至下结构包括覆盖层(Capping Layer，CL)、自由层(Free Layer，FL)、势垒层(Tunneling BarrierLayer，TBL)、参考层(Reference Layer，RL)、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)与种子层(Seed Layer；SL)，其中，所述覆盖层包括：第一覆盖层，由金属氧化物形成，优选具有NaCl晶系立方晶格结构的MgO等材料，用于为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性界面；第二覆盖层，设置于所述第一覆盖层上方，为低Z(低原子序数)金属或非金属导电材料形成；第三覆盖层，设置于所述第二覆盖层上方，由高Z(高原子序数)金属形成。所述第二覆盖层的原子能在后续热退火处理中扩散至所述第一覆盖层中。
本申请解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
在本申请的一实施例中，所述第一覆盖层的总厚度为0.4nm～1.2nm，其组成材料为 MgO、ZnO、Al2O3、MgAl2O4、Mg3B2O6、MgSi2O4、MgZnO4、AlN、AlON、SrTiO3、CoFe2O4、 NiFe2O4、MoO2、RuO2、VO2、CrO2、NbO2、WO2、ReO2、OsO2、IrO2、PtO2、V3O5、Ti3O5、 TiO、VO、NbO、LaO、NdO、SmO、EuO、SrO、BaO、NiO、LiTi2O4、LiV2O4、Fe3O4、 ReO3、CaCrO3、SrCrO3、BaMoO3、SrMoO3、CaMoO3、LaCuO3、CaRuO3、SrVO3、BaTO3、 Ti2O3、V2O3、Rh2O3、TiO2、SnO2、Cu2O、Ag2O、In2O3、WO3、TaO2或其组合组成的氧化物。
在本申请的一实施例中，所述第一覆盖层材料为MgO/X的双层材料，其中X为SrTiO3、CoFe2O4、NiFe2O4、MoO2、RuO2、VO2、CrO2、NbO2、WO2、ReO2、OsO2、IrO2、 PtO2、V3O5、Ti3O5、TiO、VO、NbO、LaO、NdO、SmO、EuO、SrO、BaO、NiO、LiTi2O4、 LiV2O4、Fe3O4、ReO3、CaCrO3、SrCrO3、BaMoO3、SrMoO3、CaMoO3、LaCuO3、CaRuO3、 SrVO3、BaTO3、Ti2O3、V2O3、Rh2O3、TiO2、SnO2、Cu2O、Ag2O、In2O3、WO3与TaO2中的至少一者。
在本申请的一实施例中，所述第一覆盖层的形成是通过直接对金属氧化物靶材进行溅射沉积，或者通过先对金属靶材进行溅射沉积，再通过氧化工艺将沉积的金属变为金属氧化物；更进一步地，所述第一覆盖层形成之后，可以选择保持真空状态下，先执行加热工艺来进行热处理，再冷却到室温或超低温，以形成NaCl晶系面心立方晶格结构。
在本申请的一实施例中，沉积金属氧化物或金属工艺采用PVD工艺实现，其工作压力为0.1mTorr～10.0mTorr。
在本申请的一实施例中，所述氧化工艺采用O，O2或O3的方式实现，其工作气压采用常压或采用超低压，其中，所述超低压小于0.1mTorr。
在本申请的一实施例中，采用先进行金属沉积，在进行氧化生成金属氧化物的工艺技术方案时，是通过一次沉积一次氧化实现，或者通过多次沉积多次氧化实现。即所述第一覆盖层为双层的MgO/MgOx结构，x<1，MgOx是采用先对Mg金属靶材进行溅射沉积，然后再对溅射沉积的Mg薄膜进行氧化以形成MgOx的方式实现。
在本申请的一实施例中，采用高温对金属氧化物或金属进行沉积。
在本申请的一实施例中，所述加热工艺采用红外、微波或激光作为辐射源，其温度为150℃～600℃。
在本申请的一实施例中，所述加热工艺进行期间，通入He，N2，Ne，Ar，Kr或 Xe气体。
在本申请的一实施例中，热处理时间为10秒～1小时不等。
在本申请的一实施例中，所述加热工艺进行期间，引入垂直磁场，其磁场强度为1.5T～5.0T；所述垂直磁场的磁化方向垂直于所述第一覆盖层的膜平面。
在本申请的一实施例中，所述超低温为10K～20K，优选的为10K，77K，100K或 20K。
在本申请的一实施例中，冷却作业之前，通入He气体。
在本申请的一实施例中，所述第二覆盖层的厚度不大于1.5个原子层，或不大于0.6nm，其组成材料为C、Mg、Al、Si、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、 Ga、Y、Zr、Nb、Mo或Tc。
在本申请的一实施例中，所述第二覆盖层为溅射沉积形成。
在本申请的一实施例中，溅射沉积气压为1mTorr～20mTorr，优选为1mTorr～5mTorr。
在本申请的一实施例中，溅射离子源为Ar+，Kr+或Xe+，优选为Kr+或Xe+。
在本申请的一实施例中，溅射沉积能量为20eV～700eV，优选为20eV～150eV。
在本申请的一实施例中，所述第三覆盖层的总厚度为0.5nm～10.0nm，其材料为Ru、 Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au或其合金、或其组成的多层材料形成。第三覆盖层的主要作用在于调节磁性隧道结(MTJ)单元自由层的矫顽力Hc和有效垂直各向异性磁场强度HK。其中矫顽力是指磁性隧道结自由层在外磁场作用的翻转磁场强度。通过前述的热稳定性因子公式得知，当自由层的有效垂直各向异性磁场强度
可被有效控制时，其即可将热稳定性因子被调节在可控范围内，有助于整体MTJ的运作稳定性，进而增强其热稳定性和磁场免疫能力(Magnetic Immunity)，更一步地，可以作为后续顶电极刻蚀的刻蚀阻挡层。其中，矫顽力Hc为磁性隧道结(MTJ)自由层(FL)在外磁场作用下在翻转磁场强度。
在本申请的一实施例中，所述第三覆盖层或所述保护层形成后或所述磁性隧道结结构形成后，采用红外、微波或激光作为辐射源加热工艺进行不低于摄氏350℃的高温热处理，以促成所述第二覆盖层的原子扩散至所述第一覆盖层晶格结构中，造成所述第一覆盖层的平面晶格扩张，增强自由层磁垂直各向异性。
本申请另一目的为提供一种磁性随机存储器，其储存单元包括如前所述磁性隧道结结构中任一者，设置于所述磁性隧道结结构上方的顶电极，及设置于所述磁性隧道结结构下方的底电极。
在本申请的一实施例中，在所述底电极、种子层、反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层、保护层和顶电极沉积之后，在不小于350℃的温度下进行至少 30分钟的退火操作。
本申请通过多层覆盖层结构设计，可在结电阻面积积缩小的前提下，保持相对较高的隧穿磁阻率，增加来源于覆盖层与自由层界面效应的自由层磁垂直各向异性，同时避免覆盖层在沉积或/和退火工艺中，被沉积的金属穿过覆盖层，而到达自由层/底部覆盖层的界面，以保持热稳定性。
附图说明
图1为范例性的磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；
图2为本申请实施例磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；
图3为本申请实施例的第一覆盖层进行加热和冷却的示意图；
图4a为本申请实施例的第一覆盖层进行加热和冷却处理前MgO覆盖层中原子排列示意图；
图4b为本申请实施例的第一覆盖层进行加热和冷却处理后MgO覆盖层中原子排列示意图；
图5为本申请实施例的第一覆盖层之上沉积第二覆盖层的示意图；
图6为元素电负性周期表。
具体实施方式
请参照附图中的图式，其中相同的组件符号代表相同的组件。以下的说明是基于所例示的本申请具体实施例，其不应被视为限制本申请未在此详述的其它具体实施例。
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本申请可用以实施的特定实施例。本申请所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本申请，而非用以限制本申请。
本申请的说明书和权利要求书以及上述附图中的述语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情形下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及其它相类似实施例的变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本申请说明书中使用的术语仅用来描述特定实施方式，而并不意图显示本申请的概念。除非上下文中有明确不同的意义，否则，以单数形式使用的表达涵盖复数形式的表达。在本申请说明书中，应理解，诸如“包括”、“具有”以及“含有”等术语意图说明存在本申请说明书中揭示的特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性，而并不意图排除可存在或可添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性。附图中的相同参考标号指代相同部分。
附图和说明被认为在本质上是示出性的，而不是限制性的。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。另外，为了理解和便于描述，附图中示出的每个组件的尺寸和厚度是任意示出的，但是本申请不限于此。
在附图中，为了清晰、理解和便于描述，夸大设备、系统、组件、电路的配置范围。将理解的是，当组件被称作“在”另一组件“上”时，所述组件可以直接在所述另一组件上，或者也可以存在中间组件。
另外，在说明书中，除非明确地描述为相反的，否则词语“包括”将被理解为意指包括所述组件，但是不排除任何其它组件。此外，在说明书中，“在......上”意指位于目标组件上方或者下方，而不意指必须位于基于重力方向的顶部上。
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施例，对依据本发明提出的一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器，其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。
图1a为范例性的磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；图1b为范例性的磁性存储单元的底部MgO覆盖层的结构示意图。所述磁性存储单元结构至少包括底电极(Bottom Electrode，BE)10、磁性隧道结(MTJ)20与顶电极(Top Electrode，TE)30形成的多层结构。
在一些实施例中，底电极10为钛(Ti)，氮化钛(TiN)，钽(Ta)，氮化钽(TaN)，钌(Ru)，钨(W)，氮化钨(WN)或其组合；顶电极30组成材料为钛(Ti)，氮化钛(TiN)，钽(Ta)，氮化钽 (TaN)，钨(W)，氮化钨(WN)或其组合。所述磁性存储单元结构一般采用物理气相沉积(PVD) 的方式实现，通常在底电极10沉积之后，都会对其平坦化处理，以达到制作磁性隧道结20 的表面平整度。
在一些实施例中，所述磁性隧道结(MTJ)20，由上至下结构包括保护层(Protecting Layer，PL)及覆盖层(Capping Layer，CL)27、自由层(Free Layer；FL)26、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TBL)25、参考层(Reference Layer，RL)24、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer， CBL)23、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)22与种子层(Seed Layer；SL)21。
如图1a与图1b所示，在一些实施例中，所述覆盖层27一般包括底部为MgO的多层膜，所述自由层26由钴铁硼合金CoFeB、铁化钴FeCo/钴铁硼合金CoFeB、铁Fe/钴铁硼合金CoFeB、或钴铁硼合金CoFeB/(钽Ta，钨W，钼Mo或铪Hf其中之一)/钴铁硼合金 CoFeB等单层或多层结构组成。为了提高磁性随机存储器的密度，覆盖层27一般具有NaCl 晶系(001)平面晶向的结构，此时，覆盖层27可以为自由层26提供额外的一个界面各向异性，从而增强了MTJ单元结构的热稳定性。为了提升MRAM的存储密度与满足更高技术节点的CMOS的电路要求，磁性隧道结的关键尺寸(Critical Dimension，CD)越来越小，相对的，磁性隧道结的电阻面积积(Resistance Area Product，RA)也越来越小。在磁性隧道关键尺寸减小的同时，要求保证足够高的隧穿磁阻率(Tunnel Magnetoresistance Ratio，TMR)，以保证较高的读取速度。为了减小RA，通常会减小覆盖层27的厚度，当MgO厚度减小时，其晶体结构会急剧变差，后续沉积的金属M，容易在沉积或/和后续的退后工艺中，穿过 MgO，而到达自由层及/或覆盖层的底部MgO界面(如图1b)，进一步，会影响MTJ单元结构的界面特性，使热稳定性变差。
图2为本申请实施例磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；图3为本申请实施例的第一覆盖层进行加热和冷却的示意图；图4a为本申请实施例的第一覆盖层进行加热和冷却处理前MgO覆盖层中原子排列示意图；图4b为本申请实施例的第一覆盖层进行加热和冷却处理后MgO覆盖层中原子排列示意图；图5为本申请实施例的第一覆盖层之上沉积第二覆盖层的示意图；图6为元素电负性周期表。现有技术请同时配合图1以利于理解。
如图2所示，在本申请的一实施例中，一种磁性隧道结结构20，设置于磁性随机存储单元，所述磁性隧道结20通过溅射沉积形成，并于沉积后进行热退火处理。所述磁性隧道结20由上至下结构包括覆盖层(Capping Layer，CL)27、自由层(Free Layer，FL)26、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TBL)25、参考层(Reference Layer，RL)24、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)23、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)22与种子层(Seed Layer；SL)21，其中，所述覆盖层27包括：第一覆盖层271，由金属氧化物形成，优选具有 NaCl晶系立方晶格结构的MgO等材料，用于为所述自由层26提供一个额外的垂直各向异性界面；第二覆盖层272，设置于所述第一覆盖层271上方，为低Z(低原子序数)金属或非金属导电材料形成；第三覆盖层273，设置于所述第二覆盖层272上方，由高Z(高原子序数)金属形成。所述第二覆盖层272的原子能在后续热退火处理中扩散至所述第一覆盖层271中。
在本申请的一实施例中，第一覆盖层271的总厚度为0.4nm～1.2nm，其组成材料为具有NaCl晶系立方晶格(001)结构的MgO、ZnO、Al2O3、MgAl2O4、Mg3B2O6、MgSi2O4、 MgZnO4、AlN、AlON、SrTiO3、CoFe2O4、NiFe2O4、MoO2、RuO2、VO2、CrO2、NbO2、 WO2、ReO2、OsO2、IrO2、PtO2、V3O5、Ti3O5、TiO、VO、NbO、LaO、NdO、SmO、EuO、 SrO、BaO、NiO、LiTi2O4、LiV2O4、Fe3O4、ReO3、CaCrO3、SrCrO3、BaMoO3、SrMoO3、 CaMoO3、LaCuO3、CaRuO3、SrVO3、BaTO3、Ti2O3、V2O3、Rh2O3、TiO2、SnO2、Cu2O、Ag2O、In2O3、WO3、TaO2或其组合组成的氧化物，其主要作用在于为自由层26提供一个额外的垂直各向异性界面，从而增强其热稳定性。在本申请的一实施例中，所述第一覆盖层的形成是通过直接对金属氧化物靶材进行溅射沉积，或者通过先对金属靶材进行溅射沉积，再通过氧化工艺将沉积的金属变为金属氧化物；更进一步地，所述第一覆盖层形成之后，可以选择保持真空状态下，先执行加热工艺来进行热处理，再冷却到室温或超低温，以形成NaCl晶系面心立方晶格结构。进一步地，沉积金属氧化物或金属工艺采用PVD工艺实现，其工作压力为0.1mTorr～10.0mTorr，选择较小的压力可以增强NaCl晶系(001)结晶相。优选的，金属为Mg，金属氧化物为MgO。
在本申请的一实施例中，所述第一覆盖层271材料为MgO/X的双层材料，其中X 为SrTiO3、CoFe2O4、NiFe2O4、MoO2、RuO2、VO2、CrO2、NbO2、WO2、ReO2、OsO2、 IrO2、PtO2、V3O5、Ti3O5、TiO、VO、NbO、LaO、NdO、SmO、EuO、SrO、BaO、NiO、 LiTi2O4、LiV2O4、Fe3O4、ReO3、CaCrO3、SrCrO3、BaMoO3、SrMoO3、CaMoO3、LaCuO3、 CaRuO3、SrVO3、BaTO3、Ti2O3、V2O3、Rh2O3、TiO2、SnO2、Cu2O、Ag2O、In2O3、WO3与TaO2中的至少一者。
在本申请的一实施例中，氧化工艺可以采用O，O2或O3的方式实现，其工作气压可以采用常压，也可以采用超低压，比如：小于0.1mTorr。
在一些实施例中，采用先进行金属沉积，在进行氧化生成金属氧化物的工艺技术方案时，是通过一次沉积一次氧化实现，或者通过多次沉积多次氧化实现。即所述第一覆盖层271为双层的MgO/MgOx结构，x<1，MgOx是采用先对Mg金属靶材进行溅射沉积，然后再对溅射沉积的Mg薄膜进行氧化以形成MgOx的方式实现。
在本申请的一实施例中，采用高温对金属氧化物或金属进行沉积。
在本申请的一实施例中，如图3所示，所述第一覆盖层271采用热处理，并冷却到室温或超低温，以使得在第二覆盖层272沉积之前的第一覆盖层271的MgO具有完美的FCC(001)结构。
在本申请的一实施例中，加热工艺可以采用红外(Infrared，IR)、微波(Microwave， MW)或激光(Laser/Beam)作为辐射源，其温度为150℃～600℃。进一步地，可以通入少量的He，N2，Ne，Ar，Kr或Xe等，以增加热工艺腔体的热传输效率。热处理时间为10秒～1小时不等。
在本申请的一实施例中，在加热过程中，可以引入垂直磁场，其磁场强度为 1.5T～5.0T。其磁化方向垂直于第一覆盖层271的膜平面。
在本申请的一实施例中，在冷却的过程中，采用冷却到室温(Root Temperature，RT) 或进行超低温冷凝(Cryogenic Cool)，比如：10K，77K，100K，200K等。更进一步地，一般在冷凝台和样品(晶圆)之前，通入He等，以获得更高的冷却效果。
在本申请的一实施例中，如图4a与图4b所示，经过加热和冷却工艺后，第一覆盖层271具有更加完美的NaCl晶系(001)原子排列。加热工艺的较优效果为可以使Mg原子和 O原子从新排列，从而倾向完美的NaCl晶系(001)平面晶向结构，冷却工艺可以使第一覆盖层271的上表面的原子的活性降低，其原子排列更加整齐，界面更加完美。
在本申请的一实施例中，第二覆盖层272的总厚度为0.4nm～2.5nm，其形成材料为具有高电负性的低Z(低原子序数)金属或非金属导电材料，所述第二覆盖层的厚度不大于1.5个原子层，或不大于0.6nm，其组成材料为C、Mg、Al、Si、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、 Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo或Tc。在后续的加热退火过程中，第二覆盖层的原子将会部分扩散到第一覆盖层，从而有力于RA的降低和TMR的提升。选用高电负性的低Z材料的主要目的，在于在后续退火处理工艺中其半径小的原子能得以扩散至第一覆盖层271的半径大的原子晶格中，并避免即使其半径小的极少数原子进一步扩散第一覆盖层271界面仍不会破坏第一覆盖层271具有完美的NaCl晶系(001)晶体结构，从而进一步增加第一覆盖层271的平面晶格长度，得以增加自由层的磁垂直各向异性，从而有利于保证超小尺寸MTJ器件的热稳定性。
如图6为元素的电负性元素周期表，为了不破坏第一覆盖层271，即：MgO覆盖测的晶体结构，建议采用与O具体较高的形成熵(Formation Enthalpy)元素，即：高电负性元素。
在本申请的一实施例中，如图5所示，在溅射沉积过程中，最重要的事情就是减少溅射第二覆盖层272溅射原子，以及溅射气体或离子对第一覆盖层271的损伤。进一步的，溅射沉积气压为1mTorr～20mTorr，优选，1mTorr～5mTorr；溅射离子源为Ar+，Kr+或Xe+，优选，Kr+或Xe+；溅射沉积能量为20eV～700eV，优选，20eV～150eV。较高的气压，较重的惰性气体离子源和较低的溅射气体能力可以有效的避免对第一覆盖层271的损伤。在本申请的一实施例中，可以采用高温对MgO或Mg进行沉积。
在本申请的一实施例中，所述第三覆盖层273的一般由高Z金属组成，总厚度为0.5nm～10.0nm，其材料为Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au或其合金、或其组成的多层材料形成。第三覆盖层273选用高电负性的高Z材料的主要目的在于，一是在于保护第二覆盖层272，二是有效隔离第二覆盖层272与其它顶电极30，三是调节磁性隧道结(MTJ)单元自由层的Hc和HK(其中，Hc为矫顽力，即：磁性隧道结自由层在外磁场作用的翻转磁场强度，HK为有效垂直各向异性磁场强度)，进而增强其热稳定性和磁场免疫能力(MagneticImmunity)。更一步地，第三覆盖层273可以作为后续顶电极30刻蚀的刻蚀阻挡层。
请同时参阅图2至图6，在本申请的实施例中，一种磁性随机存储器，其储存单元包括如前所述磁性隧道结20结构中任一者，设置于所述磁性隧道结20结构上方的顶电极 30，及设置于所述磁性隧道结20结构下方的底电极10。
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的种子层21的材料为选自钛Ti，氮化钛TiN、钽Ta、氮化钽TaN、钨W、氮化钨WN、钌Ru、钯Pt、铬Cr、钴化铬CrCo、镍Ni、镍化铬CrNi、硼化钴CoB、硼化铁FeB、钴铁硼合金CoFeB等其中之一或及其组合。在一些实施例中，所述种子层21可选自钽Ta/钌Ru，钽Ta/铂Pt，钽Ta/铂Pt/钌Ru等多层结构其中之一。
反铁磁层22，正式名称为反平行铁磁超晶格层(Anti-Parallel MagneticSupper-lattice) 22也叫合成反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet，SyAF)。一般是由[钴Co/铂Pt]n钴Co/(钌 Ru、铱Ir、铑Rh)、[钴Co/铂Pt]n钴Co/(钌Ru、铱Ir、铑Rh)/(钴Co、钴Co[钴Co/铂Pt]m)、 [钴Co/钯Pd]n钴Co/(钌Ru、铱Ir、铑Rh)、[钴Co/铂Pt]n钴Co/(钌Ru、铱Ir、铑Rh)/(钴 Co、钴Co[钴Co/铂Pt]m)、[钴Co/镍Ni]n钴Co/(钌Ru、铱Ir、铑Rh)或[钴Co/镍Ni]n钴Co/(钌 Ru、铱Ir、铑Rh)/(钴Co，钴Co[镍Ni/钴Co]m)超晶格组成，其中，n>m≥0，优选的，钴(Co)和铂(Pt)的单层厚度在0.5奈米之下，比如：0.10奈米，0.15奈米，0.20奈米，0.25奈米，0.30奈米，0.35奈米，0.40奈米，0.45奈米或0.50奈米…等。在一些实施例中，所述反铁磁层22的每一层结构的厚度为相同或相异。所述反铁磁层22具有很强的垂直各向异性(PMA)。
在本申请的一实施例中，参考层24在反铁磁层22的铁磁耦合下，具有磁极化不变性。参考层24的材料为选自钴Co，铁Fe，镍Ni，铁化钴CoFe，硼化钴CoB，硼化铁FeB，钴铁碳CoFeC与钴铁硼合金CoFeB其中之一或及其组合，所述参考层25的厚度为0.5奈米至1.5奈米间。
由于反铁磁层22具有面心立方(FCC)晶体结构，而参考层24的晶体结构为体心立方(BCC)，晶格并不匹配，为了实现从反铁磁层22到参考层24的过渡和铁磁耦合，一般会在两层材料之间添加一层晶格隔断层23，晶格隔断层23的材料为选自钽Ta、钨W、钼Mo、铪Hf、铁Fe、钴Co其中之一或其组合，组合包括但不限于钴Co(钽Ta、钨W、钼Mo或铪Hf)，铁Fe(钽Ta、钨W、钼Mo或铪Hf)，铁钴FeCo(钽Ta、钨W、钼Mo或铪Hf)或铁钴硼FeCoB(钽Ta、钨W、钼Mo或铪Hf)，所述晶格隔断层23的厚度为0.1奈米至0.5奈米间。
在一些实施例中，势垒层25为非磁性金属氧化物形成，其厚度为0.6奈米至1.5奈米之间，所述非磁性金属氧化物包括氧化镁MgO、镁锌氧化物MgZnO、氧化锌ZnO、氧化铝Al2O3、氮化镁MgN、镁硼氧化物Mg3B2O6或MgAl2O4。优选的，可采用氧化镁MgO。
在本申请的一实施例中，所述自由层26具有可变磁极化，其材料为选自硼化钴CoB、硼化铁FeB、钴铁硼CoFeB的单层结构，或是铁化钴CoFe/钴铁硼CoFeB、铁Fe/钴铁硼CoFeB的双层结构，或是铁硼FeB/(钨W、钼Mo、钒V、铌Nb、铬Cr、铪Hf、钛Ti、锆 Zr、钽Ta、钪Sc、钇Y、锌Zn、钌Ru、锇Os、铑Rh、铱Ir、钯Pd和/或铂Pt)/钴铁硼CoFeB、钴铁硼CoFeB/(钨W、钼Mo、钒V、铌Nb、铬Cr、铪Hf、钛Ti、锆Zr、钽Ta、钪Sc、钇Y、锌Zn、钌Ru、锇Os、铑Rh、铱Ir、钯Pd和/或铂Pt)/钴铁硼的三层结构，或是铁/ 钴铁硼/(钨W、钼Mo、钒V、铌Nb、铬Cr、铪Hf、钛Ti、锆Zr、钽Ta、钪Sc、钇Y、锌Zn、钌Ru、锇Os、铑Rh、铱Ir、钯Pd和/或铂Pt)/钴铁硼、铁化钴/钴铁硼/(钨W、钼 Mo、钒V、铌Nb、铬Cr、铪Hf、钛Ti、锆Zr、钽Ta、钪Sc、钇Y、锌Zn、钌Ru、锇 Os、铑Rh、铱Ir、钯Pd和/或铂Pt)/钴铁硼的四层结构；所述自由层26的厚度为1.2奈米至3.0奈米间。
在本申请的一实施例中，在所有膜层沉积之后，于所述磁性隧道结20进行退火工艺，其温度不小于350℃，时间不小于30分钟，以使得所述参考层24、自由子层26从非晶相变为体心立方(BCC)的晶体结构。
本申请通过多层覆盖层结构设计，可在结电阻面积积缩小的前提下，保持相对较高的隧穿磁阻率，同时避免覆盖层在沉积或/和退火工艺中，被沉积的金属穿过覆盖层，而到达自由层/底部覆盖层的界面，以保持热稳定性。
“在本申请的一实施例中”及“在各种实施例中”等用语被重复地使用。此用语通常不是指相同的实施例；但它也可以是指相同的实施例。“包含”、“具有”及“包括”等用词是同义词，除非其前后文意显示出其它意思。
以上所述，仅是本申请的具体实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以具体实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构，设置于磁性随机存储单元，所述磁性隧道结通过溅射沉积形成，并于沉积后进行热退火处理，所述磁性隧道结由上至下结构包括覆盖层、自由层、势垒层、参考层、晶格隔断层、反铁磁层与种子层，其特征在于，所述覆盖层包括：
第一覆盖层，设置于所述自由层上方，由具有NaCl晶系立方晶格结构的金属氧化物形成，用于为所述自由层提供一个额外的磁垂直各向异性界面；
第二覆盖层，设置于所述第一覆盖层上方，为具有低Z金属或非金属导电材料形成，所述第二覆盖层其厚度不大于1.5个原子层；
第三覆盖层，设置于所述第二覆盖层上方，为具有高电负性的高Z金属形成；
其中，所述第二覆盖层的原子能在后续热退火处理中扩散至所述第一覆盖层中。
2.如权利要求1所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述第一覆盖层的总厚度为0.4nm～1.2nm，其组成材料为MgO、ZnO、Al2O3、MgAl2O4、Mg3B2O6、MgSi2O4、MgZnO4、AlN、AlON、SrTiO3、CoFe2O4、NiFe2O4、MoO2、RuO2、VO2、CrO2、NbO2、WO2、ReO2、OsO2、IrO2、PtO2、V3O5、Ti3O5、TiO、VO、NbO、LaO、NdO、SmO、EuO、SrO、BaO、NiO、LiTi2O4、LiV2O4、Fe3O4、ReO3、CaCrO3、SrCrO3、BaMoO3、SrMoO3、CaMoO3、LaCuO3、CaRuO3、SrVO3、BaTO3、Ti2O3、V2O3、Rh2O3、TiO2、SnO2、Cu2O、Ag2O、In2O3、WO3、TaO2或其组合组成的氧化物。
3.如权利要求1所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述第一覆盖层材料为MgO/X的双层材料，其中X为SrTiO3、CoFe2O4、NiFe2O4、MoO2、RuO2、VO2、CrO2、NbO2、WO2、ReO2、OsO2、IrO2、PtO2、V3O5、Ti3O5、TiO、VO、NbO、LaO、NdO、SmO、EuO、SrO、BaO、NiO、LiTi2O4、LiV2O4、Fe3O4、ReO3、CaCrO3、SrCrO3、BaMoO3、SrMoO3、CaMoO3、LaCuO3、CaRuO3、SrVO3、BaTO3、Ti2O3、V2O3、Rh2O3、TiO2、SnO2、Cu2O、Ag2O、In2O3、WO3与TaO2中的至少一者。
4.如权利要求1所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述第一覆盖层的形成是通过直接对金属氧化物靶材进行溅射沉积，或者通过先对金属靶材进行溅射沉积，再通过氧化工艺将沉积的金属变为金属氧化物。
5.如权利要求4所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述第一覆盖层为双层的MgO/MgOx结构，x<1，MgOx是采用先对Mg金属靶材进行溅射沉积，然后再对溅射沉积的Mg薄膜进行氧化以形成MgOx的方式实现。
6.如权利要求1所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述第一覆盖层形成后，采用红外、微波或激光作为辐射源加热工艺进行热处理，再冷却到室温或超低温，以形成NaCl晶系面心立方晶格结构。
7.如权利要求1所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述第二覆盖层的厚度不大于0.6nm，其组成材料为C、Mg、Al、Si、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Tc或其氧化物。
8.如权利要求1所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述第三覆盖层的总厚度为0.5nm～10.0nm，其材料为Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au或其合金、或其组成的多层材料形成。
9.一种磁性随机存储器，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的磁性隧道结结构，设置于所述磁性隧道结结构上方的顶电极，及设置于所述磁性隧道结结构下方的底电极。
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2019
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