DE112018001419B4 - MgO-EINFÜGUNG IN EINE FREIE SCHICHT FÜR MAGNETSPEICHERANWENDUNGEN - Google Patents

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Abstract

Magnetelement, umfassend:(a) eine Tunnelbarriereschicht (33), die eine erste Metalloxidschicht ist;(b) eine Hk-verstärkende Schicht (35) oder eine nichtmagnetische Metall- oder Legierungsschicht, NML; und(c) eine freie Schicht, FL, (34) mit einer ersten Fläche (50), die eine erste Grenzfläche mit der Tunnelbarriereschicht (33) bildet, einer zweiten Fläche (51), die eine zweite Grenzfläche mit der Hk-verstärkenden Schicht (35) oder mit der NML bildet, wobei die freie Schicht (34) eine M-Schicht oder eine MQ-Legierungsschicht (40a) umfasst, wobei die M-Schicht oder die MQ-Legierungsschicht (40a) eine unterbrochene Schicht ist, und bestehend aus mehreren Metalloxidclustern (40x) zwischen der ersten und der zweiten Flächen, wobei jeder der Metalloxidcluster eine Grenzfläche mit der freien Schicht (34) bildet und damit die senkrechte magnetische Anisotropie, PMA, in der freien Schicht (34) verbessert.

Description

  • TECHNISCHER BEREICH
  • Diese Offenbarung bezieht sich auf ein magnetisches Element, das aus einer freien Schicht besteht, die eine Grenzfläche mit einer Tunnelbarriereschicht und einer Hk-Verstärkungsschicht aufweist, und wobei die freie Schicht MgO in Form von Clustern oder nicht stöchiometrischem MgO in einer fortlaufenden Schicht umfasst, die eine höhere senkrechte magnetische Anisotropie (PMA), bessere Wärmestabilität und geringeren Strom für spintronische Anwendungen fördern.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher (MRAM), basierend auf der Integration von Silizium-CMOS (komplementäres Metall auf Halbleiter) mit magnetischer Tunnelübergangs- (MTJ) Technologie ist eine wichtige aufkommende Technologie, die gut mit bestehenden Halbleiterspeichern wie SRAM, DRAM und Flash konkurrieren kann. Weiterhin hat die Spintransferdrehmoment- (STT) Magnetisierungsumschaltung, wie in SLONCZEWSKI, J.C.: Current driven excitation of magnetic multilayers. In Journal of Magnetism and Magnetic Materials. Vol. 159, 1996, No. 1-2, S. L1-L7. - ISSN 0168-1656 beschrieben, durch ihre potenzielle Anwendung in spintronischen Vorrichtungen wie STT-MRAM auf Gigabitebene erhebliches Interesse erregt.
  • Feld-MRAM und STT-MRAM weisen beide ein MTJ-Element auf, das auf einem Tunnelmagnetwiderstands- (TMR) Effekt beruht, wobei ein Stapel Schichten eine Konfiguration aufweist, in der zwei ferromagnetische Schichten durch eine dünne nichtmagnetische Dielektrikumsschicht getrennt sind. Eine der ferromagnetischen Schichten weist ein magnetisches Moment auf, das in einer ersten Richtung festgesetzt (gepinnt) ist, während die andere ferromagnetische Schicht ein magnetisches Moment aufweist, das sich frei in einer Richtung parallel oder antiparallel zur ersten Richtung drehen kann. Während die Größe von MRAM-Zellen sinkt, wird die Verwendung von externen Magnetfeldern, die durch stromführende Leitungen erzeugt werden, um die Magnetmomentrichtung der freien Schicht umzuschalten, problematisch. Einer der Schlüssel zur Herstellbarkeit von ultrahochdichten MRAMs ist die Bereitstellung einer robusten magnetischen Umschaltmarge durch Eliminieren des Halbauswahlstörungsproblems. Daher wurde eine neue Art von Vorrichtung namens STT-M RAM entwickelt. Im Vergleich mit konventionellen MRAM weist STT-MRAM den Vorteil des Vermeidens des Halbauswahlproblems und der Schreibstörung zwischen aneinander angrenzenden Zellen auf. Die Spintransferwirkung entsteht aus den spinabhängigen Elektronentransporteigenschaften der mehreren ferromagnetischen Schichten mit ferromagnetischen Abstandhaltern. Wenn ein spinpolarisierter Strom auf mehreren magnetischen Schichten in einer Richtung des Stroms im rechten Winkel zur Ebene (CPP) fließt, interagiert das Spinwinkelmoment der Elektronen, die auf eine ferromagnetische Schicht auftreffen, mit magnetischen Momenten der ferromagnetischen Schicht in der Nähe der Grenzfläche zwischen der ferromagnetischen Schicht und dem nichtmagnetischen Abstandhalter. Durch diese Interaktion übertragen die Elektronen einen Abschnitt ihres Winkelmoments auf die ferromagnetische freie Schicht. Aufgrunddessen kann der spinpolarisierte Strom die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen freien Schicht umschalten, wenn die Stromdichte ausreichend hoch ist, und wenn die Abmessungen der mehreren Lagen klein sind.
  • Damit der STT-MRAM in dem 90-nm-Technologieknoten und darüber hinaus funktioniert, müssen die ultrakleinen MTJ-Elemente (auch bezeichnet als Nanomagnete) ein magnetoresistives (MR) Verhältnis aufweisen, das viel höher ist als ein konventionelles MRAM-MTJ, das eine NiFe-freie Schicht und AlOx als Tunnelbarriereschicht verwendet. Weiterhin muss die kritische Stromdichte (Jc) niedriger sein als etwa 106 A/cm2, um durch einen CMOS-Transistor angetrieben zu werden, der üblicherweise 100 µA wo 100-nm-Gatebreite liefern kann. Ein kritischer Strom für Spintransferumschaltung (ic), definiert als [ic + + ic - / 2], beträgt üblicherweise einige Milliampere. Die kritische Stromdichte (Jc), beispielsweise (ic /A), liegt in der Größenordnung von einigen 107 A/cm2. Diese hohe Stromdichte, die erforderlich ist, um die Spintransferwirkung einzuleiten, könnte eine dünne Tunnelbarriere aus AlOx, MgO oder dergleichen zerstören. Daher ist es eine wichtige Herausforderung für Hochdichtevorrichtungen wie STT-MRAM auf Gigabitskala, die Spindrehmomenteffizienz Eb/ic zu verbessern, wobei Eb die Energiebarriere zwischen den beiden magnetischen Zuständen ist, wie in 1 dargestellt und nachfolgend beschrieben, und ic der kritische Strom ist, der erforderlich ist, um zwischen den magnetischen Zuständen umzuschalten. Es ist wünschenswert, ic (und sein Jc) um etwa eine Größenordnung zu verringern, um einen elektrischen Ausfall der MTJ-Vorrichtung zu vermeiden und mit dem zugrundeliegenden CMOS-Transistor kompatibel zu sein, der verwendet wird, um Umschaltstrom bereitzustellen und eine Speicherzelle auszuwählen.
  • Senkrechte magnetische Anisotropiemagnettunnelübergänge (PMA-MTJs) sind die Bausteine, die STT-MRAM und andere spintronische Vorrichtungen ermöglichen. Eine bevorzugte Umsetzung ist der Einsatz von MTJ mit einer gepinnten ferromagnetischen Schicht und einer freien ferromagnetischen Schicht, die durch eine Tunneloxidschicht in einer TMR-Konfiguration getrennt sind. Wie in 1 gezeigt, ist eine Magnetisierung außerhalb der Ebene, auch bekannt als senkrechte magnetische Anisotropie (PMA), für die gepinnte Schicht 10 mit einer Magnetisierung 11 dargestellt, die in einer z-Achsenrichtung oder rechtwinklig zur Filmebene weist, und für eine freie Schicht 20 mit einem Magnetmoment 21, das sich frei in einer (+) oder (-) z-Achsenrichtung drehen kann. Die Tunnelbarriereschicht 15 wird zwischen der freien Schicht und der gepinnten Schicht gebildet. Die Magnetisierungen der freien Schicht und der gepinnten Schicht sind parallel oder antiparallel und bauen damit zwei verschiedene magnetische Zustände auf. So wird eine Speicherung von digitalen Informationen, die üblicherweise in der Form einer „o“ oder „1“ bereitgestellt wird, durch die Richtung der Magnetisierung in der freien Schicht bereitgestellt.
  • Wenn die freie Schicht eine Magnetisierungsrichtung rechtwinklig zur Ebene des Films wie in 1 aufweist, ist der kritische Strom (ic), der benötigt wird, um das magnetische Element umzuschalten, direkt proportional zum senkrechten Anisotropiefeld, wie in Gleichung (1) gezeigt, wobei e die Elektronenladung ist, α eine Gilbert-Dämpfungskonstante ist, Ms die Sättigungsmagnetisierung der freien Schicht ist, h die verringerte Plank-Konstante ist, g das gyromagnetische Verhältnis ist und Hkeff⊥ das Anisotropiefeld der magnetischen Region, die umgeschaltet werden soll, außerhalb der Ebene ist, und V das Volumen der freien Schicht ist: i c = α e M s V H k e f f , ⊥ g ℏ
    Figure DE112018001419B4_0001
  • Der Wert Δ = kV / kBT ist ein Maß der Wärmestabilität des magnetischen Elements, wobei kV auch als Eb oder Energiebarriere zwischen den beiden magnetischen Zuständen in 1 bekannt ist, kB die Boltzmann-Konstante ist und T die Temperatur ist. Die Wärmestabilität ist eine Funktion des senkrechten Anisotropiefelds wie in Gleichung (2) dargestellt: Δ = M S V H k e f f , ⊥ 2 k B T
    Figure DE112018001419B4_0002
  • Das senkrechte Anisotropiefeld des magnetischen Elements wird in der Gleichung (3) ausgedrückt als: H k e f f , ⊥ = − 4 π M s + 2 K U ⊥ , S M s d + H k , ⊥
    Figure DE112018001419B4_0003
    wobei Ms die Sättigungsmagnetisierung ist, d die Dicke des magnetischen Elements ist, Hk,⊥ das kristalline Anisotropiefeld in der senkrechten Richtung ist und K U ⊥ , S
    Figure DE112018001419B4_0004
    die flächensenkrechte Anisotropie der oberen und unteren Flächen des Magnetelements ist. Das senkrechte Anisotropiefeld einer Magnetschicht (in Abwesenheit einer starken kristallinen Anisotropie) wird durch das Formanisotropiefeld (-4πMs) dominiert, an dem wenig Steuerung möglich ist. Bei einer gegebenen Dicke verringert eine geringere Magnetisierungssättigung die Formanisotropie und den spinpolarisierten Umschaltstrom, aber auch die Wärmestabilität, was nicht wünschenswert ist. Daher ist ein Ansatz für die Verbesserung der Spindrehmomenteffizienz die Verringerung des freien Schichtvolumens und die Erhöhung von Ms.
  • Da die freie Schicht in der Lage sein muss, Temperaturen von 400 °C zu widerstehen, wenn der Tempervorgang, der für die CMOS-Herstellung erforderlich ist, durchgeführt wird, hat diese hohe Temperaturanforderung zum Einbeziehen von feuerfesten Materialien wie Ta, W und Mo in die freie Schicht geführt, um die Wärmestabilität zu verbessern. Leider neigen diese Metalle dazu, die Bildung einer toten Schicht innerhalb der freien Schicht zu verursachen. Weiterhin wird die Dicke der freien Schicht üblicherweise erhöht, um das verlorene Magnetmoment wiederherzustellen, indem ein feuerfestes Metall eingesetzt wird, wobei jedoch dieser Ausgleich wirkt, um das senkrechte Anisotropiefeld und die Wärmestabilität nach Gleichungen (2) und (3) oben zu verringern. So ist ein alternatives Mittel der Umsetzung verbesserter Wärmestabilität erforderlich, während ein hohes Ms erhalten bleibt und das Volumen in einer freien Schicht muss verringert werden, um eine PMA-MTJ bereitzustellen, die die STT-MRAM-Leistung in Vorrichtungen auf dem Stand der Technik zu verbessern.
  • MgO-Einfügung in eine freie Schicht für Magnetspeicheranwendungen ist beispielsweise aus der COUET, S. [et al.]: Oxygen Scavenging by Ta Spacers in Double-MgO Free Layers for Perpendicular Spin-Transfer Torque Magnetic Random-Access Memory. In: IEEE Magnetics Letters, Vol. 7, 2016, No. 3103004, S. 1-4. - ISSN 1949-3088 bekannt.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Ziel dieser Offenbarung ist das Bereitstellen eines Magnetelements mit einer freien Schicht, die eine größere Magnetisierung außerhalb der Ebene (PMA), und eine verbesserte senkrechte Grenzflächenanisotropie aufweist, um die Wärmestabilität auf 400 °C zu verbessern, während ein hohes MR-Verhältnis und ein annehmbarer Wert Widerstand x Fläche (RA) erhalten bleibt.
  • Ein zweites Ziel ist die Bereitstellung eines Verfahrens der Bildung des Magnetelements des ersten Ziels mit einem Prozessablauf, der mit der CMOS-Herstellung kompatibel ist.
  • Nach einer Ausführungsform werden diese Ziele erreicht, indem ein magnetischer Tunnelübergang (MTJ) die aus einer Referenzschicht, einer Tunnelbarriereschicht und einer freien Schicht mit einer ersten Fläche, die eine Grenzfläche mit einer ersten Oxidschicht (Tunnelbarriereschicht) aufweist, und einer zweiten Fläche, die eine Grenzfläche mit einer zweiten Oxidschicht aufweist, die als eine Hk-verstärkende Schicht bezeichnet wird, wobei die freie Schicht eine M-Schicht oder eine MQ-Legierungsschicht umfasst, wobei die M-Schicht oder die MQ-Legierungsschicht eine unterbrochene Schicht ist, besteht. In einigen Ausführungsformen umfasst die Hk-verstärkende Schicht eine erste Schicht, die ein Metalloxid ist, und eine zweite Schicht aus TiN. Optional wird die Hk-verstärkende Schicht weggelassen, sodass die freie Schicht eine Abdeckschicht mit einer untersten nichtmagnetischen Metall- oder Legierungs- (NM) Schicht in einer unteren Spinventilkonfiguration berührt, oder auf einer Seed-Schicht mit einer obersten NM-Schicht in einer oberen Spin-Ventilkonfiguration gebildet wird. Die ersten und zweiten Flächen und freien Schichtregionen neben den Grenzflächen weisen durch den Kontakt mit einer Oxidschicht eine wesentliche senkrechte Grenzflächenanisotropie auf und bauen damit eine wesentliche PMA in der freien Schicht auf. In einer Ausführungsform werden Metalloxidcluster innerhalb der freien Schicht gebildet, um PMA weiter durch Bereitstellen weiterer OxidGrenzflächen mit der freien Schicht zu verbessern. Die Metalloxidcluster bilden keine fortlaufende Schicht, sodass der Wert Widerstand x Fläche (RA) für die MTJ auf einer annehmbaren Ebene bleibt.
  • Metalloxidcluster werden nach einer Ausführungsform gebildet, indem zuerst Metall- (M) Cluster von einem XM-Ziel durch Sputtern abgeschieden werden, wobei M eines aus Mg, Al, B, Ca, Ba, Sr, Ta, Si, Mn, Ti, Zr oder Hf ist und X ein magnetisches Metall oder eine Legierung darstellt, die Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB und FeB oder eine Legierung daraus ist. In einer alternativen Ausführungsform wird ein XMQ-Ziel gesputtert, um Metalllegierungs-MQ-Cluster in der freien Schicht zu bilden, wobei Q ein Übergangsmetall B, C oder Al ist und Q nicht gleich M ist. In einer zweiten Ausführungsform können X- und M-Ziele oder X-, M- und Q-Ziele gemeinsam gesputtert werden, um mehrere Metall- oder Metalllegierungsclusters innerhalb einer freien Schicht bereitzustellen.
  • Diese Offenbarung sieht außerdem vor, dass ein unterer Abschnitt der freien Schicht, der Metall- Metalllegierungscluster aufweist, durch XM- oder XMQ-Sputterabscheidung gebildet werden kann, worauf ein oberer Abschnitt der freien Schicht in einem zweiten Schritt abgeschieden wird, der Resputtering einer oberen Region des unteren Abschnitts umfasst. Nachfolgend wird das M- oder Legierungs-MQ teilweise oxidiert, um mehrere Metalloxidcluster in einem nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand bereitzustellen, wobei eine gewisse Anzahl M- und Q-Atome unoxdiert bleiben. Alternativ dazu wird im Wesentlichen alles des Metalls M oder der Legierung QM oxidiert, um mehrere Metalloxidcluster in einem sogenannten stöchiometrischen Oxidierungszustand zu erzeugen.
  • In einer anderen Ausführungsform kann die freie Schicht aus einer Heusler-Legierung bestehen, die Ni2MnZ, Pd2MnZ, Co2MnZ, Fe2MnZ, Co2FeZ, Mn3Ge, Mn2Ga und dergleichen umfasst, wobei Z eines aus Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die freie Schicht ein geordnetes L1o oder L11-Material wie MnAl, MnGa, und RT, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung daraus ist, und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung daraus ist. In noch einer anderen Ausführungsform umfasst die freie Schicht eine Legierung mit Seltenerde, einschließlich, aber nicht beschränkt auf TbFeCo, GdCoFe, FeNdB und SmCo.
  • Der Prozess der Oxidierung von Metall M oder Legierung MQ umfasst Metallclusterplünderung, gefolgt von Reaktion mit Sauerstoff in einem der mehreren späteren Schritte, einschließlich der Abscheidung der freien Schicht, Bildung der Hk-verstärkenden Schicht und einem Temperschritt nach Abscheidung aller Schichten in der MTJ. Der Sauerstoff kann aus einer oder mehr Schichten geplündert werden, einschließlich solchen, die vor der Abscheidung der freien Schicht gebildet wurden. Daher wird RA im Vergleich mit einer fortlaufenden Metalloxideinführungsschicht in der freien Schicht minimiert. In einigen Ausführungsformen wird PMA angereichert und das MR-Verhältnis bleibt erhalten, indem lose gebundener Sauerstoff aus der Hk-verstärkenden Schicht gegettert wird, der andernfalls einen Abschnitt der freien Schicht oxidieren würde.
  • Diese Offenbarung umfasst auch eine Ausführungsform, in der eine dünne Metall- (M) Schicht oder Legierungs- (MQ) Schicht auf einem unteren Abschnitt der freien Schicht abgeschieden wird. Die Metall- oder Legierungsschicht kann unterbrochen in der Form von Inseln vorliegen. Dann wird ein oberer Abschnitt der freien Schicht über der M- oder MQ-Schicht gebildet, um eine zusammengesetzte freie Schicht bereitzustellen, die durch FL1/M/FL2 oder FL1/MQ/FL2 dargestellt wird, wobei FL1 und FL2 die unteren bzw. oberen Abschnitte darstellen. Während Prozessen, die die Abscheidung der FL2-Schicht, Bildung der Hk-verstärkenden Schicht und einen nachfolgenden Temperschritt umfassen, wird ein Abschnitt der M- oder MQ-Schicht in einen nichtstöchiometrischen Oxidationszustand oxidiert. Ein wesentlicher Abschnitt der M- oder MQ-Schicht bleibt unoxidiert, um eine Erhöhung des RA zu minimieren. Aufgrunddessen werden weitere MetalloxidGrenzflächen innerhalb der freien Schicht erzeugt, um senkrechte Grenzflächenanisotropie und PMA weiter anzureichern.
  • In noch einer anderen Ausführungsform wird eine zusammengesetzte freie Schicht mit einer laminierten Konfiguration gebildet, die durch FL1/M/FL2/M2/FL3, FL1/M/FL2/M2Q2/FL3, FL1/MQ/FL2/M2Q2/FL3 oder FL1/MQ/FL2/M2/FL3 dargestellt ist, wobei die zusammengesetzte freie Schicht, die zuvor beschrieben wurde, durch sequenzielle Abscheidung einer zweiten Metall-M2- oder einer zweiten Legierungs- M2Q2-Schicht und einer dritten freien Schicht (FL3) auf einer oberen Fläche von FL2 modifiziert wird. Jedes von FL1, FL2 und FL3 kann eine unterschiedliche X-Zusammensetzung aufweisen. Danach plündern eine oder mehr der M-, M2-, MQ- und M2Q2-Schichten lose gebundene Sauerstoff aus den freien Schichten FL1, FL2, und FL3 oder aus anderen Schichten in der MTJ bei der Herstellung der MTJ oder während des Temperschritts nach Bildung aller MTJ-Schichten und reagieren damit. Aufgrunddessen wird ein Abschnitt jeder M-, M2-, MQ- oder M2Q2-Schicht oxidiert, während ein wesentlicher Abschnitt davon nicht oxidiert bleibt, um einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand in den M-, M2-, MQ- und M2Q2-Schichten zu erreichen.
  • Vorzugsweise sind die erste Oxidschicht und die zweite Oxidschicht an den oberen und unteren Flächen der freien Schicht sowie die Metalloxidcluster oder oxidierten Metallatome in der/den M- oder M2-Schicht(ein) MgO, da Magnetschicht- (X) Interaktion mit MgO eine größere PMA erzeugt als mit anderen Oxiden. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Oxidschicht einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand aufweisen und eine geringere Dicke aufweisen als die erste Oxid- (Tunnelbarriere) Schicht, um RA ≤ 5 zu erhalten, um die Leistungsanforderungen für Magnetvorrichtungen auf dem Stand der Technik zu erhalten. In anderen Ausführungsformen wird die Hk-verstärkende Schicht ausgelassen, oder der Q-Gehalt in einer oxidierten MQ-Legierung wird erhöht, um RA zu minimieren.
  • Vorzugsweise umfasst die Abdeckschicht (oder Seed-Schicht in alternativen Ausführungsformen) eine Ru-Schicht oder ein anderes Metall in Kontakt mit einer Fläche der zweiten Oxidschicht, die von der freien Schicht weg weist, wobei Ru oder dergleichen eine freie Energie der Oxidbildung aufweist, die wesentlich höher ist als die von Mg. Dementsprechend nimmt Ru keinen Sauerstoff aus der zweiten Oxidschicht auf, sodass der Oxidierungszustand der Hk-verstärkenden Schicht während eines nachfolgenden Temperschritts erhalten bleibt. So wird die senkrechte Grenzflächenanisotropie an der zweiten Fläche durch einen stabilen Oxidgehalt in der angrenzenden Hk-verstärkenden Schicht auf einer konstanten Ebene gehalten.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 ist eine Querschnittsansicht, die einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) mit einer Magnetisierung außerhalb der Ebene in der gepinnten Schicht und der freien Schicht zeigt.
    • 2 ist eine Querschnittsansicht einer teilweise aufgebauten MTJ mit einer unteren Spinventilkonfiguration, wobei mehrere Metallcluster innerhalb einer freien Schicht nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung gebildet sind.
    • 3a ist eine Querschnittsansicht der MTJ in 2, nachdem alle MTJ-Schichten gebildet sind und die Metallcluster auf einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand oxidiert sind, wobei eine wesentliche Anzahl von Metallclustern nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung nicht oxidiert bleiben.
    • 3b ist eine Querschnittsansicht der MTJ in 2, nachdem alle MTJ gebildet sind und die Metallcluster auf einen stöchiometrischen Oxidierungszustand oxidiert sind, wobei im Wesentlichen alle Metallcluster nach einer anderen Ausführungsform dieser Offenbarung in Metalloxidcluster konvertiert werden.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht einer teilweise aufgebauten MTJ mit einer oberen Spinventilkonfiguration, wobei mehrere Metallcluster innerhalb einer freien Schicht nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung gebildet sind.
    • 5a ist eine Querschnittsansicht der MTJ in 4 nach Bildung aller MTJ-Schichten, und die Metallcluster werden in einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand oxidiert, bei dem eine wesentliche Anzahl von Metallclustern nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung nicht oxidiert bleibt.
    • 5b ist eine Querschnittsansicht der MTJ in 4, nachdem alle MTJ gebildet sind und die Metallcluster auf einen stöchiometrischen Oxidierungszustand oxidiert sind, wobei im Wesentlichen alle Metallcluster nach einer anderen Ausführungsform dieser Offenbarung in Metalloxidcluster konvertiert werden.
    • 6 ist eine Querschnittsansicht einer teilweise gebildeten MTJ in einer unteren Spinventilkonfiguration, wobei eine fortlaufende Metallschicht zwischen oberen und unteren Abschnitten einer freien Schicht nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung gebildet wird.
    • 7 ist eine Querschnittsansicht der MTJ in 6 nach Bildung aller MTJ-Schichten, und die Metallschicht ist nach einer hierin beschriebenen Ausführungsform teilweise auf einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand oxidiert.
    • 8 ist eine Querschnittsansicht einer teilweise ausgebildeten MTJ in einer unteren Spinventilkonfiguration, wobei eine unterbrochene Metallschicht innerhalb einer freien Schicht nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung gebildet ist.
    • 9 ist eine Querschnittsansicht der MTJ in 8 nach Bildung aller MTJ-Schichten, und die unterbrochene Metallschicht ist nach einer hierin beschriebenen Ausführungsform teilweise auf einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand oxidiert.
    • 10 ist eine Querschnittsansicht einer teilweise aufgebauten MTJ mit einer oberen Spinventilkonfiguration, wobei eine Metallschicht zwischen oberen und unteren Abschnitten einer freien Schicht nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung gebildet wird.
    • 11 ist eine Querschnittsansicht der MTJ in 10 nach Bildung aller MTJ-Schichten, und die Metallschicht ist nach einer hierin beschriebenen Ausführungsform teilweise auf einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand oxidiert.
    • 12 ist eine Querschnittsansicht einer teilweise ausgebildeten MTJ mit einer unteren Spinventilkonfiguration, wobei eine zusammengesetzte freie Schicht einen laminierten Stapel aus Metallschichten und Magnetschichten nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung aufweist.
    • 13 ist eine Querschnittsansicht des Magnetelements in 12 nach Bildung aller MTJ-Schichten, und die zwei Metallschichten sind nach einer hierin beschriebenen Ausführungsform teilweise auf einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand oxidiert.
    • 14 ist eine Querschnittsansicht einer teilweise ausgebildeten MTJ mit einer oberen Spinventilkonfiguration, wobei eine zusammengesetzte freie Schicht einen laminierten Stapel aus Metallschichten und Magnetschichten nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung aufweist.
    • 15 ist eine Querschnittsansicht des Magnetelements in 14 nach Bildung aller MTJ-Schichten, und die zwei Metallschichten sind nach einer hierin beschriebenen Ausführungsform teilweise auf einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand oxidiert.
    • 16 ist eine Querschnittsansicht einer teilweise ausgebildeten MTJ mit einer unteren Spinventilkonfiguration, wobei eine zusammengesetzte freie Schicht einen laminierten Stapel aus 3 Metallschichten und 4 Magnetschichten nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung aufweist.
    • 17 ist eine Querschnittsansicht einer teilweise ausgebildeten MTJ mit einer unteren Spinventilkonfiguration, wobei eine zusammengesetzte freie Schicht einen laminierten Stapel aus 4 Metallschichten und 5 Magnetschichten nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung aufweist.
    • 18 ist eine Tabelle, die die freie Energie der Bildung für verschiedene Materialien aufführt.
    • 19 ist ein Plot, der Hystereseschleifen darstellt, die für eine MTJ gemessen sind, die eine einzige freie Schicht aufweist, und für eine MTJ mit einer zusammengesetzten freien Schicht, die nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung gebildet ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Diese Offenbarung basiert auf der Feststellung, dass eine senkrechte Flächenanisotropie in einer PMA-MTJ durch Einschließen von Metalloxidclustern oder einer oder mehrerer nichtstöchiometrischer Metalloxidschichten innerhalb einer freien Schicht angereichert werden kann, während das MR-Verhältnis erhalten bleibt und ein annehmbarer RA-Wert erreicht wird. Die freie Schicht weist vorzugsweise obere und untere Flächen auf, die jeweils eine Grenzfläche mit einer Metalloxidschicht bilden, um den Umschaltstrom zu verringern und die Wärmestabilität zu erhöhen. Wenn auch die beispielhaften Ausführungsformen MTJ-Elemente mit unteren Spinventil- und oberen Spinventilkonfigurationen umfassen, umfasst diese Offenbarung auch eine MTJ mit einer Dual-Spinventilstruktur, wie durch Fachleute verstanden wird. Die PMA-MTJ kann in einen MRAM, STT-MRAM oder eine andere spintronische Vorrichtung eingeschlossen sein, wie etwa einen Spindrehmomentoszillator, eine Spin-Halleffektvorrichtung, einen Magnetsensor und einen Biosensor. Die Begriffe senkrechte Grenzflächenanisotropie und senkrechte Flächenanisotropie können austauschbar verwendet werden.
  • Im verbundenen US-Patent US 9 048 411 B2 offenbarten wir eine MTJ-Struktur, in der eine freie Schicht eine erste Grenzfläche an einer unteren Fläche mit einer ersten Oxidschicht (Tunnelbarriere), und eine zweite Grenzfläche an einer oberen Fläche mit einer zweiten Oxidschicht (Hk-verstärkende Schicht) bildet, um die PMA zu erhöhen. Weiterhin ist eine momentvermindernde Schicht wie Ta oder Mg in die freie Schicht eingesetzt, um das senkrecht entmagnetisierende Feld zu verringern. Wie bereits erwähnt, ist das Ergebnis eine verringerte freie Schicht Ms, die dazu neigt, die Erhöhung der Wärmestabilität, die durch verbesserte PMA von der zweiten Grenzfläche bereitgestellt wird, auszugleichen.
  • In dem verbundenen US- Patent US 9 006 704 B2 haben wir eine MTJ beschrieben, in der der Umschaltstrom durch Bildung einer eisenreichen CoFeB-Legierung als eine freie Schicht zwischen zwei Metalloxidschichten (Tunnelbarriere und Hk-verstärkende Schicht) verringert wird. Eine Abdeckschicht wird mit einer höheren freien Energie der Oxidbildung gewählt, als die Hk-verstärkende Schicht, um den Sauerstoffgehalt in letzterem anzureichern.
  • Wir offenbarten in der verbundenen US-Patentanmeldung mit Seriennummer US 10 475 564 B2 dass mehr als eine Schicht eines reaktiven Metalls wie Mg in eine freie Schicht eingesetzt werden kann, um eine FL1/Mg/FL2/Mg/FL3-Konfiguration zu erreichen, beispielsweise wenn FL1-FL3 magnetische Schichten innerhalb des freien Schichtstapels sind. Die obere Mg Schicht gettert Sauerstoff aus einer Hk-verstärkenden Schicht, die mit FL3 in Kontakt steht und damit die Oxidierung von mindestens der FL3-Schicht und einen Verlust des MR-Verhältnisses verhindert.
  • Überraschenderweise haben wir festgestellt, dass durch Einbeziehen von Metallclustern oder einer oder mehr Metallschichten innerhalb einer freien Schicht, die eine Dicke von 0,5 bis 1,5 nm (5 bis 15 Ängstrom) aufweist, der Metalleinsatz eine ausreichende Menge an Sauerstoff plündert, um eine wesentliche Anzahl von Metalloxidclustern zu bilden, oder einen Abschnitt der einen oder mehr Metallschichten oxidiert, um die senkrechte Grenzflächenanisotropie und PMA in der freien Schicht wesentlich zu verbessern, ohne den RA-Wert auf einen unerwünschten Pegel zu erhöhen, und Ms und das MR-Verhältnis erhält, um eine verbesserte Leistung in einem STT-MRAM oder einer anderen spintronischen Vorrichtung bereitzustellen.
  • Mit Verweis auf 2 wird ein erster Schritt der Bildung einer Ausführungsform dieser Offenbarung dargestellt. Ein Stapel Schichten 28-1, die eine teilweise abgeschlossene MTJ darstellen, ist an einer ersten Elektrode 30 zu sehen, die eine untere Elektrode in einem STT-MRAM sein kann. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Stapel Schichten eine Seed-Schicht 31, Referenzschicht 32, Tunnelbarriere 33 und eine freie Schicht 34, die sequenziell auf der unteren Elektrode gebildet sind.
  • Die Seed-Schicht 31 ist üblicherweise eine einzige Schicht oder mehrere Schichten aus einem oder mehreren Metallen oder Legierungen, die eine einheitliche Dicke der darüberliegenden Schichten fördert. Wenn die Referenzschicht 32 PMA aufweist, wird eine Seed-Schicht gewählt, die ebenfalls die PMA in der Referenzschicht verbessert. In einigen Ausführungsformen ist die Referenzschicht eine einzige Magnetschicht, die eines oder mehrere aus Co und Fe ist, die eine Legierung mit einem oder beiden aus B und Ni bilden können. Alternativ kann die Referenzschicht eine synthetische antiferromagnetische (SyAF) Konfiguration aufweisen, die durch AP2/Kuppelungsschicht/AP1 dargestellt ist, wobei AP2 eine erste Magnetschicht auf der Seed-Schicht oder auf einer optionalen antiferromagnetischen (AFM) Schicht (nicht dargestellt) gebildet sein kann, und AP1 eine zweite Magnetschicht ist, die antiferromagnetisch durch eine Metallkoppelungsschicht mit AP2 gekoppelt ist, die Ru oder dergleichen ist. In anderen Ausführungsformen ist die Referenzschicht oder eine oder mehre aus AP2 und AP1 in einer SyAF-Konfiguration ein laminierter Stapel Schichten wie (Co/Ni)n, (CoFe/Ni) n, (CoFe/NiCo) n, (CoFe/NiFe) n, oder dergleichen mit inhärenter PMA, wobei n eine ganze Zahl ist, die die Laminierungszahl darstellt. Es kann eine Übergangsschicht (nicht dargestellt), die eines aus Co, Fe, CoFe und CoFeB ist, zwischen der obersten Schicht in dem laminierten Stapel und der Tunnelbarriereschicht 33 geben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Tunnelbarriereschicht 33 MgO, das durch Sputterabscheidung eines MgO-Ziels oder durch Abscheidung einer oder mehrerer Mg-Schichten und dann Oxidieren einer oder mehrerer Mg-Schichten mit einem bekannten Radikaloxidierungs- (ROX) oder natürlichen Oxidierungs- (NOX) Verfahren gebildet wird. Andere Metalloxide, Metallnitride oder Metalloxynitride, die auf dem Stand der Technik bekannt sind, können statt MgO eingesetzt werden. Es sollte verstanden werden, dass die Grenzfläche einer MgO-Schicht mit einer Magnetschicht, die beispielsweise CoFeB ist, eine höhere senkrechte Grenzflächenanisotropie und eine höhere Größenordnung von PMA in der Magnetschicht bereitstellt, als eine Grenzfläche mit anderen Metalloxiden.
  • Ein Schlüsselmerkmal ist, dass die freie Schicht 34, die auf der Tunnelbarriere gebildet ist, aus mehreren Metallclustern 40 besteht. Vorzugsweise ist die freie Schicht eine einzige Schicht oder mehrere Schichten mit einer Zusammensetzung (X), die eines oder mehr aus Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB und FeB und Legierungen davon, einschließlich CoFeNi und CoFeNiB, umfasst. Die Metallcluster bestehen vorzugsweise aus Metall (M), das Mg ist, können jedoch auch aus den Elementen Al, B, Ca, Ba, Sr, Ta, Si, Mn, Ti, Zr und Hf gewählt sein. Die freie Schicht weist eine obere Fläche 34t und eine Dicke d auf, die vorzugsweise zwischen 0,5 bis 1,5 nm (5 und 15 Ängstrom) liegt.
  • In einer alternativen Ausführungsform können die Metallcluster 40 eine MQ-Legierung sein, wobei M ungleich Q ist und Q B, C, Al oder ein Übergangsmetall wie Pt, Fe, Co, Ni, Ru, Cr, Au, Ag, Cu oder ein anderes Übergangsmetall ist, das aus den Gruppen 3 bis 12 im Periodensystem gewählt ist, das verwendet wird, um den RA-Wert des nachfolgend oxidierten Metallclusters zu verringern.
  • Diese Offenbarung setzt auch voraus, dass die freie Schicht 34 aus einem Material mit einer hohen kristallinen Anisotropieenergiekonstante (Ku) bestehen kann, die inhärentes PMA aufweist, einschließlich Heusler-Legierungen, geordneter L10 oder L11 Materialien und Legierungen aus Seltenerde. Heusler-Legierungen umfassen Ni2MnZ, Pd2MnZ, Co2MnZ, Fe2MnZ, Co2FeZ, Mn3Ge, Mn2Ga und dergleichen, wobei Z eines aus Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb ist. Geordnete L10 oder L11-Materialien weisen eine Zusammensetzung wie MnAl, MnGa, und RT auf, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung daraus ist, und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung daraus ist. Legierungen Seltenerde umfassen, sind aber nicht beschränkt auf TbFeCo, GdCoFe, FeNdB und SmCo.
  • Nach einer Ausführungsform bildet Sputtern eines einzigen Ziels von XM oder XMQ eine freie Schicht 34 mit Metallclustern 40 darin. Während der Abscheidung wird das M-Metall oder die QM-Legierung innerhalb der freien Schicht in der Form von Clustern verteilt, die ein oder mehrere Metallatome umfassen können. In einer alternativen Ausführungsform bildet Cosputtern von X- und M-Zielen oder X-, M- und Q-Zielen Metallcluster innerhalb der freien Schicht. Da aktuelle Analysetechniken nicht in der Lage sind, die genaue Verteilung von Metallclustern innerhalb des freien Schichtfilms zu bestimmen, sieht diese Offenbarung vor, die Metallcluster im Wesentlichen einheitlich verteilt sein können. Andererseits können abhängig von den Abscheidungsbedingungen die Metallcluster eine größere Konzentration in einem oder mehreren Abschnitten der freien Schicht aufweisen als in Abschnitten der freien Schicht. Beispielsweise kann während eines Cosputteringprozesses die Vorwärtsleistung, die auf das M-Ziel angewendet wird, während der Abscheidung angepasst werden, um temporär die M-Konzentration in einem bestimmten Abschnitt der freien Schicht zu erhöhen oder zu verringern. Weiterhin zeigt die beispielhafte Ausführungsform an, dass angenommen wird, dass die Metallcluster mehrere Größen und Formen aufweisen, einschließlich symmetrischer und nichtsymmetrischer Formen.
  • In einer anderen Ausführungsform kann einer der oben genannten Sputtering- oder Cosputteringschritte durch Abscheidung von nur X-Material gefolgt werden, um einen oberen Abschnitt der freien Schicht zu bilden. Während der Abscheidung des oberen Abschnitts kann eine wesentliche Anzahl von Metallclustern aus der ersten Abscheidung einem Resputtering und einer erneuten Abscheidung in dem oberen Abschnitt unterzogen werden und damit eine andere Verteilung von Metallclustern 40 in dem unteren Abschnitt aufweisen als in dem oberen Abschnitt der freien Schicht 34.
  • Mit Verweis auf 3a wird MTJ 28 nach der sequenziellen Bildung einer optionalen Hk-verstärkenden Schicht 35 und einer Abdeckschicht 36 auf der oberen Fläche 34t der freien Schicht illustriert. Eine bekannte Photolithographiestrukturierung und Ätzsequenz wird verfolgt, um die Seitenwand 28s auf der MTJ zu bilden und wird hierin nicht beschrieben. Danach wird die Isolierungsschicht 37 abgeschieden und isoliert die MTJ elektrisch gegen angrenzenden MTJs (nicht dargestellt). Schließlich wird eine obere Elektrode 38 auf der MTJ gebildet. In der beispielhaften Ausführungsform weist eine freie Schicht eine erste Grenzfläche 50 auf, an der eine untere Fläche davon an die Tunnelbarriereschicht 33 angrenzt, und eine zweite Grenzfläche 51, an der die obere Fläche davon an die Hk-verstärkende Schicht 35 angrenzt. In diesem Kontext ist eine obere Fläche der freien Schicht definiert als eine, die von der Tunnelbarriere weg weist, und eine untere Fläche ist eine, die eine Grenzfläche mit der Tunnelbarriere aufweist. Als Ergebnis dieser Konfiguration, in der eine Oxidschicht an die oberen und unteren Flächen der freien Schicht angrenzt, befindet sich eine starke senkrechte Flächenanisotropie, K U 1 ⊥ , S
    Figure DE112018001419B4_0005
    und K U 2 ⊥ , S
    Figure DE112018001419B4_0006
    an den ersten bzw. zweiten Grenzflächen, die zu K U ⊥ , S
    Figure DE112018001419B4_0007
    in der oben genannten Gleichung 3 beitragen.
  • Die Hk-verstärkende Schicht 35 besteht aus einem Material, das durch Kontakt mit einer Fläche der freien Schicht eine senkrechte Grenzflächenanisotropie an Grenzfläche 51 bereitstellt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Hk-verstärkende Schicht aus MgO mit einer Dicke und einem Oxidierungszustand, die gesteuert sind, um ein Produkt Widerstand x Fläche (RA) zu ergeben, das kleiner ist, als das der MgO-Schicht in der Tunnelbarriereschicht 33, um eine Verringerung des MR-Verhältnisses zu minimieren. In einer alternativen Ausführungsform kann die Hk-verstärkende Schicht aus TiN oder anderen Oxiden bestehen, einschließlich SiOx, SrTiOx, BaTiOx, CaTiOx, LaAlOx, MnOx, VOx, AlOx, TiOx, MgTaOx und HfOx. Alternativ dazu kann die Hk-verstärkende Schicht eine erste Schicht, die eines der obigen Metalloxide ist, und eine zweite Schicht aus TiN umfassen. Weiterhin können in die Hk-verstärkende Schicht leitfähige Partikel eingebettet sein, die aus einem oder mehr aus Fe, Co, Ni, Ru, Cr, Au, Ag und Cu bestehen, um den Widerstand darin zu verringern. Beispielsweise können die leitfähigen Partikel 20 Gew.% bis 45 Gew.% der Hk-verstärkenden Schicht sein. Diese Offenbarung sieht auch vor, dass die Hk-verstärkende Schicht ein Laminat sein kann, das mehrere Oxidschichten umfasst, die aus einem oder mehreren Metalloxiden bestehen, die oben beschrieben wurden. In allen Ausführungsformen kann die Hk-verstärkende Schicht einen stöchiometrischen oder nichtstöchiometrischen Sauerstoffgehalt aufweisen.
  • In Ausführungsformen, in denen die Hk-verstärkende Schicht 35 weggelassen wird und die Abdeckschicht 36 die zweite Grenzfläche mit der freien Schicht bildet, stellt der Einschluss von Metallclustern 40 innerhalb der freien Schicht auch einen Vorteil bei der Verbesserung der PMA und der assoziierten Vorteile dar, einschließlich einer Verbesserung der Wärmestabilität. Es besteht jedoch keine Verschränkung 51 zwischen der zweiten freien Schicht/Metalloxidschicht mehr. Dementsprechend ist die PMA in der freien Schicht 34 geringer als in Ausführungsformen, in denen eine Metalloxidschicht an die oberen und unteren Flächen der freien Schicht angrenzt. In anderen Ausführungsformen, in denen die Hk-verstärkende Schicht weggelassen wird, kontaktiert die freie Schicht eine obere Fläche einer Seed-Schicht in einer oberen Spinventilkonfiguration. Metallcluster wiederum sind von Vorteil bei der Verbesserung der PMA innerhalb der freien Schicht im Vergleich mit einer Situation, in der die freie Schicht nur eine Metalloxidgrenzfläche aufweist und keine Metallcluster enthält.
  • Die oberste Schicht in MTJ 28 ist die Abdeckschicht 36, die eine oder mehr Schichten umfasst, wenn die Hk-verstärkende Schicht 35 vorhanden ist. In Ausführungsformen, in denen die Hk-verstärkende Schicht ausgelassen ist, weist die Abdeckschicht einen Stapel von mindestens zwei Schichten auf, in dem die unterste Schicht als eine separate nichtmagnetische Metall- oder Legierungs- (NM) Schicht betrachtet werden kann. Beispielsweise kann Schicht 36 einen Ru/Ta- oder Ru/Ta/Ru-Stapel aufweisen, wobei Ru die NM-Schicht ist und Ta (oder Ta/Ru) die Abdeckschicht ist. In einigen Ausführungsformen kann ein Hartmaskenmaterial wie MnPt als eine NM-Schicht oder Abdeckschicht eingesetzt sein. Die NM-Schicht weist vorzugsweise eine bcc(001)-Kristallstruktur, um ein optimales Gitter bereitzustellen, das einer bcc(001)-Textur in der freien Schicht entspricht und damit die PMA in der freien Schicht verbessert, was jedoch zu einem geringeren Ausmaß der Fall ist als die senkrechte Grenzflächenanisotropie, die durch eine CoFeB/MgO-Grenzfläche erzeugt wird.
  • In alternativen Ausführungsformen können andere Elemente für die Abdeckschicht gewählt werden, wenn auch Materialien mit einer wesentlich höheren freien Energie für Oxidbildung im Vergleich mit der freien Energie der Oxidbildung für das Metall, das für die Hk-verstärkende Schicht 35 eingesetzt wird, am besten geeignet sind. 18 führt die freie Energie der Oxidbildung verschiedener Elemente auf. Es ist zu beachten, dass, wenn MgO als die Hk-verstärkende Schicht gewählt wird, ein Abdeckschichtmaterial mit einer freien Energie der Oxidbildung von wesentlich mehr (weniger negativ) als -1146 kJ/Mol bevorzugt wird. So werden Elemente in der Nähe des oberen Endes der Tabelle in 18 vor Elementen in der Nähe des unteren Endes der Tabelle vorgezogen, da erstere weniger leicht oxidiert werden als letztere. Daraus folgt, dass Ta als das Metall der Abdeckschicht, das mit der Hk-verstärkenden Schicht in Kontakt ist, weniger wünschenswert als Ru ist, da Ta eine Affinität für Sauerstoff aufweist, die der von Mg ähnlich ist, was bedeutet, dass Sauerstoff beim Tempern mit höherer Wahrscheinlichkeit von der MgO-Hk-verstärkenden Schicht in eine Ta-Abdeckschicht migriert als in eine Ru-Abdeckschicht. Ein Verlust von Sauerstoff aus einer Oxid-Hk-verstärkenden Schicht senkt die senkrechte Grenzflächenanisotropie an der Grenzfläche zur freien Schicht ab und verringert damit die induzierte PMA in der freien Schicht 34.
  • Ein anders Schlüsselmerkmal dieser Offenbarung ist ein sauerstoffplündernder Aspekt von Metallclustern. Insbesondere werden Vorgänge der natürlichen Oxidierung (NOX) und Oxidierung freier Radikale (ROX) während der Bildung der freien Schicht vermieden, da NOX oder ROX schwer soweit zu steuern sind, wie es notwendig ist, um unerwünschte Oxidierung der freien Schicht zu verhindern. Stattdessen verlässt sich diese Offenbarung darauf, dass die Metallcluster Sauerstoff aus der Tunnelbarriereschicht 33, der Hk-verstärkenden Schicht 35 und aus dem Inneren der freien Schicht 34 und der anderen MTJ-Schichten gettern, während die freie Schicht abgeschieden wird, die Hk-verstärkende Schicht abgeschieden wird, oder bei der nachfolgenden Verarbeitung eines solchen Temperschritts, nachdem alle Schichten in der MTJ 28 gebildet sind. In anderen Worten, das Metall-M oder die Legierung-MQ weist eine Reaktivität mit Sauerstoff auf, die höher ist, als die des freien Schichtmaterials X mit Sauerstoff, und entfernt damit im Wesentlichen die Gefahr der Schichtoxidierung durch Reaktion mit lose gebundenem Sauerstoff zum Bilden von Metalloxidclustern 40x. In 3a bleibt eine bestimmte Anzahl von Metallclustern 40 bleibt unoxidiert, um einen sogenannten nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand zu erreichen. Es ist zu beachten, dass der Sauerstoff kann aus einer oder mehr Schichten geplündert werden kann, einschließlich der Schichten, die vor der Abscheidung der freien Schicht gebildet wurden.
  • Durch die Ausbildung von Metalloxidclustern 40x gibt es einen weiteren Beitrag K U 3 ⊥ , S
    Figure DE112018001419B4_0008
    zur senkrechten Flächenanisotropie K U ⊥ , S
    Figure DE112018001419B4_0009
    in Gleichung 3, die aus Flächenkontakt der Metalloxidcluster mit der freien Schicht 34 erfolgt. Die Gesamtdicke (d) der freien Schicht ist ausreichend dünn, sodass die senkrechte Grenzflächenanisotropie, die durch ( K U 1 ⊥ , S + K U 2 ⊥ , S + K U 3 ⊥ , S ) / M s d
    Figure DE112018001419B4_0010
    dargestellt ist, im Vergleich mit dem Formanisotropiefeld in Gleichung 3 signifikant ist. Beispielsweise beträgt das Formanisotropiefeld 4πMs für eine Co20Fe60B20 freie Schicht etwa 950 000 A/m (12000 Oe). Abhängig von der Zusammensetzung der freien Schicht haben wir festgestellt, dass die senkrechte Grenzflächenanisotropie >950 000 A/m (>12000 Oe) betragen kann, indem die Dicke (d) im Bereich von 0,5 bis 1,5 nm (5 bis 15 Ängstrom) gehalten wird. Unter solchen Bedingungen wird eine wesentliche PMA in der freien Schicht aufgebaut.
  • Ein wichtiger Vorteil von Metalloxidclustern über einer freien Schicht mit einer fortlaufenden Metalloxideinfügungsschicht ist, dass die senkrechte Grenzflächenanisotropie bezüglich des RA-Beitrags des Metalloxids maximiert wird. In anderen Worten: Metalloxidmoleküle in einer fortlaufenden Oxidschicht weisen eine substanzielle Menge an Flächenkontakt mit einem anderen Metalloxidmolekül auf, was eine Wirkung auf das Ziel der Verbesserung der PMA in der freien Schicht hat. Weiterhin heben alle Metalloxidmoleküle in einer fortlaufenden Schicht den RA für den MTJ-Stapel an, egal, ob sie eine Grenzfläche mit der freien Schicht aufweisen oder nicht. Andererseits tragen im Wesentlichen alle MgO- oder Metalloxidmoleküle in einem Metalloxidcluster zu einer Erhöhung der PMA der freien Schicht durch den senkrechten Flächenanisotropiefaktor in Gleichung 3 bei. Abhängig von der Größe und Häufigkeit der Metalloxidcluster wird angenommen, dass ein Großteil des Flächenbereichs darauf zur Verfügung steht, um eine Grenzfläche mit der freien Schicht zu bilden. So wird für eine bestimmte Erhöhung der PMA, RA mit mehreren Metalloxidclustern im Vergleich mit einer fortlaufenden Metalloxidschicht in der freien Schicht minimiert. Für PMA-MTJs wie MTJ 28 ist es wünschenswert, einen RA-Wert von 5 oder weniger zu erreichen. Bei einer MTJ, die eine freie Schicht mit zwei Oxidgrenzflächen und eine fortlaufende Metalloxidschicht innerhalb der freien Schicht aufweist, ist das Ziel von RA ≤ 5 jedoch praktisch unmöglich zu erreichen.
  • Ein anderer wichtiger Vorteil der Metallcluster 40 dieser Offenbarung ist eine Tendenz, lose gebundenen Sauerstoff aus der Hk-verstärkenden Schicht 35 zu erhalten. Wir haben festgestellt, dass die Oxidierung einer Metallschicht zum Bilden der Hk-verstärkenden Schicht schwer zu steuern ist. Idealerweise ist ein stöchiometrischer Oxidierungszustand in der Hk-verstärkenden Schicht wünschenswert, um eine maximale Menge an senkrechter Grenzflächenanisotropie an Grenzfläche 51 zu erreichen. Leider liegt allgemein ein bestimmtes Volumen von lose gebundenem Sauerstoff innerhalb der Hk-verstärkenden Schicht vor, die dazu neigt, bei der nachfolgenden Verarbeitung in die freie Schicht zu diffundieren. Durch Einschließen reaktiver Metallcluster in die freie Schicht wird der überschüssige Sauerstoff wesentlich weniger wahrscheinlich die freie Schicht oxidieren, da eine größere Antriebskraft für den Sauerstoff vorhanden ist, um mit Metall-M- oder Legierungs-QM-Clustern zu reagieren. Dementsprechend bleibt das MR-Verhältnis erhalten, indem unerwünschte Nebenreaktionen verhindert werden, bei denen Abschnitte der freien Schicht zu „toten Zonen“ werden, in denen magnetische Eigenschaften durch Oxidierung zerstört werden. Diese Fähigkeit in bei einer fortlaufenden Oxidschicht, die im Wesentlichen keine reaktiven Metallorte aufweist, nicht vor.
  • Es ist zu beachten, dass der Gesamt-RA-Wert für MTJ 28 durch einen Beitrag von jeder der Oxidschichten und Metalloxidcluster aus jeder der Oxidschichten und Metalloxidcluster bestimmt wird, und durch die Gleichung RATOTAL = (RA33 + RA40x + RA35) dargestellt wird, wobei RA33, RA40x und RA35 das Produkt Widerstand x Fläche für die Tunnelbarriere, Metalloxidcluster bzw. Hk-verstärkende Schicht sind. Es sollte verstanden werden, dass das Ersetzen von Metall M durch Legierung MQ in Metallclustern oder das Einbeziehen eines höheren Q-Gehalts in einem Metallcluster mit einer MQ-Zusammensetzung vorteilhaft ist, um den RA40x-Wert und RATOTAL zu verringern.
  • Der RA-Wert hängt von der Dicke und dem Oxidierungszustand einer Oxidschicht ab. Daher kann der RA-Wert durch Verwendung einer dünneren Schicht für die Tunnelbarriere 33 oder Hk-verstärkende Schicht 35, wenn möglich, geringer eingestellt werden. Typischerweise sind die oben genannten Schichten bereits soweit mit aktueller Technologie möglich, ohne andere Eigenschaften zu opfern, ausgedünnt. Fachleute erkennen, dass es einen Kompromiss gibt, indem das Verringern des Oxidierungszustands von stöchiometrischem MgO zu nichtstöchiometrischem MgO, beispielsweise in Schichten 33, 35 den RA-Wert wie gewünscht verringert, aber auch ungewünscht die Größenordnung der senkrechten Grenzflächenanisotropie an den ersten und zweiten Flächen verringert und damit die PMA in der freien Schicht 34 verringert. So stellt diese Offenbarung eine attraktive Alternative dar, in der mehrere Metalloxidcluster 40x eingesetzt werden können, um die PMA in der freien Schicht zu verbessern, während die Anforderung von RATOTAL ≤ 5 erfüllt wird.
  • Mit Verweis auf 3b ist eine zweite Ausführungsform dargestellt, in der im Wesentlichen alle der Metallclustern 40 aus 2 während der nachfolgenden Verarbeitung, wie etwa bei der Bildung der Hk-verstärkenden Schicht 35 und einem Temperschritt nach Bildung aller Schichten in MTJ 28 mit geplündertem Sauerstoff reagieren. Der Temperschritt kann eine Temperatur nahe 400 °C umfassen, die bekannt dafür ist, die Diffusion von lose gebundenem Sauerstoff von der Hk-verstärkenden Schicht in die freie Schicht 34 zu fördern. Die entstehenden Metalloxidcluster 40x werden als in stöchiometrischem Oxidierungszustand bezeichnet. Wenn auch ein etwas höherer RA-Beitrag von Metalloxidclustern 40x in dieser Ausführungsform erwartet wird, wird erwartet, dass RATOTAL für die MTJ das Ziel RATOTAL ≤ 5 erfüllt, da angenommen wird, dass der RA-Beitrag der Tunnelbarriere den der Hk-verstärkenden Schicht und Metalloxidcluster dominiert.
  • Ein Schlüsselkonzept ist, dass die senkrechte Grenzflächenanisotropie in Abschnitten der freien Schicht durch Kontakt mit mehreren Metalloxidmolekülen in den Clustern aufgebaut wird. So wird, wenn eine CoFe- oder CoFeB-Schicht, die normalerweise eine In-Ebenen-Magnetisierung aufweist, an einen Metalloxidcluster angrenzt, die Magnetisierung des Abschnitts der freien Schicht in Kontakt mit und angrenzend an einen Metalloxidcluster unter Bedingungen, in denen eine senkrechte Grenzflächenanisotropie das Formanisotropiefeld für die freie Schicht überschreitet, außerhalb der Ebene ausgerichtet. Durch Einsatz mehrerer Metalloxidcluster werden senkrechte Grenzflächenanisotropie und PMA in Abschnitten der freien Schicht erzeugt, die neben den Metalloxidclustern liegen, und die kombinierten Abschnitte mit PMA können ein wesentliches Volumen der freien Schicht darstellen.
  • In einer anderen Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, wird die untere Spinventilkonfiguration in 2 modifiziert, indem alle MTJ-Schichten erhalten bleiben, aber die Reihenfolge der Abscheidung geändert wird, um einen Stapel Schichten 28-2 zu erzeugen, wobei die Seed-Schicht 31, die optionale Hk-verstärkende Schicht 35 und die freie Schicht 34, die mehrere Metallcluster 40 enthält, sequenziell an der unteren Elektrode 30 gebildet werden. Wenn die Seed-Schicht aus zwei oder mehr Schichten besteht, ist die oberste Schicht, die die Hk-verstärkende Schicht kontaktiert, vorzugsweise Ru oder ein anderes Element mit einer freien Energie von Oxidbildung, die wesentlich größer ist als die des Metalls, das für die Hk-verstärkende Schicht gewählt wurde. Wenn die Hk-verstärkende Schicht ausgelassen wird, weist die Seed-Schicht 31 vorzugsweise mindestens zwei Schichten auf, wobei die oberste Schicht als eine separate nichtmagnetische Metall- oder Legierungs- (NM) Schicht mit einer bcc(001) Kristallstruktur betrachtet werden kann, die optimalen Gitterabgleich mit der darüberliegenden freien Schicht ermöglicht und PMA darin fördert. Beispielsweise kann die Seed-Schicht 31 eine untere Ta- oder TaN-Seed-Schicht und eine obere NM-Schicht umfassen, die ein oder mehr aus Ru, Cu, Ti, Pd, W, Rh, Au und Ag umfasst.
  • In 5a ist eine MTJ 28' dargestellt, nachdem die Tunnelbarriereschicht 33, Referenzschicht 32, und Abdeckschicht 36 sequenziell auf der teilweise fertiggestellten MTJ in 4 gebildet sind. Ein Abschnitt der Metallcluster wird oxidiert, um mehrere Metalloxidcluster 40x in der freien Schicht zu bilden, indem lose gebundener Sauerstoff von der Hk-verstärkende Schicht und der Tunnelbarriereschicht geplündert wird, während die freie Schicht gebildet wird, die Tunnelbarriere gebildet wird, und während der nachfolgenden Verarbeitung, die einen Temperschritt umfasst, nachdem alle MTJ-Schichten gebildet sind. Außerdem kann Sauerstoff von angrenzenden Vorrichtungsschichten gegettert werden, wie etwa der Isolierungsschicht 37. Die erste Grenzfläche 50 liegt nun an einer oberen Fläche der freien Schicht, die an die Tunnelbarriereschicht 33 angrenzt, und die zweite Grenzfläche 51 befindet sich an einer unteren Fläche der freien Schicht, die an die Hk-verstärkende Schicht 35 angrenzt. Eine bestimmte Anzahl von Metallclustern bleibt unoxidiert in einem nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand.
  • Mit Verweis auf 5b, wo die Stapelreihenfolge der Schichten in MTJ 28' in 5a erhalten bleibt, sieht diese Offenbarung auch vor, dass unter bestimmten Bedingungen ein ausreichendes Volumen von lose gebundenem Sauerstoff durch Metallcluster 40 in der Zwischen-MTJ-Struktur von 4 gegettert wird, um im Wesentlichen alle der Metallcluster in Metalloxidcluster 40x in einem stöchiometrischen Oxidierungszustand zu oxidieren. Sauerstoff wird von anderen Vorrichtungsschichten und MTJ-Schichten geplündert, einschließlich Schichten, die vor dem Abscheiden der freien Schicht gebildet wurden, wie zuvor erwähnt. Transformation von Metallclustern in Metalloxidcluster kann während einem oder mehr der Schritte der Abscheidung der freien Schicht 34, der Bildung der Tunnelbarriereschicht und bei nachfolgenden Schritten erfolgen, die einen Temperschritt nach Bildung aller MTJ-Schichten umfasst.
  • Mit Verweis auf 6 wird eine teilweise fertiggestellte MTJ mit einem Stapel Schichten 28-3 nach einer anderen Ausführungsform dieser Offenbarung dargestellt. Insbesondere wird die freie Schicht aus der vorherigen Ausführungsformen modifiziert, um eine zusammengesetzte freie Schicht 34-1 zu bilden, die eine Metallschicht 40a mit einer M- oder MQ-Zusammensetzung umfasst, die zuvor beschrieben wurde, die eine erste freie Schicht (FL1) 34a von einer zweiten freien Schicht (FL2) 34b trennt. Die Metall- oder Legierungsschicht kann fortlaufend sein und weist eine Nenndicke von 0,05 bis 1 nm (0,5 bis 10 Ängstrom) auf. So werden die Seed-Schicht 31, Referenzschicht 32, Tunnelbarriere 33, FL1, die Metallschicht und FL2, die eine obere Fläche 34t aufweist, sequenziell auf einer unteren Elektrode 30 gebildet. Jede aus FL1 und FL2 weist eine zuvor beschriebene Zusammensetzung X mit einer Dicke dl von 0,2 bis 1,0 nm (2 bis 10 Ängstrom) auf. Nach einer Ausführungsform werden FL1, die Metallschicht 40a und FL2 in drei verschiedenen Abscheidungsschritten gebildet.
  • In 7 wird MTJ 28 nach der sequenziellen Bildung einer optionalen Hk-verstärkenden Schicht 35 und einer Abdeckschicht 36 auf der FL2 34b fertiggestellt. Ein konventionelles Verfahren wird verwendet, um die Seitenwand 28s zu erzeugen. Die Isolierungsschicht 37 und die obere Elektrode 38 werden wie zuvor erwähnt gebildet. Ein wesentliches Merkmal in einer bevorzugten Ausführungsform ist die Konvertierung einer Minderheit von Metall- oder Legierungsatomen in Metalloxidatome 40b in der Metallschicht 40a. In anderen Ausführungsformen wird eine Vielzahl von Metallatomen oder eine Vielzahl von M- und Q-Atomen in der MQ-Legierung in Metalloxid umgewandelt, aber eine wesentliche Anzahl von Metallatomen bleibt unoxidiert. Wenn jedoch eine Vielzahl von Metallatomen oxidiert werden, kann der RA-Wert für die Metallschicht sich auf einen Umfang erhöhen, sodass die Anforderung RATOTAL ≤ 5 nicht erreicht werden kann. Die Konvertierung in Metalloxid in der Metallschicht 40a erfolgt durch Plündern von lose gebundenem Sauerstoff aus dem Inneren der freien Schicht 34-1, der Hk-verstärkenden Schicht 35 und unter bestimmten Umständen von der Tunnelbarriere 33 bei einem oder mehreren Verfahren, die die Abscheidung von FL2 34b, die Bildung der Hk-verstärkenden Schicht und einen nachfolgenden Temperschritt nach Bildung aller MTJ Schichten umfasst. Der geplünderte Sauerstoff reagiert mit mindestens einer Minderheit der Metall- (M) Atome in der Metallschicht, oder einer Minderheit der M- oder Q-Atome in der MQ-Legierung. Hier wird der senkrechte Grenzflächenanisotropieterm ( K U 1 ⊥ , S + K U 2 ⊥ , S + K U 3 ⊥ , S ) / M s d
    Figure DE112018001419B4_0011
    für FL1 und FL2 durch Kontakt mit den ersten und zweiten Oxidschichten, die zuvor beschrieben wurden, und mit mehreren Metalloxidatomen in Schicht 40b, die einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand aufweist, festgelegt. Aufgrunddessen wird die PMA innerhalb der freien Schicht verbessert, während eine Erhöhung der Gesamt-RA im Vergleich mit einer freien Schicht minimiert wird, die eine fortlaufende Metalloxideinsatzschicht aufweist.
  • In MTJ 28, RATOTAL = (RA33 + RA40b) + RA35) wobei RA33, RA40b, und RA35 das RA-Produkt für die Tunnelbarriere, Metalloxidatome 40b, bzw. die Hk-verstärkende Schicht sind. Dementsprechend ist RATOTAL ≤ 5 erfüllt und der Vorteil des Erhaltens des MR-Verhältnisses bleibt aus Ausführungsformen bezüglich Metalloxidclustern erhalten.
  • In einer alternativen Ausführungsform, die in 8 gezeigt wird, bleiben alle Aspekte der teilweise gebildeten MTJ in 6 erhalten, mit Ausnahme der Metallschicht zwischen FL1 34a und FL2 34b, die eine unterbrochene Schicht ist. Eine unterbrochene Metallschicht kann mehrere Inseln 40i mit der Zusammensetzung M oder MQ umfassen und eine Vielzahl von Größen aufweisen. Die Inseln können symmetrische und nichtsymmetrische Formen aufweisen. Pfade zwischen den Inseln können eines oder beide als FL1 und FL2 umfassen. In einer Ausführungsform werden, FL1, Inseln 40i und FL2 jeweils in einem separaten Schritt abgeschieden.
  • Mit Verweis auf 9 werden die Inseln 40i teilweise oxidiert, um Metalloxidregionen 40s auf einer Fläche oder innerhalb einer Insel zu bilden. In einigen Ausführungsformen werden im Wesentlichen alle Inseln teilweise in einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand oxidiert, indem sie während eines oder mehrerer Prozessschritte, die zuvor beschrieben wurden, Sauerstoff plündern. Diese Offenbarung setzt jedoch ebenfalls voraus, dass eine gewisse Anzahl an Inseln unoxidiert bleibt. Jede Region 40s bildet eine Grenzfläche mit FL1 34a oder FL2 34b und erzeugt damit eine senkrechte Grenzflächenanisotropie, die die PMA in der freien Schicht 34-1 verbessert. RATOTAL = (RA33 + RA40s + RA35) wobei RA40s das RA-Produkt für die Metalloxidregionen 40s ist. Dabei wird RATOTAL ≤ 5 erfüllt, da die Hauptbeiträge zu RATOTAL von RA33 und RA35 stammen. Austausch von M gegen eine MQ-Legierung in den Inseln 40i, oder Erhöhen des Q-Gehalts in Inseln mit einer MQ-Zusammensetzung ist ein Mittel des Senkens des RA40s-Beitrags aus Regionen 40s, und das Senken von RATOTAL.
  • In einer anderen Ausführungsform mit oberen Spinventil, die in 10 dargestellt ist, wird die untere Spinventilkonfiguration in 6 modifiziert, indem alle Schichten in der teilweise fertiggestellten MTJ erhalten bleiben, aber die Reihenfolge der Abscheidung geändert wird, um einen Stapel Schichten 28-4 zu erzeugen, wobei die Seed-Schicht 31, die optionale Hk-verstärkende Schicht 35 und die freie Schicht 34-1 sequenziell an der unteren Elektrode 30 gebildet werden. Es ist zu beachten, dass FL2 34b mit der Hk-verstärkenden Schicht oder einer NM-Schicht in Schicht 31 in Kontakt steht, während FL1 34a eine obere Fläche 34t aufweist. Wenn die Hk-verstärkende Schicht vorhanden ist, weist die Seed-Schicht vorzugsweise eine oberste Schicht auf, die an die Hk-verstärkende Schicht angrenzt, die Ru oder ein anderes Element mit einer dreien Energie der Oxidbildung ist, die wesentlich größer ist als das Metall, das verwendet wird, um die Hk-verstärkende Schicht zu bilden.
  • Mit Verweis auf 11 ist eine vollständig gebildete MTJ 28' dargestellt, nachdem die Tunnelbarriereschicht 33, Referenzschicht 32, und Abdeckschicht 36 sequenziell gebildet sind auf der oberen Fläche 34t in 10. Weiter wird mindestens eine Minderheit der Metallatome oder Legierung MQ in der Metallschicht 40a oxidiert, um Metalloxidatome 40b zu ergeben, die durch die Metallschicht verteilt sind und damit die senkrechte Grenzflächenanisotropie und PMA verbessern. Wie in vorherigen Ausführungsformen angegeben, erfolgt die Metallkonvertierung in Metalloxid durch Plündern von Sauerstoff von angrenzenden Schichten, gefolgt von Reaktion des Metalls zum Bilden von Metalloxid. In diesem Fall erfolgt die Konvertierung während eines oder mehrerer der Verfahren, die Abscheidung von FL1 34a, Bildung der Tunnelbarriere 33, und einen nachfolgenden Temperschritt aufweist, nachdem alle MTJ-Schichten gebildet sind. Die erste Grenzfläche 50 liegt an der oberen Fläche von FL1, die an die Tunnelbarriereschicht 33 angrenzt, und die zweite Grenzfläche 51 befindet sich an einer unteren Fläche von FL2, die die Hk-verstärkende Schicht 35 kontaktiert. Erneut weist die Metallschicht 40a einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand auf, um zu ermöglichen, dass eine Anforderung von RATOTAL ≤ 5 erfüllt wird, während das MR-Verhältnis erhalten bleibt.
  • Nach einer anderen Ausführungsform, die in 12 weist eine teilweise fertiggestellte MTJ 28-5 eine zusammengesetzte freie Schicht 34-2 auf, wobei die freie Schicht 34-1 durch sequenzielle Zugabe einer zweiten Metallschicht 40c und einer dritten freien Schicht (FL3) 34c auf FL2 34b modifiziert wird. Die Metallschicht 40c umfasst vorzugsweise ein Metall M2 oder eine Metalllegierung M2Q2, wobei M2 und Q2 aus denselben Elementen gewählt werden wie M bzw. Q, die zuvor bezüglich Metallschicht 40 beschrieben wurden. M2 in Schicht 40c kann sich jedoch von M in Schicht 40a unterscheiden und Q2 in Schicht 40c kann sich von Q in Schicht 40a unterscheiden. FL3 weist vorzugsweise die zuvor beschriebene Zusammensetzung X auf. Jedes aus FL1, FL2 und FL3 in der freien Schicht 34-2 weist eine Dicke d2 von 0,2 bis 1,0 nm (2 bis 10 Ängstrom) auf, während jede der M- oder MQ-Schicht 40a, und der M2- oder M2Q2-Schicht 40c eine Dicke von 0,05 bis 0,8 nm (0,5 bis 8 Ängstrom) aufweist. So weist die zusammengesetzte freie Schicht eine FL1/M/FL2/M2/FL3, FL1/M/FL2/M2Q2/FL3, FL1/MQ/FL2/M2Q2/FL3 oder FL1/MQ/FL2/M2/FL3-Konfiguration auf. Eine oder beide der Metallschichten können unterbrochen sein.
  • In 13 wird MTJ 28 nach der sequenziellen Bildung einer optionalen Hk-verstärkenden Schicht 35 und einer Abdeckschicht 36 auf der FL3 34c fertiggestellt. Eine konventionelle Prozesssequenz wird eingesetzt, um die Seitenwand 28s zu erzeugen, die Isolierungsschicht 37 abzuscheiden und die obere Elektrode 38 zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Minderheit von Metallatomen oder einer Legierung in Metalloxidatome 40b in Metallschicht 40a konvertiert und eine Minderheit von Metallatomen oder Legierung wird in Metalloxidatome 4od in Metallschicht 40c konvertiert. So weisen nun beide Metallschichten einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand auf, bei dem die RA-Werte RA40b und RA40d so eingeschränkt sind, dass die Anforderung RATOTAL ≤ 5 erfüllt ist. RATOTAL = (RA33 + RA40b + RA40d + RA35) wobei RA33, RA40b, RA40d und RA35 sind das RA-Produkt für die Tunnelbarriere, Metalloxidatome 40b, Metalloxidatome 40d, bzw. Hk-verstärkende Schicht.
  • Die Oxidierung einer bestimmten Anzahl Metallatome in Metallschichten 40a, 40c erfolgt durch Plündern und Reaktion mit lose gebundenem Sauerstoff aus dem Inneren der freien Schicht 34-2, von der Hk-verstärkenden Schicht 35 und unter bestimmten Umständen von der Tunnelbarriere 33 und anderen MTJ-Schichten oder der Isolierungsschicht 37 während eines oder mehrerer Prozesse, die die Abscheidung von FL2 34b, Abscheidung von FL3 34c, Bildung der Hk-verstärkenden Schicht und einen nachfolgenden Temperschritt nach Bildung aller MTJ-Schichten umfasst. Dementsprechend wird eine senkrechte Grenzflächenanisotropie an den Grenzflächen der Metalloxidatome 40b mit FL1 und FL2 und an den Grenzflächen der Metalloxidatome 40d mit FL2 und FL3 erzeugt. Diese Ausführungsform ist entworfen, um die PMA zu verbessern und dabei das MR-Verhältnis zu erhalten und einen RATOTAL-Wert zu erzeugen, der wesentlich geringer ist als eine MTJ, bei der die freie Schicht Grenzflächen mit Oxidschichten an den oberen und unteren Flächen davon aufweist und wobei die freie Schicht eine fortlaufende Metalloxideinsatzschicht aufweist, die im Wesentlichen vollständig oxidiert ist. RA40b und RA40d und RATOTAL können verringert werden, indem ein M-Metall in den Metallschichten 40a, 40c durch eine MQ-Legierung ersetzt wird, oder indem der Q-Gehalt in einer MQ-Legierung erhöht wird.
  • Wie in 16 dargestellt, setzt diese Offenbarung auch eine zusammengesetzte freie Schicht 34-3 voraus, in der eine dritte Metallschicht 40e mit einer M3- oder M3Q3-Legierungszusammensetzung, in der M3 ein M-Element und Q3 ein Q-Element ist, und eine vierte freie Schicht (FL4) 34d mit einer X-Zusammensetzung sequenziell auf FL3 34c in 12 gebildet werden. In diesem Fall weist jede der Metallschichten 40a, 40c, 400 in dem freien Schichtstapel eine Dicke von 0,05 bis 0,8 nm (0,5 bis 8 Ängstrom) auf. Nachfolgend wird die teilweise ausgebildete MTJ 28-7 mit der Abscheidung der optionalen Hk-verstärkenden Schicht 35 und der Abdeckschicht 36 (nicht dargestellt) auf FL4 fertiggestellt. Ähnlich wie vorherige Ausführungsformen plündern die ersten, zweiten und dritten Metall- oder Legierungsschichten Sauerstoff von MTJ-Schichten und umgebenden Vorrichtungsschichten und werden in einen nichtstöchiometrischen oder stöchiometrischen Oxidierungszustand umgewandelt.
  • In einer anderen Ausführungsform, die in 17 wird die freie Schichtstruktur in 16 in eine zusammengesetzte freie Schicht 34-4 modifiziert, indem eine vierte Metallschicht 40g, die eine M4- oder M4Q4-Legierungszusammensetzung aufweist, in bei der M4 ein M-Element und Q4 ein Q-Element ist, und eine fünfte freie Schicht (FL5) 34e, die eine X-Zusammensetzung aufweist, auf FL4 34d abgeschieden werden. Jede der vier Metall- oder Legierungsschichten 40a, 40c, 40e, 40g weist eine Dicke von 0,05 bis 0,8 nm (0,5 bis 8 Ängstrom) auf, während jede aus FL1 bis FL5 eine Dicke von 0,2 bis 1,0 nm (2 bis 10 Ängstrom) aufweist. Danach wird die teilweise ausgebildete MTJ 28-8 mit der sequenziellen Abscheidung einer optionalen Hk-verstärkenden Schicht und einer Abdeckschicht (nicht dargestellt) fertiggestellt. Weiterhin plündert eine oder mehr der M- oder MQ-, M2- oder M2Q2-, M3- oder M3Q3-, und M4- oder M4Q4-Schichten Sauerstoff und wird mit einem Verfahren, das in vorherigen Ausführungsformen geschrieben ist, in einen nichtstöchiometrischen oder stöchiometrischen Oxidierungszustand konvertiert. Es sollte verstanden werden, dass die Metallschichten 40e und 40g fortlaufende oder unterbrochene Schichten sein können.
  • In einer anderen Ausführungsform, die in 14 gezeigt wird, wird die teilweise gebildete MTJ in 10 modifiziert, um einen Stapel aus Schichten 28-6 zu erzeugen. Eine dritte freie Schicht FL3 34c und eine zweite Metallschicht 40c werden zwischen der optionalen Hk-verstärkenden Schicht 35 und FL2 34b gebildet. So wird die zusammengesetzte 34-2 freie Schicht gebildet, indem sequenziell FL3 34c, Metallschicht 40c, FL2 34b, Metallschicht 40a und FL1 34a auf der Hk-verstärkenden Schicht oder einer NM-Schicht in Schicht 31 abgeschieden werden. Andernfalls bleiben alle Aspekte, die die Zusammensetzung und Dicke der zuvor beschriebenen freien Schicht 34-2 umfassen, erhalten.
  • Mit Verweis auf 15 ist eine vollständig gebildete MTJ 28' dargestellt, nachdem die Tunnelbarriereschicht 33, Referenzschicht 32, und Abdeckschicht 36 sequenziell gebildet sind auf der oberen Fläche 34t in 14. Vorzugsweise werden eine Minderheit der Metallatome oder Legierung MQ in der Metallschicht 40a, und eine Minderheit der Metallatome oder Legierung M2Q2 in der Metallschicht 40c oxidiert, um jeweils Metalloxidatome 40b, 40d, zu erzeugen, die in den gesamten Metallschichten verteilt sind. Oxidierung der Metallatome erfolgt durch Plündern und Reaktion mit Sauerstoff aus angrenzenden Schichten während eines oder mehrerer der Verfahren, die Abscheidung von FL2 34b und FL1 34a, Bildung der Tunnelbarriere 33, und einen nachfolgenden Temperschritt aufweist, nachdem alle MTJ-Schichten gebildet sind. Die erste Grenzfläche 50 liegt an der oberen Fläche von FL1, die an die Tunnelbarriereschicht 33 angrenzt, und die zweite Grenzfläche 51 befindet sich an einer unteren Fläche von FL3, die die Hk-verstärkende Schicht 35 oder eine NM-Schicht in Schicht 31 kontaktiert. Es ist kritisch, dass die Metallschichten 40a, 40c je einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand aufweisen, um zu ermöglichen, dass eine Anforderung von RATOTAL ≤ 5 erfüllt wird, während das MR-Verhältnis erhalten bleibt.
  • Alle Schichten in MTJ 28 oder MTJ 28' können in einem Anelva-C-7100-Dünnfilmsputteringsystem oder dergleichen gebildet sein, was üblicherweise je drei physische Dampfabscheidungs- (PVD) Kammern mit fünf Zielen, einer Oxidierungskammer und einer Sputterätzkammer aufweist. Üblicherweise umfasst der Sputterabscheidungsprozess ein Edelgas wie Argon, und Sauerstoff ist ausgeschlossen, sofern dies nicht für die Bildung der Tunnelbarriere oder der Hk-verstärkenden Schicht in der Oxidierungskammer erforderlich ist. Wenn alle Schichten in dem MTJ Stapel auf der unteren Elektrode abgelegt sind, kann ein Tempern bei hoher Temperatur in einem Vakuumofen für 1 bis 5 Stunden bei einer Temperatur von etwa 360 °C bis 400 °C erfolgen. Danach kann ein Array von MTJ-Elementen, einschließlich MTJ 28 oder MTJ 28' mit im Wesentlichen vertikalen Seitenwänden 28s durch einen Prozess hergestellt werden, der eine konventionelle Photolithographiestrukturierung und reaktive Ionenätz- (RIE) Sequenz umfasst, wie in der Technik gut bekannt ist. Nachfolgend wird die Isolierungsschicht 37 auf elektrisch isolierte angrenzende MTJ-Elemente abgeschieden. Ein chemisch-mechanischer Politur- (CMP) Prozess wird typischerweise eingesetzt, um eine glatte Fläche der Isolierungsschicht 37 zu bilden die mit einer oberen Fläche des MTJ-Arrays coplanar wird. Dann wird ein oberes Elektrodenarray, das die obere Elektrode 38 umfasst, auf der MTJ und der Isolierungsschicht gebildet, um die Herstellung der Magnetvorrichtung fortzusetzen.
  • Um einen Vorteil der Bildung einer nichtstöchiometrischen Metalloxidschicht in einer zusammengesetzten freien Schicht nach einer hierin beschriebenen Ausführungsform und wie in 6 gezeigt nachzuweisen, wurde ein MTJ-Stapel von Schichten hergestellt, in dem eine SyAP-Referenzschicht mit einer (Co/Ni)x/Ru/CoFeB-Konfiguration, einer MgO-Tunnelbarriere, einer freien FL1/Mg/FL2-Schicht und einer Hk-verstärkenden MgO-Schicht sequenziell auf einem Substrat gebildet. Jede aus FL1 und FL2 ist eine CoFeB-Schicht mit einer Dicke von 0,5 nm (5 Ängstrom). Als eine Referenzprobe wurde derselbe MTJ-Stapel aufgebaut, außer, dass die Mg-Schicht zwischen FL1 und FL2 weggelassen wurde, um eine einzige CoFeB-Schicht mit einer Dicke von 1,0 nm (10 Ängstrom) zu erzeugen. Hystereseschleifen wurden bei Zimmertemperatur gemessen und in 19 für die Referenzprobe (durchgezogene Linie) und für die MTJ dargestellt, wobei eine zusammengesetzte (FL1/Mg/FL2) Schicht nach dieser Offenbarung (gestrichelte Linie) gebildet wird. Es sollte verstanden werden, dass die Mg-Schicht bei der Verarbeitung, die die Bildung der Hk-verstärkenden Schicht umfasste, und einem nachfolgenden Tempern, das eine Temperatur von 400 °C umfasste, teilweise in einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand oxidiert wurde. Weiter zeigte die MTJ mit einer zusammengesetzten freien Schicht nach dem Tempern bei 400 °C für 5 Stunden weiter eine wesentliche PMA. Daher verbessert das Bilden einer teilweise oxidierten Mg-Schicht in einer freien Schicht die PMA darin und verbessert die Wärmestabilität bei Temperbedingungen, die typisch für CMOS-Verarbeitung sind. Andere hierin beschriebene Ausführungsformen erzeugen erwartungsgemäß ähnliche Verbesserungen der PMA.
  • Alle hierin beschriebenen Ausführungsformen können in einen Herstellungsplan mit Standardwerkzeugen und -prozessen integriert werden. Ein wesentlicher Zuwachs an PMA und Wärmestabilität wird umgesetzt, ohne andere Leistungseigenschaften, wie etwa das MR-Verhältnis, zu opfern, und unter Erfüllung der Anforderung RATOTAL ≤ 5, was wichtige Vorteile sind, um 64 Mb und 256 Mb STT-M RAM-Technologie zu und verbundene spintronische Vorrichtungen zu ermöglichen, in denen Umschaltstrom, RA-Wert, MR-Verhältnis und Wärmestabilität alle kritische Parameter sind.

Claims (50)

  1. Magnetelement, umfassend: (a) eine Tunnelbarriereschicht (33), die eine erste Metalloxidschicht ist; (b) eine Hk-verstärkende Schicht (35) oder eine nichtmagnetische Metall- oder Legierungsschicht, NML; und (c) eine freie Schicht, FL, (34) mit einer ersten Fläche (50), die eine erste Grenzfläche mit der Tunnelbarriereschicht (33) bildet, einer zweiten Fläche (51), die eine zweite Grenzfläche mit der Hk-verstärkenden Schicht (35) oder mit der NML bildet, wobei die freie Schicht (34) eine M-Schicht oder eine MQ-Legierungsschicht (40a) umfasst, wobei die M-Schicht oder die MQ-Legierungsschicht (40a) eine unterbrochene Schicht ist, und bestehend aus mehreren Metalloxidclustern (40x) zwischen der ersten und der zweiten Flächen, wobei jeder der Metalloxidcluster eine Grenzfläche mit der freien Schicht (34) bildet und damit die senkrechte magnetische Anisotropie, PMA, in der freien Schicht (34) verbessert.
  2. Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die Tunnelbarriereschicht (33), die Hk-verstärkende Schicht (35) und die Metalloxidcluster aus MgO bestehen.
  3. Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die mehreren Metalloxidcluster (40x) einen stöchiometrischen Oxidierungszustand aufweisen.
  4. Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die mehreren Metalloxidcluster (40x) einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand aufweisen.
  5. Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die freie Schicht (34) eine Dicke von etwa 0,5 bis 1,5 nm aufweist.
  6. Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die freie Schicht (34) mehrere Schichten aus einem oder mehreren von Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB, FeB, CoFeNi und CoFeNiB ist.
  7. Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die freie Schicht (34) aus einem Material mit hohem Ku-Wert besteht, das eine inhärente PMA aufweist, das eine Heusler-Legierung ist, die Ni2MnZ, Pd2MnZ, Co2MnZ, Fe2MnZ, Co2FeZ, Mn3Ge oder Mn2Ga ist, wobei Z eines aus Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb oder ein geordnetes L1o- oder L11-Material mit einer Zusammensetzung ist, die eine aus MnAl, MnGa oder RT ist, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung davon ist und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung davon ist, oder eine Seltenerde-Legierung mit einer TbFeCo-, GdCoFe-, FeNdB- oder SmCo-Zusammensetzung.
  8. Magnetelement nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Seed-Schicht (31), die auf einem Substrat (30) gebildet ist, eine Referenzschicht, RL, (32) auf der Seed-Schicht (31) und eine oberste Abdeckschicht (36), um eine Seed-Schicht/RL/Tunnelbarriereschicht/FL/Hk-verstärkende Schicht/Abdeckschichtkonfiguration oder eine Seed-Schicht/RL/Tunnelbarriereschicht/FL/NML/Abdeckschichtkonfiguration zu ergeben.
  9. Magnetelement nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Seed-Schicht (31), die auf einem Substrat (30) gebildet ist, eine Referenzschicht, RL, (32) auf der Tunnelbarriereschicht (33) und eine Abdeckschicht (36) auf der RL (32) um eine Seed-Schicht/HkverstärkendeSchicht/FL/Tunnelbarriereschicht/RL/Abdeckschichtkonfiguration oder eine Seed-Schicht/NML/FL/Tunnelbarriereschicht/RL/Abdeckschichtkonfiguration zu ergeben.
  10. Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die Hk-verstärkende Schicht (35) eine einzelne Schicht oder ein Laminat ist, das aus einem oder mehreren Oxiden besteht, die ausgewählt sind aus MgO, SiOx, SrTiOx, BaTiOx, CaTiOx, LaAlOx, MnOx, VOx, AlOx, TiOx und HfOx,und einen Wert von Widerstand x Fläche, RA, aufweist, der geringer ist als der RA-Wert der Tunnelbarriereschicht (33).
  11. Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die Hk-verstärkende Schicht (35) TiN ist oder aus einer ersten Schicht, die aus einem aus MgO, SiOx, SrTiOx, BaTiOx, CaTiOx, LaAlOx, MnOx, VOx, AlOx, TiOx und HfOx hergestellt ist, und einer zweiten Schicht, die TiN ist, besteht.
  12. Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidcluster aus einem Element, M, bestehen, das Mg, Al, B, Ca, Ba, Sr, Ta, Si, Mn, Ti, Zr, Hf ist, oder M und ein Element Q umfassen, wobei Q ungleich M ist, und Q B, C, Al oder ein Übergangsmetall ist.
  13. Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die freie Schicht (34) die Tunnelbarriereschicht (33), die Hk-verstärkende Schicht (35) und NML Teil eines MRAM, STT-MRAM oder einer anderen spintronischen Vorrichtung sind, die ein Spindrehmomentoszillator, eine Spin-Halleffektvorrichtung, ein Magnetsensor oder ein Biosensor ist.
  14. Magnetelement, umfassend: (a) eine Tunnelbarriereschicht (33), die eine erste Metalloxidschicht ist; (b) eine Hk-verstärkende Schicht (35) oder eine nichtmagnetische Metall- oder Legierungsschicht, NML, (36); und (c) eine zusammengesetzte freie Schicht (34-1), die einen Stapel Schichten in einer FL1/M/FL2- oder FL1/MQ/FL2-Konfiguration aufweist, wobei FL1 (34a) und FL2 (34b) freie Schichten sind und wobei eine erste freie Schicht, FL1, (34a) eine erste Grenzfläche (50) mit der Tunnelbarriereschicht (33) bildet, eine zweite freie Schicht (34b) eine zweite Grenzfläche (51) mit der Hk-verstärkenden Schicht (35) oder NML bildet, und M und MQ eine Metall- bzw. eine Metalllegierungsschicht sind, wobei die Metallschicht oder die Metalllegierungsschicht eine unterbrochene Schicht ist, die teilweise auf einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand oxidiert ist indem bei der Bildung des Magnetelements Sauerstoff geplündert wird und damit die senkrechte magnetische Anisotropie, PMA, in der zusammengesetzten freien Schicht (34-1) angereichert wird.
  15. Magnetelement nach Anspruch 14, wobei M ein Element ist, das aus Mg, Al, B, Ca, Ba, Sr, Ta, Si, Mn, Ti, Zr und Hf gewählt ist, Q ungleich M ist und Q ein Element ist, das B, C, Al, oder ein Übergangsmetall ist.
  16. Magnetelement nach Anspruch 14, wobei die zweite freie Schicht FL2 (34b) ist und FL1 (34a) und FL2 (34b) aus einem oder mehreren als Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB, FeB, CoFeNi und CoFeNiB bestehen, oder ein Material mit hohem Ku-Wert, das eine inhärente PMA aufweist, das eine Heusler-Legierung ist, die Ni2MnZ, Pd2MnZ, Co2MnZ, Fe2MnZ, Co2FeZ, Mn3Ge oder Mn2Ga ist, wobei Z eines aus Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb oder ein geordnetes L10- oder L11-Material mit einer Zusammensetzung ist, die eine aus MnAl, MnGa und RT ist, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung davon ist und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung davon oder eine Seltenerde-Legierung mit einer TbFeCo-, GdCoFe-, FeNdB- oder SmCo-Zusammensetzung ist.
  17. Magnetelement nach Anspruch 14, wobei die zusammengesetzte freie Schicht (34-1) ferner aus einer zweiten Metallschicht, M2, oder einer zweiten Metalllegierungsschicht, M2Q2, (40c), die an die FL2-Schicht (34b) angrenzt, und einer dritten freien Schicht, FL3, (34c) besteht, wobei die zweite Metallschicht oder die zweite Metalllegierungsschicht (40c) eine FL1/M/FL2/M2/FL3, FL1/M/FL2/M2Q2/ FL3, FL1/MQ/FL2/M2Q2/FL3 oder FL1/MQ/FL2/M2/FL3-Konfiguration ergibt, wobei M2 eines der M-Elemente ist und Q2 eines der Q-Elemente ist.
  18. Magnetelement nach Anspruch 17, wobei die zweite freie Schicht (34b) die die zweite Grenzfläche (51) mit der Hk-verstärkenden Schicht (35) oder der NML-Schicht bildet, FL3 (34c) ist.
  19. Magnetelement nach Anspruch 17, wobei FL3 (34c) aus einem oder mehreren von Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB, FeB, CoFeNi und CoFeNiB oder einer Heusler-Legierung besteht, die Ni2MnZ, Pd2MnZ, Co2MnZ, Fe2MnZ, Co2FeZ, Mn3Ge oder Mn2Ga ist, wobei Z eines aus Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb oder ein geordnetes L10- oder L11-Material mit einer Zusammensetzung ist, die eines aus MnAl, MnGa oder RT ist, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung davon ist und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung davon oder eine Seltenerde-Legierung mit einer TbFeCo-, GdCoFe-, FeNdB- oder SmCo-Zusammensetzung ist.
  20. Magnetelement nach Anspruch 14, wobei die Hk-verstärkende Schicht (35) oder die NML die zweite Grenzfläche (51) mit der zweiten freien Schicht (34b) bildet, und ferner mit einer Seed-Schicht (31), die auf einem Substrat (30) gebildet ist, einer Referenzschicht, RL, (32) auf der Seed-Schicht (31) und einer obersten Abdeckschicht (36), um eine Seed-Schicht/RL/Tunnelbarriereschicht/ zusammengesetzte freie Schicht/Hk-verstärkende Schicht/Abdeckschichtkonfiguration oder eine Seed-Schicht/RL/Tunnelbarriereschicht /zusammengesetzte freie Schicht/NML/Abdeckschichtkonfiguration zu ergeben.
  21. Magnetelement nach Anspruch 14, wobei die Hk-verstärkende Schicht (35) oder die NML eine zweite Grenzfläche (51) mit der zweiten freien Schicht (34b) bildet, und ferner mit einer Seed-Schicht (31), die auf einem Substrat (30) gebildet ist, einer Referenzschicht, RL, (32) auf der Tunnelbarriereschicht (33) und einer Abdeckschicht (36) auf der RL (32) um eine Seed-Schicht/Hk-verstärkende Schicht/zusammengesetzte freie Schicht/Tunnelbarriereschicht /RL/Abdeckschichtkonfiguration oder eine Seed-Schicht/NML/zusammengesetzte freie Schicht/Tunnelbarriereschicht/RL/Abdeckschichtkonfiguration zu ergeben.
  22. Magnetelement nach Anspruch 17, wobei die Hk-verstärkende Schicht (35) oder die NML die zweite Grenzfläche (51) mit der zweiten freien Schicht (34b) bildet, und ferner mit einer Seed-Schicht (31), die auf einem Substrat (30) gebildet ist, einer Referenzschicht, RL, (32) auf der Seed-Schicht (31) und einer obersten Abdeckschicht (36), um eine Seed-Schicht/RL/Tunnelbarriereschicht /zusammengesetzte freie Schicht/Hk-verstärkende Schicht/Abdeckschichtkonfiguration oder eine Seed-Schicht/RL/Tunnelbarriereschicht/zusammengesetzte freie Schicht/NML/Abdeckschichtkonfiguration zu ergeben.
  23. Magnetelement nach Anspruch 17, wobei die Hk-verstärkende Schicht (35) oder die NML die zweite Grenzfläche (51) mit der zweiten freien Schicht (34b) bildet, und ferner mit einer Seed-Schicht (31), die auf einem Substrat (30) gebildet ist, einer Referenzschicht, RL, (32) auf der Tunnelbarriereschicht (33) und einer Abdeckschicht (36) auf der RL (32) um eine Seed-Schicht/Hk-verstärkende Schicht/zusammengesetzte freie Schicht/Tunnelbarriereschicht /RL/Abdeckschichtkonfiguration oder eine Seed-Schicht/NML/zusammengesetzte freie Schicht/Tunnelbarriereschicht/RL/Abdeckschichtkonfiguration zu erzeugen.
  24. Magnetelement nach Anspruch 17, wobei die zusammengesetzte freie Schicht (34-1) ferner aus einer dritten Metallschicht (40e), die eine M3- oder M3Q3-Legierungszusammensetzung aufweist, die auf der FL3-Schicht (34c) gebildet ist, und einer vierten freien Schicht, FL4, (34d), die auf der dritten Metallschicht (40e) gebildet ist, wobei M3 eines der M-Elemente ist und Q3 eines der Q-Elemente ist, besteht.
  25. Magnetelement nach Anspruch 24, wobei die zusammengesetzte freie Schicht (34-1) ferner aus einer vierten Metallschicht (40g), die eine M4- oder M4Q4-Legierungszusammensetzung aufweist, die auf der FL4-Schicht (34d) gebildet ist, und einer fünften freien Schicht, FL5, (34e), die auf der vierten Metallschicht (40g) gebildet ist, wobei M4 eines der M-Elemente ist und Q4 eines der Q-Elemente ist, besteht.
  26. Magnetelement nach Anspruch 25, wobei jedes aus FL4 (34d) und FL5 (34e) aus einem oder mehreren von Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB, FeB, CoFeNi und CoFeNiB oder einer Heusler-Legierung besteht, die Ni2MnZ, Pd2MnZ, Co2MnZ, Fe2MnZ, Co2FeZ, Mn3Ge oder Mn2Ga ist, wobei Z eines aus Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb oder ein geordnetes L1o- oder L11-Material mit einer Zusammensetzung ist, die eine aus MnAl, MnGa oder RT ist, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung davon ist und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung davon, oder eine Seltenerde-Legierung mit einer TbFeCo-, GdCoFe-, FeNdB- oder SmCo-Zusammensetzung ist.
  27. Verfahren zum Bilden eines Magnetelements, das senkrechte Grenzflächenanisotropie an einer ersten Grenzfläche (50) zwischen einer freien Schicht (34) und einer ersten Oxidschicht und an mehreren Grenzflächen, an denen die freie Schicht mit mehreren Metalloxidclustern (40x) in Kontakt ist, die innerhalb der freien Schicht (34) gebildet sind, aufweist, umfassend: (a) Bereitstellen einer ersten Oxidschicht oder einer ersten nichtmagnetischen Metall- oder Legierungs- Schicht, .NM1 Schicht, auf einem Substrat (30); (b) Abscheiden der freien Schicht, FL, (34) mit mehreren Metallclustern darin auf der ersten Oxidschicht oder auf der NM1-Schicht; (c) Abscheiden einer zweiten Oxidschicht oder einer zweiten nichtmagnetischen Metall- oder Legierungs-Schicht, NM2 Schicht, auf einer oberen Fläche der freien Schicht (34) die von der ersten Oxidschicht oder der NM1-Schicht weg weist; und (d) Durchführen eines Temperschritts, sodass bei einem oder mehreren der Schritte (b), (c) und (d) die mehreren Metallcluster Sauerstoff von einer oder mehr Schichten in dem Magnetelement plündern und mit dem geplünderten Sauerstoff reagieren, um mehrere Metalloxidcluster (40x) zu erzeugen, die Grenzflächen mit Abschnitten der freien Schicht (34) aufweisen und damit die senkrechte magnetische Anisotropie, PMA, darin anreichern.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die freie Schicht (34) eine Dicke von etwa 0,5 bis 1,5 nm aufweist.
  29. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die mehreren Metalloxidcluster einen stöchiometrischen oder nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand aufweisen.
  30. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die freie Schicht (34) eine einzelne Schicht oder mehrere Schichten aus einem oder mehreren von Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB, FeB, CoFeNi und CoFeNiB ist.
  31. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die freie Schicht (34) aus einem Material mit hohem Ku-Wert besteht, das eine inhärente PMA aufweist, das eine Heusler-Legierung ist, die Ni2MnZ, Pd2MnZ, Co2MnZ, Fe2MnZ, Co2FeZ, Mn3Ge oder Mn2Ga ist, wobei Z eines aus Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb oder ein geordnetes L1o- oder L11-Material mit einer Zusammensetzung ist, die eine aus MnAl, MnGa oder RT ist, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung davon ist und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung davon, oder eine Seltenerde-Legierung mit einer TbFeCo-, GdCoFe-, FeNdB- oder SmCo-Zusammensetzung ist.
  32. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die erste Oxidschicht eine Tunnelbarriereschicht (33) ist, das Substrat (30) ein Seed-Schicht/Referenzschichtstapel ist, wobei eine obere Fläche der Referenzschicht, RL, mit der Tunnelbarriereschicht (33) in Kontakt steht, und ferner umfassend: die Bildung einer obersten Abdeckschicht (36) auf der zweiten Oxidschicht oder auf der NM2-Schicht, um eine Seed-Schicht/RL/Tunnelbarriereschicht/FL/Hk-verstärkende Schicht/Abdeckschichtkonfiguration, oder eine Seed-Schicht/RL/Tunnelbarriereschicht/FL/NM2-Schicht/Abdeckschichtkonfiguration zu erzeugen.
  33. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die zweite Oxidschicht eine Tunnelbarriereschicht (33) ist, um eine zweite Grenzfläche (51) mit der freien Schicht (34) Schicht aufzubauen, die eine senkrechte Grenzflächenanisotropie erzeugt, und das Substrat (30) eine Seed-Schicht (31) ist, und ferner umfassend: das Bilden einer Referenzschicht, RL, (32) auf der Tunnelbarriereschicht (33) und einer Abdeckschicht (36) auf der RL, (32) um eine Seed-Schicht/Hk-verstärkende Schicht/FL/Tunnelbarriereschicht/RL/Abdeckschichtkonfiguration oder eine Seed-Schicht/NM1 Schicht/FL/Tunnelbarriereschicht/RL/Abdeckschichtkonfiguration zu erzeugen.
  34. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die mehreren Metallclustern aus einem Element M bestehen, das aus Mg, Al, B, Ca, Ba, Sr, Ta, Si, Mn, Ti, Zr und Hf gewählt ist oder eine Legierung MQ umfasst, wobei Q ungleich M ist und Q ein Element ist, das B, C, Al oder ein Übergangsmetall ist.
  35. Verfahren zum Bilden eines Magnetelements, das senkrechte Grenzflächenanisotropie an einer ersten Grenzfläche (50) zwischen einer freien Schicht (34) und einer ersten Oxidschicht und an mehreren Grenzflächen, an denen die freie Schicht (34) mit mehreren Metalloxidregionen (40s) in einer Metallschicht, die einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand aufweist, in Kontakt ist, die innerhalb der freien Schicht (34) gebildet sind, aufweist, umfassend: (a) Bereitstellen einer ersten Oxidschicht oder einer ersten nichtmagnetischen, NM1, Schicht auf einem Substrat (30); (b) Abscheiden einer ersten freien Schicht, FL1, (34a) mit mehreren Metallclustern (40) darin auf der ersten Oxidschicht oder der NM1-Schicht; (c) Abscheiden einer Metall- Schicht, M Schicht, oder MQ-Legierungsschicht (40a) auf der ersten freien Schicht, wobei M ein erstes Metall ist und Q ein zweites Metall ist, das ungleich Mist; (d) Abscheiden einer zweiten freien Schicht, FL2, (34b) auf der M-Schicht oder der MQ-Legierungsschicht (40a) um eine zusammengesetzte freie Schicht mit einer FL1/M/FL2- oder FL1/MQ/FL2-Konfiguration zu erzeugen; (e) Abscheiden einer zweiten Oxidschicht oder einer zweiten nichtmagnetischen Metall- oder Legierungs-Schicht, NM2 Schicht, auf einer oberen Fläche der zweiten freien Schicht (34b) die von der ersten Oxidschicht weg weist; und (f) Durchführen eines Temperschritts, sodass bei einem oder mehreren der Schritte (d), (e) und (f) mehrere Metallatome in der M-Schicht oder der MQ-Legierungsschicht (40a) Sauerstoff von einer oder mehreren Schichten in dem Magnetelement plündern und mit dem geplünderten Sauerstoff reagieren, um mehrere Metalloxidregionen auf der M- oder MQ-Legierungsschicht (40a) zu erzeugen, die eine Grenzfläche mit Abschnitten von FL1 (34a) und FL2 (34b) aufweisen und damit die senkrechte magnetische Anisotropie, PMA, in der zusammengesetzten freien Schicht verbessern.
  36. Verfahren nach Anspruch 35, wobei jedes aus FL1 (34a) und FL2 (34b) aus einem oder mehreren von Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB, FeB, CoFeNi und CoFeNiB oder einem Material mit hohem Ku-Wert besteht, das eine inhärente PMA aufweist, das eine Heusler-Legierung ist, die Ni2MnZ, Pd2MnZ, Co2MnZ, Fe2MnZ, Co2FeZ, Mn3Ge oder Mn2Ga ist, wobei Z eines aus Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb oder ein geordnetes L1o- oder L11-Material mit einer Zusammensetzung ist, die eines aus MnAl, MnGa oder RT ist, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung daraus ist und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung daraus oder eine Seltenerde-Legierung mit einer TbFeCo-, GdCoFe-, FeNdB- oder SmCo-Zusammensetzung ist.
  37. Verfahren nach Anspruch 35, wobei die M-Schicht oder die MQ eine fortlaufende Schicht ist.
  38. Verfahren nach Anspruch 35, wobei die M-Schicht oder die MQLegierungsschicht (40a) eine unterbrochene Schicht ist.
  39. Verfahren nach Anspruch 35, wobei die erste Oxidschicht eine Tunnelbarriereschicht (33) ist, die zweite Oxidschicht eine Hk-verstärkende Schicht (35) ist, die mit der zweiten freien Schicht (34b) in Kontakt steht, um eine senkrechte Grenzflächenanisotropie aufzubauen, das Substrat (30) ein Seed-Schicht/Referenzschichtstapel ist, wobei eine obere Fläche der Referenzschicht, RL, mit der Tunnelbarriereschicht (33) in Kontakt steht, und ferner umfassend: das Bilden einer obersten Abdeckschicht (36) auf der Hk-verstärkenden Schicht (35) oder auf der NM2-Schicht umfasst, um eine Seed-Schicht/RL/Tunnelbarriereschicht/ zusammengesetzte freie Schicht/Hk-verstärkende Schicht/Abdeckschichtkonfiguration, oder eine Seed-Schicht/RL/Tunnelbarriereschicht zusammengesetzte freie Schicht/NM2-Schicht/Abdeckschichtkonfiguration zu erzeugen.
  40. Verfahren nach Anspruch 35, wobei die erste Oxidschicht eine Hk-verstärkende Schicht (35) ist, das Substrat (30) eine Seed-Schicht (31) ist, die zweite Oxidschicht mit der zweiten freien Schicht (34b) in Kontakt steht, um senkrechte Grenzflächenanisotropie aufzubauen und ferner umfassend: das Bilden einer Referenzschicht, RL, (32) auf der Tunnelbarriereschicht (33) und einer Abdeckschicht (36) auf der RL (32) um eine Seed-Schicht/Hk-verstärkende Schicht/zusammengesetzte freie Schicht/Tunnelbarriereschicht /RL/Abdeckschichtkonfiguration oder eine Seed-Schicht/NM1 Schicht/zusammengesetzte freie Schicht/Tunnelbarriereschicht/RL/Abdeckschichtkonfiguration zu erzeugen.
  41. Verfahren nach Anspruch 35, wobei die M-Schicht eines aus Mg, Al, B, Ca, Ba, Sr, Ta, Si, Mn, Ti, Zr oder Hf ist und Q B, C, Al, oder ein Übergangsmetall ist.
  42. Verfahren der Bildung eines Magnetelements, das senkrechte Grenzflächenanisotropie an einer ersten Grenzfläche (50) zwischen einer zusammengesetzten freien Schicht (34-1) und einer ersten Oxidschicht oder einer ersten nichtmagnetischen Metall- oder Legierungs-Schicht, NM1 Schicht, an einer zweiten Grenzfläche (51) zwischen der zusammengesetzten freien Schicht (34-1) und einer zweiten Oxidschicht oder einer zweiten nichtmagnetischen Metall- oder Legierungs-Schicht, NM2 Schicht, und an mehreren Grenzflächen aufweist, wo die zusammengesetzte freie Schicht (34-1 mit mehreren Metalloxidregionen (40s) in zwei Metallschichten in Kontakt ist, die jeweils einen nichtstöchiometrischen Oxidierungszustand aufweisen, die innerhalb der zusammengesetzten freien Schicht (34-1) gebildet sind, umfassend: (a) Bereitstellen der ersten Oxidschicht oder der ersten NM1-Schicht auf einem Substrat (30); (b) Abscheiden einer ersten freien Schicht, FL1, (34a) mit mehreren Metallclustern (40) darin auf der ersten Oxidschicht oder der NM1-Schicht; (c) Abscheiden einer ersten Metallschicht, M, oder einer ersten Legierungs-Schicht, MQ Schicht, (40a) auf FL1 (34a), wobei M ein erstes Metall und Q ein zweites Metall ist; (d) Abscheiden einer zweiten freien Schicht, FL2, (34b) auf der ersten M Schicht oder der ersten MQ Schicht; (e) Abscheiden einer zweiten Metallschicht, M2, oder einer zweiten Legierungsschicht, M2Q2, (40c) auf FL2 (34b); (f) Abscheiden einer dritten freien Schicht, FL3, (34c) auf der M2-Schicht oder der M2Q2-Schicht, um eine zusammengesetzte freie Schicht (34-1) zu erzeugen, die einen FL1/M/FL2/M2/FL3-, FL1/M/FL2/M2Q2/FL3-, FL1/MQ/FL2/M2Q2/FL3- oder FL1/MQ/FL2/M2/FL3-Schichtenstapel umfasst; (g) Abscheiden der zweiten Oxidschicht oder der NM2-Schicht auf einer oberen Fläche der freien Schicht, die von der ersten Oxids- oder NM1-Schicht weg weist; und (h) Durchführen eines Temperschritts, sodass bei einem oder mehreren der Schritte (f), (g) und (h) mehrere M- und/oder Q-Metallatome in den M-, M2-, MQ- und M2Q2-Schichten Sauerstoff von einer oder mehreren Schichten in dem Magnetelement plündern und mit dem geplünderten Sauerstoff reagieren, um mehrere Metalloxidregionen auf der M- oder MQ-Schicht, die eine Grenzfläche mit Abschnitten von FL1 (34a) und FL2 (34b) aufweisen, und mehrere Metalloxidregionen auf der M2- oder M2Q2-Schicht, die Grenzflächen mit Abschnitten der FL2 (34b) und FL3 (34c) aufweisen, zu bilden, wodurch die senkrechte magnetische Anisotropie, PMA, in der zusammengesetzten freien Schicht (34-1) angereichert wird.
  43. Verfahren nach Anspruch 42, wobei eine oder mehrere der M-, M2-, MQ- und M2Q2-Schichten eine fortlaufende Schicht ist.
  44. Verfahren nach Anspruch 42, wobei eine oder mehrere der M-, M2-, MQ- und M2Q2-Schichten eine unterbrochene Schicht ist.
  45. Verfahren nach Anspruch 42, wobei jede aus FL1 (34a), FL2 (34b) und FL3 (34c) aus einem oder mehreren von Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB, FeB, CoFeNi und CoFeNiB oder einer Heusler-Legierung besteht, die Ni2MnZ, Pd2MnZ, Co2MnZ, Fe2MnZ, Co2FeZ, Mn3Ge oder Mn2Ga ist, wobei Z eines aus Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb oder ein geordnetes L1o- oder L11-Material mit einer Zusammensetzung ist, die eine aus MnAl, MnGa oder RT ist, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung davon ist und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung davon, oder eine Seltenerde-Legierung mit einer TbFeCo-, GdCoFe-, FeNdB- oder SmCo-Zusammensetzung ist.
  46. Verfahren nach Anspruch 42, wobei die erste Oxidschicht eine Tunnelbarriereschicht (33) ist, die zweite Oxidschicht auf der oberen Fläche der freien Schicht gebildet ist und eine Hk-verstärkende Schicht (35) ist, das Substrat (30) ein Seed-Schicht/Referenzschichtstapel ist, wobei eine obere Fläche der Referenzschicht, RL, mit der Tunnelbarriereschicht (33) in Kontakt steht, und ferner umfassend das Bilden einer obersten Abdeckschicht (36) auf der Hk-verstärkenden Schicht (35) oder auf der NM2-Schicht umfasst, um eine Seed-Schicht/RL/Tunnelbarriereschicht/-zusammengesetzte freie Schicht/Hk-verstärkende Schicht/Abdeckschichtkonfiguration, oder eine Seed-Schicht/RL/Tunnelbarriereschicht/ zusammengesetzte freie Schicht/NM2-Schicht/Abdeckschichtkonfiguration zu erzeugen.
  47. Verfahren nach Anspruch 42, wobei die erste Oxidschicht eine Hk-verstärkende Schicht (35) ist, die zweite Oxidschicht auf der oberen Fläche der zusammengesetzten freien Schicht (34-1) ist und eine Tunnelbarriereschicht (33) ist, das Substrat (30) eine Seed-Schicht (31) ist und ferner umfassend das Bilden einer Referenzschicht, RL, (32) auf der Tunnelbarriereschicht (33) und einer Abdeckschicht (36) auf der Referenzschicht, um eine Seed-Schicht/Hk-verstärkende Schicht/zusammengesetzte freie Schicht/Tunnelbarriereschicht /RL/Abdeckschichtkonfiguration oder eine Seed-Schicht/NM1 Schicht/zusammengesetzte freie Schicht/Tunnelbarriereschicht/RL/Abdeckschichtkonfiguration zu erzeugen.
  48. Verfahren nach Anspruch 42, wobei die M- und M2-Schichten aus einem ersten Element, das eines aus Mg, Al, B, Ca, Ba, Sr, Ta, Si, Mn, Ti, Zr oder Hf ist, gewählt sind, und Q und Q2 aus einem zweiten Element, das B, C, Al oder ein Übergangsmetall sind, gewählt ist.
  49. Verfahren nach Anspruch 42, ferner umfassend das Bilden einer dritten Metallschicht, M3, oder einer dritten Metalllegierungs-Schicht, M3Q3 Schicht, (4oe) auf FL3 (34c), und das Bilden einer vierten freien Schicht, FL4, (34d) auf der M3- oder der M3Q3 Schicht (40e) vor der Abscheidung der zweiten Oxidschicht oder der NM2-Schicht und Tempern, wobei M3 aus einem der ersten Elemente gewählt ist, Q3 aus einem der zweiten Elemente gewählt ist, und FL4 eines oder mehrere von Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB, FeB, CoFeNi und CoFeNiB oder eine Heusler Legierung ist, die Ni2MnZ, Pd2MnZ, Co2MnZ, Fe2MnZ, Co2FeZ, Mn3Ge oder Mn2Ga ist, wobei Z eines aus Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb oder ein geordnetes L10- oder L11-Material mit einer Zusammensetzung ist, die eines aus MnAl, MnGa oder RT ist, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung davon ist und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung davon oder eine Seltenerde-Legierung mit einer TbFeCo-, GdCoFe-, FeNdB- oder SmCo-Zusammensetzung ist.
  50. Verfahren nach Anspruch 49, ferner bestehend aus dem Bilden einer vierten Metallschicht, M4, oder einer vierten Metalllegierungs-Schicht, M4Q4 Schicht, (40g) auf FL4, und dem Bilden einer fünften freien Schicht, FL5, (34e) auf M4 oder M4Q4 (40g) vor der Abscheidung der zweiten Oxidschicht oder der NM2-Schicht und dem Tempern, wobei M4 aus einem der ersten Elemente gewählt ist, Q4 aus einem der zweiten Elemente gewählt ist, und FL5 eines oder mehrere von Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB, FeB, CoFeNi und CoFeNiB, oder eine Heusler Legierung, die Ni2MnZ, Pd2MnZ, Co2MnZ, Fe2MnZ, Co2FeZ, Mn3Ge oder Mn2Ga ist, ist, wobei Z eines aus Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb oder ein geordnetes L10- oder L11-Material mit einer Zusammensetzung ist, die eine aus MnAl, MnGa oder RT ist, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung davon ist, und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung davon oder eine Seltenerde-Legierung mit einer TbFeCo-, GdCoFe-, FeNdB- oder SmCo-Zusammensetzung ist.
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