DE112018001840B4

DE112018001840B4 - Aufrechterhalten eines koerzitivfelds nach hochtemperaturtempern für magnetvorrichtungsanwendungen mit senkrechter magnetischer anisotropie

Info

Publication number: DE112018001840B4
Application number: DE112018001840.7T
Authority: DE
Inventors: Huanlong Liu; Yuan-Jen Lee; Jian Zhu; Guenole Jan; Luc Thomas; Po-Kang Wang; Ru-Ying Tong; Jodi Mari IWATA
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2017-04-03
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2038-03-07
Also published as: KR102211377B1; CN110741487A; WO2018186971A1; US10014465B1; US10658577B2; US20200028073A1; US20200279995A1; US20180323371A1; KR20190134738A; CN110741487B; US11569441B2; US10431736B2; DE112018001840T5

Abstract

Magnetisches Speicherelement, das zwischen einer ersten Elektrode (10) und einer zweiten Elektrode (40) gebildet ist, umfassend:(a) eine Tunnelsperrschicht (13), die zwischen einer Referenzschicht (12) und einer freien Schicht (14) gebildet ist;(b) die freie Schicht (14) mit einer ersten Oberfläche, die eine erste Grenzfläche (20) mit der Tunnelsperrschicht (13) bildet, wodurch senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) in der freien Schicht (14) gefördert wird;(c) eine Oxidschicht (15), die eine zweite Grenzfläche (21) mit der freien Schicht (14) an einer zweiten Oberfläche davon bildet, die an einer gegenüberliegenden Seite der freien Schicht (14) in Bezug auf die Tunnelsperrschicht (13) liegt, und wobei sowohl die Oxidschicht (15) als auch die freie Schicht (14) eine innenzentrierte (BCC) Struktur aufweisen, die PMA in der freien Schicht (14) verstärkt;(d) eine erste Gitterabstimmungsschicht (16a), die an eine gegenüberliegende Seite der Oxidschicht (15) in Bezug auf die zweite Grenzfläche (21) angrenzt, wobei die erste Gitterabstimmungsschicht (16a) aus einem magnetischen Material besteht, das eine CoxFeYNizLw-Legierung ist, wo L ein nicht magnetisches Element ist, (x + y + z + w) = 100 Atom%, x + y > 0, und w > 0, und wobei die erste Gitterabstimmungsschicht (16a) eine BCC-Struktur aufweist, um ein Wachstum der BCC-Struktur in der Oxidschicht (15) zu unterstützen; und(e) eine zweite Gitterabstimmungsschicht (16d, 16c), die an die erste Gitterabstimmungsschicht (16a) angrenzt, wobei die zweite Gitterabstimmungsschicht ein Oxid oder Nitrid von Ru, Ta, Ti oder Si (16d) ist, oder eine CoxFeYNizLwMv-Schicht (16c) ist, wobei L ein nicht-magnetisches Element ist, (x + y + z + w + v) = 100 Atom%, M eines von Mo, Mg, Ta, Cr, W, Ru oder V ist, x + y > 0, jedes von v und w > 0 ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Magnetvorrichtungen mit magnetischen Tunnelkontakten (MTJs, Magnetic Tunnel Junctions), die senkrechte magnetische Anisotropie (PMA, Perpendicular Magnetic Anisotropy)) aufweisen, und insbesondere ein Einsetzen einer Gitterabstimmungsschicht zwischen einer Kappenschicht und oberen Elektrode, um Koerzivität (Hc) im MTJ-Stapel nach Tempern oder während Halbleiterprozessen mit hohen Temperaturen von etwa 400°C aufrechtzuerhalten.
US 2015 / 0 028 439 A1 offenbart ein magnetisches Speicherelement, das zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode gebildet ist. Das magnetische Speicherelement weist eine eine Referenzschicht, eine Tunnelsperrschicht unter der Referenzschicht, eine freie Schicht unter der Tunnelsperrschicht und eine CoFeB-schicht unter der freien Schicht auf.
Weiter Stand der Technik ist beispielsweise zu finden in US 2012 / 0 280 339 A1 , US 2015 / 0 311 252 A1 , US 2012 / 0 205 758 A1 , DE 11 2018 001419 T5 , US 2012 / 0 018 825 A1 , WO 2016/ 178 758 A1 und US 2010 / 0 034 014 A1 .
HINTERGRUND
Ein magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher (MRAM, Magnetoresistive Random Access Memory) hat eine Lesefunktion, die auf einem magnetoresistiven Tunnelungs- (TMR, Tunneling Magnetoresistive) Effekt in einem MTJ-Stapel beruht, wobei eine Tunnelsperrschicht zwischen einer freien Schicht und einer Referenzschicht gebildet ist. Die freie Schicht dient als eine Erfassungsschicht durch Umschalten der Richtung ihres magnetischen Moments in Reaktion auf externe Felder (Medienfeld), während die Referenzschicht ein festgesetztes magnetisches Moment hat.
MRAM-Vorrichtungen, die aus MTJ-Elementen bestehen, wobei eine oder beide der freien Schicht und der Referenzschicht PMA haben, sind gegenüber ihren Gegenstücken bevorzugt, die Anisotropie auf gleicher Ebene haben, da erstgenannte eine Vorteil in einem geringeren Schreibstrom für dieselbe Wärmestabilität und bessere Skalierbarkeit haben. In MTJs mit PMA hat die freie Schicht, die Informationen für das Speicher-Bit speichert, zwei bevorzugten Magnetisierungsorientierungen, die senkrecht zur physischen Ebene der Schicht sind. Ohne äußeren Einfluss richtet sich die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht in einer der zwei bevorzugten Richtungen aus, entweder nach oben oder nach unten, wobei Information „1“ oder „0“ im binären System dargestellt werden. Für Speicheranwendungen wird erwartet, dass die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht während eines Lesebetriebs und im Leerlauf aufrechterhalten wird, sich aber während eines Schreibbetriebs zur entgegengesetzten Richtung ändert, falls sich die neue zu speichernden Information von ihrem aktuellen Speicherzustand unterscheidet. Die Fähigkeit, eine Magnetisierungsrichtung der freien Schicht während einer Leerlaufperiode aufrechtzuerhalten, wird als Datenhaltung oder Wärmestabilität bezeichnet und hat eine andere Anforderung für jede Speicheranwendung. Eine typische nicht-flüchtige Speichervorrichtung kann eine Wärmestabilität bei einer erhöhten Temperatur von 125°C für etwa 10 Jahre erfordern.
Für herkömmliche, CoFeB-basierte freie Schichten stammt PMA von der Grenzfläche zwischen der freien CoFeB-Schicht und MgO-Tunnelsperrschicht. Die physische Form der freien Schicht jedoch, mit einer seitlichen Dimension, die mehr als das Zehnfache der Dicke ist, neigt dazu, Anisotropie auf gleicher Ebene einzuführen, wobei die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht (FL) in der Ebene der FL ist. Ferner ist bei zunehmender FL-Dicke (Volumen) ein größerer Abschnitt der freien Schicht von der FL/Tunnelsperrschicht-Grenzfläche entfernt, wo PMA erzeugt wird. Daher wird die PMA weiter verringert, bis bei einem ausreichend großen FL-Dickenwert FL Anisotropie vollständig „auf gleicher Ebene“ ist. Somit ist Wärmestabilität für MRAM-Vorrichtungen mit PMA MTJs begrenzt, da das physikalische Gesetz besagt, dass Wärmestabilität zum Produkt des Koerzitivfeldes (Hc) und des magnetischen FL-Moments proportional ist, wo Hc das minimale Magnetfeld ist, das notwendig ist, um die FL-Magnetisierungsrichtung umzukehren. Ebenso hängt Hc direkt mit PMA dahingehend zusammen, dass eine größere PMA für die freie Schicht zu einem höheren Hc übersetzt wird und umgekehrt. Obwohl eine größere Dicke der freien Schicht ein höheres magnetisches Moment bereitstellt, ist der Kompromiss eine Verringerung in PMA und Koerzivität. Im Allgemeinen gibt es eine optimale freie Schichtdicke für beste Wärmestabilität.
Wärmestabilität ist eine Funktion des senkrechten Anisotropiefeldes wie in Gleichung (1) dargestellt, wo k_B die Boltzmann-Konstante ist, T die Temperatur ist, M_s die Sättigungsmagnetisierung ist und H_t und V das Anisotropiefeld außerhalb der Ebene bzw. Volumen der freien Schicht sind: $Δ = \frac{M_{s} V H_{k_{e f f}, ⊥}}{2 k_{B} T}$
und das senkrechte Anisotropiefeld einer magnetischen Schicht in Gleichung (2) angegeben ist als: $H_{k_{e f f}, ⊥} = - 4 π M_{s} + \frac{2 K_{U}^{⊥, s}}{M_{s} d} + H k, χ, ⊥$
wo d die Dicke der freien Schicht ist, H_k,χ⊥ das kristalline Anisotropiefeld in der senkrechten Richtung ist und $K_{U}^{⊥, s}$
die oberflächensenkrechte Anisotropie der Deck- und Bodenflächen der freien Schicht ist. Das Formenanisotropiefeld ist durch den Term (-₄πM_S) dargestellt.
Zur Verbesserung von Wärmestabilität durch Erhöhen des Wertes $K_{U}^{⊥, s}$
wird allgemein eine freie Schicht/Metalloxid-Grenzfläche an einer gegenüberliegenden Seite der freien Schicht in Bezug auf die Tunnelsperrschicht eingeführt. Das Metalloxid kann eine andere MgO-Schicht sein und wird häufig als Kappenschicht oder Hk-Verstärkungsschicht bezeichnet. Somit erhöht ein MgO/FL/MgO-Stapel die Gesamt-PMA in der freien Schicht wesentlich, wodurch eine dickere freie Schicht und höhere Wärmestabilität möglich sind. Die Kappenschicht gelangt häufig mit einer obersten MTJ-Schicht in Kontakt, die als Hartmaske bezeichnet wird, die ihrerseits mit einer oberen Elektrode und durch eine oberen Elektrodengruppe mit Komplementär-Metalloxid-Halbleiter- (CMOS, Complementary Metal-Oxide Semiconductor) Einheiten in einem Speicherchip verbunden ist. Hartmaskenmaterialien sind typischerweise Metalle oder Legierungen wie Ta, Ru, Mo, MnPt und deren leitfähige Oxide und Nitride, wie für herkömmliche Techniken in der Herstellung integrierter Schaltungen benötigt. Die Hartmaskendicke ist häufig größer als eine Gesamtdicke der anderen MTJ-Schichten, die im Allgemeinen etwa 10,0 nm ist.
Da MTJ-Elemente in CMOS-Vorrichtungen implementiert sind, muss ein PMA MTJ imstande sein, 30 Minuten Tempertemperaturen bis zu etwa 400°C zu widerstehen, die üblicherweise angewendet werden, um die Qualität der CMOS-Einheiten für Halbleiterzwecke zu verbessern. Es ist weitgehend anerkannt, dass Grenzflächen-PMA zwischen angrenzenden CoFeB- und MgO-Schichten optimiert ist, wenn beide eine übereinstimmende innenzentrierte, (BCC, bodycentered cubic) Struktur aufweisen. Während des Temperns werden die amorphen CoFeB- und MgO-Schichten üblicherweise von einem amorphen Zustand zu einer BCC-Struktur umgeformt. PMA wird jedoch leicht durch Diffusion von Metall von der Hartmaske in die Kappenschicht verschlechtert, wodurch der BCC-Bildungsprozess in der Kappenschicht unterbrochen wird. Daher ist eine verbesserte MTJ-Struktur erforderlich, die ermöglicht, dass die Kappenschicht eine reine BCC-Struktur erreicht, die ihrerseits zur verstärkten Wärmestabilität für den PMA MTJ bei erhöhten Temperaturen bis zu 400°C führt, die für Back End of Line (BEOL) Halbleiterprozesse typisch sind.
KURZDARSTELLUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung eines MTJ-Stapels in einer Magnetvorrichtung, wobei die freie Schicht PMA und Koerzivität (Hc) aufweist, die nach Hochtemperaturbearbeitung aufrechterhalten bleibt, die ein Tempern bei Temperaturen bis zu 400°C über mehrere Stunden beinhaltet.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung eines MTJ-Stapels von Schichten gemäß der ersten Aufgabe, sodass andere Eigenschaften, enthaltend das TMR-Verhältnis und Widerstand x Fläche (RA) Wert, bei einem annehmbaren Niveau aufrechterhalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden diese Aufgaben durch Konfigurieren eines magnetischen Tunnelkontakts mit senkrechter magnetischer Anisotropie (PMA MTJ) mit einem Referenzschicht (RL)/Tunnelsperrschicht/freie Schicht(FL)/Oxidschicht-Stapel in einer unteren Spin-Ventilstruktur erreicht, wobei eine Gitterabstimmungsschicht zwischen der Oxidschicht (Kappenschicht) und darüberliegenden Hartmaske enthalten ist. Die Gitterabstimmungsschicht ermöglicht, dass die Kappenschicht von einem amorphen Zustand zu einer BCC-Struktur übergeht, um mit der BCC-Struktur übereinzustimmen, die sich in der freien Schicht bildet, wodurch eine optimale magnetische Grenzflächenanisotropie an der FL/Oxidschicht-Grenzfläche bereitgestellt wird. In einer alternativen Ausführungsform, wobei der MTJ einen Oxidschicht/FL/Tunnelsperrschicht/RL-Stapel in einer oberen Spin-Ventilstruktur aufweist und die Oxidschicht als eine Hk-Verstärkungsschicht dient, wird eine Gitterabstimmungsschicht zwischen der Oxidschicht und einer unteren Elektrode eingesetzt. Somit hat die freie Schicht eine Grenzfläche mit einer Oxidschicht sowohl entlang ihrer Deck- als auch Bodenfläche, um darin PMA einzuführen oder zu verstärken. Zusätzliche Schichten können enthalten sein, wie eine Keimschicht, die am Boden des MTJ-Stapels gebildet ist, und eine Hartmaske als die oberste MTJ-Schicht.
Gemäß einer Ausführungsform, ist die Gitterabstimmungsschicht eine Doppelschicht, wobei eine erste Schicht aus einem magnetischen Material wie Co_xFe_YNi_zL_w besteht, wobei L eines von B, Zr, Nb, Hf, Mo, Cu, Cr, Mg, Ta, Ti, Au, Ag oder P ist und (x + y + z + w) = 100 Atom%, x + y > 0, und w > 0. Die Co_xFe_YNi_zL_w-Schicht kontaktiert die Deckfläche der Oxidschicht in einer unteren Spin-Ventilkonfiguration oder die Bodenfläche der Oxidschicht in einer oberen Spin-Ventilkonfiguration. Ferner gibt es eine zweite Schicht, die ein nicht-magnetisches Metall oder eine Legierung ist, die bzw. das an eine gegenüberliegende Seite der ersten Schicht in Bezug auf die Oxidschicht angrenzt. Die zweite Schicht ist vorzugsweise eines von Mo, Ta, Mg, Cr, V, Ru oder W. Die zweite Schicht dient zum effektiven Eliminieren einer magnetischen Interaktion zwischen der ersten Schicht und der freien Schicht und bleibt vorzugsweise bei Temperaturen nahe 400°C amorph, wodurch eine Wanderung von nicht-magnetischen Metallen von der Hartmaske, oberen Elektrode oder unteren Elektrode in die Co_xFe_YNi_zL_w-Schicht blockiert und ein Aufbrechen der BCC-Strukturbildung darin verhindert wird.
In einer anderen Ausführungsform kann die Gitterabstimmungsschicht eine einzelne Schicht sein, die eine Legierung der ersten und zweiten Schichtmaterialien ist. Zum Beispiel kann während Abscheidung des Metalls oder der Legierung M auf einer Co_xFe_YNi_zL_w-Schicht die letztgenannte erneut gesputtert werden, um eine Schicht zu bilden, die durch Co_xFe_YNi_zL_wM_v dargestellt ist, wo jedes w und v > 0 ist. In diesem Fall kann eine geringere Konzentration von M nahe der Kappenschicht als in einem oberen Abschnitt der Gitterabstimmungsschicht gebildet werden. In einer weiteren anderen Ausführungsform wird die Abscheidung des M Materials in einem Ausmaß gesteuert, dass nur ein oberer Abschnitt der ersten Schicht erneut gesputtert wird. Infolgedessen kann ein dreischichtiger Co_xFe_YNi_zL_w/Co_xFe_YNi_zL_wMy/M-Stapel auf der Kappenschicht in einer unteren Spin-Ventilkonfiguration gebildet werden.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch eine Ausführungsform wo die Gitterabstimmungsschicht eine zweischichtige oder dreischichtige Konfiguration aufweist, wobei eine erste Schicht, die ein Oxid oder Nitrid von Ru, Ta, Ti oder Si ist, eine erste Oberfläche hat, die an die Oxidschicht angrenzt, und eine zweite Oberfläche, gegenüber der ersten Oberfläche, die mit einer zweiten Schicht in Kontakt ist, die aus einem oder mehreren M-Elementen besteht, die Mo, Ta, Mg, Cr, V, Ru und W sind, oder mit einem Stapel mit einer Co_xFe_YNi_zL_w/M-Zusammensetzung in Kontakt ist.
In einem PMA MTJ mit einer oberen Spin-Ventil Konfiguration wird eine optionale Keimschicht auf einer unteren Elektrode gebildet. Wenn die Keimschicht weggelassen wird, kann die zweite Schicht, die aus dem Metall oder der Legierung M besteht, als die Keimschicht auf der unteren Elektrode dienen. Ferner kann eine Vielzahl von M-Materialien abgeschieden werden, sodass die zweite Schicht zum Beispiel zweischichtig oder dreischichtig ist. Danach wird die erste Schicht, die aus Co_xFe_YNi_zL_w besteht, auf der zweiten Schicht abgeschieden, um eine zweischichtige M/Co_xFe_YNi_zL_w-Konfiguration für die Gitterabstimmungsschicht zu erhalten. In einigen Ausführungsformen wird eine gewisse Menge der zweiten Schicht erneut gesputtert, um eine dreischichtige M/Co_xFe_yNi_zL_wM/Co_xFe_yNi_zL_w-Konfiguration für die Gitterabstimmungsschicht zu erhalten, oder die M-Schicht kann vollständig erneut gesputtert und dann gemeinsam mit der CoxFe_YNi₂L_w-Legierung abgeschieden werden, um eine einzelne Gitterabstimmungsschicht mit einer Co_xFe_yNi_zL_wM_v-Zusammensetzung zu erhalten.
Die freie Schicht kann eine einzelne Schicht sein, die aus Co, Fe oder einer Legierung davon besteht, mit einem oder mehreren Elementen enthaltend Ni und B. In einer alternativen Ausführungsform weist die freie Schicht zwei magnetische Schichten FL1 und FL2 auf, die durch eine antiferromagnetische Kopplungsschicht wie Ru getrennt sind oder durch eine nicht-magnetische Einsetzschicht getrennt sind, die Ta oder dergleichen ist, die als eine Momentverdünnungsschicht dient. Eine Referenzschicht grenzt an eine Oberfläche der Tunnelsperrschicht an, die der freien Schicht gegenüberliegt. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Referenzschicht eine synthetische antiparallele (SyAP) Konfiguration, wobei zwei magnetische Schichten, als AP1 und AP2 bezeichnet, zum Beispiel durch eine Ru-Schicht antiferromagnetisch gekoppelt sind.
Sobald alle Schichten in dem MTJ abgelegt sind, wird eine herkömmliche Bearbeitung verwendet, um den MTJ-Stapel in eine Vielzahl von MTJ-Elementen umzuwandeln. In einem anschließenden Schritt wird ein Temperprozess, der eine Temperatur von etwa 400°C umfasst, durchgeführt, um die amorphe Eigenschaft der freien Schicht, Tunnelsperrschicht und Oxidschicht zu einer BCC-Kristallstruktur umzuformen, wodurch die PMA der freien Schicht verstärkt wird.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Querschnittsansicht eines PMA MTJ mit einem unteren Spin-Ventildesign, wobei eine Gitterabstimmungsschicht mit einer Doppelschichtstruktur zwischen einer Kappenschicht und oberen Elektrode gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
2 ist eine Querschnittsansicht eines PMA MTJ mit einem unteren Spin-Ventildesign wobei eine einzelne Gitterabstimmungsschicht zwischen einer Kappenschicht und oberen Elektrode gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
3 ist eine Querschnittsansicht eines PMA MTJ mit einem unteren Spin-Ventildesign, wobei eine Gitterabstimmungsschicht mit einer Doppelschichtstruktur zwischen einer Kappenschicht und oberen Elektrode gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
4-5 sind Querschnittsansichten von PMA MTJs mit einem unteren Spin-Ventildesign, wobei eine Gitterabstimmungsschicht mit einem dreischichtigen Stapel zwischen einer Kappenschicht und oberen Elektrode gemäß einer vierten und fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
6 ist eine Querschnittsansicht eines PMA MTJ mit einem oberen Spin-Ventildesign, wobei eine Gitterabstimmungsschicht mit einer dreischichtigen Struktur zwischen einer Hk-Verstärkungsschicht und unteren Elektrode (BE) gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
7 ist eine Querschnittsansicht eines PMA MTJ mit einem oberen Spin-Ventildesign, wobei eine Gitterabstimmungsschicht mit einer Doppelschichtstruktur zwischen einer Hk-Verstärkungsschicht und einer unteren Elektrode gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
8 ist eine Querschnittsansicht eines PMA MTJ mit einem oberen Spin-Ventildesign, wobei eine einzelne Gitterabstimmungsschicht zwischen einer Hk-Verstärkungsschicht und unteren Elektrode gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
9 ist eine Querschnittsansicht eines PMA MTJ (oberes Spin-Ventildesign), wobei eine Gitterabstimmungsschicht mit einem Doppelschichtstapel zwischen einer Hk-Verstärkungsschicht und BE gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
10 ist eine Querschnittsansicht eines oberen Spin-Ventil PMA MTJ, wobei eine Gitterabstimmungsschicht mit einer dreischichtigen Struktur zwischen einer Hk-Verstärkungsschicht und unteren Elektrode gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
11-14 sind Querschnittsansichten, die eine Abfolge von Schritten während der Fertigung eines PMA MTJ mit einem unteren Spin-Ventildesign gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung ist ein PMA MTJ-Element, wobei eine freie Schicht Wärmestabilität bei zumindest 400°C aufgrund einer senkrechten magnetischen Anisotropie (PMA) darin aufweist, die durch Grenzflächen mit einer Tunnelsperrschicht und einer Oxidschicht etabliert wird, und wobei eine Gitterabstimmungsschicht ermöglicht, dass die Oxidschicht zu einer BCC-Struktur umgeformt wird, um mit der BCC-Struktur abgestimmt zu sein, die in der freien Schicht gebildet wird. Das PMA MTJ-Element kann in magnetischen Speichervorrichtungen verwendet werden, wie MRAM und Spindrehmoment-MRAM, und in spintronischen Vorrichtungen wie mikrowellenunterstützter magnetischer Aufzeichnung (MAMR), Spindrehmomentoszillator (STO), magnetische Sensoren und Biosensoren. Der PMA MTJ kann ein unteres Spin-Ventil-, oberes Spin-Ventil- oder duales Spin-Ventildesign haben, wie für Fachleute klar ist. Obwohl während der Fertigung einer Speichervorrichtung eine Vielzahl von PMA MTJ-Elementen typischerweise auf einem Substrat gebildet wird, ist zur Vereinfachung der Zeichnungen nur ein PMA MTJ in den beispielhaften Ausführungsformen dargestellt. Die Begriffe „Hk-Verstärkungsschicht“ und „Kappenschicht“ können untereinander austauschbar verwendet werden, wenn auf eine Oxidschicht Bezug genommen wird, die PMA in einer angrenzenden freien Schicht auslöst. Eine Kappenschicht, wie hier definiert, hat eine Position über der freien Schicht in einem PMA MTJ-Stapel, und eine Hk-Verstärkungsschicht kann entweder eine Bodenfläche der freien Schicht in einem oberen Spin-Ventil oder die Deckfläche der freien Schicht in einem unteren Spin-Ventildesign kontaktieren.
Im verwandten U.S. Patent US 9 147 833 B2 offenbarten wir die Verwendung einer laminierten Hk-Verstärkungsschicht, um hohe Koerzivität in PMA MTJ-Elementen nach 400°C Tempern zu erreichen. In U.S. Patent US 9 425 387 B1 offenbarten wir einen PMA MTJ, in dem eine Diffusionssperrschicht zwischen der Hk-Verstärkungsschicht und der darüberliegenden Hartmaske eingesetzt ist, um zu verhindern, dass Metalle in der Hartmaske in die Hk-Verstärkungsschicht wandern und die grenzflächige PMA verdünnen, die an der freie Schicht/Hk-Verstärkungsschicht-Grenzfläche etabliert ist. Mit anderen Worten, ein hoher Sauerstoffgehalt wird in der Hk-Verstärkungsschicht aufrechterhalten, indem Metalle an einem Eindringen in diese blockiert werden. Daher werden eine bessere Koerzivität und höhere Wärmestabilität erreicht.
Wir haben nun festgestellt, dass Koerzivität (Hc) in einem PMA MTJ mit einem Tunnelsperrschicht/freie Schicht/Metalloxid-Stapel von Schichten mit einer Schicht weiter verbessert wird, die in der Folge als Gitterabstimmungsschicht bezeichnet wird, die an die Oxidschicht an einer Seite angrenzt, die von der freien Sperrschicht weg weist und ein Schlüsselmerkmal hat, das sicherstellt, dass die Oxidschicht vollständig von einem amorphoen Zustand zu einer innenzentrierten (BCC) Struktur umgeformt wird. Es sollte klar sein, dass eine Tunnelsperrschicht wie MgO während des Temperns zu einer BCC-Schicht umgeformt wird, und dadurch beiträgt, dass die angrenzende freie Schicht eine BCC-Struktur durch eine erste Grenzfläche erreicht. Das Wachstum einer BCC-Struktur sowohl in der freien Schicht als auch Gitterabstimmungsschicht beeinflusst ein ähnliches BCC Wachstum in der Oxidschicht während eines Hochtemperaturtemperns oder einer Bearbeitung bei etwa 400°C. Infolge einer BCC Gitterabstimmung zwischen der Tunnelsperrschicht und freien Schicht und zwischen der freien Schicht und Oxidschicht wird ein höheres Niveau von PMA erreicht und in der freien Schicht aufrechterhalten. Die Oxidschicht kann in Ausführungsformen, die in 1-4 dargestellt sind, eine Kappenschicht sein, die zwischen der freien Schicht und darüberliegenden Hartmaske gebildet wird, oder in einem anderen Satz von Ausführungsformen, dargestellt in 5-8, eine Hk-Verstärkungsschicht zwischen der unteren Elektrode und freien Schicht.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine PMA MTJ 1 mit Seitenwand 1s gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt, in der eine optionale Keimschicht 11, Referenzschicht 12, Tunnelsperrschicht 13, freie Schicht 14, Kappenschicht 15, Gitterabstimmungsschicht 16 und Hartmaske 17 der Reihe nach auf einer unteren Elektrode 10 in einem MRAM, STT-MRAM oder einer spintronischen Vorrichtung gebildet sind. Die untere Elektrode kann auf einem Substrat (nicht dargestellt) gebildet sein, dass in einigen Ausführungsformen eine Halbleiterstruktur ist, die Transistoren und andere zugehörige Steuervorrichtungen enthalten kann. In einer STO-Vorrichtung kann die untere Elektrode eine Hauptpolschicht sein. Alle Schichten werden typischerweise durch Sputtern in einem Sputterabscheidungshauptrahmen abgeschieden, der zumindest eine Oxidationskammer und eine Ätzkammer aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Tunnelsperrschicht durch einen ersten Schritt zum Abscheiden einer ersten Metallschicht, einen zweiten Schritt zum Durchführen einer natürlichen Oxidation oder Radikaloxidation zum Umformen des ersten Metalls zu einem ersten Metalloxid und dann Abscheiden eines zweiten Metalls auf dem ersten Metalloxid gebildet. Der erste und zweite Schritt können wiederholt werden, bevor eine oberste Metallschicht abgeschieden wird. Während eines anschließenden Temperprozesses absorbiert die zweite oder oberste Metallschicht Sauerstoff aus der freien Schicht und der darunterliegenden Metalloxidschicht, um eine im Wesentlichen gleichförmige Metalloxidschicht zu erzeugen. Es sollte klar sein, dass in einer STO-Vorrichtung die Referenzschicht als eine Spin-Injektionsschicht (SIL) dient und die freie Schicht als eine Felderzeugungsschicht (FGL) dient.
Vorzugsweise wird eine Keimschicht 11 verwendet, um PMA in Referenzschicht 12 aufrechtzuerhalten oder zu verstärken, und erleichtert ein sanftes und gleichförmiges kristallines Wachstum in den darüberliegenden PMA MTJ-Schichten. Die Keimschicht kann eines oder mehrere von NiCr, NiFeCr, Pd, Pt, Ta, Ru, Mg, Ti, Mo oder anderen Metallen oder Legierungen sein, die in der Technik verwendet werden.
Referenzschicht 12 ist vorzugsweise ein SyAP-Stapel von Schichten, die eine AP₂/Kopplungsschicht/API-Konfiguration aufweisen, wobei die AP₁ Schicht eine Grenzfläche mit der Tunnelsperrschicht hat und jedes von AP₁ und AP₂ eines oder mehrere von Co, Fe, CoFe oder deren Legierungen ist, die ein zusätzliches Element haben können, enthaltend eines oder beide von Ni und B. AP₁- und AP₂-Schichten weisen magnetische Momente in entgegengesetzte Richtungen auf, da eine anti-ferromagnetische (AFM) Kopplung durch eine Ru-, Rh-, Ir- oder eine andere AFM-Kopplungsschicht bereitgestellt wird. PMA wird in der Referenzschicht 12 durch eine Grenzfläche mit Tunnelsperrschicht 13 ausgelöst oder verstärkt. In einer anderen Ausführungsform sind eine oder beide der AP1- und AP2-Schichten eine laminierte Struktur, die eines von (Co/Ni)_n, (Co/Pd)_n, (Co/Pt)_n, (CoFe/Ni)_n, (Co/NiFe)_n, (Co/NiCo)_n oder anderen laminierten Stapeln sind, die eine intrinsische PMA aufweisen, wo n zwischen 2 und 30 ist. Vorzugsweise weist jede Co- oder Co-Legierungsschicht in der laminierten Struktur eine Dicke zwischen 0,05 und 0,5 nm auf, während jede Pd-, Pt-, Ni- oder Ni- Legierungsschicht eine Dicke von 0,2 bis 1,0 nm aufweist. Die Co- oder Co-Legierungsschicht ist im Allgemeinen dünner als die Ni-, Ni-Legierungs-, Pt- oder Pd-Schicht.
Wenn die AP₁-Schicht eine der obengenannten laminierten Strukturen umfasst, kann eine Übergangsschicht, die Co, CoFe oder CoFeB ist, als die oberste Schicht im AP₁-Stapel eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen kann eine CoFeB/Co-Übergangsschicht gebildet werden, in der der CoFeB-Anteil 0,4 bis 0,8 nm dick ist, während der Co Schichtanteil eine Dicke von 0,3 bis 0,5 nm aufweist. Co wird häufig als die oberste Schicht im Referenzschichtstapel verwendet, um eine Grenzfläche mit der Tunnelsperrschicht zu bilden, da Co gegenüber Oxidation beständiger ist als eine CoFeB- (oder CoFe-) Schicht. Mit anderen Worten, Sauerstoff kann während des Temperns aus einer MgO-Tunnelsperrschicht in eine Referenzschicht wandern, wodurch zum Beispiel eine teilweise Oxidation von CoFeB verursacht wird, was zu einer Verschlechterung im TMR-Verhältnis führt.
Die Tunnelsperrschicht 13 kann jede Metalloxidschicht sein, die einen spinabhängigen Tunnelungseffekt zwischen der Referenzschicht und freien Schicht auslöst. Obwohl MgO häufig bevorzugt ist, da es ein optimales TMR-Verhältnis bereitstellt, können andere Materialien, enthaltend MgN, MgON und Oxide, Nitride oder Oxynitride von Al, Ti, Zn, Hf, AITi, MgZn, MgTa oder Ta als die Tunnelsperrschicht verwendet werden. Ferner können Laminierungen von einem oder mehreren der zuvor genannten Materialien als die Tunnelsperrschicht ausgewählt werden.
Die freie Schicht 14 grenzt an eine Deckfläche der Tunnelsperrschicht 13 in einem unteren Spin-Ventildesign an und ist gemäß einer Ausführungsform eine einzelne Schicht, die eines von Co, Fe, CoFe oder deren Legierungen ist, mit einem optionalen zusätzlichen Element, enthaltend eines oder beide von Ni und B. Die freie Schicht kann jedoch eine zweischichtige oder dreischichtige Konfiguration aufweisen, dargestellt durch FL1/FL2 oder FL1/FL2/FL3, wo jedes von FL1, FL2 und FL3 magnetische Schichten aus Co, Fe, CoFe oder deren Legierungen ist, wobei magnetische Momente aller der zwei oder drei Schichten in derselben Richtung durch ferromagnetische Kopplung ausgerichtet sind. Die Legierungen können eines oder beide von Ni, B und Übergangsmetallelementen enthalten, enthaltend Ta, Zr, Hf, Mg, Mo und Nb. In anderen Ausführungsformen hat die freie Schicht eine FL1/Ru/FL2-Konfiguration, wobei FL1- und FL2-Schichten antiferromagnetisch gekoppelt sind. In einer weiteren anderen Ausführungsform ist die freie Schicht eine der laminierten Strukturen, die zuvor in Bezug auf Referenzschichtzusammensetzung beschrieben wurden. Eine laminierte Struktur, die (Co/Ni)_n oder dergleichen ist, wird angesehen, intrinsische PMA aufzuweisen.
In einigen Ausführungsformen weist die freie Schicht 14 einen FL1/A/FL2-Stapel auf, in dem A eine Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 1,0 nm ist und aus einem nicht-magnetischen Element wie Ta, Ti, W, Zr, Hf, Nb, Mo, V, Mg oder Cr besteht, das einen Momentverdünnungseffekt bereitstellt. Die FL₁- und FL₂-Schichten sind durch die A Schicht ferromagnetisch gekoppelt. Mit anderen Worten, für eine fixierte freie Schichtdicke d hat eine FL₁/A/FL₂-Konfiguration eine kleinere Magnetisierungskomponente auf gleicher Ebene als ein FL₁/FL₂-Stapel. Es folgt, dass eine senkrechte Grenzflächenanisotropie an der Grenzfläche 20 zwischen der Tunnelsperrschicht und freien Schicht und an der Grenzfläche 21 zwischen der freien Schicht und Kappenschicht leichter das Formenanisotropiefeld überwindet und wesentliche PMA in der freien Schicht mit einer FL1/A/FL2-Konfiguration erzeugt.
PMA in der freien Schicht wird durch senkrechte Grenzflächenanisotropie ausgelöst oder verstärkt, die in einem Abschnitt davon neben einer ersten Grenzfläche 20 mit der Tunnelsperrschicht 13 und in einem Abschnitt neben einer zweiten Grenzfläche 21 mit einer Hk-Verstärkungsschicht erzeugt wird, auch bekannt in unteren Spin-Ventildesigns als Kappenschicht 15. Vorzugsweise übersteigt senkrechte Grenzflächen- (Oberflächen-) Anisotropie das Formenanisotropiefeld für die freie Schicht, um PMA und eine Nettomagnetisierungsrichtung bereitzustellen, die zu den zwei Grenzflächen senkrecht ist. Infolgedessen hat die freie Schicht größere Wärmestabilität und höhere Hc nach Hochtemperaturbearbeitung bis zu etwa 400°C als eine freie Schicht mit Magnetisierung auf gleicher Ebene. Es ist zu beachten, dass die Dicke einer freien Schicht 14 in der zuvor angegebenen Gleichung (4) durch „d“ dargestellt ist. Da der Wert für „d“ verringert ist, erhöht sich somit das senkrechte Anisotropiefeld. Wir haben festgestellt, dass PMA in der freien Schicht durch Aufrechterhalten von Dicke d in 1 im Bereich von 0,5 bis 2,5 nm etabliert wird. In vielen freien Schichtkonfigurationen, falls die Dicke d größer als etwa 2,5 nm ist, ist das Formenanisotropiefeld dann zu groß, um durch eine Komponente außerhalb der Ebene überwunden zu werden, und die Nettomagnetisierung der freien Schicht bleibt auf gleicher Ebene.
Die Kappenschicht 15 wird auf der freien Schicht 14 gebildet und besteht vorzugsweise aus einem Oxid, das eines von MgTaOx, MgO, SiOx, SrTiOx, BaTiOx, CaTiOx, LaAIOx, MnOx, VOx, Al₂O₃, TiOx, BOx und HfOx ist. In einigen Ausführungsformen ist die Kappenschicht eine Laminierung eines oder mehrerer der zuvor genannten Oxide. Vorzugsweise ist die Kappenschicht MgO, das einen nicht-stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist, wobei eine gewisse Anzahl von Mg-Atomen unoxidiert bleibt, um darin einen RA-Wert zu erreichen, der kleiner als etwa 1 Ohm-gm² ist, was wesentlich kleiner als der RA-Wert der Tunnelsperrschicht ist. In einigen Fällen ist die Gesamt-RA für den PMA MTJ dargestellt durch die Summe (RA_{Tunnelsperrschicht} + RA_{Kappenschicht}) <5 Ohm-gm², während in anderen Ausführungsformen der Gesamt-RA-Wert unter 20 Ohm-pm² ist. Die Kappenschicht kann durch einen Prozess ähnlich jenem gebildet werden, der bei einer Tunnelsperrschichtbildung verwendet wird, in dem eine Metall- oder Legierungsschicht abgeschieden und dann durch einen Radikaloxidations- (ROX) oder natürlichen Oxidations- (NOX) Prozess zu einem stöchiometrischen oder nicht-stöchiometrischen Zustand oxidiert wird. Da die Oxidkappenschicht zum Widerstand x Fläche (RA) Wert für den PMA MTJ beiträgt, aber das TMR-Verhältnis nicht erhöht, wird die Dicke der Kappenschicht vorzugsweise auf einen Wert von 0,2 bis 2,0 nm minimiert, um einen inakzeptabel hohen Gesamt-A-Wert zu vermeiden.
Ein Schlüsselmerkmal der vorliegenden Offenbarung ist eine Gitterabstimmungsschicht 16, die zwischen der Kappenschicht und einer darüberliegenden Hartmaske 17 gebildet ist. Die Gitterabstimmungsschicht dient zum Blockieren des strukturellen Einflusses der Hartmaske während einer anschließenden Hochtemperaturbearbeitung, enthaltend ein Tempern bei 400°C über eine Vielzahl von Stunden. Infolgedessen wird die Kappenschicht von einer amorphen Eigenschaft zu einer BCC-Struktur umgeformt, während die freie Schicht während der 400°C Bearbeitung eine BCC-Struktur züchtet. Daher wird eine höhere PMA in der freien Schicht aufgrund einer Gitterabstimmung mit der Kappenschicht erzielt. Nach dem Stand der Technik ist das Hartmaskenmetall oder die Legierung mit der Oxidkappenschicht in Kontakt und hat eine Neigung, etwas von der oder die gesamte Kappenschicht daran zu hindern, eine BCC-Struktur zu bilden und dadurch PMA in der freien Schicht zu begrenzen.
In der ersten Ausführungsform weist die Gitterabstimmungsschicht 16-1 eine Doppelschichtstruktur auf mit einer unteren Schicht 16a, die aus einem magnetischen Material besteht und eine Dicke von 0,2 bis 1,0 nm hat, und einer oberen Schicht 16b, die eine einzelne Schicht oder ein mehrschichtiger Stapel ist, bestehend aus einem oder mehreren nicht magnetischen Metallen oder Legierungen von M Elementen, wo M eines oder mehrere von Mo, Mg, Ta, Cr, W, Ru oder V ist. Die obere Schicht dient zum effektiven Beseitigen eines magnetischen Einflusses der unteren Schicht auf der freien Schicht, sodass die untere Schicht ein Schaltverhalten in der freien Schicht nicht beeinflusst. Die untere Schicht hat vorzugsweise eine Co_xFe_vNi_zL_w-Zusammensetzung wobei L eines von B, Zr, Nb, Hf, Mo, Cu, Cr, Mg, Ta, Ti, Au, Ag oder P ist und (x + y + z + w) = 100 Atom% ist, x + y > 0 und w > 0. Die untere Schicht 16a hat ein endliches magnetisches Moment nach dem zuvor genannten 400°C Temperprozess. Ferner können „x“ und „z“ null sein, um eine untere FeL-Schicht zu erhalten, oder „y“ und „z“ können null sein, um eine untere CoL-Schicht zu erhalten. Der L-Gehalt beruht auf einer Bereitstellung einer amorphen Eigenschaft in der abgeschiedenen unteren Schicht und ermöglicht ein BCC Wachstum in der unteren Schicht während 400°C Tempern.
Da die Kappenschicht wie zuvor beschrieben dünn ist, ist das magnetische Moment der unteren Schicht nahe der freien Schicht und würde normalerweise den PMA MTJ entweder durch ein magnetisches Dipolfeld oder Spinpolarisation unter elektrischem Strom beeinflussen. Ein Bilden der M Schicht mit einer Dicke von 0,2 bis 1,0 nm auf einer Deckfläche der unteren Schicht entfernt jedoch jeden unerwünschten Einfluss der unteren Schicht auf der freien Schicht. Während des Temperns züchtet die CoFeNiL-Schicht eine BCC-Struktur und löst dadurch ein ähnliches BCC Wachstum in der Kappenschicht 15 durch Grenzfläche 22 aus. Das BCC Kristallwachstum ist üblicherweise nach 30 Minuten bei einer Temperatur von ungefähr 400°C beendet. Da jedoch der Gehalt an nicht-magnetischem Element L zunimmt, kann die Zeit, die zur Umformung von einer amorphen zu einer BCC-Struktur erforderlich ist, zunehmen.
Über der Gitterabstimmungsschicht 16-1 befindet sich eine Hartmaske 17 mit einer Dicke im Bereich von etwa 5,0 bis 30,0 nm und mit einer Deckfläche 17t. Die Hartmaske dient als Schutzschicht für darunterliegende PMA MTJ-Schichten während einer anschließenden Bearbeitung, enthaltend eine Fotolackstrukturierung und Ätzung (8), und bietet Resistenz gegen Chemikalien und Schleifmittel während eines chemisch-mechanischen Polier (CMP)-Prozesses, dargestellt in 11, wo eine Deckfläche der Hartmaske geebnet wird, sodass sie mit einer angrenzenden Isolierschicht komplanar ist. Die Hartmaske dient auch als eine elektrische Verbindung vom PMA MTJ zur oberen Elektrode 40 (12) und stellt eine wesentliche Oxidationsbeständigkeit bereit. Die Hartmaske besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren von Ta, Ru, Ti, Mo oder MnPt oder einem leitfähigen Oxid, Oxynitrid oder Nitrid davon.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform, dargestellt in 2, behält PMA MTJ 2 mit Seitenwand 2s alle zuvor in der ersten Ausführungsform beschriebenen Schichten mit Ausnahme der Gitterabstimmungsschicht bei. Die vorliegende Offenbarung nimmt vorweg, dass ein Abscheiden der M Schicht auf einer unteren Schicht 16a im Wesentlichen die gesamte untere Schicht erneut sputtern kann, sodass das magnetische Material und M Element gemeinsam auf der Kappenschicht 15 abgeschieden werden, um eine einzelne Gitterabstimmungsschicht 16c mit einer Dicke von 0,2 bis 1,0 nm und mit einer Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Zusammensetzung zu erhalten, wobei (x + y + z + w + v) = 100 Atom%, x + y > 0 und jedes von v und w > 0 ist. Hier kann der M-Gehalt für ein Erzeugen einer netto nicht-magnetischen Eigenschaft in der Gitterabstimmungsschicht verantwortlich sein. In einigen Ausführungsformen kann der M Gehalt gleichförmig innerhalb der CoFeNiLM-Schicht verteilt sein. In anderen Ausführungsformen kann der M Gehalt in der Gitterabstimmungsschicht 16c in ihrem unteren Abschnitt kleiner sein, der nahe der Kappenschicht ist, als in einem oberen Abschnitt, der nahe der Hartmaske 17 ist. Während des Temperns züchtet die CoFeNiLM-Schicht eine BCC-Struktur und löst dadurch ein ähnliches BCC Wachstum in Kappenschicht 15 durch Grenzfläche 22 aus. Es sollte klar sein, dass, da der nicht-magnetische Gehalt (v + w Atom%) in Schicht 16c zunimmt, die Zeit, die zum Vollenden des BCC Wachstums in der Gitterabstimmungsschicht erforderlich ist, auch zunehmen wird.
In einer dritten Ausführungsform, dargestellt in 3, kann die Abscheidung eines M Materials auf einer Co_xFe_vNi_zL_w-Schicht nicht nur eine Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Schicht 16c bilden, die eine Grenzfläche 22 mit der Kappenschicht 15 hat, sondern auch eine M Schicht 16b auf der Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Schicht liefern, um eine Gitterabstimmungsschicht 16-2 mit einem Doppelschichtstapel mit einer 16c/16b Konfiguration zu erhalten. Jede von Schichten 16b, 16c hat eine Dicke von 0,2 bis 1,0 nm im PMA MTJ 3 mit Seitenwand 3s. Wie in der vorangehenden Ausführungsform züchtet die CoFeNiLM-Schicht eine BCC-Struktur während Hochtemperaturtemperns nahe 400°C, wodurch ein BCC Wachstum in der angrenzenden Kappenschicht gefördert wird.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch eine vierte Ausführungsform, dargestellt in 4, wo PMA MTJ 4 mit Seitenwand 4s alle Schichten im PMA MTJ 1 beibehält, mit der Ausnahme, dass die Gitterabstimmungsschicht 16-3 eine dreischichtige Konfiguration hat. Insbesondere kann der M Abscheidungsprozess in einem Ausmaß gesteuert werden, dass nur ein oberer Abschnitt einer unteren Schicht 16a erneut gesputtert wird, um eine Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Legierungsschicht 16c auf Schicht 16a zu bilden. Ferner kann eine M Schicht 16b auf einer Deckfläche von Schicht 16c gebildet werden, um einen 16a/16c/16b-Stapel, der durch eine CoFeNiL/CoFeNiLM/M-Konfiguration dargestellt ist, für die Gitterabstimmungsschicht 16-3 zu erhalten. Alternativ kann die M Schicht-Abscheidung einen oberen Abschnitt der unteren Schicht erneut sputtern, um eine 16a/16c-Doppelschicht mit einer CoFeNiL/CoFeNiLM-Konfiguration für die Gitterabstimmungsschicht 16-3 zu erhalten.
Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist in 5 dargestellt und ist eine Modifizierung der ersten Ausführungsform. Insbesondere kann eine Gitterabstimmungsschicht 16d, die ein Oxid oder Nitrid von Ru, Ta, Ti oder Si ist, zwischen Gitterabstimmungsschicht 16a und Oxidschicht 15 eingesetzt sein, um einen PMA MTJ 5 mit Seitenwand 5s zu erhalten. Vorzugsweise ist Schicht 16d im abgeschiedenen Zustand amorph und züchtet während Hochtemperaturtemperns eine BCC-Struktur, um ein BCC Wachstum in der angrenzenden Oxidschicht zu fördern. Ferner kann Gitterabstimmungsschicht 16d leitfähig sein, um einen zusätzlichen Beitrag zum Gesamt-RA-Wert bereitzustellen. Wenn die Gitterabstimmungsschicht 16d leitfähig ist, kann die Dicke von Schicht 16d bis zu 8,0 nm sein, sodass eine Gesamtdicke von Stapel 16-4 0,2 bis 10,0 nm ist. Somit hat der Gitterabstimmungsschichtstapel 16–4 eine dreischichtige Konfiguration, dargestellt durch 16d/16a/16b, wo Schicht 16b die Hartmaske 17 kontaktiert. In einer alternativen Ausführungsform kann die Schicht 16a weggelassen werden, um eine 16d/16b-Doppelschichtkonfiguration, wie zum Beispiel TiN/Ru, bereitzustellen.
6 ist eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die alle MTJ-Schichten in 5 umfasst, mit der Ausnahme, dass PMA MTJ 5' eine obere Spin-Ventilkonfiguration aufweist, wobei die optionale Keimschicht 11, Schicht 16b, optionale Schicht 16a und Schicht 16d, Hk-Verstärkungsschicht 15, freie Schicht 14, Tunnelsperrschicht 13, Referenzschicht 12 und Hartmaske 17 der Reihe nach auf der unteren Elektrode 10 gebildet werden. In einigen Ausführungsformen wird die Keimschicht weggelassen, da die einzelne Schicht oder Mehrfachschicht von M Elementen in Schicht 16b als eine akzeptable Keimschicht dienen kann.
Die vorliegende Offenbarung nimmt auch eine siebente Ausführungsform mit einer oberen Spin-Ventilkonfiguration vorweg, wie für PMA MTJ 1' mit Seitenwand 1s in 7 gezeigt. Alle Schichten werden von 1 beibehalten, mit der Ausnahme, dass die Reihenfolge einer Bildung anders ist. Insbesondere werden eine optionale Keimschicht 11, Gitterabstimmungsschicht 16-1, Hk-Verstärkungsschicht 15, freie Schicht 14, Tunnelsperrschicht 13, Referenzschicht 12 und Hartmaske 17 der Reihe nach auf der unteren Elektrode 10 gebildet. Es ist eine erste Grenzfläche 21 zwischen einer Bodenfläche der freien Schicht und einer Deckfläche der Hk-Verstärkungsschicht, und eine zweite Grenzfläche 20 zwischen einer Deckfläche der freien Schicht und einer Bodenfläche der Tunnelsperrschicht vorhanden, die senkrechte Grenzflächenanisotropie und PMA in der freien Schicht erzeugen. In einigen Ausführungsformen wird Keimschicht 11 weggelassen, da das eine oder die mehreren M Elemente in Schicht 16b effektiv als eine Keimschicht dienen, die gleichförmiges Wachstum in darüberliegenden Schichten fördert. In dieser Ausführungsform wird eine Co_xFe_YNi_zL_w-Schicht 16a auf einer Deckfläche der M Schicht 16b gebildet und Grenzfläche 22 ist bei einer unteren Oberfläche von Hk-Verstärkungsschicht 15 und bei einer Deckfläche von Schicht 16a. Ein ähnlicher Vorteil zu jenem, der mit unteren Spin-Ventil-Ausführungsformen in 1-5 verbunden ist, wird erzielt. Das heißt, es wird eine höhere PMA in freien Schicht 14 infolge eines BCC Wachstums in Schicht 16a während des Temperns erzielt, das ein ähnliches BCC Wachstum in der Hk-Verstärkungsschicht auslöst. Infolge einer Umformung im Wesentlichen der gesamten amorphen Eigenschaft in der Hk-Verstärkungsschicht zu einer BCC-Struktur liegen ein höherer Grad an senkrechter Grenzflächenanisotropie an Grenzfläche 21 und verbesserte Gitterabstimmung mit der freien Schicht vor. Daher werden Wärmestabilität und Koerzivität in der freien Schicht nach einer Hochtemperaturbearbeitung um 400°C über eine Vielzahl von Stunden aufrechterhalten.
In einer anderen oberen Spin-Ventil-Ausführungsform, dargestellt als PMA MTJ 2 mit Seitenwand 2s in 8, werden alle Schichten von 2 beibehalten, wo eine Gitterabstimmungsschicht 16c eine zuvor beschriebene einzelne Schicht mit einer Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Zusammensetzung ist. Die vorliegende Offenbarung nimmt vorweg, dass das Abscheiden eines Co_xFe_YNi_zL_w magnetischen Materials auf einer M Schicht das gesamte M Material erneut sputtern kann, das dann gemeinsam mit dem CoFeNiL-Material abgeschieden wird. Das M Material kann gleichförmig in der CoFeNiLM-Schicht verteilt werden. In anderen Ausführungsformen kann ein größerer M Gehalt in einem unteren Abschnitt von Schicht 16c vorhanden sein als in einem oberen Abschnitt, der nahe der Hk-Verstärkungsschicht 15 ist. Die CoFeNiLM-Schicht züchtet eine BCC-Struktur während Hochtemperaturtemperns nahe 400°C und fördert dadurch ein BCC-Strukturwachstum in der angrenzenden Hk-Verstärkungsschicht, das eine Gitterabstimmung mit dem BCC Wachstum in der freien Schicht 14 ermöglicht.
Gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, dargestellt in 9 wird ein PMA MTJ 3' mit Seitenwand 3s mit einer oberen Spin-Ventilstruktur gebildet, in der alle Schichten von 7 beibehalten werden, mit der Ausnahme, dass eine Gitterabstimmungsschicht 16-2 mit einem 16b/16c-Doppelschichtstapel mit einer Co_xFe_YNi_zL_wM_y-Schicht 16c, die auf einer M Schicht 16b gebildet ist, vorhanden ist. Mit anderen Worten, die Abscheidung der Co_xFe_YNi_zL_w-Schicht auf der M Schicht, wie zuvor beschrieben, kann so gesteuert werden, dass nur ein oberer Abschnitt der M Schicht erneut gesputtert wird und dann gemeinsam mit dem Co_xFe_YNi_zL_w-Material abgeschieden wird, um die Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Legierungsschicht 16c zu erhalten. Wie in der vorherigen Ausführungsform ist die CoFeNiLM-Schicht zum Fördern des BCC-Strukturwachstums in der angrenzenden Hk-Verstärkungsschicht 15 verantwortlich. Dabei bildet die Hk-Verstärkungsschicht eine Kristallstruktur, die mit jener der freien Schicht 14 übereinstimmt, und hält dadurch eine wesentliche PMA in der freien Schicht während eine Hochtemperaturbearbeitung nahe 400°C über eine Vielzahl von Stunden aufrecht. Daher werden eine höhere Hc und verbesserte Wärmestabilität gegenüber PMA MTJ-Designs nach dem Stand der Technik erzielt.
Unter Bezugnahme auf 10 umfasst die vorliegende Offenbarung eine zehnte Ausführungsform, dargestellt als PMA MTJ 4' mit Seitenwand 4s, wo alle Schichten von der oberen Spin-Ventilstruktur in 4 beibehalten werden, mit der Ausnahme, dass eine Gitterabstimmungsschicht 16-3 mit einer dreischichtigen Konfiguration vorhanden ist, dargestellt durch 16b/16c/16a, mit einem M/CoFeNiLM/CoFeNiL-Stapel von Schichten, wie zuvor beschrieben. Hier kann die Abscheidung eines Co_xFe_YNi_zL_w-Materials auf einer M Schicht 16b so gesteuert werden, dass nur ein oberer Abschnitt der M Schicht erneut gesputtert wird, um eine Co_xFe_YNi_zL_wM_y-Schicht 16c auf der unteren Schicht 16b zu erhalten. Dann wird die Abscheidung der Co_xFe_YNi_zL_w-Schicht fortgesetzt, sodass eine CoFeNiL-Schicht 16a auf Schicht 16c gebildet wird. Hier hat jede der Schichten 16a-16c eine Dicke von 0,2 bis 1,0 nm. Somit kontaktiert eine CoFeNiL-Schicht die Hk-Verstärkungsschicht 15 bei Grenzfläche 22 und ist verantwortlich sicherzustellen, dass eine BCC-Struktur in der Hk-Verstärkungsschicht während eines Temperprozesses gebildet wird, der eine Temperatur nahe 400°C umfasst, wie zuvor erklärt.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch ein Verfahren zum Bilden eines PMA MTJ-Elements mit einer Konfiguration, die in einer der Ausführungsformen offenbart ist, die in 1-10 dargestellt ist. Unter Bezugnahme auf 11 wird ein PMA MTJ-Stapel von Schichten auf einem Substrat gebildet, das eine untere Elektrodenschicht 10 umfasst. Gemäß der ersten unteren Spin-Ventil-Ausführungsform werden die Keimschicht 11, Referenzschicht 12, Tunnelsperrschicht 13, freie Schicht 14, Kappenschicht 15, Gitterabstimmungsschicht 16-1, und Hartmaske 17 der Reihe nach auf dem Substrat gebildet. Es sollte klar sein, dass die Schicht 16-1 durch die Gitterabstimmungsschicht 16c, 16-2, 16-3 oder 16-₄ ersetzt werden kann. Alle Schichten können durch eine Sputterabscheidungstechnik abgelegt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Tunnelschicht durch Abscheiden einer ersten Metall-(oder Legierungs-) Schicht, Oxidieren der ersten Metallschicht mit einem NOX- oder ROX-Verfahren und dann Abscheiden einer zweiten Metall- oder Legierungsschicht auf der oxidierten ersten Metallschicht gebildet. In einigen Fällen kann die zweite Metallschicht oxidiert werden und eine dritte Metallschicht wird auf der oxidierten zweiten Metallschicht abgeschieden. Typischerweise wird die dritte Metallschicht während eines anschließenden Temperprozesses durch Sauerstoffzehrung von angrenzenden Schichten oxidiert.
Unter Bezugnahme auf 12 wird eine Fotolackschicht auf einer Deckfläche 17t der Hartmaske abgeschieden und durch ein herkömmliches Verfahren strukturweise belichtet und entwickelt, um eine Fotolackmaske 30 mit einer Ansicht von oben (nicht dargestellt) in der gewünschten Form der MRAM-, Spindrehmoment-MRAM- oder spintronischen Vorrichtung zu bilden. Anschließend wird Ionenstrahlätzen oder reaktives Ionenätzen verwendet, um das Fotolackmaskenmuster durch die darunterliegenden Schichten zu übertragen, um Seitenwände 1s zu bilden, die an einer unteren Elektrodendeckfläche 10t stoppen. In der beispielhaften Ausführungsform werden Seitenwände 1s und 50s entlang einer kontinuierlichen Oberfläche gebildet, die im Wesentlichen orthogonal zu einer Deckfläche der unteren Elektrode 10 ist. In anderen Ausführungsformen kann Seitenwand 1s mit einer Neigung ausgerichtet sein, sodass die Keimschicht eine größere Breite in der x-Achsenrichtung hat als die Hartmaske 17. Hier hängt die Dicke jeder PMA MTJ-Schicht mit einer Distanz entlang der y-Achsenrichtung zusammen. Vorzugsweise haben die freie Schicht 14 und Referenzschicht 12 eine Magnetisierung entweder in der (+) y-Achsen- oder (-) y-Achsenrichtung.
Unter Bezugnahme auf 13 wird eine Isolierschicht 25 wie Aluminiumoxid oder SiO₂ auf Deckfläche 10t und Seitenwand 1s zu einer Dicke abgeschieden, die zumindest gleich jener des PMA MTJ-Stapels von Schichten ist. Dann wird ein chemisch-mechanischer Polier (CMP).Prozess durchgeführt, um die Fotolackmaske zu entfernen und eine Deckfläche 25t auf der Isolierschicht zu bilden, die mit Deckfläche 17t der Hartmaskenschicht im PMA MTJ komplanar ist. Der PMA MTJ wird nun als eine Nanosäule angesehen, da die Struktur einer Säule mit seitlichen Dimensionen entlang der x-Achse und z-Achse und einer Dicke in der y-Achsenrichtung ähnlich ist. Aus einer Ansicht von oben (nicht dargestellt) kann die MTJ-Nanosäule eine kreisförmige, elliptische oder polygonale Form aufweisen.
Anschließend wird in 14 eine obere Elektrodenschicht in einer zweiten Isolierschicht (nicht dargestellt) durch einen allgemein bekannten Prozess gebildet, um die MRAM-, Spindrehmoment-MRAM- oder STO-Fertigungssequenz zu beenden. Die obere Elektrode 20 kontaktiert eine Deckfläche von Hartmaske 17 und ist üblicherweise eine in einer Vielzahl von parallelen Linien, die in einer MRAM-Gruppe gebildet sind und typischerweise Cu oder einen anderen effizienten elektrischen Leiter umfassen. In einigen Ausführungsformen wird eine Mantelschicht (nicht dargestellt) um die leitfähige Schicht gebildet. Nur eine obere Elektrode ist dargestellt, um die Zeichnungen zu vereinfachen und den Schwerpunkt auf die PMA MTJ-Struktur zu legen, die ein Schlüsselmerkmal der vorliegenden Offenbarung ist. Für STT-MRAM wird ein Strom zwischen der oberen Elektrode und unteren Elektrode 10 durch den PMA MTJ zu Lese- und Schreibzwecken gelenkt. In einem MRAM-Schreibprozess erzeugt ein Strom in der oberen Elektrode und unteren Elektrode ein magnetisches Feld auf dem PMA MTJ, das imstande ist, die Magnetisierungsrichtung in der freien Schicht umzuschalten. In STO-Vorrichtungen kann die untere Elektrode ein Hauptpol sein, während die obere Elektrode eine hintere Abschirmung ist, wie für Fachleute klar ist.
Die Bildung eines PMA MTJ mit einem oberen Spin-Ventildesign wie jenes, das in 6-10 dargestellt ist, folgt demselben Prozessablauf, wie in 11-14 dargestellt, mit der Ausnahme, dass die Reihenfolge der PMA MTJ-Schichten geändert ist. Insbesondere werden eine optionale Keimschicht 11, Gitterabstimmungsschicht 16-1 (oder 16c, 16-2, 16-3, 16-4), Hk-Verstärkungsschicht 15, freie Schicht 14, Tunnelsperrschicht 13, Referenzschicht 12 und Hartmaske 17 der Reihe nach auf einer unteren Elektrode 10 durch Verwenden eines Fotolackstrukturierungs- und Ätzprozesses gebildet, bevor die Seitenwand 1s (oder 2s, 3s, 4s oder 5s) erzeugt wird, wie zuvor unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.

Um die Vorteile einer Gitterabstimmungsschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung zu demonstrieren, wurden strukturierte PMA MTJ Nanosäulen als kreisförmige 90-100 nm MRAM-Vorrichtungen gefertigt und das Hc-Feld von jeder wurde gemessen. Referenz PMA MTJ A hat eine Keimschicht/Referenzschicht/MgO Tunnelsperrschicht/freie Schicht/MgO Kappenschicht/Ru/Ta/TiN-Konfiguration, wobei die Referenzschicht und freie Schicht Materialien auf CoFeB-Basis sind, die Tunnelsperrschicht und Kappenschicht MgO sind und die Hartmaske ein Ru/Ta/TiN-Stapel ist. PMA MTJ B wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet und unterscheidet sich von der Referenz nur dadurch, dass er eine Gitterabstimmungsschicht mit einer CoFeB/Mo-Konfiguration zwischen der Kappenschicht und Hartmaske enthält. Alle Strukturen wurden bei Raumtemperatur abgeschieden und einem ersten Tempern 30 Minuten bei 330°C unterzogen. Eine Grundlinien-Koerzivitätsmessung gab He = 3200 Oe für beide Proben an, wobei ein Oe 79,6 A/m entspricht. Dann wurde ein zweites Tempern 151 Minuten bei 400°C durchgeführt, bevor eine zweite Koerzivitätmessung vorgenommen wurde. Wie in Tabelle 1 dargestellt, ist Hc für MTJ A unerwünscht auf 1600 Oe nach dem zweiten Tempern verringert, während PMA MTJ B eine Hc von 3200 Oe aufweist, die im Wesentlichen verglichen mit der ersten Messung unverändert ist. In einigen Anwendungen ist eine minimale Hc von ≥ 3200 Oe nach Hochtemperaturtempern erforderlich, wobei ein Oe in etwa 79,6 A/m entspricht. Zusätzlich ist es wichtig, dass Hc für zumindest zwei Stunden während eines Temperns bei 400°C aufrechterhalten werden sollte. Es ist zu beachten, dass 400°C ein Industriestandard für Halbleiterherstellung ist, um die Defektrate des Produkts zu verringern, und daher eine Anforderung für eingebettete MRAM-Anwendungen wird. Tabelle 1 Ergebnisse für PMA MTJs mit CoFeB/MgO/CoFeB/Kappenschicht/LM/Hartmaske-Konfigurationen

MTJ	Kappenschicht	Gitterabstimmungs-(LM) Schicht 1	Gitterabstimmungs-(LM) Schicht 2	Versagensrate nach 260°C, 90 sec.	Hc (Oe) nach 400°C, 151 sec
A	MgO	Keine	Keine	50%	1600
B	MgO	CoFeB (0,5 nm)	Mo (0,5 nm)	1 ppm	3200

Die Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind verbesserte PMA (Hc und Hk) für eine freie Schicht in einer Magnetvorrichtung, die die Retentionszeit für ein Speicherelement wie einen PMA MTJ nach Hochtemperaturbearbeitung bis zu 400°Cverbessert, die für MRAM- oder STT-MRAM-Vorrichtungen erforderlich ist, die in CMOS-Strukturen integriert sind. Ferner sind die hier beschriebenen Prozesse und Materialien mit den Design- und Bearbeitungsanforderungen von Magnetvorrichtungen kompatibel. Von einer Fertigung eines MTJ gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung wird nicht erwartet, dass sie eine signifikante Auswirkung auf die Herstellungskosten hat.

Claims

Magnetisches Speicherelement, das zwischen einer ersten Elektrode (10) und einer zweiten Elektrode (40) gebildet ist, umfassend: (a) eine Tunnelsperrschicht (13), die zwischen einer Referenzschicht (12) und einer freien Schicht (14) gebildet ist; (b) die freie Schicht (14) mit einer ersten Oberfläche, die eine erste Grenzfläche (20) mit der Tunnelsperrschicht (13) bildet, wodurch senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) in der freien Schicht (14) gefördert wird; (c) eine Oxidschicht (15), die eine zweite Grenzfläche (21) mit der freien Schicht (14) an einer zweiten Oberfläche davon bildet, die an einer gegenüberliegenden Seite der freien Schicht (14) in Bezug auf die Tunnelsperrschicht (13) liegt, und wobei sowohl die Oxidschicht (15) als auch die freie Schicht (14) eine innenzentrierte (BCC) Struktur aufweisen, die PMA in der freien Schicht (14) verstärkt; (d) eine erste Gitterabstimmungsschicht (16a), die an eine gegenüberliegende Seite der Oxidschicht (15) in Bezug auf die zweite Grenzfläche (21) angrenzt, wobei die erste Gitterabstimmungsschicht (16a) aus einem magnetischen Material besteht, das eine Co_xFe_YNi_zL_w-Legierung ist, wo L ein nicht magnetisches Element ist, (x + y + z + w) = 100 Atom%, x + y > 0, und w > 0, und wobei die erste Gitterabstimmungsschicht (16a) eine BCC-Struktur aufweist, um ein Wachstum der BCC-Struktur in der Oxidschicht (15) zu unterstützen; und (e) eine zweite Gitterabstimmungsschicht (16d, 16c), die an die erste Gitterabstimmungsschicht (16a) angrenzt, wobei die zweite Gitterabstimmungsschicht ein Oxid oder Nitrid von Ru, Ta, Ti oder Si (16d) ist, oder eine Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Schicht (16c) ist, wobei L ein nicht-magnetisches Element ist, (x + y + z + w + v) = 100 Atom%, M eines von Mo, Mg, Ta, Cr, W, Ru oder V ist, x + y > 0, jedes von v und w > 0 ist.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 1, wobei L eines von B, Zr, Nb, Hf, Mo, Cu, Cr, Mg, Ta, Ti, Au, Ag oder P ist.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 1, wobei das Oxid oder Nitrid von Ru, Ta, Ti oder Si (16d) zwischen der ersten Gitterabstimmungsschicht (16a) und der Oxidschicht (15) angeordnet ist.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 1, wobei die Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Schicht (16c) an eine gegenüberliegende Seite der Co_xFe_YNi_zL_w-Legierungsschicht in Bezug auf die Oxidschicht angrenzt.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 4, weiter bestehend aus einer dritten Gitterabstimmungsschicht (16b), die eine M-Schicht ist, die an einer gegenüberliegenden Seite der Co_xFe_YNi_zL_wM_z-Schicht (16c) in Bezug auf die Co_xFe_YNi_zL_w-Schicht (16a) gebildet ist.
Magnetisches Speicherelement nach M-Schicht jede der Co_xFe_YNi_zL_w-Legierungsschicht (16a) und der M-Schicht eine Dicke von etwa 0,2 bis 1,0 nm aufweist.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 3, weiter bestehend aus einer Keimschicht (11) und einer Hartmaske (17), um einen Keimschicht (11)/Referenzschicht (11) /Tunnelsperrschicht (13)/freie Schicht (14)/ Oxidschicht (15) /zweite Gitterabstimmungsschicht (16d)/ertse Gitterabstimmungsschicht (16a)/Hartmaske (17)-Stapel (5) in einer unteren Spin-Ventilkonfiguration zu erhalten, in der die Keimschicht (11) die erste Elektrode (10) kontaktiert und die Hartmaske (17) eine Bodenfläche der zweiten Elektrode kontaktiert.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 5, weiter bestehend aus einer Keimschicht (11) und einer Hartmaske (17), um einen Keimschicht (11)/Referenzschicht (12)/Tunnelsperrschicht (13)/freie Schicht (14)/ Oxidschicht (15)/erste Gitterabstimmungsschicht (16a)/zweite Gitterabstimmungsschicht (16c)/dritte Gitterabstimmungsschicht (16b)/Hartmaske (17)-Stapel (4) in einer unteren Spin-Ventilkonfiguration zu erhalten, in dem die Keimschicht die erste Elektrode (10) kontaktiert und die Hartmaske eine Bodenfläche der zweiten Elektrode kontaktiert.
Magnetisches Speicherelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oxidschicht (15) eines von MgTaOx, MgO, SiOx, SrTiOx, BaTiOx, CaTiOx, LaAIOx, MnOx, VOx, Al₂O₃) TiOx, BOx und HfOx ist oder ein Laminat von einem oder mehreren der zuvor genannten Oxide ist.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 3, weiter bestehend aus einer Keimschicht (11) und einer Hartmaske (17), um einen Keimschicht (11)/erste Gitterabstimmungsschicht (16a)/zweite Gitterabstimmungsschicht (16d)/Oxidschicht (15)/freie Schicht (14)/Tunnelsperrschicht (13)/Referenzschicht (12)/Hartmaske (17)-Stapel (5') in einer oberen Spin-Ventilkonfiguration zu erhalten, in dem die Keimschicht (11) die erste Elektrode (10) kontaktiert und die Hartmaske (17) eine Bodenfläche der zweiten Elektrode kontaktiert.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 5, weiter bestehend aus einer Keimschicht (11) und einer Hartmaske (17), um einen Keimschicht (11)/dritte Gitterabstimmungsschicht (16b)/zweite Gitterabstimmungsschicht (16c)/erste Gitterabstimmungsschicht (16a)/Oxidschicht (15)/freie Schicht (14)/Tunnelsperrschicht (13)/ Referenzschicht (12)/Hartmaske (17)-Stapel (4') in einer oberen Spin-Ventilkonfiguration zu bilden, in der die Keimschicht die erste Elektrode (10) kontaktiert und die Hartmaske eine Bodenfläche der zweiten Elektrode kontaktiert.
Magnetisches Speicherelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oxidschicht (15) eine Dicke von etwa 0,2 bis 2,0 nm aufweist.
Magnetisches Speicherelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (10) eine untere Elektrode in einer magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Vorrichtung oder in einem Spindrehmoment-MRAM ist oder die erste Elektrode eine Hauptpolschicht in einer Spindrehmoment-Oszillator (STO)-Vorrichtung ist.
Magnetisches Speicherelement, das zwischen einer ersten Elektrode (10) und einer zweiten Elektrode (40) gebildet ist, umfassend: (a) eine Tunnelsperrschicht (13), die zwischen einer Referenzschicht (12) und einer freien Schicht (14) gebildet ist; (b) die freie Schicht (14) mit einer ersten Oberfläche, die eine erste Grenzfläche (20) mit der Tunnelsperrschicht (13) bildet, wodurch senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) in der freien Schicht (14) gefördert wird; (c) eine Oxidschicht (15), die eine zweite Grenzfläche (21) mit der freien Schicht (14) an einer zweiten Oberfläche davon bildet, die auf einer gegenüberliegenden Seite der freien Schicht (14) in Bezug auf die Tunnelsperrschicht (13) ist, und wobei sowohl die Oxidschicht (15) als auch die freie Schicht (14) eine innenzentrierte (BCC) Struktur aufweisen, die PMA in der freien Schicht (14) verstärkt; und (d) eine erste Gitterabstimmungsschicht (16d, 16c), die an eine gegenüberliegende Seite der Oxidschicht (15) in Bezug auf die zweite Grenzfläche (21) angrenzt, wobei die erste Gitterabstimmungsschicht ein Oxid oder Nitrid von Ru, Ta, Ti oder Si (16d) ist oder eine Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Zusammensetzung (16c) aufweist, wobei L ein nicht-magnetisches Metall ist, M eines von Mo, Mg, Ta, Cr, W, Ru oder V ist, (x + y + z + w + v) = 100 Atom%, x + y > 0, und jedes von v und w > 0 ist, und wobei die erste Gitterabstimmungsschicht (16d, 16c) eine BCC-Struktur aufweist, um ein Wachstum der BCC-Struktur in der Oxidschicht (15) zu unterstützen.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 14, wobei L eines von B, Zr, Nb, Hf, Mo, Cu, Cr, Mg, Ta, Ti, Au, Ag, oder P ist.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 14, weiter bestehend aus einer zweiten Gitterabstimmungsschicht (16b), die eine einzelne Schicht oder eine mehrschichtige Struktur ist, die an eine gegenüberliegende Seite der ersten Gitterabstimmungsschicht (16d, 16c) in Bezug auf die Oxidschicht (15) angrenzt, und wobei die zweite Gitterabstimmungsschicht (16b) eine einzelne Schicht oder mehrschichtige Struktur ist, die aus einem oder mehreren von Mo, Mg, Ta, Cr, W, Ru und V besteht.
Magnetisches Speicherelement nach einem der der Ansprüche 14 zu 16, wobei die Oxidschicht (15) eines von MgTaOx, MgO, SiOx, SrTiOx, BaTiOx, CaTiOx, LaAIOx, MnOx, VOx, Al₂O₃, TiOx, BOx und HfOx ist oder ein Laminat eines oder mehrerer der zuvor genannten Oxide ist.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 16 oder 17, wobei die erste Gitterabstimmungsschicht (16d) die Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Schicht ist und jede der zweiten Gitterabstimmungsschicht (16b) und Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Schicht eine Dicke von etwa 0,2 bis 1,0 nm aufweist.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 16 oder 17, weiter bestehend aus einer dritten Gitterabstimmungsschicht (16a), die eine Co_xFe_YNi_zL_w-Zusammensetzung aufweist, wo w > 0 und x + y > 0, die zwischen der ersten Gitterabstimmungsschicht (16d) und der zweiten Gitterabstimmungsschicht (16b) gebildet ist, und wobei die erste Gitterabstimmungsschicht (16d) das Oxid oder Nitrid von Ru, Ta, Ti oder Si ist.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 19, wobei die erste Gitterabstimmungsschicht (16d) leitfähig ist und eine Gesamtdicke der ersten, zweiten und dritten Gitterabstimmungsschichten (16d, 16b, 16a) etwa 0,2 bis 10,0 nm ist.
Magnetisches Speicherelement nach einem der der Ansprüche 14 bis 20, weiter bestehend aus einer Keimschicht (11) und einer Hartmaske (17), um einen Keimschicht (11) /Referenzschicht (12) /Tunnelsperrschicht (13)/freie Schicht (14)/Oxidschicht (15)/ersteGitterabstimmungsschicht (16d, 16c) /Hartmaske (17)-Stapel (5,4) in einer unteren Spin-Ventilkonfiguration zu bilden, in der die Keimschicht (11) die erste Elektrode (10) kontaktiert und die Hartmaske (17) eine Bodenfläche der zweiten Elektrode kontaktiert.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 16, weiter bestehend aus einer Keimschicht (11) und einer Hartmaske (17), um einen Keimschicht (11)/Referenzschicht (12)/Tunnelsperrschicht (13)/freie Schicht (14)/Oxidschicht (15)/erste Gitterabstimmungsschicht (16d, 16c)/zweite Gitterabstimmungsschicht (16b)/Hartmaske (17)-Stapel (5,4) in einer unteren Spin-Ventilkonfiguration zu bilden, in der die Keimschicht (11) die erste Elektrode (10) kontaktiert und die Hartmaske (17) eine Bodenfläche der zweiten Elektrode kontaktiert.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 14, weiter bestehend aus einer Keimschicht (11) und einer Hartmaske (17), um einen Keimschicht (11)/erste Gitterabstimmungsschicht (16d, 16c)/Oxidschicht (15)/freie Schicht (14)/Tunnelsperrschicht (13) /Referenzschicht (12) /Hartmaske (17)-Stapel (5', 4') in einer oberen Spin-Ventilkonfiguration zu bilden, in der die Keimschicht (15) die erste Elektrode (10) kontaktiert und die Hartmaske (17) eine Bodenfläche der zweiten Elektrode kontaktiert.
Magnetisches Speicherelement nach Anspruch 16, weiter bestehend aus einer Keimschicht (11) und einer Hartmaske (17), um einen Keimschicht (11)/zweite Gitterabstimmungsschicht (16b)/erste Gitterabstimmungsschicht (16d,16c)/Oxidschicht (15)/freie Schicht (14) /Tunnelsperrschicht (13)/Referenzschicht (12)/Hartmaske (17) - Stapel (5',4') in einer oberen Spin-Ventilkonfiguration zu bilden, in der die Keimschicht (11) die erste Elektrode kontaktiert und die Hartmaske (17) eine Bodenfläche der zweiten Elektrode kontaktiert.
Verfahren zum Bilden eines magnetischen Speicherelements mit einem Stapel von Schichten, umfassend: (a) der Reihe nach Abscheiden einer Referenzschicht (12), einer Tunnelsperrschicht (13) und einer freien Schicht (14) auf einem Substrat, wobei die freie Schicht (14) eine erste Grenzfläche (20) mit der Tunnelsperrschicht (13) bildet, wodurch senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) in der freien Schicht (14) ausgelöst oder verstärkt wird; (b) Bilden einer Oxidschicht (15) auf einer Deckfläche der freien Schicht (14), um eine zweite Grenzfläche (21) zu bilden, die PMA in der freien Schicht (14) auslöst oder verstärkt; (c) Bilden einer ersten Gitterabstimmungsschicht (16c,16d,16a) auf der Oxidschicht (15), wobei die erste Gitterabstimmungsschicht im abgeschiedenen Zustand amorph ist und aus einer Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Schicht, einem Oxid oder Nitrid von Ru, Ta, Ti und Si oder einer Schicht besteht, die aus einem magnetischen Material besteht, das eine Co_xFe_YNi_zL_w-Legierung ist, wobei L ein nicht magnetisches Element ist, M eines von Mo, Mg, Ta, Cr, W, Ru oder V ist, (x + y + z + w + v) = 100 Atom%, x + y > 0, und jedes von v und w > 0 ist; (d) Abscheiden einer Hartmaske (17) als eine oberste Schicht im Stapel von Schichten; und (e) Tempern des Stapels von Schichten bei einer Temperatur nahe 400°C, sodass die erste Gitterabstimmungsschicht (16c, 16d, 16a) eine BCC-Struktur züchtet, um ein Wachstum einer BCC-Struktur in der Oxidschicht (15) zu fördern.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei L eines von B, Zr, Nb, Hf, Mo, Cu, Cr, Mg, Ta, Ti, Au, Ag oder P ist.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, weiter bestehend aus Abscheiden einer zweiten Gitterabstimmungsschicht (16b), die eine einzelne Schicht oder eine mehrschichtige Struktur ist und ein oder mehrere M Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus Mo, Mg, Ta, Cr, W, Ru und V, auf der ersten Gitterabstimmungsschicht (16c, 16d, 16a), bevor die Hartmaske (17) gebildet wird.
Verfahren nach einem der der Ansprüche 25 bis 27, wobei die Oxidschicht (15) eines von MgTaOx, MgO, SiOx, SrTiOx, BaTiOx, CaTiOx, LaAIOx, MnOx, VOx, Al₂O₃, TiOx, BOx und HfOx ist oder ein Laminat eines oder mehrerer der zuvor genannten Oxide ist.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, wobei Abscheiden der zweiten Gitterabstimmungsschicht (16b) auf der ersten Gitterabstimmungsschicht (16c, 16d, 16a) eine einzelne Schicht aus Co_xFe_YNi_zL_wM_v bildet oder einen Doppelschichtstapel mit einer Co_xFe_YNi_zL_w/M- oder einer Co_xFe_YNi_zL_wM_v/M-Konfiguration bildet, wobei eine M Element-Schicht die Hartmaske (17) kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, wobei Abscheiden der zweiten Gitterabstimmungsschicht (16b) auf der ersten Gitterabstimmungsschicht (16c, 16d, 16a) aus Co_xFe_YNi_zL_w einen dreischichtigen Stapel mit einer Co_xFe_YNi_zL_w/Co_xFe_YNi_zL_wM_v/M-Konfiguration bildet, wobei eine M Element-Schicht die Hartmaske (17) kontaktiert.
Verfahren nach einem der der Ansprüche 25 bis 30, wobei das Substrat eine Keimschicht (11) oder eine erste Elektrode (10) ist, und die erste Elektrode (10) eine untere Elektrode in einer magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Vorrichtung oder in einem Spindrehmoment-MRAM ist oder die erste Elektrode eine Hauptpolschicht in einer Spindrehmoment-Oszillator (STO)-Vorrichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die erste Gitterabstimmungsschicht (16d) das Oxid oder Nitrid von Ru, Ta, Ti oder Si ist und das Verfahren weiter Abscheiden einer zweiten Gitterabstimmungsschicht (16a) mit der Co_xFe_YNi_zL_w-Legierungszusammensetzung auf der ersten Gitterabstimmungsschicht (16d) und dann Abscheiden einer dritten Gitterabstimmungsschicht (16b), die eines oder mehrere der M Elemente ist, auf der zweiten Gitterabstimmungsschicht (16a) umfasst, bevor die Hartmaske (17) gebildet wird.
Verfahren zum Bilden eines magnetischen Speicherelements mit einem Stapel von Schichten (4', 5'), umfassend: (a) Abscheiden einer ersten Gitterabstimmungsschicht (16b), die eine einzelne Schicht oder eine mehrschichtige Struktur ist und ein oder mehrere M Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus Mo, Mg, Ta, Cr, W, Ru und V, auf einem Substrat; (b) Abscheiden einer zweiten Gitterabstimmungsschicht (16a) auf der ersten Gitterabstimmungsschicht (16b), wobei die zweite Gitterabstimmungsschicht (16a) im abgeschiedenen Zustand amorph ist und ein magnetisches Material mit einer Co_xFe_vNi_zL_w Zusammensetzung umfasst, wobei L ein nicht magnetisches Element ist, (x + y + z + w) = 100 Atom%, x + y > 0, und w > 0 ist; (c) Bilden einer Oxidschicht (15) auf der zweiten Gitterabstimmungsschicht (16a); (d) Abscheiden einer freien Schicht (14), die eine Deckfläche der Oxidschicht (15) kontaktiert, um eine erste Grenzfläche (21) zu bilden, die eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) in der freien Schicht (14) auslöst oder verstärkt; (e) der Reihe nach Bilden einer Tunnelsperrschicht (13), Referenzschicht (12) und einer Hartmaske (17), wobei die Tunnelsperrschicht (13) eine Deckfläche der freien Schicht (14) kontaktiert, um eine zweite Grenzfläche (20) zu bilden, die PMA in der freien Schicht (14) auslöst oder verstärkt; und (f) Tempern des Stapels von Schichten (4', 5') bei einer Temperatur von etwa 400°C, sodass die zweite Gitterabstimmungsschicht (16b) eine BCC-Struktur züchtet, um mit einem Wachstum einer BCC-Struktur in der Oxidschicht (15) abgestimmt zu sein.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei L eines von B, Zr, Nb, Hf, Mo, Cu, Cr, Mg, Ta, Ti, Au, Ag oder P ist.
Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, wobei die Oxidschicht (15) eines von MgTaOx, MgO, SiOx, SrTiOx, BaTiOx, CaTiOx, LaAIOx, MnOx, VOx, Al₂O₃, TiOx, BOx und HfOx ist oder ein Laminat von einem oder mehreren der zuvor genannten Oxide ist.
Verfahren nach einem der der Ansprüche 33 bis 35, wobei Abscheiden der zweiten Gitterabstimmungsschicht (16a) auf der ersten Gitterabstimmungsschicht (16b) eine einzelne Gitterabstimmungsschicht mit einer Co_xFe_vNi_zL_wM_v-Zusammensetzung bildet, wobei (x + y + z + w + v) = 100 Atom%, x + y > 0 und jedes von v und w > 0 ist, und wobei die einzelne Gitterabstimmungsschicht (16a) an die Oxidschicht (15) angrenzt und eine BCC-Struktur während des Temperns des Stapels von Schichten (4') züchtet, wodurch ein BCC-Strukturwachstum in der Oxidschicht (15) gefördert wird.
Verfahren nach einem der der Ansprüche 33 bis 35, wobei Abscheiden der zweiten Gitterabstimmungsschicht (16a) auf der ersten Gitterabstimmungsschicht (16b) einen Doppelschichtstapel mit einer M/Co_xFe_YNi_zL_w- oder einer M/Co_xFe_YNi_zL_wM_v-Konfiguration bildet, wobei die Co_xFe_YNi_zL_wM_v- oder Co_xFe_YNi_zL_w-Schicht die Oxidschicht (15) kontaktiert und die Co_xFe_YNi_zL_wM_v- oder Co_xFe_YNi_zL_w-Schicht während des Temperns des Stapels von Schichten (5') eine BCC-Struktur züchtet, um ein BCC-Strukturwachstum in der Oxidschicht (15) zu fördern.
Verfahren nach einem der der Ansprüche 33 bis 35, wobei Abscheiden der zweiten Gitterabstimmungsschicht (16a) auf der ersten Gitterabstimmungsschicht (16b) einen dreischichtigen Stapel mit einer M/Co_xFe_YNi_zL_wM_v/Co_xFe_YNi_zL_w-Konfiguration bildet, in der die Co_xFe_YNi_zL_w-Schicht die Oxidschicht (15) kontaktiert und die Co_xFe_YNi_zL_w-Schicht während des Temperns des Stapels von Schichten eine BCC-Struktur züchtet, um ein BCC-Strukturwachstum in der Oxidschicht (15) zu fördern.
Verfahren nach einem der der Ansprüche 33 bis 38, wobei das Substrate ein Keimschicht (11) oder eine erste Elektrode (10) ist, und die erste Elektrode (10) eine untere Elektrode in einer magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM)-Vorrichtung oder in einem Spindrehmoment-MRAM ist oder die erste Elektrode (10) eine Hauptpolschicht in einer Spindrehmoment-Oszillator (STO)-Vorrichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 33, weiter bestehend aus Abscheiden eine dritten Gitterabstimmungsschicht (16d) auf der zweiten Gitterabstimmungsschicht (16a), bevor die Oxidschicht (15) abgeschieden wird, wobei die dritte Gitterabstimmungsschicht (16d) ein Oxid oder Nitrid von Ru, Ta, Ti oder Si ist.