DE112018005549B4

DE112018005549B4 - Hohe wärmestabilität durch dotieren von oxiddeckschicht für magnetische direktzugriffsspeicheranwendungen (mram) mit spindrehmomentübertragung (stt)

Info

Publication number: DE112018005549B4
Application number: DE112018005549.3T
Authority: DE
Inventors: Guenole Jan; Jodi Mari IWATA; Ru-Ying Tong; Huanlong Liu; Yuan-Jen Lee; Jian Zhu
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2018-10-09
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2038-10-10
Also published as: DE112018005549T5; US20220246841A1; US20200144486A1; US11316098B2; CN111108618B; WO2019074945A1; KR102397031B1; US10522744B2; CN111108618A; KR20200040257A; US20190109277A1

Abstract

Magnetischer Tunnelübergang (MTJ) in einer Speichervorrichtung, aufweisend:(a) eine Tunnelsperrschicht (13), die eine erste Metalloxidschicht (13) ist, die zwischen einer gepinnten Schicht (12) und einer freien Schicht (14) gebildet ist, wobei die Tunnelsperrschicht (13) eine erste Grenzfläche (40) mit der freien Schicht (14) aufweist, die eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) in der freien Schicht (14) erzeugt;(b) eine zweite Metalloxidschicht (17), die eine zweite Grenzfläche (41) mit der freien Schicht (14) an einer Seite derselben bildet, die der ersten Grenzfläche (40) gegenüberliegt, und eine grenzflächige PMA in der freien Schicht (14) erzeugt, und wobei die zweite Metalloxidschicht (17) einen nicht stöchiometrischen Oxidationszustand und eine Gitterstruktur aufweist, wobei mehrere Gitterstellen mit einem Dotiermittel besetzt sind, das eines von N, S, Se, P, C, Te, As, Sb oder Bi ist, wobei eine höhere Konzentration von dem Dotiermittel in einem oberen Abschnitt der zweiten Metalloxidschicht (17) gebildet ist, während eine geringere Konzentration von dem Dotiermittel in einem unteren Abschnitt der zweiten Metalloxidschicht (17) nahe der freien Schicht (14) gebildet ist; und(c) die freie Schicht (14), die eine Magnetisierung in einer Richtung senkrecht zur Ebene aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ, Magnetic Tunnel Junction), der eine freie Schicht aufweist, die eine Grenzfläche mit einer Tunnelsperrschicht und einer Hk-Verstärkungsschicht aufweist, die ein Metalloxid ist, und betrifft insbesondere die Verringerung des Hk-Verstärkungsschichtwiderstands und Minimierung einer Diffusion von Sauerstoff aus der Metalloxid/Freie Schicht-Grenzfläche, um hohe senkrechte magnetische Anisotropie (PMA, Perpendicular Magnetic Anisotropy) in der freien Schicht bereitzustellen, die Wärmestabilität in der Speichervorrichtung für Prozesstemperaturen bis zu 400°C ermöglicht.
US 2016 / 0 260 890 A1 offenbart einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) in einer Speichervorrichtung. Der MTJ weist eine gepinnte Schicht, eine Tunnelsperrschicht auf der gepinnten Schicht, eine freie Schicht auf der Tunnelsperrschicht und eine Metalloxidschicht auf der freien Schicht auf, wobei die Metalloxidschicht mit einem Dotierungsmittel dotiert ist.
Weiterer Stand der Technik zum Gegenstand der Erfindung ist beispielsweise zu finden in US 2014 / 0 291 663 A1 , US 2005 / 0 078 510 A1 , US 2012 / 0 261 776 A1 und US 2009 / 0 067 232 A1 .
HINTERGRUND
STT-MRAM-Technologie zum Schreiben von Speicher-Bits wurde von C. Slonczewski in „Current driven excitation of magnetic multilayers“, J. Magn. Magn. Mater. V 159, L1-L7 (1996), beschrieben und ist mit bestehenden Halbleiterspeichertechnologien wie SRAM, DRAM und Flash in hohem Maße konkurrenzfähig. STT-MRAM hat eine MTJ-Zelle, die auf einem magnetischen Tunnelwiderstandeffekt (TMR-Effekt) beruht, wobei ein MTJ-Stapel von Schichten eine Konfiguration hat, in der zwei ferromagnetische Schichten durch eine dünne isolierende Tunnelsperrschicht getrennt sind. Eine der ferromagnetischen Schichten, als die gepinnte Schicht bezeichnet, hat ein magnetisches Moment, das in einer Senkrecht-zu-Ebene-Richtung fixiert ist. Die zweite ferromagnetische Schicht (freie Schicht) hat eine Magnetisierungsrichtung, die frei zwischen einer Richtung parallel zu jener der gepinnten Schicht (P-Zustand) und einer antiparallelen Richtung (AP-Zustand) dreht. Die Differenz im Widerstand zwischen dem P-Zustand (Rp) und AP-Zustand (Rap) ist durch die Gleichung (Rap-Rp)/Rp charakterisiert, die auch als DRR bekannt ist. Es ist wichtig, dass MTJ-Vorrichtungen einen großen DRR-Wert aufweisen, vorzugsweise höher als 1, da DRR direkt mit dem Leseumfang für das Speicher-Bit in Zusammenhang steht oder damit, wie leicht es ist zwischen dem P-Zustand und AP-Zustand (0 oder 1 Bit) zu unterscheiden.
STT-MRAM-Strukturen nach dem Stand der Technik haben vorzugsweise eine freie Schicht mit hoher PMA, um Datenvorratsspeicherung bei kleinen Vorrichtungsgrößen zu ermöglichen. Für funktionelle MRAM- und STT-MRAM-Produkte muss die freie Schicht (Informationsspeicherschicht) eine ausreichend hohe Energiebarriere (E_b) aufweisen, um einem Umschalten aufgrund thermischer und magnetischer Umweltschwankungen zu widerstehen. Der Wert Δ= kV/k_BT ist ein Maß der Wärmestabilität des magnetischen Elements, wo kV auch als Eb zwischen den zwei magnetischen Zuständen (P und AP) bekannt ist, k_B die Boltzmann-Konstante ist und T die Temperatur ist. Diese Energiebarriere gegenüber einem regellosen Umschalten hängt mit der Stärke der senkrechten magnetischen Anisotropie (PMA) der freien Schicht zusammen. Eine praktische Möglichkeit, eine starke PMA zu erhalten, ist durch grenzflächige PMA an einer Grenzfläche zwischen einer eisenreichen freien Schicht und einer MgO-Tunnelsperrschicht. Diese Kombination ermöglicht eine gute Gitteranpassung wie auch die Möglichkeit, MgO als ein Spinfilterelement zu verwenden, wodurch ein Lesesignal für die Vorrichtung bereitgestellt wird. Da die Schreib-Stromdichte und -spannung über die Vorrichtung signifikant ist, muss dieses Spinfilterelement hohe strukturelle Qualität aufweisen, um Milliarden von Schreibzyklen während der Lebensdauer der Speichervorrichtung standzuhalten.
Jüngste Designs der freien Schicht beinhalten eine zweite Freie Schicht/Metalloxid-Grenzfläche an einer gegenüberliegenden Seite der freien Schicht in Bezug auf die Tunnelbarriere, um eine noch höhere PMA aufgrund eines zusätzlichen grenzflächigen PMA-Beitrags zu erzielen. Daher ist die gesamte PMA in der freien Schicht zum Beispiel mit einem MgO/CoFeB freie Schicht/MgO-Stapel verstärkt, der auch E_b und Wärmestabilität erhöht. Die Spinfilterkapazität der zweiten Metalloxidschicht, die auch als eine Hk-Verstärkungsschicht bezeichnet wird, wird typischerweise nicht verwendet. Da die zweite Metalloxidschicht zum gesamten Widerstand der Vorrichtung beiträgt, ohne das Lesesignal zu beeinträchtigen, ist sie gestaltet, einen möglichst geringen Widerstand aufzuweisen.
Gleichung (1) zeigt die Wirkung des zweiten Metalloxidschichtwiderstandbeitrags (mox-Schichtwiderstandbeitrags) zum gesamten MTJ-Widerstand, während Gleichung (2) eine negative Auswirkung (Verringerung) für DRR angibt. $\begin{array}{l} DRR = \frac{R_{A P} - R_{P}}{R_{P}}, wobei R_{A P} = R_{A P}^{B a r r i e r e} + R_{A P}^{m o x} und R_{P} = R_{P}^{B a r r i e r e} + R_{P}^{m o x} \\ da R_{A P}^{m o x} = R_{A P}^{m o x} \end{array}$
$D R R = \frac{R_{A P}^{B a r r i e r e} + R_{A P}^{m o x} - (R_{P}^{B a r r i e r e} + R_{P}^{m o x})}{R_{p}^{B a r r i e r e} + R_{P}^{m o x}} = \frac{R_{A P}^{B a r r i e r e} - R_{p}^{B a r r i e r e}}{R_{p}^{B a r r i e r e} + R_{P}^{m o x}}$
Zusammenfassend verursacht der Serienwiderstand, der durch die zweite Metalloxidschicht $(R_{A P}^{m o x} und R_{P}^{m o x})$
verursacht wird, eine Verringerung in DRR, wodurch der STT-MRAM (oder MRAM) Bit-Leseumfang effektiv reduziert wird, wie auch Erhöhung der Schreibspannung des Bits durch Hinzufügen eines Serienwiderstands. Da eine MgO Hk-Verstärkungsschicht oder dergleichen erforderlich ist, um eine starke PMA zur erhöhten Wärmestabilität zu erreichen, ist eine verbesserte zweite Metalloxidschichtstruktur erforderlich, sodass hohe grenzflächige PMA an der Grenzfläche der freien Schicht aufrechterhalten wird, während der Serienwiderstandsbeitrag von der zweiten Metalloxidschicht signifikant verringert ist.
Im Allgemeinen wird ein niederer Widerstand in einer Hk-Verstärkungsschicht durch einen niedrigeren (nicht stöchiometrischen) Oxidationszustand oder Ausdünnen einer vollständig oxidierten Schicht erreicht. Letztgenanntes wird jedoch schwer ohne Oxidation eines Abschnitts der freien Schicht erreicht. Leider senken in Bezug auf einen nicht stöchiometrischen Oxidationszustand Sauerstoffleerstellen in der Metalloxidschicht die Wärmestabilität für die Vorrichtung und erlauben eine erhöhte Mobilität von Sauerstoff innerhalb der Schicht und eine größere Diffusion von Metallatomen wie Ta von benachbarten Schichten. Da STT-MRAM-Vorrichtungen wahrscheinlich in standardmäßige komplementäre Metalloxidhalbleiterprozessen (CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor)-Prozessen) integriert werden, die 400°C Temperzyklen bis zu insgesamt 5 Stunden umfassen, führt diese hohe Temperatur kombiniert mit hoch mobilem Sauerstoff in einer MgO Hk-Verstärkungsschicht häufig zu einem Verlust von grenzflächiger PMA an der Freie Schicht/Hk-Verstärkungsschicht Grenzfläche und verschlechterten Eigenschaften der freien Schicht. Somit muss auch eine verbesserte Hk-Verstärkungsschicht ein Mittel zum Minimieren einer Sauerstoffdiffusion und Metalldiffusion durch die Schicht bereitstellen, um eine hohe PMA in der freien Schicht und Vorrichtungswärmestabilität bis zu 400°C zu bewahren.
KURZDARSTELLUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung eines MTJ mit einer freien Schicht, die eine Grenzfläche mit der Tunnelsperrschicht und einer Hk-Verstärkungsschicht hat, wobei der Widerstandsbeitrag der Hk-Verstärkungsschicht im Wesentlichen verglichen mit einer vollständig oxidierten Schicht verringert ist, während grenzflächige PMA in der freien Schicht bewahrt bleibt, um MTJ-Wärmestabilität bis zu 400°C Prozesstemperaturen zu ermöglichen.
Eine zweite Aufgabe ist die Bereitstellung einer Hk-Verstärkungsschicht gemäß der ersten Aufgabe, die auch im Wesentlichen Diffusion von Sauerstoff und anderer Spezies durch die Hk-Verstärkungsschicht verringert, wodurch magnetische Eigenschaften der freien Schicht bewahrt bleiben.
Eine dritte Aufgabe ist ein Bereitstellen eines Verfahrens zum Bilden der Hk-Verstärkungsschicht, die die ersten zwei Aufgaben erfüllt.
Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert. Alle Ausführungsformen beziehen sich auf eine MTJ-Struktur, umfassend eine freie Schicht, die zwischen einer Tunnelsperrschicht und einer Hk-Verstärkungsschicht gebildet ist. Ferner beruhen alle Ausführungsformen auf dem Schlüsselmerkmal, ein Dotiermittel in den Gitterleerstellen innerhalb einer Hk-Verstärkungsschicht, die einen mit einem nicht stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist, einzufügen, wodurch die Neigung von Sauerstoff und anderer Spezies, durch die Metalloxidgitterstruktur durch einen sogenannten „Hopping-" Mechanismus zu diffundieren, verhindert oder im Wesentlichen verringert wird. Daher ist die Hk-Verstärkungsschicht vorzugsweise eine Metalloxidschicht mit einer wesentlichen Zahl unteroxidierter Metallatome, so dass es Metallkanäle (leitfähige Kanäle) zwischen Deck- und Bodenflächen der Hk-Verstärkungsschicht gibt, um den Widerstand darin zu senken. Mit anderen Worten, das Metalloxidgitter hat mehrere, nicht sauerstoffhaltige Stellen, die in einem vollständig oxidierten oder stöchiometrischen Oxidationszustand von Sauerstoffanionen besetzt wären. Stattdessen sind die nicht sauerstoffhaltigen Stellen von einem Dotiermittel besetzt, das eines von N, S, Se, P, C, Te, As, Sb und Bi ist. Daher erzeugt das Dotiermittel leitfähige Zustände in der Bandlücke einer MgO Hk-Verstärkungsschicht, zum Beispiel durch Locherzeugung, während ein zusätzlicher Vorteil eines Blockierens eines Sauerstoffdiffusion-Hopping durch sonst leere Stellen in unteroxidierten Metalloxidschichten, die nach dem Stand der Technik vorgefunden werden, bereitgestellt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der hier beschriebenen dotierten Hk-Verstärkungsschicht diffundiert Sauerstoff in der unteroxidierten Hk-Verstärkungsschicht nicht von der Grenzfläche mit der freien Schicht weg und grenzflächige PMA wird aufrecht erhalten. Darüber hinaus ist es weniger wahrscheinlich, dass Spezies von benachbarten Schichten wie Ta-Atome von einer Abdeckungsschicht durch die Hk-Verstärkungsschicht diffundieren und magnetische Eigenschaften der freien Schicht verschlechtern.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird das Dotiermittel während Bildung der Schicht innerhalb der Hk-Verstärkungsschicht gebildet. Die Metalloxidschicht kann gebildet werden, indem zuerst eine Metallschicht wie Mg auf der freien Schicht abgeschieden wird. Dann wird die Metallschicht einer Reaktivgasumgebung ausgesetzt, die strömenden Sauerstoff und das Dotiermittel in Gasform über der Metallschicht umfasst, um die dotierte Hk-Verstärkungsschicht zu erhalten. In anderen Ausführungsformen wird ein Metalloxid wie MgO durch Sputtern von einem MgO-Target in Gegenwart eines Dotiermittels in Gasform abgeschieden oder ein dotiertes MgO-Target wird durch Sputtern auf der freien Schicht abgeschieden. In einer alternativen Ausführungsform wird eine frisch gebildete MgO-Schicht durch Oxidation einer Mg-Schicht oder durch Sputterabscheidung von MgO gebildet und dann wird das Metalloxid dem Dotiermittel in einer Reaktivgasumgebung ausgesetzt. Die vorliegende Offenbarung umfasst auch ein Verfahren zum Bilden der dotierten Hk-Verstärkungsschicht durch Implantieren des Dotiermittels in eine Metalloxidschicht.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform diffundiert das Dotiermittel während eines Temperschritts anschließend an die Abscheidung der Hk-Verstärkungsschicht in die Metalloxid Hk-Verstärkungsschicht. Zum Beispiel kann eine Dotiermittelschicht wie MgN oder MgON, die lose gebundenen Stickstoff umfasst, auf einer MgO Hk-Verstärkungsschicht abgeschieden werden, um einen Stapel von zwei getrennten Schichten zu bilden. Ein Temperschritt kann durchgeführt werden, sobald der gesamte MTJ-Stapel von Schichten gebildet ist, sodass eine gewisse Menge des lose gebundenen Stickstoffs in die Hk-Verstärkungsschicht diffundiert. In einer anderen Ausführungsform kann das Dotiermittel in einen oberen Abschnitt der Hk-Verstärkungsschicht implantiert und dann während eines anschließenden Temperschritts weiter durch die Schicht verteilt werden.
Die vorliegende Offenbarung umfasst einen MTJ mit einer unteren Spinventil-Konfiguration oder einer oberen Spinventil-Konfiguration. In der letztgenannten werden eine Keimschicht, dotierte Hk-Verstärkungsschicht, freie Schicht, Tunnelsperrschicht, gepinnte Schicht und Abdeckungsschicht der Reihe nach auf einem Substrat gebildet, das eine Bodenelektrode sein kann. In der erstgenannten werden eine Keimschicht, gepinnte Schicht, Tunnelsperrschicht, freie Schicht, dotierte Hk-Verstärkungsschicht und Abdeckungsschicht der Reihe nach auf dem Substrat gebildet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Querschnittsansicht, die einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) zeigt, wobei eine freie Schicht zwischen einer Tunnelsperrschicht und einer Metalloxidschicht (Hk-Verstärkungsschicht) nach dem Stand der Technik gebildet ist.
2 ist eine vergrößerte Ansicht der Hk-Verstärkungsschicht in 1, wobei mehrere Gitterstellen in der unteroxidierten Metalloxidstruktur leer sind.
3a-3c sind Diagramme, die verschiedene Schritte eines Hopping-Mechanismus zeigen, durch den ein Sauerstoffanion zwischen Metallkationen zu einer Leerstelle in einem Metalloxidgitter diffundiert.
4 ist eine Querschnittsansicht eines MTJ, wobei eine freie Schicht zwischen einer Tunnelsperrschicht und einer unteroxidierten Metalloxidschicht mit mehreren Dotiermittelatomen in der Metalloxidstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
5 ist eine vergrößerte Ansicht der dotierten Metalloxidschicht in 4, wo Dotiermittelatome (D-Atome) im Wesentlichen alle Stellen in einer Metalloxidgitterstruktur füllen, die nicht von Metallatomen (M-Atomen) oder Sauerstoffatomen (O-Atomen) besetzt sind.
6 ist eine Querschnittsansicht, die ein Verfahren zum Bilden der dotierten Metalloxidschicht in 4 durch gleichzeitiges Abscheiden der Dotiermittelspezies, von Metall und Sauerstoffatomen auf einer Deckfläche der freien Schicht zeigt.
7 ist eine Querschnittsansicht, die ein Verfahren zum Bilden der dotierten Metalloxidschicht in 4 durch Aussetzen einer Metallschicht einer Reaktivgasumgebung zeigt, die Sauerstoff und eine Dotiermittelspezies gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
8 ist eine Querschnittsansicht, die ein Verfahren zum Bilden der dotierten Metalloxidschicht in 4 durch Aussetzen einer Metalloxidschicht einer Reaktivgasumgebung zeigt, die eine Dotiermittelspezies gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
9 ist eine Querschnittsansicht, die einen MTJ-Zwischenstapel von Schichten zeigt, umfassend eine Dotiermittelschicht auf einer Metalloxidschicht, die anschließend durch Durchführen eines Temperschritts zu einer dotierten Metalloxidschicht umgewandelt wird.
10 ist eine Querschnittsansicht, die eine teilweise gebildete MTJ-Zelle mit einer unteren Spinventil-Konfiguration, die in 4 dargestellt ist, zeigt, nachdem eine Fotolackstruktur durch eine oberste Abdeckungsschicht durch Ätzen übertragen wurde.
11 ist eine Querschnittsansicht, die die MTJ-Zelle in 10 nach einem zweiten Ätzschritt zum Vollenden der MTJ-Zelle, Abscheiden einer Einkapselungsschicht und einem Planarisierungsschritt gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform zeigt.
12 ist eine Ansicht von oben nach unten, die mehrere MTJ-Zellen zeigt, die in Reihen und Spalten innerhalb eines Speicher-Arrays gebildet sind, wobei jede MTJ-Zelle von einer Einkapselungsschicht umgeben ist.
13 ist eine Querschnittsansicht, die einen MTJ-Stapel von Schichten mit einer oberen Spinventil-Konfiguration zeigt, wobei eine freie Schicht zwischen einer Tunnelsperrschicht und einer unteroxidierten Metalloxidschicht mit mehreren Dotiermittelatomen darin gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
14 ist eine Querschnittsansicht, die die MTJ-Zelle zeigt, die nach Strukturieren des MTJ-Stapels in 11, Abscheiden einer Einkapselungsschicht und Durchführen eines Planarisierungsschritts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Minimieren des Widerstandsbeitrags einer Hk-Verstärkungsschicht und Verringern der Diffusion von Sauerstoff und anderen Spezies durch die Schicht in MTJ-Zellen mit einer Tunnelsperrschicht/Freie Schicht/Hk-Verstärkungsschicht-Konfiguration, wodurch ein hohes magnetoresistives Verhältnis und ausreichende PMA in der freien Schicht für MTJ Wärmestabilität bis zu 400°C möglich sind. Der MTJ kann in einem MRAM, STT-MRAM, magnetischen Sensor, Biosensor, Spindrehmomentoszillator oder in anderen spintronischen Vorrichtungen gebildet sein, die in der Technik bekannt sind. Nur eine MTJ-Zelle ist zur Vereinfachung der Zeichnungen gezeigt, aber typischerweise beinhalten die hier beschriebenen Speichervorrichtungen Millionen von MTJs, die in Reihen und Spalten auf einem Substrat angeordnet sind. Die Begriffe „nicht stöchiometrisch“ und „unteroxidiert“ werden untereinander austauschbar verwendet, wenn auf einen Oxidationszustand einer Hk-Verstärkungsschicht Bezug genommen wird, wobei Metallatome in einer Metalloxidschicht nicht vollständig oxidiert sind. Eine Grenzfläche, die grenzflächige PMA produziert, ist als eine Grenzregion definiert, die eine freie Schichtoberfläche und eine angrenzende Oberfläche einer Metalloxidschicht umfasst, die eine Tunnelsperrschicht oder Hk-Verstärkungsschicht sein kann. Der Begriff „Hk-Verstärkung“ bezieht sich auf eine Metalloxidschicht, die PMA in der freien Schicht infolge des Metalloxids, das sich an der Grenzfläche mit der freien Schicht bildet, erhöht.
Unter Bezugnahme auf 1 haben die Erfinder zuvor eine MTJ-Zelle 1 mit einem strukturiertem Stapel von Schichten produziert, der eine Keimschicht 11, eine gepinnte Schicht 12, eine Tunnelbarriere 13, eine freie Schicht 14, eine Hk-Verstärkungsschicht 15 und eine Abdeckungsschicht 16 aufweist, die der Reihe nach auf Deckfläche 10t von Substrat 10gebildet sind. Das Substrat kann eine Bodenelektrode umfassen, die auf einer Substruktur gebildet ist, die Transistoren und eine leitfähige Schicht mit mehreren Bitleitungen (nicht gezeigt) umfasst, die elektrisch mit der Bodenelektrodenschicht durch Durchkontaktierungen und dergleichen verbunden sind.
Die optionale Keimschicht 11 umfasst eines oder mehrere von NiCr, Ta, Ru, Ti, TaN, Cu, Mg oder anderen Materialien, die typischerweise verwendet werden, um eine glatte oder einheitliche Kornstruktur in darüberliegenden Schichten zu fördern.
Gepinnte Schicht 12 kann eine synthetische anti-parallele (SyAP) Konfiguration aufweisen, die durch AP2/Ru/AP1 repräsentiert ist, wo eine anti-ferromagnetische Kopplungsschicht aus Ru, Rh oder Ir zum Beispiel zwischen einer AP2 magnetischen Schicht und einer AP1 magnetischen Schicht (nicht gezeigt) liegt. Die AP2 Schicht, die auch als die äußere gepinnte Schicht bezeichnet wird, ist auf der Keimschicht gebildet, während AP1 die innere gepinnte Schicht ist und typischerweise die Tunnelbarriere kontaktiert. AP1- und AP2-Schichten können CoFe, CoFeB, Co oder eine Kombination davon umfassen. In anderen Ausführungsformen kann die gepinnte Schicht ein laminierter Stapel mit inhärenter PMA wie (Co/Ni)_n, (CoFe/Ni)_n, (Co/NiFe)_n, (Co/Pt)_n, (Co/Pd)_n oder dergleichen sein, wo n die Laminierungszahl ist. Ferner kann eine Übergangsschicht wie CoFeB oder Co, zwischen der obersten Schicht in dem laminierten Stapel und der Tunnelsperrschicht 13 eingesetzt sein.
Tunnelsperrschicht 13 ist vorzugsweise ein Metalloxid, das eines von MgO, TiOx, AlTiO, MgZnO, Al₂O₃, ZnO, ZrOx, HfOx oder MgTaO oder ein Laminat von einem oder mehreren der oben angegebenen Metalloxide ist. Bevorzugter ist MgO als die Tunnelsperrschicht gewählt, da es das höchste magnetoresistive Verhältnis (DRR) bereitstellt.
Freie Schicht 14 kann Fe, CoFe oder eine Legierung davon sein, wobei eines oder beides B und Ni ist, oder ein mehrschichtiger Stapel, der eine Kombination der oben genannten Zusammensetzungen umfasst, wobei der Fe-Gehalt größer als 50 Atom% (eisenreich) des Gesamtgehalts magnetischer Elemente/Bestandteile ist. Zum Beispiel in einer Co_(100-x)Fe_xB freien Schicht ist x größer als 50 Atom%. In einigen Ausführungsformen hat die freie Schicht eine SyAP-Konfiguration wie FL1/Ru/FL2, wo FL1 und FL2 zwei eisenreiche magnetische Schichten sind, die antiferromagnetisch durch eine Ru-Schicht gekoppelt sind. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die freie Schicht ein Ku-reiches Material mit inhärenter PMA wie eine Heusler-Legierung, die Ni₂MnZ, Pd₂MnZ, Co₂MnZ, Fe₂MnZ, Co₂FeZ, Mn₃G, oder Mn₂Ga ist, wo Z eines von Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb ist. Darüber hinaus kann die freie Schicht ein geordnetes L1₀- oder L1₁-Material mit einer Zusammensetzung sein, die eine von MnAl, MnGa oder einer Legierung 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 Seltenerdlegierung mit einer TbFeCo-, GdCoFe-, FeNdB- oder SmCo-Zusammensetzung ist.
Hk-Verstärkungsschicht 15 ist typischerweise eine Metalloxidschicht wie MgO, die einen nicht stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist, sodass der Widerstandsbeitrag $R_{P}^{m o x},$
der im Nenner von Gleichung (2) gefunden wird, minimiert ist, wodurch die ungünstige Wirkung auf DRR verringert wird. In der zugehörigen Patentanmeldung US 2019 / 0 189 910 A1 haben wir zusätzliche Schemata zur Verringerung des Widerstandsbeitrags von einer Hk-Verstärkungsschicht offenbart, die allgemein die Bildung leitfähiger Pfade durch die Metalloxidschicht beinhaltet.
Abdeckungsschicht 16 ist nicht magnetisch und dient als Hartmaske für Ätzprozesse, die die Form der MTJ-Zelle bestimmen. Die Abdeckungsschicht kann ein oder mehrere leitfähige Metalle oder Legierungen umfassen, enthaltend, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Ta, Ru, TaN, Ti, TiN, W und MnPt. Ferner kann die Abdeckungsschicht ein elektrisch leitfähiges Oxid wie RuOx, ReOx, IrOx, MnOx, MoOx, TiOx oder FeOx umfassen.
Wie zuvor erwähnt, hat eine unteroxidierte Hk-Verstärkungsschicht 15, dargestellt in 2, Leerstellen V in der Metalloxidgitterstruktur, die Metallkationen (M-Kationen) und Sauerstoffanionen (O-Anionen) umfassen. In dem Beispiel ist eine Ebene vom (001)-Typ von MgO in einem nicht stöchiometrischen Oxidationszustand gezeigt, wobei es mehrere Leerstellen zwischen Metallkationen gibt. Infolgedessen ist Sauerstoff imstande, von der Freie Schicht/Hk-Verstärkungsschicht-Grenzfläche (nicht gezeigt) durch einen Pfad, der mehrere Leerstellen umfasst, in einem sogenannten „Hopping“-Mechanismus weg zu diffundieren. Ebenso sind Spezies von anderen Schichten wie Ta-Atome von der Abdeckungsschicht 16 imstande, durch die Leerstellen in die freie Schicht zu diffundieren, um eine unerwünschte Senkung in Wärmestabilität und ein niedrigeres DRR zu verursachen.
Unter Bezugnahme auf 3a-3c ist der Hopping-Mechanismus veranschaulicht, wo ein Sauerstoffanion O links von einer Leerstelle V in einem Metalloxidgitter an einem Ausgangspunkt in 3a positioniert ist. Während Schritt s1 wird ausreichend Energie durch eine oder mehrere Quellen, wie Wärme während eines Temperschritts, bereitgestellt, um Diffusion des größeren Sauerstoffanions zwischen zwei kleineren M-Kationen anzutreiben, um einen Zwischenzustand (energiereicheren Zustand) zu erreichen, wie in 3b dargestellt. Es ist zu beachten, dass die relative Größe der Metallkationen und Sauerstoffanionen nicht unbedingt im Maßstab gezeichnet ist und der tatsächliche Raum zwischen benachbarten Reihen von Metallkationen kleiner als veranschaulicht sein kann. Danach erreicht in Schritt s2 das Sauerstoffanion einen günstigeren Energiezustand an einem Punkt, der in 3c dargestellt ist, indem es eine frühere Leerstelle besetzt, während eine neue Leerstelle links von dem O-Anion gebildet ist. Es sollte klar sein, dass Sauerstoffanionendiffusion zwischen Leerstellen in einer Aufwärts- oder Abwärtsrichtung (nicht gezeigt) zusätzlich zu einer seitlichen Bewegung durch das Metalloxidgitter erfolgen kann.
Wir haben nun ein Hk-Verstärkungsschichtdesign gefunden, um nicht nur den parasitären Widerstand darin zu senken, sondern auch im Wesentlichen Diffusion von Sauerstoff und anderen Spezies durch das Metalloxidgitter in einer unteroxidierten Hk-Verstärkungsschicht zu verringern. Alle hier beschriebenen Ausführungsformen beinhalten einen MTJ-Stapel von Schichten wobei eine freie Schicht 14 zwischen einer Tunnelsperrschicht 13 und einer dotierten Hk-Verstärkungsschicht 17 liegt, um ein DRR über 1 und Wärmestabilität bis zu 400°C während CMOS-Prozessen bereitzustellen.
Die dotierte Hk-Verstärkungsschicht kontaktiert die Deckfläche der freien Schicht in unteren Spinventil-Konfigurationen und liegt an der Bodenfläche der freie Schicht in oberen Spinventil-Konfigurationen, wie in den folgenden Ausführungsformen erklärt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, dargestellt in 4, behält ein MTJ-Stapel von Schichten 2 mit einer unteren Spinventil-Konfiguration alle der Schichten von 1, mit der Ausnahme, dass Hk-Verstärkungsschicht 15 durch dotierte Hk-Verstärkungsschicht 17 ersetzt ist. Daher ist PMA in freier Schicht 14 durch zwei Grenzflächen mit einer Metalloxidschicht verstärkt, enthaltend Grenzfläche 40 mit Tunnelsperrschicht 13, und Grenzfläche 41 mit dotierter Hk-Verstärkungsschicht 17.
Unter Bezugnahme auf 5 ist ein Schlüsselmerkmal aller hier beschriebenen Ausführungsformen ein Bereitstellen einer unteroxidierten Hk-Verstärkungsschicht 17, die ein Dotiermittel umfasst, um im Wesentlichen alle Gitterstellen in einer Metalloxidschicht (Mox-Schicht) zu füllen, die nicht von Metallkationen, M-Kationen, oder Sauerstoffanionen, O-Anionen, besetzt sind. Hier sind mehrere Dotiermittelanionen (D) in Gitterstellen zwischen Metallkationen bereitgestellt, wo M eines oder mehrere von Mg, Si, Ti, Ba, Ca, La, Mn, V, Al oder Hf ist. Es ist zu beachten, dass im Wesentlichen mehr Sauerstoffanionen als D-Anionen vorhanden sind, die die Gitterstellen zwischen M-Kationen füllen. Die vorliegende Offenbarung erwartet, dass der Gehalt von Dotiermittel in der Hk-Verstärkungsschicht von etwa 100 ppm bis zu 20 Atom% ist. Insbesondere kann das Dotiermittel eines oder mehrere von N, S, Se, P und C sein. Te, As, Sb oder Bi können jedoch auch als ein Dotiermittel gewählt werden. Dotiermittelanionen schaffen effektiv leitende Zustände in der Bandlücke von MgO oder anderen Metalloxiden durch Locherzeugung. Ferner blockieren die D-Anionen Diffusion von Sauerstoff durch das Gitter durch Füllen von Leerstellen, die notwendig sind, damit eine Sauerstoffdiffusion durch einen Hopping-Mechanismus stattfindet.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch ein Verfahren zum Eingliedern eines oder mehrere der oben angegebenen Dotiermittel in der unteroxidierten Hk-Verstärkungsschicht 17. Gemäß einer Ausführungsform, die in 6 gezeigt ist, wird die dotierte Metalloxidschicht in einer Reaktivgasumgebung gebildet, die durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical Vapor Deposition), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD, Physical Vapor Deposition) oder ein plasmaverstärktes CVD (PECVD, plasma enhanced CVD) Verfahren gebildet wird, wobei Dotiermittelspezies D, Metallspezies M und Sauerstoffspezies O gleichzeitig auf einer Deckfläche 14t von freier Schicht 14 abgeschieden werden. Sauerstoff- und Dotiermittelspezies können in Gasform sein, wenn mit den Metallspezies in einer Reaktionskammer erzeugt. In einer Ausführungsform ist die Quelle der M- und O-Spezies ein Metalloxidtarget (MO-Target), das in Gegenwart der D-Spezies in Gasform gesputtert wird. In einer anderen Ausführungsform werden alle drei Spezies in einer Reaktionskammer durch Sputtern eines MOD-Targets wie zum Beispiel MgON erzeugt. Es sollte klar sein, dass der Begriff „Spezies“ sich auf einen neutralen Zustand wie O₂, einen ionischen Zustand (Kation oder Anion) oder ein Radikalbeziehen kann, abhängig von der Temperatur und Art von Leistung, die bei der Reaktionskammer angewendet wird, und von der Quelle der Dotiermittelspezies.
In 7 ist eine alternative Ausführungsform zur Bildung einer dotierten Hk-Verstärkungsschicht veranschaulicht. Insbesondere wird ein Metallfilm 17m wie Mg oder eines der anderen M-Metalle oder Legierungen zuerst auf freier Schicht 14 abgeschieden. Dann wird der Metallfilm einer Reaktivgasumgebung ausgesetzt, die Sauerstoffspezies O und Dotiermittelspezies D in Gasform enthält. Infolgedessen diffundieren die O und D-Spezies in den Metallfilm und reagieren mit M, um dotierte Hk-Verstärkungsschicht 17 mit der in 5 dargestellten Gitterstruktur zu erhalten.
In einer anderen Ausführungsform, in 8 gezeigt, wird eine unteroxidierte Mox-Schicht 170X mit freigelegter Deckfläche 171 auf der freien Schicht 14 gebildet. Die Mox-Schicht kann durch Sputtern eines Mox-Targets oder durch zuerst Abscheiden einer M-Schicht und dann Durchführen einer herkömmlichen Oxidation gebildet werden, die einen natürliche Oxidation (NOX) sein kann, die eine Strömung von O₂ über der M-Schicht umfasst, oder eine Radikaloxidation (ROX), wo Sauerstoffradikale mit der M-Schicht reagieren. Danach werden Dotiermittelspezies D in einer Reaktivgasumgebung bereitgestellt, die zum Beispiel ein PVD-, CVD- oder PECVD-Prozess sein kann. Die Dotiermittelspezies diffundieren in die Mox-Schicht, um die dotierte Hk-Verstärkungsschicht 17 in 4 zu bilden. Alternativ können Dotiermittelspezies in den in 8 dargestellten Mox-Film durch Verwenden eines herkömmlichen Ionenimplantationsschemas implantiert werden, wodurch Spezies eines Dotiermittelmaterials in einem Ionenstrahl beschleunigt werden, der zur Deckfläche 171 gerichtet ist.
In einigen nicht zur Erfindung gehörigen Ausführungsformen hat das Dotiermittel eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung durch Hk-Verstärkungsschicht 17. Die vorliegende Erfindung erwartet jedoch eine ungleichförmige Verteilung des Dotiermittels in dem resultierenden Metalloxidgitter. Erfindungsgemäß wird eine höhere Konzentration von Dotiermittel in einem oberen Abschnitt der Hk-Verstärkungsschicht gebildet während eine geringere Dotiermittelkonzentration in einem unteren Abschnitt davon nahe der Grenzfläche der freien Schicht vorliegt.
Gemäß einer zweiten, in 9 gezeigten Ausführungsform wird das Dotiermittel in eine unteroxidierte Metalloxidschicht mit einem Temperschritt diffundiert, nachdem die Mox-Schicht gebildet worden ist. Ferner können ein oder mehrere Temperschritte verwendet werden, um ein Dotiermittel gleichmäßiger in der Hk-Verstärkungsschicht 17 zu verteilen. Die beispielhafte Ausführungsform umfasst Abscheiden einer Dotiermittelschicht 17d auf der Mox-Schicht 170x. Wenn zum Beispiel das Dotiermittel N ist, kann die Dotiermittelschicht ein Metallnitrid oder Metalloxynitrid sein, enthaltend, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Si₃N₄, MgN und MgON. Vorzugsweise ist das Metall in der Metallnitrid- oder Metalloxynitridschicht dasselbe Metall wie in der darunterliegenden Mox-Schicht. Es wird angenommen, dass lose gebundener Stickstoff in der Nitrid- oder Oxynitridschicht während eines oder mehrerer Temperschritte in die darunterliegende Mox-Schicht getrieben wird, wodurch eine dotierte und unteroxidierte Hk-Verstärkungsschicht 17 gebildet wird, wie in 4 gezeigt. In einigen Fällen diffundiert nach einem oder mehreren Temperschritten ein wesentlicher Teil des lose gebundenen Stickstoffs in die Hk-Verstärkungsschicht. Die Temperschritte können einen Temperschritt (1) nachdem alle MTJ-Schichten gebildet worden sind, aber bevor eine Strukturierung zur Bildung einer MTJ-Zelle erfolgt, (2) nach Bildung der MTJ-Zelle, aber vor einem anschließenden Einkapselungsprozess, (3) während Einkapselung und (4) nach Abscheiden der Einkapselungsschicht enthalten.
In einer anderen Ausführungsform, ähnlich dem in 7 gezeigten Verfahren, kann das Dotiermittel D in einen oberen Abschnitt der Mox-Schicht 170x implantiert werden um zu verhindern, dass das Dotiermittel durch die gesamte Mox-Schicht in die freie Schicht 14 getrieben wird. Dann werden anschließend ein oder mehrere Temperschritte während der Fertigung der Vorrichtung durchgeführt, um das Dotiermittel tiefer in die Mox-Schicht zu diffundieren. Wie zuvor erwähnt, ist das Dotiermittel durch die gesamte resultierende dotierte Hk-Verstärkungsschicht 17 ungleichmäßig verteilt, wie in 4 dargestellt, sodass in einem oberen Abschnitt der Schicht eine höhere Konzentration vorliegt und eine niedrigere Konzentration oder eine Konzentration von null an Dotiermittel in einem unteren Abschnitt davon vorliegt, der der freien Schicht nahe ist. Vorzugsweise ist die Konzentration an Dotiermittel nahe der Grenzfläche mit der freien Schicht minimiert, um eine Diffusion in die freie Schicht zu verhindern, wo das Dotiermittel mit der freien Schicht legieren und das DRR senken könnte.
Nach Bildung der dotierten Hk-Verstärkungsschicht 17 gemäß einer der oben angegebenen Ausführungsformen wird die Abdeckungsschicht 16 darauf abgeschieden, um den in 4 gezeigten MTJ-Stapel von Schichten zu vollenden.
Unter Bezugnahme auf 10 ist eine erste Abfolge von Schritten zum Strukturieren des MTJ-Stapels in 4 gezeigt. Zuerst werden eine Antireflex-Grundbeschichtung (BARC, Bottom Antireflective Coating) oder dielektrische Antireflexbeschichtung (DARC, Dielectric Antireflective Coating) 45 und eine Fotolackschicht der Reihe nach auf der Abdeckungsschicht 16 gebildet. Die Fotolackschicht wird strukturweise durch einen herkömmlichen Fotolithografieprozess belichtet und entwickelt, um eine Struktur zu bilden, die mehrere Fotolackinseln 50, jeweils mit einer Breite w und Seitenwand 50s umfasst. Die Fotolackinseln sind in einem Array (nicht gezeigt) und haben jeweils eine Form von oben nach unten, die im Wesentlichen in den darunterliegenden MTJ-Zellen dupliziert wird, die in den folgenden Schritten zu bilden sind. Ein erster Ätzschritt, der ein reaktives Ionenätzen (RIE, Reactive Ion Etch), zum Beispiel basierend auf einem Sauerstoff- und Fluorkohlenstoffätzmittel sein kann, wird zum Übertragen der Fotolackinselstruktur durch die BARC/DARC Schicht 45 und durch Abdeckungsschicht 16 und Stoppen an Deckfläche 17t der dotierten Hk-Verstärkungsschicht verwendet. Als Ergebnis ist Abdeckungsschichtseitenwand 16s vorzugsweise mit Fotolackseitenwand 50s und BARC/DARC-Seitenwand 45s komplanar.
Unter Bezugnahme auf 11 wird eine zweite RIE oder eine Ionenstrahlätzung (IBE, Ion Beam Etch) zum Übertragen der Struktur in der Abdeckungsschicht durch darunterliegende Schichten im MTJ-Stapel verwendet. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zweite RIE oder IBE Plasma oder Ionen eines Oxidationsmittels wie Methanol und Plasma oder Ionen von Ar oder einem anderen Edelgas und erzeugt Seitenwand 2s auf MTJ-Zelle 2. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf eine bestimmte RIE- oder IBE-Chemie beschränkt und setzt voraus, dass andere Arten von Ätzmitteln zur Bildung von Seitenwand 2s verwendet werden können.
Danach stoppt die zweite RIE oder IBE an dem Substrat 10, eine Einkapselungsschicht 20 wird auf der Substratdeckfläche 10t abgeschieden, um die Spalten zwischen MTJ 2 und benachbarten MTJs (nicht gezeigt) zu füllen. Die Einkapselungsschicht ist ein dielektrisches Material und kann mehrere Teilschichten enthalten, wie für Fachkundige offensichtlich ist. Dann wird ein chemisch-mechanischer Polierschritt (CMP-Schritt) oder ein anderes Planisierungsverfahren durchgeführt, um eine Deckfläche 20t auf der Einkapselungsschicht zu bilden, die mit Deckfläche 16t der Abdeckungsschicht komplanar ist. Jeder Fotolack oder jedes BARC/DARC-Material, das nach dem zweiten RIE- oder IBE-Schritt verbleibt, wird durch den CMP-Schritt entfernt.
Eine Ansicht von oben nach unten der MTJ-Struktur nach dem Planarisierungsschritt ist in 12 gezeigt. Jede MTJ-Zelle 2 ist von Einkapselungsschicht 20 umgeben und hat vorzugsweise eine Breite, die im Wesentlichen gleich w ist. In einigen Ausführungsformen hat jeder MTJ eine kreisförmige Form, wo sowohl die x-Achsen- als auch y-Achsendimensionen gleich w sind. In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann eine Form von oben nach unten elliptisch oder polygonal sein, sodass die x-Achsendimension ungleich der y-Achsendimension w ist.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch Ausführungsformen, wo der MTJ-Stapel von Schichten eine obere Spinventil-Konfiguration aufweist. Gemäß der in 13 gezeigten Ausführungsform hat ein MTJ-Stapel von Schichten 3 eine optionale Keimschicht 11,die dotierte Hk-Verstärkungsschicht 17, freie Schicht 14, Tunnelbarriere 13, gepinnte Schicht 12 und Abdeckungsschicht 16, die der Reihe nach auf Substrat 10 gebildet werden. Die dotierte Hk-Verstärkungsschicht wird gemäß einer der oben angegebenen Ausführungsformen gebildet, die in Bezug auf 6-9 beschrieben sind, mit Ausnahme der darunterliegenden Schicht, die eine Keimschicht und nicht die freie Schicht in vorangehenden Ausführungsformen ist. Grenzfläche 40 liegt zwischen der freien Schicht und Tunnelsperrschicht und eine zweite Grenzfläche 41 liegt zwischen der freien Schicht und Hk-Verstärkungsschicht.
Unter Bezugnahme auf 14 wird der MTJ-Strukturierungssequenz gefolgt, die zuvor unter Bezugnahme auf 0-11 beschrieben wurde. Danach wird die Einkapselungsschicht 20 abgeschieden und planarisiert. Daher wird Seitenwand 3s auf mehreren MTJ-Zellen erzeugt, die jeweils eine Oberfläche 16t haben, die mit Deckfläche 20t der Einkapselungsschicht komplanar ist.
Danach wird eine obere Elektrodenschicht, die mehrere obere leitfähige Leitungen (d.h. Sourceleitungen) umfasst, auf dem MTJ-Array gebildet, sodass eine obere leitfähige Leitung (nicht gezeigt) mit einer Deckfläche 16t von Abdeckungsschicht 16 in jeder MTJ-Zelle in Kontakt gelangt. Daher kann eine Bitleitung unter jeder MTJ-Zelle und eine Sourceleitung über jeder MTJ-Zelle vorhanden sein, um Lese- und Schreibströme durch die Speichervorrichtung zu ermöglichen.
Alle der hier beschriebenen Ausführungsformen können in einem Herstellungsschema mit Standardwerkzeugen und -prozessen enthalten sein. Ferner bleiben Durchsatz und Gesamtkosten des Betriebs (COO, Cost of Ownership) im Wesentlichen dieselben wie in herkömmlichen Speicherfertigungsschemata.

Claims

Magnetischer Tunnelübergang (MTJ) in einer Speichervorrichtung, aufweisend: (a) eine Tunnelsperrschicht (13), die eine erste Metalloxidschicht (13) ist, die zwischen einer gepinnten Schicht (12) und einer freien Schicht (14) gebildet ist, wobei die Tunnelsperrschicht (13) eine erste Grenzfläche (40) mit der freien Schicht (14) aufweist, die eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) in der freien Schicht (14) erzeugt; (b) eine zweite Metalloxidschicht (17), die eine zweite Grenzfläche (41) mit der freien Schicht (14) an einer Seite derselben bildet, die der ersten Grenzfläche (40) gegenüberliegt, und eine grenzflächige PMA in der freien Schicht (14) erzeugt, und wobei die zweite Metalloxidschicht (17) einen nicht stöchiometrischen Oxidationszustand und eine Gitterstruktur aufweist, wobei mehrere Gitterstellen mit einem Dotiermittel besetzt sind, das eines von N, S, Se, P, C, Te, As, Sb oder Bi ist, wobei eine höhere Konzentration von dem Dotiermittel in einem oberen Abschnitt der zweiten Metalloxidschicht (17) gebildet ist, während eine geringere Konzentration von dem Dotiermittel in einem unteren Abschnitt der zweiten Metalloxidschicht (17) nahe der freien Schicht (14) gebildet ist; und (c) die freie Schicht (14), die eine Magnetisierung in einer Richtung senkrecht zur Ebene aufweist.
MTJ nach Anspruch 1, wobei die freie Schicht (14) eine einzelne Schicht oder eine Multischicht ist, die Fe umfasst, wobei ein Fe-Gehalt größer als 50 Atom% eines Gesamtgehalts magnetischer Elemente in der freien Schicht (14) ist.
MTJ nach Anspruch 1 oder 2, wobei die freie Schicht (14) inhärente PMA aufweist und eine Heusler-Legierung ist, die eines von Ni₂MnZ, Pd₂MnZ, Co₂MnZ, Fe₂MnZ, Co₂FeZ, Mn₃Ge oder Mn₂Ga ist, wo Z eines von Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb ist oder eine geordnetes L1₀- oder L1₁-Material mit einer Zusammensetzung ist, die eine von MnAl, MnGa ist, oder eine Legierung 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 Seltenerdlegierung mit einer TbFeCo-, GdCoFe-, FeNdB- oder SmCo-Zusammensetzung ist.
MTJ nach einem der vorrangehenden Ansprüche, wobei die erste Metalloxidschicht (13) eines oder mehrere von Mg, Ti, AlTi, MgZn, Al, Zn, Zr, Hf oder MgTa enthält.
MTJ nach einem der vorrangehenden Ansprüche, wobei die zweite Metalloxidschicht (17) eines oder mehrere von Mg, Si, Ti, Ba, Ca, La, Mn, V, Al und Hf enthält.
MTJ nach einem der vorrangehenden Ansprüche, wobei das Dotiermittel eine Konzentration von etwa 100 ppm bis 20 Atom% in der zweiten Metalloxidschicht (17) aufweist.
MTJ nach einem der vorrangehenden Ansprüche, wobei der MTJ in einem magnetischen Direktzugriffsspeicher (MRAM), Spindrehmoment-MRAM (STT-MRAM), magnetischen Sensor, Biosensor oder Spindrehmomentoszillator gebildet ist.
MTJ nach einem der vorrangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Metallnitridschicht oder eine Metalloxynitridschicht, die eine Grenzfläche mit der zweiten Metalloxidschicht (17) an einer Seite derselben bildet, welche der zweiten Grenzfläche (41) mit der freien Schicht (14) gegenüberliegt.
MTJ nach Anspruch 8, wobei die zweite Metalloxidschicht (17) MgO ist, die Metallnitridschicht MgN ist und die Metalloxynitridschicht MgON ist.
Verfahren zum Bilden eines magnetischen Tunnelübergangs (MTJ), umfassend: (a) Bereitstellen eines Substrats, das eine Keimschicht (11) ist; (b) Bilden einer Metalloxidschicht, Mox-Schicht (17), die ein Metall oder eine Legierung M umfasst und einen nicht stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist, auf dem Substrat, wobei die Mox-Schicht (17) eine Gitterstruktur aufweist, wobei mehrere Gitterstellen mit einem Dotiermittel besetzt sind, das eines von N, S, Se, P, C, Te, As, Sb oder Bi ist; und (c) nacheinander Bilden einer freien Schicht (14), einer Tunnelsperrschicht (13) und einer gepinnten Schicht (12) auf der Mox-Schicht (170), um einen MTJ-Stapel (3) von Schichten zu bilden, wobei senkrechte magnetische Anisotropie in der freien Schicht (14) durch eine erste Grenzfläche (41) mit der Mox-Schicht (17) und durch eine zweite Grenzfläche (40) mit der Tunnelsperrschicht (13) erzeugt wird, wobei eine geringere Konzentration von dem Dotiermittel in einem oberen Abschnitt der Mox-Schicht (17) nahe der freien Schicht (14) gebildet ist, während eine höhere Konzentration von dem Dotiermittel in einem unteren Abschnitt der Mox-Schicht (17) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel umfasst: (a) Abscheiden einer Metallschicht, die aus dem Metall oder der Legierung M gebildet ist, auf dem Substrat (11); und (b) Aussetzen der Metallschicht einer Reaktivgasumgebung, die eine Sauerstoffspezies und eine Dotiermittelspezies in Gasform enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel umfasst: (a) Abscheiden einer Metallschicht, die aus dem Metall oder der Legierung M gebildet ist, auf dem Substrat (11); (b) Oxidieren der Metallschicht zu einer Metalloxidschicht; und (c) Aussetzen der Metalloxidschicht einer Reaktivgasumgebung, die eine Dotiermittelspezies in Gasform enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel Sputterabscheiden eines Targets umfasst, das das Metall oder die Legierung M, Sauerstoff und das Dotiermittel enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel Sputterabscheiden eines Targets umfasst, das das Metall oder die Legierung M und Sauerstoff in einer Reaktivgasumgebung enthält, welche eine Dotiermittelspezies in Gasform umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel umfasst: (a) Sputterabscheiden eines Targets, das das Metall oder die Legierung M und Sauerstoff enthält, um eine Metalloxidschicht, die einen nicht stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist, auf dem Substrat (11) zu bilden; und (b) Aussetzen der durch Sputtern abgeschiedenen Metalloxidschicht einer Dotiermittelspezies in Gasform.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel Ionenimplantieren des Dotiermittels in eine abgeschiedene Metalloxidschicht umfasst, die einen nicht stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner Durchführen eines oder mehrerer Temperschritte nach Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Dotiermittel N ist und das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel umfasst: (a) Bilden einer Metalloxidschicht, die das Metall oder die Legierung M und einen nicht stöchiometrischen Oxidationszustand umfasst, auf dem Substrat (11); (b) Bilden einer Metallnitridschicht oder Metalloxynitridschicht auf der Metalloxidschicht (17), die den nicht stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist; und (c) Durchführen eines Temperschritts, sodass Stickstoff aus der Metallnitridschicht oder der Metalloxynitridschicht in die Metalloxidschicht mit dem nicht stöchiometrischen Oxidationszustand diffundiert, um mehrere leere Gitterstellen darin zu füllen.
Verfahren zum Bilden eines magnetischen Tunnelübergangs (MTJ), umfassend: (a) Bereitstellen eines Stapels von Schichten, wobei eine gepinnte Schicht (12), eine Tunnelsperrschicht (13) und eine freie Schicht (14) der Reihe nach auf einem Substrat (10) gebildet werden; (b) Bilden einer Metalloxidschicht, Mox-Schicht (17), die ein Metall oder eine Legierung M enthält und die einen nicht stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist, auf der freien Schicht (14), wobei die Mox-Schicht (17) eine Gitterstruktur aufweist, wobei mehrere Gitterstellen mit einem Dotiermittel besetzt sind, das eines von N, S, Se, P, C, Te, As, Sb oder Bi ist, wobei eine höhere Konzentration von dem Dotiermittel in einem oberen Abschnitt der Mox-Schicht (17) gebildet ist, während eine geringere Konzentration von dem Dotiermittel in einem unteren Abschnitt der Mox-Schicht (17) nahe der freien Schicht (14) gebildet ist; und (c) Abscheiden einer Abdeckungsschicht (16) auf der Mox-Schicht (17), um einen MTJ-Stapel von Schichten (2) zu bilden, wobei senkrechte magnetische Anisotropie in der freien Schicht (14) durch eine erste Grenzfläche (41) mit der Mox-Schicht (17) und durch eine zweite Grenzfläche (40) mit der Tunnelsperrschicht (13) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel umfasst: (a) Abscheiden einer Metallschicht, die aus dem Metall oder der Legierung M gebildet ist, auf der freien Schicht (14); und (b) Aussetzen der Metallschicht einer Reaktivgasumgebung, die eine Sauerstoffspezies und eine Dotiermittelspezies in Gasform enthält.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel umfasst: (a) Abscheiden einer Metallschicht, die aus dem Metall oder der Legierung M gebildet ist, auf der freien Schicht (14); (b) Oxidieren der Metallschicht zu einer Metalloxidschicht; und (c) Aussetzen der Metalloxidschicht einer Reaktivgasumgebung, die eine Dotiermittelspezies in Gasform enthält.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel Sputterabscheiden eines Targets umfasst, das das Metall oder die Legierung M, Sauerstoff und das Dotiermittel enthält.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel Sputterabscheiden eines Targets, das das Metall oder die Legierung M und Sauerstoff enthält, in einer Reaktivgasumgebung umfasst, die eine Dotiermittelspezies in Gasform enthält.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel umfasst: (a) Sputterabscheiden eines Targets, das das Metall oder die Legierung M und Sauerstoff enthält, um eine Metalloxidschicht, die einen nicht stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist, auf der freien Schicht (14) zu bilden; und (b) Aussetzen der durch Sputtern abgeschiedenen Metalloxidschicht an das Dotiermittel in Gasform.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel Ionenimplantieren des Dotiermittels in eine abgeschiedene Metalloxidschicht umfasst, die einen nicht stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend ein Durchführen eines oder mehrerer Temperschritte nach dem Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Dotiermittel N ist und das Bilden der Mox-Schicht (17) mit dem Dotiermittel umfasst: (a) Bilden einer Metalloxidschicht, die das Metall oder die Legierung M umfasst und einen nicht stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist, auf der freien Schicht (14); (b) Bilden einer Metallnitridschicht oder einer Metalloxynitridschicht auf der Metalloxidschicht, die den nicht stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist; und (c) Durchführen eines Temperschritts, sodass Stickstoff von der Metallnitridschicht oder der Metalloxynitridschicht in die Metalloxidschicht, die den nicht stöchiometrischen Oxidationszustand aufweist, diffundiert, um mehrere leere Gitterstellen darin zu füllen.