DE112019000198T5

DE112019000198T5 - Nitridabdeckschicht für spin-drehmoment-transfer (stt)-magnetoresistiven direktzugriffspeicher (mram)

Info

Publication number: DE112019000198T5
Application number: DE112019000198.1T
Authority: DE
Inventors: Jodi Mari IWATA; Guenole Jan; Ru-Ying Tong; Vignesh SUNDAR; Jian Zhu; Huanlong Liu
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-07-30
Also published as: CN111615756A; WO2019147924A1; US20190237661A1; KR20200086363A; CN111615756B; TW201936488A; US20220384716A1; US10665773B2; US20200279993A1; KR102351305B1; US11417835B2; US11849646B2

Abstract

Es ist ein magnetischer Tunnelübergang (MTJ) offenbart, wobei erste und zweite Grenzflächen einer freien Schicht (FL) mit einem ersten Metalloxid (Hk-Verstärkungsschicht) bzw. zweiten Metalloxid (Tunnelbarriere) senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) erzeugen, um Wärmestabilität zu erhöhen. In manchen Ausführungsformen steht eine Abdeckschicht, die ein leitfähiges Metallnitrid wie MoN ist, mit einer gegenüberliegenden Oberfläche der Hk-Verstärkungsschicht in Bezug auf die erste Grenzfläche in Kontakt, um Interdiffusion von Sauerstoff und Stickstoff verglichen mit einer TiN-Abdeckschicht zu verringern und ein annehmbares Produkt aus Widerstand×Fläche (RA) aufrechtzuerhalten. In anderen Ausführungsformen kann die Abdeckschicht ein isolierendes Nitrid wie AlN aufweisen, das mit einem leitfähigen Metall legiert ist, um RA zu minimieren. Ferner kann eine metallische Pufferschicht zwischen der Abdeckschicht und Hk-Verstärkungsschicht eingesetzt sein. Infolgedessen werden elektrische Kurzschlüsse verringert und das magnetoresistive Verhältnis wird erhöht.

Description

VERWANDTE PATENTANMELDUNG
Diese Anmeldung betrifft Folgendes: Dokument # HT16-025, Ser. Nr. 15/461,779, Einreichdatum 17/3/17; und Dokument # HT17-034, Ser. Nr. 15/728,818, Einreichdatum 10/10/17; die einem gemeinsamen Rechtsnachfolger übertragen wurden und durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen werden.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Magnetelement, das eine freie Schicht aufweist, die eine Grenzfläche mit einer Tunnelsperrschicht und einer Hk-Verstärkungsschicht hat, und mit einer Nitridabdeckschicht, um Sauerstoffdiffusion aus der Hk-Verstärkungsschicht zu verhindern und Metall- und Stickstoffdiffusion durch die Hk-Verstärkungsschicht zu der freien Schicht zu minimieren, wodurch ein annehmbares magnetoresistives Verhältnis (DRR) beibehalten und das Produkt aus Widerstand×Fläche (RA) verringert wird, wenn die Abdeckschicht leitfähig ist.
HINTERGRUND
MRAM, der auf der Integration von Silizium-CMOS (Complementary Metal on Semiconductor) mit magnetischer Tunnelübergangstechnologie (MTJ-Technologie) beruht, ist eine wichtige auftauchende Technologie, die mit bestehenden Halbleiterspeichern wie SRAM, DRAM und Flash äußerst konkurrenzfähig ist. Ferner hat Umschalten der Spin-Transfer-Drehmoment-Magnetisierung (STT-Magnetisierung), die von J. C. Slonczewski in „Current driven excitation of magnetic multilayers“, J. Magn. Magn. Mater. V159, L1-L7 (1996), beschrieben ist, zur Entwicklung von Spintronikvorrichtungen wie STT-MRAM im Gigabitmaßstab geführt.
Sowohl Feld-MRAM als auch STT-MRAM haben ein MTJ-Element, das auf einem Tunnelmagnetwiderstandeffekt (TMR (Tunneling Magnetoresistance) -Effekt) beruht, wobei ein Stapel von Schichten eine Konfiguration aufweist, in der zwei ferromagnetische Schichten (FM-Schichten) durch eine dünne, nicht-magnetische dielektrische Schicht getrennt sind. Eine der FM-Schichten ist eine gepinnte Schicht mit einem magnetischen Moment, das in einer ersten Richtung fixiert ist, während die andere FM-Schicht als eine freie Schicht (FL, Free Layer) bezeichnet wird und ein magnetisches Moment hat, das in einer Richtung parallel (P-Zustand) oder anti-parallel (AP-Zustand) zur der ersten Richtung entsprechend einem „0“ bzw. „1“ magnetischen Zustand frei dreht. Verglichen mit einem herkömmlichen MRAM hat STT-MRAM einen Vorteil, das Halbauswahlproblem und Schreibstörungen zwischen benachbarten Zellen zu verhindern. Der Spin-Transfer-Effekt entsteht durch die Spin-abhängigen Elektronentransporteigenschaften von ferromagnetischen-Abstandhalter-ferromagnetischen-Mehrfachschichten. Wenn ein Spin-polarisierter Strom eine magnetische Mehrfachschicht in einer Richtung eines Stroms senkrecht zu einer Ebene (CPP, Current Perpendicular to Plane) quert, interagiert das Spin-Drehimpuls von Elektronen, die auf eine FM-Schicht fallen, mit magnetischen Momenten der FM-Schicht nahe der Grenzfläche zwischen der FM-Schicht und dem nicht magnetischen Abstandhalter. Durch diese Interaktion übertragen die Elektronen einen Teil ihres Drehimpulses auf die FL. Infolgedessen kann ein Spin-polarisierter Strom die Magnetisierungsrichtung der FL umschalten, wenn die Stromdichte ausreichend hoch ist und wenn die Dimensionen der Mehrfachschicht klein sind.
P-MTJs sind MTJ-Zellen mit senkrechter magnetischer Anisotropie (PMA, Perpendicular Magnetic Anisotropy) in der gepinnten Schicht und FL und sind die Bausteine, die STT-MRAM und andere Spintronikvorrichtungen ermöglichen. Typischerweise gibt es eine nicht magnetische Tunneloxidschicht, als Tunnelsperrschicht bezeichnet, zwischen der gepinnten Schicht und FL. Wenn die FL PMA hat, ist der kritische Strom (ic), der notwendig ist, um die FL und p-MTJ aus einem P-Zustand zu einem AP-Zustand, oder umgekehrt, zu schalten, zu dem senkrechten Anisotropiefeld direkt proportional, wie in Gleichung (1) angegeben, wo e die Elektronenladung ist, a eine Gilbert-Dämpfungskonstante ist, Ms die FL-Sättigungsmagnetisierung ist, h die reduzierte Plank-Konstante ist, g das gyromagnetische Verhältnis ist, und H_k
eff,⊥ das Anisotropiefeld außerhalb der Ebene der umzuschaltenden magnetischen Region ist und V das Volumen der freien Schicht ist: $i_{c} = \frac{α e M s V H_{k_{e f f}, ⊥}}{g h}$
Der Wert Δ=kV/k_BT ist ein Maß der Wärmestabilität der FL, wo kV auch als E_b oder die Energiebarriere zwischen den P- und AP-magnetischen Zuständen bekannt ist, k_B die Boltzmann-Konstante ist und T die Temperatur ist. Wärmestabilität ist eine Funktion des senkrechten Anisotropiefelds, wie in Gleichung (2) gezeigt: $Δ = \frac{M s V H_{k_{e f f}, ⊥}}{2 k_{B} T}$
Das senkrechte Anisotropiefeld (Hk) der FL ist in Gleichung (3) angegeben als: $H_{k_{e f f}, ⊥} = - 4 π M_{s} + \frac{2 k_{U}^{⊥, S}}{M_{s} d} + H_{k, ⊥}$
wo M_s die Sättigungsmagnetisierung ist, d die Dicke der freien Schicht ist, H_k,⊥ das kristalline Anisotropiefeld in der senkrechten Richtung ist und $K_{U}^{⊥, S}$
die Oberfläche der senkrechten Anisotropie der Deck- und Bodenfläche der FL ist. Da die FL imstande sein muss, Temperaturen von 400°C während Temperprozessen standzuhalten, die für CMOS-Fertigung erforderlich sind, hat diese hohe Temperaturanforderung zu neuen p-MTJ-Designs geführt, wobei die FL größere PMA aufweist. Eine Methode, PMA in einer FL zu verstärken, ist die Bildung einer Metalloxidgrenzfläche an ihrer Deck- und Bodenfläche. Daher wird zusätzlich zu einer ersten FL-Grenzfläche mit der Tunnelsperrschicht, eine zweite FL Grenzfläche mit einer sogenannten Hk-Verstärkungsschicht gebildet, um eine höhere oberflächensenkrechte Anisotropie in Gleichung (3) zu erzeugen.
Da die Hk-Verstärkungsschicht üblicherweise unteroxidiert ist, um RA in der p-MTJ-Zelle zu verringern, besteht eine Tendenz für Metalle oder andere Spezies von einer darüber liebenden Abdeckschicht oder Hartmaske, durch leere Gitterstellen in der Hk-Verstärkungsschicht zu der FL zu wandern und DRR zu verschlechtern. DRR ist als dR/R angegeben, wo dR die Differenz im Widerstand zwischen dem P- und AP-Zustand ist und R der Widerstand des P-Zustands ist. Größeres DRR bedeutet einen höheren Lesespielraum. Ferner kann Sauerstoff aus der Hk-Verstärkungsschicht wandern und dadurch oberflächensenkrechte Anisotropie an der FL/Hk-Verstärkungsschicht Grenzfläche verringern, was zu geringerer FL-Wärmestabilität führt. Somit ist eine verbesserte p-MTJ-Struktur erforderlich, um Hk-Verstärkungsschichtintegrität aufrechtzuerhalten, sodass FL-Wärmestabilität aufrechterhalten wird, während DRR- und RA-Werte, die für eine hohe magnetische Leistung in hochentwickelten Speicherdesigns erforderlich sind, bereitgestellt werden, wobei eine kritische Dimension (FL-Breite) im Wesentlichen kleiner als 100 nm ist.
KURZDARSTELLUNG
Eine Zielsetzung der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung eines p-MTJ, wobei eine verbesserte Barriere gegenüber einem Wandern von Metallen und anderen Spezies von einer Hartmaskenschicht oder Abdeckschicht durch die Hk-Verstärkungsschicht zu der FL in einer unteren Spinventilstruktur und von einer Keimschicht oder Bodenelektrode (BE) durch die Hk-Verstärkungsschicht zu der FL in einer oberen Spinventilstruktur vorhanden ist.
Eine zweite Zielsetzung ist die Bereitstellung einer verbesserten Barriere gemäß der ersten Zielsetzung, wobei die Barriere im Wesentlichen auch Sauerstoffdiffusion aus der Hk-Verstärkungsschicht zu einer Abdeckschicht/Hartmaske oder zu einer Keimschicht/BE minimiert.
Eine dritte Zielsetzung ist die Bereitstellung eines Verfahren zu Bildung des p-MTJ gemäß den ersten zwei Zielsetzungen mit einem Prozessablauf, der mit CMOS-Fertigung vereinbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform werden diese Zielsetzungen durch Bereitstellen einer Nitrid- oder Oxynitridabdeckschicht erreicht, die als eine Barriere zwischen einer Hk-Verstärkungsschicht und einer Hartmaske in einem p-MTJ mit einer unteren Spinventilkonfiguration dient. Somit werden eine optionale Keimschicht, gepinnte Schicht, Tunnelsperrschicht, FL, Hk-Verstärkungsschicht, Nitrid- oder Oxynitridabdeckschicht und Hartmaske der Reihe nach auf einem Substrat gebildet, das eine Bodenelektrode (BE) sein kann. Die gepinnte Schicht hat vorzugsweise eine synthetische antiparallele Konfiguration (SyAP-Konfiguration), wobei eine äußere AP2-Schicht mit der Keimschicht oder der BE, falls keine Keimschicht vorhanden ist, in Kontakt ist und eine innere AP1-Schicht an die Tunnelsperrschicht angrenzt. Ferner liegt eine antiferromagnetische (AF) Kopplungsschicht zwischen der AP1- und AP2-Schicht. Somit hat die FL eine erste Grenzfläche mit der Tunnelsperrschicht und eine zweite Grenzfläche mit der Hk-Verstärkungsschicht, die ein Metalloxid oder Metalloxynitrid sein kann.
Ein Schlüsselmerkmal einer ersten Ausführungsform ist die Abdeckschichtzusammensetzung, die ein Metallnitrid oder Metalloxynitrid ist, wobei das Metall (M1) ausgewählt ist aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W, um ein leitfähiges Nitrid (M1N) oder Oxynitrid (M1ON) zu erhalten, das zum Minimieren von RA verglichen mit einem entsprechenden Metalloxid günstig ist. Ferner kann eine Dünnschicht, die als ein metallischer Puffer dient, zwischen der Hk-Verstärkungsschicht und der leitfähigen Nitrid- oder Oxynitridabdeckschicht eingesetzt sein, um Interdiffusion zu verringern, die mit einer Hk-Verstärkungsschicht/M1N-Grenzfläche oder Hk-Verstärkungsschicht/M1ON Grenzfläche verbunden ist. Vorzugsweise ist die Dünnschicht eines oder mehrere der Mi-Metalle Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta oder W.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann die Abdeckschicht ein Isoliermetallnitrid oder - oxynitrid (M2-Nitrid oder -Oxynitrid), wo M2 eines von B, Al, Si, Ga, In oder Tl ist, das mit einem leitfähigen Metall legiert ist, oder eine Legierung (M3) enthalten, ausgewählt aus einem oder mehreren von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W, um dem erhaltenen M2M3-Nitrid (M2M3N), oder M2M3-Oxynitrid (M2M3ON) Leitfähigkeit zu verleihen. Eine Dünnschicht (Pufferschicht), die aus einem oder mehreren der M1-Metalle gebildet ist, kann zwischen der Hk-Verstärkungsschicht und der M2M3N- oder M2M3ON Abdeckschicht bereitgestellt sein.
Gemäß einer dritten Ausführungsform enthält die Abdeckschicht ein isolierendes M2 Nitrid- oder M2 Oxynitrid, in dem leitfähige Pfade gebildet sind, die mit der Hk-Verstärkungsschicht und Hartmaske in Kontakt sind. Vorzugsweise sind die leitfähigen Pfade aus einem oder mehreren der zuvor beschriebenen M3-Metalle gebildet. Ferner kann eine M1 Dünnschicht zwischen der Hk-Verstärkungsschicht und Abdeckschicht enthalten sein.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch p-MTJ-Strukturen mit einer oberen Spinventilkonfiguration, wobei eine optionale Keimschicht, Nitrid- oder Oxynitridbarriereschicht, Hk-Verstärkungsschicht, FL, Tunnelsperrschicht, gepinnte Schicht und Hartmaske der Reihe nach auf einem Substrat gebildet werden. Die Nitrid- oder Oxynitridbarriereschicht kann eine Zusammensetzung aufweisen, die MiN oder M1 ON, M2M3N oder M2M3ON ist, oder einen Verbundstoff mit M3-leitfähigen Pfaden, die in einer M2N- oder M2ON-Schicht gebildet sind. In jedem Beispiel kann eine Pufferschicht zwischen der Sperrschicht und Hk-Verstärkungsschicht enthalten sein, um Interdiffusion an einer Sperrschicht/Hk-Verstärkungsschicht-Grenzfläche zu vermeiden.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines p-MTJ, der eine Metallnitrid- oder Metalloxynitridabdeckschicht mit einer Struktur gemäß einer der zuvor erwähnten Ausführungsformen aufweist. Typischerweise werden die MiN-, MiON-, M2M3N- und M2M3ON-Schichten durch Sputtern in einem einzigen Schritt abgeschieden. Es kann jedoch ein mehrstufiger Prozess verwendet werden, wo zuerst M1- oder M2M3-Schichten abgeschieden werden und dann ein zweiter Schritt verwendet wird, der Nitrieren oder Oxynitrieren involviert, um das Nitrid bzw. Oxynitrid zu bilden. Bildung von M3 leitfähigen Pfaden innerhalb einer M2N- oder M2ON-Schicht wird durch eine Abfolge von Schritten zum (1) Abscheiden einer M3-Schicht, (2) Abscheiden einer M2-Schicht auf der M3-Schicht und (3) Durchführen eines Nitrierens oder Oxynitrierens mit Plasma oder durch einen ersten Schritt einer Ionenimplantation und einen zweiten Schritt, der ein Temperprozess ist, erreicht.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht, die einen magnetischen Tunnelübergang (p-MTJ) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, der eine Nitridabdeckschicht zwischen einer Hk-Verstärkungsschicht und Hartmaske enthält.
2 ist eine Querschnittsansicht, die einen p-MTJ gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, der einen Stapel mit einer unteren Pufferschicht und oberen Nitridabdeckschicht zwischen einer Hk-Verstärkungsschicht und Hartmaske aufweist.
3 ist eine Querschnittsansicht eines p-MTJ, gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, der eine Nitridabdeckschicht aufweist, in welcher leitfähige Strompfade zwischen einer Hk-Verstärkungsschicht und Hartmaske gebildet sind.
4 ist eine Querschnittsansicht des p-MTJ in 3 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, der modifiziert ist, um eine Pufferschicht zwischen der Hk-Verstärkungsschicht und Nitridabdeckschicht aufzuweisen.
5 ist eine Querschnittsansicht eines p-MTJ gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit einer oberen Spinventilkonfiguration, wobei eine Nitridbarriereschicht zwischen einer Keimschicht und einer Hk-Verstärkungsschicht gebildet ist.
6 ist eine Querschnittsansicht des p-MTJ in 5 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, der modifizier ist, um eine Pufferschicht zwischen der Nitridbarriereschicht und Hk-Verstärkungsschicht aufzuweisen,.
7 ist eine Querschnittsansicht eines p-MTJ gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit einer oberen Spinventilkonfiguration, wobei eine Nitridbarriereschicht mit stromleitenden Pfaden darin zwischen einer Keimschicht und einer Hk-Verstärkungsschicht gebildet ist.
8 ist eine Querschnittsansicht des p-MTJ in 7 gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, der modifiziert ist, um eine Pufferschicht zwischen der Hk-Verstärkungsschicht und Nitridbarriereschicht aufzuweisen.
9a-9d sind Kurven, die Hystereseschleifen zeigen, die für einen p-MTJ mit verschiedenen Nitridbarriereschichten zwischen einer Hk-Verstärkungsschicht und Hartmaske gemessen wurden, und der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
10 ist eine Tabelle, die freie Energie von Oxidbildung für verschiedene Metalle auflistet.
11-14 sind Querschnittsansichten, die verschiedene Verfahren zur Bildung leitfähiger Pfade innerhalb einer Metallnitrid- oder Metalloxynitridmatrix gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen.
15 ist eine Ansicht von oben nach unten eines Speicherarrays, wobei mehrere p-MTJ-Zellen durch eine Einkapselungsschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung isoliert sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung ist eine p-MTJ-Struktur und ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei eine Sperrschicht, die zwischen einer Hk-Verstärkungsschicht und Hartmaske (oder Keimschicht) gebildet ist, für reduzierte elektrische Kurzschlüsse und höheres DRR verantwortlich ist, indem im Wesentlichen Sauerstoffdiffusion aus der Hk-Verstärkungsschicht minimiert und Diffusion von Metallen oder Stickstoff durch die Hk-Verstärkungsschicht zu einer angrenzenden freien Schicht reduziert wird. Die vorliegende Offenbarung betrifft p-MTJ-Strukturen mit einer unteren Spinventil- und oberen Spinventilkonfiguration oder einer dualen Spinventilkonfiguration. Der p-MTJ kann in einen MRAM, STT-MRAM oder eine andere Spintronikvorrichtung wie einen Spin-Drehmoment-Oszillator, eine Spin-Hall-Effekt-Vorrichtung, einen Magnetsensor und einen Biosensor eingebaut sein. Eine Dicke jeder p-MTJ-Schicht ist in einer z-Achsenrichtung und die Ebenen jeder Schicht sind in der x-Achsen- und y-Achsenrichtung gebildet. Die Begriffe „Sperrschicht“ und „Abdeckschicht“ können untereinander austauschbar verwendet werden.
In der verwandten Patentanmeldung Seriennummer 15/461,779, offenbarten wir eine MTJ-Struktur, wobei eine freie Schicht eine erste Grenzfläche mit einer ersten Oxidschicht (Tunnelsperrschicht) und eine zweite Grenzfläche mit einer zweiten Oxidschicht (Hk-Verstärkungsschicht) bildet, die vorzugsweise MgO ist, um PMA und Wärmestabilität zu erhöhen. Zusätzlich wird eine TiN-Sperrschicht zwischen der Hk-Verstärkungsschicht und über der Hartmaske liegend eingesetzt, um die Integrität der MgO-Schicht zu bewahren. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS, Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) zeigte jedoch eine umfassend Interdiffusion an der MgO/TiN-Grenzfläche, was auf Sauerstoff in der TiN Schicht und N, das in der FL vorhanden ist, hinweist.
In der vorliegenden Offenbarung offenbaren wir eine verbesserte Sperrschicht, die gestaltet ist, um im Wesentlichen Sauerstoffdiffusion von einer Hk-Verstärkungsschicht zu verringern und Metall- oder Stickstoffdiffusion durch die Hk-Verstärkungsschicht in die FL signifikant zu minimieren. Ein wichtiges Konzept, das wir beim Ersetzen von Ti in einer TiN-Barriere durch ein anderes Metall überlegten, ist, dass das alternative Metall vorzugsweise eine geringere Affinität für Sauerstoff als Ti hat, was mit einer geringeren (weniger negativen) freien Energie einer Oxidbildung übereinstimmt, wie in 10 gezeigt. Zweitens kann der Einfluss einer Metallnitridbarriereschicht auf die Hk-Verstärkungsschicht und FL bis zu einem gewissen Grad durch Einsetzen einer metallischen Pufferschicht zwischen der Hk-Verstärkungsschicht und Metallnitrid/-oxynitridbarriereschicht gemildert werden. Obwohl leitfähige Metallnitrid/- oxynitridbarrieren bevorzugt sind, kann ein Isoliermetallnitrid/-oxynitrid praktisch sein, wenn es mit einem leitfähigen Metall legiert wird, oder wenn leitfähige Pfade durch die isolierende Barrierematrix gebildet werden.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in der Form eines p-MTJ 1 mit einer unteren Spinventilkonfiguration dargestellt, wobei eine optionale Keimschicht 11, gepinnte Schicht 12, Tunnelsperrschicht 13, FL 14, Hk-Verstärkungsschicht 15, Metallnitrid- oder -oxynitridabdeckschicht 16 und Hartmaske 17 der Reihe nach auf einem Substrat 10 gebildet werden. In manchen Ausführungsformen kann das Substrat eine Bodenelektrode (BE) in einem STT-MRAM oder eine andere Spintronikvorrichtung sein. Die BE ist typischerweise in einer Isolationsschicht (nicht dargestellt) eingebettet und ist elektrisch mit einer Bit-Leitung oder Wort-Leitung (nicht dargestellt) verbunden, die durch einen darunter liegenden Transistor angetrieben wird.
Keimschicht 11 ist eine einzelne Schicht oder Mehrfachschicht und kann eines oder mehrere von NiCr, Ta, Ru, Ti, TaN, Cu, Mg oder anderen Materialien enthalten, die typischerweise verwendet werden, um eine glatte und gleichförmige Kornstruktur in darüber liegenden Schichten zu fördern. Gepinnte Schicht 12 kann eine SyAP-Konfiguration aufweisen, dargestellt durch AP2/AFC-Schicht/AP1, wo eine AF-Kopplungsschicht (AFC-Schicht), die zum Beispiel Ru, Rh oder Ir umfasst, zwischen einer AP2-Magnetschicht und einer AP1-Magnetschicht (nicht dargestellt) liegt. Die AP2-Schicht steht mit der Keimschicht (oder BE) in Kontakt, während die AP1-Schicht an die Tunnelsperrschicht 13 angrenzt. 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 sein, wie (Co/Ni)_n, (CoFe/Ni)_n, (Co/NiFe)_n, (Co/Pt)_n, (Co/Pd)_n, oder dergleichen, wo n die Laminierungszahl ist. Ferner kann eine Übergangsschicht wie CoFeB oder Co zwischen der obersten Schicht in dem laminierten Stapel und der Tunnelsperrschicht eingesetzt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Tunnelsperrschicht 13 MgO, das durch Sputterabscheiden eines MgO-Targets oder durch Abscheiden einer oder mehrerer Mg-Schichten und dann Oxidieren einer oder mehrerer Mg-Schichten mit einem bekannten Radikaloxidationsverfahren (ROX-Verfahren) oder natürlichem Oxidationsverfahren (NOX-Verfahren) gebildet wird. Es können jedoch andere Metalloxide oder Metalloxynitride, die in der Technik bekannt sind, mit oder anstelle von MgO verwendet werden. Zum Beispiel kann die Tunnelbarriere Al₂O₃, MgAlO, TiOx, AlTiO, MgZnO, Al₂O₃, ZnO, ZrOx, HfOx oder MgTaO umfassen. Die vorliegende Offenbarung nimmt auch vorweg, dass die Tunnelbarriere eine Laminierung von einem oder mehreren der zuvor erwähnten Metalloxide sein kann.
FL 14 weist eine Dicke von 5 bis 30 Ångström auf und ist eine Einzelschicht oder eine Mehrfachschicht, die eines oder mehrere von Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB und FeB oder Legierungen davon ist, enthaltend CoFeNi und CoFeNiB, wobei der Fe-Gehalt größer als 50 Atom-% (eisenreich) des gesamten Gehalts an Magnetelementen/Bestandteilen ist. Zum Beispiel ist in einer freien Co_(100-X)Fe_XB-Schicht, x größer als 50 Atom-%. In anderen Ausführungsformen kann die FL ein Material mit einer hohen kristallinen Anisotropieenergiekonstante (Ku) mit inhärenter PMA umfassen, enthaltend Heusler-Legierungen, geordnete L1₀- oder L1₁-Materialien und Seltenerdlegierungen. Heusler-Legierungen enthalten Ni2MnZ, Pd2MnZ, Co2MnZ, Fe2MnZ, Co2FeZ, Mn₃Ge, Mn₂Ga und dergleichen, wo Z eines von Si, Ge, Al, Ga, In, Sn und Sb ist. Geordnete L1₀- oder L1₁-Materialien weisen eine Zusammensetzung wie MnAl, MnGa und RT auf, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung davon ist und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung davon ist. Seltenerdlegierungen enthalten, ohne aber darauf beschränkt zu sein, TbFeCo, GdCoFe, FeNdB und SmCo.
Infolge dieser Konfiguration, wo eine Tunnelsperr- (Metalloxid) 13 und Hk-Verstärkungsschicht (Metalloxid) 15 eine Grenzfläche mit einer Boden- bzw. Deckfläche von FL 14 bilden, liegt eine starke senkrechte Oberflächenanisotropie, K_U1 ^⊥,S und K_U2 ^⊥,S bei der ersten bzw. zweiten Grenzfläche vor, die zur Verstärkung des Terms K_U ^⊥,S in der zuvor erwähnten Gleichung (3) beitragen.
Gemäß einer Ausführungsform ist Hk-Verstärkungsschicht 15 eine Metalloxid- oder Metalloxynitridschicht mit einer Dicke und einem Oxidationszustand, die gesteuert sind, um ein RA-Produkt zu erhalten, das kleiner als jenes einer MgO-Schicht in Tunnelsperrschicht 13 ist, um eine Abnahme in DRR zu minimieren. Somit kann die Hk-Verstärkungsschicht eine Einzelschicht sein, die ein Oxid oder Oxynitrid von einem oder mehreren von Mg, Si, Ti, Ba, Ca, La, Al, Mn, V und Hf ist. Ferner kann die Hk-Verstärkungsschicht eine laminierte Schicht sein, die ein oder mehrere der oben beschriebenen Metalloxide oder Oxynitride umfasst. In allen Ausführungsformen kann die Hk-Verstärkungsschicht stöchiometrischen oder nicht stöchiometrischen Sauerstoffgehalt aufweisen. Stöchiometrisch ist als ein Oxidationszustand definiert, wo im Wesentlichen alle Nicht-Metall-Gitterstellen in einem Metalloxid von Sauerstoff besetzt sind, während in einem nicht stöchiometrischen Oxidationszustand mehrere unbesetzte Gitterstellen vorhanden sind.
Ein Schlüsselmerkmal eines MTJ 1 ist, dass Abdeckschicht 16 eine Metallnitrid- oder Metalloxynitridzusammensetzung hat. Gemäß einer ersten Ausführungsform enthält die Abdeckschicht ein Metall oder eine Legierung (M1), wo das Metall oder die Legierung vorzugsweise eines oder mehrere von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W ist, um ein leitfähiges Nitrid (M1N) oder Oxynitrid (M1ON) zu erhalten, um einen RA-Beitrag zum p-MTJ zu minimieren. Es ist zu beachten, dass der RA-Gesamtwert für den p-MTJ durch einen Beitrag von jeder der Metalloxid- und Metallnitrid/-oxynitridschichten bestimmt wird und durch die Gleichung RA_TOTAL=(RA₁₃+RA₁₅+RA₁₆) dargestellt ist, wo RA₁₃, RA₁₅ und RA₁₆ das RA-Produkt für die Tunnelsperrschicht, Hk-Verstärkungsschicht bzw. Abdeckschicht sind. Vorzugsweise ist RA_TOTAL <5 ohm-um² für eine optimale p-MTJ-Leistung. Da der größte Beitrag zur Gesamtheit von der Tunnelsperrschicht stammt und die Hk-Verstärkungsschicht häufig unteroxidiert ist, sollte RA₁₆, um ein Überschreiten des gewünschten RA_TOTAL zu vermeiden, den kleinesten RA-Beitrag bereitstellen und ist idealerweise annähernd null.
Die Abdeckschicht wird vorteilhafterweise als eine Barriere gegen Sauerstoffwanderung aus der angrenzenden Hk-Verstärkungsschicht 15 verwendet und weist vorzugsweise eine Dicke von 5 bis 100 Ångström auf. In anderen Ausführungsformen kann die Abdeckschicht bis zu 500 Ängström dick sein. Daher sollte das Metall oder die Legierung M1 eine Affinität für Sauerstoff haben, die kleiner als jene von Mg ist, da MgO vorzugsweise für die Hk-Verstärkungsschicht gewählt wird. Vorzugsweise sollte M1 ein oder mehrere der in 10 aufgelisteten Elemente sein, die eine weniger negative freie Energie von Oxidbildung als Mg haben. Bevorzugter sollte M1 eine weniger negative freie Energie von Oxidbildung als Ti haben, da sich gezeigt hat, das eine Ti-Pufferschicht angrenzend an die Hk-Verstärkungsschicht DRR senkt, was einem Sauerstoffgettern von der Hk-Verstärkungsschicht zugeschrieben wurde.
Eine MiN-Abdeckschicht kann durch Sputterabscheiden eines Mi-Targets in einer reaktiven Umgebung gebildet werden, die N- und Ar-Spezies umfasst, wobei der Begriff „Spezies“ als ein Ion oder Radikal definiert ist. Die MiN-Schicht (oder MiON-Schicht) kann einen nicht stöchiometrischen nitrierten Zustand haben, wobei die Metallnitridmatrix leere Stellen aufweist, die nicht von M1- oder N-Atomen besetzt sind. Daher haben wir wesentliche PMA in der FL 14 festgestellt, wenn eine MoN-Abdeckschicht mit einem Ar:N Strömungsratenverhältnis zwischen 0,6:1 (für einen höheren N-Gehalt in MoN) und 5:1 (für einen niedrigeren N-Gehalt in MoN) abgeschieden wird, um einen FL/MgO/MoN-Stapel für die FL, Hk-Verstärkungsschicht 15 und Abdeckschicht 16 zu erhalten.
Es ist auch wichtig, dass Stickstoffwanderung von der Abdeckschicht durch die Hk-Verstärkungsschicht und in FL 14 minimiert ist, sodass DRR nicht verschlechtert wird. Insbesondere sollte Stickstoffwanderung von der MiN- oder M1 ON-Abdeckschicht kleiner als von einer äquivalenten Dicke von TiN sein. Wie zuvor erwähnt, stellten wir fest, dass Stickstoff in die FL in einem p-MTJ migriert, der einen FL/MgO/TiN-Stapel umfasst, wo MgO die Hk-Verstärkungsschicht ist und TiN die Abdeckschicht ist. Es wird angenommen, dass die zuvor erwähnten Mi-Metalle und Legierungen in dieser Hinsicht eine Verbesserung bieten.
Alternativ kann Abdeckschicht 16 ein Isoliermetallnitrid- oder -oxynitrid (M2-Nitrid- oder - Oxynitrid) umfassen, wo M2 eines von B, Al, Si, Ga, In oder Tl ist, das mit einem leitfähigen Metall legiert ist, oder eine Legierung (M3), ausgewählt aus einem oder mehreren von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W, um dem resultierenden M2M3-Nitrid (M2M3N) oder M2M3-Oxynitrid (M2M3ON) Leitfähigkeit zu verleihen. Die M2M3N- oder M2M3ON-Schichten können durch Sputterabscheiden von M2- und M3-Targets in Reaktionskammer mit einem Plasma gebildet werden, das unter Verwendung eines Stroms von N2 und RIE-Bedingungen erzeugt wird, oder durch Sputtern einer M2M3-Legierung, falls verfügbar, in Gegenwart von Stickstoffplasma.
Hartmaske 17 kann eine oder mehrere Schichten beinhalten. Zum Beispiel kann die Hartmaske eine Einzelschicht aus Ta oder Ru sein oder eine Ru/Ta- oder Ru/Ta/Ru-Konfiguration aufweisen. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch auf keine bestimmte Konfiguration beschränkt, was bedeutet, dass andere Hartmaskenmaterialien, die in der Technik verwendet werden annehmbar sind. Im Allgemeinen dient die Hartmaske als eine RIE -oder IBE-Ätzmaske während Strukturierung des p-MTJ und dient auch als eine Barriere zu einem, chemischmechanischen Polierschritt (CMP-Schritt), der typischerweise zum Planarisieren einer Einkapselungsschicht für isolierende p-MTJ-Zellen verwendet wird.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, gezeigt in 2 und als p-MTJ 2 dargestellt, kann Stickstoffwanderung von Abdeckschicht 16 zu FL 14 durch Einsetzen einer metallischen Pufferschicht 18 zwischen Hk-Verstärkungsschicht 15 und der Abdeckschicht weiter reduziert werden. Andernfalls werden alle Aspekte, die zuvor in Bezug auf p-MTJ 1 beschrieben wurden, in p-MTJ 2 mit Seitenwand 2s beibehalten. Es wird angenommen, dass das Metallgitter in der Pufferschicht, die auch als eine Dünnschicht bekannt ist Stickstoff absorbiert oder mit diesem reagiert, anstatt eine Diffusion zu der Hk-Verstärkungsschicht und darüber hinaus zu erlauben. Vorzugsweise ist die Dünnschicht eines oder mehrere der zuvor beschriebenen Mi-Elemente, die eine niedrigere Affinität für Sauerstoff als Mg haben, und bevorzugter eine Sauerstoffaffinität haben, die geringer als jene von Ti gemäß 10 ist. Die metallische Pufferschicht ist auch leitfähig, um eine unerwünschte Erhöhung in RA_TOTAL zu verhindern. In manchen Ausführungsformen hat die metallische Pufferschicht eine Dicke von 0,3 bis 30 Ångström. Vorzugsweise hat die metallische Pufferschicht eine minimale Dicke von etwa 3 Ångström, die erforderlich ist, um einen durchgehenden Film zu bilden. Somit kann der Stapel aus metallischer Pufferschicht/Abdeckschicht gemäß der zweiten Ausführungsform eine M1/M1N-, M1/M1ON-, M1/M2M3N- oder M1/M2M3ON-Konfiguration haben.
Es sollte klar sein, dass in allen hier veranschaulichten beispielhaften Ausführungsformen die p-MTJ Seitenwand im Wesentlichen orthogonal zur BE-Deckfläche 10t ist. In anderen Ausführungsformen kann die p-MTJ Seitenwand einen Winkel zwischen 65 und 90 Grad in Bezug auf Deckfläche 10t bilden, abhängig von den RIE- oder IBE-Bedingungen, die zum Erzeugen der Seitenwand während Strukturbildung des p-MTJ verwendet werden.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch eine dritte Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, wo p-MTJ 3 mit Seitenwand 35 eine Modifikation von p-MTJ 2 ist. Insbesondere bildet das M3-Metall oder die M3-Legierung leitfähige Pfade 19 in einer isolierende M2N- oder M2ON-Matrix 16x anstatt eine Legierung mit dem M2 Nitrid- oder M2-Oxynitrid zu bilden. Diese Methode ist wünschenswert, wenn M3 keine Legierung mit einem M2 Nitrid- oder -Oxynitrid bildet oder falls der maximale M3-Gehalt in der M2M3N- oder M2M3ON-Abdeckschicht nicht ausreichend ist, um eine annehmbare Leitfähigkeit (minimale RA) zu erzeugen. Ein Verfahren zur Herstellung leitfähiger Pfade in der M2N- oder M2ON-Matrix ist in einem späteren Abschnitt bereitgestellt. Leitfähige Pfade können eine Dimension (Breite) in der Richtung in der Ebene haben, die von einem einzelnen Atom bis zu mehreren Atomen variiert. Vorzugsweise erstreckt sich jeder Pfad von der Hk-Verstärkungsschicht 15 zu der Hartmaske 17. Ferner sind die Pfade nicht unbedingt orthogonal zu dem Substrat 10, können aber eine Komponente in der Ebene zusätzlich zu einer Richtung im Wesentlichen vertikal oder senkrecht zur Ebene haben.
Gemäß einer vierten Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, wo p-MTJ 4 Seitenwand 4s aufweist, ist der p-MTJ in der dritten Ausführungsform modifiziert, um eine metallische Pufferschicht 18 zu enthalten, wie zuvor in Bezug auf die zweite Ausführungsform beschrieben wurde. Auch hier ist die Pufferschicht günstig, da sie im Wesentlichen eine Stickstoffwanderung von einem Metall-M2-Nitrid- oder -Oxynitridteil von Abdeckschicht 16x zur Hk-Verstärkungsschicht 15 und FL 14 verringert. Alle Aspekte der Pufferschicht, enthaltend Dicke und Mi-Metallzusammensetzung, werden aus der zweiten Ausführungsform beibehalten.
In einer fünften Ausführungsform, gezeigt in 5, ist die untere Spinventilkonfiguration in 1 durch Beibehalten aller p-MTJ-Schichten, aber Ändern der Reihenfolge einer Abscheidung modifiziert, um einen p-MTJ 5 mit Seitenwand 5s und mit einer oberen Spinventilkonfiguration zu liefern, wobei Keimschicht 11, Sperrschicht 16, Hk-Verstärkungsschicht 15, FL 14, Tunnelbarriere 13, gepinnte Schicht 12 und Hartmaske 17 der Reihe nach auf BE 10 gebildet werden. Die FL hat weiterhin eine erste Grenzfläche mit der Tunnelsperrschicht und eine zweite Grenzfläche mit der Hk-Verstärkungsschicht zur Verstärkung der PMA in der FL. In diesem Fall, wenn die gepinnte Schicht eine SyAP-Konfiguration (nicht dargestellt) hat, steht die innere AP1-Schicht mit einer Deckfläche der Tunnelsperrschicht in Kontakt und die äußere AP2-Schicht grenzt an eine untere Oberfläche der Hartmaske an. Es muss festgehalten werden, dass für alle oberen Spinventilausführungsformen, der Begriff „Abdeckschicht“ durch „Sperrschicht“ ersetzt ist, da Schicht 16 nicht mehr über der FL und Hk-Verstärkungsschicht, sondern unter den Schichten liegt.
Eine sechste Ausführungsform ist in 6 gezeigt, wo alle Schichten im p-MTJ 2 beibehalten sind, aber in einer anderen Reihenfolge gestapelt sind, um p-MTJ 6 mit Seitenwand 6s und mit einer oberen Spinventilkonfiguration zu liefern. Insbesondere ist eine metallische Pufferschicht 18 zwischen Sperrschicht 16 und Hk-Verstärkungsschicht 15 eingesetzt, um Stickstoffdiffusion von einer MiN-, MiON-, M2M3N- oder M2M3ON-Sperrschicht in die Hk-Verstärkungsschicht und FL zu reduzieren. Daher werden Keimschicht 11, Sperrschicht 16, Pufferschicht 18, Hk-Verstärkungsschicht 15, FL 14, Tunnelsperrschicht 13, gepinnte Schicht 12 und Hartmaske 17 der Reihe nach auf BE 10 gebildet.
In der siebenten Ausführungsform, dargestellt in 7, ist p-MTJ 3 in 3 rekonfiguriert, um p-MTJ 7 mit Seitenwand 75 bereitzustellen, wo Keimschicht 11, isolierende Matrix 16x, in der leitfähige Pfade 19 gebildet sind, Hk-Verstärkungsschicht 15, FL 14, Tunnelsperrschicht 13, gepinnte Schicht 12 und Hartmaske 17 der Reihe nach auf BE 10 gebildet sind.
Gemäß einer achten Ausführungsform, dargestellt in 8, wo p-MTJ 8 Seitenwand 8s aufweist, ist der p-MTJ in der siebenten Ausführungsform modifiziert, um eine zuvor beschriebene metallische Pufferschicht 18 aufzuweisen. Die Pufferschicht ist günstig, da sie im Wesentlichen Stickstoffwanderung von einem Metall-M2-Nitrid- oder -Oxynitridteil der isolierenden Matrix 16x zur Hk-Verstärkungsschicht 15 und FL 14 verringert. Alle Aspekte der Pufferschicht, enthaltend Dicke und M1 Metallzusammensetzung werden aus der sechsten Ausführungsform beibehalten.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung einer hier beschriebenen p-MTJ-Zelle. Alle Schichten in den hier beschriebenen p-MTJ-Zellen können in einem Anelva C-7100 Dünnfilm-Sputtersystem oder dergleichen gebildet werden, das typischerweise mehre physikalische Dampfphasenmabscheidungskammern (PVD-Kammern) mit einer Kapazität für fünf Targets, eine Oxidationskammer und eine Sputterätzkammer enthält. Üblicherweise umfasst der Sputterabscheidungsprozess ein Edelgas wie Argon und Sauerstoff ist ausgeschlossen, falls nicht für die Bildung von Tunnelsperr- oder Hk-Verstärkungsschicht in der Oxidationskammer benötigt. Sobald alle Schichten in dem p-MTJ Stapel auf der Bodenelektrode abgelegt sind, kann ein Hochtemperaturtempern 1 bis 5 Stunden in einem Vakuumofen bei einer Temperatur von etwa 360°C bis 400°C durchgeführt werden, um die amorphe Tunnelsperr- und Hk-Verstärkungsschicht und amorphe FL in kristalline Schichten zur Gitteranpassung in dem Tunnelbarriere/FL/Hk-Verstärkungsschicht-Stapel umzuformen, um DRR zu verbessern.
Danach kann ein Array von p-MTJ-Zellen durch einen Prozess gefertigt werden, der einen herkömmlichen Fotolithographiestrukturierungsprozess und reaktiven Ionenätzprozess (RIE-Prozess) und/oder Ionenstrahlätzprozess (IBE-Prozess) enthält, die in der Technik allgemein bekannt sind. Anschließend wird eine Einkapselungsschicht (nicht dargestellt) auf elektrisch isolierenden p-MTJ-Zellen abgeschieden. Typischerweise wird ein chemisch-mechanischer Polierprozess (CMP-Prozess) verwendet, um eine glatte Oberfläche auf der Einkapselungsschicht zu bilden, die mit einer Deckfläche der Hartmaske in jeder p-MTJ-Zelle komplanar wird. Dann wird ein oberes Elektroden-Array (nicht dargestellt), das mehrere leitfähige Leitungen (d.h. Bit-Leitungen oder Wortleitungen) aufweist, auf dem p-MTJ-Array und der Einkapselungsschicht gebildet, um mit der Fertigung der Magnetvorrichtung fortzufahren. Während eines Lese- oder Schreibbetriebs wird ein Strom durch den p-MTJ von der BE zu einer oberen leitfähigen Leitung oder in umgekehrter Richtung geleitet.
In Bezug auf die Bildung leitfähiger Pfade 19 in einer Metallnitrid- oder Metalloxynitridmatrix 16x, dargestellt in 3-4, kann ein Verfahren ähnlich jenem, das für die Bildung einer dotierten Metalloxidschicht in verwandter Anmeldung Seriennummer 15/728,818, beschrieben ist, verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform, dargestellt in 11, werden leitfähige Pfade, die aus M3-Metall oder Legierung bestehen, in einer M2N-Matrix in einer Umgebung von reaktivem Gas gebildet, das durch ein chemisches Dampfphasenabscheidungs- (CVD), physikalisches Dampfabscheidungs-, (PVD), oder ein plasmaverstärktes CVD-Verfahren (PECVD-Verfahren) erzeugt wird, wobei die M3-Spezies, M2-Spezies und Stickstoffspezies N gleichzeitig zur Deckfläche 15t von Hk-Verstärkungsschicht 15 gelenkt werden und reagieren, um darauf einen Film zu bilden. Die leitfähigen Pfade können während des CVD-, PVD- oder PECVD-Prozesses oder während eines anschließenden Temperschritts gebildet werden, der M3-Diffusion und Konglomeration fördert. Es sollte klar sein, dass die Umgebung von reaktivem Gas ferner eine Sauerstoffspezies enthält, wenn eine M2ON-Matrix erwünscht ist.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform, dargestellt in 12, wird während eines ersten Schritts eine M2-Schicht 16m mit Deckfläche 16t auf der Hk-Verstärkungsschicht 15 abgeschieden. Dann wird ein zweiter Schritt durchgeführt, wo die Umgebung von reaktivem Gas, die in der vorherigen Ausführungsform erwähnt wurde, auf Stickstoffspezies N und die M3-Spezies beschränkt ist, wodurch leitfähige M3-Kanäle 19 in einer M2N-Matrix 16x gebildet werden, oder auf N-, O- und Mi-Spezies begrenzt ist, um M3-Kanäle in einer M2ON-Matrix in 3 zu bilden. Alternativ kann die M2-Schicht anfänglich auf der metallischen Pufferschicht (nicht dargestellt) gebildet werden, gefolgt von dem zweiten Schritt mit der N- und M3-Spezies (oder N-, O- und Mi-Spezies), um leitfähige M3-Kanäle in einer M2N- bzw. M2ON-Matrix in 4 zu liefern.
Eine dritte Ausführungsform ist in 13 dargestellt, wo eine M2N- oder M2ON- Schicht 16x auf der Hk-Verstärkungsschicht abgeschieden wird. Danach wird eine Umgebung von reaktivem Gas, das M3-Spezies umfasst, erzeugt und reagiert mit Schicht 16x, um leitfähige Kanäle 19 darin bereitzustellen, wie in 3 angegeben. Alternativ stellt das in 13 veranschaulichte Verfahren eine Ionenimplantation von M3-Spezies in die M2N- oder M2ON-Schicht dar. Ein oder mehrere Temperschritte können dann verwendet werden, um leitfähige M3-Kanäle zu bilden.
In einer weiteren Ausführungsform, dargestellt in 14, wird ein dreilagiger Stapel aus Schichten 16x1/16d/16x2 auf der Hk-Verstärkungsschicht gebildet, gefolgt von Abscheidung von Hartmaske 17. Es wird festgehalten, dass Schichten 16x1, 16x2 M2N- oder M2ON-Schichten sind, während Schicht 16d eine M3-Schicht ist. Optional kann eine der 16x1- und 16x2-Schichten weggelassen werden, um einen zweilagigen Stapel bereitzustellen. Danach führen ein oder mehrere Temperschritte zur Diffusion von M3 in die M2N- oder M2ON-Schicht(en), um leitfähige Kanäle 19 in der M2N- oder M2ON-Matrix 16x zu bilden, dargestellt in 3.
In allen Ausführungsformen wird der p-MTJ 1-8 durch eine herkömmliche Abfolge strukturiert, die Bildung einer Struktur in einer Fotolackmaske (nicht dargestellt) auf einer Deckfläche 17t der Hartmaske und dann Verwenden eines oder mehrerer IBE- oder RIE-Schritte beinhaltet, um die Struktur durch den p-MTJ Stapel zu übertragen, um entsprechende Seitenwände is-8s zu bilden.
15 ist eine Ansicht von oben nach unten nach Strukturierung des p-MTJ Stapels mit der obersten Schicht 17 und Abscheiden und Planarisieren der Einkapselungsschicht 20, um benachbarte p-MTJs in ein Array von Reihen und Spalten zu isolieren. In der beispielhaften Ausführungsform weist jeder p-MTJ eine Kreisform mit einer kritischen Dimension w auf, die <100 nm sein kann. In anderen Ausführungsformen kann jeder p-MTJ eine elliptische oder polygonale Form aufweisen.
Die Durchführung einer Eingliederung einer Metallnitridschicht in einen p-MTJ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wurde bestimmt, indem zuerst ein p-MTJ-Stapel von Schichten gebildet wurde, in dem eine CoFeB-gepinnte Schicht, MgO-Tunnelsperrschicht, CoFeB-FL, MgO-Hk-Verstärkungsschicht und die Metallnitridschicht auf einem Substrat abgeschieden wurden. Hystereseschleifen wurden für die strukturierten p-MTJ Stapel bei Raumtemperatur gemessen und sind in 90 für die Referenz-TiN-Abdeckschicht gezeigt, die in der verwandten Anmeldung, Seriennummer 15/461,779 offenbart ist, und in 9b-9d für MoN-, WN- bzw. AlN-Schichten, die gemäß der ersten Ausführungsform gebildet und in 1 gezeigt sind. Alle Beispiele zeigen PMA in der FL und scharfes Umschalten. Jeder p-MTJ war kreisförmig mit einer 100 nm Breite und die Zieldicke der Metallnitridabdeckschicht ist 30 Ångström.

In einem zweiten Versuch wurde eine 5+/-1,6 Ångström dicke Mo-Pufferschicht zwischen der M1N-Abdeckschicht mit einer 30 Ångström Zieldicke und einer MgO-Hk-Verstärkungsschicht in einem p-MTJ gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, dargestellt in 2 eingesetzt. Die Ergebnisse des Versuchs sind in folgender Tabelle 1 zusammengefasst. Es wird festgehalten, dass die Dicke für die Nicht-TiNAbdeckschichten nicht optimiert wurde, und es wird erwartet, dass eine weitere Studie eines oder mehrere von verstärkter DRR, größerer Hc und niedrigerer RA in Bezug auf eine TiN-Abdeckschicht bereitstellen wird. Die normalisierte Hc-Säule zeigt die beste Hc, die für einen p-MTJ mit einem Mo/M1N-Stapel beobachtet wurde, kann aber nicht dem Beispiel entsprechen, das die maximale DRR bereitstellt. Tabelle 1

Magnetische Eigenschaften von p-MTJ mit einer Keim-/CoFeB-/MgO-/CoFeB-/MgO-/Puffer-/ Abdeckschichtkonfiguration
Abdeckschicht	Normalisierte maximale DRR	Normalisierte Rp (max DRR)	Normalisierte Vc (max DRR)	Normalisierte Hc (beste)
ZrN 30	1,08	1,22	0,95	0,31
TiN 30	1,00	1,00	1,00	1,00
MoN 30	0,99	1,71	0,84	0,24
NbN 30	1,03	1,30	0,99	0,41

Wir bestätigten, dass ein Eingliedern einer metallischen Pufferschicht zwischen einer Metallnitrid-Abdeckschicht (M1N-Abdeckschicht) und einer MgO-Hk-Verstärkungsschicht gemäß der zweiten Ausführungsform in 2 zur Verringerung einer Interdiffusion zwischen MiN und MgO effektiv war. Insbesondere, wenn eine Mo-Pufferschicht zwischen der MgO-Hk-Verstärkungsschicht und einer 30 Ångström dicken TiN-Schicht eingesetzt wurde, war DRR um 10% verglichen mit dem MgO/TiN-Stapel nach dem Stand der Technik erhöht. Ferner, wenn die Mo-Pufferschicht zwischen der MgO-Hk-Verstärkungsschicht und einer 30 Ångström dicken MoN-Abdeckschicht gemäß der zweiten Ausführungsform eingesetzt ist, wird eine 3% Erhöhung in DRR erzielt, verglichen mit einer MoN-Abdeckschicht ohne Pufferschicht. Es wird festgehalten, dass alle Ergebnisse in Tabelle 1 normalisiert und mit einem relativen Wert von 1,00 für eine TiN-Abdeckschicht verglichen sind. Rp bezieht sich auf RA_TOTAL, Vc ist ein Maß der Schaltspannung und Hc ist Koerzivität.
Alle hier beschriebenen Ausführungsformen können in ein Herstellungsschema mit Standardwerkzeugen und -prozessen integriert werden. Es wird eine beachtliche Verbesserung in der gesamten magnetischen Leistung erreicht, da höhere DRR und FL PMA wie auch weniger elektrische Kurzschlüsse beobachtet werden, während RA beibehalten oder gesenkt wird, um 64 Mb und 256 Mb STT-MRAM-Technologie und zugehörige Spintronikvorrichtungen weiter zu verbessern, wo Schaltstrom, RA, DRR, FL PMA und Wärmestabilität alle kritische Parameter sind. Eine Verringerung in elektrischen Kurzschlüssen führt zu einer höheren Vorrichtungsausbeute und niedrigeren Fertigungskosten aufgrund mehr nutzbarer Teile pro Produktionszeiteinheit. Wir haben beobachtet, dass der Prozentsatz an guten Vorrichtungen (80 nm p-MTJ-Zellen) signifikant von 6% auf 26% steigt, wenn eine MoN-Abdeckschicht gemäß der ersten Ausführungsform anstelle einer TiN-Abdeckschicht verwendet wird, die zuvor in der verwandten Anmeldung, Seriennummer 15/461,779, offenbart wurde.
Während die vorliegende Offenbarung insbesondere in Bezug auf ihre bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben wurde, ist Fachleuten klar, dass verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.

Claims

Senkrechter magnetischer Tunnelübergang (p-MTJ), aufweisend: (a) eine Tunnelsperrschicht., die eine erste Metalloxidschicht ist; (b) eine Hk-Verstärkungsschicht, die eine zweite Metalloxidschicht oder eine Metalloxynitridschicht ist; (c) eine freie Schicht (FL) mit einer ersten Oberfläche, die eine erste Grenzfläche mit der Tunnelsperrschicht bildet, einer zweiten Oberfläche, die eine zweite Grenzfläche mit der Hk-Verstärkungsschicht bildet, und wobei jede der ersten und zweiten Grenzfläche senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) in der FL erzeugt; und (d) eine Metallnitrid- oder Metalloxynitridabdeckschicht oder Sperrschicht, die mit einer Seite der Hk-Verstärkungsschicht in Kontakt ist, die in Bezug auf die zweite Grenzfläche gegenüberliegt.
P-MTJ nach Anspruch 1, wobei die FL eine Einzelschicht oder eine Mehrfachschicht ist, die eines oder mehrere von Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB, FeB, CoFeNi und CoFeNiB oder Legierungen davon ist, wobei ein Fe-Gehalt größer als 50 Atom-% (eisenreich) eines Gesamtgehalts von Magnetelementen/-bestandteilen ist.
P-MTJ nach Anspruch 1, wobei die FL 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 ein geordnetes L1₀- oder L1₁-Material,das eines von MnAl, MnGa oder RT ist, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung davon ist und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung davon ist, oder eine Seltenerdlegierung ist, die TbFeCo, GdCoFe, FeNdB oder SmCo ist.
P-MTJ nach Anspruch 1, wobei das Metall in der Hk-Verstärkungsschicht eines oder mehrere von Mg, Si, Ti, Ba, Ca, La, Al, Mn, V und Hf ist und die Hk-Verstärkungsschicht eine Einzelschicht oder eine laminierte Schicht ist.
P-MTJ nach Anspruch 1, wobei die Abdeckschicht oder Sperrschicht eine MiN- oder MiON-Zusammensetzung aufweist, wo M1 ein Metall oder eine Legierung ist, das bzw. die eines oder mehrere von Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
P-MTJ nach Anspruch 1, wobei die Abdeckschicht oder Sperrschicht eine M2M3N- oder M2M3ON-Zusammensetzung aufweist, wo M2 eines von B, Al, Si, Ga, In und Tl ist und M3 eines oder mehrere von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
P-MTJ nach Anspruch 1, wobei die Abdeckschicht oder Sperrschicht eine M2N- oder M2ON-Matrix mit darin gebildeten leitfähigen Pfaden aus einem M3-Metall umfasst, wobei M2 eines von B, Al, Si, Ga, In und Tl ist und M3 eines oder mehrere von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
P-MTJ nach Anspruch 1, wobei die FL eine Dicke von etwa 5 bis 30 Ängström aufweist.
P-MTJ nach Anspruch 1, wobei die Tunnelsperrschicht eines von MgO, Al₂O₃, MgAlO, TiOx, AlTiO, MgZnO, Al₂O₃, ZnO, ZrOx, HfOx und MgTaO oder Laminaten davon ist.
P-MTJ nach Anspruch 1, weiter umfassend eine gepinnte Schicht, die an die Tunnelsperrschicht angrenzt, und wobei der p-MTJ Teil eines magnetischen Direktzugriffspeichers (MRAM, Magnetic Random Access Memory), Spin-Drehmoment-MRAM (STT-MRAM), Spin-Drehmoment-Oszillators, einer Spin-Hall-Effekt-Vorrichtung, eines magnetischen Sensors oder eines Biosensors ist.
Senkrechte magnetische Tunnelübergangsstruktur (p-MTJ-Struktur), aufweisend: (a) eine Tunnelsperrschicht, die eine erste Metalloxidschicht ist; (b) eine Hk-Verstärkungsschicht, die eine zweite Metalloxidschicht oder eine Metalloxynitridschicht ist; (c) eine freie Schicht (FL) mit einer ersten Oberfläche, die eine erste Grenzfläche mit der Tunnelsperrschicht bildet, einer zweiten Oberfläche, die eine zweite Grenzfläche mit der Hk-Verstärkungsschicht bildet, und wobei jede der ersten und zweiten Grenzfläche senkrechte magnetische Anisotropie (PMA, Perpendicular Magnetic Anisotropy) in der FL erzeugt; (d) eine Metallnitrid- oder Metalloxynitridabdeckschicht oder Sperrschicht; und (e) eine metallische Pufferschicht, die eine erste Oberfläche, die mit der Hk-Verstärkungsschicht in Kontakt ist, und eine zweite Oberfläche, die an die Abdeckschicht oder Sperrschicht angrenzt, aufweist.
Magnetelement nach Anspruch 11, wobei die FL eine Einzelschicht oder eine Mehrfachschicht ist, die eines oder mehrere von Co, Fe, CoFe, CoFeB, CoB, FeB, CoFeNi und CoFeNiB oder Legierungen davon ist, wobei ein Fe-Gehalt größer als 50 Atom-% (eisenreich) eines Gesamtgehalts von Magnetelementen/-bestandteilen ist.
P-MTJ nach Anspruch 11, wobei die FL 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 oder ein geordnetes L1₀- oder L1₁-Material ist, das eines von MnAl, MnGa oder RT ist, wobei R Rh, Pd, Pt, Ir oder eine Legierung davon ist und T Fe, Co, Ni oder eine Legierung davon ist oder eine Seltenerdlegierung ist, die TbFeCo, GdCoFe, FeNdB oder SmCo ist.
P-MTJ nach Anspruch 11, wobei das Metall in der Hk-Verstärkungsschicht eines oder mehrere von Mg, Si, Ti, Ba, Ca, La, Al, Mn, V und Hf ist und die Hk-Verstärkungsschicht eine Einzelschicht oder eine laminierte Schicht ist.
P-MTJ nach Anspruch 11, wobei die Abdeckschicht oder Sperrschicht eine MiN- oder MiON-Zusammensetzung aufweist, wo M1 ein Metall oder eine Legierung ist, das bzw. die eines oder mehrere von Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
P-MTJ nach Anspruch 11, wobei die Abdeckschicht oder Sperrschicht eine M2M3N-oder M2M3ON-Zusammensetzung aufweist, wo M2 eines von B, Al, Si, Ga, In und Tl ist und M3 eines oder mehrere von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
P-MTJ nach Anspruch 11, wobei die Abdeckschicht oder Sperrschicht eine M2N- oder M2ON-Matrix mit darin gebildeten leitfähigen Pfaden aus einem M3-Metall oder einer M3-Legierung umfasst, wobei M2 eines von B, Al, Si, Ga, In und Tl ist und M3 eines oder mehrere von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
P-MTJ nach Anspruch 11, wobei die FL eine Dicke von etwa 5 bis 30 Ångström aufweist.
P-MTJ nach Anspruch 11, wobei die Tunnelsperrschicht eines von MgO, Al₂O₃, MgAlO, TiOx, AlTiO, MgZnO, Al₂O₃, ZnO, ZrOx, HfOx und MgTaO oder Laminaten davon ist.
P-MTJ nach Anspruch 11, weiter umfassend eine gepinnte Schicht, die an die Tunnelsperrschicht angrenzt, und wobei der p-MTJ Teil eines magnetischen Direktzugriffspeichers (MRAM), Spin-Drehmoment-MRAM (STT-MRAM), Spin-Drehmoment-Oszillators, einer Spin-Hall-Effekt-Vorrichtung, eines magnetischen Sensors oder eines Biosensors ist.
P-MTJ nach Anspruch 11, wobei die metallische Pufferschicht eines oder mehrere von Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren zur Bildung eines senkrechten magnetischen Tunnelübergangs (p-MTJ), umfassend: (a) Bilden einer Tunnelsperrschicht auf einem Substrat; (b) Abscheiden einer freien Schicht (FL) auf der Tunnelsperrschicht; (c) Bilden einer Hk-Verstärkungsschicht, die eine Metalloxid- oder Metalloxynitridschicht ist, auf der FL; und (d) Bilden einer Metallnitrid- oder Metalloxynitridabdeckschicht auf der Hk-Verstärkungsschicht.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Metall in der Hk-Verstärkungsschicht eines oder mehrere von Mg, Si, Ti, Ba, Ca, La, Al, Mn, V und Hf ist und die Hk-Verstärkungsschicht eine Einzelschicht oder eine laminierte Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Abdeckschicht eine MiN- oder MiON-Zusammensetzung aufweist, wo M1 ein Metall oder eine Legierung ist, das bzw. die eines oder mehrere von Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Abdeckschicht eine M2M3N- oder M2M3ON-Zusammensetzung aufweist, wo M2 eines von B, Al, Si, Ga, In und Tl ist und M3 eines oder mehrere von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Abdeckschicht eine M2N- oder M2ON-Matrix aufweist, mit darin gebildeten leitfähigen Pfaden aus einem M3-Metall oder einer M3-Legierung, wobei M2 eines von B, Al, Si, Ga, In und Tl ist und M3 eines oder mehrere von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren zum Bilden eines senkrechten magnetischen Tunnelübergangs (p-MTJ), umfassend: (a) Bilden einer Tunnelsperrschicht auf einem Substrat; (b) Abscheiden einer freien Schicht (FL) auf der Tunnelsperrschicht; (c) Bilden einer Hk-Verstärkungsschicht, die eine Metalloxid- oder Metalloxynitridschicht ist, auf der FL; (d) Abscheiden einer metallischen Pufferschicht auf der Hk-Verstärkungsschicht; und (e) Bilden einer Metallnitrid- oder Metalloxynitridabdeckschicht auf der metallischen Pufferschicht.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Metall in der Hk-Verstärkungsschicht eines oder mehrere von Mg, Si, Ti, Ba, Ca, La, Al, Mn, V und Hf ist und die Hk-Verstärkungsschicht eine Einzelschicht oder eine laminierte Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Abdeckschicht eine MiN- oder MiON-Zusammensetzung aufweist, wo M1 ein Metall oder eine Legierung ist, das bzw. die eines oder mehrere von Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Abdeckschicht eine M2M3N- oder M2M3ON-Zusammensetzung aufweist, wo M2 eines von B, Al, Si, Ga, In und Tl ist und M3 eines oder mehrere von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Abdeckschicht eine M2N- oder M2ON-Matrix mit darin gebildeten leitfähigen Pfaden aus einem M3-Metall oder einer M3-Legierung umfasst, wobei M2 eines von B, Al, Si, Ga, In und Tl ist und M3 eines oder mehrere von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die metallische Pufferschicht eines oder mehrere von Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren zum Bilden eines senkrechten magnetischen Tunnelübergangs (p-MTJ), umfassend: (a) Bilden einer Metallnitrid- oder Metalloxynitridbarriereschicht auf einem Substrat; (b) Bilden einer Hk-Verstärkungsschicht, die eine Metalloxid oder Metalloxynitridschicht ist, auf der Sperrschicht; (c) Abscheiden einer freien Schicht (FL) auf der Hk-Verstärkungsschicht; und (d) Bilden einer Tunnelsperrschicht auf der FL.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei das Metall in der Hk-Verstärkungsschicht eines oder mehrere von Mg, Si, Ti, Ba, Ca, La, Al, Mn, V und Hf ist und die Hk-Verstärkungsschicht eine Einzelschicht oder eine laminierte Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Sperrschicht eine MiN- oder M1ON-Zusammensetzung aufweist, wo M1 ein Metall oder eine Legierung ist, das bzw. die eines oder mehrere von Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Sperrschicht eine M2M3N- oder M2M3ON-Zusammensetzung aufweist, wo M2 eines von B, Al, Si, Ga, In und Tl ist und M3 eines oder mehrere von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Sperrschicht eine M2N- oder M2ON-Matrix aufweist, mit darin gebildeten leitfähigen Pfaden aus einem M3-Metall oder einer M3-Legierung, wobei M2 eines von B, Al, Si, Ga, In und Tl ist und M3 eines oder mehrere von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren zum Bilden eines senkrechten magnetischen Tunnelübergangs (p-MTJ), umfassend: (a) Bilden einer Metallnitrid- oder Metalloxynitridbarriereschicht auf einem Substrat; (b) Abscheiden einer metallischen Pufferschicht auf der Sperrschicht; (c) Bilden einer Hk-Verstärkungsschicht, die eine Metalloxid oder Metalloxynitridschicht ist, auf der metallischen Pufferschicht; (d) Abscheiden einer freien Schicht (FL) auf der Hk-Verstärkungsschicht; und (e) Bilden einer Tunnelsperrschicht auf der FL.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei das Metall in der Hk-Verstärkungsschicht eines oder mehrere von Mg, Si, Ti, Ba, Ca, La, Al, Mn, V und Hf ist und die Hk-Verstärkungsschicht eine Einzelschicht oder eine laminierte Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Sperrschicht eine M1N- oder M1ON-Zusammensetzung aufweist, wo M1 ein Metall oder eine Legierung ist, das bzw. die eines oder mehrere von Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Sperrschicht eine M2M3N- oder M2M3ON-Zusammensetzung aufweist, wo M2 eines von B, Al, Si, Ga, In und Tl ist und M3 eines oder mehrere von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Sperrschicht eine M2N- oder M2ON-Matrix umfasst, mit darin gebildeten leitfähigen Pfaden aus einem M3-Metall oder einer M3-Legierung, wobei M2 eines von B, Al, Si, Ga, In und Tl ist und M3 eines oder mehrere von Pt, Au, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, Mn, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die metallische Pufferschicht eines oder mehrere von Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.