TW201810745A - 具有改善氧化控制的氧化物介面的垂直磁化鐵磁層 - Google Patents

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Abstract

一種改良磁性隧穿接合，於鐵磁層（FML）兩側具有兩氧化介面來於FML上導引較高的PMA，新穎的堆疊結構可改善上氧化層的氧化控制，其藉由FML具有依序交錯沉積一個或是一個以上非磁性層於數個鐵磁子層來達成，所使用的非磁性層具有0.5~10埃的厚度，並具有高再濺鍍率來提供平滑之FML上表面，來抑制FML子層的結晶，並與氧氣反應來防止相鄰的鐵磁子層之有害氧化，FML可以於MTJ中作為自由層或是參考層，於替代實施例中，譬如為鎂、鋁、矽、鈣、鍶、鋇以及硼可藉由非磁性材料共沉積來嵌入或摻雜於FML層。

Description

具有改善氧化控制的氧化物介面的垂直磁化鐵磁層
本案係相關於：美國專利：8,592,927、案號：HT15-006、申請日：11/23/2015、申請號：14/939,232由共同讓渡人申請之案件，其可整體結合來參考。
本發明係有關於一種複合磁性結構，具有氧化層、鐵磁層以及非磁性層的組合（堆疊），用以改善使用於磁性薄膜之垂直磁力， 使得熱穩定性獲得改善，不受具有垂直磁力異向性之裝置的動能、體積或是結晶異向性的影響。
磁化方向垂直於薄膜之平面的磁性薄膜於記憶體或是資料儲存技術尚有許多的應用，譬如磁性硬碟、磁性隨機存取記憶體（MRAM）或是磁域牆裝置。
藉由垂直磁力異向性(PMA)所產生的垂直磁化可以克服靜磁力形狀各向異性，有利於薄膜幾何形狀之平面磁化。
許多物理現象都能誘發PMA，譬如結晶異向性、表面或介面異向性以及磁彈性異向性，介面異向性產生於氧化層（OL、譬如為氧化鎂）與鐵磁層（FML、譬如為鐵、鈷、鐵化鈷或鈷鐵硼）之間的介面，尤其具有技術上的重要性。的確，介面結構廣泛地使用於MRAM裝置，其記憶體單元係基於磁性穿隧接合，每一個都具有兩垂直於矽晶圓平面磁化的磁極、並且受到氧化穿隧阻障層來分隔。
除了前面提到的氧化與鐵磁層外，磁性隧穿接合（MTJ）結構也可包含非鐵磁金屬（ML）或種子層之堆疊結構，於磁性隧穿接合之兩磁極的其中之一來建立垂直磁力異向性（PMA）的最簡單堆疊層，係為形成單一鐵磁層於金屬層上，然後沉積氧化層於鐵磁層上，來賦予由下而上指定之ML/FML/OL堆疊或是反向的OL/FML/ML堆疊。
使用於半導體工業之標準製程，需要加熱晶圓達到400℃ 的高溫，並持續如同退火程序持續數個小時，因此，藉由半導體程序建構之MTJ裝置必須要能承受標準程序的溫度以及時間，而不能於磁性以及/或磁致傳輸特性上有所劣化。
於方程式（1）中的機率（p）為波茲曼因子，熱波動引起MTJ中的記憶體位元於兩對應於邏輯0與1的穩定狀態間翻轉，熱穩定性係關於兩狀態（E）之間的能量阻障，其為方程式（2）中的波茲曼常數（kB ）與絕對溫度（T）。
針對PMA，能量阻障E會隨著儲存（或自由）層的磁性異向性變化，於均勻磁化反轉機制，能量阻障E為等比於 Keff ˑtFML 的產物，其中tFML 為鐵磁層的厚度。
為有效異向性常數（具有每單位體積能量之尺寸）。
可以模擬為介面異向性與形狀異向性之總和。
介面異向性為材料介面固有的，係表示為常數Ki （單位表面的能量）除以鐵磁層的厚度；而形狀異向性會降低熱穩定性，如方程式（4）所展示。其中為飽和磁化強度，tFML 為鐵磁層的厚度，介面異向性引起PMA，而形狀異向性降低PMA，簡言之，
因此，藉由方程式5可使鐵磁層厚度 tFML 變薄來增進熱穩定性，然而，當 tFML 低於臨界厚度則此模式無法適用；實驗發現於低於臨界厚度時，鐵磁層會由於缺陷以及與相鄰非磁性元件間的內部擴散而失去其磁化強度，因此，簡單ML/FML/OL堆疊之熱穩定性降低於臨界鐵磁厚度時達到最大。
由於單一OL/FML介面，簡單PMA堆疊只能提供較弱的PMA，介面異向性（Ki ）並不夠強到能支撐鐵磁層厚度高於大概15埃；此外，鐵磁層與底下譬如為鉭之金屬層之間還有異常的內部擴散，內部擴散會引起鐵磁與金屬層之間的介面變成磁「死」層，使得鐵磁層的磁特性在 tFML 小於大概8埃時會劣化。對於簡單堆疊介面結構，於臨界鐵磁厚度的熱穩定性僅有大概0.2耳格/平方公分，其係過小而無法實際應用。
可藉由兩OL/FML介面來建立改良介面結構，而形成OL/FML/OL的型態，其可導出較高的PMA，而可使用於較厚的鐵磁層；然而，要使用氧化的方式來形成第二氧化層而不會也氧化鐵磁層是非常困難的，其將形成厚的磁死層、磁化強度的損失、且增加磁性穿隧接合（MTJ）產品的阻抗區域。
因此，亟須一種具有兩氧化/FML介面的改良MTJ，來於參考與自由層提供高PMA，進一步來說，形成上（第二）OL的氧化需要較佳的控制來避免FML不必要的氧化而損失PMA。
本發明揭露之目的在於提供一種藉由強化堆疊結構之垂直磁力異向性之增強磁性隧穿接合。
本發明揭露之第二目的在於提供一種形成第一目的之MTJ的方法。
根據一個實施例，MTJ具有形成於兩氧化層之FML，而構成 OL1 /FML/OL2 配置，其中FML具有兩子層（FML1 與FML2 ）成為 FML1 /NML/FML2 配置，其中NML為非磁性層，而FML為自由層或參考層。
本發明所揭露具有三種方法來改良習知之磁性隧穿接合與熱穩定性，首先係為NML的再濺鍍，其於沉積 FML2 的過程中具有相對較高的再濺鍍率而可獲得較平滑之鐵磁層，相同的概念揭露於相關專利申請第14/939,232號申請案，關於沉積具低再濺鍍率之第二種子層於具高再濺鍍率之第一種子層。
再者，NML的存在抑制了 FML2 的結晶化，如此一來，FML2 具有較小的晶粒以及較薄的晶粒邊界，其會降低氧氣由上氧化層 OL2 擴散至底下的 FML2 層。
最後，NML相較於 FML1 與FML2 子層為較高活性材料，因此，其會吸引氧氣由 OL2 擴散至FML2 。
另一實施例包含鐵磁層，其包含三個FML子層以及兩NML形成（由上而下或相反）之 OL/FML1 /NML/FML2 /NML/FML3 /OL配置。
第三實施例係為鐵磁層包含重複之交錯 n+1個FML子層以及n個NML，由下而上或相反，此堆疊形成 OL/FML1 /NML1 /…/FMLn /NMLn /FMLn+1 /OL 的配置；在第一、二與三實施例的變化中，位於最上或下方之OL層可取代為譬如鉭、鎢、鉬、釕或鎳鉻合金之ML層，ML/FML層具有介面垂直磁力異向性PMA。
本發明揭露一種磁性隧穿接合（Magnetic Tunneling Junction；MTJ），其中至少自由層、參考層或耦極層的其中之一具有垂直磁力異向性(perpendicular magnetic anisotropy；PMA)，其可於譬如為微波輔助磁性紀錄（microwave assisted magnetic recording ；MAMR）以及自旋力矩振盪器（STO）之電子自旋轉裝置(spintronic devices)以及各種包含讀取頭感測器之自旋閥設計中，於高達400℃的譬如為嵌入磁電阻式隨機存取記憶(MRAM)以及自旋轉移力矩隨機存取記憶體( STT-RAM)的處理中維持其垂直磁力異向性。
如相關美國專利第8,592,927號所揭示，磁性隧穿接合可包含有固定層、穿隧阻障層以及包含具有位於兩磁性子層（FM1 、FM2 ）之間的磁飽和減少(力矩稀釋）層之複合自由層的磁性元件，其中FM1 層具有形成具有穿隧阻障層之第一表面的表面、而FM2 層具遠離穿隧阻障層之表面，來形成具有垂直磁旋比增強層的第二表面，而可用以增加FM2 層內之垂直異向性場。
於相關美國專利申請第14/939,232號申請案，申請人揭露一種改良之種子層堆疊，其中譬如為鈷鐵硼之具晶型特性的低再濺鍍率層係沉積於譬如為鎂之高再濺鍍率層上，來提供平滑效應以降低鎂/鈷鐵硼/鉻化鎳配置之最上方鉻化鎳種子層之上表面的峰值至峰值的粗糙度。因此鉻化鎳種子層具有平滑之上表面，藉由穿透式電子顯微鏡（TEM）來量測，於100奈米的範圍內其峰值至峰值厚度變化約為0.5奈米，相較於習知種子層薄膜於100奈米的範圍內其峰值至峰值厚度變化約為2奈米。
申請人發現，前述相關申請案中所揭露的MTJ結構，可根據以下的實施例來加以進一步改良，本發明所揭露之MTJ包含有改良位於自由層或是參考層上之氧化層之氧化控制的堆疊結構，自由層或參考層包含多重薄鐵磁層（鐵、鈷、鐵化鈷、鈷鐵硼或其組合），其沉積於n-1層具有高再濺鍍率與低磁稀釋效應交錯之NML上。根據此實施例，MTJ具有形成於兩氧化層間的FML，因而形成 OL1 /FML/OL2 型態，其中FML具有 FML1 /NML/FML2 的配置；相較於第1、2圖之習知磁性隧穿接合而能提供效能上的三種優點，NML的作用是三倍的。
首先，於 FML1 /NML/FML2 配置中沉積 FML2 的過程中，NML具有相對較高的再濺鍍率，而能獲得較平滑的 FML2 鐵磁層；於另一實施例中，FMLn 層沉積於FMLn-1 層上，可於FMLn 層之上表面得到近似的平滑效應。
再者，NML層的存在抑制了FML2層的結晶，或是以更一般的說法，NMLn-1 層抑制了重疊FMLn 層的結晶，如此一來，FML2 層（以及FMLn 層）具有較小的晶粒以及較薄的晶格邊界，而可降低氧由上氧化層 OL2 擴散至底下的FML2 層。
最後，NML為較FML子層較高活性材料，因此，其會吸引氧由OL2 擴散至FML2 ，如此一來，FML鐵磁子層與特別是以n個FML子層與n-1個NML堆疊的上FMLn 子層 ，將會有相較於習知技術較少的氧化，進而有較佳的磁阻率以及FML較好的熱穩定性。
根據第3a圖中本發明所揭露之一個實施例，自由層20-1具有 FML1 /NML1 /FML2 的配置，其中 FML1 20a 是由 鐵、鈷、鎳、鐵化鈷、硼化鈷、硼化鐵、鈷鐵硼、硼鎳鐵鈷或其組合所構成，並沉積於氧化穿隧阻障層，此後稱為穿隧阻障層19。穿隧阻障層為金屬氧化物或是氮氧化物，包含有一個或是一個以上氧化或氮氧化層，其由一個或是一個以上之矽、鋇、鈣、鑭、錳、釩、鋁、鈦、鋅、鉿、鎂、鉭、硼、銅、鉻。NML1 為具有相對高再濺鍍率之高活性材料，一般為譬如鎂、鋁、硼、鈣、鋇、鍶、矽或碳等金屬；接續的FML2 20c 沉積於 NML1 20b 上，並為選自鐵、鈷、鎳、鐵化鈷、硼化鈷、硼化鐵、鈷鐵硼、鈷鐵鎳硼或其組合。
相對於 NML1 具有低再濺鍍之 FML2 的沉積，係再濺鍍於部份之NML1 ，而可於NML1 及FML2 上形成較平滑的上表面，如同相關申請案 14/939,232 中所描述，材料A相對於材料B之高再濺鍍率，係來自於材料B的高鍵結能量與高原子數的其中之一或兩個皆是。
FML2 沉積之前的 NML1 之存在會抑制 FML2 的結晶，如此一來，FML2 20c 會具有較小的晶粒以及較薄的晶格邊界，而降低氧氣由接續沉積覆蓋氧化層40擴散至底下的 FML2 層。進一步而言，NML1 20b 具有相較於 FML2 層較高活性的材料，因而使得 NML1 20b 吸引由上氧化層40擴散至 FML2 的氧氣，因而防止 FML2 的氧化。
請參閱第3b圖，為本發明所揭露之另一實施例，其中參考層10-1具有 FML1 /NML1 /FML2 的配置，其形成於種子層2以及穿隧阻障層19之間，種子層可包含有一個或是一個以上譬如相關專利申請 14/939,232所描述之金屬或合金或其他本技術領域所使用的材料。FML1 、NML1 以及FML2 的組成已經於前面闡述，於本例子中， NML1藉由吸引由FML2擴散至穿隧阻障層的氧氣，來用以避免FML2 的氧化；此外，所有前面描述關於形成 FML1 /NML1 /FML2 堆疊的優點也可套用於參考層10-1。
根據第4a圖之另一實施例，前面所描述的自由層層狀堆疊20-1係加以調整為自由層20-2，其藉由依序沉積 NML2 20d以及 FML3 20e於 FML2 上，來形成 FML1 /NML1 /FML2 /NML2 /FML3 的配置。NML2 可選自鎂、鋁、硼、鈣、鋇、鍶、矽或碳，而 FML3 是由一個或是一個以上鐵、鈷、鎳、鐵化鈷、鈷鐵硼、硼化鈷、硼化鐵以及鈷鐵鎳硼所製成。覆蓋層40接觸於FML3 20e的上表面，當覆蓋層為氧化物，則氧化物/FML3 介面會誘發或增強於 FML3 的PMA。
於第4b圖中，第3b圖中的參考層堆疊10-2可以藉由形成 FML1 /NML1 /FML2 /NML2 /FML3 堆疊於種子層2以及穿隧阻障層19之間來予以強化，換句話說，附加層NML2 、FML3 依序沉積於 FML2 上，來賦予參考層具有如同參考層堆疊10-1的優點。而鄰接於上FML層之上表面的氧化穿隧阻障層19之存在也會於上FML（FML3 ）誘發或是建立PMA。
於第5a圖中，為本發明所揭露之另一實施例，前面所描述的自由層層狀堆疊20-1係加以調整為自由層20-3，其藉由依序交錯的方式沉積n-1層NML層20b、20n-1以及n層FML層20a、20c、20n於穿隧阻障層19上，來形成 FML1 /NML1 …FMLn-1 /NMLn-1 /FMLn 的配置。每一NML可選自鎂、鋁、硼、鈣、鋇、鍶、矽或碳，而 每一FML是由一個或是一個以上鐵、鈷、鎳、鐵化鈷、鈷鐵硼、硼化鈷、硼化鐵以及鈷鐵鎳硼所製成。覆蓋層40接觸於FMLn 20n的上表面，並且藉由形成氧化物/FML3n 介面而可誘發或增強PMA。
於第5b圖中，第3b圖中的參考層堆疊10-1可以藉由形成參考層堆疊10-3來予以強化，其係為n-1層NML層以及n層FML子層依序交錯的方式沉積於種子層2上，來形成 FML1 /NML1 …FMLn-1 /NMLn-1 /FMLn 的配置。 每一NML可選自鎂、鋁、硼、鈣、鋇、鍶、矽或碳，而 每一FML子層是由一個或是一個以上鐵、鈷、鎳、鐵化鈷、鈷鐵硼、硼化鈷、硼化鐵以及鈷鐵鎳硼所製成。穿隧阻障層19接觸於 FMLn 20n 的上表面，而可藉由形成氧化層/FMLn 的介面來增強或誘發其上的PMA；因此，沉積FML子層於NML上的程序重複數次來降低每一連續NML的結晶，而能提供每一FML子層上表面之平滑效果以及藉由與可能由穿隧阻障層擴散至FMLn 的氧氣進行反應來防止FMLn 的氧化。
於前述所有的實施例中，本發明預先考慮到其中一個或是一個以上的 FMLn 子層可包含譬如為(Co/X)m 或(X/Co)m 的層狀堆疊，其中m為1-30、x為鉑、鈀、鎳、鈷化鎳、鎳/鈀或鐵化鎳。另一方面，鐵化鈷或是 CoFeR也可以取代層狀堆疊中的鈷，其中R為鉬、鎂、鉭、鎢或鉻。
參閱第6圖，本發明也包含一種實施例，其中MTJ包含形成於兩氧化層之間的自由層堆疊20-1、20-2以及20-3，於實施範例中，自由層接觸於穿隧通道19之上表面，並鄰接於氧化覆蓋層40a之下表面，氧化覆蓋層可包含一個或是一個以上之氧化層，其係為選自前述關於穿隧阻障層19之材料； 於下自旋閥配置，種子層2、參考層11、穿隧阻障層、自由層以及覆蓋層40a依序形成於基板1上，其可為MRAM之下電極、讀取頭感應器之下遮罩或是STO裝置的主極層。參考層可為合成反平行（synthetic antiparallel ；SyAP）配置，其中譬如為釕之反鐵磁耦合層形成於接觸在種子層的下AP2鐵磁層以及接觸在穿隧阻障層的上AP1鐵磁層（圖中未示）之間，其中之一AP1、AP2層或兩者可為一個或是一個以上之鈷、鐵、鎳、硼化鈷、硼化鐵、鐵化鈷、鈷鐵硼或鈷鐵鎳硼或是譬如為前述(Co/X)m 或(X/Co)m 之層狀結構。上電極50形成於覆蓋層，其可選擇有譬如為鉑化錳之硬光罩（圖中未示）來設於覆蓋層與上電極之間。其他實施例中，上電極可以為讀取頭感應器之上遮罩或是STO裝置之尾遮罩（trailing shield）。
參閱第7圖，其繪示另一下自旋閥MTJ，其中所有層保留與第6圖相同，除了氧化覆蓋層取代為非磁性覆蓋層40b，於部份實施例，覆蓋層40b可以是一個或是一個以上之釕、鎢、鉬、鉻化鎳以及鉭，並包含有釕/鉭以及釕/鉭/釕的配置。
於第8圖中，其繪示本發明之一個實施例的具有上自旋閥配置之MTJ，其中所有層保留與第7圖相同，除了自由層20-1（或20-2或20-3）與參考層11的位置對調，使得種子層2、自由層、穿隧阻障層19、參考層以及覆蓋層40b依序形成於基板1上，種子層可為一個或是一個以上之鎢、釕、鉭、鉬與鉻化鎳。
於第9圖中，其繪示本發明根據第6圖來改良之另一上自旋閥配置，其中自由層20-1（或20-2或20-3）、穿隧阻障層19、參考層11以及覆蓋層40b依序形成於基板1之選擇性種子層2上，氧化層15可選自前述關於氧化覆蓋層40a之材料；如此一來，會於自由層上與下表面以及穿隧阻障層與氧化層之間形成兩氧化/自由層介面，而能強化自由層內之PMA。
參閱第10圖，於上自旋閥MTJ中本發明也預先考慮參考層10-1（或10-2或10-3）可形成於兩氧化層之間，於實施範例中，種子層2、自由層21、穿隧阻障層19、參考層以及氧化覆蓋層40a依序形成於基板1上；自由層21可選擇與前述參考層11相同之材料。於此例子中，參考層具有與氧化穿隧阻障層之第一介面以及與氧化覆蓋層之第二介面，因而能強化參考層內之PMA。
於第11圖中，其繪示另一下自旋閥MTJ，其保留第10圖中之所有層，除了氧化覆蓋層取代為如前述之非磁性覆蓋層40b。請參閱第12圖，其繪示下自旋閥MTJ，其保留第11圖中之所有層，然而，自由層21與參考層10-1（或10-2或10-3）的位置對調，使得參考層、穿隧阻障層19、自由層、覆蓋層40b依序形成於基板2。
於第13圖中，其繪示下自旋閥的另一實施例，其改良自第12圖中之MTJ，其中種子層2取代為氧化層15，使得參考層具有兩氧化介面來增強其內的PMA。
根據繪示於第14圖中的另一實施例，非磁性材料由鐵磁層（FML） 吸引氧氣，其可能為嵌入或摻雜於FML22，而不是如前面實施例般形成n個FML子層以及n-1層NML的層狀堆疊；依據摻雜於FML的濃度，非磁性材料吸引可能由相鄰氧化層擴散入FML的反應效率可能會比先前涉及n個FML子層以及n-1層NML的層狀堆疊的實施例來得低。此外，抑制FML結晶的優點也可能較前面實施例降低，因為本實施例並沒有將低再濺鍍率材料沉積於高再濺鍍率材料上，前面描述沉積FML於NML上之平滑效果則不適用於此。
自由層22摻雜或嵌入一個或是一個以上之鎂、鋁、矽、鈣、鍶、鋇、碳或硼，其中非磁性材料於自由層內的濃度為0.1-30原子百分比，非磁性材料可藉由共沉積程序來嵌入於自由層。非磁性材料具有磁稀效應，其意味著隨著非磁性單元於自由層內濃度的增加，自由層的磁矩會降低。於實施範例中，選擇性種子層2、參考層11、穿隧阻障層19、自由層、覆蓋層依序形成於基板1，其中覆蓋層可包含一個或是一個以上如同40b內之非磁性金屬或是40a內之氧化材料。
於第15圖中，本發明也包含上自旋閥實施例，其中氧化層15、自由層22、穿隧阻障層19、參考層11以及覆蓋層40b依序形成於基板1。
第16圖表示根據第15圖之上自旋閥MTJ來加以調整，其中摻雜自由層22取代先前描述之自由層21，而參考層12則摻雜有一個或是一個以上之鎂、鋁、矽、鈣、鍶、碳、鋇或硼，因此，MTJ堆疊具有種子層/自由層/穿隧阻障層/摻雜參考層/覆蓋層的配置。
請參閱第17圖，其繪示有下自旋閥MTJ，其中氧化層15、摻雜參考層12、穿隧阻障層19、自由層21以及覆蓋層40依序形成於基板1。
本發明也預先想到形成MTJ的成型方法，其中鐵磁層包含繪示於第3a-5b圖之FML子層與NML層的層狀堆疊。於第18圖中，其繪示製造MTJ 60的中間步驟，依序形成種子層2、參考層11、穿隧阻障層19、自由層20-1（或20-2或20-3）以及氧化覆蓋層40a於基板1，待MTJ全部層都藉由習知方法形成後，光阻層55塗佈並圖樣化於覆蓋層40a的上表面來形成側牆55s，其可藉由接續離子束蝕刻（IBE）透過MTJ 60轉移，來於MTJ形成側牆60s。
於第19圖中，譬如為氧化矽、氮化矽或鋁之介電層70沉積一定量於覆蓋層，然後執行化學機械拋光（CMP）程序來去除光阻層並形成上表面70t，其與覆蓋層40a之上表面40t共面。
因此，於第20圖中，上電極50以本領域熟知的方法來形成於介電層70與覆蓋層40a。
第21、22、23圖繪示各種堆疊其於330℃持續30分鐘進行退火，並使用柯爾磁力測定（Kerr magnetometry）磁滯迴路，磁化強度於磁場介於+1500與-1500奧（Oe）；增加與減少磁場的分支測量分別以虛線與實線表示，柯爾磁力測定訊號等比於垂直磁化強度。一個或是一個以上之FML的總厚度為厚度t，此些測量之圖式的價值係為迴路的方形以及矯頑場的值。
資料顯示出於廣泛厚度範圍增加一個NML（第22圖）或兩個NML（第23圖）之矯頑場的改善，特別是於薄於12埃之層達成改良PMA。其對照於繪示於第21圖不具有NML的習知技術，FML會變得不連續並於小於12埃之下喪失其PMA。
另一優點在於具有根據前述實施例所形成之自由層的磁性隧穿接合於熱預算的改良，第24-25圖顯示不具有NML與具有兩個NML之堆疊的磁滯迴路，兩種堆疊都於400℃進行5小時的退火，其可藉由圖中方形與矯頑場的降低來指出不具有NML之堆疊的磁特性會大幅劣化，磁訊號於層薄於14埃時大幅下降與消失，較厚層則沒有展示出垂直磁力之方形迴路的特性。對照於具有兩NML之堆疊，其仍保有方形迴路與非零的矯頑場，而指出此堆疊於400℃ 、5小時退火候仍保有良好的PMA。
1‧‧‧基板
2‧‧‧種子層
10‧‧‧參考層(RL)
10n‧‧‧FMLn
10n-1‧‧‧NMLn-1
10-1‧‧‧參考層
10-2‧‧‧參考層堆疊
11‧‧‧參考層
15‧‧‧氧化層
19‧‧‧穿隧阻障層
20‧‧‧自由層(FL)
20a‧‧‧FML1
20b‧‧‧NML1
20c‧‧‧FML2
20d‧‧‧NML2
20e‧‧‧FML3
20n‧‧‧FMLn
20n-1‧‧‧NMLn-1
20-1‧‧‧自由層
20-2‧‧‧自由層堆疊
20-3‧‧‧自由層堆疊
21‧‧‧自由層
22‧‧‧自由層
40‧‧‧覆蓋層
40a‧‧‧覆蓋層
40b‧‧‧覆蓋層
40t‧‧‧上表面
45‧‧‧硬光罩
50‧‧‧上電極
55‧‧‧光阻層
55s‧‧‧側牆
60‧‧‧MTJ
60s‧‧‧側牆
70‧‧‧介電層
70 t‧‧‧上表面
第1圖為習知具有下自旋閥配置之磁性隧穿接合的示意圖，其應用於MRAM、自旋轉換振盪器（STO）或讀取/寫入頭。 第2圖為習知上自旋閥配置的MTJ，其具有位於穿隧阻障層之上的參考層，功能等同於第1圖。 第3a圖為於具下自旋閥配置的MTJ的穿隧阻障層與氧化覆蓋層間形成有自由層之剖面圖，其中自由層為層狀，且包含形成於兩根據本發明之實施例的鐵磁層（FML）之間的非磁性層（NML）。 第3b圖為於具下自旋閥配置的MTJ的種子層與穿隧阻障層間形成有參考層（RL）之剖面圖，其中參考層為層狀，且包含形成於兩根據本發明之實施例的鐵磁子層（FML1以及FML2）之間的非磁性層（NML）。 第4a、5a圖表示改良第3a圖的實施例，其中自由層具有複數n個層狀堆疊之非磁性層（NML）以及n+1個FML子層。 第4b、5b圖表示改良第3b圖的實施例，其中參考層具有複數n個層狀堆疊之非磁性層（NML）以及n+1個FML子層。 第6、9圖分別為具下自旋閥與上自旋閥配置之MTJ的剖視圖，其中具有層狀堆疊之NML與FML子層的自由層形成於根據本發明之實施例的氧化層之間。 第7-8圖分別為具下自旋閥與上自旋閥配置之MTJ的剖視圖，其中具有層狀堆疊之NML與FML子層的自由層形成於根據本發明之實施例的氧化層與非磁性層之間。 第10、13圖分別為具上自旋閥與下自旋閥配置之MTJ的剖視圖，其中具有層狀堆疊之NML與FML子層的參考層形成於根據本發明之實施例的氧化層之間。 第11-12圖分別為具上自旋閥與下自旋閥配置之MTJ的剖視圖，其中具有層狀堆疊之NML與FML子層的參考層形成於根據本發明之實施例的氧化層與非磁性層之間。 第14-15圖分別為具下自旋閥與上自旋閥配置之MTJ的剖視圖，其中自由層摻雜有非磁性材料。 第16-17圖分別為具上自旋閥與下自旋閥配置之MTJ的剖視圖，其中參考層摻雜有非磁性材料。 第18-20圖為製造具有根據本發明之實施例的自由層之MTJ的依序步驟。 第21圖繪示磁化強度對應於磁場的示意圖，其對應於第1圖之習知 OL/FML/OL堆疊結構之自由層的各種不同厚度以埃為單位之t。 第22圖繪示磁化強度對應於磁場的示意圖，其對應於本發明之實施例的 OL/FML1(t1)/NML/FML2(t2)/OL 堆疊結構之自由層的各種不同厚度以埃為單位之t，其中t1 = t2 、t = t1 + t2 。 第23圖繪示磁化強度對應於磁場的示意圖，其對應於本發明之另一實施例的 OL/FML1 (4埃)/NML1 /FML2 (t1)/NML2 / FML3 (t2)/OL 堆疊結構之自由層的各種不同厚度以埃為單位之t，其中t1 / t2 = ¾ 、t = (4 + t1 + t2) 。 第24圖繪示磁化強度對應於磁場的示意圖，其對應於不具有NML層之自由層堆疊，經過400℃、5小時退火，說明FML厚度範圍不會展示PMA之方形迴路特性。 第25圖繪示磁化強度對應於磁場的示意圖，其對應於具有兩NML層之自由層堆疊，經過400℃、5小時退火。
19‧‧‧穿隧阻障層
20a‧‧‧FML1
20b‧‧‧NML1
20c‧‧‧FML2
20-1‧‧‧自由層
40‧‧‧覆蓋層

Claims (29)

  1. 一種具有垂直磁力異向性（perpendicular magnetic anisotropy；PMA）之磁性結構，包含有位於一基板與一第一氧化層（OL1 ）間之一鐵磁層，其中該鐵磁層包含有： （a） 一第一鐵磁子層（FML1 ）； （b） 一第一非磁性層（NML1 ），係為鎂、鋁、矽、碳、鈣、鍶、鋇與硼的其中之一；以及 （c） 一第二鐵磁子層（FML2 ）而賦予一FML1 /NML1 /FML2 的配置。
  2. 如請求項第1項所述之磁性結構，其中該基板係為一第二氧化層（OL2 ），接觸於該 FML1 層之一底面， 且該第一氧化層接觸於該 FML2 層之頂面，而賦予一 OL2 /FML1 /NML1 /FML2 /OL1 的配置。
  3. 如請求項第2項所述之磁性結構，其中該第一氧化層係為一磁旋比增強層，該第二氧化層係為一穿隧阻障層，而該鐵磁層係為一下自旋閥配置的一自由層或一上自旋閥配置之一參考層。
  4. 如請求項第1項所述之磁性結構，其中每一該 FML1 以及FML2 子層係為鐵、鈷、鎳、鐵化鈷、鈷鐵硼、硼化鈷、硼化鐵、硼鎳鐵鈷或一個或是一個以上前述元素或合金之組合的其中之一。
  5. 如請求項第1項所述之磁性結構，其中該第一氧化層係為一個或是一個以上之矽、鋇、鈣、鑭、錳、釩、鋁、鈦、鋅、鉿、鎂、鉭、硼、銅以及鉻所構成。
  6. 如請求項第2項所述之磁性結構，其中每一該第一氧化層與該第二氧化層係為一個或是一個以上之矽、鋇、鈣、鑭、錳、釩、鋁、鈦、鋅、鉿、鎂、鉭、硼、銅以及鉻所構成。
  7. 如請求項第1項所述之磁性結構，其中每一該FML1 以及FML2 具有一約為4~14埃之厚度。
  8. 如請求項第1項所述之磁性結構，其中該NML1 層具有一約為3~5埃之厚度。
  9. 如請求項第1項所述之磁性結構，其中該鐵磁層更包含有一第二非磁性層（NML2 ）與一第三鐵磁子層（FML3 ）來賦予一 FML1 /NML1 /FML2 /NML2 /FML3 的配置。
  10. 如請求項第9項所述之磁性結構，其中該基板係為一第二氧化層，接觸於該 FML1 層之一底面， 且該第一氧化層增強於 該FML3 層之PMA，而賦予一 OL2 /FML1 /NML1 /FML2 /NML2 /FML3 /OL1 的配置。
  11. 如請求項第9項所述之磁性結構，其中該鐵磁層更包含有複數個附加鐵磁子層與非磁性層，而具有總數s層之鐵磁子層與s-1層之非磁性子層予以相交錯來提供的 FM1 /NML1 /FM2 /NML2 /FM3 /…/NML(s-1)/ FMs 配置，其中s係大於等於5。
  12. 一種具有PMA之磁性結構，包含有位於一非鐵磁金屬層與一第一氧化層（OL1 ）間之一鐵磁層，其中該鐵磁層包含有： （a） 一第一鐵磁子層（FML1 ）； （b） 一第一非磁性層（NML1 ），係為鎂、鋁、矽、碳、鈣、鍶、鋇與硼的其中之一；以及 （c） 一第二鐵磁子層（FML2 ）而賦予一 FML1 /NML1 /FML2 的配置。
  13. 如請求項第12項所述之磁性結構，其中一氧化層接觸於該 FML1 層之一底面，且一非磁性金屬覆蓋層（ML）接觸於該 FML2 層之頂面，而賦予一 OL/FML1 /NML1 /FML2 /ML的配置。
  14. 一種具有垂直磁力異向性（perpendicular magnetic anisotropy；PMA）之磁性結構，包含有位於一基板與一第一氧化層（OL1 ）間之一鐵磁層，其中該鐵磁層係摻雜或嵌入一鎂、鋁、矽、鈣、碳、鍶、鋇與硼的其中之一的非磁性元素。
  15. 如請求項第12項所述之磁性結構，其中該基板係為一第二氧化層（OL2 ），接觸於該鐵磁層之一底面， 且該第一氧化層接觸於該鐵磁層之頂面，而賦予一 OL2 /FML/OL1 的配置。
  16. 如請求項第14項所述之磁性結構，其中該鐵磁層係包含一個或是一個以上之鐵、鈷、鎳或是其硼合金。
  17. 如請求項第14項所述之磁性結構，其中該非磁性層於該鐵詞層的含量約為0.1~30分子百分比。
  18. 如請求項第15項所述之磁性結構，其中每一該第一氧化層（OL1 ）與該第二氧化層（OL2 ）係由一個或是一個以上之矽、鋇、鈣、鑭、錳、釩、鋁、鈦、鋅、鉿、鎂、鉭、硼、銅以及鉻所構成。
  19. 一種形成顯示PMA之磁性結構的方法，係包含有： （a） 沉積一第一鐵磁層 FML1 於一穿隧阻障層； （b） 沉積一具有一第一再濺鍍率之非磁性層（NML）於該 FML1 上； （c） 沉積一第二鐵磁層 FML2 於該NML上，其中該 FML2 具有一概略小於該第一再濺鍍率之第二再濺鍍率，而可於部份該NML上引起再濺鍍，來提供該 FML2 之該上表面之一平滑效應；以及 （d） 沉積一覆蓋層於該FML2 層之該上表面。
  20. 如請求項第19項所述之方法，更包含有： （a） 塗佈一光阻層於該覆蓋層之一上表面與圖樣化該光阻層來形成一側牆； （b） 利用離子束蝕刻或活性離子蝕刻來去除部份之該磁性結構，使其不再受到該圖樣化光阻層之保護，而形成一位於該磁性結構之側牆； （c） 沉積一介電層，鄰接於該磁性結構之該側牆鄰至高於一定量之該覆蓋層；以及 （d） 接續執行一化學機械拋光程序來去除該圖樣化光阻層，並形成一與該覆蓋層之一上表面共面之一介電層上表面。
  21. 如請求項第20項所述之方法，其中該介電層係為鋁、二氧化矽或氮化矽。
  22. 如請求項第19項所述之方法，其中該覆蓋層係為一氧化層，由一個或是一個以上之矽、鋇、鈣、鑭、錳、釩、鋁、鈦、鋅、鉿、鎂、鉭、硼、銅與鉻所構成。
  23. 如請求項第19項所述之方法，其中該NML係為鎂、鋁、矽、鈣、碳、鍶、鋇與硼的其中之一。
  24. 一種形成顯示PMA之磁性結構的方法，係包含有： （a） 沉積一第一鐵磁層 FML1 於一基板； （b） 沉積一具有一第一再濺鍍率之非磁性層（NML）於該 FML1 上； （c） 沉積一第二鐵磁層 FML2 於該NML上，其中該 FML2 具有一概略小於該第一再濺鍍率之第二再濺鍍率，而可於部份該NML上引起再濺鍍，來提供該 FML2 之該上表面之一平滑效應； （d） 沉積一穿隧阻障層於該 FML2 層之該上表面；以及 （e） 沉積一覆蓋層作為該磁性結構之最上層。
  25. 如請求項第24項所述之方法，更包含有： （a） 塗佈一光阻層於該覆蓋層之一上表面與圖樣化該光阻層來形成一側牆； （b） 利用離子束蝕刻或活性離子蝕刻來去除部份之該磁性結構，使其不再受到該圖樣化光阻層之保護，而形成一位於該磁性結構之側牆； （c） 沉積一介電層，鄰接於該磁性結構之該側牆鄰至高於一定量之該覆蓋層；以及 （d） 接續執行一化學機械拋光程序來去除該圖樣化光阻層，並形成一與該覆蓋層之一上表面共面之一介電層上表面。
  26. 如請求項第25項所述之方法，其中該介電層係為鋁或二氧化矽。
  27. 如請求項第24項所述之方法，其中該覆蓋層係為一氧化層，由一個或是一個以上之矽、鋇、鈣、鑭、錳、釩、鋁、鈦、鋅、鉿、鎂、鉭、硼、銅與鉻所構成。
  28. 如請求項第24項所述之方法，其中該NML係為鎂、鋁、矽、鈣、碳、鍶、鋇與硼的其中之一。
  29. 如請求項第24項所述之方法，其中該基板係為一種子層。
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