TW201936488A - 用於自旋力矩轉移磁阻隨機讀取記憶體之氮化物覆蓋層 - Google Patents

用於自旋力矩轉移磁阻隨機讀取記憶體之氮化物覆蓋層 Download PDF

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Abstract

本發明揭露一種磁性穿隧接面(MTJ)，其中自由層具有第一界面及第二界面接觸第一金屬氧化物(Hk增強層)以及第二金屬氧化物(穿隧能障層)，可分別產生垂直磁各向異性(PMA)以提高熱穩定性。在實施例中，覆蓋層(導電金屬氮化物例如MoN)係接觸Hk增強層之相對於第一界面的表面，藉此，相較於TiN覆蓋層，可降低氧以及氮的相互擴散並保持一可接受的電阻與區域的乘積(RA)。在其他的實施例中，覆蓋層可包含絕緣氮化物例如AlN，其與導電金屬形成合金，以將RA減到最少。金屬緩衝層可插設在覆蓋層以及Hk增強層之間。藉此，可降低電性短路並提高磁阻比率。

Description

用於自旋力矩轉移磁阻隨機讀取記憶體之氮化物覆蓋層
本發明是有關於一磁性元件，其包含一自由層，其與一穿隧能障層以及一Hk增強層分別有界面連接，以及與一氮化物覆蓋層有界面連接以避免氧從Hk增強層擴散出，並使經由Hk增強層擴散至自由層的金屬與氮減到最少，藉此保持一可接受的磁阻比率(DRR)，且當覆蓋層具有導電性時可降低電阻與區域(RA)的乘積。
申請案之交叉引用
本申請案主張以下美國專利申請案的優先權: 案號#HT16-025，申請號15/461,779，申請日3/17/2017；以及案號#HT17-034，申請號15/728,818，申請日10/10/2017，此些美國專利申請案出於所有目的以全文引用方式併入本文中。
磁阻隨機讀取記憶體(MRAM)係基於整合矽互補式金屬氧化物半導體(半導體上互補金屬)以及磁性穿隧接面(magnetic tunnel junction，MTJ)的技術，是目前主要的新興技術，其與既有半導體記憶體例如靜態隨機存取記憶體(SRAM)、動態隨機存取記憶體(DRAM)或快閃記憶體(Flash)相比，具有高度競爭力。此外，J. C. Slonczewski 在J. Magn. Magn. Mater. V159, L1-L7(1996) "磁性多層膜之電流驅動"中描述的自旋力矩轉移(STT)磁化量切換，已經引起自旋電子元件(例如STT-MRAM)在十億位元(gigabit)規模上的發展。
場效磁阻隨機讀取記憶體 (field-MRAM)以及自旋力矩轉移磁阻隨機讀取記憶體(STT-MRAM)兩者皆有一基於穿隧磁阻(TMR)效應的MTJ元件，其多層疊堆結構中兩層鐵磁(FM)層係以一非磁性介電層相分隔。其中一鐵磁層係為一具有固定在第一方向上之磁矩的固定層(pinned layer)，而另一鐵磁層係為所謂的自由層(free layer, FL)，其具有一平行於該第一方向的方向上(P狀態)或是反平行於第一方向的方向上(AP狀態)自由旋轉的磁矩，P狀態或是AP狀態分別對應"0"或"1"的磁狀態。相較於傳統MRAM，STT-MRAM的優點在於可避免半選問題(half select problem)以及避免在相鄰記憶單元之間出現寫入干擾。自旋轉轉移效應係源自鐵磁-間隔物-鐵磁(ferromagnetic-spacer-ferromagnetic)之多層結構的旋轉相依電子之運輸性質。當自旋極化電流在一電流垂直於膜面(current perpendicular to plane, CPP)的方向上穿越多層磁性層時，射入FM層的電子的旋轉角動量會與靠近FM層與非磁性間隔物之間界面的FM層之磁矩互相作用。經由此互相作用，電子會將其一部分角動量轉移至自由層。因此，當電流密度足夠高且多層結構的尺寸夠小時，自旋極化電流可切換自由層的磁化量方向。
P-MTJ係為在固定層以及自由層具有垂直(perpendicular)磁各向異性(PMA)的MTJ單元，且係為可致動STT-MRAM以及其他自旋電子元件的建構件。通常，固定層以及自由層之間會有一非磁性穿隧氧化層，其又稱為穿隧能障層。當自由層具有PMA時，用於將自由層以及p-MTJ從P狀態切換至AP狀態(反之亦可)的臨界電流(iC )係正比於垂直磁各向異性場，臨界電流可用方程式(1)表示，其中e係為電子电荷，a係為Gilbert阻尼常數，Ms係為自由層飽和磁化強度，h 係為降低的普朗克常數，g 係為旋磁比，係為切換之磁性區域的面外各向異性場，係為自由層的體積：
方程式(1)
數值係為自由層的熱穩定性的測量值，其中kV係亦為所謂的Eb 或是P磁狀態以及AP磁狀態之間的能量障礙，係為玻爾茲曼(Boltzmann)常數，以及係為溫度。熱穩定性可為垂直磁各向異性場之函數，如方程式(2)所示：
方程式(2)
自由層的垂直磁各向異性場(Hk)係以方程式(3)表示:
方程式 (3)
其中，係為飽和磁化強度，d 係為自由層厚度，係為在垂直方向之結晶各向異性場，而係為自由層之頂面以及底面的表面垂直各向異性。由於在互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程必要的退火製程中自由層必須能够承受400O C溫度，而此高溫的需求使得新的p-MTJ設計中自由層要有更大PMA。其中一個在自由層中增強PMA的方法是在自由層之頂面以及底面上形成一金屬氧化物界面。除了有與穿隧能障層的第一自由層界面，更形成與Hk增強層的第二自由層界面，以根據方程式(3)中產生更高的表面垂直各向異性。
由於Hk增強層經常會氧化不足以將p-MTJ記憶單元中的RA減到最少，因此金屬或其他材料會從覆蓋層或是硬遮罩經由Hk增強層中的晶格空位處移動到自由層，導致DRR降低。DRR係以dR/R表示，其中dR係為P狀態以及AP狀態之間的電阻值差值，而R係為P狀態的電阻值。更大的DRR表示更高的讀取裕度(read margin)。再者，氧可能會從Hk增強層遷移出，導致自由層/Hk增強層界面上的表面垂直各向異性降低，其可導致自由層熱穩定性降低。因此，需要一種改良的p-MTJ結構以保持Hk增強層之完整性，以保持自由層熱穩定性以提供先進記憶體設計之高磁性能所需的DRR數值以及RA數值，其中先進記憶體之關鍵尺寸(即自由層寬度)係為大致上小於100nm。
本發明的目的在於提供一種p-MTJ，其具有一改良的阻障結構(barrier)以阻礙金屬以及其他材料從硬遮罩層或是覆蓋層經由Hk增強層遷移至底自旋閥結構之自由層(free layer, FL)，以及阻礙金屬以及其他材料從晶種層或是下電極(BE)經由Hk增強層遷移至頂自旋閥結構之FL。
本發明的第二目的在於根據第一目的提供一種改良的阻障結構，其中此阻障結構亦使從Hk增強層擴散至覆蓋層或硬遮罩的或是至晶種層/下電極的氧大致上減到最少。
本發明的第三目的在於根據上述兩個目的提供一種形成p-MTJ的方法，該方法之製造流程係相容互補式金屬氧化物半導體製程。
根據一實施例，為了達成上述目的，本發明提出提供一種氮化物或是氧氮化物覆蓋層，其作為有底旋轉閥門配置之p-MTJ的Hk增強層以及硬遮罩之間的阻障結構。因此，一晶種層(可選擇的)、一固定層、一穿隧能障層、自由層、Hk增強層、氮化物或氧氮化物覆蓋層、以及硬遮罩係依序形成在一基板上，此基板可做為一下電極(BE)。在一較佳實施例中，此固定層具有一合成反平行(SyAP)配置，其中外AP2層係接觸晶種層，或是當沒有晶種層時，外AP2層係接觸下電極；一内AP1層係鄰接穿隧能障層。再者，AP1層以及AP2層之間設有一反鐵磁(AF)耦接層。因此，此自由層與穿隧能障層之間具有一第一界面，以及與Hk增強層之間具有一第二界面。此Hk增強層可為一金屬氧化物或是金屬氧氮化物。
第一實施例的重要技術特徵在於覆蓋層的組成物係為金屬氮化物或是金屬氧氮化物，其中金屬(M1)係為選自鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉻(Cr)、鉬(Mo)以及鎢(W)中的其中一種，其用以形成導電性氮化物(M1N)或是導電性氧氮化物(M1ON)，其有助於將RA減到最少，相比於對應的金屬氧化物。此外，一除塵層，其作為一金屬緩衝層，可插設在Hk增強層以及導電氮化物覆蓋層(M1N)或是氧氮化物覆蓋層(M1ON)之間，以降低Hk增強層與M1N界面或是Hk增強層與M1ON界面之間的相互擴散。在一較佳實施例中，除塵層可為M1金屬，例如鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、鉿(Hf)、鉭(Ta)以及鎢(W)中的一個或多個金屬。
根據一第二實施例，此覆蓋層可包含一絕緣金屬(M2)氮化物或是氧氮化物，其中絕緣金屬M2可為硼(B)、鋁(Al)、矽(Si)、鎵(Ga)、銦(In)以及鉈(Tl)中的其中一種，其可與選自鉑(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈷(Co)、鐵(Fe)、錳(Mn)、釕(Ru)、銠(Rh)、銥(Ir)、鎳(Ni)、鈀(Pd)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鈦T)、釩(V)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、鉿(Hf)、鉭(Ta)以及鎢(W)之其中一個或多個金屬或是合金(M3)形成合金，以使形成的M2M3氮化物(M2M3N)或是M2M3氧氮化物(M2M3ON)具有導電性。在Hk增強層以及M2M3N覆蓋層或是M2M3ON覆蓋層之間可設有以一個或多個M1金屬製成的一除塵(緩衝)層。
根據一第三實施例，此覆蓋層可包含一絕緣M2氮化物或是絕緣M2氧氮化物，在絕緣M2氮化物或是絕緣M2氧氮化物中有形成多個導電路徑以接觸Hk增強層以及硬遮罩。在一較佳實施例中，此導電路徑係以一個或多個上述M3金屬製成。再者，一M1除塵層可包含在Hk增強層以及覆蓋層之間。
本發明亦包含一種具有頂旋轉閥門配置的p-MTJ結構，其中一晶種層(可選擇的)、氮化物或是氧氮化物阻障層、Hk增強層、自由層、穿隧能障層、固定層以及硬遮罩係依序形成在一基板上。氮化物阻障層或是氧氮化物阻障層之成分可包含M1N或M1ON、M2M3N或M2M3ON、或是可在M2N或是M2ON層形成M3導電路徑的一複合材料。在每一範例中，緩衝層可包含在阻障層以及Hk增強層之間，以避免在障礙層與Hk增強層界面產生相互擴散。
本發明亦包含一製造具有前述實施例所述結構之金屬氮化物覆蓋層或是金屬氧氮化物覆蓋層的p-MTJ的方法。通常，M1N層、M1ON層、M2M3N層以及M2M3ON層係在單一步驟中濺射沉積。然而，亦可採用一多步驟程序，其中先濺射沉積M1層或是M2M3層，接著，執行第二步驟進行氮化或是氧氮化，以分別形成氮化物或是氧氮化物。可依序執行下列步驟以在一M2N層或是M2ONM2ON中形成M3導電路徑:(1)沉積一M3層；(2)在M3層上沉積一M2層；以及(3)使用電漿進行氮化或是氧氮化，或是先執行離子佈植再執行回火以進行氮化或是氧氮化。
以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。
本發明係有關於一種p-MTJ結構以及製造此p-MTJ結構的方法。在此p-MTJ結構中，一Hk增強層以及一硬遮罩(或是晶種層)之間形成有一阻障層，其用於降低電性短路，並將從Hk增強層擴散出的氧大致上減到最少以提高DRR，並降低經由Hk增強層擴散至鄰接之自由層的金屬或是氮。本發明是有關於一種具有底自旋閥以及頂自旋閥配置或是雙自旋閥配置的p-MTJ結構。此p-MTJ可整合至一MRAM、STT-MRAM或是另一自旋電子元件(例如一自旋力矩振盪器、自旋霍爾效應元件、磁感測器、或是生物感測器)中。每一p-MTJ層的厚度係定義在Z軸方向上，每一層的平面係形成在Ｘ軸以及Ｙ軸方向上。用語"阻障層"以及"覆蓋層"在本文中可替換使用。
專利申請案號15/461,779揭露一MTJ結構，其所包含之自由層與一第一氧化層(穿隧能障層)形成第一界面以及與一第二氧化層(Hk增強層)形成第二界面。在一較佳實施例中，第二氧化層可為MgO以提高PMA以及熱穩定性。除此之外，一氮化鈦(TiN)阻障層係插設Hk增強層以及硬覆蓋遮罩之間，以保持MgO層的完整性。然而，在MgO/TiN界面中能量色散X射線譜(EDS)顯現相互廣泛的擴散係表示氧出現在TiN層以及氮出現在自由層。
本發明揭露一種改良的阻障層，其設計用以大致上降低從Hk增強層擴散出的氧以及將經由Hk增強層擴散至自由層的金屬或氮減到最少。本發明之一重要概念在於使用其他金屬取代氮化鈦阻障結構中的鈦，而在一較佳實施例中，比起鈦，所使用的金屬對氧有較低親和力，而鈦(Ti)對於形成氧化物的自由能較低(略為負值)，如第10圖所示。再者，藉由在Hk增強層以及金屬氮化物/氮氧化物阻障層之間插設一金屬緩衝層，可一定程度減緩金屬氮化物阻障層對Hk增強層以及自由層的影響。在本發明一較佳實施例中可使用導電金屬氮化物/氮氧化物障礙物，而如果一絕緣金屬氮化物/氮氧化物可與一導電金屬形成合金，或是絕緣金屬氮化物/氮氧化物可經由絕緣阻障基質(matrix)形成多個導電路徑，則絕緣金屬氮化物/氮氧化物亦可使用於本發明。
請參閱第1圖，其繪示本發明的第一實施例。第一實施例中，p-MTJ 1具有一底自旋閥配置，且一晶種層11(可選的)、一固定層12、一穿隧能障層13、一自由層14、一Hk增強層15、一金屬氮化物或是氮氧化物覆蓋層16、以及一硬遮罩17係依序形成在一基板10上。在一些實施例中，此基板可為一STT-MRAM或是另一自旋電子元件的下電極(BE)。此下電極通常嵌設於絕緣層(圖中未顯示)中且電性連接由底層電晶體驅動的一位元線或是一字元線(圖中未顯示)。
晶種層11係為一單一層或是多層結構，可包含鎳鉻(NiCr)、鉭(Ta)、釕(Ru)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)、銅(Cu)、鎂(Mg)、或其他常用於提升覆蓋層之平滑度以及均勻顆粒結構的材料中的一個或多個。固定層12可具有一SyAP配置，例如AP2/AFC層/AP1，其中AF耦接層係以釕(Ru)、銠(Rh)或是銥(Ir)所製成，且可例如設在一AP2磁性層以及一AP1磁性層之間。AP2層接觸晶種層(或是下電極)而AP1層鄰接穿隧能障層13。AP1層以及AP2層可包含鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)、鈷、或是此些材料的組合。在其他的實施例中，固定層可為有固有PMA的層疊結構，例如(Co/Ni)n 、(CoFe/Ni)n 、(Co/NiFe)n 、(Co/Pt)n 、(Co/Pd)n 、或其他相似材料。其中n代表層疊的數量。此外，此層疊結構之最上層以及穿隧能障層之間可插設一過渡層(transitional layer)，例如鈷鐵硼或是鈷。
在一較佳實施例中，穿隧能障層13可為MgO，其係透過濺射沉積一MgO靶材而形成，或沉積一個或多個鎂層然後以習知自由基氧化方法(radical oxidation, ROX)或是自然氧化方法(natural oxidation, NOX)來氧化鎂層。然而，在本發明，本技術領域習知的金屬氧化物或是金屬氧氮化物亦可與MgO一起使用，或是用於取代MgO。例如，穿隧障礙層可包含Al2 O3 、MgAlO、TiOx、AlTiO、MgZnO、Al2 O3 、ZnO、ZrOx、HfOx或是MgTaO。在本發明之其他實施例中，穿隧能障層亦可一個或多個前述金屬氧化物之層疊結構。
自由層14之厚度係介於5埃(Angstroms)至30埃，且自由層14可為一單層或是多層結構，其可包含鈷、鐵、鈷鐵、鈷鐵硼、鈷硼、鐵硼、或是前述金屬之合金，例如鈷鐵鎳或是鈷鐵鎳硼，在此些合金之磁性元素/成分的總含量中，鐵的含量係大於50原子%(富鐵)。例如，Co(100-X) Fex B自由層中，x係大於50原子%。在其他的實施例中，自由層可包含具有高結晶異向能常數(Ku)且具有固有PMA的材料，包含例如豪斯勒合金(Heusler alloys)，有序化L10 或是L11 材料、或是稀土族合金。豪斯勒合金包含Ni2 MnZ、Pd2 MnZ、Co2 MnZ、Fe2 MnZ、Co2 FeZ、Mn3 Ge、Mn2 Ga、或是其他類似合金，其中Z為Si、Ge、Al、Ga、In、Sn以及Sb中的其中一者。有序化 L10 或是L11 材料的成分包含，例如，MnAl、MnGa、或是RT，其中R為Rh、Pd、Pt、Ir、或是前述金屬的合金；T為Fe、Co、Ni或是前述金屬的合金。稀土族合金可包含，但不限於，TbFeCo、GdCoFe、FeNdB或SmCo。
因此，在此配置中，穿隧能障層(金屬氧化物)13以及Hk增強層(金屬氧化物)15可在自由層14的底面以及頂面分別形成第一及第二界面，且在第一及第二界面上具有強垂直表面各向異性以及，用以增強前述方程式(3)中的。
根據一實施例，Hk增強層15係為一金屬氧化物層或是金屬氮氧化物層。為了將DRR降低減到最少，可控制Hk增強層15的厚度以及氧化態以使得其RA乘積小於穿隧能障層13之MgO層的RA乘積。因此，Hk增強層可為一單一層，其材料可為Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V以及Hf中的一個或多個之氧化物或是氮氧化物。再者，Hk增強層可為一堆疊層，其包含上述金屬氧化物或是氧氮化物中的一個或多個。在所有實施例中，Hk增強層可具有化學計量氧含量或是非化學計量氧含量。化學計量氧化態係定義為在一氧化態中金屬氧化物之所有非金屬晶格格位必須都被氧占用，而在非化學計量氧化態中有複數個未被占用的晶格格位。
MTJ 1的一重要技術特徵在於覆蓋層16具有一金屬氮化物成分或是金屬氮氧化物成分。根據一第一實施例，覆蓋層包含金屬或是合金(M1)。在一較佳實施例中，金屬或是合金(M1)可為Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、以及W中的一個或多個以形成導電氮化物(M1N)或是氮氧化物(M1ON)，以將p-MTJ之RA減到最少。應注意的是p-MTJ的總RA數值係由每一金屬氧化物層以及金屬氮化物/氮氧化物層的貢獻總和所決定，且可用一方程式表示:RATOTAL =(RA13 +RA15 +RA16 )，其中RA13 、RA15 以及RA16 分別為穿隧能障層、Hk增強層以及覆蓋層的RA乘積。在一較佳實施例中，RATOTAL 係小於5 ohm-um2 ，可使p-MTJ有最佳性能。由於穿隧能障層對總RA值的貢獻最多，且Hk增強層常常氧化不足以避免超出所需要的RATOTAL ，因此RA16 應對總RA值有最小的貢獻，理想上RA16 係接近零。
覆蓋層可有利於作為一能障結構，以避免氧從鄰接的Hk增強層15遷移出。在一較佳實施例中，覆蓋層的厚度係介於5埃至100埃之間。在其他的實施例中，覆蓋層的厚度可達500埃。由於在一較佳實施例中MgO係用於形成Hk增強層，因此金屬或是合金M1對氧的親和力應小於Mg對氧的親和力。在一較佳實施例中，M1可為第10圖所列的一個或多個元素，其對氧化物形成之自由能(較小的負值) 應大於Mg對氧化物形成自由能(較大的負值)。在一較佳實施例中，由於鄰接Hk增強層的Ti緩衝層會降低DRR，此為將氧從Hk增強層吸出的原因，所以應選擇M1，其對氧化物形成之自由能(較小的負值)大於Ti對氧化物形成自由能(較大的負值)。
可藉由在一反應環境中濺射沉積一M1靶材，以形成M1N覆蓋層。其中反應環境包含氮物質以及氬物質，其中用語"物質"係定義為離子或是自由基。M1N(或是M1ON)層可具有非化學計量氮化態，其中金屬氮化物基質具有未被M1或是氮原子占用的空晶格。因此，我們發現當MoN覆蓋層以介於0.6：1(使MoN有較高N含量)至5：1(使MoN有較低N含量)之間的氬：氮流量比進行沉積以形成自由層(FL)、Hk增強層15以及覆蓋層16之FL/MgO/MoN疊堆時，在自由層14有實質上的PMA。
重要的是經由Hk增強層從覆蓋層到自由層14的氮遷移可減到最少，使得DRR不會變差。具體而言，來自M1N覆蓋層或是M1ON覆蓋層的氮遷移應少於來自一相同厚度之氮化鈦的氮遷移。如上所述，我們發現在包含FL/MgO/TiN疊堆的p-MTJ中氮係遷移至自由層(FL)，其中MgO係為Hk增強層而TiN係為覆蓋層。因此，應認為前述M1金屬以及合金對防止氮遷移有明顯改善。
此外，覆蓋層16可包含一絕緣金屬(M2)氮化物或是氮氧化物，其中M2可為B、Al、Si、Ga、In或Tl，且其與一導電金屬或是合金(M3)形成合金，以使得M2M3氮化物(M2M3N)或是M2M3氮氧化物(M2M3ON)具有導電性。導電金屬或是合金(M3)可選自 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及 W中的一個或多個。可在反應腔使用N2 氣流以及RIE條件產生等離子體，或是視可行情況在氮氣電漿存在時濺射M2M3合金，以濺射沉積M2以及M3靶材形成M2M3N層或是M2M3ON層。
硬遮罩17可包含單層或多層。例如，硬遮罩可為單層的Ta或Ru，或是具有Ru/Ta或是Ru/Ta/Ru層疊配置。然而，本發明不限於特定的配置，而本技術領域常用其他硬遮罩材料亦可用於本發明。一般而言，在p-MTJ的圖案化期間，硬遮罩係作為RIE或是IBE蝕刻罩幕，且在化學機械研磨(CMP)步驟中亦作為阻障結構。化學機械研磨步驟通常用於對絕緣p-MTJ單元的包覆層進行平坦化。
根據第2圖所示之本發明的一第二實施例之p-MTJ2，藉由在Hk增強層15以及覆蓋層之間插設一金屬緩衝層18，可再降低從覆蓋層16遷移至自由層14的氮。而具有槽壁2s的p-MTJ2仍具有前述p-MTJ 1的所有態樣。應認為的是在緩衝層(即所謂的除塵層)中的金屬晶格可吸收氮或是與氮反應，而不讓氮擴散至或超出Hk增強層。在一較佳實施例中，除塵層為一個或多個前述M1元素，其比Mg，對氧有較低的親和力，且根據第10圖，在一較佳實施例中，M1元素可比起Ti，對氧有較低的親和力。金屬緩衝層亦有導電性以免RATOTAL 增加。在一些實施例中，金屬緩衝層的厚度係介於0.3埃至30埃。在一較佳實施例中，金屬緩衝層形成連續薄膜所需的最小厚度為大約3埃 因此，根據第二實施例，金屬緩衝層/覆蓋層疊堆可為M1/M1N、M1/M1ON、M1/M2M3N或是M1/M2M3ON配置。
應當理解的是在本發明之所有示例性實施例中，p-MTJ側壁係實質上垂直於下電極頂面10t。在其他的實施例中，依據在形成圖案化p-MTJ期間用於產生側壁的RIE或是IBE條件，p-MTJ側壁可與頂面10t形成一介於65度至90度的角度。
第3圖繪示本發明之第三實施例。第3圖所示之具有側壁3s的p-MTJ3係為p-MTJ2 的修改版。具體而言，M3金屬或是合金係在絕緣M2N或是M2ON基質16x中形成多個導電通道19，而非形成有M2氮化物或是M2氮氧化物的合金。當M3不與M2氮化物或是M2氮氧化物形成合金，或是M2M3N覆蓋層或是M2M3ON覆蓋層中的最大M3含量不足以產生夠高的導電性(最小RA)時，可採用此方法。在M2N或是M2ON基質中製造多個導電路徑的方法會在以下內容描述。導電路徑在內平面(in-plane)方向上的尺寸(寬度)係從單一原子變化至複數個原子。在一較佳實施例中，每一路徑係從Hk增強層15延伸至硬遮罩17。此外，此導電路徑非必要垂直於基板10，除了有在大致上縱方向或是垂直面方向的分量，此導電路徑可具有一內平面分量。
第4圖繪示本發明之第四實施例之具有側壁4s的p-MTJ4。第三實施例之p-MTJ係修改成包含第二實施例所述之金屬緩衝層18，以形成第四實施例。此緩衝層係有利於實質降低從覆蓋層16x之金屬M2氮化物或是氮氧化物部分遷移至Hk增強層15以及自由層14的氮。此金屬緩衝層的所有態樣，包括厚度以及M1成分，係與第二實施例所述的相同。
第5圖繪示本發明之第五實施例。在第1圖所示之底自旋閥配置中，維持p-MTJ的所有層，但是改變沉積順序以生產第五實施例之具有側壁5s以及頂自旋閥配置的p-MTJ 5，其中，晶種層11、阻障層16、Hk增強層15、自由層14、穿隧能障層13、固定層12、以及硬遮罩17係依序形成在下電極(BE)10上。自由層仍與穿隧能障層13有一第一界面，而與Hk增強層15有一第二界面，藉此增強自由層14的PMA。此時，當固定層具有SyAP配置(圖中未顯示)，内AP1層接觸穿隧能障層的頂面而外AP2層鄰接硬遮罩的底面。應注意的是在所有頂自旋閥配置的實施例中，由於層16不再位於自由層以及Hk增強層上方而是位於其下方，所以用語“阻障層”係取代用語“覆蓋層”。
第6圖繪示本發明之第六實施例。如第6圖所示之具有側壁6s以及頂自旋閥配置的p-MTJ 6 仍包含有p-MTJ2的所有層，但是這些層以不同順序堆疊。具體而言，金屬緩衝層18插設在阻障層16以及Hk增強層15之間，以降低從M1N、M1ON、M2M3N、或是M2M3ON阻障層擴散至Hk增強層以及自由層的氮。因此，晶種層11、阻障層16、緩衝層18、Hk增強層15、自由層14、穿隧能障層13、固定層12以及硬遮罩17係依序形成在下電極10上。
第7圖係繪示本發明之第七實施例。第七實施例之具有側壁7s的p-MTJ 7係為第3圖之p-MTJ 3重新配置而成。在p-MTJ 7，晶種層11、具有導電通道19形成於內之絕緣基質16x，Hk增強層15、自由層14、穿隧能障層13、固定層12以及硬遮罩17係依序形成在下電極 10上。
第8圖係繪示本發明之第八實施例。第八實施例之具有側壁8s之p-MTJ8係為第七實施例之p-MTJ的修改版，p-MTJ8包含前述的金屬緩衝層18。此緩衝層有利於實質上降低從絕緣基質16x的金屬M2氮化物或是氮氧化物部分遷移至Hk增強層15以及自由層14的氮。此緩衝層的所有態樣，包括厚度以及M1金屬金屬，係與第六實施例所述的相同。
本發明亦包含製造上述p-MTJ單元的方法。在此所描述的p-MTJ單元的所有層可在AnelvaC-7100薄膜濺射系統形成，或在其他系統形成，例如包含有複數個物理氣相沉積(PVD)腔，一氧化腔以及一濺射蝕刻腔的系統，而每一PVD腔有處理5個靶材的能力。通常，濺射沉積程序包含惰性氣體(例如氬氣)且排除氧氣，除非需要在氧化腔中形成穿隧能障或是Hk增強層。p-MTJ之所有層疊堆在下電極後，可在真空烤爐中以大約360 O C至400O C的溫度執行高溫退火1至5小時，將非晶體穿隧能障層與Hk增強層以及非晶體自由層轉變成結晶層，藉此與穿隧能障層/自由層/Hk增強層疊堆形成晶格匹配，以增強DRR。
接續，可藉由執行一製程，其包含本技術領域熟知之傳統微影製程圖案化製程以及反應式離子蝕刻(RIE)和/或離子束蝕刻(IBE)製程，來製造p-MTJ單元陣列。而後，沉積一包覆層(圖中未顯示)以電性絕緣p-MTJ單元。通常可採用化學機械研磨(CMP)製程以在包覆層上形成光滑表面，使得包覆層可與每一p-MTJ單元之硬遮罩的頂面在同一平面。接著，包含有複數個導電線路(例如位元線或是字元線)的上電極陣列(圖中未顯示)係形成在p-MTJ陣列以及包覆層上，之後繼續此磁性元件製作程序。在讀取或是寫入動作期間，電流係從上電極至上導電線路流經此p-MTJ，或是相反方向流經p-MTJ。
關於第3圖至第4圖所示之在金屬氮化物或是金屬氮氧化物基質16x中形成的導電通道19，可參考一關於專利申請案號15/728,818，其揭露用於形成摻雜金屬氧化層的相似方法。第11圖繪示本發明之一實施例。可使用化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)、或是電漿增強化學氣相沉積法(PECVD)方法在一反應氣體環境中在M2N基質形成M3金屬或是合金的導電路徑。其中M3物質、M2物質以及氮物質N係同步引至Hk增強層15的頂面15t並進行反應，以在Hk增強層15上形成一薄膜。導電路徑可在CVD、PVD或PECVD製程期間形成，或是在後續退火步驟(用於提升M3擴散以及聚集)期間形成。應當理解的是當需要形成M2ON基質時，反應氣體環境可進一步包含氧物質。
第12圖繪示本發明之第二實施例。如第12圖所示，在第一步驟期間，一具有頂面16t之M2層16m係沉積在Hk增強層15上。接著，執行第二步驟，在第二步驟中先前實施例所述之反應氣體環境僅限為氮物質N以及M3物質，藉此在M2N基質16x形成導電M3導電通道19；或是僅限為N物質、O物質以及M1物質，以在第3圖所示之M2ON基質中形成M3通道。此外，M2層可先沉積在金屬緩衝層(圖中未顯示)上，接著執行第二步驟(其使用N物質以及M3物質，或是N物質、O物質以及M1物質)，以分別在第4圖所示之M2N或是M2ON基質中產生多個導電M3通道。
第13圖繪示本發明之第三實施例。如第13圖所示，M2N或是M2ON層16x係沉積在Hk增強層上。接著，產生包含有M3物質的反應氣體環境，與層16x反應，以在層16x中形成第3圖所示之導電通道19。此外，第13圖繪示的方法代表M3物質係離子佈植至M2N層或是M2ON層。接著，可使用一個或多個退火步驟以形成多個導電M3通道。
第14圖係繪示本發明之又一實施例。如第14圖所示，三層疊堆16x1/16d/16x2係形成在Hk增強層上，接著硬遮罩17沉積於其上。應注意的是層16x1與16x2係M2N層或是M2ON層，而層16d係為M3層。在其他實施例，層16x1或層16x2係可選擇省略不用，而形成一雙層疊堆結構。接著，可執行一個或多個退火步驟使得M3擴散至M2N層或是M2ON層，以在第3圖所示之M2N基質16x或是M2ON基質16x形成多個導電通道19。
在所有實施例中，可藉由傳統順序，其包含在硬遮罩的頂面17t上的光阻罩幕(圖中未顯示)上形成圖案，接著採用一個或多個IBE或是RIE步驟經由p-MTJ疊堆分別將圖案轉移以形成側壁1s至8s，藉此圖案化p-MTJ 1至p-MTJ 8。
第15圖繪示圖案化後的p-MTJ上疊堆最上層17，接著沉積以及平坦化包覆層20以絕緣多行列之陣列中的相鄰p-MTJ。在此示例性實施例，每一p-MTJ為圓形，其關鍵尺寸w可小於100nm。在其他的實施例中，每一p-MTJ可為橢圓形或多邊形。
本發明的一實施例之整合金屬氮化物層的p-MTJ的性能係由沉積在基板上之鈷鐵硼固定層、MgO穿隧能障層、CoFeB自由層、MgO之Hk增強層以及金屬氮化物層所形成的p-MTJ疊堆所決定。第9a至9d圖係繪示在室溫下測量經圖案化之p-MTJ疊堆的遲滯迴線。第9a圖繪示專利申請案號15/461,779揭露使用TiN覆蓋層的p-MTJ的遲滯迴線，而第9b至9d圖分別繪示第1圖所示之第一實施例之使用MoN層、WN層以及AlN層的p-MTJ的遲滯迴線。所有範例皆顯示出自由層中的PMA以及急劇的切換曲線。每一p-MTJ為寬度100nm的圓形，金屬氮化物覆蓋層的靶材厚度係為30埃。
在第二實驗中，根據第2圖所示的本發明的第二實施例，在p-MTJ中，厚度為5+/-1.6 埃的Mo緩衝層係插設在具有靶材厚度為30埃的M1N覆蓋層以及MgO之Hk增強層之間。實驗結果係總結於下表1。應注意的是非TiN的覆蓋層之厚度尚未最佳化，並期待有進一步的研究可提供比TiN覆蓋層有更高的DRR、更高的Hc以及更低的RA值。正規化的Hc欄顯示對具有Mo/M1N疊堆的p-MTJ可觀測到的最佳的Hc並未對應至有最大DRR的範例。
表1
具有晶種層/CoFeB層/MgO層/CoFeB層/MgO層/緩衝層/覆蓋層配置的p-MTJ的磁性質
可確認的是第2圖所示之第二實施例之金屬氮化物(M1N)覆蓋層以及一MgO之Hk增強層之間整合一金屬緩衝層可有效降低M1N以及MgO之間相互擴散。具體而言，相較於習知的MgO/TiN疊堆，當MgO之Hk增強層以及30埃厚度的TiN層之間插設有一Mo緩衝層時，DRR可提高10%。此外，根據第二實施例，相較於沒有緩衝層的MoN覆蓋層的情況，當MgO之Hk增強層以及30埃厚度的MoN覆蓋層之間插設有Mo緩衝層時，DRR提高3%。應注意的是表1中的所有結果數值係以TiN覆蓋層的數值設定為1.00而進行正規化之後的相對數值。Rp係有關於RATOTAL ，Vc係為測量到的切換電壓，而Hc係為保磁力。
本文中所描述的所有實施例可整合於一具有標準工具以及製程的製造機制。較高的DRR以及自由層PMA可使得整體磁性能的大幅增進，且當保持或是降低RA時可觀測到電性短路變少，可改良64Mb以及256Mb STT-MRAM技術，以及相關的自旋電子元件，其中切換電流、RA、DRR、自由層、PMA以及熱穩定性皆為關鍵參數。由於減少電性短路時在產量時間中的每個單元有更多可用部分，所以減少電性短路可有助於更大的元件產量以及較低製程成本。此外，當第一實施例中使用一MoN覆蓋層取代專利15/461,779揭露的TiN覆蓋層時，可觀測到良好元件率(80 nm p-MTJ 單元)從6%顯著提高至26%。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
1、2、3、4、5、6、7、8‧‧‧p-MTJ
10‧‧‧基板
10t‧‧‧頂面
11‧‧‧晶種層
12‧‧‧固定層
13‧‧‧穿隧能障層
14‧‧‧自由層
15‧‧‧Hk增強層
15t‧‧‧頂面
16‧‧‧阻障層
16x、16x1、16x2、16d
16t‧‧‧頂面
16m‧‧‧層
17‧‧‧硬遮罩
17t‧‧‧頂面
18‧‧‧緩衝層
19‧‧‧導電通道
20‧‧‧包覆層
1s、2s、3s、4s、5s、6s、7s、8s‧‧‧側壁
x、y、z‧‧‧方向
w‧‧‧關鍵尺寸
第1圖係為本發明的第一實施例之磁性穿隧接面(p-MTJ)之剖面圖，其中磁性穿隧接面包含位於一Hk增強層以及一硬遮罩之間的氮化物覆蓋層。
第2圖係為本發明的第二實施例之一p-MTJ的剖面圖，其中p-MTJ包含一Hk增強層以及一硬遮罩之間的疊堆結構，其具有下緩衝層與上氮化物覆蓋層。
第3圖係為本發明的第三實施例之p-MTJ的剖面圖，其中p-MTJ包含一氮化物覆蓋層，其內形成有在一Hk增強層以及一硬遮罩之間的多個導電電流路徑。
第4圖係為本發明的第四實施例之p-MTJ的一剖面圖，其中此p-MTJ係修改第3圖之p-MTJ而成，且在Hk增強層以及氮化物覆蓋層之間設有一緩衝層。
第5圖係為本發明的第五實施例之具有頂自旋閥配置之p-MTJ的剖面圖，其中在一晶種層以及一Hk增強層之間形成有一氮化物阻障層。
第6圖係為本發明的第六實施例的p-MTJ的剖面圖，此p-MTJ係為第5圖之p-MTJ修改而成，且在氮化物阻障層以及Hk增強層之間設有一緩衝層。
第7圖係為本發明的第七實施例的具有頂頂自旋閥配置之p-MTJ的剖面圖，其中在晶種層以及Hk增強層之間形成有電流導通路徑之氮化物阻障層。
第8圖係為本發明的第八實施例的p-MTJ的剖面圖，此p-MTJ係為第7圖的p-MTJ修改而成，且在Hk增強層以及氮化物阻障層之間設有一緩衝層。
第9a至9d圖係為根據本發明的一實施例形成之p-MTJ及其量測到的遲滯迴線(hysteresis loop)，p-MTJ在Hk增強層以及硬遮罩之間設有不同氮化物阻障層。
第10圖係為一各種金屬形成氧化物之自由能的列表。
第11至14圖係為本發明的一實施例在金屬氮化物基質(matrix)或是金屬氧氮化物基質中形成導電路徑的各種方法的剖面圖。
第15圖係為本發明的一實施例之記憶體陣列的俯視圖，其中記憶體陣列之複數個p-MTJ記憶單元係以一包覆層絕緣。

Claims (43)

  1. 一種垂直磁性穿隧接面(p-MTJ)，包含： (a)一穿隧能障層，其為一第一金屬氧化層； (b)一Hk增強層，其為一第二金屬氧化層或是一金屬氮氧化物層； (c)一自由層(free layer, FL)，其具有一第一表面與該穿隧能障層形成一第一界面、一第二表面與該Hk增強層形成一第二界面，以及其中該第一界面及該第二界面中的每一個係在該自由層中產生垂直磁各向異性(PMA)；以及 (d)一金屬氮化物或是金屬氮氧化物覆蓋層或是阻障層，其接觸該Hk增強層之相對於該第二界面的一側。
  2. 如請求項1所述之垂直磁性穿隧接面，其中該自由層係為一單層結構或是一多層結構，其為Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoB、FeB、CoFeNi、CoFeNiB、及其合金中的一個或多個，其中在磁性元素/成分的一總含量中Fe含量係大於50原子%(富鐵)。
  3. 如請求項1所述之垂直磁性穿隧接面，其中該自由層係為一豪斯勒合金(Heusler alloy)，其為Ni2 MnZ、Pd2 MnZ、Co2 MnZ、Fe2 MnZ、Co2 FeZ、Mn3 Ge以及Mn2 Ga中的其中一者，其中Z係為Si、Ge、Al、Ga、In、Sn以及 Sb 中的其中一者，或是有序化 L10 或是L11 材料或是稀土族合金，該有序化 L10 或是L11 材料係為MnAl、MnGa或是 RT，其中R係為Rh、Pd、Pt、Ir或其合金，而T係為Fe、Co、Ni或其合金，該稀土族合金係為TbFeCo、GdCoFe、FeNdB或是SmCo。
  4. 如請求項第1項所述之垂直磁性穿隧接面，其中該Hk增強層之金屬係為Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V以及Hf中的一個或多個，而Hk增強層係為一單層或是一堆疊層。
  5. 如請求項1所述之垂直磁性穿隧接面，其中該覆蓋層或是該阻障層具有M1N或是M1ON成分，其中M1係為金屬或是合金，其為Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta以及W中的一個或多個。
  6. 如請求項1所述之垂直磁性穿隧接面，其中該覆蓋層或是該阻障層具有一M2M3N成分或是M2M3ON成分，其中M2係為B、Al、Si、Ga、In以及Tl中的其中一者，而M3係為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以及W中的一個或多個。
  7. 如請求項1所述之垂直磁性穿隧接面，其中該覆蓋層或是該阻障層包含一具有M3金屬形成之多個導電路徑的M2N基質或是M2ON基質，其中M2係為B、Al、Si、Ga、In以及 Tl中的其中一者，而M3係為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以及W中的一個或多個。
  8. 如請求項1所述之垂直磁性穿隧接面，其中該自由層之厚度介於大約5至大約30埃。
  9. 如請求項1所述之垂直磁性穿隧接面，其中該穿隧能障層係為MgO、Al2 O3 、MgAlO、TiOx、AlTiO、MgZnO、Al2 O3 、ZnO、ZrOx、HfOx及MgTaO中的其中一者、或是其疊層。
  10. 如請求項1所述之垂直磁性穿隧接面，更包含一固定層，其鄰接該穿隧能障層，其中該垂直磁性穿隧接面係為一磁性隨機讀取記憶體(MRAM)、自旋力矩(STT)-MRAM、自旋力矩振盪器、自旋霍爾效應元件、磁感測器、以及生物感測器中的其中一者的一部分。
  11. 一種垂直磁性穿隧接面(p-MTJ)，包含： (a)一穿隧能障層，其為一第一金屬氧化層； (b)一Hk增強層，其為一第二金屬氧化層或是一金屬氮氧化物層； (c)一自由層(FL)，其具有一第一表面與該穿隧能障層形成一第一界面、以及一第二表面與該Hk增強層形成一第二界面，其中該第一界面及該第二界面中的每一個係在該自由層中產生垂直磁各向異性(PMA)； (d)一金屬氮化物、或是一金屬氮氧化物覆蓋層、或是一阻障層；以及 (e)一金屬緩衝層，其具有一第一表面接觸該Hk增強層、以及一第二表面鄰接該覆蓋層或是該阻障層。
  12. 如請求項11所述之垂直磁性穿隧接面，其中該自由層係為一單層結構或是一多層結構，其為Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoB、FeB、CoFeNi、CoFeNiB、及其合金中的一個或多個，其中在磁性元素/成分的一總含量中Fe含量係大於50原子%(富鐵)。
  13. 如請求項11所述之垂直磁性穿隧接面，其中該自由層係為一豪斯勒合金(Heusler alloy)，其為Ni2 MnZ、Pd2 MnZ、Co2 MnZ、Fe2 MnZ、Co2 FeZ、Mn3 Ge以及Mn2 Ga中的其中一者，其中Z係為Si、Ge、Al、Ga、In、Sn以及 Sb 中的其中一者，或是有序化L10 或是L11 材料、或是稀土族合金，該有序化L10 或是L11 材料係為MnAl、MnGa或是 RT，其中R係為Rh、Pd、Pt、Ir或其合金，而T係為Fe、Co、Ni或其合金，該稀土族合金係為TbFeCo、GdCoFe、FeNdB或是SmCo。
  14. 如請求項11所述之垂直磁性穿隧接面結構，其中該Hk增強層之金屬係為Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V以及Hf中的一個或多個，而Hk增強層係為一單層或是一堆疊層。
  15. 如請求項11所述之垂直磁性穿隧接面結構，其中該覆蓋層或是該阻障層具有M1N或是M1ON成分，其中M1係為金屬或是合金，其為Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta以及W中的一個或多個。
  16. 如請求項11所述之垂直磁性穿隧接面結構，其中該覆蓋層或是該阻障層具有一M2M3N成分或是M2M3ON成分，其中M2係為B、Al、Si、Ga、In以及Tl中的其中一者，而M3係為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以及W中的一個或多個。
  17. 如請求項11所述之垂直磁性穿隧接面結構，其中該覆蓋層或是該阻障層包含一具有M3金屬形成之多個導電路徑的M2N或是M2ON基質，其中M2係為B、Al、Si、Ga、In以及 Tl中的其中一者，而M3係為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以及W中的一個或多個。
  18. 如請求項11所述之垂直磁性穿隧接面結構，其中該自由層之厚度介於大約5埃至大約30埃之間。
  19. 如請求項11所述之垂直磁性穿隧接面結構，其中該穿隧能障層係為MgO、Al2 O3 、MgAlO、TiOx、AlTiO、MgZnO、Al2 O3 、ZnO、ZrOx、HfOx以及MgTaO中的其中一者、或是其疊層。
  20. 如請求項11所述之垂直磁性穿隧接面結構，更包含一固定層，其鄰接該穿隧能障層，其中該垂直磁性穿隧接面係為一磁性隨機讀取記憶體(MRAM)、自旋力矩(STT)-MRAM、自旋力矩振盪器、自旋霍爾效應元件、磁感測器、以及生物感測器中的其中一者的一部分。
  21. 如請求項11項所述之垂直磁性穿隧接面結構，其中該金屬緩衝層中的金屬係為Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta以及W中的一個或多個。
  22. 一種形成一垂直磁性穿隧接面(p-MTJ)的方法，包含： (a)在一基板上形成一穿隧能障層； (b)在該穿隧能障層上沉積一自由層(FL)； (c)在該自由層上形成一Hk增強層，其為一金屬氧化物或是金屬氮氧化物層；以及 (d)在該Hk增強層上形成一金屬氮化物覆蓋層或是一金屬氮氧化物覆蓋層。
  23. 如請求項22所述之方法，其中該Hk增強層中的金屬係為Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V以及Hf中的一個或多個，而Hk增強層係為一單層或是一堆疊層。
  24. 如請求項22所述之方法，其中該覆蓋層具有M1N或是M1ON成分，其中M1係為金屬或是合金，其為Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta以及W中的一個或多個。
  25. 如請求項22所述之方法，其中該覆蓋層具有一M2M3N成分或是M2M3ON成分，其中M2係為B、Al、Si、Ga、In以及Tl中的其中一者，而M3係為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以及W中的一個或多個。
  26. 如請求項22所述之方法，其中該覆蓋層包含一具有M3金屬形成之導電路徑的M2N或是M2ON基質，其中M2係為B、Al、Si、Ga、In以及 Tl中的其中一者，而M3係為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以及W中的一個或多個。
  27. 一種形成一垂直磁性穿隧接面(p-MTJ)的方法，包含： (a)在一基板上形成一穿隧能障層； (b)在該穿隧能障層上沉積一自由層(FL)； (c)在該自由層上形成一Hk增強層，其為一金屬氧化物層或是一金屬氮氧化物層； (d)在該Hk增強層上沉積一金屬緩衝層；以及 (e)在該金屬緩衝層上形成一金屬氮化物覆蓋層或是一金屬氮氧化物覆蓋層。
  28. 如請求項27項所述之方法，其中Hk增強層中的金屬係為Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V以及Hf中的一個或多個，而Hk增強層係為一單層或是一堆疊層。
  29. 如請求項27所述之方法，其中該覆蓋層具有M1N或是M1ON成分，其中M1係為金屬或是合金，其為Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta以及W中的一個或多個。
  30. 如請求項27所述之方法，其中該覆蓋層具有一M2M3N成分或是M2M3ON成分，其中M2係為B、Al、Si、Ga、In以及Tl中的其中一者，而M3係為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以及W中的一個或多個。
  31. 如請求項27所述之方法，其中該覆蓋層包含一具有M3金屬形成之導電路徑的M2N或是M2ON基質，其中M2係為B、Al、Si、Ga、In以及 Tl中的其中一者，而M3係為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以及W中的一個或多個。
  32. 如請求項27所述之方法，其中該金屬緩衝層中的金屬係為Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta以及W中的一個或多個。
  33. 一種形成一垂直磁性穿隧接面(p-MTJ)的方法，包含： (a)在一基板上形成一金屬氮化物阻障層或是一金屬氮氧化物阻障層； (b)在該阻障層上形成一Hk增強層，其為一金屬氧化物層或是一金屬氮氧化物層； (c)在該Hk增強層上沉積一自由層(FL)；以及 (d)在該自由層上形成一穿隧能障層。
  34. 如請求項33所述之方法，其中該Hk增強層中的金屬係為Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V以及Hf中的一個或多個，而該Hk增強層係為一單層或是一堆疊層。
  35. 如請求項33所述之方法，其中該阻障層具有M1N或是M1ON成分，其中M1係為金屬或是合金，其為Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta以及W中的一個或多個。
  36. 如請求項33所述之方法，其中該阻障層具有一M2M3N成分或是M2M3ON成分，其中M2係為B、Al、Si、Ga、In以及Tl中的其中一者，而M3係為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以及W中的一個或多個。
  37. 如請求項33所述之方法，其中該阻障層包含一具有M3金屬形成之導電路徑的M2N或是M2ON基質，其中M2係為B、Al、Si、Ga、In以及 Tl中的其中一者，而M3係為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以及W中的一個或多個。
  38. 一種形成一垂直磁性穿隧接面(p-MTJ)的方法，包含： (a)在一基板上形成一金屬氮化物阻障層或是一金屬氮氧化物阻障層； (b)在該阻障層上沉積一金屬緩衝層； (c)在該金屬緩衝層上形成一Hk增強層，其為一金屬氧化物層或是一金屬氮氧化物層； (d)在該Hk增強層上沉積一自由層(FL)；以及 (e)在該自由層上形成一穿隧能障層。
  39. 如請求項38所述之方法，其中該Hk增強層中的金屬係為Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Al、Mn、V以及Hf中的一個或多個，而該Hk增強層係為一單層或是一堆疊層。
  40. 如請求項38所述之方法，其中該阻障層具有M1N或是M1ON成分，其中M1係為金屬或是合金，其為Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta以及W中的一個或多個。
  41. 如請求項38所述之方法，其中該阻障層具有一M2M3N成分或是M2M3ON成分，其中M2係為B、Al、Si、Ga、In以及Tl中的其中一者，而M3係為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以及W中的一個或多個。
  42. 如請求項38所述之方法，其中該阻障層包含一具有M3金屬形成之導電路徑的M2N或是M2ON基質，其中M2係為B、Al、Si、Ga、In以及 Tl中的其中一者，而M3係為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以及W中的一個或多個。
  43. 如請求項38所述之方法，其中該金屬緩衝層中的金屬係為Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta以及W中的一個或多個。
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