TW202025527A - 磁性穿隧接面堆疊及其製造方法 - Google Patents

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富努 義克提阿
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Abstract

一種磁性穿隧接面堆疊及其製造方法。磁性穿隧接面堆疊包括：被釘紮層；主氧化物阻障層，位於所述被釘紮層上；自由層，位於所述主氧化物阻障層上；以及混合氧化物/金屬蓋層，位於所述自由層上。所述混合氧化物/金屬蓋層包括：第一氧化物層，位於所述自由層上；第二氧化物層，位於所述第一氧化物層上；以及金屬蓋層，位於所述第二氧化物層上，其中所述自由層不含硼（B）。

Description

磁性穿隧接面堆疊及其製造方法
本發明有關磁性穿隧接面（magnetic tunnel junction，MTJ），例如垂直磁性穿隧接面（perpendicular magnetic tunnel junction，p-MTJ）。 [相關申請的交叉參考]
本申請與2018年2月6日提出申請的美國專利申請第15/590,101號相關，所述美國專利申請的全部內容併入本文供參考。
傳統的自旋力矩轉移（spin torque transfer，STT）磁性隨機存取記憶體（magnetic random access memory，MRAM）通過使電荷電流（charge current）通過垂直磁性穿隧接面（p-MTJ）來存儲代表二進位位元的電荷狀態，所述垂直磁性穿隧接面具有堆疊在自由磁性層與被釘紮（或固定）磁性層之間的隧道阻障（tunnel barrier）。電荷電流影響自由磁性層的磁矩（magnetic moment），使其與被釘紮磁性層的磁矩（此不受電流影響）對準或反對準（anti-aligned）。由於磁矩的對準在沒有電荷電流的情況下保持不變，因此MTJ堆疊表現為適於記憶體存儲的雙穩態系統（bi-stable system）。
需要在p-MTJ中同時或同步獲得低開關電流、足夠的熱穩定性及長的保持時間（retention time）。
在此先前技術部分中揭露的上述資訊僅用於增強對本發明背景的理解，且因此其可包含不構成所屬領域中的普通技術人員已知的現有技術的資訊。
本發明實施例的一個方面指向一種磁性穿隧接面（MTJ）堆疊，所述磁性穿隧接面堆疊包括無硼自由層且在不犧牲長的資料保持時間及良好熱穩定性的情況下具有低開關電流。
本發明實施例的另一方面指向一種形成磁性穿隧接面（MTJ）堆疊的方法。
根據本發明的一些實施例，一種磁性穿隧接面堆疊包括：被釘紮層（pinned layer）；主氧化物阻障層（main oxide barrier layer），位於所述被釘紮層上；自由層，位於所述主氧化物阻障層上；以及混合氧化物/金屬蓋層，位於所述自由層上，其中所述混合氧化物/金屬蓋層包括：第一氧化物層，位於所述自由層上；第二氧化物層，位於所述第一氧化物層上；以及金屬蓋層，位於所述第二氧化物層上，其中所述自由層不含硼（B）。
所述自由層可包含Cox Fe1-x （0>x>1）、CoFeNi、Co2 FeAl、Co2 MnSi、Co2 FeMnSi、Co2 FeSi、MnGa及/或MnGe。
所述第一氧化物層可包含第一氧化物，且所述第二氧化物層可包含第二氧化物，所述第二氧化物的能帶間隙等於或大於所述第一氧化物的能帶間隙。
所述第一氧化物層可包含選自AlOx 、ZnOx 、TiOx 、VOx 、GaOx 、YOx 、ZrOx 、NbOx 、HfOx 、TaOx 、SiOx 、MgGaOx 、Hf-Zr-Ox 、Hf-Si-Ox 、Zr-Si-Ox 、Hf-Al-Ox 、Zr-Al-Ox 及In-Ga-Zn-O中的一種或多種氧化物。
所述第二氧化物層可包含選自MgO、MgAlO、MgTiO及AlOx 中的一種或多種氧化物。
所述金屬蓋層可包含具有比所述第一氧化物層中的金屬元素及所述第二氧化物層中的金屬元素更高的氧化物形成吉布斯自由能（Gibbs free energy）的金屬元素。
所述金屬蓋層可包含選自Ru、W、Mo、Co、Fe、Ni、CoFe、FeNi、CoNi、CoFeB、CoFeBMo及CoFeBW中的一種或多種金屬。
所述混合氧化物/金屬蓋層可不含硼（B）。
所述第一氧化物層可為無定形層或半結晶層。
所述自由層的阻尼因數（damping factor）（α）可為約0.006或小於0.006。
所述自由層的阻尼因數（α）可為約0.004或小於0.004。
所述自由層可具有大於約80 μemu/cm2 的Ms t 及大於約+1 kOe的Hk ，從而提供適於被垂直磁化的自由層。
根據本發明的一些實施例，一種製造磁性穿隧接面堆疊的方法包括：在基底上形成被釘紮層；在所述被釘紮層上形成主氧化物阻障層；在所述主氧化物阻障層上形成自由層；以及在所述自由層上形成混合氧化物/金屬蓋層，其中所述形成所述混合氧化物/金屬蓋層包括：在所述自由層上形成第一氧化物層；在所述第一氧化物層上形成第二氧化物層；以及在所述第二氧化物層上形成金屬蓋層，且其中所述自由層不含硼（B）。
所述形成所述第一氧化物層或所述形成所述第二氧化物層可通過直接濺射氧化物靶（oxide target）。
所述形成所述第一氧化物層或所述形成所述第二氧化物層可包括：沉積金屬層、以及對所述金屬層進行氧化以提供所述第一氧化物層或所述第二氧化物層。
所述第一氧化物層可包含第一氧化物，且所述第二氧化物層可包含第二氧化物，所述第二氧化物的能帶間隙等於或大於所述第一氧化物的能帶間隙。
所述第一氧化物層可包含選自AlOx 、ZnOx 、TiOx 、VOx 、GaOx 、YOx 、ZrOx 、NbOx 、HfOx 、TaOx 、SiOx 、MgGaOx 、Hf-Zr-Ox 、Hf-Si-Ox 、Zr-Si-Ox 、Hf-Al-Ox 、Zr-Al-Ox 及In-Ga-Zn-O中的一種或多種氧化物。
所述第二氧化物層可包含選自MgO、MgAlO、MgTiO及AlOx 中的一種或多種氧化物。
所述金屬蓋層可包含選自Ru、W、Mo、Co、Fe、Ni、CoFe、FeNi、CoNi、CoFeB、CoFeBMo及CoFeBW中的一種或多種金屬。
所述第一氧化物層可具有約1 Å到6 Å的厚度。
所述自由層的阻尼因數（α）可為約0.006或小於0.006。
在以下詳細說明中，僅以例示方式示出並描述了本發明的某些示例性實施例。如所屬領域的技術人員將認識到，本發明可以許多不同的形式實施，並且不應被解釋為僅限於在本文中闡述的實施例。對各示例性實施例中的特徵或方面的描述通常應被視為可適用於其他示例性實施例中的其他類似特徵或方面。在說明書全文中，相同的圖式編號指示相同的元件。
圖1是根據本發明一些示例性實施例的垂直磁性穿隧接面（p-MTJ）堆疊的剖面示意圖。
參照圖1，p-MTJ堆疊包括底層100、位於底層100上的被釘紮層210（例如，固定層或參考層）、位於被釘紮層210上的主氧化物阻障層220（也被稱為非磁性隧道阻障層或非磁性層）、位於主氧化物阻障層220上的自由層230以及位於自由層230上的混合氧化物/金屬蓋層300。
底層100是用於沉積MTJ堆疊的基底。底層100提供在上面形成被釘紮層210的表面。任何合適的材料及結構都可用作底層100。
被釘紮層210包含磁性材料，所述磁性材料表現出垂直於底層100與被釘紮層210之間的介面的固定磁化軸（例如，被釘紮軸或固定軸（permanent axis））。被釘紮層210可包含合適的磁性材料及非磁性材料，例如鈷（Co）、鐵（Fe）、鈷鐵合金（CoFe）、鈷鐵硼合金（例如，CoFeB）、鉭（Ta）、鎢（W）、鉬（Mo）、鉑（Pt）、釕（Ru）及/或銥（Ir）等。主氧化物阻障層220可包含非磁性材料，例如結晶氧化鎂（MgO）及/或無定形氧化鋁等。自由層230可包含磁性材料，並且可不含硼。
在傳統的垂直磁性穿隧接面（p-MTJ）中，自由層通常含有硼（B）。含硼自由層更易於處理及加工。然而，含硼自由層傾向於具有較低的資料保持時間。此外，為了獲得足夠的（例如，高的）垂直磁各向異性（perpendicular magnetic anisotropy，PMA），使用兩個氧化物層來夾置含硼自由層。此外，為了獲得足夠的（例如，高的）隧道磁阻（tunneling magnetoresistance，TMR），在自由層上或在自由層中間沉積硼吸收層。可使用退火製程以使得硼能夠從自由層擴散到鄰近層，並且進一步擴散離開自由層與其鄰近層之間的介面。
雖然在傳統的p-MTJ中可通過上述結構及製程減少自由層中硼的量，但在自由層中可能存在殘餘硼。此外，硼仍然存在於鄰近自由層的吸收層及/或氧化物層中，並且可能導致保持時間減少。
在根據本發明實施例的p-MTJ堆疊中，自由層230不含硼且為無硼自由層。為無硼自由層230沉積的材料可包含3d過渡金屬、其合金及/或赫斯勒合金（Heusler alloy），例如Cox Fe1-x （0≦x≦1）、CoFeNi、Co2 FeAl、Co2 MnSi、Co2 FeMnSi、Co2 FeSi、MnGa及/或MnGe。因此，可在主氧化物阻障層220上沉積不包括硼的二元合金、三元合金及其他合金，以形成無硼自由層230。換句話說，可為無硼自由層提供除硼之外的其他及/或額外的非磁性及/或磁性材料。舉例來說，可利用元素Fe、元素Co、元素Ni、元素Mn、例如CoFe等含Fe合金、例如CoFe等含Co合金、含Ni合金、含Mn合金及赫斯勒合金（不包括硼）中的至少一者來形成無硼自由層230。無硼自由層230可包含上述材料，並且可為沉積的多晶、無定形或結晶-無定形複合材料。此外，無硼自由層230可具有高的垂直磁各向異性。自由層230的垂直磁各向異性能量可超過面外去磁能量（out-of-plane demagnetization energy）。因此，無硼自由層230的磁矩可為穩定的且垂直於平面（stable perpendicular-to-plane）。
可在相關的美國專利申請第15/590,101號中找到無硼自由層及其製作方法的額外實例，所述美國專利申請的公開內容全文併入本文供參考。
無硼自由層230可在後退火製程（post annealing process）之後具有結晶結構。因為根據本發明的實施例在自由層230的形成中不包含硼，因此不需要硼吸收層，並且不需要將硼驅動到與自由層鄰近的層的後退火製程。此外，在不存在硼的情況下，p-MTJ堆疊具有更高的自由度，因為對硼擴散的精妙控制在獲得高的隧道磁阻及高的垂直磁各向異性（PMA）的製造製程中不再是問題（例如，主要問題）。
p-MTJ的一些可取性質包括低開關電流、足夠的熱穩定性及/或長的保持時間，以提高寫入效率及資料保持。這些性質受自由層的飽和磁化強度（saturation magnetization）、阻尼常數、各向異性場（anisotropy field）及其他性質的影響。舉例來說，需要足夠的飽和磁化強度及高的各向異性場以實現裝置的長保持時間及熱穩定性。
無硼自由層230具有高的垂直磁各向異性，從而在p-MTJ堆疊中提供足夠的資料保持時間。舉例來說，無硼自由層230可具有大於約80 μemu/cm2 、例如大於120 μemu/cm2 或大於180 μemu/cm2 的Ms t 以及大於+1 kOe、例如大於+4 kOe的Hk 。當Ms t 值及Hk 值在上述範圍內時，自由層可例如以垂直於自由層的物理平面的優選磁化取向被（例如，容易地或適當地）垂直磁化。
根據本發明實施例的混合氧化物/金屬蓋層300包括：第一氧化物層310，位於自由層230上；第二氧化物層320，位於第一氧化物層310上；以及金屬蓋層330，位於第二氧化物層320上。
第一氧化物層310與無硼自由層230接觸，且第二氧化物層320與第一氧化物層310接觸。第一氧化物層310可由能帶間隙與第二氧化物層320相似或小於第二氧化物層320的氧化物製成，從而使來自混合氧化物/金屬蓋層300的寄生電阻減小或最小化。
用於形成第一氧化物層310的氧化物的非限制性實例包括氧化鋁（AlOx ）、氧化鋅（ZnOx ）、氧化鈦（TiOx ）、氧化釩（VOx ）、氧化鎵（GaOx ）、氧化釔（YOx ）、氧化鋯（ZrOx ）、氧化鈮（NbOx ）、氧化鉿（HfOx ）、氧化鉭（TaOx ）、氧化矽（SiOx ）、氧化鎂鎵（MgGaOx ）、氧化鉿鋯（Hf-Zr-Ox ）、氧化鉿矽（Hf-Si-Ox ）、氧化鋯矽（Zr-Si-Ox ）、氧化鉿鋁（Hf-Al-Ox ）、氧化鋯鋁（Zr-Al-Ox ）及氧化銦鎵鋅（In-Ga-Zn-O）。然而，本發明並不僅限於此，並且可利用任何合適的金屬氧化物來形成第一氧化物層。
在根據本發明實施例的p-MTJ堆疊中，不使用硼來形成自由層。因此，在無硼自由層230與第一氧化物層310之間的介面附近不存在硼。
第二氧化物層320可包含比第一氧化物層310及金屬蓋層330更容易形成氧化物的金屬。也就是說，與第一氧化物層310及金屬蓋層330相比，第二氧化物層320可包含具有最低的氧化物形成吉布斯自由能（即，最容易形成氧化物）的金屬。用於形成第二氧化物層320的氧化物的非限制性實例包括氧化鎂（MgO）、氧化鎂鋁（MgAlO）、氧化鎂鈦（MgTiO）及氧化鋁（AlOx ）。然而，本發明並不僅限於此，並且可利用任何合適的金屬氧化物來形成第二氧化物層320。
第一氧化物層310可以是無定形層或半結晶層（或具有無定形及結晶複合結構的層）。也就是說，第一氧化物層310可不具有構成原子及/或分子的有序排列，或者可使具有構成原子及/或分子的有序排列的區域與沒有這種有序排列的區域相混合。另一方面，無硼自由層230可以是結晶層（例如，具有結晶結構）或結晶-無定形複合層。通常，當結晶氧化物（用作第二氧化物層320，例如MgO、MgAlOx 、MgTiOx 等）直接沉積在結晶無硼自由層上時，相應的氧化物層可以是結晶的。因此，無硼自由層230與第二氧化物層320之間的晶格結構可能失配（mismatch）。當根據本發明實施例的具有無定形或半結晶結構的第一氧化物層310被插入在無硼自由層230與第二氧化物層320之間時，晶格結構的失配可被緩和或減小，從而減小這些層之間的介面處的張力。第一氧化物層310的插入（例如，將第二氧化物層320直接沉積在第一氧化物層310上）也可使第二氧化物層320成為無定形層或半結晶層。因此，第二氧化物層320也可以是無定形層或半結晶層（或具有無定形及結晶複合結構的層）。
第一氧化物層310可具有約1 Å到6 Å的厚度。舉例來說，第一氧化物層310可具有約1 Å到3 Å的厚度。當第一氧化物層310的厚度在上述範圍內時，可形成無定形層或半結晶層。第二氧化物層320可具有約1 Å到8 Å的厚度。舉例來說，第二氧化物層320可具有約3 Å到8 Å的厚度。第一氧化物層310及第二氧化物層320的總厚度可以是約4 Å到14 Å。
金屬蓋層330可由具有比在第一氧化物層310及第二氧化物層320中使用的金屬元素更高的氧化物形成吉布斯自由能（即，更難形成氧化物）的金屬元素製成。因此，金屬蓋層330在高溫退火時將不容易形成相應的氧化物，從而防止或抑制氧擴散出第一氧化物層310及第二氧化物層320。用於形成金屬蓋層330的金屬的非限制性實例包括釕（Ru）、鎢（W）、鉬（Mo）、鈷（Co）、鐵（Fe）、鎳（Ni）、鈷鐵（CoFe）、鐵鎳（FeNi）、鈷鎳（CoNi）、鈷鐵硼（CoFeB）、鈷鐵硼鉬（CoFeBMo）及鈷鐵硼鎢（CoFeBW）。然而，本發明並不僅限於此，且可利用任何合適的金屬來形成金屬蓋層330。
混合氧化物/金屬蓋層300可具有比主氧化物阻障層220更低的電阻。第一氧化物層310及第二氧化物層320的總厚度可低於主氧化物阻障層220的厚度。
p-TMJ可能需要低開關電流、足夠的熱穩定性及長的保持時間所有這些性質，以提高寫入效率及資料保持。根據本發明實施例的無硼自由層230具有高的垂直磁各向異性，從而提供足夠的資料保持時間及熱穩定性。開關電流Jc （即，切換自由層的磁矩所需的最低電流）可由以下方程式1表示： 方程式1
Figure 02_image002
在方程式1中，分別來說，e 表示電子電荷，μ0 表示真空導磁率（vacuum permeability），t 表示自由層厚度，Ms 表示飽和磁化強度，ƞ表示自旋轉移效率（spin transfer efficiency），ħ表示普朗克常數，α表示阻尼常數，且Hk 表示各向異性場。根據本發明的實施例，由於足夠的分佈區磁化強度（areal magnetization）（厚度t 與飽和磁化強度Ms 的乘積）Ms t 及高的各向異性場Hk 對於實現裝置的長保持時間及熱穩定性來說是可取的，因此減小阻尼常數α，以便獲得低開關電流並提高功耗效率。
在根據本發明實施例的p-TMJ堆疊中，通過混合氧化物/金屬蓋層300修改無硼自由層230的阻尼常數。根據本發明實施例的阻尼常數可以是0.006或小於0.006。舉例來說，阻尼常數可以是0.005或小於0.005、或者0.004或小於0.004。利用減小的阻尼常數，根據本發明實施例的p-TMJ堆疊同時或同步具有低開關電流、高保持時間及良好的熱穩定性。
圖2是示出根據本發明一些實施例的製造p-MTJ堆疊的製程的流程圖。
參照圖2，在動作1002中，形成垂直磁性穿隧接面堆疊的被釘紮層210及主氧化物阻障層220以及位於被釘紮層210下方的其他合適層。可利用合適的沉積技術將被釘紮層210沉積在底層100上。沉積技術的非限制性實例包括化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）、電漿增強化學氣相沉積（plasma enhanced CVD，PECVD）、射頻化學氣相沉積（radio-frequency CVD，RFCVD）、物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）、原子層沉積（atomic layer deposition，ALD）、分子束沉積（molecular beam deposition，MBD）、脈衝雷射沉積（pulsed laser deposition，PLD）及/或液體源霧化化學沉積（liquid source misted chemical deposition，LSMCD）、濺射（sputtering）及/或鍍覆（plating）。被釘紮層210可由合適的磁性材料及非磁性材料形成，例如鈷（Co）、鐵（Fe）、鈷鐵合金（CoFe）、鈷鐵硼合金（例如，CoFeB）、鉭（Ta）、鎢（W）、鉬（Mo）、鉑（Pt）、釕（Ru）及/或銥（Ir）等。
可利用合適的沉積技術在被釘紮層210上形成主氧化物阻障層220。沉積技術的非限制性實例包括化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、射頻化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、分子束沉積及/或液體源霧化化學沉積、濺射及/或鍍覆。主氧化物阻障層220可包含非磁性材料，例如結晶氧化鎂（MgO）及/或無定形氧化鋁等。
在動作1004中，沉積無硼自由層230。相關的美國專利申請第15/590,101號公開了用於形成無硼自由層的合適方法的實例，所述美國專利申請的公開內容全文併入本文。無硼自由層230可包含3d過渡金屬、其合金及/或赫斯勒合金，例如Cox Fe1-x （0≦x≦1）、CoFeNi、Co2 FeAl、Co2 MnSi、Co2 FeMnSi、Co2 FeSi、MnGa及MnGe。
在動作1006中，沉積第一氧化物層310。可通過直接濺射氧化物靶或者通過金屬層的氧化來沉積第一氧化物層310。舉例來說，可通過首先在無硼自由層上沉積金屬層、且然後氧化所述金屬層來形成第一氧化物層310。可利用合適的沉積技術在自由層230上沉積金屬層。所述技術的非限制性實例包括化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、射頻化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、分子束沉積、脈衝雷射沉積及/或液體源霧化化學沉積、濺射及/或鍍覆。然後可利用例如氧化製程來氧化金屬層，由此氧氣在可介於例如約178K到約478K範圍內的合適溫度下在金屬層上方流動，以將薄金屬層氧化成金屬氧化物層。第一氧化物層310可由能帶間隙與第二氧化物層320相似或小於第二氧化物層320的氧化物製成，從而使來自混合氧化物/金屬蓋層300的寄生電阻減小或最小化。
第一氧化物層310可包含例如氧化鋁（AlOx ）、氧化鋅（ZnOx ）、氧化鈦（TiOx ）、氧化釩（VOx ）、氧化鎵（GaOx ）、氧化釔（YOx ）、氧化鋯（ZrOx ）、氧化鈮（NbOx ）、氧化鉿（HfOx ）、氧化鉭（TaOx ）、氧化矽（SiOx ）、氧化鎂鎵（MgGaOx ）、氧化鉿鋯（Hf-Zr-Ox ）、氧化鉿矽（Hf-Si-Ox ）、氧化鋯矽（Zr-Si-Ox ）、氧化鉿鋁（Hf-Al-Ox ）、氧化鋯鋁（Zr-Al-Ox ）及氧化銦鎵鋅（In-Ga-Zn-O）。然而，本發明並不僅限於此，並且可利用任何合適的金屬氧化物來形成第一氧化物層310。
在動作1008中，沉積第二氧化物層320。可通過直接濺射氧化物靶或者通過金屬層的氧化來沉積第二氧化物層320。舉例來說，可通過首先在無硼自由層上沉積金屬層、且然後氧化所述金屬層來形成第二氧化物層320。可利用合適的沉積技術在自由層230上沉積金屬層。所述技術的非限制性實例包括化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、射頻化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、分子束沉積、脈衝雷射沉積及/或液體源霧化化學沉積、濺射及/或鍍覆。然後可利用例如氧化製程來氧化金屬層，由此氧氣在可介於例如約178K到約478K範圍內的溫度下在金屬層上方流動，以將薄金屬層氧化成金屬氧化物層。第二氧化物層320可包含比第一氧化物層310及金屬蓋層330更容易形成氧化物的金屬。也就是說，與第一氧化物層310及金屬蓋層330相比，第二氧化物層320可包含具有最低的氧化物形成吉布斯自由能（即，最容易形成氧化物）的金屬。用於形成第二氧化物層320的氧化物的非限制性實例包括氧化鎂（MgO）、氧化鎂鋁（MgAlO）、氧化鎂鈦（MgTiO）及氧化鋁（AlOx ）。然而，本發明並不僅限於此，並且可利用任何合適的金屬氧化物來形成第二氧化物層320。
第一氧化物層310可以是無定形層或半結晶層（或具有無定形及結晶複合結構的層）。無硼自由層230可以是結晶層或結晶-無定形複合層。通常，當結晶氧化物（用作第二氧化物層320，例如MgO、MgAlOx 、MgTiOx 等）直接沉積在結晶無硼自由層上時，相應的氧化物層可以是結晶的。因此，無硼自由層230與第二氧化物層320之間的晶格結構可能失配。當根據本發明實施例的具有無定形或半結晶結構的第一氧化物層310被插入在無硼自由層230與第二氧化物層320之間時，晶格結構的失配可被緩和或減小，從而減小這些層之間的介面處的張力。第一氧化物層310的插入（例如，將第二氧化物層320直接沉積在第一氧化物層310上）也可使第二氧化物層320成為無定形層或半結晶層。因此，第二氧化物層320也可以是無定形層或半結晶層（或具有無定形及結晶複合結構的層）。
第一氧化物層310可具有約1 Å到6 Å的厚度。舉例來說，第一氧化物層310可具有約1 Å到3 Å的厚度。當第一氧化物層310的厚度在上述範圍內時，可形成無定形層或半結晶層。第二氧化物層320可具有約1 Å到8 Å的厚度。舉例來說，第二氧化物層320可具有約3 Å到8 Å的厚度。第一氧化物層310及第二氧化物層320的總厚度可以是約4 Å到14 Å。
在動作1010中，沉積金屬蓋層330。金屬蓋層330可由具有比在第一氧化物層310及第二氧化物層320中使用的金屬元素更高的氧化物形成吉布斯自由能（即，更難形成氧化物）的金屬元素製成。因此，金屬蓋層330在高溫退火時將不容易形成相應的氧化物，從而防止或抑制氧擴散出第一氧化物層310及第二氧化物層320。用於形成金屬蓋層330的金屬的非限制性實例包括釕（Ru）、鎢（W）、鉬（Mo）、鈷（Co）、鐵（Fe）、鎳（Ni）、鈷鐵（CoFe）、鐵鎳（FeNi）、鈷鎳（CoNi）、鈷鐵硼（CoFeB）、鈷鐵硼鉬（CoFeBMo）及鈷鐵硼鎢（CoFeBW）。然而，本發明並不僅限於此，且可利用任何合適的金屬來形成金屬蓋層330。
在動作1012中，可在金屬蓋層330上沉積額外的金屬層400及/或硬罩幕。可利用任何合適的技術沉積所述額外的金屬層400及/或硬罩幕並且可由任何合適的材料來形成所述額外的金屬層400及/或硬罩幕。
可在合適的溫度（例如，400℃）下對MTJ堆疊進一步進行後退火。第一氧化物層310及第二氧化物層320可在介面處相互擴散。由於自由層中不存在硼，因此MTJ堆疊具有熱穩定性，具有高的垂直各向異性及低的（例如，超低的）阻尼常數。此外，混合氧化物/金屬蓋層不含硼（B）。也就是說，無硼自由層230、第一氧化物層310及第二氧化物層320以及這些層之間的介面都不含硼。
根據本發明實施例的阻尼常數可以是0.006或小於0.006。舉例來說，阻尼常數可以是0.005或小於0.005、或者0.004或小於0.004。
圖3示出依據從參考自由層堆疊的寬頻鐵磁共振（FMR）測量中提取的頻率而變化的線寬。所述參考自由層堆疊具有底層/MgO/無硼自由層（13 Å）/MgO/金屬蓋層以所述順序堆疊並在400℃下退火30分鐘形成的結構。在此參考自由層堆疊中，不包括第一氧化物層。根據圖3中的資料及利用振動樣品磁力計（vibrating-sample magnetometer）的單獨測量，計算出圖3的自由層具有以下參數：Ms t =183.7 μemu/cm2 、α=0.0067且Hk =7.37 kOe。
圖4示出依據從根據本發明實施例的自由層堆疊的寬頻鐵磁共振（FMR）測量中提取的頻率而變化的線寬。所述自由層堆疊具有底層/MgO/無硼自由層（13 Å）/第一氧化物層/MgO/金屬蓋層以所述順序堆疊並在400℃下退火30分鐘形成的結構。此處，除了包括第一氧化物層之外，圖4的自由層堆疊使用與圖3的自由層堆疊相同的底層、被釘紮層、無硼自由層、被釘紮層與無硼自由層之間的MgO以及金屬蓋層。根據圖4中的資料及利用振動樣品磁力計的單獨測量，計算出圖4的自由層（或自由層堆疊）具有以下參數：Ms t =177.8 μemu/cm2 、α=0.0031且Hk =8.2 kOe。
比較圖4所示的自由層堆疊與圖3所示的自由層堆疊，示出了根據本發明實施例的自由層堆疊（例如，包括第一金屬氧化物層及第二金屬氧化物層）具有顯著較低的阻尼常數α，同時保持足夠高的Ms t 及高Hk 。因此，根據本發明實施例的自由層堆疊同步具有長的保持時間、良好的熱穩定性及低的臨界電流密度。
應當理解，儘管在本文中可能使用用語“第一”、“第二”、“第三”等來描述各種元件、元件、區域、層及/或部分，但這些元件、元件、區域、層及/或部分不應受到這些用語的限制。這些用語用來區分一個元件、元件、區域、層或部分與另一元件、元件、區域、層或部分。因此，在不背離本發明概念的精神及範圍的情況下，以下論述的第一元件、元件、區域、層或部分可被稱為第二元件、元件、區域、層或部分。
此外，還應理解，當一個層被稱為“位於”兩個層“之間”時，所述層可以是所述兩個層之間的唯一層，或者也可存在一個或多個中間層。
在本文中所使用的術語是為了描述特定的實施例，而並不是旨在限制本發明概念。在本文中所使用的單數形式“一（a及an）”旨在也包括複數形式，除非上下文另有清楚指示。應進一步理解，當在本說明書中使用用語“包括（include及including）”及/或“包含（comprises及comprising）”時，是指定所陳述特徵、整數、步驟、操作、元件及/或元件的存在，但不排除一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、元件及/或其群組的存在或添加。在本文中所使用的用語“及/或”包括一個或多個相關列出項中的任何及所有組合。在元件列表之後使用“中的至少一者”等表達時，是修飾整個元件列表，而不是修飾列表中的個別元件。此外，在描述本發明概念的實施例時使用“可”是指“本發明概念的一個或多個實施例”。
應理解，當一個元件或層被稱為“位於另一元件或層上”、“連接到另一元件或層”、“耦合到另一元件或層”或“鄰近另一元件或層”時，所述元件或層可直接位於所述另一元件或層上、直接連接到所述另一元件或層、直接耦合到所述另一元件或層或直接鄰近所述另一元件或層，或者可存在一個或多個中間元件或層。當一個元件或層被稱為“直接位於另一元件或層上”、“直接連接到另一元件或層”、“直接耦合到另一元件或層”或“緊鄰另一元件或層”時，不存在中間元件或層。
在本文中所使用的“實質上”、“約”及類似用語被用作近似用語，而不是用作程度用語，並且旨在解釋所屬領域中的普通技術人員將認識到的測量值或計算值的固有變化。
在本文中所使用的用語“使用（use、using及used）”可被認為分別與用語“利用（utilize、utilizing及utilized）”同義。
雖然已經示出了p-MTJ，但本發明的實施例並不僅限於此。具有無硼自由層的其他磁性穿隧接面可利用混合氧化物/金屬蓋層。
根據本文中所描述的本發明實施例的p-MTJ及/或任何其他相關裝置或元件可利用任何合適的硬體、固件（例如，應用專用積體電路）、軟體或軟體、固件及硬體的合適組合來實現。舉例來說，p-MTJ的各種元件可形成在一個積體電路（integrated circuit，IC）晶片上或形成在單獨的積體電路晶片上。此外，p-MTJ的各種元件可在柔性印刷電路膜、載帶封裝（tape carrier package，TCP）、印刷電路板（printed circuit board，PCB）上實現，或者形成在同一基底上。此外，p-MTJ的各種元件可以是在一個或多個計算裝置中的一個或多個處理器上運行的進程（process）或執行緒（thread），所述進程或執行緒執行電腦程式指令並與其他系統元件交互作用以執行本文中所述的各種功能。
雖然已經特別參照本發明的說明性實施例詳細描述了本發明，但在本文中描述的實施例並不旨在為窮舉的或將本發明的範圍限制到所公開的確切形式。本發明所屬領域及技術中的技術人員將認識到，在不有意背離如在以上申請專利範圍及其等效形式中所闡述的本發明的原理、精神及範圍的情況下，可對所描述的組裝及操作的結構及方法進行更改及變化。
100:底層 210:被釘紮層 220:主氧化物阻障層 230:自由層/無硼自由層 300:混合氧化物/金屬蓋層 310:第一氧化物層 320:第二氧化物層 330:金屬蓋層 400:額外的金屬層 1002、1004、1006、1008、1010、1012:動作
所附圖式與說明書一起示出本發明的示例性實施例，並且與所述說明一起用於解釋本發明的原理。 圖1是根據本發明一些示例性實施例的p-MTJ堆疊的剖面示意圖。 圖2是示出根據本發明一些實施例的製造p-MTJ堆疊的製程的流程圖。 圖3示出依據從參考p-MTJ堆疊的寬頻鐵磁共振（ferromagnetic resonance，FMR）測量中提取的頻率而變化的線寬。 圖4示出依據從根據本發明實施例的p-MTJ堆疊的寬頻鐵磁共振（FMR）測量中提取的頻率而變化的線寬。
100:底層
210:被固定層
220:主氧化物阻障層
230:自由層/無硼自由層
300:混合氧化物/金屬蓋層
310:第一氧化物層
320:第二氧化物層
330:金屬蓋層
400:額外的金屬層

Claims (21)

  1. 一種磁性穿隧接面堆疊，包括： 被釘紮層； 主氧化物阻障層，位於所述被釘紮層上； 自由層，位於所述主氧化物阻障層上；以及 混合氧化物/金屬蓋層，位於所述自由層上， 其中所述混合氧化物/金屬蓋層包括： 第一氧化物層，位於所述自由層上； 第二氧化物層，位於所述第一氧化物層上；以及 金屬蓋層，位於所述第二氧化物層上， 其中所述自由層不含硼。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的磁性穿隧接面堆疊，其中所述第一氧化物層包含第一氧化物，且 所述第二氧化物層包含第二氧化物，所述第二氧化物的能帶間隙等於或大於所述第一氧化物的能帶間隙。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的磁性穿隧接面堆疊，其中所述第一氧化物層包含選自AlOx 、ZnOx 、TiOx 、VOx 、GaOx 、YOx 、ZrOx 、NbOx 、HfOx 、TaOx 、SiOx 、MgGaOx 、Hf-Zr-Ox 、Hf-Si-Ox 、Zr-Si-Ox 、Hf-Al-Ox 、Zr-Al-Ox 及In-Ga-Zn-O中的一種或多種氧化物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的磁性穿隧接面堆疊，其中所述第二氧化物層包含選自MgO、MgAlO、MgTiO及AlOx 中的一種或多種氧化物。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的磁性穿隧接面堆疊，其中所述金屬蓋層包含具有比所述第一氧化物層中的金屬元素及所述第二氧化物層中的金屬元素更高的氧化物形成吉布斯自由能的金屬元素。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的磁性穿隧接面堆疊，其中所述金屬蓋層包含選自Ru、W、Mo、Co、Fe、Ni、CoFe、FeNi、CoNi、CoFeB、CoFeBMo及CoFeBW中的一種或多種金屬。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的磁性穿隧接面堆疊，其中所述混合氧化物/金屬蓋層不含硼。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的磁性穿隧接面堆疊，其中所述第一氧化物層是無定形層或半結晶層。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的磁性穿隧接面堆疊，其中所述第二氧化物層是無定形層或結晶層或半結晶層。
  10. 1如申請專利範圍第1項所述的磁性穿隧接面堆疊，其中所述自由層包括Cox Fe1-x 、CoFeNi、Co2 FeAl、Co2 MnSi、Co2 FeMnSi、Co2 FeSi、MnGa及MnGe中的至少一者，其中0>x>1。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的磁性穿隧接面堆疊，其中所述自由層的阻尼因數約為0.006或小於0.006。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的磁性穿隧接面堆疊，其中所述自由層具有大於約80 μemu/cm2 的磁化強度及大於+1 kOe的各向異性場。
  13. 一種製造磁性穿隧接面堆疊的方法，所述方法包括： 在被釘紮層上形成主氧化物阻障層； 在所述主氧化物阻障層上形成自由層；以及 在所述自由層上形成混合氧化物/金屬蓋層， 其中形成所述混合氧化物/金屬蓋層包括： 在所述自由層上形成第一氧化物層； 在所述第一氧化物層上形成第二氧化物層；以及 在所述第二氧化物層上形成金屬蓋層，且 其中所述自由層不含硼。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的製造磁性穿隧接面堆疊的方法，其中形成所述第一氧化物層或形成所述第二氧化物層是通過直接濺射氧化物靶。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的製造磁性穿隧接面堆疊的方法，其中形成所述第一氧化物層或形成所述第二氧化物層包括： 沉積金屬層，以及 對所述金屬層進行氧化以提供所述第一氧化物層或所述第二氧化物層。
  16. 如申請專利範圍第13項所述的製造磁性穿隧接面堆疊的方法，其中所述第一氧化物層包含第一氧化物，且 所述第二氧化物層包含第二氧化物，所述第二氧化物的能帶間隙等於或大於所述第一氧化物的能帶間隙。
  17. 如申請專利範圍第13項所述的製造磁性穿隧接面堆疊的方法，其中所述第一氧化物層包含選自AlOx 、ZnOx 、TiOx 、VOx 、GaOx 、YOx 、ZrOx 、NbOx 、HfOx 、TaOx 、SiOx 、MgGaOx 、Hf-Zr-Ox 、Hf-Si-Ox 、Zr-Si-Ox 、Hf-Al-Ox 、Zr-Al-Ox 及In-Ga-Zn-O中的一種或多種氧化物。
  18. 如申請專利範圍第13項所述的製造磁性穿隧接面堆疊的方法，其中所述第二氧化物層包含選自MgO、MgAlO、MgTiO及AlOx 中的一種或多種氧化物。
  19. 如申請專利範圍第13項所述的製造磁性穿隧接面堆疊的方法，其中所述金屬蓋層包含選自Ru、W、Mo、Co、Fe、Ni、CoFe、FeNi、CoNi、CoFeB、CoFeBMo及CoFeBW中的一種或多種金屬。
  20. 如申請專利範圍第13項所述的製造磁性穿隧接面堆疊的方法，其中所述第一氧化物層具有約1 Å到6 Å的厚度。
  21. 如申請專利範圍第13項所述的製造磁性穿隧接面堆疊的方法，其中所述自由層的阻尼因數約為0.006或小於0.006。
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