TWI829184B - 鐵磁性自由層、包含其的疊層結構、磁穿隧結接面結構、磁阻式隨機存取記憶體和鐵鈷基靶材 - Google Patents

鐵磁性自由層、包含其的疊層結構、磁穿隧結接面結構、磁阻式隨機存取記憶體和鐵鈷基靶材 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種鐵磁性自由層,其包含鐵、鈷、硼以及一添加金屬,且以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,鈷的含量係大於0 at%且小於30 at%,硼的含量係大於10 at%且小於或等於35 at%,該添加金屬的含量係大於或等於2 at%且小於10 at%;其中,該添加金屬包含鉬、錸或其組合,該鐵磁性自由層的厚度係大於或等於1.5 nm且小於2.5 nm。本發明之鐵磁性自由層能夠以單一層體應用於MTJ結構中,並且具有足夠的熱穩定性而於高溫熱處理後仍保有良好的磁性質,進而使MTJ結構發揮正常的記錄功能。

Description

鐵磁性自由層、包含其的疊層結構、磁穿隧結接面結構、磁阻式隨機存取記憶體和鐵鈷基靶材
本發明係關於一種非揮發性記憶體,尤指一種應用於磁阻式隨機存取記憶體(magnetoresistive random access memory,MRAM)的鐵磁性自由層。此外,本發明另關於一種包含前述鐵磁性自由層的疊層結構、磁穿隧結接面(magnetic tunnel junction,MTJ)結構和磁阻式隨機存取記憶體,以及更關於一種用於製作前述鐵磁性自由層的鐵鈷基靶材。
記憶體分為揮發性記憶體和非揮發性記憶體;揮發性記憶體所儲存的資料在切斷電源後會立即消失,其主要可分為動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory,DRAM)和靜態隨機存取記憶體(static random access memory,SRAM)二種;反之,非揮發性記憶體所儲存的資料在切斷電源後不會消失,其又依所儲存的資料能否在操作時隨時改寫而分為唯讀記憶體(read-only memory,ROM)和快閃記憶體(flash memory),快閃記憶體雖因具備隨時改寫功能而被廣泛地應用於各類電子產品中。然而,快閃記憶體的讀寫速度無法跟上中央處理核心(central processing unit,CPU)所需的計算速度,且已面臨到微縮瓶頸和效率最佳化的極限,實有必要積極開發次世代記憶體(next-generation memory,NGM)以因應資訊爆炸的時代。
次世代非揮發性記憶體大致上可區分為MRAM、鐵電隨機存取記憶體(ferroelectric random access memory,FRAM)、相變化隨機存取記憶體(phase-change random access memory,PRAM)、可變電阻式隨機存取記憶體(resistive random access memory,RRAM)和奈米碳管隨機存取記憶體(carbon nanotube random access memory,CNT-RAM)。其中,MRAM不僅讀寫速度可媲美SRAM的優勢,其儲存容量又可與DRAM抗衡,存取壽命更多了快閃記憶體約10 10倍以上,儼然已成為最受業界期待的次世代非揮發性記憶體。
MRAM元件的問世源自於巨磁阻(giant magnetoresistance,GMR)和自旋轉移矩(spin-transfer torque,STT)現象的技術發展。巨磁阻利用在鐵磁層/非鐵磁層/鐵磁層(ferromagnetic layer/non-ferromagnetic layer/ferromagnetic layer)的疊層之間不同自旋方向的電子在穿越鐵磁層時會有不同電導率,使此種疊層的電阻值會隨著外加磁場而有所改變,其電阻變化量在低溫下可以接近100%。自旋轉移矩則是藉由運用穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance,TMR)原理運作的MTJ來實現,有別於巨磁矩所運用的疊層結構,MTJ結構採用絕緣層(insulation layer)取代非鐵磁層夾置於二鐵磁層之間,當二鐵磁層的磁化方向平行(parallel,P),量測得到的電阻值( R p )小,當二鐵磁層的磁化方向相對(antiparallel,AP),量測得到的電阻值( R AP )大,透過改變二鐵磁層的磁化方向相同或相對,其電阻變化量( )在室溫下可以穩定超過100%,使得MTJ成為MRAM元件中負責儲存資料的基本單元。
在MTJ發展初期,鐵磁層因具有形狀磁異向性(shape magnetic anisotropy),使磁矩具有水平磁異向性(horizontal magnetic anisotropy,HMA)。具水平磁異向性的MTJ結構不需要配合特定材料或結構系統,也不需要額外進行熱處理即可達成,於製程與材料設計上較為簡便,但是,具水平磁異向性的MTJ結構卻存在熱穩定性不足的問題。
熱穩定性(thermal stability,Δ)可經由算式: 評估,其中 M S H k Vk B T依序為飽和磁化強度(saturated magnetization)、各異向性的磁場強度(anisotropic field)、體積(volume)、波茲曼常數(Boltzmann constant)、絕對溫度(absolute temperature),Δ越小代表熱穩定性越差,自由層的磁矩越容易發生自發性翻轉而造成記錄錯誤。為能符合後端製程所需,目前要求MRAM元件的熱穩定性至少應達到40、甚至60以上,但具水平磁異向性的MTJ結構通常難以達成前述規格要求。
為了改善水平磁異向性之MTJ結構存在熱穩定性不足的問題,也為能朝向元件尺寸微縮化的目標發展,MTJ結構的磁異向性由水平式轉而發展成垂直磁異向性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)。然而,垂直磁異向性需要透過調整材料的磁晶異向性(magneto-crystalline anisotropy)及界面磁異向性(interface magnetic anisotropy)才能將其提升到一定的水準,例如,採用具有相對高(111)晶面方向的鐵鉑層(FePt layer)提升垂直磁異向性,或將具有多層鐵磁層的鈷/鈀疊層([Co/Pd] nlaminate)、鈷/鉑疊層([Co/Pt] nlaminate)、鈷/鎳疊層([Co/Ni] nlaminate)成長在具有(111)晶面方向、材料為鉭(Ta)、鈀(Pd)、鉑(Pt)或釕(Ru)的晶種層(seed layer)上以提升垂直磁異向性。但是,上述二種提升垂直磁異向性的方法會衍生製程複雜、不易控制的問題,且隨著MRAM元件的尺寸減半,熱穩定性會驟降至剩餘1/4,因此,具垂直磁異向性的MTJ結構之熱穩定性也有待更進一步地被優化。
請參閱圖1所示,MRAM元件的簡要結構主要可包含下電極10、固定層20 (pinning layer)、參考層30 (reference layer,亦可稱釘扎層(pinned layer))、穿隧阻障層40 (tunneling barrier layer)、自由層50 (free layer)和上電極60,其中,鐵磁性的參考層30和鐵磁性的自由層50中間夾置絕緣的穿隧阻障層40 (例如,氧化鎂(MgO)層)構成負責儲存資料的MTJ結構。
在MRAM元件中,固定層可以提供固定參考層之磁化方向的功能;參考層最重要的要求之一就是它的磁化方向必須能夠被固定,使其磁化方向不會受到過大的電流、熱能或磁場而影響,且參考層必須保有相對強的磁化方向來保證其過濾或磁化電子的自旋方向;相對於參考層具有固定的磁化方向,自由層的磁化方向則可以透過微量電流導通與STT效應而翻轉,透過自由層的磁化方向和參考層的磁化方向形成平行或相對的配對構成二種不同的狀態。如前所述,當自由層和參考層的磁化方向平行,電子較容易通過穿隧阻障層,形成低電阻態(low resistance state,LRS),記錄為「0」;反之,當自由層和參考層的磁化方向相對,電子較難通過穿隧阻障層,形成高電阻態(high resistance state,HRS),記錄為「1」,藉由「0」或「1」的變換實現資訊存取之目的。
此外,MRAM元件會涉及二段必經的熱處理製程,其一是針對MTJ結構的退火熱處理(溫度通常約為450℃),用來提升穿隧磁阻效應與垂直磁異向性,另一個則是在互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)的後製程(back-end of line,BEOL)的熱處理(溫度多半高達約500℃)。因此,為了避免經過高溫熱處理後使得MRAM元件中的MTJ結構之磁性質受到嚴重損害,甚至失去記錄功能,實有必要進一步提升MRAM元件的熱穩定性。
考量前述尺寸微縮化以及有待改善熱穩定性之課題,目前MTJ結構中的自由層已經從原本由鐵、鈷與硼所組成的單一層體改進為具有鐵鈷硼層、非磁性間隔層與絕緣層等多層結構的複合層體,以獲得更佳的熱穩定性。例如,於原本的鐵鈷硼層上再依序設置非磁性間隔層(如由鎢(W)、鉬(Mo)或鉭等非磁性材料所構成)、另一鐵鈷硼層以及氧化鎂層。然而,要獲得前述具有多層結構的複合層體,無可避免會提高成膜製程的難度,尤其,所述非磁性間隔層與所述氧化鎂層的厚度都相當薄,不僅成膜難度高,其膜層均勻度也相對難以控制,導致物理氣相沉積製程的難度更高。此外,複合層體具有的複雜多層結構也會導致後續蝕刻製程的難度提高。由此可知,雖然採用複合層體作為自由層能夠改善MRAM元件的熱穩定性,但同時也提高成膜製程與蝕刻製程的難度與複雜性,不僅增加製程的成本,也大幅限制了MRAM元件的量產性與競爭力。
據此,目前仍有待改良與研究MTJ結構中具有鐵磁性的自由層,以避免目前採用多層結構之複合層體作為自由層雖然能夠改善熱穩定性,但卻會衍生出製程難度和成本皆提高的問題。
有鑑於現有技術存在的問題,本發明之目的在於提供一種鐵磁性自由層,其能夠以單一層體應用於MTJ結構中,並且同時能改善MRAM元件的熱穩定性,即本發明之鐵磁性自由層不需涉及難度高且成本高的製程,並且在經歷約450℃的高溫熱處理後仍具有良好的磁性質,確保包含其的MTJ結構具有正常的記錄功能。
為了達成前述目的,本發明提供一種鐵磁性自由層,其包含鐵、鈷、硼以及一添加金屬,且以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,鈷的含量係大於0原子百分比(atomic percent,at%)且小於30 at%,硼的含量係大於10 at%且小於或等於35 at%,該添加金屬的含量係大於或等於2 at%且小於10 at%;其中,該添加金屬包含鉬、錸(Re)或其組合,該鐵磁性自由層的厚度係大於或等於1.5奈米(nm)且小於2.5 nm。
藉由控制鈷和硼的含量、添加特定種類與含量的添加金屬以及控制層體的厚度等技術手段,本發明之鐵磁性自由層能夠以單一層體應用於MTJ結構中,並且具有足夠的熱穩定性而不會因高溫熱處理造成磁性質嚴重受損,藉此確保MTJ結構得以發揮正常的記錄功能;同時,本發明之鐵磁性自由層並非具有多層結構的複合層體,因此具有製程難度與成本皆相對較低的優勢,進而提升其量產性與發展價值。
於本發明的一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,鈷的含量係大於或等於5 at%且小於30 at%。於本發明的另一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,鈷的含量係大於或等於10 at%且小於30 at%。於本發明的又另一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,鈷的含量係大於或等於15 at%且小於30 at%。於本發明的又另一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,鈷的含量係大於或等於10 at%且小於或等於25 at%。於本發明的又另一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,鈷的含量係大於或等於15 at%且小於或等於25 at%。
於本發明的一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,硼的含量係大於或等於10.2 at%且小於或等於35 at%。於本發明的另一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,硼的含量係大於10 at%且小於27 at%。
於本發明的一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,該添加金屬的含量係大於或等於2 at%且小於或等於9.9 at%。於本發明的另一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,該添加金屬的含量係大於或等於2 at%且小於或等於9.8 at%。
於本發明的一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,鐵的含量係大於或等於30 at%且小於或等於70 at%。於本發明的另一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,鐵的含量係大於或等於35 at%且小於或等於70 at%。於本發明的又另一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,鐵的含量係大於或等於35 at%且小於或等於65 at%。於本發明的又另一些實施例中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,鐵的含量係大於或等於39 at%且小於或等於65 at%。
於本發明的一些實施例中,該鐵磁性自由層的厚度係大於或等於1.5 nm且小於或等於2.4 nm。
另外,本發明還提供一種含有鐵磁性自由層的疊層結構,其包含一鐵磁性自由層以及一穿隧阻障層,且該鐵磁性自由層係設置於該穿隧阻障層的表面上;其中,該鐵磁性自由層係前述本發明之鐵磁性自由層,該穿隧阻障層的材料包含氧化鎂或氧化鎂基材料。
藉由採用本發明之鐵磁性自由層,並且設置於穿隧阻障層的表面上以獲得疊層結構,該疊層結構具有良好的熱穩定性,即在經過高溫熱處理之後仍然能保有良好的磁性質。
依據本發明,所述氧化鎂基材料係指於氧化鎂中另外摻有其他元素的複合材料。例如,所述氧化鎂基材料可為氧化鎂鋁、氧化鎂鈦、氧化鎂鎵、氧化鎂錳、氧化鎂鋁矽或氧化鎂鋁鋅,但不限於此。
於本發明的一些實施例中,該穿隧阻障層的材料為氧化鎂。
依據本發明,該穿隧阻障層的厚度可為0.1 nm至2.0 nm。
較佳的,該疊層結構所具有的各異向性磁場強度(anisotropic field,H k)係大於或等於4仟奧斯特(kOe)。更佳的,該疊層結構所具有的各異向性磁場強度係大於或等於4 kOe且小於或等於10 kOe。可選地,該疊層結構的各異向性磁場強度可經過熱處理後再進行測量而得,其中,所述熱處理之條件可於350℃至500℃加熱1分鐘至2小時。於其中一實施態樣,所述熱處理之條件可於400℃至450℃加熱1小時至2小時。
較佳的,該疊層結構的磁晶異向性常數(magnetocrystalline anisotropy constant,K u)與該鐵磁性自由層之厚度的乘積係大於或等於0.3爾格/平方公分(erg/cm 2)。所述疊層結構的磁晶異向性常數與該鐵磁性自由層之厚度的乘積可簡稱為「有效磁性層量化指標」,其可用於評估磁性質,較高的有效磁性層量化指標則代表該疊層結構具有較佳的磁性質。更佳的,該疊層結構的有效磁性層量化指標係大於或等於0.3 erg/cm 2且小於或等於0.5 erg/cm 2。可選地,該疊層結構所具有的磁晶異向性常數可經過熱處理後再進行測量而得,其中,所述熱處理之條件可於350℃至500℃加熱1分鐘至2小時。於其中一實施態樣,所述熱處理之條件可於400℃至450℃加熱1小時至2小時。
另外,本發明還提供一種磁穿隧結接面(MTJ)結構,其包含一鐵磁性參考層、一穿隧阻障層以及一鐵磁性自由層,且該穿隧阻障層係設置於該鐵磁性參考層與該鐵磁性自由層之間;其中,該鐵磁性自由層係前述本發明之鐵磁性自由層。
另外,本發明還提供一種磁阻式隨機存取記憶體,其由下至上依序包括一下電極、一固定層、一鐵磁性參考層、一穿隧阻障層、一鐵磁性自由層和一上電極;其中,該鐵磁性自由層係前述本發明之鐵磁性自由層。
藉由採用本發明之鐵磁性自由層作為MRAM元件中MTJ結構之自由層,其在經過高溫熱處理之後仍然能保有良好的磁性質,依然能使MRAM元件的MTJ結構能發揮其應有的記錄功能。
於本發明的一些實施例中,該穿隧阻障層的材料包含氧化鎂或氧化鎂基材料。於本發明的另一些實施例中,該穿隧阻障層的材料包含氧化鎂。該穿隧阻障層的厚度可為0.1 nm至2.0 nm。
於本發明的一些實施例中,該鐵磁性參考層的材料係選自於下列所組成之群組:鈷、鎳、鐵、鈷鐵(CoFe)、鈷鉑(CoPt)、鈷鈀(CoPd)、鈷鎳(CoNi)、鐵鉑(FePt)、鐵鈀(FePd)、鐵硼(FeB)、鈷鐵硼(CoFeB)及其組合,但不限於此。該鐵磁性參考層的厚度可為0.1 nm至2.0 nm。
依據本發明,該上電極的材料和下電極的材料可以各自獨立是鉭、釕、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)或其組合,但並非僅限於此。所屬技術領域中具有通常知識者可依磁阻式隨機存取記憶體的膜層結構調整該上電極和下電極的厚度,該上電極的材料和下電極的材料可為相同或不同,上電極的厚度和下電極的厚度也可為相同或不同。
於本發明的一些實施例中,該下電極、該固定層、該鐵磁性參考層、該穿隧阻障層、該鐵磁性自由層和該上電極係以垂直排列的方向依序堆疊。該鐵磁性參考層的磁化方向和該鐵磁性自由層的磁化方向可以平行於該堆疊方向,亦可垂直於該堆疊方向。
除了前方所述之膜層結構外,視不同需要,該磁阻式隨機存取記憶體亦可包含例如覆蓋層(capping layer),但並非僅限於此。所述覆蓋層可設置於該鐵磁性自由層和該上電極之間,其厚度可為0.1 nm至2.0 nm。
另外,本發明還提供一種鐵鈷基靶材,其包含鐵、鈷、硼以及一添加金屬,且以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,鈷的含量係大於0 at%且小於30 at%,硼的含量係大於10 at%且小於或等於35 at%,該添加金屬的含量係大於或等於2 at%且小於10 at%;其中,該添加金屬包含鉬、錸或其組合,該鐵鈷基靶材具有α型鐵鈷結晶相,且該α型鐵鈷結晶相在(200)晶面的特徵峰強度與在(110)晶面的特徵峰強度之比值係大於0.9。
藉由控制靶材中鈷和硼的含量、於靶材中添加特定種類與含量的添加金屬以及控制靶材所具有之α型鐵鈷結晶相在特定晶面之特徵峰強度的比值,本發明之鐵鈷基靶材能夠用於製作前述本發明之鐵磁性自由層,使其能夠以單一層體應用於MTJ結構中,並且具有足夠的熱穩定性而不會因高溫熱處理造成磁性質嚴重受損,從而使MTJ結構能發揮正常的記錄功能。
於本發明的一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,鈷的含量係大於或等於5 at%且小於30 at%。於本發明的另一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,鈷的含量係大於或等於10 at%且小於30 at%。於本發明的又另一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,鈷的含量係大於或等於15 at%且小於30 at%。於本發明的又另一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,鈷的含量係大於或等於10 at%且小於或等於25 at%。於本發明的又另一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,鈷的含量係大於或等於15 at%且小於或等於25 at%。
於本發明的一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,硼的含量係大於或等於10.2 at%且小於或等於35 at%。於本發明的另一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,硼的含量係大於10 at%且小於27 at%。
於本發明的一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,該添加金屬的含量係大於或等於2 at%且小於或等於9.9 at%。於本發明的另一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,該添加金屬的含量係大於或等於2 at%且小於或等於9.8 at%。
於本發明的一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,鐵的含量係大於或等於30 at%且小於或等於70 at%。於本發明的另一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,鐵的含量係大於或等於35 at%且小於或等於70 at%。於本發明的又另一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,鐵的含量係大於或等於35 at%且小於或等於65 at%。於本發明的又另一些實施例中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,鐵的含量係大於或等於39 at%且小於或等於65 at%。
較佳的,該α型鐵鈷結晶相在(200)晶面的特徵峰強度與在(110)晶面的特徵峰強度之比值係大於0.9且小於2.0。更佳的,該α型鐵鈷結晶相在(200)晶面的特徵峰強度與在(110)晶面的特徵峰強度之比值係大於0.9且小於1.5。再更佳的,該α型鐵鈷結晶相在(200)晶面的特徵峰強度與在(110)晶面的特徵峰強度之比值係大於0.9且小於1.0。再更佳的,該α型鐵鈷結晶相在(200)晶面的特徵峰強度與在(110)晶面的特徵峰強度之比值係大於或等於0.91且小於或等於0.99。
於本說明書中,由「小數值至大數值」表示的範圍,如果沒有特別指明,則表示其範圍係大於或等於該小數值且小於或等於該大數值。例如:厚度為0.1 nm至2.0 nm,即表示厚度之範圍係「大於或等於0.1 nm且小於或等於2.0 nm」。
以下,將藉由下列具體實施例詳細說明本發明的實施方式,所屬技術領域具有通常知識者可經由本說明書之內容輕易地了解本發明所能達成之優點與功效,並且於不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更,以施行或應用本發明之內容。
實施例 1 12 (E1 E12) :鐵鈷基靶材
依照下表1所列之組成與各成分含量,秤取適量且純度高於99.95%的鐵原料、鈷原料、硼原料以及添加金屬原料,並將該等原料皆置於真空熔煉爐中,隨後將溫度升溫至約1200℃至1600℃並且持溫約10分鐘至30分鐘使該等原料完全溶解,隨後再倒入模具中以形成鐵鈷基預合金。
接著,使所述鐵鈷基預合金在真空度約為10 -5巴(bar)至10 -4bar、霧化溫度約為1200℃至1600℃之條件下,以氣體霧化法進行造粒並獲得鐵鈷基粉末,隨後再依據下表1所列之燒結製程以及燒結條件使所述鐵鈷基粉末進行燒結以獲得靶胚;接著以線切割進行粗加工、再以磨床進行精加工,以獲得實施例1至12之鐵鈷基靶材。所述燒結製程可為熱壓成型法(hot pressing,HP)或熱均壓成型法(hot isostatic pressing,HIP)。
於下表1中,實施例1至12之鐵鈷基靶材的組成可由aFe-bCo-cB-dRe-eMo之通式所示;其中,a代表鐵相對於鐵鈷基靶材之原子總數的含量比例,b代表鈷相對於鐵鈷基靶材之原子總數的含量比例,c代表硼相對於鐵鈷基靶材之原子總數的含量比例,d代表錸相對於鐵鈷基靶材之原子總數的含量比例,e代表鉬相對於鐵鈷基靶材之原子總數的含量比例。
比較例 1 9 (C1 C9) :鐵鈷基靶材
比較例1至9之製備方法係與實施例相似,其主要不同之處在於:比較例1至9係依照下表1所列,選擇不同的靶材組成以及不同的燒結方式和燒結條件,其餘製備流程皆與前述實施例相同,獲得比較例1至9之鐵鈷基靶材。 表1:實施例1至12及比較例1至9之鐵鈷基靶材的靶材組成、所選用燒結製程、燒結條件以及所具有的α型鐵鈷結晶相在(200)晶面的特徵峰強度與在(110)晶面的特徵峰強度之比值(於表1中以αFeCo(200)/αFeCo(110)表示)。
組別 靶材組成 燒結製程 燒結溫度 (°C) 燒結 壓力 (MPa) 燒結時間 (hr) αFeCo(200)/ αFeCo(110)
E1 62Fe-18Co-10.2B-9.8Mo HIP 700 200 2.5 0.97
E2 60Fe-20Co-10.2B-9.8Re HIP 700 200 2.5 0.97
E3 62.5Fe-17.5Co-12B-8Re HIP 700 200 2.5 0.97
E4 65Fe-15Co-15B-5Mo HIP 900 175 2 0.92
E5 65Fe-15Co-15B-5Re HIP 900 175 2 0.93
E6 60Fe-20Co-17.5B-2.5Re HIP 900 175 2 0.94
E7 60Fe-20Co-18B-2Re HIP 900 175 2 0.91
E8 60Fe-20Co-17B-3Mo HIP 900 175 1 0.93
E9 58Fe-20Co-20B-2Re HIP 900 175 1 0.91
E10 55Fe-15Co-25B-5Re HIP 1000 175 1 0.94
E11 44.5Fe-17.5Co-35B-3Re HIP 1100 175 1 0.99
E12 39Fe-24Co-35B-2Re HIP 1100 175 1 0.91
C1 64Fe-15Co-10B-11Re HIP 700 200 3 0.80
C2 57.5Fe-20Co-12.5B-10Re HIP 700 200 3 0.86
C3 60Fe-15Co-15B-10Mo HIP 700 200 3 0.81
C4 60Fe-15Co-15B-10Re HIP 700 200 3 0.75
C5 65Fe-15Co-15B-5Mo HP 900 100 4 0.88
C6 65Fe-15Co-15B-5Re HP 900 100 4 0.88
C7 64Fe-16Co-20B HP 900 100 4 0.89
C8 60Fe-20Co-20B HP 900 100 4 0.89
C9 46Fe-18Co-36B HP 1000 100 4 0
分析 1 α 型鐵鈷結晶相在 (200) 晶面與在 (110) 晶面的強度關係
本分析選用實施例1至12以及比較例1至9之鐵鈷基靶材作為待測樣品,利用X射線繞射儀(XRD,型號:Ultima IV,製造商:Rigaku)分析各待測樣品所具有的α型鐵鈷結晶相在(200)晶面以及在(110)晶面的特徵峰強度關係。
具體而言,先藉由線切割機在距離靶材中心約1/2半徑的位置取下尺寸大小約為長10毫米(mm)、寬10 mm的試片,接著於研磨並清洗試片之待測面後,置入XRD機台中以2.4°之步進角度、於2θ為20°至80°之掃描範圍下進行量測並獲得各組別的XRD圖譜。將各組別的XRD圖譜與國際粉末衍射標準聯合委員會(joint committee on powder diffraction standards,JCPDS)資料庫中對應α型鐵鈷結晶的標準圖譜(卡號為49-1567)進行比對,並在各組別的XRD圖譜中記錄2θ約為64.96°處的特徵峰(對應於α型鐵鈷結晶在(200)晶面)之強度、及2θ約為44.83°處的特徵峰(對應於α型鐵鈷結晶在(110)晶面)之強度,再將二者相除後即獲得α型鐵鈷結晶在(200)晶面的特徵峰強度與α型鐵鈷結晶在(110)晶面的特徵峰強度之比值,以評估各組別之鐵鈷基靶材所具有的α型鐵鈷結晶在(200)晶面與在(110)晶面的強度關係。實施例1至12以及比較例1至9的結果皆列於上表1中,其中,在比較例9之XRD圖譜中,由於在2θ約為64.96°處沒有觀察到明顯的特徵峰,故其α型鐵鈷結晶在(200)晶面的特徵峰強度為0,使得α型鐵鈷結晶在(200)晶面的特徵峰強度與α型鐵鈷結晶在(110)晶面的特徵峰強度之比值同樣為0。
如上表1所示,實施例1至12之鐵鈷基靶材同時控制了鈷的含量大於0 at%且小於30 at%、硼的含量大於10 at%且小於或等於35 at%、特定添加金屬的含量大於或等於2 at%且小於10 at%以及靶材中的α型鐵鈷結晶相在(200)晶面的特徵峰強度與在(110)晶面的特徵峰強度之比值係大於0.9之技術特徵,進而可製作如下所述之鐵磁性自由層而應用於MRAM元件的MTJ結構中。反觀比較例1至9之鐵鈷基靶材,其中,比較例1至4之靶材組成中的添加金屬含量已超出本發明所限定之大於或等於2 at%且小於10 at%的範圍,且所測得的α型鐵鈷結晶相在(200)晶面的特徵峰強度與在(110)晶面的特徵峰強度之比值也皆不符合本發明所限定大於0.9的條件;比較例5及6之靶材組成雖然都符合本發明所限定的條件,然而比較例5及6所測得的α型鐵鈷結晶相在(200)晶面的特徵峰強度與在(110)晶面的特徵峰強度之比值都僅有0.88,並未高於0.9;而比較例7至9之靶材組成中未含有本發明所限定特定種類的添加金屬,且比較例9之靶材中的硼含量已超出本發明所限定之大於10 at%且小於或等於35 at%的範圍,同時,比較例7至9所測得的α型鐵鈷結晶相在(200)晶面的特徵峰強度與在(110)晶面的特徵峰強度之比值也皆不符合本發明所限定大於0.9的條件。
實施例 1A 19A (E1A E19A) 及比較例 1A 9A (C1A C9A) :單層鐵磁性自由層
乾淨的矽基板(含有厚度約為200 nm的二氧化矽表層),將其置入超高真空磁控濺鍍機(廠商:優貝克科技股份有限公司(ULVAC))的腔體中,待腔體壓力抽至約5x10 -8托耳(torr)後,以濺鍍功率約為20瓦(W)、工作壓力約3毫托耳(mtorr)的條件濺鍍前述各實施例及比較例之鐵鈷基靶材,藉此於矽基板上分別沉積不同厚度的單層鐵磁性自由層,即獲得實施例1A至19A以及比較例1A至9A之鐵磁性自由層。
實施例1A至19A及比較例1A至9A之鐵磁性自由層的差異主要在於:各自選擇不同的鐵鈷基靶材濺鍍形成不同厚度的鐵磁性自由層。具體而言,實施例1A係選用實施例1之鐵鈷基靶材、實施例2A及3A皆選用實施例2之鐵鈷基靶材、實施例4A係選用實施例3之鐵鈷基靶材、實施例5A及6A皆選用實施例4之鐵鈷基靶材、實施例7A至10A皆選用實施例5之鐵鈷基靶材、實施例11A係選用實施例6之鐵鈷基靶材、實施例12A、14A及15A皆選用實施例7之鐵鈷基靶材、實施例13A係選用實施例8之鐵鈷基靶材以及實施例16A至19A係分別選用實施例9至12之鐵鈷基靶材。比較例1A至9A則分別選用比較例1至9之鐵鈷基靶材。實施例1A至19A及比較例1A至9A之鐵磁性自由層的組成及厚度係如下表2所示。
於下表2中,實施例1A至19A及比較例1A至9A之鐵磁性自由層的組成可由a′Fe-b′Co-c′B-d′Re-e′Mo之通式表示;其中,a′代表鐵相對於鐵磁性自由層之原子總數的含量比例,b′代表鈷相對於鐵磁性自由層之原子總數的含量比例,c′代表硼相對於鐵磁性自由層之原子總數的含量比例,d′代表錸相對於鐵磁性自由層之原子總數的含量比例,e′代表鉬相對於鐵磁性自由層之原子總數的含量比例。
實施例 1B 19B (E1B E19B) 及比較例 1B 9B (C1B C9B) :含單層之鐵磁性自由層的疊層結構
取一乾淨的矽基板(含有厚度約為200 nm的二氧化矽表層),將其置入超高真空磁控濺鍍機(廠商:優貝克科技股份有限公司(ULVAC))的腔體中,待腔體壓力抽至約5x10 -8torr後,以濺鍍功率約為30 W、工作壓力約3 mtorr的條件濺鍍鉬靶材,藉此於所述矽基板之表面沉積厚度約為5 nm的第一鉬層;接著以濺鍍功率約為200 W、工作壓力約7 mtorr的條件濺鍍氧化鎂靶材,藉此於所述第一鉬層之表面沉積厚度約為2 nm的氧化鎂層;接著以濺鍍功率約為20 W、工作壓力約3 mtorr的條件濺鍍前述各實施例及比較例之鐵鈷基靶材,藉此於所述氧化鎂層之表面沉積不同厚度的鐵鈷基層(即為鐵磁性自由層);最後再以濺鍍功率約為30 W、工作壓力約3 mtorr的條件濺鍍鉬靶材,藉此於所述鐵鈷基層之表面沉積厚度約為5 nm的第二鉬層,進而於所述矽基板上獲得實施例1B至19B以及比較例1B至9B之含有單層之鐵磁性自由層的疊層結構。以實施例1B之含有單層之鐵磁性自由層的疊層結構為例進行說明,所述鐵鈷基層即為實施例1A之鐵磁性自由層,所述氧化鎂層則作為穿隧阻障層,而所述第一、第二鉬層則作為電極。
比較例 10B 12B (C10B C12B) 含複合層體之鐵磁性自由層的疊層結構
取一乾淨的矽基板(含有厚度約為200 nm的二氧化矽表層),將其置入超高真空磁控濺鍍機(廠商:優貝克科技股份有限公司(ULVAC))的腔體中,待腔體壓力抽至約5x10 -8torr後,以濺鍍功率約為30 W、工作壓力約3 mtorr的條件濺鍍鉬靶材,藉此於所述矽基板之表面沉積厚度約為5 nm的第一鉬層;接著以濺鍍功率約為200 W、工作壓力約7 mtorr的條件濺鍍氧化鎂靶材,藉此於所述第一鉬層之表面沉積厚度約為2 nm的氧化鎂層;接著以濺鍍功率約為20 W、工作壓力約3 mtorr的條件濺鍍鐵鈷硼靶材,藉此於所述氧化鎂層之表面沉積厚度約為1.5 nm的第一鐵鈷硼層;接著以濺鍍功率約為30 W、工作壓力約3 mtorr的條件濺鍍鉬靶材(對應比較例10B)、鎢靶材(對應比較例11B)或鉭靶材(對應比較例12B),藉此於所述第一鐵鈷硼層之表面沉積厚度約為0.5 nm的第二鉬層、鎢層或鉭層作為非磁性間隔層;接著以濺鍍功率約為20 W、工作壓力約3 mtorr的條件濺鍍鐵鈷硼靶材,藉此於所述第二鉬層、鎢層或鉭層之表面沉積厚度約為1.5 nm的第二鐵鈷硼層;最後再以濺鍍功率約為30 W、工作壓力約3 mtorr的條件濺鍍鉬靶材,藉此於所述第二鐵鈷硼層之表面沉積厚度約為5 nm的第三鉬層(對應比較例10B)或第二鉬層(對應比較例11B及12B),進而於所述矽基板上獲得比較例10B至12B之含有複合層體之鐵磁性自由層的疊層結構。
以比較例10B之含有複合層體之鐵磁性自由層的疊層結構為例進行說明,所述第一鐵鈷硼層、所述第二鉬層以及所述第二鐵鈷硼層係為具有複合層體結構之鐵磁性自由層,所述氧化鎂層係作為穿隧阻障層,而所述第一、第三鉬層則作為電極。所述鐵鈷硼靶材係由鐵、鈷及硼所組成,且以所述鐵鈷硼靶材的原子總數為基準,鐵的含量為60 at%,鈷的含量為20 at%,硼的含量為20 at%。比較例10B至12B之疊層結構中的複合層體之鐵磁性自由層的組成及其厚度係同樣列於下表2中,其中,所述厚度係所述第一鐵鈷硼層、非磁性間隔層和第二鐵鈷硼層之厚度的總和。 表2:實施例1A至19A及比較例1A至9A之鐵磁性自由層的組成及其厚度、實施例10B至12B之疊層結構中具有複合層體結構之鐵磁性自由層的組成及其厚度以及實施例1B至19B及比較例1B至12B之疊層結構經過高溫熱處理後所具有的各異向性磁場強度(於表2中以H k表示)和有效磁性層量化指標(於表2中以K ut表示)。
組別 鐵磁性自由層 疊層結構
組成 厚度 (nm) H k (kOe) K ut (erg/cm 2)
E1A/E1B 62Fe-18Co-10.2B-9.8Mo 1.8 5.60 0.32
E2A/E2B 60Fe-20Co-10.2B-9.8Re 1.8 6.00 0.31
E3A/E3B 60Fe-20Co-10.2B-9.8Re 2.4 4.01 0.31
E4A/E4B 62.5Fe-17.5Co-12B-8Re 2 5.90 0.36
E5A/E5B 65Fe-15Co-15B-5Mo 1.9 6.00 0.34
E6A/E6B 65Fe-15Co-15B-5Mo 2 4.90 0.30
E7A/E7B 65Fe-15Co-15B-5Re 1.8 8.00 0.42
E8A/E8B 65Fe-15Co-15B-5Re 2 6.00 0.36
E9A/E9B 65Fe-15Co-15B-5Re 2.2 5.00 0.34
E10A/E10B 65Fe-15Co-15B-5Re 2.3 4.00 0.31
E11A/E11B 60Fe-20Co-17.5B-2.5Re 1.5 5.60 0.32
E12A/E12B 60Fe-20Co-18B-2Re 2 5.50 0.34
E13A/E13B 60Fe-20Co-17B-3Mo 1.8 5.37 0.30
E14A/E14B 60Fe-20Co-18B-2Re 1.8 5.31 0.30
E15A/E15B 60Fe-20Co-18B-2Re 1.5 5.50 0.34
E16A/E16B 58Fe-20Co-20B-2Re 1.5 5.67 0.31
E17A/E17B 55Fe-15Co-25B-5Re 2 5.00 0.32
E18A/E18B 44.5Fe-17.5Co-35B-3Re 2.1 5.30 0.35
E19A/E19B 39Fe-24Co-35B-2Re 1.5 5.00 0.30
C1A/C1B 64Fe-15Co-10B-11Re 2 3.00 0.18
C2A/C2B 57.5Fe-20Co-12.5B-10Re 2 3.00 0.18
C3A/C3B 60Fe-15Co-15B-10Mo 2 2.00 0.12
C4A/C4B 60Fe-15Co-15B-10Re 1.5 3.70 0.13
C5A/C5B 65Fe-15Co-15B-5Mo 2.5 0.00 0.00
C6A/C6B 65Fe-15Co-15B-5Re 2.5 3.00 0.26
C7A/C7B 64Fe-16Co-20B 1.8 0.00 0.00
C8A/C8B 60Fe-20Co-20B 1.5 3.00 0.20
C9A/C9B 46Fe-18Co-36B 1.5 2.00 0.07
C10B 60Fe-20Co-20B/Mo/60Fe-20Co-20B 3.5 4.87 0.30
C11B 60Fe-20Co-20B/W/60Fe-20Co-20B 3.5 4.13 0.25
C12B 60Fe-20Co-20B/Ta/60Fe-20Co-20B 3.5 3.33 0.20
分析 2 :經高溫熱處理後的磁性質分析
本分析係選用實施例1B至19B以及比較例1B至12B之疊層結構進行分析,藉此評估含有不同組成和厚度之鐵磁性自由層對於包含此種鐵磁性自由層之疊層結構的磁性質影響。
具體而言,以尺寸為長1公分(cm)、寬1 cm的實施例1B至19B以及比較例1B至12B之疊層結構作為試片,隨後將各組別試片置入真空退火爐中,待壓力達1x10 -5torr後,於約450℃之溫度下進行熱處理約1小時,接著以振動樣品磁測儀(vibrating sample magnetometer,VSM,廠牌:Lakeshore、型號:MicroMag 3900)量測各組別試片的M-H磁滯曲線,進而獲得各異向性磁場強度(H k)以及磁晶異向性常數(K u),隨後再將所述磁晶異向性常數與疊層結構中的鐵磁性自由層的厚度(t)相乘,以獲得有效磁性層量化指標(K ut)。
實施例1B至19B以及比較例1B至12B之疊層結構於經過450℃熱處理後所具有的各異向性磁場強度以及有效磁性層量化指標分別標示為H k以及K ut並且列於上表2中,其中,H k的單位為仟奧斯特(kOe),K ut的單位為爾格/平方公分(erg/cm 2)。
本領域技術人員可以理解的是,就複合層體之鐵磁性自由層(例如含有非磁性間隔層夾置於多層鐵鈷硼層之間)而言,其非磁性間隔層通常不對整體複合層體之鐵磁性自由層的磁性質產生實質影響,故探討有效磁性層量化指標—K ut時通常不會將非磁性間隔層的厚度納入考慮。因此,在計算比較例10B至12B的K ut時,實際上係以第一、第二鐵鈷硼層的厚度加總(即為3 nm)與磁晶異向性常數相乘而得。
實驗結果討論
由上表2的結果可見,實施例1B至實施例19B即便皆採用單層之鐵磁性自由層,此種含單層之鐵磁性自由層的疊層結構經過高溫熱處理後依然具有大於或等於4.0 kOe的H k以及大於或等於0.3 erg/cm 2之K ut的良好磁性質,由此可知,藉由控制鐵磁性自由層中的鈷、硼和特定添加金屬的含量,且同時控制鐵磁性自由層之厚度於特定範圍中,所述鐵磁性自由層能夠以單一膜層應用於MRAM元件的MTJ結構中,並且在高溫熱處理後仍保有良好磁性質,進而能確保MTJ結構仍可發揮其應有的記錄功能。
再進一步比較實施例1B至實施例19B以及比較例10B至12B,實施例1B至實施例19B係採用單層之鐵磁性自由層,但比較例10B至比較例12B則採用多層結構之複合層體作為鐵磁性自由層,即相當於現有技術中通常採用的技術方案;在此情況下,實施例1B至實施例19B歷經高溫熱處理後所具有的H k以及K ut卻能夠與比較例10B至比較例12B於高溫熱處理後所具有的H k以及K ut相當或甚至具有更高的H k以及K ut。由此可見,實施例1A至19A之單層鐵磁性自由層確實能取代現有技術之多層結構之複合層體作為鐵磁性自由層使用,省略以往必須設計複合層體才能保有所期望之熱穩定性;故,採用實施例1A至19A之單層鐵磁性自由層能避免MRAM元件涉及難度高、成本高的製程,並且同樣能夠在高溫熱處理後保有良好的磁性質,維持良好的熱穩定性。
再進一步比較實施例1B至19B以及比較例7B至9B的結果,在同樣皆採用單層鐵磁性自由層的情況下,比較例7B至9B之鐵磁性自由層的組成中並未含有本發明限定之添加金屬,且比較例9B之鐵磁性自由層中的硼含量亦超出本發明所限定大於10 at%且小於或等於35 at%之範圍,因此比較例7B至9B於高溫熱處理後所具有的H k(依序分別為0.00 kOe、3.00 kOe和2.00 kOe)以及K ut (依序分別為0.00 erg/cm 2、0.20 erg/cm 2和0.07 erg/cm 2)皆劣於實施例1B至19B的結果,即於高溫熱處理後具有較差的磁性質,顯示其應用於MRAM元件中存在熱穩定性不佳的問題。
再進一步比較實施例1B至19B以及比較例5B及6B的結果,在同樣皆採用單層鐵磁性自由層的情況下,比較例5B及6B之鐵磁性自由層的組成雖然皆符合本發明所限定之條件,然而,比較例5B及6B之鐵磁性自由層的厚度係超出本發明所限定大於或等於1.5 nm且小於2.5 nm的範圍,因此比較例5B及6B於高溫熱處理後所具有的H k分別為0.00 kOe和3.00 kOe,而K ut則分別為0.00 erg/cm 2和0.26 erg/cm 2,顯然相較於實施例1B至19B具有較差的磁性質。
再進一步比較實施例1B至19B以及比較例1B至5B的結果,在同樣皆採用單層鐵磁性自由層的情況下,比較例1B至5B之鐵磁性自由層的組成雖然都含有特定種類之添加金屬,惟該等組別之添加金屬的含量皆超出本發明所限定大於或等於2 at%且小於10 at%的範圍,因此比較例1B至5B於高溫熱處理後所具有的H k無法高於3.70 kOe,而K ut則無法高於0.18 erg/cm 2,故相較於實施例1B至19B同樣具有較差的磁性質。
綜上所述,本發明藉由控制鐵磁性自由層的組成及其厚度,使本發明之鐵磁性自由層能夠以單一層體應用於MTJ結構中,並且具有足夠的熱穩定性而不會因高溫熱處理造成磁性質嚴重受損,可使MTJ結構發揮正常的記錄功能;同時,本發明之鐵磁性自由層並非具有多層結構的複合層體,因此具有製程難度與成本皆相對較低的優勢,從而使MRAM元件有更佳的量產性與可應用性,因而具有相當高的發展潛力與價值。
10:下電極 20:固定層 30:參考層 40:穿隧阻障層 50:自由層 60:上電極
圖1為一般MRAM元件之簡要結構示意圖。
無。
10:下電極 20:固定層 30:參考層 40:穿隧阻障層 50:自由層 60:上電極

Claims (14)

  1. 一種鐵磁性自由層,其包含鐵、鈷、硼以及一添加金屬,且以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,鈷的含量係大於0原子百分比且小於30原子百分比,硼的含量係大於10原子百分比且小於或等於35原子百分比,該添加金屬的含量係大於或等於2原子百分比且小於10原子百分比;其中,該添加金屬包含鉬、錸或其組合,該鐵磁性自由層的厚度係大於或等於1.5奈米且小於2.5奈米。
  2. 如請求項1所述之鐵磁性自由層,其中,以該鐵磁性自由層的原子總數為基準,硼的含量係大於10原子百分比且小於27原子百分比。
  3. 一種含有鐵磁性自由層的疊層結構,其包含一鐵磁性自由層以及一穿隧阻障層,且該鐵磁性自由層係設置於該穿隧阻障層的表面上;其中,該鐵磁性自由層係如請求項1或2所述之鐵磁性自由層,該穿隧阻障層的材料包含氧化鎂或氧化鎂基材料。
  4. 如請求項3所述之疊層結構,其中,該疊層結構的各異向性磁場強度係大於或等於4仟奧斯特。
  5. 如請求項3或4所述之疊層結構,其中,該疊層結構的磁晶異向性常數與該鐵磁性自由層的厚度的乘積係大於或等於0.3爾格/平方公分。
  6. 一種磁穿隧結接面結構,其包含一鐵磁性參考層、一穿隧阻障層以及一鐵磁性自由層,且該穿隧阻障層係設置於該鐵磁性參考層與該鐵磁性自由層之間;其中,該鐵磁性自由層係如請求項1或2所述之鐵磁性自由層。
  7. 如請求項6所述之磁穿隧結接面結構,其中,該穿隧阻障層的材料包含氧化鎂或氧化鎂基材料。
  8. 如請求項6或7所述之磁穿隧結接面結構,其中,該鐵磁性參考層的材料係選自於下列所組成之群組:鈷、鎳、鐵、鈷鐵、鈷鉑、鈷鈀、鈷鎳、鐵鉑、鐵鈀、鐵硼、鈷鐵硼及其組合。
  9. 一種磁阻式隨機存取記憶體,其由下至上依序包括一下電極、一固定層、一鐵磁性參考層、一穿隧阻障層、一鐵磁性自由層和一上電極;其中,該鐵磁性自由層係如請求項1或2所述之鐵磁性自由層。
  10. 如請求項9所述之磁阻式隨機存取記憶體,其中,該穿隧阻障層的材料包含氧化鎂或氧化鎂基材料。
  11. 如請求項9或10所述之磁阻式隨機存取記憶體,其中,該鐵磁性參考層的材料係選自於下列所組成之群組:鈷、鎳、鐵、鈷鐵、鈷鉑、鈷鈀、鈷鎳、鐵鉑、鐵鈀、鐵硼、鈷鐵硼及其組合。
  12. 如請求項9或10所述之磁阻式隨機存取記憶體,其中,該上電極的材料和該下電極的材料係各自選自於下列所組成之群組:鉭、釕、氮化鉭及氮化鈦。
  13. 一種鐵鈷基靶材,其包含鐵、鈷、硼以及一添加金屬,且以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,鈷的含量係大於0原子百分比且小於30原子百分比,硼的含量係大於10原子百分比且小於或等於35原子百分比,該添加金屬的含量係大於或等於2原子百分比且小於10原子百分比;其中,該添加金屬包含鉬、錸或其組合,該鐵鈷基靶材具有α型鐵鈷結晶相,且該α型鐵鈷結晶相在(200)晶面的特徵峰強度與在(110)晶面的特徵峰強度之比值係大於0.9。
  14. 如請求項13所述之鐵鈷基靶材,其中,以該鐵鈷基靶材的原子總數為基準,硼的含量係大於10原子百分比且小於27原子百分比。
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CN101691637A (zh) * 2009-09-29 2010-04-07 北京航空航天大学 一种Mo掺杂的FeCo基软磁合金
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