本文描述的各實(shí)施例涉及磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)，并且尤其涉及MRAM中的磁性隧道結(jié)(MTJ)。

背景

MRAM(磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)是可以利用MTJ(磁性隧道結(jié))器件的非易失性存儲(chǔ)器，其中MTJ器件的狀態(tài)取決于其鐵磁層的磁性(電子自旋)取向。STT-MTJ(自旋矩轉(zhuǎn)移MTJ)通過(guò)使用開(kāi)關(guān)電流來(lái)改變自旋取向。為了達(dá)成具有良好熱穩(wěn)定性以及低切換電流的高密度MRAM，已經(jīng)嘗試開(kāi)發(fā)具有高垂直磁各向異性(PMA)的MTJ器件。在具有自由鐵磁層的垂直磁性隧道結(jié)(p-MTJ)中，自由鐵磁層中的磁場(chǎng)取向垂直于勢(shì)壘層與鐵磁層之間的界面。使p-MTJ器件具有高隧道磁阻(TMR)、高PMA、以及良好的數(shù)據(jù)留存是合乎期望的。

概述

本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及一種具有改善的隧道磁阻(TMR)、垂直磁各向異性(PMA)、數(shù)據(jù)留存、以及熱穩(wěn)定性的磁性隧道結(jié)(MTJ)器件以及用于制造此類磁性隧道結(jié)的方法。此外，根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的MTJ器件的磁屬性和電屬性在高工藝溫度處可以被維持。

在一實(shí)施例中，一種磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)器件，包括：具有第一磁矩的第一自由鐵磁層；置于該第一自由鐵磁層上的合成抗鐵磁(SAF)耦合層；以及置于SAF耦合層上的第二自由鐵磁層，該第二自由鐵磁層具有與第一自由鐵磁層的第一磁矩相對(duì)的第二磁矩。

在另一實(shí)施例中，一種磁性隧道結(jié)(MTJ)器件包括：具有第一磁矩的第一自由鐵磁層；置于該第一自由鐵磁層上的合成抗鐵磁(SAF)耦合層；以及置于SAF耦合層上的第二自由鐵磁層，該第二自由鐵磁層具有與第一自由鐵磁層的第一磁矩相對(duì)的第二磁矩。

在另一實(shí)施例中，一種用于制造磁性隧道結(jié)(MTJ)的方法，該方法包括用于執(zhí)行以下操作的步驟：形成具有第一磁矩的第一自由鐵磁層；在該第一自由鐵磁層上形成合成抗鐵磁(SAF)耦合層；以及在SAF耦合層上形成第二自由鐵磁層，該第二自由鐵磁層具有與第一自由鐵磁層的第一磁矩相對(duì)的第二磁矩。

在又一實(shí)施例中，一種用于制造磁性隧道結(jié)(MTJ)的方法，該方法包括以下步驟：形成具有第一磁矩的第一自由鐵磁層；在該第一自由鐵磁層上形成合成抗鐵磁(SAF)耦合層，該SAF耦合層包括從釕(Ru)和鉻(Cr)組成的組中選擇的材料；以及在SAF耦合層上形成第二自由鐵磁層，該第二自由鐵磁層具有與第一自由鐵磁層的第一磁矩相對(duì)的第二磁矩。

附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

給出附圖以幫助對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行描述，且提供附圖僅用于解說(shuō)實(shí)施例而非對(duì)其進(jìn)行限定。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)中的磁性隧道結(jié)(MTJ)的截面圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的勢(shì)壘層、合成抗鐵磁(SAF)耦合自由鐵磁層結(jié)構(gòu)以及覆蓋層的更詳細(xì)的截面圖。

圖3A和3B是解說(shuō)圖2的第一和第二自由鐵磁層的相對(duì)磁矩的圖示。

圖4是解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的制造MTJ器件的方法的流程圖。

圖5是解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的制造MTJ器件的方法的更詳細(xì)的流程圖。

詳細(xì)描述

本發(fā)明的各方面在以下針對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的描述和有關(guān)附圖中被公開(kāi)?？梢栽O(shè)計(jì)替換實(shí)施例而不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。另外，本發(fā)明的眾所周知的元素將不被詳細(xì)描述或?qū)⒈皇÷砸悦怃螞](méi)本發(fā)明的有關(guān)系的細(xì)節(jié)。

措辭“示例性”在本文中用于表示“用作示例、實(shí)例或解說(shuō)”。本文中描述為“示例性”的任何實(shí)施例不必被解釋為優(yōu)于或勝過(guò)其他實(shí)施例。同樣，術(shù)語(yǔ)“本發(fā)明的各實(shí)施例”并不要求本發(fā)明的所有實(shí)施例都包括所討論的特征、優(yōu)點(diǎn)、或工作模式。

本文中所使用的術(shù)語(yǔ)僅出于描述特定實(shí)施例的目的，而并不旨在限定本發(fā)明的實(shí)施例。如本文所使用的，單數(shù)形式的“一”、“某”和“該”旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確指示并非如此。還將理解，術(shù)語(yǔ)“包括”、“具有”、“包含”或“含有”在本文中使用時(shí)指定所陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、要素、或組件的存在，但并不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、要素、組件或其群組的存在或添加。此外，要理解，單詞“或”與布爾運(yùn)算符“OR(或)”具有相同含義，即它涵蓋了“任一者”以及“兩者”的可能性并且不限于“異或”(“XOR”)，除非另有明確聲明。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)中的磁性隧道結(jié)(MTJ)器件100的截面圖，磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)包括合成抗鐵磁(SAF)耦合自由鐵磁層結(jié)構(gòu)。在圖1中，提供了底部電極102，并且晶種層104按照常規(guī)方式被置于底部電極102上。在一實(shí)施例中，底部SAF層106被形成在晶種層104上，并且可包括釕(Ru)或鉻(Cr)的SAF層108被形成在底部SAF層106上。在又一實(shí)施例中，頂部SAF層110被形成在SAF層108上。在又一實(shí)施例中，基準(zhǔn)層112被形成在頂部SAF層110上。

在根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例中，勢(shì)壘層114被形成在基準(zhǔn)層112上。在又一實(shí)施例中，勢(shì)壘層114包括氧化鎂(MgO)。在又一實(shí)施例中，勢(shì)壘層114包括具有(1 0 0)表面取向的MgO層，將在下文關(guān)于圖2更詳細(xì)地進(jìn)行描述。其他材料可以被實(shí)現(xiàn)在勢(shì)壘層114中而不背離本發(fā)明的范圍。

此外，MTJ器件100包括SAF耦合自由鐵磁層結(jié)構(gòu)116，該結(jié)構(gòu)的一實(shí)施例包括如圖2中所示的多層結(jié)構(gòu)(將在下文更詳細(xì)地討論)。參考圖1，SAF耦合自由鐵磁層結(jié)構(gòu)116被置于勢(shì)壘層114上。在一實(shí)施例中，覆蓋層118被形成在SAF耦合自由鐵磁層結(jié)構(gòu)116上。在又一實(shí)施例中，覆蓋層118包括具有(1 0 0)表面取向的MgO層。替換地，覆蓋層118可包括氧化鋁(AlOx)。其他材料也可以被實(shí)現(xiàn)在覆蓋層118中而不背離本發(fā)明的范圍。在一實(shí)施例中，頂部電極120被形成在覆蓋層118上。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的勢(shì)壘層114、SAF耦合自由鐵磁層結(jié)構(gòu)116以及覆蓋層118的更詳細(xì)的截面圖。在圖2所示的實(shí)施例中，勢(shì)壘層114包括具有(1 0 0)表面取向的MgO層。在一實(shí)施例中，SAF耦合自由鐵磁層結(jié)構(gòu)116包括第一自由鐵磁層202(第一自由鐵磁層202本身包括三層結(jié)構(gòu))、形成在第一自由鐵磁層202上的SAF耦合層204、以及SAF耦合層204上的第二自由鐵磁層206(第二自由鐵磁層206本身包括兩層結(jié)構(gòu))。在一實(shí)施例中，覆蓋層118(可包括MgO層或者替換地AlOx層)被形成在第二自由鐵磁層206上。

在一實(shí)施例中，第一自由鐵磁層202包括形成在勢(shì)壘層114上的富鐵鈷鐵硼(Fe-rich CoFeB)層202a。在又一實(shí)施例中，F(xiàn)e-rich CoFeB層202a與勢(shì)壘層114具有外延關(guān)系以提供高隧道磁阻(TMR)和高垂直磁各向異性(PMA)。在又一實(shí)施例中，F(xiàn)e-rich CoFeB層202a經(jīng)受高溫退火工藝以將Fe-rich CoFeB材料從非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成晶體結(jié)構(gòu)。

在一實(shí)施例中，中間層202b被形成在Fe-rich CoFeB層202a上。在又一實(shí)施例中，中間層202b包括鈷鐵硼鉭(CoFeBTa)層。在另一實(shí)施例中，中間層202b包括鈷鐵硼鉿(CoFeBHf)層。替換地，另一元素可被用作中間層202b中的鈷鐵硼(CoFeB)結(jié)構(gòu)中的鉭(Ta)或鉿(Hf)的替換。在一實(shí)施例中，薄鈷(Co)層202c被形成在中間層202b上。在又一實(shí)施例中，Co層202c在厚度上不超過(guò)5埃。

在一實(shí)施例中，形成在薄Co層202c之上的SAF耦合層204包括釕(Ru)。替換地，SAF耦合層204包括鉻(Cr)。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，另一元素可以被實(shí)現(xiàn)在SAF耦合層204中以代替薄Co層202c之上的Ru或Cr。薄Co層202c幫助增加SAF耦合以改善PMA并且在后退火期間阻止SAF耦合層204的擴(kuò)散。如圖2所示，F(xiàn)e-rich CoFeB層202a、中間層202b(可包括CoFeBTa或CoFeBHf)以及薄Co層202c一起形成第一自由鐵磁層202。

在一實(shí)施例中，第二自由鐵磁層206被形成在SAF耦合層204上，第二自由鐵磁層206可包括Ru、Cr或另一材料。第二自由鐵磁層206(被置于與第一自由鐵磁層202相對(duì)的SAF耦合層204之上)增強(qiáng)了MTJ器件的PMA。在一實(shí)施例中，第二自由鐵磁層206包括形成在SAF耦合層204之上的薄Co層206a。在又一實(shí)施例中，薄Co層206a具有不超過(guò)5埃的厚度。在一實(shí)施例中，薄Fe-rich CoFeB層206b被形成在薄Co層206a上。薄Co層206a和薄Fe-rich CoFeB層206b一起形成第二自由鐵磁層206。薄Co層206a增加SAF耦合，改善PMA，并且在后退火期間幫助阻止Ru或Cr從SAF耦合層204的擴(kuò)散。此外，薄Fe-rich CoFeB層206b進(jìn)一步增強(qiáng)MTJ器件的PMA。

在一實(shí)施例中，覆蓋層118被形成在第二自由鐵磁層206的Fe-fich CoFeB層206b上。在一實(shí)施例中，覆蓋層118可以被認(rèn)為第二自由鐵磁層206的不可分割的一部分。如上所討論的，覆蓋層118可包括具有(1 0 0)表面取向的MgO或替換的AlOx。在一實(shí)施例中，第一自由鐵磁層202以下的勢(shì)壘層114以及第二自由鐵磁層206之上的覆蓋層118包括具有(1 0 0)表面取向的MgO，該表面取向是參考第一自由鐵磁層202與SAF耦合層204之間的平面分界表面203或者SAF耦合層204與第二自由鐵磁層206之間的平面分界表面205的表面取向。

圖3A和3B提供了圖2的第一和第二自由鐵磁層的相反磁矩的示例性圖解。圖3A解說(shuō)了作為充當(dāng)MRAM中的存儲(chǔ)器單元的MTJ器件的一部分的SAF耦合自由鐵磁層結(jié)構(gòu)116，其中第一自由鐵磁層202具有在由指向上的箭頭302所指示的方向上的磁矩，而第二自由鐵磁層206具有在由指向下的箭頭304所指示的方向上的磁矩。指向上的箭頭302和指向下的箭頭304垂直于平面分界表面203和205，并且因而圖1和2中解說(shuō)并且如上所述的MTJ器件被稱為垂直磁性隧道結(jié)(p-MTJ)器件。在圖3B中，第一自由鐵磁層202具有在由指向下的箭頭306所指示的方向上的磁矩，而第二自由鐵磁層206具有在指向上的箭頭308所指示的方向上的磁矩。

在圖3A或圖3B中，第一自由鐵磁層202的磁矩與第二自由鐵磁層206的磁矩相反。SAF耦合層204耦合第一和第二自由鐵磁層202和206的磁性取向，以使得它們的磁性或電子自旋取向彼此相反，藉此得到減少的磁性偏移以及來(lái)自偏離磁場(chǎng)的減少的干擾。在一實(shí)施例中，圖3A的MRAM存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)(其中第一和第二自由鐵磁層202和206的磁矩的方向302和304指向彼此)可以被認(rèn)為存儲(chǔ)數(shù)字“0”，而圖3B的MRAM存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)(其中第一和第二自由鐵磁層202和206的磁矩的方向306和308指向背離彼此)可以被認(rèn)為存儲(chǔ)數(shù)字“1”。替換地，圖3A的MRAM存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)可以被認(rèn)為存儲(chǔ)“1”而圖3B的MRAM存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)可以被認(rèn)為存儲(chǔ)“0”。

圖4是解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的制造MTJ器件的方法的流程圖。在圖4中，在步驟402中形成具有第一磁矩的第一自由鐵磁層。在一實(shí)施例中，第一自由鐵磁層202被形成在勢(shì)壘層114上，例如，具有(1 0 0)表面取向的MgO層，如上文參考圖2所描述的。在一實(shí)施例中，第一自由鐵磁層202包括Fe-rich CoFeB層202a、中間層202b、以及Co層202c，中間層202b可包括CoFeBTa或CoFeBHf，如上參考圖2所述。

參考圖4，在步驟404中，在第一自由鐵磁層上形成合成抗鐵磁(SAF)耦合層。在一實(shí)施例中，SAF耦合層包括Ru或替換地Cr，如上參考圖2所述。回頭參考圖4，在步驟406中，第二自由鐵磁層被形成在SAF耦合層上，第二自由鐵磁層具有與第一自由鐵磁層的第一磁矩相反的第二磁矩。在一實(shí)施例中，第二自由鐵磁層206包括Co層206a和Fe-rich CoFeB層206b，如上參考圖2所述。在又一實(shí)施例中，覆蓋層118(例如，具有(1 0 0)表面取向的MgO層或替換地AlOx層)被形成在第二自由鐵磁層206上，如上參考圖2所述。

圖5是解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的制造MTJ器件的方法的更詳細(xì)的流程圖。在圖5中，在步驟502中，形成包括MgO的勢(shì)壘層。接著在步驟504中，F(xiàn)e-rich CoFeB層在勢(shì)壘層上外延生長(zhǎng)，并且在步驟506中，F(xiàn)e-rich CoFeB層被退火以形成晶體Fe-rich CoFeB結(jié)構(gòu)。在一實(shí)施例中，F(xiàn)e-rich CoFeB層經(jīng)受高溫退火工藝以將Fe-rich CoFeB材料從非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成晶體結(jié)構(gòu)。

在一實(shí)施例中，在步驟508中，包括從CoFeBTa和CoFeBHf組成的組中選擇的材料的中間層被形成在Fe-rich CoFeB層上。接著在步驟510中，Co層被形成在中間層上。在一實(shí)施例中，具有不超過(guò)5埃厚度的薄鈷層被形成在中間層上，它可以是CoFeBTa或CoFeBHf。根據(jù)步驟504、506、508和510制造的Fe-rich CoFeB層、中間層以及Co層一起形成第一自由鐵磁層，諸如上文參考圖2描述的第一自由鐵磁層202。

參考圖5，在步驟512中，在第一自由鐵磁層上形成合成抗鐵磁(SAF)耦合層。如上所述，SAF耦合層可包括釕或替換地鉻。接著在步驟514中，Co層被形成在SAF耦合層上。在一實(shí)施例中，形成在SAF耦合層頂上的Co層可以是具有不超過(guò)5埃厚度的薄鈷層。隨后在步驟516中，F(xiàn)e-rich CoFeB層被形成在Co層上。根據(jù)步驟514和516制造的Co層和Fe-rich CoFeB層一起形成第二自由鐵磁層，諸如上文參考圖2描述的第二自由鐵磁層206。在又一實(shí)施例中，覆蓋層118(諸如具有(1 0 0)表面取向的MgO層或替換地AlOx層)可以被形成在根據(jù)步驟516制造的Fe-rich CoFeB層頂部。

盡管上述公開(kāi)描述了本發(fā)明的解說(shuō)性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)注意到，在其中可作出各種更換和改動(dòng)而不會(huì)脫離如所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的范圍。根據(jù)本文中所描述的本發(fā)明實(shí)施例的方法和裝置權(quán)利要求的功能、步驟或動(dòng)作不必按任何特定次序來(lái)執(zhí)行，除非另外明確指示。此外，盡管本發(fā)明的要素可能是以單數(shù)來(lái)描述或主張權(quán)利的，但是復(fù)數(shù)也是已料想了的，除非顯式地聲明了限定于單數(shù)。