1.一种存储装置中的磁穿隧结(mtj),包括:
(a)一隧道位障层,是在一固定层和一自由层之间形成的一第一金属氧化物层,其中该隧道位障层具有与该自由层的一第一界面,该第一界面在该自由层中产生界面垂直磁异向性(pma);
(b)一第二金属氧化物层,在与该第一界面相反的一侧与该自由层形成一第二界面,且在该自由层中产生界面垂直磁异向性,且其中该第二金属氧化物层具有非化学计量氧化态和晶格结构,其中以一掺质占据多个晶格位置,该掺质为n、s、se、p、c、te、as、sb或bi之一;以及
(c)该自由层,在垂直于平面的方向上具有磁化强度。
2.如权利要求1的磁穿隧结,其中该自由层是包括fe的单层或多层结构,其中fe含量大于该自由层中的磁性元素的总含量的50原子%。
3.如权利要求1的磁穿隧结,其中该自由层具有固有垂直磁异向性且是ni2mnz、pd2mnz、co2mnz、fe2mnz、co2fez、mn3ge或mn2ga之一的何士勒合金,其中z是si、ge、al、ga、in、sn和sb之一,或是有序ll0或l11材料,该有序ll0或l11材料的组成为mnal、mnga之一,或是合金rt,其中r为rh、pd、pt、ir或前述的合金,且t为fe、co、ni或前述的合金,或是具有tbfeco、gdcofe、fendb或smco组成的稀土合金。
4.如权利要求1的磁穿隧结,其中该第一金属氧化物层包括mg、ti、alti、mgzn、al、zn、zr、hf或mgta中的一或多种。
5.如权利要求1的磁穿隧结,其中该第二金属氧化物层包括mg、si、ti、ba、ca、la、mn、v、al和hf中的一或多种。
6.如权利要求1的磁穿隧结,其中该第二金属氧化物层中的该掺质的浓度为约100ppm至20原子%。
7.如权利要求1的磁性元件,其中该磁穿隧结形成于磁阻式随机存取存储器(mram)、自旋转移扭矩磁阻式随机存取存储器(stt-mram)、磁性感测器、生物感测器或自旋扭矩振荡器中。
8.如权利要求1的磁穿隧结,还包括一金属氮化物层或一金属氧氮化物层,该金属氮化物层或该金属氧氮化物层在对于与该自由层的该第二界面相反的一侧上与该第二金属氧化物层形成一界面。
9.如权利要求8的磁穿隧结,其中该第二金属氧化物层是mgo,该金属氮化物层是mgn,且该金属氧氮化物层是mgon。
10.一种形成磁穿隧结(mtj)的方法,包括:
(a)提供一基底,该基底为一籽晶层;
(b)在该基底上形成一金属氧化物(mox)层,该金属氧化物层包括一金属或合金m且具有非化学计量氧化态,且其中该金属氧化物层具有以一掺质占据多个晶格位置的晶格结构,其中该掺质是n、s、se、p、c、te、as、sb或bi之一;以及
(c)在该金属氧化物层上依序形成一自由层、一隧道位障层和一固定层以形成一磁穿隧结堆叠层,其中经由与该金属氧化物层的一第一界面并经由与该隧道位障层的一第二界面在该自由层中产生垂直磁异向性。
11.如权利要求10的方法,其中以该掺质形成该金属氧化物层包括:
(a)在该基底上沉积包括该金属或合金m的一金属层;以及
(b)使该金属层暴露于含有气体形式的掺质物种和氧物种的反应气体环境中。
12.如权利要求10的方法,其中以该掺质形成该金属氧化物层包括:
(a)在该基底上沉积包括该金属或合金m的一金属层;
(b)将该金属层氧化为一金属氧化物层;以及
(c)将该金属氧化物层暴露于含有气体形式的掺质物种的反应气体环境中。
13.如权利要求10的方法,其中以该掺质形成该金属氧化物层包括溅镀沉积包括该金属或合金m、氧和该掺质的一靶材。
14.如权利要求10的方法,其中以该掺质形成该金属氧化物层包括在一反应性气体环境中溅镀沉积包括该金属或合金m和氧的一靶材,该反应性气体环境包括气体形式的掺质物种。
15.如权利要求10的方法,其中以该掺质形成该金属氧化物层包括:
(a)溅镀沉积包括该金属或合金m和氧的一靶材,以在该基底上形成具有非化学计量氧化态的一金属氧化物层;以及
(b)将该溅镀沉积的金属氧化物层暴露于气体形式的掺质物种。
16.如权利要求10的方法,其中以该掺质形成该金属氧化物层包括将该掺质离子注入到具有非化学计量氧化态的一沉积的金属氧化物层中。
17.如权利要求10的方法,还包括在以该掺质形成该金属氧化物层之后进行一或多个退火步骤。
18.如权利要求10的方法,其中该掺质为n,且以该掺质形成该金属氧化物层包括:
(a)在该基底上形成一金属氧化物层,该金属氧化物层包括该金属或合金m和非化学计量氧化态;
(b)在具有该非化学计量氧化态的金属氧化物层上形成一金属氮化物层或金属氧氮化物层;以及
(c)进行一退火步骤,使得来自该金属氮化物层或金属氧氮化物层的氮扩散到具有该非化学计量氧化态的该金属氧化物层中,以填充该金属氧化物层中的多个晶格空位。
19.一种形成磁穿隧结(mtj)的方法,包括:
(a)提供一堆叠层,其中在一基底上依序形成一固定层、一隧道位障层和一自由层;
(b)在该自由层上形成一金属氧化物(mox)层,该金属氧化物层包括一金属或合金m且具有非化学计量氧化态,且其中该金属氧化物层具有以一掺质占据多个晶格位置的晶格结构,该掺质为n、s、se、p、c、te、as、sb或bi之一;以及
(c)在该金属氧化物层上沉积一盖层以形成一磁穿隧结堆叠层,其中经由与该金属氧化物层的一第一界面和与该隧道位障层的一第二界面在该自由层中产生垂直磁异向性。
20.如权利要求19的方法,其中以该掺质形成该金属氧化物层包括:
(a)在该自由层上沉积包括该金属或合金m的一金属层;以及
(b)使该金属层暴露于含有气体形式的掺质物种和氧物种的反应气体环境中。
21.如权利要求19的方法,其中以该掺质形成该金属氧化物层包括:
(a)在该自由层上沉积包括该金属或合金m的一金属层;
(b)将该金属层氧化为一金属氧化物层;以及
(c)将该金属氧化物层暴露于含有气体形式的掺质物种的反应性气体环境中。
22.如权利要求19的方法,其中以该掺质形成该金属氧化物层包括溅镀沉积包括该金属或合金m、氧和该掺质的一靶材。
23.如权利要求19的方法,其中以该掺质形成该金属氧化物层包括在一反应性气体环境中溅镀沉积包括该金属或合金m和氧的一靶材,该反应性气体环境包括气体形式的掺质物种。
24.如权利要求19的方法,其中以该掺质形成该金属氧化物层包括:
(a)溅镀沉积包括该金属或合金m和氧的一靶材,以在该自由层上形成具有非化学计量氧化态的一金属氧化物层;以及
(b)将该溅镀沉积的金属氧化物层暴露于气体形式的该掺质。
25.如权利要求19的方法,其中以该掺质形成该金属氧化物层包括将该掺质离子注入到具有非化学计量氧化态的一沉积的金属氧化物层中。
26.如权利要求19的方法,还包括在以该掺质形成该金属氧化物层之后进行一或多个退火步骤。
27.如权利要求19的方法,其中该掺质为n,且以该掺质形成该金属氧化物层包括:
(a)在该自由层上形成一金属氧化物层,该金属氧化物层包括该金属或合金m和非化学计量氧化态;
(b)在具有该非化学计量氧化态的该金属氧化物层上形成一金属氮化物层或一金属氧氮化物层;以及
(c)进行一退火步骤,使得来自该金属氮化物层或该金属氧氮化物层的氮扩散到具有该非化学计量氧化态的该金属氧化物层中,以填充该金属氧化物层中的多个晶格空位。