用于多层磁性材料的改良式晶种层的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明揭露关于一种磁性元件，其包含一晶种层及具有至少400°C热稳定性的成长促进层，以及促使一覆盖式多层堆叠的强固(111)晶体结构，进而改善包含He及Hk于覆盖式堆叠的垂直磁异向性(Perpendicular Magnetic Anisotropy, ΡΜΑ) ο
【背景技术】
[0002]磁阻性随机存取记忆体(MagnetoresistiveRandom Access Memory, MRAM)基于具有磁性穿隧接面(Magnetic Tunnel Junct1n，MTJ)技术的娃集成互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)，其为一个主要的新兴技术，与如静态存取记忆体(Static Random-Access Memory, SRAM)、动态存取记忆体(DynamicRandom Access Memory,DRAM)及快闪记忆体(Flash)等现有的半导体记忆体高度竞争。同样地，由C.Slonczewski所描述的自旋转移(自旋扭距或是STT)磁开关(1996，“Currentdriven excitat1n of magnetic multi layers^, J.Magn.Magn.Mater.V 159，L1-L7)促进了千兆规模般旋转扭力MRAM的自旋电子装置的潜在潜力的极大兴趣。
[0003]MRAM及 STT-MRAM 皆有一基于穿隧式磁阻(Tunneling Magneto-Resistance, TMR)效应的MTJ元件，其中一复数堆叠层具有一被薄的非磁性介电层所隔开的两铁磁性层的结构，MTJ元件为一典型的由第一导电线的底部电极及第二导电线的顶部电极且顶部电极跨越底部电极所形成，一具有复数层次的MTJ堆叠具有自底部电极依序组成的晶种层、铁磁性参考层、薄的通道阻障层及一铁磁性自由层的底部自旋阀结构，自由层具有一磁性力矩于参考层中，磁性力矩可为平行或是非平行，通道阻障层够薄以使电子通过，且可以由传导电子的量子力学通道所建立，自由层的磁性力矩可改变响应于外部磁场，及磁性力距的相对方向是在于自由层及参考层间，可确定穿隧电流及电阻于穿隧接面中。当一感应电流自顶部电极通过至底部电极于垂直方向至MTJ层中，一低电阻被侦测到的自由层和参考层的磁化方向是平行的状态(“O”记忆体状态)，及它们在一个反平行状态或是” I”记忆体状态则具有高电阻的注意。随着MRAM晶片的尺寸减小，利用电流负载线所产生的外部磁场转换磁性力矩的方向就会成为问题，自旋扭距的MRAM被开发提供一坚固的磁性开关安全边际以通过消除半选择干扰问题，相较习知的MRAM，自旋扭距MRAM具有一优点以避免半选择问题及相邻晶片中的编写干扰，自旋转移效应源自铁磁-垫片-铁磁(ferromagnetic-spacer-ferromagnetic)多层的自旋相关电子传输特性，当自旋极化电流横切一磁性多层在以CPP结构中，电子入射波的自旋角动量在一铁磁性层与附近界面的磁性力矩于铁磁与非磁性隔板间相互感应，藉由这种相互感应，电子转移一部分角动量至铁磁性层中，因此，自旋极化电流可以切换铁磁性层的磁化方向，若电流密度够高，自旋扭距MRAM及习知的MRAM的区别仅在于编写机制的不同，而读出机制则是相同的。
[0004]对于MRAM及自旋扭距MRAM的应用中，利用具有极大及可调抗磁力场(He)及异向性场(Hk)的PMA薄膜通常很重要的，例如，PMA薄膜可作针扎层、自由层或偶极(偏差补偿)层在MTJ元件或在PMA介质中，以用于电磁感测装置、磁性资料储存或是其它自旋电子装置。此外，一个关键的要求是He、Hk及其它特性如磁阻性(Magnetoresistive，MR)的比例不会恶化于处理升高温度达400°C或更高时，在一些应用中，还必需要限制总厚度小于100埃于晶种层及其它PMA层下面的层次，并使用仅显示与装置设计和高温处理要求相兼容的材料。
[0005]以PMA作为磁性及磁-光纪录的应用特别重要，具有垂直磁异向性的自旋电子装置优于MRAM基于面内异向性，因为可满足热稳定性的要求，并具有低切换电流密度，且没有限制晶片的外观比。因此，自旋阀结构基于PMA能够扩展为更高的堆积密度，为未来MRAM的应用及自旋电子装置的主要挑战之一。
[0006]当一个记忆体晶片尺寸减小而必须具有更大的磁异向性，因为热稳定性的因素正比于记忆体晶片的体积。一般而言，PMA材料具有的磁异向性大于习知的如镍铁(NiFe)或钴铁硼(CoFeB)的面内软磁材料，因此，用于PMA的磁性装置有利于获得低的切换电流及高的热稳定性。
[0007]多个PMA材料系统已被提出用于最新如多层次的铂/铁(Pt/Fe)、钮/钴(Pd/Co)及镍/钴(Ni/Co)，及有序(例如LlO结构)和无序的合金，但仍有需要改进于Hc、Hk、温度稳定性及材料的兼容性，在研宄PMA的材料系统中，一镍/钴(Ni/Co)的复数层为更有前途的研宄，因为在磁性装置中使用的极大化学位能He及Hk、高退火温度的良好稳定性及潜在的兼容性之一，然而镍/钴(Ni/Co)的复数层及类似物通常需要一个厚的晶种层以促使高的PM，晶种层的厚度相较100埃需要更薄于不同层中的自旋阀结构，以维持MTJ元件一定的最小厚度，且容易导致性能下降。
[0008]一种改进的晶种层仍然需要足够薄，以与自旋电子装置兼容，并可促使更大的PMA于覆盖式钴/镍(Co/Ni)的复数层或钴铁硼(CoFeB)层，并与磁性装置的设计及加工的要求兼容。
【发明内容】
[0009]本发明的第一目的是提供一种基底堆叠，其包括一晶种层，以将比先前技术促进更大的Hk及He于一覆盖式PMA层及热稳定性高达400°C的制造温度。
[0010]本发明的第二目的是根据第一目的以提供一高PMA结构的材料组，且能够相容于磁性装置中的其它各层，并具有100埃(Angstrom)或更小的厚度。
[0011]根据第一实施例，完成这些目的将藉由一磁性元件，其是一具有晶种层、PMA参考层、通道阻障层、自由层及覆盖层所组成的底部自旋阀结构的MTJ。晶种层(底层)是由一或多个钽(Ta)、锆(Zr)、铌(Nb)、氮化钽(TaN)、氮化锆(ZrN)、氮化铌(NbN)及钌(Ru)的基底及一或多个(Mg)、锶(Sr)、钛(Ti)、铝(Al)、钒(V)、铪(Hf)、硼(B)、硅(Si)、镁锆(MgZr)及镁铌(MgNb)的上层所制造且堆叠而成，以为最佳实施例。然而，晶种层也可为一由上述材料中的元素或合金所组成的合金组合所制成的单一层、上层或下层，晶种层结构促使一强固(111)纹理于覆盖式PMA参考层及促进光滑表面的覆盖式各层次；参考层更佳的实施例具有一 CoxFeYNizBv组成物，当中的y>x+z，而v是15?40的原子百分比(％ )，通道阻障层则为氧化镁为最佳实施例。
[0012]根据一第二实施例，晶种层可为氮化钽(TaN)，或如上述所述的单一层合金，或前面第一实施例中的一双层堆叠，磁性元件更包括一成长促进层于晶种层及参考层间；成长促进层为一镍铬(NiCr)或NiCrM，其中M为娃(Si)、钒(V)、铁(Fe)、镁(Mg)、锆(Zr)、铌(Nb)、钽(Ta)、钛(Ti)、铜(Cu)及钼(Mo)，以增强PMA于覆盖式参考层中及促使一强固
(111)晶体结构内，成长促进层具有35?45的铬(Cr)原子百分比(％)，又以40%为最佳实施例，以及厚度为I?30纳米(nm)，又以5nm为最佳实施例。另一方面，参考层由(Ni/Co)?所表示的一多层，其中η为一 20?30的堆叠数量，每一镲(Ni)层具有6埃(Angstroms)的厚度，及每一钴(Co)具有2.5埃的厚度，并且，在层叠的堆叠中镍(Ni)可被镍铁(NiFe)或镍钴(NiCo)所取代及钴(Co)可被钴铁(CoFe)取代。在一替代的实施例中，参考层可为任何面心立方晶体结构(face centered cubic，FCC)磁性层，如具有PMA的(Co/Pt)n、(Co/Pd)n、(Fe/Pd) n，磁性层也包含钴铁硼(CoFeB)、钴铁(CoFe)或钴(Co)所制成的过渡层，过渡层的最佳实施例为具有(100)纹理的氧化镁(MgO)且设置于(111)晶体参考层及通道阻障层间，自由层可包含钴铁硼(CoFeB)、钴铁(CoFe)或是其组合而成，因此，取得一高的MR比例与增强PMA于参考层以增加磁性元件的热稳定性。
[0013]根据一第三实施例，在上述第二实施例的参考层被修改为复合式反铁磁性(Synthetic Ant1-Ferromagnetic, SAF)结构，其中非磁性親合层例如"!了 (Ru)被夹在两个层叠镍/钴(Ni/Co)堆叠间。为了更进一步提高