用于mram装置的磁性隧道结结构的制作方法
【专利摘要】本发明揭示具有磁性隧道结堆叠的磁阻式随机存取存储器装置，所述磁性隧道结堆叠具有磁性隧道结结构中的自由层的显著经改进性能。所述存储器装置包含反铁磁结构及安置于所述反铁磁结构上的磁性隧道结结构。所述磁性隧道结结构包含参考层及自由层，其中势垒层夹在所述参考层与所述自由层之间。此外，包含氮化钽膜的帽盖层安置于所述磁性隧道结结构的所述自由层上。
【专利说明】
用于MRAM装置的磁性隧道结结构
技术领域
[0001] 本专利文档一般来说涉及自旋转移扭矩磁性随机存取存储器，且更特定来说涉及 具有磁性隧道结结构中的自由层的显著经改进性能的磁性隧道结堆叠。
【背景技术】
[0002] 磁阻式随机存取存储器（"MRAM"）为通过磁性存储元件存储数据的非易失性存储 器技术。这些元件为可保持磁场且被非磁性材料(例如非磁性金属或绝缘体)分离的两个铁 磁板或电极。一般来说，板中的一者使其磁化钉扎（即，一"参考层"），意指此层具有比另一 层高的矫顽性且需要更大磁场或自旋极化电流来改变其磁化的定向。第二板通常称为自由 层且可通过相对于参考层更小的磁场或自旋极化电流改变其磁化方向。
[0003] MRAM装置通过改变自由层的磁化的定向而存储信息。特定来说，基于自由层相对 于参考层处于平行还是反平行对准中，可在每一MRAM单元中存储"Γ或"0"。由于自旋极化 电子隧穿效应，单元的电阻由于两个层的磁场的定向而改变。单元的电阻将针对平行及反 平行状态而不同且因此单元的电阻可用于在"Γ与"〇"之间进行区分。MRAM装置的一个重要 特征为其为非易失性存储器装置，这是因为甚至在电源关闭时其仍维持信息。两个板的横 向大小可为亚微米且磁化方向仍可相对于热波动稳定。
[0004] 较新技术（自旋转移扭矩或自旋转移切换)使用自旋-对准（"极化"）电子来改变磁 性隧道结中的自由层的磁化定向。一般来说，电子拥有自旋，即电子所固有的经量化数目的 角动量。电流一般来说为非极化的，即，其由50%向上自旋电子及50%向下自旋电子组成。 使电流通过磁性层会将电子极化，其中自旋定向对应于磁性层（即，极化器)的磁化方向，因 此产生自旋极化电流。如果自旋极化电流经传递到磁性隧道结装置中的自由层的磁性区 域，那么电子将把其自旋-角动量的一部分转移到磁化层以在自由层的磁化上产生扭矩。因 此，扭矩可切换自由层的磁化，其实际上基于自由层相对于参考层在平行状态还是反平行 状态中而写入T或"0"。
[0005] 图1图解说明用于常规MRAM装置的磁性隧道结（"MTJ"）堆叠100。如所展示，堆叠 100包含一个或多个籽晶层110,所述一个或多个籽晶层在堆叠100的底部处提供以在上方 沉积层中起始所要结晶生长。钉扎层112沉积于籽晶层110的顶部上且合成反铁磁层（"SAF 层"）120沉积于钉扎层112的顶部上。此外，MTJ 130沉积于SAF层120的顶部上。MTJ 130包含 参考层132、势皇层（即，绝缘体）134及自由层136。应理解，参考层132实际上为SAF层120的 部分，但当在参考层132上形成势皇层134及自由层136时，其形成MTJ 130的铁磁板中的一 者。合成反铁磁结构120中的第一磁性层交换耦合到钉扎层112,此通过反铁磁耦合致使参 考层132的磁化固定。此外，非磁性间隔物140安置于MTJ 130的顶部上且垂直极化器150安 置于非磁性间隔物140的顶部上。垂直极化器150经提供以将施加到MTJ结构100的电子（"自 旋对准电子"）的电流极化。此外，可在垂直极化器150的顶部上提供一个或多个帽盖层160 以保护MTJ堆叠100上下面的层。最后，硬掩模170沉积于帽盖层160上方且经提供以使用反 应离子蚀刻(RIE)过程来将MT J结构100的下伏层图案化。
[0006] 具有MT J结构(例如图1中所图解说明的堆叠100)的MRAM产品已用于大数据存储装 置中。然而，这些MTJ结构需要大的切换电流，此限制其商业可适用性。存在控制切换电流的 所需大小的至少两个关键参数:有效磁化M eff(即，平面内磁化)及自由层结构的阻尼常数。 一些现有设计已试图通过减小自由层结构的厚度而降低所需切换电流。虽然此设计促进有 效降低M rff的磁化的垂直分量，但Mrff的可测量减小仅当自由层为非常薄(例如，1纳米)时发 生。然而，此薄自由层具有严重结果，包含：（1)隧穿磁阻值（"TMR"）的显著减小；（2)较低热 稳定性;及(3)自由层的经增加阻尼常数。因此，强烈感觉到需要具有MTJ结构中的自由层的 显著经改进性能的磁性隧道结层堆叠。
【发明内容】
[0007] 揭示具有磁性隧道结堆叠的MRAM装置，所述磁性隧道结堆叠具有磁性隧道结结构 中的自由层的显著经改进性能，所述磁性隧道结结构需要用于MRAM应用的显著较低切换电 流。
[0008] 在一个实施例中，所述MRAM装置包含反铁磁结构及安置于所述反铁磁结构上的磁 性隧道结结构。所述磁性隧道结结构包含参考层及自由层，其中势皇层夹在所述参考层与 所述自由层之间。此外，帽盖层包含氮化钽膜，其安置于所述磁性隧道结结构的所述自由层 上。
[0009] 在另一实施例中，磁性装置的氮化钽帽盖层具有介于0.1纳米与10纳米之间的厚 度。
[0010] 在另一实施例中，所述磁性装置的所述氮化钽帽盖层具有大约1.0纳米的厚度。
[0011] 在另一实施例中，所述磁性装置的所述氮化钽帽盖层具有大约10纳米的厚度。
[0012] 在另一实施例中，所述磁性装置的所述氮化钽帽盖层直接安置于所述自由层上。
[0013] 在另一实施例中，所述磁性装置进一步包含:非磁性间隔物，其安置于所述氮化钽 帽盖层上;及垂直极化器，其安置于所述非磁性间隔物上，使得所述垂直极化器将施加到所 述磁性装置的电子的电流极化。
[0014] 在另一实施例中，所述磁性装置为正交自旋扭矩结构。
[0015] 在另一实施例中，所述磁性装置为共线经磁化自旋转移扭矩结构。
[0016] 在另一实施例中，所述磁性装置的所述氮化钽帽盖层是通过借助钽靶及氮气进行 的薄膜溅镀过程而形成于所述自由层上。
[0017] 在另一实施例中，所述磁性装置的所述参考层、所述自由层、所述势皇层及所述氮 化钽帽盖层共同形成磁性隧道结。
[0018] 在另一实施例中，所述磁性装置的所述参考层及所述自由层各自包括具有大约 2.3nm的厚度的CoFeB薄膜层。
[0019] 在另一实施例中，所述磁性装置的所述势皇层为MgO且具有大约1.02nm的厚度。
[0020] 在另一实施例中，示范性磁性装置形成存储器阵列的位单元。
【附图说明】
[0021] 包含为本发明说明书的部分的附图图解说明当前较佳实施例，且与上文给出的一 般说明及下文给出的详细说明一起用于解释及教示本文中所描述的MTJ装置的原理。
[0022] 图1图解说明MRAM装置的常规MTJ堆叠。
[0023]图2图解说明根据本文中所描述的新MTJ层堆叠的示范性实施例的MTJ层堆叠。
[0024] 各图不一定按比例绘制且类似结构或功能的元件一般来说贯穿各图出于说明性 目的而由相似参考编号表示。各图仅打算促进对本文中所描述的各种实施例的描述;各图 不描述本文中所揭示的教示的每一方面且不限制权利要求书的范围。
【具体实施方式】
[0025] 本文中揭示磁性隧道结（"MTJ"）层堆叠。可单独或结合其它特征及教示利用本文 中所揭示的特征及教示中的每一者。参考附图进一步详细地描述单独地以及组合地利用许 多这些额外特征及教示的代表性实例。此详细说明仅打算教示所属领域的技术人员进一步 细节以用于实践本发明教示的优选方面且不打算限制权利要求书的范围。因此，以下详细 说明中所揭示的特征的组合可能并非是在最广泛意义上实践教示所必要的，且替代地仅经 教示以尤其描述本发明教示的代表性实例。
[0026] 在以下描述中，仅出于解释的目的，陈述特定术语以提供对本文中所描述的MTJ结 构的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将明了这些特定细节并非仅为示范性的。
[0027] 代表性实例及附属权利要求项的各种特征可以并非具体地且明确地列举的方式 组合，以便提供本发明教示的额外有用实施例。还明确地提及，实体群组的所有值范围或指 示均出于原始揭示内容的目的以及出于限制所主张标的物的目的而揭示每一可能中间值 或中间实体。还明确地提及，各图中所展示的组件的尺寸及形状经设计以帮助理解实践本 发明教示的方式，但并不打算限制实例中所展示的尺寸及形状。
[0028] 参考图2,根据示范性实施例展示MTJ层堆叠200 JTJ堆叠200为图1中所图解说明 的MT J堆叠100的经改进设计。出于说明性目的，MT J堆叠200中的层中的每一者形成于X、y平 面中且各自具有沿z轴方向的厚度。
[0029] MT J堆叠200包含一个或多个籽晶层210,所述一个或多个籽晶层在堆叠200的底部 处提供以在上方沉积层(下文所讨论）中起始所要结晶生长。在示范性实施例中，籽晶层210 可为3Ta/40CuN/5Ta叠层(如本文中所使用，"斜线"/指示经层压结构，自"斜线"/的左侧开 始，所述经层压结构以结构底部处的层开始），使得籽晶层包含3nm钽层、40nm氮化铜层及 5nm组层。
[0030]籽晶层210上面为钉扎层212及合成反铁磁（"SAF"）结构220。根据示范性实施例， 钉扎层212为优选地具有大约22nm的厚度的铂锰PtMn合金。在示范性实施例中，SAF结构220 由三个层构成，即层222、层224及参考层232(下文所讨论）。优选地，层222为优选地具有大 约2 · Inm的厚度的钴铁合金，且层224为优选地具有大约0 · 90nm的厚度的钌金属。
[0031] MTJ结构230形成于SAF结构220的顶部上。MTJ结构230包含三个单独层，即，形成于 SAF结构220中的参考层232、势皇层234及自由层236。在示范性实施例中，参考层232及自由 层236为钴-铁-硼（Co-Fe-B)合金薄膜。在示范性实施例中，每一CoFeB薄膜层具有大约 2.3nm的厚度。参考层232与钉扎层12之间的交换耦合沿恒定方向强烈钉扎参考层232的磁 化，如上文所讨论。此外，在示范性实施例中，势皇层234由镁的氧化物MgO形成。如所展示， MgO势皇层234安置于参考层232与自由层236之间且用作两个层之间的绝缘体，如上文所讨 论。MgO势皇层234优选地具有大约1.02nm的厚度。优选地，MgO势皇层234的厚度为足够薄， 使得可通过自旋极化电子的量子机械隧穿建立穿过其的电流。
[0032]常规地，对于MTJ结构，势皇层与自由层之间的相互作用一般来说为固定的，但可 沉积于自由层的顶部上的层可广泛变化且可经增强以改进自由层的特性。MTJ堆叠200的特 征为将非常薄氮化钽TaN帽盖材料238层沉积于自由层236的顶部上。在示范性实施例中， TaN帽盖材料的厚度介于0.1 nm与IOnm之间，优选地大约Inm或2nm。所属领域的技术人员应 了解，Inm或2nm的所要厚度可由于制造变化而稍微变化。如下文将详细讨论，TaN帽盖材料 238在自由层236上的添加提供高度压缩应力（即，堆叠200耐受压缩负荷的增加的能力）且 还显著改进自由层236的参数以优于常规设计。TaN帽盖材料238不能具有超过大约IOnm的 厚度，这是因为其将完全或基本上消除正交极化器效应且显著降低存储器装置的功能性及 准确性。
[0033]在示范性实施例中，描述正交自旋扭矩结构，所述正交自旋扭矩结构采用垂直于 自由层236磁化的自旋极化层以实现大的初始自旋转移扭矩。如所展示，MTJ堆叠200包含安 置于TaN帽盖材料238上的非磁性间隔物240及安置于非磁性间隔物240上的垂直极化器 250。垂直极化器250经提供以将施加到MTJ堆叠200的电子（"自旋-对准电子"）的电流极化， 这继而可通过从携载垂直于自由层236的磁化方向的角动量的经极化电子施加于自由层 236上的扭矩来改变MTJ堆叠200的236中的自由层的磁化定向。此外，非磁性间隔物240经提 供以将垂直极化器250与MTJ结构230绝缘。在示范性实施例中，非磁性间隔物240由具有大 约IOnm的厚度的铜叠层构成。在示范性实施例中，垂直极化器250由两个叠层252、254构成。 优选地，第一层252为0 · 3C〇/[0 · 6Ni/0 · 09Co]x3的叠层且第二层254为由0 · 21C〇/[0 · 9Pd/ 0.3Co]x 6构成的叠层。尽管示范性实施例是针对正交自旋扭矩结构而提供，但所属领域的 技术人员应了解在自由层236上提供TaN帽盖材料238的发明性设计也可针对共线经磁化自 旋转移扭矩MRAM装置而实施。
[0034] 如在图2中进一步展示，一个或多个帽盖层260提供于垂直极化器250的顶部上以 保护MTJ堆叠200的下面的层。在示范性实施例中，帽盖层260可由第一叠层262(优选地为 2nm Pd层）及第二叠层264(优选地为5nm Cu及7nm Ru)构成。
[0035]举例来说，硬掩模270沉积于帽盖层260上方且可包括金属（例如钽Ta)，但替代地 硬掩模270也可包括其它材料。优选地，Ta硬掩模270具有大约70nm的厚度。硬掩模270被开 口或经图案化，且经提供以（举例来说)使用反应离子蚀刻(RIE)过程来将MTJ堆叠200的下 伏层图案化。
[0036]如上文所提及，示范性实施例的MT J堆叠200的特征为将非常薄的氮化钽TaN帽盖 材料238层沉积于自由层236的顶部上。常规地，不同的材料组合(例如体心立方材料，比如 Ta、Cr及类似物)已作为帽盖层涂覆到MTJ结构的自由层。然而，这些设计中没有一者已提供 MTJ结构的自由层的性能参数的显著改进同时还降低用于最优操作的所需切换电流。
[0037]已进行将本文中所描述的MTJ的性能参数与现有技术的常规设计配置进行比较的 测试。表1及2图解说明所比较性能参数。特定来说，表1图解说明常规正交MTJ结构的IOnm Cu自由层帽盖与根据本文中所描述的MTJ的示范性实施例的自由层236上的TaN帽盖材料 238的发明性结构之间的性能参数的比较。表1图解说明针对具有1.0 nm、2. Onm及IOnm的厚 度的TaN帽盖238的数据。
[0038][表1]
[0040] 如上文所提及，有效磁化Meff(即，平面内磁化)及阻尼常数为针对MTJ装置的自由 层结构的关键性能参数中的两者。如表1中所图解说明，通过将TaN帽盖层沉积于MTJ装置的 自由层的顶部上，对于TaN帽盖层的每一厚度来说，与常规Cu帽盖层相比有效磁化M eff降低 超过20%。此外，针对具有I.Onm TaN帽盖层的自由层的阻尼常数比具有IOnm Cu帽盖层的 自由层的阻尼常数小35%，且针对仅具有2.Onm或IOnm TaN帽盖层的自由层的阻尼常数比 仅具有IOnm Cu帽盖层的自由层的阻尼常数小58%。值得注意的是，表1进一步图解说明对 于具有拥有TaN帽盖层的自由层的发明性MTJ结构来说，与具有拥有Cu帽盖层的自由层的常 规MT J结构相比TMR %也显著改进。
[0041] 表2图解说明I.OTa自由层帽盖与根据本文中所描述的MTJ的示范性实施例的自由 层236上的TaN帽盖材料238的发明性结构之间的性能参数的比较。表2还图解说明针对具有 1 · Onm、2 · Onm及IOnm的厚度的TaN帽盖材料238的数据。
[0042] [表 2]
[0044] 如表2中所图解说明，通过将TaN帽盖层沉积于MTJ装置的自由层的顶部上，对于 TaN帽盖层的每一厚度来说，与拥有具有I.Onm Ta帽盖层的自由层的常规MTJ装置相比，有 效磁化Meff降低超过27%。此外，针对具有I.Onm TaN帽盖层的自由层的阻尼常数比具有 I .Onm Ta帽盖层的自由层的阻尼常数小26%，且针对具有2.0nm或IOnm TaN帽盖层的自由 层的阻尼常数比具有I.Onm Ta帽盖层的自由层的阻尼常数小超过50%。因此，具有TaN帽盖 的自由层与现有技术设计相比的比较(如表1及2中所图解说明）示范性能参数鉴于新发明 性设计而显著改进。
[0045] 图2中所图解说明的MTJ堆叠200的所有层均可通过薄膜溅镀沉积系统而形成，如 所属领域的技术人员将了解。薄膜溅镀沉积系统可包含必需的物理气相沉积(PVD)室(每一 室具有一个或多个靶）、氧化室及溅镀蚀刻室。通常，溅镀沉积过程涉及具有超高真空的溅 镀气体(例如，氧、氩或类似物），且靶可由待沉积于衬底上的金属或金属合金制成。在优选 实施例中，TaN帽盖材料238的沉积涉及提供钽靶及氮溅镀气体以使用溅镀沉积系统在自由 层236上提供薄TaN膜。应了解，用以制造 MTJ堆叠200所需的剩余步骤对所属领域的技术人 员来说为众所周知的，且将不在本文中进行详细描述以免不必要地使本文中的揭示内容的 方面模糊。
[0046] 所属领域的技术人员应了解，多个MTJ堆叠200可经制造且提供为STT-MRAM装置的 相应位单元。换句话说，每一 MTJ堆叠200可实施为具有多个位单元的存储器阵列的位单元。
[0047] 以上描述及图式仅应视为对实现本文中所描述的特征及优点的特定实施例的说 明。可对特定过程条件作出修改及替代。因此，此专利文档中的实施例并不视为受前述说明 及图式限制。
【主权项】
1. 一种磁性装置，其包括： 反铁磁结构，其包含参考层； 势皇层，其安置于所述参考层上； 自由层，其安置于所述势皇层上;及 氮化钽帽盖层，其安置于所述自由层上。2. 根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述氮化钽帽盖层包括介于0.1纳米与10纳米 之间的厚度。3. 根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述氮化钽帽盖层包括大约1.0纳米的厚度。4. 根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述氮化钽帽盖层包括大约10纳米的厚度。5. 根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述氮化钽帽盖层直接安置于所述自由层上。6. 根据权利要求1所述的磁性装置，其进一步包括： 非磁性间隔物，其安置于所述氮化钽帽盖层上;及 垂直极化器，其安置于所述非磁性间隔物上，使得所述垂直极化器将施加到所述磁性 装置的电子的电流极化。7. 根据权利要求6所述的磁性装置，其中所述磁性装置为正交自旋扭矩结构。8. 根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述磁性装置为共线经磁化自旋转移扭矩结 构。9. 根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述氮化钽帽盖层是通过借助钽靶及氮气进 行的薄膜溅镀过程而形成于所述自由层上。10. 根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述参考层、所述自由层、所述势皇层及所述 氮化钽帽盖层共同形成磁性隧道结。11. 根据权利要求10所述的磁性装置，其中所述参考层及所述自由层各自包括具有大 约2.3nm的厚度的CoFeB薄膜层。12. 根据权利要求11所述的磁性装置，其中所述势皇层包括MgO且具有大约1.02nm的厚 度。13. -种存储器阵列，其包括： 至少一个位单元，其包含： 反铁磁结构，其包含参考层； 势皇层，其安置于所述参考层上； 自由层，其安置于所述势皇层上;及 氮化钽帽盖层，其安置于所述自由层上。14. 根据权利要求13所述的存储器阵列，其中所述至少一个位单元的所述氮化钽帽盖 层包括介于〇. 1纳米与10纳米之间的厚度。15. 根据权利要求13所述的存储器阵列，其中所述至少一个位单元的所述氮化钽帽盖 层包括大约1.0纳米的厚度。16. 根据权利要求13所述的存储器阵列，其中所述至少一个位单元的所述氮化钽帽盖 层包括大约10纳米的厚度。17. 根据权利要求13所述的存储器阵列，其中所述至少一个位单元的所述氮化钽帽盖 层直接安置于所述自由层上。18. 根据权利要求13所述的存储器阵列，其中所述至少一个位单元进一步包括： 非磁性间隔物，其安置于所述氮化钽帽盖层上;及 垂直极化器，其安置于所述非磁性间隔物上，使得所述垂直极化器将施加到所述磁性 装置的电子的电流极化。19. 根据权利要求18所述的存储器阵列，其中所述至少一个位单元为正交自旋扭矩结 构。20. 根据权利要求13所述的存储器阵列，其中所述至少一个位单元为共线经磁化自旋 转移扭矩结构。
【文档编号】H01L43/02GK105917480SQ201580005078
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年3月19日
【发明人】穆斯塔法·皮纳尔巴斯, 鲍尔泰克·考尔达斯
【申请人】斯平转换技术公司