专利名称：磁隧道结叠层的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及磁随机存取存储器装置，并且更特别地，涉及基于自旋转移的 (spin-transfer based) MRAM
背景技术：
磁随机存取存储器(MRAM)是一种非易失性存储器技术，与使用电荷来存储数据的较老式的RAM技术相反，其利用磁化来表示存储的数据。MRAM的一个主要益处是其在不存在电的情况下保持所存储的数据，即，其是非易失性存储器。通常，MRAM包括形成在半导体基板上的大量的磁单元，其中每一个单元表示一个数据比特。通过改变单元内磁性元件的磁化方向来将比特写入到单元中，并且通过测量单元的电阻来读取比特(典型地，低电阻表示〃 0〃比特，而高电阻表示〃 1〃比特)。磁电阻(magnetoresistive)随机存取存储器(MRAM)组合磁性部件来实现非易失性、高速操作、以及优异的读/写耐久性。在标准的MRAM装置100(诸如，图1中对于单个比特示出的装置)中，信息以单独的磁隧道结(MTJ) 102的磁化方向(由箭头示出)存储。 MTJ 102通常包括在两个铁磁层之间的绝缘隧道阻挡物106，所述两个铁磁层即自由铁磁层(或，简单地称作“自由磁体”)104和固定铁磁层(或，称作“固定磁体” 108)。在标准的MRAM中，利用由沿相邻导体流动的电流产生的施加的磁场114和116将比特状态编程为 “1”或“0”，所述相邻导体例如，正交地设置的数字线118和位线110。所施加的磁场114和 116根据需要有选择地切换自由磁体104的磁矩方向来编程比特状态。当层104和108在相同方向上对准，并且例如，经由具有被适当控制的栅极121的隔离晶体管120跨MTJ102 施加电压时，测量到比在层104和108被设置在相反方向上时低的电阻。图1中所描述的传统的MRAM切换技术在实践上具有某些限制，特别是在设计要求将比特单元缩放到更小的尺度时。例如，由于该技术要求两组磁场写入线，因此MRAM单元的阵列易于受比特扰动的影响，即，相邻单元可能响应于指向给定单元的写入电流而被不希望地改变。此外，减小MRAM单元的物理尺寸由于热波动而导致较低的对磁化切换的磁稳定性。可以通过对于自由层利用具有大的磁各向异性并因此具有大的切换场的磁性材料来增强比特的稳定性，但是此时产生强到足以使比特切换的磁场所需的电流在实际应用中是不可行的。在自旋转移型MRAM (ST-MRAM)装置(诸如，图2中所示的装置)中，通过迫使电流直接通过构成MTJ 102的材料的叠层(例如，通过经由隔离晶体管120控制的电流202)来写入比特。一般地说，写入电流Idc(其通过经过一个铁磁层(104或108)而被自旋极化) 对随后的层施加自旋矩。可以利用该矩来通过改变写入电流而使自由磁体104的磁化在两个稳定的状态之间切换。ST-MRAM事实上消除了比特扰动的问题，使得改善了数据保持，并使得能够实现更高密度和较低功率的操作以用于未来的MRAM。由于电流直接通过MTJ叠层，因此对用于 ST-MRAM的磁隧穿阻挡物的主要要求包括低电阻-面积积(RA)、高磁电阻(MR)、以及高击穿电压。对于这样的装置，需要自由层的适中的到低的磁化以及低的磁阻尼，以具有低的切换电流密度。在ST-MRAM中使用具有MgO隧道阻挡物以及Coi^eB (CFB)自由层的MTJ材料， 因为它们在低的RA导致非常高的MR。然而，为了利用MgO获得非常高的MR，装置典型地必须在350°C或更高的温度退火。但是，随着隧穿阻挡物的退火温度增加，击穿电压降低。在超过325°C的温度处，隧穿阻挡物的击穿电压显著劣化。这导致不理想的切换所需的关键电压(critical voltage) (Vc)对隧道阻挡物层的击穿电压(Vbd)的比，这导致高比例的装置不能够在击穿之前切换。此外，自由层的阻尼(其决定从进动磁矩到晶格的能量损失率) 随着材料的退火温度的增加而增加。这可能是在高温下的金属扩散的结果，典型地从覆盖自由层的顶电极扩散。增加的阻尼导致高的切换电流。因此，尽管通过在高温对MTJ叠层退火可以获得非常高的MR，但是装置的总体性能降低了。因此，期望提供一种用于获得高的MR同时保持低阻尼以及理想的低的V。/Vbd比的结构和方法。此外，从随后的具体实施方式
和所附权利要求，结合附图和背景技术，本发明的其它期望的特征和特性将变得明白。
下面将结合
本发明的实施例，在附图中相同的附图标记表示相同的元件。图1是先前已知的标准的磁隧道结的概念性截面图；图2是先前已知的自旋转移型磁隧道结的截面图；图3是根据一个示例性实施例配置的磁隧道结单元的横截面图；图4是比较对于示例性实施例的根据不同退火温度的MR的图；图5是比较在不同的温度退火的自由层的阻尼常数(damping constant)的图；图6是比较对于示例性实施例的隧道阻挡物层的关键电压对击穿电压(V。/Vbd)的比的图；图7是比较对于利用常规叠层制造的装置材料的击穿和切换电压分布的图；以及图8是比较对于根据示例性实施例制造的装置的击穿和切换电压分布的图。
具体实施例方式下面的具体实施方式
在性质上仅仅是示例性的，其意图不是限制本发明或本发明的应用和用途。此外，不受前面的背景技术或下面的具体实施方式
中呈现的任何理论的限制。磁隧道结(MTJ)结构包括要求低温度退火(例如，小于300°C )的Coi^eB自由层和MgO隧道阻挡物，但是该结构导致高的磁电阻(MR)、低的阻尼和改善的关键切换电压对隧道阻挡物击穿电压的比，用于改善自旋矩产率和可靠性。通过在MgO隧穿阻挡物和CoFeB 自由层之间增加非常薄的纯狗层，以及利用小于300°C的退火温度，获得了比常规叠层和处理过程(无狗并且350°C退火)高的MR值。这种改善的结构还具有非常低的电阻-面积积(RA)，在Coi^eB自由层和顶部Ta电极或帽盖之间的MgON扩散阻挡物，以防止Ta扩散到Coi^eB中，这有助于保持阻尼低并因此也保持切换电压低。利用低于300°C的退火温度， 击穿电压高，因此导致理想的V。/Vbd比，并导致高比例的装置在击穿之前切换，因此改善了装置的产率和可靠性。尽管参考自旋转移型MRAM(ST-MRAM)描述了 MTJ的示例性实施例，但是其也可以用在toggle-MRAM和磁传感器中。图3是根据本发明示例性实施例配置的MRAM单元300的侧截面图。在实践中， MRAM架构或装置将包括许多个MRAM单元300，典型地其以列和行的矩阵形式连接在一起。 MRAM单元300—般包括下面的元件第一电极302、固定磁元件304、绝缘体(或隧道阻挡物层)306、包含铁(Fe)的薄层308的自由磁元件310、扩散阻挡物312、和第二电极314。在该示例性实施例中，固定磁元件304包括模板/种子层316、钉扎层318、被钉扎层320、间隔物层322、和固定层324。应当理解，MRAM单元300的结构可以以相反的顺序制造，例如，首先或最后形成第一电极302。第一和第二导体302、314由任何能够导电的适当材料形成。例如，导体302、314 可以由元素Al、Cu、Au、Ag、Ta或其组合中的至少一种形成。在所示出的实施例中，固定磁体元件304位于绝缘体306和电极302之间。固定磁体元件304具有固定的磁化，所述固定的磁化与自由磁元件310的磁化平行或反平行。 在实际的实施例中，固定磁体元件304包括在电极302上形成的模板或种子层316形成，以便于在其上形成钉扎层318 (例如IrMn、PtMn、FeMn)。模板/种子层316优选是非磁性材料，例如Ta、Al、Ru，但是也可以是磁性材料，例如NiFe、Coi^。钉扎层318决定其上形成的被钉扎层320的磁矩的取向。在间隔物层322上形成固定层324。被钉扎磁性层320和固定磁性层3M具有反平行的磁化，并且可以由任何适当的磁性材料形成，诸如元素Ni、Fe、 Co、B、或其合金以及所谓的半金属铁磁体(诸如，NiMnSb、PtMnSb、Fe3CV或CrO2)中的至少一种形成。间隔物层322由任何适当的非磁性材料形成，包括元素Ru、Os、Re、Cr、Rh, Cu、 或其组合中的至少一种。合成的反铁磁体结构对于本领域技术人员是已知的，并且因此，此处将不详细描述其操作。在固定磁性元件304上，并且更具体地，在固定磁性元件3M上，形成绝缘体层 306。绝缘体层306其上包括绝缘体材料，诸如A10x、Mg0x、Ru0x、Hf0x、&0x、Ti0x、或这些元素的氮化物和氧氮化物，如MgON。在该示例性实施例中，绝缘体306位于自由磁性元件310和固定磁体元件304之间。更具体地，绝缘体306位于自由磁性元件310和固定磁性层3M之间。绝缘体306由任何能够作为电绝缘体的适当材料形成。例如，优选地，绝缘体306可以由MgO形成，或者由诸如Al、Si、Hf、Sr、Zr、Ru或Ti中的至少一个的氧化物或氮化物的材料形成。出于MRAM 单元300的目的，绝缘体306作为磁隧道阻挡物元件，并且自由磁性元件310、绝缘体306和固定磁体元件304的组合形成磁隧道结。在所示出的实施例中，自由磁性元件310位于绝缘体材料306和电极314之间。自由磁性元件310由具有可变磁化的磁性材料形成。例如，自由磁性元件310可以由元素Ni、 狗、Co、B或者其合金以及所谓的半金属铁磁体(诸如NiMnSb、PtMnSb、Fe304、或者CrO2)中的至少一种形成。如常规MRAM装置那样，自由磁性元件310的可变磁化的方向决定MRAM 单元300是表示“1”比特还是表示“0”比特。在实践中，自由磁性元件310的磁化方向与固定磁体元件324的磁化方向平行或反平行。自由磁性元件310具有限定其磁化的自然或“默认”取向的易磁轴。在MRAM单元300处于无电流3 施加(在晶体管3 未被激活时)的稳定状态情形时，自由磁性元件 310的磁化将自然地沿其易轴指向。如下面更详细地描述的，MRAM单元300被适当地配置以为自由磁性元件310建立特定的易轴方向。从图3的角度，自由磁性元件310的易轴指向右或者指向左(例如，在箭头330的方向)。在实践中，MRAM单元300利用自由磁性元件 308中的各向异性(诸如，形状或结晶各向异性)来实现相应的易轴取向。电极314作为用于MRAM单元300的数据读取导体。就此而言，能够根据常规技术读取MRAM单元300中的数据小的电流流过MRAM单元300和电极314，以及测量该电流以确定MRAM单元300的电阻是相对高还是相对低。读取电流比通过自旋转移使自由层切换所需的电流小得多，以避免单元的读取导致的扰动。在实践中，MRAM单元300可以采用替代的和/或另外的元件，并且图3中所描述的元件中的一个或更多个可以被实现为复合结构或子元件的组合。图3中所示的层的具体布置仅仅表示本发明的一个适当的实施例。自旋转移效应是本领域技术人员已知的。简要地说，在电子通过磁体/非磁体/ 磁体三层结构中的第一磁性层之后，电流变得自旋极化，其中第一磁性层基本上是较厚的， 或者具有基本上比所述第二磁层高的磁化。自旋极化的电子跨过非磁性间隔物，并然后，通过角动量守恒，将转矩置于第二磁性层上，这使第二层的磁取向切换为与第一层的磁取向平行。如果施加相反极性的电流，则代替地电子首先通过第二磁性层。在跨非磁性间隔物之后，转矩施加于第一磁性层。然而，由于其较大的厚度或磁化，第一磁性层并不切换。同时，一部分电子然后将反射离第一磁性层并在与第二磁性层相互作用之前向回行进跨过非磁性间隔物。在这种情况下，自旋转移转矩起作用以便使第二层的磁取向切换为与第一层的磁取向反平行。根据该示例性实施例，在绝缘体306和自由磁性元件310之间形成铁(Fe)的薄层 308。层308的厚度可以在1_5人的范围内，但是优选地，在2.5人-5人的范围内(有关高极化插入层见受让给本申请的受让人的美国专利7，098，495)。通过在绝缘体306和自由磁性元件310之间的界面处增加非常薄的纯狗的层和利用小于350°C (优选地，小于300°C， 以及更优选地，在约265°C)的退火温度，能够获得比常规叠层和处理过程(没有狗并且 350°C退火)高的MR值。利用低于300°C的退火温度，击穿电压高，因此导致理想的V。/Vbd 比，并导致高比例的装置在击穿之前切换，因此改善了装置的产率和可靠性。另外，根据该示例性实施例，在自由层310和电极314之间形成扩散阻挡物312(有关扩散阻挡物，见受让给本申请的受让人的美国专利6，544, 801)。优选地，扩散阻挡物312由低RA的氧氮化镁 (MgON)形成，并且具有在8-20A的范围内的厚度，但是优选地，具有在12A-16A的范围内的厚度。扩散阻挡物312防止钽扩散到自由层310中，从而保持阻尼低并降低关键电流。图4示出了对于常规材料402和改进的MTJ叠层404、406两者的根据MTJ的退火温度的MR的比较。利用在MgO和Coi^eB自由层的界面处的狗的薄层，即使在最低的退火温度也能够实现比常规叠层402 (没有！^界面层)高的MR。线404表示在MgO和CoFeB的界面处2.5人的Fe，而线406表示5人的狗。这些MR对于100纳米χ 200纳米面积器件具有4-7 Ω μ 2的RA的MTJ是典型的。图5示出了对于没有扩散阻挡物的和具有Ta帽盖的Coi^eB自由层的根据退火温度的阻尼(有关CoFeB合金，见受让给本申请的受让人的美国专利6，831， 312和7，067，331)。以502表示常规叠层而504表示改进的叠层。阻尼常数随着温度减小而降低， 并且随着扩散阻挡物的添加由于降低了 Ta在Coi^eB中的扩散而进一步降低。基于多种磁性测量结果，改进的叠层504中的MgON扩散阻挡物提供了优化的扩散阻挡物特性，同时对该叠层增加了最少的串联电阻。通过Mg膜的薄层的自然氧化-氮化制造所述MgON扩散阻挡物。图6示出了与没有狗、高温退火并且没有扩散阻挡物的常规叠层604相比，对于具有2.5人厚的Fe层、低温度退火、和MgON扩散阻挡物的改进的MTJ叠层602的、在用于切换的关键电压(V。)对隧道阻挡物层的击穿电压(Vbd)的比方面的改进。较低的V。/Vbd对于器件的良好产率和可靠性而言是优选的。图7和8示出了对于利用常规材料制造的器件(图7)和利用改进的MTJ叠层制造的器件(图8)的击穿(Vbd)702、802和关键切换电压(V。)704、804的分布的比较。图7中的对于常规材料的V。704和Vbd702的分布明显交叠，对于存储器导致差的产率和可靠性，这是因为在写入处理过程期间许多比特将击穿。图8中的对于改进的叠层的V。804和Vbd802 的分离由于改进的比V。/Vbd而比图7中的好，因此对于存储器允许改善得多的产率和可靠性。尽管在前述的具体实施方式
中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，示例性实施例仅是示例，并不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性、或配置。而是，前述的具体实施方式
将为本领域技术人员提供方便的用于实现本发明的示例性实施例的路线图，应理解，在示例性实施例中描述的元件的功能和布置方面可以进行多种改变而不偏离如所附权利要求中阐述本发明的范围。
权利要求
1 一种磁隧道结，包括 第一电极；与所述第一电极邻接的固定磁性元件； 自由磁性元件；设置在所述固定磁性元件和所述自由磁性元件之间的隧道阻挡物；以及铁的第一层，其具有在0. 5至5.0人范围内的厚度，并且设置得与所述隧道阻挡物相邻。
2.如权利要求1所述的磁隧道结，其中所述铁的第一层包括在2.5至5.0人范围内的厚度。
3.如权利要求1所述的磁隧道结，其中所述铁的第一层包括约2.5人的厚度。
4.如权利要求1所述的磁隧道结，其中所述铁的第一层包括约1.0人的厚度。
5.如权利要求1所述的磁隧道结，进一步包括 第二电极；以及扩散阻挡物，设置在所述第二电极和所述自由磁性元件之间，具有在4至7 Ω μ 2的范围内的电阻-面积积。
6.如权利要求5所述的磁隧道结，其中所述扩散阻挡物包括MgON。
7.如权利要求5所述的磁隧道结，其中所述扩散阻挡物包括在12.0人和16.0人之间的厚度。
8.如权利要求5所述的磁隧道结，其中所述扩散阻挡物选自由氧化物、氮化物、和氧氮化物构成的组，其中所选择的氧化物、氮化物、和氧氮化物包括Al、Mg、Ru、Hf、&、Ti、Cu、Nb、 Ta、B、或Mo中的至少一种。
9.如权利要求5所述的磁隧道结，其中所述隧道阻挡物包括MgO。
10.如权利要求5所述的磁隧道结，其中所述隧道阻挡物由MgO构成并且所述自由层由 CoFeB构成，并且所述固定磁性元件包括与所述第一电极邻接的由( 构成的被钉扎层， 与所述隧道阻挡物邻接的由CoFeB构成的固定层，以及设置在所述固定层和所述被钉扎层之间的由Ru构成的间隔物层。
11.如权利要求5所述的磁隧道结，其中所述隧道阻挡物由MgO构成并且所述自由层由 CoFeB构成，并且所述固定磁性元件包括与所述第一电极邻接的由( 构成的被钉扎层， 与所述隧道阻挡物邻接的由CoFeB构成的固定层，以及设置在所述固定层和所述被钉扎层之间的由Ru构成的间隔物层，其中所述铁的第一层被设置在所述隧道阻挡物和所述自由层之间。
12.如权利要求5所述的磁隧道结，其中所述隧道阻挡物由MgO构成并且所述固定层由 CoFeB构成，并且所述固定磁性元件包括与所述第一电极邻接的由( 构成的被钉扎层， 与所述隧道阻挡物邻接的由CoFeB构成的固定层，以及设置在所述固定层和所述被钉扎层之间的由Ru构成的间隔物层，其中所述铁的第一层被设置在所述隧道阻挡物和所述固定层之间。
13.如权利要求11所述的磁隧道结，进一步包括铁的第二层，其被设置在所述隧道阻挡物和所述固定层之间，具有0. 5至5.0人的厚度。
14.一种磁隧道结，包括 固定磁性元件；自由磁性元件；隧道阻挡物，其设置在所述固定磁性元件和所述自由磁性元件之间；铁的层，其被设置为与所述隧道阻挡物邻接，具有在0. 5至5.0人的范围内的厚度；电极；以及扩散阻挡物，其设置在所述电极和所述自由磁性元件之间，具有在4至7 Ω μ 2的范围内的电阻-面积积。
15.一种形成磁隧道结的方法，包括形成固定磁性元件，其具有与第一电极邻接的第一界面； 形成隧道阻挡物，其具有与所述固定磁性元件的第二界面邻接的第一界面； 形成自由层，其具有与所述隧道阻挡物的第二界面邻接的第一界面； 形成铁的第一层，其具有在1.0人至5.0人的范围内的厚度，并被设置得与所述隧道阻挡物的第一界面和第二界面中的一个相邻；以及在所述自由层的第二界面上形成第二电极。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述铁的第一层包括在2.5至5.0人的范围内的厚度。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述铁的第一层包括约2.5人的厚度。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述铁的第一层包括约1.0人的厚度。
19.如权利要求15所述的方法，进一步包括在所述自由层和所述第二电极之间形成扩散阻挡物，其具有在4至7 Ω μ 2的范围内的电阻-面积积。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述扩散阻挡物包括MgON。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述扩散阻挡物包括在12.0Λ和16.0人之间的厚度。
22.如权利要求19所述的磁隧道结，其中所述扩散阻挡物选自由氧化物、氮化物、和氧氮化物构成的组，其中所选择的氧化物、氮化物、和氧氮化物包括Al、Mg、Ru、Hf、Zr、Ti、Cu、 Nb、Ta、B、或Mo中的至少一种。
23.如权利要求15所述的方法，进一步包括以小于350°C的温度退火。
24.如权利要求15所述的方法，进一步包括以小于300°C的温度退火。
25.如权利要求15所述的方法，进一步包括以约265°C的温度退火。
26.如权利要求19所述的磁隧道结，其中所述隧道阻挡物包括MgO。
27.如权利要求15所述的磁隧道结，其中所述隧道阻挡物由MgO构成并且所述自由层由CoFeB构成，并且形成所述固定磁性元件的步骤包括形成与所述第一电极邻接的由 CoFe构成所述被钉扎层，形成与所述隧道阻挡物邻接的由CoFeB构成的固定层，以及形成设置在所述固定层和所述被钉扎层之间的由Ru构成的间隔物层。
28.如权利要求15所述的磁隧道结，其中所述隧道阻挡物由MgO构成并且所述自由层由CoFeB构成，并且形成所述固定磁性元件的步骤包括形成与所述第一电极邻接的由 CoFe构成所述被钉扎层，形成与所述隧道阻挡物邻接的由CoFeB构成的固定层，以及形成设置在所述固定层和所述被钉扎层之间的由Ru构成的间隔物层，所述铁的第一层设置在所述隧道阻挡物和所述自由层之间。
29.如权利要求15所述的磁隧道结，其中所述隧道阻挡物由MgO构成并且所述自由层由CoFeB构成，并且形成所述固定磁性元件的步骤包括形成与所述第一电极邻接的由 CoFe构成所述被钉扎层，形成由CoFeB构成的固定层，以及形成设置在所述固定层和所述被钉扎层之间的由Ru构成的间隔物层，所述铁的第一层设置在所述隧道阻挡物和所述固定层之间。
30.如权利要求观所述的磁隧道结，进一步包括在所述隧道阻挡物和所述固定层之间形成铁的第二层，其具有0. 5至5.0人的厚度。
全文摘要
一种磁隧道结结构，包括铁的层，其设置在隧道阻挡物和自由磁性元件之间，具有在10至的范围内的厚度，导致高的磁电阻、低的阻尼、和改善的关键切换电压对隧道阻挡物击穿电压的比Vc/Vbd，以改善自旋矩产率和可靠性，同时要求仅低温度退火。该改善的结构还具有非常低的电阻-面积积，在自由磁性元件和电极之间的MgON扩散阻挡物，以防止电极到自由层中的扩散，这有助于保持阻尼低，并因此也保持切换电压低。利用低退火温度，击穿电压高，导致理想的比Vc/Vbd，并导致高比例的器件在击穿之前切换，因此改善了器件的产率和可靠性。
文档编号G11C11/00GK102282620SQ200980154682
公开日2011年12月14日 申请日期2009年12月2日 优先权日2008年12月12日
发明者F·B·曼考夫, N·D·里佐, P·G·玛泽, R·韦格 申请人:艾沃思宾技术公司