用于垂直磁性隧道结(P‑MTJ)的合成抗铁磁(SAF)耦合自由层的制作方法

本文描述的各实施例涉及磁阻式随机存取存储器(MRAM)，并且尤其涉及MRAM中的磁性隧道结(MTJ)。

背景

MRAM(磁阻式随机存取存储器)是可以利用MTJ(磁性隧道结)器件的非易失性存储器，其中MTJ器件的状态取决于其铁磁层的磁性(电子自旋)取向。STT-MTJ(自旋矩转移MTJ)通过使用开关电流来改变自旋取向。为了达成具有良好热稳定性以及低切换电流的高密度MRAM，已经尝试开发具有高垂直磁各向异性(PMA)的MTJ器件。在具有自由铁磁层的垂直磁性隧道结(p-MTJ)中，自由铁磁层中的磁场取向垂直于势垒层与铁磁层之间的界面。使p-MTJ器件具有高隧道磁阻(TMR)、高PMA、以及良好的数据留存是合乎期望的。

概述

本发明的示例性实施例涉及一种具有改善的隧道磁阻(TMR)、垂直磁各向异性(PMA)、数据留存、以及热稳定性的磁性隧道结(MTJ)器件以及用于制造此类磁性隧道结的方法。此外，根据本发明的各实施例的MTJ器件的磁属性和电属性在高工艺温度处可以被维持。

在一实施例中，一种磁阻式随机存取存储器(MRAM)器件，包括：具有第一磁矩的第一自由铁磁层；置于该第一自由铁磁层上的合成抗铁磁(SAF)耦合层；以及置于SAF耦合层上的第二自由铁磁层，该第二自由铁磁层具有与第一自由铁磁层的第一磁矩相对的第二磁矩。

在另一实施例中，一种磁性隧道结(MTJ)器件包括：具有第一磁矩的第一自由铁磁层；置于该第一自由铁磁层上的合成抗铁磁(SAF)耦合层；以及置于SAF耦合层上的第二自由铁磁层，该第二自由铁磁层具有与第一自由铁磁层的第一磁矩相对的第二磁矩。

在另一实施例中，一种用于制造磁性隧道结(MTJ)的方法，该方法包括用于执行以下操作的步骤：形成具有第一磁矩的第一自由铁磁层；在该第一自由铁磁层上形成合成抗铁磁(SAF)耦合层；以及在SAF耦合层上形成第二自由铁磁层，该第二自由铁磁层具有与第一自由铁磁层的第一磁矩相对的第二磁矩。

在又一实施例中，一种用于制造磁性隧道结(MTJ)的方法，该方法包括以下步骤：形成具有第一磁矩的第一自由铁磁层；在该第一自由铁磁层上形成合成抗铁磁(SAF)耦合层，该SAF耦合层包括从钌(Ru)和铬(Cr)组成的组中选择的材料；以及在SAF耦合层上形成第二自由铁磁层，该第二自由铁磁层具有与第一自由铁磁层的第一磁矩相对的第二磁矩。

附图简要说明

给出附图以帮助对本发明实施例进行描述，且提供附图仅用于解说实施例而非对其进行限定。

图1是根据本发明的各实施例的磁阻式随机存取存储器(MRAM)中的磁性隧道结(MTJ)的截面图。

图2是根据本发明的各实施例的势垒层、合成抗铁磁(SAF)耦合自由铁磁层结构以及覆盖层的更详细的截面图。

图3A和3B是解说图2的第一和第二自由铁磁层的相对磁矩的图示。

图4是解说根据本发明的各实施例的制造MTJ器件的方法的流程图。

图5是解说根据本发明的各实施例的制造MTJ器件的方法的更详细的流程图。

详细描述

本发明的各方面在以下针对本发明具体实施例的描述和有关附图中被公开。可以设计替换实施例而不会脱离本发明的范围。另外，本发明的众所周知的元素将不被详细描述或将被省略以免湮没本发明的有关系的细节。

措辞“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或解说”。本文中描述为“示例性”的任何实施例不必被解释为优于或胜过其他实施例。同样，术语“本发明的各实施例”并不要求本发明的所有实施例都包括所讨论的特征、优点、或工作模式。

本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而并不旨在限定本发明的实施例。如本文所使用的，单数形式的“一”、“某”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示并非如此。还将理解，术语“包括”、“具有”、“包含”或“含有”在本文中使用时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、要素、或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、组件或其群组的存在或添加。此外，要理解，单词“或”与布尔运算符“OR(或)”具有相同含义，即它涵盖了“任一者”以及“两者”的可能性并且不限于“异或”(“XOR”)，除非另有明确声明。

图1是根据本发明的各实施例的磁阻式随机存取存储器(MRAM)中的磁性隧道结(MTJ)器件100的截面图，磁阻式随机存取存储器(MRAM)包括合成抗铁磁(SAF)耦合自由铁磁层结构。在图1中，提供了底部电极102，并且晶种层104按照常规方式被置于底部电极102上。在一实施例中，底部SAF层106被形成在晶种层104上，并且可包括钌(Ru)或铬(Cr)的SAF层108被形成在底部SAF层106上。在又一实施例中，顶部SAF层110被形成在SAF层108上。在又一实施例中，基准层112被形成在顶部SAF层110上。

在根据本发明的一实施例中，势垒层114被形成在基准层112上。在又一实施例中，势垒层114包括氧化镁(MgO)。在又一实施例中，势垒层114包括具有(1 0 0)表面取向的MgO层，将在下文关于图2更详细地进行描述。其他材料可以被实现在势垒层114中而不背离本发明的范围。

此外，MTJ器件100包括SAF耦合自由铁磁层结构116，该结构的一实施例包括如图2中所示的多层结构(将在下文更详细地讨论)。参考图1，SAF耦合自由铁磁层结构116被置于势垒层114上。在一实施例中，覆盖层118被形成在SAF耦合自由铁磁层结构116上。在又一实施例中，覆盖层118包括具有(1 0 0)表面取向的MgO层。替换地，覆盖层118可包括氧化铝(AlOx)。其他材料也可以被实现在覆盖层118中而不背离本发明的范围。在一实施例中，顶部电极120被形成在覆盖层118上。

图2是根据本发明的各实施例的势垒层114、SAF耦合自由铁磁层结构116以及覆盖层118的更详细的截面图。在图2所示的实施例中，势垒层114包括具有(1 0 0)表面取向的MgO层。在一实施例中，SAF耦合自由铁磁层结构116包括第一自由铁磁层202(第一自由铁磁层202本身包括三层结构)、形成在第一自由铁磁层202上的SAF耦合层204、以及SAF耦合层204上的第二自由铁磁层206(第二自由铁磁层206本身包括两层结构)。在一实施例中，覆盖层118(可包括MgO层或者替换地AlOx层)被形成在第二自由铁磁层206上。

在一实施例中，第一自由铁磁层202包括形成在势垒层114上的富铁钴铁硼(Fe-rich CoFeB)层202a。在又一实施例中，Fe-rich CoFeB层202a与势垒层114具有外延关系以提供高隧道磁阻(TMR)和高垂直磁各向异性(PMA)。在又一实施例中，Fe-rich CoFeB层202a经受高温退火工艺以将Fe-rich CoFeB材料从非晶结构转变成晶体结构。

在一实施例中，中间层202b被形成在Fe-rich CoFeB层202a上。在又一实施例中，中间层202b包括钴铁硼钽(CoFeBTa)层。在另一实施例中，中间层202b包括钴铁硼铪(CoFeBHf)层。替换地，另一元素可被用作中间层202b中的钴铁硼(CoFeB)结构中的钽(Ta)或铪(Hf)的替换。在一实施例中，薄钴(Co)层202c被形成在中间层202b上。在又一实施例中，Co层202c在厚度上不超过5埃。

在一实施例中，形成在薄Co层202c之上的SAF耦合层204包括钌(Ru)。替换地，SAF耦合层204包括铬(Cr)。在本发明的范围内，另一元素可以被实现在SAF耦合层204中以代替薄Co层202c之上的Ru或Cr。薄Co层202c帮助增加SAF耦合以改善PMA并且在后退火期间阻止SAF耦合层204的扩散。如图2所示，Fe-rich CoFeB层202a、中间层202b(可包括CoFeBTa或CoFeBHf)以及薄Co层202c一起形成第一自由铁磁层202。

在一实施例中，第二自由铁磁层206被形成在SAF耦合层204上，第二自由铁磁层206可包括Ru、Cr或另一材料。第二自由铁磁层206(被置于与第一自由铁磁层202相对的SAF耦合层204之上)增强了MTJ器件的PMA。在一实施例中，第二自由铁磁层206包括形成在SAF耦合层204之上的薄Co层206a。在又一实施例中，薄Co层206a具有不超过5埃的厚度。在一实施例中，薄Fe-rich CoFeB层206b被形成在薄Co层206a上。薄Co层206a和薄Fe-rich CoFeB层206b一起形成第二自由铁磁层206。薄Co层206a增加SAF耦合，改善PMA，并且在后退火期间帮助阻止Ru或Cr从SAF耦合层204的扩散。此外，薄Fe-rich CoFeB层206b进一步增强MTJ器件的PMA。

在一实施例中，覆盖层118被形成在第二自由铁磁层206的Fe-fich CoFeB层206b上。在一实施例中，覆盖层118可以被认为第二自由铁磁层206的不可分割的一部分。如上所讨论的，覆盖层118可包括具有(1 0 0)表面取向的MgO或替换的AlOx。在一实施例中，第一自由铁磁层202以下的势垒层114以及第二自由铁磁层206之上的覆盖层118包括具有(1 0 0)表面取向的MgO，该表面取向是参考第一自由铁磁层202与SAF耦合层204之间的平面分界表面203或者SAF耦合层204与第二自由铁磁层206之间的平面分界表面205的表面取向。

图3A和3B提供了图2的第一和第二自由铁磁层的相反磁矩的示例性图解。图3A解说了作为充当MRAM中的存储器单元的MTJ器件的一部分的SAF耦合自由铁磁层结构116，其中第一自由铁磁层202具有在由指向上的箭头302所指示的方向上的磁矩，而第二自由铁磁层206具有在由指向下的箭头304所指示的方向上的磁矩。指向上的箭头302和指向下的箭头304垂直于平面分界表面203和205，并且因而图1和2中解说并且如上所述的MTJ器件被称为垂直磁性隧道结(p-MTJ)器件。在图3B中，第一自由铁磁层202具有在由指向下的箭头306所指示的方向上的磁矩，而第二自由铁磁层206具有在指向上的箭头308所指示的方向上的磁矩。

在图3A或图3B中，第一自由铁磁层202的磁矩与第二自由铁磁层206的磁矩相反。SAF耦合层204耦合第一和第二自由铁磁层202和206的磁性取向，以使得它们的磁性或电子自旋取向彼此相反，藉此得到减少的磁性偏移以及来自偏离磁场的减少的干扰。在一实施例中，图3A的MRAM存储器单元的状态(其中第一和第二自由铁磁层202和206的磁矩的方向302和304指向彼此)可以被认为存储数字“0”，而图3B的MRAM存储器单元的状态(其中第一和第二自由铁磁层202和206的磁矩的方向306和308指向背离彼此)可以被认为存储数字“1”。替换地，图3A的MRAM存储器单元的状态可以被认为存储“1”而图3B的MRAM存储器单元的状态可以被认为存储“0”。

图4是解说根据本发明的各实施例的制造MTJ器件的方法的流程图。在图4中，在步骤402中形成具有第一磁矩的第一自由铁磁层。在一实施例中，第一自由铁磁层202被形成在势垒层114上，例如，具有(1 0 0)表面取向的MgO层，如上文参考图2所描述的。在一实施例中，第一自由铁磁层202包括Fe-rich CoFeB层202a、中间层202b、以及Co层202c，中间层202b可包括CoFeBTa或CoFeBHf，如上参考图2所述。

参考图4，在步骤404中，在第一自由铁磁层上形成合成抗铁磁(SAF)耦合层。在一实施例中，SAF耦合层包括Ru或替换地Cr，如上参考图2所述。回头参考图4，在步骤406中，第二自由铁磁层被形成在SAF耦合层上，第二自由铁磁层具有与第一自由铁磁层的第一磁矩相反的第二磁矩。在一实施例中，第二自由铁磁层206包括Co层206a和Fe-rich CoFeB层206b，如上参考图2所述。在又一实施例中，覆盖层118(例如，具有(1 0 0)表面取向的MgO层或替换地AlOx层)被形成在第二自由铁磁层206上，如上参考图2所述。

图5是解说根据本发明的各实施例的制造MTJ器件的方法的更详细的流程图。在图5中，在步骤502中，形成包括MgO的势垒层。接着在步骤504中，Fe-rich CoFeB层在势垒层上外延生长，并且在步骤506中，Fe-rich CoFeB层被退火以形成晶体Fe-rich CoFeB结构。在一实施例中，Fe-rich CoFeB层经受高温退火工艺以将Fe-rich CoFeB材料从非晶结构转变成晶体结构。

在一实施例中，在步骤508中，包括从CoFeBTa和CoFeBHf组成的组中选择的材料的中间层被形成在Fe-rich CoFeB层上。接着在步骤510中，Co层被形成在中间层上。在一实施例中，具有不超过5埃厚度的薄钴层被形成在中间层上，它可以是CoFeBTa或CoFeBHf。根据步骤504、506、508和510制造的Fe-rich CoFeB层、中间层以及Co层一起形成第一自由铁磁层，诸如上文参考图2描述的第一自由铁磁层202。

参考图5，在步骤512中，在第一自由铁磁层上形成合成抗铁磁(SAF)耦合层。如上所述，SAF耦合层可包括钌或替换地铬。接着在步骤514中，Co层被形成在SAF耦合层上。在一实施例中，形成在SAF耦合层顶上的Co层可以是具有不超过5埃厚度的薄钴层。随后在步骤516中，Fe-rich CoFeB层被形成在Co层上。根据步骤514和516制造的Co层和Fe-rich CoFeB层一起形成第二自由铁磁层，诸如上文参考图2描述的第二自由铁磁层206。在又一实施例中，覆盖层118(诸如具有(1 0 0)表面取向的MgO层或替换地AlOx层)可以被形成在根据步骤516制造的Fe-rich CoFeB层顶部。

尽管上述公开描述了本发明的解说性实施例，但是应当注意到，在其中可作出各种更换和改动而不会脱离如所附权利要求定义的本发明的范围。根据本文中所描述的本发明实施例的方法和装置权利要求的功能、步骤或动作不必按任何特定次序来执行，除非另外明确指示。此外，尽管本发明的要素可能是以单数来描述或主张权利的，但是复数也是已料想了的，除非显式地声明了限定于单数。