磁性隧道结的种子层形成方法与流程

1.本发明涉及存储器技术领域，特别是关于一种磁性隧道结的种子层形成方法。


背景技术：

2.磁性随机存储器(magnetic random access memory，mram)在具有垂直各向异性(perpendicular magnetic anisotropy；pma)的磁性隧道结(magnetic tunnel junction；mtj)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或者“1”和“0”，在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向会保持不变；在写的过程中，如果与现有状态不相同的信号输入时，则自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生180度的翻转。磁随机存储器的自由层磁化方向保持不变的能力叫做数据保存能力(data retention)或者是热稳定性(thermal stability)，在不同的应用情况中要求不一样，对于一个典型的非易失存储器(non-volatile memory，nvm)而言，数据保存能力要求是在125℃的条件下可以保存数据10年，在外磁场翻转，热扰动，电流扰动或读写多次操作时，都会造成数据保持能力或者是热稳定性的降低，所以常会采用反铁磁层(synthetic anti-ferrimagnet layer，syaf)超晶格来实现参考层(reference layer，rl)的钉扎。在制作种子层的时候，一般采用加温镀膜技术以提升反铁磁层面心立方fcc晶体的晶向的一致性和均匀性，然而种子层需有一定程度的厚度才能取得高品质的晶向，亦不易取得相对较低的表面粗糙度。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种磁性隧道结的种子层形成方法，使形成的种子层可引导反铁磁层的晶格生成，实现参考层钉扎、晶格转换、降低/避免“去铁磁耦合”的情形。
4.本申请的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
5.依据本申请提出的一种磁性隧道结的种子层形成方法，所述磁性隧道结设置于磁性随机存储单元，所述磁性隧道结的结构形成由下至上为缓冲层(buffer,bl)、种子层(seed layer；sl)、反铁磁层(synthetic anti-ferrimagnet layer，syaf)、晶格隔断层(crystal breaking layer，cbl)、参考层(reference layer，rl)、势垒层(tunneling barrier layer，tbl)与自由层(free layer；fl)。所述种子层形成方法包括：在不隔断真空的环境中，形成多数个种子亚层，以形成所述种子层于所述缓冲层上，其中，每一种子亚层是通过沉积以及进一步结合后续的表面离子处理形成。
6.本申请解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
7.在本申请的一实施例中，在每一次种子亚层的沉积或表面离子处理过程中，可选择性的进行加热或不加热，加热的温度优选为150℃～400℃之间。
8.在本申请的一实施例中，在每一次种子亚层，先采用氖，氩，氪或氙的气体进行溅射沉积，气压为0.1mtorr至20.0mtorr，较优为1.0mtorr或2.0mtorr，再对其表面采用低能
量的表面等离子刻蚀处理。
9.在本申请的一实施例中，沉积或表面离子处理之后，进行自然冷却到室温，或者进行超低温冷却，所述超低温冷却优选为100k或200k。
10.在本申请的一实施例中，所述种子层具备n个种子亚层，其中，2≤n≤20，每亚层的厚度a为：0.25nm≤a≤1.50nm。
11.在本申请的一实施例中，所述种子层的结构为铂或铂/钌。
12.在本申请的一实施例中，所述缓冲层由钽,钛，氮化钛，氮化钽，钨，氮化钨，碳，硅,镓，钴碳化合物，钴铁碳化合物，镍,铬,钴硼化合物，铁硼化合物，钴铁硼化合物或其组合构成。优选的，所述缓冲层由钴铁硼/钽或钽/钴铁硼的两层结构形成。
13.在本申请的一实施例中，所述反铁磁层的结构为[钴/铂]
n
钴或[铂/钴]
n
，钌及/或铱依次向上叠加的两层结构，或[钴/铂]
n
钴或[铂/钴]
n
，钌及/或铱，钴[铂/钴]
m
的依次向上叠加的三层结构，其中，n＞m≥0，优选的，单层的钴，铂，钌和/或铱的厚度小于1奈米，优选的，钴和铂的单层厚度在0.5奈米之下。
[0014]
在本申请的一实施例中，所述反铁磁层的每一层结构的厚度为相同或相异。
[0015]
在本申请的一实施例中，所述自由层上设置有覆盖层，所述覆盖层的材料为选自(镁，氧化镁，氧化镁锌，氧化镁硼或氧化镁铝其中之一)/(钨，钼，镁，铌，钌，铪，钒,铬或铂其中之一)的双层结构，或是氧化镁/(钨，钼或铪其中之一)/钌的三层结构，或是氧化镁/铂/(钨，钼或铪其中之一)/钌的四层结构。
[0016]
在本申请的一实施例中，所述自由层的材料为选自硼化钴，硼化铁，钴铁硼单层结构，或是铁化钴/钴铁硼，铁/钴铁硼的双层结构，或是钴铁硼/(钽，钨，钼或铪其中之一)/硼化钴，或是硼化铁/(钽，钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼，钴铁硼/(钽，钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼的三层结构，或是铁/钴铁硼/(钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼，或铁化钴/钴铁硼/(钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼的四层结构其中之一，所述自由层的厚度为1.2奈米至3.0奈米间。
[0017]
在本申请的一实施例中，所述势垒层的材料为选自氧化镁，氧化镁锌，氧化镁硼或氧化镁铝其中之一，所述势垒层的厚度为0.6奈米至1.5奈米间。
[0018]
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结的参考层的材料为选自钴，铁，镍，铁钴合金，硼化钴，硼化铁，钴铁硼合金，钴铁碳合金与钴铁硼合金其中之一或及其组合，所述参考层的厚度为0.5奈米至1.5奈米间。
[0019]
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结的晶格隔断层的材料为选自钨，钼，钽、铪、锆、镁、钛与钌其中之一或其组合，所述参考层的厚度为0.1奈米至0.5奈米间。
[0020]
在本申请的一实施例中，于所述磁性隧道结进行退火工艺，以使得所述参考层及所述自由层在面心立方晶体结构势垒层的模板作用下从非晶结构转变成体心立方堆积的晶体结构。
[0021]
本申请磁性隧道结单元结构，其通过在缓冲层沉积之后，反铁磁层沉积之前采用上述种子层生长工艺，使所形成种子层的晶粒结构和表面粗糙度都能获得较大的提升，能够导引反铁磁层形成具有强烈的面心立方结构和垂直各向异性，有助于实现具有面心立方晶体结构的反铁磁层到具有体心立方堆积参考层的晶格转换和铁磁耦合，有利于磁性隧道结单元在磁学，电学和良率的提升以及器件的缩微化。
附图说明
[0022]
图1为本申请实施例磁性随机存储器磁性存储单元结构示意图；
[0023]
图2a与图2b分别为本申请实施例的磁性隧道结的种子层的层次结构示意图。
具体实施方式
[0024]
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
[0025]
附图和说明被认为在本质上是示出性的，而不是限制性的。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。另外，为了理解和便于描述，附图中示出的每个组件的尺寸和厚度是任意示出的，但是本发明不限于此。
[0026]
在附图中，为了清晰、理解和便于描述，夸大设备、系统、组件、电路的配置范围。将理解的是，当组件被称作“在”另一组件“上”时，所述组件可以直接在所述另一组件上，或者也可以存在中间组件。
[0027]
另外，在说明书中，除非明确地描述为相反的，否则词语“包括”将被理解为意指包括所述组件，但是不排除任何其它组件。此外，在说明书中，“在......上”意指位于目标组件上方或者下方，而不意指必须位于基于重力方向的顶部上。
[0028]
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施例，对依据本发明提出的一种磁性隧道结的种子层形成方法，其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0029]
图1为本申请实施例磁性随机存储器磁性存储单元结构示意图。图2a与图2b分别为本申请实施例的磁性隧道结的种子层的层次结构示意图。所述磁性存储单元结构至少包括底电极(bottom electrode,be)10、磁性隧道结(mtj)20与顶电极(top electrode,te)29形成的多层结构。
[0030]
在一些实施例中，底电极10为钛(ti)，氮化钛(tin)，钽(ta)，氮化钽(tan)，钌(ru)，钨(w)，氮化钨(wn)或其组合，一般采用物理气相沉积(pvd)的方式实现，通常在沉积之后，都会对其平坦化处理，以达到制作磁性隧道结的表面平整度；顶电极29组成材料为钛(ti)，氮化钛(tin)，钽(ta)，氮化钽(tan)，钨(w)，氮化钨(wn)或其组合。
[0031]
在一些实施例中，所述磁性隧道结20，由下至上结构包括缓冲层(buffer,bl)21、种子层(seed layer；sl)22、反铁磁层(synthetic anti-ferrimagnet layer，syaf)23、晶格隔断层(crystal breaking layer，cbl)24、参考层(reference layer，rl)25、势垒层(tunneling barrier layer，tbl)26与自由层(free layer；fl)27。所述种子层形成方法包括：在不隔断真空的环境中，形成多数个种子亚层(22-1～22-n)，以形成所述种子层22于所述缓冲层21上，其中，每一种子亚层(22-1～22-n)是通过沉积以及更进一步的结合后续表面离子处理形成。
[0032]
在一些实施例中，所述种子层具备n个种子亚层，其中，2≤n≤20，每亚层的厚度a为：0.25nm≤a≤1.50nm，所述种子层的结构为铂(pt)或铂(pt)/钌(ru)，即是指，其组成可以使所有亚层都是由铂(pt)构成，或者前面种子亚层由铂(pt)构成，后面种子亚层由钌
(ru)构成，即：所谓的铂(pt)/钌(ru)结构。
[0033]
在一些实施例中，各种子亚层沉积一般在pvd工艺腔体中溅射沉积完成。在每一次种子亚层沉积过程，其溅射气体一般为氖(ne)，氩(ar)，氪(kr)或氙(xe)的气体，气压为0.1mtorr至20.0mtorr，较优为1.0mtorr或2.0mtorr。每一次种子亚层(22-1～22-n)的沉积过程中，可选择性的进行加热或不加热，加热的温度优选为150℃～400℃之间。高温沉积的较优效果为铂(pt)或钌(ru)的晶粒能够长得更大。
[0034]
在一些实施例中，在各亚层沉积之后，在不隔断真空的条件下，对各种子亚层表面进行等离子处理，表面等离子处理可以在pvd工艺腔体中进行原位进行，也可以在其他工艺腔体，比如：反应离子刻蚀(reactive ion etching,rie)或离子束刻蚀(ion beam etching,ibe)工艺腔体中进行。其工艺温度一般为室温，更进一步地，其温度可以使150℃～400℃。高温处理的较优效果为能够增强表面原子活化能，使之能够脱离原来的位置而进行表面迁移。表面处理一般采用he+，ne+，ar+，kr+或xe+等离子源，工作气压为0.5mtorr～50.0mtorr。在表面等离子处理的过程中，各亚层表面的原子，一部分原子通过再次溅射的方式而脱离各亚层表面，一部分原子会再次发生迁移直到能量最低的成核点。在这种情况下，能够有效的降低种子层22的表面粗糙度，如图2b所示。
[0035]
在本申请的一实施例中，在沉积及/或表面离子处理之后，进行自然冷却到室温，或者进行超低温冷却，所述超低温冷却优选为100k或200k。
[0036]
在本申请的一实施例中，所述晶态种子层22的表面附加一层铂(pt)或钯(pd)，厚度为0.15奈米至2奈米。
[0037]
在本申请的一实施例中，所述种子层22引导所述反铁磁层23的生长而形成面心立方结构。
[0038]
优选的，所述磁性隧道结20包括实现所述反铁磁层与所述参考层的晶格转换和强铁磁耦合的晶格隔断层(cbl)24。
[0039]
在本申请的一实施例中，所述缓冲层21由钽(ta),钛(ti)，氮化钛(tin)，氮化钽(tan)，钨(w)，氮化钨(wn)，碳(c)，硅(si),镓(ga)，钴碳化合物(coc)，钴铁碳化合物(cofec)，镍(ni),铬(cr),钴硼化合物(cob)，铁硼化合物(feb)，钴铁硼化合物(cofeb)或其组合构成。优选的，所述缓冲层21由钴铁硼(cofeb)/钽(ta)或钽(ta)/钴铁硼(cofeb)的两层结构形成。在一些实施例中，所述缓冲层21为非晶态结构。
[0040]
在本申请的一实施例中，所述反铁磁层23的结构为[钴co/铂pt]
n
钴co或[铂pt/钴co]
n
，钌(ru)及/或铱(ir)依次向上叠加的两层结构，或[钴co/铂pt]
n
钴co或[铂pt/钴co]
n
，钌(ru)及/或铱(ir)，钴(co)[铂pt/钴co]
m
的依次向上叠加的三层结构，其中，n＞m≥0，优选的，单层的钴(co)，铂(pt)，钌(ru)和/或铱(ir)的厚度小于1奈米，优选的，钴(co)和铂(pt)的单层厚度在0.5奈米之下，比如：0.10奈米，0.15奈米，0.20奈米，0.25奈米，0.30奈米，0.35奈米，0.40奈米，0.45奈米或0.50奈米
…
等。在一些实施例中，所述反铁磁层23的每一层结构的厚度为相同或相异。
[0041]
在本申请的一实施例中，所述自由层27上设置有覆盖层28，所述覆盖层28的材料为选自(镁mg，氧化镁mgo，氧化镁锌mgzno，氧化镁硼mgbo或氧化镁铝mgalo其中之一)/(钨w，钼mo，镁mg，铌nb，钌ru，铪hf，钒v,铬cr或铂pt其中之一)的双层结构，或是氧化镁mgo/(钨w，钼mo或铪hf其中之一)/钌ru的三层结构，或是氧化镁/铂/(钨，钼或铪其中之一)/钌
的四层结构。
[0042]
在本申请的一实施例中，所述自由层27的材料为选自硼化钴(cob)，硼化铁(feb)，钴铁硼(cofeb)单层结构，或是铁化钴(cofe)/钴铁硼(cofeb)，铁(fe)/钴铁硼(cofeb)的双层结构，或是钴铁硼(cofeb)/(钽ta，钨w，钼mo或铪hf其中之一)/硼化钴(cob)，硼化铁(feb)/(钽ta，钨w，钼mo或铪hf其中之一)/钴铁硼(cofeb)，钴铁硼(cofeb)/(钽ta，钨w，钼mo或铪hf其中之一)/钴铁硼(cofeb)的三层结构，或是铁(fe)/钴铁硼(cofeb)/(钨w，钼mo或铪hf其中之一)/钴铁硼(cofeb)，或铁化钴(cofe)/钴铁硼(cofeb)/(钨w，钼mo或铪hf其中之一)/钴铁硼(cofeb)的四层结构其中之一，所述自由层27的厚度为1.2奈米至3.0奈米间。
[0043]
在本申请的一实施例中，所述势垒层26的材料为选自氧化镁(mgo)，氧化镁锌(mgzno)，氧化镁硼(mgb)或氧化镁铝(mgalo)其中之一。优选的，可采用氧化镁。所述势垒层的厚度为0.6奈米至1.5奈米间。
[0044]
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的参考层25的材料为选自钴(co)，铁(fe)，镍(ni)，铁钴合金(cofe)，硼化钴(cob)，硼化铁(feb)，钴铁硼合金(cofeb)，钴铁碳合金(cofec)与钴铁硼合金(cofeb)其中之一或及其组合，所述参考层25的厚度为0.5奈米至1.5奈米间。
[0045]
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的晶格隔断层24的材料为选自钨(w)，钼(mo)，钽(ta)、铪(hf)、锆(zr)、镁(mg)、钛(ti)与钌(ru)其中之一或其组合，所述参考层25的厚度为0.1奈米至0.5奈米间。
[0046]
在本申请的一实施例中，于所述磁性隧道结20进行退火工艺，以使得所述参考层25及所述自由层26在面心立方晶体结构势垒层26的模板作用下从非晶结构转变成体心立方堆积的晶体结构。
[0047]
本申请磁性隧道结单元结构，其通过在缓冲层沉积之后，反铁磁层沉积之前采用上述种子层生长工艺，使所形成种子层的晶粒结构和表面粗糙度都能获得较大的提升，能够导引反铁磁层形成具有强烈的面心立方结构和垂直各向异性，有助于实现具有面心立方晶体结构的反铁磁层到具有体心立方堆积参考层的晶格转换和铁磁耦合，有利于磁性隧道结单元在磁学，电学和良率的提升以及器件的缩微化。
[0048]“在本申请的一实施例中”及“在各种实施例中”等用语被重复地使用。此用语通常不是指相同的实施例；但它也可以是指相同的实施例。“包含”、“具有”及“包括”等用词是同义词，除非其前后文意显示出其它意思。
[0049]
以上所述，仅是本申请的具体实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以具体实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。