用于垂直磁性隧道结(P-MTJ)的合成抗铁磁(SAF)耦合自由层制造技术

提供了一种磁阻式随机存取存储器(MRAM)中的磁性隧道结(MTJ)器件以及制造该器件的方法，以达成高隧道磁阻(TMR)、高垂直磁各向异性(PMA)、良好的数据留存、以及高水平的热稳定性。MTJ器件包括第一自由铁磁层、合成抗铁磁(SAF)耦合层、以及第二自由铁磁层，其中第一和第二铁磁层具有相反的磁矩。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于垂直磁性隧道结(P-MTJ)的合成抗铁磁(SAF)耦合自由层公开领域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。概述本专利技术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，根据本专利技术的各实施例的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专利技术实施例进行描述，且提供附图仅用于解说实施例而非对其进行限定。图1是根据本专利技术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是根据本专利技术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是解说根据本专利技术的各实施例的制造MTJ器件的方法的流程图。图5是解说根据本专利技术的各实施例的制造MTJ器件的方法的更详细的流程图。详细描述本专利技术的各方面在以下针对本专利技术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专利技术的范围。另外，本专利技术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专利技术的有关系的细节。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“本专利技术的各实施例”并不要求本专利技术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，而并不旨在限定本专利技术的实施例。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是根据本专利技术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。在根据本专利技术的一实施例中，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(100)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中而不背离本专利技术的范围。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(100)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中而不背离本专利技术的范围。在一实施例中，顶部电极120被形成在覆盖层118上。图2是根据本专利技术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(100)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-richCoFeB)层202a。在又一实施例中，Fe-richCoFeB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-richCoFeB层202a经受高温退火工艺以将Fe-richCoFeB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-richCoFeB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202本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；置于所述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，所述第二自由铁磁层具有与所述第一自由铁磁层的第一磁矩相反的第二磁矩。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.01 US 14/321,5161.一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；置于所述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，所述第二自由铁磁层具有与所述第一自由铁磁层的第一磁矩相反的第二磁矩。2.如权利要求1所述的MRAM器件，其特征在于，所述第一自由铁磁层包括富铁钴铁硼(Fe-richCoFeB)层。3.如权利要求2所述的MRAM器件，其特征在于，所述第一自由铁磁层进一步在所述Fe-richCoFeB层上包括钴铁硼钽(CoFeBTa)层。4.如权利要求3所述的MRAM器件，其特征在于，所述第一自由铁磁层进一步在所述CoFeBTa层上包括钴(Co)层。5.如权利要求2所述的MRAM器件，其特征在于，所述第一自由铁磁层进一步在所述Fe-richCoFeB层上包括钴铁硼铪(CoFeBHf)层。6.如权利要求5所述的MRAM器件，其特征在于，所述第一自由铁磁层进一步在所述CoFeBHf层上包括钴(Co)层。7.如权利要求1所述的MRAM器件，其特征在于，所述第二自由铁磁层在所述SAF耦合层上包括钴(Co)层。8.如权利要求7所述的MRAM器件，其特征在于，所述第二自由铁磁层进一步在所述Co层上包括富铁钴铁硼(Fe-richCoFeB)层。9.如权利要求1所述的MRAM器件，其特征在于，所述SAF耦合层包括钌(Ru)。10.如权利要求1所述的MRAM器件，其特征在于，所述SAF耦合层包括铬(Cr)。11.如权利要求1所述的MRAM器件，其特征在于，进一步在所述第二自由铁磁层上包括具有高垂直磁各向异性(PMA)的覆盖层。12.如权利要求11所述的MRAM器件，其特征在于，所述覆盖层包括氧化镁(MgO)。13.如权利要求12所述的MRAM器件，其特征在于，MgO具有(100)的表面取向。14.如权利要求11所述的MRAM器件，其特征在于，所述覆盖层包括氧化铝(AlOx)。15.如权利要求1所述的MRAM器件，其特征在于，进一步包括连接到所述第一自由铁磁层的势垒层。16.如权利要求15所述的MRAM器件，其特征在于，所述势垒层包括氧化镁(MgO)层。17.如权利要求16所述的MRAM器件，其特征在于，MgO层具有(100)的表面取向。18.一种磁性隧道结(MTJ)器件，包括：具有第一磁矩的第一自由铁磁层；置于所述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，所述第二自由铁磁层具有与所述第一自由铁磁层的第一磁矩相反的第二磁矩。19.如权利要求18所述的MTJ器件，其特征在于，所述第一自由铁磁层包括：富铁钴铁硼(Fe-richCoFeB)层；所述Fe-richCoFeB层上的钴铁硼钽(CoFeBTa)层；以及所述CoFeBTa层上的钴(Co)层。20.如权利要求18所述的MTJ器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·朴，M·G·戈特瓦尔德，K·李，S·H·康，
申请(专利权)人：高通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US