用于磁性装置的高温退火后具有低缺陷率的磁性隧道结制造方法及图纸

一种磁性隧道结，其中参考层和自由层分别包括含硼量25‑50原子百分比的第一层和相邻的含硼量1‑20原子百分比的第二层。在自由层和参考层中的每一层，第一层和第二层中的一层接触隧道势垒层。每一含硼层具有0.1‑1纳米的厚度，并可以包括一个或多个硼层和一个或多个钴、铁、钴铁或钴铁硼层。因此，可防止非磁性金属沿着结晶边界迁移到隧道势垒层，且MTJ具有约10ppm的低缺陷量，同时，在退火到约400℃的温度之后保持可接受的TMR比率。含硼层选自钴硼、铁硼钴铁硼及其包括钴铁镍硼的合金。

Magnetic tunnel junctions with low defect rate for high temperature annealing of magnetic devices

A magnetic tunnel junction, in which the reference layer and the free layer include the first layer of boron content of 25 and the percentage of 50 atoms, and the second adjacent layers of boron containing 1 percent of the 20 atom. In each layer of the free layer and the reference layer, one layer of the first and second layers contact the tunnel barrier layer. Each boron containing layer has a thickness of 0.1 to 1 nanometers, and may comprise one or more boron layers and one or more cobalt, iron, cobalt iron or cobalt iron boron layers. Therefore, the non magnetic metal can be prevented from moving along the crystalline boundary to the tunnel barrier layer, and MTJ has a low defect amount of about 10ppm, while maintaining an acceptable TMR ratio after annealing to about 400 C. The boron bearing layer is selected from cobalt boron, iron boron cobalt iron boron and alloy containing cobalt iron nickel boron.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于磁性装置的高温退火后具有低缺陷率的磁性隧道结相关专利申请本申请案涉及下列案件：美国专利公告第8,059,374号专利及美国专利公告第8,946,834号专利，其皆让渡给予共同受让人，并在此以引用的方式结合于本文中。
本专利技术有关于一种磁性随机存取存储器(MRAM)、自旋力矩MRAM和其他具有磁性隧道结(MTJ)的自旋电子装置，其中磁性层被设计来防止非磁性元素扩散到在两个磁性层之间的隧道势垒层，藉以提供在400℃附近的高温退火后的低缺陷率。
技术介绍
MTJ是在MRAM、自旋力矩MRAM和其他自旋电子装置中的关键组件，并且包括在两个磁性层之间形成的隧道势垒层，例如形成于两个磁性层之间的金属氧化物，其一起产生穿隧磁阻(TMR)效应。其中一磁性层是自由层，并且通过响应于外场(介质场)切换其磁矩方向来作为一感测层，而另一磁性层具有固定的磁矩并作为一参考层。通过隧道势垒层(绝缘层)的电阻会随着自由层磁矩相对于参考层磁矩的相对取向而变化，并由此提供表示自由层中的磁性状态的电信号。在MRAM中，MTJ形成在顶部导体和底部导体之间。当电流通过MTJ时，当自由层和参考层的磁化方向处于平行状态(“0”记忆状态)时会检测到较低的电阻，并且当它们处于反平行状态或为“1”记忆状态时会发现到较高的电阻。隧道势垒层的厚度通常约为10埃，使得通过隧道势垒层的电流可以利用传导电子的量子力学穿隧来建立。参考层和自由层都可具有合成反铁磁(SyAF)配置，其中外层是通过非磁性耦合层而反铁磁耦合到与隧道势垒层接触的内层。通常较佳以氧化镁作为隧道势垒层，并用以当邻接于钴铁或铁的内磁性层时来提供高的TMR比率。TMR被称为dR/R，其中R是MTJ的最小电阻，而dR是通过改变自由层的磁性状态所观察到的电阻变化。较高的TMR比率可提高读出速度。此外，高性能MTJ需要约1奥姆-平方微米的低面积电阻RA(面积x电阻)值，具有-5x10-6至5x10-6之间的低磁致伸缩(λ)的自由层，低矫顽力(Hc)以及自由层和参考层之间通过隧道势垒层的低层间耦合(Hin)。当MTJ叠层形成面心立方(fcc)晶体结构时，能获得高的TMR比率。然而，自然沉积的钴铁或铁会倾向于形成体心立方(bcc)晶体取向，从而可防止形成钴铁/氧化镁/钴铁叠层的fcc结构。用于解决这个问题的一种常见方法是沉积非晶的钴铁硼或铁硼，而不是钴铁或铁。因此，当硼趋向于从隧道势垒层扩散离开而留下钴铁或铁与金属氧化物的隧道势垒层的界面，直到退火才会有用于晶体结构生长的模板。同时，氧化镁会形成fcc结构，诱导相邻磁性层中的fcc晶体生长。由于硼需要从与隧道势垒层的界面扩散离开以达到高TMR比率，所以钴铁硼和铁硼层中的含硼量约为20％或更少。为了实现更小的Hc，但仍保持高的TMR比率，业界倾向于使用钴铁硼作为TMR传感器中的自由层。不幸的是，对于高密度存储器应用，钴铁硼自由层的磁致伸缩(λ)远大于约5×10-6的最大可接受值。此外，自由层可包括非磁性插入层(INS)于FL1/INS/FL2叠层中，例如，其中插入层是夹在两个铁磁层(FL1、FL2)之间，以提供反铁磁耦合或磁矩稀释效应。然而，非磁性材料不能与钴铁硼良好结合，并趋向在高温下沿着结晶磁性层中的晶界扩散。因此，在退火期间或之后，非磁性金属可能通过自由层或参考层扩散到隧道势垒层中，并破坏势垒层的绝缘性质，从而导致装置缺陷。这种类型的扩散在半导体装置中更为明显，其中MRAM装置会在400℃高温下与互补金属氧化物半导体(CMOS)单元进行整合(嵌入)。于是，有需要改良自由层(或参考层)的设计来减少非磁性金属扩散进入隧道势垒层，同时保持其它MTJ性质，例如低λ、Hc和Hin，以及接在处理温度高达400℃之后的高TMR比率。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种磁性层结构，其可以用作MTJ中的自由层或参考层中的一者或两者，并且通过抑制非磁性金属朝向与邻接的隧道势垒层的界面迁移，可在高温退火之后保持<50ppm的缺陷等级。本专利技术的第二目的是提供一种具有根据第一目的的磁性层结构的MTJ，其也具有可接受的λ、Hc、Hin和TMR比率值。本专利技术进一步的目的是提供一种形成具有根据第一和第二目的的磁性层结构的MTJ的方法，其可以在制造过程中容易实施并具有成本效益。根据本专利技术的一个实施例，当形成MTJ在一合适基底上，例如MRAM装置中的底部导体，这些目的是通过底部自旋阀配置来实现。可将种子层和可选的反铁磁(AFM)钉扎层依序形成在底部导体上。在较佳实施例中，将参考层/隧道势垒层/自由层叠层的多层形成在种子层或AFM层上。参考层可具有AP2/NM1/AP1配置，其中“外”AP2铁磁层接触种子层或AFM层，NM1是用于反铁磁耦合或磁矩稀释效应的第一非磁性金属或合金层，AP1是在第一表面处与隧道势垒层接触的内铁磁层。AP1包含硼含量为25-50原子百分比的第一层和硼含量为约1-20原子百分比的第二层。第一AP1层和第二AP1层形成彼此的界面，并且两个AP1层中的一个接触隧道势垒层。可以存在第三AP1层，其与第一层和第二层相比距离隧道势垒层更远，使得第三AP1层邻接NM1层。隧道势垒层较佳为氧化镁，也可以使用其它金属氧化物、金属氮化物或金属氮氧化物。自由层叠层具有高硼含量为25-50原子百分比的第一磁性层和硼含量为1-20原子百分比的第二磁性层。第一和第二磁性层形成彼此的界面，并且两个磁性层其中之一在与第一表面相对的表面上接触隧道势垒层。在一些实施例中，自由层叠层具有FL1/FL2/NM2/FL3，其中FL1和FL2是第一和第二磁性层，NM2是第二非磁性金属或合金，并且FL3是第三磁性层。在AP1参考层和自由层叠层中具有升高的硼含量的含硼层，是有利地被用来实质上减少NM1和NM2中的非磁性金属分别向隧道势垒层的迁移。FL1、FL2以及第一和第二AP1层具有选自钴硼铁硼、钴铁硼、钴铁镍硼或钴铁硼Q的成分，其中Q为锆、铪、铌、钽、钼和钨其中一种。在一些实施例中，一个或多个FL2和AP1层可以由与FL1合金不同的合金制成。例如，FL1可以是钴硼，而一个或多个FL2和AP1层是铁硼、钴铁硼、钴铁镍硼或钴铁硼Q其中一种。每一含硼层的厚度为1至10埃。在一些实施例中，例如，钴铁硼的含硼层可以包含钴铁/硼或硼/钴铁的双层。在其他实施例中，含硼层可以是具有一个或多个硼层以及一层或多层钴、铁、钴铁、钴铁镍、钴铁硼或钴铁Q的多层结构。NM1和NM2是选自钌、铑、铱、钽、钨、钼、铬和镁的金属M，或者可以是包括M金属其中一者和镍、铁或钴其中一者的合金。较佳地，FL1/FL2叠层和AP1层各自具有小于约20埃的总厚度，以分别促进自由层和参考层中的垂直磁各向异性。在一个替代实施例中，MTJ可具有顶部自旋阀结构，其中自由层、隧道势垒层和参考层依序形成在种子层或AFM层上。在这个例子中，自由层具有FL3/NM2/FL2/FL1叠层，其中FL3接触种子层或AFM层，且FL1接触隧道势垒层的底面。参考层可具有AP1/NM1/AP2配置，其中AP1层接触隧道势垒层的顶面。所有的MTJ层可以沉积在相同的溅射室中。磁性层可以在室温或高达400℃下沉积。隧道势垒层通常是先藉由在AP1参考层上沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性隧道结(MTJ)组件，用于一磁性装置中，包含有：(a)一参考层，具有一AP2/NM1/AP1配置，其中AP2为一第一磁性层，AP1为一第二磁性层并邻接于一隧道势垒层沿着一第一表面，NM1为一第一非磁性层并能够引发反铁磁性耦合于AP1与AP2之间，或提供一磁矩稀释效应于该参考层中，该AP1层是由具有含硼量25‑50原子百分比的一第一层和接触该隧道势垒层且具有低含硼量1‑20原子百分比的一第二层所组成；(b)该隧道势垒层；及(c)一自由层叠层，是由具有含硼量25‑50原子百分比的一第一自由层和具有低含硼量1‑20原子百分比的一第二自由层所组成，该第一自由层与该第二自由层形成一界面，且该第一自由层和该第二自由层中的一层接触该隧道势垒层与该第一表面相对的一表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.20 US 14/803,1111.一种磁性隧道结(MTJ)组件，用于一磁性装置中，包含有：(a)一参考层，具有一AP2/NM1/AP1配置，其中AP2为一第一磁性层，AP1为一第二磁性层并邻接于一隧道势垒层沿着一第一表面，NM1为一第一非磁性层并能够引发反铁磁性耦合于AP1与AP2之间，或提供一磁矩稀释效应于该参考层中，该AP1层是由具有含硼量25-50原子百分比的一第一层和接触该隧道势垒层且具有低含硼量1-20原子百分比的一第二层所组成；(b)该隧道势垒层；及(c)一自由层叠层，是由具有含硼量25-50原子百分比的一第一自由层和具有低含硼量1-20原子百分比的一第二自由层所组成，该第一自由层与该第二自由层形成一界面，且该第一自由层和该第二自由层中的一层接触该隧道势垒层与该第一表面相对的一表面。2.如权利要求第1所述的MTJ组件，其中该第一自由层接触该隧道势垒层。3.如权利要求第1所述的MTJ组件，其中该第二自由层接触该隧道势垒层。4.如权利要求1所述的MTJ组件，其中在该AP1层中该第一层和该第二层的每一层以及该第一自由层和该第二自由层具有选自钴硼、铁硼、钴铁硼、钴铁镍硼或钴铁硼Q的成分，其中Q为锆、铪、铌、钽、钼和钨其中一种。5.如权利要求1所述的MTJ组件，其中在该AP1层中该第一层和该第二层的每一层具有1至10埃的厚度。6.如权利要求1所述的MTJ组件，其中该第一自由层和该第二自由层的每一层具有1至10埃的厚度。7.如权利要求4所述的MTJ组件，其中在该AP1层中该第一层和该第二层其中一者或两者是由一双层配置所组成，其中一层是钴、铁、钴铁、钴铁镍、钴铁硼或钴铁Q，且另一层是硼。8.如权利要求4所述的MTJ组件，其中在该AP1层中该第一层和该第二层其中一者或两者具有一多层配置，该多层配置是由一层或多层的硼以及选自钴、铁、钴铁、钴铁镍、钴铁硼和钴铁Q的一层或多层所组成。9.如权利要求4所述的MTJ组件，其中该第一自由层和该第二自由层其中一者或两者是由一双层配置所组成，其中一层是钴、铁、钴铁、钴铁镍、钴铁硼或钴铁Q，且另一层是硼。10.如权利要求4所述的MTJ组件，其中该第一自由层和该第二自由层其中一者或两者具有一多层配置，该多层配置是由一层或多层的硼以及选自钴、铁、钴铁、钴铁镍、钴铁硼和钴铁Q的一层或多层所组成。11.如权利要求1所述的MTJ组件，其中该隧道势垒层为镁、钛、铝钛、镁锌、铝、锌、锆、钽或铪的氧化物、氮氧化物或氮化物，或为钴铁硼、钴硼或铁硼的天然氧化物，或为一种或多种前述材料的叠层构造。12.如权利要求1所述的MTJ组件，其中NM1为钌、铑和铱其中一者，以为该参考层提供一合成反平行(SyAP)配置。13.如权利要求1所述的MTJ组件，其中该自由层叠层具有一FL1/FL2/NM2/FL3配置，其中FL1是该第一自由层或该第二自由层的一层，FL2是该第一自由层或该第二自由层的另一层，FL3是一第三自由层，且NM2是一第二非磁性层并能够引发反铁磁性耦合于FL2与FL3之间，或提供一磁矩稀释效应于该自由层中。14.如权利要求1所述的MTJ组件，其中该磁性装置是磁阻随机存取存储器(MRAM)、自旋力矩MRAM、嵌入式MRAM或自旋电子装置，或是在读取头中的一传感器。15.一种磁性隧道结(MTJ)组件，用于一磁性装置中，包含有：(a)一参考层，具有一AP2/NM1/AP1配置，其中AP2为一第一磁性层，AP1为一第二磁性层并邻接于一隧道势垒层沿着一第一表面，NM1为一第一非磁性层并能够引发反铁磁性耦合于AP1与AP2之间，或提供一磁矩稀释效应于该参考层中，该AP1层是由具有含硼量1-20原子百分比的一第一层和接触该隧道势垒层且具有含硼量25-50原子百分比的一第二层所组成；(b)该隧道势垒层；及(c)一自由层叠层，是由具有含硼量25-50原子百分比的一第一自由层和具有低含硼量1-20原子百分比的一第二自由层所组成，该第一自由层与该第二自由层形成一界面，且该第一自由层和该第二自由层中的一层接触该隧道势垒层与该第一表面相对的一表面。16.如权利要求15所述的MTJ组件，其中该第一自由层接触该隧道势垒层。17.如权利要求15所述的MTJ组件，其中该第二自由层接触该隧道势垒层。18.如权利要求15所述的MTJ组件，其中在该AP1层中该第一层和该第二层的每一层以及该第一自由层和该第二自由层具有选自钴硼、铁硼、钴铁硼、钴铁镍硼或钴铁硼Q的成分，其中Q为锆、铪、铌、钽、钼和钨其中一种。19.如权利要求15所述的MTJ组件，其中在该AP1层中该第一层和该二层的每一层具有1至10埃的厚度。20.如权利要求15所述的MTJ组件，其中该第一自由层和该第二自由层的每一层具有1至10埃的厚度。21.如权利要求18所述的MTJ组件，其中在该AP1层...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘焕龙，李元仁，朱健，诺真·杰，王柏刚，
申请(专利权)人：海德威科技公司，
类型：发明
国别省市：美国,US