一种形成磁阻器件的方法以及磁阻器件技术

依据本发明专利技术的一个方面，提供一种形成磁阻器件的方法，该方法包括：在基板上方形成磁性隧道结结构，该磁性隧道结结构在自底向上的方向上包括自由层、隧道势垒层和参考层，在磁性隧道结结构上方形成钉扎层，用于钉扎参考层的磁化方向，在钉扎层上方形成含Cr的覆盖层，以及进行退火步骤，其中Cr从覆盖层至少扩散到钉扎层中。本发明专利技术还提供一种磁阻器件和磁阻随机存取存储器MRAM。

【技术实现步骤摘要】
一种形成磁阻器件的方法以及磁阻器件
本专利技术涉及一种形成磁阻器件的方法以及磁阻器件。
技术介绍
磁阻随机存取存储器(MRAM)技术是未来存储技术的一个有希望的候选者。磁阻器件或存储元件可包括垂直磁性隧道结结构(MTJ)。MTJ可以配置为“顶钉扎”MTJ。顶钉扎MTJ在自底向上的方向上包括自由层，设置在自由层上方的参考层，以及设置在自由层和参考层之间的隧道势垒层。参考层和自由层通常是铁磁层，形成为显示垂直磁各向异性(PMA)或面内磁各向异性。参考层的磁化方向是“固定的”或“钉扎的”，而自由层的磁化方向是可切换的。可通过设置在参考层上的硬磁性“钉扎”层来实现参考层的钉扎。参考层和自由层的磁化方向的相对取向决定MTJ的电阻。当参考层和自由层的磁化对齐或平行时，MTJ可呈现较低的电阻，而当参考层和自由层的磁化方向互相反平行时，MTJ可呈现较高的电阻。隧穿磁阻比(TMR)是MTJ电阻在反平行状态和平行状态之间的差异的量度。自由层的不同状态以及相应的不同电阻水平可用于表示逻辑“1”或逻辑“0”。可通过测量MTJ对通过MTJ的“读取电流”来执行MTJ的读取操作。MTJ的写入操作通常涉及在平行状态和反平行状态之间改变/切换自由层的磁化方向。可通过自旋转移扭矩(STT)效应来控制自由层的磁化方向，其中通过使较高的电流垂直于形成MTJ的层通过MTJ来改变磁化方向。或者，可通过自旋轨道扭矩(SOT)效应来控制自由层的磁化方向，其中通过使电流通过设置在自由层下方的额外的“SOT产生层”来改变磁化方向。STT效应和SOT效应也可以联合使用，以能够更快地切换自由层的磁化方向。制造这种装置的难处包括：实现足够高的TMR比(例如至少150％)，优选在低结电阻面积乘积下(例如小于10Ohm*μm2)实现；实现足够程度的自由层和参考层的磁各向异性。同时，为了能得到高性能器件，在暴露于后端制程(BEOL)处理(通常400℃)过程中所需的升高的温度后要仍然能展示这些性质。特别是对于顶钉扎MTJ，这仍然是要克服的关键难点之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决这些难点。依据本专利技术的第一方面，提供一种形成磁阻器件的方法，该方法包括：在基板上方形成磁性隧道结结构，该磁性隧道结结构在自底向上的方向上包括自由层、隧道势垒层和参考层，在磁性隧道结结构上方形成钉扎层，用于钉扎参考层的磁化方向，在钉扎层上方形成含Cr的覆盖层，以及进行退火步骤，其中Cr从覆盖层至少扩散到钉扎层中。依据本专利技术的第二方面，提供一种形成磁阻器件的方法，该方法包括：在基板上方形成磁性隧道结结构，该磁性隧道结结构在自底向上的方向上包括自由层、隧道势垒层和参考层，在磁性隧道结结构上方形成钉扎层的至少一个子层，所述钉扎层用于钉扎参考层的磁化方向，在所述钉扎层的至少一个子层上方形成含Cr的覆盖层，以及进行退火步骤，其中Cr从覆盖层至少扩散到所述钉扎层的至少一个子层中。如本专利技术人所认识到的，基于顶钉扎磁性隧道结(MTJ)的磁阻器件如果经历典型的BEOL温度(例如400℃)，可能显示出TMR劣化。本专利技术人认为劣化主要是因为由参考层和钉扎层(如果存在，以及间隔层)形成的参考层体系的各向异性损失。可以在钉扎层上方形成含Cr的覆盖层。因此，覆盖层可对于全部钉扎层和MTJ形成覆盖层。或者，含Cr的覆盖层可作为钉扎层的子层形成。因此，覆盖层可对于覆盖层下方的钉扎层的至少一个子层和MTJ形成覆盖层。引入含Cr的覆盖层并且通过退火步骤引发Cr的扩散能够明显改善MTJ结构以及磁阻器件的热稳健性。还可以改善参考层和钉扎层以及MTJ的TMR和所得器件的磁各向异性和磁矫顽力当参考层的各向异性在高热预算处理过程中失效时，TMR也会下降，电阻面积(RA)会增加。因此，通过改善参考层体系的各向异性，可以在高热预算处理过程中维持TMR/RA比。通过扩散将Cr从覆盖层引入钉扎层中使得Cr可以以受控的方式引入。第一方法方面的优点是在钉扎层形成之后引入Cr。因此，形成钉扎层的方法可以在不存在Cr不利地影响钉扎层纹理的风险的情况下进行，所述钉扎层纹理是提供所需的钉扎层磁各向异性所需的。第二方法方面的优点是包含Cr的覆盖层可以在能提供最大益处的位置或深度处被引入钉扎层中。该方法还促进Cr较低或较深地扩散到层堆叠的下层中，特别是参考层中。因此，第二方法方面的实施方式可包括：在磁性隧道结结构上方形成所述钉扎层的至少一个子层，在所述钉扎层的至少一个子层上方形成含Cr的覆盖层，进行所述退火步骤，其中Cr从覆盖层至少扩散到所述钉扎层的至少一个子层中，和在所述退火步骤后，在所述覆盖层上方形成钉扎层的至少一个额外的子层。钉扎层的至少一个额外的子层还可改善钉扎层的总磁矩。依据本专利技术的磁阻器件适用于磁阻随机存取存储器(MRAM)。因此，磁阻器件可形成磁阻存储器件。但是，依据本专利技术的磁阻器件也可用作磁阻自旋逻辑器件，能够执行典型的布尔螺距运算。文中所用的术语“自底向上的方向”表示形成器件部分即层堆叠的各层相对于基板的顺序。因此，术语“自底向上的方向”并不表示层的绝对取向，而是形成器件和MTJ结构的各层的相对顺序或次序，或者形成各层的顺序。类似地，一层设置或形成在另一层“上方”被用来定义从基板的方向观察所述一层的平面设置在所述另一层的平面上方。因此，所述一层比所述另一层设置在离基板更远的位置。一层设置在另一层“上”可以是直接设置在所述另一层上，即设置在所述另一层上方并与之接触。一层设置在另一层“上”也可以是设置在所述另一层上，但是在它们之间有一个或多个中间层。在下文中，当提到具有多层结构的层(例如自由层，参考层或具有至少两个不同性质、类型或材料的子层的钉扎层)的子层时，为简洁起见，“子层”中的前缀“子”可以省略。自由层是具有可改变的(净)磁化的层。也就是说，自由层的磁化矢量或磁矩的方向可改变。自由层的磁化方向可以在两个状态之间变化，即其中自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行的“平行”状态，和其中自由层的磁化方向与参考层的磁化方向反平行的“反平行”状态。自由层也称为存储层。参考层是具有固定或钉扎的(净)磁化的层。也就是说，参考层的磁化矢量或磁矩的方向是固定或钉扎的。参考层也可以称为固定层或钉扎层。自由层可以是铁磁层。参考层可以是铁磁层。自由层可以是软磁层。参考层可以是硬磁层。定义“软”和“硬”在此应理解为设置或形成的自由层显示的(磁)矫顽力小于参考层的矫顽力。钉扎层被适配成固定或钉扎参考层的磁化方向。通过钉扎层施加在参考层上的钉扎效应，参考层相比于自由层的矫顽力可以提高。如同下文将描述的，钉扎层可以是硬铁磁层或配置为反铁磁层。在参考层和自由层之间设置隧道势垒层。隧道势垒层是非铁磁电绝缘层。隧道势垒层被适配为允许隧道电流通过隧道势垒层。依据一个实施方式，退火步骤调整为导致Cr从覆盖层扩散到参考层中。通过使Cr也扩散到参考层中，MTJ结构的上述性能相关的性质以及起见的热稳健性可以进一步提高。依据一个实施方式，退火步骤调整为导致Cr从覆盖层扩散，并且参考层和自由层结晶。因此，在已经形成MTJ、钉扎层和覆盖层之后可进行单独的退火步骤，导致Cr扩散以及参考层和自由层的结晶。退火步骤提供的热能可以引发和驱使自由层和参考层的结晶，还可以引发和驱使Cr至少扩散到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种形成磁阻器件的方法，所述方法包括：在基板上方形成磁性隧道结结构，该磁性隧道结结构在自底向上的方向上包括自由层、隧道势垒层和参考层，在磁性隧道结结构上方形成钉扎层，用于钉扎参考层的磁化方向，在钉扎层上方形成含Cr的覆盖层，以及进行退火步骤，其中Cr从覆盖层至少扩散到钉扎层中。

【技术特征摘要】
2017.01.02 EP 17150036.61.一种形成磁阻器件的方法，所述方法包括：在基板上方形成磁性隧道结结构，该磁性隧道结结构在自底向上的方向上包括自由层、隧道势垒层和参考层，在磁性隧道结结构上方形成钉扎层，用于钉扎参考层的磁化方向，在钉扎层上方形成含Cr的覆盖层，以及进行退火步骤，其中Cr从覆盖层至少扩散到钉扎层中。2.一种形成磁阻器件的方法，所述方法包括：在基板上方形成磁性隧道结结构，该磁性隧道结结构在自底向上的方向上包括自由层、隧道势垒层和参考层，在磁性隧道结结构上方形成钉扎层的至少一个子层，所述钉扎层用于钉扎参考层的磁化方向，在所述钉扎层的至少一个子层上方形成含Cr的覆盖层，以及进行退火步骤，其中Cr从覆盖层至少扩散到所述钉扎层的至少一个子层中。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，退火步骤调整为导致Cr从覆盖层扩散到参考层中。4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述退火步骤调整为导致Cr从覆盖层扩散，并且参考层和自由层结晶。5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述退火步骤包括使磁性隧道结结构、钉扎层和覆盖层经历至少250℃的环境温度。6.如权利要求1-3中任一项所述的方法，所述方法还包括在形成自由层之后并且在形成参考层之前，或者在形成参考层之后并且在形...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·斯韦茨，S·库埃特，
申请(专利权)人：IMEC非营利协会，
类型：发明
国别省市：比利时,BE