双磁穿隧接面与其形成方法技术

本公开涉及一种双磁穿隧接面与其形成方法，其中第一穿隧阻障层(TB1)具有比上覆的第二穿隧阻障层(TB2)的电阻与表面积乘积RA

Double magnetic tunneling interface and its forming method

【技术实现步骤摘要】
双磁穿隧接面与其形成方法
本公开实施例涉及一种双磁穿隧接面(dualmagnetictunneljunction,DMTJ)，其包括与一下穿隧阻障(TB1)层和一上穿隧阻障(TB2)层互接的一自由层，其中下穿隧阻障层的电阻与表面积乘积(RA1)大致上小于上穿隧阻障层的电阻与表面积乘积(RA2)，分别与上穿隧阻障和下穿隧阻障层邻接的固定层PL1和PL2被初始化为彼此反平行(antiparallel)，且在固定层PL2的顶表面上形成具有组构(texture)(111)的一金属氧化物层或一磁性层，以改善固定层PL2的磁化稳定性。
技术介绍
垂直磁穿隧接面(p-MTJ)是用作嵌入式磁性随机存取存储器(magneticrandomaccessmemory,MRAM)应用和独立(standalone)磁性随机存取存储器应用的主要新兴技术。使用自旋转矩(spin-torque)(STT-MRAM)来写入存储位元的p-MTJMRAM技术被描述于C.Slonczewskiin“Currentdrivenexcitationofmagneticmultilayers”,J.Magn.Magn.Mater.V159,L1-L7(1996)中，并且与现有的半导体存储器技术(如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)和快闪存储器)竞争激烈。降低p-MTJ的临界开关电流密度是将MRAM和STT-MRAM整合到现有的互补式金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor,CMOS)技术中的关键挑战。随着写入电流的减小，可以将更小的晶体管用于每个位元格(bitcell)，从而潜在地实现更高密度的存储阵列并降低生产成本。过去研究用于在一p-MTJ中最小化切换自由层的临界电流(iC)的策略的一是一种双自旋滤波器结构，也称为一种双磁穿隧接面(DMTJ)。典型的双磁穿隧接面具有一PL1/TB1/FL/TB2/PL2配置，其中PL1和PL2是第一固定层和第二固定层，其分别邻接第一穿隧阻障层TB1和第二穿隧阻障层TB2，并且当电流在垂直于平面方向上通过双磁穿隧接面时，在自由层(FL)上产生自旋转矩效应。优选地，第一固定层PL1、第二固定层PL2和自由层FL中的每一个具有一磁化方向，此磁化方向与垂直于平面的方向对齐。当第一固定层PL1和第二固定层PL2被初始化为彼此反平行时，与一PL/TB/FL配置中具有单一自旋偏振器的磁穿隧接面相比，自由层FL上的自旋转矩例如可能增加两倍。因此，改进了自旋转矩传递效率并降低了临界电流(iC)。在前述双磁穿隧接面中，PL1/TB1/FL堆叠和FL/TB2/PL2堆叠可被认为是两个分开的子结构，每个子结构具有其个别的穿隧磁阻(tunnelingmagnetoresistive,TMR)值。在每个p-MTJ子结构中，自由层FL相对于第一固定层PL1和第二固定层PL2自由旋转至平行(P状态)或反平行(AP状态)的方向。重要的是，净磁阻比(netmagnetoresistiveratio)(DRR)是个别的穿隧磁阻值的总和，穿隧磁阻值的总和是一大的值，优选地大于1，因为净磁阻比与读取余裕(margin)直接相关。具有两个p-MTJ子结构的双磁穿隧接面的磁性能不仅与净磁阻比DRR和临界电流iC有关，而且与电阻与表面积乘积RA1、电阻与表面积乘积RA2及每个磁性层对杂散场(strayfield)的稳定性有关。通常而言，在双磁穿隧接面单元中，包含其顶面光滑度的膜均匀性随着与基板的距离增加而减小。具体而言，在一双磁穿隧接面中第二固定层PL2磁化的稳定性依赖于一AP1/AF耦合层/AP2堆叠中的磁性层AP1和磁性层AP2之间的强反铁磁(antiferromagnetic,AF)耦合，其提供用于第二固定层PL2磁化的最低能量状态(最稳定方向)。然而，当第二固定层PL2距离基板相当大的距离时，在AF耦合层的一窄厚度范围内发生强反铁磁耦合是难以控制的。AF耦合层厚度的变化可导致磁性层AP1和磁性层AP2的区域具有铁磁(平行)耦合而不是反铁磁耦合，或者在磁性层AP1和磁性层AP2之间具有变化的反铁磁耦合强度。并且，下方的第二穿隧阻障层TB2的粗糙度降低了在TB2/PL2界面处第二固定层PL2中的界面垂直异向性，从而降低了第二固定层PL2中的垂直磁异向性，这降低了第二固定层PL2磁化稳定性。另一个需要解决的问题是，为了获得稳定的固定层(PL2)，AP1/AF耦合层/AP2堆叠中的材料具有面心立方(facecenteredcubic,fcc)晶体结构是至关重要的。然而，面心立方(111)层无法在具有面心立方(002)组构的第二穿隧阻障层TB2，例如MgO上有利地生长。即使这样的晶体生长是可实现的，但它对双磁穿隧接面堆层的净磁阻比是有害的，因为面心立方(002)组构对于该目的是优选的。因此，需要一种双磁穿隧接面结构，其中临界电流iC、净磁阻比DRR、电阻与表面积乘积RA和第二固定层PL2的磁稳定性同时被最佳化，以提高性能和制造良率。
技术实现思路
本公开实施例涉及以下内容：美国专利号8,057,925；待审案件编号HT17-014，申请号15/841,479，申请日2017年12月14日；待审案件编号HT17-034，申请号15/728,818，申请日2017年10月10日；及待审案件编号HT17-038，申请号16/056,701，申请日2018年8月7日，其转让给共同受让人，并且其全部内容通过引用并入本文。本公开实施例的一个目的是提供一种双磁穿隧接面单元设计，其将用于将切换自由层的临界电流(iC)降低至小于利用单一p-MTJ单元实现的临界电流(iC)，并且改善一上固定层中的磁化稳定性，同时为先进的磁性随机存取存储器(MRAM)和磁性随机自旋转矩存取存储器(STT-MRAM)装置实现可接受的净磁阻比(DRR)和电阻与表面积乘积(RA)。第两个目的是提供一种初始化双磁穿隧接面中的固定层和自由层的方法，此方法与第一个目的的双磁穿隧接面单元设计相容。根据本公开的第一实施例，一种优选的双磁穿隧接面单元也称为一双自旋滤波器(dualspinfilter,DSF)，双磁穿隧接面单元包括夹设于一下第一穿隧阻障层(TB1)与一上第二穿隧阻障层(TB2)之间的一自由层、邻接第一穿隧阻障层的一底面的一第一固定层(PL1)以及接触第二穿隧阻障层的一顶面的一第二固定层(PL2)。在优选的实施例中，在第二固定层的一顶面上形成一氧化物覆盖层，以增强其中的界面垂直异向性(anisotropy)，其导致更高的第二固定层的磁化稳定性。在一替代实施例中，氧化物覆盖层被一个或多个具有面心立方(111)组构的磁性层所替代。所有磁性层(PL1、PL2、FL)在一垂直于平面的方向(一垂直方向)上具有一磁化方向，此磁化方向与其上形成有双磁穿隧接面的基板的顶面正交。虽然第一固定层可具有由AP2/AF耦合层/AP1堆层表示的合成反平行(syntheticantiparallel,SyAP)配置，但是第二固定层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双磁穿隧接面，包括：/n(a)一第一固定铁磁层(PL1)，位于一基板之上；/n(b)一第一穿隧阻障层(TB1)，形成于该第一固定铁磁层之上，且该第一穿隧阻障层具有一第一电阻与表面积乘积RA

【技术特征摘要】
20180918 US 16/133,9641.一种双磁穿隧接面，包括：
(a)一第一固定铁磁层(PL1)，位于一基板之上；
(b)一第一穿隧阻障层(TB1)，形成于该第一固定铁磁层之上，且该第一穿隧阻障层具有一第一电阻与表面积乘积RA1；
(c)一自由层(FL)，接触该第一穿隧阻障层的一顶面，且该自由层具有一磁化方向，该磁化方向与该基板正交排列；
(d)一第二穿隧阻障层(TB2)，邻接该自由层的一顶面，且该第二穿隧阻障层具有一第二电阻与表面积乘积RA2，该第二电阻与表面积乘积大致上大于该第一电阻与表面积乘积；
(e)一第二固定铁磁层(PL2)，形成于该第二穿隧阻障层之上，其中该第二固定铁磁层具有一磁化方向，该磁化方向与该基板正交排列且反平行于该第一固定铁磁层的磁化方向；以及
(f)一氧化物覆盖层，接触该第二固定铁磁层的一顶面，且该氧化物覆盖层具有一电阻与表面积乘积RACAP，该电阻与表面积乘积大致上小于该第二电阻与表面积乘积。


2.如权利要求1所述的双磁穿隧接面，其中该第一穿隧阻障层和该氧化物覆盖层各自具有比该第二穿隧阻障层更小的厚度和更低的氧化态的其中之一或其中之二。


3.如权利要求1所述的双磁穿隧接面，其中该第一穿隧阻障层和该氧化物覆盖层其中之一或其中之二包括一金属氧化物或金属氮氧化物基质，该金属氧化物或金属氮氧化物基质中形成多个导电通道。


4.如权利要求1所述的双磁穿隧接面，其中该氧化物覆盖层是一掺杂的金属氧化物层，金属是Mg、Al、Ti、Ta、Fe、Co、B及Ru中的一种或多种，掺杂物是N、S、Se、P、C、Te、As、Sb、Bi、Si、Pt、Au、Ir、W或Mo中的一种，该掺杂物含量为100ppm至20原子百分率，其在掺杂的该氧化物覆盖层的能带间隙中产生导电状态。


5.如权利要求1所述的双磁穿隧接面，还包括一金属氧化物Hk增强层，该金属氧化物Hk增强层邻接该第一固定铁磁层的一底面，并且具有大致上小于该第二电阻与表面积乘积的一电阻与表面积乘积RAHk。


6.如权利要求1所述的双磁穿隧接面，其中该第二固定铁磁层包括具有硼的一下层，该下层是Co、Fe和Ni中的一种或多种或其合金，其具有一体心立方晶体结构以与该第二穿隧阻障层形成一晶格匹配。


7.一种双磁穿隧接面，包括：
(a)一第一固定铁磁层(PL1)，位于一基板之上；
(b)一第一穿隧阻障层(TB1)，形成于该第一固定铁磁层...

【专利技术属性】
技术研发人员：维格纳许·桑达，王郁仁，路克·汤马斯，真杰诺，沙希·帕特尔，童儒颖，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71