【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】将氧化镁插入磁性记忆体应用所用的自由层
本专利技术实施例关于磁性元件，其包含与穿隧阻障层与高介电常数增进层交界的自由层，其中自由层包括簇形式的氧化镁或非化学计量的氧化镁于连续层中，其促进较高的垂直磁向异性、较佳的热稳定性、与较低的切换电流以用于自旋电子应用。
技术介绍
依据硅的互补式金氧半与磁穿隧接面技术的整合，磁阻随机存取记忆体为重要的新兴技术，其可与现存的半导体记忆体如静态随机存取记忆体、动态随机存取记忆体、与快闪记忆体强力竞争。此外，自旋转移扭矩的磁化切换技术已揭露于C.Slonczewski发表的Currentdrivenexcitationofmagneticmultilayers”,J.Magn.Magn.Mater.V159,L1-L7(1996)，其于千兆位元的规模上可能应用于自旋电子装置如自旋转移扭矩-磁阻随机存取记忆体，因此引起相当大的兴趣。场-磁阻随机存取记忆体与自旋转移扭矩-磁阻随机存取记忆体，均具有穿隧磁阻效应的磁穿隧接面元件，其中层状物堆叠的设置中，两个铁磁层层隔有非磁介电薄层。一铁磁层具有钉扎于第一方向中的磁矩，而另一铁磁层的磁矩可自由旋转至与第一方向平行或反平行的方向。随着磁阻随机存取记忆体单元的尺寸缩小，采用载流线产生的外部磁场切换自由层的磁矩方向的方式产生问题。形成超高密度的磁阻随机存取记忆体的关键之一，为消除半选择的干扰问题以提供强大的磁性切换范围。为了此原因，发展新型装置如自旋转移扭矩-磁阻随机存取记忆体。与现有的磁阻随机存取记忆体相较，自旋转移扭矩-磁阻随机存取记忆体...
【技术保护点】
1.一种磁性元件，包括：/n(a)一穿隧阻障层，系一第一金属氧化物层；/n(b)一高介电常数增进层或一非磁性金属或合金层；以及/n(c)一自由层，具有一第一表面以与所述穿隧阻障层形成一第一界面，具有一第二表面以与所述高介电常数增进层或所述非磁性金属或合金层形成一第二界面，并包括多个金属氧化物簇于所述第一表面与所述第二表面之间，其中所述多个金属氧化物簇的每一者与所述自由层形成一界面，以增进所述自由层中的垂直磁向异性。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170317 US 15/461,7791.一种磁性元件，包括：
(a)一穿隧阻障层，系一第一金属氧化物层；
(b)一高介电常数增进层或一非磁性金属或合金层；以及
(c)一自由层，具有一第一表面以与所述穿隧阻障层形成一第一界面，具有一第二表面以与所述高介电常数增进层或所述非磁性金属或合金层形成一第二界面，并包括多个金属氧化物簇于所述第一表面与所述第二表面之间，其中所述多个金属氧化物簇的每一者与所述自由层形成一界面，以增进所述自由层中的垂直磁向异性。
2.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述穿隧阻障层、所述高介电常数增进层、与所述金属氧化物蔟包括氧化镁。
3.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述多个金属氧化物簇具有化学计量的氧化态。
4.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述多个金属氧化物簇具有非化学计量的氧化态。
5.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层的厚度为约至
6.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层为钴、铁、钴铁、硼化钴铁、硼化钴、硼化铁、钴铁镍、与硼化钴铁镍的一或多者的单层或多层。
7.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层包括具有固有垂直磁向异性的高结晶向异性能量常数的材料，其为Heusler合金、有序L10或L11的材料、或稀土合金，Heusler合金系Ni2MnZ、Pd2MnZ、Co2MnZ、Fe2MnZ、Co2FeZ、Mn3Ge、或Mn2Ga，其中Z为Si、Ge、Al、Ga、In、Sn、或Sb，有序L10或L11的材料的组成为MnAl、MnGa、或RT，其中R系Rh、Pd、Pt、Ir、或上述的合金，而T系Fe、Co、Ni、或上述的合金，而稀土合金的组成为TbFeCo、GdCoFe、FeNdB、或SmCo。
8.根据权利要求1所述的磁性元件，更包括一晶种层形成于一基板上、一参考层位于所述晶种层上、以及最上侧的一盖层，以得所述晶种层/所述参考层/所述穿隧阻障层/所述自由层/所述高介电常数增进层/所述盖层的设置，或所述晶种层/所述参考层/所述穿隧阻障层/所述自由层/所述非磁性金属或合金层/所述盖层的设置。
9.根据权利要求1所述的磁性元件，更包括一晶种层形成于一基板上、一参考层位于所述穿隧阻障层上、以及一盖层位于所述参考层上，以得所述晶种层/所述高介电常数增进层/所述自由层/所述穿隧阻障层/所述参考层/所述盖层的设置，或者所述晶种层/所述非磁性金属或合金层/所述自由层/所述穿隧阻障层/所述参考层/所述盖层的设置。
10.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述高介电常数增进层为含有一或多个氧化物的单层或积层，氧化物系氧化镁、氧化硅、钛酸锶、钛酸钡、钛酸钙、氧化镧铝、氧化锰、氧化钒、氧化铝、氧化钛、或氧化铪，且所述高介电常数增进层的电阻×面积值小于所述穿隧阻障层的电阻×面积值。
11.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述高介电常数增进层为氮化钛，或者包含组成为氧化镁、氧化硅、钛酸锶、钛酸钡、钛酸钙、氧化镧铝、氧化锰、氧化钒、氧化铝、氧化钛、或氧化铪的第一层与氮化钛的第二层。
12.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述金属氧化物簇包括元素M或包括元素M与元素Q，其中元素M与元素Q不同，元素M系镁、铝、硼、钙、钡、锶、钽、硅、锰、钛、锆、铪，而元素Q系硼、碳、铝、或过渡金属。
13.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层、所述穿隧阻障层、所述高介电常数增进层、与所述非磁性金属或合金层，为磁阻随机存取记忆体、自旋转移扭矩-磁阻随机存取记忆体、或另一自旋电子装置的部分，且另一自旋电子装置为自旋扭矩振荡器、自旋霍尔效应装置、磁感测器、或生物感测器。
14.一种磁性元件，包括：
(a)一穿隧阻障层，其为一第一金属氧化物层；
(b)一高介电常数增进层或一非磁性金属或合金层；以及
(c)一复合自由层，具有一第一自由层/一金属层M/一第二自由层的设置或者所述第一自由层/一合金层MQ/所述第二自由层的设置，其中所述第一自由层与所述穿隧阻障层形成一第一界面，所述第二自由层与所述高介电常数增进层或所述非磁性金属或合金层形成一第二界面，且所述金属层M与所述合金层MQ在形成磁性元件时捕获氧，以部分氧化成非化学计量的氧化态，进而增进所述复合自由层中的垂直磁向异性。
15.根据权利要求14所述的磁性元件，其中M系镁、铝、硼、钙、钡、锶、钽、硅、锰、钛、锆、或铪，而Q系硼、碳、铝、或过渡金属，且M与Q不同。
16.根据权利要求14所述的磁性元件，其中所述第一自由层与所述第二自由层包括Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoB、FeB、CoFeNi、与CoFeNiB的一或多者或具有固有垂直磁向异性的高结晶向异性能量常数材料，其为Heusler合金、有序L10或L11的材料、或稀土合金，Heusler合金系Ni2MnZ、Pd2MnZ、Co2MnZ、Fe2MnZ、Co2FeZ、Mn3Ge、或Mn2Ga，其中Z为Si、Ge、Al、Ga、In、Sn、或Sb，有序L10或L11的材料的组成为MnAl、MnGa、或RT，其中R系Rh、Pd、Pt、Ir、或上述的合金，而T系Fe、Co、Ni、或上述的合金，而稀土合金的组成为TbFeCo、GdCoFe、FeNdB、或SmCo。
17.根据权利要求14所述的磁性元件，其中所述复合自由层更包括一第二金属层或一第二合金层以邻接所述第二自由层，以及一第三自由层以接触所述第二金属层或所述第二合金层，以提供所述第一自由层/所述金属层M/所述第二自由层/所述第二合金层/所述第三自由层的设置、所述第一自由层/所述合金层MQ/所述第二自由层/所述第二合金层/所述第三自由层的设置、或所述第一自由层/所述合金层MQ/所述第二自由层/所述第二金属层/所述第三自由层的设置，其中所述第二金属层的金属系M，而所述第二合金层的合金系MQ。
18.根据权利要求17所述的磁性元件，其中与所述介电常数增进层或所述非磁性金属或合金层交界者为所述第三自由层。
19.根据权利要求17所述的磁性元件，其中所述第三自由层包含Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoB、FeB、CoFeNi、与CoFeNiB的一或多者、Heusler合金、有序L10或L11的材料、或稀土合金，Heusler合金系Ni2MnZ、Pd2MnZ、Co2MnZ、Fe2MnZ、Co2FeZ、Mn3Ge、或Mn2Ga，其中Z为Si、Ge、Al、Ga、In、Sn、或Sb，有序L10或L11的材料的组成为MnAl、MnGa、或RT，其中R系Rh、Pd、Pt、Ir、或上述的合金，而T系Fe、Co、Ni、或上述的合金，而稀土合金的组成为TbFeCo、GdCoFe、FeNdB、或SmCo。
20.根据权利要求14所述的磁性元件，其中所述高介电常数增进层或所述非磁性金属或合金层与所述第二自由层形成所述第二界面，且更包含一晶种层形成于所述基板上、一参考层位于所述晶种层上、以及最上侧的一盖层，以得所述晶种层/所述参考层/所述穿隧阻障层/所述复合自由层/所述高介电常数增进层/所述盖层的设置，或者所述晶种层/所述参考层/所述穿隧阻障层/所述复合自由层/所述非磁性金属或合金层/所述盖层的设置。
21.根据权利要求14所述的磁性元件，其中所述高介电常数增进层或所述非磁性金属或合金层与所述第二自由层形成所述第二界面，且更包含一晶种层形成于所述基板上、一参考层位于所述穿隧阻障层上、以及一盖层位于所述参考层上，以得所述晶种层/所述高介电常数增进层/所述复合自由层/所述穿隧阻障层/所述参考层/所述盖层的设置，或者所述晶种层/所述非磁性金属或合金层/所述复合自由层/所述穿隧阻障层/所述参考层/所述盖层的设置。
22.根据权利要求17所述的磁性元件，其中所述高介电常数增进层或所述非磁性金属或合金层与所述第二自由层形成所述第二界面，且更包含一晶种层形成于所述基板上、一参考层位于所述晶种层上、以及最上侧的一盖层，以得所述晶种层/所述参考层/所述穿隧阻障层/所述复合自由层/所述高介电常数增进层/所述盖层的设置，或者所述晶种层/所述参考层/所述穿隧阻障层/所述复合自由层/所述非磁性金属或合金层/所述盖层的设置。
23.根据权利要求17所述的磁性元件，其中所述高介电常数增进层或所述非磁性金属或合金层与所述第二自由层形成所述第二界面，且更包含一晶种层形成于所述基板上、一参考层位于所述穿隧阻障层上、以及一盖层位于所述参考层上，以得所述晶种层/所述高介电常数增进层/所述复合自由层/所述穿隧阻障层/所述参考层/所述盖层的设置，或者所述晶种层/所述非磁性金属或合金层/所述复合自由层/所述穿隧阻障层/所述参考层/所述盖层的设置。
24.根据权利要求17所述的磁性元件，其中所述复合自由层更包括一第三金属层形成于所述第三自由层上，以及一第四自由层形成于所述第三金属层上，其中所述第三金属层的组成具有金属M或合金MQ。
25.根据权利要求24所述的磁性元件，其中复合自由层更包括一第四金属层形成于所述第四自由层上，以及一第五自由层形成于所述第四金属层上，其中所述第四金属层的组成具有金属M或合金MQ。
26.根据权利要求25所述的磁性元件，其中所述第四自由层与所述第五自由层各自包含Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoB、FeB、CoFeNi、与CoFeNiB的一或多者、Heusler合金、有序L10或L11的材料、或稀土合金，Heusler合金系Ni2MnZ、Pd2MnZ、Co2MnZ、Fe2MnZ、Co2FeZ、Mn3Ge、或Mn2Ga，其中Z为Si、Ge、Al、Ga、In、Sn、或Sb，有序L10或L11的材料的组成为MnAl、MnGa、或RT，其中R系Rh、Pd、Pt、Ir、或上述的合金，而T系Fe、Co、Ni、或上述的合金，而稀土合金的组成为TbFeCo、GdCoFe、FeNdB、或SmCo。
27.一种磁性元件的形成方法，且所述磁性元件在一自由层与一第一氧化物层之间的一第一界面以及在所述自由层接触形成于所述自由层中的多个金属氧化物簇的多个界面具有界面的垂直向异性，而所述形成方法包括：
(a)提供所述第一氧化物层或一第一非磁性金属或合金层于一基板上；
(b)沉积具有多个金属簇于其中的所述自由层于所述第一氧化物层或所述第一非磁性金属或合金层上；
(c)沉积一第二氧化物层或一第二非磁性金属层或合金层于所述自由层远离所述第一氧化物层或所述第一非磁性金属或合金层的上表面上；以及
(d)进行一退火步骤，使一或多个步骤(b)、(c)、与(d)时的所述多个金属簇自所述磁性元件中的一或多层捕获氧，并与捕获的氧反应形成所述多个金属氧化物簇，其与所述自由层的多个部分交界，以增进所述自由层中的垂直磁向异性。
28.根据权利要求27所述的磁性元件的形成方法，其中所述自由层的厚度为约至
29.根据权利要求27所述的磁性元件的形成方法，其中所述多个金属氧化物簇具有化学计量或非化学计量的氧化态。
30.根据权利要求27所述的磁性元件的形成方法，其中所述自由层系Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoB、FeB、CoFeNi、与CoFeNiB的一或多者的单层或多层。
31.根据权利要求27所述的磁性元件的形成方法，其中所述自由层包括具有固有垂直磁向异性的高结晶向异性能量常数材料，其为Heusler合金、有序L10或L11的材料、或稀土合金，Heusler合金系Ni2MnZ、Pd2MnZ、Co2MnZ、Fe2MnZ、Co2FeZ、Mn3Ge、或Mn2Ga，其中Z为Si、Ge、Al、Ga、In、Sn、或Sb，有序L10或L11的材料的组成为M...
【专利技术属性】
技术研发人员：裘地·玛丽·艾维塔，真杰诺，童儒颖，王柏刚，
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
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