通过掺杂自旋转移扭矩(STT)磁阻式随机存取存储器(MRAM)的氧化盖层的高热稳定性制造技术

公开一种磁穿隧结(MTJ)，其中自由层(FL)与金属氧化物(Mox)层和隧道位障层相接以产生界面垂直磁异向性(PMA)。金属氧化物层具有非化学计量的氧化态以使寄生电阻降至最低，并包含掺质以填充空的晶格位置，藉此阻挡氧扩散通过金属氧化物层，以在工艺温度高达400℃的情况下保持界面垂直磁异向性和高热稳定性。形成掺杂的金属氧化物层的各种方法包含在气体形式的掺质和O

The high thermal stability of the oxide coating of MRAM by doping spin transfer torque (STT)

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过掺杂自旋转移扭矩(STT)磁阻式随机存取存储器(MRAM)的氧化盖层的高热稳定性本申请案与以下内容有关：案号HT17-014，申请号15/841,479，申请日2017年12月14日；此专利已转让给共同受让人，并在此全文引入作为参考。
本专利技术实施例是关于磁穿隧结(magnetictunneljunctions，MTJ)，其包含与隧道位障层和作为金属氧化物的磁异向性(Hk)增强层相接的自由层，特别关于降低Hk增强层的电阻并使来自金属氧化物/自由层界面的氧气的扩散降至最低，以在自由层中提供高垂直磁异向性(perpendicularmagneticanisotropy，PMA)，使在高达400℃的工艺温度下能实现存储装置中的热稳定性。
技术介绍
C.Slonczewski在J.Magn.Magn.Mater.V159,L1-L7(1996)的「磁性多层结构的电流驱动激发(Currentdrivenexcitationofmagneticmultilayers)」中描述了用于写入存储位元的自旋转移扭矩磁阻式随机存取存储器(SPINTORQUETRANSFERMAGNETICRANDOMACCESSMEMORY，STT-MRAM)技术，与现有的半导体储存技术(例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(flash))极具竞争力。STT-MRAM具有基于隧道磁阻(tunnelingmagnetoresistance，TMR)效应的磁穿隧结单元，其中磁穿隧结堆叠层具有由薄的绝缘隧道位障层隔开两个铁磁层的配置。铁磁层之一被称为固定层(pinnedlayer)，具有在垂直于平面的方向上固定的磁矩。第二铁磁层(自由层)具有在平行于固定层的方向(P态)和反平行方向(AP态)之间自由旋转的磁化方向。P态(Rp)和AP态(Rap)之间的电阻差由式(Rap-Rp)/Rp表示，也称为DRR。对于磁穿隧结装置而言，重要的是具有大的DRR值，以高于1为佳，因为DRR与存储位元的读取边限(readmargin)正相关，或与区分P态和AP态(0或1位元)的容易程度正相关。现有技术水准的STT-MRAM结构以自由层具有高垂直磁异向性为佳，以允许在小装置尺寸下达到资料保存(dataretention)。对于功能性MRAM和STT-MRAM产品，自由层(信息储存层)必须具有足够高的能障(energybarrier，Eb)，以抵抗由于热和磁环境波动而引起的切换。数值Δ＝kV/kBT是磁性元件的热稳定性的度量，其中kV也称为两个磁性状态(P和AP)之间的Eb，kB是波兹曼(Boltzmann)常数，T是温度。这种对随机切换的能障与自由层的垂直磁异向性(PMA)的强度有关。一种获得强垂直磁异向性的实用方法是经由富铁自由层和MgO隧道位障层之间界面处的界面垂直磁异向性。这种结合可以实现良好的晶格匹配，并且可以使用MgO作为自旋过滤(spinfiltering)元件，藉此为装置提供读取信号。由于装置上的写入电流密度和电压很重要，因此自旋过滤元件必须具有高的结构品质，以在存储装置的使用期限内维持数十亿个写入周期。最近的自由层设计已在自由层对于隧道位障的相反侧上并入第二自由层/金属氧化物界面，由于额外的界面垂直磁异向性贡献而达到更高的垂直磁异向性。因此，举例来说，利用MgO/CoFeB自由层/MgO堆叠可以提高自由层中的总垂直磁异向性，这也可以增加Eb和热稳定性。通常不使用第二金属氧化物层(也称为Hk增强层)的自旋过滤能力。由于第二金属氧化物层有助于装置的总电阻而不会影响读取信号，因此将第二金属氧化物层设计为具有尽可能低的电阻。式(1)显示第二金属氧化物(mox)层电阻对总磁穿隧结电阻的影响，而式(2)表示对DRR的负面影响(减少)。式(1)其中且因为式(2)综上所述，由第二金属氧化物层(和)引起的串联电阻会造成DRR降低，有效减少STT-MRAM(或MRAM)位元的读取边限，并通过增加串联电阻来增加位元的写入电压。由于需要MgOHk增强层或类似的元件来实现强的垂直磁异向性以增强热稳定性，因此需要改善第二金属氧化物层结构，以在自由层界面处维持高界面垂直磁异向性，同时显著降低来自第二金属氧化物层的串联电阻贡献。通常而言，经由较低的(非化学计量的)氧化态或使完全氧化的层变薄来达到Hk增强层中的低电阻。然而，后者难以在不氧化一部分自由层的情况下完成。不幸的是，关于非化学计量的氧化态，金属氧化物层中的氧空位降低装置的热稳定性，增加层中氧的迁移率，并且增加金属原子(例如Ta)从邻近层的扩散。由于很可能在标准的互补式金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)工艺中整合STT-MRAM装置，此工艺包含总计高达5小时的400℃退火循环，这种高温与MgOHk增强层中的高流动性氧结合通常会造成自由层/Hk增强层界面处的界面垂直磁异向性的损失，并降低自由层特性。因此，改进的Hk增强层设计还必须提供使氧扩散和金属扩散通过层降至最低的方法，以在自由层中保持高垂直磁异向性以及高达400℃的装置热稳定性。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的之一是提供一种磁穿隧结，其具有与隧道位障层和Hk增强层相接的自由层，相较于完全氧化的层，大致降低Hk增强层的电阻贡献，同时维持自由层中的界面垂直磁异向性，使磁穿隧结在高达400℃的工艺温度下能具有热稳定性。第二目的是根据第一目的提供Hk增强层，还经由Hk增强层大致降低氧和其他物种通过Hk增强层的扩散，藉此保留自由层的磁性。第三目的是提供一种满足前两个目的的Hk增强层的形成方法。根据本专利技术实施例，存在多个实现前述目的的实施例。所有实施例关于磁穿隧结结构，其包含在隧道位障层和Hk增强层之间形成的自由层。此外，所有实施例都基于在具有非化学计量氧化态的Hk增强层内的空晶格位置掺入掺质的关键部件，藉此避免或大致减少氧气和其他物质以所谓的「跳跃(hopping)」机制扩散通过金属氧化物晶格的趋势。因此，Hk增强层优选是具有大量未充分氧化的金属原子的金属氧化物层，使得在Hk增强层的顶表面和底表面之间存在金属(导电)沟道以降低其中的电阻。换句话说，金属氧化物晶格具有多个不含氧的位置，这些位置在完全氧化或化学计量氧化态中会被氧阴离子占据。取而代之的是，以掺质占据这些不含氧的位置，掺质为N、S、Se、P、C、Te、As、Sb和Bi之一。因此，掺质会在MgOHk增强层的能隙中产生传导态，例如经由产生空穴，同时还提供其他优点：阻挡在现有技术中发现的氧扩散跳跃通过未充分氧化的金属层中的其他空位。根据本文所述的掺杂的Hk增强层的各种实施例，未充分氧化的Hk增强层中的氧不会从与自由层的界面扩散开，并维持界面垂直磁异向性。此外，来自邻近层的物种，例如来自盖层的Ta原子，较不易扩散通过Hk增强层并降低自由层的磁性。根据第一实施例，在Hk增强层的形成期间，在Hk增强层内形成掺质。可以通过先在自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种存储装置中的磁穿隧结(MTJ)，包括：/n(a)一隧道位障层，是在一固定层和一自由层之间形成的一第一金属氧化物层，其中该隧道位障层具有与该自由层的一第一界面，该第一界面在该自由层中产生界面垂直磁异向性(PMA)；/n(b)一第二金属氧化物层，在与该第一界面相反的一侧与该自由层形成一第二界面，且在该自由层中产生界面垂直磁异向性，且其中该第二金属氧化物层具有非化学计量氧化态和晶格结构，其中以一掺质占据多个晶格位置，该掺质为N、S、Se、P、C、Te、As、Sb或Bi之一；以及/n(c)该自由层，在垂直于平面的方向上具有磁化强度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171010 US 15/728,8181.一种存储装置中的磁穿隧结(MTJ)，包括：
(a)一隧道位障层，是在一固定层和一自由层之间形成的一第一金属氧化物层，其中该隧道位障层具有与该自由层的一第一界面，该第一界面在该自由层中产生界面垂直磁异向性(PMA)；
(b)一第二金属氧化物层，在与该第一界面相反的一侧与该自由层形成一第二界面，且在该自由层中产生界面垂直磁异向性，且其中该第二金属氧化物层具有非化学计量氧化态和晶格结构，其中以一掺质占据多个晶格位置，该掺质为N、S、Se、P、C、Te、As、Sb或Bi之一；以及
(c)该自由层，在垂直于平面的方向上具有磁化强度。


2.如权利要求1的磁穿隧结，其中该自由层是包括Fe的单层或多层结构，其中Fe含量大于该自由层中的磁性元素的总含量的50原子％。


3.如权利要求1的磁穿隧结，其中该自由层具有固有垂直磁异向性且是Ni2MnZ、Pd2MnZ、CO2MnZ、Fe2MnZ、CO2FeZ、Mn3Ge或Mn2Ga之一的何士勒合金，其中Z是Si、Ge、Al、Ga、In、Sn和Sb之一，或是有序Ll0或L11材料，该有序Ll0或L11材料的组成为MnAl、MnGa之一，或是合金RT，其中R为Rh、Pd、Pt、Ir或前述的合金，且T为Fe、Co、Ni或前述的合金，或是具有TbFeCo、GdCoFe、FeNdB或SmCo组成的稀土合金。


4.如权利要求1的磁穿隧结，其中该第一金属氧化物层包括Mg、Ti、AlTi、Mgzn、Al、Zn、Zr、Hf或MgTa中的一或多种。


5.如权利要求1的磁穿隧结，其中该第二金属氧化物层包括Mg、Si、Ti、Ba、Ca、La、Mn、V、Al和Hf中的一或多种。


6.如权利要求1的磁穿隧结，其中该第二金属氧化物层中的该掺质的浓度为约100ppm至20原子％。


7.如权利要求1的磁性元件，其中该磁穿隧结形成于磁阻式随机存取存储器(MRAM)、自旋转移扭矩磁阻式随机存取存储器(STT-MRAM)、磁性感测器、生物感测器或自旋扭矩振荡器中。


8.如权利要求1的磁穿隧结，还包括一金属氮化物层或一金属氧氮化物层，该金属氮化物层或该金属氧氮化物层在对于与该自由层的该第二界面相反的一侧上与该第二金属氧化物层形成一界面。


9.如权利要求8的磁穿隧结，其中该第二金属氧化物层是MgO，该金属氮化物层是MgN，且该金属氧氮化物层是MgON。


10.一种形成磁穿隧结(MTJ)的方法，包括：
(a)提供一基底，该基底为一籽晶层；
(b)在该基底上形成一金属氧化物(Mox)层，该金属氧化物层包括一金属或合金M且具有非化学计量氧化态，且其中该金属氧化物层具有以一掺质占据多个晶格位置的晶格结构，其中该掺质是N、S、Se、P、C、Te、As、Sb或Bi之一；以及
(c)在该金属氧化物层上依序形成一自由层、一隧道位障层和一固定层以形成一磁穿隧结堆叠层，其中经由与该金属氧化物层的一第一界面并经由与该隧道位障层的一第二界面在该自由层中产生垂直磁异向性。


11.如权利要求10的方法，其中以该掺质形成该金属氧化物层包括：
(a)在该基底上沉积包括该金属或合金M的一金属层；以及
(b)使该金属层暴露于含有气体形式的掺质物种和氧物种的反应气体环境中。


12.如权利要求10的方法，其中以该掺质形成该金属氧化物层包括：
(a)在该基底上沉积包括该金属或合金M的一金属层；
(b)将该金属层氧化为一金属氧化物层；以及
(c)将该金属氧化物层暴露于含有气体形式的掺质物种的反应气体环境中。


13.如权利要求10的方法，其中以该掺质形成该金属氧化物层包括溅镀沉积包括该金属或合金M、氧和该掺质的一靶材。


14.如权利要求10的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：真杰诺，裘地·玛丽·艾维塔，童儒颖，刘焕龙，李元仁，朱健，
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