包含尖晶石的磁性隧道结及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种磁阻存储器设备，该磁阻存储器设备包括第一电极、与该第一电极间隔开的第二电极以及位于该第一电极和该第二电极之间的垂直磁性隧道结层叠堆。该垂直磁性隧道结层叠堆包括：包含第一非磁性过渡金属的第一织构破坏非磁性层、包含第二非磁性过渡金属的第二织构破坏非磁性层、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的氧化镁电介质层、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的参考层、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的自由层以及位于该参考层和该自由层之间的尖晶石层，并且包含沿着在该参考层和该自由层之间延伸的轴向方向具有(001)织构的多晶尖晶石材料。尖晶石材料。尖晶石材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含尖晶石的磁性隧道结及其制造方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2020年7月31日提交的美国非临时申请号16/944,758以及2020年7月31日提交的美国非临时申请号16/944,826的优先权权益；这些申请的全部内容以引用方式并入本文。


[0003]本公开整体涉及磁阻存储器设备的领域，并且具体地讲，涉及包含具有尖晶石电介质隧道势垒层的磁性隧道结的磁阻存储器设备及其制造方法。

技术介绍

[0004]磁阻存储器设备可采用第一构型和第二构型的电阻差来存储信息，在第一构型中，铁磁自由层的磁化方向平行于铁磁参考层的磁化，并且在第一构型中，自由层的磁化方向反平行于参考层的磁化。磁阻存储器设备的编程需要采用各种外部电源来翻转自由层的磁化方向，这些外部电源本质上可为磁性或可采用自旋转移机制。
[0005]自旋扭矩转移磁阻随机存取存储器(STT
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MRAM)设备的可扩展性需要高于操作所需的电流。STT
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MRAM设备基于界面垂直磁各向异性的可扩展性决定了显著增强垂直磁各向异性(P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种磁阻存储器设备，所述磁阻存储器设备包括：第一电极；第二电极，所述第二电极与所述第一电极间隔开；和垂直磁性隧道结层叠堆，所述垂直磁性隧道结层叠堆位于所述第一电极和所述第二电极之间，所述垂直磁性隧道结层叠堆包括：第一织构破坏非磁性层，所述第一织构破坏非磁性层第一非磁性过渡金属；第二织构破坏非磁性层，所述第二织构破坏非磁性层包含第二非磁性过渡金属；氧化镁覆盖电介质层，所述氧化镁覆盖电介质层位于所述第一织构破坏非磁性层和所述第二织构破坏非磁性层之间；参考层，所述参考层位于所述第一织构破坏非磁性层和所述第二织构破坏非磁性层之间；自由层，所述自由层位于所述第一织构破坏非磁性层和所述第二织构破坏非磁性层之间；和尖晶石层，所述尖晶石层位于所述参考层和所述自由层之间，并且包括多晶尖晶石材料，所述多晶尖晶石材料沿着在所述参考层和所述自由层之间延伸的轴向方向具有(001)织构。2.根据权利要求1所述的磁阻存储器设备，其中所述参考层和所述自由层具有(001)织构。3.根据权利要求2所述的磁阻存储器设备，其中所述自由层的晶粒跨所述自由层和所述尖晶石层之间的界面与所述尖晶石层的晶粒外延配向。4.根据权利要求3所述的磁阻存储器设备，其中：所述氧化镁覆盖电介质层包含具有(001)织构的晶粒；所述自由层的所述晶粒跨所述氧化镁覆盖电介质层和所述自由层之间的界面与所述氧化镁覆盖电介质层的所述晶粒外延配向；并且所述参考层的晶粒跨所述参考层和所述尖晶石层之间的界面与所述尖晶石层的晶粒配向。5.根据权利要求1所述的磁阻存储器设备，所述磁阻存储器设备还包括覆盖铁磁层，所述覆盖铁磁层包含具有(001)织构的多晶铁磁材料。6.根据权利要求5所述的磁阻存储器设备，其中：所述氧化镁覆盖电介质层位于所述自由层和所述覆盖铁磁层之间；所述氧化镁覆盖电介质层包含具有(001)织构的晶粒；并且所述覆盖铁磁层的晶粒跨所述氧化镁覆盖电介质层和所述覆盖铁磁层之间的界面，与所述氧化镁覆盖电介质层的所述晶粒外延配向。7.根据权利要求1所述的磁阻存储器设备，其中：所述第一非磁性过渡金属和所述第二非磁性过渡金属独立地选自钨、钌、钽、铌、钼和铼；并且所述第一织构破坏非磁性层和所述第二织构破坏非磁性层中的每一者具有在0.2nm至1nm的范围内的厚度。8.根据权利要求1所述的磁阻存储器设备，其中所述尖晶石层具有分子式M
x
Q
y
O
z
，其中
0.95<x<1.05，1.95<y<2.05并且3.95<z<4.05，并且M和Q是不同金属。9.根据权利要求8所述的磁阻存储器设备，其中所述尖晶石层包含选自以下的材料：MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4、MgGa2O4、由此得到的其中一定分数的至少一种金属元素被替换为另一种金属元素同时保留晶体结构的掺杂衍生物，以及它们的缺氧衍生物。10.根据权利要求8所述的磁阻存储器设备，其中所述尖晶石层具有分子式Mg
x
Al
y
O
z
，其中0.95<x<1.05，1.95<y<2.05并且3.95<z<4.05。11.根据权利要求10所述的磁阻存储器设备，其中所述尖晶石层包含MgAl2O4。12.根据权利要求1所述的磁阻存储器设备，所述磁阻存储器设备还包括合成反铁磁(SAF)结构，所述合成反铁磁结构位于所述第一电极和所述参考层之间，其中所述第一织构破坏非磁性层位于所述SAF结构和所述参考层之间。13.根据权利要求1所述的磁阻存储器设备，其中：所述尖晶石层包括电介质隧道势垒层，所述电介质隧道势垒层具有在0.5nm至1.2nm的范围内的厚度；并且所述磁阻存储器设备包括自旋转移扭矩磁阻存储器设备。14.根据权利要求1所述的磁阻存储器设备，其中：所述尖晶石层具有在1.5nm至3nm的范围内的厚度；并且所述磁阻存储器设备包括受电压控制的磁各向异性磁阻存储器设备。15.根据权利要求1所述的磁阻存储器设备，其中：所述氧化镁覆盖电介质层具有在0.02nm至2nm的范围内的厚度；所述自由层包括具有在0.5nm至2nm的范围内的厚度的CoFeB层或CoFe层；并且所述参考层包括具有在0.8nm至1.2nm的范围内的厚度的CoFeB层或CoFe层。16.一种形成磁阻存储器设备的方法，所述方法包括：在衬底上方形成第一电极；将磁性隧道结层叠堆沉积在所述第一电极上方，其中所述磁性隧道结层叠堆包括：包含第一非磁性过渡金属的第一织构破坏非磁性层、包含第一无定形铁磁材料的参考层、包含无定形尖晶石材料的尖晶石层、包含第二无定形铁磁材料的自由层、包含具有(001)织构的晶粒的氧化镁覆盖电介质层以及包含第二非磁性过渡金属的第二织构破坏非磁性层；执行退火工艺以使用氧化镁覆盖电介质层作为结晶模板层来引起所述自由层、所述尖晶石层和所述参考层的材料的固相外延结晶，以将所述无定形尖晶石材料转换成沿着与所述尖晶石层和所述自由层之间的界面垂直的轴向方向具有(001)织构的多晶尖晶石材料；以及在所述退火工艺之前或之后在所述磁性隧道结层叠堆的一部分上方形成第二电极。17.根据权利要求16所述的方法，其中：所述固相外延将所述参考层和所述自由层中的每一者转换成具有(001)织构的多晶铁磁材料层；所述自由层中的晶粒在所述固相外延期间与所述氧化镁覆盖电介质层内的晶粒外延配向；所述尖晶石层中的晶粒在所述固相外延期间与所述自由层中的所述晶粒外延配向；并且
所述参考层中的晶粒在所述固相外延中与所述尖晶石层中的所述晶粒外延配向。18.根据权利要求16所述的方法，其中所述尖晶石层具有分子式Mg
x
Al
y
O
z
，其中0.95<x<1.05，1.95<y<2.05并且3.95<z<4.05。19.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一织构破坏非磁性层和所述第二织构破坏非磁性层中的每一者在所述固相外延结晶期间阻止材料的晶体配向跨过其中的传播。20.根据权利要求16所述的方法，其中：所述磁性隧道结层叠堆还包括覆盖铁磁层，所述覆盖铁磁层包括接触所述氧化镁覆盖电介质层的附加无定形铁磁材料；并且所述固相外延结晶将所述附加无定形铁磁材料转化成具有(001)织构的多晶铁磁材料。21.一种自旋轨道扭矩(SOT)磁阻存储器设备，所述SOT磁阻存储器设备包括：电极；非磁性重金属SOT层，所述非磁性重金属SOT层与所述电极间隔开；和垂直磁性隧道结层叠堆，所述垂直磁性隧道结层叠堆位...

【专利技术属性】
技术研发人员：B，
申请(专利权)人：西部数据技术公司，
类型：发明
国别省市：