用于mram裝置的磁性隧道結結構的制作方法

用于mram裝置的磁性隧道結結構的制作方法
【專利摘要】本發明揭示具有磁性隧道結堆疊的磁阻式隨機存取存儲器裝置，所述磁性隧道結堆疊具有磁性隧道結結構中的自由層的顯著經改進性能。所述存儲器裝置包含反鐵磁結構及安置于所述反鐵磁結構上的磁性隧道結結構。所述磁性隧道結結構包含參考層及自由層，其中勢壘層夾在所述參考層與所述自由層之間。此外，包含氮化鉭膜的帽蓋層安置于所述磁性隧道結結構的所述自由層上。
【專利說明】
用于MRAM裝置的磁性隧道結結構
技術領域
[0001] 本專利文檔一般來說涉及自旋轉移扭矩磁性隨機存取存儲器，且更特定來說涉及 具有磁性隧道結結構中的自由層的顯著經改進性能的磁性隧道結堆疊。
【背景技術】
[0002] 磁阻式隨機存取存儲器（"MRAM"）為通過磁性存儲元件存儲數據的非易失性存儲 器技術。這些元件為可保持磁場且被非磁性材料(例如非磁性金屬或絕緣體)分離的兩個鐵 磁板或電極。一般來說，板中的一者使其磁化釘扎（即，一"參考層"），意指此層具有比另一 層高的矯頑性且需要更大磁場或自旋極化電流來改變其磁化的定向。第二板通常稱為自由 層且可通過相對于參考層更小的磁場或自旋極化電流改變其磁化方向。
[0003] MRAM裝置通過改變自由層的磁化的定向而存儲信息。特定來說，基于自由層相對 于參考層處于平行還是反平行對準中，可在每一MRAM單元中存儲"Γ或"0"。由于自旋極化 電子隧穿效應，單元的電阻由于兩個層的磁場的定向而改變。單元的電阻將針對平行及反 平行狀態而不同且因此單元的電阻可用于在"Γ與"〇"之間進行區分。MRAM裝置的一個重要 特征為其為非易失性存儲器裝置，這是因為甚至在電源關閉時其仍維持信息。兩個板的橫 向大小可為亞微米且磁化方向仍可相對于熱波動穩定。
[0004] 較新技術（自旋轉移扭矩或自旋轉移切換)使用自旋-對準（"極化"）電子來改變磁 性隧道結中的自由層的磁化定向。一般來說，電子擁有自旋，即電子所固有的經量化數目的 角動量。電流一般來說為非極化的，即，其由50%向上自旋電子及50%向下自旋電子組成。 使電流通過磁性層會將電子極化，其中自旋定向對應于磁性層（即，極化器)的磁化方向，因 此產生自旋極化電流。如果自旋極化電流經傳遞到磁性隧道結裝置中的自由層的磁性區 域，那么電子將把其自旋-角動量的一部分轉移到磁化層以在自由層的磁化上產生扭矩。因 此，扭矩可切換自由層的磁化，其實際上基于自由層相對于參考層在平行狀態還是反平行 狀態中而寫入T或"0"。
[0005] 圖1圖解說明用于常規MRAM裝置的磁性隧道結（"MTJ"）堆疊100。如所展示，堆疊 100包含一個或多個籽晶層110,所述一個或多個籽晶層在堆疊100的底部處提供以在上方 沉積層中起始所要結晶生長。釘扎層112沉積于籽晶層110的頂部上且合成反鐵磁層（"SAF 層"）120沉積于釘扎層112的頂部上。此外，MTJ 130沉積于SAF層120的頂部上。MTJ 130包含 參考層132、勢皇層（即，絕緣體）134及自由層136。應理解，參考層132實際上為SAF層120的 部分，但當在參考層132上形成勢皇層134及自由層136時，其形成MTJ 130的鐵磁板中的一 者。合成反鐵磁結構120中的第一磁性層交換耦合到釘扎層112,此通過反鐵磁耦合致使參 考層132的磁化固定。此外，非磁性間隔物140安置于MTJ 130的頂部上且垂直極化器150安 置于非磁性間隔物140的頂部上。垂直極化器150經提供以將施加到MTJ結構100的電子（"自 旋對準電子"）的電流極化。此外，可在垂直極化器150的頂部上提供一個或多個帽蓋層160 以保護MTJ堆疊100上下面的層。最后，硬掩模170沉積于帽蓋層160上方且經提供以使用反 應離子蝕刻(RIE)過程來將MT J結構100的下伏層圖案化。
[0006] 具有MT J結構(例如圖1中所圖解說明的堆疊100)的MRAM產品已用于大數據存儲裝 置中。然而，這些MTJ結構需要大的切換電流，此限制其商業可適用性。存在控制切換電流的 所需大小的至少兩個關鍵參數:有效磁化M eff(即，平面內磁化)及自由層結構的阻尼常數。 一些現有設計已試圖通過減小自由層結構的厚度而降低所需切換電流。雖然此設計促進有 效降低M rff的磁化的垂直分量，但Mrff的可測量減小僅當自由層為非常薄(例如，1納米)時發 生。然而，此薄自由層具有嚴重結果，包含：（1)隧穿磁阻值（"TMR"）的顯著減小；（2)較低熱 穩定性;及(3)自由層的經增加阻尼常數。因此，強烈感覺到需要具有MTJ結構中的自由層的 顯著經改進性能的磁性隧道結層堆疊。

【發明內容】

[0007] 揭示具有磁性隧道結堆疊的MRAM裝置，所述磁性隧道結堆疊具有磁性隧道結結構 中的自由層的顯著經改進性能，所述磁性隧道結結構需要用于MRAM應用的顯著較低切換電 流。
[0008] 在一個實施例中，所述MRAM裝置包含反鐵磁結構及安置于所述反鐵磁結構上的磁 性隧道結結構。所述磁性隧道結結構包含參考層及自由層，其中勢皇層夾在所述參考層與 所述自由層之間。此外，帽蓋層包含氮化鉭膜，其安置于所述磁性隧道結結構的所述自由層 上。
[0009] 在另一實施例中，磁性裝置的氮化鉭帽蓋層具有介于0.1納米與10納米之間的厚 度。
[0010] 在另一實施例中，所述磁性裝置的所述氮化鉭帽蓋層具有大約1.0納米的厚度。
[0011] 在另一實施例中，所述磁性裝置的所述氮化鉭帽蓋層具有大約10納米的厚度。
[0012] 在另一實施例中，所述磁性裝置的所述氮化鉭帽蓋層直接安置于所述自由層上。
[0013] 在另一實施例中，所述磁性裝置進一步包含:非磁性間隔物，其安置于所述氮化鉭 帽蓋層上;及垂直極化器，其安置于所述非磁性間隔物上，使得所述垂直極化器將施加到所 述磁性裝置的電子的電流極化。
[0014] 在另一實施例中，所述磁性裝置為正交自旋扭矩結構。
[0015] 在另一實施例中，所述磁性裝置為共線經磁化自旋轉移扭矩結構。
[0016] 在另一實施例中，所述磁性裝置的所述氮化鉭帽蓋層是通過借助鉭靶及氮氣進行 的薄膜濺鍍過程而形成于所述自由層上。
[0017] 在另一實施例中，所述磁性裝置的所述參考層、所述自由層、所述勢皇層及所述氮 化鉭帽蓋層共同形成磁性隧道結。
[0018] 在另一實施例中，所述磁性裝置的所述參考層及所述自由層各自包括具有大約 2.3nm的厚度的CoFeB薄膜層。
[0019] 在另一實施例中，所述磁性裝置的所述勢皇層為MgO且具有大約1.02nm的厚度。
[0020] 在另一實施例中，示范性磁性裝置形成存儲器陣列的位單元。
【附圖說明】
[0021] 包含為本發明說明書的部分的附圖圖解說明當前較佳實施例，且與上文給出的一 般說明及下文給出的詳細說明一起用于解釋及教示本文中所描述的MTJ裝置的原理。
[0022] 圖1圖解說明MRAM裝置的常規MTJ堆疊。
[0023]圖2圖解說明根據本文中所描述的新MTJ層堆疊的示范性實施例的MTJ層堆疊。
[0024] 各圖不一定按比例繪制且類似結構或功能的元件一般來說貫穿各圖出于說明性 目的而由相似參考編號表示。各圖僅打算促進對本文中所描述的各種實施例的描述;各圖 不描述本文中所揭示的教示的每一方面且不限制權利要求書的范圍。
【具體實施方式】
[0025] 本文中揭示磁性隧道結（"MTJ"）層堆疊。可單獨或結合其它特征及教示利用本文 中所揭示的特征及教示中的每一者。參考附圖進一步詳細地描述單獨地以及組合地利用許 多這些額外特征及教示的代表性實例。此詳細說明僅打算教示所屬領域的技術人員進一步 細節以用于實踐本發明教示的優選方面且不打算限制權利要求書的范圍。因此，以下詳細 說明中所揭示的特征的組合可能并非是在最廣泛意義上實踐教示所必要的，且替代地僅經 教示以尤其描述本發明教示的代表性實例。
[0026] 在以下描述中，僅出于解釋的目的，陳述特定術語以提供對本文中所描述的MTJ結 構的透徹理解。然而，所屬領域的技術人員將明了這些特定細節并非僅為示范性的。
[0027] 代表性實例及附屬權利要求項的各種特征可以并非具體地且明確地列舉的方式 組合，以便提供本發明教示的額外有用實施例。還明確地提及，實體群組的所有值范圍或指 示均出于原始揭示內容的目的以及出于限制所主張標的物的目的而揭示每一可能中間值 或中間實體。還明確地提及，各圖中所展示的組件的尺寸及形狀經設計以幫助理解實踐本 發明教示的方式，但并不打算限制實例中所展示的尺寸及形狀。
[0028] 參考圖2,根據示范性實施例展示MTJ層堆疊200 JTJ堆疊200為圖1中所圖解說明 的MT J堆疊100的經改進設計。出于說明性目的，MT J堆疊200中的層中的每一者形成于X、y平 面中且各自具有沿z軸方向的厚度。
[0029] MT J堆疊200包含一個或多個籽晶層210,所述一個或多個籽晶層在堆疊200的底部 處提供以在上方沉積層(下文所討論）中起始所要結晶生長。在示范性實施例中，籽晶層210 可為3Ta/40CuN/5Ta疊層(如本文中所使用，"斜線"/指示經層壓結構，自"斜線"/的左側開 始，所述經層壓結構以結構底部處的層開始），使得籽晶層包含3nm鉭層、40nm氮化銅層及 5nm組層。
[0030]籽晶層210上面為釘扎層212及合成反鐵磁（"SAF"）結構220。根據示范性實施例， 釘扎層212為優選地具有大約22nm的厚度的鉑錳PtMn合金。在示范性實施例中，SAF結構220 由三個層構成，即層222、層224及參考層232(下文所討論）。優選地，層222為優選地具有大 約2 · Inm的厚度的鈷鐵合金，且層224為優選地具有大約0 · 90nm的厚度的釕金屬。
[0031] MTJ結構230形成于SAF結構220的頂部上。MTJ結構230包含三個單獨層，即，形成于 SAF結構220中的參考層232、勢皇層234及自由層236。在示范性實施例中，參考層232及自由 層236為鈷-鐵-硼（Co-Fe-B)合金薄膜。在示范性實施例中，每一CoFeB薄膜層具有大約 2.3nm的厚度。參考層232與釘扎層12之間的交換耦合沿恒定方向強烈釘扎參考層232的磁 化，如上文所討論。此外，在示范性實施例中，勢皇層234由鎂的氧化物MgO形成。如所展示， MgO勢皇層234安置于參考層232與自由層236之間且用作兩個層之間的絕緣體，如上文所討 論。MgO勢皇層234優選地具有大約1.02nm的厚度。優選地，MgO勢皇層234的厚度為足夠薄， 使得可通過自旋極化電子的量子機械隧穿建立穿過其的電流。
[0032]常規地，對于MTJ結構，勢皇層與自由層之間的相互作用一般來說為固定的，但可 沉積于自由層的頂部上的層可廣泛變化且可經增強以改進自由層的特性。MTJ堆疊200的特 征為將非常薄氮化鉭TaN帽蓋材料238層沉積于自由層236的頂部上。在示范性實施例中， TaN帽蓋材料的厚度介于0.1 nm與IOnm之間，優選地大約Inm或2nm。所屬領域的技術人員應 了解，Inm或2nm的所要厚度可由于制造變化而稍微變化。如下文將詳細討論，TaN帽蓋材料 238在自由層236上的添加提供高度壓縮應力（即，堆疊200耐受壓縮負荷的增加的能力）且 還顯著改進自由層236的參數以優于常規設計。TaN帽蓋材料238不能具有超過大約IOnm的 厚度，這是因為其將完全或基本上消除正交極化器效應且顯著降低存儲器裝置的功能性及 準確性。
[0033]在示范性實施例中，描述正交自旋扭矩結構，所述正交自旋扭矩結構采用垂直于 自由層236磁化的自旋極化層以實現大的初始自旋轉移扭矩。如所展示，MTJ堆疊200包含安 置于TaN帽蓋材料238上的非磁性間隔物240及安置于非磁性間隔物240上的垂直極化器 250。垂直極化器250經提供以將施加到MTJ堆疊200的電子（"自旋-對準電子"）的電流極化， 這繼而可通過從攜載垂直于自由層236的磁化方向的角動量的經極化電子施加于自由層 236上的扭矩來改變MTJ堆疊200的236中的自由層的磁化定向。此外，非磁性間隔物240經提 供以將垂直極化器250與MTJ結構230絕緣。在示范性實施例中，非磁性間隔物240由具有大 約IOnm的厚度的銅疊層構成。在示范性實施例中，垂直極化器250由兩個疊層252、254構成。 優選地，第一層252為0 · 3C〇/[0 · 6Ni/0 · 09Co]x3的疊層且第二層254為由0 · 21C〇/[0 · 9Pd/ 0.3Co]x 6構成的疊層。盡管示范性實施例是針對正交自旋扭矩結構而提供，但所屬領域的 技術人員應了解在自由層236上提供TaN帽蓋材料238的發明性設計也可針對共線經磁化自 旋轉移扭矩MRAM裝置而實施。
[0034] 如在圖2中進一步展示，一個或多個帽蓋層260提供于垂直極化器250的頂部上以 保護MTJ堆疊200的下面的層。在示范性實施例中，帽蓋層260可由第一疊層262(優選地為 2nm Pd層）及第二疊層264(優選地為5nm Cu及7nm Ru)構成。
[0035]舉例來說，硬掩模270沉積于帽蓋層260上方且可包括金屬（例如鉭Ta)，但替代地 硬掩模270也可包括其它材料。優選地，Ta硬掩模270具有大約70nm的厚度。硬掩模270被開 口或經圖案化，且經提供以（舉例來說)使用反應離子蝕刻(RIE)過程來將MTJ堆疊200的下 伏層圖案化。
[0036]如上文所提及，示范性實施例的MT J堆疊200的特征為將非常薄的氮化鉭TaN帽蓋 材料238層沉積于自由層236的頂部上。常規地，不同的材料組合(例如體心立方材料，比如 Ta、Cr及類似物)已作為帽蓋層涂覆到MTJ結構的自由層。然而，這些設計中沒有一者已提供 MTJ結構的自由層的性能參數的顯著改進同時還降低用于最優操作的所需切換電流。
[0037]已進行將本文中所描述的MTJ的性能參數與現有技術的常規設計配置進行比較的 測試。表1及2圖解說明所比較性能參數。特定來說，表1圖解說明常規正交MTJ結構的IOnm Cu自由層帽蓋與根據本文中所描述的MTJ的示范性實施例的自由層236上的TaN帽蓋材料 238的發明性結構之間的性能參數的比較。表1圖解說明針對具有1.0 nm、2. Onm及IOnm的厚 度的TaN帽蓋238的數據。
[0038][表1]
[0040] 如上文所提及，有效磁化Meff(即，平面內磁化)及阻尼常數為針對MTJ裝置的自由 層結構的關鍵性能參數中的兩者。如表1中所圖解說明，通過將TaN帽蓋層沉積于MTJ裝置的 自由層的頂部上，對于TaN帽蓋層的每一厚度來說，與常規Cu帽蓋層相比有效磁化M eff降低 超過20%。此外，針對具有I.Onm TaN帽蓋層的自由層的阻尼常數比具有IOnm Cu帽蓋層的 自由層的阻尼常數小35%，且針對僅具有2.Onm或IOnm TaN帽蓋層的自由層的阻尼常數比 僅具有IOnm Cu帽蓋層的自由層的阻尼常數小58%。值得注意的是，表1進一步圖解說明對 于具有擁有TaN帽蓋層的自由層的發明性MTJ結構來說，與具有擁有Cu帽蓋層的自由層的常 規MT J結構相比TMR %也顯著改進。
[0041] 表2圖解說明I.OTa自由層帽蓋與根據本文中所描述的MTJ的示范性實施例的自由 層236上的TaN帽蓋材料238的發明性結構之間的性能參數的比較。表2還圖解說明針對具有 1 · Onm、2 · Onm及IOnm的厚度的TaN帽蓋材料238的數據。
[0042] [表 2]
[0044] 如表2中所圖解說明，通過將TaN帽蓋層沉積于MTJ裝置的自由層的頂部上，對于 TaN帽蓋層的每一厚度來說，與擁有具有I.Onm Ta帽蓋層的自由層的常規MTJ裝置相比，有 效磁化Meff降低超過27%。此外，針對具有I.Onm TaN帽蓋層的自由層的阻尼常數比具有 I .Onm Ta帽蓋層的自由層的阻尼常數小26%，且針對具有2.0nm或IOnm TaN帽蓋層的自由 層的阻尼常數比具有I.Onm Ta帽蓋層的自由層的阻尼常數小超過50%。因此，具有TaN帽蓋 的自由層與現有技術設計相比的比較(如表1及2中所圖解說明）示范性能參數鑒于新發明 性設計而顯著改進。
[0045] 圖2中所圖解說明的MTJ堆疊200的所有層均可通過薄膜濺鍍沉積系統而形成，如 所屬領域的技術人員將了解。薄膜濺鍍沉積系統可包含必需的物理氣相沉積(PVD)室(每一 室具有一個或多個靶）、氧化室及濺鍍蝕刻室。通常，濺鍍沉積過程涉及具有超高真空的濺 鍍氣體(例如，氧、氬或類似物），且靶可由待沉積于襯底上的金屬或金屬合金制成。在優選 實施例中，TaN帽蓋材料238的沉積涉及提供鉭靶及氮濺鍍氣體以使用濺鍍沉積系統在自由 層236上提供薄TaN膜。應了解，用以制造 MTJ堆疊200所需的剩余步驟對所屬領域的技術人 員來說為眾所周知的，且將不在本文中進行詳細描述以免不必要地使本文中的揭示內容的 方面模糊。
[0046] 所屬領域的技術人員應了解，多個MTJ堆疊200可經制造且提供為STT-MRAM裝置的 相應位單元。換句話說，每一 MTJ堆疊200可實施為具有多個位單元的存儲器陣列的位單元。
[0047] 以上描述及圖式僅應視為對實現本文中所描述的特征及優點的特定實施例的說 明。可對特定過程條件作出修改及替代。因此，此專利文檔中的實施例并不視為受前述說明 及圖式限制。
【主權項】
1. 一種磁性裝置，其包括： 反鐵磁結構，其包含參考層； 勢皇層，其安置于所述參考層上； 自由層，其安置于所述勢皇層上;及 氮化鉭帽蓋層，其安置于所述自由層上。2. 根據權利要求1所述的磁性裝置，其中所述氮化鉭帽蓋層包括介于0.1納米與10納米 之間的厚度。3. 根據權利要求1所述的磁性裝置，其中所述氮化鉭帽蓋層包括大約1.0納米的厚度。4. 根據權利要求1所述的磁性裝置，其中所述氮化鉭帽蓋層包括大約10納米的厚度。5. 根據權利要求1所述的磁性裝置，其中所述氮化鉭帽蓋層直接安置于所述自由層上。6. 根據權利要求1所述的磁性裝置，其進一步包括： 非磁性間隔物，其安置于所述氮化鉭帽蓋層上;及 垂直極化器，其安置于所述非磁性間隔物上，使得所述垂直極化器將施加到所述磁性 裝置的電子的電流極化。7. 根據權利要求6所述的磁性裝置，其中所述磁性裝置為正交自旋扭矩結構。8. 根據權利要求1所述的磁性裝置，其中所述磁性裝置為共線經磁化自旋轉移扭矩結 構。9. 根據權利要求1所述的磁性裝置，其中所述氮化鉭帽蓋層是通過借助鉭靶及氮氣進 行的薄膜濺鍍過程而形成于所述自由層上。10. 根據權利要求1所述的磁性裝置，其中所述參考層、所述自由層、所述勢皇層及所述 氮化鉭帽蓋層共同形成磁性隧道結。11. 根據權利要求10所述的磁性裝置，其中所述參考層及所述自由層各自包括具有大 約2.3nm的厚度的CoFeB薄膜層。12. 根據權利要求11所述的磁性裝置，其中所述勢皇層包括MgO且具有大約1.02nm的厚 度。13. -種存儲器陣列，其包括： 至少一個位單元，其包含： 反鐵磁結構，其包含參考層； 勢皇層，其安置于所述參考層上； 自由層，其安置于所述勢皇層上;及 氮化鉭帽蓋層，其安置于所述自由層上。14. 根據權利要求13所述的存儲器陣列，其中所述至少一個位單元的所述氮化鉭帽蓋 層包括介于〇. 1納米與10納米之間的厚度。15. 根據權利要求13所述的存儲器陣列，其中所述至少一個位單元的所述氮化鉭帽蓋 層包括大約1.0納米的厚度。16. 根據權利要求13所述的存儲器陣列，其中所述至少一個位單元的所述氮化鉭帽蓋 層包括大約10納米的厚度。17. 根據權利要求13所述的存儲器陣列，其中所述至少一個位單元的所述氮化鉭帽蓋 層直接安置于所述自由層上。18. 根據權利要求13所述的存儲器陣列，其中所述至少一個位單元進一步包括： 非磁性間隔物，其安置于所述氮化鉭帽蓋層上;及 垂直極化器，其安置于所述非磁性間隔物上，使得所述垂直極化器將施加到所述磁性 裝置的電子的電流極化。19. 根據權利要求18所述的存儲器陣列，其中所述至少一個位單元為正交自旋扭矩結 構。20. 根據權利要求13所述的存儲器陣列，其中所述至少一個位單元為共線經磁化自旋 轉移扭矩結構。
【文檔編號】H01L43/02GK105917480SQ201580005078
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年3月19日
【發明人】穆斯塔法·皮納爾巴斯, 鮑爾泰克·考爾達斯
【申請人】斯平轉換技術公司