Mram技術中用於mtj中的合成反鐵磁結構的製作方法
2023-05-29 22:25:51
專利名稱：Mram技術中用於mtj中的合成反鐵磁結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁隧道結(MTJ)，並且更具體地，涉及使用用於自由層(free layer)的合成反鐵磁(SAF)結構的MTJ。
背景技術：
公知磁阻隨機存取存儲器(MRAM)具有許多優點，例如快速、非易失性和高密度。然而，在以可製造方式生產MRAM中存在困難。已經遭遇的困難之一是難於可靠地寫入MRAM單元。通過轉換比特已經有效地解決了這一困難，轉換比特既改變寫入方式，又改變以前使用的自由層的結構。這一特定解決方案通常使用用於自由層的SAF結構。使用用於自由層的SAF結構解決寫入問題然後改變對於改善MRAM比特單元所需的考慮，更具體地是MRAM比特單元的MTJ部分所需的考慮。對於MRAM的一個持續的希望是提高磁阻比(MR)，磁阻比是兩個邏輯狀態間的阻值變化與低阻狀態阻值的比率。用SAF自由層代替單個自由層可降低MR。由於感應電路可用的信號與MR成比例，因此在具有SAF自由層的MTJ中提高MR的改善將導致感應速度的改善。另一問題是控制自由層SAF的反鐵磁耦合強度的能力。需要控制該耦合，以便將寫入電流保持在可接受的範圍內。另一問題是耐久性，特別是熱耐久性。MTJ材料對於升高的溫度往往比在一些半導體工藝中使用的材料具有更高的敏感度。具體地，SAF材料在導致反鐵磁耦合強度退化的升高溫度下具有失效模式。
從而，需要發展MRAM，以改善熱耐久性、MR比和寫入電流控制中的一個或多個。
本發明通過示例說明，但並不限於附圖，其中相同的引用標記表示相同的元件，並且其中圖1是根據本發明實施例的用於MRAM的磁隧道結(MTJ)的剖面圖；圖2是根據本發明實施例的圖1的一部分MTJ的剖面圖；圖3是根據圖2中所示的MTJ的替換實施例的圖1的一部分MTJ的剖面圖；和圖4是根據圖2中所示的MTJ的另一替換實施例的圖1的一部分MTJ的剖面圖。
技術人員知道，圖中的元件僅出於簡明的目的而說明，並不一定按比例繪製。例如，圖中一些元件的尺寸相對於其它元件可能誇大，以有助於提高對於本發明實施例的理解。
具體實施例方式
在一個方面中，在磁阻隨機存取存儲器(MRAM)中有用的磁隧道結(MTJ)具有自由層，該自由層是合成反鐵磁(SAF)結構。該SAF包括由耦合層分隔的兩個鐵磁層。該耦合層具有非磁性的基材料和改善熱耐久性、SAF的耦合強度控制和MR的其它材料。優選的基材料是釕，優選的其它材料是鉭和鈷-鐵合金。通過參考附圖和下面的說明可更好地理解這一點。
圖1中所示的是MTJ 10，包括上電極12、緊鄰上電極12之下的自由SAF 14、緊鄰SAF 14之下的隧道阻擋16、緊鄰隧道阻擋16之下的固定SAF 18、緊鄰固定SAF 18之下的釘扎(pinning)層20、緊鄰釘扎層20之下的籽晶層22和緊鄰籽晶層22之下的基電極24。自由SAF 14包括緊鄰上電極12之下的鐵磁層26、緊鄰鐵磁層26之下的耦合層28以及緊鄰耦合層28之下的鐵磁層30。固定SAF 18包括緊鄰隧道阻擋16之下的鐵磁層32、緊鄰鐵磁層32之下的耦合層34以及緊鄰耦合層34之下的鐵磁層36。鐵磁層34和36優選地由合金構成，該合金包括鈷和鐵。除了耦合層28包括材料的組合，優選地是釕和鉭，和鐵磁層30優選地在與耦合層28的界面處包括鈷和鐵之外，MTJ 10為本領域的技術人員所公知。本領域的技術人員公知，固定SAF 18可由其它結構代替，這些結構提供與隧道阻擋16接觸的磁性固定層32，例如單個釘紮鐵磁層，使得固定層32的磁運動矢量在用於切換自由層的施加場中基本上不會移動。
圖2中所示的是SAF 14，包括鐵磁層26和30、插入層41以及耦合層28，耦合層28由緊鄰鐵磁層26之下的基層38和緊鄰基層38之下的插入層40構成。插入層41處於鐵磁層30和插入層40之間。具有鐵和鈷的鐵磁材料的插入層41磁性地作用為鐵磁層30的一部分。插入層41優選地是鈷鐵合金，但也可以替代為其它材料，例如鈷或鐵。基層38優選地包括釕，但還可包括另外的基材料，例如銠、銥和鋨。此處使用的基材料指其本身足以提供SAF中兩個鐵磁材料間的必要的反鐵磁耦合的材料。插入層40優選地是鉭，並且被插入以改善SAF 14的性質。插入層41優選地是鈷-鐵，並且也被插入以改善SAF 14的性質。鐵磁層26和30優選地是16％至20％的鐵原子百分比的鎳-鐵合金，並且更優選地是18％的鐵原子百分比。
插入層41優選地是利用鈷-鐵目標通過離子束澱積而澱積形成，但也可使用其它工藝。一個替換示例是磁電管濺射。優選地直接在鐵磁層30上澱積插入層41。然後利用鉭目標通過離子束澱積直接在插入層41上澱積插入層40，但是也可使用其它工藝，例如磁電管濺射。公差應保持得儘可能得小，但是耦合層28的厚度範圍可為6-10埃。基層38優選地是6.0至6.5埃，而插入層40優選地被澱積至2.5埃的厚度。插入層41優選地被澱積至2.5埃的厚度，應儘可能得緊貼，但是範圍可為1.5-5埃。這些尺度基於將釕用作具有中心為7-8埃附近的耦合峰的基材料。可使用顯著地影響這些尺度的其它峰。隨著插入層40和41被澱積至亞原子厚度，插入層40和41可作為單個合金層出現。從而，在最終的MTJ，例如MTJ 10中，難以實際區分層40和41。
基層38在鐵磁層26和30間提供足夠的耦合，以實現反鐵磁對準，並且插入層40和41的增加改善了最終的SAF 14的某些特性。例如，一個改善是熱耐久性。SAF 14出現失效時的溫度比如果單獨使用釕更高。另一改善是鐵磁層26和30間的耦合強度控制。基層38的厚度隨工藝變化難以保持不變。耦合強度隨該厚度而變化。由於增加插入層40和41，耦合強度的改變速率的變化小於基層厚度的變化，這導致提高了耦合強度的控制。還有一改善是對於MTJ 10的MR比的改善。例如，如果在增加插入層40和41之前MR比是約30％，則由於插入層40和41的插入，可觀察到MR比增加3個百分點，這大約是10％的改善。可能存在這樣的情況，不使用增加的層40和41中的一個是有益的。
圖3中所示的是用於代替圖1中的SAF 14的替換SAF 42。SAF 42包括緊鄰上電極12之下的鐵磁層46、緊鄰鐵磁層46之下的耦合層48、緊鄰耦合層48之下的鐵磁層50。在這種情況下，耦合層48是基材料和改善熱耐久性與耦合強度控制的其它材料的合金。基材料的示例是釕、銠、銥和鋨。被增加以形成合金的增加材料從硼、鋁、碳、鉭、鈮、鉬、鋯和鉿中選擇。優選的組合是釕和硼，因為其與具有僅通過釕獲得的相同耦合強度的SAF相比，在高溫退火中顯示出更好的耐久性。耦合層48優選地處於6-10埃的範圍中。此外，這些尺度基於將釕用作具有中心為7-8埃附近的耦合峰的基材料。可使用顯著地影響這些尺度的其它峰。
圖4中所示的是用於代替圖1的SAF 14的另一替換SAF 60。SAF60包括緊鄰上電極12之下的鐵磁層64、緊鄰鐵磁層64之下的耦合層62以及緊鄰耦合層62之下的鐵磁層66。在這種情況下，耦合層62是多層複合物，該多層包括鐵磁層66上的層78、層78上的層76、層76上的層74、層74上的層72、層72上的層70以及層70上的層68。該多層配置交替基材料和增加的材料，以改善SAF 60的特性，並從而改善MTJ 10的特性。在這些層中，層68、72和76是基材料，而層70、74和78是增加的材料。這是六層的示例，但是層數可以更少或者更多。增加的材料可以是鎳-鐵、鈷-鐵、鉭、鋁中的一種。已經表明它們提供耦合強度控制的益處。耦合層62的總厚度應當處於6-10埃的範圍。在6層的示例中，層68-78的每一個應當處於1-1.7埃的範圍之內，以實現耦合層62的希望厚度。在這些小的尺度下，可能難於分辨各個層。已經表明該多層方法在選擇耦合強度方面給出更多的控制。優選的材料是用於基材料的釕和作為增加的材料的鉭。
在前面的說明書中，已經參考特定實施例說明了本發明。然而，本領域的普通技術人員明白，在不脫離權利要求說明的本發明的範圍的情況下，可以進行各種修改和變化。因此，說明書與附圖被視為解釋意義，而不是限制意義，並且所有這些修改包括在本發明的範圍之內。
上面對於特定實施例說明了益處、其它優勢和問題的解決方案。然而，這些益處、優勢、問題的解決方案以及使任何益處、優勢或解決方案出現或顯得更加明顯的任何要素將不被視為任何或所有權利要求的關鍵的、必須的或本質的特徵。如此處所使用，術語「包括」或其另外的變形，目的是涵蓋非排它性的內容，使得包括一系列要素的過程、方法、物品或裝置不僅包括這些要素，而且包括沒有明確列出的或這些過程、方法、物品或裝置所固有的要素。
權利要求
1.一種磁隧道結(MTJ)，包括第一電極和第二電極；所述第一與第二電極間的隧道阻擋；所述第一電極與所述隧道阻擋間的自由合成反鐵磁(SAF)；所述隧道阻擋與所述第二電極間的固定層；其中所述自由SAF包括第一層和第二層，其中所述第一和第二層是鐵磁的；所述第一和第二層間的第三層，其中所述第三層包括基材料；所述第三層和所述第二層間的第四層，其中所述第四層包括鉭。
2.權利要求1所述的MTJ，進一步包括所述第四層和所述第二層間的第五層，其中所述第五層包括鐵磁材料，該鐵磁材料不同於用於形成所述第二層的鐵磁材料。
3.權利要求2所述的MTJ，其中所述第五層包括鈷和鐵中的至少一個。
4.權利要求3所述的MTJ，其中所述第四層和所述第五層基本合併。
5.權利要求1所述的MTJ，其中所述基材料包括釕。
6.一種MTJ，包括第一電極和第二電極；所述第一與第二電極間的隧道阻擋；所述第一電極與所述隧道阻擋間的自由合成反鐵磁(SAF)；所述隧道阻擋與所述第二電極間的固定層；其中所述自由SAF包括第一層和第二層，其中所述第一和第二層是鐵磁的；所述第一和第二層間的第三層，其中所述第三層包括第一材料和第二材料，其中所述第一材料是釕、銠、銥和鋨之一，而所述第二材料是硼、鋁、碳、鉭、鈮、鉬、鋯和鉿之一。
7.權利要求6所述的MTJ，其中所述第一材料和所述第二材料形成合金。
8.權利要求7所述的MTJ，其中所述第一材料包括釕，而所述第二材料包括鉭和硼之一。
9.權利要求8所述的MTJ，其中所述第二材料是硼。
10.權利要求6所述的MTJ，其中所述第三層包括所述第一材料的第四層和所述第二材料的第五層。
11.權利要求10所述的MTJ，其中所述第四層包括釕，而所述第五層包括鉭。
12.權利要求11所述的MTJ，其中所述第五層進一步包括鈷和鐵中的至少一個。
13.權利要求11所述的MTJ，其中所述第四層處於所述第五層與所述第一層之間，並且進一步地包括所述第五層和所述第二層之間的所述第一材料的第六層。
14.權利要求13所述的MTJ，進一步地包括所述第六層和所述第二層之間的所述第二材料的第七層。
15.一種MTJ，包括第一電極和第二電極；所述第一與第二電極間的隧道阻擋；所述第一電極與所述隧道阻擋間的自由合成反鐵磁(SAF)；所述隧道阻擋與所述第二電極間的固定層；其中所述自由SAF包括第一層和第二層，其中所述第一和第二層是鐵磁的；所述第一和第二層間的第一材料的第三層，其中所述第一材料是基材料；所述第三層和所述第二層間的第二材料的第四層，其中所述第二材料選自鎳-鐵、鈷-鐵、鉭和鋁；以及所述第四層和所述第二層間的所述第一材料的第五層。
16.權利要求15所述的MTJ，進一步包括所述第五層和所述第二層間的所述第二材料的第六層；以及所述第六層和所述第二層間的所述第一材料的第七層。
17.權利要求15所述的MTJ，其中所述第二材料包括鎳和鐵中的至少一個。
18.權利要求15所述的MTJ，其中所述第二材料包括鈷和鐵中的至少一個。
19.權利要求15所述的MTJ，其中所述第一層包括鎳-鐵合金。
20.權利要求19所述的MTJ，其中所述鎳-鐵合金的鐵原子百分比是約16-20％。
21.權利要求20所述的MTJ，其中所述第二鐵磁層包括鎳鐵，其鐵原子百分比為約18％。
22.在一種MTJ中，該MTJ包括第一電極和第二電極；所述第一與第二電極間的隧道阻擋；所述第一電極與所述隧道阻擋間的自由合成反鐵磁(SAF)；以及所述隧道阻擋與所述第二電極間的固定層；一種形成所述自由SAF的方法，包括在所述隧道阻擋上形成第一鐵磁層；在所述第一鐵磁層上澱積鉭；在所述鉭上澱積基材料；以及在所述基材料上形成第二鐵磁層。
23.權利要求22所述的方法，進一步包括在所述第一鐵磁層上澱積所述鉭之前，在所述第一鐵磁層上澱積第三鐵磁層，所述第三鐵磁層包括鈷和鐵中的至少一個。
24.權利要求22所述的方法，其中所述基材料包括銠和釕之一。
25.權利要求22所述的方法，其中所述第一鐵磁層包括鎳-鐵合金。
26.權利要求25所述的方法，其中所述鎳-鐵合金的鐵原子百分比是約16％至20％。
27.權利要求26所述的方法，其中所述鎳-鐵合金的鐵原子百分比是約18％。
28.一種磁隧道結(MTJ)，包括第一電極和第二電極；所述第一與第二電極間的隧道阻擋；所述第一電極與所述隧道阻擋間的自由合成反鐵磁(SAF)；所述隧道阻擋與所述第二電極間的固定層；其中所述自由SAF包括第一層和第二層，其中所述第一和第二層是鐵磁的；所述第一和第二層間的第三層，其中所述第三層包括基材料；所述第三層和所述第二層間的傳導性的第四層；以及所述第四層和所述第二層間的第五層，其中所述第五層包括鈷和鐵中的至少一個。
全文摘要
一種用於磁阻隨機存取存儲器(MRAM)的磁隧道結(MTJ)(10)，具有自由層(14)，該自由層是合成反鐵磁(SAF)結構。該SAF(14)包括由耦合層(28)分隔的兩個鐵磁層(26，30)。耦合層(28)具有非磁性的基材料和改善熱耐久性、SAF(14)的耦合強度控制和磁阻比(MR)的其它材料。優選的基材料是釕，優選的其它材料是鉭。為了增強這些優點，在鉭和鐵磁層之一之間的界面處增加鈷－鐵。另外，耦合層(28)甚至可具有更多的層(38、40)，並且使用的材料可以變化。另外，耦合層(28)本身可為合金。
文檔編號H01L29/76GK1894801SQ200480037446
公開日2007年1月10日 申請日期2004年11月4日 優先權日2003年12月18日
發明者斯裡尼瓦斯·V·皮耶塔姆巴拉姆, 雷努·W·戴夫, 喬恩·M·斯勞特, 孫繼軍 申請人:飛思卡爾半導體公司