專利名稱：磁隧道結(jié)元件結(jié)構(gòu)和用于制造該結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及磁電子學(xué)器件，更具體地，涉及磁隧道結(jié)元件結(jié)構(gòu)和用于制造磁隧道結(jié)元件結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
磁電子學(xué)器件、自旋電子器件和自旋電子學(xué)器件是關(guān)于使用主要由電子自旋引起的效應(yīng)的器件的同義詞。在許多器件中使用了磁電子學(xué)效應(yīng)，并且其提供了非易失的、可靠的、抗輻射的和高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)取。許多磁電子學(xué)信息器件包括，但不限于，磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)，磁傳感器和用于盤片驅(qū)動(dòng)器的讀/寫頭。
典型地，磁電子學(xué)器件，諸如磁存儲(chǔ)器元件，具有包括由至少一個(gè)非磁層分隔的多個(gè)鐵磁層的結(jié)構(gòu)。在磁存儲(chǔ)器元件中，信息作為磁層中的磁化矢量的方向而被存儲(chǔ)。例如，一個(gè)磁層中的磁化矢量是磁固定或釘扎的，而另一磁層的磁化方向自由地在相同和相反的方向之間切換，其分別被稱為“平行”和“逆平行”狀態(tài)。響應(yīng)平行和逆平行狀態(tài)，磁存儲(chǔ)器元件呈現(xiàn)出兩個(gè)不同的電阻。當(dāng)兩個(gè)磁層的磁化矢量基本上分別指向相同和相反的方向時(shí)，電阻具有最小和最大值。因此，檢測(cè)電阻變化允許器件，諸如MRAM器件，提供存儲(chǔ)在磁存儲(chǔ)器元件中的信息。最小和最大電阻值之間的差除以最小電阻，被稱為磁致電阻比(MR)。
一種類型的磁存儲(chǔ)器元件，磁隧道結(jié)(MTJ)元件，包括固定的鐵磁層，其具有相對(duì)于外部磁場(chǎng)固定的磁化方向，和自由的鐵磁層，其具有相對(duì)外部磁場(chǎng)自由旋轉(zhuǎn)的磁化方向。固定層和自由層由絕緣隧道勢(shì)壘層分隔，其依賴于自旋極化電子隧穿通過自由和固定鐵磁層之間的隧道勢(shì)壘層的現(xiàn)象。隧穿現(xiàn)象依賴于電子自旋，使得MTJ元件的磁響應(yīng)成為自由和固定鐵磁層之間的傳導(dǎo)電子的相對(duì)取向和自旋極化的函數(shù)。
由于MR強(qiáng)烈依賴于隧道勢(shì)壘質(zhì)量，因此隧道勢(shì)壘層對(duì)于MTJ元件的性能是重要的。特別地，隧道勢(shì)壘的表面平滑度在制造高質(zhì)量的MTJ器件中具有關(guān)鍵的作用。典型地，隧道勢(shì)壘的表面粗糙導(dǎo)致了由流過勢(shì)壘的非隧道電流或者底部鐵磁層中的高點(diǎn)過氧化引起的MR的減小，其因此減小了可靠性并且由此減小了MTJ器件制造中的生產(chǎn)量。而且，由于下代的磁電子學(xué)器件，諸如MRAM，將成比例縮小至較小的尺寸，因此將需要較薄的隧道勢(shì)壘層。因此，當(dāng)隧道勢(shì)壘層在未來的器件中變得更薄時(shí)，表面平滑度將變得更加重要。
因此，理想的是，提供具有表面粗糙度減小的隧道勢(shì)壘層的MTJ元件。此外，理想的是，提供一種用于制造具有改善的電氣屬性的MTJ元件的工藝。而且，通過后面的本發(fā)明的詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求，結(jié)合附圖和本發(fā)明的該背景，本發(fā)明的其他的理想特征和特性將變得顯而易見。


下文將結(jié)合附圖描述本發(fā)明，在附圖中同樣的數(shù)字表示同樣的元件，并且圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的磁隧道結(jié)元件結(jié)構(gòu)的截面視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的磁隧道結(jié)元件結(jié)構(gòu)的截面視圖；以及圖3是用于制造諸如圖1或2的磁隧道結(jié)元件結(jié)構(gòu)的根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的工藝的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面的本發(fā)明的詳細(xì)描述在本質(zhì)上僅是示例性的，并非限制本發(fā)明或者本發(fā)明的應(yīng)用和使用。而且，不存在由本發(fā)明的前述背景或者本發(fā)明的下面的詳細(xì)描述所帶來的限制。
參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的MTJ元件10包括基板16、第一電極多層疊層14、第二電極多層疊層12、和置于第一電極多層疊層14和第二電極多層疊層12之間的絕緣隧道勢(shì)壘層32?；?6可以包括任何適當(dāng)?shù)慕^緣材料，諸如例如，介電材料。第一電極多層疊層14和第二電極多層疊層12包括鐵磁層，如下文更加詳細(xì)描述的。隧道勢(shì)壘層32優(yōu)選地由介電材料形成，并且更優(yōu)選地由氧化鋁(AlOx)形成。隧道勢(shì)壘層32可以具有任何適當(dāng)?shù)暮穸龋莾?yōu)選地具有約7～約15埃的厚度。第一多層疊層14、第二多層疊層12和隧道勢(shì)壘層32的層可以通過任何適當(dāng)?shù)牡矸e工藝形成，諸如例如，粒子束淀積、物理氣相淀積(PVD)、分子束外延(MBE)等等。
第一電極多層疊層14包括第一或者基礎(chǔ)電極層18，其是在基板16上形成的。第一電極層18可以由單一的傳導(dǎo)材料或?qū)咏M成，或者可替換地，第一電極層18可以是具有不止一個(gè)傳導(dǎo)材料或?qū)拥亩鄬盈B層。在任一情況中，第一電極層18提供同第一電極多層疊層14的層的電氣接觸。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一電極多層疊層14包括種子層20，其淀積在第一電極層18上面。種子層20可由任何適當(dāng)?shù)牟牧闲纬桑溥m用于對(duì)反鐵磁AF釘扎層24的后繼形成接種，如下文更加詳細(xì)描述的。適用于形成種子層20的材料的示例包括，例如，鉭(Ta)或者氮化鉭(TaNx)，其制造方法是，反應(yīng)濺射或者相對(duì)薄的鉭層(優(yōu)選地小于約100埃，并且最優(yōu)選地小于約50埃)的等離子體或粒子束氮化。種子層20可以是分立于第一電極層18的層，或者可以包括與第一電極層18相同的層。第一電極多層疊層14還可以包括任選的位于種子層20上面的模板層22。模板層22可以包括鎳鐵(NiFe)合金、鎳鐵鈷(NiFeCo)合金、釕(Ru)、鉭(Ta)、鋁(Al)、或者適用于協(xié)助反鐵磁釘扎層24的生長(zhǎng)的任何其他的材料。反鐵磁釘扎層24被置于種子層20和/或模板層22上面。反鐵磁釘扎層24可由任何適當(dāng)?shù)姆磋F磁材料形成，但是優(yōu)選地包括錳合金，其具有一般的組分MnX，其中X優(yōu)選地是選自下列組中的一種或多種材料鉑(Pt)、鈀(Pd)、鎳(Ni)、銥(Ir)、鋨(Os)、釘(Ru)或者鐵(Fe)。
釘扎鐵磁層26形成在下面的反鐵磁釘扎層24上面，并且與之交換耦合，其釘扎一個(gè)方向中的釘扎鐵磁層26的磁矩。釘扎鐵磁層26在結(jié)構(gòu)上是晶體，并且可由例如，鈷鐵合金制成，諸如CoFe或者CoFeX，其中X可以包括硼(B)、鉭(Ta)、鉿(Hf)、或者碳(C)。非晶體固定鐵磁層30在金屬耦合層28上面形成，金屬耦合層28位于釘扎鐵磁層26上面。如此處使用的，術(shù)語“非晶體”意指其中不存在長(zhǎng)程晶序的材料，諸如使用正常的x射線衍射測(cè)量引出可易于辨識(shí)的峰值的材料，或者使用電子衍射測(cè)量引出可辨識(shí)式樣的圖案的材料。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，非晶體固定鐵磁層30可由鈷(Co)、鐵(Fe)和硼(B)的合金形成。例如，非晶體固定層30可由包括71.2％的鈷原子、8.8％的鐵原子和20％的硼原子的合金形成。該組合物是其中添加硼的CoFe合金，并且可被表示為(Co89Fe11)80B20。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，任何其他的適當(dāng)?shù)暮辖鸾M合物，諸如CoFeX(其中X可以是鉭、鉿、硼、碳等中的一個(gè)或多個(gè))，或者包括鈷和/或鐵的合金，可用于形成非晶體固定層30。金屬耦合層28可由任何適當(dāng)?shù)牟牧闲纬桑溆糜诜磋F磁地耦合到晶體釘扎層26和非晶體固定層30，諸如釕、錸、鋨、銠或其合金，但是優(yōu)選地由釕形成。金屬耦合層28、晶體釘扎層26和非晶體固定層30產(chǎn)生了合成反鐵磁(SAF)結(jié)構(gòu)38。通過金屬耦合層28提供的SAF結(jié)構(gòu)的反鐵磁耦合使得MTJ元件10在施加的磁場(chǎng)中更加穩(wěn)定。此外，通過改變鐵磁層26和30的厚度，可以使針對(duì)自由層的靜磁耦合偏移，并且可以磁滯回線集中。
由于非晶體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，即，非晶體結(jié)構(gòu)基本上不具有晶粒邊界，因此相比于在晶體或者多晶體固定層上生長(zhǎng)隧道勢(shì)壘層32的情況，SAF結(jié)構(gòu)38的非晶體固定層30有助于具有更平滑的表面的隧道勢(shì)壘層32的生長(zhǎng)。隧道勢(shì)壘層的更平滑的表面改善了MTJ元件10的磁致電阻。此外，SAF結(jié)構(gòu)38的晶體釘扎層26導(dǎo)致了足夠的反鐵磁耦合強(qiáng)度，由此SAF結(jié)構(gòu)在外部磁場(chǎng)中是穩(wěn)定的。因此，非晶體固定層和晶體釘扎層用于改善MTJ元件10的性能、可靠性和可制造性。
第二電極多層疊層12包括自由鐵磁層34和保護(hù)性第二電極層36。第二電極層36可由任何適當(dāng)?shù)牟牧闲纬?，諸如鉭。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，第二電極層36可以包括不止一個(gè)材料層，諸如例如，鉭層上面的氮化鉭層。自由鐵磁層34的磁矩基本上不會(huì)通過交換耦合固定或釘扎，并且在施加的磁場(chǎng)存在的情況下基本上可自由旋轉(zhuǎn)。自由層34可以具有非晶體或者晶體結(jié)構(gòu)，并且可由任何適當(dāng)?shù)暮辖鸾M合物形成，諸如CoFeX(其中X可以是硼、鉭、鉿、碳等)，或者包括鎳或鐵的合金，或者包括鈷、鎳和鐵的合金。自由層34可以包括一個(gè)材料層或者可以包括多個(gè)層。例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，自由層34可以包括單一的NiFeCo層。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，自由層34可以是SAF結(jié)構(gòu)，其包括例如，兩個(gè)諸如NiFe的鐵磁材料層，其由諸如釕、錸、鋨、銠或其合金等的傳導(dǎo)材料的耦合層分隔。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，盡管圖1和上文的描述公開了一種MTJ元件10，其具有位于AF釘扎層上面的晶體釘扎層、位于晶體釘扎層上面的金屬耦合層、位于耦合層上面的非晶體固定層、位于固定層上面的隧道勢(shì)壘層、和位于隧道勢(shì)壘層上面的自由層或者自由SAF結(jié)構(gòu)，但是本發(fā)明不限于此。而且，本發(fā)明還可用于具有倒轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的MTJ元件，其具有位于自由層或者自由SAF結(jié)構(gòu)上面的隧道勢(shì)壘層、位于隧道勢(shì)壘層上面的非晶體層、位于非晶體固定層上面的耦合層、位于金屬耦合層上面的晶體釘扎層、和位于釘扎層上面的AF釘扎層。
圖2說明了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的MTJ元件60。MTJ元件60與圖1的MTJ元件10相似，其中同樣的參考數(shù)字表示同樣的或者相似的層。MTJ元件60包括基板16、第一電極多層疊層14、第二電極多層疊層12、和置于第一電極多層疊層14和第二電極多層疊層12之間的絕緣隧道勢(shì)壘層32。如上文參考圖1針對(duì)MTJ元件10描述的，第一電極疊層14可以包括第一電極18、種子層20、模板層22、反鐵磁釘扎層24、晶體鐵磁釘扎層26、耦合層28和非晶體鐵磁固定層30。同樣地，MTJ元件60的第二電極多層疊層12可以包括第二電極36和自由層34，其可以包括一個(gè)鐵磁層或者可以包括諸如SAF結(jié)構(gòu)的多個(gè)層。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，MTJ元件60進(jìn)一步包括界面層62，其是在非晶體固定層30和隧道勢(shì)壘層32之間形成的。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，當(dāng)自由層34是非晶體材料的一個(gè)層或多個(gè)層時(shí)，MTJ元件可以包括界面層64，其是在隧道勢(shì)壘層32和非晶體自由層34之間形成的。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，MTJ元件60可以包括界面層62和界面層64。由于MTJ元件60的磁致電阻與同隧道勢(shì)壘層32的任一表面相鄰的鐵磁層的自旋極化的積成比例，因此界面層62和/或界面層64可用于提高M(jìn)TJ元件60的磁致電阻。因此，界面層62和64可以是非晶體、晶體或者多晶體的，并且可由“高自旋極化材料”形成。如此處使用的，術(shù)語“高自旋極化材料”意指具有高于其相鄰的非晶體鐵磁材料的自旋極化的自旋極化的材料。因此，界面層62可由具有高于非晶體固定層30的自旋極化的自旋極化的材料形成。同樣地，界面層64可由具有高于非晶體自由層34的自旋極化的自旋極化的材料形成。例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，非晶體固定層30可以包括CoFeB，而界面層62可以包括CoFe。相似地，非晶體自由層34可以包括CoFeB，而界面層64可以包括CoFe。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，界面層62和64還可以包括CoFeX，其中X可以包括硼、鉭、鉿、碳等，并且X的原子數(shù)小于5％?？商鎿Q地，界面層62和64可以包括其他的含鈷合金或者其他的含鐵合金。界面層62或者界面層64或者此兩者的使用可以取決于多種因素，諸如例如，MTJ元件的所需的磁屬性、MTJ元件的所需的電氣屬性、MTJ元件的預(yù)期應(yīng)用等。
界面層62和64是足夠薄的，使得它們不會(huì)抵消由于固定層30和/或自由層34的非晶體本質(zhì)引起的MTJ器件性能的改善。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，界面層62和64具有不大于15埃的厚度。優(yōu)選地、界面層62和64具有不大于10埃的厚度，并且更優(yōu)選地，具有不大于5埃的厚度。而且，盡管固定層30和/或自由層34的非晶體本質(zhì)可以改善MTJ元件60的電氣屬性，諸如磁致電阻的量值、磁致電阻的穩(wěn)定性、反鐵磁耦合強(qiáng)度(由飽和場(chǎng)(Hsat)確定)等，但是MTJ元件60中的界面層62和/或界面層64的存在也可以通過增加MTJ元件的磁致電阻改善電氣屬性。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，用于制造諸如圖1和2中說明的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工藝100的流程圖。工藝100可以開始于提供基板，諸如圖1和2的基板16(步驟102)，并且在基板16上面形成第一電極層18(步驟104)。如上文所述，第一電極層18可以包括金屬或其他傳導(dǎo)材料的一個(gè)或多個(gè)層，其提供了同后繼形成的層的電氣接觸。種子層20可以淀積在第一電極層18上面(步驟106)。種子層20可以是分立于第一電極層18的層，或者可替換地，種子層20可以包括與第一電極層18相同的層。然后可以在種子層20和/或第一電極層18上面制造任選的模板層22(步驟108)。
工藝100進(jìn)一步包括，將反鐵磁釘扎層24置于任選的模板層22和/或種子層20和/或第一電極層18上面(步驟110)，并且在反鐵磁釘扎層24上面形成晶體釘扎鐵磁層26，由此釘扎鐵磁層26與反鐵磁釘扎層24交換耦合(步驟112)。然后將金屬耦合層28置于釘扎鐵磁層26上面(步驟114)。如上文所描述的，金屬耦合層28可被形成為具有任何適當(dāng)?shù)暮穸?，并且可由任何適當(dāng)?shù)牟牧闲纬桑溆糜谑咕w釘扎層26同上面的非晶體固定層30反鐵磁耦合。適用于形成金屬耦合層28的材料可以包括釕、鋨、銠、錸等，及其合金。優(yōu)選地，金屬耦合層28由釕形成。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，然后使金屬耦合層28暴露于表面改性劑，其使金屬耦合層28的暴露表面改性(步驟116)。如此處使用的，術(shù)語“表面改性劑”意指使金屬耦合層28的表面改性的任何適當(dāng)?shù)牟牧?，由此在金屬耦合?8上面后繼形成的固定層30呈現(xiàn)出相比于未使金屬耦合層改性的情況的更加平滑的表面，在該表面上將形成隧道勢(shì)壘層。因此，表面改性劑導(dǎo)致了MTJ元件的MR的增加。表面改性劑還導(dǎo)致了改善的擊穿電壓和MTJ元件中的較少的隧穿熱點(diǎn)，因此增加了產(chǎn)量并且使MTJ元件陣列的比特電阻分布交窄。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，表面改性劑包括氧。在這一點(diǎn)上，可以使金屬耦合層28暴露于室溫下的劑量(壓力乘以暴露時(shí)間)為約10-5Torr-s～約10-1Torr-s的氧環(huán)境。使金屬耦合層28暴露于氧環(huán)境一定的時(shí)間，其是足夠長(zhǎng)的，以允許氧將金屬耦合層28的暴露表面改性，但是其也是足夠短的，由此金屬耦合層28提供的反鐵磁耦合基本上不會(huì)減少。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使金屬耦合層暴露于氧環(huán)境一定的時(shí)間，其是足夠短的，由此不允許氧淀積到可由標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量技術(shù)辨識(shí)的厚度。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，使金屬耦合層28暴露于氧環(huán)境一定的時(shí)間周期，其允許在金屬耦合層28的暴露表面上淀積不超過兩個(gè)的氧單層。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，表面改性劑可以包括不同于氧或者除了氧以外的材料，諸如例如，空氣、氬(Ar)/氧(O2)混合物、或者氮(N2)/氧(O2)混合物。
在使金屬耦合層28的暴露表面改性之后，可以在金屬耦合層28上面淀積固定鐵磁層(步驟118)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，固定鐵磁層可由晶體鐵磁材料形成，諸如例如，CoFe或者任何其他的適當(dāng)?shù)拟捄辖鸷?或鐵合金。在本發(fā)明的另一更優(yōu)選的實(shí)施例中，固定鐵磁層可以是非晶體的，諸如上文參考圖1和2描述的非晶體固定鐵磁層。在這一點(diǎn)上，非晶體固定層可由非晶體鐵磁合金形成，諸如CoFeX，其中X可以是硼、碳、鉭、鉿等，并且可由其他的鈷和/或鐵的合金形成。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，當(dāng)固定層包括非晶體材料時(shí)，工藝100可以進(jìn)一步包括，在固定層上面淀積第一界面層，諸如圖2的界面層62(步驟120)。界面層62可由具有高于非晶體固定層30的自旋極化的自旋極化的材料形成。例如，固定層可以包括CoFeB的非晶體層，而第一界面層可以包括CoFe。然而，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第一界面層可以包括CoFeX，其中X可以包括硼、鉭、碳、鉿等，并且X原子數(shù)小于5％。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第一界面層可以包括其他的含鈷合金或者其他的含鐵合金。
然后，可以在第一界面層和/或固定層上面形成絕緣的隧道勢(shì)壘層，諸如圖1和2的隧道勢(shì)壘層32(步驟122)。可以使用用于形成隧道勢(shì)壘層的半導(dǎo)體工業(yè)中已知的任何適當(dāng)?shù)慕^緣材料形成該隧道勢(shì)壘層。例如，隧道勢(shì)壘層可以通過在第一界面層和/或固定層上面淀積鋁層并且使該鋁層氧化而形成，如本領(lǐng)域中公知的。
然后，可以在隧道勢(shì)壘層上面形成自由鐵磁層，諸如自由鐵磁層34(步驟126)。如上文所述，該自由層可以具有非晶體或者晶體結(jié)構(gòu)，并且可由任何適當(dāng)?shù)暮辖鸾M合物形成，諸如CoFeX(其中X可以是硼、碳、鉭、鉿等)、NiFe合金或者包括鈷、鐵和鎳的其他合金。在本發(fā)明的另一任選實(shí)施例中，自由層可以是SAF結(jié)構(gòu)，其包括例如，兩個(gè)諸如NiFe的鐵磁材料層，其由諸如釕、錸、鋨、銠等或其合金的絕緣材料的金屬耦合層分隔。
在本發(fā)明的另一可選實(shí)施例中，當(dāng)自由層包括非晶體材料時(shí)，可以在形成非晶體自由鐵磁層之前，在隧道勢(shì)壘層上面淀積第二界面層，諸如界面層64(步驟124)。第二界面層可以包括具有高于自由層的自旋極化的自旋極化的材料。例如，自由層可以包括非晶體CoFeB，而第二界面層可以包括CoFe。然而，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第二界面層可以包括CoFeX，其中X可以包括硼、鉭、鉿、碳等，并且X原子數(shù)小于5％。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第二界面層可以包括其他的含鈷合金和/或其他的含鐵合金。
在形成自由層之后，可以將第二電極層，諸如第二電極層36置于自由層上面(步驟128)。如上文所述，第二電極層可由任何適當(dāng)?shù)膫鲗?dǎo)材料形成，諸如鉭。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，第二電極層可以包括不止一個(gè)材料層，諸如例如，鉭層上面的氮化鉭(TaNx)層。
上文參考圖3描述的工藝100的層的形成可以使用半導(dǎo)體工業(yè)中已知的任何適當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)淀積方法執(zhí)行，諸如例如，離子束淀積、物理氣相淀積(PVD)、分子束外延(MBE)等。而且，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的工藝不限于上文參考圖3描述的步驟順序。相反地，可以以倒轉(zhuǎn)的順序執(zhí)行該步驟，以制造磁隧道結(jié)元件，其具有位于自由層或者自由層SAF結(jié)構(gòu)上面的隧道勢(shì)壘層、位于隧道勢(shì)壘層上面的固定層、位于固定層上面的釘扎層。在這一點(diǎn)上，當(dāng)自由層是如上文所述的SAF結(jié)構(gòu)時(shí)，在形成第二電極之后，可以淀積自由SAF結(jié)構(gòu)的第一鐵磁層，隨后淀積金屬耦合層。然后可以將金屬耦合層暴露于表面改性劑，其使金屬耦合層的暴露表面改性。表面改性劑使金屬耦合層的表面改性，由此在金屬耦合層上面后繼形成的第二鐵磁層呈現(xiàn)出相比于未使金屬耦合層改性的情況的更加平滑的表面，在該表面上將形成隧道勢(shì)壘層。在使金屬耦合層的表面改性之后，自由SAF層的第二鐵磁層可以淀積在金屬耦合層上面。然后該工藝可以繼續(xù)形成隧道勢(shì)壘層和固定SAF結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，固定SAF結(jié)構(gòu)的金屬耦合層和自由SAF結(jié)構(gòu)的金屬耦合層，在后繼淀積上面的層之前，可以暴露于表面改性劑，以改善上面的層的物理質(zhì)量。
盡管在本發(fā)明的前面的詳細(xì)描述中已提出了至少一個(gè)示例性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，存在大量的變化方案。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，示例性實(shí)施例僅是示例，目的不在于以任何方式限制本發(fā)明的范圍、應(yīng)用或設(shè)置。而且，前面的詳細(xì)描述將向本領(lǐng)域的技術(shù)人員提供用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的傳統(tǒng)的路線圖，應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的范圍的前提下，可以針對(duì)示例性實(shí)施例中描述的元件的功能和配置進(jìn)行多種變化。
權(quán)利要求
1.一種磁隧道結(jié)元件，包括合成反鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)，包括晶體釘扎鐵磁層；非晶體固定鐵磁層；和非磁耦合層，其置于晶體釘扎鐵磁層和非晶體固定鐵磁層之間，其中非晶體固定鐵磁層與晶體釘扎鐵磁層反鐵磁耦合；第一電極疊層，其包括自由鐵磁層；和隧道勢(shì)壘層，其置于合成反鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)和第一電極疊層之間。
2.權(quán)利要求1的磁隧道結(jié)元件，進(jìn)一步包括反鐵磁釘扎層，其置于晶體釘扎鐵磁層附近，其中晶體釘扎鐵磁層同反鐵磁釘扎層交換耦合。
3.權(quán)利要求1的磁隧道結(jié)元件，非晶體固定鐵磁層包括具有化學(xué)式CoFeX的材料，其中X包括下列中的至少一種材料硼、鉭、碳和鉿。
4.權(quán)利要求1的磁隧道結(jié)元件，自由鐵磁層包括非晶體材料或晶體材料中的一個(gè)。
5.權(quán)利要求1的磁隧道結(jié)元件，自由鐵磁層包括SAF結(jié)構(gòu)，其具有兩個(gè)鐵磁層和置于兩個(gè)鐵磁層之間的非磁層。
6.權(quán)利要求1的磁隧道結(jié)元件，第一電極疊層進(jìn)一步包括電極層，其置于自由鐵磁層附近。
7.權(quán)利要求6的磁隧道結(jié)元件，晶體釘扎鐵磁層包括具有化學(xué)式CoFeX的材料，其中X包括下列中的至少一種材料硼、鉭、鉿和碳。
8.權(quán)利要求1的磁隧道結(jié)元件，非磁耦合層選自下列材料釕、錸、鋨、銠及其任何組合。
9.一種磁隧道結(jié)元件，包括合成反鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)，包括釘扎鐵磁層；固定鐵磁層；和非磁耦合層，其置于釘扎鐵磁層和固定鐵磁層之間，其中固定鐵磁層與釘扎鐵磁層反鐵磁耦合；電極疊層，其包括自由鐵磁層；隧道勢(shì)壘層，其置于合成反鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)和第一電極疊層之間；和第一界面層，其被安置為與隧道勢(shì)壘層和非晶體材料層相鄰，其中第一界面層包括的材料的的自旋極化高于非晶體材料層的自旋極化。
10.權(quán)利要求9的磁隧道結(jié)元件，非晶體材料層包括具有化學(xué)式CoFeX的材料，其中X包括下列中的至少一種材料硼、鉭、鉿和碳，并且，第一界面層包括CoFe。
11.權(quán)利要求9的磁隧道結(jié)元件，固定鐵磁層包括非晶體材料層，其中第一界面層置于隧道勢(shì)壘層和固定鐵磁層之間，并且其中第一界面層包括的材料的自旋極化高于固定鐵磁層的自旋極化。
12.權(quán)利要求11的磁隧道結(jié)元件，其中自由鐵磁層包括非晶體材料，并且其中磁隧道結(jié)元件進(jìn)一步包括第二界面層，其置于隧道勢(shì)壘層和自由鐵磁層之間，第二界面層包括的材料的自旋極化高于自由鐵磁層的自旋極化。
13.權(quán)利要求12的磁隧道結(jié)元件，其中自由鐵磁層包括SAF結(jié)構(gòu)，其具有由非磁耦合層分隔的兩個(gè)鐵磁材料層。
14.權(quán)利要求9的磁隧道結(jié)元件，自由鐵磁層包括非晶體材料層，其中第一界面層置于隧道勢(shì)壘層和自由鐵磁層之間，并且其中第一界面層包括的材料的自旋極化高于自由鐵磁層的自旋極化。
15.權(quán)利要求14的磁隧道結(jié)元件，其中自由鐵磁層包括SAF結(jié)構(gòu)，其具有由非磁耦合層分隔的兩個(gè)鐵磁材料層。
16.一種用于形成磁隧道結(jié)元件的方法，該方法包括步驟在第一鐵磁層上面形成第一耦合層，第一耦合層具有表面；將第一耦合層的表面暴露于第一表面改性劑；在表面改性的第一耦合層上面淀積第二鐵磁層；在第二鐵磁層上面形成隧道勢(shì)壘層；和在隧道勢(shì)壘層上面形成電極疊層。
17.權(quán)利要求16的用于形成磁隧道結(jié)元件的方法，其中將第一耦合層的表面暴露于第一表面改性劑的步驟包括將第一耦合層的表面暴露于氧的步驟。
18.權(quán)利要求16的用于形成磁隧道結(jié)元件的方法，其中將第一耦合層的表面暴露于第一表面改性劑的步驟包括將第一耦合層的表面暴露于空氣、Ar/O2混合物或N2/O2混合物的步驟。
19.權(quán)利要求16的用于形成磁隧道結(jié)元件的方法，在第一鐵磁層上形成第一耦合層的步驟包括在釘扎鐵磁層上面形成第一耦合層的步驟，在表面改性的第一耦合層上淀積第二鐵磁層的步驟包括在表面改性的第一耦合層上淀積固定鐵磁層的步驟。
20.權(quán)利要求16的用于形成磁隧道結(jié)元件的方法，其中在隧道勢(shì)壘層上面形成電極疊層的步驟包括在隧道勢(shì)壘層上面形成自由鐵磁層的步驟，在隧道勢(shì)壘層上面形成自由鐵磁層的步驟包括在隧道勢(shì)壘層上面淀積第三鐵磁層；在第三鐵磁層上面形成第二耦合層；和在第二耦合層上面淀積第四鐵磁層，進(jìn)一步包括步驟在第二耦合層上面淀積第四鐵磁層的步驟之前，使第二耦合層暴露于第二表面改性劑，其中使第二耦合層的表面暴露于第二表面改性劑的步驟包括使第二耦合層的表面暴露于氧的步驟。
全文摘要
提供了磁隧道結(jié)(MTJ)元件結(jié)構(gòu)和用于制造MTJ元件結(jié)構(gòu)的方法。MTJ元件結(jié)構(gòu)(10)可以包括晶體釘扎層(26)、非晶體固定層(30)以及置于晶體釘扎層和非晶體固定層之間的耦合層(28)。非晶體固定層(30)與晶體釘扎層(26)反鐵磁耦合。MTJ元件進(jìn)一步包括自由層(34)以及置于非晶體固定層和自由層之間的隧道勢(shì)壘層(32)。另一MTJ元件結(jié)構(gòu)(60)可以包括釘扎層(26)、固定層(30)以及置于其之間的非磁耦合層(28)。隧道勢(shì)壘層(32)被置于固定層(30)和自由層(34)之間。界面層(62)被安置為與隧道勢(shì)壘層(32)和非晶體材料層(30)相鄰。第一界面層(62)包括具有高于非晶體材料(30)的自旋極化的材料。
文檔編號(hào)H01L31/119GK1985377SQ200580023937
公開日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2005年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月26日
發(fā)明者孫繼軍, 雷努·W·戴夫, 喬恩·M·斯勞特, 約翰·阿克曼 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司