包括磁各向異性增強層和結(jié)晶阻礙層的垂直mtj堆疊體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實施例涉及存儲器器件的領(lǐng)域，并且具體而言，涉及用于自旋轉(zhuǎn)移矩存儲器(STTM)器件的磁性隧道結(jié)(MTJ)的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]STTM器件是利用被稱為隧道磁致電阻(TMR)的現(xiàn)象的非易失性存儲器器件。對于包括由薄絕緣隧道層分開的兩個鐵磁層的結(jié)構(gòu)，在兩個磁層的磁化處于平行取向時，與二者為非平行取向(非平行或反平行取向)時相比，電子將更可能隧穿隧道層。像這樣，MTJ可以在電阻的兩種狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換，一種狀態(tài)具有低電阻并且一種狀態(tài)具有高電阻。電阻差異越大，TMR比(RAP-RP/RP*100，其中Rp和Rap分別為磁化的平行和反平行對準的電阻)越高，就可以越容易與MTJ電阻狀態(tài)相關(guān)聯(lián)地可靠地存儲位。因此，給定MTJ的TMR比是STTM的重要性能度量。
[0003]對于STTM器件，電流感應(yīng)磁化轉(zhuǎn)換用于設(shè)置位狀態(tài)。一個鐵磁層的極化狀態(tài)經(jīng)由自旋轉(zhuǎn)移矩現(xiàn)象而相對于第二鐵磁層的固定極化進行轉(zhuǎn)換，使得能夠通過施加電流來設(shè)置MTJ的狀態(tài)。在通過固定磁層傳遞電流時，電子的角動量(自旋)沿著固定層的磁化方向被極化。這些自旋極化的電子將其自旋角動量轉(zhuǎn)移到自由層的磁化并且使其旋動。像這樣，可以通過超過某一臨界值的電流的脈沖(例如，大約I納秒)來轉(zhuǎn)換自由磁層的磁化，并且只要電流脈沖低于歸因于不同幾何形狀、相鄰釘扎層、不同矯頑磁力(He)等的較高閾值，固定磁層的磁化保持不變。
[0004]具有包含垂直(從襯底的平面中出來)易磁化軸的磁電極的MTJ有可能用于實現(xiàn)比平面內(nèi)變體更高密度的存儲器。通常，在自由磁層足夠薄時，在存在由諸如MgO之類的相鄰層確立的界面垂直各向異性的情況下，能夠在自由磁層中實現(xiàn)垂直磁各向異性(PMA)。然而，該結(jié)構(gòu)與較大的熱不穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)，這可以顯著縮短存儲器元件的非易失性壽命。也可以通過耦合到與自由層相鄰設(shè)置的強垂直薄膜來實現(xiàn)PMA。盡管利用該結(jié)構(gòu)改善了熱穩(wěn)定性，但是由于晶體失配，TMR比傾向于降低。
[0005]因此能夠?qū)崿F(xiàn)高TMR比和良好熱穩(wěn)定性的垂直MTJ結(jié)構(gòu)和形成技術(shù)是有利的。
【附圖說明】
[0006]通過示例而非限制的方式示出本發(fā)明的實施例，并且結(jié)合附圖參考以下【具體實施方式】可以更充分地理解本發(fā)明的實施例。附圖中:
[0007]圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于垂直STTM器件的材料層堆疊體的截面圖；
[0008]圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于垂直STTM器件的材料層堆疊體的截面圖；
[0009]圖2A示出了設(shè)置在根據(jù)實施例的STTM器件中的垂直MTJ的一部分之上的磁各向異性增強層的擴展截面圖；
[0010]圖2B示出了設(shè)置在自由磁層與根據(jù)實施例的STTM器件中的垂直MTJ的一部分之間的結(jié)晶阻礙層的擴展截面圖；
[0011]圖3A示出了根據(jù)實施例的作為結(jié)晶阻礙層的交換耦合和磁各向異性的函數(shù)的磁化角的曲線圖；
[0012]圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的作為部分MTJ堆疊體的磁場的函數(shù)的反?；舳?yīng)(EHE)的曲線圖；
[0013]圖3C示出了與沒有阻礙層相比，根據(jù)實施例的包括設(shè)置在磁各向異性增強層與MTJ之間的結(jié)晶阻礙層的垂直MTJ堆疊體的TMR比曲線圖；
[0014]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括自旋轉(zhuǎn)移矩元件的STTM位單元的示意圖。
[0015]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的移動計算設(shè)備平臺的等距視圖和移動平臺所采用的微電子器件的示意圖；以及
[0016]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的計算設(shè)備的功能框圖。
【具體實施方式】
[0017]描述了具有各向異性增強層和結(jié)晶阻礙層的自旋轉(zhuǎn)移矩存儲器(STTM)器件。在以下描述中，闡述了許多細節(jié)，然而，對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員而言顯而易見的是，也可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明。在一些實例中，公知的方法和設(shè)備以框圖的形式而不是以細節(jié)的形式示出，以避免使本發(fā)明難以理解。在整個說明書中，對“實施例”或“在一個實施例中”的引用表示結(jié)合實施例所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)、功能或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，在整個說明書中，在各處出現(xiàn)的短語“在實施例中”不一定指代本發(fā)明的同一個實施例。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)、功能或特性可以采用任何適合的方式組合在一個或多個實施例中。例如，第一實施例可以與第二實施例組合，只要未指定這兩個實施例是互斥的。
[0018]術(shù)語“耦合”和“連接”及其衍生詞在本文中可以用于描述部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。應(yīng)該理解，這些術(shù)語并不是要作為彼此的同義詞。相反，在特定實施例中，“連接”可以用于指示兩個或更多元件彼此直接物理接觸或電接觸?！榜詈稀笨梢杂糜谥甘緝蓚€或更多元件彼此直接或間接地(其間具有其它中間元件)物理接觸或電接觸，和/或指示兩個或更多元件彼此配合或相互作用(例如，如在因果關(guān)系中)。
[0019]如本文中使用的術(shù)語“在…之上”、“在…之下”、“在….之間”和“在…上”指代一個材料層或部件相對于其它層或部件的相對位置。例如，設(shè)置在一個層之上(上方)或之下(下方)的另一個層可以與該層直接接觸，或可以具有一個或多個中間層。此外，設(shè)置在兩個層之間的一個層可以與這兩個層直接接觸，或可以具有一個或多個中間層。相比之下，第二層“上”的第一層與該第二層直接接觸。相似地，除非另外明確規(guī)定，否則設(shè)置在兩個相鄰特征之間的一個特征可以與相鄰特征直接接觸，或可以具有一個或多個中間特征。
[0020]在實施例中，STTM器件包括由結(jié)晶阻礙層而與MTJ分開的至少一個磁各向異性增強層(AEL)。圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于一個這種STTM器件的材料層堆疊體101的截面圖。材料層堆疊體101形成在襯底薄膜層100之上，襯底薄膜層100優(yōu)選為非晶的，例如但不限于二氧化硅或類似的電介質(zhì)。堆疊體101通常包括第一接觸金屬化層105、MTJ結(jié)構(gòu)103、磁各向異性增強層(AEL) 120、設(shè)置于其間的結(jié)晶阻礙層112和第二接觸金屬化層130。注意，可以如圖1B中所示地翻轉(zhuǎn)設(shè)置在金屬化層105、130之間的材料層的次序，圖1B提供了根據(jù)另一個實施例的材料層堆疊體102的截面圖。利用相同的附圖標記來標識圖1B中所描繪的具有與圖1A中的功能和材料性質(zhì)相同的功能和材料性質(zhì)的層。如堆疊體102所示，AEL 120位于第一接觸金屬化層105上，同時結(jié)晶阻礙層112設(shè)置在AEL 120上，并且MTJ結(jié)構(gòu)103設(shè)置在結(jié)晶阻礙層112之上。
[0021]接觸金屬化層105和130均具有可操作用于電接觸STTM器件的磁電極的材料或材料的堆疊體，并且可以是本領(lǐng)域公知的用于這種目的的任何材料或材料的堆疊體。盡管金屬化層105、130可以具有一定范圍的厚度(例如，5nm-50nm)并且包括多種材料以形成與STTM器件和互連件都兼容的界面，但是在示例性實施例中，互連金屬化層105至少包括鉭(Ta)層105C，并且被示出為具有附加下層導(dǎo)電緩沖層，其還包括至少一個釕(Ru)層105B和第二 Ta層105A。對于封蓋金屬化層130，具有高電導(dǎo)率的金屬是有利的，即使該金屬在其表面處被氧化，所述金屬例如但不限于Cu、Al、Ru、Au等，并且Ru有利地提供了氧的良好阻礙，減小了 MTJ結(jié)構(gòu)103內(nèi)發(fā)生氧化的可能性。
[0022]如進一步示出的，設(shè)置在接觸金屬化層105之上的是平面外、或“垂直”各向異性外延MTJ結(jié)構(gòu)103，其包括固定磁層106、隧穿層108和自由磁層110。通常，固定磁層106由適用于保持固定磁化方向的材料或材料的堆疊體組成，而自由磁層110由較軟磁材料或材料的堆疊體組成(即，磁化能夠易于相對于固定層而旋轉(zhuǎn)到平行和反平行狀態(tài))。隧穿層108由適用于允許多數(shù)自旋的電流穿過該層、而阻止少數(shù)自旋的電流的材料或材料堆疊體組成(即，自旋過濾器)。這增強了 MTJ器件的隧穿磁致電阻。
[0023]在示例性實施例中，MTJ結(jié)構(gòu)103基于CoFeB/MgO體系，其具有全部具有(001)平面外織構(gòu)的MgO隧穿層108和CoFeB層106、110，其中織構(gòu)是指MTJ結(jié)構(gòu)的層內(nèi)的結(jié)晶取向的分布。對于本文中描述的實施例，對于至少100%的TMR比，較高百分比的CoFeB/MgO/CoFeB結(jié)構(gòu)103的晶體具有優(yōu)選的(001)平面外取向(即，織構(gòu)程度高)。在一個有利的CoFeB/MgO實施例中，(001)取向的CoFeB磁層106、108是富鐵合金(即，F(xiàn)e>Co)，例如但不限于Co2tlFe6tlB2tl。在一個這種實施例中，固定磁層和自由磁層都具有Co2tlFe6tlB2tl的沉積時成分，并且在高溫下發(fā)生的固相外延工藝(即，退火)期間發(fā)生B的一些損失，以從沉積時的非晶或各向同性(非織構(gòu)的)材料狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕腷cc (001)織構(gòu)。像這樣，磁層106和110最好被描述為具有?20%硼。具有等量的鈷和鐵的其它實施例也是可能的(例如，Co4ciFe4ciB2ci),具有較少量的鐵(例如，Co7ciFeiciB2ci)也是可能的。在其它實施例中，隧穿層108成分用作除了 MgO之外的適合的織構(gòu)模板，例如氧化鋁(AlOx)。
[0024]隧穿層108可以具有高達2nm的