[发明专利]于高温退火后保持高矫顽力的具有垂直磁各向异性的磁性组件

说明书

一种磁性穿隧接面(MTJ)，其中自由层具有与穿隧阻障层所形成的一个界面和与金属氧化物层所形成的第二界面，以促进其垂直磁各向异性(PMA)。一扩散阻障层形成在金属氧化物层与第二界面相对的一侧上，以防止硬罩幕或电极中的非磁性金属迁移到第二界面，并降低自由层的PMA。另一扩散阻障层可以形成在第二电极和参考层之间。扩散阻障层可以是SiN、TiN、TaN、Mo或CoFeX的单层，其中X是Zr、P、B或Ta，或者是如CoFeX/Mo的多层，其中CoFeX接触金属氧化物层，且Mo邻接硬罩幕。因此，在400℃30分钟的退火后，可以保持或增加MTJ中的矫顽力。

技术领域

本申请案涉及下列案件：美国专利公告第8,946,834号专利；美国专利公告第9,006,704号专利；及美国专利公开第2015/0008547号专利，其皆转让给予共同受让人，并在此以引用的方式结合于本文中。

本发明涉及利用具有垂直磁各向异性(PMA)的磁性穿隧接面(MTJ)的磁性装置，且特别的是，有关于插入扩散阻障层在覆盖层和顶部电极之间，以在退火之后或者在约400℃的高温半导体步骤期间仍保持MTJ堆栈的矫顽力(Hc)。

背景技术

磁性随机存取内存(MRAM)具有基于MTJ堆栈中的穿隧磁阻(TMR)效应的读取功能，其中穿隧阻障层是形成在自由层与参考层之间。当参考层具有固定的磁矩时，自由层通过响应于外场(介质场)切换其磁矩方向来作为一感测层。通过穿隧阻障层(绝缘层)的电阻会随着自由层磁矩相对于参考层磁矩的相对取向而变化，并由此提供代表自由层中的磁性状态的电信号。在MRAM中，MTJ形成在顶部导体(电极)和底部导体之间。电流通过MTJ时，当自由层和参考层的磁化方向处于平行状态(“0”记忆状态)时会检测到较低的电阻，并且当它们处于反平行状态(“1”记忆状态)时会发现到较高的电阻。TMR比率被称为dR/R，其中R是MTJ的最小电阻，而dR是较低电阻值和较高电阻值之间的差。穿隧阻障层的厚度通常约为10埃，使得通过穿隧阻障层的电流可以利用传导电子的量子力学穿隧来建立。

基于TMR效应的MRAM的另一种版本是指有关于自旋极化电流的自旋电子装置，即所谓的自旋转移力矩(STT)MRAM，且其揭露在C.Slonczewski于“磁性多层的电流驱动激励”一文，参见磁学与磁性杂志，第159卷，L1-L7(1996年)。J-G.Zhu等人已经于“微波辅助磁记录”一文揭露了所谓自旋转移振荡器(STO)的另一种自旋电子装置，参见IEEE磁性学刊，第44卷，第1期，第125-131页(2008年)，其中藉由自旋转移动量效应，使得能够在垂直记录几何中明显低于介质矫顽力的磁头场进行记录。

自由层和参考层其中一者或两者具有垂直磁各向异性(PMA)的MTJ组件优于采用面内各向异性的MTJ组件，因为前者在较低的写入电流中具有优势，可提供相同的热稳定性以及更好的可扩展性。在具有PMA的MTJ中，自由层具有两个垂直于层的物理平面的较佳磁化方向。在没有外部影响的情况下，自由层的磁化或磁矩将与优选的两个方向中的一个对齐，表示二进制系统中的讯息“1”或“0”。对于内存应用程序，自由层的磁化方向在读取操作和空闲期间预期是保持不变，但是如果要储存的新讯息与其当前内存状态不同，则在写入操作期间会变成相反的方向。在空闲期间维持自由层磁化方向的能力称为数据保持或热稳定性。所需的稳定级别通常与内存应用程序有关。典型的非挥发性内存装置可能需要125℃的热稳定性约10年。

通常将CoFeB或类似者用作自由层(FL)，并且选择MgO作为穿隧阻障层，以沿着FL/MgO界面生成PMA。然而，横向尺寸大于十倍厚度的自由层的物理形状倾向于引起面内各向异性。如果面内各向异性大于PMA分量，则FL磁化方向将在面内。随着FL厚度(体积)的增加，自由层的更大部分会远离FL/穿隧阻障层界面。较厚的自由层，即意味着较高的面内磁矩以及PMA和矫顽力的降低。通常上，自由层厚度必须保持在20至25埃以下，以实现PMA分量大于磁性层中的面内各向异性的条件。