[发明专利]可降低磁性装置的薄膜粗糙度的多层结构

说明书

本发明公开了一种可降低磁性装置的薄膜粗糙度的多层结构、一种磁性穿隧接面以及一种形成磁性穿隧接面的方法，其中，可降低磁性装置的薄膜粗糙度的多层结构，包括：(a)一第一层，其由具有一第一键能的材料所制成，并具有一第一表面，该第一表面具有一“刚沉积的”第一峰间粗糙度；以及(b)一上面的第二层，其为非晶或纳米晶，并由具有大于该第一键能的一第二键能的材料所制成，使得该上面的第二层的沉积导致该第一层的再溅镀，以得到具有一第二峰间粗糙度的一第二表面的一第一层，该第二峰间粗糙度小于该“刚沉积的”的第一峰间粗糙度，该上面的第二层形成于该第二表面上，该上面的第二层具有一第三表面，该第三表面具有该第二峰间粗糙度。

技术领域

本申请案相关于下列案件：美国专利公告第8,541,855号专利及美国专利公告第8,871,365号专利；两件专利皆让渡给予共同受让人，并在此以引用的方式结合于本文中。

本发明有关于利用具有垂直磁各向异性(PMA)的薄膜的磁性装置，且特别的是，有关于使用多层堆栈于种子层，来提高在遭受高达约400℃的高温半导体制程的嵌入式MRAM装置中所得磁性穿隧接面(MTJ)的热稳定性。

背景技术

磁性随机存取存储器(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，且其公开在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”一文公开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)，其中通过自旋转移动量效应，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元件优于采用面内各向异性的MTJ元件，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，以及更高封装密度的可扩展性，这是未来MRAM应用的关键挑战之一。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信息“1”或“0”。对于存储器应用程序，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信息与其当前存储器状态不同，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存储器应用程序有关。典型的非挥发性存储器装置可能需要于125℃约保持10年的热稳定性。

此外，对于经常嵌入在互补硅氧化物半导体(CMOS)芯片中的MRAM装置，MTJ必须能够承受高达约400℃的高温处理条件，这通常被应用于CMOS结构中晶体管的低介电的介电薄膜的沉积过程。在大多数情况下，该温度超过MTJ或MRAM中最佳磁性能的最佳温度。MTJ通常在300-330℃的范围内退火，以获得所需的磁特性。

经由400℃处理后的结果，与例如仅将MTJ退火至330℃的条件相比，自由层的PMA一般会降低且热稳定性较低。在高温退火到400℃左右后的自由层的矫顽力也低于在300-330℃的退火后。然而，高温处理后矫顽力的保持是一个重要的要求。