[发明专利]存储装置中的磁穿隧结和形成磁穿隧结的方法

说明书

公开一种磁穿隧结(MTJ)，其中自由层(FL)与金属氧化物(Mox)层和隧道位障层相接以产生界面垂直磁异向性(PMA)。金属氧化物层具有非化学计量的氧化态以使寄生电阻降至最低，并包含掺质以填充空的晶格位置，藉此阻挡氧扩散通过金属氧化物层，以在工艺温度高达400℃的情况下保持界面垂直磁异向性和高热稳定性。形成掺杂的金属氧化物层的各种方法包含在气体形式的掺质和Osubgt;2/subgt;的反应环境中沉积金属层，将金属氧化物层暴露于气体形式的掺质，以及离子注入掺质。在另一实施例中，当掺质为N时，在金属氧化物层上形成金属氮化物层，然后退火步骤驱使氮进入金属氧化物晶格中的空位。

本申请案与以下内容有关：案号HT17-014，申请号15/841,479，申请日2017年12月14日；此专利已转让给共同受让人，并在此全文引入作为参考。

技术领域

本发明实施例是关于磁穿隧结(magnetic tunnel junctions，MTJ)，其包含与隧道位障层和作为金属氧化物的磁异向性(Hk)增强层相接的自由层，特别关于降低Hk增强层的电阻并使来自金属氧化物/自由层界面的氧气的扩散降至最低，以在自由层中提供高垂直磁异向性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)，使在高达400℃的工艺温度下能实现存储装置中的热稳定性。

背景技术

C.Slonczewski在J.Magn.Magn.Mater.V 159,L1-L7(1996)的「磁性多层结构的电流驱动激发(Current driven excitation of magnetic multilayers)」中描述了用于写入存储位元的自旋转移扭矩磁阻式随机存取存储器(SPIN TORQUE TRANSFER MAGNETICRANDOM ACCESS MEMORY，STT-MRAM)技术，与现有的半导体储存技术(例如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)和快闪存储器(flash))极具竞争力。STT-MRAM具有基于隧道磁阻(tunneling magnetoresistance，TMR)效应的磁穿隧结单元，其中磁穿隧结堆叠层具有由薄的绝缘隧道位障层隔开两个铁磁层的配置。铁磁层之一被称为固定层(pinned layer)，具有在垂直于平面的方向上固定的磁矩。第二铁磁层(自由层)具有在平行于固定层的方向(P态)和反平行方向(AP态)之间自由旋转的磁化方向。P态(Rp)和AP态(Rap)之间的电阻差由式(Rap-Rp)/Rp表示，也称为DRR。对于磁穿隧结装置而言，重要的是具有大的DRR值，以高于1为佳，因为DRR与存储位元的读取边限(read margin)正相关，或与区分P态和AP态(0或1位元)的容易程度正相关。

现有技术水准的STT-MRAM结构以自由层具有高垂直磁异向性为佳，以允许在小装置尺寸下达到资料保存(data retention)。对于功能性MRAM和STT-MRAM产品，自由层(信息储存层)必须具有足够高的能障(energy barrier，E_b)，以抵抗由于热和磁环境波动而引起的切换。数值Δ＝kV/k_BT是磁性元件的热稳定性的度量，其中kV也称为两个磁性状态(P和AP)之间的E_b，k_B是波兹曼(Boltzmann)常数，T是温度。这种对随机切换的能障与自由层的垂直磁异向性(PMA)的强度有关。一种获得强垂直磁异向性的实用方法是经由富铁自由层和MgO隧道位障层之间界面处的界面垂直磁异向性。这种结合可以实现良好的晶格匹配，并且可以使用MgO作为自旋过滤(spin filtering)元件，藉此为装置提供读取信号。由于装置上的写入电流密度和电压很重要，因此自旋过滤元件必须具有高的结构品质，以在存储装置的使用期限内维持数十亿个写入周期。