[发明专利]垂直磁化的磁穿隧接面单元的制作方法

说明书

本公开提供一种垂直磁化的磁穿隧接面单元的制作方法，其中沉积上方层之前，对含硼自由层进行含钝气的等离子体处理，并进行自然氧化工艺以形成氧化硼。沉积金属层如镁于自由层上，以作为形成高介电常数增进层(其可增加自由层的垂直磁向异性)的第一步骤，或作为形成穿隧阻挡层于自由层上的第一步骤。进行一或多道退火步骤，以辅助由自由层分离氧化硼，进而增加自由层的磁矩。在沉积金属层之前，亦可采用氧化后等离子体处理以部分地移除与自由层上表面相邻的氧化硼。两种等离子体处理均采用低功率(小于50瓦)，最多移除厚的自由层。

技术领域

本发明实施例涉及含有自由层的垂直磁化的穿隧接面，其中自由层与穿隧阻挡层具有第一界面并与金属或金属氧化物的高介电常数增进层具有第二界面，其增加自由层中的垂直磁向异性与热稳定性，尤其涉及自含硼自由层分离与去除硼的方法，进而增加垂直磁向异性，且在一些例子中可增加磁阻率。

背景技术

垂直磁化的磁穿隧接面为埋置磁性随机存取存储器与独立的磁性随机存取存储器应用中的主要新兴技术。垂直磁化的磁穿隧接面的磁性随机存取存储器采用自旋扭矩写入存储器位元的技术，已公开于J.丝隆采乌斯基(J.Slonczewski)发表的磁性多层材料的电流驱动激励(Current driven excitation of magnetic multilayers,J.Magn.Magn.Mater.V 159,L1-L7(1996))，其为下个世代取代埋置快闪存储器与埋置快闪存储器(静态随机存取存储器)的非易失性存储器的有力后补。磁性随机存取存储器与自旋扭矩转换的磁性随机存取存储器，具有依据穿隧磁阻的垂直磁化的磁穿隧接面单元，其中层状物堆叠的设置中，两个铁磁层隔有薄绝缘穿隧阻挡层(如氧化镁)。铁磁层之一可称作钉扎层，其磁矩固定于面外方向如+z方向，且每一层的平面沿着x方向与y方向配置。第二铁磁层具有面外的磁化方向，其可自由旋转至+z轴方向(平行态)或-z轴方向(反平行态)。平行态与反平行态之间的电阻差异，表示为(Rap-Rp)/Rp，即所谓的磁阻比例。对垂直磁化的磁穿隧接面单元而言，大磁阻比例很重要(较佳高于100％)。磁阻比例与存储器位元所用的读取范围直接相关，或者决定平行态与反平行态(0或1位元)的区分难度。

垂直磁化的磁穿隧接面的关键需求为对400℃的热稳定性，其为制作埋置存储器装置的互补式金属氧化物半导体产品时的后段工艺的一般温度。一般趋势为导入与穿隧阻挡层/自由层的界面类似的第二金属氧化物/自由层界面，以增进自由层中的垂直磁向异性与高介电常数并改善热稳定性。热稳定性(Δ)为垂直向异性场的函数，如式(1)所示：

其中Ms为磁化饱和度，为垂直面的面外向异性场，V为自由层的体积，kB为波兹曼常数，而T为温度。

自由层的垂直向异性场如式(2)所示：

其中d为自由层厚度，H_k,χ,⊥为垂直方向中的结晶向异性场，且为自由层的上表面与下表面的表面垂直向异性。因此导入第二自由层与金属氧化物的界面可增加垂直磁向异性，其增进表面(界面)的垂直磁向异性成份。在小装置尺寸中维持数据时，较高的垂直磁向异性特别重要。

一般而言，富铁合金作为自由层，而氧化镁作为穿隧阻挡层与高介电常数增进层，以达层状物之间的晶格匹配。采用氧化镁层作为自旋滤除单元，可提供最佳的磁阻比例与优异的读取信号以用于装置。此外，硼通常包含于富铁合金如硼化钴铁中，可让沉积的非晶自由层在后续退火中结晶，以促进与氧化镁穿隧阻挡层的晶格匹配，并促进与高介电常数增进层的晶格匹配。不幸的是，自由层中存在的硼或降低磁矩(如磁化饱合度)并降低垂直磁向异性。虽然退火时可自硼化铁或硼化钴铁磁性元素分离一些硼，仍无法实施所需的磁化饱合度(如沉积的铁或钴铁层的磁化饱合度)。此外，含硼自由层的较低磁化饱和度在平行态切换至反平行态时有利于不一致的反转机制，反之亦然。这将降低切换所用的能量阻挡，导致热稳定性较低。