一种磁性隧道结覆盖层及其制作工艺

摘要

本发明公开了一种磁性隧道结覆盖层及其制作工艺，磁性隧道结的覆盖层结构由下而上依序为覆盖层(I)，覆盖层(II)，覆盖层(III)和覆盖层(IV)叠加的结构所组成；覆盖层(I)为自由层提供一个额外的垂直各向异性来源，从而增加其热稳定性；覆盖层(II)降低所述磁性隧道结的阻尼系数，从而降低其临界电流，同时，其制作工艺有利增强自由层的热稳定性；覆盖层(III)在于实现覆盖层(II)和覆盖层(IV)之间的过渡；覆盖层(IV)作为后续的刻蚀阻挡层。如此磁性隧道结可以提供较高的热稳定性，同时也可以使临界电流有效的降低，非常有利制作超小型的磁性随机存储器。

说明书

技术领域

本发明涉及具有垂直各向异性的磁性随机存储器领域，特别涉及一种具有磁性隧道结覆盖层及其制作工艺的领域。

背景技术

近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性随机存储器(Magnetic Radom Access Memory，MRAM)被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性自由层(Free Layer，FL)，磁性自由层可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘隧道势垒层(Tunnel Barrier Layer，TBL)；磁性参考层(Reference Layer，RL)位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。

为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。在具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)的磁性隧道结(MTJ)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或“1”和“0”。在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向保持不变；在写的过程中，如果有与现有不同状态的信号输入的时候，那么自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生一百八十度的翻转。业界把这种空置状态之下，磁性存储器的自由层保持磁化方向不变得能力叫做数据保存能力或热稳定性因子，在不同的应用场景中要求不一样。对于一个典型的非易失存储器(Non-volatile Memory，NVM)的热稳定性要求是在125℃的条件可以保存数据10年。

更进一步地，数据保存能力(Data Retention)可以用下面的公式进行计算：

其中，τ为在热扰动条件下磁化矢量不变的时间，τ

热稳定性因子(Thermal Stability Factor)则可以表示为如下的公式：

其中，K

此外，随着磁性自由层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小，写操作的临界电流I

其中，α为阻尼系数(damping constant)，

因此，在磁性随机存储器越来越小型化的发展趋势上，怎样在保证一个较高的热稳定性因子，同时使临界电流变小，变的异常困难。另外，作为磁性存储器(MRAM)的核心存储单元的MTJ，还必须和CMOS工艺相兼容，必须能够承受在400℃条件下的长时间退火。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种磁性隧道结覆盖层及其制作工艺，磁性隧道结的覆盖层结构由下而上依序为覆盖层(I)、覆盖层(II)、覆盖层(III)和覆盖层(IV)叠加的结构所组成；藉此磁性隧道结可以提供较高的热稳定性，同时也可以使临界电流有效的降低，非常有利制作超小型的磁性随机存储器。

本申请的目的及解决其技术问题，是采用以下技术方案来实现的。本发明提供了一种磁性隧道结覆盖层及其制作工艺，磁性隧道结包括由下而上层叠设置的缓冲层、合成反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层，其特征在于，所述覆盖层的结构由下而上依序为覆盖层(I)，覆盖层(II)，覆盖层(III)和覆盖层(IV)叠加的结构所组成；所述覆盖层(I)为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性来源，从而增加其热稳定性；所述覆盖层(II)主要降低所述磁性隧道结膜层的阻尼系数，从而降低其临界电流，同时，其制作工艺有利增强自由层的热稳定性；所述覆盖层(III)主要作用在于实现覆盖层(II)和覆盖层(IV)之间的过渡；所述覆盖层(IV)作为后续的刻蚀阻挡层。

在本申请的实施例中，所述覆盖层(I)组成材料是由MgO、ZrO

在本申请的实施例中，所述覆盖层(II)材料由低原子序数材料所构成，所述覆盖层(II)是由Si、Mg、Mo、C、Cu、Co、Fe、Ni、Cr、Ti、V、Nb、Zr、Zn、CoB、FeB、CoFeB其中之一或它们任意组合的多层结构所制成，所述覆盖层(II)厚度为0.2nm～4.0nm。

在本申请的实施例中，所述覆盖层(III)组成材料是由Ir、Ru、W、Pt、Pd、Ta、Hf其中之一或它们任意组合的多层结构，所述覆盖层(III)厚度为0.1nm～4.0nm。

在本申请的实施例中，所述覆盖层(IV)组成材料是由Ir、Ru其中之一或它们任意组合的多层结构，所述覆盖层(IV)厚度为1.0nm～10nm。

在本申请的实施例中，磁性隧道结是采用物理气相沉积的沉积工艺由下而上层叠设置的缓冲层、合成反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层，其特征在于，所述覆盖层由下而上依序采用物理气相沉积为覆盖层(I)、覆盖层(II)、覆盖层(III)和覆盖层(IV)叠加的结构所组成，其中物理气相沉积的气压为0.2mTorr～50mTorr，且沉积所述覆盖层(II)时，选择Ar

本发明提供的磁性隧道结覆盖层及其制作工艺具有以下有益效果：本发明中透过覆盖层结构与制作工艺的改变，不会影响隧穿磁阻率(TMR)，可以提供较高的热稳定性，而且降低磁性隧道结的阻尼系数，增加热稳定性因子，同时也可以使临界电流有效的降低。应用本发明的磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器也和CMOS工艺相兼容，能够经受得住400℃下的长时间退火，非常有利制作超小型的磁性随机存储器的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的磁性随机存储器存储单元结构示意图；

图2为本发明实施例的覆盖层结构示意图；

图3为本发明实施例中制作覆盖层的工艺示意图一；

图4为本发明实施例中制作覆盖层的工艺示意图二。

其中，附图标记包括：

100︰底电极，200︰磁性隧道结，210︰缓冲层，220︰合成反铁磁层，230︰晶格隔断层，240︰参考层，250︰势垒层，260︰自由层，270︰覆盖层，271︰覆盖层(I)，272︰覆盖层(II)，272a︰覆盖层(II)沉积原子(团)，272b︰再次溅射的覆盖层(II)沉积原子(团)，273︰覆盖层(III)，273a︰覆盖层(III)沉积原子(团)，274︰覆盖层(IV)，300︰顶电极。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的实施例中，提供了一种磁性隧道结覆盖层及其制作工艺，在磁性随机存储器(MRAM)磁性隧道结多层膜的物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的过程中，在不隔断真空的条件下，如图1所示，一个完整的磁性随机存储单元一般包括了底电极(Bottom Electrode,BE)100，磁性隧道结(MTJ)200和顶电极(Top Electrode,TE)300。所有沉积工艺在物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)工艺腔体中完成。

其中，所述底电极(BE)100组成材料为Ti、TiN、Ta、TaN、Ru、W、WN或者它们的组合材料制成，一般采用物理气相沉积(PVD)的方式实现，通常在沉积之后，都会对其平坦化处理，以达到制作磁性隧道结200的表面平整度；所述顶电极(TE)300组成材料为Ti、TiN、Ta、TaN、W、WN或者它们的组合等制成。

更具体地，所述磁性隧道结(MTJ)200内部按照缓冲层(Buffer,BL)210(或种子层(Seed Layer，SL)，合成反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet，SyAF)220,晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)230,参考层(RL)240，势垒层(TBL)250，自由层(FL)260和覆盖层(Capping Layer,CL)270的多层结构依次向上叠加。

其中，所述缓冲层210由Ta、Ti、TiN、TaN、W、WN、Ru、Pt、Ni、Cr、NiCr、CrCo、CoFeB,CoFeC或其组合材料制成；更进一步地，所述缓冲210由Ta/Ru、Ta/Pt、CoFeB/Ta/Pt、CoFeB/Ta/Pt/Ru、CoFeB/Ta/Pt/Ru/Pt、Ta/Pt/Ru、Ta/Pt/Ru的多层结构制成，以优化后续的合成反铁磁层220的晶体结构。

其中，所述合成反铁磁层220一般由[Co/Pt]

所述参考层240在合成反铁磁层220的铁磁耦合下，具有磁极化不变性，所述参考层240其组成材料一般为Co、Fe、Ni、CoFe、CoFeB或它们的组合等制成，所述参考层240厚度为0.7nm～1.5nm。實施上由于合成反铁磁层220具有面心立方(FCC)晶体结构，而参考层240的晶体结构为体心立方(BCC)，兩層的晶格并不匹配，为了实现从合成反铁磁层220到参考层240的过渡和铁磁耦合，一般会在两层材料之间添加一层晶格隔断层230，所述晶格隔断层230其组成材料一般为Ta、W、Mo、Hf、Fe、Co(Ta，W，Mo或Hf)、Fe(Ta，W，Mo或Hf)、FeCo(Ta，W，Mo或Hf)或FeCoB(Ta，W，Mo或Hf)等，其厚度为0.1nm～0.5nm。

所述势垒层250由非磁性金属氧化物制成，其总厚度为0.6nm～1.5nm，所述非磁性金属氧化物包括MgO、MgZnO、Mg

所述自由层260具有可变磁极化，其总厚度为1.2nm～3nm，自由层260一般由CoFeB、CoFe/CoFeB、Fe/CoFeB，CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB，Fe/CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB或CoFe/CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB等组成。自由层260更进一步地可以选择CoFeB/(W，Mo，V,Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB，Fe/CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB或CoFe/CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB结构。以图示中的自由层260结构为例进行说明，在本领域中一般自由层260由CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB结构表示自由层260為三层结构所形成。

如图2所示，所述覆盖层270内部為由下而上依序按照覆盖层(I)271、覆盖层(II)272、覆盖层(III)273和覆盖层(IV)274依次向上叠加的结构。

其中，所述覆盖层(I)271的厚度为0.6nm～1.5nm。所述覆盖层(I)组成材料是由MgO、ZrO

其中，所述覆盖层(II)材料由低原子序数材料(低Z材料)所构成，所述覆盖层(II)是由Si、Mg、Mo、C、Cu、Co、Fe、Ni、Cr、Ti、V、Nb、Zr、Zn、CoB、FeB、CoFeB其中之一或它们任意组合的多层结构所制成，所述覆盖层(II)厚度为0.5nm～4.0nm。

所述覆盖层(II)选择低原子序数材料(低Z材料)的主要目的在于，降低了在物理气相沉积(PVD)工艺中沉积原子对覆盖层(I)271材料的损伤，从而有利于热稳定的增强，降低磁性隧道结(MTJ)的阻尼系数α，从而降低其临界电流。

制作工艺方面，如图3所示，在物理气相沉积(PVD)的过程中沉积覆盖层(II)272的时候，一般选择Ar

所述覆盖层(III)组成材料是由Ir、Ru、W、Pt、Pd、Ta、Hf其中之一或它们任意组合的多层结构，所述覆盖层(III)厚度为0.1nm～4.0nm。

制作工艺方面，如图4所示，在物理气相沉积(PVD)的过程中沉积覆盖层(III)273的时候，一般选择Ne

所述覆盖层(IV)组成材料是由Ir、Ru其中之一或它们任意组合的多层结构，所述覆盖层(IV)厚度为1.0nm～10nm。所述覆盖层(IV)274的主要作为充当后续顶电极300刻蚀的刻蚀阻挡层。

选择不小于350℃对沉积之后的磁性隧道结(MTJ)结构单元退火，以使得参考层(RL)240和自由层(FL)260在NaCl型结构FCC(001)势垒层(TBL)250的模板作用下从非晶结构转变成BCC(001)的晶体结构。

本发明提供的磁性隧道结覆盖层及其制作工艺具有以下有益效果：本发明中透过覆盖层结构与制作工艺的改变，不会影响隧穿磁阻率(TMR)，可以提供较高的热稳定性，而且降低磁性隧道结的阻尼系数，增加热稳定性因子，同时也可以使临界电流有效的降低。应用本发明的磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器也和CMOS工艺相兼容，能够经受得住400℃下的长时间退火，非常有利制作超小型的磁性随机存储器的应用。

本申请的一实施例中”及“在各种实施例中”等用语被重复地使用。此用语通常不是指相同的实施例；但它也可以是指相同的实施例。“包含”、“具有”及“包括”等用词是同义词，除非其前后文意显示出其它意思。

以上所述，仅是本申请的具体实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以具体实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。