[發明專利]用于無定形或微晶MgO隧道勢壘的鐵磁性優先晶粒生長促進籽晶層

有效

• 申請號: 200980143796.3
• 申請日: 2009-05-01
• 公開（公告）號: CN102203971A
• 公開（公告）日: 2011-09-28
• 發明（設計）人: 崔永碩;大谷裕一
• 申請（專利權）人: 佳能安內華股份有限公司
• 主分類號: H01L43/12
• 分類號: H01L43/12;G11B5/39;H01L21/8246;H01L27/105;H01L43/08;H01L43/10
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;李茂家

技術領域

本發明涉及特別關于磁性隨機存取存儲器(MRAM)和包括在硬盤驅動器中的記錄讀取頭的磁性傳感器等的磁性隧道結(MTJ)器件領域，其采用隧道磁阻。更具體地，本發明涉及具有通過氧化方法或反應性濺射方法制備的MgO隧道勢壘(Tunnel?Barrier)的MTJ器件，所述隧道勢壘的微結構是無定形或具有不良(001)面外織構(out-of-plane?texture)的微晶。更具體地，本發明涉及將作為PGGP籽晶層的結晶鐵磁性層(crystalline?ferromagnetic?layers)插入的MTJ器件，所述結晶鐵磁性層與MgO隧道勢壘鄰接以提高在后沉積退火期間MgO隧道勢壘的結晶度。

背景技術

在磁性隧道結(MTJ)器件中的核心元件是“鐵磁性層(ferromagnetic?layer)/隧道勢壘/鐵磁性層”三層結構。MTJ器件的電阻變化歸因于根據兩層鐵磁性層的相對磁化取向借助穿過器件的偏壓的自旋極化電子通過隧道勢壘的隧穿概率(tunneling?probability)的差異。

夾置所述隧道勢壘的兩層鐵磁性層的相對磁化取向是通過兩層鐵磁性層不同的逆磁化(magnetization?reveral)性質實現的，因為一鐵磁性層的磁化在運行中不通過外部磁場反轉，而另一鐵磁性層的磁化響應于外部磁場。由此實現在器件運行中夾置所述隧道勢壘的兩層鐵磁性層的磁化平行或反平行排列。

隧道勢壘通常是絕緣材料并且必須是超薄的和厚度以及組成是極其均勻的。關于化學計量或厚度的任何不一致都會顯著降低器件性能。

最典型使用的MTJ器件的結構示意性示于圖1中，其由反鐵磁性釘扎層(antiferromagnetic?pinning?layer)103、合成反鐵磁性(SAF)被釘扎層(synthetic?antiferromagnetic?pinned?layer)110、隧道勢壘107和鐵磁性自由層(ferromagnetic?free?layer)108組成。合成反鐵磁性(SAF)被釘扎層包括鐵磁性被釘扎層104、非磁性間隔層(non-magnetic?spacer)105和鐵磁性參照層(ferromagnetic?reference?layer)106。

自其發現以來，在室溫下的高TMR由于其自旋電子應用如非揮發性磁阻隨機存取存儲器(MRAM)和磁性傳感器如在硬盤驅動器中的記錄讀取頭已經是工業界的熱點之一。對于傳統的場轉換MRAM應用，具有300×600nm²的位元尺寸(bit?size)的1Mbit?MRAM要求MTJ，從而提供在約1k-2k?Ωμm²的電阻-面積(R×A)乘積下的磁阻(MR)比為40％。在250Mbit的更高密度下，位元尺寸按比例(scales)降至200×400nm²并且要求在約0.5kΩμm²的R×A乘積下的MR比高于40％。進一步的按比例縮小(scaling)可以通過應用由于自旋轉移矩引起的逆磁化在MRAM中實現，然而，要求MTJ提供在10-30Ωμm²R×A乘積范圍下的MR比高于150％。對于在硬盤驅動器中的記錄讀取頭，為了以250Gbit/in²的面密度(areal?density)從介質拾取可靠信號，要求MTJ提供在1-2Ωμm²R×A乘積范圍下的MR比高于50％。