[發明專利]減少阻障層電阻面積(RA)的產品與磁性裝置應用的垂直磁性各向異性(PMA)的保護

有效

• 申請號: 201580032651.1
• 申請日: 2015-01-29
• 公開（公告）號: CN106605311B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 劉煥龍;朱健;皮克宇;童儒穎
• 申請（專利權）人: 海德威科技公司
• 主分類號: H01L43/12
• 分類號: H01L43/12;H01L43/08;H01F41/30;G11C11/16;G01R33/09
• 代理公司: 北京科龍寰宇知識產權代理有限責任公司 11139
• 代理人: 孫皓晨

相關專利申請

本申請相關于下列案件：美國專利公告第8557407號專利、美國專利公告第8592927號專利、美國專利公告第8609262號專利、美國專利申請案公開第2012/0205758號、美國專利申請案公開第2013/0175644號，其皆讓渡給予相同的受讓人，并于此作為整體性來合并參考。

技術領域

本發明有關于一種高效能磁性隧穿接合(MTJ)單元，其包含有氧化物穿隧阻障層以及/或譬如為氧化鎂的氧化物遮蔽層，特別指一種形成氧化物層的方法，來提供良好可寫性與可靠性的低電阻面積(RA)產品，且保護(維持)于接合磁性層的接口垂直異向性。

背景技術

基于結合硅互補式金氧半場效晶體管與磁性隧穿接合技術的磁阻性隨機存取記憶是目前主要新興的技術，相對于現存的半導體內存，譬如為靜態隨機存取內存、動態隨機存取內存、以及閃存相當有競爭力；相似地，C.Slonczewski于磁性多層的電流驅動激勵一文(參見1996年磁學與磁性雜志第159卷L1-L7)中所描述于自旋轉移力矩隨機存取內存中自旋轉量轉移(自扭力)的磁化切換，由于其在千兆位元規格的鐵電性裝置(spintronic devices)的應用，而于近年來激勵起相當大的興趣。

磁阻式隨機存取記憶與自旋力矩磁阻式隨機存取內存都具有基于穿隧式磁阻(TMR)效應的磁隧結組件，其中多堆棧層配置使得兩個作為參考層與自由層的磁性層的磁性層層可以通過薄非磁介電層(可稱為穿隧阻障層)來加以隔離，磁隧結組件一般形成于下電極(譬如為第一傳導線)以及上電極(譬如為第二傳導線)之間，且位于上電極覆蓋下電極的位置上。

于自旋力矩磁阻式隨機存取內存的各種設計中，一個或是兩個參考層與自由層都具有垂直磁性各向異性(PMA)，穿隧阻障層通過產生自旋極化電流來貢獻寫入的功能，低電阻面積產品需要穿隧阻障層具有良好的可寫性以及可靠度。理論上，寫入磁阻式隨機存取內存需要的電流密度，僅取決于自由層的特性，因此，穿隧阻障層的電阻面積的降低，意味著需要較少的電壓來寫入。此外，寫入電壓正比于寫入操作過程中施加于穿隧阻障層的應力，過多的應力將導致耐久度的問題，舉例來說，其將影響沒有損壞穿隧阻障層的重復寫入相同裝置的寫入可靠度。一般可理解盡管穿隧阻障層對抗電壓的強度會隨著電阻面積的降低而減少，寫入電壓的降低而加快，是故可通過降低穿隧阻障層的電阻面積值來提高其寫入可靠度。自由層與穿隧阻障層之間良好的氧化接口會增強自由層的垂直磁性各向異性，于自由層上的氧化的覆蓋層也可更進一步增強沿著自由層的第二接口的垂直磁性各向異性。

當自旋極化電流橫跨以電流垂直平面(CPP)配置的磁性復合層時，入射于磁性層的電子的自旋角動量會與磁性層靠近磁性層與非磁性間隔物的接口的磁性動量進行交互作用，透過此作用，電子會轉移部份自身的角動量至磁性層，當電流密度夠大且復合層尺寸較小時，自旋極化電流會切換自由層的極化方向；自旋矩磁阻式隨機存取內存與傳統磁阻式隨機存取內存的差異僅在于寫入操作的機制，讀取機制乃是相同的。

制作穿隧阻障層的一個重要的考慮為采用的氧化程序，需要將金屬層轉化為不具有裂痕的氧化物，使金屬離子容易遷移，穿隧阻障層一般通過沉積與氧化薄鎂金屬層來形成，且需要具有低電阻面積來具良好的可靠度。于一個或是兩個自由層與參考層的垂直磁性各向異性必須維持，還優化自旋力矩磁阻式隨機存取內存的效能。原本的垂直磁性各向異性是來自磁性層與穿隧阻障層的接口，于接口上電子軌道具有較互補磁性層主體較少的對稱，軌道能大部份維持于接口的平面上對于能量是有利的，而使得垂直磁性各向異性得以保留于磁性層。當成型穿隧阻障層的氧化條件太強時，磁性層與穿隧阻障層的界面會有部份氧化，而引發失去垂直磁性各向異性；因此，氧化程序必須巧妙設計并謹慎控制來保留垂直磁性各向異性于相鄰的磁性層。

針對自旋力矩磁阻式隨機存取內存應用，如同奈米磁鐵的非常小的磁性隧穿接合組件必須具備有高穿隧磁阻比、或概略100％的電阻變化率dR/R、或低于20ohm-μm2的電阻面積(RA)，其中dR為磁性隧穿接合的最大電阻變化，而R為磁性隧穿接合的最小阻抗。于許多例子中，氧化鎂因能較其他氧化物提供較多的磁阻值，而為較佳的穿隧阻障層材料。針對90奈米或是以下的技術的自旋力矩磁阻式隨機存取內存的電阻面積與穿隧磁阻比的優化，增進穿隧阻障層的質量為保留垂直磁性向異性的必要手段。

發明內容