[發(fā)明專利]自旋力矩轉(zhuǎn)移（STT）-磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）之氮化物蓋層

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201980007466.5
• 申請(qǐng)日: 2019-01-25
• 公開（公告）號(hào): CN111615756A
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 裘地·瑪麗·艾維塔;真杰諾;童儒穎;維格納許·桑達(dá);朱健;劉煥龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司
• 主分類號(hào): H01L43/08
• 分類號(hào): H01L43/08;H01L43/10;H01L43/12;G11C11/16
• 代理公司: 隆天知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 72003
• 代理人: 張福根;付文川

公開一種磁性穿隧結(jié)(MTJ)，其中自由層(FL)與第一金屬氧化物(垂直非等向性增強(qiáng)層)及第二金屬氧化物(穿隧阻障)的第一及第二界面各別產(chǎn)生垂直磁非等向性(PMA)以增加熱穩(wěn)定性。在一些實(shí)施例中，蓋層為導(dǎo)電金屬氮化物(例如，MoN)相對(duì)于第一界面接觸垂直非等向性增強(qiáng)層的相反表面，相較于TiN蓋層，減少氧及氮的相互擴(kuò)散并保持可接受的電阻面積(RA)乘積。在其他實(shí)施例中，蓋層可以包括絕緣氮化物，例如AlN，其與導(dǎo)電金屬合金以最小化RA。此外，可以在蓋層與垂直非等向性增強(qiáng)層之間插入金屬緩沖層。因此，減少電性短路并且增加磁阻比。

相關(guān)專利申請(qǐng)

本申請(qǐng)與以下相關(guān)：案卷號(hào):HT16-025，申請(qǐng)?zhí)枺?5/461779,申請(qǐng)日為2017年3月17日；以及案卷號(hào)：HT17-034，申請(qǐng)?zhí)枺?5/728818,申請(qǐng)日為2017年10月10日；其與本案具有相同受讓人，且其整體內(nèi)容通過引用方式并入本公開。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開有關(guān)于一種磁性元件，包括一自由層，其與穿隧阻障層及垂直非等向性增強(qiáng)層交界，并與氮化物蓋層交界以避免氧氣擴(kuò)散從垂直非等向性增強(qiáng)層擴(kuò)散出來，并使金屬及氮通過垂直非等向性增強(qiáng)層到達(dá)自由層的擴(kuò)散最小化，從而在蓋層導(dǎo)電時(shí)，維持可接受的磁阻比(magnetoresistive ratio,DRR)，并降低電阻面積(resistance×area,RA)乘積。

背景技術(shù)

MRAM是基于硅互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)與磁性穿隧結(jié)(MTJ)技術(shù)的整合，是一項(xiàng)新興的主要技術(shù)，相較于現(xiàn)有的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器(例如SRAM、DRAM及快閃存儲(chǔ)器)極具競(jìng)爭(zhēng)力。此外，J.C.Slonczewski在“多層磁性材料的電流驅(qū)動(dòng)激發(fā)”(J.Magn.Magn.Mater.V159,L1-L7(1996))中描述的自旋轉(zhuǎn)移力矩(spin-transfer torque,STT)磁化切換，促進(jìn)了自旋電子裝置的發(fā)展，例如千兆級(jí)的STT-MRAM。

場(chǎng)式MRAM及STT-MRAM都具有基于穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance,TMR)效應(yīng)的MTJ元件。其中，堆疊層中具有兩個(gè)鐵磁(ferromagnetic,FM)層由非磁性介電薄層分隔的配置。FM層為釘扎層，其磁矩在第一方向上固定，而另一FM層稱為自由層(FL)，其磁矩可沿與第一方向平行(P狀態(tài))或反平行(AP狀態(tài))的方向自由旋轉(zhuǎn)，分別對(duì)應(yīng)于“0”或“1”磁性狀態(tài)。與傳統(tǒng)的MRAM相比，STT-MRAM具有避免半選擇問題及在鄰接單元之間寫入干擾的優(yōu)點(diǎn)。自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)源自鐵磁-間隔物-鐵磁多層的自旋相關(guān)的電子傳輸性質(zhì)。當(dāng)自旋極化電流在垂直于平面(CPP)的電流中穿過磁性多層時(shí)，入射在FM層上的電子的自旋角動(dòng)量與FM層與非磁性間隔物之間的界面附近的FM層的磁矩相互作用。通過這種相互作用，電子將一部分角動(dòng)量傳遞給FL。因此，如果電流密度足夠高并且多層膜的尺寸小，則自旋極化電流可以切換FL的磁化方向。

P-MTJs是在釘扎層及FL中具有垂直磁非等向性(PMA)的MTJ單元，且是建構(gòu)STT-MRAM及其他自旋電子裝置的基礎(chǔ)。一般來說，在釘扎層及FL之間存在一個(gè)稱為穿隧阻障層的非磁性穿隧氧化物層。當(dāng)FL具有PMA時(shí)，將FL及p-MTJ從P狀態(tài)切換到AP狀態(tài)(或反之亦然)所需的臨界電流(ic)與垂直磁非等向性場(chǎng)成正比，如方程式(1)所示：

其中e是電子電荷，a是Gilbert阻尼常數(shù)，M_s是FL飽和磁化強(qiáng)度，h是還原的普朗克常數(shù)，g是旋磁比，是要切換的磁性區(qū)域的平面外非等向性場(chǎng)，V是自由層的體積。

Δ＝kV/k_BT值是FL的熱穩(wěn)定性，其中kV也稱為E_b或P和AP磁態(tài)之間的能量阻障，k_B是Boltzmann常數(shù)，T是溫度。熱穩(wěn)定性是垂直非等向性場(chǎng)的函數(shù)，如方程式(2)所示：

FL的垂直非等向性場(chǎng)(H_k)在方程式(3)中表示為：