[发明专利]磁性隧道结装置及制造

说明书

技术领域

本发明大体上涉及磁性隧道结(MTJ)装置及制造，且特定言的，涉及并入有封盖层的MTJ结构。

背景技术

可使用MTJ元件产生磁性随机存取存储器(MRAM)。通常，MTJ元件包括钉扎层、磁性隧道势垒，及自由层，其中位值由在所述自由层中的磁矩表示。MTJ元件存储的位值是通过自由层的磁矩相对于钉扎层所载运的固定磁矩的方向的方向而确定。所述钉扎层的磁化为固定的，而自由层的磁化可切换。

当电流流经MTJ元件时，自由层的磁化方向可在电流超过阈值(即，临界切换电流(I_c))时改变。根据J·斯隆泽维斯基(J.Sloneczewski)的自旋力矩转移模型，I_c与自由层的有效阻尼常数(α)、饱和磁化(M_s)及厚度(t_free)成比例，即I_c～αM_s t_free。降低临界切换电流使得STT-MRAM技术的低功率消耗及较小芯片面积成为可能，其可通过减小α、M_s及t_free而实现。具体来说，减少α可不使MTJ的热稳定性(E_B)降级，然而，因为E_B～M_st_free，所以E_B可能随着M_s及t_free的减少而退化。大体来说，薄铁磁性金属膜(例如自由层)的有效阻尼常数很大程度上可受膜及周围层的组合物的厚度的影响。具体来说，邻近于自由层的非磁性金属可经由自旋泵效应(spin pumping effect)显著增加有效阻尼常数。常规MTJ膜结构可包括在自由层的顶部上的封盖层，其用以保护MTJ膜不受MTJ膜沉积之后的随后制造工艺步骤的破坏。已利用可与硅CMOS工艺兼容的非磁性金属(例如，Ta或TaN)作为封盖层。

自由层的有效阻尼常数通常大于对应于所述自由层的块材料的固有阻尼常数，这是因为其包括表示来自所述自由层的磁化的角动量的损失的阻尼分量，所述损失归因于与能离开自由层的自由电子的交换耦合。此“自旋泵”效应导致需要更多电流来改变所述自由层的磁矩的方向。抑制自旋泵效应可减小MTJ装置的临界切换电流密度。

为了抑制来自封盖层的自旋泵效应且减小α，已研究出多种用于封盖层的材料及方案。作为一实例，已提出“双MgO”MTJ结构。所述双MgO MTJ结构通过在自由层顶部并入有经RF溅镀的MgO而展现低临界切换电流(～0.52MA/cm²)，其是减小的自旋泵效应的结果。然而，额外MgO层使电阻-面积乘积(RA)增加且使磁阻(MR)降级，其对于确保用于STT-MRAM位单元(bitcell)的操作裕量大体来说不理想。因此，在不牺牲RA及MR的情况下用于抑制自旋泵效应的更实用的方法将有利于帮助确保STT-MRAM装置具有足够的写入及读取性能。

发明内容

邻近于MTJ装置的自由层的封盖层可由金属层及金属氧化物层形成。包括金属氧化物的封盖层可减小切换电流密度，同时金属层可在磁性退火步骤期间防止氧从氧化物层扩散，且借此防止MR减小。此外，高质量金属/金属氧化物封盖层可通过使自旋极化电子的相干隧穿能够通过双势垒而不增加RA。

在一特定实施例中，揭示一种包括MTJ装置的装置。所述MTJ装置包括势垒层、自由层及封盖层。所述自由层定位于势垒层与封盖层之间。封盖层包括第一金属部分及氧化金属部分。

在另一特定实施例中，揭示一种包括MTJ装置的装置。所述MTJ装置包括自由层、邻近于所述自由层的势垒层，及邻近于所述自由层的封盖层。所述封盖层包括第一材料的第一层、第二材料的第二层，及缓冲层。所述第二材料包括所述第一材料的氧化物。

在另一特定实施例中，揭示一种设备，所述设备包括用于存储作为磁矩的定向的数据值的装置，所述磁矩可通过超过临界切换电流密度的自旋极化电流来编程。所述设备还包括隧穿势垒装置，所述隧道势垒装置足够薄以通过传导电子通过势垒的量子力学隧穿而将充足的传导电子提供到所述用于存储的装置。所述设备进一步包括用于减小自旋泵效应的封盖装置。所述封盖装置包括第一金属部分及氧化金属部分。所述用于存储的装置定位于隧穿势垒装置与封盖装置之间。

在另一特定实施例中，揭示一种方法，其包括在MTJ结构的自由层上沉积封盖材料以形成封盖层。所述方法还包括氧化所述封盖材料的一部分以形成氧化材料层。