CN104823292A - 用于多层磁性材料的改良式晶种层 - Google Patents

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Abstract

一种磁性元件，其中揭露一种如氮化钽/镁复合式晶种层以增强垂直磁异向性于覆盖式磁性层，其可为参考层、自由层或是偶极层。第一晶种层选自一或多个钽、锆、铌、氮化钽、氮化锆、氮化铌及钌，第二晶种层选自一或多个镁、锶、钛、铝、钒、铪、硼、硅，由镍镉或其合金所制成的成长促进层可***在晶种层及磁性层间，磁性元件具有至少400℃的热稳定性。

Description

用于多层磁性材料的改良式晶种层
技术领域
本发明揭露关于一种磁性元件，其包含一晶种层及具有至少400℃热稳定性的成长促进层，以及促使一覆盖式多层堆叠的强固(111)晶体结构，进而改善包含Hc及Hk于覆盖式堆叠的垂直磁异向性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)。
背景技术
磁阻性随机存取记忆体(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)基于具有磁性穿隧接面(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)技术的硅集成互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)，其为一个主要的新兴技术，与如静态存取记忆体(Static Random-Access Memory，SRAM)、动态存取记忆体(Dynamic Random Access Memory，DRAM)及快闪记忆体(Flash)等现有的半导体记忆体高度竞争。同样地，由C.Slonczewski所描述的自旋转移(自旋扭距或是STT)磁开关(1996,“Current driven excitation of magnetic multilayers”,J.Magn.Magn.Mater.V 159,L1-L7)促进了千兆规模般旋转扭力MRAM的自旋电子装置的潜在潜力的极大兴趣。
MRAM及STT-MRAM皆有一基于穿隧式磁阻(Tunneling Magneto-Resistance，TMR)效应的MTJ元件，其中一复数堆叠层具有一被薄的非磁性介电层所隔开的两铁磁性层的结构，MTJ元件为一典型的由第一导电线的底部电极及第二导电线的顶部电极且顶部电极跨越底部电极所形成，一具有复数层次的MTJ堆叠具有自底部电极依序组成的晶种层、铁磁性参考层、薄的通道阻障层及一铁磁性自由层的底部自旋阀结构，自由层具有一磁性力矩于参考层中，磁性力矩可为平行或是非平行，通道阻障层够薄以使电子通过，且可以由传导电子的量子力学通道所建立，自由层的磁性力矩可改变响应于外部磁场，及磁性力距的相对方向是在于自由层及参考层间，可确定穿隧电流及电阻于穿隧接面中。当一感应电流自顶部电极通过至底部电极于垂直方向至MTJ层中，一低电阻被侦测到的自由层和参考层的磁化方向是平行的状态(“0”记忆体状态)，及它们在一个反平行状态或是”1”记忆体状态则具有高电阻的注意。随着MRAM晶片的尺寸减小，利用电流负载线所产生的外部磁场转换磁性力矩的方向就会成为问题，自旋扭距的MRAM被开发提供一坚固的磁性开关安全边际以通过消除半选择干扰问题，相较习知的MRAM，自旋扭距MRAM具有一优点以避免半选择问题及相邻晶片中的编写干扰，自旋转移效应源自铁磁-垫片-铁磁(ferromagnetic-spacer-ferromagnetic)多层的自旋相关电子传输特性，当自旋极化电流横切一磁性多层在以CPP结构中，电子入射波的自旋角动量在一铁磁性层与附近界面的磁性力矩于铁磁与非磁性隔板间相互感应，藉由这种相互感应，电子转移一部分角动量至铁磁性层中，因此，自旋极化电流可以切换铁磁性层的磁化方向，若电流密度够高，自旋扭距MRAM及习知的MRAM的区别仅在于编写机制的不同，而读出机制则是相同的。
对于MRAM及自旋扭距MRAM的应用中，利用具有极大及可调抗磁力场(Hc)及异向性场(Hk)的PMA薄膜通常很重要的，例如，PMA薄膜可作针扎层、自由层或偶极(偏差补偿)层在MTJ元件或在PMA介质中，以用于电磁感测装置、磁性资料储存或是其它自旋电子装置。此外，一个关键的要求是Hc、Hk及其它特性如磁阻性(Magnetoresistive，MR)的比例不会恶化于处理升高温度达400℃或更高时，在一些应用中，还必需要限制总厚度小于100埃于晶种层及其它PMA层下面的层次，并使用仅显示与装置设计和高温处理要求相兼容的材料。
以PMA作为磁性及磁-光纪录的应用特别重要，具有垂直磁异向性的自旋电子装置优于MRAM基于面内异向性，因为可满足热稳定性的要求，并具有低切换电流密度，且没有限制晶片的外观比。因此，自旋阀结构基于PMA能够扩展为更高的堆积密度，为未来MRAM的应用及自旋电子装置的主要挑战之一。
当一个记忆体晶片尺寸减小而必须具有更大的磁异向性，因为热稳定性的因素正比于记忆体晶片的体积。一般而言，PMA材料具有的磁异向性大于习知的如镍铁(NiFe)或钴铁硼(CoFeB)的面内软磁材料，因此，用于PMA的磁性装置有利于获得低的切换电流及高的热稳定性。
多个PMA材料***已被提出用于最新如多层次的铂/铁(Pt/Fe)、钯/钴(Pd/Co)及镍/钴(Ni/Co)，及有序(例如L10结构)和无序的合金，但仍有需要改进于Hc、Hk、温度稳定性及材料的兼容性，在研究PMA的材料***中，一镍/钴(Ni/Co)的复数层为更有前途的研究，因为在磁性装置中使用的极大化学位能Hc及Hk、高退火温度的良好稳定性及潜在的兼容性之一，然而镍/钴(Ni/Co)的复数层及类似物通常需要一个厚的晶种层以促使高的PMA，晶种层的厚度相较100埃需要更薄于不同层中的自旋阀结构，以维持MTJ元件一定的最小厚度，且容易导致性能下降。
一种改进的晶种层仍然需要足够薄，以与自旋电子装置兼容，并可促使更大的PMA于覆盖式钴/镍(Co/Ni)的复数层或钴铁硼(CoFeB)层，并与磁性装置的设计及加工的要求兼容。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种基底堆叠，其包括一晶种层，以将比先前技术促进更大的Hk及Hc于一覆盖式PMA层及热稳定性高达400℃的制造温度。
本发明的第二目的是根据第一目的以提供一高PMA结构的材料组，且能够相容于磁性装置中的其它各层，并具有100埃(Angstrom)或更小的厚度。
根据第一实施例，完成这些目的将藉由一磁性元件，其是一具有晶种层、PMA参考层、通道阻障层、自由层及覆盖层所组成的底部自旋阀结构的MTJ。晶种层(底层)是由一或多个钽(Ta)、锆(Zr)、铌(Nb)、氮化钽(TaN)、氮化锆(ZrN)、氮化铌(NbN)及钌(Ru)的基底及一或多个(Mg)、锶(Sr)、钛(Ti)、铝(Al)、钒(V)、铪(Hf)、硼(B)、硅(Si)、镁锆(MgZr)及镁铌(MgNb)的上层所制造且堆叠而成，以为最佳实施例。然而，晶种层也可为一由上述材料中的元素或合金所组成的合金组合所制成的单一层、上层或下层，晶种层结构促使一强固(111)纹理于覆盖式PMA参考层及促进光滑表面的覆盖式各层次；参考层更佳的实施例具有一CoXFeYNiZBV组成物，当中的y>x+z，而v是15～40的原子百分比(％)，通道阻障层则为氧化镁为最佳实施例。
根据一第二实施例，晶种层可为氮化钽(TaN)，或如上述所述的单一层合金，或前面第一实施例中的一双层堆叠，磁性元件更包括一成长促进层于晶种层及参考层间；成长促进层为一镍铬(NiCr)或NiCrM，其中M为硅(Si)、钒(V)、铁(Fe)、镁(Mg)、锆(Zr)、铌(Nb)、钽(Ta)、钛(Ti)、铜(Cu)及钼(Mo)，以增强PMA于覆盖式参考层中及促使一强固(111)晶体结构内，成长促进层具有35～45的铬(Cr)原子百分比(％)，又以40％为最佳实施例，以及厚度为1～30纳米(nm)，又以5nm为最佳实施例。另一方面，参考层由(Ni/Co)n所表示的一多层，其中n为一20～30的堆叠数量，每一镍(Ni)层具有6埃(Angstroms)的厚度，及每一钴(Co)具有2.5埃的厚度，并且，在层叠的堆叠中镍(Ni)可被镍铁(NiFe)或镍钴(NiCo)所取代及钴(Co)可被钴铁(CoFe)取代。在一替代的实施例中，参考层可为任何面心立方晶体结构(face centered cubic，FCC)磁性层，如具有PMA的(Co/Pt)n、(Co/Pd)n、(Fe/Pt)n或(Fe/Pd)n，磁性层也包含钴铁硼(CoFeB)、钴铁(CoFe)或钴(Co)所制成的过渡层，过渡层的最佳实施例为具有(100)纹理的氧化镁(MgO)且设置于(111)晶体参考层及通道阻障层间，自由层可包含钴铁硼(CoFeB)、钴铁(CoFe)或是其组合而成，因此，取得一高的MR比例与增强PMA于参考层以增加磁性元件的热稳定性。
根据一第三实施例，在上述第二实施例的参考层被修改为复合式反铁磁性(Synthetic Anti-Ferromagnetic，SAF)结构，其中非磁性耦合层例如钌(Ru)被夹在两个层叠镍/钴(Ni/Co)堆叠间。为了更进一步提高RKKY耦合，有可能为一钴(Co)的隔离层于钌(Ru)的耦合层上的任一侧，以得到(Ni/Co)n/Co/Ru/Co/(Ni/Co)p组合物，其中p具有PMA特性的第二层叠堆叠的层叠数量。在一第四实施例中，非磁性层如钽(Ta)被设置于SAF参考层的上面镍/钴(Ni/Co)部分及过渡层间，其结果是磁性元件具有晶种层/成长促进层/(Ni/Co)n/Co/Ru/Co/(Ni/Co)p/Ta/CoFeB/Co/MgO/自由层/覆盖层的堆叠组成。在另一个实施例中，磁性元件可以具有顶部自旋阀结构，其中晶种层、PMA自由层、通道阻障层及覆盖层依序形成于一基板上。
本发明还包括一实施例，一如先前实施例中具有层叠PMA堆叠的偶极层用于提供一偏移栏位以邻接自由层。MTJ具有晶种层/参考层/通道阻障层/自由层/基底/偶极层/覆盖层所表示的堆叠，基底可以具有晶种层/成长促进层的结构。
一但安装所有MTJ堆叠的各层次，约350℃的高温退火温度可用于增加层叠的参考层、自由层或偶极层内的PMA。
附图说明
图1为本发明磁性元件的第一实施例在自旋阀结构底部具有晶种层/PMA层堆叠结构的剖视图。
图2为本发明磁性元件的第二实施例在自旋阀结构底部具有晶种层/成长促进层/PMA层堆叠结构的剖视图。
图3为本发明磁性元件的第三实施例在自旋阀结构底部具有晶种层/成长促进层/PMA层堆叠结构的剖视图。
图4为本发明磁性元件的第四实施例在自旋阀结构底部具有晶种层/成长促进层/PMA层堆叠结构的剖视图。
图5为本发明磁性元件的第五实施例在自旋阀结构顶部具有晶种层/成长促进层/PMA层堆叠结构的剖视图。
图6为本发明磁性元件的第六实施例在偶极层作为偏移补偿层的剖视图。
图7a～7h为本发明说明钴铁硼层垂直的薄膜平面的磁性特性量测，生长在不同基底的300℃(虚线)退火温度，接着进行400℃(实线)退火温度的一系列示意图。
图8为本发明根据一实施例磁性特性的量测于垂直在钴/镍(Co/Ni)的复数层的薄膜平面上生长的非最佳基底(虚线)及一最佳的基底(实线)的曲线图。
图9为本发明根据一实施例垂直于薄膜平面的磁性元件上生长的一个小于最佳的基底(虚线的M(H)循环量测的曲线图。
具体实施方式
本发明揭露一磁性元件，其具有一基底/PMA层结构，其中基底为一晶种层或晶种层/成长促进层堆叠以促使一强固(111)晶体结构于一覆盖式(Ni/Co)n多层或钴铁镍硼(CoFeNiB)层，从而提高PMA于覆盖层，其可为钉扎层、参考层、偶极(偏差补偿)层或自由层。该用词“晶种层”或“成长促进层”可以与示范性实施例中的用词”基底”互换，及(A1/A2)n与(A2/A1)n，当“n”层叠堆叠且其中A1为第一磁性元件或合金及A2为第二磁性元件或合金时可互换。虽然只有底部及顶部自旋阀结构被描绘在附图中，本发明也公开本技术领域技术人员所理解的双自旋阀。此外，于此所描述的基底/PMA层结构可以包括一或多个参考层、自由层、偶极层或钉扎层于MRAM、自旋扭距-MRAM、畴壁移动装置及其他自旋电子装置中。
本发明所揭露的一个关键特征是一基底/PMA层堆叠，其中基底增强如Hc及Hk于覆盖式PMA层之中的特性，特别是PMA的特性被增强在PMA层藉由具有一(111)纹理的适当的晶种层(基底)的存在。更理想的，基底具有一个组合物，其用于相容于一磁性元件的其他材料，以制造温度高达400℃的热稳定性，以及厚度够薄以便不会与磁性元件的其他磁性特征产生不良影响。
请参照本发明图1所示，以描述本发明第一实施例的形成于基板10上具有底部自旋阀结构的磁性元件，基板10可为一个底部电极层，如可为钽(Ta)或是其他导电层所制成，于MTJ中的每一层形成于一(x，y)平面及厚度在z轴的方向，基板10上可以形成一结构(图中未示)，其包含介电层及导电层，以及电晶体与其他的装置，一个主要的特征是晶种层22形成于基板10上；晶种层22为一或多个钽(Ta)、锆(Zr)、铌(Nb)、氮化钽(TaN)、氮化锆(ZrN)、氮化铌(NbN)及钌(Ru)并从厚度10～100埃的复合式下部层20，下部层20促进一厚度均匀的(111)晶体结构，且在覆盖层的平滑顶部表面上，顶部表面在这方面则为一背对基板10的表面。晶种层22也具有一上部层21，其厚度为2～20埃，且由一或多个镁(Mg)、锶(Sr)、钛(Ti)、铝(Al)、钒(V)、铪(Hf)、硼(B)、硅(Si)或镁(Mg)与锆(Zr)或铌(Nb)的合金所组成，上部层21的(111)纹理使用于促使(111)纹理于覆盖式的磁性层23是有利的。磁性层23被视为一参考层于该示范性实施例中，但本发明所揭露的磁性层率先考虑为一自由层、偶极层或针扎层，而不是如后续实施例所呈现的一参考层。
于一替代实施例中，晶种层22由一单一层所形成，晶种层具有10～100埃的厚度，并最佳实施例为一合金，其包含钽(Ta)、锆(Zr)、铌(Nb)、氮化钽(TaN)、氮化锆(ZrN)、氮化铌(NbN)及钌(Ru)之一，以及镁(Mg)、锶(Sr)、钛(Ti)、铝(Al)、钒(V)、铪(Hf)、硼(B)、硅(Si)、镁锆(MgZr)及镁铌(MgNb)之一。
在一方面，磁性层23由CoXFeYNiZBV所组成，当中的y>x+z，而v是15～40的原子百分比，及v+x+y+z＝100的原子百分比，当z＝0时，该实施例包含一个钴铁硼(CoFeB)组合物。磁性层具有底部表面以接触晶种层22及一上部表面邻接通道阻障层33，在一最佳实施例中，通道阻障层为如氧化镁(MgO)的氧化物，以促进磁性层23中的界面垂直磁异向性，当磁性层的厚度为20～25埃或更小时，然后可满足够大的界面垂直磁异向性以克服在面内磁化及设立PMA于磁性层内，在这种情况下，晶种层22增强了PMA特性于磁性层23内。
本发明还公开一实施例，其中具有本质PMA的磁性层23及晶种层被用来增强PMA特性于覆盖式磁性层中，例如，磁性层23可以包括(Ni/Co)n、(CoFe/Ni)n、Co/NiFe)n、(Co/NiCo)n、(CoFe/NiFe)n或(CoFe/NiCo)n层叠，例如其中n在2～30间，最佳的实施例为4～10间。此外，一FCC磁性层，如被选自如(Co/Pt)n、Co/Pd)n、(Fe/Pt)n或(Fe/Pd)n的PMA磁性层，在另一个实施例中，具有PMA的磁性层为一无序合金或一有序L10合金用的MT，当中的M为铑(Rh)、钯(Pd)、铂(Pt)及铱(Ir)或其组合的合金，T为铁(Fe)、钴(Co)及镍(Ni)或其组合的合金，更进一步的，MT合金可掺杂含硼高达40的原子百分比。
承上所述，氧化镁(MgO)所形成的通道阻障层33为最佳实施例，尽管其他氧化物如铝的氧化物(AlOx)、钛的氧化物(TiOx)及锌的氧化物(ZnOx)可用来作通道阻障，一氧化镁(MgO)的通道阻障层可以藉由沉积一第一镁(Mg)层于磁性层23上所制造而成，然后进行自然氧化(NOX)或是自由基氧化(ROX)的制造过程，及最后沉积一第二镁(Mg)层在氧化的第一镁(Mg)层上，在之后的退火过程中，第二镁(Mg)层被氧化以得到基本均匀的氧化镁(MgO)层。如果需要一个低的电阻X面积(Resistance x Area，RA)值，最佳的实施例通常为一个NOX制造过程，或是减低通道阻障层33的厚度如可被本技术领域的技术人员所理解的方式。
根据本发明的示范性实施例，一自由层34形成于通道阻障层33上，并可以由一或多个钴铁硼(CoFeB)及钴铁(CoFe)，或是其产生高MR比例、良好的开关特性及低磁致伸缩的组合的另一自由层材料所制成。如本发明第五图所示，本技术领域的技术人员将会分辨自由层34及磁性层23的位置可被转换，以形成一个顶部自旋阀结构。
在自旋阀堆叠中的最上层为一覆盖层35，其可为一钽(Ta)或钌(Ru)的单一层、具有钽/钌/钽(Ru/Ta/Ru)复合式结构或是本领域中的其他覆盖层材料，根据第一实施例，覆盖层可为如MgO、MgTaOx或是AlOx的氧化物或是具有一具有氧化物或氮化物的下部层与一具有钌(Ru)或钽(Ta)的上部层的合成物，作为覆盖层或作为其中基底的一个氧化物可以有利使用在促进自由层34的PMA以通过一氧化物/磁性材料界面性质。
如本发明图2的第二实施例所示，一晶种层/成长促进层堆叠被用以增强覆盖式参考层的PMA，其为一具有(A1/A2)n结构的层叠结构的堆叠，其中n为层叠数量、A1为一第一磁性元件或合金及A2为一第二磁性元件或合金，先前，已经制作了(A1/A2)n参考层，其成长在一镍铬(NiCr)或镍铁铬(NiFeCr)的晶种层。然而，由于晶粒成长往往使基于晶种层的镍铬(NiCr)产生一定量或粗糙度于覆盖层中，不均匀性对于磁性多层是一个问题，如(Ni/Co)n当它们结合功能层，其性质高度依赖在磁性元件中的各种不同界面的粗糙程度。例如，于层叠参考层的一光滑顶部表面促使一更均匀顶部表面在包括RKKY耦合层及一复合式反磁性(SAF)设计的第二参考层的随后沉积层，及一光滑顶部表面在一覆盖式通道阻障层中。
本发明更惊奇的发现氮化钽/镁(TaN/Mg)组合的晶种层22及一由镍铬(NiCr)或其合金所制造的覆盖式成长促进层24，可产生增强PMA于一个随后沉积的层叠的参考层25，成长促进层具有10～100埃的厚度，镍铬(NiCr)合金包含至少一选自硅(Si)、钒(V)、铁(Fe)、镁(Mg)、锆(Zr)、铌(Nb)、钽(Ta)、钛(Ti)、铜(Cu)及钼(Mo)的元素，所得到的磁性元件(MTJ)具有高的热稳定性于至少400℃时及改善均匀性(低粗糙程度)于各个单独层中，特别是在层叠的参考层25、通道阻障层33及自由层34中。另一方面，先前描述于第一实施例中一或多个材料选择至晶种层，因此，一个双层方法随着下部层20及上部层21，或一具有厚度10～100埃及由一合金或一元素或合金自下部层20及一元素或合金自上部层21所制造的单一层，可使用在第二实施例的晶种层22。
层叠的参考层25可包含两种金属、一金属及一合金或两种合金，以具有(A1/A2)n结构，其中A1选自一或多个钴(Co)、镍(Ni)及铁(Fe)的第一金属或合金，且可掺杂高达50原子百分比的硼，A2为一选自一或多个钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、钌(Ru)、硅(Si)、铱(Ir)、铑(Rh)、钒(V)、镁(Mg)、镍铬(NiCr)、铂(Pt)及钯(Pd)，其中n为一(A1/A2)n堆叠的层叠数量，但应理解的是层叠(A1/A2)n堆叠具有本质PMA及晶种层22被使用以加强PMA的特性，因此参考层25的层叠可包含(Ni/Co)n、(CoFe/Ni)n、Co/NiFe)n、(Co/NiCo)n、(CoFe/NiFe)n或(CoFe/NiCo)n，例如，其中n介于2～30间，最佳的实施例则是n在4～10时。值得注意的是一(A2/A1)n结构提供与(A1/A2)n堆叠相同功能，及被认定相同于一(A1/A2)n层叠堆叠于本发明的目的。成长促进层/层叠PMA堆叠描述可经沉积在室温或是一升高温度至450℃以被用于沉积或是额外增加的退火中，或着，参考层可具有包含(Co/Pt)n、Co/Pd)n、(Fe/Pt)n及(Fe/Pd)n的垂直磁异向性的FCC磁性层，但不应以此为限。
一过渡层32任意地由钴铁硼(CoFeB)、钴铁(CoFe)、钴(Co)或是其组合而成所制成的，并设置于参考层及通道阻障层间。根据第一实施例，过渡层32内的PMA达成与通道阻障层33的金属氧化层的界面的结果，并导致界面的垂直异向性。此外，参考层25及过渡层32的磁力矩被对准沿着z轴的相同方向，过渡层32作为介于层叠的参考层25的(111)纹理及通道阻障层33的(100)纹理间的过渡层，其也可以增强磁性元件中的磁阻性比例，当过渡层的厚度接近6埃时，PMA性质会被最大化，及过渡层32的厚度接近14埃时，磁阻性比例则会提高，因此，过渡层的厚度可在6～14埃中调整，以调整PMA幅值及磁阻性比例，一个钴(Co)的过渡层相较钴铁(CoFe)或钴铁硼(CoFeB)层不易被氧化，及当过渡层32具有钴铁(CoFe)或钴铁硼(CoFeB)结构时接触通道阻障层为最佳。
自由层34及覆盖层35皆可获得自第一实施例，然而，自由层可具有如(CoFe/Ni)m、(Co/NiFe)m、(Co/NiCo)m、(CoFe/NiFe)m或(CoFe/NiCo)m的层叠结构，例如，当m为一层叠数量，而最佳的数量为4～10间，以及m<在参考层层叠中的n。在另一选择实施例中，自由层可具有一CoFeB/IL/CoFeB结构，其中IL为一个如钽(Ta)的非磁性嵌入层以作为一力矩稀释层。
如本发明图3的第三实施例所示，一个组合的参考层30符合复合式反铁磁性(SAF)结构，其中两个(A1/A2)n及(A1/A2)p分别代表层叠PMA堆叠29及参考层25，如上所述的非磁性间隔板27提供了反强磁性(RKKY)耦合于两个层叠堆叠中，如前所述，任意的一或两个PMA堆叠可包含一个FCC层叠或一个有序L10合金，在第二层叠PMA堆叠29的层叠“p”数字是介于2～30，而最佳的代表数字是4～10，以及不一定需要等于第一层叠PMA堆叠29中的“n”。在本实施例中，非磁性间隔板为钌(Ru)且厚度为3～20埃为最佳实施例。更进一步的促使RKKY耦合以及增强Hc与Hk于相邻层叠PMA层，一第一隔离层26如具有厚度1～0埃的钴(Co)可设置于层叠的参考层25及隔板27间，及一具有相同厚度的第二隔离层28可设置于隔板27及层叠PMA堆叠29以得到(A1/A2)n/Co/Ru/Co/(A1/A2)p结构于组合的参考层30中。因此，(A1/A2)n堆叠是被认为等同于一个AP2层及(A1/A2)p堆叠功能相似一个在传统AP2/Ru/AP1参考层配置的AP1层。
如本发明图4的第四实施例所示，一如钽(Ta)的嵌入层31可包括于层叠PMA堆叠29及过渡层32间，以防止不定型的钴铁硼(CoFeB)的过渡层的太早结晶于通道阻障层沉积之前，否则第三实施例中的所有层次会被保留在第四实施例中，一如钽(Ta)的嵌入层的厚度为0.5～3埃比1.5埃为最佳，产生一结果为不定型的钴铁硼(CoFeB)的过渡层的结晶于随后的退火步骤中，由驱动藉由(100)MgO的通道阻障层及钴铁硼(CoFeB)的过渡层的上部以邻接通道阻障层结晶于一以最大化MTJ的(100)的状态的磁阻性比例，但应理解的是一个钴铁硼(CoFeB)的过渡层的下部，其邻接嵌入层而可具有一(111)晶体结构，由于靠近参考层或着可以保持不定型的，但下部的厚度被认为是小于具有(100)纹理的上部。
如本发明图5的第五实施例所示一磁性元件，其中晶种层/成长促进层堆叠为增强覆盖自由层34的PMA，换句话说，本发明所定义的基底堆叠并不限制增强PMA于一覆盖式参考层，但可用来改善自由层或偶极层的PMA，本实施方式的磁性元件具有晶种层、成长促进层、自由层、通道屏蔽层、参考层及覆盖层所形成的顶部自旋阀结构为最佳实施例，晶种层22及成长促进层24具有如前所述的相同组成及功能，参考层23的描述也如前第一图所示，且根据第一实施例，自由层34、通道阻障层33及覆盖层如前所述之，可由相同材料所制成。换句话说，自由层34可由钴铁硼(CoFeB)、钴铁(CoFe)或是其组合而成物所制成，然而，本发明还包括一自由层，其为一具有PMA的层叠堆叠且具有多个“r”于(A1/A2)层，或是一具有包含(Co/Pt)r、(Co/Pd)r、(Fe/Pt)r及(Fe/Pd)r或一有序L10合金的垂直磁异向性的FCC磁性层，但不应以此为限，且此一实施例中，(A1/A2)r堆叠或FCC层叠堆叠的层叠数量“r”为1～10。
如本发明图6的第六实施例所示，揭露了磁性元件具有一底部自旋阀结构，其中晶种层/成长促进层结构用来作一偶极层的基底，偶极层减少了自参考层所造成自由层的次要转换回路的偏移。因此，本发明第二图的第二实施例的磁性元件结构可依序修改且设置于一第二晶种层42、一第二成长促进层44及偶极层39于自由层的顶部表面，第二晶种层及第二成长促进层可以分别具有相同的组合如先前实施例中的晶种层22及成长促进层24，一具有厚度5～15埃的薄参考层25具有形成堆叠第一晶种层的下部层20及第二晶种层的上部层21所制成为最佳实施例，一成长促进层(图中未示)可形成于晶种层22及参考层间，自由层34和覆盖层35关于第一实施例中的先前描述，于一方面中，一钴铁硼/氧化镁/钴铁硼(CoFeB/MgO/CoFeB)的参考层/通道阻障层/自由层堆叠可提供一高的磁阻性比例，参考层25可为一层叠(A1/A2)n结构，或一有序L10合金。在另一方面，一单一层叠(A1/A2)n堆叠可靠一如先前所述的组合的参考层30所取代。
在自由层及覆盖层间形成的各堆叠层为一主要的特点，最佳的第二晶种层42由Ta所制成，以接触一自由层34的顶部表面并从自由层获得氧。一第二成长促进层44接触偶极层39的底部表面，其中最佳的偶极层由如(A1/A2)q层叠结构的本质PMA的材料，或是一如前所述的L10有序材料所制成，其中q为2～30。于一方面，自由层34足够薄已具有显著的界面垂直异向性(6～15埃)，以支配一在面内形状的异向性场如一磁化垂直于自由层所建立的平面，界面的垂直异向性是由自由层的底部表面及通道阻障层33的顶部表面间的界面，其最佳的界面为氧化镁(MgO)界面，当自由层具有PMA，自由层及偶极层39的磁化方向相同时以为最佳的对准相同方向。
应被理解的是第三及第四实施例中所描述的修改型可包含在第六实施例中，换句话说，一个或两个的过渡层32及钽(Ta)的嵌入层31可形成于参考层25(或30)及通道阻障层33间。
在磁性元件所描述的所有的各层可形成在一溅镀沉积***，例如一Anelva C-700薄膜溅镀***或像一般包括三种物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)反应室，各自具有5个目标物、一个氧化反应室及一个溅镀蚀刻反应室，其中至少一个PVD反应室能够共同溅镀以沉积一自两个目标物所制成的单一元件的合金。通常，溅镀沉积制造过程包含一句有超高真空的溅镀氩气体及目标物，皆由金属或合金以沉积在基板上所制成，所有的MTJ层可为经溅镀***的单一抽气后以提高输出量所制成。
本发明亦揭露一退火步骤于磁性元件中的所有层次被沉积后，退火步骤包括进行使用30分钟至5小时的烤炉以施加300℃及400℃间的温度，或使用快速热退火炉于在几秒钟之内，于退火时不使用磁场是必须的。
一旦磁性元件中的各个层次形成后，自旋阀堆叠为构图成椭圆形、圆形或其它形如沿着视角自上而下沿着z轴，藉由一具有通常知识的光阻图案成形及反应性离子或离子束蚀刻转换序列，此后，一隔离层(图中未示)可沉积于基板10上于平坦化步骤中，以使隔离层的共面具有覆盖层35，接着，一顶部电极(图中未示)可以形层在覆盖层上。
范例1：进行一实验以证明根据本发明所揭露的在覆盖式钴铁硼(CoFeB)参考层改善磁性特性在晶种层的优点，一未图案化的自旋阀堆叠包含一晶种层、一厚度9埃的Co20Fe50B30参考层、氧化镁的通道阻障层、一厚度3埃的钴铁硼(CoFeB)自由层及一Ta20/Ru50覆盖层以依序形成及制造于一Si/SiO2的基底上，所有层次沉积于室温及退火在300℃进行十分钟，然后进行退火30分钟于400℃。在本发明的每一图式中，单一层或双层堆叠于右下角中列出所参照的晶种层组合物，单一层中的钽(Ta)、氮化钽(TaN)及锆(Zr)的厚度分别为50埃，在一个双层结构中，下部层为氮化钽(TaN)的厚度为50埃，以及上部层为镁(Mg)、镁锆(MgZr)合金(MgZr比1:1)或是钽(Ta)的厚度为10埃。如本发明图7a～7h所示，一柯尔效应磁力计(Kerr magnetometer)用于产生数据，一较高幅值于曲线中代表着达成更高的PMA。因此，根据本发明的一实施例的氮化钽/镁(TaN/Mg)的晶种层比一经400℃最终退火后的钽(Ta)的晶种层有较高的PMA。对于双层结构中，例子氮化钽/镁(TaN/Mg)及氮化钽/镁锆(TaN/MgZr)被认为比氮化钽/钽(TaN/Ta)的晶种层更具有热稳定性，因为后者失去了一些于400℃与300℃的退火的幅值，而本发明的晶种层基本上保留了所有的退火温度从300℃增加至400℃的PMA的幅值。
范例2：更进一步的说明本发明的益处，根据一实施例，在复合式晶种层促进增强PMA于一覆盖式层叠PMA层作为参考层时，各层次的一堆叠制成是按照以下的结构，其中以下的数字为各层的厚度(埃)：Si/SiO2/TaN50/Mg10/NiCr50/(Co2.5/Ni6)10/Co4/Ru4/Co4/(Co2.5/Ni6)6/Ta1.5/Co20Fe60B206/Co4/MgO/Co20Fe50B303/Ta20/Ru。在上述结构中，硅/二氧化硅(Si/SiO2)为基板，氮化钽/镁(TaN/Mg)组合的晶种层，镍铬(NiCr)成长促进层，(Co/Ni)10/Co/Ru/Co/(Co/Ni)6为组合的参考层，钽(Ta)为嵌入层，钴铁硼/钴(CoFeB/Co)过渡磁性层且邻接一氧化镁(MgO)的通道阻障层，Co20Fe50B30为一自由层因太薄而未具有磁性时的占位层，及钽/钌(Ta/Ru)为覆盖层。各层次的一第二堆叠是根据发明者的先前设计实行及作为一参考样本以制造，第二堆叠不同于第一堆叠，其中的差异在于基底结构TaN/Mg/NiCr可被替换成Ta50/NiCr50。
承接上段，请参照本发明图8所示，一M-H循环量测被视为各层次中的如上述的退火于400℃进行30分钟的两个堆叠，磁性特性是被量测于每一堆叠中各层的垂直薄膜平面上，曲线60为具有氮化钽/镁/镍铬(TaN/Mg/NiCr)基底结构所示的第一堆叠以比所实现的第二堆叠(曲线61)具有较高的饱和磁场(>6000Oe)，其中薄膜成长在不适当的钽/镍铬(Ta/NiCr)基底上，因此，根据本发明的一实施例所执行的改善的基底，较高的PMA被实现于参考层及至少400℃的热稳定性。
范例3：先前的实验重复使用相同的薄膜堆叠，除了Co20Fe50B30层的厚度增加至12埃，并致使薄膜具有磁性特性及作用的自由层，其结果是第一及第二堆叠被认定为适合自旋力矩MRAM装置的磁性穿隧接面(Magnetic Tunnel Junctions，MTJs)，MTJ1的第一堆叠具有下列的结构：
Si/SiO2/TaN50/Mg10/NiCr50/(Co2.5/Ni6)10/Co4/Ru4/Co4/(Co2.5/Ni6)6/Ta1.5/Co20Fe60B206/Co4/MgO/Co20Fe50B3012/Ta20/Ru，MTJ2的第二堆叠具有相同的层次，但除了Ta50/NiCr50替代TaN/Mg/NiCr于MTJ1的基底结构外。
如本发明图9所示，一M-H循环量测被示为MTJ1(暗实线)和MTJ2(虚线)于被退火400℃及进行30分钟后，磁性特性被测量于每一堆叠中各层次的垂直薄膜平面上，MTJ1的曲线62a显示一较高的饱和磁场(>5000Oe)以与所了解的MTJ2(曲线63a)，其中薄膜成长在不适当的钽/镍铬(Ta/NiCr)基底上，根据本发明的一实施例所执行的改善的基底，较高的PMA被实现于参考层，也同时证实了400℃的热稳定性，须注意台阶62b及台阶63b，其是在M-H循环以显示自由层中每一MTJ开关系独立于所对应的参考层。
本发明的各种实施例所揭露的基底结构，其包含一单一层(合金)、双层或是具有一覆盖式成长促进层的单一层或合金，以提供改进磁性特性于一形成PMA层的基底，改进包括增强PMA、降低粗糙度，及具有达400℃或更高的高温处理之更佳兼容性，这边所描述的实施例可使用于传统的PMA材料及材料如具有内面磁化且可促使具有垂直磁异向性的钴铁硼(CoFeB)。此外，在同一磁性元件，本发明的第一基底可以使用于增强PMA于覆盖式参考层且如本发明所定义的第二基底可用于增强PMA于覆盖式偶极层。
虽然本发明已经具体的描述及所参照上述的最佳实施例，这将会被本领域的技术人员在形式上及细节上进行各种的改变，而不脱离本发明的发明精神及范围。

Claims (31)

1.一种磁性元件，其包括：
一第一晶种层，其包含一或多个钽Ta、锆Zr、铌Nb、氮化钽TaN、氮化锆ZrN、氮化铌NbN及钌Ru；
一第二晶种层，其接触该第一晶种层的顶部表面，且包含一或多个镁Mg、锶Sr、钛Ti、铝Al、钒V、铪Hf、硼B、硅Si、镁锆MgZr及镁铌MgNb，该第二晶种层及一磁性层形成一第一界面；
该磁性层；及
一通道阻障层，其由氧化镁MgO或另一氧化物所构成，且形成于该磁性层，以得到一复合式晶种层/磁性层/通道阻障层结构。
2.如权利要求1所述的磁性元件，其中该磁性层具有CoXFeYNiZBV组成物，当中的y>x+z，而v是15～40的原子百分比％，及v+x+y+z＝100的原子百分比。
3.如权利要求1所述的磁性元件，其中该磁性层具有(A1/A2)n层叠结构，该“A1”选自一或多个钴、镍及铁中的一第一金属或合金，该“A2”选自一或多个钴、铁、镍、钌、硅、钒、铑Rh、铱ir、镁Mg、镍铬NiCr、铂Pt及钯Pd中的一第二金属或合金，且该“n”为在该(A1/A2)n层叠结构的堆积数量。
4.如权利要求1所述的磁性元件，其中该磁性层为一无序合金或一有序L10合金用的MT合成物，当中的“M”为铑、钯、铂及铱或其组合的合金，“T”为铁、钴及镍或其组合的合金。
5.如权利要求1所述的磁性元件，其中该第一晶种层具有10～100埃的厚度，及该第二晶种层具有2～20埃的厚度。
6.一种磁性元件，其包括：
(a)一晶种层，其包含锆、铌、氮化钽、氮化锆、氮化铌或钌之一与镁、锶、钛、铝、钒、铪、硼、硅、镁锆或镁铌之一，该第一晶种层及一磁性层形成一第一界面；
(b)该磁性层具有CoXFeYNiZBV合成物，当中的y>x+z，而v是15～40的原子百分比％，及v+x+y+z＝100的原子百分比；及
(c)一通道阻障层，包括氧化镁或另一氧化物，其促使界面垂直异向性于第二界面的磁性层上，上述各层形成一第一晶种层/磁性层/通道阻障层堆叠。
7.一种磁性元件，其包括：
(a)一基底，其包含至少一晶种层，该晶种层包括一元素或合金以选自一第一组材料，其为钽、锆、铌、氮化钽、氮化锆、氮化铌及钌，及该元素或该合金以选自一第二组材料，其为镁、锶、钛、铝、钒、铪、硼、硅、镁锆及镁铌；
(b)一成长促进层，其藉由一镍铬或其合金所制成，该成长促进层接触该基底的顶部表面，且与具有本质垂直磁异向性的一覆盖式层叠层形成一界面；
(c)该层叠层具有本质垂直磁异向性；及
(d)一通道阻障层，其形成于具有本质垂直磁异向性的该层叠层上。
8.如权利要求7所述的磁性元件，其中该基底为单一层，其具有10～100埃的厚度。
9.如权利要求7所述的磁性元件，其中该基底为双层堆叠，其中选自该第一材料的该元素或该合金构成一下位层，及该元素或该合金选择该第二组材料构成一上位层且接触该成长促进层。
10.如权利要求7所述的磁性元件，其中该成长促进层的厚度为10～100埃，及该镍铬合金含有至少一元素选自硅、钒、铁、镁、锆、铌、钽、钛、铜Cu及钼Mo。
11.如权利要求7所述的磁性元件，其中具有本质垂直磁异向性的该层叠层为一自由层于一顶部自旋阀结构中，或是一参考层于一底部自旋阀结构中。
12.如权利要求7所述的磁性元件，其中具有本质垂直磁异向性的该层叠层具有一(A1/A2)n结构，该“A1”选自一或多个钴、镍及铁中的一第一金属或合金，该“A2”选自一或多个钴、铁、镍、钌、硅、钒、铑、铱、镁、镍铬、铂及钯中的一第二金属或合金，而该“n”为在该(A1/A2)n层叠结构的堆积数量。
13.如权利要求7所述的磁性元件，其中具有本质垂直磁异向性的该层叠层为一无序合金或一有序L10合金用的MT合成物，当中该“M”为铑、钯、铂及铱或其组合的合金，该“T”为铁、钴及镍或其组合的合金。
14.如权利要求12所述的磁性元件，其中该“A1”的金属或合金掺杂含硼50原子百分比。
15.如权利要求7所述的磁性元件，更包括一过渡层，其由钴铁、钴铁硼及钴或是其组成制造而成，该过渡层位于具有本质垂直磁异向性的该层叠层及该通道阻障层间。
16.如权利要求7所述的磁性元件，其中具有本质垂直磁异向性的该层叠层由(A1/A2)n/Co/Ru/Co/(A1/A2)p所组成，该“A1”选自一或多个钴、镍及铁中的一第一金属或合金，该“A2”选自一或多个钴、铁、镍、钌、硅、钒、铑、铱、镁、镍铬、铂及钯中的一第二金属或合金，而该“n”及该“p”分别在该(A1/A2)n及(A1/A2)p层叠结构的堆积数量。
17.如权利要求16所述的磁性元件，其中该“n”及该“p”为2～30，该二钴层分别邻接于该钌层中间，该二钴层分别具有1～10埃的厚度，及该钌层为反磁性耦合层且具有3～20埃的厚度。
18.如权利要求16所述的磁性元件，更包含一堆叠层，其具有一低钽层以接触具有本质垂直磁异向性的该层叠层的顶部，及一高过渡层接触该通道阻障层，该高过渡层由钴铁、钴铁硼及钴或是其组成制造而成。
19.如权利要求18所述的磁性元件，其中该低钽层具有0.5～3埃的厚度，及该过渡层具有6～14埃的厚度。
20.一种磁性穿隧接面，其包括：
(a)一第一基底，其包含至少一晶种层，该晶种层包括一选自一第一组材料的元素或合金，其为钽、锆、铌、氮化钽、氮化锆、氮化铌及钌，及选自一第二组材料的元素或合金，其为镁、锶、钛、铝、钒、铪、硼、硅、镁锆或镁铌；
(b)一第一成长促进层，其藉由一镍铬或其合金所制成，该第一成长促进层接触该基底的顶部表面，且与具有本质垂直磁异向性的一覆盖式层叠参考层形成一第一界面；
(c)具有本质垂直磁异向性的一层叠参考层；
(d)一通道阻障层，其形成于具有本质垂直磁异向性的该层叠参考层上；
(e)一自由层，其形成于该通道阻障层上；
(f)一第二基底，其接触于该自由层的顶部表面上，该第二基底包含至少一晶种层，该晶种层包括选自一第一组材料的元素或合金，其为钽、锆、铌、氮化钽、氮化锆、氮化铌及钌，及选自一第二组材料的元素或合金，其为镁、锶、钛、铝、钒、铪、硼、硅、镁锆或镁铌；
(g)一第二成长促进层，其藉由一镍铬或其合金所制成，该第二成长促进层接触于该第二基底的顶部表面上，且与一覆盖式偶极层形成一第二界面；及
(h)该偶极层具有本质垂直磁异向性。
21.如权利要求20所述的磁性穿隧接面，其中具有本质垂直磁异向性的该层叠参考层及该偶极层分别具有(A1/A2)n及(A1/A2)q结构，该“A1”选自一或多个钴、镍及铁中的一第一金属或合金，该“A2”选自一或多个钴、铁、镍、钌、硅、钒、铑、铱、镁、镍铬、铂及钯中的一第二金属或合金，而该“n”及该“q”为该层叠结构中的堆积数量。
22.如权利要求21所述的磁性穿隧接面，其中该“n”及该“q”为2～30。
23.如权利要求21所述的磁性穿隧接面，其中该“A1”的金属或合金掺杂含硼50原子百分比。
24.如权利要求20所述的磁性穿隧接面，其中该第一及该第二成长促进层分别具有10～100埃的厚度，及该镍铬合金含有至少一选自硅、钒、铁、镁、锆、铌、钽、钛、铜及钼的元素。
25.一种形成磁性穿隧接面的方法，其包含下列步骤：
(a)沉积一第一晶种层于一基板上，该第一晶种层选自一或多个钽、锆、铌、钽、氮化钽、氮化锆、氮化铌及钌的元素或合金；
(b)沉积一第二晶种层于该第一晶种层上，该第二晶种层选自一或多个镁、锶、钛、铝、钒、铪、硼、硅、镁锆及镁铌的元素或合金；
(c)沉积一由镍铬或其合金所制成的成长促进层，其接触该第二晶种层的顶部表面，且与具有本质垂直磁异向性的一覆盖式参考层形成一界面；及
(d)形成一堆叠复数层于该成长促进层上，该堆叠复数层包含具有本质垂直磁异向性的该参考层、一自由层及一通道阻障层，该通道阻障层位于该自由层及具有本质垂直磁异向性的该参考层间。
26.如权利要求25所述的形成磁性穿隧接面的方法，其中具有本质垂直磁异向性的该参考层为一层叠结构，并具有一(A1/A2)n结构，该“A1”选自一或多个钴、镍及铁中的一第一金属或合金，该“A2”选自一或多个钴、铁、镍、钌、硅、钒、铑、铱、镁、镍铬、铂及钯中的一第二金属或合金，而该“n”为层叠数量。
27.如权利要求26所述的形成磁性穿隧接面的方法，其中该“n”为2～30。
28.如权利要求26所述的形成磁性穿隧接面的方法，其中该“A1”的金属或合金掺杂含硼50原子百分比。
29.如权利要求26所述的形成磁性穿隧接面的方法，其中该成长促进层具有10～100埃的厚度，及该镍铬合金含有至少一选自硅、钒、铁、镁、锆、铌、钽、钛、铜及钼的元素。
30.如权利要求25所述的形成磁性穿隧接面的方法，更包括在形成该堆叠复数层于该成长促进层上之后进行一退火步骤，以400℃温度退火，及具有本质垂直磁异向性的该参考层于400℃退火后实质保持不变。
31.如权利要求26所述的形成磁性穿隧接面的方法，其中该通道阻障层为氧化镁，及形成该堆叠复数层于该成长促进层上更包含沉积一具有低钽层、一中间钴铁硼层及一高钴层的堆叠结构在具有本质垂直磁异向性的该参考层上，该高钴层接触氧化镁的该通道阻障层。
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