阅读说明：本技术 对于具有垂直磁异向性的磁性装置应用在高温退火后保持矫顽磁场 (Application to magnetic devices with perpendicular magnetic anisotropy for maintaining coercive field after high temperature annealing ) 是由 刘焕龙 李元仁 朱健 真杰诺 路克·汤马斯 王柏刚 童儒颖 裘地·玛丽·艾维塔 于 2018-03-06 设计创作，主要内容包括：公开一种具有垂直磁异向性的磁穿隧接面(PMA MTJ),其中自由层(14)与隧道位障(13)具有界面(20)以及与氧化物层(15)具有第二界面(21)。晶格匹配层(16-1)邻接氧化物层相对于自由层的相反侧,并且包含Co<Sub>x</Sub>FeyNi<Sub>z</Sub>L<Sub>w</Sub>M<Sub>v</Sub>或Co<Sub>x</Sub>FeyNi<Sub>z</Sub>L<Sub>w</Sub>,其中L是B、Zr、Nb、Hf、Mo、Cu、Cr、Mg、Ta、Ti、Au、Ag或P之一,且M是Mo、Mg、Ta、Cr、W或V之一,(x+y+z+w+v)＝100原子百分比,x+y>0,且v和w各自>0。晶格匹配层在约400℃的退火期间成长体心立方结构,借此促进体心立方结构在氧化物层中的成长。结果,增强并维持自由层垂直磁异向性以产生改善的热稳定性。(A magnetic tunneling junction (PMA MTJ) with perpendicular magnetic anisotropy is disclosed, in which a free layer (14) has an interface (20) with a tunnel barrier (13) and a second interface (21) with an oxide layer (15). A lattice matching layer (16-1) is adjacent to the opposite side of the oxide layer from the free layer and comprises Co x FeyNi z L w M v Or Co x FeyNi z L w Wherein L is for B, Zr, Nb, Hf, Mo, Cu, Cr, Mg, Ta, Ti, Au, Ag or P, and M is for Mo, Mg, Ta, Cr, W or V, (x + y + z +w + v) 100 atomic percent, x + y>0, and v and w are each>0. The lattice matching layer grows a body centered cubic structure during an anneal at about 400 ℃, thereby promoting growth of the body centered cubic structure in the oxide layer. As a result, the perpendicular magnetic anisotropy of the free layer is enhanced and maintained to result in improved thermal stability.)

对于具有垂直磁异向性的磁性装置应用在高温退火后保持矫 顽磁场

相关专利申请

本申请涉及美国专利9,147,833；以及美国专利9,425,387；转让至普通受让人，并整体引入作为参考。

技术领域

本发明实施例涉及具有磁穿隧接面(magnetic tunnel junctions，MTJ)的磁性装置，其具有垂直磁异向性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)，且特别涉及在盖层和顶电极之间***晶格匹配(lattice-matching)层，以在随后的退火或在以约400℃的高温进行半导体制程期间，在磁穿隧接面堆叠中保持矫顽磁性(coercivity，Hc)。

背景技术

磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)具有基于磁穿隧接面堆叠中的穿隧磁阻(tunneling magnetoresistive，TMR)效应的读取功能，其中在自由层和参考层之间形成了隧道位障(tunnel barrier)。自由层通过响应于外部场(介质场(media field))切换其磁矩方向来作为感测层，而参考层具有固定的磁矩。

包含磁穿隧接面元件的磁阻式随机存取存储器装置，其中自由层和参考层之一或两者具有垂直磁异向性，优于采用面内(in-plane)异向性的磁阻式随机存取存储器装置，因为前者的优点是对于相同的热稳定性有较低写入电流，以及较佳可扩充性(scalability)。在具有垂直磁异向性的磁穿隧接面中，为存储器位元(bit)存储信息的自由层具有两个优选的磁化方向，这些方向垂直于自由层的物理平面。在没有外部影响的情况下，自由层的磁化方向会与这两个优选方向之一对准，优选方向即向上或向下，表示二进位制系统中的信息“1”或“0”。对于存储器应用，预期在读取操作和空载(idle)期间保持自由层磁化方向，但如果要存储的新信息与其当前的存储状态不同，则在写入操作期间会变为相反的方向。在空载期间保持自由层磁化方向的能力称为数据保持(data retention)或热稳定性，并且对每种存储器应用有不同的要求。典型的非挥发性(non-volatile)存储器装置可能需要在125℃的高温下约10年的热稳定性。

对于传统的以CoFeB为主的自由层，垂直磁异向性源自CoFeB自由层和MgO隧道位障之间的界面。然而，具有横向尺寸大于十倍厚度的自由层的物理形状容易引起面内异向性，其中自由层(free layer，FL)的磁化方向会在自由层的平面内。此外，随着自由层厚度(体积)增加，自由层的大部分会远离自由层/隧道位障界面，在此界面处会产生垂直磁异向性。因此，进一步减少垂直磁异向性，直到自由层厚度值足够大时，自由层异向性才完全在“面内”。因此，具有垂直磁异向性磁穿隧接面的磁阻式随机存取存储器装置的热稳定性受到限制，因为物理定律预测热稳定性与矫顽磁场(Hc)和自由层磁矩的乘积成比例，其中Hc是反转自由层磁化方向所需的最小磁场。同样地，Hc与垂直磁异向性直接相关，因为自由层的较大垂直磁异向性转换为较高的Hc，反之亦然。虽然较大的自由层厚度可以提供较高的磁矩，但要权衡的是降低垂直磁异向性和矫顽磁性。通常而言，存在最佳的自由层厚度以实现最佳的热稳定性。

热稳定性是垂直异向性场的函数，如式(1)所示，其中k_B是波兹曼(Boltzmann)常数，T是温度，M_S是饱和磁化强度，以及

和V分别是自由层的面外(out-of-plane)异向性场和体积：

(1)

磁性层的垂直异向性场在式(2)中表示为：

(2)

其中d是自由层的厚度，H_k,χ,⊥是垂直方向上的结晶异向性场，以及

是自由层顶表面和底表面的表面垂直异向性。形状异向性场以用语(-4πM_S)表示。

为了通过增加值来提升热稳定性，通常在自由层的相对于隧道位障的相反侧上引入第二自由层/金属氧化物界面。金属氧化物可以是另一个MgO层，并且通常被称为盖层或磁异向性(Hk)增强层。因此，MgO/FL/MgO堆叠会显着增加自由层中的总垂直磁异向性，借此允许更厚的自由层和更高的热稳定性。盖层通常接触称为硬遮罩的最上方的磁穿隧接面层，此磁穿隧接面层又连接到顶电极，并经由顶电极阵列连接到存储器芯片中的互补式金属氧化物半导体(complementary-metal-oxide-semiconductor，CMOS)元件。硬遮罩材料通常是金属或合金，例如Ta、Ru、Mo、MnPt及其导电氧化物和氮化物，如制造集成电路的常规技术所要求的。硬遮罩的厚度通常大于其他磁穿隧接面层的总厚度，通常约为100埃(Angstroms)。

由于磁穿隧接面元件实施于互补式金属氧化物半导体装置中，因此垂直磁异向性磁穿隧接面必须能够在30分钟内承受高达约400℃的退火温度，这通常用于提升互补式金属氧化物半导体元件对于半导体用途的品质。广泛认为，当邻接的CoFeB和MgO层两者皆具有匹配的体心立方(body-centered cubic，BCC)结构时，两者之间的界面垂直磁异向性可以最佳化。在退火期间，非晶(amorphous)CoFeB和MgO层通常从非晶态转变为体心立方结构。然而，通过金属从硬遮罩扩散到盖层中，垂直磁异向性容易衰减，借此中断盖层中的体心立方形成过程。因此，需要改良的磁穿隧接面结构，使盖层能够实现纯体心立方结构，进而提高垂直磁异向性磁穿隧接面在高达400℃的高温下的热稳定性，400℃的高温是典型的后端(back end of line，BEOL)半导体制程。

发明内容

本发明实施例的一个目的是提供一种磁性装置中的磁穿隧接面堆叠，其中自由层具有垂直磁异向性和矫顽磁性(Hc)，其在包含在高达400℃的温度下退火多个小时的高温处理之后保持。

本发明实施例的第二目的是提供根据第一目的的磁穿隧接面叠层，使得其他特性保持在可接受的程度，其他特性包含穿隧磁阻比和电阻面积乘积(resistance x area，RA)值。

根据本发明实施例中的一个实施例，这些目的通过在底部自旋阀(spin valve)结构具有参考层(RL)/隧道位障/自由层(FL)/氧化物层堆叠的情况下配置具有垂直磁异向性(PMA MTJ)的磁隧道接面来实现，以在氧化物层(盖层)和上方的硬遮罩之间包含晶格匹配层。晶格匹配层使盖层能够从非晶态转变为体心立方结构，以匹配在自由层中形成的体心立方结构，借此在自由层/氧化物层界面提供最佳的界面磁异向性。在替代实施例中，其中磁穿隧接面在顶部自旋阀结构中具有氧化物层/自由层/隧道位障/参考层堆叠并且氧化物层作为Hk增强层，晶格匹配层***氧化物层和底电极之间。因此，自由层沿着其顶表面和底表面两者与氧化物层交界以在其中感应或增强垂直磁异向性。可以包含额外的膜层，例如形成于磁穿隧接面堆叠底部的晶种层(seed layer)，以及作为磁穿隧接面层最上层的硬遮罩。

根据一个实施例，晶格匹配层是双层，其中第一层由例如Co_XFe_YNi_ZL_W的磁性材料形成，其中L是B、Zr、Nb、Hf、Mo、Cu、Cr、Mg、Ta、Ti、Au、Ag或P之一，并且(x+y+z+w)＝100原子百分比，x+y>0，且w>0。Co_XFe_YNi_ZL_W层接触底部自旋阀配置中的氧化物层的顶表面，或顶部自旋阀配置中的氧化物层的底表面。此外，存在非磁性金属或合金的第二层，其相对于氧化物层邻接第一层的相反侧。第二层优选为Mo、Ta、Mg、Cr、V、Ru或W之一。第二层用于有效消除第一层和自由层之间的磁相互作用，并且优选在接近400℃的温度下保持非晶态，借此阻挡非磁性金属从硬遮罩、顶电极或底电极迁移到Co_XFe_YNi_ZL_W层中，并避免破坏在Co_XFe_YNi_ZL_W层中形成的体心立方结构。

在另一实施例中，晶格匹配层可以是作为第一和第二层材料的合金的单层。举例来说，在将金属或合金M沉积于Co_XFe_YNi_ZL_W层上期间，可以将后者重新溅镀(resputtered)以形成由Co_XFe_YNi_ZL_WM_V表示膜层，其中w和v均大于0。在这种情况下，M的较低浓度可以形成为比晶格匹配层的上部更接近盖层。在又一实施例中，将M材料的沉积控制到仅第一层的上部被重新溅镀的程度。结果，可以在底部自旋阀配置中的盖层上形成Co_XFe_YNi_ZL_W/Co_XFe_YNi_ZL_WM_V/M三层堆叠。

本发明实施例还包含其中晶格匹配层具有双层或三层配置的实施例，其中第一层是Ru、Ta、Ti或Si的氧化物或氮化物，第一层具有邻接氧化物层的第一表面以及与第一表面相反的第二表面，第二表面接触第二层，第二层包含一个或多个M元素，M元素为Mo、Ta、Mg、Cr、V、Ru和W，或接触具有Co_XFe_YNi_ZL_W/M组成的堆叠。

在具有顶部自旋阀配置的垂直磁异向性磁穿隧接面中，可选的晶种层形成于底电极上。当省略晶种层时，包含金属或合金M的第二层可以作为底电极上的晶种层。此外，可以沉积多个M材料，使得第二层例如是双层或三层。之后，将由Co_XFe_YNi_ZL_W形成的第一层沉积于第二层上，以提供用于晶格匹配层的M/Co_XFe_YNi_ZL_W双层配置。在一些实施例中，重新溅镀一定量的第二层以产生用于晶格匹配层的M/Co_XFe_YNi_ZL_WM/Co_XFe_YNi_ZL_W三层配置，或者可以完全重新溅镀M层，然后与Co_XFe_YNi_ZL_W合金共沉积以产生具有Co_XFe_YNi_ZL_WM_V组成的单一晶格匹配层。

自由层可以是由Co、Fe或其合金形成的单层，具有包含Ni和B中的一或多个元素。在替代实施例中，自由层具有由反铁磁(antiferromagnetic)耦合层隔开的两个磁性层FL1和FL2，反铁磁耦合层例如为Ru，或由作为磁矩稀释层(moment diluting layer)的Ta或类似的材料的非磁性***层隔开。参考层邻接隧道位障的与自由层相反的表面。在一优选实施例中，参考层具有合成反平行(synthetic antiparallel，SyAP)配置，其中例如经由Ru层反铁磁地耦合两个称为AP1和AP2的磁性层。

在放置磁穿隧接面中的所有层之后，应用常规制程将磁穿隧接面堆叠转换为多个磁穿隧接面元件。在随后的步骤中，进行包含约400℃的温度的退火制程，以将自由层、隧道位障和氧化物层的非晶特性转变为体心立方晶体结构，借此增强自由层垂直磁异向性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的第一实施例的具有底部自旋阀设计的垂直磁异向性磁穿隧接面的剖面示意图，其中具有双层结构的晶格匹配层形成于盖层和顶电极之间。

图2是根据本发明实施例的第二实施例的具有底部自旋阀设计的垂直磁异向性磁穿隧接面的剖面示意图，其中晶格匹配单层形成于盖层和顶电极之间。

图3是根据本发明实施例的第三实施例的具有底部自旋阀设计的垂直磁异向性磁穿隧接面的剖面示意图，其中具有双层结构的晶格匹配层形成于盖层和顶电极之间。

图4和图5是根据本发明实施例的第四和第五实施例的具有底部自旋阀设计的垂直磁异向性磁穿隧接面的剖面示意图，其中具有三层堆叠的晶格匹配层形成于盖层和顶电极之间。

图6是根据本发明实施例的第六实施例的具有顶部自旋阀设计的垂直磁异向性磁穿隧接面的剖面示意图，其中具有三层结构的晶格匹配层形成于Hk增强层和底电极(bottom electrode，BE)之间。

图7是根据本发明实施例的第七实施例的具有顶部自旋阀设计的垂直磁异向性磁穿隧接面的剖面示意图，其中具有双层结构的晶格匹配层形成于Hk增强层和底电极之间。

图8是根据本发明实施例的第八实施例的具有顶部自旋阀设计的垂直磁异向性磁穿隧接面的剖面示意图，其中晶格匹配单层形成于Hk增强层和底电极之间。

图9是根据本发明实施例的第九实施例的垂直磁异向性磁穿隧接面(顶部自旋阀设计)的剖面示意图，其中具有双层堆叠的晶格匹配层形成于Hk增强层和底电极之间。

图10是根据本发明实施例的第十实施例的顶部自旋阀垂直磁异向性磁穿隧接面的剖面示意图，其中具有三层结构的晶格匹配层形成于Hk增强层和底电极之间。

图11至图14根据本发明实施例中的一些实施例描绘在具有底部自旋阀设计的垂直磁异向性磁穿隧接面的制造期间的一系列步骤的剖面示意图。

具体实施方式

本发明实施例是一种垂直磁异向性磁穿隧接面元件，其中由于自由层与隧道位障和氧化物层交界而建立的垂直磁异向性(PMA)，自由层具有对至少400℃的热稳定性，并且其中晶格匹配层使氧化物层转变成体心立方结构，以匹配形成于自由层中的体心立方结构。垂直磁异向性磁穿隧接面元件可用于磁性存储器装置(例如磁阻式随机存取存储器和自旋转矩(spin-torque)磁阻式随机存取存储器)以及自旋电子(spintronic)装置(例如微波辅助磁记录(microwave assisted magnetic recording，MAMR)、自旋转矩振荡器(spintorque oscillator，STO)、磁感测器和生物感测器)。如发明所属领域中技术人员所理解的，垂直磁异向性磁穿隧接面可以具有底部自旋阀、顶部自旋阀或双自旋阀设计。虽然在存储器装置的制造期间通常在基底上形成多个垂直磁异向性磁穿隧接面元件，但在例示性实施例中仅示出一个垂直磁异向性磁穿隧接面以简化附图。当涉及在邻接的自由层中引起垂直磁异向性的氧化物层时，用语“Hk增强层”和“盖层”可以互换使用。如本发明实施例所定义的盖层的位置在垂直磁异向性磁穿隧接面堆叠中的自由层上方，并且Hk增强层可以在顶部自旋阀中接触自由层的底表面，或可以在底部自旋阀设计中接触自由层的顶表面。

在相关的美国专利9,147,833中，我们公开使用积层的(laminated)Hk增强层以在400℃退火之后在垂直磁异向性磁穿隧接面元件中实现高矫顽磁性。在美国专利9,425,387中，我们公开一种垂直磁异向性磁穿隧接面，其中在Hk增强层和上方的硬遮罩之间***扩散阻障层，以防止硬遮罩中的金属迁移到Hk增强层中并稀释建立在自由层/Hk增强层界面处的界面垂直磁异向性。换句话说，通过阻挡金属进入Hk增强层中来保持Hk增强层中的高含氧量。因此，实现较佳矫顽磁性和较高热稳定性。

现在我们发现，可以通过以下称为晶格匹配层的膜层进一步改善具有隧道位障/自由层/金属氧化物层堆叠的垂直磁异向性磁穿隧接面中的矫顽磁性(Hc)，晶格匹配层在背离自由位障的一侧邻接氧化物层，并具有确保氧化物层会从非晶态完全转变为体心立方(BCC)结构的关键部件。应理解的是，例如MgO的隧道位障在退火期间被转变成体心立方层，借此帮助邻接的自由层通过第一界面实现体心立方结构。自由层和晶格匹配层中的体心立方结构的成长都会影响高温退火或在约400℃下的处理期间氧化物层中类似的体心立方成长。由于隧道位障与自由层之间以及自由层与氧化物层之间的体心立方晶格匹配，在自由层中实现并保持较高程度的垂直磁异向性。在图1至图4描绘的实施例中，氧化物层可以是形成在自由层和上方的硬遮罩之间的盖层，或在图5至图8所示的另一组实施例中，氧化物层可以是位于底电极与自由层之间的Hk增强层。

参照图1，根据本发明实施例的第一实施例示出具有侧壁1s的垂直磁异向性磁穿隧接面1，其中可选的晶种层11、参考层12、隧道位障13、自由层14、盖层15、晶格匹配层16和硬遮罩17按序形成于磁阻式随机存取存储器、自旋转矩磁阻式随机存取存储器或自旋电子装置中的底电极10上。底电极可以形成于基底(未示出)上，在一些实施例中的基底是半导体结构，其可以包含晶体管和其他相关控制装置。在自旋转矩振荡器装置中，底电极可以是主磁极(main pole)层。通常在具有至少一个氧化腔室和蚀刻腔室的溅镀沉积主体结构(mainframe)中溅镀沉积所有膜层。在一优选实施例中，隧道位障的形成通过沉积第一金属层的第一步骤，进行自然氧化或自由基氧化以将第一金属转变为第一金属氧化物，然后在第一金属氧化物上沉积第二金属的第二步骤。可以在沉积最上层金属层之前重复第一步骤和第二步骤。在随后的退火制程期间，第二或最上层金属层从自由层和下方的金属氧化物层吸收氧，以产生大致上均匀的金属氧化物层。应理解的是，在自旋转矩振荡器装置中，参考层作为自旋注入层(spin injection layer，SIL)且自由层作为场产生层(fieldgeneration layer，FGL)。

优选地，晶种层11用于保持或增强参考层12中的垂直磁异向性，并促进上方的垂直磁异向性磁穿隧接面层中的平滑且均匀的晶体成长。晶种层可以是NiCr、NiFeCr、Pd、Pt、Ta、Ru、Mg、Ti、Mo或发明所属领域中使用的其他金属或合金中的一或多个。

参考层12优选地是具有AP2/耦合层/AP1配置的合成反平行叠层，其中AP1层与隧道位障具有界面，且AP1和AP2各自是Co、Fe、CoFe或其合金中的一或多个，其可以具有额外元素，包含Ni和B之一或两者。因为Ru、Rh、Ir或其他反铁磁(anti-ferromagnetic，AFM)耦合层提供的反铁磁耦合，AP1和AP2层具有相反方向的磁矩。经由参考层12与隧道位障13的界面在参考层12中感应或增强垂直磁异向性。在另一实施例中，AP1和AP2层之一或两者是(Co/Ni)_n、(Co/Pd)_n、(Co/Pt)_n、(CoFe/Ni)_n、(Co/NiFe)_n、(Co/NiCo)_n或其他显示本质垂直磁异向性的积层结构，其中n在2和30之间。优选地，积层结构中的每个Co或Co合金层的厚度在0.5至5埃，而每个Pd、Pt、Ni或Ni合金层的厚度在2至10埃。Co或Co合金层通常比Ni、Ni合金、Pt或Pd层薄。

当AP1层包含上述积层结构之一时，可以***Co、CoFe或CoFeB的过渡(transition)层，其作为AP1堆叠中的最上层。在一些实施例中，可以形成CoFeB/Co过渡层，其中CoFeB部分的厚度为4至8埃，而Co层部分的厚度为3至5埃。因为Co比CoFeB(或CoFe)层更耐氧化，Co通常作为参考层堆叠中的最上层，以与隧道位障层形成界面。换句话说，在退火期间，氧能够从MgO隧道位障层中迁移到参考层中，借此引起例如CoFeB的部分氧化，这导致穿隧磁阻比降低。

隧道位障层13可以是在参考层和自由层之间引起自旋相关的穿隧效应的任何金属氧化物层。虽然因为MgO提供最佳的穿隧磁阻比而通常以MgO为佳，但其他材料也可以作为隧道位障，包含MgN、MgON和Al、Ti、Zn、Hf、AlTi、MgZn、MgTa或Ta的氧化物、氮化物或氮氧化物。此外，可以选择一或多个前述材料的积层作为隧道位障。

在底部自旋阀设计中，自由层14邻接隧道位障13的顶表面，并且根据一个实施例，自由层14是单层，其是Co、Fe、CoFe或其合金之一，并且具有可选的额外元素，包含Ni和B之一或两者。然而，由FL1/FL2或FL1/FL2/FL3表示的双层或三层配置，其中FL1、FL2和FL3中的每一个是由Co、Fe、CoFe或其合金形成的磁性层，其中经由铁磁耦合，两层或三层的所有磁矩沿相同方向排列。合金包含Ni、B和过渡金属元素之一或两个，过渡金属元素包含Ta、Zr、Hf、Mg、Mo和Nb。在其他实施例中，自由层具有FL1/Ru/FL2配置，其中FL1和FL2层是反铁磁耦合。在又另一实施例中，自由层是前述关于参考层组成描述的积层结构之一。(Co/Ni)_n或类似的组成的积层结构被认为具有本质垂直磁异向性。

在一些实施例中，自由层14具有FL1/A/FL2堆叠，其中A是厚度为5至10埃的膜层并且由提供磁矩稀释作用的非磁性元素形成，例如Ta、Ti、W、Zr、Hf、Nb、Mo、V、Mg或Cr。FL1和FL2层经由A层铁磁耦合。换句话说，对于固定的自由层厚度d，FL1/A/FL2配置会比FL1/FL2堆叠具有更小的面内磁化分量。因此，在隧道位障和自由层之间的界面20处以及在自由层和盖层之间的界面21处的界面垂直异向性较容易克服形状异向性场，并且在具有FL1/A/FL2配置的自由层中产生大量的垂直磁异向性。

自由层通过在与隧道位障层13的第一界面20相邻的部分以及在与Hk增强层的第二界面21相邻的部分中产生的界面垂直异向性来感应或增强自由层中的垂直磁异向性，Hk增强层在底部自旋阀设计为盖层15。优选地，界面(表面)垂直异向性超过自由层的形状异向性场，以提供垂直磁异向性和垂直于两个界面的净磁化方向。结果，相较于具有面内磁化的自由层，此自由层会具有较高的热稳定性，并且在高达约400℃的高温处理之后具有较高Hc。应注意的是，自由层14的厚度在前述的式(4)中以“d”表示。因此，随着“d”的值减少，垂直异向性场增加。我们已经发现，通过保持图1中的厚度d于5至25埃的范围，在自由层中建立垂直磁异向性。在许多自由层配置中，如果厚度d大于约25埃，则形状异向性场太大而无法被面外分量克服，并且自由层的净磁化强度保持在面内。

盖层15形成于自由层14上，并且优选地由氧化物形成，氧化物是MgTaOx、MgO、SiOx、SrTiOx、BaTiOx、CaTiOx、LaAlOx、MnOx、VOx、Al₂O₃、TiOx、BOx和HfOx之一。在一些实施例中，盖层是一或多种前述氧化物的积层。优选地，盖层是具有非化学计量的氧化态的MgO，其中特定数量的Mg原子保持未氧化，以在其中实现小于约1ohm-μm²的RA值，此RA值大致上小于隧道位障的RA值。在一些情况下，由总和(RA_隧道位障+RA_盖层)表示的垂直磁异向性磁穿隧接面的总RA小于5ohm-μm²，而在其他实施例中，总RA值小于20ohm-μm²。盖层的形成可以通过与用于隧道位障的形成制程相似的制程，在此制程中沉积金属或合金层，然后通过自由基氧化(radical oxidation，ROX)或自然氧化(natural oxidation，NOX)制程将金属或合金层氧化成化学计量或非化学计量的氧化态。由于氧化物盖层有助于垂直磁异向性磁穿隧接面的电阻面积乘积(RA)值，但不会增加穿隧磁阻比，因此盖层的厚度最好最小化为2至20埃的值，以避免不想要的高总RA值。

本发明实施例的关键部件是在盖层和上方的硬遮罩17之间形成的晶格匹配层16。晶格匹配层用于在随后的高温处理期间阻挡硬遮罩的结构的影响，此高温处理包含在400℃下退火数小时。结果，在400℃处理期间，盖层从非晶特性转变为体心立方结构，而自由层成长体心立方结构。因此，由于自由层与盖层的晶格匹配，在自由层中达到较高的垂直磁异向性。在现有技术中，硬遮罩金属或合金接触氧化物盖层，并且倾向于防止部分或整个盖层形成体心立方结构，借此限制自由层中的垂直磁异向性。

在第一实施例中，晶格匹配层16-1具有双层结构，其下层16a由磁性材料形成且厚度为2至10埃，而上层16b为单层或多层堆叠，包含一或多个非磁性金属或M元素的合金，其中M为Mo、Mg、Ta、Cr、W、Ru或V中的一或多个。上层用于有效消除下层对自由层的磁性影响，使下层不会影响自由层中的开关行为。下层以具有Co_XFe_YNi_ZL_W组成为佳，其中L是B、Zr、Nb、Hf、Mo、Cu、Cr、Mg、Ta、Ti、Au、Ag或P之一，并且(x+y+z+w)＝100原子百分比，x+y>0，且w>0。在前述400℃退火制程之后，下层16a具有有限的磁矩。此外，“x”和“z”可以为零以产生FeL下层，或者“y”和“z”可以为零以产生CoL下层。取决于L的含量以在沉积的下层中提供非晶特性，并且在400℃退火期间使体心立方在下层中成长。

如前所述，因为盖层很薄，下层的磁矩接近自由层，通常经由电流下的自旋极化或磁偶极场(magnetic dipole field)来影响垂直磁异向性磁穿隧接面。然而，在下层的顶表面上形成厚度为2至10埃的M层除去了下层对自由层的任何不想要的影响。在退火期间，CoFeNiL层成长体心立方结构，借此经由界面22在盖层15中引起相似的体心立方成长。通常在接近400℃的温度下30分钟之后完成体心立方晶体成长。然而，随着非磁性元素L含量增加，从非晶态转变为体心立方结构所需的时间可能会增加。

在晶格匹配层16-1上方的是硬遮罩17，其厚度在约50至300埃的范围且具有顶表面17t。在包含光刻胶图案化和蚀刻的后续制程期间(图8)，硬遮罩作为对下方的垂直磁异向性磁穿隧接面层的保护层，并且在图11所示的化学机械研磨(chemical mechanicalpolish，CMP)制程期间提供对化学物质和研磨料的抵抗力，在化学机械研磨中，硬遮罩的顶表面被平坦化，使得硬遮罩的顶表面与邻接的绝缘层共平面。硬遮罩也作为从垂直磁异向性磁穿隧接面到顶电极40(图12)的电连接，并提供显着的抗氧化能力。硬遮罩优选地由Ta、Ru、Ti、Mo或MnPt或其导电氧化物、氧氮化物或氮化物中的一或多个形成。

根据图2所示的第二实施例，具有侧壁2s的垂直磁异向性磁穿隧接面2保留前述第一实施例中除了晶格匹配层以外的所有层。本发明实施例预期在下层16a上沉积M层可大致上重新溅镀所有下层，使得磁性材料和M元素共沉积于盖层15上，以产生厚度为2至10埃的单晶格匹配层16c，并且具有Co_XFe_YNi_ZL_WM_V成分，其中(x+y+z+w+v)＝100原子百分比，x+y>0，且v和w均>0。在此，M含量可能对于在晶格匹配层中产生净非磁性部件是重要的。在一些实施例中，M含量可以在CoFeNiLM层内均匀地分布。在其他实施例中，晶格匹配层16c在下部中的M含量可以小于在上部中的M含量，下部接近盖层，上部接近硬遮罩17。在退火期间，CoFeNiLM层成长体心立方结构，借此经由界面22在盖层15中引起相似的体心立方成长。应理解的是，随着层16c中非磁性含量(v+w原子百分比)增加，完成晶格匹配层中体心立方成长所需的时间也会增加。

在图3所示的第三实施例中，在Co_XFe_YNi_ZL_W层上沉积M材料不仅可以形成具有与盖层15的界面22的Co_XFe_YNi_ZL_WM_V层16c，而且可以在Co_XFe_YNi_ZL_WM_V层上产生M层16b以提供晶格匹配层16-2，其是具有16c/16b配置的双层堆叠。在具有侧壁3s的垂直磁异向性磁穿隧接面3中，层16b、16c各自具有2埃至10埃的厚度。如前述实施例中，在接近400℃的高温退火期间，CoFeNiLM层成长体心立方结构，借此在邻接的盖层中促进体心立方成长。

本发明实施例还包含图4中描绘的第四实施例，其中具有侧壁4s的垂直磁异向性磁穿隧接面4保留垂直磁异向性磁穿隧接面1中的所有层，除了晶格匹配层16-3具有三层配置。具体而言，可以将M沉积制程控制到仅重新溅镀下层16a的上部的程度，以在层16a上形成Co_XFe_YNi_ZL_WM_V合金层16c。此外，可以在层16c的顶表面上形成M层16b，以提供用于晶格匹配层16-3的16a/16c/16b堆叠，其以CoFeNiL/CoFeNiLM/M配置表示。或者，M层沉积可以重新溅镀下层的上部，以产生具有用于晶格匹配层16-3的CoFeNiL/CoFeNiLM配置的16a/16c双层。

图5示出本发明实施例的第五实施例且是第一实施例的修改。具体而言，可以将晶格匹配层16d***晶格匹配层16a和氧化物层15之间，晶格匹配层16d是Ru、Ta、Ti或Si的氧化物或氮化物，以产生具有侧壁5s的垂直磁异向性磁穿隧接面5。优选地，层16d在沉积时是非晶态，且在高温退火期间成长体心立方结构以促进在邻接的氧化物层中的体心立方成长。此外，晶格匹配层16d可以导电，以避免对总RA值的额外贡献。当晶格匹配层16d导电时，层16d的厚度可以高达80埃，使得堆叠16-4的总厚度为2至100埃。因此，晶格匹配层堆叠16-4具有由16d/16a/16b表示的三层配置，其中层16b接触硬遮罩17。在替代实施例中，可以省略层16a以提供16d/16b双层配置，例如TiN/Ru。

图6是本发明实施例的第六实施例，其包含图5中的所有磁穿隧接面层，除了垂直磁异向性磁穿隧接面5’具有顶部自旋阀配置，其中在底电极10上按序形成可选的晶种层11、层16b、可选的层16a和层16d、Hk增强层15、自由层14、隧道位障13、参考层12和硬遮罩17。在一些实施例中，因为层16b中的M元素的单层或多层结构可以作为合适的晶种层而省略晶种层。

本发明实施例还预期具有顶部自旋阀配置的第七实施例，如图7中的具有侧壁1s的垂直磁异向性磁穿隧接面1’所示。除了形成顺序不同，保留来自图1的所有层。具体而言，在底电极10上按序形成可选的晶种层11、晶格匹配层16-1、Hk增强层15、自由层14、隧道位障13、参考层12和硬遮罩17。自由层的底表面和Hk增强层的顶表面之间具有第一界面21、以及自由层的顶表面和隧道位障的底表面之间具有第二界面20，这些界面在自由层中产生界面垂直异向性和垂直磁异向性。在一些实施例中，省略晶种层11，因为层16b中的一或多个M元素有效地作为晶种层，其促进上方的层均匀成长。在此实施例中，Co_XFe_YNi_ZL_W层16a形成于M层16b的顶表面上，并且界面22位于Hk增强层15的下表面和层16a的上表面上。实现关于图1至图5中的底部自旋阀的实施例的类似优点。亦即，由于在退火期间，在层16a中的体心立方成长在Hk增强层中引起类似的体心立方成长，因此在自由层14中获得较大的垂直磁异向性。因为将Hk增强层中的大致上所有非晶特性转变为体心立方结构，在界面21处具有较高程度的界面垂直异向性，并且改善与自由层的晶格匹配。因此，在约400℃的高温处理数个小时之后，在自由层中保持热稳定性和矫顽磁性。

在另一顶部自旋阀实施例中，描绘成图8中具有侧壁2s的垂直磁异向性磁穿隧接面2，保留来自图2的所有层，其中晶格匹配层16c是具有前述Co_XFe_YNi_ZL_WM_V组成的单层。本发明实施例预期Co_XFe_YNi_ZL_W磁性材料在M层上的沉积可以重新溅镀所有M材料，然后与CoFeNiL材料共沉积。M材料可以均匀分布于CoFeNiLM层中。在其他实施例中，层16c的下部中的M含量可以高于邻近Hk增强层15的上部中的M含量。在接近400℃的温度下的高温退火期间，CoFeNiLM层成长体心立方结构，借此促进邻接的Hk增强层中的体心立方结构成长，使其与自由层14中的体心立方成长晶格匹配。

根据图9示出的本发明实施例的第九实施例，具有侧壁3s的垂直磁异向性磁穿隧接面3’形成为具有顶部自旋阀结构，其保留来自图7的所有层，除了具有16b/16c双层堆叠的晶格匹配层16-2具有形成于M层16b上的Co_XFe_YNi_ZL_WM_V层16c。换句话说，可以控制前述在M层上的Co_XFe_YNi_ZL_W层沉积，使得仅重新溅镀M层的上部，然后与Co_XFe_YNi_ZL_W材料共沉积以产生Co_XFe_YNi_ZL_WM_V合金层16c。如前述实施例，CoFeNiLM层对于促进在相邻的Hk增强层15中的体心立方结构成长是重要的。如此一来，Hk增强层形成的晶体结构与自由层14的晶体结构匹配，借此在接近400℃的高温处理数个小时期间，大致上保持自由层中的垂直磁异向性。因此，相较于现有技术的垂直磁异向性磁穿隧接面设计，实现较高的Hc和改善的热稳定性。

参照图10，本发明实施例包含描绘为具有侧壁4s的垂直磁异向性磁穿隧接面4’的第十实施例，其中保留来自图4中的顶部自旋阀结构的所有层，除了晶格匹配层16-3具有由16b/16c/16a表示的三层配置，三层配置具有前述M/CoFeNiLM/CoFeNiL叠层。在此，可以控制Co_XFe_YNi_ZL_W材料在M层16b上的沉积，使得仅重新溅镀M层的上部，以在下层16b上产生Co_XFe_YNi_ZL_WM_V层16c。然后，继续沉积Co_XFe_YNi_ZL_W层，使得CoFeNiL层16a形成于层16c上。在此，层16a～16c各自的厚度为2至10埃。因此，如前所述，CoFeNiL层在界面22处接触Hk增强层15，并对于在包含温度接近400℃的退火制程期间，确保在Hk增强层中形成体心立方结构是重要的。

本发明实施例还包含垂直磁异向性磁穿隧接面元件的形成方法，其具有在图1至图10所示的实施例之一公开的构造。参照图11，在包含底电极层10的基底上形成垂直磁异向性磁穿隧接面叠层。根据第一底部自旋阀实施例，在基底上按序形成晶种层11、参考层12、隧道位障13、自由层14、盖层15、晶格匹配层16-1和硬遮罩17。应理解的是，晶格匹配层16c、16-2、16-3或16-4可以取代层16-1。可以通过溅镀沉积技术来沉积所有层。在优选实施例中，隧道层的形成通过沉积第一金属(或合金)层，用自然氧化或自由基氧化方法将第一金属层氧化，然后在氧化的第一金属层上沉积第二金属或合金层。在一些情况下，可以将第二金属层氧化，并且在氧化的第二金属层上沉积第三金属层。通常而言，在随后的退火制程期间，通过清除邻接层中的氧而将第三金属层氧化。

参照图12，将光刻胶层沉积于硬遮罩的顶表面17t上，并通过常规方法进行图案化曝光和显影，以形成具有以俯视示意图(未示出)的在磁阻式随机存取存储器、自旋转矩磁阻式随机存取存储器或自旋电子装置的所需形状的光刻胶遮罩30。此后，使用离子束蚀刻或反应性离子蚀刻以将光刻胶遮罩图案转移穿过下方的层，以形成在底电极顶表面10t上停止的侧壁1s。在例示性实施例中，侧壁1s和50s沿着大致上垂直于底电极10的顶表面的连续表面形成。在其他实施例中，侧壁1s可以倾斜地对准，使得晶种层在x轴方向上的宽度大于硬遮罩17。在此，垂直磁异向性磁穿隧接面层各自的厚度与沿y轴方向的距离有关。优选地，自由层14和参考层12在(+)y轴或(-)y轴方向上具有磁化强度。

参照图13，在顶表面10t和侧壁1s上沉积绝缘层25，例如氧化铝或SiO₂，绝缘层25的厚度至少等于垂直磁异向性磁穿隧接面叠层的厚度。然后，进行化学机械研磨(CMP)制程以移除光刻胶遮罩并在绝缘层上形成顶表面25t，顶表面25t与垂直磁异向性磁穿隧接面中的硬遮罩层的顶表面17t共平面。现在，垂直磁异向性磁穿隧接面被认为是纳米柱(nanopillar)，因为其结构类似于具有沿x轴和z轴的横向尺寸以及沿y轴方向的厚度的柱体。从俯视示意图(未示出)，磁穿隧接面纳米柱可以具有圆形、椭圆形或多边形的形状。

此后，在图14中，通过已知的制程在第二绝缘层(未示出)中形成顶电极层，以完成磁阻式随机存取存储器、自旋转矩磁阻式随机存取存储器或自旋转矩振荡器制造顺序。顶电极20接触硬遮罩17的顶表面，并且通常是形成于磁阻式随机存取存储器阵列中的多个条平行线之一，并且通常包含Cu或其他有效的电导体。在一些实施例中，在导电层周围形成包覆(cladding)层(未示出)。为了简化附图并聚焦于作为本发明实施例的关键部件的垂直磁异向性磁穿隧接面结构，仅示出一个顶电极。对于自旋转矩磁阻式随机存取存储器，为了读取或写入目的，电流在顶电极和底电极10之间流过垂直磁异向性磁穿隧接面。在磁阻式随机存取存储器写入过程中，顶电极和底电极中的电流在垂直磁异向性磁穿隧接面上产生磁场，此磁场能够切换自由层中的磁化方向。在自旋转矩振荡器装置中，如发明所属技术领域中技术人员所能理解的，底电极可以是主磁极，而顶电极是尾端遮蔽(trailing shield)。

具有如图6至图10所示的顶部自旋阀设计的垂直磁异向性磁穿隧接面的形成遵循与图11至图14所示的相同的制程流程，除了改变垂直磁异向性磁穿隧接面层的顺序。具体而言，在底电极10上按序形成可选的晶种层11、晶格匹配层16-1(或16c、16-2、16-3、16-4)、Hk增强层15、自由层14、隧道位障13、参考层12和硬遮罩17，然后通过采用前述参照图10的光刻胶图案化和蚀刻制程产生侧壁1s(或2s、3s、4s或5s)。

为了显示根据本发明实施例的晶格匹配层的益处，将图案化的垂直磁异向性磁穿隧接面纳米柱制造为圆形90～100nm的磁阻式随机存取存储器装置，并测量各自的Hc场。参照垂直磁异向性磁穿隧接面A具有晶种层/参考层/MgO隧道位障/自由层/MgO盖层/Ru/Ta/TiN配置，其中参考层和自由层是以CoFeB为主的材料，隧道位障和盖层是MgO，且硬遮罩是Ru/Ta/TiN堆叠。根据本发明实施例中的一实施例形成垂直磁异向性磁穿隧接面B，并且与参照不同之处仅在于盖层和硬遮罩之间包含具有CoFeB/Mo配置的晶格匹配层。在室温下沉积所有结构，并且在330℃下进行第一次退火30分钟。基线矫顽磁性测量结果显示，两个样品的Hc为3200奥(Oe)。然后在400℃下进行第二次退火151分钟，接着进行第二次矫顽磁性测量。如表1所示，在第二次退火之后，磁穿隧接面A的Hc不想要地降低至1600Oe，而垂直磁异向性磁穿隧接面B的Hc为3200Oe，与第一次测量相比大致上没有改变。在一些应用中，高温退火后至少需要大于3200Oe的Hc。此外，重要的是，在400℃退火期间，Hc至少应保持两个小时。应注意的是，400℃是半导体制造的工业标准，以降低产品的不良率，因此成为嵌入式(embedded)磁阻式随机存取存储器应用的要求。

表1：具有CoFeB/MgO/CoFeB/盖层/晶格匹配(Lattice-matching，LM)/硬遮罩配置的垂直磁异向性磁穿隧接面的结果。

本发明实施例的益处是对磁性装置中的自由层改善垂直磁异向性(Hc和Hk)，其会增加例如垂直磁异向性磁穿隧接面的存储器元件的保持时间，然后是高达400℃的高温处理，其为整合在互补式金属氧化物半导体结构中的磁阻式随机存取存储器或自旋转矩磁阻式随机存取存储器装置所需。此外，在此描述的制程和材料与磁性装置的设计和制程要求相容。预期根据本发明实施例中的一实施例的磁穿隧接面的制造不会显着影响制造成本。

虽然已经参考优选实施例具体示出和描述本发明实施例，但是发明所属技术领域中技术人员应理解的是，在不脱离本发明实施例的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。