具有可调的高垂直磁各向异性的磁隧道结
阅读说明：本技术 具有可调的高垂直磁各向异性的磁隧道结 (Magnetic tunnel junction with tunable high perpendicular magnetic anisotropy ) 是由 薛林 程志康 王晓东 马亨德拉·帕卡拉 汪荣军 于 2019-02-19 设计创作，主要内容包括：本公开内容的实施方式提供了用于从设置在基板上的膜堆叠形成磁隧道结(MTJ)结构的方法,以用于磁随机存取存储器(MRAM)应用和相关联的MTJ器件。本文描述的方法包括从膜堆叠形成材料层的膜特性以产生具有足够高垂直磁各向异性(PMA)的膜堆叠。利用含铁氧化物覆盖层产生合乎需要的PMA。通过利用含铁氧化物覆盖层,可以更精细地控制覆盖层的厚度,并且减少了在磁性存储层和覆盖层的界面处对硼的依赖。(Embodiments of the present disclosure provide methods for forming Magnetic Tunnel Junction (MTJ) structures from film stacks disposed on a substrate for Magnetic Random Access Memory (MRAM) applications and associated MTJ devices. The methods described herein include forming film properties of a material layer from a film stack to produce a film stack having a sufficiently high Perpendicular Magnetic Anisotropy (PMA). Utilizing an iron-containing oxide capping layer produces a desirable PMA. By utilizing an iron-containing oxide capping layer, the thickness of the capping layer may be more finely controlled and the dependence on boron at the interface of the magnetic storage layer and the capping layer is reduced.)
技术领域
本公开内容的实施方式涉及用于制造在自旋转移-扭矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)应用中使用的结构和器件的方法。更具体地，本公开内容的实施方式涉及用于制造具有可调的高垂直磁各向异性的磁隧道结的方法，以及关于具有可调的高垂直磁各向异性的磁隧道结的器件。
背景技术
磁随机存取存储器(MRAM)是一种包含MRAM单元阵列的储存器件，其使用它们的电阻值而不是电荷来储存数据。通常，每个MRAM单元包括磁隧道结(MTJ)结构。MTJ结构通常包括一叠的磁性层，其具有一配置，在该配置中两个铁磁层由薄的非磁性介电质(例如，绝缘隧道层)所隔开。利用顶部电极和底部电极将MTJ结构夹在中间，使得电流可以在顶部电极和底部电极之间流动。
一种类型的MRAM单元是自旋转移-扭矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)。在这样的制造工艺流程中，利用稳定的磁隧道结(MTJ)堆叠来维持高温后端热处理，同时仍然产生高隧道磁阻(TMR)比。MTJ堆叠通常利用缓冲层来改善后续层的粘附和接种(seeding)。MTJ堆叠还包括合成亚铁磁(SyF)耦合层，以反平行方式耦合第一钉扎层和第二钉扎层。在MTJ堆叠的顶部上使用覆盖层，覆盖层保护堆叠免受腐蚀，并且还用作用于硬掩模蚀刻的蚀刻停止层。与MTJ的磁性存储层相接合的覆盖层被用于产生足够的垂直磁各向异性(PMA)以提供数据保持能量势垒。
在与磁性存储层的界面处的传统的覆盖层利用硼来维持足够的PMA。然而，在高温热处理之后，硼从界面扩散并削弱磁性存储层PMA。这种传统的覆盖层使用氧化镁(MgO)材料，然而，为了保持合适的PMA，使用较厚的MgO材料。较厚的MgO材料增加了界面的表面粗糙度并降低了TMR。
因此，本领域需要用于制造用于STT-MRAM应用的MTJ结构的改进方法。还存在对能够在保持高PMA的同时维持高温热处理的改进MTJ堆叠的需要。
发明内容
在一个实施方式中，提供磁隧道结膜堆叠。膜堆叠包括缓冲层、设置在缓冲层上方的种晶层、设置在种晶层上方的第一钉扎层，和设置在第一钉扎层上方的合成亚铁磁体耦合层。第二钉扎层设置在合成亚铁磁体耦合层上方，结构阻挡层设置在第二钉扎层上方，磁性参考层设置在结构阻挡层上方，和隧道势垒层设置在磁性参考层上方。磁性存储层设置在隧道势垒层上方，并且覆盖层设置在磁性存储层上方。覆盖层包含有含Fe的氧化物材料层。
在另一个实施方式中，提供了一种磁隧道结膜堆叠。膜堆叠包括缓冲层，其中缓冲层包括含CoFeB层、设置在缓冲层上方的种晶层、设置在种晶层上方的第一钉扎层和设置在第一钉扎层上方的合成亚铁磁耦合层，其中合成亚铁磁体耦合层包括含Ir层。第二钉扎层设置在合成亚铁磁体耦合层上方，结构阻挡层设置在第二钉扎层上方，磁性参考层设置在结构阻挡层上方，和隧道势垒层设置在磁性参考层上方。磁性存储层设置在隧道势垒层上方，覆盖层设置在磁性存储层上方，覆盖层包括含Fe氧化物材料层，并且硬掩模设置在覆盖层上方。
在又一个实施方式中，提供了一种磁隧道结膜堆叠。膜堆叠包括缓冲层、设置在缓冲层上并与缓冲层接触的种晶层、设置在种晶层上并与种晶层接触的第一钉扎层和设置在第一钉扎层上并与第一钉扎层接触的合成亚铁磁体耦合层。第二钉扎层设置在合成亚铁磁耦合层上并与合成亚铁磁耦合层接触，结构阻挡层设置在第二钉扎层上并与第二钉扎层接触，磁性参考层设置在结构阻挡层上并与结构阻挡层接触，并且隧道势垒层设置在磁性参考层上并与磁性参考层接触。磁性存储层设置在隧道势垒层上并与隧道势垒层接触，覆盖层设置在磁性存储层上并与磁性存储层接触，覆盖层包括含Fe氧化物材料层，并且硬掩模设置在覆盖层上且与覆盖层接触。
附图说明
以上简要概述本公开内容的上述详述特征可以被详细理解的方式、以及对本公开内容的更特定描述，可通过参照实施方式来获得，其中一些实施方式绘示于附图中。然而，应注意，附图仅绘示示例性实施方式，因而不应视为对本发明的范围的限制，并且可允许其他等同有效的实施方式。
图1描绘了图示根据本文描述的一个实施方式的用于制造磁隧道结(MTJ)结构的方法的流程图。
图2A示出了根据本文描述的实施方式的膜堆叠的一部分的示意图。
图2B示出了根据本文描述的实施方式的膜堆叠的一部分的示意图。
图2C示出了根据本文描述的实施方式的膜堆叠的一部分的示意图。
图3A示出了根据本文描述的实施方式的覆盖层的示意图。
图3B示出了根据本文描述的实施方式的覆盖层的示意图。
图3C示出了根据本文描述的实施方式的覆盖层的示意图。
图3D示出了根据本文描述的实施方式的覆盖层的示意图。
为了便于理解，尽可能地使用了相同的附图标号来表示附图中共通的相同元件。考虑到，一个实施方式的元件和特征在没有进一步描述下可以有利地并入其他实施方式中。然而，应注意，附图仅标示了本公开内容的典型实施方式，因此不应视为是对其范围的限制，因为本发明可允许其他等同有效的实施方式。
具体实施方式
本公开内容的实施方式提供了用于从设置在基板上的膜堆叠形成MTJ结构的方法，以用于MRAM应用和相关联的MTJ器件。本文描述的方法包括从膜堆叠形成材料层的膜特性以产生具有足够高垂直磁各向异性(PMA)的膜堆叠。利用含铁氧化物覆盖层产生合乎需要的PMA。通过利用含铁氧化物覆盖层，可以更精细地控制覆盖层的厚度，并且减少了在磁性存储层和覆盖层的界面处对硼的依赖。
图1描绘了图示根据本公开内容的一个实施方式的用于在MRAM应用的基板上制造MTJ结构的工艺100的流程图。在一些实施方式中，工艺100是工艺流程，并且操作101-106是单独的工艺。工艺100被配置为在等离子体处理室和热处理室或其他合适的等离子体浸没离子注入系统或蚀刻室中执行。工艺100还可以使用其他工具，例如PVD室、CVD室和光刻工具。
通过提供其上设置有膜堆叠的基板，工艺100在操作101开始。在一些实施方式中，基板包括金属或玻璃、硅、介电体材料和金属合金或复合玻璃、晶体硅(例如，Si<100>或Si<111>)、氧化硅、应变硅、硅锗、锗、掺杂或未掺杂的多晶硅、掺杂或未掺杂的硅晶片和经图案化或非经图案化的晶片绝缘体上硅(SOI)、碳掺杂的氧化硅、氮化硅、掺杂的硅、锗、砷化镓、玻璃或蓝宝石。基板可具有各种尺寸，例如约200mm、约300mm、约450mm或其他直径，以及矩形或方形面板。除非另有说明，否则本文所述的实施方式在具有200mm直径、300mm直径的基板上进行，或者450mm直径的基板上进行。在一个实施方式中，基板包括设置在基板上的膜堆叠。
应注意，可以通过任何合适的技术以及任何合适的方式、例如PVD工艺形成被钉扎磁性层、可选结构去耦层、隧道势垒层、磁性存储层、磁性参考层和覆盖层。可用于形成这些层的系统的实例包括可从加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司(Applied MaterialsInc.、Santa Clara，California)获得的PVD系统。预期包括可从其他制造商获得的那些处理系统在内的其他处理系统可以适于实践本公开内容。
在操作102执行MTJ堆叠沉积之前，可以利用其他工艺来形成本领域技术人员已知的晶体管和互连层。在操作106执行后图案化退火之后，可以执行附加操作，例如完成剩余互连层和接触垫的操作。
在操作102-104，执行MTJ堆叠沉积、预图案化退火和MTJ图案化。操作102-104包括图案化工艺，例如蚀刻工艺，所述图案化工艺经执行以从基板去除由蚀刻掩模层(未示出)暴露和限定的膜堆叠的一部分，直到暴露出下方的基板。用于图案化膜堆叠的图案化工艺包括若干单独的操作或不同的配方，所述图案化工艺配置成依每层中包括的材料而提供不同的气体混合物或蚀刻剂以蚀刻不同层。在图案化期间，将蚀刻气体混合物或具有不同蚀刻物质的若干气体混合物依次供应到基板表面，以从基板移除膜堆叠的一部分。操作104处的图案化工艺的终点由时间或其他合适的方法控制。例如，在执行图案化工艺达约200秒至约10分钟之后终止图案化工艺，直到基板被暴露。在另一实例中，通过来自端点检测器的确定来终止图案化工艺。
执行进一步的沉积工艺以在基板的部分上形成封装和绝缘层，其中在操作104处的图案化工艺期间移除膜堆叠。封装允许合适的阶梯覆盖和气密性，并且通常包括沉积由基于氮化硅的基板材料构成的材料。绝缘材料利用基于氧化物的材料，并且包括沉积厚度大于封装材料厚度的材料。绝缘层由合适的绝缘材料形成，随后通过一系列蚀刻和沉积工艺处理以在绝缘层中形成互连结构(例如，后端处理)以完成器件结构制造工艺。在一个实例中，绝缘层是氧化硅层或其他合适的材料。
在操作106，执行热退火工艺。可用于退火的系统的实例包括快速热退火室。快速热退火腔室的一个实例是可购自加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司的室。预期包括可从其他制造商获得的那些处理系统在内的其他处理系统可以适于实践本公开内容。执行热退火工艺以修复、致密化和增强膜堆叠的晶格结构，特别是包括在膜堆叠中的磁性存储层和磁性参考层。在热退火工艺之后，磁性存储层和磁性参考层被转变成结晶磁性存储层和结晶磁性参考层，结晶磁性存储层和结晶磁性参考层具有实质上在单个平面中的晶体取向。根据所获得的磁性存储层和磁性参考层的所期望的结晶，改善了用于制造MTJ器件的膜堆叠的整体电特性。
在一些实施方式中，可以取决于期望的实现方式而使用操作103和106中的一个(或任何其他等效的退火工艺)。如下所述，本公开内容的MTJ膜堆叠能够维持高温热工艺和经改善的电和磁特性。
各个图2A-2C分别示出了根据各种实施方式的膜堆叠的一部分的示意图。膜堆叠包括基板200和底部触点204。在一个实施方式中，底部触点204被图案化。在一个实施方式中，底部触点204设置在基板200上并与基板200接触。尽管未在图2A-2C中示出，呈一层或多层形式的其他层、诸如晶体管和互连结构可以设置在基板200和底部触点204之间。图2B和图2C中所示的膜堆叠之间的差异包括缓冲层205/205'、种晶层210/210'和第一钉扎层215/215'。在一些实施方式中，膜堆叠包括底部触点、缓冲层、种晶层、第一钉扎层、合成亚铁磁(SyF)耦合层、第二钉扎层、结构阻挡层、磁性参考层、隧道势垒层、磁性存储层、覆盖层和硬掩模。在一些实施方式中，这些层中的每一个单独地包含一个或多个层。
在一些实施方式中，并且如图2A-2C所示，用于形成磁隧道结(MTJ)结构的膜堆叠设置在底部触点204上方。MTJ结构包括：缓冲层205/205'，设置在底部触点204上方的缓冲层205/205'；种晶层210/210'，设置在缓冲层205/205'上；第一钉扎层215/215'，设置在种晶层210/210'上方；合成亚铁磁体(SyF)耦合层220，设置在第一钉扎层215/215'上；第二钉扎层225，设置在SyF耦合层220上方；结构阻挡层230，设置在第二钉扎层225上方；磁性参考层235，设置在结构阻挡层230上方；隧道势垒层240，设置在磁性参考层235上方；磁性存储层245，设置在隧道势垒层240上方；覆盖层250，设置在磁性存储层245上方，其中覆盖层包括一个或多个层；和硬掩模255，设置在覆盖层250上方，其中覆盖层、缓冲层和SyF耦合层中的至少一个不是由Ru制造的。在一个实施方式中，当膜堆叠的相邻层被称为设置在相邻层的上方或之下时，则这些层中的每一个被认为设置在彼此上并且彼此接触。
膜堆叠包括设置在底部触点204上方的缓冲层205/205'。缓冲层205/205'夹在底部触点204和种晶层210/210'之间。在一个实施方式中，缓冲层205/205'改善了粘附和随后沉积层的接种。在一个实施方式中，缓冲层205/205'包括一个或多个层。在一个实施方式中，缓冲层205/205'不是由Ru制造的。
在一个实施方式中，缓冲层205/205'包括含CoFeB层205a/205a'。缓冲层205/205'中硼(B)的重量百分比(wt％)为约10wt％至约40wt％之间，例如约20wt％至40wt％之间，例如约25wt％和约40wt％之间。缓冲层205/205'中铁的重量百分比为约20wt％至约60wt％之间，例如约40wt％至60wt％之间，例如约45wt％至约60wt％之间。含CoFeB层205a/205a'的厚度介于约和约之间，诸如约
在一个实施方式中，缓冲层205/205'包括含TaN层205b/205b'和/或含Ta层205c/205c'。在一个实施方式中，含TaN层205b/205b'和含Ta层205c/205c'设置在CoFeB层205a上方。或者，含TaN层205b/205b'和含Ta层205c/205c'可以设置在CoFeB层205a'下方。含TaN层和含Ta层的厚度在约
膜堆叠包括设置在缓冲层205/205'上方的种晶层210/210'。种晶层210/210'夹在缓冲层205/205'和第一钉扎层215/215'之间。
在一些实施方式中，种晶层210包括含Pt层、含Ir层和含Ru层中的一个或多个。具有含Pt层、含Ir层和含Ru层中的一个或多个的种晶层210的厚度在约
在一些实施方式中，种晶层210'包括含NiCr层。具有含NiCr层的种晶层210'的厚度在约
在一个实施方式中，膜堆叠包括设置在种晶层210/210'上方的第一钉扎层215/215'。第一钉扎层215/215'夹在种晶层210/210'和SyF耦合层220之间。第一钉扎层215/215'可包括一个或多个层。第一钉扎层215/215'由若干磁性材料制成，例如具有掺杂剂的金属合金，例如硼掺杂剂、氧掺杂剂或其他合适的材料。合适的金属合金包括含Ni材料、含Pt材料、含Ru材料、含Co材料、含Ta材料和含Pd材料。合适的磁性材料实例包括Ru、Ta、Co、Pt、Ni、TaN、NiFeOx、NiFeB、CoFeOxB、CoFeB、CoFe、NiOxB、CoBOx、FeBOx、CoFeNiB、CoPt、CoPd、CoNi，及TaOx。
在一个实施方式中，第一钉扎层215包括设置在含Ta/Pt层215a上的含Co层215b。含Co层215b的厚度在大约
[Co(x)/Pt(y)]m
其中x的Co厚度在约
在一个实施方式中，第一钉扎层215'包括含Co层215b'，所述含Co层设置在含Co/Ni层215a'上。含Co层215b的厚度在大约和大约
[Co(x1)/Ni(y1)]n
其中x1的Co厚度在约和约
在第一钉扎层215包括含Co/Pt层215a的实施方式中，种晶层210包括含Pt层、含Ir层和含Ru层中的一个或多个。在第一钉扎层215'包括含Co/Ni层215a'的实施方式中，种晶层210包括含Ni Cr层。
膜堆叠包括设置在第一钉扎层215/215'上方的合成亚铁磁(SyF)耦合层220。在一个实施方式中，SyF耦合层220夹在第一钉扎层215/215'和第二钉扎层225之间。SyF耦合层220用于以反平行方式耦合第一钉扎层215/215'和第二钉扎层225。在一个实施方式中，SyF耦合层220包括含Ir层、含Ru层、含Rh层和含Cr层中的一个或多个。在一个实施方式中，SyF耦合层是含Ir层。在另一个实施方式中，SyF耦合层不是由Ru制成的。SyF耦合层220的厚度在约至约
膜堆叠包括设置在SyF耦合层220上方的第二钉扎层225。在一个实施方式中，第二钉扎层225夹在SyF耦合层220和结构阻挡层230之间。在一个实施方式中，第二钉扎层225包括一个或多个层。第二钉扎层225由若干磁性材料制成，例如具有掺杂剂的金属合金，例如硼掺杂剂、氧掺杂剂或其他合适的材料。合适的金属合金包括含Ni材料、含Pt材料、含Ru材料、含Co材料、含Ta材料和含Pd材料。合适的磁性材料实例包括Ru、Ta、Co、Pt、Ni、TaN、NiFeOx、NiFeB、CoFeOxB、CoFeB、CoFe、NiOxB、CoBOx、FeBOx、CoFeNiB、CoPt、CoPd、CoNi、及TaOx。
在一个实施方式中，第二钉扎层225包括设置在含Co/Pt层215a上方的含Co层225b。含Co层225b的厚度在大约0和大约
[Co(x2)/Pt(y2)]p
其中x2的Co厚度在约和约
膜堆叠包括设置在第二钉扎层225上方的结构阻挡层230。在一个实施方式中，结构阻挡层230夹在第二钉扎层225和磁性参考层235之间。在一个实施方式中，结构阻挡层230包括一个或多个层。在一个实施方式中，结构阻挡层230包括含金属材料或磁性材料中的一个或多个，诸如Mo、Ta、W、CoFe和CoFeB，含Co层、含Mo层和含W层中的一个或多个。第二钉扎层225的厚度在大约
膜堆叠包括设置在结构阻挡层230上方的磁性参考层235。在一个实施方式中，磁性参考层235夹在结构阻挡层230和隧道势垒层240之间。在一个实施方式中，磁性参考层235包括一个或多个层。磁性参考层235由若干磁性材料制成，例如具有掺杂剂的金属合金，例如硼掺杂剂、氧掺杂剂或其他合适的材料。合适的金属合金包括含Ni材料、含Pt材料、含Ru材料、含Co材料、含Ta材料和含Pd材料。合适的磁性材料实例包括Ru、Ta、Co、Pt、Ni、TaN、NiFeOx、NiFeB、CoFeOxB、CoFeB、CoFe、NiOxB、CoBOx、FeBOx、CoFeNiB、CoPt、CoPd、CoNi、及TaOx。
在一个实施方式中，磁性参考层235的数个层中的一个或多个层包括含CoFeB层。磁性参考层235中硼(B)的重量百分比(wt％)介于约10wt％和约40wt％之间，例如介于约20wt％和40wt％之间，例如介于约25wt％和约40wt％之间。磁性参考层235中铁的重量百分比为约20wt％至约60wt％之间，例如约40wt％至60wt％之间，例如约45wt％至约60wt％之间。磁性参考层235的厚度在大约
在一个实施方式中，膜堆叠包括设置在磁性参考层235上方的隧道势垒层240。在实施方式中，隧道势垒层240夹在磁性参考层235和磁性存储层245之间。在一个实施方式中，隧道势垒层240是氧化物阻挡层。在该实施方式中，隧道势垒层240包括MgO、HfO2、TiO2、TaOx、Al2O3或其他合适的材料。在一个实施方式中，隧道势垒层240是MgO，MgO的厚度在大约和大约之间，诸如大约
在一个实施方式中，膜堆叠包括设置在隧道势垒层240上方的磁性存储层245。在一个实施方式中，磁性存储层245夹在隧道势垒层240和覆盖层250之间。磁性存储层245由若干磁性材料制成，例如具有掺杂剂的金属合金，例如硼掺杂剂、氧掺杂剂或其他合适的材料。合适的金属合金包括含Ni材料、含Pt材料、含Ru材料、含Co材料、含Ta材料和/或含Pd材料。合适的磁性材料实例包括Ru、Ta、Co、Pt、Ni、TaN、NiFeOx、NiFeB、CoFeOxB、CoFeB、CoFe、NiOxB、CoBOx、FeBOx、CoFeNiB、CoPt、CoPd、CoNi、及TaOx。
在一个实施方式中，磁性存储层245是含CoFeB的材料、含CoFeNiB的材料、含Ta材料、含Mo材料、或含W材料、上述材料的组合或其他合适层。例如，在图2所示的实施方式中，磁性存储层245包括夹着中间层245b的第一含CoFeB层245a和第二含CoFeB层245c。第一含CoFeB层245A的厚度为约至约诸如约第一含CoFeB层245a中硼(B)的重量百分比(wt％)为约10wt％至约40wt％之间，例如约20wt％至40wt％之间，例如约25wt％和约40wt％之间。第一含CoFeB层245a中的铁的重量百分比为约20wt％至约60wt％之间，例如约40wt％至60wt％之间，例如约45wt％至约60wt％之间。
第二含CoFeB层245c具有约
磁性存储层245的中间层245b包括含Ta层、含Mo层和含W层中的至少一个或多个的一层或多层。中间层245b的厚度为约至约
膜堆叠包括设置在磁性存储层245上方的覆盖层250。在一个实施方式中，覆盖层250夹在磁性存储层245和硬掩模255之间。覆盖层250用于MTJ堆叠的顶部以保护堆叠免受腐蚀，并且还充当用于硬掩模蚀刻的蚀刻停止层。在一个实施方式中，覆盖层250包括单层。在另一个实施方式中，覆盖层250由多个层所形成。在该实施方式中，覆盖层250包括第一层250a、第二层250b、第三层250c和第四层250d。
第一层250a包括一层或多层含氧层，例如含Fe氧化物材料。在一个实施方式中，含氧层是Fe氧化物材料、CoFe氧化物材料、CoFeB氧化物材料、NiFe氧化物材料、FeB氧化物材料及上述材料的组合中的一种或多种。第一层250a的厚度在大约
在一个实施方式中，第一层250a通过在磁性存储层245上溅射(即PVD沉积处理)含Fe金属来制造。在该实施方式中，含Fe金属随后在含氧的气氛环境中被氧化。含氧的气氛环境可以在处理腔室中形成，或者可以将含Fe的金属暴露在大气中以形成含Fe的氧化物材料。在另一个实施方式中，含Fe金属在含氧气体存在下被反应性地溅射在磁性存储层245上，以形成含Fe氧化物材料。在该实施方式中，含氧气体以约1sccm和约60sccm之间的流速输送到处理环境，例如约10sccm和约30sccm之间，例如约20sccm。
将氧气暴露以促进Fe材料氧化的时间段介于约1秒至约180秒之间，例如，在约5秒至约60秒之间。在一个实例中，含Fe金属暴露于含氧环境(大气或含氧气体)达约10秒的时间段，这导致膜堆叠显示出约581Oe的矫顽场(coercive field)(Hc)，和约41kT的数据保留势垒(Eb)。在另一个实例中，含Fe金属暴露于含氧环境(大气或含氧气体)约30秒的时间段，这导致膜堆叠显示出约918Oe的矫顽场(Hc)和约45kT的数据保留势垒(Eb)。在另一个实例中，含Fe金属暴露于含氧环境(大气或含氧气体)达约60秒的时间段，这导致膜堆叠显示出约1029Oe的矫顽场(Hc)和约51kT的数据保留势垒(Eb)。
在又一个实施方式中，将含Fe氧化物材料直接溅射在磁性存储层245上以形成含Fe氧化物材料。在一或多个前述实施方式中，Fe金属的氧化是原位进行的，以避免随后的大气暴露和天然Fe氧化物的形成。
将含Fe氧化物材料用于与磁性存储层245直接接合的覆盖层250a能够实现多种益处。含Fe氧化物材料具有比传统的覆盖层材料更强的大容量PMA，这增加了MTJ的PMA。此外，由于PMA增加，在覆盖层250a和磁性存储层245之间的界面处对硼的依赖性会降低，并且在某些实施方式中，实质上消除了硼，硼通常在MTJ的热处理期间从界面扩散开。另外，可以通过控制含Fe氧化物材料的厚度来调节PMA。因此，可以使用足够薄的含Fe氧化物材料层，这样提供合适的PMA，同时避免膜表面粗糙度的不合需要的增加，同时避免对MTJ的TMR的影响。结果，改善了MTJ性能，例如电性能、材料稳定性、可调性和可制造性。
第二层250b包括一层或多层含Ru层和/或含Ir层。第二层250b的厚度在约
在一个实施方式中，覆盖层250包括可选层250x。可选层250x设置在第一层250a和第二层250b之间。在一个实施方式中，可选层250x包括一层或多层含Ir层和/或含Ru层。在另一个实施方式中，可选层250x是含Fe的氧化物材料，例如上文描述的那些。可选层250x的厚度在约至约之间，例如约为
在实施方式中，当覆盖层250包括可选层250x时，不使用第二层250b。在这样的实施方式中，可选层250x在第一层250a上方。在一个实施方式中，可选层250x直接设置在第一层250a上并与第一层250a接触。
图3A-3D图示了如上所述的覆盖层250的各种实施方式。图3A图示了覆盖层250，所述覆盖层包括：第一层250a；可选层250x，设置在第一层250a上方；第二层250b，设置在可选层250x上方；第三层250c，设置在第二层250b上方；第四层250d，设置在第三层250c上方。上文讨论了层250a、250x、250b、250c、250d中的每一个的材料、组成和厚度范围。
图3B图示了覆盖层250，所述覆盖层包括：第一层250a；第二层250b，设置在第一层250a上方；第三层250c，设置在第二层250b上方；第四层250d，设置在第三层250c上方。上文讨论了层250a，250b，250c，250d中的每一个的材料、组成和厚度范围。
图3C图示了覆盖层250，所述覆盖层包括：第一层250a；可选层250x，设置在第一层250a上方；第三层250c，设置在可选层250x上方；第四层250d，设置在第三层250c上方。上文讨论了层250a，250x，250c，250d中的每一个的材料、组成和厚度范围。
图3D图示了覆盖层250，所述覆盖层包括第一层250a和设置在第一层250a上方的可选层250x。上文讨论了层250a、250x中的每一个的材料、组成和厚度范围。
图2A-2C图示了示例性MTJ膜堆叠，其中缓冲层、SyF耦合层和覆盖层中的一个或多个不是由Ru制造的。在一些实施方式中，MTJ膜堆叠包括基于CoFeB的缓冲层205/205'，可视情况地包含一些TaN和/或Ta。CoFeB层可以设置在含TaN和/或Ta层的上方或之下。基于CoFeB的缓冲层的硼的重量百分比应大于约10wt％，例如，大于约25wt％。在一些实施方式中，Ir、Ru、Rh和/或Cr可以用作SyF耦合层220。在一些实施方式中，Ir和/或Ru可以是用于覆盖层250的顶层金属。
使用基于CoFeB的缓冲层代替含Ru的缓冲层已证明隧道磁阻(TMR)的增加，且即使在高达450℃的温度下退火之后也具有优异的磁性钉扎。实现了高SyF耦合、被钉扎层和参考层的高垂直磁各向异性，以及自由层的可控垂直磁各向异性。实现CoFeB缓冲层(具有25wt％的硼)的一些实施方式显示出与传统的Ta/Ru/Ta缓冲层相比，超过10％的TMR(％)的改善。CoFeB层阻止从底部触点进入MTJ膜堆叠的粗糙度的增加。
此外，即使在高达450℃的温度下退火，在SyF耦合层和覆盖层中用Ir代替Ru也展示了TMR(％)增加。实施含有Ir的SyF耦合层的一些实施方式显示出与传统的含Ru的SyF耦合层相比，超过10％的TMR(％)的改善。此外，通过消除SyF耦合层和覆盖层中的Ru，膜TMR会通过消除Ru向MgO的扩散来增强。IrO2的热稳定性可能高于RuO4，这有助于消除扩散。
诸如图2A-2C的配置，提供了优于传统膜堆叠的优点。第一个优点是即使采用高温热处理，缓冲层也保持非晶态，并阻挡底部触点的纹理。第二个优点是由Ir带来的钉扎层之间的强反平行耦合。第三个优点是通过使用新的缓冲层并从堆叠中移除Ru来改善TMR。这些优点导致更高的MTJ性能(例如高TMR、高SyF耦合、被钉扎层和参考层的高垂直磁各向异性，以及自由层的可控垂直磁各向异性)和改良的可制造性。MTJ膜堆叠可用于制造用于STT-MRAM应用的存储单元以及使用MTJ作为单元构建块的其他存储器和逻辑器件。物理气相沉积系统(例如MRAM)可用于沉积MTJ膜堆叠，以用于高性能STT-MRAM芯片。如本文所述，能够维持高温热处理的MTJ膜堆叠改善了MTJ的电学和磁学性质。
表1和表2显示了用于在基板上形成磁隧道结(MTJ)结构的膜堆叠的示例性组合物。用于硬掩模层和底部触点层的材料、组合物和厚度是本领域普通技术人员已知的。
如上所述(由250x表示)，覆盖层内的另外的(和任选的)Ir和/或Ru层可以放置在含氧层的顶部。该层的厚度可以在约
表1
组成和厚度的所有值都列为近似范围。
表2
组成和厚度的所有值都列为近似范围。
尽管已经参考特定实施方式描述了本文的公开内容，但是应理解，这些实施方式仅是对本公开内容的原理和应用的说明。对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以对本公开内容的方法和装置进行各种修改和变型。因此，本公开内容旨在包括在所附权利要求及其等同形式的范围内的修改和变型。
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