具有垂直磁各向异性的MTJ结构的制作方法

本发明涉及具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构，且更特别地，涉及即使在高温下仍具有热稳定性的具有PMA的MTJ结构。

背景技术：

作为新数据存储介质受到关注的下一代非易性失存储器包含铁电随机存取存储器(FeRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、电阻随机存取存储器(ReRAM)、相变随机存取存储器(PRAM)等。这些存储器各自具有优势，且依据用途其研究和开发得到了相当大的发展。

其中，MRAM，利用称作磁阻(MR)的量子力学效应的存储装置且具有高密度和较低功率消耗响应的非易失性存储装置，为可代替目前广泛使用的存储装置动态随机存取存储器(DRAM)的大容量存储器装置。

两种已知的磁阻效应为巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)。

利用两个铁磁层间插入的导体的电阻根据上下铁磁层自旋的方向变化的现象，利用GMR效应的装置存储数据。但是，由于GMR装置具有10％的低MR率(MR率为MR的改变率)，存储的数据的读出信号弱，且因此在实施MRAM最大的挑战是确保读取裕度。

同时，依据MTJ效应使用MR改变的磁隧道结(MTJ)元件为使用TMR效应最好的已知装置。

MTJ装置以铁磁层/绝缘层/铁磁层的堆叠结构形成。在MTJ装置中，当上层和下层铁磁层自旋方向一样时，两铁磁层间插入隧道绝缘层时隧道效应的可能性最大，且电阻相应地变得最小。另一方面，当自旋方向彼此相反时，隧道效应的可能性最小且电阻相应地变得最大。

为了实现两个自旋态，任一铁磁层(磁膜)的磁化方向固定设置以不受外部磁化的影响。通常地，磁化方向固定的铁磁层指固定层或钉扎层(pinned layer)。

其他铁磁层(磁膜)的磁化方向与钉扎层相同或相反。在此，铁磁层通常指自由层且用于存储数据。

在MTJ装置的情况下，MR率(MR率为电阻的改变率)大于50％为当前可获得的，且MTJ装置在MRAM开发中成为主导力量。

同时，在MTJ装置中，使用具有垂直磁各向异性(PMA)的材料的MTJ设备正在受到关注。

特别地，应用具有PMA的材料的MTJ装置于垂直自旋转移力矩式磁性随机存取存储器(STT-MRAM)等的研究正得到了相当大的发展。

自旋转移力矩(STT)式记录方法为诱导反向磁化的方法，其通过直接将电流注入MTJ中替代施加外部磁场。由于不需要附加的外部电线，STT记录方法对高密度集成而言是有利的，

用于MTJ的使用PMA的材料可包括CoFeB。尽管CoFeB通常作为具有平面内的磁各向异性的材料而被研究，其被发现在非常低的厚度(约1.5nm或更少)时具有PMA，且因此被积极地研究。

已知CoFeB需要有具有Ta/CoFeB/MgO结构的结来展现PMA。

在该结构的情况下，B在为目前工艺中的热处理温度的350℃-400℃的高温下扩散，且因此由于CoFeB层和Ta层之间的界面特性和CoFeB层的PMA会退化而存在问题。也就是说由于Ta/CoFeB/MgO结构热稳定非常不好而存在问题。

技术实现要素：

技术问题

本发明提供在高温下具有热稳定性的具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构。

技术方案

本发明的一方面提供了一种磁隧道结(MTJ)结构，其包含含有钨基材料的籽晶层(seed layer)，位于所述籽晶层上包含硼基铁磁材料具有PMA的第一铁磁层，位于所述第一铁磁层上的隧穿势垒层，以及位于所述隧穿势垒层上且具有PMA的第二铁磁层，其中所述籽晶层的厚度为1nm-10nm。

钨基材料可包含W或WB。

硼基铁磁材料可包括CoFeB。

隧穿势垒层可包含选自由以下组成的组中的至少一种：MgO、Al₂O₃、HfO₂、TiO₂、Y₂O₃和Yb₂O₃。

第一铁磁层在350℃-400℃的温度下进行热处理后可仍保持PMA。

此外，籽晶层的所述钨基材料即使在350℃-400℃的温度下进行热处理后可具有β相或者α相和β相混合的混合相。

本发明的另一方面提供一种磁性装置，其包括多根数字线，跨越数字线上部的多根位线，以及插入在所述数字线和所述位线之间的任一上述磁隧道结(MTJ)结构。

有益作用

依据本发明通过使用钨基材料作为籽晶层的材料，第一铁磁层的结晶性在350℃-400℃的高温下可得到保持，且避免了垂直磁各向异性(PMA)减少的问题。

因此，本发明提供了即使在高温下具有改善的热稳定性的具有PMA的磁隧道结(MTJ)结构以及包含该结构的磁性装置。

本发明的作用并不限定于上述作用，并且其他未提及的作用由本领域的技术人员从下面的描述中可清楚地理解。

附图简述

图1为依据本发明的一个实施方案的具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构的横截面图。

图2为依据比较例说明MTJ结构的横截面图。

图3为依据制备例说明MTJ结构的横截面图。

图4为依据比较例的热处理前后MTJ结构的磁特性图。

图5为依据制备例的热处理前后MTJ结构的磁特性图。

图6为依据制备例的在350℃温度热处理后MTJ结构的磁特性图。

图7为依据制备例的在400℃温度热处理后MTJ结构的磁特性图。

图8为依据制备例的MTJ结构在350℃温度热处理后的籽晶层的X- 射线衍射(XRD)图，其中籽晶层被制备以具有不同的厚度。

具体实施方式

下文中，将结合附图具体描述本发明的实施方式。

本发明允许各种修改和改变，结合附图对具体实施方案举例说明将在下面详细描述。然而，实施例不以所描述的特定形式限制本发明，并且相反，本发明依据所附权利要求限定的范围内包括所有的修改、等同及可选方案。

当提到元件如层、部位或基底放置于其他元件“上”，可理解为所述元件直接放置于其他元件上或中间元件也可插入其间。

尽管术语如第一、第二等可用以描述各种元件、组合物、部位、层和/或区域，但是可理解为各种元件、组合物、部位、层和/或区域不限于这些术语。

此外，本发明使用的术语“A/B/C多层结构”指B层与C层依次放置于A层上的结构。

根据本发明的一个实施方案对具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构进行说明。

图1为依据本发明的一个实施方案的具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构的横截面图。

关于图1，该MTJ结构包含基底100、籽晶层200、第一铁磁层300、隧穿势垒层400、第二铁磁层500以及盖层600。

基底100可使用由各种已知物质形成的基底。例如，基底100可具有硅树脂基底。基底100也可作为电极提供，同时，在一些情况下，基底100可省略。

籽晶层200位于基底100上。籽晶层200可包含钨基材料。

钨基材料具有相比于几乎为无定型的多晶Ta更好的结晶性，且用作常规籽晶层材料，以及对硼(B)具有低固溶度。相应地，即使在高的热处理温度下，由于材料在籽晶层200和下文所述的第一铁磁层300间的扩散导致的结晶性下降的问题会被最小化。

在此，籽晶层200具有1nm-10nm的厚度。当籽晶层200的厚度小于1nm，存在无法表现出磁特性的问题。这是由于沉积太薄使得籽晶层结晶结构没有恰当形成。

此外，当籽晶层200的厚度大于10nm时，存在不能表现出PMA特性的问题。这是由于不同于铁磁层的具有优选结晶取向的籽晶层变得过于厚，且因此铁磁层没有自然优选的结晶取向。

此外，优选用于籽晶层200的W由β相W或者α相和β相混合的混合相W形成。

W分为α相W和β相W。α相W为纯金属的W，具有体心立方(bcc)(110)结构，且具有的晶格常数(a)。另外，β相W为A₃B类如W₃W、W₃O和WO₃，具有A15结构，且具有的晶格常数(a)。

一般地，已知CoFeB磁性层需要无定形籽晶层物质以具有PMA。优选CoFeB磁性层具有bcc(001)结构，其在无定型CoFeB膜于无定型籽晶层上形成后经由热处理为自然适合的CoFeB结晶结构。当α相W用于籽晶层上，在CoFeB层形成和热处理后形成于α相W上的CoFeB层可能不具有bcc(001)结晶结构，但替代地，沿α相W的结晶结构具有bcc(110)结晶结构。另一方面，当CoFeB层形成于β相W上时，由于非连续结晶结构，在无定型状态下CoFeB层更可能形成，且CoFeB层在随后的热处理后具有bcc(001)结晶结构。因此，由于上述原因，进一步优选β相W而不是α相W用于籽晶层200。

此外，依据本发明，籽晶层200的W-基物质在350℃-400℃的温度下进行热处理后具有β相或者α相和β相混合的混合相。

这是由于当籽晶层200的厚度为10nm或更小时，不会发生如下面描述的实验例3的转变为α相的相转变。

当籽晶层的厚度大于10nm时，籽晶层200的W-基材料在350℃-400℃的热处理温度下具有α相。例如，当具有β相的W或α相和β相混合的混合相的W以薄膜状态用于籽晶层200，且籽晶层200的厚度大于临界厚度10nm，尽管热处理在约为200℃的温度下进行，β相W仍相转变为α相W。

相应地，当在实际工艺的热处理温度350℃-400℃下进行热处理，且W-基籽晶层的厚度为10nm或更少时，不会发生至α相的相转变，且反而β相或α相和β相混合的混合相得以保持且表现出PMA特性。但是，当W-基籽晶层200的厚度大于10nm时，发生转变为α相的相转变，且不能表现出PMA特性。

籽晶层200可使用一般沉积方法形成。例如，籽晶层200可使用物理气相沉积法、化学气相沉积法、溅射法，或溶液处理方法形成。

第一铁磁层300位于籽晶层200上。铁磁层300包含B-基铁磁材料且具有PMA。例如，B-基铁磁材料可包含CoFeB。

可使包含CoFeB的第一铁磁层300形成以具有厚度为1.5nm或更薄以具有PMA。

第一铁磁层300可使用一般的沉积方法形成。例如，第一铁磁层300可使用物理气相沉积法、化学气相沉积法、溅射法，或溶液处理方法形成。

同时，虽然第一铁磁层300的PMA可在第一铁磁层300形成过程中表现出，第一铁磁层300在其形成后可通过包含热处理等的技术使之也具有PMA。

第一铁磁层300可为钉扎或自由层。

钉扎层的磁化方向设置为固定的，以不受外部磁化的影响。

依据所施加的磁场的磁化方向，自由层的磁化方向可与钉扎层的磁化方向相同或相反，从而用来存储数据。

隧穿势垒层400位于第一铁磁层300上。即隧穿势垒层400插入第一铁磁层300和下述的第二铁磁层500之间。

相应地，隧穿势垒层400的材料可为任意材料，只要该材料为绝缘物质。

例如，绝缘材料可为选自由以下组成的组中的至少一种：MgO、Al₂O₃、HfO₂、TiO₂、Y₂O₃和Yb₂O₃。隧穿势垒层400可优选为MgO层。

隧穿势垒层400可使用一般沉积方法形成。例如，隧穿势垒层400可使用物理气相沉积法、化学气相沉积法、溅射法，或溶液处理方法形成。

第二铁磁层500位于隧穿势垒层400上。当第一铁磁层300为钉扎层时，第二铁磁层500可为自由层，且当第一铁磁层600为自由层，第二铁磁层500可为钉扎层。

在此，第二铁磁层500包含具有PMA的铁磁材料作为主要成分。因此，第二铁磁层500可包含选自由Fe、Co、Ni、B、Si、Zr、Pt、Tb、Pd、Cu、W、Ta及其混合物组成的组的至少一种以具有PMA。

例如，第二铁磁层500可包含CoFeB。在此，CoFeB层可设为薄的以具有PMA。例如，CoFeB层可设为1.5nm或更少以具有PMA。

第二铁磁层500可使用一般沉积方法形成。例如，第二铁磁层500可使用物理气相沉积法、化学气相沉积法、溅射法，或溶液处理方法形成。

同时，尽管第二铁磁层500的PMA可已经在第二铁磁层500形成过程中表现出来，第二铁磁层500在其形成后可通过包括热处理等的技术使之也具有PMA。

盖层600位于第二铁磁层500上。盖层600充当保护层且保护第二铁磁层500免于氧化。盖层600在一些情况下可以省略。

下面描述了依据本发明一个实施方式的包含具有PMA的MTJ结构的磁性装置。

所述磁性装置可包含多根数字线，跨越数字线的上部的多根位线，以及插入所述数字线和所述位线之间的MTJ。

在此，MTJ包含含有W-基物质的籽晶层，位于所述籽晶层上包含硼基铁磁材料且具有PMA的第一铁磁层，位于所述第一铁磁层上的隧穿势垒层，以及位于所述隧穿势垒层上且具有PMA的第二铁磁层。这里，所述籽晶层的厚度为1nm-10nm。

该MTJ为上述结合图1描述的MTJ，且省略其具体描述。

依据本发明，通过使用用于MTJ结构的籽晶层的W-基物质，即使在350℃-400℃的高温范围内，第一铁磁层的结晶性得以保持，且避免了PMA减少的问题。

相应地，提供了包含具有PMA即使在高温下也具有改善的热稳定性的MTJ结构的磁性装置。

比较例

制备Ta籽晶层/第一铁磁层/隧穿势垒层/盖层的结构作为具有PMA的MTJ结构，使用Ta-基物质用于籽晶层。在此，为了实验的便利性，在MTJ结构制备时省略了包含在隧穿势垒层上形成第二铁磁层的工艺。

图2为图示依据比较例的MTJ结构的横截面图。

关于图2，制备了MTJ结构，其中具有厚度为5nm的Ta籽晶层、具有厚度为1.2nm的CoFeB层、具有厚度为5nm的MgO层以及具有厚度为3nm的Ta盖层依次堆叠于基底上。

制备例

制备W籽晶层/第一铁磁层/隧穿势垒层/盖层的结构作为具有PMA的MTJ结构，使用W-基物质用于籽晶层。在此，为了实验的便利性，在MTJ结构制备时省略了包含在隧穿势垒层上形成第二铁磁层的工艺。

图3为图示依据制备例MTJ结构的横截面图。

关于图3，制备了MTJ结构，其中具有各种厚度为X nm的W籽晶层、具有厚度为1.2nm的CoFeB层、具有厚度为2nm的MgO层以及具有厚度为3nm的Ta盖层依次堆叠于基底上。

在此，W籽晶层的厚度(t_w)设为1.9nm、3.7nm、5.6nm、10.0nm以及18.0nm以制备MTJ结构。

实验例1

依据比较例的MTJ结构的磁特性在热处理前后进行分析。

图4为依据比较例的热处理前后MTJ结构的磁特性图。

关于图4，明显的是，当热处理(如沉积的)没有进行时，MTJ结构显示出平面内的磁各向异性的特性，且当热处理在250℃和300℃下进行时，MTJ结构显示PMA。

但是，当热处理在350℃的温度下进行，PMA趋于消失。

实验例2

依据制备例的MTJ结构的磁特性在350℃和400℃热处理前后进行分析。

图5为依据制备例热处理前MTJ结构的磁特性图，图6为依据制备例在350℃温度热处理后MTJ结构的磁特性图，且图7为依据制备例在400℃温度热处理后MTJ结构的磁特性。

关于图5，明显的是W籽晶层在热处理前具有1.9nm、3.7nm、5.6nm、10.0nm以及18.0nm的厚度时，所有的MTJ结构显现出平面内的磁各向异性的特性。

关于图6和图7，明显的是在350℃和400℃的温度进行热处理且W籽晶层具有1.9nm、3.7nm、5.6nm的厚度的情况下，MTJ结构显示PMA。

同时，在W籽晶层具有厚度为10.0nm的情况下，明显的是当在350℃的温度下进行热处理时，MTJ结构显示PMA，且当在400℃的温度下进行热处理时MTJ结构的PMA开始消失。

此外，明显的是在W籽晶层具有18.0nm的厚度且热处理在350℃和400℃的温度下进行的情况下MTJ结构的PMA性质开始消失且展现出平面内的磁各向异性的特性。

实验例3

图8为依据制备例的MTJ结构在350℃温度热处理后的籽晶层的X-射线衍射(XRD)图，其中籽晶层被制备使之具有不同的厚度。

图8A为具有3.7nm和5.6nm厚度的籽晶层的XRD图，且图8B为具有10nm和18nm厚度的籽晶层的XRD图。

关于图8A，在样品具有厚度小于10nm且即使在350℃的温度下进行热处理后仍具有PMA特性的籽晶层的情况下，显示了α相和β相的混合相的XRD峰。

可替换地，关于图8B，在样品具有18nm的厚度且具有在350℃的温度下进行热处理后消失的PMA特性的籽晶层的情况下，显示出α相的清晰的XRD峰。

依据本发明，通过使用W-基物质作为籽晶层物质，即使在350℃-400℃的高温下第一铁磁层的结晶性可得到保持，且可避免PMA减少的问题。

相应地，提供了具有即使在高温下改善的热稳定性的具有PMA的MTJ结构且包含所述MTJ结构的磁性装置。

在附图和说明书中公开的实施方案仅仅是用于描述具体的实例来帮助理解，而不是为了限制本发明的概念。本领域技术人员应当清楚，除了在本说明书中公开的实施方案，可在本发明技术概念的基础上进行修改得到修改的实施方案。

附图标记

100：基底

200：籽晶层

300：第一铁磁层

400：隧穿势垒层

500：第二铁磁层

600：盖层