[发明专利]自旋力矩转移（STT）-磁性随机存取存储器（MRAM）之氮化物盖层

说明书

公开一种磁性穿隧结(MTJ)，其中自由层(FL)与第一金属氧化物(垂直非等向性增强层)及第二金属氧化物(穿隧阻障)的第一及第二界面各别产生垂直磁非等向性(PMA)以增加热稳定性。在一些实施例中，盖层为导电金属氮化物(例如，MoN)相对于第一界面接触垂直非等向性增强层的相反表面，相较于TiN盖层，减少氧及氮的相互扩散并保持可接受的电阻面积(RA)乘积。在其他实施例中，盖层可以包括绝缘氮化物，例如AlN，其与导电金属合金以最小化RA。此外，可以在盖层与垂直非等向性增强层之间插入金属缓冲层。因此，减少电性短路并且增加磁阻比。

相关专利申请

本申请与以下相关：案卷号:HT16-025，申请号：15/461779,申请日为2017年3月17日；以及案卷号：HT17-034，申请号：15/728818,申请日为2017年10月10日；其与本案具有相同受让人，且其整体内容通过引用方式并入本公开。

技术领域

本公开有关于一种磁性元件，包括一自由层，其与穿隧阻障层及垂直非等向性增强层交界，并与氮化物盖层交界以避免氧气扩散从垂直非等向性增强层扩散出来，并使金属及氮通过垂直非等向性增强层到达自由层的扩散最小化，从而在盖层导电时，维持可接受的磁阻比(magnetoresistive ratio,DRR)，并降低电阻面积(resistance×area,RA)乘积。

背景技术

MRAM是基于硅互补式金属氧化物半导体(CMOS)与磁性穿隧结(MTJ)技术的整合，是一项新兴的主要技术，相较于现有的半导体存储器(例如SRAM、DRAM及快闪存储器)极具竞争力。此外，J.C.Slonczewski在“多层磁性材料的电流驱动激发”(J.Magn.Magn.Mater.V159,L1-L7(1996))中描述的自旋转移力矩(spin-transfer torque,STT)磁化切换，促进了自旋电子装置的发展，例如千兆级的STT-MRAM。

场式MRAM及STT-MRAM都具有基于穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance,TMR)效应的MTJ元件。其中，堆叠层中具有两个铁磁(ferromagnetic,FM)层由非磁性介电薄层分隔的配置。FM层为钉扎层，其磁矩在第一方向上固定，而另一FM层称为自由层(FL)，其磁矩可沿与第一方向平行(P状态)或反平行(AP状态)的方向自由旋转，分别对应于“0”或“1”磁性状态。与传统的MRAM相比，STT-MRAM具有避免半选择问题及在邻接单元之间写入干扰的优点。自旋转移效应源自铁磁-间隔物-铁磁多层的自旋相关的电子传输性质。当自旋极化电流在垂直于平面(CPP)的电流中穿过磁性多层时，入射在FM层上的电子的自旋角动量与FM层与非磁性间隔物之间的界面附近的FM层的磁矩相互作用。通过这种相互作用，电子将一部分角动量传递给FL。因此，如果电流密度足够高并且多层膜的尺寸小，则自旋极化电流可以切换FL的磁化方向。

P-MTJs是在钉扎层及FL中具有垂直磁非等向性(PMA)的MTJ单元，且是建构STT-MRAM及其他自旋电子装置的基础。一般来说，在钉扎层及FL之间存在一个称为穿隧阻障层的非磁性穿隧氧化物层。当FL具有PMA时，将FL及p-MTJ从P状态切换到AP状态(或反之亦然)所需的临界电流(ic)与垂直磁非等向性场成正比，如方程式(1)所示：

其中e是电子电荷，a是Gilbert阻尼常数，M_s是FL饱和磁化强度，h是还原的普朗克常数，g是旋磁比，是要切换的磁性区域的平面外非等向性场，V是自由层的体积。

Δ＝kV/k_BT值是FL的热稳定性，其中kV也称为E_b或P和AP磁态之间的能量阻障，k_B是Boltzmann常数，T是温度。热稳定性是垂直非等向性场的函数，如方程式(2)所示：

FL的垂直非等向性场(H_k)在方程式(3)中表示为：