Brevet FR3033936A1 — publié le 20160923

CELLULE DE MEMOIRE A COUPLE DE TRANSFERT DE SPIN (STT) PERPENDICULAIRE AVEC UNE DOUBLE INTERFACE DE MgO ET UNE COUCHE DE CoFeB POUR L'AMELIORATION DE L'ANISOTROPIE MAGNETIQUE PERPENDICULAIRE CONTEXTE DE L'INVENTION Domaine de l'invention [0001] L'invention concerne d'une manière générale une mémoire vive magnétorésistive à couple de transfert de spin (STT-MRAM) avec une anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), et plus particulièrement les cellules de mémoire PMA STT avec des doubles interfaces de MgO. Contexte de l'invention [0002] Une mémoire vive magnétorésistive à couple de transfert de spin (STT-MRAM) avec des cellules de mémoire à jonctions tunnel magnétiques (MTJ) présentant une anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) est un candidat solide pour la future mémoire non volatile. La cellule de mémoire à MTJ comporte une couche ferromagnétique libre (également appelée couche d'enregistrement ou couche de stockage) et une couche ferromagnétique de référence (également appelée couche bloquée) séparées par une mince barrière à effet tunnel isolante, qui est typiquement du MgO. Les couches libres et de référence ont une PMA avec des aimantations orientées perpendiculairement aux plans des couches. L'aimantation de la couche de référence est bloquée, mais un courant de commutation à travers la MTJ amène l'aimantation de la couche libre à basculer entre les deux orientations, parallèle (P) ou antiparallèle (AP) à l'aimantation de la couche de référence, correspondant aux résistances Rp ou RAp. La magnétorésistance à effet tunnel (TMR) de la MTJ est représentée sous la forme (RAp - Rp)/Rp. La figure lA est un schéma montrant les deux états possibles de la MTJ. La figure 1B est une représentation très schématique d'une MRAM avec un réseau de cellules de mémoire MTJ connectées aux canaux mot et bit dans une architecture à points de croisement bien connue. [0003] Dans les PMA MTJ CoFeB/MgO/CoFeB, la PMA provient de l'interface entre le CoFeB 3033936 2 et le MgO et a été attribuée à l'hybridation des orbitales Fe 3d et 0 2p. Étant donné que cette PMA provient de l'interface, il y a une limitation d'épaisseur de la couche libre, car des couches plus épaisses vont présenter une anisotropie dans le plan. Etant donné que la couche libre d'une PMA MTJ avec une interface simple C0FeB/Mg0 peut ne pas fournir suffisamment de PMA 5 pour une stabilité thermique élevée, une PMA MTJ avec une structure à double interface C0FeB/Mg0 a été proposée. ["Properties of magnetic tunnel junctions with a MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure down to junction diameter of 11nm", H. Sato et al., Applied Physics Letters 105, 062403 (2014)]. Dans cette structure, la couche libre de CoFeB est prise en sandwich entre la barrière à effet tunnel de MgO et une couche de 10 recouvrement de MgO supérieure, avec une coiffe de Ta formée sur la couche de recouvrement de MgO. Cependant, ce type de structure exige une croissance précise des couches de MgO, tout en empêchant la diffusion du Ta dans les couches de MgO lors du procédé de recuit. [0004] Ce dont on a besoin c'est une cellule de mémoire à PMA MTJ à interface double avec une PMA améliorée et une prévention de la diffusion du Ta pendant le recuit. 15 RESUME DE L'INVENTION [0005] Des modes de réalisation de la présente invention se rapportent à une jonction tunnel magnétique (MTJ) destinée à être utilisée dans une mémoire vive magnétorésistive (MRAM) avec une couche libre d'alliage de CoFeB située entre la couche barrière à effet tunnel de MgO et une couche de recouvrement de MgO supérieure, et une couche d'enrichissement d'alliage de 20 CoFeB entre la couche de recouvrement de MgO et une coiffe amagnétique, qui est typiquement du tantale (Ta). Etant donné que l'anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) provient des interfaces entre la couche libre de CoFeB et les deux couches de MgO et a été attribuée à l'hybridation des orbitales Fe 3d et 0 2p, l'alliage de CoFeB dans la couche libre doit avoir une teneur élevée en Fe, à savoir, de préférence supérieure à 50 pour cent atomiques. La 25 couche d'enrichissement d'alliage de CoFeB a une composition spécifique sensiblement différente de la composition de la couche libre de CoFeB et est déposée sur la couche de recouvrement de MgO avant le dépôt de la couche de coiffe de Ta. Pour éviter de créer une PMA inutile dans la couche d'enrichissement en raison de son interface avec la couche de recouvrement de MgO, la couche d'enrichissement doit avoir une faible teneur en Fe, de 3033936 3 préférence inférieure à 20 pour cent atomiques. Une fois que toutes les couches ont été déposées sous forme de films complets sur le substrat, la structure est recuite. Cela cristallise le MgO et génère une magnétorésistance à effet tunnel (TMR) élevée. La couche d'enrichissement d'alliage de CoFeB, avec une faible teneur en Fe, inhibe la diffusion du Ta de la couche de 5 coiffe de Ta dans la couche de recouvrement de MgO et crée également une bonne cristallinité du MgO en fournissant du CoFeB au niveau de l'interface de MgO. [0006] Pour une compréhension plus complète de la nature et des avantages de la présente invention, il conviendra de se référer à la description détaillée suivante prise conjointement avec les figures qui l'accompagnent. 10 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS [0007] La figure lA est un schéma montrant les deux états possibles d'une cellule de mémoire à jonction tunnel magnétique (MTJ) à anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA). [0008] La figure 1B est une représentation très schématique d'une mémoire vive magnétorésistive (MRAM) avec un réseau de cellules de mémoire MTJ connectées aux canaux 15 mot et bit dans une architecture à points de croisement bien connue. [0009] La figure 2 est une vue en coupe des couches constituant la MTJ selon un mode de réalisation de l'invention. [0010] La figure 3 illustre des parties de boucles de champ appliqué d'aimantation perpendiculaire (M-H) pour une structure de MTJ de l'art antérieur et deux structures de MTJ 20 selon un mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION [0011] La figure 2 est une vue en coupe des couches constituant la MTJ selon un mode de réalisation de l'invention. La MTJ est sensiblement la même que la MTJ décrite dans la publication de Sato et al. citée plus haut à l'exception de la couche d'enrichissement d'alliage de 25 CoFeB entre la couche de recouvrement de MgO et la couche de coiffe de Ta. 3033936 4 [0012] La MTJ 100 comprend un substrat, qui peut être formé de tout matériau approprié tel que du silicium de qualité semi-conducteur, du silicium oxydé ou de l'aluminium-titane-carbure, une couche de référence ferromagnétique 102 avec une aimantation fixe 103 perpendiculaire au plan de la couche de référence, une couche libre ferromagnétique 104 avec une aimantation 105 qui peut être commutée entre parallèle et antiparallèle à l'aimantation de la couche de référence 103, et une couche barrière d'oxyde isolante 106, qui est typiquement du MgO, entre la couche de référence 102 et la couche libre 104. [0013] Dans cet exemple, la couche de référence 102 est la partie de couche AP2 d'une 10 structure à blocage antiparallèle (AP). Une structure à blocage AP est bien connue et comprend de première (AP 1) et seconde (AP2) couches ferromagnétiques séparées par une couche de couplage antiparallèle amagnétique (APC). La couche APC couple les couches AP1 et AP2 ensemble de manière antiferromagnétique de sorte que leurs aimantations sont orientées de manière sensiblement antiparallèle, comme le montre l'aimantation de la couche AP2 103 et 15 l'aimantation de la couche AP1 107. Dans cet exemple, la couche APC est une couche de Ru de 8 À et la couche AP1 est une multicouche de [Co/Pt]n bien connue, où « n» désigne le nombre de paires de Co/Pt. La couche AP2 (couche de référence 102) est une multicouche de [Co/Pt]n inférieure 110, une couche de CoFeB supérieure 112 et une couche de rupture de Ta 114 entre les couches 110 et 112. Les multicouches de [Co/Pt]n sont bien connues pour présenter une 20 anisotropie magnétique perpendiculaire. Une couche de germe, dans cet exemple une bicouche de Ta/Pt, est formée sur le substrat avant le dépôt de la multicouche AP 1. [0014] Bien que le mode de réalisation de l'invention ait été décrit pour une MTJ de la couche de référence en tant que partie d'une structure à blocage AP, l'invention est pleinement applicable à d'autres types de couches de référence. Par exemple, la couche de référence peut 25 être une structure à blocage « simple », telle qu'une couche d'alliage de CoFeB unique dont l'aimantation est bloquée par une couche antiferromagnétique. [0015] La MTJ 100 est une MTJ à double couche de MgO en ce que la couche libre d'alliage de CoFeB 104 est située entre la couche barrière à effet tunnel de MgO 106 et une couche de recouvrement de MgO supérieure 130. Une forte PMA provient de l'interface entre le CoFeB 3033936 5 et le MgO. Etant donné que l'anisotropie est purement interfaciale de nature, la couche libre d'alliage de CoFeB doit être mince, généralement inférieure à environ 12 Â, pour retenir la PMA, car une couche de CoFeB plus épaisse présentera une anisotropie dans le plan. Ainsi, pour avoir une PMA forte et élevée avec une couche de CoFeB plus épaisse, la seconde couche de MgO (la couche de recouvrement de MgO) fournit une seconde interface. La couche libre 104 est constituée, dans cet exemple, de deux films de CoFeB 120, 122 séparés par un film de séparation amagnétique 124, tel que du Ta, chaque film de CoFeB ayant une épaisseur comprise de préférence dans la plage allant de 5 à 15 Â. Le film de séparation de Ta 124 crée deux films de CoFeB plus minces, dont chacun possède une interface avec une couche de MgO 10 pour créer la PMA. Étant donné que la PMA provient de l'interface entre le CoFeB et le MgO et a été attribuée à l'hybridation des orbitales Fe 3d et 0 2p, l'alliage de CoFeB dans la couche libre doit avoir une teneur élevée en Fe. La composition de l'alliage de CoFeB dans la couche libre 104 doit donc avoir de préférence la composition (C0000-jex)(ioo-y)By, où x est en pour cent atomique pour cent et est supérieur ou égal à 25 (de préférence supérieur à 50) et inférieur 15 ou égal à 95, et y est en pour cent atomique et est supérieur ou égal à 10 et inférieur ou égal à 30. [0016] Dans la présente invention, une couche d'enrichissement d'alliage de CoFeB 140, avec une composition spécifique sensiblement différente de la composition de la couche libre de CoFeB 104, est déposée sur la couche de recouvrement de MgO 130 avant le dépôt de la 20 couche de coiffe de Ta 150. Pour éviter de créer une PMA inutile dans la couche d'enrichissement 140 en raison de son interface avec la couche de recouvrement de MgO 130, la couche d'enrichissement 140 doit avoir une faible teneur en Fe. La composition de l'alliage de CoFeB dans la couche d'enrichissement 140 doit donc avoir de préférence la composition (C0000-jex)(ioo-y)By, où x est en pour cent atomique et est supérieur ou égal à 4 et inférieur ou 25 égal à 20, et y est en pour cent atomique et est supérieur ou égal à 15 et inférieur ou égal à 25. La couche d'enrichissement 140 a une épaisseur de préférence dans la gamme allant de 3 à 10 Â. [0017] Une fois que toutes les couches ont été déposées sous forme de films complets sur le substrat, la structure est recuite, habituellement à une température comprise entre environ 350 3-0 et 400 °C pendant une durée comprise entre environ 30 et 60 minutes. Cela cristallise le MgO 3033936 6 et génère une TMR élevée. Cependant, dans la MTJ de l'art antérieur sans la couche d'enrichissement selon la présente invention, le recuit peut provoquer la diffusion du Ta dans la couche de MgO, ce qui modifierait la cristallinité du MgO et réduirait la PMA de la couche libre d'alliage de CoFeB. Toutefois, dans la présente invention la couche d'enrichissement 5 d'alliage de CoFeB 140, avec une faible teneur en Fe, inhibe la diffusion du Ta de la couche de coiffe de Ta 150 dans la couche de recouvrement de MgO 130 et crée également une bonne cristallinité du MgO en fournissant du CoFeB au niveau de l'interface de MgO. [0018] La figure 3 illustre des parties de trois boucles de champ d'aimantation (M-H) pour trois structures de MTJ différentes. La boucle 200 est une structure de MTJ de l'art antérieur sans la 10 couche d'enrichissement d'alliage de CoFeB et donc avec la coiffe de Ta 150 en contact avec la couche de recouvrement de MgO. La boucle 210 est une structure de MTJ avec une couche d'enrichissement d'alliage de Co76Fe4B20 de 3 Â 140 entre la coiffe de Ta 150 et la couche de recouvrement de MgO 130. La boucle 220 est une structure de MTJ avec une couche d'enrichissement d'alliage de Co76Fe4B20 de 5 Â 140 entre la coiffe de Ta 150 et la couche de 15 recouvrement de MgO 130. La pente de la boucle M-H 200 est très faible, indiquant une faible PMA et donc une faible TMR. Cependant, les boucles 210 et 220 sont sensiblement plus raides, et augmentent avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche d'enrichissement de 3 Â à 5 Â. [0019] Bien que la présente invention ait été particulièrement représentée et décrite en référence aux modes de réalisation préférés, il sera compris par l'homme du métier que diverses 20 variations de forme et de détail pourront être apportées sans s'éloigner de l'esprit et de la portée de l'invention. En conséquence, l'invention divulguée doit être considérée simplement comme illustrative et limitée dans sa portée uniquement comme spécifié dans les revendications annexées. REVENDICATIONS1. Cellule de mémoire à jonction tunnel magnétique comprenant : un substrat ; une couche de référence ferromagnétique ayant une anisotropie magnétique perpendiculaire sur le substrat, la couche de référence ayant une aimantation fixe sensiblement perpendiculaire au plan de la couche de référence ; une couche libre ferromagnétique comprenant du Co, du Fe et du B, et ayant une anisotropie magnétique perpendiculaire, la couche libre présentant une aimantation sensiblement perpendiculaire au plan de la couche libre et pouvant être commutée entre sensiblement parallèle et sensiblement antiparallèle à l'aimantation de la couche de référence ; une couche barrière à effet tunnel d'oxyde isolante entre la couche de référence et la couche libre ; une couche de recouvrement d'oxyde isolante sur et en contact avec la couche libre ; une couche d'enrichissement ferromagnétique sur et en contact avec la couche de 15 recouvrement d'oxyde isolante et comprenant du Co, du Fe et du B; et une couche de coiffe amagnétique sur la couche d'enrichissement. 2. Cellule de mémoire selon la revendication 1, dans laquelle la couche barrière à effet tunnel d'oxyde isolante et la couche de recouvrement d'oxyde isolante sont chacune constituées de MgO. 20 3. Cellule de mémoire selon la revendication 1, dans laquelle la couche de coiffe amagnétique est constituée de Ta. 3033936 8 4. Cellule de mémoire selon la revendication 1, dans laquelle la couche libre comprend des premier et second films d'alliage de CoFeB et un film de séparation amagnétique entre lesdits premier et second films d'alliage de CoFeB. 5. Cellule de mémoire selon la revendication 4, dans laquelle chacun des premier 5 et second films d'alliage de CoFeB a une épaisseur supérieure ou égale à 5 Â et inférieure ou égale à 15 Â. 6. Cellule de mémoire selon la revendication 1, dans laquelle la couche libre se compose d'un alliage de CoFeB ayant une composition de la formule (Co(100,)Fex)(100_y)By, où x est en pour cent atomique et est supérieur ou égal à 25 et inférieur ou égal à 95, et y est en pour 10 cent atomique et est supérieur ou égal à 15 et inférieur ou égal à 25. 7. Cellule de mémoire selon la revendication 1, dans laquelle la couche d'enrichissement a une composition de la formule (Co(loo-jex)(loo-y)By, où x est en pour cent atomique et est supérieur ou égal à 4 et inférieur ou égal à 20, et y est en pour cent atomique et est supérieur ou égal à 15 et inférieur ou égal à 25. 8. Cellule de mémoire selon la revendication 1, dans laquelle la couche d'enrichissement a une épaisseur supérieure ou égale à 3 Â et inférieure ou égale à 10 Â. 9. Cellule de mémoire selon la revendication 1, dans laquelle la cellule de mémoire comprend une structure à blocage antiparallèle (AP) comprenant une première couche ferromagnétique à blocage AP (AP1) ayant une aimantation perpendiculaire au plan, une seconde couche ferromagnétique à blocage AP (AP2) ayant une aimantation perpendiculaire au plan sensiblement antiparallèle à l'aimantation de la couche API, et une couche de couplage AP (APC) entre et en contact avec les couches AP1 et AP2, dans laquelle la couche AP2 comprend ladite couche de référence. 3033936 9 10. Mémoire vive magnétique (MRAM) comprenant un réseau de cellules de mémoire selon la revendication 1, une pluralité de canaux bit connectés aux cellules de mémoire, et une pluralité de canaux mot connectés aux cellules de mémoire. 11. Cellule de mémoire à jonction tunnel magnétique comprenant : 5 un substrat ; une couche de référence ferromagnétique comprenant un alliage de CoFeB sur le substrat et présentant une anisotropie magnétique perpendiculaire, la couche de référence ayant une aimantation fixe sensiblement perpendiculaire au plan de la couche de référence ; une couche libre ferromagnétique ayant une anisotropie magnétique perpendiculaire, la 10 couche libre présentant une aimantation sensiblement perpendiculaire au plan de la couche libre et pouvant être commutée entre sensiblement parallèle et sensiblement antiparallèle à l'aimantation de la couche de référence, la couche libre comprenant des premier et second films d'alliage de CoFeB et un film de séparation amagnétique entre lesdits premier et second films d'alliage de CoFeB; 15 une couche barrière à effet tunnel de MgO isolante entre la couche de référence et la couche libre ; une couche de recouvrement de MgO isolante sur et en contact avec la couche libre ; une couche d'enrichissement ferromagnétique sur et en contact avec la couche de recouvrement de MgO isolante, la couche d'enrichissement ayant une composition de la 20 formule (Co(loo_x)Fex)(ioo-y)By, où x est en pour cent atomique et est supérieur ou égal à 4 et inférieur ou égal à 20, et y est en pour cent atomique et est supérieur ou égal à 15 et inférieur ou égal à 25 ; et une couche de coiffe de Ta sur la couche d'enrichissement. 3033936 10 12. Cellule de mémoire selon la revendication 11, dans laquelle la couche d'enrichissement a une épaisseur supérieure ou égale à 3 Â et inférieure ou égale à 10 A. 13. Cellule de mémoire selon la revendication 11, dans laquelle la cellule de mémoire comprend une structure à blocage antiparallèle (AP) comprenant une première couche 5 ferromagnétique à blocage AP (AP1) ayant une aimantation perpendiculaire au plan, une seconde couche ferromagnétique à blocage AP (AP2) ayant une aimantation perpendiculaire au plan sensiblement antiparallèle à l'aimantation de la couche API, et une couche de couplage AP (APC) entre et en contact avec les couches AP1 et AP2, dans laquelle la couche AP2 comprend ladite couche de référence.