We investigated the influence of hard mask (HM) materials on tunnel magnetoresistance (TMR) properties and magnetic properties for the magnetic tunnel junctions with pependicular easy axis (p-MTJs) with double CoFeB/MgO interface annealed at 400 °C for 0.5–10 h. After annealing at 400 °C for 5 h, the TMR ratio of the MTJ with TiN HM was significantly decreased, whereas the TMR ratio of the MTJ with Ta-HM was maintained at a value of more than 120%. The analysis results by secondary-ion mass spectrometry (SIMS) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) revealed that Ru in Ru-cap for the MTJ with TiN-HM diffused into the free layer through the MgO-cap layer, resulting in the degradation of the magnetic and TMR properties of the MTJ with TiN-HM. In contrast, Ru did not diffuse into the free layer for the MTJ with Ta-HM, which results from suppression of Ru diffusion into the free layer due to the formation of Ta–Ru alloy. Furthermore, in both the MTJs with TiN-HM and Ta-HM annealed at 400 °C for 10 h, EDX analysis revealed Pt diffusion into the CoFeB reference layer, which could degrade the magnetic properties of the reference layer, resulting in the degradation of TMR properties. To obtain a double CoFeB/MgO interface p-MTJ with higher thermal tolerance, it is necessary to design an HM material that suppresses the diffusion of the cap material into the free layer in addition to suppressing the Pt diffusion of the reference layer.

中文翻译：

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硬掩模材料对具有双 CoFeB/MgO 界面的垂直 MTJ 磁性能的影响

我们研究了硬掩模 (HM) 材料对具有垂直易轴 (p-MTJ) 的磁性隧道结的隧道磁阻 (TMR) 特性和磁性的影响，该磁隧道结具有双 CoFeB/MgO 界面，在 400°C 下退火 0.5-10 H。在 400 °C 下退火 5 h 后，MTJ 与 TiN HM 的 TMR 比显着降低，而 MTJ 与 Ta-HM 的 TMR 比保持在 120% 以上的值。二次离子质谱 (SIMS) 和能量色散 X 射线光谱 (EDX) 的分析结果表明，具有 TiN-HM 的 MTJ 的 Ru-cap 中的 Ru 通过 MgO-cap 层扩散到自由层中，导致使用 TiN-HM 降低 MTJ 的磁性和 TMR 性能。相比之下，对于具有 Ta-HM 的 MTJ，Ru 没有扩散到自由层中，这是由于 Ta-Ru 合金的形成抑制了 Ru 扩散到自由层中的结果。此外，在具有 TiN-HM 和 Ta-HM 的 MTJ 中，在 400°C 下退火 10 小时，EDX 分析显示 Pt 扩散到 CoFeB 参考层中，这可能会降低参考层的磁性能，导致TMR 属性。为了获得具有更高耐热性的双CoFeB/MgO界面p-MTJ，除了抑制参考层的Pt扩散之外，还需要设计一种抑制帽盖材料扩散到自由层中的HM材料。这可能会降低参考层的磁性能，从而导致 TMR 性能的降低。为了获得具有更高耐热性的双CoFeB/MgO界面p-MTJ，除了抑制参考层的Pt扩散之外，还需要设计一种抑制帽盖材料扩散到自由层中的HM材料。这可能会降低参考层的磁性能，从而导致 TMR 性能的降低。为了获得具有更高耐热性的双CoFeB/MgO界面p-MTJ，除了抑制参考层的Pt扩散之外，还需要设计一种抑制帽盖材料扩散到自由层中的HM材料。