CN107112415A - 用于磁性隧穿结器件的超薄垂直钉扎层结构 - Google Patents

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Abstract

一种垂直磁性隧道结(MTJ)(600)的合成反铁磁(SAF)基准层(601)的材料堆叠可包括SAF耦合层(606)。该材料堆叠还可包括SAF耦合层上的非晶间隔体层(612)。该非晶间隔体层可包括钽和钴、或者钽和铁、或者钴和铁和钽的合金或多层。该非晶间隔体层还可包括SAF耦合层的经处理表面。

Description

用于磁性隧穿结器件的超薄垂直钉扎层结构
背景
领域
本公开的某些方面一般涉及磁性隧穿结(MTJ)器件，尤其涉及MTJ器件的钉扎层结构。
背景
与常规的随机存取存储器(RAM)芯片技术不同，在磁性RAM(MRAM)中，通过存储元件的磁化来存储数据。存储元件的基本结构包括由薄的隧穿势垒分开的金属铁磁层。通常，势垒下方的铁磁层(例如，钉扎层)具有固定在特定方向上的磁化。隧穿势垒上方的铁磁磁性层(例如，自由层)具有可被更改以表示“1”或“0”的磁化方向。例如，在自由层磁化与固定层磁化反平行时可表示“1”。另外，在自由层磁化与固定层磁化平行时可表示“0”，反之亦然。具有固定层、隧穿层和自由层的一种此类器件是磁性隧道结(MTJ)。MTJ的电阻取决于自由层磁化和固定层磁化是彼此平行还是彼此反平行。存储器器件(诸如MRAM)是从可个体寻址的MTJ阵列构建的。
为了将数据写入常规MRAM，通过MTJ来施加超过临界切换电流的写电流。施加超过临界切换电流的写电流改变自由层的磁化方向。当写电流以第一方向流动时，MTJ可被置于或者保持在第一状态，其中其自由层磁化方向和固定层磁化方向在平行取向上对准。当写电流以与第一方向相反的第二方向流动时，MTJ可被置于或者保持在第二状态，其中其自由层磁化和固定层磁化呈反平行取向。
为了读取常规MRAM中的数据，读电流可经由用于将数据写入MTJ的相同电流路径来流经该MTJ。如果MTJ的自由层和固定层的磁化彼此平行地取向，则MTJ呈现平行电阻。该平行电阻不同于在自由层和固定层的磁化以反平行取向的情况下MTJ将呈现的电阻(反平行)。在常规MRAM中，由MRAM的位单元中的MTJ的这两个不同电阻定义两种相异的状态。这两个不同的电阻指示由该MTJ存储逻辑“0”值还是逻辑“1”值。
自旋转移矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)是一种新兴类型的非易失性存储器，其以比芯片外动态随机存取存储器(DRAM)更高的速度来操作。另外，STT-MRAM具有比嵌入式静态随机存取存储器(eSRAM)更小的芯片尺寸、无限读/写耐久性、以及低阵列漏泄电流。
在一种类别的STT-MRAM单元中，磁性隧道结(MTJ)的自由层和基准层的极化方向平行于相应层的平面。此类存储器单元被称为具有面内磁各向异性或者纵向磁各向异性(LMA)。通过构造具有伸长形状(诸如椭圆形)的存储器单元来提供具有面内磁各向异性的MRAM单元的磁极化方向。该伸长形状在每一端提供用于使磁矩趋向或远离的磁极位置。
在另一种类别的STT-MRAM单元中，MTJ的自由层和基准层的极化方向垂直于相应层的平面。此类存储器单元被称为具有垂直磁各向异性(PMA)。PMA类型的STT-MRAM单元的层中的磁极化方向是固有地定向的，即，垂直于该层。因此，PMA类型STT-MRAM单元可具有可以比伸长的面内MRAM单元更容易制造的对称形状(诸如圆形形状)。圆形形状的PMA类型STT-MRAM单元具有比伸长的面内STT-MRAM单元更小的面积，并且因此可促成更深度缩放的存储器器件的开发。此外，由于STT-MRAM单元的切换电流与其面积成比例，因此PMA类型STT-MRAM单元可消耗比面内类型STT-MRAM单元更少的功率。自由层和基准层的极化方向垂直于相应层的平面的MTJ可被称为垂直MTJ或pMTJ。
概述
一种垂直磁性隧道结(MTJ)的合成反铁磁(SAF)基准层的材料堆叠可包括SAF耦合层。所述材料堆叠还可包括所述SAF耦合层上的非晶间隔体层。所述非晶间隔体层包括钽和钴、或者钽和铁、或者钴和铁和钽的合金或多层。
一种垂直磁性隧道结(MTJ)的合成反铁磁(SAF)基准层的材料堆叠可包括SAF耦合层。所述材料堆叠还可包括所述SAF耦合层上的非晶间隔体层。所述非晶间隔体层可包括所述SAF耦合层的经处理表面。
一种垂直磁性隧道结(MTJ)包括：垂直自由层、垂直合成反铁磁(SAF)基准层；以及在所述SAF基准层与所述垂直自由层之间的隧道势垒层。所述SAF基准层可包括：第一反平行材料堆叠、在所述第一反平行材料堆叠与所述隧道势垒层之间的第二反平行材料堆叠、以及在所述第一反平行材料堆叠与所述第二反平行材料堆叠之间的SAF耦合层。所述第二反平行材料堆叠可包括：用于阻挡硼从所述第二材料堆叠向所述第一材料堆叠扩散以在退火工艺期间改善所述SAF基准层的热稳定性的装置。
一种减小垂直磁性隧道结(MTJ)中的合成反铁磁(SAF)基准层厚度的方法可包括：形成第一反平行垂直磁各向异性(PMA)材料堆叠，所述第一反平行PMA材料堆叠包括钴和铂、钴和钯、或者钴和镍的PMA多层的重复。所述方法还可包括：在所述第一反平行材料堆叠上沉积SAF耦合层，并且在所述SAF耦合层上形成第二反平行PMA材料堆叠。所述第二反平行PMA材料堆叠可不具有PMA多层的重复。所述方法还包括：在所述SAF耦合层上形成非晶间隔体层以在高温退火期间保持或增加由所述SAF基准层提供的TMR。
这已较宽泛地勾勒出本公开的特征和技术优势以便下面的详细描述可以被更好地理解。本公开的附加特征和优点将在下文描述。本领域技术人员应该领会，本公开可容易地被用作修改或设计用于实施与本公开相同的目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应认识到，这样的等效构造并不脱离所附权利要求中所阐述的本公开的教导。被认为是本公开的特性的新颖特征在其组织和操作方法两方面连同进一步的目的和优点在结合附图来考虑以下描述时将被更好地理解。然而，要清楚理解的是，提供每一幅附图均仅用于解说和描述目的，且无意作为对本公开的限定的定义。
附图简述
为了更全面地理解本公开，现在结合附图参阅以下描述。
图1是连接到存取晶体管的磁性隧道结(MTJ)器件的示图。
图2是包括MTJ的常规自旋转移矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)单元的概念图。
图3是解说了常规垂直磁性隧道结(pMTJ)结构的横截面图。
图4是解说了常规垂直磁性隧道结(pMTJ)结构的横截面图，其示出了常规合成反铁磁(SAF)材料堆叠。
图5是解说了根据本公开的一方面的垂直MTJ结构的横截面图。
图6是解说了根据本公开的另一方面的垂直MTJ结构的横截面图。
图7是解说了根据本公开的一方面的制造垂直MTJ结构的工艺的工艺流程图。
图8是示出其中可有利地采用本公开的配置的示例性无线通信系统的框图。
图9是解说根据一种配置的用于半导体组件的电路、布局、以及逻辑设计的设计工作站的框图。
详细描述
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而无意表示可实践本文中所描述的概念的仅有的配置。本详细描述包括具体细节以便提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践这些概念。在一些实例中，以框图形式示出众所周知的结构和组件以避免湮没此类概念。如本文所述的，术语“和/或”的使用旨在代表“可兼性或”，而术语“或”的使用旨在代表“排他性或”。
在常规的垂直磁性隧道结(pMTJ)结构中，缓冲层提供针对隧穿磁阻(TMR)增强层(例如，钴铁硼(CoFeB)层)的结构缓冲，以避免扰乱TMR增强层中的晶向。缓冲层还充当扩散势垒和磁耦合层以增强隧穿磁阻。缓冲层可由钽构成。
在常规pMTJ结构中，提供钴(Co)和铂(Pt)层的众多重复以实现预定的热稳定性和隧穿磁阻。然而，Co和Pt层的众多重复向合成反铁磁(SAF)基准层添加了显著厚度。SAF基准层的总体高度可在15至30纳米之间以实现期望的热稳定性和隧穿磁阻。通过减少Co和Pt层的重复次数来减小SAF基准的厚度可能无法提供期望的热稳定性和隧穿磁阻。
本公开的各方面包括一种具有减少的Co和Pt层的重复的pMTJ结构，同时保留期望的热稳定性和隧穿磁阻。减小pMTJ结构中的多层材料堆叠的总体厚度通常具有减小材料堆叠的表面粗糙度的效果。减小的表面粗糙度改善了pMTJ结构的热稳定性和垂直磁各向异性(PMA)。由此，用较薄材料堆叠构造的pMTJ结构通常展现比用较厚材料堆叠构造的pMTJ结构更好的热稳定性、更好的PMA和更好的TMR。这显著减小了总体厚度以创建超薄垂直SAF基准层结构。超薄垂直SAF基准层还允许更快的蚀刻时间，以及减小的表面粗糙度和更简单的制造。
图1解说了存储器器件的存储器单元100，其包括耦合到存取晶体管104的垂直磁性隧道结(pMTJ)102。该存储器器件可以是从可个体寻址的pMTJ阵列构建的自旋转移矩磁性随机存取存储器(MRAM)器件。pMTJ堆叠可包括自由层、基准层和自由层与基准层之间的隧道势垒层、以及一个或多个铁磁层。代表性地，pMTJ 102的自由层110耦合到位线112。存取晶体管104耦合在pMTJ 102的基准层106与固定电势节点122之间。隧道势垒层114耦合在基准层106与自由层110之间。存取晶体管104包括耦合到字线118的栅极116。
常规地，pMTJ 102的基准层106可由合成反铁磁材料形成。反铁磁材料是其中原子或分子的磁矩(通常与电子的旋转相关)以规则图案与指向相反方向(在不同亚晶格上)的相邻旋转对准的材料。合成反铁磁(SAF)材料是包括由非磁性层分开的两个或更多个薄的铁磁层的人造反铁磁材料堆叠。由于铁磁层的偶极子耦合，其引起铁磁材料堆叠的磁化的反平行对准。
pMTJ的基准层通常被构造为合成反铁磁(SAF)层。例如，基准层106可包括多个材料层，其包括钴铁硼(CoFeB)层、钌(Ru)层和钴铁(CoFe)层。自由层110也可包括多个材料层，其包括钴铁硼(CoFeB)层、钌(Ru)层和钴铁(CoFe)层。此外，隧道势垒层114可以是氧化镁(MgO)。
图2解说了常规STT-MRAM位单元200。STT-MRAM位单元200包括垂直磁性隧道结(pMTJ)存储元件205、晶体管201、位线202和字线203。pMTJ存储元件205由基准层和自由层(其中每一者可保持磁场或极化)形成，该基准层和自由层由薄的非磁性绝缘层(隧穿势垒)分开。来自基准层和自由层的电子因施加于铁磁层的偏置电压下的隧穿效应而可穿透隧穿势垒。自由层的磁极化可被反转，以使得基准层和自由层的极性基本对准或相反。通过pMTJ存储元件205的电路径的电阻取决于基准层和自由层的极化的对准而变化。STT-MRAM位单元200还包括源线204、感测放大器208、读/写电路系统206和位线基准207。
形成STT-MRAM的垂直磁性隧道结(pMTJ)的材料一般展现高隧穿磁阻(TMR)、高垂直磁各向异性(PMA)以及良好的数据保留性。图3解说了常规垂直磁性隧道结(pMTJ)结构的横截面视图。
代表性地，MTJ结构300(其在图3中被示出为pMTJ结构)形成在基板302上。MTJ结构300可形成在半导体基板(诸如硅基板)或任何其他替换的合适的基板材料上。MTJ结构300可包括第一电极304、晶种层306、以及合成反铁磁(SAF)基准层324。SAF基准层324包括第一合成反铁磁(SAF)层308、SAF耦合层310、以及第二SAF层312。第一SAF层308和第二SAF层312自身是铁磁层，但是当通过SAF耦合层310耦合在一起时形成合成反铁磁(SAF)基准层324。MTJ结构300还包括势垒层316、自由层318、盖层320(也称作覆盖层)和第二电极322。MTJ结构300可以是各种类型的器件(诸如半导体存储器器件(例如，MRAM))的一部分。
在这种配置中，第一电极304和第二电极322包括导电材料(例如，钽(Ta))。在其他配置中，第一电极304和/或第二电极322可包括其他适当的材料，包括但不限于铂(Pt)、铜(Cu)、金(Au)、铝(Al)、或其他类似的导电材料。第一电极304和第二电极322可在MTJ结构300内采用不同的材料。
晶种层306形成在第一电极304上。晶种层306可为第一SAF层308提供机械和晶体基板。晶种层306可以是复合材料，包括但不限于镍镉(NiCr)、镍铁(NiFe)、NiFeCr、或用于晶种层306的其他合适材料。当晶种层306生长或以其他方式耦合到第一电极304时，在晶种层306中得到平滑且密集的晶体结构。在这种配置中，晶种层306根据特定的晶向促进MTJ结构300中后续形成的诸层的生长。晶种层306的晶体结构可被选择成密勒指数标记系统内的任一晶向，但通常被选取成(111)晶向。
第一SAF层308形成在晶种层306上。第一SAF层308包括形成在晶种层306上的多层材料堆叠，其在本文中可被称为第一反平行钉扎层(AP1)。第一SAF层308中的多层材料堆叠可以是铁磁材料或用于创建第一SAF层308中的铁磁矩的诸材料的组合。形成第一SAF层308的多层材料堆叠包括但不限于钴(Co)、钴与其他材料(诸如镍(Ni)、铂(Pt)、或者钯(Pd))的组合、或者其他类似的铁磁材料。
SAF耦合层310形成在第一SAF层308上，并且促进第一SAF层308与第二SAF层312之间的磁耦合。第二SAF层312具有与第一SAF层308反平行的磁取向。SAF耦合层310包括辅助该耦合的材料，包括但不限于钌(Ru)、钽(Ta)、钆(Gd)、铂(Pt)、铪(Hf)、锇(Os)、铑(Rh)、铌(Nb)、铽(Tb)、或其他类似材料。SAF耦合层310还可包括为第一SAF层308和第二SAF层312提供机械和/或晶体结构支持的材料。
第二SAF层312形成在SAF耦合层310上。第二SAF层312可具有与第一SAF层308类似的材料，但可包括其他材料。第一SAF层308、SAF耦合层310、以及第二SAF层312的组合形成SAF基准层324，其通常被称为MTJ结构300中的“钉扎层”。SAF基准层324通过反铁磁耦合来固定或钉扎SAF基准层324的磁化方向。如本文所述，第二SAF层312可被称为第二反平行钉扎层(AP2)。在该布置中，第一反平行钉扎层(AP1)通过SAF耦合层310与第二反平行钉扎层(AP2)分开以形成SAF基准层324。SAF基准层324可包括钴铁硼(CoFeB)膜。SAF基准层324还可包括其他铁磁材料层，诸如CoFeTa、NiFe、Co、CoFe、CoPt、CoPd、FePt，或者Ni、Co和Fe的任何合金。
SAF基准层324的邻接势垒层316的TMR增强层可由为势垒层316提供晶向的材料(诸如CoFeB)形成。和晶种层306一样，SAF基准层324中的材料为要在特定晶向生长的后续层提供模板。该取向可以是密勒指数系统内的任一方向，但是通常在(100)(或者(001))晶向上。
势垒层316(也被称为隧道势垒层)形成在SAF基准层324上。势垒层316为在SAF基准层324与自由层318之间穿行的电子提供隧道势垒。可包括氧化镁(MgO)的势垒层316形成在SAF基准层324上并且可具有某一晶体结构。势垒层316的晶体结构可在(100)方向上。势垒层316可包括其他元素或者其他材料，诸如氧化铝(AlO)、氮化铝(AlN)、氮氧化铝(AlON)、或者其他非磁性或电介质材料。势垒层316的厚度被形成为使得在偏置电压被施加于MTJ结构300时电子能从SAF基准层324通过势垒层316隧穿到自由层318。
可以是钴铁硼(CoFeB)的自由层318形成在势垒层316上。当最初被沉积在势垒层316上时，自由层318是非晶结构。即，当最初被沉积在势垒层316上时，自由层318不具有晶体结构。自由层318也是铁磁层或者多层材料，其可包括与SAF基准层324相似的铁磁材料或者可包括不同的材料。
在这种配置中，自由层318包括未被固定或钉扎于特定磁取向上的铁磁材料。自由层318的磁化取向能旋转成处于与SAF基准层324的钉扎磁化平行或者反平行的方向。隧穿电流取决于SAF基准层324和自由层318的相对磁化方向而垂直地流经势垒层316。
盖层320形成在自由层318上。盖层320可以是电介质层或其他绝缘层，以允许磁场和电场被包含在自由层318与SAF基准层324之间。盖层320有助于减小将MTJ结构300从一个取向(例如，平行取向)切换到另一取向(例如，反平行取向)的切换电流密度。盖层320(其也可被称作覆盖层)可以是氧化物，诸如例如非晶氧化铝(AlOx)或者非晶氧化铪(HfOx)。盖层320还可以是其他材料，诸如氧化镁(MgO)或者其他电介质材料，而不脱离本公开的范围。
第二电极322形成在盖层320上。在一种配置中，第二电极322包括钽。替换地，第二电极322包括用于MTJ结构300与电路的其他器件或部分进行电连接的任何其他合适的导电材料。在盖层320上形成第二电极322完成了MTJ结构300。
在MTJ结构300中，SAF基准层324可包括钴(Co)和铂(Pt)层的众多重复以实现预定的热稳定性和隧穿磁阻。然而，Co和Pt层的众多重复向合成反铁磁(SAF)基准层324添加了显著厚度。通过减少Co和Pt层的重复次数来减小SAF基准的厚度可能无法提供期望的热稳定性和隧穿磁阻。
然而，减小pMTJ结构中的多层材料堆叠的总体厚度通常具有减小材料堆叠的表面粗糙度的效果。减小的表面粗糙度改善了pMTJ结构的热稳定性和垂直磁各向异性(PMA)以补偿因减少Co和Pt层的重复次数引起的期望热稳定性和隧穿磁阻的任何减小。由此，用较薄材料堆叠构造的pMTJ结构通常展现比用较厚材料堆叠构造的pMTJ结构更好的热稳定性、更好的PMA和更好的TMR。
图4解说了常规垂直磁性隧道结(pMTJ)结构400的横截面视图，其解说了常规材料结构和层厚度。常规pMTJ结构400包括基板和晶种层402、SAF基准层404以及势垒层406。在该示例中，势垒层材料是MgO。SAF基准层404包括由SAF耦合层412分开的第一SAF层408和第二SAF层410。第一SAF层408和第二SAF层410自身是铁磁层，但是当通过SAF耦合层412耦合在一起时形成合成反铁磁(SAF)基准层404。在该示例中，SAF耦合层材料是Ru。
SAF耦合层412(例如，Ru)引发SAF耦合层412下方和上方的磁性层(第一SAF层408和第二SAF层410)中的反铁磁对准。SAF耦合层412的顶部上的耦合增强层413(例如，Co)增强了SAF耦合层412的耦合效果。
第一SAF层408是包括Co和Pt层414的6至14次重复的多层。第二SAF层410是包括Co和Pt层416的5至10次重复的多层。第二SAF层410还包括隧穿磁阻(TMR)增强缓冲层418和TMR增强层420。在该示例中，TMR增强层420材料可以是CoFeB。
在常规pMTJ结构400中，TMR增强缓冲层418提供针对TMR增强层420的结构缓冲，以避免扰乱TMR增强层420中的晶向。TMR增强缓冲层418还充当扩散势垒和磁耦合层以增强隧穿磁阻。在该示例中，TMR增强缓冲层418材料是钽。
在常规pMTJ结构400中，Co和Pt层414、416的众多重复向SAF基准层添加了显著厚度。在该示例中，SAF基准层404的总体高度在15至30纳米之间。通过减少Co和Pt层414、416的重复次数来减小厚度的尝试已得到差的热稳定性和低TMR。具有减小的厚度的常规pMTJ结构中差的热稳定性被认为可能至少部分地是由于将单层Ta用作为TMR增强缓冲层418引起的。Ta的TMR增强缓冲层418可能不提供足够的势垒以防止硼从TMR增强层420扩散到SAF耦合层412中和第一SAF层408中。穿过SAF耦合层412的硼扩散可能造成差的热稳定性和减小的TMR。
本公开的各方面包括一种具有减少的Co和Pt层的重复的pMTJ结构，同时保留期望的热稳定性和隧穿磁阻。减小pMTJ结构中的多层材料堆叠的总体厚度通常具有减小材料堆叠的表面粗糙度的效果。减小的表面粗糙度改善了pMTJ结构的热稳定性和垂直磁各向异性(PMA)。由此，用较薄材料堆叠构造的pMTJ结构通常展现比用较厚材料堆叠构造的pMTJ结构更好的热稳定性、更好的PMA和更好的TMR。这基本上减小了总体厚度以创建超薄垂直SAF基准层结构。超薄垂直SAF基准层还允许更快的蚀刻时间，以及减小的表面粗糙度和更简单的制造。
图5解说了根据本公开的一方面的pMTJ结构500的横截面视图。在pMTJ结构500中SAF基准层501被构造在基板和晶种层503上。SAF基准层501包括第一SAF层502、第二SAF层504以及在第一SAF层502与第二SAF层504之间的SAF耦合层506。第一SAF层502可以是材料的多层堆叠。在该示例中，该多层堆叠包括钴和铂层(其可被重复2至10次)的PMA多层堆叠508。在根据本公开的各方面的替换结构中，PMA多层堆叠508可包括钴和钯、或者钴和镍而非钴和铂的多层。SAF耦合层506可以是例如钌(Ru)、铱(Ir)、锇(Os)、或铑(Rh)。
第一SAF层502和第二SAF层504自身是铁磁层，但是当通过SAF耦合层506耦合在一起时形成合成反铁磁(SAF)基准层501。在该示例中，SAF耦合层材料是Ru。
SAF耦合层506(例如，Ru)引发SAF耦合层502下方和上方的磁性层(第一SAF层504和第二SAF层506)中的反铁磁对准。第二SAF层504可包括SAF耦合层的顶部上的薄的耦合增强层510(例如，Co)。薄的耦合增强层510增强了薄的耦合增强层510的耦合效果。
根据本公开的各方面，非晶间隔体层512被沉积在薄的耦合增强层510上方。非晶间隔体层512提供退火稳定性和隧穿磁阻(TMR)增强。根据本公开的各方面，非晶间隔体层512可包括被沉积在薄的耦合增强层510(例如，钴)上的钴和钽、或者铁和钽的合金或多层。SAF基准层501的TMR增强层514可以是以体心立方(001)取向的钴铁硼，其邻接势垒层516(例如，MgO)。为了完成垂直MTJ结构，自由层结构(未示出)被沉积在势垒层516上。可任选地，作为第二SAF层504的一部分，另一层(未示出)(诸如钽、铂、或者铂和钽的堆叠或混合层)可被沉积在薄的耦合增强层510与非晶间隔体层512之间。
根据本公开的一方面，非晶间隔体层512由钴和钽、或者铁和钽的合金或多层制成。非晶间隔体层512比已用于常规pMTJ结构中的TMR增强缓冲层418(图4)显著更厚并且更有效地阻挡硼扩散。这有助于保持或增加由具有减少的Co/Pt层的重复的材料堆叠提供的退火稳定性和TMR。
非晶间隔体层512还可充当扩散势垒阻挡，以防止或推迟从SAF基准层501的TMR增强层514到SAF耦合层506的硼扩散。非晶间隔体层512还可充当结构势垒以促进TMR增强层514中CoFeB材料的体心立方(001)结构的形成，并充当磁耦合层，并且在高温退火期间增强或保持TMR。
根据本公开的一方面，第一SAF层502可包括PMA多层堆叠508的钴和铂的数次重复。在一个示例中，根据本公开的一方面，仅用PMA多层堆叠508中钴和铂的三次重复来构造第一SAF层。在该示例中，SAF基准层501的总体高度被减小到大约6nm。
根据本公开的各方面，第二SAF层504不包括PMA多层堆叠508的任何重复，并且可包括单个PMA层，诸如例如薄的耦合增强层510。在替换示例中，第二SAF层504可包括PMA多层堆叠508的钴和铂的一至五次重复。
图6是解说了根据本公开的一方面的pMTJ结构600的横截面视图。在pMTJ结构600中SAF基准层601被构造在基板和晶种层603上。势垒层616形成在SAF基准层601上。SAF基准层601包括第一SAF层602、第二SAF层604以及在第一SAF层602与第二SAF层604之间的SAF耦合间隔体606。第一SAF层602可以是材料的多层堆叠。在该示例中，该多层堆叠包括钴和铂层(其可被重复2至10次)的PMA多层堆叠608。在根据本公开的各方面的替换结构中，PMA多层堆叠608可包括钴和钯、或者钴和镍而非钴和铂的多层。SAF耦合间隔体606可以是例如钌(Ru)、铱(Ir)、锇(Os)、或铑(Rh)。
第二SAF层604仅包括例如CoFeB的TMR增强层614，而不包括PMA多层的任何重复。在该布置中，在SAF耦合间隔体606上经由表面处理(例如，光氧化、等离子处理或离子辐射)形成第二SAF层604中的非晶间隔体层612，以充当用于TMR增强层614的基础。SAF耦合间隔体606上的非晶间隔体层612实质上变成第二SAF层604的一部分。SAF耦合间隔体606的表面处理可以是光等离子处理，其促进TMR增强层614中材料(例如，CoFeB)的体心立方(001)形成。
根据本公开的该方面，SAF耦合间隔体606上的非晶间隔体层612有助于保持或增加由具有减少的Co/Pt多层的重复的材料堆叠提供的退火稳定性和TMR。SAF耦合间隔体606上的非晶间隔体层612还可充当结构势垒以促进TMR增强层614中材料的体心立方(001)结构的形成。
根据本公开的一方面，第一SAF层602可包括PMA多层堆叠608的钴和铂的数次重复，以提供第一反平行钉扎层(AP1)。在一个示例中，根据本公开的一方面，仅用PMA多层堆叠608中钴和铂的三次重复来构造第一SAF层AP1。在该示例中，SAF基准层601的总体高度被减小到大约5nm。
本公开的各方面显著减小第二SAF层604或第二反平行钉扎层(AP2)的厚度。在本公开的一方面内，第一SAF层AP1的厚度在厚度上也可被显著减小，因为当使用SAF耦合间隔体606上的非晶间隔体层612时可减少第一SAF层AP1中的层的数目或层的重复。此外，当采用本公开的各结构时，SAF基准层(例如，501、601)的整体厚度可从15至30纳米的范围减小到5至6纳米的范围。尽管上面提到了特定的材料和厚度，但其他材料和其他层厚度也被构想落在本公开的范围内。
参照图7描述了一种减小垂直磁性隧道结(MTJ)中的合成反铁磁(SAF)基准层厚度的方法。在框702处方法700包括：形成第一反平行垂直磁各向异性(PMA)材料堆叠。例如，如图6中所示，第一SAF层602提供第一反平行钉扎层(AP1)。第一反平行PMA材料堆叠AP1可包括PMA多层的数次重复。PMA多层可包括例如钴和铂、钴和钯、或者钴和镍。
该方法进一步包括：在框704处，在第一反平行材料堆叠上沉积SAF耦合层，并且在框706处，在SAF耦合层上形成第二反平行PMA材料堆叠。例如，如图6中所示，第二SAF层604提供了通过SAF基准层610的SAF耦合间隔体606与AP1分开的第二反平行钉扎层(AP2)。
根据本公开的各方面，第二反平行PMA材料堆叠AP2不具有PMA多层的重复。在框708处，该方法进一步包括：在SAF耦合层上形成非晶间隔体层。例如，在图6中，经由表面处理在SAF耦合间隔体606上形成非晶间隔体层612，以充当用于TMR增强层614的基础。SAF耦合间隔体606上的非晶间隔体层612实质上变成第二SAF层AP2的一部分。即，非晶间隔体层612形成在AP2内以在高温退火期间保持或增加由SAF基准层601提供的TMR。非晶间隔体层包括包含钽和钴、或者钽和铁的合金或多层。
一种垂直磁性隧道结(MTJ)可包括：垂直自由层、垂直合成反铁磁(SAF)基准层；以及在SAF基准层与垂直自由层之间的隧道势垒层。SAF基准层可包括：第一反平行材料堆叠、在第一反平行材料堆叠与隧道势垒层之间的第二反平行材料堆叠、以及在第一反平行材料堆叠与第二反平行材料堆叠之间的SAF耦合层。第二反平行材料堆叠可包括：用于阻挡硼从第二材料堆叠向第一材料堆叠扩散以在退火工艺期间改善SAF基准层的热稳定性的装置。
用于阻挡硼扩散的装置可包括如上面参照图5所描述的第二SAF层504中的非晶间隔体层512。例如，非晶间隔体层可由包括钽和钴或者钽和铁或者钴和铁和钽的合金或多层制成。替换地，用于阻挡硼扩散、在退火工艺期间改善SAF基准层的热稳定性的装置可例如包括如图6中所描述的SAF耦合间隔体606的经处理表面。
本公开的一个方面包括一种垂直磁性隧道结(MTJ)的合成反铁磁(SAF)基准层的材料堆叠。根据本公开的该方面，该材料堆叠包括：用于耦合SAF基准层的第一SAF层和第二SAF层的装置；以及用于阻挡硼从第二SAF层向第一SAF层扩散的装置。用于耦合SAF基准层的第一SAF层和第二SAF层的装置可例如包括如上面参照图5所描述的SAF耦合层506、或者如上面参照图6所描述的SAF耦合间隔体606。用于阻挡硼扩散的装置可包括例如上面参照图5所描述的第二SAF层504中的非晶间隔体层512，其中非晶间隔体层可由包括钽和钴或者钽和铁或者钴和铁和钽的合金或多层制成。替换地，用于阻挡硼扩散、在退火工艺期间改善SAF基准层的热稳定性的装置可例如包括如上面参照图6所描述的SAF耦合间隔体606的经处理表面。
在本公开的一个方面，通过用单个薄的垂直磁各向异性(PMA)层替代合成反铁磁(SAF)基准层的第一SAF层中的PMA多层，来形成具有减小的厚度的用于垂直磁性隧道结(pMTJ)的SAF基准层。SAF基准的减小的厚度是通过减少SAF基准层的第二SAF层中PMA多层的重复来实现的。通过在顶部SAF层中包括非晶TMR增强间隔体层来在高温退火期间保持或增加隧穿磁阻。非晶间隔体层可以是包括钽和钴或者钽和铁或者钴和铁和钽的合金或多层。替换地，非晶间隔体层可通过处理第一SAF层与第二SAF层之间的SAF耦合层的一部分来形成。
图8是示出其中可有利地采用本公开的一方面的示例性无线通信系统800的框图。出于解说目的，图8示出了三个远程单元820、830和850以及两个基站840。将认识到，无线通信系统可具有远多于此的远程单元和基站。远程单元820、830和850包括IC设备825A、825C和825B，这些IC设备包括所公开的器件。将认识到，其他设备也可包括所公开的器件，诸如基站、交换设备、和网络装备。图8示出了从基站840到远程单元820、830和850的前向链路信号880，以及从远程单元820、830和850到基站840的反向链路信号890。
在图8中，远程单元820被示为移动电话，远程单元830被示为便携式计算机，并且远程单元850被示为无线本地环路系统中的固定位置远程单元。例如，远程单元可以是移动电话、手持式个人通信系统(PCS)单元、便携式数据单元(诸如个人数据助理)、启用GPS的设备、导航设备、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、固定位置数据单元(诸如仪表读数装备)、或者存储或取回数据或计算机指令的其他设备、或者其组合。尽管图8解说了根据本公开的各方面的远程单元，但本公开不限于所解说的这些示例性单元。本公开的各方面可以合适地在包括所公开的器件的许多设备中采用。
图9是解说了用于半导体组件(诸如以上公开的垂直磁性隧道结结构)的电路、布局和逻辑设计的设计工作站的框图。设计工作站900包括硬盘901，该硬盘901包含操作系统软件、支持文件、以及设计软件(诸如Cadence或OrCAD)。设计工作站900还包括促成对电路910或半导体组件912(诸如根据本公开的一方面的垂直磁性隧道结结构)的设计的显示器902。提供存储介质904以用于有形地存储电路910或半导体组件912的设计。电路910或半导体组件912的设计可以文件格式(诸如GDSII或GERBER)被存储在存储介质904上。存储介质904可以是CD-ROM、DVD、硬盘、闪存、或者其他合适的设备。此外，设计工作站900包括用于从存储介质904接受输入或者将输出写到存储介质904的驱动装置903。
存储介质904上记录的数据可指定逻辑电路配置、用于光刻掩模的图案数据、或者用于串写工具(诸如电子束光刻)的掩模图案数据。该数据可进一步包括与逻辑仿真相关联的逻辑验证数据，诸如时序图或网电路。在存储介质904上提供数据通过减少用于设计半导体晶片的工艺数目来促成电路910或半导体组件912的设计。
对于固件和/或软件实现，这些方法体系可以用执行本文所描述功能的模块(例如，规程、函数等等)来实现。有形地体现指令的机器可读介质可被用来实现本文所述的方法体系。例如，软件代码可被存储在存储器中并由处理器单元来执行。存储器可以在处理器单元内或在处理器单元外部实现。如本文所用的，术语“存储器”是指长期、短期、易失性、非易失性类型存储器、或其他存储器，而并不限于特定类型的存储器或存储器数目、或记忆存储在其上的介质的类型。
如果以固件和/或软件实现，则功能可作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上。示例包括编码有数据结构的计算机可读介质和编码有计算机程序的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是能被计算机存取的可用介质。作为示例而非限定，此类计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或能被用来存储指令或数据结构形式的期望程序代码且能被计算机访问的其他介质；如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘常常磁性地再现数据，而碟用激光光学地再现数据。上述的组合应当也被包括在计算机可读介质的范围内。
除了存储在计算机可读介质上，指令和/或数据还可作为包括在通信装置中的传输介质上的信号来提供。例如，通信装置可包括具有指示指令和数据的信号的收发机。这些指令和数据被配置成使一个或多个处理器实现权利要求中叙述的功能。
尽管已详细描述了本公开及其优势，但是应当理解，可在本文中作出各种改变、替代和变更而不会脱离如由所附权利要求所定义的本公开的技术。例如，诸如“上方”和“下方”之类的关系术语是关于基板或电子器件使用的。当然，如果该基板或电子器件被颠倒，则上方变成下方，反之亦然。此外，如果是侧面取向的，则上方和下方可指代基板或电子器件的侧面。而且，本申请的范围并非旨在被限定于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定配置。如本领域的普通技术人员将容易从本公开领会到的，根据本公开，可以利用现存或今后开发的与本文所描述的相应配置执行基本相同的功能或实现基本相同结果的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。
技术人员将进一步领会，结合本文的公开所描述的各种解说性逻辑框、模块、电路、和算法步骤可被实现为电子硬件、计算机软件、或两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、块、模块、电路、以及步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员可针对每种特定应用以不同方式来实现所描述的功能性，但此类实现决策不应被解读为致使脱离本公开的范围。
结合本文的公开所描述的各种解说性逻辑框、模块、以及电路可用设计成执行本文中描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可被实现为计算设备的组合(例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协同的一个或多个微处理器)，或者任何其他此类配置。
结合本公开所描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM、闪存、ROM、EPROM、EEPROM、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读写信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
在一个或多个示例性设计中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件、或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则各功能可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是可被通用或专用计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的指定程序代码手段且能被通用或专用计算机、或者通用或专用处理器访问的任何其他介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其他远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合应当也被包括在计算机可读介质的范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员而言将容易是显而易见的，并且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变型而不会脱离本公开的精神或范围。因此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (22)

1.一种垂直磁性隧道结(MTJ)的合成反铁磁(SAF)基准层的材料堆叠，所述材料堆叠包括：
SAF耦合层；以及
所述SAF耦合层上的非晶间隔体层，其中，所述非晶间隔体层包括包含钽和钴、或者钽和铁、或者钴和铁和钽的合金或多层。
2.如权利要求1所述的材料堆叠，其特征在于，所述非晶间隔体层被配置成：在退火工艺期间保持或增加由具有减小的厚度的所述材料堆叠提供的隧穿磁阻(TMR)。
3.如权利要求1所述的材料堆叠，其特征在于，进一步包括：在所述SAF耦合层与所述非晶间隔体层之间的单个垂直磁各向异性(PMA)层。
4.如权利要求1所述的材料堆叠，其特征在于：
在直接耦合到所述SAF耦合层的第一反平行钉扎层(AP1)内包括垂直磁各向异性(PMA)多层的多次重复；以及
在所述SAF耦合层上的第二反平行钉扎层(AP2)内不包括所述PMA多层的重复。
5.如权利要求1所述的材料堆叠，其特征在于，所述材料堆叠被集成到移动电话、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、计算机、手持式个人通信系统(PCS)单元、便携式数据单元、和/或固定位置数据单元中。
6.一种垂直磁性隧道结(MTJ)的合成反铁磁(SAF)基准层的材料堆叠，所述材料堆叠包括：
SAF耦合层；以及
所述SAF耦合层上的非晶间隔体层，其中，所述非晶间隔体层包括所述SAF耦合层的经处理表面。
7.如权利要求6所述的材料堆叠，其特征在于，所述非晶间隔体层被配置成：在退火工艺期间保持或增加由具有减小的厚度的所述材料堆叠提供的隧穿磁阻(TMR)。
8.如权利要求6所述的材料堆叠，其特征在于，进一步包括：在所述SAF耦合层与所述非晶间隔体层之间的单个垂直磁各向异性(PMA)层。
9.如权利要求6所述的材料堆叠，其特征在于：
在直接耦合到所述SAF耦合层的第一反平行钉扎层(AP1)内包括垂直磁各向异性(PMA)多层的多次重复；以及
在所述SAF耦合层上的第二反平行钉扎层(AP2)内不包括所述PMA多层的重复。
10.如权利要求6所述的材料堆叠，其特征在于，所述材料堆叠被集成到移动电话、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、计算机、手持式个人通信系统(PCS)单元、便携式数据单元、和/或固定位置数据单元中。
11.一种垂直磁性隧道结，包括：
垂直自由层；
垂直合成反铁磁(SAF)基准层；以及
在所述SAF基准层与所述垂直自由层之间的隧道势垒层，其中，所述SAF基准层包括：
第一反平行材料堆叠，
在所述第一反平行材料堆叠与所述隧道势垒层之间的第二反平行材料堆叠，以及
在所述第一反平行材料堆叠与所述第二反平行材料堆叠之间的SAF耦合层，所述第二反平行材料堆叠包括：
用于阻挡硼从所述第二材料堆叠向所述第一材料堆叠扩散以在退火工艺期间改善所述SAF基准层的热稳定性的装置。
12.如权利要求11所述的垂直磁性隧道结，其特征在于，用于阻挡硼扩散的装置包括所述SAF耦合层上的非晶间隔体层。
13.如权利要求12所述的垂直磁性隧道结，其特征在于，所述非晶间隔体层包括包含钽和钴、或者钽和铁、或者钴和铁和钽的合金或多层。
14.如权利要求12所述的垂直磁性隧道结，其特征在于，所述非晶间隔体层包括所述SAF耦合层的经处理表面。
15.如权利要求11所述的垂直磁性隧道结，其特征在于，所述第二材料堆叠包括隧穿磁阻(TMR)增强层，并且用于阻挡硼扩散的装置包括在所述TMR增强层与所述SAF耦合层之间的非晶间隔体层。
16.如权利要求15所述的垂直磁性隧道结，其特征在于，所述非晶间隔体层被配置成：提供薄的缓冲层，以允许所述TMR增强层中具有米勒指数<001>的更强的体心立方晶体结构形成。
17.如权利要求15所述的垂直磁性隧道结，其特征在于，所述非晶间隔体层被配置成：提供结构缓冲、扩散势垒、磁耦合层，并在高温退火期间增强或保持TMR。
18.如权利要求11所述的垂直磁性隧道结，其特征在于，所述SAF基准层的厚度在大约5纳米至6纳米之间。
19.如权利要求11所述的垂直磁性隧道结，其特征在于，所述垂直磁性隧道结被集成到移动电话、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、计算机、手持式个人通信系统(PCS)单元、便携式数据单元、和/或固定位置数据单元中。
20.一种减小垂直磁性隧道结(MTJ)中的合成反铁磁(SAF)基准层厚度的方法，所述方法包括：
形成第一反平行垂直磁各向异性(PMA)材料堆叠，所述第一反平行PMA材料堆叠包括PMA多层的多次重复，所述PMA多层包括钴和铂、钴和钯、或者钴和镍；
在所述第一反平行材料堆叠上沉积SAF耦合层；
在所述SAF耦合层上形成第二反平行PMA材料堆叠，所述第二反平行PMA材料堆叠不具有PMA多层的重复；以及
在所述SAF耦合层上形成非晶间隔体层，以在高温退火期间保持或增加由所述SAF基准层提供的TMR。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，进一步包括：
使用光氧化、等离子处理或离子辐射来处理所述SAF耦合层的表面以形成所述非晶间隔体层。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，进一步包括，将所述垂直MTJ集成到移动电话、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、计算机、手持式个人通信系统(PCS)单元、便携式数据单元、和/或固定位置数据单元中。
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