CN108987563B - 磁性结、磁性存储器以及提供所述磁性结的方法 - Google Patents

磁性结、磁性存储器以及提供所述磁性结的方法 Download PDF

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Abstract

本发明阐述磁性结、磁性存储器以及提供所述磁性结的方法。所述磁性结存在于衬底上且能够用于磁性器件中。所述磁性结包括被钉扎层、非磁性分隔层、自由层、氧化物层及至少一个氧阻挡层。当写入电流通过所述磁性结时，所述自由层能够在多种稳定磁性状态之间切换。所述非磁性分隔层位于所述被钉扎层与所述自由层之间。所述氧化物层邻近所述自由层。所述自由层位于所述非磁性分隔层与所述氧化物层之间。所述氧阻挡层具有选自邻近所述氧化物层与邻近所述被钉扎层的位置。在一些方面中，磁性结还可包括氧吸附层和/或微调层。

Description

磁性结、磁性存储器以及提供所述磁性结的方法
[相关申请的交叉参考]
本申请主张在2017年5月30日提出申请的序列号为62/512,653且名称为垂直磁性结中低氧化物顶部上的顶盖层(CAPPING LAYER ON THE TOP OF SUB-OXIDE INPERPENDICULAR MAGNETIC JUNCTIONS)的临时专利申请的权利，所述临时专利申请被转让给本申请的受让人且并入本文供参考。
技术领域
本发明概念涉及一种磁性结、磁性存储器及制作所述磁性结的方法。
背景技术
由于磁性存储器(尤其是磁性随机存取存储器(magnetic random accessmemory，MRAM))在操作期间具有读取/写入速度高、耐用性优异、非易失性及功耗低的潜力，因此它们得到越来越多的关注。磁性随机存取存储器可利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的磁性随机存取存储器是自旋转移力矩磁性随机存取存储器(spintransfer torque magnetic random access memory，STT-MRAM)。自旋转移力矩磁性随机存取存储器利用磁性结，所述磁性结至少部分地由被驱动通过所述磁性结的电流来写入。被驱动通过磁性结的自旋偏振电流(spin polarized current)在磁性结中的磁矩(magnetic moment)上施加自旋力矩(spin torque)。因此，具有响应于自旋力矩的磁矩的层可被切换成期望状态。
举例来说，在传统的自旋转移力矩磁性随机存取存储器中可使用传统的磁性隧道结(magnetic tunneling junction，MTJ)。传统的磁性隧道结通常存在于衬底上。磁性隧道结使用晶种层，可包括顶盖层，且可包括反铁磁(antiferromagnetic，AFM)层。传统的磁性隧道结包括被钉扎层(pinned layer)、自由层以及位于被钉扎层与自由层之间的隧道势垒层(tunneling barrier layer)。可使用位于磁性隧道结下方的底部接触件及位于磁性隧道结上的顶部接触件在垂直于平面电流(current-perpendicular-to-plane，CPP)方向上驱动电流通过磁性隧道结。
被钉扎层及自由层是磁性的。被钉扎层的磁化被固定或被钉扎在特定方向上。自由层具有能够改变的磁化。自由层可为单个层或包括多个层。
为切换自由层的磁化，垂直于平面来驱动电流。当从顶部接触件向底部接触件驱动足够的电流时，自由层的磁化可被切换成平行于底部被钉扎层的磁化。当从底部接触件向顶部接触件驱动足够的电流时，自由层的磁化可被切换成与底部被钉扎层的磁化反平行。磁性配置的差异对应于不同的磁阻，且因此对应于传统磁性隧道结的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”及逻辑“1”)。
由于磁性存储器适用于各种应用中的潜力，因此正在进行对磁性存储器的研究。需要用于改善自旋转移力矩磁性随机存取存储器的性能的机制。举例来说，为实现改善的切换及信号，可能需要低的切换电流、足够的热稳定性及高的磁阻。因此，需要一种可改善自旋转移力矩式存储器的性能的方法及系统。本文所述方法及系统满足了这种需要。
发明内容
本发明阐述一种磁性结以及提供所述磁性结的方法。所述磁性结存在于衬底上且可用于磁性器件中。所述磁性结包括被钉扎层、非磁性分隔层、自由层、氧化物层及至少一个氧阻挡层。当写入电流通过所述磁性结时，所述自由层可在多种稳定磁性状态之间切换。所述非磁性分隔层位于所述被钉扎层与所述自由层之间。所述氧化物层邻近所述自由层。所述自由层位于所述非磁性分隔层与所述氧化物层之间。所述氧阻挡层具有选自邻近所述氧化物层与邻近所述被钉扎层的位置。在一些方面中，磁性结还可包括氧吸附层和/或微调层。
磁性结对于自由层而言和/或对于被钉扎层而言可具有改善的垂直磁各向异性。磁性结还可具有减小的切换电流。因此，性能可得到改善。
附图说明
图1a至图1b绘示磁性结的示例性实施例，所述磁性结可用于磁性存储器中、可使用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个氧阻挡层。
图2绘示磁性结的另一个示例性实施例，所述磁性结可用于磁性存储器中、可使用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个氧阻挡层。
图3绘示磁性结的另一个示例性实施例，所述磁性结可用于磁性存储器中、可使用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个氧阻挡层。
图4绘示磁性结的另一个示例性实施例，所述磁性结可用于磁性存储器中、可使用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个氧阻挡层。
图5绘示磁性结的另一个示例性实施例，所述磁性结可用于磁性存储器中、可使用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个氧阻挡层。
图6绘示磁性结的另一个示例性实施例，所述磁性结可用于磁性存储器中、可使用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个氧阻挡层。
图7绘示在存储单元的存储器元件中利用磁性结的存储器的示例性实施例。
图8是绘示提供磁性结的方法的示例性实施例的流程图，所述磁性结可用于磁性存储器中、可使用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个氧阻挡层。
图9是绘示提供磁性结的方法的另一个示例性实施例的流程图，所述磁性结可用于磁性存储器中、可使用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个氧阻挡层。
具体实施方式
示例性实施例涉及可用于例如磁性存储器等磁性器件中的磁性结以及使用这种磁性结的器件。磁性存储器可包括自旋转移力矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)且可用于采用非易失性存储器的电子器件中。这种电子器件包括但不限于手机、智能电话、平板电脑、膝上型计算机及其他便携式及非便携式计算器件。提出以下说明是为了使所属领域的普通技术人员能够制作并使用本发明，且以下说明是在专利申请及其要求的上下文中提供。对在本文中阐述的示例性实施例以及一般性原则及特征的各种修改将显而易见。示例性实施例主要是针对在具体实施方式中提供的具体方法及系统进行阐述。然而，所述方法及系统在其他实施方式中也将有效地发挥作用。例如“示例性实施例”、“一个实施例”及“另一个实施例”等短语可指相同或不同的实施例以及多个实施例。实施例将相对于具有某些组件的系统和/或器件进行阐述。然而，系统和/或器件可包括比图中所示组件更多或更少的组件，且组件的排列及类型可发生变化，而此并不背离本发明的范围。示例性实施例还将在具有某些步骤的具体方法的上下文中进行阐述。然而，方法及系统对于具有不同的和/或附加的步骤以及处于不同次序的步骤的其他方法而言也会有效地发挥作用，所述其他方法不与示例性实施例相矛盾。因此，本发明并非旨在仅限于图中所示实施例，而是符合与本文所述原则及特征相一致的最广范围。
本发明阐述一种磁性结以及提供所述磁性结的方法。所述磁性结存在于衬底上且可用于磁性器件中。所述磁性结包括被钉扎层、非磁性分隔层、自由层、氧化物层及至少一个氧阻挡层。当写入电流通过所述磁性结时，所述自由层可在多种稳定磁性状态之间切换。所述非磁性分隔层位于所述被钉扎层与所述自由层之间。所述氧化物层邻近所述自由层。所述自由层位于所述非磁性分隔层与所述氧化物层之间。所述氧阻挡层具有选自邻近所述氧化物层与邻近所述被钉扎层的位置。在一些方面中，磁性结还可包括氧吸附层和/或微调层。
示例性实施例是在具体方法、具有某些组件的磁性结及磁性存储器的上下文中进行阐述。所属领域的普通技术人员将容易地认识到，本发明与具有不与本发明相矛盾的其他的和/或附加组件和/或其他特征的磁性结及磁性存储器的使用相一致。所述方法及系统也在对自旋转移现象、磁各向异性及其他物理现象的当前理解的上下文中进行了阐述。因此，所属领域的普通技术人员将容易地认识到，对所述方法及系统的行为的理论解释是基于对自旋转移、磁各向异性及其他物理现象的当前理解作出的。然而，本文所述方法及系统不依赖于具体的物理解释。所属领域的普通技术人员还将容易地认识到，所述方法及系统是在与衬底具有具体关系的结构的上下文中进行阐述。然而，所属领域的普通技术人员将容易地认识到，所述方法及系统与其他结构相一致。另外，所述方法及系统是在某些层是合成的和/或单纯的层的上下文中进行阐述。然而，所属领域的普通技术人员将容易地认识到，所述层可具有另一种结构。另外，所述方法及系统是在磁性结和/或具有特定层的子结构的上下文中进行阐述。然而，所属领域的普通技术人员将容易地认识到，也可使用具有不与所述方法及系统相矛盾的附加的和/或不同的层的磁性结和/或子结构。此外，某些组件被阐述成磁性的、铁磁性的(ferromagnetic)及亚铁磁性的(ferrimagnetic)。本文所用用语“磁性的”可包括铁磁性的、亚铁磁性的或类似结构。因此，本文所用用语“磁性的”或“铁磁性的”包括但不限于铁磁体及亚铁磁体。本文所用用语“平面内(in-plane)”是实质上处于磁性结的各个层中的一者或多者的平面内或平行于磁性结的各个层中的一者或多者的平面。相反，“垂直(perpendicular)”及“垂直于平面(perpendicular-to-plane)”对应于实质上垂直于磁性结的各个层中的一者或多者的方向。所述方法及系统也在某些合金的上下文中进行阐述。除非另外指明，否则如果未提及合金的具体浓度，则可使用不与所述方法及系统相矛盾的任何化学计量(stoichiometry)。
图1a及图1b绘示磁性结100A及磁性结100A'的示例性实施例，磁性结100A及磁性结100A'可用于磁性存储器中，可使用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个氧阻挡层。为清晰起见，图1a及图1b并非按比例绘示且可不示出所有组件。磁性结100A及磁性结100A'可用于例如自旋转移力矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)等磁性器件中，且因此可用于各种电子器件中。参照图1a，磁性结100A可包括具有磁矩112的被钉扎层110、非磁性分隔层120、具有磁矩132的自由层130、氧化物层140、氧阻挡层150A及可选的附加氧阻挡层155A。图中还示出可选的晶种层102及可选的顶盖层104。上面形成有磁性结100A的衬底101存在于晶种层下方且出于清晰的目的而被示出。图中未示出底部接触件及顶部接触件，但可形成有底部接触件及顶部接触件。相似地，可存在其他层但为简洁起见未在图中示出。
如在图1a中可看出，磁性结100A是底部磁性结。在另一个实施例中，可将被钉扎层110、附加氧阻挡层155A、非磁性分隔层120、自由层130、氧化物层140及氧阻挡层150A反转。在这种实施例中，磁性结将成为顶部被钉扎磁性结。图1b绘示这种磁性结100A'。磁性结100A'的组件与图1A中的组件类似，且因此不再单独地对其进行论述。然而，由于磁性结100A'是顶部被钉扎磁性结，因此可选的晶种层102'及可选的顶盖层104'可不同于晶种层102及顶盖层104。返回参照图1A，可使用可选的钉扎层(图中未示出)来固定被钉扎层110的磁化。在一些实施例中，可选的钉扎层可为通过交换偏置交互(exchange-biasinteraction)来钉扎磁化的反铁磁层或多层(multilayer)。然而，在其他实施例中，可省略可选的钉扎层或者可使用另一种结构。在图中所示实施例中，被钉扎层110的磁矩112是通过被钉扎层110的磁各向异性来被钉扎。可存在其他层，例如偏振增强层(polarizationenhancement layer，PEL)、耦合层及反铁磁(AFM)层和/或其他层。然而，为简洁起见，图中未示出这些层。另外，被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130、氧化物层140、氧阻挡层150A及附加氧阻挡层155A中的一个或多个层可为多层。
自由层130及被钉扎层110各自具有高的垂直磁各向异性(perpendicularmagnetic anisotropy，PMA)。换句话说，对于被钉扎层110及自由层130而言，垂直磁各向异性能超过平面外退磁能(out-of-plane demagnetization energy)。这种配置使被钉扎层110的磁矩112及自由层130的磁矩132能够分别稳定地垂直于平面。换句话说，自由层130的磁矩及被钉扎层110的磁矩稳定地位于平面外。在其他实施例中，被钉扎层110和/或自由层130可不具有高的垂直磁各向异性。在这些实施例中，磁矩112和/或132可稳定地位于平面内。
磁性结100A还被配置成当写入电流通过磁性结100A时使自由层磁矩132可在稳定的磁性状态之间切换。因此，当在垂直于平面电流(CPP)方向上驱动写入电流通过磁性结100A时，自由层130可利用自旋转移力矩进行切换。自由层130的磁矩132的方向可通过驱动读取电流通过磁性结100A来读取。
非磁性分隔层120可为隧道势垒层。举例来说，非磁性分隔层120可为具有(100)取向的晶体MgO隧道势垒。这种非磁性分隔层120可增强磁性结100A的隧道磁阻(tunnelingmagnetoresistance，TMR)。非磁性分隔层120也可被视为作为自由层130的晶种层。在替代实施例中，非磁性分隔层120可具有包括但不限于导电层的另一种结构。
被钉扎层110具有比被钉扎层平面外退磁能(pinned layer out-of-planedemagnetization energy)大的垂直磁各向异性能。因此，磁矩112稳定地垂直于平面。在替代实施例中，磁矩112可稳定地位于平面内。被钉扎层110被示出为简单的单层。然而，在其他实施例中，被钉扎层110可为多层。举例来说，被钉扎层110可以是包括两个磁性耦合的铁磁层的合成反铁磁体(synthetic antiferromagnet，SAF)，所述两个铁磁层被非磁性层(例如Ru)隔开且夹置所述非磁性层。作为另外一种选择，被钉扎层110可包括一个或多个高垂直各向异性(Hk)多层。举例来说，被钉扎层110可为Co/Pt多层。可使用具有其他结构的其他被钉扎层。
自由层130可具有高的垂直磁各向异性。因此，自由层130具有比被钉扎层平面外退磁能大的垂直磁各向异性能。因此，磁矩132稳定地垂直于平面。在替代实施例中，磁矩132可稳定地位于平面内。自由层被示出为简单的单层。然而，在其他实施例中，自由层130可为多层。举例来说，自由层130可能为合成反铁磁体或其他多层。在一些实施例中，自由层可包括以下层或由以下层组成：CoFeB层、CoFeB/Fe双层、CoFeB/FeMg双层、CoFeB/CoFeBe双层、CoFeB/CoFeBNb双层、CoFeB/CoFeBMo双层、CoFeBMo层及CoFeBNb层。在其他实施例中可使用其他的或附加合金和/或多层。如上所述，合金CoFeBX指的是包含Co、Fe、B及X的混合物，但在合金CoFeBX中，并未规定构成物之间的比率。CoFeBX可与[CoxFeyBz]uXt相同，其中下标指的是原子百分比，u+t＝1及x+y+z＝1。另外，u、t、x、y及t分别为非零。在一些实施例中，CoFeB包含至少十原子百分比且不多于六十原子百分比的B(即，z至少为0.1且不大于0.6)。在一些这种实施例中，CoFeB包含不大于四十原子百分比的B。另外，在自由层130中可使用其他的和/或不同的层和/或材料。稀释剂X的浓度可低达零原子百分比且不大于三十原子百分比(0≤t≤0.3)。举例来说，自由层可包含(Co0.45Fe0.45B0.1)0.7Nb0.3。
环绕自由层130的层可被定制成帮助自由层130维持高的垂直磁各向异性和/或改善自由层的特性。举例来说，非磁性分隔层120可为晶体镁氧化物，如上所述。这种层可增强自由层130的垂直磁各向异性。
氧化物层140与自由层130共享界面或与自由层130邻接。在其他实施例中，在自由层130与氧化物层140之间可存在另一个层(图中未示出)。氧化物层140可改善自由层130的性能。举例来说，氧化物层140可增大自由层130的垂直磁各向异性和/或减小自由层130的切换电流的量值。在一些实施例中，这种氧化物层140包含以下中的至少一者：氧化镁、氧化钽、氧化钨、氧化钛、氧化钒及由Ir/Mg双层形成的氧化物。氧化物层140可通过沉积金属层及执行氧化处理来形成。在一些这种实施例中，可在沉积金属层之后及氧化处理之前执行等离子体处理。氧化物层140可至少三埃厚且不大于十埃厚。在其他实施例中，可能为其他厚度。
由于氧化物层140位于氧阻挡层150A与自由层130之间，因此氧阻挡层150A距离自由层130不大于二十埃。在一些实施例中，氧阻挡层150A距离自由层130不大于十埃。在图中所示实施例中，氧阻挡层150A邻接顶盖层104。在其他实施例中，在氧阻挡层150A与顶盖层104或磁性结100A的顶部之间可存在附加层(图中未示出)。然而，在一些实施例中，在氧阻挡层150A与磁性结100A的顶部之间不存在铁磁层。
尽管氧阻挡层150A距离自由层130一定距离，然而氧阻挡层150A也可改善自由层130的性能。氧阻挡层150A是阻止氧通过层150A移动的势垒。尽管被称为氧“阻挡”层，然而氧阻挡层150A可不完全阻止氧通过层150A的移动。氧阻挡层150A的所使用的材料及厚度使氧不太能通过氧阻挡层150A。举例来说，氧阻挡层150A可至少三埃厚。在一些实施例中，氧阻挡层150A至少五埃厚且不大于二十埃厚。氧阻挡层150A也可包含Ir及Ru中的至少一者。处于以上厚度的Ir层、Ru层和/或由Ir及Ru形成的双层可为阻止氧移动的可接受的势垒。使用氧阻挡层150A可导致自由层130的垂直磁各向异性增强。另外，自由层130的热稳定系数(Δ)可增大。
与被钉扎层110邻近的可选的氧阻挡层155A类似于氧阻挡层150A。因此，氧阻挡层155A的所使用的材料及厚度使氧不太能通过氧阻挡层155A。举例来说，氧阻挡层155A可至少三埃厚。在一些实施例中，氧阻挡层155A至少五埃厚且不大于二十埃厚。氧阻挡层155A也包含Ir及Ru中的至少一者。氧阻挡层155A可改善被钉扎层110的垂直磁各向异性及热稳定性。尽管被示出为与被钉扎层110邻接/与被钉扎层110共享界面，然而在其他实施例中，氧阻挡层155A可与被钉扎层110隔开一个或多个其他层。在一些实施例中，磁性结100A包括氧阻挡层150A及155A。在其他实施例中，磁性结100A可仅包括氧阻挡层150A。在再一些实施例中，磁性结100A可仅包括氧阻挡层155A。
具有氧化物层140以及氧阻挡层150A及155A中的一者或多者的磁性结100A可具有改善的性能。氧化物层140可改善自由层130的切换特性。切换电流的这种减小也可改善其他方面的性能，例如切换速度。氧阻挡层150A及155A可分别增强自由层130的垂直磁各向异性及被钉扎层110的垂直磁各向异性。磁性结100A'可共享磁性结100A的有益效果。因此，磁性结100A和/或100A'的性能以及采用这种磁性结100A/100A'的磁性器件的性能可得到增强。
图2绘示例如可使用自旋转移力矩进行编程的磁性存储器等磁性器件中的磁性结100B的另一个示例性实施例。为清晰起见，图2并非按比例绘示且可不示出所有组件。磁性结100B类似于磁性结100A。因此，相似的组件具有类似的标记。磁性结100B是底部被钉扎磁性结，其包括具有磁矩112的被钉扎层110、非磁性分隔层120、具有磁矩132的自由层130、氧化物层140及氧阻挡层150B，所述各层分别类似于具有磁矩112的被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130、氧化物层140及氧阻挡层150A。图中还示出可选的晶种层102及可选的顶盖层104以及衬底101。尽管在磁性结100B中被省略，然而在其他实施例中，可包括氧阻挡层155A。在另一个实施例中，可将被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130、氧化物层140、氧阻挡层150B及氧吸附层160B的次序反转以使磁性结100B成为顶部被钉扎磁性结。
磁性结100B中的被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130及氧化物层140所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A中所使用的结构、功能及材料。举例来说，氧化物层140可包含以下中的至少一者：氧化镁、氧化钽、氧化钨、氧化钛、氧化钒及由Ir/Mg双层形成的氧化物。氧化物层140可至少三埃厚且不大于十埃厚。氧阻挡层150B类似于氧阻挡层150A。尽管在图2中示出，然而在其他实施例中，氧阻挡层150B可被省略。
氧阻挡层150B也具有与氧阻挡层150A类似的结构及功能。举例来说，氧阻挡层150B可至少三埃厚。在一些实施例中，氧阻挡层150B至少五埃厚且不大于二十埃厚。氧阻挡层150B也可包含Ir及Ru中的至少一者。处于以上厚度的Ir层、Ru层和/或由Ir及Ru形成的双层可为阻止氧移动的可接受的势垒。使用氧阻挡层150B可导致自由层130的垂直磁各向异性增强。
另外，磁性结100B包括氧吸附层160B。在所示出的实施例中，氧吸附层160B与氧化物层140共享界面且存在于氧阻挡层150B与氧化物层140之间。氧吸附层160B与氧阻挡层150B共享另一个界面。其他位置也是可能的。在一些实施例中，在氧吸附层160B与顶盖层104和/或磁性结100B的顶部之间不存在磁性层。
氧吸附层160B可用于改善自由层130的性能。氧吸附层160B的对于氧的亲和力可大于或等于邻近的层对于氧的亲和力。举例来说，氧吸附层160B可包含Mg和/或Ti。在一些实施例中，氧吸附层160B为至少三埃厚且不大于十埃厚。据认为，氧趋向于朝氧吸附层160B扩散。
氧吸附层160B可改善自由层130的切换特性。氧吸附层160B可减小磁性结的一部分的电阻面积乘积(resistance area product，RA)。由于氧吸附层160B的吸引氧的能力，因此氧吸附层160B也可用于微调(例如，减小)自由层130的氧含量。另外，已示出在存在氧吸附层160B时，切换电流可减小。切换电流的这种减小也可改善其他方面的性能，例如切换速度。因此，磁性结的性能以及采用这种磁性结的磁性器件的性能可得到增强。
磁性结100B可共享磁性结100A的有益效果。自由层130和/或被钉扎层110可具有增大的垂直磁各向异性。另外，切换电流可因氧化物层140以及氧吸附层160B的存在而减小。自由层130的切换特性可增强。因此，磁性结100B可具有改善的性能。
图3绘示例如可使用自旋转移力矩进行编程的磁性存储器等磁性器件中的磁性结100C的另一个示例性实施例。为清晰起见，图3并非按比例绘示且可不示出所有组件。磁性结100C类似于磁性结100A及100B。因此，相似的组件具有类似的标记。磁性结100C是底部被钉扎磁性结，包括具有磁矩112的被钉扎层110、非磁性分隔层120、具有磁矩132的自由层130、氧化物层140、氧阻挡层150C及氧吸附层160C，所述各层分别类似于具有磁矩112的被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130、氧化物层140、氧阻挡层150A及150B以及氧吸附层160B。图中还示出可选的晶种层102及可选的顶盖层104以及衬底101。尽管在磁性结100C中被省略，然而在另一个实施例中可包括氧阻挡层155A。在另一个实施例中，可将被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130、氧化物层140、氧阻挡层150C及氧吸附层160C的次序反转以使磁性结100C成为顶部被钉扎磁性结。
磁性结100B中的被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130及氧化物层140所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A中所使用的结构、功能及材料。举例来说，氧化物层140可包含以下中的至少一者：氧化镁、氧化钽、氧化钨、氧化钛、氧化钒及由Ir/Mg双层形成的氧化物。氧化物层140可至少三埃厚且不大于十埃厚。氧阻挡层150B类似于氧阻挡层150A。尽管在图2中示出，然而在其他实施例中，氧阻挡层150B可被省略。
氧阻挡层150C及氧吸附层160C分别类似于氧阻挡层150A及150B以及氧吸附层160B。举例来说，氧阻挡层150C可包含可处于上述厚度范围内的Ir及Ru中的至少一者。相似地，氧吸附层160C可包含处于上述厚度范围内的Mg和/或Ti。因此，磁性结100C非常类似于磁性结100A和/或100B。然而，氧吸附层160C的位置与氧阻挡层150C的位置已互换。
磁性结100C可共享磁性结100A和/或100B的有益效果。氧吸附层160C可改善自由层130的切换特性。更具体来说，氧吸附层160C可减小电阻面积乘积，减小切换电流并对自由层130的氧含量进行微调。氧阻挡层150C可改善自由层130的垂直磁各向异性。氧化物层140也可改善垂直磁各向异性并减小自由层130的切换电流。因此，磁性结100C的性能以及采用磁性结100C的磁性器件的性能可得到增强。
图4绘示例如可使用自旋转移力矩进行编程的磁性存储器等磁性器件中的磁性结100D的另一个示例性实施例。为清晰起见，图4并非按比例绘示且可不示出所有组件。磁性结100D类似于磁性结100A、100B和/或100C。因此，相似的组件具有类似的标记。磁性结100D是底部被钉扎磁性结，其包括具有磁矩112的被钉扎层110、非磁性分隔层120、具有磁矩132的自由层130、氧化物层140及氧阻挡层150D，所述各层分别类似于具有磁矩112的被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130、氧化物层140及氧阻挡层150A、150B及150C。图中还示出可选的晶种层102及可选的顶盖层104以及衬底101。尽管在磁性结100D中被省略，然而在另一个实施例中可包括氧阻挡层155A。在另一个实施例中，可将被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130、氧化物层140、氧阻挡层150D及微调层170D的次序反转以使磁性结100D成为顶部被钉扎磁性结。
磁性结100D中的被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130及氧化物层140所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A、100B和/或100C中所使用的结构、功能及材料。举例来说，氧化物层140可包含以下中的至少一者：氧化镁、氧化钽、氧化钨、氧化钛、氧化钒及由Ir/Mg双层形成的氧化物。氧化物层140可至少三埃厚且不大于十埃厚。
氧阻挡层150D也具有与氧阻挡层150A、150B和/或150C类似的结构及功能。举例来说，氧阻挡层150D可至少三埃厚。在一些实施例中，氧阻挡层150D至少五埃厚且不大于二十埃厚。氧阻挡层150D还包含Ir及Ru中的至少一者。处于以上厚度的Ir层、Ru层和/或由Ir及Ru形成的双层可为阻止氧移动的可接受的势垒。使用氧阻挡层150D可导致自由层130的垂直磁各向异性增强。
另外，磁性结100D包括微调层170D。微调层170D与氧阻挡层150D共享界面。也可存在其他位置。在一些实施例中，在微调层170D与顶盖层104和/或磁性结100D的顶部之间不存在磁性层。微调层170D可包含Mo、W、Ir、Ru及Ta中的至少一者。微调层170D可为至少五埃厚。在一些这种实施例中，微调层170D可为至少十埃厚且不大于三十埃厚。
微调层170D可用于改善自由层130的性能。已确定，如果存在微调层170D，则切换电流可减小且自由层130的垂直磁各向异性可增大。据认为，存在微调层170D可对自由层130施加额外的应力和/或可改善自由层130的结晶度。然而，无论在所述改善中是否涉及物理机制，微调层170D均可用于磁性结100D中。
磁性结100D可共享磁性结100A、100B和/或100C的有益效果。自由层130和/或被钉扎层110可具有增大的垂直磁各向异性。另外，自由层130的切换电流可减小。在一些情形中，切换时间也可得到缩减。因此，磁性结100D可具有改善的性能。
图5绘示例如可使用自旋转移力矩进行编程的磁性存储器等磁性器件中的磁性结100E的另一个示例性实施例。为清晰起见，图5并非按比例绘示且可不示出所有组件。磁性结100E类似于磁性结100A、100B、100C和/或100D。因此，相似的组件具有类似的标记。磁性结100E是底部被钉扎磁性结，其包括具有磁矩112的被钉扎层110、非磁性分隔层120、具有磁矩132的自由层130、氧化物层140、氧阻挡层150E、氧吸附层160E及微调层170E，所述各层类似于具有磁矩112的被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130、氧化物层140、氧阻挡层150A、150B、150C及150D、氧吸附层160B及160C以及微调层170D。尽管图中未示出，然而在另一个实施例中可存在氧阻挡层155A。在另一个实施例中，可将被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130、氧化物层140、氧阻挡层150E、氧吸附层160E及微调层170E的次序反转以使磁性结100E成为顶部被钉扎磁性结。
磁性结100E中的被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130及氧化物层140所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A、100B、100C和/或100D中所使用的结构、功能及材料。举例来说，氧化物层140可包含以下中的至少一者：氧化镁、氧化钽、氧化钨、氧化钛、氧化钒及由Ir/Mg双层形成的氧化物。氧化物层140可至少三埃厚且不大于十埃厚。
氧阻挡层150E、氧吸附层160E及微调层170E类似于氧阻挡层150A、150B、150C和/或150D、氧吸附层160B和/或160C及微调层170D。举例来说，氧阻挡层150E可包含可处于上述厚度范围内的Ir及Ru中的至少一者。相似地，氧吸附层160E可包含处于上述厚度范围内的Mg和/或Ti。微调层170E可包含处于上述厚度范围内的Mo、Ru、W、Ir及Ta中的至少一种。因此，磁性结100E非常类似于磁性结100C及100D。因此，除了氧阻挡层150E之外还存在氧吸附层160E及微调层170E两者。氧阻挡层150E位于氧吸附层160E及微调层170E与氧化物层140之间。在替代实施例中，可省略氧阻挡层150E。
磁性结100E可共享磁性结100A、100B、100C和/或100D的有益效果。自由层130和/或被钉扎层110可具有增大的垂直磁各向异性。另外，自由层130的切换特性可增强。因此，磁性结100E可具有改善的性能。
图6绘示例如可使用自旋转移力矩进行编程的磁性存储器等磁性器件中的磁性结100F的另一个示例性实施例。为清晰起见，图6并非按比例绘示且可不示出所有组件。磁性结100F类似于磁性结100A、100B、100C、100D和/或100E。因此，相似的组件具有类似的标记。磁性结100F是底部被钉扎磁性结，其包括具有磁矩112的被钉扎层110、非磁性分隔层120、具有磁矩132的自由层130、氧化物层140、氧阻挡层150F、氧吸附层160F及微调层170F，所述各层类似于具有磁矩112的被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130、氧化物层140、氧阻挡层150A、150B、150C、150D及150E、氧吸附层160B、160C及160E以及微调层170D及170E。尽管图中未示出，然而在另一个实施例中可存在氧阻挡层155A。在另一个实施例中，可将被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130、氧化物层140、氧吸附层160F、氧阻挡层150F及微调层170F的次序反转以使磁性结100F成为顶部被钉扎磁性结。
磁性结100F中的被钉扎层110、非磁性分隔层120、自由层130及氧化物层140所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A、100B、100C、100D和/或100E中所使用的结构、功能及材料。举例来说，氧化物层140可包含以下中的至少一者：氧化镁、氧化钽、氧化钨、氧化钛、氧化钒及由Ir/Mg双层形成的氧化物。氧化物层140可至少三埃厚且不大于十埃厚。
氧阻挡层150F、氧吸附层160F及微调层170F类似于氧阻挡层150A、150B、150C、150D和/或150E、氧吸附层160B、160C和/或160E及微调层170D和/或170E。举例来说，氧阻挡层150F可包含可处于上述厚度范围内的Ir及Ru中的至少一者。相似地，氧吸附层160F可包含处于上述厚度范围内的Mg和/或Ti。微调层170F可包含处于上述厚度范围内的Mo、Ru、W、Ir及Ta中的至少一者。因此，磁性结100F非常类似于磁性结100B及100D。因此，除了氧阻挡层150F之外还存在氧吸附层160F及微调层170F两者。氧吸附层160F位于氧阻挡层150F及微调层170F与氧化物层140之间。在替代实施例中，可省略氧阻挡层150F。
磁性结100F可共享磁性结100A、100B、100C、100D和/或100E的有益效果。自由层130和/或被钉扎层110可具有增大的垂直磁各向异性。另外，自由层130的切换特性可增强。因此，磁性结100F可具有改善的性能。
图7绘示可使用磁性结100A、100A'、100B、100C、100D、100E、100F及其他磁性结中的一者或多者的存储器的示例性实施例。磁性存储器包括读取/写入列选择驱动器202及206以及字线选择驱动器204。应注意，可提供其他的和/或不同的组件。存储器的存储区包括磁性存储单元210。每一个磁性存储单元包括至少一个磁性结212及至少一个选择器件214。在一些实施例中，选择器件214是晶体管。磁性结212可为100A、100A'、100B、100C、100D、100E、100F及其他类似的磁性结中的一者。尽管每个磁性存储单元210示出一个磁性结212，然而在其他实施例中，可每个单元提供另一数目的磁性结212。由于磁性存储器包括磁性结100A、100A'、100B、100C、100D、100E、100F及类似的磁性结中的一者或多者，磁性存储器可共享上述有益效果。
已相对于磁性结100A、100A'、100B、100C、100D、100E及100F以及磁性存储器阐述了各种特征。所属领域的普通技术人员将认识到，这些特征可按图中未示出的方式进行组合且不与本文所述的器件及方法相矛盾。
图8绘示用于制作可用于例如自旋转移力矩随机存取存储器(spin transfertorque random access memory，STT-RAM)等磁性器件中且因此可用于各种电子器件中的磁性结的方法300的示例性实施例。为简洁起见，一些步骤可被省略、以另一种次序执行和/或进行组合。另外，方法300可在已执行用于形成磁性存储器的其他步骤之后开始。方法300也在形成单个磁性结的上下文中进行阐述。然而，可实质上同时形成多个磁性结。方法300也在磁性结100E的上下文中进行阐述。然而，可形成另一个磁性结，例如磁性结100A、100A'、100B、100C、100D和/或100F。
通过步骤302，提供被钉扎层110。被钉扎层是磁性的且其磁化在磁性结的操作的至少一部分期间可被钉扎在或固定在特定方向上。被钉扎层可因此在操作温度下保持热稳定。在步骤302中形成的被钉扎层可为单层或多层。举例来说，在步骤302中形成的被钉扎层可为合成反铁磁体。在这种合成反铁磁体中，每一个磁性层还可包括多个层。被钉扎层还可为另一个多层。在步骤302中形成的被钉扎层可具有超过平面外退磁能的垂直各向异性能。因此，被钉扎层的磁矩可垂直于平面进行取向。被钉扎层的磁化也可能为其他取向。
步骤302可包括在晶种层102上沉积被钉扎层。可出于各种目的来选择晶种层102，所述各种目的包括但不限于被钉扎层的期望的结晶结构、被钉扎层的磁各向异性和/或其他磁性特性。举例来说，可在例如促进被钉扎层中的垂直磁各向异性的(100)晶体MgO层等晶种层上提供被钉扎层。
另外，作为在步骤302中提供被钉扎层的一部分或除在步骤302中提供被钉扎层之外，可提供一个或多个偏振增强层(polarization enhancement layer，PEL)。偏振增强层包含高自旋偏振材料。举例来说，可在步骤302中形成被钉扎层之前及紧接在步骤302中形成被钉扎层之后提供CoFeB偏振增强层。在其他实施例中，可省略这些偏振增强层中的一者或两者。
通过步骤304，可可选地提供氧阻挡层155A。然而，在其他实施例中，可省略步骤304。通过步骤306，提供非磁性分隔层120。在步骤306中形成的非磁性分隔层120可邻接被钉扎层或者可通过例如偏振增强层等其他层来与被钉扎层隔开。在一些实施例中，可形成晶体MgO隧道势垒层。步骤306可包括沉积MgO，此会形成隧道势垒层。在一些实施例中，步骤306可包括使用例如射频(radio frequency，RF)溅射来沉积MgO。可沉积金属Mg，接着在步骤306中对金属Mg进行氧化以提供Mg的天然氧化物。MgO势垒层/非磁性分隔层也可通过另一种方式形成。步骤306可包括对磁性结的已形成的部分进行退火以提供具有用于增强磁性结的隧道磁阻(TMR)的(100)取向的晶体MgO隧道势垒。
通过步骤308，提供自由层130。步骤308包括沉积自由层的材料。可期望在步骤308中提供的自由层130具有超过退磁能的垂直磁各向异性能。自由层的磁矩可因此稳定地位于平面外，包括垂直于平面。另外，作为自由层130的一部分或除自由层130之外，可提供偏振增强层。当写入电流通过磁性结时，在步骤308中提供的自由层130还被配置成在稳定的磁性状态之间切换。因此，自由层130可利用自旋转移力矩来切换。在步骤308中提供的自由层130在操作温度下是磁性的且热稳定的。
通过步骤310，可提供氧化物层140。步骤310包括沉积氧化物层140的金属以及将金属层暴露至氧化处理。举例来说，步骤310可通过沉积Mg层、Ta层、V层、Zr层、Mo层和/或Mg/Ir双层来执行。接着执行氧化步骤。在一些实施例中，在氧化处理之前还可执行等离子体处理。举例来说，Mg/Ir双层在氧化之前可经历等离子体处理。在其他实施例中，氧化物层140可通过不同的方式形成。
通过步骤312，可提供氧阻挡层150E。步骤312包括沉积Ir层、Ru层和/或由Ru及Ir形成的双层。通过步骤314，可可选地提供氧吸附层160E。步骤314可包括沉积Mg层。通过步骤316，可选地提供微调层170E。步骤316可包括沉积Ru层、Ir层、W层、Ta层及Mo层中的一者或多者。可按各种次序来执行步骤312、314及316，且可省略步骤314及步骤316中的一者或多者。举例来说，如果是形成磁性结100A，则省略步骤314及316。如果是形成磁性结100B，则可省略步骤316且在步骤312之前施行步骤314。如果是制作磁性结100E，则以图8中所指示的次序来执行所有步骤。
接着可完成磁性结的制作。举例来说，可沉积顶盖层104，并且例如通过在已沉积的层上提供掩模以及对所述层的暴露出的部分进行离子研磨(ion milling)来界定磁性结的边缘。对于其中使用磁性结的器件而言，也可形成额外的结构，例如接触件及导电线。
使用方法300，可提供具有高垂直磁各向异性被钉扎层和/或自由层和/或改善的切换特性的磁性结。因此，方法300可使得能够制作具有期望的切换特性的高垂直磁各向异性。
图9是绘示提供磁性结的一部分的方法320的示例性实施例的流程图，所述磁性结可用于磁性器件中且包括至少一个间质玻璃促进层(interstitial glass-promotinglayer)及至少一个吸附件。为简洁起见，一些步骤可被省略、以另一种次序执行、包括子步骤和/或进行组合。另外，方法320在已执行用于形成磁性存储器的其他步骤之后开始。尽管已针对单个磁性结进行了阐述，然而可制作多个磁性结。为简洁起见，所述方法在磁性结100F的上下文中进行阐述。然而，方法320可用于磁性结100A、100B、100C、100D、100E和/或100F中的任意磁性结中。
通过步骤322，沉积氧化物层140的金属层。举例来说，步骤322可通过沉积Mg层、Ta层、V层、Zr层、Mo层和/或Mg/Ir双层来执行。通过步骤324，可可选地执行等离子体处理。举例来说，Mg/Ir双层可经历等离子体处理。通过步骤326，接着执行氧化步骤。可在氧化步骤326之前执行等离子体处理步骤324。因此，在步骤322中沉积的层被暴露到氧氛围。
通过步骤328，可可选地提供氧吸附层160F。步骤328可包括沉积Mg层。通过步骤330，可提供氧阻挡层150F。步骤330可包括沉积Ir层、Ru层和/或由Ru及Ir形成的双层。通过步骤330，可选地提供微调层170F。步骤330可包括沉积Ru层、Ir层、W层、Ta层、及Mo层中的一者或多者。对于其他的磁性结100A、100A'、100B、100C、100D及100E而言，可按各种次序来执行步骤328、330及332，且可省略步骤328及步骤332中的一者或多者。
接着可完成磁性结的制作。举例来说，可沉积顶盖层104，并且例如通过在已沉积的层上提供掩模以及对所述层的暴露出的部分进行离子研磨来界定磁性结的边缘。对于其中使用磁性结的器件而言，也可形成额外的结构，例如接触件及导电线。
使用方法320，可提供具有高垂直磁各向异性的被钉扎层和/或自由层和/或改善的切换特性的磁性结。因此，方法320可使得能够制作具有期望的切换特性的高垂直磁各向异性。
已阐述了提供磁性结以及使用磁性结制作的存储器的方法及系统。所述方法及系统已根据所示出的示例性实施例进行了阐述，且所属领域的普通技术人员将容易地认识到可存在实施例的变化，且任何变化均将处于所述方法及系统的精神及范围内。因此，在不背离所附权利要求书的精神及范围的条件下，所属领域的普通技术人员可作出许多修改。

Claims (20)

1.一种磁性结，存在于衬底上且能够用于磁性器件中，其特征在于，所述磁性结包括：
被钉扎层；
非磁性分隔层；
自由层，当写入电流通过所述磁性结时，所述自由层能够在多种稳定磁性状态之间切换，所述非磁性分隔层存在于所述被钉扎层与所述自由层之间；
氧化物层，邻近所述自由层，所述自由层位于所述非磁性分隔层与所述氧化物层之间；以及
第一氧阻挡层，设置于所述被钉扎层与所述非磁性分隔层之间。
2.根据权利要求1所述的磁性结，其特征在于，还包括第二氧阻挡层，使所述氧化物层位于所述第二氧阻挡层与所述自由层之间。
3.根据权利要求2所述的磁性结，其特征在于，所述第二氧阻挡层距离所述自由层不大于二十埃，且所述氧化物层与所述自由层共享界面。
4.根据权利要求2所述的磁性结，其特征在于，还包括：
至少一个氧吸附层，与所述第二氧阻挡层共享第一界面，所述至少一个氧吸附层具有选自第一位置及第二位置的位置，所述第一位置位于所述第二氧阻挡层与所述氧化物层之间，所述第二位置使所述第二氧阻挡层位于所述氧吸附层与所述氧化物层之间。
5.根据权利要求4所述的磁性结，其特征在于，还包括：
至少一个微调层，所述第二氧阻挡层位于所述至少一个微调层与所述自由层之间。
6.根据权利要求4所述的磁性结，其特征在于，所述至少一个氧吸附层包含Mg及Ti中的至少一者。
7.根据权利要求2所述的磁性结，其特征在于，还包括：
至少一个微调层，所述第二氧阻挡层位于所述至少一个微调层与所述氧化物层之间。
8.根据权利要求7所述的磁性结，其特征在于，所述至少一个微调层包含Mo、W、Ir、Ru及Ta中的至少一者。
9.根据权利要求2所述的磁性结，其特征在于，所述第二氧阻挡层包含Ir及Ru中的至少一者。
10.根据权利要求9所述的磁性结，其特征在于，所述第二氧阻挡层选自Ir层、Ru层、Ir/Ru双层及Ru/Ir双层。
11.根据权利要求2所述的磁性结，其特征在于，所述氧化物层包含氧化镁、氧化钽、氧化钨、氧化钛、氧化钒及双层氧化物层中的至少一者，所述双层氧化物层包含Ir及Mg。
12.一种磁性存储器，存在于衬底上，其特征在于，包括：
多个磁性存储单元，所述多个磁性存储单元中的每一者包括被钉扎层、非磁性分隔层、自由层、氧化物层及第一氧阻挡层，当写入电流通过磁性结时，所述自由层能够在多种稳定磁性状态之间切换，所述非磁性分隔层存在于所述被钉扎层与所述自由层之间，所述氧化物层邻近所述自由层，所述自由层位于所述非磁性分隔层与所述氧化物层之间，所述第一氧阻挡层设置于所述被钉扎层与所述非磁性分隔层之间；以及
多条位线，与所述多个磁性存储单元耦合。
13.一种提供能够用于磁性器件中的磁性结的方法，其特征在于，包括：
提供被钉扎层；
提供非磁性分隔层；
提供自由层，当写入电流通过所述磁性结时，所述自由层能够在多种稳定磁性状态之间切换，所述非磁性分隔层存在于所述被钉扎层与所述自由层之间；
提供邻近所述自由层的氧化物层，所述自由层位于所述非磁性分隔层与所述氧化物层之间；以及
提供第一氧阻挡层，所述第一氧阻挡层设置于所述被钉扎层与所述非磁性分隔层之间。
14.根据权利要求13所述的提供能够用于磁性器件中的磁性结的方法，其特征在于，还包括提供第二氧阻挡层，使所述氧化物层位于所述第二氧阻挡层与所述自由层之间。
15.根据权利要求13所述的提供能够用于磁性器件中的磁性结的方法，其特征在于，提供所述氧化物层的步骤还包括：
沉积至少一个层，所述至少一个层包含Mg、Ta、W、Ti、V、Zr及Ir中的至少一者；以及
对所述至少一个层执行氧化处理。
16.根据权利要求15所述的提供能够用于磁性器件中的磁性结的方法，其特征在于，提供所述氧化物层的步骤还包括：
在所述氧化处理之前执行等离子体处理。
17.根据权利要求14所述的提供能够用于磁性器件中的磁性结的方法，其特征在于，还包括：
形成与所述第二氧阻挡层共享第一界面的氧吸附层，所述氧吸附层具有选自第一位置及第二位置的位置，所述第一位置位于所述第二氧阻挡层与所述氧化物层之间，所述第二位置使所述第二氧阻挡层位于所述氧吸附层与所述氧化物层之间。
18.根据权利要求17所述的提供能够用于磁性器件中的磁性结的方法，其特征在于，还包括：
提供至少一个微调层，所述第二氧阻挡层位于所述至少一个微调层与所述自由层之间。
19.根据权利要求14所述的提供能够用于磁性器件中的磁性结的方法，其特征在于，还包括：
提供至少一个微调层，所述第二氧阻挡层位于所述至少一个微调层与所述氧化物层之间。
20.根据权利要求14所述的提供能够用于磁性器件中的磁性结的方法，其特征在于，所述第二氧阻挡层包含Ir及Ru中的至少一者。
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