CN109427962B - 磁性结及提供所述磁性结的方法和磁性存储器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种磁性结及提供所述磁性结的方法和一种磁性存储器。所述磁性结包括被钉扎层、垂直增强层(PEL)、位于所述被钉扎层与所述垂直增强层之间的插入层、自由层及位于所述垂直增强层与所述自由层之间的非磁性分隔层。所述插入层包含至少一种磁性材料及至少一种高结晶温度非磁性材料。所述垂直增强层位于所述插入层与所述非磁性分隔层之间。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。所述垂直增强层及自由层以及被钉扎层分别具有比各自的平面外退磁能大的垂直磁各向异性能。本公开的磁性结在高温退火之后可具有改善的抗劣化性。

Description

磁性结及提供所述磁性结的方法和磁性存储器
[相关申请的交叉参考]
本申请主张在2017年8月28日提出申请且名称为“用于垂直磁性结的垂直增强层的含铪基础层(HAFNIUM-CONTAINING BASE LAYER FOR A PERPENDICULAR ENHANCEMENTLAYER FOR PERPENDICULAR MAGNETIC JUNCTIONS)”的申请号为第62/551,178号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申请供参考。
技术领域
本公开涉及一种磁性结、一种使用所述磁性结的磁性存储器及一种提供所述磁性结的方法。
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 access memory，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，因此它们越来越受到关注。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(spin transfertorque 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通过所述磁性结进行驱动的电流来写入。通过磁性结进行驱动的自旋偏振电流(spin polarized current)在磁性结中在磁矩(magneticmoment)上施加自旋力矩(spin torque)。因此，具有能够响应于自旋力矩的磁矩的层可被切换到期望状态。
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驻留在衬底上。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)层以对参考层的磁化进行固定。传统的磁性隧道结包括参考层、自由层以及位于参考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，在垂直平面电流(current-perpendicular-to-plane，CPP)方向上驱动电流通过磁性隧道结。参考层及自由层是磁性的。参考层的磁化被固定或被钉扎在特定方向上。自由层具有可改变的磁化。自由层及参考层可为单个层或包括多个层。
为切换自由层的磁化，在垂直平面电流方向上驱动电流。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参考层的磁化。当从底部接触件向顶部接触件驱动足够的电流时，自由层的磁化可切换到与底部参考层的磁化反平行(antiparallel)。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。举例来说，为实现改善的写入效率及数据保持能力，可能需要低的切换电流、足够的热稳定性及高的垂直磁各向异性。期望这些性质能够存在于最终器件的磁性结中。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以及使用这种存储器的电子器件。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、一种使用所述磁性结的存储器及提供所述磁性结的方法。所述磁性结包括被钉扎层、垂直增强层(perpendicular enhancement layer，PEL)、位于所述被钉扎层与所述垂直增强层之间的插入层、自由层以及位于所述垂直增强层与所述自由层之间的非磁性分隔层。所述插入层包含至少一种磁性材料及至少一种高结晶温度非磁性材料(例如，铪(Hf))。所述磁性材料可包含至少一个钴(Co)层。Co层中的一者可在比室温高的衬底温度下沉积。被钉扎层可包含铂(Pt)及铱(Ir)中的至少一者。所述垂直增强层位于所述插入层与所述非磁性分隔层之间。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。所述垂直增强层及自由层以及被钉扎层分别具有比各自的平面外退磁能(out-of-plane demagnetization energy)大的垂直磁各向异性能(perpendicular magnetic anisotropy energy)。
磁性结在高温退火之后可具有改善的抗劣化性。更具体来说，尽管进行了高温退火，然而被钉扎层交换场(pinned layer exchange field)、回跳率(back hopping rate)及写入错误率(write error rate，WER)仍可维持处于期望水平。因此，性能可得到改善。
附图说明
图1A至图1C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，可利用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个插入层，所述至少一个插入层包括高结晶温度成分氧化物层。
图2绘示另一个磁性结的示例性实施例，所述另一个磁性结可用于磁性存储器中，可利用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个插入层，所述至少一个插入层包含高结晶温度成分。
图3绘示另一个磁性结的示例性实施例，所述另一个磁性结可用于磁性存储器中，可利用自旋转移力矩进行编程且包括插入层，所述插入层包含高结晶温度成分。
图4A至图4B绘示另一个磁性结的示例性实施例，所述另一个磁性结可用于磁性存储器中，可利用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个插入层，所述至少一个插入层包含高结晶温度成分。
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，可利用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个插入层，所述至少一个插入层包含高结晶温度成分。
图6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7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、可利用自旋转移力矩进行编程且包括至少一个插入层，所述至少一个插入层包含高结晶温度成分。
图8是绘示提供插入层的方法的示例性实施例的流程图，所述插入层包含高结晶温度成分。
图9是绘示提供插入层的方法的另一个示例性实施例的流程图，所述插入层包含高结晶温度成分。
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、平板计算机、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中的一般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理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。实施例将针对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，所述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理及特征相一致的最广范围。
本发明阐述一种磁性结、一种使用所述磁性结的存储器及一种提供所述磁性结的方法。所述磁性结包括被钉扎层、垂直增强层(PEL)、位于所述被钉扎层与所述垂直增强层之间的插入层、自由层以及位于所述垂直增强层与所述自由层之间的非磁性分隔层。所述插入层包含至少一种磁性材料及至少一种高结晶温度非磁性材料(例如，Hf)。所述磁性材料可包含至少一个Co层。Co层中的一者可在比室温高的衬底温度下沉积。所述垂直增强层位于所述插入层与所述非磁性分隔层之间。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。所述垂直增强层及自由层以及被钉扎层分别具有比各自的平面外退磁能大的垂直磁各向异性能。
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。所属领域中的一般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现有理解的上下文中进行了阐述。因此，所属领域中的一般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现有理解作出的。然而，本文所述方法及系统不依赖于具体的物理解释。所属领域中的一般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。所属领域中的一般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，所属领域中的一般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。所属领域中的一般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)”是指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、图1B及图1C分别绘示磁性结100A、磁性结100A'及磁性结100A”的示例性实施例，磁性结100A、磁性结100A'及磁性结100A”分别可用于可利用自旋转移力矩进行编程的磁性存储器中。为清晰起见，图1A至图1C并非按比例绘示且可不示出所有组件。磁性结100A、100A'和/或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111的被钉扎层110、插入层120A、垂直增强层(PEL)130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150。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100的衬底101驻留在晶种层102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。还可存在其它层，例如耦合层及反铁磁(AFM)层。然而，为简洁起见，图中未示出这些层。如在图1A中可见，磁性结100A的被钉扎层110最靠近衬底101。磁性结100A是底部被钉扎磁性结(bottom pinned magnetic junction)。
自由层150可具有高的垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)。因此，自由层150具有比自由层平面外退磁能大的垂直磁各向异性能。因此，磁矩151在垂直于平面方向上是稳定的。如可从双箭头推断的一样，自由层150的磁矩151在指向图1A所示页面的顶部时及在指向图1A所示页面的底部时可为稳定的。在替代实施例中，磁矩151可在平面内是稳定的。自由层150被绘示为单层。然而，在其他实施例中，自由层150可为多层。举例来说，自由层150可能是包括多个铁磁层的合成反铁磁体(syntheticantiferromagnet，SAF)，所述多个铁磁层与一个或多个非磁性层交错且夹置所述一个或多个非磁性层。举例来说，自由层150可能包括被非磁性层(例如，钌(Ru)层)隔开的两个铁磁层。Ru层的厚度可被选择成使得铁磁层通过鲁德曼-基特尔-胜谷-良田(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida，RKKY)耦合来反铁磁地耦合。作为另外一种选择，可对非磁性层厚度进行选择以进行铁磁耦合。在其他实施例中，自由层150可能是一些其他多层和/或可具有以另一种方式进行耦合的层。在一些实施例中，自由层150可包括铁(Fe)层、(CoFe)1-yB层和/或(CoFeNi)1-yBy层或者由Fe层、(CoFe)1-yB层和/或(CoFeNi)1-yBy层组成，其中0≤y<1。在其他实施例中，可使用其他或附加合金和/或多层。
自由层150具有可改变的磁矩151，且因此可用于存储数据。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150的磁矩151能够在稳定的磁性状态之间切换。因此，当在垂直平面电流(CPP)方向上驱动写入电流通过磁性结100A时，磁矩151可利用自旋转移力矩进行切换。根据写入电流的方向朝图1A所示页面的顶部或底部而定，自由层150可被编程成不同的状态。可通过驱动读取电流通过磁性结100A来读取自由层150的磁矩151的方向。这种读取电流小于写入电流且不足以切换磁矩151的方向。
非磁性分隔层140可为隧道势垒层。举例来说，非磁性分隔层140可为具有(100)取向的晶体氧化镁(MgO)隧道势垒。这种非磁性分隔层140不仅可增强磁性结100A的隧道磁阻(tunneling magnetoresistance，TMR)，而且还可增大自由层150的垂直磁各向异性。晶体MgO隧道势垒层可具有八埃到十五埃的厚度。举例来说，晶体MgO隧道势垒层可标称地为至少十埃且不大于十二埃厚。然而，也可能为其他厚度。非磁性分隔层140也可被视为用作自由层150的晶种层。在替代实施例中，非磁性分隔层140可具有另一种结构，所述另一种结构包括但不限于导电层。
被钉扎层110与垂直增强层130可一同被用作磁性结100A的参考层。被钉扎层110及垂直增强层130分别具有比平面外退磁能大的垂直磁各向异性能。因此，磁矩111及131在垂直于平面方向上是稳定的。被钉扎层110被示出为单层。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可能如上所述为合成反铁磁体。在其他实施例中，可使用其他的多层。举例来说，被钉扎层110可包括钴-铂(Co-Pt)层和/或钴-铱(Co-Ir)层。举例来说，被钉扎层110可为Co/Pt多层或包括Co/Pt多层。在这种多层中，可使用由Co/Pt双层形成的一个或多个重复体(repeats)([Co/Pt]n，其中n≥1)。在一些实施例中，被钉扎层110可为Co/Ir多层或包括Co/Ir多层。这种多层具有由Co/Ir双层形成的一个或多个重复体([Co/Ir]n，其中n≥1)。在一些实施例中，可在高温(高于三百摄氏度)下和/或以高功率(高于两百瓦)来沉积Co/Ir多层中的Co层中的一者。在其他实施例中，可不使用这种沉积。在一些实施例中，Co/Pt双层的顶层和/或Co/Ir双层的顶层可为非磁性材料。这是因为，如下所述，插入层120A可包含Co，例如为与被钉扎层110共享界面的Co合金层或Co层。作为另外一种选择，顶层可为Co。在一些实施例中，可使用具有其他结构和/或使用其他材料的其他被钉扎层。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-bias interaction)来钉扎磁化的反铁磁层或多层。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111通过被钉扎层110的磁各向异性被钉扎。
垂直增强层130具有高垂直磁各向异性。垂直增强层130因此可用于增强被钉扎层110、插入层120A及垂直增强层130的垂直磁各向异性。在一些实施例中，垂直增强层130包含硼(B)以及Co与Fe中的至少一者。举例来说，垂直增强层130可包括(CoFe)(1-x)Bx层和/或Fe(1-x)Bx层。在这种实施例中，0.2<x。在一些这种实施例中，x≤0.6。由此，垂直增强层130可具有高自旋偏振。然而，在替代实施例中，可使用其他化学计量和/或其他材料。举例来说，在另一个实施例中，垂直增强层130可包含[(CoFe)(1-x)Bx](1-γ)Moy，其中0<x≤0.6，0<y≤0.4且0<γ<1。
还示出插入层120A。插入层120A位于被钉扎层110与垂直增强层130之间。插入层120A可邻接被钉扎层110及垂直增强层130。因此，插入层120A可与被钉扎层110共享界面。插入层120A包含磁性材料及高结晶温度非磁性材料。在一些实施例中，结晶温度(非晶态沉积层结晶的温度)处于至少四百五十摄氏度。结晶温度可为至少五百摄氏度。高结晶温度非磁性材料的结晶温度可更高。在一些实施例中，高结晶温度非磁性材料是Hf。在一些实施例中，磁性材料是Co。为易于解释起见，在下文中将高结晶温度非磁性材料称为Hf。相似地，在下文中将磁性材料称为Co。然而，所属领域中的一般技术人员将认识到，在其他实施例中，可使用其他高结晶温度非磁性材料和/或磁性材料。这些改变可能会影响磁性结100A的性能或可不影响磁性结100A的性能。
在插入层120A的至少一部分中，Co与Hf混合。举例来说，如果插入层120A包括由Co及Hf形成的层，则至少在各个层之间的界面附近，Co与Hf可混合。在一些实施例中，这种混合是通过以高功率沉积至少Hf来提供的。对于一些系统而言，高功率大于两百瓦。然而，所述系统及方法可采用其他功率和/或机制来获得Co与Hf(即，磁性材料与高结晶温度非磁性材料)的混合。在一些实施例中，Hf层的厚度为至少一埃且不大于五埃。在一些其他实施例中，Hf层不大于四埃厚。在一些实施例中，Co层可为至少五埃厚且不大于十埃厚。在这种实施例中，Hf与Co可在各个层之间的界面处混合。在一些实施例中，这种混合区可近似地为一个单层(例如，大约1.5埃厚)。在其他实施例中，混合区可大于一个单层且小于三个单层厚。也可存在其他厚度。Co层可在室温下或在更高的温度下沉积。举例来说，Co层可在不超过600℃的温度下沉积。插入层120A可为Co-Hf合金或可包含Co-Hf合金。在这种实施例中，混合可为将Co与Hf合金化的结果。因此，Hf可在高功率下沉积，但并非必须在高功率下沉积。在这种实施例中，Co-Hf层的厚度可为至少四埃且不大于十埃。在这种实施例中，Co-Hf合金可为CoxHf1-x，其中x不超过0.7。
具有插入层120A的磁性结100A的性能可得到改善，尤其是在在制作工艺中使用高温退火的情况下。期望垂直增强层130及被钉扎层110为耐用的(robust)的且在磁性上为稳定的。因此，期望在最终器件中，被钉扎层110及垂直增强层130中的每一者的垂直磁各向异性为高的。作为磁性器件(例如，磁性存储器)的后道处理的一部分，需要进行较高温度的退火。举例来说，半导体器件常常在最高达四百摄氏度的温度下经历退火。在传统的磁性结中，可使用钽(Ta)插入层来替代插入层120A。然而，如果磁性结经历至少400摄氏度的退火，则这种传统的磁性结会遭受垂直增强层130的交换场(exchange field)的明显减小且伴随着垂直增强层130的磁性稳定性的降低。因此，写入错误率(WER)及回跳(backhopping，BH)率会增大。相比之下，插入层120A包含可混合的高结晶温度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料。由于在磁性结100A中存在这种插入层120A，因此磁性结100A更能够承受较高温度的退火。例如写入错误率、回跳率及交换场等特性可得到改善。在一些实施例中，举例来说，在至少五百摄氏度的退火之后，写入错误率、回跳率和/或交换场可不会降低多于百分之十。在一些这种实施例中，在至少四百摄氏度的退火之后，写入错误率、回跳率和/或交换场可不会降低多于百分之五。在一些这种实施例中，在至少四百五十摄氏度的退火之后，写入错误率、回跳率和/或交换场可不会降低多于百分之五或百分之十。因此，用于制作半导体器件的工艺可用于制造包括磁性结100A的的磁性随机存取存储器，而实质上不会对磁性结100A的性能造成不利影响。磁性结100A可更容易地且更好地并入到电子器件中。
图1B绘示磁性结100A'。为清晰起见，图1B并非按比例绘示且可不示出所有组件。磁性结100A'类似于磁性结100A。因此，相似的组件具有类似的标记。磁性结100A'包括被钉扎层110、插入层120A、垂直增强层130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150，所述各层分别类似于被钉扎层110、插入层120A、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150。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。
磁性结100A'中的各个层(被钉扎层110、插入层120A、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150)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，插入层120A包含高结晶温度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料(例如，Co)。Hf与Co可例如因至少Hf的高功率沉积而至少局部地进行混合。然而，衬底101相对于各个层(被钉扎层110、插入层120A、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150)的关系已被反转。因此，磁性结100A'是顶部被钉扎磁性结(top pinned magnetic junction)。
磁性结100A'共享磁性结100A的有益效果。磁性结100A'具有包含高结晶温度非磁性材料及磁性材料的插入层120A。因此，尽管使用了较高温度的退火，然而磁性结100A'仍可具有改善的性能。举例来说，尽管在最高达四百摄氏度的温度下或最高达五百摄氏度的温度下进行磁性结100A'的退火，然而垂直增强层130及被钉扎层110的交换场及磁性稳定性仍可不降低多于百分之五或百分之十。写入错误率、回跳率和/或交换场可通过退火而实质上得到保持。因此，例如在半导体器件中使用的工艺等工艺可为包括磁性结100A'的磁性器件(例如，自旋转移力矩磁性随机存取存储器)的制作的一部分。因此，磁性结100A'可更容易地且更好地并入到电子器件中而不会使本身的性能受到过度的不利影响。
图1C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100A”的另一个示例性实施例。为清晰起见，图1C并非按比例绘示且可不示出所有组件。磁性结100A”类似于磁性结100A和/或100A'。因此，相似的组件具有类似的标记。磁性结100A”是双磁性结，其包括被钉扎层110、插入层120A、垂直增强层130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150，所述各层类似于图1A及图1B中的被钉扎层110、插入层120A、垂直增强层130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150。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。
磁性结100A”中的被钉扎层110、插入层120A、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A和/或100A'中的被钉扎层110、插入层120A、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料。举例来说，插入层120A包含高结晶温度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料(例如，Co)。Hf与Co可例如因至少Hf的高功率沉积而至少局部地进行混合。
磁性结100A”还包括附加非磁性分隔层160、可选的附加垂直增强层170、可选的插入层180及具有磁矩191的附加被钉扎层190。非磁性分隔层160类似于非磁性分隔层140。举例来说，非磁性分隔层160可为晶体MgO隧道势垒层。可选的垂直增强层170、可选的插入层180及被钉扎层190分别类似于垂直增强层130、插入层120A及被钉扎层110。然而，在一些实施例中，可选的插入层180可包含钽(Ta)、钨(W)、铌(Nb)、铪(Hf)、锆(Zr)和/或钼(Mo)或由Ta、W、Nb、Hf、Zr和/或Mo组成。
磁性结100A”是双磁性结。在所示出的实施例中，磁性结100A”处于双状态。双状态发生在磁矩171反平行于磁矩131时。在所示出的实施例中，磁矩191与磁矩111也反平行。使用处于双状态的双磁性结100A”可使得用于自旋转移的写入电流较小。如果双磁性结100A”处于反双状态(antidual state)，则可实现较大的信号。磁性结100A”也可共享磁性结100A和/或100A'的有益效果。尽管使用了较高温度的退火，然而具有插入层120A的磁性结100A”仍可具有改善的性能。举例来说，在一些实施例中，在至少四百摄氏度的退火温度下或至少五百摄氏度的退火温度下进行退火之后，写入错误率、回跳率和/或交换场可不会降低多于百分之五或百分之十。因此，例如在半导体器件中使用的工艺等工艺可为包括磁性结100A”的磁性器件的制作的一部分。因此，磁性结100A”可更容易地且更好地并入到电子器件中而不会使本身的性能受到过度的不利影响。
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、100A'和/或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，其包括被钉扎层110、插入层120B、垂直增强层130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150，所述各层类似于图1A至图1C中的被钉扎层110、插入层120A、垂直增强层130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150。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。
磁性结100B中的被钉扎层110、插入层120B、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A、100A'和/或100A”中的被钉扎层110、插入层120A、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料。举例来说，插入层120B包含高结晶温度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料(例如，Co)。Hf与Co可例如因至少Hf的高功率沉积而至少局部地进行混合。相似地，被钉扎层110可包含Pt和/或Ir，例如呈Co/Pt多层形式和/或Co/Ir多层形式。垂直增强层130可包含B及Co和/或Fe，如上所述。
另外，在所示出的实施例中，提供插入层120B的Co(即，磁性材料)及Hf(即，高结晶温度非磁性材料)以使得Co与Hf形成Co-Hf合金插入层120B。本文所述Co-Hf合金包含CoyHf(1-y)，其中0<y≤0.7。在一些实施例中，这可包括以期望速率对Co与Hf进行共同溅射，以获得对于Co-Hf合金插入层120B而言所关注的化学计量。在其他实施例中，可从复合Co-Hf靶溅射Co与Hf。在一些实施例中，对至少Hf使用高功率来促进混合。因此，可使用大于两百瓦的高功率。在一些这种实施例中，功率可为至少两百瓦。在其他实施例中，Co与Hf的合金化是充分的且未必需要至少两百瓦的高功率。
其余被钉扎层110、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A、100A'及100A”中的被钉扎层110、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料。如上所述，被钉扎层110、插入层120B、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150相对于衬底101的次序可发生改变。在一些实施例中，可添加附加非磁性分隔层(图中未示出)、可选的附加垂直增强层、可选的附加插入层及附加被钉扎层。因此，在替代实施例中，磁性结100B可为顶部被钉扎磁性结或双磁性结。
磁性结100B可共享磁性结100A、100A'和/或100A”的有益效果。尽管使用了较高温度的退火，然而具有Co-Hf合金插入层120B的磁性结100B仍可具有改善的性能。举例来说，通过在至少四百摄氏度的温度下、至少四百五十摄氏度的温度下和/或更高的温度下进行退火，可保持足够高的交换场、降低的回跳率及降低的写入错误率。因此，磁性结100B可并入到电子器件中而不会使本身的性能受到过度的不利影响。
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、100A'、100A”和/或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，其包括被钉扎层110、插入层120C、垂直增强层130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150，所述各层类似于图1A至图1C及图2中的被钉扎层110、插入层120A/120B、垂直增强层130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150。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。
磁性结100C中的被钉扎层110、插入层120C、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A、100A'、100A”和/或100B中的被钉扎层110、插入层120A/120B、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料。举例来说，插入层120C包含高结晶温度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料(例如，Co)。相似地，被钉扎层110可包含Pt和/或Ir，例如呈Co/Pt多层形式和/或Co/Ir多层形式。垂直增强层130可包含B及Co和/或Fe，如上所述。
另外，在所示出的实施例中，提供插入层120C中的Co(即，磁性材料)及Hf(即，高结晶温度材料)以使得Co与Hf形成双层120C。双层包括Co层122及Hf层124。Co层122首先被沉积且与被钉扎层110邻接。在一些实施例中，Co层122为至少五埃厚且不大于十埃厚。如果被钉扎层110的顶层是Co层，则Co层122可较薄或可被省略。在一些实施例中，Hf层124的厚度为至少一埃且不大于五埃。在一些这种实施例中，Hf层124不大于四埃厚。在Co层122与Hf层124之间的界面周围，可存在Hf与Co可混合的区126。这种混合可归因于至少Hf的高功率沉积。在一些实施例中，这一混合区126大于一个单层但不超过三个单层。因此，混合区126可为至少1.5埃厚。另外，尽管绘示且论述了由Co与Hf形成的双层，然而在另一个实施例中，可能存在更多层。举例来说，可使用Co/Hf/Co三层、Co/Hf/Co/Hf多层或其他类似的多层。然而，在这些情形中的每一者中，存在至少一个双层。因此，在下文中仅对双层进行论述。
其余被钉扎层110、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A、100A'、100A”及100B中的被钉扎层110、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料。如上所述，被钉扎层110、插入层120C、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150相对于衬底101的次序可发生改变。在一些实施例中，可添加附加非磁性分隔层(图中未示出)、可选的附加垂直增强层、可选的附加插入层及附加被钉扎层。因此，在替代实施例中，磁性结100C可为顶部被钉扎磁性结或双磁性结。
磁性结100C可共享磁性结100A、100A'、100A”和/或100B的有益效果。磁性结100C具有双层插入层120C，双层插入层120C包括Co层122、Hf层124及混合区126。因此，尽管使用了较高温度的退火，然而磁性结100C仍可具有改善的性能。举例来说，通过在至少四百摄氏度的温度下、至少四百五十摄氏度的温度下和/或更高的温度下进行退火，可将足够高的交换场、降低的回跳率和/或降低的写入错误率保持在退火前的值的至少百分之九十或至少百分之九十五。因此，磁性结100C可在自身性能实质上得到保持的条件下并入到电子器件中。
图4A及图4B分别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及100D'的其他示例性实施例。为清晰起见，图4A及图4B并非按比例绘示且可不示出所有组件。磁性结100D及100D'类似于磁性结100A、100A'、100A”、100B和/或100C。因此，相似的组件具有类似的标记。
参照图4A，磁性结100D是底部被钉扎磁性结，其包括被钉扎层110D、插入层120D、垂直增强层130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150，所述各层类似于图1A至图1C及图2至图3中的被钉扎层110、插入层120A/120B/120C、垂直增强层130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150。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。
磁性结100D中的被钉扎层110D、插入层120D、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A、100A'、100A”、100B和/或100C中的被钉扎层110、插入层120A/120B/120C、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料。举例来说，插入层120D包含高结晶温度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料(例如，Co)。在一些实施例中，举例来说，插入层120D可为由Co与Hf形成的合金。在其他实施例中，插入层120D可为双层。这种双层可包括介于Co层与Hf层之间的混合区。相似地，被钉扎层110可包含Pt和/或Ir。垂直增强层130可包含B及Co和/或Fe，如上所述。
在所示出的实施例中，被钉扎层110D明确包括具有垂直磁矩113的Co/Pt多层112及具有垂直磁矩115的Co/Ir多层114。因此，多层112可包括由Co/Pt双层形成的一个或多个重复体。多层114可包括由Co/Ir双层形成的一个或多个重复体。然而，一般来说期望被钉扎层110D的顶层为Co层。因此，被钉扎层110D的结构使得被钉扎层具有高的垂直磁各向异性。在替代实施例中，可省略Co/Pt多层112或Co/Ir多层114。因此，被钉扎层110D可由Co/Pt多层112组成或者可由Co/Ir多层114组成。
图4B绘示磁性结100D'的另一个实施例。磁性结100D'是底部被钉扎磁性结，其包括被钉扎层110D'、插入层120D、垂直增强层130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150，所述各层类似于图1A至图1C及图2至图4A中的被钉扎层110/110D、插入层120A/120B/120C/120D、垂直增强层130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150。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。
在磁性结100D'中，多层112与多层114的次序已反转。Co/Pt多层112在这一实施例中更靠近插入层120D。在其他方面，磁性结100D'实质上相同于磁性结100D。
参照图4A及图4B，其余插入层120D、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A、100A'、100A”、100B及100C中的插入层120A/120B/120C、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料。如上所述，被钉扎层110D/110D'、插入层120D、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150相对于衬底101的次序可发生改变。在一些实施例中，可添加附加非磁性分隔层(图中未示出)、可选的附加垂直增强层、可选的附加插入层及附加被钉扎层。因此，在替代实施例中，磁性结100D和/或100D'可为顶部被钉扎磁性结或双磁性结。
磁性结100D及100D'可共享磁性结100A、100A'、100A”、100B和/或100C的有益效果。因此，尽管使用了较高温度的退火，然而磁性结100D及100D'仍可具有改善的性能。举例来说，通过在至少四百摄氏度的温度下、至少四百五十摄氏度的温度下和/或更高的温度下进行退火，可将足够高的交换场、降低的回跳率和/或降低的写入错误率保持在退火前的值的至少百分之九十或至少百分之九十五。因此，磁性结100D及100D'可在自身性能实质上得到保持的条件下并入到电子器件中。
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、100A'、100A”、100B、100C、100D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，其包括被钉扎层110、插入层120E、垂直增强层130E、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150，所述各层类似于图1A至图1C及图2至图4B中的被钉扎层110/110D/110D'、插入层120A/120B/120C/120D、垂直增强层130、非磁性分隔层140及具有磁矩151的自由层150。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。
磁性结100E中的被钉扎层110、插入层120E、垂直增强层130E、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A、100A'、100A”、100B、100C、100D、100D'中的被钉扎层110/110D/110D'、插入层120A/120B/120C/120D、垂直增强层130、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料。举例来说，插入层120E包含高结晶温度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料(例如，Co)。在一些实施例中，举例来说，插入层120E可为由Co与Hf形成的合金。在其他实施例中，插入层120E可为双层。这种双层可包括介于Co层与Hf层之间的混合区。相似地，被钉扎层110可包含Pt和/或Ir。举例来说，多层112及114中的一者或多者可位于被钉扎层110中。
垂直增强层130E可包含B及Co和/或Fe，如上所述。另外，在所示实施例中，垂直增强层130E包括被附加插入层134隔开的两个铁磁层132及136。铁磁层132及136分别具有比铁磁层132及136的平面外退磁能大的高垂直磁各向异性能。因此，磁矩133及137在垂直于平面方向上是稳定的。铁磁层132可包含B以及Co与Fe中的至少一者。举例来说，铁磁层132可包含(CoFe)(1-x)Bx及Fe(1-x)Bx中的至少一者，其中0.2≤x≤0.6。在一些实施例中，可支持其他化学计量。举例来说，在一些实施例中，x可低至0.2。在一些实施例中，上铁磁层136也可包含B以及Co与Fe中的至少一者。在一些实施例中，铁磁层136的化学计量范围实质上相同于铁磁层132的化学计量范围。
介于铁磁层132与铁磁层136之间的插入层134可选自Ta、W、Nb、Hf、Zr及Mo。在一些实施例中，插入层134的厚度可为至少一埃且不大于五埃。在替代实施例中，插入层134可实质上相同于插入层120E。
其余被钉扎层110、插入层120E、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料类似于磁性结100A、100A'、100A”、100B、100C、100D和/或100D'中的被钉扎层110/110D/110D'、插入层120A/120B/120C/120D、非磁性分隔层140及自由层150所使用的结构、功能及材料。如上所述，被钉扎层110、插入层120E、垂直增强层130E、非磁性分隔层140及自由层150相对于衬底101的次序可发生改变。在一些实施例中可添加附加非磁性分隔层(图中未示出)、可选的附加垂直增强层、可选的附加插入层及附加被钉扎层。因此，在替代实施例中，磁性结100E可为顶部被钉扎磁性结或双磁性结。
磁性结100E可共享磁性结100A、100A'、100A”、100B、100C、100D和/或100D'的有益效果。因此，尽管使用了较高温度的退火，然而磁性结100E仍可具有改善的性能。举例来说，通过在至少四百摄氏度的温度下、至少四百五十摄氏度的温度下和/或更高的温度下进行退火，可将足够高的交换场、降低的回跳率和/或降低的写入错误率保持在退火前的值的至少百分之九十或至少百分之九十五。因此，磁性结100E可在自身性能实质上得到保持的条件下并入到电子器件中。
图6绘示可使用磁性结100A、100A'、100A”、100B、100C、100D、100D'和/或100E中的一者或多者和/或其他磁性结的磁性存储器200的示例性实施例。磁性存储器200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。磁性存储器200的存储区包括磁性存储单元210。每一个磁性存储单元210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'、100A”、100B、100C、100D、100D'、100E中的一者和/或其他类似的磁性结。尽管每个磁性存储单元210示出一个磁性结212，然而本公开并非仅限于此。举例来说，在其他实施例中，可每个磁性存储单元210提供另一数目的磁性结212。由于磁性存储器200包括磁性结100A、100A'、100A”、100B、100C、100D、100D'、100E中的一者或多者和/或类似的磁性结，磁性存储器200可享有上述有益效果。
已相对于磁性结100A、100A'、100A”、100B、100C、100D、100D'及100E以及磁性存储器200阐述了各种特征。所属领域中的一般技术人员将认识到，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。举例来说，磁性结可包括被钉扎层110D或110D'、插入层120B或120C、垂直增强层130E、非磁性分隔层140(其可为晶体MgO隧道势垒层)及自由层150。在一些实施例中，这种磁性结还可包括附加非磁性分隔层及附加被钉扎层。另外，在附加被钉扎层与附加非磁性分隔层之间还可存在附加垂直增强层及附加插入层。因此，无需明确绘示根据本文所述方法、系统及器件的磁性结。
图7绘示用于制作可用于例如自旋转移力矩随机存取存储器(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100A”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、100D'和/或100E。
通过步骤302，提供被钉扎层110。被钉扎层110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或固定在特定方向上。被钉扎层110可包含Co以及Ir与Pt中的至少一者。在步骤302中形成的被钉扎层110可为单层或多层。在步骤302中形成的被钉扎层110可具有超过平面外退磁能的垂直各向异性能。因此，参考层的磁矩可垂直于平面进行取向。举例来说，步骤302可包括提供Co/Pt多层、Co/Ir多层或这两种多层。
步骤302可包括在晶种层102上沉积被钉扎层110。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110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110中的垂直磁各向异性的(100)晶体MgO层等晶种层102上提供被钉扎层110。如果形成顶部被钉扎磁性结，则可省略步骤302或者改变步骤的次序以使得自由层150更靠近衬底101。
通过步骤304，提供包含至少一种高结晶温度材料的插入层。举例来说，在步骤304中可形成插入层120A。高结晶温度材料可为非磁性的，例如Hf。在一些实施例中，步骤304还包括提供至少一种磁性材料，例如Co。另外在步骤304中，提供高结晶温度材料与磁性材料以使得它们至少局部地混合。举例来说，可提供由例如Co-Hf等材料形成的合金。在其他实施例中，可形成Co/Hf双层。在这种实施例中，步骤304可包括以高功率溅射Hf以使得Co与Hf在界面周围混合。举例来说，可使用至少两百瓦的功率。在一些实施例中，在完成插入层的沉积之后可执行退火。作为步骤304的一部分，还可对插入层120A进行退火。
通过步骤306，提供垂直增强层。举例来说，在步骤306中可形成垂直增强层130。垂直增强层可包含高自旋偏振材料且具有高垂直磁各向异性。举例来说，可形成(CoFe)(1-x)Bx层和/或Fe(1-x)Bx层，其中0.2≤x≤0.6。在一些实施例中，步骤306会形成垂直增强层130E。
通过步骤308，提供非磁性分隔层140。在步骤308中形成的非磁性分隔层140可邻接垂直增强层130或者可通过其他层来与垂直增强层隔开。在一些实施例中，可形成晶体MgO隧道势垒层。步骤308可包括沉积MgO，此会形成隧道势垒层。在一些实施例中，步骤308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308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308可包括对磁性结的已形成的部分进行退火以提供具有(100)取向的晶体MgO隧道势垒来增强磁性结的隧道磁阻(TMR)。
通过步骤310，提供自由层150。步骤310包括沉积自由层的材料。可能期望在步骤310中提供的自由层150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在平面外、包括在垂直于平面方向上是稳定的。另外，可提供垂直增强层作为自由层150的一部分，或除自由层150之外，还可提供垂直增强层。当写入电流通过磁性结时，在步骤310中提供的自由层150还被配置成在稳定的磁性状态之间切换。因此，自由层150可利用自旋转移力矩来切换。在步骤310中提供的自由层150在操作温度下是磁性的且热稳定的。
通过步骤312，可选地提供附加非磁性分隔层160。步骤312可类似于步骤308。然而，一般来说期望隧道势垒层的厚度为不同的。
通过步骤314，可选地提供附加垂直增强层170。附加垂直增强层170可类似于垂直增强层130/130E。通过步骤316，可选地提供附加插入层180。在一些实施例中，步骤316可包括沉积由Ta、W、Nb、Hf、Zr和/或Mo形成的层。在其他实施例中，可提供插入层，例如插入层120A。通过步骤318，可选地提供附加被钉扎层190。如果期望为双磁性结，则可施行步骤312、314、316及318中的一些或全部。通过步骤320，可完成器件的制作。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。应注意，尽管阐述了提供各个层，然而在一些实施例中，步骤302、304、306、308、310、312、314、316及318包括以磁性结堆叠的形式提供各个层。在已沉积磁性结中的所有层之后可对结的边缘进行界定。对于其中使用磁性结的器件而言，也可形成附加结构，例如接触件及导电线。接着可完成磁性结的制作。
使用方法300，可提供尽管使用了高温退火，然而仍具有改善的性能的磁性结。因此，方法300可使得能够制作垂直磁各向异性高、磁性稳定的被钉扎层以及具有改善的性能的磁性结。
图8是绘示一种提供磁性结的一部分的方法330的示例性实施例的流程图，所述磁性结可用于磁性器件中。更具体来说，方法330用于形成包含高结晶温度材料的插入层。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。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100C的上下文中进行阐述。然而，方法330可用于磁性结100A、100A'、100A”、100B、100D、100D'和/或100E中的任意磁性结。
通过步骤332，沉积插入层120C的Co层122。尽管被阐述为方法330的一部分，然而在一些实施例中，在步骤332中提供的Co层122也可形成用于被钉扎层110的Co/Pt多层的顶层。如果被钉扎层110的顶层是Co层，则可沉积较薄的Co层或者可省略步骤332。通过步骤334，沉积可为非磁性的至少一种高结晶温度材料。步骤334可包括沉积Hf。对Hf层的沉积是在步骤334中执行以使得Co与Hf的至少一部分混合。在所示出的实施例中，此是通过以高功率沉积Hf来完成的。举例来说，可使用以至少两百瓦的功率进行的溅射。在另一个实施例中，可使用用于混合的另一种机制。
通过步骤336，可选地执行退火(例如，快速热退火(rapid thermal anneal，RTA))。如果执行这种快速热退火，则可在沉积后续层之前完成这种快速热退火。在一些实施例中，所述快速热退火可在大于一百摄氏度且不大于四百二十五摄氏度的温度下执行。快速热退火的时间可少于三十分钟。
使用方法330，会制作出可改善磁性结的承受较高温度退火的能力的插入层。因此，方法330可使得能够制作出具有改善的被钉扎层性能，且可更容易地并入到磁性器件中的磁性结。
图9是绘示一种提供磁性结的一部分的方法330'的示例性实施例的流程图，所述磁性结可用于磁性器件中。更具体来说，方法330'用于形成包含高结晶温度材料的插入层。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。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100B的上下文中进行阐述。然而，方法330'可用于磁性结100A、100A'、100A”、100C、100D、100D'和/或100E中的任意磁性结。
通过步骤332'，沉积合金插入层120B。在步骤332'中沉积高结晶温度非磁性材料及磁性材料。步骤332'可包括沉积Hf及Co。执行对Hf及Co的沉积来提供合金插入层120B中的期望化学计量。
通过步骤336，可可选地执行退火，例如快速热退火。这种快速热退火可在沉积后续层之前执行。
使用方法330'，会制作出可改善磁性结的承受较高温度退火的能力的插入层。因此，方法330'可使得能够制作出具有改善的被钉扎层性能且可更容易地并入到磁性器件中的磁性结。
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，且所属领域中的一般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，所属领域中的一般技术人员可作出许多修改。

Claims (20)

1.一种磁性结，驻留在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；
插入层，包含至少一种磁性材料及至少一种高结晶温度非磁性材料；
垂直增强层，所述插入层位于所述被钉扎层与所述垂直增强层之间；
非磁性分隔层，所述垂直增强层位于所述插入层与所述非磁性分隔层之间；以及
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，所述非磁性分隔层驻留在所述垂直增强层与所述自由层之间，所述自由层、所述垂直增强层及所述被钉扎层中的每一者具有垂直磁各向异性能及比所述垂直磁各向异性能小的平面外退磁能，
其中所述至少一种高结晶温度非磁性材料的结晶温度为至少摄氏四百五十度。
2.根据权利要求1所述的磁性结，其特征在于，所述至少一种磁性材料包括钴，所述至少一种高结晶温度非磁性材料包括铪，且所述被钉扎层包含铂及铱中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的磁性结，其特征在于，所述插入层包括选自双层及合金层中的层，所述双层包括钴层及铪层，所述钴层位于所述铪层与所述被钉扎层之间，所述合金层包含CoyHf(1-y)，其中0<y≤0.7。
4.根据权利要求3所述的磁性结，其特征在于，所述双层的所述铪层为至少一埃厚且不大于五埃厚，且其中所述双层的所述钴层为至少四埃厚且不大于十埃厚。
5.根据权利要求2所述的磁性结，其特征在于，所述插入层的一部分包括钴-铪混合区。
6.根据权利要求1所述的磁性结，其特征在于，所述被钉扎层选自第一多层、第二多层及第三多层，所述第一多层包括至少一个钴/铂双层、所述第二多层包括至少一个钴/铱双层，所述第三多层包括所述第一多层及比所述第一多层更靠近所述插入层的所述第二多层。
7.根据权利要求1所述的磁性结，其特征在于，所述垂直增强层包含(CoFe)(1-x)Bx及Fe(1-x)Bx中的至少一种，其中0.2≤x≤0.6。
8.根据权利要求7所述的磁性结，其特征在于，所述垂直增强层包括第一铁磁层、附加插入层及第二铁磁层，所述第一铁磁层位于所述附加插入层与所述插入层之间，所述附加插入层位于所述第一铁磁层与所述第二铁磁层之间，所述第一铁磁层包含(CoFe)(1-x)Bx及Fe(1-x)Bx中的所述至少一种。
9.根据权利要求8所述的磁性结，其特征在于，所述附加插入层包含钽、钨、铌、铪、锆及钼中的至少一种。
10.根据权利要求2所述的磁性结，其特征在于，所述非磁性分隔层包括结晶隧道势垒层。
11.根据权利要求1所述的磁性结，其特征在于，还包括：
附加非磁性分隔物；以及
附加参考层，所述附加非磁性分隔物位于所述自由层与所述附加参考层之间，使得所述磁性结为双磁性结。
12.一种磁性存储器，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、插入层、垂直增强层、非磁性分隔层及自由层，所述插入层包含至少一种磁性材料及至少一种高结晶温度非磁性材料，所述插入层位于所述被钉扎层与所述垂直增强层之间，所述垂直增强层位于所述插入层与所述非磁性分隔层之间，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，所述非磁性分隔层驻留在所述垂直增强层与所述自由层之间，所述自由层、所述垂直增强层及所述被钉扎层中的每一者具有垂直磁各向异性能及比所述垂直磁各向异性能小的平面外退磁能；以及
多条位线，与所述多个磁性存储单元耦合，
其中所述至少一种高结晶温度非磁性材料的结晶温度为至少摄氏四百五十度。
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，所述方法包括：
提供被钉扎层；
提供插入层，所述插入层包含至少一种磁性材料及至少一种高结晶温度非磁性材料；
提供垂直增强层，所述插入层位于所述被钉扎层与所述垂直增强层之间；
提供非磁性分隔层，所述垂直增强层位于所述插入层与所述非磁性分隔层之间；以及
提供自由层，当写入电路通过所述磁性结时，所述自由层能够在多种稳定磁性状态之间切换，所述非磁性分隔层驻留在所述垂直增强层与所述自由层之间，所述自由层、所述垂直增强层及所述被钉扎层中的每一者具有垂直磁各向异性能及比所述垂直磁各向异性能小的平面外退磁能，
其中所述至少一种高结晶温度非磁性材料的结晶温度为至少摄氏四百五十度。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述至少一种磁性材料包括钴，所述至少一种高结晶温度非磁性材料包括铪，且所述被钉扎层包含铂及铱中的至少一种，提供所述插入层的步骤还包括：
提供选自双层及合金层的层，所述双层包括钴层及铪层，所述钴层位于所述铪层与所述被钉扎层之间，所述合金层包含CoyHf(1-y)，其中0<y≤0.7。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，提供所述插入层的步骤包括以高功率溅射铪。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述高功率为至少二百瓦。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，提供所述插入层的步骤还包括在所述插入层的沉积完成后，以至少摄氏三百五十度的温度执行退火。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述被钉扎层选自第一多层、第二多层及第三多层，所述第一多层包括至少一个钴/铂双层、所述第二多层包括至少一个钴/铱双层，所述第三多层包括所述第一多层及比所述第一多层更靠近所述插入层的所述第二多层。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述垂直增强层包括第一铁磁层、附加插入层及第二铁磁层，所述第一铁磁层位于所述附加插入层与所述插入层之间，所述附加插入层位于所述第一铁磁层与所述第二铁磁层之间，所述第一铁磁层包含(CoFe)(1-x)Bx及Fe(1-x)Bx中的所述至少一种，所述附加插入层包含钽、钨、铌、铪、锆及钼中的至少一种，所述第二铁磁层位于所述附加插入层与所述非磁性分隔层之间，所述第二铁磁层包含[(CoFe)(1-x)Bx](1-γ)Moy，其中x≤0.6、y≤0.4且γ>0。
20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
提供附加非磁性分隔物；以及
提供附加参考层，所述附加非磁性分隔物位于所述自由层与所述附加参考层之间，使得所述磁性结为双磁性结。
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