CN109817805A - 提供磁性结的方法以及使用该磁性结制造的存储器 - Google Patents

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Abstract

描述了提供磁性结的方法和使用该磁性结制造的存储器。该方法包括提供钉扎层、非磁性间隔层、以及在稳定的磁状态之间可切换的自由层。非磁性间隔层在钉扎层与自由层之间。提供钉扎层和/或提供自由层包括冷却磁性结的一部分、当磁性结的所述部分冷却时沉积润湿层、氧化/氮化润湿层、以及在氧化物/氮化物润湿层上沉积无硼磁层。磁性结的所述部分被冷却到包括不大于250K的温度(们)的温度范围内。润湿层具有至少0.25个单层且不多于三个单层的厚度。润湿层包括至少一种磁性材料。无硼磁层具有大于平面外退磁能的垂直磁各向异性能。

Description

提供磁性结的方法以及使用该磁性结制造的存储器
技术领域
本发明构思涉及提供磁性结的方法以及使用该磁性结制造的存储器。
背景技术
磁性存储器，尤其是磁性随机存取存储器(MRAM)由于其操作期间的高读/写速度、优秀的耐久性、非易失性和低功耗的潜力已经引起了越来越多的兴趣。MRAM能利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移矩随机存取存储器(STT-MRAM)。STT-MRAM利用磁性结，该磁性结至少部分地通过经磁性结驱动的电流被写入。经磁性结驱动的自旋极化电流对磁性结中的磁矩施加自旋转矩。结果，具有响应于该自旋转矩的磁矩的层(们)可以切换到期望的状态。
例如，常规STT-MRAM中可以使用常规磁隧道结(MTJ)。常规MTJ通常位于衬底上。使用常规籽晶层(们)的常规MTJ可以包括盖层，并且可以包括常规反铁磁(AFM)层。常规MTJ包括常规钉扎层、常规自由层、以及在常规的钉扎层和自由层之间的常规隧道势垒层。常规MTJ下方的底部接触和常规MTJ上的顶部接触可以用于在电流垂直于平面(CPP)方向上经由常规MTJ驱动电流。参考层和自由层是有磁性的。参考层的磁化在特定方向上被固定或钉扎。自由层具有可变的磁化。自由层和参考层可以是单层或者可以包括多层。
为了切换自由层的磁化，在CPP方向上驱动电流。当从顶部接触到底部接触驱动足够的电流时，自由层的磁化可以切换为平行于底部参考层的磁化。当从底部接触到顶部接触驱动足够的电流时，自由层的磁化可以切换为反平行于底部参考层的磁化。磁位形的差异对应于不同的磁阻，因而对应于常规MTJ的不同逻辑状态(例如逻辑“0”和逻辑“1”)。
由于其用于各种应用的潜力，对磁性存储器的研究正在进行。例如，会期望低切换电流、足够的热稳定性和高垂直磁各向异性，以提高写入效率和数据保持。期望这些性质存在于最终器件的磁性结中。因此，需要可以改善基于自旋转移矩的存储器和使用这种存储器的电子设备的性能的方法。这里描述的方法满足了这种需求。
发明内容
描述了一种提供磁性结的方法。该方法包括提供钉扎层、提供非磁性间隔层、以及提供在稳定的磁状态之间可切换的自由层。非磁性间隔层在钉扎层与自由层之间。提供钉扎层和/或提供自由层包括冷却磁性结的一部分、当磁性结的所述部分冷却时沉积润湿层、氧化润湿层或氮化润湿层以提供氧化物润湿层或氮化物润湿层、以及在氧化物/氮化物润湿层上沉积无硼磁层。磁性结的所述部分被冷却到包括不大于250K的温度(们)的温度范围内。润湿层具有至少0.25个单层且不多于三个单层的厚度。润湿层包括至少一种磁性材料。无硼磁层具有大于平面外退磁能的垂直磁各向异性能。
描述了一种提供磁性结的方法。该方法包括提供钉扎层、提供非磁性间隔层、以及提供自由层。非磁性间隔层在钉扎层与自由层之间。自由层使用自旋转移矩和自旋轨道耦合转矩中的至少一个而在多个稳定的磁状态之间可切换。提供钉扎层和/或提供自由层包括沉积润湿层、氧化润湿层或氮化润湿层以提供氧化物润湿层或氮化物润湿层、冷却磁性结的包括氧化物润湿层或氮化物润湿层的部分、以及当磁性结的所述部分冷却时在氧化物润湿层或氮化物润湿层上沉积无硼磁层。润湿层具有至少0.25个单层且不多于三个单层的厚度。润湿层包括至少一种磁性材料。磁性结的所述部分被冷却到包括不大于250K的温度(们)的温度范围内。无硼磁层具有大于平面外退磁能的垂直磁各向异性能。
描述了一种使用磁性结制造的存储器。该存储器包括多个磁性存储单元，所述多个磁性存储单元的每个包括至少一个磁性结。所述至少一个磁性结包括自由层、非磁性间隔层和钉扎层，非磁性间隔层位于钉扎层与自由层之间。当写入电流穿过磁性结时，自由层在多个稳定的磁状态之间可切换。自由层和钉扎层中的至少一个包括无硼磁层，无硼磁层具有大于平面外退磁能的垂直磁各向异性能。
使用该方法，自由层和/或钉扎层可以包括无硼磁层或者由无硼磁层构成。因此，可以改善磁性结的垂直磁各向异性、稳定性和切换性能。
附图说明
图1是描绘提供用于磁性结的无硼磁层的方法的一示例性实施方式的流程图，该磁性结可用在诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性器件中。
图2-5描绘在制造期间的用于磁性结的层的一示例性实施方式，该磁性结可用在诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性器件中。
图6是描绘提供用于磁性结的无硼磁层的方法的另一示例性实施方式的流程图，该磁性结可用在诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性器件中。
图7是描绘提供磁性结的方法的一示例性实施方式的流程图，该磁性结包括无硼磁层(们)并可用在诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性器件中。
图8描绘磁性结的一示例性实施方式，该磁性结具有无硼磁层(们)并可用在诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性器件中。
图9描绘磁性结的另一示例性实施方式，该磁性结具有无硼磁层(们)并可用在诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性器件中。
图10描绘磁性结的另一示例性实施方式，该磁性结具有无硼磁层(们)并可用在诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性器件中。
图11描绘磁性结的另一示例性实施方式，该磁性结具有无硼磁层(们)并可用在诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性器件中。
图12描绘存储器的一示例性实施方式，该存储器在存储单元(们)的存储元件(们)中利用具有无硼磁层(们)的磁性结。
具体实施方式
示例性实施方式涉及可用在诸如存储器件的磁性器件中的磁性结、以及使用这种磁性结的器件。磁性存储器可以包括自旋转移矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)、自旋轨道耦合转矩(SOT)存储器，并且可以用在采用非易失性存储器的电子设备中。包括磁性结尤其是STT或SOT可编程磁性结的其它器件包括但不限于逻辑、神经形态计算单元和另外的器件。电子设备包括但不限于蜂窝电话、智能电话、台式计算机、膝上型计算机以及其它便携式和非便携式计算设备。下面的描述被给出以使本领域普通技术人员能够实施和使用本发明，并在专利申请及其要求的背景下被提供。对这里描述的示例性实施方式以及一般原理和特征的各种修改将轻易地明显。示例性实施方式主要在特定实现方式中提供的特定方法方面进行描述。然而，这些方法将在其它实现方式中有效地操作。诸如“示例性实施方式”、“一个实施方式”和“另一实施方式”的短语可以指的是相同或不同的实施方式，还可以指的是多个实施方式。实施方式将关于具有某些部件的器件进行描述。然而，这些器件可以包括比所示部件多或少的部件，并且可以在不脱离本发明范围的情况下进行部件的布置和类型的变化。示例性实施方式还将在具有某些步骤的特定方法的背景下进行描述。然而，对于具有不同和/或额外步骤以及按照不与示例性实施方式相矛盾的不同顺序的步骤的其它方法，所述方法有效地操作。因此，本发明不旨在限于所示的实施方式，而是旨在符合与这里描述的原理和特征一致的最宽范围。
描述了磁性结和提供该磁性结的方法。该方法包括提供钉扎层、提供非磁性间隔层、以及提供在稳定的磁状态之间可切换的自由层。非磁性间隔层在钉扎层与自由层之间。提供钉扎层和/或提供自由层包括冷却磁性结的一部分、当磁性结的所述部分冷却时沉积润湿层、氧化或氮化润湿层以提供氧化物/氮化物润湿层、以及在氧化物/氮化物润湿层上沉积无硼磁层。磁性结的所述部分被冷却到包括不大于250K的温度(们)的温度范围内。润湿层具有至少0.25个单层且不多于三个单层的厚度。润湿层包括至少一种磁性材料。无硼磁层具有大于平面外退磁能的垂直磁各向异性能。
示例性实施方式在特定的方法、磁性结和具有某些部件的磁性存储器的背景下进行描述。本领域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它和/或额外部件和/或其它特征的磁性结和磁性存储器的使用相一致。所述方法还在对自旋转移现象、磁各向异性和其它物理现象的当前理解的背景下进行描述。因此，本领域普通技术人员将容易地认识到，对所述方法的行为的理论解释是基于对自旋转移、磁各向异性和其它物理现象的当前理解而作出的。然而，这里描述的方法不依赖于特定的物理解释。本领域普通技术人员还将容易地认识到，所述方法在对衬底具有特定关系的结构的背景下进行描述。本领域普通技术人员将容易地认识到，所述方法与其它结构相一致。此外，所述方法在某些层是合成的和/或单质的背景下进行描述。然而，本领域普通技术人员将容易地认识到，这些层可具有另外的结构。此外，所述方法在具有特定层的磁性结和/或子结构的背景下进行描述。本领域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相矛盾的额外和/或不同层的磁性结和/或子结构。此外，某些部件被描述为是有磁性的、铁磁的和亚铁磁的。当在此使用时，术语“有磁性的”可包括铁磁、亚铁磁或类似结构。因此，当在此使用时，术语“有磁性的”或“铁磁的”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。当在此使用时，“平面内”基本上在磁性结的一个或更多个层的平面内或平行于磁性结的一个或更多个层的平面。相反，“垂直”和“垂直于平面”对应于基本上垂直于磁性结的一个或更多个层的方向。所述方法还在某些合金的背景下进行描述。除非另有说明，否则如果未提及合金的具体浓度，则可以使用不与所述方法相矛盾的任何化学计量。
在描述本发明的背景下(尤其是在所附权利要求的背景下)使用术语“一”和“该”以及类似指代物将被解释为涵盖单数和复数两者，除非这里另行指示或者与上下文明显矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”将被解释为开放式术语(即意思是“包括但不限于”)，除非另有说明。
除非另外定义，否则这里使用的所有技术术语和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。注意，使用这里提供的任何及所有示例或示例性术语仅旨在更好地阐明本发明，而不是对本发明范围的限制，除非另行指明。此外，除非另外定义，否则通用词典中定义的所有术语可以不被过度解释。
虽然在无硼磁层的背景下进行描述，但在备选实施方式中，所述方法可以用于制造不含其它和/或所有非晶形成(glass-forming)部件的磁性结。例如，所述层可以不包括B、C以及在提供非晶地沉积的层中使用的其它非晶形成材料(们)。
图1是描绘提供用于磁性结的无硼磁层的方法的一示例性实施方式的流程图，该磁性结可用在诸如使用自旋转移矩(STT)和/或自旋轨道耦合转矩(SOT)可编程的磁性存储器的磁性器件中。磁性结的磁层可以具有高垂直磁各向异性(PMA)。换言之，垂直磁各向异性能可以超过平面外退磁能。这样的配置允许高PMA层的磁矩垂直于平面稳定。为简单起见，一些步骤可以被省略，可以按另外的顺序执行，可以包括子步骤和/或被组合。此外，方法100可以在已执行了形成磁性结的其它步骤之后开始。图2-5描绘用于磁性结的层200的一示例性实施方式，该磁性结可以使用方法100制造。图2-5未按比例绘制。参照图1-5，方法100在用于磁性结的层200的背景下进行描述。然而，可以形成用于其它磁性结的类似层。此外，可以同时制造用于多个磁性结的多个层。这里描述的层(们)可以用于形成磁性结中的自由层、钉扎层或其它磁层的全部或部分。
经由步骤102，磁性结的已制造的部分被低温冷却到包括不大于250K的温度的温度范围内。在一些实施方式中，该温度范围包括至少50K且不大于150K的温度(们)。在一些这样的实施方式中，该温度范围从至少70K至不大于100K。图2描绘正在形成的层200的一部分。因此，下层202被冷却到上述晶片温度。下层202可以是氧化物层，并且可以用作后续层的籽晶层。在一些实施方式中，下层202可以是作为单底部钉扎磁性结或双磁性结的一部分的隧道势垒层。因此，下层202可以是晶体MgO层、MgAl2O4层、MgTiOx(其中Ox表示不同化学计量的氧化物)、或者可全部或部分地用作磁隧道结的隧道势垒层的其它绝缘层。或者，下层202可以是氧化物籽晶层。例如，如果形成单顶部钉扎磁性结，则下层202可以是也能用于增强自由层的PMA的籽晶层。如果形成单底部钉扎磁性结或双磁性结，则下层202可以是可提高钉扎层的PMA的籽晶层。
当下层202冷却时，经由步骤104，薄的润湿层被沉积。步骤104可以经由溅射、物理气相沉积(PVD)或其它适当的工艺进行。下层202为了步骤104而被冷却，以促使步骤104中提供的润湿层的原子均匀地遍及下层202分布。因此，阻止了岛的形成。然而，如下所述，在步骤104中，可以沉积少于单层。因此，步骤104中提供的润湿层可以不连续和/或可以在其中具有空隙。然而，相比于如果在更高温度下沉积，步骤104中提供的润湿层更为平滑/具有更低的表面粗糙度。
图3描绘步骤104之后的层200。因此，润湿层204已经被沉积。虽然被描绘为连续层，但是如上所述，润湿层204不需要是连续层。润湿层204包括对于后续磁层可以用作前体的材料(们)。润湿层204可以包括3d过渡金属(们)和/或其合金，或者由3d过渡金属(们)和/或其合金构成。例如，可以由元素Fe、元素Co、元素Ni、元素Mn、诸如CoFe的含Fe合金、诸如CoFe的含Co合金、含Ni合金和含Mn合金中的至少一种构成。除去B以外，诸如非过渡金属的可选地其它材料可以被包括作为润湿层中使用的合金的一部分。然而，步骤104可以省略任何异类原子在润湿层204中的沉积。异类原子是不包括在下述后续无硼层中的任何原子。此外，在一些实施方式中，用于润湿层204的材料(们)也被期望是有磁性的。润湿层204还是薄的。在一些实施方式中，润湿层厚度为至少0.25个单层且不多于三个单层。在一些情况下，所述厚度可以为至少0.5个单层且不多于两个单层。在一些这样的实施方式中，润湿层204具有至少0.75个单层且不多于1.25个单层的厚度。
经由步骤106，润湿层204被处理。在该步骤中，润湿层被氧化或氮化。步骤106可以包括自然氧化润湿层204。在其它实施方式中，可以采用诸如反应性氧化的其它氧化方法。类似地，步骤106可以包括自然地或反应性地氮化润湿层。期望氧化/氮化步骤持续直到达到目标RA(电阻面积乘积)。在一些实施方式中，目标RA名义上是10。然而，其它RA或氧化的其它测量可以用于确定何时终止氧化。在一些实施方式中，步骤106可以持续直到润湿层204被完全氧化/氮化。此外，因为步骤106在步骤104之后不久执行，所以磁性结的已提供的晶片/部分可以仍然是冷却的。例如，磁性结的已形成的部分可以处于以上对步骤102和104描述的温度范围内。因此，提供经处理的润湿层。经处理的润湿层可以是氧化物润湿层或氮化物润湿层。
图4描绘在执行步骤106之后的层200。因此，氧化物/氮化物润湿层204'已被形成。虽然润湿层204的全部在图4中看起来均已转变成氧化物/氮化物，但在其它实施方式中，氧化/氮化可以是不完全的。例如，氧化物/氮化物润湿层204'可以包括Fe-Ox和/或CoFe-Ox，或者由Fe-Ox和/或CoFe-Ox组成，其中Ox表示氧化物。
经由步骤108，无硼磁层沉积在氧化物/氮化物润湿层204'上。沉积用于无硼磁层的材料(们)可以包括步骤104中沉积用于润湿层204的材料(们)。步骤108可以包括沉积3d过渡金属、其合金和/或赫斯勒合金，诸如Co2Fe、Co2MnSi、Co2FeMnSi、Co2FeSi、MnGa和MnGe。因此，不包括硼的二元合金、三元合金和其它合金可以在步骤108中被沉积。换言之，不包括硼的其它和/或额外非磁性和/或磁性材料可以在步骤108中被提供用于无硼磁层。例如，可以使用CoX、FeX、NiX、CoFeX和/或CoFeNiX，其中X不是B。类似地，可以沉积诸如Fe、Co、Ni和Mn的元素。因此，步骤108可以包括沉积元素Fe、元素Co、元素Ni、元素Mn、诸如CoFe的含Fe合金、诸如CoFe的含Co合金、含Ni合金、含Mn合金和赫斯勒合金中的至少一种。
在至少一些实施方式中，步骤102中低温冷却了的下层可以在步骤108期间仍然是冷却的。这是因为与晶片的温度自然升至室温所需的时间相比，步骤102与步骤108之间的时间可以相当短暂。因此，在步骤108中，下层的温度可以充分低于三百开尔文，例如不超过二百五十开尔文。例如，在一些实施方式中，在无硼磁层的沉积开始时，晶片的温度可以不超过二百开尔文。在一些这样的实施方式中，在沉积开始时，晶片的温度可以不超过一百开尔文。在一备选实施方式中，步骤108中的沉积可以包括第二冷却步骤。在这样的实施方式中，下层(们)/晶片在步骤102中在润湿层的沉积之前被冷却，并在步骤108中作为无硼磁层的沉积的部分再次被冷却/在无硼磁层的沉积之前再次被冷却。作为步骤108的部分的冷却可以到与步骤102中相同的温度范围。或者，器件可以被冷却到更高的但仍小于三百开尔文的温度。例如，步骤108中执行的低温冷却可以到不超过二百五十开尔文的温度。然而，这样的第二冷却步骤可以是不必要的，只要晶片由于步骤102中的冷却而在步骤108中保持冷却。
图5描绘在已完成步骤108之后的层200。因此，无硼磁层206已被形成。无硼磁层206可以包括上述材料，并且可以如被沉积地那样为多晶。此外，无硼磁层206可以具有高PMA。无硼磁层206的垂直磁各向异性能可以超过平面外退磁能。因此，无硼磁层206的磁矩(未示出)可以垂直于平面稳定。
然后可以经由步骤110完成磁性结的制造。步骤110可以包括在室温(300K)以上的温度(们)下对层200进行退火，以完成无硼磁层206的结晶。例如，可以采用快速热退火。除了退火之外或者代替退火，可以使用等离子体蚀刻来提高结晶度。氧化物层也可以沉积在无硼磁层206上。氧化物层可以是隧道势垒层或盖层。或者，另外的层可以提供在无硼磁层206上。此外，由于无硼磁层206是磁性结堆叠的部分，无硼磁层206以及器件中的其它层可以被掩模遮蔽、蚀刻以限定磁性结和/或经历其它处理。
使用方法100，可以制造具有高PMA的无硼磁层206。当用在自由层中时，无硼磁层206可以具有提高的稳定性。也可以提高这种磁性结的磁阻。此外，如果自由层由无硼磁层206构成，则该自由层在组成上是均匀的。照此，可以改善磁性结的切换性能。如果用在钉扎层中，则无硼磁层206也可以提高这种层的PMA。因此，可以改善用使用方法100制造的无硼磁层206形成的磁性结的性能。
图6是描绘提供用于磁性结的无硼磁层的方法100A的一示例性实施方式的流程图，该磁性结可用在诸如使用STT和/或SOT可编程的磁性存储器的磁性器件中。磁性结的磁层可以具有高PMA。换言之，垂直磁各向异性能可以超过平面外退磁能。这样的配置允许高PMA层的磁矩垂直于平面稳定。为简单起见，一些步骤可以被省略，可以按另外的顺序执行，可以包括子步骤和/或被组合。此外，方法100A可以在已执行形成磁性结的其它步骤之后开始。方法100A类似于方法100。因此，相似的步骤具有相似的标记。这里描述的层(们)可以用于形成磁性结中的自由层、钉扎层或其它磁层的全部或者部分。
经由步骤102A，薄的润湿层被沉积。步骤102A可以经由溅射、PVD或其它适当的工艺进行。步骤102A类似于方法100的步骤104。然而，器件未在步骤102A之前被低温冷却。润湿层被沉积在可以是氧化物层的下层上，并且可以用作用于后续层的籽晶层。在一些实施方式中，下层可以是作为单底部钉扎磁性结或双磁性结的部分的隧道势垒层。因此，下层可以是晶体MgO层、MgAl2O4层、MgTiOx、或可全部或部分地用作用于磁隧道结的隧道势垒层的其它绝缘层。或者，下层可以是氧化物籽晶层。例如，如果形成单顶部钉扎磁性结，则下层可以是也能用于增强自由层的PMA的籽晶层。如果形成单底部钉扎磁性结或双磁性结，则下层可以是可提高钉扎层的PMA的籽晶层。
在步骤102A中沉积的润湿层可以是连续层，或者可以在其中具有小孔/开孔。沉积的润湿层类似于上述润湿层204，并且可以包括类似的材料。润湿层包括对于后续磁层可用作前体的材料(们)。润湿层可以包括3d过渡金属(们)和/或其合金，或者由3d过渡金属(们)和/或其合金构成。例如，可以由元素Fe、元素Co、元素Ni、元素Mn、诸如CoFe的含Fe合金、诸如CoFe的含Co合金、含Ni合金和含Mn合金中的至少一种构成。除去B以外，诸如非过渡金属的可选地其它材料可以被包括作为润湿层中使用的合金的部分。然而，步骤102A可以省略任何异类原子在润湿层中的沉积。异类原子是不包括在下述后续无硼层中的任何原子。此外，在一些实施方式中，用于润湿层的材料(们)也被期望是有磁性的。润湿层也是薄的。在一些实施方式中，润湿层厚度为至少0.25个单层且不多于三个单层。在一些情况下，所述厚度可以为至少0.5个单层且不多于两个单层。在一些这样的实施方式中，润湿层204具有至少0.75个单层且不多于1.25个单层的厚度。
经由步骤104A，润湿层被氧化或氮化。步骤104A类似于方法100的步骤106。步骤104A可以包括自然氧化润湿层。在其它实施方式中，可以采用诸如反应性氧化的其它氧化方法。类似地，润湿层可以暴露于氮化环境，并且可以被加热以形成氮化物。因此，氮化物润湿层可以通过自然氮化或反应性氮化而形成。期望氧化/氮化步骤持续直到达到目标RA。在一些实施方式中，目标RA名义上为10。然而，其它RA或者氧化/氮化的其它测量可以用于确定何时终止该工艺。在一些实施方式中，步骤104A可以持续直到润湿层被完全氧化或氮化。例如，氧化物润湿层可以包括Fe-Ox和/或CoFe-Ox，或者由Fe-Ox和/或CoFe-Ox构成，其中Ox表示氧化物。因此，经处理的润湿层被提供，该经处理的润湿层可以是氧化物润湿层或氮化物润湿层。
经由步骤106A，磁性结的已经制造的部分被低温冷却到包括不大于250K的温度的温度范围内。步骤106A类似于方法100的步骤102。然而，已制造了磁性结的更多部分，所以磁性结的更多部分被冷却。更具体地，氧化物/氮化物润湿层在步骤106A中也被冷却。在一些实施方式中，所述温度范围包括至少50K且不大于150K的温度(们)。在一些这样的实施方式中，所述温度范围从至少70K至不大于100K。
当用于磁性结的衬底使用步骤106A被冷却时，无硼磁层经由步骤108A被沉积在氧化物/氮化物润湿层上。步骤108A类似于步骤108。然而，在步骤108A中，器件是低温冷却的。沉积用于无硼磁层的材料(们)可以包括步骤102A中沉积用于润湿层的材料(们)。步骤108A可以包括沉积3d过渡金属、其合金和/或赫斯勒合金，诸如Co2Fe、Co2MnSi、Co2FeMnSi、Co2FeSi、MnGa和MnGe。因此，不包括硼的二元合金、三元合金和其它合金可以步骤108A中被沉积。换言之，不包括硼的其它和/或额外非磁性和/或磁性材料可以在步骤108A中被提供用于无硼磁层。例如，可以使用CoX、FeX、NiX、CoFeX和/或CoFeNiX，其中X不是B。类似地，可以沉积诸如Fe、Co、Ni和Mn的元素。因此，步骤108A可以包括沉积元素Fe、元素Co、元素Ni、元素Mn、诸如CoFe的含Fe合金、诸如CoFe的含Co合金、含Ni合金、含Mn合金和赫斯勒合金中的至少一种。
因此，步骤108A提供无硼磁层，该无硼磁层包括上述材料并且如沉积地那样为多晶。此外，该无硼磁层可以具有高PMA。该无硼磁层的垂直磁各向异性能可以超过平面外退磁能。因此，该无硼磁层206的磁矩(未示出)可以垂直于平面稳定。
然后可以经由步骤110完成磁性结的制造。步骤110可以包括在室温(300K)以上的温度下对层200进行退火，以完成无硼磁层的结晶。例如，可以采用快速热退火。除了退火之外或代替退火，可以使用等离子体蚀刻来提高结晶度。氧化物层也可以沉积在无硼磁层上。氧化物层可以是隧道势垒层或盖层。或者，另外的层可以提供在无硼磁层上。此外，由于无硼磁层是磁性结堆叠的部分，无硼磁层以及器件中的其它层可以被掩模遮蔽、蚀刻以限定磁性结和/或经历其它处理。
使用方法100A，可以制造图5所示的层。因此，方法100A可以共享方法100的益处。可以制造具有高PMA的无硼磁层206。相信使用方法100提供的无硼磁层206的质量可以优于使用方法100A提供的无硼磁层的质量。例如，对于方法100，润湿层204的粗糙度可以减小。对于方法100，润湿层204也可以具有比方法100A更少的空隙。对于方法100，这可以导致更好的无硼磁层206。然而，步骤108A中提供的无硼磁层仍然可以表现出提高的质量以及这里描述的期望的特性。因此，当用在自由层中时，使用方法100A形成的无硼磁层206可以具有提高的稳定性。也可以提高这种磁性结的磁阻。此外，如果自由层由方法100A中形成的无硼磁层206构成，则该自由层在组成上是均匀的。照此，可以改善磁性结的切换性能。如果用在钉扎层中，则无硼磁层206也可以提高这种层的PMA。因此，可以改善用使用方法100A制造的无硼磁层206形成的磁性结的性能。
图7是描绘提供磁性结的方法120的一示例性实施方式的流程图，该磁性结包括无硼磁层(们)并可用在诸如使用STT和/或SOT可编程的磁性存储器的磁性器件中。形成的磁性结可用在诸如STT-MRAM、SOT-MRAM的磁性器件中以及各种各样的电子设备中。为简单起见，一些步骤可以被省略，可以按另外的顺序执行，可以包括子步骤和/或被组合。此外，方法120可以在已执行形成磁性存储器的其它步骤之后开始。此外，可以同时制造多个磁性结。
经由步骤122，可以提供钉扎层。对于底部钉扎磁性结(在自由层之前形成的钉扎层)以及对于双磁性结，执行步骤122。钉扎层是有磁性的，并且可以在磁性结的至少一部分操作期间使其磁化沿特定方向钉扎或固定。因此，钉扎层在操作温度下可以是热稳定的。在步骤122中形成的钉扎层可以是单(单个)层或者可以包括多层。例如，在步骤122中形成的钉扎层可以是合成反铁磁体(SAF)，其包括经由诸如Ru的薄的非磁性层(们)而反铁磁地或铁磁地耦合的磁层。在这样的SAF中，每个磁层还可以包括多层。钉扎层也可以是另外的多层。在步骤122中形成的钉扎层可以具有超过平面外退磁能的垂直磁各向异性能。因此，钉扎层可以使其磁矩垂直于平面取向。钉扎层的磁化的其它取向是可行的。钉扎层还可以在与下述非磁性间隔层的界面处包括极化增强层(PEL)。在一些实施方式中，步骤122使用方法100来执行。因此，钉扎层的形成可以包括低温冷却衬底、沉积润湿层、氧化润湿层和沉积无硼磁层。在一些实施方式中，额外步骤和/或额外层也可以被提供用于钉扎层。此外，钉扎层可以沉积在诸如下层202的氧化物籽晶层上。
经由步骤124，可以提供非磁性间隔层。对于底部钉扎磁性结和双磁性结，执行步骤124。在一些实施方式中，晶体MgO隧道势垒层会被期望用于正在形成的磁性结。在一些实施方式中，步骤124可以包括使用例如射频(RF)溅射来沉积MgO。在另外的实施方式中，金属Mg可以在步骤124中被沉积然后被氧化，以提供Mg的自然氧化物。MgO隧道势垒层/非磁性间隔层也可以以另外的方式形成。除了MgO之外或代替MgO，可以使用包括但不限于MgAlOx和MgTiOx的其它材料。步骤124可以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隧道势垒层来提高磁性结的TMR。
经由步骤126，提供自由层。步骤126包括沉积用于自由层的材料(们)。在一些实施方式中，步骤126使用方法100来执行。因此，自由层的形成可以包括低温冷却衬底、沉积润湿层、氧化润湿层和沉积无硼磁层，或者由低温冷却衬底、沉积润湿层、氧化润湿层和沉积无硼磁层构成。如果步骤122和124被省略，则自由层可以沉积在籽晶层(们)上。在这样的实施方式中，顶部钉扎磁性结被制造。为了包括但不限于自由层的期望的晶体结构、自由层的磁各向异性和/或磁阻尼的各种目的，可以选择籽晶层(们)。例如，自由层可以提供在诸如晶体MgO层的籽晶层上，该籽晶层提升自由层中的垂直磁各向异性。如果制造双磁性结或底部钉扎磁性结，则自由层可以形成在步骤124中提供的非磁性间隔层上。因此，图2-5的下层202可以是籽晶层或非磁性间隔层/隧道势垒层。
经由步骤128，可以提供非磁性间隔层。如果期望制造双磁性结或顶部钉扎磁性结，则执行步骤128。如果期望单底部钉扎磁性结，则省略步骤128。在一些实施方式中，额外的晶体MgO隧道势垒层会被期望用于正在形成的磁性结。因此，步骤128可以如以上关于步骤124所述地被执行。
经由步骤130，可以可选地提供额外钉扎层。如果期望制造双磁性结或顶部钉扎磁性结，则可以执行步骤130。如果期望单底部钉扎磁性结，则省略步骤130。在一些实施方式中，步骤130使用方法100来执行。因此，该钉扎层的形成可以包括低温冷却衬底、沉积润湿层、氧化润湿层和沉积无硼磁层。
然后可以完成磁性结的制造。例如，盖层(们)可以被沉积，并且例如通过在已沉积的层上提供掩模并对所述层的暴露部分进行离子研磨，磁性结的边缘可以被限定。在一些实施方式中，可以执行离子研磨。因此，磁性结的边缘可以在执行步骤122至130之后被限定。换言之，步骤122至130可以将层沉积为磁性结堆叠，晶片上的每个磁性结的边缘仅在已提供了所有层之后被限定。或者，各个层的边缘可以在其它时间被形成。还可以形成诸如接触和导电线的额外结构用于其中使用磁性结的器件。
图8描绘可使用方法120制造的磁性结220的一示例性实施方式。为清楚起见，图8未按比例绘制。磁性结220可以用在诸如STT-MRAM、SOT-MRAM、逻辑器件、其它集成电路的磁性器件中，因此可以用在各种电子设备中。磁性结220包括可选的籽晶层(们)222、具有磁矩225的钉扎层224、非磁性间隔层226、具有磁矩229的自由层228、可选的额外非磁性间隔层230、以及具有磁矩233的可选的额外钉扎层232。还示出了盖层(们)234。底部接触和顶部接触未被示出但可以被形成。类似地，极化增强层和其它层可以存在，但为了简单起见未被示出。如在图8中能看到地，磁性结220是双磁性结。在另一实施方式中，额外非磁性间隔层230和额外钉扎层232可以被省略。在这样的实施方式中，磁性结220是底部钉扎磁性结。或者，钉扎层224和非磁性间隔层226可以被省略。在这样的实施方式中，磁性结220是顶部钉扎磁性结。可选的钉扎层(们)(未示出)可以用于固定钉扎层(们)224和/或232的磁化。在一些实施方式中，可选的钉扎层可以是经由交换偏置相互作用而钉扎磁化(们)的AFM层或多层。然而，在另外的实施方式中，可以省略该可选的钉扎层，或者可以使用另外的结构。
在图8所示的实施方式中，磁层224、228和232中的一个或更多个使用方法100形成。因此，钉扎层224和232以及自由层228可以使它们的磁矩225、229和233垂直于平面稳定，如图所示。磁性结220还可以被配置为允许自由层228在写入电流穿过磁性结220时在稳定的磁状态之间切换。因此，当写入电流在电流垂直于平面(CPP)方向上经由磁性结220被驱动时，自由层228可以利用STT可切换。或者，磁性结220可以被配置使得可以使用其它切换机制。存储在磁性结220中的数据可以通过经由磁性结220驱动读取电流而被读取，因而自由层228的磁化方向可以通过经由磁性结220驱动读取电流而被读取。读取电流也可以在CPP方向上经由磁性结220被驱动。因此，磁性结220的磁阻提供读取信号。
磁性结220可以由于使用方法100制造而具有改善的性能。更具体地，磁性结220可以享受以上针对方法100描述的益处。具有高PMA的无硼磁层可以用在层224、228和232中的一个或更多个中。当用在自由层228中时，无硼磁层可以提供提高的稳定性。也可以提高这种磁性结220的磁阻。此外，如果自由层228由无硼磁层206构成，则该自由层在组成上是均匀的。照此，可以改善磁性结220的切换性能。如果用在钉扎层(们)224和/或232中，则无硼磁层206也可以提高这种层的PMA。因此，可以改善用使用方法100制造的无硼磁层206形成的磁性结的性能。
图9描绘可以使用方法120制造的磁性结220A的一示例性实施方式。为清楚起见，图9未按比例绘制。磁性结220A可以用在诸如STT-MRAM、SOT-MRAM、逻辑器件、其它集成电路的磁性器件中，因此可以用在各种电子设备中。磁性结220A类似于磁性结220。磁性结220A包括分别与图8所示的层222、224、226、228和234类似的可选的籽晶层(们)222、具有磁矩225的钉扎层224A、非磁性间隔层226、自由层228A和可选的盖层(们)234。磁性结220A是底部钉扎磁性结。
磁性结220A明确地包括与层202、204'和206对应的氧化物下层240、氧化物/氮化物润湿层242和无硼磁层244作为钉扎层224A的部分。钉扎层224A被示出为还包括高PMR层245。或者，钉扎层224A可以由层240、242和244构成。在一些实施方式中，籽晶层222可以用作氧化物下层240。类似地，自由层228A包括与层202、204'和206对应的氧化物下层246、氧化物/氮化物润湿层248和无硼磁层250。自由层228A还可以包括高PMR层249。或者，自由层228A可以由层246、248和250构成。在一些实施方式中，层240、242和244和/或层246、248和250可以被省略和/或处于另外的位置。
磁性结220A可以由于使用方法100制造而具有改善的性能。更具体地，磁性结220A可以具有增强的PMA、提高的稳定性和改善的切换特性。
图10描绘可以使用方法120制造的磁性结220B的一示例性实施方式。为清楚起见，图10未按比例绘制。磁性结220B可以用在诸如STT-MRAM、SOT-MRAM、逻辑器件、其它集成电路的磁性器件中，因此可以用在各种电子设备中。磁性结220B类似于磁性结220。磁性结220B包括分别与图8所示的层222、228、230、232和234类似的可选的籽晶层(们)222、具有磁矩229的自由层228B、非磁性间隔层230、具有磁矩233的钉扎层232B和可选的盖层(们)234。磁性结220B是顶部钉扎磁性结。
磁性结220B明确地包括与层202、204'和206对应的氧化物下层246、氧化物/氮化物润湿层248和无硼磁层250作为自由层228B的部分。自由层228B被示出为还包括高PMR层249。或者，自由层228B可以由层246、248和250构成。在一些实施方式中，籽晶层222可以用作氧化物下层246。类似地，钉扎层232B包括与层202、204'和206对应的氧化物下层252、氧化物/氮化物润湿层254和无硼磁层256。钉扎层232B还可以包括高PMR层257。或者，钉扎层232B可以由层252、254和256构成。在一些实施方式中，无硼磁层256可以被认为是PEL。在一些实施方式中，层246、248和250或者层252、254和256可以被省略和/或处于另外的位置。
磁性结220B可以由于使用方法100制造而具有改善的性能。更具体地，磁性结220B可以具有增强的PMA、提高的稳定性和改善的切换特性。
图11描绘可以使用方法120制造的磁性结220C的一示例性实施方式。为清楚起见，图11未按比例绘制。磁性结220C可以用在诸如STT-MRAM、SOT-MRAM、逻辑器件、其它集成电路的磁性器件中，因此可以用在各种电子设备中。磁性结220C类似于磁性结220。磁性结220C包括分别与图8所示的层222、224、226、228、230、232和234类似的可选的籽晶层(们)222、具有磁矩225的钉扎层224C、非磁性间隔层226、具有磁矩229的自由层228C、非磁性间隔层230、具有磁矩233的钉扎层232C和可选的盖层(们)234。磁性结220C是双磁性结。因此，非磁性间隔层226和230中的一个可以是主势垒层，而非磁性间隔层226和230中的另一个可以是子势垒层。
磁性结220C明确地包括与层202、204'和206对应的氧化物下层240、氧化物/氮化物润湿层242和无硼磁层244作为钉扎层224C的部分。钉扎层224C被示出为还包括高PMR层245。或者，钉扎层224C可以由层240、242和244构成。在一些实施方式中，籽晶层222可以用作氧化物下层240。类似地，自由层228C包括与层202、204'和206对应的氧化物下层246、氧化物/氮化物润湿层248和无硼磁层250。自由层228C被示出为还包括高PMR层249。或者，自由层228C可以由层246、248和250构成。钉扎层232C包括与层202、204'和206对应的氧化物下层252、氧化物/氮化物润湿层254和无硼磁层256。钉扎层232C被示出为还包括高PMR层257。或者，钉扎层232C可以由层252、254和256构成。在一些实施方式中，层240、242和244；层246、248和250和/或层252、254和256可以被省略和/或处于另外的位置。
磁性结220C可以由于使用方法100制造而具有改善的性能。更具体地，磁性结220C可以具有增强的PMA、提高的稳定性和改善的切换特性。
虽然已在具体的特征、步骤和部件的背景下描述了方法和装置，但是本领域普通技术人员将认识到，这些特征、步骤和/或部件中的一个或更多个可以以不与此处的描述相矛盾的其它方式组合。
图12描绘存储器300的一示例性实施方式，存储器300可以使用磁性结220、220A、220B、220C和/或包括无硼磁层206的其它磁性结中的一个或更多个。存储器300包括读/写列选择驱动器302和306以及字线选择驱动器304。注意，可以提供另外的和/或不同的部件。存储器300的存储区域包括磁性存储单元310。每个磁性存储单元包括至少一个磁性结312和至少一个选择器件314。在一些实施方式中，选择器件314是晶体管。磁性结312可以是磁性结220、220A、220B、220C和/或包括无硼磁层206的其它磁性结中的一个。虽然每个磁性存储单元310示出了一个磁性结312，但是在其它实施方式中，每个磁性存储单元可以提供其它数量的磁性结312。照此，存储器300可以享受上述益处。
已经描述了提供磁性结的方法以及使用该磁性结制造的存储器。已经根据示出的示例性实施方式描述了所述方法，并且本领域普通技术人员将容易地认识到，实施方式可以存在变化，并且任何变化将在所述方法的精神及范围内。因此，本领域普通技术人员可以进行许多修改而不背离所附权利要求的精神和范围。
本申请要求享有2017年11月20日提交的专利申请第62/588,579号和2018年2月6日提交的专利申请第15/890,101号的权益，其内容通过引用合并于此。

Claims (19)

1.一种提供位于衬底上并且可用在磁性器件中的磁性结的方法，该方法包括：
提供钉扎层，所述钉扎层是有磁性的；
提供非磁性间隔层；以及
提供自由层，所述非磁性间隔层在所述钉扎层与所述自由层之间，所述自由层是有磁性的并且在多个稳定的磁状态之间可切换，其中提供所述钉扎层的步骤和提供所述自由层的步骤中的至少一个包括：
将所述磁性结的一部分冷却到包括不大于250K的至少一个温度的温度范围内；
当所述磁性结的所述部分冷却时沉积润湿层，所述润湿层具有不多于三个单层且至少0.25个单层的厚度，所述润湿层包括至少一种磁性材料；
使所述润湿层氧化或使所述润湿层氮化以提供经处理的润湿层，所述经处理的润湿层是对于氧化工艺的氧化物润湿层或对于氮化工艺的氮化物润湿层；以及
当至少对于所述氧化工艺的所述氧化物润湿层或对于所述氮化工艺的所述氮化物润湿层处于所述温度范围内时，在所述经处理的润湿层上沉积无硼磁层，所述无硼磁层具有大于平面外退磁能的垂直磁各向异性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度范围为至少50K且不大于150K。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述温度范围为至少70K且不大于100K。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述润湿层具有至少0.5个单层且不多于两个单层的厚度。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述润湿层具有至少0.75个单层且不多于1.25个单层的厚度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述钉扎层的步骤和提供所述自由层的步骤中的至少一个还包括：
在300K以上的温度下对所述无硼磁层进行退火。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化步骤还包括：
自然氧化所述润湿层。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述润湿层包括元素Fe、元素Co、元素Ni、元素Mn、含Fe合金、含Co合金、含Ni合金和含Mn合金中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述无硼磁层包括元素Fe、元素Co、元素Ni、元素Mn、含Fe合金、含Co合金、含Ni合金、含Mn合金和赫斯勒合金中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述润湿层的步骤还包括：
在氧化物层上提供所述润湿层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述非磁性间隔层包括所述氧化物层。
12.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述钉扎层的步骤和提供所述自由层的步骤中的至少一个还包括：
在所述无硼磁层上提供氧化物盖层。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
提供额外非磁性间隔层；以及
提供额外钉扎层，所述额外非磁性间隔层在所述额外钉扎层与所述自由层之间。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述自由层和所述钉扎层中的至少一个包括极化增强层，以及其中所述极化增强层包括所述无硼磁层。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述自由层是多层。
16.根据权利要求1所述的方法，其中钉扎层是多层。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述自由层使用自旋转移矩和自旋轨道耦合转矩中的至少一个而在所述多个稳定的磁状态之间可切换。
18.一种提供位于衬底上并且可用在磁性器件中的磁性结的方法，该方法包括：
提供钉扎层，所述钉扎层是有磁性的；
提供非磁性间隔层；以及
提供自由层，所述非磁性间隔层在所述钉扎层与所述自由层之间，所述自由层是有磁性的，并且使用自旋转移矩和自旋轨道耦合转矩中的至少一个而在多个稳定的磁状态之间可切换，其中提供所述钉扎层的步骤和提供所述自由层的步骤中的至少一个包括：
沉积润湿层，所述润湿层具有不多于三个单层且至少0.25个单层的厚度，所述润湿层包括至少一种磁性材料；
使所述润湿层氧化或使所述润湿层氮化以提供经处理的润湿层，所述经处理的润湿层是对于氧化工艺的氧化物润湿层或对于氮化工艺的氮化物润湿层；
将所述磁性结的包括所述经处理的润湿层的部分冷却到包括不大于250K的至少一个温度的温度范围内；
当所述磁性结的所述部分处于所述温度范围内时，在所述经处理的润湿层上沉积无硼磁层，所述无硼磁层具有大于平面外退磁能的垂直磁各向异性能。
19.一种存储器，包括位于衬底上的磁性结并且包括：
多个磁性存储单元，所述多个磁性存储单元的每个包括至少一个磁性结，所述至少一个磁性结包括自由层、非磁性间隔层和钉扎层，所述非磁性间隔层位于所述钉扎层与所述自由层之间，当写入电流穿过所述磁性结时，所述自由层在多个稳定的磁状态之间可切换，所述自由层和所述钉扎层中的至少一个包括无硼磁层，所述无硼磁层具有大于平面外退磁能的垂直磁各向异性能。
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