CN112868110A

CN112868110A - 磁阻设备及其方法

Info

Publication number: CN112868110A
Application number: CN201980067411.3A
Authority: CN
Inventors: 孙吉军; H-J·查; S·德施潘得; A·德米拉伊
Original assignee: Everspin Technologies Inc
Current assignee: Everspin Technologies Inc
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2039-10-29
Also published as: US11937436B2; US20210359201A1; CN112868110B; WO2020092347A1; EP3874545A1

Abstract

一种磁阻堆叠，包括固定磁性区域、设置在固定磁性区域上并与之接触的一个或多个介电层，以及设置在所述一个或多个介电层上方的自由磁性区域。固定磁性区域可以包括第一铁磁区域、耦合层、第二铁磁区域、设置的过渡层、参考层，以及设置在第二铁磁区域上方的至少一个界面层。另一个界面层可以设置在所述一个或多个介电层与自由磁性区域之间。

Description

磁阻设备及其方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月30日提交的美国临时申请No.62/752,667的优先权权益，该申请通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开尤其涉及磁阻堆叠和制造磁阻堆叠的方法。更具体而言，本公开的实施例针对包括被配置为减少侵蚀的一种或多种材料或特性的磁阻堆叠，以及制造这种磁阻堆叠的方法。

背景技术

存在本文描述和说明的许多发明，以及这些发明的许多方面和实施例。一方面，本公开涉及磁阻结构(例如，磁阻存储器设备、磁阻传感器/换能器设备等的一部分)，以及制造所描述的磁阻结构的方法。例如，所公开的结构可以与磁阻随机存取存储器(MRAM)设备、磁阻传感器/换能器设备等相关。为了描述所公开的设备和方法的方面，描述示例性的磁阻堆叠构造。但是，这些仅仅是示例性的。所公开的设备可以具有许多其它堆叠构造，且所公开的方法可以应用于制造具有各种合适的磁阻堆叠的磁阻设备。

简而言之，在存储器设备(例如，MRAM设备)中使用的磁阻堆叠包括设置在固定磁性区域和自由磁性区域之间的至少一个非磁性层(例如，至少一个介电层或非磁性但导电的层)，每个非磁性层包括一层或多层铁磁材料。通过切换、编程和/或控制自由磁性区域的(一个或多个)磁性层中的磁化向量的方向，可以将信息存储在磁阻堆叠中。可以通过与磁阻存储器堆叠相邻地或通过磁阻存储器堆叠施加写入信号(例如,一个或多个电流脉冲)来切换和/或编程自由磁性区域的磁化向量的方向(例如，通过自旋传递扭矩(STT))。作为对照，固定磁性区域的磁性层中的磁化向量在预定方向上磁性固定。当与非磁性层相邻的自由磁性区域的磁化向量与和非磁性层相邻的固定磁性区域的磁化向量在同一方向上时，磁阻存储器堆叠具有第一磁状态。相反，当与非磁性层相邻的自由磁性区域的磁化向量与和非磁性层相邻的固定磁性区域的磁化向量的方向相反时，磁阻存储器堆叠具有第二磁状态。当非磁性层是介电材料时，在非磁性层的任一侧上的磁性区域形成磁性隧道结(MTJ)。MTJ在第一和第二磁性状态下具有不同的电阻。例如，第二磁性状态的电阻可以相对高于第一磁性状态的电阻。响应于例如通过磁阻堆叠施加的读取电流，基于堆叠的电阻来确定或读取磁阻存储器堆叠的磁性状态。

附图说明

可以结合附图中示出的各方面来实现本公开的实施例。这些附图示出了本公开的不同方面，并且在适当的地方，在不同附图中图示相似的结构、组件、材料和/或元件的附图标记被相似地标记。应该理解的是，除了具体示出的那些以外的结构、组件和/或元件的各种组合是预期的并且在本公开的范围内。

为了图示的简单和清楚，附图描绘了本文描述的各种实施例的总体结构和/或构造方式。为了便于说明，附图将所示的磁阻堆叠的不同层/区域描绘为具有均匀的厚度和具有直边缘的界限分明的边界。但是，本领域技术人员将认识到的是，实际上，不同的层通常具有不均匀的厚度。并且，在相邻层之间的界面处，这些层的材料可以一起铸成合金，或迁移到一种或另一种材料中，从而使其边界不明确。可以省略众所周知的特征(例如，互连等)和技术的描述和细节，以避免使其它特征模糊。图中的元素不一定按比例绘制。一些特征的维度可以相对于其它特征被夸大，以改善对示例性实施例的理解。横截面图是为了帮助说明各种区域/层的相对位置并描述各种处理步骤而提供的简化。本领域技术人员将认识到的是，这些横截面图不是按比例绘制的，并且不应当被视为表示不同区域/层之间的比例关系。而且，虽然某些区域/层和特征被示为具有直的90度边缘，但实际上或在实践中，这些区域/层可能更“圆”并逐渐倾斜。

另外，本领域技术人员将理解的是，虽然在附图中示出了具有不同界面的多个层，但是在一些情况下，随着时间的流逝和/或暴露于高温，其中一些层的材料会迁移到其它层中或与其它层的材料相互作用，以在这些层之间提供更分散的界面。应当注意的是，即使没有具体提及，参考一个实施例描述的各方面也可以适用于其它实施例，并且可以与其它实施例一起使用。

而且，存在本文描述和说明的许多实施例。本公开既不限于任何单个方面或其实施例，也不限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，本公开的每个方面和/或其实施例可以被单独采用，或者与本公开的一个或多个其它方面和/或其实施例结合使用。为了简洁起见，本文不单独讨论和/或说明某些置换和组合。值得注意的是，本文描述为“示例性”的实施例或实施方式不应被解释为例如相对于其它实施例或实施方式是优选或有利的；而是旨在反映或指示(一个或多个)实施例是(一个或多个)“示例”实施例。另外，即使附图和本书面公开内容似乎以特定的构造次序(例如，从底部到顶部)描述了所公开的磁阻设备的磁阻堆叠，也应该理解，所描绘的磁阻堆叠可以具有不同的次序(例如，相反的次序(即，从顶部到底部))。

图1A和1B图示了根据本公开的一个或多个实施例的描绘示例性磁阻堆叠的各个区域的横截面视图；

图2A和2B是示例性磁阻堆叠的横截面视图(图2A)和俯视平面图(图2B)的示意图；

图3A描绘了根据本公开的方面的开关电压Vc相对于磁阻堆叠的电直径(eCD)的曲线图；

图3B描绘了根据本公开的一些方面的开关电压Vc相对于磁阻堆的电直径(eCD)的曲线图，具有根据等式3拟合的最佳拟合曲线；

图4A-6B图示了根据本公开的一个或多个实施例的描绘示例性磁阻堆叠的各个区域的横截面视图；

图7是图示根据本公开的一个或多个实施例的用于制造磁阻设备的示例性制造过程的流程图；

图8是示出根据本公开的一个或多个实施例的用于制造磁阻设备的另一个示例性制造过程的流程图；

图9A-9B是图示根据本公开的一个或多个实施例的用于制造磁阻设备的另一个示例性制造过程的流程图；

图10是在磁阻存储器单元配置中电连接到选择设备(例如，存取晶体管)的示例性磁阻存储器堆叠的示意图；以及

图11A和11B是集成电路的示意性框图，该集成电路包括分立的存储器设备和嵌入式存储器设备，各自包括MRAM(在一个实施例中，其代表根据本公开的某些实施例的各方面的具有多个磁阻存储器堆叠的MRAM的一个或多个阵列)；

图12A-12D是根据本公开的一个或多个实施例的由磁阻结构制成的几个侵蚀测量的曲线图；

图13A是根据本公开的一个或多个实施例的由磁阻结构制成的几个电阻面积乘积测量的曲线图；以及

图13B是根据本公开的一个或多个实施例的由磁阻结构制成的几个磁阻测量的曲线图。

再次，存在本文描述和说明的许多实施例。本公开既不限于任何单个方面或其实施例，也不限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。本公开的每个方面和/或其实施例可以被单独采用，或者与本公开的一个或多个其它方面和/或其实施例结合使用。为了简洁起见，本文不单独讨论许多那些组合和置换。

具体实施方式

本公开一般而言涉及具有磁阻堆叠或结构的磁阻设备(例如，磁阻存储器设备、磁阻传感器/换能器设备等的一部分)以及制造所述磁阻设备的方法。在一个实施例中，本公开的示例性磁阻堆叠(例如，使用磁隧道结(MTJ)的磁阻堆叠)可以包括与一个或多个中间层(例如，介电中间层)相邻或在其附近的插入层，该插入层包括镍(Ni)、钴(Co)或包含镍(Ni)或钴(Co)的合金。

应当注意的是，本文公开的所有数值(包括所有公开的厚度值、极限和范围)可以具有与公开的数值相差±10％的偏差(除非指定了不同的偏差)。例如，公开为厚度为“t”单位的层的厚度可以在(t-0.1t)单位至(t+0.1t)单位之间变化。另外，所有相对术语(诸如“大约”、“基本上”、“近似”等)被用于指示±10％的可能变化(除非另有说明或指定了其它变化)。而且，在权利要求中，例如，所描述的层/区域的厚度和原子组成的值、极限和/或范围是指该值、极限和/或范围±10％。应当注意的是，在本公开中讨论的示例性厚度值是紧接在沉积之后(基于沉积条件等)的层厚度的期望值(即，不是测量值)。如本领域普通技术人员将认识到的，层或区域的这些沉积的厚度值可在进一步处理(例如，暴露于高温等)之后(例如，由于层间扩散等)而改变。

应当注意的是，本文阐述的描述本质上仅仅是说明性的，而不旨在限制本主题的实施例或这些实施例的应用和使用。本文描述为示例性的任何实施方式都不应该被解释为比其它实施方式优选或有利。更确切地说，术语“示例性”以示例或“说明性”的意义而不是“理想”的意义使用。术语“包括”、“包含”、“具有”、“带有”及其任何变体被同义地用来表示或描述非排他性包含。照此，使用这些术语的设备或方法不仅仅包括那些元件或步骤，而且可以包括未明确列出或这种设备或方法所固有的其它元件和步骤。另外，术语“第一”、“第二”等在本文中不表示任何次序、数量或重要性，而是用于将一个元素与另一个元素区分开。类似地，相对朝向的术语(诸如“顶部”、“底部”等)参考所描述的附图中所示的结构的朝向来使用。而且，本文中的术语“一个”和“一种”不表示数量的限制，而是表示至少一个所引用的项目的存在。

还应当注意的是，虽然在MTJ堆叠/结构的上下文中描述了示例性实施例，但是本发明也可以结合其中导体(例如，铜层)设置在两个铁磁区域/层/材料之间的巨磁阻(GMR)堆叠/结构来实现。本公开的实施例可以结合其它类型的磁阻堆叠/结构被采用，其中这样的堆叠/结构包括固定的磁性区域。为了简洁起见，在GMR或其它磁阻堆叠/结构(例如，各向异性磁阻(AMR)设备)的上下文中，将不具体重复在本公开中给出的讨论和图示，但是下面描述的讨论和附图应被解释为完全适用于GMR和其它磁阻堆叠/结构(例如，AMR型设备)。

在本公开中，术语“区域”一般用于指一个或多个层。即，区域(如本文所使用的)可以包括材料的单层(沉积、膜、涂层等)或彼此堆叠的材料的多层(即，多层结构)。另外，虽然在下面的描述中所公开的磁阻设备中的不同区域和/或层可以通过具体的名称来引用(例如，第一电极、第二电极、第一中间层、第二中间层、固定区域、自由区域等)，但这仅仅是为了便于描述，而不是旨在作为功能描述或层的相对位置/朝向。而且，虽然下面的描述和附图看起来描绘了层相对于彼此的特定朝向，但是本领域普通技术人员将理解的是，这样的描述和描绘仅仅是示例性的。例如，虽然可以将某个第一区域描绘为在某个第二区域“之下”，但是在一些方面，整个描绘的区域可以被翻转，使得第一区域在第二区域“之上”。

一方面，本公开的磁阻设备包括磁性隧道结位(bit)(MTJ位)。这些MTJ位可以由磁阻堆叠/结构形成，该磁阻堆叠/结构可以包括或可以可操作地耦合到在磁阻堆叠/结构的任一侧上的一个或多个导电电极、通孔或导体。如下面更详细地描述的，形成MTJ位的磁阻堆叠/结构可以包括许多不同的材料区域和/或层，其中一些区域和/或层包括磁性材料，而其它区域和/或层则不包括。在至少一个实施例中，制造所公开的设备的方法可以包括顺序地沉积、生长、溅射、蒸发和/或提供(在本文中统称为“沉积(depositing)”或其它动词时态(例如，“沉积(deposit)”或“沉积(deposited)”)在进一步处理(例如，蚀刻)之后形成MTJ位(或彼此堆叠或布置在阵列中的多个MTJ位)的层和区域。

如本领域中已知的，所描述的MTJ位的电阻可以基于与非磁性层(例如，充当隧道势垒的介电层)相邻的自由区域的磁化方向(例如，磁矩的方向)是否与和非磁性层相邻的固定区域的磁化方向(例如，磁矩的方向)平行或反平行而改变。通常，如果两个区域具有相同的磁化对准，那么将结果得到的相对低的电阻视为数字“0”，而如果对准是反平行的，那么将结果得到的相对高的电阻视为数字“1”。存储器设备(诸如MRAM)可以包括以列和行的阵列布置的多个这样的MTJ位，其可以被称为存储器单元或元件。通过测量流过每个单元的电流，可以读取每个单元的电阻，从而读取存储在存储器阵列中的数据。

磁阻堆叠可以具有临界信号强度或值，其可以被应用以便改变堆叠的磁性状态(例如，将堆叠的磁性状态从其中自由区域和固定区域的磁化向量在同一方向上的平行的低电阻朝向改变为其中自由区域和固定区域的磁化向量在相反方向上的反平行的高电阻朝向)。这样的信号可以被称为写入信号。例如，在一些实施例中，写入信号可以要求阈值开关电压(Vc)来切换堆叠的磁化向量。磁阻堆叠的部分(或者同一层和/或区域内的部分，或来自堆叠的不同区域或层的部分)可以要求不同的电压来开关，因此，磁阻层、区域或设备的Vc一般可以是一系列开关电压测量的中值。

本文描述的一个或多个系统或方法可以通过修改磁阻堆叠的一个或多个区域和/或层的组织和/或组成来提供对开关电压(Vc)的控制。一般而言，包括铁(Fe)的层(例如，包括包含铁(Fe)和硼(B)的合金的层)或具有高铁含量的层(例如，包括铁含量大于或等于50原子百分比(at.％)的层)可以集成在磁阻堆叠中，以降低堆叠的初始开关电压(Vc)。在一些情况下，可以在自由区域和一个或多个中间层(例如，包括介电材料中间层)的一个或多个界面处设置包括铁(Fe)或高铁含量的层(例如，铁界面层)。在其它情况下，铁界面层可以设置在参考层和磁性材料层之间的固定区域内。但是，如本文所述，包括诸如铁(Fe)之类的金属的一个或多个层和/或区域会导致侵蚀增加，最终造成高Vc，尤其是当磁阻设备趋向于更小尺寸时。本公开的一个或多个实施例涉及具有一个或多个插入层的磁阻堆叠/设备，该插入层包括镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)或硼(B)中的一种或多种，以控制、降低或减轻侵蚀对磁阻堆叠/结构的影响。在一些实施例中，这种插入层可以设置在自由区域和一个或多个中间层(例如，介电中间层)的一个或多个界面处。在一个或多个实施例中，这种插入层可以设置在参考层和磁性材料层之间的固定区域内。相对于包括一个或多个铁界面层的磁阻设备，包括一个或多个这样的插入层可以为组成的磁阻堆叠提供抗侵蚀的能力并导致较低的Vc。

为了简洁起见，与半导体处理相关的常规技术在本文可以不进行详细描述。可以使用任何合适的现在已知或将来开发的工艺(诸如已知的光刻工艺)来制造示例性实施例。集成电路、微电子设备、微机电设备、微流体设备和光子设备的制造涉及以某种方式相互作用的材料的若干层或区域(例如，包括一层或多层)的创建。可以对这些区域中的一个或多个进行构图，以使该层的各个区域具有不同的电或其它特性，这些特性可以在该区域内或与其它区域互连，以创建电子组件和电路。这些区域可以通过选择性地引入或移除各种材料来创建。

根据本公开的定义设备的特定区域的图案常常通过光刻工艺来创建。例如，可以将光致抗蚀剂层施加到覆盖晶片基板的层上。可以使用光掩模(包含透明和不透明区域)以通过诸如紫外线、电子或x射线之类的辐射形式选择性地曝光光致抗蚀剂。暴露于辐射的光致抗蚀剂或不暴露于辐射的光致抗蚀剂可以通过施加显影剂来移除。然后可以采用/施加蚀刻，由此对未被剩余抗蚀剂保护的层(或材料)进行构图。可替代地，可以使用其中使用光致抗蚀剂作为模板来构建结构的加性工艺。

如上所述，在一个方面，所描述的实施例尤其涉及制造磁阻设备的方法，诸如，例如，一个或多个MTJ堆叠。如将在下面更详细地描述的，本公开的实施例涉及包括合金的插入层的形成，所述合金包括例如镍(Ni)，钴(Co)，铬(Cr)和/或硼(B)。(每个电势都具有比铁(Fe)低的标准电势)以允许形成具有适当的抗侵蚀性(例如，电腐蚀和/或磁腐蚀)的磁阻堆叠/结构。在一些实施例中，插入层还可以包括铁(Fe)。一个或多个插入层可以形成在中间层(例如，布置在两个磁性区域之间的介电材料)和自由磁性区域的界面处。在其它实施例中，可以在固定的磁性区域内形成包括合金的插入层，该合金包括镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)和/或硼(B)。

现在参考图1A，示出了示例性磁阻堆叠100，其包括设置在第一电极110(例如，通孔或其它导体)和第二电极120(例如，通孔或其它导体)之间的固定磁性区域140和自由磁性区域160。籽晶区域130可以设置在第一电极110和固定区域140之间。磁阻堆叠100可以包括设置在固定区域140和自由区域160之间的中间层150(例如，介电材料的)，以及自由区域160和第二电极120之间的间隔物区域170。

在一些实施例中，可以在顶部第一电极110上或上方直接形成籽晶区域130。籽晶区域130可以充当可以在其上形成(例如，直接地或间接地)一层或多层固定区域140的表面并允许电流从第一电极110双向地传送到固定区域140。籽晶区域130可以包括镍(Ni)、铬(Cr)、钴(Co)、铁(Fe)或其合金中的一种或多种。在一些实施例中，籽晶区域130可以包括包含镍(Ni)和铬(Cr)的合金，诸如例如NiCr合金。籽晶区域130还可以包括一种或多种其它金属或金属合金，诸如作为非限制性示例的钯(Pd)、铂(Pt)、镍(Ni)、钽(Ta)、钌(Ru)、钨(W)、钼(Mo)、铁硼(FeB)、钴铁硼(CoFeB)、氮化钽(TaN)或其组合。

参考图1B，示出了另一个示例性磁阻堆叠100'，其包括设置在第一电极110(例如，通孔或其它导体)和第二电极120(例如，通孔或其它导体)之间的第一固定磁性区域140、自由磁性区域160和第二固定磁性区域180。籽晶区域130可以设置在第一电极和第一固定区域140之间。磁阻堆叠100'可以包括设置在第一固定区域140和自由区域160之间的第一中间层150(例如，由介电材料制成)以及自由区域160上方的第二中间层150'(例如，也由介电材料制成)。包括两个固定磁性区域的实施例(诸如堆叠100')可以被更普遍地称为双自旋滤波器(DSF)磁阻堆叠/结构。在一些实施例中，磁阻堆叠100'可以可选地包括在第二固定区域180和第二电极120之间的间隔物区域(图1B中未示出)。

在一个或多个实施例中，固定区域140可以是设置在籽晶区域130上的固定的、未受钉扎的合成反铁磁体(SAF)多层结构。固定的、未受钉扎的SAF多层结构可以包括至少两个由耦合区域分开的磁性区域(例如，由一层或多层制成)。一个或多个磁性区域可以包括镍(Ni)、铁(Fe)和钴(Co)、钯(Pd)、铂(Pt)、铬(Cr)、锰(Mn)、镁(Mg)和合金或其组合。耦合区域可以是反铁磁耦合区域，其包括非铁磁材料，诸如例如铱(Ir)、钌(Ru)、铼(Re)或铑(Rh)。在一些实施例中，一个或多个磁性区域可以包括磁性多层结构，该磁性多层结构包括第一铁磁材料(例如，钴(Co))、第二铁磁材料(例如，镍(Ni))和/或顺磁性材料(例如，铂(Pt))的多个层。

此外，或者替代地在一些实施例中，固定区域140可以包括一个或多个合成铁磁结构(SyF)。由于SyF是本领域技术人员已知的，因此在此不对其进行详细描述。在一些实施例中，固定区域140的厚度可以为大约

至大约

大约

至大约

大于或等于

大于或等于

小于或等于

或者小于或等于

固定区域140可以使用现在已知或以后开发的任何技术被沉积。在一些实施例中，可以在室温下、大约25℃、大约15℃至大约40℃、大约20℃至大约30℃使用“重”惰性气体(例如，氙(Xe)、氩(Ar)、氪(Kr))沉积固定区域140的磁性区域中的一个或多个。在一些实施例中，还可以使用“重”惰性气体在相似的温度下沉积SAF的耦合区域。在一些实施例中，固定区域140的一个或多个磁性区域可以使用“重”惰性气体(例如，氙(Xe)、氩(Ar)、氪(Kr))在大于25℃的温度下(诸如例如大于大约150℃)被沉积。

固定区域140的各个区域或层可以在制造期间被分别沉积。但是，如本领域普通技术人员将认识到的那样，构成各个区域的材料可以在后续处理(例如，覆盖层的沉积、高温或反应性蚀刻技术和/或退火)期间与相邻区域的材料合金化(混合和/或扩散到其中)。因此，本领域技术人员将认识到，虽然固定区域140的不同区域可以在形成这些区域之后立即显示为具有不同界面的分离区域，但是在后续处理操作之后，不同层或区域的材料可以合金化在一起以形成在不同区域之间的界面处具有较高浓度的不同材料的单个合金化的固定区域140。因此，在一些情况下，可能难以区分完成的磁阻堆叠中的固定区域140的不同区域。

现在参考图2A和2B，以简化的示意图示出了磁阻结构的区域，其包括固定区域140、中间层150和自由区域160。图2A示出了该区域的横截面侧视图，并且图2B示出了该区域的俯视平面图。自由区域160被描绘为具有在自由区域160的周向边缘处和附近的外围部分163，以及被外围部分163围绕的内部部分161。类似地，如图2A中所描绘的，中间层150可以包括在中间层150的周向边缘处和附近的外围部分152，以及被外围部分152围绕的内部部分151。层或区域的外围部分(例如，外围部分152、163)可以由与层或区域的内部(例如，内部部分151、161)稍有不同的特性(例如，材料和/或电特性)主导，如下文进一步描述的。随着磁阻设备(例如，MRAM设备)趋向于更小的位尺寸，则堆叠的每一层或区域的外围部分(例如，外围部分152、163)的体积相对于每个层的内部部分(例如，内部部分151、161)的体积所占的比例增加，使得每个层或整个区域的特性整体上受该层或区域的外围部分的属性的影响更大。而且，由于层或区域的外围部分与内部部分之间的差异，每个层或区域的特性会变得不太一致。对于具有小于或等于约1微米的电直径(eCD，即，导电区域的直径)的磁阻堆叠尤其如此。

外围部分与内部部分之间的特性的差异可以是由于侵蚀而造成的。如本文所使用的，侵蚀可以指电侵蚀、磁侵蚀或两者。在一些情况下，侵蚀可以导致位受侵蚀的部分(例如，一个或多个外围部分(152、163)的至少一部分)的电阻增加。侵蚀可以由于制造过程而引起，诸如例如由于用于磁阻堆叠构图的一个或多个蚀刻步骤而导致的氧化。在一些情况下，随着开关电压(Vc)的增加，可以观察到侵蚀(例如，尤其是当磁阻设备趋向于更小的尺寸时)，这是由于内部部分(例如，内部部分151、161)与外围部分(例如，外围部分152、163)之间的电特性差异而引起的。

侵蚀，特别是磁侵蚀，可以指例如在蚀刻过程期间对磁阻堆叠中层或区域的边缘造成的损坏效应(例如，对自由区域160的外围部分163的损坏，如图2A-2B中所示)。对磁阻堆叠的自由区域160的这种损坏可以导致自由区域160的更低的垂直各向异性场、自由区域160的更低的磁矩、自由区域160的更高的有效阻尼和/或交换刚性的改变、更高的开关电压(Vc)和更低的热稳定性。例如，在具有高侵蚀的自由区域160中，内部部分161的一部分可以首先以较低的电压切换，然后以较高的电压切换自由区域160的外围部分163的一部分。自由区域160的整体切换可以变得更加复杂并且可能需要更高的能量输入。

图3A描绘了堆叠的电直径(eCD)与堆叠的开关电压(Vc)之间的典型相关性。对于任何给定的磁阻位(例如，MTJ型位)，可以测量电阻面积乘积(RA)和开关电压(Vc)。可以根据等式1(等式1)基于RA和低电阻状态的电阻(Rmin)来计算位的电直径(eCD)。

如等式1中可以看到的，位的电直径(eCD)等于RA的平方根的两倍除以pi与处于低电阻状态(例如，数字“0”状态)的位的电阻(R_min)的乘积。可以通过从位的磁直径(magCD)减去位的电直径(eCD)并除以二来计算位的侵蚀(E)，其中位的磁直径(magCD)(例如，中间层的直径)可以通过例如透射电子显微镜(TEM)来测量。这个计算在等式2(等式2)中示出。

再次参考图3A，示出了描绘开关电流(V_C)与位(例如，磁阻堆叠)的电直径(eCD)之间的一般关系的曲线图。顶部曲线(Δ)表示从具有12nm侵蚀的位获得的测量，中间曲线(□)表示从具有8nm侵蚀的位获得的测量，并且底部曲线(●)表示从具有4nm侵蚀的位获得的测量。如图3A中所示，位的开关电流(V_C)和电直径(eCD)是相关的。开关电流与电直径之间的关系可以通过下面所示的等式3(等式3)来描述。

因而，通过测量位的电阻面积乘积(RA)和开关电压(V_C)，可以绘制V_C相对于电直径(eCD)的曲线图(如由等式1计算的)。在绘制了V_C相对于eCD的曲线之后，曲线图可以用根据等式3的曲线来拟合，其中该曲线给出了临界电流(j_c)和侵蚀(E)的近似值。因此，可以根据一系列的RA和开关电压(V_C)测量来计算位(例如，MTJ位)、磁阻堆叠、磁阻结构或磁阻设备的侵蚀。

图3B示出了开关电压(V_C)相对于电直径(eCD)的一个示例性曲线图。三角点(Δ)表示从85nm位获取的测量，正方形点(□)表示从70nm位获取的测量，并且圆形点(●)表示从55nm位获取的测量。如从图3B中可以看出的，测量了两条不同的相关曲线；这两条曲线与两个不同的开关电压(V_C)相关。顶部曲线涉及将位从反平行(高电阻)状态切换到平行(低电阻)状态。相反，底部曲线涉及将位从并行(低电阻)状态切换到反并行(高电阻)状态。两条曲线都拟合等式3，因为临界电流(j_c)取决于切换的方向。在图3B中计算并绘制的拟合线中，侵蚀(E)被估计为14.17nm。

现在将描述示例性磁阻堆叠(例如，堆叠100、100')的各种区域和形成区域的方法。在一个或多个实施例中，可以提供包括镍(Ni)、钴(Co)、钌(Ru)、铱(Ir)和/或硼(B)中的一种或多种的插入层。在其它实施例中，自由层的一层或多层铁磁材料可以包括镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、钌(Ru)、铱(Ir)和/或硼(B)中的一种或多种。另外，本公开的实施例可以维持低开关电压(Vc)并且表现出抗侵蚀性。虽然将讨论各种实施例，但是应当理解的是，在不脱离本公开的预期范围的情况下，一个实施例的方面可以与另一个实施例的方面组合。

现在参考图4A和4B，在一个或多个实施例中，自由区域160可以包括由耦合区域165(例如，包括钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)、钌(Ru)、铑(Ro)、铼(Re)、铱(Ir)、铬(Cr)、锇(Os)及其组合)分开的一层或多层铁磁材料(例如，第一铁磁层162和/或第二铁磁层166)。耦合区域165可以在自由磁性区域160的铁磁层/区域之间提供或者铁磁耦合或者反铁磁耦合。虽然自由磁性区域160具有特定的构造，但是自由磁性区域160可以包括可以通过施加的磁场或自旋传递扭矩来移动或切换的磁向量(或磁矩)。自由磁性区域160可以由具有两个或更多个稳定磁性状态的任何铁磁材料或合金形成。可以将附加元素添加到铁磁材料或合金中，以提供改善的磁、电或微结构特性。在一些实施例中，自由区域160还可以包括一个或多个合成的反铁磁(SAF)或合成的铁磁体(SyF)结构。在一些实施例中，如图4A中所描绘的，可以在中间层150和顶部电极170之间设置自由区域160。在其它实施例中，诸如在图4B中所示的实施例中，可以在第一中间层150和第二中间层150'之间设置自由区域160。可以通过本文描述的任何工艺(诸如例如本领域中已知的物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)工艺(例如，溅射、磁子溅射、离子束沉积、原子层沉积、蒸发技术))来形成自由区域160的层。

一个或多个插入层210可以设置在自由区域160的任一侧上。例如，参考图4A，第一插入层210可以设置在中间层150和自由区域160之间。可替代地或附加地，第二插入层210'可以设置在自由区域160和顶部电极170之间。参考图4B，在一些实施例中，可以在第一中间层150和自由区域160之间形成第一插入层210和/或可以在自由区域160和第二中间层150'之间形成第二插入层210'。

在一些实施例中，自由区域160的一层或多层铁磁材料(例如，第一铁磁层162和/或第二铁磁层166)可以包括镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、铱(Ir)、钌(Ru)、硼(B)和/或包含镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、铱(Ir)、钌(Ru)和/或硼(B)的合金。一层或多层铁磁材料(例如，第一铁磁层162和/或第二铁磁层166)可以包括一种或多种合金，这些合金包括铁(Fe)、钴(Co)或镍(Ni)以及其它相对电负性元素(例如，电负性大于铁(Fe)的电负性元素)。例如，一层或多层铁磁材料可以包括一种或多种合金，诸如例如具有分子式XY的合金，其中X选自：钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴铁(CoFe)、铁镍(FeNi)和钴镍(CoNi)，并且Y选自：硅(Si)、铜(Cu)、铼(Re)、锡(Sn)、硼(B)、钼(Mo)、钌(Ru)、钯(Pd)、(Os)、铱(Ir)、铑(Rh)、铂(Pt)、钨(W)和碳(C)。电负性大于铁(Fe)的一种或多种元素(例如，硅(Si)、铜(Cu)、铼(Re)、锡(Sn)、硼(B)、钼(Mo)、钌(Ru)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、铑(Rh)、铂(Pt)、钨(W)、碳(C))的合金包括到自由区域160中可以允许更长的氧化时间被用于形成中间层150而不会氧化一层或多层铁磁材料。包括具有比铁(Fe)的电负性更大的电负性的此类金属还可以促进在退火和/或其它处理步骤期间堆叠的更大稳定性。

该一层或多层铁磁材料(例如，第一铁磁层162和/或第二铁磁层166)的厚度大约为10至

大约20至

或大约

至大约

在此类实施例中，一个或多个插入层210、210'可以包括镍(Ni)、钴(Co)、硼(B)、钌(Ru)、铱(Ir)或其组合。

插入层210、210'还可以包括铁(Fe)、包括钴(Co)和铁(Fe)的合金、包括镍(Ni)和铁(Fe)的合金和/或包括钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)和硼(B)中的两种或更多种的合金。

在一些实施例中，插入层210、210'可以包括小于或等于50at.％的铁(Fe)、小于或等于40at.％的铁(Fe)、小于或等于35at.％的铁(Fe)、小于或等于30at.％的铁(Fe)、小于或等于25at.％的铁(Fe)、小于或等于20at.％的铁(Fe)、小于或等于15at.％的铁(Fe)、小于或等于10at.％的铁(Fe)、小于或等于5at.％的铁(Fe)、小于或等于3at.％的铁(Fe)，或甚至小于或等于1at.％的铁(Fe)。在一些实施例中，插入层210、210'可以包括大于或等于50at.％的钴(Co)、大于或等于55at.％的钴(Co)、大于或等于65at.％的钴(Co)、大于或等于70at.％的钴(Co)、大于或等于75at.％的钴(Co)、大于或等于80at.％的钴(Co)、大于或等于85at.％的钴(Co)、大于或等于90at.％的钴(Co)，或者大于或等于95at.％的钴(Co)。在另外的实施例中，插入层210、210'可以包括大于或等于50at.％的镍(Ni)、大于或等于55at.％的镍(Ni)、大于或等于65at.％的镍(Ni)、大于或等于70at.％的镍(Ni)、大于或等于75at.％的镍(Ni)、大于或等于80at.％的镍(Ni)、大于或等于85at.％的镍(Ni)、大于或等于90at.％的镍(Ni)，或者大于或等于95at.％的镍(Ni)。

在一些实施例中，一个或多个插入层210、210'可以包括高铁含量层(例如，铁界面层)。在此类实施例中，第一铁磁层162和/或第二铁磁层166可以包括大于或等于50at.％的镍(Ni)、钴(Co)、钌(Ru)、铱(Ir)或其组合中的一种或多种。第一铁磁层162和/或第二铁磁层166还可以包括铁(Fe)。第一铁磁层162和/或第二铁磁层166的铁含量可以小于或等于大约50at.％、小于或等于大约40at.％、小于或等于大约35at.％、小于或等于大约30at.％、小于或等于大约25at.％、小于或等于大约20at.％、小于或等于大约15at.％、小于或等于大约10at.％、大约5at.％至大约40at.％，或大约15at.％至大约30at.％。在所述实施例中，第一铁磁层162可以具有

至

的厚度，诸如例如

至

或

至

另外，第二铁磁层166可以具有

至

的厚度，诸如例如

至

或

至

本文描述的一些实施例可以包括一个或多个界面层。界面层的组成可以根据所述磁阻堆叠内的界面层的地点或位置以及围绕界面层的层的组成而变化。包括一个或多个这样的界面层可以为组成的磁阻堆叠提供抗侵蚀性，并且相对于没有一个或多个界面层的磁阻设备导致较低的Vc。每个界面层可以具有大约

至大约

的厚度，诸如例如小于或等于大约

大约

至大约

大约

至大约

或大约

至大约

界面层可以是或者结晶界面层(例如，界面层320、330、340)或者非晶界面层(例如，界面层310)(例如，参见图4C和6B)。结晶界面层可以具有刚性的结晶结构，并且可以包括钴(Co)、铁(Fe)或包括钴(Co)和铁(Fe)的合金(例如，钴铁合金(CoFe))。在结晶界面层包括钴铁合金(CoFe)的一些实施例中，钴铁(CoFe)合金可以具有高钴(Co)含量(例如，大于或等于50at.％的钴(Co)、大于或等于55at.％的钴(Co)、大于或等于65at.％的钴(Co)、大于或等于70at.％的钴(Co)、大于或等于75at.％的钴(Co)、大于或等于80at.％的钴(Co)、大于或等于85at.％的钴(Co)、大于或等于90at.％的钴(Co)，或大于或等于95at.％的钴(Co))。在结晶界面层包括钴铁合金(CoFe)的一些实施例中，钴铁(CoFe)合金可以具有高铁(Fe)含量(例如，大于或等于50at.％的铁(Fe)、大于或等于55at.％的铁(Fe)、大于或等于65at.％的铁(Fe)、大于或等于70at.％的铁(Fe)、大于或等于75at.％的铁(Fe)、大于或等于80at.％的铁(Fe)、大于或等于85at.％的铁(Fe)、大于或等于90at.％的铁(Fe)，或大于或等于95at.％的铁(Fe))。非晶结晶层可以包括基于钴(Co)或铁(Fe)的非晶材料。例如，非晶界面层可以包括钴-铁-硼(CoFeB)合金、钴-铁-钽(CoFeTa)合金、钴-铁-钼(CoFeMo)合金和/或钴-铁-锆(CoFeZr)合金。

参考图4C，可以在中间层150(例如，中间介电层)上方和插入层210下方形成界面层340。界面层340可以与中间层150和/或插入层210接触。在一些实施例中，界面层340是结晶界面层。

现在参考图5A和5B，在一些实施例中，一个或多个固定区域(例如，图1A和1B中描绘的固定区域140、180)可以包括一层或多层。虽然图5A和5B仅描绘了固定区域140，但是固定区域140的方面也可以应用于图1B中描绘的固定区域180。如图5A和5B中所描绘的，固定区域140可以包括或可以邻近一个或多个附加层(诸如例如插入层210和/或参考层220)设置。插入层210和/或参考层220可以设置在固定区域140的顶部，靠近上覆层(例如，中间层150)。

参考层220可以包括一层或多层材料，这些材料尤其在磁阻堆叠100、100'的制造期间促进和改善一个或多个上覆区域的生长。参考层220可以包括例如钴(Co)、铁(Fe)和硼(B)，诸如钴-铁-硼合金(CoFeB)、钴-铁-硼-钽合金(CoFeBTa)、钴铁钽合金(CoFeTa)或其组合。在一些实施例中，参考层220可以包括一种或多种合金，该合金包括铁(Fe)、钴(Co)或镍(Ni)以及其它相对电负性的元素(例如，电负性大于铁(Fe)的电负性的元素)。例如，参考层可以包括一种或多种合金，诸如例如具有分子式XY的合金，其中X选自：钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴-铁(CoFe)、铁-镍(FeNi)和钴-镍(CoNi)，并且Y选自：硅(Si)、铜(Cu)、铼(Re)、锡(Sn)、硼(B)、钼(Mo)、钌(Ru)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、铑(Rh)、铂(Pt)、钨(W)和碳(C)。电负性大于铁(Fe)的一种或多种元素(例如，硅(Si)、铜(Cu)、铼(Re)、锡(Sn)、硼(B)、钼(Mo)、钌(Ru)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、铑(Rh)、铂(Pt)、钨(W)、碳(C))的合金包括到参考层220中可以允许更长的氧化时间被用于形成中间层150而不会氧化固定区域140。包括具有比铁(Fe)的电负性更大的电负性的此类金属还可以促进在退火和/或其它处理步骤期间堆叠的更大稳定性。

在一个或多个实施例中，固定区域140可以包括第一磁性区域142、耦合层145、第二磁性区域146、插入层210和/或参考层220。第一磁性区域142可以包括一层或多层磁性或铁磁材料。在一些实施例中，每一层磁性或铁磁材料的厚度小于或等于大约

小于或等于大约

小于或等于大约

小于或等于大约

小于或等于大约

小于或等于大约

或大约

至大约

耦合层145可以设置在第一磁性区域142上方和/或与第一磁性区域142接触。第二磁性区域146可以设置在耦合层145上。第二磁性区域146可以具有与第一磁性区域142相同的组成，或者第二磁性区域146可以具有与第一磁性区域142不同的组成。在一些实施例中，钴(Co)层在耦合层145上形成作为第二磁性区域146的一部分。耦合层145可以设置在两个钴(Co)层之间–例如，第一磁性区域142中的钴层和第二磁性区域146中的钴层之间。

参考图5A，在一个或多个实施例中，具有如前所述的组成的插入层210(例如，相对于图4A和4B中描绘的插入层210、210')可以被设置成与第二磁性区域146相邻。参考层220可以与插入层210相邻。在一些实施例中，参考层220可以与中间层150相邻。在一些实施例中，如图5B中所示，固定区域140可以不包括插入层210，并且参考层220可以被设置成与第二磁性区域146相邻。参考层220可以包括钴-铁-硼(CoFeB)或具有高钴(Co)含量的其它组成。例如，参考层220可以包括大于或等于大约50at.％的钴(Co)、大于或等于大约55at.％的钴(Co)、大于或等于大约65at.％的钴(Co)、大于或等于大约70at.％的钴(Co)、大于或等于大约75at.％的钴(Co)、大于或等于大约80at.％的钴(Co)、大于或等于大约85at.％的钴(Co)、大于或等于大约90at.％的钴(Co)，或大于或等于大约95at.％的钴(Co)。

现在参考图6A，固定磁性区域140(例如，固定磁性区域140内的SAF)可以包括设置在第二磁性区域146上方和参考层220下方的过渡层149。过渡层149可以与第二磁性区域146和/或参考层220接触。过渡层149可以包括非铁磁过渡金属，诸如例如钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、钼(Mo)或其组合和合金。

参考图6B，固定磁性区域140(例如，固定磁性区域140内的SAF)可以包括一个或多个界面层。例如，界面层310可以设置在第二磁性区域146和过渡层149之间。界面层310可以与第二磁性区域146和/或过渡层149接触。在一些实施例中，界面层310可以是非晶界面层。此外，或者可替代地，可以在过渡层149和参考层220之间设置另外的界面层320。界面层320可以与过渡层149和/或参考层220接触。此外，或者可替代地，可以在参考层220和中间层150(例如，介电中间层)之间设置界面层330。界面层330可以与参考层220和/或中间层150接触。在一些实施例中，界面层320、界面层330或两者是结晶界面层。

在一些实施例中，一个或多个界面层(例如，界面层330或界面层340)可以包括一种或多种合金，该合金包括铁(Fe)、钴(Co)或镍(Ni)、以及其它相对电负性元素(例如，电负性大于铁(Fe)的电负性的元素)。例如，一个或多个界面层可以包括一种或多种合金，诸如例如具有分子式XY的合金，其中X选自：钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴铁(CoFe)、铁镍(FeNi)和钴镍(CoNi)，并且Y选自：硅(Si)、铜(Cu)铼(Re)、锡(Sn)、硼(B)、钼(Mo)、钌(Ru)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、铑(Rh)、铂(Pt)、钨(W)和碳(C)。电负性大于铁(Fe)的一种或多种元素(例如，硅(Si)、铜(Cu)、铼(Re)、锡(Sn)、硼(B)、钼(Mo)、钌(Ru)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、铑(Rh)、铂(Pt)、钨(W)、碳(C))的合金包括到中间层150(例如，介电中间层)的界面可以允许更长的氧化时间被用于形成中间层150而不会氧化界面层(例如，界面层330或界面层340)。包括具有比铁(Fe)的电负性更大的电负性的此类金属还可以促进在退火和/或其它处理步骤期间堆叠的更大稳定性。

现在将讨论根据本公开的实施例的用于形成磁阻堆叠100、100'的示例性方法，并且可以参考图1A、1B和4A-6B中所示的部分和编号的标签。

图7是根据本公开的制造磁阻堆叠100的方法400的流程图。第一导电材料110(例如，电极、通孔和/或导体)可以形成在基板(诸如例如基于硅的基板)上方(步骤410)。然后可以在第一导电材料110上方形成固定磁性区域(例如，SAF)140(步骤420)。可以在固定磁性区域140上方形成中间层150(例如，介电层)(步骤430)。可以在中间层150上方形成插入层210(在一些实施例中，其可以包括镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)或硼(B)中的一种或多种)(步骤440)。插入层可以具有本文描述的任何组成。自由磁性区域160的第一铁磁区域162可以在插入层210之上形成(步骤450)。耦合层165可以在第一铁磁区域162之上形成(步骤460)。自由区域160的第二铁磁区域166可以在耦合层165上方形成(步骤470)。第二插入层210'(例如，包括镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)或硼(B)中的一种或多种)可以在第二铁磁区域166上方形成(步骤480)。在一些实施例中，在形成自由磁性区域160之后，可选的间隔物区域可以在自由磁性区域160上方形成。在一些实施例中，第二导电材料120(例如，电极、通孔和/或导体)可以在间隔物区域上方形成，从而提供到磁阻堆叠100的电连接性。

图8是根据本公开的制造磁阻堆叠100'的另一种方法500的流程图。第一导电材料110(例如，电极、通孔和/或导体)可以在基板(诸如例如基于硅的基板)上方形成(步骤510)。第一铁磁区域142可以在第一导电材料110上方形成(步骤520)。耦合层145可以在第一铁磁区域142上方形成(步骤530)。第二铁磁区域146可以在耦合层145上方形成(步骤540)。插入层210(在一些实施例中可以包括镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)或硼(B)中的一种或多种)可以在固定区域140的第二铁磁区域146上方形成(步骤550)。参考层220可以在插入层210上方形成并与之接触。中间层150(例如，介电中间层)可以在固定区域140上方形成(步骤570)。自由磁性区域160可以在中间层150上方形成(步骤580)。然后第二固定磁性区域180可以在第二中间层150'上方形成。在一些实施例中，可选的间隔物区域170可以在第二固定区域180上方形成。还可以形成第二导电材料120(例如，电极、通孔和/或导体)，从而提供到磁阻堆叠100'的电连接。

图9A-9B是根据本公开的制造磁阻堆叠100的另一种方法600的流程图。从图9A开始，第一导电材料110(例如，电极、通孔和/或导体)可以在基板(诸如例如基于硅的基板)上方形成(步骤610)。第一铁磁区域142可以在第一导电材料110上方形成(步骤620)。耦合层145可以在第一铁磁区域142上方形成(步骤630)。第二铁磁区域146可以在耦合层145上方形成(步骤640)。可选地，在一些实施例中可以包括钴(Co)、铁(Fe)、钴-铁-硼(CoFeB)合金、钴-铁-钽(CoFeTa)合金、钴-铁-钼(CoFeMo)合金和/或钴-铁-锆(CoFeZr)合金中的一种或多种的第一界面层310(例如，非晶界面层)可在固定区域140的第二铁磁区域146上方形成(步骤650)。过渡层149可以在第二铁磁区域146上方形成(步骤660)。在包括第一界面层310的实施例中，过渡层149可以在第一界面层310上方形成并与之接触。可选地，在一些实施例中可以包括钴(Co)、铁(Fe)或包括钴(Co)和铁(Fe)的合金(例如，钴-铁合金(CoFe))的第二界面层320(例如，结晶界面层)可以在过渡层149上方形成并与之接触(步骤670)。

方法600还可以包括步骤680-720，如图9B中所示。参考层220可以在过渡层149上方形成(步骤680)。在包括第二界面层320的实施例中，参考层220可以在第二界面层320上方形成并与之接触。可选地，在一些实施例中可以包括钴(Co)、铁(Fe)或包括钴(Co)和铁(Fe)的合金(例如，钴-铁合金(CoFe))的第三界面层330(例如，结晶界面层)可以在参考层220上方形成并与参考层220接触(步骤690)。中间层150(例如，电介质中间层)可以在固定区域140上方(例如，在参考层220上方和/或在界面层330上方)形成(步骤700)。在包括第三界面层330的实施例中，中间层150可以在第三界面层330上方形成并与之接触。可选地，在一些实施例中可以包括钴(Co)、铁(Fe)或包括钴(Co)和铁(Fe)的合金(例如，钴-铁合金(CoFe))的第四界面层340(例如，结晶界面层)可以在中间层150上方形成并与之接触(步骤710)。自由磁性区域160可以在中间层150上方形成(步骤720)。在包括第四界面层340的实施例中，自由磁性区域160可以在第四界面层340上方形成并与之接触。

虽然以特定次序描述了方法400、500和600的步骤，但是本领域普通技术人员应该理解的是，可以以任何合适的次序执行这些步骤(例如，以相反的次序)。此外，可以根据本领域中已知的技术来重复、添加或省略步骤。在一些实施例中，诸如在图1B中所示的实施例中，第二中间层150'可以在自由磁性区域160上方形成并与之接触。在此类实施例中，然后第二固定磁性区域180可以在第二中间层150'上方形成。在一些实施例中，可选的间隔物区域170可以在第二固定区域180上方形成。在包括第二中间层150'的实施例中，第二导电材料120(例如，电极、通孔和/或导体)也可以在间隔物区域170上方形成，从而提供到磁阻堆叠100'的电连接性。

由于可以被用于形成不同区域的合适的集成电路制造技术(例如，沉积、溅射、蒸发、镀覆等)对于本领域普通技术人员而言是已知的，因此在此不对其进行详细描述。应当注意的是，虽然没有具体描述，但是各种沉积工艺(例如，本领域已知的任何物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)工艺，诸如溅射、磁子溅射、离子束沉积、原子层沉积、蒸发技术等)可以被用于形成示例性磁阻堆叠的各个层。另外，在形成示例性磁阻堆叠的一层或多层之后，可以执行本领域中常见的各种光刻工艺、蚀刻工艺或修整(finishing)步骤(例如，离子束蚀刻、化学蚀刻、化学物理平坦化)。

在一些实施例中，形成其中一些区域可以涉及薄膜沉积工艺，包括但不限于物理气相沉积技术，诸如离子束溅射和磁控管溅射。形成薄的绝缘层可以涉及从氧化物靶的物理气相沉积，诸如通过射频(RF)溅射，或者通过金属薄膜的沉积然后进行氧化步骤，例如氧等离子体氧化、氧自由基氧化或通过暴露于低压氧气环境中的自然氧化。在一些实施例中，根据半导体行业中已知的各种常规技术中的任何一种，磁阻堆叠的一些或全部区域的形成还可以涉及已知的处理步骤，诸如例如选择性沉积、光刻处理、蚀刻等。

在一些实施例中，在所公开的固定和自由区域的沉积期间，可以提供磁场以设置该区域的优选的易磁化轴(例如，经由感应出的各向异性)。类似地，在沉积后高温退火步骤期间施加的强磁场可以被用于为任何反铁磁受钉扎材料感应出优选的易磁化轴和优选的钉扎方向。此外，固定和自由区域的沉积可以以各种次序发生。例如，在一些情况下，固定或反铁磁区域可以在底部受钉扎布置中的自由区域之前形成，而在其它情况下，在顶部受钉扎布置中可以首先在例如籽晶层上形成自由区域，并且固定区域在自由区域上方形成。

如上所述，可以在传感器体系架构或存储器体系架构以及其它体系架构中实现本公开的磁阻设备，包括本文描述的插入层210和/或一个或多个界面层310、320、330、340。例如，在存储器配置中，包括本文描述的实施例磁阻堆叠100、100'的磁阻设备可以电连接到存取晶体管并且被配置为耦合或连接到各种导体，这些导体可以携带一个或多个控制信号，如图10中所示。当前公开的磁阻设备可以用在任何合适的应用中，包括例如在存储器配置中。在这种情况下，磁阻设备可以被形成为包括分立的存储器设备(例如，如图11A中所示)或其中具有逻辑的嵌入式存储器设备(例如，如图11B中所示)的集成电路，根据本文公开的某些实施例的某些方面，各自包括MRAM，其在一个实施例中代表具有多个磁阻堆叠的MRAM的一个或多个阵列。

如本文所述，磁阻位的侵蚀可能是由制造工艺(诸如例如用于对磁阻堆叠构图的一个或多个蚀刻步骤)引起的。在一个或多个中间层150、150'的界面(例如，铁界面层)处存在铁(Fe)或包括铁(Fe)和硼(B)的合金可以导致磁阻堆叠的这种侵蚀。测量了几种具有不同的高铁界面层厚度的磁阻堆叠结构的侵蚀。在一个示例中，具有

厚的铁界面层(在自由区域160和第一中间层150的界面处)和具有

厚的铁界面层(在自由区域160和第一中间层150的界面处)的磁阻堆叠的侵蚀与不具有铁界面层的磁阻堆叠的侵蚀进行比较。这些侵蚀测量的曲线图在图12A中示出。具有较厚的界面层的堆叠示出最多的侵蚀，而具有较薄的高铁界面层的堆叠示出较少的侵蚀。没有铁界面层的磁阻堆叠示出最少的侵蚀。

在另一个示例中，具有

厚的铁界面层(在自由区域160和第二中间层150'的界面处)的磁阻堆叠、具有

厚的铁界面层(在自由区域160和第二中间层150'的界面处)以及具有

厚的铁界面层(在自由区域160和第二中间层150'的界面处)的磁阻堆叠的侵蚀被测量并比较。这些侵蚀测量的曲线图在图12B中示出。具有最厚界面层的堆叠示出最多的侵蚀，具有较薄的铁界面层的堆叠示出较少的侵蚀，具有

厚的铁界面层(在自由区域160和第二中间层150'的界面处)的磁阻堆叠示出最少的侵蚀。

在另一个示例中，测量了具有

厚的铁-硼(FeB)界面层(在自由区域160和第一中间层150的界面处)的磁阻堆叠的侵蚀，并将其与没有铁硼(FeB)界面层的磁阻堆叠的侵蚀进行了比较。这些侵蚀测量的图在图12C中示出。在自由区域160和第一中间层150的界面处不具有铁硼层的堆叠比具有铁硼(FeB)界面层的磁阻堆叠具有更少的侵蚀。

在另一个示例中，测量了具有

厚的铁硼(FeB)界面层(在自由区域160和第二中间层150'的界面处)的磁阻堆叠的侵蚀，并将其与没有铁硼(FeB)界面层的磁阻堆叠的侵蚀进行了比较。这些侵蚀测量的图在图12D中示出。在自由区域160和第二中间层150'的界面处不具有铁硼(FeB)层的堆叠比具有铁硼(FeB)界面层的磁阻堆叠具有更少的侵蚀。

如前所述，与不具有一个或多个界面层的磁阻堆叠相比，一个或多个界面层310、320、330、340的存在可以导致磁阻堆叠的更少侵蚀(例如，在一个或多个制造过程期间，诸如例如蚀刻)。更特别地，据信上述界面层310、320、330、340可以在形成中间层150期间中允许增加氧化剂量。增加的氧化剂量可以导致在MTJ堆叠制造和MTJ位构图过程期间发生的短路减少，诸如例如部分短路和硬短路。如图13A中所示，测量了几个示例性磁阻堆叠的电阻面积乘积。如前所述，在中间层的界面处具有Fe的磁阻堆叠的更高的电阻面积乘积一般与堆叠内的更多侵蚀相关。X轴描述界面层的几个组成，每个界面层组成上方的标记的形状描述界面层的位置。圆圈标记(●)指示组成位于上述界面层310的位置，三角形标记(Δ)指示组成位于上述界面层320的位置，并且正方形标记(□)指示组成位于上述界面层330的位置。Y轴表示以欧姆平方微米(Ωμm²)为单位的电阻面积乘积(RA)的测量。

还测量了几个示例性磁阻堆叠的磁阻，如图13B中所示。X轴描述界面层的几种组成，每个界面层组成上方的标记的形状描述界面层的位置。圆圈标记(●)指示组成分位于上述界面层310的位置，三角形标记(Δ)指示组成位于上述界面层320的位置，并且正方形标记(□)指示组成位于上述界面层330的位置。Y轴表示以百分比(％)为单位的MR的测量。

虽然已经详细示出和描述了本公开的各种实施例，但是对于本领域技术人员而言显见的是，在不脱离本公开的情况下可以进行各种修改。

Claims

1.一种磁阻堆叠，包括：

固定磁性区域，其中固定磁性区域包括：

第一铁磁区域；

耦合层，设置在第一铁磁区域上并与之接触；

第二铁磁区域，设置在耦合层上并与之接触；

过渡层，设置在第二铁磁区域上方；

参考层，设置在过渡层上方；和

至少一个界面层，设置在第二铁磁区域上方；

一个或多个介电层，设置在固定磁性区域上并与之接触；以及

自由磁性区域，设置在所述一个或多个介电层上方。

2.如权利要求1所述的磁阻堆叠，其中所述至少一个界面层包括钴(Co)、铁(Fe)或包括钴(Co)和铁(Fe)的合金。

3.如权利要求1所述的磁阻堆叠，其中所述至少一个界面层包括：

第一界面层，设置在第二铁磁区域与过渡层之间；

第二界面层，设置在过渡层与参考层之间；以及

第三界面层，设置在参考层与所述一个或多个介电层之间。

4.如权利要求3所述的磁阻堆叠，其中第一界面层是非晶的，并且第二界面层和第三界面层是结晶的。

5.如权利要求3所述的磁阻堆叠，其中第三界面层、参考层和自由磁性区域中的一个或多个包括含有硅(Si)、铜(Cu)、铼(Re)、锡(Sn)、硼(B)、钼(Mo)、钌(Ru)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、铑(Rh)、铂(Pt)、钨(W)、碳(C)或它们的组合的合金。

6.如权利要求1所述的磁阻堆叠，其中所述至少一个界面层中的每一界面层具有大约

至大约

的厚度。

7.如权利要求1所述的磁阻堆叠，其中所述至少一个界面层包括：

设置在第二铁磁区域与过渡层之间的界面层；

设置在过渡层与参考层之间的界面层；或者

设置在参考层与所述一个或多个介电层之间的界面层。

8.如权利要求1所述的磁阻堆叠，其中所述至少一个界面层包括至少两个界面层，并且所述至少两个界面层包括至少一个结晶界面层和至少一个非晶界面层。

9.如权利要求1所述的磁阻堆叠，其中固定区域设置在籽晶区域上。

10.一种磁阻堆叠，包括：

固定磁性区域，其中固定磁性区域包括：

第一铁磁区域；

耦合层，设置在第一铁磁区域上并与之接触；和

第二铁磁区域，设置在耦合层上并与之接触；

至少一个介电层，设置在固定磁性区域上并与之接触；

界面层，设置在所述至少一个介电层上并与之接触；以及

自由磁性区域，设置在界面层上方。

11.如权利要求10所述的堆叠，其中所述至少一个介电层是第一介电层，并且堆叠还包括设置在自由磁性区域上方的第二介电层。

12.如权利要求10所述的堆叠，其中设置在所述至少一个介电层上并与之接触的所述界面层是第一界面层，并且固定磁性区域还包括：

过渡层，设置在第二铁磁区域上方；

参考层，设置在过渡层上方；以及

设置在第二铁磁区域上方的至少一个界面层。

13.如权利要求10所述的堆叠，还包括：设置在界面层上方的至少一个插入层。

14.如权利要求10所述的堆叠，其中设置在所述至少一个介电层上并与之接触的所述界面层是结晶界面层。

15.如权利要求10所述的堆叠，其中设置在所述至少一个介电层上并与之接触的所述界面层、自由磁性区域或两者包括含有硅(Si)、铜(Cu)、铼(R)、锡(Sn)、硼(B)、钼(Mo)、钌(Ru)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、铑(Rh)、铂(Pt)、钨(W)、碳(C)或它们的组合的合金。

16.如权利要求10所述的堆叠，其中界面层的厚度为大约

至大约

17.一种磁阻堆叠，包括：

固定磁性区域，其中固定磁性区域包括：

第一铁磁区域；

耦合层，设置在第一铁磁区域上并与之接触；

第二铁磁区域，设置在耦合层上并与之接触；

第一界面层，设置在第二铁磁区域上并与之接触；

过渡层，设置在第一界面层上并与之接触；

第二界面层，设置在过渡层上并与之接触；

参考层，设置在第二界面层上并与之接触；和

第三界面层，设置在参考层上并与之接触；

至少一个介电层，设置在固定磁性区域上并与之接触；

第四界面层，设置在所述至少一个介电层上并与之接触；以及

自由磁性区域，设置在界面层上方。

18.如权利要求17所述的堆叠，其中自由磁性区域还包括一个或多个插入层。

19.如权利要求17所述的堆叠，其中第一、第二、第三和第四界面层中的一个或多个界面层、一个或多个铁磁区域、参考层或它们的组合包括具有分子式XY的一种或多种合金，其中X选自：钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴铁(CoFe)、铁镍(FeNi)和钴镍(CoNi)，并且Y选自：硅(Si)、铜(Cu)、铼(Re)、锡(Sn)、硼(B)、钼(Mo)、钌(Ru)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、铑(Rh)、铂(Pt)、钨(W)和碳(C)。

20.如权利要求17所述的堆叠，其中：

所述至少一个介电层是第一介电层，并且该堆叠还包括：

第二介电层，设置在自由磁性区域上方；以及

籽晶区域，设置在固定区域下方。