CN115053349A - 包含具有强垂直磁各向异性的顶部磁性钉扎层的mtj堆叠 - Google Patents

包含具有强垂直磁各向异性的顶部磁性钉扎层的mtj堆叠 Download PDF

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CN115053349A CN202180013166.5A CN202180013166A CN115053349A CN 115053349 A CN115053349 A CN 115053349A CN 202180013166 A CN202180013166 A CN 202180013166A CN 115053349 A CN115053349 A CN 115053349A
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Abstract

提供一种包含磁性钉扎分层结构的顶部钉扎磁性隧道结(MTJ)堆叠，该磁性钉扎分层结构包括具有强垂直磁各向异性(PMA)的第二磁性钉扎层。磁性钉扎分层结构包括位于具有体心立方(BCC)纹理的第一磁性钉扎层与第二磁性钉扎层之间的晶粒生长控制层。晶粒生长控制层的存在有利于具有面心立方(FCC)纹理或六方密堆积(HCP)纹理的第二磁性钉扎层的形成，进而促进针对磁性钉扎分层结构中的第二磁性钉扎层的强PMA。

Description

包含具有强垂直磁各向异性的顶部磁性钉扎层的MTJ堆叠
技术领域
本申请涉及一种磁阻随机存取存储器(MRAM)。更具体地，本申请涉及一种包含磁性钉扎分层结构的顶部钉扎磁性隧道结(MTJ)堆叠，该磁性钉扎分层结构包括具有强垂直磁各向异性(PMA)的第二磁性钉扎层。
背景技术
自旋转移矩(STT)MRAM装置使用2端子装置，该2端子装置包括MTJ堆叠，该MTJ堆叠包含磁性钉扎(参考)层、隧道势垒层和磁性自由层。MTJ堆叠可分为两种类型。第一类型的MTJ堆叠是底部钉扎MTJ堆叠，诸如例如在图1中示出的。图1中所示的底部钉扎MTJ堆叠包括磁性钉扎(或参考)层10、隧道势垒层12和磁性自由层14。MTJ覆盖层16通常存在于图1所示的底部钉扎MTJ堆叠中的磁性自由层14上。在图1中，磁性钉扎层10内的箭头示出了该层的可能取向，并且磁性自由层14中的双头箭头示例出该层中的取向可被切换。
第二类型的MTJ堆叠是顶部钉扎MTJ堆叠，例如如图2中所示。顶部钉扎MTJ堆叠包括磁性自由层20、隧道势垒层22和磁性钉扎(或参考)层24。MTJ覆盖层26通常存在于图2中所示的顶部钉扎MTJ堆叠中的磁性钉扎层24上。在图2中，磁性钉扎层24内的箭头示出了该层的可能取向，并且磁性自由层20中的双头箭头示例出该层中的取向可被切换。
在STT MRAM中，MTJ堆叠需要一选择晶体管，因为两个不同方向的电流实施MTJ堆叠的写入操作。在典型的STT MRAM中，用于反平行配置的阈值电压切换电流Ic(P(平行状态)→AP(反平行状态))大于用于平行配置的阈值电压切换电流Ic(AP→P)。然而，晶体管的驱动功率也具有与常规底部钉扎MTJ(BP-MTJ)堆叠的写入电流不对称性不兼容的不对称性，在常规底部钉扎MTJ堆叠中，钉扎合成反铁磁性(SAF)参考层被沉积在隧道势垒层下方，以用于来自金属种子层的改善的材料纹理化。
具有顶部钉扎MTJ(TP-MTJ)堆叠的STT MRAM装置解决该不对称问题，且因此提升STT MRAM装置的功率效率。然而，制造与高温退火循环(嵌入式存储器应用所需的400℃后段制程(BEOL)工艺)兼容的稳定TP-MTJ堆叠是挑战。其原因涉及在高温处理之后在隧道势垒层的顶部上的不可控的纹理化，这使得难以制造与400℃兼容的顶部SAF参考层。
发明内容
提供了一种包含磁性钉扎分层结构的顶部钉扎磁性隧道结(MTJ)堆叠，该磁性钉扎分层结构包括具有强垂直磁各向异性(PMA)的第二磁性钉扎层。在本申请中，磁性钉扎分层结构包括位于具有体心立方(BCC)纹理的第一磁性钉扎层与第二磁性钉扎层之间的晶粒生长控制层。晶粒生长控制层的存在有利于具有面心立方(FCC)纹理或六方密堆积(HCP)纹理的第二磁性钉扎层的形成，进而促进针对磁性钉扎分层结构中的第二磁性钉扎层的强PMA。“强PMA”是指场内磁各向异性场大于4kOe。
在本申请的一个方面中，提供了一种顶部钉扎MTJ堆叠。在一个实施例中，顶部钉扎MTJ堆叠包括具有体心立方(BCC)纹理的磁性自由层、位于磁性自由层上的具有BCC纹理的隧道势垒层和位于隧道势垒层上的磁性钉扎分层结构。根据本申请，磁性钉扎分层结构从底部到顶部包括具有BCC纹理的第一磁性钉扎层、晶粒生长控制层和具有面心立方(FCC)纹理或六方密堆积(HCP)纹理的第二磁性钉扎层。
在一些实施例中，第二磁性钉扎层包括下磁性钉扎区和上磁性钉扎区，其中下磁性钉扎区和上磁性钉扎区被合成反铁磁性耦合层分隔开。在这样的实施例中，下磁性钉扎区和上磁性钉扎区两者具有FCC纹理或HCP纹理，且因此提供强PMA。
在本申请的另一方面，提供了一种STT MRAM装置。在一个实施例中，STT MRAM装置包括位于底电极的表面上的顶部钉扎MTJ堆叠。在一个实施例中，顶部钉扎MTJ堆叠包括具有BCC纹理的磁性自由层、位于磁性自由层上的具有BCC纹理的隧道势垒层和位于隧道势垒层上的磁性钉扎分层结构。根据本申请，磁性钉扎分层结构从底部到顶部包括具有BCC纹理的第一磁性钉扎层、晶粒生长控制层和具有FCC纹理或HCP纹理的第二磁性钉扎层。
在本申请的又一实施例中，提供了一种形成顶部钉扎MTJ堆叠的方法。在一个实施例中，该方法包括在具有体心立方(BCC)纹理的磁性自由层上形成具有BCC纹理的隧道势垒层。接下来，在隧道势垒层上形成具有BCC纹理的第一磁性钉扎层。然后在第一磁性钉扎层上沉积晶粒生长控制层，其中该晶粒生长控制层有利于具有面心立方(FCC)纹理或六方密堆积(HCP)纹理的磁性材料的形成。然后在晶粒生长控制层上形成具有FCC纹理或HCP纹理的第二磁性钉扎层。根据本申请，在沉积了晶粒生长控制层之后执行原位退火。
在本申请的一些实施例中，在沉积了晶粒生长控制层之后但在形成第二磁性钉扎层之前执行原位退火。在本申请的其他实施例中，在沉积了晶粒生长控制层之后且在形成第二磁性钉扎层的至少一部分之后执行原位退火。
附图说明
图1是现有技术的底部钉扎MTJ堆叠的横截面图，该底部钉扎MTJ堆叠从底部到顶部包括磁性钉扎(或参考)层、隧道势垒层、磁性自由层和MTJ覆盖层。
图2是现有技术的顶部钉扎MTJ堆叠的横截面图，该顶部钉扎MTJ堆叠从底部到顶部包括磁性自由层、隧道势垒层、磁性钉扎(或参考)层和MTJ覆盖层。
图3是根据本申请的位于底电极的表面上的顶部钉扎MTJ堆叠的横截面图。
图4是根据本申请的位于底电极的表面上的另一顶部钉扎MTJ堆叠的横截面图。
图5A-5C是示出根据本申请的在400℃ BEOL之后的顶部钉扎MTJ堆叠的平面外磁滞回线的曲线图。
图6A-6C是示出根据本申请的在400℃ BEOL之后的顶部钉扎MTJ堆叠的平面内磁滞回线的曲线图。
具体实施方式
现在将参考下面的讨论和本申请所附的附图更详细地描述本申请。要注意的是，提供本申请的附图仅仅用于说明的目的，并且因此，附图未按比例绘制。还应注意，相同和对应的元件由相同的附图标记指代。
在以下描述中，阐述了许多具体细节，例如具体结构、部件、材料、尺寸、处理步骤和技术，以便提供对本申请的不同实施例的理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本申请的各种实施例。在其他情况下，为了避免使本申请模糊，未详细描述众所周知的结构或者处理步骤。
将理解，当作为层、区域或基板的元件被称为位于另一元件“上”或“上方”时，其可直接位于另一元件上，或者也可存在中间元件。相对地，当元件被称为“直接位于另一元件上”或“直接位于另一元件上方”时，则不存在中间元件。还应当理解的是，当元件被称为位于另一元件“下方”或“之下”时，其可以直接位于另一元件下方或之下，或者可以存在中间元件。相对地，当元件被称为“直接位于另一元件下方”或“直接位于另一元件之下”时，则不存在中间元件。
本申请提供了包含磁性钉扎分层结构的顶部钉扎磁性隧道结(MTJ)堆叠，该磁性钉扎分层结构包括具有强PMA(即，大于4kOe的场内磁各向异性场)的第二磁性钉扎层。在本申请中，磁性钉扎分层结构包括位于具有BCC纹理(texture)的第一磁性钉扎层与所述第二磁性钉扎层之间的晶粒生长控制层。晶粒生长控制层的存在有利于具有FCC纹理或HCP纹理的第二磁性钉扎层的形成，进而促进针对磁性钉扎分层结构中的第二磁性钉扎层的强PMA，如上文所定义的。顶部钉扎磁性隧道结(MTJ)堆叠中的第二磁性钉扎层即使在执行用于嵌入式存储器应用的400℃或以上的BEOL退火工艺之后也维持强PMA。
在本申请中，术语“面心立方纹理或FCC纹理”是指具有由每个立方角处的原子和每个立方面的中心的原子组成的晶胞的晶体结构；它是密堆积的平面，其中假设立方体的每个面原子沿着面对角线接触。术语“体心立方纹理或BCC纹理”是指具有其中一个原子在中间以及四个其他原子围绕其在立方体的角布置而形成的立方体形状-晶格的晶胞的晶体结构。术语“六方密堆积纹理或HCP纹理”是指具有由三层原子组成的晶胞的晶体结构，其中顶层和底层在六边形的角处包含六个原子并且在每个六边形的中心处包含一个原子，中间层包含位于顶层和底层的原子之间的三个原子。
首先参考图3-4，示出了根据本申请的不同顶部钉扎MTJ堆叠。如图3和4中的每一者所示，顶部钉扎MTJ堆叠位于底电极30上。应注意，图3中所示出的顶部钉扎MTJ堆叠包括具有BCC纹理的磁性自由层32、位于磁性自由层32上的具有BCC纹理的隧道势垒层34和位于隧道势垒层34上的磁性钉扎分层结构36。根据本申请，磁性钉扎分层结构36从底部到顶部包括具有BCC纹理的第一磁性钉扎层38、晶粒生长控制层40、以及具有FCC纹理或HCP纹理的第二磁性钉扎层42。
图4中所示出的顶部钉扎MTJ堆叠包括具有BCC纹理的磁性自由层32、位于磁性自由层32上的具有BCC纹理的隧道势垒层34和位于隧道势垒层34上的磁性钉扎分层结构36。根据本申请，磁性钉扎分层结构36从底部到顶部包括具有BCC纹理的第一磁性钉扎层38、晶粒生长控制层40、以及具有FCC纹理或HCP纹理的第二磁性钉扎层42。在该实施例中，第二磁性钉扎层42包括下磁性钉扎区44和上磁性钉扎区48，其中下磁性钉扎区44和上磁性钉扎区48被合成反铁磁性耦合层46分隔开。
在任一实施例中，磁性自由层32中的双向箭头表示在该层中的取向可被切换，而磁性钉扎分层结构36中的不同磁性层或区域中的单向箭头表示在那些层或区域中的取向是固定的。而且，且在任一实施例中，晶粒生长控制层有利于具有FCC纹理或HCP纹理的第二磁性钉扎层42的形成，进而促进对磁性钉扎分层结构36中的第二磁性钉扎层42的强PMA。
现在将更详细地描述图3-4中所示的结构的各种元件/部件。如上所述，图3和4中所示的顶部钉扎MTJ堆叠位于底电极30上。共同地，例如，如图3-4中所示的本申请的底电极30和顶部钉扎MTJ堆叠提供STT MRAM装置的部件/元件。图3-4所示的结构中的底电极30通常位于导电结构(未示出)的表面上。导电结构被嵌入在互连电介质材料层(也未示出)中。另一互连电介质材料层(未示出)可嵌入图3-4中示例出的顶部钉扎MTJ堆叠。另一导电结构和顶电极(两者都未示出)可位于图3-4所示例出的顶部钉扎MTJ堆叠的最顶表面上方。底电极30可以由导电材料构成，例如，导电金属、导电金属合金或者导电金属氮化物。可用于提供底电极30的导电金属的示例包括但不限于铜(Cu)、钌(Ru)、钴(Co)、铑(Rh)、钨(W)、铝(Al)、钽(Ta)或钛(Ti)。可用于提供底电极30的导电金属合金的示例包括但不限于Cu-Al，并且可用于提供底电极30的导电金属氮化物的示例包括但不限于TaN或TiN。可以利用本领域技术人员公知的技术来形成底电极30。提供底电极30的导电材料可以利用诸如化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、溅射或电镀之类的沉积工艺来形成。底电极30可以具有10nm至200nm的厚度；尽管其他厚度是可能的并且可以用作底电极30的厚度。底电极30可以形成在导电结构(未示出)的凹陷表面或非凹陷表面上。
虽然在附图中未示出，但是金属种子层通常但不一定总是位于底电极30和磁性自由层32之间。当存在金属种子层时，金属种子层形成在底电极30的物理暴露表面上。可用于本申请的金属种子层有利于具有体心立方(BCC)纹理的磁性自由层的生长。在一个实施例中，金属种子层可以由钽(Ta)和钌(Ru)的双层组成。在另一实施例中，金属种子层可以由Ta和铂(Pt)的双层组成。金属种子层可以具有1nm至50nm的总厚度。金属种子层可利用包括例如CVD、PECVD、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)或溅射的沉积工艺形成。
然后，具有BCC纹理的磁性自由层32形成在金属种子晶层上或底电极30上。磁性自由层32由至少一种具有磁化的磁性材料构成，该磁化的取向可相对于磁性钉扎(即，参考)层的磁化取向而改变。用于磁性自由层32的示例性磁性材料包括钴(Co)、铁(Fe)、钴-铁(Co-Fe)合金、镍(Ni)、镍-铁合金(Ni-Fe)和钴-铁-硼合金(Co-Fe-B)的合金和/或多层。通常，磁性自由层32由Co的多层或含有至少50原子％Co的Co合金的多层组成。本申请中可以采用的磁性自由层32可以具有1nm至3nm的厚度；尽管对于磁性自由层32可以使用其他厚度。磁性自由层32可利用包括例如CVD、PECVD、PVD、ALD或溅射的沉积工艺来形成。
具有BCC纹理的隧道势垒层34由绝缘体材料构成，并且以提供适当的隧穿电阻的厚度来形成。用于隧道势垒层34的示例性材料包括氧化镁、氧化铝和氧化钛，或者具有较高隧道电导率的材料，诸如半导体或低带隙绝缘体。在一个实施例中，氧化镁被用作提供隧道势垒层34的材料。隧道势垒层34的厚度可以为0.5nm至1.5nm；尽管关于隧道势垒层34可以使用其他厚度，只要所选择的厚度提供期望的隧道势垒电阻。隧道势垒层34可以利用包括例如CVD、PECVD、PVD、ALD或溅射的沉积工艺来形成。
然后，磁性钉扎分层结构36形成在隧道势垒层34上。在图3中所示例出的实施例中，磁性钉扎分层结构36从底部到顶部包括具有BCC纹理的第一磁性钉扎层38、晶粒生长控制层40、以及具有FCC纹理或HCP纹理的第二磁性钉扎层42。在图4所示的实施例中，磁性钉扎分层结构36从底部到顶部包括具有BCC纹理的第一磁性钉扎层38、晶粒生长控制层40、下磁性钉扎区44和上磁性钉扎区48，其中下磁性钉扎区44和上磁性钉扎区48被合成反铁磁性耦合层46分隔开。在图4所示的实施例中，下磁性钉扎区44、合成反铁磁性耦合层46和上磁性钉扎区48构成具有FCC纹理或HCP纹理的第二磁性钉扎层42。在任一实施例中，磁性钉扎分层结构36可利用包括例如CVD、PECVD、PVD、ALD或溅射的沉积工艺形成。
本申请中采用的具有BCC纹理的第一磁性钉扎层38具有固定磁化。可选择用于提供第一磁性钉扎层38的磁性材料以用于优化隧道势垒层36界面处的势垒。这种优化的示例可包括高隧道磁阻(TMR)、高界面各向异性或良好的界面润湿。由此，在一些实施例中，第一磁性钉扎层38可由包括一种或多种呈现高自旋极化的金属的金属或金属合金组成。在替代实施例中，用于形成第一磁性钉扎层38的示例性金属包含铁、镍、钴、铬、硼和锰。示例性金属合金可以包括以上示例的金属(即，铁、镍、钴、铬、硼和锰)。在一些实施例中，第一磁性钉扎层38由钴-铁-硼(Co-Fe-B)合金或包含附加铁的Co-Fe-B合金多层堆叠组成。金属插入层可以存在于该Co-Fe-B合金多层堆叠中，其中该金属插入层包括钨(W)、钽(Ta)、铱(Ir)或铽(Tb)。第一磁性钉扎层38可利用包括例如CVD、PECVD、PVD、ALD或溅射的沉积工艺来形成。第一磁性钉扎层38可具有3nm至20nm的厚度；尽管关于第一磁性钉扎层38可使用其他厚度。
然后，晶粒生长控制层40被形成在第一磁性钉扎层38上。晶粒生长控制层40由有利于具有FCC纹理或HCP纹理的磁性材料的形成的金属组成。有利于具有FCC纹理或HCP纹理的磁性材料的形成的金属的示例性示例包括铑(Rh)、钆(Gd)、钬(Ho)、钽(Ta)、铪(Hf)或钨(W)。晶粒生长控制层40的厚度可以为0.05nm至2nm。在一些示例中，晶粒生长控制层40包括厚度为0.5nm的Rh、厚度为1nm的Rh或厚度为1.5nm的Rh。
晶粒生长控制层40可利用包括例如CVD、PECVD、PVD、ALD或溅射的沉积工艺来形成。在沉积了晶粒生长控制层40之后执行原位退火。原位退火对于为随后形成的第二磁性钉扎层42提供FCC或HCP纹理是关键的。在没有原位退火的情况下，第二磁性钉扎层具有BCC纹理且因此无法获得强PMA。
在一些实施例中，在沉积了晶粒生长控制层40之后但在形成第二磁性钉扎层42之前执行原位退火。在其他实施例中，在沉积了晶粒生长控制层40之后且在形成第二磁性钉扎层42的至少一部分之后执行原位退火。在该实施例中，当仅形成第二磁性钉扎层42的一部分或整体时，可形成原位退火。
在任一实施例中，在惰性环境(即，大气)中且在300℃至400℃的温度下执行原位退火持续1小时至3小时的时间段。示例性惰性环境包括但不限于氦、氩或氦-氩混合物。
在图3中示出的实施例中，第二磁性钉扎层42具有固定磁化。在一个实施例中，图3中所示的顶部钉扎MTJ堆叠的第二磁性钉扎层42可由包括一种或多种呈现高自旋极化的金属的金属或金属合金组成。在替代实施例中，用于形成图3中所示的顶部钉扎MTJ堆叠中的第二磁性钉扎层42的示例性金属包括铁、镍、钴、铬、硼和锰。示例性金属合金可以包括以上示例的金属(即，铁、镍、钴、铬、硼和锰)。在一些实施例中，图3中所示的顶部钉扎MTJ堆叠的第二磁性钉扎层42由钴(Co)和铂(Pt)的多层或超晶格、钴(Co)和钯(Pd)的多层或超晶格、或者钴(Co)、镍(Ni)和铂(Pt)的多层或超晶格组成。图3中所示的顶部钉扎MTJ堆叠中的第二磁性钉扎层42可使用包括例如CVD、PECVD、PVD、ALD或溅射的沉积工艺来形成。图3中所示的顶部钉扎MTJ堆叠中的第二磁性钉扎层42可具有3nm至20nm的厚度；尽管关于第二磁性钉扎层42可使用其他厚度。
在一些实施例中，如图4所示，第二磁性钉扎层42可以是具有(1)由金属和/或使用上述金属(即，铁、镍、钴、铬、硼和锰)的金属合金形成的高自旋极化区以及(2)由一种或多种呈现强垂直磁各向异性(强PMA)的材料构成的区域的多层布置。可使用的具有强PMA的示例性材料包括诸如钴(Co)、镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)或钌(Ru)之类的金属，并且其可被布置为交替层。强PMA区还可以包括呈现强PMA的合金，其中示例性合金包括钴-铁-铽、钴-铁-钆、钴-铬-铂、钴-铂、钴-钯、铁-铂、和/或铁-钯。合金可被布置为交替层。在一个实施例中，也可以采用这些材料和区域的组合。在图4所示的实施例中，第二磁性钉扎层42包括下磁性钉扎区44和上磁性钉扎区48，其中下磁性钉扎区44和上磁性钉扎区48被合成反铁磁性耦合层46分隔开。在这样的实施例中，下磁性钉扎区44和上磁性钉扎区48可由钴(Co)和铂(Pt)的多层或超晶格、钴(Co)和钯(Pd)的多层或超晶格、或者钴(Co)、镍(Ni)和铂(Pt)的多层或超晶格构成，并且合成反铁磁性耦合层46由诸如钴(Co)、镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)或钌(Ru)的金属构成。图4中所示的顶部钉扎MTJ堆叠中的第二磁性钉扎层42可使用包括例如CVD、PECVD、PVD、ALD或溅射的一或多个沉积工艺来形成。图4中所示的顶部钉扎MTJ堆叠中的第二磁性钉扎层42可具有3nm至20nm的厚度；尽管关于第二磁性钉扎层42可使用其他厚度。第二磁性钉扎层42内的合成反铁磁性耦合层46可具有0.2nm至0.8nm的厚度。
MTJ覆盖层(未示出)通常形成在图3和图4中的任一者中示出的第二磁性钉扎层42上。MTJ覆盖层优选地由氧化镁(MgO)组成。用于MTJ覆盖层的其他材料包括氧化铝(Al2O3)、氧化钙(CaO)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铌(Nb2O5)或例如MgyTi(1-y)Ox的三元氧化物。MTJ覆盖层可以具有0.3nm至2nm的厚度；其他厚度是可能的并且可以在本申请中用作MTJ覆盖层的厚度。MTJ覆盖层可以利用包括例如CVD、PECVD、PVD、ALD或溅射的一个或多个沉积工艺来形成。
硬掩模(未示出)通常形成在MTJ覆盖层上方。硬掩模可以由例如氮化钽(TaN)或氮化钛(TiN)的金属氮化物或者例如钛(Ti)或钽(Ta)的金属组成。在一些实施例中，硬掩模可被用作STT MRAM装置中的顶电极。在其他实施例中，可以在硬掩模上形成单独的顶电极(由上述用于底电极30的导电材料之一组成)。硬掩模可以具有50nm至1500nm的厚度；尽管在本申请中关于硬掩模可以使用其他厚度。
本申请的顶部钉扎MTJ堆叠(以及MTJ覆盖层和硬掩模)可通过沉积提供本申请的特定顶部钉扎MTJ堆叠(以及MTJ覆盖层和硬掩模)的不同材料层、接着通过例如光刻和蚀刻的图案化工艺来形成。本申请的顶部钉扎MTJ堆叠(以及MTJ覆盖层和硬掩模)可具有小于或等于底电极30的临界尺寸(CD)的临界尺寸(CD)。提供本申请的顶部钉扎MTJ堆叠(以及MTJ覆盖层和硬掩模)的各种材料层的沉积可在同一沉积工具或不同沉积工具中执行。
本申请的顶部钉扎MTJ堆叠在高温退火循环(嵌入式存储器应用所需的400℃后段制程(BEOL)工艺)时是稳定的。原因涉及第二磁性钉扎层42的受控纹理化，其利用如上文所描述的晶粒生长控制层40以及原位退火来获得。
这通过观察图5A、图5B、图5C、图6A、图6B和图6C中所示的数据来示例出。值得注意的是，图5A-5C是示出了根据本申请的且在400℃BEOL之后的顶部钉扎MTJ堆叠的平面外磁滞回线的曲线图，而图6A-6C是示出了根据本申请的且在400℃ BEOL之后的顶部钉扎MTJ堆叠的平面内磁滞回线的曲线图。用于生成图5A、5B、5C、6A、6B和6C中所示的曲线图的顶部钉扎MTJ堆叠对于铑(Rh)晶粒生长控制层的厚度而言是相同的预期。在用于生成图5A、5B、5C、6A、6B和6C中所示的数据的顶部钉扎MTJ堆叠中，BCC纹理位于晶粒生长控制层下方，而FCC纹理位于晶粒生长控制层上方。每个顶部钉扎MTJ堆叠包括Ta金属种子、Co-Fe-B磁性自由层、氧化镁隧道势垒层、Co-Fe-B第一磁性钉扎层、Rh晶粒生长控制层(具有不同厚度)以及Co和Pt的多层的第二磁性自由层。对于图5A和6A中所示的数据，Rh晶粒生长控制层具有0.5nm的厚度，对于图5B和6B中所示的数据，Rh晶粒生长控制层具有1nm的厚度，并且对于图5C和6C中所示的数据，Rh晶粒生长控制层具有1.5nm的厚度。平面外和平面内磁滞回线通过振动样品磁力计(VSM)来生成。
虽然已经相对于其优选实施例具体示出和描述了本申请，但是本领域技术人员将理解，在不背离本申请的范围的情况下，可以对形式和细节做出前述和其他改变。因此，本申请旨在不限于所描述和示例出的确切形式和细节，而是落入所附权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种顶部钉扎磁性隧道结(MTJ)堆叠，包括：
磁性自由层，其具有体心立方(BCC)纹理；
隧道势垒层，其具有BCC纹理并位于所述磁性自由层上；以及
磁性钉扎分层结构，其位于所述隧道势垒层上，其中，所述磁性钉扎分层结构从底部到顶部包括具有BCC纹理的第一磁性钉扎层、晶粒生长控制层和具有面心立方(FCC)纹理或六方密堆积(HCP)纹理的第二磁性钉扎层。
2.根据权利要求1所述的顶部钉扎MTJ堆叠，其中，所述第二磁性钉扎层包括下磁性钉扎区和上磁性钉扎区，其中，所述下磁性钉扎区和所述上磁性钉扎区被合成反铁磁性耦合层分隔开。
3.根据权利要求1所述的顶部钉扎MTJ堆叠，其中，所述晶粒生长控制层由有利于具有所述FCC纹理或所述HCP纹理的磁性材料的形成的金属组成。
4.根据权利要求3所述的顶部钉扎MTJ堆叠，其中，有利于具有所述FCC纹理或所述HCP纹理的磁性材料的形成的所述金属包括铑(Rh)、钆(Gd)、钬(Ho)、钽(Ta)、铪(Hf)或钨(W)。
5.根据权利要求1所述的顶部钉扎MTJ堆叠，其中，所述晶粒生长控制层具有0.05nm至2nm的厚度。
6.根据权利要求1所述的顶部钉扎MTJ堆叠，其中，所述第一磁性钉扎层由钴-铁-硼(Co-Fe-B)合金或包含附加铁的Co-Fe-B合金多层堆叠组成。
7.根据权利要求6所述的顶部钉扎MTJ堆叠，进一步包括：存在于所述Co-Fe-B合金多层堆叠中的金属插入层，其中所述金属插入层包括钨(W)、钽(Ta)、铱(Ir)或铽(Tb)。
8.根据权利要求1所述的顶部钉扎MTJ堆叠，其中，所述第二磁性钉扎层由钴(Co)和铂(Pt)的多层或超晶格、钴(Co)和钯(Pd)的多层或超晶格、或者钴(Co)、镍(Ni)和铂(Pt)的多层或超晶格组成。
9.一种自旋转移矩磁阻随机存取存储器(STT MRAM)装置，包括：
顶部钉扎磁性隧道结(MTJ)堆叠，其位于底电极上，其中所述顶部钉扎MTJ堆叠包括：
磁性自由层，其具有体心立方(BCC)纹理；
隧道势垒层，其具有BCC纹理并位于所述磁性自由层上；以及
磁性钉扎分层结构，其位于所述隧道势垒层上，其中，所述磁性钉扎分层结构从底部到顶部包括具有BCC纹理的第一磁性钉扎层、晶粒生长控制层和具有面心立方(FCC)纹理或六方密堆积(HCP)纹理的第二磁性钉扎层。
10.根据权利要求9所述的STT MRAM装置，其中，所述第二磁性钉扎层包括下磁性钉扎区和上磁性钉扎区，其中所述下磁性钉扎区和所述上磁性钉扎区被合成反铁磁性耦合层分隔开。
11.根据权利要求9所述的STT MRAM装置，其中，所述晶粒生长控制层由有利于具有所述FCC纹理或所述HCP纹理的磁性材料的形成的金属组成。
12.根据权利要求11所述的STT MRAM装置，其中，有利于具有所述FCC纹理或所述HCP纹理的磁性材料的形成的所述金属包括铑(Rh)、钆(Gd)、钬(Ho)、钽(Ta)、铪(Hf)或钨(W)。
13.根据权利要求9所述的STT MRAM装置，其中，所述晶粒生长控制层具有0.05nm至2nm的厚度。
14.根据权利要求9所述的STT MRAM装置，其中，所述第一磁性钉扎层由钴-铁-硼(Co-Fe-B)合金或包含附加铁的Co-Fe-B合金多层堆叠组成。
15.根据权利要求14所述的STT MRAM装置，进一步包括：存在于所述Co-Fe-B合金多层堆叠中的金属插入层，其中所述金属插入层包括钨(W)、钽(Ta)、铱(Ir)或铽(Tb)。
16.根据权利要求9所述的STT MRAM装置，其中，所述第二磁性钉扎层由钴(Co)和铂(Pt)的多层或超晶格、钴(Co)和钯(Pd)的多层或超晶格、或者钴(Co)、镍(Ni)和铂(Pt)的多层或超晶格组成。
17.一种形成顶部钉扎磁性隧道结(MTJ)堆叠的方法，所述方法包括：
在具有体心立方(BCC)纹理的磁性自由层上形成具有BCC纹理的隧道势垒层；
在所述隧道势垒层上形成具有BCC纹理的第一磁性钉扎层，
在所述第一磁性钉扎层上沉积晶粒生长控制层，其中所述晶粒生长控制层有利于具有面心立方(FCC)纹理或六方密堆积(HCP)纹理的磁性材料的形成；以及
在所述晶粒生长控制层上形成具有所述FCC纹理或所述HCP纹理的第二磁性钉扎层，其中在沉积了所述晶粒生长控制层之后执行原位退火。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，在沉积了所述晶粒生长控制层之后但在形成所述第二磁性钉扎层之前执行所述原位退火。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，在沉积了所述晶粒生长控制层之后并且在形成所述第二磁性钉扎层的至少一部分之后执行所述原位退火。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述晶粒生长控制层由铑(Rh)、钆(Gd)、钬(Ho)、钽(Ta)、铪(Hf)或钨(W)组成，并且具有0.05nm至2nm的厚度。
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