TW202121709A

TW202121709A - 磁性接面、用於提供所述磁性接面的方法以及磁性裝置

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Publication number: TW202121709A
Application number: TW109134937A
Authority: TW
Inventors: 義克提阿無; 鄭在佑; 默罕馬托爾菲克昆恩比; 學體唐
Original assignee: 南韓商三星電子股份有限公司
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2021-06-01
Also published as: JP2021082814A; KR20210064025A; EP3826014B1; EP3826014A1; US11251366B2; CN112838160A; US20210159402A1

Abstract

本發明闡述一種可在磁性裝置中使用的磁性接面以及一種用於提供磁性接面的方法。所述磁性接面包括自由層及所述自由層上的氧化物夾層。所述氧化物夾層包含至少一種玻璃形成劑。在一些態樣中，所述磁性接面包括參考層及所述參考層與所述自由層之間的非磁性間隔件層。所述自由層在所述非磁性間隔件層與所述氧化物夾層之間。

Description

磁性接面、用於提供所述磁性接面的方法以及磁性裝置

本發明是關於一種磁性接面、一種用於提供所述磁性接面的方法以及一種磁性裝置。

例如磁性隨機存取記憶體（magnetic random access memory，MRAM）等的磁性記憶體利用磁性材料作為資訊記錄介質來儲存資訊。例如，在MRAM（例如自旋轉移力矩MRAM（spin transfer torque MRAM，STT-MRAM））中可使用磁性穿隧接面（magnetic tunneling junction，MTJ）。MTJ通常位於基板上，且包括參考層、自由層及參考層與自由層之間的穿隧障壁層。參考層及自由層是磁性的。參考層的磁矩固定或釘紮於特定方向上。自由層具有可變的磁矩。MTJ下方的底部觸點及MTJ上的頂部觸點用於在STT-MRAM中沿電流垂直平面（current-perpendicular-to-plane，CPP）方向驅動電流通過MTJ。當在垂直於平面的一個方向（例如，自上至下）驅動足夠的電流時，自由層磁矩切換成平行於參考層的磁矩。當沿相反的方向（例如，自下至上）驅動足夠的電流時，自由層磁矩切換成反平行於參考層的磁矩。不同的磁性配置對應於MTJ的不同的磁阻及因此不同的邏輯狀態（例如邏輯「0」及邏輯「1」）。

由於磁性記憶體在各種應用中的使用潛力，對磁性記憶體的研究正在進行。因此，需要一種可改良磁性接面的效能的方法及系統。

本發明的一個實施例是一種磁性接面，包括：自由層；以及氧化物夾層，在所述自由層上，所述氧化物夾層包含至少一種玻璃形成劑。

本發明的另一實施例是一種磁性裝置，包括：多個磁性接面，所述多個磁性接面中的每一者包括參考層、非磁性間隔件層、自由層及所述自由層上的氧化物夾層，所述非磁性間隔件層在所述參考層與所述自由層之間，所述自由層在所述非磁性間隔件層與所述氧化物夾層之間，所述氧化物夾層包含至少一種玻璃形成劑；以及多個導電線，與所述多個磁性接面耦合。

本發明的另一實施例是一種用於提供磁性接面的方法，包括：提供參考層；提供非磁性間隔件層；提供自由層；以及在所述自由層上提供氧化物夾層，所述氧化物夾層包含至少一種玻璃形成劑。

本發明可以眾多方式來實作，包括作為製程、設備、系統、物質的組成。在本說明書中，該些實施方案或者本發明可採取的任何其他形式可被稱為技術。一般而言，在本發明的範圍內，可更改所揭露的製程的步驟次序。

以下結合說明本發明原理的附圖來提供本發明的一或多個實施例的詳細說明。結合此些實施例闡述了本發明，但本發明並非僅限於任何實施例。本發明的範圍僅由申請專利範圍限制，且本發明囊括眾多替代方案、潤飾及等效物。在以下說明中陳述眾多具體細節，以提供對本發明的透徹理解。該些細節是出於實例的目的而提供，且本發明可根據申請專利範圍在沒有該些具體細節中的一些或全部的情況下實踐。為清楚起見，未詳細闡述在與本發明相關的技術領域中已知的技術材料，以免使本發明不必要地模糊不清。

在特定方法、具有某些組件的特定磁性接面及磁性記憶體的情境中闡述示例性實施例。本文中所述的技術與具有與本發明不矛盾的其他及/或附加組件及/或其他特徵的磁性接面及磁性記憶體的使用相一致。亦在當前對自旋轉移現象、磁各向異性及其他物理現象的理解的情境中闡述所述方法及系統。因此，基於當前對自旋轉移、磁各向異性及其他物理現象的此種理解，對所述方法及系統的行為進行了理論解釋。然而，本文中所述的技術不依賴於特定的物理解釋。在結構與基板具有特定關係的情境中闡述實施例。然而，實施例與其他結構相一致。另外，在某些層是合成的層及/或簡單的層的情境中闡述實施例。然而，此項技術中具有通常知識者將容易認識到，所述層可具有另一種結構。此外，在具有特定層的磁性接面及/或子結構的情境中闡述所述技術。然而，亦可使用具有與所述方法及系統不矛盾的附加及/或不同層的磁性接面及/或子結構。此外，某些組件被闡述為磁性的、鐵磁性的及次鐵磁性的。本文所使用的用語「磁性」可包括鐵磁性結構、次鐵磁性結構或類似結構。因此，本文所使用的用語「磁性的」或「鐵磁性的」包括但不限於鐵磁體及次鐵磁體。本文所使用的「平面內」實質上在磁性接面的各層中的一或多個層的平面內或平行於所述平面。相反地，「垂直」及「垂直於平面」對應於實質上與磁性接面的各層中的一或多個層垂直的方向。亦在某些合金的情境中闡述所述方法及系統。除非另有規定，否則若未提及合金的具體濃度，則可使用與所述技術不矛盾的任何化學計量。另外，本文闡述了各種實施例。所闡述的組件可用未示出且不與所述方法及系統矛盾的方式加以組合。

圖1繪示磁性接面100的實施例。為清楚起見，圖1未按比例繪製。磁性接面100可用於磁性裝置（例如STT-MRAM、自旋軌道力矩MRAM（spin-orbit torque MRAM，SOT-MRAM））、邏輯裝置、其他積體電路中，且因此用於各種電子裝置中。磁性接面100形成於基板101上，且包括可選的晶種層102、具有磁矩112的參考層110、非磁性間隔件層120、可選的潤濕劑125、具有磁矩132的自由層130、氧化物夾層140及可選的頂蓋層150。在一些實施例中，頂蓋層150是金屬層。未示出但可形成底部觸點及頂部觸點。類似地，可存在但為簡單起見未示出極化增強層及其他層。如在圖1中可見，磁性接面100是底部釘紮式磁性接面（bottom pinned magnetic junction）。因此，參考層110較自由層130更靠近下伏基板（圖1中未示出）。

參考層110是磁性的。在所示實施例中，參考層110具有高垂直磁各向異性。因此，參考層110的垂直磁各向異性能量大於參考層110的平面外去磁能量（out-of-plane demagnetization energy）。因此，參考層磁矩112是垂直於平面而取向。在其他實施例中，參考層110可不具有高垂直磁各向異性。例如，在一些實施例中，參考層110可具有平面內磁矩。可使用可選的釘紮層（圖中未示出）來固定參考層110的磁矩112。在一些實施例中，可選的釘紮層可為藉由交換偏壓相互作用（exchange-bias interaction）來釘紮磁化的反鐵磁（antiferromagnetic，AFM）層或多層。在一些實施例中，可選的釘紮層可包括高各向異性磁性層（例如，一或多個CoPt層及/或CoPd層），所述高各向異性磁性層藉由誘導反鐵磁配置的金屬間隔件層而耦合，因此（作為整體）形成合成反鐵磁（synthetic antiferromagnetic，SAF）參考層。然而，在其他實施例中，可省略可選的釘紮層，或者可使用另一種結構。在一些實施例中，參考層110在被沈積時不包含玻璃形成劑。

非磁性間隔件層120在參考層110與自由層130之間。在一些實施例中，非磁性間隔件層120是穿隧障壁層。例如，非磁性間隔件層120可為結晶MgO層。在其中非磁性間隔件層120是穿隧障壁層的一些實施例中，非磁性間隔件層120的電阻較氧化物夾層140的電阻高得多。然而，可對非磁性間隔件層120使用其他材料。例如，非磁性間隔件層120可為導電的、半導電的或者具有另一種結構。

自由層130可製備於潤濕劑（例如原子層潤濕劑125）上。此種潤濕劑125可包含3d過渡元素（例如V、Cr、Mn、Fe、Co及/或Ni）或由所述3d過渡元素組成，所述3d過渡元素暴露於氧（例如氧化處理）及/或暴露於提供類似潤濕功能的另一種氣態元素或化合物。潤濕劑125的形成是在自由層沈積之前執行。原子層潤濕劑125可沈積或製備於非磁性間隔件層120上。在一些實施例中，潤濕劑125較二個原子層薄（例如，厚度小於2埃）。此潤濕劑125的此種厚度可使得能夠存在不連續層，所述不連續層使得氧原子能夠位於最接近的預沈積鐵磁原子之間/之中的空隙中。在一些實施例中，可省略潤濕劑125。

自由層130是磁性的。因此，自由層130可包含鐵磁材料（例如Fe、Co、CoFe、Co系何士勒合金（Co-based Heusler alloy）及/或Mn系何士勒合金）或由所述鐵磁材料組成。在一些實施例中，可使用其他及/或附加的材料。例如，在一些實施例中，在自由層130中可包含鐵磁材料及非磁性材料。在所示實施例中，自由層130具有高垂直磁各向異性。自由層130的垂直磁各向異性能量大於自由層130的平面外去磁能量。因此，自由層磁矩132是垂直於平面而取向。在其他實施例中，自由層130可不具有高垂直磁各向異性。在一些實施例中，自由層130是薄的。例如，在一些實施例中，自由層130的厚度t可小於30埃。在一些此類實施例中，自由層130的厚度不大於15埃。在一些實施例中，自由層130的厚度可為至少4埃且不大於8埃。然而，可存在其他厚度。

在一些實施例中，自由層130在被沈積時不包含玻璃形成劑（例如硼）。此與在被沈積時包含B的CoFeB自由層形成對比。因此，自由層130可為無硼自由層。換言之，自由層130在被沈積時為無硼的。如此，自由層130在被沈積時可並非是完全非晶的。而是，被沈積的自由層130可為結晶的或者為奈米晶體與非晶基質的混合物。本文中關於自由層所使用的用語「在被沈積時為結晶的」指示自由層在被沈積時是至少部分結晶的。在一些實施例中，在被沈積時為結晶的自由層在被沈積時為大部分結晶的（例如，多於一半為結晶的或為奈米晶體）。在一些此類實施例中，被沈積的自由層被認為是完全結晶的。儘管以下在無硼自由層的情境中進行闡述，然而在一些實施例中，本文所闡述的自由層當被沈積時可為無其他及/或所有玻璃形成組分。例如，自由層130可不包含B、C及可用於提供在被沈積時為非晶的層的其他玻璃形成材料。因此，本文所使用的「被稱為無玻璃形成組分的層」在被沈積時不包含玻璃形成組分。然而，在一些實施例中，自由層130可包含一或多種玻璃形成劑。

氧化物夾層140在自由層130上。在一些實施例中，氧化物夾層140鄰接自由層130，或者與自由層130共享介面。在一些實施例中，在自由層130與氧化物夾層140之間可具有一或多個中間層。氧化物夾層140是包含一或多種玻璃形成劑的氧化物。在一些實施例中，氧化物夾層140是一或多種金屬（例如Mg、Ti、Ta、Zr、Hf、V及/或Nb）的氧化物。在一些此類實施例中，Ta、Zr及/或Hf的氧化物可形成氧化物夾層140的一部分。玻璃形成劑可包括Si、Be、B、Al、P及Ga中的一或多種。在一些實施例中，作為Si、Be、B、Al、P及/或Ga的補充或替代，可使用其他玻璃形成劑。在一些實施例中，氧化物夾層140包含不大於50原子%且大於0原子%的玻璃形成劑。在一些實施例中，氧化物夾層140包含不大於30原子%的玻璃形成劑。在一些實施例中，氧化物夾層140包含至少5原子%的玻璃形成劑。然而，可存在其他化學計量。

玻璃形成劑的存在使得原本是結晶的材料能夠具有更非晶（例如類玻璃）的結構。因此，氧化物夾層140可為至少部分非晶的。在一些實施例中，氧化物夾層140是大部分（多於一半）非晶的。在一些實施例中，氧化物夾層140可被認為是完全非晶的。本文在闡述包含玻璃形成劑的氧化物層時所使用的「非晶」包括部分非晶的、大部分非晶的及完全非晶的。因此，氧化物夾層140包含玻璃形成劑，且是非晶的。

氧化物夾層140亦可為薄的。在一些實施例中，氧化物夾層140的厚度不大於20埃。在一些實施例中，氧化物夾層140的厚度小於15埃。在一些實施例中，氧化物夾層140的厚度不大於12埃。例如，氧化物夾層140的厚度可為至少6埃且不大於12埃。在一些實施例中，氧化物夾層140的厚度不大於8埃。

氧化物夾層140可改良磁性接面100的效能。在自由層130是無玻璃形成劑的自由層（例如無硼自由層）的情況下，此種改良可具有特定的效用。氧化物夾層140可為平滑、連續、穩定、非晶且薄的。氧化物夾層140可具有較不包含玻璃形成劑的氧化物層降低的粗糙度、更少的針孔及/或更少的空隙。在氧化物夾層140中使用玻璃形成劑可有效地獲得更穩定的非晶態。此種高品質的薄氧化物層可防止或抑制自氧化物夾層140上方的層（例如金屬頂蓋層150）及/或自氧化物夾層140本身向自由層130中的元素擴散，反之亦然。例如，可減少或防止Ti、Ta、Zr、Hf、V及/或Nb的擴散。由於氧化物夾層140是非晶的，因此可減輕或消除相對於下伏結晶層（例如無硼自由層130）的晶格失配。平滑、連續且穩定的層亦可改良其所提供的連接的電性性質。因此，可獲得自由層130的高穿隧磁阻（tunneling magnetoresistance，TMR）及低阻尼。因此，氧化物夾層140可具有改良的穩定性、品質（例如，增加的穩定性及/或更少的或沒有空隙及/或針孔）及薄度。氧化物夾層140亦可減少層130、140及/或150之間的相互擴散，並減輕晶格失配。自由層130及磁性接面100的性質可因此得以改良。

金屬頂蓋層150可為單個金屬頂蓋層、雙層、三層、另一多層或者具有另一種結構。可在金屬頂蓋層150中使用的一些材料類別包括耐火金屬或高熔點金屬（例如W、Mo、Ta、Nb、Ru、Ir、Re、Os、Ti、V、Cr、Zr及/或Hf）、包含玻璃形成劑的金屬合金、CoFeB或CoFeB-M（其中M包括一或多種耐火金屬）及氮化物（例如TaN、TiN、MoN、VN、MnN、NbN、ZrN、HfN及/或AlN）。在一些實施例中，將該些材料類別中的至少二種組合以形成金屬頂蓋層150。

圖2是繪示用於提供具有包含玻璃形成劑的氧化物夾層且可在磁性裝置（例如使用自旋轉移力矩可程式化的磁性記憶體）中使用的磁性接面的方法200的實施例的流程圖。為簡單起見，一些製程部分可被省略、以另一種次序執行、包括子步驟及/或被組合。此外，方法200可在已執行了形成磁性接面的其他製程之後開始。一般而言，將用於磁性接面的各層沈積成堆疊，可使堆疊經歷例如某種程度的退火等製程，在堆疊上提供並以微影方式界定罩幕層，且藉由蝕刻堆疊的層的由罩幕暴露出的部分來界定磁性接面的邊緣。因此，方法200中的各製程可為交錯的。

在202處，提供參考層。在一些實施例中，202包括沈積用於參考層的材料。在一些實施例中，參考層是多層，例如包括夾著非磁性層的二個磁性層的合成參考層。因此，在此類實施例中，202包括沈積多個層。在204處，提供非磁性間隔件層。作為實例，204可包括沈積MgO或其他氧化物層並藉由退火使其結晶。在一些實施例中，作為204的一部分，可沈積其他材料。

在206處，提供自由層。在一些實施例中，步驟206包括提供潤濕層並在潤濕層上沈積自由層材料。因此，206可包括沈積大約二個3d過渡金屬原子層，並執行熱處理以提供潤濕層。此製程之後將形成自由層。另外，206可包括沈積無玻璃形成劑的自由層。因此，在206處沈積的自由層材料在被沈積時可為結晶的且無玻璃形成劑。在一些實施例中，206包括沈積例如Fe、Co、CoFe、Co系何士勒合金及/或Mn系何士勒合金等材料。

在208處，在自由層上提供包含玻璃形成劑的氧化物夾層。在一些實施例中，208包括沈積包含玻璃形成劑的金屬層並將所述層氧化。如上所述，可在製程中稍後的某一時間界定參考層、非磁性間隔件層、自由層及氧化物頂蓋層的邊緣。因此，202、204、206及208的部分可在不同的時間執行。在一些實施例中，208包括沈積具有玻璃形成元素的氧化物層。在210處，完成製作。因此，製造了附加的結構，例如金屬頂蓋層、絕緣層及/或裝置中所使用的其他結構。亦可提供例如退火或其他處理等的其他製程。

例如，在202處，可提供用於參考層110的磁性及/或其他材料。在204處，沈積用於非磁性間隔件層120的氧化物或其他材料。在206處，沈積自由層130。在208處，沈積氧化物夾層140。作為210的一部分，可形成頂蓋層150。作為202、204、206、208及210的一部分，提供在期望移除組件110、120、130、140及150的層之處具有開孔的罩幕（例如，硬罩幕）。所述罩幕可用於蝕刻組件110、120、130、140及150的層的被暴露部分，並形成磁性接面100。因此，可提供磁性接面100，並達成其益處。

圖3是繪示用於提供包含玻璃形成劑且可在磁性接面中使用的氧化物夾層的方法300的實施例的流程圖。因此，可在方法200的208中使用方法300。為簡單起見，一些製程可被省略，以另一種次序執行，包括子步驟及/或被組合。此外，方法300可在已執行了形成磁性接面的其他步驟之後開始。圖4A至圖4C繪示在形成包含玻璃形成劑的氧化物夾層期間磁性接面400的一部分的實施例。因此，在裝置400的情境中闡述方法300。然而，在一些實施例中，可形成其他裝置。

在302處，沈積包含至少一種金屬及至少一種玻璃形成劑的金屬層。在一些實施例中，所述層是非晶的。在一些實施例中，在302處，沈積二元金屬/玻璃形成劑層。在一些實施例中，在302處沈積的層是合金。在一些實施例中，在302處沈積的層可為非晶二元合金層，例如Mg-X、Ti-X、Ta-X、Zr-X、Hf-X、V-X及Nb-X，其中X是玻璃形成劑。在一些實施例中，玻璃形成劑小於或等於合金的50原子%。在一些實施例中，玻璃形成劑不大於合金的30原子%。在一些實施例中，玻璃形成元素是合金的至少5原子%。然而，可存在其他化學計量。

圖4A繪示在302之後的磁性元件400的一部分。因此，示出下伏的非磁性間隔件層420及自由層430。分別示出非磁性間隔件層420及自由層430的單獨組分422（淺灰色圓圈）及432（深灰色圓圈）。儘管非磁性間隔件層420的組分422被繪示為相同的，然而組分422可代表多種不同的元素，例如Mg及O。類似地，儘管自由層430的組分432被示為相同的，然而組分432可代表不同的元素，例如Co及Fe。在所示實施例中，層420及430是結晶的。因此，自由層430在被沈積時可為無玻璃形成劑（例如無硼）的自由層。在圖4A中亦繪示非晶金屬/玻璃形成劑層440。金屬/玻璃形成劑層440包含金屬組分442（大的白色圓圈）及玻璃形成劑組分444（小的白色圓圈）。在一些實施例中，組分442繪示單一金屬（例如Ti），且組分444繪示單一玻璃形成劑（例如B）。在此類實施例中，層440是二元層。在其他實施例中，組分442可繪示多種金屬，及/或組分444繪示多種玻璃形成劑。

在304處，對金屬/玻璃形成劑層440執行自然氧化或反應性氧化。可在單個氧化步驟中或者藉由多個氧化步驟執行所述氧化。另外，在306處，可重複302處的沈積及/或304處的氧化，以提供所期望厚度的氧化物夾層。圖4B繪示在304及/或306處的氧化之後的磁性接面400。因此，層440’包含氧446（小的黑色圓圈）。在一些實施例中，304及/或306可包括將磁性接面400退火。在一些實施例中，在製程中稍後將磁性接面400退火。例如，可在金屬頂蓋層形成之後或在裝置圖案化/製作之後執行退火或熱處理。在一些實施例中，作為304/306處的退火製程的一部分，對磁性接面進行熱處理。圖4C繪示在退火中熱處理或部分氧化之後的磁性接面400。因此，形成了包含玻璃形成劑444的氧化物夾層440’’。氧446分佈於氧化物夾層440’’中。因此，已形成穩定的非晶氧化物夾層440’’。在一些情形中，一些玻璃形成元素444可稍微擴散至自由層430’中。然而，如圖4C所示，預計所述擴散是相對微小的。在308處，亦可提供附加層，例如金屬頂蓋層。

因此，使用方法300，可為例如磁性接面400等的磁性接面形成例如氧化物夾層440’’等的氧化物夾層。如此形成的氧化物夾層440’’可為薄、穩定、非晶且連續的。氧化物夾層440’’的電阻可較非磁性間隔件層420低得多。例如，氧化物夾層440’’可具有與非磁性間隔件層420的電阻相較可忽略不計的電阻。因此，可改良例如TMR、穩定性（例如擴散的減少）及磁阻尼等的性質。因此，可改良如此形成的磁性接面（例如磁性接面400）的效能。

圖5是繪示用於提供包含玻璃形成劑且可在磁性接面中使用的氧化物夾層的方法500的實施例的流程圖。因此，方法500可在方法200的208中使用。為簡單起見，一些製程可被省略，以另一種次序執行，包括子步驟及/或被組合。此外，方法500可在已執行了形成磁性接面的其他步驟之後開始。

在502處，可提供包含玻璃形成劑的氧化物層。在一些實施例中，502包括濺鍍包含玻璃形成劑（例如，Si、Be、B、Al、P及/或Ga）的氧化物靶（例如，MgO、TiOx、TaOx、ZrOx、HfOx、VOx及/或NbOx，其中Ox指示氧化物）。在一些實施例中，玻璃形成劑小於或等於氧化物靶的50原子%。在一些實施例中，玻璃形成劑不大於氧化物靶的30原子%。在一些實施例中，玻璃形成劑是氧化物靶的至少5原子%。然而，可存在其他化學計量。因此，形成包含玻璃形成劑的氧化物夾層。在504處，亦可提供附加層，例如金屬頂蓋層。

使用方法500，可為例如磁性接面100及/或400等的磁性接面形成例如氧化物夾層140及/或440’’等的氧化物夾層。所形成的氧化物夾層可為薄、穩定、非晶且連續的。氧化物夾層140及/或440’’的電阻可較非磁性間隔件層120低得多。例如，氧化物夾層140及/或440’’可具有與非磁性間隔件層120及/或420的電阻相較可忽略不計的電阻。因此，可改良例如TMR、穩定性（例如擴散的減少）及磁阻尼等的性質。因此，可改良如此形成的磁性接面（例如磁性接面100及/或400）的效能。

圖6繪示具有包含玻璃形成劑的氧化物夾層的磁性接面600的另一實施例。為清楚起見，圖6未按比例繪製。磁性接面600可用於磁性裝置（例如STT-MRAM、自旋軌道力矩MRAM（SOT-MRAM））、邏輯裝置、其他積體電路中，且因此用於各種電子裝置中。磁性接面600位於基板601上，且包括可選的晶種層602、具有磁矩612的參考層610、具有磁矩632的自由層630、氧化物夾層640及可選的頂蓋層650。在一些實施例中，頂蓋層650是金屬層。未示出但可形成底部觸點及頂部觸點。類似地，可存在但為簡單起見未示出極化增強層及其他層。如在圖6中可見，磁性接面600是頂部釘紮式磁性接面（top pinned magnetic junction）。因此，自由層630較參考層610更靠近下伏基板（圖6中未示出）。

參考層610是磁性的，且類似於參考層110。因此，參考層610可具有超過平面外去磁能量的垂直磁各向異性。自由層630類似於自由層130。因此，自由層630可為無玻璃形成劑的自由層。因此，自由層630可為結晶的。因此，晶種層602可因此包含凝固劑。自由層630是磁性的，且可包含鐵磁材料（例如Fe、Co、CoFe、Co系何士勒合金及/或Mn系何士勒合金）或者由所述鐵磁材料組成。在一些實施例中，可使用其他及/或附加的材料。在所示實施例中，自由層630具有高垂直磁各向異性。在一些實施例中，自由層630為薄的。例如，在一些實施例中，自由層630的厚度t可小於30埃。在一些此類實施例中，自由層630的厚度不大於15埃。在一些實施例中，自由層630的厚度可為至少4埃且不大於8埃。然而，可存在其他厚度。在一些實施例中，自由層630在被沈積時不包含玻璃形成劑，例如硼。如此，自由層630在被沈積時可為結晶的。

氧化物夾層640在自由層630上，且亦用作穿隧障壁層。氧化物夾層640亦包含如關於氧化物夾層140及440’’所論述的玻璃形成劑。因此，氧化物夾層640類似於氧化物夾層140及440’’。然而，亦期望氧化物夾層640能夠在參考層610與自由層630之間形成穿隧磁阻。在一些實施例中，氧化物夾層640是一或多種金屬（例如Mg、Ti、Ta、Zr、Hf、V及/或Nb）的氧化物。在一些此類實施例中，Ta、Zr及/或Hf的氧化物可形成氧化物夾層640的一部分。玻璃形成劑可包括Si、Be、B、Al、P及Ga中的一或多種。在一些實施例中，氧化物夾層640包含不大於50原子%且大於0原子%的玻璃形成劑。在一些實施例中，氧化物夾層640包含不大於30原子%的玻璃形成劑。在一些實施例中，氧化物夾層640包含至少5原子%的玻璃形成劑。然而，可存在其他化學計量。在一些實施例中，可存在包含玻璃形成元素的氧化物夾層660。氧化物夾層660類似於氧化物夾層640，但在可選的晶種層602與自由層630之間。作為氧化物夾層640的補充或代替，可使用氧化物夾層660。在一些實施例中，可省略氧化物夾層660。

氧化物夾層640以及氧化物夾層660可改良磁性接面600的效能。氧化物夾層640可為平滑、連續、穩定、非晶且薄的。氧化物夾層660的電阻可較氧化物夾層640低得多。例如，氧化物夾層660可具有與氧化物夾層640的電阻相較可忽略不計的電阻，氧化物夾層640對應於穿隧障壁層。因此，可改良例如TMR、穩定性（例如擴散的減少）及磁阻尼等的性質。因此，可改良磁性接面600的效能。

圖7繪示具有包含玻璃形成劑的氧化物夾層的磁性接面700的另一實施例。為清楚起見，圖7未按比例繪製。磁性接面700可用於磁性裝置（例如STT-MRAM、自旋軌道力矩MRAM（SOT-MRAM））、邏輯裝置、其他積體電路中，且因此用於各種電子裝置中。磁性接面700位於基板701上，且包括可選的晶種層702、具有磁矩712的參考層710、非磁性間隔件層720、具有磁矩732的自由層730、氧化物夾層740及可選的頂蓋層750。在一些實施例中，頂蓋層750是金屬層。未示出但可形成底部觸點及頂部觸點。類似地，可存在但為簡單起見未示出極化增強層及其他層。參考層710、非磁性間隔件層720及自由層730類似於參考層110/610、非磁性間隔件層120及自由層130/630。因此，自由層730可為無玻璃形成劑的自由層。包括磁矩762的參考層760類似於參考層710。因此，磁性接面700是雙重磁性接面。

氧化物夾層740在自由層730上，且亦用作穿隧障壁層。氧化物夾層740亦包含如關於氧化物夾層140及440’’所論述的玻璃形成劑。因此，氧化物夾層740類似於氧化物夾層140及440’’。然而，亦期望氧化物夾層740能夠在參考層760與自由層730之間形成穿隧磁阻。因此，氧化物夾層740亦類似於氧化物夾層640。在一些實施例中，氧化物夾層740是一或多種金屬（例如Mg、Ti、Ta、Zr、Hf、V及/或Nb）的氧化物。在一些此類實施例中，Ta、Zr及/或Hf的氧化物可形成氧化物夾層740的一部分。玻璃形成劑可包括Si、Be、B、Al、P及Ga中的一或多種。在一些實施例中，氧化物夾層740包含不大於50原子%且大於0原子%的玻璃形成劑。在一些實施例中，氧化物夾層740包含不大於30原子%的玻璃形成劑。在一些實施例中，氧化物夾層740包含至少5原子%的玻璃形成劑。然而，可存在其他化學計量。

氧化物夾層740可改良磁性接面700的效能。氧化物夾層740可為平滑、連續、穩定、非晶且薄的。氧化物夾層740的電阻可較非磁性間隔件層720低得多。例如，氧化物夾層740可具有與非磁性間隔件層720的電阻相較可忽略不計的電阻。因此，可改良例如TMR、穩定性（例如擴散的減少）及磁阻尼等的性質。因此，可改良磁性接面700的效能。

圖8繪示具有包含玻璃形成劑的氧化物夾層的磁性接面800的另一實施例。為清楚起見，圖8未按比例繪製。磁性接面800可用於磁性裝置（例如STT-MRAM、自旋軌道力矩MRAM（SOT-MRAM））、邏輯裝置、其他積體電路中，且因此用於各種電子裝置中。磁性接面800位於基板801上，且包括可選的晶種層802、具有磁矩812的參考層810、非磁性間隔件層820、具有磁矩832的自由層830、氧化物夾層840及可選的頂蓋層850。在一些實施例中，頂蓋層850是金屬層。未示出但可形成底部觸點及頂部觸點。類似地，可存在但為簡單起見未示出極化增強層及其他層。參考層810、非磁性間隔件層820及自由層830類似於參考層110/610/710、非磁性間隔件層120/720及自由層130/630/730。在所示實施例中，自由層830可為無玻璃形成劑的自由層。在一些實施例中，參考層810可無玻璃形成劑。在所示實施例中，基板801可為結晶基板，例如MgO (001)或Si (001)。在一些實施例中，在單晶基板上磊晶生長層802、810、820及830。在此類實施例中，層802、810、820及830沈積時應為單晶的。

氧化物夾層840在自由層830上，且包含如關於氧化物夾層140及440’’所論述的玻璃形成劑。因此，氧化物夾層840類似於氧化物夾層140及440’’。在一些實施例中，氧化物夾層840是一或多種金屬（例如Mg、Ti、Ta、Zr、Hf、V及/或Nb）的氧化物。在一些此類實施例中，Ta、Zr及/或Hf的氧化物可形成氧化物夾層840的一部分。玻璃形成劑可包括Si、Be、B、Al、P及Ga中的一或多種。在一些實施例中，氧化物夾層840包含不大於50原子%且大於0原子%的玻璃形成劑。在一些實施例中，氧化物夾層840包含不大於30原子%的玻璃形成劑。在一些實施例中，氧化物夾層840包含至少5原子%的玻璃形成劑。然而，可存在其他化學計量。

亦明確示出潤濕層822。潤濕層822可藉由濺鍍、物理氣相沈積（physical vapor deposition，PVD）或其他適當的製程來提供，且用於無玻璃形成劑的自由層830。儘管被繪示為連續層，然而潤濕層822不必如此。潤濕層822包含可用作後續磁性層的前驅物的材料。潤濕層822可包含3d過渡金屬及/或其合金或者由3d過渡金屬及/或其合金組成。例如，潤濕層822可包含元素Fe、元素Co、元素Ni、元素Mn、含Fe合金（例如CoFe）、含Co合金（例如CoFe）、含Ni合金及含Mn合金中的至少一種。可選地，作為潤濕層822的一部分，可視需要包含其他材料。然而，可自潤濕層822省略後續無玻璃形成劑的層中未包含的任何元素。在一些實施例中，用於潤濕層822的材料是磁性的。潤濕層822亦為薄的。在一些實施例中，潤濕層厚度為至少0.25個單層且不大於三個單層。在一些情形中，厚度可為至少0.5個單層且不大於二個單層。在一些此類實施例中，潤濕層822具有至少0.75個單層且不大於1.25個單層的厚度。小數單層對應於其中具有孔的單層—亦即，不完整的單個層。

氧化物夾層840可改良磁性接面800的效能。氧化物夾層840可為平滑、連續、穩定、非晶且薄的。氧化物夾層840的電阻可較非磁性間隔件層820低得多。例如，氧化物夾層840可具有與非磁性間隔件層820的電阻相較可忽略不計的電阻。因此，可改良例如TMR、穩定性（例如擴散的減少）及磁阻尼等的性質。因此，可改良磁性接面800的效能。

圖9繪示具有包含玻璃形成劑的氧化物夾層的磁性接面900的另一實施例。為清楚起見，圖9未按比例繪製。磁性接面900可用於磁性裝置（例如STT-MRAM、自旋軌道力矩MRAM（SOT-MRAM））、邏輯裝置、其他積體電路中，且因此用於各種電子裝置中。磁性接面900位於基板901上，且包括可選的晶種層902、具有磁矩912的參考層910、非磁性間隔件層920、可選的潤濕層922、混合自由層930、氧化物夾層940及可選的頂蓋層950。在一些實施例中，頂蓋層950是金屬層。未示出但可形成底部觸點及頂部觸點。類似地，可存在但為簡單起見未示出極化增強層及其他層。參考層910、非磁性間隔件層920及可選的潤濕層922類似於參考層110/610/710/810、非磁性間隔件層120/720/820及可選的潤濕層822。在一些實施例中，參考層910可無玻璃形成劑。

在所示實施例中，自由層930是包括層934、940及936的混合自由層。第一自由層934具有磁矩932，而第二自由層936具有磁矩938。第一自由層934與第二自由層936藉由氧化物層940而磁性耦合。因此，當磁性接面900為靜態（例如未被寫入）時，磁矩932及938平行對齊。第一自由層934類似於自由層130/630/730/830。因此，第一自由層934可為無玻璃形成劑的自由層。氧化物夾層940類似於氧化物夾層140、640、740及/或840。因此，氧化物夾層940在第一自由層934上，且包含如關於氧化物夾層140及440’’所論述的玻璃形成劑。因此，氧化物夾層940類似於氧化物夾層140及440’’。在一些實施例中，氧化物夾層940是一或多種金屬（例如Mg、Ti、Ta、Zr、Hf、V及/或Nb）的氧化物。在一些此類實施例中，Ta、Zr及/或Hf的氧化物可形成氧化物夾層940的一部分。玻璃形成劑可包括Si、Be、B、Al、P及Ga中的一或多種。在一些實施例中，氧化物夾層940包含不大於50原子%且大於0原子%的玻璃形成劑。在一些實施例中，氧化物夾層940包含不大於30原子%的玻璃形成劑。在一些實施例中，氧化物夾層940包含至少5原子%的玻璃形成劑。然而，可存在其他化學計量。此外，氧化物夾層940在第一自由層934與第二自由層936之間形成耦合層。可視需要配置第二自由層936。例如，第二自由層936可為CoFeB自由層。

薄的非磁性間隔件層960可為絕緣體或導電的。例如，薄的非磁性間隔件層960可為氧化物或金屬。薄的非磁性間隔件層960的電阻顯著小於非磁性間隔件層920的電阻。在一些實施例中，與非磁性間隔件層920的電阻相較，薄的非磁性間隔件層960的電阻可忽略不計。

氧化物夾層940可改良磁性接面900的效能。氧化物夾層940可為平滑、連續、穩定、非晶且薄的。氧化物夾層940的電阻可較非磁性間隔件層920低得多。例如，氧化物夾層940可具有與非磁性間隔件層920的電阻相較可忽略不計的電阻。因此，可改良例如TMR、穩定性（例如擴散的減少）及磁阻尼等的性質。因此，可改良磁性接面900的效能。

圖10繪示記憶體1000的示例性實施例，記憶體1000可使用具有包含玻璃形成劑的氧化物層的磁性接面。記憶體1000可使用磁性接面100、400/400’/400’’、600、700、800、900及/或包含具有玻璃形成劑的氧化物層的其他磁性接面中的一或多者。在其他實施例中，所述記憶體可具有不同的配置及/或利用不同的機制來對磁性接面進行讀取及/或寫入。磁性記憶體1000包括讀取/寫入行選擇驅動器1002及1006以及字元線選擇驅動器1004。注意，可提供其他及/或不同的組件。記憶體1000的儲存區包括磁性儲存單元1010。每一磁性儲存單元包括至少一個用作記憶體元件（例如用以儲存資料）的磁性接面1012及至少一個選擇裝置1014。選擇裝置1014由線1005賦能，而線1003用於磁性接面1012。在一些實施例中，選擇裝置1014是電晶體。磁性接面1012可為磁性接面100、400/400’/400’’、600、700、800、900及/或包含具有玻璃形成劑的氧化物層的其他磁性接面之一。儘管每單元1010示出一個磁性接面1012，然而在其他實施例中，每單元可提供另一數目的磁性接面1012。如此，磁性記憶體1000可享有上述益處。

儘管為清楚理解起見，已詳細闡述了前述實施例，然而本發明並非僅限於所提供的細節。存在許多實作本發明的替代方式。所揭露的實施例是說明性而非限制性的。

100、600、700、800、900、1012:磁性接面 101、601、701、801、901:基板 102、702、902:可選的晶種層 110:參考層/組件 112、132、612、632、712、732、762、812、832、912、932、938:磁矩 120:非磁性間隔件層/組件 125:可選的潤濕劑/潤濕劑/原子層潤濕劑 130:自由層/層/組件/無硼自由層 140:氧化物夾層/層/組件 150:可選的頂蓋層/頂蓋層/金屬頂蓋層/層/組件 200、300、500:方法 202、204、206、208、210、302、304、306、308、502、504:步驟 400:磁性接面/裝置/磁性元件 420、820:非磁性間隔件層/層 422、432:組分 430、830:自由層/層 430’、630、730:自由層 440:非晶金屬/玻璃形成劑層/金屬/玻璃形成劑層/層 440’:層 440’’、640、660、740、840:氧化物夾層 442:金屬組分/組分 444:玻璃形成劑組分/組分/玻璃形成劑/玻璃形成元素 446:氧 602:可選的晶種層/晶種層 610、710、760、910:參考層 650、750、950:可選的頂蓋層/頂蓋層 720、920:非磁性間隔件層 802:可選的晶種層/層 810:參考層/層 822:潤濕層/可選的潤濕層 850:可選的頂蓋層/頂蓋層 922:可選的潤濕層 930:混合自由層/自由層 934:層/第一自由層 936:層/第二自由層 940:氧化物夾層/氧化物層/層 960:薄的非磁性間隔件層 1000:記憶體 1002、1006:讀取/寫入行選擇驅動器 1003、1005:線 1004:字元線選擇驅動器 1010:磁性儲存單元/單元 1014:選擇裝置

在以下詳細說明及附圖中揭露本發明的各種實施例。圖1繪示具有包含玻璃形成劑的氧化物夾層且可在磁性裝置（例如使用自旋轉移力矩可程式化的磁性記憶體）中使用的磁性接面的實施例。圖2是繪示用於提供具有包含玻璃形成劑的氧化物夾層且可在磁性裝置（例如使用自旋轉移力矩可程式化的磁性記憶體）中使用的磁性接面的方法的實施例的流程圖。圖3是繪示用於提供包含玻璃形成劑且可在磁性接面中使用的氧化物夾層的方法的實施例的流程圖。圖4A至圖4C繪示在形成包含玻璃形成劑的氧化物夾層期間磁性接面的一部分的實施例。圖5是繪示用於提供包含玻璃形成劑且可在磁性接面中使用的氧化物夾層的方法的另一實施例的流程圖。圖6繪示具有包含玻璃形成劑的氧化物夾層且可在磁性裝置（例如使用自旋轉移力矩可程式化的磁性記憶體）中使用的磁性接面的另一實施例。圖7繪示具有包含玻璃形成劑的氧化物夾層且可在磁性裝置（例如使用自旋轉移力矩可程式化的磁性記憶體）中使用的磁性接面的另一實施例。圖8繪示具有包含玻璃形成劑的氧化物夾層且可在磁性裝置（例如使用自旋轉移力矩可程式化的磁性記憶體）中使用的磁性接面的另一實施例。圖9繪示具有包含玻璃形成劑的氧化物夾層且可在磁性裝置（例如使用自旋轉移力矩可程式化的磁性記憶體）中使用的磁性接面的另一實施例。圖10繪示利用磁性接面的記憶體的示例性實施例，所述磁性接面在儲存單元的記憶體元件的氧化物層中具有玻璃形成元素。

100:磁性接面

101:基板

102:可選的晶種層

110:參考層/組件

112、132:磁矩

120:非磁性間隔件層/組件

125:可選的潤濕劑/潤濕劑/原子層潤濕劑

130:自由層/層/組件/無硼自由層

140:氧化物夾層/層/組件

150:可選的頂蓋層/頂蓋層/金屬頂蓋層/層/組件

Claims

一種磁性接面，包括：自由層；以及氧化物夾層，在所述自由層上，所述氧化物夾層包含至少一種玻璃形成劑。
如請求項1所述的磁性接面，更包括：參考層；以及非磁性間隔件層，所述非磁性間隔件層在所述參考層與所述自由層之間，所述自由層在所述非磁性間隔件層與所述氧化物夾層之間。
如請求項1所述的磁性接面，其中所述自由層是無硼自由層。
如請求項1所述的磁性接面，其中所述氧化物夾層包含不大於50原子%的所述至少一種玻璃形成劑。
如請求項1所述的磁性接面，其中所述氧化物夾層與所述自由層共享介面。
如請求項1所述的磁性接面，其中所述氧化物夾層包含金屬的氧化物，所述金屬包括Mg、Ti、Ta、Zr、Hf、V及Nb中的至少一種。
如請求項1所述的磁性接面，其中所述至少一種玻璃形成劑選自Si、Be、B、Al、P及Ga。
如請求項1所述的磁性接面，更包括：基板，所述自由層位於所述氧化物夾層與所述基板之間。
一種磁性裝置，包括：多個磁性接面，所述多個磁性接面中的每一者包括參考層、非磁性間隔件層、自由層及所述自由層上的氧化物夾層，所述非磁性間隔件層在所述參考層與所述自由層之間，所述自由層在所述非磁性間隔件層與所述氧化物夾層之間，所述氧化物夾層包含至少一種玻璃形成劑；以及多個導電線，與所述多個磁性接面耦合。
如請求項9所述的磁性裝置，其中所述自由層是無硼自由層。
如請求項9所述的磁性裝置，其中所述氧化物夾層包含不大於50原子%的所述至少一種玻璃形成劑。
如請求項9所述的磁性裝置，其中所述氧化物夾層包含金屬的氧化物，所述金屬包括Mg、Ti、Ta、Zr、Hf、V及Nb中的至少一種。
如請求項9所述的磁性裝置，其中所述至少一種玻璃形成劑選自Si、Be、B、Al、P及Ga。
如請求項9所述的磁性裝置，更包括：基板，所述多個磁性接面中的每一者的所述自由層位於所述氧化物夾層與所述基板之間。
一種用於提供磁性接面的方法，包括：提供參考層；提供非磁性間隔件層；提供自由層；以及在所述自由層上提供氧化物夾層，所述氧化物夾層包含至少一種玻璃形成劑。
如請求項15所述的方法，其中提供所述氧化物夾層包括第一製程及第二製程中的至少一者，所述第一製程包括沈積包含金屬及所述至少一種玻璃形成劑的金屬層；以及將所述金屬層氧化；所述第二製程包括沈積所述氧化物夾層。
如請求項15所述的方法，其中提供所述自由層包括提供無硼自由層。
如請求項15所述的方法，其中所述氧化物夾層包含不大於50原子%的所述至少一種玻璃形成劑。
如請求項15所述的方法，其中所述氧化物夾層包含金屬的氧化物，所述金屬包括Mg、Ti、Ta、Zr、Hf、V及Nb中的至少一種。
如請求項15所述的方法，其中所述至少一種玻璃形成劑選自Si、Be、B、Al、P及Ga。