TWI684294B - 磁性接面及提供所述磁性接面的方法和磁性記憶體 - Google Patents

磁性接面及提供所述磁性接面的方法和磁性記憶體 Download PDF

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Abstract

本揭露提供一種磁性接面及提供所述磁性接面的方法和 一種磁性記憶體。所述磁性接面包括被釘紮層、垂直增強層(PEL)、位於所述被釘紮層與所述垂直增強層之間的插入層、自由層及位於所述垂直增強層與所述自由層之間的非磁性分隔層。所述插入層包含至少一種磁性材料及至少一種高結晶溫度非磁性材料。所述垂直增強層位於所述插入層與所述非磁性分隔層之間。當寫入電流通過所述磁性接面時，所述自由層能夠在多種穩定磁性狀態之間切換。所述垂直增強層及自由層以及被釘紮層分別具有比各自的平面外退磁能大的垂直磁各向異性能。本揭露的磁性接面在高溫退火之後可具有改善的抗劣化性。

Description

磁性接面及提供所述磁性接面的方法和磁性記 憶體
本發明是有關於一種磁性接面、一種使用所述磁性接面的磁性記憶體及一種提供所述磁性接面的方法。
[相關申請的交叉參考]
本申請主張在2017年8月28日提出申請且名稱為“用於垂直磁性接面的垂直增強層的含鉿基礎層(HAFNIUM-CONTAINING BASE LAYER FOR A PERPENDICULAR ENHANCEMENT LAYER FOR PERPENDICULAR MAGNETIC JUNCTIONS)”的申請號為第62/551,178號的臨時專利申請的權利，所述臨時專利申請被轉讓給本申請的受讓人且併入本申請供參考。
由於磁性記憶體尤其是磁性隨機存取記憶體(magnetic random access memory，MRAM)在操作期間具有讀取/寫入速度高、耐用性優異、非易失性及功耗低的潛力，因此它們越來越受 到關注。磁性隨機存取記憶體可利用磁性材料作為信息記錄介質來存儲信息。一種類型的磁性隨機存取記憶體是自旋轉移力矩磁性隨機存取記憶體(spin transfer torque magnetic random access memory，STT-MRAM)。自旋轉移力矩磁性隨機存取記憶體利用磁性接面，所述磁性接面至少部分地由通過所述磁性接面進行驅動的電流來寫入。通過磁性接面進行驅動的自旋偏振電流(spin polarized current)在磁性接面中在磁矩(magnetic moment)上施加自旋力矩(spin torque)。因此，具有能夠響應於自旋力矩的磁矩的層可被切換到期望狀態。
舉例來說，在傳統的自旋轉移力矩磁性隨機存取記憶體中可使用傳統的磁性隧道接面(magnetic tunneling junction，MTJ)。傳統的磁性隧道接面通常駐留在基底上。磁性隧道接面使用晶種層，可包括頂蓋層，且可包括反鐵磁(antiferromagnetic，AFM)層以對參考層的磁化進行固定。傳統的磁性隧道接面包括參考層、自由層以及位於參考層與自由層之間的隧道阻障層(tunneling barrier layer)。可使用位於磁性隧道接面下方的底部接觸件及位於磁性隧道接面上的頂部接觸件，在垂直平面電流(current-perpendicular-to-plane，CPP)方向上驅動電流通過磁性隧道接面。參考層及自由層是磁性的。參考層的磁化被固定或被釘紮在特定方向上。自由層具有可改變的磁化。自由層及參考層可為單個層或包括多個層。
為切換自由層的磁化，在垂直平面電流方向上驅動電 流。當從頂部接觸件向底部接觸件驅動足夠的電流時，自由層的磁化可被切換成平行於底部參考層的磁化。當從底部接觸件向頂部接觸件驅動足夠的電流時，自由層的磁化可切換到與底部參考層的磁化反平行(antiparallel)。磁性配置的差異對應於不同的磁阻，且因此對應於傳統磁性隧道接面的不同邏輯狀態(例如，邏輯“0”及邏輯“1”)。
由於磁性記憶體適用於各種應用中的潛力，因此正在進行對磁性記憶體的研究。舉例來說，為實現改善的寫入效率及數據保持能力，可能需要低的切換電流、足夠的熱穩定性及高的垂直磁各向異性。期望這些性質能夠存在於最終器件的磁性接面中。因此，需要一種可改善自旋轉移力矩式記憶體的性能的方法及系統以及使用這種記憶體的電子器件。本文所述方法及系統滿足了這種需要。
本發明闡述一種磁性接面、一種使用所述磁性接面的記憶體及提供所述磁性接面的方法。所述磁性接面包括被釘紮層、垂直增強層(perpendicular enhancement layer，PEL)、位於所述被釘紮層與所述垂直增強層之間的插入層、自由層以及位於所述垂直增強層與所述自由層之間的非磁性分隔層。所述插入層包含至少一種磁性材料及至少一種高結晶溫度非磁性材料(例如，鉿(Hf))。所述磁性材料可包含至少一個鈷(Co)層。Co層中的一 者可在比室溫高的基底溫度下沉積。被釘紮層可包含鉑(Pt)及銥(Ir)中的至少一者。所述垂直增強層位於所述插入層與所述非磁性分隔層之間。當寫入電流通過所述磁性接面時，所述自由層能夠在多種穩定磁性狀態之間切換。所述垂直增強層及自由層以及被釘紮層分別具有比各自的平面外退磁能(out-of-plane demagnetization energy)大的垂直磁各向異性能(perpendicular magnetic anisotropy energy)。
磁性接面在高溫退火之後可具有改善的抗劣化性。更具體來說，儘管進行了高溫退火，然而被釘紮層交換場(pinned layer exchange field)、回跳率(back hopping rate)及寫入錯誤率(write error rate，WER)仍可維持處於期望水平。因此，性能可得到改善。
100A、100A'、100A"、100B、100C、100D、100D'、100E‧‧‧磁性接面
101‧‧‧基底
102‧‧‧晶種層
104‧‧‧頂蓋層
110、110D、110D'、190‧‧‧被釘紮層
111、131、133、137、151、171、191‧‧‧磁矩
112、114‧‧‧多層
113、115‧‧‧垂直磁矩
120A、120B、120C、120D、120E、134、180‧‧‧插入層
122‧‧‧Co層
124‧‧‧Hf層
126‧‧‧區
130、130E、170‧‧‧垂直增強層
132、136‧‧‧鐵磁層
140、160‧‧‧非磁性分隔層
150‧‧‧自由層
200‧‧‧磁性記憶體
202、206‧‧‧讀取/寫入列選擇驅動器
204‧‧‧字線選擇驅動器
210‧‧‧磁性存儲單元
212‧‧‧磁性接面
214‧‧‧選擇器件
300、330、330'‧‧‧方法
302、304、306、308、310、312、314、316、318、320、332、332'、334、336‧‧‧步驟
圖1A至圖1C繪示磁性接面的示例性實施例，所述磁性接面可用於磁性記憶體中，可利用自旋轉移力矩進行編程且包括至少一個插入層，所述至少一個插入層包括高結晶溫度成分氧化物層。
圖2繪示另一個磁性接面的示例性實施例，所述另一個磁性接面可用於磁性記憶體中，可利用自旋轉移力矩進行編程且包括至少一個插入層，所述至少一個插入層包含高結晶溫度成分。
圖3繪示另一個磁性接面的示例性實施例，所述另一個磁性 接面可用於磁性記憶體中，可利用自旋轉移力矩進行編程且包括插入層，所述插入層包含高結晶溫度成分。
圖4A至圖4B繪示另一個磁性接面的示例性實施例，所述另一個磁性接面可用於磁性記憶體中，可利用自旋轉移力矩進行編程且包括至少一個插入層，所述至少一個插入層包含高結晶溫度成分。
圖5繪示磁性接面的另一個示例性實施例，所述磁性接面可用於磁性記憶體中，可利用自旋轉移力矩進行編程且包括至少一個插入層，所述至少一個插入層包含高結晶溫度成分。
圖6繪示在存儲單元的記憶體元件中利用磁性接面的記憶體的示例性實施例。
圖7是繪示提供磁性接面的方法的示例性實施例的流程圖，所述磁性接面可用於磁性記憶體中、可利用自旋轉移力矩進行編程且包括至少一個插入層，所述至少一個插入層包含高結晶溫度成分。
圖8是繪示提供插入層的方法的示例性實施例的流程圖，所述插入層包含高結晶溫度成分。
圖9是繪示提供插入層的方法的另一個示例性實施例的流程圖，所述插入層包含高結晶溫度成分。
示例性實施例涉及可用於例如磁性記憶體等磁性器件中 的磁性接面、以及使用這種磁性接面的器件。磁性記憶體可包括自旋轉移力矩磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)且可用於採用非易失性記憶體的電子器件中。這種電子器件包括但不限於手機、智能電話、平板計算機、膝上型計算機及其他便攜式及非便攜式計算器件。提出以下說明是為了使所屬領域中的一般技術人員能夠製作並使用本發明，且以下說明是在專利申請及其要求的上下文中提供。對在本文中闡述的示例性實施例以及一般性原理及特徵的各種修改將顯而易見。示例性實施例主要是針對在具體實施方式中提供的具體方法及系統進行闡述。然而，所述方法及系統在其他實施方式中也將有效地發揮作用。例如“示例性實施例”、“一個實施例”及“另一個實施例”等短語可指相同或不同的實施例以及多個實施例。實施例將針對具有某些組件的系統及/或器件進行闡述。然而，系統及/或器件可包括比圖中所示組件更多或更少的組件，且組件的排列及類型可發生變化，而此並不背離本發明的範圍。示例性實施例還將在具有某些步驟的具體方法的上下文中進行闡述。然而，所述方法及系統對於具有不同的及/或附加的步驟以及處於不同次序的步驟的其他方法而言也會有效地發揮作用，所述其他方法不與示例性實施例相矛盾。因此，本發明並非旨在僅限於圖中所示實施例，而是符合與本文所述原理及特徵相一致的最廣範圍。
本發明闡述一種磁性接面、一種使用所述磁性接面的記憶體及一種提供所述磁性接面的方法。所述磁性接面包括被釘紮 層、垂直增強層(PEL)、位於所述被釘紮層與所述垂直增強層之間的插入層、自由層以及位於所述垂直增強層與所述自由層之間的非磁性分隔層。所述插入層包含至少一種磁性材料及至少一種高結晶溫度非磁性材料(例如，Hf)。所述磁性材料可包含至少一個Co層。Co層中的一者可在比室溫高的基底溫度下沉積。所述垂直增強層位於所述插入層與所述非磁性分隔層之間。當寫入電流通過所述磁性接面時，所述自由層能夠在多種穩定磁性狀態之間切換。所述垂直增強層及自由層以及被釘紮層分別具有比各自的平面外退磁能大的垂直磁各向異性能。
示例性實施例是在具體方法、具有某些組件的磁性接面及磁性記憶體的上下文中進行闡述。所屬領域中的一般技術人員將容易地認識到，本發明與具有不與本發明相矛盾的其他及/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。所述方法及系統也在對自旋轉移現象、磁各向異性及其他物理現象的現有理解的上下文中進行了闡述。因此，所屬領域中的一般技術人員將容易地認識到，對所述方法及系統的行為的理論解釋是基於對自旋轉移、磁各向異性及其他物理現象的現有理解作出的。然而，本文所述方法及系統不依賴於具體的物理解釋。所屬領域中的一般技術人員還將容易地認識到，所述方法及系統是在與基底具有具體關係的結構的上下文中進行闡述。所屬領域中的一般技術人員將容易地認識到，所述方法及系統與其他結構相一致。另外，所述方法及系統是在某些層是合成的及/或單純的層的 上下文中進行闡述。然而，所屬領域中的一般技術人員將容易地認識到，所述層可具有另一種結構。另外，所述方法及系統是在磁性接面及/或具有特定層的子結構的上下文中進行闡述。所屬領域中的一般技術人員將容易地認識到，也可使用具有不與所述方法及系統相矛盾的附加的及/或不同的層的磁性接面及/或子結構。此外，某些組件被闡述成磁性的、鐵磁性的(ferromagnetic)及亞鐵磁性的(ferrimagnetic)。本文所用用語“磁性的”可包括鐵磁性的、亞鐵磁性的或類似結構。因此，本文所用用語“磁性的”或“鐵磁性的”包括但不限於鐵磁體及亞鐵磁體。本文所用用語“平面內(in-plane)”是指實質上處於磁性接面的各個層中的一者或多者的平面內或平行於磁性接面的各個層中的一者或多者的平面。 相反，“垂直(perpendicular)”及“垂直平面(perpendicular-to-plane)”對應於實質上垂直於磁性接面的各個層中的一者或多者的方向。 所述方法及系統也在某些合金的上下文中進行闡述。除非另外指明，否則如果未提及合金的具體濃度，則可使用不與所述方法及系統相矛盾的任何化學計量(stoichiometry)。
圖1A、圖1B及圖1C分別繪示磁性接面100A、磁性接面100A'及磁性接面100A"的示例性實施例，磁性接面100A、磁性接面100A'及磁性接面100A"分別可用於可利用自旋轉移力矩進行編程的磁性記憶體中。為清晰起見，圖1A至圖1C並非按比例繪示且可不示出所有組件。磁性接面100A、100A'及/或100A"可用於例如自旋轉移力矩磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)等磁 性器件中，且因此可用於各種電子器件中。
參照圖1A，磁性接面100A可包括具有磁矩111的被釘紮層110、插入層120A、垂直增強層(PEL)130、非磁性分隔層140及具有磁矩151的自由層150。圖中還示出可選的晶種層102及可選的頂蓋層104。上面形成有磁性接面100的基底101駐留在晶種層102下方且出於清晰的目的而被示出。圖中未示出底部接觸件及頂部接觸件，但可形成有底部接觸件及頂部接觸件。還可存在其它層，例如耦合層及反鐵磁(AFM)層。然而，為簡潔起見，圖中未示出這些層。如在圖1A中可見，磁性接面100A的被釘紮層110最靠近基底101。磁性接面100A是底部被釘紮磁性接面(bottom pinned magnetic junction)。
自由層150可具有高的垂直磁各向異性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)。因此，自由層150具有比自由層平面外退磁能大的垂直磁各向異性能。因此，磁矩151在垂直於平面方向上是穩定的。如可從雙箭頭推斷的一樣，自由層150的磁矩151在指向圖1A所示頁面的頂部時及在指向圖1A所示頁面的底部時可為穩定的。在替代實施例中，磁矩151可在平面內是穩定的。自由層150被繪示為單層。然而，在其他實施例中，自由層150可為多層。舉例來說，自由層150可能是包括多個鐵磁層的合成反鐵磁體(synthetic antiferromagnet，SAF)，所述多個鐵磁層與一個或多個非磁性層交錯且夾置所述一個或多個非磁性層。舉例來說，自由層150可能包括被非磁性層(例如，釕(Ru)層) 隔開的兩個鐵磁層。Ru層的厚度可被選擇成使得鐵磁層通過魯德曼-基特爾-勝谷-良田(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida，RKKY)耦合來反鐵磁地耦合。作為另外一種選擇，可對非磁性層厚度進行選擇以進行鐵磁耦合。在其他實施例中，自由層150可能是一些其他多層及/或可具有以另一種方式進行耦合的層。在一些實施例中，自由層150可包括鐵(Fe)層、(CoFe)1-yB層及/或(CoFeNi)1-yBy層或者由Fe層、(CoFe)1-yB層及/或(CoFeNi)1-yBy層組成，其中0
Figure 107112284-A0305-02-0013-1
y<1。在其他實施例中，可使用其他或附加合金及/或多層。
自由層150具有可改變的磁矩151，且因此可用於存儲數據。磁性接面100A還被配置成當寫入電流通過磁性接面100A時，使自由層150的磁矩151能夠在穩定的磁性狀態之間切換。 因此，當在垂直平面電流(CPP)方向上驅動寫入電流通過磁性接面100A時，磁矩151可利用自旋轉移力矩進行切換。根據寫入電流的方向朝圖1A所示頁面的頂部或底部而定，自由層150可被編程成不同的狀態。可通過驅動讀取電流通過磁性接面100A來讀取自由層150的磁矩151的方向。這種讀取電流小於寫入電流且不足以切換磁矩151的方向。
非磁性分隔層140可為隧道阻障層。舉例來說，非磁性分隔層140可為具有(100)取向的晶體氧化鎂(MgO)隧道阻障。 這種非磁性分隔層140不僅可增強磁性接面100A的隧道磁阻(tunneling magnetoresistance，TMR)，而且還可增大自由層150 的垂直磁各向異性。晶體MgO隧道阻障層可具有八埃到十五埃的厚度。舉例來說，晶體MgO隧道阻障層可標稱地為至少十埃且不大於十二埃厚。然而，也可能為其他厚度。非磁性分隔層140也可被視為用作自由層150的晶種層。在替代實施例中，非磁性分隔層140可具有另一種結構，所述另一種結構包括但不限於導電層。
被釘紮層110與垂直增強層130可一同被用作磁性接面100A的參考層。被釘紮層110及垂直增強層130分別具有比平面外退磁能大的垂直磁各向異性能。因此，磁矩111及131在垂直於平面方向上是穩定的。被釘紮層110被示出為單層。然而，在其他實施例中，被釘紮層110可為多層。舉例來說，被釘紮層110可能如上所述為合成反鐵磁體。在其他實施例中，可使用其他的多層。舉例來說，被釘紮層110可包括鈷-鉑(Co-Pt)層及/或鈷-銥(Co-Ir)層。舉例來說，被釘紮層110可為Co/Pt多層或包括Co/Pt多層。在這種多層中，可使用由Co/Pt雙層形成的一個或多個重複體(repeats)([Co/Pt]n，其中n
Figure 107112284-A0305-02-0014-2
1)。在一些實施例中，被釘紮層110可為Co/Ir多層或包括Co/Ir多層。這種多層具有由Co/Ir雙層形成的一個或多個重複體([Co/Ir]n，其中n
Figure 107112284-A0305-02-0014-3
1)。在一些實施例中，可在高溫(高於攝氏三百度)下及/或以高功率(高於兩百瓦)來沉積Co/Ir多層中的Co層中的一者。在其他實施例中，可不使用這種沉積。在一些實施例中，Co/Pt雙層的頂層及/或Co/Ir雙層的頂層可為非磁性材料。這是因為，如下所述，插入層120A 可包含Co，例如為與被釘紮層110共享界面的Co合金層或Co層。 作為另外一種選擇，頂層可為Co。在一些實施例中，可使用具有其他結構及/或使用其他材料的其他被釘紮層。可使用可選的釘紮層(圖中未示出)來固定被釘紮層110的磁化。在一些實施例中，可選的釘紮層可為通過交換偏置交互(exchange-bias interaction)來釘紮磁化的反鐵磁層或多層。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。在圖中所示實施例中，被釘紮層110的磁矩111通過被釘紮層110的磁各向異性被釘紮。
垂直增強層130具有高垂直磁各向異性。垂直增強層130因此可用於增強被釘紮層110、插入層120A及垂直增強層130的垂直磁各向異性。在一些實施例中，垂直增強層130包含硼(B)以及Co與Fe中的至少一者。舉例來說，垂直增強層130可包括(CoFe)(1-x)Bx層及/或Fe(1-x)Bx層。在這種實施例中，0.2<x。在一些這種實施例中，x
Figure 107112284-A0305-02-0015-4
0.6。由此，垂直增強層130可具有高自旋偏振。然而，在替代實施例中，可使用其他化學計量及/或其他材料。舉例來說，在另一個實施例中，垂直增強層130可包含[(CoFe)(1-x)Bx](1-γ)Moy，其中0<x
Figure 107112284-A0305-02-0015-5
0.6，0<y
Figure 107112284-A0305-02-0015-6
0.4且0<γ<1。
還示出插入層120A。插入層120A位於被釘紮層110與垂直增強層130之間。插入層120A可鄰接被釘紮層110及垂直增強層130。因此，插入層120A可與被釘紮層110共享界面。插入層120A包含磁性材料及高結晶溫度非磁性材料。在一些實施例中，結晶溫度(非晶態沉積層結晶的溫度)處於至少攝氏四百五 十度。結晶溫度可為至少攝氏五百度。高結晶溫度非磁性材料的結晶溫度可更高。在一些實施例中，高結晶溫度非磁性材料是Hf。 在一些實施例中，磁性材料是Co。為易於解釋起見，在下文中將高結晶溫度非磁性材料稱為Hf。相似地，在下文中將磁性材料稱為Co。然而，所屬領域中的一般技術人員將認識到，在其他實施例中，可使用其他高結晶溫度非磁性材料及/或磁性材料。這些改變可能會影響磁性接面100A的性能或可不影響磁性接面100A的性能。
在插入層120A的至少一部分中，Co與Hf混合。舉例來說，如果插入層120A包括由Co及Hf形成的層，則至少在各個層之間的界面附近，Co與Hf可混合。在一些實施例中，這種混合是通過以高功率沉積至少Hf來提供的。對於一些系統而言，高功率大於兩百瓦。然而，所述系統及方法可採用其他功率及/或機制來獲得Co與Hf(即，磁性材料與高結晶溫度非磁性材料)的混合。在一些實施例中，Hf層的厚度為至少一埃且不大於五埃。 在一些其他實施例中，Hf層不大於四埃厚。在一些實施例中，Co層可為至少五埃厚且不大於十埃厚。在這種實施例中，Hf與Co可在各個層之間的界面處混合。在一些實施例中，這種混合區可近似地為一個單層(例如，大約1.5埃厚)。在其他實施例中，混合區可大於一個單層且小於三個單層厚。也可存在其他厚度。Co層可在室溫下或在更高的溫度下沉積。舉例來說，Co層可在不超過600℃的溫度下沉積。插入層120A可為Co-Hf合金或可包含 Co-Hf合金。在這種實施例中，混合可為將Co與Hf合金化的結果。因此，Hf可在高功率下沉積，但並非必須在高功率下沉積。 在這種實施例中，Co-Hf層的厚度可為至少四埃且不大於十埃。在這種實施例中，Co-Hf合金可為CoxHf1-x，其中x不超過0.7。
具有插入層120A的磁性接面100A的性能可得到改善，尤其是在製程中使用高溫退火的情況下。期望垂直增強層130及被釘紮層110為耐用的(robust)的且在磁性上為穩定的。因此，期望在最終器件中，被釘紮層110及垂直增強層130中的每一者的垂直磁各向異性為高的。作為磁性器件(例如，磁性記憶體)的後道處理的一部分，需要進行較高溫度的退火。舉例來說，半導體器件常常在最高達攝氏四百度的溫度下經歷退火。在傳統的磁性接面中，可使用鉭(Ta)插入層來替代插入層120A。然而，如果磁性接面經歷至少攝氏400度的退火，則這種傳統的磁性接面會遭受垂直增強層130的交換場(exchange field)的明顯減小且伴隨著垂直增強層130的磁性穩定性的降低。因此，寫入錯誤率(WER)及回跳(backhopping，BH)率會增大。相比之下，插入層120A包含可混合的高結晶溫度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料。由於在磁性接面100A中存在這種插入層120A，因此磁性接面100A更能夠承受較高溫度的退火。例如寫入錯誤率、回跳率及交換場等特性可得到改善。在一些實施例中，舉例來說，在至少攝氏五百度的退火之後，寫入錯誤率、回跳率及/或交換場可不會降低多於百分之十。在一些這種實施例中，在至少攝氏四 百度的退火之後，寫入錯誤率、回跳率及/或交換場可不會降低多於百分之五。在一些這種實施例中，在至少攝氏四百五十度的退火之後，寫入錯誤率、回跳率及/或交換場可不會降低多於百分之五或百分之十。因此，用於製作半導體器件的製程可用於製造包括磁性接面100A的的磁性隨機存取記憶體，而實質上不會對磁性接面100A的性能造成不利影響。磁性接面100A可更容易地且更好地併入到電子器件中。
圖1B繪示磁性接面100A'。為清晰起見，圖1B並非按比例繪示且可不示出所有組件。磁性接面100A'類似於磁性接面100A。因此，相似的組件具有類似的標記。磁性接面100A'包括被釘紮層110、插入層120A、垂直增強層130、非磁性分隔層140及具有磁矩151的自由層150，所述各層分別類似於被釘紮層110、插入層120A、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150。圖中還示出可選的晶種層102及可選的頂蓋層104以及基底101。
磁性接面100A'中的各個層(被釘紮層110、插入層120A、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150)所使用的結構、功能及材料類似於磁性接面100A中所使用的結構、功能及材料。舉例來說，插入層120A包含高結晶溫度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料(例如，Co)。Hf與Co可例如因至少Hf的高功率沉積而至少局部地進行混合。然而，基底101相對於各個層(被釘紮層110、插入層120A、垂直增強層130、非磁性分 隔層140及自由層150)的關係已被反轉。因此，磁性接面100A'是頂部被釘紮磁性接面(top pinned magnetic junction)。
磁性接面100A'共享磁性接面100A的有益效果。磁性接面100A'具有包含高結晶溫度非磁性材料及磁性材料的插入層120A。因此，儘管使用了較高溫度的退火，然而磁性接面100A'仍可具有改善的性能。舉例來說，儘管在最高達攝氏四百度的溫度下或最高達攝氏五百度的溫度下進行磁性接面100A'的退火，然而垂直增強層130及被釘紮層110的交換場及磁性穩定性仍可不降低多於百分之五或百分之十。寫入錯誤率、回跳率及/或交換場可通過退火而實質上得到保持。因此，例如在半導體器件中使用的製程等製程可為包括磁性接面100A'的磁性器件(例如，自旋轉移力矩磁性隨機存取記憶體)的製作的一部分。因此，磁性接面100A'可更容易地且更好地併入到電子器件中而不會使本身的性能受到過度的不利影響。
圖1C繪示例如可使用自旋轉移力矩進行編程的磁性記憶體等磁性器件中的磁性接面100A"的另一個示例性實施例。為清晰起見，圖1C並非按比例繪示且可不示出所有組件。磁性接面100A"類似於磁性接面100A及/或100A'。因此，相似的組件具有類似的標記。磁性接面100A"是雙磁性接面，其包括被釘紮層110、插入層120A、垂直增強層130、非磁性分隔層140及具有磁矩151的自由層150，所述各層類似於圖1A及圖1B中的被釘紮層110、插入層120A、垂直增強層130、非磁性分隔層140及具 有磁矩151的自由層150。圖中還示出可選的晶種層102及可選的頂蓋層104以及基底101。
磁性接面100A"中的被釘紮層110、插入層120A、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料類似於磁性接面100A及/或100A'中的被釘紮層110、插入層120A、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料。舉例來說，插入層120A包含高結晶溫度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料(例如，Co)。Hf與Co可例如因至少Hf的高功率沉積而至少局部地進行混合。
磁性接面100A"更包括附加非磁性分隔層160、可選的附加垂直增強層170、可選的插入層180及具有磁矩191的附加被釘紮層190。非磁性分隔層160類似於非磁性分隔層140。舉例來說，非磁性分隔層160可為晶體MgO隧道阻障層。可選的垂直增強層170、可選的插入層180及被釘紮層190分別類似於垂直增強層130、插入層120A及被釘紮層110。然而，在一些實施例中，可選的插入層180可包含鉭(Ta)、鎢(W)、鈮(Nb)、鉿(Hf)、鋯(Zr)及/或鉬(Mo)或由Ta、W、Nb、Hf、Zr及/或Mo組成。
磁性接面100A"是雙磁性接面。在所示出的實施例中，磁性接面100A"處於雙狀態。雙狀態發生在磁矩171反平行於磁矩131時。在所示出的實施例中，磁矩191與磁矩111也反平行。 使用處於雙狀態的雙磁性接面100A"可使得用於自旋轉移的寫入電流較小。如果雙磁性接面100A"處於反雙狀態(antidual state)， 則可實現較大的信號。磁性接面100A"也可共享磁性接面100A及/或100A'的有益效果。儘管使用了較高溫度的退火，然而具有插入層120A的磁性接面100A"仍可具有改善的性能。舉例來說，在一些實施例中，在至少攝氏四百度的退火溫度下或至少攝氏五百度的退火溫度下進行退火之後，寫入錯誤率、回跳率及/或交換場可不會降低多於百分之五或百分之十。因此，例如在半導體器件中使用的製程等製程可為包括磁性接面100A"的磁性器件的製作的一部分。因此，磁性接面100A"可更容易地且更好地併入到電子器件中而不會使本身的性能受到過度的不利影響。
圖2繪示例如可使用自旋轉移力矩進行編程的磁性記憶體等磁性器件中的磁性接面100B的另一個示例性實施例。為清晰起見，圖2並非按比例繪示且可不示出所有組件。磁性接面100B類似於磁性接面100A、100A'及/或100A"。因此，相似的組件具有類似的標記。
磁性接面100B是底部被釘紮磁性接面，其包括被釘紮層110、插入層120B、垂直增強層130、非磁性分隔層140及具有磁矩151的自由層150，所述各層類似於圖1A至圖1C中的被釘紮層110、插入層120A、垂直增強層130、非磁性分隔層140及具有磁矩151的自由層150。圖中還示出可選的晶種層102及可選的頂蓋層104以及基底101。
磁性接面100B中的被釘紮層110、插入層120B、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及 材料類似於磁性接面100A、100A'及/或100A"中的被釘紮層110、插入層120A、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料。舉例來說，插入層120B包含高結晶溫度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料(例如，Co)。Hf與Co可例如因至少Hf的高功率沉積而至少局部地進行混合。相似地，被釘紮層110可包含Pt及/或Ir，例如呈Co/Pt多層形式及/或Co/Ir多層形式。垂直增強層130可包含B及Co及/或Fe，如上所述。
另外，在所示出的實施例中，提供插入層120B的Co(即，磁性材料)及Hf(即，高結晶溫度非磁性材料)以使得Co與Hf形成Co-Hf合金插入層120B。本文所述Co-Hf合金包含CoyHf(1-y)，其中0<y
Figure 107112284-A0305-02-0022-7
0.7。在一些實施例中，這可包括以期望速率對Co與Hf進行共同濺射，以獲得對於Co-Hf合金插入層120B而言所關注的化學計量。在其他實施例中，可從複合Co-Hf靶濺射Co與Hf。在一些實施例中，對至少Hf使用高功率來促進混合。 因此，可使用大於兩百瓦的高功率。在一些這種實施例中，功率可為至少兩百瓦。在其他實施例中，Co與Hf的合金化是充分的且未必需要至少兩百瓦的高功率。
其餘被釘紮層110、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料類似於磁性接面100A、100A'及100A"中的被釘紮層110、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料。如上所述，被釘紮 層110、插入層120B、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150相對於基底101的次序可發生改變。在一些實施例中，可添加附加非磁性分隔層(圖中未示出)、可選的附加垂直增強層、可選的附加插入層及附加被釘紮層。因此，在替代實施例中，磁性接面100B可為頂部被釘紮磁性接面或雙磁性接面。
磁性接面100B可共享磁性接面100A、100A'及/或100A"的有益效果。儘管使用了較高溫度的退火，然而具有Co-Hf合金插入層120B的磁性接面100B仍可具有改善的性能。舉例來說，通過在至少攝氏四百度的溫度下、至少攝氏四百五十度的溫度下及/或更高的溫度下進行退火，可保持足夠高的交換場、降低的回跳率及降低的寫入錯誤率。因此，磁性接面100B可併入到電子器件中而不會使本身的性能受到過度的不利影響。
圖3繪示例如可使用自旋轉移力矩進行編程的磁性記憶體等磁性器件中的磁性接面100C的另一個示例性實施例。為清晰起見，圖3並非按比例繪示且可不示出所有組件。磁性接面100C類似於磁性接面100A、100A'、100A"及/或100B。因此，相似的組件具有類似的標記。
磁性接面100C是底部被釘紮磁性接面，其包括被釘紮層110、插入層120C、垂直增強層130、非磁性分隔層140及具有磁矩151的自由層150，所述各層類似於圖1A至圖1C及圖2中的被釘紮層110、插入層120A/120B、垂直增強層130、非磁性分隔層140及具有磁矩151的自由層150。圖中還示出可選的晶種層 102及可選的頂蓋層104以及基底101。
磁性接面100C中的被釘紮層110、插入層120C、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料類似於磁性接面100A、100A'、100A"及/或100B中的被釘紮層110、插入層120A/120B、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料。舉例來說，插入層120C包含高結晶溫度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料(例如，Co)。相似地，被釘紮層110可包含Pt及/或Ir，例如呈Co/Pt多層形式及/或Co/Ir多層形式。垂直增強層130可包含B及Co及/或Fe，如上所述。
另外，在所示出的實施例中，提供插入層120C中的Co(即，磁性材料)及Hf(即，高結晶溫度材料)以使得Co與Hf形成雙層。雙層包括Co層122及Hf層124。Co層122首先被沉積且與被釘紮層110鄰接。在一些實施例中，Co層122為至少五埃厚且不大於十埃厚。如果被釘紮層110的頂層是Co層，則Co層122可較薄或可被省略。在一些實施例中，Hf層124的厚度為至少一埃且不大於五埃。在一些這種實施例中，Hf層124不大於四埃厚。在Co層122與Hf層124之間的界面周圍，可存在Hf與Co可混合的區126。這種混合可歸因於至少Hf的高功率沉積。 在一些實施例中，這一混合區126大於一個單層但不超過三個單層。因此，混合區126可為至少1.5埃厚。另外，儘管繪示且論述了由Co與Hf形成的雙層，然而在另一個實施例中，可能存在更 多層。舉例來說，可使用Co/Hf/Co三層、Co/Hf/Co/Hf多層或其他類似的多層。然而，在這些情形中的每一者中，存在至少一個雙層。因此，在下文中僅對雙層進行論述。
其餘被釘紮層110、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料類似於磁性接面100A、100A'、100A"及100B中的被釘紮層110、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料。如上所述，被釘紮層110、插入層120C、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150相對於基底101的次序可發生改變。在一些實施例中，可添加附加非磁性分隔層(圖中未示出)、可選的附加垂直增強層、可選的附加插入層及附加被釘紮層。因此，在替代實施例中，磁性接面100C可為頂部被釘紮磁性接面或雙磁性接面。
磁性接面100C可共享磁性接面100A、100A'、100A"及/或100B的有益效果。磁性接面100C具有雙層插入層120C，雙層插入層120C包括Co層122、Hf層124及混合區126。因此，儘管使用了較高溫度的退火，然而磁性接面100C仍可具有改善的性能。舉例來說，通過在至少攝氏四百度的溫度下、至少攝氏四百五十度的溫度下及/或更高的溫度下進行退火，可將足夠高的交換場、降低的回跳率及/或降低的寫入錯誤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，磁性接面100C可在自身性能實質上得到保持的條件下併入到電子器件中。
圖4A及圖4B分別繪示例如可使用自旋轉移力矩進行編程的磁性記憶體等磁性器件中的磁性接面100D及100D'的其他示例性實施例。為清晰起見，圖4A及圖4B並非按比例繪示且可不示出所有組件。磁性接面100D及100D'類似於磁性接面100A、100A'、100A"、100B及/或100C。因此，相似的組件具有類似的標記。
參照圖4A，磁性接面100D是底部被釘紮磁性接面，其包括被釘紮層110D、插入層120D、垂直增強層130、非磁性分隔層140及具有磁矩151的自由層150，所述各層類似於圖1A至圖1C及圖2至圖3中的被釘紮層110、插入層120A/120B/120C、垂直增強層130、非磁性分隔層140及具有磁矩151的自由層150。 圖中還示出可選的晶種層102及可選的頂蓋層104以及基底101。
磁性接面100D中的被釘紮層110D、插入層120D、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料類似於磁性接面100A、100A'、100A"、100B及/或100C中的被釘紮層110、插入層120A/120B/120C、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料。舉例來說，插入層120D包含高結晶溫度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料(例如，Co)。在一些實施例中，舉例來說，插入層120D可為由Co與Hf形成的合金。在其他實施例中，插入層120D可為雙層。這種雙層可包括介於Co層與Hf層之間的混合區。相似地，被釘紮層110可包含Pt及/或Ir。垂直增強層130可包含B及 Co及/或Fe，如上所述。
在所示出的實施例中，被釘紮層110D明確包括具有垂直磁矩113的Co/Pt多層112及具有垂直磁矩115的Co/Ir多層114。 因此，多層112可包括由Co/Pt雙層形成的一個或多個重複體。多層114可包括由Co/Ir雙層形成的一個或多個重複體。然而，一般來說期望被釘紮層110D的頂層為Co層。因此，被釘紮層110D的結構使得被釘紮層具有高的垂直磁各向異性。在替代實施例中，可省略Co/Pt多層112或Co/Ir多層114。因此，被釘紮層110D可由Co/Pt多層112組成或者可由Co/Ir多層114組成。
圖4B繪示磁性接面100D'的另一個實施例。磁性接面100D'是底部被釘紮磁性接面，其包括被釘紮層110D'、插入層120D、垂直增強層130、非磁性分隔層140及具有磁矩151的自由層150，所述各層類似於圖1A至圖1C及圖2至圖4A中的被釘紮層110/110D、插入層120A/120B/120C/120D、垂直增強層130、非磁性分隔層140及具有磁矩151的自由層150。圖中還示出可選的晶種層102及可選的頂蓋層104以及基底101。
在磁性接面100D'中，多層112與多層114的次序已反轉。Co/Pt多層112在這一實施例中更靠近插入層120D。在其他方面，磁性接面100D'實質上相同於磁性接面100D。
參照圖4A及圖4B，其餘插入層120D、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料類似於磁性接面100A、100A'、100A"、100B及100C中的插入層 120A/120B/120C、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料。如上所述，被釘紮層110D/110D'、插入層120D、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150相對於基底101的次序可發生改變。在一些實施例中，可添加附加非磁性分隔層(圖中未示出)、可選的附加垂直增強層、可選的附加插入層及附加被釘紮層。因此，在替代實施例中，磁性接面100D及/或100D'可為頂部被釘紮磁性接面或雙磁性接面。
磁性接面100D及100D'可共享磁性接面100A、100A'、100A"、100B及/或100C的有益效果。因此，儘管使用了較高溫度的退火，然而磁性接面100D及100D'仍可具有改善的性能。舉例來說，通過在至少攝氏四百度的溫度下、至少攝氏四百五十度的溫度下及/或更高的溫度下進行退火，可將足夠高的交換場、降低的回跳率及/或降低的寫入錯誤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，磁性接面100D及100D'可在自身性能實質上得到保持的條件下併入到電子器件中。
圖5繪示例如可使用自旋轉移力矩進行編程的磁性記憶體等磁性器件中的磁性接面100E的另一個示例性實施例。為清晰起見，圖5並非按比例繪示且可不示出所有組件。磁性接面100E類似於磁性接面100A、100A'、100A"、100B、100C、100D及/或100D'。因此，相似的組件具有類似的標記。
磁性接面100E是底部被釘紮磁性接面，其包括被釘紮層110、插入層120E、垂直增強層130E、非磁性分隔層140及具有 磁矩151的自由層150，所述各層類似於圖1A至圖1C及圖2至圖4B中的被釘紮層110/110D/110D'、插入層120A/120B/120C/120D、垂直增強層130、非磁性分隔層140及具有磁矩151的自由層150。圖中還示出可選的晶種層102及可選的頂蓋層104以及基底101。
磁性接面100E中的被釘紮層110、插入層120E、垂直增強層130E、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料類似於磁性接面100A、100A'、100A"、100B、100C、100D、100D'中的被釘紮層110/110D/110D'、插入層120A/120B/120C/120D、垂直增強層130、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料。舉例來說，插入層120E包含高結晶溫度非磁性材料(例如，Hf)以及磁性材料(例如，Co)。 在一些實施例中，舉例來說，插入層120E可為由Co與Hf形成的合金。在其他實施例中，插入層120E可為雙層。這種雙層可包括介於Co層與Hf層之間的混合區。相似地，被釘紮層110可包含Pt及/或Ir。舉例來說，多層112及114中的一者或多者可位於被釘紮層110中。
垂直增強層130E可包含B及Co及/或Fe，如上所述。 另外，在所示實施例中，垂直增強層130E包括被附加插入層134隔開的兩個鐵磁層132及136。鐵磁層132及136分別具有比鐵磁層132及136的平面外退磁能大的高垂直磁各向異性能。因此，磁矩133及137在垂直於平面方向上是穩定的。鐵磁層132可包 含B以及Co與Fe中的至少一者。舉例來說，鐵磁層132可包含(CoFe)(1-x)Bx及Fe(1-x)Bx中的至少一者，其中0.2
Figure 107112284-A0305-02-0030-8
x
Figure 107112284-A0305-02-0030-10
0.6。在一些實施例中，可支持其他化學計量。舉例來說，在一些實施例中，x可低至0.2。在一些實施例中，上鐵磁層136也可包含B以及Co與Fe中的至少一者。在一些實施例中，鐵磁層136的化學計量範圍實質上相同於鐵磁層132的化學計量範圍。
介於鐵磁層132與鐵磁層136之間的插入層134可選自Ta、W、Nb、Hf、Zr及Mo。在一些實施例中，插入層134的厚度可為至少一埃且不大於五埃。在替代實施例中，插入層134可實質上相同於插入層120E。
其餘被釘紮層110、插入層120E、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料類似於磁性接面100A、100A'、100A"、100B、100C、100D及/或100D'中的被釘紮層110/110D/110D'、插入層120A/120B/120C/120D、非磁性分隔層140及自由層150所使用的結構、功能及材料。如上所述，被釘紮層110、插入層120E、垂直增強層130E、非磁性分隔層140及自由層150相對於基底101的次序可發生改變。在一些實施例中可添加附加非磁性分隔層(圖中未示出)、可選的附加垂直增強層、可選的附加插入層及附加被釘紮層。因此，在替代實施例中，磁性接面100E可為頂部被釘紮磁性接面或雙磁性接面。
磁性接面100E可共享磁性接面100A、100A'、100A"、100B、100C、100D及/或100D'的有益效果。因此，儘管使用了較 高溫度的退火，然而磁性接面100E仍可具有改善的性能。舉例來說，通過在至少攝氏四百度的溫度下、至少攝氏四百五十度的溫度下及/或更高的溫度下進行退火，可將足夠高的交換場、降低的回跳率及/或降低的寫入錯誤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，磁性接面100E可在自身性能實質上得到保持的條件下併入到電子器件中。
圖6繪示可使用磁性接面100A、100A'、100A"、100B、100C、100D、100D'及/或100E中的一者或多者及/或其他磁性接面的磁性記憶體200的示例性實施例。磁性記憶體200包括讀取/寫入列選擇驅動器202及206以及字線選擇驅動器204。應注意，可提供其他的及/或不同的組件。磁性記憶體200的存儲區包括磁性存儲單元210。每一個磁性存儲單元210包括至少一個磁性接面212及至少一個選擇器件214。在一些實施例中，選擇器件214是電晶體。磁性接面212可為100A、100A'、100A"、100B、100C、100D、100D'、100E中的一者及/或其他類似的磁性接面。儘管每個磁性存儲單元210示出一個磁性接面212，然而本公開並非僅限於此。舉例來說，在其他實施例中，可每個磁性存儲單元210提供另一數目的磁性接面212。由於磁性記憶體200包括磁性接面100A、100A'、100A"、100B、100C、100D、100D'、100E中的一者或多者及/或類似的磁性接面，磁性記憶體200可享有上述有益效果。
已相對於磁性接面100A、100A'、100A"、100B、100C、 100D、100D'及100E以及磁性記憶體200闡述了各種特徵。所屬領域中的一般技術人員將認識到，這些特徵可按圖中未示出的方式進行組合且不與本文所述的器件及方法相矛盾。舉例來說，磁性接面可包括被釘紮層110D或110D'、插入層120B或120C、垂直增強層130E、非磁性分隔層140(其可為晶體MgO隧道阻障層)及自由層150。在一些實施例中，這種磁性接面還可包括附加非磁性分隔層及附加被釘紮層。另外，在附加被釘紮層與附加非磁性分隔層之間還可存在附加垂直增強層及附加插入層。因此，無需明確繪示根據本文所述方法、系統及器件的磁性接面。
圖7繪示用於製作可用於例如自旋轉移力矩隨機存取記憶體(STT-RAM)等磁性器件中且因此可用於各種電子器件中的磁性接面的方法300的示例性實施例。為簡潔起見，一些步驟可被省略、以另一種次序執行及/或進行組合。另外，方法300可在已執行用於形成磁性記憶體的其他步驟之後開始。方法300也在形成單個磁性接面的上下文中進行闡述。然而，可實質上同時形成多個磁性接面。方法300也在磁性接面100A"的上下文中進行闡述。然而，可形成另一個磁性接面，例如磁性接面100A、100A'、100B、100C、100D、100D'及/或100E。
通過步驟302，提供被釘紮層110。被釘紮層110是磁性的且其磁化在磁性接面的操作的至少一部分期間可被釘紮或固定在特定方向上。被釘紮層110可包含Co以及Ir與Pt中的至少一者。在步驟302中形成的被釘紮層110可為單層或多層。在步驟 302中形成的被釘紮層110可具有超過平面外退磁能的垂直各向異性能。因此，參考層的磁矩可垂直於平面進行取向。舉例來說，步驟302可包括提供Co/Pt多層、Co/Ir多層或這兩種多層。
步驟302可包括在晶種層102上沉積被釘紮層110。可出於各種目的來選擇晶種層102，所述各種目的包括但不限於被釘紮層的期望的結晶結構、被釘紮層110的磁各向異性及/或其他磁性特性。舉例來說，可在例如促進被釘紮層110中的垂直磁各向異性的(100)晶體MgO層等晶種層102上提供被釘紮層110。如果形成頂部被釘紮磁性接面，則可省略步驟302或者改變步驟的次序以使得自由層150更靠近基底101。
通過步驟304，提供包含至少一種高結晶溫度材料的插入層。舉例來說，在步驟304中可形成插入層120A。高結晶溫度材料可為非磁性的，例如Hf。在一些實施例中，步驟304更包括提供至少一種磁性材料，例如Co。另外在步驟304中，提供高結晶溫度材料與磁性材料以使得它們至少局部地混合。舉例來說，可提供由例如Co-Hf等材料形成的合金。在其他實施例中，可形成Co/Hf雙層。在這種實施例中，步驟304可包括以高功率濺射Hf以使得Co與Hf在界面周圍混合。舉例來說，可使用至少兩百瓦的功率。在一些實施例中，在完成插入層的沉積之後可執行退火。 作為步驟304的一部分，還可對插入層120A進行退火。
通過步驟306，提供垂直增強層。舉例來說，在步驟306中可形成垂直增強層130。垂直增強層可包含高自旋偏振材料且具 有高垂直磁各向異性。舉例來說，可形成(CoFe)(1-x)Bx層及/或Fe(1-x)Bx層，其中0.2
Figure 107112284-A0305-02-0034-11
x
Figure 107112284-A0305-02-0034-12
0.6。在一些實施例中，步驟306會形成垂直增強層130E。
通過步驟308，提供非磁性分隔層140。在步驟308中形成的非磁性分隔層140可鄰接垂直增強層130或者可通過其他層來與垂直增強層隔開。在一些實施例中，可形成晶體MgO隧道阻障層。步驟308可包括沉積MgO，此會形成隧道阻障層。在一些實施例中，步驟308可包括使用例如射頻(radio frequency，RF)濺射來沉積MgO。可沉積金屬Mg，接著在步驟308中對金屬Mg進行氧化以提供Mg的天然氧化物。MgO阻障層/非磁性分隔層也可通過另一種方式形成。步驟308可包括對磁性接面的已形成的部分進行退火以提供具有(100)取向的晶體MgO隧道阻障來增強磁性接面的隧道磁阻(TMR)。
通過步驟310，提供自由層150。步驟310包括沉積自由層的材料。可能期望在步驟310中提供的自由層150具有超過退磁能的垂直磁各向異性能。自由層的磁矩可因此在平面外、包括在垂直於平面方向上是穩定的。另外，可提供垂直增強層作為自由層150的一部分，或除自由層150之外，還可提供垂直增強層。 當寫入電流通過磁性接面時，在步驟310中提供的自由層150還被配置成在穩定的磁性狀態之間切換。因此，自由層150可利用自旋轉移力矩來切換。在步驟310中提供的自由層150在操作溫度下是磁性的且熱穩定的。
通過步驟312，可選地提供附加非磁性分隔層160。步驟312可類似於步驟308。然而，一般來說期望隧道阻障層的厚度為不同的。
通過步驟314，可選地提供附加垂直增強層170。附加垂直增強層170可類似於垂直增強層130/130E。通過步驟316，可選地提供附加插入層180。在一些實施例中，步驟316可包括沉積由Ta、W、Nb、Hf、Zr及/或Mo形成的層。在其他實施例中，可提供插入層，例如插入層120A。通過步驟318，可選地提供附加被釘紮層190。如果期望為雙磁性接面，則可施行步驟312、314、316及318中的一些或全部。通過步驟320，可完成器件的製作。 舉例來說，可沉積頂蓋層104，並且例如通過在已沉積的層上提供掩模以及對所述層的暴露出的部分進行離子研磨(ion milling)來界定磁性接面的邊緣。應注意，儘管闡述了提供各個層，然而在一些實施例中，步驟302、304、306、308、310、312、314、316及318包括以磁性接面堆疊的形式提供各個層。在已沉積磁性接面中的所有層之後可對結的邊緣進行界定。對於其中使用磁性接面的器件而言，也可形成附加結構，例如接觸件及導電線。接著可完成磁性接面的製作。
使用方法300，可提供儘管使用了高溫退火，然而仍具有改善的性能的磁性接面。因此，方法300可使得能夠製作垂直磁各向異性高、磁性穩定的被釘紮層以及具有改善的性能的磁性接面。
圖8是繪示一種提供磁性接面的一部分的方法330的示例性實施例的流程圖，所述磁性接面可用於磁性器件中。更具體來說，方法330用於形成包含高結晶溫度材料的插入層。為簡潔起見，一些步驟可被省略、以另一種次序執行、包括子步驟及/或進行組合。儘管已針對單個磁性接面進行了闡述，然而可製作多個磁性接面。為簡潔起見，所述方法在磁性接面100C的上下文中進行闡述。然而，方法330可用於磁性接面100A、100A'、100A"、100B、100D、100D'及/或100E中的任意磁性接面。
通過步驟332，沉積插入層120C的Co層122。儘管被闡述為方法330的一部分，然而在一些實施例中，在步驟332中提供的Co層122也可形成用於被釘紮層110的Co/Pt多層的頂層。 如果被釘紮層110的頂層是Co層，則可沉積較薄的Co層或者可省略步驟332。通過步驟334，沉積可為非磁性的至少一種高結晶溫度材料。步驟334可包括沉積Hf。對Hf層的沉積是在步驟334中執行以使得Co與Hf的至少一部分混合。在所示出的實施例中，此是通過以高功率沉積Hf來完成的。舉例來說，可使用以至少兩百瓦的功率進行的濺射。在另一個實施例中，可使用用於混合的另一種機制。
通過步驟336，可選地執行退火(例如，快速熱退火(rapid thermal anneal，RTA))。如果執行這種快速熱退火，則可在沉積後續層之前完成這種快速熱退火。在一些實施例中，所述快速熱退火可在大於攝氏一百度且不大於攝氏四百二十五度的溫度下執 行。快速熱退火的時間可少於三十分鐘。
使用方法330，會製作出可改善磁性接面的承受較高溫度退火的能力的插入層。因此，方法330可使得能夠製作出具有改善的被釘紮層性能，且可更容易地併入到磁性器件中的磁性接面。
圖9是繪示一種提供磁性接面的一部分的方法330'的示例性實施例的流程圖，所述磁性接面可用於磁性器件中。更具體來說，方法330'用於形成包含高結晶溫度材料的插入層。為簡潔起見，一些步驟可被省略、以另一種次序執行、包括子步驟及/或進行組合。儘管已針對單個磁性接面進行了闡述，然而可製作多個磁性接面。為簡潔起見，所述方法在磁性接面100B的上下文中進行闡述。然而，方法330'可用於磁性接面100A、100A'、100A"、100C、100D、100D'及/或100E中的任意磁性接面。
通過步驟332'，沉積合金插入層120B。在步驟332'中沉積高結晶溫度非磁性材料及磁性材料。步驟332'可包括沉積Hf及Co。執行對Hf及Co的沉積來提供合金插入層120B中的期望化學計量。
通過步驟336，可可選地執行退火，例如快速熱退火。這種快速熱退火可在沉積後續層之前執行。
使用方法330'，會製作出可改善磁性接面的承受較高溫度退火的能力的插入層。因此，方法330'可使得能夠製作出具有改善的被釘紮層性能且可更容易地併入到磁性器件中的磁性接面。
已闡述了提供磁性接面以及使用磁性接面製作的記憶體的方法及系統。所述方法及系統已根據所示出的示例性實施例進行了闡述，且所屬領域中的一般技術人員將容易地認識到可存在實施例的變化，且任何變化均將處於所述方法及系統的精神及範圍內。因此，在不背離所附申請專利範圍的精神及範圍的條件下，所屬領域中的一般技術人員可作出許多修改。
100A‧‧‧磁性接面
101‧‧‧基底
102‧‧‧晶種層
104‧‧‧頂蓋層
110‧‧‧被釘紮層
111、131、151‧‧‧磁矩
120A‧‧‧插入層
130‧‧‧垂直增強層
140‧‧‧非磁性分隔層
150‧‧‧自由層

Claims (18)

  1. 一種磁性接面，駐留在基底上且能夠用於磁性器件中，所述磁性接面包括：被釘紮層；插入層，包含至少一種磁性材料及至少一種高結晶溫度非磁性材料；垂直增強層(PEL)，所述插入層位於所述被釘紮層與所述垂直增強層之間；非磁性分隔層，所述垂直增強層位於所述插入層與所述非磁性分隔層之間；以及自由層，當寫入電流通過所述磁性接面時，所述自由層能夠在多種穩定磁性狀態之間切換，所述非磁性分隔層駐留在所述垂直增強層與所述自由層之間，所述自由層、所述垂直增強層及所述被釘紮層中的每一者具有垂直磁各向異性能及比所述垂直磁各向異性能小的平面外退磁能，其中所述插入層包括選自雙層及合金層中的層，所述雙層包括鈷層及鉿層，所述鈷層位於所述鉿層與所述被釘紮層之間，所述合金層包含CoyHf(1-y)，其中0<y
    Figure 107112284-A0305-02-0040-13
    0.7。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述至少一種磁性材料包括鈷，所述至少一種高結晶溫度非磁性材料包括鉿，且所述被釘紮層包含鉑及銥中的至少一種。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述雙層的所述鉿層為至少一埃厚且不大於五埃厚，且其中所述雙層的所述鈷層為至少四埃厚且不大於十埃厚。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中所述插入層的一部分包括鈷-鉿混合區。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中所述非磁性分隔層包括結晶隧道阻障層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述被釘紮層選自第一多層、第二多層及第三多層，所述第一多層包括至少一個鈷/鉑雙層、所述第二多層包括至少一個鈷/銥雙層，所述第三多層包括所述第一多層及比所述第一多層更靠近所述插入層的所述第二多層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述垂直增強層包含(CoFe)(1-x)Bx及Fe(1-x)Bx中的至少一種，其中0.2
    Figure 107112284-A0305-02-0041-14
    x
    Figure 107112284-A0305-02-0041-15
    0.6。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的磁性接面，其中所述垂直增強層包括第一鐵磁層、附加插入層及第二鐵磁層，所述第一鐵磁層位於所述附加插入層與所述插入層之間，所述附加插入層位於所述第一鐵磁層與所述第二鐵磁層之間，所述第一鐵磁層包含(CoFe)(1-x)Bx及Fe(1-x)Bx中的所述至少一種。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的磁性接面，其中所述附加插入層包含鉭、鎢、鈮、鉿、鋯及鉬中的至少一種。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，更包括：附加非磁性分隔層；以及附加參考層，所述附加非磁性分隔層位於所述自由層與所述附加參考層之間，使得所述磁性接面為雙磁性接面。
  11. 一種磁性記憶體，包括：多個磁性存儲單元，所述多個磁性存儲單元中的每一者包括被釘紮層、插入層、垂直增強層(PEL)、非磁性分隔層及自由層，所述插入層包含至少一種磁性材料及至少一種高結晶溫度非磁性材料，所述插入層位於所述被釘紮層與所述垂直增強層之間，所述垂直增強層位於所述插入層與所述非磁性分隔層之間，當寫入電流通過所述磁性接面時，所述自由層能夠在多種穩定磁性狀態之間切換，所述非磁性分隔層駐留在所述垂直增強層與所述自由層之間，所述自由層、所述垂直增強層及所述被釘紮層中的每一者具有垂直磁各向異性能及比所述垂直磁各向異性能小的平面外退磁能；以及多條位線，與所述多個磁性存儲單元耦合，其中所述插入層包括選自雙層及合金層中的層，所述雙層包括鈷層及鉿層，所述鈷層位於所述鉿層與所述被釘紮層之間，所述合金層包含CoyHf(1-y)，其中0<y
    Figure 107112284-A0305-02-0042-16
    0.7。
  12. 一種提供能夠用於磁性器件中的磁性接面的方法，所述方法包括：提供被釘紮層； 提供插入層，所述插入層包含至少一種磁性材料及至少一種高結晶溫度非磁性材料；提供垂直增強層(PEL)，所述插入層位於所述被釘紮層與所述垂直增強層之間；提供非磁性分隔層，所述垂直增強層位於所述插入層與所述非磁性分隔層之間；以及提供自由層，當寫入電路通過所述磁性接面時，所述自由層能夠在多種穩定磁性狀態之間切換，所述非磁性分隔層駐留在所述垂直增強層與所述自由層之間，所述自由層、所述垂直增強層及所述被釘紮層中的每一者具有垂直磁各向異性能及比所述垂直磁各向異性能小的平面外退磁能，其中所述至少一種磁性材料包括鈷，所述至少一種高結晶溫度非磁性材料包括鉿，且所述被釘紮層包含鉑及銥中的至少一種，提供所述插入層的步驟更包括：提供選自雙層及合金層的層，所述雙層包括鈷層及鉿層，所述鈷層位於所述鉿層與所述被釘紮層之間，所述合金層包含CoyHf(1-y)，其中0<y
    Figure 107112284-A0305-02-0043-17
    0.7。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中提供所述插入層的步驟包括以高功率濺射鉿。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中所述高功率為至少二百瓦。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中提供所述插入層的步驟更包括在所述插入層的沉積完成後，以至少攝氏三百五十度的溫度執行退火。
  16. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中所述被釘紮層選自第一多層、第二多層及第三多層，所述第一多層包括至少一個鈷/鉑雙層、所述第二多層包括至少一個鈷/銥雙層，所述第三多層包括所述第一多層及比所述第一多層更靠近所述插入層的所述第二多層。
  17. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中所述垂直增強層包括第一鐵磁層、附加插入層及第二鐵磁層，所述第一鐵磁層位於所述附加插入層與所述插入層之間，所述附加插入層位於所述第一鐵磁層與所述第二鐵磁層之間，所述第一鐵磁層包含(CoFe)(1-x)Bx及Fe(1-x)Bx中的所述至少一種，所述附加插入層包含鉭、鎢、鈮、鉿、鋯及鉬中的至少一種，所述第二鐵磁層位於所述附加插入層與所述非磁性分隔層之間，所述第二鐵磁層包含[(CoFe)(1-x)Bx](1-γ)Moy，其中x
    Figure 107112284-A0305-02-0044-18
    0.6,y
    Figure 107112284-A0305-02-0044-19
    0.4且γ>0。
  18. 如申請專利範圍第12項所述的方法，更包括：提供附加非磁性分隔層；以及提供附加參考層，所述附加非磁性分隔層位於所述自由層與所述附加參考層之間，使得所述磁性接面為雙磁性接面。
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