可用于磁性器件的磁性结及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及可用于磁性器件的磁性结及其形成方法，更具体而言，涉及可用于自旋转移矩磁性器件的垂直磁各向异性磁性结以及利用牺牲插入层形成其的方法。
【背景技术】
[0002]磁存储器，尤其是磁随机存取存储器(MRAM)，由于它们的高读/写速度的潜力、优良的耐久性、非易失性和操作期间的低功耗而引越来越多的关注。MRAM能够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使用磁性结，该磁性结通过被驱动经过磁性结的电流而被至少部分地写入。被驱动经过磁性结的自旋极化电流施加自旋扭矩在磁性结中的磁矩上。结果，具有响应所述自旋扭矩的磁矩的层可以被切换到期望状态。
[0003]例如，图1描绘了示出常规磁隧道结(MTJ) 10，如同其可以被用于常规STT-MRAM —样。常规MTJ 10 一般地位于衬底12上。底部接触14和顶部接触22可以用于驱动电流通过常规MTJ 10。常规MTJ使用常规籽层(未示出)，可以包括覆盖层(未示出)并可以包括常规反铁磁(AFM)层(未示出)。常规磁性结10包括常规被钉扎层16、常规隧穿势皇层18和常规自由层20。还示出顶部接触22。常规接触14和22用于在电流垂直于平面(CPP)方向上或沿如图1所示的z轴驱动电流。一般地，在层16、18和20当中的常规被钉扎层16最靠近衬底12。
[0004]常规被钉扎层16和常规自由层20是磁性的。常规被钉扎层16的磁化17被固定或钉扎在特定方向上。尽管被示为简单(单一)层，但是常规被钉扎层16可以包括多个层。例如，常规被钉扎层16可以是包括通过薄的导电层诸如Ru反铁磁耦合的磁性层的合成反铁磁(SAF)层。在这样的SAF中，可以使用与Ru薄层交替的多个磁层。在另一实施例中，跨Ru层的耦合能够是铁磁的。
[0005]常规自由层20具有可改变的磁化21。尽管被示为简单层，但是常规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通过薄的导电层诸如Ru反铁磁或铁磁耦合的磁性层的合成层。虽然被示为垂直于平面，但是常规自由层20的磁化21可以在平面内。因此，被钉扎层16和自由层20可以具有分别垂直于所述层的平面取向的其磁化17和21。
[0006]为切换常规自由层20的磁化21，电流被垂直于平面(在z方向上)驱动。当足够的电流被从顶部接触22驱动到底部接触14时，常规自由层20的磁化21可以切换到平行于常规被钉扎层16的磁化17。当足够的电流被从底部接触11驱动到顶部接触22时，自由层的磁化21可以切换到反平行于被钉扎层16的磁化。磁配置上的差异对应于常规MTJ10的不同磁阻并因此对应于常规MTJ 10的不同逻辑状态(例如逻辑“O”和逻辑“I”)。
[0007]由于它们在各种应用中使用的可能性，正在进行磁存储器的研宄。例如，期望用于改善STT-RAM的性能的机制。因此，所需要的是可以改善基于自旋转移矩的存储器的性能的方法和系统。这里描述的方法和系统解决了这样的需求。
【发明内容】
[0008]描述了一种用于提供可用于磁性器件中的磁性结的方法以及该磁性结。该方法包括提供自由层、被钉扎层以及在自由层和被钉扎层之间的非磁性间隔层。自由层在写电流经过磁性结时可在稳定的磁态之间切换。提供自由层的步骤中的至少一个包括第一多个步骤，提供被钉扎层的步骤包括第二多个步骤。第一次和第二多个步骤包括沉积层的一部分、沉积牺牲层、退火磁性结的在牺牲层下面的部分以及沉积该层的剩余部分。该层可以是自由层、被钉扎层或两者。因此，第一多个步骤包括沉积自由层的第一部分、沉积第一牺牲层、在大于25摄氏度的第一温度退火至少自由层的的一部分和第一牺牲层、除去第一牺牲层；以及沉积自由层的第二部分。第二多个步骤包括沉积被钉扎层的第一部分、沉积第二牺牲层、在大于25摄氏度的第二温度退火至少被钉扎层的第一部分和第二牺牲层、限定磁性结的包括自由层、非磁性间隔层和被钉扎层的第一部分的部分、除去第二牺牲层以及沉积被钉扎层的第二部分。
【附图说明】
[0009]图1示出常规的磁性结。
[0010]图2示出了用于提供可用于磁存储器中并可利用自旋转移矩编程的磁性结的方法的示范性实施例。
[0011]图3示出可用于磁存储器中并可利用自旋转移矩编程的磁性结的示范性实施例。
[0012]图4示出可用于磁存储器中并可利用自旋转移矩编程的磁性结的另一示范性实施例。
[0013]图5示出用于提供可用于磁存储器中并可利用自旋转移矩编程的磁性结的一部分的方法的另一示范性实施例。
[0014]图6示出可用于磁存储器中并可利用自旋转移矩编程的磁性结的示范性实施例。
[0015]图7示出用于提供可用于磁存储器中并可利用自旋转移矩编程的磁性结的方法的另一示范性实施例。
[0016]图8示出可用于磁存储器中并可利用自旋转移矩编程的磁性结的示范性实施例。
[0017]图9示出用于提供可用于磁存储器中并可利用自旋转移矩编程的磁性结的方法的另一示范性实施例。
[0018]图10-22示出可用于磁存储器中并可利用自旋转移矩编程的磁性结在制造期间的示范性实施例。
[0019]图23-24示出可用于磁存储器中并可利用自旋转移矩编程的磁性结在制造期间的另一示范性实施例。
[0020]图25示出利用存储单元(或多个存储单元)的存储元件(或多个存储元件)中的磁性结的存储器的示范性实施例。
【具体实施方式】
[0021]示范性实施例涉及可用于磁性器件诸如磁存储器的磁性结以及利用这样的磁性结的装置。磁存储器可以包括自旋转移矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)并可以用于采用非易失性存储器的电子设备中。这样的电子设备包括但是不限于蜂窝电话、智能电话、平板、膝上型计算机以及其它便携式和非便携式的计算装置。下面的描述被给出以使得本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并在专利申请及其要求的背景下提供。对示范性实施例以及这里描述的一般原理和特征的各种修改将易于变得明显。示范性实施例主要在特定实施中提供的特定方法和系统方面被描述。然而，该方法和系统在其它实施中将有效运行。诸如“示范性实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”的术语可以指的是相同或不同的实施例以及多个实施例。实施例将关于具有特定部件的系统和/或装置进行描述。然而，系统和/或装置可以包括比示出的部件多或少的部件，并且可以进行部件的布置和类型的变化而不脱离本发明的范围。示范性实施例也将在具有某些步骤的特定方法的背景下进行描述。然而，该方法和系统对于具有不同/额外步骤和与示范性实施例不一致的不同顺序的步骤的其它方法有效地运行。因此，本发明并不旨在被限于所示的实施例，而是将被给予与这里描述的原理和特征一致的最宽范围。
[0022]用于提供磁性结的方法和系统以及利用该磁性结的磁存储器被描述。示范性实施例提供了一种用来提供可用于磁性器件中的磁性结的方法和磁性结。该方法包括提供自由层、被钉扎层以及在自由层和被钉扎层之间的非磁性间隔层。自由层在写电流经过磁性结时可在稳定的磁态之间切换。提供自由层的步骤中的至少一个包括第一多个步骤，提供被钉扎层的步骤包括第二多个步骤。第一和第二多个步骤包括沉积层的一部分、沉积牺牲层、退火磁性结的在牺牲层下面的部分以及沉积该层的剩余部分。该层可以是自由层、被钉扎层或两者。因此，第一多个步骤包括沉积自由层的第一部分、沉积第一牺牲层、在大于25摄氏度的第一温度退火至少自由层的第一部分和第一牺牲层、除去第一牺牲层以及沉积自由层的第二部分。第二多个步骤包括沉积被钉扎层的第一部分、沉积第二牺牲层、在大于25摄氏度的第二温度退火至少被钉扎层的第一部分和第二牺牲层、限定磁性结的包括自由层、非磁性间隔层和被钉扎层的第一部分的部分、除去第二牺牲层以及沉积被钉扎层的第二部分。
[0023]示范性实施例在特定方法、磁性结和具有某些部件的磁存储器的背景下被描述。本领域普通技术人员将容易认识到，本发明与具有其它和/或额外的部件和/或与本发明不一致的其它特征的磁性结和磁存储器的使用一致。该方法和系统也在对自旋转移现象、磁各向异性以及其它物理现象的当前理解的背景下被描述。因此，本领域普通技术人员将容易认识到，该方法和系统的表现的理论解释是基于自旋转移、磁各向异性和其它物理现象的该当前理解进行的。然而，这里描述的方法和系统不依赖于特定的物理解释。本领域普通技术人员还将易于认识到，该方法和系统在与衬底具有特定关系的结构的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将易于认识到，该方法和系统与其它结构一致。此外，该方法和系统在某些层为合成和/或简单的背景下被描述。然而，本领域普通技术人员将易于认识到，所述层可以具有另外结构。此外，该方法和系统在具有特定层的磁性结和/或子结构的背景下被描述。然而，本领域普通技术人员将易于认识到，也可以采用具有与该方法和系统不一致的额外和/或不同的层的磁性结和/或子结构。而且，某些部件被描述为磁性的、铁磁性的和亚铁磁的。如这里使用的，术语“磁性的”可以包括铁磁的、亚铁磁的或类似的结构。因此，如这里所使用的，术语“磁性的”或“铁磁的”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。如这里所用的，“平面内”基本上在磁性结的一个或多个层的平面内或与其平行。相反地，“垂直”和“垂直于平面”对应于基本上垂直于磁性结的一个或多个层的方向。
[0024]图2示出用于制造磁性结的方法100的示范性实施例，该磁性结可用于磁性器件诸如自旋转移矩随机存取存储器(STT-RAM)并因此可用于各种电子设备中。为简单起见，一些步骤可以被省略、另外地进行或被结合。此外，方法100可以在已经进行了形成磁存储器的其它步骤之后开始。
[0025]自由层经由步骤102提供。步骤102包括沉积用于自由层的材料。自由层可以被沉积在籽层上。籽层可以被选择用于各种目的，包括但不限于自由层的期望晶体结构、自由层的磁各向异性和/或磁阻尼。例如，自由层可以被提供在促进自由层中的垂直磁各向异性的籽层诸如晶体MgO层上。如果制造双磁性结，则自由层可以形成在另一非磁性间隔层上。该非磁性间隔层可以是上述MgO籽层。被钉扎层形成在这样的间隔层下面。
[0026]在步骤102中提供的自由层可以被期望具有超过退磁能的垂直磁各向异性。自由层的磁矩可以因此在面外(包括垂直于