具有多层过滤器堆叠体的PSTTM器件的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请包含的主题涉及于2015年9月25日提交的标题为“psttmdevicewithfreemagneticlayerscoupledthroughametallayerhavinghightemperaturestability”的pct申请pct/us15/52292(案卷号01.p87084pct)，以及2015年9月25日提交的标题为“psttmdevicewithbottomelectrodeinterfaceamterial”的pct申请us15/xxxxxx(案卷号01.p87086pct)。

背景技术：

sttm器件是利用被称为隧道磁阻(tmr)的现象的非易失性存储器器件。对于包括由薄绝缘隧道层分隔的两个铁磁层的结构，当两个磁层的磁化处于平行取向而不是非平行取向(非平行或反平行方向)时，电子将更可能穿过隧道层。这样，典型地包括由隧道势垒层分开的固定磁层和自由磁层的磁性隧道结(mtj)可以在两种电阻状态之间切换，一种状态具有低电阻并且一种状态具有高电阻。电阻差异越大，tmr比率越高：(rap-rp)/rp*100％，其中rp和rap分别是用于磁化的平行和反平行对准的电阻。tmr比率越高，与mtj电阻状态相关联的位越容易被可靠地存储。因此，给定mtj的tmr比率是sttm的重要性能指标。

对于sttm器件，可以使用电流感应磁化切换来设置位状态。一个铁磁层的极化状态可以通过自旋转移矩现象而相对于第二铁磁层的固定极化进行切换，使得mtj的状态能够通过施加电流来设定。电子的角动量(自旋)可以通过一个或多个结构和技术(例如，直流，自旋霍尔效应等)被极化。这些自旋极化的电子可以将它们的自旋角动量转移到自由层的磁化并使其进动。这样，自由磁层的磁化可以通过超过某个临界值的电流脉冲(例如在约1-10纳秒)被切换，而固定磁层的磁化保持不变，只要电流脉冲低于与固定层架构相关联的一些较高的阈值。

对于psttm器件，mtj包括具有垂直(在衬底平面之外的)磁易轴的磁性电极并且可以实现比平面内变量体更高密度的存储器。在固相外延期间通过由相邻层促进的界面垂直各向异性，可以在固定磁层中获得垂直磁各向异性(pma)。

在mtj堆叠体内的反铁磁层或合成反铁磁(saf)结构可以通过抵消与固定磁性材料层相关联的边缘磁场来提高器件性能。典型地，在固定磁性材料层和saf结构之间插入过滤器或势垒材料层以使saf中采用的材料的结晶度与固定磁性材料层的结晶度断开联系。在没有过滤器层的情况下，在高退火温度下难以在固定层中实现垂直各向异性。利用经过滤的saf结构获得的较高的tmr未被证明对于高温处理(例如，400℃)是鲁棒的，在热处理超过300℃时tmr通常降低到100％或更低。tmr的这种损失使得这种mtj材料堆叠体难以与mos晶体管ic制造集成。因此，能够提高固定层耐高温处理的稳定性的过滤器是有利的。

附图说明

在附图中以示例而非限制的方式示出本文描述的材料。为了说明的简单和清楚，图中所示的元件不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见一些元件的尺寸可能相对于其它元件被放大。此外，在认为适当的情况下，附图之间重复附图标记以指示对应的或类似的元件。在附图中：

图1是根据本发明的一些实施例的用于包括多层过滤器堆叠体的psttm器件的材料层堆叠体的横截面图；

图2是根据一些实施例的作为所施加的磁场强度的函数的材料层堆叠体薄层电阻的曲线图；

图3是根据一些实施例的对包括具有不同非磁性材料层的多层过滤器堆叠体的材料层堆叠体的tmr％进行比较的曲线图；

图4是根据本发明的一些其它实施例的用于进一步包括多层磁性材料堆叠体的psttm器件的材料层堆叠体的横截面图；

图5是根据本发明的一些其它实施例的用于进一步包括电极界面材料的psttm器件的材料层堆叠体的横截面图；

图6是根据一些实施例的示出制造图1所示的psttm器件的方法的流程图；

图7是根据本发明的实施例的包括自旋转移矩元件的sttm位单元的示意图；

图8是根据本发明的实施例的示出采用sttm阵列的移动计算平台和数据服务器机器的示意图；以及

图9是示出根据本发明的实施例的电子计算设备的功能框图。

具体实施方式

参考附图来描述一个或多个实施例。尽管详细描绘并讨论了具体的配置和布置，但应该理解这仅仅是为了说明的目的而完成的。相关领域的技术人员将认识到，其它配置和布置是可能的而不脱离本说明书的精神和范围。对于相关领域的技术人员来说显而易见的是，本文描述的技术和/或布置可以用于除了本文详细描述的那些之外的各种其它系统和应用。

在下面的具体实施方式部分中参考附图，附图形成该具体实施方式的一部分并且示出示例性实施例。此外，应该理解的是可以利用其它实施例并且可以进行结构和/或逻辑改变而不脱离要求保护的主题的范围下。还应该注意的是，例如上、下、顶部、底部等方向和引用可以仅用于帮助描述附图中的特征。因此，下面的具体实施方式不应被视为具有限制意义并且要求保护的主题的范围仅由所附权利要求及其等同物限定。

在下面的描述中，阐述了许多细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在一些情况下，公知的方法和设备以框图形式而不是详细地示出，以避免使本发明难以理解。在整个说明书中对“实施例”或“一个实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构、功能或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书各处出现的短语“在实施例中”或“在一个实施例中”不一定指代本发明的同一个实施例。此外，特定特征、结构、功能或特性可以以任何合适的方式被组合在一个或多个实施例中。例如，第一实施例可以与第二实施例组合，只要与两个实施例相关联的特定特征、结构、功能或特性不互相排斥。

如在本发明的说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”和“所述”旨在还包括复数形式。还将理解的是，本文所使用的术语“和/或”是指并且包含相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有可能组合。

术语“耦合”和“连接”及其衍生词可以在本文中用于描述部件之间的功能或结构关系。应该理解的是这些术语并非旨在作为彼此的同义词。而是，在特定实施例中，“连接”可以用于指示两个或更多元件彼此直接物理接触、光学接触或电接触。“耦合”可以用于指示两个或更多元件彼此直接或间接地(在它们之间具有其它居间元件)物理或电接触，和/或两个或更多元件彼此协作或相互作用(例如，如在因果关系中)。

本文使用的术语“在...之上”、“在...之下”、“在...之间”和“在...之上”指的是一个部件或材料相对于其它部件或材料的相对位置，其中这种物理关系是值得注意的。例如在材料的上下文中，一种材料或材料设置在另一材料之上或之下可以直接接触或可以具有一种或多种居间材料。此外，一种材料设置在两种材料或材料之间可以直接与两层接触，或者可以具有一个或多个居间层。相比之下，在第二材料或材料“上”的第一材料或材料与该第二材料/材料直接接触。在部件组装的上下文中进行类似的区分。

如贯穿本说明书以及在权利要求中所使用的，通过术语“…中的至少一个”或“…中的一个或多个”连接的项目列表可以表示所列术语的任何组合。例如，短语“a、b或c中的至少一个”可以表示a、b、c、a和b、a和c、b和c、或a、b和c。

本文描述的是mtj材料堆叠体、采用这种材料堆叠体的sttm器件以及采用这种sttm器件的计算平台。在一些实施例中，垂直mtj材料堆叠体包括磁性耦合到用于改善温度稳定性的多层过滤器堆叠体的固定磁层。本文描述的实施例的应用包括嵌入式存储器、嵌入式非易失性存储器(nvm)、磁性随机存取存储器(mram)以及非嵌入式或独立式存储器。

图1是根据本发明的一些实施例的用于psttm器件的mtj材料堆叠体101的横截面图。mtj材料堆叠体101包括设置在衬底105之上的第一金属电极107(例如，底部电极)。mtj材料堆叠体101进一步包括设置在金属电极107之上的saf堆叠体112。尽管未描绘，但是可以将一个或多个材料层设置在saf堆叠体112与金属电极107之间和/或金属电极107可以包括多个材料层。在一些示例性实施例中，saf堆叠体112包括形成铁磁材料(例如，co、cofe、ni)和非磁性材料(例如，pd、pt、ru)的超晶格的第一多个双层113。双层113可以包括通过居间非磁性间隔体114与第二多个双层115(例如，p个[co/pt])分开的n个双层(例如，n个[co/pt]双层或n个[cofe/pd]双层等)。双层113和115内的层厚度例如可以在0.1-0.4nm的范围内。间隔体114提供了例如在113和115之间的反铁磁耦合。间隔体114可以是例如小于1nm厚的钌(ru)层。

包括一个或多个磁性材料层的固定磁性材料层或堆叠体120设置在saf堆叠体112之上。隧道电介质材料层130(例如，mgo、mgalo)设置在固定磁性材料层或堆叠体120之上。自由磁性材料层或堆叠体140设置在隧道电介质材料层130之上。自由磁性材料层或堆叠体140包括一个或多个自由磁性材料层。在示例性实施例中，诸如金属氧化物(例如，mgo、vdo、tao、hfo、wo、moo)的电介质材料层170设置在自由磁性材料层/堆叠体140之上。对于自旋霍尔效应(she)实施方式可以不存在这种覆盖层。第二金属电极180(例如，顶部电极)设置在覆盖材料层170之上。值得注意的是，在替代实施例中，材料层107-180的顺序可以颠倒，或者横向延伸远离形貌特征侧壁。

在一些实施例中，图1中所示的材料堆叠体是垂直系统，其中磁层的自旋垂直于材料层的平面(即，磁易轴在z-方向上、离开衬底105的平面)。固定磁层120可以由适于维持固定磁化方向的任何材料或材料堆叠体组成，而自由磁性材料堆叠体155在磁性上较软(即，磁化可以容易地旋转至相对于固定层平行和反平行的状态)。在一些实施例中，mtj结构101基于具有mgo隧道材料层130、cofeb固定磁层/堆叠体120和cofeb自由磁层140的cofeb/mgo系统。在有利实施例中，所有cofeb层具有(001)面外体心立方(bcc)纹理，其中纹理是指mtj结构101的层内的晶体学取向的分布。对于至少一些这种实施例，cofeb/mgo/cofeb结构103的晶体的高百分比具有优选的(001)面外取向(即纹理程度高)。在一些cofeb/mgo实施例中，(001)取向的cofeb磁性材料层120和140是用于增大的磁性垂直度的富铁合金(即fe>co)。在一些实施例中，fe含量至少为50％。示例性实施方式包括20-30％b(例如，co20fe60o20)。具有相等分数的钴和铁的其它实施例也是可能的(例如，co40fe40o20)。对于固定和/或自由磁层，其它磁性材料组成也是可能的，例如但不限于：这些金属的co、fe、ni和非硼合金(例如cofe)。固定和自由磁层120、140的膜厚度可以是0.1-2.0nm。

隧道电介质材料层130由如下材料或材料堆叠体组成：所述材料或材料堆叠体适合于允许大多数自旋的电流穿过该层，同时阻止少数自旋(即，自旋过滤器)的电流，影响与mtj材料堆叠体101相关联的隧道磁阻。在一些示例性实施例中，电介质材料层130是氧化镁(mgo)。电介质材料层130可以进一步提供用于自由磁性材料层140和/或固定磁性材料层120的固相外延(特别是用于cofeb/mgo/cofeb实施例)的结晶模板(例如具有(001)纹理的多晶bcc)。

固定磁性材料层120通过具有高温(ht)容差的多层过滤器堆叠体116磁性耦合到saf堆叠体112。如本文所使用的，过滤器堆叠体的高温容差是指过滤器通过与集成电路器件制造相关联的后续热处理(例如，400℃)来维持影响mtj材料堆叠体102的温度稳定性和tmr的期望的固定磁层特性的能力。

在示例性实施例中，过滤器堆叠体116包括设置在第一非磁性(nm)材料层117和第二nm材料层119之间的至少一个铁磁(fm)材料层118。fm材料层118可以具有任何铁磁组成，例如但不限于co、fe、ni和这些金属的合金。在一些有利的实施例中，fm材料层118是cofeb。cofeb组合物可以与固定磁性材料层120相同和/或与自由磁性材料层140相同。在固定磁层120和自由磁层140都富fe(fe>co)的一些cofeb实施例中，fm材料层118也是富fe的cofeb，并且可以是50-60％fe。在一些富fe的cofeb实施例中，磁性材料层118、120、140中的每一个是具有20-30％b的cofeb(例如，co20fe60b20)。

根据多层过滤器堆叠体116的一些实施例，nm材料层117、119中的至少一个包括从由ta、mo、nb、w和hf组成的组中选择的过渡金属。过渡金属可以是纯的形式或与其它成分形成合金。在有利的实施例中，过滤器堆叠体116中的至少一个nm材料层主要是(即，nm材料层中最大比例的成分)ta、mo、nb和hf之一。在一些有利的实施例中，过滤器堆叠体116中的至少一个nm材料层是ta(即，nm材料层仅由ta组成)。

根据另外的实施例，nm材料层117、119都包括从由ta、mo、nb和hf组成的组中选择的过渡金属。根据一些这种实施例，nm材料层117、119都包括从由ta、mo、nb和hf组成的组中选择的相同的过渡金属。例如，在一些实施例中，nm材料层117和119都由ta组成，或者在相同组成的ta合金中包括ta。根据替代实施例，nm材料层117、119包括选自由ta、mo、nb和hf组成的组的不同的过渡金属，或者包含其不同的合金。例如，在一些实施例中，nm材料层117和119中的第一个由ta组成，或者在第一ta合金中包括ta，而nm材料层117和119中的第二个由mo、nb、hf组成，在第二ta合金中包括ta，或者包括mo、nb或hf的合金。

根据其它实施例，nm材料层117、119中的仅一个包括从由ta、mo、nb和hf组成的组中选择的过渡金属，而另一个nm材料层是替代金属，例如但不限于w及其合金。

过滤器堆叠体116中的nm材料层的厚度也已经被发现对于提供较强磁性耦合的材料可允许的较大厚度而言是重要的。在一些实施例中，fm材料层118具有小于1nm的厚度，并且对于cofeb实施例有利地为0.4-0.9nm。在一些示例性富fe的20％b实施例(例如，co20fe60b20)中，fm材料层118具有在0.7和0.9nm之间的厚度。nm材料层117、119也可以具有小于1nm的厚度，并且有利地为0.1nm-0.5nm。在一些实施例中，nm材料层117和119的厚度不相等。例如，nm材料层119的厚度可以比nm材料层117厚至少0.1nm，其中nm材料层117和119均具有0.2-0.5nm的厚度。

本发明人已经研究了示例性cofeb/mgo/cofebmtj堆叠体，并且已经发现证据表明，上面提供的一组过渡金属相对于诸如w的替代金属可以在mtj器件的至少温度稳定性方面提供显著的改善。图2是根据一些实施例的作为施加的磁场强度的函数的mtj材料层堆叠体薄层电阻的曲线图。所示出的测量结果是从例如图1所示的具有完整mtj堆叠体的样本收集的。在一个mtj堆叠体处理中，多层过滤器包括由w组成的nm材料层。在另一个mtj堆叠体处理中，多层过滤器包括由ta组成的nm材料层。过滤器层厚度相同，并且所有其它材料层和厚度在两种处理之间大体上相同。在测量之前，将材料堆叠体在400℃的温度下退火30分钟以模拟后续ht处理。在图2中，堆叠的箭头201、202和203示出与薄层电阻(rsq)中的可见变化相关联的固定和自由磁性材料中的磁化的方向。在自旋方向在自由磁层中向上(大部分)的情况下，存在低电阻状态，并且自由磁层和固定磁层中的磁化的方向彼此平行。在自旋方向在自由磁层中向下(少数)的情况下，存在高电阻状态，并且自由磁层和固定磁层中的磁化的方向彼此反向平行。

如图2所示，对于包括基于w的过滤器堆叠体的mtj堆叠体，在第一方向上的强施加场(例如-1000oe)引起与被磁性定向在由箭头201表示的第一平行方向上的固定磁性材料和自由磁性材料相关联的低电阻状态。当施加场改变方向时，电阻增加到与由箭头202表示的反平行固定和自由磁性取向相关联的高电阻状态。在施加场的存在下切换到反平行状态示出了自由磁层的较软的磁性。随着场强度进一步增加，当固定磁层和自由磁层都定向为沿箭头203所示的第二平行方向时，材料堆叠体电阻下降回到低电阻值。以这种方式切换固定层所需的场强度指示固定磁层稳定性。如图2进一步所示，包括基于ta的过滤器堆叠体(例如，两个nm材料层为ta)的mtj堆叠体中的固定层在存在较强的施加磁场的情况下不切换。换句话说，在较宽的施加场范围205上的常数rsq值指示，用于具有基于ta的多层过滤器mtj的固定磁层比用于具有基于w的多层过滤器的mtj的固定磁层更稳定。

图3是根据一些实施例的对包括具有不同非磁性材料层的多层过滤器堆叠体的mtj材料层堆叠体的tmr％进行比较的曲线图。所示出的测量结果是从例如图1所示的具有完整mtj堆叠体的样本收集的。在一个mtj堆叠体处理中，多层过滤器堆叠体包括由w组成的两个nm材料层，其具有设置在w层之间的cofeb材料层。在其它mtj堆叠体处理中，多层过滤器包括两个由ta组成的nm材料层，其具有设置在ta层之间的cofeb材料层。过滤器层厚度相同，并且所有其它材料层和厚度在两种处理之间大体上相同。如所示，两个多层过滤器提供大约200％的tmr。这样，相对于基于w的多层过滤器，基于ta的多层过滤器提供固定层稳定性的改善而没有任何tmr代价。

用于多层过滤器的良好的nm材料是在磁层内促进期望的结晶度的材料，并且因此在沉积状态中至少为非晶态，并且有利地对于fm材料的cofeb实施例具有带有bcc结晶度和(001)纹理的主导稳定相。上面列出的所有过渡金属都具有bcc稳定相，但是w也是如此，并且因此附加因素可以驱动图2所示的改善的固定磁层稳定性。膜组成和伴随的晶体学和界面性质可以影响例如nm材料的磁性耦合强度以及自由磁层的固相外延。这些参数的相互作用在构建对高温处理具有耐受性的过滤器材料堆叠体方面引入了复杂性。nm材料层(以及用于沉积nm材料层的技术)还可能对于在高温处理期间、特别是在其上沉积nm材料层的磁性材料下层内形成磁性死区具有重要的作用。尽管不受理论束缚，但是对于图2中所示的ta相对于w的稳定性的改善的一种可能的解释是，(cofeb)fm材料层118中的磁性死区的减少和/或(co/pt)双层115中的磁性死区的减少。这种死区减小将增大磁性材料层的有效厚度。磁性死区的减少可以归因于下层磁性材料的较低的原子混合。例如，ta具有比w稍低的原子数(z)，并且可以以较低的能量被沉积。即使诸如mo的较轻的金属也可以有利地相对于w基准更多地减少死区厚度。溅射沉积条件也可以作为带来ta的较低能量沉积的源靶材料的函数而变化。nm材料层也可以不同程度地吸收来自磁层(例如，吸收来自cofeb的b)的掺杂剂，目前认为这改善了磁层的结晶。fm材料层的更大的有效厚度和/或改善的结晶将改善saf堆叠体112和固定磁性材料层120之间的耦合强度，从而提高稳定性。nm材料向fm材料扩散的低速率对于多层过滤器堆叠体也可能是重要的。较高z的元素倾向于不太快地扩散，因此还取决于磁性材料，即使可能发生较少的混合，上面提供的最轻的过渡金属(例如，mo)也可能不如ta适合。

进一步参考图1，注意，mtj堆叠体可以在隧道层130上方和saf堆叠体112下方发生相当大的变化而不脱离本发明的实施例的范围。例如，包括多个自由磁层的自由磁性材料堆叠体可以与上述的过滤器材料堆叠体架构合并。在另一个示例中，电极界面层可以被并入saf结构和下层电极金属之间，以进一步改善固定磁性材料层的稳定性。

图4是根据本发明的一些其它实施例的用于进一步包括多层自由磁性材料堆叠体455的psttm器件的材料层堆叠体501的横截面图。自由磁性材料堆叠体455包括通过居间金属耦合材料层磁性耦合的多个自由磁性材料层。在示例性实施例中，金属耦合材料层150设置在第一自由磁性材料层140和第二自由磁性材料层160之间。

在一些实施例中，自由磁性材料堆叠体455的层通过具有高温(ht)耐受性的金属耦合层160而被磁性耦合。如本文所使用的，金属耦合层的高温耐受性是指耦合材料在与集成电路器件制造相关联的后续热处理中始终维持期望的自由磁层特性(例如，高稳定性δ和高各向异性keff)的能力。值得注意的是，通常执行真空热退火(例如～250-300℃)以允许磁性材料从大体上非晶的沉积状态达到期望的结晶度和纹理(例如具有(001)纹理的bcc)。然而，在400℃下执行常规用于mos晶体管集成电路(ic)制造的许多工艺。发明人已经发现，包含耦合材料层的许多自由磁性材料堆叠体在热处理超过300℃时在keff方面遭受显著降级，使得这种mtj材料堆叠体难以与mos晶体管ic制造集成。

在一些有利的实施例中，自由磁性材料堆叠体455的层通过至少包括钼(mo)的耦合层150而被磁性耦合。mo可以是纯形式或与其它成分形成合金。在有利的实施例中，金属耦合材料层至少主要是mo(例如，mo是耦合材料中最大比例的成分)。在一些示例性实施例中，耦合材料是元素mo(即没有其它有意的成分)。在合金mo的实施例中，自由磁性材料中可以大体上不存在合金成分，或者自由磁性材料中也可以存在合金成分。在有利的合金mo实施例中，mo合金具有占主导地位的稳定bcc相。在一些示例性实施例中，mo与ta、w、nb、v、hf和cr中的一种或多种形成合金。耦合材料层的厚度也被认为是重要的，有利地为仅几埃以使阻尼最小化。在mo耦合层的一些实施例中，mo膜具有小于1nm的厚度，并且有利地为0.1和0.8nm。

在一些实施例中，自由磁层140和160均为具有体心立方(bcc)(001)面外纹理的cofeb。对于至少一些cofeb实施例，cofeb晶体中的很大比例具有优选的(001)面外取向(即纹理度高)。在一些实施例中，(001)取向的cofeb磁性材料层120、140和160是富铁合金(即fe>co)以用于提高磁性垂直度。对于固定和/或自由磁层，其它磁性材料组成也是可能的，例如但不限于：这些金属的co、fe、ni和非硼合金(例如cofe)。在一些有利的实施例中，自由磁层140的膜厚度是0.6-1.6nm，而自由磁层160的膜厚度是0.1-1nm。自由磁层140可以比自由磁层160厚以补偿任何剩余的死区。然而，在一些实施例中，自由磁层140和160具有相等的厚度，因为已经发现mo耦合层以表明减小的死层厚度的方式改善性能。

图5是根据本发明的一些其它实施例的进一步包括电极界面材料层/堆叠体110的用于psttm器件的材料层堆叠体502的横截面图。在所示的示例性实施例中，电极界面材料层或堆叠体110设置在电极107和saf堆叠体112之间。晶种层111进一步设置在saf堆叠体112和界面材料层/堆叠体110之间。晶种层111可以是具有合适的成分和微观结构以促进saf堆叠体112中的有利的结晶度的材料。在一些实施例中，晶种层111包括pt并且可以是大体上纯的pt(即，不是有意合金化的)。pt的晶种层非常适合作为基于co/pt的saf结构的下层。电极界面材料层或堆叠体110将促进晶种层中的具有(111)纹理的有利的fcc结构。pt晶种层通常沉积有fcc结构，除非由下层强烈地限制(template)。电极界面材料层/堆叠体110的存在是为了防止晶种层基于电极107(例如tin的表面)对其晶体结构进行限制。因此，电极界面材料层/堆叠体110可以被认为是晶体增强层，其相对于当晶种层直接沉积在电极107上时所获得的结晶度，增强了晶种层111(和saf堆叠体505等)的结晶度。

根据一些实施例，电极界面材料/堆叠体110包括至少一个包括cofeb的材料层。例如，单个cofeb材料层可以与两个金属电极107和晶种层111直接接触。对于cofeb电极界面实施例，晶种层111应足够厚，以避免磁性耦合到电极界面材料/堆110。对于示例性pt晶种层实施例，pt层有利地具有至少2nm(例如，2-5nm)的厚度。

cofeb材料层110可以具有宽范围的组成，因为磁性属性在典型的用于自由和/或固定磁层的方式中无需被优化。在一些有利的实施例中，cofeb材料层110a具有与(多个)固定磁性材料层120的组成相同的组成，和/或具有与(多个)自由磁性材料层140的组成相同的组成。cofeb材料层110a可以具有0.4和5nm之间的厚度。

根据一些其它实施例，电极界面材料/堆叠体110包括与晶种层111直接接触的cofeb材料层和与金属电极107直接接触的ta材料层。添加ta材料层可以改善cofeb材料层到金属电极107(例如，tin材料)的粘附。例如，ta材料层可以具有5nm或更小(例如，1-5nm)的厚度。

根据一些其它实施例中，电极界面材料/堆叠体110包括与晶种层111直接接触的ta材料层和与金属电极107直接接触的ru材料层。发明人已经发现，沉积有hcp结晶度的ru促进了ta材料层中的bcc结晶度，已经进一步发现其有利于在晶种层内形成fcc结晶度和(111)纹理。ru材料层可以具有20nm或更小(并且有利地为10-20nm)的厚度。

根据一些其它实施例中，电极界面材料/堆叠体110包括与晶种层111直接接触并且与金属电极107直接接触的ta材料层。本发明人发现，可以采用不含cofeb或ru的元素(纯)ta，如果ta材料层被限制为小于2nm，并且有利地为1.0-1.5nm。发明人已经发现，厚度被限制为小于1.5nm的ta的结晶度有利于在晶种层内形成fcc结晶和(111)纹理。

可以通过施加各种技术和处理室构造的各种方法来制造按照上面的架构的mtj堆叠体材料。图6是示出根据一些实施例的用于制造如图1所示的sttm器件的方法601的流程图。方法601以操作610的接纳衬底开始。适合于微电子制造的任何已知衬底可以被接纳，所述衬底例如但不限于晶体硅衬底。晶体管和/或互连金属化结构的一个或多个层级可以存在于在操作610所接纳的衬底上。

在操作615，第一电极金属层或堆叠体被沉积。在操作620，saf结构(或反铁磁材料层)沉积在第一电极金属层之上。在操作625，第一ta层直接沉积在saf结构(或反铁磁材料层)的层上。在操作630，cofeb层直接沉积在操作625所沉积的ta层上。在操作635，第二ta层直接沉积在操作630所沉积的cofeb层上。在替代的实施例中，ta的合金在操作625和635被沉积。在其它实施例中，mo、nb、或hf中的至少一个、或它们的合金在操作625和635中的至少一个被沉积。对于ta、mo、nb或hf或它们的合金仅在操作625和635之一被沉积的实施例，诸如w的另一金属也可以在其它操作被沉积。

在操作625、630和635沉积的每个过滤器层材料可以被沉积到在本文其它地方所描述的厚度范围内。在示例性实施例中，操作625、630和635都需要在低于250℃的温度下执行的物理气相沉积(溅射沉积)。共溅射和反应溅射中的一种或多种可以以本领域中已知的任何量使用以形成本文描述的各种层组成。对于pvd实施例，例如但不限于磁性过滤器材料层的材料层中的一个或多个以非晶形式被沉积，其在衬底区域之上可以是不连续的(例如，形成不接合的岛)。可以为具有已知为合适的前体的那些材料执行例如原子层沉积(ald)的替代的沉积技术。替代地，可以实践例如但不限于分子束外延(mbe)的外延工艺以生长mtj材料层中的一个或多个。对于这些替代的沉积技术中的一种或多种，至少磁性材料层可以被沉积有至少一些微结构(例如，具有纹理的多晶)。

在操作640，包括cofeb的固定磁性材料层或堆叠体直接沉积在第二ta层上。在操作645，例如mgo的隧道电介质材料沉积在固定磁层之上。在操作650，包括cofeb的自由磁性材料层或堆叠体沉积在隧道电介质材料之上。在操作655，诸如mgo的电介质覆盖材料沉积在自由磁性材料层或堆叠体之上。电介质覆盖材料的沉积是可选的，并且例如可以从制造过程中被省略以用于psttm的自旋霍尔效应实施方式。在操作660，第二电极金属沉积在帽材料之上。在示例性实施例中，操作640、645、650、655和660都需要在低于250℃的温度下执行的物理气相沉积(溅射沉积)。共溅射和反应溅射中的一种或多种可以以本领域中已知的任何量使用以形成本文描述的各种层组成。对于pvd实施例，例如但不限于磁性固定和自由材料层的材料层中的一个或多个以非晶形式被沉积，其在衬底区域之上可以是不连续的(例如，形成不接合的岛)。可以为具有已知为合适的前体的那些材料执行例如原子层沉积(ald)的替代的沉积技术。替代地，可以实践例如但不限于分子束外延(mbe)的外延工艺以生长mtj材料层中的一个或多个。对于这些替代的沉积技术中的一种或多种，至少磁性材料层可以被沉积有至少一些微结构(例如，具有纹理的多晶)。

在mtj材料堆叠体中的一个或多个层(例如，所有的层)被沉积后，在本领域中已知的任何条件下执行退火，例如，以促进非晶cofeb磁性材料层的固相外延，从而给予多晶bcc结构和(001)纹理。退火温度、持续时间、和环境可以随着在250℃(或更高温度)下执行退火的示例性实施例而变化。方法601在操作690完成，在操作690，在例如至少400℃的温度下执行高温sttm和/或mos晶体管ic加工。可以被执行任何标准微电子制造工艺，例如光刻、蚀刻、薄膜沉积、平坦化(例如，cmp)等，以完成采用本文所述的mtj材料堆叠体或其中的材料层的子集中的任一种的sttm器件的刻画(delineation)和/或互连。

在实施例中，mtj本质上充当电阻器，其中电路径的通过mtj的电阻可以存在于“高”或“低”这两个电阻状态之间，取决于在自由磁性层中和在固定磁层中的磁化的方向或取向。在自由磁层中的自旋方向为向下(少数)的情况下，存在高电阻状态，并且在耦合的自由磁层和固定磁层中的磁化的方向是彼此反平行。在自由磁层中的自旋方向为向上(多数)的情况下，存在低电阻状态，并且在自由磁层和固定磁层中的磁化的方向是彼此平行的。关于mtj的电阻状态的术语“低”和“高”是相对于彼此的。换言之，高电阻状态仅仅是可检测的比低电阻状态更高的电阻，反之亦然。因此，随着电阻中的可检测的差异，低和高电阻状态可以表示信息的不同位(即，“0”或“1”)。

在耦合的自由磁层中的磁化的方向可以通过使用自旋极化电流的被称为自旋转移矩(“stt”)的过程进行切换。电流通常是非极化的(例如由大约50％的自旋向上和大约50％的自旋向下电子组成)。自旋极化电流是具有更大数量的自旋向上电子或自旋向下电子的电流。使电流通过固定磁层可以产生自旋极化电流。来自固定磁层的自旋极化电流的电子隧穿通过隧道势垒或电介质层并将其自旋角动量转移到自由磁层，其中，自由磁层将使其磁性方向从与固定磁层的磁性方向反平行定向为与固定磁层的磁性方向平行。自旋霍尔效应也可以用于通过与自由磁性材料层接触的特定电极材料来产生自旋极化电流。对于这种实施例，自由磁层可以在不通过固定磁层和mtj的其它材料层施加电流的情况下被定向。在任一实施方式中，自由磁层可以通过使电流反转来回到其原始取向。因此，mtj可以通过其磁化状态来存储信息的单个位(“0”或“1”)。通过将电流驱动通过mtj来感测存储在mtj中的信息。(多个)自由磁层不需要电源来保持其磁性取向。这样，当通往器件的电源被移除时，mtj的状态被保留。因此，由本文所描述的材料堆叠体组成的自旋转移矩存储器位单元是非易失性的。

图7是根据本发明的实施例的包括自旋转移矩元件710的sttm位单元701的示意图。自旋转移矩元件710包括自由磁性材料层或堆叠体140，其包括至少一个磁性材料层，例如cofeb。元件710还包括第一金属化结构107，其靠近固定磁层120，其间设置了电极界面材料110和晶种层116。隧道层130设置在自由磁性材料层/堆叠体140和固定磁层/堆叠体120之间。第二金属化结构180靠近自由磁性材料。第二金属化结构180电耦合到第一金属互连792(例如，位线)。第一金属化结构107通过晶体管715电连接到第二金属互连791(例如，源极线)。晶体管715进一步通过本领域中常规的任何方式连接到第三金属互连793(例如，字线)。在she实施方式中，第二金属化结构180进一步耦合到第四金属互连794(例如，维持在相对于第一金属互连792的参考电位)。自旋转移矩存储器位单元701还可以包括附加的读取和写入电路(未示出)、感测放大器(未示出)、位线参考(未示出)等等，如固态非易失性存储器器件领域的技术人员所理解的。多个自旋转移矩存储器位单元710可以被可操作地连接到彼此，以形成存储器阵列(未示出)，其中存储器阵列可以被并入非易失性存储器器件。

图8示出了系统800，其中移动计算平台805和/或数据服务器机器806采用包括底部电极界面材料层或堆叠体(例如包括如上所述的cofeb或ta)的mtj材料堆叠体。服务器机器806可以是任何商用服务器，例如包括设置在机架内并联网在一起以用于电子数据处理的任何数量的高性能计算平台，服务器机器806在示例性实施例中包括封装器件850。

移动计算平台805可以是被配置为用于电子数据显示、电子数据处理、无线电子数据传输等中的每一个的任何便携式设备。例如，移动计算平台805可以平板电脑、智能电话、膝上型计算机等中的任一个，并且可以包括显示屏幕(例如，电容式、电感式、电阻式或光学触摸屏)、芯片级或封装级集成系统810、和电池815。

无论是设置在扩展视图820中所示的集成系统810内，还是作为服务器机器806内的独立的封装器件，soc860包括mtj材料堆叠体，该mtj材料堆叠体包括底部电极界面材料层或堆叠体，例如包括cofeb或ta。soc560还可以包括存储器电路和/或处理器电路840(例如，sttm、mram、微处理器、多核微处理器、图形处理器等)。控制器835、pmic830、或rf(射频)集成电路(rfic)825中的任一个可以包括采用mtj材料堆叠体的嵌入式sttm，该mtj材料堆叠体包括例如具有至少一个基于ta的材料的nm/fm/nm多层过滤器堆叠体。

如进一步所示，在示例性实施例中，rfic825具有耦合到天线(未示出)的输出，以实施任何数量的无线标准或协议中的任一种，所述无线标准或协议包括但不限于wi-fi(ieee802.11系列)、wimax(ieee802.16系列)、ieee802.20、长期演进(lte)、ev-do、hspa+、hsdpa+、hsupa+、edge、gsm、gprs、cdma、tdma、dect、蓝牙、其衍生物、以及被指定为3g、4g、5g和更高代的任何其它无线协议。在替代的实施方式中，这些soc模块中的每一个可以被集成到耦合到封装衬底、内插器、或板的单独的ic中。

图9是根据本公开的至少一些实施方式布置的计算设备900的功能框图。可以在例如平台905或服务器机器906内找到计算设备900。设备900还包括主板902，其容纳多个部件，例如但不限于处理器904(例如，应用处理器)，其可以进一步并入根据本发明的实施例的基于mtj材料堆叠体的嵌入式磁存储器，该mtj材料堆叠体包括底部电极界面材料层或堆叠体，例如包括如上所述的cofeb或ta。处理器904可以物理和/或电耦合到主板902。在一些示例中，处理器904包括封装在处理器904内的集成电路管芯。通常，术语“处理器”或“微处理器”可以指处理来自寄存器和/或存储器的电子数据以将该电子数据转换成可以进一步存储在寄存器和/或存储器中的其它电子数据的任何设备或设备的部分。

在各种示例中，一个或多个通信芯片906也可以物理和/或电耦合到主板902。在其它实施方式中，通信芯片906可以是处理器904的一部分。取决于其应用，计算设备900可以包括可以或可以不物理和电耦合到主板902的其它部件。这些其它部件包括但不限于易失性存储器(例如，dram)、非易失性存储器(例如，rom)、闪速存储器、图形处理器、数字信号处理器、密码处理器、芯片组、天线、触摸屏显示器、触摸屏控制器、电池、音频编解码器、视频编解码器、功率放大器、全球定位系统(gps)设备、罗盘、加速度计、陀螺仪、扬声器、相机和大容量存储设备(例如硬盘驱动器、固态驱动器(ssd)、压缩磁盘(cd)、数字多用盘(dvd)等)等。

通信芯片906能够实现用于向计算设备900传输数据以及传输来自计算设备900的数据的无线通信。术语“无线”及其派生词可以用于描述可以通过使用经调制的电磁辐射通过非固态介质来传送数据的电路、设备、系统、方法、技术、通信信道等。该术语不暗示相关联的设备不包含任何线路，尽管在一些实施例中它们可能不包含线路。通信芯片906可以实施若干无线标准或协议中的任何标准或协议中的任一种，包括但不限在本文中其它位置所述的那些标准或协议。如所讨论的，计算设备900可以包括多个通信芯片906。例如，第一通信芯片906可以专用于诸如wi-fi和蓝牙的较短距离无线通信，并且第二通信芯片906可以专用于诸如gps、edge、gprs、cdma、wimax、lte、ev-do等较长距离无线通信。

虽然已经参照各种实施方式描述了本文阐述的某些特征，但是该描述并非旨在以限制性的意义来解释。因此，本文所描述的实施方式的各种修改、以及对本公开所属领域的技术人员而言显而易见的其它实现方式被认为落在本公开的精神和范围内。

应当认识到本发明并不限于这样描述的实施例，而是可以用修改和变更来实践，而不脱离所附权利要求的范围。例如，上述实施例可以包括如下面进一步提供的特征的特定组合。

在一个或多个第一实施例中，一种设置在衬底之上的磁性隧道结(mtj)材料层堆叠体包括反铁磁层或堆叠体、多层过滤器堆叠体，多层过滤器堆叠体还包括设置在两个非磁性材料层之间的第一磁性材料层。所述非磁性材料层中的至少一个包括ta、mo、nb、或hf中的至少一个。mtj堆叠体还包括固定磁性材料层或堆叠体和自由磁性材料层或堆叠体，所述固定磁性材料层或堆叠体包括设置在所述过滤器堆叠体之间的一个或多个第二磁性材料层，所述自由磁性材料层或堆叠体包括一个或多个第三磁性材料层。所述mtj堆叠体进一步包括设置在所述固定磁性材料层或堆叠体和所述自由磁性材料层或堆叠体之间的第一电介质材料层。

在第一实施例的进一步推进中，磁性材料层具有垂直磁各向异性。反铁磁层或堆叠体包括合成反铁磁(saf)堆叠体。过滤器堆叠体中的第一非磁性材料层与所述第一磁性材料层和saf堆叠体的材料层直接接触。过滤器堆叠体中的第二非磁性材料层与第二磁性材料层中的一个和所述第一磁性材料层直接接触。

在紧接上述第一实施例的进一步推进中，过滤器堆叠体中的两个非磁性材料层都包括ta并且每个具有0.1nm至0.5nm之间的膜厚度。

在紧接上述第一实施例的进一步推进中，过滤器堆叠体中的第二非磁性材料层具有比第一非磁性材料层更大的膜厚度。

在第一实施例的进一步推进中，在所述过滤器堆叠体中的每个非磁性材料层至少主要是ta并且具有0.2nm-0.5nm的膜厚度。

在第一实施例的进一步推进中，在所述过滤器堆叠体中的每个非磁性物质层由ta组成。

在第一实施例的进一步推进中，过滤器堆叠体中的两个非磁性材料层包括ta、mo、nb、w、或hf中的至少一个，并且每个具有0.1nm至0.5nm之间的膜厚度。

在紧接上述第一实施例的进一步推进中，两个非磁性材料层包括mo并且每个具有0.1nm至0.5nm之间的膜厚度。

在第一实施例的进一步推进中，第一、第二和第三磁性材料层包括cofeb，第一电介质材料层包括mgo并且所述第一磁性材料层具有在0.4和0.9nm之间的厚度。

在一个或多个第二实施例中，一种非易失性存储器单元包括：第一电极；耦合到存储器阵列的第一互连金属化结构的第二电极；在第一实施例中的任一个中的mtj材料堆叠体；以及晶体管，其具有电耦合到所述第一电极的第一端子、电耦合到存储器阵列的第二互连金属化结构的第二端子、和电耦合到所述存储器阵列的第三互连金属化结构的第三端子。

在一个或多个第三实施例中，一种非易失性存储器单元包括：第一电极；耦合到存储器阵列的第一互连金属化结构的第二电极；以及设置在第一和第二电极之间的mtj材料堆叠体。所述mtj材料堆叠体进一步包括：反铁磁层或堆叠体；多层过滤器堆叠体，其还包括设置在两个非磁性材料层之间的第一磁性材料层，其中，所述非磁性材料层中的至少一个包括ta、mo、nb、或hf中的至少一个；固定磁性材料层或堆叠体，包括设置在过滤器堆叠体之间的一个或多个第二磁性材料层；自由磁性材料层或堆叠体，包括一个或多个第三磁性材料层；以及第一电介质材料层，设置在所述固定磁性材料层或堆叠体和所述自由磁性材料层或堆叠体之间。mtj堆叠体还包括晶体管，其具有电耦合到第一电极的第一端子、电耦合到存储器阵列的第二互连金属化结构的第二端子、和电耦合到所述存储器阵列的第三互连金属化结构的第三端子。

在第三实施例的进一步推进中，磁性材料层具有垂直磁各向异性，反铁磁层或堆叠体包括合成反铁磁(saf)堆叠体，所述磁性材料层均包括富fe的cofeb，第一电介质层包括mgo，过滤器堆叠体中的第一和第二非磁性材料层中的每个具有0.1nm至0.5nm之间的厚度，并且过滤器堆叠体中的非磁性层中的至少一个包括选自由ta、mo、nb、w和hf组成的组中的过渡金属。

在紧接上述第三实施例的进一步推进中，第一磁性材料层具有在0.4和0.9nm之间的厚度，并且过滤器堆叠体中的每个所述非磁性材料层由ta组成并且具有0.2nm-0.5nm的膜厚度。

在紧接上述第三实施例的进一步推进中，过滤器堆叠体中的第二非磁性材料层具有比第一非磁性材料层更大的膜厚度。

在一个或多个第四实施例中，一种移动计算平台包括非易失性存储器，其包括：多个在第三实施例中的任一项中所述的非易失性存储器单元；以通信方式耦合到所述非易失性存储器的处理器；耦合到所述处理器的电池；以及无线收发机。

在一个或多个第五实施例，一种形成磁性隧道结(mtj)材料堆叠体的方法包括：沉积反铁磁层或堆叠体，在所述反铁磁层或堆叠体之上沉积第一非磁性过滤器层；在第一非磁性过滤器层之上沉积第一磁性材料层；在磁性材料层之上沉积第二非磁性过滤器层；在第二非磁性过滤器层之上沉积固定磁性材料层或堆叠体，其包括一个或多个第二磁性材料层；在所述固定磁性材料层或堆叠体之上沉积电介质材料层；在所述电介质材料层之上沉积自由磁性材料层或堆叠体，其包括一个或多个第三磁性材料层；以及在至少250℃的温度下对所述mtj堆叠体进行退火，其中，所述第一或第二非磁性过滤器层中的至少一个包括ta、mo、nb、或hf。

在第五实施例的进一步推进中，沉积所述第一非磁性过滤器层还包括：将ta溅射沉积对0.2nm-0.5nm的厚度。沉积第二非磁性过滤器层还包括将ta溅射沉积对0.2nm-0.5nm的厚度。

在紧接上述第五实施例的进一步推进中，沉积所述第一磁性材料层还包括直接在第一非磁性过滤器层上溅射沉积cofeb。沉积第二非磁性过滤器层还包括直接在cofeb上溅射沉积ta。沉积所述固定磁性材料层或堆叠体还包括直接在第二非磁性过滤器层上溅射沉积cofeb。

在第五实施例的进一步推进中，沉积所述第一、第二和第三磁性材料层包括：溅射沉积非晶cofeb，以及退火将非晶cofeb转换成具有(001)纹理的多晶bcccofeb。

在第五实施例的进一步推进中，沉积所述mtj堆叠体还包括在低于250℃的温度下溅射沉积所有的层。

在第五实施例的进一步推进中，沉积所述反铁磁层或堆叠体还包括：沉积第一多个co/pt双层；在所述第一多个co/pt双层之上沉积ru材料层；以及在ru材料层之上沉积第二多个co/pt双层。

然而，上述实施例并不限于此，并且，在各种实施方式中，上述实施例可以包括仅采取这种特征的子集，采取这种特征的不同的顺序，采取这种特征的不同组合，和/或采取那些明确列出的特征之外的附加功能。因此本发明的范围应当参照所附的权利要求以及为这些权利要求赋予权力的等同物的全部范围来确定。