背景

領域

本公開的某些方面一般涉及磁性隧穿結(mtj)器件，尤其涉及mtj器件的釘扎層結構。

背景

與常規(guī)的隨機存取存儲器(ram)芯片技術不同，在磁性ram(mram)中，通過存儲元件的磁化來存儲數(shù)據(jù)。存儲元件的基本結構包括由薄的隧穿勢壘分開的金屬鐵磁層。通常，勢壘下方的鐵磁層(例如，釘扎層)具有固定在特定方向上的磁化。隧穿勢壘上方的鐵磁磁性層(例如，自由層)具有可被更改以表示“1”或“0”的磁化方向。例如，在自由層磁化與固定層磁化反平行時可表示“1”。另外，在自由層磁化與固定層磁化平行時可表示“0”，反之亦然。具有固定層、隧穿層和自由層的一種此類器件是磁性隧道結(mtj)。mtj的電阻取決于自由層磁化和固定層磁化是彼此平行還是彼此反平行。存儲器器件(諸如mram)是從可個體尋址的mtj陣列構建的。

為了將數(shù)據(jù)寫入常規(guī)mram，通過mtj來施加超過臨界切換電流的寫電流。施加超過臨界切換電流的寫電流改變自由層的磁化方向。當寫電流以第一方向流動時，mtj可被置于或者保持在第一狀態(tài)，其中其自由層磁化方向和固定層磁化方向在平行取向上對準。當寫電流以與第一方向相反的第二方向流動時，mtj可被置于或者保持在第二狀態(tài)，其中其自由層磁化和固定層磁化呈反平行取向。

為了讀取常規(guī)mram中的數(shù)據(jù)，讀電流可經(jīng)由用于將數(shù)據(jù)寫入mtj的相同電流路徑來流經(jīng)該mtj。如果mtj的自由層和固定層的磁化彼此平行地取向，則mtj呈現(xiàn)平行電阻。該平行電阻不同于在自由層和固定層的磁化以反平行取向的情況下mtj將呈現(xiàn)的電阻(反平行)。在常規(guī)mram中，由mram的位單元中的mtj的這兩個不同電阻定義兩種相異的狀態(tài)。這兩個不同的電阻指示由該mtj存儲邏輯“0”值還是邏輯“1”值。

自旋轉移矩磁性隨機存取存儲器(stt-mram)是一種新興類型的非易失性存儲器，其以比芯片外動態(tài)隨機存取存儲器(dram)更高的速度來操作。另外，stt-mram具有比嵌入式靜態(tài)隨機存取存儲器(esram)更小的芯片尺寸、無限讀/寫耐久性、以及低陣列漏泄電流。

在一種類別的stt-mram單元中，磁性隧道結(mtj)的自由層和基準層的極化方向平行于相應層的平面。此類存儲器單元被稱為具有面內磁各向異性或者縱向磁各向異性(lma)。通過構造具有伸長形狀(諸如橢圓形)的存儲器單元來提供具有面內磁各向異性的mram單元的磁極化方向。該伸長形狀在每一端提供用于使磁矩趨向或遠離的磁極位置。

在另一種類別的stt-mram單元中，mtj的自由層和基準層的極化方向垂直于相應層的平面。此類存儲器單元被稱為具有垂直磁各向異性(pma)。pma類型的stt-mram單元的層中的磁極化方向是固有地定向的，即，垂直于該層。因此，pma類型stt-mram單元可具有可以比伸長的面內mram單元更容易制造的對稱形狀(諸如圓形形狀)。圓形形狀的pma類型stt-mram單元具有比伸長的面內stt-mram單元更小的面積，并且因此可促成更深度縮放的存儲器器件的開發(fā)。此外，由于stt-mram單元的切換電流與其面積成比例，因此pma類型stt-mram單元可消耗比面內類型stt-mram單元更少的功率。自由層和基準層的極化方向垂直于相應層的平面的mtj可被稱為垂直mtj或pmtj。

概述

一種垂直磁性隧道結(mtj)的合成反鐵磁(saf)基準層的材料堆疊可包括saf耦合層。所述材料堆疊還可包括所述saf耦合層上的非晶間隔體層。所述非晶間隔體層包括鉭和鈷、或者鉭和鐵、或者鈷和鐵和鉭的合金或多層。

一種垂直磁性隧道結(mtj)的合成反鐵磁(saf)基準層的材料堆疊可包括saf耦合層。所述材料堆疊還可包括所述saf耦合層上的非晶間隔體層。所述非晶間隔體層可包括所述saf耦合層的經(jīng)處理表面。

一種垂直磁性隧道結(mtj)包括：垂直自由層、垂直合成反鐵磁(saf)基準層；以及在所述saf基準層與所述垂直自由層之間的隧道勢壘層。所述saf基準層可包括：第一反平行材料堆疊、在所述第一反平行材料堆疊與所述隧道勢壘層之間的第二反平行材料堆疊、以及在所述第一反平行材料堆疊與所述第二反平行材料堆疊之間的saf耦合層。所述第二反平行材料堆疊可包括：用于阻擋硼從所述第二材料堆疊向所述第一材料堆疊擴散以在退火工藝期間改善所述saf基準層的熱穩(wěn)定性的裝置。

一種減小垂直磁性隧道結(mtj)中的合成反鐵磁(saf)基準層厚度的方法可包括：形成第一反平行垂直磁各向異性(pma)材料堆疊，所述第一反平行pma材料堆疊包括鈷和鉑、鈷和鈀、或者鈷和鎳的pma多層的重復。所述方法還可包括：在所述第一反平行材料堆疊上沉積saf耦合層，并且在所述saf耦合層上形成第二反平行pma材料堆疊。所述第二反平行pma材料堆疊可不具有pma多層的重復。所述方法還包括：在所述saf耦合層上形成非晶間隔體層以在高溫退火期間保持或增加由所述saf基準層提供的tmr。

這已較寬泛地勾勒出本公開的特征和技術優(yōu)勢以便下面的詳細描述可以被更好地理解。本公開的附加特征和優(yōu)點將在下文描述。本領域技術人員應該領會，本公開可容易地被用作修改或設計用于實施與本公開相同的目的的其他結構的基礎。本領域技術人員還應認識到，這樣的等效構造并不脫離所附權利要求中所闡述的本公開的教導。被認為是本公開的特性的新穎特征在其組織和操作方法兩方面連同進一步的目的和優(yōu)點在結合附圖來考慮以下描述時將被更好地理解。然而，要清楚理解的是，提供每一幅附圖均僅用于解說和描述目的，且無意作為對本公開的限定的定義。

附圖簡述

為了更全面地理解本公開，現(xiàn)在結合附圖參閱以下描述。

圖1是連接到存取晶體管的磁性隧道結(mtj)器件的示圖。

圖2是包括mtj的常規(guī)自旋轉移矩磁性隨機存取存儲器(stt-mram)單元的概念圖。

圖3是解說了常規(guī)垂直磁性隧道結(pmtj)結構的橫截面圖。

圖4是解說了常規(guī)垂直磁性隧道結(pmtj)結構的橫截面圖，其示出了常規(guī)合成反鐵磁(saf)材料堆疊。

圖5是解說了根據(jù)本公開的一方面的垂直mtj結構的橫截面圖。

圖6是解說了根據(jù)本公開的另一方面的垂直mtj結構的橫截面圖。

圖7是解說了根據(jù)本公開的一方面的制造垂直mtj結構的工藝的工藝流程圖。

圖8是示出其中可有利地采用本公開的配置的示例性無線通信系統(tǒng)的框圖。

圖9是解說根據(jù)一種配置的用于半導體組件的電路、布局、以及邏輯設計的設計工作站的框圖。

詳細描述

以下結合附圖闡述的詳細描述旨在作為各種配置的描述，而無意表示可實踐本文中所描述的概念的僅有的配置。本詳細描述包括具體細節(jié)以便提供對各種概念的透徹理解。然而，對于本領域技術人員將顯而易見的是，沒有這些具體細節(jié)也可實踐這些概念。在一些實例中，以框圖形式示出眾所周知的結構和組件以避免湮沒此類概念。如本文所述的，術語“和/或”的使用旨在代表“可兼性或”，而術語“或”的使用旨在代表“排他性或”。

在常規(guī)的垂直磁性隧道結(pmtj)結構中，緩沖層提供針對隧穿磁阻(tmr)增強層(例如，鈷鐵硼(cofeb)層)的結構緩沖，以避免擾亂tmr增強層中的晶向。緩沖層還充當擴散勢壘和磁耦合層以增強隧穿磁阻。緩沖層可由鉭構成。

在常規(guī)pmtj結構中，提供鈷(co)和鉑(pt)層的眾多重復以實現(xiàn)預定的熱穩(wěn)定性和隧穿磁阻。然而，co和pt層的眾多重復向合成反鐵磁(saf)基準層添加了顯著厚度。saf基準層的總體高度可在15至30納米之間以實現(xiàn)期望的熱穩(wěn)定性和隧穿磁阻。通過減少co和pt層的重復次數(shù)來減小saf基準的厚度可能無法提供期望的熱穩(wěn)定性和隧穿磁阻。

本公開的各方面包括一種具有減少的co和pt層的重復的pmtj結構，同時保留期望的熱穩(wěn)定性和隧穿磁阻。減小pmtj結構中的多層材料堆疊的總體厚度通常具有減小材料堆疊的表面粗糙度的效果。減小的表面粗糙度改善了pmtj結構的熱穩(wěn)定性和垂直磁各向異性(pma)。由此，用較薄材料堆疊構造的pmtj結構通常展現(xiàn)比用較厚材料堆疊構造的pmtj結構更好的熱穩(wěn)定性、更好的pma和更好的tmr。這顯著減小了總體厚度以創(chuàng)建超薄垂直saf基準層結構。超薄垂直saf基準層還允許更快的蝕刻時間，以及減小的表面粗糙度和更簡單的制造。

圖1解說了存儲器器件的存儲器單元100，其包括耦合到存取晶體管104的垂直磁性隧道結(pmtj)102。該存儲器器件可以是從可個體尋址的pmtj陣列構建的自旋轉移矩磁性隨機存取存儲器(mram)器件。pmtj堆疊可包括自由層、基準層和自由層與基準層之間的隧道勢壘層、以及一個或多個鐵磁層。代表性地，pmtj102的自由層110耦合到位線112。存取晶體管104耦合在pmtj102的基準層106與固定電勢節(jié)點122之間。隧道勢壘層114耦合在基準層106與自由層110之間。存取晶體管104包括耦合到字線118的柵極116。

常規(guī)地，pmtj102的基準層106可由合成反鐵磁材料形成。反鐵磁材料是其中原子或分子的磁矩(通常與電子的旋轉相關)以規(guī)則圖案與指向相反方向(在不同亞晶格上)的相鄰旋轉對準的材料。合成反鐵磁(saf)材料是包括由非磁性層分開的兩個或更多個薄的鐵磁層的人造反鐵磁材料堆疊。由于鐵磁層的偶極子耦合，其引起鐵磁材料堆疊的磁化的反平行對準。

pmtj的基準層通常被構造為合成反鐵磁(saf)層。例如，基準層106可包括多個材料層，其包括鈷鐵硼(cofeb)層、釕(ru)層和鈷鐵(cofe)層。自由層110也可包括多個材料層，其包括鈷鐵硼(cofeb)層、釕(ru)層和鈷鐵(cofe)層。此外，隧道勢壘層114可以是氧化鎂(mgo)。

圖2解說了常規(guī)stt-mram位單元200。stt-mram位單元200包括垂直磁性隧道結(pmtj)存儲元件205、晶體管201、位線202和字線203。pmtj存儲元件205由基準層和自由層(其中每一者可保持磁場或極化)形成，該基準層和自由層由薄的非磁性絕緣層(隧穿勢壘)分開。來自基準層和自由層的電子因施加于鐵磁層的偏置電壓下的隧穿效應而可穿透隧穿勢壘。自由層的磁極化可被反轉，以使得基準層和自由層的極性基本對準或相反。通過pmtj存儲元件205的電路徑的電阻取決于基準層和自由層的極化的對準而變化。stt-mram位單元200還包括源線204、感測放大器208、讀/寫電路系統(tǒng)206和位線基準207。

形成stt-mram的垂直磁性隧道結(pmtj)的材料一般展現(xiàn)高隧穿磁阻(tmr)、高垂直磁各向異性(pma)以及良好的數(shù)據(jù)保留性。圖3解說了常規(guī)垂直磁性隧道結(pmtj)結構的橫截面視圖。

代表性地，mtj結構300(其在圖3中被示出為pmtj結構)形成在基板302上。mtj結構300可形成在半導體基板(諸如硅基板)或任何其他替換的合適的基板材料上。mtj結構300可包括第一電極304、晶種層306、以及合成反鐵磁(saf)基準層324。saf基準層324包括第一合成反鐵磁(saf)層308、saf耦合層310、以及第二saf層312。第一saf層308和第二saf層312自身是鐵磁層，但是當通過saf耦合層310耦合在一起時形成合成反鐵磁(saf)基準層324。mtj結構300還包括勢壘層316、自由層318、蓋層320(也稱作覆蓋層)和第二電極322。mtj結構300可以是各種類型的器件(諸如半導體存儲器器件(例如，mram))的一部分。

在這種配置中，第一電極304和第二電極322包括導電材料(例如，鉭(ta))。在其他配置中，第一電極304和/或第二電極322可包括其他適當?shù)牟牧希ǖ幌抻阢K(pt)、銅(cu)、金(au)、鋁(al)、或其他類似的導電材料。第一電極304和第二電極322可在mtj結構300內采用不同的材料。

晶種層306形成在第一電極304上。晶種層306可為第一saf層308提供機械和晶體基板。晶種層306可以是復合材料，包括但不限于鎳鎘(nicr)、鎳鐵(nife)、nifecr、或用于晶種層306的其他合適材料。當晶種層306生長或以其他方式耦合到第一電極304時，在晶種層306中得到平滑且密集的晶體結構。在這種配置中，晶種層306根據(jù)特定的晶向促進mtj結構300中后續(xù)形成的諸層的生長。晶種層306的晶體結構可被選擇成密勒指數(shù)標記系統(tǒng)內的任一晶向，但通常被選取成(111)晶向。

第一saf層308形成在晶種層306上。第一saf層308包括形成在晶種層306上的多層材料堆疊，其在本文中可被稱為第一反平行釘扎層(ap1)。第一saf層308中的多層材料堆疊可以是鐵磁材料或用于創(chuàng)建第一saf層308中的鐵磁矩的諸材料的組合。形成第一saf層308的多層材料堆疊包括但不限于鈷(co)、鈷與其他材料(諸如鎳(ni)、鉑(pt)、或者鈀(pd))的組合、或者其他類似的鐵磁材料。

saf耦合層310形成在第一saf層308上，并且促進第一saf層308與第二saf層312之間的磁耦合。第二saf層312具有與第一saf層308反平行的磁取向。saf耦合層310包括輔助該耦合的材料，包括但不限于釕(ru)、鉭(ta)、釓(gd)、鉑(pt)、鉿(hf)、鋨(os)、銠(rh)、鈮(nb)、鋱(tb)、或其他類似材料。saf耦合層310還可包括為第一saf層308和第二saf層312提供機械和/或晶體結構支持的材料。

第二saf層312形成在saf耦合層310上。第二saf層312可具有與第一saf層308類似的材料，但可包括其他材料。第一saf層308、saf耦合層310、以及第二saf層312的組合形成saf基準層324，其通常被稱為mtj結構300中的“釘扎層”。saf基準層324通過反鐵磁耦合來固定或釘扎saf基準層324的磁化方向。如本文所述，第二saf層312可被稱為第二反平行釘扎層(ap2)。在該布置中，第一反平行釘扎層(ap1)通過saf耦合層310與第二反平行釘扎層(ap2)分開以形成saf基準層324。saf基準層324可包括鈷鐵硼(cofeb)膜。saf基準層324還可包括其他鐵磁材料層，諸如cofeta、nife、co、cofe、copt、copd、fept，或者ni、co和fe的任何合金。

saf基準層324的鄰接勢壘層316的tmr增強層可由為勢壘層316提供晶向的材料(諸如cofeb)形成。和晶種層306一樣，saf基準層324中的材料為要在特定晶向生長的后續(xù)層提供模板。該取向可以是密勒指數(shù)系統(tǒng)內的任一方向，但是通常在(100)(或者(001))晶向上。

勢壘層316(也被稱為隧道勢壘層)形成在saf基準層324上。勢壘層316為在saf基準層324與自由層318之間穿行的電子提供隧道勢壘。可包括氧化鎂(mgo)的勢壘層316形成在saf基準層324上并且可具有某一晶體結構。勢壘層316的晶體結構可在(100)方向上。勢壘層316可包括其他元素或者其他材料，諸如氧化鋁(alo)、氮化鋁(aln)、氮氧化鋁(alon)、或者其他非磁性或電介質材料。勢壘層316的厚度被形成為使得在偏置電壓被施加于mtj結構300時電子能從saf基準層324通過勢壘層316隧穿到自由層318。

可以是鈷鐵硼(cofeb)的自由層318形成在勢壘層316上。當最初被沉積在勢壘層316上時，自由層318是非晶結構。即，當最初被沉積在勢壘層316上時，自由層318不具有晶體結構。自由層318也是鐵磁層或者多層材料，其可包括與saf基準層324相似的鐵磁材料或者可包括不同的材料。

在這種配置中，自由層318包括未被固定或釘扎于特定磁取向上的鐵磁材料。自由層318的磁化取向能旋轉成處于與saf基準層324的釘扎磁化平行或者反平行的方向。隧穿電流取決于saf基準層324和自由層318的相對磁化方向而垂直地流經(jīng)勢壘層316。

蓋層320形成在自由層318上。蓋層320可以是電介質層或其他絕緣層，以允許磁場和電場被包含在自由層318與saf基準層324之間。蓋層320有助于減小將mtj結構300從一個取向(例如，平行取向)切換到另一取向(例如，反平行取向)的切換電流密度。蓋層320(其也可被稱作覆蓋層)可以是氧化物，諸如例如非晶氧化鋁(alox)或者非晶氧化鉿(hfox)。蓋層320還可以是其他材料，諸如氧化鎂(mgo)或者其他電介質材料，而不脫離本公開的范圍。

第二電極322形成在蓋層320上。在一種配置中，第二電極322包括鉭。替換地，第二電極322包括用于mtj結構300與電路的其他器件或部分進行電連接的任何其他合適的導電材料。在蓋層320上形成第二電極322完成了mtj結構300。

在mtj結構300中，saf基準層324可包括鈷(co)和鉑(pt)層的眾多重復以實現(xiàn)預定的熱穩(wěn)定性和隧穿磁阻。然而，co和pt層的眾多重復向合成反鐵磁(saf)基準層324添加了顯著厚度。通過減少co和pt層的重復次數(shù)來減小saf基準的厚度可能無法提供期望的熱穩(wěn)定性和隧穿磁阻。

然而，減小pmtj結構中的多層材料堆疊的總體厚度通常具有減小材料堆疊的表面粗糙度的效果。減小的表面粗糙度改善了pmtj結構的熱穩(wěn)定性和垂直磁各向異性(pma)以補償因減少co和pt層的重復次數(shù)引起的期望熱穩(wěn)定性和隧穿磁阻的任何減小。由此，用較薄材料堆疊構造的pmtj結構通常展現(xiàn)比用較厚材料堆疊構造的pmtj結構更好的熱穩(wěn)定性、更好的pma和更好的tmr。

圖4解說了常規(guī)垂直磁性隧道結(pmtj)結構400的橫截面視圖，其解說了常規(guī)材料結構和層厚度。常規(guī)pmtj結構400包括基板和晶種層402、saf基準層404以及勢壘層406。在該示例中，勢壘層材料是mgo。saf基準層404包括由saf耦合層412分開的第一saf層408和第二saf層410。第一saf層408和第二saf層410自身是鐵磁層，但是當通過saf耦合層412耦合在一起時形成合成反鐵磁(saf)基準層404。在該示例中，saf耦合層材料是ru。

saf耦合層412(例如，ru)引發(fā)saf耦合層412下方和上方的磁性層(第一saf層408和第二saf層410)中的反鐵磁對準。saf耦合層412的頂部上的耦合增強層413(例如，co)增強了saf耦合層412的耦合效果。

第一saf層408是包括co和pt層414的6至14次重復的多層。第二saf層410是包括co和pt層416的5至10次重復的多層。第二saf層410還包括隧穿磁阻(tmr)增強緩沖層418和tmr增強層420。在該示例中，tmr增強層420材料可以是cofeb。

在常規(guī)pmtj結構400中，tmr增強緩沖層418提供針對tmr增強層420的結構緩沖，以避免擾亂tmr增強層420中的晶向。tmr增強緩沖層418還充當擴散勢壘和磁耦合層以增強隧穿磁阻。在該示例中，tmr增強緩沖層418材料是鉭。

在常規(guī)pmtj結構400中，co和pt層414、416的眾多重復向saf基準層添加了顯著厚度。在該示例中，saf基準層404的總體高度在15至30納米之間。通過減少co和pt層414、416的重復次數(shù)來減小厚度的嘗試已得到差的熱穩(wěn)定性和低tmr。具有減小的厚度的常規(guī)pmtj結構中差的熱穩(wěn)定性被認為可能至少部分地是由于將單層ta用作為tmr增強緩沖層418引起的。ta的tmr增強緩沖層418可能不提供足夠的勢壘以防止硼從tmr增強層420擴散到saf耦合層412中和第一saf層408中。穿過saf耦合層412的硼擴散可能造成差的熱穩(wěn)定性和減小的tmr。

本公開的各方面包括一種具有減少的co和pt層的重復的pmtj結構，同時保留期望的熱穩(wěn)定性和隧穿磁阻。減小pmtj結構中的多層材料堆疊的總體厚度通常具有減小材料堆疊的表面粗糙度的效果。減小的表面粗糙度改善了pmtj結構的熱穩(wěn)定性和垂直磁各向異性(pma)。由此，用較薄材料堆疊構造的pmtj結構通常展現(xiàn)比用較厚材料堆疊構造的pmtj結構更好的熱穩(wěn)定性、更好的pma和更好的tmr。這基本上減小了總體厚度以創(chuàng)建超薄垂直saf基準層結構。超薄垂直saf基準層還允許更快的蝕刻時間，以及減小的表面粗糙度和更簡單的制造。

圖5解說了根據(jù)本公開的一方面的pmtj結構500的橫截面視圖。在pmtj結構500中saf基準層501被構造在基板和晶種層503上。saf基準層501包括第一saf層502、第二saf層504以及在第一saf層502與第二saf層504之間的saf耦合層506。第一saf層502可以是材料的多層堆疊。在該示例中，該多層堆疊包括鈷和鉑層(其可被重復2至10次)的pma多層堆疊508。在根據(jù)本公開的各方面的替換結構中，pma多層堆疊508可包括鈷和鈀、或者鈷和鎳而非鈷和鉑的多層。saf耦合層506可以是例如釕(ru)、銥(ir)、鋨(os)、或銠(rh)。

第一saf層502和第二saf層504自身是鐵磁層，但是當通過saf耦合層506耦合在一起時形成合成反鐵磁(saf)基準層501。在該示例中，saf耦合層材料是ru。

saf耦合層506(例如，ru)引發(fā)saf耦合層502下方和上方的磁性層(第一saf層504和第二saf層506)中的反鐵磁對準。第二saf層504可包括saf耦合層的頂部上的薄的耦合增強層510(例如，co)。薄的耦合增強層510增強了薄的耦合增強層510的耦合效果。

根據(jù)本公開的各方面，非晶間隔體層512被沉積在薄的耦合增強層510上方。非晶間隔體層512提供退火穩(wěn)定性和隧穿磁阻(tmr)增強。根據(jù)本公開的各方面，非晶間隔體層512可包括被沉積在薄的耦合增強層510(例如，鈷)上的鈷和鉭、或者鐵和鉭的合金或多層。saf基準層501的tmr增強層514可以是以體心立方(001)取向的鈷鐵硼，其鄰接勢壘層516(例如，mgo)。為了完成垂直mtj結構，自由層結構(未示出)被沉積在勢壘層516上?？扇芜x地，作為第二saf層504的一部分，另一層(未示出)(諸如鉭、鉑、或者鉑和鉭的堆疊或混合層)可被沉積在薄的耦合增強層510與非晶間隔體層512之間。

根據(jù)本公開的一方面，非晶間隔體層512由鈷和鉭、或者鐵和鉭的合金或多層制成。非晶間隔體層512比已用于常規(guī)pmtj結構中的tmr增強緩沖層418(圖4)顯著更厚并且更有效地阻擋硼擴散。這有助于保持或增加由具有減少的co/pt層的重復的材料堆疊提供的退火穩(wěn)定性和tmr。

非晶間隔體層512還可充當擴散勢壘阻擋，以防止或推遲從saf基準層501的tmr增強層514到saf耦合層506的硼擴散。非晶間隔體層512還可充當結構勢壘以促進tmr增強層514中cofeb材料的體心立方(001)結構的形成，并充當磁耦合層，并且在高溫退火期間增強或保持tmr。

根據(jù)本公開的一方面，第一saf層502可包括pma多層堆疊508的鈷和鉑的數(shù)次重復。在一個示例中，根據(jù)本公開的一方面，僅用pma多層堆疊508中鈷和鉑的三次重復來構造第一saf層。在該示例中，saf基準層501的總體高度被減小到大約6nm。

根據(jù)本公開的各方面，第二saf層504不包括pma多層堆疊508的任何重復，并且可包括單個pma層，諸如例如薄的耦合增強層510。在替換示例中，第二saf層504可包括pma多層堆疊508的鈷和鉑的一至五次重復。

圖6是解說了根據(jù)本公開的一方面的pmtj結構600的橫截面視圖。在pmtj結構600中saf基準層601被構造在基板和晶種層603上。勢壘層616形成在saf基準層601上。saf基準層601包括第一saf層602、第二saf層604以及在第一saf層602與第二saf層604之間的saf耦合間隔體606。第一saf層602可以是材料的多層堆疊。在該示例中，該多層堆疊包括鈷和鉑層(其可被重復2至10次)的pma多層堆疊608。在根據(jù)本公開的各方面的替換結構中，pma多層堆疊608可包括鈷和鈀、或者鈷和鎳而非鈷和鉑的多層。saf耦合間隔體606可以是例如釕(ru)、銥(ir)、鋨(os)、或銠(rh)。

第二saf層604僅包括例如cofeb的tmr增強層614，而不包括pma多層的任何重復。在該布置中，在saf耦合間隔體606上經(jīng)由表面處理(例如，光氧化、等離子處理或離子輻射)形成第二saf層604中的非晶間隔體層612，以充當用于tmr增強層614的基礎。saf耦合間隔體606上的非晶間隔體層612實質上變成第二saf層604的一部分。saf耦合間隔體606的表面處理可以是光等離子處理，其促進tmr增強層614中材料(例如，cofeb)的體心立方(001)形成。

根據(jù)本公開的該方面，saf耦合間隔體606上的非晶間隔體層612有助于保持或增加由具有減少的co/pt多層的重復的材料堆疊提供的退火穩(wěn)定性和tmr。saf耦合間隔體606上的非晶間隔體層612還可充當結構勢壘以促進tmr增強層614中材料的體心立方(001)結構的形成。

根據(jù)本公開的一方面，第一saf層602可包括pma多層堆疊608的鈷和鉑的數(shù)次重復，以提供第一反平行釘扎層(ap1)。在一個示例中，根據(jù)本公開的一方面，僅用pma多層堆疊608中鈷和鉑的三次重復來構造第一saf層ap1。在該示例中，saf基準層601的總體高度被減小到大約5nm。

本公開的各方面顯著減小第二saf層604或第二反平行釘扎層(ap2)的厚度。在本公開的一方面內，第一saf層ap1的厚度在厚度上也可被顯著減小，因為當使用saf耦合間隔體606上的非晶間隔體層612時可減少第一saf層ap1中的層的數(shù)目或層的重復。此外，當采用本公開的各結構時，saf基準層(例如，501、601)的整體厚度可從15至30納米的范圍減小到5至6納米的范圍。盡管上面提到了特定的材料和厚度，但其他材料和其他層厚度也被構想落在本公開的范圍內。

參照圖7描述了一種減小垂直磁性隧道結(mtj)中的合成反鐵磁(saf)基準層厚度的方法。在框702處方法700包括：形成第一反平行垂直磁各向異性(pma)材料堆疊。例如，如圖6中所示，第一saf層602提供第一反平行釘扎層(ap1)。第一反平行pma材料堆疊ap1可包括pma多層的數(shù)次重復。pma多層可包括例如鈷和鉑、鈷和鈀、或者鈷和鎳。

該方法進一步包括：在框704處，在第一反平行材料堆疊上沉積saf耦合層，并且在框706處，在saf耦合層上形成第二反平行pma材料堆疊。例如，如圖6中所示，第二saf層604提供了通過saf基準層610的saf耦合間隔體606與ap1分開的第二反平行釘扎層(ap2)。

根據(jù)本公開的各方面，第二反平行pma材料堆疊ap2不具有pma多層的重復。在框708處，該方法進一步包括：在saf耦合層上形成非晶間隔體層。例如，在圖6中，經(jīng)由表面處理在saf耦合間隔體606上形成非晶間隔體層612，以充當用于tmr增強層614的基礎。saf耦合間隔體606上的非晶間隔體層612實質上變成第二saf層ap2的一部分。即，非晶間隔體層612形成在ap2內以在高溫退火期間保持或增加由saf基準層601提供的tmr。非晶間隔體層包括包含鉭和鈷、或者鉭和鐵的合金或多層。

一種垂直磁性隧道結(mtj)可包括：垂直自由層、垂直合成反鐵磁(saf)基準層；以及在saf基準層與垂直自由層之間的隧道勢壘層。saf基準層可包括：第一反平行材料堆疊、在第一反平行材料堆疊與隧道勢壘層之間的第二反平行材料堆疊、以及在第一反平行材料堆疊與第二反平行材料堆疊之間的saf耦合層。第二反平行材料堆疊可包括：用于阻擋硼從第二材料堆疊向第一材料堆疊擴散以在退火工藝期間改善saf基準層的熱穩(wěn)定性的裝置。

用于阻擋硼擴散的裝置可包括如上面參照圖5所描述的第二saf層504中的非晶間隔體層512。例如，非晶間隔體層可由包括鉭和鈷或者鉭和鐵或者鈷和鐵和鉭的合金或多層制成。替換地，用于阻擋硼擴散、在退火工藝期間改善saf基準層的熱穩(wěn)定性的裝置可例如包括如圖6中所描述的saf耦合間隔體606的經(jīng)處理表面。

本公開的一個方面包括一種垂直磁性隧道結(mtj)的合成反鐵磁(saf)基準層的材料堆疊。根據(jù)本公開的該方面，該材料堆疊包括：用于耦合saf基準層的第一saf層和第二saf層的裝置；以及用于阻擋硼從第二saf層向第一saf層擴散的裝置。用于耦合saf基準層的第一saf層和第二saf層的裝置可例如包括如上面參照圖5所描述的saf耦合層506、或者如上面參照圖6所描述的saf耦合間隔體606。用于阻擋硼擴散的裝置可包括例如上面參照圖5所描述的第二saf層504中的非晶間隔體層512，其中非晶間隔體層可由包括鉭和鈷或者鉭和鐵或者鈷和鐵和鉭的合金或多層制成。替換地，用于阻擋硼擴散、在退火工藝期間改善saf基準層的熱穩(wěn)定性的裝置可例如包括如上面參照圖6所描述的saf耦合間隔體606的經(jīng)處理表面。

在本公開的一個方面，通過用單個薄的垂直磁各向異性(pma)層替代合成反鐵磁(saf)基準層的第一saf層中的pma多層，來形成具有減小的厚度的用于垂直磁性隧道結(pmtj)的saf基準層。saf基準的減小的厚度是通過減少saf基準層的第二saf層中pma多層的重復來實現(xiàn)的。通過在頂部saf層中包括非晶tmr增強間隔體層來在高溫退火期間保持或增加隧穿磁阻。非晶間隔體層可以是包括鉭和鈷或者鉭和鐵或者鈷和鐵和鉭的合金或多層。替換地，非晶間隔體層可通過處理第一saf層與第二saf層之間的saf耦合層的一部分來形成。

圖8是示出其中可有利地采用本公開的一方面的示例性無線通信系統(tǒng)800的框圖。出于解說目的，圖8示出了三個遠程單元820、830和850以及兩個基站840。將認識到，無線通信系統(tǒng)可具有遠多于此的遠程單元和基站。遠程單元820、830和850包括ic設備825a、825c和825b，這些ic設備包括所公開的器件。將認識到，其他設備也可包括所公開的器件，諸如基站、交換設備、和網(wǎng)絡裝備。圖8示出了從基站840到遠程單元820、830和850的前向鏈路信號880，以及從遠程單元820、830和850到基站840的反向鏈路信號890。

在圖8中，遠程單元820被示為移動電話，遠程單元830被示為便攜式計算機，并且遠程單元850被示為無線本地環(huán)路系統(tǒng)中的固定位置遠程單元。例如，遠程單元可以是移動電話、手持式個人通信系統(tǒng)(pcs)單元、便攜式數(shù)據(jù)單元(諸如個人數(shù)據(jù)助理)、啟用gps的設備、導航設備、機頂盒、音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、固定位置數(shù)據(jù)單元(諸如儀表讀數(shù)裝備)、或者存儲或取回數(shù)據(jù)或計算機指令的其他設備、或者其組合。盡管圖8解說了根據(jù)本公開的各方面的遠程單元，但本公開不限于所解說的這些示例性單元。本公開的各方面可以合適地在包括所公開的器件的許多設備中采用。

圖9是解說了用于半導體組件(諸如以上公開的垂直磁性隧道結結構)的電路、布局和邏輯設計的設計工作站的框圖。設計工作站900包括硬盤901，該硬盤901包含操作系統(tǒng)軟件、支持文件、以及設計軟件(諸如cadence或orcad)。設計工作站900還包括促成對電路910或半導體組件912(諸如根據(jù)本公開的一方面的垂直磁性隧道結結構)的設計的顯示器902。提供存儲介質904以用于有形地存儲電路910或半導體組件912的設計。電路910或半導體組件912的設計可以文件格式(諸如gdsii或gerber)被存儲在存儲介質904上。存儲介質904可以是cd-rom、dvd、硬盤、閃存、或者其他合適的設備。此外，設計工作站900包括用于從存儲介質904接受輸入或者將輸出寫到存儲介質904的驅動裝置903。

存儲介質904上記錄的數(shù)據(jù)可指定邏輯電路配置、用于光刻掩模的圖案數(shù)據(jù)、或者用于串寫工具(諸如電子束光刻)的掩模圖案數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可進一步包括與邏輯仿真相關聯(lián)的邏輯驗證數(shù)據(jù)，諸如時序圖或網(wǎng)電路。在存儲介質904上提供數(shù)據(jù)通過減少用于設計半導體晶片的工藝數(shù)目來促成電路910或半導體組件912的設計。

對于固件和/或軟件實現(xiàn)，這些方法體系可以用執(zhí)行本文所描述功能的模塊(例如，規(guī)程、函數(shù)等等)來實現(xiàn)。有形地體現(xiàn)指令的機器可讀介質可被用來實現(xiàn)本文所述的方法體系。例如，軟件代碼可被存儲在存儲器中并由處理器單元來執(zhí)行。存儲器可以在處理器單元內或在處理器單元外部實現(xiàn)。如本文所用的，術語“存儲器”是指長期、短期、易失性、非易失性類型存儲器、或其他存儲器，而并不限于特定類型的存儲器或存儲器數(shù)目、或記憶存儲在其上的介質的類型。

如果以固件和/或軟件實現(xiàn)，則功能可作為一條或多條指令或代碼存儲在計算機可讀介質上。示例包括編碼有數(shù)據(jù)結構的計算機可讀介質和編碼有計算機程序的計算機可讀介質。計算機可讀介質包括物理計算機存儲介質。存儲介質可以是能被計算機存取的可用介質。作為示例而非限定，此類計算機可讀介質可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其他光盤存儲、磁盤存儲或其他磁存儲設備、或能被用來存儲指令或數(shù)據(jù)結構形式的期望程序代碼且能被計算機訪問的其他介質；如本文中所使用的盤(disk)和碟(disc)包括壓縮碟(cd)、激光碟、光碟、數(shù)字多用碟(dvd)、軟盤和藍光碟，其中盤常常磁性地再現(xiàn)數(shù)據(jù)，而碟用激光光學地再現(xiàn)數(shù)據(jù)。上述的組合應當也被包括在計算機可讀介質的范圍內。

除了存儲在計算機可讀介質上，指令和/或數(shù)據(jù)還可作為包括在通信裝置中的傳輸介質上的信號來提供。例如，通信裝置可包括具有指示指令和數(shù)據(jù)的信號的收發(fā)機。這些指令和數(shù)據(jù)被配置成使一個或多個處理器實現(xiàn)權利要求中敘述的功能。

盡管已詳細描述了本公開及其優(yōu)勢，但是應當理解，可在本文中作出各種改變、替代和變更而不會脫離如由所附權利要求所定義的本公開的技術。例如，諸如“上方”和“下方”之類的關系術語是關于基板或電子器件使用的。當然，如果該基板或電子器件被顛倒，則上方變成下方，反之亦然。此外，如果是側面取向的，則上方和下方可指代基板或電子器件的側面。而且，本申請的范圍并非旨在被限定于說明書中所描述的過程、機器、制造、物質組成、裝置、方法和步驟的特定配置。如本領域的普通技術人員將容易從本公開領會到的，根據(jù)本公開，可以利用現(xiàn)存或今后開發(fā)的與本文所描述的相應配置執(zhí)行基本相同的功能或實現(xiàn)基本相同結果的過程、機器、制造、物質組成、裝置、方法或步驟。因此，所附權利要求旨在將這樣的過程、機器、制造、物質組成、裝置、方法或步驟包括在其范圍內。

技術人員將進一步領會，結合本文的公開所描述的各種解說性邏輯框、模塊、電路、和算法步驟可被實現(xiàn)為電子硬件、計算機軟件、或兩者的組合。為清楚地解說硬件與軟件的這一可互換性，各種解說性組件、塊、模塊、電路、以及步驟在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此類功能性是被實現(xiàn)為硬件還是軟件取決于具體應用和施加于整體系統(tǒng)的設計約束。技術人員可針對每種特定應用以不同方式來實現(xiàn)所描述的功能性，但此類實現(xiàn)決策不應被解讀為致使脫離本公開的范圍。

結合本文的公開所描述的各種解說性邏輯框、模塊、以及電路可用設計成執(zhí)行本文中描述的功能的通用處理器、數(shù)字信號處理器(dsp)、專用集成電路(asic)、現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)或其他可編程邏輯器件、分立的門或晶體管邏輯、分立的硬件組件、或其任何組合來實現(xiàn)或執(zhí)行。通用處理器可以是微處理器，但在替換方案中，處理器可以是任何常規(guī)的處理器、控制器、微控制器、或狀態(tài)機。處理器還可被實現(xiàn)為計算設備的組合(例如，dsp與微處理器的組合、多個微處理器、與dsp核心協(xié)同的一個或多個微處理器)，或者任何其他此類配置。

結合本公開所描述的方法或算法的步驟可直接在硬件中、在由處理器執(zhí)行的軟件模塊中、或在這兩者的組合中體現(xiàn)。軟件模塊可駐留在ram、閃存、rom、eprom、eeprom、寄存器、硬盤、可移動盤、cd-rom或本領域中所知的任何其他形式的存儲介質中。示例性存儲介質耦合到處理器以使得該處理器能從/向該存儲介質讀寫信息。在替換方案中，存儲介質可以被整合到處理器。處理器和存儲介質可駐留在asic中。asic可駐留在用戶終端中。在替換方案中，處理器和存儲介質可作為分立組件駐留在用戶終端中。

在一個或多個示例性設計中，所描述的功能可以在硬件、軟件、固件、或其任何組合中實現(xiàn)。如果在軟件中實現(xiàn)，則各功能可以作為一條或多條指令或代碼存儲在計算機可讀介質上或藉其進行傳送。計算機可讀介質包括計算機存儲介質和通信介質兩者，包括促成計算機程序從一地向另一地轉移的任何介質。存儲介質可以是可被通用或專用計算機訪問的任何可用介質。作為示例而非限定，這樣的計算機可讀介質可以包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其他光盤存儲、磁盤存儲或其他磁存儲設備、或能被用來攜帶或存儲指令或數(shù)據(jù)結構形式的指定程序代碼手段且能被通用或專用計算機、或者通用或專用處理器訪問的任何其他介質。任何連接也被正當?shù)胤Q為計算機可讀介質。例如，如果軟件是使用同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數(shù)字訂戶線(dsl)、或諸如紅外、無線電、以及微波之類的無線技術從web網(wǎng)站、服務器、或其他遠程源傳送而來，則該同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、dsl、或諸如紅外、無線電、以及微波之類的無線技術就被包括在介質的定義之中。如本文中所使用的盤(disk)和碟(disc)包括壓縮碟(cd)、激光碟、光碟、數(shù)字多用碟(dvd)、軟盤和藍光碟，其中盤(disk)往往以磁的方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)而碟(disc)用激光以光學方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)。上述的組合應當也被包括在計算機可讀介質的范圍內。

提供對本公開的先前描述是為使得本領域任何技術人員皆能夠制作或使用本公開。對本公開的各種修改對本領域技術人員而言將容易是顯而易見的，并且本文中所定義的普適原理可被應用到其他變型而不會脫離本公開的精神或范圍。因此，本公開并非旨在被限定于本文中所描述的示例和設計，而是應被授予與本文中所公開的原理和新穎性特征相一致的最廣范圍。