磁阻叠堆器件的制造方法与流程

磁阻叠堆器件的制造方法
相关申请的交叉引用
1.本申请要求2018年8月23日提交的美国临时申请第62/721,760号的优先权利益，其全文通过引用并入本文。
技术领域
2.本公开尤其涉及磁阻叠堆/结构(stack/structure)及其方法的实施方案和方面，包括其使用方法和制造所公开的磁阻叠堆/结构的方法。引言
3.本文描述和图示了许多发明，以及这些发明的许多方面和实施方案。一方面，本公开涉及磁阻叠堆/结构(例如磁阻存储器叠堆/结构或磁阻传感器/转换器叠堆/结构)以及制造这样的叠堆/结构的方法。在一个实施方案中，所公开的磁阻叠堆/结构以具有垂直磁各向异性的mtj(磁性隧道结)型磁阻叠堆/结构来实现，其中在随后或附加的处理后，固定的磁性区域维持或包括改善的性能(例如叠堆/结构的磁阻(mr)和电阻面积乘积(ra))。本文描述的原理也适用于面内磁阻叠堆/结构。值得注意，本文描述的实施方案可以采用现在已知或以后开发的任何技术来制造mtj叠堆/结构；所有这样的技术都旨在落入本公开的范围内。在一个实施方案中，所描述的mtj叠堆/结构可以作为磁阻存储器叠堆/结构来实现。
4.简而言之，在一个实施方案中，磁阻存储器叠堆/结构包括至少一个非磁性层(例如至少一个介电层或至少一个导电层)，其设置在“固定的”磁性区域与“自由”磁性区域之间，每个区域包括一个或多个磁性或铁磁性材料的多层。可以通过对叠堆/结构的“自由”磁性区域的一个或多个磁性层中的磁化矢量的方向进行切换、编程和/或控制，将信息存储在磁阻存储器叠堆/结构中。在此，可以通过向磁阻存储器叠堆/结构施加写入信号(例如一个或多个电流脉冲)或施加写入信号(例如一个或多个电流脉冲)使其通过磁阻存储器叠堆/结构来对“自由”磁性区域的磁化矢量的方向进行切换和/或编程(例如通过自旋传递扭矩(stt)或自旋轨道扭矩(sot))，而与此相反，在施加写入信号的过程中，在“固定的”磁性区域的磁性层中磁化矢量被磁性(例如沿预定方向)固定。
5.磁阻存储器叠堆/结构包括取决于存储器叠堆/结构的某些区域的磁状态的电阻。即，当“自由”磁性区域的磁化矢量处于第一状态或第一方向(例如处于与“固定的”磁性区域的磁化矢量的方向相同的方向)时，磁阻存储器叠堆/结构具有第一磁性状态，其可以对应于低电阻状态。相反，当“自由”磁性区域的磁化矢量处于第二状态或第二方向(例如处于与“固定的”磁性区域的磁化矢量的方向不同(例如相反)的方向)时，磁阻存储器叠堆/结构具有第二磁性状态，其可以对应于高电阻状态。响应于读取操作的读取电流，基于叠堆/结构的电阻来确定或读取磁阻存储器叠堆/结构的磁性状态。如本领域普通技术人员将理解的，可以施加读取电流通过磁阻存储器叠堆/结构。
6.应当注意，尽管本文在mtj叠堆/结构的上下文中描述和/或图示了示例性的实施方案，本发明也可以在巨磁阻(gmr)叠堆/结构中实现，其中导体(例如铜)设置在两个铁磁性区域/层/材料之间。实际上，可以与其他类型的磁阻叠堆/结构结合采用本发明，其中这
样的叠堆/结构包括固定的磁性区域。为了简洁起见，在gmr或其他磁阻叠堆/结构的上下文中将不再具体地重复讨论和图示
‑
但是这样的讨论和图示应解释为完全适用于gmr和其他叠堆/结构。附图的简要说明
7.可以结合附图中图示的方面来实现本公开的实施方案。这些附图示出了本发明的不同方面，并且在适当的情况下，图示了不同附图中的相似结构、部件、材料和/或元件的附图标记被相似地标注。应当理解，除了具体示出的那些之外的结构、部件和/或元件的各种组合都是被考虑在内的，并且在本发明的范围内。
8.为了图示的简洁和清楚，附图描绘了各个实施方案的总体结构和/或构造方式。为了便于图示，附图将所图示的叠堆的不同层/区域描绘为具有均匀的厚度和具有直边的明确的边界。然而，本领域技术人员将认识到，实际上，不同的层通常具有不均匀的厚度。并且，在相邻层之间的界面处，这些层的材料可能合金化在一起，或迁移到一种或另一种材料中，从而使它们的边界不明显。可以省略公知特征(例如互连等)和技术的描述和细节，以避免掩盖其他特征。附图中的元件不一定按比例绘制。一些特征的尺寸可能相对于其他特征被夸大，以改善对示例性实施方案的理解。横截面图是提供用来帮助图示各个区域/层的相对位置并描述各个处理步骤的简图。本领域技术人员将理解，这些横截面图不是按比例绘制的，并且不应视为代表不同区域/层之间的比例关系。而且，尽管某些区域/层和特征被图示为具有直的90度边缘，但是实际上或在实践中，这样的区域/层可能更“圆化”并逐渐倾斜。
9.此外，本领域技术人员将理解，尽管在附图中图示了具有清晰界面的多层，但是在一些情况下，随着时间的流逝和/或暴露于高温，一些层的材料可能迁移到其他层的材料中或与其他层的材料相互作用，从而在这些层之间呈现了更加扩散化的界面。应当注意，即使没有特别提及，参照一个实施方案所描述的方面也可以适用于其他实施方案，并且可以与其他实施方案一起使用。
10.而且，本文描述和图示了许多实施方案。本公开既不限于任何单个的方面或其实施方案，也不限于这些方面和/或实施方案的任何组合和/或置换。而且，本公开和/或其实施方案的每个方面可以单独采用，或者与本公开的一个或多个其他方面和/或其实施方案组合采用。为了简洁起见，本文不分别讨论和/或图示某些置换和组合。值得注意，本文中被描述为“示例性”的实施方案或实现方式不应被解释为例如相对于其他实施方案或实现方式是优选或有利的；相反，其意图是反映或表明一个或多个实施方案是一个或多个“示例”实施方案。此外，即使附图和书面公开内容似乎以特定的构造顺序(例如从底部到顶部)描述了所公开的磁阻叠堆/结构，但是应当理解，所描绘的磁阻叠堆/结构可以具有相反的顺序(例如从顶部到底部)。例如，“固定的”磁性区域可以形成在“自由”磁性区域或层上或其上方，反过来，其又可以形成在本公开的中间层或另一插入层上或其上方。
11.图1图示了示例性mtj型磁阻叠堆/结构(例如面内或面外的磁各向异性磁阻叠堆/结构(例如垂直的磁各向异性磁阻叠堆/结构))的层的截面图，包括设置在“自由”磁性层(或区域)和“固定的”磁性层(或区域)之间的中间层，诸如介电层，其中，根据本发明的某些实施方案的至少某些方面，在一些示例性实施方案中，“固定的”磁性层可以设置在电极与介电层(在完成的结构中其可以是隧道势垒)之间；在该示例性实施方案中，mtj型磁阻叠
堆/结构设置在由(例如，在电极或通孔的上下文中，钽(ta)或其合金(例如氮化钽(tan)合金)或其复合物(例如钽(ta)与氮化钽(tan)合金复合物))制成的导电电极/通孔/线路之间并与所述导电电极/通孔/线路物理接触；值得注意，“自由”磁性层和“固定的”磁性层均可以包括多层磁性或非磁性材料(例如镍(ni)、铁(fe)、钴(co)、钯(pd)、铂(pt)、镁(mg)、锰(mn)、铬(cr)及其合金)以及一种或多种合成的反铁磁结构(saf)或合成的铁磁结构(syf)，其中一层或多层磁性材料层也可以包括一个或多个非磁性材料层(例如钌(ru)、铜(cu)、铝(al)、钽(ta)、钛(ti)、铌(nb)、钒(v)、锆(zr)及其一种或多种合金，在某些实施方案中，还包括钨(w)和钼(mo))；而且，介电层可以是例如氧化铝(例如al2o3)和/或氧化镁(mgo)的一个或多个层。
12.图2描绘了图1图示的示例性mtj型磁阻叠堆/结构的简化示例性制造工艺的流程图。
13.图3a图示了可以包括在图1中图示的示例性mtj型磁阻叠堆/结构的“固定的”磁性区域的示例性铁磁性区域中的示例性层的横截面图。
14.图3b图示了可以包括在图1中图示的示例性mtj型磁阻叠堆/结构的“固定的”磁性区域的另一示例性铁磁性区域中的示例性层的横截面图。
15.图4描绘了图1中图示的包含经过表面处理的晶种区域20
′
的示例性mtj型磁阻叠堆/结构的另一简化示例性制造工艺的流程图。
16.图5a
‑
5e是在图4中描绘的制造工艺的各个阶段的示例性mtj型磁阻叠堆/结构的示意图。
17.图6是示出基线(baseline)测试样品和经表面处理的测试样品的观察到的磁化强度对磁场磁滞回线的图。
18.图7描绘了图1中图示的包含经内部表面处理的晶种区域20a的示例性mtj型磁阻叠堆/结构的另一简化示例性制造工艺的流程图。
19.图8a
‑
8f是在制造工艺的各个阶段的图7的示例性mtj型磁阻叠堆/结构的示意图。
20.图9a
‑
9e是示出基线测试样品和不同尺寸的经内部表面处理的测试样品的观察到的磁化强度对磁场磁滞回线的图。
21.图10a
‑
10d是比较没有表面处理(例如图2)、经表面处理(例如图4)和经内部表面处理(例如图7)的磁阻器件的磁参数的实验结果。
22.图11是比较基线测试样品、不同尺寸的经表面处理的测试样品和经内部表面处理的测试样品的观察到的电性能、磁阻(mr)和电阻面积乘积(ra)的图。
23.图12描绘了图1中图示的包含经组成调整的晶种区域25的示例性mtj型磁阻叠堆/结构的另一简化示例性制造工艺的流程图。
24.图13a
‑
13d是在制造工艺的各个阶段的图12的示例性mtj型磁阻叠堆/结构的示意图。
25.图14是示出基线测试样品和各种经组成调整的测试样品的观察到的磁化强度对磁场磁滞回线的图。
26.图15a是比较基线测试样品和经组成调整的测试样品的观察到的电性能、磁阻(mr)和电阻面积乘积(ra)的图。
27.图15b是比较基线测试样品和经组成调整的测试样品的磁参数、垂直各向异性场
(hk)和磁矩的实验结果。
28.图16是在磁阻存储器单元配置中电连接到存取晶体管的示例性磁阻存储器叠堆/结构的示意图；
29.图17a
‑
17b是包括离散的存储器器件和嵌入的存储器器件的集成电路的示意性框图，每个存储器器件包括mram(根据本公开的某些实施方案的各方面，在一个实施方案中，其代表具有多个磁阻存储器叠堆/结构的mram的一个或多个阵列)。
30.应该注意，尽管图1、3a
‑
3b、5a
‑
5e、8a
‑
8f和13a
‑
13d的各区域被图示为具有明显、清晰边界的不同层，但通常，在(各层之间的)界面处两个相邻层的材料可以向彼此中扩散，并呈现出两个单独层的材料的合金或组合的界面区。此外，尽管这些图的所有层或区域可以在这些区域形成之后立即呈现并且可区分，但是在一些实施方案中，可能难以在横截面上区分这些区域中的一些。在一些实施方案中，这些层中的一些可以表现为具有较高元素或材料浓度的界面区域。
31.再次，本文描述和图示了许多实施方案。本公开既不限于任何单个方面或其实施方案，也不限于这些方面和/或实施方案的任何组合和/或置换。本公开和/或其实施方案的每个方面可以单独采用，或者与本公开和/或其实施方案的一个或多个其他方面组合采用。为了简洁起见，本文不分别讨论许多那些组合和置换。详细描述
32.应注意，本文公开的所有数值(包括所有公开的厚度值、极限和范围)与所公开的数值之间可以具有
±
10％的偏差(除非指定了不同的偏差)。例如，公开为“t”单位厚的层在厚度上能够从(t
‑
0.1t)变化到(t+0.1t)单位。此外，所有相对性术语，诸如“大约”，“基本上”，“约”等，用于表示
±
10％的可能偏差(除非另有说明或指定了其他偏差)。而且，在权利要求中，例如，所描述的层/区域的厚度和原子组成的值、极限和/或范围是指该值、极限和/或范围
±
10％。应注意，在本公开中讨论的示例性厚度值是紧接在沉积之后(基于沉积条件等)的层厚度的预期值(即，不是测量值)。如本领域普通技术人员将认识到的，在进一步处理(例如暴露于高温等)之后，层或区域的这些沉积状态下的厚度值(例如通过层间扩散等)可以改变。
33.应注意，本文所记载的描述本质上仅是说明性的，并且无意于限制主题的实施方案或这样的实施方案的应用和使用。本文中描述为示例性的任何实施方式不应被解释为比其他实施方式优选或有利。相反，术语“示例性”以示例或“图示”的意义而不是“理想”的意义使用。术语“包含”、“包括”、“有”、“具有”及其任何变体被同义地使用以表示或描述非排他性的包括。这样，使用这样的术语的器件或方法不仅包括那些要素或步骤，而是可以包括未明确列出或这样的器件和方法所固有的其他要素和步骤。此外，本文中的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个要素与另一个要素区分开。类似地，相对性方位的术语，诸如“顶部”、“底部”等，参照所要描述的图中所图示的结构的方位来使用。而且，本文中的术语“一个”和“一种”等不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所提及的项目。
34.在本公开中，术语“区域”通常用于指一个或多个层。即，如本文所使用的“区域”可以包括材料的单层(或涂层)或一层堆叠在另一层的顶部以形成多层系统的材料的多层。此外，尽管在下面的描述中所公开的叠堆/结构中的不同区域由特定名称(例如覆盖区域、参
照区域、过渡区域等)来指代，但这仅是为了便于描述，而不旨在作为层的功能描述。
35.如上面所提及的，在一个示例性方面，本公开的磁阻叠堆/结构可以作为自旋扭矩磁阻随机存取存储器(“mram”)元件(“存储器元件”)来实现。在这一方面中，叠堆/结构可以包括位于(或夹在)两个铁磁性区域之间的中间区域，以形成磁性隧道结(mtj)器件或mtj型器件。中间区域可以是隧道势垒并且可以包括绝缘材料，诸如介电材料。在其他实施方案中，中间区域可以是导电材料，例如铜、金或其合金。在这些其他的实施方案中，在磁阻叠堆/结构在两个铁磁性区域之间包括导电材料的情况下，磁阻叠堆/结构可以形成gmr或gmr型器件。
36.在设置在中间区域的任一侧上的两个铁磁性区域中，一个铁磁性区域可以是磁性“固定的”或钉扎区域，而另一个铁磁性区域可以是磁性“自由”区域。如上面所提及的，术语“自由”意指具有可响应用于切换磁矩矢量的所施加的磁场或自旋极化电流而显著位移或移动的磁矩的铁磁性区域。另一方面，词语“固定的”和“钉扎的”用于指具有基本上不响应这样施加的磁场或自旋极化电流而移动的磁矩矢量的铁磁性区域。如本领域中已知的，所描述的磁阻叠堆/结构的电阻可以基于“自由”区域的磁化方向(例如磁矩的方向)是与“固定的”区域的磁化方向(例如磁矩的方向)平行对准还是反平行对准而改变。通常，如果两个区域具有相同的磁化对准，则将得到的相对较低的电阻视为数字“0”，而如果对准是反平行的，则将得到的相对较高的电阻视为数字“1”。存储设备(诸如mram)可以包括以列和行的阵列布置的多个这样的磁阻叠堆/结构，其可以被称为存储单元或元件。通过测量流过每个单元的电流，能够读取每个单元的电阻，从而能够读取存储在存储器阵列中的数据。
37.切换磁阻叠堆/结构的“自由”区域的磁化方向可以通过驱动电流脉冲通过磁阻叠堆/结构或施加产生自旋轨道扭矩(sot)的电流来完成。电流脉冲的极性确定了“自由”区域的最终磁化状态(例如平行或反平行)。切换“自由”区域的磁性状态所需的平均电流可以被称为临界电流(ic)。临界电流表示将数据“写入”磁阻存储器单元中所需的电流(或磁阻存储器单元的写入电流)。在一些实施方案中，写入电流可以是临界电流的函数。例如，在本文设想的实施方案中，写入电流可以是临界电流的约1.3或1.4倍。希望减少所需的写入电流，因此，尤其能够将较小的存取晶体管用于每个存储器单元，并且能够生产较高密度、较低成本的存储器。
38.磁阻比(mr)是磁阻叠堆/结构的电阻在其“高”和“低”电阻状态之间变化的比率(mr＝(r
h
‑
r
l
)/r
l
，其中r
l
和r
h
分别是低电阻状态和高电阻状态的磁阻叠堆/结构的电阻)。mr表示“读取”存储元件时信号的强度。对于具有强读取信号的mtj型磁阻叠堆/结构，希望较大的mr(即，在各个电阻r
h
与r
l
之间有较大的差异)。当磁阻叠堆/结构的中间区域是由介电材料制成的隧道势垒时，可以通过电阻面积乘积(ra)来测量电阻。本公开的实施方案涉及在mr小幅度减小的情况下增加ra的方法和装置，以改善磁阻器件的可靠性和耐久性。
39.为了简洁起见，与半导体加工有关的常规技术在本文中可能不予详细描述。可以使用已知的光刻工艺来制造示例性实施方案。集成电路、微电子器件、微机电器件、微流体器件和光子器件的制造涉及形成以某种方式相互作用的几层材料。可以对这些层中的一个或多个进行图案化，以便一个或多个层的各区域具有不同的电特性或其他特性，这些区域可以在层内互连或与其他层互连，以形成电子部件和电路。这些区域可以通过选择性地引入或去除不同材料来形成。定义这样的区域的图案经常通过光刻工艺来形成。例如，将光致
抗蚀剂层施加到覆盖晶片衬底的层上。使用光掩模(包含透明和不透明区域)，通过诸如紫外线、电子或x射线的辐射形式选择性地对光致抗蚀剂进行曝光。通过施加显影剂将暴露于辐射的光致抗蚀剂或不暴露于辐射的光致抗蚀剂去除。然后可以采用/施加蚀刻，从而对未被剩余的抗蚀剂保护的层进行图案化。或者，能够使用附加工艺，其中使用光致抗蚀剂作为模板来建立结构。
40.如上面所指出的，在一个方面，所描述的实施方案尤其涉及制造磁阻叠堆/结构的方法，所述磁阻叠堆/结构在磁性材料叠堆的任一侧上具有一个或多个导电电极、通孔或导体。如下面进一步详细描述的，磁性材料叠堆/结构可以包括许多不同的材料层，其中一些层包括磁性材料，而其他层则不包括磁性材料。在一个实施方案中，制造方法包括按次序地沉积、生长、溅射、蒸发和/或提供(如上面所指出的，在本文中统称为“正在沉积”或其他动词时态(例如“沉积”或“沉积了”))在进一步处理(例如蚀刻)之后形成磁阻叠堆/结构的层和区域。
41.可以在顶部电极/通孔/线路(例如图1中的电极95)与底部电极/通孔/线路(例如图1中的电极15)之间形成本发明的磁阻叠堆/结构，通过允许与磁阻器件的电路和其他元件的连接(例如电连接)，其允许访问叠堆/结构。在电极/通孔/线路之间是区域(即，由一层或多层制成的每个区域)，其包括至少一个“固定的”磁性区域(其尤其包括多个铁磁性层)、晶种区域(在至少一个实施方案中，其设置在导电电极/通孔/线路与至少一个“固定的”磁性区域之间)、至少一个“自由”磁性区域(其尤其包括多个铁磁性层)以及设置在“固定的”磁性区域与“自由”磁性区域之间的一个或多个介电区域，以在其之间提供中间区域(例如隧道势垒层)。在一些实施方案中，可以去除顶部电极(和/或底部电极)，并且可以在叠堆的顶部上形成位线。
42.图1是示例性mtj型磁阻叠堆/结构100(例如面内或面外磁各向异性磁阻叠堆/结构(例如垂直磁各向异性磁阻叠堆/结构))的区域(或层)的横截面图。将认识到的是，为了清楚起见，在图1中(和随后的图中)未图示几个其他的常用区域(或层)(例如各种保护性覆盖层、晶种层、下面的衬底等)。如图1中所图示的，磁阻叠堆/结构100包括彼此叠置的多个区域，以在第一电极15与第二电极95之间形成叠堆/结构。如图1中所示，第一电极15可以是“底部”电极，第二电极95可以是“顶部”电极。然而，本领域普通技术人员将认识到，磁阻叠堆/结构100的各个区域的相对顺序可以颠倒。例如，第一电极15可以是顶部电极，第二电极95可以是底部电极。此外，在一些实施方案中，可以去除顶部电极(和/或底部电极)，并且可以在叠堆的顶部上形成位线。底部和顶部电极15、95可以包含导电材料，并且可以是磁阻叠堆/结构100的导电互连(例如通孔、迹线、线路等)的一部分(或与之物理接触)。尽管任何导电材料可以用于底部和顶部电极15、95，但是在一些实施方案中，可以使用诸如钽(ta)、钛(ti)、钨(w)的金属或这些元素的复合物或合金(例如氮化钽合金)。
43.继续参照图1，“固定的”区域40可以形成在底部电极15上或其上方。尽管在图1中没有图示，但在一些实施方案中，底部电极15可以形成在半导体衬底(例如具有形成在其上或其中的晶体管等的半导体衬底)的平面上。“固定的”区域40可以用作磁阻叠堆/结构100的“固定的”磁性区域。即，如上面所说明的,“固定的”区域40中的磁矩矢量不会响应用来切换“自由”区域60的磁矩矢量而施加的磁场(例如外部磁场)或施加的电流而显著移动。在一些实施方案中，晶种区域20可以设置在底部电极15与“固定的”区域40之间。晶种区域20可
以促进在底部电极15上形成“固定的”区域40。在底部电极15提供希望的对于后续层的生长特性的实施方案中，可以省略晶种区域20。尽管将晶种区域20描绘为单层，但是本领域普通技术人员将理解，晶种区域20也可以包括多层结构。晶种区域20可以包含镍(ni)、铬(cr)、钴(co)、铁(fe)及其合金(例如包括镍(ni)和/或铬(cr)的合金)中的一种或多种，厚度大于或等于约或大于或等于约或大于或等于约或优选大于或等于约或更优选大于或等于约或约且小于或等于约(例如约至约)，或甚至更优选大于或等于约且小于或等于约或最优选约在一些实施方案中，如图1中所描绘的，晶种区域20可以设置在底部电极15(或电极/通孔/线路的导电金属)与“固定的”磁性区域40之间并与其物理接触。
44.现在转向“固定的”区域40，图1中图示了包含多个堆叠区域的“固定的”区域40的示例性实施方案。应当注意，为了清楚起见，图1中仅图示了包含“固定的”区域40的某些区域，以及在“固定的”区域40的任一侧上的某些示例性区域(例如底部电极15和中间区域50)。本领域普通技术人员将容易认识到，一个或多个附加层、界面区和/或区域可以被包括在“固定的”区域40内和/或可以被设置在“固定的”区域40的层与所描绘的“固定的”区域40的任一侧上的示例性区域之间。通常，“固定的”区域40可以具有任何厚度。在一些实施方案中，“固定的”区域40的厚度可以为约至约约至约大于或等于大于或等于小于或等于或小于或等于的范围内。可以使用现在已知或以后开发的任何技术来沉积或形成“固定的”区域40；所有这些都旨在落入本公开的范围内。在一些实施方案中，“固定的”区域40可以包括一个或多个合成的反铁磁性结构(saf)或合成的铁磁性结构(syf)。由于saf和syf是本领域普通技术人员已知的，因此为简洁起见，省略了额外的描述。
45.在一些实施方案中，“固定的”区域40可以是固定的、未钉扎的合成的反铁磁性(saf)结构，其可以包括由反铁磁性(af)耦合区域32隔开的至少两个铁磁性区域30a、30b。有时将铁磁性区域30a和30b分别称为反平行层1(ap1)和反平行层2(ap2)。在一些实施方案中，铁磁性区域30a、30b(即，ap1和/或ap2)中的至少一个可以包括多层结构，该多层结构包括(i)第一铁磁性材料(例如钴(co))和(ii)第二铁磁性材料(例如镍(ni))或顺磁性材料(例如铂(pt)、钯(pd)等)的多个层。“固定的”磁性区域40也可包括设置在铁磁性区域30b与中间区域50之间的过渡区域34和/或参照区域36，如上面所指出的，其可以包括mtj结构中(形成隧道势垒)的介电材料层。在一些实施方案中，如图1中所示，可以提供过渡区域34和参照区域36两者，而在其他实施方案中，可以仅提供过渡区域34或参照区域36之一。过渡区域34和/或参照区域36可以包括一层或多层材料，这些材料尤其可以在制造过程中促进/改善中间区域50的生长(或形成)。在一些实施方案中，参照区域36可以(例如以合金，诸如非晶态合金(例如cofeb、cofebta、cofeta等形式))包括钴(co)、铁(fe)和硼(b)中的一种或多种或全部，过渡区域34可以包括非铁磁性过渡金属，诸如钽(ta)、钛(ti)、钨(w)、钌(ru)、铌(nb)、锆(zr)、铪(hf)、钼(mo)等。
46.在一些实施方案中，参照区域36也可以包括多层结构。例如，参照区域36可以包括铁(fe)层(例如沉积为纯铁或基本纯的铁(fe))和钴(co)、铁(fe)和硼(b)层((例如沉积为
合金)，其中，在进一步/最终处理之后(例如退火之后)，界面处的铁(fe)层可以在最终的退火结构中形成连续的原子层，或者可以与下面的铁磁性合金混合，从而在与中间区域50相邻的参照区域36中产生高铁(fe)界面区。在一些实施方案中，可以通过沉积一个或多个非铁磁性层(或通过另一种工艺)来形成过渡区域34，例如，在随后的退火过程中或与随后的退火过程结合，一个或多个非铁磁性层与一个或多个相邻的铁磁性区域(例如区域30b)合金化，从而形成过渡区域34。在一些实施方案中，可以将合金材料直接沉积为过渡区域34和/或参照区域36。通常，过渡区域34和参照区域36可以具有任何厚度。在一些实施方案中，过渡区域34的厚度(t)可以为约优选约并且更优选约在一些实施方案中，参照区域36的厚度(t)可以为约优选约并且更优选约在直接沉积合金材料作为过渡区域34的实施方案中，过渡区域34的厚度可以为约在一些实施方案中，过渡区域34和/或参照区域36可具有亚原子厚度。
47.如本领域普通技术人员将认识到的，在一些情况下，在沉积之后(例如随着时间的流逝，暴露于高温等后)，沉积的区域(例如本文所述的任何区域或层)的材料可以迁移(扩散等)到邻接区域(例如下面的区域等)中而形成合金。在这样的实施方案中，例如，尽管过渡区域和参照区域34、36可以在这些区域形成之后立即呈现为不同的层，但是在随后的处理操作(例如退火)之后，这些区域可以混合或合金化在一起而与“固定的”区域40的其他区域形成单个合金化区域(或与其分开)。因此，在一些情况下，可能难以将处于分开状态的区域34和36与完成的磁阻叠堆/结构100的“固定的”区域40中的其他区域分开。替代地，在“固定的”区域40与其上覆区域(例如图1中的区域50)的界面处的区域可以具有较高浓度的形成过渡区域34和参照区域36的材料。
48.重新参照图1，“自由”区域60(或存储区域或层)布置在“固定的”区域40的顶部，而中间区域50位于“固定的”区域40与“自由”区域60之间。在一些实施方案中，中间区域50可以包括介电材料并且可以起到隧道势垒的作用。中间区域50可以形成在“固定的”区域40的表面上或其上方，“自由”区域60可以形成在中间区域50的表面上或其上方。在一些实施方案中，中间区域50可以包括氧化物材料，诸如，mgo
x
(例如mgo)或alo
x
(例如al2o3)，并且可以通过材料沉积和氧化的多个步骤来形成。通常，中间区域50可以具有任何厚度。在一些实施方案中，中间区域50的厚度可以为约优选在之间，并且更优选在之间。
49.虽然在图1中未图示，但在一些实施方案中，“自由”区域60也可包括一个或多个铁磁性层/区域(类似于“固定的”区域20)。例如，在一些实施方案中，“自由”区域60可以包含至少两个由(例如包括钽(ta)、钨(w)、钼(mo)、钌(ru)、铑(rh)、铼(re)、铱(ir)、铬(cr)、锇(os)、铪(hf)及其组合)的耦合区域分隔的铁磁性区域。耦合区域可以在“自由”区域60的铁磁性层/区域之间提供铁磁性耦合或反铁磁性耦合。虽然“自由”区域60具有特定的构造，但“自由”区域60可以包括能够通过施加的磁场或电流来移动或切换的磁矢量(或矩)。“自由”区域60可以由具有两个或更多个稳定磁态的任何铁磁性材料形成。这些材料可以包括铁磁性元素镍(ni)、铁(fe)、钴(co)和硼(b)中的一种或多种的合金。可以将另外的元素添加到合金中以提供改善的磁、电或微结构性能。在一些实施方案中，类似于“固定的”区域40，“自
由”区域60也可以包括一个或多个saf或syf结构。通常，“自由”区域60可以具有任何厚度，诸如，约优选约并且更优选约
50.继续参照图1，在一些实施方案中，第二中间区域70可以位于“自由”区域60上或其上方。类似于中间区域50，中间区域70也可以包括介电材料并且可以起到隧道势垒的作用。在一些实施方案中，中间区域70可以包括氧化物材料，诸如mgo
x
(例如mgo)或alo
x
(例如al2o3)。中间区域70可以包括与中间区域50相同或不同的材料。通常，中间区域70可以具有任何厚度。在一些实施方案中，中间区域70可以具有与中间区域50相似的厚度。在其他实施方案中，中间区域70可以具有比中间区域50更大或更小的厚度。在一些实施方案中，中间区域70的厚度可以为约优选约更优选约在一些实施方案中，如图1中所图示的，可以在中间区域70上或其上方形成间隔区域80，并且可以在间隔区域80与顶部电极95之间形成覆盖区域90。然而，应当理解，间隔区域80或覆盖区域90中的任何一个都可以被省略。间隔区域80可以由诸如钌(ru)的导电非铁磁性材料形成。在一些实施方案中，间隔区域80可以包括多层叠堆，诸如，一个钌(ru)层和一个或多个钴(co)、铁(fe)、硼(b)或其合金(例如cofeb)层。尽管间隔区域80通常可以具有任何合适的厚度，但是在一些实施方案中，间隔区域的厚度可以为约优选约并且更优选约在一些实施方案中，间隔区域80可以包括钌(ru)层(例如具有约的厚度)和cofeb层(例如具有约的厚度)。覆盖区域90可以包括任何合适的材料和厚度。在一些实施方案中，覆盖区域90可以由诸如钽(ta)、钨(w)、钛(ti)、氮化钽(tan)等材料形成。尽管不是必要条件，但在一些实施方案中，覆盖区域90的厚度可以为约或优选约或更优选约
51.现在将描述制造所公开的磁阻叠堆100的示例性方法。应当理解，所述方法仅是示例性的。在一些实施方案中，该方法可以包括多个附加或替代步骤，并且在一些实施方案中，可以省略一个或多个所述步骤。只要所制造的磁阻叠堆/结构的预期功能保持基本不变，任何所述步骤都可以省略或修改，或者增加其他步骤。此外，尽管在所述方法中描述或暗示了某种顺序，但是通常，所述方法的步骤不需要以所示和所述的顺序执行。此外，所述方法可以结合到具有本文未描述的附加功能的更全面的工艺或过程中。
52.图2描绘了制造磁阻叠堆/结构100的示例性方法200的流程图。在下面的讨论中，将参照图1。底部电极15可以通过包括例如沉积的任何合适的工艺形成(步骤210)。在一些实施方案中，底部电极15可以形成在限定了平面或否则基本上为平坦表面的衬底表面上。然后可以在底部电极15上或其上方形成晶种区域20(步骤220)。然后可以在晶种区域20上或其上方形成“固定的”区域40。形成“固定的”区域40可以包括在晶种区域20上或其上方(例如通过沉积)形成第一铁磁性区域30a(步骤230)。然后可以在铁磁性区域30a上或其上方形成耦合区域32(步骤240)。然后可以在耦合区域32上或其上方形成第二铁磁性区域30b(步骤250)。然后可以在第二铁磁性区域30b上或其上方按次序地形成过渡区域34和参照区域36(步骤260)。然后可以在区域36上或其上方形成中间区域50(步骤270)，并且可以在中间区域50上或其上方形成“自由”区域60(步骤280)。然后，可以按次序地在“自由”区域60的顶部形成第二中间区域70、间隔区域80、覆盖区域90和顶部电极95(步骤290)。
53.应注意，图1的磁阻叠堆100的构造(例如结构等)仅是示例性的。如本领域普通技术人员将认识到的，磁阻叠堆100可具有许多其他构造。例如，在一些实施方案中，磁阻叠堆100可以具有双自旋滤波器结构，其中在中间区域70上方提供第二“固定的”区域。在一些实施方案中，第二“固定的”区域也可以具有与“固定的”区域40相似的结构。特别地，第二“固定的”区域也可以包括两个铁磁性区域(ap1、ap2)，而耦合区域位于所述两个铁磁性区域之间。通过引用其整体并入本文的美国专利第8,686,484号、第8,747,680号、第9,023,216号、第9,136,464号和第9,419,208号，以及美国专利申请第15/831,736号(2017年12月5日提交)、第62/671,794号(2018年5月15日提交)、第62/591,945号(2017年11月29日提交)、第62/594,229号(2017年12月4日提交)、第62/580,612号(2017年11月2日提交)、第62/582,502号(2017年11月7日提交)和第62/588,158号(2017年11月17日提交)描述了磁阻叠堆的示例性构造以及制造这样的磁阻叠堆的方法。
54.如之前所说明的，“固定的”区域40的铁磁性区域30a和30b可以包括多层结构。图3a图示了铁磁性区域30a(即，ap1)的示例性多层结构。如图3a中所图示的，在一些实施方案中，铁磁性区域30a可以包括一个形成在另一个之上的两种不同铁磁性材料的多个交替层。例如，铁磁性区域30a可以包括交替层(即磁性层110和第二金属层120)的多层叠堆。即，金属层120a形成在磁性层110a上方并且另外的磁性层110b形成在金属层120a上方等。尽管本实施方案考虑了两个交替的层，但是本领域普通技术人员将理解，可以适当地重复更多或更少数量的层。磁性层110可以包括铁磁性材料，诸如钴(co)、铁(fe)、钴基合金或铁基合金。并且，金属层120可以包括诸如铂(pt)、钯(pd)、镍(ni)、金(au)等材料。在一些实施方案中，磁性层110可以由钴(co)形成，并且第二金属层120可以由铂(pt)(或钯(pd))形成。通常，磁性层110和金属层120可以堆叠以形成任意数量的磁性层对(在图3a中标记为1
‑
6)。每个层对包括形成(例如沉积)在磁性层110上的金属层120。尽管图3a图示了形成在七个磁性层110a
‑
g之间的六个金属层120a
‑
f，但通常铁磁性区域30a中的磁性层和金属层110、120的数量可以分别在2和15之间。磁性层和金属层110、120可以具有任何合适的厚度。在一些实施方案中，每个磁性层和金属层110、120的厚度可以为约优选约在一些实施方案中，每个磁性层和金属层110、120的厚度可以为大于约且小于约优选大于约且小于约并且更优选约
55.在一些实施方案中，可以通过按次序地形成(例如沉积)包含叠置的磁性层110(例如钴(co))和金属层120(例如铂(pt)、钯(pd)、镍(ni)等)的材料来形成铁磁性区域30a。可以使用任何合适的工艺或流程来形成铁磁性区域30a的不同层110、120。在一些实施方案中，可以使用诸如物理气相沉积(例如离子束溅射、磁控管溅射等)、化学气相沉积、等离子体增强的化学气相沉积等的技术来形成层110、120。根据半导体工业中已知的各种常规技术中的任何一种，铁磁性区域30a的形成也可以包括已知的加工步骤，诸如选择性沉积、光刻加工、蚀刻、退火等。在一些实施方案中，在铁磁性区域30a的沉积过程中(例如在层110、120的一些或全部的形成过程中)，可以施加磁场以(例如通过感应各向异性)设定区域的优选的易磁轴(easy magnetic axis)。类似地，在沉积后高温退火步骤的过程中施加的强磁场可以用于对任何反铁磁性钉扎材料或交换耦合的钉扎材料诱发优选的易磁轴和优选的钉扎方向。由于这些技术是本领域普通技术人员已知的，因此本文不对其更详细地描述。
56.类似于铁磁性区域30a，“固定的”区域40的铁磁性区域30b(即，ap2)也可以包括多层结构，该多层结构包含磁性层110和金属层120的交替的多层叠堆。图3b图示了具有磁性层110v
‑
110z和金属层120v
‑
120y的铁磁性区域30b的示例性多层结构。通常，磁性层110v
‑
z可以包括铁磁性材料，诸如钴(co)、铁(fe)、钴基合金或铁基合金。并且，金属层120v
‑
y可以包括诸如铂(pt)、钯(pd)、镍(ni)、金(au)等材料。在一些实施方案中，磁性层110v
‑
110z可以包括钴(co)且金属层120v
‑
120y可以包括铂(pt)(或钯(pd))。如上面参照铁磁性区域30a所说明的，铁磁性区域30b的磁性层和金属层110、120可以堆叠以形成任意数量的层对(在图3b中标记为1
‑
4)。尽管图3b图示了形成在五个磁性层110v
‑
110z之间的四个金属层120v
‑
120y，但通常，铁磁性区域30b中的磁性层和金属层110、120的数量可以在2和15之间。在一些实施方案中，铁磁性区域30b中的磁性层和金属层110、120(和磁性层对)的数量可以小于铁磁性区域30a中的数量。即，在一些实施方案中，ap2可以具有比ap1更少数量的磁性层和金属层对。铁磁性区域30b中的磁性层和金属层110、120的厚度可以类似于结合铁磁性区域30a所述的厚度。铁磁性区域30b的磁性层和金属层110、120也可以以与铁磁性区域30a的磁性层和金属层110、120类似的方式形成。在一些实施方案中，区域30a和30b中的磁性层和金属层(区域30a中的110a和110g，区域30b中的110v和110z)可以比其他磁性层110厚。
57.在一些实施方案中，铁磁性区域30a和30b可以具有强的磁各向异性，并且可以通过耦合区域32彼此反铁磁性耦合。在一些实施方案中，铁磁性区域30a和30b的强垂直磁各向异性(pma)可以需要这些区域中的一个或两个具有强的晶体取向。在一些实施方案中，可能需要铁磁性区域30a和30b中的一个或两个的强晶体取向，以通过耦合区域32(例如约厚的钌(ru)层)在这些区域30a与30b之间保持强的交换耦合(例如通过耦合层来自第一峰值反铁磁性交换耦合的大交换耦合)。位于中间区域50下方的区域(参见图1)的强晶体取向(在一些情况下具有大晶粒尺寸)(其在诸如mram的磁性隧道结器件中起到隧道势垒的作用)可以产生粗糙的隧道势垒且可以导致由磁阻叠堆100制成的磁阻器件的降低的时间依赖性介电击穿(tddb)特性和/或耐久性。
58.在本公开的一些实施方案中，可以对晶种区域20进行处理或可以对晶种区域20的组成进行调整，使得上覆区域(在晶种区域20上或其上方形成的区域)的结晶度降低。例如，可以对晶种区域20进行处理，或者可以对晶种区域20的组成进行调整，使得中间区域50下方的层(例如mtj结构中的隧道势垒层)的结晶度降低。中间区域50下方的层的结晶度降低可以产生平滑的(或相对较平滑的)中间区域50(即，平滑的隧穿势垒)，从而改善了由磁阻叠堆100制造的磁阻器件的时间依赖性的介电击穿(tddb)特性和寿命/耐久性。平滑的中间区域50也可以改善磁阻器件的自旋扭矩切换效率。
59.参照图1，在本公开的一些实施方案中，可以在晶种区域20的表面上形成上覆区域之前对其进行处理或以其他方式进行调整。例如，在一些实施方案中，可以在晶种区域20的表面上沉积铁磁性区域30a(ap1)之前对其进行处理。在一些实施方案中，该处理可以包括在晶种区域20的表面上形成上覆区域(例如铁磁性区域30a)之前，对其进行氧化。在一些实施方案中，氧化可以包括使晶种区域20的表面暴露于具有约0.25
‑
10sccm(每分钟标准立方厘米)的流速、处于约0.01
‑
10mtorr(毫乇)的压力下的氧气流(基本上纯的氧气或氧气与其他气体的混合物(例如氮气中约2
‑
80％的氧气))持续约5
‑
50秒。
60.在一些实施方案中，可以通过“自然氧化”对晶种区域20的表面进行氧化。在“自然
氧化”的过程中，可以在约0.01
‑
10毫乇的压力和低于约35℃的温度下将晶种区域20的表面暴露于含氧气氛中。低于约35℃的温度下的氧化被称为低温或“自然氧化”，因为它(在速度和自限制行为方面)类似于在室温下暴露于空气(例如洁净室空气)的过程中发生的氧化。应当注意，由于通过将其暴露于洁净室空气中来对该表面进行氧化不是ic制造过程中可行的选择(例如为了防止由于污染而导致的缺陷器件等)，因此可以在封闭的腔室(例如氧化室、沉积室等)中进行晶种区域20表面的自然氧化。在一些实施方案中，可以在不引起制造过程中的真空破坏的情况下进行晶种区域20的表面处理。例如，在形成晶种区域20之后，可以在用于沉积晶种区域20的同一沉积室中对形成的晶种区域20的表面进行氧化，可以在不引起真空破坏的情况下，在同一沉积室中将上覆区域(例如铁磁性区域30a)沉积在晶种区域20的经氧化的表面上。然而，这不是必要条件。即，在一些实施方案中，可以在不引起真空破坏的情况下，在制造过程中在不同的腔室中进行沉积和氧化。例如，制造过程可以在具有用于沉积和氧化的分离的腔室的多腔室沉积系统中进行。
61.在一些实施方案中，晶种区域20表面的自然氧化可以包括在低于约35℃的温度和约0.03
‑
0.05毫乇或更低的压力下，将晶种区域20暴露于基本上纯的氧气或氧气与其他气体的混合物(例如氮气中约2
‑
80％的氧气)约10
‑
100秒。在一些实施方案中，对晶种区域20的表面进行氧化可以包括在低于约35℃的温度和相对较高的压力(例如约0.15至10毫乇之间)下将表面暴露于基本上纯的氧气或氧气与其他气体的混合物(例如氮气中约2
‑
80％的氧气)相对较长的时间(例如至多约几千秒，优选约100
‑
2000秒)。优选在具有低含量水蒸气的处理室中进行氧化。例如，在一些实施方案中，可以在具有低温泵或具有冷阱(水泵)的腔室中进行氧化过程，以防止或减少水蒸气对20的经氧处理的表面的影响。
62.重新参照图1，在本公开的一些实施方案中，可以通过在晶种区域20的沉积过程中引入附加的一种或多种附加材料来调整(例如补充或增强)晶种区域20的组成，以便降低晶种区域20自身的结晶度。如上面所提及的，晶种区域20可以包含镍(ni)、铬(cr)、钴(co)、铁(fe)及其合金中的一种或多种。在一个实施方案中，可以在诸如磁控溅射的晶种区域20的沉积过程中引入气态形式的氧或氮(例如双氧(o2)或双氮(n2))。结果可以是包含合金氧化物或合金氮化物的晶种区域20。例如，在沉积过程中，作为溅射靶，除了镍铬(nicr)以外，还可以通过引入少量的氧或氮来形成包含镍铬氧化物(nicro
x
)或镍铬氮化物(nicrn
x
)的晶种区域20。在另一个实施方案中，可以在晶种区域20的沉积过程中引入诸如硼(b)和/或碳(c)的小原子元素。例如，通过向包含镍铬(nicr)的晶种层添加或掺杂硼(b)和/或碳(c)，包含镍、铬以及硼和/或碳的合金(例如nicrb、nicrc或nicrbc)可以形成晶种区域20。可以通过在沉积过程中，作为溅射靶，同时沉积，例如溅射(例如共同溅射)镍铬(nicr)和硼(b)和/或碳(c)或通过使用完整合金(例如nicrb、nicrc或nicrbc)来制造这样的合金。
63.处理晶种区域20的表面或调整晶种区域20的组成可以减小表面粗糙度和/或改变表面形态，并产生在具有经氧处理(即，氧化)的表面的区域或经组成调整的区域上或其上方生长的区域的较小晶粒尺寸和降低的晶体取向(或织构)。在这样的晶种区域20上生长的铁磁性区域30a的结晶度减小可以导致上覆区域的结晶度减小。当在“固定的”区域40上或其上方形成中间区域50时，“固定的”区域40的结晶度(和/或晶粒尺寸)的减小可以产生具有改善的tddb特性的更平滑或平滑化的中间区域50。应当注意，在一些涉及经表面处理的晶种区域20的情况下，在形成磁阻叠堆100之后，在经处理的晶种区域20的表面上(例如在
横截面中)可能看不到氧化物层。然而，在一些情况下，组成分析(例如通过能量色散x射线光谱等)可能会显示氧化物(或作为氧化物与相邻区域之间反应的结果而形成的另一种反应产物)的存在。
64.现在将描述形成包含经表面处理的晶种区域20
′
的磁阻器件100的示例性方法。应当理解，所述方法仅是示例性的。在一些实施方案中，本文描述的方法可以包括多个附加或替代步骤，并且在一些实施方案中，可以省略一个或多个所述步骤。只要所制造的磁阻叠堆/结构的预期功能保持基本不变，任何所述步骤都可以省略或修改，或者增加其他步骤。此外，尽管在所述方法中描述或暗示了某种次序，但是通常，所述方法的步骤不需要以所示和所述的顺序执行。此外，所述方法可以结合到具有本文未描述的附加功能的更全面的工艺或过程中。
65.图4是形成包含经表面处理的晶种区域20
′
的磁阻叠堆100的示例性方法400的流程图。图5a
‑
5e是在采用晶种区域20
′
的表面处理的制造工艺的各个阶段的磁阻叠堆100的示意图。底部电极15可以通过包括例如沉积的任何合适的工艺形成(步骤410)。在一些实施方案中，底部电极15可以形成在限定了平面的衬底的表面上。图5a图示了形成的底部电极15。然后，可以在底部电极15上或其上方形成晶种区域20
′
(步骤420)。图5b图示了形成的晶种区域20
′
。然后，可以通过将(在步骤420中)形成的晶种区域20
′
的暴露的表面暴露于氧气(例如基本上纯的氧气或氧气与其他气体的混合物(例如氮中约2
‑
80％的氧))持续约5
‑
50秒来对形成的晶种区域20
′
的暴露的表面进行处理(步骤430)。在一些实施方案中，气体的流速为约0.25
‑
10sccm(标准立方厘米每分钟)，压力为约0.01
‑
10mtorr(毫乇)。图5c图示了晶种区域20
′
的表面被暴露于氧气。
66.然后可以在晶种区域20
′
(即，经表面处理的晶种区域20
′
)上或其上方形成“固定的”区域40(步骤440)。图5d图示了形成在晶种区域20
′
上或其上方的“固定的”区域40。如上面参照图1
‑
2所讨论的，形成“固定的”区域40可以包括按次序地形成(例如沉积)多个区域，其按顺序包含第一铁磁性区域30a、耦合区域32、第二铁磁性区域30b、过渡区域34和/或参照区域36。值得注意，可以首先在经处理的晶种区域20
′
表面上或其上方形成第一铁磁性区域30a。在形成“固定的”区域40(步骤440)之后，磁阻叠堆100的附加区域(例如按顺序为第一中间区域50、“自由”区域60、第二中间区域70、间隔区域80、覆盖区域90和/或顶部电极95)可以按次序地形成(例如沉积)在“固定的”区域40的顶部，以形成磁阻叠堆100(步骤450)。图5e图示了形成的具有经表面处理的晶种区域20
′
的磁阻叠堆100。
67.可以使用任何合适的工艺来形成磁阻叠堆100的不同区域(诸如，铁磁性区域30a和30b)。在一些实施方案中，形成铁磁性区域30a和30b的不同层(例如第一和第二层110和120)可以包括通过例如物理气相沉积(例如离子束溅射、磁控溅射等)、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积等来沉积该层的材料。根据半导体工业中已知的各种常规技术中的任何一种，一些或全部区域的形成也可以包含已知的加工步骤，诸如选择性沉积、光刻加工、蚀刻、退火等。在一些实施方案中，在沉积过程中，可以施加磁场以(例如通过感应的各向异性)设置区域的优选的易磁轴。类似地，在沉积后高温退火步骤的过程中施加的强磁场可以用于对任何反铁磁钉扎材料或交换耦合的钉扎材料诱发优选的易轴和优选的钉扎方向。由于这些技术是本领域普通技术人员已知的，因此本文不对其更详细地描述。
68.在一些实施方案中，可以通过将每个后续区域直接沉积在下面的区域表面上来制
造磁阻叠堆100。例如，参照图1，在一些实施方案中，铁磁性区域30a可以直接形成在晶种区域20的表面(例如经表面处理的晶种区域20
′
)等上。可以使用任何合适的方法来形成不同的区域或层。由于可以用于形成不同层的合适的集成电路制造技术(例如沉积、溅射、蒸发、镀覆等)对于本领域技术人员是已知的，因此在此不对其详细地描述。在一些实施方案中，形成一些区域/层可以包含薄膜沉积工艺，包括但不限于物理气相沉积技术，诸如离子束溅射和磁控管溅射。并且，形成薄的绝缘层，诸如隧道势垒层，可以包含来自氧化物靶的物理气相沉积，诸如通过射频(rf)溅射，或者通过金属薄膜的沉积，接着进行氧化步骤，诸如氧等离子体氧化、氧自由基氧化或通过暴露于氧环境中的自然氧化。
69.如上面所说明的，根据图4和图5a
‑
5e中所述方法制造的磁阻叠堆100的示例性实施方案包括“固定的”区域40，该“固定的”区域40具有通过耦合区域32(例如由非铁磁性材料诸如钌(ru)、铱(ir)、铑(rh)等制成的耦合区域32)耦合在一起的多个铁磁性区域(例如铁磁性区域30a和铁磁性区域30b))，其位于铁磁性区域30a与30b之间。铁磁性区域30a和30b之一或两者可以包含钴(co)(或铁(fe)、钴基合金或铁基合金)和铂(pt)(或钯(pd)、镍(ni)或金(au))的交替层。可以在其上或其上方形成铁磁性区域30a的晶种区域20
′
的表面可以通过将该表面暴露于气体，诸如氧气、氧气与氮气的混合物等来进行表面处理。表面处理可以导致经处理的表面的粗糙度减小，以及在经处理的表面上或其上方生长的区域的结晶度(即晶粒尺寸)减小，这进而可以导致促进相对平滑的中间区域50的形成。相对平滑的中间区域50可以产生mtj结构的更好的tddb性能，并且可以改善mtj结构的耐久性/寿命。
70.在图1的磁阻叠堆100中，“固定的”区域40、中间区域50和“自由”区域60可以一起形成磁性隧道结(mtj)。为了确定上述表面处理对mtj相关参数的影响，对两种类型的mtj测试样品进行了实验评价。这些mtj测试样品具有具备两个铁磁性区域30a和30b(分别具有图3a
‑
3b中图示的构造)，并与钌(ru)耦合区域32耦合在一起的“固定的”区域40和氧化镁(mgo
x
)的中间区域50(即，隧道势垒)。此外，这些测试样品的各个磁性层和金属层110和120分别由钴(co)和铂(pt)(每层约厚)制成。如上所述，对测试样品之一的晶种区域20进行表面处理(例如经表面处理的晶种区域20
′
)。将该测试样品称为经表面处理的测试样品。另一测试样品的晶种区域20未经表面处理，并用作基线样品。来自这些评价的结果表明，尽管表面处理导致上覆晶种区域20
′
的区域的结晶度减小(例如导致mtj结构的更好的tddb和寿命/耐久性)，但是表面处理也引起铁磁性区域30a与30b之间的pma和反铁磁性耦合强度的显著降低。
71.图6示出了上述经表面处理的测试样品和基线测试样品(即，未经表面处理的测试样品)的主要m
‑
h磁滞回线(磁化强度(以emu为单位)与磁场(以oe为单位)磁滞回线的关系曲线。如本领域普通技术人员将认识到的，右曲线a(即，位于约7500oe处)表示基线样品的ap1的切换，左曲线b(即，位于约4300oe处)表示基线样品的ap2和参照区域36的切换。此外，右曲线a
′
(即，位于约2800oe处)表示经表面处理的测试样品的ap1切换，左曲线b
′
(即，位于约1600oe处)表示经表面处理的测试样品的ap2和参照区域36的切换。这些结果表明，作为晶种区域20
′
的表面处理的结果，ap1切换和ap2切换有很大的变化。尤其是，图6中的曲线图表明，尽管减小了上覆晶种区域20
′
的区域的结晶度(例如导致mtj结构的更好的tddb和耐久性)，但是由于晶种区域20
′
的表面处理，具有pma和/或交换耦合的显著减小。
72.为了解决、减轻上述问题或将上述问题最小化，在本公开的一些实施方案中，磁阻
叠堆100的晶种区域20可以以两步工艺形成。例如，在一些实施方案中，晶种区域20的形成可以包含形成第一晶种区域，处理(即，氧化)第一晶种区域的表面，以及在经处理的第一晶种区域的表面上或其上方形成第二晶种区域。在所考虑的实施方案中，第二晶种区域未经表面处理。如上面所讨论的，第一晶种区域的表面处理可以导致在经表面处理的第一晶种区域上或其上方生长的(一个或多个)区域的结晶度和晶粒尺寸的减小，从而导致磁阻叠堆100的更好的tddb和耐久性。此外，在经表面处理的第一晶种区域上或其上方形成第二晶种区域可以补偿由于对第一晶种区域进行表面处理而导致的降低的pma和/或交换耦合。在下面的讨论中，这样的晶种区域20(即，包含形成在经处理的第一晶种区域表面上或其上方形成的第二晶种区域)将被称为经内部表面处理的晶种区域20a。
73.现在将描述形成包含经内部表面处理的晶种区域20a的磁阻叠堆100的示例性方法。应当理解，所述方法仅是示例性的。在一些实施方案中，该方法可以包括多个附加或替代步骤，并且在一些实施方案中，可以省略一个或多个所述步骤。只要所制造的磁阻叠堆/结构的预期功能保持基本不变，任何所述步骤都可以省略或修改，或者增加其他步骤。此外，尽管在所述方法中描述或暗示了某种顺序，但是通常，所述方法的步骤不需要以所示和所述的顺序执行。此外，所述方法可以结合到具有本文未描述的附加功能的更全面的工艺或过程中。
74.图7是形成包含经内部表面处理的晶种区域20a的磁阻叠堆100的另一示例性方法700的流程图。图8a
‑
8f是在采用晶种区域20a的内部表面处理的制造工艺的各个阶段的磁阻叠堆100的示意图。可以通过包括例如沉积的任何合适的工艺来形成底部电极15(步骤710)。在一些实施方案中，底部电极15可以形成在限定了平面的衬底的表面上。图8a图示了形成的底部电极15。然后，可以在底部电极15上或其上方形成第一晶种区域21(步骤720)。图8b图示了形成的第一晶种区域21。使用参照方法430和图5c所述的工艺，然后可以通过将(在步骤720中)形成的第一晶种区域21的暴露表面暴露于氧气约5
‑
50秒的持续时间来对其进行处理(步骤730)。图8c图示了第一晶种区域21要暴露于氧气的表面。然后可以在经处理的第一晶种区域21的表面上或其上方形成第二晶种区域22(步骤740)。图8d图示了形成在第一晶种区域21的经处理表面上或其上方的第二晶种区域22。值得注意，经表面处理的第一晶种区域21和在其上形成的第二晶种区域22现在可以形成经内部表面处理的晶种区域20a。
75.然后可以在晶种区域20a上或其上方形成“固定的”区域40(步骤750)。图8e图示了形成在晶种区域20a上或其上方的“固定的”区域40。如上面参照图1
‑
2所讨论的，形成“固定的”区域40可以包括按次序地形成(例如沉积)多个区域，其按顺序包含第一铁磁性区域30a、耦合区域32、第二铁磁性区域30b、过渡区域34和/或参照区域36。在形成“固定的”区域40(步骤750)之后，可以在“固定的”区域40的顶部按次序地形成(例如沉积)磁阻叠堆100的附加区域(例如按顺序为第一中间区域50、“自由”区域60、第二中间区域70、间隔区域80、覆盖区域90和/或顶部电极95)，以形成磁阻叠堆100(步骤760)。图8f图示了具有经内部表面处理的晶种区域20a的磁阻叠堆100。
76.如上面所讨论的，在图1的磁阻叠堆100中，“固定的”区域40、中间区域50和“自由”区域60可以一起形成具有mr和ra的磁性隧道结(mtj)。为了确定上述经内部表面处理的晶种区域20a对由各种参数表示的mtj的性能的影响，对多个示例性mtj测试样品进行了实验
评价。这些mtj测试样品具有具备与钌(ru)耦合区域32耦合在一起的两个铁磁性区域30a和30b(分别具有图3a
‑
3b中图示的构造)的“固定的”区域40，以及氧化镁(mgo
x
)的中间区域50(例如隧道势垒)。此外，这些测试样品的各个磁性层和金属层110和120分别由钴(co)和铂(pt)(每层约厚)制成。一些测试样品包括不同尺寸(例如第二晶种区域22的厚度从约到变化)的经内部表面处理的晶种区域20a(即，经表面处理的第一晶种区域21和在其上形成的第二晶种区域22，一起形成了如上面关于步骤720
‑
740和图8b
‑
8d所讨论的经内部表面处理的晶种区域20a)。这些测试样品称为经内部表面处理的测试样品。其他测试样品不包括任何经表面处理的晶种区域，并用作基线样品。这些评价的结果表明，与包括上面参照图4和图5a
‑
5e所讨论的经表面处理的晶种区域20
′
的mtj相比，包括经内部表面处理的晶种区域20a的mtj获得了改善的pma和交换耦合水平(即，更接近基线样品的水平)。
77.图9a
‑
9e示出了上述经内部表面处理的测试样品和基线测试样品(未表面处理)的主要m
‑
h磁滞回线。总体地说，图9a示出了基线样品(即，未经任何表面处理)的主要m
‑
h磁滞回线，图9b
‑
9e示出了不同尺寸的经内部表面处理的测试样品的主要m
‑
h磁滞回线。尤其是，图9b
‑
9e示出了经内部表面处理的测试样品的主要m
‑
h磁滞回线，该测试样品包含厚度分别测量为约和的第二晶种区域22。如上面参照图6所提及的，右曲线a和a1
‑
a4表示各测试样品的ap1切换，左曲线b和b1
‑
b4表示各测试样品的ap2和参照区域36切换。这些结果表明，随着第二晶种区域22的厚度增加，经内部表面处理的测试样品的pma和/或交换耦合被显著改善至与基线样品相当的水平。因此，通过在经表面处理的第一晶种区域21上或其上方形成第二晶种区域22(从而形成经内部表面处理的晶种区域20a)，可以实现合理水平的pma和交换耦合，同时也控制了在经内部表面处理的晶种区域20a上或其上方形成的一个或多个区域的结晶度(即，同时改善了磁阻叠堆100的tddb和寿命/耐久性)。变得平滑的隧道势垒也可以提高隧道势垒击穿电压和自旋扭矩切换效率。
78.图10a
‑
10d比较了包括各种尺寸的基线测试样品、经表面处理的测试样品和经内部表面处理的测试样品的上述mtj测试样品的自由层的磁性能(垂直各向异性场hk、矫顽力hc、磁矩和耦合场hcpl)。如在这些图中能够看出的，与基线测试样品和经表面处理的测试样品相比，经内部表面处理的测试样品显示出稍微增加的hk。此外，具有厚度为约至的第二晶种区域22的经内部表面处理的测试样品显示出可与基线样品相比(即相似)的矫顽力hc、磁矩和耦合场hcpl。相信经内部表面处理的测试样品的性能的这些改善是由于在经表面处理的第一晶种区域21上或其上方增加了第二晶种区域22。
79.图11比较了上述mtj测试样品(即，不同尺寸的基线测试样品、经表面处理的测试样品和经内部表面处理的测试样品)的电性能mr和ra。如在该图中能够看到的，经表面处理的测试样品和经内部表面处理的测试样品显示ra显著增加。该结果表明，经表面处理的晶种区域20
′
和经内部表面处理的晶种区域20a可以导致在晶种区域20
′
和20a上或其上方的一个或多个区域中结晶度减小，从而产生变得平滑的隧道势垒。此外，与经表面处理的测试样品相比，经内部表面处理的测试样品显示出改善的mr，其更接近于基线样品的mr。因此，这些结果表明，可以通过在经表面处理的晶种区域21上或其上方增加具有一定厚度的第二晶种区域22以形成经内部表面处理的晶种区域20a来实现相对高的ra和合理水平的mr。换
句话说，可以基于pma和交换耦合强度要求来调整第二晶种区域22的厚度。
80.如上面参照图1所提及的，在本公开的一些实施方案中，可以调整磁阻叠堆100的晶种区域20的组成以减小晶种区域20的结晶度和/或晶粒尺寸。如上面所讨论的，在晶种区域20的沉积过程中添加某些材料可以导致在晶种区域20上或其上方生长的一个或多个区域的结晶度和/或晶粒尺寸减小，从而导致磁阻叠堆100的更好的tddb和耐久性。此外，这样的晶种区域20可能不会显著改变pma和/或交换耦合的所希望的水平。在下面的讨论中，这样的晶种区域20(即，包含具有减小结晶度效果的材料)将被称为经组成调整的晶种区域25。
81.现在将描述形成包含经组成调整的晶种区域25的磁阻叠堆100的示例性方法。应当理解，所述方法仅是示例性的。在一些实施方案中，该方法可以包括多个附加或替代步骤，并且在一些实施方案中，可以省略一个或多个所述步骤。只要所制造的磁阻叠堆/结构的预期功能保持基本不变，任何所述步骤都可以省略或修改，或者增加其他步骤。此外，尽管在所述方法中描述或暗示了某种顺序，但是通常，所述方法的步骤不需要以所示和所述的顺序执行。此外，所述方法可以结合到具有本文未描述的附加功能的更全面的工艺或过程中。为了简洁起见，上面已经详细描述的上覆“固定的”区域40的区域及其形成的描述内容在以下讨论中将不再重复。
82.图12是形成包含经组成调整的晶种区域25的磁阻叠堆100的另一示例性方法1200的流程图。图13a
‑
13d是在采用经组成调整的晶种区域25的制造工艺的各个阶段的磁阻叠堆100的示意图。可以通过包括例如沉积的任何合适的工艺来形成底部电极15(步骤1210)。在一些实施方案中，底部电极15可以形成在限定了平面的衬底的表面上。图13a图示了形成的底部电极15。然后，可以在底部电极15上或其上方形成经组成调整的晶种区域25(步骤1220)。图13b图示了形成的经组成调整的晶种区域25。
83.在一个实施方案中，为了形成经组成调整的晶种区域25，可以在包含镍(ni)、铬(cr)、钴(co)和铁(fe)中的一种或多种的合金的沉积过程中添加气态形式的氧或氮(例如双氧(o2)或双氮(n2))。仅出于例释的目的，在以下讨论中将使用示例性镍铬合金(nicr)。然而，应当注意，在沉积不同类型的合金的过程中可以添加氧或氮，并且可以实现相同或相似的结晶度减小效果。
84.含有少量氧或氮的镍铬(nicr)膜可以减小镍铬的结晶度和晶粒尺寸。可以在沉积如磁控管溅射过程中，通过将镍铬设定为溅射靶，并引入(即溅射)少量(例如约1至30％的含量)的氧或氮以及离子化剂如氩(ar)或氙(xe)来引入氧或氮。在这样的沉积过程中，最初呈固态的镍铬(nicr)溅射靶可能会被气态离子(即离子化剂)分解成纳米级颗粒，在底部电极15上方形成层(例如涂层)之前，该纳米级颗粒可以与氧或氮相互作用。在一些实施方案中，在离子化剂的溅射过程中，可以在约1
‑
30％的分压下引入氧或氮。形成的经组成调整的晶种区域25例如可以包含镍铬氧化物(nicro
x
)或镍铬氮化物(nicrn
x
)。
85.在另一个实施方案中，可以在镍铬(nicr)的沉积过程中添加小原子元素，诸如硼(b)和/或碳(c)，以形成经组成调整的晶种区域25。原子元素可以在沉积过程中通过同时溅射原子元素和镍铬(nicr)或通过使用包含原子元素和镍铬(nicr)两者的合金(例如nicrb、nicrc或nicrbc)作为溅射靶引入。在此过程中，可以将原子元素添加到镍铬中或掺杂在镍铬上，产生纳米晶平滑的镍铬(nicr)晶种区域。所得的经组成调整的晶种区域25例如可以
包含镍铬硼(nicrb)、镍铬碳(nicrc)或镍铬硼碳(nicrbc)。
86.在又一个实施方案中，包含材料的不同组合(例如镍铬氧化物(nicro
x
)、镍铬氮化物(nicrn
x
)、镍铬硼(nicrb)、镍铬碳(nicrc)和镍铬硼碳(nicrbc))的每个以上的经组成调整的晶种区域25可以单独使用，以形成完整的经组成调整的晶种区域25，或者也可以与较简单的合金(诸如镍铬(nicr))组合，以形成完整的经组成调整的晶种区域25。例如，经组成调整的晶种区域25可以包含双层(例如nicr/nicrn
x
、nicrn
x
/nicr等)，三层(例如nicr/nicrn
x
/nicr、nicrn
x
/nicr/nicrn
x
等)或多层结构(例如nicr/[nicrn
x
/nicr]*n、[nicrn
x
/nicr]*n/nicrn
x
等，其中n>1)。在下面的讨论中，将这样的“分层的”经组成调整的晶种区域25分别称为双层经组成调整的晶种区域、三层经组成调整的晶种区域或多层经组成调整的晶种区域。
[0087]
回过来参照图12，然后可以在经组成调整的晶种区域25上或其上方形成“固定的”区域40(步骤1230)。图13c图示了在经组成调整的晶种区域25上或其上方形成的“固定的”区域40。如上面参照图1
‑
2所讨论的，形成“固定的”区域40可以包括按次序地形成(例如沉积)多个区域，其按顺序包含第一铁磁性区域30a、耦合区域32、第二铁磁性区域30b、过渡区域34和/或参照区域36。在形成“固定的”区域40(步骤1230)之后，磁阻叠堆100的另外的区域(例如按顺序地第一中间区域50、“自由”区域60、第二中间区域70、间隔区域80、覆盖区域90和/或顶部电极95)可以按次序地形成(例如沉积)在“固定的”区域40的顶部，以形成磁阻叠堆100(步骤1240)。图13d图示了具有经组成调整的晶种区域25的磁阻叠堆100。
[0088]
图14示出了与没有经组成调整的磁阻叠堆100(即，包含镍铬(nicr)作为晶种区域的基线测试样品)的归一化主要m
‑
h磁滞回线相比的包含各种类型的经组成调整的晶种区域25(即，经组成调整的测试样品)的磁阻叠堆100的归一化主要m
‑
h磁滞回线。尤其是，图14示出了与基线测试样品的归一化主要m
‑
h磁滞回线相比的包含分层的经组成调整的晶种区域25的磁阻叠堆100的归一化主要m
‑
h磁滞回线。这些结果表明，经组成调整的测试样品的pma和/或交换耦合与基线样品的pma和/或交换耦合相当。因此，通过调整晶种区域的组成以具有希望的结构特性，可以实现合理水平的pma和交换耦合，同时也控制了在经组成调整的晶种区域25上或其上方形成的一个或多个区域的结晶度(即，同时改善了磁阻叠堆100的tddb和寿命/耐久性)。如上面提及的，变得平滑的隧道势垒也可以提高隧道势垒击穿电压和自旋扭矩切换效率。
[0089]
图15a比较了上述mtj测试样品(即，包含镍铬(nicr)的基线测试样品和包含镍铬氮化物(nicrn)的经组成调整的测试样品)(即，与图14中所示样品相同的样品)的归一化电性能、mr和ra。图15b比较了上述mtj测试样品(即，包含镍铬(nicr)的基线测试样品和包含镍铬氮化物(nicrn)的经组成调整的测试样品)的归一化磁性能、垂直各向异性场hk和磁矩。在图15a和图15b两个图中，与基线测试样品的电和磁性能相比，能够观察到经组成调整的测试样品的相似的电和磁性能。这些结果表明，通过调整晶种区域的组成以形成经组成调整的晶种区域25，可以实现足够水平的mr、ra、hk和磁矩。
[0090]
(使用磁阻叠堆100形成)mtj器件可以包括传感器架构或存储器架构(除了其他架构外)。例如，在具有存储器配置的mtj器件中，如图16中所示，mtj可以电连接到存取晶体管并且配置成耦合或连接到可以携带一个或多个控制信号的各种导体。mtj器件可以用在任何合适的应用中，包括例如在存储器配置中。根据本文公开的某些实施方案的某些方面，在
这样的情况下，mtj器件可以形成为包含离散的存储器器件(例如如图17a中所示)或其中具有逻辑线路的嵌入式存储器器件(例如如图17b中所示)的集成电路，每一个都包括mram，在一个实施方案中，其代表具有多个磁阻叠堆/结构的mram的一个或多个阵列。
[0091]
一方面，公开了一种制造磁阻器件的方法。该方法可以包含形成导电区域以及在导电区域的一侧上形成第一晶种区域。可以通过将第一晶种区域的表面暴露于气体来对其进行处理。第二晶种区域可以形成在第一晶种区域的经处理的表面上。该方法也可以包含在第二晶种区域的一侧上形成磁性固定的区域。
[0092]
所公开的方法的各种实施方案可以可替代地或另外地包括以下特征：处理第一晶种区域的表面可以包含将该表面暴露于基本上纯的氧气；处理第一晶种区域的表面可以包含将该表面暴露于在其他气体中有约2
‑
80％氧气的混合物；处理第一晶种区域的表面可以包含在小于或等于约10毫乇的压力下将该表面暴露于氧气；处理第一晶种区域的表面可以包含在约0.01和10毫乇之间的压力下将该表面暴露于气体；处理第一晶种区域的表面可以包含将该表面暴露于气体小于或等于约50秒的时间段；处理第一晶种区域的表面可以包含在低于或等于约35摄氏度的温度下将该表面暴露于氧气小于或等于约50秒的时间段；处理第一晶种区域的表面可以包含将该表面暴露于氧气而不引起真空破坏；处理第一晶种区域的表面可以包含在具有低温泵或冷阱的腔室中将该表面暴露于氧气；处理第一晶种区域的表面可以在用于形成第一晶种区域的同一沉积室中进行。
[0093]
在另一方面，公开了一种制造磁阻的方法。所公开的方法可以包含形成导电区域以及在导电区域的一侧上形成经组成调整的晶种区域。形成经组成调整的晶种区域可以包含沉积第一晶种区域并在第一晶种区域的沉积过程中添加气体。该方法也可以包含在经组成调整的晶种区域的一侧上形成磁性固定的区域。
[0094]
所公开的方法的各种实施方案可以可替代地或另外地包括以下特征：气体可以是氧气和氮气中的一种；第一晶种区域可以包含镍、铬、钴和铁中的一种或多种；形成经组成调整的晶种区域可以进一步包含沉积第二晶种区域；以及形成经组成调整的晶种区域可以进一步包含沉积第二晶种区域，其中第一晶种区域和第二晶种区域中的每一个包含镍、铬、钴和铁中的一种或多种。
[0095]
在另一方面，公开了一种制造磁阻的方法。所公开的方法可以包含形成导电区域以及在导电区域的一侧上形成经组成调整的晶种区域。形成经组成调整的晶种区域可以包含沉积第一晶种区域并在第一晶种区域的沉积过程中添加一种或多种原子元素。该方法也可以包含在经组成调整的晶种区域的一侧上形成磁性固定的区域。
[0096]
所公开的方法的各种实施方案可替代地或另外地包括以下特征：一种或多种原子元素可以包含硼和碳中的一种或多种；在第一晶种区域的沉积过程中添加一种或多种原子元素可以包含同时溅射第一晶种区域和一种或多种原子元素；第一晶种区域可以包含镍、铬、钴和铁中的一种或多种；形成经组成调整的晶种区域可以进一步包含沉积第二晶种区域。
[0097]
尽管已经详细图示和描述了本公开的各种实施方案，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本公开或所附权利要求的范围的情况下，可以进行各种修改。