包括磁各向异性增强层和结晶阻碍层的垂直MTJ堆叠体

摘要

本发明描述了适用于自旋转移矩存储器(STTM)器件的磁性隧道结(MTJ)，其包括垂直磁层、以及由结晶阻碍层而与自由磁层分开的一个或多个各向异性增强层。在实施例中，各向异性增强层改善所述自由磁层的垂直取向，而结晶障碍利用所述自由磁层的晶体织构与隧穿层的晶体织构的更好的对准来改善隧道磁致电阻(TMR)比。

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及存储器器件的领域，并且具体而言，涉及用于自 旋转移矩存储器(STTM)器件的磁性隧道结(MTJ)的领域。

背景技术

STTM器件是利用被称为隧道磁致电阻(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开的两个铁磁层的结构，在两个磁 层的磁化处于平行取向时，与二者为非平行取向(非平行或反平行取向) 时相比，电子将更可能隧穿隧道层。像这样，MTJ可以在电阻的两种状态 之间进行转换，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(R_AP-R_P/R_P*100，其中R_P和R_AP分别为磁化的平行和反平 行对准的电阻)越高，就可以越容易与MTJ电阻状态相关联地可靠地存储 位。因此，给定MTJ的TMR比是STTM的重要性能度量。

对于STTM器件，电流感应磁化转换用于设置位状态。一个铁磁层的 极化状态经由自旋转移矩现象而相对于第二铁磁层的固定极化进行转换， 使得能够通过施加电流来设置MTJ的状态。在通过固定磁层传递电流时， 电子的角动量(自旋)沿着固定层的磁化方向被极化。这些自旋极化的电 子将其自旋角动量转移到自由层的磁化并且使其旋动。像这样，可以通过 超过某一临界值的电流的脉冲(例如，大约1纳秒)来转换自由磁层的磁 化，并且只要电流脉冲低于归因于不同几何形状、相邻钉扎层、不同矫顽 磁力(Hc)等的较高阈值，固定磁层的磁化保持不变。

具有包含垂直(从衬底的平面中出来)易磁化轴的磁电极的MTJ有可 能用于实现比平面内变体更高密度的存储器。通常，在自由磁层足够薄时， 在存在由诸如MgO之类的相邻层确立的界面垂直各向异性的情况下，能够 在自由磁层中实现垂直磁各向异性(PMA)。然而，该结构与较大的热不 稳定性相关联，这可以显著缩短存储器元件的非易失性寿命。也可以通过 耦合到与自由层相邻设置的强垂直薄膜来实现PMA。尽管利用该结构改善 了热稳定性，但是由于晶体失配，TMR比倾向于降低。

因此能够实现高TMR比和良好热稳定性的垂直MTJ结构和形成技术 是有利的。

附图说明

通过示例而非限制的方式示出本发明的实施例，并且结合附图参考以 下具体实施方式可以更充分地理解本发明的实施例。附图中：

图1A示出了根据本发明的实施例的用于垂直STTM器件的材料层堆叠 体的截面图；

图1B示出了根据本发明的实施例的用于垂直STTM器件的材料层堆叠 体的截面图；

图2A示出了设置在根据实施例的STTM器件中的垂直MTJ的一部分 之上的磁各向异性增强层的扩展截面图；

图2B示出了设置在自由磁层与根据实施例的STTM器件中的垂直MTJ 的一部分之间的结晶阻碍层的扩展截面图；

图3A示出了根据实施例的作为结晶阻碍层的交换耦合和磁各向异性 的函数的磁化角的曲线图；

图3B示出了根据本发明的实施例的作为部分MTJ堆叠体的磁场的函 数的反常霍耳效应(EHE)的曲线图；

图3C示出了与没有阻碍层相比，根据实施例的包括设置在磁各向异性 增强层与MTJ之间的结晶阻碍层的垂直MTJ堆叠体的TMR比曲线图；

图4示出了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5示出了根据本发明的实施例的移动计算设备平台的等距视图和移 动平台所采用的微电子器件的示意图；以及

图6示出了根据本发明的一种实施方式的计算设备的功能框图。

具体实施方式

描述了具有各向异性增强层和结晶阻碍层的自旋转移矩存储器 (STTM)器件。在以下描述中，阐述了许多细节，然而，对于本领域中的 技术人员而言显而易见的是，也可以在没有这些具体细节的情况下实践本 发明。在一些实例中，公知的方法和设备以框图的形式而不是以细节的形 式示出，以避免使本发明难以理解。在整个说明书中，对“实施例”或“在 一个实施例中”的引用表示结合实施例所描述的特定特征、结构、功能或 特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中，在各处 出现的短语“在实施例中”不一定指代本发明的同一个实施例。此外，特 定特征、结构、功能或特性可以采用任何适合的方式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，只要未指定这两个实 施例是互斥的。

术语“耦合”和“连接”及其衍生词在本文中可以用于描述部件之间 的结构关系。应该理解，这些术语并不是要作为彼此的同义词。相反，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(其间具 有其它中间元件)物理接触或电接触，和/或指示两个或更多元件彼此配合 或相互作用(例如，如在因果关系中)。

如本文中使用的术语“在…之上”、“在…之下”、“在….之间”和“在… 上”指代一个材料层或部件相对于其它层或部件的相对位置。例如，设置 在一个层之上(上方)或之下(下方)的另一个层可以与该层直接接触， 或可以具有一个或多个中间层。此外，设置在两个层之间的一个层可以与 这两个层直接接触，或可以具有一个或多个中间层。相比之下，第二层“上” 的第一层与该第二层直接接触。相似地，除非另外明确规定，否则设置在 两个相邻特征之间的一个特征可以与相邻特征直接接触，或可以具有一个 或多个中间特征。

在实施例中，STTM器件包括由结晶阻碍层而与MTJ分开的至少一个 磁各向异性增强层(AEL)。图1A示出了根据本发明的实施例的用于一个 这种STTM器件的材料层堆叠体101的截面图。材料层堆叠体101形成在 衬底薄膜层100之上，衬底薄膜层100优选为非晶的，例如但不限于二氧 化硅或类似的电介质。堆叠体101通常包括第一接触金属化层105、MTJ 结构103、磁各向异性增强层(AEL)120、设置于其间的结晶阻碍层112 和第二接触金属化层130。注意，可以如图1B中所示地翻转设置在金属化 层105、130之间的材料层的次序，图1B提供了根据另一个实施例的材料 层堆叠体102的截面图。利用相同的附图标记来标识图1B中所描绘的具有 与图1A中的功能和材料性质相同的功能和材料性质的层。如堆叠体102所 示，AEL 120位于第一接触金属化层105上，同时结晶阻碍层112设置在 AEL 120上，并且MTJ结构103设置在结晶阻碍层112之上。

接触金属化层105和130均具有可操作用于电接触STTM器件的磁电 极的材料或材料的堆叠体，并且可以是本领域公知的用于这种目的的任何 材料或材料的堆叠体。尽管金属化层105、130可以具有一定范围的厚度(例 如，5nm-50nm)并且包括多种材料以形成与STTM器件和互连件都兼容的 界面，但是在示例性实施例中，互连金属化层105至少包括钽(Ta)层105C， 并且被示出为具有附加下层导电缓冲层，其还包括至少一个钌(Ru)层105B 和第二Ta层105A。对于封盖金属化层130，具有高电导率的金属是有利的， 即使该金属在其表面处被氧化，所述金属例如但不限于Cu、Al、Ru、Au 等，并且Ru有利地提供了氧的良好阻碍，减小了MTJ结构103内发生氧 化的可能性。

如进一步示出的，设置在接触金属化层105之上的是平面外、或“垂 直”各向异性外延MTJ结构103，其包括固定磁层106、隧穿层108和自由 磁层110。通常，固定磁层106由适用于保持固定磁化方向的材料或材料的 堆叠体组成，而自由磁层110由较软磁材料或材料的堆叠体组成(即，磁 化能够易于相对于固定层而旋转到平行和反平行状态)。隧穿层108由适 用于允许多数自旋的电流穿过该层、而阻止少数自旋的电流的材料或材料 堆叠体组成(即，自旋过滤器)。这增强了MTJ器件的隧穿磁致电阻。

在示例性实施例中，MTJ结构103基于CoFeB/MgO体系，其具有全部 具有(001)平面外织构的MgO隧穿层108和CoFeB层106、110，其中织 构是指MTJ结构的层内的结晶取向的分布。对于本文中描述的实施例，对 于至少100％的TMR比，较高百分比的CoFeB/MgO/CoFeB结构103的晶 体具有优选的(001)平面外取向(即，织构程度高)。在一个有利的 CoFeB/MgO实施例中，(001)取向的CoFeB磁层106、108是富铁合金(即， Fe>Co)，例如但不限于Co₂₀Fe₆₀B₂₀。在一个这种实施例中，固定磁层和自 由磁层都具有Co₂₀Fe₆₀B₂₀的沉积时成分，并且在高温下发生的固相外延工 艺(即，退火)期间发生B的一些损失，以从沉积时的非晶或各向同性(非 织构的)材料状态转变为期望的bcc(001)织构。像这样，磁层106和110 最好被描述为具有～20％硼。具有等量的钴和铁的其它实施例也是可能的(例 如，Co₄₀Fe₄₀B₂₀)，具有较少量的铁(例如，Co₇₀Fe₁₀B₂₀)也是可能的。在 其它实施例中，隧穿层108成分用作除了MgO之外的适合的织构模板，例 如氧化铝(AlO_x)。

隧穿层108可以具有高达2nm的厚度，然而给定器件面积的电阻通常 随着隧穿层厚度呈指数增大。在示例性MgO实施例中，低于1nm的厚度有 利地提供了低电阻，并且1nm与1.3nm之间的厚度也提供了可接受的低电 阻。固定磁层106的厚度也可以有相当大变化，例如，在1nm与2nm之间。 在实施例中，自由磁层110的厚度超过1nm(例如，至少1.1nm)，并且自 由磁层110的示例性富铁CoFeB实施例具有1.3nm与2nm之间的厚度。该 较大的厚度改善了自由磁层110的热稳定性，从而相对于较小厚度(例如， 对于仅依赖于界面各向异性的那些系统为1nm或更小)的自由磁层，实现 了STTM器件的较长的非易失性寿命。

尽管对于示例性实施例，MTJ结构103直接设置在接触金属化层105 上(例如，CoFeB固定磁层106直接设置在Ta层上)，但是要注意，MTJ 堆叠体可以在隧穿层108之下发生很大变化，而不脱离本发明的实施例的 范围。例如，一个或多个中间层可以设置在固定磁层106与相邻接触金属 化层105之间。例如，可以出于诸如钉扎固定磁层106的界面(例如，通 过交换偏置耦合)之类的各种目的，可以呈现反铁磁层，例如但不限于铱 锰(IrMn)或铂锰(PtMn)、或合成反铁磁(SAF)结构，该SAF结构包 括这种反铁磁层，该反铁磁层与具有处于固定磁层106与SAF之间的非磁 间隔体层(例如但不限于Ru)的另一个铁磁层(例如，CoFe)相邻。作为 隧穿层之下的MTJ堆叠体变化中的变化的另一个示例，固定磁层106还可 以包括位于与隧穿层108的界面处的半金属材料(例如，赫斯勒合金)。

根据本发明的实施例，堆叠体101还包括AEL 120。AEL 120可以是耦 合到自由磁层110的材料层或材料层的堆叠体(由图1A中的虚线表示)， 以促进本文中其它地方所描述的较大厚度(即，大于1nm)的自由磁层110 内的平面外对准。例如，在一个有利的实施例中，AEL 120促进了具有1.3nm 与2.0nm之间的厚度的富铁CoFeB自由磁层110内的平面外对准。

图2A示出了包括设置在根据实施例的STTM器件中所采用的垂直 MTJ堆叠体的一部分之上的多层磁AEL 120的示例性材料堆叠体201的扩 展截面图。如图2A中所示，AEL 120是在磁性材料层121与非磁性材料层 122之间交替的双层。对于五次重复或循环，多层AEL 120的每个双层A、 B、C、D和E表示一次重复，尽管这种双层AEL可以包括2到20次重复。 在实施例中，磁性材料层121由例如但不限于Co、Ni、Fe或其合金的铁磁 材料组成，铁磁材料的示例性实施例为Co。每个磁性材料层121A、121B 等的厚度可以在0.2到2nm的范围内。非磁性材料层122可以由非磁性金 属组成，有利地由例如但不限于钯(Pd)、铂(Pt)、Ru、Au或Ir的贵金 属组成，非磁性金属的示例性实施例为Pd。每个非磁性材料层122A、122B 等的厚度通常小于2nm，并且更具体地，对于示例性Pd实施例，该厚度在 0.2nm与2nm之间。可以利用具有fcc(111)取向的AEL 120中的层中的 一层或多层来拉紧具有AEL 120的材料层。

发明人已经发现，尽管AEL 120的存在有利地增强了自由磁层110的 平面外各向异性，但是自由磁层110内的晶体织构可能易于与具有AEL 120 的层的晶格对准，而不是像不存在AEL 120的模板那样与隧穿层108对准。 来自AEL 120的这种模板不利地减小了给定堆叠体的TMR比。由于AEL 中的非磁层材料通常具有fcc(111)取向，在示例性实施例中，磁性材料 层121沉积在最接近自由磁层110处(即，在非磁性材料层122之前沉积)， 已经发现这样减小了非磁性材料关于平面外各向异性的有害影响。如图2A 中所示，磁性材料层121A直接沉积在结晶阻碍层112上。

在本发明的实施例中，STTM器件层堆叠体101还包括AEL 120与自 由磁层110之间的结晶阻碍层112。结晶阻碍层112的一个功能是要改善自 由磁层110与隧穿层108之间的晶体对准。已经发现，在具有适当的微观 结构时，与没有结晶阻碍的情况相比，结晶阻碍层112的插入促进了示例 性MgO隧穿层108与富Fe的CoFeB自由磁层110之间更好的晶粒对准。 尽管不受理论的约束，但是当前认为，结晶阻碍减少了自由磁层的模板或 将自有磁层的模板阻挡在AEL 120之外，尤其是在非磁性fcc材料首先沉 积在AEL 120内的情况下。在实施例中，结晶阻碍层112具有bcc或非晶 结构，以最好地促进CoFeB自由磁层110内的bcc(001)结构。即使在阻 碍为非晶并且bcc(001)还可以用作除了由隧穿层(例如，MgO)提供的 模板表面之外的第二模板表面的情况下，阻碍至少减少了冲突的结晶。

在其它实施例中，结晶阻碍层112具有在自由磁层110与AEL 120之 间提供足够的直接或间接磁耦合的材料或材料堆叠体，以实现自由磁层110 内的PMA。在有利的实施例中，结晶阻碍层112还具有提供硼的良好溶解 度和/或提供低硼合金温度的材料，以有利地在沉积后退火期间吸收硼，由 此减少自由磁层110与隧穿层108之间的界面(例如，CoFeB/MgO界面) 处的硼的存在，再次从理论上促进自由磁层110的固相外延期间的最优结 晶。像这样，在实施例中，结晶阻碍层112中存在可检测量级的硼，即使 在阻碍层的沉积时成分中不存在可检测量级的硼的情况下。在实施例中， 沉积时结晶阻碍层112成分包括Ta、Ru、钨(W)、钒(V)、钼(Mo)、 铌(Nb)或铬(Cr)的至少其中之一。在某些这种实施例中，结晶阻碍层 112由以下金属的其中之一组成：Ta、Ru、钨(W)、钒(V)、钼(Mo)、 铌(Nb)或铬(Cr)，并且Ta是在中等退火温度(例如，300-350℃)下 具有相对高的硼溶解度的有利的实施例。

通常，结晶阻碍层112的厚度取决于结晶阻碍层112的交换耦合强度 (Jex)以及AEL 120的单轴各向异性(Ku)，并且较高的Jex(mJ/m²)和 较高的Ku(MJ/m³)能够针对给定的平面外磁化角(90°为垂直)实现较大 的阻碍层厚度。可以预期，由具有高自旋轨道耦合的材料组成的阻碍层(通 常由高原子序数的元素组成)比具有低自旋轨道耦合的阻碍层更薄，因为 高自旋轨道耦合减小了交换耦合强度。这可以在图3A中看到，其中将针对 不同交换耦合强度(Jex为-1、-1.5和-2.5mJ/m²)的阻碍层材料的CoFeB中 的磁化角(M)(90度为垂直)绘制为单轴各向异性(Ku)的函数。该模 拟通过计算针对CoFeB(1.6nm)与AEL之间的不同交换耦合强度的CoFeB 的磁化角来论证阻碍层厚度的影响。已知交换耦合强度随着阻碍厚度增大 而下降。曲线图还示出，大于2MJ/m³的AEL的单轴各向异性(Ku)确保 CoFeB的磁化是完全垂直的。

在采用本文中的其它地方所描述的示例性阻碍材料的实施例中，阻碍 厚度在0.1nm与1.3nm之间。图3B示出了作为部分MTJ堆叠体的磁场的 函数的由于反常霍耳效应(EHE)而产生的电阻的曲线图，其示出了示例 性Ta结晶阻碍层112的厚度的影响。对于EHE测量，包括1nm MgO层上 的1.2nm CoFeB层的部分MTJ堆叠体设置于在二氧化硅衬底层之上。由具 有0.3nm、0.7nm和1.0nm的厚度的示例性Ta阻碍层将CoFeB与由0.3nm Co 和1.0nm Pd的五个双层组成的AEL分开。如针对1.0nm处理所示出的，循 环显示出显著的向上斜率312，其指示与耦合到AEL的损失相关联的CoFeB 层内的平面内磁化的存在。然而，0.7nm Ta阻碍层厚度显示出指示高度平 面外各向异性的良好的方形度，并且0.3nm Ta仍然表现得稍好。像这样， 对于结晶阻碍层112的示例性Ta实施例，Ta阻碍层厚度为0.7nm或更小。 在与AEL耦合变得不足的情况下，当然可以将其它阻碍材料与其它阈值厚 度相关联。

为破坏AEL 120的不利模板，结晶阻碍层112仅需要提供与自由磁层 110接触的界面，自由磁层110具有促进期望的退火后结构(例如，CoFeB bcc(001)织构)的微观结构，并且因此可以使阻碍厚度最小化。然而，在 某些实施例中，将阻碍层厚度最大化到受自由磁层110的平面外各向异性 的程度约束(即，受到与AEL的耦合的约束)的程度，以便增强阻碍层体 嵌入硼的能力。像这样，对于Ta阻碍的实施例，具有比0.3nm实施例吸收 更多硼的能力的0.7nm实施例可能是有利的。

由于阻碍层可以通过多种机制(例如，界面模板和体硼吸收)来促进 自由磁层110内的期望的结晶，在其它实施例中，结晶阻碍层112为能够 单独优化阻碍的界面和体性质的多层堆叠体。图2B示出了包括结晶阻碍层 112的材料堆叠体202的扩展截面图，结晶阻碍层还被分成设置在自由磁层 110上的第一结晶阻碍层112A和设置在第一结晶阻碍层112A上的第二结 晶阻碍层112B。对于第一结晶阻碍层112A，有利的界面微观结构是有用的， 并且本文中的结晶阻碍层112(例如Ta)的上下文中的其它地方所描述的 任何材料可以用于该目的。还可以有利地使第一结晶阻碍层112A的厚度最 小化。

对于第二结晶阻碍层112B，在还具有比第一结晶阻碍层112A的自旋 轨道耦合低的自旋轨道耦合的那些材料为高度有利的情况下，关于硼吸收 的有利的体性质是有用的，因为其允许第二阻碍层112B的较大厚度，并且 因此允许较大的硼吸收。在实施例中，第二结晶阻碍层112B具有至少等于 第一结晶阻碍层112B的厚度的厚度。多层阻碍的组合厚度可以大于单个材 料层结晶阻碍实施例的厚度。例如，尽管由Ta组成的单个材料层阻碍的层 厚度可能被限制为大约0.7nm(如图3A中所示)，但是在多层实施例中， 具有大于0.4nm(例如0.6-0.8nm)的厚度的第二阻碍层可以沉积在具有 0.3nm(或更小)的厚度的Ta的第一结晶阻碍层112A上，而仍然实现图 3A中针对0.7nm Ta阻碍层所描绘的平面外各向异性的量级。远离自由磁层 界面的第二结晶阻碍层112B的材料具有较大的自由度，以成为能够嵌入硼 (增强自由磁层110的固相外延)并且可能拥有比提供最优界面微观结构 的材料更低的自旋轨道耦合的材料。通常，第二结晶阻碍层112B可以由能 够与硼相当好地形成合金的任何导电材料组成，所述导电材料优选为低质 量序数的导电材料。在实施例中，第二结晶阻碍层112B具有除bcc或非晶 结构之外的结构，例如但不限于fcc、hcp或四边形结构。在示例性实施例 中，第二结晶阻碍层112B包括Cu、V、Cr、Rh、Ir、Ru。

图3C示出了与没有阻碍层的MTJ相比，根据实施例的包括设置在AEL 与MTJ之间的阻碍层的垂直MTJ堆叠体的TMR比的曲线图。针对除了存 在Ta阻碍层之外实质上相同的两个MTJ堆叠体，将归一化的TMR比(％) 绘制为以毫特斯拉(mT)为单位的磁场的函数。如图所示，对于示例性富 铁CoFeB/MgO/CoFeB/[Co/Pd]×5堆叠体，CoFeB与[Co/Pd]×5之间的0.3nm Ta阻碍的添加将TMR改善了～100％。

在示例性实施例中，堆叠体101、102、201和202都是通过物理气相 沉积(PVD)形成的。可以以本领域中已知的任何容量利用共溅射和反应 溅射中的一种或多种来形成本文中所描述的各种层的成分。在沉积堆叠体 101、102、201或202中的层中的一层或多层(例如，所有层)之后，在本 领域中已知的任何条件下执行退火，以促进隧穿层108(例如，MgO)的模 板结晶之后的自由磁层110的固相外延。退火温度、持续时间和环境随着 在250℃或更高温度下执行退火的具体实施例而变化。要理解，制造步骤还 包括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)和/或微电子部件制造中通常采用的任何其它处理，以完成采用堆叠 体101、102、201和202中的任何一个或其中的材料层的子集的STTM器 件的描绘和互连。

图4示出了根据本发明的实施例的包括自旋转移矩元件610的自旋转 移矩存储器位单元600的示意图。自旋转移矩元件610包括：自由磁层金 属化层612；接近自由磁层金属化层611的自由磁层614，其间设置有磁各 向异性增强层612和阻碍层613；接近固定磁层618的固定磁层金属化层 616；以及设置在自由磁层614与固定磁层618之间的隧穿层622，以完成 MTJ结构626。第一电介质元件623和第二电介质元件624设置在与固定磁 层电极616、固定磁层618和隧穿层622相邻处。固定磁层电极616电连接 到位线632。自由磁层电极6112连接到晶体管634。晶体管634通过本领 域中常规的任何方式连接到字线636和源线638。自旋转移矩存储器位单元 600还可以包括用于自旋转移矩存储器位单元600的操作的附加读和写电路 (未示出)、读出放大器(未示出)、位线参考(未示出)等，如固态非 易失性存储器器件领域中的技术人员将理解的。要理解，多个自旋转移矩 存储器位单元600可操作地彼此连接，以形成存储器阵列(未示出)，其 中可以将存储器阵列并入到非易失性存储器器件中。

图5示出了根据本发明的实施例的移动计算设备平台700的等距视图 和移动平台所采用的微电子器件710的示意图721。移动计算平台700可以 是被配置为用于电子数据显示、电子数据处理和无线电子数据传输中的每 一个的任何便携式设备。例如，移动计算平台700可以是平板电脑、智能 电话、膝上型电脑等中的任何设备，并且包括显示屏705、芯片级(SoC) 或封装级集成微电子器件710、以及电池713，其中显示屏705在示例性实 施例中是触摸屏(电容式、电感式、电阻式等)。

扩展视图721中进一步示出了集成器件710。在示例性实施例中，器件 710包括至少一个存储器、至少一个处理器芯片(例如，多核微处理器和/ 或图形处理器核730、731)。在实施例中，如本文中的其它地方(例如，图 1A、4等)更加详细描述的，STTM 732被集成到器件710中。器件710、 连同功率管理集成电路(PMIC)715、RF(无线)集成电路(RFIC)725、 及其控制器711的中的一个或多个还耦合到板、衬底或内插器500，其中 RF(无线)集成电路(RFIC)725包括宽带RF(无线)发射器和/或接收 器(例如，包括数字基带，并且模拟前端模块还包括位于发射路径上的功 率放大器和位于接收路径上的低噪声放大器)。在功能上，PMIC 715执行 电池功率调节、DC到DC转换等，并且因此具有耦合到电池713的输入和 向所有其它功能模块提供电流供应的输出。如进一步示出的，在示例性实 施例中，RFIC 725具有耦合到天线的输出，该天线被提供用于实施许多无 线标准或协议中的任何一种，所述无线标准或协议包括但不限于：Wi-Fi (IEEE 802.11族)、WiMAX(IEEE 802.16族)、IEEE 802.20、长期演进 (LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、 CDMA、TDMA、DECT、蓝牙、及其衍生物、以及被指定为3G、4G、5G 和更高代的任何其它无线协议。在实施方式中，这些模块中的每一个可以 被集成到单个芯片上作为SoC、被集成到耦合到已封装的器件710的封装 衬底的单独IC上、或在板级上进行集成。

图5是根据本发明的一个实施例的计算设备1000的功能框图。例如， 可以在平台700的内部发现计算设备1000，并且计算设备1000还包括主管 许多部件的板1002，所述许多部件例如但不限于处理器504(例如，应用 处理器)和至少一个通信芯片1006。在实施例中，至少处理器504与STTM 集成(例如，片上)，STTM还包括根据本文中的其它地方所描述的实施 例的MTJ堆叠体。处理器504物理和电耦合到板1002。处理器504包括封 装在处理器504内的集成电路管芯。术语“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这些电子数据转换成可以存储在寄存器和/ 或存储器中的其它电子数据的任何设备或设备的一部分。

在一些实施方式中，至少一个通信芯片1006也物理和电耦合到板1002。 在其它实施方式中，通信芯片1006是处理器504的部分。根据其应用，计 算设备1000可以包括其它部件，所述其它部件可以或可以不与板1002物 理和电耦合。这些其它部件包括但不限于易失性存储器(例如，DRAM)、 闪速存储器或STTM等形式的非易失性存储器(例如，RAM或ROM)、图 形处理器、数据信号处理器、加密处理器、芯片集、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、照相机、以及 大容量存储设备(例如，硬盘驱动器、固态驱动器(SSD)、光盘(CD)、 数字多功能盘(DVD)等)。

通信芯片1006的至少其中之一可以实现用于来往于计算设备1000的 数据传输的无线通信。术语“无线”及其衍生词可以用于描述电路、设备、 系统、方法、技术、通信信道等等，其可以通过使用调制的电磁辐射而经 由非固态介质传送数据。术语并不暗示相关联的设备不包含任何线路，尽 管在一些实施例中相关联的设备可能不包含任何线路。通信芯片1006可以 实施包括但不限于本文中的其它地方所描述的标准或协议的许多无线标准 或协议中的任何一种。计算设备1000可以包括多个通信芯片1006。例如， 第一通信芯片1006可以专用于较短范围的无线通信，例如，Wi-Fi和蓝牙， 并且第二通信芯片1006可以专用于较长范围的无线通信，例如，GPS、 EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO等。

因此，本发明的一个或多个实施例通常涉及微电子存储器的制造。微 电子存储器可以是非易失性的，其中存储器即使在未供电的情况下也能够 保持存储的信息。本发明的一个或多个实施例涉及用于非易失性微电子存 储器器件的自旋转移矩存储元件的制造。这种元件可以用于嵌入式非易失 性存储器中，用于其非易失性，或作为对嵌入式动态随机存取存储器 (eDRAM)的替换。例如，这种元件可以用于给定技术节点内的更好的单 元尺寸下的1T1X存储器(X＝电容器或电阻器)。

在实施例中，垂直磁性隧道结(MTJ)包括：具有垂直磁各向异性的自 由磁层；固定磁层；设置在自由磁层与固定磁层之间的隧穿层；设置在自 由磁层的与隧穿层相反的一侧上的磁各向异性增强层；以及设置在磁各向 异性增强层与自由磁层之间的结晶阻碍层。在实施例中，结晶阻碍层与自 由磁层直接接触，并且具有与磁各向异性增强层不同的微观结构。在实施 例中，自由磁层和隧穿层具有(001)晶体织构，其中磁各向异性增强层包 括具有(111)晶体织构的材料层，并且其中结晶阻碍层包括具有非晶微观 结构或(001)晶体织构的材料层，与自由磁层形成界面。在实施例中，阻 碍层包括Ta、Ru、W、V、Mo、Nb或Cr的至少其中之一。在实施例中， 阻碍层还包括硼。在实施例中，阻碍层的厚度在0.1nm与1.3nm之间。在 实施例中，磁各向异性增强层包括磁性和非磁性材料层的堆叠体，并且其 中堆叠体的磁层比堆叠体的任何非磁性材料层更接近自由磁层。在实施例 中，隧穿层包括MgO或AlO_x，其中自由磁层包括具有超过1.0nm的厚度 的富铁CoFeB，并且其中堆叠体的非磁性材料层包括Pd、Pt、Ru、Au或 Ir的至少其中之一，并且其中堆叠体的磁性材料层包括Co、Ni或Fe的至 少其中之一。在实施例中，结晶阻碍层还包括第二材料层，其具有不同于 与自由磁层形成界面的材料层的成分。

在实施例中，非易失性存储器器件包括：第一电极；设置在第一电极 之上的固定磁层；设置在固定磁层之上的包括CoFeB的自由磁层，其中自 由磁层具有(001)晶体织构和大于1.0nm的厚度；设置在自由磁层与固定 磁层之间的具有(001)晶体织构的隧穿层；设置在自由磁层的与隧穿层相 反的一侧上的包括具有(111)晶体织构的材料层的磁各向异性增强层；设 置在磁各向异性增强层与自由磁层之间的结晶阻碍层，其中结晶阻碍层包 括具有非晶微观结构或(001)晶体织构的材料层，以与自由磁层形成界面； 设置在磁各向异性增强层之上的第二电极；以及电连接到第一或第二电极、 源线和字线的晶体管。在实施例中，磁各向异性增强层包括磁性和非磁性 材料层的堆叠体，并且其中堆叠体的磁层比堆叠体的任何非磁性材料层更 接近自由磁层。在实施例中，阻碍层包括Ta、Ru、W、V、Mo、Nb或Cr 的至少其中之一，并且具有0.1nm与1.3nm之间的厚度。在实施例中，结 晶阻碍层包括Ta和B并且具有小于0.7nm的厚度。在实施例中，结晶阻碍 层还包括第二材料层，其具有不同于与自由磁层形成界面的材料层的成分。

在实施例中，形成垂直磁性隧道结(MTJ)的方法包括：沉积具有(001) 晶体织构的电介质隧穿层；在隧穿层之上沉积非晶CoFeB自由磁层；在非 晶CoFeB自由磁层之上沉积结晶阻碍层；在结晶阻碍层之上沉积具有(111) 晶体织构的磁各向异性增强层；以及在至少300℃的温度下对电介质隧穿 层、自由磁层、结晶阻碍层和磁各向异性增强层进行退火，以将(001)晶 体织构给予非晶CoFeB自由磁层。在实施例中，方法包括：沉积电介质隧 穿层、自由磁层、结晶阻碍层和磁各向异性增强层中的每一个还包括溅射 沉积。在实施例中，沉积结晶阻碍层还包括：在自由磁层上直接沉积具有 非晶微观结构或(001)晶体织构的材料层。在实施例中，沉积磁各向异性 增强层还包括：沉积交替的磁性和非磁性材料层的堆叠体，并且其中堆叠 体的磁层直接沉积在结晶阻碍层上。在实施例中，沉积结晶阻碍层还包括： 在自由磁层上直接沉积Ta、Ru、W、V、Mo、Nb或Cr的至少其中之一。

尽管已经参考具体示例性实施例对本发明进行了描述，但是应该认识 到，本发明不限于所描述的实施例，而是可以在所附权利要求的精神和范 围内利用实施例的修改和改变来实践本发明。因此，应该参考所附权利要 求、以及为这种权利要求赋予权利的等同物的全部范围来确定本发明的范 围。