包含尖晶石的磁性隧道结及其制造方法与流程

包含尖晶石的磁性隧道结及其制造方法
1.相关申请
2.本技术要求2020年7月31日提交的美国非临时申请号16/944,758以及2020年7月31日提交的美国非临时申请号16/944,826的优先权权益；这些申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
3.本公开整体涉及磁阻存储器设备的领域，并且具体地讲，涉及包含具有尖晶石电介质隧道势垒层的磁性隧道结的磁阻存储器设备及其制造方法。


背景技术：

4.磁阻存储器设备可采用第一构型和第二构型的电阻差来存储信息，在第一构型中，铁磁自由层的磁化方向平行于铁磁参考层的磁化，并且在第一构型中，自由层的磁化方向反平行于参考层的磁化。磁阻存储器设备的编程需要采用各种外部电源来翻转自由层的磁化方向，这些外部电源本质上可为磁性或可采用自旋转移机制。
5.自旋扭矩转移磁阻随机存取存储器(stt-mram)设备的可扩展性需要高于操作所需的电流。stt-mram设备基于界面垂直磁各向异性的可扩展性决定了显著增强垂直磁各向异性(pma)以实现mram设备中可靠信息保留所需的热稳定性的需要。同时，写入信息期间的低功耗需要有效的磁化操纵。需要同时具有用于保持的高能势垒和用于有效切换的低能势垒是具有高pma的系统的关键挑战。


技术实现要素：

6.根据本公开的一个方面，磁阻存储器设备包括第一电极、与该第一电极间隔开的第二电极以及位于该第一电极和该第二电极之间的垂直磁性隧道结层叠堆。该垂直磁性隧道结层叠堆包括：包含第一非磁性过渡金属的第一织构破坏非磁性层、包含第二非磁性过渡金属的第二织构破坏非磁性层、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的氧化镁覆盖电介质层、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的参考层、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的自由层以及位于该参考层和该自由层之间的尖晶石层，并且包含沿着在该参考层和该自由层之间延伸的轴向方向具有(001)织构的多晶尖晶石材料。
7.根据本公开的另一个方面，形成磁阻存储器设备的方法包括在衬底上方形成第一电极；将磁性隧道结层叠堆沉积在该第一电极上方，其中该磁性隧道结层叠堆包括：包含第一非磁性过渡金属的第一织构破坏非磁性层、包含第一无定形铁磁材料的参考层、包含无定形尖晶石材料的尖晶石层、包含第二无定形铁磁材料的自由层、包含具有(001)织构的晶粒的氧化镁覆盖电介质层以及包含第二非磁性过渡金属的第二织构破坏非磁性层；执行退火工艺以使用氧化镁覆盖电介质层作为结晶模板层来引起该自由层、该尖晶石层和该参考层的材料的固相外延结晶，以将该无定形尖晶石材料转换成沿着与该尖晶石层和该自由层
之间的界面垂直的轴向方向具有(001)织构的多晶尖晶石材料；并且在该退火工艺之前或之后在该磁性隧道结层叠堆的一部分上方形成第二电极。
8.根据本公开的另一个实施方案，自旋轨道扭矩(sot)磁阻存储器设备包括电极、与该电极间隔开的非磁性重金属sot层以及位于该电极和该sot层之间的垂直磁性隧道结层叠堆。该垂直磁性隧道结层叠堆包括：包含第一非磁性过渡金属的第一织构破坏非磁性层、包含第二非磁性过渡金属的第二织构破坏非磁性层、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的氧化镁电介质层、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的参考层、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的自由层以及位于该参考层和该自由层之间的尖晶石层，并且包含沿着在该参考层和该自由层之间延伸的轴向方向具有(001)织构的多晶尖晶石材料。
9.根据本公开的另一个实施方案，形成自旋轨道扭矩(sot)磁阻存储器设备的方法包括在衬底上方形成非磁性重金属sot层；将磁性隧道结层叠堆沉积在该sot层上方，其中该磁性隧道结层叠堆包括：包含第一非磁性过渡金属的第一织构破坏非磁性层、包含第一无定形铁磁材料的参考层、包含无定形尖晶石材料的尖晶石层、包含第二无定形铁磁材料的自由层、包含具有(001)织构的晶粒的氧化镁电介质层以及包含第二非磁性过渡金属的第二织构破坏非磁性层；执行退火工艺以使用氧化镁电介质层作为结晶模板层来引起该自由层、该尖晶石层和该参考层的材料的固相外延结晶，以将该无定形尖晶石材料转换成沿着与该尖晶石层和该自由层之间的界面垂直的轴向方向具有(001)织构的多晶尖晶石材料；并且在该退火工艺之前或之后在该磁性隧道结层叠堆的一部分上方形成电极。
附图说明
10.图1是包括处于阵列构型的本公开的实施方案的磁阻存储器单元的随机存取存储器设备的示意图。
11.图2是根据本公开的第一实施方案的第一示例性磁阻存储器单元的示意性竖直剖面图。
12.图3是根据本公开的第二实施方案的第二示例性磁阻存储器单元的示意性竖直剖面图。
13.图4和图5是根据本公开的第三实施方案的第三示例性磁阻存储器单元和第四示例性磁阻存储器单元的示意性竖直剖面图。
具体实施方式
14.如上所论述，本公开的实施方案涉及磁阻存储器设备，该磁阻存储器装设备包含磁性隧道结中的尖晶石电介质隧道势垒层及其制造方法。
15.附图未按比例绘制。在其中示出元件的单个实例的情况下可以重复元件的多个实例，除非明确地描述或以其他方式清楚地指出不存在元件的重复。序号诸如“第一”、“第二”和“第三”仅仅被用于标识类似的元件，并且在本公开的整个说明书和权利要求书中可采用不同序号。术语“至少一个”元件是指包括单个元件的可能性和多个元件的可能性的所有可能性。
16.相同的附图标号表示相同的元件或相似的元件。除非另有说明，具有相同附图标
号的元件被假定具有相同的组成和相同的功能。除非另外指明，否则元件之间的“接触”是指提供元件共享的边缘或表面的元件之间的直接接触。如果两个或更多个元件彼此不直接接触，则这两个元件彼此“分离”。如本文所用，定位在第二元件“上”的第一元件可以定位在第二元件的表面的外侧上或者第二元件的内侧上。如本文所用，如果在第一元件的表面和第二元件的表面之间存在物理接触，则第一元件“直接”定位在第二元件上。如本文所用，如果在第一元件和第二元件之间存在由至少一种导电材料构成的导电路径，则第一元件“电连接到”第二元件。如本文所用，“原型”结构或“过程中”结构是指随后在其中至少一个部件的形状或组成中被修改的瞬态结构。
17.如本文所用，“层”是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可在下层或上覆结构的整体上方延伸，或者可具有小于下层或上覆结构的范围的范围。另外，层可以是均匀或不均匀的连续结构的厚度小于连续结构的厚度的区域。例如，层可以定位在连续结构的顶部表面和底部表面之间或在连续结构的顶部表面和底部表面处的任何一对水平平面之间。层可水平地、垂直地和/或沿着锥形表面延伸。衬底可以是层，可以在其中包括一个或多个层，或者可以在其上、在其上方和/或在其下方具有一个或多个层。
18.如本文所用，“尖晶石”是指具有以下分子式的电介质化合物：m
x
qyoz，其中0.95《x《1.05，1.95《y《2.05并且3.95《z《4.05，并且m和q是不同金属。在一个实施方案中，x＝1，y＝2并且z＝4。示例性尖晶石包含mgal2o4、znal2o4、simg2o4、sizn2o4、mgga2o4、由此得到的其中一定分数的至少一种金属元素被替换为另一种金属元素同时保留晶体结构的掺杂衍生物，以及它们的缺氧衍生物。
19.在包含磁性隧道结(mtj)的结晶氧化镁(mgo)电介质隧道势垒中，大隧穿磁阻(tmr)比率(定义为较高隧穿电阻和低隧穿电阻之间的差值对较低隧穿电阻的比率)源自相干的遂穿。基于mgo的磁性隧道结的tmr在较低的操作电压下较高，并且可能大于200％。然而，在较高电压下保持如此高的tmr比率(》200％)以获得更好的信噪比是具有挑战性的。换句话讲，当基于mgo的磁性隧道结的操作电压升高时，基于mgo的磁性隧道结的tmr比率显著降低。基于mgo的磁性隧道结的tmr随着磁性隧道结上的电压偏置的升高而急剧下降，这被认为是主要由于在mgo势垒与磁性隧道结的铁磁自由层和铁磁参考层之间的界面处存在结晶缺陷。
20.本公开的发明人认识到，在结晶氧化镁和典型的铁磁材料(例如，cofeb或cofe)之间的界面处约3％至5％的相对较大的晶格错配导致了晶格错配位错，并且在较高电压偏置条件下导致了tmr的降低。本发明人还认识到，尖晶石(诸如mgal2o4)与典型的体心立方铁磁材料(诸如cofeb或cofe)具有较小的晶格错配(在0.2％至0.5％的范围内)。因此，在磁性隧道结中使用尖晶石可提供期望的隧道势垒特性。在说明性示例中，可在(001)氧化镁衬底上构造包括采用尖晶石的磁性隧道结作为隧穿电介质层的晶格匹配外延异质结构，并且可提供约300％或更大的隧穿磁阻。
21.包括采用尖晶石作为隧穿电介质层的磁性隧道结的晶格匹配外延异质结构的隧穿磁阻在较高操作电压下提供优异的性能。例如，在操作电压处于1v至1.3v的范围内时，晶格匹配外延异质结构的隧穿磁阻比率为处于接近零的偏置条件中的晶格匹配外延异质结构的隧穿磁阻比率的约一半，并且可为约150％至约300％。相比之下，在操作电压处于1v至1.3v的范围内时，常规的基于mgo的磁性隧道结的隧穿磁阻比率仅为约125％或更低。然而，
尖晶石材料在其处于具有(001)优选结晶取向(本文中也称为“(001)织构化尖晶石”)的结晶(例如，具有尖晶石晶格结构)状态时提供高隧穿磁阻，而无定形尖晶石不提供(001)织构化尖晶石的这种增强隧穿磁阻效应。虽然沉积的mgo通常在本质上为具有(001)优选结晶取向的多晶，但尖晶石通常以无定形状态沉积，除非该尖晶石生长在昂贵的结晶(001)mgo衬底上方。因此，难以在较便宜的、可商购获得的硅或氧化硅(例如，玻璃)衬底上方形成多晶(001)织构化尖晶石。
22.本公开的实施方案提供了使用(001)织构化mgo层作为结晶模板以在无定形铁磁材料(诸如无定形cofeb)上生长高度(001)织构化的尖晶石材料的方法。该方法可用于在除了结晶mgo衬底之外(即，除了(001)结晶mgo晶圆之外)的衬底上形成mtj，诸如在硅或氧化硅衬底上方。在磁性存储器应用(诸如基于磁性隧道结的磁阻随机存取存储器设备)中，mtj在高电压偏置条件下表现出大隧穿磁阻。不希望受到特定理论的束缚，据信所施加电场处的大tmr是由于在尖晶石电介质隧道势垒层与接触尖晶石电介质隧道势垒层的自由和/或参考铁磁层之间的界面改进和界面缺陷减少所致。根据本公开的一个方面，在两个铁磁材料层之间形成具有(001)织构的多晶尖晶石层的方法提供了较便宜的包括磁性隧道结的晶格匹配外延异质结构，该磁性隧道结包含尖晶石隧穿电介质层。
23.如本文所用，材料层中的(001)织构是指具有与(001)平面垂直的生长方向或轴向方向的晶粒占据该材料层的整个体积的超过50％的生长条件或晶体结构。换句话讲，材料层中的(001)织构是指具有作为生长方向或作为轴向方向的《001》方向的晶粒占据该材料层的整个体积的超过50％(诸如80％至99％)的生长条件或晶体结构。如本文所用，轴向方向是指与相邻层之间的界面的平面垂直的方向。在(001)织构化材料内具有沿着生长平面的(001)平面(即，具有作为轴向方向的《001》方向)的晶粒的体积分数可在0.5至1的范围内，诸如0.8至0.99。
24.在采用mgal2o4作为隧穿电介质的现有磁性隧道结设备中，即在磁化方向与mgal2o4和铁磁材料层之间的界面平行的设备中，观察到的大隧穿磁阻(大约300％左右)被实现在具有平面内磁各向异性的磁性隧道结内。根据本公开的一个方面，提供了用于制造垂直磁性隧道结设备的方法，该垂直磁性隧道结设备包括尖晶石隧穿电介质层并且包括具有垂直磁各向异性的铁磁材料层，即，在该磁性隧道结设备中，这些铁磁材料层具有沿着与尖晶石层和两个铁磁材料层之间的界面垂直的轴向方向配向的磁矩。另外，可通过所施加的电压和/或电流偏置的量值来控制磁性自由层的方向。
25.此外，不希望受到特定理论的束缚，在尖晶石电介质隧道势垒层和薄的铁磁层之间的所改进的晶格匹配可在此类薄的铁磁层中引起更强的界面pma，这有利于形成具有较高热稳定性的垂直mtj。此外，使用尖晶石层可改进mram的耐久性。现在参考附图来描述本公开的实施方案的各个方面。
26.参见图1，示出了本公开实施方案的包括多个磁阻存储器单元180的磁阻存储器设备500的示意图。在一个实施方案中，磁阻存储器设备500可被配置为包含本公开实施方案的磁阻存储器单元180的二维阵列或三维阵列的磁阻随机存取存储器(mram)设备。如本文所用，“随机存取存储器设备”是指包含存储器单元的存储器设备，该存储器单元允许随机访问，即，在用于读取选择的存储器单元的内容的命令下访问任何选择的存储器单元。
27.磁阻存储器设备500可包括存储器阵列区域550，该存储器阵列区域包含位于相应
的字线30和位线90相交处的相应的磁阻存储器单元180的阵列。磁阻存储器设备500还可包含连接到字线30的行解码器560，连接到位线90的编程和感测电路570(其可包括编程晶体管、感测放大器和其他位线控制电路)、通过编程和感测电路570连接到位线90的列解码器580和连接到编程和感测电路570的数据缓冲器590的组合。磁阻存储器单元180的多个实例以形成磁阻存储器设备500的阵列构型而提供。因此，每个磁阻存储器单元180可以是包括相应的第一电极和相应的第二电极的双端子设备。应当注意，元件的位置和互连是示意性的，并且元件可以不同的配置来布置。另外，磁阻存储器单元180可制造为分立设备，即单个隔离的设备。
28.参考图2，示出了本公开的实施方案的第一示例性磁阻存储器单元180。所示的磁阻存储器单元180可以是图1所示的磁阻存储器单元180的阵列内的stt-mram型磁阻存储器单元180。磁阻存储器单元180中的每个磁阻存储器单元可形成在衬底300上方，该衬底可以是以下的组合：不与尖晶石电介质隧道势垒层(例如，未明确示出的硅或氧化硅衬底)晶格匹配的衬底、用于操作将在其上形成的磁阻存储器单元180的阵列的引导和驱动电路元件(诸如场效应晶体管、二极管、双向阈值开关或其他半导体设备)，以及嵌入金属互连结构(未明确示出)并且上覆这些引导设备的电介质材料层(未明确示出)。金属互连结构可在驱动电路元件之间提供电连接，并且可被构造成通过字线30和位线90向磁阻存储器单元180的阵列提供电连接，或者在通过分立金属互连结构组的情况下，磁阻存储器单元180被配置为由不与其他磁阻存储器单元180共享的分立金属互连结构组存取。
29.在采用字线30和位线90的情况下，可将较低层级电介质层330嵌入较低组存取线，该较低组存取线根据构型可以是字线30或位线90。可将材料层叠堆沉积在较低层级电介质层330的顶部表面上方，并且可使该材料层叠堆图案化以形成磁阻存储器单元180的二维阵列。可在磁阻存储器单元180的二维阵列周围形成存储器层级电介质层380，并且可使该存储器层级电介质层平面化以提供与磁阻存储器单元180的顶部表面成平面的水平顶部表面。可形成嵌入较高组存取线的较高层级电介质层390。在一个实施方案中，较低组存取线可以是字线30并且较高组存取线可以是位线90。另选地，较低组存取线可以是位线90并且较高组存取线可以是字线30。一般来讲，字线30可接触第一电极110和第二电极184中的一者，并且位线90可接触第一电极110和第二电极184中的另一者。在每个磁阻存储器单元180是由专用引导(即，选择器)元件(例如，存取晶体管、二极管或双向阈值开关设备，其数量可与磁阻存储器单元180的数量相同)单独地寻址的替代构型中，不与其他磁阻存储器单元180共享的一对专用导电路径可与第一电极110和第二电极184接触。虽然未在附图中示出，但引导(即，选择器)元件可插入在磁阻存储器单元180和存取线(其可以是字线30或位线90)之一之间。一般来讲，图2的所示磁阻存储器单元180可结合到使得能够检测隧穿磁阻的任何电路设置中。
30.在一个实施方案中，较低层级电介质层330和较高层级电介质层390包含相应电介质材料，诸如无掺杂硅酸盐玻璃、掺杂硅酸盐玻璃、有机硅酸盐玻璃或氮化硅。较低层级电介质层330和较高层级电介质层390中的每一者的厚度可在50nm至600nm的范围内，诸如100nm至300nm，但也可采用更小和更大的厚度。字线30和位线90中的每一者可包含高度导电的金属，诸如钽、钨、钛、铜、钼、钌、它们的叠堆或它们的合金。在一个实施方案中，字线30和位线90中的每一者可包括含tin、tan和/或wn的导电金属势垒衬垫与位于金属势垒衬垫
内的导电填充材料的组合。该导电填充材料可包括铜、钨、钼、钽、钛、钌等。字线30和位线90的厚度可在50nm至600nm的范围内，诸如100nm至300nm，但也可采用更小和更大的厚度。
31.将材料层叠堆沉积在较低层级电介质层330的顶部表面上方，以提供可从底部到顶部包括以下的磁阻存储器单元180的二维阵列：第一电极110层(随后使其图案化以形成第一电极110)、任选的合成反铁磁(saf)结构120层叠堆、磁性隧道结140层叠堆和第二电极层(随后使其图案化以形成第二电极184)。saf结构120层叠堆(如果存在)包括反铁磁耦合层，这些反铁磁耦合层可包含至少一个铁磁材料层112、至少一个非磁性间隔物层114和至少一个第二铁磁层116。
32.磁性隧道结140层叠堆可位于saf结构120层叠堆上方，并且从底部到顶部或从顶部到底部包括第一织构破坏非磁性层126、参考层132、尖晶石层150、自由层136、氧化镁覆盖电介质层155、任选的覆盖铁磁层166、第二织构破坏非磁性层176和覆盖金属层182。虽然本公开的实施方案采用以下实施方案进行描述：其中磁性隧道结140层叠堆从底部到顶部包括第一织构破坏非磁性层126、参考层132、尖晶石层150、自由层136、氧化镁覆盖电介质层155、任选的覆盖铁磁层166、第二织构破坏非磁性层176和覆盖金属层182，但本文中明确设想了其中在沉积工艺期间将磁性隧道结140层叠堆中的层的顺序反转的替代实施方案。在该替代实施方案中，saf结构120层叠堆形成在磁性隧道结140层叠堆上方。
33.第一电极层包含第一非磁性金属电极材料，该第一非磁性金属电极材料可用作随后沉积在其上的材料层的结晶晶种材料。第一电极层包含非磁性过渡金属，并且可包含ta、ti、v、cr、mn、zr、nb、mo、tc、ru、rh、hf、w、re、os和ir中的一者或多者。在一个实施方案中，第一电极层可包含钽。第一电极层可用作晶种层。可例如通过溅射来沉积第一电极层。第一电极层可具有在2nm至10nm的范围内的厚度。第一电极层可沉积为具有主要(111)织构的多晶层或沉积为无定形层。如本文所用，材料层中的晶面织构是指具有与晶面垂直的晶向的晶粒占优势(即，占据该材料层的整个体积的超过50％，诸如80％至99％)的生长条件或晶体结构。例如，材料层中的(111)织构是指具有与(111)平面垂直的生长方向或轴向方向的晶粒占据该材料层的整个体积的超过50％的生长条件或晶体结构。换句话讲，材料层中的(111)织构是指具有作为生长方向或作为轴向方向的《111》方向的晶粒占据该材料层的整个体积的超过50％(诸如80％至99％)的生长条件或晶体结构。如本文所用，轴向方向是指与相邻层之间的界面的平面垂直的方向。在一个实施方案中，第一电极层包括具有(111)织构的多晶钽层。在第一电极层内具有沿着生长平面的(111)平面(即，具有作为轴向方向的《111》方向)的晶粒的体积分数可在0.5至1的范围内，诸如0.8至0.99。任选地，可执行退火工艺以引起第一电极层的结晶。在一个实施方案中，第一电极层可包含钽，并且/或者可基本上由钽组成。
34.至少一个铁磁材料层112包含钴、钴和铁的合金(cofe)，或钴、铁和硼的合金(“cofeb”)。在一个实施方案中，saf间隔层114包括铱、钌或铬。在一个实施方案中，saf结构120可包括co/pt超晶格。
35.第一织构破坏非磁性层126、参考层132、尖晶石层150、自由层136、任选的覆盖铁磁层166和第二织构破坏非磁性层176中的每一者可通过溅射或其他合适的沉积工艺在室温(298k)中或在室温至100℃内沉积为相应的无定形材料层。
36.第一织构破坏非磁性层126可包含第一非磁性过渡金属，该第一非磁性过渡金属
可以是可提供高自旋轨道耦合的钨、钌、钽、铌、钼、铼、铂、钯、铱或它们的合金。第一织构破坏非磁性层126可包含具有熔点为至少1,500℃的非磁性过渡金属，使得第一织构破坏非磁性层126内的体扩散不足以引起在其中的进一步结晶或不足以在后续退火工艺中用作固相外延的模板。可通过在室温中执行的物理气相沉积来将第一织构破坏非磁性层126沉积为无定形材料。第一织构破坏非磁性层126的厚度可具有在0.2nm至1nm的范围内的厚度。
37.可通过沉积第一无定形铁磁材料来形成参考层132。例如，参考层132可包括无定形cofe层、无定形cofeb层，或co/ni多层或co/fe多层的无定形叠堆。可通过在室温中执行的物理气相沉积来将参考层132沉积为无定形材料。参考层132的厚度可在0.8nm至1.2nm的范围内，但也可采用更小和更大的厚度。
38.可通过沉积无定形尖晶石材料来形成尖晶石层150，该尖晶石层可包含以下和/或可基本上由以下组成：mgal2o4、znal2o4、simg2o4、sizn2o4、mgga2o4、由此得到的其中一定分数的至少一种金属元素被替换为另一种金属元素同时保留晶体结构的掺杂衍生物，以及它们的缺氧衍生物。优选地，mg
x
alyoz，其中0.95《x《1.05，1.95《y《2.05并且3.95《z《4.05，诸如使用mgal2o4。在紧接在沉积之后的过程中，尖晶石层150包含呈无定形形式的尖晶石材料。在一个实施方案中，尖晶石层150的无定形尖晶石材料可直接沉积在参考层132的无定形金属材料上。可通过包含尖晶石材料的组分原子的源材料的物理气相沉积或真空蒸镀来形成尖晶石层150。stt mram存储器单元180的尖晶石层150的厚度可在0.8nm至1.2nm的范围内，但也可采用更小和更大的厚度。
39.可通过沉积第二无定形铁磁材料来形成自由层136。例如，自由层136可包括无定形cofe层、cofeb层，或co/ni多层或co/fe多层的无定形叠堆。可通过在室温中执行的物理气相沉积来将自由层136沉积为无定形材料。自由层136的厚度可在0.5nm至2.0nm的范围内，但也可采用更小和更大的厚度。
40.可通过溅射或通过真空蒸镀来沉积氧化镁覆盖电介质层155。用(001)织构形成氧化镁覆盖电介质层155。换句话讲，以《001》生长方向和(001)生长平面来形成氧化镁覆盖电介质层的主要部分。在沉积的氧化镁覆盖电介质层中提供(001)织构的倾向是氧化镁的固有结晶特性。氧化镁覆盖电介质层155的沉积温度可为室温。氧化镁覆盖电介质层155的厚度可在0.5nm至2nm的范围内，诸如0.5nm至0.8nm，但也可采用更小和更大的厚度。
41.可通过沉积附加的无定形铁磁材料来形成任选的覆盖铁磁层166。例如，覆盖铁磁层166可包括无定形cofe层、cofeb层、co/ni多层或co/fe多层的无定形叠堆。可通过在室温中执行的物理气相沉积来将覆盖铁磁层166沉积为无定形材料。覆盖铁磁层166的厚度可在0.2nm至0.8nm的范围内，但也可采用更小和更大的厚度。
42.第二织构破坏非磁性层176可包含第二非磁性过渡金属，该第二非磁性过渡金属可以是钨、钌、钽、铌、钼、铼、铂、钯、铱或它们的合金。第二织构破坏非磁性层176包含具有熔点为至少1,500℃的非磁性过渡金属，使得第二织构破坏非磁性层176内的体扩散不足以引起在其中的进一步结晶或不足以在后续退火工艺中用作固相外延的模板。可独立地选择第一织构破坏非磁性层126的第一非磁性过渡金属和的第二织构破坏非磁性层176的第二非磁性过渡金属。在一个实施方案中，第一非磁性过渡金属和第二非磁性过渡金属可以是钨。可通过在室温中执行的物理气相沉积来将第二织构破坏非磁性层176沉积为无定形材料。第二织构破坏非磁性层176的厚度可具有在0.2nm至1.0nm的范围内的厚度。
43.任选的覆盖金属层182包含非磁性过渡金属，并且可包含ta、ti、v、cr、mn、zr、nb、mo、tc、ru、rh、hf、w、re、os和ir中的一者或多者。可通过溅射来沉积覆盖金属层182。覆盖金属层182的厚度可在2nm至10nm的范围内，诸如5nm至8nm，但也可采用更小和更大的厚度。
44.第二电极184层包含非磁性过渡金属，并且可包含ta、ti、v、cr、mn、zr、nb、mo、tc、ru、rh、hf、w、re、os和ir中的一者或多者。可通过溅射来沉积第二电极层。第二电极层的厚度可在2nm至10nm的范围内，诸如5nm至8nm，但也可采用更小和更大的厚度。在一个实施方案中，覆盖金属层182可包含钽，并且第二电极184层可包含钌。
45.可任选地在存在磁场的情况下在250℃至500℃的范围内的升高温度中执行沉积后退火工艺。一般来讲，选择退火工艺的升高温度，使得自由层136、尖晶石层150和参考层132的材料的固相外延由退火工艺的升高温度引起。
46.氧化镁覆盖电介质层155中的(001)织构晶粒可在热退火工艺期间进一步生长并融合，同时保持(001)织构。整个氧化镁覆盖电介质层155包含占据主要体积(诸如超过80％、和/或超过90％、和/或超过95％、和/或超过98％、和/或超过99％)的大(001)织构化晶粒。氧化镁覆盖电介质层155的(001)织构化晶体结构在热退火工艺期间发生的固相外延工艺期间用作自由层136、尖晶石层150和参考层132的无定形材料以及任选的覆盖铁磁层166的无定形材料的结晶模板。换句话讲，在一个实施方案中，热退火工艺包括固相外延工艺。在固相外延工艺之后，尖晶石层150包含沿着轴向方向具有(001)织构的多晶尖晶石材料，该轴向方向是与尖晶石层150和自由层136之间的界面垂直的方向。
47.第一织构破坏非磁性层126和第二织构破坏非磁性层176之间的每个层中的晶粒在固相外延工艺之后沿着(001)方向定向。尖晶石层150被转换成高度(001)织构化的尖晶石层。尖晶石层150中的平均粒度(即，具有与晶粒的平均体积相同的体积的球体的直径)可为大约尖晶石层150的厚度或更大。例如，尖晶石层150中的晶粒的平均粒度可在1nm至4nm的范围内，但也可采用更小和更大的粒度。
48.自由层136、参考层132和任选的覆盖铁磁层166中的磁性材料的晶粒在固相外延工艺期间沿着(001)织构生长。另外，由于外部磁场，因此自由层136、参考层132和任选的覆盖铁磁层166在热退火工艺期间沿着竖直方向磁化。尖晶石层150用作磁性隧道结的电介质隧道势垒层，并且氧化镁覆盖电介质层155用作磁性隧道结的覆盖电介质层。
49.一般来讲，伴随退火工艺的固相外延工艺将参考层132、自由层136和覆盖铁磁层166中的每一者转换成具有(001)织构的相应多晶铁磁材料层。自由层136中的晶粒在固相外延工艺期间与氧化镁覆盖电介质层155内的晶粒外延配向。如本文所用的，如果材料层的原子(其跨两个材料层之间的界面)之间存在外延配向，即原子配准，则不同材料层的两个接触晶粒彼此外延对准。尖晶石层150中的晶粒在固相外延工艺期间与自由层136中的晶粒外延配向。参考层132中的晶粒在固相外延工艺中与尖晶石层150中的晶粒外延配向。覆盖铁磁层166中的无定形铁磁材料被转换成通过固相外延工艺具有(001)织构的多晶铁磁材料。覆盖铁磁层166的晶粒可在固相外延工艺期间与氧化镁覆盖电介质层155内的晶粒外延配向。
50.包括参考层132、尖晶石层150、自由层136和任选的覆盖铁磁层166的层叠堆形成晶格匹配外延异质结构(132,150,136,166)，其中不同材料层在材料层的边界处外延配向。跨不同材料层的外延配向可以是晶粒对晶粒的外延配向，并且晶界可通过晶格匹配外延异
质结构(132,150,136,166)内的不同材料层传播。
51.在一个实施方案中，第一织构破坏非磁性层126和第二织构破坏非磁性层176中的每一者在固相外延工艺期间阻止材料的晶体配向跨过其中的传播。在不存在第一织构破坏非磁性层126的情况下，saf结构120内的晶粒结构将传播到参考层132和尖晶石层150中。根据本公开的一个方面，第一织构破坏非磁性层126的存在防止晶体结构从saf结构120的侧面通过第一织构破坏非磁性层126的此类传播，并且允许固相外延，其中氧化镁覆盖电介质层155中的织构化晶体结构用作整个自由层136、尖晶石层150和参考层136的模板。根据本公开的另一个方面，第二织构破坏非磁性层176的存在防止晶体结构从覆盖金属层182的侧面通过第二织构破坏非磁性层176的此类传播，并且允许固相外延，其中氧化镁覆盖电介质层155中的织构化晶体结构用作整个任选的覆盖铁磁层166的模板。任选的覆盖铁磁层166具有立即在氧化镁覆盖电介质层155上提供无定形材料的功能，这允许氧化镁覆盖电介质层155内的晶粒在退火工艺期间生长到更大尺寸。
52.在一个实施方案中，第一织构破坏非磁性层126的第一非磁性过渡金属可沉积为无定形并且在固相外延工艺期间保持无定形，并且/或者第二织构破坏非磁性层176的第二非磁性过渡金属可沉积为无定形且在固相外延工艺期间保持无定形。另选地，第一织构破坏非磁性层126的第一非磁性过渡金属可在固相外延工艺期间沉积为具有(111)织构并且保持该(111)织构，并且/或者第二织构破坏非磁性层176的第二非磁性过渡金属可在固相外延工艺期间沉积为具有(111)织构并且保持该(111)织构。第一非磁性过渡金属和第二非磁性过渡金属的高熔融温度为第一织构破坏非磁性层126和第二织构破坏非磁性层176的材料提供了较低的体扩散系数，因此，第一织构破坏非磁性层126和第二织构破坏非磁性层176不用作固相外延的模板。换句话讲，体扩散的缺乏在退火工艺期间抑制了第一织构破坏非磁性层126和第二织构破坏非磁性层176中的无定形变化或进一步结晶。在一个实施方案中，第一非磁性过渡金属和第二非磁性过渡金属可独立地选自钨、钌、钽、铌、钼和铼、铂、钯、铱，并且第一织构破坏非磁性层126和第二织构破坏非磁性层176中的每一者的厚度可在0.2nm至1.0nm的范围内。
53.可使包括第一电极110层、层叠堆112、114、116、126、132、150、136、155、166、176、182和第二电极184层的材料层叠堆图案化以形成至少一个磁阻存储器单元180。例如，可将光致抗蚀剂层(未示出)施加在第二电极184层上方，并且可使该光致抗蚀剂层光刻图案化以形成具有二维周期性的分立光致抗蚀剂材料部分的二维阵列。可执行各向异性蚀刻工艺以蚀刻第一电极110层、层叠堆112、114、116、126、132、150、136、155、166、176、182和第二电极184层的未掩模部分。第一电极110层、层叠堆112、114、116、126、132、150、136、155、166、176、182和第二电极层的每个保留部分构成磁阻存储器单元180。可形成磁阻存储器单元180的二维阵列。可以例如通过灰化来移除光致抗蚀剂层。
54.每个磁阻存储器单元180包括第一电极110，该第一电极是第一电极层的图案化部分。每个磁阻存储器单元180包括第二电极184，该第二电极是第二电极层的图案化部分。磁阻存储器单元180内的层112、114和116的每个邻接组合构成合成反铁磁(saf)结构120。参考层132、尖晶石层150和自由层136的每个邻接组合构成铁磁隧道结结构140。
55.随后，可形成嵌入较高组存取线的较高层级电介质层390。在一个实施方案中，较低组存取线可以是字线30并且较高组存取线可以是位线90。每个第二电极184可由较高组
存取线之一(诸如位线90)连接。
56.图2的第一示例性磁阻存储器单元180包括自旋扭矩转移(stt)磁阻存储器(例如，stt-mram)设备。在stt-mram设备的操作期间，隧穿电流流过在参考层132和自由层136之间的尖晶石电介质隧道势垒层150，以通过在字线和位线之间施加电压来将自由层136的磁化方向编程为与参考层132的磁化方向平行的状态(即，单元低电阻状态)或反平行的状态(例如，单元高电阻状态)。在一个实施方案中，层150可比层155厚。尖晶石电介质隧道势垒层150上的电压降的量值可大于氧化镁覆盖电介质层155上的电压降的量值。尖晶石电介质隧道势垒层150在较高偏置下提供至少250％的tmr，诸如250％至300％tmr，由于界面缺陷比mgo电介质隧道垒层更少，这导致了更好的信噪比和更好的耐久性。
57.图3是第二实施方案的第二示例性磁阻存储器单元180a的示意性竖直剖面图，其中第二示例性磁阻存储器单元180a用作受电压控制的磁各向异性(vcma)单元。通过将尖晶石电介质隧道势垒层150的厚度增加到超过1.2nm，可从图2的第一示例性存储器单元180导出第二示例性磁阻存储器单元180a。例如，尖晶石电介质隧道势垒层150的厚度可为1.5nm至3nm。在该第二实施方案中，尖晶石电介质隧道势垒层150的较高厚度防止隧穿电流在单元180a的编程期间流过尖晶石电介质隧道势垒层150。因此，所施加的电压用于切换自由层136的磁化方向。所施加的电压在一个偏置方向上降低尖晶石电介质隧道势垒层150的能势垒高度，并且另一个偏置方向上升高该能势垒高度。在铁磁层(132,136)和结晶尖晶石电介质隧道势垒层150之间的晶格匹配界面的质量改进和缺陷密度降低可引起强pma。不希望受到特定理论的束缚，据信该强pma可导致需要更高的切换能量来切换(即，翻转)自由层136的磁化方向，这提供了改进的设备热稳定性。
58.任选地，可在尖晶石电介质隧道势垒层150和自由层136之间形成超薄导电插入层250，以在该第二实施方案中进一步增强vcma效应。插入层250可包含非磁性金属(诸如铪或钯)或反铁磁层(诸如铱)。插入层250的厚度可在0.02nm至0.1nm之间。因此，插入层250可以是不连续层(例如，金属除尘层)。
59.图4是第三实施方案的第三示例性磁阻存储器单元280的示意性竖直剖面图，其中第三示例性磁阻存储器单元280用作自旋轨道扭矩(sot)单元(即，sot mram单元)。图4所示的sot mram单元280为三个终端设备。因此，包含sot mram单元280的sot磁阻存储器设备不同于图1所示的stt或vcma磁阻存储器设备500，因为sot磁阻存储器设备包括三条存取线，而不是图1所示的两条存取线(即，字线30和位线90)。因此，图4所示的sot mram单元280包括电连接到sot磁阻存储器设备的第一电端子401的顶部存取线90(例如，位线)和具有与自由层136强自旋轨道耦合并接触的非磁性重金属sot层410。将sot层410电连接到sot磁阻存储器设备的第二电端子402和第三电端子403。
60.当电写入电流(iwr)横向穿过第二电端子402和第三电端子403之间的sot层410时，经由自旋霍尔效应(she)在与该电流垂直的方向上产生自旋电流。自旋电流在自由层136的磁化上施加扭矩。因此，sot层410通过自旋霍尔效应来辅助磁化方向在自由层136中的转变。因此，sot层410也称为金属辅助层，即辅助自由层136中的磁性转变的金属层。
61.由于sot设备中的写入操作经由sto层410发生，因此极少的电流流过包括自由层136的磁性隧道结140。读取电流ird垂直流动通过第一端子401和第二端子402之间的磁性隧道结140。
62.sto层410可由具有大自旋轨道耦合强度的导电材料制成，诸如pt、ta、w、hf、ir、cubi、cuir、aupt、auw、ptpd或ptmgo。sto层410可具有5nm至10nm的厚度，但也可采用更小和更大的厚度。
63.在该实施方案中，可省略图2和图3所示的第一电极层110，并且反转磁性隧道结140相对于saf结构120的位置，使得saf结构120形成在磁性隧道结140上方和第二电极184下方。
64.具体地，sot层410充当单元280的第一电极。第一织构破坏非磁性层126可定位在sot层410上。任选的平面内磁化铁磁层266可形成在第一织构破坏非磁性层126上。任选的平面内磁化铁磁层266可包括具有至少2nm(诸如2nm至3nm)的厚度的cofe层或cofeb层。在此类厚度下，cofe层或cofeb层通常具有与自由层136的磁化方向垂直的平面内磁化方向。平面内cofeb层或cofe层266用作内置磁场源以用于实现无场确定性sot切换。氧化镁电介质层155可形成在任选的平面内磁化铁磁层266上。在该实施方案中，氧化镁电介质层155可具有0.5nm至1nm的厚度。薄的氧化镁电介质层155允许由sot层410产生的足够的自旋极化电子通过它，以用于切换自由层136的磁化方向。在替代实施方案中，氧化镁电介质层155可形成在第一织构破坏非磁性层126上，并且平面内磁化铁磁层266可形成在氧化镁电介质层155上。非磁性金属层412可形成在氧化镁电介质层155上。非磁性金属层412可以是铂或钽层，并且可具有1nm至2nm的厚度。层126、266、155和412可延伸到单元280的侧向边界之外。
65.自由层136可形成在非磁性金属层412上。在该实施方案中，自由层136可具有0.2nm至0.8nm的厚度。尖晶石电介质隧道势垒层150可形成在自由层136上。在该实施方案中，尖晶石电介质隧道势垒层150可具有0.5nm至2nm的厚度。参考层132可形成在尖晶石电介质隧道势垒层150上。在该实施方案中，参考层132可具有0.5nm至2nm的厚度。第二织构破坏非磁性层176可形成在参考层132上，saf结构120可形成在第二织构破坏非磁性层176上，并且第二电极184可形成在saf结构120上。
66.图5是第三实施方案的替代方面的第四示例性磁阻存储器单元280a的示意性竖直剖面图。第四示例性磁阻存储器单元280a可通过省略任选的平面内磁化铁磁层266和非磁性金属层412，并且通过在尖晶石电介质隧道势垒层150上方形成氧化镁电介质层155来从图4的第三示例性存储器单元280导出。在该单元280a中，自由层126可定位在第一织构破坏非磁性层126上。
67.在第三实施方案中，铁磁层(132,136)和结晶尖晶石电介质隧道势垒层150之间的晶格匹配界面的质量改进和缺陷密度降低可引起强pma。不希望受到特定理论的束缚，据信该强pma可导致需要更高的切换能量来切换(即，翻转)自由层136的磁化方向，这提供了改进的sot mram单元280或280a热稳定性。
68.参考所有附图并且根据本公开的所有实施方案，本公开的实施方案的磁性隧道结可在高偏置电压处于0.5v至1.0v的范围内时，提供约300％或更高的大隧穿磁阻比率，并且据信与采用氧化镁电介质隧穿势垒层的现有技术磁性隧道结设备相比，由于改进的界面质量和很少的缺陷，该磁性隧道结可提供增强的耐久性。氧化镁覆盖电介质层155中的(001)织构在尖晶石电介质势垒层150、自由层136、参考层132和任选的覆盖铁磁层166中的每一者中引起(001)织构。
69.根据本公开的各种实施方案，磁阻存储器设备(180,180a,280,280a)包括第一电
极(110或410)、与该第一电极间隔开的第二电极284以及位于该第一电极和该第二电极之间的垂直磁性隧道结层叠堆。该垂直磁性隧道结层叠堆包括：包含第一非磁性过渡金属的第一织构破坏非磁性层126、包含第二非磁性过渡金属的第二织构破坏非磁性层176、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的氧化镁覆盖电介质层155、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的参考层132、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的自由层136以及位于该参考层和该自由层之间的尖晶石层150，并且包含沿着在该参考层和该自由层之间延伸的轴向方向具有(001)织构的多晶尖晶石材料。
70.在一个实施方案中，尖晶石层150的整个体积的至少80％由具有(001)织构的尖晶石晶粒占据。换句话讲，尖晶石层150的整个体积的超过80％(其可大于90％，和/或大于95％，和/或大于98％)由具有与轴向方向垂直的(001)平面的尖晶石晶粒占据。在一个实施方案中，参考层132和自由层136具有(001)织构。换句话讲，参考层132的整个体积的超过50％(其可大于80％，和/或大于90％，和/或大于95％，和/或大于98％)由具有与轴向方向垂直的(001)平面的铁磁材料层的晶粒占据，并且自由层136的整个体积的超过50％(其可以大于80％，和/或大于90％，和/或大于95％，和/或大于98％)由具有与轴向方向垂直的(001)平面的铁磁材料层的晶粒占据。
71.在一个实施方案中，自由层136的晶粒可跨自由层136和尖晶石层150之间的界面与尖晶石层150的晶粒外延配向。在一个实施方案中，氧化镁覆盖电介质层155包含具有(001)织构的晶粒，并且自由层136的晶粒跨氧化镁覆盖电介质层155和自由层136之间的界面与氧化镁覆盖电介质层155的晶粒外延配向。在一个实施方案中，参考层132的晶粒跨参考层132和尖晶石层150之间的界面与尖晶石层150的晶粒配向。
72.在一个实施方案中，磁阻存储器设备可包括覆盖铁磁层166，该覆盖铁磁层包含具有(001)织构的多晶铁磁材料。氧化镁覆盖电介质层155位于自由层136和覆盖铁磁层166之间，并且包含具有(001)织构的晶粒；并且覆盖铁磁层166的晶粒跨氧化镁覆盖电介质层155和覆盖铁磁层166之间的界面与氧化镁覆盖电介质层155的晶粒外延配向。
73.在一个实施方案中，尖晶石层150具有分子式m
x
qyoz，其中0.95《x《1.05，1.95《y《2.05并且3.95《z《4.05，并且m和q是不同金属，诸如mg
x
alyoz，其中0.95《x《1.05，1.95《y《2.05并且3.95《z《4.05。在一个实施方案中，尖晶石层150包含选自以下的材料：mgal2o4、znal2o4、simg2o4、sizn2o4、mgga2o4、由此得到的其中一定分数的至少一种金属元素被替换为另一种金属元素同时保留晶体结构的掺杂衍生物，以及它们的缺氧衍生物。
74.在一个实施方案中，磁阻存储器设备包括位于电极(184、110或410)之一和参考层132之间的合成反铁磁(saf)结构120。
75.在一个实施方案中，自由层136和参考层132中的每一者具有与轴向方向平行的相应易磁化轴。因此，垂直磁性隧道结结构可具有垂直磁各向异性。
76.在一个实施方案中，自由层136和参考层132中的每一者包含cofe合金或cofeb合金，氧化镁覆盖电介质层155基本上由氧化镁组成，并且第一织构破坏非磁性层126和第二织构破坏非磁性层176基本上由钨组成。
77.在一个实施方案中，尖晶石层150具有在0.8nm至3nm的范围内的厚度，氧化镁覆盖电介质层155具有在0.02nm至2nm的范围内的厚度，自由层136具有在0.5nm至2nm的范围内
的厚度，并且参考层132具有在0.8nm至1.2nm的范围内的厚度。
78.在图2所示的第一实施方案中，尖晶石层150为具有在0.5nm至1.2nm的范围内的厚度的电介质隧道势垒层，并且磁阻存储器设备180包括自旋转移扭矩磁阻存储器设备。在图3所示的第二实施方案中，尖晶石层具有在1.5nm至3nm的范围内的厚度，并且磁阻存储器设备180a包括受电压控制的磁各向异性磁阻存储器设备。
79.在一个实施方案中，磁性隧道结层叠堆包括磁性隧道结，该磁性隧道结在0.5v至1.0v的电压范围内提供了在200％至300％的范围内的隧穿磁阻比率。还提供了包括磁阻存储器设备的实例的二维阵列的随机存取存储器阵列。
80.在图4和图5所示的第三实施方案中，磁阻存储器设备(280或280a)还包括非磁性重金属sot层410，并且磁阻存储器设备(280或280a)包括三端子自旋轨道扭矩磁阻存储器设备。自旋轨道扭矩(sot)磁阻存储器设备(280或280a)包括电极184、与电极184间隔开的非磁性重金属sot层410以及位于电极和sot层之间的垂直磁性隧道结140层叠堆。该垂直磁性隧道结140层叠堆包括：包含第一非磁性过渡金属的第一织构破坏非磁性层126、包含第二非磁性过渡金属的第二织构破坏非磁性层176、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的氧化镁电介质层155、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的参考层132、位于该第一织构破坏非磁性层和该第二织构破坏非磁性层之间的自由层136以及位于该参考层和该自由层之间的尖晶石层150，并且包含沿着在该参考层和该自由层之间延伸的轴向方向具有(001)织构的多晶尖晶石材料。
81.在图4的自旋轨道扭矩(sot)磁阻存储器设备280中，第一织构破坏非磁性层126位于sot层410上方，平面内磁化铁磁层266位于第一织构破坏非磁性层126上方，氧化镁电介质层155位于第一织构破坏非磁性层126上方。氧化镁电介质层155形成在平面内磁化铁磁层266上方或下方。非磁性金属层412位于平面内磁化铁磁层266和氧化镁电介质层155上方，自由层136位于非磁性金属层412上方，尖晶石层150位于自由层136上方，参考层132位于尖晶石层150上方，第二织构破坏非磁性层176位于参考层132上方，并且电极184位于第二织构破坏非磁性层176上方。
82.在图5的自旋轨道扭矩(sot)磁阻存储器设备280a中，第一织构破坏非磁性层126位于sot层410上方，自由层136位于第一织构破坏非磁性层126上方，尖晶石层150位于自由层136上方，氧化镁电介质层155位于尖晶石层150上方(并且可直接定位在该尖晶石层上)，参考层132位于氧化镁电介质层155上方，第二织构破坏非磁性层176位于参考层132上方，并且电极184位于第二织构破坏非磁性层176上方。
83.在第三实施方案中，氧化镁电介质层155具有在0.5nm至1nm的范围内的厚度，自由层136包括具有在0.2nm至0.8nm的范围内的厚度的cofeb层或cofe层，并且参考层132包括具有在0.5nm至2nm的范围内的厚度的cofeb层或cofe层。
84.虽然前面提及特定优选实施方案，但是将理解本公开不限于此。本领域的普通技术人员将会想到，可对所公开的实施方案进行各种修改，并且此类修改旨在落在本公开的范围内。在本公开中示出采用特定结构和/或构型的实施方案，应当理解，本公开可以以功能上等同的任何其他兼容结构和/或构型来实践，前提条件是此类取代不被明确地禁止或以其他方式被本领域的普通技术人员认为是不可能的。本文引用的所有出版物、专利申请和专利均以引用方式全文并入本文。