磁性隧道结及其制造方法

技术领域

本公开内容的实施方式一般涉及制造用于磁性随机存取存储器(magneticrandom access memory；MARM)应用的磁性隧道结结构。

背景技术

自旋移送扭矩磁性随机存取存储器或STT-MRAM在其存储单元中采用磁性隧道结结构，其中两个铁磁层由薄的绝缘层或“介电”层彼此间隔开。这些磁层中的一层具有固定磁极，可称作自由层的另一层具有可选择性地在两种状态之间改变的磁极。在这些磁层具有垂直磁各向异性的情况下，可改变极性层的极性可在膜层的堆叠的深度方向上在与固定极性层相同的极性或与固定极性层的极性相反的极性之间切换，这些膜层的堆叠包括磁性隧道结或“MTJ”结构。跨MTJ的电阻为可改变极性层相对于固定极性层的极性的函数。在两个层的极性在MTJ的深度方向上相同的情况下，跨MTJ的电阻低，且当两个层的极性在MTJ之深度方向上彼此相反时，跨MTJ的电阻高。因此，跨单元的电阻可用以指示为0或1的值，且因此例如通过使用低电阻状态作为具有为0的数据值并使用高电阻状态作为为1的数据值来储存数据值。

为了形成MTJ堆叠，制造膜层堆叠，该膜层堆叠包括第一钉扎层及第二钉扎层，以及在该第一钉扎层与该第二钉扎层之间的合成反铁磁(SyF)耦合层。第一钉扎层及第二钉扎层的力矩通过层间交换耦合效应经由SyF耦合层进行耦合。具有一厚度的SyF耦合层维持第一钉扎层及第二钉扎层的磁矩的反平行对准。第一钉扎层通常具有较大磁矩，因为其较为远离自由层，此将有助于最小化针对来自堆叠的其余部分的自由层的偶极场。

在MTJs采用包括由非磁性层分离开的两个或两个以上铁磁层的合成反铁磁(SyF)层的情况下，在其高温处理、例如在约400℃或高于约400℃的温度下的处理之后，SyF耦合可能丢失。

因此，仍需要可承受处理温度的改良MTJ堆叠。

附图说明

以上简要概述本公开内容的上述详述特征可以被详细理解的方式、以及对本公开内容的更特定描述，可通过参照实施方式来获得，一些实施方式绘示在所附图式中。然而，应注意，所附图式仅图示示例性实施方式，因而不应视为对本公开内容的范围的限制，且可允许其他等同有效的实施方式。

图1A为根据本公开内容的实施方式制造的实例磁性隧道结(magnetic tunneljunction；MTJ)堆叠的示意图。

图1B为根据本公开内容的实施方式的制造包括磁性隧道结(MTJ)堆叠的存储器件的方法的流程图。

图2A为根据本公开内容的实施方式的MTJ堆叠的缓冲层的放大图。

图2B为根据本公开内容的实施方式的MTJ堆叠的第一钉扎层的放大图。

图2C为根据本公开内容的实施方式的MTJ堆叠的第二钉扎层的放大图。

图2D为根据本公开内容的实施方式的MTJ堆叠的实例隧道势垒层的放大图。

图2E为根据本公开内容的实施方式的MTJ堆叠的实例磁性存储层的放大图。

图2F为根据本公开内容的实施方式的实例覆盖层122的放大图。

图3为根据本公开内容的实施方式的经配置以制造MTJ堆叠的物理气相沉积(PVD)腔室的示意图。

图4为根据本公开内容的实施方式的用于PVD腔室中的实例靶匣。

为了便于理解，尽可能地，使用了相同附图标号来标示附图中共通的相同元件。考虑到，一个实施方式的元件及特征在没有进一步描述下可有利地并入其他实施方式中。

发明内容

在实施方式中，一种制造器件的方法包括：形成磁性隧道结堆叠，其中形成该磁性隧道结堆叠包括：经由物理气相沉积(PVD)在基板上沉积缓冲层，其中该基板处在缓冲沉积温度下；经由PVD在该缓冲层上沉积种晶层，在该种晶层的沉积期间，该基板处在自200℃至600℃的种晶层沉积温度下；经由PVD在该缓冲层上沉积第一钉扎层，在该第一钉扎层的沉积期间，该基板处在第一钉扎层沉积温度下；经由PVD在该第一钉扎层上沉积合成反铁磁(SyF)耦合层，其中在该SyF耦合层的沉积期间，该基板处在SyF耦合层温度下；经由PVD在该SyF耦合层上沉积第二钉扎层，同时该基板处在第二钉扎层沉积温度下；使该基板温度自该第二钉扎层沉积温度降低至自约-270℃至约100℃的结构阻挡层沉积温度；和经由PVD在该第二钉扎层上沉积结构阻挡层，同时该基板处在该结构阻挡层沉积温度下。

在实施方式中，一种包括指令的计算机可读媒体，所述指令经配置以使计算系统：在缓冲层上沉积种晶层，其中在该种晶层的沉积期间基板处在自约200℃至600℃的种晶层沉积温度下；在该缓冲层上沉积第一钉扎层的同时该基板处在第一钉扎层沉积温度下；在该第一钉扎层上沉积合成反铁磁(SyF)耦合层，同时该基板处在SyF耦合层沉积温度下；在该SyF耦合层上沉积第二钉扎层；使该基板温度自第二钉扎层沉积温度降低至自约-270℃至约100℃的结构阻挡层沉积温度；和随后在该第二钉扎层上沉积结构阻挡层，同时该基板处在结构阻挡层沉积温度下。

在实施方式中，一种制造磁性隧道结的方法包括：经由物理气相沉积(PVD)在基板上的SyF耦合层上沉积第二钉扎层，其中在沉积该第二钉扎层之后，该基板处在自约-270℃至约100℃的第二钉扎层沉积温度下；经由PVD在该第二钉扎层上沉积结构阻挡层，同时该基板处在自约-270℃至约100℃的结构阻挡层沉积温度下；和经由PVD在该结构阻挡层上沉积磁性参考层，同时在该磁性参考层的沉积期间该基板处在磁性参考层沉积温度下，其中该磁性参考层沉积温度为自约-270℃至约100℃。在此实施方式中，该方法进一步包括通过如下方式经由PVD在该磁性参考层上沉积隧道势垒层：沉积隧道势垒层的第一部分，同时该基板处在第一隧道势垒物沉积温度下；将该基板温度升高至自约300℃至约600℃的第二隧道势垒层沉积温度下；和沉积隧道势垒层的第二部分，其中该第一部分为隧道势垒层的总厚度的10％至90％。

具体实施方式

本公开内容的实施方式涉及磁性隧道结(MTJ)堆叠及STT MRAM存储单元及存储器。本文中，将MTJ堆叠并入包括上部电极及下部电极的膜堆叠中，其中MTJ堆叠夹在上部电极与下部电极之间。可图案化MTJ堆叠以形成用于磁阻随机存取存储器(MRAM)中的多个单个存储单元。在MRAM单元的每一MTJ堆叠中，存在两个磁层，其中一个磁层具有固定极性，且另一磁层具有可通过在层上施加电压或通过将电流施加至彼磁层进行切换的极性。跨MRAM的电阻基于第一磁层与第二磁层之间的相对极性而改变。本文中将第一磁层及第二磁层称作磁性参考层及磁性存储层。当存在施加于单元上的电压时或当存在流经单元的电流时，由MTJ堆叠形成的存储单元工作。响应于施加足够强度的电压，可切换磁层的极性可改变。另外，可通过在低于切换磁性存储层的磁极所需的阈值的相对低电压下量测单元上的电流对电压关系来判定单元的电阻率。

通过使用包括沉积腔室的多个腔室以将薄膜层沉积在基板上并最终图案化且蚀刻那些经沉积的膜层而形成本文所述的MTJ堆叠。用以形成本文所述的MTJ堆叠的沉积腔室包括物理气相沉积(PVD)腔室。在常规MTJ堆叠制造中，基板的温度为自约室温(20℃至25℃)至低于约350℃，且可在MTJ堆叠的数层的沉积当中及在MTJ堆叠的数层的沉积之间不变化。相反，使用本文所论述的系统及方法，以一系列沉积操作来制造MTJ，其中在MTJ堆叠各层的沉积当中及在MTJ堆叠的各种层的沉积之间，升高、降低或保持基板的温度。在MTJ堆叠制造期间温度的变化改良并促进了每一层的所需晶格(结晶)结构的形成，且改良了层间的晶格匹配。根据本公开内容的实施方式制造的MTJ堆叠在制造之后经处理，其中包括在约400℃下历时约3小时的退火操作，且呈现出强健的磁性性质及电学性质两者，以及在退火之后层之间的减小粗糙度。

可通过加热或冷却基板支撑件，或通过使用辐射加热灯，或经由诸如532nm激光或810nm激光之类的激光加热基板来达成本文所论述的在形成MTJ堆叠期间所使用的沉积温度。对基板的温度控制可导致对晶格结构的改良控制，且因此导致层之间的改良晶格匹配，此产生可承受大约400℃的后续高温处理的更强健MTJ堆叠。在沉积之前、在沉积期间或在沉积之后加热基板促进已沉积材料层沿着下层的晶格纹理的生长。在层沉积之间保持温度亦可促进顶层的晶格结构的形成，顶层的晶格结构与下层的晶格结构相同。相反，在层沉积之前、在层沉积期间或在层沉积之后冷却基板阻止了已沉积层形成下层的晶格结构并保留已沉积层的晶格结构。

在实施方式中，MTJ堆叠基板可经受以下操作中的一或多项：(1)在种晶层的沉积之前，在缓冲层沉积在基板上之后被加热；(2)在结构阻挡层的沉积之前，在第二钉扎层的沉积之后被冷却；(3)在隧道势垒层的沉积期间被加热且接着在隧道势垒层的沉积完成之后被冷却；(4)在磁性存储层沉积在隧道势垒层上之后被加热；及(5)取决于覆盖层的第一夹层的预期晶格结构，在沉积该第一夹层之前，在磁性存储层的沉积之后被冷却。

在一个实例中，当第一层具有面心立方(fcc)结晶结构且第二层将沉积在该第一层之上以具有fcc结构时，可在第一层(或层的第一夹层)的沉积期间或在此之后加热基板，且可在第二层(或该层的第二夹层)的沉积期间维持升高的温度以使得第二层形成fcc结构。相反，若第一层具有fcc结晶结构且第二层将沉积在该第一层之上以具有体心立方(bcc)结构，则可在第一层的沉积期间或在此之后冷却基板。可在第二层的沉积期间维持降低的温度，以使得第二层形成bcc结构而不采用下层的fcc结构。

在用以形成MTJ堆叠的本文所述PVD操作中，等离子体由溅射腔室中的惰性或稀有气体形成，诸如，氩气(Ar)、氦气(He)、氪气(Kr)和/或氙气(Xe)，同时该腔室维持在真空状态下。本文中所使用的PVD腔室进一步含有至少一个溅射靶，且基板设置在该PVD腔室中而面向该溅射靶的大体上平坦的表面。溅射靶耦接至电源，以使得溅射靶受电驱动或自建立为电源的电路中的阴极状态，而经由等离子体至接地，例如，连接至溅射腔室的接地部分。将基板设置在基座上或设置在溅射腔室中的另一结构上，该基座或其他结构可处于浮动电势，连接至接地，或可受偏压而在阴极靶中形成阳极，以便将等离子体导向至该阳极或导向至接地电路。溅射腔室中的惰性气体原子的正游离部分被电吸引至带负偏压的靶，且因此等离子体的离子轰击该靶，此导致靶材料的原子喷射且沉积在基板上，以在基板上形成由(若干)靶材料构成的薄膜。

图1A为磁性隧道结(MTJ)堆叠的示意图。图1A示出包括基板102的MTJ堆叠100A，该基板102包括钨(W)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)的导电层，或其上的其他金属层。在一些实例中，基板102包括先前制造于其中或其上的一或多个晶体管、位线或源极线，及其他存储接线，或用以形成MRAM存储器且先前制造或形成于其上的其他元件。其上形成有MTJ堆叠的基板可具有包括小于200mm的直径、为200mm的直径、为约300mm、约450mm的直径或另一直径的尺寸，且可具有为圆形或矩形或正方形面板的形状。通过在其中具有基板的PVD腔室中溅射一或多个靶，在基板102上形成MTJ堆叠100A中的缓冲层104，且在此该缓冲层104包括Co

第一钉扎层108是通过溅射形成于种晶层106上，且具有fcc晶格结构。第一钉扎层108包括Co层和/或一或多个双层。每一双层包括Co的第一夹层及镍(Ni)或铂(Pt)的第二夹层。在此，合成反铁磁(SyF)耦合层110是通过溅射形成于第一钉扎层108之上且具有初形成的fcc晶格结构。SyF耦合层110可由自钌(Ru)、铑(Ru)、Cr或铱(Ir)的靶溅射的钌(Ru)、铑(Ru)、Cr或铱(Ir)形成。通过溅射在SyF耦合层110之上形成第二钉扎层112。初形成的第二钉扎层112具有fcc晶格结构，且可包括单一钴(Co)层和/或包括Co的第一夹层及镍(Ni)或铂(Pt)的第二夹层的双层。SyF耦合层110位于第一钉扎层108与第二钉扎层112之间，且导致第一钉扎层108及第二钉扎层112的表面原子在暴露于磁场时与SyF耦合层110的表面原子对准，由此钉扎第一钉扎层108及第二钉扎层112中的每一层的磁矩的取向。第一钉扎层108及第二钉扎层112各自包括类似磁矩，且将因此在外部磁场被施加至MTJ堆叠100A时类似地作出反应。SyF耦合层110维持第一钉扎层108及第二钉扎层112的磁矩的反平行对准。

结构阻挡层114形成于第二钉扎层112之上，且在此包括钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)或上述的组合。结构阻挡层114具有初形成的bcc晶格结构，且由于其晶格结构而被采用，该晶格结构与第一钉扎层108及第二钉扎层112的晶格结构不同。结构阻挡层114防止在MTJ堆叠100A与金属化接触件之间形成短路，这些金属化接触件可耦接至MTJ堆叠100A以形成MRAM存储单元。另外，在MTJ堆叠100A中，通过在PVD腔室中溅射而在结构阻挡层114之上形成磁性参考层116。在磁性参考层116之上形成隧道势垒层118，且在隧道势垒层118之上形成磁性存储层120。磁性参考层116、隧道势垒层118及磁性存储层120各自具有bcc晶格结构。通过在一或多个PVD腔室中使用等离子体溅射一或多个靶来形成隧道势垒层118、磁性参考层116及磁性存储层120中的每一个。磁性参考层116及磁性存储层120各自包括组成物可变化的Co

在此实施方式中，通过在PVD腔室中溅射而在磁性存储层120上形成覆盖层122，且该覆盖层122包括多个夹层。覆盖层122包括第一覆盖夹层122A及第二覆盖夹层122B。第一覆盖夹层122A可由诸如MgO和/或氧化铁的介电材料制造，且可进一步包括Ru和/或Ir的覆盖夹层122A。第二覆盖夹层122B包括诸如Ru、Ir、Ta或上述的组合的金属化材料，且形成于第一覆盖夹层122A之上。第一覆盖夹层122A充当用于硬掩模蚀刻的蚀刻终止层，并保护MTJ堆叠100A免受腐蚀。第二覆盖夹层122B经配置以在MTJ堆叠100A稍后经图案化时与晶体管或接触件电连通，如以下参考图1B所论述。第一覆盖夹层122A及第二覆盖夹层122B的晶格结构可视每一夹层的组成物而变化。可在后续操作期间图案化在第二覆盖夹层122B之上的硬掩模层124以保护MTJ堆叠100A。可视硬掩模层124的组成物而通过各种工艺形成硬掩模层124。

PVD系统可包括一或多个PVD溅射腔室，诸如，以下在图3中所示的实例腔室。该一或多个PVD溅射腔室耦接至中央机器人基板移送腔室。该中央机器人基板移送腔室经配置以在与其耦接的装载台及与其连接的溅射腔室之间移动基板。将PVD系统保持在例如是10E

图1B为制造包括MTJ堆叠100A的存储器件的方法100B的流程图。部分地在PVD系统的经配置以通过溅射沉积薄膜层的多个PVD腔室中执行方法100B。可经由PVD系统的中央机器人移送腔室在溅射腔室当中及在溅射腔室之间移动基板102，以形成各种薄膜层，所述薄膜层包括图1A中的MTJ堆叠100A以及以下所示并论述的根据本公开内容的实施方式制造的MTJ堆叠。与常规MTJ堆叠制造方法相反，方法100B的操作可在自约20℃的温度至大约600℃的温度下发生，且可经由基板支撑件基座中的加热器、辐射加热灯和/或激光退火设备在本文所论述的操作期间、在此之前和/或在此之后调整基板温度。在方法100B期间调整温度促进了晶格结构形成及MTJ堆叠100A的层之间的晶格匹配，这样产生可承受大约400℃的处理操作的更强健MTJ堆叠。以下在图3中示出能够以本文所论述的(若干)方式操作的实例PVD腔室。

因此本文中关于方法100B来引用图1A的层。在一或多个PVD腔室中使用包括氩气(Ar)、氦气(He)、氪气(Kr)、氙气(Xe)、氧气(O

在实施方式中，可在基板102处于室温下(自约20℃至约25℃)时执行操作130。在一个实例中，经由基板支撑件基座中的多个加热器来控制基板温度，且在其他实例中，可在基板上执行辐射加热灯或激光退火操作以控制温度。在缓冲层104为TaN或包括TaN的实例中，在氮气(N

在操作314处通过在PVD腔室中溅射靶在种晶层106上沉积第一钉扎层108。在MTJ堆叠100A中示出第一钉扎层108，且可在操作134处通过使用Ar等离子体溅射一或多个靶在PVD腔室中沉积该第一钉扎层108。在操作134处第一钉扎层108的沉积期间，基板102的温度为自约200℃至约600℃，且处在操作132期间的基板温度下或低于操作132期间的基板温度。操作134期间的基板温度促进第一钉扎层108的fcc晶格结构的形成，第一钉扎层108的fcc晶格结构为与下伏的种晶层106相同的晶格结构。在第一钉扎层108为Co层的实例中，在PVD腔室中使用Ar等离子体溅射Co靶。在第一钉扎层108包括一或多个双层的实例中，操作134使用Co溅射靶以形成双层的第一夹层，且使用包括不同元素的另一溅射靶以形成双层的第二夹层。取决于实施方式，可在使用多个靶的同一PVD腔室中使用Ar等离子体溅射Co的溅射靶及诸如镍或铂的另一元素的溅射靶；或，双层中的每一层可在单独的PVD腔室中形成。

在实施方式中，为了沉积第一钉扎层108，以约2sccm至40sccm的流动速率将氙气(Xe)或氩气(Ar)引入PVD腔室中，同时在负电压下将自50W至10000W的功率施加至靶以形成等离子体。在另一实例中，以自5sccm至20sccm的流动速率将Xe气或Ar气引入PVD腔室中，且在一些实例中，是以10sccm的流动速率引入。在另一实例中，施加至用以形成第一钉扎层108的一或多个溅射靶的功率为自100W至800W。在另一实例中，施加至一或多个溅射靶的功率可为400W。取决于第一钉扎层108的组成物，可在操作134处将Xe气用于PVD腔室中的溅射操作中以形成等离子体，因为Xe气是比Ar重之气体，因此产生具有比使用Ar或其他较轻气体形成的离子更高的原子重量的离子。因此，Xe等离子体以比Ar等离子体高的能量轰击靶，且可用以溅射沉积层，诸如，Pt。在本公开内容中的第一钉扎层108的一个实例中，以自约10sccm的流动速率将Xe、Ar或上述的混合物引入至PVD腔室中，且在负电压下将400W的功率施加至靶以形成Ar或Xe等离子体。

在操作134处，可在包括多个靶的PVD腔室中或在其中一个PVD腔室含有Co靶且另一PVD腔室含有Pt或Ni或者上述的组合或合金的靶的单独的PVD腔室中沉积第一钉扎层108的双层，所述多个靶包括Co靶及由Pt或Ni或者上述的组合或合金形成的靶。在一个实例中，将多个溅射靶设置在单个PVD腔室中且使用Ar等离子体和/或Xe等离子体溅射该多个溅射靶。可使用本文所论述的护罩将Co靶及另一元素的靶中的每一个选择性地暴露于等离子体，以形成双层的Co夹层并形成另一元素的夹层，从而形成所得双层。可在操作134处重复夹层沉积达多次迭代，以形成第一钉扎层108的多个双层，如图2B中所示。

在操作136处，通过在使用Ar、Kr或Xe等离子体的PVD腔室中溅射Ru、Cr、Rh或Ir的靶在第一钉扎层108上沉积SyF耦合层110。在一个实例中，在操作136处，在PVD腔室中使用Ru、Cr、Rh或Ir的溅射靶来沉积SyF耦合层110。在实施方式中，在操作136期间基板102的温度处于操作134处的基板温度下或低于操作134处的基板温度，如以上所述，操作134处的基板温度为自约200℃至约600℃。操作136处的基板温度促进形成SyF耦合层110的fcc晶格结构，SyF耦合层110的fcc晶格结构匹配下伏的第一钉扎层108的fcc晶格结构。在于操作136处形成SyF耦合层110的一个实例中，在使用Kr或Xe作为等离子体气体的PVD腔室中溅射Ir溅射靶。以自10sccm至25sccm的流动速率将由其形成等离子体的Xe气或Kr气引入至PVD腔室中，且在一些实例中，是以16sccm的气体流动速率引入。在于操作136处形成SyF耦合层110的另一实例中，在使用Ar等离子体的PVD腔室中溅射Ru溅射靶。以自2sccm至10sccm的气体流动速率将由其形成等离子体以溅射Ru靶的Ar气引入至PVD腔室中，且在一些实例中，Ar的气体流动速率为6sccm。另外，在操作136的实例中，当在PVD腔室中使用Kr气、Xe气或Ar气时，在负电压下将在150W与300W之间的功率施加至靶，以形成并维持Kr等离子体、Xe等离子体或Ar等离子体，且在一些实施方式中，使用约250W的功率。

在操作138处，在PVD腔室中，在SyF耦合层110上沉积第二钉扎层112。在操作138期间，基板102的温度约与操作136期间基板102的温度(自约200℃至约600℃)相同。初形成的第二钉扎层112具有fcc晶格结构，该fcc晶格结构匹配下伏的SyF耦合层110的fcc晶格结构。操作138期间的温度促进第二钉扎层112的fcc晶格结构的形成。在一个实例中，在PVD腔室中使用Co靶及Ar等离子体由Co形成第二钉扎层112。在另一实例中，第二钉扎层112包括双层，且可包括或可不包括形成为与该双层接触的Co层。

在至少一个双层形成为第二钉扎层112的部分的实例中，该双层是在PVD腔室中以与形成为第一钉扎层108的部分且在以上论述的双层类似的方式形成。在实施方式中，第二钉扎层112进一步包括形成于所述至少一个双层之上厚度为高达

在操作140处将结构阻挡层114沉积为包括bcc晶格结构。通过在于操作140处沉积结构阻挡层114之前在操作138A处降低基板温度来促进在操作140处结构阻挡层114的bcc晶格结构的形成。在实施方式中，结构阻挡层114是在PVD腔室中形成，该PVD腔室视结构阻挡层114的预期组成物而包含包括Ta、Mo和/或W的溅射靶。在操作140期间，基板102的温度可在于操作138A处建立的范围内，例如，自约-270℃至约100℃。在操作140期间可使基板温度保持在恒定温度下，或可自操作138处的温度上升至在-270℃至约100℃的范围内的不同温度。与更高沉积温度相比，操作140处的沉积温度促进结构阻挡层114形成为bcc晶格结构，所述更高沉积温度可导致结构阻挡层114非合乎需要地形成其他晶格结构，诸如，下伏的第二钉扎层112的fcc晶格结构。

随后在操作142处在结构阻挡层114上沉积磁性参考层116。可在使用为Co

在操作144处在磁性参考层116上沉积隧道势垒层118。在操作144处将隧道势垒层118沉积为具有bcc晶格结构。在操作144期间基板102之温度如以下所论述地变化。在一个实例中，在操作144期间沉积隧道势垒层118的第一部分，同时基板在第一温度下，该第一温度为与用于操作142的温度(自约-270℃至约100℃)相同的温度。在此实例中，在沉积了隧道势垒层118的第一部分之后，基板温度升高至自约300℃至约600℃或自约450℃至约500℃的第二温度，且在该第二温度下沉积隧道势垒层118的第二部分。隧道势垒层118的总厚度为自约

在操作144A处，在于操作144处形成隧道势垒层118之后，修改基板102的温度以促成隧道势垒层118的bcc晶格结构。在操作144A期间，使基板温度自在操作144处用于沉积隧道势垒层118的第二部分的第二温度(300℃至600℃)降低至自约-270℃至约100℃或自约-200℃至约25℃的温度。通过在操作144处隧道势垒层118的第一部分及第二部分的沉积之间加热，促进贯穿隧道势垒层118的bcc晶格结构的形成。操作144A处的随后冷却有助于阻止非期望的晶格结构在隧道势垒层中形成。

在操作146处，在PVD腔室中形成磁性存储层120。在操作146期间基板的温度可为自-270℃至约100℃。磁性存储层120具有初形成的bcc晶格结构。可视预期组成物而以各种方式形成磁性存储层120。磁性存储层120可包括Co

在一个实例中，可通过调整护罩以暴露或保护一或多个靶(诸如，以上所论述的用以形成Co

在实施方式中，在操作146A处，在磁性存储层120的沉积之后，可进一步修改基板102的温度。在操作146A处的基板温度修改的一个实例中，基板温度首先升高至自约300℃至约600℃或自约350℃至约450℃的温度。通过在于操作146处沉积磁性存储层120之后加热，磁性存储层120的晶格结构更容易形成为bcc晶格结构。另外，在操作146B处，基板102可选地在操作146A处的加热之后冷却至自约-270℃至约100℃或自约-200℃至约25℃的温度。在此实例中操作146B为可选的，因为磁性存储层120形成为具有bcc晶格结构，因而是否执行操作146B取决于第一覆盖夹层122A的预期晶格结构。若以下所论述的第一覆盖夹层122A具有除了bcc晶格结构以外的晶格结构，诸如，fcc晶格结构，则可在于操作148处形成第一覆盖夹层之前执行操作146B。在另一实例中，若第一覆盖夹层122A将形成为具有bcc晶格结构，例如，与下伏的磁性存储层120相同的晶格结构，则可不在操作148之前执行操作146B。

在实施方式中，在操作148处在可与形成非氧化物层所在的PVD腔室不同的PVD腔室中形成覆盖层122的第一覆盖夹层122A，因为当形成氧化物层时在操作148期间在该PVD腔室中存在Ar等离子体及O

另外，在方法100B中，在操作152处，在PVD腔室中在第二覆盖夹层122B之上沉积硬掩模层124。取决于MTJ堆叠100A中所使用的硬掩模层124的类型，操作152在存在O

在操作154的替代性实施方式中，执行热退火操作以修复、结晶化且增强膜堆叠的晶格结构，所述膜堆叠包括MTJ堆叠100A中的(若干)磁性存储层及(若干)磁性参考层。在操作154处执行的热退火可用以进一步使至少(若干)磁性参考层116及(若干)磁性存储层120的材料结晶化。在(若干)磁性参考层及(若干)磁性存储层的沉积之后，那些层的结晶化建立了MTJ堆叠100A的垂直各向异性，同时维持其所需电学性质及机械性质。以下示出并论述遵循方法100B的操作制造的MTJ堆叠的实施方式，且这些实施方式经配置以在于操作154处执行的热退火操作之后和/或在大约400℃的高温下发生的额外或替代性后端处理操作期间维持第一钉扎层及第二钉扎层的初沉积的面心立方(fcc)<111>结晶结构。

图2A至图2F为根据本公开内容的实施方式制造的MTJ堆叠的层的示意图。图2A为根据本公开内容的实施方式的缓冲层104的放大图。缓冲层104包括钽(Ta)或TaN，或Ta及TaN层状堆叠，且在一些实例中，包括单独的Co

图2B为根据本公开内容的实施方式的第一钉扎层108的放大图。第一钉扎层108由至少一个双层230制造，且当采用两个或两个以上双层230时，可将两个或两个以上双层230视为形成双层堆叠234。每一双层230由第一夹层208A及第二夹层208B制造。将第一钉扎层108的双层表达为(X/Y)

图2C为根据本公开内容的实施方式的第二钉扎层112的放大图。在实施方式中，由至少一个双层232制造第二钉扎层112。每一双层232包括可为Co的第一夹层212A，以及可为Pt或Ni或上述的组合或合金的第二夹层212B。当第二钉扎层112中采用诸如双层232的两个或两个以上双层时，可将该两个或两个以上双层称作双层堆叠236。因此，在图1B中的操作138处，当沉积一或多个双层时，可使用单独的溅射靶形成双层232的第一夹层208A及第二夹层208B中的每一层。将第二钉扎层112的至少一个双层232表达为(X/Y)

另外，在另一实施方式中，第二钉扎层112包括形成于至少一个双层232的顶部上的Co的上覆层212C。在第二钉扎层112的其他实例中，不存在上覆层212C。在实施方式中，上覆层212C为自约

在实施方式中，第一钉扎层108及第二钉扎层112各自包括相同的夹层组成物和/或不同的夹层厚度。在替代性实施方式中，第一钉扎层108及第二钉扎层112各自包括不同组成物和/或厚度。在实施方式中，第一钉扎层108包括至少一个双层，所述至少一个双层包括Co的第一夹层及Pt的第二夹层，且该第一钉扎层108进一步包括形成于所述至少一个双层之上的Co上覆层。在此实例中，第二钉扎层112形成于SyF耦合层110之上且包括一或多个双层。在实施方式中，第二钉扎层112的一或多个双层包括Co的第一夹层及Pt的第二夹层。在另一实施方式中，第一钉扎层108包括至少一个双层，所述至少一个双层包括Co的第一夹层及Ni的第二夹层，且该第一钉扎层108进一步包括形成于所述至少一个双层之上的Co上覆层以使得Co上覆层与由Ir形成的SyF耦合层110接触。在此实例中，第二钉扎层112包括一或多个双层。在此实施方式中，第二钉扎层112的一或多个双层包括Co的第一夹层及Pt的第二夹层。

图2D为根据本公开内容的实施方式的实例隧道势垒层118的放大图。隧道势垒层118具有总厚度T

图2E为根据本公开内容的实施方式的实例磁性存储层120的放大图。如图2E中所示，磁性存储层120的第一磁层220A及磁性存储层120的第二磁层220B各自由Co

图2F为根据本公开内容的实施方式的实例覆盖层122的放大图。覆盖层122的总厚度为自

图3示出根据本文所述实施方式的PVD腔室300。如上所述，可采用多个PVD腔室来形成MTJ堆叠100A。PVD腔室300为可经配置以形成MTJ堆叠100A的一或多个层的实例PVD腔室。PVD腔室300包括腔室顶部330、腔室底部332及腔室壁328。适用于接收包括至少一个溅射靶的靶匣304的靶支撑件302耦接至腔室顶部330。在一些实施方式中，靶支撑件302可适用于支撑和/或驱动可旋转靶，诸如，本文所论述的受防护的靶。靶匣304可由诸如基于铜的材料的导电材料制造，或可由诸如靶306A或306B的与耦接至匣的靶相同的材料制造。在替代性实施方式中，匣可由非导电材料制造且可包括导电元件。虽然本文中示出了实例PVD腔室300，但如上所述可使用多个PVD腔室来形成MTJ堆叠，一些PVD腔室可经配置以形成氧化物层或氮化物层，且一或多个PVD腔室可如其中提供一或多个靶的图3中所示进行配置。在一个实例中，PVD腔室300包括靶匣304，该靶匣304可包括示出为306A及306B的一或多个溅射靶。以下在图4中描述靶匣304。防护机构308设置成与靶支撑件302相对，且在方法100B中所论述的MTJ堆叠形成期间选择性地防护靶匣304中的一或多个靶(306A/306B)使其免受等离子体影响。防护机构308可在方法100B的不同操作处旋转，以使一或多个靶(306A/306B)连续地或同时地暴露于PVD腔室中的等离子体。

另外，在实例PVD腔室300中，基板支撑件基座320被定位成朝向腔室底部332而与靶匣304相对，且当基座320处在如上所述的用于沉积的预定温度下时，将基板310设置在基板支撑件基座320上。基板支撑件基座320可具有与其耦接或设置于其中的一或多个加热元件318。加热元件318可用以在MTJ堆叠形成操作、诸如是以上在图1B中论述的操作期间升高和/或降低基板310的温度。控制器324与PVD腔室300通信，且经配置以执行多个指令以形成MTJ堆叠。控制器324经配置以执行来自计算机可读媒体的指令，所述指令经配置以使计算系统执行例如方法100B。由控制器324执行的指令可包括方法100B的各种方面，包括将在沉积工艺期间暴露或防护哪一或多个靶306A/306B、PVD腔室的压力，和/或在MTJ堆叠的每一层的形成之前、在此期间及在此之后PVD腔室的温度。指令可进一步包括是否和/或何时将基板移送至与PVD腔室300不同的PVD腔室。虽然图3示出了基板支撑件基座320，但可将其他配置用于基座支撑件。PVD腔室300进一步包括电源312，该电源312用于将电压施加至阴极(其可例如为靶匣304和/或(若干)靶306A/306B)及阳极(其可例如为基板310)。作为实例，在图3中，将靶306A及306B示为阴极，且将基板支撑件基座320示为阳极。在一些实例中，每一靶306A及306B充当单独的电极。所施加的电压在处理区域330中产生电场，该电场可用以形成等离子体以溅射靶匣304中的一或多个靶306A/306B。根据本文所述实施方式的PVD腔室300可具有气体歧管(未示出)，该气体歧管耦接至形成于腔室壁328中的第一气体入口314及第二气体入口316。气体歧管经配置以供应来自气源(未绘出)的气体，包括诸如如下的气体：可用以形成等离子体的Ar、Xe及Kr；以及He及H

在PVD腔室300的操作期间，例如，在MTJ堆叠的形成期间，基板中的加热器318经调整以将基板310调至预定温度。在另一实例中，PVD腔室300包括用以升高或降低基板310的温度的多个辐射加热灯326。虽然在图3中将多个辐射加热灯326示为设置在基板支撑件基座320以下，但在其他实例中，可将多个辐射加热灯326设置在基板310上方和/或腔室内相对于基板310的其他位置处。在其他实施方式中，可使用激光来控制基板310的温度。该激光可经配置以在激光腔室中操作，该激光腔室耦接至PVD腔室300或耦接至亦耦接至PVD腔室300的移送腔室。对基板的温度的调整可响应于由控制器324执行的MTJ堆叠制造指令的执行。这些指令可取决于包括用以形成MTJ堆叠的层的材料以及那些层的预期晶格结构的因素。

图4为根据本公开内容的实施方式的实例靶匣。图4图示靶匣402，该靶匣402可类似于图3中的靶匣304。靶匣402包括多个溅射靶404A、404B、404C及404D。虽然在图4中示出四个溅射靶，但在一些实例中使用单个靶，且在其他实例中可使用2至10个或更多个靶。每一靶404A、404B、404C及404D可包括元素或合金或化合物。来自图3的防护机构308可移动，以在各种层的沉积期间选择性地露出一或多个溅射靶。支撑结构406经配置以进一步分离溅射靶404A、404B、404C及404D。支撑结构406充当相邻靶之间的壁，以与图3中的防护机构308一致地起作用以在沉积期间使一或多个靶与等离子体隔离。虽然在图4中将靶匣402示为具有圆形形状，但在其他实施方式中，可将多边形、椭圆形或其他几何形状用于靶匣。类似地，虽然在图4中将溅射靶404A、404B、404C及404D示为具有圆形形状且为类似形状及大小，但在替代性实施方式中可采用包括多边形的各种几何形状，且溅射靶的形状及大小两者均可变化。

使用本文所论述的系统及方法，通过在MTJ堆叠的各种层的层沉积期间、在此之前和/或在此之后使基板温度变化而制造出改良的MTJ堆叠。可调节各种层的沉积期间的基板温度，以促进形成与下层的晶格结构相同的层晶格结构，抑或阻止下层的纹理以使得沉积在下层的顶部上的层形成与下层的晶格结构不同的晶格结构。所得MTJ堆叠因此被制造成具有改良的晶格匹配，且在大约400℃的温度下的处理之后维持多个磁性性质及电学性质。

虽然前文针对本公开内容的实施方式，但在不脱离本公开内容的基本范围的情况下可设计本公开内容的其他及另外实施方式，且本公开内容的范围由随附的权利要求书来确定。