自旋扭矩磁阻存儲元件及其制造方法
【專利摘要】一種自旋扭矩磁阻存儲元件具有高磁阻和低電流密度。自由磁層位于第一自旋極化器與第二自旋極化器之間。第一隧道勢壘位于第一自旋極化器與自由磁層之間,第二隧道勢壘位于第二自旋極化器與自由磁層之間。第二隧道勢壘的磁阻比率具有比第一隧道勢壘的磁阻的兩倍大的值。
【專利說明】自旋扭矩磁阻存儲元件及其制造方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年6月10日提交的序號為13/158,171的美國非臨時申請的優(yōu)先權(quán)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本文中所描述的示例性實施例通常涉及磁阻隨機存取存儲器(MRAM),更具體地,涉及自旋扭矩MRAM元件。
【背景技術(shù)】
[0004]磁電子器件、自旋電子器件(“spinelectronic devices” 和 “spintronicdevices”)是用于利用主要由電子自旋引起的效應的器件的同義詞。磁電子在大量的信息器件中被用于提供非易失性的、可靠的、抗輻射的、以及高密度的數(shù)據(jù)存儲和檢索。大量的磁電子信息器件包括但不限于,磁阻隨機存取存儲器(MRAM)、磁傳感器和/或用于盤驅(qū)動器的讀取/寫入頭。
[0005]典型地,MRAM包括磁阻存儲元件的陣列。每個磁阻存儲元件典型地具有包括通過各種非磁層分隔的多個磁層的結(jié)構(gòu)(諸如磁隧道結(jié)(MTJ)),并且呈現(xiàn)出取決于器件的磁狀態(tài)的電阻。信息被存儲為磁層中的磁化矢量的方向。一個磁層中的磁化矢量是磁固定或釘扎的,而另一個磁層中的磁化方向可以在分別被稱為“平行”狀態(tài)和“反平行”狀態(tài)的相同方向與相反方向之間切換。對應于平行磁狀態(tài)和反平行磁狀態(tài),磁存儲元件分別具有低電阻狀態(tài)和高電阻狀態(tài)。因此,電阻的檢測允許磁阻存儲元件(諸如MTJ器件)提供存儲在磁存儲元件中的信息。存在被用于對自由層進行編程的兩種完全不同的方法:場切換和自旋扭矩切換。在場切換MRAM中,與MTJ位元(bit)相鄰的載流線被用于產(chǎn)生作用于自由層上的磁場。在自旋扭矩MRAM中,利用通過MTJ自身的電流脈沖實現(xiàn)切換。自旋極化的隧穿(tunneling)電流所傳載的自旋角動量引起自由層的逆轉(zhuǎn)(reversal),最終狀態(tài)(平行或反平行)由電流脈沖的極性確定。已知自旋扭矩轉(zhuǎn)換在被構(gòu)圖或者以其它方式布置以使得電流基本上垂直于界面流動的巨磁阻器件和MTJ器件中發(fā)生,并且當電流基本上垂直于疇壁流動時,在簡單的絲狀結(jié)構(gòu)中發(fā)生。呈現(xiàn)磁阻的任何這樣的結(jié)構(gòu)具有成為自旋扭矩磁阻存儲元件的可能。切換自由層的磁狀態(tài)所需的平均電流被稱為臨界電流(Ic)。臨界電流密度(Jc)是位元的每一區(qū)域的平均臨界電流(Jc=Ic/A),并且由電路供給以切換存儲陣列中的自旋扭矩MRAM元件的電流是寫入電流(Iw)。為使更小的存取晶體管可以被用于每個位元單元(cell)并且可以產(chǎn)生更高密度的、更低成本的存儲器,減小寫入電流Iw是可期望的。降低Jc對于防止編程期間隧道勢壘損壞是可期望的。
[0006]為了減小寫入電流,一些自旋扭矩MRAM元件融入了雙自旋過濾結(jié)構(gòu),其中,MTJ疊層(stack)包括兩個不同的自旋極化層(自由層的每側(cè)上各一個),以通過增大自由層上的自旋扭矩改善自旋扭矩轉(zhuǎn)換效率來降低Jc,從而導致低的寫入電流。一些雙自旋過濾器件與單隧道勢壘器件相比,具有用于提供在電流升高/下降方向上更對稱的寫入電流和低的Jc的兩個隧道勢壘。
[0007]雙自旋過濾器件要求自由層的任一側(cè)的自旋極化固定層具有相對的磁化方向,以使得當電流向上或向下流過器件時,來自這兩個固定層中的每一個的自旋扭矩效應將一起作用以將自由層磁化切換到所需的方向。提供這樣的相對的固定層的一種方式是使用自由層的一側(cè)的釘扎合成反鐵磁(SAF)固定區(qū)域和另一側(cè)的單個釘扎層。另一種已知的雙自旋過濾器件包括自由層的相對側(cè)上的三層SAF和兩層SAF。然而,與單隧道勢壘器件相比,具有這樣的相對的固定層的器件的磁阻比率(MR)減小,因為當一個隧道結(jié)處于反平行狀態(tài)時,另一個隧道結(jié)處于平行狀態(tài)。
[0008]該結(jié)構(gòu)將具有取決于自由磁層已經(jīng)被寫入的穩(wěn)定磁狀態(tài)的不同電阻。為了實現(xiàn)包含更好的讀取信號或改善的MR的磁元件,各個電阻之間的更大的差異,以及由此更大的MR,是可期望的。
[0009]因此,可期望的是提供一種具有低的臨界電流密度以及高的MR的自旋扭矩磁阻存儲元件。此外,從后續(xù)的與附圖以及前述【技術(shù)領(lǐng)域】和【背景技術(shù)】結(jié)合進行的詳細描述和隨附權(quán)利要求中,示例性實施例的其它可期望的特征和特性將變得清楚。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]一種自旋扭矩磁阻存儲元件形成在具有限定平面的表面的基板上。該自旋扭矩磁阻存儲兀件包括:第一電極,其包括形成在基板上方的鐵磁材料;第二電極;自由磁層;第一隧道勢魚,其位于自由磁層與第一電極之間以形成具有第一磁阻比率和第一電阻面積乘積的第一隧道結(jié);以及第二隧道勢壘,其位于自由磁層與第二電極之間以形成具有第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的第二隧道結(jié),其中,第一磁阻比率和第一電阻面積乘積分別為少于第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的一半或者多于第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的兩倍中的一個。
[0011]一種用于在具有限定平面的表面的基板上形成自旋扭矩磁阻存儲元件的方法,包括:在基板上方形成包括鐵磁材料的第一電極;在第一電極上方形成第一隧道勢壘;在第一隧道勢壘上方形成自由磁層,從而形成具有第一磁阻比率和第一電阻面積乘積的第一隧道結(jié);在自由磁層上方形成第二隧道勢壘;以及在第二隧道勢壘上方形成第二電極,從而形成具有第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的第二隧道結(jié),其中,第一磁阻比率和第一電阻面積乘積分別為少于第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的一半或者多于第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的兩倍中的一個。
[0012]另一種用于形成自旋扭矩MRAM元件的方法,包括:形成第一隧道勢壘;形成第二隧道勢壘;在第一隧道勢壘與第二隧道勢壘之間形成自由層;在第一隧道勢壘的與自由層相對的一側(cè)形成第一電極,從而形成具有第一磁阻比率和第一電阻面積乘積的第一隧道結(jié);以及在第二隧道勢壘的與自由層相對的一側(cè)形成第二電極,從而形成具有第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的第二隧道結(jié),其中,第一磁阻比率比第二磁阻比率的兩倍多,第一電阻面積乘積比第二電阻面積乘積的兩倍多。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]以下將結(jié)合以下的附圖描述本發(fā)明,其中,相似的數(shù)字表示相似的元件,并且[0014]圖1是根據(jù)示例性實施例的自旋扭矩磁阻存儲元件的截面;
[0015]圖2是根據(jù)另一示例性實施例的自旋扭矩磁阻存儲元件的截面;
[0016]圖3是根據(jù)又一示例性實施例的自旋扭矩磁阻存儲元件的截面;
[0017]圖4是根據(jù)還一示例性實施例的自旋扭矩磁阻存儲元件的截面;
[0018]圖5是自由層包括Ta的頂部和底部隧道勢壘以及在自由層中不具有Ta插入物的頂部和底部隧道勢壘的磁阻對電阻/面積的示圖;
[0019]圖6是在自由層內(nèi)具有Ta插入物的雙隧道勢壘器件的磁阻對電阻/面積的示圖;
[0020]圖7是在自由層內(nèi)具有Ru層的雙隧道勢壘器件的磁阻對電阻面積的示圖;
[0021]圖8是根據(jù)另一示例性實施例的自旋扭矩磁阻存儲元件的截面;
[0022]圖9是根據(jù)又一示例性實施例的自旋扭矩磁阻存儲元件的截面;
[0023]圖10是根據(jù)用于制造自旋扭矩磁阻存儲元件的處理的示例性實施例的流程圖;
[0024]圖11是根據(jù)用于制造自旋扭矩磁阻存儲元件的處理的另一示例性實施例的流程圖;
[0025]圖12是根據(jù)用于制造自旋扭矩磁阻存儲元件的處理的又一示例性實施例的流程圖;
[0026]圖13是根據(jù)用于制造自旋扭矩磁阻存儲元件的處理的還一示例性實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0027]以下詳細描述在本質(zhì)上僅僅是說明性的,并非意圖限制本申請或主題的實施例以及這樣的實施例的使用。本文中被描述為示例性的任何實現(xiàn)并不一定要被解讀為較其它實現(xiàn)是優(yōu)選的或有利的。此外,不存在受前述【技術(shù)領(lǐng)域】、【背景技術(shù)】、
【發(fā)明內(nèi)容】
或以下詳細描述中所給出的任何表達或隱含的理論的限制的意圖。
[0028]為了使說明簡單并且清楚,附圖描繪了各種實施例的總體結(jié)構(gòu)和/或構(gòu)造方式??梢允∪ス卣骱图夹g(shù)的描述和細節(jié),以避免不必要地模糊其它特征。附圖中的元件不一定按比例繪制:一些特征的尺寸相對于其它元件可以擴大以幫助改善示例實施例的理解。
[0029]諸如“第一”、“第二”、“第三”等的枚舉術(shù)語可以用于區(qū)分類似的元件,并且不一定用于描述特定的空間或時間順序。如此使用的這些術(shù)語在合適的情況下是可互換的。本文中所描述的本發(fā)明的實施例例如能夠以除了本文中所說明的或以其它方式描述的那些順序之外的順序使用。
[0030]術(shù)語“包括”、“包含”、“具有”及其任何變型被同義地用于表示非排他性的包含。術(shù)語“示例性的”在“示例”的意義上被使用、而非“理想的”。
[0031]為了簡潔起見,在本文中可以不描述本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的常規(guī)技術(shù)、結(jié)構(gòu)和原理,包括,例如,標準磁性隨機存取存儲器(MRAM)處理技術(shù)、磁性的基本原理、以及存儲器件的基本操作原理。
[0032]總之,本文中所描述的是一種具有高的磁阻比率以及低的自旋扭矩臨界電流密度的自旋扭矩磁阻存儲器件。該結(jié)構(gòu)包括位于第一電極與第二電極之間的自由層、位于第一電極與自由層之間形成第一隧道結(jié)的第一隧道勢壘、以及位于第二電極與自由層之間形成第二隧道結(jié)的第二隧道勢壘。隧道勢壘可以包括例如MgO。第一電極和第二電極中的一個或兩個可以包括充當提供極化的隧穿電流的自旋極化器(polarizer)的固定磁層。在第一電極和第二電極包括自旋極化器的第一示例性實施例中,第一電極與第二電極相比包括具有低Fe含量并且高B含量的鐵磁合金,并且第一隧道結(jié)與第二隧道結(jié)相比具有更低的電阻面積乘積(RA)。在第二示例性實施例中,自由層包括與第二隧道勢壘接觸的高Fe界面區(qū)域。在第三示例性實施例中,第一電極是自旋極化器,第二電極是非鐵磁材料,并且第一隧道結(jié)與第二隧道結(jié)相比具有更高的RA。自由層可以包括可選的與第一隧道勢壘接觸的高Fe界面區(qū)域,并且它可以包括與第二隧道勢壘接觸的第二高Fe界面區(qū)域。在第四示例性實施例中,自由層是包括鐵磁材料的層(優(yōu)選地,CoFeB合金)的組成調(diào)制結(jié)構(gòu),由包括非鐵磁過渡金屬(諸如,Ta、Nb、V、Zr或Ru)的一個或多個更薄的層分隔。非鐵磁過渡金屬降低了自由層的磁化,這從而允許典型地具有更好的磁切換特性的更厚的層,并且它可以被用于調(diào)諧交換耦合以用于降低的自旋扭矩臨界電流。自由層可以包括CoFeB和包括一種或多種非鐵磁過渡金屬的更薄的層的多個交替層。
[0033]在本描述的過程中,根據(jù)示出各種示例性實施例的不同圖,相似的編號被用于識別相似的元件。
[0034]自旋扭矩效應對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的。簡要地講,在電子通過第一磁層比第二磁層穩(wěn)定得多的磁/非磁/磁三層結(jié)構(gòu)中的第一磁層之后,電流變?yōu)樽孕龢O化。第一層與第二層相比的更高的穩(wěn)定性可以由包括以下因素的幾個因素中的一個或多個確定:由于厚度或磁化而導致磁矩更大、耦合到相鄰的反鐵磁層、如SAF結(jié)構(gòu)中那樣耦合到另一鐵磁層、或高的磁各向異性。自旋極化電子越過非磁間隔物(spacer),然后,通過自旋角動量的守恒,對第二磁層施加自旋扭矩,該自旋扭矩引起它的磁矩的進動,并且如果電流在合適的方向上,還切換到不同的穩(wěn)定的磁狀態(tài)。當從第一層移動到第二層的自旋極化的電子的凈電流超過第一臨界電流值時,第二層將將它的磁取向切換到與第一層的磁取向平行。如果相對極性的偏置被施加,則從第二層到第一層的電子的凈流將將第二層的磁取向切換到與第一層的磁取向反平行,假如電流的大小高于第二臨界電流值。在這個相反方向上的切換涉及從間隔物與第一磁層之間的界面反射并且在整個非磁間隔物上來回行進以與第二磁層相互作用的電子的一小部分。
[0035]磁阻是材料改變它的取決于其磁狀態(tài)的電阻的值的性質(zhì)。典型地,對于具有由導電的或隧穿的間隔物分割的兩個鐵磁層的結(jié)構(gòu),當?shù)诙艑拥拇呕c第一磁層的磁化反平行時,電阻最高,當它們平行時,電阻最低。MR被限定為(RH-RL)/RL,其中,RL和RH分別是低電阻狀態(tài)和高電阻狀態(tài)下的器件電阻。當間隔層是電介質(zhì)隧道勢壘時,隧穿電阻由電阻面積乘積(RA)來測量,使得對于垂直于膜平面通過的隧穿電流,具有面積α的器件的隧穿電阻R由RA/α給出。如本文中所使用的,術(shù)語“膜”等同于薄層,術(shù)語“膜平面”是對于膜或?qū)拥谋砻娴钠矫妗?br>
[0036]圖1是根據(jù)示例性實施例配置的MRAM器件100的側(cè)截面圖。在實際中,MRAM架構(gòu)或器件將包括典型地以列和行的矩陣組織的許多MRAM器件100。示例性MRAM位元結(jié)構(gòu)(或“疊層”)100通常包括分別通過隧道勢壘108和110與頂部電極104和底部電極106分隔的自由磁層(或“自由層”)102。隧道勢壘108和110中的任何一個或兩個可以是電介質(zhì),典型地,諸如MgO或AlOx的氧化物。為了清晰的目的,在圖中沒有示出一些常用層,包括各種保護蓋層、種子層和底層基板(其可以是常規(guī)的半導體基板或任何其它合適的結(jié)構(gòu))。對于下述示例性實施例,底部電極106是鐵磁極化器,而頂部電極104可以是非鐵磁材料或鐵磁極化器。通常,如本行業(yè)所公知的,鐵磁極化器將包括釘扎層、釘扎磁層、耦合間隔層、以及與隧道勢壘相鄰的固定磁層。
[0037]包括自由層102、隧道勢壘110和底部電極106的三個層形成具有大于零的MR和第一 RA的第一磁隧道結(jié)。包括自由層102、隧道勢壘108和頂部電極104的三個層形成具有等于或大于零的MR和第二 RA的第二磁隧道結(jié)。為了 MRAM器件100具有良好的MR,可期望的是使第二 MR少于第一 MR的一半,并且第二 RA少于第一 RA的一半。更優(yōu)選地,第二MR少于第一 MR的四分之一,并且第二 RA少于第一 RA的四分之一。
[0038]可以通過改變隧道勢壘層108、110的厚度或者通過當形成電介質(zhì)時使用不同劑量的氧化來調(diào)整兩個隧道勢壘的RA的差異??梢酝ㄟ^在隧道勢壘界面107、109處使用其為低極化界面層或者高極化界面層的薄層、以及通過選擇用于底部電極和頂部電極的合金來調(diào)整每個結(jié)的MR。
[0039]圖2是根據(jù)示例性實施例配置的MRAM器件200的側(cè)截面圖,其中,兩個電極都是自旋極化器,從而導致可以被稱為雙自旋過濾MTJ的器件。示例性雙自旋過濾MTJ位元結(jié)構(gòu)(或“疊層”)200通常包括分別經(jīng)由隧道勢壘208和210與頂部電極204和底部電極206分隔的自由磁層(或“自由層”)202。層208和210 二者都是電介質(zhì)。
[0040]底部電極206具有當自由層202在其兩個或更多個穩(wěn)定狀態(tài)之間切換時不改變的固定磁化狀態(tài)。在實際的實施例中,底部電極206可以包括形成在導體222上的、用于便利于在其上形成由反鐵磁材料(例如,IrMruPtMn或FeMn)制成的釘扎層214的模板或種子層212。模板/種子層212優(yōu)選地為非磁性材料,例如,Ta、TaN, Al、Ru,但是也可以為磁性材料,例如,NiFe或CoFe。模板/種子層212可以包括兩個層,或者在導體222為后續(xù)層提供所需的生長特性的情況下可以被省去。器件200的底部電極206包括通過耦合層228和213反鐵磁耦合的三個鐵磁層216、226和220。釘扎層214確定形成在其上的釘扎鐵磁層216的磁矩的取向。鐵磁層226通過耦合層228與釘扎層216反鐵磁耦合,以使得在沒有外部場時它們的磁矩取向反平行,并且固定層220通過耦合層213與鐵磁層226反鐵磁耦合,以使得在沒有外部場時它們的磁矩取向反平行。鐵磁層216、226和220可以由任何合適的磁性材料形成,諸如元素N1、Fe、Co中的至少一種或者它們的合金,其包括融入了額外的元素(諸如B、C、Ta、V、Zt和其它元素)以及所謂的半金屬鐵磁體(諸如NiMnSb、PtMnSb,
Fe3O4或CrO2)的合金。在一個實施例中,例如,釘扎磁層216和鐵磁層220包括20-50A的
CoFe,固定鐵磁層220包括大約20-30人的CoFeB,以及自由磁層202包括大約20-35人的CoFeB0耦合層228和213由任何合適的非磁性材料形成,包括元素Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cu、Cr中的至少一種或者它們的組合。這樣的合成反鐵磁結(jié)構(gòu)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的,因此,本文中將不詳細描述它們的操作。底部電極被選擇為具有器件200中的三個鐵磁層的SAF,而頂部電極204被選擇為具有兩個鐵磁層的SAF,以使得當在如以下所述的對于MTJ疊層的典型條件下進行處理時,固定層220的磁化方向和頂部固定層232的磁化方向?qū)⒒旧鲜欠雌叫械摹?br>
[0041 ] 在該圖示中,箭頭被用于對于各個層指示磁矩或磁化的方向。通過在強施加磁場下使用高溫退火來典型地設(shè)置頂部固定層和底部固定層220、232的磁化方向。在退火期間,鐵磁層與強磁場對準。當場退火完成時,反鐵磁釘扎材料(諸如釘扎層214中所使用的反鐵磁釘扎材料)在所施加的場的方向上將交換偏置提供給相鄰的鐵磁釘扎層。
[0042]頂部電極204包括兩個鐵磁層232與234之間的非磁性材料(“間隔層”或“耦合層”)230。鐵磁層232和234的磁矩通過耦合層230反鐵磁耦合,以使得在沒有外部場時它們的磁矩取向反平行。頂部釘扎層244可以被用于以釘扎層214為釘扎層216定向的方式相同的方式為鐵磁層234的磁矩定向。在場退火之后,釘扎材料將使頂部釘扎層234和底部釘扎層216在相同的方向上偏置。由于形成底部電極的SAF具有比形成頂部電極的SAF多一個的鐵磁層,所以底部固定層220的磁化將被設(shè)置在與頂部固定層232的磁化反平行的方向上,從而提供用于增加來自兩個固定層的、對傳送到自由層202的自旋扭矩的貢獻的必要磁構(gòu)造。
[0043]頂部電極204是合成反鐵磁體(SAF),原因在于它包括通過非磁性耦合層分隔的兩個鐵磁層,該耦合層的厚度被選擇以提供這兩個鐵磁層之間的強反鐵磁耦合。對于頂部電極204中的層的有用材料與用于底部電極206的材料相同。在一個實施例中,例如,頂部
釘扎磁層234包括20-30 A的CoFe,鐵磁固定層232包括大約20-30入的CoFeB。在本領(lǐng)
域(例如,美國專利7,605,437)中已知,可以存在消除頂部釘扎層244而且代替地設(shè)計電極204以作為“非釘扎”SAF工作的優(yōu)點。通過將磁性非對稱性設(shè)計到結(jié)構(gòu)中(諸如SAF232與234的鐵磁層之間的矩不平衡)來設(shè)置非釘扎SAF的磁取向。
[0044]對于固定層220和232的磁矩可期望的是相對地不被來自自由層202的自旋轉(zhuǎn)換扭矩影響,以使得當寫入電流被施加時,僅自由層202的方向改變。每個SAF結(jié)構(gòu)中的層之間的強耦合和SAF與自由層202相比的大磁量使得固定層穩(wěn)定。對于釘扎材料的強交換耦合除了限定參考方向之外還有助于額外的穩(wěn)定性。
[0045]第一導體和第二導體222、224由能夠?qū)щ姷娜魏魏线m的材料形成。例如,導體222、224可以由元素Al、Cu、Ta、TaNx、Ti中的至少一種或者它們的組合形成。各種鐵磁層可以包括具有如上所述的所需的鐵磁性質(zhì)的任何合適的材料。使自由層所經(jīng)歷的凈磁耦合接近零是有利的,以使得自由層的切換特性是對稱的。這可以通過調(diào)整頂部電極和底部電極中的每個鐵磁層的厚度來實現(xiàn)。由于本領(lǐng)域中已知的各種機理,在固定層與自由層之間典型地存在鐵磁耦合。當頂部固定層和底部固定層存在并且如器件200中所示的那樣在相反的方向上取向時,一個固定層的鐵磁層間耦合與另一個固定層的鐵磁層間耦合相反,從而減小凈耦合。由于在層的構(gòu)圖邊緣處形成的極點(Po I e ),在構(gòu)圖的磁性結(jié)構(gòu)中的層之間典型地存在反鐵磁耦合。由于SAF結(jié)構(gòu)中的每個層的磁化與SAF中的最近的另一鐵磁層相反,所以它們對彼此具有抵消效果。在包括如器件200所示的三層SAF的底部電極中,中間鐵磁層226典型地被設(shè)計為具有比鐵磁層216和220高的磁矩,以使得由層226創(chuàng)建的偶極場基本上抵消由層216和220創(chuàng)建的偶極場。在優(yōu)化的結(jié)構(gòu)中,層厚度被調(diào)整,以使得自由層所經(jīng)歷的所有的耦合源總和接近于零。
[0046]在一個實施例中,耦合層228、213、230包括厚度約為8人的Ru。在替代的實施例
中,耦合層中的一些或全部可以包括在連續(xù)的磁性膜之間不產(chǎn)生任何反平行耦合、而僅在這些磁性膜之間引起交換去耦的材料,諸如Ti或Ta。在該實施例中,由于在每個層的構(gòu)圖邊緣處產(chǎn)生的靜磁偶極場,所以鐵磁SAF層將被反鐵磁耦合。這些替代的耦合層對于被構(gòu)圖為少于大約30nm的尺寸的器件將是有用的,因為這種類型的靜磁耦合對于較小的構(gòu)圖形狀更強。
[0047]在制造MRAM結(jié)構(gòu)200的期間,每個后續(xù)層(即,層222、212、214、216、228、226、213、220、210、202、208、232、230、234、244、224)被順序地沉積或以其它方式形成,并且可以根據(jù)半導體行業(yè)中已知的各種常規(guī)技術(shù)中的任何一種,通過選擇性沉積、光刻處理和蝕刻來限定每個MRAM位元。在各個固定磁體層和自由磁體層的沉積期間,可以提供磁場以設(shè)置層的優(yōu)選的易磁化軸(即,經(jīng)由感生各向異性)。類似地,在后沉積高溫退火步驟期間所施加的強磁場可以用于感生(induce)對于任何反鐵磁釘扎材料的優(yōu)選的易軸和優(yōu)選的釘扎方向。
[0048]自由磁層202由具有兩個或更多個穩(wěn)定的磁狀態(tài)的鐵磁材料形成。例如,自由磁性元件202可以由包括元素N1、Fe和Co中的至少一個的各種鐵磁合金形成。額外的元素被添加到合金以提供改善的磁性、電氣或顯微結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。與常規(guī)的MRAM器件一樣,自由磁性元件202的磁化的方向確定元件的電阻。在實際中,對于兩狀態(tài)器件,自由磁性元件202的磁化的方向平行于或反平行于固定磁層的磁化,從而導致表示“O”位元狀態(tài)或“ I”位元狀態(tài)的低電阻或高電阻。此外,自由磁性元件202可以具有面內(nèi)磁化,而鐵磁自旋極化器具有面外磁化。
[0049]自由磁層202具有限定其磁化的自然軸或“默認”軸的磁化易軸。當MRAM器件200處于沒有電流從導體222施加到導體224的穩(wěn)定狀態(tài)條件下時,自由磁性元件202的磁化將自然地沿著它的易軸指向。MRAM器件200被合適地配置為對于自由磁性元件202建立特定的易軸方向。從圖2的角度來看,自由磁性元件202的易軸指向右或者左。在實際中,MRAM器件200利用自由磁層202中的各向異性(諸如形狀、晶體或界面各向異性)來實現(xiàn)各個易軸的取向。本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解,一些材料具有強垂直各向異性,其可以被用于使具有兩種磁狀態(tài)的自由層沿著垂直易軸排列,所以這兩種磁狀態(tài)在圖2中向上和向下。對于這樣的器件,還使用一個或多個垂直固定層。
[0050]除了傳載寫入電流之外,導體222和224還用作用于MRAM器件200的數(shù)據(jù)讀取導體。關(guān)于這一點,可以根據(jù)常規(guī)技術(shù)讀取MRAM器件200中的數(shù)據(jù):小的電流流經(jīng)MRAM器件200和電極224,并且對該電流進行測量以確定MRAM器件200的電阻是相對較高還是相對較低。讀取電流比通過自旋扭矩切換自由層所需的電流小得多,以便避免由讀取單元(cell)而引起的干擾。
[0051]在實際中,MRAM器件200可以利用替代的和/或額外的元件,并且圖2中所描繪的元件中的一個或多個可以被實現(xiàn)為子元件的組合或復合結(jié)構(gòu)。圖2中所示的層的特定布置僅表不本發(fā)明的一種合適的實施例。
[0052]為了確定磁性元件的狀態(tài)的變化,磁阻必須足夠高。本文中描述了用于隨低臨界電流密度(Jc)一起提供高磁阻的三個示例性實施例。對于具有兩個隧道結(jié)的結(jié)構(gòu),當一個結(jié)通過當自由層改變狀態(tài)時具有比另一個結(jié)大得多的電阻變化來主導(dominate)電阻變化時,MR被最大。這通過具有MR和RA 二者都大于另一個結(jié)的主導結(jié)來最佳地實現(xiàn)。
[0053]在本發(fā)明中,主導隧道結(jié)的高MR通過在該主導結(jié)的隧道勢壘界面處使用與另一個結(jié)相比更高的Fe含量來實現(xiàn)。為了使由層208、202以及232 (圖2)形成的隧道結(jié)成為高MR結(jié),與隧道勢壘208接觸的表面應當包括比與隧道勢壘210接觸的表面高的Fe含量,其中,與隧道勢壘208接觸的表面是相鄰的鐵磁層202和232的表面。根據(jù)一個示例性實施例,優(yōu)選的是,作為與隧道勢壘210相鄰的固定鐵磁層的固定層220具有按原子組成計少于20%的低Fe含量和按原子組成計大于20%的B含量,并且更優(yōu)選地,具有按原子組成計大約5%的低Fe含量和大約25%的B含量。與隧道勢壘208相鄰的固定層232可以具有按原子組成計大于20%的Fe含量和按原子組成計介于14%與20%之間的B含量。
[0054]參照圖3并且根據(jù)另一示例性實施例,器件300包括隧道勢壘208與自由磁層202之間的少量的鐵(Fe)的沉積。薄Fe界面沉積可以形成Fe的連續(xù)原子層,或者可以與最終退火結(jié)構(gòu)中的底層的自由鐵磁合金混合,從而導致與隧道勢壘208相鄰的高Fe界面區(qū)域302。應當注意,如圖3所示的該示例性實施例的、與圖2的示例性實施例的組件類似的所有組件都使用相似的編號指定。圖3中所示的頂部電極204是如前所述的非釘扎SAF,底部電極206是具有兩個鐵磁層的釘扎SAF。以等同的連續(xù)膜厚度來表達,F(xiàn)e沉積的量可以
在0.5A至5A的范圍內(nèi),但是優(yōu)選地,在1A啲范圍內(nèi)(參見轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓
人的、關(guān)于高極化插入層的美國專利7,098,495)。通過在隧道勢壘208與自由層202之間的界面處添加少量的純Fe以形成高Fe界面區(qū)域302,即使當自由層202主要由低Fe、高BCoFeB合金組成時,也可以獲得較高的MR值。不管高Fe界面區(qū)域包括Fe的連續(xù)原子層、Fe的不連續(xù)層,還是高Fe合金的界面層,它都導致至少在主要由Fe原子組成的自由層的表面處的材料的原子層。也就是說,界面區(qū)域302按原子百分比計將至少為50%。對于給定的隧道勢壘處理,在隧道勢壘208下面添加Fe還改善了 208的生長,并且增大了 RA。沉積的Fe還改善了它上面的(001)結(jié)晶定向的MgO層的生長。優(yōu)選的器件設(shè)計通過使用低RA隧道勢壘處理以及用于固定層220和自由層202的低Fe、高B合金而對于由隧道勢壘210形成的隧道結(jié)具有低RA和低MR,加上通過與高RA隧道勢壘處理組合在隧道勢壘208下面形成高Fe界面區(qū)域302而對于由隧道勢壘208形成的隧道結(jié)具有高RA和高MR。與在例如CoFeB合金的自由層上生長頂部隧道勢壘208而沒有Fe沉積的情況相比,富含F(xiàn)e的表面可以提供更高的垂直界面各向異性能量。垂直界面各向異性是可期望的,因為它通過抵消導致強面內(nèi)各向異性的薄膜去磁各向異性中的一些來降低自旋扭矩切換臨界電流Ic。界面垂直各向異性通過使自由層力矩更容易地如切換處理中所需要的那樣進動(precess)出平面來降低Ic。
[0055]在本發(fā)明的另一方面,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將某些材料插入到自由層中可以增大由隧道勢壘208形成的頂部隧道結(jié)的MR,并且有時減小由隧道勢壘210形成的底部隧道結(jié)的MR。
[0056]在又一如圖4所示的示例性實施例器件400中,自由層202包括薄層402,薄層402包括位于第一部分404與第二部分406之間的Ta或Ru。Ta插入層沉積被選擇以具有這樣的厚度,該厚度不形成連續(xù)Ta層(其將破壞相鄰層之間的交換),而是與其它自由層材料混合或者形成不是連續(xù)的層,以使得相鄰的鐵磁層404和406彼此直接地交換耦合,并且整個
結(jié)構(gòu)202充當單個鐵磁自由層。被沉積以實現(xiàn)這個效果的Ta的典型厚度少于3.5人,并且
優(yōu)選地,在I A與3人之間的范圍內(nèi)。形成具有Co、Fe或Ni的合金的其它類似的材料可以產(chǎn)生類似的結(jié)果,例如:V、Zr、T1、Nb、Mo、W、Hf、Mn或Cr。Ru插入層厚度被選擇以具有這樣的厚度,該厚度導致用于反鐵磁耦合的連續(xù)層,但是當期望鐵磁耦合時可以具有間隙,因此如2埃(Angstrom)那樣薄,與相鄰的鐵磁層404和406很少或者甚至沒有合金化。對于Ru和類似的材料,鐵磁層404和406通過公知的振蕩交換耦合效應,通過該非磁層耦合,并且被認為是非鐵磁耦合層。與這樣的非鐵磁耦合層相關(guān)聯(lián)的耦合強度由層厚度控制,層的厚度優(yōu)選地在2埃與30埃之間,最經(jīng)常在5埃與15埃之間??梢援a(chǎn)生類似的結(jié)果的其它類似的材料包括:Rh、Os、Cu、Cr、Pd、Pt或Ir。應當注意,如圖4中所示的該示例性實施例的、與圖3的示例性實施例的組件類似的所有組件都使用相似的編號指定。
[0057]圖5的示圖500顯示了對于在自由層202中具有Ta插入物(insertion)402的頂部隧道勢壘502的單個結(jié)的磁阻(MR)對電阻面積乘積(RA)的實驗數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)502)(與不具有Ta插入物402的頂部隧道勢壘(數(shù)據(jù)504)相比)、以及對于在自由層202中具有Ta插入物402的底部隧道勢壘的單個結(jié)的磁阻(MR)對電阻面積乘積(RA)的實驗數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)508)(與不具有Ta插入物402的底部隧道勢壘(數(shù)據(jù)506)相比)。在頂部隧道勢壘形成雙隧道勢壘器件的主導磁隧道結(jié)的情況下,可以預期添加Ta插入物402會增大該器件的MR,因為它將提高主導結(jié)的MR并且降低另一個結(jié)的MR。符號是對于由MgO隧道勢壘和具有用于頂部隧道勢壘疊層的高Fe界面區(qū)域302的CoFeB鐵磁層制成的MTJ疊層的被測數(shù)據(jù)點。各個RA值通過變化隧道勢壘的氧化劑量而獲得。注意,為了改善雙自旋過濾結(jié)構(gòu)中的MR,可以通過對于底部固定層220使用低Fe合金來進一步降低底部結(jié)的MR。
[0058]圖6的示圖600顯示了對于在自由層202中具有Ta插入物的圖4的結(jié)構(gòu)的磁阻(MR)對RA數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)602)(與不具有Ta插入物402的圖3的結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)604)相比)??闯鯰a插入物402在所示的電阻面積乘積范圍上提供了平均大約10個百分點的MR改善。
[0059]圖7的示圖700顯示了在300攝氏度下的場退火之后,對于在自由層202中具有Ru層402的圖4的結(jié)構(gòu)的磁阻(MR)對RA (數(shù)據(jù)702)(與對于不具有Ru層402的圖3的結(jié)構(gòu)的相同類型的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)704)相比)??闯鯮u層702在所示的電阻面積乘積范圍上提供了 30至50百分點的MR改善。
[0060]圖8是根據(jù)另一示例性實施例配置的、可以代替圖2、圖3以及圖4的自由層202而使用的自由層802的側(cè)截面圖。兩個插入層812沉積在鐵磁材料層814、816、820之間,其中,用于插入物的材料和該材料的量如對于圖4中的插入層402所述那樣被選擇。Fe沉積在頂部鐵磁層820上以形成高Fe界面區(qū)域302,并且可選的高Fe界面區(qū)域818通過在沉積鐵磁層814之前在隧道勢壘210上沉積Fe而形成在底部隧道勢壘210上。盡管僅顯示了兩個插入層,但是可以在自由層802內(nèi)形成額外的這樣的層。在一個優(yōu)選的實施例中,兩
個插入層812均包括Ta沉積(其包含介于0.5A與3.5人之間的連續(xù)膜等同材料),但是這
些層是不連續(xù)的,并且不破壞鐵磁層814、816、820之間的交換耦合。在最終的結(jié)構(gòu)中,Ta沉積812的區(qū)域是位于鐵磁材料之間的平面中的Ta的不連續(xù)區(qū)域或富含Ta的鐵磁合金的薄膜。額外的Ta減小了復合自由層材料的磁化,從而對于給定的期望磁矩能夠?qū)崿F(xiàn)更厚的自由層,導致比不具有Ta插入物的相同的CoFeB合金的較薄層更好的磁性質(zhì)。在第二優(yōu)選的實施例中,插入層812中的一個如上所述那樣包括Ta,另一個包括具有如以上對于圖4的層402所描述那樣選擇的厚度的Ru。具有優(yōu)化的耦合強度的Ru插入層可以在與由本發(fā)明中所描述的另一插入層和富含F(xiàn)e的表面層提供的可期望的減小磁化和垂直各向異性組合時提供減小的切換電流(如美國專利公開2009/0096042中所描述的那樣)。注意,鐵磁層814、816以及820不需要是相同的厚度或材料,而是可以含有如最佳性能所需的不同的材料和組分以及厚度。鐵磁層814、816以及820優(yōu)選地為具有按原子濃度計少于10%的Fe和大于14%的B (并且最優(yōu)選地,具有大約5%的Fe和25%的B)的CoFeB合金的薄膜沉積,每個沉積根據(jù)需要在5人至20人的厚度范圍內(nèi)以獲得對于自由層802所需的總磁矩。
[0061]如前面對于圖3中的高Fe界面區(qū)域302所描述的那樣,圖8中的高Fe界面區(qū)域302和818可以包括Fe的連續(xù)原子層、Fe的不連續(xù)層或者高Fe合金的界面層,從而導致至少在主要由Fe原子組成的自由層的界面處的材料的原子層。也就是說,高Fe界面區(qū)域302和818按原子百分比計將為至少50%的Fe。與在表面上生長頂部隧道勢壘208而沒有Fe沉積的情況相比,富含F(xiàn)e的界面區(qū)域可以提供更高的垂直界面各向異性能量。
[0062]圖9是根據(jù)示例性實施例配置的MRAM器件900的側(cè)截面圖,其中中,底部電極206(圖3)包括與底部隧道勢壘210接觸的鐵磁固定層220,并且圖3的頂部電極204被非鐵磁材料930替換。該雙隧道勢壘結(jié)構(gòu)不是雙自旋過濾,因為它具有僅對一側(cè)的隧穿電子極化的鐵磁層。然而,發(fā)現(xiàn)由隧道勢壘208形成的頂部隧道結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)切換自由層所需的臨界電流Ic的顯著減小,盡管頂部電極930不是鐵磁的。改善可以由自由層的磁加熱(通過電子隧穿通過隧道勢壘208)引起,以及由如以上對于圖8中的器件802所描述的、由頂部隧道勢壘208與自由層202的表面之間的界面導致的垂直界面各向異性引起。由于頂部電極930不是鐵磁的,所以由隧道勢壘208形成的結(jié)的MR為零,并且這個結(jié)將是雙隧道勢壘器件中的非主導結(jié)。對于器件900的最大MR,由隧道勢壘208形成的隧道結(jié)的電阻應當比由隧道勢壘210形成的主導結(jié)的電阻小得多。勢壘210的RA應當比勢壘208的RA至少高兩倍,并且最優(yōu)選地,它應當高四倍多。雙勢壘結(jié)構(gòu)900是有用的,因為它提供雙自旋過濾結(jié)構(gòu)200、300以及400的許多益處,但是具有更簡單和更薄的頂部電極,從而使得材料疊層更易于構(gòu)圖到器件中。然而,對于非鐵磁頂部電極930的材料的選擇和用于制作頂部隧道勢魚208的處理對于如下所述的器件的適當功能是關(guān)鍵的。雙勢魚結(jié)構(gòu)900的進一步的益處在于如上所述的具有低RA并且不具有磁阻的頂部隧道結(jié)不產(chǎn)生與主導底部隧道結(jié)相反的電阻變化,從而對于器件900導致與雙自旋過濾器件200、300以及400相比更高的MR。
[0063]自由層202包括鐵磁層201,并且器件900中的表面層302最優(yōu)選地為如以上所述和圖8中所示的自由層802。在優(yōu)選的實施例中,鐵磁層是CoFeB合金??蛇x地并且最優(yōu)選地,通過在隧道勢壘210上沉積Fe來在隧道勢壘210上形成高Fe界面區(qū)域818。優(yōu)選地,在最終的鐵磁層的頂部沉積薄Fe層,以在頂部隧道勢壘208下面形成高Fe界面區(qū)域302。因為由于非鐵磁頂部電極930而由隧道勢壘208形成的隧道結(jié)具有小的MR或者不具有MR,所以該Fe沉積不像它對于雙自旋過濾結(jié)構(gòu)那樣影響MR,但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)促進了用于隧道勢壘208的高質(zhì)量MgO的生長,以及促進了在自由層202與隧道勢壘208之間的界面處的垂直磁各向異性。使用自由層802的900的MTJ疊層提供了自由層802和雙隧道勢壘器件900的所有益處。
[0064]可期望的是,隧道勢壘208與頂部電極930之間的界面具有非常高的質(zhì)量,以使得由隧道勢壘208形成的隧道結(jié)將沒有隧道電流的過多的空間變化、短路(shorting)以及缺陷。為了形成高質(zhì)量的界面,對于頂部電極930的選擇材料如隧道勢壘208下面的材料那樣重要。與隧道勢壘208接觸的材料必須具有考慮到與隧道勢壘電介質(zhì)(典型地,MgO)的明顯的界面的性質(zhì)。由于Fe和Co形成這樣的明顯的界面,所以如果這些材料和基于這些材料的合金非常薄(優(yōu)選地,少于或等于沉積的鐵磁合金的15埃),那么它們可以被用于非鐵磁頂部電極930,并且在它們上沉積Ta或類似材料的層以將它們的鐵磁性抑制到所得的層在器件的操作溫度范圍內(nèi)不是鐵磁的程度。這樣的Fe和Co合金的示例包括Fe、Co、CoFe以及融入B、C、Ta、T1、V、Nb、Zr、W、Hf、Cr、Mo以及Mn的合金。沉積在這些材料上以抑制它們的鐵磁性的層的示例包括Ta、T1、V、Nb、Zr、W、Hf、Cr、Ru,Mo以及Mn。可替代地,形成與電介質(zhì)的明顯的界面的非鐵磁材料可以在隧道勢壘208上被沉積,并且可選地,其后可以為上述材料組合中的一種。使用非鐵磁層的益處首先在于消除了 MR和與界面處的任何殘留鐵磁材料相關(guān)聯(lián)的、與自由層的任何磁耦合。在非鐵磁層上方還包括Fe或Co合金的一種的益處在于提供對MTJ疊層與來自頂部接觸224的材料之間的相互擴散非常有抵抗力的
非晶層。這樣的頂部電極930的示例包括:Ru、Ru/Ta、CoFeB ?15人)/Ta以及Ru/CoFeB(<15A) /Ta。[0065]如以上關(guān)于圖3中的器件300、圖8中的自由層802以及圖9中的器件900所描述的,與MgO與用于自由層的典型的CoFeB合金接觸而不施加Fe沉積302的情況相比,與MgO的界面處的富含F(xiàn)e的表面可以提供更高的垂直界面各向異性能量。對于具有面內(nèi)磁化易軸的MTJ器件,垂直界面各向異性通過抵消導致強面內(nèi)各向異性的薄膜去磁各向異性中的一些來降低自旋扭矩切換臨界電流Ic。界面垂直各向異性通過使自由層力矩在切換處理中更易于根據(jù)需要進動出平面來降低Ic。然而,如果界面各向異性足夠強,并且鐵磁層的力矩足夠低,那么垂直界面各向異性可以克服面內(nèi)薄膜去磁各向異性,從而導致具有垂直易軸的膜。本發(fā)明的額外的實施例在被設(shè)計具有強垂直各向異性和低得足以具有垂直易軸的磁矩的雙隧道勢壘結(jié)構(gòu)或雙自旋過濾結(jié)構(gòu)中利用圖8的自由層802或圖4的自由層202。在該情況下,自由層的兩種穩(wěn)定狀態(tài)將是磁化矢量向上朝向隧道勢壘208或向下朝向隧道勢壘210垂直指向平面。具有或不具有反鐵磁釘扎層的類似層可以被用于利用垂直磁化形成底部電極和頂部電極的全部或部分。
[0066]圖10是說明用于制造具有高磁阻和低臨界電流密度的MRAM器件的處理1000的示例性實施例的流程圖。應當意識到,處理1000可以包括任何數(shù)量的額外的或替代的任務,圖10中所示的任務不需要以所示的順序執(zhí)行,并且處理1000可以被融入到具有本文中沒有詳細描述的額外的功能的更全面的過程或處理中。此外,可以從處理1000的實施例省去圖10中所示的任務中的一個或多個,只要所意圖的總體功能保持完整即可。
[0067]用于形成自旋扭矩磁阻兀件的方法1000包括:形成1002第一電極;在第一電極上方形成1004第一隧道勢壘;在第一隧道勢壘上方形成1006自由磁層以形成第一磁隧道結(jié),其中,第一磁隧道結(jié)具有大于零的MR和第一 RA ;在自由層上方形成1008第二隧道勢壘;以及在第二隧道勢壘上方形成1010第二電極以形成第二磁隧道結(jié),其中,第二磁隧道結(jié)具有等于或大于零的第二 MR和第二 RA,并且其中,第二 MR少于第一 MR的一半,第二 RA少于第一 RA的一半。形成這些層典型地涉及本領(lǐng)域已知的薄膜沉積處理,包括但不限于,諸如離子束濺射和磁控濺射的物理氣相沉積技術(shù)。形成薄絕緣層(諸如隧道勢壘層)可以涉及從氧化物靶的物理氣相沉積,諸如通過射頻(RF)濺射,或者通過薄金屬膜的沉積、其后為氧化步驟(諸如氧等離子體氧化、氧自由基氧化或者通過暴露于低壓氧環(huán)境的自然氧化)。器件典型地通過集成電路制造和磁阻傳感器制造領(lǐng)域中已知的光刻和蝕刻步驟來限定。
[0068]參照圖11,用于形成包括插入層和Fe沉積的雙隧道勢壘結(jié)構(gòu)的方法包括:在基板上方形成1102第一電極,第一電極包括第一固定磁層;在第一固定磁層上形成1104第一隧道勢壘;在第一隧道勢壘上形成1106自由層以創(chuàng)建具有第一磁阻和第一電阻面積乘積的第一磁隧道結(jié),其中,形成自由層包括以下步驟:沉積第一鐵磁部分;沉積與少于4埃的厚度相對應的一定量的非鐵磁材料;沉積第二鐵磁部分;以及沉積與少于或等于5埃的厚度相對應的一定量的鐵,非鐵磁材料包括Ta、Nb、Hf、Zr、T1、W、Cr以及Mn中的至少一種。在自由層上形成1108第二隧道勢壘,并且在第二隧道勢壘上形成1110第二電極,第二電極包括與第二隧道勢壘接觸以創(chuàng)建具有第二磁阻和第二電阻面積乘積的第二磁隧道結(jié)的第二固定磁層,其中,第二磁阻的大小至少為第一磁阻的大小的兩倍,第二電阻面積乘積的大小至少為第一電阻面積乘積的大小的兩倍。
[0069]參照圖12,用于形成包括耦合插入層和Fe沉積的雙隧道勢壘結(jié)構(gòu)的方法包括:在基板上方形成1202第一電極,第一電極包括第一固定磁層;在第一固定磁層上形成1204第一隧道勢壘;在第一隧道勢壘上形成1206自由層以創(chuàng)建具有第一磁阻和第一電阻面積乘積的第一磁隧道結(jié),其中,形成自由層包括以下步驟:沉積第一鐵磁部分;沉積與介于2埃與30埃之間的厚度相對應的一定量的非鐵磁耦合材料;沉積第二鐵磁部分;以及沉積與少于或等于5埃的厚度相對應的一定量的鐵,非鐵磁耦合材料包括Ru、Rb、Ir、Pt、Pd、Cu、Cr以及Os中的至少一種。在自由層上形成1208第二隧道勢壘,并且在第二隧道勢壘上形成1210第二電極,第二電極包括與第二隧道勢壘接觸以創(chuàng)建具有第二磁阻和第二電阻面積乘積的第二磁隧道結(jié)的第二固定磁層,其中,第二磁阻的大小至少為第一磁阻的大小的兩倍,第二電阻面積乘積的大小至少為第一電阻面積乘積的大小的兩倍。
[0070]參照圖13,用于形成包括與第二隧道勢壘接觸的非鐵磁層以及可選的Fe沉積的雙隧道勢壘結(jié)構(gòu)的方法包括:在基板上方形成1302第一電極,第一電極包括第一固定磁層;在第一固定磁層上形成1304第一隧道勢壘;在第一隧道勢壘上形成1306自由層以創(chuàng)建具有第一磁阻和第一電阻面積乘積的第一磁隧道結(jié),其中,形成自由層包括以下步驟:沉積第一鐵磁部分;沉積一定量的非鐵磁材料;沉積第二鐵磁部分;以及可選地沉積與少于或等于5埃的厚度相對應的一定量的鐵,非鐵磁材料包括導致第一鐵磁部分與第二鐵磁部分之間的磁交換耦合的量。在自由層上形成1308第二隧道勢壘,并且在第二隧道勢壘上形成1310第二電極,第二電極包括與第二隧道勢壘接觸以創(chuàng)建不具有磁阻但具有第二電阻面積乘積的第二磁隧道結(jié)的非鐵磁層,其中,第二電阻面積乘積的大小少于第一電阻面積乘積的大小的一半。
[0071]總而言之,公開了一種磁性元件及其制造方法,其中,基于在高磁阻隧道勢壘處包含F(xiàn)e、在自由層與頂部隧道勢壘之間包含F(xiàn)e層、以及在自由層內(nèi)包含包括非鐵磁過渡金屬的部分,諸如在自由層的第一部分與第二部分之間包含Ta或Ru耦合中間層的中間層(inter layer),改善了 MR。
[0072]盡管已經(jīng)在前面的詳細描述中給出了至少一個示例性實施例,但是應當意識到,存在大量的變型。還應當意識到,一個示例性實施例或多個示例性實施例僅僅是示例,并非意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍、適用性以及配置。相反,前面的詳細描述將為本領(lǐng)域技術(shù)人員提供用于實現(xiàn)本發(fā)明的示例性實施例的常規(guī)線路圖,要理解,可以在不脫離如隨附權(quán)利要求中所闡明的本發(fā)明的范圍的情況下在示例性實施例中所描述的元件的功能和布置上進行各種改變。
【權(quán)利要求】
1.一種形成在具有限定平面的表面的基板上的自旋扭矩磁阻存儲元件,所述自旋扭矩磁阻存儲元件包括: 第一電極,其包括形成在基板上方的鐵磁材料; 第二電極; 自由磁層; 第一隧道勢壘,其位于自由磁層與第一電極之間以形成具有第一磁阻比率和第一電阻面積乘積的第一隧道結(jié);以及 第二隧道勢壘,其位于自由磁層與第二電極之間以形成具有第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的第二隧道結(jié),其中,第一磁阻比率和第一電阻面積乘積分別為少于第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的一半或者多于第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的兩倍中的一個。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述第一電極包括具有第一磁化矢量的第一鐵磁自旋極化器,所述第二電極包括具有方向基本上與第一磁化矢量相反的第二磁化矢量的第二鐵磁自旋極化器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述第一電極包括鐵磁自旋極化器,所述第二電極包括非鐵磁材料,其中,第二隧道結(jié)具有少于第一隧道結(jié)的隧穿電阻面積乘積的一半的隧穿電阻面積乘積;并且第二隧道結(jié)的隧穿磁阻為零。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述第一電極包括Fe含量高于第二電極的鐵磁材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述第一電極和第二電極包括CoFeB,并且所述第二電極包括按原子組成計少于20%的Fe和按原子組成計大于14%的B0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述自由磁層包括: 第一部分,其包括CoFeB層;以及 第二部分,其由第一部分與第一隧道勢壘之間的、厚度少于第一部分的材料組成,所述材料包括按原子組成計大于50%的Fe。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述自由磁層還包括第三部分,所述第三部分包括第一部分與第二隧道勢壘之間的、厚度少于第一部分的材料,所述材料包括按原子組成計大于50%的Fe。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述自由磁層包括按原子組成計Fe的原子組成少于20%并且B的原子組成大于19%的CoFeB合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述自由磁層包括: 第一部分,其由第一鐵磁材料組成; 第二部分,其由第二鐵磁材料組成;以及 第三部分,其包括沉積在第一部分與第二部分之間并且將第一部分和第二部分鐵磁耦合的、在量上與少于4埃相對應的、Ta、Nb、V、Hf、Zr、T1、W、Mo、Cr以及Mn中的至少一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述第一鐵磁材料和第二鐵磁材料包括B以及Co和Fe中的至少一種的合金。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述第一鐵磁材料和第二鐵磁材料包括按原子組成計Fe的原子組成少于20%并且B的原子組成大于19%的CoFeB合金;并且自由層包括與第一隧道勢壘相鄰的、厚度少于第一部分和第二部分中的每一個的第三部分,所述第三部分包括按原子組成計大于50%的Fe。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述自由磁層包括: 第一部分,其由第一鐵磁材料組成,所述第一鐵磁材料包括按原子組成計Fe的原子組成少于20%并且B的原子組成大于19%的CoFeB合金; 第二部分,其由第二鐵磁材料組成,所述第二鐵磁材料包括按原子組成計Fe的原子組成少于20%并且B的原子組成大于19%的CoFeB合金; 第三部分,其位于第一部分與第二部分之間,并且包括在量上與2埃與30埃之間的沉積材料相對應的、Ru、Rh、Ir、Pt、Pd、Cu、Cr以及Os中的至少一種;以及 位于第一隧道勢壘與第一部分之間、包括按原子組成計大于50%的Fe的層, 其中,第一部分和第二部分通過第三部分鐵磁或者反鐵磁耦合在一起。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述自由磁層還包括: 第四部分,其由第三鐵磁材料組成; 第五部分,其包括第二非鐵磁材料,所述第二非鐵磁材料包括在量上與第二部分與第四部分之間的并且將第二部分和第四部分鐵磁耦合的少于4埃的沉積材料相對應的、Ta、Nb、V、Hf、Zr、T1、W、 Mo、Cr 以及 Mn 中的至少一種。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述自由磁層還包括: 第四部分,其由第三鐵磁材料組成; 第五部分,其包括在量上與第二部分與第四部分之間的2埃與30埃之間的沉積材料相對應的、Ru、Rh、Ir、Pt、Pd、Cu、Cr以及Os中的至少一種; 其中,第二部分和第四部分通過第五部分鐵磁或反鐵磁耦合在一起。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述第一鐵磁材料和第二鐵磁材料是B以及Co和Fe中的至少一種的合金。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述第一鐵磁材料、第二鐵磁材料以及第三鐵磁材料包括按原子組成計Fe的原子組成少于20%并且B的原子組成大于19%的CoFeB合金;并且 自由層還包括與第一隧道勢壘相鄰的、厚度少于第一部分、第二部分以及第四部分中的每一個的層,所述層包括按原子組成計大于50%的Fe。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述自由磁層還包括與第二隧道勢壘相鄰的、厚度少于第一部分、第二部分以及第四部分中的每一個的層,所述層包括按原子組成計大于50%的Fe。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述第一隧道勢壘和第二隧道勢魚包括MgO。
19.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述第二電極的非鐵磁材料包括Ru、Os、Rh、Ir、Pd以及Pt中的一種或多種。
20.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,還包括: 位于非鐵磁材料與頂部導體之間的非晶體金屬層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,所述非晶體金屬層包括包含Co和Fe中的至少一種以及B、C、S1、Ta、V、Nb和Zr中的至少一種的合金。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,自由層的易磁化軸和第一電極的易磁化軸垂直于所述平面。
23.根據(jù)權(quán)利要求9所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,第一垂直各向異性與自由層和第一隧道勢壘之間的界面相關(guān)聯(lián),第二垂直各向異性與自由層和第二隧道勢壘之間的界面相關(guān)聯(lián),其中,總的界面各向異性在自由層中感生垂直易軸各向異性,導致使磁化矢量朝向或背離第一電極垂直指向所述平面的兩種穩(wěn)定磁狀態(tài)。
24.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,第一垂直各向異性與自由層和第一隧道勢壘之間的界面相關(guān)聯(lián),第二垂直各向異性與自由層和第二隧道勢壘之間的界面相關(guān)聯(lián),其中,總的界面各向異性在自由層中感生垂直易軸各向異性,導致使磁化矢量朝向或背離第一電極垂直指向所述平面的兩種穩(wěn)定磁狀態(tài)。
25.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自旋扭矩磁阻存儲元件,其中,自由層具有第一磁矢量,所述鐵磁自旋極化器具有垂直于第一磁矢量的第二磁矢量,并且其中,所述自由層具有面內(nèi)磁化,而所述鐵磁自旋極化器具有面外磁化。
26.一種用于在具有限定平面的表面的基板上形成自旋扭矩磁阻存儲元件的方法,包括: 在基板上方形成包括鐵磁材料的第一電極; 在第一電極上方形成第一隧道勢壘; 在第一隧道勢壘上方形成自由磁層,從而形成具有第一磁阻比率和第一電阻面積乘積的第一隧道結(jié);` 在自由磁層上方形成第二隧道勢壘; 在第二隧道勢壘上方形成第二電極,從而形成具有第二磁阻比率和第二電阻面積的第二隧道結(jié),其中,第一磁阻比率和第一電阻面積乘積分別為少于第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的一半或者多于第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的兩倍中的一個。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法,其中,形成第一電極包括形成具有第一磁化矢量的第一鐵磁自旋極化器,形成第二電極包括形成具有方向基本上與第一磁化矢量相反的第二磁化矢量的第二鐵磁自旋極化器。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法,其中,形成第一電極包括形成鐵磁自旋極化器,形成第二電極包括形成非鐵磁材料,其中,第二隧道結(jié)具有少于第一隧道結(jié)的隧穿電阻面積乘積的一半的隧穿電阻面積乘積。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法,其中,形成第一電極包括利用Fe含量高于第二電極的鐵磁材料形成第一電極。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法,其中,形成第一電極和第二電極包括利用CoFeB形成,并且形成第二電極包括利用按原子組成計少于20%的Fe和按原子組成計大于14%的B形成。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法,其中,形成自由磁層包括: 形成包括CoFeB層的第一部分;以及 沉積第二部分,所述第二部分由第一部分與第一隧道勢壘之間的、在量上與少于或等于五埃的Fe材料的厚度相對應的Fe組成。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法,還包括: 沉積第三部分,所述第三部分由第一部分與第二隧道勢壘之間的、在量上與少于或等于五埃的Fe材料的厚度相對應的Fe組成。
33.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法,其中,形成自由磁層包括形成按原子組成計Fe的原子組成少于20%并且B的原子組成大于19%的CoFeB合金。
34.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法,其中,形成自由磁層包括: 形成由第一鐵磁材料組成的第一部分; 沉積在量上與少于4埃的膜厚度相對應的、包括Ta、Nb、Hf、Zr、T1、W、Cr以及Mn中的至少一種的非鐵磁材料; 形成由第二鐵磁材料組成的第二部分;以及 沉積與少于或等于5埃的膜厚度相對應的一定量的鐵。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法,其中,形成第一鐵磁材料和第二鐵磁材料包括形成B以及Co和Fe中的至少一種的合金。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法,其中,形成第一鐵磁材料和第二鐵磁材料包括形成按原子組成計Fe的原子組成少于20%并且B的原子組成大于19%的CoFeB合金。
37.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法,其中,形成自由磁層包括: 形成由第一鐵磁材料組成的第一部分,所述第一鐵磁材料包括按原子組成計Fe的原子組成少于20%并且B 的原子組成大于19%的CoFeB合金; 沉積在量上與2埃與30埃之間的膜厚度相對應的、包括Ru、Rh、Ir、Pt、Pd、Cu、Cr以及Os中的至少一種的非鐵磁材料; 形成由第二鐵磁材料組成的第二部分,所述第二鐵磁材料包括按原子組成計Fe的原子組成少于20%并且B的原子組成大于19%的CoFeB合金; 沉積在量上與少于或等于5埃的沉積材料的膜厚度相對應的一定量的Fe ; 其中,第一部分和第二部分通過非鐵磁材料鐵磁或反鐵磁耦合在一起。
38.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法,其中,所述自由磁層還包括: 在第二鐵磁材料上沉積在量上與2埃和30埃之間的膜厚度相對應的、包括Ru、Rh、Ir、Pt、Pd、Cu、Cr以及Os中的至少一種的第二非鐵磁材料; 在所述第二非鐵磁材料上形成由第三鐵磁材料組成的第三部分; 其中,第二部分和第三部分通過所述第二非鐵磁材料鐵磁或反鐵磁耦合在一起。
39.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法,其中,自由磁層還包括: 在第二鐵磁材料上沉積在量上與少于4埃的沉積材料相對應的、包括Ta、Nb、Hf、Zr、T1、W、Cr以及Mn中的至少一種的第二非鐵磁材料; 形成由第三鐵磁材料組成的第三部分; 其中,第二部分和第三部分鐵磁耦合。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法,其中,形成第一鐵磁材料、第二鐵磁材料以及第三鐵磁材料包括形成B以及Co和Fe中的至少一種的合金。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法,其中,形成B以及Co和Fe中的至少一種的合金包括形成按原子組成計Fe少于20%并且B大于19%的CoFeB合金。
42.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法,其中,形成第一隧道勢壘和第二隧道勢壘包括形成MgO0
43.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法,其中,形成第二電極的非鐵磁材料包括形成Ru、Os、Rh、Ir、Pd以及Pt中的一種或多種。
44.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法,還包括: 在非鐵磁材料與頂部導體之間形成非晶體金屬層。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法,其中,形成非晶體金屬層包括形成包含Co和Fe中的至少一種以及B、C、S1、Ta、V、Nb和Zr中的至少一種的合金。
46.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法,其中,形成第一電極的易磁化軸和自由層的易磁化軸和包括形成垂直于所述平面的第一電極的易磁化軸和自由層的易磁化軸。
47.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法,其中,第一垂直各向異性與自由層和第一隧道勢壘之間的界面相關(guān)聯(lián),第二垂直各向異性與自由層和第二隧道勢壘之間的界面相關(guān)聯(lián),其中,總的界面各向異性在自由層中感生垂直易軸各向異性,導致使磁化矢量朝向或背離第一電極垂直指向所述平面的兩種穩(wěn)定磁狀態(tài)。
48.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法,其中,第一垂直各向異性與自由層和第一隧道勢壘之間的界面相關(guān)聯(lián),第二垂直各向異性與自由層和第二隧道勢壘之間的界面相關(guān)聯(lián),其中,總的界面各向異性在自由層中感生垂直易軸各向異性,導致使磁化矢量朝向或背離第一電極垂直指向所述平面的兩種穩(wěn)定磁狀態(tài)。
49.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法,其中,形成自由層包括形成具有第一磁矢量的自由層并且形成具有垂直于第一磁矢量的第二磁矢量的鐵磁自旋極化器,并且其中,所述自由層具有面內(nèi)磁化,而所述鐵磁自旋極化器具有面外磁化。
50.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法,其中,形成第一電極的易磁化軸和自由層的易磁化軸和包括形成垂直于所述平面的第一電極的易磁化軸和自由層的易磁化軸。
51.一種用于形成自旋扭矩MRAM元件的方法,包括: 形成第一隧道勢壘; 形成第二隧道勢壘; 在第一隧道勢壘與第二隧道勢壘之間形成自由層; 在第一隧道勢壘的與自由層相對的一側(cè)形成第一電極,從而形成具有第一磁阻比率和第一電阻面積乘積的第一隧道結(jié);以及 在第二隧道勢壘的與自由層相對的一側(cè)形成第二電極,從而形成具有第二磁阻比率和第二電阻面積乘積的第二隧道結(jié), 其中,第一磁阻比率多于第二磁阻比率的兩倍,并且第一電阻面積乘積多于第二電阻面積乘積的兩倍。
【文檔編號】G11B5/39GK103608861SQ201280028432
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月10日
【發(fā)明者】R·韋格, J·斯勞特, N·里佐, 孫吉軍, F·曼考夫, D·豪撒梅迪恩 申請人:艾沃思賓技術(shù)公司