專利名稱：具有輔助層的磁性疊層的制作方法
具有輔助層的磁性疊層背景普及性計算和手持/通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展引起對大容量非易失性固態(tài)數(shù)據(jù)存儲設備和旋轉(zhuǎn)磁性數(shù)據(jù)存儲設備的爆炸式需求。類似閃存的當前技術(shù)具有若干缺點，例如低存取速度、有限的壽命、和集成難度。閃存(NAND或NOR)還面對縮放問題。同時，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)存儲面對面密度以及使類似讀取/記錄頭的組件更小和更可靠的挑戰(zhàn)。電阻感測存儲器(RSM)通過將數(shù)據(jù)位存儲為高電阻狀態(tài)或低電阻狀態(tài)，是未來非易失性和通用存儲器的有前途候選。一種這樣的存儲器是磁性隨機存取存儲器(MRAM)，它的特征在于非易失性、快速寫入/讀取速度、幾乎無限制的編程壽命和零待機功率。MRAM的基本組件是磁性隧穿結(jié)(MTJ)。MRAM通過使用電流感生磁場來切換MTJ的磁化，從而切換 MTJ電阻。隨著MTJ尺寸縮小，切換磁場振幅增大且切換變化變得更劇烈。然而，在這樣的磁性存儲器疊層能夠可靠地用作存儲器器件或場傳感器之前，必須克服許多產(chǎn)量限制因素。因此，具有減小的切換電流和增加的熱穩(wěn)定性的磁性存儲器疊層是所期望的。

發(fā)明內(nèi)容
本公開涉及磁性單元，例如自旋力矩存儲器單元或磁性隧道結(jié)單元，這些單元具有與晶片平面垂直對準的或“平面外的”關(guān)聯(lián)鐵磁層的磁各向異性和磁化方向。這些單元包括輔助層。本公開的一個特定實施例是具有鐵磁自由層和鐵磁被釘扎參考層的磁性單元，每個層具有平面外磁各向異性和平面外磁化方向并可經(jīng)由自旋力矩切換。該單元包括鐵磁輔助層，其具有不大于約5000e的低磁各向異性。該輔助層可具有平面內(nèi)或平面外各向異性。本公開的另一特定實施例是襯底上的磁性存儲器單元。存儲器單元具有鐵磁自由層，該鐵磁自由層具有垂直于襯底的平面外磁各向異性和平面外磁化方向，并可經(jīng)由自旋力矩切換。該單元還具有第一鐵磁被釘扎參考層，該第一鐵磁被釘扎參考層具有垂直于襯底的平面外磁各向異性和平面外磁化方向，以及自由層和第一參考層之間的氧化物阻擋層。還包括具有低磁各向異性的接近自由層的鐵磁輔助疊層，該輔助疊層包括輔助層，該輔助層具有小于約lOOOemu/cc的磁矩和在來自電流的電子流方向上旋轉(zhuǎn)的磁化方向。本公開的另一特定實施例是一種寫入磁性單元的方法。該方法包括使電流通過磁性單元，該磁性單元包括自由層和參考層，每個層具有平面外各向異性和磁化方向，并且電流具有電子流方向。該方法包括在電子流方向上旋轉(zhuǎn)接近自由層的輔助層的磁化方向， 該輔助層具有不大于約5000e的磁各向異性。這導致自由層的磁化方向在電子流方向上取向。通過閱讀下面的詳細描述，這些以及各種其它的特征和優(yōu)點將會顯而易見。附圖簡述考慮以下聯(lián)系附圖對本公開的各種實施例的詳細描述，能更完整地理解本公開， 在附圖中
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圖IA是具有平面外磁化方向和輔助層的磁性單元的示意側(cè)視圖；圖IB是磁性單元的替換實施例的示意側(cè)視圖；圖IC是磁性單元的另一替換實施例的示意側(cè)視圖；圖2是包括存儲器單元和半導體晶體管的示例性存儲器組件的示意圖；圖3是具有平面外磁化方向和輔助層的磁性單元的另一實施例的示意側(cè)視圖；以及圖4A是具有輔助層的磁性單元的示意側(cè)視圖，該疊層處于高電阻狀態(tài)；以及圖4B 是處于低電阻狀態(tài)的磁性單元的示意側(cè)視圖。這些附圖不一定按比例示出。附圖中使用的相同數(shù)字表示相同部件。然而，將理解在給定附圖中使用數(shù)字來指代部件不旨在限制另一附圖中用同一數(shù)字標記的部件。詳細描述本公開針對具有垂直各向異性的磁性疊層或單元(如自旋力矩存儲器(STRAM)單元)，它們包括多層輔助疊層，其中包括自旋電流驅(qū)動的輔助層。在一些實施例中，自旋電流驅(qū)動的輔助層一般是“平面內(nèi)”的，并且易于經(jīng)由自旋電流切換到“平面外”。在其它實施例中，自旋電流驅(qū)動的輔助層一般是“平面外”的，因為它易于經(jīng)由自旋電流切換到相反方向。本公開針對具有磁各向異性的磁性存儲器單元的各種設計，這些設計導致關(guān)聯(lián)鐵磁層的磁化方向垂直于晶片平面地對準，或處于“平面外”。這些存儲器單元具有結(jié)構(gòu)性要素，這些結(jié)構(gòu)性要素減小了切換單元的數(shù)據(jù)位狀態(tài)所需的切換電流，同時維持充足的熱穩(wěn)定性。該存儲其單元可以高的面密度圖案化在晶片上。在以下描述中，參照形成本說明書一部分的一組附圖，其中通過圖示示出了若干特定實施例。應當理解的是，可構(gòu)想并可作出其他實施例，而不背離本公開的范圍或精神。 因此，以下詳細描述不應按照限定的意義來理解。本文中所提供的任何定義用于便于對本文中頻繁使用的某些術(shù)語的理解，而不是為了限制本公開的范圍。除非另外指明，否則在說明書和權(quán)利要求書中使用的表示特征大小、量、以及物理性質(zhì)的所有數(shù)字應被理解為在任何情況下均由術(shù)語“約”修飾。因此，除非相反地指明，否則在上述說明書和所附權(quán)利要求中陳述的數(shù)值參數(shù)是近似值，這些近似值可利用本文中公開的教導根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員所尋求獲得的期望性質(zhì)而變化。如本說明書以及所附權(quán)利要求書中所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個”以及“該”涵蓋具有復數(shù)引用物的實施例，除非該內(nèi)容明確地指示并非如此。如本說明書以及所附權(quán)利要求書中所使用的，術(shù)語“或”一般以包括“和/或”的意義來使用，除非該內(nèi)容明確地指出并非如此?！币⒁?，諸如“頂”、“底”、“上方”、“下方”等的術(shù)語可在本公開中使用。這些術(shù)語不應當解釋為限制結(jié)構(gòu)的位置或方向，而是應當用于提供結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系。雖然本發(fā)明不僅限于此，但通過對下文提供的示例的討論將獲得對本公開的各個方面的理解。

圖1A、1B和IC示出具有垂直或平面外磁性方向的磁性疊層。在一些實施例中，磁性疊層是磁性存儲器單元，并可稱為磁性隧道結(jié)單元(MTJ)、可變電阻性存儲器單元、可變電阻存儲器單元、或電阻感測存儲器(RSM)單元等等。圖IA示出存儲器單元10A，圖IB示出存儲器單元10B，以及圖IC示出存儲器單元10C。磁性存儲器單元10A、IOB和IOC具有相對較軟的鐵磁自由層12、鐵磁參考(例如被固定或被釘扎)層14，每個層具有平面外各向異性和磁化方向。鐵磁自由層12和鐵磁參考層14由氧化物阻擋層13分離，在一些實施例中氧化物阻擋層稱為隧道阻擋層等等。圖IA和IB示出諸如硅晶片的襯底11上的磁性單元10A、10B。在圖IA的存儲器單元IOA中，參考層14比自由層12更接近襯底11。在圖IB的存儲器單元IOB中，自由層 12比參考層14更接近襯底11。返回所有圖1A、1B和1C，自由層12和參考層14各自具有磁各向異性和相關(guān)聯(lián)的磁化方向。層12、14的各向異性和磁化方向垂直于層延伸地取向并垂直于在其上形成有存儲器單元10A、10B、10C的晶片襯底11的平面，這通常稱為“平面外”或“垂直”。自由層12 的磁化方向比參考層14的磁化方向更易切換，參考層14的磁化方向是固定的并且一般非常低且不會切換。在一些實施例中，接近鐵磁參考層14的是反鐵磁(AFM)釘扎層，它通過與釘扎層的反鐵磁次序材料交換偏磁來釘扎參考層14的磁化方向。合適的釘扎材料的示例包括PtMruIrMn等等。在替換實施例中，其它機制或要素可用于釘扎參考層14的磁化方向。鐵磁層12、14可由具有垂直或平面外各向異性的任何有用的鐵磁(FM)材料制成。 為了提供垂直磁各向異性，存在這些鐵磁材料和其它材料的許多配置，包括(1)單層鐵磁材料(FM) ； (2)鐵磁/非金屬(FM/NM)多層；(3) FM/FM多層、(4)具有特殊晶相和紋理的鐵磁合金；以及(5)重稀土過渡性金屬合金。FM/匪多層的一個特例是Co/Pt多層。FM/FM多層的一個示例是Co/Ni多層。具有特定晶相和紋理的鐵磁合金的一個示例是具有六方緊密堆積(hep)晶體結(jié)構(gòu)和垂直于膜平面的c軸(易磁化軸)的CoPtx合金。另一示例是具有 LlO結(jié)構(gòu)和垂直于膜平面的c軸的!^ePt。相同LKFePt可以!^ePt多層形式制成，例如Cr/ Pt/FePt。重稀土過渡性金屬合金的示例包括TbCoi^e和GdCc^e。其它可用材料的示例包括 DyFeCo和SmFeCo。在一些實施例中，層12、14具有約I-IOnm的厚度。阻擋層13可由例如氧化物材料(例如，Al203、Ti0x或MgOx)的電絕緣材料來制成。 可取決于工藝可行性與設備可靠性用自由層12或用參考層14可任選地圖案化阻擋層13。 在一些實施例中，阻擋層13具有約0. 5-1. 5nm的厚度。在圖IC的實施例中，存儲器單元IOC包括存在于阻擋層13的至少一側(cè)上的增強層15，在該實施例中增強層15存在于阻擋層的每一側(cè)上，位于阻擋層13和自由層12之間以及位于阻擋層13和參考層14之間。增強層15與自由層12和/或參考層14牢固地耦合，由此增加單元IOC的磁阻(TMR)并增加通過單元IOC的自旋極化。對于諸如圖IA的存儲器單元IOA和圖IB的存儲器單元IOB的實施例，其中參考層14具有充足的自旋極化和磁阻特性，增強層不存在。如果存在，增強層15可以是具有可接受的自旋極化范圍(如大于約0.5)的任何鐵磁材料。合適材料的示例包括狗丄0和/或Ni的合金，如NiFe、Co!^e和Coi^eB。在一些實施例中，增強層15具有約5-30A (即0. 5-3nm)的厚度。對于具有平面內(nèi)各向異性的鐵磁材料(如Fe、Co和/或Ni的合金)用于增強層 15的實施例，增強層15的磁化方向從“平面外”或“垂直”傾斜通常不大于約25°，例如約 5-20°。增強層15的磁化方向大體上位于與自由層12或參考層14的磁化方向相同的方向，雖然由于平面內(nèi)各向異性而稍微傾斜。對于根據(jù)本公開的包括磁性存儲器單元的磁性疊層，包括具有低各向異性(如約5000e)的自旋電流驅(qū)動的或自旋極化的輔助層。各向異性可為平面內(nèi)或平面外。輔助層便于自由層的磁化方向的切換。在圖1A、IB和IC的每一個中，接近自由層12 (在某些實施例中沒有中間層地鄰接于自由層12)的輔助層17便于自由層12的磁化方向的切換。具體而言，來自輔助層17的磁化方向的磁場便于自由層12的磁化方向的切換。與自由層12、參考層14和可任選的增強層15不同，輔助層17具有非常弱的各向異性(例如不大于約7000e，在一些實施例中，不大于約5000e，或者甚至于不大于約 4000e)，這導致易于切換的磁化方向。輔助層17耦合至或較弱地耦合至自由層12。圖1A、 IB和IC各自示出具有中性的、平面內(nèi)磁化方向的輔助層17。通過磁性單元10A、10BU0C 施加電流創(chuàng)建自旋力矩，并影響輔助層17的磁化方向，這轉(zhuǎn)而影響自由層12的磁化方向。輔助磁性層17可以是具有可接受的各向異性(如不大于約7000e或5000e或 4000e)的任何鐵磁材料，包括但不限于Co、Ni、！^等的合金。優(yōu)選的是，輔助層17包括具有低磁矩(Ms)的材料，例如Ms彡1100emu/cc，在一些實施例中，Ms彡1000emu/cc，或者甚至于Ms彡950emu/cco在一些實施例中，輔助層17具有約5-30A (即0. 5-3nm)的厚度。第一電極16和第二電極與自由層12和參考層14電接觸。對于圖IA的存儲器單元10A和圖IC的存儲器單元10C，電極16接近(且在一些實施例中鄰接)參考層14，而對于圖IB的存儲器單元10B，電極16接近(且在一些實施例中鄰接)輔助層17。對于圖IA 的存儲器單元10A和圖IC的存儲器單元10C，電極18接近(且在一些實施例中鄰接)輔助層17，而對于圖IB的存儲器單元10B，電極18接近(且在一些實施例中鄰接)參考層14。 電極16、18將單元10A、10B、10C電連接至提供通過層12、14的讀寫電流的控制電路。磁性存儲器單元10A、10BU0C兩端的電阻根據(jù)鐵磁層12、14的磁化向量或磁化方向的相對方向來確定。所有存儲器單元10A、10BU0C顯示為自由層12具有未定義的磁化方向。自由層 12的磁化方向具有兩個穩(wěn)定的相反狀態(tài)，兩者均垂直于其上形成有存儲器單元10A、10B、 10C的襯底。當自由層12的磁化方向與參考層14的磁化方向處于同一方向時，磁性存儲器單元處于低電阻狀態(tài)。相反，當自由層12的磁化方向與參考層14的磁化方向處于相反方向時，磁性存儲器單元處于高電阻狀態(tài)。在一些實施例中，低電阻狀態(tài)是“0”數(shù)據(jù)狀態(tài)，高電阻狀態(tài)是“ 1，，數(shù)據(jù)狀態(tài)，而在其它實施例中，低電阻狀態(tài)是“ 1 ”，高電阻狀態(tài)是“0”。當通過諸如輔助層17的磁性層的電流變得自旋極化并對自由層12施加自旋力矩時，進行經(jīng)由自旋轉(zhuǎn)移的磁性存儲器單元10A、10B、10C的電阻狀態(tài)的切換，并由此進行數(shù)據(jù)狀態(tài)的切換。當足夠的自旋力矩被施加于自由層12時，自由層12的磁化方向可在兩個相反方向之間切換，并因此，磁性存儲器單元10A、10B、10C可在低電阻狀態(tài)和高電阻狀態(tài)之間切換。圖2是示例性存儲器組件20的示意圖，它包括經(jīng)由導電元件電耦合到半導體晶體管22的存儲器元件21。存儲器元件21可以是本文中描述的任何存儲器單元，或者可以是配置成經(jīng)由通過存儲器元件21的電流切換數(shù)據(jù)狀態(tài)的任何其它存儲器單元。晶體管22包括具有摻雜區(qū)域(例如，示為η摻雜區(qū)域)和在摻雜區(qū)域之間的溝道區(qū)域(例如，示為P摻雜溝道區(qū)域)的半導體襯底25。晶體管22包括電耦合至字線WL的柵極沈，以允許選擇并且允許電流從位線BL流向存儲器元件21?？删幊探饘倩鎯ζ鹘M件20的陣列可利用半導體制造技術(shù)用字線和位線在半導體襯底上形成。
對于具有垂直磁各向異性的磁性疊層(例如存儲器單元)，如存儲器單元10A、 10B、10C，在被釘扎的參考層和自由層之間進行比具有平面內(nèi)磁各向異性的磁性疊層中更牢固的耦合?？扇芜x地包括增強層15進一步增強耦合。較高程度的耦合導致較低的所需切換電流(Ic)。具有平面內(nèi)各向異性和磁化的磁性疊層要求形狀各向異性以維持其熱穩(wěn)定性。然而，形狀各向異性依賴于形狀和大小并提出對高容量和高密度存儲器的挑戰(zhàn)。此外，對于切換電流，平面內(nèi)磁性疊層具有熱穩(wěn)定性但效率低。用于平面內(nèi)磁性疊層的切換電流密度為
權(quán)利要求
1.一種磁性單元，包括鐵磁自由層和第一鐵磁被釘扎參考層，每個層具有平面外的磁各向異性和平面外的磁化方向并可經(jīng)由自旋力矩切換；位于所述自由層和所述參考層之間的第一氧化物阻擋層；以及接近所述自由層的鐵磁輔助層，具有小于約5000e的低磁各向異性。
2.如權(quán)利要求1所述的磁性單元，其特征在于，所述輔助層具有平面內(nèi)的磁各向異性。
3.如權(quán)利要求1所述的磁性單元，其特征在于，所述輔助層具有平面外的磁各向異性。
4.如權(quán)利要求1所述的磁性單元，其特征在于，所述輔助層包括Co、NiIe或它們的合金中的至少一個。
5.如權(quán)利要求1所述的磁性單元，其特征在于，所述輔助層具有小于約lOOOemu/cc的磁矩。
6.如權(quán)利要求1所述的磁性單元，其特征在于，還包括第二被釘扎參考層，具有平面外的磁各向異性和平面外的磁化方向，所述輔助層位于所述自由層和所述第二參考層之間。
7.如權(quán)利要求1所述的磁性單元，其特征在于，還包括第一增強層和第二增強層，所述第一增強層位于所述氧化物阻擋層和所述自由層之間，所述第二增強層位于所述氧化物阻擋層和所述第一參考層之間。
8.如權(quán)利要求7所述的磁性單元，其特征在于，還包括接近所述第二參考層的第三增強層。
9.如權(quán)利要求8所述的磁性單元，其特征在于，還包括位于所述輔助層和所述第三增強層之間的第二氧化物阻擋層。
10.如權(quán)利要求6所述的磁性單元，其特征在于，包括位于所述輔助層和所述自由層之間的導電非鐵磁間隔層。
11.如權(quán)利要求6所述的磁性單元，其特征在于，包括位于所述輔助層和所述自由層之間的電絕緣間隔層。
12.如權(quán)利要求6所述的磁性單元，其特征在于，一旦電流通過所述磁性單元，所述輔助層的磁化方向就從平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)至少10°。
13.如權(quán)利要求6所述的磁性單元，其特征在于，所述磁性單元是磁性隧道結(jié)存儲器單兀。
14.一種襯底上的磁性存儲器單元，所述存儲器單元包括鐵磁自由層，具有垂直于所述襯底的平面外磁各向異性和平面外磁化方向，并可經(jīng)由自旋力矩切換；第一鐵磁被釘扎參考層，具有垂直于所述襯底的平面外磁各向異性和平面外磁化方向；位于所述自由層和所述第一參考層之間的氧化物阻擋層；以及接近所述自由層的具有低磁各向異性的鐵磁輔助疊層，所述輔助疊層包括輔助層，所述輔助層具有小于約lOOOemu/cc的磁矩和在來自電流的電子流方向上旋轉(zhuǎn)的磁化方向。
15.如權(quán)利要求14所述的存儲器單元，其特征在于，所述輔助層具有平面內(nèi)的磁各向異性。
16.如權(quán)利要求15所述的存儲器單元，其特征在于，所述輔助層的磁化方向為從平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)至少10°。
17.如權(quán)利要求14所述的存儲器單元，其特征在于，所述輔助層具有小于約5000e的低磁各向異性。
18.一種寫入磁性單元的方法，包括使電流通過磁性單元，所述磁性單元包括自由層和參考層，每個層具有平面外各向異性和磁化方向，并且電流具有電子流方向；在電子流方向上旋轉(zhuǎn)接近所述自由層的輔助層的磁化方向，所述輔助層具有小于約 5000e的磁各向異性；以及使所述自由層的磁化方向在所述電子流方向上取向。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括使所述電流通過第二參考層，所述第二參考層具有平面外各向異性和磁化方向。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，旋轉(zhuǎn)輔助層的磁化方向包括從平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)所述磁化方向至少10°。
全文摘要
一種磁性存儲器單元，它具有鐵磁自由層和鐵磁被釘扎參考層，每個層具有平面外的磁各向異性和平面外的磁化方向并可經(jīng)由自旋力矩切換。該單元包括接近自由層的鐵磁輔助層，該輔助層具有小于約500Oe的低磁各向異性。該輔助層可具有平面內(nèi)或平面外各向異性。
文檔編號H01F10/32GK102414756SQ201080019289
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者X·馮, X·婁, Y·鄭, Z·高, 丁元俊, 習海文 申請人:希捷科技有限公司