一種垂直各向異性磁性元件、制備方法及磁存儲器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種垂直各向異性磁性元件、制備方法及磁存儲器；使用在磁性器件中的該磁性元件將聯(lián)接半導(dǎo)體集成電路構(gòu)成存儲位單元。該磁性元件的垂直各向異性磁性固定層，非磁性間隔層和垂直各向異性磁性自由層的結(jié)構(gòu)。其中非磁性間隔層位于垂直各向異性磁性固定層和自由層之間。垂直各向異性磁性自由層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于垂直各向異性的各向異性能。其垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。當(dāng)寫電流通過該磁性元件時(shí)，通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)，其垂直各向異性磁性自由層可實(shí)現(xiàn)在垂直于平面方向的平行及反平行磁狀態(tài)之間切換以達(dá)到磁存儲的目的。
【專利說明】
一種垂直各向異性磁性元件、制備方法及磁存儲器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于磁存儲技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種垂直各向異性磁性元件、制備方法及磁存儲器。
【背景技術(shù)】
[0002]以自旋扭矩傳遞機(jī)制為基礎(chǔ)的磁隨機(jī)存取存儲器，即自旋扭矩傳遞磁隨機(jī)存取存儲器(STT-MRAM)，從磁記錄特性來講可取代傳統(tǒng)的，基于傳統(tǒng)磁場開關(guān)技術(shù)的磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)技術(shù)因而具有革命性的意義。并促進(jìn)磁記錄的高密度化，磁存儲器技術(shù)的可擴(kuò)展性和可持續(xù)性。在半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷降低，數(shù)據(jù)記錄密度快速增加的背景下，新型自旋扭矩傳遞磁隨機(jī)存取存儲器(STT-MRAM)的方案，在半導(dǎo)體存儲器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。作為一種通用存儲器并在未來加以技術(shù)創(chuàng)新，它具有替代目前廣泛使用的SRAM和DRAM技術(shù)的潛力。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題在于:傳統(tǒng)的磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)隨著記錄的高密度化，其要求的寫入電流成指數(shù)速率增加。因此，基于傳統(tǒng)磁場開關(guān)技術(shù)的MRAM存儲器的具有難以擴(kuò)展和不可持續(xù)的問題。這是難以克服的結(jié)構(gòu)性問題。其次，就新型的自旋扭矩傳遞磁隨機(jī)存取存儲器(STT-MRAM)而言，其技術(shù)難點(diǎn)在于降低自旋扭矩傳遞開關(guān)電流或?qū)懭腚娏鳎瑫r(shí)保持安定的熱穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種垂直各向異性磁性元件、制備方法及磁存儲器，其目的在于利用磁性垂直各向異性及其特性，以及所產(chǎn)生的低自旋扭矩傳遞切換電流和磁性器件的熱穩(wěn)定性比率和對所述器件性能的高可調(diào)控性，通過降低自旋扭矩傳遞切換電流來實(shí)現(xiàn)在大信號條件下存儲器系統(tǒng)的高速和高記錄密度。
[0005]本發(fā)明提供了一種垂直各向異性磁性元件，與半導(dǎo)體晶體管電路連接，所述垂直各向異性磁性元件包括:
[000?] 磁固定層(magnetic pinned layer)，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁會K;
[0007]非磁性隔離層(non-magnetic spacer layer);附著于所述磁固定層上；
[0008]磁自由層(magnetic free layer)，附著于所述非磁性隔離層上，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；以及
[0009]覆蓋層(caplayer)，附著于所述磁自由層上，且與半導(dǎo)體晶體管電路連接；
[0010]當(dāng)寫電流通過所述垂直各向異性磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0011]更進(jìn)一步地，所述非磁性隔離層為隧穿勢皇層。
[0012]本發(fā)明提供了一種垂直各向異性磁性元件，與半導(dǎo)體晶體管電路連接，所述垂直各向異性磁性元件包括:
[0013]磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；
[0014]磁固定層子層，具有高自旋極化率，且與所述磁固定層鐵磁性耦合形成復(fù)合型磁固定層；
[0015]隧穿勢皇層，包括MgO結(jié)晶層；
[0016]磁自由層子層，具有高自旋極化率，
[0017]磁自由層，與所述磁自由層子層鐵磁性親合形成復(fù)合型磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道勢皇層位于位于復(fù)合型垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性磁自由層之間；以及
[0018]覆蓋層，位于所述磁自由層和外部的半導(dǎo)體晶體管電路之間；
[0019]當(dāng)寫電流(writecurrent)通過所述垂直各向異性磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0020]本發(fā)明提供了一種垂直各向異性磁性元件，連接于半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)；所述磁性元件包括:
[0021 ] 垂直各向異性磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；
[0022]非磁性層間親合層(interlayercouple layer)；
[0023]垂直各向異性磁參照層(magnetic reference layer)，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，并通過非磁性層間耦合層的介在與垂直各向異性磁固定層形成反鐵磁耦合結(jié)構(gòu)；
[0024]隧穿勢皇層包括MgO結(jié)晶層；
[0025]垂直各向異性磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道勢皇層位于位于垂直各向異性磁參照層和垂直各向異性磁自由層之間；和
[0026]覆蓋層，它鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)；
[0027]當(dāng)寫電流(writecurrent)通過該磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0028]本發(fā)明提供了一種垂直各向異性磁性元件，連接于半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)；所述磁性元件包括:
[0029]垂直各向異性磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；
[0030]非磁性層間親合層(interlayercouple layer)；
[0031]垂直各向異性磁參照層(magnetic reference layer)，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，并通過非磁性層間耦合層的介在與垂直各向異性磁固定層形成反鐵磁耦合結(jié)構(gòu)；
[0032]高自旋極化率磁固定層子層，與垂直各向異性磁參照層鐵磁性耦合形成復(fù)合型磁參照層；
[0033]隧穿勢皇層包括MgO結(jié)晶層；
[0034]高自旋極化率磁自由層子層；
[0035]垂直各向異性磁自由層，與高自旋極化率磁自由層子層鐵磁性耦合形成復(fù)合型磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道勢皇層位于位于復(fù)合型垂直各向異性磁參照層和垂直各向異性磁自由層之間；和
[0036]覆蓋層，它鄰接復(fù)合型垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)；
[0037]當(dāng)寫電流(writecurrent)通過該磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0038]更進(jìn)一步地，所述垂直各向異性磁自由(子)層，垂直各向異性磁參照(子)層和垂直各向異性磁固定(子)層中，至少其中之一包含由過渡族金屬Co，F(xiàn)e，Ni或它們的合金之間交互而成的，具有諸如(但不限于)[Cotl/Ni t2]n; (η彡I)構(gòu)型的多層膜結(jié)構(gòu)。
[0039]更進(jìn)一步地，所述垂直各向異性磁自由(子)層，垂直各向異性磁參照(子)層和垂直各向異性磁固定(子)層中，至少其中之一包含由過渡族金屬Co，F(xiàn)e，Ni或它們的合金與貴金屬48411，？丨，？(1(或它們的合金)交互而成的，具有諸如(但不限于)[(:0丨1^^ t2]n或[Cotl/Pd t2]n; (η彡I)構(gòu)型的多層膜結(jié)構(gòu)。
[0040]更進(jìn)一步地，所述垂直各向異性磁多層膜結(jié)構(gòu)(具有(但不限于)(111)及(011)的優(yōu)先結(jié)晶取向及織構(gòu)。
[0041]更進(jìn)一步地，所述垂直各向異性高自旋極化率磁性自由層和固定層(參照層)子層在其與隧穿勢皇層或MgO結(jié)晶層的界面上具有結(jié)晶學(xué)織構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)上的匹配，以產(chǎn)生高自旋極化率和并提供高自旋扭矩傳遞效率。其中包括下列情形。所述垂直各向異性高自旋極化率磁性自由層和固定層(參照層)子層包括由過渡金屬Co，F(xiàn)e，Ni，或它們的二元(如鈷鐵，鐵鈷，Ni Fe)結(jié)晶合金，或三元(如CoFeNi)結(jié)晶合金，或它們與硼或其他非晶化元素合成的無定形磁性非晶合金層(諸如，但不限于，CoFeB，或CoFe(Al，Si)非晶合金層，以及它們之間形成的多層膜結(jié)構(gòu)(諸如，但不限于，CoFeB/CoFe或CoFe/CoFeB多層膜合金結(jié)構(gòu))。所述垂直各向異性高自旋極化率磁性自由層和固定層(參照層)子層在熱處理后，膜結(jié)構(gòu)具有(但不限于)(001)的優(yōu)先結(jié)晶取向及織構(gòu)。
[0042]更進(jìn)一步地，所述磁性元件的非磁性層間親合層包括非磁性金屬Ru，Rh，Ta，Cu，0，厶11，？1:，？(1，或它們之間的合金，諸如(但不限于)細(xì)11瓜\和細(xì)11)0^合金;1〈0.5。
[0043]更進(jìn)一步地，所述磁性元件還包括非磁性籽晶層(Seedlayers)(此處未表示)。所述籽晶層提供的平坦的界面(粗繰度〈0.3納米)及基底結(jié)晶織構(gòu)可促進(jìn)垂直各向異性磁自由層和固定層多層膜的成長，優(yōu)化元件的性能并改善磁性元件在高溫條件下的熱穩(wěn)定性。
[0044]更進(jìn)一步地，所述籽晶層至少包含下列之一:非磁性金屬Ru，Rh，Ta，Ti，Zr，hf，Nb，￥，￥，&148，六11，？扒？(1，0，1108，1^，1%41，3丨，8，或它們之間的合金，多層膜(包括(但不限于)Ta/Ru多層膜)，氧化物及氮化物(諸如(但不限于)CuN和TiN)。
[0045]更進(jìn)一步地，所述籽晶層還包括磁性過渡族金屬Co，F(xiàn)e，Ni，它們相互之間形成的合金(諸如(但不限于)CoFe或FeCo合金)，或與權(quán)利要求12所述的非磁性金屬之間相互形成合金，多層膜，氧化物及氮化物。
[0046]更進(jìn)一步地，所述磁性元件的覆蓋層可優(yōu)化元件的性能并改善磁性元件在高溫條件下的熱穩(wěn)定性，它包括非磁性金屬Ru，Rh，Ta，Ti，Zr，hf，Nb，V，W，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Ir，Os，Re，Mg，Al，Si，B，或它們之間的合金，多層膜(包括(但不限于)Ta/Ru多層膜)，氧化物(諸如(但不限于)MgO)及氮化物。
[0047]本發(fā)明還提供了一種垂直各向異性磁性元件，連接于半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)；所述磁性元件包括:
[0048]垂直各向異性磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；
[0049]第一磁性中間層或第一非磁性中間層；
[0050]高自旋極化率磁固定層子層，由第一磁性中間層或第一非磁性中間層介在與垂直各向異性磁固定層鐵磁性耦合形成復(fù)合型磁固定層；
[0051 ]隧穿勢皇層包括MgO結(jié)晶層；
[0052]高自旋極化率磁自由層子層；
[0053 ]第二磁性中間層或第二非磁性中間層；
[0054]垂直各向異性磁自由層，由第二磁性中間層或第二非磁性中間層介在與垂直各向異性磁自由層鐵磁性親合形成復(fù)合型磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道勢皇層位于位于復(fù)合型垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性磁自由層之間；和
[0055]覆蓋層，它鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)；
[0056]當(dāng)寫電流(writecurrent)通過該磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0057]本發(fā)明還提供了一種垂直各向異性磁性元件，連接于半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)；所述磁性元件包括:
[0058]垂直各向異性磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；
[0059]非磁性層間耦合層；
[0060]垂直各向異性磁參照層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，通過非磁性層間耦合層的介在與垂直各向異性磁固定層形成反鐵磁耦合結(jié)構(gòu)；
[0061]非磁性中間層；
[0062]高自旋極化率磁參照層子層；
[0063]隧穿勢皇層包括MgO結(jié)晶層；
[0064]垂直各向異性磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道勢皇層位于位于復(fù)合型垂直各向異性磁參照層和垂直各向異性磁自由層之間；和
[0065]覆蓋層，它鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)；
[0066]當(dāng)寫電流(writecurrent)通過該磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0067]更進(jìn)一步地，所述垂直各向異性磁自由層為復(fù)合型結(jié)構(gòu)并包括:
[0068]高自旋極化率磁自由層子層；
[0069]第二磁性中間層或第二非磁性中間層；
[0070]垂直各向異性磁自由層，由第二磁性中間層或第二非磁性中間層介在與高自旋極化率磁自由層子層鐵磁性耦合形成復(fù)合型磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道勢皇層位于位于復(fù)合型垂直各向異性磁參照層和垂直各向異性磁自由層之間。
[0071]更進(jìn)一步地，所述垂直各向異性磁參照層相對于垂直各向異性磁固定層具有非平衡垂直磁化結(jié)構(gòu)。前者相對于后者具有較小的膜厚垂直磁化之積，通過鄰近效應(yīng)(proximity effect)以減小作用于垂直各向異性磁自由層的雜散磁場。
[0072]更進(jìn)一步地，所述垂直各向異性磁自由(子)層，垂直各向異性磁參照(子)層和垂直各向異性磁固定(子)層中，至少其中之一包含由過渡族金屬Co，F(xiàn)e，Ni或它們的合金之間交互而成的超薄型多層膜結(jié)構(gòu)。其中，所述多層膜(諸如，但不限于，[Cotl/Ni t2]n;tl，t2〈I納米)，在高溫?zé)崽幚砉袒癁橛行?超晶格)合金結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生垂直磁各向異性。
[0073]更進(jìn)一步地，所述垂直各向異性磁自由(子)層，垂直各向異性磁參照(子)層和垂直各向異性磁固定(子)層中，至少其中之一包含由過渡族金屬Co，F(xiàn)e，Ni或它們的合金與貴金屬Ag，Au，Pt，或Pd交互而成的超薄型多層膜結(jié)構(gòu)。其中，所述多層膜(諸如，但不限于，[Cotl/Pt t2]n或[Cotl/Pd t2]n(n彡I)，tl，t2〈l納米)，在高溫?zé)崽幚砉袒癁橛行?超晶格)合金結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生垂直磁各向異性。
[0074]更進(jìn)一步地，所述垂直各向異性磁自由層，或在多層膜的情況下，各垂直各向異性磁自由層的子層由高磁垂直各向異性，同時(shí)具有低自旋軌道相互作用(sp in-orb itinteract1n)的磁性層構(gòu)成。其中包括下列情形。所述垂直各向異性磁自由層由過渡族金屬Co，F(xiàn)e的二元(如鈷鐵)合金與硼等非晶化元素合成的CoFeB磁性非晶合金薄膜層，或它們的不同成份合金層之間形成的多層膜構(gòu)成。而且其膜厚小于薄膜臨界值以保證磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。參考膜厚值，但不限于，〈2.0納米。通過界面MgO/CoFeB 或 CoFeB/MgO 與隧穿勢皇層 MgO，和界面Ta(Mg0)/CoFeB 或 CoFeB/Ta(Mg0)與覆蓋層Ta或Mg0(另一層氧化物MgO層)相連鄰，由鐵(Fe，或其他過渡族金屬)的3d和氧(0)的2p軌道雜交或界面磁各向異性效應(yīng)形成磁垂直各向異性并提供高自旋扭矩傳遞效率。
[0075]更進(jìn)一步地，所述垂直各向異性磁自由層由Mg0/CoFeB/Ta(Mg0)/CoFeB/Mg0(Ta)結(jié)構(gòu)的多層膜集成。其中，非磁性金屬中間層和覆蓋層的Ta可以用金屬氧化物層MgO薄層加以置換或相互摻雜。CoFeB的膜厚小于薄膜臨界值以保證磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。
[0076]更進(jìn)一步地，所述垂直各向異性磁性自由層在熱處理后，膜結(jié)構(gòu)具有(但不限于)
(001)的優(yōu)先結(jié)晶取向及織構(gòu)。
[0077]更進(jìn)一步地，所述垂直各向異性反鐵磁親合磁固定層的磁參照層相對于垂直各向異性磁固定層具有非平衡垂直磁化結(jié)構(gòu)；前者相對于后者具有較小的膜厚垂直磁化之積，通過鄰近效應(yīng)以減小作用于垂直各向異性磁自由層的雜散磁場。而且，所述磁參照層僅由MgO/CoFeB/Ta (MgO)/CoFeB/MgO (Ta)結(jié)構(gòu)的多層膜，以及(001)的優(yōu)先結(jié)晶取向及織構(gòu)的高自旋極化率的磁性層構(gòu)成。
[0078]更進(jìn)一步地，所述非磁性中間層可按需求調(diào)節(jié)或分隔多層膜的局部結(jié)構(gòu)或結(jié)晶及織構(gòu)以利于元件的性能優(yōu)化，包括非磁性金屬Ru，Rh，Ta，Ti，Zr，hf，Nb，V，W，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Ir，Os，Re，Mg，Al，Si，B，或它們之間的合金，多層膜(包括(但不限于)Ta/Ru的多層膜)，氧化物及氮化物。
[0079]更進(jìn)一步地，所述磁性中間層可按需求調(diào)節(jié)或分隔多層膜的局部結(jié)構(gòu)或結(jié)晶及織構(gòu)以利于元件的性能優(yōu)化，還包括磁性過渡族金屬Co，F(xiàn)e，Ni，它們相互之間形成的合金(諸如(但不限于)CoFe或FeCo合金)，或與所述的非磁性金屬之間相互形成合金，多層膜，氧化物及氮化物。
[0080]本發(fā)明還提供了一種磁存儲器，包括多個磁性存儲位單元，多條字線(wordlines)以連接親合多個磁存儲位單元，和多條位線(bit lines)以連接親合多個磁存儲位單元;每個磁性存儲位單元包括至少一個磁性元件和多個與連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分;每個或至少一個磁性元件由垂直各向異性磁固定層，垂直各向異性磁自由層，垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性自由層之間的非磁性隔離層和覆蓋層構(gòu)成，垂直各向異性磁自由層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔離層位于垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性磁自由層之間，覆蓋層鄰接自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分，當(dāng)寫電流通過該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0081]更進(jìn)一步地，所述每個磁存儲位單元都包括至少一個半導(dǎo)體晶體管，該晶體管通過電路連接到所述的磁性元件。
[0082]更進(jìn)一步地，構(gòu)成所述磁性元件的非磁性隔離層包括隧穿勢皇層。而且所述磁性元件的垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層還包括高自旋極化率磁性層子層，與垂直各向異性磁自由層和磁固定層鐵磁性耦合形成它們的復(fù)合型磁性層。并以此在垂直各向異性磁性層內(nèi)產(chǎn)生高自旋扭矩傳遞效率。所述構(gòu)成所述磁性元件的垂直各向異性磁固定層還包括通過非磁性層間耦合層的介在，垂直各向異性磁參照層與垂直各向異性磁固定層形成反鐵磁耦合結(jié)構(gòu)，并以此減低在垂直各向異性磁自由層內(nèi)產(chǎn)生的雜散磁場，該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。
[0083]本發(fā)明還提供了一種制備上述的磁性元件的方法，包括下述步驟:
[0084]提供垂直各向異性磁固定層，它具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；
[0085]提供非磁性隔離層；
[0086]提供垂直各向異性磁自由層，它具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔離層位于垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性磁自由層之間；和
[0087]提供覆蓋層，它鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)；
[0088]當(dāng)寫電流(writecurrent)通過該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0089]本發(fā)明還提供了一種制備上述的磁性元件的方法，包括下述步驟:
[0090]提供垂直各向異性磁自由層，它具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；
[0091 ]提供非磁性隔離層；
[0092]提供垂直各向異性磁固定層，它具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔離層位于垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層之間；和
[0093]提供覆蓋層，它鄰接垂直各向異性磁固定層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)；
[0094]當(dāng)寫電流(writecurrent)通過該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0095]本發(fā)明提供了用于制造具有自旋扭矩傳遞效應(yīng)的垂直磁化磁隧道結(jié)或磁性元件和基于該垂直各向異性磁性元件的STT-MRAM存儲器;可以取代并解決傳統(tǒng)的磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)存儲器具有難以擴(kuò)展和不可持續(xù)的問題。其次，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)存儲位單元中的垂直各向異性磁隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)磁自由層的垂直各向異性，改善其阻尼特性并提升該垂直各向異性磁隧道結(jié)的自旋扭矩傳遞效率，從而解決磁隨機(jī)存取存儲器(STT-MRAM)的技術(shù)難點(diǎn)。在降低自旋扭矩傳遞開關(guān)電流或?qū)懭腚娏鞯耐瑫r(shí)，保持磁隨機(jī)存取存儲器安定的熱穩(wěn)定性。通過應(yīng)用本發(fā)明的相關(guān)磁性元件和存儲器系統(tǒng)集成的方法及系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在小信號條件下存儲器系統(tǒng)的高速和高記錄密度。
【附圖說明】
[0096]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元，垂直各向異性MTJ磁性元件的結(jié)構(gòu)和磁性開關(guān)狀態(tài)下磁化形態(tài)配置;其中(a)為存儲位單元結(jié)構(gòu)，(b)為的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0097]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件。
[0098]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件。
[0099]圖4是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為磁性元件具有下層固定的垂直各向異性磁自旋閥結(jié)構(gòu)(spin valve) ； (b)為磁性元件具有上層固定的垂直各向異性磁自旋閥結(jié)構(gòu)(spin valve)。
[0100]圖5是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件另一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，(a)為磁性元件具有下層固定的垂直各向異性磁自旋閥結(jié)構(gòu)；(b)為磁性元件具有上層固定的垂直各向異性磁自旋閥結(jié)構(gòu)。
[0101]圖6是本發(fā)明第三實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0102]圖7是本發(fā)明第三實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件的結(jié)構(gòu)示意圖；其中(a)為磁性元件具有復(fù)合垂直各向異性磁固定層的垂直各向異性磁自旋閥結(jié)構(gòu)；(b)為磁性元件具有復(fù)合垂直各向異性磁固定層和磁自由層的垂直各向異性磁自旋閥結(jié)構(gòu)。
[0103]圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM存儲器的部分存儲位單元陣列結(jié)構(gòu)示意圖；其中，(a)為采用獨(dú)立源線(source line)的部分存儲位單元陣列；(b)為采用源線共享的部分存儲位單元陣列。
[0104]圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM存儲器的部分內(nèi)存架構(gòu)(architecture)。
【具體實(shí)施方式】
[0105]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0106]自旋扭矩傳遞磁隨機(jī)存取存儲器(STT-MRAM)，按磁性機(jī)制可以利用面內(nèi)或垂直磁各向異性(perpendicular anisotropy)及相應(yīng)的磁化分布來實(shí)現(xiàn)信息的磁記錄及存儲。
[0107]本發(fā)明旨在實(shí)現(xiàn)具有垂直磁各向異性特性的磁性多層膜自旋閥器件及自旋扭矩傳遞磁隨機(jī)存取存儲器。在此類的磁性自旋閥結(jié)構(gòu)中，磁性固定層和自由層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于垂直各向異性的各向異性能。其垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。磁性多層膜的垂直磁各向異性包括內(nèi)在和外在垂直磁各向異性部分。其中內(nèi)在垂直磁各向異性來自于磁性多層膜中磁性金屬原子及其與合金元素的固有的原子構(gòu)型排列，及由此而產(chǎn)生的內(nèi)稟垂直磁各向異性。而外在垂直磁各向異性則來源于其磁化層的局部結(jié)構(gòu)如磁性/非磁性或磁性/磁性界面結(jié)構(gòu)以及局域的超晶格結(jié)構(gòu)或諸如此類的安排。由界面結(jié)構(gòu)所誘起的垂直磁各向異性在多數(shù)情況下來自于局域的內(nèi)在應(yīng)力效應(yīng)。它通常與磁性多層膜的磁性/非磁性子膜的厚度成反比例關(guān)系。超晶格的垂直磁各向異性則來自于局域的原子構(gòu)型排列的特殊性而產(chǎn)生的電子能帶結(jié)構(gòu)變化和由此而引起的磁結(jié)晶各向異性的改變。
[0108]在垂直磁各向異性STT-MRAM技術(shù)中，垂直磁各向異性磁隧道結(jié)(MTJ)是磁性存儲位單元的一個核心組成部分。它由薄膜絕緣層及由其所隔開的兩個具有垂直磁各向異性的鐵磁層形成高自旋極化穿隧接合。薄膜絕緣層的應(yīng)用使電子可以從一個鐵磁層穿隧到另一個鐵磁層。在結(jié)晶型薄膜絕緣層的場合，鐵磁層在外磁場或自旋扭矩傳遞作用下形成的平行和反平行狀態(tài)。由此電子能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不對稱導(dǎo)電通道(conductive channels)及電導(dǎo)傳輸，并形成巨大的隧道磁阻(TMR)效應(yīng)。隧道磁阻效應(yīng)的增加有助于器件輸出信號的增加和自旋扭矩傳遞效率的提高。在一個具有垂直磁各向異性的典型結(jié)構(gòu)配置中，第一鐵磁層(磁自由層)的垂直磁化可以在外加磁場中自由旋轉(zhuǎn)，而第二鐵磁層的垂直磁化被固定或釘扎以作為自旋偏振器。該磁隧道結(jié)被連接到由一個或多個起開關(guān)作用的半導(dǎo)體晶體管(電路)(CMOS)以構(gòu)成STT-MRAM的存儲位單元。其中第一鐵磁層的垂直磁化方向由于自旋扭矩傳遞效應(yīng)可單獨(dú)旋轉(zhuǎn)或開關(guān)。相較于其反平行排列，如果兩個鐵磁層的垂直磁化方向平行排列，則傳導(dǎo)電子將更有可能通過隧道效應(yīng)穿隧絕緣層。(低阻態(tài))。因此，該磁隧道結(jié)可以實(shí)現(xiàn)在高和低電阻兩狀態(tài)之間相互切換，并以非易失性方式(non-volatile)記錄存儲數(shù)據(jù)
?目息O
[0109]由自旋扭矩傳遞誘起磁自由層的垂直磁化旋轉(zhuǎn)或開關(guān)所需的自旋極化電流與來自該層對應(yīng)的垂直磁各向異性場(perpendicular anisotropy)成正比關(guān)系。自旋扭矩傳遞效率的提升和垂直磁各向異性鐵磁層的阻尼特性的調(diào)控有利于磁性器件的性能改善。在滿足特定的熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)寫開關(guān)電流密度的最小化。垂直磁化的開關(guān)特性直接決定STT-MRAM的存儲位單元(storage bit ?611)的可寫性(￥1':^6313；[1;^50。降低開關(guān)電流密度Jc是減小半導(dǎo)體晶體管CMOS尺寸，實(shí)現(xiàn)低功耗和高密度STT-MRAM的關(guān)鍵。同時(shí)，磁性元件的熱穩(wěn)定性也正比于磁自由層的垂直各向異性場，它通常被量化為熱穩(wěn)定系數(shù)KuV/KbT，決定數(shù)據(jù)信息在STT-MRAM存儲器內(nèi)的保持期(data retent1n)。該參量的大小取決于STT-MRAM存儲器的存儲容量，應(yīng)用和使用工作條件?？偟膩碚f，在降低寫開關(guān)電流密度和提高磁性器件的熱穩(wěn)定性兩者之間，需要均衡或合理折衷以滿足磁性器件和STT-MRAM存儲器優(yōu)化及正常運(yùn)作。就基于垂直磁各向異性的新型自旋扭矩傳遞磁隨機(jī)存取存儲器(STT-MRAM)而言，隨半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)的降低，其自旋扭矩傳遞開關(guān)電流或?qū)懭腚娏髟谕瑯訜岱€(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)大致保持恒定。在實(shí)際工程實(shí)踐上，其技術(shù)挑戰(zhàn)仍在于降低自旋扭矩傳遞開關(guān)電流或?qū)懭腚娏鞫瑫r(shí)保持設(shè)計(jì)所要求的熱穩(wěn)定性。多數(shù)的外在垂直磁各向異性取決于磁化層的局部結(jié)構(gòu)和制造及后端工程條件。在外界條件的影響下，具有磁垂直磁各向異性的磁性自旋閥結(jié)構(gòu)的熱/磁安定性問題及對策，對于它們在自旋扭矩傳遞磁隨機(jī)存取存儲器領(lǐng)域的應(yīng)用構(gòu)成一定的限制。
[0110]本發(fā)明利用垂直磁各向異性自旋閥的垂直磁化膜在自旋扭矩傳遞效應(yīng)下的開關(guān)機(jī)理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的磁存儲和記錄。并提供該垂直磁各向異性元件及諸如磁隨機(jī)存取存儲器(“MRAM”)的磁存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造方法。
[0111]圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元，垂直各向異性MTJ磁性元件的結(jié)構(gòu)和磁性開關(guān)狀態(tài)下磁化形態(tài)配置。其中，CMOS為起開關(guān)作用的半導(dǎo)體晶體管。MTJ為垂直各向異性磁隧道結(jié)，PL表不垂直各向異性磁固定層，SP表不隔離層，F(xiàn)L表不垂直各向異性磁自由層，Mi和M2分別表示垂直各向異性磁固定層和磁自由層的垂直磁化;BL表示位線，SL表示源線，WL表示字線山Q，Iwl分別表示不同方向的寫電流。如圖1所示，本發(fā)明提供的存儲位單元基于1T-1MTJ配置。每個存儲位單元都由一個垂直各向異性磁隧道結(jié)，至少一個用于連接并選擇開關(guān)磁隧道結(jié)的半導(dǎo)體晶體管(CM0S)，若干連接其他存儲位單元或外圍電路的字線(WL)，源線(SL)和位線(BL)所構(gòu)成。并構(gòu)成具有讀寫操作功能的基本單元。其后位線和源線與雙極寫脈沖發(fā)生器(bipolar write pulse generator)或讀偏置發(fā)生器(read bias generator)連接。
[0112]存儲位單元中的垂直各向異性磁隧道結(jié)由垂直各向異性磁固定層(PL)，垂直各向異性磁自由層(FL)及隔離前兩者的非磁性隔離層(SP)或薄膜絕緣層組成。垂直各向異性磁固定層的垂直磁化被固定以作為自旋偏振器。垂直各向異性磁自由層的垂直磁化可自由旋轉(zhuǎn)并可以由自旋扭矩傳遞效應(yīng)實(shí)現(xiàn)方向切換或開關(guān)。該類型的磁隧道結(jié)所具有的宏觀垂直磁各向異性來自磁性薄膜的內(nèi)在垂直結(jié)晶各向異性。也包括來自在部分或局部磁性層以及多層膜界面產(chǎn)生的誘發(fā)垂直磁各向異性，或源自于磁性層的超晶格構(gòu)造及其能帶結(jié)構(gòu)特性而引起的垂直磁各向異性。
[0113]當(dāng)在存儲位單元寫入“O”時(shí)，加在位線(BL)上的寫電壓為正VDD，源線(SL)接地。此時(shí)字線(WL)在Vdd或更高的電壓下被激活。寫入電流I?經(jīng)位線通過垂直各向異性磁隧道結(jié)及半導(dǎo)體晶體管流入源線或接地端。而電子流向與電流相反，從垂直各向異性磁固定層流向垂直各向異性磁自由層。由于自旋扭矩傳遞效應(yīng)，磁自由層的垂直磁化切換到與固定層垂直磁化相平行的狀態(tài)。相反的，當(dāng)在存儲位單元寫入“I”時(shí)，位線被選擇性接地，而正Vdd的寫電壓加在源線上。寫入電流1?1與先前寫入電流Iwo的方向相反。半導(dǎo)體晶體管上的柵源極偏壓Vcs是V1-Vmu。因此此時(shí)從該半導(dǎo)體晶體管流過的電流比寫“O”操作時(shí)(Vcs = V?0的電流為低。最終，寫入電流和其非對稱性成為決定存儲位單元的大小及STT-MRAM存儲器的存儲密度的關(guān)鍵因素之一。對同樣大小的存儲位單元，高性能晶體管可以比低功率晶體管(NMOS)提供更多的電流以支持存儲位單元的寫操作。
[0114]圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件設(shè)計(jì)。該磁性元件的垂直各向異性磁自由層之參數(shù)設(shè)計(jì)滿足存儲器系統(tǒng)所需的熱穩(wěn)定性的要求。其中，Ms表示垂直各向異性磁自由層的垂直磁化，Hpk表示其垂直各向異性磁各向異性場;Thermal factor表示熱穩(wěn)定系數(shù)。
[0115]如圖2所示，垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)的設(shè)計(jì)主要取決于垂直各向異性磁自由層的材料物性及磁電特性，半導(dǎo)體晶體管的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，STT-MRAM存儲器的存儲密度，應(yīng)用方向及使用條件等。熱穩(wěn)定系數(shù)(thermal stability factor)的等值線圖顯示它與垂直各向異性磁自由層的垂直各向異性場，Hpk，和垂直磁化，Ms，的內(nèi)在關(guān)系。垂直各向異性場對應(yīng)于垂直各向異性磁隧道結(jié)元件的垂直磁各向異性。磁隧道結(jié)的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)及范圍(Hpkl，Msl;i =I，2，3，4...)決定于熱穩(wěn)定系數(shù)，器件容量(存儲密度)及工作條件要求。隨著對熱穩(wěn)定系數(shù)要求的提高，設(shè)計(jì)工作點(diǎn)(Hpkl，Msl)隨之移向高位點(diǎn)(Hpk2 ,Ms2) ο對于一定的熱穩(wěn)定系數(shù)要求，采用偏低的垂直各向異性場Hpk和稍高的垂直磁化Ms組合設(shè)計(jì)可能更有利于器件的性能改善。
[0116]圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件設(shè)計(jì)。該磁性元件的垂直各向異性磁自由層之參數(shù)設(shè)計(jì)同時(shí)滿足存儲器系統(tǒng)所需的低開關(guān)電流和高熱穩(wěn)定性的要求。其中，Thermal factor表示熱穩(wěn)定系數(shù);Jsw表示該垂直各向異性磁自由層的垂直磁化的切換電流密度;α表示磁自由層的阻尼系數(shù)，η表示該磁隧道結(jié)的自旋扭矩傳遞效率;HP匪OS為高性能半導(dǎo)體晶體管，LPO匪OS為低功率半導(dǎo)體晶體管。圖3中的特征線反映了在自旋扭矩傳遞效應(yīng)下垂直各向異性磁自由層的垂直磁化的切換特性。垂直磁化和垂直磁各向異性場，垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)的自旋極化和垂直各向異性磁自由層的阻尼系數(shù)決定了特征線的趨勢。如圖所示，垂直各向異性磁隧道結(jié)元件的寫操作條件與垂直各向異性磁自由層的阻尼和自旋扭矩傳遞效率的比例密切相關(guān)。在熱穩(wěn)定性系數(shù)確定的情況下，垂直各向異性磁自由層的阻尼系數(shù)和自旋扭矩傳遞效率比的增加使得寫操作電流升高，設(shè)計(jì)工作點(diǎn)(Jsw2，A2)隨之移向高位點(diǎn)(JSW3，A2)，不利于磁性器件的高密度化和大容量化。同時(shí)，垂直各向異性磁隧道結(jié)元件的寫操作工作點(diǎn)或操作范圍也取決于半導(dǎo)體晶體管CMOS所能提供的寫電流。當(dāng)使用低功率(LPO)半導(dǎo)體晶體管NMOS時(shí)，在有限的寫電流情況下為了保證器件的熱穩(wěn)定性它要求較低的垂直各向異性磁自由層的阻尼系數(shù)和自旋扭矩傳遞效率比。寫操作設(shè)計(jì)工作點(diǎn)位于特征線上的(Jsw1，Al;LOP匪OS)。而當(dāng)使用高性能(HP)半導(dǎo)體晶體管匪OS時(shí)，在保證一定的器件熱穩(wěn)定性情況下，寫操作設(shè)計(jì)工作電流得到大幅的增加，擴(kuò)大了垂直各向異性磁自由層的阻尼系數(shù)和自旋扭矩傳遞效率比的調(diào)控范圍。隨著熱穩(wěn)定性要求的增加寫操作設(shè)計(jì)工作點(diǎn)從(JsW1，A1;L0P NM0S)轉(zhuǎn)變至1J(Jsw3，Λ3;HP NMOS)，其中Jswi〈Jsw3和Λ3>Λι。對于垂直各向異性磁隧道結(jié)元件而言，這意味著采用較大的垂直磁化Ms和較低垂直各向異性場的設(shè)計(jì)指標(biāo)，以兼顧并使其擁有良好的熱穩(wěn)定性和自旋扭矩傳遞開關(guān)特性。
[0117]圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件實(shí)施例。該磁性元件具有下層(圖4a)或上層(圖4b)固定的垂直各向異性磁自旋閥結(jié)構(gòu)(spin valve)。其中，PL表示垂直各向異性磁固定層，Spacer Layer表示隔離層，F(xiàn)L表示垂直各向異性磁自由層，Mi和M2表示垂直各向異性磁固定層和磁自由層的垂直磁化。
[0118]如圖1和圖4所示，本發(fā)明提供下述使用在STT-MRAM存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)元件結(jié)構(gòu)。該磁隧道結(jié)元件由垂直各向異性磁固定層(PL)，垂直各向異性磁自由層(FL)及隔離前兩者的非磁性隔離層(Non-magnetic spacer)或薄膜絕緣層構(gòu)成(圖4a) ο垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能。該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。薄膜絕緣層或隧穿勢皇層(tunneling barrier)位于垂直各向異性磁固定層和磁自由層之間。磁隧道結(jié)的覆蓋層(和位于磁隧道結(jié)底部的籽晶層(seedlayer)—樣在圖中未示出)鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)。當(dāng)寫電流(write current)通過該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。該垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層可為磁單層或多層膜結(jié)構(gòu)，調(diào)控成膜過程中的復(fù)雜性和構(gòu)建所需的薄膜織構(gòu)以優(yōu)化器件性能。垂直各向異性磁自由層或固定層的磁多層膜可以是自身的鐵磁性子層(magnetic sublayer)由不同的鐵磁性材料介在其間以鐵磁性親合而成的多層結(jié)構(gòu)。它也可以是這些鐵磁性子層由不同的非磁性材料的中間層以鐵磁性耦合而成的多層結(jié)構(gòu)。這里，其鐵磁性子層本身亦可為磁單層或多層膜結(jié)構(gòu)。具體的開示可歸納為以下類別和優(yōu)選實(shí)施例。
[0119]垂直各向異性磁自由層，垂直各向異性固定層或兩者可以由鐵磁性子層與其他鐵磁性材料中間層以鐵磁性耦合形成的重復(fù)性多層膜結(jié)構(gòu)組成。其中，鐵磁性子層和鐵磁性中間層都包括過渡族金屬Co，F(xiàn)e，或Ni，或它們的結(jié)晶性二元合金(如鈷鐵，鐵鈷，NiFe合金)或三元合金(如CoFeNi或FeCoNi合金)，或與硼或其他無定形非晶合金形成元素構(gòu)成的磁性非晶合金(如CoFeB，CoFe(Al，Si)非晶合金)，或基于上述鐵磁性金屬，合金而形成的氧化物，氮化物或氮氧化物。該界面結(jié)構(gòu)所誘起的垂直磁各向異性來自于局域的內(nèi)在應(yīng)力效應(yīng)，其強(qiáng)度與磁性多層膜的周期和磁性子膜的厚度成反比例關(guān)系。在其中一例優(yōu)選實(shí)施例中，垂直各向異性磁自由層，垂直各向異性固定層或兩者由鐵磁性子層Co與鐵磁性中間層Ni以鐵磁性耦合形成的重復(fù)性多層膜結(jié)構(gòu)組成。該垂直各向異性多層膜Co/Ni可具有(001)，
(011)或(111)結(jié)晶織構(gòu)。通過控制制膜工藝，調(diào)整磁性垂直各向異性多層膜的鐵磁性子層和中間層膜厚及其膜厚比，或多層膜的重復(fù)周期對其磁性垂直各向異性加以調(diào)節(jié)，以滿足磁性器件性能提升對垂直各向異性磁自由層，固定層的磁性垂直各向異性的不同須求。
[0120]此外，垂直各向異性磁自由層，垂直各向異性固定層或兩者也可以由鐵磁性子層與非磁性材料的中間層以鐵磁性耦合形成的重復(fù)性多層膜結(jié)構(gòu)組成。
[0121 ]其中，鐵磁性子層包括過渡族金屬Co，F(xiàn)e，或Ni，或它們的結(jié)晶性二元合金(如鈷鐵，鐵鈷，NiFe合金)或三元合金(如CoFeNi或FeCoNi合金)，或與硼或其他無定形非晶合金形成元素構(gòu)成的磁性非晶合金(如(>^68，(:(^6(41，31)非晶合金)。而非磁性中間層包括貴金屬(Noble metals)，一般性的非磁性金屬及其合金。它們可以是Ag，Au，Pt，Pd;Cu，Cr，Mg，Al，Mn，Ru，Rh，Ir，Ta，Ti ,Zr ,Hf;它們之間的非磁性二元或多元合金;或由超過一種以上的上述非磁性材料構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)；或基于上述非磁性金屬，合金或多層結(jié)構(gòu)而形成的氧化物，氮化物或氮氧化物。該垂直磁各向異性來自于界面結(jié)構(gòu)所誘起的局域內(nèi)在應(yīng)力效應(yīng)，其強(qiáng)度與磁性多層膜的周期和磁性子膜的厚度成反比例關(guān)系。在其中一例優(yōu)選實(shí)施例中，垂直各向異性磁自由層，垂直各向異性固定層或兩者由鐵磁性子層Co與非鐵磁性中間層Pt以鐵磁性耦合形成的重復(fù)性多層膜結(jié)構(gòu)組成。在具體優(yōu)選實(shí)施磁性垂直各向異性多層膜還包括Co/Ag，Co/AU到Co/Pt，Co/Pd。其磁性垂直各向異性由弱轉(zhuǎn)強(qiáng)并具有可調(diào)節(jié)性。而且在同樣序列的Co/Pt，或Co/Pd強(qiáng)磁性垂直各向異性多層膜中，通過控制制膜工藝，調(diào)整磁性垂直各向異性多層膜的鐵磁性子層和中間層的膜厚比，或多層膜的重復(fù)周期同樣可調(diào)整其磁性垂直各向異性。非磁性材料應(yīng)適當(dāng)選擇以滿足垂直各向異性磁自由層，固定層對磁性垂直各向異性的不同須求。
[0122]此外，垂直各向異性磁自由層，或垂直各向異性固定層或兩者也可以是鐵磁性鈷鐵或鐵鈷合金與硼或其他無定形非晶合金形成元素構(gòu)成的磁性非晶合金層。并且它們由界面與磁隧道結(jié)的隧穿勢皇層(的氧化物層)相連接，并由鐵(Fe)的3d和氧(O)的2p軌道雜交形成磁垂直各向異性(薄膜絕緣層或隧穿勢皇層位于垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性磁自由層之間)。由于對應(yīng)于磁自由層或固定層/氧化物層的垂直各向異性的磁性各向異性能反比于磁自由層或固定層的物理膜厚，提升磁垂直各向異性要求該磁性非晶合金層為薄膜狀態(tài)。在其中一例優(yōu)選實(shí)施例中，MgO薄膜絕緣層與垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性固定層組成1&0/&^613(^「)和(>^613(^「)/]\%0結(jié)構(gòu)；其中七「〈1.5納米(nm)。垂直各向異性磁自由層和固定層受益于MgO/CoFeB或CoFeB/MgO界面的高自旋極化率或自旋扭矩傳遞效率和來自該界面的巨大磁垂直各向異性。在磁性器件的熱穩(wěn)定性獲得有限改善的同時(shí)，磁自由層的垂直磁化的自旋扭矩傳遞切換電流密度，或存儲位單元的寫操作電流密度將進(jìn)一步減小。但是，在減低和限制磁性非晶合金層CoFeB膜厚的同時(shí)，隧道磁阻(TMR)效應(yīng)將被減低。進(jìn)而可能限制STT-MRAM存儲器的讀/寫操作余量(operat1n margin)。在另一例利用軌道雜交形成磁垂直各向異性的優(yōu)化實(shí)例中，MgO薄膜絕緣層和垂直各向異性磁自由層由MgO(barrier )/CoFeB/Ta(Mg0)/CoFeB/Mg0( Ta，cap)結(jié)構(gòu)的多層膜構(gòu)成。根據(jù)需要該多層膜還可以其單元結(jié)構(gòu)CoFeB/Ta(Mg0)進(jìn)行周期復(fù)制以增加多層膜的集成厚度。其中，非磁性金屬中間層Ta可以用金屬氧化物層MgO薄層加以置換。反之依然，金屬氧化物層Mg0( cap)構(gòu)成的非磁性覆蓋層亦可以用非磁性金屬層Ta同時(shí)加以置換。這里，非磁性金屬中間層(覆蓋層)除使用 Ta 外，還可使用金屬 Ti，Zr，HfTi，Zr，Hf，Ag，Au，Pt，Pd;Cu，Cr，Mg，Al，Mn，Ru，Rh，Ir，或它們之間的非磁性二元或多元合金。同樣，非磁性金屬中間層(覆蓋層)除使用MgO外，還可使用諸如AlOx，TaOx，T1x，ZnOx等基于上述非磁性金屬，合金或多層結(jié)構(gòu)而形成的氧化物，氮化物或氮氧化物。此類型的垂直各向異性磁自由層的設(shè)置與上述的，由鐵磁性子層與非磁性材料的中間層以鐵磁性耦合形成的重復(fù)性多層膜結(jié)構(gòu)的垂直各向異性磁自由層具有重要的一致性和相似性。在此情況下，CoFeB，Ta，MgO等各子層或非磁性中間耦合層的膜厚仍為納米量級或更小。以產(chǎn)生較大的垂直磁各向異性。同時(shí)，由于垂直各向異性磁自由層使用該鐵磁性耦合的CoFeB多層膜(n>2)結(jié)構(gòu)，使其具有增強(qiáng)的隧道磁阻(TMR)效應(yīng)和磁性器件的熱穩(wěn)定性的較大的改善。
[0123]該垂直各向異性磁隧道結(jié)的隧穿勢皇層可以具有結(jié)晶或無定形非晶結(jié)構(gòu)。可以具是(001 )MgO結(jié)晶體氧化層，或由元素Al，Ti，Ta，Zn，Hf和Zr所形成的非晶體氧化層。它也可以是由這些不同氧化物之間形成的混合或化合物組成的氧化層。它也可以是由上述不同的元素或合金的氮氧化物層，或由超過一種以上的上述元素構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。隧穿勢皇層可以利用濺射金屬薄膜的自然氧化或等離子體氧化法實(shí)現(xiàn)，或采用射頻濺射氧化物靶材的方法制成。取根據(jù)器件設(shè)計(jì)和可靠性要求，該垂直各向異性磁隧道結(jié)的電阻面積之積(RA)可在個位到兩位數(shù)的Ωμπι2范圍內(nèi)調(diào)節(jié)變化。垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)元件的電阻面積之積的范圍可適當(dāng)提高，以提升了器件的壽命期間和失效電壓閥值，有利于實(shí)現(xiàn)STT-MRAM存儲器的高可靠性運(yùn)行。并在垂直各向異性磁固定層/隧穿勢皇層以及隧穿勢皇層/垂直各向異性磁自由層之間的界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝/工程優(yōu)化設(shè)計(jì)以最大限度地提高自旋極化和隧道磁阻(TMR)效應(yīng)以保證STT-MRAM存儲器有足夠的讀/寫操作余量(operat1n margin)。
[0124]如圖4b所示，若垂直各向異性磁固定層將位于垂直各向異性磁隧道結(jié)多層膜的頂部，則垂直各向異性磁自由層則位于該磁隧道結(jié)底部的籽晶層(圖中未顯示)之上，且處于隧穿勢皇層之下。在某些情況下，為了形成垂直各向異性磁自由層特定的生長織構(gòu)，或應(yīng)對成膜的復(fù)雜性，而使用頂部垂直各向異性磁固定層。其中，非磁性籽晶層可以是Ru，Rh，Ta，Ti ,Zr ,HfTi ,Zr ,Hf，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Mg，Al，它們之間的二元或多元合金，由超過一種以上的上述非磁性材料構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，或它們的氧化物或氮化物。
[0125]圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件另一實(shí)施例。該磁性元件仍為具有下層(圖5a)或上層(圖5b)固定的垂直各向異性磁自旋閥結(jié)構(gòu)(spin valve)。其分別具有鐵磁性親合的復(fù)合垂直各向異性磁固定層和磁自由層。其中，PL和PL’表示垂直各向異性磁固定層的兩磁性子層，Spacer Layer表示隔離層，F(xiàn)L和FL ’表示垂直各向異性磁自由層的兩磁性子層，Intermediate Layer I，2表示其第I，第2中間層，Mi和M’?表不垂直各向異性磁固定層的兩磁性子層的垂直磁化，M2和M’2表不垂直各向異性磁自由層的兩磁性子層的垂直磁化。
[0126]如圖5所示(圖5b為頂部垂直各向異性磁固定層的情形)，本發(fā)明提供下述使用在STT-MRAM存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)元件結(jié)構(gòu)。該磁隧道結(jié)元件由復(fù)合垂直各向異性磁固定層(PL，PL’)，復(fù)合垂直各向異性磁自由層(FL，F(xiàn)L’)，隔離復(fù)合垂直各向異性磁固定層和復(fù)合垂直各向異性磁自由層的非磁性隔離層(SP)或薄膜絕緣層，鐵磁性耦合垂直各向異性磁固定子層PL，PL’的第一中間層(intermediate layer)，及鐵磁性親合垂直各向異性磁自由子層FL，F(xiàn)L’的第二中間層構(gòu)成。復(fù)合垂直各向異性磁自由層或磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能。該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。薄膜絕緣層或隧穿勢皇層(tunnel ingbarrier)位于復(fù)合垂直各向異性磁固定層和自由層的之間。兩中間層(intermediatelayerl，2)各自分別位于復(fù)合垂直各向異性磁固定層和自由層的子層之間。同時(shí)，該垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)的覆蓋層鄰接此復(fù)合垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)。當(dāng)寫電流(write current)通過該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其復(fù)合垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0127]其中，該磁隧道結(jié)元件的復(fù)合垂直各向異性磁固定層或磁自由層的子層(PL’，F(xiàn)L’，)由鐵磁性鈷鐵或鐵鈷合金與硼或其他無定形非晶合金形成元素構(gòu)成的磁性非晶合金層，或鐵磁性Heusler合金層的薄膜或多層膜構(gòu)成。它們的一側(cè)與薄膜絕緣層的氧化膜連接，另一側(cè)分別與第一或第二層中間層相鄰。其磁性材料結(jié)構(gòu)可以相同或相異，但它們都具有與磁隧道結(jié)的隧穿勢皇層(的氧化物層)的界面產(chǎn)生的鐵(Fe)或鈷(Co)的3d和氧(O)的2p軌道雜交形成的磁垂直各向異性，以及高自旋極化率或自旋扭矩傳遞效率。而復(fù)合垂直各向異性磁自由層或磁固定層的子層(FL，PL)則可具有3.1節(jié)所述之磁性垂直各向異性膜之中的任何一種或組合結(jié)構(gòu)。FL和PL兩者的結(jié)構(gòu)或構(gòu)成不同以滿足復(fù)合垂直各向異性磁自由層或磁固定層的設(shè)計(jì)要求。使用于復(fù)合垂直各向異性磁固定層和自由層內(nèi)的中間層可以是仙，詘，了&，1^，21^11，21!^，01，48，411，？丨，？(1，(>，1^41，鐵，鈷，鎳或鈷鐵或鐵鈷等它們的鐵磁性合金，或它們的多層膜，合金，氧化物，氮化物或氮氧化物。在其中一例優(yōu)選實(shí)施例中，復(fù)合垂直各向異性磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)為(C0/Pt)n/Ta(Ru)/C0FeB/C0Fe(PL)/MgO(SP)/CoFe/C0FeB/Ta(Ru)/(C0/Ni)n(FL)/覆蓋層。復(fù)合垂直各向異性磁固定層和自由層內(nèi)的高自旋極化子層為CoFeB/CoFe。第一及第二中間層為)Ta(Ru)薄膜以保持復(fù)合垂直各向異性磁固定層和自由層內(nèi)的內(nèi)外層之間的鐵磁性耦合并改善不同部位的膜結(jié)構(gòu)及結(jié)晶織構(gòu)，例如實(shí)現(xiàn)(001) CoFeB與(011)或(111) (Co/Pt)和(Co/Ni)之間的織構(gòu)轉(zhuǎn)變。由此構(gòu)成的垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)有利提高隧道磁阻(TMR)效應(yīng)與降低磁隧道結(jié)元件的寫操作開關(guān)電流，并提高STT-MRAM存儲器的存儲密度。在另一例優(yōu)化實(shí)例中，垂直各向異性磁自由層和固定層分別為MgO/CoFeB/PdCo和FePt/CoFeB/MgO。其中，中間層的膜厚為零。MgO/CoFeB或CoFeB/MgO界面的高自旋極化率或自旋扭矩傳遞效率和來自垂直各向異性合金PdCo或FePt的巨大磁垂直各向異性，在增加巨大的隧道磁阻(TMR)效應(yīng)和磁性器件的熱穩(wěn)定性的同時(shí)，減小磁自由層的垂直磁化的自旋扭矩傳遞切換電流密度，或存儲位單元的寫操作電流密度。
[0128]圖6示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件另一實(shí)施例。該磁性元件具有反鐵磁性耦合固定層的垂直各向異性磁自旋閥結(jié)構(gòu)(spin valve)。其中，PL和PL’表示垂直各向異性磁固定層的兩磁性子層，Spacer Layer表示隔離層，F(xiàn)L表示垂直各向異性磁自由層，Interlayer couple Layer表示層間反鐵磁性親合層，Mi和M ’ ?表不垂直各向異性磁固定層的兩磁性子層的垂直磁化，M2表不垂直各向異性磁自由層的垂直磁化ο如圖6所示，本發(fā)明提供下述使用在STT-MRAM存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)元件結(jié)構(gòu)。該磁隧道結(jié)元件由復(fù)合垂直各向異性磁固定層(PL，PL’)，垂直各向異性磁自由層(FL)，隔離復(fù)合垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性磁自由層的非磁性隔離層(SP)或薄膜絕緣層，及垂直各向異性磁固定子層PL，PL’的反鐵磁性耦合中間層(Interlayer couple Layer)構(gòu)成。垂直各向異性磁自由層或復(fù)合垂直各向異性磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能。該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。薄膜絕緣層或隧穿勢皇層(tunnel ingbarrier)位于復(fù)合垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性自由層之間。中間層(intermediate layer)各則位于復(fù)合垂直各向異性磁固定層的子層之間。同時(shí)，該垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)的覆蓋層鄰接此垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)。當(dāng)寫電流(write current)通過該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0129]其中，該磁隧道結(jié)元件的復(fù)合垂直各向異性磁固定層的子層和垂直各向異性磁自由層則可具有所述磁性垂直各向異性膜之中的任何一種或組合結(jié)構(gòu)。其磁性材料結(jié)構(gòu)可以相同或相異，但其結(jié)構(gòu)或構(gòu)成須滿足復(fù)合垂直各向異性磁自由層或磁固定層的設(shè)計(jì)要求。用于反鐵磁親合的復(fù)合垂直各向異性磁固定層的中間層可以是Ru，Rh，Cr，Ti，Zr，Hf，Ta，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Mg，Al，或它們的合金。一種典型的情況是通過Ru或Cr非磁性薄膜中間層產(chǎn)生的反鐵磁性耦合。在其中一例優(yōu)選實(shí)施例中，反鐵磁耦合的復(fù)合垂直各向異性磁固定層的結(jié)構(gòu)為(Co/Pt )m/Ru/(Co/Pt) η/CoFeB/CoFe (PL) /MgO (SP)0具有該反鐵磁耦合作用的復(fù)合垂直各向異性磁固定層的采用有利于建立磁單疇的多層膜結(jié)構(gòu)，提高垂直各向異性磁固定層的固定強(qiáng)度，或減低作用于垂直各向異性磁自由層的偏移外場。在具有反鐵磁耦合作用的復(fù)合垂直各向異性磁固定層的磁隧道結(jié)元件的優(yōu)選實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)為磁隧道結(jié)的籽晶層(圖中未顯示)/(Co/Pt )m/Ru/(Co/Pt)n/Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/MgO ；亦或磁隧道結(jié)的籽晶層/C0FeB/MgO/C0FeB/Ta/(C0/Pt)m/Ru/(C0/Pt)n/Ta。其垂直各向異性磁固定層的反鐵磁耦合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)垂直各向異性磁固定層的固定強(qiáng)度和隧道磁阻(TMR)效應(yīng)。
[0130]圖7示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁性元件另一實(shí)施例。該磁性元件具有反鐵磁性耦合固定層的垂直各向異性磁自旋閥結(jié)構(gòu)(spin valve)。垂直各向異性磁固定層由子層PL，PL’和PL”構(gòu)成。其中，垂直各向異性磁固定子層PL’和PL”為鐵磁耦合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合層與子層PL由層間反鐵磁性耦合層(Interlayer couple Layer)介在構(gòu)成反鐵磁性親合固定層。垂直各向異性磁自由層為單層FL(圖7a)或鐵磁親合的FL和FL’的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)(圖7b)。其中，Spacer Layer表示隔離層，Intermediate Layer及其I，2表示中間層，Mi，Μ’ ι和Μ” I表示垂直各向異性磁固定層的磁性子層的垂直磁化，M2和M ’ 2表不垂直各向異性磁自由層或磁性子層的垂直磁化。如圖7所示，本發(fā)明提供下述使用在STT-MRAM存儲位單元中的垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)元件結(jié)構(gòu)。如圖7a該磁隧道結(jié)元件由復(fù)合垂直各向異性磁固定層(PL，PL’，PL”)，垂直各向異性磁自由層FL，隔離復(fù)合垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性磁自由層的非磁性隔離層(SP)或薄膜絕緣層，及鐵磁性親合垂直各向異性磁固定子層PL’和PL”的中間層(intermediatelayer )，及反鐵磁性親合垂直各向異性磁固定子層PL和PL’的層間反鐵磁性親合層(Interlayer couple Layer)構(gòu)成。垂直各向異性磁自由層或復(fù)合垂直各向異性磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能。該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。薄膜絕緣層或隧穿勢皇層(tunnel ingbarrier)位于復(fù)合垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性自由層之間。同時(shí)，該垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)的覆蓋層鄰接此垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)。當(dāng)寫電流(write current)通過該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0131]如圖7b所示，當(dāng)垂直各向異性磁自由層為復(fù)合結(jié)構(gòu)(FL，F(xiàn)L’)時(shí)，該磁隧道結(jié)元件由復(fù)合垂直各向異性磁固定層(PL，PL’，PL”)，復(fù)合垂直各向異性磁自由層(FL，F(xiàn)L’)，隔離復(fù)合垂直各向異性磁固定層和復(fù)合垂直各向異性磁自由層的非磁性隔離層(SP)或薄膜絕緣層，鐵磁性耦合垂直各向異性磁固定子層PL’和PL”的第一中間層，鐵磁性耦合垂直各向異性磁自由子層FL和FL’的第二中間層，及反鐵磁性親合垂直各向異性磁固定子層PL和PL’的層間反鐵磁性親合層(Interlayer couple Layer)構(gòu)成。復(fù)合垂直各向異性磁自由層或垂直各向異性磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能。該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。薄膜絕緣層或隧穿勢皇層(tunneling barrier)位于復(fù)合垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性自由層之間。同時(shí)，該垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)的覆蓋層鄰接此復(fù)合垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)。當(dāng)寫電流(write current)通過該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其復(fù)合垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0132]其中，該磁隧道結(jié)元件的復(fù)合垂直各向異性磁固定層的子層和垂直各向異性磁自由層則可具有所述磁性垂直各向異性膜之中的任何一種或組合結(jié)構(gòu)。其磁性材料結(jié)構(gòu)可以相同或相異，但其結(jié)構(gòu)或構(gòu)成須滿足復(fù)合垂直各向異性磁自由層或磁固定層的設(shè)計(jì)要求。用于反鐵磁親合的復(fù)合垂直各向異性磁固定層的中間層可以是Ru，Rh，Cr，Ti，Zr，Hf，Ta，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Mg，Al，或它們的合金。其中，一種典型的情況是通過Ru或Cr非磁性薄膜中間層產(chǎn)生的反鐵磁性耦合。同樣，使用于復(fù)合垂直各向異性磁固定層和自由層內(nèi)的鐵磁性親合中間層可以是此，1^，了&，11，21!^，01，六8 411，？1?(1，(>，1%，六1，鐵，鈷，鎳或鈷鐵或鐵鈷等它們的鐵磁性合金，或它們的多層膜，合金，氧化物，氮化物或氮氧化物。在其中一例優(yōu)選實(shí)施例中，具有鐵磁及反鐵磁耦合的復(fù)合垂直各向異性磁固定層的結(jié)構(gòu)為(Co/Pt)m/Ru/(Co/Pt)n/Ta (Ru) /CoFeB/CoFe (PL) /MgO (SP)。而鐵磁耦合的復(fù)合垂直各向異性磁自由層的結(jié)構(gòu)為 MgO(SP)/CoFe(FL)/CoFeB/(Co/Ni)m’/Ta(Ru)/(Co/Ni)n’。在具有該類型復(fù)合垂直各向異性磁固定層和磁自由層的磁隧道結(jié)元件的優(yōu)選實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)為磁隧道結(jié)的籽晶層(圖中未顯示 / (Co/Pt )m/Ru/(Co/Pt )n/Ta (Ru)/CoFeB/CoFe/MgO/CoFe/CoFeB/ (Co/Ni)m’/Ta(RU)/(C0/Ni)n7覆蓋層(圖中未顯示).使用反鐵磁耦合作用的復(fù)合垂直各向異性磁固定層的采用有利于建立磁單疇的多層膜結(jié)構(gòu)，提高垂直各向異性磁固定層的固定強(qiáng)度，或減低作用于垂直各向異性磁自由層的偏移外場。而使用鐵磁耦合結(jié)構(gòu)的復(fù)合垂直各向異性磁自由層可增強(qiáng)其隧道磁阻(TMR)效應(yīng)和STT-MRAM存儲位單元的寫操作裕度(operat1nmargin)。
[0133]圖8示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM存儲器的部分存儲位單元陣列。該陣列可采用獨(dú)立源線(source line)(圖8a)和源線共享(圖8b)的排列結(jié)構(gòu)。其中，CMOS為起開關(guān)作用的半導(dǎo)體晶體管，MTJ為垂直各向異性磁隧道結(jié)，BL表示位線，SL表示源線，WL表示字線。
[0134]圖9示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的ST T -M R AM存儲器的部分內(nèi)存架構(gòu)(architecture)。其中，CM0S為起開關(guān)作用的半導(dǎo)體晶體管，MTJ為垂直各向異性磁隧道結(jié)。它包括用于讀操作的參考列(reference column)。與存儲陣列通過位線(bit lines)，源線和字線(word line)與諸如寫驅(qū)動器(write drive)，字線行解碼器(word line rowdecoder)，位線列解碼器(bit line column decoder)和檢測放大器(sense amplifier)等外圍電路聯(lián)接并集成建成內(nèi)存架構(gòu)。
[0135]如圖8和9所示，本發(fā)明提供垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)元件，以此為基礎(chǔ)的STT-MRAM存儲位單元，和由存儲位單元構(gòu)成的STT-MRAM存儲陣列和架構(gòu)。圖8中所顯示的是具有源線獨(dú)立(圖8a)和源線共享(圖8b)的部分STT-MRAM存儲位單元陣列。在STT-MRAM高密度存儲應(yīng)用中，如果STT-MRAM存儲位單元采用獨(dú)立源線排列與DRAM設(shè)計(jì)規(guī)則兼容的布局，位單元面積估計(jì)為6F2。而通過源線共享陣列布置減少平均位單元面積，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)兩位數(shù)百分比的STT-MRAM的存儲容量的增加。圖9所示的是由一個輸入和輸出模塊電路組成的STT-MRAM存儲器的架構(gòu)模塊(block of memory architecture)。它包括字線行解碼器(wordline row decoder)位線列解碼器(bit line column decoder)，寫驅(qū)動器(write drive)和傳感放大器(sense amplifier) dTT-MRAM存儲位單元陣列(包括為讀操作設(shè)置的參考列)經(jīng)電路集成并通過位線，源線和字線實(shí)現(xiàn)與外圍電路連接和正常的讀/寫操作。如上所述，在讀/寫過程中，通過外圍電路控制提供給位線，源線和字線上的電壓，可以很容易地選擇和訪問任何特定的位單元。通過該存儲陣列和架構(gòu)，STT-MRAM存儲器可充分得益于本發(fā)明提供的垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)元件的設(shè)計(jì)和問題解決方案。
[0136]本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM存儲器具有如下技術(shù)優(yōu)點(diǎn):
[0137](I)在合適的工藝和磁性器件設(shè)計(jì)保證器件的熱穩(wěn)定性的情況下，垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)元件的寫入電流可低至數(shù)十微安并保持恒定。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)(technology node)的減小至20納米或以下，此情況并無實(shí)質(zhì)變化。因此STT-MRAM存儲器具有良好的可擴(kuò)展性(scalabi I ity)，適合在高密度數(shù)據(jù)存儲和記憶中的應(yīng)用。
[0138](2)由于垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)元件的垂直磁化的雜散磁場分布范圍窄小，極大的降低了此類磁隧道結(jié)元件之間的外場相互作用和干擾，和垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)元件的寫入電流分布。有利于STT-MRAM存儲器的安定性的提高和高密度化。
[0139](3)由于垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)元件的熱穩(wěn)定性獲得很大的改善，當(dāng)半導(dǎo)體工業(yè)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)(technology node)減小至20納米或以下，其熱穩(wěn)定性仍可滿足設(shè)計(jì)要求。有利于STT-MRAM存儲器的高密度化。同時(shí)，STT-MRAM存儲器具有良好的數(shù)據(jù)信息保持期(dataretent1n)。在一般待機(jī)狀況下，記錄的數(shù)據(jù)信息可保持長達(dá)10年之久并無須使用電源。屬于非揮發(fā)性存儲器及應(yīng)用。
[0140](4)由于垂直各向異性MTJ磁隧道結(jié)元件的使用阻值范圍偏高，因而提升了器件的壽命期間和失效電壓閥值，有利于實(shí)現(xiàn)STT-MRAM存儲器的高可靠性運(yùn)行。因此，STT-MRAM存儲器具有寫周期的優(yōu)異耐久性(endurance)。按一般設(shè)計(jì)，耐久性可高達(dá)116寫周期。
[0141](5) STT-MRAM存儲器具有高速讀/寫功能。寫操作可以在短至幾納秒(nano-seconds) 內(nèi)完成。適合于使用在 SRAM 中起主要作用的應(yīng)用領(lǐng)域，諸如高速緩沖存儲器和在SOC領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)，它屬于低功耗存儲器。在典型的使用情況下，讀/寫操作的運(yùn)行功耗僅為幾個微微焦耳(pico-Joule)，適合于在低功耗和移動設(shè)備上的應(yīng)用。
[0142](6)STT-MRAM存儲器具備良好的系統(tǒng)及工藝兼容性。STT-MRAM適用于兼容并取代SOC內(nèi)的存儲器元件，諸如ROM和DRAM存儲器等，以節(jié)省空間，提高的存儲器集成度，降低功耗，提尚性能及功效。
[0143]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種垂直各向異性磁性元件，與半導(dǎo)體晶體管電路連接，其特征在于，所述垂直各向異性磁性元件包括: 磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能； 非磁性隔離層，附著于所述磁固定層上； 磁自由層，附著于所述非磁性隔離層上，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；以及 覆蓋層，附著于所述磁自由層上，且與半導(dǎo)體晶體管電路連接； 當(dāng)寫電流通過所述垂直各向異性磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。2.如權(quán)利要求1所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述非磁性隔離層為隧穿勢皇層。3.—種垂直各向異性磁性元件，與半導(dǎo)體晶體管電路連接，其特征在于，所述垂直各向異性磁性元件包括: 磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能； 磁固定層子層，具有高自旋極化率，且與所述磁固定層鐵磁性耦合形成復(fù)合型磁固定層； 隧穿勢皇層，附著于所述磁固定層子層上，包括MgO結(jié)晶層； 磁自由層子層，附著于所述隧穿勢皇層上，具有高自旋極化率； 磁自由層，與所述磁自由層子層鐵磁性耦合形成復(fù)合型磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；以及 覆蓋層，位于所述磁自由層和外部的半導(dǎo)體晶體管電路之間； 當(dāng)寫電流通過所述垂直各向異性磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。4.一種垂直各向異性磁性元件，連接于半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分;其特征在于，所述磁性元件包括: 磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能； 非磁性層間耦合層，附著于所述磁固定層上； 磁參照層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，通過非磁性層間親合層與所述磁固定層形成反鐵磁親合結(jié)構(gòu)； 隧穿勢皇層，附著于所述磁參照層上;包括MgO結(jié)晶層； 磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；以及覆蓋層，位于所述磁自由層和外部的半導(dǎo)體晶體管電路之間； 當(dāng)寫電流通過該磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。5.—種垂直各向異性磁性元件，連接于半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分，其特征在于，所述垂直各向異性磁性元件包括: 磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能； 非磁性層間耦合層，附著于所述磁固定層上； 磁參照層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，并通過非磁性層間親合層與垂直各向異性磁固定層形成反鐵磁親合結(jié)構(gòu)； 磁固定層子層，具有高自旋極化率，且與垂直各向異性磁參照層鐵磁性耦合形成復(fù)合型磁參照層； 隧穿勢皇層，附著于所述磁固定層子層上;包括MgO結(jié)晶層； 磁自由層子層，具有高自旋極化率； 磁自由層，與所述磁自由層子層鐵磁性耦合形成復(fù)合型磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；以及 覆蓋層，位于所述磁自由層和外部的半導(dǎo)體晶體管電路之間； 當(dāng)寫電流通過該磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，在所述磁自由層、磁自由子層、磁參照層、磁參照子層、磁固定層和磁固定子層中，至少其中之一包含由過渡族金屬Co，F(xiàn)e，Ni或它們的合金之間交互而成的多層膜結(jié)構(gòu)。7.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，在所述磁自由層、磁自由子層、磁參照層、磁參照子層、磁固定層和磁固定子層中，至少其中之一包含由過渡族金屬Co，F(xiàn)e，Ni或它們的合金與貴金屬Ag，Au，Pt，Pd或它們的合金交互而成的多層膜結(jié)構(gòu)。8.如權(quán)利要求6或7所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述磁多層膜結(jié)構(gòu)具有(111)及(011)的優(yōu)先結(jié)晶取向及織構(gòu)。9.如權(quán)利要求3或5所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，在所述磁自由層、磁固定層、磁參照層、磁自由層子層或磁固定層子層與隧穿勢皇層的界面上具有結(jié)晶學(xué)織構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)上的匹配，以產(chǎn)生高自旋極化率和并提供高自旋扭矩傳遞效率。10.如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述磁性元件的非磁性層間親合層包括非磁性金屬Ru，Rh，Ta，Cu，Cr，Au，Pt，Pd，或它們之間的合金Ru(i—X)Tax 和 Ru(1-x)Cr X 合金，x〈0.5。11.如權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述磁性元件還包括非磁性籽晶層，設(shè)置在所述磁自由層和所述磁固定層之間，用于促進(jìn)垂直各向異性磁自由層和磁固定層多層膜的成長。12.如權(quán)利要求11所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述非磁性籽晶層至少包含下列之一:非磁性金屬 Ru，Rh，Ta，Ti，Zr，hf，Nb，V，W，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Ir，Os，Re，Mg，Al，Si，B，或它們之間的合金，多層膜，氧化物及氮化物。13.如權(quán)利要求12所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述非磁性籽晶層還包括磁性過渡族金屬Co，F(xiàn)e，Ni，它們相互之間形成的合金，或與所述非磁性金屬之間相互形成合金，多層膜，氧化物及氮化物。14.如權(quán)利要求1-13任一項(xiàng)所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述覆蓋層可優(yōu)化元件的性能并改善磁性元件在高溫條件下的熱穩(wěn)定性，它包括非磁性金屬Ru，Rh，Ta，Ti，Zr，hf，Nb，V，W，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Ir，Os，Re，Mg，Al，Si，B，或它們之間的合金，多層膜，氧化物及氮化物。15.—種垂直各向異性磁性元件，連接于半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分;其特征在于，所述垂直各向異性磁性元件包括: 磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能； 第一磁性中間層或第一非磁性中間層； 磁固定層子層，具有高自旋極化率，與所述第一磁性中間層或第一非磁性中間層和所述磁固定層耦合形成復(fù)合型磁固定層； 隧穿勢皇層，附著于所述磁固定層子層上，包括MgO結(jié)晶層； 磁自由層子層，具有高自旋極化率； 第二磁性中間層或第二非磁性中間層； 磁自由層，與所述第二磁性中間層或第二非磁性中間層和所述磁自由層子層耦合形成復(fù)合型磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；以及 覆蓋層，它鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分； 當(dāng)寫電流通過所述垂直各向異性磁性元件時(shí)，磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。16.—種垂直各向異性磁性元件，連接于半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分;其特征在于，所述垂直各向異性磁性元件包括: 磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能； 非磁性層間耦合層； 磁參照層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，通過非磁性層間親合層與所述磁固定層形成反鐵磁親合結(jié)構(gòu)； 磁性中間層或非磁性中間層； 磁參照層子層，具有高自旋極化率； 隧穿勢皇層，附著于所述磁參照層子層上，包括MgO結(jié)晶層； 磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，以及 覆蓋層，它鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分； 當(dāng)寫電流通過該磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。17.如權(quán)利要求16所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述磁自由層為復(fù)合型結(jié)構(gòu)，包括: 磁自由層子層，具有高自旋極化率； 第二磁性中間層或第二非磁性中間層； 磁自由層，通過所述第二磁性中間層或第二非磁性中間層與所述磁自由層子層耦合形成復(fù)合型磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。18.如權(quán)利要求16或17所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述磁參照層相對于垂直各向異性磁固定層具有非平衡垂直磁化結(jié)構(gòu);前者相對于后者具有較小的膜厚垂直磁化之積，通過鄰近效應(yīng)以減小作用于垂直各向異性磁自由層的雜散磁場。19.如權(quán)利要求15-17任一項(xiàng)所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，在所述磁自由層、磁自由子層、磁參照層、磁參照子層、磁固定層和磁固定子層中，至少其中之一包含由過渡族金屬Co，F(xiàn)e，Ni或它們的合金之間交互而成的超薄型多層膜結(jié)構(gòu)。20.如權(quán)利要求15-17任一項(xiàng)所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，在所述磁自由層、磁自由子層、磁參照層、磁參照子層、磁固定層、磁固定子層中，至少其中之一包含由過渡族金屬Co，F(xiàn)e，Ni或它們的合金與貴金屬Ag，Au，Pt，或Pd交互而成的超薄型多層膜結(jié)構(gòu)。21.如權(quán)利要求1-17任一項(xiàng)所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述磁自由層或磁自由子層由具有高磁垂直各向異性且具有低自旋軌道相互作用的磁性層構(gòu)成。22.如權(quán)利要求21所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述磁自由層由MgO/CoFeB/Ta (MgO) /CoFeB/MgO (Ta)結(jié)構(gòu)的多層膜集成。23.如權(quán)利要求21-22所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述磁性自由層在熱處理后，膜結(jié)構(gòu)具有(001)的優(yōu)先結(jié)晶取向及織構(gòu)。24.如權(quán)利要求16或17所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，所述磁參照層相對于垂直各向異性磁固定層具有非平衡垂直磁化結(jié)構(gòu);前者相對于后者具有較小的膜厚垂直磁化之積，通過鄰近效應(yīng)以減小作用于垂直各向異性磁自由層的雜散磁場;且所述磁參照層由MgO/CoFeB/Ta(MgO)/CoFeB/MgO(Ta)結(jié)構(gòu)的多層膜，以及(001)的優(yōu)先結(jié)晶取向及織構(gòu)的高自旋極化率的磁性層構(gòu)成。25.如權(quán)利要求17-19任一項(xiàng)所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，非磁性中間層可按需求調(diào)節(jié)或分隔多層膜的局部結(jié)構(gòu)或結(jié)晶及織構(gòu)以利于元件的性能優(yōu)化，包括非磁性金屬汕，詘，了&，11，2廠1^，恥，￥，￥，0148，厶11，？扒？(1，0，1廠08，1^，]\%^1，318，或它們之間的合金，多層膜，氧化物及氮化物。26.如權(quán)利要求15-17任一項(xiàng)所述的垂直各向異性磁性元件，其特征在于，磁性中間層可按需求調(diào)節(jié)或分隔多層膜的局部結(jié)構(gòu)或結(jié)晶及織構(gòu)以利于元件的性能優(yōu)化，還包括磁性過渡族金屬Co，F(xiàn)e，Ni，它們相互之間形成的合金，或與非磁性金屬之間相互形成合金，多層膜，氧化物及氮化物。27.一種磁存儲器，包括多個磁性存儲位單元，多條字線和多條位線;每個磁性存儲位單元包括至少一個磁性元件和多個與連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分;其特征在于，每個或至少一個磁性元件由垂直各向異性磁固定層，垂直各向異性磁自由層，垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性自由層之間的非磁性隔離層和覆蓋層構(gòu)成，垂直各向異性磁自由層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔離層位于垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性磁自由層之間，覆蓋層鄰接自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分，當(dāng)寫電流通過該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。28.如權(quán)利要求27所述的磁存儲器，其特征在于，所述每個磁存儲位單元都包括至少一個半導(dǎo)體晶體管，該晶體管通過電路連接到所述的磁性元件。29.如權(quán)利要求27所述的磁存儲器，其特征在于，構(gòu)成所述磁性元件的非磁性隔離層包括隧穿勢皇層;且所述磁性元件的垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層還包括高自旋極化率磁性層子層，與垂直各向異性磁自由層和磁固定層鐵磁性耦合形成它們的復(fù)合型磁性層;并以此在垂直各向異性磁性層內(nèi)產(chǎn)生高自旋扭矩傳遞效率;所述構(gòu)成所述磁性元件的垂直各向異性磁固定層還包括通過非磁性層間耦合層的介在，垂直各向異性磁參照層與垂直各向異性磁固定層形成反鐵磁耦合結(jié)構(gòu)，并以此減低在垂直各向異性磁自由層內(nèi)產(chǎn)生的雜散磁場，該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。30.—種制備權(quán)利要求1-26任一項(xiàng)所述的垂直各向異性磁性元件的方法，其特征在于，包括下述步驟: 提供垂直各向異性磁固定層，它具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能； 提供非磁性隔離層； 提供垂直各向異性磁自由層，它具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔離層位于垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性磁自由層之間；和 提供覆蓋層，它鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分； 當(dāng)寫電流通過該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。31.—種制備權(quán)利要求1-26任一項(xiàng)所述的垂直各向異性磁性元件的方法，其特征在于，包括下述步驟: 提供垂直各向異性磁自由層，它具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能； 提供非磁性隔離層； 提供垂直各向異性磁固定層，它具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔離層位于垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層之間；和 提供覆蓋層，它鄰接垂直各向異性磁固定層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分； 當(dāng)寫電流通過該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
【文檔編號】H01L43/12GK105957961SQ201610576297
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月20日
【發(fā)明人】刁治濤, 李占杰, 羅逍
【申請人】湖北中部慧易數(shù)據(jù)科技有限公司