具有附帶垂直磁各向異性的層壓自由層的自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩隧道磁阻裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]信息存儲(chǔ)裝置以高容量制造并廣泛地用于將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)和其他消費(fèi)電子裝置中和/或檢索計(jì)算機(jī)和其他消費(fèi)電子裝置內(nèi)的數(shù)據(jù)。信息存儲(chǔ)裝置可以分類成易失性存儲(chǔ)裝置或非易失性存儲(chǔ)裝置，這取決于當(dāng)信息存儲(chǔ)裝置未供電時(shí)是否維持其存儲(chǔ)內(nèi)容。非易失性信息存儲(chǔ)裝置的示例包含磁性硬盤驅(qū)動(dòng)器和磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)裝置，其中的任一個(gè)都可以利用磁阻隧道結(jié)(MTJ)作為信息存儲(chǔ)或檢索操作的一部分。具體地，鑒于易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)裝置通常存儲(chǔ)數(shù)據(jù)作為電荷，MRAM裝置可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MTJ中，甚至當(dāng)存儲(chǔ)器裝置未供電時(shí)MTJ也會(huì)維持存儲(chǔ)內(nèi)容。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，每個(gè)MTJ包含具有被釘扎或固定的磁取向的基準(zhǔn)層和具有可以由(例如，來自于相鄰盤或由編程電流產(chǎn)生的)外部磁場改變的磁取向的自由層。當(dāng)自由層磁取向平行于基準(zhǔn)層磁取向時(shí)，所述MTJ處于低電阻狀態(tài)，并且當(dāng)自由層磁取向逆平行于基準(zhǔn)層磁取向時(shí)，所述MTJ處于高電阻狀態(tài)。如果(用可接受的切換速度)在高電阻狀態(tài)和低電阻狀態(tài)之間切換期望的MTJ所需的外部磁場和/或編程電流太大，或者如果MTJ被布置得太緊密地在一起，則一個(gè)或多個(gè)相鄰MTJ可以不合意地受影響或被意外地切換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]近年來，已有許多關(guān)于MTJ被授予專利的變化和改善，其中一些幫助緩解前述問題以當(dāng)MTJ被布置得緊靠彼此時(shí)允許更可靠的操作。例如，已經(jīng)研究一種自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM)，其中每個(gè)MTJ通過經(jīng)過MTJ的自旋極化電流的施加進(jìn)行切換(即“編程”)。STT-MRAM相對于磁場切換的MRAM具有顯著優(yōu)點(diǎn)，這已在近來被商業(yè)化。例如，STT-MRAM可以被縮放到更小尺寸，同時(shí)維持單個(gè)MTJ的可編程性(而沒有無心地和不期望地影響相鄰MTJ的編程)。此外，STT-MRAM可以用更少的編程電流編程，這減少了電力消耗和對散熱的相關(guān)聯(lián)要求。
[0004]然而，實(shí)施STT-MRAM的挑戰(zhàn)之一是最小化快速切換MTJ內(nèi)自由層的磁取向所需的編程電流，同時(shí)維持所記錄的數(shù)據(jù)的高熱穩(wěn)定性。減小的編程電流可以允許使用更小的存儲(chǔ)器單元晶體管，這可以充分減小所并入的存儲(chǔ)器裝置的整體尺寸。減小的編程電流要求也對應(yīng)于在寫入和感測期間MTJ兩端的減小的電壓，這可以降低隧道勢皇劣化和擊穿的可能性，且從而改善所并入的存儲(chǔ)器裝置的耐久性和可靠性。
[0005]因此，在本領(lǐng)域中需要一種改進(jìn)的MTJ，其可以使用減少的編程電流與可接受的熱穩(wěn)定性快速地且可靠地切換并且其適合于高容量制造和在縮減比例的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中的廣泛耐久使用。
【附圖說明】
[0006]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的能夠通過并入自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MTJ改進(jìn)的常規(guī)MRAM單元的示意圖。
[0007]圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MTJ的橫截面圖。
[0008]圖3是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MTJ的橫截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的能夠與常規(guī)自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MTJ—起操作或者能夠通過并入自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MTJ改進(jìn)的常規(guī)MRAM單元50的示意圖。
[0010]現(xiàn)在參照圖1，MRAM單元50包含MTJ堆棧52、存取晶體管54、位線56、字線58、源線60、讀取/寫入電路62、位線基準(zhǔn)64以及感測放大器66。MRAM單元50可以并入具有數(shù)個(gè)行和列的存儲(chǔ)器單元陣列。MTJ堆棧52可以可選地包含常規(guī)自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MTJ或根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的(具體參照圖2和圖3在本文描述的)自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MTJ。
[0011]當(dāng)選擇對MRAM單元50進(jìn)行編程(部分通過由字線58進(jìn)行的晶體管54的選擇性操作)時(shí)，讀取/寫入電路62經(jīng)由位線56、源線60以及晶體管54施加經(jīng)過MTJ堆棧52的編程電流。例如，讀取/寫入電路62可以在位線56和源線60之間施加寫入電壓，其中此類寫入電壓的極性確定自由層在MTJ堆棧52中的剩余磁化。具體地，MTJ堆棧52可以根據(jù)自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩原理操作，在這種情況下當(dāng)電子穿過MTJ堆棧52的自旋過濾器層時(shí)，所述編程電流的電子被自旋極化。在這種情況下，編程電流的自旋極化電子可以在MTJ堆棧52的自由層上施加轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩可以在寫入操作期間切換自由層的極性。
[0012]為了讀取MRAM單元50，使用感測電流來檢測MTJ堆棧52的電阻狀態(tài)，其中感測電流小于編程電流(使得感測不會(huì)切換MTJ堆棧52中的自由層極性)。讀取/寫入電路62可以經(jīng)由位線56、源線60和晶體管54向MTJ堆棧52應(yīng)用感測電流。根據(jù)MTJ堆棧52兩端的電阻感測MRAM單元50的編程狀態(tài)，而該電阻可以由位線56和源線60之間的電壓差確定。所述電壓差可以可選地由感測放大器66與基準(zhǔn)64比較。
[0013]圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MTJ200的橫截面圖。自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MTJ 200包含限定襯底平面203的導(dǎo)電基電極層202。在某些實(shí)施例中，自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MTJ 200可以被制作在導(dǎo)電襯底上，其中導(dǎo)電襯底的剩余部分用作導(dǎo)電基電極層202。在某些可替代的實(shí)施例中，導(dǎo)電基電極層202可以被制作為沉積在襯底(非導(dǎo)電的、半導(dǎo)電的或?qū)щ姷?上的金屬層(例如，NiCr)，所述金屬層可以被部分地或全部地(例如，通過常規(guī)蝕刻工藝)移除。
[0014]在圖2的實(shí)施例中，磁性基準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)210設(shè)置在基電極層202上。磁性基準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)210可以包含各種子層。例如，磁性基準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)210可以包含例如包括CoFeB的被釘扎層212。磁性基準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)210也可以包含由薄的非磁性除塵(dusting)層215(例如，釕)分離的一對反鐵磁性耦合釘扎層214、216。磁性基準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)210還可以可選地包含與基電極層202相鄰設(shè)置的外層218 (其可選地包括錳合金，如PtMn、IrMn, NiMn, FeMn)。
[0015]在圖2中，箭頭222描繪了在被釘扎層212中的剩余磁場方向，其對應(yīng)于與襯底平面203垂直的在被釘扎層212中的磁各向異性。箭頭224、226分別描繪了在釘扎層214、216中的剩余磁場方向，每個(gè)對應(yīng)于與襯底平面203垂直的磁各向異性。應(yīng)當(dāng)注意，如本文所用的術(shù)語“垂直”和“平行”不要求絕對的垂直或絕對的平行，而是分別要求近似垂直或近似平行(例如，在期望取向的+/-10°內(nèi))。
[0016]在圖2的實(shí)施例中，基準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)210的主要功能是將被釘扎層212的磁取向222維持在固定的(即“被釘扎”)取向中，盡管可以由為編程或感測而經(jīng)過自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MTJ200的自旋極化電流向被釘扎層212應(yīng)用磁性轉(zhuǎn)矩，并且不管自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MTJ 200可以從其環(huán)境經(jīng)歷的外部磁場。被釘扎層212可以由薄的非磁性金屬層213(例如，鉭)與反鐵磁親合被釘扎層214、216分離。
[0017]在圖2的實(shí)施例中，絕緣阻擋層230設(shè)置在層壓磁性基準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)210上，使得被釘扎層212被設(shè)置成與絕緣阻擋層230相鄰。在某些實(shí)施例中，絕緣阻擋層230可以優(yōu)選地包括具有厚度在8埃至20埃的范圍中的MgO，其在某些實(shí)施例中可以提供范圍在I Ω ym2至6 Ω μ m2的電阻區(qū)域積(“RA” )。
[0018]在圖2的實(shí)施例中，層壓磁性自由層240設(shè)置在絕緣阻擋層230上。在某些實(shí)施例中，層壓磁性自由層240可以包含至少三個(gè)子層242、244、246，每個(gè)子層由非磁性金屬除塵層與相鄰子層分離。例如，在圖2的實(shí)施例中，子層242由非磁性金屬除塵層243與子層244分離，并且子層244由非磁性金屬除塵層245與子層246分離。在圖2的實(shí)施例中，所述非磁性金屬除塵層243、245中的每個(gè)可以優(yōu)選地是具有厚度在I埃至7埃的范圍中的鉭除塵層。
[0019]在圖2的實(shí)施例中，層壓磁性自由層240的子層242和246中每個(gè)可以優(yōu)選地是具有厚度在6埃至16埃的范圍中的CoFeB子層。在某些實(shí)施例中，層壓磁性自由層240的子層244也可以是具有厚度在6埃至16埃的范圍中的CoFeB子層。在某些實(shí)施例中，層壓磁性